竖向荷载作用下根-土界面指标的特征探究

陈 新，李光范，胡 伟，丰 田，赵 璞

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

竖向荷载作用下根-土界面指标的特征探究

陈 新，李光范，胡 伟，丰 田，赵 璞

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

为探索乔木根系在浅层土体中的摩阻特性，对土中乔木根系进行了竖向拉出试验.首先通过数据的整体特征，对乔木根系受拉过程的表现进行阶段的划分，并建立相对应的表征数据概念，同时对受拉过程进行分析.试验结果表明：乔木根系在土中受拉直至拔出的过程存在明显的几个阶段，每个阶段均呈现不同的特性，可以利用拉力-位移曲线进行直观判断；同时，在施加竖向拉力的同时，对于不同倾斜角度(试验研究的倾斜角度在30°～90°)的根系样本，其所呈现的受拉特性也不相同，主要体现在：大量的特征指标(包括剪切斜率、平台位移、第二位移及松弛斜率)随着倾斜角度的增大均表现出线性变化，或随着倾斜角度的正弦值或余弦值表现出规律变化.研究成果为拓展乔木根系对边坡防护的治理提供了一定的借鉴，对乔木的固土护坡及相关的植被护坡研究有积极的意义.

生态护坡； 乔木； 根系； 受拉特性； 滑坡

植被护坡的实现有赖于根系对边坡土体粘聚强度的提高以及根系与土体之间所产生的摩擦力，进而促进土体抗剪强度的提高.研究表明，植被以这些显著且重要的方式对边坡表面与土体的稳定性起到积极的保护作用[1-7]，植被护坡也因此成为边坡防护的重要措施[8].国内外的学者对植物根系与土体间的相互作用进行了研究：L.P.H.Van Beek等[9-11]通过有限差分法、极限平衡法、有限元法评价了植物根系对边坡土体的加强作用；王剑敏等[12-15]对木本植物、灌木植物根系的单根抗拉力、抗拉强度进行了研究，得到了根系抗拉力与直径呈现正相关的关系，抗拉强度与直径呈现反相关的关系；周跃[16-17]等对高大乔木侧根的斜向牵引作用进行了试验，通过研究发现侧根对土体的抗张强度有提高作用； 宋维峰等[18]通过试验得出，对灌木植物而言，根系提高土体强度的主要原因之一是土体与根系变形模量存在一定的差异，因此土体与根系之间会产生相互错动，而土体与根系之间的摩擦黏结所产生的摩擦阻力对这种错动会产生抵抗，因而土体与根系间的摩擦阻力与土体共同承担和传递外部荷载，从而对边坡土体起到了加固作用.

植物主要通过浅层根系的加筋作用和深层垂直根系的锚固作用来稳固边坡土体[1].大量研究是针对根-土复合体的物理力学性质来设计室内外的直剪和三轴试验，但对于根系在土中受拉的特性研究却鲜有见刊，为此，本文在已有的根-土相互作用研究的基础上，对橡胶树根进行了模拟的土中拉拔试验，研究了乔木根系在拉拔过程中的受力特性，并利用新的指标及分析方法，实现了模型的简单构筑，旨在得到具有开拓性的研究思路，以便为植被护坡的相关研究提供参考.

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.1.1 试验用土的处理 试验土样为我国海南地区常见的红粘土(图1)，含水量为10%左右，密度为1.33 g·cm-3，在对其进行基本物理力学性质的试验后，得到相关指标(表1).为避免大直径土块对试验的影响，在试验前对土样进行过筛处理，并摊铺在室内，静置约三周，使其含水量逐渐趋于稳定，以有利于配置试验所需的目标含水量.

表1 试验用土的物理性质

图1 试验用土

图2 试验用树根

2.1.2 试验用根系 试验选取橡胶树根系作为试验用乔木根系样本(图2).考虑到实际的根系生长情况及试验的要求，本试验使用的样本根系在土中皆为近似竖直向下生长的树根，长度在300～600 mm，直径在10～30 mm.

由于试验涉及同一树根的多次使用，因此为保证根系样本在试验周期内始终保持较为新鲜的状态，所有试验用根系样本在试验周期内均被采取了较好的养护措施.具体的养护方法是：将树根埋置在已准备好的高约250 mm的试验土槽(1 500 mm×400 mm×250 mm，装满红粘土)中，并使用喷雾器定期喷湿土壤，以保持通风.

2.1.3 试验装置 本试验的试验装置(图3)主要由以下几部分组成：试验箱(长2 000 mm、宽1 000 mm、高500 mm)、拉力装置(数显式拉力机、数显式卡尺、拉力机试验架、钢丝绳)、钢架(高2 000 mm)、不锈钢抱箍及定滑轮装置.

2.2 试验方法(1)由于野外实测的红粘土含水量平均在10%左右，故试验以10%作为目标含水量，在试验箱的底部铺置防水布，将配置好含水量的(9.0%～10.5%)试验用土填入试验箱，分五层压实，使其填土高度达到485 mm，然后对其表面进行薄膜覆盖.在试验过程中，每两天对其表面进行一次含水量的测定，当含水量在8.5%～10%时，利用喷雾器进行适当补水，并覆膜24 h以上；当含水量低于8.5%时，则对试验土箱内不同深度的土进行含水量的测定，并采取整体换土或分层换土的方式继续试验.

(2)确定试验用土符合试验要求后，将根系样本从试验土槽中取出，用毛刷清理根系表面的附着土，使肉眼观察不到根系表面的附着土颗粒，此后，将根系样本放入试验土箱中进行埋置，并使根系露出土面70 mm，在根系样本基本固定后，利用角度倾斜计软件进行根系倾斜角度的确认.之后整平表层填土，并按试验预定时间覆膜静置.

(3)在根-土复合体自然固结达到试验要求后，将钢丝绳一端连接至拉力机的顶部，另一端则通过不锈钢抱箍连接在根系露出部分(距土面20 mm)处，即不锈钢抱箍底部距根土结合处的距离为20 mm，使其可通过定滑轮系统传递拉力(定滑轮距土平面580 mm).转动拉力装置的转动摇把，逐渐将根系样本从土中拉出，并利用计算机读取拉力信息.待根系样本基本脱离土体时，试验结束.

3 试验结果及分析

3.1 试验结果本文试验数据来自长度为370 mm、520 mm和直径分别为10 mm、15 mm的橡胶树根系样本.对于根系与土平面所成夹角这一变量的研究，是通过在竖向拉力下改变根系的倾斜角度来模拟实际情况中乔木树根受拉一侧的受力情况，试验选取的角度分别为30°、45°、60°、75°、90°.(由于根系与土平面夹角小于30°时的试验数据较不稳定，故不纳入本次研究中)每个角度的试验进行3次，并选择其中整体较为居中的数据作为最终分析的数据.最终作为分析的试验数据如图4(a-b)所示，就根系受拉拔的整体情况而言，根系受拉拔的过程均存在明显的拉力增大与下降的过程.在实际的滑坡过程中，下滑土体将推力作用于主根及树干，主根及树干再将所受的力传递给各水平侧根，并通过侧根与土体的摩擦阻力来平衡下滑土体的剩余推力[1].在边坡中，乔木的水平根系一部分沿上坡方向生长，另一部分则沿下坡方向生长，但由于植物根系不能承受压力，所以沿下坡方向生长的水平根系不能对抑制土体的下滑起明显的作用，故沿上坡方向生长的水平根系承担了大部分由下滑土体产生的和通过主根及树干施加的拉力.本试验即是模拟这部分根系的受力情况来进行研究和分析的.

3.2 根系拉拔阶段的模型根据试验结果，在根系受拉初始阶段，拉力随着位移的增加快速上升，达到峰值并持续一段位移后，拉力值又随着位移的增加而急速下降，降至一定的程度又继续缓慢的下降，最后，在根系即将脱离土体前，反映围土阻力的拉力值迅速降低至零.

根据上述根系受拉阶段的特点，将乔木根系在这一过程中的形态变化情况划分为五个阶段：剪切破坏阶段(第一阶段)、平台阶段(第二阶段)、围土松弛阶段(第三阶段)、围土摩擦阶段(第四阶段)及脱离阶段(第五阶段)(如图5所示).其主要的划分依据是根系的受力反映在位移-拉力曲线中的特点，第一阶段反映的是乔木根系在土中受到拉力后，来自竖直方向的拉力试图打破根系表面与土颗粒之间的紧密结合，而推动产生的发生在根-土结合面的对原根-土结构的剪切破坏，此阶段的初始围土处于紧固状态；平台阶段中，拉力值多次触及拉力峰值，虽有小幅升降，但整体偏于稳定，围土处于半紧固半松弛状态；第三阶段反映的是紧实的根-土结合面处的结构逐渐被破坏，根系周围的土体逐渐由紧密结构向紊乱结构过度，直至围土完全形成松散碎土，在这一阶段中，抵抗拉力的土中力包括剪切力和摩擦力，该阶段末的围土处于松弛状态；第四阶段反映的是根系围土结构被破坏，在形成结构较为松散的碎土后，在根系被拉出土体的过程中，摩擦力持续发生在根-土接触面上的受力情况，在这一阶段，摩擦力成为抵抗拉力的主要力.然而，在实际情况中，从第一阶段初到第二阶段末，很大程度上决定着乔木根系的整体受拉特性，在实际的边坡阻滑过程中，这一部分的各项指标起到了决定性的作用，故将该部分的根系受拉特点作为分析的重点部分.

试验是通过以下特征值来进行分析的：(1)第一阶段位移(第一位移)，即在初始的拉力快速上升阶段的位移长度；(2)拉力峰值(临界拉力)，即整个拉拔过程中最大的拉力值；(3)剪切斜率，即第一阶段末的最终拉力与第一阶段位移的比值；(4)平台长度，即平台阶段的位移总长度；(5)第二阶段位移(第二位移)，即第二阶段的位移总长度；(6)松弛斜率，即第二阶段拉力初始值与终值的差，与第二阶段位移的差；(7)第三阶段平均拉力，即第三阶段围土摩擦过程中的平均拉力.

3.3 试验分析试验过程中对根系施加拉力时，主要受到拉力机拉力、围土压力和根系周围摩擦力.根-土拉出破坏过程中的施加竖向力时的根系受力情况如图6所示，围土摩擦情况如图7所示.其中：

F—拉力机施加的拉力；F0—由F产生的在根系A点处的合力；Fa—根系A点处的围土压力；Ff—根系A点处的围土摩擦力；L0—A点距根系样本末端的距离；L—根系样本末端至直接受拉点的距离.

根系试验的指标数据(表1)，大部分的指标数据与根系倾斜角度的变化呈现一定的联系：第一阶段，位移随根系倾斜角度的增大而逐渐减小，拉力峰值与根系倾斜度的关系没有显著地关联，剪切斜率随根系倾斜度的增大而逐渐增大，拉拔过程中平台长度随根系倾斜度的增大而增大；第二阶段，位移随根系倾斜角度的增大而增大，松弛斜率随根系倾斜角度的增大而减小.

对不同情况下的各项指标数据与根系倾斜角度、角度的正弦值和余弦值进行拟合，获得多组拟合数据，从中选取置信度较高的拟合曲线作为进一步研究的对象，其目的有二：一是通过指标数据与根系样本倾斜角度的关系，探究其内在的联系；二是利用这些内在的联系，验证根系在拉拔阶段模型的合理性.

表1 根系试验指标数据表

第一位移随着根系倾斜角度的增大而减小.这说明在30°～90°的根系倾斜区间内，当根系倾斜角度偏小时，其所受到的根系上覆土层的压力较大，从而引起克服竖向拉力的摩擦力与压力值较大、过程较长，这也体现在不同倾斜角度的根系拉拔试验中，根系在脱离土体后，根系倾斜角度越小，土体表面的破坏面积越大，从第一位移与根系倾斜角度的余弦值和正弦值的关系(图8)中也可以看出，第一位移与根系倾斜角度的余弦值呈现正相关的指数函数关系，与正弦值呈现负相关的线性关系.

剪切斜率随根系倾斜角度的增大而增大.由剪切斜率与根系倾斜角度正弦值的关系也可以得到相同的结论，即剪切斜率与根系倾斜角度的正弦值呈现正相关的线性关系.剪切斜率反映了根-土紧实结构在抵抗竖向拉力时表现出来的抵抗能力，其值愈高，则表明原有的根-土紧固结构越有效.

平台长度随根系倾斜角度的增大而增大，同时平台长度与根系倾斜角度的正弦值亦呈现出正相关的关系，它反映出根系倾斜角度愈大，其所经历的临界拉力阶段愈长，拉拔过程对破坏根系所需的做功也就愈大，根系对土体的稳固作用也就愈可靠.与此同时，该阶段拉力值多次触及拉力峰值，虽有小幅升降，但整体偏于稳定，其原因在于该阶段的围土与树根的接触状态较恒定，同时又有一定的树根埋深，故根土间的摩擦力在数值上较稳定.

第二位移随根系倾斜角度的增大而增大，拟合曲线则反映出第二位移与根系倾斜角度的余弦值存在较为显著的负相关线性关系.第二位移的实质是表征根系受拉拔过程中围土由半紧固半松弛状态向完全松弛状态的过渡.数据的结果反映到实际的边坡固土中时，即是根系倾斜角度愈大，其受拉到达临界拉力后，根-土紧固结构向失效过渡的时间就愈长，固土的效果就愈好.

松弛斜率随根系倾斜角度的增大而增大.拟合数据反映出松弛斜率与根系倾斜角度呈现负相关的联系(图13).本质上讲，松弛斜率所表达的过程是根系在土中被拉拔时由围土紧固向彻底的围土松弛转变的阶段，拉力随着位移迅速降低，直至围土彻底松弛，此时根系周围的摩擦力基本维持在某个水平上.拟合数据说明，随着根系倾斜角度的增大，根系围土由半紧固半松弛状态向完全松弛状态转变的过程逐渐变得缓和，在根系倾斜角度较小时，根系受拉后的松弛阶段拉力是极为剧烈的，它反映在实际情况中时，即是小倾斜角度根系受到拉力时，在越过临界拉力后会迅速失去稳固土体的作用，而大倾斜角度根系在受拉并经历临界拉力后，会有较长的松弛阶段，仍然会持续较长一段时间的对土体的稳固作用.

4 结 论

竖向力作用下，乔木根系在土中的拉出过程具有明显的阶段性的，且每阶段的围土、根-土结构都具有各自的特点.第一阶段反映的是乔木根系在土中受到拉力后，来自竖直方向的拉力试图打破根系表面与土颗粒之间的紧密结合，而推动发生在根-土结合面的对原根-土结构的剪切破坏；平台阶段中，拉力值多次触及拉力峰值，虽有小幅升降，但整体偏于稳定；第二阶段反映的是紧实的根-土结合面处的结构逐渐被破坏，根系周围土体逐渐由紧密结构向紊乱结构过度，直至围土完全形成松散碎土，在这一阶段中，抵抗拉力的土中力包括剪切力和摩擦力；第三阶段反映的是根系围土结构被破坏而形成结构较为松散的碎土后，在根系被拉出土体的过程中摩擦力持续发生在根-土接触面上的受力情况，在这一阶段，摩擦力成为抵抗拉力的主要力.

在根系拉拔阶段的模型基础上，研究发现，根系处于不同的倾斜角度时，其在受竖向力拉拔的过程中，也表现出不同的特性.通过对数据进行线性拟合，可以以指标数据为基础，具体评价根系受拉拔时的表现，并对不同倾斜角度的根系的受力情况做了对比，具体表现为：第一阶段位移随根系倾斜角度的增大而逐渐减小，剪切斜率随根系倾斜度的增大而逐渐增大，拉拔过程中平台长度随根系倾斜度的增大而增大，第二阶段位移随根系倾斜角度的增大而增大，松弛斜率随根系倾斜角度的增大而减小.

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Exploration of the Index Characteristic of the Tree Roots-soil Joint Under Vertical Tension

Chen Xin, Li Guangfan, Hu Wei, Feng Tian, Zhao Pu

(Institute of Civil Engineering, Hainan University, Hainan Haikou 570228, China)

In the report, to explore the friction characteristics of the tree roots in the shallow stratum, the vertical tensile performance of the tree root in the soil was determined. The overall characteristics of the data were used to divide the performance of the process of tree root tensile stage, the corresponding characterized concept was established, and the tensile process was analyzed. The results suggested there are several obvious stages during the extracting process of the tree roots, and showing different characteristics, which can be judged by the pulling force-displacement curves. At the same time, when the vertical tension was applied, the tensile properties of the root samples under the different Angle (the tilt Angle in the study of the test: 30 ° ～ 90 °) are different. With the increase of angle, or with the changes of the sine or cosine value the angle, the linear changes of a lot of characterization data (including the shear displacement of the slope, platform, the second slope displacement and the shear displacement of the relaxation) were observed. The results will help for the use of tree root for the slope protection, and are valuable for vegetation slope protection.

ecological slope protection; trees; the root system; tensile properties; landslide

2016-08-08

海南省社会发展科技专项(SF201456)；海南省科协青年科技英才创新计划项目(201506)

陈新(1992-)，男，山东泰安人，海南大学土木建筑工程学院2016级硕士研究生， E-mail：sinnreich@163.com

李光范(1959-)，男，吉林延边人，博士，教授，研究方向：环境岩土工程， E-mail：lgf1728@163.com

1004-1729(2016)04-0363-07

TU 4

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0055