土体含水率与根系埋深对银杏树苗抗拉拔性能的影响

傅胤榕，仉文岗,b

(重庆大学 a.土木工程学院；b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

随着城市化进程的不断推进和绿色生态文明的发展，城市绿化覆盖率不断提升，绿化树在城市建设中起到净化城区空气、降低环境噪音、美化城市道路等多种作用。近年来，东南沿海省份陆续遭受“莫兰蒂”、“莲花”等台风入境，遭受强风和暴雨，部分城市行道树倒伏率接近30%，个别林木树种倒伏率达到59%，总受损率达96%以上[1]。由于林木倾倒导致城市交通道路阻断、车辆及公共基础设施受损，甚至造成严重的人员伤亡，因此，强风、暴雨引起的林木倾倒破坏现象不容轻视。

学者们对林木倒伏和根土相互作用方面进行了大量研究，取得了一系列成果。在根系研究方面，向师庆等[2]根据对北京地区主要林木根系的挖掘研究，将林木根系归纳为垂直根型、斜生根型、水平根型等主要根型；Yang等[3]建立了根系锚固强度模型，模拟了根系连续锚固破坏过程，提出根组分对树木锚地的等级影响如下：主根>迎风浅根>垂直浅根>迎风垂根>其他影响较小的组分，揭示了根系个体破坏与树木总体倾倒破坏之间的根本联系；王可钧等[4]重点分析了林木根系的抗拉性能和生长方向与土质坡体稳定性的关系，针对根系固坡的力学特性进行了简析。不少学者对现场试验获得的相关数据进行分析，Coutts[5]使用绞车试验对云杉进行了现场拉拔试验，测量包括抗拉拔力、倾斜角、土壤和根系位移等方面，表明根的数量和尺寸分布的重要性；刘秀萍[6]采用野外试验与室内试验相结合的方式，构建了刺槐、油松树种根系形态分布模型，通过对根系与黄土接触面单元摩阻特性的试验研究，揭示了影响根土接触面摩阻特性的因素。在单根参数方面，郑力文等[7]通过对油松单根施加拔出荷载进行拉拔实验,分析土壤含水率、干密度、加载速率等因素对拔出过程中根-土界面摩擦性能的影响；夏振尧等[8]、管世烽等[9]通过干密度改变和多梯度含水率室内试验，测定了麦冬和多花木蓝根系根土界面的抗拉拔力特性,为根土界面摩擦特性的进一步研究提供依据；吕春娟等[10]选取了5 种常见乔木根系进行室内单根拉伸试验，发现了乔木根系极限抗拉力和直径之间存在的关系，揭示了植被根系的固土力学机制；刘小光等[11]通过直接拉拔试验研究了加载速率、根系埋深和不同树种对根系与土体摩擦特性的影响，揭示了根系拉拔破坏过程中位移-抗拉拔力关系曲线的阶段性变化。此外，通过有限元软件对根系形态的模拟，Rahardjo等[12]探究了土体抗剪强度参数和根系几何形状与林木倾倒最大风力的关系，研究了粗粒土改良对树木稳定性的影响；Fourcaud等[13]采用了有限元法对饱和软黏土和土壤中的根系拔出进行二维模拟，模拟了树根破坏时板滑移面形状和旋转轴位置，估算了覆土过程中土体和根系的应力分布，确定了不同生根方式下不同根系在树根锚固中发挥的作用。学者们针对根系形态理论和小部分根段的抗拉、摩擦特性两个方面开展了大量研究，然而，林木倾倒与根系整体的关联性大，局部根段研究无法较好地反映其根系对林木抗拉拔性能的作用，目前，针对全根段抗拉拔性能的研究较少，需进一步探索研究。

为更好地分析林木受横向拉拔作用下的倾倒破坏过程，研究不同因素的改变对根系抗拉拔性能的影响作用，从而为强风暴雨作用下林木倾倒防治提供一定的理论依据。本文着眼于强风、暴雨作用后土壤在降雨作用下含水率升高、林木受横向风力作用的情况，通过室内模拟绞车试验，分析了在外力荷载下林木根系倾倒的破坏过程，通过改变含水率以及根系埋深，探究不同含水率及根系埋深对林木倾倒破坏的影响。

1 模型试验

1. 1 试验装置

开展横向拉拔荷载室内试验的装置是自主设计的根系横向加载试验系统，该装置由拉拔力试验机、滑轮传动轴、模型箱和含水率监测装置4部分组成。拉拔力试验机的主要技术规格为：1)横梁移动速度v=1～10 mm/s;2)荷重精度≤0.5%，荷载上限100 kN；3)最大行程1 000 mm。滑轮传动轴为介于拉拔力试验机与模型箱之间的T字型钢架，钢架上带有可固定滑轮，拉拔力试验机通过向上移动吊臂带动钢索，经滑轮传动轴改变力的方向后对树木施加横向拉拔力。吊臂上搭载压力传感器，并通过TM2101pro测控系统软件记录拉拔距离。模型箱尺寸长×宽×高为600 mm×600 mm×400 mm，侧面轴线上，距离底面100、200、300 mm处分别打平行双排孔，用于两针型含水率传感器探头插入测量，含水率数据记录处理采用配套的CYY-3055型8通道数据采集仪。模型箱-钢制底板-试验机铆钉固定形成整体刚度。装置整体形态如图1所示。

图1 拉拔荷载试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of pulling test

1.2 试样材料与方案

试样材料：模型试验树木根系选用银杏树苗，为深根性树种，主根明显并起主导作用，侧根较少且处从属地位。选取几何形态相近的树苗，去除其细小分支，保留垂直主根备用。选取土壤为重庆地区粉质砂土，原状土通过现场取土实验计算得出原土样含水率为13.3 %，干密度为1.65 g/cm3，在模型试验中重塑土样制备也以此为基准。筛前工样如图2所示。受模型箱大小限制，选取的银杏根系根茎在28～32 mm之间，根条形态如图3所示。

图3 银杏根系图

拉拔试验方案：根据模型试验需求，称取适量土壤，依据对应试验组的含水率需求进行土样配制。用环刀取部分配制好的重塑土样，开展直接剪切试验。随后，将测定后符合试验要求的土壤采用称重分层装填、分层击实的形式，使用夯锤将试验土体每10 cm装填击实1次，共计4层。装填至一定高度土层时，于模型箱中央埋入树苗，后继续装填。装填完成后，将含水率传感器探头插入模型箱侧面钻孔中，进行含水率校对及变化监测，采用伸缩钢圈将钢索与树根主干连接固定。装填完成后，试样静置2 h以确保传感器读数精确，待各监测点含水率读数与试验所需含水率数值相差<0.5%时，认定该土样含水率符合试验条件，随后启动试验机施加外力荷载，以恒定速率8 mm/s进行拉拔试验，直至采集系统记录到外力荷载达到峰值后停止拉拔试验，输出根系拉拔破坏全过程位移-抗拉拔力(S-F)曲线。通过控制变量法改变含水率或根系埋深，进行多组拉拔破坏试验。模型试验工况中根系埋深选取为15、20、25、30 cm，含水率控制区间为7%～22%。为减小试验离散型偏差对试验结果影响，每组工况重复进行多次试验。试验结束后土体破坏面具体形态如图4所示。

图4 根系横向拉拔土体破坏面形态Fig.4 Failure surface morphology of soil

2 结果与分析

2.1 含水率对土体抗剪强度的影响

土样的直剪实验根据《土工试验规程》[14]开展，分别取含水率ω为7.0%、10.0%、13.0%、16.0%、19.0%和22.0%，共计6组土样，每组土样4个，根据环刀容积及所需的干密度，制备土样所需的湿土量按式(1)计算。

m0=(1+0.01ω0)ρdV

(1)

式中：m0为湿土质量；ω0为湿土含水率；ρd为试样的干密度；V为试样体积(环刀容积)。

对同一含水率下的4组土样分别施加100、200、300、400 kPa法向应力进行快剪试验，剪切速率控制在0.8 mm/min。根据量力环系数的转换关系，得到不同垂直压力作用下的抗剪强度，以垂直压力为横坐标，剪切强度为纵坐标，绘制剪切强度与垂直压力的关系曲线，将图上各点采取线性拟合，直线的倾角即为土的内摩擦角φ，截距为土的黏聚力c，从而得到不同含水率下土样的c、φ值，土样的抗剪强度按式(2)计算。

τf=c+σtanφ

(2)

式中：τf为土体的抗剪强度；c为土体的黏聚力；σ为法向应力；φ为土体的内摩擦角。

根据试验得到不同含水率下土体受各级垂直压力作用下的法向应力及推算出的土体强度指标，见表1。其中，x为法向应力，y为剪应力。

表1 不同含水率下土体剪切强度指标Table 1 Shear strength at different moisture content

由图5～图6可知，黏聚力随含水率的变化曲线分为两部分：当含水率ω<13%时，土体黏聚力随着含水率的增大显著增加；当含水率ω>13%时，随着含水率的进一步增大，黏聚力降低。在ω=22%时，黏聚力急剧减小，接近于0，这表明该含水率已接近土体的饱和含水率。含水率对内摩擦角变化的影响要小于黏聚力，内摩擦角随含水率增大变化不明显，在28.8°～32.9°间变化。土体的抗剪强度与黏聚力的变化规律类似，也随着含水率的增加先增大，随后逐渐减小。林鸿州等[15]、黄琨等[16]研究的非饱和土抗剪强度规律也得到了类似结论。

图5 不同含水率下与土体抗剪强度与法向应力关系曲线Fig.5 Relationship between shear strength and normal stress of soil in different moisture

图6 黏聚力c和内摩擦角φ随土壤含水率变化关系曲线Fig.6 Relationship between cohesion c and internal friction angle φ as a function of soil moisture

2.2 根系埋深对根系抗拉拔力的影响

分析S-F曲线可以得知(图7)，在控制拔出速率恒定的情况下，改变根系埋深进行银杏根系模拟绞车试验得到的S-F曲线存在着明显的阶段特性。由图7可以看出，以30 cm埋深为例，在达到最大抗拉拔力对应的峰值位移前，抗拉拔力曲线呈现平缓上升(AB段左侧)、陡峭上升(AB段与CD段之间)和缓慢上升达到峰值(CD段右侧)3个阶段。分析这3个阶段可得出：在平缓上升阶段，可以观测到该阶段土体表面并未发生明显破坏，但树干部分发生弯曲，抗拉拔力主要由树干受横向位移而产生弹性形变的抵抗力提供；随着横向荷载进一步增大，根系达到最大静摩擦力后，开始与土体之间发生错动，土体下方根系朝模拟迎风侧剪出，土体上部枝干挤压模拟背风侧土壤，因此，抗拉拔力激增，形成了陡峭上升阶段；继续施加横向位移，大多数根系周围土体已发生错动，达到抗拉拔力峰值，随后土体剪破导致林木彻底破坏失稳，发生倾倒破坏。

图7 不同埋深下根系破坏S-F曲线Fig.7 Root failure S-F curve under different buried

控制土壤含水率为13%，改变根系埋深进行多组试验得出的数据如图8所示，可以分析得出：在根系埋深15～30 cm的区间内，随着埋深的增加，林木根系的最大抗拉拔力有显著提升，呈现较明显的线性相关关系，回归方程为

F=25.06x-325.85(R2=0.964 4)

(3)

式中：F为最大抗拉拔力；x为根系埋深；R2为确定性系数。

从图8也可以看出，达到最大抗拉拔力时，加载的横向位移也随着根系的埋深而随之增大，在15～30 cm埋深区间内成线性增大趋势。通过分析可以得知，在同等条件下，加深根系埋深使得抵抗根系变形作用的土体增加，根土接触面积的增大也能够有效提升林木的抗拉拔力，即能承受更强的风荷载作用而不发生倾倒破坏。

图8 各级埋深下峰值抗拉拔力、峰值位移的关系曲线Fig.8 Relationship between peak anti-overturning force and peak displacement at all

2.3 土壤含水率对根系抗拉拔性能的影响

采用控制变量法研究含水率对根系抗拉拔性能的作用效果，使用20、25 cm埋深工况开展相同埋深下含水率变化的拉拔试验，重点研究含水率变化对根系最大抗拉拔力的影响。试验过程中，采集到不同含水率下根系最大抗拉拔力绘制折线图。由图9可知，不同根系埋深试验所得抗拉拔力都有明显、相似的变化趋势，最大抗拉拔力随着含水率由低到高呈现先升后降的总体趋势，最大抗拉拔力出现在含水率13%～16%附近，在两组不同埋深下，当含水率ω>15%后出现明显拐点。实测22%含水率根系的最大抗拉拔力衰减最为显著，为峰值抗拉拔力的71%(25 cm埋深)和75%(20 cm埋深)。

图9 固定埋深下含水率与最大抗拉拔力的关系曲线Fig.9 Relationship between water content and maximum drawing force at fixed

3 结论

通过不同含水率及根系埋深的模拟拉拔试验，基于粉质砂土随含水率变化的抗剪强度变化情况，探究了在不同含水率变化情况下不同工况根系拔出破坏过程及S-F曲线，可以得到以下结论：

1)根系破坏过程S-F曲线中，抗拉拔力的变化可以概括为平缓上升、陡峭上升和缓慢上升达到峰值3个阶段。对应模型试验中，树干弹性变形、根土土体开始剪切错动和大部分土体剪破达到抗拉拔力峰值3个阶段。到达抗拉拔力峰值后，土体剪破导致林木倾倒破坏。

2) 当含水率一定时，根系的最大抗拉拔力随着根系埋深的增加显著上升，在试验设置的埋深区间内呈线性趋势增长，相关系数达0.96以上。表明增加根系埋深能够显著提高林木的抗拉拔性能。

3) 控制根系埋深相同时，最大抗拉拔力随着含水率由低到高呈现先升后降的总体趋势，最大抗拉拔力出现在含水率13%～16%附近，在22%含水率根系的最大抗拉拔力衰减最为显著，为峰值抗拉拔力的71%(25 cm埋深)和75%(20 cm埋深)。

试验只研究了土壤含水率、根系埋深变化对于银杏根系抗拉拔性能的影响，其内部机理还需进一步的控制试验，从而对含水率变化引起的土壤基质吸力变化、根-土摩擦界面改变等因素进行研究。此外，试验通过对横向拉拔具有明显垂直主根、斜生根系较少的银杏树种得出上述结果，还未涉及水平根系与其他侧向大分支树种的试验。今后可以进行具有比对性的试验或数值研究。