傅胤榕，仉文崗,b

(重慶大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和綠色生態(tài)文明的發(fā)展，城市綠化覆蓋率不斷提升，綠化樹(shù)在城市建設(shè)中起到凈化城區(qū)空氣、降低環(huán)境噪音、美化城市道路等多種作用。近年來(lái)，東南沿海省份陸續(xù)遭受“莫蘭蒂”、“蓮花”等臺(tái)風(fēng)入境，遭受強(qiáng)風(fēng)和暴雨，部分城市行道樹(shù)倒伏率接近30%，個(gè)別林木樹(shù)種倒伏率達(dá)到59%，總受損率達(dá)96%以上[1]。由于林木傾倒導(dǎo)致城市交通道路阻斷、車(chē)輛及公共基礎(chǔ)設(shè)施受損，甚至造成嚴(yán)重的人員傷亡，因此，強(qiáng)風(fēng)、暴雨引起的林木傾倒破壞現(xiàn)象不容輕視。

學(xué)者們對(duì)林木倒伏和根土相互作用方面進(jìn)行了大量研究，取得了一系列成果。在根系研究方面，向師慶等[2]根據(jù)對(duì)北京地區(qū)主要林木根系的挖掘研究，將林木根系歸納為垂直根型、斜生根型、水平根型等主要根型；Yang等[3]建立了根系錨固強(qiáng)度模型，模擬了根系連續(xù)錨固破壞過(guò)程，提出根組分對(duì)樹(shù)木錨地的等級(jí)影響如下：主根>迎風(fēng)淺根>垂直淺根>迎風(fēng)垂根>其他影響較小的組分，揭示了根系個(gè)體破壞與樹(shù)木總體傾倒破壞之間的根本聯(lián)系；王可鈞等[4]重點(diǎn)分析了林木根系的抗拉性能和生長(zhǎng)方向與土質(zhì)坡體穩(wěn)定性的關(guān)系，針對(duì)根系固坡的力學(xué)特性進(jìn)行了簡(jiǎn)析。不少學(xué)者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，Coutts[5]使用絞車(chē)試驗(yàn)對(duì)云杉進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，測(cè)量包括抗拉拔力、傾斜角、土壤和根系位移等方面，表明根的數(shù)量和尺寸分布的重要性；劉秀萍[6]采用野外試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式，構(gòu)建了刺槐、油松樹(shù)種根系形態(tài)分布模型，通過(guò)對(duì)根系與黃土接觸面單元摩阻特性的試驗(yàn)研究，揭示了影響根土接觸面摩阻特性的因素。在單根參數(shù)方面，鄭力文等[7]通過(guò)對(duì)油松單根施加拔出荷載進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn),分析土壤含水率、干密度、加載速率等因素對(duì)拔出過(guò)程中根-土界面摩擦性能的影響；夏振堯等[8]、管世烽等[9]通過(guò)干密度改變和多梯度含水率室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定了麥冬和多花木藍(lán)根系根土界面的抗拉拔力特性,為根土界面摩擦特性的進(jìn)一步研究提供依據(jù)；呂春娟等[10]選取了5 種常見(jiàn)喬木根系進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了喬木根系極限抗拉力和直徑之間存在的關(guān)系，揭示了植被根系的固土力學(xué)機(jī)制；劉小光等[11]通過(guò)直接拉拔試驗(yàn)研究了加載速率、根系埋深和不同樹(shù)種對(duì)根系與土體摩擦特性的影響，揭示了根系拉拔破壞過(guò)程中位移-抗拉拔力關(guān)系曲線的階段性變化。此外，通過(guò)有限元軟件對(duì)根系形態(tài)的模擬，Rahardjo等[12]探究了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)和根系幾何形狀與林木傾倒最大風(fēng)力的關(guān)系，研究了粗粒土改良對(duì)樹(shù)木穩(wěn)定性的影響；Fourcaud等[13]采用了有限元法對(duì)飽和軟黏土和土壤中的根系拔出進(jìn)行二維模擬，模擬了樹(shù)根破壞時(shí)板滑移面形狀和旋轉(zhuǎn)軸位置，估算了覆土過(guò)程中土體和根系的應(yīng)力分布，確定了不同生根方式下不同根系在樹(shù)根錨固中發(fā)揮的作用。學(xué)者們針對(duì)根系形態(tài)理論和小部分根段的抗拉、摩擦特性?xún)蓚€(gè)方面開(kāi)展了大量研究，然而，林木傾倒與根系整體的關(guān)聯(lián)性大，局部根段研究無(wú)法較好地反映其根系對(duì)林木抗拉拔性能的作用，目前，針對(duì)全根段抗拉拔性能的研究較少，需進(jìn)一步探索研究。

為更好地分析林木受橫向拉拔作用下的傾倒破壞過(guò)程，研究不同因素的改變對(duì)根系抗拉拔性能的影響作用，從而為強(qiáng)風(fēng)暴雨作用下林木傾倒防治提供一定的理論依據(jù)。本文著眼于強(qiáng)風(fēng)、暴雨作用后土壤在降雨作用下含水率升高、林木受橫向風(fēng)力作用的情況，通過(guò)室內(nèi)模擬絞車(chē)試驗(yàn)，分析了在外力荷載下林木根系傾倒的破壞過(guò)程，通過(guò)改變含水率以及根系埋深，探究不同含水率及根系埋深對(duì)林木傾倒破壞的影響。

1 模型試驗(yàn)

1. 1 試驗(yàn)裝置

開(kāi)展橫向拉拔荷載室內(nèi)試驗(yàn)的裝置是自主設(shè)計(jì)的根系橫向加載試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置由拉拔力試驗(yàn)機(jī)、滑輪傳動(dòng)軸、模型箱和含水率監(jiān)測(cè)裝置4部分組成。拉拔力試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格為：1)橫梁移動(dòng)速度v=1～10 mm/s;2)荷重精度≤0.5%，荷載上限100 kN；3)最大行程1 000 mm?；唫鲃?dòng)軸為介于拉拔力試驗(yàn)機(jī)與模型箱之間的T字型鋼架，鋼架上帶有可固定滑輪，拉拔力試驗(yàn)機(jī)通過(guò)向上移動(dòng)吊臂帶動(dòng)鋼索，經(jīng)滑輪傳動(dòng)軸改變力的方向后對(duì)樹(shù)木施加橫向拉拔力。吊臂上搭載壓力傳感器，并通過(guò)TM2101pro測(cè)控系統(tǒng)軟件記錄拉拔距離。模型箱尺寸長(zhǎng)×寬×高為600 mm×600 mm×400 mm，側(cè)面軸線上，距離底面100、200、300 mm處分別打平行雙排孔，用于兩針型含水率傳感器探頭插入測(cè)量，含水率數(shù)據(jù)記錄處理采用配套的CYY-3055型8通道數(shù)據(jù)采集儀。模型箱-鋼制底板-試驗(yàn)機(jī)鉚釘固定形成整體剛度。裝置整體形態(tài)如圖1所示。

圖1 拉拔荷載試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulling test

1.2 試樣材料與方案

試樣材料：模型試驗(yàn)樹(shù)木根系選用銀杏樹(shù)苗，為深根性樹(shù)種，主根明顯并起主導(dǎo)作用，側(cè)根較少且處從屬地位。選取幾何形態(tài)相近的樹(shù)苗，去除其細(xì)小分支，保留垂直主根備用。選取土壤為重慶地區(qū)粉質(zhì)砂土，原狀土通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取土實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出原土樣含水率為13.3 %，干密度為1.65 g/cm3，在模型試驗(yàn)中重塑土樣制備也以此為基準(zhǔn)。篩前工樣如圖2所示。受模型箱大小限制，選取的銀杏根系根莖在28～32 mm之間，根條形態(tài)如圖3所示。

圖3 銀杏根系圖

拉拔試驗(yàn)方案：根據(jù)模型試驗(yàn)需求，稱(chēng)取適量土壤，依據(jù)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)組的含水率需求進(jìn)行土樣配制。用環(huán)刀取部分配制好的重塑土樣，開(kāi)展直接剪切試驗(yàn)。隨后，將測(cè)定后符合試驗(yàn)要求的土壤采用稱(chēng)重分層裝填、分層擊實(shí)的形式，使用夯錘將試驗(yàn)土體每10 cm裝填擊實(shí)1次，共計(jì)4層。裝填至一定高度土層時(shí)，于模型箱中央埋入樹(shù)苗，后繼續(xù)裝填。裝填完成后，將含水率傳感器探頭插入模型箱側(cè)面鉆孔中，進(jìn)行含水率校對(duì)及變化監(jiān)測(cè)，采用伸縮鋼圈將鋼索與樹(shù)根主干連接固定。裝填完成后，試樣靜置2 h以確保傳感器讀數(shù)精確，待各監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率讀數(shù)與試驗(yàn)所需含水率數(shù)值相差<0.5%時(shí)，認(rèn)定該土樣含水率符合試驗(yàn)條件，隨后啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)施加外力荷載，以恒定速率8 mm/s進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，直至采集系統(tǒng)記錄到外力荷載達(dá)到峰值后停止拉拔試驗(yàn)，輸出根系拉拔破壞全過(guò)程位移-抗拉拔力(S-F)曲線。通過(guò)控制變量法改變含水率或根系埋深，進(jìn)行多組拉拔破壞試驗(yàn)。模型試驗(yàn)工況中根系埋深選取為15、20、25、30 cm，含水率控制區(qū)間為7%～22%。為減小試驗(yàn)離散型偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響，每組工況重復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后土體破壞面具體形態(tài)如圖4所示。

圖4 根系橫向拉拔土體破壞面形態(tài)Fig.4 Failure surface morphology of soil

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

土樣的直剪實(shí)驗(yàn)根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[14]開(kāi)展，分別取含水率ω為7.0%、10.0%、13.0%、16.0%、19.0%和22.0%，共計(jì)6組土樣，每組土樣4個(gè)，根據(jù)環(huán)刀容積及所需的干密度，制備土樣所需的濕土量按式(1)計(jì)算。

m0=(1+0.01ω0)ρdV

(1)

式中：m0為濕土質(zhì)量；ω0為濕土含水率；ρd為試樣的干密度；V為試樣體積(環(huán)刀容積)。

對(duì)同一含水率下的4組土樣分別施加100、200、300、400 kPa法向應(yīng)力進(jìn)行快剪試驗(yàn)，剪切速率控制在0.8 mm/min。根據(jù)量力環(huán)系數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到不同垂直壓力作用下的抗剪強(qiáng)度，以垂直壓力為橫坐標(biāo)，剪切強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制剪切強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，將圖上各點(diǎn)采取線性擬合，直線的傾角即為土的內(nèi)摩擦角φ，截距為土的黏聚力c，從而得到不同含水率下土樣的c、φ值，土樣的抗剪強(qiáng)度按式(2)計(jì)算。

τf=c+σtanφ

(2)

式中：τf為土體的抗剪強(qiáng)度；c為土體的黏聚力；σ為法向應(yīng)力；φ為土體的內(nèi)摩擦角。

根據(jù)試驗(yàn)得到不同含水率下土體受各級(jí)垂直壓力作用下的法向應(yīng)力及推算出的土體強(qiáng)度指標(biāo)，見(jiàn)表1。其中，x為法向應(yīng)力，y為剪應(yīng)力。

表1 不同含水率下土體剪切強(qiáng)度指標(biāo)Table 1 Shear strength at different moisture content

由圖5～圖6可知，黏聚力隨含水率的變化曲線分為兩部分：當(dāng)含水率ω<13%時(shí)，土體黏聚力隨著含水率的增大顯著增加；當(dāng)含水率ω>13%時(shí)，隨著含水率的進(jìn)一步增大，黏聚力降低。在ω=22%時(shí)，黏聚力急劇減小，接近于0，這表明該含水率已接近土體的飽和含水率。含水率對(duì)內(nèi)摩擦角變化的影響要小于黏聚力，內(nèi)摩擦角隨含水率增大變化不明顯，在28.8°～32.9°間變化。土體的抗剪強(qiáng)度與黏聚力的變化規(guī)律類(lèi)似，也隨著含水率的增加先增大，隨后逐漸減小。林鴻州等[15]、黃琨等[16]研究的非飽和土抗剪強(qiáng)度規(guī)律也得到了類(lèi)似結(jié)論。

圖5 不同含水率下與土體抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between shear strength and normal stress of soil in different moisture

圖6 黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨土壤含水率變化關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between cohesion c and internal friction angle φ as a function of soil moisture

2.2 根系埋深對(duì)根系抗拉拔力的影響

分析S-F曲線可以得知(圖7)，在控制拔出速率恒定的情況下，改變根系埋深進(jìn)行銀杏根系模擬絞車(chē)試驗(yàn)得到的S-F曲線存在著明顯的階段特性。由圖7可以看出，以30 cm埋深為例，在達(dá)到最大抗拉拔力對(duì)應(yīng)的峰值位移前，抗拉拔力曲線呈現(xiàn)平緩上升(AB段左側(cè))、陡峭上升(AB段與CD段之間)和緩慢上升達(dá)到峰值(CD段右側(cè))3個(gè)階段。分析這3個(gè)階段可得出：在平緩上升階段，可以觀測(cè)到該階段土體表面并未發(fā)生明顯破壞，但樹(shù)干部分發(fā)生彎曲，抗拉拔力主要由樹(shù)干受橫向位移而產(chǎn)生彈性形變的抵抗力提供；隨著橫向荷載進(jìn)一步增大，根系達(dá)到最大靜摩擦力后，開(kāi)始與土體之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，土體下方根系朝模擬迎風(fēng)側(cè)剪出，土體上部枝干擠壓模擬背風(fēng)側(cè)土壤，因此，抗拉拔力激增，形成了陡峭上升階段；繼續(xù)施加橫向位移，大多數(shù)根系周?chē)馏w已發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，達(dá)到抗拉拔力峰值，隨后土體剪破導(dǎo)致林木徹底破壞失穩(wěn)，發(fā)生傾倒破壞。

圖7 不同埋深下根系破壞S-F曲線Fig.7 Root failure S-F curve under different buried

控制土壤含水率為13%，改變根系埋深進(jìn)行多組試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)如圖8所示，可以分析得出：在根系埋深15～30 cm的區(qū)間內(nèi)，隨著埋深的增加，林木根系的最大抗拉拔力有顯著提升，呈現(xiàn)較明顯的線性相關(guān)關(guān)系，回歸方程為

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

(3)

式中：F為最大抗拉拔力；x為根系埋深；R2為確定性系數(shù)。

從圖8也可以看出，達(dá)到最大抗拉拔力時(shí)，加載的橫向位移也隨著根系的埋深而隨之增大，在15～30 cm埋深區(qū)間內(nèi)成線性增大趨勢(shì)。通過(guò)分析可以得知，在同等條件下，加深根系埋深使得抵抗根系變形作用的土體增加，根土接觸面積的增大也能夠有效提升林木的抗拉拔力，即能承受更強(qiáng)的風(fēng)荷載作用而不發(fā)生傾倒破壞。

圖8 各級(jí)埋深下峰值抗拉拔力、峰值位移的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between peak anti-overturning force and peak displacement at all

2.3 土壤含水率對(duì)根系抗拉拔性能的影響

采用控制變量法研究含水率對(duì)根系抗拉拔性能的作用效果，使用20、25 cm埋深工況開(kāi)展相同埋深下含水率變化的拉拔試驗(yàn)，重點(diǎn)研究含水率變化對(duì)根系最大抗拉拔力的影響。試驗(yàn)過(guò)程中，采集到不同含水率下根系最大抗拉拔力繪制折線圖。由圖9可知，不同根系埋深試驗(yàn)所得抗拉拔力都有明顯、相似的變化趨勢(shì)，最大抗拉拔力隨著含水率由低到高呈現(xiàn)先升后降的總體趨勢(shì)，最大抗拉拔力出現(xiàn)在含水率13%～16%附近，在兩組不同埋深下，當(dāng)含水率ω>15%后出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。實(shí)測(cè)22%含水率根系的最大抗拉拔力衰減最為顯著，為峰值抗拉拔力的71%(25 cm埋深)和75%(20 cm埋深)。

圖9 固定埋深下含水率與最大抗拉拔力的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between water content and maximum drawing force at fixed

3 結(jié)論

通過(guò)不同含水率及根系埋深的模擬拉拔試驗(yàn)，基于粉質(zhì)砂土隨含水率變化的抗剪強(qiáng)度變化情況，探究了在不同含水率變化情況下不同工況根系拔出破壞過(guò)程及S-F曲線，可以得到以下結(jié)論：

1)根系破壞過(guò)程S-F曲線中，抗拉拔力的變化可以概括為平緩上升、陡峭上升和緩慢上升達(dá)到峰值3個(gè)階段。對(duì)應(yīng)模型試驗(yàn)中，樹(shù)干彈性變形、根土土體開(kāi)始剪切錯(cuò)動(dòng)和大部分土體剪破達(dá)到抗拉拔力峰值3個(gè)階段。到達(dá)抗拉拔力峰值后，土體剪破導(dǎo)致林木傾倒破壞。

2) 當(dāng)含水率一定時(shí)，根系的最大抗拉拔力隨著根系埋深的增加顯著上升，在試驗(yàn)設(shè)置的埋深區(qū)間內(nèi)呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96以上。表明增加根系埋深能夠顯著提高林木的抗拉拔性能。

3) 控制根系埋深相同時(shí)，最大抗拉拔力隨著含水率由低到高呈現(xiàn)先升后降的總體趨勢(shì)，最大抗拉拔力出現(xiàn)在含水率13%～16%附近，在22%含水率根系的最大抗拉拔力衰減最為顯著，為峰值抗拉拔力的71%(25 cm埋深)和75%(20 cm埋深)。

試驗(yàn)只研究了土壤含水率、根系埋深變化對(duì)于銀杏根系抗拉拔性能的影響，其內(nèi)部機(jī)理還需進(jìn)一步的控制試驗(yàn)，從而對(duì)含水率變化引起的土壤基質(zhì)吸力變化、根-土摩擦界面改變等因素進(jìn)行研究。此外，試驗(yàn)通過(guò)對(duì)橫向拉拔具有明顯垂直主根、斜生根系較少的銀杏樹(shù)種得出上述結(jié)果，還未涉及水平根系與其他側(cè)向大分支樹(shù)種的試驗(yàn)。今后可以進(jìn)行具有比對(duì)性的試驗(yàn)或數(shù)值研究。