水平荷载作用下多花木蓝根系拉拔试验研究

管世烽，夏振尧，张　伦，胡文静，张守德，许文年

(1．三峡大学 a．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心; b．水利与环境学院；c．土木与建筑学院,湖北 宜昌　443002； 2．广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，南宁　530029)

水平荷载作用下多花木蓝根系拉拔试验研究

管世烽1a,1b,2，夏振尧1a,1c，张伦1c，胡文静1c，张守德1b，许文年1a,1c

(1．三峡大学 a．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心; b．水利与环境学院；c．土木与建筑学院,湖北 宜昌443002； 2．广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，南宁530029)

摘要：为探索灌木植物根系与土壤界面摩擦力的影响因素，通过改变土壤干密度条件，采用直接施加水平拉拔荷载的方法进行单根拉拔试验，研究了多花木蓝单根的抗拉拔力。结果表明：①多花木蓝单根的抗拉拔力与位移关系曲线可分为陡峭上升、陡峭下降和平缓下降3个阶段，在试验开始阶段呈线性关系，随后表现出显著的非线性关系；②在同一土壤干密度条件下，多花木蓝单根的最大抗拉拔力随着根径的增加而呈线性增大趋势，相关系数超过0.9；③当根径一定时，多花木蓝单根的最大抗拉拔力随着土壤干密度的增加而增大；④根在土壤干密度ρd为1.35，1.45，1.55 g/cm3时的拉拔破坏模式均表现为摩擦破坏，而土壤干密度ρd=1.65 g/cm3，根径r=0.586 mm是根的拉拔破坏模式从摩擦破坏到拉断破坏的临界点，表明当根径r<0.586 mm时，根的破坏模式表现为拉断破坏，而当根径r>0.586 mm时，根的破坏模式表现为摩擦破坏。因此，根径、土壤密度影响根土界面的抗拉拔力。

关键词：固土机理；根-土界面；拉拔试验；抗拉拔力；土壤密度

1研究背景

植物根系具有固持土体的能力，根系的存在改变了土的力学性能是其固土机理之一。植物固土主要通过根系的加筋和锚固作用来实现[1-2]，根-土复合体在外力作用下，其变形小于素土[3-4]。根土-复合体在外荷作用下的破坏模式总体上可概括为2种[5]，即拉断破坏和摩擦破坏。当土体遭受破坏产生滑动面时，根系将所承受的荷载向土体深层传递，并向周围扩散，降低根-土复合体的应力水平，改善土体变形性能。宋维峰等[6]认为，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差异，故根系和土体在共同变形过程中存在相互错动，该错动被根系与土体之间存在的摩擦黏结产生的摩擦阻力所抵抗，该土体与根系之间的摩擦阻力，与土体联合起来共同承受和传递外部荷载，从而对边坡土体起到加固作用。可见，土体与根系之间的摩擦阻力直接影响着根系加固边坡土体的显著性效果。

根系与土体之间的摩擦特性研究，目前常借鉴土壤与其他材料的界面摩擦特性研究方法，如采用直剪试验研究乔木与灌木根系与土体界面摩擦特性[3,6]，采用拉拔试验模拟加筋材料被拔出的特性[7-10]。本文基于前人研究结果，以常用水土保持植物——多花木蓝(IndigoferaamblyanthaCraib)的根系为对象，采用施加直接水平拉拔荷载的单根拉拔试验，研究根系抗拉拔力的变化规律及其影响因素，为根土界面摩擦特性的研究提供基础和依据。

2材料选取与试验方法

2.1试验材料

植物选取宜昌市三峡大学校园内植被修复边坡中的灌木植物多花木蓝。多花木蓝，为豆科木蓝属多年生落叶灌木，多生于1 200 m以下的山坡，在林缘、路边、荒山阳面坡、灌丛都较常见；它具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、根系发达的特点，能固定土壤，增加土壤通透性，能有效截留降水，因此，可以防治水土流失，还能和其他草种混播在高速公路、铁路两侧的坡面土壤中，是一种优秀的水土保持及绿化护坡植物。植物植株于2014年7月采用整株挖掘法挖掘，选取长势较好且具有代表性的多花木蓝植株20株，将其挖出后置于静水中洗去土壤，待根系表面的水渍晾干后，采用WinRHIZO根系分析系统统计分析多花木蓝根系根径情况，结果发现其根径以0～0.5 mm最多，0.5～1.0 mm次之。然后用剪刀分别剪取根较直、表面较平整的单根作为拉拔试验材料，剪取的根长为100 mm，由于0～0.5 mm根径的根较细，操作时易受人为干扰而造成试验结果偏差，因此，根径范围选取为0.5～1.0 mm，并用WinRHIZO根系分析系统测量单根平均直径，将测量后的单根放入自封袋并编号，然后放入冰箱内保鲜储存，且于24 h内进行试验。

试验土壤选择三峡库区常见的紫色土，位于湖北省宜昌市秭归县水田坝乡龙口村，经纬度坐标31°13′37″N，110°41′16″E，海拔高度272 m。紫色土土样采集于2014年6月下旬，选择边坡中部的0～20 cm表层土。将土放在室内洁净通风的环境中风干，剔除未分解的植物根系及残体、昆虫尸体、石块等杂物，将大块土捏碎；将风干土过孔径5 mm标准分样筛制备试验土样，并采用筛分法测定土样的颗粒组成，紫色土的基本物理性质见表1。采用烘干法测定土壤天然含水量，采用环刀法测定土壤干密度。采用电位法测定pH值。

表1　紫色土的基本物理性质指标

2.2试验设计

采用烘干法测定风干且过筛后土壤的含水率w0，因天然含水率为17.76%，将试验土样目标含水率wi设计为17.76%，然后用天秤量风干土质量m，根据式(1)和式(2)分别计算目标含水率wi条件下制备土样所需要的加水量mwi和土质量，即：

(1)

(2)

式中：mwi为制备土样时所需的加水量(g)；m为制备土样时称量的风干土质量(g)；mi为制备试样时所需的土质量(g)；wi为土样设计含水率(%)；w0为风干土含水率(%)；ρd为土壤干密度(g/cm3)； V为装土盒容积(cm3)。

将称量的风干土样m平铺于搪瓷盘内，并分别用量筒量取mwi，然后将水均匀喷洒在土样上，拌匀后装入盛土容器内盖紧，润湿一昼夜，制备成目标含水率土样。

试样为重塑土，控制土壤初始干密度ρd=1.35 g/cm3，根据公式(2)计算装土盒体积V时目标含水率wi条件下制备试样所需的土质量mi，并从制备的目标含水率土样中称量制备试样所需的土质量mi，然后按土力学试验规范重塑制样方法将剪取制备的多花木蓝单根水平埋于长为100 mm、宽为100 mm、高为100 mm的立方体装土盒中心，分层压实，制备成多花木蓝单根根-土复合体；然后采用改装的HP-50型艾德堡数显推拉力计试验装置对多花木蓝单根根-土复合体进行拉拔试验，其加载速度控制为10 mm/min。若在土壤初始干密度条件下，多花木蓝单根未产生拉断，则以干密度变化量为0.1 g/cm3增加土壤干密度，直至单根出现拉断。单根拉拔试验装置及过程见图1(a)和图1(b)。采用改装的HP-50型艾德堡数显推拉力计试验装置对制备的多花木蓝单根进行抗拉试验，其加载速度控制为10 mm/min。单根抗拉试验装置及过程见图1(c)。

图1　单根试验装置及试验过程Fig.1　Pictures of test equipment and process

图2　最大抗拉力与根径的关系Fig.2　Relationship between maximum tensile resistance and root diameter

3结果与分析

3.1根径对根的最大抗拉力的影响

设置了多花木蓝单根平均直径在0.5～1.0 mm的抗拉试验，其最大抗拉力试验结果见图2。从图2可以看出：①多花木蓝单根的最大抗拉力随根的平均直径的增大而显著增加;②多花木蓝单根的最大抗拉力与根的平均直径之间存在显著的线性关系，其拟合方程为

y = 62.079x-29.943 ，(R2=0.978 5) 。

(3)

3.2根的抗拉拔力与位移的关系

在不同干密度条件下，多花木蓝单根的拉拔试验结果见图3。控制土壤初始干密度ρd=1.35 g/cm3进行单根拉拔试验，试验结果如图3(a)所示，结果表明根径在0.5～1.0 mm之间的单根均被整体拔出，拉拔破坏模式为摩擦破坏，而没有发生拉断破坏。然后以Δρd=0.1 g/cm3增加土壤干密度进行单根拉拔试验，直至土壤干密度ρd=1.65 g/cm3时，根径为0.587 mm和0.633 mm的2组试验单根被拉断，破坏模式为拉断破坏，试验结果见图3中的(b)、(c)、(d)。

可将图3不同土壤干密度条件下多花木蓝单根的抗拉拔力随位移增加的变化曲线分为陡峭上升、陡峭下降和平缓下降3个阶段，如图3(d)曲线AB段、BC段和CD段；随着拉拔位移的增加，单根的抗拉拔力首先呈线性上升趋势达到最大值，且最大值对应的拉拔位移在10 mm左右波动，达到最大值后呈非线性迅速不断减小趋势，并出现上下波动，最后趋于0。这是因为：在根被拉拔开始时，由于根自身的弹性模量，在土体中的位移几乎为0，根-土接触面处土颗粒随着拉拔发生提升、错动与转动，并伴随着土体积的变化，这一过程需借助外力完成，因此，在拉拔开始初期，拉拔力迅速达到最大值，然后随着拉拔过程的继续，根周围土颗粒的移动和重新排列，使根土界面趋于平滑，根与土颗粒之间的摩阻力逐渐减小并趋于稳定，拉拔力也随之减小并趋于稳定，最后趋于0。这一结论与刘小光等[11]、张兴玲等[12]、邢会文[13]研究植物根系与土壤间的摩擦力特性所得到的结论一致。

图3　不同土壤干密度条件下抗拉拔力与位移的关系Fig.3　Relationships between anti-pullout force and displacement in the presence of different soil dry densities

从图3(d)可以看出，虽然单根发生拉断破坏模式的曲线也呈现出类似单根发生摩擦破坏模式的曲线变化规律，但它与摩擦破坏的曲线变化规律之间存在差异，其差异最主要有2点：第一，当单根被拉断时，抗拉拔力达到最大值，此后根的抗拉拔力急剧减小且呈直线下降，而发生摩擦破坏的根的抗拉拔力减小幅度较小；第二，拉断破坏的根的抗拉拔力趋近于0时对应的拉拔位移减小。第一点差异的原因是根被拉断，使根长度减小，与根与土的接触面积骤减，减小了根土间的摩擦力，从而拉拔力急剧减小；第二点差异的原因是因为根被拉断，使根与土的接触长度减小，从而使被拔出的根的长度变短，拔出的位移相应减小，因此拉拔力更快趋于0。

图4　不同土壤干密度条件下最大抗拉拔力与根径的关系Fig.4　Relationships between maximum anti-pullout force and root diameter in the presence of different soil dry densities

3.3土壤干密度对单根最大抗拉拔力的影响

不同土壤干密度条件下最大抗拉拔力与根径的关系如图4所示。从图4可以看出，在相同的土壤干密度条件下，多花木蓝单根的最大抗拉拔力随着根径的增加而增大，其相关系数均达到0.90以上。说明植物单根的直径越大，根土接触面就越大，根土界面摩擦力发挥得越充分，从而导致根的摩擦阻力就越大，根的抗拉拔力也就越大。这一结论与宋维峰等[6]的根系与土体接触面相互作用特性试验中所得到的结论和曹云生等[14]研究植物根土界面摩擦力的影响因素所得到的结果一致。当根径一定时，多花木蓝单根的最大抗拉拔力随着土壤干密度的增加而呈现增大的趋势。土壤干密度越小，土颗粒之间的排列越松散，土颗粒与根表面的接触越不充分，导致根土之间的咬合力越差；随着土壤干密度的增加，土颗粒与根表面的接触越紧密，使土体与根之间的咬合能力增强，导致根的摩擦力增大，从而使根被拉拔时根的抗拉拔力增大。这一结论与张永亮等[15]的柠条、沙柳根-土界面抗阻拉力特性研究中所得到的结论相一致。

图5　最大抗拉拔力、最大抗拉力与根径的关系曲线Fig.5　Curves of maximum anti-pullout force and maximum tensile resistance vs. root diameter

当土壤干密度ρd=1.65 g/cm3时，多花木蓝单根出现被拉断的情况，即根的拉拔破坏模式为拉断破坏，通过比较单根的最大抗拉力随根径增加的拟合曲线与单根的最大抗拉拔力随根径增加的拟合曲线(见图5)可以看出，当多花木蓝根径r=0.586 mm时，单根的最大抗拉拔力与最大抗拉力相等，这表明根径r=0.586 mm是多花木蓝单根拉拔破坏模式从摩擦破坏到拉断破坏的临界点。封金财等[16]指出根系受拉时，只有当根和土体间摩擦力大于根的抗

拉力时根才会被拉断，因此，当根径r<0.586 mm时，单根拉拔破坏模式表现为拉断破坏，而当根径r>0.586 mm时，单根拉拔破坏模式表现为摩擦破坏。

4结论

通过控制土壤天然含水率为17.76%，土层深度为50 mm，单根埋藏长度为100 mm，采用加载水平荷载的方法对多花木蓝进行单根抗拉拔试验，研究了多花木蓝单根的抗拉拔力，试验结果表明：

(1) 多花木蓝单根的抗拉拔力与位移关系曲线可概括为陡峭上升、陡峭下降和平缓下降3个阶段；在试验开始阶段呈线性上升趋势并达到峰值，且峰值对应的位移在10 mm左右；随着位移的增加，曲线表现出显著的非线性减小趋势，并出现上下波动，最后趋于0。

(2) 在同一土壤干密度条件下，多花木蓝单根的最大抗拉拔力随着根径的增加而呈显著增大趋势，并且这种增加呈线性关系，相关系数达0.90以上，表明根径越大在土体中埋藏的长度愈长，根与土体间的摩擦力愈大，根的抗拉拔力也愈大。

(3) 当根径一定时，多花木蓝单根的最大抗拉拔力随着土壤干密度的增加而增大。根在土壤干密度为1.35，1.45，1.55 g/cm3时的拉拔破坏模式均表现为摩擦破坏，而当土壤干密度为1.65 g/cm3时，细根首先被拉断，破坏模式为拉断破坏；根的最大抗拉拔力与最大抗拉力随根径增加的拟合曲线表明根径r=0.586 mm是根的拉拔破坏模式从摩擦破坏到拉断破坏的临界点，即当根径r<0.586 mm时，根的破坏模式表现为拉断破坏，而当根根径r>0.586 mm时，根的破坏模式表现为摩擦破坏。

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(编辑：刘运飞)

GUAN Shi-feng1,2,4, XIA Zhen-yao1,3, ZHANG Lun3, HU Wen-jing3, ZHANG Shou-de2, XU Wen-nian1,3

(1.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area, China Three

Gorges University, Yichang443002, China; 2.College of Hydraulic and Environmental Engineering,

China Three Gorges University, Yichang443002, China; 3.College of Civil Engineering and Architecture,

China Three Gorges University, Yichang443002, China; 4.Guangxi Datengxia Water Conservancy

Development Co. Ltd., Nanning530029, China)

Pull-out Test of Indigofera amblyantha CraibRoot under Horizontal Load

Abstract:In order to explore factors influencing the shrub plant roots and soil interface friction, we carried out the direct pull-out test on Indigofera Amblyantha Craib root to study its anti-pullout force under different soil dry densities. The results show that: (1) the curves of anti-pullout force vs. displacement of the roots can be divided into three phases of steep rise, steep fall and gentle decline, increasing linearly to peak value at the start phase, and then presenting non-linear trend; (2) the maximum anti-pullout force of Indigofera Amblyantha Craib root increases obviously linearly with the increasing of root diameter under the same soil dry density, and the coefficient of correlation reaches 0.9; (3) the maximum anti-pullout force of Indigofera Amblyantha Craib root increases with the increasing of soil dry density with given root diameter, and the modes of pull-out failure of all roots are friction failure when the soil dry density varies from 1.35 g/cm3 to 1.45 g/cm3 and 1.55 g/cm3, while when the density is 1.65 g/cm3, root diameter of 0.586 mm is the critical point from friction failure to tensile failure, which means that the pull out failure mode is tensile failure when the root diameter is less than 0.586 mm, and friction failure when the root diameter is larger than 0.586 mm. Therefore, root diameter and unit weight of soil have influence on the anti-pullout force of root-soil interface.

Key words:principle of soil fixation; root-soil interface; pull-out test; anti-pullout force; soil density

收稿日期：2015-03-23；修回日期：2015-04-10

基金项目：国家自然科学基金项目(51278281，41202250)；国家科技支撑计划资助项目(2012BAC06B02-04)

作者简介：管世烽(1988-)，男，广西桂平人，硕士研究生，研究方向为边坡防护与生态修复技术，(电话)18178059336(电子信箱)guan20080@sina.com。 通讯作者：夏振尧(1981-)，男，湖北武汉人，教授，博士，主要从事边坡生态防护方面的研究，(电话)0717-0398299(电子信箱)xzy_yc@126.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150201

中图分类号：TU43；S151.92

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0024-05

2016,33(06):24-28