主直根系拉拔力的室内试验研究

杨闻达，王桂尧，常婧美，张永杰

(1.长沙理工大学，土木与建筑学院，410114，长沙；2.远大住宅工业有限公司，410000，长沙)

主直根系拉拔力的室内试验研究

杨闻达1,2，王桂尧1†，常婧美1，张永杰1

(1.长沙理工大学，土木与建筑学院，410114，长沙；2.远大住宅工业有限公司，410000，长沙)

乔灌木主直根系对边坡土壤的深层锚固作用能明显提高边坡的稳定性，但在降雨条件下是否能发挥良好的固坡作用却存在争议，这给主直根系在降雨条件下锚固作用效果发挥的判断造成了一定的阻碍。为研究影响主直根系拉拔力的因素，本文以山矾根系为研究对象，分别在4种土壤含水率条件和3种竖向压力条件下开展单条主直根系的单次拉拔试验和循环拉拔试验，以此来研究主直根系拉拔力的问题。研究结果表明：1)根系拉拔力随根系表面压力的增大而增大，并有趋于稳定的趋势；2)根系拉拔力随土壤含水率的增加呈先增后减的趋势；3)在黏土条件下，山矾单根系的最大拉拔力所对应的土壤含水率约为22%；4)在低应力状态下，根系表皮组织完整度对根系拉拔力的影响大，而高应力状态下，根系内部组织完整度对根系拉拔力的影响大。试验证明，土壤性质及含水率，根系表面压力及完整度将对主直根系拉拔力产生影响。并且，只要保证土壤含水率不超过最优值，则主直根系的锚固作用将得到充分发挥。

主直根系； 土壤含水率； 拉拔试验； 拉拔力

现有研究认为，植物在非雨水入渗条件下能起到良好的固坡作用。而降雨条件下，植物能否发挥良好的固坡作用，却存在争议。偏肯定的观点认为，即使在降雨条件下，植物依然能通过蒸腾、降雨截流、削弱雨水侵蚀以及抑制地表径流等作用来达到稳固边坡的目的[1-2]。而偏否定的观点则认为，由于根系分布范围有限，增加土壤渗透性及向坡体传递风荷载等不利性质的存在，使得其在降雨条件下所表现出的固坡作用受到限制[3]。笔者认为：前一观点适合于解释植物覆盖率高，降雨强度不大的情况，因为此时植物地表部分能对降雨起到良好的消耗阻拦作用；而后一观点则适合于解释植物覆盖率低，或降雨强度较大的情况，在该情况下，入渗的雨水将对植物固土效应产生何种影响，则需通过研究予以验证。另外，有资料指出，根系固土效应与植物种类、土壤性质间有着一定的关系[4]。因此，研究不同土壤和植物条件下，雨水入渗引起土壤含水率变化对根系固土作用产生的影响问题，将为解决上述分歧提供有效依据。

本文将在总结前人研究的基础上，通过试验研究对主直根系植物的拉拔力产生影响的因素，为探讨根系的固土效应，并找到一种能解决上述分歧的合理解释，提供参考依据。

1 试验材料

直根系存在于双子叶植物中，主根系具有明显、发达、竖直向下的特点。首先，山矾(Symplocossumuntia)属双子叶植物纲，柿目，山矾科。其次，根据挖掘所得根系可知(图1)，山矾的主根系质量占根系总质量的比例>70%；因此可判定山矾为典型的直根系植物。另外，据资料显示，山矾也被当作一种边坡防护植物运用于实际工程中，如长益高速，建泰高速等。因此，本文以山矾为试验对象，采用整株挖掘法，挖取生长于长沙理工大学云塘校区边坡上的山矾，并挑选状况良好的新鲜根系，按一定长度截取后，放入保鲜袋中短期存放。

图1 整株山矾根系Fig.1 Whole root of Symplocos sumuntia

2 试验方法

乔灌木主直根系的拔出阻力主要取决于根土间的相互作用力，而其大小则与根系在不同深度处受到的侧向压力有关。为模拟该侧向压力对根土间作用力的影响，笔者采用竖向加压水平拉拔的方法。这种方法的原理与实际坡面根系的侧向受压及垂直坡面拉拔的机理是一样的。因此，笔者采用自行研制的拉拔装置(图2)来完成试验。其中，试验盒尺寸为40 cm×40 cm(长×宽)，并在距离底部6 cm处预留一直径为2 cm的圆洞。采用的拉拔力测试器能自动记录根系拔出时的最大拉拔力。

图2 拉拔力试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the pull-out force test device

从现场挖取坡体下层黏土土样，经晒干，碾压并过0.2 cm土埌筛后按10%、15%、20%和25%的含水率配成4组土样。试验前，采用近似测量法对根系样本进行测量，即将根系按1 cm等分成若干段，分别测量其上、下部的根径，并按圆台侧面积公式计算每段的表面积后，累加得到总表面积。若某段上、下部的根径值之差>0.2 cm，则在0.5 cm处加测1次。以竖直压力为3.06 kPa，土壤含水率为11.74%的试验组为例，其包含的样本信息如表1。

表1 单条根系单次拉拔试第1试验组根系参数数据Tab.1 Root parameter of the first test group in single pull-out test for a single root

将特定含水率的土样分2层放入试验盒中，保证每层土样的高度均为6 cm。为模拟植物根系生长时所造成的土样松动，不对土样进行任何压实处理。而对于不同含水率的土样，则通过保证其干密度一致来实现初始密实度保持一致的目的。将根系垂直平铺于2层土间，保证其外露端置于预留孔中心处，并与测试设备相连。试样制作完成后，分别在3.06、6.13和9.19 kPa 3种竖直压力下，以0.037 5 m/s2的速率对根系进行水平拉拔，直至拔出。

本次试验共分为2部分，分别是为了验证单根系在单次拉拔和循环拉拔作用下，根系拉拔力与土壤含水率间的关系(表2)。其中，循环拉拔试验的目的在于，对单一根系进行多次拉拔，得到相应的峰值，并与单次拉拔结果进行对比，从而确定循环拉拔作用对根系拉拔力造成的影响。

表2 单条根系拉拔试验参数Tab.2 Test parameters of pull-out test for a single root

3 结果与分析

3.1 根系拉拔力与竖向应力之间的关系

由图3可知，以土壤含水率为11.74%的情况为例，其拟合所得公式为：

y=-4.84×10-7x2+13.89×10-3x+4.61。

(1)

式中：x为竖向应力，kPa；y为平均拉拔应力，Pa。后同。

当竖向应力为3.06 kPa时，根系平均拉拔应力为42.61 Pa。当竖向应力分别增涨至6.13 kPa和9.19 kPa时，根系平均拉拔应力与前级荷载条件下的应力相比，其增长率分别为67.87%和27.74%。

图3 单条根系单次拉拔试验结果Fig.3 Single pull-out test results for a single root

由图4可知，以土壤含水率为12.63%的情况为例，拟合所得公式为

y=-7.13×10-7x2+18.43×10-3x-20.48。

(2)

当竖向应力为3.06 kPa时，根系平均拉拔应力为29.26 Pa。当竖向应力分别增涨至6.13 kPa和9.19 kPa时，根系平均拉拔应力与前级荷载条件下的应力相比，其增长率分别为124.28%和35.03%。

图4 单条根系循环拉拔试验结果Fig.4 Cyclic pull-out test results for a single root

由上述结果可知，根系拉拔力随根系所受竖向应力的增大而增加，并有趋于稳定的趋势。对于同一根系，当所受竖向应力较小，即埋深较浅时，根系表面所受压应力较小，拉拔时产生的根土间作用力小于根系自身抗拉强度，前者起主要抵抗拔出作用；而随着埋置深度的增加，土壤对根系的侧压力增大，根土间作用力增大，其抵抗拔出的能力增强；因此，该阶段的根系拉拔力将随根系表面压力的增大而增大。当根系所受竖向应力超过某一定值，即对应埋深较大时，根系表面所受压应力增大，使得根土间作用力大于根系自身抗拉强度，后者起主要抵抗拔出作用，拔出后部分根系残留于土中；因此，该阶段的根系拉拔力将随根系表面压力的增大而趋于稳定，直至拉断。

3.2 根系拉拔力与土壤含水率之间的关系

由图5可知，以竖向应力为3.06 kPa的情况为例，当土壤含水率为11.74%时，根系平均拉拔应力为42.61 Pa。当含水率分别增加至16.02%、21.11%和26.53%时，根系平均拉拔应力与前级含水率条件下的应力相比，其增长率分别为45.02%、13.86%和-10.30%。

图5 单条根系单次拉拔试验结果Fig.5 Single pull-out test results for a single root

由图6可知，以竖向应力为3.06 kPa的情况为例，当土壤含水率为12.63%时，根系平均拉拔应力为29.26 Pa。当含水率分别增加至16.62%、21.89%和25.46%时，根系平均拉拔应力与前级含水率条件下的应力相比，其增长率分别为39.38%、28.15%和-4.64%。

图6 单条根系循环拉拔试验结果Fig.6 Cyclic pull-out test results for a single root

由上述结果可知，根系拉拔力随土壤含水率的增大呈先增后减的趋势。从根土接触面的角度分析，当根土接触面上存在毛细水时，由于湿润作用的存在，使得毛细水面向内弯曲并产生指向接触面内部的表面张力。该张力的存在，使得根土接触面上形成一种毛细压力，从而增加了根土间的黏聚力；而这种黏聚力将随着土壤含水率的增加呈先增后减的规律，从而使得根系拉拔力亦呈此种规律。从土颗粒自身的角度分析，其表面存在一层具有黏滞性的弱结合水膜，且其厚度及黏滞性将随土壤含水率的增加增至最大，直到作用面上出现孔隙水时，便开始削弱，从而使根系拉拔力表现出上述变化规律。另外，通过分析可知，在黏土条件下，山矾单根系最大拉拔力所对应的含水率约为22%。

3.3 循环拉拔对根系拉拔力的影响

对比2部分试验可知，单次拉拔条件下的根系平均拉拔力要略高于循环拉拔。如土壤含水率为16%的条件下，竖向应力分别为3.06和9.19 kPa时，循环拉拔所得结果分别为40.79和101.03 Pa，单次拉拔所得结果分别比其大51.49%和7.90%。这是由于，当根系表面压力较低时，根土间作用力起主要抵抗拔出作用。此时，在反复拉拔荷载的作用下，根系表皮组织结构出现不同程度的疲劳效应而产生破损的现象，使得与土壤接触时的摩擦系数减小，降低了根土间作用力；因此，拉拔力下降幅度较大。而当根系表面压力较高时，根系自身抗拉强度起主要抵抗拔出作用，此时内部结构为抗拉强度的主要提供者，表皮组织破损对其影响不大；因此拉拔力的下降幅度较小。这说明低应力条件下，根系表皮组织的完整性对拉拔力影响较大；而高应力条件下，根系内部组织的完整性对拉拔力影响较大。

4 讨论

4.1 根系拉拔力与竖向应力之间的关系

胡夏篙等[5]，曹云生等[6]等分别发现，根土复合体的抗剪强度和根土间的摩擦力，将随土压力的增大，出现近似线性增大的趋势。而本文发现，对于同一根系，当埋深较浅，根系表面压力较低时，根系拉拔力将随埋深的增加而增大，与上述结果一致。而当埋深较深，根系表面压力超过某一定值后，根系拉拔力将趋于某一定值直至被拔断。这与前人研究成果稍有区别，其原因可能是他们在试验中所施加的竖向压力处于较低水平，使得此时起主要抵拉拔作用的是根土间作用力，而不是根系自身抗拉强度。由于本试验施加的竖向压力较大，使得根系自身抗拉强度开始起主要抵拉拔作用。根据韩立亮等[7]等的研究可知，根系自身抗拉强度将随外拉力的增加而趋于稳定；因此，根系拉拔力开始有趋于稳定的趋势。

4.2 根系拉拔力与土壤含水率之间的关系

夏振尧等[8]，曹云生等[9]，邢会文等[10]，格日乐等[11]分别通过试验发现，根系拉拔力及根土复合体的黏聚力会随土壤含水率的增加呈先增后减的趋势，这与笔者所得规律相似；但也有部分学者通过试验得到的规律与本文不一致[12-13]，即：根土间的作用力将随含水率的增大呈递减的趋势。造成这种差异的原因可能有：试验时土壤含水率的变动区间设置不合理，变化规律未能通过试验显示出来；试验所采用的试验材料具有一定的特殊性，使得其未能与一般规律相吻合。因此，在分析土壤含水率变化对根系稳固边坡效应的影响时，需要充分考虑土壤及根系性质等因素的影响。

5 结论

1)根系拉拔力随根系表面压力的增加而增大，并有趋于稳定的趋势。

2)根系拉拔力随土壤含水率的增加呈先增后减的趋势，且在黏土条件下，山矾单根系最大拉拔力所对应的含水率约为22%。

3)低应力状态下，根系表皮组织完整度对根系拉拔力的影响大。而高应力状态下，根系内部组织完整度对根系拉拔力的影响大。

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Study on pull-out force in taproot by indoor test

YANG Wenda1,2，WANG Guiyao1，CHANG Jingmei1，ZHANG Yongjie1

(1.College of Civil Engineering & Architecture，Changsha University of Science & Technology，410114，Changsha，China；2.Home-Broad Homes Industrial International Co.,Ltd.,410000,Changsha,China)

[Background] The deep anchoring effect of trees taproot and shrubs taproot on soil of slope can significantly improve the stability of slope.But in the rainfall conditions,whether the plant can play a favorable role in the stabilization of slope is controversial.Therefore,this has caused obstacles to judgement of pull-out force of taproot in rainfall conditions.[Methods] To study the factors that affect the pull-out force of taproot,theSymplocossumuntiataproot was selected as the research object in this paper,and was used to study on the problem of pull-out force of taproot.Among them,pull-out tests were carried out under 4 soil water content conditions(10%，15%，20%，and 25%) and 3 vertical stress conditions(3.06 kPa，6.13 kPa，and 9.19 kPa),and pull-out tests contains two parts:single pull-out test and cyclic pull-out test.The pull-out test device was designed as in Figure 2 by our own laboratory.[Results] 1)The taproot pull-out force increased with the increase of stress on the taproot surface and gradually became stable.The single pull-out test results showed that,taking soil water content of 11.74% of the situation as an example,when the vertical stress was 3.06 kPa,6.13 kPa and 9.19 kPa,the taproot average pull-out stress was 42.61 Pa,71.52 Pa and 91.36 Pa.2) With the increase of soil water content,the taproot pull-out force increased firstly and then decreased.The single pull-out test results showed that,taking vertical stress of 3.06 kPa of the situation as an example,when the soil water content was 11.74%,16.02%,21.11% and 26.53%,the taproot average pull-out stress was 42.61 Pa,61.79 Pa,70.35 Pa and 63.11 Pa.3) When the soil was clay,the corresponding soil water content of the greatest pull-out force ofSymplocossumuntiataproot was 22%.4) In the low state of stress,taproot external organizational integrity had a greater effect on the pull-out force; while in the high state of stress,taproot internal organizational integrity had a greater effect on the pull-out force.Taking soil water content of 16% of the situation as an example,when the vertical stress was 3.06 kPa and 9.19 kPa,the average pull-out stress obtained by the cyclic pull-out test was 40.79 Pa and 101.03 Pa.And the average pull-out stress obtained by the single pull-out test was 61.79 Pa and 109.01 Pa.[Conclusions] Experiments show that the soil properties and water content,root surface stress and integrity will have a significant effect on the pull-out force of taproot.And,as long as the soil water content does not exceed the optimal value,the anchoring effect of the taproot will be fully exerted.

taproot; soil water content; pull-out test; pull-out force

2017-03-27

2017-07-01

项目名称：国家自然科学基金“生态防护边坡的雨水入渗及其对植被根系固土防滑作用的影响机理研究”(51578082)

杨闻达(1990—)，男，硕士研究生。主要研究方向：边坡生态防护。E-mail：2581528180@qq.com

†通信作者简介：王桂尧(1963—)，男，博士，教授。 主要研究方向：路基边坡。E-mail：wanggy688@163.com

U416.1；S157.9

A

2096-2673(2017)04-0111-06

10.16843/j.sswc.2017.04.014