文章信息
- 及金楠, 田佳, 瞿文斌
- Ji Jinnan, Tian Jia, Qu Wenbin
- 基于连续断裂过程的根系黏聚力Wu氏模型修正系数的确定
- Determination of Correction Coefficients of Wu's Model of Root Cohesion Based on Successive Fracture Process
- 林业科学, 2017, 53(11): 170-178.
- Scientia Silvae Sinicae, 2017, 53(11): 170-178.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20171120
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文章历史
- 收稿日期:2016-08-14
- 修回日期:2017-06-18
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作者相关文章
2. 宁夏大学农学院 银川 750021
2. School of Agriculture, Ningxia University Yinchuan 750021
山体滑坡易造成人员伤亡和大量财产损失。以往地质学家常采用土木工程措施防治滑坡,随着人类对生存环境的要求越来越高,对生态文明的可持续发展越来越重视,生态和生物技术专家开始研究并应用植物根系来加固边坡的“生态工程”措施(Coppin et al., 1990; Cammeraat et al., 2015; Stokes et al., 2014;田佳等,2015)。生态工程这一理念由美国学者H.T.Odum于20世纪60年代首次提出,基于它具有清洁、环保、能长期发挥效益等优势,如今已得到广泛应用(Odum, 1962)。研究发现,植物根系通过增加土壤的抗剪强度或降低孔隙水压力来固持土体(Gray et al., 1996),以防治浅表层滑坡。
20世纪70年代,Wu和Waldron以极限平衡理论为基础,提出了根系固土力学模型,简称Wu氏模型。Wu氏模型假设根为均匀、弹性体,在同时达到最大抗拉强度的瞬间全部断裂(Wu, 1976; Waldron, 1977)。该模型虽然计算简便、参数较少、原理清晰,但其对根系破坏方式与过程、根与土相互作用等方面缺乏深入研究,从而降低了模型精度(张超波等,2012)。大量研究发现,Wu氏模型过高评估了根系固土能力(Bischetti et al., 2009; Hales et al., 2009; Schwarz et al., 2010; Mao et al., 2011),造成植被覆盖边坡稳定分析中对边坡不安全因素的低估,提高了边坡稳定性分析的风险,限制了它的使用。Pollen等(2005)首次应用复合材料断裂力学中的纤维束连续断裂理论,提出了根系渐进破坏模式,构建根系固土的纤维束模型。与Wu氏模型不同,纤维束模型假设根系在破坏过程中依据强度大小渐进失稳、连续断裂,更符合真实情况,大量学者认为纤维束模型是当前模拟根系黏聚力最准确的方法(Bischetti et al., 2009; Hales et al., 2009; Loads et al., 2010; Mickovski et al., 2009;Schwarz et al., 2010; Mao et al., 2014)。但是,纤维束模型计算过程较为复杂,限制了它的使用,特别是在我国应用范围并不广泛。因此,为提高Wu氏模型的可靠性和适用性,国外很多学者基于纤维束模型,提出Wu氏模型的修正系数(Schwarz et al., 2010; Pollen et al., 2005;Hammond et al., 1992; Waldron et al., 1981; Docker et al., 2008; De Baets et al., 2008),但是并没有对该修正系数是否随土壤深度等发生变化进行过研究。
本文以黄土高原地区典型造林树种刺槐(Robinia pseudoacacia)和侧柏(Platycladus orientalis)根系为研究对象,基于根系连续断裂过程,计算了根系黏聚力Wu氏模型的断裂修正系数,并分析修正系数与根截面积比之间的关系,旨在进一步完善根系黏聚力Wu氏模型,提高造林边坡稳定性评价的准确性,以指导黄土高原地区水土保持植物工程措施的开展,治理水土流失,改善生态环境。
1 材料与方法 1.1 根系黏聚力理论和断裂修正系数k″1) Wu氏模型应用极限平衡理论,Wu(1976)和Waldron(1977)在摩尔库仑定律的基础上,构建Wu氏模型(Wu, 1976; Waldron, 1977),记为WWM。WWM模型认为根系对土壤抗剪强度增强作用可视为一个附加的黏聚力cr,因此,根土复合体的抗剪强度可表示为:
$ \tau = {c_{\rm{r}}} + {c_{\rm{s}}} + \sigma \tan \varphi 。$ | (1) |
式中,cs是土壤黏聚力,kPa;σ是在剪切面上的正应力,kPa;φ是内摩擦角,(°)。
当土层发生相对滑动(趋势)时,土体剪切破坏,贯穿于相对滑动面上的植物根系拉伸,产生拉力T(图 1)。拉力T沿着滑动面和垂直于滑动面的方向分解为阻碍滑动趋势的Tx和产生摩擦作用的Ty(图 1),因而cr可表示为:
$ \begin{array}{l} {c_{\rm{r}}} = \left({{T_x} + {T_y}\tan \phi } \right)/A = \left[ {T\left({\cos \alpha + \sin \alpha \tan \phi } \right)} \right]/\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;A = \left[ {{\sigma _{\rm{r}}}{A_{\rm{r}}}\left({\cos \alpha + \sin \alpha \tan \phi } \right)} \right]/A。\end{array} $ | (2) |
式中,σr为根截面应力,kPa;Ar为根横截面积,m2;A为根土复合体截面面积,m2;Ar/A称为根截面积比率。
WWM模型假定所有根在同时达到强度极值的瞬间全部断裂,σr的极值为根的抗拉强度Tr。设参数k′=cosα+sinαtanφ,该参数反映了根系与潜在滑动面之间的角度关系。大量调查与研究发现,通常情况下48° < α < 72°,因而k′可认为近似等于1.2(Wu et al., 1979)。且考虑根径级时,式(2)被改写为(Wu, 1976; Waldron, 1977):
$ {c_{\rm{r}}} = k'\sum\limits_{j = 1}^N {{T_{{\rm{r}}j}}} \left({{A_{{\rm{r}}j}}/A} \right) \approx 1.2\sum\limits_{j = 1}^N {{T_{{\rm{r}}j}}} \left({{A_{{\rm{r}}j}}/A} \right)。$ | (3) |
式中,N是根径级数,j是根径级,Trj和Arj指第j径级根的平均抗拉强度和平均横截面积。
2) 纤维束模型 根系黏聚力的纤维束模型(Fiber Bundle Model,简称FBM)是基于复合材料连续断裂理论而提出的,它认为由于根系连续断裂的特点,使得根束所能承受的最大荷载低于所有单根的强度之和。FBM的原理为:当对具有n个平行根样的根束进行拉伸时,给定1个初始拉力,拉荷载按照不同的准则进行分配,另使拉力逐渐增加,当增加到某个根样不足以承受时发生断裂,荷载便在其余的(n-1)个根样中重新分配,如果新荷载继续造成某根样断裂,荷载再次在其余根样间重新分配直至不再有根样断裂,此时外荷载继续增加,该循环重复至全部根样断裂为止。该模型根据驱动荷载的不同,可分为拉力控制式和位移控制式2类。
拉力控制式是指对根束施加拉荷载,如图 2a、表 1,根据荷载分配方式的不同形成了3种不同的算法,如①②③,但3种算法均以抗拉强度作为判别断裂的标准。
① 对根束施加拉荷载,按根的数量平均分配拉力(Daniels, 1945),构建基于根数量的拉力控制式FBM模型,模拟根系黏聚力,记为cr(root number FBM)。
② 对根束施加拉荷载,按根的直径分配拉力(Pollen, 2005),构建基于根直径的拉力控制式FBM模型,模拟根系黏聚力,记为cr(root diameter FBM)。
③ 对根束施加拉荷载,按根的横截面积分配拉力(Hidalgo et al., 2001),构建基于根截面积的拉力控制式FBM模型,模拟根系黏聚力,记为cr(root cross sectional-area FBM)。
位移控制式是指把根假设为弹性材料,对根群施加驱动位移s使其同步伸长,通过式(4)计算根的最大伸长量smax,以根的伸长量是否达到smax,作为判别断裂的标准,通过计算根断裂时所承受的荷载,构建位移控制式FBM模型(Schwarz et al., 2010),模拟根系黏聚力,记为cr(identical displacement FBM),如图 2b,即算法④。
$ {s_{\max }} = {l_0} \cdot \frac{{{T_{\rm{r}}}}}{E}。$ | (4) |
式中,l0是根的初始长度,m; E是根的杨氏模量, kPa。
3) 断裂修正系数k″ 大量研究发现,由于WWM假设在剪切破坏瞬间所有根都达到极限状态并且同时断裂,造成了根系黏聚力的严重高估(Bischetti et al., 2009; Schwarz et al., 2010; Mao et al., 2011; Loades et al., 2010)。而FBM是依据根系的逐步断裂理论提出的,反映了根系破坏的真实过程,被认为是一种准确度更高的模拟根系黏聚力的方法(Pollen et al., 2005; Thomas et al., 2010),但由于其模拟过程复杂、计算繁琐,限制了它的使用。因而,本研究基于根系的连续断裂过程,提出了根系黏聚力Wu氏模型修正系数,即断裂修正系数k″,如式(5)。断裂修正系数k″以脚标rn, csa, rd和id标注,表示不同的纤维束模型算法。
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;{{k''}_{{\rm{rn}}}} = \frac{{{c_{\rm{r}}}\left({{\rm{root}}\;{\rm{number}}\;{\rm{FBM}}} \right)}}{{{c_{\rm{r}}}\left({{\rm{WWM}}} \right)}};\\ {{k''}_{{\rm{csa}}}} = \frac{{{c_{\rm{r}}}\left({{\rm{root}}\;{\rm{cross - sectional}}\;{\rm{area}}\;{\rm{FBM}}} \right)}}{{{c_{\rm{r}}}\left({{\rm{WWM}}} \right)}};\\ \;\;\;\;\;\;{{k''}_{{\rm{rd}}}} = \frac{{{c_{\rm{r}}}\left({{\rm{root}}\;{\rm{diameter}}\;{\rm{FBM}}} \right)}}{{{c_{\rm{r}}}\left({{\rm{xWWM}}} \right)}};\\ {{k''}_{{\rm{id}}}} = \frac{{{c_{\rm{r}}}\left({{\rm{identical}}\;{\rm{displacement}}\;{\rm{FBM}}} \right)}}{{{c_{\rm{r}}}\left({{\rm{WWM}}} \right)}}。\end{array} $ | (5) |
在黄土高原西南部山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站(36°40′N,110°27′E),选取立地条件相近(表 2)、林龄相同(17年生)的刺槐和侧柏根系为研究对象。每个树种选取9株标准木,在距标准木根基50 cm远处挖取土壤剖面,测定根截面积比率(root area ratio, RAR)。同时,随即选取生长良好、完整无损且单根通直均匀的根样进行拉伸试验以获取植物单根的力学特性(抗拉强度和杨氏模型)。其中,RAR的测定方法与结果分析详见及金楠等(2014);2树种单根力学特性的测定方法与结果分析详见及金楠等(2012)。根据以上发表的数据,分别应用Wu氏模型和纤维束模型计算根系黏聚力,进而确定断裂修正系数k″。
使用方差分析(ANOVA)研究断裂修正系数k″在不同算法、不同树种与土壤深度上的差异性。此外,采用简单线性回归法(simple linear regression),分析k″与RAR间的相关性,为避免数据单位的干扰,分析前对数据进行标准化处理(Chatterjee et al., 2006)。统计分析使用SPSS软件实现(SPSS Inc., Chicago, USA)。
2 结果与分析 2.1 根系黏聚力图 3表明,无论针对哪种算法,刺槐根系的黏聚力都显著高于侧柏根系(P < 0.001),该现象是由于刺槐根系的抗拉强度与根截面积比率都高于侧柏根系造成的。对于2个树种,用WWM模型计算出的根系黏聚力都显著高于其他模型的计算结果(P < 0.001)。在铅直方向上,无论任一种算法,刺槐根系的黏聚力都随深度的增加呈先增加后减少规律(图 3a)。陈丽华等(2008)研究发现刺槐根系属于水平根构型,具有极为发达的浅表层水平根系,没有明显主根,这一结论也对刺槐根系黏聚力极大值出现在表层30 cm范围内提供了很好的佐证。对于侧柏根系,除根截面积的拉力控制式FBM模型外,其余算法得到的根系黏聚力都随深度增加单调递减(图 3b)。
在不考虑空间异质性的前提下,刺槐根系的断裂修正系数k″均值为0.63,侧柏根系的断裂修正系数k″均值为0.60,说明传统Wu氏模型高估了根系的固土能力,扩大了边坡稳定性分析的风险因素。统计分析发现,断裂修正系数k″随树种(P < 0.001)、算法(P < 0.001)和土层深度(P < 0.001)而显著变化。刺槐根系的k″显著高于侧柏根系(P < 0.001)。k″随算法的变化具体表现为,对于刺槐根系,k″id的均值最大,为0.8±0.02;其次是k″csa和k″rd,其均值分别为0.67±0.05和0.54±0.11;k″rn的均值最小,为0.50±0.13。对于侧柏,k″id的均值也最大,为0.71±0.05;其次是k″rd和k″csa,其均值分别为0.60±0.12和0.56±0.08;k″rn的均值同样最小,为0.53±0.14。另外,在不考虑算法的情况下,k″随深度增加而变化,表层30 cm内的k″显著低于深部土层(P < 0.001) (图 4)。
分析发现,k″rn, k″csa, k″rd和k″id随根截面积比RAR变化,2树种断裂修正系数与RAR间的相关系数Cor (k″csa, RAR), Cor (k″rn, RAR), Cor (k″rd, RAR)和Cor (k″id, RAR)均为负数(表 3中“所有象限”),说明2个树种、所有算法,k″与RAR都呈负相关,即k″随RAR增加而减少。为探讨这种负相关趋势的强弱变化,对2个树种分别以RAR≤RARmean(表 3中“②③象限”)和RAR > RARmean(表 3中“①④象限”)的数据为对象,根据小样本F检验的统计分析结果,发现RAR≤RARmean时相关系数绝对值显著高于RAR > RARmean时的相关系数绝对值(P < 0.001),说明k″与RAR的负相关关系存在阈值。本研究中对于刺槐根系,当RAR≤0.14时,断裂修正系数随根截面积比的增加而显著降低(图 5a),当RAR > 0.14时,二者的相关性显著降低;对于侧柏根系,当RAR≤0.11时,断裂修正系数随根截面积比的增加而显著降低,当RAR > 0.11时,二者的相关性显著降低(图 5b)。
本研究得到的断裂修正系数均值为0.62,这一结论与Pollen等(2005)所研究的三角叶杨(Populus fremontii)、一球悬铃木(Platanus occidentalis)、水桦(Betula nigra)、长叶松(Pinus palustris)和黑柳(Salix nigra)的断裂修正系数0.6~0.82及Hammond等(1992)研究的造林植被的断裂修正系数0.56数值接近;但是比Waldron等(1981)观测的大麦(Hordeum vulgare)、Gray等(1983)观测的芦苇(Phragmites australis)、Pollen等(2005)观测到的柳枝稷(Panicum virgatum)等灌草植物的断裂修正系数偏高,其可能原因主要在灌草植物有大量抗拉强度较弱的须根,在纤维束模型的模拟过程中,大量须根先断,因而表现出采用传统Wu氏模型模拟灌草植物高估较严重,断裂修正系数偏低(Pollen et al., 2005)。因此,Preti等(2006)提出了断裂修正系数均值0.4。另外,Cohen等(2011)将根直径按Weibull分布模拟,发现比较小的根径域通常更易造成传统Wu氏模型的高估,因而表现出灌草植物的断裂修正系数往往高于高大乔木。
统计分析还发现,断裂修正系数随算法的不同而差异显著(P < 0.001)(图 4)。根据纤维素模型的算法分类,断裂修正系数可分为拉力控制式和位移控制式2类,k″rn, k″csa和k″rd属于拉力控制式,而k″id属于位移控制式。由位移控制式算法提出的断裂修正系数远高于由拉力控制式提出的断裂修正系数(P < 0.001)(图 4)。推测可能由于在拉力控制式纤维束模型中,抗拉强度作为判别根样断裂的标准,抗拉强度这一指标可以反映出根木材料的塑性;而在位移控制式纤维束模型的计算中,把根样假设为弹性材料,并引入杨氏模量如最大伸长量smax来计算判别断裂的标准,因而使得当根样达到最大伸长量时的计算承载力较实际偏高,造成根系黏聚力偏高,表现出k″id偏高的现象。
Bischetti等(2009)针对欧洲水青冈(Fagus sylvatica)、欧洲云杉(Picea abies)、欧洲落叶松(Larix decidua)、欧洲栗(Castanea sativa)和欧洲铁木(Ostrya carpinifolia)研究了断裂修正系数k″与根密度间的关系,而本研究为了考虑根粗细的影响,将根密度扩展为根截面积比RAR。研究发现断裂修正系数k″与根截面积比RAR间的相关系数均为负数,说明二者之间存在负相关,但由于相关系数的绝对值虽比Bischetti等(2009)的研究略有提升但仍然不能满足高度相关的要求,说明相关性并不显著,因而推测可能还有更重要因素影响k″,但至今仍未发现,需在今后的研究中继续探索。
在水平方向上,本研究只设计了距标准木根基50 cm远处的根系调查,今后可继续开展在不同的水平梯度上根系调查,分析k″在水平面上的变化趋势。在重直方向上,本研究只分析了50 cm深度范围内的k″,因为调查发现该样地根系分布较浅,推断可能是由于移植乔木的根系通常较浅造成的(Preti et al., 2009; 2010)。另外,研究还发现表层30 cm的深度处的断裂修正系数显著低于深层土(P < 0.001)。此现象正是由于深层根系显著减少,表现出断裂修正系数k″不降反升。因而,在进行边坡稳定性分析时,用Wu氏模型来计算根系加固作用时,可适当提高断裂修正系数,因为潜在滑动层通常较深(≥1 m),并且穿透的根数量也显著少于表层土(Bischetti et al., 2009)。
4 结论1) 根系黏聚力Wu氏模型的断裂修正系数随算法、树种和土层深度而变化。位移控制式算法引入的断裂修正系数高于拉力控制式算法引入的断裂修正系数;表层30 cm内Wu氏模型的断裂修正系数低于深部土层。
2) 根截面积比与断裂修正系数的负相关性存在阈值。当根截面积比小于阈值时(刺槐0.14, 侧柏0.11),断裂修正系数随着根截面积比增加而减少;当根截面积比大于阈值时,断裂修正系数不再随根截面积比显著变化。该研究成果可为揭示植物护坡的力学机制提供理论基础,为水土保持工程植物措施提供科学依据和理论指导。
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