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系統識別號 U0002-2407200615492000
中文論文名稱 芒草根系力學之碎形分析
英文論文名稱 Fractal Analysis of Miscanthus Floridulus Root System
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 黃瀚瑱
研究生英文姓名 Han-Chen Huang
學號 693310236
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-05-28
論文頁數 172頁
口試委員 指導教授-楊長義
委員-王承德
委員-洪勇善
中文關鍵字 芒草植生  邊坡穩定  凝聚力增量  安全係數  方格維度 
英文關鍵字 Vegetation with Miscanthus Floridulus  Slope stability  Cohesion increasement  Safety factor  Box dimension 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究主要針對現地五節芒進行採樣,輔助影像分析技術以得到芒草外觀基本資料(如株高、莖徑、根長等),並利用碎形觀念計算根系分佈之複雜度(Db)及利用盒維度求出根系各不同深度斷面的盒維度Db(A)。另一方面,進行根繫土壤之室內直剪試驗,以求知五節芒根系複雜度與根系補強之土壤強度之增加量關係,並考慮增強的凝聚力Δc探討植生改善邊坡土壤參數,配合Stabl程式分析邊坡安全係數之改變。研究結果得致以下幾點結論:

(1)芒草根系分佈幾何確實具有碎形特色,室內分析樣本雖經擾動後但不影響總根量及其碎形參數,任一方位根系投影Db幾乎相同,且複雜度仍可逼近現地根系碎形狀況。
(2) 坡頂或坡面雖根系的生長方向不同,但株高(H)與根系分佈複雜度皆有正相關關係,雖種植區域不同但其根系碎形特色一樣。本研究植株高度10cm~134.5cm的根系分佈其Db值結果介於1.0~1.55間。
(3) 株高愈長,底部的根系規模越大且分佈越複雜。株高與根系含量呈正相關關係,且在地下0-5cm間的根斷面的Db(A)為最大,表示這段區域的根系最為複雜,所提供的根繫作用最大。
(4) 根繫作用主要在提升土壤凝聚力Δc,對摩擦角的改變不大,並隨著株高愈高凝聚力增量Δc愈多,且伴隨著根系成長,加勁改良範圍隨之擴大,所以利用植生護坡根系複雜的網結性以及根系成長擴大加勁範圍確可收穩定邊坡之效。
(5) 植生於非凝聚性土壤邊坡(凝聚力c=0),其植生效益優於凝聚性土壤邊坡(c≠0),並且隨著芒草株高之成長而增加抗剪強度,邊坡之安全係數也會相對提高。
英文摘要 In the light of Miscanthus Floridulus, this study undertakes sampling in the field and portrait analysis as auxiliary and obtains basic data of appearance of Miscanthus Floridulus; such as: shoot height, stem diameter, root length and so on. Also, making use of fractal concept to calculate complexity (Db) of root distribution; as well as using box dimension to find out different depth cross section of box dimension Db(A). At the another aspect, laboratory direct shear test of root-connected soil has been undertaken to seek for relations of Miscanthus Floridulus complexity and soil strength increase of root. Also, enhancement of cohesion (Δc) has been considered to confer slope side soil parameter of vegetation improvement; and to harmony with Stabl to analyze changes of slope side safety factor. Conclusions are listed below:

(1) The geometry distribution of Miscanthus Floridulus
actually has fractal character. Although laboratory analysis after being disturbed, total capacity of root and its fractal parameter are not influenced. And, Db of root projection of any location is almost same and complexity still closes to root fractal situation in the field.
(2) Although different growth direction of upper slope surface or slope face, shoot height (H) and root distribution complexity have positive correlation. Different root area but its root fractal character is same. The root distribution of shoot height 10cm-134.5cm, its Db value is between 1.0-1.55.
(3) The longer of the shoot height(H), the larger scope of the root bottom and its distribution is more complicated. Therefore, shoot height and capacity of root have positive correlation. When the largest of cross section Db(A) of underground 0-5cm shoot, it is meant that root in this area is the most complicated and the largest function of root-connected are provided.
(4) The main function of root-connected is to promote soil cohesion (Δc), no bigger change to friction angle. To comply with the higher of shoot height, the more of cohesion increasement (Δc) will be. It will go along with root growth and enlarge improvement. Therefore, making use of complicated knot of vegetation slope protection and enlargement of root growth, no doubt, the effect of slope side will be stabilized.
(5) When vegetation at the slope side of cohesionless soil (c=0), its effect is better than that of cohesive soil (c≠0). To follow growth of shoot height of Mmiscanthus Floridulus to increase shear strength, the safety factor of slope side will be comparatively risen.
論文目次 目錄 I
表目錄 III
圖目錄 V
第一章 前言 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 2
1.3 研究內容 2
第二章 文獻回顧 5
2.1 前言 5
2.2 植生根系對邊坡穩定性的影響 5
2.2.1 水文機制方面 5
2.2.2 力學機制方面 6
2.3 植物根系對土壤的加勁 6
2.3.1 植物根系型態 6
2.3.2 植物根系分布深度 7
2.3.3 根系之拉力強度 8
2.3.4 根系對土壤之補強效應 9
2.3.5 根提供土壤剪力強度之增量 11
2.3.6 數值模擬根系加勁邊坡 14
2.4 碎形維度之概念 15
2.4.1 碎形維度計算法 16
2.4.2 碎形理論應用於植物成長 17
2.4.3 碎形理論應用於空間分佈 17
第三章 草根採樣與直剪實驗 35
3.1 草根樣本取樣方法 35
3.2 根系基本資料影像處理 36
3.3 根系之碎形檢驗 36
3.4 根系資料的量化分析 37
3.5 室內直接剪力實驗 38
3.5.1 儀器介紹 38
3.5.2 現地土壤之基本性質 39
3.5.3 試體配置 39
3.5.4 試驗步驟 40
3.5.5 試驗內容 40
第四章 芒草根系之碎形分析 67
4.1 根系幾何分佈特性 67
4.2 芒草生長期指標參數與根系碎形關聯性 68
4.3 芒草根系規模與根系碎形關聯性 72
4.4 芒草根系不同深度下之根系碎形關係 73
第五章 直剪試驗結果與分析 99
5.1 試驗結果 99
5.2 無根繫作用土壤之剪力強度 100
5.3 根繫土壤之剪力強度 101
5.3.1 飽和度(S)對剪力強度之影響 101
5.3.2 根量(R)對剪力強度之影響 102
5.3.3 芒草株高(H)對剪力強度之影響 103
5.4 根系碎形與剪力強度之關係 104
第六章 芒草植生對邊坡穩定之影響 137
6.1 邊坡案例與參數選定 137
6.2 五節芒穩定邊坡作用之分析 138
6.2.1 未植生土壤邊坡 138
6.2.2 根系加勁土壤邊坡 139
6.3 根系複雜度與安全係數之關係 141
第七章 結論與建議 165
7.1 結論 165
7.2 建議 166
參考文獻 169

表目錄
表2.1 (五節芒)凝聚力與摩擦角增量 19
表2.2 植生根系補強前後土壤強度比較 19
表4.1 草株基本資料及其碎形參數(坡頂) 75
表4.2 草株基本資料及其碎形參數(坡面) 76
表5.1 純土壤直接剪力實驗之結果 106
表5.2 根繫土壤直接剪力實驗之結果 107
表5.3 根繫土壤尖峰強度破壞後之剪應力降 109
表6.1 Stabl分析中輸入參數 142
表6.2 由公式(5.1)及(5.3)株高(H)推算之根系Db值 142
表6.3 純土壤在不同坡度下之安全係數 143
表6.4 不同坡度植生所影響之安全係數 143
表6.5 植生影響邊坡破壞後之退縮距離 145

圖目錄
圖2.1 植被護坡原理圖 20
圖2.2 木本植物之根系系統 21
圖2.3 根系分佈三種形態 21
圖2.4 以紫花苜蓿(Alfaita)、迷迭香(Rosemary)、黃蓮木(Pistacia)、桂花(Cistus)不同根徑下的根拉應力與楊氏模數分布圖 22
圖2.5 紫花苜蓿根系抗拉力與根總表面積之關係圖 23
圖2.6 根系對土壤剪應力之影響 23
圖2.7 垂直剪動帶之根力補強力學模式 24
圖2.8 無根土壤之不同深度(h)下剪力與剪位移關係 24
圖2.9 無根與含根土壤之剪力與剪位移關係 25
圖2.10 傾斜根系之彈性根模式 25
圖2.11 比較根垂直與隨意角度在砂中剪應力包絡線 26
圖2.12 根量對加勁土壤抗剪力之影響 26
圖2.13 以FLAC模擬與實驗結果之比較 27
圖2.14 根系角度對相對安全指數值(RSI)之影響 28
圖2.15 根系角度對相對安全係數(RFS)的影響 29
圖2.16 盒蓋法求法 30
圖2.17 碎形理論應用於植物分支 30
圖2.18 田麻木與馬錢其成長期長短與碎形維度D之關係 31
圖2.19 空間維度(D3D)與平面維度Dxy關係 32
圖2.20 3D與2D維度值相關比較 33
圖3.1 五節芒試體採樣地點 42
圖3.2 現場挖掘草株取樣之情況 44
圖3.3 根系與土壤網結現象 45
圖3.4 水洗法 46
圖3.5 成長期不同的五節芒變化 47
圖3.6 五節芒草株各部位之參數定義 48
圖3.7 根系由X、Y、Z三方位投影照 49
圖3.8 方便量化計算而轉成黑白照片過程 52
圖3.9 以網格覆蓋法求取根系之覆蓋格數 53
圖3.10 推求根系方格維度值Db與截距Ir 53
圖3.11 大小株根系之迴歸截距 54
圖3.12 覆蓋不同尺規格求取斷面之維度 55
圖3.13 求不同深度根系斷面之方格維度(Db(A)) 55
圖3.14 假設根系擾動後的方格維度Db變化 56
圖3.15 利用photoshop求取根量黑色像素比例 56
圖3.16 直剪儀器 57
圖3.17 現地土壤粒徑分佈曲線 58
圖3.18 根繫土壤之現場取樣 59
圖3.19 現場取樣之根系加勁試體 60
圖3.20 試體浸泡過程 61
圖3.21 利用透水石將取土環中土樣壓入直剪盒 62
圖3.22 根系加勁土體受剪後之試體 63
圖3.23 受剪後由土體洗出之根系體積含量 65
圖3.24 含水量及其飽和度關係 66
圖4.1 現地根系於坡面及坡頂之生長狀況 77
圖4.2 根系生長分佈方向之示意圖 78
圖4.3 坡面與坡頂上根系方格維度之比較 79
圖4.4 生長期長短之與根系複雜度的關連性示意 80
圖4.5 現地五節芒的株高(H)與根長(h)之關係 81
圖4.6 現地五節芒的株高(H)與莖徑(d)之關係 81
圖4.7 現地五節芒的株高(H)與單株所有根量(R)關係 82
圖4.8 株高(H)與根系方格維度Db之關係 83
圖4.9 根長(h)與Db關係 86
圖4.10 莖徑(d)與Db關係 89
圖4.11 根量RAll與Db關係 92
圖4.12 截距與株高關係 95
圖4.13 截距與Db關係 95
圖4.14 依深度分段求取不同深度的根容量 96
圖4.15 不同深度下的根容量 96
圖4.16 高矮芒草根系強度之深度分佈圖 97
圖4.17 不同深度下之Db(A)分佈圖 98
圖5.1 純土試體剪應力-剪位移曲線 110
圖5.2 根繫土壤(S=66%)之剪應力-剪位移曲線 112
圖5.3 根繫土壤(S=84%)之剪應力-剪位移曲線 114
圖5.4 根繫土壤(S=87%)之剪應力-剪位移曲線 117
圖5.5 根繫土壤(S=91%)之剪應力-剪位移曲線 118
圖5.6 根繫土體受剪破壞後剪應力之下降量 119
圖5.7 根量與剪應力之下降量關係 120
圖5.8 不同正向應力下飽和度對純土壤剪力強度影響121
圖5.9 純土壤之平均強度包絡線 121
圖5.10 不同飽和度下之純土壤剪力強度之改變情況 122
圖5.11 根系加勁土壤中飽和度對凝聚力之影響 123
圖5.12 根系加勁土壤中飽和度對摩擦角之影響 124
圖5.13 不同飽和度下之根繫土體的平均剪力強度參數 125
圖5.14 根繫土壤中飽和度對其應力參數之關係 126
圖5.15 在不同飽和度時根量多寡對剪力強度之影響 127
圖5.16 根含量與剪力強度參數之關係 129
圖5.17 根含量與增加土體凝聚力 的關係 130
圖5.18 現場量測五節芒株高(H)與其莖底徑(d)之成長關係圖 131
圖5.19 現場芒草株高(H)與其根量(R)之成長關係 132
圖5.20 不同株高下根繫土壤之剪應力-剪位移曲線比較 133
圖5.21 不同草株高度所對應的剪力強度 134
圖5.22 芒草株高(H)與剪力強度增量之關係 135
圖5.23 現場芒草株高(H)與根系方格維度Db之關係 136
圖5.24 不同根系方格維度Db對應土壤凝聚力增量 之提增量關係136
圖6.1 邊坡模擬之幾何型態 147
圖6.2 由本文回歸公式推估stabl基本參數關係 148
圖6.3 不同邊坡角度的純土壤安全係數 149
圖6.4 非凝聚性與凝聚性土壤邊坡最危險之破壞面比較 150
圖6.5 凝聚性土壤(土壤B)邊坡穩定分析中破壞面範圍限制不同造成之影響 151
圖6.6 不同芒草植生高度對邊坡安全係數提升比之改變 152
圖6.7 不同坡度造成邊坡破壞面大小之比較 154
圖6.8 在不同土壤性質的邊坡植生效益演變之比較 (在坡面&坡頂種植) 155
圖6.9 在不同植生高度時邊坡破壞區退縮距離 156
圖6.10 種植於坡頂處時根系對退縮距離之比較 158
圖6.11 種植於坡面處時根系對退縮距離之比較 159
圖6.12 種植於坡頂&坡面處時根系對退縮距離之比較 160
圖6.13 植生根系複雜度(Db)與邊坡安全係數提升比之關係 161
圖6.14 非凝聚性土壤邊坡於不同植生高度時之安全係數比較 164



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