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系統識別號 U0002-2508201017104500
中文論文名稱 根量對根繫土壤剪力行為之影響
英文論文名稱 Effect of root number on the shear behavior of rooted soil
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 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 王盈瑋
研究生英文姓名 Yin-Wei Wang
學號 696380186
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-01
論文頁數 156頁
口試委員 指導教授-楊長義
委員-王泰典
委員-洪勇善
中文關鍵字 根系生長  碎形維度  雙直線模式  剪力強度  十字片剪 
英文關鍵字 Root system growth  fractal dimension  hyperbolic model  shear strength  vane shear test 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 植生護坡利用植物的根的錨定力達提供提高邊坡淺程滑動之穩定性,係透過根的拉伸作用以達到提伸根系土壤的抗剪強度。故本研究針對現地五節芒進行採樣,在了解根主要的抗拉特性,進而得到探討不同根徑對於抗拉強度之碎形關係;而也進行室內直剪試驗,以求土壤內根含量與土壤剪力強度之關係,並探討根繫土壤於破壞過程中,根與土壤顆粒之間及其剪力強度參數凝聚力(c)、摩擦角之變化;另一方面同步進行現地十字片剪試驗,並於試驗後取回完整現地草根,透過影像處理量化五節芒根量,對應十字片剪試驗結果加以討論。
研究結果得致以下幾點結論:(1)氣乾草根的吸水程度之吸水率(Q)於第八天達到飽和狀態,而草根強度在提升吸水率(Q)對強度沒有明顯影響。(2)根徑的拉伸行為皆為延性行為,隨根徑越粗其斷裂變形較大且勁度衰減率越高。抗拉強度隨著根徑增大而遞減,以雙對數表示其五節芒碎形關係有碎形維度關係,其表示五節芒抗拉強度隨根徑變化之影響。(3)不同根折角對土體加勁影響,當根折角大者較早產生抗拉作用,根折角小則較晚,現地草根於邊坡滑動為漸進式破壞早期根折角大者作用,後期根折角小者產生抗剪強度。而根數較多者(植生較久)可提高抗剪強度且破壞時機越晚。(4)根於土體中可分為拉出摩擦與拉斷破壞,根於土體中拉動初期受摩擦阻抗影響,隨根量增多在高應力下剪力強度提高,但只貢獻於強度參數c之上對強度參數φ沒有明顯貢獻,為拉伸拉斷機制;在極低正應力下反映在摩擦角φ上為拉出機制,故產生雙直線模式破壞包絡線。(5)探討理論與模擬試驗之結果時,理論值與較高應力之試驗值接近,概因在Gray and Megaham(1981)剪力強度模式推導中,係假設根拉力已完全發揮拉力強度而斷裂。(6)隨草高的提升根量越大(Ar),隨深度越深根量面積(Ar)亦變小的趨勢,相對片剪強度(Cu)隨隨根量增減所影響。
英文摘要 The stability of soil slope is reinforced by the vegetation roots. Therefore, this research starts with taking samples of miscanthus floridulus on the spot and then studies main tensile characteristics of roots aiming at obtaining the fractal relationship between various root diameters and the tensile strength. And also direct shear test should be done to achieve the relationship between roots content in the soil and soil shear strength. In addition, during the process of rooted soil being destroyed, the change between roots and soil particles, shear strength parameter cohesion(c) as well as friction angles is to be studied. On the other hand, spot vane shear test will be taken at the same time and when the test is finished the complete spot root should be taken out and by image processing the amount of miscanthus floridulus roots will be determined so as to discuss the test results.
Some conclusions are deawn as following: (1) a saturation condition of air drying grass roots for the water absorption (Q) is reached on the eighth day and after that the improvement of absorption content exerts no obvious influence on roots strength. (2) All the root tensile behaviors are considered to be ductile which means the bigger the size is, the larger the fracture deformation is and the higher the stiffness attenuation is. The tensile strength decreases as the root diameter increases. And double logarithm shows a hyperbolic model in the miscanthus floridulus fractal relation which indicates changes of root diameters have an effect on tensile strength. (3) Different root fracture angles strengthen influence on the soil so that it is earlier to produce tensile stress when the angle is larger than that of smaller root fracture angle. The progressive failure acts on the early larger root fracture angle when spot grass roots slide along the slope, but for the smaller root fracture angle produces shear strength. So the vegetation with lots of roots (elder vegetation) can increase its shear strength and its failure moment comes later. (4) Two mechanisms on roots in the soil may be classified as one is called pull-out friction and the other is rapture. During the early pull-out period, frictional resistance affects roots in the soil and with the increasing amount of roots the shear strength improves. But the tension fracture mechanism only contributes to the strength above cohesion C and there is no obvious contribution to the friction angle; Whereas the pull-out mechanism can be reflected on the friction angle φ under very low normal stress, which produces bilinear model to destroy the envelope curve. (5) In the Gray and Megaham(1981) shear strength model deduction, the stress is supposed to be developed completely so as to fracture the roots. (6) The higher the grass height is the larger amount of roots (Ar) becomes while the deeper the root is the smaller the area of roots (Ar) covers. And the amount of roots has an influence on relative vane shear strength.
論文目次 目 錄

中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 VII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法1
1.3 研究內容2
第二章 文獻回顧3
2.1 植生根繫對邊坡穩定功能3
2.1.1 水文機制方面3
2.1.2力學機制方面3
2.1.3邊坡穩定性分析4
2.2 植物根系成長特性5
2.3 根系對土壤補強效應6
2.3.1根與土壤間之作用6
2.3.2根提供之土壤剪力強度增量7
2.3.3 根拉力強度10
2.3.4 有效根與無效根11
2.4 現地十字片剪試驗12

第三章 室內直接剪力試驗與根抗拉試驗內容29
3.1 直接剪力試驗29
3.1.1 試驗內容29
3.1.2 儀器介紹29
3.1.3 模擬試體之製作30
3.1.4 直剪試驗步驟30
3.2 根抗拉試驗31
3.2.1儀器介紹31
3.2.2 根抗拉試驗步驟31
3.2.3 試驗內容32
3.3 根拉出試驗33
3.3.1儀器介紹33
3.3.2 試體之製作33

第四章 根抗拉試驗結果與分析47
4.1 根的抗拉特性47
4.1.1 根吸水程度47
4.1.2 根拉斷破裂面型式48
4.1.3 粗細根之斷裂變形量及抗拉勁度48
4.2 根的抗拉強度49
4.2.1 根抗拉強度與根徑之關係49
4.2.2 雙根之抗拉強度50
4.3 根拉強度之碎形特徵51
4.3.1 抗拉強度與根徑之碎形表示51
4.3.2 木本與草根之抗拉強度之碎形維度51

第五章 根系土壤直接剪力試驗結果75
5.1 抗拉強度剪動過程行為演變75
5.1.1 根折角之影響75
5.1.2 根數多寡之影響77
5.1.3 正應力高低之影響77
5.2 根的拉出行為78
5.2.1 根拉出試驗步驟內容78
5.2.2 根拉出破壞形式79
5.2.3 根拉出試驗之強度79
5.3 根繫土壤模擬試驗結果80
5.3.1 根繫土壤抗剪強度參數變化80
5.3.2 礫石模擬試驗81
5.3.3 強度破壞準則82
5.4 根繫土壤抗剪強度增量之推估.83

第六章 現地十字片剪試驗75
6.1 儀器介紹113
6.2 現地土壤之基本性質114
6.3 現地十字片剪步驟114
6.4 試驗內容115
6.5 根系的影像處理115
6.5.1 影像分析軟體介紹115
6.5.2 eVision操作方法116
6.6 現地十字片剪試驗結果與分析117
6.6.1 草高與根量之關係117
6.6.2 各現地測點位置根量之變化117
6.6.3 十字片剪強度與根量面積關係118
6.6.4 現地試驗值與Wu(1976)預測值比較119
第七章 結論151
參考文獻153




表 目 錄

表2.1 五節芒凝聚力與摩擦角之增加範圍 (蔡光榮,1994)15
表2.2 植生根系補強前後土壤強度比較 (蔡光榮,1994)15
表4.1 不同直生型態所對應植被種54
表4.2 集水區崩塌地植生復育種54
表4.3 草本植物拉力強度之碎形參數α、κ值55
表4.4 木本植物拉力強度之碎形參數α、κ值55
表5.1 模擬根繫土壤直接剪力試驗結果85
表5.2 高正應力下不同根量之模擬試體剪力參數整理86
表5.3 低正應力下不同根量之模擬試體剪力參數整理86




圖 目 錄

圖2.1 植被護坡機制圖(改繪自趙志明, 2004)15
圖2.2 無限邊坡滑動模式 (Gray and Sotir, 1996)15
圖2.3 植物根系系統 (Gray and Sotir, 1996)16
圖2.4 根系分布型態 (Gray and Sotir, 1996)16
圖2.5 現地採集不同高度五節芒之根系網絡比較(黃瀚瑱, 2006)16
圖2.6 小麥根系網絡之成長觀察(Weaver, 1926)17
圖2.7 根系在不同土壤性質中之網絡分布狀況(Weaver, 1926)17
圖2.8 根系對土壤剪應力補強之示意(林信輝, 2001)18
圖2.9 垂直剪動帶之根力補強力學模式(改繪至Wu, 1976)18
圖2.10 無根土壤與含根土壤之剪力與剪位移關係
(Operstein and Frydman,2000)19
圖2.11 傾斜根系之彈性根力學模式 (改繪至Wu, 1976)19
圖2.12 比較根垂直與隨意角度根在砂中剪力強度包絡線
(Gray and Ohashi, 1983)20
圖2.13 根量對土壤抗剪強度之加勁影響 (改繪Ziemer, 1982)20
圖2.14 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(Operstein et., 2000)21
圖2.15 青剛柳擊白柳根徑與根系抗拉力之關係圖
(M.F. Bransby 等人, 2008)22
圖2.16 多種植生根徑與根系抗拉力之關係圖
(S. De Baets 等人, 2008)23
圖2.17 紫花苜蓿根系抗拉力與根總表面機之關係圖
(Operstein and Frydman, 2000)24
圖2.18 兩種根放置方向比較之示意圖(洪藍怡, 2008)25
圖2.19 (a)十字葉片轉動方向;(b)土壤之抵抗扭距26
圖2.20 圓柱表面剪應力之抵抗扭距26
圖2.21 (a)圓柱上下兩端之剪力分佈;(b)截取斷面一元素27
圖3.1 本研究所使用直剪儀器34
圖3.2 本文模擬實驗用之越南9號砂之粒徑分部曲線36
圖3.3 模擬視體內之根系分布視意圖37
圖3.4 實際試驗體內之根系分布示意圖.37
圖3.5 根抗拉試驗儀38
圖3.6 根摩擦拉出試驗儀43
圖3.7 試驗步驟圖44
圖4.1 根泡水長久對吸水量之影響56
圖4.2 根吸水量與抗拉強度之關係圖57
圖4.3 破壞在夾具處之失敗例子58
圖4.4 根斷裂之破裂面形式圖59
圖4.5 不同根徑之抗拉行為比較60
圖4.6 粗細根徑在不同受拉階段之勁度改變61
圖4.7 草根抗拉前後騎勁度之變化63
圖4.8 改變根徑與抗拉強度之關係64
圖4.9 單根與雙根強度之比較65
圖4.10 雙根根徑與抗拉強度力位關係66
圖4.11 雙根拉伸時勁度變化67
圖4.12 草根抗拉前後期勁度變化69
圖4.13 根徑與抗拉強度關係以雙對數關係表示70
圖4.14 草種根粒強度碎形維度參數κ之分布71
圖4.15 草種根粒強度碎形維度參數α之分布72
圖4.16 草本與木本植物根粒強度參數κ之範圍比較73
圖4.17 草本與木本植物根粒強度參數α之範圍比較73
圖5.1 9號越南砂之剪力力學性質87
圖5.2 三種不同根折角比較之示意圖88
圖5.3 同根折角下不同正應力之剪應力-剪位移曲線行為(n=10)89
圖5.3 不同根折角下同正應力之剪應力-剪位移曲線行為(n=10)90
圖5.4 模擬不同根折角下之剪力壞包絡線(n=10)91
圖5.6 不同根數下之剪應力-剪位移曲線(β=30o)92
圖5.7 不同根數不同正應力下剪應力-剪位移曲線93
圖5.8 根轉折處95
圖5.9 螺絲放置位置95
圖5.10 根於拉出試驗結果96
圖5.11 不同正向應力下之拉出應力與變形行為97
圖5.12 根拉出摩擦強度之破壞包絡線98
圖5.13 根數改變之強度破壞包絡線變化趨勢98
圖5.14 根數不同之剪力強度參數變化關係99
圖5.15 根與土壤顆粒關係行為之模擬試體100
圖5.16 純礫石直剪之剪應力-剪位移關係.100
圖5.17 模擬含一根草根直剪之礫石剪應力-剪位移關係101
圖5.18 模擬含草一根礫石中之直剪破壞包絡線101
圖5.19 試驗前後期之變化102
圖5.20 較低正應力下含不同根數之爆壞包絡線103
圖5.21 根數不同之剪力摩擦角參數變化關係104
圖5.22 高應力下破壞包絡線104
圖5.23 不同根數彎折於不同正應力處之雙直線比較105
圖5.24 彎折於不同正應力處之雙直線比較107
圖5.25 雙直線模式108
圖5.26 根面積比與土壤剪力強度增量之關係109
圖5.27 高低正應力下對根面積比趨勢關係111
圖5.28 理論與實驗值之強度增量比較111
圖6.1 手持式袖珍十字片剪儀(最小十字片尺寸:16mm x 32mm)
(Hand-held Vane shear-HUMBOLDT)123
圖6.2 十字片剪儀細部圖123
圖6.3 片剪儀之量測格數124
圖6.4 淡水北8公路現地土壤之粒徑分部曲線125
圖6.5 開挖一垂直面126
圖6.6 現地十字片剪試驗步驟127
圖6.7 利用PhotoImpact進行根照片修圖之過程128
圖6.8 eVision 操作情況 129
圖6.9 草高與根量關係130
圖6.10 不同草高相對之草根量(█:1 cm2)131
圖6.11 分析根量面積過程之網格覆蓋132
圖6.12 各垂直面根量與深度之變化關係
(H=130cm,1 unit area=4cm2)133
圖6.13 所有測點根量與深度之變化關係
(H=130cm,1 unit area=4cm2)134
圖6.14 各垂直面根量與深度之變化關係
(H=104cm,1 unit area=4cm2)135
圖6.15 所有測點根量與深度之變化關係
(H=104cm,1 unit area=4cm2)136
圖6.16 各垂直面根量與深度之變化關係
(H=85cm, 1 unit area=4cm2)137
圖6.17 所有測點根量與深度之變化關係
(H=85cm, 1 unit area=4cm2)138
圖6.18 各垂直面片剪強度與深度關係(H= 85cm)139
圖6.19 所有測點片剪強度與深度關係(H= 85cm)140
圖6.20 各垂直面片剪強度與深度關係(H=104cm)141
圖6.21 所有測點片剪強度與深度關係(H= 104cm) 142
圖6.22 各垂直面片剪強度與深度關係(H= 130 cm) 143
圖6.23 所有測點片剪強度與深度關係(H= 130cm) 144
圖6.24 不同深度草高對強度之影響145
圖6.25 現地根斷面積比與抗剪強度增量之關係146
圖6.26 現地根斷面積比與片剪抗剪強度增量關係147
圖6.27 現地試驗結果與理論簡化後之關係148
圖6.28 草高與片剪強度之關係149
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