蒙古櫟根系單根抗拉力學(xué)特性

李長(zhǎng)暄，陳麗華，周 娟，郭文體

林木根系在支撐樹體，固持土壤和預(yù)防淺層滑坡上起到了十分重要的作 用［1］。大量研究［2－6］表明，根系通過其三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及所表現(xiàn)出來的附加黏聚力加固了土壤。當(dāng)土體受到剪切破壞力時(shí)，根土界面的摩擦阻力將剪切帶內(nèi)土體受到的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為根的拉應(yīng)力，增加了土體的抗剪強(qiáng)度，提高了土體的穩(wěn)定性。林木根系對(duì)淺層斜坡的穩(wěn)定加固作用，重要的基礎(chǔ)就是根系具有較強(qiáng)的抗拉能力和變形特性。根系單根抗拉強(qiáng)度和變形能力是評(píng)估植被防止土體破壞能力的重要指標(biāo)［7］。不同根系的力學(xué)性能不一樣，所起的加固效果也顯著不同。以往研究主要集中在油松、落葉松徑級(jí)在8mm 以下的根系［8－9］，但對(duì)蒙古櫟根系力學(xué)特性以及直徑在8mm以上的單根定量化研究較少。蒙古櫟（Quercus mongolica）主要分布于在我國(guó)華北地區(qū)和東北地區(qū)，具有較深的根系分布輪廓［10－11］，生長(zhǎng)在貧瘠的坡地上，是我國(guó)溫帶地區(qū)針闊混交林及落葉闊葉林的主栽樹種［12］，是防風(fēng)固沙林的主要樹種。本研究通過對(duì)根進(jìn)行預(yù)處理［10］以及對(duì)夾具進(jìn)行改進(jìn)等辦法，對(duì)蒙古櫟粗根（＞8mm）力學(xué)性能展開研究。為分析蒙古櫟根系與土壤之間的相互作用機(jī)制，建立邊坡穩(wěn)定模型、抗風(fēng)倒模型提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省承德市圍場(chǎng)縣境內(nèi)的北溝林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為116°32′—118°14′E，41°35′—42°40′N。屬于中溫帶向寒溫帶過渡、半干早向半濕潤(rùn)過渡的山地氣候，≥6級(jí)大風(fēng)時(shí)間28d；年降水量為370～550mm，主要集中在6—8月份，占全年降水量的69%，降雨多以暴雨形式出現(xiàn)。該林場(chǎng)高等維管植物有600余種，以天然次生林和人工林為主，主要喬木樹種有白樺（Betula platyphylla）、油松（Pinus tabulaeformis）和蒙古櫟等。

2 研究方法

2.1 根系的采集

選取4棵立地條件相近、正常生長(zhǎng)22～23a的蒙古櫟樹種進(jìn)行全挖。為避免對(duì)根系造成機(jī)械損傷，用鏟子和毛刷小心挖出全部的根；從挖出的根中，選取無病蟲害、相對(duì)順直的活根，用枝剪將其剪成長(zhǎng)度為600mm左右的根段，放入自封袋中密封，用油性記號(hào)筆注明采樣日期，帶回試驗(yàn)室放入冰箱中并在4℃條件下低溫保存。

2.2 夾具的加工與根的預(yù)處理

本實(shí)驗(yàn)中，細(xì)根（＜8mm）利用試驗(yàn)機(jī)自帶夾具進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，粗根（＞8mm）則需利用自行加工的夾具進(jìn)行測(cè)試。為了增加根與夾具的接觸面積，夾持面采用弧狀設(shè)計(jì)，并附有螺紋。

對(duì)粗根進(jìn)行預(yù)處理，以提高夾具夾持位置根的硬度并防止根在水的作用下滑出夾具，具體方法是將根剪成210mm，放入試驗(yàn)機(jī)夾具中，夾緊夾具，將根兩端的水?dāng)D出，再用熱風(fēng)槍以300℃左右的溫度，對(duì)著根兩端伸入夾具的部分進(jìn)行輪流烘烤，時(shí)間約為30min，在室溫下放置1h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3 室內(nèi)拉伸試驗(yàn)

用WDW－100E微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單根抗拉試驗(yàn)，研究蒙古櫟單根力學(xué)性能。試驗(yàn)機(jī)的最大量程為100kN，全程自動(dòng)換擋，速度范圍為0.005～500mm／min，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)力變形曲線進(jìn)行自動(dòng)記錄。均勻選取根上的4個(gè)部位，取平均值作為該根段的直徑。調(diào)整萬能試驗(yàn)機(jī)標(biāo)距到試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的設(shè)定根長(zhǎng)度，伸入上下夾具兩端的樹根長(zhǎng)度各約55mm。夾緊以后，以10mm／min的速度勻速拉伸根直至其被完全被拉斷為止。根在夾口處斷裂則視實(shí)驗(yàn)失敗，剔除該數(shù)據(jù)。

本研究設(shè)計(jì)在3種不同標(biāo)距下的勻速拉伸實(shí)驗(yàn)，標(biāo)距分別為50，100和250mm，3個(gè)標(biāo)距下的數(shù)據(jù)量分別為：50mm標(biāo)距下的33根，直徑范圍為1.99～6.5mm；100mm標(biāo)距下的68根，直徑范圍為1.17～17.24mm，其中直徑在8mm以上的數(shù)據(jù)12組；250mm標(biāo)距下的33根，直徑范圍為2.06～6.34 mm。共計(jì)拉根301根，細(xì)根成功122根，粗根成功12根，總成功率為40.3%。

2.4 基本參數(shù)的定義

抗拉強(qiáng)度是指單位面積上根系的極限抗拉力，表征材料在外力拉伸條件下抵抗破斷的能力，是評(píng)價(jià)根系力學(xué)特性的重要指標(biāo)。其計(jì)算公式為：

式中：P——根系抗拉強(qiáng)度（MPa）；Fmax——最大抗拉力（N）；D——根系平均直徑（mm）；∏——系數(shù)。

2.5 數(shù)據(jù)處理與分析方法

進(jìn)行分析之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了正態(tài)性檢驗(yàn)與方差齊性檢驗(yàn)。采用回歸分析法探討3種標(biāo)距之下直徑與抗拉力、直徑與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系；對(duì)3種標(biāo)距下的細(xì)根抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)方差分析，研究不同標(biāo)距對(duì)根系抗拉強(qiáng)度是否產(chǎn)生顯著影響。其中，根徑作為協(xié)變量，標(biāo)距作為固定效應(yīng)的控制變量，抗拉強(qiáng)度作為為因變量分析它們之間的差異。采用的分析軟件為Excel和SPSS 18.0軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系

在3個(gè)標(biāo)距下，抗拉力均隨直徑的增加而增加，且呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系（p＜0.001）。由實(shí)驗(yàn)取得的有效數(shù)據(jù)，得到各標(biāo)距下抗拉力與直徑的關(guān)系（圖1）。

圖1 不同標(biāo)距下根系抗拉力與直徑的關(guān)系曲線

蒙古櫟單根抗拉強(qiáng)度與直徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著直徑的增加抗拉強(qiáng)度呈逐漸減小的趨勢(shì)，擬合優(yōu)度最佳的是對(duì)數(shù)函數(shù)，但關(guān)系并不顯著，這與前人的研究結(jié)果一致［12－14］。各標(biāo)距下抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同標(biāo)距下根系抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系曲線

單根抗拉實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)就是在軸向拉力的作用下，根順纖維的抗拉過程［15］，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后，根系會(huì)在最弱處發(fā)生斷裂。在本實(shí)驗(yàn)中，蒙古櫟根系單根表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗拉性能，直徑17.24mm的蒙古櫟單根抗拉力可達(dá)4 300N。單根抗拉力與直徑呈正相關(guān)關(guān)系，抗拉強(qiáng)度與直徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，粗根依然滿足此規(guī)律。這是由于蒙古櫟不同徑級(jí)根系中的化學(xué)成分含量的差異所導(dǎo)致的?；瘜W(xué)成分是影響根系抗拉力和抗拉強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。研究［16］表明，根系抗拉力與纖維素和半纖維素含量呈正相關(guān)，與木質(zhì)素含量呈負(fù)相關(guān)；而抗拉強(qiáng)度與纖維素和半纖維素含量呈負(fù)相關(guān)，與木質(zhì)素含量呈正相關(guān)。隨著根直徑的增加，纖維素和半纖維素含量逐漸增加，而木質(zhì)素的含量逐漸減少。

3.2 根系應(yīng)力－應(yīng)變曲線

在不同標(biāo)距下同直徑級(jí)蒙古櫟根系的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。在加載的初期階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)，3個(gè)標(biāo)距下，應(yīng)力隨應(yīng)變的增長(zhǎng)幅度均比較明顯，體現(xiàn)了蒙古櫟單根對(duì)外界刺激響應(yīng)較快的特點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力超過一定數(shù)值后，迅速呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)，直至達(dá)到極限，根被拉斷為止。由圖3可以看出，標(biāo)距較小的根有著更好的應(yīng)變特征。

標(biāo)距為50mm下不同直徑根的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示，在相同標(biāo)距之下，不同直徑根的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)基本一致。根的直徑越小，曲線越不光滑，其包覆范圍越廣。

圖3 不同條件下根系的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

蒙古櫟根系在的應(yīng)力應(yīng)變曲線均為從圓點(diǎn)出發(fā)的單峰曲線，表現(xiàn)出了彈塑性材料的特征。然而，每條曲線的極限應(yīng)力和極限應(yīng)變特征參數(shù)存在比較大的差異。在根抵抗拉力的開始階段的低負(fù)荷時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈比例增長(zhǎng)，表現(xiàn)為很好的線彈性關(guān)系，此時(shí)為彈性變形，表明卸載外力以后變形可恢復(fù)；但當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值，一般為極限抗拉強(qiáng)度的30%～70%，此時(shí)的高負(fù)荷將使得曲線逐漸偏離直線，進(jìn)入塑性變形階段，此階段不可逆，直至根被拉斷。

林木根系單根的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的繪制是實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重點(diǎn)。該曲線可以清晰、直觀地反映出單根的力學(xué)性能指標(biāo)以及完整的受拉過程，曲線彈性段的斜率反映了在拉伸過程中應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾拥那闆r，彈性段內(nèi)的應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比表征了根抵抗彈性變形的能力；曲線中應(yīng)變的最大值為極限延伸率與標(biāo)距的比值，應(yīng)力的最大值為極限抗拉強(qiáng)度。同時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線的測(cè)定也是一個(gè)難點(diǎn)，欲將其精確繪制出還存在著一定難度。主要是因?yàn)楦翟诒粖A緊、拉伸的過程中會(huì)與夾具間發(fā)生不同程度的滑動(dòng)，而且，由于根系并不是完全通直的，這也就導(dǎo)致了拉伸過程中有一部分的形變是根系從彎到直的過程，從而影響了最后測(cè)得數(shù)值的精確度。因此，如何減少根系在被拉伸過中與夾具之間產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)，以及確定根系由彎到直所對(duì)應(yīng)的數(shù)值變化的影響也將成為繼續(xù)討論的重點(diǎn)。

3.3 標(biāo)距對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

3個(gè)標(biāo)距下，細(xì)根抗拉強(qiáng)度的協(xié)方差分析結(jié)果（表1）表明標(biāo)距對(duì)根系的抗拉強(qiáng)度存在著顯著影響（p＜0.05），且隨著標(biāo)距的增加，抗拉強(qiáng)度的均值明顯呈減小的趨勢(shì)，標(biāo)距為50和250mm根系的抗拉強(qiáng)度的均值差異十分顯著（p＝0.05）。

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性以及實(shí)驗(yàn)成功率，單根拉伸實(shí)驗(yàn)需要一定的標(biāo)距［17］。通常選取的標(biāo)距為50，100，150，200和250mm［18－19］。在不同標(biāo)距下根的抗拉強(qiáng)度顯著不同，反映了不同寬度的土壤剪切帶內(nèi)根固土抗滑能力的差別。蒙古櫟單根的抗拉強(qiáng)度隨著標(biāo)距的增加而逐漸減小，這是由于根系生長(zhǎng)在復(fù)雜的地下環(huán)境中，單根內(nèi)存在著不同程度的缺陷，缺陷處的抗拉強(qiáng)度偏低。在軸向拉力的作用下，根會(huì)優(yōu)先在缺陷處斷裂，隨著標(biāo)距的增加，遇到缺陷的概率也隨之增加，導(dǎo)致根抗拉強(qiáng)度的降低［20］。

表1 不同標(biāo)距抗拉強(qiáng)度的協(xié)方差分析結(jié)果

4 結(jié)論

（1）蒙古櫟根系擁有比較強(qiáng)的抗拉能力，直徑范圍為1.99～6.5mm的單根在標(biāo)距50mm下，平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到22.22±4.08MPa，明顯高于這一標(biāo)距下同徑級(jí)的油松和落葉松的平均抗拉強(qiáng)度（14.35±3.19MPa和11.72±2.71MPa）。

（2）蒙古櫟單根抗拉力隨直徑增加呈冪函數(shù)增長(zhǎng)，且關(guān)系顯著；抗拉強(qiáng)度隨直徑增加呈遞減趨勢(shì)，但關(guān)系并不顯著。

（3）不同實(shí)驗(yàn)條件下，蒙古櫟單根的應(yīng)力應(yīng)變曲線均為從圓點(diǎn)出發(fā)的單峰曲線，表現(xiàn)出了彈塑性材料的特征，標(biāo)距和直徑對(duì)曲線形態(tài)和參數(shù)均有不同程度的影響。

（4）標(biāo)距對(duì)蒙古櫟根系的抗拉強(qiáng)度有著顯著的影響，其影響規(guī)律表現(xiàn)為同徑級(jí)之下，標(biāo)距越大，抗拉強(qiáng)度越低。

綜上所述，當(dāng)含有蒙古櫟根系的土體失穩(wěn)開始出現(xiàn)裂縫的時(shí)候，蒙古櫟根系的彈性應(yīng)變十分有利于將根系所受的力向土體的深層傳遞。土中的根在受拉的過程中，其較強(qiáng)的變形能力、較大的抗拉強(qiáng)度都有利于對(duì)土體開裂的趨勢(shì)進(jìn)行緩沖和抑制，從而對(duì)抗滑和抗風(fēng)倒起到積極的作用，但隨著裂縫的逐漸增大，這種作用將會(huì)逐漸減小。

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