鐘落潭大學(xué)園區(qū)3種林木根系拉伸力學(xué)特性

呂建根,劉宜和,楊墅杭

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院,廣東 廣州 510225)

鐘落潭大學(xué)園區(qū)3種林木根系拉伸力學(xué)特性

呂建根,劉宜和,楊墅杭

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院,廣東 廣州 510225)

摘要：研究了廣州市鐘落潭鎮(zhèn)大學(xué)園區(qū)3種植物根系拉伸力學(xué)特性。選取了試驗(yàn)區(qū)3種典型植物根系,共3×3組根系樣本,按照材料力學(xué)試驗(yàn)方法,利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣本根系進(jìn)行了多批次的力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn),結(jié)果過(guò)程表明:植物根系單根抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果受多種因素的影響,具有一定離散性;秋楓單根根系的抗拉強(qiáng)度最高,芒果單根根系的抗拉強(qiáng)度次之,大葉榕根系的抗拉強(qiáng)度最低。

關(guān)鍵詞：鐘落潭大學(xué)園區(qū);植物根系;拉伸試驗(yàn);抗拉強(qiáng)度

收稿日期：2015-06-23

基金項(xiàng)目：廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目(自然科學(xué))，廣東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助

作者簡(jiǎn)介：呂建根(1977—)，男，江西崇仁人,博士,副教授,主要從事應(yīng)用力學(xué)研究工作。

中圖分類號(hào)：S718.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：編號(hào)：1674-9944(2015)09-0053-02

1引言

木本植物通過(guò)根系錨固土的方式可以提高土體的抗剪能力,從而有效阻止淺層土體滑坡。當(dāng)植物側(cè)根沿邊坡大量分布在滑坡面時(shí),根系的抗拉強(qiáng)度能夠有效阻止大面積的土體滑坡,如泥石流、崩塌等[1]。Waldron[2]用一個(gè)簡(jiǎn)單的力學(xué)模型研究了根系對(duì)土壤力學(xué)性能的的影響,結(jié)果表明:植物根系主要是通過(guò)增加黏聚力來(lái)提高土壤的抗滑坡能力,根的平均抗拉強(qiáng)度和根系面積比是影響土壤黏聚力的兩個(gè)主要因素。因此,植物根系單根抗拉強(qiáng)度的研究可為提高邊坡穩(wěn)定性、改善根系固土能力提供重要指導(dǎo)。檢索現(xiàn)有文獻(xiàn)表明:國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)北方植物根系拉升性能研究較多[3~4],而對(duì)南方植物根系拉伸性能的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文針對(duì)廣州市鐘落潭大學(xué)園區(qū)內(nèi)山體邊坡上的植物開(kāi)展根系拉伸特性研究,對(duì)提高園區(qū)內(nèi)邊坡的穩(wěn)定性、維護(hù)校園安全具有重要的指導(dǎo)意義。

2試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)鐘落潭大學(xué)園區(qū)位于廣州市白云區(qū)東北部鐘落潭鎮(zhèn)內(nèi),與從化市、花都區(qū)接壤,白云區(qū)帽峰山山麓,東至九佛工業(yè)區(qū)邊界,西臨京珠高速路,南抵水利局人工水庫(kù)選址淹沒(méi)區(qū),北靠新廣從快速路,面積為20.98 km2,可容納師生10萬(wàn)人,目前已有10余所高校進(jìn)入鐘落潭大學(xué)園區(qū)。

鐘落潭大學(xué)園區(qū)屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)型氣候,夏季漫長(zhǎng)無(wú)酷熱,冬季溫暖,春秋兩季短暫而不明顯。全年平均氣溫22.5°C,年溫差15~17°C,雨量充沛,年平均降水量1 517 mm,年平均相對(duì)濕度77%,溫暖濕潤(rùn)。地形以25°坡以下丘陵山地為主,地勢(shì)自東南向西北傾斜,東南部為丘陵臺(tái)地,西北部為流溪河沖積平原。山丘表層為磚紅壤性紅土,基巖以花崗巖居多,工程地質(zhì)條件較好。地表有一些小的河溝,地下水儲(chǔ)量較豐富。

3研究方法

3.1　抗拉強(qiáng)度計(jì)算方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)候選取表皮完好無(wú)損、直徑變化不大的根系,在根系上作3個(gè)標(biāo)記,分為4個(gè)部分,用游標(biāo)卡尺依次測(cè)量3個(gè)點(diǎn)處直徑,然后取其平均值作為該根直徑紀(jì)錄。根系斷裂后再測(cè)量距斷裂點(diǎn)1 cm左右處的直徑(根系在斷點(diǎn)處一般有明顯頸縮,直徑數(shù)值變小與原值不符),如果測(cè)量數(shù)據(jù)和先前數(shù)據(jù)出入較大,以拉斷后的直徑為準(zhǔn)。這樣能減少對(duì)根系單位面積抗拉強(qiáng)度的高估。抗拉強(qiáng)度等于斷裂時(shí)根系所受的最大抗拉力除以根系的斷裂直徑,計(jì)算公式為:

其中,σ為根段的抗拉強(qiáng)度(MPa),Fmax為最大抗拉力(N),D為根段斷裂處平均直徑(mm)。試驗(yàn)中由于根系滑脫或者是夾頭處斷裂的不算成功,試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)均取自根段在中間部位斷裂的根系。

3.2　根系樣本采集

為了提高試驗(yàn)的成功率和準(zhǔn)確率,選擇、采集植物根系樣本時(shí),遵循以下原則。

(1)在地勢(shì)平整、方便采集的區(qū)域,隨機(jī)選取3株健康生長(zhǎng)物且與其他植物間距較大的植物,每株選擇3根根系組成一組,每種植物采集3組。

(2)在采集根系過(guò)程中,宜采用分層開(kāi)挖法,盡量避免開(kāi)挖工作對(duì)根系造成損傷,選取根系中順直少?gòu)澢?、少結(jié)點(diǎn)且整體直徑變化不大的鮮活根,分別用枝剪剪成200 mm長(zhǎng)作為一段,放入保鮮袋中密封好,貼上樹(shù)種及采集日期的標(biāo)簽,帶入實(shí)驗(yàn)室后,及時(shí)放進(jìn)冰箱保鮮。

3.3　拉伸試驗(yàn)

本試驗(yàn)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T228.1-2010金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》[5]進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),試驗(yàn)拉伸速率為,3種根系拉伸標(biāo)距為100 mm。

采用微機(jī)控制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單根根系拉伸試驗(yàn),研究植物單根根系的拉伸強(qiáng)度,該試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力為2kN,精度等級(jí)0.5級(jí),試驗(yàn)示值誤差±0.5%,全過(guò)程自動(dòng)換擋,測(cè)量速度范圍為0~1000 mm/ min,可任意調(diào)節(jié)速度,試驗(yàn)速度可自動(dòng)切換,采用氣動(dòng)夾持式拉伸夾具。將100 mm設(shè)定為試驗(yàn)機(jī)標(biāo)距,根系樣本兩端各留10 mm長(zhǎng)度,以方便伸入試驗(yàn)機(jī)夾具兩端擰緊固定,啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)按照設(shè)定的速度勻速拉伸直至樹(shù)根完全拉斷為止,整個(gè)拉伸過(guò)程中,試驗(yàn)微機(jī)系統(tǒng)通過(guò)傳感器自動(dòng)采集數(shù)據(jù),記錄拉伸實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程,繪出荷載-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等,記錄最大抗拉力。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,如出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)根系在夾具兩端斷裂或滑出夾具的情形,則該實(shí)驗(yàn)過(guò)程即認(rèn)為失敗,不記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),只有當(dāng)實(shí)驗(yàn)根系在中間斷裂時(shí),才可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。為了提高試驗(yàn)的成功率,采用在夾具兩端黏貼膠皮、纏繞和添加柔性物質(zhì)等方法以增大根系與夾具間的摩擦。

4結(jié)果與分析

采集芒果樹(shù)植物根系5個(gè)樣本,每根直徑D分別為2.6 mm、2.9 mm、3.0 mm、3.3 mm及3.6 mm,兩個(gè)樣本實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪成荷載位移曲線,分別如圖1、圖2所示,3個(gè)樣本實(shí)驗(yàn)結(jié)果列入表2中,從圖1、圖2中可以看出,拉伸曲線為單峰曲線,具有較為明顯的彈塑性材料特征,當(dāng)根系伸長(zhǎng)量到7~9 mm時(shí),荷載接近0.15~0.25 kN,出現(xiàn)屈服強(qiáng)度,根系發(fā)生脆性破壞,即拉斷根系。從整條拉伸曲線上觀察,當(dāng)拉伸位移較小時(shí),可近似認(rèn)為處于線彈性階段,但無(wú)明顯的線彈性點(diǎn),拉伸到一定的位移后,曲線逐漸呈現(xiàn)非線性的特點(diǎn),直至到最大拉伸力,根系發(fā)生脆性破壞,沒(méi)有明顯的屈服臺(tái)階和強(qiáng)化階段,延性較差。

圖1　芒果樹(shù)單根荷載位移曲線(D=3.0 mm)

圖2　芒果樹(shù)單根荷載位移曲線(D=3.6 mm)

直徑D/mm1.672.462.85最大抗拉力Fmax/N73157367抗拉強(qiáng)度σ/MPa33.3333.0357.53

表2　芒果樹(shù)單根根系拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3　大葉蓉單根根系拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別采集秋楓和大葉榕根系各3個(gè)樣本,秋楓根系的直徑D分別為1.67 mm、2.46 mm及2.85 mm;大葉榕根系的直徑D分別為2.6 mm、2.9 mm及3.1 mm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別列入表1和表3中。從表1中可以看出,根系的抗拉強(qiáng)度與根系直徑的相關(guān)性不大,表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了同樣的結(jié)論,但表3中數(shù)據(jù)顯示植物根系抗拉強(qiáng)度與直徑具有一定的相關(guān)性,隨直徑增大而增大,因此,可以得出結(jié)論,植物根系的抗拉強(qiáng)度與根系直徑的關(guān)系隨植物種類的不同而不同,若要得到抗拉強(qiáng)度與直徑的關(guān)系,需增加根系樣本數(shù)量,利用大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步的回歸分析。對(duì)比每張表的3組數(shù)據(jù),可以看出,根系最大抗拉力隨直徑的增大而提高,但抗拉強(qiáng)度并不都隨直徑的增大而提高,綜合3種植物根系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在相同外部和內(nèi)部條件下,秋楓單根根系的抗拉強(qiáng)度最高,芒果單根根系的抗拉強(qiáng)度次之,大葉榕根系的抗拉強(qiáng)度最低。

5結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)鐘落潭大學(xué)園區(qū)內(nèi)的3種植物:秋楓、芒果樹(shù)和大葉榕,開(kāi)展根系單根拉伸力學(xué)性能研究。拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果表明,植物根系的抗拉強(qiáng)度由多種因素決定,如含水率、根系直徑、拉伸速率及根長(zhǎng)等都會(huì)影響植物根系的拉伸特性;植物根系的抗拉強(qiáng)度與直徑的相關(guān)性關(guān)系復(fù)雜,需進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn),做進(jìn)一步回歸分析;一般來(lái)說(shuō),同一種植物根系,單根根系的抗拉力隨直徑的增大而提高;根系拉伸實(shí)驗(yàn)成功率不高,拉伸過(guò)程中容易出現(xiàn)脫皮或夾具端斷裂等現(xiàn)象而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗,應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)有效的根系夾具以提高拉伸實(shí)驗(yàn)的成功率。

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