沙柳直根抗拉特性對(duì)循環(huán)荷載的響應(yīng)

胡晶華， 劉 靜， 白潞翼， 張 欣， 蘭鵬波， 袁亞楠

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

由于氣候及地質(zhì)因素，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，極易發(fā)生嚴(yán)重的風(fēng)蝕和水蝕，加之頻繁開(kāi)采煤炭資源，導(dǎo)致地表塌陷、土地退化、植被稀少，使水土流失加?。?］。植物措施在生態(tài)治理和侵蝕防控中被認(rèn)為是最有效、最根本的手段，根系在土體中縱橫交錯(cuò)，是植物與土壤直接進(jìn)行物質(zhì)交換的重要器官，強(qiáng)大的根系網(wǎng)絡(luò)不僅可以穩(wěn)定植物生長(zhǎng)，還對(duì)土體起到固結(jié)和支撐的作用，有效抵御侵蝕和防止水土流失［2］，國(guó)內(nèi)外大量研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)根系固土力學(xué)機(jī)理主要體現(xiàn)在植物單根抗拉力學(xué)特性［3-6］、變形特征［7-9］等材料力學(xué)特性以及根系改善土壤環(huán)境的土工特性［10-12］等方面，但這些研究著眼于根系在單次荷載作用產(chǎn)生瞬時(shí)破壞時(shí)所發(fā)揮的極限力學(xué)特性。而在干旱、半干旱地區(qū)，除對(duì)根系形成瞬時(shí)破壞外，更多的是植物遭受大風(fēng)反復(fù)擺動(dòng)等多種反復(fù)荷載，通過(guò)地上莖葉為媒介傳至地下根系，使根系承受反復(fù)的加載-卸載作用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)循環(huán)荷載后疲勞性能的研究主要集中于工程材料［13］，具有生命特征的根系承受循環(huán)荷載后材料力學(xué)性能的研究較少，呂春娟［14］、穆楓［15］等研究軸向循環(huán)荷載對(duì)油松（Pinus tabulaeformis）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）喬木根系抗拉力學(xué)特性的影響，以及李瑞燊等［16］對(duì)小葉錦雞兒（Caragana microphylla）直根反復(fù)施加徑向循環(huán)荷載后其抗拉剪組合力學(xué)特性進(jìn)行了探討。以上研究表明，反復(fù)循環(huán)受力會(huì)導(dǎo)致植物根系材料力學(xué)特性發(fā)生改變，進(jìn)而直接影響植物根系的固土力學(xué)特性。不同植物種根系力學(xué)性能存在明顯的種間差異，對(duì)軸向循環(huán)荷載的響應(yīng)過(guò)程和特征也不盡相同，明確不同植物尤其是常用水土保持樹(shù)種根系在循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度特征和變形特點(diǎn)，是評(píng)價(jià)植物固土抗蝕能力和治理水土流失的關(guān)鍵要素。為此，本研究以半干旱區(qū)典型水土保持樹(shù)種沙柳根系為研究對(duì)象，采用反復(fù)加載-卸載方式，研究沙柳直根承受軸向循環(huán)荷載后抗拉力、抗拉強(qiáng)度、變形特征等材料力學(xué)特性，以期充實(shí)根系可持續(xù)固土體系，為生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古伊金霍洛旗與陜西省神木市交界處的采煤塌陷治理區(qū)，地處毛烏素沙地和黃土高原過(guò)渡地帶，地理坐標(biāo)為110°00′～110°24′E，39°11′～39°29′N，海拔高度約為1100～1250 m。該區(qū)域?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量300～500 mm，降水集中且強(qiáng)度大，主要集中于夏秋季。土壤類型多為沙質(zhì)土，結(jié)構(gòu)松散，通氣性強(qiáng)，保水保肥能力差。研究區(qū)主要植物種有小葉錦雞兒、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）、爬地柏（Sabina procumbens）等。沙柳屬于速生植物，根系繁大，有大量的毛根、細(xì)根和側(cè)根向四周延伸，固沙保水能力強(qiáng)，是該區(qū)域生態(tài)治理的優(yōu)勢(shì)種。

1.2 試驗(yàn)根的采集與制備

在研究區(qū)內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的沙柳群落，隨機(jī)選取30株并測(cè)量每株株高、冠幅、地徑，計(jì)算均值作為標(biāo)準(zhǔn)株指標(biāo)（株高：1.61±0.16 m；冠幅：1.47±0.22 m2；地徑：1.62±0.21 cm），選取與標(biāo)準(zhǔn)株相近的植株進(jìn)行根系采集。為了防止植株死亡，采用局部挖掘法將試驗(yàn)株部分根系挖出，將其放入低溫容器中帶回實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)在采樣后一周內(nèi)完成以保證試驗(yàn)根活性。

選取徑級(jí)為1～5 mm直根進(jìn)行制備（圖1），試驗(yàn)段AB 長(zhǎng)為4 cm，兩端陰影部分為夾具加持部分。使用精度為0.01 mm電子游標(biāo)卡尺對(duì)試驗(yàn)根中心點(diǎn)O及中心點(diǎn)兩端A、B點(diǎn)進(jìn)行根徑測(cè)量（圖1），每個(gè)點(diǎn)直徑需用十字交叉法測(cè)量2 次，取3 點(diǎn)平均值作為該試驗(yàn)根的平均根徑。目前已有大量試驗(yàn)證明根系直徑與抗拉力的關(guān)系，本試驗(yàn)重點(diǎn)研究不同荷載對(duì)沙柳直根抗拉特性的影響，因此在不影響精確度的條件下減小工作量，將徑級(jí)組劃分為1～2 mm、2.5～3.5 mm、4～5 mm。每個(gè)徑級(jí)組制備40條試驗(yàn)根（試驗(yàn)根在單次荷載和循環(huán)荷載下重復(fù)數(shù)均為20條）。

圖1 試驗(yàn)根示意圖Fig.1 Schematic diagram of test root

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 抗拉試驗(yàn)方法 試驗(yàn)時(shí)間為2019 年7 月，將每個(gè)徑級(jí)組制備好的40 條試驗(yàn)根分為2 組，A 組進(jìn)行軸向單次荷載試驗(yàn)，B 組進(jìn)行軸向循環(huán)荷載試驗(yàn)。首先將A 組試驗(yàn)根采用TY8000 伺服控制試驗(yàn)機(jī)（精度為0.01 N，速度1～1000 mm·min-1）進(jìn)行單次荷載試驗(yàn)，以10 mm·min-1加載速度勻速拉伸直至斷裂，記錄其極限抗拉力并擬合極限抗拉力-根徑回歸方程（Y單=21.612X單1.6743，R2=0.9214）。再將B組試驗(yàn)根的直徑（X循）依次帶入單次荷載下擬合極限抗拉力-根徑回歸方程，計(jì)算各個(gè)試驗(yàn)根的擬合極限力（Y循），以各個(gè)試驗(yàn)根擬合極限力的70%（沙柳根系臨近破壞且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)彈塑性極限點(diǎn)的力大約在擬合極限力的70%）設(shè)為最大循環(huán)應(yīng)力，最小循環(huán)應(yīng)力設(shè)為0 N。試驗(yàn)根承受軸向循環(huán)荷載路徑如下：以10 mm·min-1的加載速度將直根段從0 N加載到該試驗(yàn)根擬合極限力的70%，再將其卸載至0 N，完成第1次循環(huán)過(guò)程，以此類推，循環(huán)次數(shù)設(shè)定為50次，第51 次將試驗(yàn)根拉斷，進(jìn)行1 次循環(huán)試驗(yàn)所需時(shí)間大概為4分30秒，記錄循環(huán)荷載后的極限抗拉力，抗拉強(qiáng)度為破壞處單位橫截面積上的抗拉力，公式如下：

式中：P為極限抗拉強(qiáng)度（MPa）；F為極限抗拉力（N）；D為試驗(yàn)根根徑（mm）。

1.3.2 變形特征方法 根據(jù)循環(huán)試驗(yàn)中儀器自動(dòng)記錄每次循環(huán)試驗(yàn)根產(chǎn)生的位移，計(jì)算試驗(yàn)根累計(jì)伸長(zhǎng)率。公式如下：

式中：γ為循環(huán)過(guò)程中累計(jì)伸長(zhǎng)率（%）；ΔL為每次循環(huán)試驗(yàn)根拉伸的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度（mm）；L為試驗(yàn)根初始長(zhǎng)度，即試驗(yàn)段部分（L=4 cm）。

1.3.3 本構(gòu)特征值的計(jì)算 通過(guò)試驗(yàn)根在單次荷載和循環(huán)荷載下得到的極限力-位移曲線，計(jì)算試驗(yàn)根的應(yīng)力應(yīng)變，見(jiàn)公式（3）、（4），繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并對(duì)本構(gòu)曲線進(jìn)行分析，本構(gòu)曲線上試驗(yàn)根彈性極限點(diǎn)處的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)閺椥詰?yīng)力、彈性應(yīng)變，試驗(yàn)根發(fā)生斷裂承受最大力時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)闃O限應(yīng)力、極限應(yīng)變。并計(jì)算彈性模量，彈性模量為試驗(yàn)根在彈性變形階段其彈性應(yīng)力和彈性應(yīng)變的比值，見(jiàn)公式（5）。

式中：σr為應(yīng)力（MPa）；Fr為抗拉力（N）；D為試驗(yàn)根平均直徑（mm）；εr為應(yīng)變（%）；Sr為試驗(yàn)根受拉發(fā)生的位移（mm）；Er為彈性模量（MPa）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 和SPSS 20.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，Origin 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖。使用最小顯著極差法（LSD）檢驗(yàn)沙柳直根承受不同加載方式下極限抗拉力、抗拉強(qiáng)度的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 直根強(qiáng)度特征對(duì)循環(huán)荷載的響應(yīng)

圖2 為單次荷載和循環(huán)荷載作用下，沙柳直根的極限抗拉力、抗拉強(qiáng)度。由圖2a 可知，承受循環(huán)荷載后直根極限抗拉力與根徑呈冪函數(shù)正相關(guān)（Y=39.989X1.3747，R2=0.9315），與單次荷載下直根抗拉力與根徑關(guān)系（Y=21.612X1.6743，R2=0.9214）趨勢(shì)相同，且單次荷載和循環(huán)荷載下直根抗拉力差異顯著（P＜0.05）。但循環(huán)荷載后直根抗拉力明顯大于單次荷載下直根的抗拉力，隨根徑的增加，其增幅逐漸增大；相較于單次荷載，1～2 mm、2.5～3.5 mm、4～5 mm直根承受循環(huán)荷載后平均抗拉力增長(zhǎng)了60%、48%、31%。

由圖2b可知，單次荷載下直根極限抗拉強(qiáng)度與根徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)（Y=29.2X-0.453，R2=0.7204），循環(huán)荷載后抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系沒(méi)有發(fā)生改變，即承受循環(huán)荷載50次后，直根極限抗拉強(qiáng)度與根徑仍表現(xiàn)為冪函數(shù)負(fù)相關(guān)（Y=50.915X-0.625，R2=0.7379），且2 種荷載下直根極限抗拉強(qiáng)度差異顯著（P＜0.05）。循環(huán)荷載后直根抗拉強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，其增幅隨根徑的增大而減小，相較于單次荷載，1～2 mm、2.5～3.5 mm、4～5 mm直根承受循環(huán)荷載后平均抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)了60%、50%、32%，表明根系能夠承受一定程度的循環(huán)荷載，且循環(huán)荷載后根系固土抗蝕能力增強(qiáng)。

圖2 循環(huán)荷載前后直根極限抗拉力、抗拉強(qiáng)度Fig.2 Tensile force,tensile strength of straight roots before and after cyclic load

2.2 循環(huán)荷載過(guò)程中直根變形特征

直根承受循環(huán)荷載50次后力-位移曲線變化規(guī)律相似，因此，以根徑2.88 mm 直根為例，由圖3 可知，直根在循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)出明顯的彈塑性特征，可分為彈性形變和塑性形變兩部分。首次加載-卸載曲線均與其余加載-卸載曲線存在差異，首次加載時(shí)，曲線呈明顯的上凸型，總位移量達(dá)到2.04 mm，卸載后曲線并未沿著加載段路徑返回，而是滯后于加載段路徑，其中滯后位移為1.13 mm，此間距為不可恢復(fù)的塑性形變，0.91 mm 為可恢復(fù)的彈性形變。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，由加載段-卸載段曲線組成的滯回環(huán)逐漸閉合，斜率均大于首次加載，并表現(xiàn)出明顯的周期性，曲線排列方式由“稀疏性”變?yōu)椤懊芗汀?，由加載段-卸載段曲線組成的滯回環(huán)面積隨之減小，表明根系塑性形變逐漸積累，但每1 次循環(huán)產(chǎn)生的塑性形變逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

圖3 循環(huán)荷載后直根力-位移曲線Fig.3 Tensile force-displacement curve of straight roots after cyclic load

為了定量描述直根在循環(huán)過(guò)程中的變形特征，將直根累計(jì)伸長(zhǎng)率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析。由圖4可知，在不同根徑下，直根累計(jì)伸長(zhǎng)率隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，初始階段直根累計(jì)伸長(zhǎng)率變化幅度大，隨之增長(zhǎng)緩慢并趨于穩(wěn)定。1～2 mm、2.5～3.5 mm、4～5 mm 直根承受循環(huán)荷載50次后總伸長(zhǎng)率分別為7.2%、2.8%、7.7%，第1次循環(huán)結(jié)束后直根伸長(zhǎng)率是總伸長(zhǎng)率的71.8%、45.4%、57.4%，第10 次循環(huán)結(jié)束后直根累計(jì)伸長(zhǎng)率是總伸長(zhǎng)率的88.2%、73.6%、80.8%，第20次循環(huán)結(jié)束后直根累計(jì)伸長(zhǎng)率均達(dá)到總伸長(zhǎng)率的85%以上，因此，在循環(huán)荷載過(guò)程中，直根累計(jì)伸長(zhǎng)率分為快速增長(zhǎng)和緩慢增長(zhǎng)階段，循環(huán)20次可作為快速增長(zhǎng)向緩慢增長(zhǎng)的拐點(diǎn)。

圖4 直根累計(jì)伸長(zhǎng)率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between accumulated elongation of straight roots and the cycle number

2.3 單次荷載與循環(huán)荷載后直根本構(gòu)特征

由圖5可知，直根應(yīng)力-應(yīng)變曲線在單次荷載作用下呈上凸型，受力初期應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性正相關(guān)，且各點(diǎn)斜率相等，此階段主要發(fā)生彈性形變；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到彈性極限點(diǎn)時(shí)，直根開(kāi)始發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，表現(xiàn)為應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加快速增大，曲線趨于平緩且斜率基本不變，呈現(xiàn)非線性變形特征。承受循環(huán)荷載后，直根應(yīng)力應(yīng)變曲線初期與單次荷載存在差異，由于循環(huán)荷載過(guò)程中直根已產(chǎn)生塑性形變，因此直根再次受力至斷裂時(shí)，曲線沿著循環(huán)過(guò)程中加載段路徑進(jìn)行，直到達(dá)到循環(huán)過(guò)程中上限荷載，其拐點(diǎn)明顯大于單次荷載，即承受循環(huán)荷載后，直根彈性應(yīng)力、累計(jì)彈性應(yīng)變均有所增加，超過(guò)上限荷載后曲線斜率迅速減小，后期與單次荷載下直根曲線相似。

圖5 單次荷載和循環(huán)荷載后直根極限應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Ultimate stress-strain curve of straight roots under monolonic load and cyclic load

由表1可知，承受單次荷載和循環(huán)荷載后，直根平均彈性應(yīng)力、極限應(yīng)力和彈性模量均隨根徑的增大而減小，而單次荷載下彈性應(yīng)變、極限應(yīng)變以及循環(huán)荷載下累計(jì)彈性應(yīng)變、極限應(yīng)變均和根徑無(wú)明顯關(guān)系，表明在相同荷載下，1～2 mm 根系表現(xiàn)出更好的彈性性能，抵抗彈性變形的能力強(qiáng)。

表1 單次荷載和循環(huán)荷載后直根本構(gòu)特征值Tab.1 Elgenvalue of stress-strain curve of straight roots under monolonic load and cyclic load

直根彈性應(yīng)力、極限應(yīng)力、彈性應(yīng)變?cè)诓煌鶑较戮憩F(xiàn)出：循環(huán)荷載＞單次荷載；承受循環(huán)荷載后，根徑為1～2 mm、2.5～3.5 mm、4～5 mm 的直根彈性應(yīng)力分別是單次荷載的2.49、2.47、1.75 倍，極限應(yīng)力是單次荷載的1.58、1.44、1.39 倍，累計(jì)彈性應(yīng)變是單次荷載的2.74、1.91、4.10 倍，彈性應(yīng)力占比、彈性應(yīng)變占比也相應(yīng)程度的增加，而極限應(yīng)變與其他本構(gòu)曲線特征值存在差異，即單次荷載下直根的極限應(yīng)變大于循環(huán)荷載，且差異顯著（P＜0.05）。由于直根不同組織結(jié)構(gòu)的彈性勢(shì)能和塑性變形具有差異性，增幅程度受自身結(jié)構(gòu)影響也各不相同，使得彈性模量在不同荷載下沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

3 討論

3.1 循環(huán)荷載對(duì)直根極限力和強(qiáng)度的影響

植物根系承受風(fēng)力吹蝕等自然界的低周侵蝕營(yíng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，由于根系反復(fù)承受循環(huán)拉伸作用使其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此根系材料力學(xué)特性必會(huì)發(fā)生改變。本研究對(duì)1～5 mm根徑沙柳直根施加軸向循環(huán)荷載50次后，其抗拉能力均有所提升，與穆楓等［15］研究油松、側(cè)柏根系循環(huán)受力后材料力學(xué)特性的結(jié)果相似，蓋小剛［17］同樣得出油松、落葉松、白樺和蒙古櫟根系經(jīng)過(guò)軸向循環(huán)荷載后的極限抗拉力、抗拉強(qiáng)度顯著大于單次荷載下極限抗拉力、抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明根系在一定程度上能夠承受外界低周循環(huán)荷載，且自身極限抗拉力學(xué)特性不但沒(méi)有受損減弱，反而更有利于植物根系固土能力的增強(qiáng)。這可能是因?yàn)楦翟诜磸?fù)受拉過(guò)程中細(xì)胞不斷被擠壓導(dǎo)致水分含量減少，從而增強(qiáng)了細(xì)胞壁聚合物之間的鍵合強(qiáng)度，使根系在循環(huán)荷載后表現(xiàn)出更優(yōu)良的抗拉性能［18］。Zhang等［19］研究阿爾泰紫菀（Heteropappus altaicus）和硬質(zhì)早熟禾（Poa sphondylodes）根系抗拉力學(xué)特性與含水量的關(guān)系時(shí)得出相同規(guī)律，即直根抗拉強(qiáng)度隨含水量的減小而顯著增強(qiáng)。另一方面，根系直徑、含水量與根截面管孔孔徑有密切的聯(lián)系，在循環(huán)受拉和含水量減小的情況下，根系直徑會(huì)發(fā)生微弱減小，從而根系內(nèi)部的管孔孔徑減小，使根系在單位面積上承受拉力的實(shí)質(zhì)面積增大，因而根系抗拉強(qiáng)度有所增強(qiáng)［20］。Jaffe［21］研究表明，植物受到機(jī)械刺激干擾后是不容易再次受到損傷的，也就是說(shuō)根系經(jīng)過(guò)循環(huán)荷載作用后，更加適應(yīng)外界環(huán)境，反而增強(qiáng)了對(duì)侵蝕營(yíng)力的抵抗能力，使根系發(fā)揮更好的固土效能。

3.2 循環(huán)荷載后直根的變形特征

根系在抵御風(fēng)力侵蝕的過(guò)程中，通過(guò)發(fā)生形變使所受拉力轉(zhuǎn)化為側(cè)摩阻［22］，從而防止土體發(fā)生位移或變形，因此根系變形特征是衡量植物根系固土力學(xué)的重要指標(biāo)［23］。本研究中，1～5 mm根徑沙柳直根伸長(zhǎng)率隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且根系累計(jì)伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)趨勢(shì)以循環(huán)20次為拐點(diǎn)劃分為2個(gè)階段：快速增長(zhǎng)階段和緩慢增長(zhǎng)階段。呂春娟等［14］研究油松根系應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系時(shí)，得出相似規(guī)律。從能量守恒角度分析，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，外力對(duì)植物根系所做的功隨之增大，除了一部分以彈性勢(shì)能儲(chǔ)存的能量在外力卸載時(shí)被全部釋放以外，還有一部分能量則引起根系局部塑性變形［16］，也就是說(shuō)，根系的累計(jì)伸長(zhǎng)率隨外力做功增大而相應(yīng)增大。但是根系內(nèi)部各組分的機(jī)械強(qiáng)度抵抗拉伸破壞的能力存在差異，當(dāng)根系受到拉伸作用時(shí)，破壞順序從強(qiáng)度較低的組織到強(qiáng)度較高的組織，即從根系最外部的周皮開(kāi)始，依次為次生韌皮部、次生木質(zhì)部［24］。次生韌皮部主要由韌皮纖維組成，韌皮纖維細(xì)胞較長(zhǎng)，細(xì)胞壁富含纖維素，堅(jiān)韌而有彈性，常表現(xiàn)有較大的延伸率［25］，導(dǎo)致根系在循環(huán)受力初期表現(xiàn)出累計(jì)伸長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)、彈性勢(shì)能高、塑性變形明顯等特征，這也是承受循環(huán)荷載后，根系再次受力時(shí)其彈性應(yīng)力、累計(jì)彈性應(yīng)變大于單次荷載的原因，這些特征有利于將根系所受拉力向土體深層傳遞，對(duì)土壤下滑力進(jìn)行緩沖。由于根系抵抗侵蝕營(yíng)力過(guò)程中平衡位置不斷改變從而引發(fā)損傷的累積［26］，即使反復(fù)施加的軸向拉力是恒定的，但次生韌皮部經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后仍會(huì)發(fā)生破壞，這時(shí)，次生木質(zhì)部在抵抗拉力的過(guò)程中發(fā)揮主要作用。存在于木質(zhì)部中的木纖維，其細(xì)胞較韌皮纖維稍短，胞腔狹長(zhǎng)，木纖維壁厚而堅(jiān)硬且高度木質(zhì)化，具有良好的機(jī)械鞏固作用，但韌性降低、延伸率較?。?4］，經(jīng)過(guò)循環(huán)荷載后的根系已產(chǎn)生塑性變形，發(fā)生不同程度的損傷，使得根系極限應(yīng)變小于單次荷載，根系的伸長(zhǎng)率由快速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)為緩慢增長(zhǎng)，循環(huán)塑性逐漸飽和，滯回環(huán)逐漸閉合且越來(lái)越穩(wěn)定，F(xiàn)-S曲線呈現(xiàn)出先疏后密的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）1～5 mm 根徑沙柳直根承受50 次軸向循環(huán)荷載后極限抗拉力與根徑呈冪函數(shù)正相關(guān)，抗拉強(qiáng)度與根徑呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)，均與單次荷載直根抗拉力、抗拉強(qiáng)度和根徑關(guān)系相似；但循環(huán)荷載后1～2 mm、2.5～3.5 mm、4～5 mm 直根抗拉力、抗拉強(qiáng)度相較于單次荷載分別增長(zhǎng)了60%、60%，48%、50%，31%、32%。

（2）循環(huán)過(guò)程中，直根力-位移曲線表現(xiàn)出明顯的周期循環(huán)特征，在初始階段，由加載段-卸載段曲線組成的滯回環(huán)形狀飽滿，排列稀疏，隨循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)間距逐漸閉合，排列依次密集，面積隨之減小，說(shuō)明直根抵抗塑性變形的能力越來(lái)越差，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）直根累計(jì)伸長(zhǎng)率隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，循環(huán)第20次是伸長(zhǎng)率由快速增長(zhǎng)向緩慢增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的拐點(diǎn)。

（4）2 種荷載作用下，直根彈性應(yīng)力、極限應(yīng)力和彈性模量與根徑呈負(fù)相關(guān)，彈性應(yīng)變（循環(huán)荷載為累計(jì)彈性應(yīng)變）、極限應(yīng)變和根徑無(wú)明顯關(guān)系；但數(shù)值存在顯著差異（P＜0.05），直根彈性應(yīng)力、極限應(yīng)力、累計(jì)彈性應(yīng)變表現(xiàn)為：循環(huán)荷載＞單次荷載，極限應(yīng)變則表現(xiàn)為：?jiǎn)未魏奢d＞循環(huán)荷載。