蒙古櫟根系單根抗拉力學特性

李長暄，陳麗華，周 娟，郭文體

林木根系在支撐樹體，固持土壤和預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，根系通過其三維網狀結構以及所表現出來的附加黏聚力加固了土壤。當土體受到剪切破壞力時，根土界面的摩擦阻力將剪切帶內土體受到的剪應力轉化為根的拉應力，增加了土體的抗剪強度，提高了土體的穩定性。林木根系對淺層斜坡的穩定加固作用，重要的基礎就是根系具有較強的抗拉能力和變形特性。根系單根抗拉強度和變形能力是評估植被防止土體破壞能力的重要指標［7］。不同根系的力學性能不一樣，所起的加固效果也顯著不同。以往研究主要集中在油松、落葉松徑級在8mm 以下的根系［8－9］，但對蒙古櫟根系力學特性以及直徑在8mm以上的單根定量化研究較少。蒙古櫟（Quercus mongolica）主要分布于在我國華北地區和東北地區，具有較深的根系分布輪廓［10－11］，生長在貧瘠的坡地上，是我國溫帶地區針闊混交林及落葉闊葉林的主栽樹種［12］，是防風固沙林的主要樹種。本研究通過對根進行預處理［10］以及對夾具進行改進等辦法，對蒙古櫟粗根（＞8mm）力學性能展開研究。為分析蒙古櫟根系與土壤之間的相互作用機制，建立邊坡穩定模型、抗風倒模型提供數據支持。

1 試驗區概況

研究區位于河北省承德市圍場縣境內的北溝林場，地理坐標為116°32′—118°14′E，41°35′—42°40′N。屬于中溫帶向寒溫帶過渡、半干早向半濕潤過渡的山地氣候，≥6級大風時間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。該林場高等維管植物有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22～23a的蒙古櫟樹種進行全挖。為避免對根系造成機械損傷，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、相對順直的活根，用枝剪將其剪成長度為600mm左右的根段，放入自封袋中密封，用油性記號筆注明采樣日期，帶回試驗室放入冰箱中并在4℃條件下低溫保存。

2.2 夾具的加工與根的預處理

本實驗中，細根（＜8mm）利用試驗機自帶夾具進行拉伸實驗，粗根（＞8mm）則需利用自行加工的夾具進行測試。為了增加根與夾具的接觸面積，夾持面采用弧狀設計，并附有螺紋。

對粗根進行預處理，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，放入試驗機夾具中，夾緊夾具，將根兩端的水擠出，再用熱風槍以300℃左右的溫度，對著根兩端伸入夾具的部分進行輪流烘烤，時間約為30min，在室溫下放置1h后進行實驗。

2.3 室內拉伸試驗

用WDW－100E微機控制電子式萬能試驗機進行單根抗拉試驗，研究蒙古櫟單根力學性能。試驗機的最大量程為100kN，全程自動換擋，速度范圍為0.005～500mm／min，系統對數據以及試驗力變形曲線進行自動記錄。均勻選取根上的4個部位，取平均值作為該根段的直徑。調整萬能試驗機標距到試驗設計中的設定根長度，伸入上下夾具兩端的樹根長度各約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驗失敗，剔除該數據。

本研究設計在3種不同標距下的勻速拉伸實驗，標距分別為50，100和250mm，3個標距下的數據量分別為：50mm標距下的33根，直徑范圍為1.99～6.5mm；100mm標距下的68根，直徑范圍為1.17～17.24mm，其中直徑在8mm以上的數據12組；250mm標距下的33根，直徑范圍為2.06～6.34 mm。共計拉根301根，細根成功122根，粗根成功12根，總成功率為40.3%。

2.4 基本參數的定義

抗拉強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，是評價根系力學特性的重要指標。其計算公式為：

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

2.5 數據處理與分析方法

進行分析之前對數據進行了正態性檢驗與方差齊性檢驗。采用回歸分析法探討3種標距之下直徑與抗拉力、直徑與抗拉強度之間的關系；對3種標距下的細根抗拉強度數據進行協方差分析，研究不同標距對根系抗拉強度是否產生顯著影響。其中，根徑作為協變量，標距作為固定效應的控制變量，抗拉強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軟件進行。

3 結果與分析

3.1 根系抗拉力、抗拉強度與直徑的關系

在3個標距下，抗拉力均隨直徑的增加而增加，且呈顯著的冪函數關系（p＜0.001）。由實驗取得的有效數據，得到各標距下抗拉力與直徑的關系（圖1）。

圖1 不同標距下根系抗拉力與直徑的關系曲線

蒙古櫟單根抗拉強度與直徑呈現負相關關系，即隨著直徑的增加抗拉強度呈逐漸減小的趨勢，擬合優度最佳的是對數函數，但關系并不顯著，這與前人的研究結果一致［12－14］。各標距下抗拉強度與直徑的關系如圖2所示。

圖2 不同標距下根系抗拉強度與直徑的關系曲線

單根抗拉實驗的本質就是在軸向拉力的作用下，根順纖維的抗拉過程［15］，當荷載達到一定程度后，根系會在最弱處發生斷裂。在本實驗中，蒙古櫟根系單根表現出了較強的抗拉性能，直徑17.24mm的蒙古櫟單根抗拉力可達4 300N。單根抗拉力與直徑呈正相關關系，抗拉強度與直徑呈現負相關關系，粗根依然滿足此規律。這是由于蒙古櫟不同徑級根系中的化學成分含量的差異所導致的。化學成分是影響根系抗拉力和抗拉強度的一個重要因素。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，與木質素含量呈負相關；而抗拉強度與纖維素和半纖維素含量呈負相關，與木質素含量呈正相關。隨著根直徑的增加，纖維素和半纖維素含量逐漸增加，而木質素的含量逐漸減少。

3.2 根系應力－應變曲線

在不同標距下同直徑級蒙古櫟根系的應力應變曲線如圖3所示。在加載的初期階段，應力與應變呈線性增長，3個標距下，應力隨應變的增長幅度均比較明顯，體現了蒙古櫟單根對外界刺激響應較快的特點，當應力超過一定數值后，迅速呈現出非線性增長，直至達到極限，根被拉斷為止。由圖3可以看出，標距較小的根有著更好的應變特征。

標距為50mm下不同直徑根的應力應變曲線如圖3所示，在相同標距之下，不同直徑根的應力應變曲線變化趨勢基本一致。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力－應變曲線

蒙古櫟根系在的應力應變曲線均為從圓點出發的單峰曲線，表現出了彈塑性材料的特征。然而，每條曲線的極限應力和極限應變特征參數存在比較大的差異。在根抵抗拉力的開始階段的低負荷時，應力與應變呈比例增長，表現為很好的線彈性關系，此時為彈性變形，表明卸載外力以后變形可恢復；但當應力達到一定數值，一般為極限抗拉強度的30%～70%，此時的高負荷將使得曲線逐漸偏離直線，進入塑性變形階段，此階段不可逆，直至根被拉斷。

林木根系單根的應力—應變曲線的繪制是實驗中的一個重點。該曲線可以清晰、直觀地反映出單根的力學性能指標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力隨應變增加的情況，彈性段內的應力與相應的應變之比表征了根抵抗彈性變形的能力；曲線中應變的最大值為極限延伸率與標距的比值，應力的最大值為極限抗拉強度。同時，應力應變曲線的測定也是一個難點，欲將其精確繪制出還存在著一定難度。主要是因為根系在被夾緊、拉伸的過程中會與夾具間發生不同程度的滑動，而且，由于根系并不是完全通直的，這也就導致了拉伸過程中有一部分的形變是根系從彎到直的過程，從而影響了最后測得數值的精確度。因此，如何減少根系在被拉伸過中與夾具之間產生的相對滑動，以及確定根系由彎到直所對應的數值變化的影響也將成為繼續討論的重點。

3.3 標距對抗拉強度的影響

3個標距下，細根抗拉強度的協方差分析結果（表1）表明標距對根系的抗拉強度存在著顯著影響（p＜0.05），且隨著標距的增加，抗拉強度的均值明顯呈減小的趨勢，標距為50和250mm根系的抗拉強度的均值差異十分顯著（p＝0.05）。

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

表1 不同標距抗拉強度的協方差分析結果

4 結論

（1）蒙古櫟根系擁有比較強的抗拉能力，直徑范圍為1.99～6.5mm的單根在標距50mm下，平均抗拉強度達到22.22±4.08MPa，明顯高于這一標距下同徑級的油松和落葉松的平均抗拉強度（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增長，且關系顯著；抗拉強度隨直徑增加呈遞減趨勢，但關系并不顯著。

（3）不同實驗條件下，蒙古櫟單根的應力應變曲線均為從圓點出發的單峰曲線，表現出了彈塑性材料的特征，標距和直徑對曲線形態和參數均有不同程度的影響。

（4）標距對蒙古櫟根系的抗拉強度有著顯著的影響，其影響規律表現為同徑級之下，標距越大，抗拉強度越低。

綜上所述，當含有蒙古櫟根系的土體失穩開始出現裂縫的時候，蒙古櫟根系的彈性應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，其較強的變形能力、較大的抗拉強度都有利于對土體開裂的趨勢進行緩沖和抑制，從而對抗滑和抗風倒起到積極的作用，但隨著裂縫的逐漸增大，這種作用將會逐漸減小。

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