钟落潭大学园区3种林木根系拉伸力学特性

吕建根,刘宜和,杨墅杭

(仲恺农业工程学院 城市建设学院,广东 广州 510225)

钟落潭大学园区3种林木根系拉伸力学特性

吕建根,刘宜和,杨墅杭

(仲恺农业工程学院 城市建设学院,广东 广州 510225)

摘要：研究了广州市钟落潭镇大学园区3种植物根系拉伸力学特性。选取了试验区3种典型植物根系,共3×3组根系样本,按照材料力学试验方法,利用万能试验机对样本根系进行了多批次的力学拉伸实验,结果过程表明:植物根系单根抗拉强度试验结果受多种因素的影响,具有一定离散性;秋枫单根根系的抗拉强度最高,芒果单根根系的抗拉强度次之,大叶榕根系的抗拉强度最低。

关键词：钟落潭大学园区;植物根系;拉伸试验;抗拉强度

收稿日期：2015-06-23

基金项目：广东省普通高校特色创新项目(自然科学)，广东省大学生创新训练项目资助

作者简介：吕建根(1977—)，男，江西崇仁人,博士,副教授,主要从事应用力学研究工作。

中图分类号：S718.4

文献标识码：A

文章编号：编号：1674-9944(2015)09-0053-02

1引言

木本植物通过根系锚固土的方式可以提高土体的抗剪能力,从而有效阻止浅层土体滑坡。当植物侧根沿边坡大量分布在滑坡面时,根系的抗拉强度能够有效阻止大面积的土体滑坡,如泥石流、崩塌等[1]。Waldron[2]用一个简单的力学模型研究了根系对土壤力学性能的的影响,结果表明:植物根系主要是通过增加黏聚力来提高土壤的抗滑坡能力,根的平均抗拉强度和根系面积比是影响土壤黏聚力的两个主要因素。因此,植物根系单根抗拉强度的研究可为提高边坡稳定性、改善根系固土能力提供重要指导。检索现有文献表明:国内研究人员对北方植物根系拉升性能研究较多[3~4],而对南方植物根系拉伸性能的研究鲜见报道。本文针对广州市钟落潭大学园区内山体边坡上的植物开展根系拉伸特性研究,对提高园区内边坡的稳定性、维护校园安全具有重要的指导意义。

2试验区概况

研究区钟落潭大学园区位于广州市白云区东北部钟落潭镇内,与从化市、花都区接壤,白云区帽峰山山麓,东至九佛工业区边界,西临京珠高速路,南抵水利局人工水库选址淹没区,北靠新广从快速路,面积为20.98 km2,可容纳师生10万人,目前已有10余所高校进入钟落潭大学园区。

钟落潭大学园区属于亚热带海洋性季风型气候,夏季漫长无酷热,冬季温暖,春秋两季短暂而不明显。全年平均气温22.5°C,年温差15~17°C,雨量充沛,年平均降水量1 517 mm,年平均相对湿度77%,温暖湿润。地形以25°坡以下丘陵山地为主,地势自东南向西北倾斜,东南部为丘陵台地,西北部为流溪河冲积平原。山丘表层为砖红壤性红土,基岩以花岗岩居多,工程地质条件较好。地表有一些小的河沟,地下水储量较丰富。

3研究方法

3.1　抗拉强度计算方法

实验时候选取表皮完好无损、直径变化不大的根系,在根系上作3个标记,分为4个部分,用游标卡尺依次测量3个点处直径,然后取其平均值作为该根直径纪录。根系断裂后再测量距断裂点1 cm左右处的直径(根系在断点处一般有明显颈缩,直径数值变小与原值不符),如果测量数据和先前数据出入较大,以拉断后的直径为准。这样能减少对根系单位面积抗拉强度的高估。抗拉强度等于断裂时根系所受的最大抗拉力除以根系的断裂直径,计算公式为:

其中,σ为根段的抗拉强度(MPa),Fmax为最大抗拉力(N),D为根段断裂处平均直径(mm)。试验中由于根系滑脱或者是夹头处断裂的不算成功,试验中的数据均取自根段在中间部位断裂的根系。

3.2　根系样本采集

为了提高试验的成功率和准确率,选择、采集植物根系样本时,遵循以下原则。

(1)在地势平整、方便采集的区域,随机选取3株健康生长物且与其他植物间距较大的植物,每株选择3根根系组成一组,每种植物采集3组。

(2)在采集根系过程中,宜采用分层开挖法,尽量避免开挖工作对根系造成损伤,选取根系中顺直少弯曲、少结点且整体直径变化不大的鲜活根,分别用枝剪剪成200 mm长作为一段,放入保鲜袋中密封好,贴上树种及采集日期的标签,带入实验室后,及时放进冰箱保鲜。

3.3　拉伸试验

本试验参考国家标准《GB/T228.1-2010金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》[5]进行试验设计,试验拉伸速率为,3种根系拉伸标距为100 mm。

采用微机控制的电子万能试验机进行单根根系拉伸试验,研究植物单根根系的拉伸强度,该试验机最大试验力为2kN,精度等级0.5级,试验示值误差±0.5%,全过程自动换挡,测量速度范围为0~1000 mm/ min,可任意调节速度,试验速度可自动切换,采用气动夹持式拉伸夹具。将100 mm设定为试验机标距,根系样本两端各留10 mm长度,以方便伸入试验机夹具两端拧紧固定,启动试验机按照设定的速度匀速拉伸直至树根完全拉断为止,整个拉伸过程中,试验微机系统通过传感器自动采集数据,记录拉伸实验的全过程,绘出荷载-位移曲线、应力-应变曲线等,记录最大抗拉力。在实验过程中,如出现实验根系在夹具两端断裂或滑出夹具的情形,则该实验过程即认为失败,不记录实验数据,只有当实验根系在中间断裂时,才可认为实验数据有效。为了提高试验的成功率,采用在夹具两端黏贴胶皮、缠绕和添加柔性物质等方法以增大根系与夹具间的摩擦。

4结果与分析

采集芒果树植物根系5个样本,每根直径D分别为2.6 mm、2.9 mm、3.0 mm、3.3 mm及3.6 mm,两个样本实验结果绘成荷载位移曲线,分别如图1、图2所示,3个样本实验结果列入表2中,从图1、图2中可以看出,拉伸曲线为单峰曲线,具有较为明显的弹塑性材料特征,当根系伸长量到7~9 mm时,荷载接近0.15~0.25 kN,出现屈服强度,根系发生脆性破坏,即拉断根系。从整条拉伸曲线上观察,当拉伸位移较小时,可近似认为处于线弹性阶段,但无明显的线弹性点,拉伸到一定的位移后,曲线逐渐呈现非线性的特点,直至到最大拉伸力,根系发生脆性破坏,没有明显的屈服台阶和强化阶段,延性较差。

图1　芒果树单根荷载位移曲线(D=3.0 mm)

图2　芒果树单根荷载位移曲线(D=3.6 mm)

直径D/mm1.672.462.85最大抗拉力Fmax/N73157367抗拉强度σ/MPa33.3333.0357.53

表2　芒果树单根根系拉伸实验结果

表3　大叶蓉单根根系拉伸实验结果

分别采集秋枫和大叶榕根系各3个样本,秋枫根系的直径D分别为1.67 mm、2.46 mm及2.85 mm;大叶榕根系的直径D分别为2.6 mm、2.9 mm及3.1 mm,实验结果分别列入表1和表3中。从表1中可以看出,根系的抗拉强度与根系直径的相关性不大,表2中的实验结果显示了同样的结论,但表3中数据显示植物根系抗拉强度与直径具有一定的相关性,随直径增大而增大,因此,可以得出结论,植物根系的抗拉强度与根系直径的关系随植物种类的不同而不同,若要得到抗拉强度与直径的关系,需增加根系样本数量,利用大量实验结果做进一步的回归分析。对比每张表的3组数据,可以看出,根系最大抗拉力随直径的增大而提高,但抗拉强度并不都随直径的增大而提高,综合3种植物根系的实验结果,在相同外部和内部条件下,秋枫单根根系的抗拉强度最高,芒果单根根系的抗拉强度次之,大叶榕根系的抗拉强度最低。

5结语

本文针对钟落潭大学园区内的3种植物:秋枫、芒果树和大叶榕,开展根系单根拉伸力学性能研究。拉伸实验过程及结果表明,植物根系的抗拉强度由多种因素决定,如含水率、根系直径、拉伸速率及根长等都会影响植物根系的拉伸特性;植物根系的抗拉强度与直径的相关性关系复杂,需进行大量实验,做进一步回归分析;一般来说,同一种植物根系,单根根系的抗拉力随直径的增大而提高;根系拉伸实验成功率不高,拉伸过程中容易出现脱皮或夹具端断裂等现象而导致实验失败,应进一步开发有效的根系夹具以提高拉伸实验的成功率。

参考文献：

[1] SIDLE R C,OCHIAI H.Landslides:processes,prediction and land use[J].Water Resource Monograph,2006(18):312.

[2] WALDRON L j.Shear resistance of root-permeated homogeneous and stratified soil[J].Soil Science Society of America Journal,1977(41):843~849.

[3] 张超波,蒋 静,陈丽华.植物根系固土力学机制模型[J].中国农学通报,2012,28(31):1~6.

[4] 陆桂红,杨顺,王钧.植物根系固土力学机理的研究进展[J].南京林业大学学报:自然科学版,2014,38(2):151~156.

[5] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T228.1-2010金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法[S].北京:中国标准出版社,2011.