青藏高原东北部黄土区灌木柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性研究.pdf

第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 1-1 1-0 1 修回日期:2 0 2 2-1 1-2 6 资助项目:国家自然科学基金资助项目(4 2 0 0 2 2 8 3,4 2 0 6 2 0 1 9);第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2 0 1 9 Q Z KK 0 9 0 5)第一作者:石川(1 9 9 7),男,青海西宁人,硕士研究生,研究方向生态工程地质。E-m a i l:s h i c h u a n w j 1 6 3.c o m 通信作者:刘亚斌(1 9 8 7),男,青海西宁人,副教授,博士,研究方向生态工程地质。E-m a i l:l i u y a b i n c u g 1 6 3.c o mh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 4 2.石川,梁燊,刘亚斌,等.青藏高原东北部黄土区灌木柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性研究J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):1 8 4-1 9 2.S H IC h u a n,L I AN GS h e n,L I UY a b i n,e t a l.R e s e a r c ho nT e n s i l eR e s i s t a n c eC h a r a c t e r i s t i c s o f S i n g l eR o o t o fC a r a g a n ak o r s h i n s k i iK o m.i nL o e s sR e g i o no fN o r t h e a s t e r nQ i n g h a i-T i b e tP l a t e a uJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):1 8 4-1 9 2.青藏高原东北部黄土区灌木柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性研究石 川1,梁 燊1,刘亚斌1,2,朱海丽1,2,李国荣1,2,胡夏嵩1,2,缪晓星3,王延秀3(1.青海大学 地质工程系,西宁8 1 0 0 1 6;2.青藏高原北缘新生代资源环境重点实验室,西宁8 1 0 0 1 6;3.青海省水土保持中心,西宁8 1 0 0 1 6)摘 要:目的 柠条锦鸡儿(C a r a g a n ak o r s h i n s k i iK o m.)是青藏高原东北部和黄土高原地区最为广泛的护坡和水土保持灌木之一,开展该种植物单根抗拉力学特性试验研究,为定量评价该种植物固土护坡效果提供理论依据。方法 以根径为2.3 39.1 6mm的中龄期柠条锦鸡儿根系为研究对象,通过单根拉伸试验对比分析了不同断裂模式和不同根径级别条件下,柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性的差异性及其与根径之间的关系,并进一步探讨了单根断裂破坏模式及其应力应变特征。结果 柠条锦鸡儿单根存在周皮断裂和整体断裂2种断裂模式,2种断裂模式单根抗拉力和单根抗拉强度分别在(2,4,(4,6 和(6,8mm以及(6,8mm根径级别条件下存在显著性差异;相同断裂模式不同根径级别之间,4个单根抗拉力学特性指标差异程度各不相同。周皮断裂和整体断裂模式条件下,单根抗拉力随着根径的增大分别呈指数函数和幂函数增长趋势;单根抗拉强度、弹性模量和极限延伸率随着根径增大而降低。2种断裂模式的产生取决于单根受拉伸作用时,周皮、中柱鞘薄壁组织和次生维管组织的应力状态;对应的单根应力应变曲线表现为弹性变形、弹塑性变形、应变硬化及周皮(断裂)破坏4个阶段。结论 在采用单根拉伸试验来获取木本植物根系单根抗拉力学特性指标时,有必要考虑根径和断裂模式对单根抗拉力学特性的影响。关键词:青藏高原东北部;柠条锦鸡儿;单根拉伸试验;力学特性;断裂模式;应力应变特征中图分类号:S 1 5 7.9 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 8 4-0 9R e s e a r c ho nT e n s i l eR e s i s t a n c eC h a r a c t e r i s t i c so fS i n g l eR o o t o fC a r a g a n ak o r s h i n s k i iK o m.i nL o e s sR e g i o no fN o r t h e a s t e r nQ i n g h a i-T i b e tP l a t e a uS H IC h u a n1,L I ANGS h e n1,L I UY a b i n1,2,Z HU H a i l i1,2,L IG u o r o n g1,2,HUX i a s o n g1,2,M I AOX i a o x i n g3,WANGY a n x i u3(1.D e p a r t m e n t o fG e o l o g i c a lE n g i n e e r i n g,Q i n g h a iU n i v e r s i t y,X i n i n g8 1 0 0 1 6,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fC e n o z o i cR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t o nt h eN o r t h e r nE d g eo ft h eQ i n g h a i-T i b e tP l a t e a u,X i n i n g8 1 0 0 1 6,C h i n a;3.Q i n g h a iS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o nR e s e a r c hC e n t e r,X i n i n g8 1 0 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eC a r a g a n ak o r s h i n s k i iK o m.i s o n e o f t h em o s tw i d e l yu s e d s h r u b s f o r s l o p e p r o t e c t i o na n d s o i la n dw a t e r c o n s e r v a t i o n i n t h e n o r t h e a s t e r nQ i n g h a i-T i b e tP l a t e a ua n d t h eL o e s sP l a t e a u.T h e e x p e r i m e n t a l s t u d yo nt h e t e n s i l em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f as i n g l e r o o to fC.k o r s h i n s k i iw a s c a r r i e do u t t op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i s f o r q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o no f s o i l f i x a t i o na n ds l o p ep r o t e c t i o no f t h i sp l a n t.M e t h o d sS i n g l e r o o t o fC.k o r s h i n s k i iw i t hr o o t d i a m e t e r so f 2.3 39.1 6mma tm i d d l e a g ew a s t a k e na s t h e r e s e a r c ho b j e c t.T h ed i f f e r-e n c e so f t e n s i l e r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s i n g l e r o o t o fC.k o r s h i n s k i iu n d e r d i f f e r e n t f a i l u r em o d e s a n dd i f-f e r e n t r o o td i a m e t e rg r a d e sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t hr o o td i a m e t e rw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e dv i as i n g l er o o t t e n s i l et e s t,a n dt h ef a i l u r em o d eo fs i n g l er o o ta n di t ss t r e s s-s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ef u r t h e rd i s-c u s s e d.R e s u l t sT w om o d e so f f a i l u r eo fas i n g l er o o t,t h ep e r i d e r mp r e f e r e n t i a lb r e a k a g em o d ea n dt h es y n c h r o n o u sb r e a k a g em o d e,o c c u r r e dw h e nt h er o o t sw e r es u b j e c t e dt os i n g l er o o tt e n s i l et e s t.T h es i n g l er o o t t e n s i l e f o r c ea n ds i n g l er o o t t e n s i l es t r e n g t ho f t h et w of a i l u r em o d e sw e r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tu n d e rt h e c o n d i t i o n so f(2,4,(4,6,(6,8mma n d(6,8mmr o o t d i a m e t e rg r a d e s,r e s p e c t i v e l y(p0.0 5).T h ed i f f e r e n c ed e g r e eo f f o u rs i n g l er o o t t e n s i l er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s i n d e x e sw a sd i f f e r e n tb e t w e e nd i f f e r e n tr o o td i a m e t e rg r a d e sw i t ht h es a m ef a i l u r em o d e.U n d e rt h ep e r i d e r mp r e f e r e n t i a lb r e a k a g em o d ea n dt h es y n c h r o n o u sb r e a k a g em o d e,t h e s i n g l e r o o t t e n s i l e f o r c eo fC.k o r s h i n s k i ii n c r e a s e dw i t h t h e i n c r e a s eo f r o o td i a m e t e r,t h e r ee x i s t e de x p o n e n t i a la n dp o w e rr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns i n g l er o o tt e n s i l ef o r c ea n dr o o td i a m e t e r,r e s p e c t i v e l y.I na d d i t i o n,t h es i n g l er o o tt e n s i l es t r e n g t h,s i n g l er o o te l a s t i cm o d u l u sa n ds i n g l er o o t l i m i te x t e n s i l er a t eo fC.k o r s h i n s k i id e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fr o o td i a m e t e r.T h eo c c u r r e n c eo ft h e s e t w of a i l u r em o d e so fr o o t sd e p e n d so nt h es t r e s ss t a t eo ft h ep e r i d e r m,t h i nw a l lt i s s u eo fm i d d l ec o l u m ns h e a t h,a n dt h es e c o n d a r yv a s c u l a rt i s s u ew h e nas i n g l er o o ti su n d e rt e n s i o n.T h es t r e s s-s t r a i nc u r v e s f o r t h e t w o f a i l u r em o d e s c a nb ed i v i d e d i n t o f o u r s t a g e s:e l a s t i cd e f o r m a t i o n,e l a s t i c-p l a s t i cd e f o r m a-t i o n,s t r a i nh a r d e n i n ga n df r a c t u r ef a i l u r e.C o n c l u s i o nI ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fr o o td i a m e t e ra n df a i l u r em o d eo ns i n g l er o o tt e n s i l ep r o p e r t i e sw h e ns i n g l er o o tt e n s i l et e s ti su s e dt oo b t a i ns i n g l er o o t t e n s i l ep r o p e r t i e s i n d e x e so fw o o d yp l a n t s p e c i e s.K e y w o r d s:n o r t h e a s t e r n Q i n g h a i-T i b e tP l a t e a u;C a r a g a n ak o r s h i n k i iK o m.;t e n s i l et e s to fs i n g l er o o t;m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s;f a i l u r em o d e;s t r e s s-s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c s 青藏高原东北部黄土地貌发育广泛,区内植被覆盖率相对较低,水土流失、滑坡等地质灾害频发,地质和生态环境相对脆弱1-2。近年来,随着区域经济快速发展,区内基础设施建设活动日益加强。工程建设会对原始地貌和生态环境产生一定程度的改造和破坏,从而促进水土流失、滑坡等地质灾害现象的发生,加剧区域生态地质环境问题2-3。诸多研究结果表明,采用植被护坡工程技术,对于防治地区水土流失、浅层滑坡等斜(边)坡浅层地质灾害,并进一步改善生态地质环境,具 有重要的理 论研 究 意 义 和 实 际 价值3-5。由于根系抗拉特性要显著高于土体,故当含根土体受到剪切作用时,根系将土体内部的剪应力通过根土界面摩擦作用转换为根自身的拉应力,并再次通过根土界面摩擦作用将拉应力传递至稳定土体,从而起到增强土体抗剪强度和提高斜(边)坡稳定性的作用6-8。因此,植物根系单根抗拉力学特性评价是植物根系固土护坡力学机制研究和固土护坡效应定量评价的重要基础。目前,在植物根系单根抗拉力学特性研究方面,诸多学者主要通过单根拉伸试验,以获得不同植物单根抗拉力、抗拉强度、弹性模量和极限延伸率等单根抗拉力学特性指标,及其与根径和根系物理化学指标之间的关系,并通过分析单根拉伸应力应变关系,探讨单根抗拉力学行为。一般而言,植物单根抗拉力和抗拉强度愈高,则其抗拔出特性和固土护坡能力愈强8。在单根极限延伸率较小、弹性模量较大的条件下,单根在受拉过程中,能够在产生较小变形的条件下,发挥出自身的抗拉强度以及根土界面摩擦力,从而有利于控制斜(边)坡土体变形9。单根抗拉力学特性与根径密切相关。随着根径的增大,单根抗拉力和单根抗拉强度分别呈增大和降低的变化趋势,而其具体函数关系则与植物种类密切相关1 0-1 2。此外,一些木本植物单根弹性模量和极限延伸率随着根径的增加呈降低趋势1 2,而一些草本植物单根极限延伸率则随着根径的增加呈增大趋势1 3-1 4。纤维素和木质素等化学成分的含量决定了单根抗拉力学特性的强弱1 4-1 6。单根抗拉力学特性随着根径变化的根本原因在于单根化学成分与根径存在相关性。研究表明,根的抗拉强度和纤维素含量均与根径呈显著的负相关关系,而根的抗拉强度与纤维素含量呈正相关关系1 4,1 6。此外,根系含水量亦对单根抗拉力学特性指标有一定程度的影响,随着根系含水量的减少,单根抗拉强度大幅度增加1 7-1 8。根系属于弹塑性材料,在单根承受拉应力初期阶段,应力应变关系曲线呈线性关系,当拉应力超过弹性极限,应力应变关系曲线逐渐偏离直线,表现出非线性特征1 2-1 3,1 9。581第5期 石川等:青藏高原东北部黄土区灌木柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性研究此外,亦有学者通过单根拉拔试验或整株根系原位拉拔试验,发现一些灌木植物单根在被拔出土体过程中存在多种破坏模式9,2 0。柠条锦鸡儿(C a r a g a n ak o r s h i n s k i iK o m.)作为青藏高原东北部优势护坡灌木,具有很强的抗寒、抗旱、耐风蚀能力,能在高寒地区的沙地和土坡中正常生长,为寒冷和干旱地区水土保持、稳定边坡的优良灌木2 1-2 2。然而,现有的青藏高原东北部黄土区柠条锦鸡儿根系抗拉力学特性方面的研究,多以幼龄期柠条锦鸡儿为研究对象,且已有的研究以获得单根抗拉力、抗拉强度和极限延伸率,及其与根径和根系化学成分之间的关系为主要研究内容1 1,2 3-2 4。而有关大龄期柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性方面还鲜有研究成果见诸报道。与此同时,国内外已有的植物单根抗拉力学特性相关研究,均以在夹具中部位置处全断面整体断裂的单根试验数据作为单根拉伸试验有效数据。然而,笔者在开展室内单根拉伸试验,以及野外原位拉拔试验2 0过程中,发现柠条锦鸡儿单根存在2种破坏模式,即周皮断裂模式和整体断裂模式。但目前鲜有研究以单根断裂模式为划分依据,并以此为基础开展不同断裂模式条件下单根抗拉力学特性对比分析。基于此,本项研究以生长于青藏高原东北部黄土区中龄期(61 4a)柠条锦鸡儿为研究对象,通过单根拉伸试验,获得2.3 39.1 6mm根径级别条件下,柠条锦鸡儿根系在不同断裂破坏模式条件下的单根抗拉力、抗拉强度、弹性模量和极限延伸率,并进一步分析上述指标与根径之间的关系。在此基础上,结合不同断裂模式条件下单根应力应变曲线,探讨不同单根断裂模式的力学过程。该项研究对于青藏高原东北部黄土区水土流失、浅层滑坡等地质灾害生态防护具有理论研究价值和实际指导意义。1 材料与方法1.1 研究区基本概况研究区西宁盆地位于黄土高原西缘与青藏高原东北部的交接地带,属高原干旱半干旱大陆性气候2 5。西宁盆地及其周边地区是青藏高原东北部的主要黄土沉积区,区内黄土具有分布广泛、沉积厚度大及地层较完整的特征2 6-2 7。受新构造运动影响,该地区的黄土受到强烈侵蚀和切割,导致沟壑广泛发育,形成以梁、峁、塬和黄土丘陵为特征的景观2 8。研究区年平均气温为6,年均降水量为3 9 45 3 5mm,且年内分布极不均匀,降雨主要集中分布在69月份,约占全年降水量的7 0%8 0%,多以暴雨和阵雨形式出现,具有历时短、强度大、降雨集中等特点2 9。1.2 试验材料柠条锦鸡儿为豆科锦鸡儿属多年生落叶灌木,根系为主直根型,根系发达,主根深,侧根多,属主根侧根均衡发育型灌木2 2。该项研究试验区位于西宁市二十里铺大有山,地理坐标为东经1 0 1 4 4 2 4,北纬3 6 4 2 0 1。试验区坡度为2 4 4 3,坡向为东北方向,海拔23 5 0 24 5 0m。表1为试验区03 0 c m深度范围内土壤物理性质指标。野外根系采集于2 0 2 1年7月。在试验区内,选择生长期为中龄期(6 1 4a)的柠条锦鸡儿作为研究对象,采用野外三维坐标根系追踪挖掘法(最大挖掘深度为1.8m)以获得不同根径柠条锦鸡儿根系。现场将采集好的表皮无明显损伤的根系处理成长度为8 0 1 0 0c m长的根段,并使用保鲜膜包裹后带回实验室储存在4 的环境中备用。此外,为系统性对比分析不同根径条件下柠条锦鸡儿单根抗拉力学指标的差异性,本项研究将柠条锦鸡儿单根划分为(2,4,(4,6,(6,8,(8,1 0mm 4个根径级别进行单根拉伸试验。表1 试验区土壤物理性质深度/m干密度/(gc m-3)含水量/%液限/%塑限/%颗粒级配/%0.2 5 00.0 7 5mm0.0 7 50.0 0 5mm0.0 0 5mm不均匀系数土壤类型03 01.2 80.1 01 8.6 14.1 02 4.0 80.6 61 7.3 40.3 83 5.1 61 6.0 46 1.8 81 4.7 62.9 72.1 24.7 32.5 8粉土1.3 试验方法单根拉伸试验中,上、下夹具间根段的标距设定为该根段根径的1 0倍3 0-3 1。准备试验根段时,首先将野外采集的根段自其一端量取3c m长度预留为夹持段。然后自3c m起,每隔一定距离量取根段根径,共取5个位置的根径计算平均根径,并确定该根段在上、下夹具间的标距。确定好标距后,沿根轴线继续量取3c m根段作为另一端夹具夹持部分(图1)。由于夹具位置处存在应力集中,易导致夹具处试样出现夹断或周皮脱落现象,为了避免此类现象的出现,试验中对单根夹持段进行胶带缠绕防护处理。试验开始前,提前将上、下夹具间根段平均根径输入拉拔仪电脑终端程序。试验过程中,上夹具以1 0mm/m i n的速率匀速上行,以使位于上、下夹具间的根段承受拉伸作用,直至该根段发生破坏为止。选取位于上、下两夹具中间位置处发生断裂根段的单根抗拉力学特性指标作为试验有效数据。单根拉伸试验进行过程中,单根应力应变关系曲线由拉拔仪电脑终端程681 水 土 保 持 研 究 第3 0卷序自动计算生成并记录;待试验结束后程序自动记录单根抗拉力,并进一步计算出单根抗拉强度和极限延伸率。在获得单根应力应变关系曲线的基础上,选取单根抗拉强度1 5%和4 0%的应力点作为弹性变形的区间点,计算得出单根弹性模量。本次试验共进行了3 0 3组单根拉伸试验,其中,从单根中间部位断裂的有7 7组,试验成功率2 5.4 1%。在此基础上,该项研究对符合根径条件的7 5组有效数据分别进行单根抗拉力和抗拉强度箱型图排查,得出整体断裂下单根抗拉力和抗拉强度2个异常值数据,剔除后最终对7 3组有效数据进行分析。单根拉伸试验仪器为深圳万测仪器有限公司生产的T S E 1 0 4 C型微机控制电子万能试验机。电子万能试验机力学传感器量程为1 0k N,精度为0.5%。图1 单根拉伸试验仪器与试验过程示意图本项研究中植物单根抗拉强度计算公式为1 3=4Fm a x D2(1)植物单根极限延伸率计算公式为1 3=LL(2)植物单根弹性模量计算公式为1 2E0.4=0.4-0.1 50.4-0.1 5(3)式中:为单根的抗拉强度(MP a);Fm a x为单根最大抗拉力(k N);D为单根平均根径(mm);为纵向线应变即单根极限延伸率(%);L为单根拉伸时的伸长量(mm);L为单根的原始长度,即标距(mm);E0.4为抗拉强度极限4 0%时的弹性模量(MP a);0.4和0.1 5分 别 为 单 根 抗 拉 强 度4 0%和1 5%的 应 力 值(MP a);0.4和0.1 5分别为单根抗拉强度4 0%和1 5%的应力值对应的应变量(%)。1.4 数据分析分别采用独立样本t检验和方差分析(A N O V A),开展不同断裂模式相同根径级别条件下以及相同断裂模式不同根径级别条件下单根抗拉力学特性指标差异性分析。通过回归分析和相关分析,分析柠条锦鸡儿单根抗拉力、抗拉强度、弹性模量和极限延伸率与根径的关系,相关系数分类见表23 2。使用I BMS P S SS t a t i s t i c s 2 3和O f f i c e 2 0 1 6软件进行相关统计分析。表2 相关性强度的分类|r|0.30.3|r|0.50.5|r|0.8|r|0.8弱相关性低度相关性中度相关性高度相关性2 结果与分析2.1 柠条锦鸡儿单根破坏模式该项研究中,柠条锦鸡儿单根在拉伸试验中存在2种断裂模式,即周皮断裂模式和整体断裂模式,见图2。其中,周皮断裂指单根拉伸过程中单根仅周皮发生断裂破坏,而次生维管组织并未发生断裂;整体断裂模式指单根周皮和次生维管组织在相同的位置同时发生断裂。周皮断裂模式和整体断裂模式的单根数量分别占试验成功样本数的5 7.5 3%和4 2.4 7%。图2 柠条锦鸡儿单根断裂模式2.2 柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性由表3可知,柠条锦鸡儿单根在(2,4,(4,6,(6,8,(8,1 0mm4个根径级别,周皮断裂模式和整体断裂模式条件下单根抗拉力分别为(0.5 60.1 1)(1.4 70.2 2)k N和(0.2 40.2 5)(2.2 51.1 0)k N。由独立变量t检验结果可知,2种断裂模式对应的单根抗拉力在(2,4,(4,6 和(6,8mm3个根径级别条件下存在显著性差异(p0.0 5)。周皮断裂模式条件下,(8,1 0mm根径级别单根抗拉力均值相对较大,但与(6,8mm根径级别单根抗拉力不存在显著性差异(p 0.0 5);(2,4 和(4,6mm根径级别单根抗拉力显著低于(6,8 和(8,1 0mm根径级别(p0.0 5)。该断裂模式下,(6,8和(8,1 0mm根径级别单根抗拉力显著高于(4,6和(2,4mm根径级别,而后2个根径级别单根抗拉力间亦存在显著性差异(p0.0 5)。在上述4个根径级别范围内,柠条锦鸡儿单根在周皮断裂模式和整体断裂模式条件下单根抗拉强度分别为(2 6.3 02.3 6)(6 2.7 21 0.1 0)M P a和(4 0.6 82 2.3 8)(6 0.2 4 1 5.5 0)M P a。2种断裂模式对应的单根抗拉强度仅在(6,8mm根径级别条件下存在显著性差异(p 0.0 5)。周皮断裂模式下,(2,4mm根径级别单根抗拉强度显著高于其余根径级别(p 0.0 5)。整体断裂模式条件下,(2,4mm根径级别单根抗拉强度高于其余根径级别,其次依次为(4,6,(6,8 和(8,1 0mm根径级别,但4个根径级别单根抗拉强度之间不存在显著性差异(p0.0 5)。在上述4个根径级别范围内,柠条锦鸡儿单根在周皮断裂模式和整体断裂模式条件下单根弹性模量分别为(2 3 7.7 61 2 8.3 5)(8 3 8.7 18 3 3.7 2)MP a和(2 5 2.1 51 4 1.8 9)(11 4 9.5 312 4 3.2 0)MP a。相同根径级别条件下2种断裂模式对应的单根弹性模量不存在显著性差异(p 0.0 5)。在上述4个根径级别条件下,周皮断裂模式对应的单根弹性模量依次降低,其中,在(2,4 和(4,6mm根径级别条件下,单根弹性模量不存在显著性差异(p 0.0 5);(4,6,(6,8 和(8,1 0mm3个根径级别对应的单根弹性模量亦不存在显著性差异(p 0.0 5)。整体断裂模式条件下,(2,4mm根径级别单根弹性模量高于其余根径级别,但与(4,6mm根径级别单根弹性模量不存在显著性差异(p0.0 5);(2,4 和(4,6mm根径级别单根弹性模量显著高于(6,8 和(8,1 0mm根径级别,而后2个根径级别单根弹性模量间不存在显著性差异(p0.0 5)。表3 柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性指标试验结果断裂模式根径级别/mm单根抗拉力/k N单根抗拉强度/MP a单根弹性模量/MP a单根极限延伸率/%样本数/根周皮断裂2D40.5 60.1 1*b6 2.7 21 0.1 0 a8 3 8.7 18 3 3.7 2 a1 9.2 21 0.2 1 a8整体断裂0.2 40.2 5*c6 0.2 41 5.5 0 a1 1 4 9.5 31 2 4 3.2 0 a3 2.3 88.4 5 a4周皮断裂4D60.6 60.2 2*b3 9.1 71 2.2 1 b5 1 1.0 83 6 8.3 7 a b2 3.9 31 1.9 0 a1 5整体断裂1.3 00.6 2*b5 6.0 62 5.6 2 a6 2 7.0 62 6 3.6 5 a2 0.4 25.3 8 b1 1周皮断裂6D81.4 40.8 4*a3 7.0 71 7.2 1*b2 4 4.8 51 3 5.6 7 b2 1.8 86.6 4 a1 4整体断裂1.9 90.3 5*a5 3.4 09.4 7*a2 5 2.1 51 4 1.8 9 b2 0.2 44.1 3 b1 4周皮断裂8D1 01.4 70.2 2 a2 6.3 02.3 6 b2 3 7.7 61 2 8.3 5 b1 9.3 82.0 8 a4整体断裂2.2 51.1 0 a4 0.6 82 2.3 8 a3 7 6.2 41 5 4.3 6 b1 4.5 57.7 1 b3注:图中*表示同一根径级别下周皮断裂模式与整体断裂模式的单根抗拉力之间、单根抗拉强度之间、单根弹性模量之间和单根极限延伸率之间在显著性水平0.0 5下呈现差异;图中小写字母表示相同断裂模式在不同根径级别条件下单根抗拉力之间、单根抗拉强度之间、弹性模量之间以及单根极限延伸率之间的差异显著性分析结果(L S D法),p0.0 5)。周皮断裂模式条件下,不同根径级别所对应的单根极限延伸率不存在显著性差异(p0.0 5),其中(4,6mm根径级别对应的单根极限延伸率相对较大。整体断裂模式下,(2,4mm根径级别所对应的单根极限延伸率显著高于(4,6,(6,8 和(8,1 0mm3个根径级别(p0.0 5)。2.3 柠条锦鸡儿单根抗拉力学特性指标与根径的关系由图3 A可知,周皮断裂模式和整体断裂模式条件下,柠条锦鸡儿单根抗拉力随着根径的增大分别呈指数函数和幂函数增长趋势,对应的函数关系式分别为y=0.2 1 1 3 e0.2 4 8 3(R2=0.5 7 7 5)和y=0.0 1 5 9x2.5 0 9(R2=0.8 0 4 3)。2种断裂模式下柠条锦鸡儿单根抗拉力与根径的相关系数分别为0.6 9 2 2,0.7 8 7 1,说明2种断裂模式下单根抗拉力与根径均呈中度正相关关系。由图3 B可知,2种断裂模式条件下柠条锦鸡儿单根抗拉强度随着根径的增大呈逐渐降低趋势。但2种断裂模式条件下单根抗拉强度和根径之间不存在显著性的函数关系。周皮断裂模式和整体断裂模式下,单根抗拉强度与根径的相关系数分别为-0.4 9 07和-0.2 0 78,表明以上2种单根断裂模式分别与根径呈中度负相关和弱负相关关系。由图3 C可知,周皮断裂模式和整体断裂模式条件下柠条锦鸡儿单根弹性模量随着根径的增大呈逐渐降低趋势。但2种断裂模式条件下弹性模量和根径之间不存在显著性的函数关系。周皮断裂模式和整体断裂模式下,单根弹性模量与根径的相关系数分别为-0.3 6 46和-0.5 8 61,表明以上2种单根断裂模式单根弹性模量与根径分别呈低度和中度负相关关系。由图3 D可知,2种断裂模式下柠条锦鸡儿单根极限延伸率随着根径的增大呈逐渐降低趋势。但2种断裂模式条件下极限延伸率和根径间的关系亦未表现出相对显著性的函数关系。周皮断裂模式和整体断裂模式下,单根极限延伸率与根径的相关系数分别为-0.0 7 35和-0.5 1 76,表明以上2种断裂模式单根极限延伸率分别与根径呈弱度负相关和中度负相关关系。881 水 土 保 持 研 究 第3 0卷2.4 柠条锦鸡儿单根拉伸应力-应变关系曲线图4所示为周皮断裂模式和整体断裂模式条件下对应的单根拉伸应力应变关系曲线。由图4 A和4 B可知,在周皮断裂模式条件下,存在2种类型的应力应变关系。第一种类型即应力应变关系曲线(图4 A)。该类曲线总体可分为4个阶段,分别为弹性变形、弹塑性变形、应变硬化及周皮断裂4个阶段。其中,单根受力的初期阶段即进入弹性变形阶段,表现在图4 A的OA段曲线,该阶段曲线近似于直线,单根拉应力与应变呈线性关系。在弹性变形阶段结束后,单根应力应变曲线进入弹塑性变形阶段,即图4 A的A B段曲线,该阶段应力应变曲线呈上凸形,单根拉应力与应变呈非线性关系,表示单根在弹塑性变形阶段既包含有弹性变形,也有塑性变形。在经历弹塑性变形阶段后,单根应力应变曲线进入应变硬化阶段,表现为图4 A中的B H段曲线,该阶段应力应变曲线近似为直线,单根应力和应变之间亦呈线性增长关系。应变硬化阶段的终点H点,亦为单根拉应力峰值点,对应的极限拉应力即为周皮断裂模式条件下的单根抗拉强度。曲线到达H点时,单根周皮首先发生断裂,单根进入周皮断裂阶段,即图4 A中的HC段曲线。在周皮断裂阶段,由于单根两端夹具的夹持力能够为周皮和次生维管组织界面提供较大的正应力,故单根拉应力主要来自周皮和次生维管组织界面相互滑移产生的剪切力。随着周皮与次生维管组织相对滑移距离的增大,其界面接触面积逐渐减小,界面剪应力相应地降低,直至试验结束。周皮断裂模式条件下另一类型应力应变关系曲线如图4 B所示。该类曲线亦可分为弹性变形、弹塑性变形、应变硬化及周皮断裂4个阶段。但与应力应变关系曲线存在差异的是,在应变硬化阶段,曲线单根应力和应变不再呈线性增长关系,对应的应力应变曲线呈现出明显的锯齿形非线性波动(如图4 B的B H F段曲线所示),且单根拉应力峰值点位于曲线中段,而非末端终点。通过试验观察,发现该段曲线具有上述特征的主要原因在于当单根在经历弹塑性变形阶段后,局部就已经出现断裂破坏。在进入应变硬化阶段后,随着单根拉应力逐渐增大,周皮受力后断裂区域进一步扩大