树木无损检测方法和安全性评估初探

论文摘要

树木的无损检测和安全性评估是最近几年园林部门及树木学专家关注的重点。无损检测又称非破坏性检测,是利用材料的不同物理力学性质或化学性质在不破坏目标物体内部及外观结构与特性的前提下,对物体相关特性（如形状、位移、应力、光学特性、流体性质、力学性质等）进行测试与检验,尤其是对各种缺陷的测量，无损检测的最大特点是既不破坏材料的原有特性,又能在短时间内连续获得检测结果；立木的安全性主要是由于立木本身存在空洞或腐朽，或者是根部受到破坏时，在风力或其它外界因素的作用下产生破坏的可能性。根据最近几年的研究能发现，国外关于这两个方面的研究比较多，而且已经有比较完善的标准，但是国内目前还没有完整的树木安全性评估体系，一些园林部门在对园林树木及古树名木进行维护时又不能完全参照国外的评估标准，导致很多工作无法开展。本文就是以此为目标，通过树木无损检测的应用研究和建立安全性评估的模型，得到一个相对比较完整的树木安全性评估体系，可以作为园林等相关部门进行树木维护时的参考依据。本研究主要分为三部分，第一部分是树木无损检测的应用研究，采用应力波断层成像技术和阻力仪技术对生长在城市中的雪松和梧桐以及黄山风景区的古树名木进行检测分析，包括两种无损检测方法的原理、健康树木的应力波断层成像结果分析、含有树洞的应力波断层成像结果分析、应力波仪和阻力仪用于雪松立木内部材性检测中的研究、应力波断层成像技术用于古树名木的现场检测和分析。第二部分是弯曲试验用于水杉立木内部健康状况的评估，采用静态应变测试系统对水杉树木进行测量，根据测量结果分析树木的应变与拉力之间的关系、不同直径的树木在相同拉力作用下应变之间的关系以及如何对树木内部健康状况进行评估。第三部分是根据前两部分的研究结果，结合力学知识建立相关的模型，确定安全性评估的具体方法，最终形成一个完整的树木安全性评估体系。主要的研究结果如下：1采用应力波对立木进行无损检测时可以对其树干形状进行模拟，而且相似程度很大，当树木内部空洞比较大时，通过应力波检测得到的图片能大概的确定树干内部空洞的形状和位置，而且相关性比较大；2由应力波断层扫描得到的图片和阻力仪得到的阻力曲线图能比较准确的反映出雪松立木内部的材质分布情况，应力波仪和阻力仪结合在一起对雪松立木内部材性进行检测时，提高了检测结果的准确性，而且很好的弥补了每个设备的不足；并且，通过和实际测量的生材密度相比较，无论是应力波速和雪松密度还是阻力值和雪松密度的相关系数都大于0.8，能够证明应力波和阻力仪所反映的材质材性信息和雪松立木的密度有较好的相关性。3通过使用应力波仪对古树名木进行现场检测，分析结果得到，应力波断层图片能有效的测量古树名木内部的材质分布情况，应力波仪可以作为古树名木保护时一个很好的辅助工具。4通过模拟风力试验能得到同一种树木在模拟风力作用下的应变规律，根据这些应变规律的拟合方程，能得到相同直径的树木在模拟风力作用下的应变情况。5同一树种不同直径的立木在相同风力作用下的应变规律相关性很大，相关系数都大于0.98，不同直径的水杉树木在2000N模拟风力作用下应变的拟合方程为y=25726e-0.0161x。6不同直径树木的弹性模量和测量出来的相对阻力值的相关系数在0.75左右，相关性不是很大，不能根据测量得到的相对阻力值来判断立木的材质状况。7根据弯曲试验计算出立木树干的弹性模量都在7GPa左右，与实际的健康水杉立木树干的弹性模量相差不大，除了1号立木用阻力仪测定树干内部可能存在腐朽或空洞现象外，其他被检测的立木内部没有明显的缺陷，内部健康状况均良好，说明弯曲试验可以用于立木内部健康状况的评估。8在评估立木安全性的过程中，强度损失的计算是一个主要的线索。利用Wagener,coder，Mattheck和Fraedrich的方程与应力波断层扫描图片的信息结合在一起能用来评估树干的强度损失，根据树冠风力载荷以及树冠弯曲强度的计算公式，得到立木在当前自然条件下需要承受的弯曲强度，就能对当前的立木安全性进行评估。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 树木无损检测计算国内外研究现状与发展趋势
• 1.3 树木安全性评估国内外研究现状与发展趋势
• 1.4 研究的目的和意义
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究的意义
• 1.5 研究的主要内容与创新点
• 1.5.1 研究的主要内容
• 1.5.2 创新点
• 第二章 树木无损检测的应用研究
• 2.1 应力波断层成像检测原理
• 2.1.1 试验原理
• 2.1.2 试验步骤
• 2.1.3 分析方法
• 2.1.4 健康树木的应力波断层成像诊断结果
• 2.1.5 含有树洞的应力波断层成像诊断结果
• 2.2 应力波和阻力仪用于雪松立木内部材性检测中的研究
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验原理
• 2.2.3 试验过程
• 2.2.4 后期处理
• 2.2.5 应力波图片和雪松真实照片的比较
• 2.2.6 应力波图片和阻力曲线的比较
• 2.2.7 应力波图片和阻力曲线以及密度三者之间的比较
• 2.3 应力波断层成像技术用于古树名木的现场检测
• 2.3.1 试验材料
• 2.3.2 检测方法
• 2.3.3 结果与分析
• 2.4 结论
• 第三章 模拟风力评估水杉立木的内部健康状况
• 3.1 试验仪器及原理
• 3.2 试验材料和方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 应变与模拟风力之间的关系
• 3.3.2 不同直径的树木在相同直径模拟风力作用下的应变
• 3.4 对树木健康状况进行评估
• 3.5 结论
• 第四章 立木安全性评估和支撑系统的选择
• 4.1 计算风力载荷的相关模型
• 4.2 树干强度损失及计算模型
• 4.3 立木安全性评估
• 4.3.1 视觉评估
• 4.3.2 数学计算
• 4.3.3 安全性评估
• 4.4 树冠支撑系统
• 4.4.1 支撑系统的选择
• 4.4.2 修剪和树冠支撑
• 4.4.3 支撑系统的局限性
• 4.5 结论
• 第五章 结论
• 5.1 树木无损检测应用研究
• 5.2 弯曲试验用于水杉立木内部健康状况的评估
• 5.3 立木安全性评估和支撑系统
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 导师简介
• 在读期间发表论文