本研究旨在驗(yàn)證通過(guò)靜態(tài)載荷測(cè)試與應(yīng)力波波斷層掃描（SoT）估算的樹(shù)木承載能力損失是否具有可比性。這對(duì)樹(shù)藝師在對(duì)比不同評(píng)估報(bào)告或選擇檢測(cè)方法時(shí)具有重要實(shí)踐意義。研究選取59棵樹(shù)木（以歐洲山毛櫸（Fagus sylvatica）和英國(guó)櫟（Quercus robur）為主），分別進(jìn)行靜態(tài)載荷測(cè)試和應(yīng)力波斷層掃描。

     靜態(tài)載荷測(cè)試通過(guò)應(yīng)變傳感器測(cè)量樹(shù)干各位置的殘余剛度（ER），該參數(shù)作為中間質(zhì)量控制指標(biāo)用于驗(yàn)證抗斷裂安全系數(shù)的實(shí)際估算值。應(yīng)力波斷層掃描則基于樹(shù)干橫截面的有效承載區(qū)域形狀（通過(guò)圖像分析確定），評(píng)估由腐朽等缺陷引起的截面模量損失（Wloss）。通過(guò)對(duì)比兩種方法獲得的生物力學(xué)等效參數(shù)（ER與Wloss），發(fā)現(xiàn)二者僅存在有限相關(guān)性：總體樣本呈現(xiàn)顯著但松散的相關(guān)性（斜率0.66±0.1），其中歐洲山毛櫸的相關(guān)系數(shù)為0.56（p<0.001），而英國(guó)櫟無(wú)顯著相關(guān)性。

     研究發(fā)現(xiàn)，兩種方法對(duì)完整橫截面模量（Wintact）的估算存在顯著差異（斜率0.77±0.05），主要源于靜態(tài)載荷測(cè)試中橢圓橫截面假設(shè)的簡(jiǎn)化誤差，以及斷層掃描中"有效承載區(qū)域"的判定偏差。尤其對(duì)于大型不規(guī)則樹(shù)干（如具板根的英國(guó)櫟），橢圓模型易高估/低估外圍纖維對(duì)剛度的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致方法間偏差增大。

研究方法

提出了通過(guò)對(duì)比應(yīng)力波斷層掃描和靜態(tài)負(fù)載測(cè)試來(lái)評(píng)估樹(shù)木承載能力的假設(shè)。具體來(lái)說(shuō)，

1.       應(yīng)力波斷層掃描：

使用Picus3應(yīng)力波斷層掃描儀和Picus Treetronic3電阻率斷層掃描儀進(jìn)行應(yīng)力波斷層掃描和電阻率斷層掃描。應(yīng)力波斷層掃描通過(guò)測(cè)量錘擊信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)確定應(yīng)力波的速度分布，從而顯示樹(shù)木內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性。電阻率斷層掃描則通過(guò)測(cè)量電流的分布來(lái)確定樹(shù)木內(nèi)部的缺陷，如腐爛和空洞。

2.       靜態(tài)負(fù)載測(cè)試：

使用TreeQinetic系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)負(fù)載測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)繩索和絞車對(duì)樹(shù)干施加力，并使用應(yīng)變計(jì)測(cè)量樹(shù)干上的應(yīng)變。通過(guò)公式  

計(jì)算橫截面的殘余剛度，其中是施加的彎矩，是記錄的應(yīng)變，是樹(shù)干材料的彈性模量，是橢圓截面的截面模量。

3.       數(shù)據(jù)分析：

使用統(tǒng)計(jì)軟件R進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用穩(wěn)健線性模型來(lái)比較應(yīng)力波斷層掃描和靜態(tài)負(fù)載測(cè)試得出的承載能力損失參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)方法

1、  數(shù)據(jù)收集

在2016年和2019年分別在德國(guó)漢諾威和戈滕海姆的不同地點(diǎn)收集了59棵樹(shù)的數(shù)據(jù)。這些樹(shù)主要包括歐洲山毛櫸（Fagus sylvatica）和橡樹(shù)（Quercus robur）。

2、  樣本選擇

選擇的樹(shù)木主要因?yàn)榇嬖诟噗E象而被選中。每棵樹(shù)的斷層掃描和應(yīng)變測(cè)量位置以及靜態(tài)負(fù)載測(cè)試的方向取決于每棵樹(shù)的具體損傷和腐朽跡象。

3、  參數(shù)配置

應(yīng)力波斷層掃描和電阻率斷層掃描在每個(gè)樹(shù)的一個(gè)或兩個(gè)高度層面進(jìn)行。靜態(tài)負(fù)載測(cè)試在一個(gè)或兩個(gè)負(fù)載方向上進(jìn)行，使用多個(gè)應(yīng)變計(jì)記錄樹(shù)干上的應(yīng)變。

棕色表示應(yīng)力波傳播速度快、為實(shí)木，綠色、紅色和藍(lán)色表示波速下降。

結(jié)果與分析

1、相關(guān)性分析：在所有樹(shù)種中，兩種強(qiáng)度損失參數(shù)之間存在顯著但松散的相關(guān)性，這種相關(guān)性主要由歐洲山毛櫸的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。橡樹(shù)的數(shù)據(jù)未顯示出任何相關(guān)性。

圖2. 基于完整橫截面比較的相對(duì)值條件下，采用不同方法測(cè)得的承載能力損失之間的相關(guān)性。斜率0.66±0.1（藍(lán)色線：含灰色置信區(qū)間的線性回歸；虛線：1:1參考線）

圖3. 使用不同方法測(cè)量的兩種大樣本物種的承載力損失之間的相關(guān)性（（a）：F.sylvatica；（b） ：Quercus robur），其相對(duì)值基于與完整橫截面的比較。藍(lán)線：帶置信區(qū)間的線性回歸（灰色）。

2、殘余剛度與截面模量的差異：兩種方法評(píng)估的完整橫截面的截面模量在某些情況下存在顯著差異。

圖4. 用于斷層圖像和靜載荷試驗(yàn)的完整橫截面的截面模量W之間的相關(guān)性。

斜率0.77±0.05。藍(lán)線：帶置信區(qū)間的線性回歸（灰色）。虛線1:1。

3、原因分析：導(dǎo)致這種差異的原因包括應(yīng)力波斷層掃描中顏色分類的簡(jiǎn)化假設(shè)、靜態(tài)負(fù)載測(cè)試中橢圓形截面的簡(jiǎn)化假設(shè)以及實(shí)際木材屬性的變化。此外，應(yīng)力波斷層掃描中應(yīng)力波傳播路徑的假設(shè)也可能導(dǎo)致誤差。

總體結(jié)論

    應(yīng)力波斷層掃描和靜態(tài)負(fù)載測(cè)試不能相互替代，但可以相互補(bǔ)充。例如，斷層掃描可以在靜態(tài)負(fù)載測(cè)試之前幫助確定最佳的負(fù)載方向，而靜態(tài)負(fù)載測(cè)試后，斷層掃描可以顯著貢獻(xiàn)于預(yù)測(cè)進(jìn)一步損壞的發(fā)展，如由腐朽引起的損壞。盡管兩種方法存在一定的局限性，但在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合使用這兩種方法可以提高樹(shù)木風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。

引用文獻(xiàn)：Rust, S.; Detter, A. Do Sonic Somography and Static Load Tests Yield Comparable Values of Load-Bearing Capacity? Forests 2024, 15, 768.