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專(zhuān)利名稱：一種研究林木根系與土壤摩擦錨固性能的方法及裝置的制作方法
一種研究林木根系與土壤摩擦錨固性能的方法及裝置 本發(fā)明涉及一種研究林木根系摩擦與土壤錨固性能的方法及裝置。 屬于自動(dòng)控制與水土保持工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在物質(zhì)生產(chǎn)、維系生態(tài)系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)及 環(huán)境保護(hù)中的作用日益被人們所認(rèn)識(shí)和重視。長(zhǎng)期以來(lái)的科學(xué)和實(shí)踐證實(shí)，植 被永遠(yuǎn)是防止水土流失最積極的因素，植被具有改善生態(tài)環(huán)境，減少水土流失， 涵養(yǎng)水源，固土固坡等其他工程措施所不具有的作用，是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的防 治方法與措施，具有不可替代的重要作用。國(guó)內(nèi)外70多年關(guān)于林木根系固土功 能及提高坡面抗滑能力的研究表明，林木根系可以提高坡面的穩(wěn)定性，能起到 抗滑樁作用，對(duì)淺表層滑坡具有有效的治理和預(yù)防作用。
近年來(lái)，關(guān)于林木根系的研究主要集中在林木根系生物量、根系與土壤環(huán) 境(土壤溫度、水分含量、有機(jī)物等)相互作用等領(lǐng)域。有定量測(cè)量植物根系 長(zhǎng)度的專(zhuān)用儀器(CN1034994)，可以相當(dāng)精確的測(cè)量根系的長(zhǎng)度；有采用無(wú)損 方法完全準(zhǔn)確、無(wú)損地獲取植物根系的原位圖像，無(wú)需離土取樣就可以進(jìn)行根 系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法(CN1776357)。有綜合蒸騰速率、根系密度分布、 土壤水勢(shì)、土壤水分含量、土壤非飽和導(dǎo)水率等各敏感因子提出的一種植物根 系吸收土壤水分過(guò)程的測(cè)定方法(CN101162221)可以測(cè)定根系吸水過(guò)程。發(fā)明 (CN101126753)有可減少傳統(tǒng)根切除法中的誤差，利用水能測(cè)定根系呼吸作用 的方法。根系固土力學(xué)機(jī)制的研究需要建立在對(duì)林木根系與土壤接觸界面上的摩擦 錨固性能充分研究的基礎(chǔ)上，根系與土的界面作用特性直接決定了根土復(fù)合體 的內(nèi)部穩(wěn)定性。本發(fā)明人陳麗華等在土壤地形條件相同的情況下，對(duì)整株樹(shù)木進(jìn)行垂直拉拔試驗(yàn)，并基于庫(kù)侖理論，采用直接剪切的方法，探索根系與土體間 相互作用的特性。對(duì)于根土接觸面的摩阻力作用特性的研究是根系固土機(jī)制研 究的關(guān)鍵，但目前直接測(cè)定根系與土體間的摩擦特性研究的方法及裝置的文獻(xiàn) 非常少。填補(bǔ)了以前根系固土機(jī)制有關(guān)根土界面力學(xué)性能研究試驗(yàn)方法和手段 的空白，

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種準(zhǔn)確、可定量測(cè)定的根系-土壤摩擦錨固性能的方法及裝 置。具體地說(shuō)，就是利用框架式試驗(yàn)機(jī)輸出的拉、壓荷載作用于埋植在試驗(yàn)箱 體的根系上，采用荷載傳感器和位移傳感器對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集 并送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行保存和處理，從而達(dá)到測(cè)定根系與土壤界面上的摩擦 錨固性能的目的。本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置是一種門(mén)式結(jié)構(gòu)，裝置中部有一根可以控制其移動(dòng) 速度的運(yùn)動(dòng)橫梁，自下向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可以得到可控制和測(cè)定的拉力，自上向下 運(yùn)動(dòng)可以得到可控制的壓力，裝置下部可以放置大型的試驗(yàn)體。該試驗(yàn)裝置包 括由H型鋼組成的框架、兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)單元、加載橫梁、歩進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、 編碼器、PLC控制裝置、荷載傳感器、位移傳感器(LVDT)、數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)等 組成。本發(fā)明所提供的試樣箱體體積大，可以借助拖車(chē)等工具進(jìn)出試驗(yàn)機(jī)。該試 樣箱體為立方體、長(zhǎng)方體或圓柱體等形狀，箱體底部有橫桿使大箱高出地面保 證拖車(chē)能夠進(jìn)入箱體底部，箱體外圍通過(guò)螺桿固定，可以多次循環(huán)使用。并且 試驗(yàn)箱體較大，可以同時(shí)埋置多個(gè)林木根系。利用試樣箱體大的體積空間，可 以人工控制土壤的力學(xué)性質(zhì)和固結(jié)狀態(tài)，為模擬不同立地條件下的土壤提供可 能。并且，由于其內(nèi)部空間大，可以同時(shí)埋置多個(gè)林木根系，按照不同排列和距離，模擬林木根系固土作用的群根共同受力特性。本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置，橫梁在向上運(yùn)動(dòng)的情況下提供拉力，可以用于測(cè) 定林木根系(單根或群根)在拔出荷載的作用下與土壤的摩擦錨固作用。而在 橫梁向下運(yùn)動(dòng)的情況下可以提供可以控制并可以測(cè)定的壓力，因此可以利用該 裝置測(cè)定林木根系或木樁、鋼筋混凝土樁在壓入荷載的作用下，受到來(lái)自土壤 的阻滯作用，并可測(cè)定根系或樁在壓入荷載作用下產(chǎn)生的相對(duì)滑移與施加的荷 載之間的關(guān)系(壓入荷載-壓入位移本構(gòu)關(guān)系)，并可測(cè)定在壓入荷載作用下，根 系或樁本身所發(fā)生的變形。本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置，通過(guò)移動(dòng)橫梁輸出一個(gè)完全可以控制運(yùn)動(dòng)的荷 載，并且施加荷載的運(yùn)動(dòng)橫梁可以在其運(yùn)動(dòng)行程的范圍內(nèi)的任意位置停住。可 以在試驗(yàn)機(jī)門(mén)式框架的下部設(shè)置一根固定的靜止橫梁就可以和運(yùn)動(dòng)橫梁形成一 個(gè)萬(wàn)能試驗(yàn)裝置。由于本裝置提供的荷載為向上和向下均可精確控制，那么該 裝置就可被改造為可以作拉伸、抗壓、抗彎等試驗(yàn)的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，可以測(cè)定林 木根系抗拉、抗彎強(qiáng)度。本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置，可以測(cè)定各種類(lèi)型的土壤包括紅粘土、膨脹土、 黃土、有機(jī)十.、砂十等與各種樹(shù)種、不同樹(shù)齡、不同直徑以及不同生長(zhǎng)環(huán)境樹(shù) 根之間的摩擦錨固性能；并可測(cè)定各種木樁、混凝土樁在拔出荷載或壓入荷載 的作用下，與不同類(lèi)型土壤之間的摩擦作用力以及在荷載作用下產(chǎn)生的滑移。 這一方法和裝置可以定量測(cè)定不同樹(shù)種、不同直徑的林木根系與不同物理、力 學(xué)性質(zhì)的土壤界面上的摩擦阻力，以及根系發(fā)生的相對(duì)滑移與施加的荷載之間 的關(guān)系(拔出荷載-拔出位移本構(gòu)關(guān)系)，并可準(zhǔn)確測(cè)定在拔出荷載作用下，根系 本身所發(fā)生的變形。本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置，可以利用該裝置橫向較寬的特點(diǎn)，可以在其運(yùn)動(dòng)橫梁上同時(shí)布置多個(gè)與根系聯(lián)接的裝置，進(jìn)行群根-土壤摩擦錨固性能的試驗(yàn)。并且通過(guò)在該橫梁上設(shè)置可移到的聯(lián)接裝置，以便聯(lián)接在箱體中按不同方式布置根系，進(jìn)行模擬林木根系實(shí)際分布的根系-土壤摩擦錨固性能的試驗(yàn)。


圖1為研究林木根系與土壤摩擦錨固性能的裝置1 H型鋼；2直線運(yùn)動(dòng)單元；3移動(dòng)橫梁；4步進(jìn)電機(jī)；5減速機(jī)；6編碼器；7PLC控制箱。
圖2為拔出試驗(yàn)方法和裝置研究根系摩擦根系性能實(shí)施例圖1 H型鋼；2直線運(yùn)動(dòng)單元；3移動(dòng)橫梁；4步進(jìn)電機(jī)；5減速機(jī)；6編碼器；7 PLC控制箱；9荷載傳感器；IO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；ll位移傳感器；12試驗(yàn)箱體；13林木根系試件。
圖3為試驗(yàn)裝置改造為林木根系的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)施例圖1H型鋼；2直線運(yùn)動(dòng)單元；3移動(dòng)橫梁；4步進(jìn)電機(jī)；5減速機(jī)；6編碼器；7PLC控制箱；8靜止橫梁；9荷載傳感器；IO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；ll位移傳感器；12試驗(yàn)箱體；13林木根系試件。
下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法及裝置加以詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1
本實(shí)施例中，研究的林木根系與土壤的摩擦錨固性能，首先把從現(xiàn)場(chǎng)采集的土壤按照要求裝入試驗(yàn)箱體屮，并提前把從現(xiàn)場(chǎng)采集的林木根系埋置于土壤
當(dāng)中，通過(guò)連接裝置把根系與試驗(yàn)橫梁連接在一起(如圖2所示)。在連接裝置中有可以實(shí)時(shí)測(cè)定試驗(yàn)荷載的荷載傳感器，與實(shí)時(shí)測(cè)定根系拔出滑移量和根系變形的位移傳感器一起進(jìn)行同步采集，試驗(yàn)過(guò)程中由荷載傳感器和位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)同步送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄、保存實(shí)施例2
本實(shí)施例中，所研究的根系要求測(cè)定其抗拉、抗彎強(qiáng)度，可以對(duì)圖1所示試驗(yàn)裝置進(jìn)行改造，在框架的下部安裝一根不移動(dòng)的靜止橫梁，與施加荷載的運(yùn)動(dòng)橫梁組成一個(gè)萬(wàn)能試驗(yàn)裝置(如圖3)，進(jìn)而可以測(cè)定林木根系的抗拉、抗彎強(qiáng)度。以抗拉試驗(yàn)為例，從現(xiàn)場(chǎng)采集的林木根系通過(guò)連接裝置與兩根橫梁相連接，移動(dòng)橫梁連接裝置中有荷載傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中的荷載，與實(shí)時(shí)測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中根系變形量的位移傳感器一起進(jìn)行同步采集，試驗(yàn)過(guò)程中由荷載傳感器和位移傳感器采集到的數(shù)據(jù)同步送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄、保存。
權(quán)利要求
1、本發(fā)明提供一種測(cè)定林木根系與土壤的摩擦錨固性能的方法和裝置。具體地說(shuō)，就是利用框架式試驗(yàn)機(jī)輸出的拉、壓荷載作用于埋植在試驗(yàn)箱體的根系上，采用能夠同步實(shí)時(shí)采集荷載、位移和變形等的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，從而達(dá)到測(cè)定根系與土壤界面上的摩擦錨固性能的目的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法和裝置，其特征在于該框架式試驗(yàn)機(jī)是一種門(mén)式結(jié)構(gòu)，裝置中部有一根可以控制其移動(dòng)速度的運(yùn)動(dòng) 橫梁，自下向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可以得到可控制和測(cè)定的拉力，自上向 下運(yùn)動(dòng)可以得到可控制的壓力，裝置下部可以放置大型的試驗(yàn)體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的該框架式試驗(yàn)機(jī)，其特征在于配有H型鋼 組成的框架、兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)單元、加載橫梁、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、 編碼器、PLC控制裝置，可以輸出可精確控制的荷載。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的試樣箱體，其特征在于該裝置體積大， 可以借助拖車(chē)等工具進(jìn)出試驗(yàn)機(jī)。該試樣箱體為立方體、長(zhǎng)方體 或圓柱體等形狀，箱體底部有橫桿使大箱高出地面保證拖車(chē)能夠 進(jìn)入箱體底部，箱體外圍通過(guò)螺桿固定，可以多次循環(huán)使用。并 且試驗(yàn)箱體較大，可以同時(shí)埋置多個(gè)林木根系。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的運(yùn)動(dòng)橫梁，其特征在于試驗(yàn)機(jī)可以通過(guò) 該橫梁輸出一個(gè)完全可以控制運(yùn)動(dòng)的荷載，并且施加荷載的運(yùn)動(dòng) 橫梁可以在其運(yùn)動(dòng)行程的范圍內(nèi)的任意位置停住。在該裝置的門(mén) 式框架的下部設(shè)置一根固定的靜止橫梁就可以和運(yùn)動(dòng)橫梁形成一個(gè)萬(wàn)能試驗(yàn)裝置，可以測(cè)定林木根系抗拉、抗彎強(qiáng)度。
6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的運(yùn)動(dòng)橫梁，其特征在于該裝置可以利用 其橫向較寬的特點(diǎn)，可以在其上同時(shí)布置多個(gè)與根系聯(lián)接的裝置， 進(jìn)行群根-土壤摩擦錨固性能的試驗(yàn)。并且通過(guò)在該橫梁上設(shè)置可 移到的聯(lián)接裝置，以便聯(lián)接在箱體中按不同方式布置根系，進(jìn)行 模擬林木根系實(shí)際分布的根系-土壤摩擦錨固性能的試驗(yàn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種精確測(cè)定林木根系與土壤的摩擦錨固性能的方法和裝置。具體地說(shuō)，就是利用框架式試驗(yàn)機(jī)輸出的拉、壓荷載作用于埋植在試驗(yàn)箱體的根系上，采用同步實(shí)時(shí)荷載、位移量測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到測(cè)定根系與土壤界面上的摩擦錨固性能的目的。這一方法和裝置可以定量測(cè)定不同樹(shù)種、不同直徑的林木根系與不同物理、力學(xué)性質(zhì)的土壤界面上的摩擦阻力，以及根系發(fā)生的相對(duì)滑移與施加的荷載之間的關(guān)系(拔出荷載-拔出位移本構(gòu)關(guān)系)，并可準(zhǔn)確測(cè)定在拔出荷載作用下，根系本身所發(fā)生的變形。
文檔編號(hào)G01N19/02GK101629896SQ20091007946
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者冀曉東, 朔 周, 張超波, 趙紅華, 陳麗華 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)