一种变体积组合式根系土力学测定装置及测定方法

1.本发明涉及岩土工程生态护坡技术领域，具体涉及一种变体积组合式根系土力学测定装置及测定方法。


背景技术：

2.生态护坡是一项涉及岩土工程、植物、生态、土壤等多学科于一体的复合课题，体现了可持续发展的科学理念，具有稳定边坡、美化景观、改善环境、长期有效、兼容性良好等一系列优点，有着巨大的研究价值和应用前景。研究发现，生态护坡主要对土壤力学性能与土壤物化性质两大方面有改善加强作用。其中，直剪试验能直观地测试根土复合体的抗剪强度，以评价植物根系的固土护坡能力。
3.由于植物根系分布复杂等原因，目前还没有较好的测试方法。在目前的根土复合体抗剪强度测试中，多采用现场剪切试验和以三轴试验或直剪试验为主的室内剪切试验。现场测试成本高，耗费人力物力，同时由于不同植物类别(如：草本、灌木、乔木等)的根系发达程度不同，同一植物类别下的不同植物的根系特征也各不相同，若按照室内剪切试验处理成规范所需尺寸，无法准确测试真实的根土复合体力学性能，室内试验同时存在形成试样困难与采集试样易扰动的问题。因此，传统的根系抗剪强度测试具有较高的局限性。
4.中国专利申请cn204389316u公开了一种层叠式根土复合体大型直剪仪，是由数节剪切盒依次叠加相组合，包括有底座、数节剪切盒、反力架和千斤顶，最下端的剪切盒固定在底座上。但需要将植物根系穿过底板的通孔进行试验，仍存在操作繁琐且不符合实际的根系生长延伸或分布的问题。


技术实现要素：

5.针对传统测试根土复合体力学性能存在形成试样困难与采集试样易扰动以及考虑植物根系沿深度与水平方向生长的根系特征不同，力学特性差异较大的问题，为实现植被培育与根系土剪切的两种功能，本发明提供了一种变体积组合式根系土力学测定装置及测定方法。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种变体积组合式根系土力学测定装置，包括：测定仪结构组件、伺服液压加载系统、根系土培育装置、测试传感元器件、控制与采集系统；
8.所述测定仪结构组件包括支座反力腔、加压顶盖、剪切盒；所述支座反力腔是由四个挡板、一个底板和一个加固顶板通过螺栓固定组装而成的矩形盒体，其中一个挡板内侧沿深度方向开设有三只凹槽，分别为：第一凹槽、第二凹槽与第三凹槽，底板内侧开设第五凹槽，加固顶板的中部开设孔道；所述加压顶盖位于加固顶板的下部、根系土培育装置的土体上部，加压顶盖顶部设有凹坑，底部设有第四凹槽；所述剪切盒由上剪切盒、中剪切盒、下剪切盒及滚珠组成，所述上剪切盒、中剪切盒、下剪切盒分别为四个侧板利用钳制器围合而成的矩形盒体，上剪切盒侧板的底部、下剪切盒侧板的顶部、中剪切盒侧板的的顶部与底部
均开设条状凹槽，滚珠分别放置在中剪切盒顶部的条状凹槽内和下剪切盒顶部的条状凹槽内，使上剪切盒、中剪切盒、下剪切盒之间的摩擦为滚动摩擦，两个水平支撑横臂一端分别放置于所述第一凹槽与第三凹槽内，所述水平支撑横臂的另一端连接剪切盒；
9.所述伺服液压加载系统包括法向加载系统与水平加载系统；所述法向加载系统通过凹坑将法向力传给加压顶盖，进而将法向力传给根系土培育装置的顶部土体，水平加载系统放置在支座反力腔与剪切盒中间，水平加载系统的加载面为中剪切盒；
10.所述根系土培育装置为矩形箱体，在水平横截面方向上，根系土培育装置的外尺寸略大于剪切盒组件内尺寸，同时，根系土培育装置与剪切盒组件的高度相同，根系土培育装置由上、中、下三只有机玻璃容器以及支撑组件组合而成，上侧有机玻璃容器的底部、中侧有机玻璃容器的顶部与底部、下侧有机玻璃容器的顶部的一定高度截面缩小，形成变截面——“颈缩”截面，在根系土培育过程中，利用卡扣在“颈缩”截面固定放置好支撑组件，进行试验测定时将所述根系土培育装置拆除卡扣后放置在剪切盒中，加压顶盖放置在根系土培育装置之上，保持与根系土培育装置中的土体接触；
11.所述测试传感元器件包括压力传感器、土压力盒、振弦式位移计；所述压力传感器包括顶部压力传感器和底部压力传感器，所述顶部压力传感器位于加压顶盖下部第四凹槽内与土体保持接触，所述底部压力传感器位于所述底板内侧第五凹槽内与根系土培育装置底部保持接触，所述顶部压力传感器测试在法向加载系统作用下的上剪切盒土体的法向力，底部压力传感器测试在法向加载系统作用下的下剪切盒土体的法向力；所述土压力盒，共计四个，两个沿着上剪切盒侧壁高度方向布置，另外两个沿着下剪切盒侧壁高度方向布置，所述土压力盒能够与根系土培育装置土体保持接触；所述振弦式位移计放置在挡板内壁的第二凹槽处；
12.所述控制与采集系统包括数显频率仪和终端控制设备；所述数显频率仪与土压力盒相连接，土压力盒数据显示在数显频率仪上，所述终端控制设备连接伺服液压加载系统，能够控制伺服液压加载系统，控制法向加载系统与水平加载系统液压油泵的瞬时排量，实现对油泵输出的力和加载速率的精确控制，所述振弦式位移计、顶部压力传感器与底部压力传感器的电信号通过信号转化器转化为模拟信号，进入终端控制设备。
13.进一步地，所述根系土培育装置的上、下有机玻璃容器左侧壁的中部沿高度方向各开设有两只第一矩形孔，所述上剪切盒与下剪切盒左侧壁的中部沿高度方向各开设有两只第二矩形孔，所述第一矩形孔与第二矩形孔尺寸相同，由上至下的四只第一矩形孔与四只第二矩形孔分别处于同一侧且处于同一水平线上。
14.进一步地，所述土压力盒分别放置在第一矩形孔、第二矩形孔内，土压力盒与第一矩形孔、第二矩形孔尺寸相同，所述顶部压力传感器与第四凹槽尺寸相同，所述底部压力传感器与第五凹槽尺寸相同，所述水平支撑横臂的横截面与第一凹槽、第三凹槽尺寸相同，所述振弦式位移计与第二凹槽尺寸相同。
15.进一步地，所述上剪切盒、中剪切盒、下剪切盒分别由四个侧板利用钳制器围合而成，侧板一侧截面加工有两只凸榫，内侧加工两道导轨，侧板的两只凸榫分别插入至另一侧板的两道导轨，将四个侧板按此方式组合而成一个剪切盒，侧板凸榫在与其相连的导轨处滑动，满足所需截面后，放置并锁紧钳制器。
16.进一步地，所述“颈缩”截面处的支撑组件由四块具有一定壁厚的侧板构成，组合
后呈“回”字形，所述支撑组件侧板的壁厚与“颈缩”截面缩小的尺寸相同，安装后扣紧卡扣，形成一体化。
17.进一步地，所述水平加载系统为升降式设计，可实现沿高度方向的升降变化。
18.一种变体积组合式根系土力学测定方法，具体包括以下步骤：
19.步骤1：安装根系土培育装置各支撑组件并扣紧卡扣，小心向内填充土壤，并按照所需压实度分层进行压实，种植拟研究的植物，进行养护管理，确定研究所需的生长周期；
20.步骤2：待植物生长到研究所需的生长周期时，安装测定装置并做好检测，准备试验；
21.(1)清除根系土培育装置土表面的浮土及植物根叶，整平表面，拆除根系土培育装置各支撑组件；
22.(2)在根系土培育装置外组装剪切盒组件，将剪切盒调节至合适截面后，放置并锁紧钳制器，第一矩形孔与第二矩形孔处于同一侧且处于同一水平线上；
23.(3)在第一矩形孔与第二矩形孔安装型号为rsm-dtx土压力盒，保证土压力盒与根系土培育装置中的土体保持接触；
24.(4)在剪切盒组件外安装支座反力腔，在挡板处安装水平支撑横臂和型号为wyj-5000型振弦式位移计，在底板内侧第五凹槽处埋入型号为中航电测l6底部压力传感器，保证根系土培育装置底部与底板的底部压力传感器保持接触；
25.(5)在剪切盒与支座反力腔之间安装水平加载系统，调节水平加载系统到合适的高度，保证加载面为中剪切盒侧板；
26.(6)将型号为中航电测l6顶部压力传感器放置在加压顶盖底部的第四凹槽中，安装加压顶盖，保证顶部压力传感器与根系土培育装置土的上表面保持接触；
27.(7)安装加固顶板；
28.(8)安装法向加载系统，保证法向力能传递给加压顶盖的凹坑；
29.(9)安装并调试终端控制设备及型号为rsm-dtx数显频率仪，通过终端控制设备或数显频率仪将顶部压力传感器、底部压力传感器、土压力盒、振弦式位移计读数作归零处理；
30.步骤3：进行试验，记录数据；
31.终端控制设备发送命令，法向加载系统以法向力f向土样施加法向力，水平加载系统以剪切速率向土样施加水平力，振弦式位移计采集水平位移数据，土压力盒采集土压力，压力传感器采集法向力，当土样移动至目标水平位移时，停止试验；
32.剪切过程中通过终端控制设备控制水平加载系统，严格控制剪切速率，使剪切盒在剪切过程中几乎做匀速运动；
33.土压力盒数据通过数显频率仪的频率读数并作以下计算处理：
[0034][0035][0036]
[0037]
式中：p-土压力；k-标定系数；f
i-测试频率；f
0-初始频率,τ-剪切应力，f-压力传感器读数，σ-法向应力，a-剪切面面积；
[0038]
步骤4：分析试验数据，确定根土复合体的抗剪强度指标，试验结束；
[0039]
根据水平位移数据计算得到水平力-相对水平位移曲线，再由水平力-相对水平位移曲线确定剪切应力峰值，将剪切应力峰值τ和法向应力σ利用摩尔库伦公式进行拟合，得到剪切应力峰值τ-法向应力σ关系直线，剪切应力峰值τ-法向应力σ关系直线的斜率即为内摩擦角截距为黏聚力c；
[0040]
由此分别得到上剪切面、下剪切面的抗剪强度指标，即内摩擦角黏聚力c；
[0041]
分析由上至下四只土压力盒的数据，按照步骤3、4获得沿深度方向抗剪强度，更加全面准确地评价植物根系的固土护坡能力。
[0042]
进一步地，可根据一些植物根系的深度不同，适当增加中剪切盒的数量并调节水平加载系统位置，更换配套的支座反力腔及相应测试传感元器件在挡板的位置，按照步骤1-4进行试验测定，实现剪切面沿深度方向的变化，以满足不同高度尺寸的根系土力学测定需求。
[0043]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0044]
1.通过将培育装置与组合式剪切盒在加载条件下协同剪切的方式，解决了根系土的力学测定时形成试样困难与采集试样易扰动的问题，提高科研效率的同时也能够直接进行抗剪强度测试，以评价植物根系的固土护坡能力；
[0045]
2.考虑植物根系沿深度生长的根系特征不同，抗剪强度差异较大，采用上、中、下三只剪切盒，能够测试根系土沿深度方向两个剪切面的剪切应力，同时上、下盒的两只土压力盒可以准确测试不同深度的土压力，以测试沿根系方向的抗剪强度；
[0046]
3.支座反力腔与测试传感元器件、剪切盒组件、根系土培育装置均拆装方便，降低运输、储存难度和成本；
[0047]
4.能够满足乔木、灌木、草本或者根系发达程度(根系沿深度与水平发展的程度)不同的根系测试需求；
[0048]
5.通过编程构建数据采集系统实现数据的自动采集，压力传感器的电信号通过信号转化器转化为模拟信号，进入终端控制设备，土压力盒的数据导入数显频率仪，实现数据可视化；
[0049]
6.从终端控制设备能够控制伺服液压加载系统，控制液压油泵的瞬时排量，以此实现对油泵的输出的力和加载速率的精确控制。
附图说明
[0050]
图1为本发明一种变体积组合式根系土力学装置的整体的结构示意图；
[0051]
图2为本发明的进行剪切试验过程状态的结构示意图；
[0052]
图3为根系土培育装置完成剪切盒安装的结构示意图；
[0053]
图4为剪切盒侧板的效果图；
[0054]
图5为下剪切盒完成拼装的结构示意图，其中，图5a为最小截面的结构示意图，图5b为最大截面的结构示意图；
[0055]
图6为钳制器效果图；
[0056]
图7为本发明的根系土培育装置拆除支撑组件的结构示意图，其中，图7a为结构示意图，图7b为正视图；
[0057]
图8为本发明的根系土培育装置的支撑组件安装方式示意图；
[0058]
图9为本发明的根系土培育装置的支撑组件完成安装的整体效果图。
[0059]
图中：1-挡板，2-底板，3-螺栓，4-加固顶板，5-水平支撑横臂，6-法向加载系统，7-水平加载系统，8-上剪切盒，9-中剪切盒，10-下剪切盒，11-根系土培育装置，12-滚珠，13-顶部压力传感器，14-底部压力传感器，15-土压力盒，16-加压顶盖，17-凹坑，18-第一矩形孔，19-支撑组件，20-卡扣，21-振弦式位移计，22-第一凹槽，23-第二凹槽，24-第三凹槽，25-第四凹槽，26-第五凹槽，27
‑“
颈缩”截面，28-第二矩形孔，29-数显频率仪，30-终端控制设备，31-根系土试样，32-凸榫，33-导轨，34-钳制器。
具体实施方式
[0060]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0061]
参阅图1-5，一种变体积组合式根系土力学测定装置，包括：测定仪结构组件、伺服液压加载系统、根系土培育装置、测试传感元器件、控制与采集系统。
[0062]
测定仪结构组件包括支座反力腔、加压顶盖16、剪切盒；支座反力腔，是由四个挡板1、一个底板2和一个加固顶板4通过螺栓3固定组装而成的矩形盒体，其中一个挡板1内侧沿深度方向开设有三只凹槽，分别为：第一凹槽22、第二凹槽23与第三凹槽24，底板2内侧开设第五凹槽26，加固顶板4的中部开设孔道；加压顶盖16位于加固顶板4的下部、根系土培育装置11的土体上部，加压顶盖16顶部设有凹坑17，底部设有第四凹槽25；剪切盒由上剪切盒8、中剪切盒9、下剪切盒10及滚珠12组成，上剪切盒8、中剪切盒9、下剪切盒10分别为四个侧板利用钳制器34围合而成的矩形盒体，侧板一侧截面加工有两只凸榫32，内侧加工两道导轨33，侧板的两只凸榫32分别插入至另一侧板的两道导轨33，将四个侧板按此方式组合而成一个剪切盒，侧板凸榫32在与其相连的导轨33处滑动，满足所需截面后，放置并锁紧钳制器34，上剪切盒8侧板的底部、下剪切盒10侧板的顶部、中剪切盒9侧板的的顶部与底部均开设条状凹槽，滚珠12分别放置在中剪切盒9顶部的条状凹槽内和下剪切盒10顶部的条状凹槽内，使上剪切盒8、中剪切盒9、下剪切盒10之间的摩擦为滚动摩擦，上剪切盒8、中剪切盒9、下剪切盒10之间的距离为1-2mm；两个水平支撑横臂5一端分别放置于所述第一凹槽22与第三凹槽24内，水平支撑横臂5的横截面与第一凹槽22、第三凹槽24尺寸相同，水平支撑横臂5的另一端连接剪切盒；
[0063]
伺服液压加载系统包括法向加载系统6与水平加载系统7；法向加载系统6通过凹坑17将法向力传给加压顶盖16，进而将法向力传给根系土培育装置11的顶部土体，水平加载系统7放置在支座反力腔与剪切盒中间，水平加载系统7的加载面为中剪切盒9，水平加载系统7为升降式设计，可实现沿高度方向的升降变化；
[0064]
根系土培育装置11为矩形箱体，在水平横截面方向上，根系土培育装置11的外尺寸略大于剪切盒组件内尺寸，同时，根系土培育装置11与剪切盒组件的高度相同，根系土培
育装置11由上、中、下三只有机玻璃容器以及支撑组件19组合而成，上侧有机玻璃容器的底部、中侧有机玻璃容器的顶部与底部、下侧有机玻璃容器的顶部的一定高度截面缩小，形成变截面——“颈缩”截面27，“颈缩”截面27处的支撑组件19由四块具有一定壁厚的侧板构成，组合后呈“回”字形，支撑组件19侧板的壁厚与“颈缩”截面27缩小的尺寸相同，在根系土培育过程中，利用卡扣20在“颈缩”截面27固定放置好支撑组件19，安装后扣紧卡扣20，形成一体化，进行试验测定时将根系土培育装置11拆除卡扣20后放置在剪切盒中，加压顶盖16放置在根系土培育装置11之上，保持与根系土培育装置11中的土体接触；根系土培育装置11的上、下有机玻璃容器左侧壁的中部沿高度方向各开设有两只第一矩形孔18，上剪切盒8与下剪切盒10左侧壁的中部沿高度方向各开设有两只第二矩形孔28，所述第一矩形孔18与第二矩形孔28尺寸相同，由上至下的四只第一矩形孔18与四只第二矩形孔28分别处于同一侧且处于同一水平线上
[0065]
测试传感元器件包括压力传感器、土压力盒15、振弦式位移计21；压力传感器包括顶部压力传感器13和底部压力传感器14，顶部压力传感器13位于加压顶盖16下部第四凹槽25内与土体保持接触，顶部压力传感器13与第四凹槽25尺寸相同，底部压力传感器14位于所述底板2内侧第五凹槽26内与根系土培育装置11底部保持接触，底部压力传感器14与第五凹槽26尺寸相同，顶部压力传感器13测试在法向加载系统6作用下的上剪切盒8土体的法向力，底部压力传感器14测试在法向加载系统6作用下的下剪切盒10土体的法向力；土压力盒15，共计四个，两个沿着上剪切盒8侧壁高度方向分别放置在第一矩形孔18内，另外两个沿着下剪切盒10侧壁高度方向放置在第二矩形孔28内，土压力盒15与第一矩形孔18、第二矩形孔28尺寸相同，土压力盒15能够与根系土培育装置11土体保持接触；振弦式位移计21放置在挡板1内壁的第二凹槽23处，振弦式位移计21与第二凹槽23尺寸相同；
[0066]
控制与采集系统包括数显频率仪29和终端控制设备30；数显频率仪29与土压力盒15相连接，土压力盒15数据显示在数显频率仪29上，终端控制设备30连接伺服液压加载系统，能够控制伺服液压加载系统，控制法向加载系统6与水平加载系统7液压油泵的瞬时排量，实现对油泵输出的力和加载速率的精确控制，振弦式位移计21、顶部压力传感器13与底部压力传感器14的电信号通过信号转化器转化为模拟信号，进入终端控制设备30。
[0067]
一种变体积组合式根系土力学测定方法，包括以下步骤：
[0068]
步骤1：安装根系土培育装置11各支撑组件19并扣紧卡扣20，小心向内填充土壤，并按照所需压实度分层进行压实，种植拟研究的植物，进行养护管理，确定研究所需的生长周期。
[0069]
步骤2：待植物生长到研究所需的生长周期时，安装测定装置并做好检测，准备试验；
[0070]
(1)清除根系土培育装置11土表面的浮土及植物根叶，整平表面，拆除根系土培育装置11各支撑组件19；
[0071]
(2)在根系土培育装置11外组装剪切盒组件，将剪切盒调节至合适截面后，放置并锁紧钳制器34，第一矩形孔18与第二矩形孔28处于同一侧且处于同一水平线上；
[0072]
(3)在第一矩形孔18与第二矩形孔28安装型号为rsm-dtx土压力盒15，保证土压力盒15与根系土培育装置11中的土体保持接触；
[0073]
(4)在剪切盒组件外安装支座反力腔，在挡板1处安装水平支撑横臂5和型号为
wyj-5000型振弦式位移计21，在底板2内侧第五凹槽26处埋入型号为中航电测l6底部压力传感器14，保证根系土培育装置11底部与底板2的底部压力传感器14保持接触；
[0074]
(5)在剪切盒与支座反力腔之间安装水平加载系统7，调节水平加载系统7到合适的高度，保证加载面为中剪切盒9的侧板；
[0075]
(6)将型号为中航电测l6顶部压力传感器13放置在加压顶盖16底部的第四凹槽25中，安装加压顶盖16，保证顶部压力传感器16与根系土培育装置土的上表面保持接触；
[0076]
(7)安装加固顶板4；
[0077]
(8)安装法向加载系统6，保证法向力能传递给加压顶盖16的凹坑17；
[0078]
(9)安装并调试终端控制设备30及型号为rsm-dtx数显频率仪29，通过终端控制设备30或数显频率仪29将顶部压力传感器13、底部压力传感器14、土压力盒15、振弦式位移计21读数作归零处理。
[0079]
步骤3：进行试验，记录数据；
[0080]
终端控制设备30发送命令，法向加载系统6以法向力f向土样施加法向力，水平加载系统7以剪切速率向土样施加水平力，振弦式位移计21采集水平位移数据，土压力盒15采集土压力，顶部压力传感器13和底部压力传感器14采集法向力，当土样移动至目标水平位移时，停止试验；
[0081]
剪切过程中通过终端控制设备30控制水平加载系统7，严格控制剪切速率，使剪切盒在剪切过程中几乎做匀速运动；
[0082]
土压力盒15数据通过数显频率仪29的频率读数并作以下计算处理：
[0083][0084][0085][0086]
式中：p-土压力；k-标定系数；f
i-测试频率；f
0-初始频率,τ-剪切应力，f-压力传感器读数，σ-法向应力，a-剪切面面积；
[0087]
步骤4：分析试验数据，确定根土复合体的抗剪强度指标，试验结束；
[0088]
根据水平位移数据计算得到水平力-相对水平位移曲线，再由水平力-相对水平位移曲线确定剪切应力峰值，将剪切应力峰值τ和法向应力σ利用摩尔库伦公式进行拟合，得到剪切应力峰值τ-法向应力σ关系直线，剪切应力峰值τ-法向应力σ关系直线的斜率即为内摩擦角截距为黏聚力c；
[0089]
由此分别得到上剪切面、下剪切面的抗剪强度指标，即内摩擦角黏聚力c；
[0090]
分析由上至下四只土压力盒15的数据，按照步骤3、4获得沿深度方向抗剪强度，更加全面准确地评价植物根系的固土护坡能力。
[0091]
可根据一些植物根系的深度不同，适当增加中剪切盒9的数量并调节水平加载系统7的位置，更换配套的支座反力腔及相应测试传感元器件在挡板1的位置，按照步骤1-4进行试验测定，实现剪切面沿深度方向的变化，以满足不同高度尺寸的根系土力学测定需求。
[0092]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实
体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0093]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。