植物根系作用下土的力学特性分析装置及方法

1.本发明属于土木试验设备技术领域，具体涉及植物根系作用下土的力学特性分析装置及方法。


背景技术：

2.随着城镇建设、交通基础设施的发展，工程活动引发的边坡表层土体滑动、水土流失等灾害逐年增加，对城镇、铁路、公路造成一定程度的潜在危害，给社会经济建设和发展也带来了一定的影响。因此，加快边坡植被恢复，提高边坡稳定性，减少水土流失，是现阶段急需解决的问题。目前，植物根系可以有效防治边坡浅层滑坡等自然灾害的作用已被人们广泛认可和接受。而衡量植物根系固土护坡效果的重要指标是植物对土体抗剪强度的影响，这是了解植物根系对土体强度加强作用的关键，同时也是通过植物保持铁路、公路、水电、巷道、港口等工程设施中所开挖的边坡稳定及避免水土流失的重要途径。
3.目前常见的土的抗剪强度的室内试验包括直剪试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验等，但由于在进行抗剪强度试验时所需要采集的试样较多，不便带回室内进行试验，并且室外取样较为困难，因此实验室内常采用重塑土进行试验，但由于重塑的根土复合体土是人为形成的，与自然条件下的根土复合体相比，结构不能保持一致，如何有效取得原状样并利用所取得的原状样进行植物根系作用下土的力学特性分析，是减小实验误差、提高试验精度的重要途径。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供植物根系作用下土的力学特性分析装置及方法。本发明的植物根系作用下土的力学特性分析装置具有脱模方便，可有效取得原状样的优势，可进行植物根系对黄土强度特性影响的研究。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种植物根系作用下土的力学特性分析装置，其特征在于，包括：用于培育根土复合体试样的培育容器和培育控制系统；所述培育容器内设置有透水板，所述透水板上设置有可供植物种籽撒入的培育用套管，所述培育用套管的数量为多个；
6.所述培育控制系统包括第一水位传感器、温度传感器、计时器、控制器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、水泵送装置、营养液泵送装置、水箱、营养液箱和加热片；
7.所述第一水位传感器设置于培育容器内；所述加热片和温度传感器均设置于培育容器上；
8.所述第一水位传感器、温度传感器、计时器、第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀均与控制器电性连接；
9.所述水箱上设置有第一进水管，所述第一进水管且远离水箱的一端连接于培育容器上，所述水泵送装置设置于水箱内且和第一进水管连通，所述第一电磁阀设置于所述第一进水管上；
10.所述第一进水管上连通有第二进水管，所述第二电磁阀设置于第二进水管上；
11.所述营养液箱上设置有第三进水管，所述培育容器上设置有输液软管；所述第二进水管远离第一进水管的一端和第三进水管远离营养液箱的一端均连接于输液软管上，所述输液软管管壁上开设有出液孔；所述营养液泵送装置设置于营养液箱内且和第三进水管连通，所述第三电磁阀设置于第三进水管上。
12.上述的一种植物根系作用下土的力学特性分析装置，其特征在于，所述培育用套管包括多个依次设置的管段，所述管段上套设有用于连接相邻管段的连接套管，每个所述管段上均设置有管段用扎带；所述管段包括左半管段和右半管段，所述左半管段和右半管段形状和结构均相同。
13.上述的一种植物根系作用下土的力学特性分析装置，其特征在于，所述连接套管包括左半连接套管和右半连接套管，所述左半连接套管和右半连接套管形状和结构均相同，所述培育用套管还包括可绑设于所述连接套管上的套管用扎带。
14.上述的一种植物根系作用下土的力学特性分析装置，其特征在于，所述培育容器为带夹层的培育容器，所述加热片设置于夹层内。
15.上述的一种植物根系作用下土的力学特性分析装置，其特征在于，所述力学特性分析装置还包括摄像头、led灯、底板、万向轮、太阳能光板和可储存太阳能光板产生的电能的蓄电池；
16.所述底板设置于培育容器下，所述底板上设置有用于安装太阳能光板、摄像头和led灯的安装支架；
17.所述安装支架为高度可调型安装支架；
18.所述万向轮安装于底板下部。
19.此外，本发明还提供一种制作如上述的植物根系作用下土的力学特性分析装置的方法，其特征在于，包括培育用套管，所述培育用套管包括：
20.步骤一、将管材截切成n段，得到n个段状管材；所述n≥2；
21.步骤二、将每个所述段状管材均沿轴向切开，对应得到n组形状和结构均相同的左半管段和右半管段；
22.步骤三、将左半管段和对应右半管段正对，得到n个管段，将管段用扎带分别沿所述管段周向绑设；
23.步骤四、将n个绑设有管段用扎带的管段依次放置，形成(n
‑
1)个管段邻接处，将(n
‑
1)个所述连接套管分别套设至管段邻接处，得到所述培育用套管。
24.进一步的，本发明还提供一种采用上述的植物根系作用下土的力学特性分析装置进行研究的方法，其特征在于，包括根土复合体试样的培育、根土复合体试样的取出、三轴压缩试验、直剪试验和培育用套管内的根系拔出试验；所述根土复合体试样的培育包括：
25.步骤一、将砂粒填充于培育容器内，形成高度为5cm～10cm的砂层，将透水板放置于砂层上，将所述培育用套管垂直设置于透水板上；
26.步骤二、将土壤填入所述培育用套管中，分层夯实填注，撒入植物种籽；
27.步骤三、向培育容器内输送水，进入培育容器内的水经过砂层和透水板后进入培育用套管中，第一水位传感器检测培育容器内水位并将检测得到的水位信号传输至控制器，控制器控制第一电磁阀打开，至培育容器内水位达到预设高度，第一电磁阀关闭，完成
水输送；
28.步骤四、营养液箱中营养液经第三进水管输送至输液软管，同时水箱中水经第二进水管流入输液软管，汇入输液软管中的营养液和水经输液软管上的出液孔喷洒到培育用套管中，喷洒至预设时间，控制器控制第二电磁阀和第三电磁阀关闭，完成营养液喷洒；
29.步骤五、温度传感器检测温度，并将检测得到的温度信号传送到控制器，控制器将获得的温度信号与预设温度值进行比较，当获得的温度信号值低于预设温度值时，控制器控制所述加热片进行加热，至达到预设温度值；
30.步骤六、按照以上步骤培育至预设培育时间，完成培育。
31.上述的方法，其特征在于，所述根土复合体试样的取出的方法包括：
32.培育完成后，将装有根土复合体试样的培育用套管从培育容器中取出，取下连接套管，沿管段邻接处切开，取上段，得到装有根土复合体试样的套管上段，将根土复合体试样与所述套管上段的内壁面分离，去掉管段用扎带，得到根土复合体试样。
33.上述的方法，其特征在于，所述培育用套管内的根系拔出试验方法包括：
34.培育完成后，将装有根土复合体试样的培育用套管取出，沿植物的根系和植物茎的连接处剪开，去掉含茎部分；
35.沿根土复合体试样上表面切削，除去距离上表面边缘1cm～～2cm土体部分，用夹具夹住露出根土复合体试样上表面的根部；将拉力计安装于所述夹具上，拉力计拉动夹具，夹具带动根系至根系拔出，当根系拔出过程根系断裂时，记录断裂状态下拉力计读数、断裂处的直径和断裂长度，当根系拔出过程根系未断裂时，记录滑移状态下拉力计读数、主根末端处直径和滑移长度。
36.上述的方法，其特征在于，所述方法还包括对根土复合体抗剪强度的确定方法，所述确定方法包括：
37.步骤一、根据培育用套管内的根系拔出试验确定拔出力t
b
，t
b
单位为kn；
38.步骤二、根据三轴压缩试验和直剪试验确定根土复合体抗剪强度实测值和素土抗剪强度实测值；
39.步骤三、将步骤一所述拔出力t
b
带入公式s
r
＝1.2
·
t
b
/a，得到根土复合体黏聚力的理论值s
r
，s
r
的单位为kpa，a为剪切截面面积，单位为m2；
40.步骤四、利用步骤二所述根土复合体抗剪强度实测值减去素土抗剪强度实测值得到根土复合体黏聚力的实测值；
41.步骤五、将不同培育时间下的根土复合体黏聚力的理论值利用进行拟合，得到拟合后的根土复合体黏聚力理论值与时间的函数关系s
r
(t)；其中a、c、d、k为拟合参数；t为培育时间，以年计；
42.步骤六、将不同培育时间下的根土复合体黏聚力利用进行拟合，得到根土复合体黏聚力与时间的函数关系c
r
(t)；其中a
′
、c
′
、d
′
、k
′
为拟合参数；t为培育时间，以年计；
43.步骤七、将步骤五的s
r
(t)和步骤六的c
r
(t)带入得到修正系数k
″
(t)；其中，c
素土
为素土黏聚力，单位为kpa；
44.步骤八、将步骤七所述修正系数k
″
(t)带入公式s(t)＝k
″
(t)
·
s
r
+c
素土
，得到根土复合体的抗剪强度s
(t)
，s
(t)
的单位为kpa。
45.本发明与现有技术相比具有以下优点：
46.1、本发明的包括培育容器、培育用套管和培育控制系统的装置具有脱模方便、可有效取得原状样的优势，可进行植物根系对黄土强度特性影响的研究。
47.2、作为优选，本发明的培育用套管包括多个依次相连的管段、管段均包括可合围的左半管段和右半管段，更方便与内部土样剥离。
48.3、本发明的方法中包括依据根系拔出强度试验对wu
‑
waldron模型进行修正后得到的根土复合体抗剪强度确定方法，该确定方法将培育时间对根系拔出强度的影响纳入理论计算之中，且利用拟合的方法确定修正系数与时间之间关联关系，得到k
″
的表达式以及s
r
计算公式s
r
＝k
″
·
1.2
·
t
b
/a。可有效提高wu
‑
waldron模型精确度，更有利于基于试验结果对根系固土稳定性进行有效评价，作为边坡造林等水土保持工程中植物护土力学机理的理论基础，为选择合适植物工程加强水土保持提供科学依据。
49.下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
50.说明书附图
51.图1为本发明的结构示意图。
52.图2为培育用套管的制作流程图。
53.图3为培育控制系统控制原理框图。
54.图4为三轴压缩试验中不固结不排水工况下根土复合体应力应变关系图。
55.图5为三轴压缩试验中不固结不排水工况下根土复合体应力路径图。
56.图6为三轴压缩试验中固结不排水工况下根土复合体应力应变关系图。
57.图7为三轴压缩试验中固结不排水工况下根土复合体应变与孔隙水压关系图。
58.图8为三轴压缩试验中固结不排水工况下根土复合体应力路径图。
59.图9为三轴压缩试验中固结不排水工况下根土复合体有效应力路径图。
60.图10为素土在直剪试验中根土复合体应力应变关系图。
61.图11为培育60天根土复合体试样在直剪试验中的应力应变关系图。
62.图12为培育90天根土复合体试样在直剪试验中的应力应变关系图。
63.图13为培育120天根土复合体试样在直剪试验中的应力应变关系图。
64.图14为培育150天根土复合体试样在直剪试验中的应力应变关系图。
65.图15为wu
‑
waldron模型原理示意图。
66.附图标记
67.1—底板；
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2—培育容器；
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3—砂层；
68.411—左半管段；
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412—右半管段；
69.431—左半连接套管；
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432—右半连接套管；
70.44—管段用扎带；
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45—套管用扎带；
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5—透水板；
71.6—控制器；
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7—水箱；
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71—第一进水管；
72.72—第二进水管；
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8—水泵送装置；
73.9—第二水位传感器；
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10—营养液箱；
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101—第三进水管；
74.11—营养液泵送装置；
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12—输液软管；
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121—出液孔；
75.13—第一水位传感器；
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14—温度传感器；
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15—第一安装杆；
76.16—太阳能光板；
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17—第二安装杆；
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18—蓄电池；
77.19—加固用杆件；
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20—摄像头；
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21—led灯；
78.22—万向轮；
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23—夹层；
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25—计时器；
79.26—第一电磁阀；
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27—第二电磁阀；
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28—第三电磁阀。
具体实施方式
80.实施例1
81.本实施例提供植物根系作用下土的力学特性分析装置，包括：用于培育根土复合体试样的培育容器2和培育控制系统；所述培育容器2内设置有透水板5，所述透水板5上设置有可供植物种籽撒入的培育用套管，所述培育用套管的数量为多个；
82.所述培育控制系统包括第一水位传感器13、温度传感器14、计时器25、控制器6、第一电磁阀26、第二电磁阀27、第三电磁阀28、水泵送装置8、营养液泵送装置11、水箱7、营养液箱10和加热片；
83.所述第一水位传感器13设置于培育容器2内；所述加热片和温度传感器14均设置于培育容器2上；
84.所述第一水位传感器13、温度传感器14、计时器25、第一电磁阀26、第二电磁阀27和第三电磁阀28均与控制器6电性连接；
85.所述水箱7上设置有第一进水管71，所述第一进水管71且远离水箱7的一端连接于培育容器2上，所述水泵送装置8设置于水箱7内且和第一进水管71连通，所述第一电磁阀26设置于所述第一进水管71上；
86.所述第一进水管71上连通有第二进水管72，所述第二电磁阀27设置于第二进水管72上；
87.所述营养液箱10上设置有第三进水管101，所述培育容器2上设置有输液软管12；所述第二进水管72远离第一进水管71的一端和第三进水管101远离营养液箱10的一端均连接于输液软管12上，所述输液软管12管壁上开设有出液孔121；所述营养液泵送装置11设置于营养液箱10内且和第三进水管101连通，所述第三电磁阀28设置于第三进水管101上。
88.本实施例中，所述植物种籽可以为草籽，所述草籽可以为常见植株用草籽；
89.本实施例中，还可以包括设置于水箱7内的第二水位传感器9，第二水位传感器9可以监测水箱7中水位，当低于预定水位时，方便进行水补充，防止水泵送装置8空转。
90.本实施例中，水泵送装置8和营养液泵送装置11均为本领域常用液体泵送装置，比如可以为液体输送泵；所述第一电磁阀26、第二电磁阀27和第三电磁阀28均为本领域常用液用电磁阀。
91.作为一种可行的实施方式，本实施例中的输液软管12围绕成环形且沿培育容器2
顶部边沿环设，所述出液孔121开设于输液软管12面向培育容器2内腔的一侧，输液软管12中液体从出液孔121冲出后落入培育用套管，模拟降雨。
92.本实施例的植物根系作用下土的力学特性分析装置中，所述培育用套管包括多个依次设置的管段，所述管段上套设有用于连接相邻管段的连接套管，每个所述管段上均设置有管段用扎带44；多个所述管段均包括左半管段411和右半管段412，所述左半管段411和右半管段412形状和结构均相同。本实施例中，培育用套管可以由多个管段依次连接而成，只要连接后总长度在40cm～45cm之间即可，作为优选，本实施中由三个管段连接而成，三个管段长度分别为14cm，可有效提高安装组合灵活性；所述管段可以为在应力作用下可合围的带有贯穿切口的管段，或者为多个管段部分的拼合，比如本实施例中的均由正对的左半管段411和右半管段412合围而成的管段，更方便与内部土样剥离。作为一种可行的实施方式，本实施例中管段的内径为67.8mm，外径为75mm，连接套管内径为75mm。本实施例中，培育容器2为桶状培育容器，桶状培育容器上口径外径为32.5cm，内径为30cm，下口径外径为28.1cm，内径为26.1cm，桶状培育容器高度为38.5cm。
93.本实施例的植物根系作用下土的力学特性分析装置中，所述连接套管包括左半连接套管431和右半连接套管432，所述左半连接套管431和右半连接套管432形状和结构均相同，所述培育用套管还包括可绑设于所述连接套管上的套管用扎带45。本实施例中，连接套管为可套设固定于管段上的连接套管，例如可以为在应力作用下可合围的带有贯穿切口的连接套管，或者为多个连接套管部分的拼合，比如本实施例的由左半连接套管431和右半连接套管432构成的连接套管，依靠套管用扎带45绑设形成具有固定内径的连接套管，容易拆卸，使用简单。
94.本实施例中，所述透水板5上设置有用于放置所述培育用套管的凹槽。
95.本实施例的植物根系作用下土的力学特性分析装置中，所述培育容器2为带夹层23的培育容器，所述加热片设置于夹层23内。
96.本实施例中，所述加热片上连接有加热控制器；所述第一水位传感器13、第二水位传感器9和温度传感器14均与控制器6的输入端连接，第一电磁阀26、第二电磁阀27、第三电磁阀28和所述加热控制器均与控制器6的输出端连接，计时器25与控制器6相接；作为一种可行的实施方式，水泵送装置8和营养液泵送装置11均连接于控制器6的输出端；
97.水泵送装置8可通过与水泵送装置8的供电回路相连的水泵送装置开关电路连接于控制器6的输出端，营养液泵送装置11可通过与营养液泵送装置11的供电回路相连的营养液泵送装置开关电路连接于控制器6的输出端；所述水泵送装置开关电路和所述营养液泵送装置开关电路均可以为继电器；
98.控制器6控制水泵送装置8过程可以为：控制器6将第一水位传感器13传输的水位信号与预设高度进行比较，当培育容器2内水位低于预设高度，控制器6打开或维持水泵送装置8和第一电磁阀26开启，当培育容器2内水位达到预设高度，控制器6同时控制水泵送装置8和第一电磁阀26关闭；
99.控制器6控制营养液泵送装置11过程可以为：喷洒至预设时间，控制器6控制营养液泵送装置11、第二电磁阀27和第三电磁阀28关闭。
100.本实施例的植物根系作用下土的力学特性分析装置中，所述力学特性分析装置还包括摄像头20、led灯21、底板1、万向轮22、太阳能光板16和可储存太阳能光板16产生的电
能的蓄电池18；
101.所述底板1设置于培育容器2下，所述底板1上设置有用于安装太阳能光板16、摄像头20和led灯21的安装支架；
102.所述安装支架为高度可调型安装支架；
103.所述万向轮22安装于底板1下部。
104.作为一种可行的实施方式，本实施例中的高度可调型安装支架由垂直设置于底板1上的第一安装杆15和一端垂直连接于第一安装杆15上的第二安装杆17组成，所述第二安装杆17且远离第一安装杆15的一端向培育容器2方向延伸，所述第二安装杆17通过螺栓螺母组件安装于第一安装杆15上，所述第一安装杆15上开设有适配的螺纹孔，所述螺纹孔数量为多个，多个所述螺纹孔沿第一安装杆15轴向均布，通过将螺栓螺母组件安装于不同螺纹孔实现安装支架的高度可调；另外作为优选，该高度可调型安装支架还包括与第一安装杆15和第二安装杆17均连接的加固用杆件19，加固用杆件19可对第一安装杆15和第二安装杆17进行加固，提高安装支架稳固性；在该实施方式中，作为一种可行的安装方式，太阳能光板16安装于第一安装杆15端部，蓄电池18和摄像头20安装于第二安装杆17上，led灯21安装于第二安装杆17端部正对培育容器2；通过可移动底板实现整个分析装置的移动，方便快捷。
105.所述控制器6安装于培育容器2侧部；所述计时器25设置于培育容器2上侧部；所述控制器6和计时器25位于培育容器2正对的两侧。
106.实施例2
107.本实施例提供一种制作实施例1的植物根系作用下土的力学特性分析装置的方法，所述培育用套管包括：
108.步骤一、将管材截切成n段，得到n个段状管材；所述n≥2；
109.所述管材为pvc管；所述段状管材长度可以为8cm～15cm；本实施例中将管材截切成三段长度均为14cm的管段，连接得到符合标准gb/t50123
‑
2019的培育用套管，本领域技术人员可知的是，基于更易将管段剥离或者其余目的，将两个或者长度数量多于三个的管段连接得到培育用套管，同样在本发明的构思之内；
110.步骤二、将每个所述段状管材均沿轴向切开，对应得到n组形状和结构均相同的左半管段411和右半管段412；
111.步骤三、将左半管段411和对应右半管段412正对，得到n个管段，将管段用扎带44分别沿所述管段周向绑设；使正对的左半管段411和右半管段412合围形成固定直径的管状体；所述管状体的内径＝步骤一所述管材内径；
112.步骤四、将n个绑设有管段用扎带44的管段依次放置，形成(n
‑
1)个管段邻接处，将(n
‑
1)个所述连接套管分别套设至管段邻接处，得到所述培育用套管。培育用套管长度为42cm。
113.或者为，取(n
‑
1)个连接套管用管件沿轴向切开，分别得到(n
‑
1)组形状和结构均相同的左半连接套管431和右半连接套管432，将左半连接套管431和对应右半连接套管432正对且套设于所述管段邻接处上，完成将连接套管套设于管段上，将套管用扎带45沿所述连接套管周向绑设，得到所述培育用套管；所述连接套管用管件的内径与步骤一所述管材外径相等。
114.实施例3
115.本实施例提供一种采用实施例1的植物根系作用下土的力学特性分析装置进行研究的方法，包括根土复合体试样的培育、根土复合体试样的取出、三轴压缩试验、直剪试验和培育用套管内的根系拔出试验；
116.本实施例的方法中，所述根土复合体试样的培育包括：
117.步骤一、将砂粒填充于培育容器2内，形成高度为5cm～10cm的砂层3，将透水板5放置于砂层3上，将所述培育用套管垂直设置于透水板5上；
118.步骤二、将土壤填入所述培育用套管中，分层夯实填注，至填满所述培育用套管，停止填入土壤，撒入植物种籽；所述土壤为黄土；
119.步骤三、向培育容器2内输送水，进入培育容器2内的水经过砂层3和透水板5后进入培育用套管中，第一水位传感器13检测培育容器2内水位并将检测得到的水位信号传输至控制器6，控制器6控制第一电磁阀26打开，至培育容器2内水位达到预设高度，第一电磁阀26关闭，完成水输送；所述预设高度可以为5cm～15cm；
120.步骤四、营养液箱10中营养液经第三进水管101输送至输液软管12，同时水箱7中水经第二进水管72流入输液软管12，汇入输液软管12中的营养液和水经输液软管12上的出液孔121喷洒到培育用套管中，计时器15的时间信号传输至控制器6，控制器6接收时间信号并与预设时间进行比对，当喷洒至预设时间，控制器6控制计时器15停止且控制器6控制第二电磁阀27和第三电磁阀28关闭，完成营养液喷洒；以喷洒流量为4ml/min计，所述预设时间可以为3min；
121.步骤三中输入水的过程和步骤四中喷洒营养液的过程顺序可以交换，也可同时进行；
122.步骤五、在以上过程中，温度传感器14检测温度，并将检测得到的温度信号传送到控制器6，控制器6将获得的温度信号与预设温度值进行比较，当获得的温度信号值低于预设温度值时，控制器6控制所述加热片进行加热，至达到预设温度值；所述预设温度可以为15℃～30℃；
123.摄像头20实时监测植物生长状况并将生长状况画面传输到用户手机端，用户根据植物生长状况调整led灯21照射强度；
124.太阳能光板16吸收太阳能后转化为电能并将电能传输至蓄电池18中，蓄电池18可为本装置供电；
125.可通过推动底板1，在万向轮22作用下实现本装置位置移动；步骤六、按照以上步骤进行培育，至预设培育时间，完成培育。所述预设培育时间为60天、90天、120天或150天。
126.可根据需求选择适宜步骤进行强度测试。
127.本实施例的方法中，所述根土复合体试样的取出的方法包括：
128.培育完成后，将装有根土复合体试样的培育用套管从培育容器2中取出，将取出的装有根土复合体试样的培育用套管上的且靠近植物出露部分的所述连接套管取下，露出上管段和中管段的邻接处，沿所述邻接处切开，使内部的土样和根系同时被切断，取带有植物出露部分的上管段部分，得到装有根土复合体试样的套管上段；所述根土复合体试样的套管上段中的套管上段长度为14cm；其中，去掉所述连接套管的方式可以为：直接通过将带有贯穿切口的连接套管取下，或者为，剪开套管用扎带45，分开合围的多个连接套管部分，比
如左半连接套管431和右半连接套管432；利用切刀沿所述靠近植物地上部分的管段内壁面周向环切，将根土复合体试样与所述套管上段的内壁面分离，去掉管段用扎带44，把正对的左半管段411和对应右半管段412分开，得到根土复合体试样。
129.本实施例的方法中，所述三轴压缩试验包括制备三轴压缩用试样，所述三轴压缩用试样的制备方法包括：
130.将得到的根土复合体试样切削修平后置于切土盘的两个钉盘之间，所述切削以能放入切土盘中即可；边转动边利用削土刀削去两个钉盘之间的根土复合体试样外侧，然后将两端削平，得到切削后土样，剪除出露根系，得到三轴压缩用试样；所述切削后土样高度为7.82cm～9.78cm，直径为3.91cm；
131.将得到的三轴压缩用试样依据gb/t 50123
‑
2019进行三轴压缩实验，实验结果见图4～9。
132.图4和5中所示均为培育时间150天的根土复合体试样在不固结不排水工况下的试验结果，由图4和图5可以看出，随着围压的增大，根土复合体试样的应力应变关系曲线呈现出整体上移的趋势，且在剪切过程中未出现峰值强度，与装入培育用套管中土壤(即素土，未示出)变化规律一致；根土复合体试样的应力路径趋近直线，且在不同围压下应力路径直线斜率相差不大，两两之间趋于平行，此外，可以看出应力路径的密集点总是出现在直线的右上方，这表明：相同轴向应变条件下，偏应力随围压增大而增大，即增加围压可以抑制土体变形，增加土体强度。
133.图6～图7所示均为培育时间150天的根土复合体试样在固结不排水工况下的试验结果，由图6～图7可以看出，剪切过程中，在应变小于4％时，应力迅速增加；随着剪切应变的增大，应力的增加趋势骤然降低。剪切过程中孔隙水压力的变化趋势基本一致，在剪切应变小于4％时孔隙水压随剪切应变增大而迅速增加，在剪切应变大于4％时孔隙水压相对稳定。这表明：植物根系具有增强土体强度和抵抗变形的作用。
134.由图8～图9与图4～图5对比可知，不固结不排水试验与固结不排水试验的应力路径特点基本相同，固结不排水试验的应力路径密集点低于不固结不排水试验；有效应力路径曲线形状整体呈半圆形，与应力路径密集点相比，有效应力路径的密集点在高度基本一致的基础上整体左移，左移距离与孔隙水压稳定值相等。
135.本实施例的方法中，所述直剪试验的方法包括直剪试验用试样的制备方法，所述直剪试验用试样的制备方法包括：
136.切削所述根土复合体试样，然后将涂有凡士林的环刀刃口对准切削后根土复合体试样上表面，使所述上表面圆心与环刀圆心重合，利用所述环刀进行环切，修平，得到直剪试验用试样；所述直剪试验用试样直径为6.18cm，高2cm；
137.将得到的直剪试验用试样依据gb/t 50123
‑
2019进行直剪试验测试，测试结果见图10～图14。
138.图10～14中所示分别为素土(不含种籽)、培育60天、90天、120天、150天得到的根土复合体试样直剪试验的试验结果，从图10～14可以看出，随着竖向压力的增大，应力应变关系曲线呈现出整体上移的趋势。通过对比图10～14可以看出，在根系不同生长阶段的试样中，当竖向压力较低时(30kpa、10kpa)，随着根系生长时间的增加，剪应力在到达峰值后下降且降低幅度不断减小，当生长时间为150天时，剪应力到达峰值后基本保持稳定，这表
明：植物根系能够显著提高黄土的残余强度。
139.本实施例的方法中，所述培育用套管内的根系拔出试验方法包括：
140.培育完成后，将装有根土复合体试样的培育用套管取出，沿植物的根系和植物茎的连接处剪开，去掉含茎部分；
141.沿根土复合体试样上表面切削，除去距离上表面边缘1cm～～2cm土体部分，用夹具夹住露出根土复合体试样上表面的根部；使得根系更长地露出表面，然后用小刷子将土体表面多余土体刷去，露出表面的根系长度为1cm～2cm；所述夹具可以为木工夹；
142.将拉力计安装于所述夹具上，拉力计拉动夹具，夹具带动根系至根系拔出，夹具带动根系至根系拔出，当根系拔出过程根系断裂时，记录断裂状态下拉力计读数、断裂处的直径和断裂长度；当根系拔出过程根系未断裂时，记录滑移状态下拉力计读数、主根末端处直径和滑移长度。
143.排除根系断裂处距离夹具0～0.5cm对应试验的结果，对其他试验结果进行记录；采集夹具对断裂处无影响的试验结果数据，目的是为了避免因夹具夹持致使根系断裂的影响。露出表面根系直径和根系断裂处直径的测量方法均通过游标卡尺进行测量，所述游标卡尺为艾瑞泽电子游标卡尺，该游标卡尺精度为0.01mm，量程为0～150mm；拉力计为韦度手持数显拉力计，量程为500n，精度为1％。
144.本实施例的方法中，还包括在培育用套管内的根系拔出试验中对根土复合体抗剪强度的确定方法，所述确定方法包括依据以下公式计算得到根土复合体抗剪强度，所述公式为：
145.s(t)＝k
″
(t)
·
s
r
+c
素土
146.其中，
147.s
r
＝k
″
·
1.2
·
t
b
/a；
[0148][0149]
以上公式中，s
(t)
为根土复合体抗剪强度，单位为kpa；
[0150]
s
r
为根土复合体黏聚力的理论值，单位为kpa；
[0151]
c
素土
为素土黏聚力，单位为kpa；
[0152]
t
b
为拔出力，单位为kn；
[0153]
a为剪切截面面积，单位为m2；
[0154]
t为培育时间，以年计。
[0155]
以上公式基于对含根系土抗剪强度的理论计算常用模型wu
‑
waldron模型作出的改进。
[0156]
在wu
‑
waldron模型中，土体中植物根系的作用称之为根土复合体黏聚力，该模型基于以下假设条件：(1)所有根系垂直于破坏面；(2)不存在滑动拔出的根系；(3)破坏面上所有根系都被拉断。wu
‑
waldron模型原理如图15所示，当图15中上部土体产生位移x时，根段的长度将增加至
[0157]
根系的平均拉应力t
a
取决于弹性模量(e)和根系在应力作用下的长度变化δl/l0，
关系为公式(a)：
[0158]
t
a
＝(δl/l0)e
ꢀꢀ
(a)
[0159]
其中δl＝z(secβ
‑
1)，
[0160]
拉力作用下发生变形后根系的长度取决于根系中的拉应力，根据圆柱形根系单元上的拉应力和切向力之和计算得到公式(b)：
[0161]
dt/dl＝4τ/d
ꢀꢀ
(b)
[0162]
m为根上拉应力为零的点，且m处于根系的下端，τ
′
为τ的值，积分得到n点的拉应力t
n
为：
[0163][0164]
其中
[0165]
当时根系在拉应力作用下的长度l为：
[0166]
l＝t
n
d/2τ
′ꢀꢀ
(d)
[0167]
取平均拉伸应力t
a
为n处拉伸应力的一半且l～l0，得到以下公式(e)
[0168]
和(f)：
[0169]
t
α
＝t
n
/2＝(δl/l)e＝2τ
′
ez(secβ
‑
1)/t
n
d
ꢀꢀ
(e)
[0170]
和
[0171]
t
n
＝(4τ
′
ze/d)
1/2
(secβ
‑
1)
1/2
ꢀꢀ
(f)
[0172]
式(f)中右边的第一项是常数，即
[0173]
t
n
＝k(secβ
‑
1)
1/2
ꢀꢀ
(g)
[0174]
式中k＝(4τ
′
ze/d)
1/2
[0175]
根系作用于n以上土体对n以下土体的力可分解为n处水平面上切向力(f
t
)和法向力(f
n
):
[0176]
f
t
＝a
r
tsinβ＝a
r
k(secβ
‑
1)
1/2
sinβ
ꢀꢀ
(h)
[0177]
f
n
＝a
r
tcosβ＝a
r
k(secβ
‑
1)
1/2
cosβ
ꢀꢀ
(i)
[0178]
式中a
r
为总根系横截面积；
[0179]
wu
‑
waldron模型依据根系对土体施加的力来对土体强度进行修正，根土复合体抗剪强度的计算公式为公式(j)：
[0180]
st＝c+ark(secβ
‑
1)
1/2
(sinβ+cosβtanφ)+σ
n
tanφ
ꢀꢀ
(j)
[0181]
依据(j)，根土复合体抗剪强度为素土强度与根土复合体黏聚力s
r
之和，s
r
为：
[0182][0183]
其中的取值范围为1.1～1.3，通常取1.2；
[0184]
即s
r
为：
[0185]
s
r
＝1.2
·
t
r
·
(a
r
/a)
ꢀꢀ
(l)
[0186]
其中，a
r
为总根系横截面积，单位为m2；
[0187]
t
r
为根系的抗拉强度，单位为kpa；
[0188]
a为剪切截面面积，单位为m2。
[0189]
wu
‑
waldron模型原理简单、计算简便，是目前在含根系土体抗剪强度预测研究中应用最为广泛的模型。wu
‑
waldron模型对根土相互作用的过度简化使得模型计算结果与实测值相差较大，有时甚至能够相差一个量级，而采用根系拔出强度来替换根系抗拉强度可较大程度还原根系在土体中断裂或滑动过程，这一试验结果受到仪器因素与环境因素的影响较小。
[0190]
本发明依据根系拔出强度试验对wu
‑
waldron模型进行修正，即将式(l)中的根系抗拉强度所对应的拉力t
r
·
a
r
替换为根系拔出破坏所需的拔出力t
b
，得到：
[0191]
s
r
＝1.2
·
t
b
/a
ꢀꢀ
(m)
[0192]
同时将培育时间对根系拔出强度的影响纳入理论计算之中，并利用理查德生长曲线确定修正系数与时间之间关联关系，得到根土复合体抗剪强度的确定方法，具体包括：
[0193]
步骤一、根据上述培育用套管内的根系拔出试验确定拔出力t
b
，t
b
单位为kn；计算结果见表1；
[0194]
步骤二、根据上述三轴压缩试验和直剪试验，得到根土复合体抗剪强度实测值和素土抗剪强度实测值；见表3，其中培育时间为0对应素土抗剪强度实测值；
[0195]
步骤三、将步骤一所述拔出力t
b
带入公式s
r
＝1.2
·
t
b
/a，得到根土复合体黏聚力的理论值s
r
，s
r
的单位为kpa，a为剪切截面面积，单位为m2；计算所得根土复合体黏聚力的理论值s
r
见表2；
[0196]
步骤四、利用步骤二所述根土复合体抗剪强度实测值减去素土抗剪强度实测值得到根土复合体黏聚力的实测值；
[0197]
步骤五、将不同培育时间下的根土复合体黏聚力的理论值利用进行拟合，得到拟合后的根土复合体黏聚力理论值与时间的函数关系s
r
(t)；其中，a、c、d、k为拟合参数；t为培育时间，以年计；函数关系s
r
(t)中各参数见表4；
[0198]
具体实施时，采用origin2017软件进行拟合；
[0199]
步骤六、将不同培育时间下的根土复合体黏聚力的实测值利用进行拟合，得到根土复合体黏聚力实测值与时间的函数关系c
r
(t)；其中，a
′
、c
′
、d
′
、k
′
为拟合参数；t为培育时间，以年计；函数关系c
r
(t)中各参数见表5；
[0200]
步骤七、将步骤五的s
r
(t)和步骤六的c
r
(t)带入得到修正系数k
″
(t)；其中，c
素土
为素土黏聚力，单位为kpa，通过室内试验测得；
[0201]
[0202]
步骤八、将步骤七所述修正系数k
″
(t)带入公式s(t)＝k
″
(t)
·
s
r
+c
素土
，得到根土复合体试样的抗剪强度s
(t)
，
[0203]
其中，s
(t)
为根土复合体试样的抗剪强度，单位为kpa；
[0204]
s
r
为根土复合体黏聚力的理论值，单位为kpa；
[0205]
c
素土
为素土黏聚力，单位为kpa；
[0206]
t
b
为拔出力，单位为kn；
[0207]
a为剪切截面面积，单位为m2；
[0208]
t为培育时间，以年计。
[0209]
表1 s
r
计算过程与结果(c
素土
取23.61kpa)
[0210][0211][0212]
其中c
含根土
通过室内直剪试验测试而来。
[0213]
表2不同生长期的s
r
数据
[0214][0215]
表3不同生长期的c
含根土
数据
[0216][0217]
表4 s
r
由srichards2方程拟合结果
[0218][0219]
表5 c
含根土
由srichards2方程拟合结果
[0220][0221]
本发明通过将培育时间录入包含根土复合体抗剪强度实测值、素土抗剪强度实测值和拔出力的数据库中，与修正后公式匹配，通过单一或任意项组合方法针对不同时间和不同试验类型进行计算和查询。
[0222]
本发明依据根系拔出强度试验对wu
‑
waldron模型进行修正，将培育时间对根系拔出强度的影响纳入理论计算之中，且利用理查德生长曲线确定修正系数与时间之间关联关系，得到k
″
的表达式以及s
r
计算公式s
r
＝k
″
·
1.2
·
t
b
/a。可有效提高wu
‑
waldron模型精确度，更有利于基于试验结果对根系固土稳定性进行有效评价，作为边坡造林等水土保持工
程中植物护土力学机理的理论基础，为选择合适植物工程加强水土保持提供科学依据。
[0223]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。