[發明專利]一種研究林木根系與土壤摩擦錨固性能的方法及裝置

無效

• 申請號: 200910079464.5
• 申請日: 2009-03-12
• 公開（公告）號: CN101629896A
• 公開（公告）日: 2010-01-20
• 發明（設計）人: 陳麗華;冀曉東;張超波;趙紅華;周朔
• 申請（專利權）人: 北京林業大學
• 主分類號: G01N19/02
• 分類號: G01N19/02;G01B21/32;G01B21/02
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本發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。 屬于自動控制與水土保持工程技術領域。

背景技術：

森林作為陸地生態系統的主體，在物質生產、維系生態系統的有序結構及 環境保護中的作用日益被人們所認識和重視。長期以來的科學和實踐證實，植 被永遠是防止水土流失最積極的因素，植被具有改善生態環境，減少水土流失， 涵養水源，固土固坡等其他工程措施所不具有的作用，是一種經濟、環保的防 治方法與措施，具有不可替代的重要作用。國內外70多年關于林木根系固土功 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定性，能起到 抗滑樁作用，對淺表層滑坡具有有效的治理和預防作用。

近年來，關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 境(土壤溫度、水分含量、有機物等)相互作用等領域。有定量測量植物根系 長度的專用儀器(CN1034994)，可以相當精確的測量根系的長度；有采用無損 方法完全準確、無損地獲取植物根系的原位圖像，無需離土取樣就可以進行根 系幾何構型的原位測量方法(CN1776357)。有綜合蒸騰速率、根系密度分布、 土壤水勢、土壤水分含量、土壤非飽和導水率等各敏感因子提出的一種植物根 系吸收土壤水分過程的測定方法(CN101162221)可以測定根系吸水過程。發明 (CN101126753)有可減少傳統根切除法中的誤差，利用水能測定根系呼吸作用 的方法。

根系固土力學機制的研究需要建立在對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上，根系與土的界面作用特性直接決定了根土復合體 的內部穩定性。本發明人陳麗華等在土壤地形條件相同的情況下，對整株樹木 進行垂直拉拔試驗，并基于庫侖理論，采用直接剪切的方法，探索根系與土體間 相互作用的特性。對于根土接觸面的摩阻力作用特性的研究是根系固土機制研 究的關鍵，但目前直接測定根系與土體間的摩擦特性研究的方法及裝置的文獻 非常少。填補了以前根系固土機制有關根土界面力學性能研究試驗方法和手段 的空白，

發明內容：

本發明提供了一種準確、可定量測定的根系-土壤摩擦錨固性能的方法及裝 置。具體地說，就是利用框架式試驗機輸出的拉、壓荷載作用于埋植在試驗箱 體的根系上，采用荷載傳感器和位移傳感器對試驗過程中的數據進行實時采集 并送入數據采集系統進行保存和處理，從而達到測定根系與土壤界面上的摩擦 錨固性能的目的。

本發明提供的試驗裝置是一種門式結構，裝置中部有一根可以控制其移動 速度的運動橫梁，自下向上運動產生可以得到可控制和測定的拉力，自上向下 運動可以得到可控制的壓力，裝置下部可以放置大型的試驗體。該試驗裝置包 括由H型鋼組成的框架、兩個直線運動單元、加載橫梁、步進電機、減速機、 編碼器、PLC控制裝置、荷載傳感器、位移傳感器(LVDT)、數據采集系統等 組成。

本發明所提供的試樣箱體體積大，可以借助拖車等工具進出試驗機。該試 樣箱體為立方體、長方體或圓柱體等形狀，箱體底部有橫桿使大箱高出地面保 證拖車能夠進入箱體底部，箱體外圍通過螺桿固定，可以多次循環使用。并且 試驗箱體較大，可以同時埋置多個林木根系。利用試樣箱體大的體積空間，可 以人工控制土壤的力學性質和固結狀態，為模擬不同立地條件下的土壤提供可 能。并且，由于其內部空間大，可以同時埋置多個林木根系，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。

本發明提供的試驗裝置，橫梁在向上運動的情況下提供拉力，可以用于測 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 橫梁向下運動的情況下可以提供可以控制并可以測定的壓力，因此可以利用該 裝置測定林木根系或木樁、鋼筋混凝土樁在壓入荷載的作用下，受到來自土壤 的阻滯作用，并可測定根系或樁在壓入荷載作用下產生的相對滑移與施加的荷 載之間的關系(壓入荷載-壓入位移本構關系)，并可測定在壓入荷載作用下，根 系或樁本身所發生的變形。

本發明提供的試驗裝置，通過移動橫梁輸出一個完全可以控制運動的荷 載，并且施加荷載的運動橫梁可以在其運動行程的范圍內的任意位置停住。可 以在試驗機門式框架的下部設置一根固定的靜止橫梁就可以和運動橫梁形成一 個萬能試驗裝置。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、抗彎等試驗的萬能試驗機，可以測定林 木根系抗拉、抗彎強度。