[發(fā)明專利]基于PIV技術(shù)的根系拉拔試驗系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112362813B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高乾豐;曾鈴;余慧聰;史振寧
• 申請（專利權(quán)）人: 長沙理工大學(xué)
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00
• 代理公司: 西安知誠思邁知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61237
• 代理人: 麥春明

本發(fā)明公開了一種基于PIV技術(shù)的根系拉拔試驗系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括壓力室、圍壓控制裝置、吸力控制裝置、根系拉拔裝置、PIV測試裝置，壓力室整體為半圓柱體狀密封結(jié)構(gòu)，其側(cè)面呈透明狀，且壓力室內(nèi)放置有半圓柱體狀的試樣，試樣的豎直側(cè)面內(nèi)包含一條沿豎直方向從中心劈開的植物根系；圍壓控制裝置與壓力室雙向連通進(jìn)行圍壓調(diào)節(jié)，吸力控制裝置與壓力室雙向連通進(jìn)行基質(zhì)吸力調(diào)節(jié)，根系拉拔裝置設(shè)置于試樣的上方，PIV測試裝置位于壓力室呈透明狀的側(cè)面正前方，測定土粒和植物根系的運動軌跡和速率。該方法采用基于PIV技術(shù)的根系拉拔試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)不同圍壓和基質(zhì)吸力作用下含根系土中不同齡期根系的抗拉拔特性參數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于土木工程行業(yè)的土工試驗設(shè)備領(lǐng)域，涉及一種基于PIV技術(shù)的根系拉拔試驗系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

近年來，我國道路和鐵道等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷取得突破，在全國各地形成了不計其數(shù)的人工邊坡，其有效防護(hù)是當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害防治的重要內(nèi)容。植物生態(tài)防護(hù)作為一種可顯著提高淺層土體強(qiáng)度的措施，被廣泛應(yīng)用于土質(zhì)邊坡防護(hù)，其機(jī)理主要在于植物根系的力學(xué)固土效應(yīng)。植物根系在土中盤根錯節(jié)，與土體共同構(gòu)成根土復(fù)合材料，當(dāng)土體在外力作用下發(fā)生變形時，根系的張拉會限制土體的變形，從而提高土體抗剪強(qiáng)度。在實際工程中，當(dāng)邊坡淺層土體發(fā)生滑動時，部分根系因達(dá)到抗拉強(qiáng)度而被拉斷，還有部分未被拉斷而是被拔出引起周圍土體松動，這些都將顯著降低土體強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性。因此，研究植物根系的抗拉拔特性具有重要意義。

目前，雖然已有文獻(xiàn)報道了一些植物的單根抗拉拔性能，但較少分析根系與土體共同作用時根系的抗拉拔特性，且很少分析根系被拉斷或拔出時對附近土層的擾動程度及范圍，究其原因主要是缺乏用于開展這方面研究的儀器設(shè)備。現(xiàn)有試驗方法如單根拉拔試驗和直剪試驗在測定植物根系抗拉拔特性時存在諸多難點和問題，主要包括：

1.含根系土幾乎都是非飽和的，且植物生長會吸收土中水分，從而減小土體孔隙水壓力、增加基質(zhì)吸力。基質(zhì)吸力的存在將顯著改變土體的強(qiáng)度和變形特性，使之與常規(guī)飽和土體性質(zhì)截然不同。相應(yīng)地，根土界面特性也會發(fā)生明顯變化。但現(xiàn)有儀器在測定根系的抗拉拔特性時無法考慮基質(zhì)吸力的影響。

2.由于所處自然環(huán)境各異，土體所承受的圍壓大小不同，導(dǎo)致土體的松緊程度不同，故植物根系與土體之間的相互作用力也隨之不同。顯然，這將進(jìn)一步影響植物根系的抗拉拔性能。然而，現(xiàn)有儀器在進(jìn)行抗拉拔試驗時還無法精確控制土體的圍壓大小，故無法考慮圍壓對根系拉拔特性的影響。

3.路基邊坡采用植物生態(tài)防護(hù)時，在極端情況下，如果邊坡淺層土體在外荷載作用下發(fā)生滑動，許多植物根系將被向坡體外側(cè)拔出，這不可避免地會對周圍土體產(chǎn)生擾動，從而影響邊坡深層土體的穩(wěn)定性。但現(xiàn)有儀器尚無法準(zhǔn)確測定植物根系在土體中的滑移變形及其對周圍土體的擾動程度和范圍。

綜上所述，為了準(zhǔn)確測定不同圍壓和基質(zhì)吸力作用下含根系土中不同齡期單根的抗拉拔特性（抗拉強(qiáng)度、抗拔力和根土界面摩擦系數(shù)）和不同齡期根系的抗拉拔特性（主根抗拉強(qiáng)度和根系抗拔力），并分析拉拔過程中土體、植物單根或根系的變形和運動軌跡，探討單根或根系滑移對土體的擾動范圍，揭示相關(guān)機(jī)理，研發(fā)一種新型植物根系拉拔試驗系統(tǒng)是十分有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實施例的目的在于提供一種基于PIV技術(shù)的根系拉拔試驗系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有儀器在測定根系的抗拉拔特性時無法考慮基質(zhì)吸力、圍壓對根系拉拔特性的影響的問題，以及現(xiàn)有儀器無法準(zhǔn)確測定植物根系在土體中的滑移變形及其對周圍土體的擾動程度和范圍的問題。