一种变体积组合式根系土力学测定装置及测定方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种变体积组合式根系土力学测定装置及测定方法，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；本发明专利技术通过将根系土培育装置与组合式剪切盒在加载条件下协同剪切的方式，解决了根系土在力学测定时形成试样困难与采集试样易扰动的问题，通过导轨调节剪切盒截面与可改变剪切盒数量的方式，解决了乔木、灌木、草本等不同体积大小的根系土力学测定需求，通过一个剪切盒组件包含两个或多个剪切面的方式，解决了相同环境条件下根系土与无根系土的力学测定，力学测定装置测定的数据可为生态护坡安全评价提供依据。数据可为生态护坡安全评价提供依据。数据可为生态护坡安全评价提供依据。

A variable volume combined root soil mechanics measuring device and method

【技术实现步骤摘要】
一种变体积组合式根系土力学测定装置及测定方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程生态护坡
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]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，本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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：
[0019]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；
[0020]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；
[0021](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；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变体积组合式根系土力学测定装置，其特征在于，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；所述测定仪结构组件包括支座反力腔、加压顶盖(16)、剪切盒；所述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；所述加压顶盖(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)；所述剪切盒由上剪切盒(8)、中剪切盒(9)、下剪切盒(10)及滚珠(12)组成，所述上剪切盒(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，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，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，所述水平支撑横臂(5)的另一端连接剪切盒；所述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)；所述法向加载系统(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)；所述根系土培育装置(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)，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)，进行试验测定时将所述根系土培育装置(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；所述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)；所述压力传感器包括顶部压力传感器(13)和底部压力传感器(14)，所述顶部压力传感器(13)位于加压顶盖(16)底部第四凹槽(25)内与土体保持接触，所述底部压力传感器(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，所述顶部压力传感器(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；所述土压力盒(15)，共计四个，两个沿着上剪切盒(8)侧壁高度方向布置，另外两个沿着下剪切盒(10)侧壁高度方向布置，所述土压力盒(15)能够与根系土培育装置(11)土体保持接触；所述振弦式位移计(21)放置在挡板(1)内壁的第二凹槽(23)处；所述控制与采集系统包括数显频率仪(29)和终端控制设备(30)；所述数显频率仪(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，所述终端控制设备(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，所述振弦式
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)。2.根据权利要求1所述的一种变体积组合式根系土力学测定装置，其特征在于，所述根系土培育装置(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)，所述上剪切盒(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。3.根据权利要求2所述的一种变体积组合式根系土力学测定装置，其特征在于，所述土压力盒(15)分别放置在第一矩形孔(18)、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，所述顶部压力传感器(13)与第四凹槽(25)尺寸相同，所述底部压力传感器(14)与第五凹槽(26)尺寸相同，所述水平支撑横臂(5)的横截面与第一凹槽(22)、第三凹槽(24)尺寸相同，所述振弦式位移计(21)与第二凹槽(23)尺寸相同。4.根据权利要求1所述的一种变体积组合式根系土力学测定装置，其特征在于，所述上剪切盒(8)、中剪切盒(9)、下剪切盒(10)分别由四个侧板利用钳制器(34)围合而成，...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘芳涛，李超，朱记伟，王金奎，邱虎楠，王立杰，邓志鹏，周伟踪，吴征奇，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：