本发明专利技术涉及土工试验技术领域，具体涉及一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置及方法，通过人造根系统包括人造根主体、密封连接于人造根主体底端的密封头，人造根主体具有多种几何形态设计，用于模拟真实植物根系形态，真空控制系统包括真空泵、压力控制器和连接于真空泵的抽吸管，抽吸管采用市面上已有的橡胶管，抽吸管一端通过接头件连接于人造根主体顶端，人造根主体埋设进土中，通过真空泵对人造根主体提供吸力负压，模拟真实蒸腾作用产生的根系吸力，从而能够在土工测试中模拟植物根系力学加筋、水力强化作用，具有重要的研究和现实意义。和现实意义。和现实意义。
【技术实现步骤摘要】
一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置及方法
[0001]本专利技术涉及土工试验
，尤其涉及一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置及方法。
技术介绍
[0002]随着我国基础建设的兴建发展，大量环境岩土问题不断突出涌现，如滑坡、泥石流、水土流失、沙尘暴等，这些愈加尖锐的问题时刻威胁着人民的生命财产安全。为了增强土体强度、预防地质灾害的发生，水泥、纤维、土工合成材料等工程材料被广泛研究与运用。但随着对气候变化的认识和可持续发展的关注逐渐增强，人们不断积极寻求绿色、环保的解决方案。
[0003]近年来，天然植被的防护作用受到越来越多的关注。植被由于生命活动和根系作用，在加固土体，提升土体浅表层强度，抑制土体表面侵蚀等方面有显著效果。而根系在此过程中发挥了至关重要的作用：一方面，在外力作用下，根
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土交界面的摩擦可以提高土体强度、限制土体的进一步变形，起到力学加筋的效果。另一方面，植物的蒸腾作用将土体水分通过植物的根系和木质部传递到叶片，增加土体内部的吸力。土体吸力的增大会引起摩擦角和粘聚力的增加，从而提高土体强度。因此，根系的力学加筋和水力强化作用是其能够加固土体的关键。
[0004]目前，大量研究者通过室内土工试验的方式对根系的土体加固作用展开了研究，其机理也正被积极探索。但目前的试验研究也遇到了一些瓶颈和困难。研究者们发现根系的加筋作用受根的形态、植物种类的影响很大，而这些因素又由于植物个体间巨大的变异性导致很难采集完全相同的根系试样。这限制了试验的可重复性和对结果的定量化分析。因此为了在试验中保证根系试样形态和物质组成的统一化，有学者提出使用人造根对真实根进行模拟替代试验。其优势在于可以控制制作材料，统一试样形态来减小植物个体变异性的影响。此外，植物蒸腾作用引起的土体水力特征变化也是根系加固土体复杂作用中的重要一环。普通材料制造的人造根无法模拟根系吸水作用，近年来也出现了使用陶土等高进气值材料制作人造根来模拟吸力作用。然而，已经公开的现有技术中，例如中国专利文献CN111189995A公开的一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，只能模拟某一个点在土体内产生的吸力；以及中国专利文献CN111289727A公开的一种降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统，解决了根系吸力的模拟问题，却无法模拟不同根系形态的力学加筋作用，由此还有待进一步优化研发改进。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置及方法，以解决不能在土工测试中兼顾考虑不同根系几何形态的同时模拟植物根系力学加筋、水力强化作用，进行试验研究的问题。
[0006]基于上述目的，本专利技术提供了一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置，
包括人造根系统、真空控制系统；
[0007]人造根系统包括人造根主体、密封连接于人造根主体底端的密封头，人造根主体具有多种几何形态设计，用于模拟真实植物根系形态；
[0008]真空控制系统包括真空泵、压力控制器和连接于真空泵的抽吸管，抽吸管一端通过接头件连接于人造根主体顶端；
[0009]人造根主体埋设进土中，通过真空泵对人造根主体提供吸力负压，模拟真实蒸腾作用产生的根系吸力。
[0010]优选地，人造根主体采用醋酸纤维材料制成，且设计呈中空结构。
[0011]优选地，人造根主体利用3D打印技术制造。
[0012]优选地，人造根主体设计采用三种不同的几何形态，分别是圆锥形、波浪形和节点形，对应的根形态指标分别为：直径衰减率，定义为人造根主体两端直径之差与两端垂直距离之比；弯曲比，定义为人造根主体实际长度与两端垂直距离之比；分支节点数量比，定义为人造根主体上凸起的环形节点个数与人造根主体两端垂直距离之比；人造根主体置入土样中后，具有不同的根
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土交界面，用于根据人造根主体对应的根形态指标，定量化研究根形态对力学加筋和水力强化作用的影响。
[0013]优选地，密封头采用橡胶材质制成，并由第一环氧树脂密封层将接口的缝隙处密实黏结。
[0014]优选地，接头件包括金属接头，金属接头的一端由第二环氧树脂密封层与人造根主体紧密黏结，另一端连接有气体快速接头，气体快速接头连接于抽吸管。
[0015]优选地，还包括有人造根应力应变监测系统，人造根应力应变监测系统由贴设于人造根主体上的光纤，以及通过跳线外接于光纤上的解调仪组成。
[0016]优选地，光纤通过环氧树脂紧密粘接于人造根主体对称两侧。
[0017]本专利技术还提供了一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的方法，包括以下步骤：
[0018]S1人造根主体饱和：选择对应根形态的人造根主体，将人造根主体浸没于装水的抽真空筒中，盖上筒盖并将筒盖上的气口与真空泵相连，开启真空泵对人造根主体进行抽真空饱和；
[0019]S2人造根系统安装：取出饱和的人造根主体，人造根主体底端由密封头密封连接，人造根主体顶端由接头件连接于真空泵；
[0020]S3试样制作：将配制到目标含水率的土压制到目标密度，并留出足够的空间给人造根主体，将人造根主体埋进土中，确保接头件顶部暴露在土体外，继续压实人造根主体附近和上部土体至目标密度，完成制样；
[0021]S4提供负压：开启压力控制器和真空泵，提供按指定吸力变化曲线动态调整的负压，通过抽吸管施加给人造根主体，模拟真实蒸腾作用产生的根系吸力；
[0022]S5进行试验：试样整体开始进行各种土工试验。
[0023]本专利技术的有益效果：通过人造根系统包括人造根主体、密封连接于人造根主体底端的密封头，人造根主体采用醋酸纤维材料，且具有多种几何形态，用于模拟真实植物根系形态下的力学特性和吸力作用，真空控制系统包括真空泵、压力控制器和连接于真空泵的抽吸管，压力控制器的内置程序可按一定规律动态调整真空泵的气压变化，可模拟植物不
同光照下蒸腾作用强度差异引起的根系吸力周期性变化，抽吸管采用市面上已有的橡胶管，抽吸管一端通过接头件连接于人造根主体顶端，人造根主体埋设进土中，通过真空泵对人造根主体提供吸力负压，模拟真实蒸腾作用产生的根系吸力，从而能够在土工测试中模拟植物根系力学加筋、水力强化作用，具有重要的研究和现实意义。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本专利技术的整体结构示意图；
[0026]图2为本专利技术的三种不同的几何形态的人造根主体的结构示意图。
[0027]图中标记为：
[0028]1、人造根主体；2、第一环氧树脂密封层；3、密封头；4、第二环氧树脂密封层；5、金属接头；6、气体快速接头；7、抽吸管；8、真空本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置，其特征在于，包括：人造根系统、真空控制系统；所述人造根系统包括人造根主体、密封连接于所述人造根主体底端的密封头，所述人造根主体具有多种几何形态设计，用于模拟真实植物根系形态；所述真空控制系统包括真空泵、压力控制器和连接于所述真空泵的抽吸管，所述抽吸管一端通过接头件连接于所述人造根主体顶端；所述人造根主体埋设进土中，通过所述真空泵对所述人造根主体提供吸力负压，模拟真实蒸腾作用产生的根系吸力。2.根据权利要求1所述的一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置，其特征在于，所述人造根主体采用醋酸纤维材料制成，且设计呈中空结构。3.根据权利要求1所述的一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置，其特征在于，所述人造根主体利用3D打印技术制造。4.根据权利要求1所述的一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置，其特征在于，所述人造根主体设计采用三种不同的几何形态，分别是圆锥形、波浪形和节点形，对应的根形态指标分别为：直径衰减率，定义为人造根主体两端直径之差与两端垂直距离之比；弯曲比，定义为人造根主体实际长度与两端垂直距离之比；分支节点数量比，定义为人造根主体上凸起的环形节点个数与人造根主体两端垂直距离之比；人造根主体置入土样中后，具有不同的根
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土交界面，用于根据所述人造根主体对应的根形态指标，定量化研究根形态对力学加筋和水力强化作用的影响。5.根据权利要求1所述的一种模拟植物根系力学加筋、水力强化作用的装置，其特征在于，所述密封头采用橡胶材质制成，并由第一环氧...
【专利技术属性】
技术研发人员：程青，王东伟，谷英东，唐朝生，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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