本发明专利技术公开了一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型。根系主体单元与储存装置固定连接，根系内部空腔和储液空腔中均存储有聚乙二醇溶液，开设有柱状通孔的根系腔体外表面套设环状半透膜，环状半透膜和根系腔体通过环氧树脂胶封口固定连接，储存装置的两端分别与蠕动泵和给液桶连接，储液腔体顶端和侧壁分别设有进液管道和溢流管道，电机固定在储液腔体顶部，搅拌器穿过储液空腔后伸入到根系内部空腔的底部，搅拌器的内搅拌轴和电机转轴之间固定连接。本发明专利技术填补了植被蒸腾作用对宽土体基质吸力范围的细粒土路堤边坡等土工基础设施的稳定性与服役性能影响研究方法的空缺，具有超过现有基于真空原理的根系模型的土体基质吸力产生能力。基质吸力产生能力。基质吸力产生能力。
【技术实现步骤摘要】
一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型
[0001]本专利技术属于植被蒸腾作用模拟
的一种可吸水根系模型，尤其是涉及了一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型。
技术介绍
[0002]植物加固土体是一种环境友好、低碳的生态岩土工程方法，植被对土体的力学加筋和水力加固作用能够提升陆表土体适应气候变化的能力。然而，植被的存在也可能对土工基础设施造成不利影响，比如植物蒸腾作用所引起的土体吸力增加可能增大地基土的季节性缩胀响应，甚至会导致土体塑性应变的发生与累积，增大路堤的失稳风险。目前，在全球气候变化条件下，植物加固土体的生态岩土工程方法是否适用于细粒土为主的土工基础设施，是否满足其安全服役要求这一问题，是生态岩土工程领域亟需解决的一大前沿科学问题。
[0003]植覆土工基础设施在气候变化条件下的安全服役问题，是一个典型的大尺度、长历时问题，现场监测手段往往难以对其进行有效量化。超重力物理模拟手段具有缩时缩尺的特点，能够在N倍重力条件下以1/N倍原型尺寸的模型还原原型的应力状况，准确重现与原型相同位置土体的应力相关行为，解决此类问题具有突出优势。将超重力物理模拟手段应用于植覆边坡研究的关键技术难点在于根系模型的研发。目前为止，传统研究采用的幼年植株的根系、仅考虑根系力学加筋的根系模型均无法可靠地在离心机中模拟植被蒸腾的影响。现有技术公开了一种基于真空法的可吸水根系模型，实现了在土工离心机中对植被蒸腾作用的模拟。其工作机理是采用高进气值材料(比如微孔醋酸纤维素或者真实植株的枝条)制作根系模型，再通过抽真空的方式施加负水压，从而模拟植物根系的吸水作用。然而，受真空度的限制，该方法理论上可产生的最大土体基质吸力不会超过100kPa，无法有效覆盖植覆细粒土的典型基质吸力范围。因此，现有技术缺少适用于宽基质吸力范围的细粒土基础设施物理模拟试验的可吸水根系。
技术实现思路
[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于设计一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，可吸水根系模型可以在更大范围内(＞100kPa)调控土体的基质吸力。
[0005]本专利技术技术方案如下：
[0006]可吸水根系模型包括根系主体单元和聚乙二醇溶液循环系统，根系主体单元通过螺纹与聚乙二醇溶液循环系统固定连接；
[0007]根系主体单元包括根系腔体、环状半透膜和环氧树脂胶封口；根系腔体为一根底端封闭顶端开口的空心管，根系腔体内部的空心部分为根系内部空腔，根系内部空腔内存储有聚乙二醇溶液，根系腔体的侧壁开设有若干个柱状通孔，各个柱状通孔沿着根系腔体的周向和轴向均匀间隔布置，每个柱状通孔沿根系腔体的径向布置，根系腔体的外表面套
设有环状半透膜，环状半透膜覆盖所有柱状通孔，环状半透膜上端、下端分别和根系腔体顶部、底部之间通过环氧树脂胶封口固定连接，柱状通孔的一端与环状半透膜和根系腔体外表面之间的间隙连通，柱状通孔的另一端与根系内部空腔连通；
[0008]聚乙二醇溶液循环系统包括储存装置、蠕动泵和给液桶，储存装置的两端口分别与蠕动泵和给液桶连接，蠕动泵和给液桶之间通过管道连接。
[0009]所述储存装置包括储液腔体、搅拌器、电机、进液管道和溢流管道；储液腔体为内部中空的亚克力腔体，储液腔体内部中空的部分为储液腔体的储液空腔，储液空腔内存储有聚乙二醇溶液，进液管道一端连接到储液腔体顶端且与储液空腔连通，溢流管道一端连接到储液腔体侧壁的上部且与储液空腔连通，电机固定在储液腔体顶部，搅拌器位于储液空腔的中间，搅拌器和电机的转轴之间同步固定连接；
[0010]根系主体单元的根系腔体顶端开口和储存装置的储液腔体底端开口之间同轴连通连接。
[0011]所述储液腔体下部的中间设有内螺纹通孔，根系腔体的顶部穿过内螺纹通孔与储液腔体的底部固定连接，储液空腔和根系内部空腔之间通过根系腔体顶端的开口连通。
[0012]所述给液桶的出流口通过蠕动泵与储存装置的进液管道连接，储存装置的溢流管道通过管道与给液桶的入流口连接。
[0013]所述的搅拌器包括一个直条状的内搅拌轴和一个螺旋状的外搅拌叶，内搅拌轴位于外搅拌叶的中间，内搅拌轴和外搅拌叶固定连接成一体结构；内搅拌轴和外搅拌叶均穿过储存装置的储液空腔后伸入到根系主体单元的根系内部空腔底部，内搅拌轴的顶端与电机的转轴固定连接，外搅拌叶的上部放置在储液空腔的中间，外搅拌叶的下部放置在根系内部空腔的中间，外搅拌叶的上部和下部具有不同的半径。
[0014]所述环状半透膜的截留分子量小于聚乙二醇粉末的相对分子质量。
[0015]所述聚乙二醇溶液的浓度通过蒸发水分或添加聚乙二醇粉末的方法来调控。
[0016]所述根系腔体为光敏树脂或ABS塑料，光敏树脂采用立体光固化成型法打印，ABS塑料采用熔融沉积成型法打印。
[0017]本专利技术可用于模拟植被的蒸腾作用，在常重力(1g)和超重力(Ng)环境下均可有效工作。可吸水根系模型通过渗透原理从周围介质中吸水，能够在细粒土中产生高基质吸力(＞100kPa)，并且具有同真实植被根系近似的机械强度，尤其适用于在土工离心机中研究植被蒸腾对细粒土边坡和路堤等土工基础设施稳定性和服役性能的影响机制。
[0018]本专利技术的有益效果为：
[0019]1、通过引入渗透法，增强了可吸水根系模型的吸水性能，可吸水根系模型具有在细粒土中产生大于100kPa基质吸力的能力。
[0020]2、通过使用3D打印的根系腔体，使根系主体单元具有同真实植被根系近似的机械强度，并且由于3D打印的灵活性，根系主体单元可以具有灵活的根系结构及壁厚，便于适应于不同的真实植被根系条件。
[0021]3、通过储液腔体、蠕动泵、给液桶的溶液循环系统设计，可吸水根系模型吸水过程中聚乙二醇溶液渗透压保持恒定，通过搅拌器的设计，减小了可吸水根系模型渗透吸水过程浓差极化的影响，这些设计共同提高了可吸水根系模型的基质吸力调控效率。
[0022]4、本专利技术填补了植被蒸腾作用对宽土体基质吸力范围的细粒土路堤边坡等土工
基础设施的稳定性与服役性能影响研究方法的空缺，具有超过现有基于真空原理的根系模型的土体基质吸力产生能力。
附图说明
[0023]图1是可吸水根系模型示意图；
[0024]图2是3D打印的根系主体单元局部示意图；
[0025]图3是聚乙二醇溶液循环系统局部示意图；
[0026]图4是可吸水根系模型剖面示意图；
[0027]图5是3D打印根系主体单元局部剖面示意图；
[0028]图6是聚乙二醇溶液循环示意图。
[0029]图中：1、根系主体单元；11、根系腔体；12、环状半透膜；13、环氧树脂胶封口；14、柱状通孔；15、根系内部空腔；2、储存装置；21、储液腔体；22、储液空腔；23、搅拌器；24、电机；25、进液管道；26、溢流管道；01、蠕动泵；02、给液桶。
具体实施方式
[0030]下面结合附图和实施方式本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，其特征在于：包括根系主体单元(1)和聚乙二醇溶液循环系统，根系主体单元(1)通过螺纹与聚乙二醇溶液循环系统固定连接；根系主体单元(1)包括根系腔体(11)、环状半透膜(12)和环氧树脂胶封口(13)；根系腔体(11)为一根底端封闭顶端开口的空心管，根系腔体(11)内部的空心部分为根系内部空腔(15)，根系内部空腔(15)内存储有聚乙二醇溶液，根系腔体(11)的侧壁开设有若干个柱状通孔(14)，各个柱状通孔(14)沿着根系腔体(11)的周向和轴向均匀间隔布置，每个柱状通孔(14)沿根系腔体(11)的径向布置，根系腔体(11)的外表面套设有环状半透膜(12)，环状半透膜(12)覆盖所有柱状通孔(14)，环状半透膜(12)上端、下端分别和根系腔体(11)顶部、底部之间通过环氧树脂胶封口(13)固定连接，柱状通孔(14)的一端与环状半透膜(12)和根系腔体(11)外表面之间的间隙连通，柱状通孔(14)的另一端与根系内部空腔(15)连通；聚乙二醇溶液循环系统包括储存装置(2)、蠕动泵(01)和给液桶(02)，储存装置(2)的两端口分别与蠕动泵(01)和给液桶(02)连接，蠕动泵(01)和给液桶(02)之间通过管道连接。2.根据权利要求1中所述的一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，其特征在于：所述储存装置(2)包括储液腔体(21)、搅拌器(23)、电机(24)、进液管道(25)和溢流管道(26)；储液腔体(21)为内部中空的亚克力腔体，储液腔体(21)内部中空的部分为储液腔体(21)的储液空腔(22)，储液空腔(22)内存储有聚乙二醇溶液，进液管道(25)一端连接到储液腔体(21)顶端且与储液空腔(22)连通，溢流管道(26)一端连接到储液腔体(21)侧壁的上部且与储液空腔(22)连通，电机(24)固定在储液腔体(21)顶部，搅拌器(23)位于储液空腔(22)的中间，搅拌器(23)和电机(24...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁腾，赵俊键，詹良通，赵蕊，梁钧，赵宇，陈云敏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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