一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置制造方法
【專利摘要】一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，包括剛性平臺，剛性平臺上固定設(shè)有第一培育箱體，剛性平臺上設(shè)有帶有滾軸的第二培育箱體，位于第二培育箱體下部的剛性平臺上設(shè)有標(biāo)尺。所述第一培育箱體中設(shè)有帶有根系的植物，植物根系伸出第一培育箱體部分套有特制環(huán)并安裝有壓力傳感器，植物根系植入第二培育箱體中。剛性平臺上通過支架安裝有攝像機(jī)。本發(fā)明一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，可以長期監(jiān)視可視化下測試根系生長作用力對根系四周的影響；有利于預(yù)防工程邊坡設(shè)計中，邊坡上植物根系對其巖體的破壞作用。
【專利說明】—種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，涉及植物破巖領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]根的生長是分生區(qū)與伸長區(qū)共同作用的結(jié)果，而根的縱向生長則主要是伸長區(qū)的延伸，推動根尖在土壤中的生長。同時伸長區(qū)的細(xì)胞也開始分化。伸長區(qū)細(xì)胞的特點是已經(jīng)停止了分裂，但細(xì)胞的生長并未有停止，細(xì)胞液泡化程度加強(qiáng)，細(xì)胞顯著伸長(增加到幾倍到幾十倍)；細(xì)胞體積也在不斷擴(kuò)大，結(jié)果導(dǎo)致這部分根區(qū)域的迅速伸長和增粗。
[0003]巖石的斷裂破壞其本質(zhì)歸根于微裂縫的拉張破壞。巖石常處于壓應(yīng)力狀態(tài)，從表面上看不到像純剪那樣有拉應(yīng)力。巖石是脆性材料(高溫、高圍壓除外)，因為流動是晶格之間發(fā)生滑移，粒子之間的距離并沒有增大，流動不會發(fā)生斷裂。因此從宏觀強(qiáng)度理論來說，巖石的斷裂破壞不可能全是剪應(yīng)力引起的。當(dāng)植物根系生長深入到巖石微裂縫中，隨著植物根系伸長區(qū)的生長與伸長，橫向和縱向的作用力會長期的作用在巖體裂縫內(nèi)部，隨時間的發(fā)展，根系不需要很大作用力下也能最終會擠壓破壞掉巖體。
[0004]由以上敘述可以看出，針對植物根系的研究，在巖土建筑邊坡各個領(lǐng)域都做了很多研究，都是在根系防護(hù)邊坡和研究根系與土質(zhì)間相互物理作用方面。但是在根系參數(shù)方面，如不同植物根系的力學(xué)強(qiáng)度與時間的關(guān)系、根系生長作用力對巖石體的長期破壞作用，很少有學(xué)者在此做出相應(yīng)的研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，可以長期監(jiān)視可視化下測試根系生長作用力對根系四周的影響；有利于預(yù)防工程邊坡設(shè)計中，邊坡上植物根系對其巖體的破壞作用。
[0006]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0007]—種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，包括剛性平臺，剛性平臺上固定設(shè)有第一培育箱體，剛性平臺上設(shè)有帶有滾軸的第二培育箱體，位于第二培育箱體下部的剛性平臺上設(shè)有標(biāo)尺。所述第一培育箱體中設(shè)有帶有根系的植物，植物根系伸出第一培育箱體部分套有特制環(huán)并安裝有壓力傳感器，植物根系植入第二培育箱體中。剛性平臺上通過支架安裝有攝像機(jī)。
[0008]所述第一培育箱體、第二培育箱體為玻璃或者塑膠制作而成的透明箱體。
[0009]所述特制環(huán)通過PC聚碳酸酯制作而成，包括四個1/4圓環(huán)，每一個1/4圓環(huán)包括一個與壓力傳感器接觸的面，四個1/4圓環(huán)包括四個與壓力傳感器接觸的四個面:第一接觸面A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D，所述四個1/4圓環(huán)之間通過彈簧連接。
[0010]或者:所述特制環(huán)通過PC聚碳酸酯制作而成，包括四個1/4圓環(huán)，每一個1/4圓環(huán)包括一個與壓力傳感器接觸的面，四個1/4圓環(huán)包括四個與壓力傳感器接觸的四個面--第一接觸面A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D，所述四個1/4圓環(huán)之間通過剛型桿件連接。
[0011]所述第一接觸面A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D為平整面。
[0012]一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，包括以下步驟:
[0013]I)、固定安裝剛性平臺，剛性支架連接在剛性平臺上。
[0014]2)、取帶有根系的植物一株，培育在第一培育箱體中，并取其相對比較發(fā)達(dá)的植物根系伸出第一培育箱體，在植物根系套上特制環(huán)，然后把植物根系植入第二培育箱體，第二培育箱體帶有滾軸，第二培育箱體能在剛性平臺上自由滾動；
[0015]3)、固定植物根系與第二培育箱體，在根部生長方向、第二培育箱體下側(cè)安裝固定在剛性平臺上的標(biāo)尺，保證第二培育箱體邊緣與標(biāo)尺零刻度對齊；
[0016]4)、在剛性支架上面安裝攝像頭，觀察測定一定時段內(nèi)，根系生長過程中根系膨脹的位移，然后換算為壓力感應(yīng)器的壓力變化情況，并實時記錄下時間與壓力的變化。通過上述步驟完成根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控。
[0017]一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，約束根系的巖土體作用可用力約束的形式存在，也可用位移約束的形式存在，模擬實際工程中，巖土體不易發(fā)生明顯位移的情況；位移約束時，彈簧可換為剛性桿件，限制根系在該方向上的位移膨脹，此時特制環(huán)的內(nèi)側(cè)安裝扁平測壓計，記錄膨脹力隨時間的變化關(guān)系。
[0018]本發(fā)明一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，技術(shù)效果如下:
[0019]I)、可模擬得出根系生長過程中，根系在不同土壓力條件下，徑向膨脹位移隨時間的變形規(guī)律，并可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為徑向膨脹力隨時間的變形規(guī)律，為根系膨脹對巖土體的破壞作用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0020]2)、PC聚碳酸酯制作的特制環(huán)，為擁有四個壓力感應(yīng)器接觸面，并且在擁有接觸面的4個半圓環(huán)部件之間是用輕質(zhì)彈簧鏈接，接觸面部分為平整面，使得壓力感應(yīng)器能作用其上而減小誤差。
[0021]3)、設(shè)有滾軸的第二培育箱體，可以在剛性平臺上自由活動，第二培育箱體下側(cè)有標(biāo)尺，可以記錄并反映活動方向，并且在整個裝置安裝后，可以根據(jù)根部向四周擴(kuò)散的位移來表征根部向前生長的作用力。
[0022]4)、所述培育箱和特制環(huán)均是制作為透明可視的裝置，剛性支架的上部用攝像機(jī)進(jìn)行長期的觀察，確保可視記錄植物在生長全過程中各個時期的根系膨大過程、生長對特制環(huán)膨脹位移的實時記錄，結(jié)合受力分析，膨脹位移隨時間的變化關(guān)系可換算為壓力作用力隨時間的變化關(guān)系，在最大限度模擬自然條件的情況下滿足了可視化的要求和量測的實效性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明裝置的特制環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明裝置的特制環(huán)在根部的示意圖。

【具體實施方式】
[0026]實施例1:
[0027]如圖1?圖3所示，一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，包括剛性平臺3，剛性平臺3上固定設(shè)有第一培育箱體1，剛性平臺3上設(shè)有安裝有兩個滾軸4的第二培育箱體2，位于第二培育箱體2下部的剛性平臺3上設(shè)有標(biāo)尺10。所述第一培育箱體I中設(shè)有帶有根系的植物，植物根系7伸出第一培育箱體I部分套有特制環(huán)5并安裝有壓力傳感器8，可以伸出三根或者多根，植物根系7以根系比較發(fā)達(dá)的喬木為主。植物根系7植入第二培育箱體2中。剛性平臺3上通過支架6安裝有攝像機(jī)9。
[0028]所述第一培育箱體1、第二培育箱體2為玻璃或者塑膠制作而成的透明箱體。
[0029]所述特制環(huán)5通過PC聚碳酸酯制作而成，包括四個1/4圓環(huán)，每一個1/4圓環(huán)包括一個與壓力傳感器8接觸的面，四個1/4圓環(huán)包括四個與壓力傳感器8接觸的四個面:第一接觸面A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D，所述四個1/4圓環(huán)之間通過彈簧11連接。所述第一接觸面A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D為平整面。一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，包括以下步驟:
[0030]I)、固定安裝剛性平臺1，剛性支架6連接在剛性平臺I上。
[0031]2)、取帶有根系的植物一株，培育在第一培育箱體I中，并取其相對比較發(fā)達(dá)的植物根系7伸出第一培育箱體I，在植物根系7套上特制環(huán)5，然后把植物根系7植入第二培育箱體2，第二培育箱體2帶有滾軸4，第二培育箱體2能在剛性平臺I上自由滾動。
[0032]3)、固定植物根系7與第二培育箱體2，在根部生長方向、第二培育箱體2下側(cè)安裝固定在剛性平臺I上的標(biāo)尺10，保證第二培育箱體2邊緣與標(biāo)尺10的零刻度對齊。
[0033]4)、在剛性支架6上面安裝攝像頭9，觀察測定一定時段內(nèi)，根系生長過程中根系膨脹的位移，然后換算為壓力感應(yīng)器8的壓力變化情況，并實時記錄下時間與壓力的變化。具體壓力與時間的計算見公式(8)。
[0034]通過上述步驟完成根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控和。
[0035]特制環(huán)5的大小也與所選植物根系大小相對應(yīng)，根據(jù)需要研究的根系進(jìn)行制作特制環(huán)5的大?。粡椈?1的彈性系數(shù)與第一培育箱體1、第二培育箱體2內(nèi)土壤重度(F =λ -h)進(jìn)行對應(yīng)。根據(jù)根系生長產(chǎn)生的膨脹力，與根系處本身土壤重力作用，其合力對巖土體的破壞作用。
[0036]特制環(huán)5的彈簧的彈性系數(shù)K，來模擬根系在不同生長介質(zhì)中的土壓力作用。介質(zhì)環(huán)境的應(yīng)力大小，涉及初始應(yīng)力的模擬，介質(zhì)自身的變形性能，環(huán)境介質(zhì)對根系的影響主要與其彈性模量相關(guān)，實施過程中可考慮不同的介質(zhì)。如雜填土、黃土、粉土等。彈簧的約束力為:F彈=((J)2-(J)1) Ji.K
[0037]反應(yīng)植物組織彈性的總體體積彈性模量ε通常定義為:
,.dP
[0038]^=K-
dv^(I)
[0039]其中P是總體膨壓，Vs為組織中總滲透水的體積，ε值越大，說明組織越堅硬；反之，說明細(xì)胞壁的彈性就越大。
[0040]為確定彈性模量的大小，對上式進(jìn)行變換，有
dP dP V
[0041]clVs clV, V,
V V1
■st( 2)
[0042]上式中Vt為飽和時組織的總含水量，對大多數(shù)植物來說，由于ε >>Ρ，在整個膨壓為正值的范圍內(nèi)，細(xì)胞的體積改變很少，因此，可以用充分膨壓時滲透水的總含量Vs。來替代vs。于是式(2)變成
dP V
S=-
[0043]^Vjl Vf
^C3)
[0044]對植物細(xì)胞，滲透水的摩爾濃度為:
N
[0045]c = y
^(4)
[0046]其中N為滲透水中溶質(zhì)的總摩爾數(shù)，Vs為滲透水的總體積，采集植物細(xì)胞溶質(zhì)的時候，滲透水中溶質(zhì)的摩爾數(shù)不發(fā)生改變，于是有:
N , N 抓 NdVs dVs
[0047]c = — dc =--- d \\ =--- = -C ~-
V V2V.ν Vm
555 5 sC5)
[0048]式(I)與(4)聯(lián)立得:
jp JrdP dP AP AP
「00491- α Pt/ ^ ---Γ.---^--=-;~
L 」dc.lc d\nc Alru ‘ \ncjc,(6)
[0050]由于對稀溶液滲透壓= cRT，上式也可寫成:
AP
[0051]^ = -.-J-
m E1Jk2(?)
[0052]其中R為為理想氣體常數(shù)，其值為8.314J\molK ；T為華氏溫度。
[0053]綜上:膨脹壓力為:
[0054]F = Ji /4(Φ2-Φ1)2.ε (此處 ji 3.14) (8)
[0055]其中，Φ2為在正常生長情況下根系生長的直徑；
[0056]Ct1為在壓力傳感器作用下生長后的直徑。
[0057]以栓皮櫟植物為例，根系年生長增長為Icm左右。其彈性模量經(jīng)計算為8.2MPa。根據(jù)文獻(xiàn)質(zhì)料可知，栓皮櫟彈性模量范圍大致為6.5-8.6MPa。
[0058]F=ε = Ji /4X1.0cm2 X 8.2MPa = 10_4m2X8.2 X 16Pa = 820N
[0059]實施例2:
[0060]一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，約束根系的巖土體作用可用力約束的形式存在，也可用位移約束的形式存在，模擬實際工程中，巖土體不易發(fā)生明顯位移的情況；位移約束時，彈簧11可換為剛性桿件，限制根系在該方向上的位移膨脹，此時特制環(huán)5的內(nèi)側(cè)安裝扁平測壓計，記錄膨脹力隨時間的變化關(guān)系。
【權(quán)利要求】
1.一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，包括剛性平臺(3),其特征在于，剛性平臺(3)上固定設(shè)有第一培育箱體(1),剛性平臺(3)上設(shè)有帶有滾軸(4)的第二培育箱體(2),位于第二培育箱體(2)下部的剛性平臺(3)上設(shè)有標(biāo)尺(10)； 所述第一培育箱體(1)中設(shè)有帶有根系的植物，植物根系(7)伸出第一培育箱體(1)部分套有特制環(huán)(5)并安裝有壓力傳感器(8),植物根系(7)植入第二培育箱體(2)中； 剛性平臺(3)上通過支架(6)安裝有攝像機(jī)(9).
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，其特征在于，所述第一培育箱體(11第二培育箱體(2)為玻璃或者塑膠制作而成的透明箱體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，其特征在于，所述特制環(huán)(5)通過？聚碳酸酯制作而成，包括四個1/4圓環(huán)，每一個1/4圓環(huán)包括一個與壓力傳感器(8)接觸的面，四個1/4圓環(huán)包括四個與壓力傳感器8接觸的四個面:第一接觸面(八)、第二接觸面(8)、第三接觸面(0、第四接觸面(0),所述四個1/4圓環(huán)之間通過彈簧(11)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，其特征在于，所述特制環(huán)(5)通過？聚碳酸酯制作而成，包括四個1/4圓環(huán)，每一個1/4圓環(huán)包括一個與壓力傳感器(8)接觸的面，四個1/4圓環(huán)包括四個與壓力傳感器8接觸的四個面:第一接觸面(八)、第二接觸面(8)、第三接觸面(0、第四接觸面(0),所述四個1/4圓環(huán)之間通過剛性桿件連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，其特征在于，所述第一接觸面(八)、第二接觸面(8)、第三接觸面(0、第四接觸面(0)為平整面。
6.一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，其特征在于包括以下步驟: 1〉、固定安裝剛性平臺(3),剛性支架(6)連接在剛性平臺(3)上； 2)、取帶有根系的植物一株，培育在第一培育箱體(1)中，并取其相對比較發(fā)達(dá)的植物根系(7)伸出第一培育箱體(1),在植物根系(7)套上特制環(huán)(5),然后把植物根系(7)植入第二培育箱體(2),第二培育箱體(2)帶有滾軸(4),第二培育箱體(2)能在剛性平臺(3)上自由滾動； 3)、固定植物根系(7)與第二培育箱體(2)，在根部生長方向、第二培育箱體(2)下側(cè)安裝固定在剛性平臺(1)上的標(biāo)尺(10),保證第二培育箱體(2)邊緣與標(biāo)尺(10)零刻度對齊； 4)、在剛性支架(6)上面安裝攝像頭(9),觀察測定一定時段內(nèi)，根系生長過程中根系膨脹的位移，然后換算為壓力感應(yīng)器(8)的壓力變化情況，并實時記錄下時間與壓力的變化； 通過上述步驟完成根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控。
7.一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，其特征在于，約束根系的巖土體作用可用力約束的形式存在，也可用位移約束的形式存在，模擬實際工程中，巖土體不易發(fā)生明顯位移的情況；位移約束時，彈簧(11)可換為剛性桿件，限制根系在該方向上的位移膨脹，此時特制環(huán)(5)的內(nèi)側(cè)安裝扁平測壓計，記錄膨脹力隨時間的變化關(guān)系。
【文檔編號】A01G9/02GK104303882SQ201410576512
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】劉杰, 胡靜, 李建林, 范留軍, 唐亮, 郭金龍, 湯天彩, 夏駿, 蔡建, 肖蕾 申請人:三峽大學(xué)