一种根系破岩机理可视化监控装置

摘要

一种根系破岩机理可视化监控装置，包括刚性平台，刚性平台上固定设有第一培育箱体，刚性平台上设有带有滚轴的第二培育箱体，位于第二培育箱体下部的刚性平台上设有标尺。所述第一培育箱体中设有带有根系的植物，植物根系伸出第一培育箱体部分套有特制环并安装有压力传感器，植物根系植入第二培育箱体中。刚性平台上通过支架安装有摄像机。本发明一种根系破岩机理可视化监控装置，可以长期监视可视化下测试根系生长作用力对根系四周的影响；有利于预防工程边坡设计中，边坡上植物根系对其岩体的破坏作用。

权利要求

1.一种根系破岩机理可视化监控装置，包括刚性平台(3)，其特征在于，刚性平台(3)上固定设有第一培育箱体(1)，刚性平台(3)上设有带有滚轴(4)的第二培育箱体(2)，位于第二培育箱体(2)下部的刚性平台(3)上设有标尺(10)；所述第一培育箱体(1)中设有带有根系的植物，植物根系(7)伸出第一培育箱体(1)部分套有特制环(5)并安装有压力传感器(8)，植物根系(7)植入第二培育箱体(2)中；刚性平台(3)上通过支架(6)安装有摄像机(9)。

说明书

一种根系破岩机理可视化监控装置

技术领域

[0001] 本发明一种根系破岩机理可视化监控装置，涉及植物破岩领域。

背景技术

[0002] 根的生长是分生区与伸长区共同作用的结果，而根的纵向生长则主要是伸长区的延伸，推动根尖在土壤中的生长。同时伸长区的细胞也开始分化。伸长区细胞的特点是已经停止了分裂，但细胞的生长并未有停止，细胞液泡化程度加强，细胞显著伸长(增加到几倍到几十倍)；细胞体积也在不断扩大，结果导致这部分根区域的迅速伸长和增粗。

[0003] 岩石的断裂破坏其本质归根于微裂缝的拉张破坏。岩石常处于压应力状态，从表面上看不到像纯剪那样有拉应力。岩石是脆性材料(高温、高围压除外)，因为流动是晶格之间发生滑移，粒子之间的距离并没有增大，流动不会发生断裂。因此从宏观强度理论来说，岩石的断裂破坏不可能全是剪应力引起的。当植物根系生长深入到岩石微裂缝中，随着植物根系伸长区的生长与伸长，横向和纵向的作用力会长期的作用在岩体裂缝内部，随时间的发展，根系不需要很大作用力下也能最终会挤压破坏掉岩体。

[0004] 由以上叙述可以看出，针对植物根系的研究，在岩土建筑边坡各个领域都做了很多研究，都是在根系防护边坡和研究根系与土质间相互物理作用方面。但是在根系参数方面，如不同植物根系的力学强度与时间的关系、根系生长作用力对岩石体的长期破坏作用，很少有学者在此做出相应的研究。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提供一种根系破岩机理可视化监控装置，可以长期监视可视化下测试根系生长作用力对根系四周的影响；有利于预防工程边坡设计中，边坡上植物根系对其岩体的破坏作用。

[0006] 本发明采取的技术方案为：

[0007] 一种根系破岩机理可视化监控装置，包括刚性平台，刚性平台上固定设有第一培育箱体，刚性平台上设有带有滚轴的第二培育箱体，位于第二培育箱体下部的刚性平台上设有标尺。所述第一培育箱体中设有带有根系的植物，植物根系伸出第一培育箱体部分套有特制环并安装有压力传感器，植物根系植入第二培育箱体中。刚性平台上通过支架安装有摄像机。

[0008] 所述第一培育箱体、第二培育箱体为玻璃或者塑胶制作而成的透明箱体。

[0009] 所述特制环通过PC聚碳酸酯制作而成，包括四个1/4圆环，每一个1/4圆环包括一个与压力传感器接触的面，四个1/4圆环包括四个与压力传感器接触的四个面：第一接触面A、第二接触面B、第三接触面C、第四接触面D，所述四个1/4圆环之间通过弹簧连接。

[0010] 或者：所述特制环通过PC聚碳酸酯制作而成，包括四个1/4圆环，每一个1/4圆环包括一个与压力传感器接触的面，四个1/4圆环包括四个与压力传感器接触的四个面：第一接触面A、第二接触面B、第三接触面C、第四接触面D，所述四个1/4圆环之间通过刚型杆件连接。

[0011] 所述第一接触面A、第二接触面B、第三接触面C、第四接触面D为平整面。

[0012] 一种根系破岩机理可视化监控方法，包括以下步骤：

[0013] 1)、固定安装刚性平台，刚性支架连接在刚性平台上。

[0014] 2)、取带有根系的植物一株，培育在第一培育箱体中，并取其相对比较发达的植物根系伸出第一培育箱体，在植物根系套上特制环，然后把植物根系植入第二培育箱体，第二培育箱体带有滚轴，第二培育箱体能在刚性平台上自由滚动；

[0015] 3)、固定植物根系与第二培育箱体，在根部生长方向、第二培育箱体下侧安装固定在刚性平台上的标尺，保证第二培育箱体边缘与标尺零刻度对齐；

[0016] 4)、在刚性支架上面安装摄像头，观察测定一定时段内，根系生长过程中根系膨胀的位移，然后换算为压力感应器的压力变化情况，并实时记录下时间与压力的变化。通过上述步骤完成根系破岩机理可视化监控。

[0017] 一种根系破岩机理可视化监控方法，约束根系的岩土体作用可用力约束的形式存在，也可用位移约束的形式存在，模拟实际工程中，岩土体不易发生明显位移的情况；位移约束时，弹簧可换为刚性杆件，限制根系在该方向上的位移膨胀，此时特制环的内侧安装扁平测压计，记录膨胀力随时间的变化关系。

[0018] 本发明一种根系破岩机理可视化监控装置，技术效果如下：

[0019] 1)、可模拟得出根系生长过程中，根系在不同土压力条件下，径向膨胀位移随时间的变形规律，并可进一步转化为径向膨胀力随时间的变形规律，为根系膨胀对岩土体的破坏作用提供基础数据。

[0020] 2)、PC聚碳酸酯制作的特制环，为拥有四个压力感应器接触面，并且在拥有接触面的4个半圆环部件之间是用轻质弹簧链接，接触面部分为平整面，使得压力感应器能作用其上而减小误差。

[0021] 3)、设有滚轴的第二培育箱体，可以在刚性平台上自由活动，第二培育箱体下侧有标尺，可以记录并反映活动方向，并且在整个装置安装后，可以根据根部向四周扩散的位移来表征根部向前生长的作用力。

[0022] 4)、所述培育箱和特制环均是制作为透明可视的装置，刚性支架的上部用摄像机进行长期的观察，确保可视记录植物在生长全过程中各个时期的根系膨大过程、生长对特制环膨胀位移的实时记录，结合受力分析，膨胀位移随时间的变化关系可换算为压力作用力随时间的变化关系，在最大限度模拟自然条件的情况下满足了可视化的要求和量测的实效性。

附图说明

[0023] 图1是本发明装置结构示意图；

[0024] 图2是本发明装置的特制环结构示意图；

[0025] 图3是本发明装置的特制环在根部的示意图。

具体实施方式

[0026] 实施例1：

[0027] 如图1～图3所示，一种根系破岩机理可视化监控装置，包括刚性平台3，刚性平台3上固定设有第一培育箱体1，刚性平台3上设有安装有两个滚轴4的第二培育箱体2，位于第二培育箱体2下部的刚性平台3上设有标尺10。所述第一培育箱体1中设有带有根系的植物，植物根系7伸出第一培育箱体1部分套有特制环5并安装有压力传感器8，可以伸出三根或者多根，植物根系7以根系比较发达的乔木为主。植物根系7植入第二培育箱体2中。刚性平台3上通过支架6安装有摄像机9。

[0028] 所述第一培育箱体1、第二培育箱体2为玻璃或者塑胶制作而成的透明箱体。

[0029] 所述特制环5通过PC聚碳酸酯制作而成，包括四个1/4圆环，每一个1/4圆环包括一个与压力传感器8接触的面，四个1/4圆环包括四个与压力传感器8接触的四个面：第一接触面A、第二接触面B、第三接触面C、第四接触面D，所述四个1/4圆环之间通过弹簧11连接。所述第一接触面A、第二接触面B、第三接触面C、第四接触面D为平整面。一种根系破岩机理可视化监控方法，包括以下步骤：

[0030] 1)、固定安装刚性平台1，刚性支架6连接在刚性平台1上。

[0031] 2)、取带有根系的植物一株，培育在第一培育箱体1中，并取其相对比较发达的植物根系7伸出第一培育箱体1，在植物根系7套上特制环5，然后把植物根系7植入第二培育箱体2，第二培育箱体2带有滚轴4，第二培育箱体2能在刚性平台1上自由滚动。

[0032] 3)、固定植物根系7与第二培育箱体2，在根部生长方向、第二培育箱体2下侧安装固定在刚性平台1上的标尺10，保证第二培育箱体2边缘与标尺10的零刻度对齐。

[0033] 4)、在刚性支架6上面安装摄像头9，观察测定一定时段内，根系生长过程中根系膨胀的位移，然后换算为压力感应器8的压力变化情况，并实时记录下时间与压力的变化。具体压力与时间的计算见公式(8)。

[0034] 通过上述步骤完成根系破岩机理可视化监控和。

[0035] 特制环5的大小也与所选植物根系大小相对应，根据需要研究的根系进行制作特制环5的大小；弹簧11的弹性系数与第一培育箱体1、第二培育箱体2内土壤重度(F＝λ·h)进行对应。根据根系生长产生的膨胀力，与根系处本身土壤重力作用，其合力对岩土体的破坏作用。

[0036] 特制环5的弹簧的弹性系数K，来模拟根系在不同生长介质中的土压力作用。介质环境的应力大小，涉及初始应力的模拟，介质自身的变形性能，环境介质对根系的影响主要与其弹性模量相关，实施过程中可考虑不同的介质。如杂填土、黄土、粉土等。弹簧的约束力为：F弹＝(φ2-φ1)π·K

[0037] 反应植物组织弹性的总体体积弹性模量ε通常定义为：

[0038]

[0039] 其中P是总体膨压，Vs为组织中总渗透水的体积，ε值越大，说明组织越坚硬；反之，说明细胞壁的弹性就越大。

[0040] 为确定弹性模量的大小，对上式进行变换，有

[0041]

[0042] 上式中Vt为饱和时组织的总含水量，对大多数植物来说，由于ε＞＞P，在整个膨压为正值的范围内，细胞的体积改变很少，因此，可以用充分膨压时渗透水的总含量Vso来替代Vs。于是式(2)变成

[0043]

[0044] 对植物细胞，渗透水的摩尔浓度为：

[0045]

[0046] 其中N为渗透水中溶质的总摩尔数，Vs为渗透水的总体积，采集植物细胞溶质的时候，渗透水中溶质的摩尔数不发生改变，于是有：

[0047]

[0048] 式(1)与(4)联立得：

[0049] 或

[0050] 由于对稀溶液渗透压π＝cRT，上式也可写成：

[0051]

[0052] 其中R为为理想气体常数，其值为8.314J\molK；T为华氏温度。

[0053] 综上：膨胀压力为：

[0054] F＝π/4(φ2-φ1)2·ε(此处π≈3.14)   (8)

[0055] 其中，φ2为在正常生长情况下根系生长的直径；

[0056] φ1为在压力传感器作用下生长后的直径。

[0057] 以栓皮栎植物为例，根系年生长增长为1cm左右。其弹性模量经计算为8.2MPa。根据文献质料可知，栓皮栎弹性模量范围大致为6.5-8.6MPa。

[0058] F＝π/4(φ2-φ1)2·ε＝π/4×1.0cm2×8.2MPa＝10-4m2×8.2×106Pa＝820N[0059] 实施例2：

[0060] 一种根系破岩机理可视化监控方法，约束根系的岩土体作用可用力约束的形式存在，也可用位移约束的形式存在，模拟实际工程中，岩土体不易发生明显位移的情况；位移约束时，弹簧11可换为刚性杆件，限制根系在该方向上的位移膨胀，此时特制环5的内侧安装扁平测压计，记录膨胀力随时间的变化关系。