CN108871950B - 一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置 - Google Patents

一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置 Download PDF

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Abstract

发明提供一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，该装置包括微电脑拉力材料试验机，钢制带孔底板，可固定在钢制T字型钢架，滑轮组件以及钢制模型箱，土壤孔隙水压力传感器，土壤含水率传感器及配套的数据采集卡。试验时，所述拉拔力试验机提供拉力，通过夹具夹住钢丝绳。所述安装在T字型钢架上的滑轮组件将纵向拉力转化为横向拉拔力施加在树根上。所述含水率和孔隙水压力传感器收集并记录数据至采集卡，模拟树根受风荷载倾倒破坏的现象。所述拉拔力测试机和数据采集卡记录拉拔力、孔隙水压力、土壤含水率的变化。该装置的试验方法包括制模、填土夯土、拉拔破坏等步骤。该装置尺寸小，系统设置合理，试验操作方便。

Description

一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置
技术领域
本发明涉及岩土工程根土作用技术领域，特别涉及一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置和试验方法。
背景技术
重庆等西南地区山河众多，地势沿山脉、河流起伏，年均降水量丰富，全市平均年降水量为1125.3mm，超出全国年平均降水量78%，在全国属高湿区。降水主要集中在夏季（5-9月），达774.6mm，总量占全年的69%。近年来重庆地区强风暴雨作用下发生的灾害灾情，包括砸向行驶或停留车辆、砸死砸伤行人、阻断交通等事故。因此，为满足社会保障需求，对强风暴雨作用下树木根系拔出破坏开展系统研究具有十分重要的现实意义。
传统的树根拉拔力破坏测试主要是采用原位试验的方法，由于树木的种植时间长，原位试验的时间成本较长，且树根情况复杂，土壤选取单一，很难针对不同变量进行拉拔试验分析。由于成本和时间问题，目前国内对于树根原位拉拔破坏试验并不常见
现有技术中，数值模拟方法能够较为简便的模拟树根拉拔断裂的情况过程，但由于树根的复杂性，存在着一定的建模难度，且数值模拟仅能作为一个较好的辅助手段用于论证试验过程。因此亟需开发一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，用于模拟不同含水率，根系埋深等条件下树根拉拔破坏的过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置及试验方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，其特征在于:主要包括电脑拉力材料试验机、钢制带孔底板、T字型钢架、滑轮组件、钢丝绳和钢制模型箱，以及土壤孔隙水压力传感器、土壤含水率传感器、数据采集卡。
所述钢制带孔底板水平放置，其上表面具有若干透水孔。
所述电脑拉力材料试验机包括控制系统、加长吊臂、夹具、立柱和底座。所述底座固定于钢制带孔底板上。所述立柱内部安装有升降机构。所述加长吊臂的一端连接升降机构、另一端安装有夹具。所述升降机构驱动加长吊臂上下移动。所述控制系统控制所述升降机构的升降高度，并控制和记录升降机构对钢丝绳的拉力。
所述钢制模型箱上下敞口，其下端固定在钢制带孔底板是上表面。
所述钢制模型箱和电脑拉力材料试验机之间是T字型钢架。
所述T字型钢架下端固定在钢制带孔底板的上表面。所述T字型钢架的上端安装有滑轮组件。所述夹具位于滑轮组件的上方。所述滑轮组件面向钢制模型箱。所述钢丝绳一端被所述夹具夹持，并被所述夹具上、下拉动。所述钢丝绳的另一端绕过滑轮组件上的定滑轮后，呈水平，并套在模拟树上。
所述模型箱内装填土。所述模拟树植入填土中。
钢制模型箱布置有若干个土壤孔隙水压力传感器，若干个土壤含水率传感器和数据采集卡。所述土壤孔隙水压力传感器插入钢制模型箱前后侧壁的孔中，土壤含水率传感器插入钢制模型箱左右侧壁的孔中，于试验过程中记录读取相关孔隙水压力变化和含水率变化情况。
进一步，所述立柱和底座，以及立柱上的升降机构共同组成单轴拉伸试验机。
进一步，所述T字型钢架包括翼缘部、腹板部和底板。所述底板固定于钢制带孔底板的上表面。所述翼缘部和腹板部相互垂直。所述翼缘部和腹板部的下端固定于底板。所述腹板部面向模拟树。所述滑轮组件包括定滑轮和支架。所述支架一端固定于腹板部、另一端安装定滑轮。
进一步，所述钢制模型箱由四个侧面围成。四个面侧板均有打孔，供土壤孔隙水压力传感器和土壤含水率传感器插入测量。
进一步，钢制模型箱外设有四个土壤孔隙水压力传感器、四个土壤含水率传感器和数据采集卡。
土壤孔隙水压力传感器插入钢制模型箱前后侧壁的孔中，土壤含水率传感器插入钢制模型箱左右侧壁的孔中。
进一步，所述模型箱内装填土，经环刀法测定过原位土壤密实度，土壤进行分层装填，共计四层。装填过程中，于模型箱中央埋入直径为模拟树后继续装填。
进一步，所述微电脑拉力材料试验机做匀速向上拉拔，记录拉拔位移，拉拔力以及拉拔过程时间。
本发明还公开一种采用上述试验装置的模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按试验要求定制微电脑拉力材料试验机，土壤孔隙水压力传感器，土壤含水率传感器和数据采集卡。
2)按设计尺寸制作钢制带孔底板，T字型钢架，滑轮组件以及钢制模型箱，将以上设备通过螺栓或夹具固定，完成仪器组装。
3)将土壤装填至钢制模型箱内，对土壤进行分层装填，共计四层，装填过程中，于模型箱中央埋入模拟树后继续装填。装填完成后，采用夹具将模拟树连接钢丝绳。装填完成后，静置12小时。
4)将土壤孔隙水压力传感器和土壤含水率传感器分别插入箱体的孔中，连接数据采集卡，开始记录数据。
5)通过微电脑拉力材料试验机施加向上拉拔力，通过滑轮组件将拉拔力由竖向改为横向施加在树根上，同时数据采集卡记录过程中的孔隙水压力的变化情况。
6)直至树根完全倾倒破坏后停止试验。
7)通过加水的方式，改变土壤含水率，模拟暴雨过后的不同含水率土壤，挖出填土，重复步骤3)～6)，进行多组拉拔试验；
8)保存实验数据，关闭微电脑拉力材料试验机，整理试验器材。得到树根拉拔破坏的位移-拉力、时间-拉力和位移-时间曲线图，同时数据采集卡中读取不同土壤的含水率及拔出过程中的孔隙水压力变化。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A)实现树根倾倒破坏的试验室内模拟，可对树根拉拔破坏过程进行室内模拟；
B)可通过拉拔力测试机记录测量，得到力-位移-时间三者的曲线图，了解树根拉拔破坏过程中拉拔力的变化情况；
C)可通过传感器调整土壤含水率条件，测定拉拔过程中孔隙水压力变化问题，对实际工程问题提供科学依据；
D)试验装置尺寸小，系统设置合理，成本较原位试验低，试验操作方便。
附图说明
图1为模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏装置示意图；
图2为试验用传感器及采集卡装置接线示意图
图3为模型箱尺寸及开孔示意图
图中：电脑拉力材料试验机1、加长吊臂101、夹具102、立柱103、底座104、钢制带孔底板2、T字型钢架3、翼缘部301、腹板部302、底板303、滑轮组件4、定滑轮401、支架402、钢制模型箱5、钢丝绳A1、模拟树A。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，其特征在于:主要包括电脑拉力材料试验机1、钢制带孔底板2、T字型钢架3、滑轮组件4、钢丝绳A1和钢制模型箱5，以及土壤孔隙水压力传感器、土壤含水率传感器、数据采集卡；
所述钢制带孔底板2水平放置，其上表面具有若干透水孔；所述钢制带孔底板2为880*440*12mm尺寸大小的电镀钢板，其中距离长边侧20mm打有四排平行的50mm阵列M6螺孔，四角有直径13.50mm的固定孔。
所述电脑拉力材料试验机1包括控制系统、加长吊臂101、夹具102、立柱103和底座104；所述底座104固定于钢制带孔底板2上；所述立柱103内部安装有升降机构；所述加长吊臂101的一端连接升降机构、另一端安装有夹具102；所述升降机构驱动加长吊臂101上下移动；所述立柱103和底座104，以及立柱103上的升降机构共同组成单轴拉伸试验机。所述控制系统控制所述升降机构的升降高度，并控制和记录升降机构对钢丝绳A1的拉力；
所述钢制模型箱5上下敞口，其下端固定在钢制带孔底板2是上表面；即钢制模型箱5由四个侧面围成，尺寸为600*600*400mm。每一个侧板B的轴线上，距离底面100mm，200mm，300mm处分别打平行双排孔用于传感器插入测量。供土壤孔隙水压力传感器和土壤含水率传感器插入测量。
所述钢制模型箱5和电脑拉力材料试验机1之间是T字型钢架3；
所述T字型钢架3下端固定在钢制带孔底板2的上表面；所述夹具102位于滑轮组件4的上方；所述滑轮组件4面向钢制模型箱5；所述钢丝绳A1一端被所述夹具102夹持，并被所述夹具102上、下拉动；所述T字型钢架3包括翼缘部301、腹板部302和底板303；所述底板303固定于钢制带孔底板2的上表面；所述翼缘部301和腹板部302相互垂直；所述翼缘部301和腹板部302的下端固定于底板303；所述腹板部302面向模拟树A；所述滑轮组件4包括定滑轮401和支架402；所述支架402一端固定于腹板部302、另一端安装定滑轮401。滑轮401直径60mm。所述钢丝绳A1的另一端绕过滑轮组件4上的定滑轮401后，呈水平，并套在模拟树A上；
试验时，在所述模型箱内装填土，经环刀法测定过原位土壤密实度，按照每10cm高度的土壤50kg的密实度对土壤进行分层装填，共计四层。装填至20cm时，于模型箱中央埋入直径为2cm的三年生银杏树苗（即模拟树A）后继续装填。装填完成后，采用夹具将模拟树A钢丝绳A1，连接处距离土体上表面10cm。
钢制模型箱5布置有多个土壤孔隙水压力传感器、多个土壤含水率传感器和数据采集卡；所述土壤孔隙水压力传感器插入钢制模型箱5前后侧壁的孔中，土壤含水率传感器插入钢制模型箱5左右侧壁的孔中，于试验过程中记录读取相关孔隙水压力变化和含水率变化情况。
所述微电脑拉力材料试验机1做匀速向上拉拔，记录拉拔位移，拉拔力以及拉拔过程时间。拉拔力以及拉拔过程中，所述土壤孔隙水压力传感器和土壤含水率传感器测得数据发送至数据采集卡，连接电脑并读取数据；可以通过改变土壤的含水率、拉拔速率、树根埋深等因素模拟不同风力和暴雨作用后高含水率土壤中树根的倾倒破坏所需要的拉拔力峰值和土体中的孔隙水压力变化等影响。
值得说明的是，采用拉拔力测试机，记录力-位移-时间三者的曲线并绘制成图，有助于更加深入直观的了解根土相互作用机制。高精度的含水率和孔隙水压力传感器，可以实时记录土壤水分和孔隙水压力变化，实现不同含水率工况的模型试验。
实施例2：
本实施例采用实施例1所述试验装置的模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏试验方法，包括以下步骤：
1)按试验要求定制微电脑拉力材料试验机1，土壤孔隙水压力传感器，土壤含水率传感器和数据采集卡；
2)按设计尺寸制作钢制带孔底板2，T字型钢架3，滑轮组件4以及钢制模型箱5，将以上设备通过螺栓或夹具固定，完成仪器组装；
3)将土壤装填至钢制模型箱5内，按照50kg/10cm的密实度对土壤进行分层装填对土壤进行分层装填，共计四层。装填至20cm高时，于模型箱中央埋入直径为2cm的三年生银杏树苗（模拟树A）后继续装填；装填完成后，采用夹具将模拟树A钢丝绳A1，连接处距离土体上表面10cm。装填完成后，静置12小时；
4) 将传感器分别插入距箱体下端100mm,200mm,300mm的箱体孔中，即将土壤孔隙水压力传感器和土壤含水率传感器分别插入箱体的孔中，连接数据采集卡，开始记录数据；
5)通过微电脑拉力材料试验机1施加向上拉拔力，通过滑轮组件4将拉拔力由竖向改为横向施加在树根上，同时数据采集卡记录过程中的孔隙水压力的变化情况；
6)直至树根完全倾倒破坏后停止试验；
7)通过上方加水的方式，改变土壤含水率，模拟暴雨过后的不同含水率土壤，重复步骤3)～6)，进行多组拉拔试验；
8)保存实验数据，关闭微电脑拉力材料试验机1，整理试验器材；得到树根拉拔破坏的位移-拉力、时间-拉力和位移-时间曲线图，同时数据采集卡中读取不同土壤的含水率及拔出过程中的孔隙水压力变化。

Claims (8)

1.一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，其特征在于:主要包括电脑拉力材料试验机(1)、钢制带孔底板(2)、T字型钢架(3)、滑轮组件(4)、钢丝绳(A1)和钢制模型箱(5)，以及土壤孔隙水压力传感器、土壤含水率传感器、数据采集卡；
所述钢制带孔底板(2)水平放置，其上表面具有若干透水孔；
所述电脑拉力材料试验机(1)包括控制系统、加长吊臂(101)、夹具(102)、立柱(103)和底座(104)；所述底座(104)固定于钢制带孔底板(2)上；所述立柱(103)内部安装有升降机构；所述加长吊臂(101)的一端连接升降机构、另一端安装有夹具(102)；所述升降机构驱动加长吊臂(101)上下移动；所述控制系统控制所述升降机构的升降高度，并控制和记录升降机构对钢丝绳(A1)的拉力；
所述钢制模型箱(5)上下敞口，其下端固定在钢制带孔底板(2)的上表面；
所述钢制模型箱(5)和电脑拉力材料试验机(1)之间是T字型钢架(3)；
所述T字型钢架(3)下端固定在钢制带孔底板(2)的上表面；所述T字型钢架(3)的上端安装有滑轮组件(4)；所述夹具(102)位于滑轮组件(4)的上方；所述滑轮组件(4)面向钢制模型箱(5)；所述钢丝绳(A1)一端被所述夹具(102)夹持，并被所述夹具(102)上、下拉动；所述钢丝绳(A1)的另一端绕过滑轮组件(4)上的定滑轮(401)后，呈水平，并套在模拟树(A)上；
所述钢制模型箱(5)内装填土；所述模拟树(A)植入填土中；
钢制模型箱(5)布置有若干个土壤孔隙水压力传感器，若干个土壤含水率传感器和数据采集卡；所述土壤孔隙水压力传感器插入钢制模型箱(5)前后侧壁的孔中，土壤含水率传感器插入钢制模型箱(5)左右侧壁的孔中，于试验过程中记录读取相关孔隙水压力变化和含水率变化情况。
2.根据权利要求1所述的一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，其特征在于：所述立柱(103)和底座(104)，以及立柱(103)上的升降机构共同组成单轴拉伸试验机。
3.根据权利要求1所述的一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，其特征在于：所述T字型钢架(3)包括翼缘部(301)、腹板部(302)和底板(303)；所述底板(303)固定于钢制带孔底板(2)的上表面；所述翼缘部(301)和腹板部(302)相互垂直；所述翼缘部(301)和腹板部(302)的下端固定于底板(303)；所述腹板部(302)面向模拟树(A)；所述滑轮组件(4)包括定滑轮(401)和支架(402)；所述支架(402)一端固定于腹板部(302)、另一端安装定滑轮(401)。
4.根据权利要求1所述的一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，其特征在于：所述钢制模型箱(5)由四个侧面围成；四个面侧板均有打孔，供土壤孔隙水压力传感器和土壤含水率传感器插入测量。
5.根据权利要求1或4所述的一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，其特征在于：钢制模型箱(5)外设有四个土壤孔隙水压力传感器、四个土壤含水率传感器和数据采集卡；
土壤孔隙水压力传感器插入钢制模型箱(5)前后侧壁的孔中，土壤含水率传感器插入钢制模型箱(5)左右侧壁的孔中。
6.根据权利要求5所述的一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，其特征在于：所述钢制模型箱(5)内装填土，经环刀法测定过原位土壤密实度，土壤进行分层装填，共计四层；装填过程中，于模型箱中央埋入直径为模拟树(A)后继续装填。
7.根据权利要求1所述的一种模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏的模型试验装置，其特征在于：所述电脑拉力材料试验机(1)做匀速向上拉拔，记录拉拔位移，拉拔力以及拉拔过程时间。
8.一种采用1～7任意一项权利要求所述试验装置的模拟强风暴雨作用下树根倾倒拔出破坏试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按试验要求定制微电脑拉力材料试验机(1)，土壤孔隙水压力传感器，土壤含水率传感器和数据采集卡；
2)按设计尺寸制作钢制带孔底板(2)，T字型钢架(3)，滑轮组件(4)以及钢制模型箱(5)，将以上设备通过螺栓或夹具固定，完成仪器组装；
3)将土壤装填至钢制模型箱(5)内，对土壤进行分层装填，共计四层，装填过程中，于模型箱中央埋入模拟树(A)后继续装填；装填完成后，采用夹具将模拟树(A)连接钢丝绳(A1)；装填完成后，静置12小时；
4)将土壤孔隙水压力传感器和土壤含水率传感器分别插入箱体的孔中，连接数据采集卡，开始记录数据；
5)通过微电脑拉力材料试验机(1)施加向上拉拔力，通过滑轮组件(4)将拉拔力由竖向改为横向施加在树根上，同时数据采集卡记录过程中的孔隙水压力的变化情况；
6)直至树根完全倾倒破坏后停止试验；
7)通过加水的方式，改变土壤含水率，模拟暴雨过后的不同含水率土壤，挖出填土，重复步骤3)～6)，进行多组拉拔试验；
8)保存实验数据，关闭微电脑拉力材料试验机(1)，整理试验器材；得到树根拉拔破坏的位移-拉力、时间-拉力和位移-时间曲线图，同时数据采集卡中读取不同土壤的含水率及拔出过程中的孔隙水压力变化。
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《Root architecture and tree stability》;M.P. Coutts;《Plant and Soil》;19831231;第71卷;第171-188页 *
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