CN110160954A - 一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及植物力学测量技术领域，尤其涉及一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置及方法。包括土压模拟装置、植物根专用卡具与拉伸试验机；所述土压模拟装置包括柱桶与活塞，土壤放置于柱桶内腔，活塞压住土壤，通过活塞对土壤施加压力调整土壤压强；植物根一端放置于土壤中，另一端固定在植根专用卡具上，拉伸试验机顶部夹具夹住植根专用卡具，拉伸试验机底部夹具夹住土压模拟装置。本发明用于模拟不同土压情况下植物单根与土壤界面的摩擦状态，精确测量二者界面的摩擦力。本发明结构简单、操作方便，试验成功率高。

Description

一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置及方法

技术领域

本发明涉及植物力学测量技术领域，尤其涉及一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置及方法。

背景技术

植物根系与土壤界面的摩擦特性是根土复合体的重要力学参数，是根土复合体抗剪性能的决定性因素，是农业工程领域中植物根系挖掘和剪切科学研究及装置开发、土木工程领域中植物固土护坡研究的重要基础数据。所以，植物根系与土壤界面的摩擦力的精准测量是极其重要和必要的。

目前，有两种植物根系与土壤界面摩擦特性测量的方法和装置。农业工程学报2015，31(13)：149-156刊登了一篇《花棒沙柳根与土及土与土界面直剪摩擦试验与数值模拟》的文章，记载了使用ZJ型应变控制直剪仪，剪切盒的下盒嵌入表面粘有根的塑料块，其根表面与下盒上表面平齐，上盒放置土样，根轴线方向与剪切方向一致，以此模拟植物根被拉拔时根土分离的受力状况。该方法和装置存在的问题是：(1)ZJ型应变控制直剪仪的用途是测定土的抗剪强度，并不是测量植物根与土壤界面摩擦力或摩擦特性的专用仪器，无法真实反映植物单根与土壤界面的摩擦状况；(2)需要将植物根在潮湿时对剖展开，用万能胶将根依次但不重叠粘于圆形塑料块上，但在实际操作中因根的不规则形状结构而无法保证根布满圆形塑料块，该过程的可操作性差。

CN 104132888 A公开了一种根土根系摩擦力测量装置。该装置存在的问题是：(1)没有压强调节装置，无法实现实际土壤压力下的植物根与土壤界面的摩擦力和摩擦特性测量；(2)结构复杂，操作不便，自制测量装置的测力精度无法保证。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置及方法。用于模拟不同土压情况下植物单根与土壤界面的摩擦状态，精确测量二者界面的摩擦力。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置，包括土压模拟装置、植物根专用卡具与拉伸试验机；所述土压模拟装置包括柱桶与活塞，土壤放置于柱桶内腔，活塞压住土壤，通过活塞对土壤施加压力调整土壤压强；植物根一端放置于土壤中，另一端固定在植物根专用卡具上，拉伸试验机顶部夹具夹住植物根专用卡具，拉伸试验机底部夹具夹住土压模拟装置。

所述土压模拟装置还包括推杆、圆平台、夹持圆柱、导向固定螺栓连接组件以及配重；推杆一端与活塞相连，另一端与圆平台相连，夹持圆柱固接在圆平台上；柱桶底部设有缘台，圆平台与缘台通过导向固定螺栓连接组件连接，配重放置在缘台上。

所述柱桶为圆桶形，顶部端面设有通孔，底部为开口，开口周围设有圆形的缘台。

所述导向固定螺栓连接组件包括螺栓、上螺母与下螺母；螺栓依次穿过圆平台与缘台，通过上螺母与下螺母固定在缘台上。

所述植物根专用卡具包括承载金属板与加强金属板；承载金属板固定在植物根的一侧，加强金属板固定在植物根的另一侧，载金属板与加强金属板通过螺栓相连。

一种植物单根与土壤摩擦力的测量方法，具体包括如下步骤：

1)将植物根的一端装卡于植物根专用卡具；

2)将植物根的另一端经柱桶顶部端面的通孔插入柱桶的内腔，保证植物根位于柱桶内腔的长度大于50mm；

3)将土壤装入柱桶内腔；

4)将活塞装入柱桶内腔，并压紧土壤；

5)将螺栓穿过圆平台通孔，下螺母旋入螺栓，螺栓穿过柱桶缘台的通孔，上螺母旋入螺栓，螺栓上的上螺母和下螺母分别与柱桶缘台的上表面和下表面留有间隙，使柱桶缘台的通孔能自由地沿着螺栓上下移动，此时螺栓起到导向作用；

6)拉伸试验机的自带底部卡具夹持土压模拟装置的夹持圆柱；

7)根据试验需要的压强p，确定所需要的配重Q，Q＝pA，A是活塞的表面积，将所需要的配重加载于柱桶缘台，柱桶沿着活塞轴向方向下移；

8)当柱桶位置固定后，上螺母自上而下方向拧紧接触柱桶缘台的上表面，下螺母自下而上方向拧紧接触接触柱桶缘台的下表面，导向固定螺栓组件起到固定柱桶和活塞相对位置的作用；

9)拉伸试验机的自带顶部卡具夹持植物根专用卡具的承载金属板；

10)拉伸试验机实施拉伸试验，测定植物根与土壤界面的摩擦力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明设有土压模拟装置，通过增减配重实现土压变化，模拟不同土压情况下植物单根与土壤界面的摩擦状态。

(2)本发明设有适用于植物根的专用卡具，避免根试件因夹持力过大而导致的压溃断裂。

(3)本发明采用拉伸试验机作为测力装置，可精确测量摩擦力。

(4)本发明结构简单、操作方便，试验成功率高。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图；

图2是本发明土压模拟装置结构示意图(柱桶移动状态)；

图3是本发明土压模拟装置结构示意图(柱桶固定状态)；

图4是本发明植物根专用夹具结构示意图。

图中：1-拉伸试验机 2-拉伸试验机顶部夹具 3-植物根专用夹具 4-植物根 5-土压模拟装置 6-拉伸试验机底部夹具 7-柱桶 8-土壤 9-活塞 10-配重 11-导向固定螺栓连接组件 12-上螺母 13-下螺母 14-螺栓 15-推杆 16-圆平台 17-夹持圆柱 18-承载金属板 19-加强金属板 20-第一固定螺栓 21-第二固定螺栓

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明，但不用来限制本发明的范围：

实施例：

如图1所示，一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置，包括土压模拟装置5、植物根专用卡具3与拉伸试验机1。拉伸试验机1为现有产品，采用商用电子万能拉伸试验机，自带拉伸试验机顶部夹具2与拉伸试验机底部夹具6。

如图2、图3所示，土压模拟装置5包括柱桶7、活塞9、推杆15、导向固定螺栓连接组件11(共4组)、圆平台16、夹持圆柱17和配重10。

柱桶7的内径为30mm，壁厚为8mm，高为200mm，柱桶7的下开口处有直径140mm厚度8mm的缘台，土壤8放置于柱桶7内腔，柱桶7的上底面开有直径8mm的通孔，植物根4通过该通孔插入柱桶7内的土壤8，构成根土复合体形态。

活塞9在柱桶7内腔移动，对柱桶7内的土壤8施加压力，活塞9通过焊接形式与推杆15连接。圆平台16的上表面通过焊接形式与推杆15连接，圆平台16的下表面通过焊接形式与夹持圆柱17连接。

配重10为内径45mm厚度20mm高30mm的金属块，通过增减配重10的数量来调节活塞9对柱桶7内腔的土壤8施加的压强，配重10放置于柱桶7缘台的上表面。

导向固定螺栓连接组件11包括M6螺栓14、M6上螺母12和M6下螺母13，M6螺栓14的螺杆穿过圆平台16通孔和柱桶7缘台的通孔，螺栓14上的上螺母12和下螺母13分别位于柱桶7缘台的上表面和下表面，螺栓14上的上螺母12和下螺母13分别与柱桶7缘台的上表面和下表面留有一定间隙，使柱桶7缘台的通孔能自由地沿着螺栓14的螺杆上下移动，导向固定螺栓连接组件11起到轴向导向作用。

如图3所示，当柱桶7和活塞9的相对位置确定后，上螺母12自上而下方向拧紧接触柱桶7缘台的上表面，下螺母13自下而上方向拧紧接触接触柱桶7缘台的下表面，导向固定螺栓连接组件11起到固定柱桶7和活塞9相对位置的作用。

如图4所示，根植根专用夹具3包括承载金属板18、加强金属板19、M2第一固定螺栓20和M2第二固定螺栓21，承载金属板18的尺寸为长50mm宽25mm厚6mm，材料为45钢，加强金属板19的尺寸为25mm宽25mm厚6mm，材料为45钢。

植物根4的装卡方式：首先将植物4根通过502胶粘结到承载金属板18，保证接触长度大于20mm，胶体厚度大于2mm；然后，通过502胶将加强金属板19粘结到植物根4的另一侧，保持加强金属板19与承载金属板18平行，胶体厚度大于2mm，并通过M2第一固定螺栓20和M2第二固定螺栓21将加强金属板19与承载金属板18连接，合理控制M2第一固定螺栓20和M2第二固定螺栓21紧度。通过上述方式，能有效防止植物根4在测量过程中被金属试件卡具压溃或因应力集中而断裂。

如图1所示，拉伸试验机1是商用电子万能拉伸试验机，拉伸试验机自带拉伸试验机顶部夹具2与拉伸试验机底部夹具6是电子万能拉伸试验机自带的楔块式卡具。拉伸试验机顶部夹具2夹持植物根专用卡具3的承载金属板18，拉伸试验机底部夹具6夹持土压模拟装置5的夹持圆柱17。最终，拉伸试验机1将植物根4从土壤8中匀速拔出，测定植物根4与土壤8界面的摩擦力。

本发明的试验方法与试验步骤：

1、将植物根4的一端装卡于植物根专用夹具3；

2、将植物根4的另一端经柱桶7上底面的通孔插入柱桶7的内腔，保证植物根4位于柱桶7内腔的长度大于50mm；

3、将土壤8装入柱桶7内腔；

4、将活塞9装入柱桶7内腔，并压紧土壤8；

5、将M6螺栓14穿过圆平台16通孔，下螺母13旋入螺杆14，螺栓14穿过柱桶7缘台的通孔，上螺母12旋入螺14，螺栓14上的上螺母12和下螺母13分别与柱桶7缘台的上表面和下表面留有一定间隙，使柱桶7缘台的通孔能自由地沿着螺栓14的螺杆上下移动，此时螺栓14起到导向作用，如图2所示；其余3组导向固定螺栓连接组件11以相同方式实施；

6、拉伸试验机底部夹具6夹持土压模拟装置5的夹持圆柱17，即活塞9等部件的位置固定；

7、根据试验需要的压强p，确定所需要的配重Q＝pA，A是活塞的表面积，将所需要的配重加载于柱桶7缘台，柱桶7沿着活塞9的轴向方向下移；

8、当柱桶7位置固定后，上螺母12自上而下方向拧紧接触柱桶7缘台的上表面，下螺母13自下而上方向拧紧接触接触柱桶7缘台的下表面，导向固定螺栓连接组件11起到固定柱桶7和活塞9相对位置的作用，如图3所示；其余3组导向固定螺栓连接组件11以相同方式实施；

9、拉伸试验机顶部夹具2夹持植物根专用卡具3的承载金属板18；

10、拉伸试验机1实施拉伸试验，测定植物根4与土壤8界面的摩擦力。

本发明设有土压模拟装置5，通过增减配重实现土压变化，模拟不同土压情况下植物单根与土壤界面的摩擦状态。本发明设有适用于植物根的专用卡具，避免根试件因夹持力过大而导致的压溃断裂。本发明采用拉伸试验机1作为测力装置，可精确测量摩擦力。本发明结构简单、操作方便，试验成功率高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置，其特征在于：包括土压模拟装置、植物根专用卡具与拉伸试验机；所述土压模拟装置包括柱桶与活塞，土壤放置于柱桶内腔，活塞压住土壤，通过活塞对土壤施加压力调整土壤压强；植物根一端放置于土壤中，另一端固定在植物根专用卡具上，拉伸试验机顶部夹具夹住植物根专用卡具，拉伸试验机底部夹具夹住土压模拟装置。

2.根据权利要求1所述的一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置，其特征在于：所述土压模拟装置还包括推杆、圆平台、夹持圆柱、导向固定螺栓连接组件以及配重；推杆一端与活塞相连，另一端与圆平台相连，夹持圆柱固接在圆平台上；柱桶底部设有缘台，圆平台与缘台通过导向固定螺栓连接组件连接，配重放置在缘台上。

3.根据权利要求1所述的一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置，其特征在于：所述柱桶为圆桶形，顶部端面设有通孔，底部为开口，开口周围设有圆形的缘台。

4.根据权利要求2所述的一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置，其特征在于：所述导向固定螺栓连接组件包括螺栓、上螺母与下螺母；螺栓依次穿过圆平台与缘台，通过上螺母与下螺母固定在缘台上。

5.根据权利要求1所述的一种测量植物单根与土壤摩擦力的装置，其特征在于：所述植根专用卡具包括承载金属板与加强金属板；承载金属板固定在植物根的一侧，加强金属板固定在植物根的另一侧，承载金属板与加强金属板通过螺栓相连。

6.一种基于权利要求1所述装置的植物单根与土壤摩擦力的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)将植物根的一端装卡于植根专用卡具；

2)将植物根的另一端经柱桶顶部端面的通孔插入柱桶的内腔，保证植物根位于柱桶内腔的长度大于50mm；

3)将土壤装入柱桶内腔；

4)将活塞装入柱桶内腔，并压紧土壤；

5)将螺栓穿过圆平台通孔，下螺母旋入螺栓，螺栓穿过柱桶缘台的通孔，上螺母旋入螺栓，螺栓上的上螺母和下螺母分别与柱桶缘台的上表面和下表面留有间隙，使柱桶缘台的通孔能自由地沿着螺栓上下移动，此时螺栓起到导向作用；

6)拉伸试验机的自带底部卡具夹持土压模拟装置的夹持圆柱；

7)根据试验需要的压强p，确定所需要的配重Q，Q＝pA，A是活塞的表面积，将所需要的配重加载于柱桶缘台，柱桶沿着活塞轴向方向下移；

8)当柱桶位置固定后，上螺母自上而下方向拧紧接触柱桶缘台的上表面，下螺母自下而上方向拧紧接触接触柱桶缘台的下表面，导向固定螺栓组件起到固定柱桶和活塞相对位置的作用；

9)拉伸试验机的自带顶部卡具夹持植物根专用卡具的承载金属板；

10)拉伸试验机实施拉伸试验，测定植物根与土壤界面的摩擦力。