CN115452565B - 一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置及测定方法，该装置包括模拟生长孔、根系模拟构件和数据采集系统，根系模拟构件放置于模拟生长孔中，数据采集系统包括压力传感器、数据线、数据采集电路、数据处理器，压力传感器设置在根系模拟构件上，压力传感器通过数据线连接数据采集电路；数据采集电路连接到数据处理器上。本发明包含抗拉性强的根系骨架，可完整地测得根系的抗拔力；本发明的方法模拟根系的锚固效应，膨胀水泥浆膨胀后产生的径向膨胀力与根系生长后对土体产生的径向膨胀力从机理到表现都高度相似，抗拔力测定操作简便，可控性强，有效缩短了因植物生长缓慢造成的过于漫长的试验过程。

Description

一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置及测定 方法

技术领域

本发明属于边坡生态防护技术领域，涉及一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置及测定方法。

背景技术

乔灌木是植被护坡中的常见植物，研究乔灌木根系与深层土体的相互作用对边坡生态防护具有重要意义。根系的抗拔力是衡量根系对土体锚固作用强弱的重要指标之一，也是根系固土机理研究中的关键性参数。

现有的对根系抗拔力的测定都是通过对生长在边坡上的真实植物进行拉拔试验来进行，但这种试验方式有非常明显的弊端：植物是有生命的东西，实验过程中受干扰因素太多，比如真实植物生长缓慢、生长周期长，培育受试植物耗时长且难以保证受试植物之间相关参数一致；且植物极容易发生死亡、萎蔫等异常情况，常常导致实验中断，无法完整进行；且一株植物往往只能实验一次，实验的可重复性差；实验相关参数受植物生长情况限制，难以进行随意调控等。这些因素都导致利用真实植物进行试验时，试验的可控性、可对比性、试验效率等较差，这也成为了植物根系力学研究难以取得突破性进展的重要限制性因素之一。

发明内容

为解决背景技术提出的问题，本发明提供了一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置，该装置可以用模拟根系代替真实根系进行抗拔力测定，弥补了采用真实植物进行试验时可控性、可对比性、试验效率等都较差的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置，该装置包括模拟生长孔、根系模拟构件和数据采集系统，根系模拟构件放置于模拟生长孔中，所述数据采集系统包括压力传感器、数据线、数据采集电路、数据处理器，压力传感器设置在根系模拟构件上，压力传感器通过数据线连接数据采集电路；数据采集电路连接到数据处理器上，数据采集系统进行根系径向膨胀力数据的实时采集和储存。

优选的，所述根系模拟构件包括弹性套筒和放置在所述弹性套筒内的根系骨架，所述弹性套筒置于模拟生长孔内，所述弹性套筒的外表面上构造有模拟树根表面粗糙质感的纹理和模仿须根的突起。

优选的，所述根系骨架包括骨架线、紧箍环、扩张环和固定锚具，固定锚具位于根系骨架的顶端,多根所述骨架线连接在所述固定锚具上，所述紧箍环的内侧与扩张环的外侧均开设比骨架线直径略大的缺口，所述骨架线安置在扩张环和紧箍环的所述缺口中。

优选的，所述根系骨架还包括连接在骨架线上的固环突，所述固环突位于所述紧箍环和扩张环的缺口下方；所述固环突的直径大于缺口的直径，用于阻碍紧箍环或扩张环下滑。

优选的，所述骨架线由金属丝、碳纤维丝、木纤维丝或高分子纤维制作而成。

优选的，所述根系模拟构件还包括注浆管、拉拔头、控压盖，所述固定锚具中部开设凹槽，固定锚具上部通过旋转卡扣连接拉拔头，其用于待向弹性套筒内浇注仿生膨胀水泥浆并凝固后，与拉拔仪器连接进行拉拔实验，测量抗拔力；所述控压盖卡接在固定锚具外壁上，用于将整个模拟生长孔在地面上密封并固定根系骨架；所述注浆管从扩张环中间的孔洞插入弹性套筒的底部，用于注入仿生膨胀水泥浆。

本发明还提供了一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的测定方法，包括以下步骤：

Step1：在试验区域铺设所需土层，或对所需的实地的土层进行平整，然后用钻孔机在土体内钻出模拟生长孔，模拟生长孔的结构可有多种形式：第一种是从上到下直径均匀减小的圆锥体；第二种是不同直径圆柱体的叠加，从上到下直径逐渐减小；第三种是整体为同一直径的圆柱体，在钻孔完成后可用空气压缩机清除孔内残渣；

Step2：制作弹性套筒，弹性套筒制作完成后，在其内侧或外侧需要采集数据的位置上贴上压力传感器，将压力传感器通过数据线连接到数据采集电路上，然后将弹性套筒、压力传感器放入模拟生长孔中，数据采集电路则置于模拟生长孔外；

Step3：制作根系骨架，安装时，紧箍环与扩张环间隔一定距离，交替排列，根系骨架制作完成后放入弹性套筒内；

Step4：配制仿生膨胀水泥浆：首先在水泥中加入膨胀剂和木质纤维丝，并搅拌均匀，然后加水搅拌形成水泥浆，其中膨胀剂含量不超过30%；

Step5：将注浆管从扩张环中间的孔洞插入弹性套筒的底部，然后用注浆管将配制好的仿生膨胀水泥浆注入弹性套筒中，当在不同高度注入的仿生膨胀水泥浆的成分配比发生变化时，在一段水泥浆灌注完成以后放上水溶性隔片，再灌注下一段仿生膨胀水泥浆，防止不同成分配比的仿生膨胀水泥浆混合在一起，影响实验结果；

Step6：仿生膨胀水泥浆浇注满后，将固定锚具放到根系骨架的顶端，将骨架线连接到固定锚具下部，然后将弹性套筒的顶端收拢并捆扎到固定锚具中部的凹槽内，最后再将控压盖穿过固定锚具，盖在固定锚具外侧的模拟生长孔上，将模拟生长孔密封住；

Step7：将数据采集电路连接到数据处理器上，即可完成根系径向膨胀力数据的实时采集和储存；

Step8：待仿生膨胀水泥浆膨胀完成、性质稳定后，将拉拔头通过旋转卡扣连接到固定锚具的上部，然后将拉拔仪连接到拉拔头上，即可进行模拟根系的拉拔试验，测量出抗拔力。

优选的，数据处理器与拉拔仪的数据处理器相连接，用于读取和储存拉拔仪的拉拔力数据。

优选的，该模拟试验的可靠性检验及主要试验参数的调节方法如下：

Step1：确定生长状态良好的真实的小乔木或灌木作为模拟的目标植物，将表层覆土移开，在其所有主根上都安装压力传感器，再将挖开的土壤填回、压实，待其生长一段时间，同时实时采集压力传感器传回的根系侧向膨胀力数据；

Step2：等到目标植物恢复生长后，对该植物进行全株植物的拉拔实验，记录抗拔力相关数据，主要包括最大抗拔力、拔出时长、抗拔力随时间的变化过程，实验完毕后将目标植物所在土壤和拔出的基本完整的根系带回实验室，若拔出的根系不完整，则需重新选择目标植物，重复实验；判断根系是否基本完整时，主要看其主根是否折断；

Step3：测定带回土体的密度、含水率指标，洗掉拔出根系上附着的土壤后，用测量仪器对主根的长度、直径、生长角度、表面积、摩擦系数等指标进行测定，用相机拍照记录根系形态；

Step4：将目标植物生长地的土壤带回实验场地，铺设出种植槽，或在目标植物生长地进行原位实验，保证实验土体的相关参数与Step3中测出的土体参数一致；

Step5：模拟整个根系的抗拔力，先分别模拟每条主根的单根抗拔力，然后加在一起，算出整个各系的抗拔力，再与实测的抗拔力对比，以判断其可靠性；在进行单根的抗拔力测定时，模拟生长孔的具体形态、长度、角度参数根据目标植物根系的实测值确定，以模拟生长孔的直径为主要控制性指标，用于控制仿生膨胀水泥浆膨胀完成后的直径，以保证膨胀完成后的直径与根系实测值一致；

Step6：将模拟试验测出的所有单根抗拔力加在一起，即可算出模拟的根系整体抗拔力，将模拟根系整体抗拔力与Step2中实测的目标植物根系的整体抗拔力进行对比，数值越相近说明模拟试验可靠性越高；

Step7：模拟试验通过了可靠性检验以后，即可利用该实验装置和测定方法，根据不同试验的要求，进行各类不同的根系拉拔模拟试验。

本发明的有益效果如下：

1.用真实植物进行拉拔试验，在培育和选取植物方面成本较高，特别是乔灌木，生长周期长，养护管理复杂，要获得规格统一的试验植株，难度极大。膨胀水泥浆膨胀后产生的径向膨胀力与根系生长后对土体产生的径向膨胀力从机理到表现都高度相似，本发明利用该原理来模拟根系的锚固效应，并进行抗拔力测定，材料简单易得、操作简便、成本低廉、可控性强，比使用真实植物有巨大的优势。

2. 利用真实植物进行拉拔试验时，植物生长缓慢，径向膨胀力随时间变化极小，导致试验进程缓慢，效率极低。利用本发明，可以在极短的时间内就达到植物根系几年甚至几十年才能发育成的形态，有效缩短了因植物生长缓慢造成的过于漫长的试验过程。

3.利用真实植物进行拉拔试验时，根系拔出来之后，常常出现主根断裂的情况，无法准确测得其抗拔力。本发明对根系由粗到细每个锚固段能模拟，且包含抗拉性强的根系骨架，不易断裂，可以完整地测得根系的抗拔力。

4.本发明中的拉拔头，可配合各种拉拔仪使用，比使用真实植物进行拉拔试验更加简便。

5.本发明中的弹性套筒能够保持仿生膨胀水泥浆的整体性，其外壁纹理模拟了树根的粗糙度，使其与真实的树根结构更加相近。

附图说明

图1为本发明的模拟生长孔示意图。

图2为本发明的整体结构示意图。

图3为本发明的插入注浆管注浆示意图。

图4为本发明的固定锚具及拉拔头结构示意图。

图5为本发明的紧箍环与扩张环结构示意图。

图6为本发明的控压盖平面结构示意图。

图7为本发明的控压盖立面结构示意图。

图8为本发明的弹性套筒外表面纹理示意图。

图中：模拟生长孔1，根系模拟构件2，数据采集系统3，根系骨架4，弹性套筒5，仿生膨胀水泥浆6，注浆管7，拉拔头8，水溶性隔片9，控压盖10，骨架线11，紧箍环12，扩张环13，固定锚具14，固环突15，缺口16，凹槽17，旋转卡扣18，挂钩19，自锁式尼龙扎带20，木质纤维丝21，注浆孔22，把手23，重物24，压力传感器25，数据线26，数据采集电路27，数据处理器28。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图7所示，本发明实施例提供了一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置，该装置包括模拟生长孔1、根系模拟构件2和数据采集系统3，根系模拟构件2放置于模拟生长孔1中，所述数据采集系统3包括压力传感器25、数据线26、数据采集电路27、数据处理器28，压力传感器设置在根系模拟构件2上，压力传感器25通过数据线26连接数据采集电路27；数据采集电路27连接到数据处理器28上，数据采集系统3进行根系径向膨胀力数据的实时采集和储存。

上述实施例中，参阅附图1，模拟生长孔1的结构可有多种形式：第一种是从上到下直径均匀减小的圆锥体；第二种是不同直径圆柱体的叠加，从上到下直径逐渐减小；第三种是整体为同一直径的圆柱体。不同形式的模拟生长孔1可使用不同的钻孔机钻出，在钻孔完成后可用空气压缩机清除孔内残渣。

另一种实施例中，在上述实施例的基础上，参阅附图2，所述根系模拟构件2包括弹性套筒5和放置在所述弹性套筒5内的根系骨架4，所述弹性套筒5置于模拟生长孔1内，所述弹性套筒5的外表面上构造有模拟树根表面粗糙质感的纹理和模仿须根的突起。

上述实施例中，弹性套筒5为一端开口的筒状结构，其主体部分的形态、长度和直径与模拟生长孔2一致，但上端开口处的长度比模拟生长孔2略长，用于捆扎和封口；弹性套筒5置于模拟生长孔1内，根系骨架4置于弹性套筒5内，仿生膨胀水泥浆6通过注浆管7注入弹性套筒5内。弹性套筒5用强度较高的弹性材料制成，如各类合成橡胶等；与土壤接触的表面上有模拟树根表面粗糙质感的纹理和模仿须根的小突起，其目的是使弹性套筒5外壁的摩擦系数和真实树根外表面的摩擦系数相近，使模拟实验的数据更为准确。弹性套筒5与仿生膨胀水泥浆6配合，一起完成对根系强度和硬度的模拟，同时可防止仿生膨胀水泥浆6随机渗入周围土壤间隙，破坏根系模拟构件力学性质的整体性。

在一种优选实施例中，参阅附图2和附图3，所述根系骨架4包括骨架线11、紧箍环12、扩张环13和固定锚具14，骨架线11为线形，沿根系生长方向、均匀分布于根系骨架4中，长度与模拟生长孔1基本一致，用来模拟真实植物根系中的维管组织和纤维组织，增强模拟根系的韧性，固定锚具14位于根系骨架4的顶端，下部用于连接并固定骨架线11，使其不会散开；连接骨架线11的方法可选用挂钩19连接等，捆扎弹性套筒5的开口可选用自锁式尼龙扎带20等,多根所述骨架线11连接在所述固定锚具14上，紧箍环12与扩张环13呈环状，可用金属或高分子材料制作，用来给骨架线11定形，紧箍环12的内侧与扩张环13的外侧均开设比骨架线11直径略大的缺口16，所骨架线11安置在扩张环13和紧箍环12的所述缺口15中，骨架线11由金属丝、碳纤维丝、木纤维丝或高分子纤维制作而成。

在另外的优选实施例中，所述根系模拟构件2还包括注浆管7、拉拔头8、控压盖10，所述固定锚具14中部开设凹槽17，可将弹性套筒5的开口在此扎紧并封住，固定锚具14上部通过旋转卡扣18连接拉拔头8，其用于待向弹性套筒5内浇注仿生膨胀水泥浆6并凝固后，与拉拔仪器连接进行拉拔实验，测量抗拔力；所述控压盖10卡接在固定锚具14外壁上，用于将整个模拟生长孔1在地面上密封并固定根系骨架4；所述注浆管7从扩张环13中间的孔洞插入弹性套筒5的底部，用于注入仿生膨胀水泥浆6。

上述实施例中，仿生膨胀水泥浆6为在水泥浆中加入膨胀剂和木质纤维丝21制成；通过改变膨胀剂的含量，调整水泥浆和膨胀剂的比例，使得水泥浆凝固后的体积产生不同程度的膨胀，以模拟植物根系生长后的增粗效果；加入木质纤维丝21可使仿生膨胀水泥浆6成型后的结构与含有木质纤维的植物根系结构相似，使最后经过膨胀过程成型的水泥的模量与真实树根的模量相近。

上述实施例中，注浆管7从扩张环13中间的孔洞插入弹性套筒5的底部，用于注入仿生膨胀水泥浆6，注浆管7有多种不同的使用方法：一种是将仿生膨胀水泥浆6直接从注浆管7注入，浸满整个弹性套筒5后不取出，保留在根系骨架4内部，注浆管7侧壁可开若干注浆孔22，以加快注入的速度和均匀度；第二种是一边注入仿生膨胀水泥浆6一边抽出注浆管7，注浆管7不保留在根系骨架4内部，注浆管7侧壁不需要开孔。注浆管7可采用PVC管、金属管、各类塑料管等材质。

本实施例提供快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的测定方法，它包括如下步骤：

Step1：在试验区域铺设所需土层，或对所需的实地的土层进行平整。然后用钻孔机在土体内钻出模拟生长孔1，模拟生长孔1的结构有多种形式：第一种是从上到下直径均匀减小的圆锥体；第二种是不同直径圆柱体的叠加，从上到下直径逐渐减小；第三种是整体为同一直径的圆柱体。模拟生长孔1的具体形态、长度、直径、角度等参数根据试验需要确定。在钻孔完成后可用空气压缩机清除孔内残渣。

Step2：制作弹性套筒5。弹性套筒1为一端开口的筒状结构，其主体部分的形态、长度和直径与上述模拟生长孔1一致，但上端开口处的长度比模拟生长孔1略长，用于捆扎和封口；弹性套筒5与土壤接触的表面上有模拟树根表面粗糙质感的纹理和模仿须根的小突起，其纹理和突起的数量和形态由试验所需的摩擦系数确定。弹性套筒5可采用将合成橡胶灌注进模具的方法塑造成型，模具可采用常见的黏土模具或陶瓷模具等。弹性套筒5制作完成后，在其内侧或外侧需要采集数据的位置上贴上压力传感器25，将压力传感器25通过数据线26连接到数据采集电路27上，然后将弹性套筒5、压力传感器25放入模拟生长孔1中，数据采集电路27则置于模拟生长孔1外。

Step3：制作根系骨架4。根系骨架4包括骨架线11、紧箍环12、扩张环13和固定锚具14。骨架线11为线形，可采用金属丝、碳纤维丝、木纤维丝、高分子纤维等有一定韧性和强度的材料制作，骨架线11上每间隔一段距离设置一个固环突15；骨架线11的长度与模拟生长孔1一致，粗度和根数根据试验需要确定。紧箍环12与扩张环13呈环状，可用金属或高分子材料制作，用来给骨架线定形；紧箍环12与扩张环13的直径大小决定了整个根系骨架4的直径；而根系骨架4的直径在小于模拟生长孔1的直径的前提下可根据试验需要确定。安装时，紧箍环12与扩张环13间隔一定距离，交替排列，骨架线11安置在扩张环13的外侧和紧箍环12的内侧的缺口16中， 固环突15位于紧箍环12与扩张环13的缺口16的下方，固环突15的直径大于缺口16的直径，保证紧箍环12与扩张环13不会下滑。在这一步骤中，固定锚具14暂时不安装。

Step4：将上一步中制作好的根系骨架4的主体部分放入弹性套筒5中。然后配制仿生膨胀水泥浆6：首先在水泥中加入膨胀剂和木质纤维丝21，并搅拌均匀，然后加水搅拌形成水泥浆，其中膨胀剂和木质纤维丝21的含量根据试验需要确定，膨胀剂含量一般不超过30%。

Step5：准备好注浆管7，注浆管7可采用PVC管、金属管、各类塑料管等材质。先将注浆管7从扩张环13中间的孔洞插入弹性套筒5的底部，然后用注浆管7将配制好的仿生膨胀水泥浆6注入弹性套筒5中。具体操作时，注浆管7有多种不同的使用方法：一种是将仿生膨胀水泥浆6直接从注浆管7注入，浸满整个弹性套筒5后不取出，保留在根系骨架4内部，注浆管7侧壁可开注浆孔22，以加快注入速度和均匀度；第二种是一边注入仿生膨胀水泥浆6一边抽出注浆管7，注浆管7不保留在根系骨架4内部，注浆管7侧壁不需要开孔。当注入的仿生膨胀水泥浆6的成分配比发生变化时，可在一段水泥浆灌注完成以后放上水溶性隔片9，再灌注下一段水泥浆，防止其混合在一起，影响实验结果；待水泥浆凝固后，水溶性隔片9已经分解，不会影响根系模拟构件2的整体性。

Step6：仿生膨胀水泥浆6注满后，将固定锚具14放到根系骨架4的顶端，将骨架线11连接到固定锚具14下部，可采用挂钩19法、打结法等方法连接。然后，将弹性套筒5的顶端收拢并扎到固定锚具14中部的凹槽17内，可选用自锁式尼龙扎带20进行固定。最后再将控压盖10穿过固定锚具14，盖在固定锚具14外侧的模拟生长孔1上，将模拟生长孔1密封住。控压盖10的把手23上可放置重物24，重物24的重量根据试验需要调节。

Step7：将数据采集电路27连接到数据处理器28上，即可完成根系径向膨胀力数据的实时采集和储存。

Step8：待仿生膨胀水泥浆6膨胀完成、性质稳定后，将拉拔头8通过旋转卡扣18连接到固定锚具14的上部，然后将拉拔仪连接到拉拔头8上，即可进行模拟根系的拉拔试验，测量出抗拔力。拉拔仪器的数据处理部分也可与数据处理器28相连接，实时读取和储存拉拔力的相关数据。

优选的实施例中，数据处理器28与拉拔仪的数据处理器相连接，用于读取和储存拉拔仪的拉拔力数据。

优选的实施例中，该模拟试验的可靠性检验及主要试验参数的调节方法如下：

Step1：确定一株生长状态良好的真实的小乔木或灌木作为模拟的目标植物，将表层覆土移开，在其所有主根上都安装压力传感器25，再将挖开的土壤填回、压实，待其生长一段时间，同时实时采集压力传感器25传回的根系侧向膨胀力数据。

Step2：等到目标植物恢复生长后，对该植物进行全株植物的拉拔实验，记录抗拔力相关数据，主要包括最大抗拔力、拔出时长、抗拔力随时间的变化过程等。实验完毕后将目标植物所在土壤和拔出的基本完整的根系带回实验室，若拔出的根系不完整，则需重新选择目标植物，重复实验，判断根系是否基本完整，主要看其主根是否折断。

Step3：测定带回土体的密度、含水率等指标。洗掉拔出根系上附着的土壤后，用测量仪器对几条主根的长度、直径、生长角度、表面积、摩擦系数等指标进行测定，用相机拍照记录根系形态。

Step4：将目标植物生长地的土壤带回实验场地，铺设出种植槽，或在目标植物生长地进行原位实验，保证实验土体的相关参数与Step3中测出的土体参数一致。

Step5：要模拟整个根系的抗拔力，思路是，先分别模拟每条主根的单根抗拔力，然后加在一起，算出整个各系的抗拔力，再与实测的抗拔力对比，以判断其可靠性。按照上述快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置及测定方法中的实施步骤，即可进行单根的抗拔力测定。在进行单根的抗拔力测定时，模拟生长孔1的具体形态、长度、角度等参数都根据目标植物根系的实测值确定，而模拟生长孔1的直径为主要控制性指标，用于控制仿生膨胀水泥浆6膨胀完成后的直径，以保证膨胀完成后的直径与根系实测值一致。模拟生长孔1的不同结构适用于不同的试验要求，此处宜采用第一种或第二种结构。

弹性套筒5表面的粗糙程度根据实测根系摩擦系数确定。仿生膨胀水泥浆6中膨胀剂含量的大小根据实测的目标植物根系的膨胀力进行调整。

总之，通过调整以下四个重要控制性参数：模拟生长孔1的打孔直径、仿生膨胀水泥浆6中膨胀剂含量、试验土壤的模量以及弹性套筒5表面的粗糙程度，可以实现对真实植物根系的直径、径向膨胀力、土壤模量和表面摩擦系数的模拟，而这些因素就是影响根系抗拔力的主要因素，从而可以实现对抗拔力的模拟。

Step6：将模拟试验测出的所有单根抗拔力加在一起，即可算出模拟的根系整体抗拔力。将模拟根系整体抗拔力与Step2中实测的目标植物根系的整体抗拔力进行对比，数值越相近说明模拟试验可靠性越高。若数值偏差较大，则需要重新调整上述四个重要控制性参数，直到数值满足要求为止。

上述Step1-Step6步骤可重复多次，确保更科学地验证其可靠性。

Step7：模拟试验通过了可靠性检验以后，即可利用该实验装置和测定方法，根据不同试验的要求，重新设置各项参数，进行各类不同的根系拉拔模拟试验，有助于发现根系固土的原理和规律。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置，其特征在于：该装置包括模拟生长孔（1）、根系模拟构件（2）和数据采集系统（3），根系模拟构件（2）放置于模拟生长孔（1）中，所述数据采集系统（3）包括压力传感器（25）、数据线（26）、数据采集电路（27）、数据处理器（28），压力传感器设置在根系模拟构件（2）上，压力传感器（25）通过数据线（26）连接数据采集电路（27）；数据采集电路（27）连接到数据处理器（28）上，数据采集系统（3）进行根系径向膨胀力数据的实时采集和储存；

所述根系模拟构件（2）包括弹性套筒（5）和放置在所述弹性套筒（5）内的根系骨架（4），所述弹性套筒（5）置于模拟生长孔（1）内，所述弹性套筒（5）的外表面上构造有模拟树根表面粗糙质感的纹理和模仿须根的突起；

所述根系骨架（4）包括骨架线（11）、紧箍环（12）、扩张环（13）和固定锚具（14），固定锚具（14）位于根系骨架（4）的顶端,多根所述骨架线（11）连接在所述固定锚具（14）上，所述紧箍环（12）的内侧与扩张环（13）的外侧均开设比骨架线（11）直径略大的缺口（16），所述骨架线（11）安置在扩张环（13）和紧箍环（12）的所述缺口（16）中，所述骨架线（11）由金属丝、碳纤维丝、木纤维丝或高分子纤维制作而成；

所述根系骨架（4）还包括连接在骨架线（11）上的固环突（15），所述固环突（15）位于所述紧箍环（12）和扩张环（13）的缺口（16）下方；所述固环突（15）的直径大于缺口（16）的直径，用于阻碍紧箍环（12）或扩张环（13）下滑；

所述根系模拟构件（2）还包括注浆管（7）、拉拔头（8）、控压盖（10），所述固定锚具（14）中部开设凹槽（17），固定锚具（14）上部通过旋转卡扣（18）连接拉拔头（8），其用于待向弹性套筒（5）内浇注仿生膨胀水泥浆（6）并凝固后，与拉拔仪器连接进行拉拔实验，测量抗拔力；所述控压盖（10）卡接在固定锚具（14）外壁上，用于将整个模拟生长孔（1）在地面上密封并固定根系骨架（4）；所述注浆管（7）从扩张环（13）中间的孔洞插入弹性套筒（5）的底部，用于注入仿生膨胀水泥浆（6）。

2.快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的测定方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的一种快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的装置，它包括如下步骤：

Step1：在试验区域铺设所需土层，或对所需的实地的土层进行平整，然后用钻孔机在土体内钻出模拟生长孔（1），模拟生长孔（1）的结构可有多种形式：第一种是从上到下直径均匀减小的圆锥体；第二种是不同直径圆柱体的叠加，从上到下直径逐渐减小；第三种是整体为同一直径的圆柱体，在钻孔完成后可用空气压缩机清除孔内残渣；

Step2：制作弹性套筒（5），弹性套筒（5）制作完成后，在其内侧或外侧需要采集数据的位置上贴上压力传感器（25），将压力传感器（25）通过数据线（26）连接到数据采集电路（27）上，然后将弹性套筒（5）、压力传感器（25）放入模拟生长孔（1）中，数据采集电路（27）则置于模拟生长孔（1）外；

Step3：制作根系骨架（4），安装时，紧箍环（12）与扩张环（13）间隔一定距离，交替排列，根系骨架（4）制作完成后放入弹性套筒（5）内；

Step4：配制仿生膨胀水泥浆（6）：首先在水泥中加入膨胀剂和木质纤维丝（21），并搅拌均匀，然后加水搅拌形成水泥浆，其中膨胀剂含量不超过30%；

Step5：将注浆管（7）从扩张环（13）中间的孔洞插入弹性套筒（5）的底部，然后用注浆管（7）将配制好的仿生膨胀水泥浆（6）注入弹性套筒（5）中，当在不同高度注入的仿生膨胀水泥浆（6）的成分配比发生变化时，在一段水泥浆灌注完成以后放上水溶性隔片（9），再灌注下一段仿生膨胀水泥浆，防止不同成分配比的仿生膨胀水泥浆混合在一起，影响实验结果；

Step6：仿生膨胀水泥浆（6）浇注满后，将固定锚具（14）放到根系骨架（4）的顶端，将骨架线（11）连接到固定锚具（14）下部，然后将弹性套筒（5）的顶端收拢并捆扎到固定锚具（14）中部的凹槽（17）内，最后再将控压盖（10）穿过固定锚具（14），盖在固定锚具（14）外侧的模拟生长孔（1）上，将模拟生长孔（1）密封住；

Step7：将数据采集电路（27）连接到数据处理器（28）上，即可完成根系径向膨胀力数据的实时采集和储存；

Step8：待仿生膨胀水泥浆（6）膨胀完成、性质稳定后，将拉拔头（8）通过旋转卡扣（18）连接到固定锚具（14）的上部，然后将拉拔仪连接到拉拔头（8）上，即可进行模拟根系的拉拔试验，测量出抗拔力。

3.根据权利要求2所述的快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的测定方法，其特征在于，数据处理器（28）与拉拔仪的数据处理器相连接，用于读取和储存拉拔仪的拉拔力数据。

4.根据权利要求2所述的快速模拟乔灌木根系生长并测定其抗拔力的测定方法，其特征在于，模拟试验的可靠性检验及主要试验参数的调节方法如下：

S1：确定生长状态良好的真实的小乔木或灌木作为模拟的目标植物，将表层覆土移开，在其所有主根上都安装压力传感器（25），再将挖开的土壤填回、压实，待其生长一段时间，同时实时采集压力传感器（25）传回的根系侧向膨胀力数据；

S2：等到目标植物恢复生长后，对该植物进行全株植物的拉拔实验，记录抗拔力相关数据，主要包括最大抗拔力、拔出时长、抗拔力随时间的变化过程，实验完毕后将目标植物所在土壤和拔出的基本完整的根系带回实验室，若拔出的根系不完整，则需重新选择目标植物，重复实验；判断根系是否基本完整时，主要看其主根是否折断；

S3：测定带回土体的密度、含水率指标，洗掉拔出根系上附着的土壤后，用测量仪器对主根的长度、直径、生长角度、表面积、摩擦系数等指标进行测定，用相机拍照记录根系形态；

S4：将目标植物生长地的土壤带回实验场地，铺设出种植槽，或在目标植物生长地进行原位实验，保证实验土体的相关参数与Step3中测出的土体参数一致；

S5：模拟整个根系的抗拔力，先分别模拟每条主根的单根抗拔力，然后加在一起，算出整个各系的抗拔力，再与实测的抗拔力对比，以判断其可靠性；在进行单根的抗拔力测定时，模拟生长孔（1）的具体形态、长度、角度参数根据目标植物根系的实测值确定，以模拟生长孔（1）的直径为主要控制性指标，用于控制仿生膨胀水泥浆（6）膨胀完成后的直径，以保证膨胀完成后的直径与根系实测值一致；

S6：将模拟试验测出的所有单根抗拔力加在一起，即可算出模拟的根系整体抗拔力，将模拟根系整体抗拔力与S2中实测的目标植物根系的整体抗拔力进行对比，数值越相近说明模拟试验可靠性越高；

S7：模拟试验通过了可靠性检验以后，即可利用实验装置和测定方法，根据不同试验的要求，进行各类不同的根系拉拔模拟试验。