根土拉拔试验盒及方法

本发明属于生态护坡，具体涉及一种根土拉拔试验盒及方法。

背景技术：

1、植物在固土护坡方面具有巨大的工程意义，而根系与土体接触面之间的摩擦特性直接关系到其固土护坡效应，因此，开展根土拉拔和剪切实验是研究根土作用机理的重要方法。当前传统拉拔装置往往需要固定根系，而根系生长具有随机性，因此存在无法选取根系拉拔或根系拉拔位置与根系之间存在角度偏差等问题。当根系和拉拔力之间存在角度时，如图1所示，则土体内部根系微元受力分析如下：

2、

3、式中：dt为微元上根系拉应力；τ为土体根系握裹力(kpa)；r为根系半径；dy为微元长度。

4、在土体中根系拉应力为：

5、

6、式中：l为根系在土中的长度；

7、此时倾斜拉拔传导拉应力t”为：

8、

9、式中为根系拉拔时与出土角度夹角。

10、由上述分析可知，非正对位置拉拔将对拉拔结果产生影响，而在密闭容器中往往无法获取夹角因此改变拉拔位置将改善倾斜拉拔对试验造成的不利影响。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种任意倾斜角度的植物根系均可进行垂直拉拔的根土拉拔试验盒及方法。

2、本发明采用如下方案实现：

3、根土拉拔试样盒，包括由底板、背板、顶板、拉拔面板和两个侧板构成的试样盒本体，设置在试样盒本体上的定位组件，以及控制器。

4、所述拉拔面板包括面板框架和设置在面板框架中的多个面板单元；所述背板内侧壁上设置有竖向位移传感器，侧板的内侧壁上设置有横向位移传感器，顶板内侧设置有压力传感器。所述定位组件包括横向驱动组件、竖向驱动组件和定位滑块；横向驱动组件和竖向驱动组件用于驱动定位滑块分别在横向和竖向移动，定位滑块上开设有孔洞，通过法兰盘在定位滑块安装有万向球头，球头上沿其轴线开设有通孔，孔洞和通孔连通用于根系穿出。法兰连接，便于根据根系粗细更换不同孔径的万向球头，拆装方便。

5、所述竖向位移传感器、横向位移传感器、压力传感器，以及横向驱动组件、竖向驱动组件中的电机均与控制器电连接。在试验过程中，竖向位移传感器、横向位移传感器和压力传感器实时将采集的数据发送给控制器，控制器根据竖向位移传感器采集的数据下达指令，控制横向驱动组件和定位滑块沿竖向进行微调，确保拔过程中根系实时垂直拉拔。通过设置万向球头，在拉拔过程中万向球头随根系的弯曲走向而发生偏转，确保拉拔实验顺利进行。从根本上解决了现有技术中根系和拉拔力之间存在角度时，非正对位置拉拔对拉拔结果产生的不利影响。

6、进一步优化，所述底板和两个侧板固定连接，两个侧板相对侧面上均开设有两个第一凹槽，每一侧的两个第一凹槽沿侧板的前后方向布置，每个第一凹槽均沿竖向开设；背板的两侧边缘插设于后方对应的一组第一凹槽中，面板框架两侧边缘插设于前方对应的一组第一凹槽中。

7、通过在两个侧板上开设第一凹槽，便于装配、更换背板和拉拔面板，特别是拉拔面板，每次根据试样中根系的位置，需要重新组装拉拔面板中的面板单元，因此需要频繁装配。凹槽设计非常方便，每次只需要抽出拉拔面板重新组装后再插入第一凹槽中即可，且结构稳定性好。

8、进一步优化，所述竖向定位组件包括第一电机、第一丝杠、第一滑块、第二滑块和第一导向杆，所述第一电机和第一丝杠安装在其中一个侧板上，第一导向杆固定安装在另一个侧板上；第一丝杠和第一导向杆均竖向设置，且平行设置；第一电机输出轴和第一丝杠的一端固连，第一丝杠的另一端和对应侧板通过轴承转动连接，第一滑块套设在第一丝杠上，且与第一丝杠螺纹连接，第二滑块活动式套设在第一导向杆上。

9、所述横向驱动组件包括第二电机、第二丝杠、定位滑块和第二导向杆，第二电机固定设置在第一滑块上，第二丝杠的一端与第二电机输出轴固连，另一端和第二滑块通过轴承转动连接，第二导向杆的两端分别与第一滑块和第二滑块固连，第二丝杠和第二导向杆均水平设置。

10、所述定位滑块上开设有螺纹孔的光孔，定位滑块通过螺纹孔螺纹连接套设在第二丝杠上，同时定位滑块适配的通过光孔套设在第二导向杆上。

11、通过设置第一丝杠、第二丝杠，保证滑块能够平稳运行，且设置第一导向杆和第二导向杆，进一步提高结构稳定性。

12、进一步优化，所述背板的内侧壁上沿竖向开设有第二凹槽，竖向位移传感器安装在第二凹槽中，竖向位移传感器与背板内侧壁齐平，防止竖向位移传感器突出背板内侧壁对下压的试样形成阻碍，而影响试验结果。

13、进一步优化，所述面板单元为正方形板，每个面板单元相邻的两条楞边分别设置有凸起和卡槽，相邻的面板单元通过凸起插入对应卡槽中而适配拼接，所有面板单元整体形成矩阵面板；面板框架的内侧壁上也设置有与之对应的凸起和卡槽，矩阵面板通过其边缘的凸起和卡槽与面板框架适配连接。

14、通过将拉拔设计为包括面板框架和设置在面板框架中的多个面板单元，则能够根据具体试样中根系的位置，取出对应的面板单元，适应性强，能够满足倾斜角度根系的拉拔要求。通过在每个面板单元相邻的两条楞边分别设置凸起和卡槽，确保相邻面板单元能够通过凸起、卡槽适配拼接，方便快速装配，且连接牢靠；不用给每个面板单元编号，任意组合均能够完成装配，通用性强。

15、进一步优化，相邻四个面板单元拼接处开设有一个螺纹孔，螺纹孔中安装有螺钉，即面板单元的每一个角上有四分之一个螺纹孔。通过开设螺纹孔，安装螺钉，进一步提高相邻面板单元之间的连接强度，确保整体结构稳定性。

16、进一步优化，两个侧板的前端均突出于拉拔面板的外表面，突出部分记为限位部；限位部上沿竖向开设有腰形孔，第二丝杠和第二导向杆均插设在腰形孔中；所述第一电机驱动横向驱动组件沿腰形孔上、下移动。

17、通过开设腰形孔，起到一定的限位作为，防止第定位滑块脱离第二丝杠。

18、进一步优化，所述定位滑块的面积略大于面板单元的面积，定位滑块的内侧壁上设置有弹性组件；与定位滑块重合的面板单元被取掉后，在恢复力作用下，弹性组件伸长后与放入试样盒本体中的试样表面抵接。

19、通过设置弹性组件，取掉面板单元后弹性组件与试样表面抵接，防止给顶板施加法向应力后，试样的土体从取掉面板单元所形成的方孔中涌出而影响试验结果。

20、进一步优化，还包括辅助顶板，辅助顶板位于顶板下方，且辅助顶板和顶板之间设置有缓冲层，用于减小瞬时冲击力对试样的影响。

21、基于上述根土拉拔试样盒的试验方法，包括如下步骤：

22、步骤s1：观察待拉拔土体试样的植物根系位置，然后取掉矩阵面板中根系前端对应的一个面板单元，将其他面板单元拼接组装后再通过螺钉紧固，然后将其与面板框架装配形成拉拔面板；再将拉拔面板插设于侧板的前方一组第一凹槽中；

23、步骤s2：将含有植物根系的土体试样放入试样盒本体的腔体中，根系较粗的一端朝向拉拔面板；然后通过控制器控制第一电机、第二电机驱动定位滑块分别沿竖向和横向移动，使定位滑块移动到根系所需拉拔位置，再将根系的前端从球头的通孔中穿出后与牵引机构连接；此时，定位滑块上的弹性组件在恢复力作用下伸长，并从取掉的面板单元所形成的方孔伸入后与试样表面抵接；

24、步骤s3：依次安装上辅助顶板和顶板；然后通过控制器控制牵引机构对根系进行拉拔试验，同时，给顶板施加法向应力；

25、步骤s4：在试验过程中，竖向位移传感器、横向位移传感器和压力传感器实时将采集的数据发送给控制器，控制器根据竖向位移传感器采集的数据下达指令，确保拔过程中根系实时垂直拉拔，具体为：每个△t隔时间段，设定竖向位移传感器检测到顶板向下移动的距离为a，此时根系竖向位置变动为0.5a，则通过控制器控制第一电机传带动横向驱动组件和定位滑块向下移动0.5a。因为根系从前端到末梢，由粗逐渐变细，随着拉拔进行，根系周围留下空隙；又因为给顶板施加法向应力，因此根系上方的土体、辅助顶板和顶板会一起向下移动一定距离，使土体填满空隙。在这个过程中，根系也在竖向向下移动一定距离，使根系的下表面与空隙的下侧内壁再次接触，此时根系与拉板方向存在夹角，为了消除该夹角，则控制器控制第一电机传带动横向驱动组件和定位滑块向下移动相应距离，确保拔过程中根系实时垂直拉拔。为了确保实验精准度，△t取的小一些，如0.5s等。

26、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

27、1、本发明通过设置控制器、竖向位移传感器、横向位移传感器和压力传感器，实现对拉拔过程中的实时监测和调整。传感器采集的数据通过实时传送到控制器，便于实时分析和控制。再通过控制器发出指令，对电机控制，实现对定位滑块的位置进行调整，进而实现动态拉拔过程，确保拔过程中根系实时垂直拉拔。

28、2、本发明所述拉拔面板采用高强度可拆卸结构，面板单元大小可根据实际试验需求进行调整。通过在相邻四个面板单元拼接处开设螺纹孔，螺纹锁紧，确保试验中四个面板不发生位移，保障土体位移约束的精确性。

29、2、通过设置第一丝杠、第二丝杠、第一导向杆和第二导向杆构成的横向驱动组件、竖向驱动组件，保证滑块能够平稳运行。法兰连接，便于根据根系粗细更换不同孔径的万向球头，拆装方便。