一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法
【專利摘要】一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，包括剛性平臺(tái)，剛性平臺(tái)上固定設(shè)有第一培育箱體，剛性平臺(tái)上設(shè)有帶有滾軸的第二培育箱體，位于第二培育箱體下部的剛性平臺(tái)上設(shè)有標(biāo)尺。所述第一培育箱體中設(shè)有帶有根系的植物，植物根系伸出第一培育箱體部分套有特制環(huán)并安裝有壓力傳感器，植物根系植入第二培育箱體中。剛性平臺(tái)上通過(guò)支架安裝有攝像機(jī)。本發(fā)明一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，可以長(zhǎng)期監(jiān)視可視化下測(cè)試根系生長(zhǎng)作用力對(duì)根系四周的影響；有利于預(yù)防工程邊坡設(shè)計(jì)中，邊坡上植物根系對(duì)其巖體的破壞作用。
【專利說(shuō)明】
一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，涉及植物破巖領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 根的生長(zhǎng)是分生區(qū)與伸長(zhǎng)區(qū)共同作用的結(jié)果，而根的縱向生長(zhǎng)則主要是伸長(zhǎng)區(qū)的 延伸，推動(dòng)根尖在土壤中的生長(zhǎng)。同時(shí)伸長(zhǎng)區(qū)的細(xì)胞也開(kāi)始分化。伸長(zhǎng)區(qū)細(xì)胞的特點(diǎn)是已經(jīng) 停止了分裂，但細(xì)胞的生長(zhǎng)并未有停止，細(xì)胞液泡化程度加強(qiáng)，細(xì)胞顯著伸長(zhǎng)(增加到幾倍 到幾十倍）；細(xì)胞體積也在不斷擴(kuò)大，結(jié)果導(dǎo)致這部分根區(qū)域的迅速伸長(zhǎng)和增粗。
[0003] 巖石的斷裂破壞其本質(zhì)歸根于微裂縫的拉張破壞。巖石常處于壓應(yīng)力狀態(tài)，從表 面上看不到像純剪那樣有拉應(yīng)力。巖石是脆性材料(高溫、高圍壓除外），因?yàn)榱鲃?dòng)是晶格之 間發(fā)生滑移，粒子之間的距離并沒(méi)有增大，流動(dòng)不會(huì)發(fā)生斷裂。因此從宏觀強(qiáng)度理論來(lái)說(shuō)， 巖石的斷裂破壞不可能全是剪應(yīng)力引起的。當(dāng)植物根系生長(zhǎng)深入到巖石微裂縫中，隨著植 物根系伸長(zhǎng)區(qū)的生長(zhǎng)與伸長(zhǎng)，橫向和縱向的作用力會(huì)長(zhǎng)期的作用在巖體裂縫內(nèi)部，隨時(shí)間 的發(fā)展，根系不需要很大作用力下也能最終會(huì)擠壓破壞掉巖體。
[0004] 由以上敘述可以看出，針對(duì)植物根系的研究，在巖土建筑邊坡各個(gè)領(lǐng)域都做了很 多研究，都是在根系防護(hù)邊坡和研究根系與土質(zhì)間相互物理作用方面。但是在根系參數(shù)方 面，如不同植物根系的力學(xué)強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系、根系生長(zhǎng)作用力對(duì)巖石體的長(zhǎng)期破壞作用， 很少有學(xué)者在此做出相應(yīng)的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，可以長(zhǎng)期監(jiān)視可視化 下測(cè)試根系生長(zhǎng)作用力對(duì)根系四周的影響;有利于預(yù)防工程邊坡設(shè)計(jì)中，邊坡上植物根系 對(duì)其巖體的破壞作用。
[0006] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0007] -種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，包括一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控裝置，該 裝置包括剛性平臺(tái)，剛性平臺(tái)上固定設(shè)有第一培育箱體，剛性平臺(tái)上設(shè)有帶有滾軸的第二 培育箱體，位于第二培育箱體下部的剛性平臺(tái)上設(shè)有標(biāo)尺。所述第一培育箱體中設(shè)有帶有 根系的植物，植物根系伸出第一培育箱體部分套有特制環(huán)并安裝有壓力傳感器，植物根系 植入第二培育箱體中。剛性平臺(tái)上通過(guò)支架安裝有攝像機(jī)。
[0008] 所述第一培育箱體、第二培育箱體為玻璃或者塑膠制作而成的透明箱體。
[0009] 所述特制環(huán)通過(guò)PC聚碳酸酯制作而成，包括四個(gè)1/4圓環(huán)，每一個(gè)1/4圓環(huán)包括一 個(gè)與壓力傳感器接觸的面，四個(gè)1/4圓環(huán)包括四個(gè)與壓力傳感器接觸的四個(gè)面:第一接觸面 A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D，所述四個(gè)1/4圓環(huán)之間通過(guò)彈簧連接。
[0010] 或者:所述特制環(huán)通過(guò)PC聚碳酸酯制作而成，包括四個(gè)1/4圓環(huán)，每一個(gè)1/4圓環(huán)包 括一個(gè)與壓力傳感器接觸的面，四個(gè)1/4圓環(huán)包括四個(gè)與壓力傳感器接觸的四個(gè)面:第一接 觸面A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D，所述四個(gè)1/4圓環(huán)之間通過(guò)剛型桿件連 接。
[0011] 所述第一接觸面A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D為平整面。
[0012] 一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，包括以下步驟：
[0013] 1)、固定安裝剛性平臺(tái)，剛性支架連接在剛性平臺(tái)上。
[0014] 2)、取帶有根系的植物一株，培育在第一培育箱體中，并取其相對(duì)比較發(fā)達(dá)的植物 根系伸出第一培育箱體，在植物根系套上特制環(huán)，然后把植物根系植入第二培育箱體，第二 培育箱體帶有滾軸，第二培育箱體能在剛性平臺(tái)上自由滾動(dòng)；
[0015] 3)、固定植物根系與第二培育箱體，在根部生長(zhǎng)方向、第二培育箱體下側(cè)安裝固定 在剛性平臺(tái)上的標(biāo)尺，保證第二培育箱體邊緣與標(biāo)尺零刻度對(duì)齊；
[0016] 4)、在剛性支架上面安裝攝像頭，觀察測(cè)定一定時(shí)段內(nèi)，根系生長(zhǎng)過(guò)程中根系膨脹 的位移，然后換算為壓力感應(yīng)器的壓力變化情況，并實(shí)時(shí)記錄下時(shí)間與壓力的變化。通過(guò)上 述步驟完成根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控。
[0017] 一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，約束根系的巖土體作用可用力約束的形式存 在，也可用位移約束的形式存在，模擬實(shí)際工程中，巖土體不易發(fā)生明顯位移的情況;位移 約束時(shí)，彈簧可換為剛性桿件，限制根系在該方向上的位移膨脹，此時(shí)特制環(huán)的內(nèi)側(cè)安裝扁 平測(cè)壓計(jì)，記錄膨脹力隨時(shí)間的變化關(guān)系。
[0018] 本發(fā)明一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，技術(shù)效果如下：
[0019] 1)、可模擬得出根系生長(zhǎng)過(guò)程中，根系在不同土壓力條件下，徑向膨脹位移隨時(shí)間 的變形規(guī)律，并可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為徑向膨脹力隨時(shí)間的變形規(guī)律，為根系膨脹對(duì)巖土體的破 壞作用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0020] 2)、PC聚碳酸酯制作的特制環(huán)，為擁有四個(gè)壓力感應(yīng)器接觸面，并且在擁有接觸面 的4個(gè)半圓環(huán)部件之間是用輕質(zhì)彈簧鏈接，接觸面部分為平整面，使得壓力感應(yīng)器能作用其 上而減小誤差。
[0021] 3)、設(shè)有滾軸的第二培育箱體，可以在剛性平臺(tái)上自由活動(dòng)，第二培育箱體下側(cè)有 標(biāo)尺，可以記錄并反映活動(dòng)方向，并且在整個(gè)裝置安裝后，可以根據(jù)根部向四周擴(kuò)散的位移 來(lái)表征根部向前生長(zhǎng)的作用力。
[0022] 4)、所述培育箱和特制環(huán)均是制作為透明可視的裝置，剛性支架的上部用攝像機(jī) 進(jìn)行長(zhǎng)期的觀察，確?？梢曈涗浿参镌谏L(zhǎng)全過(guò)程中各個(gè)時(shí)期的根系膨大過(guò)程、生長(zhǎng)對(duì)特 制環(huán)膨脹位移的實(shí)時(shí)記錄，結(jié)合受力分析，膨脹位移隨時(shí)間的變化關(guān)系可換算為壓力作用 力隨時(shí)間的變化關(guān)系，在最大限度模擬自然條件的情況下滿足了可視化的要求和量測(cè)的實(shí) 效性。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明裝置的特制環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明裝置的特制環(huán)在根部的示意圖。
【具體實(shí)施方式】 [0026] 實(shí)施例1:
[0027] 如圖1~圖3所示，一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，包括剛性平臺(tái)3,剛性平臺(tái)3 上固定設(shè)有第一培育箱體1，剛性平臺(tái)3上設(shè)有安裝有兩個(gè)滾軸4的第二培育箱體2,位于第 二培育箱體2下部的剛性平臺(tái)3上設(shè)有標(biāo)尺10。所述第一培育箱體1中設(shè)有帶有根系的植物， 植物根系7伸出第一培育箱體1部分套有特制環(huán)5并安裝有壓力傳感器8,可以伸出三根或者 多根，植物根系7以根系比較發(fā)達(dá)的喬木為主。植物根系7植入第二培育箱體2中。剛性平臺(tái)3 上通過(guò)支架6安裝有攝像機(jī)9。
[0028] 所述第一培育箱體1、第二培育箱體2為玻璃或者塑膠制作而成的透明箱體。
[0029] 所述特制環(huán)5通過(guò)PC聚碳酸酯制作而成，包括四個(gè)1/4圓環(huán)，每一個(gè)1/4圓環(huán)包括一 個(gè)與壓力傳感器8接觸的面，四個(gè)1/4圓環(huán)包括四個(gè)與壓力傳感器8接觸的四個(gè)面:第一接觸 面A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D，所述四個(gè)1/4圓環(huán)之間通過(guò)彈簧11連接。所 述第一接觸面A、第二接觸面B、第三接觸面C、第四接觸面D為平整面。一種根系破巖機(jī)理可 視化監(jiān)控方法，包括以下步驟：
[0030] 1 )、固定安裝剛性平臺(tái)1，剛性支架6連接在剛性平臺(tái)1上。
[0031] 2)、取帶有根系的植物一株，培育在第一培育箱體1中，并取其相對(duì)比較發(fā)達(dá)的植 物根系7伸出第一培育箱體1，在植物根系7套上特制環(huán)5,然后把植物根系7植入第二培育 箱體2,第二培育箱體2帶有滾軸4,第二培育箱體2能在剛性平臺(tái)1上自由滾動(dòng)。
[0032] 3)、固定植物根系7與第二培育箱體2,在根部生長(zhǎng)方向、第二培育箱體2下側(cè)安裝 固定在剛性平臺(tái)1上的標(biāo)尺10,保證第二培育箱體2邊緣與標(biāo)尺10的零刻度對(duì)齊。
[0033] 4)、在剛性支架6上面安裝攝像頭9,觀察測(cè)定一定時(shí)段內(nèi)，根系生長(zhǎng)過(guò)程中根系膨 脹的位移，然后換算為壓力感應(yīng)器8的壓力變化情況，并實(shí)時(shí)記錄下時(shí)間與壓力的變化。具 體壓力與時(shí)間的計(jì)算見(jiàn)公式(8)。
[0034] 通過(guò)上述步驟完成根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控和。
[0035] 特制環(huán)5的大小也與所選植物根系大小相對(duì)應(yīng)，根據(jù)需要研究的根系進(jìn)行制作特 制環(huán)5的大小;彈簧11的彈性系數(shù)與第一培育箱體1、第二培育箱體2內(nèi)土壤重度(F = X · h) 進(jìn)行對(duì)應(yīng)。根據(jù)根系生長(zhǎng)產(chǎn)生的膨脹力，與根系處本身土壤重力作用，其合力對(duì)巖土體的破 壞作用。
[0036] 特制環(huán)5的彈簧的彈性系數(shù)K，來(lái)模擬根系在不同生長(zhǎng)介質(zhì)中的土壓力作用。介質(zhì) 環(huán)境的應(yīng)力大小，涉及初始應(yīng)力的模擬，介質(zhì)自身的變形性能，環(huán)境介質(zhì)對(duì)根系的影響主要 與其彈性模量相關(guān)，實(shí)施過(guò)程中可考慮不同的介質(zhì)。如雜填土、黃土、粉土等。彈簧的約束力 為：F彈=(Φ2 _Φι)π · K
[0037] 反應(yīng)植物組織彈性的總體體積彈性模量ε通常定義為：
[0039] 其中Ρ是總體膨壓，Vs為組織中總滲透水的體積，ε值越大，說(shuō)明組織越堅(jiān)硬;反之， 說(shuō)明細(xì)胞壁的彈性就越大。
[0040] 為確定彈性模量的大小，對(duì)上式進(jìn)行變換，有
[0042]上式中Vt為飽和時(shí)組織的總含水量，對(duì)大多數(shù)植物來(lái)說(shuō)，由于ε>>Ρ，在整個(gè)膨壓 為正值的范圍內(nèi)，細(xì)胞的體積改變很少，因此，可以用充分膨壓時(shí)滲透水的總含量Vs。來(lái)替代 Vs。于是式(2)變成
[0044]對(duì)植物細(xì)胞，滲透水的摩爾濃度為：
[0046]其中N為滲透水中溶質(zhì)的總摩爾數(shù)，Vs為滲透水的總體積，采集植物細(xì)胞溶質(zhì)的時(shí) 候，滲透水中溶質(zhì)的摩爾數(shù)不發(fā)生改變，于是有：
[0048] 式（1)與（4)聯(lián)立得：
[0050]由于對(duì)稀溶液滲透壓π = cRT，上式也可寫成：
[0052] 其中R為為理想氣體常數(shù)，其值為8.314J\molK;T為華氏溫度。
[0053]綜上:膨脹壓力為：
[0054] F = jt/4( Φ2-Φ1)2 · ε(此處π ? 3.14) (8)
[0055] 其中，Φ 2為在正常生長(zhǎng)情況下根系生長(zhǎng)的直徑；
[0056] Φ:為在壓力傳感器作用下生長(zhǎng)后的直徑。
[0057]以栓皮櫟植物為例，根系年生長(zhǎng)增長(zhǎng)為lcm左右。其彈性模量經(jīng)計(jì)算為8.2MPa。根 據(jù)文獻(xiàn)質(zhì)料可知，栓皮櫟彈性模量范圍大致為6.5-8.6MPa。
[0058] F = jt/4( Φ2-Φ1)2 · e=jr/4X1.0cm2X8.2MPa=10-4m2X8.2X10 6Pa = 820N
[0059] 實(shí)施例2:
[0060] 一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，約束根系的巖土體作用可用力約束的形式存 在，也可用位移約束的形式存在，模擬實(shí)際工程中，巖土體不易發(fā)生明顯位移的情況;位移 約束時(shí)，彈簧11可換為剛性桿件，限制根系在該方向上的位移膨脹，此時(shí)特制環(huán)5的內(nèi)側(cè)安 裝扁平測(cè)壓計(jì)，記錄膨脹力隨時(shí)間的變化關(guān)系。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 、固定安裝剛性平臺(tái)（3 )，剛性支架(6 )連接在剛性平臺(tái)（3 )上； 2) 、取帶有根系的植物一株，培育在第一培育箱體（1)中，并取其相對(duì)比較發(fā)達(dá)的植物 根系(7)伸出第一培育箱體(1 )，在植物根系(7)套上特制環(huán)(5)，然后把植物根系(7)植入第 二培育箱體(2)，第二培育箱體(2)帶有滾軸(4)，第二培育箱體(2)能在剛性平臺(tái)（3)上自由 滾動(dòng)； 3) 、固定植物根系(7)與第二培育箱體(2)，在根部生長(zhǎng)方向、第二培育箱體(2)下側(cè)安 裝固定在剛性平臺(tái)（1)上的標(biāo)尺(10)，保證第二培育箱體(2)邊緣與標(biāo)尺(10)零刻度對(duì)齊； 4) 、在剛性支架(6)上面安裝攝像頭(9)，觀察測(cè)定一定時(shí)段內(nèi)，根系生長(zhǎng)過(guò)程中根系膨 脹的位移，然后換算為壓力感應(yīng)器(8)的壓力變化情況，并實(shí)時(shí)記錄下時(shí)間與壓力的變化； 通過(guò)上述步驟完成根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控。2. -種根系破巖機(jī)理可視化監(jiān)控方法，其特征在于，約束根系的巖土體作用可用力約 束的形式存在，也可用位移約束的形式存在，模擬實(shí)際工程中，巖土體不易發(fā)生明顯位移的 情況;位移約束時(shí)，彈簧（11)可換為剛性桿件，限制根系在該方向上的位移膨脹，此時(shí)特制 環(huán)(5)的內(nèi)側(cè)安裝扁平測(cè)壓計(jì)，記錄膨脹力隨時(shí)間的變化關(guān)系。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK105830847SQ201610216669
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年10月24日
【發(fā)明人】劉杰, 胡靜, 李建林, 范留軍, 唐亮, 郭金龍, 湯天彩, 夏駿, 蔡建, 肖蕾
【申請(qǐng)人】三峽大學(xué)