[发明专利]测定边坡植株根-土复合体力学特性的试验系统及方法

说明书

本发明所述测定边坡植株根‑土复合体力学特性的试验系统，包括围绕某一植株保护性挖掘，使植株所在土垒位于中心的工字型试验土坑、垂直加载组、水平梯级加载‑受力组、剪切位移测量组，工字型其中一翼的土坑中靠近植株土垒预留有一堵土墙，定义此坑为后坑，相对的一翼为前坑；所述垂直加载组由横跨植株土垒和两侧地表面，并预留出供植株穿过的空隙的垂直加载板、用于支撑垂直加载板对称设置在两侧地表面上和植株土垒上的三组支撑柱、堆放在植株土垒正上方垂直加载板上的堆载物组成；所述水平加载‑受力组包括多层剪切盒、多层土压力盒、多块垫板、竖向拉杆及滑轮。本发明所述系统可同步测定边坡上不同深度根‑土复合体力学特性。

技术领域

本发明属于生态护坡领域，具体涉及一种测定边坡植株根-土复合体力学特性试验系统和方法。

背景技术

近年来，随着全球气候变化、自然环境的恶化和植被的破坏，出现了越来越多的滑坡和泥石流。边坡与河岸的加固和长期稳定及其与生态环境的相容性也越来越受到重视，因此生态护坡和生态护岸技术越来越受到工程技术人员的青睐。但是人们在使用植被护坡和护岸的设计和施工中，往往难以准确测定边坡植株不同深度根-土复合体的力学特性。设计中不同深度根系分布的土层的抗剪强度指标一般按一个均值取用，经验性的取值方法既不准确也难以反映植株实际的受力变形破坏机理。

目前实验室里常用直剪仪、单剪仪、环剪仪来测定土体抗剪强度。在实验室常用四个土样分别在不同垂直压力下施加水平荷载进行剪切以求得固定破坏面上的剪应力，然后确定土的抗剪强度参数内摩擦角和凝聚力。直剪仪上下两个剪切盒结构简单、操作方便，试验时一般土样放在上剪切盒中，在一定法向压力下剪切，发生剪切错动位移。不仅使得剪切面附近的土体应力不均，而且其变形条件与实际情况出入较大，靠近剪切方向的上盒的后侧壁处的土体挤压明显，而前侧壁处的土体发生松动，从而导致剪切面应力和应变分布都不均匀，试验结果精度降低。另外通常在实际剪切面一定距离范围内的土体都有不同程度的剪切变形。单剪仪的叠环式剪切盒的结构比直剪仪稍复杂，试样位于若干重叠放置的圆环内，圆环及土样置于底座上，底座沿水平方向移动，同时保持试样顶部的加压盖板固定不动。当剪切变形发生后，试样顶部水平向固定导致试样的叠环一边上翘，从而使试样内竖向应力分布不均。试验中距离剪切面一定范围内的土体可以有剪切变形，与实际比较接近，但剪切面上的应力分布仍不均匀，尤其在剪切变形较大时。环剪仪不存在边界挤压引起试样应力分布不均情况，只要试样环向的厚度相比于环的直径足够小，可以用试样中心环处的剪切位移及剪应力代表整个剪切面上的位移和应力，因而剪应力分布不均不会引起太大误差。但是由于沿半径方向剪切面上的剪切位移不同，也会导致剪应力分布不均，而且结构较复杂、使用也不太方便。

受实验室沿固定面剪切土样以测定土的抗剪强度做法的启发，人们往往采用一个大的直剪盒套住现场植株及其根系周围不同深度的土体，然后施加水平力使盒子底面土体和根系受剪，从而测定某深度处固定剪切面上根系-土的抗剪强度。这种做法由于在试验前开挖试坑时就必须把直剪盒周围的根系铲除，只留下剪切盒底面上的根系；直剪盒内根系和土体都是随剪切盒的刚体平移而受力，根系和土体难以发挥出根-土共同作用需要的竖向变形和水平剪切变形的条件；而且土体自重应力在设定的单一固定剪切面上产生的抗剪强度沿着深度越来越大，试验结果往往难以甄别同一剪切面上根系所提供的抗剪强度。另外，众所周知，根系从地表往下分布模式一般是：上部侧根分布宽、长而粗、须根多，不同深度的主根和侧根呈不同的分布，根系与土体的共同作用在不同深度内是不同的，一般越往下越不同于上部的根系分布，测试结果难以真实全面地反映根系的空间分布及其抗剪和抗拉拔性能对其固土作用的影响。因此，传统的只有一个固定剪切面的根-土复合体的试验方法是很难反映整个植株根系深度范围内的根-土复合体力学性能的。

因此，针对实验室里常用的上述三种剪切仪器-直剪仪、单剪仪、环剪仪的试验方法的优缺点，以及目前现场或室内根-土复合体单一固定剪切面测试方法的不足，迫切需要研发一种新型测定边坡植株根-土复合体力学特性的试验系统及试验方法。

发明内容