(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210929054.0 (22)申请日 2022.08.03 (71)申请人 三峡大学 地址 443002 湖北省宜昌市西陵区大 学路8 号 (72)发明人 杨渝南　蔡显灿　蒲鹏宇　刘杰　 (74)专利代理 机构 宜昌市三峡专利事务所 42103 专利代理师 覃诗龙 (51)Int.Cl. G01N 3/08(2006.01) G01L 5/00(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 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。 权利要求书3页 说明书7页 附图6页 CN 115452565 A 2022.12.09 CN 115452565 A 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。 2.根据权利要求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， 其特 征在于： 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。 3.根据权利要求2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， 其特 征在于： 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 （15） 中。 4.根据权利要求2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， 其特 征在于： 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。 5.根据权利要求3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， 其特 征在于： 所述骨架线 （1 1） 由金属丝、 碳纤维丝、 木纤维丝或高分子纤维制作而成。 6.根据权利要求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， 其特 征在于： 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） 。 7.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， 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，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115452565 A 2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。 8.根据权利要求7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。 9.根据权利要求7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， 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 （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， 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 （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，