植物根-土复合体原位剪切试验装置的设计与分析

刘 薇，杜文亮，苏 禹，刘 静

(内蒙古农业大学 a.机电工程学院；b.生态学院，呼和浩特 010018)



植物根-土复合体原位剪切试验装置的设计与分析

刘 薇a，杜文亮a，苏 禹b，刘 静b

(内蒙古农业大学 a.机电工程学院；b.生态学院，呼和浩特 010018)

针对植物根-土复合体室内剪切试验时产生土体振动而导致试验精度不高的问题，在分析实际试验过程的基础上，提出了更接近实际剪切状况的野外现场原位试验方案，设计了一种植物根-土复合体原位剪切试验装置，采用电动拉杆带动专用卡具进行剪切，通过数据采集系统测出剪应力与剪切位移。制成的剪切试验装置主要由机架、固定卡具、拉拽机构和数据采集系统组成。受力分析及试验表明：该装置满足使用要求，为今后各类根-土复合体原位剪切试验装置的应用提供了参考。

植物；根-土复合体；原位剪切；剪切装置

0 引言

内蒙古中西部是我国土壤侵蚀极为严重的地区，其侵蚀特点是冬春大风和夏季雨水击溅交替作用下的风水复合侵蚀。近年来,由于过度开发，导致植被破坏、地表裸露，地下开采造成的采空塌陷等现象不断加剧，土壤侵蚀严重[1-2]。生态环境保护和生态恢复已经纳入我国可持续发展战略的主要内容，利用生物技术及生物措施代替或部分代替工程措施已成为近年来保护生态环境的重要手段。在生物措施中，植物措施已被广泛应用到保护生态环境的各个领域。在防风固沙、固土护坡、保持水土及防治土壤侵蚀方面，植物地上部分可以减缓过境风速，减少风蚀；枝冠截流，降低雨滴动能，减少雨水对地面产生的击溅侵蚀及形成的径流侵蚀等。而植物地下部分—根系，可通过其本身不同的形态，错综复杂地穿插于土壤之间，通过根系自身的抗拉力及形成根系—土壤复合体之间的粘结力和摩擦力，起到固持土壤、提高土壤抗冲、抗蚀的作用。为探究植物对于土壤抗剪性的影响，很多学者将试验材料采集回实验室，在大型直剪仪进行剪切试验，导致土体振动，影响试验数据精度。为了在野外现场进行原位试验，使试验结果更接近实际情况，需设计一种植物根-土复合体原位剪切试验装置，简称剪切装置[1]。

1 设计要求及方案

1.1 设计要求

根-土复合体(简称复合体)，是指将根系与土壤视为一体。植物根-土复合体原位剪切试验是指在野外试验现场，对复合体不扰动或基本不扰动的情况下，对复合体进行剪切试验来测得复合体抗剪强度、黏聚力及内摩擦角等物理力学性质指标，从而使得试验结果接近实际情况[3]。

试验前，在野外试验现场，将复合体植于横向一分为二的空PVC管内，竖直埋在土壤中培育。图1为植物根-土复合体断面示意图。剪切试验时，将PVC管外土壤在尽量不扰动复合体的前提下，清理出放置剪切装置的空间，使上、下PVC管分别被专用卡具固定，在拉拽作用下，带动上PVC管横移。通过力与位移传感器分别测出其剪应力与对应的剪切位移，绘制力-位移关系曲线。

主要设计参数为：

根体管径/mm：200

剪力范围/N：0～3 000

剪切位移/ mm：0～200

进给速度/ mm·s-1：5

外形尺寸/ mm：长<1 500 宽<1 500 高<400

整机质量/kg：<30

数据采集方式：实时自动记录并存储

所设计剪切装置应满足以下要求：

1)设计专用卡具，下卡具固定住下PVC管，上卡具和上PVC管在拉拽机构的带动下进行剪切；需使PVC管受力均匀，防止其严重变形甚至损坏，影响试验结果。

2)为保证匀速拉拽，应选择合适的电动拉拽方式，电压为24V。

3)因植物种植的株距、行距都为1m，故对剪切装置的最大外形尺寸有一定要求，应在保证试验目的的前提下，尽量减小剪切装置的外形尺寸。

4)为了方便操作，剪切装置质量应保证在20～30kg范围内，需选择合适的加工材料，使剪切装置既能完成试验目的，又可方便操作。

5)人工采集数据加大了操作人员的工作量，也大大加长了每组试验所需的时间。为解决这一问题，需采用实时自动记录并存储数据的方式，简化试验过程。

1、7.根-土复合体 2.上PVC管 3.上卡具 4.剪切面 5.下卡具 6.下PVC管

1.2 总体设计

根据具体设计要求，设计植物根-土复合体原位剪切试验装置结构示意，如图2所示。

测量时，电动拉杆作用于固定在上卡具的压力传感器上，拉力作用到上卡具；上卡具固定种植复合体的上PVC管，下卡具固定下PVC管，压力传感器通过作用在上卡具的力读出拉力数据，位移传感器读出上卡具的位移数据；通过数据采集系统将本组试验数据存储在计算机中。

剪切装置主要分为4部分，分别为机架、固定卡具、拉拽机构和数据采集系统。固定卡具主要分为上卡具和下卡具两部分，通过作用在上卡具的力和位移实时读出数据，下卡具起到固定作用。拉拽机构主要是电动拉杆与压力传感器及上卡具之间的连接。数据采集系统主要由压力传感器、位移传感器、Arduino MEGA2560 R3主控板及计算机等组成。

其主要技术参数：

外形尺寸(长×宽×高)/mm：1 240×420×98

拉力范围/N：0～3 000

拉力精度/N：0.05

位移范围/mm：0～200

位移精度/mm：0. 1

进给速度/mm·s-1：5

整机质量/kg：25

1.电动拉杆 2.机架 3.压力传感器 4.下PVC管 5.下卡具 6.导轨 7.位移传感器 8.上PVC管 9.上卡具 10.数据采集系统

2 关键部件设计

2.1 卡具设计

固定卡具由2个上卡具及2个下卡具共同组成。上、下卡具结构示意图，如图3所示。卡具的弧面设计能使卡具与PVC管充分贴合，且受力均匀，防止PVC管变形或损坏，对复合体的剪切起到重要作用。另外,上卡具与压力传感器连接处，考虑到受力的影响，采用梯形台的设计方法。

2.2 拉拽机构的选择

拉拽方式分为手动与电动两种，手动方式的主要优点是操作简单；电动方式的主要优点是能匀速进给，使测得的数值更为精确。

所选电动拉杆主要技术参数如下：

型号：LX600

额定功率/W：≤55

电压/V：24

行程/mm：200

速度/mm·s-1：5

负载力/N：3 000

最小安装距/mm：375

最大安装距/mm：575

图3 上、下卡具结构示意图

2.3 数据采集方式

设计要求是测出复合体的剪应力与剪切位移，由于没有同时测力和位移的传感器，因此分别选择压力传感器和位移传感器。根据设计需求及传感器的特点，选择了S型称重传感器和拉绳位移传感器。

两种传感器均与Arduino MEGA2560 R3主控板相连，电动拉杆工作时，压力传感器与位移传感器的数据反馈至主控板;主控板与计算机相连，通过计算机安装软件IDE实时读取传感器的数据,并可根据需要，将数据保存。

3 整体结构受力分析

为了检测剪切装置总体设计是否合理，其刚度和强度是否满足使用要求，针对剪切装置总体结构进行受力分析，得出最大应力云图和最大位移云图。

采用的受力分析软件为Ansys Workbench。Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。

材料选择低合金结构钢，根据所选择的的材料进行网格划分，网格划分结果如图4所示。

图4 网格划分结果

选择应力和位移作为分析类型，设置重力，并对下卡具进行固定约束，在上卡具上添加面载荷1 000N,约束和加载结果如图5所示。

图5 边界条件和载荷

求解结果等效应力云图如图6所示，等效位移云图如图7所示。

图6 等效应力云图

图7 等效位移云图

从等效应力云图中看出:最大应力为44.199MPa，应不超过材料的强度极限。其表达式为

σ≤σlim/S

式中 σ—最大应力(MPa)；

σlim—极限应力(MPa)；

S—设计安全系数。

查表可得，极限应力σlim=260MPa；设计安全系数S=3[4]。带入数据，可求得出σ=44.199MPa≤86.67MPa。故此设计符合强度计算准则，满足强度要求。

从等效位移云图中看出:最大位移发生部位为上卡具后半段及连接件上，最大位移为0.075mm，即在载荷作用下产生的弹性形变量y，小于或等于机器工作性能所允许的极限值[y](取0.1mm)。其表达式为

y≤[y]

带入数据，可求得y=0.075mm≤0.1mm。故此设计符合刚度计算准则，满足刚度要求。

4 试验及结果

为了检测和提高剪切装置的准确性和稳定性，多次试验，为将来大型野外试验提供依据。

4.1 试验设备及材料

剪切装置，沙土，柠条(一年生)，PVC管(根体管径200mm)。

4.2 试验方式

先将PVC管外部土壤清理，腾出放置剪切装置的空间。剪切装置从PVC管上端放入，将剪切面置于剪切装置上、下卡具间隙内，调整丝杠上的手拧螺母，使上、下卡具分别夹紧上、下PVC管。接通数据采集系统电源，连接计算机，开始采集数据；打开电动拉杆开关，剪切装置开始剪切，待数据采集完毕，关闭电动拉杆开关；将本组试验数据存储于计算机，数据复制到Excel中处理，绘制关系曲线。第1次试验前，需调整电位器的数据先对压力传感器调0。

4.3 试验结果

剪切装置的力-位移关系曲线，如图8所示。开始剪切时，随着剪切位移的增加，所需剪应力快速增大，在剪切位移为4mm左右时，剪应力达到最大值160N；之后剪应力开始减小，在剪切位移为7～85mm左右时，剪应力趋于稳定值110N；在剪切位移为86mm左右时，剪应力有小幅度减小，趋于稳定值85N直到试验结束。

图8 位移-力关系曲线

5 结论

1)剪切装置能够实现植物根-土复合体原位剪切试验，所测得的数据可实时自动记录并存储，并得到力-位移关系曲线。

2)剪应力、剪切位移测量范围及精度满足使用要求；剪切装置在最大应力下的强度、刚度均满足使用要求。

3)试验结果存在波动情况，建议进一步改善，提高剪切装置的稳定性。

[1] 苑淑娟.4种植物单根抗拉力学特性的研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2010.

[2] 姚喜军.4种植物根系提高土体抗剪强度有效性研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2009.

[3] 卢海静,王磊,翟国良,等.植物根-土复合体原位剪切试验研究现状及其进展[J].中国水土保持,2013(7):42-46，77.

[4] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册(上册)[K].北京:中国农业科学技术出版社，2007:238.

[5] 胡夏嵩,李国荣,朱海丽,等.寒旱环境灌木植物根-土相互作用及其护坡力学效应[J].岩石力学与工程报,2009(3):613-620.

[6] 臧德记,刘斯宏,汪滨.原状膨胀岩剪切性状的直剪试验研究[J].地下空间与工程学报，2009(5):915-919.

[7] 余芹芹.寒旱环境植物根系增强土体强度机理及模型试验研究[D].西宁：青海大学,2012.

[8] 习小山,刘成光,景辉.原位大剪试验与室内剪切试验的对比探讨[J].中国新技术新产品,2011(8):76-77.

[9] 李国荣,朱海丽,毛小青,等. 寒旱环境灌木植物根-土相互作用及其护坡力学效应[J]. 岩石力学与工程报,2009(3):613-620.

[10] 卢海静,王磊,翟国良,等.植物根-土复合体原位剪切试验研究现状及其进展[J].中国水土保持,2013(7):42-46，77.

[11] 冯国建,沈凡,李丽蓉,等.根土复合体抗剪强度试验研究[J].西南师范大学学报：自然科学版,2013(7):129-133.

[12] 习小山,刘成光,景辉.原位大剪试验与室内剪切试验的对比探讨[J].中国新技术新产品,2011(8):76-77.

[13] 胡其志,周一鹏,肖本林,等.根土复合体的抗剪强度研究[J].湖北工业大学报,2011(2):103-106.

Design and Analysis of a Plant Root Soil Composite in Situ Shear Test Devices

Liu Weia, Du Wenlianga, Su Yub, Liu Jingb

(a.College of Mechanical and Electrical Engineering；b.College of Ecology, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Plant root soil complex indoor shear test on the generated soil vibration and lead to the problem of testing accuracy is not high in the analysis based on the actual test, the more close to the actual situation in the shear field in situ test scheme, design a plant root - soil complex fit in-situ shear test device, using electric pull rod drives the special fixture for shear, shear stress and shear displacement can be tested through the data acquisition system.Shear test device is made mainly by the rack fixture, pulling mechanism and data acquisition systems. By means of force analysis and experiment, it is indicated that the device meets the application requirements, and provides reference for the application of the in-situ shear test device of various types of root soil composite in the future.

plant; root-soil composite; in situ shear; shear device

2016-01-31

国家自然科学基金项目(51364034)

刘 薇(1991-)，女，内蒙古呼伦贝尔人，硕士研究生， (E-mail) 366615595@qq.com。

杜文亮(1957-)，男，内蒙古达拉特旗人，教授，博士生导师，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

S223.2

A

1003-188X(2017)01-0082-05