CN115602033B - 一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型。根系主体单元与储存装置固定连接，根系内部空腔和储液空腔中均存储有聚乙二醇溶液，开设有柱状通孔的根系腔体外表面套设环状半透膜，环状半透膜和根系腔体通过环氧树脂胶封口固定连接，储存装置的两端分别与蠕动泵和给液桶连接，储液腔体顶端和侧壁分别设有进液管道和溢流管道，电机固定在储液腔体顶部，搅拌器穿过储液空腔后伸入到根系内部空腔的底部，搅拌器的内搅拌轴和电机转轴之间固定连接。本发明填补了植被蒸腾作用对宽土体基质吸力范围的细粒土路堤边坡等土工基础设施的稳定性与服役性能影响研究方法的空缺，具有超过现有基于真空原理的根系模型的土体基质吸力产生能力。
Description
技术领域
本发明属于植被蒸腾作用模拟技术领域的一种可吸水根系模型，尤其是涉及了一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型。
背景技术
植物加固土体是一种环境友好、低碳的生态岩土工程方法，植被对土体的力学加筋和水力加固作用能够提升陆表土体适应气候变化的能力。然而，植被的存在也可能对土工基础设施造成不利影响，比如植物蒸腾作用所引起的土体吸力增加可能增大地基土的季节性缩胀响应，甚至会导致土体塑性应变的发生与累积，增大路堤的失稳风险。目前，在全球气候变化条件下，植物加固土体的生态岩土工程方法是否适用于细粒土为主的土工基础设施，是否满足其安全服役要求这一问题，是生态岩土工程领域亟需解决的一大前沿科学问题。
植覆土工基础设施在气候变化条件下的安全服役问题，是一个典型的大尺度、长历时问题，现场监测手段往往难以对其进行有效量化。超重力物理模拟手段具有缩时缩尺的特点，能够在N倍重力条件下以1/N倍原型尺寸的模型还原原型的应力状况，准确重现与原型相同位置土体的应力相关行为，解决此类问题具有突出优势。将超重力物理模拟手段应用于植覆边坡研究的关键技术难点在于根系模型的研发。目前为止，传统研究采用的幼年植株的根系、仅考虑根系力学加筋的根系模型均无法可靠地在离心机中模拟植被蒸腾的影响。现有技术公开了一种基于真空法的可吸水根系模型，实现了在土工离心机中对植被蒸腾作用的模拟。其工作机理是采用高进气值材料(比如微孔醋酸纤维素或者真实植株的枝条)制作根系模型，再通过抽真空的方式施加负水压，从而模拟植物根系的吸水作用。然而，受真空度的限制，该方法理论上可产生的最大土体基质吸力不会超过100kPa，无法有效覆盖植覆细粒土的典型基质吸力范围。因此，现有技术缺少适用于宽基质吸力范围的细粒土基础设施物理模拟试验的可吸水根系。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于设计一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，可吸水根系模型可以在更大范围内(＞100kPa)调控土体的基质吸力。
本发明技术方案如下：
可吸水根系模型包括根系主体单元和聚乙二醇溶液循环***，根系主体单元通过螺纹与聚乙二醇溶液循环***固定连接；
根系主体单元包括根系腔体、环状半透膜和环氧树脂胶封口；根系腔体为一根底端封闭顶端开口的空心管，根系腔体内部的空心部分为根系内部空腔，根系内部空腔内存储有聚乙二醇溶液，根系腔体的侧壁开设有若干个柱状通孔，各个柱状通孔沿着根系腔体的周向和轴向均匀间隔布置，每个柱状通孔沿根系腔体的径向布置，根系腔体的外表面套设有环状半透膜，环状半透膜覆盖所有柱状通孔，环状半透膜上端、下端分别和根系腔体顶部、底部之间通过环氧树脂胶封口固定连接，柱状通孔的一端与环状半透膜和根系腔体外表面之间的间隙连通，柱状通孔的另一端与根系内部空腔连通；
聚乙二醇溶液循环***包括储存装置、蠕动泵和给液桶，储存装置的两端口分别与蠕动泵和给液桶连接，蠕动泵和给液桶之间通过管道连接。
所述储存装置包括储液腔体、搅拌器、电机、进液管道和溢流管道；储液腔体为内部中空的亚克力腔体，储液腔体内部中空的部分为储液腔体的储液空腔，储液空腔内存储有聚乙二醇溶液，进液管道一端连接到储液腔体顶端且与储液空腔连通，溢流管道一端连接到储液腔体侧壁的上部且与储液空腔连通，电机固定在储液腔体顶部，搅拌器位于储液空腔的中间，搅拌器和电机的转轴之间同步固定连接；
根系主体单元的根系腔体顶端开口和储存装置的储液腔体底端开口之间同轴连通连接。
所述储液腔体下部的中间设有内螺纹通孔，根系腔体的顶部穿过内螺纹通孔与储液腔体的底部固定连接，储液空腔和根系内部空腔之间通过根系腔体顶端的开口连通。
所述给液桶的出流口通过蠕动泵与储存装置的进液管道连接，储存装置的溢流管道通过管道与给液桶的入流口连接。
所述的搅拌器包括一个直条状的内搅拌轴和一个螺旋状的外搅拌叶，内搅拌轴位于外搅拌叶的中间，内搅拌轴和外搅拌叶固定连接成一体结构；内搅拌轴和外搅拌叶均穿过储存装置的储液空腔后伸入到根系主体单元的根系内部空腔底部，内搅拌轴的顶端与电机的转轴固定连接，外搅拌叶的上部放置在储液空腔的中间，外搅拌叶的下部放置在根系内部空腔的中间，外搅拌叶的上部和下部具有不同的半径。
所述环状半透膜的截留分子量小于聚乙二醇粉末的相对分子质量。
所述聚乙二醇溶液的浓度通过蒸发水分或添加聚乙二醇粉末的方法来调控。
所述根系腔体为光敏树脂或ABS塑料，光敏树脂采用立体光固化成型法打印，ABS塑料采用熔融沉积成型法打印。
本发明可用于模拟植被的蒸腾作用，在常重力(1g)和超重力(Ng)环境下均可有效工作。可吸水根系模型通过渗透原理从周围介质中吸水，能够在细粒土中产生高基质吸力(＞100kPa)，并且具有同真实植被根系近似的机械强度，尤其适用于在土工离心机中研究植被蒸腾对细粒土边坡和路堤等土工基础设施稳定性和服役性能的影响机制。
本发明的有益效果为：
1、通过引入渗透法，增强了可吸水根系模型的吸水性能，可吸水根系模型具有在细粒土中产生大于100kPa基质吸力的能力。
2、通过使用3D打印的根系腔体，使根系主体单元具有同真实植被根系近似的机械强度，并且由于3D打印的灵活性，根系主体单元可以具有灵活的根系结构及壁厚，便于适应于不同的真实植被根系条件。
3、通过储液腔体、蠕动泵、给液桶的溶液循环***设计，可吸水根系模型吸水过程中聚乙二醇溶液渗透压保持恒定，通过搅拌器的设计，减小了可吸水根系模型渗透吸水过程浓差极化的影响，这些设计共同提高了可吸水根系模型的基质吸力调控效率。
4、本发明填补了植被蒸腾作用对宽土体基质吸力范围的细粒土路堤边坡等土工基础设施的稳定性与服役性能影响研究方法的空缺，具有超过现有基于真空原理的根系模型的土体基质吸力产生能力。
附图说明
图1是可吸水根系模型示意图；
图2是3D打印的根系主体单元局部示意图；
图3是聚乙二醇溶液循环***局部示意图；
图4是可吸水根系模型剖面示意图；
图5是3D打印根系主体单元局部剖面示意图；
图6是聚乙二醇溶液循环示意图。
图中：1、根系主体单元；11、根系腔体；12、环状半透膜；13、环氧树脂胶封口；14、柱状通孔；15、根系内部空腔；2、储存装置；21、储液腔体；22、储液空腔；23、搅拌器；24、电机；25、进液管道；26、溢流管道；01、蠕动泵；02、给液桶。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
如图6所示，可吸水根系模型包括根系主体单元1和聚乙二醇溶液循环***，根系主体单元1通过螺纹与聚乙二醇溶液循环***固定连接；
如图2和图5所示，根系主体单元1包括根系腔体11、环状半透膜12和环氧树脂胶封口13；根系腔体11为一根底端封闭顶端开口的竖直布置的空心管，根系腔体11内部的空心部分为根系内部空腔15，根系内部空腔15内存储有聚乙二醇溶液，根系腔体11的侧壁开设有若干个柱状通孔14，各个柱状通孔14沿着根系腔体11的周向和轴向均匀间隔布置，每个柱状通孔14沿根系腔体11的径向布置，根系腔体11的外表面套设有环状半透膜12，环状半透膜12完整地覆盖在根系腔体11的外表面，使得环状半透膜12覆盖所有柱状通孔14，环状半透膜12上端、下端分别和根系腔体11顶部、底部之间通过环氧树脂胶封口13密封固定连接，柱状通孔14的一端与环状半透膜12和根系腔体11外表面之间的间隙连通，柱状通孔14的另一端与根系内部空腔15连通；
根系主体单元1在试验过程中***土体，通过渗透作用从土体中吸水，调控土体的基质吸力。根系腔体11采用3D打印技术制成，根系腔体11提供可吸水根系模型必须具备的机械强度，使可吸水根系模型具有与真实植被根系近似的抗拉强度和杨氏模量，环状半透膜12直径略大于根系腔体11的外径以覆盖在根系腔体11的外表面，根系内部空腔15提供了聚乙二醇溶液的储存空间，通过柱状通孔14的联通作用，聚乙二醇溶液进入根系腔体11后与环状半透膜12接触。当环状半透膜12的一侧接触到聚乙二醇溶液，环状半透膜12的另一侧接触到土体中的水分时，渗透作用开始进行，直至环状半透膜12两侧的渗透压达到平衡。
聚乙二醇溶液循环***包括储存装置2、蠕动泵01和给液桶02，储存装置2的两端口分别与蠕动泵01和给液桶02连接，蠕动泵01和给液桶02之间通过管道连接。
如图3所示，储存装置2包括储液腔体21、搅拌器23、电机24、进液管道25和溢流管道26；储液腔体21为内部中空的亚克力腔体，储液腔体21内部中空的部分为储液腔体21的储液空腔22，储液空腔22内存储有聚乙二醇溶液，进液管道25一端连接到储液腔体21顶端且与储液空腔22连通，溢流管道26一端连接到储液腔体21侧壁的上部且与储液空腔22连通，电机24固定在储液腔体21顶部，搅拌器23位于储液空腔22的中间，搅拌器23与储液腔体21的内侧壁不接触，搅拌器23和电机24的转轴之间同步固定连接；
如图1和图4所示，根系主体单元1的根系腔体11顶端开口和储存装置2的储液腔体21底端开口之间通过螺纹同轴连通连接。
储液腔体21下部的中间设有内螺纹通孔，根系腔体11的顶部设有与内螺纹通孔匹配的外螺纹，根系腔体11的顶部穿过内螺纹通孔与储液腔体21的底部通过螺纹密封固定连接，储液空腔22和根系内部空腔15之间通过根系腔体11顶端的开口连通。
给液桶02的出流口通过蠕动泵01与储存装置2的进液管道25连接，储存装置2的溢流管道26通过管道与给液桶02的入流口连接，聚乙二醇溶液的循环由蠕动泵01驱动。
搅拌器23包括一个直条状的内搅拌轴和一个螺旋状的外搅拌叶，内搅拌轴位于外搅拌叶的中间，内搅拌轴和外搅拌叶固定连接成一体结构；内搅拌轴和外搅拌叶均穿过储存装置2的储液空腔22后伸入到根系主体单元1的根系内部空腔15底部，搅拌器23的底部与根系内部空腔15的底部不接触，内搅拌轴的顶端与电机24的转轴固定连接，外搅拌叶的上部放置在储液空腔22的中间，外搅拌叶的下部放置在根系内部空腔15的中间，外搅拌叶的上部和下部具有不同的半径，使得外搅拌叶和储液腔体21内侧壁之间，外搅拌叶和根系腔体11内侧壁之间均存在一定空隙。
环状半透膜12和聚乙二醇粉末的选取分别参考自身的截留分子量(MWCO)和自身的相对分子质量。环状半透膜12的截留分子量(MWCO)小于聚乙二醇粉末的相对分子质量，常见组合为截留分子量12000～14000的环状半透膜12与相对分子质量20000的聚乙二醇粉末，或截留分子量3500的环状半透膜12与相对分子质量6000的聚乙二醇粉末。
聚乙二醇溶液的浓度通过蒸发水分或添加聚乙二醇粉末的方法来调控。
根系腔体11为光敏树脂或ABS塑料，光敏树脂采用立体光固化成型法(SLA)打印，ABS塑料采用熔融沉积成型法(FDM)打印，通过调节根系腔体11的壁厚以灵活调节根系模型的机械强度。
根系腔体11采用不同的结构形式和壁厚，以适用于不同的真实植被根系条件，根系腔体11的尺寸可以进行灵活缩放，适用于在不同的离心加速度下模拟真实植被根系的尺寸。
可吸水根系模型内部的聚乙二醇溶液循环时，聚乙二醇溶液由给液桶02底部的出流口进入储存装置2的进液管道25，中间通过蠕动泵01驱动(路径①、②)，储存装置2中的聚乙二醇溶液将由于可吸水根系模型的吸水作用而被稀释，在溢流管道26中收集稀释后溢流出的聚乙二醇溶液并调整回原预定浓度后，调回原预定浓度的聚乙二醇溶液从给液桶02顶部的入流口流入并进行聚乙二醇溶液的补给(路径③)。设置聚乙二醇溶液循环***的目的在于维持试验过程聚乙二醇溶液的恒浓度循环，以保持预定的聚乙二醇溶液渗透压。
储液空腔22与根系内部空腔15连通使得两个空腔22、15中的聚乙二醇溶液浓度保持一致，搅拌器23自上而下延伸至根系主体单元1底部，搅拌器23在储液空腔22中和根系内部空腔15中具有不同尺寸，搅拌器23通过电机24驱动，在可吸水根系模型吸水过程中，搅拌器23不断搅拌储液空腔22和根系内部空腔15中的聚乙二醇溶液，减小由于吸水后环状半透膜12附近聚乙二醇溶液稀释造成的浓差极化现象的影响，提高吸水根系模型渗透吸水效率。
随着可吸水根系模型吸水的进行，聚乙二醇溶液浓度会不断下降，因此需要调整给液桶02中的聚乙二醇溶液至原预定浓度，调整浓度时，采用蒸发溶液水分或添加聚乙二醇粉末的方式进行，使用折光仪测量给液桶02中的聚乙二醇溶液的实时白利度值，通过白利度-溶液浓度-溶液渗透压三者之间的校准关系计算应当添加的聚乙二醇粉末质量或判断是否达到预定浓度。
可吸水根系模型通过渗透作用从周围土体中吸水，实现对植被蒸腾作用的模拟。可吸水根系模型的吸水驱动力为半透膜表面聚乙二醇溶液的渗透压与土-半透膜接触面处土体的总吸力之差，土体的总吸力包括土体内部水分的渗透吸力和基质吸力。当半透膜表面聚乙二醇溶液的渗透压(有效渗透压)大于土体总吸力时，可吸水根系模型才能从土体中吸水。土体的基质吸力取决于土体含水率的大小，渗透吸水过程中，土体含水率的下降使得土体基质吸力不断增加，因此，使用聚乙二醇溶液渗透吸水具有调控土体基质吸力的作用。聚乙二醇溶液的渗透压越大，吸水过程中土体的基质吸力上限值也越大，能够在更宽范围内调控土体的基质吸力。而聚乙二醇溶液的渗透压与自身的浓度成正相关，因此，可通过调节聚乙二醇溶液的浓度来调节溶液渗透压，从而实现不同的土体基质吸力调控范围。当聚乙二醇溶液的浓度c(g/g)接近1时，聚乙二醇溶液的渗透压π接近10MPa，在合理的半透膜选取和溶液循环设置情况下，有效渗透压可超过1MPa，即理论上可以从总吸力不大于1MPa的土体中吸水，而利用普通的真空法根系模型模拟真实植被根系的吸水作用时，受真空度的限制，土体基质吸力的调控上限小于100kPa，因此本发明具有在高范围(＞100kPa)下进行土体基质吸力调控的能力。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，其特征在于：
包括根系主体单元（1）和聚乙二醇溶液循环***，根系主体单元（1）通过螺纹与聚乙二醇溶液循环***固定连接；
根系主体单元（1）包括根系腔体（11）、环状半透膜（12）和环氧树脂胶封口（13）；根系腔体（11）为一根底端封闭顶端开口的空心管，根系腔体（11）内部的空心部分为根系内部空腔（15），根系内部空腔（15）内存储有聚乙二醇溶液，根系腔体（11）的侧壁开设有若干个柱状通孔（14），各个柱状通孔（14）沿着根系腔体（11）的周向和轴向均匀间隔布置，每个柱状通孔（14）沿根系腔体（11）的径向布置，根系腔体（11）的外表面套设有环状半透膜（12），环状半透膜（12）覆盖所有柱状通孔（14），环状半透膜（12）上端、下端分别和根系腔体（11）顶部、底部之间通过环氧树脂胶封口（13）固定连接，柱状通孔（14）的一端与环状半透膜（12）和根系腔体（11）外表面之间的间隙连通，柱状通孔（14）的另一端与根系内部空腔（15）连通；
聚乙二醇溶液循环***包括储存装置（2）、蠕动泵（01）和给液桶（02），储存装置（2）的两端口分别与蠕动泵（01）和给液桶（02）连接，蠕动泵（01）和给液桶（02）之间通过管道连接；
所述储存装置（2）包括储液腔体（21）、搅拌器（23）、电机（24）、进液管道（25）和溢流管道（26）；储液腔体（21）为内部中空的亚克力腔体，储液腔体（21）内部中空的部分为储液腔体（21）的储液空腔（22），储液空腔（22）内存储有聚乙二醇溶液，进液管道（25）一端连接到储液腔体（21）顶端且与储液空腔（22）连通，溢流管道（26）一端连接到储液腔体（21）侧壁的上部且与储液空腔（22）连通，电机（24）固定在储液腔体（21）顶部，搅拌器（23）位于储液空腔（22）的中间，搅拌器（23）和电机（24）的转轴之间同步固定连接；
根系主体单元（1）的根系腔体（11）顶端开口和储存装置（2）的储液腔体（21）底端开口之间同轴连通连接；
所述聚乙二醇溶液的浓度通过蒸发水分或添加聚乙二醇粉末的方法来调控。
2.根据权利要求1中所述的一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，其特征在于：
所述储液腔体（21）下部的中间设有内螺纹通孔，根系腔体（11）的顶部穿过内螺纹通孔与储液腔体（21）的底部固定连接，储液空腔（22）和根系内部空腔（15）之间通过根系腔体（11）顶端的开口连通。
3.根据权利要求1中所述的一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，其特征在于：
所述给液桶（02）的出流口通过蠕动泵（01）与储存装置（2）的进液管道（25）连接，储存装置（2）的溢流管道（26）通过管道与给液桶（02）的入流口连接。
4.根据权利要求1中所述的一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，其特征在于：
所述的搅拌器（23）包括一个直条状的内搅拌轴和一个螺旋状的外搅拌叶，内搅拌轴位于外搅拌叶的中间，内搅拌轴和外搅拌叶固定连接成一体结构；内搅拌轴和外搅拌叶均穿过储存装置（2）的储液空腔（22）后伸入到根系主体单元（1）的根系内部空腔（15）底部，内搅拌轴的顶端与电机（24）的转轴固定连接，外搅拌叶的上部放置在储液空腔（22）的中间，外搅拌叶的下部放置在根系内部空腔（15）的中间，外搅拌叶的上部和下部具有不同的半径。
5.根据权利要求1中所述的一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，其特征在于：
所述环状半透膜（12）的截留分子量小于聚乙二醇粉末的相对分子质量。
6.根据权利要求1中所述的一种可宽范围调控土体基质吸力的可吸水根系模型，其特征在于：
所述根系腔体（11）为光敏树脂或ABS塑料，光敏树脂采用立体光固化成型法打印，ABS塑料采用熔融沉积成型法打印。
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