灘涂土壤強(qiáng)度參數(shù)的檢測

宋亞鵬,朱亨銀

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,福建 福州350002）

隨著我國人口的增加，經(jīng)濟(jì)建設(shè)對耕地的大量需求和環(huán)境日益嚴(yán)重的破壞。 陸地空間及其資源已經(jīng)到了不堪重負(fù)的境地，嚴(yán)重制約著人類社會的生存與發(fā)展。 而作為一個海岸線長達(dá)3 萬多公里的海洋大國，沿海有大量的灘涂土壤未被開發(fā)利用，開發(fā)灘涂資源不僅可以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，也對減少耕地壓力和環(huán)境資源的破壞提供了可能性。

生長在江河邊、海灘灘涂的大米草，最初被我國引進(jìn)種植僅僅是為了抵御風(fēng)浪，保灘護(hù)岸，加固海堤。 但后來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)大米草含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素，可以作為提取多糖的原料，大米草的利用價值進(jìn)一步得到提高。 為了提高大米草的市場價值需進(jìn)一步加大種植規(guī)模。 但由于沿海灘涂土壤承載力較差，普通的行走機(jī)構(gòu)很難保證收割機(jī)械在大米草種植區(qū)域的工作要求，所以必須要設(shè)計出在灘涂上能夠正常工作的行走機(jī)構(gòu)[1]。 但目前針對松軟土壤環(huán)境的行走系統(tǒng)還在進(jìn)一步研究之中， 運(yùn)用在該類環(huán)境中的行走機(jī)構(gòu)主要有：履帶、葉輪、步行機(jī)構(gòu)和螺旋推進(jìn)器。 履帶裝置運(yùn)用最為廣泛多用于軍事領(lǐng)域，但考慮到眾多因素后，針對特殊工作環(huán)境本設(shè)計采用葉片輪行走裝置。

灘涂的土壤粘粒較多、強(qiáng)度低、含水量大相對于陸地上的土壤承載能力較差。 土壤的承載能力對整個行走機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計有著重要的聯(lián)系。 所以首先應(yīng)該先對灘涂土壤強(qiáng)度進(jìn)行檢測，在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了判斷車輛在松軟土壤的可行駛性，美國陸軍工程部隊水道試驗站創(chuàng)建了圓錐指數(shù)法來確定土壤特性，車輛圓錐指數(shù)是典型用經(jīng)驗方法來研究土壤與車輛之間的關(guān)系[2]。所謂的圓錐指數(shù)是將一個壓頭頂角為30°、 圓錐投影面積為（約3.2 平方厘米）的圓錐壓頭，以約（約1.8 米每分）的速率壓入地內(nèi)到車輛影響所及深度，所需之力除以圓錐底面積所得之壓力或阻力稱作圓錐指數(shù)（CI）。 這種方法一方面用某種觀察和測定來鑒別土壤， 另一方面將機(jī)器放在一系列的相同類型的土壤中試驗， 然后使兩組測定值相關(guān)聯(lián)，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸悺Ｔ趫A錐指數(shù)的基礎(chǔ)上為了判斷車輛對重復(fù)碾壓土壤的通過性能又提出了額定圓錐指數(shù)（RCI）[3]。

WES 解決軍用車輛了的通過性或機(jī)動性問題，將“圓錐指數(shù)”用經(jīng)驗的方法與許多現(xiàn)有車輛的“可通過性”和“不可通過性”性能的試驗關(guān)聯(lián)起來，利用車輛圓錐指數(shù)（VCI）與土壤圓錐指數(shù)（CI）對比，借此鑒別車輛通過性能[4]。

人們用圓錐指數(shù)和額定圓錐指數(shù)來評價圓錐指數(shù)作為表征土壤的承載能力由于操作簡單方便在土壤-車輛的研究中仍然被廣泛的應(yīng)用。 但從原理上很難與土壤的力學(xué)特性如內(nèi)聚力、 內(nèi)摩擦角及剪力等聯(lián)系。 Bekker(1969)指出它只是通過直接的經(jīng)驗對比來取得，而且每次試驗只確定一個指數(shù)， 它也不能作為剪力數(shù)學(xué)模型的參數(shù)[5]。 具體到大米草收割機(jī)的行走動力主要是依靠葉片剪切土壤導(dǎo)致土壤變形， 土壤對葉片輪產(chǎn)生反作用推力推動整個收割裝置前進(jìn)行走。 并且要分析出土壤強(qiáng)度參數(shù)與葉片輪行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的變量關(guān)系， 所以本實驗去測量土壤的圓錐指數(shù)是不正確的。

土壤的抗剪強(qiáng)度， 是直接影響農(nóng)業(yè)機(jī)械行走裝置是否充分發(fā)揮驅(qū)動力和能否在濕軟地上順利通過等性能的主要參數(shù)[6]。本實驗首先應(yīng)對土壤進(jìn)行土壤的抗剪強(qiáng)度檢測，土壤抗剪強(qiáng)度是土壤在外力作用下，其一部分土體對另一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強(qiáng)度。 土壤的抗剪強(qiáng)度是指耕作機(jī)械部件用各種變形的方法破壞土壤時，土壤顆粒運(yùn)動所產(chǎn)生的最大內(nèi)部阻力，土壤抗剪力包括土壤粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力。 土壤抗剪強(qiáng)度是土壤在外力作用下，其一部分土體對另一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強(qiáng)度。 抗剪強(qiáng)度能夠反映出土壤內(nèi)部性質(zhì)和提供土壤性質(zhì)與機(jī)械部件之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系[7]。

在本實驗中采用SJ-3.5 型水田土壤剪切儀來對灘涂土壤進(jìn)行土壤強(qiáng)度檢測。

SJ-3.5 型水田土壤剪切儀， 是測定水田土壤剪切特性的專用儀器， 它備有1.7 與3.4 公斤-米扭矩的壓縮彈簧各一根， 以便測試各種抗剪強(qiáng)度的水田土壤。 它利用壓力彈簧施加正壓力， 并用手柄通過蝸桿-蝸輪3 等轉(zhuǎn)動環(huán)形剪切頭進(jìn)行剪切，測定操作簡便，剪切速度緩慢均勻。 SJ-3.5 型剪切儀由彈簧加載、扭矩傳遞、自動記錄、支架及剪切頭等部分組成[8]，如圖所示：

SJ-3.5 型剪切儀工作的原理是通過手柄対儀器施以預(yù)緊初扭矩，然后通過旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿帶動剪切頭對土壤進(jìn)行剪切運(yùn)動， 同時記錄筆會記錄下土壤變形的曲線。然后用圖解法對曲線進(jìn)行解析，求出土壤強(qiáng)度的表示參數(shù)內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。

用剪切儀做土壤檢測時，先將SJ-3.5 型剪切儀放到相應(yīng)土壤之上，然后對儀器施加一定的扭矩使剪切頭與土壤相結(jié)合， 這個初始扭矩我們稱之為預(yù)緊初始扭矩M1，然后旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿這時通過。

使上圖中剪切頭對土壤進(jìn)行土壤剪切， 在剪切的同時記錄筆會在記錄紙上移動留下一曲線圖，當(dāng)時候完成土壤的檢測。 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 最后得到的結(jié)果是一類似下面關(guān)于內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的曲線圖。

從記錄曲線的縱坐標(biāo)計算作用于剪切頭的力矩: M=M1+GY/Q (公斤-厘米)M1 是彈簧預(yù)緊初扭矩，G 代表彈簧剛度Y 分別代表曲線縱坐標(biāo)方向的實際長度（毫米）Q是轉(zhuǎn)化系數(shù)，SJ-3.5 的Q=1.76（毫米/度）

而剪頭力矩

其中：

M0—測扭矩彈簧預(yù)緊初扭矩（公斤—厘米）；

G—測扭矩彈簧剛度（公斤厘米/度）；

Y—曲線縱坐標(biāo)方向的實際長度（毫米）；

Q—轉(zhuǎn)換系數(shù) （是指測距彈簧的扭轉(zhuǎn)變形θ 與通過記錄機(jī)構(gòu)被記錄出來的曲線高度Y 兩者間的比例常數(shù)，SJ-3.5 的Q=1.76（毫米/度）。

而

其中KC 和Ptanφ 是與曲線有關(guān)的參數(shù)用圖解法可以求出KC 和φ。 這樣得到我們要求的土壤的強(qiáng)度參數(shù)C 和的值。

[1] 潘君拯，陸則堅，錢眾樵南方九省區(qū)水田土壤參數(shù)分析.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報.1981[12] 101-107

[2] 李 剛，楊建學(xué)，馬國宇，張學(xué)琴，江蘇響水灘涂土壤圓錐指數(shù)試驗研究.汽車工程學(xué)報.2012[7]

[3] 魏道高、周孔亢、區(qū)穎剛、洪添勝。 灘涂車輛的性能分析.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報.2002[7]

[4] 羅錫文,邵耀堅,耕整機(jī)驅(qū)動輪幾何參數(shù)的研究.拖拉機(jī).1991[4] 15-18

[5] 李灝，劉新全，基于圓錐指數(shù)評估車輛機(jī)動性能綜述.農(nóng)業(yè)裝備與車輛. 2011[4]

[6] 蘇顯添. 試論圓錐指數(shù)的適用性. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報. 1985.（1）：12～23

[7] 肖玫，土壤抗剪強(qiáng)度測定理論教學(xué)與實踐.農(nóng)業(yè)開發(fā)研究.2009[3] 16-19

[8] 陳秉聰 土壤-車輛系統(tǒng)力學(xué).吉林工業(yè)大學(xué)