農(nóng)田原狀土壤壓實(shí)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及操作方法

柏建彩　丁啟朔　陳青春　等

摘要：使用土壓力傳感器監(jiān)測(cè)土壤壓實(shí)狀況的優(yōu)勢(shì)是可以直觀反映土體內(nèi)的應(yīng)力過(guò)程，但是傳統(tǒng)的操作方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此設(shè)計(jì)一種全新的農(nóng)田原狀土應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以30°傾斜角打洞埋設(shè)土壓力傳感器，并配合平板下陷同步測(cè)試地表下陷位移、平板加載力及土體內(nèi)的應(yīng)力傳遞。在水稻土中的應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)合理，最大限度地減小了原位土壤的擾動(dòng)，土壓力傳感器的安放深度以及測(cè)試結(jié)果都達(dá)到了預(yù)期效果，能夠滿(mǎn)足短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試的要求。

關(guān)鍵詞：土壓力傳感器；土壤壓實(shí)；原狀土；測(cè)試系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： S222.23；S152.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）01-0368-03

收稿日期：2014-03-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41371238）；江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（編號(hào)：PAPD）。

作者簡(jiǎn)介：柏建彩（1987—），男，山東臨沂人，碩士，研究方向?yàn)橥寥缿?yīng)力傳遞機(jī)理。E-mail：15895922573@163.com。

通信作者：丁啟朔，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樽魑锷a(chǎn)環(huán)境工程與技術(shù)。E-mail：qsding@njau.edu.cn。田間作業(yè)機(jī)具對(duì)農(nóng)田土壤的壓實(shí)降低了土地生產(chǎn)力，因而監(jiān)控各種田間作業(yè)機(jī)具對(duì)土壤的壓實(shí)過(guò)程是有效避免土壤被過(guò)度壓實(shí)的基礎(chǔ)工作。關(guān)于土壤壓實(shí)及模擬應(yīng)用的研究報(bào)道較多[1-5]，使用土壓力傳感器監(jiān)測(cè)土壤壓實(shí)過(guò)程是農(nóng)田土壤壓實(shí)測(cè)試技術(shù)方法中的一個(gè)高效手段，當(dāng)前的專(zhuān)用土壓力傳感器尺度較大[6-7]，且沒(méi)有一套完善而規(guī)范的操作方法，使得這一監(jiān)測(cè)過(guò)程的操作變得較為繁瑣。當(dāng)前的做法主要是將待測(cè)點(diǎn)的土壤清除，放好傳感器后將土壤回填[8]；還有的方法首先需要在距待測(cè)地點(diǎn)1 m處開(kāi)挖坑道，然后在坑道側(cè)壁上的不同深度位置鉆出水平孔洞，最后將土壓力傳感器安置在水平孔洞中[7]。從這2種方法可以看出，傳感器埋設(shè)過(guò)程操作繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)土壤的擾動(dòng)也比較大。另外，由于目前尚無(wú)專(zhuān)用的加載測(cè)試裝置對(duì)埋設(shè)的傳感器進(jìn)行加載測(cè)試，因此本研究針對(duì)農(nóng)田土壤壓實(shí)監(jiān)測(cè)的土壓力傳感器埋設(shè)及加載測(cè)試2個(gè)操作環(huán)節(jié)提供相應(yīng)的裝置和測(cè)試操作方法。

1總體結(jié)構(gòu)和原理

測(cè)試系統(tǒng)主要由土壓力傳感器打孔機(jī)構(gòu)、土壓力傳感器埋設(shè)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該測(cè)試儀可以完成土壓力傳感器安放孔的挖設(shè)、土壓力傳感器的埋設(shè)、加載及測(cè)試等多道工序。工作時(shí)先將打孔機(jī)構(gòu)和加載機(jī)構(gòu)安放在導(dǎo)軌上，保證土壓力傳感器的安放位置和加載位置不會(huì)產(chǎn)生偏差。通過(guò)打孔機(jī)構(gòu)在地表以一定的角度打到預(yù)定深度，完成安放孔的挖設(shè)，然后用埋設(shè)機(jī)構(gòu)把傳感器安放到孔內(nèi)，最后進(jìn)行加載及土壤壓實(shí)過(guò)程的測(cè)試，原理如圖2所示。

2主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1土壓力傳感器打孔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及操作方法

如圖1-a所示，打孔機(jī)構(gòu)由1個(gè)打孔支架、1個(gè)導(dǎo)向套筒和1個(gè)取土器等組成。支架長(zhǎng)800 mm，寬500 mm，高480 mm，上面3個(gè)安裝孔能夠?qū)?dǎo)向套的角度分別調(diào)整為30°、38°、45°。導(dǎo)向套筒是長(zhǎng)400 mm、直徑為30 mm的圓筒。取土器是長(zhǎng)2 m、直徑為20 mm的圓筒，將前端10 cm處去掉一半，方便取土。工作時(shí)，將支架安放在導(dǎo)軌上并先確定打孔角度，然后將導(dǎo)向套筒通過(guò)螺紋連接在支架上，將帶有刻度的取土器安放在導(dǎo)向套筒內(nèi)，使取土器前端觸碰到地表，此時(shí)標(biāo)記取土器的初始刻度；按照預(yù)計(jì)的土壓力傳感器埋設(shè)深度并結(jié)合導(dǎo)向套筒的傾斜角計(jì)算取土器探入地表的位移后開(kāi)始鉆孔，將取土器插入土層后輕轉(zhuǎn)一角度，然后拉出地表，清除塞嵌在取土器凹槽內(nèi)的土壤。重復(fù)上述動(dòng)作，直到探入土層的取土器到達(dá)預(yù)定位置，即完成土壓力傳感器埋設(shè)孔的鉆孔過(guò)程，此時(shí)移開(kāi)打孔支架。

2.2土壓力傳感器埋設(shè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及操作方法

如圖1-b所示，傳感器的埋設(shè)裝置主要由傳感器、夾持筒、頂桿等組成。夾持筒是長(zhǎng)600 mm、直徑為10 mm的圓筒，端部加工成可以與傳感器完全貼合的形狀。頂桿長(zhǎng)1 m，端部開(kāi)叉，可以叉住傳感器。工作時(shí)，將土壓力傳感器的導(dǎo)線(xiàn)從夾持筒端部喂入并從夾持筒內(nèi)穿過(guò)，拉緊土壓力傳感器的導(dǎo)線(xiàn)，令土壓力傳感器的側(cè)壁頂住夾持筒端部，頂桿則由夾持筒的末端逆向穿過(guò)夾持筒并碰觸到土壓力傳感器壁。轉(zhuǎn)動(dòng)夾持筒，令土壓力傳感器的感測(cè)面朝上，平緩地將夾持筒塞入傳感器安裝孔內(nèi)。當(dāng)土壓力傳感器到達(dá)安裝孔底部時(shí)，推動(dòng)頂桿，通過(guò)頂桿將土壓力傳感器頂靠在安裝孔底部；此時(shí)將夾持筒從安裝孔中抽出，傳感器、傳感器電纜和頂桿繼續(xù)留在安裝孔中，維持頂桿的狀態(tài)，向安裝孔中填入一定量的細(xì)沙，并用推桿推送，使送入的細(xì)沙塞滿(mǎn)傳感器后部的空間。輕輕抽出頂桿，保留土壓力傳感器電纜在安裝孔中的狀態(tài)，然后抽出推桿，繼續(xù)向安裝孔中填入足量細(xì)沙并依次用推桿推送，將安裝

孔填實(shí)，完成傳感器的安裝。

2.3加載機(jī)構(gòu)

如圖1-c所示，液壓加載裝置主要由臺(tái)架、液壓缸、壓板、配重塊等組成，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。工作時(shí)，液壓缸安裝在臺(tái)架上，壓板通過(guò)拉壓力傳感器與液壓缸連接。臺(tái)架兩側(cè)放有配重塊，配重塊用鐵絲與臺(tái)架捆成一個(gè)整體。埋好土壓力傳感器后，將組合好的加載臺(tái)架移動(dòng)到埋設(shè)土壓力傳感器的上方，啟動(dòng)電機(jī)，用液壓系統(tǒng)進(jìn)行加載，同時(shí)測(cè)取施加的荷載、壓板下陷的位移以及土壓力傳感器的感測(cè)應(yīng)力。表1液壓加載裝置的主要技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目臺(tái)架長(zhǎng)×寬×高

（mm×mm×mm）總質(zhì)量M

（kg）液壓缸行程L

（mm）最大壓力F

（mPa）液壓缸動(dòng)力P

（kW）液壓油箱容量V

（L）參數(shù)值600×1 140×1 600700400100.754

2.4測(cè)試系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由土壓力傳感器、拉壓力傳感器、位移傳感器、放大器、電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等組成。工作時(shí)，在加載的工程中，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)Labview軟件及電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集卡等硬件采集到計(jì)算機(jī)中。endprint

3田間試驗(yàn)

土壓力傳感器型號(hào)為DZ-Ⅰ型，屬于電阻應(yīng)變式，傳感器檢測(cè)表面為感應(yīng)膜片式，輪廓直徑17 mm、厚度7 mm，該傳感器的精巧安裝尺寸便于原位埋設(shè)。土壓力傳感器的標(biāo)定按照廠家規(guī)定，在實(shí)驗(yàn)室按與田間應(yīng)用相同的安裝角進(jìn)行油標(biāo)定，位移與拉壓力傳感器也進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定，3個(gè)傳感器的標(biāo)定曲線(xiàn)如圖3所示，可見(jiàn)都具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。

試驗(yàn)于2013年11月在南京市浦口區(qū)江浦農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)地為多年稻麥輪作，土壤為黃棕壤發(fā)育而成的水稻土，水稻收后地表殘茬150 mm左右，0～20 cm土層土壤基本物理參數(shù)為：含水率29.83%，干密度1.32 g/cm3，孔隙度49.98%，土壤內(nèi)聚力55.33 kPa，土壤內(nèi)摩擦角10.26°。試驗(yàn)過(guò)程所用總荷載、圓形平板直徑、液壓缸推進(jìn)（平板下陷）速度、信號(hào)采樣周期、總下限深度參數(shù)分別為700 kg、150 mm、10 mm/s、25 ms、40 mm。田間測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

通過(guò)田間試驗(yàn)可以看出，土壓力傳感器的埋設(shè)角度和深度都很精確，測(cè)試曲線(xiàn)規(guī)律較明顯，加載力一開(kāi)始增加比較快，隨著土壤壓實(shí)并產(chǎn)生流變失效，加載力趨于平緩，表層土結(jié)構(gòu)比較松散，具有一定的緩沖性；下陷位移較小時(shí)，土應(yīng)力增加比較緩慢，隨著下陷位移的增大，土壤被壓得緊實(shí)，應(yīng)力可以快速傳遞到下方，此時(shí)土應(yīng)力急劇升高，在最大位移處達(dá)到最大值。

4結(jié)論

綜合運(yùn)用平板下陷和土壓力傳感器的土壤壓實(shí)測(cè)試系統(tǒng)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)土壤擾動(dòng)較少，滿(mǎn)足在短時(shí)內(nèi)多點(diǎn)原位測(cè)試

的要求。20 cm厚度的土壤應(yīng)力傳遞能力形成顯著滯后于土層的機(jī)械承載力結(jié)構(gòu)形成，表明土層的應(yīng)力傳遞能力滯后于承載結(jié)構(gòu)土層的形成。

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