基于氣壓劈裂法的氣動深松模擬試驗

馮壯壯，李 霞，王維新，閆毅敏，陳福祥

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

深松是保護性耕作技術(shù)的主要內(nèi)容之一，一般是指超過正常犁作業(yè)深度并不翻亂耕作層土壤的松土作業(yè)。對耕地進行深松作業(yè)，可有效打破犁底層，加深耕作層厚度，增強雨水的滲透能力，減少徑流和水分蒸發(fā)，減輕土壤侵蝕，提高土壤蓄水保墑能力[1-2]。1988年，新澤西工學(xué)院首次提出了氣壓劈裂技術(shù)，通過向巖土體中噴射高壓氣體，使土壤內(nèi)部形成裂隙從而增加土體的滲透性，同時配合熱處理法、蒸汽浸提法等污染土修復(fù)方法，以提高污染物的清除效率[3]。國內(nèi)外學(xué)者在研究高壓氣體與土壤相互作用機理等方面取得了一些成果。Larsson、韓文君、沈水龍等[4-6]在試驗中驗證攪拌樁作業(yè)過程中的氣壓劈裂現(xiàn)象，并將氣壓劈裂技術(shù)用于加固軟土估基。李糧綱、劉德仁等[7]采用壓縮空氣驅(qū)動高頻沖擊器將松土桿打入土中預(yù)定深度后進行松土。Araya等[8-10]在深松鏟上添加高壓氣體噴射裝置來降低土壤對深松鏟的摩擦阻力，發(fā)現(xiàn)此種裝置可以有效地減阻并且大大改善土壤疏松狀態(tài)。左勝甲、孔德剛等[11]基于氣壓劈裂機理進行氣壓深松效果試驗，驗證了利用高壓氣體對土壤進行深松的可行性，并且具有良好的深松效果。氣動深松方式具有廣泛的農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用前景，但目前將氣壓劈裂法用于深松的研究還很少，并且已有的氣動深松試驗未對影響因素進行深入研究，限制了氣動深松技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

為此，采用自行研制的氣動深松模擬試驗裝置進行了田間試驗，選擇噴氣壓力和深松深度作為試驗因素，對深松前后的土壤堅實度降低率和土面抬升量進行分析，為氣動深松機的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗項目

1.1 試驗用地

試驗用地位于新疆石河子市石河子大學(xué)教學(xué)試驗田，土壤為典型的灰漠土，長期種植紅花，自上至下由約15cm厚的耕作層和約10cm厚的犁地層組成，所用土壤的物理特性如表1所示。土樣粒徑通過土壤篩分試驗測定，結(jié)果如表2所示。

1.2 試驗裝置

氣動深松模擬試驗裝置主要包括供壓與控制系統(tǒng)、氣動深松系統(tǒng)及測量系統(tǒng)，如圖1(a)所示。

表1 土壤的物理特性Table 1 Soil physical properties

表2 土壤質(zhì)地成分Table 2 The component of soil texture

供壓與控制系統(tǒng)由壓力控制閥、空氣壓縮機及升降機組成。壓力控制閥用來控制注入土樣中的氣壓值；空氣壓縮機提供高壓氣體；升降機可以調(diào)節(jié)氣槍在土壤中所處的深度，并起到支撐氣槍的作用。氣槍由高壓軟管、氣槍控制開關(guān)、導(dǎo)管和氣槍頭組成，如圖1(b)所示。氣槍頭開有1個噴孔，氣槍通過高壓軟管與空氣壓縮機相連。

(a) 整體圖

(b) 氣槍結(jié)構(gòu)圖1.壓力控制閥 2.空氣壓縮機 3.高壓軟管 4.升降機 5.氣槍控制開關(guān) 6.導(dǎo)管 7.表座 8.導(dǎo)桿 9.百分表 10.氣槍頭圖1 試驗裝置Fig.1 Test equipment

測量系統(tǒng)包括土面抬升量測試裝置和土壤堅實度儀。土面抬升量測試裝置主要由導(dǎo)桿、表座、位移百分表組成，導(dǎo)桿通過固定件固定于升降機，表座等間隔的安裝在導(dǎo)桿上，位移百分表固定于表座上。土壤堅實度由SC900數(shù)字式土壤堅實度儀測得。

1.3 試驗設(shè)計

1)試驗因素的選取。當噴氣壓力值大于土壤起劈壓力時，土壤開始劈裂，從而使土壤在不翻動的情況下在其內(nèi)部形成裂隙，達到土壤深松的效果。噴氣結(jié)束后，深松土壤的內(nèi)部特征變化可由土壤堅實度來表示，外部特征變化可由土面抬升量來表示。King等[12]通過室內(nèi)氣壓劈裂試驗研究表明：當上覆壓力小，噴氣點較淺時，土體發(fā)生明顯的抬升，忽略土體壓縮引起的變形，這一抬升值可以近似等于劈裂過程中土體產(chǎn)生的裂隙寬度。根據(jù)Murdoch等[13～14]的統(tǒng)計結(jié)果，得到淺層土壤深松時的土面抬升值計算方程，即

式中a—距噴氣中心點的距離為r處的裂隙寬度；

R—裂隙半徑，即深松影響半徑；

E—彈性模量；

P—噴氣壓力；

h—深松深度。

由上式可知：裂隙寬度和裂隙半徑與噴氣壓力和深松深度有關(guān)，所以本試驗選取噴氣壓力和深松深度作為試驗因素并選取土壤堅實度降低率和土面抬升量作為評價指標進行試驗。

2)噴氣壓力的選擇。為了探尋不同深松深度下各噴氣壓力的深松效果，進行預(yù)試驗。噴氣壓力選取的原則為：保證在深松深度最大的情況下，噴氣壓力對土壤產(chǎn)生明顯的土面抬升。考慮到空氣壓縮機設(shè)備的通用性，選取普通高壓氣泵就可以達到的0.8MPa氣壓作為測試的基準氣壓進行噴氣壓力選取。如果土壤在噴氣壓力0.8MPa下發(fā)生明顯抬升，則降低噴氣壓力直至土壤不能產(chǎn)生抬升為止，此氣壓為本次氣動深松試驗的最低噴氣壓力；如果土壤在噴氣壓力為0.8MPa下沒有發(fā)生明顯抬升，則升高噴氣壓力直至土壤產(chǎn)生抬升為止，此氣壓為本次氣動深松試驗的最低噴氣壓力。經(jīng)預(yù)試驗得，此地塊最低噴氣壓力為1.0MPa。本試驗選取噴氣壓力分別為1.0、1.2、1.4MPa。

3)深松深度的選擇。進行氣動深松試驗之前，在以噴氣點為中心，以距離噴氣點的長度為半徑的圓上隨機取多個點，測量各點處不同深度的土壤堅實度，并取平均數(shù)記為平均土壤堅實度，測量結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同深度平均土壤堅實度Fig.2 Average soil penetration resistance at different depths

由圖2可知：在土壤深度為15～25cm時，土壤堅實度大幅度增加；在25～30cm時，土壤堅實度呈減小的趨勢。該現(xiàn)象的原因是：長期不正確的耕作方式以及拖拉機等大型機械的反復(fù)進地，導(dǎo)致土壤形成了堅硬的犁底層。測量結(jié)果表明：該地塊的犁底層分布在距離地表15～25cm處，而這一區(qū)間也是深松的重點區(qū)域。本試驗選取深松深度為15、20、25cm。

4)注氣時間的影響。為了節(jié)約深松成本，需要保證在達到氣動深松效果的前提下控制噴氣時間。由預(yù)試驗可知，在注入高壓氣體3s后，土壤未再繼續(xù)抬升，所以本試驗選取的注入時間為3s。

2 試驗過程

1)設(shè)計方案。本試驗選取深松深度和噴氣壓力作為試驗因素進行全組合試驗，全組合試驗的因素水平表如表3所示，具體試驗方案如表4所示。

2)選取有效尺寸2m×2m的試驗用地，安裝氣動深松裝置。

3)氣槍安裝。將氣槍插入試驗用地的土壤中心處，插入深度分別為15、20、25cm，以此保證氣槍噴氣孔插入到犁底層中。

4)試驗前，對土壤堅實度測試并記錄。

5)安裝土面抬升量測試裝置。在位移百分表與土壤接觸點處放置鐵片，以提高土面抬升量的測試精度，調(diào)節(jié)位移百分表的初始讀數(shù)為0。

6)開啟高壓氣泵，待高壓氣泵平穩(wěn)停車后，調(diào)節(jié)壓力控制閥使噴氣壓力達到試驗設(shè)定的壓力值，然后開啟氣槍控制開關(guān)，噴氣3s后關(guān)閉高壓氣泵。

7)試驗后對土壤堅實度、土面抬升量進行測試并記錄。

表3 因素水平表Table 3 Factors and levelsTable

表4 試驗方案表Table 4 Test schemeTable

3 結(jié)果分析與評價

3.1 結(jié)果分析

1)土壤堅實度降低率。通過對土壤堅實度的分析，可以評價深松效果的優(yōu)劣。為了能清晰地分析氣動深松效果，定義深松前、后土壤堅實度的差值與深松前土壤堅實度之比為土壤堅實度降低率。利用Origin軟件繪制不同深松深度各噴氣壓力下，噴氣點處土壤堅實度降低率的豎向分布(見圖3)和水平分布(見圖4),P氣代表噴氣壓力。

(1)由圖3可知：當噴氣壓力為1.0MPa，深松深度為15、20、25cm時，耕作層的土壤堅實度降低率范圍分別在27.78%～34.48%、23.08%～36.36%、14.29%～25.00%之間，犁底層的土壤堅實度降低率范圍分別在2.53%～28.36%、4.39%～24.05%、5.80%～12.99%之間；當噴氣壓力為1.2MPa，深松深度為15、20、25cm時，耕作層的土壤堅實度降低率范圍分別在33.33%～46.15%、22.73%～41.18%、15.79%～28.57%之間，犁底層的土壤堅實度降低率范圍分別在3.03%～37.68%、1.94%～27.47%、7.59%～15.30%之間；當噴氣壓力為1.4MPa，深松深度為15cm、20cm、25cm時，耕作層的土壤堅實度降低率范圍分別在39.39%～63.16%、29.30%～53.85%、26.92%～37.04%之間，犁底層的土壤堅實度降低率范圍分別在3.65%～40.51%、2.60%～37.04%、5.19%～21.81%之間。

上述結(jié)果表明：①在相同噴氣壓力下，隨著深松深度的增加，土壤堅實度降低率隨之減小。②在相同深松深度下，隨著噴氣壓力的增大，土壤堅實度降低率隨之增大，即深松效果更佳。③噴氣點上側(cè)土壤堅實度降低率遠遠大于下側(cè)土壤堅實度降低率，且隨著噴氣壓力的增大，這種差距越來越明顯，主要是因為氣體往上滲透。由此可知，在氣動深松過程中，噴氣壓力對土壤豎向的深松偏向于噴氣點上側(cè)。④耕作層的土壤堅實度普遍大于犁底層，說明氣動深松不僅可以有效打破犁底層，對耕作層也產(chǎn)生了明顯的深松效果。

(a) 深松深度15cm

(b) 深松深度20cm

(c) 深松深度25cm圖3 不同深松深度各噴氣壓力噴氣點處土壤堅實度 降低率的豎向分布Fig.3 The vertical distribution of soil firmness reduction at the jet point at different depths and air pressure

(a) 深松深度15cm

(b) 深松深度20cm

(c) 深松深度25cm圖4 不同深松深度各噴氣壓力下，噴氣點處土壤堅實度 降低率的橫向分布Fig.4 The horizontal distribution of soil firmness reduction at the jet point at different depths and air pressure

(2)由圖4可知：當噴氣壓力為1.0MPa，深松深度為15、20、25cm時，氣動深松橫向影響半徑分別為50、30、20cm；當噴氣壓力為1.2MPa，深松深度為15、20、25cm時，氣動深松橫向影響半徑分別為60、40、30cm；當噴氣壓力為1.4MPa，深松深度為15、20、25cm時，氣動深松橫向影響半徑分別為70、60、50cm。

上述結(jié)果表明：①在相同深松深度下，隨著噴氣壓力的增大，氣動深松橫向影響半徑隨之增加；②在相同噴氣壓力下，隨著深松深度的增加，氣動深松橫向影響半徑隨之減小。

2)土面抬升量。在試驗過程中，在氣槍噴氣過程中，可以明顯地觀察到土壤向上抬升的現(xiàn)象，同時百分表讀數(shù)變大；噴氣剛結(jié)束時，百分表讀數(shù)達到最大值，但隨著時間的推移，百分表讀數(shù)逐漸變小，最終趨于一個定值，本試驗定義此值為土面抬升量。由此可以推斷，氣動深松過程中，向耕地內(nèi)噴入氣體可以使土壤內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，待噴氣結(jié)束后，裂隙逐漸閉合，但不完全閉合。這一現(xiàn)象說明，氣動深松增加了土壤中空氣的含量，使土壤體積膨脹，從而導(dǎo)致土面抬升。

不同深松深度下，各噴氣壓力引起的土面抬升量變化趨勢如圖5所示。其中，P氣代表噴氣壓力。由圖5(a)可知：當深松深度為15cm，噴氣壓力為1.0、1.2、1.4MPa時，土面抬升量的最大值都出現(xiàn)在噴氣點處，分別為1.84、2.86、3.55mm，且隨著距離噴氣點水平距離的增加，土面抬升量逐漸減小，在距離噴氣點水平距離為45cm處，1.0、1.2MPa的噴氣壓力引起的土面抬升量減小到零。由圖5(b)可知：當深松深度為20cm，噴氣壓力為1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa時，土面抬升量的最大值都出現(xiàn)在噴氣點處，分別為1.43、1.66、2.11mm，在距離噴氣點水平距離為30cm處，1.0、1.2MPa的噴氣壓力引起的土面抬升量減小到零，在距離噴氣點水平距離為45cm處，1.4MPa的噴氣壓力引起的土面抬升量減小到零。由圖5(c)可知：當深松深度為25cm，噴氣壓力為1.0、1.2、1.4MPa時，土面抬升量的最大值都出現(xiàn)在噴氣點處，分別為0.63、1.12、1.52mm，在距離噴氣點水平距離為15cm處，1.0MPa的噴氣壓力引起的土面抬升量減小到零；在距離噴氣點水平距離為30cm處，1.2、1.4MPa的噴氣壓力引起的土面抬升量減小到零。

上述結(jié)果表明：①在相同深松深度下，隨著噴氣壓力的增大，土面抬升量及土面抬升量水平影響范圍隨之增大；②在相同噴氣壓力下，隨著深松深度的增加，土面抬升量及土面抬升量水平影響范圍隨之減小。

(a) 深松深度15cm

(b) 深松深度20cm

(c) 深松深度25cm圖5 不同深松深度各噴氣壓力土面抬升量變化趨勢Fig.5 The soil elevation change trend at different depths and air pressure

比較上述9組試驗的土壤堅實度降低率與土面抬升量的變化趨勢可知：其共同點是二者都有隨著橫向距離的增加而減小的趨勢，不同之處是相同深松深度、同一噴氣壓力下，土壤堅實度降低率橫向影響范圍大于土面抬升量橫向影響范圍。如由圖4(c)與圖5(c)可知：深松深度為25cm、噴氣壓力為1.4MPa時，土壤堅實度降低率橫向影響半徑為50cm，但土面抬升量橫向影響半徑只有30cm。這說明在距離噴氣點橫向距離在30～50cm之間時，土面雖然沒有發(fā)生明顯的抬升但土壤內(nèi)部的土壤堅實度依然降低了。由文獻[14]可知：淺層的氣壓劈裂主要產(chǎn)生水平裂隙，本試驗的氣動深松屬于淺層的氣壓劈裂，產(chǎn)生的水平裂隙引起了土壤堅實度的降低。所以，在距離噴氣點橫向距離30～50cm之間，雖然土面未抬升，但內(nèi)部已得到深松，驗證了氣動深松可在不翻動土壤的情況下進行深松作業(yè)。

3.2 評價

由圖3(b)與圖3(c)可以看出：折線多次出現(xiàn)交叉，且交叉點多位于耕作層。這是由于此塊地長期種植紅花，紅花根系發(fā)達且分布在較淺的土層中，生長過程中容易產(chǎn)生土壤板結(jié)，從而使耕作層的土壤物理性質(zhì)出現(xiàn)差異。由圖3(c)、圖4(c)和圖5(c)可知：當深松深度為25cm、噴氣壓力為1.0MPa時，犁底層的土壤堅實度降低率僅在5.80%～12.99%之間，橫向影響半徑也只有20cm，所以在實際深松作業(yè)過程中，應(yīng)根據(jù)實際地塊的土壤硬度、深松要求來選擇噴氣壓力。由以上的結(jié)果與分析可以看出：氣動深松可以有效打破犁底層，達到深松的目的。目前，國內(nèi)外深松機按照深松方式可分為機械式深松機和振動式深松機，但普遍存在配套動力不足、耗能高、深松阻力大、深松深度淺及深松影響范圍小等問題[15]，而氣動深松可以很大程度上解決深松阻力大的問題，且深松深度可以自行控制，深松影響范圍與噴氣壓力密切相關(guān)。所以，氣動深松方式具有廣泛的應(yīng)用前景，氣動深松技術(shù)值得推廣與應(yīng)用。

4 結(jié)論

1)向耕地中充入高壓氣體，可以使土壤內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，氣動深松屬于淺層的氣壓劈裂，主要產(chǎn)生水平裂隙，水平裂隙的產(chǎn)生可使土壤堅實度降低、土面抬升，從而可以在不翻動土壤的情況下進行深松作業(yè)，達到良好的深松效果。

2)在相同深松深度下，隨著噴氣壓力的增大，土壤堅實度降低率、土壤堅實度降低率影響范圍、土面抬升量及土面抬升量影響范圍隨之增大；在相同噴氣壓力下，隨著深松深度的增加，土壤堅實度降低率、土壤堅實度降低率影響范圍、土面抬升量及土面抬升量影響范圍隨之減小。