水下根土復(fù)合體原位剪切裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

方雪峰，郭關(guān)柱，段青松，張應(yīng)超，陳潔，陳立暢

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明市，650201)

0 引言

草本植物適應(yīng)性強(qiáng)，是生態(tài)治理的先鋒，在生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，其根系固結(jié)土壤是其發(fā)揮作用的一個(gè)重要方面。植物根系固結(jié)土壤的能力，主要用土壤的抗剪強(qiáng)度提高值來(lái)衡量，一般通過(guò)剪切試驗(yàn)得到，剪切的方法有室內(nèi)直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)以及野外的原位剪切試驗(yàn)[1]。原位剪切試驗(yàn)是在野外試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)土體進(jìn)行剪切測(cè)得土體的抗剪強(qiáng)度，該方法對(duì)土樣不擾動(dòng)或基本不擾動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際，所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有實(shí)際意義[2]，與其他兩種方法相比有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此學(xué)者研發(fā)了原位剪切儀用于根系固土能力的研究。目前根系原位剪切試驗(yàn)都是在陸上開(kāi)展[3-5]，但在湖濱帶和消落帶的植物，由于水位的漲落，在部分時(shí)段植物根系完全淹沒(méi)在水中，此時(shí)土壤處于飽和狀態(tài)，根系固土能力最弱，但目前對(duì)該狀態(tài)下根系固土能力的研究還較少，現(xiàn)有原位剪切儀只適用于陸上，目前尚未有能在水下原位測(cè)定根系固土能力的裝備。

現(xiàn)有陸上原位剪切裝備，主要由剪切系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加載系統(tǒng)一般采用電機(jī)或手動(dòng)千斤頂驅(qū)動(dòng)，電機(jī)不能在水下工作，手動(dòng)千斤頂難以保證勻速進(jìn)給；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以保證剪力及對(duì)應(yīng)位移數(shù)據(jù)的同步采集；現(xiàn)有陸上原位剪切裝置均不具備防水功能，不能在水下工作。課題組在陸上原位剪切裝備的基礎(chǔ)上，針對(duì)水下工作的特點(diǎn)，主要做了以下改進(jìn)：第一采用液壓驅(qū)動(dòng)，保證進(jìn)給速度均勻、可調(diào)可控，而且能在水下正常工作；第二基于Visual Studio 2018開(kāi)發(fā)工具中的visual C#.NET編程語(yǔ)言，對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，能同步采集剪力及對(duì)應(yīng)位移數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、讀取、記錄、存儲(chǔ)，并自動(dòng)繪制剪應(yīng)力—位移關(guān)系曲線(xiàn)。第三裝置做了防水設(shè)計(jì)，能在水下正常工作，更適應(yīng)于復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

水下根土復(fù)合體原位剪切裝置主要由剪切系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和取樣框等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下根土復(fù)合體原位剪切裝置整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理和主要技術(shù)參數(shù)

在進(jìn)行水下根土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)時(shí)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，液壓泵通過(guò)液壓油給液壓缸的活塞桿提供推力，活塞桿作用于固定在剪切盒的壓力傳感器上，把推力作用到套有根土復(fù)合體的剪切盒上，隨著液壓缸的活塞桿不斷向前移動(dòng)和施加壓力，剪切盒和根土復(fù)合體在滑動(dòng)機(jī)構(gòu)上橫移，從而達(dá)到剪切目的。與此同時(shí)，壓力傳感器通過(guò)作用在剪切盒上的力讀出壓力數(shù)據(jù)，位移傳感器讀出剪切盒移動(dòng)的位移數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中并通過(guò)基于Visual Studio 2018開(kāi)發(fā)的軟件在其面板上直接呈現(xiàn)出試驗(yàn)中的剪應(yīng)力—位移關(guān)系曲線(xiàn)。

水下根土復(fù)合體原位剪切裝置主要用于草本的水下、陸上根系原位固土力的測(cè)定，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 水下根土復(fù)合體原位剪切裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of in situ shear device for underwater root-soil complex

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 剪切系統(tǒng)設(shè)計(jì)

剪切系統(tǒng)主要由剪切盒、機(jī)架、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向板和定位板等組成。

2.1.1 剪切盒設(shè)計(jì)

由于不同植物根系在土壤中水平方向和垂直方向上的分布范圍是不同的，所以剪切盒尺寸不合適其測(cè)定的結(jié)果就不具代表性[6-7]。Tobias[8]采用尺寸為500 mm×500 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬×深，下同)剪切箱對(duì)早熟禾根土復(fù)合體進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)；Lawrence等[9]對(duì)象草、香茅、白茅等6種草本植物根系進(jìn)行了原位剪切試驗(yàn)，剪切盒尺寸為250 mm×250 mm×100 mm；Comino[10]、段青松[5]、毛妍婷[7]等采用的尺寸為300 mm×300 mm×100 mm，F(xiàn)an等[11]采用的尺寸為300 mm×300 mm×200 mm。綜上所述，剪切盒長(zhǎng)、寬都在250～300 mm范圍內(nèi)，高度在100～200 mm 范圍內(nèi)，其外形多為方形，本方案剪切盒的整體尺寸為300 mm×300 mm×100 mm(圖2)，鋼板厚度為10 mm。剪切盒兩側(cè)開(kāi)有小孔用于安裝滑動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滑塊，中間開(kāi)有M20的螺紋孔用于安裝固定壓力傳感器。

剪切盒采用兩塊尺寸為300 mm×100 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚)和兩塊尺寸為290 mm×100 mm×10 mm的Q235鋼板，采用開(kāi)坡口的對(duì)接焊縫焊接而成，焊縫厚度為10 mm，焊縫強(qiáng)度

(1)

式中：N——軸心壓力或軸心拉力設(shè)計(jì)值，N；

t——對(duì)接接頭中連接件的厚度，mm；

lw——焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度，mm；

fcw——對(duì)接焊縫的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

已知fcw=215 MPa，N=10 000 N，t=10 mm，lw=100 mm，則

(2)

焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。對(duì)于采用對(duì)接焊縫的構(gòu)件，焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，則構(gòu)件亦滿(mǎn)足要求。

圖2 剪切盒結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架為剪切系統(tǒng)提供支撐，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系到滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力執(zhí)行元件、位移傳感器和壓力傳感器等零部件的位置布局，機(jī)架將這些零部件緊密地聯(lián)系在一起，使其成為一個(gè)整體[12]。機(jī)架設(shè)計(jì)過(guò)程如下[13]。

1) 初步確定機(jī)架的形狀和尺寸。根據(jù)機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和裝置的使用要求，確定機(jī)架的形狀為門(mén)形；根據(jù)液壓缸、壓力傳感器、剪切盒尺寸和剪切位移，初步確定機(jī)架尺寸為1 300 mm×590 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

2) 由于本裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)架受力主要為橫梁上受一個(gè)縱向載荷。

3) 由于在野外水下工作，在保證滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和防銹等要求前提下，應(yīng)盡可能地減輕機(jī)架的重量，則機(jī)架材料初選為型號(hào)L100×6(縱梁)和L100×8(橫梁)的Q235熱軋等肢角鋼。

(3)

式中：he——角焊縫的計(jì)算厚度，mm；

βf——正面角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值提高系數(shù)，取βf=1.22；

ffw——角焊縫的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，取ffw=160 MPa。

已知βf=1.22，N=10 000 N，ffw=160 MPa，he=0.7hf，則

=3.97<βfffw=195.2 MPa

(4)

焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

5) 機(jī)架受力可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁中點(diǎn)處作用一個(gè)集中載荷F=10 000 N，梁的長(zhǎng)度l=390 mm，其彎曲正應(yīng)力的強(qiáng)度條件為[15]

(5)

式中：Mmax——最大彎矩，N·m；

W——抗彎截面系數(shù)，mm3。

(6)

機(jī)架強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

因此，確定機(jī)架材料為型號(hào)L100×6(縱梁)和L100×8(橫梁)的熱軋等肢角鋼，采用焊接。整體機(jī)架尺寸為1 300 mm×590 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)，機(jī)架做涂漆防銹處理。機(jī)架的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

圖3 機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3 其他零部件設(shè)計(jì)與選擇

滑動(dòng)機(jī)構(gòu)起支撐剪切盒和引導(dǎo)剪切盒移動(dòng)的作用，使剪切盒按照給定方向做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而提高了剪切裝置的精度?；瑒?dòng)機(jī)構(gòu)選用SBR直線(xiàn)導(dǎo)軌，剪切裝置有兩組滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，每組滑動(dòng)機(jī)構(gòu)包含一支SBR導(dǎo)軌和兩個(gè)SBR滑塊，導(dǎo)軌安裝在機(jī)架的兩內(nèi)側(cè)面上，剪切盒的兩側(cè)分別與兩個(gè)滑塊相連接，使剪切盒在導(dǎo)軌上滑動(dòng)。選擇直線(xiàn)導(dǎo)軌的型號(hào)為SBR16，導(dǎo)軌直徑為16 mm，長(zhǎng)度為700 mm，最大承重為100 kg，滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4(a)所示。

導(dǎo)向板用來(lái)支撐液壓缸的另一端，從而保證液壓缸和壓力傳感器的裝配精度，通過(guò)壓力傳感器使液壓缸活塞桿的壓力垂直作用在剪切盒上，使剪切面保持水平，進(jìn)一步提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，導(dǎo)向板的尺寸為390 mm×100 mm×66 mm(長(zhǎng)×寬×高)，鋼板厚度為6 mm，采用Q235鋼材。導(dǎo)向板的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4(b)所示。

定位板用來(lái)固定剪切裝置的空間位置，使剪切裝置在試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和加強(qiáng)機(jī)架的剛度和穩(wěn)定性，定位板的尺寸為390 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬)，鋼板厚度為6 mm。定位板的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4(c)所示。

(a) 滑動(dòng)機(jī)構(gòu) (b) 導(dǎo)向板 (c) 定位板

2.2 液壓系統(tǒng)的確定

現(xiàn)有的原位剪切裝置主要采用手動(dòng)千斤頂和電機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)方式，手動(dòng)千斤頂驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不能保證均勻進(jìn)給；電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式能均勻進(jìn)給，但不能在水下正常工作。因此，選擇液壓作為水下根土復(fù)合體原位剪切裝置的驅(qū)動(dòng)方式，它既能保證在水下正常工作，也能保證均勻進(jìn)給且進(jìn)給速度(2～10 mm/s)可調(diào)可控，使測(cè)得的數(shù)值更為精確。

2.2.1 制訂液壓系統(tǒng)方案

1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定。本執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用單活塞桿液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。

2) 液壓缸動(dòng)作回路。要求液壓缸運(yùn)動(dòng)速度在2～10 mm/s可調(diào)，用變頻電機(jī)來(lái)改變系統(tǒng)流量大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，其運(yùn)動(dòng)方向由電磁換向閥控制；用溢流閥調(diào)節(jié)所需壓力，并保持恒定。

2.2.2 擬定液壓系統(tǒng)圖

液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

2.2.3 液壓元件的選擇和設(shè)計(jì)

1) 液壓缸的選擇。根據(jù)機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸、輕量化設(shè)計(jì)的原則和裝置的動(dòng)力要求，選擇型號(hào)為V7GBLg、液壓缸內(nèi)徑為50 mm、活塞桿直徑為28 mm的后法蘭液壓缸；根據(jù)草本植物原位剪切試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，確定液壓缸行程為300 mm。

2) 液壓泵及電機(jī)的選擇。

確定液壓泵的最大工作壓力

Pp?P1+∑ΔP

(7)

式中：P1——液壓缸最大工作壓力，MPa；

∑ΔP——從液壓泵出口到液壓缸入口之間總的管路損失，MPa。

根據(jù)研究對(duì)象為草本植物的原位剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取液壓缸最大工作壓力4.5 MPa，取∑ΔP=0.5 MPa，從而確定本裝置液壓泵的最大工作壓力為5 MPa。

確定液壓泵的流量。液壓泵的輸出流量

qVp?K(∑qVmax)

(8)

式中：K——系統(tǒng)泄露系數(shù)。一般取K=1.1～1.3；

∑qVmax——液壓缸最大總流量，L/min。

根據(jù)液壓缸有效工作面積，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)速度，確定液壓泵的輸出流量為1.5 L/min。

確定液壓泵的型號(hào)。根據(jù)以上求得的Pp和qVp值，選擇型號(hào)為CBK-F1.1的齒輪泵。

確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率

(9)

式中：Pp——液壓泵的最大工作壓力，MPa；

qVp——液壓泵的流量，L/min；

ηp——液壓泵的總效率，齒輪泵的總效率一般取0.6～0.7[16]。

把Pp=5 MPa和qVp=1.54 L/min代入式(9)，求得P≈0.22 kW，則選擇型號(hào)為YVF2-80M2-4的變頻電機(jī)和型號(hào)為0.75G1的單相變頻器。

根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實(shí)際通過(guò)的最大流量，選擇型號(hào)為DSG-02-3C60-DL-R220的電磁換向閥。

3) 計(jì)算管道內(nèi)徑

(10)

式中：qV——通過(guò)管道內(nèi)的流量，m3/s；

v——管內(nèi)允許流速，m/s。液壓泵吸油管道推薦流速為0.5～1.5 m/s，一般取1以下，取0.5 m/s；液壓系統(tǒng)回油管道推薦流速為1.5～2.6 m/s，取2 m/s。則吸油管內(nèi)徑d=8.08 mm，實(shí)際取值為10 mm；排油管內(nèi)徑d=4.04 mm，實(shí)際取值為6 mm。

4) 確定油箱容量。油箱容量的經(jīng)驗(yàn)公式

V=aq

(11)

式中：q——液壓泵每分鐘排出壓力油的容積，m3；

a——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取3。

已知所選泵的總流量為1.54 L/min，因此，液壓泵每分鐘排出壓力油的體積為0.001 54 m3，a=3，則油箱有效容積

V=3×0.001 5=0.004 62 m3

(12)

則取油箱容積為5 L。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)和選型，本裝置的集成液壓站型號(hào)為AC220V/0.75kW-02-5L-H-XK。液壓站各元件的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 液壓站各元件的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Main technical parameters of each component of hydraulic station

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)、位移傳感器、壓力傳感器、壓力變送器、位移數(shù)顯儀、485通訊模組和電源模塊等組成，硬件電路連接圖如圖6所示。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首先通過(guò)壓力傳感器和位移傳感器完成壓力與位移模擬數(shù)據(jù)的采集，壓力變送器與位移數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力與位移的模數(shù)轉(zhuǎn)換處理并在現(xiàn)場(chǎng)顯示位移量，485通信總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)壓力與位移數(shù)據(jù)的傳輸，然后通過(guò)RS485轉(zhuǎn)換器跟PC端USB接口相連接。上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)壓力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取、記錄、存儲(chǔ)并繪制出剪應(yīng)力—位移關(guān)系曲線(xiàn)。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路連接圖

另外，在野外缺乏市電的工作環(huán)境下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過(guò)24 V的18650鋰電池組進(jìn)行供電來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等操作。

2.3.1 傳感器、變送器和數(shù)顯儀的選擇

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是DYLY-103S型防水壓力傳感器，量程為1 500 kg，精度為0.03%，防護(hù)等級(jí)IP67；WFX20-Y-T-100BM型水下拉繩位移傳感器，量程為0～1 000 mm，線(xiàn)性精度為0.05%，防護(hù)等級(jí)IP68；DY500型單路稱(chēng)重變送器和WF600型位移數(shù)顯儀，均具485通訊功能。

2.3.2 電源模塊

電源供電模塊主要由充電接口、電池充放電保護(hù)電路和24 V電池三部分組成，通過(guò)保護(hù)電路對(duì)硬件進(jìn)行供電，保護(hù)電路在充電時(shí)電池電壓到達(dá)24.4 V時(shí)關(guān)閉充電來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池保護(hù)，放電時(shí)通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前電流來(lái)判斷是否短路，一旦發(fā)生短路，保護(hù)電路會(huì)立即切斷電源來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

液壓缸的內(nèi)徑為50 mm，無(wú)桿腔面積為1 963.44 mm2，作用在剪切盒上的推力F=無(wú)桿腔面積×液壓泵的供油壓力，則作用在受剪樣方剪切面上的剪應(yīng)力

τ=F/A

(13)

式中：τ——剪切面上的應(yīng)力，MPa；

F——液壓缸提供的推力，N；

A——樣方受剪面積，A=90 000 mm2。

以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，位移為橫坐標(biāo)，繪制樣方受剪時(shí)的剪應(yīng)力—位移曲線(xiàn)，曲線(xiàn)最大峰值對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為樣方的抗剪強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的位移即為破壞位移。

基于Visual Studio 2018開(kāi)發(fā)工具中的visual C#.NET編程語(yǔ)言，對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要包括串口控制程序、傳感器數(shù)據(jù)記錄表、控制按鈕和數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖等設(shè)計(jì)。使用C#編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)讓PC端串口以MODBUS協(xié)議的方式發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令來(lái)完成壓力與位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步讀取、記錄、存儲(chǔ)并在上位機(jī)軟件面板上自動(dòng)繪制剪應(yīng)力—位移關(guān)系曲線(xiàn)。圖7為上位機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理流程圖。

圖7 數(shù)據(jù)采集與處理流程圖

2.5 取樣框設(shè)計(jì)

在挖出水下根土復(fù)合體的過(guò)程中，由于水下作業(yè)，樣方內(nèi)的土體極易脫落，為便于取樣、保護(hù)樣方內(nèi)的土體，設(shè)計(jì)了取樣框。取樣框?yàn)榕c剪切盒形狀匹配的方形框體，延對(duì)角線(xiàn)分為兩部分，側(cè)壁上開(kāi)有透水網(wǎng)口，保證框內(nèi)外水壓一致。取樣框用厚度為2 mm的鋼板制成，每邊的長(zhǎng)為299 mm，高度為200 mm，高于剪切盒的高度，便于抽取，取樣框下部開(kāi)有刃口，便于取樣。取樣框涂防銹漆，其結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

圖8 取樣框結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真分析

為了檢測(cè)裝置的強(qiáng)度和剛度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求，采用ANSYS Workbench軟件對(duì)剪切裝置的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，得出結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖和等效位移云圖。材料選用Q235鋼材，然后根據(jù)剪切裝置的總體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖9所示。

圖9 網(wǎng)格劃分結(jié)果

對(duì)機(jī)架添加固定約束，在剪切盒上添加均布載荷10 000 N，并設(shè)置重力，選擇總位移量和等效應(yīng)力作為分析類(lèi)型。邊界條件添加，如圖10所示。

圖10 邊界條件

經(jīng)計(jì)算求解后，獲得等效位移云圖和等效應(yīng)力云圖，分別如圖11、圖12所示。

圖11 等效位移云圖

圖12 等效應(yīng)力云圖

由等效應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力為157.24 MPa，最大應(yīng)力值應(yīng)不超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，其表達(dá)式為

σ≤σlim/s

(14)

式中：σ——最大應(yīng)力，MPa；

σlim——極限應(yīng)力，MPa；

s——設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

查表可得，材料的極限應(yīng)力σlim=450 MPa；設(shè)計(jì)安全系數(shù)s=2.5[17]。把數(shù)據(jù)代入式(14)，可求得出σ=157.24≤180 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

由等效位移云圖可知，最大位移為0.077 729 mm，即裝置在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量y，要求小于或等于機(jī)器工作性能所允許的極限值[y]，取[y]=0.1 mm[17]，y=0.077 729≤0.1 mm，滿(mǎn)足剛度要求。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于瀾滄江黃登水電站庫(kù)尾左岸平緩開(kāi)闊的消落帶，具體位置為云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣維登鄉(xiāng)小莊社(27°6′56″N、99°10′29″E)。供試植物為2019年5月1—15日栽植的風(fēng)車(chē)草(CyperusalternifoliusL.)、美人蕉(CannaindicaL.)、花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor)和菖蒲(AcoruscalamusL.)，株行距為0.3 m×0.3 m，1∶1混栽，并以素土作為對(duì)照，素土為淤積土。原位剪切試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，如圖13所示。

圖13 原位剪切試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

4.2 試驗(yàn)方法

于2020年11月、2021年5月利用本裝置分別對(duì)素土、風(fēng)車(chē)草、花葉蘆竹、菖蒲和美人蕉在水下、陸上各測(cè)定6個(gè)試樣，共計(jì)120次。在試驗(yàn)地選取長(zhǎng)勢(shì)良好的植株作為供試樣株，將取樣框打入地面圍住供試樣株，把取樣框外的土體挖開(kāi)成矩形坑。然后用水泵將水抽入坑中，淹沒(méi)取樣框內(nèi)的根土復(fù)合體，水通過(guò)透水網(wǎng)口進(jìn)入根土復(fù)合體。浸泡24 h后，將機(jī)架上各個(gè)部件安裝好，將液壓缸與液壓站用油管連接上，將位移傳感器和壓力傳感器與外側(cè)數(shù)據(jù)采集箱及數(shù)據(jù)終端上位機(jī)連接并接通電源，將剪切盒套在取樣框外側(cè)，機(jī)架通過(guò)定位板和固定錨釘固定于坑內(nèi)，打開(kāi)液壓泵開(kāi)關(guān)并設(shè)定參數(shù)。然后抽出取樣框，通過(guò)液壓缸的活塞桿推動(dòng)剪切盒對(duì)根土復(fù)合體進(jìn)行剪切，剪切盒在液壓缸的作用下勻速進(jìn)給，進(jìn)給速度為2～10 mm/s，可根據(jù)實(shí)際需求通過(guò)變頻器調(diào)整，直至根土復(fù)合體破壞。此過(guò)程中由位移傳感器和壓力傳感器采集剪切盒位移和所受壓力的信號(hào)，通過(guò)位移數(shù)顯儀與壓力變送器對(duì)位移和壓力信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，485通信總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)壓力與位移數(shù)據(jù)的傳輸，然后通過(guò)RS485轉(zhuǎn)換器跟PC端USB接口相連接，最后由數(shù)據(jù)終端上位機(jī)通過(guò)軟件在其面板上直接呈現(xiàn)出試驗(yàn)中的剪應(yīng)力—位移關(guān)系曲線(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉液壓泵開(kāi)關(guān)。水下根土復(fù)合體原位剪切裝置試驗(yàn)過(guò)程如圖13所示。

剪切裝置的位移精度為0.1 mm，受剪面的剪應(yīng)力精度為1.1 Pa，剪切裝置的精度滿(mǎn)足要求。在試驗(yàn)中，裝置運(yùn)行順利，能實(shí)時(shí)同步采集相關(guān)數(shù)據(jù)，裝置的穩(wěn)定性和可靠性滿(mǎn)足要求。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)有研究表明，根系固土能力主要與受剪破壞面的根面積比(RAR)相關(guān)，為便于對(duì)照，選取素土、風(fēng)車(chē)草和花葉蘆竹在水下、陸上RAR最接近的2個(gè)試樣進(jìn)行對(duì)比。

素土、風(fēng)車(chē)草和花葉蘆竹3個(gè)處理的原位剪切剪應(yīng)力—位移(τ-S)曲線(xiàn)，如圖14所示。3個(gè)處理τ-S過(guò)程曲線(xiàn)基本相同，大致可分為三個(gè)階段，第一階段為從原點(diǎn)開(kāi)始，剪應(yīng)力急劇上升，位移變化較為平緩，位移基本都在40 mm以?xún)?nèi)，曲線(xiàn)斜率較大，類(lèi)似于鋼材剪應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程線(xiàn)中的彈性階段；第二階段在同位移的情況下剪應(yīng)力上升速度相較于第一階段明顯變緩，一直延續(xù)到峰值，類(lèi)似于鋼材剪應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程線(xiàn)中的強(qiáng)化階段；第三階段為破壞階段，剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，剪應(yīng)力迅速下降，其下降趨勢(shì)基本相同，最后趨近于一條水平的直線(xiàn)。素土、風(fēng)車(chē)草和花葉蘆竹的抗剪切強(qiáng)度與破壞位移，如表3所示。

(a) 風(fēng)車(chē)草

(b) 花葉蘆竹

表3 根土復(fù)合體的抗剪切強(qiáng)度與破壞位移Tab. 3 Shear strength and failure displacement of root-soil complex

由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，有根系土體的抗剪強(qiáng)度明顯高于素土，水下素土的抗剪強(qiáng)度明低于陸上，在RAR相同的條件下，水下有根土體的抗剪強(qiáng)度也明顯低于陸上，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的水下原位剪切裝置能較好地測(cè)定水下根系的固土能力。

5 結(jié)論

1) 研制一種水下根土復(fù)合土原位剪切裝置，該裝置包括剪切系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和取樣框等組成。該裝置能在水下正常開(kāi)展根土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)，更適應(yīng)于復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境。

2) 野外試驗(yàn)表明水下素土的抗剪強(qiáng)度為4.23 kPa，是陸上的74.9%，風(fēng)車(chē)草、花葉蘆竹根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度分別為17.52 kPa和14.38 kPa，是陸上相同RAR根土復(fù)合體的56.7%、44%。仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果表明該剪切裝置強(qiáng)度、剛度、精度、穩(wěn)定性和可靠性均滿(mǎn)足使用要求，能自動(dòng)實(shí)時(shí)同步采集、讀取、記錄、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，繪制出剪應(yīng)力—位移關(guān)系曲線(xiàn)，能較好地測(cè)定水下根系的固土能力，為今后開(kāi)展相關(guān)研究提供新的裝備。