氣壓深松土體內(nèi)空氣含量變化規(guī)律試驗研究

左勝甲,孔德剛,馮心茹,李繼成

(1.通化師范學院 物理學院,吉林 通化 134001;2.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院,哈爾濱 150030)

0 引言

由于耕地犁底層的存在,嚴重影響了耕地的透氣性和作物根系的生長發(fā)育,深松可以打破耕地犁底層,是保護性耕作方式的重要方式,且易于在土體內(nèi)形成水庫,減少土表水土流失[1];另外,實施深松作業(yè)可調(diào)節(jié)土壤三相比,增大土壤的孔隙度,增加土體內(nèi)的空氣含量,有利于創(chuàng)造更好的作物生長環(huán)境,增產(chǎn)效果明顯[2-3]。氣壓深松是在原理上不同于傳統(tǒng)深松的一種新型深松方式[4],它是基于氣壓劈裂原理,利用高壓氣體在耕地犁底層內(nèi)產(chǎn)生裂隙并發(fā)展打破犁底層從而實現(xiàn)對耕地的深松。

耕地氣壓深松作業(yè)方式及概念由東北農(nóng)業(yè)大學孔德剛、左勝甲團隊于2014年提出[5],并進行了氣壓深松效果試驗,證明了氣壓深松相對于傳統(tǒng)深松作業(yè)方式具有易于加深深松深度,深松效果均勻,且動土量少,不易改變耕層結(jié)構(gòu)等特點[6-7],該團隊同時對氣壓深松機進行了設(shè)計。關(guān)于氣爆松土裂隙跡線方程,奚小波、張瑞宏[8-9]等進行了試驗研究。劉明財、焦鐵等[10]利用高壓氣體對傳統(tǒng)深松進行減阻,對其減阻機理進行了分析,并設(shè)計了氣劈式深松鏟。但是,國內(nèi)外關(guān)于旱作耕地氣壓深松機理及作業(yè)時土體內(nèi)空氣含量的變化規(guī)律的研究相對較少。

為此,通過模擬旱作耕地在深松作業(yè)時的土層狀態(tài),利用氣壓深松試驗裝置進行了氣壓深松試驗,并以土體深松后土壤內(nèi)空氣增量作為分析指標,研究了氣壓深松土體內(nèi)空氣含量的變化規(guī)律,為氣壓深松技術(shù)的深入研究及氣松裝備的研發(fā)提供了試驗依據(jù)。

1 試驗

為了研究氣壓深松對土體內(nèi)空氣含量的影響規(guī)律,以土體在氣壓深松前后空氣含量增量為分析和評價指標。

1.1 試驗設(shè)備

測試設(shè)備如圖1所示。氣壓深松試驗裝置主要由高壓氣體生成部分、氣壓調(diào)節(jié)部分、氣體注入部分及支撐架3和土槽7組成,高壓氣體由高壓氣泵1生成。

圖1 試驗設(shè)備Fig.1 Test equipment

工作時,由調(diào)壓閥2進行氣體調(diào)壓,高壓氣體通過導氣管4、氣槍開關(guān)5、氣槍6注入到土體中,從而模擬氣壓深松作業(yè),通過調(diào)壓閥可以調(diào)節(jié)注入土體內(nèi)的高壓氣體壓力。

1.2 試驗條件

1)試驗采用東北黑土作為試驗用土壤,因?qū)嶋H深松作業(yè)時的土壤含水率為15%～22%[11-12],故試驗前將其含水率調(diào)制為(18±1)%。

2)旱作耕地結(jié)構(gòu)從下至上大體為0.15～0.2m的犁底層,其容重為1.4～1.8g/cm3[13-14],厚度一般為0.2m的耕作層[15](松土)。為了模擬實際深松作業(yè)時的土層狀態(tài),試驗先鋪設(shè)了0.2m容重為接近犁底層容重的“犁底層”,然后在犁底層上面鋪設(shè)約0.2m厚的試驗用土壤作為“耕作層”。為了便于測試土表用木板刮平,犁底層容重壓實過程中,利用環(huán)刀法對其進行測試,以達到試驗要求。

1.3 試驗方法

由前期研究可知[16-17],氣壓深松后土面抬升,抬升的形狀為球冠形,因此可以認為所形成的球冠的體積便為氣壓深松后土壤內(nèi)空氣含量的增加量,也可以根據(jù)球冠體積來分析氣壓深松對土壤內(nèi)空氣含量的影響規(guī)律。試驗具體操作步驟如下:

1)土面抬升量測試裝置如圖2所示。試驗過程中,當土表抬升,導致與土面接觸的抬升柱1隨之抬升,其頂部裝有發(fā)射燈,通過攝像機記錄下發(fā)射燈投射在光點顯示屏4上的移動軌跡;試驗結(jié)束后,通過圖像處理軟件PCC(Phantom Video camera Control Software)測試出光點的上升量,即為土面抬升量;光點顯示屏4及導向柱2固定在支撐架3上。

圖2 軟件界面Fig.2 Software interface

2)測試點布置,如圖3所示。以氣槍所在土面位置為圓心進行周向布置,同一半徑內(nèi)均勻布置4個點,布置半徑分別為50、150、250、350、450mm。

圖3 測試點布置圖Fig.3 Layout of test points

3)深松氣壓范圍確定。氣壓深松的深松機理是利用高壓氣體的沖擊力來打破耕地的犁底層,可見深松氣壓是氣壓深松作業(yè)的一個重要的參數(shù)指標,而國內(nèi)外對旱地耕作的氣壓深松的研究還相對較少。因此,試驗進行前,需要對深松氣壓的選取范圍進行試驗選取確定。

考慮到實際作業(yè)過程中,氣壓來源的方便性和通用性,試驗所選取的初次氣壓為常用高壓氣泵即可達到的氣壓0.8MPa,也把其作為基準氣壓進行試驗;將土體調(diào)制為容重1.8g/cm3(犁底層平均容重)、厚度0.2m,對其內(nèi)部注入高壓氣體,看土體表面是否出現(xiàn)裂紋而證明其能否能達到實現(xiàn)深松要求。經(jīng)試驗得出土體在氣壓達到1.4MPa時,其表面出現(xiàn)了明顯裂紋,如圖4所示。

(a) 試驗前

(b) 試驗后圖4 土體表面1.4MPa深松前后Fig.4 Before and after 1.4MPa deep loosening of soil surface

當深松氣壓大于2.2MPa后,土表會產(chǎn)生氣爆飛土現(xiàn)象,從深松目的及節(jié)約能源的角度考慮,氣壓深松的氣壓應在2.2MPa以下,故深松氣壓的范圍為1.4～2.2MPa。

4)根據(jù)犁底層的容重區(qū)間[18],為了貼近實際深松作業(yè)狀態(tài),試驗選取犁底層容重為1.4、1.6、1.8g/cm33種土,分別在深松氣壓為1.4、1.8、2.2MPa作用下進行試驗。深松注氣點均選擇犁底層所在位置距土面35cm處。

2 試驗結(jié)果分析

試驗后,土面抬升明顯,抬升形狀為冠狀。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),得到不同深松氣壓作用下,即1.4(y1)、1.8(y2)、2.2(y3)MPa下各測試點的土面抬升量的回歸曲線如圖5所示。其回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9,可以認為是氣壓深松后土面抬升所形成的球冠體的輪廓線,則球冠體的體積即土體內(nèi)空氣增加量為

(1)

式中v—土面抬升冠體的體積(cm3);

x—距中心水平距離(m);

f(x)—土面抬升量的回歸方程;

L—抬升最大作用半徑(m)。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)由式(1)得出:試驗條件下,深松氣壓為1.4、1.8、2.2MPa時,土壤內(nèi)的空氣增加量如表1所示。由表1可知:氣壓深松后不同容重犁底層的條件下,土體內(nèi)空氣含量增加明顯;其中,不同犁底容重下,土體內(nèi)空氣含量的最大增加量分別為犁底容重1.4g/cm3在深松氣壓1.4MPa作用下的1.23cm3、1.6g/cm3在深松氣壓1.6MPa作用下的2.61cm3及1.8g/cm3在深松氣壓1.8MPa作用下的3.89cm3。

(a) 犁底容重1.4g/cm3

(b) 犁底容重1.6g/cm3

(c) 犁底容重1.8g/cm3圖5 抬升量回歸曲線Fig.5 Uplift regression curve

表1 土體內(nèi)空氣增加量Table 1 Air content in soil cm3

根據(jù)圖5曲線,利用MatLab軟件得到土面抬升的效果如圖6所示。由圖6可以看出:氣壓深松后,各試驗條件下,土體呈球冠狀明顯。這是因為:高壓氣體由噴氣孔噴出后,氣體主流沿水平方向運動的同時向四周擴散且壓力逐漸減小,且高壓氣體以噴氣點為中心向四周球面擴散形成了壓力場;由于土槽上方?jīng)]有約束,故上方壓力場的合力使得上方的土面抬升,形成球冠狀,即越接近土面中心處空氣增量就越大。另外,可以看出:在0.4m之后,由于氣流路徑較長,高壓氣體的滲透能力已明顯衰減,所以土面抬升量已沒有顯示,在水平距離0.45m處為0。

由圖6(a)可以看出:從冠體的變化趨勢和整個體積來看,當犁底容重1.4g/cm3時,1.4MPa的氣壓的變化趨勢相對平穩(wěn)體積也最大。這是因為:高壓氣體由噴氣孔噴出后,可以認為在土體中形成氣體密度較大的主流區(qū)、氣體密度較小的近側(cè)非主流區(qū)和氣體密度接近為零的遠側(cè)非主流區(qū);氣壓深松過程為氣體和土體氣固耦合作業(yè)產(chǎn)生的結(jié)果,在高壓氣體擴散的同時伴隨著土體內(nèi)氣體的泄漏。圖6(a)可以說明,對于容重1.4g/cm3的犁底層所產(chǎn)生凝聚力,深松氣壓為1.4MPa的高壓氣體在主流區(qū)所產(chǎn)生的壓力相對于其它兩種氣壓更不容易向土面擴散,而流入到近側(cè)非主流區(qū),更易于在其內(nèi)部擴散增加土體內(nèi)的空氣含量。另外,該容重下,當深松氣壓為1.8MPa時,相比于2.2MPa由于主流區(qū)和非主流區(qū)的高壓氣體的密度少,而泄漏量要比1.4MPa多,導致最終的空氣增量最少。

由圖6(b)可以看出:當犁底容重1.6g/cm3時,1.8MPa的深松氣壓產(chǎn)生的空氣增量最大。這說明3種深松氣壓下,容重1.6g/cm3下土體產(chǎn)生的凝聚力,可以使氣壓為1.4、1.8MPa的深松氣體更易于在土體內(nèi)擴散而不容易泄漏出土表;而在該容重下,氣壓2.2MPa所產(chǎn)生的泄漏量較1.8MPa大,導致其深松后土體內(nèi)空氣增量不是最大,但其由于其較高的氣壓,該容重下最終土體內(nèi)空氣增量還是大于氣壓1.4MP。

由圖6(c)可以看出:當犁底容重1.8g/cm3時,土體內(nèi)空氣增量由大到小的順序為2.2MPa、1.8MPa、1.4MPa,且增量的變化趨勢較其它兩容重時也相對平穩(wěn)。由此說明:由于犁底容重1.8g/cm3的土體所產(chǎn)生較大的凝聚力,各深松氣壓不易產(chǎn)生泄露,土體內(nèi)空氣含量增量隨氣壓的增大而增大,氣體在土體內(nèi)更容易向水平方向擴散,主流區(qū)的氣體密度與非主流區(qū)的氣體密度相對較為平均。

從深松后改變土體內(nèi)空氣含量的角度上看:3種氣壓作用下,犁底容重1.4、1.6、1.8g/cm3的最佳深松氣壓分別為1.4、1.8、2.2MPa;在同一容重條件下,隨深松氣壓的變化,土體內(nèi)空氣含量的增量均有變化,但并非正相關(guān)。

(b) 犁底容重1.6g/cm3

(c) 犁底容重1.8g/cm3圖 6 空氣增量效果圖Fig.6 Effect drawing of air increment

由上述分析可知:在氣壓深松作業(yè)時,應根據(jù)耕地犁底層實際的容重狀態(tài)來選擇深松氣壓,在設(shè)計氣壓深松裝備時,應具有氣壓調(diào)節(jié)裝置來適應不同犁底層容重。

3 結(jié)論

1)氣壓深松后,土面變形明顯,證明高壓氣體打破了耕地犁底層,氣壓深松可以達到深松的目的。

2)氣壓深松后,土面抬升呈球冠形,土壤內(nèi)空氣含量增加。試驗的3種深松氣壓1.4、1.8、2.2MPa的作用下,土內(nèi)空氣增量最大為1.23、2.61、3.89m3,土體內(nèi)空氣含量的增量隨距噴氣點距離的增加呈遞減趨勢。

3)氣壓深松后土體內(nèi)空氣含量的增量,受深松氣壓影響明顯但并非正相關(guān),高壓氣體在土體內(nèi)擴散的同時,也伴隨著泄漏出土表,氣壓深松作業(yè)為氣固耦合作用的結(jié)果。研究結(jié)果可以為氣松技術(shù)的深入研究及氣松裝備的研發(fā)提供參考依據(jù)。