農(nóng)田原狀土壤壓實測試系統(tǒng)的設(shè)計及操作方法

柏建彩　丁啟朔　陳青春　等

摘要：使用土壓力傳感器監(jiān)測土壤壓實狀況的優(yōu)勢是可以直觀反映土體內(nèi)的應力過程，但是傳統(tǒng)的操作方法費時費力，因此設(shè)計一種全新的農(nóng)田原狀土應力測試系統(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試地表下陷位移、平板加載力及土體內(nèi)的應力傳遞。在水稻土中的應用結(jié)果表明，系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)合理，最大限度地減小了原位土壤的擾動，土壓力傳感器的安放深度以及測試結(jié)果都達到了預期效果，能夠滿足短時間內(nèi)進行多點測試的要求。

關(guān)鍵詞：土壓力傳感器；土壤壓實；原狀土；測試系統(tǒng)

中圖分類號： S222.23；S152.9文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0368-03

收稿日期：2014-03-11

基金項目：國家自然科學基金（編號：41371238）；江蘇省優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目（編號：PAPD）。

作者簡介：柏建彩（1987—），男，山東臨沂人，碩士，研究方向為土壤應力傳遞機理。E-mail：15895922573@163.com。

通信作者：丁啟朔，教授，博士生導師，研究方向為作物生產(chǎn)環(huán)境工程與技術(shù)。E-mail：qsding@njau.edu.cn。田間作業(yè)機具對農(nóng)田土壤的壓實降低了土地生產(chǎn)力，因而監(jiān)控各種田間作業(yè)機具對土壤的壓實過程是有效避免土壤被過度壓實的基礎(chǔ)工作。關(guān)于土壤壓實及模擬應用的研究報道較多[1-5]，使用土壓力傳感器監(jiān)測土壤壓實過程是農(nóng)田土壤壓實測試技術(shù)方法中的一個高效手段，當前的專用土壓力傳感器尺度較大[6-7]，且沒有一套完善而規(guī)范的操作方法，使得這一監(jiān)測過程的操作變得較為繁瑣。當前的做法主要是將待測點的土壤清除，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地點1 m處開挖坑道，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)過程操作繁瑣，費時費力，對土壤的擾動也比較大。另外，由于目前尚無專用的加載測試裝置對埋設(shè)的傳感器進行加載測試，因此本研究針對農(nóng)田土壤壓實監(jiān)測的土壓力傳感器埋設(shè)及加載測試2個操作環(huán)節(jié)提供相應的裝置和測試操作方法。

1總體結(jié)構(gòu)和原理

測試系統(tǒng)主要由土壓力傳感器打孔機構(gòu)、土壓力傳感器埋設(shè)機構(gòu)、加載機構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該測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)、加載及測試等多道工序。工作時先將打孔機構(gòu)和加載機構(gòu)安放在導軌上，保證土壓力傳感器的安放位置和加載位置不會產(chǎn)生偏差。通過打孔機構(gòu)在地表以一定的角度打到預定深度，完成安放孔的挖設(shè)，然后用埋設(shè)機構(gòu)把傳感器安放到孔內(nèi)，最后進行加載及土壤壓實過程的測試，原理如圖2所示。

2主要機構(gòu)設(shè)計

2.1土壓力傳感器打孔機構(gòu)的設(shè)計及操作方法

如圖1-a所示，打孔機構(gòu)由1個打孔支架、1個導向套筒和1個取土器等組成。支架長800 mm，寬500 mm，高480 mm，上面3個安裝孔能夠?qū)蛱椎慕嵌确謩e調(diào)整為30°、38°、45°。導向套筒是長400 mm、直徑為30 mm的圓筒。取土器是長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，將支架安放在導軌上并先確定打孔角度，然后將導向套筒通過螺紋連接在支架上，將帶有刻度的取土器安放在導向套筒內(nèi)，使取土器前端觸碰到地表，此時標記取土器的初始刻度；按照預計的土壓力傳感器埋設(shè)深度并結(jié)合導向套筒的傾斜角計算取土器探入地表的位移后開始鉆孔，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。重復上述動作，直到探入土層的取土器到達預定位置，即完成土壓力傳感器埋設(shè)孔的鉆孔過程，此時移開打孔支架。

2.2土壓力傳感器埋設(shè)機構(gòu)的設(shè)計及操作方法

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1 m，端部開叉，可以叉住傳感器。工作時，將土壓力傳感器的導線從夾持筒端部喂入并從夾持筒內(nèi)穿過，拉緊土壓力傳感器的導線，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夾持筒并碰觸到土壓力傳感器壁。轉(zhuǎn)動夾持筒，令土壓力傳感器的感測面朝上，平緩地將夾持筒塞入傳感器安裝孔內(nèi)。當土壓力傳感器到達安裝孔底部時，推動頂桿，通過頂桿將土壓力傳感器頂靠在安裝孔底部；此時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沙，并用推桿推送，使送入的細沙塞滿傳感器后部的空間。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沙并依次用推桿推送，將安裝

孔填實，完成傳感器的安裝。

2.3加載機構(gòu)

如圖1-c所示，液壓加載裝置主要由臺架、液壓缸、壓板、配重塊等組成，主要技術(shù)參數(shù)見表1。工作時，液壓缸安裝在臺架上，壓板通過拉壓力傳感器與液壓缸連接。臺架兩側(cè)放有配重塊，配重塊用鐵絲與臺架捆成一個整體。埋好土壓力傳感器后，將組合好的加載臺架移動到埋設(shè)土壓力傳感器的上方，啟動電機，用液壓系統(tǒng)進行加載，同時測取施加的荷載、壓板下陷的位移以及土壓力傳感器的感測應力。表1液壓加載裝置的主要技術(shù)參數(shù)

項目臺架長×寬×高

（mm×mm×mm）總質(zhì)量M

（kg）液壓缸行程L

（mm）最大壓力F

（mPa）液壓缸動力P

（kW）液壓油箱容量V

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

2.4測試系統(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、電阻應變儀、數(shù)據(jù)采集卡、計算機等組成。工作時，在加載的工程中，傳感器產(chǎn)生的信號通過Labview軟件及電阻應變儀、數(shù)據(jù)采集卡等硬件采集到計算機中。endprint

3田間試驗

土壓力傳感器型號為DZ-Ⅰ型，屬于電阻應變式，傳感器檢測表面為感應膜片式，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)。土壓力傳感器的標定按照廠家規(guī)定，在實驗室按與田間應用相同的安裝角進行油標定，位移與拉壓力傳感器也進行室內(nèi)標定，3個傳感器的標定曲線如圖3所示，可見都具有良好的線性關(guān)系。

試驗于2013年11月在南京市浦口區(qū)江浦農(nóng)場進行。試驗地為多年稻麥輪作，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°。試驗過程所用總荷載、圓形平板直徑、液壓缸推進（平板下陷）速度、信號采樣周期、總下限深度參數(shù)分別為700 kg、150 mm、10 mm/s、25 ms、40 mm。田間測試結(jié)果如圖4、圖5所示。

通過田間試驗可以看出，土壓力傳感器的埋設(shè)角度和深度都很精確，測試曲線規(guī)律較明顯，加載力一開始增加比較快，隨著土壤壓實并產(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，土應力增加比較緩慢，隨著下陷位移的增大，土壤被壓得緊實，應力可以快速傳遞到下方，此時土應力急劇升高，在最大位移處達到最大值。

4結(jié)論

綜合運用平板下陷和土壓力傳感器的土壤壓實測試系統(tǒng)操作相對簡單，對土壤擾動較少，滿足在短時內(nèi)多點原位測試

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

參考文獻：

[1]陳浩，楊亞莉. 土壤壓實模型分析[J]. 農(nóng)機化研究，2012（1）：46-50.

[2]楊富江，牛爽. 機具作用時間對農(nóng)田黑土壓實效應的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2013，3（4）：16-18.

[3]楊曉娟，李春儉. 機械壓實對土壤質(zhì)量、作物生長、土壤生物及環(huán)境的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2008，41（7）：2008-2015.

[4]付曉莉，邵明安. 一種改進的土壤壓實模型及試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（4）：1-5.

[5]劉吉，馬道坤，曾慶猛，等. 車載行進式農(nóng)田土壤壓實度實時測量系統(tǒng)[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報，2007，12（6）：71-74，92.

[6]Harris H D，Bakker D M. A soil stress transducer for measuring in situ soil stresses[J]. Soil and Tillage Research，1994，29（1）：35-48.

[7]Lamandé M，Schjnning P. Transmission of vertical stress in a real soil profile. Part Ⅱ：Effect of tyre size，inflation pressure and wheel load[J]. Soil and Tillage Research，2011，114（2）：71-77.

[8]Pytka J，Dabrowski J. Determination of the stress-strain relationship for sandy soil in field experiments[J]. Journal of Terramechanics，2001，38（4）：185-200.趙漢雨，魏玉崗，劉存祥. 板栗脫蓬機的設(shè)計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（1）：371-373.endprint