水下根土復合體原位剪切裝置設計與試驗*

方雪峰，郭關柱，段青松，張應超，陳潔，陳立暢

(云南農業大學機電工程學院，昆明市，650201)

0 引言

草本植物適應性強，是生態治理的先鋒，在生態建設中發揮著重要作用，其根系固結土壤是其發揮作用的一個重要方面。植物根系固結土壤的能力，主要用土壤的抗剪強度提高值來衡量，一般通過剪切試驗得到，剪切的方法有室內直剪試驗、三軸試驗以及野外的原位剪切試驗[1]。原位剪切試驗是在野外試驗現場對試驗土體進行剪切測得土體的抗剪強度，該方法對土樣不擾動或基本不擾動，試驗結果更符合實際，所測得的試驗數據對于邊坡穩定性評價具有實際意義[2]，與其他兩種方法相比有獨特的優勢，因此學者研發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都是在陸上開展[3-5]，但在湖濱帶和消落帶的植物，由于水位的漲落，在部分時段植物根系完全淹沒在水中，此時土壤處于飽和狀態，根系固土能力最弱，但目前對該狀態下根系固土能力的研究還較少，現有原位剪切儀只適用于陸上，目前尚未有能在水下原位測定根系固土能力的裝備。

現有陸上原位剪切裝備，主要由剪切系統、加載系統和數據采集系統組成。加載系統一般采用電機或手動千斤頂驅動，電機不能在水下工作，手動千斤頂難以保證勻速進給；數據采集系統難以保證剪力及對應位移數據的同步采集；現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上，針對水下工作的特點，主要做了以下改進：第一采用液壓驅動，保證進給速度均勻、可調可控，而且能在水下正常工作；第二基于Visual Studio 2018開發工具中的visual C#.NET編程語言，對上位機數據采集軟件進行模塊化設計，能同步采集剪力及對應位移數據，實現數據實時采集、讀取、記錄、存儲，并自動繪制剪應力—位移關系曲線。第三裝置做了防水設計，能在水下正常工作，更適應于復雜的現場試驗環境。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

水下根土復合體原位剪切裝置主要由剪切系統、液壓系統、數據采集系統和取樣框等組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 水下根土復合體原位剪切裝置整體結構圖

1.2 工作原理和主要技術參數

在進行水下根土復合體原位剪切試驗時，利用電機驅動液壓泵，液壓泵通過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合體的剪切盒上，隨著液壓缸的活塞桿不斷向前移動和施加壓力，剪切盒和根土復合體在滑動機構上橫移，從而達到剪切目的。與此同時，壓力傳感器通過作用在剪切盒上的力讀出壓力數據，位移傳感器讀出剪切盒移動的位移數據，數據采集系統將試驗數據存儲在計算機中并通過基于Visual Studio 2018開發的軟件在其面板上直接呈現出試驗中的剪應力—位移關系曲線。

水下根土復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定，其主要技術參數如表1所示。

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

2 關鍵部件設計

2.1 剪切系統設計

剪切系統主要由剪切盒、機架、滑動機構、導向板和定位板等組成。

2.1.1 剪切盒設計

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定的結果就不具代表性[6-7]。Tobias[8]采用尺寸為500 mm×500 mm×150 mm(長×寬×深，下同)剪切箱對早熟禾根土復合體進行原位剪切試驗；Lawrence等[9]對象草、香茅、白茅等6種草本植物根系進行了原位剪切試驗，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，Fan等[11]采用的尺寸為300 mm×300 mm×200 mm。綜上所述，剪切盒長、寬都在250～300 mm范圍內，高度在100～200 mm 范圍內，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。剪切盒兩側開有小孔用于安裝滑動機構中的滑塊，中間開有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×寬×厚)和兩塊尺寸為290 mm×100 mm×10 mm的Q235鋼板，采用開坡口的對接焊縫焊接而成，焊縫厚度為10 mm，焊縫強度

(1)

式中：N——軸心壓力或軸心拉力設計值，N；

t——對接接頭中連接件的厚度，mm；

lw——焊縫的計算長度，mm；

fcw——對接焊縫的抗壓強度設計值，MPa。

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

(2)

焊縫強度滿足要求。對于采用對接焊縫的構件，焊縫強度滿足要求，則構件亦滿足要求。

圖2 剪切盒結構示意圖

2.1.2 機架設計

機架為剪切系統提供支撐，它的結構設計關系到滑動機構、動力執行元件、位移傳感器和壓力傳感器等零部件的位置布局，機架將這些零部件緊密地聯系在一起，使其成為一個整體[12]。機架設計過程如下[13]。

1) 初步確定機架的形狀和尺寸。根據機架設計準則和裝置的使用要求，確定機架的形狀為門形；根據液壓缸、壓力傳感器、剪切盒尺寸和剪切位移，初步確定機架尺寸為1 300 mm×590 mm×100 mm(長×寬×高)。

2) 由于本裝置執行機構為直線運動，因此機架受力主要為橫梁上受一個縱向載荷。

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

(3)

式中：he——角焊縫的計算厚度，mm；

βf——正面角焊縫的強度設計值提高系數，取βf=1.22；

ffw——角焊縫的設計強度值，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)

焊縫強度滿足要求。

5) 機架受力可簡化為簡支梁中點處作用一個集中載荷F=10 000 N，梁的長度l=390 mm，其彎曲正應力的強度條件為[15]

(5)

式中：Mmax——最大彎矩，N·m；

W——抗彎截面系數，mm3。

(6)

機架強度滿足要求。

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

圖3 機架結構示意圖

2.1.3 其他零部件設計與選擇

滑動機構起支撐剪切盒和引導剪切盒移動的作用，使剪切盒按照給定方向做往復直線運動，從而提高了剪切裝置的精度。滑動機構選用SBR直線導軌，剪切裝置有兩組滑動機構，每組滑動機構包含一支SBR導軌和兩個SBR滑塊，導軌安裝在機架的兩內側面上，剪切盒的兩側分別與兩個滑塊相連接，使剪切盒在導軌上滑動。選擇直線導軌的型號為SBR16，導軌直徑為16 mm，長度為700 mm，最大承重為100 kg，滑動機構的結構示意見圖4(a)所示。

導向板用來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，進一步提高了試驗數據的精度，導向板的尺寸為390 mm×100 mm×66 mm(長×寬×高)，鋼板厚度為6 mm，采用Q235鋼材。導向板的結構示意見圖4(b)所示。

定位板用來固定剪切裝置的空間位置，使剪切裝置在試驗過程中不發生相對滑動和加強機架的剛度和穩定性，定位板的尺寸為390 mm×100 mm(長×寬)，鋼板厚度為6 mm。定位板的結構示意見圖4(c)所示。

(a) 滑動機構 (b) 導向板 (c) 定位板

2.2 液壓系統的確定

現有的原位剪切裝置主要采用手動千斤頂和電機兩種驅動方式，手動千斤頂驅動結構簡單，但不能保證均勻進給；電機驅動方式能均勻進給，但不能在水下正常工作。因此，選擇液壓作為水下根土復合體原位剪切裝置的驅動方式，它既能保證在水下正常工作，也能保證均勻進給且進給速度(2～10 mm/s)可調可控，使測得的數值更為精確。

2.2.1 制訂液壓系統方案

1) 執行機構的確定。本執行機構為直線往復運動，直線運動機構采用單活塞桿液壓缸直接驅動。

2) 液壓缸動作回路。要求液壓缸運動速度在2～10 mm/s可調，用變頻電機來改變系統流量大小，來實現調速，其運動方向由電磁換向閥控制；用溢流閥調節所需壓力，并保持恒定。

2.2.2 擬定液壓系統圖

液壓系統原理如圖5所示。

圖5 液壓系統原理圖

2.2.3 液壓元件的選擇和設計

1) 液壓缸的選擇。根據機架的結構尺寸、輕量化設計的原則和裝置的動力要求，選擇型號為V7GBLg、液壓缸內徑為50 mm、活塞桿直徑為28 mm的后法蘭液壓缸；根據草本植物原位剪切試驗研究數據，確定液壓缸行程為300 mm。

2) 液壓泵及電機的選擇。

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。

根據研究對象為草本植物的原位剪切試驗數據，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——系統泄露系數。一般取K=1.1～1.3；

∑qVmax——液壓缸最大總流量，L/min。

根據液壓缸有效工作面積，結合其運動速度，確定液壓泵的輸出流量為1.5 L/min。

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

確定液壓泵的驅動功率

(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，則選擇型號為YVF2-80M2-4的變頻電機和型號為0.75G1的單相變頻器。

根據系統的工作壓力和實際通過的最大流量，選擇型號為DSG-02-3C60-DL-R220的電磁換向閥。

3) 計算管道內徑

(10)

式中：qV——通過管道內的流量，m3/s；

v——管內允許流速，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；液壓系統回油管道推薦流速為1.5～2.6 m/s，取2 m/s。則吸油管內徑d=8.08 mm，實際取值為10 mm；排油管內徑d=4.04 mm，實際取值為6 mm。

4) 確定油箱容量。油箱容量的經驗公式

V=aq

(11)

式中：q——液壓泵每分鐘排出壓力油的容積，m3；

a——經驗系數，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。

根據以上設計和選型，本裝置的集成液壓站型號為AC220V/0.75kW-02-5L-H-XK。液壓站各元件的主要技術參數如表2所示。

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

2.3 數據采集系統硬件設計

數據采集系統硬件主要由上位機、位移傳感器、壓力傳感器、壓力變送器、位移數顯儀、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，數據采集系統首先通過壓力傳感器和位移傳感器完成壓力與位移模擬數據的采集，壓力變送器與位移數顯儀實現壓力與位移的模數轉換處理并在現場顯示位移量，485通信總線實現壓力與位移數據的傳輸，然后通過RS485轉換器跟PC端USB接口相連接。上位機數據采集軟件對壓力和位移數據進行實時讀取、記錄、存儲并繪制出剪應力—位移關系曲線。

圖6 數據采集系統硬件電路連接圖

另外，在野外缺乏市電的工作環境下，數據采集系統可以通過24 V的18650鋰電池組進行供電來實現數據采集、傳輸和處理等操作。

2.3.1 傳感器、變送器和數顯儀的選擇

數據采集系統采用的是DYLY-103S型防水壓力傳感器，量程為1 500 kg，精度為0.03%，防護等級IP67；WFX20-Y-T-100BM型水下拉繩位移傳感器，量程為0～1 000 mm，線性精度為0.05%，防護等級IP68；DY500型單路稱重變送器和WF600型位移數顯儀，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、電池充放電保護電路和24 V電池三部分組成，通過保護電路對硬件進行供電，保護電路在充電時電池電壓到達24.4 V時關閉充電來實現對電池保護，放電時通過檢測當前電流來判斷是否短路，一旦發生短路，保護電路會立即切斷電源來實現保護功能。

2.4 數據采集系統上位機軟件設計

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

τ=F/A

(13)

式中：τ——剪切面上的應力，MPa；

F——液壓缸提供的推力，N；

A——樣方受剪面積，A=90 000 mm2。

以剪應力為縱坐標，位移為橫坐標，繪制樣方受剪時的剪應力—位移曲線，曲線最大峰值對應的剪應力為樣方的抗剪強度，對應的位移即為破壞位移。

基于Visual Studio 2018開發工具中的visual C#.NET編程語言，對上位機數據采集軟件進行模塊化設計，主要包括串口控制程序、傳感器數據記錄表、控制按鈕和數據曲線圖等設計。使用C#編程，來實現讓PC端串口以MODBUS協議的方式發送數據讀取命令來完成壓力與位移數據的實時同步讀取、記錄、存儲并在上位機軟件面板上自動繪制剪應力—位移關系曲線。圖7為上位機數據采集與處理流程圖。

圖7 數據采集與處理流程圖

2.5 取樣框設計

在挖出水下根土復合體的過程中，由于水下作業，樣方內的土體極易脫落，為便于取樣、保護樣方內的土體，設計了取樣框。取樣框為與剪切盒形狀匹配的方形框體，延對角線分為兩部分，側壁上開有透水網口，保證框內外水壓一致。取樣框用厚度為2 mm的鋼板制成，每邊的長為299 mm，高度為200 mm，高于剪切盒的高度，便于抽取，取樣框下部開有刃口，便于取樣。取樣框涂防銹漆，其結構示意如圖8所示。

圖8 取樣框結構示意圖

3 仿真分析

為了檢測裝置的強度和剛度是否滿足設計和使用要求，采用ANSYS Workbench軟件對剪切裝置的總體結構進行靜力分析，得出結構的等效應力云圖和等效位移云圖。材料選用Q235鋼材，然后根據剪切裝置的總體結構模型進行網格劃分，網格劃分結果如圖9所示。

圖9 網格劃分結果

對機架添加固定約束，在剪切盒上添加均布載荷10 000 N，并設置重力，選擇總位移量和等效應力作為分析類型。邊界條件添加，如圖10所示。

圖10 邊界條件

經計算求解后，獲得等效位移云圖和等效應力云圖，分別如圖11、圖12所示。

圖11 等效位移云圖

圖12 等效應力云圖

由等效應力云圖可知，最大應力為157.24 MPa，最大應力值應不超過材料的強度極限，其表達式為

σ≤σlim/s

(14)

式中：σ——最大應力，MPa；

σlim——極限應力，MPa；

s——設計安全系數。

查表可得，材料的極限應力σlim=450 MPa；設計安全系數s=2.5[17]。把數據代入式(14)，可求得出σ=157.24≤180 MPa，滿足強度要求。

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生的彈性變形量y，要求小于或等于機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，滿足剛度要求。

4 試驗及結果分析

4.1 試驗材料

試驗地點位于瀾滄江黃登水電站庫尾左岸平緩開闊的消落帶，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日栽植的風車草(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，并以素土作為對照，素土為淤積土。原位剪切試驗現場，如圖13所示。

圖13 原位剪切試驗現場圖

4.2 試驗方法

于2020年11月、2021年5月利用本裝置分別對素土、風車草、花葉蘆竹、菖蒲和美人蕉在水下、陸上各測定6個試樣，共計120次。在試驗地選取長勢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成矩形坑。然后用水泵將水抽入坑中，淹沒取樣框內的根土復合體，水通過透水網口進入根土復合體。浸泡24 h后，將機架上各個部件安裝好，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數據采集箱及數據終端上位機連接并接通電源，將剪切盒套在取樣框外側，機架通過定位板和固定錨釘固定于坑內，打開液壓泵開關并設定參數。然后抽出取樣框，通過液壓缸的活塞桿推動剪切盒對根土復合體進行剪切，剪切盒在液壓缸的作用下勻速進給，進給速度為2～10 mm/s，可根據實際需求通過變頻器調整，直至根土復合體破壞。此過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，通過位移數顯儀與壓力變送器對位移和壓力信號進行轉換處理，485通信總線實現壓力與位移數據的傳輸，然后通過RS485轉換器跟PC端USB接口相連接，最后由數據終端上位機通過軟件在其面板上直接呈現出試驗中的剪應力—位移關系曲線。試驗結束后，關閉液壓泵開關。水下根土復合體原位剪切裝置試驗過程如圖13所示。

剪切裝置的位移精度為0.1 mm，受剪面的剪應力精度為1.1 Pa，剪切裝置的精度滿足要求。在試驗中，裝置運行順利，能實時同步采集相關數據，裝置的穩定性和可靠性滿足要求。

4.3 試驗結果分析

現有研究表明，根系固土能力主要與受剪破壞面的根面積比(RAR)相關，為便于對照，選取素土、風車草和花葉蘆竹在水下、陸上RAR最接近的2個試樣進行對比。

素土、風車草和花葉蘆竹3個處理的原位剪切剪應力—位移(τ-S)曲線，如圖14所示。3個處理τ-S過程曲線基本相同，大致可分為三個階段，第一階段為從原點開始，剪應力急劇上升，位移變化較為平緩，位移基本都在40 mm以內，曲線斜率較大，類似于鋼材剪應力—應變過程線中的彈性階段；第二階段在同位移的情況下剪應力上升速度相較于第一階段明顯變緩，一直延續到峰值，類似于鋼材剪應力—應變過程線中的強化階段；第三階段為破壞階段，剪應力達到峰值后，剪應力迅速下降，其下降趨勢基本相同，最后趨近于一條水平的直線。素土、風車草和花葉蘆竹的抗剪切強度與破壞位移，如表3所示。

(a) 風車草

(b) 花葉蘆竹

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

由表3中的數據可以看出，有根系土體的抗剪強度明顯高于素土，水下素土的抗剪強度明低于陸上，在RAR相同的條件下，水下有根土體的抗剪強度也明顯低于陸上，說明所設計的水下原位剪切裝置能較好地測定水下根系的固土能力。

5 結論

1) 研制一種水下根土復合土原位剪切裝置，該裝置包括剪切系統、液壓系統、數據采集系統和取樣框等組成。該裝置能在水下正常開展根土復合體原位剪切試驗，更適應于復雜的現場試驗環境。

2) 野外試驗表明水下素土的抗剪強度為4.23 kPa，是陸上的74.9%，風車草、花葉蘆竹根土復合體的抗剪強度分別為17.52 kPa和14.38 kPa，是陸上相同RAR根土復合體的56.7%、44%。仿真分析及試驗結果表明該剪切裝置強度、剛度、精度、穩定性和可靠性均滿足使用要求，能自動實時同步采集、讀取、記錄、存儲數據，繪制出剪應力—位移關系曲線，能較好地測定水下根系的固土能力，為今后開展相關研究提供新的裝備。