氣壓深松土體內空氣含量變化規律試驗研究

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.東北農業大學 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,且易于在土體內形成水庫,減少土表水土流失[1];另外,實施深松作業可調節土壤三相比,增大土壤的孔隙度,增加土體內的空氣含量,有利于創造更好的作物生長環境,增產效果明顯[2-3]。氣壓深松是在原理上不同于傳統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產生裂隙并發展打破犁底層從而實現對耕地的深松。

耕地氣壓深松作業方式及概念由東北農業大學孔德剛、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深松作業方式具有易于加深深松深度,深松效果均勻,且動土量少,不易改變耕層結構等特點[6-7],該團隊同時對氣壓深松機進行了設計。關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深松進行減阻,對其減阻機理進行了分析,并設計了氣劈式深松鏟。但是,國內外關于旱作耕地氣壓深松機理及作業時土體內空氣含量的變化規律的研究相對較少。

為此,通過模擬旱作耕地在深松作業時的土層狀態,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空氣增量作為分析指標,研究了氣壓深松土體內空氣含量的變化規律,為氣壓深松技術的深入研究及氣松裝備的研發提供了試驗依據。

1 試驗

為了研究氣壓深松對土體內空氣含量的影響規律,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 試驗設備

測試設備如圖1所示。氣壓深松試驗裝置主要由高壓氣體生成部分、氣壓調節部分、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 試驗設備Fig.1 Test equipment

工作時,由調壓閥2進行氣體調壓,高壓氣體通過導氣管4、氣槍開關5、氣槍6注入到土體中,從而模擬氣壓深松作業,通過調壓閥可以調節注入土體內的高壓氣體壓力。

1.2 試驗條件

1)試驗采用東北黑土作為試驗用土壤,因實際深松作業時的土壤含水率為15%～22%[11-12],故試驗前將其含水率調制為(18±1)%。

2)旱作耕地結構從下至上大體為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時的土層狀態,試驗先鋪設了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空氣含量的增加量,也可以根據球冠體積來分析氣壓深松對土壤內空氣含量的影響規律。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,其頂部裝有發射燈,通過攝像機記錄下發射燈投射在光點顯示屏4上的移動軌跡;試驗結束后,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的一個重要的參數指標,而國內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;將土體調制為容重1.8g/cm3(犁底層平均容重)、厚度0.2m,對其內部注入高壓氣體,看土體表面是否出現裂紋而證明其能否能達到實現深松要求。經試驗得出土體在氣壓達到1.4MPa時,其表面出現了明顯裂紋,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,土表會產生氣爆飛土現象,從深松目的及節約能源的角度考慮,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)根據犁底層的容重區間[18],為了貼近實際深松作業狀態,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 試驗結果分析

試驗后,土面抬升明顯,抬升形狀為冠狀。根據試驗數據,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。其回歸方程的相關系數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)。

根據試驗數據由式(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,土體內空氣含量增加明顯;其中,不同犁底容重下,土體內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 土體內空氣增加量Table 1 Air content in soil cm3

根據圖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;由于土槽上方沒有約束,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、氣體密度較小的近側非主流區和氣體密度接近為零的遠側非主流區;氣壓深松過程為氣體和土體氣固耦合作業產生的結果,在高壓氣體擴散的同時伴隨著土體內氣體的泄漏。圖6(a)可以說明,對于容重1.4g/cm3的犁底層所產生凝聚力,深松氣壓為1.4MPa的高壓氣體在主流區所產生的壓力相對于其它兩種氣壓更不容易向土面擴散,而流入到近側非主流區,更易于在其內部擴散增加土體內的空氣含量。另外,該容重下,當深松氣壓為1.8MPa時,相比于2.2MPa由于主流區和非主流區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擴散而不容易泄漏出土表;而在該容重下,氣壓2.2MPa所產生的泄漏量較1.8MPa大,導致其深松后土體內空氣增量不是最大,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。由此說明:由于犁底容重1.8g/cm3的土體所產生較大的凝聚力,各深松氣壓不易產生泄露,土體內空氣含量增量隨氣壓的增大而增大,氣體在土體內更容易向水平方向擴散,主流區的氣體密度與非主流區的氣體密度相對較為平均。

從深松后改變土體內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,土體內空氣含量的增量均有變化,但并非正相關。

(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:在氣壓深松作業時,應根據耕地犁底層實際的容重狀態來選擇深松氣壓,在設計氣壓深松裝備時,應具有氣壓調節裝置來適應不同犁底層容重。

3 結論

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,土內空氣增量最大為1.23、2.61、3.89m3,土體內空氣含量的增量隨距噴氣點距離的增加呈遞減趨勢。

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