水田表层土壤力学特性的原位试验分析_李澜.pdf

第 46 卷第 1 期2023 年 1 月河 北 农 业 大 学 学 报JOURNAL OF HEBEI AGRICULTURAL UNIVERSITYVol.46 No.1Jan.2 0 2 3水田表层土壤力学特性的原位试验分析李 澜1，黄博翰1，曾剑辉1，刘木华1,2，黎 静1,2，薛 龙1,2（1.江西农业大学 工学院，江西 南昌 330045；2.江西省现代农业装备重点实验室，江西 南昌 330045）摘要：了解松软状态下表层和次表层水田土壤的力学参数是研制高通过性水田轮和耕作部件的前提。本文以松软状态下的水田土壤为研究对象，利用简易贝氏仪，对不同含水率条件下水田土壤的承压和剪切参数进行原位测量。试验结果表明，含水率在 31.08%38.26%范围内时，水田土壤变形指数 0.61 n 0.72。对于摩擦变形模量 K而言，随着含水率的不同而变化，变化范围 70.12 92.80 kN/m(n+2)。含水率在液限附近时，含水率31.08%与 33.12%相比，其内聚变形模量 Kc增加 10.08 kN/m(n+1)，变化明显。当含水率在 31.38%47.42%范围时，内摩擦角 与含水率的数据拟合关系为 y=-2.043 9x+100.74，R2为 0.892。内聚力 c 随着含水率的不同而变化，变化范围 964.68 2 370.70 Pa。本文试验结果可为常规农机在水田中的通过性能评估和耕作部件的减阻优化提供土壤参数依据。关 键 词：水田土壤；承压特性；剪切特性；车辆通过性中图分类号：TB17；TU41 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：文献标志码：AIn-situ test analysis on mechanical properties of paddy surface soilLILan1,HUANGBohan1,ZENGJianhui1,LIUMuhua1,2,LIJing1,2,XUELong1,2(1.College of Engineering,Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045,China;2.Key Lab of Modern Agricultural Equipment,Nanchang 330045,China)Abstract:Understanding the mechanical parameters of surface and subsurface paddy soils under soft conditions is a prerequisite for developing high-pass paddy wheels and tillage components.In this paper,the paddy soil in soft state was taken as the research object,and the pressure-sinkage characteristics and shear properties of paddy soil under different moisture content conditions were measured in situ by using a simple bevameter.The test results showed that the paddy soil deformation index was 0.61n0.72 when the moisture content was in the range of 31.08%-38.26%.The friction deformation modulus varied with the moisture content in the range of 70.12-92.80 kN/m(n+2).When the moisture content was near the liquid limit,the cohesive deformation modulus Kc increases by 10.08 kN/m(n+1),when the moisture content was 31.08%compared with 33.12%,.When the moisture content was in the range of 31.38%-47.42%,the fitting relationship between internal friction anglea and moisture content was y=-2.0439x+100.74.R2=0.892.The cohesive force c varied with the moisture content in the range of 964.68-2370.70 Pa.The test results in this paper can provide soil parameter basis for the performance evaluation of conventional agricultural machinery in paddy fields and the drag reduction optimization of tillage components.Keywords:paddy soil;pressure-sinkage characteristics;shear properties;vehicle passing ability文章编号：1000-1573(2023)01-0121-06DOI：10.13320/ki.jauh.2023.0017收稿日期：2021-12-23基金项目：国家自然科学基金（51865018）；江西省自然科学基金（20192BAB206025）.第一作者：李 澜（1996-），男，江西南昌人，硕士研究生，从事农业机械化研究.E-mail:通信作者：薛 龙（1977-），男，辽宁本溪人，博士，副教授，从事车辆地面力学与仿生行走研究.E-mail:本刊网址：http:/122第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报农业机械在水田中作业行驶时，其驱动力主要依靠车轮与水田土壤的相互作用而产生。当水田土壤含水率较高时，其承载和剪切能力下降，又因为水田土壤的黏附性，使得车辆发生严重下陷和打滑，导致行驶阻力大，通过性差、能耗大，甚至发生陷车的现象，因此了解松软状态下水田土壤表和次表层的力学性质对于研发新型高通过车轮和耕作部件具有重要意义。而水田土壤的力学特性主要与水田土壤的承压和剪切特性有直接关系。水田土壤的承压特性主要包括土壤的变形指数n，内聚变形模量 Kc和摩擦变形模量 K组成，其测量方法是使用压板模拟真实车轮与土壤接触的工作情况，通过采集不同尺寸的压板在土壤中的沉陷曲线，然后根据承压模型确定相应的承压特性参数，压板的类型有矩形板1、圆板2、椭圆板3等。水田土壤的剪切特性主要包括内摩擦角 和内聚力 c 组成，其测量方法主要分为间接法和直接法。间接法主要基于土壤压缩，例如使用锥形贯入仪4,5进行贯入测试来估计细沙土、黏土、黄壤土的剪切强度。直接法根据测量仪器的运动方式分为线性剪切法和旋转剪切法。线性剪切法一般是将被测土壤放入剪切盒中，使用四联剪6,7、双向直剪仪8对粗砂、稻田土的剪切强度进行测量，或者使用履带板1,9对石英砂、黏壤土、模拟月壤进行剪切。旋转剪切法通常是使用空心圆柱剪切装置10、十字板剪切装置11、环形旋转剪切装置12,13等对沙土、砂壤土、重黏土进行剪切，记录正应力、剪应力、剪切位移或剪切角度，然后根据摩尔-库伦破坏准则计算出内聚力、内摩擦角。水田土壤14为典型的松软地面，含水率高，甚至超过液限，因此应用环形旋转剪切装置13,15,16测量其剪切强度。本文以表层和次表层水田土壤为研究对象，利用简易贝氏仪，应用 3 种不同直径的圆形压板和 6齿的环形剪切盘，对不同含水率的水田土壤进行承压和剪切的原位测量，获取表层和次表层水田土壤的承压和剪切参数。1 材料与方法1.1 试验地点及样本田间试验选择在江西农业大学农业科技园试验田中进行，试验田位于鄱阳湖水稻种植区西南方，该地区的年平均降雨量约为 1 600 mm，年平均气温在 17 18。试验田主要承担水稻育种栽培科研任务，其耕作层深度为1822 cm，土壤类型为黏土，其质地松软，试验田块如图 1 所示。取表层土壤（深度在 0 15 cm 范围内），将样本烘干粉碎过筛后，应用智能粉体特性测试仪（BT-1001，丹东百特仪器有限公司），测得水田土壤休止角为 40.04，松装密度为 0.72 g/cm3，振实密度为 1.21 g/cm3。应用数显示土壤液塑限联合测定仪（GYS-2，南京土壤仪器厂有限公司）测得液限和塑限分别为 32.27%和 17.13%，如表 1 所示。图1 试验田块Fig.1 Experimental plot表1 物理特性参数Table 1 Physical characteristic parameter休止角/()Angle of repose松装密度/（gcm-3）Bulk density振实密度/（gcm-3）Tap density液限/%Liquid limit塑限/%Plastic limit40.070.721.2132.2717.131.2 试验设备水田土壤承压和剪切特性的测量设备采用自主设计的简易贝氏仪，其整体结构如图 2 所示。简易贝氏仪包括支架、数据采集系统、线性运动系统、旋转运动系统、控制系统、试验测头。数据采集系统由拉线位移传感器、S 型拉压力传感器和双法兰静态扭矩传感器组成。线性运动系统主要由直线导杆、电动推杆以及固定在电动推杆末端的电磁铁组成。旋转运动系统主要由光轴、电机、减速器组成。试验测头类型有压板和剪切盘 2 种。进行压板试验时，电脑发送准备试验指令给控制系统，控制系统接收到准备试验指令后，控制电动推杆带动安装在光轴末端的压板沿着 3 根直线导杆向下做线性运动，压板下端面距离土面 10 mm 位置处停止。再发送开始试验指令，压板在电动推杆的推动下进行压板试验，同时，拉线位移传感器开始记录压板下陷深度、S 型拉压力传感器开始记录压板受到的土壤反作用力。123第 1 期进行剪切试验时，电脑发送开始试验指令给控制系统，控制系统接收到开始试验指令后，控制电动推杆带动安装在光轴末端的剪切盘沿着 3 根直线导轨向下做线性运动，当剪切齿接触到土面时电磁铁电源断开，电机、双法兰静态扭矩传感器、剪切盘等作为整体，在系统自重 8.705 kg 作用下剪切齿破坏土面进入土中。电机带动剪切盘旋转进行剪切试验，同时，拉线位移传感器开始记录剪切盘下陷深度，双法兰静态扭矩传感器（JNN-F，量程 25 Nm,蚌埠传感器系统工程有限公司）开始记录剪切盘旋转破环土壤时产生的扭矩。压板试验时所用的压板为圆形，直径分别为150、200、250 mm。剪切试验时所用的剪切盘为环形，其外径、内径分别为 250 mm 和 150 mm，剪切环上安装剪切齿 6 个，其长高宽分别为 50 mm10 mm 10 mm，如图 3 所示。注：1.电动推杆；2.拉线位移传感器；3.电磁铁；4.S型拉压力传感器；5.电机；6.双法兰静态扭矩传感器；7.光轴；8.试验测头；9.支架；10.控制系统。图2 简易贝氏仪Fig.2 Simple bevameter图3 剪切盘Fig.3 Shear disc1.3 土壤承压和剪切模型1.3.1 承压模型 水田土壤为典型的松软地面，本文研究采用 Bekker 承压模型来描述水田土壤的承压特性17，在压板作用下，垂直载荷与沉陷的关系为如式（1）所示：p=Kcb+Kzn（1）式中，p 为压板接地比压（kPa），b 圆板的半径或矩形板的宽度（m），z 为压板的沉陷