農田原狀土壤壓實測試系統的設計及操作方法

柏建彩　丁啟朔　陳青春　等

摘要：使用土壓力傳感器監測土壤壓實狀況的優勢是可以直觀反映土體內的應力過程，但是傳統的操作方法費時費力，因此設計一種全新的農田原狀土應力測試系統，該系統以30°傾斜角打洞埋設土壓力傳感器，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的應力傳遞。在水稻土中的應用結果表明，系統的設計參數合理，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果都達到了預期效果，能夠滿足短時間內進行多點測試的要求。

關鍵詞：土壓力傳感器；土壤壓實；原狀土；測試系統

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）；江蘇省優勢學科建設工程資助項目（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環境工程與技術。E-mail：qsding@njau.edu.cn。田間作業機具對農田土壤的壓實降低了土地生產力，因而監控各種田間作業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工作。關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測土壤壓實過程是農田土壤壓實測試技術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范的操作方法，使得這一監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的傳感器進行加載測試，因此本研究針對農田土壤壓實監測的土壓力傳感器埋設及加載測試2個操作環節提供相應的裝置和測試操作方法。

1總體結構和原理

測試系統主要由土壓力傳感器打孔機構、土壓力傳感器埋設機構、加載機構以及數據采集測試系統等組成，其結構如圖1所示。該測試儀可以完成土壓力傳感器安放孔的挖設、土壓力傳感器的埋設、加載及測試等多道工序。工作時先將打孔機構和加載機構安放在導軌上，保證土壓力傳感器的安放位置和加載位置不會產生偏差。通過打孔機構在地表以一定的角度打到預定深度，完成安放孔的挖設，然后用埋設機構把傳感器安放到孔內，最后進行加載及土壤壓實過程的測試，原理如圖2所示。

2主要機構設計

2.1土壓力傳感器打孔機構的設計及操作方法

如圖1-a所示，打孔機構由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個安裝孔能夠將導向套的角度分別調整為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，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深度并結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一角度，然后拉出地表，清除塞嵌在取土器凹槽內的土壤。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孔的鉆孔過程，此時移開打孔支架。

2.2土壓力傳感器埋設機構的設計及操作方法

如圖1-b所示，傳感器的埋設裝置主要由傳感器、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穿過，拉緊土壓力傳感器的導線，令土壓力傳感器的側壁頂住夾持筒端部，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。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留在安裝孔中，維持頂桿的狀態，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，然后抽出推桿，繼續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

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，主要技術參數見表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土壓力傳感器的上方，啟動電機，用液壓系統進行加載，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參數

項目臺架長×寬×高

（mm×mm×mm）總質量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）參數值600×1 140×1 600700400100.754

2.4測試系統

本系統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、數據采集卡、計算機等組成。工作時，在加載的工程中，傳感器產生的信號通過Labview軟件及電阻應變儀、數據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。土壓力傳感器的標定按照廠家規定，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系。

試驗于2013年11月在南京市浦口區江浦農場進行。試驗地為多年稻麥輪作，土壤為黃棕壤發育而成的水稻土，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為：含水率29.83%，干密度1.32 g/cm3，孔隙度49.98%，土壤內聚力55.33 kPa，土壤內摩擦角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、總下限深度參數分別為700 kg、150 mm、10 mm/s、25 ms、40 mm。田間測試結果如圖4、圖5所示。

通過田間試驗可以看出，土壓力傳感器的埋設角度和深度都很精確，測試曲線規律較明顯，加載力一開始增加比較快，隨著土壤壓實并產生流變失效，加載力趨于平緩，表層土結構比較松散，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操作相對簡單，對土壤擾動較少，滿足在短時內多點原位測試

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構形成，表明土層的應力傳遞能力滯后于承載結構土層的形成。

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