氣壓深松犁底層裂隙擴展特性研究*

左勝甲，孔德剛，李繼成，馮心茹

(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,哈爾濱市,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,增加土壤的孔隙度,有利于創造更好的作物生長環境,增產效果明顯[2-3]。氣壓深松是一種新型深松方式,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[4]。

耕地氣壓深松作業方式及概念由孔德剛團隊于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,動土量少,且不易改變耕層結構等特點[6-8],同時該團隊對氣壓深松機進行了設計。關于氣爆松土裂隙跡線方程,奚小波等[9]進行了試驗研究。劉明財等[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。但國內外關于旱作耕地氣壓深松機理及犁底層內裂隙擴展特性的研究則相對較少。

本文在分析氣壓深松裂隙擴展理論模型的基礎上,對旱作耕地模擬土層進行構建,并進行氣壓深松室內試驗,探究氣壓深松犁底層內裂隙擴展特性,為氣壓深松機理深入研究及氣松裝備的研發提供理論依據。

1 裂隙擴展理論模型

氣壓深松作業時,當高壓氣體注入犁底層后,由于氣壓的存在會在犁底層內快速形成裂隙,裂隙會在氣壓的作用下擴散。同時,由于土體本身空隙的存在,氣體會向土體中泄漏,泄漏的同時會導致壓力衰減,影響裂隙擴展。因此,氣壓深松裂隙的擴展模型應考通過氣體壓力分布、氣體土內泄漏、土體位移即裂隙發展三個方面進行構建及表述。

1.1 模型假設

氣松時土體內裂隙的產生及擴展是氣體和土體耦合作用過程[10-11],為了便于對氣松裂隙擴展模型的研究,作如下假設：(1)假設土體是均勻介質;(2)假設氣松裂隙在噴氣起劈點一定范圍內,近似為橢圓形且形狀不變,其擴展模型如圖1所示。

圖1 氣壓深松裂隙擴展模型Fig.1 Model of propagation fracture of air-pressure subsoiling

1.2 氣體壓力分布方程

氣松時氣壓分布模型構建,應考慮高壓氣體擴展過程中由于需要克服與土體間的摩擦力,導致其衰減,通過Nautiyal[12]提出的考慮流體與隙壁摩擦影響,基于兩個無限平板模型的壓力分布模式解析式,建立距噴氣點不同距離下氣壓深松土體內壓力分布方程,如式(1)所示。

(1)

式中：p——高壓氣體壓力,MPa;

μgas——高壓氣體黏滯系數;

g——重力加速度,N/kg;

ρmax——氣體的密度,kg/m3;

u——高壓氣體徑向流速,m/s。

考慮到氣體的可壓縮性,求解式(1)可得式(2)。

(2)

式中：Pn+1——注氣點rn+1處的高壓氣體壓力,MPa;

Pn——注氣點rn處的高壓氣體壓力,MPa;

Q——注氣點rn+1與rn之間的流量m3/s;

1.3 高壓氣體泄漏方程

假設氣壓深松過程中,土體為均勻介質,氣體在土體中的滲漏速率相等。在氣體擴散產生裂隙,增大土體內的孔隙度導致氣體泄漏的過程中,可以將漏氣裂隙通道,劃分為以噴氣點為中心的若干個同心圓環,計算出單個同心圓環滲漏量。便可累計得到總的滲漏量,其計算公式如式(3)所示。

(3)

式中：Qleak——氣體泄漏的總量,m3;

Kleak——氣體在土體中的滲透系數;

rn——第n個圓環距深松注氣點的距離,m;

rn-1——第n-1個圓環距深松注氣點的距離,m;

Igrad——滲透距離,m;

Paxg——每個圓環的平均氣體壓力,MPa。

1.4 土體位移方程

關于高壓流體對土體劈裂機理,主要有剪切機理和抬升張拉機理,韓文君等[13]進行了淺層土體氣壓劈裂試驗,利用試驗數據,得到氣壓劈裂土體裂隙寬度計算公式,如式(4)所示。

(4)

式中：b——到噴氣中心r處的裂隙寬度,mm;

Z——深松深度,m;

E——土體的彈性模量,MPa;

P——氣壓,MPa;

R——裂隙半徑,mm。

2 材料與方法

為了研究氣壓深松犁底層內氣壓深松裂隙擴展特性,本文在假設氣壓深松符合抬升張拉機理即裂隙的寬度為土面的抬升量的基礎上,進行了氣壓深松模擬試驗。

2.1 試驗設備

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和土槽組成,高壓氣體由高壓氣泵生成,由調壓閥進行氣體調壓,氣體通過導氣管、氣槍開關、氣槍注入土體中,從而模擬氣壓深松作業。其測試原理如圖2所示。

圖2 氣壓深松試驗裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of pneumatic subsoiling test device1.土槽 2.氣槍 3.氣槍開關 4.導氣管 5.調壓閥 6.支撐架 7.高壓氣泵

2.2 試驗條件

1) 試驗采用長白山東北黑土作為試驗用土壤,實際深松作業時的土壤含水率為15%～22%[14],同時根據裂隙擴展土體位移方程可知,土體的容重(彈性模量)是裂隙擴展的重要參數。其定義公式(環刀法)如式(5)所示。

rs=G×100/V(100+W)

(5)

式中：rs——土壤容重,g/cm3;

G——環刀內濕重,g;

V——環刀容積,cm3;

W——土壤含水率,%。

本試驗主要考慮不同犁底容重條件下,裂隙擴展特征,故將含水率固定,取實際作業時居中含水率18%(±1),作為本試驗土體含水率。

2) 耕地結構從下至上分別是：容重為1.4～1.89 g/cm3,厚度為0.1～0.2 m的犁底層;厚度為0.2 m的耕作層(松土)[12,15]。為了模擬實際深松作業時的土層狀態,本試驗先鋪設了0.2 m的“犁底層”,然后在犁底層上面鋪設約0.2 m厚的試驗用土壤作為“耕作層”。

2.3 試驗步驟

1) 土面抬升量測試裝置如圖3所示,試驗過程中,當土面抬升,導致與土面接觸的抬升柱隨之抬升,其頂部裝有發射燈,攝像機記錄下發射燈投射在光點顯示屏上的移動軌跡,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。

圖3 土面抬升量測試裝置Fig.3 Soil surface uplift testing device1.攝像機 2.抬升量 3.抬升柱 4.支撐架 5.導向管 6.發射燈 7.顯示屏 8.土面

2) 測試點布置。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四個點。布置半徑分別為：50 mm、150 mm、250 mm、350 mm、450 mm。

3) 試驗。根據文獻[16]可知,通過耕地氣壓深松效果試驗及氣壓選取試驗可知氣壓1.8 MPa,可作為較適宜深松氣壓,同時,根據實際犁底層的容重區間及所在深度,本試驗選取犁底層容重為1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8 g/cm3,深松氣壓為1.8 MPa。注氣點選擇犁底層所在位置距土面35 cm處。

另外,為探尋氣松后土體內氣體分布情況,利用CFD軟件中的多孔介質模塊,通過建模和網格劃分、邊界條件確定、仿真求解對氣壓深松進行仿真模擬,仿真條件為深松氣壓1.8 MPa,犁底層容重1.6 g/cm3(犁底平均容重),獲取深松作業時犁底層內氣體的密度分布圖。

3 結果與分析

通過仿真試驗,得到氣壓深松后犁底層內氣體密度分布圖,如圖4所示。

圖4 高壓氣體密度分布Fig.4 Fracture width regression curve

由圖4可以看出,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(線圈內)、氣體密度較小的近側非主流區(線圈左側)和氣體密度最小的遠側非主流區(線圈右側)。

通過室內氣壓深松模擬試驗發現土表抬升明顯,氣壓深松機理符合抬升張拉機理,可以認為各測試點的土面抬升量即為測試點的裂隙寬度。根據試驗數據,得到在氣壓(1.8 MPa)深松作用下,犁底層容重1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8 g/cm3的土裂隙寬度的回歸曲線圖如圖5所示。

圖5 裂隙寬度回歸曲線Fig.5 Fracture width regression curve

犁底層容重1.4 g/cm3的土裂隙寬度的回歸曲線

y1=9.857 1x2-12.154x+3.681 6

R2=0.965

犁底層容重1.6 g/cm3的土裂隙寬度的回歸曲線

y2=-19.964x2-9.284 3x+10.118

R2=0.986 1

犁底層容重1.8 g/cm3的土裂隙寬度的回歸曲線

y3=-2.821 4x2-14.164x+86.088

R2=0.986 1

由圖5可以看出,氣壓深松后,各容重條件下,裂隙寬度均隨噴氣點距離的增加而減小,土表呈球冠狀明顯。這是因為高壓氣體由噴氣孔噴出后,在向水平運動的同時,以噴氣點為中心向四周擴散并形成了球面壓力場。壓力場使土體內部產生裂隙,由于土槽上方沒有約束,所以壓力場的合力豎直向上使土面抬升形成球冠狀。同時隨著噴氣點距離的增加,泄漏到土體表面的氣體量也逐漸增加,導致壓力場壓力衰減,使越遠離噴氣中心處裂隙寬度就越小。另外,可以看出在0.4 m之后,由于氣流路徑較長,高壓氣體的劈裂能力已明顯衰減,所以裂隙寬度已沒有顯示,在水平距離0.45 m、0.55 m處為0。

由圖5可以看出,當犁底層容重1.6 g/cm3時,犁底層內裂隙的寬度最大。這是因為氣壓深松過程中氣體和土體氣固耦合作業產生的結果,高壓氣體在土體內擴散產生裂隙的同時,也在克服土體自身的凝聚力向土體表面泄露。圖5可以說明容重1.6 g/cm3的犁底層所產生凝聚力,相對于犁底層容重1.4 g/cm3所產生凝聚力較大,在主流區的高壓氣體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產生裂隙。而容重1.8 g/cm3的犁底層所產生凝聚力較大,高壓氣體擴散在主流區和非主流區都遇到較大的阻力,導致所產生的裂隙寬度相對于容重1.6 g/cm3犁底層的較小。而對于容重1.4 g/cm3的犁底層,由于土體凝聚力較低,該氣壓作用下,泄漏量較多導致裂隙寬度最小。

由圖5可以看出,不同犁底層容重(1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8 g/cm3)條件下,氣壓深松作業后,裂隙產生明顯,裂隙寬度隨噴氣點距離的增加而呈遞減趨勢,裂隙的最大寬度為3.23 mm、9 mm、8.13 mm,裂隙影響最大半徑為0.55 m。犁底層容重對裂隙寬度影響明顯(P<0.05),但并非正相關。

4 結論

1) 通過對氣壓深松裂隙擴展理論模型的分析,可為氣壓深松機理的深入研究及氣松裝備的研發提供理論依據。

2) 氣壓深松后,犁底層內產生裂隙,可以達到深松的目的,同時土面抬升明顯,氣壓深松符合土體抬升張拉機理,裂隙最大寬度為9 mm,裂隙最大擴展半徑為0.55 m。

3) 從裂隙擴展影響半徑、裂隙寬度、裂隙衰減速度來看,與犁底層容重并非正相關,裂隙寬度隨與注氣點距離的增加而減小與理論分析氣壓深松裂隙的擴展為氣壓衰減、氣體土內泄漏、土體位移三個過程的耦合作用表述一致。