滩涂土壤强度参数的检测

2014-12-23宋亚鹏朱亨银

山东农业工程学院学报 2014年1期

宋亚鹏,朱亨银

（福建农林大学机电工程学院,福建福州350002）

随着我国人口的增加，经济建设对耕地的大量需求和环境日益严重的破坏。陆地空间及其资源已经到了不堪重负的境地，严重制约着人类社会的生存与发展。而作为一个海岸线长达3 万多公里的海洋大国，沿海有大量的滩涂土壤未被开发利用，开发滩涂资源不仅可以满足经济发展的需求，也对减少耕地压力和环境资源的破坏提供了可能性。

生长在江河边、海滩滩涂的大米草，最初被我国引进种植仅仅是为了抵御风浪，保滩护岸，加固海堤。但后来随着科学技术的发展，人们发现大米草含有丰富的蛋白质、维生素，可以作为提取多糖的原料，大米草的利用价值进一步得到提高。为了提高大米草的市场价值需进一步加大种植规模。但由于沿海滩涂土壤承载力较差，普通的行走机构很难保证收割机械在大米草种植区域的工作要求，所以必须要设计出在滩涂上能够正常工作的行走机构[1]。但目前针对松软土壤环境的行走系统还在进一步研究之中，运用在该类环境中的行走机构主要有：履带、叶轮、步行机构和螺旋推进器。履带装置运用最为广泛多用于军事领域，但考虑到众多因素后，针对特殊工作环境本设计采用叶片轮行走装置。

滩涂的土壤粘粒较多、强度低、含水量大相对于陆地上的土壤承载能力较差。土壤的承载能力对整个行走机构的分析与设计有着重要的联系。所以首先应该先对滩涂土壤强度进行检测，在第二次世界大战期间，为了判断车辆在松软土壤的可行驶性，美国陆军工程部队水道试验站创建了圆锥指数法来确定土壤特性，车辆圆锥指数是典型用经验方法来研究土壤与车辆之间的关系[2]。所谓的圆锥指数是将一个压头顶角为30°、圆锥投影面积为（约3.2 平方厘米）的圆锥压头，以约（约1.8 米每分）的速率压入地内到车辆影响所及深度，所需之力除以圆锥底面积所得之压力或阻力称作圆锥指数（CI）。这种方法一方面用某种观察和测定来鉴别土壤，另一方面将机器放在一系列的相同类型的土壤中试验，然后使两组测定值相关联，再进行适当的分类。在圆锥指数的基础上为了判断车辆对重复碾压土壤的通过性能又提出了额定圆锥指数（RCI）[3]。

WES 解决军用车辆了的通过性或机动性问题，将“圆锥指数”用经验的方法与许多现有车辆的“可通过性”和“不可通过性”性能的试验关联起来，利用车辆圆锥指数（VCI）与土壤圆锥指数（CI）对比，借此鉴别车辆通过性能[4]。

人们用圆锥指数和额定圆锥指数来评价圆锥指数作为表征土壤的承载能力由于操作简单方便在土壤-车辆的研究中仍然被广泛的应用。但从原理上很难与土壤的力学特性如内聚力、内摩擦角及剪力等联系。 Bekker(1969)指出它只是通过直接的经验对比来取得，而且每次试验只确定一个指数，它也不能作为剪力数学模型的参数[5]。具体到大米草收割机的行走动力主要是依靠叶片剪切土壤导致土壤变形，土壤对叶片轮产生反作用推力推动整个收割装置前进行走。并且要分析出土壤强度参数与叶片轮行走装置结构参数之间的变量关系，所以本实验去测量土壤的圆锥指数是不正确的。

土壤的抗剪强度，是直接影响农业机械行走装置是否充分发挥驱动力和能否在湿软地上顺利通过等性能的主要参数[6]。本实验首先应对土壤进行土壤的抗剪强度检测，土壤抗剪强度是土壤在外力作用下，其一部分土体对另一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度。土壤的抗剪强度是指耕作机械部件用各种变形的方法破坏土壤时，土壤颗粒运动所产生的最大内部阻力，土壤抗剪力包括土壤粘结力和内摩擦力。土壤抗剪强度是土壤在外力作用下，其一部分土体对另一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度。抗剪强度能够反映出土壤内部性质和提供土壤性质与机械部件之间的数据联系[7]。

在本实验中采用SJ-3.5 型水田土壤剪切仪来对滩涂土壤进行土壤强度检测。

SJ-3.5 型水田土壤剪切仪，是测定水田土壤剪切特性的专用仪器，它备有1.7 与3.4 公斤-米扭矩的压缩弹簧各一根，以便测试各种抗剪强度的水田土壤。它利用压力弹簧施加正压力，并用手柄通过蜗杆-蜗轮3 等转动环形剪切头进行剪切，测定操作简便，剪切速度缓慢均匀。 SJ-3.5 型剪切仪由弹簧加载、扭矩传递、自动记录、支架及剪切头等部分组成[8]，如图所示：