基于气压劈裂法的气动深松模拟试验

2019-05-27冯壮壮王维新闫毅敏陈福祥

农机化研究 2019年11期

冯壮壮，李霞，王维新，闫毅敏，陈福祥

(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000)

0 引言

深松是保护性耕作技术的主要内容之一，一般是指超过正常犁作业深度并不翻乱耕作层土壤的松土作业。对耕地进行深松作业，可有效打破犁底层，加深耕作层厚度，增强雨水的渗透能力，减少径流和水分蒸发，减轻土壤侵蚀，提高土壤蓄水保墒能力[1-2]。1988年，新泽西工学院首次提出了气压劈裂技术，通过向岩土体中喷射高压气体，使土壤内部形成裂隙从而增加土体的渗透性，同时配合热处理法、蒸汽浸提法等污染土修复方法，以提高污染物的清除效率[3]。国内外学者在研究高压气体与土壤相互作用机理等方面取得了一些成果。Larsson、韩文君、沈水龙等[4-6]在试验中验证搅拌桩作业过程中的气压劈裂现象，并将气压劈裂技术用于加固软土估基。李粮纲、刘德仁等[7]采用压缩空气驱动高频冲击器将松土杆打入土中预定深度后进行松土。Araya等[8-10]在深松铲上添加高压气体喷射装置来降低土壤对深松铲的摩擦阻力，发现此种装置可以有效地减阻并且大大改善土壤疏松状态。左胜甲、孔德刚等[11]基于气压劈裂机理进行气压深松效果试验，验证了利用高压气体对土壤进行深松的可行性，并且具有良好的深松效果。气动深松方式具有广泛的农业工程应用前景，但目前将气压劈裂法用于深松的研究还很少，并且已有的气动深松试验未对影响因素进行深入研究，限制了气动深松技术的推广与应用。

为此，采用自行研制的气动深松模拟试验装置进行了田间试验，选择喷气压力和深松深度作为试验因素，对深松前后的土壤坚实度降低率和土面抬升量进行分析，为气动深松机的设计提供理论依据。

1 试验项目

1.1 试验用地

试验用地位于新疆石河子市石河子大学教学试验田，土壤为典型的灰漠土，长期种植红花，自上至下由约15cm厚的耕作层和约10cm厚的犁地层组成，所用土壤的物理特性如表1所示。土样粒径通过土壤筛分试验测定，结果如表2所示。

1.2 试验装置

气动深松模拟试验装置主要包括供压与控制系统、气动深松系统及测量系统，如图1(a)所示。

表1 土壤的物理特性Table 1 Soil physical properties

表2 土壤质地成分Table 2 The component of soil texture

供压与控制系统由压力控制阀、空气压缩机及升降机组成。压力控制阀用来控制注入土样中的气压值；空气压缩机提供高压气体；升降机可以调节气枪在土壤中所处的深度，并起到支撑气枪的作用。气枪由高压软管、气枪控制开关、导管和气枪头组成，如图1(b)所示。气枪头开有1个喷孔，气枪通过高压软管与空气压缩机相连。

(a) 整体图

(b) 气枪结构图1.压力控制阀 2.空气压缩机 3.高压软管 4.升降机 5.气枪控制开关 6.导管 7.表座 8.导杆 9.百分表 10.气枪头图1 试验装置Fig.1 Test equipment

测量系统包括土面抬升量测试装置和土壤坚实度仪。土面抬升量测试装置主要由导杆、表座、位移百分表组成，导杆通过固定件固定于升降机，表座等间隔的安装在导杆上，位移百分表固定于表座上。土壤坚实度由SC900数字式土壤坚实度仪测得。

1.3 试验设计

1)试验因素的选取。当喷气压力值大于土壤起劈压力时，土壤开始劈裂，从而使土壤在不翻动的情况下在其内部形成裂隙，达到土壤深松的效果。喷气结束后，深松土壤的内部特征变化可由土壤坚实度来表示，外部特征变化可由土面抬升量来表示。King等[12]通过室内气压劈裂试验研究表明：当上覆压力小，喷气点较浅时，土体发生明显的抬升，忽略土体压缩引起的变形，这一抬升值可以近似等于劈裂过程中土体产生的裂隙宽度。根据Murdoch等[13～14]的统计结果，得到浅层土壤深松时的土面抬升值计算方程，即

式中a—距喷气中心点的距离为r处的裂隙宽度；

R—裂隙半径，即深松影响半径；

E—弹性模量；

P—喷气压力；

h—深松深度。

由上式可知：裂隙宽度和裂隙半径与喷气压力和深松深度有关，所以本试验选取喷气压力和深松深度作为试验因素并选取土壤坚实度降低率和土面抬升量作为评价指标进行试验。

2)喷气压力的选择。为了探寻不同深松深度下各喷气压力的深松效果，进行预试验。喷气压力选取的原则为：保证在深松深度最大的情况下，喷气压力对土壤产生明显的土面抬升。考虑到空气压缩机设备的通用性，选取普通高压气泵就可以达到的0.8MPa气压作为测试的基准气压进行喷气压力选取。如果土壤在喷气压力0.8MPa下发生明显抬升，则降低喷气压力直至土壤不能产生抬升为止，此气压为本次气动深松试验的最低喷气压力；如果土壤在喷气压力为0.8MPa下没有发生明显抬升，则升高喷气压力直至土壤产生抬升为止，此气压为本次气动深松试验的最低喷气压力。经预试验得，此地块最低喷气压力为1.0MPa。本试验选取喷气压力分别为1.0、1.2、1.4MPa。

3)深松深度的选择。进行气动深松试验之前，在以喷气点为中心，以距离喷气点的长度为半径的圆上随机取多个点，测量各点处不同深度的土壤坚实度，并取平均数记为平均土壤坚实度，测量结果如图2所示。

图2 不同深度平均土壤坚实度Fig.2 Average soil penetration resistance at different depths

由图2可知：在土壤深度为15～25cm时，土壤坚实度大幅度增加；在25～30cm时，土壤坚实度呈减小的趋势。该现象的原因是：长期不正确的耕作方式以及拖拉机等大型机械的反复进地，导致土壤形成了坚硬的犁底层。测量结果表明：该地块的犁底层分布在距离地表15～25cm处，而这一区间也是深松的重点区域。本试验选取深松深度为15、20、25cm。

4)注气时间的影响。为了节约深松成本，需要保证在达到气动深松效果的前提下控制喷气时间。由预试验可知，在注入高压气体3s后，土壤未再继续抬升，所以本试验选取的注入时间为3s。

2 试验过程

1)设计方案。本试验选取深松深度和喷气压力作为试验因素进行全组合试验，全组合试验的因素水平表如表3所示，具体试验方案如表4所示。

2)选取有效尺寸2m×2m的试验用地，安装气动深松装置。

3)气枪安装。将气枪插入试验用地的土壤中心处，插入深度分别为15、20、25cm，以此保证气枪喷气孔插入到犁底层中。

4)试验前，对土壤坚实度测试并记录。

5)安装土面抬升量测试装置。在位移百分表与土壤接触点处放置铁片，以提高土面抬升量的测试精度，调节位移百分表的初始读数为0。

6)开启高压气泵，待高压气泵平稳停车后，调节压力控制阀使喷气压力达到试验设定的压力值，然后开启气枪控制开关，喷气3s后关闭高压气泵。

7)试验后对土壤坚实度、土面抬升量进行测试并记录。

表3 因素水平表Table 3 Factors and levelsTable

表4 试验方案表Table 4 Test schemeTable

3 结果分析与评价

3.1 结果分析

1)土壤坚实度降低率。通过对土壤坚实度的分析，可以评价深松效果的优劣。为了能清晰地分析气动深松效果，定义深松前、后土壤坚实度的差值与深松前土壤坚实度之比为土壤坚实度降低率。利用Origin软件绘制不同深松深度各喷气压力下，喷气点处土壤坚实度降低率的竖向分布(见图3)和水平分布(见图4),P气代表喷气压力。

(1)由图3可知：当喷气压力为1.0MPa，深松深度为15、20、25cm时，耕作层的土壤坚实度降低率范围分别在27.78%～34.48%、23.08%～36.36%、14.29%～25.00%之间，犁底层的土壤坚实度降低率范围分别在2.53%～28.36%、4.39%～24.05%、5.80%～12.99%之间；当喷气压力为1.2MPa，深松深度为15、20、25cm时，耕作层的土壤坚实度降低率范围分别在33.33%～46.15%、22.73%～41.18%、15.79%～28.57%之间，犁底层的土壤坚实度降低率范围分别在3.03%～37.68%、1.94%～27.47%、7.59%～15.30%之间；当喷气压力为1.4MPa，深松深度为15cm、20cm、25cm时，耕作层的土壤坚实度降低率范围分别在39.39%～63.16%、29.30%～53.85%、26.92%～37.04%之间，犁底层的土壤坚实度降低率范围分别在3.65%～40.51%、2.60%～37.04%、5.19%～21.81%之间。

上述结果表明：①在相同喷气压力下，随着深松深度的增加，土壤坚实度降低率随之减小。②在相同深松深度下，随着喷气压力的增大，土壤坚实度降低率随之增大，即深松效果更佳。③喷气点上侧土壤坚实度降低率远远大于下侧土壤坚实度降低率，且随着喷气压力的增大，这种差距越来越明显，主要是因为气体往上渗透。由此可知，在气动深松过程中，喷气压力对土壤竖向的深松偏向于喷气点上侧。④耕作层的土壤坚实度普遍大于犁底层，说明气动深松不仅可以有效打破犁底层，对耕作层也产生了明显的深松效果。

(a) 深松深度15cm

(b) 深松深度20cm

(c) 深松深度25cm图3 不同深松深度各喷气压力喷气点处土壤坚实度降低率的竖向分布Fig.3 The vertical distribution of soil firmness reduction at the jet point at different depths and air pressure

(a) 深松深度15cm

(b) 深松深度20cm

(c) 深松深度25cm图4 不同深松深度各喷气压力下，喷气点处土壤坚实度降低率的横向分布Fig.4 The horizontal distribution of soil firmness reduction at the jet point at different depths and air pressure

(2)由图4可知：当喷气压力为1.0MPa，深松深度为15、20、25cm时，气动深松横向影响半径分别为50、30、20cm；当喷气压力为1.2MPa，深松深度为15、20、25cm时，气动深松横向影响半径分别为60、40、30cm；当喷气压力为1.4MPa，深松深度为15、20、25cm时，气动深松横向影响半径分别为70、60、50cm。

上述结果表明：①在相同深松深度下，随着喷气压力的增大，气动深松横向影响半径随之增加；②在相同喷气压力下，随着深松深度的增加，气动深松横向影响半径随之减小。

2)土面抬升量。在试验过程中，在气枪喷气过程中，可以明显地观察到土壤向上抬升的现象，同时百分表读数变大；喷气刚结束时，百分表读数达到最大值，但随着时间的推移，百分表读数逐渐变小，最终趋于一个定值，本试验定义此值为土面抬升量。由此可以推断，气动深松过程中，向耕地内喷入气体可以使土壤内部产生裂隙，待喷气结束后，裂隙逐渐闭合，但不完全闭合。这一现象说明，气动深松增加了土壤中空气的含量，使土壤体积膨胀，从而导致土面抬升。

不同深松深度下，各喷气压力引起的土面抬升量变化趋势如图5所示。其中，P气代表喷气压力。由图5(a)可知：当深松深度为15cm，喷气压力为1.0、1.2、1.4MPa时，土面抬升量的最大值都出现在喷气点处，分别为1.84、2.86、3.55mm，且随着距离喷气点水平距离的增加，土面抬升量逐渐减小，在距离喷气点水平距离为45cm处，1.0、1.2MPa的喷气压力引起的土面抬升量减小到零。由图5(b)可知：当深松深度为20cm，喷气压力为1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa时，土面抬升量的最大值都出现在喷气点处，分别为1.43、1.66、2.11mm，在距离喷气点水平距离为30cm处，1.0、1.2MPa的喷气压力引起的土面抬升量减小到零，在距离喷气点水平距离为45cm处，1.4MPa的喷气压力引起的土面抬升量减小到零。由图5(c)可知：当深松深度为25cm，喷气压力为1.0、1.2、1.4MPa时，土面抬升量的最大值都出现在喷气点处，分别为0.63、1.12、1.52mm，在距离喷气点水平距离为15cm处，1.0MPa的喷气压力引起的土面抬升量减小到零；在距离喷气点水平距离为30cm处，1.2、1.4MPa的喷气压力引起的土面抬升量减小到零。

上述结果表明：①在相同深松深度下，随着喷气压力的增大，土面抬升量及土面抬升量水平影响范围随之增大；②在相同喷气压力下，随着深松深度的增加，土面抬升量及土面抬升量水平影响范围随之减小。

(a) 深松深度15cm

(b) 深松深度20cm

比较上述9组试验的土壤坚实度降低率与土面抬升量的变化趋势可知：其共同点是二者都有随着横向距离的增加而减小的趋势，不同之处是相同深松深度、同一喷气压力下，土壤坚实度降低率横向影响范围大于土面抬升量横向影响范围。如由图4(c)与图5(c)可知：深松深度为25cm、喷气压力为1.4MPa时，土壤坚实度降低率横向影响半径为50cm，但土面抬升量横向影响半径只有30cm。这说明在距离喷气点横向距离在30～50cm之间时，土面虽然没有发生明显的抬升但土壤内部的土壤坚实度依然降低了。由文献[14]可知：浅层的气压劈裂主要产生水平裂隙，本试验的气动深松属于浅层的气压劈裂，产生的水平裂隙引起了土壤坚实度的降低。所以，在距离喷气点横向距离30～50cm之间，虽然土面未抬升，但内部已得到深松，验证了气动深松可在不翻动土壤的情况下进行深松作业。

3.2 评价

由图3(b)与图3(c)可以看出：折线多次出现交叉，且交叉点多位于耕作层。这是由于此块地长期种植红花，红花根系发达且分布在较浅的土层中，生长过程中容易产生土壤板结，从而使耕作层的土壤物理性质出现差异。由图3(c)、图4(c)和图5(c)可知：当深松深度为25cm、喷气压力为1.0MPa时，犁底层的土壤坚实度降低率仅在5.80%～12.99%之间，横向影响半径也只有20cm，所以在实际深松作业过程中，应根据实际地块的土壤硬度、深松要求来选择喷气压力。由以上的结果与分析可以看出：气动深松可以有效打破犁底层，达到深松的目的。目前，国内外深松机按照深松方式可分为机械式深松机和振动式深松机，但普遍存在配套动力不足、耗能高、深松阻力大、深松深度浅及深松影响范围小等问题[15]，而气动深松可以很大程度上解决深松阻力大的问题，且深松深度可以自行控制，深松影响范围与喷气压力密切相关。所以，气动深松方式具有广泛的应用前景，气动深松技术值得推广与应用。