使用土压力传感技术的水稻土应力传递特性研究

摘要

随着农业机械化的发展，土壤机械压实日益成为影响农业生产的严重问题。土壤压实导致土壤紧实度增加、孔隙率降低、容重增大，土壤透气及导水率下降、土壤机械强度增大，阻碍根系穿透。因此，为减轻或避免土壤机械压实提供依据，避免土壤资源的破坏，须探讨土壤压实过程中应力传递规律及土壤压实的评价指标。
　　本文以土压力传感器为土壤应力测试元件，配合室内单轴压缩试验以及田间平板下陷试验，研究非扰动水稻土应力传递规律，探明土壤压实机理与过程，为避免及减轻土壤的机械压实提供依据。运用力学方法实现土壤压实过程的监测能更好地研究土壤的压实机理及过程，因此研究土壤压实过程中的应力变化对研究土壤压实问题具有重要意义。
　　对土压力传感器分别进行室内液囊标定、砂标定和土标定，发现以土壤为介质的标定结果与另两种标定的结果差异显著，而且随着土壤含水率与密度的不同，土标定的结果也不同。这种差异性主要来自土壤结构的变化，因此在进行相关测试前明确土壤的物理状态是获取正确土壤应力描述的基础。
　　对田间原状土取样后利用室内单轴压缩试验测定非扰动水稻土应力传递规律，获取水稻土的载荷-土应力-下陷量关系，同时得到下陷量随土层深度、密度和含水率的变化关系，进而得到孔隙度与载荷、土层深度、密度以及含水率的关系。试验表明，平板荷载与下陷量呈指数增长的变化趋势。
　　针对传统的土压力传感器监测土壤压实操作费时费力，以及造成土壤扰动较大，破坏土壤结构等问题，本文设计了一种新型农田原状土应力测试系统，包括动力加载系统、土压力传感器埋设系统、液压加载系统及数据采集系统。该系统按照30°倾斜角打孔并埋设土压力传感器，并配合平板加载同步测试地表下陷位移、平板加载压力及土体内的应力传递。水稻土测试结果表明系统设计参数合理，最大限度地减小了原位土壤的扰动，土压力传感器的安放深度以及测试结果均达到预期，满足短时间内进行多点测试的要求。
　　利用设计的农田原状土应力测试系统进行田间平板下陷试验，研究非扰动水稻土应力传递规律。试验结果表明，在平板下陷过程中，土层对下陷平板支撑力的变化具有阶段性特征，即土层支撑强度增大及土层流变失效两个典型的失效阶段。这一发现表明，中国南方水稻土的机械承载力因其结构的特殊性而表现出不同于连续体力学的特征。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 课题研究的背景

1．1．2 课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容和基本思想

1．3．1 工作假说和研究内容

1．3．2 方法与手段

第二章 土压力传感器选型与室内标定研究

2．1 土压力传感器选型

2．2 土压力传感器的标定

2．2．1 厂家标定结果

2．2．2 土压力传感器标定系统组建

2．2．3 土压力传感器油介质标定试验

2．2．4 土压力传感器砂介质标定试验

2．2．5 土压力传感器土介质标定试验

2．2．6 土压力传感器标定结果

2．2．7 土压力传感器标定试验数据分析

2．2．8 结论与建议

2．3 小结

第三章 非扰动水稻土室内单轴压缩试验研究

3．1 试验方案的确定

3．2 试验土壤条件

3．3 田间取样

3．4 圆锥指数测试

3．5 单轴压缩试验

3．5．1 试验装置

3．5．2 试验方法

3．5．3 试验结果及分析

3．6 小结

第四章 非扰动水稻土应力传递测试系统研制

4．1 测试系统总体结构及原理

4．2 动力系统

4．3 土压力传感器埋设机构

4．3．1 土压力传感器安放孔打孔机构的设计与操作方法

4．3．2 土压力传感器埋设机构的设计与操作方法

4．4 液压加载机构的设计

4．5 数据采集系统

4．5．1 传感器的选用与技术参数

4．5．2 传感器标定

4．5．3 电阻应变仪与电桥盒

4．5．4 电压信号放大器

4．5．5 传感器开关电源

4．5．6 数据采集卡

4．5．7 测试软件及程序设计

4．6 小结

第五章 田间非扰动水稻土应力传递实验研究

5．1 测试方案

5．2 田间测试

5．3 测试结果与分析

5．4 结论

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 主要的研究成果

6．2 进一步研究工作展望

参考文献

攻读学位期间的学术成果

致谢