一種草地剪切力原位測試方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于草地生態(tài)改良領(lǐng)域，具體涉及一種針對草地土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)的草地剪切力原位測試方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]以羊草為代表的多年生以根莖繁殖方式為主的牧草，在生長多年后，草地呈現(xiàn)出草地土壤板結(jié)，土壤緊實(shí)度高，草地亞表層土壤緊實(shí)，地下根系與土壤交織在一起形成土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，增加了草地土壤容重與堅(jiān)實(shí)度，草地土壤通氣透水能力下降，不利于牧草根系的生長。對退化草地形成的土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)和板結(jié)層的基本物理特性進(jìn)行研宄，可以為設(shè)計(jì)合適的用于改良退化草地的農(nóng)機(jī)具提供一定的基本理論支撐。
[0003]目前，對草地土壤的剪切特性研宄主要是先通過野外取土樣，然后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過直剪儀或三軸試驗(yàn)儀對取回的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，測定相關(guān)參數(shù)，人工取樣后在室內(nèi)進(jìn)行原狀土測試會(huì)造成一定的數(shù)據(jù)偏差，并且取樣數(shù)量相對較多，工作較為繁瑣。采用原位測定剪切特性的方式可以免去土樣采取和試樣制備的工作，快速測定土壤的剪切特性，同時(shí)可以了解草地土壤性質(zhì)，區(qū)分土層，測定不同土層的土壤剪切特性，減少人工取樣帶回室內(nèi)測定參數(shù)時(shí)造成的數(shù)據(jù)偏差。目前原位土壤剪切特性的測定裝置主要用于土木工程、勘探、水利水電工程等方面，裝置規(guī)格比較大，測試深度往往可達(dá)幾十米，而對于板結(jié)性退化草地形成的特有的板結(jié)性土層及土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)，暫無相關(guān)的原位剪切特性測試方法及裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種草地剪切力原位測試方法，原位測定草地土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)不同土層的剪切特性，在野外直接獲取土壤剪切參數(shù)，為草地耕作部件的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供一定的理論支持。
[0005]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種草地剪切力原位測試裝置，該裝置操作靈活，與拖拉機(jī)相連進(jìn)行野外原位草地土壤剪切力測試。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明提供一種草地剪切力原位測試方法，該方法包括:
[0008]a.測試前，讀取和記錄執(zhí)行剪切裝置空轉(zhuǎn)的扭矩值；
[0009]b.根據(jù)測定深度需求，將執(zhí)行剪切裝置從草地表面強(qiáng)制垂直貫入到待測深度的土層中，貫入土層過程中確保執(zhí)行剪切裝置沒有旋轉(zhuǎn)；
[0010]C.執(zhí)行剪切裝置貫入到待測深度后，通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置或人工手動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行剪切裝置周向旋轉(zhuǎn)，使得該深度內(nèi)的土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)在與執(zhí)行剪切裝置相互作用的作用面上發(fā)生剪切失效，直至土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)破壞，過程中記錄執(zhí)行剪切裝置的最大扭矩值；
[0011]d.將步驟c所得最大扭矩值減去步驟a中空轉(zhuǎn)扭矩值，即得到使土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切失效直至土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)破壞時(shí)所需的有效扭矩峰值；
[0012]e.根據(jù)有效扭矩峰值，運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算方法計(jì)算出該深度土層自然條件下的抗剪強(qiáng)度及剪切特性相關(guān)的參數(shù)。
[0013]上述方法還包括:
[0014]f.順著執(zhí)行剪切裝置原來的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行剪切裝置周向旋轉(zhuǎn)5?10圈，旋轉(zhuǎn)時(shí)間< lmin，旋轉(zhuǎn)過程中記錄執(zhí)行剪切裝置的最大扭矩值；
[0015]g.將步驟f所得最大扭矩值減去步驟a中的空轉(zhuǎn)扭矩值，得到的值即為草地原位重塑土的抗剪強(qiáng)度的有效扭矩峰值。
[0016]所述步驟c中，執(zhí)行剪切裝置以0.05?0.21rad/min的旋轉(zhuǎn)速度周向旋轉(zhuǎn)；從執(zhí)行剪切裝置貫入至所需深度土層到開始進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測定的時(shí)間< 5min。
[0017]本發(fā)明提供一種草地剪切力原位測試裝置，包括機(jī)架1、剪切執(zhí)行裝置2、扭轉(zhuǎn)軸3、固定軸7、液壓缸10和數(shù)顯扭矩扳手16，其中，
[0018]液壓缸10固定在機(jī)架I的頂端；固定軸7上端采用螺紋副的方式與液壓缸10的液壓桿相連，固定軸7下端與扭轉(zhuǎn)軸3上端相連；扭轉(zhuǎn)軸3下端與剪切執(zhí)行裝置2通過螺紋副相連；
[0019]所述剪切執(zhí)行裝置2包括豎向剪切板13、橫向剪切板14和支撐軸15 ；
[0020]所述扭轉(zhuǎn)軸3中部兩側(cè)銑有一定寬度的平面，與數(shù)顯扭矩扳手16的夾持端相配入口 ο
[0021]所述裝置還包括懸掛架11，懸掛架11設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)懸掛點(diǎn)，通過三點(diǎn)懸掛的方式與拖拉機(jī)后懸掛相連，懸掛架11與機(jī)架I相連。
[0022]所述豎向剪切板13和橫向剪切板14固接在支撐軸15的底部，豎向剪切板13和橫向剪切板14的長度H與其沿軸線周向旋轉(zhuǎn)形成的圓截面半徑R之比的范圍為2?8.5 ;所述支撐軸15沿軸向以固定間距設(shè)有多個(gè)標(biāo)尺線。
[0023]固定軸7下端開有一定深度的階梯孔，通過推力軸承6、深溝球軸承5和彈簧擋環(huán)4與扭轉(zhuǎn)軸3上端相連。
[0024]上述的草地剪切力原位測試裝置的草地剪切力原位測試方法，所述方法包括如下步驟:
[0025]a.測試前，將草地剪切力原位測試裝置通過三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)相連，機(jī)架I底部位于草地上方并相距一定距離；通過數(shù)顯扭矩扳手16轉(zhuǎn)動(dòng)扭轉(zhuǎn)軸3周向旋轉(zhuǎn)，記錄數(shù)顯扭矩扳手16空轉(zhuǎn)的扭矩值，即為裝置內(nèi)部各部件之間的摩擦力或其它的力產(chǎn)生的扭矩值；
[0026]b.操作拖拉機(jī)控制三點(diǎn)懸掛將草地剪切力原位測試裝置下降，機(jī)架I底部完全與草地表面接觸時(shí)停止下降，操作拖拉機(jī)后輸出液壓系統(tǒng)，控制液壓缸10中液壓桿伸出，帶動(dòng)固定軸7、扭轉(zhuǎn)軸3和剪切執(zhí)行裝置2垂直地面向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)剪切執(zhí)行裝置2貫入草地土層后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到達(dá)到預(yù)定深度后操作拖拉機(jī)后輸出液壓系統(tǒng)使液壓缸10的液壓桿停止運(yùn)動(dòng)，貫入土層過程中確保剪切執(zhí)行裝置2沒有旋轉(zhuǎn)；
[0027]c.扳動(dòng)數(shù)顯扭矩扳手16，帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)軸3周向旋轉(zhuǎn)，使得該深度內(nèi)的土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)在與執(zhí)行剪切裝置相互作用的作用面上發(fā)生剪切失效，直至土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)破壞，旋轉(zhuǎn)過程中記錄數(shù)顯扭矩扳手16的最大值；
[0028]d.將步驟c所得數(shù)顯扭矩扳手16的最大值減去步驟a空轉(zhuǎn)的扭矩值，得到剪切執(zhí)行裝置2所在土層深度范圍內(nèi)的剪切破壞時(shí)所需的有效扭矩峰值；
[0029]e.根據(jù)有效扭矩峰值，運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算方法計(jì)算出該深度土層自然條件下的抗剪強(qiáng)度及剪切特性相關(guān)的參數(shù)。
[0030]上述方法還包括:
[0031]f.順著執(zhí)行剪切裝置原來的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)剪切執(zhí)行裝置2周向旋轉(zhuǎn)5?10圈，旋轉(zhuǎn)時(shí)間< lmin，旋轉(zhuǎn)過程中記錄剪切執(zhí)行裝置2的最大扭矩值；
[0032]g.將步驟f所得最大扭矩值減去步驟a中的空轉(zhuǎn)扭矩值，得到的值即為草地原位重塑土的抗剪強(qiáng)度的有效扭矩峰值。
[0033]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0034]本發(fā)明與拖拉機(jī)相連進(jìn)行野外原位草地土壤剪切力測試，適應(yīng)性強(qiáng)，能直接獲取數(shù)據(jù)，操作靈活，解決傳統(tǒng)人工取樣后在室內(nèi)進(jìn)行原狀土測試造成的數(shù)據(jù)偏差，以及因草地土壤堅(jiān)實(shí)度高而帶來的取樣費(fèi)力的問題。
【附圖說明】
[0035]圖1為剪切力原位測試裝置的主視圖
[0036]圖2為剪切力原位測試裝置的左視圖
[0037]圖3懸掛架主視圖
[0038]圖4去除懸掛架后的裝置等軸側(cè)視示意圖
[0039]圖5為扭轉(zhuǎn)軸與固定軸連接處的局部放大圖
[0040]圖6為剪切執(zhí)行裝置的仰視圖
[0041]圖7為剪切執(zhí)行裝置的主視圖
[0042]其中的附圖標(biāo)記為:
[0043]I機(jī)架2剪切執(zhí)行裝置
[0044]3扭轉(zhuǎn)軸 4彈簧擋環(huán)
[0045]5深溝球軸承6推力軸承
[0046]7固定軸 8筋板
[0047]9固定螺栓 10液壓缸
[0048]11懸掛架 12連接螺栓
[0049]13豎向剪切板14橫向剪切板
[0050]15支撐軸16數(shù)顯扭矩扳手
[0051]H豎向和橫向剪切板長度
[0052]R豎向和橫向剪切板沿軸線周向旋轉(zhuǎn)形成的圓截面半徑
【具體實(shí)施方式】
[0053]下面結(jié)合【附圖說明】和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0054]本發(fā)明一種草地剪切力原位測試方法，應(yīng)用于測試草地原狀土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度，該方法包括:
[0055]a.測試前，讀取和記錄執(zhí)行剪切裝置的空轉(zhuǎn)扭矩值，即為裝置內(nèi)部各部件之間的摩擦力或其它的力產(chǎn)生的扭矩值；
[0056]b.根據(jù)測定深度需求，將執(zhí)行剪切裝置從草地表面強(qiáng)制垂直貫入到待測深度的土層中，貫入土層過程中確保執(zhí)行剪切裝置沒有旋轉(zhuǎn)；
[0057]c.執(zhí)行剪切裝置貫入到待測深度后，通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置或人工手動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行剪切裝置周向旋轉(zhuǎn)，使得該深度內(nèi)的土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)在與執(zhí)行剪切裝置相互作用的作用面上發(fā)生剪切失效，直至土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)破壞，過程中記錄執(zhí)行剪切裝置的最大扭矩值；
[0058]d.將步驟c所得最大扭矩值減去步驟a中的空轉(zhuǎn)扭矩值，即得到使土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切失效直至土壤-根系復(fù)合體結(jié)構(gòu)破壞時(shí)所需的有效扭矩峰值；
[0059]e.根據(jù)有效扭矩峰值，運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算方法計(jì)算出該深度土層自然條件下的抗剪強(qiáng)度及剪切特性相關(guān)的參數(shù)。
[0060]該方法還可應(yīng)用于測試草地原位重塑土的抗剪強(qiáng)度，該方法進(jìn)一步包括:
[0061]f.順著執(zhí)行剪切裝置原來的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行剪切裝置周向旋轉(zhuǎn)5?10圈，旋轉(zhuǎn)時(shí)間< lmin，旋轉(zhuǎn)過程中記錄執(zhí)行剪切裝置的最大扭矩值；
[0062]g.將步驟f所得最大扭矩值減去步驟a中的空轉(zhuǎn)扭矩值，得到的值即為草地原位重塑土的抗剪強(qiáng)度的有效扭矩峰值