一种基于贯入阻力的耕深判别方法

1.本发明涉及土壤力学应用领域，具体涉及一种基于贯入阻力的耕深判别方法。


背景技术：

2.在农业生产中，犁耕作业能将土壤打碎、提高土壤通透性、使土壤和肥料掺和均匀，是最重要、最基础的环节。耕深作为耕作质量的重要指标，对土壤的物理特性、肥力的高低和作物的生长都具有直接的影响作用。
3.传统测量耕深的方法是在田间随机选取几个点，人工清理沟底后用钢尺或耕深尺测量，再与实际设定耕深对比得到机具作业质量，工作效率低，强度大，且受人为因素影响较大，测量结果准确性差。
4.一些学者提出了在耕作机具上增加传感器用于测量耕深，如姿态传感器、超声波和红外传感器、光学传感器以及阻力传感器等，这些都是新型的机械式测量方法，相比人工测量提高了工作效率，但受田间杂质影响大，若检测土壤中存在土块、作物残渣、地面有杂草或者地面平整度不够等等，都会影响传感器的测量精度，容易使测量结果不准确。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于贯入阻力的耕深判别方法，构建贯入阻力数学模型，结合田间试验进行耕深测量判别，不易受人为因素和土壤杂质等外界因素的影响，能够提高工作效率且测量结果准确率高。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
7.一种基于贯入阻力的耕深判别方法，包括以下步骤：(1)利用球孔扩张理论，建立非饱和土的球孔扩张模型，得到扩孔压力；(2)进行室内土槽试验，求解扩孔压力与贯入阻力之间的关系，得到耕层的贯入阻力的数学模型；(3)利用edem仿真软件进行探针贯入仿真试验，根据仿真试验结果分析探针对土壤的扰动作用，以及贯入阻力的显著影响因素及影响率；(4)根据步骤(3)的分析结果，定义影响深度法或分层线法判别耕深。
8.步骤(1)中，根据球孔扩张理论对弹塑性区的应力场、应变场和位移场进行推导和分析，得到探针的扩孔压力，即将土壤从半径a0扩张到au时所需的压力：其中：
σ
v0
＝gγh式中，pa为扩孔压力；c为土体粘聚力；为土体内摩擦角；b为表征中间主应力效应的参数，取值范围为0～1；m为中主应力参数，在平面应变条件下m≤1，当土体进入塑性状态时m
→
1；k0为土壤侧压力系数；σ
v0
为土壤竖向应力；g为重力加速度；γ为土壤体积密度；h为贯入深度；g为土壤剪切模量。
9.步骤(2)具体包括：(2.1)进行室内土槽试验，试验装备包括探针、万能试验机和桶，桶内盛放试验土壤；(2.2)所述的室内试验将土壤的含水率范围定为10％～20％，分为3个水平： 10％、15％、20％，土壤的密度范围定为1.1
×
103kg/m3～1.3
×
103kg/m3，同样分为三个水平：1.1
×
103kg/m3、1.2
×
103kg/m3、1.3
×
103kg/m3，做正交试验；(2.3)通过直剪试验和土样压溃试验分别测量含水率在10％、15％和20％时的土壤参数值；将结果代入扩孔压力的计算公式(1)，通过分析得到，在不同含水率和密度下，扩孔压力与贯入阻力存在下列关系，即贯入阻力的数学模型为：式中，qc为贯入阻力；pa为扩孔压力；r为锥头半径；μ为土壤泊松比。
10.步骤(3)具体为：利用plackett-burman试验筛选耕层和犁底层的参数中对贯入阻力值影响显著的因素，并利用edem仿真软件进行探针贯入仿真试验，利用design expert软件对plackett-burman的试验进行方差分析，得出对耕层和犁底层的分界点贯入阻力影响显著的因素只有耕层剪切模量和和犁底层剪切模量，两者的影响率比为3:17。
11.步骤(3)的仿真试验表明，探针阻力的变化与土壤扰动区域的变化及耕层剪切模量相关，影响深度法判别耕深的具体步骤为：
12.(5.1)用
△
h1表示探针距离犁底层的距离，即影响深度；将耕层剪切模量g1的范围取为1mpa-50mpa，分为4个水平进行的单因素分析，利用edem 软件进行仿真，根据仿真数据，将耕层剪切模量值与影响深度值拟合，得到探针距离犁底层的距离
△
h1与耕层剪切模量之问的关系如下所示：式中，
△
h1为影响深度；g1为耕层剪切模量；
13.(5.2)进行田间试验，测量土壤参数以及探针贯入阻力和贯入深度，一方面将测量的耕层土壤参数代入步骤(2)得到的贯入阻力数学模型中，根据计算结果绘制贯入阻力模
型曲线，并根据上述公式(3)计算影响深度；另一方面，将田间试验测量的贯入阻力绘制成田间试验曲线，将两个曲线放在一起对比，在田间试验曲线的贯入阻力开始显著增大之前，两者之间的阻力相差最小时所对应的位移即为土壤影响区域接近犁底层时探针所处的深度，将此深度与
△
h1求和，得到的结果即为影响深度法测量的耕层深度。
14.分层线法判别耕深的具体步骤为：(6.1)定义分层线，代表在不同耕深下同时受耕层和犁底层的剪切模量影响的分界面处的阻力值，该分层线所用模型与耕层的贯入阻力数学模型一致，耕层和犁底层剪切模量影响率的比值3:17，则两者单独的影响率分别为15％和85％，设定分层线剪切模量为g
λ
,由耕层和犁底层的剪切模量同时确定：g
λ
＝15％g1 85％g2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，g1为耕层剪切模量；g2为犁底层剪切模量。
15.(6-2)进行田间试验，测量探针贯入深度、贯入阻力、耕层剪切模量、犁底层剪切模型及耕层土壤参数值，将贯入深度和g
λ
,与耕层土壤参数值均代入公式(2)的贯入阻力数学模型,根据计算结果绘制分层线，同时将田间试验的贯入深度和贯入阻力绘制田间试验曲线，分层线与田间试验曲线的交点即为分层线法的测量耕深。
16.有益效果：本发明从理论分析出发，构建了贯入阻力数学模型，并结合贯入阻力的影响因素，提出了影响深度法和分层先法的耕深判别方法，与现有的耕深检测方法相比，其显著优点是：地面的杂草、地面平整度、土壤中的土块和作物对本发明的判别精准度影响不大，能有效降低判别误差率，有效提高耕深判别精度和工作效率。
附图说明
18.图1为球孔扩张模型
19.图2为探针贯入室内试验
20.图3为探针扰动深度与阻力拐点图。
21.图4为不同剪切模量的影响深度。
22.图5为不同剪切模量的分层线法对比图。
23.图6为田间试验图。
24.图7为试验结果对比图。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
27.本发明提供的基于贯入阻力的耕深判别方法，大致包括以下步骤
28.(1)利用球孔扩张理论，建立非饱和土的球孔扩张模型，得到扩孔压力；
29.(2)进行室内土槽试验求解扩孔压力与贯入阻力之间的关系，得到贯入阻力数学模型；
30.(3)利用edem仿真软件进行探针贯入仿真试验，根据仿真结果分析探针对土壤的扰动作用，并得到显著因素及影响率。
31.(4)根据仿真试验的分析结果，定义影响深度法判别耕深，或定义分层线法判别耕深
32.进一步的,步骤(1)具体包括:
33.(1.1)针对非饱和土的球孔扩张模型如图1所示。孔的初始半径为a0，孔内不断受到内压的作用使孔开始扩张，最终扩孔半径为au，对应的内压为pu，此时塑性区半径从r
p0
扩大到r
p
，位移为u
rp
，塑性区范围为a
u≤
r≤r
p
，弹性区范围为r≥r
p
。孔的初始有效应力为p0，径向有效应力和切向有效应力为σr和σ
θ
。
34.(1.2)针对耕层土壤，假定非饱和土是均匀的且各向同性的弹塑性体，初始径向应力的大小与土层深度有关。在扩孔过程中，假定土体在弹性区符合小应变，胡克定律，在塑性区符合大应变和统一强度准则。
35.定义水平初始应力：σ
r0
＝σ
θ0
＝k0σ
v0
＝k0gγh
36.其中：
37.σ
r0
、σ
θ0
——为水平初始径向应力、水平初始切向应力，单位pa；
38.σ
v0
——竖向应力，单位pa；
39.k0——土壤侧压力系数；
40.g——重力加速度，取为9.8n/kg；
41.γ——土壤密度，kg/m342.h——贯入深度，单位m；
43.(1.3)根据球孔扩张理论对弹塑性区的应力场、应变场和位移场进行推导和分析，得到探针的扩孔压力,即将土壤从半径a0扩张到au时所需的压力，为式(1)：
[0044][0045]
根据统一强度准则得
[0046][0047][0048][0049]
σ
v0
＝gγh
[0050]
式中，pa为扩孔压力，单位pa；c为土体粘聚力；为土体内摩擦角； b为表征中间主应力效应的参数，通常取值范围为0～1；m为中主应力参数，在平面应变条件下m≤1，当土体进入塑性状态时m
→
1；k0为土壤侧压力系数；σ
v0
为土壤竖向应力，单位pa；g为重力加速度，m/s2；γ为土壤体积密度， kg/m3；h为贯入深度，单位m；g为土壤剪切模量，单位pa。
[0051]
进一步的,步骤(2)具体包括:
[0052]
(2.1)进行室内土槽试验，本发明以河南孟津林沟村的土壤为试验对象，土壤质地为粉砂质粘壤土。
[0053]
(2.2)所述的室内试验所用到的设备有探针(材料65mn钢、长530mm，尖头最粗直径14mm)、万能试验机(dns02-1kw)、桶(内径124mm，高度 400mm)，盛放的土壤高度为300mm，探
针以8mm/s的速度贯入土壤，贯入深度为200mm，如图2所示。
[0054]
(2.3)所述的室内试验将土壤的含水率范围定为10％～20％，分为3个水平(10％、15％、20％)，土壤的密度范围定为1.1
×
103kg/m3～1.3
×
103kg/m3，同样分为三个水平(1.1
×
103kg/m3、1.2
×
103kg/m3、1.3
×
103kg/m3)做正交试验。
[0055]
(2-4)通过直剪试验和土样压溃试验分别测量含水率在10％、15％和20％时的土壤参数值；将结果代入扩孔压力的公式(1)，为了计算方便将中主应力参数b和m均取为0.5，通过分析发现在不同含水率和密度下，扩孔压力与贯入阻力存在下列关系
[0056][0057]
式中，qc为贯入阻力，单位n；pa为扩孔压力，单位pa；r为锥头半径，单位cm；μ为土壤泊松比。
[0058]
该数学模型可代替室内土槽试验进行贯入阻力分析；与实验室的贯入阻力相比，田向土壤在耕层下面会有坚实的犁底层，在探针接近犁底层时贯入阻力会显著增加；而所述的贯入阻力数学模型对应的土槽试验针对的是单层土 (耕层)，并不能直接用于田间试验。
[0059]
为了将贯入阻力数学模型应用到田间的耕层深度分析中，进一步的，步骤(3)具体包括:
[0060]
(3.1)利用plackett-burman试验筛选耕层和犁底层的20个参数中对阻力值影响显著的因素，并利用edem仿真软件进行探针贯入仿真试验。所述的仿真模型为hertz-mindlin withjkr粘结模型。设定土壤颗粒半径在 0.5mm～1.5mm之间，耕层为50mm高，犁底层为80mm高，颗粒数量分别为 3
×
104和5
×
104，探针贯入速度为8mm/s，贯入深度为50mm。为了缩短仿真时间，通过预实验发现桶直径可以减小为80mm，颗粒不会受到桶壁的影响。
[0061]
表1仿真参数取值范围
[0062]
(3.2)利用design expert软件对plackett-burman的试验进行方差分析，得出对耕层和犁底层分界点阻力影响显著的因素只有耕层剪切模量和犁底层的剪切模量，两者的
影响率比约为3:17。
[0063]
表2 plackett-burman试验参数显著性分析burman试验参数显著性分析
[0064]
注：p＜0.01(极显著，**)；p＜0.05(显著，*)
[0065]
(3.3)在伤真过程中发现：探针贯入时会对土壤产生扰动作用，使土壤产生一定的速度。设定土壤颗粒的移动速度大于等于2mm/s即为受到探针的扰动作用，当土壤的扰动区域接近犁底层时贯入阻力开始显著上升。
[0066]
如图3所示，耕层深度均为50mm；图3(a)所示的耕层剪切模量为 1mpa，图3(b)所示的耕层剪切模量为10mpa，
△
h1表示探针距犁底层的距离，同时代表探针尖头以下土壤受扰动的深度，
△
h2表示受到犁底层的影响贯入阻力开始上升时探针所处的位置距犁底层的距
离；试验发现
△
h1近似等于
△
h2，说明探针阻力的变化与土壤扰动区域的变化及耕层剪切模量相关。
[0067]
进一步的，影响深度法判别耕深具体包括以下步骤:
[0068]
(5.1)将耕层剪切模量的范围取为1mpa-50mpa，分为4个水平进行
△
h1的单因素分析。利用edem软件进行仿真，土壤颗粒半径在0.5mm～1.5mm 之间，桶直径仍为80mm，颗粒数量为8x104个，探针贯入速度为8mm/s。只改变耕层剪切模量的值，其他因素取固定值，总的仿真时间为4s。取第4s时的影响区域，仿真结果如图4。
[0069]
表3仿真参数取值
[0070]
(5.2)将剪切模量值与影响深度值拟合，得到
△
h1与耕层剪切模量之间的关系如下所示：
[0071][0072]
式中，
△
h1为影响深度，单位mm；g1为耕层剪切模量，单位pa。
[0073]
(5.3)进行田间试验，测量耕层土壤参数后代入贯入阻力数学模型公式(2)中，根据计算结果，将得到的贯入阻力作为纵坐标，位移(即贯入深度) 为横坐标，绘制贯入阻力-贯入深度的阻力模型曲线图，与田间试验测量的贯入阻力-贯入深度曲线结果做对比；在田间试验的贯入阻力开始显著增大之前，两者之间的阻力相差最小时所对应的深度即为影响区域接近犁底层时探针所处的深度，将此深度与
△
h1求和，得到的结果即为影响深度法得到的耕层深度。
[0074]
进一步的分层线法判别耕深的具体步骤包括:
[0075]
(6.1)耕层和犁底层剪切模量影响率的比值3:17.得到两者单独的影响率分别为15％和85％。定义分层线，代表在不同耕作深度下同时受耕层和犁底层的剪切模量影响的分界面处的阻力值。该分层线所用贯入阻力数学模型与耕层的贯入阻力数学模型一致，设定分层线剪切模量为g
λ
，替代公式(2)中的g 土壤剪切模量进行贯入阻力计算，g
λ
由耕层和犁底层的剪切模量同时确定。
[0076]gλ
＝15％g1 85％g2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0077]
式中，g1为耕层剪切模量，单位pa；g2为犁底层剪切模量，单位pa。
[0078]
(6.2)进行田间试验，测量探针贯入深度、贯入阻力、耕层剪切模量、犁底层剪切模型及耕层土壤参数值，将贯入深度和g
λ
、耕层土壤参数值均代入公式(2)的贯入阻力数学模型,根据计算结果绘制分层线，同时将田间试验的贯入深度和贯入阻力绘制田间试验曲线，分层线与田间试验曲线的交点即为分层线法的测量耕深。
[0079]
由于用g
λ
代替了耕层的剪切模量g，剪切模量变大，计算得到的不同深度处的阻力值也变大，得到的曲线与田间试验的曲线会存在交点，如图5所示：图5(a)的犁底层剪切模量相同，试验1的耕层剪切模量为1mpa，对应分层线1，试验2的耕层剪切模量为5mpa，对应分层线2；图5(b)为位移从60mm开始至犁底层的阻力曲线图，耕层剪切模量相同，试验1的犁底层剪切模量为50mpa，试验2的犁底层剪切模量为100mpa，分别对应分层线1和2。从图5中可以看出，不论是耕层还是犁底层的剪切模量发生变化，分层线都会随着剪切模量的变化与实际试验的交点产生变化。
[0080]
本发明以河南孟津林沟村的土壤为试验对象，进行田间试验，并采用上述的影响深度法和分层线法对耕深进行测量。
[0081]
所述土壤通过比重计法测得土壤质地为粉砂质粘壤土。
[0082]
图6所示为试验用到的耕深检测车，车上的6个探针可以一次测量一个土壤截面的贯入阻力情况，使用五点法对耕后土壤进行耕深检测，并测量耕层和犁底层的土壤参数，取其中一个截面处的参数为例进行说明。表4田间土壤参数
[0083]
把该截面其中一个探针的贯入阻力与贯入深度数据导出。
[0084]
将耕层和犁底层的剪切模量带入公式(4)得到分层线法所用的g
λ
，并将贯入深度和g
λ
，与耕层土壤参数值均带入贯入阻力数学模型公式(2)，得到分层线(即分层线法得到的阻力-位移曲线)，同时将田间试验测量的贯入阻力-贯入深度绘制为田间试验曲线，分层线与田间试验的交点即为分层线法的测量耕深，为121.40mm。
[0085]
同时，根据耕层剪切模量的值，由式(3)得到影响深度
△
h1为24.04mm。将田间试验测得的耕层土壤参数代入公式(2)计算贯入阻力，将阻力模型(即计算得到的贯入阻力-贯入深度曲线)与田间试验的交点所对应的深度加上影响深度
△
h1，即为影响深度法的测量耕深129.14mm，如图7所示。
[0086]
在田间试验过程中，通过耕深测量尺测得的耕深即图7中的实际耕深为 132mm，由此表明，本发明提出的基于阻力模型的耕深判别方法准确度较高，测量结果可靠。
[0087]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人
员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。