本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，具體是一種獲取耕作層土壤彈性模量的方法。

背景技術(shù)：

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)耕作層土壤的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究，但耕作層不同深度土壤的性質(zhì)存在較大的差異，表層土壤性質(zhì)復(fù)雜，且對(duì)耕作層土壤進(jìn)行取樣，測(cè)量其物理力學(xué)參數(shù)彈性模量時(shí)，由于耕作層表層的土壤容易松散和破碎，造成取樣困難，從而使耕作層土壤彈性模量難以通過(guò)物理試驗(yàn)直接測(cè)出，但土壤彈性模量不僅是土壤重要的物理力學(xué)參數(shù)，而且是土壤系統(tǒng)數(shù)值模擬仿真建模的基礎(chǔ)。因此，需要設(shè)計(jì)一種可行有效獲取耕作層土壤彈性模量的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)耕作層土壤建模材料的重要參數(shù)彈性模量難以通過(guò)物理試驗(yàn)直接測(cè)出的不足，提供一種獲取耕作層土壤彈性模量的方法，可以有效的反求出耕作層的土壤彈性模量。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種獲取耕作層土壤彈性模量的方法，包括以下步驟：

第一步，利用tyd-1型土壤硬度計(jì)獲得土壤硬度值d，根據(jù)該實(shí)測(cè)值和硬度計(jì)壓縮試驗(yàn)的回歸結(jié)果，求出硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)的實(shí)際貫入深度h和阻力f。

所述土壤硬度測(cè)試方法：將硬度計(jì)錐頭壓入所測(cè)土壤，錐頭向上運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧，帶動(dòng)硬度計(jì)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，指示表顯示土壤硬度值d。

所述硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)的實(shí)際貫入深度h和阻力f的計(jì)算方法為：利用硬度計(jì)壓縮試驗(yàn)的回歸結(jié)果得到土壤硬度值d與硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)的實(shí)際貫入深度h之間的關(guān)系；得到實(shí)際貫入深度h與硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)受到的實(shí)際貫入阻力f之間的關(guān)系。然后代入實(shí)測(cè)土壤硬度值d，得出實(shí)際貫入深度h和阻力f。

所述硬度計(jì)壓縮試驗(yàn)方法為：利用wdw3100型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能機(jī)對(duì)tyd-1型土壤硬度計(jì)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)能夠顯示試驗(yàn)過(guò)程中土壤硬度計(jì)錐頭的位移和所受到的力的值，即能夠顯示土壤硬度計(jì)的貫入深度h和阻力f的值；又因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中，土壤硬度計(jì)指示表能夠顯示硬度值d；因此土壤硬度值d、土壤硬度計(jì)的貫入深度h和阻力f三者之間就會(huì)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了得到三者之間的關(guān)系，連續(xù)做20次硬度計(jì)壓縮試驗(yàn)即可將關(guān)系式回歸出來(lái)。

所述土壤硬度值d與硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)的實(shí)際貫入深度h之間的關(guān)系為：

d＝2103.9e^-0.14h........................................(1)

其中d為土壤硬度，單位n·cm^-2；h為貫入深度，單位mm。

所述實(shí)際貫入深度h與硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)受到的實(shí)際貫入阻力f之間的關(guān)系為：

f＝-3.21h+162.96............................................(2)

其中f為貫入阻力，單位n；h為貫入深度，單位mm。

第二步，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程中的物理試驗(yàn)方法測(cè)取土壤的參數(shù)包括密度、含水率、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角。將上述所測(cè)取的土壤參數(shù)，及根據(jù)設(shè)定的彈性模量值轉(zhuǎn)化得到的剪切模量和體積模量作為材料參數(shù)，基于多物質(zhì)ale流固耦合方法建立錐頭-空氣-土壤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。通過(guò)控制單一變量法不斷調(diào)整設(shè)定的彈性模量值，當(dāng)仿真試驗(yàn)中錐頭的貫入深度和阻力與實(shí)際值相接近，誤差在±2％以內(nèi)時(shí)，此時(shí)數(shù)值模擬模型中設(shè)定的彈性模量即為反求的土壤彈性模量值。

所述土壤密度是指單位體積土的質(zhì)量。

所述土壤含水率是指土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，用ω表示，以百分?jǐn)?shù)計(jì)，表示為:

其中mw為土中所含水的質(zhì)量，單位g；ms為土中所含土粒的質(zhì)量，單位g。

所述土壤的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角根據(jù)直剪試驗(yàn)，通過(guò)庫(kù)倫定律公式求出，即：

其中τf為土的抗剪強(qiáng)度，單位kpa；σ為剪切破壞面上的法向總應(yīng)力，單位kpa；c為土的內(nèi)聚力，單位kpa；為土的內(nèi)摩擦角，單位(°)。

所述數(shù)值模擬仿真模型，容易發(fā)生大變形，所以選擇多物質(zhì)ale流固耦合方法來(lái)進(jìn)行土壤彈性模量的反求。

所述數(shù)值模擬仿真模型的建模步驟為：先建立一個(gè)長(zhǎng)方體模型，模型需要分成兩部分，上部分是空氣，下部分是土壤。再在模型上方建立錐頭模型，構(gòu)建錐頭-空氣-土壤系統(tǒng)多物質(zhì)ale流固耦合仿真模型；由于整個(gè)系統(tǒng)仿真模型是對(duì)稱模型，為減少計(jì)算量，只建立四分之一模型；接著是對(duì)已建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分；在土壤底部添加主約束，對(duì)稱面添加其余約束；然后在錐頭上施加一個(gè)與實(shí)際值相同的向下速度，模擬硬度計(jì)錐頭插入土壤的過(guò)程。

所述數(shù)值模擬試驗(yàn)中體積模量k與土壤彈性模量e的關(guān)系為：

其中ν為泊松比，土壤的泊松比一般為0.25-0.37，在這里ν取0.3；e為土壤彈性模量，單位pa；k為體積模量，單位pa。

所述數(shù)值模擬試驗(yàn)中剪切模量g與土壤彈性模量e的關(guān)系為：

其中ν為泊松比，土壤的泊松比一般為0.25-0.37，在這里ν取0.3；e為土壤彈性模量，單位pa；g為剪切模量，單位pa。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)，即通過(guò)土壤取樣后制成圓柱土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)獲取土壤彈性模量的方法，在耕作層土壤取樣時(shí)，土壤容易松散和破碎，無(wú)法制成圓柱土樣導(dǎo)致耕作層土壤彈性模量無(wú)法測(cè)出，而本發(fā)明不需制成圓柱土樣便能夠獲取土壤的彈性模量值，能有效解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法獲取耕作層土壤彈性模量的難題。本發(fā)明對(duì)耕作層土壤彈性模量的獲取具有重要的意義。

附圖說(shuō)明

圖1是錐頭-空氣-土壤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型；

圖2是四分之一錐頭-空氣-土壤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型；

圖3是四分之一錐頭-空氣-土壤系統(tǒng)網(wǎng)格模型；

圖4是對(duì)模型中土壤的約束示意圖；

圖5是數(shù)值模擬的試驗(yàn)過(guò)程示意圖；

圖6是模型中貫入阻力與貫入時(shí)間的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種獲取耕作層土壤彈性模量的方法，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例

為了對(duì)比通過(guò)此發(fā)明與三軸試驗(yàn)得到的彈性模量，同時(shí)也避免耕作層土壤的取樣困難，本實(shí)施例采用的土壤為重塑土。本實(shí)例所構(gòu)建的錐頭-空氣-土壤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，錐頭的單元類型是thinshell163殼體有限元單元，土壤和空氣層的單元類型是solid164實(shí)體有限元單元。

一種獲取耕作層土壤彈性模量的方法，包括如下步驟：

第一步，利用tyd-1型土壤硬度計(jì)獲得土壤硬度值d。利用硬度計(jì)壓縮試驗(yàn)的回歸結(jié)果得到土壤硬度值d與硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)的實(shí)際貫入深度h之間的關(guān)系；得到實(shí)際貫入深度h與硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)受到的實(shí)際貫入阻力f之間的關(guān)系。然后代入實(shí)測(cè)土壤硬度值d，得出實(shí)際貫入深度h和阻力f。

所述硬度計(jì)壓縮試驗(yàn)方法為：利用wdw3100型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能機(jī)對(duì)tyd-1型土壤硬度計(jì)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)能夠顯示試驗(yàn)過(guò)程中土壤硬度計(jì)錐頭的位移和所受到的力的值，即能夠顯示土壤硬度計(jì)的貫入深度h和阻力f的值；又因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中，土壤硬度計(jì)指示表能夠顯示硬度值d；這樣土壤硬度值d、土壤硬度計(jì)的貫入深度h和阻力f三者之間就會(huì)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了得到三者之間的關(guān)系，連續(xù)做20次硬度計(jì)壓縮試驗(yàn)即可將關(guān)系式回歸出來(lái)。

所述土壤硬度值d與硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)的實(shí)際貫入深度h之間的關(guān)系為：

d＝2103.9e^-0.14h...............................................(1)

其中d為土壤硬度，單位n·cm^-2；h為貫入深度，單位mm。

所述實(shí)際貫入深度h與硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)受到的實(shí)際貫入阻力f之間的關(guān)系為：

f＝-3.21h+162.96..................................................(2)

其中f為貫入阻力，單位n；h為貫入深度，單位mm。

所述利用tyd-1型土壤硬度計(jì)獲得土壤硬度值d為26n·cm^-2。

所述硬度計(jì)錐頭插入土壤時(shí)的實(shí)際貫入深度為31.38mm，受到的實(shí)際貫入阻力為62.23n。

第二步，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程中的物理試驗(yàn)方法測(cè)取土壤的參數(shù)包括密度、含水率、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角。將上述所測(cè)取的土壤參數(shù)，及根據(jù)設(shè)定的彈性模量值轉(zhuǎn)化得到的剪切模量和體積模量作為材料參數(shù)，利用多物質(zhì)ale流固耦合方法建立錐頭-空氣-土壤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。通過(guò)控制單一變量法不斷調(diào)整設(shè)定的彈性模量值，當(dāng)仿真試驗(yàn)中錐頭的貫入深度和阻力與實(shí)際值相接近，誤差在±2％以內(nèi)時(shí)，此時(shí)數(shù)值模擬模型中設(shè)定的彈性模量即為反求的土壤彈性模量值。

所述通過(guò)土工試驗(yàn)規(guī)程中的物理試驗(yàn)方法測(cè)得的土壤基本參數(shù)為：密度1.9473g/cm³，含水率25.57％，內(nèi)聚力13.843kpa，內(nèi)摩擦角3.434°。

所述初始設(shè)定的彈性模量值為0.40mpa。

所述數(shù)值模擬試驗(yàn)中體積模量k與土壤彈性模量e的關(guān)系為：

其中ν為泊松比，土壤的泊松比一般為0.25-0.37，在這里ν取0.3；e為土壤彈性模量，單位pa；k為體積模量，單位pa。

所述數(shù)值模擬試驗(yàn)中剪切模量g與土壤彈性模量e的關(guān)系為：

其中ν為泊松比，土壤的泊松比一般為0.25-0.37，在這里ν取0.3；e為土壤彈性模量，單位pa；g為土壤剪切模量，單位pa。

所述數(shù)值模擬仿真模型的建模仿真步驟為：先建立一個(gè)長(zhǎng)方體模型，模型需要分成兩部分，上部分是空氣，下部分是土壤。再在模型上方建立錐頭模型，構(gòu)建錐頭-空氣-土壤系統(tǒng)多物質(zhì)ale流固耦合仿真模型，如圖1所示；由于整個(gè)系統(tǒng)仿真模型是對(duì)稱模型，為減少計(jì)算量，只建立四分之一模型，如圖2所示；接著是對(duì)已建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，如圖3所示；在土壤底部和對(duì)稱面添加約束，如圖4所示；然后在錐頭上施加一個(gè)與實(shí)際值相同的向下速度，模擬硬度計(jì)錐頭插入土壤的過(guò)程，如圖5所示。

所述長(zhǎng)方體模型尺寸：0.08m×0.1m×0.08m。

所述模型中錐頭尺寸大小為：錐頭底部半徑0.01m，高0.05m。

所述實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的貫入速度為0.03m/s。

利用多物質(zhì)ale流固耦合方法進(jìn)行仿真模擬，模型中，在錐頭上施加與實(shí)際試驗(yàn)時(shí)相同的貫入速度0.03m/s，貫入相同的深度31.38mm，通過(guò)控制單一變量彈性模量，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，當(dāng)彈性模量為e＝0.46mpa時(shí)，得到錐頭所受到的貫入阻力曲線圖，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)貫入時(shí)間t＝1.044s時(shí)，貫入深度為31.38mm，與實(shí)際貫入深度相同，錐頭所受貫入阻力f′1/4＝15.8n。在進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，我們所取的仿真模型為四分之一模型，所以整個(gè)錐頭所受到的貫入阻力f′＝63.2n，而實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的貫入阻力f＝62.23n，誤差在±2％以內(nèi)，此時(shí)的仿真模型中的彈性模量即為反求的彈性模量。

所述土壤體積模量和剪切模量所得結(jié)果為：體積模量0.3833mpa，剪切模量0.1769mpa。

所述土壤彈性模量所得結(jié)果為：彈性模量0.46mpa。

所述反求出的彈性模量通過(guò)三軸試驗(yàn)進(jìn)行物理驗(yàn)證。通過(guò)室內(nèi)制造的圓柱土樣在tsz全自動(dòng)三軸儀上進(jìn)行三軸試驗(yàn)，獲得彈性模量e＝0.457mpa。

所述通過(guò)三軸試驗(yàn)求出的土壤彈性模量與反求方法得到的彈性模量對(duì)比，誤差為0.65％，在±2％以內(nèi)，證明反求方法所求出的土壤彈性模量是正確的，具有可行性。

上述實(shí)施例為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限定與此，從事該領(lǐng)域技術(shù)人員在未背離本發(fā)明精神和原則下所做的任何修改、替換、改進(jìn)，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。