一种草地剪切力原位测试方法及装置

摘要

本发明属于草地生态改良领域，具体涉及一种针对草地土壤‑根系复合体结构的剪切力原位测试方法及装置。根据测定深度需求，将执行剪切装置从草地表面强制垂直贯入到待测深度的土层中；贯入到待测深度后，驱动执行剪切装置周向旋转，使得该深度内的土壤‑根系复合体结构在与执行剪切装置相互作用的作用面上发生剪切失效，直至土壤‑根系复合体结构破坏，通过测定使土壤‑根系复合体结构发生剪切失效至破坏时所需的有效扭矩峰值来推算草地待测深度土层自然条件下的抗剪强度及剪切特性的相关参数。本发明适应性强，能直接获取数据，操作灵活，解决传统人工取样后在室内进行原状土测试造成的数据偏差，以及因草地土壤坚实度高而带来的取样费力的问题。

权利要求

1.一种利用草地剪切力原位测试装置的草地剪切力原位测试方法，所述草地剪切力原位测试装置包括机架(1)、剪切执行装置(2)、扭转轴(3)、固定轴(7)、液压缸(10)和数显扭矩扳手(16)，其中，液压缸(10)固定在机架(1)的顶端；固定轴(7)上端采用螺纹副的方式与液压缸(10)的液压杆相连，固定轴(7)下端与扭转轴(3)上端相连；扭转轴(3)下端与剪切执行装置(2)通过螺纹副相连；所述剪切执行装置(2)包括竖向剪切板(13)、横向剪切板(14)和支撑轴(15)；所述扭转轴(3)中部两侧铣有一定宽度的平面，与数显扭矩扳手(16)的夹持端相配合，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

a.测试前，将草地剪切力原位测试装置通过三点悬挂与拖拉机相连，机架(1)底部位于草地上方并相距一定距离；通过数显扭矩扳手(16)转动扭转轴(3)周向旋转，记录数显扭矩扳手(16)空转的扭矩值，即为装置内部各部件之间的摩擦力或其它的力产生的扭矩值；

b.操作拖拉机控制三点悬挂将草地剪切力原位测试装置下降，机架(1)底部完全与草地表面接触时停止下降，操作拖拉机后输出液压系统，控制液压缸(10)中液压杆伸出，带动固定轴(7)、扭转轴(3)和剪切执行装置(2)垂直地面向下运动，当剪切执行装置(2)贯入草地土层后继续运动直到达到预定深度后操作拖拉机后输出液压系统使液压缸(10)的液压杆停止运动，贯入土层过程中确保剪切执行装置(2)没有旋转；

c.扳动数显扭矩扳手(16)，带动扭转轴(3)周向旋转，使得该深度内的土壤-根系复合体结构在与执行剪切装置相互作用的作用面上发生剪切失效，直至土壤-根系复合体结构破坏，旋转过程中记录数显扭矩扳手(16)的最大值；

d.将步骤c所得数显扭矩扳手(16)的最大值减去步骤a空转的扭矩值，得到剪切执行装置(2)所在土层深度范围内的剪切破坏时所需的有效扭矩峰值；

e.根据有效扭矩峰值，运用数学计算方法计算出该深度土层自然条件下的抗剪强度及剪切特性相关的参数。

2.根据权利要求1所述的草地剪切力原位测试方法，其特征在于：

所述方法还包括：

f.顺着执行剪切装置原来的转动方向，继续驱动剪切执行装置(2)周向旋转5～10圈，旋转时间≤1min，旋转过程中记录剪切执行装置(2)的最大扭矩值；

g.将步骤f所得最大扭矩值减去步骤a中的空转扭矩值，得到的值即为草地原位重塑土的抗剪强度的有效扭矩峰值。

说明书

一种草地剪切力原位测试方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于草地生态改良领域，具体涉及一种针对草地土壤-根系复合体结构的草地剪切力原位测试方法及装置。

背景技术

[0002] 以羊草为代表的多年生以根茎繁殖方式为主的牧草，在生长多年后，草地呈现出草地土壤板结，土壤紧实度高，草地亚表层土壤紧实，地下根系与土壤交织在一起形成土壤-根系复合体结构的特点，增加了草地土壤容重与坚实度，草地土壤通气透水能力下降，不利于牧草根系的生长。对退化草地形成的土壤-根系复合体结构和板结层的基本物理特性进行研究，可以为设计合适的用于改良退化草地的农机具提供一定的基本理论支撑。

[0003] 目前，对草地土壤的剪切特性研究主要是先通过野外取土样，然后在实验室内通过直剪仪或三轴试验仪对取回的土样进行试验，测定相关参数，人工取样后在室内进行原状土测试会造成一定的数据偏差，并且取样数量相对较多，工作较为繁琐。采用原位测定剪切特性的方式可以免去土样采取和试样制备的工作，快速测定土壤的剪切特性，同时可以了解草地土壤性质，区分土层，测定不同土层的土壤剪切特性，减少人工取样带回室内测定参数时造成的数据偏差。目前原位土壤剪切特性的测定装置主要用于土木工程、勘探、水利水电工程等方面，装置规格比较大，测试深度往往可达几十米，而对于板结性退化草地形成的特有的板结性土层及土壤-根系复合体结构，暂无相关的原位剪切特性测试方法及装置。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种草地剪切力原位测试方法，原位测定草地土壤-根系复合体结构不同土层的剪切特性，在野外直接获取土壤剪切参数，为草地耕作部件的设计与研发提供一定的理论支持。

[0005] 本发明的另一个目的是提供一种草地剪切力原位测试装置，该装置操作灵活，与拖拉机相连进行野外原位草地土壤剪切力测试。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

[0007] 本发明提供一种草地剪切力原位测试方法，该方法包括：

[0008] a.测试前，读取和记录执行剪切装置空转的扭矩值；

[0009] b.根据测定深度需求，将执行剪切装置从草地表面强制垂直贯入到待测深度的土层中，贯入土层过程中确保执行剪切装置没有旋转；

[0010] c.执行剪切装置贯入到待测深度后，通过机械驱动装置或电动驱动装置或人工手动驱动执行剪切装置周向旋转，使得该深度内的土壤-根系复合体结构在与执行剪切装置相互作用的作用面上发生剪切失效，直至土壤-根系复合体结构破坏，过程中记录执行剪切装置的最大扭矩值；

[0011] d.将步骤c所得最大扭矩值减去步骤a中空转扭矩值，即得到使土壤-根系复合体结构发生剪切失效直至土壤-根系复合体结构破坏时所需的有效扭矩峰值；

[0012] e.根据有效扭矩峰值，运用数学计算方法计算出该深度土层自然条件下的抗剪强度及剪切特性相关的参数。

[0013] 上述方法还包括：

[0014] f.顺着执行剪切装置原来的转动方向，继续驱动执行剪切装置周向旋转5～10圈，旋转时间≤1min，旋转过程中记录执行剪切装置的最大扭矩值；

[0015] g.将步骤f所得最大扭矩值减去步骤a中的空转扭矩值，得到的值即为草地原位重塑土的抗剪强度的有效扭矩峰值。

[0016] 所述步骤c中，执行剪切装置以0.05～0.21rad/min的旋转速度周向旋转；从执行剪切装置贯入至所需深度土层到开始进行扭转测定的时间≤5min。

[0017] 本发明提供一种草地剪切力原位测试装置，包括机架1、剪切执行装置2、扭转轴3、固定轴7、液压缸10和数显扭矩扳手16，其中，

[0018] 液压缸10固定在机架1的顶端；固定轴7上端采用螺纹副的方式与液压缸10的液压杆相连，固定轴7下端与扭转轴3上端相连；扭转轴3下端与剪切执行装置2通过螺纹副相连；

[0019] 所述剪切执行装置2包括竖向剪切板13、横向剪切板14和支撑轴15；

[0020] 所述扭转轴3中部两侧铣有一定宽度的平面，与数显扭矩扳手16的夹持端相配合。

[0021] 所述装置还包括悬挂架11，悬挂架11设置有标准三点悬挂点，通过三点悬挂的方式与拖拉机后悬挂相连，悬挂架11与机架1相连。

[0022] 所述竖向剪切板13和横向剪切板14固接在支撑轴15的底部，竖向剪切板13和横向剪切板14的长度H与其沿轴线周向旋转形成的圆截面半径R之比的范围为2～8.5；所述支撑轴15沿轴向以固定间距设有多个标尺线。

[0023] 固定轴7下端开有一定深度的阶梯孔，通过推力轴承6、深沟球轴承5和弹簧挡环4与扭转轴3上端相连。

[0024] 上述的草地剪切力原位测试装置的草地剪切力原位测试方法，所述方法包括如下步骤：

[0025] a.测试前，将草地剪切力原位测试装置通过三点悬挂与拖拉机相连，机架1底部位于草地上方并相距一定距离；通过数显扭矩扳手16转动扭转轴3周向旋转，记录数显扭矩扳手16空转的扭矩值，即为装置内部各部件之间的摩擦力或其它的力产生的扭矩值；

[0026] b.操作拖拉机控制三点悬挂将草地剪切力原位测试装置下降，机架1底部完全与草地表面接触时停止下降，操作拖拉机后输出液压系统，控制液压缸10中液压杆伸出，带动固定轴7、扭转轴3和剪切执行装置2垂直地面向下运动，当剪切执行装置2贯入草地土层后继续运动直到达到预定深度后操作拖拉机后输出液压系统使液压缸10的液压杆停止运动，贯入土层过程中确保剪切执行装置2没有旋转；

[0027] c.扳动数显扭矩扳手16，带动扭转轴3周向旋转，使得该深度内的土壤-根系复合体结构在与执行剪切装置相互作用的作用面上发生剪切失效，直至土壤-根系复合体结构破坏，旋转过程中记录数显扭矩扳手16的最大值；

[0028] d.将步骤c所得数显扭矩扳手16的最大值减去步骤a空转的扭矩值，得到剪切执行装置2所在土层深度范围内的剪切破坏时所需的有效扭矩峰值；

[0029] e.根据有效扭矩峰值，运用数学计算方法计算出该深度土层自然条件下的抗剪强度及剪切特性相关的参数。

[0030] 上述方法还包括：

[0031] f.顺着执行剪切装置原来的转动方向，继续驱动剪切执行装置2周向旋转5～10圈，旋转时间≤1min，旋转过程中记录剪切执行装置2的最大扭矩值；

[0032] g.将步骤f所得最大扭矩值减去步骤a中的空转扭矩值，得到的值即为草地原位重塑土的抗剪强度的有效扭矩峰值。

[0033] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0034] 本发明与拖拉机相连进行野外原位草地土壤剪切力测试，适应性强，能直接获取数据，操作灵活，解决传统人工取样后在室内进行原状土测试造成的数据偏差，以及因草地土壤坚实度高而带来的取样费力的问题。

附图说明

[0035] 图1为剪切力原位测试装置的主视图

[0036] 图2为剪切力原位测试装置的左视图

[0037] 图3悬挂架主视图

[0038] 图4去除悬挂架后的装置等轴侧视示意图

[0039] 图5为扭转轴与固定轴连接处的局部放大图

[0040] 图6为剪切执行装置的仰视图

[0041] 图7为剪切执行装置的主视图

[0042] 其中的附图标记为：

[0043] 1  机架        2  剪切执行装置

[0044] 3  扭转轴      4  弹簧挡环

[0045] 5  深沟球轴承  6  推力轴承

[0046] 7  固定轴      8  筋板

[0047] 9  固定螺栓    10 液压缸

[0048] 11 悬挂架      12 连接螺栓

[0049] 13 竖向剪切板  14 横向剪切板

[0050] 15 支撑轴      16 数显扭矩扳手

[0051] H  竖向和横向剪切板长度

[0052] R  竖向和横向剪切板沿轴线周向旋转形成的圆截面半径

具体实施方式

[0053] 下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。

[0054] 本发明一种草地剪切力原位测试方法，应用于测试草地原状土壤-根系复合体结构抗剪强度，该方法包括：

[0055] a.测试前，读取和记录执行剪切装置的空转扭矩值，即为装置内部各部件之间的摩擦力或其它的力产生的扭矩值；

[0056] b.根据测定深度需求，将执行剪切装置从草地表面强制垂直贯入到待测深度的土层中，贯入土层过程中确保执行剪切装置没有旋转；

[0057] c.执行剪切装置贯入到待测深度后，通过机械驱动装置或电动驱动装置或人工手动驱动执行剪切装置周向旋转，使得该深度内的土壤-根系复合体结构在与执行剪切装置相互作用的作用面上发生剪切失效，直至土壤-根系复合体结构破坏，过程中记录执行剪切装置的最大扭矩值；

[0058] d.将步骤c所得最大扭矩值减去步骤a中的空转扭矩值，即得到使土壤-根系复合体结构发生剪切失效直至土壤-根系复合体结构破坏时所需的有效扭矩峰值；

[0059] e.根据有效扭矩峰值，运用数学计算方法计算出该深度土层自然条件下的抗剪强度及剪切特性相关的参数。

[0060] 该方法还可应用于测试草地原位重塑土的抗剪强度，该方法进一步包括：

[0061] f.顺着执行剪切装置原来的转动方向，继续驱动执行剪切装置周向旋转5～10圈，旋转时间≤1min，旋转过程中记录执行剪切装置的最大扭矩值；

[0062] g.将步骤f所得最大扭矩值减去步骤a中的空转扭矩值，得到的值即为草地原位重塑土的抗剪强度的有效扭矩峰值。

[0063] 优选地，所述步骤c中，执行剪切装置以0.05～0.21rad/min的旋转速度周向旋转；从执行剪切装置贯入至所需深度土层到开始进行扭转测定的时间≤5min。

[0064] 如图1和图2所示，分别为草地剪切力原位测试装置的主视图和左视图。所述草地剪切力原位测试装置，包括机架1、悬挂架11、剪切执行装置2、扭转轴3、固定轴7、液压缸10和数显扭矩扳手16。其中，如图3所示，悬挂架11设有标准三点悬挂点，采用三点悬挂的方式与拖拉机后悬挂相连，机架1通过连接螺栓12与悬挂架11相连；如图4所示，液压缸10通过固定螺栓9固定在机架1的顶端；固定轴7上端采用螺纹副的方式与液压缸10的液压杆相连。

[0065] 如图5所示，固定轴7下端设有一定深度的阶梯孔；扭转轴3位于固定轴7下方，扭转轴3的上端通过推力轴承6、深沟球轴承5和弹簧挡环4与固定轴7的下端相连，扭转轴3的下端与剪切执行装置2通过螺纹副相连；剪切执行装置2位于装置底部。扭转轴3中部两侧铣有一定宽度的平面，与数显扭矩扳手16的夹持端相配合。

[0066] 所述机架1由型钢焊接而成，顶部通过筋板8加固。

[0067] 所述液压缸10的进油口和出油口通过液压管件与拖拉机液压输出端相连。

[0068] 图6和图7分别为剪切执行装置2的仰视图和主视图。所述剪切执行装置2包括竖向剪切板13、横向剪切板14和支撑轴15；其中竖向剪切板13和横向剪切板14固定连接于支撑轴15底部，竖向剪切板13和横向剪切板14长度H与其沿轴线周向旋转形成的圆截面半径R之比的范围为2～8.5；支撑轴15顶端通过螺纹副与扭转轴3相连。

[0069] 所述支撑轴15沿轴向以固定间距设有多个标尺线。

[0070] 使用一种草地剪切力原位测试装置，应用于测试草地原状土壤-根系复合体结构抗剪强度，该方法如下步骤：

[0071] a.测试前，将草地剪切力原位测试装置通过三点悬挂与拖拉机相连，机架1底部位于草地上方并相距一定距离；通过数显扭矩扳手16转动扭转轴3周向旋转，记录数显扭矩扳手16空转的扭矩值，即为装置内部各部件之间的摩擦力或其它的力产生的扭矩值；

[0072] b.操作拖拉机控制三点悬挂将草地剪切力原位测试装置下降，机架1底部完全与草地表面接触时停止下降，操作拖拉机后输出液压系统，控制液压缸10中液压杆伸出，带动固定轴7、扭转轴3和剪切执行装置2垂直地面向下运动，当剪切执行装置2贯入草地土层后继续运动直到达到预定深度后操作拖拉机后输出液压系统使液压缸10的液压杆停止运动，贯入土层过程中确保剪切执行装置2没有旋转；

[0073] c.扳动数显扭矩扳手16，带动扭转轴3周向旋转，使得该深度内的土壤-根系复合体结构在与执行剪切装置相互作用的作用面上发生剪切失效，直至土壤-根系复合体结构破坏，旋转过程中记录数显扭矩扳手16的最大值；

[0074] d.将步骤c所得数显扭矩扳手16的最大值减去步骤a空转的扭矩值，得到剪切执行装置2所在土层深度范围内的剪切破坏时所需的有效扭矩峰值；

[0075] e.根据有效扭矩峰值，运用数学计算方法计算出该深度土层自然条件下的抗剪强度及剪切特性相关的参数。

[0076] 该方法还可应用于测试草地原位重塑土的抗剪强度，该方法进一步包括：

[0077] f.顺着剪切执行装置2原来的转动方向，继续驱动剪切执行装置2周向旋转5～10圈，旋转时间≤1min，旋转过程中记录剪切执行装置2的最大扭矩值；

[0078] g.将步骤f所得最大扭矩值减去步骤a中的空转扭矩值，得到的值即为草地原位重塑土的抗剪强度的有效扭矩峰值。