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摘要：使用土压力传感器监测土壤压实状况的优势是可以直观反映土体内的应力过程，但是传统的操作方法费时费力，因此设计一种全新的农田原状土应力测试系统，该系统以30°倾斜角打洞埋设土压力传感器，并配合平板下陷同步测试地表下陷位移、平板加载力及土体内的应力传递。在水稻土中的应用结果表明，系统的设计参数合理，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都达到了预期效果，能够满足短时间内进行多点测试的要求。
关键词：土压力传感器；土壤压实；原状土；测试系统
中图分类号： S222.23；S152.9文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0368-03
收稿日期：2014-03-11
基金项目：国家自然科学基金（编号：41371238）；江苏省优势学科建设工程资助项目（编号：PAPD）。
作者简介：柏建彩（1987—），男，山东临沂人，硕士，研究方向为土壤应力传递机理。E-mail：15895922573@163.com。
通信作者：丁启朔，教授，博士生导师，研究方向为作物生产环境工程与技术。E-mail：qsding@njau.edu.cn。田间作业机具对农田土壤的压实降低了土地生产力，因而监控各种田间作业机具对土壤的压实过程是有效避免土壤被过度压实的基础工作。关于土壤压实及模拟应用的研究报道较多[1-5]，使用土压力传感器监测土壤压实过程是农田土壤压实测试技术方法中的一个高效手段，当前的专用土压力传感器尺度较大[6-7]，且没有一套完善而规范的操作方法，使得这一监测过程的操作变得较为繁琐。当前的做法主要是将待测点的土壤清除，放好传感器后将土壤回填[8]；还有的方法首先需要在距待测地点1 m处开挖坑道，然后在坑道侧壁上的不同深度位置钻出水平孔洞，最后将土压力传感器安置在水平孔洞中[7]。从这2种方法可以看出，传感器埋设过程操作繁琐，费时费力，对土壤的扰动也比较大。另外，由于目前尚无专用的加载测试装置对埋设的传感器进行加载测试，因此本研究针对农田土壤压实监测的土压力传感器埋设及加载测试2个操作环节提供相应的装置和测试操作方法。
1总体结构和原理
测试系统主要由土压力传感器打孔机构、土压力传感器埋设机构、加载机构以及数据采集测试系统等组成，其结构如图1所示。该测试仪可以完成土压力传感器安放孔的挖设、土压力传感器的埋设、加载及测试等多道工序。工作时先将打孔机构和加载机构安放在导轨上，保证土压力传感器的安放位置和加载位置不会产生偏差。通过打孔机构在地表以一定的角度打到预定深度，完成安放孔的挖设，然后用埋设机构把传感器安放到孔内，最后进行加载及土壤压实过程的测试，原理如图2所示。
2主要机构设计
2.1土压力传感器打孔机构的设计及操作方法
如图1-a所示，打孔机构由1个打孔支架、1个导向套筒和1个取土器等组成。支架长800 mm，宽500 mm，高480 mm，上面3个安装孔能够将导向套的角度分别调整为30°、38°、45°。导向套筒是长400 mm、直径为30 mm的圆筒。取土器是长2 m、直径为20 mm的圆筒，将前端10 cm处去掉一半，方便取土。工作时，将支架安放在导轨上并先确定打孔角度，然后将导向套筒通过螺纹连接在支架上，将带有刻度的取土器安放在导向套筒内，使取土器前端触碰到地表，此时标记取土器的初始刻度；按照预计的土压力传感器埋设深度并结合导向套筒的倾斜角计算取土器探入地表的位移后开始钻孔，将取土器插入土层后轻转一角度，然后拉出地表，清除塞嵌在取土器凹槽内的土壤。重复上述动作，直到探入土层的取土器到达预定位置，即完成土压力传感器埋设孔的钻孔过程，此时移开打孔支架。
2.2土压力传感器埋设机构的设计及操作方法
如图1-b所示，传感器的埋设装置主要由传感器、夹持筒、顶杆等组成。夹持筒是长600 mm、直径为10 mm的圆筒，端部加工成可以与传感器完全贴合的形状。顶杆长1 m，端部开叉，可以叉住传感器。工作时，将土压力传感器的导线从夹持筒端部喂入并从夹持筒内穿过，拉紧土压力传感器的导线，令土压力传感器的侧壁顶住夹持筒端部，顶杆则由夹持筒的末端逆向穿过夹持筒并碰触到土压力传感器壁。转动夹持筒，令土压力传感器的感测面朝上，平缓地将夹持筒塞入传感器安装孔内。当土压力传感器到达安装孔底部时，推动顶杆，通过顶杆将土压力传感器顶靠在安装孔底部；此时将夹持筒从安装孔中抽出，传感器、传感器电缆和顶杆继续留在安装孔中，维持顶杆的状态，向安装孔中填入一定量的细沙，并用推杆推送，使送入的细沙塞满传感器后部的空间。轻轻抽出顶杆，保留土压力传感器电缆在安装孔中的状态，然后抽出推杆，继续向安装孔中填入足量细沙并依次用推杆推送，将安装
孔填实，完成传感器的安装。
2.3加载机构
如图1-c所示，液压加载装置主要由台架、液压缸、压板、配重块等组成，主要技术参数见表1。工作时，液压缸安装在台架上，压板通过拉压力传感器与液压缸连接。台架两侧放有配重块，配重块用铁丝与台架捆成一个整体。埋好土压力传感器后，将组合好的加载台架移动到埋设土压力传感器的上方，启动电机，用液压系统进行加载，同时测取施加的荷载、压板下陷的位移以及土压力传感器的感测应力。表1液压加载装置的主要技术参数
项目台架长×宽×高
（mm×mm×mm）总质量M
（kg）液压缸行程L
（mm）最大压力F
（mPa）液压缸动力P
（kW）液压油箱容量V
（L）参数值600×1 140×1 600700400100.754
2.4测试系统
本系统主要由土压力传感器、拉压力传感器、位移传感器、放大器、电阻应变仪、数据采集卡、计算机等组成。工作时，在加载的工程中，传感器产生的信号通过Labview软件及电阻应变仪、数据采集卡等硬件采集到计算机中。 3田间试验
土压力传感器型号为DZ-Ⅰ型，属于电阻应变式，传感器检测表面为感应膜片式，轮廓直径17 mm、厚度7 mm，该传感器的精巧安装尺寸便于原位埋设。土压力传感器的标定按照厂家规定，在实验室按与田间应用相同的安装角进行油标定，位移与拉压力传感器也进行室内标定，3个传感器的标定曲线如图3所示，可见都具有良好的线性关系。
试验于2013年11月在南京市浦口区江浦农场进行。试验地为多年稻麦轮作，土壤为黄棕壤发育而成的水稻土，水稻收后地表残茬150 mm左右，0～20 cm土层土壤基本物理参数为：含水率29.83%，干密度1.32 g/cm3，孔隙度49.98%，土壤内聚力55.33 kPa，土壤内摩擦角10.26°。试验过程所用总荷载、圆形平板直径、液压缸推进（平板下陷）速度、信号采样周期、总下限深度参数分别为700 kg、150 mm、10 mm/s、25 ms、40 mm。田间测试结果如图4、图5所示。
通过田间试验可以看出，土压力传感器的埋设角度和深度都很精确，测试曲线规律较明显，加载力一开始增加比较快，随着土壤压实并产生流变失效，加载力趋于平缓，表层土结构比较松散，具有一定的缓冲性；下陷位移较小时，土应力增加比较缓慢，随着下陷位移的增大，土壤被压得紧实，应力可以快速传递到下方，此时土应力急剧升高，在最大位移处达到最大值。
4结论
综合运用平板下陷和土压力传感器的土壤压实测试系统操作相对简单，对土壤扰动较少，满足在短时内多点原位测试
的要求。20 cm厚度的土壤应力传递能力形成显著滞后于土层的机械承载力结构形成，表明土层的应力传递能力滞后于承载结构土层的形成。
参考文献：
[1]陈浩，杨亚莉. 土壤压实模型分析[J]. 农机化研究，2012（1）：46-50.
[2]杨富江，牛爽. 机具作用时间对农田黑土压实效应的影响[J]. 农业工程，2013，3（4）：16-18.
[3]杨晓娟，李春俭. 机械压实对土壤质量、作物生长、土壤生物及环境的影响[J]. 中国农业科学，2008，41（7）：2008-2015.
[4]付晓莉，邵明安. 一种改进的土壤压实模型及试验研究[J]. 农业工程学报，2007，23（4）：1-5.
[5]刘吉，马道坤，曾庆猛，等. 车载行进式农田土壤压实度实时测量系统[J]. 中国农业大学学报，2007，12（6）：71-74，92.
[6]Harris H D，Bakker D M. A soil stress transducer for measuring in situ soil stresses[J]. Soil and Tillage Research，1994，29（1）：35-48.
[7]Lamandé M，Schjnning P. Transmission of vertical stress in a real soil profile. Part Ⅱ：Effect of tyre size，inflation pressure and wheel load[J]. Soil and Tillage Research，2011，114（2）：71-77.
[8]Pytka J，Dabrowski J. Determination of the stress-strain relationship for sandy soil in field experiments[J]. Journal of Terramechanics，2001，38（4）：185-200.赵汉雨，魏玉岗，刘存祥. 板栗脱蓬机的设计[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：371-373.
关键词：土压力传感器；土壤压实；原状土；测试系统
中图分类号： S222.23；S152.9文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0368-03
收稿日期：2014-03-11
基金项目：国家自然科学基金（编号：41371238）；江苏省优势学科建设工程资助项目（编号：PAPD）。
作者简介：柏建彩（1987—），男，山东临沂人，硕士，研究方向为土壤应力传递机理。E-mail：15895922573@163.com。
通信作者：丁启朔，教授，博士生导师，研究方向为作物生产环境工程与技术。E-mail：qsding@njau.edu.cn。田间作业机具对农田土壤的压实降低了土地生产力，因而监控各种田间作业机具对土壤的压实过程是有效避免土壤被过度压实的基础工作。关于土壤压实及模拟应用的研究报道较多[1-5]，使用土压力传感器监测土壤压实过程是农田土壤压实测试技术方法中的一个高效手段，当前的专用土压力传感器尺度较大[6-7]，且没有一套完善而规范的操作方法，使得这一监测过程的操作变得较为繁琐。当前的做法主要是将待测点的土壤清除，放好传感器后将土壤回填[8]；还有的方法首先需要在距待测地点1 m处开挖坑道，然后在坑道侧壁上的不同深度位置钻出水平孔洞，最后将土压力传感器安置在水平孔洞中[7]。从这2种方法可以看出，传感器埋设过程操作繁琐，费时费力，对土壤的扰动也比较大。另外，由于目前尚无专用的加载测试装置对埋设的传感器进行加载测试，因此本研究针对农田土壤压实监测的土压力传感器埋设及加载测试2个操作环节提供相应的装置和测试操作方法。
1总体结构和原理
测试系统主要由土压力传感器打孔机构、土压力传感器埋设机构、加载机构以及数据采集测试系统等组成，其结构如图1所示。该测试仪可以完成土压力传感器安放孔的挖设、土压力传感器的埋设、加载及测试等多道工序。工作时先将打孔机构和加载机构安放在导轨上，保证土压力传感器的安放位置和加载位置不会产生偏差。通过打孔机构在地表以一定的角度打到预定深度，完成安放孔的挖设，然后用埋设机构把传感器安放到孔内，最后进行加载及土壤压实过程的测试，原理如图2所示。
2主要机构设计
2.1土压力传感器打孔机构的设计及操作方法
如图1-a所示，打孔机构由1个打孔支架、1个导向套筒和1个取土器等组成。支架长800 mm，宽500 mm，高480 mm，上面3个安装孔能够将导向套的角度分别调整为30°、38°、45°。导向套筒是长400 mm、直径为30 mm的圆筒。取土器是长2 m、直径为20 mm的圆筒，将前端10 cm处去掉一半，方便取土。工作时，将支架安放在导轨上并先确定打孔角度，然后将导向套筒通过螺纹连接在支架上，将带有刻度的取土器安放在导向套筒内，使取土器前端触碰到地表，此时标记取土器的初始刻度；按照预计的土压力传感器埋设深度并结合导向套筒的倾斜角计算取土器探入地表的位移后开始钻孔，将取土器插入土层后轻转一角度，然后拉出地表，清除塞嵌在取土器凹槽内的土壤。重复上述动作，直到探入土层的取土器到达预定位置，即完成土压力传感器埋设孔的钻孔过程，此时移开打孔支架。
2.2土压力传感器埋设机构的设计及操作方法
如图1-b所示，传感器的埋设装置主要由传感器、夹持筒、顶杆等组成。夹持筒是长600 mm、直径为10 mm的圆筒，端部加工成可以与传感器完全贴合的形状。顶杆长1 m，端部开叉，可以叉住传感器。工作时，将土压力传感器的导线从夹持筒端部喂入并从夹持筒内穿过，拉紧土压力传感器的导线，令土压力传感器的侧壁顶住夹持筒端部，顶杆则由夹持筒的末端逆向穿过夹持筒并碰触到土压力传感器壁。转动夹持筒，令土压力传感器的感测面朝上，平缓地将夹持筒塞入传感器安装孔内。当土压力传感器到达安装孔底部时，推动顶杆，通过顶杆将土压力传感器顶靠在安装孔底部；此时将夹持筒从安装孔中抽出，传感器、传感器电缆和顶杆继续留在安装孔中，维持顶杆的状态，向安装孔中填入一定量的细沙，并用推杆推送，使送入的细沙塞满传感器后部的空间。轻轻抽出顶杆，保留土压力传感器电缆在安装孔中的状态，然后抽出推杆，继续向安装孔中填入足量细沙并依次用推杆推送，将安装
孔填实，完成传感器的安装。
2.3加载机构
如图1-c所示，液压加载装置主要由台架、液压缸、压板、配重块等组成，主要技术参数见表1。工作时，液压缸安装在台架上，压板通过拉压力传感器与液压缸连接。台架两侧放有配重块，配重块用铁丝与台架捆成一个整体。埋好土压力传感器后，将组合好的加载台架移动到埋设土压力传感器的上方，启动电机，用液压系统进行加载，同时测取施加的荷载、压板下陷的位移以及土压力传感器的感测应力。表1液压加载装置的主要技术参数
项目台架长×宽×高
（mm×mm×mm）总质量M
（kg）液压缸行程L
（mm）最大压力F
（mPa）液压缸动力P
（kW）液压油箱容量V
（L）参数值600×1 140×1 600700400100.754
2.4测试系统
本系统主要由土压力传感器、拉压力传感器、位移传感器、放大器、电阻应变仪、数据采集卡、计算机等组成。工作时，在加载的工程中，传感器产生的信号通过Labview软件及电阻应变仪、数据采集卡等硬件采集到计算机中。 3田间试验
土压力传感器型号为DZ-Ⅰ型，属于电阻应变式，传感器检测表面为感应膜片式，轮廓直径17 mm、厚度7 mm，该传感器的精巧安装尺寸便于原位埋设。土压力传感器的标定按照厂家规定，在实验室按与田间应用相同的安装角进行油标定，位移与拉压力传感器也进行室内标定，3个传感器的标定曲线如图3所示，可见都具有良好的线性关系。
试验于2013年11月在南京市浦口区江浦农场进行。试验地为多年稻麦轮作，土壤为黄棕壤发育而成的水稻土，水稻收后地表残茬150 mm左右，0～20 cm土层土壤基本物理参数为：含水率29.83%，干密度1.32 g/cm3，孔隙度49.98%，土壤内聚力55.33 kPa，土壤内摩擦角10.26°。试验过程所用总荷载、圆形平板直径、液压缸推进（平板下陷）速度、信号采样周期、总下限深度参数分别为700 kg、150 mm、10 mm/s、25 ms、40 mm。田间测试结果如图4、图5所示。
通过田间试验可以看出，土压力传感器的埋设角度和深度都很精确，测试曲线规律较明显，加载力一开始增加比较快，随着土壤压实并产生流变失效，加载力趋于平缓，表层土结构比较松散，具有一定的缓冲性；下陷位移较小时，土应力增加比较缓慢，随着下陷位移的增大，土壤被压得紧实，应力可以快速传递到下方，此时土应力急剧升高，在最大位移处达到最大值。
4结论
综合运用平板下陷和土压力传感器的土壤压实测试系统操作相对简单，对土壤扰动较少，满足在短时内多点原位测试
的要求。20 cm厚度的土壤应力传递能力形成显著滞后于土层的机械承载力结构形成，表明土层的应力传递能力滞后于承载结构土层的形成。
参考文献：
[1]陈浩，杨亚莉. 土壤压实模型分析[J]. 农机化研究，2012（1）：46-50.
[2]杨富江，牛爽. 机具作用时间对农田黑土压实效应的影响[J]. 农业工程，2013，3（4）：16-18.
[3]杨晓娟，李春俭. 机械压实对土壤质量、作物生长、土壤生物及环境的影响[J]. 中国农业科学，2008，41（7）：2008-2015.
[4]付晓莉，邵明安. 一种改进的土壤压实模型及试验研究[J]. 农业工程学报，2007，23（4）：1-5.
[5]刘吉，马道坤，曾庆猛，等. 车载行进式农田土壤压实度实时测量系统[J]. 中国农业大学学报，2007，12（6）：71-74，92.
[6]Harris H D，Bakker D M. A soil stress transducer for measuring in situ soil stresses[J]. Soil and Tillage Research，1994，29（1）：35-48.
[7]Lamandé M，Schjnning P. Transmission of vertical stress in a real soil profile. Part Ⅱ：Effect of tyre size，inflation pressure and wheel load[J]. Soil and Tillage Research，2011，114（2）：71-77.
[8]Pytka J，Dabrowski J. Determination of the stress-strain relationship for sandy soil in field experiments[J]. Journal of Terramechanics，2001，38（4）：185-200.赵汉雨，魏玉岗，刘存祥. 板栗脱蓬机的设计[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：371-373.