一種獲取耕作層土壤彈性模量的方法與流程
2023-06-06 13:14:06 1
本發明涉及農業工程領域，具體是一種獲取耕作層土壤彈性模量的方法。
背景技術：
目前，國內外許多學者對耕作層土壤的物理力學參數進行了研究，但耕作層不同深度土壤的性質存在較大的差異，表層土壤性質複雜，且對耕作層土壤進行取樣，測量其物理力學參數彈性模量時，由於耕作層表層的土壤容易鬆散和破碎，造成取樣困難，從而使耕作層土壤彈性模量難以通過物理試驗直接測出，但土壤彈性模量不僅是土壤重要的物理力學參數，而且是土壤系統數值模擬仿真建模的基礎。因此，需要設計一種可行有效獲取耕作層土壤彈性模量的方法。
技術實現要素：
本發明針對耕作層土壤建模材料的重要參數彈性模量難以通過物理試驗直接測出的不足，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。
本發明是通過以下技術方案實現的，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型土壤硬度計獲得土壤硬度值d，根據該實測值和硬度計壓縮試驗的回歸結果，求出硬度計錐頭插入土壤時的實際貫入深度h和阻力f。
所述土壤硬度測試方法：將硬度計錐頭壓入所測土壤，錐頭向上運動壓縮彈簧，帶動硬度計指針轉動，指示表顯示土壤硬度值d。
所述硬度計錐頭插入土壤時的實際貫入深度h和阻力f的計算方法為：利用硬度計壓縮試驗的回歸結果得到土壤硬度值d與硬度計錐頭插入土壤時的實際貫入深度h之間的關係；得到實際貫入深度h與硬度計錐頭插入土壤時受到的實際貫入阻力f之間的關係。然後代入實測土壤硬度值d，得出實際貫入深度h和阻力f。
所述硬度計壓縮試驗方法為：利用wdw3100型微機控制電子式萬能機對tyd-1型土壤硬度計進行壓縮試驗。因為試驗機能夠顯示試驗過程中土壤硬度計錐頭的位移和所受到的力的值，即能夠顯示土壤硬度計的貫入深度h和阻力f的值；又因為試驗過程中，土壤硬度計指示表能夠顯示硬度值d；因此土壤硬度值d、土壤硬度計的貫入深度h和阻力f三者之間就會存在對應關係，為了得到三者之間的關係，連續做20次硬度計壓縮試驗即可將關係式回歸出來。
所述土壤硬度值d與硬度計錐頭插入土壤時的實際貫入深度h之間的關係為：
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。
所述實際貫入深度h與硬度計錐頭插入土壤時受到的實際貫入阻力f之間的關係為：
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，根據土工試驗規程中的物理試驗方法測取土壤的參數包括密度、含水率、內聚力、內摩擦角。將上述所測取的土壤參數，及根據設定的彈性模量值轉化得到的剪切模量和體積模量作為材料參數，基於多物質ale流固耦合方法建立錐頭-空氣-土壤系統動力學數值模擬仿真模型進行仿真試驗。通過控制單一變量法不斷調整設定的彈性模量值，當仿真試驗中錐頭的貫入深度和阻力與實際值相接近，誤差在±2％以內時，此時數值模擬模型中設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量。
所述土壤含水率是指土中水的質量與土粒質量之比，用ω表示，以百分數計，表示為:
其中mw為土中所含水的質量，單位g；ms為土中所含土粒的質量，單位g。
所述土壤的內聚力和內摩擦角根據直剪試驗，通過庫倫定律公式求出，即：
其中τf為土的抗剪強度，單位kpa；σ為剪切破壞面上的法向總應力，單位kpa；c為土的內聚力，單位kpa；為土的內摩擦角，單位(°)。
所述數值模擬仿真模型，容易發生大變形，所以選擇多物質ale流固耦合方法來進行土壤彈性模量的反求。
所述數值模擬仿真模型的建模步驟為：先建立一個長方體模型，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，構建錐頭-空氣-土壤系統多物質ale流固耦合仿真模型；由於整個系統仿真模型是對稱模型，為減少計算量，只建立四分之一模型；接著是對已建好的模型進行網格的劃分；在土壤底部添加主約束，對稱面添加其餘約束；然後在錐頭上施加一個與實際值相同的向下速度，模擬硬度計錐頭插入土壤的過程。
所述數值模擬試驗中體積模量k與土壤彈性模量e的關係為：
其中ν為泊松比，土壤的泊松比一般為0.25-0.37，在這裡ν取0.3；e為土壤彈性模量，單位pa；k為體積模量，單位pa。
所述數值模擬試驗中剪切模量g與土壤彈性模量e的關係為：
其中ν為泊松比，土壤的泊松比一般為0.25-0.37，在這裡ν取0.3；e為土壤彈性模量，單位pa；g為剪切模量，單位pa。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
應用現有的技術，即通過土壤取樣後製成圓柱土樣進行三軸試驗獲取土壤彈性模量的方法，在耕作層土壤取樣時，土壤容易鬆散和破碎，無法製成圓柱土樣導致耕作層土壤彈性模量無法測出，而本發明不需製成圓柱土樣便能夠獲取土壤的彈性模量值，能有效解決現有技術無法獲取耕作層土壤彈性模量的難題。本發明對耕作層土壤彈性模量的獲取具有重要的意義。
附圖說明
圖1是錐頭-空氣-土壤系統動力學仿真模型；
圖2是四分之一錐頭-空氣-土壤系統動力學仿真模型；
圖3是四分之一錐頭-空氣-土壤系統網格模型；
圖4是對模型中土壤的約束示意圖；
圖5是數值模擬的試驗過程示意圖；
圖6是模型中貫入阻力與貫入時間的關係圖。
具體實施方式
本發明提供了一種獲取耕作層土壤彈性模量的方法，下面結合附圖對本發明的實施例做詳細說明。本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
實施例
為了對比通過此發明與三軸試驗得到的彈性模量，同時也避免耕作層土壤的取樣困難，本實施例採用的土壤為重塑土。本實例所構建的錐頭-空氣-土壤系統動力學仿真模型，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型土壤硬度計獲得土壤硬度值d。利用硬度計壓縮試驗的回歸結果得到土壤硬度值d與硬度計錐頭插入土壤時的實際貫入深度h之間的關係；得到實際貫入深度h與硬度計錐頭插入土壤時受到的實際貫入阻力f之間的關係。然後代入實測土壤硬度值d，得出實際貫入深度h和阻力f。
所述硬度計壓縮試驗方法為：利用wdw3100型微機控制電子式萬能機對tyd-1型土壤硬度計進行壓縮試驗。因為試驗機能夠顯示試驗過程中土壤硬度計錐頭的位移和所受到的力的值，即能夠顯示土壤硬度計的貫入深度h和阻力f的值；又因為試驗過程中，土壤硬度計指示表能夠顯示硬度值d；這樣土壤硬度值d、土壤硬度計的貫入深度h和阻力f三者之間就會存在對應關係，為了得到三者之間的關係，連續做20次硬度計壓縮試驗即可將關係式回歸出來。
所述土壤硬度值d與硬度計錐頭插入土壤時的實際貫入深度h之間的關係為：
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。
所述實際貫入深度h與硬度計錐頭插入土壤時受到的實際貫入阻力f之間的關係為：
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型土壤硬度計獲得土壤硬度值d為26n·cm-2。
所述硬度計錐頭插入土壤時的實際貫入深度為31.38mm，受到的實際貫入阻力為62.23n。
第二步，根據土工試驗規程中的物理試驗方法測取土壤的參數包括密度、含水率、內聚力、內摩擦角。將上述所測取的土壤參數，及根據設定的彈性模量值轉化得到的剪切模量和體積模量作為材料參數，利用多物質ale流固耦合方法建立錐頭-空氣-土壤系統動力學數值模擬仿真模型進行仿真試驗。通過控制單一變量法不斷調整設定的彈性模量值，當仿真試驗中錐頭的貫入深度和阻力與實際值相接近，誤差在±2％以內時，此時數值模擬模型中設定的彈性模量即為反求的土壤彈性模量值。
所述通過土工試驗規程中的物理試驗方法測得的土壤基本參數為：密度1.9473g/cm3，含水率25.57％，內聚力13.843kpa，內摩擦角3.434°。
所述初始設定的彈性模量值為0.40mpa。
所述數值模擬試驗中體積模量k與土壤彈性模量e的關係為：
其中ν為泊松比，土壤的泊松比一般為0.25-0.37，在這裡ν取0.3；e為土壤彈性模量，單位pa；k為體積模量，單位pa。
所述數值模擬試驗中剪切模量g與土壤彈性模量e的關係為：
其中ν為泊松比，土壤的泊松比一般為0.25-0.37，在這裡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。
所述數值模擬仿真模型的建模仿真步驟為：先建立一個長方體模型，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，構建錐頭-空氣-土壤系統多物質ale流固耦合仿真模型，如圖1所示；由於整個系統仿真模型是對稱模型，為減少計算量，只建立四分之一模型，如圖2所示；接著是對已建好的模型進行網格的劃分，如圖3所示；在土壤底部和對稱面添加約束，如圖4所示；然後在錐頭上施加一個與實際值相同的向下速度，模擬硬度計錐頭插入土壤的過程，如圖5所示。
所述長方體模型尺寸：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。
所述實際試驗時的貫入速度為0.03m/s。
利用多物質ale流固耦合方法進行仿真模擬，模型中，在錐頭上施加與實際試驗時相同的貫入速度0.03m/s，貫入相同的深度31.38mm，通過控制單一變量彈性模量，經過多次試驗，當彈性模量為e＝0.46mpa時，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，當貫入時間t＝1.044s時，貫入深度為31.38mm，與實際貫入深度相同，錐頭所受貫入阻力f′1/4＝15.8n。在進行模擬試驗時，我們所取的仿真模型為四分之一模型，所以整個錐頭所受到的貫入阻力f′＝63.2n，而實際試驗時的貫入阻力f＝62.23n，誤差在±2％以內，此時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果為：彈性模量0.46mpa。
所述反求出的彈性模量通過三軸試驗進行物理驗證。通過室內製造的圓柱土樣在tsz全自動三軸儀上進行三軸試驗，獲得彈性模量e＝0.457mpa。
所述通過三軸試驗求出的土壤彈性模量與反求方法得到的彈性模量對比，誤差為0.65％，在±2％以內，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。
上述實施例為本發明的一種實施方式，但本發明的實施方式並不限定與此，從事該領域技術人員在未背離本發明精神和原則下所做的任何修改、替換、改進，均包含在本發明的保護範圍內。