一種草地剪切力原位測試方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于草地生態改良領域，具體涉及一種針對草地土壤-根系復合體結構的草地剪切力原位測試方法及裝置。
【背景技術】
[0002]以羊草為代表的多年生以根莖繁殖方式為主的牧草，在生長多年后，草地呈現出草地土壤板結，土壤緊實度高，草地亞表層土壤緊實，地下根系與土壤交織在一起形成土壤-根系復合體結構的特點，增加了草地土壤容重與堅實度，草地土壤通氣透水能力下降，不利于牧草根系的生長。對退化草地形成的土壤-根系復合體結構和板結層的基本物理特性進行研宄，可以為設計合適的用于改良退化草地的農機具提供一定的基本理論支撐。
[0003]目前，對草地土壤的剪切特性研宄主要是先通過野外取土樣，然后在實驗室內通過直剪儀或三軸試驗儀對取回的土樣進行試驗，測定相關參數，人工取樣后在室內進行原狀土測試會造成一定的數據偏差，并且取樣數量相對較多，工作較為繁瑣。采用原位測定剪切特性的方式可以免去土樣采取和試樣制備的工作，快速測定土壤的剪切特性，同時可以了解草地土壤性質，區分土層，測定不同土層的土壤剪切特性，減少人工取樣帶回室內測定參數時造成的數據偏差。目前原位土壤剪切特性的測定裝置主要用于土木工程、勘探、水利水電工程等方面，裝置規格比較大，測試深度往往可達幾十米，而對于板結性退化草地形成的特有的板結性土層及土壤-根系復合體結構，暫無相關的原位剪切特性測試方法及裝置。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種草地剪切力原位測試方法，原位測定草地土壤-根系復合體結構不同土層的剪切特性，在野外直接獲取土壤剪切參數，為草地耕作部件的設計與研發提供一定的理論支持。
[0005]本發明的另一個目的是提供一種草地剪切力原位測試裝置，該裝置操作靈活，與拖拉機相連進行野外原位草地土壤剪切力測試。
[0006]為了實現上述目的，本發明提供了如下技術方案:
[0007]本發明提供一種草地剪切力原位測試方法，該方法包括:
[0008]a.測試前，讀取和記錄執行剪切裝置空轉的扭矩值；
[0009]b.根據測定深度需求，將執行剪切裝置從草地表面強制垂直貫入到待測深度的土層中，貫入土層過程中確保執行剪切裝置沒有旋轉；
[0010]C.執行剪切裝置貫入到待測深度后，通過機械驅動裝置或電動驅動裝置或人工手動驅動執行剪切裝置周向旋轉，使得該深度內的土壤-根系復合體結構在與執行剪切裝置相互作用的作用面上發生剪切失效，直至土壤-根系復合體結構破壞，過程中記錄執行剪切裝置的最大扭矩值；
[0011]d.將步驟c所得最大扭矩值減去步驟a中空轉扭矩值，即得到使土壤-根系復合體結構發生剪切失效直至土壤-根系復合體結構破壞時所需的有效扭矩峰值；
[0012]e.根據有效扭矩峰值，運用數學計算方法計算出該深度土層自然條件下的抗剪強度及剪切特性相關的參數。
[0013]上述方法還包括:
[0014]f.順著執行剪切裝置原來的轉動方向，繼續驅動執行剪切裝置周向旋轉5?10圈，旋轉時間< lmin，旋轉過程中記錄執行剪切裝置的最大扭矩值；
[0015]g.將步驟f所得最大扭矩值減去步驟a中的空轉扭矩值，得到的值即為草地原位重塑土的抗剪強度的有效扭矩峰值。
[0016]所述步驟c中，執行剪切裝置以0.05?0.21rad/min的旋轉速度周向旋轉；從執行剪切裝置貫入至所需深度土層到開始進行扭轉測定的時間< 5min。
[0017]本發明提供一種草地剪切力原位測試裝置，包括機架1、剪切執行裝置2、扭轉軸3、固定軸7、液壓缸10和數顯扭矩扳手16，其中，
[0018]液壓缸10固定在機架I的頂端；固定軸7上端采用螺紋副的方式與液壓缸10的液壓桿相連，固定軸7下端與扭轉軸3上端相連；扭轉軸3下端與剪切執行裝置2通過螺紋副相連；
[0019]所述剪切執行裝置2包括豎向剪切板13、橫向剪切板14和支撐軸15 ；
[0020]所述扭轉軸3中部兩側銑有一定寬度的平面，與數顯扭矩扳手16的夾持端相配入口 ο
[0021]所述裝置還包括懸掛架11，懸掛架11設置有標準三點懸掛點，通過三點懸掛的方式與拖拉機后懸掛相連，懸掛架11與機架I相連。
[0022]所述豎向剪切板13和橫向剪切板14固接在支撐軸15的底部，豎向剪切板13和橫向剪切板14的長度H與其沿軸線周向旋轉形成的圓截面半徑R之比的范圍為2?8.5 ;所述支撐軸15沿軸向以固定間距設有多個標尺線。
[0023]固定軸7下端開有一定深度的階梯孔，通過推力軸承6、深溝球軸承5和彈簧擋環4與扭轉軸3上端相連。
[0024]上述的草地剪切力原位測試裝置的草地剪切力原位測試方法，所述方法包括如下步驟:
[0025]a.測試前，將草地剪切力原位測試裝置通過三點懸掛與拖拉機相連，機架I底部位于草地上方并相距一定距離；通過數顯扭矩扳手16轉動扭轉軸3周向旋轉，記錄數顯扭矩扳手16空轉的扭矩值，即為裝置內部各部件之間的摩擦力或其它的力產生的扭矩值；
[0026]b.操作拖拉機控制三點懸掛將草地剪切力原位測試裝置下降，機架I底部完全與草地表面接觸時停止下降，操作拖拉機后輸出液壓系統，控制液壓缸10中液壓桿伸出，帶動固定軸7、扭轉軸3和剪切執行裝置2垂直地面向下運動，當剪切執行裝置2貫入草地土層后繼續運動直到達到預定深度后操作拖拉機后輸出液壓系統使液壓缸10的液壓桿停止運動，貫入土層過程中確保剪切執行裝置2沒有旋轉；
[0027]c.扳動數顯扭矩扳手16，帶動扭轉軸3周向旋轉，使得該深度內的土壤-根系復合體結構在與執行剪切裝置相互作用的作用面上發生剪切失效，直至土壤-根系復合體結構破壞，旋轉過程中記錄數顯扭矩扳手16的最大值；
[0028]d.將步驟c所得數顯扭矩扳手16的最大值減去步驟a空轉的扭矩值，得到剪切執行裝置2所在土層深度范圍內的剪切破壞時所需的有效扭矩峰值；
[0029]e.根據有效扭矩峰值，運用數學計算方法計算出該深度土層自然條件下的抗剪強度及剪切特性相關的參數。
[0030]上述方法還包括:
[0031]f.順著執行剪切裝置原來的轉動方向，繼續驅動剪切執行裝置2周向旋轉5?10圈，旋轉時間< lmin，旋轉過程中記錄剪切執行裝置2的最大扭矩值；
[0032]g.將步驟f所得最大扭矩值減去步驟a中的空轉扭矩值，得到的值即為草地原位重塑土的抗剪強度的有效扭矩峰值。
[0033]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
[0034]本發明與拖拉機相連進行野外原位草地土壤剪切力測試，適應性強，能直接獲取數據，操作靈活，解決傳統人工取樣后在室內進行原狀土測試造成的數據偏差，以及因草地土壤堅實度高而帶來的取樣費力的問題。
【附圖說明】
[0035]圖1為剪切力原位測試裝置的主視圖
[0036]圖2為剪切力原位測試裝置的左視圖
[0037]圖3懸掛架主視圖
[0038]圖4去除懸掛架后的裝置等軸側視示意圖
[0039]圖5為扭轉軸與固定軸連接處的局部放大圖
[0040]圖6為剪切執行裝置的仰視圖
[0041]圖7為剪切執行裝置的主視圖
[0042]其中的附圖標記為:
[0043]I機架2剪切執行裝置
[0044]3扭轉軸 4彈簧擋環
[0045]5深溝球軸承6推力軸承
[0046]7固定軸 8筋板
[0047]9固定螺栓 10液壓缸
[0048]11懸掛架 12連接螺栓
[0049]13豎向剪切板14橫向剪切板
[0050]15支撐軸16數顯扭矩扳手
[0051]H豎向和橫向剪切板長度
[0052]R豎向和橫向剪切板沿軸線周向旋轉形成的圓截面半徑
【具體實施方式】
[0053]下面結合【附圖說明】和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0054]本發明一種草地剪切力原位測試方法，應用于測試草地原狀土壤-根系復合體結構抗剪強度，該方法包括:
[0055]a.測試前，讀取和記錄執行剪切裝置的空轉扭矩值，即為裝置內部各部件之間的摩擦力或其它的力產生的扭矩值；
[0056]b.根據測定深度需求，將執行剪切裝置從草地表面強制垂直貫入到待測深度的土層中，貫入土層過程中確保執行剪切裝置沒有旋轉；
[0057]c.執行剪切裝置貫入到待測深度后，通過機械驅動裝置或電動驅動裝置或人工手動驅動執行剪切裝置周向旋轉，使得該深度內的土壤-根系復合體結構在與執行剪切裝置相互作用的作用面上發生剪切失效，直至土壤-根系復合體結構破壞，過程中記錄執行剪切裝置的最大扭矩值；
[0058]d.將步驟c所得最大扭矩值減去步驟a中的空轉扭矩值，即得到使土壤-根系復合體結構發生剪切失效直至土壤-根系復合體結構破壞時所需的有效扭矩峰值；
[0059]e.根據有效扭矩峰值，運用數學計算方法計算出該深度土層自然條件下的抗剪強度及剪切特性相關的參數。
[0060]該方法還可應用于測試草地原位重塑土的抗剪強度，該方法進一步包括:
[0061]f.順著執行剪切裝置原來的轉動方向，繼續驅動執行剪切裝置周向旋轉5?10圈，旋轉時間< lmin，旋轉過程中記錄執行剪切裝置的最大扭矩值；
[0062]g.將步驟f所得最大扭矩值減去步驟a中的空轉扭矩值，得到的值即為草地原位重塑土的抗剪強度的有效扭矩峰值