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农田土壤压实过程的应力表现与监测系统的开发应用

作　者: 李春林
导　师: 陈青春
学　校: 南京农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 土壤压实应力应变原位应力传递
分类号: S152.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在最近的几十年里,随着农业机械化的不断普及和发展,土壤机械压实已成为一个不可回避的问题。土壤压实的直接后果是由于紧实度增加、孔隙度降低、容重增大,由此带来土壤透气性、水分渗透性及饱和导水率减小、土壤强度相应增加,从而导致植物根系的穿透阻力增大。同时土壤压实是表征土壤物理性状退化的最重要因素,所以只有首先弄清压实的形成过程及压实的评价指标,才能为避免或减轻土壤机械压实提供依据,避免土壤资源被破坏,使现代农业走可持续发展的道路。土壤压实所带来的严重后果已经逐渐被科学工作者所认识。虽然不少研究学者对土壤压实状况进行了监测及研究,但大多是采用土壤容重、孔隙度、坚实度等物理性质来描述,再结合作物的长势、产量来分析,也就是说只是对土壤压实后的一种测量和评价,没有对土壤压实过程进行动态的监测,从而未能更好的发现和研究土壤的压实机理及过程,因此研究土壤压实的应力变化对研究土壤压实问题具有重要意义。本研究利用由自行研制的土压力传感器和信号放大器组成的应力监测系统,首先采用室内模拟试验进行土中应力分布传递过程的模拟,从而对土中应力分布传递规律进行认识,为后续的研究提供理论支持及测试方法,然后进行大田试验。室内试验选择含水量和密度作为主要控制因素来进行试验研究。选取含水量与密度作为主控因素,一是因为含水量与密度变化可以反映土体内所发生的物理化学相互作用达到某一平衡状态时“土体结构”情况下的应力变化的环境状态,二是含水量与密度变化对土中应力的变化有较好的适应性,此外试验条件易于控制且简单易行。通过室内模拟试验可以得出土体中应力与压实度的变化关系,为大田试验提供参考和依据。大田试验利用原位压实应力监测系统来监测土壤压实状况,从而揭示了农业机械作用下土壤内部应力的传递过程。本研究还进行了先期固结压力的监测,建立了先期固结压力和压实程度之间的关系,为进一步评价土壤压实提供参考。主要结论及成果如下：1.通过参考购买的土压力传感器来研制更加适合于农地土壤应力监测的传感器,经过不断研究及改进,制作出了外形尺寸为φ18×6mm的土压力传感器,并对其进行了标定。从标定的结果来看,自制传感器具有良好的线性关系,且比购买的传感器具有更小的回程误差,这也说明了传感器的外形尺寸会造成测量误差。将传感器的砂标和油标实验的反映系数K进行比较发现厂家对土压力传感器只进行油标试验会给实际测量造成误差。2.设计了室内压实模型试验装置,包括静压试验台、加载设备、样桶等,并通过改变土壤基本物理参数(含水率和密度)来完成土壤室内模拟压实。试验结果验证了现有土力学理论附加应力分布传递规律,并且发现了土体性质变化对土中应力分布传递存在影响,以及不同因素变化对土中应力分布传递的影响规律。3.构建了适合于应力原位监测的系统。在纽荷兰拖拉机SNH550碾压下,用该测试系统对农田土壤压实过程进行了应力监测。试验通过改变碾压遍数和传感器的空间埋设位置来完成对农地土压实的应力传递规律的研究。4.针对传统测量先期固结压力耗时长,从而影响对土壤性质实时监测的缺点,本文采用单轴快速压缩法完成了对先前固结压力的测量,为先期固结压力的测量方法提出了新的思路。在大田试验中,采用纽荷兰拖拉机SNH550对农田土壤进行碾压,然后通过监测碾压处理土壤的先期固结压力来评价土壤的压实程度,从而建立了碾压次数与土壤先期固结压力的关系,为土壤压实的研究提供了新的方法。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-15
  1.1 课题研究的背景和意义  11-12
    1.1.1 课题研究的背景  11-12
    1.1.2 研究目的与意义  12
  1.2 国内外研究现状  12-13
  1.3 研究内容和基本思路  13-15
    1.3.1 工作假说和研究内容  13-14
    1.3.2 方法与手段  14-15
第二章土壤压实理论  15-26
  2.1 土的物理特性指标  15-16
  2.2 土壤的压实机理  16
  2.3 土的应力理论  16-23
    2.3.1 土的自重应力  16-17
    2.3.2 土的附加应力  17-23
  2.4 影响土中应力分布的因素  23
  2.5 应力路径  23-24
  2.6 压实状态的评价  24-25
    2.6.1 无粘性土压实状态的评价  24
    2.6.2 粘性土压实状态的评价  24-25
  2.7 小结  25-26
第三章农田土壤应力监测系统的构建  26-53
  3.1 传感器  26-45
    3.1.1 传感器的基本特性  26-28
    3.1.2 电阻应变片的结构原理及应用  28-32
      3.1.2.1 电阻应变片的技术参数  29
      3.1.2.2 电阻应变片的选用  29-30
      3.1.2.3 电阻应变片的粘贴工艺  30-31
      3.1.2.4 连接电路  31-32
    3.1.3 传感器的研制  32-36
      3.1.3.1 现有传感器的结构及原理  32-33
      3.1.3.2 土压力传感器的制作  33-36
    3.1.4 传感器的标定  36-45
      3.1.4.1 土工传感器的标定结果  36-38
      3.1.4.2 标定试验装置  38
      3.1.4.3 油标试验  38-39
      3.1.4.4 砂标试验  39-44
      3.1.4.5 标定试验数据分析  44-45
  3.2 电压信号放大器  45-49
  3.3 数据采集卡  49
  3.4 测试系统程序  49-52
  3.5 小结  52-53
第四章应力监测系统在压实模型中的应用及研究  53-77
  4.1 标准击实试验  53-57
    4.1.1 最大干密度、最优含水率的概念  53
    4.1.2 击实用土的调制  53-55
      4.1.2.1 土壤初始含水率的测定  54
      4.1.2.2 土样需水量的计算  54
      4.1.2.3 不同含水率土壤的调配  54-55
    4.1.3 标准击实试验  55-57
      4.1.3.1 标准击实仪  55-56
      4.1.3.2 标准击实实验方法  56-57
  4.2 非标准击实试验  57-60
    4.2.1 小型击实试验仪  57
    4.2.2 小型击实试验步骤  57-59
    4.2.3 直剪试验  59
    4.2.4 数据分析  59-60
  4.3 压实试样的制作  60-66
    4.3.1 试验方案的确定  61-63
    4.3.2 试样的制作  63-66
  4.4 室内压实模型的应力监测  66-67
  4.5 土壤压实监测数据分析  67-75
  4.6 小结  75-77
第五章农田土壤压实的应力监测及评价  77-88
  5.1 应力监测的方案及准备  77-79
  5.2 土壤压实的应力监测及分析  79-81
  5.3 用先期固结压力来评价土壤的压实程度  81-87
    5.3.1 试验研究  82-83
    5.3.2 试验数据分析  83-86
    5.3.3 结论与建议  86-87
  5.4 小结  87-88
第六章结论与展望  88-90
参考文献  90-95
攻读学位期间发表的学术论文  95-97
致谢  97

农田土壤压实过程的应力表现与监测系统的开发应用

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