[发明专利]一种获取耕作层土壤弹性模量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及农业工程领域，具体是一种获取耕作层土壤弹性模量的方法。

背景技术

目前，国内外许多学者对耕作层土壤的物理力学参数进行了研究，但耕作层不同深度土壤的性质存在较大的差异，表层土壤性质复杂，且对耕作层土壤进行取样，测量其物理力学参数弹性模量时，由于耕作层表层的土壤容易松散和破碎，造成取样困难，从而使耕作层土壤弹性模量难以通过物理试验直接测出，但土壤弹性模量不仅是土壤重要的物理力学参数，而且是土壤系统数值模拟仿真建模的基础。因此，需要设计一种可行有效获取耕作层土壤弹性模量的方法。

发明内容

本发明针对耕作层土壤建模材料的重要参数弹性模量难以通过物理试验直接测出的不足，提供一种获取耕作层土壤弹性模量的方法，可以有效的反求出耕作层的土壤弹性模量。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种获取耕作层土壤弹性模量的方法，包括以下步骤：

第一步，利用TYD-1型土壤硬度计获得土壤硬度值D，根据该实测值和硬度计压缩试验的回归结果，求出硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h和阻力F。

所述土壤硬度测试方法：将硬度计锥头压入所测土壤，锥头向上运动压缩弹簧，带动硬度计指针转动，指示表显示土壤硬度值D。

所述硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h和阻力F的计算方法为：利用硬度计压缩试验的回归结果得到土壤硬度值D与硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h之间的关系；得到实际贯入深度h与硬度计锥头插入土壤时受到的实际贯入阻力F之间的关系。然后代入实测土壤硬度值D，得出实际贯入深度h和阻力F。

所述硬度计压缩试验方法为：利用WDW3100型微机控制电子式万能机对TYD-1型土壤硬度计进行压缩试验。因为试验机能够显示试验过程中土壤硬度计锥头的位移和所受到的力的值，即能够显示土壤硬度计的贯入深度h和阻力F的值；又因为试验过程中，土壤硬度计指示表能够显示硬度值D；因此土壤硬度值D、土壤硬度计的贯入深度h和阻力F三者之间就会存在对应关系，为了得到三者之间的关系，连续做20次硬度计压缩试验即可将关系式回归出来。

所述土壤硬度值D与硬度计锥头插入土壤时的实际贯入深度h之间的关系为：

D＝2103.9e^-0.14h........................................(1)

其中D为土壤硬度，单位N·cm^-2；h为贯入深度，单位mm。

所述实际贯入深度h与硬度计锥头插入土壤时受到的实际贯入阻力F之间的关系为：

F＝-3.21h+162.96............................................(2)

其中F为贯入阻力，单位N；h为贯入深度，单位mm。

第二步，根据土工试验规程中的物理试验方法测取土壤的参数包括密度、含水率、内聚力、内摩擦角。将上述所测取的土壤参数，及根据设定的弹性模量值转化得到的剪切模量和体积模量作为材料参数，基于多物质ALE流固耦合方法建立锥头-空气-土壤系统动力学数值模拟仿真模型进行仿真试验。通过控制单一变量法不断调整设定的弹性模量值，当仿真试验中锥头的贯入深度和阻力与实际值相接近，误差在±2％以内时，此时数值模拟模型中设定的弹性模量即为反求的土壤弹性模量值。

所述土壤密度是指单位体积土的质量。

所述土壤含水率是指土中水的质量与土粒质量之比，用ω表示，以百分数计，表示为:

其中m_w为土中所含水的质量，单位g；m_s为土中所含土粒的质量，单位g。

所述土壤的内聚力和内摩擦角根据直剪试验，通过库伦定律公式求出，即：

其中τ_f为土的抗剪强度，单位kPa；σ为剪切破坏面上的法向总应力，单位kPa；c为土的内聚力，单位kPa；为土的内摩擦角，单位(°)。

所述数值模拟仿真模型，容易发生大变形，所以选择多物质ALE流固耦合方法来进行土壤弹性模量的反求。