CN112525729A - 一种风力土壤应力测试仪及其使用方法 - Google Patents

一种风力土壤应力测试仪及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本申请的一种风力土壤应力测试仪及其使用方法，包括包括试验箱体、喷枪、供气装置、供沙装置和时间控制装置；喷枪设有进气口、进沙口和喷嘴；供气装置通过输气管连接进气口，供沙装置通过供沙管连接进沙口，喷嘴伸入试验箱体内部；输气管上设置有流量控制器，流量控制器与时间控制装置连接。本申请还包括风力土壤应力测试仪的使用方法。本申请采用风沙流模拟土壤在自然环境中受到的剪切力，可计算不同剪切时长下风力土壤应力测试仪测得的土样抗剪强度，获得试验土样土壤抗剪强度的动态变化过程，为土壤侵蚀过程中土壤抗剪强度快速测定提供了重要方法支持。

Description

一种风力土壤应力测试仪及其使用方法
技术领域
本申请涉及土壤抗剪强度检测领域，尤其涉及一种风力土壤应力测试仪及其使用方法。
背景技术
土壤侵蚀是全球性的重大环境问题之一，与粮食安全、水资源危机、生物多样性丧失和生态系统崩溃等多种全球高风险事件密切相关。我国土壤侵蚀表现非常强烈，约1/3的国土面积受土壤侵蚀危害，因而土壤侵蚀防治一直是国家重视的关乎国计民生的重大问题。土壤侵蚀过程中，明确土壤抗剪强度是开展土壤侵蚀过程与机理研究的重要基础，同时，土壤抗剪强度也是侵蚀预报模型中主要的土壤参数之一。土壤抗剪强度是表征土体抵抗剪切破坏的极限强度的重要参数，可通过剪切试验测定。
现有的土壤抗剪强度测定技术分为室内测定和室外测定两种，室内测定土壤抗剪强度常用直剪测定仪、三轴剪切测定仪和旁压测定仪；室外则有便携式十字板剪切测定仪、电机皮带轮式剪切测定仪、剪切环等。直剪测定仪对土样的作用力往往分布不均匀且极易导致土样剪切面的边缘发生形变。三轴剪切测定试验仪装置复杂，价格昂贵，其假设土样以轴对称状态受力，不符合侵蚀过程中土壤的实际受力情况。旁压测定仪在钻头的埋入与预启动中受到明显的人为挤压效应，因而测定结果误差较大，其常用于土木工程施工等地基土壤力学性质分析，较少应用于土壤侵蚀领域。电机皮带轮式剪切测定仪的电机等设备对实验环境要求较高且每次移动后需要重新调试，因此运用受限；剪切环可测定原位土壤抗剪强度，却因其采用下边缘带刃长方形刚性薄壁方框切入土壤的方式测定，人为操作影响较大。便携式十字板剪切测定仪原理简单、操作方便、原位测试效果较好，在现行的土壤抗剪强度测试中应用较广泛；但其也同样是通过对土样施加垂直载荷或横向载荷的方式来模拟土壤受到的剪切力，也不符合土壤侵蚀过程中外营力对表层土壤的剪切方式。
可见，现有的土壤抗剪强度测定装置普遍存在的问题是获得的测试结果为目标土体被破坏受到的总体剪切力，既不能客观反映以风力吹蚀方式作用于土壤的剪切力，也不能得到土壤受上述外力作用过程中土壤抗剪强度的动态变化。
发明内容
本申请提供了一种风力土壤应力测试仪及其使用方法，以解决现有测定土壤抗剪强度的装置不能良好反映风力吹蚀作用于土壤的剪切力，也不能获得风蚀过程中土壤抗剪强度动态变化数据的问题。
本申请采用的技术方案如下：
一种风力土壤应力测试仪，其特征在于，包括试验箱体、喷枪、供气装置、供沙装置和时间控制装置；
所述喷枪设有进气口、进沙口和喷嘴；
所述供气装置通过输气管连接所述进气口，所述供沙装置通过供沙管连接所述进沙口，所述喷嘴延伸入所述试验箱体内；
所述输气管上设置有流量控制器，所述流量控制器与所述时间控制装置连接。
进一步地，所述输气管上设置有气压测量装置。
进一步地，所述试验箱体外设置有支撑杆，所述支撑杆远离所述试验箱体的一端连接有所述供沙装置。
进一步地，所述试验箱体内设置有回收盘和样品架；所述试验箱体的侧面半闭合设置。
进一步地，所述时间控制装置为单片机。
进一步地，所述喷枪设置有阀门。
一种风力土壤应力测试仪的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：
将土样置于所述试样箱体内，打开所述时间控制装置并设置总测试时长和多个单次测试时长；
打开所述供气装置开始供气产生气流，所述供沙装置中沙粒流向所述喷枪并与气流混合，再从所述喷嘴中喷出形成风沙流并作用于所述土样；
完成一个所述单次测试时长后，所述时间控制装置(5)向所述流量控制器(6)发送开启指令，所述流量控制器(6)切断气流，风沙流停止喷出，将所述土样的表面沙粒和击飞土样清理干净后，得到测试后的土样，对测试后的土样进行称重，计算测试前的土样与测试后的土样之间的质量变化值；所述时间控制装置(5)向所述流量控制器(6)发送关闭指令，所述流量控制器(6)导通气流，产生风沙流继续作用于测试后的土样；
再次重复：完成一个所述单次测试时长后，所述时间控制装置(5)向所述流量控制器(6)发送开启指令，所述流量控制器(6)切断气流，风沙流停止喷出，将所述土样的表面沙粒和击飞土样清理干净后，得到测试后的土样，对测试后的土样进行称重，计算测试前的土样与测试后的土样之间的质量变化值；所述时间控制装置(5)向所述流量控制器(6)发送关闭指令，所述流量控制器(6)导通气流，产生风沙流继续作用于测试后的土样；
直至完成所述总测试时长；
最终测得多个所述质量变化值，通过多个所述质量变化值分别计算所述土壤冲蚀率，再将多个所述土壤冲蚀率分别代入线性方程中得到土壤抗剪强度动态变化值。
进一步地，通过所述质量变化值计算所述土壤冲蚀率的方法包括：
Figure BDA0002818036160000031
其中，ER为土壤冲蚀率(cm3/g)，ρ为所述土样的容重(g/cm3)，△M为所述质量变化值(g)，Mp为沙流量(g/min)，t为单次测试时长(min)。
进一步地，所述线性方程为：
τ＝aER+b
其中，ER为所述土壤冲蚀率(cm3.g-1)；τ为所述土壤抗剪强度(Kpa)；a和b均为常数。
采用本申请的技术方案的有益效果如下：
本申请一种风力土壤应力测试仪及其使用方法，从土壤侵蚀的力学机制出发，采用供气装置和供沙装置产生的风沙流来模拟土壤表面受到的剪切力；
通过本申请测试仪可测得土样的在测试过程中的土样质量变化值，通过土样质量变化值计算得到该土样的土壤冲蚀率变化情况，将土壤冲蚀率代入线性方程中得到对应的土壤抗剪强度，这一系列的土壤抗剪强度值即可反映出该土样在抗剪切过程中的动态变化，为土壤侵蚀过程中土壤抗剪强度快速测定提供了重要方法支持。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种风力土壤应力测试仪结构示意图；
图2为一种风力土壤应力测试仪中喷枪的结构示意图；
图3为一种风力土壤应力测试仪测得的土壤冲蚀率与抗剪强度的线性拟合图；
图示说明：
其中，1-试验箱体，101-支撑杆，102-回收盘，103-样品架；2-喷枪，201-进气口，202-进沙口，203-喷嘴，204-阀门；3-供气装置；4-供沙装置；5-时间控制装置；6-流量控制器；7-气压测量装置。
具体实施方式
参见图1，为一种风力土壤应力测试仪的结构示意图；参见图2，为一种风力土壤应力测试仪中喷枪的结构示意图，参见图3为一种风力土壤应力测试仪测得的土壤冲蚀率与抗剪强度的线性拟合图。
本申请提供的一种风力土壤应力测试仪，包括试验箱体1、喷枪2、供气装置3、供沙装置4和时间控制装置5，喷枪2设置有进气口201、进沙口202和喷嘴203；供气装置3通过输气管连接进气口201，供沙装置4通过输沙管连接进沙口202，喷嘴203延伸入试验箱体1内部，输气管上设置有流量控制器6，流量控制器6与时间控制装置5连接。
时间控制装置5是一个金属制箱体，其内部设置有核心部件单片机，时间控制器5与流量控制器6通讯连接，时间控制器5发送指令控制流量控制器6的开启与关闭。
时间控制装置5还设置有LED显示屏、时控旋钮、电源开关和重置开关，其中单片机连接LED显示屏，显示单次测试时长和总测试时长；单片机连接时控旋钮，时间可调节范围为0.5～60s，调节单位≥0.5s。
这里总测试时长是指待测土样累计受风沙流剪切的总时长，单次测试时长是指待测土样每次受风沙流剪切的时长。
单次测量时长可以相同，例如总测试时长为60s，单次测试时长均为10s,依次设置时间为10、20、30、…、60s，这样的设定代表的意思是待测土样受风沙流剪切10s时，单片机断开供气设备3停止风沙流对土样的剪切，记录数据后重新开始供气使风沙流再次剪切待测土样又10s,以此重复，风沙流剪切土样每次10s,共6次，共60s。
单次测量时长也可以不同，例如总测试时长为60s，依次设置时间为3、6、9、12、20、30、40、60s，即表示单次测试时长为3、、3、3、8、10、10、20s。
流量控制器6设置在输气管上，流量控制器为电控阀门，电控阀门开启时堵塞输气管以切断气流，电动阀门关闭时开通输气管以导通气流。
供气装置3包括空气压缩机，通过输气管连接喷枪2的进气口201，且在输气管上还设置有气压测量装置7，气压的调控范围为10Kpa～120Kpa。
供沙装置4为容积为1.5～2.5L的沙瓶，供沙装置4通过输沙管连接喷枪2的进沙口202。输沙管和输气管均是直径为1.0～2.0cm的塑料软管，分别用于输送沙粒和空气。
试验箱体1外设置有支撑杆101，支撑杆101一端固定连接试验箱体1，远离试验箱体1的一端连接有供沙装置4；试验箱体1内设置有回收盘102和样品架103，回收盘102用于收集试验时的击飞土样，样品架103用于固定土样；试验箱体1的侧面半闭合设置，方便土样和回收盘102的取放。
喷枪2设置有阀门204，喷枪2的喷嘴203直径为0.5～1.5cm，喷嘴203设置于土样上方。
本申请还涉及一种风力土壤应力测试仪的使用方法，使用方法包括以下步骤：
步骤一：将土样置于样品架103，打开时间控制装置5的电源开关，并通过时控旋钮设置总测试时长和多个单次测试时长。
步骤二：打开供气装置3开始供气，可通过输气管上的气压测量装置7观察气压大小以调节气流量，供沙装置4中的沙粒通过输沙管流向喷枪2，在喷枪2中空气流与沙粒混合从喷嘴203中喷出形成风沙流并作用于土样的表面。
步骤三：
完成一个单次测试时长后，时间控制装置5控制向流量控制器6发送开启指令，流量控制器6切断气流，风沙流停止喷出，将土样的表面沙粒和击飞土样清理干净后，得到测试后的土样，对测试后的土样进行称重土样，计算土样与测试后得到的土样之间的质量变化值。并将测试后的土样放回样品架103。时间控制装置5向流量控制器6发送关闭指令，流量控制器6导通气流，产生风沙流作用于测试后的土样。
再次重复进行步骤三，重复步骤三的次数等于设定的单次测试时长的个数，直至完成总测试时长。
最终测得多个质量变化值，将多个质量变化值分别代入式(1)，计算得到土壤冲蚀率：
Figure BDA0002818036160000051
其中，ER为土壤冲蚀率(cm3/g)，ρ为试样的容重(g/cm3)，△M为质量变化值(g)，Mp为沙流量(g/min)，t为单次测试时长(min)。
再将通过式(1)计算得到的多个土壤冲蚀率分别代入线性方程式(2)中得到对应的土壤抗剪强度。这一系列的土壤抗剪强度值反映出该土样在抗剪切过程中的动态变化。
该线性方程为：
τ＝aER+b (2)；
其中，ER为土壤冲蚀率(cm3.g-1)；τ为土壤抗剪强度(Kpa)；a和b均为常数。
线性方程的确定过程：
利用十字板剪切试验仪和本申请测试仪进行测试，土样类型为黑土，土样的冻融循环次数分别为0、1、3、5、7、10次，土样前期含水量分别为17.5％、25％、33％，通过时间控制器5设置本申请测试仪的风沙流作用时长分别为3、6、9、12、20、30、40、60s，便携式十字板剪切试验仪的钻头型号为2号，结果校正系数为0.2。
通过多因子控制变量法设计试验(每组试验重复3次)，获得不同测试时长、不同土样含水率、不同冻融循环次数条件下，获得本申请测试仪测得土样的土壤冲蚀率ER以及十字板剪切试验仪对同样性质的土样测得的土壤抗剪强度，并对两类数据建立线性相关关系。
例如在测试时长40s条件下：
对含水率为17.5％的黑土，本申请测试仪测得的土壤冲蚀率ER1与十字板剪切试验仪测得的土壤抗剪强度τ1之间的关系表示为：
τ1＝-565.7ER1+38.41，R2＝0.71 (3)；
对含水率为25％的黑土，本申请测试仪测得的土壤冲蚀率ER2与十字板剪切试验仪测得的土壤抗剪强度τ2之间的关系表示为：
τ2＝-299.3ER2+25.38，R2＝0.92 (4)；
对含水率为33％的黑土，本申请测试仪测得的土壤冲蚀率ER3与十字板剪切试验仪测得的土壤抗剪强度τ3之间的关系表示为：
τ3＝-250.44ER3+21.90，R2＝0.85 (5)；
对式(3)-(5)进一步计算，得到
τ＝-481.68ER+33.66，R2＝0.78 (6)；
对黑土而言，本申请测试仪测得土壤冲蚀率ER与十字板剪切试验仪测得的土壤抗剪强度τ之间满足线性关系，都可通过式(6)表示。R2为线性拟合度，R2越趋近于1表明回归直线对观测值的拟合程度越好。
由上述实例可见，对于不同性质的土样，本申请测试仪测得的土壤冲蚀率ER与该土样的土壤抗剪强度τ之间的满足线性关系，均可用τ＝aER+b表示。
在使用本申请测试仪之前需要先计算得到a和b：使用现有设备十字板剪切试验仪对土样进行测试得到该土样的土壤抗剪强度；再使用本申请测试仪对相同性质的土样进行测试得到该土样的质量变化值，进而得到土壤冲蚀率，将该土壤冲蚀率和土壤抗剪强度代入τ＝aER+b，即可计算得到a、b。接着使用本申请测试仪进行测试，得到测试过程中的质量变化值，进而由质量变化值得到土壤冲蚀率，再将土壤冲蚀率代入线性方程中，即可得到该土样在测试过程中的土壤抗剪强度动态变化值。
本申请提供的实施案例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种风力土壤应力测试仪，其特征在于，包括试验箱体(1)、喷枪(2)、供气装置(3)、供沙装置(4)和时间控制装置(5)；
所述喷枪(2)设有进气口(201)、进沙口(202)和喷嘴(203)；
所述供气装置(3)通过输气管连接所述进气口(201)，所述供沙装置(4)通过供沙管连接所述进沙口(202)，所述喷嘴(203)延伸入所述试验箱体(1)内；
所述输气管上设置有流量控制器(6)，所述流量控制器与所述时间控制装置(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种风力土壤应力测试仪，其特征在于，所述输气管上设置有气压测量装置(7)。
3.根据权利要求1所述的一种风力土壤应力测试仪，其特征在于，所述试验箱体(1)外设置有支撑杆(101)，所述支撑杆(101)远离所述试验箱体(1)的一端连接有所述供沙装置(4)。
4.根据权利要求1所述的一种风力土壤应力测试仪，其特征在于，所述试验箱体(1)内设置有回收盘(102)和样品架(103)；所述试验箱体(1)的侧面半闭合设置。
5.根据权利要求1所述的一种风力土壤应力测试仪，其特征在于，所述时间控制装置(5)为单片机。
6.根据权利要求1所述的一种风力土壤应力测试仪，其特征在于，所述喷枪(2)设置有阀门(204)。
7.一种风力土壤应力测试仪的使用方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6任意一项所述的风力土壤应力测试仪，所述使用方法包括以下步骤：
将土样置于所述试样箱体(1)内，打开所述时间控制装置(5)并设置总测试时长和多个单次测试时长；
打开所述供气装置(3)开始供气产生气流，所述供沙装置(4)中沙粒流向所述喷枪(2)并与气流混合，再从所述喷嘴(203)中喷出形成风沙流并作用于所述土样；
完成一个所述单次测试时长后，所述时间控制装置(5)向所述流量控制器(6)发送开启指令，所述流量控制器(6)切断气流，风沙流停止喷出，将所述土样的表面沙粒和击飞土样清理干净后，得到测试后的土样，对测试后的土样进行称重，计算测试前的土样与测试后的土样之间的质量变化值；所述时间控制装置(5)向所述流量控制器(6)发送关闭指令，所述流量控制器(6)导通气流，产生风沙流继续作用于测试后的土样；
再次重复：完成一个所述单次测试时长后，所述时间控制装置(5)向所述流量控制器(6)发送开启指令，所述流量控制器(6)切断气流，风沙流停止喷出，将所述土样的表面沙粒和击飞土样清理干净后，得到测试后的土样，对测试后的土样进行称重，计算测试前的土样与测试后的土样之间的质量变化值；所述时间控制装置(5)向所述流量控制器(6)发送关闭指令，所述流量控制器(6)导通气流，产生风沙流继续作用于测试后的土样；
直至完成所述总测试时长；
最终测得多个所述质量变化值，通过多个所述质量变化值分别计算所述土壤冲蚀率，再将多个所述土壤冲蚀率分别代入线性方程中得到土壤抗剪强度动态变化值。
8.根据权利要求7所述的风力土壤应力测试仪的使用方法，其特征在于，通过所述质量变化值计算所述土壤冲蚀率的方法包括：
Figure FDA0002818036150000021
其中，ER为土壤冲蚀率(cm3/g)，ρ为所述土样的容重(g/cm3)，△M为所述质量变化值(g)，Mp为沙流量(g/min)，t为单次测试时长(min)。
9.根据权利要求7所述的风力土壤应力测试仪的使用方法，其特征在于，所述线性方程为：
τ＝aER+b
其中，ER为所述土壤冲蚀率(cm3·g-1)；τ为所述土壤抗剪强度(Kpa)；a和b均为常数。
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