CN115628993B - 基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置及方法，包括竖向设置固定支架，电磁铁盒通过刚性杆焊接在固定支架上；台状电磁铁块通过底部受限内嵌入电磁铁盒下部；电磁铁块通过吸附无磁性不锈钢瓶盖中嵌套的永久性磁铁固定瓶身；无磁性不锈钢瓶瓶身也内嵌有永久性磁铁，将其置于内径略大于不锈钢瓶的与瓶身内嵌磁铁磁性相反的磁铁环中；装置最下端为方形硬钢底座；还包括在震荡冲击破坏后将去离子水及团聚体过筛的2.8mm孔径筛网及烧杯。试验装置结构简单、便携、易拆卸，可用于原位快速且定量地区分土壤团聚体稳定性水平，对土壤侵蚀、水土流失治理以及泥石流起动机理研究具有重要指导意义。

Description

基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置及方法
技术领域
本发明属于土壤侵蚀、水土保持研究的试验领域，具体涉及基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置及方法。
背景技术
团聚体是土壤结构的基本单元，其稳定性是土壤的重要属性，表示团聚体受到外力作用后仍保持原有形态的能力，对土壤侵蚀、降雨入渗以及地表径流均有重要影响，被广泛用于评估土壤质量及土壤对侵蚀的敏感性。因此研究土壤团聚体稳定性对森林火灾后山坡土壤侵蚀、水土流失治理以及火后泥石流起动机理研究具有重要的指导意义。
目前测定土壤团聚体稳定性的方法主要有：水滴法、模拟降雨法、CND法、Yoder湿筛法以及超声波测试法等。水滴法主要是通过记录团聚体被水滴打击至完全消散所需的水滴数量来反映团聚体的稳定性，该方法耗时长、工作量大；传统的CND法简易但不适用于有机质含量较高的土壤；Yoder湿筛法是根据土壤大团聚体在水中的崩解情况识别其水稳定程度，计算各粒径团聚体质量进而得到团聚体稳定性的方法，该方法一般不适用于有机质含量少、结构性差的土壤，且工序复杂，对土样预湿的过程受人为因素影较大，不能保证每次土样的润湿速度相同，因此测试结果也难以统计比较；超声波测试法通过测量分散土壤团聚体的超声能量来定量评价土壤团聚体稳定性，不限土壤类型、工序较为简洁但仪器设备成本较高且超声能量可量化的精度较低。实现在不同类型土壤中进行经济、效率高的土壤团聚体稳定性测试试验对土壤抗蚀性、水土保持以及火后泥石流起动机理研究等方面有重要参考价值。由此产生本发明技术方案。
发明内容
本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置及方法。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，所述装置包括：电磁铁盒、台形电磁铁和磁铁筒；所述电磁铁盒的下侧与磁铁筒固定连接，所述台形电磁铁部分嵌套在电磁铁盒内并固连，所述磁铁筒内设置有无磁性不锈钢瓶，所述无磁性不锈钢瓶上设置有无磁性不锈钢瓶盖，所述无磁性不锈钢瓶盖内嵌套有永久性磁铁，所述无磁性不锈钢瓶盖上开设有与台形电磁铁的突出端相适配的凹槽，所述台形电磁铁的突出端安装在凹槽并通电后与永久性磁铁相吸，使得所述无磁性不锈钢瓶悬挂于电磁铁盒下，所述无磁性不锈钢瓶的外壁上开设有多个环形凹槽，所述环形凹槽内设置并安装有永久性磁铁环。
进一步，所述装置还包括：底座、固定支架和多个刚性支杆，所述底座上固定磁铁筒的底部，所述固定支架安装在底座上，所述刚性支杆的一端均固定连接固定支架，另一端固定连接磁铁筒的外壁或电磁铁盒。
进一步，所述电磁铁盒上设置有开关控制器，所述开关控制器通过导线穿过电磁铁盒上开设的导线孔缠绕在台形电磁铁上，开关控制器上设置三个档位，“中”表示台形电磁铁未通电，“吸”表示顺向接通电源，台形电磁铁产生吸力，从而固定无磁性不锈钢瓶，“斥”表示逆向接通电源，台形电磁铁产生排斥力，将无磁性不锈钢瓶弹射出，弹射初速度可由斥力状态下的电磁铁电源的输出功率决定。
进一步，所述无磁性不锈钢瓶的底部安装有缓冲垫，用于保证每次实验无磁性不锈钢瓶做一次落体运动，防止因无磁性不锈钢瓶二次及多次弹起而产生试验误差，并防止运动落体后无磁性不锈钢瓶受损。
进一步，无磁性不锈钢瓶的外壁上的多个永久性磁铁环与无磁性不锈钢瓶的外壁处于同一平面且光滑，磁铁筒的内径大于无磁性不锈钢瓶的外径，防止无磁性不锈钢瓶在下落期间触碰内壁。
进一步，所述无磁性不锈钢瓶的无磁性不锈钢瓶盖设置内外螺纹，通过内外螺纹将无磁性不锈钢瓶盖打开。
进一步，所述磁铁筒的外壁为空心的无磁性不锈钢外壳，空心的无磁性不锈钢外壳内为磁性与无磁性不锈钢瓶瓶身镶嵌的永久性磁铁环磁极相同的永久磁铁；所述磁铁筒分为磁铁筒a、磁铁筒b和磁铁筒c三部分，上下两部分的磁铁筒a和磁铁筒c的长度略长于无磁性不锈钢瓶，将磁铁筒a从顶部向下垂直切下、从底部水平切下，被切下的部分一端用合页与磁铁筒a连接，另一端由空心的无磁性不锈钢外壳内的永久磁铁吸附，用于开合；中间部分磁铁筒b与固定支架通过刚性支杆连接；将磁铁筒c从底部向上垂直切下、从顶部水平切下，被切下的部分一端用合页与磁铁筒c连接。
进一步，所述磁铁筒a、磁铁筒b和磁铁筒c从上到下依次分布且固定连接。
进一步，所述无磁性不锈钢瓶的瓶身内装有去离子水和土壤团聚体。
基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装方法，应用于上述中所述的震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，所述方法包括：
步骤1：实验前根据需要设置好台形电磁铁的电源输出功率从而控制无磁性不锈钢瓶被竖直向下弹射的初速度，模拟不同落体高度下其受到的冲击力，实验装置本身设置落体高度为1m，如果直接断电使其下落模拟的即为1m高的自由落体实验，不同落体高度通过标定不同电源输出功率控制；
步骤2：选择10～20颗4～5mm直径含水率饱和的土壤团聚体，称其质量为m1；
步骤3：将不锈钢瓶盖拧开，先倒入1/2容积的去离子水根据试验需要控制水量，后将土壤团聚体放入去离子水中，然后拧紧不锈钢瓶盖；
步骤4：顺时针旋转开关控制器，使台形电磁铁与无磁性瓶盖上永久磁铁表现为吸引力；
步骤5：打开磁铁筒a，将无磁性不锈钢瓶与台形电磁铁对接吸附完成。然后关闭磁铁筒a，装置安装完毕；
步骤6：根据步骤1的标定结果设置好不同落体高度对应的电磁铁电源输出功率，逆时针旋转开关控制器对台形电磁铁通电，使无磁性不锈钢瓶被弹出运动至底部以撞击；
步骤7：通过打开磁铁筒c将无磁性不锈钢瓶取出，然后关闭无磁性磁铁筒c，至此视为完成一次土壤团聚体的震荡冲击；
步骤8：重复步骤4-7对不锈钢瓶中的土壤团聚体做5～10次连续的震荡冲击后，再将无磁性不锈钢瓶由下方取出，倒出其内的土壤团聚体及水一起过2.8mm孔径筛网，对剩余的直径大于2.8mm的团聚体进行称重，质量记为m2，土壤团聚体的稳定性为F＝(m1-m2)/m1，通过配套公式计算本次试验所输入的震荡冲击破坏能：
Figure GDA0004140413450000031
F＝ρ.vmax.c.s   (2)
Figure GDA0004140413450000041
式中，W为震荡冲击破坏能，n为震荡次数，F为土壤团聚体受到水的最大冲击力，m为容器和容器中水的总质量，h为冲击高度，g是重力加速度；vmax是容器撞击底板时，容器中水的最大速度；ρ为容器中水的密度，s为容器底面面积，c为冲击时容器中水波传播速度；k为水的弹性模量，d为容器直径，E为不锈钢的弹性模量，e为不锈钢瓶底板厚度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明装置可以通过改变电磁铁电压从而标定不同落体高度，实现控制不同落体高度、落体次数、去离子水水量等条件，实现不同类型土壤团聚体稳定性的测量。
(2)本发明装置结构简易、便携、易拆卸，步骤简洁，计算简单，试验周期短，在节约成本的同时可用于原位快速且定量地区分土壤团聚体稳定性水平。
(3)本发明将团聚体置于水中进行震荡冲击，使团聚体的受力更为均匀，测得的结果更准确、更贴合现实。
(4)本发明充分利用了磁铁的优势，将装置的随机误差降到了最低，使结果更加准确更利于量化计算。
(5)本发明配套了相应的理论计算公式，可以根据装置设置的试验参数，计算出对应的震荡冲击破坏能量，使得对团聚体稳定性的定量评价更加直观，有利于探究团聚体的绝对稳定性。
附图说明
图1为震荡冲击破坏装置正视结构示意图；
图2为震荡冲击破坏装置俯视结构示意图；
图3为不锈钢瓶对接结构放大示意图；
图4为团聚体过筛装置结构示意图；
图5为开关控制器放大示意图。
附图标记：
1：底座，2：固定支架，21，刚性支杆，3：开关控制器，31：旋钮把手，4：永久性磁铁环，5：合页(铰链)，6：电磁铁盒，7：导线孔，8：台形电磁铁，9：不锈钢瓶内外螺纹，10：永久性磁铁，11：导线，12：无磁性不锈钢瓶，121：无磁性不锈钢瓶盖，122，环形凹槽，13：缓冲垫，14：磁铁筒，141：不锈钢外壳，142：磁铁筒a，143：磁铁筒b，144：磁铁筒c，15：去离子水，16：土壤团聚体，17：烧杯，18：2.8mm筛网。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1：
如图1、2所示，一种基于震荡冲击破坏效应的土壤团聚体稳定性测试装置，包括竖向设置固定支架2，电磁铁盒6通过刚性支杆21焊接在固定支架2上；台形电磁铁8通过强力胶内嵌入电磁铁盒6下部；电磁铁8通过吸附无磁性不锈钢瓶盖121中嵌套的永久性磁铁10固定瓶身；无磁性不锈钢瓶12瓶身中上部及中下部侧面分别内嵌有一圈环形永久性磁铁4，将其置于内径略大于不锈钢瓶12且与瓶身内嵌磁铁磁极相同的长筒状磁铁筒14中，用于防止不锈钢瓶12在下落期间触碰装置内壁；装置最下端为方形硬钢底座1，用于固定支架2和承载不锈钢瓶12的竖向冲击力。
进一步的，所述的台形电磁铁8倒置，凸起部分正好与不锈钢瓶盖121内凹部分契合，其磁性可以通过固定在电磁铁盒表面的开关控制器3控制，开关控制器3上设置三个档位，中表示台形电磁铁8未通电，吸表示顺向接通电源，电磁铁产生吸力，从而固定不锈钢瓶12，斥表示逆向接通电源，电磁铁产生排斥力，将不锈钢瓶12弹射出，弹射初速度可由斥力状态下的电磁铁电源的输出功率决定。
进一步的，所述的不锈钢瓶12瓶身外壁设置有两环形凹槽122，用于嵌套永久磁铁环4，内壁保持竖直且光滑，用于减少团聚体因内壁不光滑引进的误差。将其置于长筒状磁铁筒14中，防止不锈钢瓶12在下落期间触碰装置内壁以固定不锈钢瓶下落的运动轨迹。
进一步的，所述的不锈钢瓶8下部粘接有缓冲垫13，保证每次实验不锈钢瓶只做一次落体运动，防止因不锈钢瓶二次及多次弹起而产生试验误差，并防止运动落体后不锈钢瓶8受损。
进一步的，所述的不锈钢瓶盖121设置内外螺纹9，可以通过内外螺纹9将瓶盖121打开。
进一步的，所述的磁铁筒14分为两部分，磁铁筒外壁为不锈钢外壳141，磁铁筒内壁为磁性与不锈钢瓶12瓶身内嵌的永久磁铁外侧磁极相同的永久磁铁，并且磁铁筒被分为三部分，上下两部分长度略长于不锈钢瓶，磁铁筒a142合页开合用于不锈钢瓶12的安置，磁铁筒c144合页开合用于不锈钢瓶12的取出；中间部分磁铁筒b143与固定支架2通过刚性支杆21连接。
进一步的，还包括在震荡冲击破坏后将去离子水15及团聚体16过筛的2.8mm孔径筛网18，在其下方放置烧杯17，用于接收滤过后的去离子水15。
进一步的，本试验装置配套了相应的能量计算公式，可以定量的计算团聚体破坏时所受到的震荡冲击破坏能，并将冲击震荡能作为团聚体的绝对稳定性指标，与所测团聚体稳定性值一起用于所有类型土壤的团聚体稳定性定量评价。所述试验方案的配套理论公式为：
Figure GDA0004140413450000061
F＝ρ.vmax.c.s   (2)
Figure GDA0004140413450000062
式中，W为震荡冲击破坏能，n为震荡次数，F为团聚体受到水的最大冲击力，m为容器和容器中水的总质量，h为冲击高度，g是重力加速度；vmax是容器撞击底板时，容器中水的最大速度；ρ为容器中水的密度，s为容器底面面积，c为冲击时容器中水波传播速度；k为水的弹性模量，d为容器直径，E为不锈钢的弹性模量，e为不锈钢瓶底板厚度。
一种基于震荡冲击破坏效应的土壤团聚体稳定性测试装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤1：实验前根据需要设置好电磁铁8的电源输出功率从而控制不锈钢瓶被竖直向下弹射的初速度(模拟不同落体高度下其受到的冲击力)，实验装置本身设置落体高度为1m，如果直接断电使其下落模拟的即为1m高的自由落体实验，不同落体高度通过标定不同电源输出功率控制。
步骤2：选择10～20颗4～5mm直径含水率饱和的团聚体16，称其质量为m1；
步骤3：将不锈钢瓶盖121拧开，先倒入1/2容积的去离子水15根据试验需要控制水量，后将土壤团聚体试样16放入去离子水15中，然后拧紧不锈钢瓶盖121；
步骤4：顺时针旋转开关控制器3，使台形电磁铁8与瓶盖121上永久磁铁表现为吸引力；
步骤5：打开磁铁筒a142，将不锈钢瓶12与台形电磁铁8对接吸附完成。然后关闭磁铁筒a142，装置安装完毕；
步骤6：根据步骤1的标定结果设置好不同落体高度对应的电磁铁电源输出功率，逆时针旋转开关控制器3对电磁铁环通电，使不锈钢瓶12被弹出运动至底部以撞击；
步骤7：通过打开磁铁筒c144将不锈钢瓶12取出，然后关闭磁铁筒c144，至此视为完成一次团聚体的震荡冲击；
步骤8：重复步骤4-7对不锈钢瓶中的团聚体16做5～10次连续的震荡冲击后，再将不锈钢瓶12由下方取出，倒出其内的团聚体16及水15一起过2.8mm孔径筛网18，对剩余的直径大于2.8mm的团聚体16进行称重，质量记为m2，团聚体的稳定性为F＝(m1-m2)/m1。并通过理论公式(1)～(3)计算其震荡冲击破坏能大小。
本发明装置在震荡冲击破坏效应的基础上，对土壤团聚体的稳定性提出了一种测试方案并配套了相应的理论公式，试验结果可作为评估土壤团聚体稳定性的指标，对土壤侵蚀、水土保持研究等方面有着重要意义。本发明装置结合了传统CND法、Yoder湿筛法以及超声波测试法的优点，试验装置结构简单、便携易拆卸，试验周期短且可用于原位土壤团聚体稳定性测试。同时还可以根据本发明提出的标定方案对不同土壤类型所需的落体高度、落体次数和去离子水量进行实验标定，从而使其适用于各类型土壤，在对治理水土流失，加速植被恢复以及提高土壤质量等方面具有较高推广价值。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (8)

1.基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，其特征在于，所述装置包括：电磁铁盒、台形电磁铁和磁铁筒；所述电磁铁盒的下侧与磁铁筒固定连接，所述台形电磁铁部分嵌套在电磁铁盒内并固连，所述磁铁筒内设置有无磁性不锈钢瓶，所述无磁性不锈钢瓶上设置有无磁性不锈钢瓶盖，所述无磁性不锈钢瓶盖内嵌套有永久性磁铁，所述无磁性不锈钢瓶盖上开设有与台形电磁铁的突出端相适配的凹槽，所述台形电磁铁的突出端安装在凹槽并通电后与永久性磁铁相吸，使得所述无磁性不锈钢瓶悬挂于电磁铁盒下，所述无磁性不锈钢瓶的外壁上开设有多个环形凹槽，所述环形凹槽内设置并安装有永久性磁铁环；
所述电磁铁盒上设置有开关控制器，所述开关控制器通过导线穿过电磁铁盒上开设的导线孔缠绕在台形电磁铁上，开关控制器上设置三个档位，“中”表示台形电磁铁未通电，“吸”表示顺向接通电源，台形电磁铁产生吸力，从而固定无磁性不锈钢瓶，“斥”表示逆向接通电源，台形电磁铁产生排斥力，将无磁性不锈钢瓶弹射出，弹射初速度可由斥力状态下的电磁铁电源的输出功率决定；
无磁性不锈钢瓶的外壁上的多个永久性磁铁环与无磁性不锈钢瓶的外壁处于同一平面且光滑，磁铁筒的内径大于无磁性不锈钢瓶的外径，防止无磁性不锈钢瓶在下落期间触碰内壁。
2.根据权利要求1所述的基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，其特征在于，所述装置还包括：底座、固定支架和多个刚性支杆，所述底座上固定磁铁筒的底部，所述固定支架安装在底座上，所述刚性支杆的一端均固定连接固定支架，另一端固定连接磁铁筒的外壁或电磁铁盒。
3.根据权利要求1所述的基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，其特征在于，所述无磁性不锈钢瓶的底部安装有缓冲垫，用于保证每次实验无磁性不锈钢瓶做一次落体运动，防止因无磁性不锈钢瓶二次及多次弹起而产生试验误差，并防止运动落体后无磁性不锈钢瓶受损。
4.根据权利要求1所述的基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，其特征在于，所述无磁性不锈钢瓶的无磁性不锈钢瓶盖设置内外螺纹，通过内外螺纹将无磁性不锈钢瓶盖打开。
5.根据权利要求1所述的基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，其特征在于，所述磁铁筒的外壁为空心的无磁性不锈钢外壳，空心的无磁性不锈钢外壳内为磁性与无磁性不锈钢瓶瓶身镶嵌的永久性磁铁环磁极相同的永久磁铁；所述磁铁筒分为磁铁筒a、磁铁筒b和磁铁筒c三部分，上下两部分的磁铁筒a和磁铁筒c的长度略长于无磁性不锈钢瓶，将磁铁筒a从顶部向下垂直切下、从底部水平切下，被切下的部分一端用合页与磁铁筒a连接，另一端由空心的无磁性不锈钢外壳内的永久磁铁吸附，用于开合；中间部分磁铁筒b与固定支架通过刚性支杆连接；将磁铁筒c从底部向上垂直切下、从顶部水平切下，被切下的部分一端用合页与磁铁筒c连接。
6.根据权利要求5所述的基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，其特征在于，所述磁铁筒a、磁铁筒b和磁铁筒c从上到下依次分布且固定连接。
7.根据权利要求1所述的基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，其特征在于，所述无磁性不锈钢瓶的瓶身内装有去离子水和土壤团聚体。
8.基于震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一所述的震荡冲击破坏的土壤团聚体稳定性测试装置，所述方法包括：
步骤1：实验前根据需要设置好台形电磁铁的电源输出功率从而控制无磁性不锈钢瓶被竖直向下弹射的初速度，模拟不同落体高度下其受到的冲击力，实验装置本身设置落体高度为1m，如果直接断电使其下落模拟的即为1m高的自由落体实验，不同落体高度通过标定不同电源输出功率控制；
步骤2：选择10～20颗4～5mm直径含水率饱和的土壤团聚体，称其质量为m1；
步骤3：将不锈钢瓶盖拧开，先倒入1/2容积的去离子水根据试验需要控制水量，后将土壤团聚体放入去离子水中，然后拧紧不锈钢瓶盖；
步骤4：顺时针旋转开关控制器，使台形电磁铁与无磁性瓶盖上永久磁铁表现为吸引力；
步骤5：打开磁铁筒a，将无磁性不锈钢瓶与台形电磁铁对接吸附完成；然后关闭磁铁筒a，装置安装完毕；
步骤6：根据步骤1的标定结果设置好不同落体高度对应的电磁铁电源输出功率，逆时针旋转开关控制器对台形电磁铁通电，使无磁性不锈钢瓶被弹出运动至底部以撞击；
步骤7：通过打开磁铁筒c将无磁性不锈钢瓶取出，然后关闭无磁性磁铁筒c，至此视为完成一次土壤团聚体的震荡冲击；
步骤8：重复步骤4-7对不锈钢瓶中的土壤团聚体做5～10次连续的震荡冲击后，再将无磁性不锈钢瓶由下方取出，倒出其内的土壤团聚体及水一起过2.8mm孔径筛网，对剩余的直径大于2.8mm的土壤团聚体进行称重，质量记为m2，土壤团聚体的稳定性为F＝(m1-m2)/m1，通过配套公式计算本次试验所输入的震荡冲击破坏能：
Figure FDA0004140413440000031
F＝ρ.vmax.c.s          (2)
Figure FDA0004140413440000032
式中，W为震荡冲击破坏能，n为震荡次数，F为土壤团聚体受到水的最大冲击力，m为容器和容器中水的总质量，h为冲击高度，g是重力加速度；vmax是容器撞击底板时，容器中水的最大速度；ρ为容器中水的密度，s为容器底面面积，c为冲击时容器中水波传播速度；k为水的弹性模量，d为容器直径，E为不锈钢的弹性模量，e为不锈钢瓶底板厚度。
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