基于离散元法的水稻土深松耕作机理研究

发布时间：2020-08-04 09:19

【摘要】：稻麦轮作制是长江中下游地区的主导高产种植模式之一,然而该模式下因周年干湿交替、稻季淹水以及长期浅旋代深耕翻造成土壤硬化、孔隙率低、耕层浅薄等问题日趋严重,严重限制稻麦作物的高产创建和品质提升。为改善水稻土的结构性,近年来人们开始探索将北方已成熟应用的深耕深松技术应用于南方耕作的可能性。现有研究指出,土壤耕作(尤其是深松耕)的机理非常复杂,仅仅采用传统的试验方法难以深刻理解深松土壤的扰动行为。近年来更强调借助离散元等数值模拟手段解析土壤的机械耕作过程。本文以水稻土为研究对象,基于离散元法对深松土壤扰动过程进行机理分析,进一步结合田间试验验证,探讨湿粘性水稻土机械化深松的土壤失效机理及深松机具的力学行为与土壤结构效应,以期从微观扰动过程及破碎机理的仿真角度理解机具-土壤相互作用机理,为南方耕作机具的研究提供借鉴及方法学的支撑。主要研究内容和结论如下:(1)对水稻土土壤参数进行全面测试,掌握水稻土与旱作区土壤类型的差异及其结构特点,为后续建立离散元耕作模型打下基础。测试结果表明,水稻土平均含水率在30%左右;对土壤抗剪特性和紧实度的力学特性随土壤深度变化曲线分析表明水稻土在深度为15 cm左右土壤具有明显的分层特性。(2)基于田间试验结果建立离散元深松耕作模型。主要包括深松铲、虚拟土槽几何模型,双层离散元土壤模型,并对土颗粒接触模型的关键参数进行标定。最终结果为,模型内0～150mm为耕层土壤、150～400mm为底层土壤,耕层土壤与底层土壤粘结作用临界应力分别为3×105Pa和5×105Pa,最终得到仿真模型设计的所有参数如表3-2所示。(3)基于离散元参数模型对深松耕作机理进行深入分析。包括耕作阻力与土壤宏观扰动情况,深松土壤扰动的微观过程展示,土壤微观扰动位移分析,以及基于模型对深松铲入土角变化带来的影响进行初步探索。研究结果表明,耕作阻力随着耕作深度的增加而增大,当耕作深度小于200mm时,耕作阻力缓慢增大;随着耕作深度的继续增加,耕作阻力急剧增大,当耕作深度为300mm时水平耕作阻力和垂直耕作阻力均达到最大值,分别为5.48 kN和2.56 kN。土壤扰动方面起垄高度和起垄宽度都随着耕作深度先增大再减小,在耕作深度200mm时达到最大值,分别为166mm和402mm。对深松土壤的微观扰动过程进行了分析,进一步明确了深松铲与土壤相互作用机理,从仿真模型粘结断裂的角度表达了深松扰动边界的产生,土壤破碎的过程。结合深松铲结构的不同部位分析了其触土过程的“凿、抬、剪、落”四个阶段。对土壤运动位移的分析表明,土壤在耕作方向、垂直方向位移较大,侧向土壤扰动不明显。(4)进行田间深松耕作试验,对田间试验与仿真结果进行对比分析。结果表明,耕作阻力平均误差6.63%,土壤扰动垄宽平均误差4.39%、垄高平均误差19.22%。应用离散元EDEM软件,提出反映土壤破碎程度的指标“断裂系数”。本研究中当耕深在200 mm以内时,断裂系数稳定在30%左右;耕深大于200 mm时,断裂系数逐渐增大到52.52%。与传统田间试验下“碎土系数”指标无论是在变化趋势,还是相对误差都在可接受范围内。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S222
【图文】：

剖面图,田间土壤,水稻土,剖面

它们不仅能直接反映土壤的基础物理性质，也是后期建立土壤模型材料参数的直接来逡逑源。逡逑W逡逑图２－２标准环刀取样逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｓｔａｎｄａｒｄ邋ｒｉｎｇ邋ｓａｍｐｌｉｎｇ逡逑为准确反映土壤各参数随土壤深度的变化情况，本试验采取小尺度环刀分层取逡逑样。使用直径为６１．８邋ｍｍ，高为２０邋ｍｍ的标准环刀取样，每层取４个相邻土样，取样逡逑层数为１５层，取样深度为３０邋ｃｍ。在试验地点随机选取５个位点，用环刀逐层取样，逡逑取样过程如图２－２所示，取出土样后立即装入取样盒中并标明序号装入保鲜袋密封，逡逑带回实验室。参照《土壤物理研究方法》［４４］中称重、烘干等方法测量并计算土样的含逡逑水率、容重和总孔隙度。逡逑１０逡逑

环刀,土样,水稻土,土壤物理参数

逡逑■＿逡逑＿逡逑图２－１水稻土田间土壤剖面逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｆｉｅｌｄ邋ｓｏｉｌ邋ｐｒｏｆｉｌｅ邋ｏｆ邋ｐａｄｄｙ邋ｓｏｉｌ逡逑２．１．２试验测定项目与方法逡逑２．１．２．１邋土壤物理参数测定逡逑本文测试的水稻土土壤物理特性参数包括含水率、容重、总孔隙度三个指标参数。逡逑它们不仅能直接反映土壤的基础物理性质，也是后期建立土壤模型材料参数的直接来逡逑源。逡逑W逡逑图２－２标准环刀取样逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｓｔａｎｄａｒｄ邋ｒｉｎｇ邋ｓａｍｐｌｉｎｇ逡逑为准确反映土壤各参数随土壤深度的变化情况，本试验采取小尺度环刀分层取逡逑样。使用直径为６１．８邋ｍｍ，高为２０邋ｍｍ的标准环刀取样，每层取４个相邻土样，取样逡逑层数为１５层，取样深度为３０邋ｃｍ。在试验地点随机选取５个位点，用环刀逐层取样，逡逑取样过程如图２－２所示，取出土样后立即装入取样盒中并标明序号装入保鲜袋密封，逡逑带回实验室。参照《土壤物理研究方法》［４４］中称重、烘干等方法测量并计算土样的

示意图,直剪,试样,示意图

数据的科学性在试验地点取３个测点合计１８０个土样进行土壤直剪试验。逡逑本文直剪试验使用的直剪仪器为南京土壤仪器厂生产的ＳＤＪ－１型三速电动等应变逡逑直剪仪。其结构示意如图２－３主要由剪切盒（上盒和下盒）、测力装置部分、位移测量逡逑装置、杠杆加压机构等组成。试验时首先需要校准仪器，然后将土样小心压入剪切盒逡逑内，再放上滤纸、透水石及上剪切盒盒盖。每层４个土样依次增加砝码，通过杠杆机逡逑构后依次施加在土样上的垂直压力分别为ｌ00ｋＰａ、２００ｋＰａ、３００ｋＰａ、４００ｋＰａ。当试逡逑样所受载荷稳定后，拔出规定插销并以均匀速度对试样进行剪切。在百分表读数达到逡逑峰值后记录下峰值读数，一般剪切位移会达到４ｍｍ左右，若试样剪切过程中百分表逡逑读数无峰值，应继续剪切试样直到剪切位移达到６邋ｍｍ时的读数为准。逡逑法向应力Ｐ逡逑Ｊ盒逡逑图２－３试样直剪示意图逡逑Ｆｉｇ．２－３邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｓｏｉｌ邋ｓａｍｐｌｅ逡逑计算剪切应力公式如下：逡逑ｔ＝Ｃ－Ｒ逦（２－１）逡逑式中：ｔ逦试样所受剪切应力，ｋＰａ；逡逑Ｃ－逦测力环系数，Ｃ＝１．６５３ｋＰａ／０．０１ｍｍ；逡逑Ｒ逦测力环读数

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