气压深松犁底层裂隙扩展特性研究*

左胜甲，孔德刚，李继成，冯心茹

(1.通化师范学院物理学院,吉林通化,134001;2.东北农业大学工程学院,哈尔滨市,150030)

0 引言

由于耕地犁底层的存在,严重影响了耕地的透气性和作物根系的生长发育,深松可以打破耕地犁底层,是保护性耕作的重要方式,且易于在土体内形成水库,减少土表水土流失[1],另外实施深松作业可调节土壤三相比,增加土壤的孔隙度,有利于创造更好的作物生长环境,增产效果明显[2-3]。气压深松是一种新型深松方式,它是基于气压劈裂原理,利用高压气体在耕地犁底层内产生裂隙并发展打破犁底层从而实现对耕地的深松[4]。

耕地气压深松作业方式及概念由孔德刚团队于2014年提出[5],并进行了气压深松效果试验,证明了气压深松相对于传统深松作业方式具有易于加深深松深度,深松效果均匀,动土量少,且不易改变耕层结构等特点[6-8],同时该团队对气压深松机进行了设计。关于气爆松土裂隙迹线方程,奚小波等[9]进行了试验研究。刘明财等[10]利用高压气体对传统深松进行减阻,对其减阻机理进行了分析,并设计了气劈式深松铲。但国内外关于旱作耕地气压深松机理及犁底层内裂隙扩展特性的研究则相对较少。

本文在分析气压深松裂隙扩展理论模型的基础上,对旱作耕地模拟土层进行构建,并进行气压深松室内试验,探究气压深松犁底层内裂隙扩展特性,为气压深松机理深入研究及气松装备的研发提供理论依据。

1 裂隙扩展理论模型

气压深松作业时,当高压气体注入犁底层后,由于气压的存在会在犁底层内快速形成裂隙,裂隙会在气压的作用下扩散。同时,由于土体本身空隙的存在,气体会向土体中泄漏,泄漏的同时会导致压力衰减,影响裂隙扩展。因此,气压深松裂隙的扩展模型应考通过气体压力分布、气体土内泄漏、土体位移即裂隙发展三个方面进行构建及表述。

1.1 模型假设

气松时土体内裂隙的产生及扩展是气体和土体耦合作用过程[10-11],为了便于对气松裂隙扩展模型的研究,作如下假设：(1)假设土体是均匀介质;(2)假设气松裂隙在喷气起劈点一定范围内,近似为椭圆形且形状不变,其扩展模型如图1所示。

图1 气压深松裂隙扩展模型Fig.1 Model of propagation fracture of air-pressure subsoiling

1.2 气体压力分布方程

气松时气压分布模型构建,应考虑高压气体扩展过程中由于需要克服与土体间的摩擦力,导致其衰减,通过Nautiyal[12]提出的考虑流体与隙壁摩擦影响,基于两个无限平板模型的压力分布模式解析式,建立距喷气点不同距离下气压深松土体内压力分布方程,如式(1)所示。

(1)

式中：p——高压气体压力,MPa;

μgas——高压气体黏滞系数;

g——重力加速度,N/kg;

ρmax——气体的密度,kg/m3;

u——高压气体径向流速,m/s。

考虑到气体的可压缩性,求解式(1)可得式(2)。

(2)

式中：Pn+1——注气点rn+1处的高压气体压力,MPa;

Pn——注气点rn处的高压气体压力,MPa;

Q——注气点rn+1与rn之间的流量m3/s;

1.3 高压气体泄漏方程

假设气压深松过程中,土体为均匀介质,气体在土体中的渗漏速率相等。在气体扩散产生裂隙,增大土体内的孔隙度导致气体泄漏的过程中,可以将漏气裂隙通道,划分为以喷气点为中心的若干个同心圆环,计算出单个同心圆环渗漏量。便可累计得到总的渗漏量,其计算公式如式(3)所示。

(3)

式中：Qleak——气体泄漏的总量,m3;

Kleak——气体在土体中的渗透系数;

rn——第n个圆环距深松注气点的距离,m;

rn-1——第n-1个圆环距深松注气点的距离,m;

Igrad——渗透距离,m;

Paxg——每个圆环的平均气体压力,MPa。

1.4 土体位移方程

关于高压流体对土体劈裂机理,主要有剪切机理和抬升张拉机理,韩文君等[13]进行了浅层土体气压劈裂试验,利用试验数据,得到气压劈裂土体裂隙宽度计算公式,如式(4)所示。

(4)

式中：b——到喷气中心r处的裂隙宽度,mm;

Z——深松深度,m;

E——土体的弹性模量,MPa;

P——气压,MPa;

R——裂隙半径,mm。

2 材料与方法

为了研究气压深松犁底层内气压深松裂隙扩展特性,本文在假设气压深松符合抬升张拉机理即裂隙的宽度为土面的抬升量的基础上,进行了气压深松模拟试验。

2.1 试验设备

气压深松试验装置主要由高压气体生成部分、气压调节部分、气体注入部分及支撑架和土槽组成,高压气体由高压气泵生成,由调压阀进行气体调压,气体通过导气管、气枪开关、气枪注入土体中,从而模拟气压深松作业。其测试原理如图2所示。

图2 气压深松试验装置原理图Fig.2 Schematic diagram of pneumatic subsoiling test device1.土槽 2.气枪 3.气枪开关 4.导气管 5.调压阀 6.支撑架 7.高压气泵

2.2 试验条件

1) 试验采用长白山东北黑土作为试验用土壤,实际深松作业时的土壤含水率为15%～22%[14],同时根据裂隙扩展土体位移方程可知,土体的容重(弹性模量)是裂隙扩展的重要参数。其定义公式(环刀法)如式(5)所示。

rs=G×100/V(100+W)

(5)

式中：rs——土壤容重,g/cm3;

G——环刀内湿重,g;

V——环刀容积,cm3;

W——土壤含水率,%。

本试验主要考虑不同犁底容重条件下,裂隙扩展特征,故将含水率固定,取实际作业时居中含水率18%(±1),作为本试验土体含水率。

2) 耕地结构从下至上分别是：容重为1.4～1.89 g/cm3,厚度为0.1～0.2 m的犁底层;厚度为0.2 m的耕作层(松土)[12,15]。为了模拟实际深松作业时的土层状态,本试验先铺设了0.2 m的“犁底层”,然后在犁底层上面铺设约0.2 m厚的试验用土壤作为“耕作层”。

2.3 试验步骤

1) 土面抬升量测试装置如图3所示,试验过程中,当土面抬升,导致与土面接触的抬升柱随之抬升,其顶部装有发射灯,摄像机记录下发射灯投射在光点显示屏上的移动轨迹,试验结束后通过图像处理软件PCC(Phantom Video camera Control Software)测试出光点的上升量,即为土面抬升量。

图3 土面抬升量测试装置Fig.3 Soil surface uplift testing device1.摄像机 2.抬升量 3.抬升柱 4.支撑架 5.导向管 6.发射灯 7.显示屏 8.土面

2) 测试点布置。以气枪所在土面位置为圆心进行周向布置,同一半径内均匀布置四个点。布置半径分别为：50 mm、150 mm、250 mm、350 mm、450 mm。

3) 试验。根据文献[16]可知,通过耕地气压深松效果试验及气压选取试验可知气压1.8 MPa,可作为较适宜深松气压,同时,根据实际犁底层的容重区间及所在深度,本试验选取犁底层容重为1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8 g/cm3,深松气压为1.8 MPa。注气点选择犁底层所在位置距土面35 cm处。

另外,为探寻气松后土体内气体分布情况,利用CFD软件中的多孔介质模块,通过建模和网格划分、边界条件确定、仿真求解对气压深松进行仿真模拟,仿真条件为深松气压1.8 MPa,犁底层容重1.6 g/cm3(犁底平均容重),获取深松作业时犁底层内气体的密度分布图。

3 结果与分析

通过仿真试验,得到气压深松后犁底层内气体密度分布图,如图4所示。

图4 高压气体密度分布Fig.4 Fracture width regression curve

由图4可以看出,高压气体由喷气孔喷出后,可以认为在土体中形成气体密度较大的主流区(线圈内)、气体密度较小的近侧非主流区(线圈左侧)和气体密度最小的远侧非主流区(线圈右侧)。

通过室内气压深松模拟试验发现土表抬升明显,气压深松机理符合抬升张拉机理,可以认为各测试点的土面抬升量即为测试点的裂隙宽度。根据试验数据,得到在气压(1.8 MPa)深松作用下,犁底层容重1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8 g/cm3的土裂隙宽度的回归曲线图如图5所示。

图5 裂隙宽度回归曲线Fig.5 Fracture width regression curve

犁底层容重1.4 g/cm3的土裂隙宽度的回归曲线

y1=9.857 1x2-12.154x+3.681 6

R2=0.965

犁底层容重1.6 g/cm3的土裂隙宽度的回归曲线

y2=-19.964x2-9.284 3x+10.118

R2=0.986 1

犁底层容重1.8 g/cm3的土裂隙宽度的回归曲线

y3=-2.821 4x2-14.164x+86.088

R2=0.986 1

由图5可以看出,气压深松后,各容重条件下,裂隙宽度均随喷气点距离的增加而减小,土表呈球冠状明显。这是因为高压气体由喷气孔喷出后,在向水平运动的同时,以喷气点为中心向四周扩散并形成了球面压力场。压力场使土体内部产生裂隙,由于土槽上方没有约束,所以压力场的合力竖直向上使土面抬升形成球冠状。同时随着喷气点距离的增加,泄漏到土体表面的气体量也逐渐增加,导致压力场压力衰减,使越远离喷气中心处裂隙宽度就越小。另外,可以看出在0.4 m之后,由于气流路径较长,高压气体的劈裂能力已明显衰减,所以裂隙宽度已没有显示,在水平距离0.45 m、0.55 m处为0。

由图5可以看出,当犁底层容重1.6 g/cm3时,犁底层内裂隙的宽度最大。这是因为气压深松过程中气体和土体气固耦合作业产生的结果,高压气体在土体内扩散产生裂隙的同时,也在克服土体自身的凝聚力向土体表面泄露。图5可以说明容重1.6 g/cm3的犁底层所产生凝聚力,相对于犁底层容重1.4 g/cm3所产生凝聚力较大,在主流区的高压气体更不容易向土面扩散而流入到近侧非主流区,更易于在其内部扩散产生裂隙。而容重1.8 g/cm3的犁底层所产生凝聚力较大,高压气体扩散在主流区和非主流区都遇到较大的阻力,导致所产生的裂隙宽度相对于容重1.6 g/cm3犁底层的较小。而对于容重1.4 g/cm3的犁底层,由于土体凝聚力较低,该气压作用下,泄漏量较多导致裂隙宽度最小。

由图5可以看出,不同犁底层容重(1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8 g/cm3)条件下,气压深松作业后,裂隙产生明显,裂隙宽度随喷气点距离的增加而呈递减趋势,裂隙的最大宽度为3.23 mm、9 mm、8.13 mm,裂隙影响最大半径为0.55 m。犁底层容重对裂隙宽度影响明显(P<0.05),但并非正相关。

4 结论

1) 通过对气压深松裂隙扩展理论模型的分析,可为气压深松机理的深入研究及气松装备的研发提供理论依据。

2) 气压深松后,犁底层内产生裂隙,可以达到深松的目的,同时土面抬升明显,气压深松符合土体抬升张拉机理,裂隙最大宽度为9 mm,裂隙最大扩展半径为0.55 m。

3) 从裂隙扩展影响半径、裂隙宽度、裂隙衰减速度来看,与犁底层容重并非正相关,裂隙宽度随与注气点距离的增加而减小与理论分析气压深松裂隙的扩展为气压衰减、气体土内泄漏、土体位移三个过程的耦合作用表述一致。