專利名稱：一種坡面原位土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水土保持領(lǐng)域，尤其涉及一種原位測(cè)定坡面表層土壤抗剪強(qiáng)度的 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國(guó)是世界上水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一，土壤侵蝕面積占國(guó)土總面積的1/3，并 且表現(xiàn)為強(qiáng)度高，成因復(fù)雜，危害嚴(yán)重，尤以西北的黃土、南方的紅壤、東北的黑土水土流失 最為強(qiáng)烈。全國(guó)1. 07X108km2耕地中有坡耕地3. 330X 107km2,占總耕地面積的1/3。坡 耕地是水土流失的策源地，不僅大量泥沙傾泄而下危害下游防洪安全，更嚴(yán)重的是水、土、 肥大量流失，導(dǎo)致肥力下降農(nóng)業(yè)生產(chǎn)低而不穩(wěn)。眾多研究表明水土流失的強(qiáng)度與土壤抗沖性密切相關(guān)。國(guó)外用土壤可蝕性，進(jìn)一 步分為可分離性和可搬運(yùn)性。我國(guó)一般稱為土壤抗侵蝕性，多用抗沖抗蝕性一詞。我國(guó)從 50年代開始研究土壤可蝕性，但多采用土壤抗侵蝕性。朱顯謨將土壤抗侵蝕性分為抗沖性 和抗蝕性，蔣德麒和朱顯謨進(jìn)一步明確了抗沖性和抗蝕性的定義。二者統(tǒng)稱為土壤抗沖抗 蝕性?？箾_性主要指土壤抵抗風(fēng)、水等對(duì)土壤的機(jī)械破壞作用，而抗蝕性主要指土壤抵抗水 對(duì)土粒的分散和懸浮作用。從土壤侵蝕機(jī)理考慮土壤抗沖性和抗蝕性的劃分具有重要意 義，但從實(shí)驗(yàn)角度看，目前尚無法將抗沖性與抗蝕性分開。土壤可蝕性和抗侵蝕性從本質(zhì)上 講只是一個(gè)問題的兩個(gè)側(cè)面前者是指土壤對(duì)侵蝕作用的敏感性，后者是指土壤對(duì)侵蝕作 用的抵抗能力，因此二者都反映了土壤特性與土壤侵蝕的關(guān)系。土壤侵蝕是導(dǎo)致土地資源退化乃至徹底破壞的主要原因。定量計(jì)算土壤流失量是 合理利用和管理土地資源的科學(xué)依據(jù)之一。土壤抗沖性是定量計(jì)算水土流失的重要指標(biāo)， 實(shí)際上是土壤抗水流沖刷、剪切能力的表現(xiàn)。土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限 能力，其大小就等于剪切破壞時(shí)滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力。可反映土體抵抗徑流沖刷的能力，因此 可作為土壤抗沖性指標(biāo)。土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括內(nèi)摩擦角和粘聚力兩項(xiàng)，指標(biāo)需要用專門的儀器通過試驗(yàn) 來確定。室內(nèi)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度常用的直接剪切實(shí)驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)、反復(fù)直剪強(qiáng)度試驗(yàn)和 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法。室外則有十字板剪切試驗(yàn)等方法。直接剪切實(shí)驗(yàn)、三軸剪切試 驗(yàn)、反復(fù)直剪強(qiáng)度試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，是土工實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法，往往針對(duì)的是 比較堅(jiān)實(shí)的土，均需在野外取樣，其不足一是剪切試樣改變了被測(cè)試土體的環(huán)境狀態(tài)，二是 表層土壤由于其多疏松，往往沒辦法取到剪切試樣，所以無法測(cè)定成為常態(tài)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提出一種坡面原位土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定系統(tǒng)，主 要包括支撐裝置、剪切裝置、傳感裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和數(shù)據(jù)采集分析裝置；所述支撐裝置用于 固定所述驅(qū)動(dòng)裝置；所述剪切裝置用于直接作用于土壤，使土壤均勻受力；所述傳感裝置 一端與所述剪切裝置連接，另一端與所述驅(qū)動(dòng)裝置連接，用于輸出與牽引力成正比的電信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)剪切實(shí)驗(yàn)要求的線速度驅(qū)動(dòng)所述剪切裝置進(jìn)行破壞實(shí)驗(yàn)；所述數(shù)據(jù) 采集分析裝置用于根據(jù)所述電信號(hào)記錄水平方向牽引力的最大值，根據(jù)所述剪切裝置的剪 切面積計(jì)算得到土體抗剪強(qiáng)度。所述的測(cè)定儀，還包括波形繪制裝置，用于通過串口接收所述數(shù)據(jù)采集分析裝置 得到的數(shù)據(jù)，用MATLAB對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪制波形。所述的測(cè)定儀，所述傳感裝置為S型傳感器。所述的測(cè)定儀，還包括放大電路，所述傳感器輸出的所述電信號(hào)經(jīng)所述放大電路 放大后輸入V/F轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸入所述數(shù)據(jù)采集分析裝置。所述的測(cè)定儀，所述數(shù)據(jù)采集分析裝置為C8051F340單片機(jī)。所述的測(cè)定儀，所述剪切裝置為剪切環(huán)，所述剪切環(huán)為無上下底的長(zhǎng)方形薄壁剛 性結(jié)構(gòu)，所述剪切環(huán)底部有刃狀結(jié)構(gòu)。所述的測(cè)定儀，所述的剪切環(huán)，所述剪切環(huán)薄壁的厚度為3_5mm所述的測(cè)定儀，所述剪切環(huán)長(zhǎng)200-250mm，寬150_180mm，高100_120mm。所述的測(cè)定儀，所述刃狀結(jié)構(gòu)的刃面與豎直方向成30° -45°角。所述的測(cè)定儀，還包括剛性框架，所述剛性框架內(nèi)置滑軌，所述剪切環(huán)置于所述滑 軌之上滑動(dòng)。該測(cè)定儀與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下有益效果1、能夠測(cè)定坡面原狀土 ；2、不存在由于土壤疏松無法取樣的問題；3、可測(cè)定表層或不同深度的土壤抗剪切強(qiáng)度(由剪切環(huán)插入土中的深度控制)；4、有方向性(沿水流方向)。
圖1為本實(shí)用新型剪切儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型剪切環(huán)的正面視圖及尺寸；圖3為本實(shí)用新型剪切環(huán)的側(cè)面視圖及尺寸；圖4是本實(shí)用新型剪切環(huán)的立體圖；圖5是本實(shí)用新型帶有滑軌的剪切儀示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明?！N原位坡面土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定系統(tǒng)，如圖1所示，主要包括支撐系統(tǒng)、剪切環(huán)、 傳感器、電機(jī)和數(shù)據(jù)采集分析裝置；所述支撐系統(tǒng)用于固定電機(jī)；所述剪切環(huán)用于直接作 用于土壤，使土壤均勻受力；所述傳感裝置一端與所述剪切裝置連接，另一端與所述電機(jī)通 過絞盤連接，用于輸出與牽引力成正比的電信號(hào)，所述電機(jī)根據(jù)剪切實(shí)驗(yàn)要求的線速度驅(qū) 動(dòng)所述剪切環(huán)進(jìn)行破壞實(shí)驗(yàn)；所述數(shù)據(jù)采集分析裝置用于根據(jù)所述電信號(hào)記錄水平方向牽 引力的最大值，根據(jù)所述剪切裝置的剪切面積計(jì)算得到土體抗剪強(qiáng)度。以下詳細(xì)說明，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)是整個(gè)電子智能土壤原位抗剪力測(cè)定儀的核 心，由其完成對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制和剪切力的實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄；剪切環(huán)則是剪切實(shí)驗(yàn)直接作用于土壤上使土壤均勻受力；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成按剪切實(shí)驗(yàn)要求的線速度驅(qū)動(dòng)剪切環(huán) 進(jìn)行破壞實(shí)驗(yàn)；支撐系統(tǒng)是用來固定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等一系列機(jī)械裝置。驅(qū)動(dòng)裝置是采用兩個(gè)12VDC蓄電池串聯(lián)得到MVDC電源驅(qū)動(dòng)24V直流電動(dòng)機(jī)。電 動(dòng)機(jī)輸出經(jīng)減速機(jī)和齒輪齒條拉動(dòng)剪切環(huán)使土壤產(chǎn)生沿剪切應(yīng)力方向發(fā)生破壞實(shí)驗(yàn)?？梢允褂肈C24V微型直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置，電源采用電瓶供電方式。光電編碼器 是一種成熟的工業(yè)產(chǎn)品，分增量型和絕對(duì)型。本測(cè)定儀采用通用型的增量式編碼器進(jìn)行角 位移檢測(cè)，再根據(jù)角位移計(jì)算出直線位移，按照工作原理光電編碼器可分為增量式和絕對(duì) 式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖， 用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此 它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過程無關(guān)，考慮到經(jīng)濟(jì)成本問 題，綜合考慮后選用增量式編碼器，在考慮土壤原位原狀的角度上對(duì)需測(cè)定的土樣不破壞其整體性，用剪切環(huán)把其隔 離出來，用剪切環(huán)壓入土體，挖去剪切環(huán)外壁附近的土，使剪切環(huán)與其四周土體隔開，再?gòu)?環(huán)壁沿坡面方向挖一道土槽，槽寬大于剪切環(huán)寬度，便于測(cè)試。然后將絞盤皮帶固定于剪 切環(huán)上，啟動(dòng)測(cè)力儀，通過調(diào)速旋鈕選定需要速度，速度從0488. 88mm/min,可以慢剪也可 快剪，速度改變值可在LED液晶顯示屏中直觀看到。然后對(duì)剪切環(huán)通過絞盤以一定的速 度施加水平方向牽引力，穿過絞盤線纜的幾BS測(cè)力傳感器因?yàn)楫a(chǎn)生力使傳感器彈性體發(fā) 生形變，輸出與力成正比的電信號(hào)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大后輸入V/F轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的頻率信號(hào)直接送入C8051F340微處理器中，其數(shù)字量由微機(jī)進(jìn)行處理 C8051F340把力的瞬時(shí)數(shù)字量存儲(chǔ)并送入顯示電路顯示于LED液晶顯示屏。τ < Tf 土體平衡沒有位移；τ = τ 體極限平衡開始位移；τ > ^土體破壞 產(chǎn)生位移；τ為施加在土樣上的剪切力；Tf為試樣的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)即將開始產(chǎn)生位移時(shí)說 明土壤就要發(fā)生剪切破壞力，使S型傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與牽引力成正比的電信 號(hào)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大后輸入V/F轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，直接送入C8051F340微 處理器中，其數(shù)字量由微處理器進(jìn)行處理，微處理器把力的瞬時(shí)數(shù)字量送入C8051F340的 存儲(chǔ)區(qū)。與此同時(shí)以C8051F340單片機(jī)為中央處理器的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄即將 發(fā)生位移時(shí)和發(fā)生位移后水平方向牽引力的大小的變動(dòng)情況，然后單片機(jī)將通過設(shè)定程序 分析出水平方向牽引力的最大值，這個(gè)極限拉力即為土體抵抗徑流推移破壞的極限能力， 將它除以剪切環(huán)面積即得土體抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而得出牽引力所對(duì)應(yīng)的土壤抗剪強(qiáng)度τ。然后 通過串口通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)導(dǎo)出后用MATLAB對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪制波形，試驗(yàn) 后根據(jù)實(shí)時(shí)的波形分析得出于土壤本身抗剪力最貼近的測(cè)試值。從而從土壤因子的力學(xué)性 質(zhì)-土壤抗剪強(qiáng)度的角度下得出抗沖性評(píng)價(jià)的指標(biāo)。如圖2、圖3結(jié)合圖4所示，所述剪切裝置為剪切環(huán)，所述剪切環(huán)為無上下底的長(zhǎng) 方形薄壁剛性結(jié)構(gòu)，所述剪切環(huán)底部有刃狀結(jié)構(gòu)；所述的剪切環(huán)，所述剪切環(huán)薄壁的厚度為 3-5mm。所述剪切環(huán)長(zhǎng)200-250mm，寬150_180mm，高100-120mm。所述刃狀結(jié)構(gòu)的刃面與豎 直方向成30° -45°角。如圖5所示，所述的原位抗剪強(qiáng)度測(cè)定系統(tǒng)，還包括剛性框架，所述剛性框架內(nèi)置 滑軌，所述剪切環(huán)置于所述滑軌之上滑動(dòng)。對(duì)剪切環(huán)均勻施加順坡方向牽引力，通過通用型的增量式編碼器進(jìn)行角位移檢測(cè)；用單片機(jī)自動(dòng)記錄發(fā)生位移前后牽引力的變化，自動(dòng)分析出水平方向牽引力的最大值， 通過力與土壤抗剪強(qiáng)度的單位換算關(guān)系，得到不同深度、不同坡度土壤順坡方向的抗剪強(qiáng)度值。 應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種坡面原位土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，包括支撐裝置、剪切裝置、傳感 裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和數(shù)據(jù)采集分析裝置；所述支撐裝置用于固定所述驅(qū)動(dòng)裝置；所述剪切裝 置用于直接作用于土壤，使土壤均勻受力；所述傳感裝置一端與所述剪切裝置連接，另一端 與所述驅(qū)動(dòng)裝置連接，用于輸出與牽引力成正比的電信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)剪切實(shí)驗(yàn)要 求的線速度驅(qū)動(dòng)所述剪切裝置進(jìn)行破壞實(shí)驗(yàn)；所述數(shù)據(jù)采集分析裝置用于根據(jù)所述電信號(hào) 記錄水平方向牽引力的最大值，根據(jù)所述剪切裝置的剪切面積計(jì)算得到土體抗剪強(qiáng)度；還 包括波形繪制裝置，用于通過串口接收所述數(shù)據(jù)采集分析裝置得到的數(shù)據(jù)，用MATLAB對(duì)測(cè) 定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪制波形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感裝置為S型傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，還包括放大電路，所述傳感裝置輸出 的所述電信號(hào)經(jīng)所述放大電路放大后輸入V/F轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸入所述數(shù)據(jù)采集分 析裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集分析裝置為C8051F340 單片機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，所述剪切裝置為剪切環(huán)，所述剪切環(huán) 為無上下底的長(zhǎng)方形薄壁剛性結(jié)構(gòu)，所述剪切環(huán)底部有刃狀結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，所述剪切環(huán)薄壁的厚度為3-5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，所述剪切環(huán)長(zhǎng)200-250mm，寬 150-180mm，高 100_120mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，所述刃狀結(jié)構(gòu)的刃面與豎直方向成 30° -45° 角。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，還包括剛性框架，所述剛性框架內(nèi)置 滑軌，所述剪切環(huán)置于所述滑軌之上滑動(dòng)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種坡面原位土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于，包括支撐裝置、剪切裝置、傳感裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和數(shù)據(jù)采集分析裝置；所述支撐裝置用于固定所述驅(qū)動(dòng)裝置；所述剪切裝置用于直接作用于土壤，使土壤均勻受力；所述傳感裝置一端與所述剪切裝置連接，另一端與所述驅(qū)動(dòng)裝置連接，用于輸出與牽引力成正比的電信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)剪切實(shí)驗(yàn)要求的線速度驅(qū)動(dòng)所述剪切裝置進(jìn)行破壞實(shí)驗(yàn)；所述數(shù)據(jù)采集分析裝置用于根據(jù)所述電信號(hào)記錄水平方向牽引力的最大值，根據(jù)所述剪切裝置的剪切面積計(jì)算得到土體抗剪強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G01N3/24GK201837566SQ20102020446
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者管園園, 趙曉光 申請(qǐng)人:西安科技大學(xué)