丁 肇，李耀明，唐 忠

輪式和履帶式車輛行走對農(nóng)田土壤的壓實作用分析

丁 肇，李耀明※，唐 忠

（江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，鎮(zhèn)江 212013）

由履帶式行走機構(gòu)代替輪胎被認為是減緩大型農(nóng)業(yè)車輛對土壤壓實的有效手段之一。與輪胎相比，履帶具有更大的接地面積，能夠有效減小車輛對土壤的平均壓力。然而履帶與土壤接觸面間的應(yīng)力分布極不均勻，應(yīng)力主要集中在各承重輪下方，履帶減緩?fù)寥缐簩嵉哪芰κ悄壳坝写芯康膯栴}。該研究通過在土壤內(nèi)埋設(shè)壓力傳感器，測試比較了相近載質(zhì)量的輪胎和履帶式車輛作用下，0.15和0.35 m深度土壤內(nèi)的最大垂直及水平應(yīng)力，同時研究了車輛行駛速度對土壤內(nèi)垂直及水平應(yīng)力大小的影響。基于土壤壓實分析模型計算了輪胎和履帶壓實的0.1～0.7 m深度土壤內(nèi)的最大垂直及水平應(yīng)力分布。通過對0.15和0.35 m深度的土樣進行室內(nèi)測試，比較了輪胎和履帶式車輛壓實對土壤透氣率、先期固結(jié)壓力及干容重大小的影響。結(jié)果表明，履帶相比較于輪胎，能夠減小土壤內(nèi)的垂直及水平應(yīng)力，但垂直應(yīng)力的減小量比水平應(yīng)力大；輪胎對0.15和0.35 m深度土壤作用的平均最大垂直應(yīng)力分別約為履帶的2.2及2.0倍，而平均最大水平應(yīng)力僅分別約為履帶的1.2及1.1倍。輪胎作用下的最大垂直及水平應(yīng)力在表層土壤內(nèi)明顯大于履帶，但兩者的應(yīng)力差值隨著土壤深度的增加逐漸減小，分別在0.7 和0.4 m深度時無明顯差別。輪胎和履帶壓實作用下，0.15和0.35 m深度土壤內(nèi)的垂直及水平應(yīng)力均隨車輛行駛速度的增加而減小，履帶作用下的應(yīng)力減小速度大于輪胎。履帶作用下0.15和0.35 m深度內(nèi)土壤的透氣率均明顯小于輪胎，但土壤的先期固結(jié)壓力及干容重無顯著區(qū)別。研究結(jié)果為可為農(nóng)業(yè)車輛行走機構(gòu)的選擇及使用提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；車輛；行走機構(gòu)；土壤壓實；土壤應(yīng)力；輪胎；履帶

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)車輛的普遍化和大型化，農(nóng)田土壤的壓實破壞越來越嚴重[1-3]。過度壓實會影響土壤的理化性質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)[4-6]，阻礙作物根系生長及養(yǎng)分吸收，最終導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量下降[7-10]。

土壤的壓實破壞程度取決于由車輛與土壤接觸面?zhèn)鬟f到土壤內(nèi)部壓實應(yīng)力的大小。土壤內(nèi)的應(yīng)力是由車輛重力引起的壓縮（垂直）應(yīng)力和剪切（水平）應(yīng)力的組合[11]。當土壤內(nèi)的垂直應(yīng)力大于土壤承載力時，土壤發(fā)生壓縮形變；當土壤內(nèi)的水平應(yīng)力大于土壤抗剪強度時，土壤發(fā)生剪切形變[12]。

由履帶式行走機構(gòu)代替輪胎被認為是緩解大型農(nóng)業(yè)車輛對土壤壓實破壞的技術(shù)手段之一。履帶相比于輪胎具有更大的接地面積，能夠有效減小車輛對土壤的平均壓力[13]。然而履帶與土壤接觸面的垂直應(yīng)力分布極不均勻，主要集中在各負重輪下方，且要遠大于平均應(yīng)力[14-16]。履帶相比于輪胎減緩?fù)寥缐簩嵉哪芰κ悄壳坝写芯康膯栴}。

為比較輪胎和履帶對土壤壓實應(yīng)力的大小，Lamandé等[17]測試了同一車輛分別采用輪胎和履帶式行走機構(gòu)時與土壤接觸面的垂直應(yīng)力。結(jié)果表明，與輪胎相比，履帶與土壤接觸面的平均垂直應(yīng)力減小了約55%，但最大垂直應(yīng)力僅減小了約17%。Arvidsson等[18]比較了相近載質(zhì)量的輪胎和履帶式車輛作用下不同土壤深度內(nèi)的垂直應(yīng)力大小。測試結(jié)果表明，履帶在0.15 m土壤深度內(nèi)的垂直應(yīng)力較輪胎減小了約52%，但應(yīng)力減小量隨土壤深度的增加逐漸減小，在0.3及和0.5 m深度內(nèi)分別減小了約44%和16%。Keller等[16]利用土壤壓實分析模型計算了相同載重質(zhì)量的輪胎和履帶式車輛壓實作用下0.1～1 m土壤深度內(nèi)的垂直應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)輪胎作用下的最大垂直應(yīng)力在0.1～0.7 m深度范圍內(nèi)均大于履帶，且兩者的應(yīng)力差值隨著土壤深度的增加逐漸減小，在0.7 m深度時應(yīng)力值幾乎相等。以上研究均針對輪胎和履帶作用下土壤內(nèi)的垂直應(yīng)力，缺少對土壤內(nèi)水平方向應(yīng)力的比較研究。

一些研究表明，除了接地壓力，車輛的行駛速度也會影響土壤內(nèi)應(yīng)力的大小[19-21]。Bolling[19]最早研究了輪式車輛行駛速度對土壤內(nèi)應(yīng)力大小的影響，發(fā)現(xiàn)在0.3 m土壤深度內(nèi)的垂直應(yīng)力隨車輛行駛速度（2～10 km/h）的增加而減小，其原因是車輛行駛速度的增大減小了壓力對土壤的作用時間，導(dǎo)致表層土壤的形變程度減小，進而減小了土壤內(nèi)的應(yīng)力。Horn等[20]研究了輪式車輛行駛速度對不同土壤深度內(nèi)垂直及水平應(yīng)力大小的影響，結(jié)果表明在0.35 m深度內(nèi)的垂直及水平應(yīng)力隨車輛行駛速度（0.7～8 km/h）的增大而減小，與Bolling的研究結(jié)果相同。然而在0.15 m深度內(nèi)的應(yīng)力隨車輛行駛速度的增加有增大的趨勢，Naderi-Boldaji等[21]也得到了相同的結(jié)果。Horn[20]認為這是因為試驗時淺層土壤的含水率較大，土壤形變速度的增大引起土壤孔隙內(nèi)水壓力增大。然而以上研究均針對輪式車輛，關(guān)于履帶式車輛的行駛速度對土壤內(nèi)應(yīng)力大小的影響目前尚不清楚。

土壤的壓實破壞通常表現(xiàn)為土壤自身物理性能的變化，如土壤容重增加、孔隙減少、透氣性降低等[4-6]。履帶與土壤的接觸面積遠大于輪胎，對土壤的壓實作用時間更長，且履帶作用下的應(yīng)力主要分布在各負重輪的下方，履帶的行駛過程相當于各負重輪對土壤的反復(fù)碾壓。連續(xù)的反復(fù)壓實會加劇對土壤物理性能的影響[12]。Lamandé等[17]比較了輪胎和履帶式車輛對土壤透氣性的影響，發(fā)現(xiàn)雖然履帶對土壤接觸面壓實的最大垂直應(yīng)力要小于輪胎，但履帶作用下0.15和0.3 m土壤深度內(nèi)的透氣率均小于輪胎。目前關(guān)于輪胎好履帶式車輛行走對土壤其他物理性能的影響鮮見報道。

本文利用在土壤內(nèi)埋設(shè)壓力傳感器測試及壓實分析模型計算的方法，比較研究了相近載質(zhì)量的輪胎和履帶式車輛壓實作用下土壤內(nèi)垂直及水平應(yīng)力的大小，并分析了車輛行駛速度對應(yīng)力大小的影響，通過土樣室內(nèi)測試，比較了輪胎和履帶式車輛對土壤透氣率、先期固結(jié)壓力及干容重的影響。研究結(jié)果為可為農(nóng)業(yè)車輛行走機構(gòu)的選擇及使用以減輕對土壤的壓實提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗車輛及地點

試驗車輛采用Claas Lexion 770型自走履帶式聯(lián)合收獲機和John Deere 6430 型拖拉機。試驗時聯(lián)合收獲機為空載，拖拉機的載質(zhì)量通過增減拖拉機后拖車上的沙袋數(shù)量進行調(diào)整，使拖拉機前端輪胎的軸向載荷與聯(lián)合收獲機前端履帶的軸向載荷大致相等。拖拉機輪胎型號為710/60R30 Continental SVT，履帶式行走機構(gòu)由前驅(qū)動輪、后導(dǎo)向輪和位于履帶中間位置的2個承重輪組成。試驗地點位于丹麥奧胡斯大學Foulum研究中心試驗田（56°30′N，9°34′E），為冬小麥、油菜、豌豆和春大麥4 a輪作區(qū)。試驗地區(qū)的年平均降水量為626 mm，年平均氣溫為7.3 ℃。試驗時間為2018年6月，正處于冬小麥收割期。試驗田土壤為砂質(zhì)壤土，土壤中砂粒、壤粒、粘粒和有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)分別為67.5%、23.5%、9%和1.6%。

1.2 土壤應(yīng)力測試

傳統(tǒng)的土壤應(yīng)力測試方法一般采用在土壤內(nèi)埋設(shè)壓力傳感器。該方法雖然簡便且工作量較小，但測試誤差較大，主要是因為挖土埋設(shè)壓力傳感器破壞了土壤結(jié)構(gòu)，而且土壤回填后傳感器的測力面與周圍土壤接觸不完全。

為解決上述問題，本文采用側(cè)斷面水平鉆孔埋設(shè)壓力傳感器的方法，如圖1。該方法相對土壤的擾動量極小，能夠避免由于對傳感器上方土壤結(jié)構(gòu)的破壞而產(chǎn)生的測試誤差。壓力傳感器選用Lamandé等[22]設(shè)計的變直徑圓柱形傳感器，如圖2。將壓力傳感器嵌在一圓柱體底座內(nèi)，傳感器測力面在圓柱體外表面上。圓柱體底座下部有一契形滑塊，可通過滑塊的橫向移動來調(diào)節(jié)傳感器的直徑大小。由于傳感器需放置在預(yù)先鉆好的深孔內(nèi)，在放置時可利用與傳感器直徑相配合的套筒將其送入。待傳感器放置在指定位置后，撤出套筒，通過調(diào)節(jié)契型滑塊來調(diào)節(jié)傳感器的直徑，直至傳感器測力面與周圍土壤充分接觸。采用該傳感器能夠有效降低由于傳感器與土壤接觸不完全所造成的測試誤差，并已得到驗證[22-24]。

圖1 應(yīng)力測試過程示意圖

注：箭頭L表示契形滑塊向左滑動；箭頭D表示契形滑塊向左滑動時傳感器外徑增大。

如圖1所示，在傳感器預(yù)埋點附近挖一個約2 m× 1.2 m×1.5 m的土坑，由側(cè)斷面距離地表深度0.15和0.35 m處向水平方向分別鉆2個深度約為1 m的平行孔，利用套筒將壓力傳感器放置在孔底部。每個孔內(nèi)依次放入2個壓力傳感器。其中一個孔內(nèi)的2個傳感器測力面朝上平行于地表放置，用于測試垂直應(yīng)力；另一孔內(nèi)的2個傳感器測力面朝向車輛行駛方向放置，用于測試水平應(yīng)力。試驗時，車輛分別以3，5，10和15 km/h的速度從傳感器上方通過，并保證傳感器位于輪胎和履帶的中線上。測試數(shù)據(jù)傳入電腦儲存以便后續(xù)分析。采用Origin 8.0軟件，利用單因素回歸法分析車輛行駛速度與應(yīng)力大小的關(guān)系。試驗在3個相隔約30 m的傳感器預(yù)埋點進行，每個預(yù)埋點進行3次重復(fù)。圖3為應(yīng)力測試現(xiàn)場圖。需要說明的是，試驗中壓力傳感器埋設(shè)在固定位置，采用車輛反復(fù)通過的方式來測試不同工況下的應(yīng)力值。為保證每組測試時土壤的初始狀態(tài)一致，參考文獻[17]，每組測試之間間隔30 min左右，以使土壤有充足的回彈時間。

圖3 土壤應(yīng)力田間測試

1.3 土壤取樣及室內(nèi)測試

土壤的取樣過程如下：1）在車輛前進方向上選取一個待取樣區(qū)域，當輪胎或履帶駛過該區(qū)域時立即停車，標記出碾壓區(qū)域；2）將車輛駛離，并保證取樣區(qū)域不受車輛的二次碾壓；3）挖土坑進行取樣，使用60×34.8 mm的環(huán)刀分別在0.15和0.35 m土壤層內(nèi)沿車輛行駛方向依次取8個樣本。3個測試點共48個樣本。

取樣結(jié)束后將土壤樣品帶回實驗室，測試土樣的透氣率、先期固結(jié)壓力及干容重大小。在每個土層深度內(nèi)選取4個樣本進行先期固結(jié)壓力測試（3個測試點共24個樣本），另外4個樣本進行透氣率測試（3個測試點共24個樣本）。土壤的先期固結(jié)壓力通過對周向約束的土樣進行單軸壓縮試驗（uniaxial confined compression tests），得到土壤的應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系，再利用Lamandé[25]提出的方法計算獲得土樣的先期固結(jié)壓力。土壤的透氣率按照Iversen等[26]提出的測試方法，依據(jù)Darcy法則計算獲得土樣的透氣率。待測定土樣的先期固結(jié)壓力及透氣率后，按《土工試驗規(guī)程》[27]流程測定土樣的含水率及干容重。

1.4 土壤應(yīng)力計算

在計算時，假設(shè)車輛靜止，忽略車輛行駛時的牽引力及滾動阻力。土壤內(nèi)的應(yīng)力計算主要分為以下2個步驟：1）計算輪胎/履帶與土壤接觸面內(nèi)的垂直應(yīng)力；2）利用應(yīng)力傳遞方程計算土壤內(nèi)部應(yīng)力。其中，輪胎與土壤接觸面內(nèi)的垂直應(yīng)力利用Schj?nning等[28]建立的FRIDA模型計算；履帶與土壤接觸面內(nèi)的垂直應(yīng)力利用Keller等[16]建立的模型計算，計算所需輪胎及履帶參數(shù)見表1。將接觸面內(nèi)的垂直應(yīng)力計算結(jié)果導(dǎo)入Keller等[29]建立的SoilFelx模型，計算輪胎和履帶作用下土壤內(nèi)任意點的應(yīng)力。

SoilFlex模型基于Boussinesq應(yīng)力傳遞方程[30-31]，利用S?hne所建立的應(yīng)力疊加方程[32]計算土壤內(nèi)任意點的應(yīng)力狀態(tài)。土壤內(nèi)任意點的受力分析如圖4所示。

表1 模型計算所用履帶及輪胎相關(guān)參數(shù)

注：Ai為接觸面A上任意劃分單元；Pi為作用在單元Ai上的垂直載荷，N；Hi為作用在單元Ai上的切向載荷，N；S為接觸面下方土壤內(nèi)的任意點；r 為Ai與S的距離，m；σr,i為點S沿AiS方向的法向應(yīng)力，kPa；θ為表面垂直載荷Pi與法向應(yīng)力σr,i的夾角，(°)；δ為切向載荷Hi與法向應(yīng)力σr,i和z所在平面的夾角，(°)。

把接觸面分成個單元，每個單元A上作用垂直載荷P和切向載荷H，則履帶下方土壤內(nèi)任意點沿AS方向的法向應(yīng)力σ為

式中為集中系數(shù)，不同的土壤條件取值不同。根據(jù)Lamandé等[22]的建議，計算輪胎作用下的應(yīng)力時取=7，計算履帶作用下的應(yīng)力時取=6。

土壤內(nèi)任意點的垂直應(yīng)力σ及水平應(yīng)力σ，σ分別為

2 結(jié)果與分析

2.1 輪胎和履帶對土壤壓實作用的比較

輪胎和履帶作用下，0.15和0.35 m土壤深度內(nèi)的最大垂直應(yīng)力、最大水平應(yīng)力、先期固結(jié)壓力、透氣率及干容重的平均測試值如表2所示。

由表2可以看出，輪胎對0.15和0.35 m深度土壤作用的平均最大垂直應(yīng)力均顯著大于履帶（<0.05），分別約為履帶的2.2及2.0倍。輪胎對0.15和0.35 m深度土壤作用的平均最大水平應(yīng)力均略大于履帶（>0.05），分別約為履帶的1.2及1.1倍。測試結(jié)果表明，與輪胎相比，履帶作用下土壤內(nèi)垂直應(yīng)力的減小量要大于水平應(yīng)力，這說明增大車輛與地面的接觸面積能夠有效減小土壤內(nèi)垂直方向的壓縮應(yīng)力，但對水平方向剪切應(yīng)力的影響不大。土壤內(nèi)水平應(yīng)力的大小還可能與土壤表面的剪切力（如輪胎和履帶的牽引力及滾動阻力）有關(guān)。今后的研究可對車輛牽引力對土壤內(nèi)垂直及水平應(yīng)力的影響進行分析。

表2 輪胎和履帶作用下0.15和0.35 m深度內(nèi)土壤的先期固結(jié)壓力、透氣率、干容重、最大垂直及最大水平應(yīng)力平均測試值

注：車輛行駛速度為3km·h-1；輪胎和履帶的接地長度分別由Schj?nning等[28]及Keller等[16]的模型計算；0.15和0.35 m深度土壤的含水率分別為27.3%和23.8%。值小于0.05表示差異顯著。

Note: Vehicle velocity is 3 km·h-1; ground contact length of tire and track are calculated by analytical model established by Schj?nning et al[28]and Keller et al[16]respectively; soil water content at 0.15 and 0.35 depth are 27.3% and 23.8% respectively;value under 0.05 means significant differences of measured parameters between tire and track.

從表2中還可以看出，所測得的履帶作用下0.15和0.35 m深度土壤的平均透氣率均明顯小于輪胎作用（<0.05），這與Lamandé等[17]的測試結(jié)果相似。一些研究表明，土壤中的水平應(yīng)力大小是影響土壤透氣性的主要因素[24,33]，因此Lamandé等推測造成該現(xiàn)象的原因可能是履帶作用下的水平應(yīng)力要大于輪胎。但本文的研究結(jié)果顯示，履帶作用下0.15和0.35 m深度的土壤水平應(yīng)力均略小于輪胎。履帶的接地長度約為輪胎的2.9倍，因此在相同的車輛行駛速度下履帶的壓實作用時間也約為輪胎的2.9倍。由此可以推測，土壤透氣率不僅與水平應(yīng)力有關(guān)，還可能與壓實應(yīng)力的作用時間有關(guān)。關(guān)于壓實應(yīng)力的作用時間，如不同車輛行駛速度及接地長度等，對土壤壓實的影響還需要進一步研究。

另外，所測得的履帶和輪胎作用下的土壤平均干容重和平均先期固結(jié)壓力均無顯著差異。先期固結(jié)壓力及干容重是反映土壤物理性能的重要指標，能夠反映土壤所受的壓實應(yīng)力歷史[14]；土壤的干容重則能夠反映土壤受壓實應(yīng)力作用下體積形變的程度[12]。雖然履帶作用下的垂直應(yīng)力要明顯小于輪胎，但對土壤先期固結(jié)壓力及干容重大小的影響無顯著區(qū)別，這說明履帶相較于輪胎并沒有降低對土壤固結(jié)壓力及干容重的影響。原因可能有2方面：一是履帶接地長度遠大于輪胎，對土壤的壓實應(yīng)力作用時間更長；二是履帶作用下的垂直應(yīng)力分布不均勻。履帶作用應(yīng)力主要集中在各負重輪下方，履帶車輛的行駛過程相當于各負重輪對土壤反復(fù)碾壓。大量研究表明，車輛對土壤壓實次數(shù)的增加會加劇土壤的壓實風險，通常表現(xiàn)為土壤容重的增大[21,34-35]。因此解決履帶作用下應(yīng)力分布不均勻的問題是提高履帶車輛緩解土壤壓實的關(guān)鍵。

2.2 輪胎和履帶壓實作用下的應(yīng)力計算結(jié)果與分析

輪胎和履帶壓實作用下的最大垂直及水平應(yīng)力在0.1～0.7 m土壤深度內(nèi)的變化曲線分別如圖5所示。

由圖5可以看出，土壤內(nèi)的最大垂直及水平應(yīng)力均隨著土壤深度的增加而逐漸衰減。輪胎作用下的最大垂直應(yīng)力在表層土壤內(nèi)明顯大于履帶，但兩者的應(yīng)力差值隨著土壤深度的增加逐漸減小，大約在0.7 m深度時無明顯差別。同樣，輪胎作用下的最大水平應(yīng)力在表層土壤內(nèi)明顯大于履帶，兩者的應(yīng)力差值隨著土壤深度的增加逐漸減小，大約在0.4 m深度時無明顯差別。模型計算結(jié)果表明，履帶相較于輪胎，能夠減小土壤內(nèi)的垂直及水平應(yīng)力，但對表層土壤應(yīng)力的減小量比深層土壤大。

履帶對減小土壤表層壓實應(yīng)力效果顯著，但對深層土壤壓實應(yīng)力的減小并不明顯。主要原因可能是由于履帶作用下的應(yīng)力集中在各承重輪下，其最大應(yīng)力相較于輪胎并沒有得到有效減小。因此解決履帶作用下的應(yīng)力分布均勻性問題也可在一定程度上提高履帶減小深層土壤應(yīng)力的能力。

圖5 輪胎和履帶壓實作用下0.1～0.7 m深度的最大應(yīng)力計算值和0.15、0.35 m深度的測試值

由圖5可知，履帶作用下，0.15和0.35 m深度土壤內(nèi)的最大垂直及水平應(yīng)力計算值均小于輪胎，但垂直應(yīng)力的減小量要大于水平應(yīng)力，與試驗測試結(jié)果一致。

另外，0.15和0.35 m深度土壤內(nèi)的最大垂直及水平應(yīng)力模型的計算值與試驗測試值基本一致。其中，輪胎下輪胎作用下的最大垂直應(yīng)力測試值略小于計算值，而履帶下履帶作用下的最大垂直應(yīng)力測試值略大于計算值（圖5a）；輪胎及和履帶下履帶作用下的水平應(yīng)力測試值均小于模型計算值（圖5b）。分析造成測試結(jié)果與計算結(jié)果有偏差的其原因可能有以下幾個方面：

1）應(yīng)力測試誤差。由于傳感器埋設(shè)過程中在深度方向上存在一定的誤差，經(jīng)測量約為(0.35±0.02) m，造成了應(yīng)力測試結(jié)果的偏差。

2）土壤表面接觸應(yīng)力計算模型不完善。對土壤壓實應(yīng)力計算模型的研究是土壤壓實研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。Keller[36]最早建立了輪胎/土壤接觸面應(yīng)力分布計算模型，該模型通過已知的輪胎參數(shù)，如輪胎寬度、直徑、實際胎壓、規(guī)定胎壓及軸向載荷等，可計算輪胎對土壤壓實的垂直應(yīng)力分布。Schj?nning等[28]在Keller模型的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，假設(shè)輪胎與土壤的接觸面形狀為超橢圓，并引入決定橢圓形狀的參數(shù)，建立了輪胎/土壤接觸面應(yīng)力計算模型FRIDA。該模型計算結(jié)果較Keller的模型更加精確，是目前應(yīng)用較為廣泛的模型。然而FRIDA模型中并未考慮輪胎花紋形狀的影響，研究表明輪胎花紋形狀對表面應(yīng)力分布有一定的影響[28]，因此還需要對于輪胎/土壤接觸應(yīng)力模型進一步完善。目前履帶/土壤接觸應(yīng)力的計算模型并不成熟。Keller等[16]于2016年首次建立了履帶/土壤接觸應(yīng)力計算模型，該模型通過已知的履帶參數(shù)，如履帶接地長度、履帶寬度、承重輪直徑及軸向載荷等，能夠預(yù)測履帶對土壤的壓實應(yīng)力。由于履帶下的應(yīng)力集中在各負重輪下方，模型中假設(shè)負重輪與地面的接觸應(yīng)力以輪軸線為對稱軸呈開口向下的拋物線分布，且拋物線開口大小與負重輪的直徑之比為一定值。而在實際情況下，負重輪與土壤的接觸應(yīng)力分布與土壤軟、硬程度有關(guān)，地面越軟接地長度越大，應(yīng)力分布越均勻，拋物線的開口越大[37]。因此會造成履帶與土壤接觸面應(yīng)力分布計算的誤差，對于履帶/土壤接觸面應(yīng)力分析模型有待研究進一步的完善。

3）土壤應(yīng)力計算模型中集中系數(shù)的選取不夠精確。目前對于應(yīng)力計算公式（1）中集中系數(shù)的選取并無統(tǒng)一標準，一般依靠經(jīng)驗來選擇，其取值范圍在2.0～14.3之間[38-42]，且由于不同深度土層的物理性質(zhì)差異，固定的取值無法同時描述應(yīng)力在各層土壤內(nèi)的傳遞效率。Horn等[38]同改試驗發(fā)現(xiàn)集中系數(shù)的取值取決于土壤先期固結(jié)壓力，給出了集中系數(shù)的取值范圍為6～9。Lamandé等[22]通過田間測試與模型計算對比發(fā)現(xiàn)集中系數(shù)與土壤的機械性能及所受載荷大小有關(guān)，在低載荷工況下一般取值5～6，在高載荷工況下一般取值7～8。He等[39]提出了能夠代表土壤自身應(yīng)力傳遞效率的應(yīng)力傳遞系數(shù)，研究了應(yīng)力傳遞系數(shù)與土壤物理環(huán)境參數(shù)（含水率、干密度及先期固結(jié)壓力）之間的關(guān)系，并提出了基于應(yīng)力傳遞系數(shù)理論定量集中系數(shù)的方法。

造成模型計算誤差的原因除了上述幾點之外，還與模型計算中忽略了輪胎和履帶對土壤接觸面的切向載荷有關(guān)。土壤內(nèi)的應(yīng)力是由土壤表面的垂直載荷及切向載荷共同作用形成，車輛在行駛過程中的牽引力及滾動阻力均會對土壤產(chǎn)生切向載荷。雖然應(yīng)力計算模型相比較于其他方法，如有限元及離散元等數(shù)值分析方法具有計算參數(shù)少、求解速度快等優(yōu)點[24,43-45]，但輪胎/履帶與對土壤壓實應(yīng)力的精確計算以及集中系數(shù)的準確定量仍是目前有待解決問題。

2.3 車輛行駛速度對土壤壓實應(yīng)力的影響

輪胎和履帶作用下0.15和0.35 m深度土壤內(nèi)的平均最大垂直及水平應(yīng)力隨車輛行駛速度的變化曲線如圖6所示。

由圖6可看出，輪胎作用下0.15和0.35 m深度的土壤內(nèi)垂直及水平應(yīng)力大小均隨車輛行駛速度的增加有減小的趨勢。其中，0.35 m深度的應(yīng)力測試結(jié)果與Bolling[19]及Horn等[20]的研究結(jié)果相同；0.15 m深度的應(yīng)力測試結(jié)果與Horn等[20]及Naderi-Boldaji等[21]的研究結(jié)果相反。在Horn等及Naderi-Boldaji等的研究中，0.15 m深度的土壤壓實應(yīng)力隨車輛行駛速度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。Horn認為其原因是淺層土壤的含水率較大，車輛行駛速度的增加增大了土壤的形變速度，造成土壤孔隙內(nèi)水壓力增大。然而本文測試時正逢丹麥的干旱年份，整個夏季的降水量極少，土壤的含水量不高，因此土壤在受壓過程中孔隙內(nèi)的水壓力變化較??；另外，試驗地土壤質(zhì)地為砂壤土，在含水量不高的情況下受外界壓力時變形量很小。與輪式車輛的測試結(jié)果相同，履帶作用下0.15和0.35 m深度的土壤垂直及水平應(yīng)力大小也隨車輛行駛速度的增大有減小的趨勢。這說明車輛行駛速度對土壤壓實應(yīng)力的影響與行走機構(gòu)（輪胎或履帶）無關(guān)，僅與壓實所引起的表層土壤的形變大小有關(guān)[20]。

圖6 輪胎和履帶作用下0.15和0.35 m深度的土壤內(nèi)最大水壓實應(yīng)力曲線

由圖6還可以看到，履帶作用下垂直及水平應(yīng)力的減小速度（曲線的斜率）都大于輪胎作用下垂直及水平應(yīng)力的減小速度。這說明履帶式車輛的行駛速度對土壤應(yīng)力的影響要大于輪式車輛。其原因可能是由于輪胎為彈性體，與土壤接觸過程中有一定的形變量，且速度越大輪胎在沖擊力的作用下瞬時形變量越大，因此對土壤的形變有一定的抵消作用。而履帶相對于土壤可以看作為剛體，本身不發(fā)生形變，對土壤的形變無抵消作用。

本文研究結(jié)果表明，使用履帶代替輪胎能夠有效減小淺層土壤（0～0.4 m）的壓實應(yīng)力。但對于深層土壤（>0.4 m）壓實應(yīng)力的減小作用并不明顯。這主要是由于履帶表面應(yīng)力分布不均勻所造成的。但在實際生產(chǎn)中人們更關(guān)心深層土壤的壓實情況，因為深層土壤一旦壓實，其自然恢復(fù)時間長達幾十年，且很難通過傳統(tǒng)的耕作及作物輪作等方式進行緩解[2]。因此，相比較于增加履帶的接地面積，提高履帶作用下的應(yīng)力分布均勻性對于減輕履帶車輛對土壤的壓實更具有實際意義。履帶作用下的應(yīng)力分布均勻性與地面條件、行走裝置結(jié)構(gòu)型式、載重量大小、履帶張緊力大小及作業(yè)工況等有關(guān)[46]。今后的研究應(yīng)重點考慮如何提高履帶作用下的應(yīng)力分布均勻性，為履帶式行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及使用提供實際指導(dǎo)。

研究結(jié)果還表明，車輛行駛速度的增加能夠減小土壤的垂直及水平應(yīng)力。因此，在實際生產(chǎn)中，為減輕農(nóng)用車輛對土壤的壓實，應(yīng)盡可能使車輛在較高的行駛速度下作業(yè)。但由于農(nóng)用車輛還需滿足其他作業(yè)要求，因此行駛速度一般有一定的限制范圍。例如履帶式聯(lián)合收獲機在水稻田中的收獲速度一般在4.5～5.5 km/h，車輛行駛速度過小會降低收獲效率；而車輛行駛速度過大則會造成谷物籽粒損失率和含雜率的增大[47-48]。因此在非作業(yè)情況下應(yīng)盡量提高車輛在田間的行駛速度，以降低土壤的壓實風險。

3 結(jié) 論

本文利用試驗測試和模型計算，比較了相同條件下的輪胎和及履帶式車輛對農(nóng)田土壤壓實應(yīng)力及物理性能的影響，并分析了車輛行駛速度對土壤壓實應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明：

1）履帶相比較于輪胎能夠減小土壤內(nèi)的垂直及水平應(yīng)力，但對垂直應(yīng)力的減小量要比水平應(yīng)力大。對表層土壤應(yīng)力的減小量比深層土壤大。

2）履帶壓實對土壤透氣性的影響大于輪胎，對土壤先期固結(jié)壓力及干容重的影響與輪胎無顯著區(qū)別。

3）輪胎及履帶作用下土壤內(nèi)的垂直及水平應(yīng)力均隨車輛行駛速度的增加有減小的趨勢，但履帶作用下的應(yīng)力減小速度大于輪胎。

4）解決履帶對土壤壓實應(yīng)力分布不均勻的問題是提高履帶緩解土壤壓實能力的關(guān)鍵。

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Compaction effects of wheeled vehicles and tracked on farmland soil

Ding Zhao, Li Yaoming※, Tang Zhong

(,,,212013,)

Soil compaction induced by vehicle traffic has aroused more concerns due to its negative impacts on soil functions and ecosystems. Replacing tires by tracks is considered as a technical method to mitigate the soil compaction, which increases the vehicle's contact area and decreases the mean ground pressure. However, the interactions between the track and the soil are complex, the stress distribution at the interface between the track and the soil is uneven, which may reduce the effectiveness of the track in decreasing soil stress. Thus, to determine the ability of track to reduce the soil compaction compared with tire is importance. The objective of this study is to investigate the impact of undercarriages (tire vs. track) on the magnitude of soil stress and soil functions (i.e. pre-compression stress, air permeability, dry bulk density), as well as the impact of vehicle velocity on the magnitude of soil stress. The test was conducted on the sandy loam soil. Three repeated measurements were carried out on tracked harvester and tractor with similar axle load. To measure soil stress, the load transducers were embedded in the centerline of the tire and track at a depth of 0.15 and 0.35 m respectively. After vehicles pass, soil samples are collected at the depth of 0.15 and 0.35 m in the test area. Soil pre-compression stress, air permeability and dry bulk density were measured in the lab. The soil stress in the depth range of 0.1-0.7 m was calculated by using the soil compaction model. The results show that compared with tires, the vertical and horizontal soil stresses are reduced under the track compaction. However, the reduction of the vertical stress was greater than that of the horizontal stress. Under the effect of tyre compaction, the average vertical stress at the depth of 0.15 and 0.35 m is 2.2 and 2.0 times of track compaction respectively, whereas the average horizontal stress of tyre compaction was only approximate 1.2 and 1.1 times larger than that of the track respectively. Interestingly, no difference in vertical and horizontal stress was found between the track and the tire compaction at the depth of 0.7 and 0.4 m respectively. It indicates that the track is more effective in reducing the soil compaction for the topsoil than for the subsoil. The vertical and horizontal compaction stresses of tire and tracked vehicle decrease with the increase of vehicle speed, but the speed of stress reduction under the track compaction is faster than that of tire. The measured air permeability of track compaction is obviously larger than that of tire, whereas the measured dry density and pre-compression stress displayed no significant difference between the tire and track compation. In other words, the ability of the track to reduce soil compaction is weakened due to the uneven stress distribution and the longer compaction time. Though the calculated soil stress is generally in line with the measurement results, the measured vertical stress is lower than the calculated value for the tire compaction but higher for the track compaction, the measured horizontal stress are lower than the calculated values for both the tire and the track compaction. The accurate prediction of the distribution of stress on tire/track surface and the reasonable selection of concentration factor are the key to model calculations. Future research may focus on the impact of support roller configuration and diameter on the distribution of soil stress of track compaction. The research results are helpful to improve the uniformity of soil stress distribution under the track compaction, so as to reduce soil compaction.

agricultural machinery; vehicles; undercarriage; soil compaction; soil stress; tire; track

2019-10-27

2020-01-21

國家重點研發(fā)項目（2016YFD0702004）；江蘇省自然科學基金面上項目（BK20170553）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目。

丁 肇，博士生，研究方向：農(nóng)田土壤壓實及耕作。Email：dingzhao0806@foxmail.com

李耀明，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)裝備關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)理論及產(chǎn)品的研發(fā)工作。Email：ymli@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.002

S225.3; S219.032.3

A

1002-6819(2020)-05-0010-09

丁 肇，李耀明，唐 忠. 輪式和履帶式車輛行走對農(nóng)田土壤的壓實作用分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(5)：10－18. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.002 http://www.tcsae.org

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