砂土串囊式充气锚杆承载力的研究

在砂土地层中,串囊式充气锚杆的研究还比较少,其承载特性及受力机理尚不明确。本文基于莫尔-库仑模型和Vesic圆孔扩张理论法,分别对圆柱体、球体、组合体、椭球体假设下的串囊式充气锚杆的扩大段进行计算分析。并将计算结果与试验得到的实测值进行对比。结果表明:四种形状假设中椭球体的形状假设理论值与实测值的误差最小,仅为8.35%。通过拟合试验数据,并引入与端阻力和侧摩阻力有关的两个系数对承载力公式进行修正,得到了抗拔承载力的经验公式。     

一种间接从高光谱数据中提取黑土硒含量的新方法

我国东北黑土富含养分，随着土壤数字制图、精确农业和土壤资源调查等研究的深入，引入航空高光谱数据并提供科学的预测结果成为研究热点。硒元素相对于黑土土壤的主要成分属于微量元素，但其对作物的正常生长的作用与大量元素是同等重要的，亦是人体健康所必要的营养元素。针对硒含量反演，建立了一个基于主要成分的间接提取模型，该模型能够显著提升硒含量回归系数，降低实测值与预测值的误差。数据源自CASI-1500航空高光谱成像系统，光谱范围380~1 050 nm，空间分辨率1.5 m。在黑龙江建三江地区采集60个土壤样本，化验获得硒、有机质、全铁、pH和氧化钙含量数据，选择BP神经网络，建立光谱与含量的反演模型。分析不同含量的黑土成分在可见-近红波段范围内光谱变换规律，掌握了硒元素随着含量升高，光谱反射率会逐步升高的规律。但当硒含量较低时，在其他成分的干扰下，这一规律会逐渐减弱，直至不显著。有机质的光谱特征与硒元素相反，总体上随着含量的增高，反射率整体下降，这与有机质的光谱特性紧密相关。全铁光谱呈现出与有机质光谱类似的规律，说明二者具有较高的相关性。不同pH值和氧化钙含量的光谱特征与检测值没有呈现出明显的特征规律，反射规律不明显。对60个采样点不同养分含量进行逐波段求反射率对养分的相关系数。结果表明，pH值各个波段相关系数最高，均值达到0.63；其次是全铁的相关系数，为0.54；有机质和氧化钙的相关系数接近，分别为0.42和0.47；而硒元素含量与逐波段的平均相关系数最低，为0.38。选取相关系数较高的前5个波段，作为建模波段。硒特征波段为447，437，456，466和475 nm；有机质特征波段为447，456，466，437和475 nm；全铁特征波段为752，695，800，762和733 nm；pH特征波段为905，752，800，943和695 nm；氧化钙特征波段为752，695，800，523和762 nm。通过计算样本点硒含量与其他成分的相关系数，硒与有机质呈正相关，相关系数为0.79；与全铁、pH、氧化钙呈负相关，相关系数分别为-0.80，-0.94和-0.69。针对有机质、全铁、pH和氧化钙反演精度较高，而硒元素含量较低，直接反演精度不足的问题，设计了一种先提取4种成分含量，再根据其提取结果建立硒元素函数关系，间接反演硒元素含量的方法。首先将五种成分与特征光谱进行神经网络分析，计算每种成分的回归系数R2和RMSE。显示全铁和pH具有较高的反演精度，有机质和氧化钙归系数虽低于0.8，但也显著高于硒元素的反演精度。建立硒元素与其他4种成分含量的回归模型，得出Se=0.522 9+0.041 8Som-0.016 6Fe₂O₃-0.035 6pH-0.005CaO，进行硒元素间接提取，回归系数从0.516增长到0.724，均方根误差从0.182降低到0.136，显著改进了反演硒含量的精度，为硒元素大范围精确制图提供了一种新技术。     

我国几种地带性土壤中磷素形态的研究

探明土壤磷素的存在形态，有助于揭示其在环境中的累积、迁移和转化过程及生物有效性。目前，在大尺度样带上开展土壤磷素形态空间变异规律的研究较少。本研究中，沿纬度方向采集了我国东部不同气候带分布的7种地带性林地土壤（包括寒温带的棕色针叶林土、中温带的暗棕壤、暖温带的棕壤、北亚热带的黄棕壤、中亚热带的黄壤、南亚热带的赤红壤和热带的砖红壤），将化学浸提法与溶液磷-31核磁共振（31P NMR）波谱法相结合，分析了土壤中磷素形态以及与其他土壤性质之间的关系，以期为阐明土壤磷素形态的空间变异性及其驱动因素提供基础资料。结果表明：供试土壤中，全磷、有效磷、无机磷和有机磷的含量范围分别为179.8～825.2，2.41～15.3，92.6～351.2和14.7～474.4 mg·kg-1，其中活性、中等活性、中等稳定性和高稳定性有机磷组分的含量范围分别为1.38～30.9，8.63～213.7，3.01～32.2和1.73～199.2 mg·kg-1。根据溶液31P NMR波谱，鉴定出供试土壤中含有无机形态的磷素即正磷酸盐和焦磷酸盐，同时也鉴定出了磷酸单酯、磷酸二酯和膦酸盐等有机形态磷素的存在，其中磷酸单酯中又鉴定出了新-肌醇六磷酸、D-手性-肌醇六磷酸、RNA单核苷酸、α-磷酸甘油、肌-肌醇六磷酸、β-磷酸甘油和鲨-肌醇六磷酸，磷酸二酯中又鉴定出了DNA的存在；所有土壤中均未检测出多聚磷酸盐的存在，除棕色针叶林土和暗棕壤外的其他土壤中未检测出膦酸盐的存在，而赤红壤中未检测出DNA的存在；无机形态的磷素以正磷酸盐为主，而有机形态的磷素则以磷酸单酯为主。总体来看，无论化学浸提法还是溶液31P NMR波谱法，从寒温带的棕色针叶林土到热带的砖红壤，全磷、有效磷、无机磷、有机磷及其组分的含量均呈现下降趋势。溶液31P NMR波谱与化学浸提法鉴定的磷素形态之间存在相关关系，其中正磷酸盐与活性有机磷的关系最为密切，磷酸单酯和膦酸盐与中等活性有机磷的关系最为密切，而焦磷酸盐和磷酸二酯与中等稳定性有机磷的关系最为密切。与化学浸提法相比，溶液31P NMR波谱法能从详细的分子水平上揭示土壤磷素形态的空间变异规律。     

不同含水量黑土土壤光谱反射率半经验模型构建

土壤含水量的变化情况与时空分布对热量平衡、农业墒情等具有显著的影响。利用反射率光谱信息反演土壤含水量的研究，可为实现土壤含水量速测、揭示土壤含水量时空变异规律提供科学依据。构建不同含水量黑土土壤反射率光谱半经验模型，深入探究土壤重量含水量与反射率光谱的关系。 制备了12种不同湿度的土壤样品。 采用ASD Field Spec Pro 3地物波谱仪对制备的不同湿度梯度的黑土土壤进行反射率光谱测量。 利用菲涅耳反射率建立土壤表面反射模型；在以往的研究中，Kubelka-Munk (KM)模型中的漫反射率R_∞通常被视为对于给定材料和照明波长的常数或需要反演的参数。通过研究发现，漫反射率R_∞不仅与材料和波长有关，还与土壤含水量相关。利用与土壤含水量相关的吸收系数及散射系数描述了土壤含水量与漫反射率R_∞的关系，并基于KM理论对体散射分量进行建模；进而构建不同含水量黑土土壤反射率光谱半经验模型。 根据实际测量数据选用最小二乘算法对模型参数进行反演，并通过分析反演参数简化模型。最后，将未参与建模的不同含水量梯度的数据代入模型中，验证模型的有效性。结果表明：对比不同含水量土壤反射率光谱的模拟值与实测值在400～2 400 nm波段范围内的模拟精度发现，含水量为200 g·kg-1的土壤反射率光谱的均方根误差最大，为0.008，含水量为40 g·kg-1的土壤反射率光谱的均方根误差最小，为0.000 6，不同含水量下土壤样品反射率光谱的均方根误差的均值是0.005 1。在400～2 400 nm波段范围内，不同波长下黑土土壤反射率光谱的预测均方根误差基本低于0.008，1 920 nm波长处的预测均方根误差最小，为0.002 062。采集长春地区的土壤检验模型的可靠性，配制15个不同含水量样品并对其进行反射率光谱测量。选取9个样品数据用于建模，6个样品数据用于验证。结果表明：在400～2 400 nm波段范围内，不同波长下的长春土壤反射率光谱的预测均方根误差基本低于0.015，525 nm波长处的预测均方根误差最小，为0.000 922 5。综上所述，所建立的模型具有很高的预测精度，可很好地适用于不同含水量黑土土壤反射率光谱的模拟。     

可迁移的土壤重金属污染高光谱定性分类方法研究

现有基于高光谱遥感的土壤重金属污染定性分类模型，大多采用同一地区室内光谱测定训练样本数据进行模型构建与测试。但室内光谱测定需要复杂的处理过程，成本高，效率低，且无法快速获得目标区域空间上连续的光谱信息。考虑到实际应用需求，模型在相同实验区和不同试验区野外光谱数据是否具有较好的迁移推广能力是目前迫切需要回答的问题。为回答这一问题，选取湖南省郴州市和衡阳市两铅锌矿区作为实验研究区，选用支持向量机（SVM）作为分类器，将郴州实验区室内采样的83个样本数据和衡阳实验区室内采样的46个样本数据分别用于分类器训练，将衡阳地区野外采样的46个样本数据用于分类测试。并首先通过基于联合分布适配（JDA）的迁移学习方法进行光谱变换以缩小两地室内外测定光谱分布差异，然后进行不同区域室内外土壤重金属污染定性分类模型迁移。实验结果表明：（1）由于野外测得的光谱数据会受到太阳辐射、提取的土壤成分差异等因素的干扰导致室内外光谱数据存在显著的分布差异，难以直接将基于室内采样数据训练得到的土壤重金属污染定性分类模型迁移到同一地区测定的野外高光谱数据上。但通过JDA变换缩小室内外分布差异后，模型迁移能力得到显著提升，砷（As）、铅（Pb）和锌（Zn）三种重金属含量是否超标的分类精度都达到了84%以上，Zn元素含量是否超标的分类精度甚至达到了89%以上。（2）由于季节性影响、地区成分的干扰和光谱噪声的增加，不同地区光谱数据存在着更为显著的分布差异，加大了不同地区土壤重金属污染监测的难度，难以将基于室内采样光谱数据所建立的土壤重金属定性分类模型直接迁移到其他地区野外采样数据上（平均分类精度仅在50%左右）。经过JDA迁移学习方法进行室内外光谱变换处理后，模型迁移能力得到保证，因此，室外光谱采样可直接用于研究不同试验区域重金属（As，Pb和Zn）的污染情况。     

Discrete element modelling of large soil deformations under heavy vehicles

This paper addresses the challenges of creating realistic models of soil for simulations of heavy vehicles on weak terrain. We modelled dense soils using the discrete element method with variable parameters for surface friction, normal cohesion, and rolling resistance. To find out what type of soils can be represented, we measured the internal friction and bulk cohesion of over 100 different virtual samples. To test the model, we simulated rut formation from a heavy vehicle with different loads and soil strengths. We conclude that the relevant space of dense frictional and frictional-cohesive soils can be represented and that the model is applicable for simulation of large deformations induced by heavy vehicles on weak terrain.     

平面波输入下海水-海床-结构动力相互作用分析

海洋工程结构的地震反应分析是保证海洋工程结构地震安全的重要环节.由于其所处的复杂环境, 该问题涉及到流固耦合和土-结相互作用.本文基于海水、饱和海床、基岩流固耦合统一计算框架,采用Davidenkov模型和修正的Masing准则考虑饱和海床的非线性,在脉冲SV波垂直入射下, 进行了海域场地和海洋工程结构的动力响应分析. 首先,对比分析了线性自由场和非线性自由场输入情形的海域场地非线性反应,结果表明线性自由场输入时反应不合理,自由场分析和场地分析应该采用相一致的本构模型. 然后,对比分析了海床分别为线性和非线性情形时,海域场地以及海水-海床-结构体系的反应特征. 与线性海床情形相比,非线性对海床反应的影响主要由如下两方面因素控制: 一方面,非线性导致饱和海床模量减小, 饱和海床与基岩间的波阻抗比减小,由基岩到饱和海床间的反射系数和透射系数增加, 导致反应增大; 另一方面,非线性导致阻尼加大, 使海床反应减小. 对于本文算例而言,阻尼对非线性海床结果的影响占主导作用.      

A novel rigid wheel for agricultural machinery applicable to paddy field with muddy soil

The working performance of agricultural machinery is largely determined by the walking performance of the wheel when driving in complex unstructured soil. However, the driving performance of existing wheels is not satisfactory for paddy field with muddy soil. The purpose of the current study is therefore to propose a novel rigid wheel for agricultural machinery which is applicable to paddy field with muddy soil. Firstly, a novel arc edge shaped wheel was designed based on the principles of mechanics on the ground. Then the driving performance of this arc edge shaped wheel was evaluated using FE modeling of interaction between rigid wheel and soil. Finally, the structure originally designed arc edge shaped wheel was improved according to FE modeling results, and this improved design was further evaluated by both FE simulation and prototype experiments. Both FE modeling and experimental results indicate that the improved arc edge shaped wheel proposed in this study has a good driving performance with regarding to wheel sinkage and soil reaction force. The proposed arc edge shaped wheel could be used as an effective component of rice harvester for paddy field with muddy soil.     

梁-桩-土竖向耦合振动特性分析

针对桩与连续梁组合这一基础形式,研究了梁-桩-土竖向耦合振动特性. 首先,将桩假设为一维黏弹性杆件,采用平面应变模型模拟桩侧成层土对桩的动力作用. 同时,桩顶对梁的支撑简化为竖向点支撑. 然后,分别根据一维杆件纵向振动理论和Timoshenko梁理论给出桩和梁的竖向振动控制方程并求解,进而借助离散傅里叶逆变换获得在梁上瞬时激振下梁和土层以上桩段的时域响应半解析解. 通过与有限元模拟结果对比,验证了解的合理性. 在此基础上,讨论了梁几何参数和桩身缺陷对梁-桩-土竖向耦合振动特性的影响.     

Development of in-wheel sensor system for accurate measurement of wheel terrain interaction characteristics

Planetary rovers need high mobility on a rough terrain such as sandy soil, because such a terrain often impedes the rover mobility and causes significant wheel slip. Therefore, the accurate estimation of wheel soil interaction characteristics is an important issue. Recent studies related to wheel soil interaction mechanics have revealed that the classical wheel model has not adequately addressed the actual interaction characteristics observed through experiments. This article proposes an in-wheel sensor system equipped with two sensory devices on the wheel surface: force sensors that directly measure the force distribution between the wheel and soil and light sensors that accurately detect the wheel soil surface boundary line. This sensor design enables the accurate measurement of wheel terrain interaction characteristics such as wheel force distribution, wheel–soil contact angles, and wheel sinkage when the powered wheel runs on loose sand. In this article, the development of the in-wheel sensor system is introduced along with its system diagram and sensor modules. The usefulness of the in-wheel sensor system is then experimentally evaluated via a single wheel test bench. The experimental results confirm that explicit differences can be observed between the classical wheel model and practical data measured by the in-wheel sensor system.