第一章耕层土壤的力学性质与耕作

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1、第一章耕层土壤的力学性质与耕作第一节耕层土壤的力学性质在自然土壤的基础上，经过人类长期的耕作、施肥、灌溉等生产以及自然因素的持续作用形成了农业耕作土壤。组成耕作土壤固相的主要是矿物质和有机质。矿物质中包括各种大小不同的矿物质颗粒(砂粒、粉粒、粘粒等)；有机质则来源于农作物根茎等残留物、土壤中的动物、微生物残体及人工施用的有机肥等。土壤物理力学性质大多与土壤中的粘粒及有机质含量、含水量大小及外界环境的影响有关。由于土壤结构组成的复杂性及土壤内诸因素局部的微观差异，往往使农业土壤物理力学性质的有关测量值呈现出不规则性和随机性。而这种不规则性

2、和随机性使耕层土壤物理力学性质的变化规律不能作出精确的描述。因此，这种问题的解决还有待于新的理论与思想体系的引入与提出，其中Mandelbrot提出并建立的分形理论为解决这类问题带来了新的思路和方法。一、土壤强度土壤强度是某种土壤在特定条件下抵抗外力作用的能力，也可定义为土壤承受变形或应变的能力。因此土壤强度可以用建立应力应变方程式，或以其屈服点应力来表示。当耕耘机械加工土壤时，对土壤进行切削、翻转、破碎和平整等导致土壤产生应力应变、结构失效以及被压实等，在此土壤加工过程中，土壤所表现出的种种力学性质主要取决于土壤强度。土壤强度既受限于

3、土壤本身的特性，如质地和结构，又受限于环境条件，特别是土壤的含水量等。它的特性不仅关系到加工土壤时能耗的多少、质量的优劣，而且还关系到农机具行走装置的推进力以及各部件的摩擦磨损和整机的工作效率，对植物根系的生长发育也有直接影响。Micklethwaite是最早把土壤强度与机具联系起来的。应用土力学中的摩尔一库伦(Mohr--Coulomb)定律，建立了车辆的前进推力或附着力的模型。(1—1) 式中P，——土壤对车辆的最大推力或附着力；F——车轮的接地面积；C——土壤粘结力；G——法向载荷(或法向压力)；——土壤间的内摩擦角。由式1一1知

4、：当车轮的接触面积F和法向压力G为定值时，车辆的最大推力或附着力P，取决于土壤的粘结力C和内摩擦角驴，即同土壤强度成正比。耕耘机械切削土壤使之破碎，其能耗与土壤破碎程度成正相关，而土壤破碎的难易又与土壤强度成正比，所以破碎粘重而又板结的土壤，其能耗要比破碎砂性土壤大得多。图l一1土壤承载能力测定仪1．手柄2．压力弹簧3．记录筒4．测杆5．测头6．插针7．弦线8．记录笔二、土壤承载能力土壤承载能力又称土壤坚实度或土壤圆锥指数。土壤承载能力是表征土壤抗破坏、压缩和摩擦阻力的综合指标，它是指在垂直载荷作用下，土壤不同深度的抗压能力。一般是把圆

5、锥或圆柱测头垂直压入土层中，测得不同深度处土壤单位面积的压力。图1—1是土壤承载能力测定仪示意图。Bekker首次建立了土壤承载能力与下陷深度的数学模型，并被得到普遍的引用，其模型为：(1—2) 式中P——土壤承载能力；K——土壤内摩擦变形模量；Kc——土壤内聚力变形模量；b——矩形平板的宽度；Z——土壤下陷深度；n一一土壤的变形指数。由于K、Kc和n是一组土壤特性的常数值，对于某一特定的测盘或履带而言，b为一定值，则土壤承载能力与下陷深度的关系是幂函数，它的图形如图1—2中的实线所示。由图1—2可以看出，软湿土壤的承载能力与下陷深度的

6、关系并不是幂函数曲线，它的变形指数n是变化的，曲线的形状象“Z”字形，这不仅是在整个深度范围内(0

7、表达式，即：(1—3)式中——土壤的剪切强度；C——土壤的粘结力；d——土壤的正应力；——土壤的内摩擦角。土壤在无侧限时受压，是一种单向应力状态，通常是以剪应力的形式失效。无侧限的抗压强度吼也是根据摩尔一库伦定律建立的，即：(1—4) 由式1—3和式1—4看出，和都是c、的函数，用剪切试验法求c和的方法见表1—1所示。表1—1土壤主要剪切试验法名称剪切机理图试验方法C、的求法特点  直接剪切把试样土放入上下两层的剪切箱内，通过加压板上下加压，利用水平力进行剪切。适于2个以上一值进行试验能用于各种土质。约束力较大，限定剪切面，排水调节困难

8、，操作简单，试样可较少 二向压缩在圆柱形试样土上盖上橡胶膜，预加上侧压力氏，然后加上压力0l，产生压缩剪切从莫尔圆的包络线求得    能用于各种土壤，从理论上讲是最佳的，但操作困难    单向压缩在圆柱形试