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
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：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：
由式 1 一 1 知：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<n<1)，即使在比较均匀的 某一层土壤(如耕作层或犁底层)，仍不是完全相同的，这是土壤质地不均匀、结构异变、性质不 稳定等许多因素综合影响所造成的。 图 1—2 土壤承载能力与下陷深度的关系 实线——幂函数典型图形 虚线——水田土壤的典型化曲线
(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<n<1)，即使在比较均匀的 某一层土壤(如耕作层或犁底层)，仍不是完全相同的，这是土壤质地不均匀、结构异变、性质不 稳定等许多因素综合影响所造成的。 图 1—2 土壤承载能力与下陷深度的关系 实线——幂函数典型图形 虚线——水田土壤的典型化曲线
(无表面水，割后晾晒的稻田砂壤土) 三、土壤的抗剪强度 耕耘机械工作部件对耕层土壤加工时，往往出现剪切破坏。在多数情况下，这种破坏接近二向受 力破坏，其剪切强度是根据摩尔一库伦(Mohr—coulomb)定律建立的数学表达式，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 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 能用于各种土质。 约束力较大，限定 剪 切面，排水调节困 难，操作简单，试 样
(无表面水，割后晾晒的稻田砂壤土) 三、土壤的抗剪强度 耕耘机械工作部件对耕层土壤加工时，往往出现剪切破坏。在多数情况下，这种破坏接近二向受 力破坏，其剪切强度是根据摩尔一库伦(Mohr—coulomb)定律建立的数学表达式，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 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 能用于各种土质。 约束力较大，限定 剪 切面，排水调节困 难，操作简单，试 样
切 剪切。适于 2 个以 上 一值进行试验 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 在圆柱形试样土 上直接加压，进行 压 缩剪切 仅用于粘性土，方 法最简单 叶 轮 剪 切 把图中所示的叶 轮压入土中，由扭 矩 M 使其旋转，同圆 柱 面进行剪切 仅适于粘土，不必 取样，直接进行 四、土壤粘附 1．土壤粘附力土壤粘附力又称粘着力或外附力。是指土壤与其它物体表面间的作用力，这种作 用力可以是在土壤与物体问加压之后产生，也可以是不加压就存在
切 剪切。适于 2 个以 上 一值进行试验 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 在圆柱形试样土 上直接加压，进行 压 缩剪切 仅用于粘性土，方 法最简单 叶 轮 剪 切 把图中所示的叶 轮压入土中，由扭 矩 M 使其旋转，同圆 柱 面进行剪切 仅适于粘土，不必 取样，直接进行 四、土壤粘附 1．土壤粘附力土壤粘附力又称粘着力或外附力。是指土壤与其它物体表面间的作用力，这种作 用力可以是在土壤与物体问加压之后产生，也可以是不加压就存在