運用萬能材料力學試驗機測定土壤力學穩定性的方法及應用

佘文翀　余丹陽　畢利東等

摘要 [目的]為了分析運用萬能材料力學試驗機測定土壤力學穩定性的優越性，并且探究不同施肥制度對土壤物理性質的影響。[方法]以江西省紅壤研究所水田長期定位試驗土壤為對象，將其分為4組，并做對照試驗。[結果] Control、TNPK、NPK+GM和NPK+GM+PM四組的平均抗壓強度分別是0.562、0.460、0.362和0.313 MPa。與傳統方法相比，萬能材料力學試驗機測出的抗壓強度平均值與傳統方法相當，但其精度具有顯著優勢，還能獲取土壤彈性模量，破壞能量等指標。[結論]長期配施有機肥可以改善紅壤稻田土壤物理性狀，使稻田土壤更為松軟，更加有利于作物生長。

關鍵詞 無側限抗壓強度；紅壤性水稻土；土壤結構；長期施肥

中圖分類號 S152.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-087-03

Abstract [Objective] The advantage of determining compressive strength of soil was analyzed using the universal material testing machine， and the influence of different fertilization systems on soil physical properties was studied. [Method] Taken the soil from longterm organic fertilization experiment in Jiangxi institute of red soil as test object， it could be divided into four groups and a controlled trial was made.[Result]A case study showed that the average compressive strength of Control， TNPK， NPK+GM and NPK+GM+PM were 0.562， 0460， 0.362 and 0.313 MPa. Compared with the traditional method， the data measured by new approach was similar to the old ways， but the standard deviation of new data was less. The new approach could get the data of the soil elastic modulus and break energy，etc. [Conclusion] Long term application of organic fertility can improve the character of red paddy soil so that it is more beneficial to the growth of crops.

Key words Unconfined compressive strength；Red paddy soil； Soil structure； Longterm fertilization

土壤力學穩定性指土壤抵抗外力作用或外部環境變化而保持其原有結構形態的能力。研究土壤結構穩定性，對于確定合理土壤耕作方法以及維持和保障土壤肥力具有重要的意義[1-2]。傳統土壤結構力學穩定性的測定方法是利用土壤黏結力測定儀進行測量。在整個過程都是由人為讀數記錄土塊破碎時的最大應力。這在研究土壤應變、應力應變關系等方面存在明顯不足[3]。以江西省紅壤研究所水田長期定位試驗土壤為對象，依照標準的材料力學方法測定紅壤性水稻土重塑土壤力學性質。利用傳感器與計算機讀數，大大提高土壤破壞過程中壓力與應變的讀數精度和數據量。精確計算出土壤的彈性模量和破壞所需的能量，不僅使研究方法更加科學、簡便，而且更有效地解決了傳統儀器誤差大、主觀性強等缺點。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

土壤樣品為紅壤性水稻土，采自江西省紅

壤研究所（28°21′ N，116°10′ E）有機肥長期定位試驗地。研究區域平均海拔高度26 m，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫18.1 ℃，年均降雨量1 727 mm。在試驗開始前，0～20 cm耕層土壤基本農化性狀為：pH 5.7，有機碳16.2 g/kg，全氮1.58 g/kg，全磷 0.51 g/kg，堿解氮 144 mg/kg，有效磷 10.3 mg/kg，速效鉀 38.2 mg/kg，CEC 5.45 cmol/kg。

1.2 試驗設計

該試驗控制化肥和有機肥作為試驗變量。研究表明，化肥與有機肥（豬糞和紫云英）長期配施可顯著地降低土壤容重和土粒密度，提高孔隙度，有利于改善土壤物理質量，提高土壤結構穩定性[4]。因此，選擇無肥對照（Control）、全量氮磷鉀（TNPK）、化肥紫云英配施（NPK+GM）及化肥紫云英豬糞配施（NPK+GM+PM）4組處理做試驗對比，以期說明新舊方法的差異性和優劣性。各處理肥料投入量見表1。

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣制備。

稱量一定量的干燥土壤于燒杯中，加水沒過土壤，混合，并輕微攪拌，模擬田間翻耕過程。攪拌后靜置4 min，待土壤沉積穩定后用滴管吸取多余水分。同時，在立方體模具內壁涂抹一薄層凡士林，然后用刮刀將飽和土壤均勻填入模具中進行重塑。將土壤與模具放在陰涼干燥處自然風干48 h后，再裝入鋁盒，放入設定為50 ℃的烘箱，烘干48 h至恒重。每個處理重復5次。

1.3.2 強度測定。

傳統的測定方法利用土壤黏結力測定儀（圖1）。首先，調整測定儀，使彈簧拉力計的指針位于零點，將試樣至于兩活動板之間，順時針轉動把手，將試樣擠壓于活動板之間，此時纏在輪上的繩緊牽拉力計及固定下部的活動板以造成拉力計彈簧的張緊。持續轉動把手至試樣破碎為止，及時記下作用于試樣的壓力。詳細步驟參見《土壤物理研究法》[3]。在基于材料力學理論的方法中，利用美特斯萬能材料試驗機（圖2），用輕質的鋁合金作為材料制成其壓盤，在最大程度減小誤差。將制備好的試樣放入試驗機，設置試驗測試速度為2 mm/min，使用200 N壓力傳感器，將試樣放入儀器，并與活動板接觸后，點擊啟動按鈕開始測試，并且利用計算機讀出壓力—應變曲線。

1.3.3 結果計算。

用游標卡尺測量每個試樣側表面的長與寬，計算側表面面積（S），再通過計算機導出數據，讀出壓力—應變曲線中壓力最大值（P）。由壓強公式σ=P/S，計算出重塑土的無側限抗壓強度。在壓力—應變曲線中彈性階段，由公式E=σ/ε=P/（S·ε）計算出彈性破壞過程中的彈性模量，同時對試樣破壞點前的曲線進行積分，計算出破壞過程所需的能量（Q）。

2 結果與分析

2.1 土壤抗壓強度

土壤的抗壓強度能夠直接反映土壤結構力學穩定性。它受土壤孔隙狀況、土壤質地、黏土礦物種類等多種土壤物理特性的影響。這對于研究作物生長的土壤環境、根系穿插及養分吸收有重要意義[5-6]。由表2可知，采用傳統方法，Control、TNPK、NPK+OM、NPK+OM+PM 4種處理的土壤平均抗壓強度依次為0.512、0.401、0.336、0.305 MPa，各組變異系數在7.7%～21.4%之間。比較而言，運用萬能材料力學試驗機測定的結果依次為0.562、0.460、0.362、0.313 MPa，各組變異系數在2.0%～6.9%之間。采取改進方法所測數據的變異系數明顯小于傳統方法，因此其重復性較好，試驗精度較高。產生原因主要是由于傳統的測量方法在加壓過程中難以做到恒定、精確地施加壓力或位移，導致試樣所受壓力的增長不穩定[3]。此外，傳統儀器只由一個固定夾板及一個活動夾板固定試樣，避免不了試樣受力時由于夾板不穩定而產生的偏心力，導致測量出的數據相比實際情況偏小。利用萬能材料試驗機改進后的方法能夠以恒定的位移變化率移動的特性，對試樣表面產生的壓力增長較穩定，同時由于所施加的壓力通過軸心，不存在偏心受壓的情況。

2.2 彈性模量及破壞能量

在經典材料力學理論中，彈性模量是衡量材料產生彈性變形難易程度的指標。其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大，亦即在一定應力作用下，發生彈性變形越小[7]。李敏等[8]曾利用CBR試驗儀進行土壤無側限抗壓強度的試驗，但采取該方法只能讀出土壤破壞時的壓力大小。而該方法通過計算機與萬能材料試驗機的連接，可以采集壓力—應變曲線，借此能精確求得試樣的抗壓強度、彈性模量及破壞能量，相比于傳統方法能夠得出土壤更多的力學特性，效率更高，有利于對土壤各方面力學特性的研究，從而綜合分析土壤力學穩定性的影響機制。由圖3可知，各組土壤在進行無側限抗壓強度破壞時的壓力—應變關系具有明顯的差異。由表3可知，與各施肥處理相比，無肥對照處理（Control）彈性模量顯著較高。

由表4可知，利用材料力學的方法，4種處理的土壤試樣在其破壞過程中破壞所需的能量分別為0.032、0.027、0.022、0.019 J，與抗壓強度所反映出的規律性、差異性類似，即Control>TNPK>NPK+OM>NPK+OM+PM。由此可知，長期配施有機肥比配施化肥更能夠有效改善土壤物理性狀，預防土壤板結[9-12]。

3 結論

與傳統土壤黏結力測定儀相比，運用萬能材料力學試驗機測定土壤抗壓強度能有效地規避人為、外界的影響，提高試驗精度和測定指標。這對未來土壤力學結構穩定性形成機制的深入研究具有重要意義。研究表明，與無肥對照及單施化肥相比，長期配施有機肥能夠有效改善土壤物理性狀，預防土壤板結。

參考文獻

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