運用萬能材料力學(xué)試驗機(jī)測定土壤力學(xué)穩(wěn)定性的方法及應(yīng)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(xué)試驗機(jī)測定土壤力學(xué)穩(wěn)定性的優(yōu)越性，并且探究不同施肥制度對土壤物理性質(zhì)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(jié)果] Control、TNPK、NPK+GM和NPK+GM+PM四組的平均抗壓強(qiáng)度分別是0.562、0.460、0.362和0.313 MPa。與傳統(tǒng)方法相比，萬能材料力學(xué)試驗機(jī)測出的抗壓強(qiáng)度平均值與傳統(tǒng)方法相當(dāng)，但其精度具有顯著優(yōu)勢，還能獲取土壤彈性模量，破壞能量等指標(biāo)。[結(jié)論]長期配施有機(jī)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(guān)鍵詞 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；紅壤性水稻土；土壤結(jié)構(gòu)；長期施肥

中圖分類號 S152.9 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)穩(wěn)定性指土壤抵抗外力作用或外部環(huán)境變化而保持其原有結(jié)構(gòu)形態(tài)的能力。研究土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(tǒng)土壤結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性的測定方法是利用土壤黏結(jié)力測定儀進(jìn)行測量。在整個過程都是由人為讀數(shù)記錄土塊破碎時的最大應(yīng)力。這在研究土壤應(yīng)變、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的材料力學(xué)方法測定紅壤性水稻土重塑土壤力學(xué)性質(zhì)。利用傳感器與計算機(jī)讀數(shù)，大大提高土壤破壞過程中壓力與應(yīng)變的讀數(shù)精度和數(shù)據(jù)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(xué)、簡便，而且更有效地解決了傳統(tǒng)儀器誤差大、主觀性強(qiáng)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(jī)肥長期定位試驗地。研究區(qū)域平均海拔高度26 m，屬亞熱帶季風(fēng)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(nóng)化性狀為：pH 5.7，有機(jī)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(shè)計

該試驗控制化肥和有機(jī)肥作為試驗變量。研究表明，化肥與有機(jī)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(zhì)量，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yōu)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(wěn)定后用滴管吸取多余水分。同時，在立方體模具內(nèi)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(jìn)行重塑。將土壤與模具放在陰涼干燥處自然風(fēng)干48 h后，再裝入鋁盒，放入設(shè)定為50 ℃的烘箱，烘干48 h至恒重。每個處理重復(fù)5次。

1.3.2 強(qiáng)度測定。

傳統(tǒng)的測定方法利用土壤黏結(jié)力測定儀（圖1）。首先，調(diào)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(zhuǎn)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(xù)轉(zhuǎn)動把手至試樣破碎為止，及時記下作用于試樣的壓力。詳細(xì)步驟參見《土壤物理研究法》[3]。在基于材料力學(xué)理論的方法中，利用美特斯萬能材料試驗機(jī)（圖2），用輕質(zhì)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(jī)，設(shè)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(jī)讀出壓力—應(yīng)變曲線。

1.3.3 結(jié)果計算。

用游標(biāo)卡尺測量每個試樣側(cè)表面的長與寬，計算側(cè)表面面積（S），再通過計算機(jī)導(dǎo)出數(shù)據(jù)，讀出壓力—應(yīng)變曲線中壓力最大值（P）。由壓強(qiáng)公式σ=P/S，計算出重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。在壓力—應(yīng)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(jìn)行積分，計算出破壞過程所需的能量（Q）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤抗壓強(qiáng)度

土壤的抗壓強(qiáng)度能夠直接反映土壤結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性。它受土壤孔隙狀況、土壤質(zhì)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(huán)境、根系穿插及養(yǎng)分吸收有重要意義[5-6]。由表2可知，采用傳統(tǒng)方法，Control、TNPK、NPK+OM、NPK+OM+PM 4種處理的土壤平均抗壓強(qiáng)度依次為0.512、0.401、0.336、0.305 MPa，各組變異系數(shù)在7.7%～21.4%之間。比較而言，運用萬能材料力學(xué)試驗機(jī)測定的結(jié)果依次為0.562、0.460、0.362、0.313 MPa，各組變異系數(shù)在2.0%～6.9%之間。采取改進(jìn)方法所測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)明顯小于傳統(tǒng)方法，因此其重復(fù)性較好，試驗精度較高。產(chǎn)生原因主要是由于傳統(tǒng)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(dǎo)致試樣所受壓力的增長不穩(wěn)定[3]。此外，傳統(tǒng)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(wěn)定而產(chǎn)生的偏心力，導(dǎo)致測量出的數(shù)據(jù)相比實際情況偏小。利用萬能材料試驗機(jī)改進(jìn)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(chǎn)生的壓力增長較穩(wěn)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(jīng)典材料力學(xué)理論中，彈性模量是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小[7]。李敏等[8]曾利用CBR試驗儀進(jìn)行土壤無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(jī)與萬能材料試驗機(jī)的連接，可以采集壓力—應(yīng)變曲線，借此能精確求得試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及破壞能量，相比于傳統(tǒng)方法能夠得出土壤更多的力學(xué)特性，效率更高，有利于對土壤各方面力學(xué)特性的研究，從而綜合分析土壤力學(xué)穩(wěn)定性的影響機(jī)制。由圖3可知，各組土壤在進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度破壞時的壓力—應(yīng)變關(guān)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(xué)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(qiáng)度所反映出的規(guī)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(jī)肥比配施化肥更能夠有效改善土壤物理性狀，預(yù)防土壤板結(jié)[9-12]。

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)土壤黏結(jié)力測定儀相比，運用萬能材料力學(xué)試驗機(jī)測定土壤抗壓強(qiáng)度能有效地規(guī)避人為、外界的影響，提高試驗精度和測定指標(biāo)。這對未來土壤力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性形成機(jī)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(jī)肥能夠有效改善土壤物理性狀，預(yù)防土壤板結(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭新華，張斌，趙其國.土壤有機(jī)碳庫與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)系的研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報，2004，41（4）：618-623.

[2] 李小昱，雷廷武，王偉.土壤抗壓強(qiáng)度的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2001，17（5）：19-21.

[3] 依艷麗.土壤物理研究法[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

[4] 魯艷紅.長期施肥條件下紅壤性水稻土有機(jī)質(zhì)特征及其與土壤質(zhì)量關(guān)系[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2001：67-68.

[5] 陳先茂，章發(fā)根，鄧國強(qiáng)，等.紅黃壤土壤結(jié)構(gòu)改良劑應(yīng)用效果研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，25（12）：86-88.

[6] BALL B C，BINGHAM I，REES R M.The role of crop rotations in determining soil structure and crop growth conditions[J].Canadian Journal of Soil Science，2005，85（5）：557-577.

[7] 范欽珊，殷雅俊.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[8] 李敏，柴壽喜，王曉燕，等.以強(qiáng)度增長率評價麥秸稈加筋鹽漬土的加筋效果[J].巖土力學(xué)，2011，32（4）：1051-1056.

[9] 李小剛，崔志軍，王玲英，等.鹽化和有機(jī)質(zhì)對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及阿特伯格極限的影響[J].土壤學(xué)報，2002，39（4）：550-559.

[10] 李江濤，鐘曉蘭，張斌，等.長期施用畜禽糞便對土壤空隙結(jié)構(gòu)特征的影響[J].水土保持學(xué)報，2010，24（6）：137-140，180.

[11] 何春梅，鐘少杰，李清華，等.種植翻壓紫云英對耕層土壤結(jié)構(gòu)性能及有機(jī)碳含量的影響[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，26（12）：32-34.

[12] SHEPHERD M A，HARRISON R，WEBB J.Managing soil organic matterimplications for soil structure on organic farms[J].Soil Use and Management，2002，18：284-292.