不同含水率高易溶盐含量的伊犁黄土流变特性

流变学研究方法可以揭示黏弹性物质的流动和变形规律,常被应用于土体结构的力学稳定性及长期变形参数研究。为了深入探究伊犁黄土类土的黏弹性和结构稳定性,该研究采用流变仪对不同含水率和易溶盐(Na₂SO₄)含量的伊犁黄土类土进行了稳态和动态流变试验,引入Bingham模型对小剪切速率下的流变曲线进行了拟合,并分析解释了稳态和动态流变试验的演化过程。同时,讨论了含水率及易溶盐含量对稳态和动态流变参数的影响规律,定量分析了流变参数与各变量之间的关系。结果表明：稳态剪切过程中土体由固态向类固态转化,并最后趋于流态,具有剪切变稀行为;随着含水率及易溶盐含量增大,屈服应力和黏度均减小,且屈服应力在300～1 100 Pa之间。随着含水率和易溶盐含量增大,动剪切强度参数和黏弹性参数均线性减小,土体的结构稳定性降低。当剪切应变小于0.1%时,土体处于线性黏弹区,损耗因子变化不大;剪切应变大于0.1%时,损耗因子逐渐增大。高含水率及高易溶盐含量的土壤最先到达屈服点,说明高含水率和高易溶盐含量不利于土体结构的稳定性。随着含水率的增大,易溶盐含量对流变参数的影响程度变小...     

土壤容重和含水率对紫色土坡耕地耕层抗剪强度的影响

土壤抗剪强度既可评价土壤侵蚀敏感性,也是反映耕层土壤耕作性能的重要参数。不同剪切方式下土壤抗剪强度指标存在一定差异,以紫色土坡耕地耕层土壤为研究对象,采用室内重塑土三轴及直剪试验方法,研究容重和含水率对紫色土坡耕地耕层土壤抗剪强度的影响,并分析了2种试验方法的差异性。结果表明:(1)紫色土坡耕地耕层土壤黏聚力(c)总体随容重(ρd)增大而增加,随含水率(w)增加而减小,三轴及直剪试验条件下黏聚力最大值均出现在容重1.4 g/cm^3、含水率10%水平下,分别为32.33,21.78 kPa。耕层土壤内摩擦角(φ)随容重增加而增大,随含水率增大而减小,三轴及直剪试验条件下内摩擦角最大值均出现在容重1.4 g/cm^3、含水率10%水平下,分别为22.67°,29.11°。(2)在同一围压下,耕层土壤最大主应力差随容重增加而增大,随含水率增加而减小;在同一容重和含水率水平下,耕层土壤的最大主应力差随着围压升高而增大。(3)耕层土壤容重、含水率的交互作用对黏聚力和内摩擦角影响显著(P<0.05),对坡耕地耕层土壤抗剪强度抵抗侵蚀作用的最优土壤容重-含水率条件为1.4 g/cm^3—10%。(4)不同剪切方式影响了土体抗剪强度指标,耕层土壤黏聚力在三轴试验条件下大于或接近直剪试验结果,而土壤内摩擦角则明显小于直剪试验结果,这主要与两种剪切试验原理差异有关。     

平移式喷灌机行走阻力的确定及验证

行走阻力对平移式喷灌机的动力配置具有重要影响,为了确定不同土壤条件下喷灌机的行走阻力,为机组提供合理的动力配置依据。针对黄绵土和塿土2种土壤类型,以土壤含水率和容重为因素,选取表征机组行走阻力的5个土壤力学参数即土壤黏聚变形模数、摩擦变形模数、沉陷指数、黏聚力和内摩擦角为指标,采用二元二次通用旋转组合试验设计,通过平板沉陷试验与直接剪切试验,建立了2种土壤类型含水率、容重与5个参数间的回归模型,从而得出喷灌机所需行走阻力,并以此为依据对喷灌机行走驱动系统进行配置和田间行走试验。结果表明,含水率、容重和二者交互作用对2种土壤的5个参数均有显著影响(P0.05);随着含水率和容重增加,黄绵土黏聚变形模数呈减小趋势而塿土呈先增大后减小趋势,且2种土壤的摩擦变形模数均减小,沉陷指数均呈先减小后增大趋势,黏聚力与内摩擦角均增大。采用上述方法进行的驱动系统配置满足喷灌机动力需求,由5个参数的回归模型所得驱动功率计算值与田间试验功率实测值最大相对误差分别为6.43%、7.73%,模型合理。研究可为平移式喷灌机动力配置提供依据。     

土壤含水率和干容重对不同植被类型边坡土壤抗剪强度的影响

[目的]探究边坡土壤的含水率和干容重对土壤抗剪强度的影响,建立经验公式,为提高边坡稳定性提供理论依据。[方法]以浙江省凤阳山国家级自然保护区内黄棕壤地带3种植被类型(常绿阔叶林、针阔混交林、灌草林地)边坡土壤为对象,进行重塑土直剪试验,分析不同含水率分级(25%,27%,29%,31%,33%)和干容重分级(0.8,0.9,1.0,1.1,1.2g/cm3)对抗剪强度指标(内摩擦角φ和黏聚力c)的影响规律。[结果](1)黏聚力和干容重呈显著正相关,和含水率(mc)呈显著负相关。内摩擦角和干容重(ρd)呈显著正相关。(2)土壤黏聚力随含水率的增加而减小,随干容重的增加而增加;随着干容重的增加,内摩擦角有明显增加的趋势,总是在高密实度的情况下,内摩擦角较大。相对于黏聚力,内摩擦角受含水率的影响较小,随含水率的增大,在灌草林地和针阔混交林表现出非线性减小的特征,在常绿阔叶林则呈现先增大后减小的趋势,考虑出现最优含水率。(3)在同一含水率下,干容重对土壤黏聚力具有增强作用,黏聚力的对数和干容重呈线性正相关。考虑含水率和干容重的综合影响,加入影响系数β,建立了经验公式。[结论]黏聚力的对数与含水率呈显著负相关,与干容重呈显著正相关。土壤干容重对土壤内摩擦角影响显著,呈显著正相关。含水率对内摩擦角影响不明显。     

安溪县花岗岩崩岗土体水分特征曲线及其影响因素

为研究花岗岩崩岗土体水分特征曲线及其影响因素,以福建省安溪县崩岗崩壁土为对象,通过压力膜仪对土体进行脱湿试验,绘制出崩壁土体水分特征曲线,并进行曲线参数与影响因素的相关分析。结果表明:随崩壁土体垂直深度增加,崩岗土体塑性指数、黏粒含量、分形维数及磨圆度等均整体呈降低的趋势;水分特征曲线斜率随着深度的增加而增大,土壤持水能力减弱,残余含水率及VG模型参数ɑ却随之减小,而参数n却随之增大;残余含水率、参数(ɑ、n)均与容重和颗粒的磨圆度呈极显著相关;残余含水率可用容重和黏粒含量描述,参数ɑ可用容重和形状比率描述、参数n可用容重和塑性指数描述。研究结果可为崩壁非饱和土的强度试验提供参考。     

基于三轴UU试验的土体含水率对根土复合体强度特性的影响

为研究自然边坡其强度特性随含水率的变化规律。通过设计不同体积含水率(20%,27%,35%,40%,45%)和2种含根量(RAR=0.1%,0.3%)的重塑土进行不固结不排水三轴试验,以研究含水率对土体破坏方式、抗剪强度和初始切线模量的影响。结果表明：(1)试样破坏模式多为剪切变形和剪胀变形,在含水率为20%,27%时,出现明显剪切贯穿面破裂带,其余含水率下表现为剪胀变形;(2)含水率对根土复合体抗剪强度主要体现在黏聚力上,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体黏聚力分别降低67%,72%;含水率低于35%时,可用对数关系表示,随含水率升高,黏聚力明显降低;含水率达到35%以上时,可用线性关系表示,黏聚力下降速度减缓;含根量增加,抗剪强度提高;(3)不同含根量和围压下根土复合体初始切线模量与含水率关系可以用线性关系拟合,含水率从20%升至45%时,2种含根量的根土复合体初始切线模量平均分别降低43%和47%。综合考虑土体弹塑性和植物因素对土体位移或变形的影响,可提高边坡稳定性计算精度。研究结果可为植物边坡以及水土保持植被建设治理提供科学参考,丰富根系固土领域的科学理论。     

模拟降雨条件下塿土的溅蚀特征试验研究

溅蚀在破坏土壤表层结构的同时为后续侵蚀提供丰富材料,以黄土高原典型土壤塿土为试验用土,通过模拟降雨试验,根据溅蚀速率、溅蚀前后土壤颗粒组成及表面强度变化指标,系统研究塿土的溅蚀特征。结果表明,溅蚀速率随降雨历时呈现幂函数变化,分为迅速降低、缓慢降低、趋于稳定3个阶段。土盘表面松散颗粒及利于溅蚀的粒级范围内颗粒的消耗、团聚体破碎及超渗产生的水层消耗雨滴能量、结皮的形成和发育分别是3个阶段的主要影响因素。在90mm/h的雨强下,塿土颗粒富集与耗损的临界粒径是0.05mm,雨滴打击分离粒级0.05mm颗粒,富集迁移粒级0.05mm颗粒。当含水率相等时,降雨历时越长贯入深度越浅。塿土表面强度随降雨历时增加,0~30min是塿土结皮形成的关键时期。塿土溅蚀过程是表土颗粒组成不断变化和表面强度逐渐完善的过程。     

初始含水率对土壤垂直线源入渗特征的影响

为解决现有渗灌系统在深根系植物应用中存在的问题,该文设计了一种垂直线源灌水器,并通过室内土箱试验研究了不同初始含水率条件下砂黄土和塿土的垂直线源入渗特征。结果表明：Philip入渗公式的形式能够较好地描述2种土壤的三维入渗过程;入渗时间一定时,砂黄土和塿土的累积入渗量均与初始含水率之间呈二次函数递减关系;2种土壤入渗的最大径向距离、最大垂向距离、宽深比均与初始含水率之间呈二次函数抛物线关系;2种土壤相比,偏砂性的砂黄土累积入渗量在低初始含水率下较塿土大,但随着初始含水率的增加其减小速度较塿土快,偏黏重的塿土入渗临界初始含水率较砂黄土大,但其入渗范围较砂黄土小。这些结果可为不同土壤条件下的垂直线源灌水技术发展提供参考。     

土壤含水量和容重对砂姜黑土抗剪强度的影响及其传递函数构建

【目的】砂姜黑土湿时泥泞,干时僵硬,难耕难耙,适耕期短,研究砂姜黑土抗剪强度对于确定土壤适耕性具有重要意义。【方法】以砂姜黑土为研究对象,土壤容重设置1.2、1.4和1.6 g cm^-3共3个水平,土壤含水量设置田间持水量的100%、85%、70%、55%和40%共5个水平,采用直剪仪测定土壤抗剪强度参数(黏聚力,c;内摩擦角,?),分析土壤剪切特性随土壤含水量(θ)和容重(ρ)的变化规律,并利用多元回归拟合建立土壤抗剪强度(τ)的传递函数。【结果】砂姜黑土黏聚力随土壤含水量增加呈现指数减小趋势,随土壤湿容重(ρ^’)增加呈线性增加趋势,三者关系能够用回归方程■表示■。内摩擦角随土壤含水量增加先减小之后趋于稳定,随土壤湿容重增加而增加,表现出■的规律性变化。参照Mohr-Coulomb抗剪强度公式,建立砂姜黑土的抗剪强度传递函数■,该函数能够很好地表示砂姜黑土的抗剪强度变化规律(R²=0.870,P<0.001)。【结论】土壤含水量和容重是砂姜黑土抗剪强度的两个重要影响因素,在此基础上构建了以土壤含水量和湿容重为自变...     

荞麦籽粒生物力学性质及内芯黏弹性试验研究

针对可供相关作业机械设计参考的荞麦籽粒生物力学性质指标可用参数缺乏的现状,该文研究了优种荞麦籽粒的常规力学性质及芯粉黏弹性力学性质,并对相关影响因素进行了分析。试验测定了不同品种荞麦籽粒在不同含水率下的三轴尺寸、千粒质量、容重等基本物性参数,采用斜面仪、休止角测定装置测定了荞麦籽粒的滑动摩擦系数及休止角,应用DMA(Q800)动态力学性能分析仪测定了荞麦(粉状)的动态黏弹性,运用物性分析仪测定了荞麦籽粒的破坏力、破坏能等力学性质,利用摆锤式动载试验机测定了荞麦籽粒所能承受的最大撞击载荷。结果表明:同一品种荞麦籽粒的长、宽、高、千粒质量、几何平均径均随含水率的降低而减小,容重随着含水率的降低而增大;摩擦系数随含水率的降低而减小,籽粒与Q235钢板的摩擦系数最大,与7075铝合金板的次之,与304不锈钢板的最小;休止角随含水率的降低而减小;随着含水率的降低,破坏力、表观弹性模量和最大接触应力逐渐增大,变形量逐渐减小,破坏能呈上升趋势。而在相同含水率下,不同品种荞麦籽粒的物性参数及上述力学特性参数均呈现极显著差异(P0.0001)。荞麦粉末的储能模量随含水率的降低而增大,弹性性能提高,损耗模量和损耗正切随含水率的降低而减小,黏性性能降低。同一品种荞麦在相同含水率下,撞击载荷越大,破碎率越高;同一撞击载荷下,随着含水率的降低,籽粒的破碎率先减小后增大。研究结果可为荞麦收获及加工装备研制、参数优化提供基础依据。     

土粒表面电场对土壤团聚体破碎及溅蚀的影响

团聚体是土壤结构的基本单元,其稳定性是评估土壤抗侵蚀能力的重要指标。土壤团聚体破碎是降雨溅蚀发生的关键一步。土粒表面电场对团聚体稳定性具有重要影响,必然也会深刻影响降雨溅蚀过程。该文以黄土母质发育的黄绵土和塿土为研究对象,采用不同浓度的电解质溶液定量调控土粒表面电场,研究不同电场强度对团聚体破碎及溅蚀的影响。结果发现:1)随电解质浓度的降低,土粒表面电位升高,表面电场增大,黄绵土和塿土团聚体平均重量直径减小,团聚体稳定性降低,降雨溅蚀量增大。2)电解质浓度小于10-2 mol/L,黄绵土和塿土表面电位绝对值分别高于202.0和231.6 mV,此时团聚体稳定性和溅蚀量变化不明显,表明表面电位202.0和231.6 mV分别是影响黄绵土和塿土团聚体稳定性及溅蚀的关键电位。3)随着土粒表面电场的减弱,团聚体破碎后释放的<0.15 mm微团聚体含量减小,>0.25 mm大团聚体含量增加,团聚体倾向于破碎为更大粒级的团聚体。4)电场作用下团聚体的破碎特征对降雨溅蚀具有重要的影响,溅蚀量与团聚体破碎释放的<0.15 mm微团聚体含量呈显著正相关,与>0.25 mm大团聚体含量呈显著负相关。上述结果表明,当降雨进入土壤后,对于干燥的土壤而言,土壤溶液电解质浓度被迅速稀释,土粒表面产生强大的电场,该电场通过影响团聚体破碎程度进而影响降雨溅蚀。该研究有助于加深对降雨溅蚀的科学认识,同时也为土壤团聚体稳定性及降雨溅蚀的人为调控提供了一定的理论依据。     

Shear strength of surface soil as affected by soil bulk density and soil water content

This paper proposes a new method to measure the soil strength parameters at soil surface in order to explain the processes of soil erosion and sealing formation. To simulate the interlocks between aggregates or particles within top 2 mm of the soil, a piece of sandpaper (30 particles cm⁻²) was stuck on the bottom face of a plastic box of diameter of 6.8 cm with stiffening glue and used as shear media. The soil strength for the soils from sandy loam to clayey loam was measured with penetrometer and the new shear device at soil surface at different bulk density and soil water content. The normal stresses of 2, 5, 8, 10 and 20 hPa were applied for the new shear device. The results indicated that significant effect of bulk density on soil strength was detected in most cases though the difference in bulk density was small, ranging from 0.01 to 0.09 g cm⁻³. It was also indicated that the measurement with the new shear device at soil surface was reproducible. The changes in soil shear strength parameters due to changes in bulk density and soil moisture were explainable with the Mohr–Coulomb’s failure equation and the principles of the effective stress for the unsaturated soils. The implications of the method were later discussed.     

不同降雨强度下土壤结皮强度对侵蚀的影响

为定量分析土壤结皮对坡面侵蚀的影响,该文选择塿土、黄绵土、黑垆土和黄墡土4类土壤,分析其在3种雨强(60、90、120 mm/h)下的结皮强度变化规律。结果表明,当土壤含水率高于30%时,不同降雨强度下结皮强度差异不显著(P0.05),当含水率小于30%时,结皮强度随降雨强度增大而增强。以杨凌塿土10°坡面为例,进行坡面人工模拟降雨试验,分析计算不同强度结皮坡面的侵蚀产沙、径流剪切力、阻力系数以及流速,结果表明:结皮对坡面产流的影响并不显著,但其存在有效地减少坡面的侵蚀产沙量。结皮存在能有效地减少坡面产沙量,无结皮坡面的产沙量是结皮坡面产沙量的1.24~8.72倍。相同降雨条件下,结皮强度越大,其产沙量越小。进一步通过灰色关联分析得出:随着坡面结皮强度增加,水流功率对坡面侵蚀的作用效益不断减小,而阻力系数的作用效益增加,即水流增加产沙的正效应不断减弱;另一方面,结皮强度增大使得坡面土壤抗蚀性增强,因此,结皮强度越大,坡面侵蚀量将大幅度减少。研究可为准确有效预报坡面土壤侵蚀提供重要依据。     

含水率与静置时间对滩涂土壤流变特性试验

为了研究贝类养殖的滩涂土壤的流变属性和结构稳定性,采用旋转流变仪对不同含水率和不同静置时间的滩涂土壤进行了流变试验,通过单因素试验研究了各因素对滩涂土壤流变特性的影响,并分析了土壤剪切过程中的变化机理。同时,通过Response Surface Methodology中的Central Composite Design试验建立了屈服应力与含水率和静置时间之间的数值模型,并比较了含水率和静置时间对屈服应力产生的影响。结果表明：1）剪切过程中滩涂试样经过了弹塑性阶段、固液转化阶段和流体阶段,滩涂土壤表现出了静置时间越长,固液转化阶段就越长的性质,且剪切过程中表现出剪切稀化的性质。2）静置时间的增加会导致整体剪切应力和屈服应力同时增加,含水率的增加会导致整体剪切应力和屈服应力的降低,且滩涂土壤存在一个含水率分界点,此含水率分界点在64.5%～67.0%之间,当超过这个含水率分界点的试样的静置时间超过31 h时,试样的屈服应力基本不会再发生较大的波动,大小在2 240～4 380 Pa之间,此外,静置时间在0～53 h之间且含水率在62.0%～69.5%之间的试样的屈服应力在1 870～5 410 Pa之间。3）含水率对屈服应力的影响比静置时间的影响更加显著,模型的R²为0.953 4,并且在验证试验中,屈服应力的测量值与预测值之间的误差在15.0%以内,都说明了数值模型的可靠性。研究定性和定量地表征了滩涂土壤的流变特性,为滩涂贝类采收机械的研发和优化提供参考。     

A rapid, inexpensive and quantitative procedure for assessing soil structure with respect to cropping

Abstract. The essential factors dependent on soil structure that influence plant growth are soil/root contact, adequate air and water, and low mechanical impedance. Bulk density, shear strength and texture arc interrelated closely and permit quantification of these factors. A general relationship between clay content and vane shear strength of soil at field capacity and non-limiting bulk density provides a rapid means of quantitatively estimating structure. We propose a procedure utilizing vane shear strength and a tactile assessment of clay content as criteria for judging soil structure in the field.     

Mechanisms of soil vulnerability to compaction of homogenized and recompacted Ultisols

Soil compaction is a main cause of soil degradation in the world and the information of soil compaction in subtropical China is limited. Three main Ultisols (quaternary red clay, sandstone and granite) in subtropical China were homogenized to pass through 2 mm sieve and recompacted into soil cores at two bulk densities (1.25 and 1.45 g cm⁻³). The soil cores were equilibrated at different matric potential values (−3, −6 and −30 kPa) before subjected to multi-step compaction tests. Objectives of this study were to determine how different initial soil conditions and loading time intervals influence pre-compression stress and to evaluate an easy measure to determine soil vulnerability to compaction. It became evident that the soil strength indicator, pre-compression stress, was affected by soil texture, initial soil bulk density and matric potential. The coarser the soil texture, the lower the bulk density and the higher the matric potential, the lower was the pre-compression stress. The pre-compression stress decreased exponentially with increasing initial soil water content. Soil water content and air permeability decreased after compaction. The amount of water loss was affected not only by soil texture, bulk density and initial water content but also by loading time interval. These results indicate soil pore structure and hydraulic conductivity changed during compactions. The applied stress corresponding to the highest changes of pore water pressure during compaction had a significant linear relationship with the pre-compression stress (R=0.88, P<0.001). The correlation was ascribed to that the changes in pore water pressure describe the dynamics of the interactive effects of soil pore characters and soil water movement during compaction. The results suggested the evaluation of soil vulnerability to compaction have to consider the initial soil condition and an easy method to measure the changes in pore water pressure can be applied to compare soil strength and soil vulnerability to compaction.     

有机肥质量分数对土壤导水率稳定性的影响

饱和导水率是水循环和土壤侵蚀模型中的重要参数,也是土壤结构改善的重要指标.通过室内土柱模拟实验研究有机肥添加量对风沙土和壤土导水率的影响.土壤添加有机肥的比例设置为0％、5％、10％、15％、20％、25％、30％7个水平,土壤密度设3个水平,各处理5个重复.结果表明：1）土壤饱和导水率随有机肥质量分数的增加呈降低趋势,风沙土的饱和导水率随有机肥质量分数的增加呈直线下降趋势,而壤土饱和导水率的降低趋势随有机肥质量分数的增加减缓;2）有机肥质量分数的增加对土壤密度的降低作用可以抵消有机肥增加导致的饱和导水率的降低;3）低土壤密度下土壤导水率随时间变化不稳定,土壤密度增大后随时间变化稳定.随着有机肥质量分数的增加,土壤导水率的测定过程趋于稳定,但是测定时间延长.     

Critical soil bulk density and strength for pea seedling root growth as related to other soil factors

Bulk density and soil strength are two major soil physical factors affecting root growth of pea seedlings. This study was conducted to determine the influence of soil texture, organic carbon content and water content on critical bulk density and strength. Soil from the plough layer (PL) and beneath the sub-soil (SUB) was used. By soil packing and adjusting the water content between 30% and 100% of field water capacity (FWC) a wide range of bulk density (1.3–1.7 Mg m⁻³) and strength (0.24–6.66 MPa) were obtained. Pea (Pisum sativum L.) was grown in the packed cores of 100 cm³ for 72 h at 20°C. Regression models were developed to explain root growth in terms of bulk density, soil strength, silt and clay (<60 μm) content, organic carbon, and water content. The regression curve of root growth as a function of soil strength showed that 40% of maximum root length can be regarded as an indicator of very poor root growth. By substituting this value into the root growth equations we calculated a critical bulk density and strength in terms of fraction<60 μm, organic carbon percentage and water content. The values of critical bulk density in both layers and of critical soil strength in the sub-soil increased with a decreasing content of fraction<60 μm. Irrespective of fraction<60 μm content, the critical bulk density and strength decreased as soil water content decreased. Critical soil strength was more sensitive than critical bulk density to changes in fraction<60 μm content and water content. This study provides data and a method for predicting critical bulk density and soil strength in relation to other soil properties for pea seedling root growth.     

冻融状态和初始含水率对土壤力学性能的影响

冻融状态影响土壤的抗剪强度从而威胁季节性冻土地区的工程安全、边坡稳定以及土壤流失。通过直剪试验测定了不同冻融状态和初始含水率对青藏地区(S1)和北京地区(S2)土体抗剪强度的影响。结果显示,2种土在未冻和已融状态下的抗剪强度相似,且均随着土含水率的增加而减小,但S1土抗剪强度比S2土大7.5%~9.7%;在冻融状态下,S1土抗剪强度随着土含水率的增加而增大,而S2土则随之减小。S1冻融土抗剪强度在低含水率(≤13.5%)时小于未冻土和已融土,而在高含水率(≥24.5%)时则反之;S2冻融土抗剪强度小于未冻土和已融土。在冻融状态下2种测试土的内摩擦角显著小于未冻土和已融土,而黏聚力整体上则大于未冻土和已融土。与未冻土或已融土相比,2种土在冻融状态下的强度相对较低,宜作为季节性冻土地区工程设计以及土壤流失防治的基本状态。