土壤的物理机械性质

1、第四章第四章 土壤的物理机械性质土壤的物理机械性质第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性第二节第二节 土壤的抗剪强度土壤的抗剪强度第三节第三节 土壤的压缩和压实土壤的压缩和压实o 土壤的物理机械性质：土壤对外力的反作用土壤的物理机械性质：土壤对外力的反作用力和变形的特性称为。力和变形的特性称为。n 主要受土壤的主要受土壤的结持性结持性以及以及对外力作用时而产生对外力作用时而产生的摩擦性的摩擦性、抗剪强度抗剪强度、压缩特性压缩特性等影响。等影响。n 研究了解土壤的物理机械性质，对提高土壤的研究了解土壤的物理机械性质，对提高土壤的耕作质量、节约动力十分重要。耕作质量、节约动力十分重要。第一节第一节

2、 土壤的结持性土壤的结持性o 土壤的结持性土壤的结持性：指在不同含水量条件下，土指在不同含水量条件下，土壤抵抗破碎、变形以及粘着在其它物体上的壤抵抗破碎、变形以及粘着在其它物体上的性质。性质。o 土壤结持性包括：土壤结持性包括：粘结性、粘着性、塑性粘结性、粘着性、塑性。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性一、土壤粘结性一、土壤粘结性o指土壤抵抗机械破碎的性质。是指土壤抵抗机械破碎的性质。是土粒水土粒土粒水土粒之间不同力相之间不同力相互作用的结果。互作用的结果。 土壤的粘结性大小以压碎或拉断单位断面土柱所需的力表示土壤的粘结性大小以压碎或拉断单位断面土柱所需的力表示（N/cm2）. 1土壤粘结

3、力：土壤粘结力：是产生土壤粘结性的根本原因。是产生土壤粘结性的根本原因。一种是一种是分子内聚力分子内聚力（范德华力和静电引力等）（范德华力和静电引力等）另一种是另一种是水膜的弯月面力水膜的弯月面力。（土壤含水量低时，弯月面力很大）。（土壤含水量低时，弯月面力很大）第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性2影响土壤粘结性的因素影响土壤粘结性的因素（1）水分：）水分： a 非粘闭土壤非粘闭土壤：即疏松土壤（如结构好的土壤、：即疏松土壤（如结构好的土壤、沙性土壤、疏松土壤）。沙性土壤、疏松土壤）。 粘结力：粘结力：主要受水膜弯月面力决定。（曲线主要受水膜弯月面力决定。（曲线C） b 粘闭土壤：粘闭土壤

4、：即土粒紧密排列的土壤（压实土壤、即土粒紧密排列的土壤（压实土壤、大土块等）。大土块等）。 粘结力：粘结力：主要受分子内聚力和水膜弯月面力的主要受分子内聚力和水膜弯月面力的双重作用。（曲线双重作用。（曲线A、B）含水量多时，水膜弯月面力影响大，粘结力减小；含水量多时，水膜弯月面力影响大，粘结力减小；含水减少时，内聚力增加，弯月面力也增加，粘含水减少时，内聚力增加，弯月面力也增加，粘结力迅增。结力迅增。 土壤粘结力随含水量的减少而迅速增加。土壤粘结力随含水量的减少而迅速增加。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性（2）土壤质地）土壤质地o 土壤质地越细，土粒间分子引力越大，水膜越土壤质地越细，土

5、粒间分子引力越大，水膜越多，粘结性越强。多，粘结性越强。（3）阳离子种类、有机质含量）阳离子种类、有机质含量o Na使土粒分散，增加粘结性；使土粒分散，增加粘结性；Ca2+使胶粒使胶粒凝聚，减少土粒接触面积，降低粘结力。土壤凝聚，减少土粒接触面积，降低粘结力。土壤腐殖质可增加砂土粘结力，而减少粘土的粘结腐殖质可增加砂土粘结力，而减少粘土的粘结力力。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性3土壤粘结性与土壤耕作的关系土壤粘结性与土壤耕作的关系o 粘结力大，耕作时易形成大土块，即使经粘结力大，耕作时易形成大土块，即使经耙耱也会形成小于耙耱也会形成小于0.25mm的团聚体，破的团聚体，破坏土壤结构。坏

6、土壤结构。o 粘结力增加农机具对土壤作用的阻力和附粘结力增加农机具对土壤作用的阻力和附着力。着力。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性二、土壤的粘着性二、土壤的粘着性o土壤的粘着性：土壤的粘着性：土壤粘附于其它物体的性质称土壤土壤粘附于其它物体的性质称土壤的粘着性。的粘着性。 粘着性是粘着性是土粒水外物分子间土粒水外物分子间相互作用的结果。相互作用的结果。 粘着性大小，以粘着强度（粘着性大小，以粘着强度（ N/cm2 ）表示。）表示。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性1影响土壤粘着性大小的因素影响土壤粘着性大小的因素o （1）土壤含水量土壤含水量：含水少时，粘着性小，含水增多，粘着：含水

7、少时，粘着性小，含水增多，粘着性增大。随土壤水分进一步增加，水膜加厚，吸水力减小，性增大。随土壤水分进一步增加，水膜加厚，吸水力减小，粘着强度降低。当含水量增多至土壤成流体状态时，粘着性粘着强度降低。当含水量增多至土壤成流体状态时，粘着性消失。消失。o （2）土壤质地土壤质地：土粒越细，粘着性越强。：土粒越细，粘着性越强。o （3）农机具材料的性质农机具材料的性质：农机具所用材料的亲水性，直接：农机具所用材料的亲水性，直接影响土壤的粘着强度。亲水性强，易粘着，反之不易粘着。影响土壤的粘着强度。亲水性强，易粘着，反之不易粘着。（木料易粘着，塑料不易粘着）（木料易粘着，塑料不易粘着）o （4）土壤

8、有机质含量、结构性土壤有机质含量、结构性：有机质多、结构性好的土：有机质多、结构性好的土壤，粘着性低。壤，粘着性低。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性2土壤粘着性对土壤耕作的影响土壤粘着性对土壤耕作的影响o 粘着性强时，增加耕作阻力，降低耕作质量。粘着性强时，增加耕作阻力，降低耕作质量。o 生产中采用表面光滑、摩擦系数小、亲水性差生产中采用表面光滑、摩擦系数小、亲水性差的农机具材料，或者降低土壤含水量都有利于的农机具材料，或者降低土壤含水量都有利于提高耕作质量。提高耕作质量。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性o Fountaine和和Payne研究指出研究指出:土壤粘着在农具上的主土壤

9、粘着在农具上的主要原因是土壤的要原因是土壤的粘结强度粘结强度土壤的土壤的粘着强度粘着强度。o 提出控制土壤粘着农具的因素：提出控制土壤粘着农具的因素：n土壤的土壤的粘结性要大粘结性要大干燥土壤粘结性最大，脱土最好；干燥土壤粘结性最大，脱土最好；n土壤土壤内摩擦系数要大内摩擦系数要大有结构的土壤内摩擦系数大，有利脱土；有结构的土壤内摩擦系数大，有利脱土；n土壤与金属的土壤与金属的外摩擦系数要小外摩擦系数要小要利用摩擦系数低的材料，或提要利用摩擦系数低的材料，或提高金属表面的光洁度；高金属表面的光洁度；n土壤对金属的土壤对金属的粘着性要小粘着性要小，土壤含水量少，土粒和金属之间不足，土壤含水量少，

10、土粒和金属之间不足以形成水膜；土壤含水量超出一定范围，水膜厚度增加，土壤水以形成水膜；土壤含水量超出一定范围，水膜厚度增加，土壤水吸力减小，粘着性降低。吸力减小，粘着性降低。n农具与前进方向所成的农具与前进方向所成的角度应保持最小角度应保持最小。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性三、土壤的可塑性三、土壤的可塑性o 土壤在外力作用下，能塑造成任意形状而不破裂，并在土壤在外力作用下，能塑造成任意形状而不破裂，并在去掉外力以后仍能保持新形状的性质，去掉外力以后仍能保持新形状的性质，称土壤塑性称土壤塑性。o 塑性仅在一定含水量范围才能表现出来。塑性仅在一定含水量范围才能表现出来。 干土无塑性，随土

11、壤含水量增加干土无塑性，随土壤含水量增加 至土粒表面至土粒表面形成一薄层水膜时形成一薄层水膜时 因水膜张力作用使土粒粘结在因水膜张力作用使土粒粘结在一起一起 当外力大于水膜的张力时当外力大于水膜的张力时 土粒相互滑动土粒相互滑动 使土体变形。外力消失时，土粒仍被水膜粘结力保持在使土体变形。外力消失时，土粒仍被水膜粘结力保持在土体变形后的位置上土体变形后的位置上 土壤就表现出塑性。土壤就表现出塑性。 第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性 塑性下限塑性下限（塑限）（塑限） ：土壤开始出现塑性时的最：土壤开始出现塑性时的最小含水量。小含水量。 塑性上限塑性上限（液限或流限）：土壤能够保持塑性（液限

12、或流限）：土壤能够保持塑性 的最大含水量。的最大含水量。 塑性指数塑性指数：塑性上限与塑性下限之差。它反映：塑性上限与塑性下限之差。它反映土壤塑性的强弱。土壤塑性的强弱。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性1影响土壤塑性的因素影响土壤塑性的因素o 土壤质地和矿物种类土壤质地和矿物种类：粘粒含量小于：粘粒含量小于15的土壤无塑的土壤无塑性，随粘粒增多，塑性下限增加较少，上限增加较多，性，随粘粒增多，塑性下限增加较少，上限增加较多，故塑性指数增加，塑性增强。故塑性指数增加，塑性增强。2：1型膨胀型型膨胀型矿物（蒙矿物（蒙脱石类）塑性最大，脱石类）塑性最大，2：1型非膨胀型型非膨胀型（水云母类）次

13、（水云母类）次之，之，1：1型矿物型矿物（高岭石类）最小。（高岭石类）最小。o 有机质含量有机质含量：增加土壤有机质，可使土壤塑性上、下限：增加土壤有机质，可使土壤塑性上、下限都增加，但对塑性指数无大的影响，这有利于土壤耕作都增加，但对塑性指数无大的影响，这有利于土壤耕作（因为提高土壤塑性下限，就扩大了适于耕作的土壤含（因为提高土壤塑性下限，就扩大了适于耕作的土壤含水量范围）。水量范围）。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性2土壤塑性对土壤耕作的影响土壤塑性对土壤耕作的影响o 在土壤塑性范围内耕作，土粒滑动使土壤粘闭，在土壤塑性范围内耕作，土粒滑动使土壤粘闭，易形成大的垡条，干后形成大的土块

14、，降低耕易形成大的垡条，干后形成大的土块，降低耕作质量，不利作物生长。作质量，不利作物生长。o 另外，在土壤塑性范围内耕作，因机械压力而另外，在土壤塑性范围内耕作，因机械压力而产生塑流，易陷车。同时，土壤的粘结力、内产生塑流，易陷车。同时，土壤的粘结力、内摩擦力很小，机械易打滑。摩擦力很小，机械易打滑。o 避免在土壤的塑性范围内耕作。避免在土壤的塑性范围内耕作。第一节第一节 土壤的结持性土壤的结持性土壤的结持状态土壤的结持状态阻力从大阻力从大小，粘小，粘闭、下陷、打滑闭、下陷、打滑阻力小，形成团阻力小，形成团聚体，最适耕作聚体，最适耕作阻力大，形成土阻力大，形成土块，破坏结构块，破坏结构耕作性

15、质耕作性质无无粘结力、粘着力粘结力、粘着力很弱的粘结力很弱的粘结力粘结力粘结力作用力作用力流动流动粘着、可塑粘着、可塑酥松酥松坚硬坚硬结持状态结持状态0 00.60.631310.60.610000100003131土壤吸水土壤吸水力（力（10105 5PaPa）饱和饱和湿湿湿润湿润干干水分水分 第二节第二节 土壤的摩擦性质土壤的摩擦性质o 外摩擦力外摩擦力土壤与农机具的金属部件或轮胎土壤与农机具的金属部件或轮胎之间的摩擦称为外摩擦力。之间的摩擦称为外摩擦力。o 内摩擦力内摩擦力土壤颗粒与颗粒之间产生的摩擦土壤颗粒与颗粒之间产生的摩擦力称为内摩擦力。力称为内摩擦力。第二节第二节 土壤的摩擦性质

16、土壤的摩擦性质一、土壤的外摩擦性质一、土壤的外摩擦性质o 外摩擦力的产生有三个阶段：外摩擦力的产生有三个阶段：n 土壤干燥阶段，摩擦系数较小；土壤干燥阶段，摩擦系数较小；n 土壤水分增加，土壤出现粘着性时，摩擦系数土壤水分增加，土壤出现粘着性时，摩擦系数增大，水分增至接近液限时，摩擦系数最大；增大，水分增至接近液限时，摩擦系数最大；n 水分超过液限时，水膜起润滑作用，摩擦系数水分超过液限时，水膜起润滑作用，摩擦系数减小成一常数。减小成一常数。第二节第二节 土壤的摩擦性质土壤的摩擦性质o 影响土壤外摩擦力大小的因素：影响土壤外摩擦力大小的因素：n 所受的正压力；所受的正压力；n 金属表面的粗糙特

17、性；金属表面的粗糙特性；n 土壤水分；土壤水分；n 土壤质地。土粒越细，土粒与金属的接触面积土壤质地。土粒越细，土粒与金属的接触面积越大，摩擦越强；反之，则小。越大，摩擦越强；反之，则小。 砂土的外摩擦系数为砂土的外摩擦系数为0.060.31；壤土为；壤土为0.300.40；粘土为粘土为0.450.55.第二节第二节 土壤的摩擦性质土壤的摩擦性质o 二、土壤的内摩擦性质二、土壤的内摩擦性质n土壤水分多时，水膜起润滑作用，内摩擦系数减少。土壤水分多时，水膜起润滑作用，内摩擦系数减少。n粘重土壤的内摩擦系数随含水量增加。粘重土壤的内摩擦系数随含水量增加。 因水分渗透慢，在饱和条件下，水分对压力产生

18、支承因水分渗透慢，在饱和条件下，水分对压力产生支承作用使摩擦力减少，直至接近于零；作用使摩擦力减少，直至接近于零；n质地较轻的壤土，摩擦系数虽随水分增加也减少，但当质地较轻的壤土，摩擦系数虽随水分增加也减少，但当水分超过塑性上限后，因渗透快，摩擦力仍维持一定的水分超过塑性上限后，因渗透快，摩擦力仍维持一定的值。值。故内摩擦系数与外摩擦系数的情况正相反，表现为砂土的故内摩擦系数与外摩擦系数的情况正相反，表现为砂土的内摩擦系数大（内摩擦系数大（0.400.75），而粘土较小（），而粘土较小（0.120.40）。）。第三节第三节 土壤的抗剪强度土壤的抗剪强度一、土壤的抗剪强度一、土壤的抗剪强度（一）

19、概念：（一）概念：土壤颗粒运动所产生的最大内部阻土壤颗粒运动所产生的最大内部阻力，称。力，称。o土壤抗剪切的力包括：摩擦力和粘结力。 S=CPtg S抗剪强度； P正压应力； C粘结强度； 内摩擦角 当农机具作用于土壤时，对土壤施当农机具作用于土壤时，对土壤施加剪力，土壤会发生形变，随作用力增加剪力，土壤会发生形变，随作用力增加，土壤发生形变达到最高值时，作用加，土壤发生形变达到最高值时，作用力再增加，土壤则破碎，抗剪阻力迅速力再增加，土壤则破碎，抗剪阻力迅速下降。下降。第三节第三节 土壤的抗剪强度土壤的抗剪强度（二）影响土壤抗剪强度的因素（二）影响土壤抗剪强度的因素 1. 土壤质地土壤质地：

20、土壤越粘重，抗剪强度越大。：土壤越粘重，抗剪强度越大。 2. 土壤容重土壤容重：容重越大，土壤越紧密，土粒咬：容重越大，土壤越紧密，土粒咬合越大，抗剪强度越大。合越大，抗剪强度越大。第三节第三节 土壤的抗剪强度土壤的抗剪强度 3. 土壤水分土壤水分： a 土块土块抗剪强度抗剪强度：土块、团粒结构和团聚土块、团粒结构和团聚体被剪切时，土壤抗剪强度主要由分子内聚体被剪切时，土壤抗剪强度主要由分子内聚力形成的粘结力起作用。力形成的粘结力起作用。 故含水少，抗剪强度大。含水量增加，故含水少，抗剪强度大。含水量增加，抗剪强度下降（曲线抗剪强度下降（曲线A）。）。 b 整体抗剪强度整体抗剪强度（指耕层土壤

21、被剪切时（指耕层土壤被剪切时的抗剪强度）：耕层土壤较疏松，主要由水的抗剪强度）：耕层土壤较疏松，主要由水膜张力形成的粘结力起作用。膜张力形成的粘结力起作用。 土壤含水量在塑限以下时，土壤抗剪强土壤含水量在塑限以下时，土壤抗剪强度随水分增加而增加，至塑性下限时达最大度随水分增加而增加，至塑性下限时达最大值，然后迅速下降，含水量达塑性上限时，值，然后迅速下降，含水量达塑性上限时，抗剪强度很小（曲线抗剪强度很小（曲线B）。）。第三节第三节 土壤的抗剪强度土壤的抗剪强度(三三) 土壤抗剪强度与土壤耕作的关系土壤抗剪强度与土壤耕作的关系 1土壤水分低时土壤水分低时 （1）结构良好的土壤）结构良好的土壤：

22、整体抗剪强度低，而土块、团聚体抗剪强度：整体抗剪强度低，而土块、团聚体抗剪强度高，此时耕作，虽然土块不易破碎，但也不易破坏土壤结构。高，此时耕作，虽然土块不易破碎，但也不易破坏土壤结构。 （2）结构不良土壤：）结构不良土壤：土块和整体土壤的抗剪强度相仿，此时耕作，土块和整体土壤的抗剪强度相仿，此时耕作，不但原有土块不易散，并且会形成新的土块。不但原有土块不易散，并且会形成新的土块。 2土壤水分增加时土壤水分增加时o在整体抗剪强度增加的同时，而土块抗剪强度却迅速下降。此时，在整体抗剪强度增加的同时，而土块抗剪强度却迅速下降。此时，土块抗剪强度土块抗剪强度整体土壤抗剪强度，耕作时随土块易碎，但团粒

23、整体土壤抗剪强度，耕作时随土块易碎，但团粒结构也易遭受破坏。结构也易遭受破坏。第四节第四节 土壤的压缩和压实土壤的压缩和压实一、土壤压缩一、土壤压缩（一）概念（一）概念 指土壤在外力作用下，由于土粒的定向指土壤在外力作用下，由于土粒的定向排列和胶体微粒体积的变化，而导致土壤容排列和胶体微粒体积的变化，而导致土壤容积的减少。积的减少。 主要是孔隙容积减少。主要是孔隙容积减少。第四节第四节 土壤的压缩和压实土壤的压缩和压实（二）影响土壤压缩的因素（二）影响土壤压缩的因素 1作用力作用力：土壤压缩至一定密度需要的作用力，随土壤：土壤压缩至一定密度需要的作用力，随土壤湿度的增加而成指数性减少；在一定含

24、水量条件下，压湿度的增加而成指数性减少；在一定含水量条件下，压实密度随施加的力的增加而成指数性增加。实密度随施加的力的增加而成指数性增加。 2含水量：含水量：在一定作用力下，随着含水量增加，压实密在一定作用力下，随着含水量增加，压实密度增加，当含水量达最大值后，含水量增加则密度下降度增加，当含水量达最大值后，含水量增加则密度下降。 第四节第四节 土壤的压缩和压实土壤的压缩和压实 3压力增加，最适压实含水量（压力增加，最适压实含水量（指土壤压实指土壤压实至最大密度的含水量至最大密度的含水量）降低。因为较大压力下，）降低。因为较大压力下，土壤孔隙度降低，土粒表面形成水膜需要的水土壤孔隙度降低，土粒

25、表面形成水膜需要的水分减少。分减少。 4在压应力和剪应力同时起作用情况下，压在压应力和剪应力同时起作用情况下，压应力是土壤压实的主要原因，在含水量高时，应力是土壤压实的主要原因，在含水量高时，剪应力的压实作用增加。剪应力的压实作用增加。第四节第四节 土壤的压缩和压实土壤的压缩和压实二、耕作栽培中的土壤压实问题二、耕作栽培中的土壤压实问题（一）土壤压实的概念（一）土壤压实的概念o 土壤压实：指在农机具作用下，土壤压缩、容土壤压实：指在农机具作用下，土壤压缩、容重加大，孔隙减少至影响作物生长时，称为。重加大，孔隙减少至影响作物生长时，称为。第四节第四节 土壤的压缩和压实土壤的压缩和压实（二）压实对

26、土壤和作物生长的影响（二）压实对土壤和作物生长的影响 压实的土壤空气少，通气差，蓄水少，好气性微生物活动受抑，压实的土壤空气少，通气差，蓄水少，好气性微生物活动受抑，有效态养料少。有效态养料少。 压实土壤的渗水性差，遇大雨易产生径流，引起土壤冲刷。压实土壤的渗水性差，遇大雨易产生径流，引起土壤冲刷。 压实土壤的结构被破坏，土粒紧密结合，易板结。压实土壤的结构被破坏，土粒紧密结合，易板结。 压实土壤的粘结力、抗剪强度等增加，从而增大耕作阻力。压实土壤的粘结力、抗剪强度等增加，从而增大耕作阻力。 压实土壤上作物出苗缓慢，不整齐，植株生长慢，矮小，根系浅压实土壤上作物出苗缓慢，不整齐，植株生长慢，矮小，根系浅而不发达，易产生畸形块根，招致减产。而不发达，易产生畸形块根，招致减产。第四节第四节 土壤的压缩和压实土壤的压缩和压实（三）土壤压实的原因（三）土壤压实的原因o过度耕作过度耕作：耕作机具都有压