土壤的力学性质指土壤颗粒之间及土壤与外物之间的相互作用,包括粘结性、粘着性、塑性、胀缩性、耕作阻力。
一、土壤粘结性与粘着性
1、概念
土壤粘结性(Cohesiveness)是土粒间通过各种引力而粘结在一起的性质。这种性质使土壤具有抵抗外力破碎的能力,也是耕作时产生阻力的主要原因之一。
土壤粘着性(Adhesiveness)是土壤在一定含水量条件下,土粒粘附在外物(如农具)上的性质。土壤过湿耕作,土粒粘着农具,增加土粒与金属间的摩擦阻力,使耕作困难。
2、影响土壤粘结性和粘着性的因素
a土壤质地:土壤愈细,接触面愈大,粘结性和粘着性愈强。
b土壤含水量:含水量愈少,土粒距离愈近,分子引力愈大,粘结性愈强,故干燥土块破碎甚为困难。
c土壤结构:团粒结构可使土团接触面减少,因而其粘结性和粘着性降低,土壤疏松易耕。
d土壤腐殖质含量:腐殖质含量增加可减弱黏土的粘结性,因为腐殖质在土粒外围形成薄膜,改变了黏粒接触面的性质。
e土壤交换性阳离子的组成:不同的阳离子种类可影响土粒的分散和团聚。
二、土壤塑性
1、概念
a塑性(Plasticity):指土壤可塑性是指土壤在一定含水量范围内,可被外力造形,当外力消失或土壤干燥后,仍能保持其塑形不变的性能。土壤塑性是片状黏粒及其水膜造成的。
b上塑限(Upper plastic limit):土壤呈现塑性的最大含水量,又称流限(liquid limit)。
c下塑限(Lower plastic limit):土壤呈现塑性的最小含水量,又称塑限(plastic limit )。
d塑性值(Plastic index):上塑限和下塑限的差值,又称塑性指数(plasticity number)。塑性值愈大表示土壤塑性愈强。
上塑限、下塑限和塑性值均以含水量%表示之,它们的数值随着黏粒含量的增加而增大。
2、土壤可塑性的影响因素
a水分含量:干土没有可塑性,当水分含量逐渐增加时,土壤才表现出可塑性。
b下塑限(塑限):土壤开始呈现可塑状态时的水分含量称下塑限。
c上塑限(流限):土壤失去可塑性而开始流动时的土壤含水量称上塑限。
d土壤质地:土壤中黏粒愈多,塑性愈强。完全没有粘结性的砂土没有塑性。
e胶体类型与数量: 2:1型的蒙脱类矿物的塑性强,而氧化铝(铁)胶粒几乎无塑性。
f交换性阳离子
g土壤有机质
h土壤含盐量
三、土壤胀缩性
1、概念
土壤含水量变化引起的或在含有水分的情况下因温度而变化引起的土壤体积的变化。包括:
a土壤膨胀性(soil swelling):黏性土壤由于含水量的增加而发生体积增大的性能。土体膨胀原因:粘粒的水化作用、粘性表面双电层的形成、扩散层增厚等。土体膨胀分两个阶段:第一阶段是干粘粒表面吸附单层水分子,“晶层间膨胀”或“粒间膨胀”;第二阶段是由于双电层的形成,使黏粒或晶层进一步推开,“渗透膨胀”。表达膨胀性的几个指标:
ep(线膨胀率)=( h-h0)/h。
ep(容积膨胀率)= ( V-V0)/V。
Pp (膨胀力) Pp=10×W/A,式中W为施加在试样上的总平衡荷载(N);A为试件面积(cm2)。
土壤线胀系数(COLE):土块在湿时(1/3*105Pa水吸力状态下)长度与干时(烘干状态)长度的差数对其干时长度的比值。
b土壤收缩性(Soil shrinkage):土壤因水分蒸发而引起其体积减小的性能。粘土收缩过程的3个阶段:①结构收缩:水分饱和土壤的含水量开始减少,但土壤容积的减少小于水容积的减少;②常态收缩:土壤容积的减少与失水容积的减少相同;③剩余收缩:此时土壤容积的减少大于水容积的减少。粘性土的收缩性也可用收缩前后直线长短的变化(线收缩和)或容积大小的变化(容积收缩)来表示:
土壤胀缩性强会对植物根系产生机械损伤,易拉断植物根系。
2、土壤胀缩性的影响因素
a土壤胶体类型
b交换性阳离子
c质地
d结构
四、土壤压实
由于负荷或施压而造成的土壤容重增加和孔隙度降低的过程。土壤容重的增加是压实力和含水量的函数。随含土壤含水量增加,其愈易被压实,至土壤最适含水量时可使土壤容重达最大值。但土壤含水量进一步增加,则容重反而下降。在压实曲线上的峰值,称为最大容重,与之相对应的含水率,称为最优含水率。
五、土壤抗剪强度
土壤抗剪强度(Soil shear strength, S)是土壤对土粒移动所产生的最大内阻力,即土壤彼此滑动和滑越时的阻力。抗剪强度由粘结力和内摩擦力两部分组成。砂土的抗剪强度等于其内摩擦力。土壤抗剪强度的测定(三轴剪切测定):将土样置于由上、下盒构成的“剪切盒”中,在其上加以垂直荷载,使土样在横断面上感受压应力P。固定下盒,在上盒施以水平力,则土样在位于上、下盒之间的横断面上受到剪应力的作用。当剪应力超过一定值S时,土样便被剪断,这一定值S即称为土壤的抗剪强度。
抗剪强度是土壤的抗压性、抗楔性和抗位移等力学特性的综合体现,受质地、结构、含水量等影响。

