土壤物理讲义机械性质
土壤物理机械性质
第一节 土壤物理机械性质
各种土壤的粘结力及对铁片的粘着力 (Schubler)
土 壤 1.硅质纯砂土 2.腐殖质 3.菜园土 4.砂粘土 5.壤粘土 6.灰色纯粘土 干土的相对粘结力 (以灰色纯粘土作为100) 0.0 8.7 7.6 57.3 68.8 100.0 湿土对铁片的粘着力 (磅/英尺2) 3.8 8.8 6.4 7.9 10.6 17.2
第一节 土壤物理机械性质
土壤物理机械性质：当土壤受到外力作用（如耕作）时发生 的形变、显示出一系列动力学特性（dynamic property)叫做土 壤物理机械性质。它是多项土壤动力学性质的统称，包括了一 下性质： 一.土壤粘结性（soil cohesion） （一）概念： 指土壤颗粒之间被此粘结在一起的性质。又称 为“土壤内聚力”。它使土壤具有抵抗外力（机械破坏和根系 穿插时）而不被破坏的能力。 粘结性强弱的表示指标为粘结力 ：单位面积的粘结力。其单 位为N/cm2。 颗粒的粘结力有范德华力、库仑力、水膜的表面张力等物理 引力，以及氢键、各种化学胶结力。
第一节 土壤物理机械性质
三.可塑性（plasticity）：
(一）概念：土壤在适宜水分范围内在外力的作用下变形，当外力撤消后和干 燥后仍能保持这种变形的特性，也称可塑性。传统的泥塑艺术工艺，就是利用粘 土的这一特性形成的。 原因：粘粒成薄片状，在有水存在的条件下，粘粒表面被包一层水膜，外力 揉搓时，片状的粘粒重新排列且粘结固定，由于粘结力的存在，失水后能保持原 状。粘结性关系到土壤耕作质量。 土壤表现塑性的含水量范围 塑性的含水量范围是土粒间的水膜 塑性的含水量范围 已厚到允许土粒滑动变形，但又没有丧失其 粘结性的范围 （二）影响可塑性的因素 凡影响粘结性的因素都影响可塑性 （1）下塑限（塑限）（lower plastic limit）： 土壤呈现塑性的最小含水量 （2）上塑限（upper plastic limit): 土壤因含 水量增多而丧失塑性，并开始成为流体时的含水量。也有人叫流限（liquid limit） （3）塑性值（塑性指数）plastic index :上塑限与下塑限的差值。在这一含水量 范围内，土壤才会有塑性。它也是土壤可塑性强弱的指标。
植物生产环境-土壤物理机械性与耕性
土壤的物理机械性与耕性土壤在受到外力作用时，显现出来各种不同的动力学特征，包括粘结性、粘着性、可塑性、胀缩性以及其他受外力作用后而发生形变的性质。
一、土壤物理机械性（一）土壤黏结性土壤黏结性是指土粒与土粒之间由于分子引力而相互粘结在一起的性质。
（二）土壤黏着性土壤的黏着性是指土粒黏附于外物上的性能，是由土粒—水膜—外物之间相互吸附而产生的。
影响土壤粘结性和粘着性的因素有：1.土壤质地土壤愈细，接触面愈大，粘结性和粘着性愈强，所以粘质土壤的粘结性和粘着性都很显著，耕作困难。
砂质土则粘结性和粘着性弱，易于耕作。
2.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。
随着水分含量增加，水膜使土粒间的距离加大，分子引力减弱，粘结性减小。
土壤干燥时无粘着性，随着水分含量的增加，粘着性逐渐增强。
因为此时土粒与外物间有水膜生成。
但是当水分过多时（一般认为大约超过土壤饱和持水量的80%以后），由于水膜太厚而降低了粘着性，直到土壤开始呈现流体状态时，粘着性逐渐消失。
所以粘质土壤在水分较多时进行耕作，常因土壤粘着于农具而感到费力；而土壤在清水条件下犁耙却很少受粘着性的影响。
3.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。
据试验，在相同质地条件下，有团粒结构土壤的粘结性比无团粒结构土壤要小2-6倍。
4.土壤腐殖质含量腐殖质含量增加可减弱粘土的粘结性，因为腐殖质在土粒外围形成薄膜，改变了粘粒接触面的性质。
也可减低粘性土壤的粘着性，腐殖质的粘结力和粘着力都比砂土大，因而腐殖质可以改善砂质土过于松散的缺点。
5. 土壤代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。
钠、钾等一价阳离子可使土粒分散，导致粘结性、粘着性增大。
二价钙、镁离子能促使土壤胶体凝聚，土粒间的接触面积减少，从而降低土壤的粘结性和粘着性。
（三）土壤胀缩性土壤吸水体积膨胀，失水体积变小，冻结体积增大，解冻后体积收缩这种性质，称为土壤的胀缩性。
第九章 土壤的物理机械性和耕性
表 9-2
各种质地土壤的塑性值（含水量％） 各种质地土壤的塑性值（含水量％）
土壤质地
4、水膜的表面张力 、 当土壤中含有一定水分的时候， 当土壤中含有一定水分的时候，在土粒与 土粒的接触点上，水膜相互连接， 土粒的接触点上，水膜相互连接，而形成凹形 的曲面，借表面张力的作用，可使相邻的土粒 的曲面，借表面张力的作用， 互相靠近。 互相靠近。
(三) 影响土壤粘结性的因素 三 1、土壤质地 、 土壤质地越粘重，特别是 型粘粒矿物的 土壤质地越粘重，特别是2:1型粘粒矿物的 含量较高时，土壤的粘结性强, 砂土的粘结性最 含量较高时，土壤的粘结性强 弱，壤土居中。 壤土居中。
另一方面， 另一方面，腐殖质还能促进团粒结构的形 成，从而使粘质土壤的粘结性减弱。 从而使粘质土壤的粘结性减弱。
4、土壤含水量 、 土壤含水量的多少， 土壤含水量的多少，对粘结性的强弱影响很 大。 土壤含水量对粘结性的影响， 土壤含水量对粘结性的影响，可以分为两种 情况分别说明。 情况分别说明。
2、土壤的结构性 土壤的结构性 由于土壤颗粒在团聚过程中降低了彼此间 的接触面，有团粒结构的土壤粘结性弱。 的接触面，有团粒结构的土壤粘结性弱。 如果代换性钠在阳离子组成中占的比例 较大，会使土粒高度分散，粘结性会增强。 较大，会使土粒高度分散，粘结性会增强。
3、腐殖质含量 、 腐殖质含量高的土壤粘结力低， 腐殖质含量高的土壤粘结力低，有两方面 原因。一是腐殖质本身的粘结性弱， 原因。一是腐殖质本身的粘结性弱，当腐殖质 成膜状包被在粘粒周围时， 成膜状包被在粘粒周围时，就改变了接触面的 性质，而使粘粒的粘结力减弱。 性质，而使粘粒的粘结力减弱。
(三) 影响因素 三 影响因素 1、土壤含水量 、 土粒间的水膜已厚到允许土粒之间互相滑 动，使土块产生形变，但又没有丧失粘结性。 使土块产生形变，但又没有丧失粘结性。
第九章 土壤的物理机械性和耕性
随着土壤水分的增加，土壤粘着性随之增
加。当土壤粘着性达到最高时，土壤的含水量 称为土壤的粘着高限。
随着水分的进一步增加，土壤的粘着性开
始下降，当下降到粘着性消失时，土壤的含水
量称为粘着终限，又叫脱粘点。
。
土壤粘着始限到粘着终限的含水范围，称 作的。
此时施加外力，水膜起润滑作用，粘粒沿 着力的方向滑动，改变了原来的位置，并被水
膜固定在新的位置上，保持已改变的形状，以
后虽然失水，但因粘粒本身的粘结力，仍能保
持其新的形状。
(三) 影响因素
1、土壤含水量 土粒间的水膜已厚到允许土粒之间互相滑 动，使土块产生形变，但又没有丧失粘结性。
土壤开始呈现可塑状态时的最低含水量，称为
5、有机质 能提高上下塑限，但几乎不改变塑性值。因 为有机质本身缺乏塑性，只有当有机质吸足水分 后，才能形成产生塑性的水膜，因而使下塑限提 高，减少了产生可塑性的机会。
第二节 土壤耕性
土壤耕性( soil tilth)是人们在长期的农业实践 中逐渐形成的概念，其内涵相当广泛。 一般认为，耕性是指土壤在耕作过程中和 耕作后的表现，大体上有3个指标。
二是用土壤孔隙度或孔隙比的变化来表示。
2、影响因素
除受粘结力影响外，还受土壤孔隙度、含水
量的影响。 坚实度与含水量之间有半对数的直线关系。
粘质土壤含水量越低，坚实度越大，对砂 土来说，含水量的影响不大。
有团粒结构的土壤，坚实度较小，而分散
性的碱土坚实度高。
(二) 土壤的抗楔入性 1、定义
指外物楔入时，与垂直应力相当的土壤阻
(一) 概念
土壤粘着性，是土壤在一定含水量条件下
粘着外物的性能。
土壤粘着性强弱，用粘着力表示，其大小
土壤的物理机械性和耕性
土壤的物理机械性和耕性土壤耕作是土壤管理的主要技术措施之一，耕作的目的是改善土壤孔隙状况，为植物生长创造良好的土壤条件。
若要合理地对土壤进行耕作，就应了解土壤的物理机械性能和耕作性质。
一、土壤的物理机械性当土壤受到外力作用（如耕作）时发生形变，显示出的一系列动力学特性，称为土壤的物理机械性。
这一性能是多项土壤动力学性质的统称，包括黏结性、黏着性、可塑性等。
（一）土壤黏结性和黏着性土壤黏结性（soil cohesiveness）是土粒间通过各种引力而黏结在一起的性质。
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。
土壤中往往含有水分，土粒之间的黏结常以水膜为媒介。
同时，粗土粒可以通过细土粒（黏粒）而黏结在一起，甚至通过各种化学胶结剂为媒介而黏结在一起。
土壤黏着性（soil adhesiveness）是土壤在一定含水量条件下，土粒黏附在外物（如农具）上的性质。
土壤过湿耕作，土粒黏着农具，增加土粒与金属间的摩擦阻力，使耕作困难。
土粒与外物的吸引力也是由于土粒表面的水膜和外物接触面产生的分子引力引起的，故黏着性实际上是指土粒—水膜—外物之间相互吸引的性能。
土壤黏结性和黏着性强弱，分别用单位面积上的黏结力（g/cm2）和黏着力（g/cm2）表示。
影响土壤黏结性和黏着性的因素主要有两方面，即土壤活性表面和土壤含水量。
土壤活性表面，一般用土壤比表面来表示。
土壤黏结性和黏着性强弱首先与土壤比表面成正比，比表面越大，黏结力和黏着力越大，黏结性和黏着性越强，反之亦然。
因此，土壤质地、土壤中黏土矿物种类和交换性阳离子组成以及土壤团聚化程度等，都影响其黏结性和黏着性。
土壤质地越黏重，黏粒含量越高，土壤黏结力和黏着力越大；而土壤质地越轻，黏结力和黏着力越小。
另外，土壤中蒙脱石为主，交换性Na+占优势，土壤高度分散，则土壤黏结性和黏着性增强；反之，黏土矿物以高岭石为主，交换性离子以Ga2+占优势，土壤团聚化程度高，则土壤的黏结性和黏着性降低。
第5章 土壤物理机械性质
5.3 土壤黏着力和黏结力
5.3.1 土壤黏着力的测定
土壤黏着力是指土壤在湿润状态下黏附的外物（农具、车轮 等）上的性质，实际是土壤颗粒—水—外物相互吸引的性质。
土壤黏着力的大小与土壤颗粒组成、结构、有机质含量和土壤 湿度有密切关系。黏土及无结构的土壤具有较大的黏着力，质地 较砂以及有良好结构的土壤黏着力较小。
5.2 土壤塑性
土壤塑性是指土壤在一定含水量的条件下，由外力作用，可 以改变形状，并在外力消失后仍能保持其形状的性质。
土壤具有可塑性是因为土壤的片状黏粒间因水膜的连接，使 土粒间可以相互滑动，但不断裂的。
土壤塑性与土壤含水量有关，由含水量的多少可定出可塑性 上限和可塑性下限，其差值为土壤可塑性（塑性指数）。土壤可 塑性越大，说明土壤具有可塑性的含水量范围约宽，土壤可塑性 越强。
用木棒粉碎风干土，并过0.5或1.0mm土筛，土样作为待测定土样。 称过筛土样30～50g放于玻璃缸中加水搅拌至土样呈稠状，接近流限（可塑上 限），盖好盛稠状土样的容器，静置24小时，使容器内土样达到最大膨胀值。将膨胀 值达最大值的土样置入矩形金属或有机玻璃缸（5×3×2cm）中（缸内壁于装土样前 抹底层凡士林），称重，如没有特制容器，可用大铝盒做为盛膨胀土样容器。将容器 中土样表面抹平，并在土样表面刻入不太深的对角线沟。然后置于空气中风干。土样 收缩，并与容器壁离开形成缝隙，测量干缩的土样长度及厚度，小心取出土样，用滤 纸擦掉土表凡士林油。随之再将土样置于烘箱中（105℃）烘至恒重。 测量容器中土样干、湿前后容积：干缩容积按对角线长度与厚度计算）、对角线 长度以及含水量变化值（差值），分别计算土样的线性收缩系数、体积收缩系数及湿 度收缩系数。
土块压碎后，分别放入铝盒中，测定其土样含水量（于105℃烘箱中，烘 至恒重）。
土壤的性质专题知识讲座
1、概念：
土旳级配：土旳各级土粒组合情况，用其含 量旳百分数表达，称为土旳颗粒级配。
2、表达措施：
土旳级配常以颗粒级配曲线表达。
如图所示，纵坐标表达不不小于（不小于）某 一粒径旳土粒占土样总量旳百分数；横坐标表 达颗粒直径。
级配曲线可反应下列内容：
（1）粒组范围及土旳级配；
（2）颗粒分布情况；
当曲线平缓时，阐明土中大旳及小旳颗粒都有， 颗粒不均匀，即各级粒组搭配良好，称为级配良 好旳土；当曲线较陡时，表达土中颗粒直径范围 较小，颗粒均匀，属于级配不好旳土。
（2）塑限WP：伴随水分旳继续蒸发，自由水进 一步降低，体积进一步收缩，而土仍呈塑性状 态，当孔隙中旳自由水大致蒸发完时，土旳强 度开始迅速提升，并开始失去可塑性而呈半固 体状态，这一分界含水量为土旳塑限WP 。 WP 也称为压延界线。
（3）缩限WC：继续蒸发土中旳水分，土旳体 积仍将随之收缩，但收缩旳量不断降低，直到 停止收缩，相应旳含水量为收缩界线，即缩限 WC 。 WC也称为收缩界线。
一、土旳固体颗粒
土旳骨架是由多种不同尺寸旳土粒构成，自 然界旳土粒大小很不均匀，碎石颗粒旳直径可 达10cm以上，而在平静水中缓慢沉积旳细微 粘土颗粒旳直径只有万分之一mm，不同大小 旳土粒在土中旳相对含量是决定土旳工程性质 旳主要指标之一，所以，首先按土粒旳直径大 小进行归并与分类，将土粒提成若干粒组，每 一粒组具有一定旳土粒直径变化范围，按此范 围将土进行分类。
为各项工程服务，如铁道工程、路桥工程等。
工程机械只有和地面相互作用，才干完毕其 功能，车辆在地面行驶要靠土体支撑，要借助 土旳反力来发挥推动力。
举例：牵引力旳产生。
§1 土壤旳物理机械性质
§1.1 土旳形成与构造
第九章土壤的物理机械性和耕性教材
色散力
由瞬时偶极距的相互作用所产生，它存在 于一切分子或原子之间。
范德华力的特点是作用范围很小，只有当 土粒十分靠近时，范德华力才能起作用，这一 点要十分清楚。
2、氢键 在土壤中，矿质土粒与有机分子之间的
结合，主要靠氢键的作用。
氢键能在分子与分子之间形成，也可以 在同一分子的不同基团之间形成。
测定土壤的抗剪强度
将土样置于剪切盒中，施加垂直压力，使 土样在横断面上感受压应力P0。固定下盒，在 上盒上施以水平力S，土样在上下盒的交界面 上受到剪应力的作用。当剪应力超过一定值 时，土块便被剪断，这时的剪应力称为土壤的 抗剪强度。
如果把一个大土样块分成若干份，分别 施加不同的压力 ( P1, P2, P3… )后进行剪切 试验，可以获得相应的抗剪强度(S1, S2, S3…)， 绘成剪切曲线。
2、影响因素 除受粘结力影响外，还受土壤孔隙度、含水
量的影响。 坚实度与含水量之间有半对数的直线关系。
粘质土壤含水量越低，坚实度越大，对砂 土来说，含水量的影响不大。
有团粒结构的土壤，坚实度较小，而分散 性的碱土坚实度高。
(二) 1、定义
指外物楔入时，与垂直应力相当的土壤阻 力，也叫土壤硬度，用楔入阻力表示。
B. 湿土变干
把土壤加足水，使所有土粒之间都有水膜 存在，让土壤的粘结力几乎等于零。之后，使 土壤逐渐变干。
这样，随着土粒间水膜不断变薄，粘结 力逐渐加强，土粒相互靠得很近，可以借范 德华力等互相粘结。
脱水过程粘结力的增加曲线与吸水过程的粘 结力增加曲线有很大的差别。吸水时，是在某一 个较高的含水量时出现最大粘结性；而脱水时粘 结性最大值出现在水份含量极低时，甚至含水量 等于零的时候。
一般认为，耕性是指土壤在耕作过程中和 耕作后的表现，大体上有3个指标。
土壤物理机械性质
The Plow A plow is a wedge that is dragged through the soil by a draft animal or a tractor. It cuts away the top layer of soil. The plow lifts and turns over the soil layer. In this way, the soil is broken up for planting crops. The plow is one of mankind’s oldest machines. Wooden plows have been in use for about 5000 years. Metal plows date back less than 200 years.
第一节 土壤物理机械性质
土壤物理机械性质：当土壤受到外力作用（如耕作）时发生 的形变、显示出一系列动力学特性（dynamic property)叫做土 壤物理机械性质。它是多项土壤动力学性质的统称，包括了一 下性质： 一.土壤粘结性（soil cohesion）
（一）概念： 指土壤颗粒之间被此粘结在一起的性质。又称 为“土壤内聚力”。它使土壤具有抵抗外力（机械破坏和根系 穿插时）而不被破坏的能力。
原因：粘粒成薄片状，在有水存在的条件下，粘粒表面被包一层水膜，外力 揉搓时，片状的粘粒重新排列且粘结固定，由于粘结力的存在，失水后能保持原 状。粘结性关系到土壤耕作质量。
土壤表现塑性的含水量范围是土粒间的水膜 已厚到允许土粒滑动变形，但又没有丧失其 粘结性的范围 （二）影响可塑性的因素 凡影响粘结性的因素都影响可塑性 （1）下塑限（塑限）（lower plastic limit）： 土壤呈现塑性的最小含水量 （2）上塑限（upper plastic limit): 土壤因含
土壤的物理机械性质及其对车辆行驶性能的影响
土壤的物理机械性质及其对车辆行驶性能的影响1.土壤的物理机械性质土壤是工程机械的作业对象，又是其支承基础。
土壤的物理机械性质直接影响工程机械的作业阻力、运行阻力，牵引性能及运行通过性。
1.1土壤的粒度组成工程中所研究的土壤系指各种大小的土壤颗粒任意组合而构成的堆积物。
土壤通常由土壤颗粒、水和空气三相物质构成。
若土粒间的空隙全部被水充满，形成饱和土，即为两相土壤。
土壤各相的相对含量决定了土壤的状态与性质。
［1］实际土壤是不同粒度土粒的混合物。
不同粒度土粒的相对含量直接影响土壤的性质。
为了研究土壤的性质，常常要确定土壤的粒度组成.即进行颗粒分析试验。
工程中实用的颗粒分析试验方法有筛分法和比重计法。
筛分法适用于粒径大于0.1 mm以上的土壤;比重汁法适用于粒径小于0.1mm的土壤。
如果土壤中同时含有大于和小于0.1 mm的土粒时，两种方法并用。
［2］土壤中各级粒度分组搭配情况，用其含量《以重量计》的百分数表示，称为土壤的颗粒级配。
颗粒不均匀，称为级配良好;颗粒较均匀，则级配不好。
颗粒分布均匀程度用不均匀系数K表示:K=K60K10 d60--限定粒径，土壤中小于该粒径的颗粒占总土重的60%d10--有效粒径，土壤中小于该粒径的颗粒占总土重的10%K值愈大，说明颗粒愈不均匀。
当K>5时称为不均匀土壤。
1.2土壤的含水量与塑性土壤的含水量ω是土壤中所含水的质量m2与土壤颗粒的质量m1之比：ω=m2m1×100%土壤在外力作用下变形。
当外力解除后，土壤保持其变形形状的能力称为它的塑性。
粘性土是可塑性土壤，而砂和砾石则为非塑性土壤。
［3］含水量对土壤的塑性有重要影响。
当含水量大于一定界限时，粘性土会呈现某种流动状态。
这一极限含水量称为粘性土的流动界限(液限)或称为塑性上限二当含水量小于某一界限时，则粘性土壤会失去压延性而变成硬性的固体状态，这一极限含水量称为粘性土的压延界限(塑限)或称为塑性下限。
土壤的物理机械性质
3．压力增加，最适压实含水量（指土壤压实
至最大密度的含水量）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
分减少。 4．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， 剪应力的压实作用增加。
第四节
土壤的压缩和压实
二、耕作栽培中的土壤压实问题
（一）土壤压实的概念 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～。
土壤抗剪切的力包括：摩擦力和粘结力。
S=C＋P· tgφ
S―抗剪强度； C―粘结强度； P―正压应力； φ―内摩擦角
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，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 下降。
第三节
土壤的抗剪强度
（二）影响土壤抗剪强度的因素
推广适合的少耕法、免耕法，尽量减少耕作次
数。
土壤的物理机械性质复习思考题
1、什么叫土壤的结持性？结持性包括哪三种类型，影响结持 性的因素如何？
2、土壤粘结性、粘着性、可塑性对土壤耕作有何影响？ 3、土壤的摩擦力有哪几种？影响土壤摩擦力的因素是什么？ 4、什么是土壤的抗剪强度？其影响因素有哪些？ 5、什么是土壤压缩与压实？简述产生土壤压实的原因及土壤 压实对土壤耕作和作物生长的影响。 6、防止土壤压实的主要方法有哪些？
第一节
土壤的结持性
三、土壤的可塑性
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，称土壤塑性。
塑性仅在一定含水量范围才能表现出来。
干土无塑性，随土壤含水量增加 至土粒表面 形成一薄层水膜时 因水膜张力作用使土粒粘结在 一起 当外力大于水膜的张力时 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 在土体变形后的位置上 土壤就表现出塑性。