模拟农业机械对土壤压实的试验研究

摘要[目的] 进行模拟农业机械对土壤压实的实验，为研究农业机械对土壤造成的压实破坏提供理论依据。 [方法]重塑含水率（级差为3%）和体积密度（级差为0.2 g/cm3）不同的水稻土和黄棕壤，利用土壤固结仪对其进行模拟压实，分析压实对土壤容重、饱和持水率和应力传递系数的影响。 [结果]随着含水率的增加，压实对土壤的影响逐渐加重，且当土壤含水率在16%～22%时压实对土壤产生的破坏较为严重。土壤抗压实能力随体积密度的增加而增加。相同含水率和体积密度土壤应力传递系数不变，即传递至土壤底层应力σz与土壤表面施加力σ0呈相对稳定的线性关系。 [结论]机械压实会使土壤容重增加，饱和持水率降低。随着土壤含水率的减少和体积密度的增加，压实对土壤的影响减弱。土壤应力传递系数与土壤类型、含水率、体积密度等有关。对于给定状态的土壤，其土壤应力传递系数不变。

关键词土壤压实；含水率；体积密度；土壤应力传递系数

中图分类号S23文献标识码A文章编号0517-6611（2017）21-0117-03

Experimental Study on Soil Compaction by Simulated Agricultural Machinery

DONG Zeyuan

（College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing，210031）

Abstract[Objective] The experiment was carried out to simulate the soil compaction of agricultural machinery， and the theoretical basis was provided to study the compaction and failure of soil caused by agricultural machinery. [Method] The paddy soils and yellow brown soils with different water content （rank differences：3%） and bulk density （rank difference：0.2 g/cm3） were reconstructed. The soil consolidation was simulated by soil consolidation instrument and analyzed the effects of compaction on soil bulk density， saturated waterholding capacity and stress transfer coefficient. [Result] With the increase of water content， the effect of compaction on soil gradually increased， and when soil moisture content was 16%-22%， soil damage was more serious. The compressive capacity of soil increased with the increase of bulk density. The soil moisture transfer coefficient of the same moisture content and bulk density was constant， that was， the linear relationship between the stress σz and the soil surface application force σ0 was relatively stable. [Conclusion] Mechanical compaction will increase the soil bulk density and reduce the saturated waterholding capacity. With the decrease of soil moisture content and the increase of bulk density， the effect of compaction on soil becomes weak. Soil stress transfer coefficient is related to soil type， water content， bulk density and so on. For a given state of soil， the soil stress transfer coefficient remains unchanged.

Key wordsSoil compaction；Moisture content；Bulk density；Soil stress transfer coefficient

農業机械对土壤造成的压实破坏是土壤退化的重要原因之一。随着农业和农村经济的发展，我国农业机械化程度越来越高，农业机械在作业过程中对土壤造成压实破坏也十分严重。该研究在含水量不同的水稻土和黄棕壤上，模拟农业机械在非连续载荷情况下对不同体积密度的土壤进行压实，分析压实对水稻土和黄棕壤土壤容重、饱和持水率和应力传递系数[1]的影响，为今后研究土壤压实机理提供理论依据。

1材料与方法

1.1仪器设备

碎土机1台；烘箱1台；电子秤1台；土壤固结仪1台；电子天平1台，精密度001 g；千分表1个；取土器及环刀若干。

1.2试验方法

水稻土取自南京农业大学浦口农场，在水稻收获后将耕作层土壤（0～15 cm）带回实验室；黄棕壤是从南京浦口老山地区丘陵缓坡地取得。将取回的水稻土和黄棕壤风干，破碎，用2 mm筛网过筛，根据汪攀峰等[2]的方法按照3%的级差调制含水率为10%、13%、16%、19%、22%、25%的土壤样品，并分别密封于塑料膜中，静置24 h，使其水分充分混合。在φ 50 mm×50 mm的环刀内壁涂抹凡士林，以减弱土壤内壁摩擦效应，制备体积密度为1.3、1.5、1.7 g/cm3的土壤样品。每种参数的土壤样品制备4个，其中3个土壤样品用来取平均数，以消除测量误差和随机误差的影响，第4个用来作对照。

对制备好的土壤样品在土壤固结仪上进行单轴压缩试验[3]，通过逐渐添加砝码使环刀中的土壤依次承受50、100、200、300、400 kPa的压实力，同时利用土壤样品下的力传感器记录传递到土壤底层的应力以及利用千分表记录加载板下陷的位移。之后利用袁娜娜[4]的方法测定土壤持水率。

2结果与分析

2.1压实对土壤容重的影响

容重可有效反映土壤压实程度，容重越大土壤压实程度越大。利用千分表测量下陷板下陷深度后可计算出压实后土壤体积，同时根据压实前后土壤质量不变计算在不同含水率和体积密度下水稻土和黄棕壤压实后的土壤容重。

为了更清晰地体现出含水率与体积密度分别对压实后土壤容重的影响，绘制体积密度在1.5 g/cm3 下水稻土与黄棕壤的容重与含水率关系图（图1）。

从图1可以看出，随着含水率的增加，压实后的土壤容重逐渐增大，说明含水率越高土壤抗压实能力越弱，相同條件下水稻土抗压实能力比黄棕壤强。

从图2、3可看出，对于同一种土壤，当含水率低于16%时，土壤容重变化趋势较小；当含水率超过16%时，土壤容重会存在一段急剧增大区间；随着含水率的增加趋于平稳。说明含水率较低时土壤抗压实能力比含水率高的土壤抗压实能力强。

度依次为1.7、1.5、1.3 g/cm3，说明土壤体积密度越大，抗压实能力越强。

2.2压实对饱和持水率的影响

饱和持水率是指土壤所能保持的最大含水量与土壤干重之比，将压实之后的土壤放置24 h，利用袁娜娜[4]的方法测定土壤持水率。通过分析发现，压实对水稻土和黄棕壤的饱和持水率影响相近，在此以水稻土为例进行分析。

从表1可以看出，当体积密度一定时，没有压实和经过压实的水稻土饱和持水率都随含水率的增加而减少，但未压实的水稻土持水率会略高于压实后的水稻土持水率，可证实压实会降低土壤孔隙度，使土壤保持水分不流失的能力降低。当土壤含水率一定时，土壤持水率随着土壤体积密度的增加而逐渐降低，压实后的土壤持水率小于未压实的土壤持水率，且在含水率10%～19%时，体积密度越小的土壤压实后饱和持水率与未压实的土壤饱和持水率差距越大，说明压实对体积密度越小的土壤持水率影响越大。

2.3压实土壤的应力传递分析

土壤应力传递评价指标为传递至土壤底层应力与土壤表面施加力之比，称土壤应力传递系数。由力传感器测得，根据所挂砝码计算得到[5-6]。 图4、5分别为水稻土（含水率为19%）和黄棕壤（含水率22%）在模拟压实过程中传递至土壤底层应力随土壤表面施加力变化关系图。由图4、5可知，对于给定状态的土壤，传递至土壤底层应力与土壤表面施加力呈相对稳定的线性关系（即土壤应力传递系数不变），这说明应力传递系数可作为一个可测稳定的土壤应力传递性能参数来研究。当改变土壤的类型、含水率、体积密度三者之一时，土壤应力传递系数会发生變化，但仍呈线性稳定关系。体积密度为1.3、1.5、17 g/cm3时，水稻土应力传递系数分别为0.82、0.69、0.60，黄棕壤应力传递系数分别为 0.61、0.62、0.58。

由土壤应力传递系数可知，随着土壤体积密度的增大，土壤表面应力传递至土壤底层（试验中土壤为50 mm深）能力越弱；含水率的增大会导致土壤应力传递系数增大，高含水率的土壤条件更有利于应力往土壤底层传递。

3结论

（1）含水率会对土壤压实效果产生影响。压实对土壤的破坏随着含水率的增加而加剧，且当土壤含水率在16%～22%时，压实对土壤产生的破坏较为严重。相同条件下水稻土抗压实破坏能力比黄棕壤强。

（2）压实不同体积密度的土壤其产生的压实破坏效果不同。随着土壤体积密度的增加，压实的影响减弱，土壤抗压实能力增强。当土壤体积密度足够大时，压实对土壤产生的破坏趋于平稳。

（3）土壤压实会造成土壤破坏，使土壤孔隙度减小，容重增加，土壤饱和持水率降低。土壤应力传递系数与土壤类型、含水率、体积密度等有关。对于给定状态的土壤，传递至土壤底层应力与土壤表面施加力呈相对稳定的线性关系，即土壤应力传递系数不变。

参考文献

[1] 贺亭峰，丛文杰，ADAM B E，等.基于压实分析模型的土壤应力传递系数研究[J].农业机械学报，2017（6）：1-11.

[2] 汪攀峰，丁启朔.黏土单层击实试验与制样因子研究[J].岩土力学，2010，31（6）：1797-1802.

[3] 李春林，丁启朔，陈青春.水稻土的先期固结压力测定与分析[J].农业工程学报，2010，26（8）：141-144.

[4] 袁娜娜.室内环刀法测定土壤田间持水量[J].中国新技术新产品，2014（9）：184.

[5] 陈浩，杨亚莉.土壤压实模型分析[J].农机化研究，2012，34（1）：46-50.

[6] 郭淑丽.基于GPR的复垦土壤压实探测模型研究[D].泰安：山东农业大学，2013.

45卷21期东泽源模拟农业机械对土壤压实的试验研究