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土壤力学

/soil mechanics/
最后更新 2024-12-04
浏览 195
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在农业科学范畴内,研究农田土壤在荷载作用及环境影响下的运动与形变的学科。是一个涵盖耕作学、土壤学、岩土力学、工程学等多个领域的交叉学科。农业生产中,土壤的机械压实、耕作性、裂缝的产生和发育、渗流、作物根系的生长等都与土壤力学密切相关。

英文名称
soil mechanics
所属学科
农业资源与环境

自春秋战国时期,人们就已经运用土壤力学知识进行耕作。其中《吕氏春秋·任地》曾记载“力者欲柔,柔者欲力”“湿者欲燥,燥者欲湿”等一系列耕作措施,即为了减小耕作阻力,需要根据土壤质地、土壤水分的情况因地、因时进行耕作,满足作物根系生长需求。

从18世纪中叶到20世纪初期,随着岩土壤力学、工程学等学科迅速发展,经典的摩尔-库仑剪切理论和K.太沙基-维固结理论相继提出。继土壤力学学科诞生后,19世纪30年代,苏联学者V.P.戈里亚奇金[注]编著了《农作力学》和《农业机械和工具》两本书。由此,系统的农业机械力学问题开始进入大众视野,土壤力学逐渐涉及土壤强度、土壤-农机具关系、土壤侵蚀等领域。20世纪50年代以来,随着近代农业机械化的发展,机械对农田土壤结构的破坏现象进一步引起人们对土壤力学的关注。1968年,W.R.吉尔[注]G.E.伯格[注]出版的《耕作与牵引土壤动力学》被誉为农作土壤力学领域的里程碑,但对“农业土壤”的特点反应不够充分。1983年,A.J.库伦[注]H.凯珀斯[注]介绍了由耕作和农业机具对生产系统和土壤状况的影响,对田间的农机具作业提供了参考基础。1985年,孙一源等人出版的《农业土壤力学》一书,将“农业土壤”和“力学”两门学科相联系,为中国农业土壤力学奠定了基础。R.霍恩[注]利用预压应力原理,揭示了农田土壤的压缩特性,指出农业土壤应力-应变过程的特殊性,并提出了一系列模型,揭示应力在农田土壤中的分布、传递、作用结果。此外,随着大型农业机械的应用,土壤压实问题日益突出,土壤对根系生长的机械阻力逐渐成为土壤力学的重要分支。

土壤力学主要研究土体在静态和动态荷载下的力学行为及其作用结果。土壤是由固体颗粒、孔隙气体和水组成的复杂三相体系,各相相互影响共同决定土壤的力学特征。根据研究目的不同,土壤力学研究包括土壤强度和稳定性关系、应力分布与传导、应力-应变过程、土力与水力耦合关系、形变对结构及功能的影响等方面。

研究方法主要包括:①土壤强度和稳定性。主要关注土壤自身结构和强度,通常利用穿透阻力仪、直剪仪、三轴压缩仪等测量,发展土的本构理论,确定强度指标。此外,利用流变仪研究土的应力-应变-时间关系等流变学特性,包括蠕变和应力松弛现象、屈服特性及流变模型和本构方程,建立土壤强度理论。②应力分布与传导。在静态或动态载荷下,利用压力传感器、应力等级传感器,监测应力在不同尺度土体中的分布和传播过程,构建土体应力模型。③应力-应变过程。通常利用固结仪、三轴压缩仪等室内模型实验设备,研究土的固结和次时间效应;田间条件下通过应力等级传感器,确定农田土壤在三维方向上的应力-应变关系。④土力与水力耦合关系。一般利用三轴压缩仪、改进的控制式直剪仪监测土壤孔隙水压数据,结合经典的有效应力原理探究土壤应力与水力互作机理。⑤形变对结构及功能的影响。主要通过运用传统土壤学测定方法并结合现代X射线断层扫描、同步辐射、核磁共振等手段,研究应力作用过程中及应力结束后土壤结构及其物质传输和能量传导的变化规律。

土壤力学是一门融合了农学和工程学的交叉学科,且日益呈现出与地学、物理学、化学及其他力学分支学科,如水动力学、渗流力学、结构力学交叉融合的发展态势。一方面,农业土壤与工程土壤存在一定的相似性,可以应用同一套土壤力学理论解决实际生产过程中遇到的问题;另一方面,农田土壤存在一定的特殊性,受人为管理和自然环境的影响,农田土壤表现出其特有的结构和功能性,因此运用经典的土壤力学原理分析农田土壤的力学特性时,需要对其中某些条件进行限定和拓展,对作物和土壤水、肥、气、热等方面的影响进行综合研究。

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