补充资料：土壤耕作力学

土壤耕作力学
soil tillage mechanics

力学性质和参数体系土坡作为松散介质，它的状态特性(如结构、密度、位置等)及其材料性质(化学成分、矿物成分、机械组成等)本身就有非常宽的离散幅度，而由于受到物理因素作用才呈现的行为特性(如应力、应变等)差别更大。后者又还有两种情况，即土坡发生屈服或移动时的“主动”响应性能，这时起作用的力为内琅力、康攘力、附着力，表现为材料的强度，土坡不发生屈服或移动时的“被动”响应性能，这时起作用的是孔晾的大小及其弯曲情况以及传热特性等，表现为水分运动和热的交换。 本构关系土坡在力作用下的响应行为，可作为脆性材料(脆性干土)、塑性材料(早田塑性土)、粘弹塑性体、流变体或特殊流体(水田土、沼泽土)来处理。关健是在实验室统一简化状态下对这些土坡的一些基本参t的侧定值，如何能应用到实际现场复杂的复合应力组合状态上去而仍能获得可接受精度的结果。为此.研究者提出各种建立应力、应变或应力、应变、时间普遭关系—本构关系的有关理论。譬如认为广义虎克定律仍适用于应力增量与弹性应变增量之间的关系，提出计算塑性应变增量的各种屈服准则，确定塑性应变增t方向的流动规则，从给定应力增量计算塑性应变增t的各种假定和方法;提出用各种流变模型描述土城的流变响应行为:提出用各种非牛顿流体方程描述土城在受力下的流动等。 土坡在受压或受剪下常发生剪裂破坏。土坡剪应力与变形的关系是通过采土样在实验室用直剪仪或常刻/涤黯位移典型早田土坡的剪应力一应变关系规三轴压缩仪获得的。一般早田土壤表现为或是加工硬化或是加工软化，如图l土坡的剪切强度以驼峰值(加工软化时)或最大值(加工硬化时)标记。剪应力达到剪切强度时土壤开始剪裂破坏。土坡的剪切强度与作用在剪切平面上的法向压力相关，而早田土坡的剪裂破坏通常遵循库仑准则，即· r，=c+atg价式中rf为破坏剪应力;。为作用在剪切失效面上的正应力;‘为土壤的凝聚力参数;价为土坡的内摩擦角参数。 在拉张破坏情况下，土体不发生剪切滑移，而是在土粒之间断开。土城的拉张失效主要遵循格里菲斯准则，即 al十3仍<0;伪+at二0 a:+a3<0，(a:一场)2+8氏(伪+as)=0式中伪为土的单轴拉伸抗拉强度，为负值;山、仍为主应力。脆性材料的张强可低达压缩强度的1/80式中p为土城的密度;。、￡为应力、应变。试验结果表明，低速加载时呈现脆性破坏的土壤，随载速的增加，可能变为塑性流动。塑性应力波的速度比较低，因为应力应变关系曲线比较平坦，d。/d‘在失效处的值较小。 在高速加载时，土体受到加速，其惯性力与速度平方成正比;惯性阻力亦随加载速度增加而迅速增加。如果能设法减小土体的惯性力，高速耕作就不是一定不适宜的。用振动工具减少牵引阻力可达50一75%，含水l1:飞。6。勺18.5眨。 洲加︵.‘留︸侧眼转娜2幻。们，.22。IJ%川川，一l不1.、汤‘、1{、(，从，瓜， 加毅速度(c.ll’、)图4土壤破坏应力和 加载速度关系已应用于凿式犁、心土铲、暗沟犁、开沟犁等。但加上激振能耗，总能耗则较大。 耕作工艺元素的力学方程耕作部件的整个作用往往比较复杂。为了便于分析，可采用分解为若干典型的简单工艺元家的结合。这样，部件整个作用可望由这些简单工艺元素的力学方程或所由之组成的响应行为方程描述。譬如W.若尼的平面二面楔水平耕作时的力学方程就是由刃口贯人切削，楔面法向力和摩擦阻力，以及土坐加速等几个工艺元素的阻力所组成:刀=姚加。+枷eos。+肠+善。a，2一螟孺 9 5111气0了P)式中R为二面楔总阻力，产为土壤摩擦系数，N为楔面法向力，K为单位刃宽切削阻力，b为耕宽，a为耕深，。为耕速，T为土壤密度;舀为切削角;尹为剪裂面斜角，g为重力加速度。 部件耕作工艺的力学方程在许多场合下，一个部件的耕作工艺常常难于分解成为径渭分明的组成工艺元家，如将这些组成工艺元素的响应方程联合起来描述，也将有较大的失真。这时许多研究者采用塑性极限平衡法:根据部件在耕作中所综合造成的典型破坏剪裂区的形状与尺寸，按刚体力学计算其受力。 部件设计方程部件耕作土坡的过程可抽象为包含如下因素:土壤处于初始状态况，经过具有形状刃的部件在输人力F的作用下，以一定的移动方式几耕作，获得所要求的最终土壤状态s，。则所涉及的5个设计因素可明智地有意分开列成两个基本关系方程: F=f(Ts，几，S) s，=g(Ts，T-，S‘) 如将叽，几，S、三个设计因素中的两个保持不i坡耕作力学(501一tillage meehanies)是研究土壤耕作中机具作用于土体的力的特性，土城的变形和运动，耕层最终状态的水、气、热、盐传导效应和支承强度以及这些现象变化规律的一门应用学科。据此可以预测耕作效果，指导耕具的设计、创制和有效使用，发展耕作和牵引新方法.为植物生长发育提供良好环境条件，同时减少耕作能耗、投资、土壤压实和水土流失，保护生态，改良环境。 土壤耕作力学作为土壤动力学(或土壤机器系统力学)的一个分支，不仅涉及土体失效之前的静态稳定问题，更主要的是涉及失效过程中及生效之后的塑性流动，剪裂破坏的扩展，土体作刚体、流变体或特殊流体的运动;不仅与土方挖掘力学和地面一车辆系统力学一样将土壤视作一种工程物料，而且还将其看成为一种生物物质，强调耕作后土坡最终状态对植物根系和种子的水热运移，土壤微生物环境和腐殖质水平的影响等，因而与土壤学、土壤物理学以及耕作栽培学密切相关。 研究途径上壤耕作中，受力和作业质量的定性和定量评价，主要通过田间的测定。机具性能预侧及其研究主要采用四种方法:①经验法。通过大量试验数据，采用回归经验方程进行分析研究。②相似理论模型试验法。可减少试验工作量和试验难度，但模型崎变预测因子难以确定。③半经验法。利用圆锥仪或土坡承载测定仪等简单仪器的读数模拟机具工作部件特性和尺寸，预测机具性能。④理论研究法。包括建立各种响应性能方程、工艺元素力学方程以及典型工作部件力学方程等。由于土壤是由固、液、气三态物质构成的一种独特的松散介质，在田野现场，其力学特性(质地、物理粘粒含量、结构和孔隙度、水分含蜀可呈现迥然不同性质的响应和失效以及在数量上起到几十倍甚至上百倍的变化，从而使得田间试验回归的经验法只能具有非常有限的普遍性意义。自20世纪50年代以来，在室内控制条件下的试验研究和理论探索得到了重视和发展。 内容体系变，例如，以不同的形状或参数在相同土城初始状态S，中以相同的移动方式和速度几作业，则d;一磷):.，‘d:ds，一(剖;一价d:从而将设计中最主要的任务—部件形状的改变与阻力F和所获得的最终状态分别相关联，使得极其复杂的耕作方程可通过成套设计方程定量化。须注意的是，部件的形状在耕作中往往由于枯土在锋面前形成压实土核而有所改变。设计方程亦可部分地建立在响应方程之上。两者可根据实际情况交又运用。 发展趋势土壤耕作力学的学科体系已初具规模，并已研究确立的一些定性概念和定盆关系。但它作为分析耕作现象的基本方法和发展新型耕作法和机具的一门科学，必须更加重视以下一些基础问题的研究:①进一步识辨描述和评价机械力对土壤的作用及作用的效率.②建立耕作后的土坡物理状态参数与植物生长所需要的土坡物理传导参数之间的相关联系:③识辨与评价有害的土壤状态，识辨与侧量耕作后土壤状态对植物生长、水土保持及土坡强度的影响，④发展新的综合利用机器、灌概、土坡改良剂、生物作用、薄膜或秸秆筱盖及其他工程措施等手段的工艺和耕作法。(t德超)非饱和和饱和土的应力应变和失效状态比较完整地由以孔隙比，和八面体法向应力(as)和八面体剪应力(介)为坐标轴的临界状态模型描述，如图2。当土体任一点应力状态到达(R)面时发生流动失效，到达(H)面时发生脆性破坏;到达临界状态线(C)时.土体单元的剪应力不再增加，单元只变形而容积不再变化。 在水田或沼泽土的情况下，往往呈现作用力定常而变形随时间而增大(峨变)或变形保持定常而应力随时间而消减(松弛)这样的流变特性。当时间效应对所讨论的问题的受力与变形流动具有显著愈义时，常将土集作为含有应力与应变速率或应力、应变与时间之张力(T，.图2饱和和非饱和土临界状态模型似创一一7 刁洲，r一~一一一一一矛/峨\加艘却峨时阅1只侧。Ll全se~-ee一一J 卜一一一，。—一一叫时闻 图3加载与卸载下土体的应变时问关系曲线间关系的枯弹塑性体或某种流变体处理。图3为土城蟠变过程一例。 土坡在高速下或在振动下的破坏，与静载下有所不同。土壤的高速单轴压缩试验证明，破坏应力随加载速度的增加而增加，与速度的对数成比例，直至一最大值，如图4。突然加载的应力不会立即传到土坡的各个部分，而是随塑性应力波的传递速度V.扩散。即外一辱

说明：补充资料仅用于学习参考，请勿用于其它任何用途。