基于流變學法研究容重和含水率對土壤結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性的影響

王金曉，胡斐南,，許晨陽，趙世偉，劉婧芳，涂 坤，宋松松

基于流變學法研究容重和含水率對土壤結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性的影響

王金曉1,2，胡斐南1,2,3※，許晨陽1，趙世偉2,3，劉婧芳1,2，涂 坤1,2，宋松松3

（1. 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100；3. 中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

土壤結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性不僅與土壤質(zhì)量和肥力密切相關(guān)，而且還與農(nóng)業(yè)器具設計和農(nóng)業(yè)水土工程建設緊密聯(lián)系。該研究以黃土高原廣泛分布的塿土和黃綿土為研究對象，采用振幅掃描試驗模擬振蕩荷載過程，研究土壤容重和含水率對土壤結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：1）隨土壤容重的增加，土粒間接觸點增多，使得剪切強度參數(shù)：線性黏彈區(qū)的剪切應力和儲能模量均增加，土壤結(jié)構(gòu)強度增強；黃綿土屈服點的剪切應變和塿土的積分隨容重增加先增大后降低，表明土壤顆粒存在一個最穩(wěn)定的排列組合方式。同時，剪切強度參數(shù)對土壤容重的響應更為敏感。2）隨含水率的增加，土壤顆粒間黏聚力和摩擦力降低，剪切強度參數(shù)：線性黏彈區(qū)的剪切應力、屈服點的剪切應力、最大剪切應力均降低，土壤結(jié)構(gòu)強度降低；當剪切應變在線性黏彈區(qū)時，塿土的彈性隨含水率的增加而增加，而較大的剪切應變下的塿土的彈性和黃綿土總的彈性隨含水率增加均降低。3）對比2種土壤，因塿土的黏粒、有機質(zhì)、陽離子交換量、比表面積等較高，增加了土粒間的膠結(jié)強度，使得塿土的彈性和剪切強度較高，而黃綿土結(jié)構(gòu)更具脆性。該研究結(jié)果表明基于流變儀中的振幅掃描測試所獲取的流變學參數(shù)能夠定量表征土壤細觀結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性，為進一步深入認識土壤微觀力學特性提供了豐富的評價參數(shù)。

土壤；團聚體；含水率；流變學；力學穩(wěn)定性；黏彈性；抗剪強度

0 引 言

土壤結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)土壤水肥氣熱、維持植物根系活動、減少土壤侵蝕與退化等生態(tài)環(huán)境功能中扮演著重要角色，其力學穩(wěn)定性是影響大型農(nóng)業(yè)器具設計、農(nóng)田水利工程建設等的重要因素[1-3]。土壤結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性是指土壤在抵抗外應力時維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的能力[2]。它與土壤機械組成、含水率、容重、有機質(zhì)、團聚體穩(wěn)定性等密切相關(guān)，并深刻地影響著土壤的抗沖性、可蝕性、濕陷性、邊坡穩(wěn)定性及地基穩(wěn)定性[4-6]。

前人對土壤結(jié)構(gòu)的力學穩(wěn)定性開展了大量工作，這些研究主要通過直剪切、無側(cè)限壓縮和三軸壓縮試驗獲得抗剪強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)來表征土壤力學性質(zhì)[7]。這些力學參數(shù)在評估土壤侵蝕、滑坡、蠕變、液化變形、邊坡穩(wěn)定性及隧道穩(wěn)定性等方面具有重要的作用[8-11]。華忠光[12]通過無側(cè)限壓力儀測定了土壤團聚體的抗張強度，發(fā)現(xiàn)團聚體的力穩(wěn)性對降雨濺蝕特征具有顯著的影響。張健樂等[13]采用三軸與直剪試驗研究了容重和含水率對紫色土坡耕地土壤抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)黏聚力和內(nèi)摩擦角總體上隨土壤容重增大而增大，隨含水率增大而減小。盡管抗剪強度等參數(shù)能夠反映土壤在外力作用下的力學性質(zhì)，但這些傳統(tǒng)的土壤力學性質(zhì)測定方法都是從宏觀層面分析剪切破壞導致的一部分土體相對于另一部分土體滑動時的極限強度，進而描述土體力學特性的變化[14]。同時，以往基于傳統(tǒng)測試方法所獲取的力學參數(shù)主要與土壤密度、孔隙以及團聚體等宏觀性質(zhì)指標進行相關(guān)分析，難以從影響土力學性質(zhì)變化的微觀水平，特別是土粒間相互作用方面對力學參數(shù)進行深入分析[15]。因此，有必要探索其他技術(shù)和方法來加深對土壤結(jié)構(gòu)力學性質(zhì)微觀層面上的研究。

流變學方法是研究外力作用下黏彈性物質(zhì)流動與變形的科學，近年來逐漸應用于土壤結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性的研究中[16]。作為一種靈敏度較高的測量技術(shù)，基于流變儀獲取的流變學參數(shù)可反映微觀水平上土壤顆粒與顆粒間相互作用，并通過應力與應變關(guān)系來定量表征土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[16-17]。因此，基于流變學方法能夠建立土壤結(jié)構(gòu)強度與顆粒組成、礦物組成、有機質(zhì)含量、離子種類和濃度、水分含量等土壤性質(zhì)間的直接聯(lián)系[18-22]。例如，Holthusen等[23]應用流變學振幅掃描試驗發(fā)現(xiàn)土壤在線性黏彈區(qū)的剪切應力、屈服點的剪切應力和儲能模量均隨容重增加而增大，表明土壤強度性質(zhì)隨容重增加而增強；線性黏彈區(qū)的剪切應變、屈服點的剪切應變總體隨容重增加而降低，表明土壤的彈性減弱、穩(wěn)定性降低。Pértile等[24]通過流變學方法評價了亞熱帶4種土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)氧化土和變性土因黏土礦物含量高而具有較高的彈性（線性黏彈區(qū)的剪切應變和屈服點的剪切應變值較高）和穩(wěn)定性（最大剪切應力較高），而砂粒含量較高的老成土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最低。可見，基于流變學方法得到的相關(guān)參數(shù)能夠很好地表征土壤結(jié)構(gòu)的力學穩(wěn)定性。

黃土高原是世界上黃土分布最為集中、覆蓋度最大的地區(qū)，但黃土具有多孔隙、膠結(jié)弱、遇水易破碎、力學強度低、穩(wěn)定性差等特點[25-26]。目前，對黃土本身這些特殊結(jié)構(gòu)性質(zhì)所引發(fā)的土壤侵蝕、滑坡、濕陷、土體破壞變形失穩(wěn)等環(huán)境與地質(zhì)災害已開展了大量研究[25-28]，但應用流變學方法對黃土結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性的相關(guān)研究還鮮有報道。因此，本研究將流變學方法應用于黃土母質(zhì)發(fā)育土壤（塿土和黃綿土）結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性中，探究容重和含水率對土壤結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性的影響，以期加深對黃土區(qū)土壤結(jié)構(gòu)力學特性的認識，為黃土高原農(nóng)業(yè)水土工程設計和滑坡等地質(zhì)災害防治提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

供試土壤樣品為黃土母質(zhì)發(fā)育的塿土和黃綿土，分別采自楊陵和安塞地區(qū)農(nóng)田土壤，其中塿土為黃土母質(zhì)發(fā)育的褐土經(jīng)長期耕種、施用糞肥和黃土的再沉積過程而成，黃綿土為黃土母質(zhì)直接耕種而形成的幼年土壤，塿土和黃綿土分別屬于黏壤土和砂壤土。在典型農(nóng)田樣地，通過隨機采樣法采集表層（0～20 cm）土壤，混勻后帶回實驗室自然風干，挑除石塊和植物根系等雜質(zhì)后裝袋備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 流變學方法測試原理

流變法測試原理見文獻[30-32]。土壤的流變特性由振蕩模式下振幅掃描測試雙平行板模型來測定（圖1）。土壤樣品位于2個板間，其中下板靜止不動，上板隨振幅的增加呈正弦函數(shù)曲線運動，使樣品在剪切作用下產(chǎn)生位移（m），樣品的厚度（m，亦即板間距）不變，由上述剪切運動所產(chǎn)生的剪切應力（, N）是基于扭矩（N·m）和平行板半徑（m）計算得到（式（1）），剪切應變（, %）由位移（m）和板間距（m）計算得到（式（2））：

注：為上板的位移，m；為上下板間距，m；為偏轉(zhuǎn)角，(°)；1、2、3、4、5、6為模擬上板移動過程。

Note:is the displacement of upper plate, m;is the distance between upper and lower plates, m;is angle of deflection, (°); 1, 2, 3, 4, 5 and 6 are simulated upper plate movement process.

圖1 振蕩測試的平行板模型[30]及實物圖

Fig.1 Parallel plate model[30]and rheometer picture for oscillation test

通常流變儀對樣品施加正弦波規(guī)律的應變，樣品會相應反饋一個正弦波規(guī)律的應力曲線（圖2），且2個正弦波間會存在一個相位角（），介于0～90°，理想流體的為90°，理想固體的為0，而黏彈性樣品的介于0～90°，土壤屬于黏彈性物質(zhì)，因而其范圍為0～90°。

根據(jù)經(jīng)典力學中的胡克定律，完全彈性物質(zhì)在單軸應力條件下的剪切模量（）是恒定的[30]。在振蕩剪切時，采用復剪切模量（, Pa），可分為儲能模量（, Pa）（式（3））和損耗模量（, Pa）（式（4））[31-32]。

式中是指物質(zhì)的彈性分量，即由外部應力產(chǎn)生的可以被暫時儲存的能量，撤除外部應力后物體的變形能夠恢復；是指由熱量、摩擦和其他形式損耗的能量，即物質(zhì)開始流動所要損失的、不可恢復的能量?？山柚c剪切應變的曲線確定線性黏彈區(qū)（Linear Viscoelastic Range，LVE）（偏差小于5%的平臺區(qū)），表征了變形前物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強度，且在此區(qū)域內(nèi)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化是彈性可恢復的，由線性黏彈區(qū)的剪切應變（LVE，%）、剪切應力（LVE，Pa）分別表示小應變下的彈性和強度，超過此區(qū)域后樣品結(jié)構(gòu)將會形成不可逆的破壞，表現(xiàn)為和減小[30-31]。損耗因子（tan）為和的比值，表示物質(zhì)變形所損失能量的比例，可區(qū)分土壤的機械強度，描述彈性與黏性比的行為。測試開始時>（tan<1），即樣品主要表現(xiàn)為彈性行為；當=時（tan=1），樣品的彈性分量與黏性分量相等，表示樣品的結(jié)構(gòu)完全被不可逆的破壞并開始流動，這個點也稱為屈服點（YP），屈服點的剪切應變（YP/%）、剪切應力（YP/Pa）、儲能模量（YP/Pa）分別表示屈服點的彈性和強度大??；隨后<（tan>1），樣品主要表現(xiàn)為黏滯性。

I是剪切應變從0.0001%到屈服點（YP）所對應tan曲線與tan=1所圍成的面積（圖3），又稱積分，由式（5）計算得到，其值越大，彈性變形的總體比例越高，物質(zhì)的剛度也就越高[20]；最大剪應力（max，Pa）是振幅掃描試驗過程中樣品所顯示的最大剪切應力值（圖3），剪切應力的峰值表示樣品發(fā)生了脆性剪切破壞[21]。I和max作為流變特性參數(shù)也得到了廣泛的應用。

上述的流變學參數(shù)（、LVE、LVE、YP、YP、YP、max和I）為土壤微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究提供了豐富的信息[20]。

注：為儲能模量，Pa；為損耗模量，Pa；tan為損耗因子；max為最大剪應力，Pa。LVE為線性黏彈區(qū)

Note:is storage modulus, Pa;is loss modulus, Pa; tanis the loss factor;maxis the maximum shear stress, Pa. LVE is linear viscoelastic range.

圖3 振幅掃描試驗結(jié)果示意圖

Fig.3 Schematic of results from an amplitude sweep test

1.3 樣品制備

將自然風干的土壤樣品過2 mm篩，充分混勻后測定其風干含水率，為對比分析塿土和黃綿土結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性對容重和含水率的響應特征，本試驗參照塿土和黃綿土的容重（1.1～1.3 g/cm3）和田間持水量（20%～30%）[33-34]，設計5個容重梯度：0.9、1.1、1.3、1.5和1.7 g/cm3，8個土壤含水率（質(zhì)量含水率）梯度：9%、12%、15%、18%、21%、24%、27%和30%，孔隙率變化范圍約為35%～70%。設置較大的容重和含水率的梯度范圍，目的在于系統(tǒng)評估研究變量對土壤力學性質(zhì)的影響，以檢驗在極端條件下力學性質(zhì)的變化特征。

不同土壤含水率樣品制備：稱取過2 mm篩的自然風干土壤樣品110 g平鋪于培養(yǎng)皿內(nèi)，采用式（6）計算不同含水率所需添加的去離子水量，均勻的噴灑在土壤樣品上，充分攪拌均勻后密封，放入冰箱（溫度4℃）平衡24 h。取樣以1.3 g/cm3的容重裝入直徑為33.8 mm、高為1.0 cm的塑料圓環(huán)中，每個樣品的質(zhì)量誤差控制在0.50 g內(nèi)，每個處理重復5次。不同含水率所需加水量為

式中m為對應含水率所需的加水量，g；0為風干土質(zhì)量，g；0為風干土含水率，%；1為設定的含水率，%。

不同土壤容重樣品制備：稱取過2 mm篩的自然風干土樣，按照上述含水率樣品的制備方法制成20%含水率的樣品放入冰箱平衡12 h后，分別以0.9、1.1、1.3、1.5和1.7 g/cm3的容重裝入直徑為33.8 mm、高為1.0 cm的環(huán)中，每個處理重復5次。

1.4 流變儀振幅掃描測定方法

采用MCR 302流變儀（安東帕，奧地利）在振蕩模式下進行振幅掃描測試。將上述處理好的土壤樣品放置在雙平行板的下板上，在轉(zhuǎn)子下降到刮樣位置時，將樣品處理成直徑為25 mm、高為4 mm的測試樣品，振幅掃描測試的參數(shù)設置見表2。

表2 振幅掃描測試參數(shù)設置

測試過程中控制法向應力F<12 N，每個樣品測試前等待時間為1 min，測試過程由軟件RheoCompass 1.24（安東帕，奧地利）執(zhí)行完成。根據(jù)測試結(jié)果可獲得剪切應力（，Pa）、剪切應變（，%）、儲能模量（，Pa）、損耗因子（tan）、屈服點（YP）、積分（I）、線性黏彈區(qū)（LVE）、最大剪應力（max，Pa）等流變學參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)計算

使用Excel 2013進行數(shù)據(jù)整理，繪圖采用OriginPro 2018軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 容重對土壤剪切強度的影響

土壤在外力作用下的變形行為可由振幅掃描測試得到的儲能模量（）隨剪切應變（）的變化曲線（圖4）表示。從圖中可以看出，當剪切應變不變時，隨著土壤容重的增加，2種土壤的均增大。特別地，當容重由0.9 g/cm3增加到1.3 g/cm3時，明顯增大；而當容重大于1.3 g/cm3時，不同容重下隨的變化曲線幾乎重合。此外，由圖4還可以發(fā)現(xiàn)在整個測試過程中，塿土容重在0.9 g/cm3時的大于黃綿土，但在線性黏彈性區(qū)（0.0001%<<0.0031%）內(nèi)的其他容重下塿土的小于黃綿土；在超過線性黏彈性區(qū)（>0.0031%）后，塿土的大于黃綿土。

剪切強度參數(shù)LVE、YP、max分別反映了土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生可逆變形、完全破壞時的剪切應力及土壤結(jié)構(gòu)抵抗變形所產(chǎn)生的最大剪切應力。由不同容重與LVE、YP和max的關(guān)系（圖5）可以看出：塿土的LVE、YP、YP和黃綿土的LVE和max均隨容重的增加而增大，其他參數(shù)無顯著變化。對比2種土壤，發(fā)現(xiàn)不同容重下塿土的LVE、YP、max均大于黃綿土。

2.2 容重對土壤黏彈性的影響

損耗因子（tan）表示土壤的黏性部分，值越大表示土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越低。通過振幅掃描試驗可獲得損耗因子（tan）隨剪切應變（）的變化曲線（圖6）。由圖可以看出，當剪切應變小于0.1%時，隨剪切應變及容重的增加，2種土壤的tan幾乎沒有發(fā)生變化；但當剪切應變在0.01%～0.1%范圍時，tan隨剪切應變增加而增大，且容重較低的樣品（0.9 g/cm3）的tan最先達到屈服點（tan=1），特別地，黃綿土在容重較大時（>1.3 g/cm3），tan δ曲線在剪切應變?yōu)?%～10%時出現(xiàn)一個暫時穩(wěn)定的平臺。

土壤黏彈性參數(shù)LVE、YP、τmax和I分別反映了土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生可逆變形、完全破壞以及抵抗最大剪切應力時的剪切應變和總的黏彈性。由不同容重與LVE、YP、τmax和I的關(guān)系可以看出（圖7），黃綿土的YP和塿土的I隨容重的增加先增大后降低，即在1.3 g/cm3時，土壤顆粒間存在一個最適排列方式，而容重對2種土壤的LVE和τmax均無顯著影響。

特別地，當塿土容重大于1.3 g/cm3時，在整個測試期間，樣品顆粒間的摩擦力持續(xù)增加，剪切應力沒有最大值。此外，塿土的LVE、YP、τmax和I均大于黃綿土。

2.3 含水率對土壤剪切強度的影響

由振幅掃描測試獲得儲能模量（）隨剪切應變（）的變化曲線（圖8）可以看出，當剪切應變不變時，隨含水率的增加，2種土壤均降低。當塿土含水率超過27%、黃綿土含水率超過24%后，降低了一個數(shù)量級，達到4.05×105Pa。隨剪切應變增加并超過線性黏彈區(qū)（>0.0083%）后，黃綿土的劇烈降低。對比2種土壤，當含水率小于等于24%時，塿土明顯小于黃綿土；而當含水率大于24%時，塿土大于黃綿土。

由不同含水率與LVE、YP和max的關(guān)系（圖9）可以看出，2種土壤的LVE、YP和max總體上均隨土壤含水率的增加而降低。對比2種土壤，塿土LVE、YP和max均大于黃綿土。此外，黃綿土的YP隨含水率的增加而降低。當含水率小于24%時，塿土YP小于黃綿土，但在含水率大于等于24%時，塿土YP大于黃綿土。

2.4 含水率對土壤黏彈性的影響

由損耗因子（tan）隨剪切應變（）的變化關(guān)系曲線圖（圖10）可以看出，當剪切應變較小時，隨含水率增加2種土壤的tan均增大。當含水率小于27%時，含水率對tan幾乎沒有影響；當含水率大于等于27%，tan明顯增大。此外，當剪切應變小于0.1%時，剪切作用對2種土壤的tan的影響不明顯（呈常數(shù)）；當剪切應變達0.01%～0.1%時，tan呈緩慢增加趨勢，且含水率較高時tan值明顯較大；隨剪切應變持續(xù)增加，tan對含水率的響應差異明顯，含水率最高時的樣品tan最先達到1，土壤結(jié)構(gòu)最先發(fā)生破壞。

由不同含水率與LVE、YP、τmax和I的關(guān)系可以看出（圖11），土壤含水率對黏彈性參數(shù)的影響趨勢不同。塿土的LVE隨含水率的增加而增加，YP隨含水率的增加而降低；黃綿土的I隨含水率的增加而降低，其他參數(shù)與含水率之間沒有明顯的關(guān)系。比較2種土壤，發(fā)現(xiàn)塿土的LVE、YP、τmax和I均大于黃綿土。

3 討 論

3.1 容重對土壤流變特性的影響

儲能模量（）反映了土壤結(jié)構(gòu)的強度性質(zhì)，其值越大表示土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越大，這與土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量和黏土礦物種類及含量有關(guān)[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨土壤容重的增加，剪切強度參數(shù)、LVE均呈線性增大，這主要是由于隨土壤容重的增加，土壤內(nèi)部土粒間接觸點增加，內(nèi)摩擦角增大，使得土壤顆粒間的內(nèi)聚力和摩擦力增加[21]，導致土壤的結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性增加[35]。這與Holthusen等[23]在研究土壤容重對亞熱帶氧化土黏彈性和剪切強度影響的結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，當容重增加到最大值時（1.7 g/cm3），YP反而降低。這主要是由于隨容重和剪切應變的不斷增加，土壤顆粒相互滑動，進入相鄰顆粒層間的空隙，增加了接觸數(shù)量及顆粒間的摩擦力的同時使得土壤顆粒的接觸過于密實，顆粒間的相對運動受阻，土壤結(jié)構(gòu)的脆性增強。對比2種土壤，塿土因其具有較高的黏粒和有機質(zhì)含量、較大的陽離子交換量和比表面積（表1），使土壤顆粒間的膠結(jié)程度較高，導致在線性黏彈區(qū)內(nèi)塿土（容重為0.9 g/cm3）的大于黃綿土；而在其他容重下塿土的小于黃綿土（圖4）。這是因為隨著容重的增加黃綿土顆粒間的接觸數(shù)量增多，結(jié)構(gòu)剛性增強。在線性黏彈區(qū)外，塿土的大于黃綿土，說明塿土顆粒間的結(jié)合強度較大，穩(wěn)定性較高。Pértile等[30]采用流變學振幅掃描試驗評價了4種亞熱帶土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與土壤質(zhì)地、黏粒、有機質(zhì)、礦物類型等影響顆粒間連接的因素有關(guān)。即剪切強度參數(shù)很大程度上取決于顆粒間接觸強度及其表面特性[36]。通常而言，有機質(zhì)和黏粒含量越高，土粒間的黏結(jié)強度越大，土壤的結(jié)構(gòu)強度愈強。

黏彈性是土壤流變學中的另一個重要特征，主要受顆粒間靜電作用力的影響，與黏土類型、比表面積、陽離子交換量、可交換性陽離子的類型和數(shù)量、黏土顆粒間的距離（密度）等有關(guān)[22,30,37]。本研究發(fā)現(xiàn)，在線性黏彈區(qū)，因剪切應變較低，tan幾乎沒有發(fā)生變化；而在線性黏彈區(qū)外，tan隨剪切應變增加而增大，且容重較低樣品（0.9 g/cm3）的tan最先達到屈服點（tan=1），這表明土壤最先完成由彈性到黏性的轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最低。這與Holthusen等[23]的研究結(jié)果一致，主要是由于土壤容重較低時，土壤顆粒自由填充，顆粒間的接觸較弱，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力較低，較小的外力對土壤結(jié)構(gòu)力學性質(zhì)影響較小，而當所施加的外力增加時，容重較低的樣品由于較弱的接觸作用使其結(jié)構(gòu)最先發(fā)生破壞[13,23]。特別地，黃綿土在容重較大時（大于1.3 g/cm3），tan曲線在剪切應變?yōu)?%～10%時出現(xiàn)一個暫時穩(wěn)定的平臺，這是由于土壤顆粒間的重新排列，使得黃綿土的剪切強度暫時增加。Pértile等[30]發(fā)現(xiàn)砂粒含量較高的老成土也具有類似的現(xiàn)象。在高的剪切應變下，YP和I在1.3 g/cm3時出現(xiàn)峰值，即土壤顆粒間存在一個最適排列方式，這與Holthusen等[23]在研究不飽和狀態(tài)下土壤密度對氧化土黏彈性（I）影響的研究結(jié)果類似。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，塿土的LVE、YP、τmax和均大于黃綿土，這主要是由于塿土中的礦物將會吸附土壤溶液中更多的水分，增強土壤的回彈性。相較而言，黃綿土的質(zhì)地較粗且有機質(zhì)含量較低使其自身的彈性較低[16,18,30]。

3.2 含水率對土壤流變特性的影響

土壤含水率是影響土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，可直接影響土壤顆粒間的連接方式和膠結(jié)強度。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的增加，剪切強度參數(shù)、LVE、YP、max總體呈降低趨勢。表明隨著含水率的增加塿土和黃綿土的結(jié)構(gòu)強度均降低。這是因為隨著水分含量的增加，顆粒表面的結(jié)合水膜增厚，使得土壤顆粒-水-空氣界面的粘附力降低，顆粒間的凝聚力減弱。另一方面，土壤顆粒在含水率較高時，顆粒間相對滑動的阻力減小，內(nèi)摩擦角減小，導致土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低[13,38]。本研究發(fā)現(xiàn)，在含水率小于等于24%時，塿土的和YP小于黃綿土，相反在含水率大于24%時，塿土的和YP大于黃綿土。這是由于黃綿土的粉砂粒含量較多，有機質(zhì)和黏粒含量較少，導致在含水率較低時黃綿土顆粒間的接觸和摩擦較強[39]。而在含水率較高時，黃綿土由于其膠結(jié)程度較弱以及顆粒間鹽沉淀的溶解，結(jié)構(gòu)完全坍塌，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低于塿土，這與Pértile等[24]的研究結(jié)果一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨含水率增加，塿土的LVE增加，tan不變；在線性黏彈區(qū)外，塿土的YP和黃綿土降低，tan緩慢增加。塿土的LVE隨含水率的增加而增加，這與Pértile等[24]的研究結(jié)果不同，主要是由于在較低剪切應變下，含水率的增加使顆粒間的摩擦阻力減小，土壤顆粒易于恢復到原來的位置和狀態(tài)[38]，進而增加了線性黏彈性區(qū)的剪切應變值。塿土的YP和黃綿土I隨含水率的增加而降低以及tan的緩慢增加，主要是由于當含水率增加時，顆粒表面的水膜厚度增加，顆粒間的黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，導致土壤顆粒間的膠結(jié)程度降低，結(jié)構(gòu)回彈性降低。此外，塿土的YP和I在15%出現(xiàn)峰值，即在此含水率時，土壤顆粒表面的結(jié)合水膜的厚度最適。但隨含水率不斷增加，顆粒間鹽沉淀的溶解以及彎液面的消失，使顆粒間的黏聚力和摩擦力降低[32]，從而導致土壤結(jié)構(gòu)彈性降低。這與Pértile等[24,38]的研究結(jié)果類似。此外，本研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，塿土的LVE、YP、τmax和I均大于黃綿土，這主要是由于塿土黏粒、有機質(zhì)和陽離子交換量較高（表1），使得塿土的凝聚力和黏附力較大[32,40]，導致其彈性高于黃綿土。

4 結(jié) 論

基于流變學法所獲取的土壤流變學參數(shù)能夠量化表征塿土和黃綿土的結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性。本研究發(fā)現(xiàn)：

1）線性黏彈區(qū)的儲能模量和剪切應力均隨土壤容重的增大（0.9～1.7 g/cm3）而增加，這主要是因為容重增加了土壤顆粒間的黏聚力和摩擦力，土壤結(jié)構(gòu)強度增加。黃綿土屈服點的剪切應變和塿土的積分隨容重增加先增大后降低，說明土壤顆粒存在一個最穩(wěn)定的排列組合方式(1.3 g/cm3）。

2）線性黏彈區(qū)的儲能模量和剪切應力、屈服點的剪切應力及最大剪切應力均隨含水率的增加（9%～30%）而均降低；塿土線性黏彈區(qū)的剪切應變隨含水率增加而增加，但塿土屈服點的剪切應變和黃綿土積分隨含水率的增加而降低，這主要是因為含水率增加導致顆粒間黏聚力和摩擦力降低，顆粒間鹽的沉淀溶解以及彎液面的數(shù)量減少、導致其結(jié)構(gòu)破壞，穩(wěn)定性降低。

3）塿土的彈性和剪切強度均高于黃綿土，主要是由于塿土黏粒、有機質(zhì)、陽離子交換量、比表面積等較高，提高了土粒間結(jié)合數(shù)量和強度。

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Effects of soil bulk density and water content on the mechanical stability of soil structure using rheological method

Wang Jinxiao1,2, Hu Feinan1,2,3※, Xu Chenyang1, Zhao Shiwei2,3, Liu Jingfang1,2, Tu Kun1,2, Song Songsong3

(1.,712100,; 2.,,712100,; 3.,,712100,)

Mechanical stability of soil structure determined the scour resistance, erodibility, collapsibility, slope stability, and foundation stability of the soil, even the large-scale agricultural instruments, as well as irrigation and water conservancy projects. Alternatively, rheology has widely been one part of soil physical characterization under deformation. The rheological parameters can be utilized to clarify the highly complex soil process, including the most significant soil aggregation factors, such as soil bulk density and water content. In this study, the widely distributed Lou soil and loessal soil on the Loess Plateau were selected as the research objects. An amplitude scanning test was selected to simulate the oscillation load process. An investigation was made on the effect of soil bulk density and water content on the mechanical stability of soil structure under the oscillation load.The results show that: 1) The soil density increased the contact point between soil particles, leading to the increasing cohesion and friction between particles. The shear strength parameters were all increased, including the shear stress at the linear viscoelastic region, as the increase of soil bulk density, indicating the increase in the stability of soil structure. In terms of viscoelastic parameters, the shear strain at yield points of Loessal soil and integral zone of Lou soil increased first and then decreased, with the increase of soil bulk density. Soil particles were under the most stable way of organization and combination (1.3 g/cm3). Shear strength parameters with the change of soil bulk density were more sensitive than viscoelastic parameters. 2) As the increase of soil water content, the shear strength parameters presented the decreasing trends, including the shear stress at the linear viscoelastic region, the shear stress at yield point, the maximum shear stress, indicating the decreased stability of soil structure. In viscoelastic parameters, the shear strain at the linear viscoelasticity regionof Lou soil increased with the increase of water content, but the shear strain at yield point of Lou soil and integral zone of Loessal soil decreased. It indicated that the cohesion and friction between soil particles decreased, with the increase of soil water content. The higher water content of soil particles decreased the relative sliding resistance between particles, leading to the deterioration of soil structural stability. 3) The elasticity and shear strength of Lou soil was higher than that of Loessal soil. This was mainly because Lou soil contained a higher content of clay, organic matter, cation exchange capacity, and specific surface area than those of Loessal soil, indicating the improved cementation strength between soil particles. Consequently, the rheological parameters from the amplitude scanning test in the rheometer can be used to quantitatively characterize the mechanical stability of soil structure, providing for rich evaluation parameters to further understand the micromechanical properties of soil. The finding can provide a shred of strong scientific evidence for agricultural water and soil engineering design, as well as the prevention and control of landslide and geological disasters in the Loess Plateau.

soils; aggregates; water content; rheology; mechanical stability; viscoelasticity; shear strength

王金曉，胡斐南，許晨陽，等. 基于流變學法研究容重和含水率對土壤結(jié)構(gòu)力學穩(wěn)定性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(19)：147-155.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.017 http://www.tcsae.org

Wang Jinxiao, Hu Feinan, Xu Chenyang, et al. Effects of soil bulk density and water content on the mechanical stability of soil structure using rheological method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 147-155. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.017 http://www.tcsae.org

2021-04-09

2021-08-10

國家自然科學基金項目（41977024；41601236）

王金曉，研究方向為土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Email：jxwang19@163.com

胡斐南，博士，副研究員，研究方向為土壤學與水土保持。Email：hufn@nwafu.edu.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.017

S152.9

A

1002-6819(2021)-19-0147-09