基于流变学法研究容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响

王金晓，胡斐南,，许晨阳，赵世伟，刘婧芳，涂 坤，宋松松

基于流变学法研究容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响

王金晓1,2，胡斐南1,2,3※，许晨阳1，赵世伟2,3，刘婧芳1,2，涂 坤1,2，宋松松3

（1. 西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；3. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100）

土壤结构力学稳定性不仅与土壤质量和肥力密切相关，而且还与农业器具设计和农业水土工程建设紧密联系。该研究以黄土高原广泛分布的塿土和黄绵土为研究对象，采用振幅扫描试验模拟振荡荷载过程，研究土壤容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响。结果表明：1）随土壤容重的增加，土粒间接触点增多，使得剪切强度参数：线性黏弹区的剪切应力和储能模量均增加，土壤结构强度增强；黄绵土屈服点的剪切应变和塿土的积分随容重增加先增大后降低，表明土壤颗粒存在一个最稳定的排列组合方式。同时，剪切强度参数对土壤容重的响应更为敏感。2）随含水率的增加，土壤颗粒间黏聚力和摩擦力降低，剪切强度参数：线性黏弹区的剪切应力、屈服点的剪切应力、最大剪切应力均降低，土壤结构强度降低；当剪切应变在线性黏弹区时，塿土的弹性随含水率的增加而增加，而较大的剪切应变下的塿土的弹性和黄绵土总的弹性随含水率增加均降低。3）对比2种土壤，因塿土的黏粒、有机质、阳离子交换量、比表面积等较高，增加了土粒间的胶结强度，使得塿土的弹性和剪切强度较高，而黄绵土结构更具脆性。该研究结果表明基于流变仪中的振幅扫描测试所获取的流变学参数能够定量表征土壤细观结构力学稳定性，为进一步深入认识土壤微观力学特性提供了丰富的评价参数。

土壤；团聚体；含水率；流变学；力学稳定性；黏弹性；抗剪强度

0 引 言

土壤结构在调节土壤水肥气热、维持植物根系活动、减少土壤侵蚀与退化等生态环境功能中扮演着重要角色，其力学稳定性是影响大型农业器具设计、农田水利工程建设等的重要因素[1-3]。土壤结构力学稳定性是指土壤在抵抗外应力时维持结构稳定性的能力[2]。它与土壤机械组成、含水率、容重、有机质、团聚体稳定性等密切相关，并深刻地影响着土壤的抗冲性、可蚀性、湿陷性、边坡稳定性及地基稳定性[4-6]。

前人对土壤结构的力学稳定性开展了大量工作，这些研究主要通过直剪切、无侧限压缩和三轴压缩试验获得抗剪强度、黏聚力、内摩擦角等参数来表征土壤力学性质[7]。这些力学参数在评估土壤侵蚀、滑坡、蠕变、液化变形、边坡稳定性及隧道稳定性等方面具有重要的作用[8-11]。华忠光[12]通过无侧限压力仪测定了土壤团聚体的抗张强度，发现团聚体的力稳性对降雨溅蚀特征具有显著的影响。张健乐等[13]采用三轴与直剪试验研究了容重和含水率对紫色土坡耕地土壤抗剪强度的影响，发现黏聚力和内摩擦角总体上随土壤容重增大而增大，随含水率增大而减小。尽管抗剪强度等参数能够反映土壤在外力作用下的力学性质，但这些传统的土壤力学性质测定方法都是从宏观层面分析剪切破坏导致的一部分土体相对于另一部分土体滑动时的极限强度，进而描述土体力学特性的变化[14]。同时，以往基于传统测试方法所获取的力学参数主要与土壤密度、孔隙以及团聚体等宏观性质指标进行相关分析，难以从影响土力学性质变化的微观水平，特别是土粒间相互作用方面对力学参数进行深入分析[15]。因此，有必要探索其他技术和方法来加深对土壤结构力学性质微观层面上的研究。

流变学方法是研究外力作用下黏弹性物质流动与变形的科学，近年来逐渐应用于土壤结构力学稳定性的研究中[16]。作为一种灵敏度较高的测量技术，基于流变仪获取的流变学参数可反映微观水平上土壤颗粒与颗粒间相互作用，并通过应力与应变关系来定量表征土壤结构稳定性[16-17]。因此，基于流变学方法能够建立土壤结构强度与颗粒组成、矿物组成、有机质含量、离子种类和浓度、水分含量等土壤性质间的直接联系[18-22]。例如，Holthusen等[23]应用流变学振幅扫描试验发现土壤在线性黏弹区的剪切应力、屈服点的剪切应力和储能模量均随容重增加而增大，表明土壤强度性质随容重增加而增强；线性黏弹区的剪切应变、屈服点的剪切应变总体随容重增加而降低，表明土壤的弹性减弱、稳定性降低。Pértile等[24]通过流变学方法评价了亚热带4种土壤的结构稳定性，发现氧化土和变性土因黏土矿物含量高而具有较高的弹性（线性黏弹区的剪切应变和屈服点的剪切应变值较高）和稳定性（最大剪切应力较高），而砂粒含量较高的老成土结构稳定性最低。可见，基于流变学方法得到的相关参数能够很好地表征土壤结构的力学稳定性。

黄土高原是世界上黄土分布最为集中、覆盖度最大的地区，但黄土具有多孔隙、胶结弱、遇水易破碎、力学强度低、稳定性差等特点[25-26]。目前，对黄土本身这些特殊结构性质所引发的土壤侵蚀、滑坡、湿陷、土体破坏变形失稳等环境与地质灾害已开展了大量研究[25-28]，但应用流变学方法对黄土结构力学稳定性的相关研究还鲜有报道。因此，本研究将流变学方法应用于黄土母质发育土壤（塿土和黄绵土）结构力学稳定性中，探究容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响，以期加深对黄土区土壤结构力学特性的认识，为黄土高原农业水土工程设计和滑坡等地质灾害防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

供试土壤样品为黄土母质发育的塿土和黄绵土，分别采自杨陵和安塞地区农田土壤，其中塿土为黄土母质发育的褐土经长期耕种、施用粪肥和黄土的再沉积过程而成，黄绵土为黄土母质直接耕种而形成的幼年土壤，塿土和黄绵土分别属于黏壤土和砂壤土。在典型农田样地，通过随机采样法采集表层（0～20 cm）土壤，混匀后带回实验室自然风干，挑除石块和植物根系等杂质后装袋备用。供试土壤的基本理化性质见表1。

1.2 流变学方法测试原理

流变法测试原理见文献[30-32]。土壤的流变特性由振荡模式下振幅扫描测试双平行板模型来测定（图1）。土壤样品位于2个板间，其中下板静止不动，上板随振幅的增加呈正弦函数曲线运动，使样品在剪切作用下产生位移（m），样品的厚度（m，亦即板间距）不变，由上述剪切运动所产生的剪切应力（, N）是基于扭矩（N·m）和平行板半径（m）计算得到（式（1）），剪切应变（, %）由位移（m）和板间距（m）计算得到（式（2））：

注：为上板的位移，m；为上下板间距，m；为偏转角，(°)；1、2、3、4、5、6为模拟上板移动过程。

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.

图1 振荡测试的平行板模型[30]及实物图

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

通常流变仪对样品施加正弦波规律的应变，样品会相应反馈一个正弦波规律的应力曲线（图2），且2个正弦波间会存在一个相位角（），介于0～90°，理想流体的为90°，理想固体的为0，而黏弹性样品的介于0～90°，土壤属于黏弹性物质，因而其范围为0～90°。

根据经典力学中的胡克定律，完全弹性物质在单轴应力条件下的剪切模量（）是恒定的[30]。在振荡剪切时，采用复剪切模量（, Pa），可分为储能模量（, Pa）（式（3））和损耗模量（, Pa）（式（4））[31-32]。

式中是指物质的弹性分量，即由外部应力产生的可以被暂时储存的能量，撤除外部应力后物体的变形能够恢复；是指由热量、摩擦和其他形式损耗的能量，即物质开始流动所要损失的、不可恢复的能量。可借助与剪切应变的曲线确定线性黏弹区（Linear Viscoelastic Range，LVE）（偏差小于5%的平台区），表征了变形前物质内部结构的强度，且在此区域内物质内部结构的变化是弹性可恢复的，由线性黏弹区的剪切应变（LVE，%）、剪切应力（LVE，Pa）分别表示小应变下的弹性和强度，超过此区域后样品结构将会形成不可逆的破坏，表现为和减小[30-31]。损耗因子（tan）为和的比值，表示物质变形所损失能量的比例，可区分土壤的机械强度，描述弹性与黏性比的行为。测试开始时>（tan<1），即样品主要表现为弹性行为；当=时（tan=1），样品的弹性分量与黏性分量相等，表示样品的结构完全被不可逆的破坏并开始流动，这个点也称为屈服点（YP），屈服点的剪切应变（YP/%）、剪切应力（YP/Pa）、储能模量（YP/Pa）分别表示屈服点的弹性和强度大小；随后<（tan>1），样品主要表现为黏滞性。

I是剪切应变从0.0001%到屈服点（YP）所对应tan曲线与tan=1所围成的面积（图3），又称积分，由式（5）计算得到，其值越大，弹性变形的总体比例越高，物质的刚度也就越高[20]；最大剪应力（max，Pa）是振幅扫描试验过程中样品所显示的最大剪切应力值（图3），剪切应力的峰值表示样品发生了脆性剪切破坏[21]。I和max作为流变特性参数也得到了广泛的应用。

上述的流变学参数（、LVE、LVE、YP、YP、YP、max和I）为土壤微结构稳定性研究提供了丰富的信息[20]。

注：为储能模量，Pa；为损耗模量，Pa；tan为损耗因子；max为最大剪应力，Pa。LVE为线性黏弹区

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

图3 振幅扫描试验结果示意图

Fig.3 Schematic of results from an amplitude sweep test

1.3 样品制备

将自然风干的土壤样品过2 mm筛，充分混匀后测定其风干含水率，为对比分析塿土和黄绵土结构力学稳定性对容重和含水率的响应特征，本试验参照塿土和黄绵土的容重（1.1～1.3 g/cm3）和田间持水量（20%～30%）[33-34]，设计5个容重梯度：0.9、1.1、1.3、1.5和1.7 g/cm3，8个土壤含水率（质量含水率）梯度：9%、12%、15%、18%、21%、24%、27%和30%，孔隙率变化范围约为35%～70%。设置较大的容重和含水率的梯度范围，目的在于系统评估研究变量对土壤力学性质的影响，以检验在极端条件下力学性质的变化特征。

不同土壤含水率样品制备：称取过2 mm筛的自然风干土壤样品110 g平铺于培养皿内，采用式（6）计算不同含水率所需添加的去离子水量，均匀的喷洒在土壤样品上，充分搅拌均匀后密封，放入冰箱（温度4℃）平衡24 h。取样以1.3 g/cm3的容重装入直径为33.8 mm、高为1.0 cm的塑料圆环中，每个样品的质量误差控制在0.50 g内，每个处理重复5次。不同含水率所需加水量为

式中m为对应含水率所需的加水量，g；0为风干土质量，g；0为风干土含水率，%；1为设定的含水率，%。

不同土壤容重样品制备：称取过2 mm筛的自然风干土样，按照上述含水率样品的制备方法制成20%含水率的样品放入冰箱平衡12 h后，分别以0.9、1.1、1.3、1.5和1.7 g/cm3的容重装入直径为33.8 mm、高为1.0 cm的环中，每个处理重复5次。

1.4 流变仪振幅扫描测定方法

采用MCR 302流变仪（安东帕，奥地利）在振荡模式下进行振幅扫描测试。将上述处理好的土壤样品放置在双平行板的下板上，在转子下降到刮样位置时，将样品处理成直径为25 mm、高为4 mm的测试样品，振幅扫描测试的参数设置见表2。

表2 振幅扫描测试参数设置

测试过程中控制法向应力F<12 N，每个样品测试前等待时间为1 min，测试过程由软件RheoCompass 1.24（安东帕，奥地利）执行完成。根据测试结果可获得剪切应力（，Pa）、剪切应变（，%）、储能模量（，Pa）、损耗因子（tan）、屈服点（YP）、积分（I）、线性黏弹区（LVE）、最大剪应力（max，Pa）等流变学参数。

1.5 数据计算

使用Excel 2013进行数据整理，绘图采用OriginPro 2018软件。

2 结果与分析

2.1 容重对土壤剪切强度的影响

土壤在外力作用下的变形行为可由振幅扫描测试得到的储能模量（）随剪切应变（）的变化曲线（图4）表示。从图中可以看出，当剪切应变不变时，随着土壤容重的增加，2种土壤的均增大。特别地，当容重由0.9 g/cm3增加到1.3 g/cm3时，明显增大；而当容重大于1.3 g/cm3时，不同容重下随的变化曲线几乎重合。此外，由图4还可以发现在整个测试过程中，塿土容重在0.9 g/cm3时的大于黄绵土，但在线性黏弹性区（0.0001%<<0.0031%）内的其他容重下塿土的小于黄绵土；在超过线性黏弹性区（>0.0031%）后，塿土的大于黄绵土。

剪切强度参数LVE、YP、max分别反映了土壤结构发生可逆变形、完全破坏时的剪切应力及土壤结构抵抗变形所产生的最大剪切应力。由不同容重与LVE、YP和max的关系（图5）可以看出：塿土的LVE、YP、YP和黄绵土的LVE和max均随容重的增加而增大，其他参数无显著变化。对比2种土壤，发现不同容重下塿土的LVE、YP、max均大于黄绵土。

2.2 容重对土壤黏弹性的影响

损耗因子（tan）表示土壤的黏性部分，值越大表示土壤结构稳定性越低。通过振幅扫描试验可获得损耗因子（tan）随剪切应变（）的变化曲线（图6）。由图可以看出，当剪切应变小于0.1%时，随剪切应变及容重的增加，2种土壤的tan几乎没有发生变化；但当剪切应变在0.01%～0.1%范围时，tan随剪切应变增加而增大，且容重较低的样品（0.9 g/cm3）的tan最先达到屈服点（tan=1），特别地，黄绵土在容重较大时（>1.3 g/cm3），tan δ曲线在剪切应变为3%～10%时出现一个暂时稳定的平台。

土壤黏弹性参数LVE、YP、τmax和I分别反映了土壤结构发生可逆变形、完全破坏以及抵抗最大剪切应力时的剪切应变和总的黏弹性。由不同容重与LVE、YP、τmax和I的关系可以看出（图7），黄绵土的YP和塿土的I随容重的增加先增大后降低，即在1.3 g/cm3时，土壤颗粒间存在一个最适排列方式，而容重对2种土壤的LVE和τmax均无显著影响。

特别地，当塿土容重大于1.3 g/cm3时，在整个测试期间，样品颗粒间的摩擦力持续增加，剪切应力没有最大值。此外，塿土的LVE、YP、τmax和I均大于黄绵土。

2.3 含水率对土壤剪切强度的影响

由振幅扫描测试获得储能模量（）随剪切应变（）的变化曲线（图8）可以看出，当剪切应变不变时，随含水率的增加，2种土壤均降低。当塿土含水率超过27%、黄绵土含水率超过24%后，降低了一个数量级，达到4.05×105Pa。随剪切应变增加并超过线性黏弹区（>0.0083%）后，黄绵土的剧烈降低。对比2种土壤，当含水率小于等于24%时，塿土明显小于黄绵土；而当含水率大于24%时，塿土大于黄绵土。

由不同含水率与LVE、YP和max的关系（图9）可以看出，2种土壤的LVE、YP和max总体上均随土壤含水率的增加而降低。对比2种土壤，塿土LVE、YP和max均大于黄绵土。此外，黄绵土的YP随含水率的增加而降低。当含水率小于24%时，塿土YP小于黄绵土，但在含水率大于等于24%时，塿土YP大于黄绵土。

2.4 含水率对土壤黏弹性的影响

由损耗因子（tan）随剪切应变（）的变化关系曲线图（图10）可以看出，当剪切应变较小时，随含水率增加2种土壤的tan均增大。当含水率小于27%时，含水率对tan几乎没有影响；当含水率大于等于27%，tan明显增大。此外，当剪切应变小于0.1%时，剪切作用对2种土壤的tan的影响不明显（呈常数）；当剪切应变达0.01%～0.1%时，tan呈缓慢增加趋势，且含水率较高时tan值明显较大；随剪切应变持续增加，tan对含水率的响应差异明显，含水率最高时的样品tan最先达到1，土壤结构最先发生破坏。

由不同含水率与LVE、YP、τmax和I的关系可以看出（图11），土壤含水率对黏弹性参数的影响趋势不同。塿土的LVE随含水率的增加而增加，YP随含水率的增加而降低；黄绵土的I随含水率的增加而降低，其他参数与含水率之间没有明显的关系。比较2种土壤，发现塿土的LVE、YP、τmax和I均大于黄绵土。

3 讨 论

3.1 容重对土壤流变特性的影响

储能模量（）反映了土壤结构的强度性质，其值越大表示土壤结构稳定性越大，这与土壤质地、有机质含量和黏土矿物种类及含量有关[16]。本研究发现，随土壤容重的增加，剪切强度参数、LVE均呈线性增大，这主要是由于随土壤容重的增加，土壤内部土粒间接触点增加，内摩擦角增大，使得土壤颗粒间的内聚力和摩擦力增加[21]，导致土壤的结构力学稳定性增加[35]。这与Holthusen等[23]在研究土壤容重对亚热带氧化土黏弹性和剪切强度影响的结果一致。本研究还发现，当容重增加到最大值时（1.7 g/cm3），YP反而降低。这主要是由于随容重和剪切应变的不断增加，土壤颗粒相互滑动，进入相邻颗粒层间的空隙，增加了接触数量及颗粒间的摩擦力的同时使得土壤颗粒的接触过于密实，颗粒间的相对运动受阻，土壤结构的脆性增强。对比2种土壤，塿土因其具有较高的黏粒和有机质含量、较大的阳离子交换量和比表面积（表1），使土壤颗粒间的胶结程度较高，导致在线性黏弹区内塿土（容重为0.9 g/cm3）的大于黄绵土；而在其他容重下塿土的小于黄绵土（图4）。这是因为随着容重的增加黄绵土颗粒间的接触数量增多，结构刚性增强。在线性黏弹区外，塿土的大于黄绵土，说明塿土颗粒间的结合强度较大，稳定性较高。Pértile等[30]采用流变学振幅扫描试验评价了4种亚热带土壤结构稳定性，发现结构稳定性与土壤质地、黏粒、有机质、矿物类型等影响颗粒间连接的因素有关。即剪切强度参数很大程度上取决于颗粒间接触强度及其表面特性[36]。通常而言，有机质和黏粒含量越高，土粒间的黏结强度越大，土壤的结构强度愈强。

黏弹性是土壤流变学中的另一个重要特征，主要受颗粒间静电作用力的影响，与黏土类型、比表面积、阳离子交换量、可交换性阳离子的类型和数量、黏土颗粒间的距离（密度）等有关[22,30,37]。本研究发现，在线性黏弹区，因剪切应变较低，tan几乎没有发生变化；而在线性黏弹区外，tan随剪切应变增加而增大，且容重较低样品（0.9 g/cm3）的tan最先达到屈服点（tan=1），这表明土壤最先完成由弹性到黏性的转变，结构稳定性最低。这与Holthusen等[23]的研究结果一致，主要是由于土壤容重较低时，土壤颗粒自由填充，颗粒间的接触较弱，内聚力和内摩擦力较低，较小的外力对土壤结构力学性质影响较小，而当所施加的外力增加时，容重较低的样品由于较弱的接触作用使其结构最先发生破坏[13,23]。特别地，黄绵土在容重较大时（大于1.3 g/cm3），tan曲线在剪切应变为3%～10%时出现一个暂时稳定的平台，这是由于土壤颗粒间的重新排列，使得黄绵土的剪切强度暂时增加。Pértile等[30]发现砂粒含量较高的老成土也具有类似的现象。在高的剪切应变下，YP和I在1.3 g/cm3时出现峰值，即土壤颗粒间存在一个最适排列方式，这与Holthusen等[23]在研究不饱和状态下土壤密度对氧化土黏弹性（I）影响的研究结果类似。本研究结果发现，塿土的LVE、YP、τmax和均大于黄绵土，这主要是由于塿土中的矿物将会吸附土壤溶液中更多的水分，增强土壤的回弹性。相较而言，黄绵土的质地较粗且有机质含量较低使其自身的弹性较低[16,18,30]。

3.2 含水率对土壤流变特性的影响

土壤含水率是影响土壤结构稳定性的重要因素，可直接影响土壤颗粒间的连接方式和胶结强度。本研究发现，随着含水率的增加，剪切强度参数、LVE、YP、max总体呈降低趋势。表明随着含水率的增加塿土和黄绵土的结构强度均降低。这是因为随着水分含量的增加，颗粒表面的结合水膜增厚，使得土壤颗粒-水-空气界面的粘附力降低，颗粒间的凝聚力减弱。另一方面，土壤颗粒在含水率较高时，颗粒间相对滑动的阻力减小，内摩擦角减小，导致土壤结构稳定性降低[13,38]。本研究发现，在含水率小于等于24%时，塿土的和YP小于黄绵土，相反在含水率大于24%时，塿土的和YP大于黄绵土。这是由于黄绵土的粉砂粒含量较多，有机质和黏粒含量较少，导致在含水率较低时黄绵土颗粒间的接触和摩擦较强[39]。而在含水率较高时，黄绵土由于其胶结程度较弱以及颗粒间盐沉淀的溶解，结构完全坍塌，结构稳定性低于塿土，这与Pértile等[24]的研究结果一致。

本研究发现，随含水率增加，塿土的LVE增加，tan不变；在线性黏弹区外，塿土的YP和黄绵土降低，tan缓慢增加。塿土的LVE随含水率的增加而增加，这与Pértile等[24]的研究结果不同，主要是由于在较低剪切应变下，含水率的增加使颗粒间的摩擦阻力减小，土壤颗粒易于恢复到原来的位置和状态[38]，进而增加了线性黏弹性区的剪切应变值。塿土的YP和黄绵土I随含水率的增加而降低以及tan的缓慢增加，主要是由于当含水率增加时，颗粒表面的水膜厚度增加，颗粒间的黏聚力和内摩擦角降低，导致土壤颗粒间的胶结程度降低，结构回弹性降低。此外，塿土的YP和I在15%出现峰值，即在此含水率时，土壤颗粒表面的结合水膜的厚度最适。但随含水率不断增加，颗粒间盐沉淀的溶解以及弯液面的消失，使颗粒间的黏聚力和摩擦力降低[32]，从而导致土壤结构弹性降低。这与Pértile等[24,38]的研究结果类似。此外，本研究结果还发现，塿土的LVE、YP、τmax和I均大于黄绵土，这主要是由于塿土黏粒、有机质和阳离子交换量较高（表1），使得塿土的凝聚力和黏附力较大[32,40]，导致其弹性高于黄绵土。

4 结 论

基于流变学法所获取的土壤流变学参数能够量化表征塿土和黄绵土的结构力学稳定性。本研究发现：

1）线性黏弹区的储能模量和剪切应力均随土壤容重的增大（0.9～1.7 g/cm3）而增加，这主要是因为容重增加了土壤颗粒间的黏聚力和摩擦力，土壤结构强度增加。黄绵土屈服点的剪切应变和塿土的积分随容重增加先增大后降低，说明土壤颗粒存在一个最稳定的排列组合方式(1.3 g/cm3）。

2）线性黏弹区的储能模量和剪切应力、屈服点的剪切应力及最大剪切应力均随含水率的增加（9%～30%）而均降低；塿土线性黏弹区的剪切应变随含水率增加而增加，但塿土屈服点的剪切应变和黄绵土积分随含水率的增加而降低，这主要是因为含水率增加导致颗粒间黏聚力和摩擦力降低，颗粒间盐的沉淀溶解以及弯液面的数量减少、导致其结构破坏，稳定性降低。

3）塿土的弹性和剪切强度均高于黄绵土，主要是由于塿土黏粒、有机质、阳离子交换量、比表面积等较高，提高了土粒间结合数量和强度。

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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

王金晓，胡斐南，许晨阳，等. 基于流变学法研究容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响[J]. 农业工程学报，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

国家自然科学基金项目（41977024；41601236）

王金晓，研究方向为土壤结构稳定性。Email：jxwang19@163.com

胡斐南，博士，副研究员，研究方向为土壤学与水土保持。Email：hufn@nwafu.edu.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.017

S152.9

A

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