鄂东南花岗岩崩岗岩土抗剪强度与含水量的关系

夏振刚,邓羽松,赵媛,丁树文†

(1.华中农业大学资源与环境学院,430070,武汉;2.广西壮族自治区亚热带作物研究所,530004,南宁)

鄂东南花岗岩崩岗岩土抗剪强度与含水量的关系

夏振刚1,邓羽松1,赵媛2,丁树文1†

(1.华中农业大学资源与环境学院,430070,武汉;2.广西壮族自治区亚热带作物研究所,530004,南宁)

崩岗是我国南方特殊的一种土壤侵蚀现象,其形成主要是由于岩土稳定性降低所致;土壤抗剪强度是表征崩岗岩土稳定性的重要指标,而土壤含水量是影响抗剪强度的关键因子。以通城县2处崩岗为研究对象,采集淋溶层(A)、淀积层(B)、过渡层(BC)和母质层(C)原状土样,通过室内直剪试验,研究崩岗岩土不同层次抗剪强度与含水量的关系及变化规律。结果表明:A层抗剪强度随含水量增加呈现先增大后下降趋势,其余各土层抗剪强度整体上随含水量增加呈现而下降,B层抗剪强度较大,C层抗剪强度最小,且B层抗剪强度受含水量影响最大;土壤黏聚力变化幅度较大,A层随含水量增加先增大后减小,其余各层均随含水量增加而减小,B层黏聚力在4个层次中最大,同时其衰减幅度也较大,C层因黏粒质量分数低、缺少胶结物质而黏聚力极低;土壤内摩擦角4个土壤层次均随含水量增加而减小。研究结果可为崩岗侵蚀机理研究以及进一步防治崩岗侵蚀提供理论依据。

崩岗;土壤含水量;抗剪强度;黏聚力;内摩擦角

崩岗是山坡土体受破坏而崩塌和冲刷的土壤侵蚀现象,多发生于我国南方地区[1],容易造成水旱灾害、破坏当地生态环境,且防治困难[2]。崩岗主要分布在我国南方7个省(区),总面积达1 220 km2[3],严重威胁到南方丘陵地区的生态环境。崩岗成因研究主要集中在基岩的岩土特性、水的作用、软弱结构面和崩壁侵蚀4个方面[410],其形成主要由于岩土稳定性降低,土壤抗剪强度大小直接反映了土体在外力作用下,发生剪切变形破坏的难易程度[11],是表征崩岗岩土稳定性主要指标,在崩岗侵蚀机理研究中具有重要作用。

目前关于土壤抗剪强度的研究,国内还主要集中在岩土力学等方面,也有部分学者探讨花岗岩土壤侵蚀过程中抗剪强度指标的情况。任兵芳等[12]以鄂东南花岗岩崩岗区为研究对象,发现崩岗土体淋溶层与淀积层有较强的抗剪强度和抗冲抗蚀性。陈晓安等[13]对崩岗侵蚀区各层土壤特性与差异进行研究,得到花岗岩崩岗地区母质层抗剪强度明显小于红土层的结论,说明母质层抗剪强度低,是花岗岩崩岗发育的诱因。此外,抗剪强度有多项影响因素,张爱国等[14]对中国水蚀区范围内,水土流失过程中土体的抗剪强度进行了研究,发现影响抗剪强度的主导因素是密度、粉/黏粒、土壤含水量及土壤有机质质量分数。对于同一试验区,土体结构及相关理化性质变化不会太大,因而土壤含水量的变化对抗剪强度指标的影响很大;同时不同土层随含水量变化,抗剪强度指标变化情况也有所不同,水分变化往往诱导崩岗的发生,不同层次土壤水分特征也有所差异,且对崩岗侵蚀造成很大影响[1516],能够进一步分析各土层抗剪强度随含水量变化的特征,对于研究崩岗侵蚀机理十分重要。虽然抗剪强度在岩土力学方面有着广泛应用和研究,但有关崩岗岩土抗剪强度与含水量关系的研究还较少。张晓明等[17]对不同干湿效应下,崩岗侵蚀区岩土抗剪强度的衰减情况进行研究,发现土壤黏聚力、内摩擦角随干湿变化,呈非线性衰减变化;但并未对不同层次土壤的抗剪强度指标随含水量变化特征进行详细研究。林敬兰等[18]采集崩岗侵蚀南部区域福建省安溪县崩岗重塑土,通过三轴剪切试验,研究崩岗土体抗剪强度随水分变化的关系,得到随含水量增加,红土层、砂土层、碎屑层抗剪强度下降的结论;但研究土壤层次较少,砂土层与碎屑层在高含水量下,不能制作土样无法进行试验,并未完整反映两者关系。林金石等[19]采用直接剪切及三轴剪切试验方法,对崩岗红土层抗剪强度与含水量关系进行研究,为崩岗土体抗剪强度测定方法的选择提供了依据;但研究立足于探讨不同剪切方式对抗剪特征造成的差异,仅研究了红土层抗剪强度与含水量变化规律,未完整反映不同层次土壤两者变化规律。

本研究采集崩岗侵蚀北缘区湖北省通城县2处崩岗4个土壤层次原状土及散土,利用直剪试验及岩土特性分析,通过数据统计、绘制相关曲线及相关性分析,对比不同土壤层次下数据,探讨不同层次崩岗岩土抗剪强度随含水量变化的关系及规律,以期进一步了解、完善崩岗侵蚀发生机理,为崩岗侵蚀的治理工作提供依据。

1 研究区概况

研究区位于湖北省咸宁市通城县(E113°36′～114°4′,N29°2′～29°24′),地处湖北省东南部,鄂、湘、赣3省交界处,全县土地总面积约为1 172 km2。通城县是湖北省崩岗集中分布的典型地区,数量达1 102处,占湖北省崩岗总数量的47%,在鄂东南具有很强的代表性。该县属北亚热带季风气候区,光照适中,气候温和,雨热同期,但受到季风和地貌的影响,雨水时空分布不均。年平均气温16.2℃,年降雨量为1 520 mm左右。本研究选取通城县的2处崩岗(崩岗Ⅰ和崩岗Ⅱ)为研究对象,崩岗Ⅰ是位于E 113°36′41″,N 29°21′04″,海拔125.95 m的瓢型崩岗,崩岗Ⅱ是分布在E 114°46′31″,N 29°24′09″,海拔123.89 m的弧形崩岗。

2 材料与方法

2.1 试验设计

观察2处崩岗的发育状况,根据土壤剖面的土壤颜色以及质地等特征,进行土壤层次划分,将崩壁土壤层次从上到下依次划分为淋溶层(A)、淀积层(B)、过渡层(BC)和母质层(C),自下而上采集各层土样。

抗剪强度指标采用不排水直接剪切试验进行测定,仪器为南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪。利用直剪仪专用环刀,在2处崩岗崩壁不同土层处采集原状土,每层采集50个环刀样,共4个层次,采样后迅速用胶带密封防止水分蒸发,编号带回实验室。在室内,对采集的环刀样进行饱和后脱湿处理,各层次通过不同风干时间,各得到5个不同的含水量,每个含水量下有10个环刀样,分2组进行重复试验,每组取4个土样,在不同法向压力下(50,100,150,200 kPa),进行快剪试验,测定抗剪强度,剩余的1个土样用于准确测定含水量。所有试验重复2次,取平均值,绘制各土层抗剪强度与含水量关系曲线。根据库伦公式,计算土壤黏聚力、内摩擦角,并绘制各土层内摩擦角、黏聚力与含水量关系曲线。此外,在各土层采集散土样,用于土壤基本理化性质的分析,采用多点采样混合的方法,每个混合样取1 kg作为样品,编号带回实验室,采回的样品在室内通风阴干,粉碎过筛。土壤密度测定采用环刀法,土壤颗粒组成测定采用吸管法,有机质质量分数测定采用重铬酸钾(K2Cr2O7)硫酸亚铁(FeSO4)法,游离氧化铁质量分数测定采用二亚硫酸钠柠檬酸钠重碳酸钠法(DCB法)。崩岗剖面各层次土体的基本理化性质见表1。

表1 崩岗各层次土壤理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of different soil layers in collapsing hill

2.2 数据处理

根据直剪试验得到的抗剪强度,利用库伦公式计算相关指标:

式中:τ为土体抗剪强度,kPa;c为黏聚力,kPa;σ为作用在剪切面上的法向压力,kPa;φ为内摩擦角, (°)。

采用Excel 2010软件进行数据统计和简单分析,并绘制相应图表,利用SPSS 22.0进行相关性分析等。

3 结果与分析

3.1 不同土层黏聚力与含水量的关系

土壤黏聚力和内摩擦角是反映抗剪强度大小的2个重要指标。其中,黏聚力主要取决于土体颗粒间库仑力、范德华力以及胶结作用等。2处崩岗各土层土壤黏聚力随含水量变化明显(图1)。A层土壤黏聚力随含水量增加,呈现先增大后减小的趋势。崩岗I黏聚力在含水量为10.56%时,达到最大值81.67 kPa;崩岗II在含水量为11.26%时,达到最大值78.69 kPa,随后均随含水量增加逐渐减小,在土壤含水量接近饱和时,达到最小值。由于土体黏聚力是由土粒间微观力所决定,包括原始凝聚力、加固凝聚力和毛细凝聚力,其中毛细凝聚力由孔隙中毛细水的毛细压力产生[19],在含水量较低时,随含水量增加,土体孔隙中毛细水所产生的毛细压力增大,且存在基质吸力,进而黏聚力增大,后期随含水量进一步增加,土粒间距增大,水膜增厚,黏聚力下降;同时,当含水量在较低水平时,土壤产生裂隙,也对黏聚力造成一定影响,使土壤黏聚力随含水量降低而减小[1718]。

图1 崩岗I、崩岗II各土层黏聚力随含水量的变化Fig.1 Cohesive force changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I and II

图1 表明,2处崩岗B层、BC层黏聚力随含水量的变化趋势,与A层存在一定差异,B层黏聚力随含水量增加而减小,衰减程度大。崩岗I的B层黏聚力从含水量为5.00%时的122.52 kPa,急剧下降到含水量为35.53%时的3.65 kPa,衰减幅度达97%;崩岗II黏聚力则由含水量为7.82%时的137.15 kPa,下降到含水量35.90%时的5.39 kPa,衰减幅度达96%。出现该现象的原因在于,随含水量增加,土壤中土颗粒间距离增大,土颗粒间水膜厚度增大,使得土粒间的联结力等相互作用力下降,黏聚力下降;与此同时,水分进入土壤,软化游离氧化铁等胶结物质,使该类物质对土颗粒的胶结作用降低,进而使土壤黏聚力降低。BC层黏聚力的变化趋势与B层相近,随含水量的增加而减小,但黏聚力的大小和衰减趋势均小于B层,崩岗I的最大黏聚力为含水量3.47%时的77.05 kPa,在含水量为43.27%时,达到最小值14.90 kPa;崩岗II则为含水量7.87%时,达到最大值75.51 kPa,40.89%时达到最小值0.53 kPa。C层由于黏粒质量分数低,砂粒等粗颗粒质量分数高,有机质、游离氧化铁质量分数低,胶结物质很少,几乎不存在黏聚力。

通过对各土层黏聚力研究发现,B层黏聚力较大,随含水量增加衰减程度最大,BC层黏聚力最小,这与不同土层的物理化学性质及颗粒组成有关。A层、B层风化程度较高,C层风化程度低,且保持了花岗岩的原生结构。由表1可知:A层黏粒、有机质及游离氧化铁质量分数较高;但A层土壤根系发达,土体松散,容重小,持水保水能力较差,存在淋溶作用,可溶性物质及细微土粒遭到淋洗进入下层土体,使B层黏粒质量分数、游离氧化铁、有机质质量分数在4个层次中最高,加之其风化程度高,土壤紧实,具有较高的持水保水能力,因而B层黏聚力较大;同时A层、B层水分变化缓慢,渗透系数小,水稳性高,对水分吸力强,降雨后表土层和红土层水分向内传导缓慢,排水能力差,从而表层容易形成地表径流,对下层土体造成侵蚀[2021]。BC层颗粒组成及成分质量分数特征介于各层次之间,黏聚力也处于中间水平。

同时从图1可知,2处崩岗各土层黏聚力与含水量呈非线性关系,通过对实验数据进行拟合,各土层黏聚力与含水量显著相关(表2)。针对不同土层含水量对土壤黏聚力的影响,利用Pearson函数进行分析。结果表明,土壤含水量对黏聚力影响显著(Sig.＜0.01),Pearson相关系数为-0.547,即含水量与黏聚力为负相关关系,随含水量增加,黏聚力呈现减小趋势,说明含水量的变化,对土壤黏聚力影响很大。

表2 崩岗I、崩岗II各土层黏聚力随含水量变化关系函数Tab.2 The function of cohesive force changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I and II

3.2 不同土层内摩擦角与含水量的关系

除土壤黏聚力外,土壤内摩擦角也是反映土体抗剪强度的重要指标,内摩擦角反映土的摩擦特性,与土壤的颗粒结构、大小、形状及密实程度有关[22]。

如图2所示,2处崩岗不同土层内,摩擦角随含水量增加呈减小趋势,且随含水量变化,内摩擦角的衰减程度较小,减小趋势相较于黏聚力较缓。不同土层的变化存在一定差异,崩岗I、崩岗II的A层内摩擦角分别在27.65°～35.33°、18.73°～39.65°间变化,B层分别在26.25°～36.58°、27.86°～52.64°间变化,BC层分别在21.68°～41.79°、32.91°～44.60°间变化,C层与上层土体相比,内摩擦角衰减程度有所减小,分别在18.78°～21.80°、22.86°～36.03°间变化。2处崩岗各土层均在含水量接近饱和时,内摩擦角达到最小值;在含水量较低时,内摩擦角达到最大值。在土壤含水量增加过程中,水分软化胶结物质,被软化的胶结物质和水分可以在作为润滑剂,在土壤颗粒间起到润滑作用,使土颗粒间相对粗糙度降低,颗粒间摩擦力减小,同时降低了颗粒间的咬合力,进而使土壤的内摩擦力减小。

图2 崩岗I、崩岗II各土层内摩擦角随含水量的变化Fig.2 Internal friction angle changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I and II

由对实验数据进行拟合可知,2处崩岗内,摩擦角大小与含水量变化显著相关(表3)。针对不同土层含水量对土壤内摩擦角的影响,利用Pearson函数进行分析。结果表明,土壤含水量对内摩擦角影响显著(Sig.＜0.01),Pearson相关系数为-0.578,即含水量与内摩擦角为负相关关系,随含水量增加,黏聚力呈现减小趋势,说明土壤含水量对内摩擦角影响显著,含水量的变化会造成内摩擦角产生变化,进而影响崩岗岩土抗剪强度。

表3 崩岗I、崩岗II各土层内摩擦角随含水量变化关系函数Tab.3 The function of internal friction angle changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I and II

图3 崩岗I各土层抗剪强度随含水量的变化Fig.3 Shear strength changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I

图4 崩岗II各土层抗剪强度随含水量的变化Fig.4 Shear strength changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill II

3.3 不同土层抗剪强度与含水量的关系

由图3、图4可知:2处崩岗岩土各土层抗剪强度随含水量变化均受到较大影响,其中A层在低含水量时,抗剪强度随含水量的增加而增大。崩岗I在含水量3.00%～19.00%时,抗剪强度逐渐增大,在19.00%时达到最大,崩岗II在含水量2.45%～11.26%时,抗剪强度逐渐增大,在11.26%时达到最大,随后均随含水量的增加而下降。在低含水量情况下,抗剪强度随含水量减少而降低,这是由于在含水量进一步降低、风干程度加大的情况下,土颗粒间连续性水膜变为间断性水膜,固气比例相应增加,导致土体收缩,上下收缩不均匀形成裂隙,破坏土体结构,加之A层根系多,土体较为松散,裂隙产生的软弱结构面大大降低了土体强度,表现为随着含水量减少抗剪强度降低,后含水量增加,土体处于非饱和状态时,存在基质吸力,使土体稳定性增强,表现为抗剪强度的增大;当含水量进一步增强,吸力逐渐消失,加之黏聚力、内摩擦角也相应下降,强度也进而下降[17,2326]。B、BC和C层的抗剪强度随含水量增加而下降,在含水量较低时衰减程度较大,随着含水量增加衰减趋势逐渐变缓。

通过对50 kPa法向压力下,2处崩岗不同含水量的抗剪强度比较发现(图5),4个土壤层次中,B层在低含水量时抗剪强度最大,随含水量变化,抗剪强度衰减程度最大,说明含水量变化对B层抗剪强度影响最大。随土壤深度增加,抗剪强度逐渐降低, C层的抗剪强度最小,随含水量变化的衰减程度也最小,在水的作用下,下层土壤往往容易被侵蚀,形成龛,进而促进崩岗的发生。对土壤抗剪强度与含水量的相关关系拟合可知,抗剪强度与含水量显著相关(表4)。其他法向压力下,变化情况与图5所示规律相同。

图5 50 kPa法向压力下崩岗I、崩岗II各土层不同含水量下抗剪强度Fig.5 Shear strength of different soil layers in different soil moisture at collapsing hill I and II with 50 kPa normal pressure

表4 50 kPa法向压力下崩岗I、崩岗II各土层不同含水量下抗剪强度函数Tab.4 Shear strength function of different soil layers in different soil moisture at collapsing hill I and II under 50 kPa normal pressure

4 讨论

通过对崩岗Ⅰ、崩岗Ⅱ不同土层抗剪强度与含水量关系研究发现,土壤抗剪强度受含水量影响很大,整体上抗剪强度随含水量增加而下降,A层与其余各层有所差异,抗剪强度随含水量增加呈现先增大后下降。表征抗剪强度的指标方面,A层黏聚力随含水量增加呈现先增加后减小,B、BC和C层均随含水量增加而减小,其中B层黏聚力在含水量5.00%～8.00%间达到最大值,与张晓明等[17]研究结果(在含水量为13%时达到最大值)、林敬兰等[18]研究结果(含水量为22%时达到最大值)有一定差异,这与试验方法、试验样品处理及研究区位置等有关。内摩擦角整体上随含水量增加而减小,与张晓明等[17]、林敬兰等[18]研究结果一致,不同土层随含水量变化的幅度有所差异。

B层黏粒、胶结物质质量分数高,黏聚力、内摩擦角较大,抗剪强度较高,受含水量影响最大;当含水量增大到一定范围内,黏聚力、内摩擦角迅速减小,导致土壤抗剪强度急剧下降;同时,B层持水保水能力强,含水量增加导致土壤自重变大,使土壤下滑剪切力增大,当下滑剪切力大于抗剪强度时,容易发生崩塌。

BC层抗剪强度指标变化趋势与B层相近,由于颗粒组成有所差异,黏粒、游离氧化铁等物质质量分数相对于B层较少,指标大小、变化幅度与B层相比较小。

C层由于几乎无黏聚力,抗剪强度由内摩擦角提供,土颗粒间缺少胶结和联结力,抗剪强度低,容易被侵蚀。在自然状态下,降雨一部分形成地表径流冲刷地面斜坡,在重力侵蚀作用下形成陡坡,暴露出C层。由于C层抗剪强度极低,在水分作用下,强度迅速下降,被侵蚀进而形成龛,使上方土体悬空失去支撑;同时,另一部分降雨渗透进入土体,在含水量较低时,B层仍能保持较高抗剪强度,但随含水量增加,土壤结构发生变化,强度下降,稳定性降低,上层土体自重不断增加,此时极易发生崩塌,崩塌后再次暴露出下层土体,如此反复,崩岗不断扩大,发展速度大大提高。这也是崩岗不断快速扩大的原因,因而在崩岗地区也应保护BC层、C层等下层土体,防止其暴露,导致崩岗扩大。

5 结论

崩岗岩土抗剪强度与含水量有着紧密联系,含水量变化对于崩岗岩土抗剪强度影响极大,含水量大幅度增加,导致抗剪强度的急剧衰减,使崩岗岩土稳定性降低,进一步促进崩岗发育、扩大,具体表现为:A层抗剪强度随含水量增加呈现先增大后下降,其余各土层抗剪强度整体上随含水量增加而下降, B层抗剪强度最高,受含水量影响最大,C层抗剪强度最低;土壤黏聚力A层随含水量增加先增大后减小,B层、BC层均随含水量增加而减小,C层因黏粒质量分数低、缺少胶结物质而几乎无黏聚力;土壤内摩擦角4个层次均随含水量增大而减小,不同土层由于颗粒组成等理化性质有所不同,各项指标的大小和变化幅度存在一定差异,随着土壤深度的增加,土壤抗剪强度及其相关指标整体上呈下降趋势,一旦下层土体暴露,下层土体极易遭到破坏而加剧崩岗的发生,保护下层土体对于防治崩岗侵蚀区扩大有着极其重要的作用;同时,土壤黏聚力、内摩擦角与含水量分别符合二次多项式增减规律和一阶对数衰减规律,可通过此关系评价崩岗稳定程度,为崩岗防治提供了相应理论依据。

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Relationship between soil shear strength and soil moisture of granite collapsing hill in southeast of Hubei Province

Xia Zhengang1,Deng Yusong1,Zhao Yuan2,Ding Shuwen1

(1.College of Resources and Environment,Huazhong Agricultural University,430070,Wuhan,China;2.Guangxi Subtropical Crops Research Institute,530004,Nanning,China)

[Background]Collapsing hill is a serious soil erosion phenomenon in granite areas of south China,it causes severe damages to ecological condition,agriculture and economy.The decrease of soil stability usually contributes to the collapsing hills.Soil shear strength is an important indicator to investigate the stability of collapsing hills,soil moisture is also the key factor of shear strength and the critical basis for conducting the soil erosion.[Methods]This study used a direct shear test to analyze the relationship and regularity of shear strength variation with soil moisture in different soil layers. According to the variation of soil characteristics such as color and texture,soil profiles can be divided into 4 layers,including the eluvial horizon(A),illuvial horizon(B),transitional horizon(BC),and parent horizon(C).The undisturbed soil samples were collected from two collapsing hills in Tongcheng County, southeast of Hubei Province,where is one of typical granite collapsing hill regions in China.To each horizon,there were 5 soil moistures from dry to saturation by controlling the length of air-drying duration. After pre-treatment,the samples were tested for different normal pressure(50,100,150,and 200 kPa)and various soil moisture.All of the tests were repeated once.Excel 2010 and SPSS 22.0 were used to analyze the relationship and Pearson correlation of shear strength and soil moisture.[Results]With the increase of soil moisture,the shear strength of layer A increased first and then decreased,others showed a trend of descent in soil shear strength,the shear strength reached the maximum in layer B and minimum in layer C.Besides,soil moisture affected the shear strength of layer B most,the shear strength of layer BC was among all the layers.Soil cohesive force presented wide variations,layer A showed a trend of decrease after first increase,the cohesive force of remaining soil layers declined with the increase of soil moisture;the cohesive force of layer B was the largest among four soil layers,while its decay amplitude was large as well;due to the lack of clay content and cementing substance the cohesive force of layer C was very low.The internal friction angle decreased with the increase of soil moisture in all of the soil layers.[Conclusions]Therefore,the shear strength of granite profiles decreases with the increase of moisture generally from top to bottom,the bottom layers of granite are fragile and more likely to be eroded,which can accelerate the formation and aggravation of collapsing hills,protecting the bottom layers is vital to prevent the aggravation of collapsing hills.This study can provide a theoretical basis for mechanism research of slope collapse and erosion hills as well as contrcol works.

collapsing hill;soil moisture;shear strength;cohesive force;internal friction angle

S157.1

A

1672-3007(2016)06-0026-09

10.16843/j.sswc.2016.06.004

2016 05 04

2016 09 10

项目名称:国家自然科学基金“花岗岩红壤优先流及其与崩岗侵蚀发育的关系”(41571258);华中农业大学国家级大学生创新创业训练计划“花岗岩崩岗不同层次土壤可蚀性与抗冲性对龛形成的影响”(201510504021)

夏振刚(1994—),男,本科生。主要研究方向:水土保持与环境生态。E-mail:kelvinxia@webmail.hzau.edu.cn†通信作者简介:丁树文(1964—),男,副教授,硕士生导师。主要研究方向:水土保持与农业生态。E-mail:dingshuwen@ mail.hzau.edu.cn