土壤含水率和干容重对不同植被类型边坡土壤抗剪强度的影响

2018-02-13赵友朋郭晓平张金池刘胜龙

水土保持通报 2018年6期

王楠, 赵友朋, 郭晓平,2, 张金池, 刘胜龙,3

(1.南方现代林业协同创新中心江苏省水土保持与生态修复重点实验室南京林业大学林学院, 江苏南京 210037; 2.环境保护部南京环境科学研究所, 江苏南京 210042;3.浙江凤阳山—百山祖国家级自然保护区凤阳山管理处, 浙江龙泉 323700)

边坡是一种自然地质体，受到外因作用时，土壤内部某一面上的滑动力超过土壤抗滑动的能力，边坡将失去稳定性[1]。边坡失稳将导致滑坡、崩岗等灾害，还可能带来水土流失等环境问题[2]，严重威胁着人民的生命及财产安全。滑坡的发生和水的作用关系密切[3]。产生滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致，土壤的破坏过程实际上是土壤抗剪能力丧失的过程[4-5]。土壤抗剪强度由土粒间发生相对滑动而产生的摩擦力和颗粒间的胶结作用以及电子吸引微小颗粒所产生的黏聚力构成[6]。决定抗剪强度大小的主要内在因素是两个抗剪强度指标为内摩擦角和黏聚力，因此研究土壤抗剪强度的大小即是研究内摩擦角和黏聚力的大小[7]。大量实践和试验[3,8-9]结果表明，土壤含水率和干容重与土壤的抗剪强度关系密切，其交互作用对土壤的稳定性存在不同程度的影响[10]，且在天然的情况下，受到降雨、蒸发、灌溉等因素的影响，土壤的含水率往往会发生较大的变化，一般情况下，土壤的抗剪强度和稳定性随含水率的变化而变化[11-12]。研究地区主要土壤类型为黄棕壤，发育于亚热带常绿阔叶与落叶阔叶混交林，广泛分布于我国亚热带南部地区，质地黏重，结构稳定性较低，具有明显的发生层次，腐殖质层较厚，铁铝氧化物含量相对较高，且降雨丰富，增加了发生滑坡的机率。因此，探究土壤含水率和干容重对抗剪强度的作用，以期为加强土壤管理和利用提供一定的理论依据。陈红星等[13]研究发现土壤黏聚力随着土壤含水率的增加基本上呈先增大后减小之趋势，土壤内摩擦角随着土壤含水率的增加而线性减小。杨永红等[14]研究发现，随着含水量的增加，非饱和土的黏聚力和内摩擦角均减小，黏聚力有较大变化而内摩擦角变化较小。进行了控制含水率和干容重的直剪试验之后发现，非饱和土的黏聚力和内摩擦角均随含水率增加而线性减小，且黏聚力减小的幅度更明显。而干容重对非饱和土的内摩擦角几乎没有影响，黏聚力随干容重呈指数增加[15]。很多学者已经关注了含水率和干容重对抗剪强度参数的影响，但忽视了含水率和干容重的共同作用对边坡土壤抗剪强度的影响过程，且对具体的影响规律尚无定论。因此，本文对凤阳山自然保护区的三种典型植被类型边坡土壤含水率和干容重对土壤抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角φ的影响进行研究，以期发现含水率和干容重共同作用下抗剪强度的变化规律，建立经验公式，为土壤的可靠性分析和提高边坡稳定性作科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省凤阳山自然保护区，地处东经119°06′—119°15′，北纬27°46′—27°58′。凤阳山保护区是浙江最大的自然保护区，管理范围15 171.4 hm2，森林覆盖率为90.8%。保护区为亚热带湿润季风气候，气候特点是温暖湿润，雨量充沛。年均气温12.3 ℃，年降水量在2 000 mm以上。凤阳山自然保护区的主要土壤类型为黄棕壤，颜色为黄棕色，土层已完整发育，人为干扰较少。保护区内植被类型丰富，主要包括针阔混交林、常绿阔叶林、竹林、茶园以及灌草林地等。天然分布的木本植物主要有：木荷(Schimasuperba)、杉木(CunninghamiaLanceolata)、短柄枹(Quercusglandulifera)、马尾松(Pinusmassoniana)、柳杉(Cryptomeriafortunei)等。

1.2 样品采集与理化性质的测定

2017年8月，在凤阳山自然保护区内选择常绿阔叶林、针阔混交林和灌草林地三种不同的植被类型的边坡土壤，坡面植被覆盖率相对较高。阔叶林为人工林，主要树种是木荷和短柄枹；针阔混交林多为残存的黄山松、杉木等，以及石楠(Photiniaserrulata)、柃木(Euryajaponica)、青冈等阔叶树种；灌草林地主要是狗牙根(Cynodondactylon)、香附子(Cyperusrotundus)和茅草(Imperatacylindrica)等。每个植被类型选取3块典型样地(20 m×20 m)，每个样地内沿对角线取2个点，去除表面的枯枝落叶层，随机采取20—40 cm土壤30 kg带回实验室风干，混合每个植被类型的土壤样品，用于抗剪强度的测定。再用环刀和铝盒取各层的原状土，尽快带回实验室测定土壤理化性质。土壤的含水率、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度采用环刀法测定[16]；将环刀内的土壤放至烘箱内烘干直至恒重，计算获得其天然含水率。土壤颗粒(沙粒2～0.02 mm，粉粒0.02～0.002 mm，黏粒<0.002 mm)组成采用激光粒度分析仪进行测定；pH值采用电位法〔水土比2.5∶1，pH计(PHS-3D)测定〕。结果详见表1。

表1 研究区样地基本土壤理化性质

注：EBF代表常绿阔叶林; CBF代表针阔混交林; SGF代表灌草林地。下同。

1.3 试验设计

将采集的土壤自然风干，按照《土工试验规程SL237-1999》要求过2 mm筛，去除土中的根系和砾石等杂质，取足够试验用的土样，充分拌匀，测定风干土含水率，装入自封袋保湿备用。试验设计75个处理，涉及3种植被类型，含水率根据实际情况处理为5个水平(25%，27%，29%，31%，33%)，干容重处理为5个水平(0.8，0.9，1.0，1.1，1.2 g/cm3)。称取过筛的土壤平铺于搪瓷盘内，按公式(1)计算需水量(去离子水)，然后均匀的喷洒在土样上，搅拌均匀后装入密封的容器内润湿24 h备用。制样前选取代表性的土样20～30 g，用烘箱测定配制土样的实际含水率，分别为25.2%，26.9%，29.1%，30.8%和33.3%，与原设计含水率基本接近。

根据试验所需的土量和含水率，计算制备试样所需的加水量，计算公式为：

(1)

式中：mω——土样所需加水量(g)；m——风干含水率时的土样质量(g)；ω0——风干含水率(%)，ω′——土样所要求的含水率(%)。

根据环刀体积和设计的干容重，单个试件所需湿土质量的计算公式为：

m=(1+0.01ω0)ρdV

(2)

式中：ρd——试样的干容重(g/cm3)；V——试样容积(环刀体积)(cm3)。

1.4 土壤抗剪强度的测定和计算

土壤抗剪强度利用ZJ-2型等应变直剪仪(南京土壤仪器厂)进行测定，进行不固结不排水的快剪试验。剪切时分别施加100，200，300，400 kPa的垂直压力，以10 s/rin(每1 min为6转)的速度匀速转动手轮，直至试样剪损。

试样所得的剪应力按下式计算：

τ=C·R

(3)

式中：τ——剪应力(kpa)；C——测力计率定系数(kPa/0.01 mm)，本试验中的测力计率定系数为1.825 kPa/0.01 mm；R——测力计度数，单位0.01 mm。

根据所得的不用压力下的剪应力，依据库仑公式(4)，计算出每组试样的黏聚力c(kPa)和内摩擦角φ(°)。

τ=c+tanφ

(4)

1.5 数据处理和统计分析

采用SPSS 20.0软件对含水率、干容重和抗剪强度参数进行相关性分析，Excel 2016进行黏聚力随干容重变化规律的方程拟合，进行统计分析，建立预测模型，Excel 2016，Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 干容重和含水率对不同植被类型土壤抗剪强度参数的影响

从图1—3可以看出，3种植被类型的土壤黏聚力(c)表现出明显一致的变化趋势，均随含水率的增加而减小，随干容重的增加而增加。灌草林地和常绿阔叶林在含水率为25%，27%时黏聚力(c)随干容重的增加，增大的幅度较大，针阔混交林在含水率从25%到29%时黏聚力(c)随干容重的增加，增幅较大。而干容重在1.1，1.2 g/cm3时，土壤黏聚力(c)随含水率的增加，减小趋势明显。3种植被类型土壤黏聚力(c)的最大值均出现在含水率为25%，干容重为1.2 g/cm3的时候。从图1—3可以看出，内摩擦角(φ)对含水率和干容重的响应效果不明显。3种植被类型土壤内摩擦角(φ)随含水率的变化总是集中在一个范围内离散波动。当压实程度相同时，内摩擦角(φ)随着含水率的增加基本表现出非线性减小的特征。但并不是所有的植被类型都表现出相同的规律，常绿阔叶林的土壤内摩擦角(φ)随含水率的增加表现出先增加后减小的趋势，且在含水率为29%时出现了较明显的峰值，这表明相对于黏聚力而言，含水率对内摩擦角(φ)的影响可能存在一个最优含水率。而当含水率相同时，内摩擦角(φ)随着干容重的增加呈现一定程度的增加〔高干容重下的内摩擦角(φ)的值明显较大〕。

图1 灌草林地土壤在不同含水率ω0和干容重ρd下的土壤黏聚力和内摩擦角

图2 常绿阔叶林土壤在不同含水率ω0和干容重ρd下的土壤黏聚力和内摩擦角

图3 针阔混交林土壤在不同含水率ω0和干容重ρd下的土壤黏聚力和内摩擦角

表2说明了植被类型、含水率mc(%)和干容重ρd(g·cm-3)对tanφ、内摩擦角φ(°)和黏聚力c(kPa)的影响。从表中可以看出，植被类型对内摩擦角(φ)和黏聚力(c)影响不显著。含水率(mc)与土壤黏聚力c之间是显著的负相关关系，干容重和tanφ、内摩擦角(φ)和黏聚力(c)之间呈现显著的正相关关系，而tanφ、内摩擦角(φ)和黏聚力(c)显著负相关。各个相关关系均达到极显著水平。

表2 各变量之间的相关系数矩阵

注：*代表在p<0.05水平存在显著性差异，**代表在p<0.01水平存在极显著性差异。

2.2 不同植被类型土壤黏聚力随含水率和干容重的变化规律

不同含水率条件下，不同植被类型土地黏聚力(c)随干容重的变化规律，通过回归方程拟合，可以采用指数方程进行拟合，且方程拟合程度较高，ρd-lnc呈线性相关关系。

不同含水率下拟合的相关系数详见表3。灌草林地的相关系数在0.971～0.991之间。常绿阔叶林的相关系数在0.965～0.987之间。针阔混交林的相关系数在0.953～0.997之间。

表3 不同植被类型不同含水率下土壤抗剪强度指标随干容重变化的规律

由表3可以看出，灌草林地、常绿阔叶林和针阔混交林ρd-lnc的拟合方程常数项和一次项系数之间的比值总体差别不大，在4.50～6.92之间。这里以灌草林地土壤为例进行说明。

对于灌草林地土壤，拟合方程为：

ω=25×(1±1%)， lnc=0.534+2.850 2ρd

ω=27×(1±1%)， lnc=0.504+2.775 8ρd

ω=29×(1±1%)， lnc=0.472+2.633 5ρd

ω=31×(1±%)， lnc=0.439+2.471 3ρd

ω=33×(1±%)， lnc=0.419+2.274 2ρd

上述方程中，把含水率ω=25×(1±1%)的常数项和一次项作为基准值，含水率ω=27×(1±1%)时的常数项和一次项分别与各自基准值的比值为0.943和0.974，两者相差3.2%，两个方程大致符合线性相关关系；而含水率ω=29×(1±1%)时的常数项和一次项分别与各自基准值的比值为0.883和0.924，两者相差4.4%，含水率ω=31×(1±1%)时的常数项和一次项分别与各自基准值的比值为0.822和0.867，两者相差5.2%，含水率ω=33×(1±1%)时的常数项和一次项分别与各自基准值的比值为0.785和0.798，两者相差1.6%，方程也大致符合线性相关关系。因此，考虑含水率ω对lnc的线性影响系数为β，有：

ω=25×(1±1%)，β=1

ω=27×(1±1%)，β=(0.943+0.974)/2=0.958

ω=29×(1±1%)，β=(0.883+0.924)/2=0.903

ω=31×(1±1%)，β=(0.822+0.867)/2=0.844

ω=33×(1±1%)，β=(0.785+0.798)/2=0.792

经拟合，可得β=-0.026 5ω+1.669 3(R2=0.997)，再把含水率ω的线性影响代入公式，最后的形式为：

lnc=(0.534+2.850 2ρd)(-0.026 5ω+1.669 3)

根据上述的分析方法，也可得到常绿阔叶林和针阔混交林的预测公式。考虑含水率的变化对土壤黏聚力的影响，最后的结果详见表4。为验证公式的有效性，另外进行试验，进行实测数据和预测数据的对比，结果表明实测数据与预测数据间的误差较小，可满足工程精度要求(表5)。

表4 不同植被类型土壤黏聚力随干容重与含水率的变化关系

表5 经验公式lnc=(A+Bρd)(Cω+D)预测结果分析

3 讨论

(1) 水分是影响土壤抗剪强度的最主要因素之一[17-18]，黏聚力主要是由于土壤间的细粒连接形成，影响土壤的稳定性。研究发现，含水率对黏聚力作用比较明显，而对内摩擦角的影响相对微弱。这和黄琨等[11]研究结果一致。随着含水率的增加，土壤黏聚力减小，边加敏等[19]也有同样的结论，但是土壤内摩擦角对应的减小，却和本文得出的结论有偏差，本研究发现，随着含水率的增加，3种植被类型的内摩擦角变化规律是不同的，灌草林地和针阔混交林的土壤内摩擦角随着含水率的增加相应的减小，而常绿阔叶林却呈现先增大再减小的趋势。这可能和植被类型以及土壤的理化性质有关，不同类型的土壤，内摩擦角主要与土壤的颗粒大小、结构及密实度等紧密相关[20-21]。土壤的粒径级配在一定程度上影响了其的内部结构[22]，对内摩擦角影响显著[23]。土壤黏聚力随着土壤含水率的变化而变化，它是由基质吸力或负孔隙水压力产生[24]。随着土壤含水率的增大，基质吸力减小，空隙水压力增大，水和土粒之间的水膜增厚，水膜对土粒的吸力减小，土壤颗粒间的联结力变小，黏聚效果变低，土的抗剪强度降低，黏聚力为土壤抗剪强度的主控因素。而含水率的增加，同时使得土壤中游离的铁铝氧化物的胶结作用逐渐降低，破坏了土壤的胶结物质，使得抗剪强度降低[25-26]。随着含水率的增加，水在颗粒之间发挥润滑作用，使得摩擦角逐渐减小，从而呈现内摩擦角波动变化但整体下降的趋势[27]，但是本文含水率对内摩擦角的影响不显著，这和王丽等的结论一致[28]，含水率对黏聚力的影响远大于其对内摩擦角的影响。

(2) 土壤干容重反映了土粒间的压实程度，本文研究表明，随着干容重的增加，土壤黏聚力和内摩擦角都呈现显著增加的趋势，黏聚力的规律性更加明显。这和张奎等[29]得到的结论一致。土壤的干容重越大，土粒间的空隙越小，接触点越多，结合的越紧密，从而黏聚力增大。一般情况下，含水率一定时越密实的土，其内摩擦角越大。土壤越密实，颗粒挤得越来越紧密，整体结构性越好(颗粒间的约束作用越强)，在剪切过程中颗粒间的摩擦力逐渐增大，故内摩擦角增大[30]。

(3) 本文通过拟合干容重和黏聚力，发现黏聚力的对数与干容重呈正相关。这与申春妮等[15]研究结果相同，证明黏聚力随干容重呈指数增加。在研究抗剪强度的影响因素时，应综合考虑各因子的共同作用。本文综合考虑了含水率和干容重对抗剪强度指标黏聚力(c)的共同影响，发现黏聚力的对数与含水率呈线性负相关，这与许旭堂等[31]研究结果一致。通过研究含水率和干容重的交互作用，能够更好的表征黏聚力的变化规律，为预测抗剪强度强弱和土壤稳定性提供依据。

(4) 影响土壤抗剪强度的因素错综复杂，本文仅解释了土壤含水率和干容重的影响效应，要进一步解释抗剪强度的受影响机制，尚需结合土壤酸碱度、机械组成等其他因子的作用[32-33]，从而丰富边坡土壤抗剪强度的影响机理，为提高边坡稳定性作科学参考。