森林火灾对岩土体物理力学特性的影响

2022-03-21兰恒星刘世杰伍宇明

地球科学与环境学报 2022年1期

王瑞，兰恒星,*，刘世杰，伍宇明

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054;2.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101)

0 引言

森林火灾是一种常见的自然灾害，除了对植被、大气环境和地表温度等产生直接影响外，还会影响土壤的物理、化学、矿物学和生物学特性，使得植被覆盖率和土壤的稳定性遭受到破坏，导致土壤容易被侵蚀。土壤在燃烧过程后最直观的变化是有机物的损失；根据火灾的严重程度，其对有机物的影响包括轻微蒸馏(次要成分挥发)、碳化和完全氧化等。火灾除了会导致土壤养分含量和微生物生物量的显著降低外，随着火烧时间的延长，土壤表层C、N、P等含量明显下降。火灾过程对土壤物理特性的直接影响是产生一个平行于地表的连续防水锋，从而降低土壤的渗透性，易产生坡面径流。针对火烧迹地泥石流等灾害多发的地质现象，Vega等研究发现火灾强度显著影响研究区的年径流量和侵蚀程度，年径流量与枯枝落叶层厚度、裸露土壤和植被的百分比密切相关；王丽等发现火烧迹地枯枝落叶层和腐殖质层的破坏，会严重降低土壤表层的持水能力，导致地表径流的增加和水土流失灾害的加剧。加之火灾发生后，火烧迹地地表大片裸露，土体表面堆积了大量灰烬，一旦遭遇暴雨天气，诱发火后泥石流的概率极大。

火烧迹地主要是指森林中经火灾烧毁后尚未长起新林的土地。火灾发生后植被覆盖率显著降低，火烧迹地土壤表面温度升高。由于火灾发生后土壤组分及物理力学条件的变化，在集中降雨影响下，火烧迹地完全暴露的、不稳定的土体表面容易引发泥石流、滑坡等二次灾害。例如，2018年，美国加利福尼亚州圣巴巴拉县、文图拉县等火烧迹地遭遇暴雨，引起洪水和滑坡灾害，部分住房被摧毁，道路受阻，造成至少17人死亡、28人受伤；2020年，中国四川省凉山彝族自治州发生火后泥石流和滑坡灾害，386人紧急撤离，灾害造成房屋、桥梁等不同程度受损，直接经济损失高达数百万元。

任云等在对火后泥石流成灾机理分析时指出，表层岩土经林火烘烤后物理、水理、力学性质均发生了改变；陈中学等研究发现黏粒含量显著影响着泥石流灾害的启动机制；Cook等研究认为火灾发生后泥石流等地质灾害多发是土壤渗透率的降低增加了土壤结皮和促进了径流趋势造成的。不同于以上研究，本文工作主要针对火灾发生后土壤黏土矿物含量的微观变化及土壤宏观物理力学特性两方面开展。

中国西南部具有较高的滑坡等地质灾害危险性。2020年3月30日，四川省西昌市森林火灾发生后，该地区泥石流、滑坡灾害多次复发，亟需对火后土体的物理力学性质改变进行系统研究。因此，本文针对火灾发生后该地区滑坡、泥石流等灾害复发的地质现象，对该地区未遭受火灾区域及遭受火灾区域的表层土体进行了对比研究，分析了火灾过程导致土壤有机质含量、黏土矿物含量及土体力学特性的变化特征，研究了火灾过程对土壤物理力学性质的影响机制，以期对火烧迹地地质灾害防治提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区域及采样方法

2020年3月30日，四川省西昌市沪山发生森林火灾，火灾持续近10 d，各类土地过火总面积超过3 000 hm，综合计算受害森林面积近800 hm，造成直接经济损失超过9 700万元。西昌市植被为亚热带常绿阔叶林带。根据美国国家航空航天局(NASA)定期发布的空间分辨率为250 m的MODIS数据，对火灾发生前后西昌市的归一化植被指数(NDVI)进行了分析，发现火灾导致该地区植被覆盖率明显降低(图1)。

图1 四川西昌地区火灾前后归一化植被指数对比Fig.1 Comparison of NDVI in Xichang Area of Sichuan Before and After Fire

本次试验所用土样取自西昌市森林火灾发生后的一处火烧迹地(27°70′N，102°10′E)。该地区构造变形强烈，地质结构复杂，主要地质灾害问题是泥石流和滑坡。山地林火发生后，0～20 cm土壤温度及土壤组分含量变化明显。因此，本文对未遭受火灾区域和遭受火灾区域不同位置厚度为20 cm的表层土进行了采样研究，采样时间为2020年10月。取样地未遭受火灾区域土体干密度为1.41 g·cm，天然含水率为19.1%；遭受火灾区域土体干密度为1.40 g·cm，天然含水率为18.6%。试验前，首先对现场采集的土样在105 ℃温度环境下烘干48 h。为了排除大块砾石(>2 mm)在实验室样品尺度带来的差异，将烘干土经过筛分后取粒径小于2 mm的土样进行试验研究。如图2所示，未遭受火灾区域的土样呈黑灰色，土中含有较多的植物根系，土壤颗粒团聚体较多；遭受火灾区域土样呈黄褐色，植物根系很少，颜色更浅。

图2 西昌地区火灾火烧迹地土样Fig.2 Soil Samples from the Burned Areas in Xichang Area

1.2 土壤颗粒直径与微观结构

土壤颗粒直径和结构是其物理力学特性的影响因素。通过标准筛分析法得到未遭受火灾区域和遭受火灾区域两种土样0.075～2.000 mm粒径范围的粒径数据，并通过Bettersize2000激光粒度分布仪得到粒径()小于0.075 mm的粒径分布数据，从而得到两种土样的粒组划分(表1)和粒径级配曲线(图3)。根据DT-92-2版中华人民共和国地质矿产部土工试验规程，粒径小于0.005 mm的颗粒为黏粒。未遭受火灾区域土样黏粒含量=1.267%(表示粒径小于0.005 mm颗粒累积质量占总质量的百分比)，遭受火灾区域土样=3.122%。

表1 火烧迹地土样粒组划分Table 1 Classification of Grain Groups for Soil Samples in Burned Area

图3 土样粒径级配曲线Fig.3 Grain Size Distribution Curves of Soil Samples

土体的微观结构作为土体的一个重要质量指标，一方面反映了土体的形成条件，另一方面又是决定土体物理、力学及其他工程性质的一个重要因素。通常，土壤中较小的土颗粒对环境变化(如水分、温度和荷载等)非常敏感。火灾造成的土壤中细小颗粒含量的增加会改变土体的力学特性等。扫描电子显微镜(SEM)为研究岩土微观结构的常用手段。通过对烘干的散土试样进行喷金导电处理，基于FEI Q45环境扫描电子显微镜，扫描得到了放大250倍的两种土样的颗粒尺寸图像(图4)。测试结果显示遭受火灾区域的土壤颗粒粒径更小。其原因有两点：一是由于根系、落叶等的燃烧灰烬以细小颗粒的形式存在；二是火灾的高温环境导致土壤中部分结合水汽化，土壤团聚体的稳定性降低，在火灾发生后的风化、降雨影响下，土壤团聚体更容易解体。

图4 土样电镜照片Fig.4 SEM Photos of Samples

1.3 实验方法

1.3.1 土壤组分研究

火灾过程对土壤组分最直观的影响是有机物的损失及黏土矿物含量的变化。本研究基于CS-230碳硫分析仪，通过有机碳燃烧法对未遭受火灾区域和遭受火灾区域不同位置的土样进行了总有机碳(TOC)的测定；基于X射线衍射分析(XRD)技术对土样的黏土矿物含量进行了测试分析，每个区域测试3个土样并取数据均值，所分析黏土矿物种类包括高岭石(Kao)、伊利石/蛭石混层、蛭石(V)和伊利石(It)。

1.3.2 土壤力学特性研究

为研究火灾过程对土壤力学特性的影响，分别对未遭受火灾区域土样和遭受火灾区域土样进行了直接剪切试验研究。取样地的原状土含有大量大于5 mm的较大粗砾粒，给试验制样带来了一定困难，并且在实验室样品尺度(直剪样品厚度20 mm)下，会带来显著的样品差异性。因此，本文选取了筛分过后的重塑土，参考研究区土壤的物理性质，通过干密度测定和击实条件控制，配制试验土样含水率为19%，干密度为1.4 g·cm，试验设置平行试样3组。试验中选取法向应力为50、100、150、200 kPa。试验通过ZJ型应变控制式直剪仪配合数字采集系统进行，试验过程中全程记录剪切位移、应力环读数等数据。试验中设置剪切速率为0.8 mm·min，设置剪切试验机上部剪切盒剪切位移为8 mm，数据采集系统每间隔1 s记录一次数据。

2 结果分析

2.1 火灾前后土壤组分变化

2.1.1 土壤总有机碳(TOC)变化特征

通过表2发现：火灾导致四川省西昌市遭受火灾区域土壤中总有机碳大幅减少，遭受火灾区域土样较未遭受火灾区域土样有机质含量减少41.58%。这在一定程度上反映了火灾的严重程度，火灾造成土壤大部分有机质、根系、原生动物和微生物等烧毁或死亡。细小的根系与土壤接触面积大，是土壤有机质的主要碳源。火灾发生后土壤有机质含量的大幅减少导致植物根系开始腐烂，微生物群落加速分解，这会导致土壤团粒结构稳定性降低，无机土壤裸露，再经雨水冲刷，土壤团粒结构容易解体。

表2 土样中总有机碳Table 2 Total Organic Carbon of Soil Samples

2.1.2 土壤黏土矿物含量变化特征

X射线衍射分析结果如图5所示。火灾过程后高岭石矿物相对含量减少了10%，伊利石/蛭石混层相对含量增加了1%，蛭石矿物相对含量增加了29%，伊利石矿物相对含量减少了20%。其中，伊利石(KAl[(Al,Si)SiO(OH)·HO])生长在低温低压环境；蛭石((Mg,Fe,Al)[(Si,Al)O(OH)]·4HO)具有多级层状结构，受热高膨胀性是其独特的特性。火灾过程对土样中这两种黏土矿物含量影响最大。黏土矿物特别是表生黏土矿物含量的显著变化，是由于在高温作用下，黏土矿物层间交换反应、失水改性等活动的进行。火灾发生后土壤组分含量显著变化，这也会影响土体特殊的物理、水理及力学特性，进而对土体结构和稳定性具有重要的影响，导致土体宏观力学性质的改变。

图5 黏土矿物相对含量变化Fig.5 Changes of Relative Contents of Clay Minerals

2.2 火灾前后土样力学强度变化

未遭受火灾区域土样和遭受火灾区域土样剪切过程中剪切应力-剪切位移曲线如图6所示。根据直接剪切试验结果，绘制得到土样强度包络线如图7所示。

图6 火烧迹地两种土样剪切应力-剪切位移关系曲线Fig.6 Shear Stress-shear Displacement Curves of Two Kinds of Soil Samples in Burned Area

图7 抗剪强度-法向应力关系曲线Fig.7 Curves of Shear Strength-normal Stress

根据DT-92-2版中华人民共和国地质矿产部土工试验规程，以剪切应力与剪切位移关系曲线的峰值作为抗剪强度的取值，若无明显峰值，则取剪切位移等于4 mm对应的剪应力作为抗剪强度。由图6可以看出，在不同的法向应力条件下，遭受火灾区域土样比未遭受火灾区域土样抗剪强度均明显降低。计算得到未遭受火灾区域土样黏聚力值为12.568 kPa，内摩擦角值为10.642°；遭受火灾区域土样黏聚力值为8.078 kPa，内摩擦角值为9.375°。火灾发生后土样黏聚力值、内摩擦角值均减小。土壤强度的衰减不利于岩土体的稳定。

土样黏聚力主要与含水率、颗粒之间的引力作用、胶结作用等有关，内摩擦角主要与颗粒大小、结构、形状和密实度相关。在相同的干密度和含水率条件下，黏聚力值、内摩擦角值减小的原因是火灾发生后，土壤颗粒之间的作用、粒径、黏土矿物等基本性质的改变影响了其力学性质。

2.3 火灾前后强度衰减机制

参考火灾前后土壤组分变化特征测试结果，火灾发生后土壤中蛭石矿物相对含量为56%，成为主流黏土矿物，且蛭石矿物高温膨胀后体密度减小，可能会导致土体力学性质发生改变。为研究蛭石矿物相对含量的显著增多对土壤力学特性的影响，在未遭受火灾区域土样中掺入不同含量高温处理过的蛭石矿物，设计配置了蛭石矿物相对含量为0%、1%、5%和10%的混合土样，通过直接剪切试验对土样的抗剪强度进行了研究。实验条件与第2.1节保持一致。不同蛭石矿物掺入比的混合土体剪切应力-剪切位移关系曲线如图8所示。

根据图8混合土体剪切应力-剪切位移关系曲线可知：相同的法向应力条件下，随着蛭石矿物掺入比的增加，混合土体的抗剪强度明显降低；在剪切过程中，蛭石矿物掺入比高的混合土体应变软化现象更为明显，尤其是在50、100 kPa的低法向应力状态下，随着剪切应变的持续增大，蛭石矿物掺入比带来的剪切应力差距更大。如图8(c)所示，随着法向应力持续增加，蛭石矿物混合土体在剪切过程中的应变软化现象变得不明显，但在剪切位移达到5 mm后的局部剪切阶段，蛭石矿物掺入比高的混合土体仍然会出现应力衰减现象。土体在局部剪切阶段的剪切应力对土体承载能力的影响同样重要，是滑坡稳定性评价中的核心问题之一。应变软化现象容易导致雨后土质边坡的失稳滑动。

图8 混合土体剪切应力-剪切位移关系曲线Fig.8 Shear Stress-shear Displacement Curves of Mixed Soil

参考第2.1节，火灾对土壤中蛭石矿物的含量变化影响最为明显。火灾发生后，蛭石矿物相对含量高达56%，且蛭石结构中含有可膨胀的层间域；在高温环境下，蛭石体积会发生膨胀转化为膨胀蛭石，体积可膨胀10～30倍。通过光学显微镜观察(图9)，蛭石矿物的膨胀机理主要是层间水分子受热汽化，体积变大，层间水是影响蛭石膨胀的主要因素。Robichaud等研究发现火烧迹地表面燃烧后矿物土壤上方的吸收和储水能力大大降低(海绵效应)，火灾发生后膨胀蛭石含量的显著增加会导致土体中水分分布不均匀。且由于火灾的高温环境导致蛭石矿物体积膨胀，体密度减小，不利于土壤颗粒间的连接和胶结作用，故火灾发生后土体强度衰减和应变软化很大程度上是土壤中膨胀蛭石含量的增高造成的。黏土矿物颗粒及结构的变化会导致土体的物理力学及工程特性发生改变。不同蛭石矿物掺入的设计试验结果表明：火灾发生后蛭石矿物含量增高，体积膨胀，体密度减小，对火烧迹地土壤力学强度的衰减具有一定影响。