紫色土坡耕地埂坎水分衰減下土壓力非線性分布

羅華進(jìn), 韋 杰, 孫宇輝

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331; 2.三峽庫(kù)區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331)

埂坎通過攔截地表徑流和泥沙調(diào)控坡耕地土壤侵蝕，在山區(qū)水土流失治理中得到了廣泛應(yīng)用并取得了良好效果[1-2]。埂坎穩(wěn)定性是其發(fā)揮水土保持作用的前提，埂坎規(guī)格、筑坎材料、管護(hù)措施等是影響埂坎穩(wěn)定性的重要因素。埂坎的穩(wěn)定性系數(shù)隨著高度的增加和外邊坡坡度變陡均呈減小趨勢(shì)，但二者的交互效應(yīng)對(duì)埂坎的穩(wěn)定性沒有顯著影響[3]。植物籬能顯著提高埂坎穩(wěn)定性，具有較好的水土保持效果和經(jīng)濟(jì)效益[4]。在紫色土區(qū)坡耕地構(gòu)建生物埂能穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，抵抗降雨侵蝕，從而提高埂坎穩(wěn)定性達(dá)到水土保持的效果[5]。調(diào)查表明，三峽庫(kù)區(qū)埂坎破壞形式有剝落、坍塌、鼓脹等，這些破壞形式除了受降雨、地面坡度和修筑質(zhì)量影響外，還與土壓力的影響有關(guān)。然而，影響土壓力因素眾多，包括土壤含水率、容重和坡度等。土壤含水率大，會(huì)增加土體重度和降低土體抗剪強(qiáng)度，從而導(dǎo)致土壓力增大[6-7]。土壤容重影響土壤透氣性、持水性和入滲性能等，土壤容重不同，土壤入滲性能、持水性等均不同，土壓力也有差異[8]。在地面坡度相同、埂坎高度相等的條件下，坡度越大，填方土體越多，土體重度增加，導(dǎo)致土壓力增大[9]。

三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地埂坎類型多樣，其中土坎因其生態(tài)適宜、造價(jià)低、農(nóng)民接受意愿高等優(yōu)點(diǎn)，占比較大，超過了65%[10]，但庫(kù)區(qū)雨量充沛、降雨集中，土坎容易垮塌。當(dāng)前，有關(guān)埂坎的研究主要集中在生物埂的構(gòu)建技術(shù)與效益評(píng)價(jià)[11-12]方面。有關(guān)紫色土坡耕地埂坎土壓力分布及其影響因素報(bào)道較少，埂坎規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)缺乏依據(jù)。本文以紫色土坡耕地埂坎為研究對(duì)象，通過土槽模擬試驗(yàn)，分析埂坎土壓力分布特征以及土壤水分含量對(duì)土壓力的影響，以明確紫色土坡耕地埂坎土力學(xué)特征，為三峽庫(kù)區(qū)乃至長(zhǎng)江上游紫色土坡耕地整治等工程中埂坎優(yōu)化設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

利用規(guī)格為280 cm×50 cm×80 cm(長(zhǎng)×寬×高)的試驗(yàn)土槽模擬埂坎土壓力分布(圖1)。試驗(yàn)土槽置于15°坡面上，土槽的底板預(yù)留出水口便于排水。為方便試驗(yàn)，將埂坎與坡耕地結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以垂直試驗(yàn)土槽長(zhǎng)度方向下端面模擬埂坎截面，用截面應(yīng)力反映紫色土坡耕地土體對(duì)埂坎的壓力。土壓力監(jiān)測(cè)器件采用江蘇省丹陽(yáng)市龍宇土木工程儀器廠生產(chǎn)的LY-350應(yīng)變式微型土壓力盒，其規(guī)格28 mm×10 mm(直徑×高)，量程0～50 kPa，為保證土壓力盒自身穩(wěn)定、便于掩埋和操作，將土壓力盒以10 cm為間隔固定在規(guī)格為80 cm×9 cm(長(zhǎng)×寬)的防腐型硬質(zhì)木板中心線上，然后將該木板緊貼在垂直試驗(yàn)土槽長(zhǎng)度方向下端面內(nèi)壁正中間并固定。土壓力盒周圍回填顆粒較細(xì)且均勻的土壤，避免粗顆粒之間的空隙對(duì)數(shù)據(jù)采集造成影響，其余部分則回填坡耕地埂坎后方原狀土，基本物理性質(zhì)詳見表1。土壓力盒與靜態(tài)應(yīng)變儀間的數(shù)據(jù)傳輸線套在PVC軟管內(nèi)，以免被外力破壞影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集終端為武漢優(yōu)泰電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的uT7110Y靜態(tài)應(yīng)變儀。

圖1 試驗(yàn)土槽示意圖

表1 供試土壤基本物理性質(zhì)

注：表中數(shù)值為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

待試驗(yàn)土槽中回填土沉降基本穩(wěn)定后于2018年3月中旬開始試驗(yàn)，直到土壤水分含量基本穩(wěn)定后停止監(jiān)測(cè)，每24 h監(jiān)測(cè)1次，共監(jiān)測(cè)10 d。試驗(yàn)前向土槽注水至底部有水流出，認(rèn)為此時(shí)的土體已達(dá)到飽和狀態(tài)，然后用塑料膜蓋住試驗(yàn)土槽，浸潤(rùn)48 h，以保證水分均勻分布。試驗(yàn)期間，為了有效控制土壤水分含量，下雨天用遮雨棚將試驗(yàn)土槽遮擋。以10 cm為間隔，分層監(jiān)測(cè)0—70 cm土壓力及土壤水分含量。監(jiān)測(cè)時(shí)，將土壓力盒傳輸線接頭與靜態(tài)應(yīng)變儀連接好后預(yù)熱30 min，待儀器穩(wěn)定，每10 min采集1次，連續(xù)采集3次。每次土壓力數(shù)據(jù)采集完成后，在試驗(yàn)土槽中部垂直于土槽長(zhǎng)度方向的直線上選取采樣點(diǎn)，用土鉆采集與土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)土層的土壤，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室立即稱重。稱重時(shí)各土層取3個(gè)重復(fù)土樣，每個(gè)土樣稱30 g，用烘干法測(cè)量土壤水分含量。土壤水分含量測(cè)量完成后，為了減小重復(fù)采集土樣對(duì)試驗(yàn)的影響，將自封袋內(nèi)的余土原位回填到試驗(yàn)土槽中。

2 結(jié)果與分析

2.1 埂坎土壓力與土壤水分含量

試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，各層土壤水分含量均隨時(shí)間增加而減小(圖2)。從垂直深度上看，0—30 cm各層土壤水分含量變化相比其余土層變化更顯著，這是因?yàn)?—30 cm受氣溫等外界因素影響較大，而30—70 cm土壤水分含量變化主要受土壤自身性質(zhì)的影響。其中，0—10 cm層土壤水分含量從25.5%衰減到15.2%，減幅達(dá)到40%，而50—60 cm層則從22.6%減為21%，減幅較小。從時(shí)間上看，各層土壤水分含量差異逐漸增大，第7 d的均值變異系數(shù)最大，為0.09，第3 d最小，為0.02。同樣，0—30 cm各層土壤水分衰減率也大于其余土層。各層土壤水分衰減速率均呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)前7 d各層土壤水分含量平均衰減率變化幅度較大，而試驗(yàn)后3 d變化幅度相對(duì)較小。各層土壓力也隨時(shí)間增加而減小(圖2)，但各層間的變化存在差異，50—70 cm各層土壓力平均衰減率大于其余土層平均衰減率且變化相對(duì)穩(wěn)定。從不同時(shí)段來看，試驗(yàn)前7 d各層土壓力平均衰減率變化幅度較大，試驗(yàn)后3 d各層土壓力平均衰減率變化幅度相對(duì)較小且平均衰減率較為接近。這與土壤水分含量平均衰減率在不同時(shí)段變化基本一致，表明土壤水分含量變化引起了土壓力變化。

圖2 各層土壤水分含量與土壓力隨時(shí)間的變化

為了定量分析土壤水分含量與土壓力的關(guān)系，以各層土壤水分含量為自變量，土壓力為因變量，進(jìn)行線性回歸分析，并得出土壤水分含量與土壓力的線性回歸方程(表2)。

由表2可看出，除60—70 cm層外，其余土層土壓力與土壤水分含量回歸方程的判定系數(shù)R2均大于0.85，p值均小于0.01。表明在試驗(yàn)條件下，土壓力與土壤水分含量之間存在顯著的線性相關(guān)。

表2 各層土壓力與土壤水分含量的回歸分析結(jié)果

2.2 埂坎土壓力與土層深度

總體而言，試驗(yàn)期間土壓力隨著土層深度的增加均呈先增后減非線性分布(圖3)。0—50 cm各層土壓力隨著土層深度的增加而增大，在40—50 cm層達(dá)到最大13.14 kPa，為其余土層的1.9倍，50—70 cm各層隨著土層深度的增加而減小，在60—70 cm層減至最小，僅為40—50 cm層的56%。具體來看，試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)土壓力隨著時(shí)間的變化分布曲線傾斜程度逐漸變小，這可能與土壤水分含量大小有關(guān)。當(dāng)土壤水分含量大時(shí)，土壤內(nèi)摩擦角小，作用于垂直試驗(yàn)土槽長(zhǎng)度方向下端面內(nèi)壁的外摩擦角大，而外摩擦角與曲線傾斜程度成正比，相反，隨著土壤水分含量衰減，土壤內(nèi)摩擦角逐漸增大，作用于試驗(yàn)土槽下端面內(nèi)壁的外摩擦角逐漸變小，從而使曲線傾斜程度變小[13]。此外，土壓力合力作用點(diǎn)隨著時(shí)間的變化基本保持不變，穩(wěn)定在距試驗(yàn)土槽底部0.375 H左右。

圖3 土壓力隨土層深度增加分布特征

2.3 土壤水分含量和土層深度與土壓力響應(yīng)面分析

運(yùn)用多因素方差分析研究土壤水分含量和土層深度及其二者間交互效應(yīng)對(duì)土壓力的影響，以確定主效應(yīng)和交互效應(yīng)。并以土壤水分含量w和土層深度h為自變量，土壓力為響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析建立響應(yīng)模型，結(jié)果詳見表3。

表3 土壤水分含量和土層深度與土壓力的方差分析結(jié)果

注：w土壤水分含量；h土層深度。

土壤水分含量w和土層深度h以及二者的交互效應(yīng)w·h的概率p值均小于0.01，表明土壤水分含量和土層深度以及二者交互效應(yīng)對(duì)土壓力的影響顯著。二次項(xiàng)h2和w2兩影響因素的概率p值分別為0.000，0.157，表明h2對(duì)土壓力的影響顯著，w2對(duì)土壓力的影響則不顯著，不能寫入響應(yīng)模型。最終得到的土壓力P的響應(yīng)模型為公式(1)。

P=-24.815-0.992h+2.715w+0.066hw

(1)

從表3可見，土壓力P對(duì)土壤水分含量w和土層深度h的響應(yīng)模型式(1)顯著(p<0.01)。土壤水分含量和土層深度兩個(gè)響應(yīng)因子構(gòu)成的響應(yīng)曲面如圖4所示，土 層深度一定時(shí)，土壓力隨土壤水分含量衰減而減小，土壤水分含量一定時(shí)，土壓力隨土層深度先增大后減小，這與前述規(guī)律一致。

圖4 土壤水分含量和土層深度與土壓力的響應(yīng)面

3 討 論

埂坎土壓力大小和分布受多種因素影響，其中，土壤水分含量是重要的影響因素之一。本研究表明，試驗(yàn)條件下土壤水分含量飽和后呈近似線性衰減并對(duì)土壓力影響顯著(p<0.01)，這與楊果林[14]等人的研究結(jié)果相似。這是由于土壤水分含量的大小，會(huì)影響土體自重、抗剪強(qiáng)度和膨脹性等，與垂直試驗(yàn)土槽長(zhǎng)度方向下端面內(nèi)壁產(chǎn)生的內(nèi)向水平摩擦力不同，從而對(duì)土壓力的影響有所差異。我們對(duì)不同類型的擋墻土壓力分布特征進(jìn)行了匯總(表4)，擋土墻、橋臺(tái)臺(tái)背和模型箱的土壓力均隨土層深度的增加呈先增后減分布特征[15-20]，這與本研究中土壓力隨土層深度增加呈先增后減的分布特征的研究結(jié)果一致，因?yàn)樵囼?yàn)土槽下端面內(nèi)壁與填土接觸面存在著剪應(yīng)力，剪應(yīng)力的方向垂直向上，將會(huì)平衡一部分土體自重應(yīng)力，從而使土壓力減小[20]。同時(shí)，還可能與底部土體和試驗(yàn)土槽底板間存在著摩擦阻礙作用有關(guān)，摩擦阻礙作用導(dǎo)致越接近試驗(yàn)土槽底部，土體向試驗(yàn)土槽下端面內(nèi)壁的側(cè)向位移越小，從而使土壓力逐漸減小。此外，本研究中土壓力合力作用點(diǎn)在距試驗(yàn)土槽底部約0.375 H左右處，這與肖衡林等[17]研究結(jié)果基本一致。

需要說明的是，土壓力分布復(fù)雜且影響因素多。本研究運(yùn)用自行研制的試驗(yàn)土槽模擬埂坎土壤水分衰減下土壓力分布，并分析土壤水分含量、土層深度及其交互效應(yīng)對(duì)土壓力的影響。這與實(shí)際情況存在一定差異，后續(xù)研究中，應(yīng)注重原位監(jiān)測(cè)研究埂坎土壓力分布及其形成機(jī)理。

表4 不同類型擋墻土壓力分布特征

注：表中“—”表示無數(shù)據(jù)，ρd為干密度，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角。

4 結(jié) 論

(1) 紫色土坡耕地埂坎土壓力呈非線性分布，0—50 cm各層土壓力隨著土層深度的增加而增大，50—70 cm各層土壓力隨著深度的增加而減小，土壓力合力作用點(diǎn)在距試驗(yàn)土槽底部0.375 H左右處。

(2) 試驗(yàn)條件下，土壤水分含量飽和后呈近似線性衰減，并對(duì)土壓力產(chǎn)生了顯著影響(p<0.01)，但不同土層間存在一定差異。

(3) 土層深度和土壤水分含量的交互效應(yīng)對(duì)土壓力影響顯著(p<0.01)。