重慶紫色土抗侵蝕能力的粒組效應(yīng)研究*

薛 樂 汪時機(jī)? 李 賢，2 胡東旭 沈泰宇 江勝華

（1 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

（2 College of Physical Sciences & Engineering，Cardiff University，CF24 3AA，UK）

（3金堂縣城鄉(xiāng)建設(shè)局，成都 610400）

紫色土主要分布在四川盆地，是重慶市分布最廣的土，是一種土質(zhì)較好、性質(zhì)較優(yōu)，但又易蝕、易退化的土壤[1］。重慶全年降雨充沛，轄區(qū)內(nèi)18個區(qū)縣處于三峽庫區(qū)，占三峽庫區(qū)總面積的80%[2］，是水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，且紫色土相對于其他土體最容易發(fā)生水土流失[3］。

降雨對土體的侵蝕是導(dǎo)致水土流失的主要原因之一[4］。侵蝕初期，雨滴破壞表層土的結(jié)構(gòu)，使土顆粒剝離并向四周移動，堵塞住雨水下滲的通道，此時地表層的抗侵蝕能力會得到短暫的提高[5］。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于入滲速度時，土體發(fā)生徑流，土體中細(xì)顆粒被徑流搬運(yùn)。隨著侵蝕繼續(xù)發(fā)展，松散的土粒層中較粗的顆粒在雨滴的作用下以躍移或滾動的方式被搬運(yùn)[6］。陳曉燕等[7］對降雨前后紫色土陡坡地的土壤顆粒分布研究發(fā)現(xiàn)，上坡位置黏粒和粉粒含量減少，砂粒的含量增加；中坡黏粒和粉粒的含量增加，砂粒含量減少；下坡黏粒和砂粒的含量增加，粉粒含量減少。而且各組分的含量隨著降雨強(qiáng)度的變化表現(xiàn)出不同程度的增加或減少。

降雨強(qiáng)度的大小導(dǎo)致不同粒徑的土顆粒缺失，改變了土體的顆粒級配，從而影響了土體的抗剪強(qiáng)度。葛莎等[8］指出，雨水對滑坡體的沖刷，帶走了土體中的細(xì)小顆粒，使土體結(jié)構(gòu)疏松，降低了土體的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致滑坡體不穩(wěn)定。李振林[9］對汶川震區(qū)形成的滑坡堆積體進(jìn)行研究指出，堆積體上坡多為細(xì)小顆粒，下坡多為大粒徑碎石，極易發(fā)生新生水土流失，繼而導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的再次發(fā)生。王云琦等[10］對重慶縉云山土壤研究發(fā)現(xiàn)，往細(xì)顆粒較多的土壤中添加粗顆粒，可提高土體的抗剪強(qiáng)度并增加土體的抗侵蝕能力。鐘小燕[11］通過直剪試驗測得，隨著土壤細(xì)顆粒的增多，崩崗紅土層土壤抗剪強(qiáng)度不斷變大，崩崗砂土層則相反?？梢钥闯?，土壤的抗剪強(qiáng)度與顆粒級配有著密切的關(guān)系。

國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究表明土壤的抗剪強(qiáng)度越大，其抗侵蝕能力越強(qiáng)。Cruse和Larson[12］認(rèn)為土顆粒間的剪力，決定著土壤受到雨滴濺擊表面時土粒是否被分散。陳安強(qiáng)等[13］指出土壤的抗沖指數(shù)（ANS）和抗剪強(qiáng)度有較好的線性關(guān)系，且ANS隨著抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值和φ值的增大呈對數(shù)函數(shù)增加，但當(dāng)c＞10 kPa后，c值的變化對ANS增長速度影響效應(yīng)減小。諶蕓等[14］通過對種植四種植物籬的紫色土進(jìn)行土壤抗剪強(qiáng)度和抗沖指數(shù)試驗，數(shù)據(jù)表明土壤抗剪強(qiáng)度大的區(qū)域其抗沖指數(shù)也大。

就現(xiàn)有文獻(xiàn)資料來看，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要圍繞土壤水蝕機(jī)理、抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度與抗侵蝕能力相關(guān)性等方面進(jìn)行研究。但是，關(guān)于侵蝕造成的不同粒徑級土壤單粒缺失對抗剪強(qiáng)度及抗侵蝕能力的影響方面還未見報道。

基于此，本文以重慶地區(qū)紫色土為研究對象，通過篩除某一粒徑級土壤單粒來模擬水土流失造成的粒組缺失，進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗，探討不同粒組土壤單粒缺失對抗侵蝕能力的影響規(guī)律，為從不同角度研究重慶地區(qū)土壤侵蝕提供參考，以期為該區(qū)淺層滑坡和水土流失發(fā)生機(jī)理的研究提供試驗數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗用土

試驗用土選自重慶市北碚區(qū)某邊坡，土壤粒徑范圍在2 mm以下，各粒徑質(zhì)量百分比見表1，天然物理性質(zhì)見表2，顆粒級配曲線（篩分析法和移液管法測定）見圖1。根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)劃分，試驗用土屬壤質(zhì)砂土。

表1 天然重慶紫色土各粒徑顆粒質(zhì)量百分比Table 1 Particle-size composition of the natural purple soil in Chongqing (in percentage）

表2 天然重慶紫色土物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of the natural purple soil in Chongqing

1.2 試樣制備

將試驗用土攤開自然風(fēng)干，放在橡皮板上用木棒碾壓，使土壤結(jié)構(gòu)充分分散[15］，放入110 ℃烘箱中，烘干10 h后套袋密封置于室溫中冷卻，然后采用標(biāo)準(zhǔn)土壤篩（篩口徑分別為：2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.075 mm）進(jìn)行篩分，分別抽取其中一層作為缺失粒組，其余層均勻混合，模擬水土流失導(dǎo)致粒組缺失的土體。將篩分好的土體均勻噴灑相應(yīng)質(zhì)量的水至含水率為18 %，浸潤12 h后制備試樣。

圖1 粒組未流失的天然紫色土粒徑級配曲線Fig. 1 Particle size distribution curve of the original purple soil

試驗共制備6組試樣，每組3個，共18個，試樣編號見表3。試樣為直徑d=61.8 mm，高度h=125 mm的圓柱樣，各組供試土壤顆粒粒徑參數(shù)見表4。

制樣過程采用課題組設(shè)計加工的千斤頂壓實(shí)裝置，先將第一層的土倒入模型中，用千斤頂壓實(shí)，表面刮毛后倒入第二層，以此類推，試樣分五層壓實(shí)，每層高25 mm，壓實(shí)完成后去除底座，再用千斤頂將土體從模具中慢慢壓出。較三瓣模飽和器擊實(shí)法制樣更標(biāo)準(zhǔn)、試驗誤差更小、更易操作。每個試樣質(zhì)量708.9 g、干密度1.60 g·cm-3。

表3 試樣編號Table 3 Code of soil samples

表4 各組供試土壤顆粒粒徑參數(shù)Table 4 Soil particle size parameters of each treatment

1.3 試驗方法

試驗采用FLSY30-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式非飽和 土三軸儀。進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪切試驗，凈圍壓控制為100 、200、300 kPa，吸力控制50 kPa。

先將試樣在三軸儀內(nèi)安裝穩(wěn)定，進(jìn)行固結(jié)。待試樣固結(jié)完成后，直接進(jìn)行剪切試驗。試樣固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)為體積變化每2 h不超過0.063 cm3，排水量每2 h不超過0.012 cm3[16］。剪切速率控制為0.08 mm·min-1。

1.4 分析方法

為定量研究土壤粒徑級配參數(shù)與土壤抗侵蝕能力之間的關(guān)聯(lián)程度，本文引入灰色關(guān)聯(lián)法。灰色關(guān)聯(lián)分析即充分利用數(shù)量不多的數(shù)據(jù)和信息來比較分析曲線間幾何的形狀，幾何形狀越接近，其發(fā)展變化趨勢越接近，關(guān)聯(lián)程度越大；反之則越小[17-18］。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算

試驗發(fā)現(xiàn)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線屬應(yīng)力強(qiáng)化型，取規(guī)定的軸向應(yīng)變值15%所對應(yīng)的偏差應(yīng)力作為最大偏應(yīng)力（最大、最小主應(yīng)力的差值）。18個試樣的三軸固結(jié)排水剪切試驗結(jié)果見表5。土壤的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c。內(nèi)摩擦角φ代表的是土壤的內(nèi)摩擦力，包括土壤顆粒之間的表面摩擦力和由于土粒之間的嵌入作用而產(chǎn)生的咬合力。黏聚力c取決土壤顆粒間的各種物理化學(xué)作用，包括庫侖力（靜電力）、范德華力和膠結(jié)作用。

表5 最大偏應(yīng)力值Table 5 Maximum deviator stress/kPa

根據(jù)莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，每組試樣的圍壓與大主應(yīng)力具有較好的線性關(guān)系，如圖2a。本試驗結(jié)果適用楊同等[19］和崔潔等[20］根據(jù)包絡(luò)線定理，通過求解三軸試驗應(yīng)力圓包絡(luò)線,得到內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c的計算公式，即滿足如下方程：

式中，σ1為試樣軸向最大主應(yīng)力，σ3為圍壓，σc為擬合直線在σ1軸上的截距，K表示直線的斜率，圖2b是以Ⅰ號試樣為例擬合的σ1-σ3關(guān)系圖。

圖2 試樣σ1-σ3關(guān)系Fig. 2 Relationship between σ1-σ3

同理計算出其他五組試樣的c值和φ值，見表6。

可以發(fā)現(xiàn)，試樣中缺失粗砂（0.5 mm＜d≤2 mm）及中砂（0.25 mm＜d≤0.5mm）粒組的試樣，隨著缺失顆粒尺寸的減小，c值減小，φ值增大；缺失細(xì)砂（0.075 mm＜d≤0.25 mm）及細(xì)粒（d≤0.075 mm）粒組的試樣，隨著缺失顆粒尺寸的減小，c值減小，φ值增大。

表6 c、φ值計算Table 6 Calculation of c and φ

2.2 圍壓對土壤抗侵蝕能力的影響

圖3a、b、c分別表示圍壓為100、200、300 kPa時的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線。當(dāng)σ3=100 kPa時，試樣剪切破壞的偏應(yīng)力集中在203.6～251.6 kPa之間；當(dāng)σ3=200 kPa時，試樣剪切破壞的偏應(yīng)力集中在294.8～412.7 kPa之間，Ⅰ～Ⅵ號試樣的偏應(yīng)力分別提高了60.7%、61.5%、64.4%、63.8%、44.5%、49.5%，得到明顯提高。當(dāng)σ3=300 kPa時，試樣剪切破壞的偏應(yīng)力集中在364.4～535.5 kPa之間，Ⅰ～Ⅵ號試樣的偏應(yīng)力分別提高了89.6%、102.5%、105.7%、112.5%、79%、93.3%，得到顯著提高。

可以看出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈硬化型，無明顯峰值，且曲線可分為兩段，第一段是初始屈服階段，第二段為硬化階段。初始屈服階段主要表現(xiàn)為試樣的壓密，切線模量基本相同，隨著圍壓的增大，切線模量減小，屈服點(diǎn)的應(yīng)變增大。硬化階段的硬化模量明顯小于初始屈服階段，隨著圍壓的增大,硬化模量增大，缺失不同粒組的試樣其硬化程度不同。

圖3 偏應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線Fig. 3 Deviatoric stress and axial strain curve

固結(jié)剪切過程中控制基質(zhì)吸力相同，隨著圍壓的增大，土體內(nèi)部的顆粒間應(yīng)力鏈增加，顆粒重新排布，土體被進(jìn)一步壓實(shí)。不僅增加了顆粒間接觸面的正壓力，即提高了顆粒間移動所需克服的摩擦力，也增大了顆粒間的填充，增強(qiáng)了土壤顆粒抵抗徑流沖刷破壞的能力，即增大了顆粒間的咬合力。在物質(zhì)聚集態(tài)中范德華力是一種較弱的吸引力，作用能大小在每摩爾幾千焦至幾十千焦，被壓密實(shí)的土體由于未改變其化學(xué)物質(zhì)組成，所以對其顆粒間的庫侖力、膠結(jié)作用及范德華力影響較小。

工程實(shí)踐證明，當(dāng)土體不均勻系數(shù)Cu≥5，且曲率系數(shù)Cc=1～3時級配良好，若不同時滿足這兩個條件即為級配不良。由表4可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號試樣土體級配良好，更易被壓密實(shí)；Ⅴ、Ⅵ號試樣土體級配不良，不易被壓實(shí)。因此級配良好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號試樣較級配不良的Ⅴ、Ⅵ號試樣，土體抗剪強(qiáng)度提高的比例更大，這與鐘茫[21］研究結(jié)論相符。同樣，級配良好的土壤其抗侵蝕能力也較強(qiáng)，且隨著圍壓的增大，其抗侵蝕能力增加的比例更大。

2.3 粒組缺失對土壤抗侵蝕能力的影響

試驗結(jié)果特點(diǎn)如下：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號試樣相對于Ⅰ號試樣，抗剪強(qiáng)度得到明顯提高，Ⅴ、Ⅵ號試樣的抗剪強(qiáng)度相對于Ⅰ號試樣明顯下降。其中Ⅳ號試樣的抗剪強(qiáng)度最大，Ⅴ號試樣抗剪強(qiáng)度最小，見表5。

土體中的細(xì)顆粒比表面積大，吸附能力強(qiáng)，常吸附在粗顆粒表面的水層，顆粒間不是直接接觸，所以主要表現(xiàn)出黏聚效應(yīng)而摩擦效應(yīng)較小；而粗顆粒主要是靠顆粒間直接接觸產(chǎn)生較強(qiáng)的摩擦效應(yīng)反之產(chǎn)生黏聚效應(yīng)較小。由表5和表6可知，抗剪強(qiáng)度的大小受內(nèi)摩擦角的影響大于受黏聚力的影響，即粗顆粒間的摩擦效應(yīng)是決定抗剪強(qiáng)度大小的主要因素。從土壤侵蝕力學(xué)角度分析，土壤在水流沖刷下的破壞形式為剪切破壞，當(dāng)黏聚力大于10 kPa后，影響土壤抗侵蝕能力大小的主要是粗顆粒間的摩擦效應(yīng)。這與陳安強(qiáng)等[13］的研究結(jié)論相符。

究其原因是土體中顆粒級配的不同，導(dǎo)致在固結(jié)剪切過程中形成懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)和骨架-孔隙結(jié)構(gòu)。

由于試驗控制每個試樣初始孔隙比相同，在固結(jié)剪切過程中，Ⅱ、Ⅲ號試樣粗砂的含量分別為20%、10%，試樣中粗顆粒較少接觸或者未能接觸，未能起到骨架的作用，部分粗顆粒懸浮在細(xì)砂、細(xì)?；蛭F(tuán)聚體之中，形成懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)。Ⅳ號試樣中粗砂顆粒含量達(dá)到32.44%，粗顆粒間形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，粗砂的孔隙被細(xì)砂、細(xì)?；蛭F(tuán)聚體填充，形成骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)。Ⅴ、Ⅵ號試樣中孔隙缺少了細(xì)粒的填充，級配不連續(xù)，不易被壓實(shí)，形成骨架-孔隙結(jié)構(gòu)。相對于懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)，骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)中粗顆粒之間形成良好的傳力骨架，且細(xì)顆粒也能發(fā)揮其黏聚效應(yīng)，所以抗剪強(qiáng)度更大，同理，骨架-孔隙結(jié)構(gòu)中由于缺少細(xì)粒的填充，粗粒在剪切過程中容易產(chǎn)生相對位移，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均較小。即抗剪強(qiáng)度和抗侵蝕能力大小排序為骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)＞懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)＞骨架-孔隙結(jié)構(gòu)。

2.4 各影響因子與土壤抗侵蝕能力的關(guān)聯(lián)度

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對各影響因子與土壤抗侵蝕能力的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，具體分析步驟如下：

（1）確定直接體現(xiàn)抗剪強(qiáng)度特征的c、φ值列分別作為參考序列，其余為比較序列。

（2）對數(shù)據(jù)采用均值化消除量綱。見表7。

（3）計算絕對差值│Δij(k)│=│Xik-Xik│,k=1, 2, …,n,j=i。（表略），并找出兩級最小差和兩級最大差。兩級最大差maximaxk│x0(k)-xi(k)│=2.1 4 8，最小差m i nim i nk│x0(k)-xi(k)│=0.012。

（4）求灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)εi(k)。

其中，η—分辨系數(shù)，取0.5。

（5）計算灰色關(guān)聯(lián)度ri。

表7 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與影響因子參數(shù)Table 7 Shear strength index and influence factor parameters

表8 影響因子與土壤抗侵蝕能力的關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度Table 8 Correlation coefficient and correlation degree between impact factor and soil erosion resistance

由表8關(guān)聯(lián)度大小排序可以看出，d30(0.859)＞d60(0.777)＞Cc(0.743)＞Cu(0.737)＞d10(0.662)。同理可得各影響因素參考φ值的關(guān)聯(lián)度大小排序：d30(0.860)＞Cc(0.827) ＞d60(0.759)＞Cu(0.727)＞d10(0.684)?？梢园l(fā)現(xiàn)，d30與c、φ值關(guān)聯(lián)度較大，d10與c、φ值關(guān)聯(lián)度較小。一般經(jīng)驗認(rèn)為關(guān)聯(lián)度大于0.3的均為明顯關(guān)聯(lián)，所以，以上幾種因素對土壤抗剪強(qiáng)度及抗侵蝕能力均有明顯影響。

3 結(jié) 論

不同粒組土壤單粒的缺失會改變土體的粒徑級配，對重慶地區(qū)淺層邊坡穩(wěn)定的影響尤為明顯。本研究主要針對重慶市北碚區(qū)某淺層邊坡紫色研究，試驗發(fā)現(xiàn)隨著水土流失的不斷發(fā)展，改變了坡體的顆粒級配組成。其中缺少細(xì)顆粒的土壤級配不良，抗侵蝕能力下降，容易引起淺層滑坡的發(fā)生，是治理防護(hù)的重點(diǎn)部位。且當(dāng)土壤的黏聚力c＞10 kPa時，影響土體抗侵蝕能力的主要依靠粗顆粒間的摩擦效應(yīng)。通過灰色關(guān)聯(lián)法分析Cu、Cc、d60、d30、d10對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度發(fā)現(xiàn)。d30與c、φ值關(guān)聯(lián)度較大，d10與c、φ值關(guān)聯(lián)度較小。并且Cu、Cc、d60、d30、d10均對抗剪強(qiáng)度有明顯的影響。針對重慶地區(qū)易發(fā)生滑坡的敏感淺層地區(qū)治理與防護(hù)，提出以下建議：（1）治理水土流失，防止進(jìn)一步的水土流失造成土壤單粒的缺失，比如增加植被覆蓋或者搭建防護(hù)網(wǎng)等；（2）人為改變土體的粒徑級配，形成級配良好的土體。