華南地區(qū)崩崗侵蝕區(qū)土壤水分含量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

周紅藝　李輝霞

摘要：崩崗是華南花崗巖紅壤區(qū)特殊的水土流失形式，而廣東省的崩崗侵蝕隱患最為突出。選擇廣東省崩崗侵蝕典型區(qū)，通過(guò)野外采樣和室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，研究不同土壤水分含量對(duì)崩崗侵蝕區(qū)土體抗剪強(qiáng)度的影響（烘20 min、烘10 min、自然含水量、浸30 s和水分飽和。結(jié)果表明：土壤水分對(duì)土體強(qiáng)度影響顯著，當(dāng)土壤含水率在15%時(shí)，對(duì)應(yīng)的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ指標(biāo)均出現(xiàn)峰值；黏聚力c指標(biāo)變化幅度較大，隨著土壤水分含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角φ一直處于衰減狀態(tài)；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨土壤水分含量變化呈非線性衰減，因此在評(píng)價(jià)崩崗穩(wěn)定程度時(shí)，可依據(jù)土壤水分含量和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)作出預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：土壤水分；抗剪強(qiáng)度；崩崗侵蝕區(qū)；華南地區(qū)

中圖分類號(hào)： S151+1；S1527文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（201412-0347-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-02-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41371041；教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金（編號(hào)：13YJAH041；廣東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：S2012010009272。

作者簡(jiǎn)介：周紅藝（1977—，男，湖北利川人，博士，副教授，從事土壤侵蝕研究。E-mail：zhouhyfs@163com。

崩崗是我國(guó)南方地區(qū)水土流失的一種特殊表現(xiàn)形式，水土流失強(qiáng)度強(qiáng)、流失量大，災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、蔓延速度快，破壞土地資源，造成大量泥沙淤積河道、農(nóng)田，損壞橋梁、道路、水庫(kù)，導(dǎo)致嚴(yán)重的水旱災(zāi)害以及生態(tài)惡化，被稱為當(dāng)今的“生態(tài)環(huán)境潰瘍”。崩崗侵蝕多見(jiàn)于花崗巖、砂頁(yè)巖、古坡積物、火山角礫巖等不同巖性的丘陵、崗臺(tái)地，其中以花崗巖風(fēng)化殼基礎(chǔ)上形成的崩崗最發(fā)育，分布最廣泛，危害程度大且難以治理[1]。據(jù)調(diào)查，在我國(guó)南方紅壤區(qū)[廣東、福建、江西、湖北、湖南和安徽6省300多個(gè)縣、市區(qū)]各類崩崗2013萬(wàn)個(gè)，8890%屬于活動(dòng)型的，相對(duì)穩(wěn)定型的崩崗僅占1110%；其中廣東有1152萬(wàn)個(gè)，占崩崗總數(shù)的5720%，崩崗面積和防治面積最大的是廣東省，其崩崗面積占全國(guó)崩崗總面積的6783%，防治面積占全國(guó)總防治面積的4590%。在廣東省低山丘陵區(qū)由于受崩崗的影響，完整的坡面被切割得支離破碎，對(duì)自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了極大破壞，因此開(kāi)展崩崗侵蝕機(jī)理研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，關(guān)于崩崗侵蝕的研究主要集中在巖土性質(zhì)方面，巖土影響崩崗的途徑多種多樣，是崩崗侵蝕的基礎(chǔ)，也是構(gòu)成崩崗侵蝕的重要?jiǎng)恿?。張淑光等研究結(jié)果表明，崩崗溝頭后退和溝岸擴(kuò)展的主要營(yíng)力是重力，降水量多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，土體吸水增重，并因土體水化而體積膨脹，沿著溝緣陡壁產(chǎn)生大致平行的裂隙，當(dāng)土體質(zhì)量大于其內(nèi)聚力時(shí)，便沿著裂隙或節(jié)理方向發(fā)生崩塌。李思平較早引入了土力學(xué)的研究手段來(lái)分析崩崗的力學(xué)性質(zhì)。吳志峰等將花崗巖風(fēng)化殼作為一種均質(zhì)土體，利用土力學(xué)的原理和推算過(guò)程對(duì)包括崩崗在內(nèi)的多種重力侵蝕方式進(jìn)行了崩落臨界高度的估算研究[5]。張信寶從邊坡失穩(wěn)的巖石風(fēng)化膨脹機(jī)理方面提出了研究新思路，即認(rèn)為崩崗的邊坡失穩(wěn)可能與花崗巖的風(fēng)化膨脹有關(guān)[6]。有學(xué)者對(duì)表征崩崗穩(wěn)定性指標(biāo)的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)研究[7]，以期揭示崩崗侵蝕規(guī)律，尋找科學(xué)治理崩崗危害的技術(shù)。這些相關(guān)研究成果都集中在土體強(qiáng)度變化及其主要影響因素方面，但在現(xiàn)實(shí)中由于劇烈的干濕變化（如雨旱交替，引起崩崗區(qū)各巖土層抗剪強(qiáng)度呈突發(fā)性降低，進(jìn)而導(dǎo)致大量崩崗失穩(wěn)等現(xiàn)象尚待深入研究。崩崗是華南地區(qū)水土流失的一種特殊類型，主要發(fā)育于熱帶、亞熱帶地區(qū)花崗巖出露區(qū)的紅壤類土壤地帶[8]。其特殊性主要表現(xiàn)為：在干濕交替頻繁的氣候環(huán)境中，工程特性尤其是表征崩崗穩(wěn)定性指標(biāo)的抗剪強(qiáng)度影響明顯[9]。因此，開(kāi)展崩崗侵蝕區(qū)土壤水分效應(yīng)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度衰減規(guī)律的試驗(yàn)研究與理論探討，可以揭示崩崗侵蝕機(jī)理，也為科學(xué)防治崩崗侵蝕的工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。本研究通過(guò)野外采集原狀土樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同干濕處理來(lái)控制水分的變化，利用直剪儀對(duì)不同土壤水分條件下崩崗侵蝕區(qū)土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行室內(nèi)測(cè)定，分析其變化規(guī)律，找出在不同土壤水分條件下的控制因素。

1材料與方法

研究區(qū)位于廣東省德慶縣，德慶縣地處廣東省中西部，屬低緯度地區(qū)，氣候溫和，熱量豐富，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)。據(jù)德慶縣氣象站資料顯示，年均氣溫215 ℃，年均降水量 1 5165 mm，年均日照時(shí)間為1 848 h。在廣東省德慶縣深涌水土保持監(jiān)測(cè)站設(shè)立定位觀測(cè)點(diǎn)，在現(xiàn)有的39個(gè)崩崗中選定其中一個(gè)較為活躍的崩崗進(jìn)行崩崗上部土樣采集。取樣地設(shè)于德慶縣馬墟鎮(zhèn)的東南部深涌水土保持監(jiān)測(cè)站1號(hào)攔砂壩丘陵坡地，坐標(biāo)位置110°50′26″ E、23°10′29″ N，海拔132 m，植物群落主要為木荷-崗松-笀萁群落以及其他雜草，植被蓋度41%，土壤類型為赤紅壤。該崩崗屬弧形崩崗，侵蝕溝2條，崩壁后壁高5 m，平均深度3 m，溝口寬18 m，溝道最大寬度52 m，崩崗面積136 m2，溝道長(zhǎng)16 m，邊壁高36 m。

在野外，利用直剪環(huán)刀（Φ 618 mm × 20 mm取原狀土，每一組土樣采用4個(gè)環(huán)刀試件，設(shè)計(jì)5種土壤水分變化水平，重復(fù)2次，采集4個(gè)土壤層次，采樣后進(jìn)行編號(hào)并用保鮮膜分組包裝好，迅速放入配套保鮮盒，同時(shí)，在4個(gè)土壤層次最典型的中部采取代表性土壤約1 kg進(jìn)行理化分析，將及時(shí)帶回室內(nèi)的直剪環(huán)刀土樣進(jìn)行5組土壤水分含量變化的處理。本試驗(yàn)采用低溫（70 ℃烘干法模擬土體脫濕過(guò)程，烘干過(guò)程中，第1、第2組土樣分別于試驗(yàn)開(kāi)始后烘20、10 min，第3組土樣不浸水密封于容器中24 h后直接測(cè)定，第4組土樣在去離子水中浸30 s，第5組土樣用噴壺向土體表面灑水直至水分飽和不再入滲。水分含量測(cè)定采用鋁盒烘干法，土壤容重的測(cè)定采用環(huán)刀法，重復(fù)3次。采用河北省虹宇儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的J-4型應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)定內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c[10]。游離氧化鐵的測(cè)定采用二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉（DCB法，土壤質(zhì)地的測(cè)定采用吸管法[11]。

2結(jié)果與分析

21土層基本性質(zhì)及干濕處理結(jié)果

在崩崗侵蝕區(qū)內(nèi)，本研究采集的樣品成土母質(zhì)為花崗巖風(fēng)化坡積物，剖面形態(tài)特征：剖面代號(hào)A-1，0～20 cm，潮，灰黃色（25Y6/3，干土呈紅棕色（5YR 4/6，中石質(zhì)黏土土，小團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)，根系中量，pH值 491；剖面代號(hào)B-2，20～33 cm，潮，灰黃棕色（10YR 5/2，干土呈淡紅棕色（5YR 5/8，中石質(zhì)輕黏土，小塊狀結(jié)構(gòu)，植物根系少量，pH值 499；[JP3]剖面代號(hào)B-3，35～58 cm，潮，紅棕色（5YR 4/6，干土呈棕紅色（25YR 4/8，多石質(zhì)輕黏土，塊狀結(jié)構(gòu)，植物根系少量，膠膜明顯，pH 值519；剖面代號(hào)B-4，58～100 cm，潮，紅棕色（5YR 4/6，干土呈棕紅色（25YR 4/8，多石質(zhì)輕黏土，塊狀結(jié)構(gòu)，有動(dòng)物小洞穴，植物根系很少，膠膜明顯，pH值 540。

各層土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1，各層土壤的干容重指標(biāo)大致相近，而游離氧化鐵含量則存在明顯差異，這與土層的風(fēng)化作用和淋溶淀積有關(guān)，在花崗巖發(fā)育的紅壤中，受高溫多雨的南亞熱帶氣候影響，A-1、B-2層的硅酸鹽礦物劇烈分解，硅酸和鹽基遭到淋失，而鐵、鋁等氧化物相對(duì)聚集。隨著土層深度的增加，土壤質(zhì)地越來(lái)越黏。

根據(jù)自然含水量和容重試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，結(jié)合試驗(yàn)前對(duì)直剪試件的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。A-1由于黏粒含量最少（3502%，所以其增濕的程度最?。?231%；而在烘干過(guò)程中，A-1層失水9242%，B-2失水程度最大，為9329%。隨著風(fēng)干程度加深，土樣上、下部應(yīng)力分布不均勻，裂隙便隨之產(chǎn)生。裂隙產(chǎn)生后，為土體下部水分散失提供良好通道，導(dǎo)致失水程度最大，土體強(qiáng)度相應(yīng)會(huì)發(fā)生變化。B-2、B-3層具有高脹縮特性，因其黏粒含量高。

從圖1可以看出，所有土層的共同特點(diǎn)是：黏聚力c指標(biāo)在烘10 min時(shí)增加到最大，到自然含水量時(shí)降幅最大，隨后各土層的黏聚力c在水分達(dá)到飽和時(shí)候基本處于同一水平?？傮w來(lái)說(shuō)，不同水分含量下各土層的黏聚力c變化幅度較大；而內(nèi)摩擦φ則呈現(xiàn)衰減規(guī)律。其中，土層B-4黏聚力c衰減得最多，其次是A-1，然后是B-2和B-3層。從圖1還可以看出，土層A-1的內(nèi)摩擦角衰減的程度最大，而B(niǎo)-3衰減的程度最小。在自然含水量之后（增濕過(guò)程，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著土壤水分變化增減不明顯，且變化幅度較小。從表3可以看出，土層B-3和B-2的平均黏聚力明顯大于A-1層；A-1層平均內(nèi)摩擦角最大，隨土層向下而遞減，這是因?yàn)樯蠈拥耐寥廊葜剌^下層容重小。本研究的總體趨勢(shì)結(jié)果和張曉明等對(duì)湖北崩崗侵蝕區(qū)土壤抗剪強(qiáng)度的研究結(jié)果相似，只是不同土層間的規(guī)律稍有不同[7]。這證明土壤水分含量對(duì)土體強(qiáng)度有很大的影響，并且在不同土層表現(xiàn)有所不同，這樣的變化必然會(huì)破壞土體的整體性，產(chǎn)生土壤裂隙，引起土體整體強(qiáng)度的降低。土壤裂隙的產(chǎn)生另一方面增大了土體的滲透性，為雨水入滲和水分蒸發(fā)提供了良好的通道，使得氣候?qū)ν馏w的影響深度進(jìn)一步向土體內(nèi)部發(fā)展。在降雨入滲條件下，流水迅速滲入土體內(nèi)部，引起孔隙水壓力上升，基質(zhì)吸力減小，土體強(qiáng)度下降，崩壁自重增加，兼之崩壁下部洞穴的存在，崩壁失穩(wěn)加劇，最終導(dǎo)致崩壁上部土體崩墜或滑入溝底，并在以后的降雨中被徑流帶走。但是，關(guān)于崩壁裂隙發(fā)育是如何影[CM（25]響土體的滲透性和強(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度對(duì)崩壁的穩(wěn)定性和

崩壁侵蝕量的定量關(guān)系如何等等這一系列問(wèn)題都還沒(méi)有新的研究進(jìn)展，而這些問(wèn)題恰恰是揭示崩崗發(fā)生機(jī)理的重要數(shù)據(jù)和參數(shù)。

23土壤水分變化對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響的顯著性分析

利用SPSS 80軟件對(duì)不同土壤水分含量與內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ的相關(guān)性進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果（表4表明，不同土壤水分含量對(duì)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響是顯著的。從調(diào)查的剖面來(lái)看，在干濕作用下，紅壤風(fēng)化殼確實(shí)存在大量的裂隙，這些裂隙存在的軟弱結(jié)構(gòu)面大大降低了土體強(qiáng)度，降雨期間，在水的作用下軟弱面發(fā)生泥化現(xiàn)象，土體的力學(xué)強(qiáng)度大大降低，土體沿裂隙面發(fā)生局部的塑性變形及塑性滑動(dòng)，隨張裂面的不斷擴(kuò)大，在重力和徑流作用下發(fā)生傾倒或滑墜。此外，在風(fēng)化殼深部，一些填充有黏狀、砂狀松散物質(zhì)的裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面，在地下水滲透作用下還可能發(fā)生潛蝕而引起風(fēng)化殼坡面的失穩(wěn)破壞，從而發(fā)生崩崗。

24不同土壤水分含量變化下土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)衰減特征分析

從圖2可知，研究區(qū)土樣的黏聚力c在水分含量15%左右呈現(xiàn)峰值。峰值之前，黏聚力c隨水分含量的增加而增加；在峰值以后，黏聚力c隨水分含量增加而降低。這與一般黏性土中黏聚力c隨著水分含量的增加而呈近似線性減少有較大[CM（25]的區(qū)別[12]。趨勢(shì)線模擬結(jié)果表明，土體的黏聚力與土體的[CM]

[F（W11][HT6H][J]表4土壤水分含量變化對(duì)抗剪強(qiáng)度單因素方差分析[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W5，W3，W6，W4，W5，W3。2W]抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變異來(lái)源離差平方和自由度平均平方FP

[BHDG12，W5，W3，W6DW，W4，W5DW，W3。2DWW]黏聚力c組間92 72132430 6358719310

[BHDW]組內(nèi)41 51264352 22784

總差異134 2339639

內(nèi)摩擦角φ組間1 2256443116213720

組內(nèi)82753352476

總差異2 0531739[HJ][BGF]

注：a=005。[F]

水分含量狀況呈五項(xiàng)式曲線。模擬曲線中，黏聚力c與土壤水分含量的r2為0917 8，這對(duì)于各向異性的原狀土而言擬合度較好。而內(nèi)摩擦角φ則隨水分含量的增加一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，結(jié)合表2不同處理的水分含量情況可知，影響抗剪強(qiáng)度的主要因素指標(biāo)在風(fēng)干階段和增濕階段是顯著不同的。因此，可以根據(jù)不同土壤水分含量來(lái)預(yù)測(cè)土體抗剪強(qiáng)度，從而為評(píng)估崩崗穩(wěn)定性提供一定的科學(xué)依據(jù)。

[F（W21][TPHY33tif][F]

3結(jié)論

華南崩崗侵蝕區(qū)紅壤的抗剪強(qiáng)度受土壤水分含量變化的影響顯著。自然含水量之前，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化主要受裂隙性控制；在自然含水量之后，主要是基質(zhì)吸力控制抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化。在自然含水量之前，裂隙可能是紅壤抗剪強(qiáng)度的控制因素；而自然含水量之后，基質(zhì)吸力是影響紅壤抗剪強(qiáng)度的主要因素。這不同于一般黏性土僅水分含量是影響抗剪強(qiáng)度的關(guān)鍵因素?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)隨土壤水分含量變化呈非線性衰減，因此可根據(jù)其不同土壤水分含量，預(yù)測(cè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，進(jìn)而評(píng)價(jià)崩崗穩(wěn)定程度。崩崗區(qū)巖土由于反復(fù)干濕循環(huán)效應(yīng)，造成土壤裂隙迅速發(fā)展，使抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的衰減，進(jìn)

[FL]

[H4D]

一步促進(jìn)崩崗的發(fā)育。因此，研究崩崗侵蝕機(jī)理應(yīng)從崩壁土體裂隙發(fā)育程度入手，研究崩壁土體的裂隙發(fā)育及其對(duì)滲透特性、土體強(qiáng)度的影響和機(jī)理，定量評(píng)價(jià)裂隙發(fā)育對(duì)崩壁穩(wěn)定性、崩塌堆積量的影響，對(duì)深入系統(tǒng)了解崩崗發(fā)育規(guī)律及提出治理途徑具有重要的科學(xué)意義。

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