華南地區(qū)崩崗侵蝕區(qū)土壤水分含量對土體抗剪強度的影響

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)，通過野外采樣和室內(nèi)直接剪切試驗，研究不同土壤水分含量對崩崗侵蝕區(qū)土體抗剪強度的影響（烘20 min、烘10 min、自然含水量、浸30 s和水分飽和。結(jié)果表明：土壤水分對土體強度影響顯著，當土壤含水率在15%時，對應的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ指標均出現(xiàn)峰值；黏聚力c指標變化幅度較大，隨著土壤水分含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而內(nèi)摩擦角φ一直處于衰減狀態(tài)；抗剪強度指標隨土壤水分含量變化呈非線性衰減，因此在評價崩崗穩(wěn)定程度時，可依據(jù)土壤水分含量和抗剪強度指標作出預測。

關鍵詞：土壤水分；抗剪強度；崩崗侵蝕區(qū)；華南地區(qū)

中圖分類號： S151+1；S1527文獻標志碼： A

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

收稿日期：2014-02-19

基金項目：國家自然科學基金（編號：41371041；教育部人文社會科學研究規(guī)劃基金（編號：13YJAH041；廣東省自然科學基金（編號：S2012010009272。

作者簡介：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。

崩崗是我國南方地區(qū)水土流失的一種特殊表現(xiàn)形式，水土流失強度強、流失量大，災害突發(fā)性強、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，導致嚴重的水旱災害以及生態(tài)惡化，被稱為當今的“生態(tài)環(huán)境潰瘍”。崩崗侵蝕多見于花崗巖、砂頁巖、古坡積物、火山角礫巖等不同巖性的丘陵、崗臺地，其中以花崗巖風化殼基礎上形成的崩崗最發(fā)育，分布最廣泛，危害程度大且難以治理[1]。據(jù)調(diào)查，在我國南方紅壤區(qū)[廣東、福建、江西、湖北、湖南和安徽6省300多個縣、市區(qū)]各類崩崗2013萬個，8890%屬于活動型的，相對穩(wěn)定型的崩崗僅占1110%；其中廣東有1152萬個，占崩崗總數(shù)的5720%，崩崗面積和防治面積最大的是廣東省，其崩崗面積占全國崩崗總面積的6783%，防治面積占全國總防治面積的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，對自然環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展造成了極大破壞，因此開展崩崗侵蝕機理研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，關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，也是構(gòu)成崩崗侵蝕的重要動力。張淑光等研究結(jié)果表明，崩崗溝頭后退和溝岸擴展的主要營力是重力，降水量多、持續(xù)時間長，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，當土體質(zhì)量大于其內(nèi)聚力時，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的研究手段來分析崩崗的力學性質(zhì)。吳志峰等將花崗巖風化殼作為一種均質(zhì)土體，利用土力學的原理和推算過程對包括崩崗在內(nèi)的多種重力侵蝕方式進行了崩落臨界高度的估算研究[5]。張信寶從邊坡失穩(wěn)的巖石風化膨脹機理方面提出了研究新思路，即認為崩崗的邊坡失穩(wěn)可能與花崗巖的風化膨脹有關[6]。有學者對表征崩崗穩(wěn)定性指標的抗剪強度進行了相關研究[7]，以期揭示崩崗侵蝕規(guī)律，尋找科學治理崩崗危害的技術。這些相關研究成果都集中在土體強度變化及其主要影響因素方面，但在現(xiàn)實中由于劇烈的干濕變化（如雨旱交替，引起崩崗區(qū)各巖土層抗剪強度呈突發(fā)性降低，進而導致大量崩崗失穩(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)定性指標的抗剪強度影響明顯[9]。因此，開展崩崗侵蝕區(qū)土壤水分效應對土體抗剪強度衰減規(guī)律的試驗研究與理論探討，可以揭示崩崗侵蝕機理，也為科學防治崩崗侵蝕的工程實踐提供理論依據(jù)。本研究通過野外采集原狀土樣，在實驗室進行不同干濕處理來控制水分的變化，利用直剪儀對不同土壤水分條件下崩崗侵蝕區(qū)土體抗剪強度進行室內(nèi)測定，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，無霜期長。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，年均日照時間為1 848 h。在廣東省德慶縣深涌水土保持監(jiān)測站設立定位觀測點，在現(xiàn)有的39個崩崗中選定其中一個較為活躍的崩崗進行崩崗上部土樣采集。取樣地設于德慶縣馬墟鎮(zhèn)的東南部深涌水土保持監(jiān)測站1號攔砂壩丘陵坡地，坐標位置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個環(huán)刀試件，設計5種土壤水分變化水平，重復2次，采集4個土壤層次，采樣后進行編號并用保鮮膜分組包裝好，迅速放入配套保鮮盒，同時，在4個土壤層次最典型的中部采取代表性土壤約1 kg進行理化分析，將及時帶回室內(nèi)的直剪環(huán)刀土樣進行5組土壤水分含量變化的處理。本試驗采用低溫（70 ℃烘干法模擬土體脫濕過程，烘干過程中，第1、第2組土樣分別于試驗開始后烘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。水分含量測定采用鋁盒烘干法，土壤容重的測定采用環(huán)刀法，重復3次。采用河北省虹宇儀器設備有限公司生產(chǎn)的J-4型應變控制式直剪儀測定內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c[10]。游離氧化鐵的測定采用二亞硫酸鈉-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)為花崗巖風化坡積物，剖面形態(tài)特征：剖面代號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，小團粒狀結(jié)構(gòu)，根系中量，pH值 491；剖面代號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)見表1，各層土壤的干容重指標大致相近，而游離氧化鐵含量則存在明顯差異，這與土層的風化作用和淋溶淀積有關，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、鋁等氧化物相對聚集。隨著土層深度的增加，土壤質(zhì)地越來越黏。

根據(jù)自然含水量和容重試驗測定結(jié)果，結(jié)合試驗前對直剪試件的稱重數(shù)據(jù)進行計算，結(jié)果見表2。A-1由于黏粒含量最少（3502%，所以其增濕的程度最?。?231%；而在烘干過程中，A-1層失水9242%，B-2失水程度最大，為9329%。隨著風干程度加深，土樣上、下部應力分布不均勻，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，導致失水程度最大，土體強度相應會發(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是：黏聚力c指標在烘10 min時增加到最大，到自然含水量時降幅最大，隨后各土層的黏聚力c在水分達到飽和時候基本處于同一水平。總體來說，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-3衰減的程度最小。在自然含水量之后（增濕過程，抗剪強度指標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，這是因為上層的土壤容重較下層容重小。本研究的總體趨勢結(jié)果和張曉明等對湖北崩崗侵蝕區(qū)土壤抗剪強度的研究結(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土體強度有很大的影響，并且在不同土層表現(xiàn)有所不同，這樣的變化必然會破壞土體的整體性，產(chǎn)生土壤裂隙，引起土體整體強度的降低。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，關于崩壁裂隙發(fā)育是如何影[CM（25]響土體的滲透性和強度、裂隙發(fā)育程度對崩壁的穩(wěn)定性和

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

23土壤水分變化對抗剪強度指標影響的顯著性分析

利用SPSS 80軟件對不同土壤水分含量與內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ的相關性進行單因素方差分析，結(jié)果（表4表明，不同土壤水分含量對黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響是顯著的。從調(diào)查的剖面來看，在干濕作用下，紅壤風化殼確實存在大量的裂隙，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，土體的力學強度大大降低，土體沿裂隙面發(fā)生局部的塑性變形及塑性滑動，隨張裂面的不斷擴大，在重力和徑流作用下發(fā)生傾倒或滑墜。此外，在風化殼深部，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度指標衰減特征分析

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抗剪強度單因素方差分析[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W5，W3，W6，W4，W5，W3。2W]抗剪強度指標變異來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，結(jié)合表2不同處理的水分含量情況可知，影響抗剪強度的主要因素指標在風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預測土體抗剪強度，從而為評估崩崗穩(wěn)定性提供一定的科學依據(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，抗剪強度指標變化主要受裂隙性控制；在自然含水量之后，主要是基質(zhì)吸力控制抗剪強度指標變化。在自然含水量之前，裂隙可能是紅壤抗剪強度的控制因素；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度的關鍵因素?？辜魪姸戎笜穗S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，預測抗剪強度指標，進而評價崩崗穩(wěn)定程度。崩崗區(qū)巖土由于反復干濕循環(huán)效應，造成土壤裂隙迅速發(fā)展，使抗剪強度呈現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的衰減，進

[FL]

[H4D]

一步促進崩崗的發(fā)育。因此，研究崩崗侵蝕機理應從崩壁土體裂隙發(fā)育程度入手，研究崩壁土體的裂隙發(fā)育及其對滲透特性、土體強度的影響和機理，定量評價裂隙發(fā)育對崩壁穩(wěn)定性、崩塌堆積量的影響，對深入系統(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意義。

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