夏振剛,鄧羽松,趙媛,丁樹文?

(1.華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,430070,武漢;2.廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所,530004,南寧)

鄂東南花崗巖崩崗巖土抗剪強度與含水量的關(guān)系

夏振剛1,鄧羽松1,趙媛2,丁樹文1?

(1.華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,430070,武漢;2.廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所,530004,南寧)

崩崗是我國南方特殊的一種土壤侵蝕現(xiàn)象,其形成主要是由于巖土穩(wěn)定性降低所致;土壤抗剪強度是表征崩崗巖土穩(wěn)定性的重要指標,而土壤含水量是影響抗剪強度的關(guān)鍵因子。以通城縣2處崩崗為研究對象,采集淋溶層(A)、淀積層(B)、過渡層(BC)和母質(zhì)層(C)原狀土樣,通過室內(nèi)直剪試驗,研究崩崗巖土不同層次抗剪強度與含水量的關(guān)系及變化規(guī)律。結(jié)果表明:A層抗剪強度隨含水量增加呈現(xiàn)先增大后下降趨勢,其余各土層抗剪強度整體上隨含水量增加呈現(xiàn)而下降,B層抗剪強度較大,C層抗剪強度最小,且B層抗剪強度受含水量影響最大;土壤黏聚力變化幅度較大,A層隨含水量增加先增大后減小,其余各層均隨含水量增加而減小,B層黏聚力在4個層次中最大,同時其衰減幅度也較大,C層因黏粒質(zhì)量分數(shù)低、缺少膠結(jié)物質(zhì)而黏聚力極低;土壤內(nèi)摩擦角4個土壤層次均隨含水量增加而減小。研究結(jié)果可為崩崗侵蝕機理研究以及進一步防治崩崗侵蝕提供理論依據(jù)。

崩崗;土壤含水量;抗剪強度;黏聚力;內(nèi)摩擦角

崩崗是山坡土體受破壞而崩塌和沖刷的土壤侵蝕現(xiàn)象,多發(fā)生于我國南方地區(qū)[1],容易造成水旱災(zāi)害、破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,且防治困難[2]。崩崗主要分布在我國南方7個省(區(qū)),總面積達1 220 km2[3],嚴重威脅到南方丘陵地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。崩崗成因研究主要集中在基巖的巖土特性、水的作用、軟弱結(jié)構(gòu)面和崩壁侵蝕4個方面[410],其形成主要由于巖土穩(wěn)定性降低,土壤抗剪強度大小直接反映了土體在外力作用下,發(fā)生剪切變形破壞的難易程度[11],是表征崩崗巖土穩(wěn)定性主要指標,在崩崗侵蝕機理研究中具有重要作用。

目前關(guān)于土壤抗剪強度的研究,國內(nèi)還主要集中在巖土力學等方面,也有部分學者探討花崗巖土壤侵蝕過程中抗剪強度指標的情況。任兵芳等[12]以鄂東南花崗巖崩崗區(qū)為研究對象,發(fā)現(xiàn)崩崗土體淋溶層與淀積層有較強的抗剪強度和抗沖抗蝕性。陳曉安等[13]對崩崗侵蝕區(qū)各層土壤特性與差異進行研究,得到花崗巖崩崗地區(qū)母質(zhì)層抗剪強度明顯小于紅土層的結(jié)論,說明母質(zhì)層抗剪強度低,是花崗巖崩崗發(fā)育的誘因。此外,抗剪強度有多項影響因素,張愛國等[14]對中國水蝕區(qū)范圍內(nèi),水土流失過程中土體的抗剪強度進行了研究,發(fā)現(xiàn)影響抗剪強度的主導因素是密度、粉/黏粒、土壤含水量及土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。對于同一試驗區(qū),土體結(jié)構(gòu)及相關(guān)理化性質(zhì)變化不會太大,因而土壤含水量的變化對抗剪強度指標的影響很大;同時不同土層隨含水量變化,抗剪強度指標變化情況也有所不同,水分變化往往誘導崩崗的發(fā)生,不同層次土壤水分特征也有所差異,且對崩崗侵蝕造成很大影響[1516],能夠進一步分析各土層抗剪強度隨含水量變化的特征,對于研究崩崗侵蝕機理十分重要。雖然抗剪強度在巖土力學方面有著廣泛應(yīng)用和研究,但有關(guān)崩崗巖土抗剪強度與含水量關(guān)系的研究還較少。張曉明等[17]對不同干濕效應(yīng)下,崩崗侵蝕區(qū)巖土抗剪強度的衰減情況進行研究,發(fā)現(xiàn)土壤黏聚力、內(nèi)摩擦角隨干濕變化,呈非線性衰減變化;但并未對不同層次土壤的抗剪強度指標隨含水量變化特征進行詳細研究。林敬蘭等[18]采集崩崗侵蝕南部區(qū)域福建省安溪縣崩崗重塑土,通過三軸剪切試驗,研究崩崗土體抗剪強度隨水分變化的關(guān)系,得到隨含水量增加,紅土層、砂土層、碎屑層抗剪強度下降的結(jié)論;但研究土壤層次較少,砂土層與碎屑層在高含水量下,不能制作土樣無法進行試驗,并未完整反映兩者關(guān)系。林金石等[19]采用直接剪切及三軸剪切試驗方法,對崩崗紅土層抗剪強度與含水量關(guān)系進行研究,為崩崗土體抗剪強度測定方法的選擇提供了依據(jù);但研究立足于探討不同剪切方式對抗剪特征造成的差異,僅研究了紅土層抗剪強度與含水量變化規(guī)律,未完整反映不同層次土壤兩者變化規(guī)律。

本研究采集崩崗侵蝕北緣區(qū)湖北省通城縣2處崩崗4個土壤層次原狀土及散土,利用直剪試驗及巖土特性分析,通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、繪制相關(guān)曲線及相關(guān)性分析,對比不同土壤層次下數(shù)據(jù),探討不同層次崩崗巖土抗剪強度隨含水量變化的關(guān)系及規(guī)律,以期進一步了解、完善崩崗侵蝕發(fā)生機理,為崩崗侵蝕的治理工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省咸寧市通城縣(E113°36′～114°4′,N29°2′～29°24′),地處湖北省東南部,鄂、湘、贛3省交界處,全縣土地總面積約為1 172 km2。通城縣是湖北省崩崗集中分布的典型地區(qū),數(shù)量達1 102處,占湖北省崩崗總數(shù)量的47%,在鄂東南具有很強的代表性。該縣屬北亞熱帶季風氣候區(qū),光照適中,氣候溫和,雨熱同期,但受到季風和地貌的影響,雨水時空分布不均。年平均氣溫16.2℃,年降雨量為1 520 mm左右。本研究選取通城縣的2處崩崗(崩崗Ⅰ和崩崗Ⅱ)為研究對象,崩崗Ⅰ是位于E 113°36′41″,N 29°21′04″,海拔125.95 m的瓢型崩崗,崩崗Ⅱ是分布在E 114°46′31″,N 29°24′09″,海拔123.89 m的弧形崩崗。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計

觀察2處崩崗的發(fā)育狀況,根據(jù)土壤剖面的土壤顏色以及質(zhì)地等特征,進行土壤層次劃分,將崩壁土壤層次從上到下依次劃分為淋溶層(A)、淀積層(B)、過渡層(BC)和母質(zhì)層(C),自下而上采集各層土樣。

抗剪強度指標采用不排水直接剪切試驗進行測定,儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。利用直剪儀專用環(huán)刀,在2處崩崗崩壁不同土層處采集原狀土,每層采集50個環(huán)刀樣,共4個層次,采樣后迅速用膠帶密封防止水分蒸發(fā),編號帶回實驗室。在室內(nèi),對采集的環(huán)刀樣進行飽和后脫濕處理,各層次通過不同風干時間,各得到5個不同的含水量,每個含水量下有10個環(huán)刀樣,分2組進行重復試驗,每組取4個土樣,在不同法向壓力下(50,100,150,200 kPa),進行快剪試驗,測定抗剪強度,剩余的1個土樣用于準確測定含水量。所有試驗重復2次,取平均值,繪制各土層抗剪強度與含水量關(guān)系曲線。根據(jù)庫倫公式,計算土壤黏聚力、內(nèi)摩擦角,并繪制各土層內(nèi)摩擦角、黏聚力與含水量關(guān)系曲線。此外,在各土層采集散土樣,用于土壤基本理化性質(zhì)的分析,采用多點采樣混合的方法,每個混合樣取1 kg作為樣品,編號帶回實驗室,采回的樣品在室內(nèi)通風陰干,粉碎過篩。土壤密度測定采用環(huán)刀法,土壤顆粒組成測定采用吸管法,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)測定采用重鉻酸鉀(K2Cr2O7)硫酸亞鐵(FeSO4)法,游離氧化鐵質(zhì)量分數(shù)測定采用二亞硫酸鈉檸檬酸鈉重碳酸鈉法(DCB法)。崩崗剖面各層次土體的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 崩崗各層次土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of different soil layers in collapsing hill

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)直剪試驗得到的抗剪強度,利用庫倫公式計算相關(guān)指標:

式中:τ為土體抗剪強度,kPa;c為黏聚力,kPa;σ為作用在剪切面上的法向壓力,kPa;φ為內(nèi)摩擦角, (°)。

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和簡單分析,并繪制相應(yīng)圖表,利用SPSS 22.0進行相關(guān)性分析等。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土層黏聚力與含水量的關(guān)系

土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角是反映抗剪強度大小的2個重要指標。其中,黏聚力主要取決于土體顆粒間庫侖力、范德華力以及膠結(jié)作用等。2處崩崗各土層土壤黏聚力隨含水量變化明顯(圖1)。A層土壤黏聚力隨含水量增加,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。崩崗I黏聚力在含水量為10.56%時,達到最大值81.67 kPa;崩崗II在含水量為11.26%時,達到最大值78.69 kPa,隨后均隨含水量增加逐漸減小,在土壤含水量接近飽和時,達到最小值。由于土體黏聚力是由土粒間微觀力所決定,包括原始凝聚力、加固凝聚力和毛細凝聚力,其中毛細凝聚力由孔隙中毛細水的毛細壓力產(chǎn)生[19],在含水量較低時,隨含水量增加,土體孔隙中毛細水所產(chǎn)生的毛細壓力增大,且存在基質(zhì)吸力,進而黏聚力增大,后期隨含水量進一步增加,土粒間距增大,水膜增厚,黏聚力下降;同時,當含水量在較低水平時,土壤產(chǎn)生裂隙,也對黏聚力造成一定影響,使土壤黏聚力隨含水量降低而減小[1718]。

圖1 崩崗I、崩崗II各土層黏聚力隨含水量的變化Fig.1 Cohesive force changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I and II

圖1 表明,2處崩崗B層、BC層黏聚力隨含水量的變化趨勢,與A層存在一定差異,B層黏聚力隨含水量增加而減小,衰減程度大。崩崗I的B層黏聚力從含水量為5.00%時的122.52 kPa,急劇下降到含水量為35.53%時的3.65 kPa,衰減幅度達97%;崩崗II黏聚力則由含水量為7.82%時的137.15 kPa,下降到含水量35.90%時的5.39 kPa,衰減幅度達96%。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于,隨含水量增加,土壤中土顆粒間距離增大,土顆粒間水膜厚度增大,使得土粒間的聯(lián)結(jié)力等相互作用力下降,黏聚力下降;與此同時,水分進入土壤,軟化游離氧化鐵等膠結(jié)物質(zhì),使該類物質(zhì)對土顆粒的膠結(jié)作用降低,進而使土壤黏聚力降低。BC層黏聚力的變化趨勢與B層相近,隨含水量的增加而減小,但黏聚力的大小和衰減趨勢均小于B層,崩崗I的最大黏聚力為含水量3.47%時的77.05 kPa,在含水量為43.27%時,達到最小值14.90 kPa;崩崗II則為含水量7.87%時,達到最大值75.51 kPa,40.89%時達到最小值0.53 kPa。C層由于黏粒質(zhì)量分數(shù)低,砂粒等粗顆粒質(zhì)量分數(shù)高,有機質(zhì)、游離氧化鐵質(zhì)量分數(shù)低,膠結(jié)物質(zhì)很少,幾乎不存在黏聚力。

通過對各土層黏聚力研究發(fā)現(xiàn),B層黏聚力較大,隨含水量增加衰減程度最大,BC層黏聚力最小,這與不同土層的物理化學性質(zhì)及顆粒組成有關(guān)。A層、B層風化程度較高,C層風化程度低,且保持了花崗巖的原生結(jié)構(gòu)。由表1可知:A層黏粒、有機質(zhì)及游離氧化鐵質(zhì)量分數(shù)較高;但A層土壤根系發(fā)達,土體松散,容重小,持水保水能力較差,存在淋溶作用,可溶性物質(zhì)及細微土粒遭到淋洗進入下層土體,使B層黏粒質(zhì)量分數(shù)、游離氧化鐵、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在4個層次中最高,加之其風化程度高,土壤緊實,具有較高的持水保水能力,因而B層黏聚力較大;同時A層、B層水分變化緩慢,滲透系數(shù)小,水穩(wěn)性高,對水分吸力強,降雨后表土層和紅土層水分向內(nèi)傳導緩慢,排水能力差,從而表層容易形成地表徑流,對下層土體造成侵蝕[2021]。BC層顆粒組成及成分質(zhì)量分數(shù)特征介于各層次之間,黏聚力也處于中間水平。

同時從圖1可知,2處崩崗各土層黏聚力與含水量呈非線性關(guān)系,通過對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,各土層黏聚力與含水量顯著相關(guān)(表2)。針對不同土層含水量對土壤黏聚力的影響,利用Pearson函數(shù)進行分析。結(jié)果表明,土壤含水量對黏聚力影響顯著(Sig.＜0.01),Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.547,即含水量與黏聚力為負相關(guān)關(guān)系,隨含水量增加,黏聚力呈現(xiàn)減小趨勢,說明含水量的變化,對土壤黏聚力影響很大。

表2 崩崗I、崩崗II各土層黏聚力隨含水量變化關(guān)系函數(shù)Tab.2 The function of cohesive force changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I and II

3.2 不同土層內(nèi)摩擦角與含水量的關(guān)系

除土壤黏聚力外,土壤內(nèi)摩擦角也是反映土體抗剪強度的重要指標,內(nèi)摩擦角反映土的摩擦特性,與土壤的顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形狀及密實程度有關(guān)[22]。

如圖2所示,2處崩崗不同土層內(nèi),摩擦角隨含水量增加呈減小趨勢,且隨含水量變化,內(nèi)摩擦角的衰減程度較小,減小趨勢相較于黏聚力較緩。不同土層的變化存在一定差異,崩崗I、崩崗II的A層內(nèi)摩擦角分別在27.65°～35.33°、18.73°～39.65°間變化,B層分別在26.25°～36.58°、27.86°～52.64°間變化,BC層分別在21.68°～41.79°、32.91°～44.60°間變化,C層與上層土體相比,內(nèi)摩擦角衰減程度有所減小,分別在18.78°～21.80°、22.86°～36.03°間變化。2處崩崗各土層均在含水量接近飽和時,內(nèi)摩擦角達到最小值;在含水量較低時,內(nèi)摩擦角達到最大值。在土壤含水量增加過程中,水分軟化膠結(jié)物質(zhì),被軟化的膠結(jié)物質(zhì)和水分可以在作為潤滑劑,在土壤顆粒間起到潤滑作用,使土顆粒間相對粗糙度降低,顆粒間摩擦力減小,同時降低了顆粒間的咬合力,進而使土壤的內(nèi)摩擦力減小。

圖2 崩崗I、崩崗II各土層內(nèi)摩擦角隨含水量的變化Fig.2 Internal friction angle changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I and II

由對實驗數(shù)據(jù)進行擬合可知,2處崩崗內(nèi),摩擦角大小與含水量變化顯著相關(guān)(表3)。針對不同土層含水量對土壤內(nèi)摩擦角的影響,利用Pearson函數(shù)進行分析。結(jié)果表明,土壤含水量對內(nèi)摩擦角影響顯著(Sig.＜0.01),Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.578,即含水量與內(nèi)摩擦角為負相關(guān)關(guān)系,隨含水量增加,黏聚力呈現(xiàn)減小趨勢,說明土壤含水量對內(nèi)摩擦角影響顯著,含水量的變化會造成內(nèi)摩擦角產(chǎn)生變化,進而影響崩崗巖土抗剪強度。

表3 崩崗I、崩崗II各土層內(nèi)摩擦角隨含水量變化關(guān)系函數(shù)Tab.3 The function of internal friction angle changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I and II

圖3 崩崗I各土層抗剪強度隨含水量的變化Fig.3 Shear strength changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill I

圖4 崩崗II各土層抗剪強度隨含水量的變化Fig.4 Shear strength changed with soil moisture in different soil layers at collapsing hill II

3.3 不同土層抗剪強度與含水量的關(guān)系

由圖3、圖4可知:2處崩崗巖土各土層抗剪強度隨含水量變化均受到較大影響,其中A層在低含水量時,抗剪強度隨含水量的增加而增大。崩崗I在含水量3.00%～19.00%時,抗剪強度逐漸增大,在19.00%時達到最大,崩崗II在含水量2.45%～11.26%時,抗剪強度逐漸增大,在11.26%時達到最大,隨后均隨含水量的增加而下降。在低含水量情況下,抗剪強度隨含水量減少而降低,這是由于在含水量進一步降低、風干程度加大的情況下,土顆粒間連續(xù)性水膜變?yōu)殚g斷性水膜,固氣比例相應(yīng)增加,導致土體收縮,上下收縮不均勻形成裂隙,破壞土體結(jié)構(gòu),加之A層根系多,土體較為松散,裂隙產(chǎn)生的軟弱結(jié)構(gòu)面大大降低了土體強度,表現(xiàn)為隨著含水量減少抗剪強度降低,后含水量增加,土體處于非飽和狀態(tài)時,存在基質(zhì)吸力,使土體穩(wěn)定性增強,表現(xiàn)為抗剪強度的增大;當含水量進一步增強,吸力逐漸消失,加之黏聚力、內(nèi)摩擦角也相應(yīng)下降,強度也進而下降[17,2326]。B、BC和C層的抗剪強度隨含水量增加而下降,在含水量較低時衰減程度較大,隨著含水量增加衰減趨勢逐漸變緩。

通過對50 kPa法向壓力下,2處崩崗不同含水量的抗剪強度比較發(fā)現(xiàn)(圖5),4個土壤層次中,B層在低含水量時抗剪強度最大,隨含水量變化,抗剪強度衰減程度最大,說明含水量變化對B層抗剪強度影響最大。隨土壤深度增加,抗剪強度逐漸降低, C層的抗剪強度最小,隨含水量變化的衰減程度也最小,在水的作用下,下層土壤往往容易被侵蝕,形成龕,進而促進崩崗的發(fā)生。對土壤抗剪強度與含水量的相關(guān)關(guān)系擬合可知,抗剪強度與含水量顯著相關(guān)(表4)。其他法向壓力下,變化情況與圖5所示規(guī)律相同。

圖5 50 kPa法向壓力下崩崗I、崩崗II各土層不同含水量下抗剪強度Fig.5 Shear strength of different soil layers in different soil moisture at collapsing hill I and II with 50 kPa normal pressure

表4 50 kPa法向壓力下崩崗I、崩崗II各土層不同含水量下抗剪強度函數(shù)Tab.4 Shear strength function of different soil layers in different soil moisture at collapsing hill I and II under 50 kPa normal pressure

4 討論

通過對崩崗Ⅰ、崩崗Ⅱ不同土層抗剪強度與含水量關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),土壤抗剪強度受含水量影響很大,整體上抗剪強度隨含水量增加而下降,A層與其余各層有所差異,抗剪強度隨含水量增加呈現(xiàn)先增大后下降。表征抗剪強度的指標方面,A層黏聚力隨含水量增加呈現(xiàn)先增加后減小,B、BC和C層均隨含水量增加而減小,其中B層黏聚力在含水量5.00%～8.00%間達到最大值,與張曉明等[17]研究結(jié)果(在含水量為13%時達到最大值)、林敬蘭等[18]研究結(jié)果(含水量為22%時達到最大值)有一定差異,這與試驗方法、試驗樣品處理及研究區(qū)位置等有關(guān)。內(nèi)摩擦角整體上隨含水量增加而減小,與張曉明等[17]、林敬蘭等[18]研究結(jié)果一致,不同土層隨含水量變化的幅度有所差異。

B層黏粒、膠結(jié)物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高,黏聚力、內(nèi)摩擦角較大,抗剪強度較高,受含水量影響最大;當含水量增大到一定范圍內(nèi),黏聚力、內(nèi)摩擦角迅速減小,導致土壤抗剪強度急劇下降;同時,B層持水保水能力強,含水量增加導致土壤自重變大,使土壤下滑剪切力增大,當下滑剪切力大于抗剪強度時,容易發(fā)生崩塌。

BC層抗剪強度指標變化趨勢與B層相近,由于顆粒組成有所差異,黏粒、游離氧化鐵等物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相對于B層較少,指標大小、變化幅度與B層相比較小。

C層由于幾乎無黏聚力,抗剪強度由內(nèi)摩擦角提供,土顆粒間缺少膠結(jié)和聯(lián)結(jié)力,抗剪強度低,容易被侵蝕。在自然狀態(tài)下,降雨一部分形成地表徑流沖刷地面斜坡,在重力侵蝕作用下形成陡坡,暴露出C層。由于C層抗剪強度極低,在水分作用下,強度迅速下降,被侵蝕進而形成龕,使上方土體懸空失去支撐;同時,另一部分降雨滲透進入土體,在含水量較低時,B層仍能保持較高抗剪強度,但隨含水量增加,土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,強度下降,穩(wěn)定性降低,上層土體自重不斷增加,此時極易發(fā)生崩塌,崩塌后再次暴露出下層土體,如此反復,崩崗不斷擴大,發(fā)展速度大大提高。這也是崩崗不斷快速擴大的原因,因而在崩崗地區(qū)也應(yīng)保護BC層、C層等下層土體,防止其暴露,導致崩崗擴大。

5 結(jié)論

崩崗巖土抗剪強度與含水量有著緊密聯(lián)系,含水量變化對于崩崗巖土抗剪強度影響極大,含水量大幅度增加,導致抗剪強度的急劇衰減,使崩崗巖土穩(wěn)定性降低,進一步促進崩崗發(fā)育、擴大,具體表現(xiàn)為:A層抗剪強度隨含水量增加呈現(xiàn)先增大后下降,其余各土層抗剪強度整體上隨含水量增加而下降, B層抗剪強度最高,受含水量影響最大,C層抗剪強度最低;土壤黏聚力A層隨含水量增加先增大后減小,B層、BC層均隨含水量增加而減小,C層因黏粒質(zhì)量分數(shù)低、缺少膠結(jié)物質(zhì)而幾乎無黏聚力;土壤內(nèi)摩擦角4個層次均隨含水量增大而減小,不同土層由于顆粒組成等理化性質(zhì)有所不同,各項指標的大小和變化幅度存在一定差異,隨著土壤深度的增加,土壤抗剪強度及其相關(guān)指標整體上呈下降趨勢,一旦下層土體暴露,下層土體極易遭到破壞而加劇崩崗的發(fā)生,保護下層土體對于防治崩崗侵蝕區(qū)擴大有著極其重要的作用;同時,土壤黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水量分別符合二次多項式增減規(guī)律和一階對數(shù)衰減規(guī)律,可通過此關(guān)系評價崩崗穩(wěn)定程度,為崩崗防治提供了相應(yīng)理論依據(jù)。

[1] 唐克麗.中國水土保持[M].北京:科學出版社, 2004:80. Tang Keli.Soil and water conservation in China[M]. Beijing:Science Press 2004:80.(in Chinese)

[2] Deng Y S,Xia D,Cai C F,et al.Effects of land uses on soil physic-chemical properties and erodibility in collapsing-gully alluvial fan of Anxi County,China[J].Journal of Integrative Agriculture,2016,15(8):1863.

[3] 馮明漢,廖純艷,李雙喜,等.我國南方崩崗侵蝕現(xiàn)狀調(diào)查[J].人民長江,2009,40(8):66. Feng Minghan,Liao Chunyan,Li Shuangxi,et al.Investigation on status of hill collapsing and soil erosion in southern China[J].Yangtze River,2009,40(8):66. (in Chinese)

[4] 阮伏水.福建省崩崗侵蝕與治理模式探討[J].山地學報,2003,21(6):675. Ruan Fushui.Study on slump gully erosion and its control in Fujian province[J].Journal of Mountain Science, 2003,21(6):675.(in Chinese)

[5] 梁音,張斌,潘賢章,等.南方紅壤丘陵區(qū)水土流失現(xiàn)狀與綜合治理對策[J].中國水土保持科學,2008,6 (1):22. Liang Yin,Zhang Bin,Pan Xianzhang,et al.Current status and comprehensive control strategies of soil erosion for hilly region in the Southern China[J].Science of Soil and Water Conservation,2008,6(1):22.(in Chinese)

[6] 丁樹文,蔡崇法,張光遠.鄂東南花崗地區(qū)重力侵蝕及崩崗形成規(guī)律的研究[J].南昌工程學院學報, 1995(增刊1):50. Ding Shuwen,Cai Chongfa,Zhang Guangyuan.A study on gravitational erosion and the formation of collapse mound in the granite area of southeast Hubei[J].Journal of Nanchang Institute of Technology,1995(S1):50.(in Chinese)

[7] Xu J.Benggang erosion:the influencing factors[J].Catena,1996,27(S3/S4):249.

[8] 劉洪鵠,劉憲春,張平倉,等.南方崩崗發(fā)育特征及其監(jiān)測技術(shù)探討[J].中國水土保持科學,2011,9(2): 19. Liu Honghu,Liu Xianchun,Zhang Pingcang,et al. Characteristics of slope collapse and its monitoring technology in Southern China[J].Science of Soil and Water Conservation,2011,9(2):19.(in Chinese)

[9] 丘世鈞.紅土坡地崩崗侵蝕過程與機理[J].水土保持通報,1994,14(6):31. Qiu Shijun.The process and mechanism of red earth slope disintegration erosion[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,1994,14(6):31.(in Chinese)

[10]姜超,陳志彪,陳志強.我國崩崗侵蝕與國外劣地侵蝕機制類比[J].中國水土保持科學,2014,12(6): 116.Jiang Chao,Chen Zhibiao,Chen Zhiqiang.Comparison of mechanism between collapsing erosion in China and overseas badland erosion[J].Science of Soil and Water Conservation,2014,12(6):116.(in Chinese)

[11]陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學[M].北京:清華大學出版社,1994:160. Chen Zhongyi,Zhou Jingxing,Wang Hongjin.Soil mechanics[M].Beijing:Tsinghua University Press,1994: 160.(in Chinese)

[12]任兵芳,丁樹文,吳大國,等.鄂東南崩崗土體特性分析[J].人民長江,2013,44(3):93. Ren Bingfang,Ding Shuwen,Wu Daguo,et al.Analysis on soil characteristics of collapse hills in southeast of Hubei Province[J].Yangtze River,2013,44(3):93.(in Chinese)

[13]陳曉安.崩崗侵蝕區(qū)土壤物理性質(zhì)分層差異及其對崩崗發(fā)育的影響[J].中國水土保持,2015,(12):71. Chen Xiao'an.Stratified difference of soil physical properties of collapse mound erosion areas and its influence to the development of collapse mound[J].Soil and Water Conversation in China,2015,(12):71.(in Chinese)

[14]張愛國,李銳,楊勤科.中國水蝕土壤抗剪強度研究[J].水土保持通報,2001,21(3):5. Zhang Aiguo,Li Rui,Yang Qinke.Study on soil antishearing intensity of erosion in China[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2001,21(3):5.(in Chinese)

[15]鄧羽松,丁樹文,劉辰明,等.鄂東南花崗巖崩崗崩壁土壤水分特征研究[J].水土保持學報,2015,29 (4):132. Deng Yusong,Ding Shuwen,Liu Chenming,et al.Soil moisture characteristics of collapsing gully wall in granite area of southeastern Hubei[J].Journal of Soil and Water Conservation,2015,29(4):132.(in Chinese)

[16]Mohamed T A,Ali F H,Hashim S,et al.Relationship between shear strength and soil water characteristic curve of an unsaturated granitic residual soil[J].American Journal of Environmental Sciences,2006,2(4):142.

[17]張曉明,丁樹文,蔡崇法.干濕效應(yīng)下崩崗區(qū)巖土抗剪強度衰減非線性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28 (5):241. Zhang Xiaoming,Ding Shuwen,Cai Chongfa.Effects of drying and wetting on nonlinear decay of soil shear strength in slope disintegration erosion area[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012,28(5):241.(in Chinese)

[18]林敬蘭,黃炎和,張德斌,等.水分對崩崗土體抗剪切特性的影響[J].水土保持學報,2013,27(3):55. Lin Jinglan,Huang Yanhe,Zhang Debin,et al.Influence of soil moisture content on shear characteristics of Benggang[J].Journal of Soil and Water Conservation, 2013,27(3):55.(in Chinese)

[19]林金石,莊雅婷,黃炎和,等.不同剪切方式下崩崗紅土層抗剪特征隨水分變化規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2015,31(24):106. Lin Jinshi,Zhuang Yating,Huang Yanhe,et al.Shear strengths of collapsing hill in red soil as affected by soil moisture underdifferentexperimentalmethods[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(24):106.(in Chinese)

[20]鄧羽松,李雙喜,丁樹文,等.鄂東南崩崗不同層次土壤分形特征及抗蝕性研究[J].長江流域資源與環(huán)境, 2016,25(1):63. Deng Yusong,Li Shuangxi,Ding Shuwen,et al.Research on different soil layers of collapsing gully fractal characteristics and erosion characteristics in Tongcheng [J].Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2016,25(1):63.(in Chinese)

[21]鄧羽松,丁樹文,蔡崇法,等.鄂東南崩崗剖面土壤水分特征曲線及模擬[J].土壤學報,2016,53(2):356. Deng Yusong,Ding Shuwen,Cai Chongfa,et al.Characteristic curves and model analysis of soil moisture in collapse mound profiles in southeast Hubei[J].Acta Pedologica Sinica,2016,53(2):356.(in Chinese)

[22]楊慶,賀潔,欒茂田.非飽和紅粘土和膨脹土抗剪強度的比較研究[J].巖土力學,2003,24(1):13. Yang Qing,He Jie,Luan Maotian.Comparative study on shear strength of unsaturated red clay and expansive soils [J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(1):13.(in Chinese)

[23]Tang C S,Shi B,Liu C,et al.Experimental characterization of shrinkage and desiccation cracking in thin clay layer[J].Applied Clay Science,2011,52(1/2):69.

[24]Li J H,Zhang L M.Study of desiccation crack initiation and development at ground surface[J].Engineering Geology,2011,123(4):347.

[25]王中文,洪寶寧,劉鑫,等.紅黏土抗剪強度的水敏性研究[J].四川大學學報(工程科學版),2011,43 (1):17. Wang Zhongwen,Hong Baoning,Liu Xin,et al.Watersensitive properties of shear strength of red clay[J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition),2011,43(1):17.(in Chinese)

[26]Fredlund D G,Rahardjo H.Soil mechanics for unsaturateds soils[M].Hoboken:John Wiley and Sons,Inc., 1993:181.

Relationship between soil shear strength and soil moisture of granite collapsing hill in southeast of Hubei Province

Xia Zhengang1,Deng Yusong1,Zhao Yuan2,Ding Shuwen1

(1.College of Resources and Environment,Huazhong Agricultural University,430070,Wuhan,China;2.Guangxi Subtropical Crops Research Institute,530004,Nanning,China)

[Background]Collapsing hill is a serious soil erosion phenomenon in granite areas of south China,it causes severe damages to ecological condition,agriculture and economy.The decrease of soil stability usually contributes to the collapsing hills.Soil shear strength is an important indicator to investigate the stability of collapsing hills,soil moisture is also the key factor of shear strength and the critical basis for conducting the soil erosion.[Methods]This study used a direct shear test to analyze the relationship and regularity of shear strength variation with soil moisture in different soil layers. According to the variation of soil characteristics such as color and texture,soil profiles can be divided into 4 layers,including the eluvial horizon(A),illuvial horizon(B),transitional horizon(BC),and parent horizon(C).The undisturbed soil samples were collected from two collapsing hills in Tongcheng County, southeast of Hubei Province,where is one of typical granite collapsing hill regions in China.To each horizon,there were 5 soil moistures from dry to saturation by controlling the length of air-drying duration. After pre-treatment,the samples were tested for different normal pressure(50,100,150,and 200 kPa)and various soil moisture.All of the tests were repeated once.Excel 2010 and SPSS 22.0 were used to analyze the relationship and Pearson correlation of shear strength and soil moisture.[Results]With the increase of soil moisture,the shear strength of layer A increased first and then decreased,others showed a trend of descent in soil shear strength,the shear strength reached the maximum in layer B and minimum in layer C.Besides,soil moisture affected the shear strength of layer B most,the shear strength of layer BC was among all the layers.Soil cohesive force presented wide variations,layer A showed a trend of decrease after first increase,the cohesive force of remaining soil layers declined with the increase of soil moisture;the cohesive force of layer B was the largest among four soil layers,while its decay amplitude was large as well;due to the lack of clay content and cementing substance the cohesive force of layer C was very low.The internal friction angle decreased with the increase of soil moisture in all of the soil layers.[Conclusions]Therefore,the shear strength of granite profiles decreases with the increase of moisture generally from top to bottom,the bottom layers of granite are fragile and more likely to be eroded,which can accelerate the formation and aggravation of collapsing hills,protecting the bottom layers is vital to prevent the aggravation of collapsing hills.This study can provide a theoretical basis for mechanism research of slope collapse and erosion hills as well as contrcol works.

collapsing hill;soil moisture;shear strength;cohesive force;internal friction angle

S157.1

A

1672-3007(2016)06-0026-09

10.16843/j.sswc.2016.06.004

2016 05 04

2016 09 10

項目名稱:國家自然科學基金“花崗巖紅壤優(yōu)先流及其與崩崗侵蝕發(fā)育的關(guān)系”(41571258);華中農(nóng)業(yè)大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃“花崗巖崩崗不同層次土壤可蝕性與抗沖性對龕形成的影響”(201510504021)

夏振剛(1994—),男,本科生。主要研究方向:水土保持與環(huán)境生態(tài)。E-mail:kelvinxia@webmail.hzau.edu.cn?通信作者簡介:丁樹文(1964—),男,副教授,碩士生導師。主要研究方向:水土保持與農(nóng)業(yè)生態(tài)。E-mail:dingshuwen@ mail.hzau.edu.cn