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        喀斯特不同巖性發(fā)育區(qū)自然土壤力學(xué)特征研究

        2017-07-05 18:25張旭賢
        綠色科技 2017年10期

        張旭賢

        摘要:對(duì)喀斯特不同巖性發(fā)育區(qū)自然土壤的緊實(shí)度、內(nèi)摩擦角和黏聚力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤緊實(shí)度較高,土壤抗蝕性較強(qiáng),其中自然土壤緊實(shí)度以泥灰?guī)r最低,較容易受到侵蝕;純碳酸鹽巖區(qū)發(fā)育形成的自然土壤的抗蝕性要高于泥質(zhì)碳酸鹽巖區(qū),純碳酸鹽巖區(qū)發(fā)育的土壤坡面不容易發(fā)生崩塌。

        關(guān)鍵詞:喀斯特地區(qū);土力學(xué)特性;土壤緊實(shí)度;內(nèi)摩擦角;黏聚力

        中圖分類號(hào):S152

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):16749944(2017)10012803

        1 引言

        我國(guó)是世界上喀斯特地貌面積最大的國(guó)家之一[1],喀斯特地貌地區(qū)極易發(fā)生土壤侵蝕,我國(guó)西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕導(dǎo)致的石漠化問題正逐漸演變?yōu)槲覈?guó)第三大生態(tài)問題[2]。目前,國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)喀斯特地區(qū)土壤退化[3]、土壤質(zhì)量演變[4,5]等方面進(jìn)行了研究,但我國(guó)喀斯特環(huán)境土壤侵蝕的有關(guān)研究工作仍極為薄弱。

        土壤侵蝕是外部侵蝕營(yíng)力與土壤本身的抗蝕能力共同作用的過程與結(jié)果。土壤本身力學(xué)特性是土壤侵蝕的內(nèi)因,研究土壤的力學(xué)特性,有助于認(rèn)知土壤侵蝕的機(jī)理。結(jié)合緊實(shí)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力綜合反映不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤的侵蝕力學(xué)特征,為水土保持工作提供參考依據(jù)。

        2 研究區(qū)概況及研究方法

        2.1 研究區(qū)地理位置及地質(zhì)地貌狀況

        研究區(qū)位于貴州省中部偏北的貴陽市,地理位置處于東經(jīng)106°27′~107°03′,北緯26°11′~26°55′之間,海拔872~1659 m。在地質(zhì)構(gòu)造上,屬于黔中地臺(tái)的一部分,地處苗嶺中段,在貴州高原的第二臺(tái)階上,屬全國(guó)東部向西部高原過渡地帶。區(qū)內(nèi)地表的巖層以碳酸鹽類巖石分布面積最廣,約占全市面積的71%,因而喀斯特地貌極為發(fā)育。該研究采集地點(diǎn)選擇了貴陽市內(nèi)喀斯特地貌較為典型的息烽縣、修文縣、清鎮(zhèn)市以及花溪區(qū)與烏當(dāng)區(qū)。

        2.2 采樣方法

        該研究采取沿道路線路穿越的方式進(jìn)行采樣,在采樣區(qū)分巖性選取道路兩側(cè)較為完好的林地或灌草地作為樣地,進(jìn)行常規(guī)剖面調(diào)查并采集不同土層的袋裝土與原狀土。共選取了41個(gè)樣地,其中,純白云巖樣地9個(gè),純灰?guī)r樣地19個(gè),泥灰?guī)r樣地6個(gè),泥質(zhì)白云巖樣地7個(gè)。

        2.3 土壤緊實(shí)度的測(cè)定

        緊實(shí)度采用垂直測(cè)量和水平測(cè)量?jī)煞N方法,垂直測(cè)量采用美國(guó)DICKEY-john 6100型土壤緊實(shí)度儀,筆者將其簡(jiǎn)稱為“垂直”土壤緊實(shí)度儀。水平測(cè)量采用浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)土化系研制的土壤緊實(shí)度儀,對(duì)其簡(jiǎn)稱為“水平”土壤緊實(shí)度儀。測(cè)量時(shí)先挖好剖面,確定各土層厚度,然后在剖面周圍選5個(gè)點(diǎn),均勻使勁,將“垂直”土壤緊實(shí)度儀壓入不同的土層,測(cè)定垂直土壤緊實(shí)度。測(cè)量水平土壤緊實(shí)度時(shí),先將剖面削整齊,在各土層的中部附近垂直于挖好的剖面均勻用力,將“水平”土壤緊實(shí)度儀勻速壓入土層中,并記錄讀數(shù)。兩種土壤緊實(shí)度的測(cè)量都需在各土層實(shí)測(cè)5次,若遇到異常值還需要補(bǔ)測(cè),最后求其平均值,作為該土層的緊實(shí)度值。

        2.4 土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定

        在每個(gè)土層用20 mm×61.8 mm不銹鋼環(huán)刀每層取4份原狀土,帶回實(shí)驗(yàn)室后按照土工試驗(yàn)方法(GB/T50123-1999)標(biāo)準(zhǔn),采用ZJ—Ⅱ型等應(yīng)變直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)(15圈/min)[6],通過作抗剪強(qiáng)度與垂直壓力(100、200、300、400 kPa)的關(guān)系圖,求得黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

        抗剪強(qiáng)度采用庫(kù)倫公式為:

        τf=σtgφ+c(1)

        式(1)中:τf為土的抗剪強(qiáng)度(kPa);σ為作用在剪切面上的法向應(yīng)力(kPa);φ土壤內(nèi)摩擦角(°);c為土壤黏聚力(kPa)。

        3 結(jié)果分析

        3.1 碳酸鹽巖發(fā)育形成自然土壤的力學(xué)總體特征

        對(duì)碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤力學(xué)特征統(tǒng)計(jì)(表1)得出:①碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤垂直緊實(shí)度集中于900~1200 kPa之間,均值為1026.6 kPa,水平緊實(shí)度集中于3~8 kg/cm3之間,均值約為5.41 kg/cm3;②碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤的黏聚力集中于30~50 Kpa之間,均值為41.72 kPa;③碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤內(nèi)摩擦角大多處于10~25°之間,均值為18.08°。

        3.2 不同碳酸鹽巖發(fā)育總成自然土壤緊實(shí)度

        土壤緊實(shí)度主要受土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)、含水量、孔隙度及石礫含量的影響,集中反映了土壤內(nèi)部的力學(xué)狀況,可作為土壤侵蝕特征的力學(xué)指標(biāo)。將野外調(diào)查的緊實(shí)度數(shù)據(jù)按不同的巖性與土層進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)與方差分析得到表2,對(duì)不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的土壤的緊實(shí)度進(jìn)行進(jìn)行LSD檢驗(yàn),得到表3。

        從表2與3可知,巖性對(duì)土壤的緊實(shí)度影響顯著。這是由于不同碳酸鹽巖的礦物成分,所含雜質(zhì)等有所不同,致使其風(fēng)化成土后土壤的機(jī)械組成(尤其是黏粒含量)、有機(jī)質(zhì)等存在差異,土壤顆粒間的緊密狀況及顆粒間的粘結(jié)力有所差異,使得土壤緊實(shí)度各不相同。

        3.3 不同碳酸鹽巖發(fā)育形成自然土壤的抗剪特征

        土壤抗剪強(qiáng)度由滑動(dòng)面上土的黏聚力(阻擋剪切)和土的內(nèi)摩阻力兩部分組成,用土壤的黏聚力c(kPa)與內(nèi)摩擦角φ(°)來表示。土壤的抗剪特性與土壤侵蝕密切相關(guān),是土壤侵蝕的重要力學(xué)特征指標(biāo)。

        對(duì)喀斯特地區(qū)不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤進(jìn)行直剪試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)與方差分析得到表4,在此基礎(chǔ)上對(duì)各抗剪指標(biāo)分巖性與土層進(jìn)行LSD檢驗(yàn)得到表5。

        4 結(jié)論與討論

        碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤緊實(shí)度較高,土壤抗蝕性較強(qiáng)。4種碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤緊實(shí)度以泥灰?guī)r最低,當(dāng)產(chǎn)生蓄滿產(chǎn)流后,泥灰?guī)r發(fā)育的土壤較容易受到侵蝕,應(yīng)加強(qiáng)泥灰?guī)r區(qū)的水土保持工作。

        碳酸鹽巖發(fā)育的自然土壤的黏聚力較強(qiáng),4種碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤的黏聚力以純白云巖與純灰?guī)r區(qū)的較高,而泥質(zhì)白云巖與泥灰?guī)r區(qū)的較低,從黏聚力來看,純碳酸鹽巖區(qū)發(fā)育形成的自然土壤的抗蝕性要高于泥質(zhì)碳酸鹽巖區(qū),相比之下,純碳酸鹽巖區(qū)發(fā)育的土壤坡面不容易發(fā)生崩塌。

        不同碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤其A層的內(nèi)摩擦角集中在10~25°之間,略高于B層。4種碳酸鹽巖發(fā)育形成的自然土壤的內(nèi)摩擦角總體表現(xiàn)為石灰?guī)r組高于白云巖組。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]吳秀芹,蔡運(yùn)龍.喀斯特山區(qū)土壤侵蝕與土地利用關(guān)系研究:以貴州省關(guān)嶺縣石板橋流域?yàn)槔齕J].水土保持研究,2005,12(4):46~48.

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        [4]龍 健,李 娟,黃昌勇.我國(guó)西南地區(qū)的喀斯特環(huán)境與土壤退化及其恢復(fù)[J].水土保持學(xué)報(bào),2002,(1):36~39.

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