冉卓靈，鐘守琴，劉 波，魏朝富*

?

紫色頁巖發(fā)育土壤的顆粒特性及其對抗剪強(qiáng)度的作用機(jī)制①

冉卓靈1,2，鐘守琴1,2，劉 波3，魏朝富1,2*

(1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2 農(nóng)業(yè)部西南耕地保育重點實驗室，重慶 400715；3重慶市國土資源和房屋勘測規(guī)劃院，重慶 400715)

土體發(fā)生破壞最開始往往是從內(nèi)部的土壤顆粒破壞開始，而抗剪強(qiáng)度是反映土體抵抗剪切破壞能力的重要指標(biāo)。本文以紫色頁巖發(fā)育的坡耕地土壤為研究對象，通過測定土樣顆粒組成以及不同含水率和垂向壓力下的抗剪強(qiáng)度，研究頁巖發(fā)育的土壤顆粒特性及其對抗剪強(qiáng)度的作用機(jī)制。結(jié)果表明從坡頂至坡腳，土壤顆粒組成與其母巖顆粒組成具有顯著相關(guān)性；土壤中 <0.25 mm顆粒累計含量在995.65 ~ 998.62 g/kg之間，其中以0.25 ~ 2 mm巖石碎屑存在的土壤顆粒含量為439.80 ~ 510.40 g/kg，以0.25 ~ 2 mm團(tuán)聚體存在的土壤顆粒含量為6.01 ~ 80.50 g/kg，隨著位置高程的降低，土壤中巖石碎屑和團(tuán)聚體的含量并沒有顯著變化。在含水率從7% 增加到25% 的過程中，土壤水分與內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系且對內(nèi)摩擦角的影響隨著高程的降低緩慢減小，而對黏聚力的影響是隨著含水率的增加單一坡位黏聚力呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，但是隨高程降低變化并不明顯。因此，在紫色頁巖發(fā)育的土壤顆粒組成中存在大量<2 mm的巖石碎屑，這些大量致密堅硬的巖石碎屑提高土壤抗剪強(qiáng)度同時減弱了抗剪強(qiáng)度的水敏性。

頁巖；抗剪強(qiáng)度；顆粒組成；<2 mm巖石碎屑

對于某一土體而言，其土體發(fā)生破壞往往是從內(nèi)部土壤顆粒及團(tuán)聚體的破壞開始[1]。土壤抗剪強(qiáng)度是土體抵抗剪切破壞的極限能力，同時也是重要的土力學(xué)指標(biāo)[2]。目前已有大量學(xué)者對土壤顆粒組成和團(tuán)聚體對于抗剪強(qiáng)度作用機(jī)制進(jìn)行了研究。鐘守琴等人[3]通過分析紫色泥巖土壤顆粒組成及團(tuán)聚體狀態(tài)發(fā)現(xiàn)土壤中大量存在的巖石碎屑能顯著影響土壤抗剪強(qiáng)度特性，同時提出了先天性團(tuán)聚體和后天性團(tuán)聚體的概念；蔡奕等人[4]通過團(tuán)聚體大小對填筑土強(qiáng)度影響的試驗研究發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體平均粒徑大小對素土、纖維土和石灰土抗剪強(qiáng)度變化趨勢具有顯著影響；張愛國等人[5]在水蝕區(qū)范圍內(nèi)的土壤試驗發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地均對抗剪強(qiáng)度有顯著影響并且抗剪強(qiáng)度隨著土壤類型的改變發(fā)生有規(guī)律的變化；余宏明等[6]以紅色泥巖風(fēng)化的含礫黏土為研究對象發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度與含水量、密度和黏粒含量具有單一的相關(guān)性。因此，研究土壤顆粒組成及特性對土壤抗剪強(qiáng)度的影響具有重要現(xiàn)實的意義。

紫色土作為重慶分布面積最廣泛的土壤。紫色黏土巖發(fā)育的紫色土具有化學(xué)風(fēng)化微弱、物理風(fēng)化強(qiáng)烈、土壤中巖石碎屑含量高[7]，同時基本保持了母質(zhì)的理化性質(zhì)等特征[8]。紫色頁巖作為黏土巖的一種，因其形成環(huán)境為干燥炎熱高壓下的陸緣淺海，屬于淺海相沉積巖[9]，其碳酸鹽物質(zhì)含量超過300 g/kg，石質(zhì)堅硬，很難形成深厚風(fēng)化殼。由其發(fā)育而來的紫色土成土方式以機(jī)械破碎為主，很好地繼承了母巖的特性；由于農(nóng)業(yè)工程的大力發(fā)展，大量的工程被修建在坡耕地上，因此研究頁巖發(fā)育的紫色土區(qū)域坡耕地抗剪強(qiáng)度的變化具有很重要的價值，同時也對該地區(qū)工程建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

因此，本研究在前人對土壤抗剪強(qiáng)度影響因素的研究下，以紫色頁巖發(fā)育的坡耕地土壤為研究對象，分析土壤中顆粒組成及其團(tuán)聚特性，探討其對抗剪強(qiáng)度的作用機(jī)制，為重慶山地丘陵地區(qū)紫色坡耕地農(nóng)業(yè)工程建設(shè)可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶市位于四川盆地東部，地處我國西南部，平均海拔為400 m，北碚區(qū)處于重慶市西北部，氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，降雨量充沛，具有春早、夏熱、秋短、冬遲特征，地形以丘陵為主，紫色土分布廣泛。紫色土是我國的一種特殊土壤，也是南方重要的土壤類型之一，根據(jù)土壤pH、CaCO3含量和硅鋁率等特性，進(jìn)一步劃分為酸性紫色土、中性紫色土、石灰性紫色土。本研究選取三迭系飛仙觀組頁巖及其發(fā)育的暗紫泥為試驗對象，飛仙觀組巖層分布較廣，集中見于盆地四周和川東平行嶺谷各背斜軸部，多構(gòu)成與巖層走向一致的陡坡壟崗狀地形，石質(zhì)堅硬，因其形成環(huán)境為干燥炎熱高壓下的陸緣淺海，屬于淺海相沉積巖[9]，含碳酸鹽物質(zhì)在300 g/kg以上，易沿構(gòu)造裂隙和成巖裂隙風(fēng)化崩解成碎屑，很難形成深厚風(fēng)化殼；由其發(fā)育而成的土壤為暗紫泥，顏色與母巖顏色一致，質(zhì)地砂壤至輕黏，耕層疏松，呈粒狀或團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)[10]，成土方式以機(jī)械破碎為主，物理風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化度淺[11]。

圖1 采樣點位置示意圖

1.2 土樣采集與測定

供試樣采自北碚雞公山一處坡耕地，從坡頂至坡腳共計5個采樣點(圖1)，坡頂至坡腳分別是P1(29°45′32′′ N，106°26′7′′ E，514 m)、P2(29°45′50′′ N，106°25′38′′ E，504 m)、P3(29°45′45′′ N，106°25′41′′ E，494 m)、P4(29°45′47′′ N，106°25′40′′ E，484 m)、P5(29°45′50′′ N，106°25′40′′ E，473 m)，土地利用類型均為旱地。每樣點采集深度5 ~ 20 cm的土樣10 kg，除去較大巖石碎屑、動植物殘體及其他雜質(zhì)。同時在采樣時用大環(huán)刀采集土樣測定容重。采集回的土樣在通風(fēng)環(huán)境下自然風(fēng)干，研磨，篩掉>2 mm的巖石碎屑，制備成粒徑<2 mm的土樣以備用。并取風(fēng)干后的土樣用人工配置的方法配置10種不同含水率(7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%、23%、25%)的土樣，采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(四聯(lián)剪)測定其抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

測定的基本物理性質(zhì)見表1，其中土壤容重采用烘干法測定，>2 mm的巖石碎屑采用水洗法測定，液限和塑限采用液塑限聯(lián)合測定儀測定。本研究主要探討紫色土中顆粒組成及其特性，除了傳統(tǒng)意義上的顆粒組成和團(tuán)聚體，還需要測定巖石碎屑的含量，由于現(xiàn)有的研究主要集中在>2 mm的巖石碎屑或者礫石上，本研究探討的巖石碎屑是粒徑<2 mm的部分；由于團(tuán)聚體和巖石碎屑抵抗分散作用的程度不一，所以需要采用不同的分散處理[12-13]，具體操作方法參考鐘守琴等人[3]的處理方法。同時對于土壤中小于某一粒徑土壤顆粒中以3種不同狀態(tài)(單粒、巖石碎屑及團(tuán)聚體)存在的顆粒含量的計算方法如下(以<0.25 mm的土壤顆粒為例)：

1=>0.25->0.25(1)

2=>0.25->0.25(2)

3=<0.25-1-2(3)

式中：1表示>0.25 mm巖石碎屑含量；2表示>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；3表示其他<0.25 mm土粒含量(包含<0.25 mm的單粒、巖石碎屑及團(tuán)聚體)[3]；>0.25表示采用測定巖石碎屑方法測定的>0.25 mm粒徑含量；>0.25表示采用測定土壤顆粒組成方法測定的>0.25 mm的粒徑含量；>0.25表示采用測定團(tuán)聚體方法測定的>0.25 mm的粒徑含量；<0.25表示采用測定土壤顆粒組成方法測定的<0.25 mm的粒徑含量。

表1 土壤基本物理特性

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

為了研究重慶坡耕地土壤抗剪強(qiáng)度作用機(jī)制，本試驗采用應(yīng)變直減儀測定土樣在不同含水率及垂直壓力下的指標(biāo)，以及同一含水率下不同坡位土壤的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。人為配置的含水率為10種(7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%、23%、25%)，施加的垂向壓力分別是100、200、300、400 kPa，剪切量設(shè)置為6 mm，試驗方法選擇快速剪切，試驗數(shù)據(jù)通過應(yīng)變控制式直剪儀自帶的智龍土工試驗微機(jī)控制數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集。試驗數(shù)據(jù)利用Matlab 2016和Excel 2016進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒組成

顆粒組成作為評價土壤質(zhì)地的基礎(chǔ)，是一個十分重要的物理指標(biāo)。由圖2可知，暗紫泥發(fā)育母巖(PR)的顆粒組成中，黏粒、粉粒及砂粒含量依次為182.26、543.53、274.20 g/kg；坡頂(P1)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次為216.28、437.85、345.85 g/kg；坡肩(P2)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次為253.54、462.44、284.01 g/kg；坡腰(P3)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次為296.21、504.40、199.38 g/kg；坡腰(P4)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次為327.24、470.78、201.97 g/kg；坡腳(P5)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次為293.83、502.80、203.36 g/kg。從圖中可以看出，母巖顆粒組成中黏粒含量小于各坡位土壤的黏粒含量，且從坡頂(P1)到坡腳(P5)黏粒緩慢增大；粉粒含量各坡位土壤與母巖均相差不大，且均以細(xì)砂粒(0.02 ~ 0.25 mm)為主，粗砂粒(0.25 ~ 2 mm)含量很少，且母巖(PR)的顆粒組成中不存在>0.25 mm的顆粒；砂粒含量存在坡頂(P1)>坡肩(P2)>母巖(PR)>坡腰(P3、P4)/坡腳(P5)的關(guān)系。

圖2 土壤和母巖顆粒組成

2.2 土壤顆粒聚合狀況

土壤中很少有單獨存在的顆粒，均是以各種聚合的形式存在。含巖石碎屑土壤中，除了傳統(tǒng)意義上的團(tuán)聚體還存在大量的巖石碎屑。土壤團(tuán)聚體是良好的土壤結(jié)構(gòu)體，并且作為評價土壤肥沃的標(biāo)志之一。按照團(tuán)聚體測定方法得出圖3中團(tuán)聚體的組成圖。由圖可知，土壤團(tuán)聚體組成中，P1 ~ P5土壤中0.25 ~ 2 mm顆粒含量分別為518.63、487.86、593.35、514.67、467.62 g/kg；0.05 ~ 0.25 mm顆粒含量分別為274.51、312.30、235.03、268.42、299.05 g/kg；0.02 ~ 0.05 mm顆粒含量分別為108.34、117.94、87.03、111.88、121.81 g/kg；0.002 ~ 0.02 mm顆粒含量分別為83.87、65.82、69.05、80.18、87.80 g/kg；<0.002 mm顆粒含量分別為14.64、16.10、15.53、25.85、23.72 g/kg；可以看出各坡位團(tuán)聚體中5種粒徑顆粒含量均相差不大，即坡頂?shù)狡履_沒有明顯規(guī)律變化。

試驗土壤由紫色頁巖的坡殘積母質(zhì)發(fā)育而成，成土方式以機(jī)械破碎為主，因此土壤中巖石碎屑含量很高，按照巖石碎屑測定方法得出圖3中巖石碎屑的組成圖，從圖中可以看出巖石碎屑在0.05 ~ 0.25 mm、0.02 ~ 0.05 mm、0.002 ~ 0.02 mm粒徑含量與土壤團(tuán)聚體相差較大，P1 ~ P5坡位土壤中0.05 ~ 0.25 mm巖石碎屑顆粒含量分別為91.48、84.42、69.35、77.85、79.99 g/kg，明顯小于團(tuán)聚體中同粒徑顆粒含量；0.02 ~ 0.05 mm巖石碎屑顆粒含量分別為162.38、170.87、148.94、172.82、198.91 g/kg，0.002 ~ 0.02 mm巖石碎屑顆粒含量分別為207.26、236.54、220.45、222.12、237.57 g/kg，均明顯大于團(tuán)聚體中同粒徑顆粒含量；而對于0.25 ~ 2 mm和<0.002 mm顆粒含量與團(tuán)聚體中相差不大，雖然單個粒徑含量與團(tuán)聚體中有所差別，但坡頂?shù)狡履_依然沒有明顯規(guī)律變化。

結(jié)合圖2、圖3及公式(1) ~ 公式(3)可以得到圖4小于某粒徑的土壤顆粒結(jié)構(gòu)圖。通過前文分析可知，土壤中<粒徑含量主要以3類形式存在：>巖石碎屑、>團(tuán)聚體及其他<土粒。從圖2可知，坡頂(P1)到坡腳(P5)土壤顆粒組成中<0.25 mm土壤顆粒含量相差不大，依次為995.65、998.10、997.54、998.63、998.12 g/kg，結(jié)合圖4A可以得出其中>0.25 mm巖石碎屑分別為508.27、461.23、510.40、483.27、439.80 g/kg，而>0.25 mm團(tuán)聚體分別為6.01、24.73、80.50、30.02、25.94 g/kg。繼續(xù)對土壤中<0.05 mm、<0.02 mm、<0.002 mm土壤團(tuán)聚體顆粒組成結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：<2 mm巖石碎屑大量存在于紫色頁巖發(fā)育的紫色土中，且隨著粒徑的減小，其中以大于此粒徑存在的巖石碎屑的含量占有比例逐漸增加。因此可以得出在紫色頁巖發(fā)育的土壤中除了水穩(wěn)性團(tuán)聚體，還大量存在<2 mm的巖石碎屑，這些巖石碎屑主要是由母巖機(jī)械破碎形成，繼承了母巖的特性，而傳統(tǒng)意義上的團(tuán)聚體是在有機(jī)質(zhì)參與下形成的，參考鐘守琴等人[3]的研究結(jié)果可以將其延伸為先天性團(tuán)聚體和后天性團(tuán)聚體，其中<2 mm的巖石碎屑屬于先天性團(tuán)聚體，而水穩(wěn)性團(tuán)聚體屬于后天性團(tuán)聚體。

圖3 土壤團(tuán)聚體和巖石碎屑組成

( R、A、O分別表示巖石碎屑、團(tuán)聚體、其他土粒)

2.3 抗剪強(qiáng)度特征

2.3.1 垂直壓力對抗剪強(qiáng)度的影響 通過直剪試驗繪制了圖5所示的5個坡面抗剪強(qiáng)度在不同含水率下隨著垂直壓力的變化圖。從圖中可以看出，整體而言，土壤抗剪強(qiáng)度在垂直壓力100 ~ 400 kPa之間，隨著垂直壓力的增大，抗剪強(qiáng)度也逐漸增大；當(dāng)含水率從7% 增加到25% 時，抗剪強(qiáng)度均是在垂直壓力為100 kPa的時候出現(xiàn)最小值，且存在P1(69.39 kPa)P2(320 kPa)>P4 (301.825 kPa)>P3(290 kPa)>P5(285.88 kPa)；另外，當(dāng)垂直壓力從100 kPa增加到400 kPa的過程中，各坡位土壤抗剪強(qiáng)度變化范圍存在：P1(268.4 kPa)>P2 (244.8 kPa)>P4(227.245 kPa)>P3(212.945 kPa)>P5 (208.745 kPa)。即當(dāng)垂直壓力增加時，抗剪強(qiáng)度也會隨之增大，且供試坡位的土壤最大值和垂直壓力對抗剪強(qiáng)度的影響大小均存在坡頂(P1)>坡肩(P2)>坡腰(P3、P4)>坡腳(P5)的關(guān)系。

(τ，σ，w分別表示土壤抗剪強(qiáng)度、垂直壓力及土壤含水率)

2.3.2 含水率對抗剪強(qiáng)度的影響 黏聚力和內(nèi)摩擦角作為兩個常用來表示抗剪強(qiáng)度的參數(shù)，圖6表示不同坡位土壤黏聚力隨著含水率的變化曲線，從整體上看黏聚力隨著含水率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)含水率為7% 的條件下，P1 ~ P5的黏聚力依次是10.95、38.08、18.48、22.79、30.71 kPa，隨著含水率的增加，P1、P2、P3、P5均出現(xiàn)了2個峰值，而P4只出現(xiàn)了一個峰值。從坡頂?shù)狡履_(P1 ~ P5)，黏聚力出現(xiàn)的最大值依次是62.30、57.49、54.73、52.93、49.94 kPa，且對應(yīng)的含水率依次是13%、15%、13%、17%、15%；而最小值依次是10.95、30.12、18.48、22.79、30.71 kPa，對應(yīng)的含水率依次是7%、25%、7%、7%、7%?？梢钥闯鰧τ谕黄挛煌寥溃漯ぞ哿﹄S著含水率(7% ~ 25%)的增大出現(xiàn)先增加后減少的趨勢。對于不同坡位土壤，最大值均出現(xiàn)在13% ~ 17% 之間且呈現(xiàn)P1>P2>P3>P4>P5，即從坡頂?shù)狡履_黏聚力最大值逐漸降低；而黏聚力的最小值卻出現(xiàn)在含水率的兩端且呈現(xiàn)P1

圖6 土壤黏聚力隨含水率變化曲線

圖7表示不同坡位的土壤含水率與內(nèi)摩擦角之間的變化曲線，整體上各個坡位土壤內(nèi)摩擦角均隨著土壤含水率的增加而減少，當(dāng)含水率從7% 增加到25% 時，P1 ~ P5的內(nèi)摩擦角分別從39.44°、36.48°、37.11°、35.80°、33.92° 降低到25.20°、25.91°、24.53°、23.89°、22.35°。對圖7進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表2，從P1到P5土壤含水率與內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢，擬合曲線的斜率依次是-0.765 9、-0.614 1、-0.623、-0.649 4、-0.579，相關(guān)系數(shù)為0.980 6、0.946 9、0.928 2、0.918 8、0.936 1。由此可以看出，對于同一位置的土壤，當(dāng)含水率從7% 增加到25% 時，內(nèi)摩擦角反而降低；對于不同位置的土壤在同一含水率下，內(nèi)摩擦角存在坡頂(P1)>坡肩(P2)/坡腰(P3、P4)>坡腳(P5)的關(guān)系，且擬合曲線斜率的絕對值也存在坡頂(P1)>坡肩(P2)/坡腰(P3、P4)>坡腳(P5)的關(guān)系，即含水率對不同坡位土壤影響的大小也存在坡頂(P1)>坡肩(P2)/坡腰(P3、P4)>坡腳(P5)的關(guān)系。

圖7 土壤內(nèi)摩擦角隨含水率變化

表2 不同坡位土壤內(nèi)摩擦角與含水率變化關(guān)系擬合公式

3 討論

3.1 <2 mm巖石碎屑是紫色頁巖發(fā)育的土壤顆粒聚合體之一

紫色土是一種幼年土，風(fēng)化度不深，母質(zhì)特性明顯[10]。由于其風(fēng)化程度不高，土壤中常含有礫石或巖石碎屑，過去的研究主要集中在土壤中＞2 mm的礫石或巖石碎屑[14-16]，而對土壤中<2 mm 的巖石碎屑研究較少。鐘守琴等人[3]對泥巖發(fā)育的紫色土中<2 mm 的巖石碎屑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其大量存在并提出了先天性團(tuán)聚體和后天性團(tuán)聚體的概念。本研究結(jié)果表明，坡頂(P1)到坡腳(P5)土壤顆粒組成中，<0.25 mm 單粒累積含量在 995.65 ~ 98.63 g/kg 之間；其中，以0.25 ~ 2 mm 巖石碎屑存在的顆粒含量分別為508.27、461.23、510.40、483.27、439.80 g/kg；以0.25 ~ 2 mm 團(tuán)聚體存在的顆粒含量分別為6.01、24.73、80.50、30.02、25.94 g/kg；以<0.25 mm 單粒態(tài)存在的顆粒含量分別為 481.36、512.14、406.64、485.33、532.98 g/kg。且隨著粒徑的減小，其中以大于此粒徑存在的巖石碎屑含量占有比例就越大。因此，<2 mm 的巖石碎屑是紫色頁巖發(fā)育的土壤顆粒聚合體之一，與鐘守琴等人[3]研究結(jié)果一致。

因此，在頁巖發(fā)育的紫色土中，除了單粒與團(tuán)聚體外，還存在大量<2 mm的巖石碎屑，即<2 mm巖石碎屑是紫色頁巖發(fā)育的土壤顆粒聚合體之一。這些巖石碎屑繼承了母巖的理化性質(zhì)，屬于先天性團(tuán)聚體[3]。

3.2 大量致密堅硬的巖石碎屑提高了頁巖發(fā)育土壤的抗剪強(qiáng)度

現(xiàn)有的研究表明，紫色土抗剪強(qiáng)度具有水敏性[17]，對于非飽和土，黏聚力和內(nèi)摩擦角受含水狀態(tài)變化的影響很大[18-19]，土壤中水分含量的增加，會在土體表面形成一層潤滑劑，從而導(dǎo)致土體間的內(nèi)摩擦角減小[20]。從研究結(jié)果可以看出供試點頁巖發(fā)育的土壤含水率與內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系且從坡頂?shù)狡履_擬合曲線的斜率的絕對值緩慢減小，即說明含水率對供試坡地土壤內(nèi)摩擦角的影響隨著高程的降低緩慢減小，其中內(nèi)摩擦角與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與林鴻州等[21]、倪九派等[22]、鐘茫[23]的研究結(jié)果一致；當(dāng)含水率較低時，吸力較小，隨著水分的增加，水膜的黏聚力逐漸增強(qiáng)，當(dāng)含水率增加到一定程度時，水膜逐漸增厚，對土壤顆粒的吸力也逐漸減少，從而造成隨著含水率增加，黏聚力出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，這與鐘茫[23]、江浩浩等[24]的研究結(jié)果一致?？梢缘贸鲰搸r發(fā)育的紫色土水敏性與前人研究結(jié)果一致，但本研究主要想探討頁巖發(fā)育的紫色土中<2 mm巖石碎屑對其抗剪強(qiáng)度的作用機(jī)制，通過對5個坡位土壤巖石碎屑組成的分析發(fā)現(xiàn)，P1 ~ P5巖石碎屑含量相差不大，即隨著位置高程的降低，土壤中<2 mm的巖石碎屑含量并沒有出現(xiàn)規(guī)律性的升高或降低，同時對比鐘守琴等[3]對紫色泥巖發(fā)育土壤的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在同一含水率下，對紫色泥巖和紫色頁巖發(fā)育的土壤施加相同的垂向壓力，紫色頁巖發(fā)育土壤的抗剪強(qiáng)度高于紫色泥巖發(fā)育的抗剪強(qiáng)度；同時對比兩種土壤的內(nèi)摩擦角和黏聚力的水敏性變化可以發(fā)現(xiàn)紫色頁巖發(fā)育土壤的抗剪強(qiáng)度水敏性低于紫色泥巖發(fā)育土壤的抗剪強(qiáng)度水敏性。造成這種差異的原因是：本研究采用的試驗土樣為頁巖發(fā)育的紫色土，與鐘守琴等[3]采用的泥巖發(fā)育的紫色土有所差別，本研究采用的三迭系飛仙觀頁巖屬于淺海相沉積巖，其形成環(huán)境為干燥炎熱高壓下的陸緣淺海，高壓的成土環(huán)境導(dǎo)致其石質(zhì)堅硬，以成土率略高于化泥的速度進(jìn)行風(fēng)化[8]，土壤由頁巖的坡殘積母質(zhì)發(fā)育而成，成土方式以機(jī)械破碎為主，物理風(fēng)化強(qiáng)烈，化學(xué)風(fēng)化度淺，水土流失嚴(yán)重，土層淺薄，坡面土壤中碎屑含量很高，而其巖石碎屑很好地繼承了母巖的物化性質(zhì)，具有致密堅硬的特點。而鐘守琴等[3]研究采用的是紫色泥巖及其發(fā)育的土壤，泥巖屬于湖泊相沉積巖，巖石厚度比較穩(wěn)定，形成環(huán)境為較干旱條件和河漫湖泊的洪水泛濫至正常河流，且其土壤具有最高的成土率與化泥率比值，成土過程主要為剝蝕風(fēng)化，物理風(fēng)化程度快，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致坡的上部主要是薄層石骨子土，隨著高程的降低，土層也逐漸加深，坡腰進(jìn)入黏化初級階段，而坡腳則以質(zhì)地偏黏的紫泥土為主[9,11]。

綜上所述，頁巖屬于淺海相沉積巖，形成環(huán)境為干燥炎熱高壓下的陸緣淺海，高壓的成巖環(huán)境導(dǎo)致其巖石碎屑具有致密堅硬的特點，同時其特殊的成土過程使坡頂?shù)狡履_的土體中碎屑含量很高，大量致密堅硬的巖石碎屑增強(qiáng)了頁巖發(fā)育土壤的抗剪強(qiáng)度同時減弱了其抗剪強(qiáng)度的水敏性。

4 結(jié)論

1) 頁巖發(fā)育的紫色土中存在大量<2 mm的巖石碎屑，是紫色頁巖發(fā)育的土壤顆粒聚合體之一，其主要繼承了母巖的理化性質(zhì)，屬于先天性團(tuán)聚體。

2) 頁巖發(fā)育的紫色土中大量致密堅硬的巖石碎屑提高土壤抗剪強(qiáng)度，同時減弱了抗剪強(qiáng)度的水敏性。

[1] 郭利娜. 基于GDS的非飽和粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度試驗研究[D].武漢: 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢), 2013

[2] Cruse R M, Larson W E. Effect of soil shear-strength on soil detachment due to raindrop impact[J]. J. Soil Sci. Soc. Am., 1977, 41(4): 777–781

[3] 鐘守琴, 劉波, 魏朝富, 等. 紫色泥巖土壤<2 mm巖屑及其對抗剪強(qiáng)度的作用機(jī)制[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(23): 4846–4858

[4] 蔡奕, 施斌, 劉志彬, 等. 團(tuán)聚體大小對填筑土強(qiáng)度影響的試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2005, 27(12): 1482– 1486

[5] 張愛國, 李銳, 楊勤科. 中國水蝕土壤抗剪強(qiáng)度研究[J]. 水土保持通報, 2001, 21(3): 5–9

[6] 余宏明, 胡艷欣, 唐輝明. 紅色泥巖風(fēng)化含礫粘土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與物理性質(zhì)相關(guān)性研究[J]. 地質(zhì)科技情報, 2002, 21(4): 93–95

[7] Zhang W, Wei C, Li Y, et al. Effects of rock fragments on infiltration and evaporation in hilly purple soils of Sichuan Basin, China[J]. Environmental Earth Sciences, 2011, 62(8): 1655–1665

[8] 劉波. 重慶紫色土區(qū)坡耕地土壤抗剪強(qiáng)度特征[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2015

[9] 中國科學(xué)院成都分院土壤研究室. 中國紫色土上篇[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1991

[10] 謝德體. 土壤地理學(xué)[M]. 成都: 成都科技大學(xué)出版社, 1995

[11] 李燕. 紫色土礫石的分布及其對土壤水分性質(zhì)的影響[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2006

[12] Amezketa E. Soil aggregate stability: A review[J]. Journal of Sustainable Agriculture, 1999, 14(2): 83–151

[13] 趙澄林. 沉積巖石學(xué)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2001

[14] Rooij G H D. Methods of soil analysis: Part 4. physical methods[J]. Vadose Zone Journal, 2004, 3(2): 722–723

[15] 洪波, 呂艷兵. 含礫石粘土抗剪強(qiáng)度分析[C]. 中國水利學(xué)會勘測專業(yè)委員會年會暨學(xué)術(shù)交流會, 2011

[16] Kokusho T, Hara T, Hiraoka R. Undrained shear strength of granular soils with different particle gradations[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2004, 130(6): 621–629

[17] 王中文, 洪寶寧, 劉鑫, 等. 紅粘土抗剪強(qiáng)度的水敏性研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2011, 43(1): 17–22

[18] 張茂花, 謝永利, 劉保健. 增濕時黃土的抗剪強(qiáng)度特性分析[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(7): 1195–1200

[19] 王軍光, 李朝霞, 蔡崇法, 等. 集中水流內(nèi)紅壤分離速率與團(tuán)聚體特征及剪強(qiáng)度定量[J]. 土壤學(xué)報, 2011, 48(6): 1133–1140

[20] 周紅藝, 李輝霞. 華南地區(qū)崩崗侵蝕區(qū)土壤水分含量對土體抗剪強(qiáng)度的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 42(12): 347–350

[21] 林鴻州, 于玉貞, 李廣信, 等. 降雨特性對土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2009, 28(1): 198–204

[22] 倪九派, 高明, 魏朝富, 等. 干濕循環(huán)條件下重慶地區(qū)三種土壤抗剪強(qiáng)度的動態(tài)變化[J]. 土壤學(xué)報, 2013, 50(6): 1090–1101

[23] 鐘茫. 非飽和紫色土抗剪強(qiáng)度影響因素研究[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2014

[24] 江浩浩, 董希斌, 王海飆. 邊坡土壤含水率對不同植被土壤抗剪強(qiáng)度的影響[J]. 森林工程, 2009, 25(3): 77–80

Particle Characteristics of Purple Shale Soil and Their Mechanism of Shear Strength

RAN Zhuoling1,2, ZHONG Shouqin1,2, LIU Bo3, WEI Chaofu1,2*

(1 College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2 Key Laboratory of Arable Land Conservation (Southwest China), Ministry of Agriculture, Chongqing 400715, China; 3 Land Resources and Housing Survey Planning Institute, Chongqing 400715, China)

The beginning of soil destruction is often from the internal destruction of soil particles, and shear strength is an important indicator to reflect soil’s resistance to shear failure. The paper takes shale-derived purple soils in sloping land as the research object and study particle characteristics of purple soil and their mechanism of shear strength by measuring soil particle compositions and shear strengths under different moisture contents and vertical pressures.The result showed that soil particle compositions from summit to footslope were significantly correlated with those of parent rocks. Soil particles <0.25 mm were about 995.65 – 998.62 g/kg, in which particles presented as 0.25 – 2 mm rock fragments were about 439.80 – 510.40 g/kg, however particles presented as 0.25 – 2 mm aggregates were about 6.01 – 80.50 g/kg. With the decrease of elevation, the contents of rock fragments and aggregates in soils did not change obviously. Within soil water content from 7% to 25%, soil water content was negatively correlated with internal friction angle and the influence of soil water content on internal friction angle decreased slowly with the decreased elevation, however cohesion was increased first and then decreased with soil water content increased on single slope, but cohesion did not change obviously with the decreased elevation. Therefore, there are a large amount of <2 mm rock fragments in soil particles in purple soil, and these rock fragments improve soil shear strength while weaken its water sensitivity.

Shale; Shear strength; Soil particle composition; <2 mm rock fragment

國家科技支撐計劃項目(2012BAD05B00)資助。

通訊作者(weicf@swu.edu.cn)

冉卓靈(1993—)，女，重慶云陽人，碩士研究生，主要研究方向為土壤物理。E-mail: xrsse@163.com

S152

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.01.018