重慶紫色土抗侵蝕能力的粒組效應研究*

薛 樂 汪時機? 李 賢，2 胡東旭 沈泰宇 江勝華

（1 西南大學工程技術學院，重慶 400715）

（2 College of Physical Sciences & Engineering，Cardiff University，CF24 3AA，UK）

（3金堂縣城鄉建設局，成都 610400）

紫色土主要分布在四川盆地，是重慶市分布最廣的土，是一種土質較好、性質較優，但又易蝕、易退化的土壤[1］。重慶全年降雨充沛，轄區內18個區縣處于三峽庫區，占三峽庫區總面積的80%[2］，是水土流失最嚴重的地區之一，且紫色土相對于其他土體最容易發生水土流失[3］。

降雨對土體的侵蝕是導致水土流失的主要原因之一[4］。侵蝕初期，雨滴破壞表層土的結構，使土顆粒剝離并向四周移動，堵塞住雨水下滲的通道，此時地表層的抗侵蝕能力會得到短暫的提高[5］。當降雨強度大于入滲速度時，土體發生徑流，土體中細顆粒被徑流搬運。隨著侵蝕繼續發展，松散的土粒層中較粗的顆粒在雨滴的作用下以躍移或滾動的方式被搬運[6］。陳曉燕等[7］對降雨前后紫色土陡坡地的土壤顆粒分布研究發現，上坡位置黏粒和粉粒含量減少，砂粒的含量增加；中坡黏粒和粉粒的含量增加，砂粒含量減少；下坡黏粒和砂粒的含量增加，粉粒含量減少。而且各組分的含量隨著降雨強度的變化表現出不同程度的增加或減少。

降雨強度的大小導致不同粒徑的土顆粒缺失，改變了土體的顆粒級配，從而影響了土體的抗剪強度。葛莎等[8］指出，雨水對滑坡體的沖刷，帶走了土體中的細小顆粒，使土體結構疏松，降低了土體的抗剪強度，導致滑坡體不穩定。李振林[9］對汶川震區形成的滑坡堆積體進行研究指出，堆積體上坡多為細小顆粒，下坡多為大粒徑碎石，極易發生新生水土流失，繼而導致滑坡災害的再次發生。王云琦等[10］對重慶縉云山土壤研究發現，往細顆粒較多的土壤中添加粗顆粒，可提高土體的抗剪強度并增加土體的抗侵蝕能力。鐘小燕[11］通過直剪試驗測得，隨著土壤細顆粒的增多，崩崗紅土層土壤抗剪強度不斷變大，崩崗砂土層則相反。可以看出，土壤的抗剪強度與顆粒級配有著密切的關系。

國內外學者做了大量研究表明土壤的抗剪強度越大，其抗侵蝕能力越強。Cruse和Larson[12］認為土顆粒間的剪力，決定著土壤受到雨滴濺擊表面時土粒是否被分散。陳安強等[13］指出土壤的抗沖指數（ANS）和抗剪強度有較好的線性關系，且ANS隨著抗剪強度指標c值和φ值的增大呈對數函數增加，但當c＞10 kPa后，c值的變化對ANS增長速度影響效應減小。諶蕓等[14］通過對種植四種植物籬的紫色土進行土壤抗剪強度和抗沖指數試驗，數據表明土壤抗剪強度大的區域其抗沖指數也大。

就現有文獻資料來看，國內外學者的研究主要圍繞土壤水蝕機理、抗剪強度、抗剪強度與抗侵蝕能力相關性等方面進行研究。但是，關于侵蝕造成的不同粒徑級土壤單粒缺失對抗剪強度及抗侵蝕能力的影響方面還未見報道。

基于此，本文以重慶地區紫色土為研究對象，通過篩除某一粒徑級土壤單粒來模擬水土流失造成的粒組缺失，進行抗剪強度試驗，探討不同粒組土壤單粒缺失對抗侵蝕能力的影響規律，為從不同角度研究重慶地區土壤侵蝕提供參考，以期為該區淺層滑坡和水土流失發生機理的研究提供試驗數據和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗用土

試驗用土選自重慶市北碚區某邊坡，土壤粒徑范圍在2 mm以下，各粒徑質量百分比見表1，天然物理性質見表2，顆粒級配曲線（篩分析法和移液管法測定）見圖1。根據國際制土壤質地分級標準劃分，試驗用土屬壤質砂土。

表1 天然重慶紫色土各粒徑顆粒質量百分比Table 1 Particle-size composition of the natural purple soil in Chongqing (in percentage）

表2 天然重慶紫色土物理性質Table 2 Physical properties of the natural purple soil in Chongqing

1.2 試樣制備

將試驗用土攤開自然風干，放在橡皮板上用木棒碾壓，使土壤結構充分分散[15］，放入110 ℃烘箱中，烘干10 h后套袋密封置于室溫中冷卻，然后采用標準土壤篩（篩口徑分別為：2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.075 mm）進行篩分，分別抽取其中一層作為缺失粒組，其余層均勻混合，模擬水土流失導致粒組缺失的土體。將篩分好的土體均勻噴灑相應質量的水至含水率為18 %，浸潤12 h后制備試樣。

圖1 粒組未流失的天然紫色土粒徑級配曲線Fig. 1 Particle size distribution curve of the original purple soil

試驗共制備6組試樣，每組3個，共18個，試樣編號見表3。試樣為直徑d=61.8 mm，高度h=125 mm的圓柱樣，各組供試土壤顆粒粒徑參數見表4。

制樣過程采用課題組設計加工的千斤頂壓實裝置，先將第一層的土倒入模型中，用千斤頂壓實，表面刮毛后倒入第二層，以此類推，試樣分五層壓實，每層高25 mm，壓實完成后去除底座，再用千斤頂將土體從模具中慢慢壓出。較三瓣模飽和器擊實法制樣更標準、試驗誤差更小、更易操作。每個試樣質量708.9 g、干密度1.60 g·cm-3。

表3 試樣編號Table 3 Code of soil samples

表4 各組供試土壤顆粒粒徑參數Table 4 Soil particle size parameters of each treatment

1.3 試驗方法

試驗采用FLSY30-1型應力應變控制式非飽和 土三軸儀。進行三軸固結排水剪切試驗，凈圍壓控制為100 、200、300 kPa，吸力控制50 kPa。

先將試樣在三軸儀內安裝穩定，進行固結。待試樣固結完成后，直接進行剪切試驗。試樣固結標準為體積變化每2 h不超過0.063 cm3，排水量每2 h不超過0.012 cm3[16］。剪切速率控制為0.08 mm·min-1。

1.4 分析方法

為定量研究土壤粒徑級配參數與土壤抗侵蝕能力之間的關聯程度，本文引入灰色關聯法。灰色關聯分析即充分利用數量不多的數據和信息來比較分析曲線間幾何的形狀，幾何形狀越接近，其發展變化趨勢越接近，關聯程度越大；反之則越小[17-18］。

2 結果與討論

2.1 抗剪強度指標計算

試驗發現試樣應力-應變曲線屬應力強化型，取規定的軸向應變值15%所對應的偏差應力作為最大偏應力（最大、最小主應力的差值）。18個試樣的三軸固結排水剪切試驗結果見表5。土壤的抗剪強度指標包括內摩擦角φ和黏聚力c。內摩擦角φ代表的是土壤的內摩擦力，包括土壤顆粒之間的表面摩擦力和由于土粒之間的嵌入作用而產生的咬合力。黏聚力c取決土壤顆粒間的各種物理化學作用，包括庫侖力（靜電力）、范德華力和膠結作用。

表5 最大偏應力值Table 5 Maximum deviator stress/kPa

根據莫爾-庫倫破壞準則，每組試樣的圍壓與大主應力具有較好的線性關系，如圖2a。本試驗結果適用楊同等[19］和崔潔等[20］根據包絡線定理，通過求解三軸試驗應力圓包絡線,得到內摩擦角φ和黏聚力c的計算公式，即滿足如下方程：

式中，σ1為試樣軸向最大主應力，σ3為圍壓，σc為擬合直線在σ1軸上的截距，K表示直線的斜率，圖2b是以Ⅰ號試樣為例擬合的σ1-σ3關系圖。

圖2 試樣σ1-σ3關系Fig. 2 Relationship between σ1-σ3

同理計算出其他五組試樣的c值和φ值，見表6。

可以發現，試樣中缺失粗砂（0.5 mm＜d≤2 mm）及中砂（0.25 mm＜d≤0.5mm）粒組的試樣，隨著缺失顆粒尺寸的減小，c值減小，φ值增大；缺失細砂（0.075 mm＜d≤0.25 mm）及細粒（d≤0.075 mm）粒組的試樣，隨著缺失顆粒尺寸的減小，c值減小，φ值增大。

表6 c、φ值計算Table 6 Calculation of c and φ

2.2 圍壓對土壤抗侵蝕能力的影響

圖3a、b、c分別表示圍壓為100、200、300 kPa時的偏應力-軸向應變曲線。當σ3=100 kPa時，試樣剪切破壞的偏應力集中在203.6～251.6 kPa之間；當σ3=200 kPa時，試樣剪切破壞的偏應力集中在294.8～412.7 kPa之間，Ⅰ～Ⅵ號試樣的偏應力分別提高了60.7%、61.5%、64.4%、63.8%、44.5%、49.5%，得到明顯提高。當σ3=300 kPa時，試樣剪切破壞的偏應力集中在364.4～535.5 kPa之間，Ⅰ～Ⅵ號試樣的偏應力分別提高了89.6%、102.5%、105.7%、112.5%、79%、93.3%，得到顯著提高。

可以看出，應力-應變曲線呈硬化型，無明顯峰值，且曲線可分為兩段，第一段是初始屈服階段，第二段為硬化階段。初始屈服階段主要表現為試樣的壓密，切線模量基本相同，隨著圍壓的增大，切線模量減小，屈服點的應變增大。硬化階段的硬化模量明顯小于初始屈服階段，隨著圍壓的增大,硬化模量增大，缺失不同粒組的試樣其硬化程度不同。

圖3 偏應力—軸向應變曲線Fig. 3 Deviatoric stress and axial strain curve

固結剪切過程中控制基質吸力相同，隨著圍壓的增大，土體內部的顆粒間應力鏈增加，顆粒重新排布，土體被進一步壓實。不僅增加了顆粒間接觸面的正壓力，即提高了顆粒間移動所需克服的摩擦力，也增大了顆粒間的填充，增強了土壤顆粒抵抗徑流沖刷破壞的能力，即增大了顆粒間的咬合力。在物質聚集態中范德華力是一種較弱的吸引力，作用能大小在每摩爾幾千焦至幾十千焦，被壓密實的土體由于未改變其化學物質組成，所以對其顆粒間的庫侖力、膠結作用及范德華力影響較小。

工程實踐證明，當土體不均勻系數Cu≥5，且曲率系數Cc=1～3時級配良好，若不同時滿足這兩個條件即為級配不良。由表4可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號試樣土體級配良好，更易被壓密實；Ⅴ、Ⅵ號試樣土體級配不良，不易被壓實。因此級配良好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號試樣較級配不良的Ⅴ、Ⅵ號試樣，土體抗剪強度提高的比例更大，這與鐘茫[21］研究結論相符。同樣，級配良好的土壤其抗侵蝕能力也較強，且隨著圍壓的增大，其抗侵蝕能力增加的比例更大。

2.3 粒組缺失對土壤抗侵蝕能力的影響

試驗結果特點如下：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號試樣相對于Ⅰ號試樣，抗剪強度得到明顯提高，Ⅴ、Ⅵ號試樣的抗剪強度相對于Ⅰ號試樣明顯下降。其中Ⅳ號試樣的抗剪強度最大，Ⅴ號試樣抗剪強度最小，見表5。

土體中的細顆粒比表面積大，吸附能力強，常吸附在粗顆粒表面的水層，顆粒間不是直接接觸，所以主要表現出黏聚效應而摩擦效應較小；而粗顆粒主要是靠顆粒間直接接觸產生較強的摩擦效應反之產生黏聚效應較小。由表5和表6可知，抗剪強度的大小受內摩擦角的影響大于受黏聚力的影響，即粗顆粒間的摩擦效應是決定抗剪強度大小的主要因素。從土壤侵蝕力學角度分析，土壤在水流沖刷下的破壞形式為剪切破壞，當黏聚力大于10 kPa后，影響土壤抗侵蝕能力大小的主要是粗顆粒間的摩擦效應。這與陳安強等[13］的研究結論相符。

究其原因是土體中顆粒級配的不同，導致在固結剪切過程中形成懸浮-密實結構、骨架-密實結構和骨架-孔隙結構。

由于試驗控制每個試樣初始孔隙比相同，在固結剪切過程中，Ⅱ、Ⅲ號試樣粗砂的含量分別為20%、10%，試樣中粗顆粒較少接觸或者未能接觸，未能起到骨架的作用，部分粗顆粒懸浮在細砂、細粒或微團聚體之中，形成懸浮-密實結構。Ⅳ號試樣中粗砂顆粒含量達到32.44%，粗顆粒間形成穩定的骨架結構，粗砂的孔隙被細砂、細粒或微團聚體填充，形成骨架-密實結構。Ⅴ、Ⅵ號試樣中孔隙缺少了細粒的填充，級配不連續，不易被壓實，形成骨架-孔隙結構。相對于懸浮-密實結構，骨架-密實結構中粗顆粒之間形成良好的傳力骨架，且細顆粒也能發揮其黏聚效應，所以抗剪強度更大，同理，骨架-孔隙結構中由于缺少細粒的填充，粗粒在剪切過程中容易產生相對位移，抗剪強度指標均較小。即抗剪強度和抗侵蝕能力大小排序為骨架-密實結構＞懸浮-密實結構＞骨架-孔隙結構。

2.4 各影響因子與土壤抗侵蝕能力的關聯度

采用灰色關聯分析法對各影響因子與土壤抗侵蝕能力的關聯度進行分析，具體分析步驟如下：

（1）確定直接體現抗剪強度特征的c、φ值列分別作為參考序列，其余為比較序列。

（2）對數據采用均值化消除量綱。見表7。

（3）計算絕對差值│Δij(k)│=│Xik-Xik│,k=1, 2, …,n,j=i。（表略），并找出兩級最小差和兩級最大差。兩級最大差maximaxk│x0(k)-xi(k)│=2.1 4 8，最小差m i nim i nk│x0(k)-xi(k)│=0.012。

（4）求灰色關聯系數εi(k)。

其中，η—分辨系數，取0.5。

（5）計算灰色關聯度ri。

表7 抗剪強度指標與影響因子參數Table 7 Shear strength index and influence factor parameters

表8 影響因子與土壤抗侵蝕能力的關聯系數及關聯度Table 8 Correlation coefficient and correlation degree between impact factor and soil erosion resistance

由表8關聯度大小排序可以看出，d30(0.859)＞d60(0.777)＞Cc(0.743)＞Cu(0.737)＞d10(0.662)。同理可得各影響因素參考φ值的關聯度大小排序：d30(0.860)＞Cc(0.827) ＞d60(0.759)＞Cu(0.727)＞d10(0.684)。可以發現，d30與c、φ值關聯度較大，d10與c、φ值關聯度較小。一般經驗認為關聯度大于0.3的均為明顯關聯，所以，以上幾種因素對土壤抗剪強度及抗侵蝕能力均有明顯影響。

3 結 論

不同粒組土壤單粒的缺失會改變土體的粒徑級配，對重慶地區淺層邊坡穩定的影響尤為明顯。本研究主要針對重慶市北碚區某淺層邊坡紫色研究，試驗發現隨著水土流失的不斷發展，改變了坡體的顆粒級配組成。其中缺少細顆粒的土壤級配不良，抗侵蝕能力下降，容易引起淺層滑坡的發生，是治理防護的重點部位。且當土壤的黏聚力c＞10 kPa時，影響土體抗侵蝕能力的主要依靠粗顆粒間的摩擦效應。通過灰色關聯法分析Cu、Cc、d60、d30、d10對抗剪強度指標的關聯程度發現。d30與c、φ值關聯度較大，d10與c、φ值關聯度較小。并且Cu、Cc、d60、d30、d10均對抗剪強度有明顯的影響。針對重慶地區易發生滑坡的敏感淺層地區治理與防護，提出以下建議：（1）治理水土流失，防止進一步的水土流失造成土壤單粒的缺失，比如增加植被覆蓋或者搭建防護網等；（2）人為改變土體的粒徑級配，形成級配良好的土體。