模擬干濕交替對夯實土壤抗剪強度的影響

宋鵬帥, 王 健, 陳 琳, 曹博召, 宋朝陽

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100)

土坎梯田是西部坡耕地地區農業生產的重要組成部分，在生態環境保護、社會經濟發展方面發揮著至關重要的作用。然而，由于地形地勢、降雨等自然因素和梯田田坎修筑過程中的質量、建成后的不合理利用等人為因素的影響，田坎垮塌現象嚴重。相關調查表明，在陜南膨脹土分布區，當年修筑的梯田，經過一個雨季，梯田田坎垮塌2/5，情況嚴重時達到4/5[1-2]，因此對梯田田坎保護措施的相關研究變得尤為重要。

步入21世紀以來，水土流失問題日益嚴重，其中由于氣候的周期性變化引發的水土流失問題尤為突出。干濕交替過程作為氣候周期性變化的主要特征，探究其對水土保持的影響變得十分必要。干濕交替的概念于20世紀30年代首次出現，其對土壤影響的相關研究始于50年代。土壤的干濕交替是土壤受降雨蒸發的周期性變化影響而交替出現濕潤、干燥變化的循環過程，變化過程中其物理力學特性會有明顯的變化[3-5]，并常常發生脹縮現象，影響土壤孔隙的分布，造成土壤體積的變化以及裂縫的發育，進而影響土壤的結構和穩定性；土壤的干濕交替過程同時也是土壤系統熱力學和水文學視角短期變異較大的過程，可使土壤的物理、化學性質發生一定程度的變化[6]。干濕交替使得土壤的容重、崩解性及抗蝕性等指標發生相應的改變，同時一定程度上改變土壤呼吸、有機質分解及化學吸附等能力，最終使得土壤侵蝕產生較大不確定性[7-12]。田坎作為梯田最核心的部分，不僅能夠提高土地生產力，還可防治水土流失，保護土地資源，改善農業生產條件[13]，通過機械阻擋作用來減少土壤侵蝕、改善土壤水分條件，提高土壤的抗剪能力[14]。因此關于夯實土壤在干濕交替條件下的理論研究對于農業和工程等的生產實踐具有十分重要的意義。

自然條件下，由于土體的破壞所引發的自然災害眾多，抗剪強度作為衡量土體穩定性的重要指標，需對其進行定量測定，探究其在干濕交替過程中的變化規律。土壤的抗剪強度是土壤能夠抵抗外界荷載作用下剪切破壞的極限強度，大量工程實踐和科學研究發現，土體的破壞主要是由于剪切所引發的[15-16]，剪切破壞直接影響土壤的結構和穩定性，進一步影響農業和工程建設的發展，而季節性的氣候變化，使得自然界長期處于干濕交替的循環過程中，干濕交替的環境導致土壤的結構逐漸破壞，大幅降低了土壤的抗剪強度，使得農業生產受到影響，工程結構失穩或者出現大幅度沉降，產生一系列的環境和工程問題。楊和平[17]、勾麗杰[18]等對于膨脹土的干濕交替在工程領域的特性進行了相關研究，其認為土壤在干濕交替過程中的裂隙發育是導致抗剪強度衰減的主要原因[19]；徐丹等[20]認為土壤經歷多次干濕交替后，剪切特性類似于超固結土，土壤脆性顯著增加；汪東林[21]、張芳枝[22]等在干濕交替條件下對非飽和重塑黏土進行了相關研究，并在此基礎上總結了黏土在干濕交替過程后的相關特性。目前，針對膨脹土領域的相關研究較多且已經形成了一定的理論基礎[23-24]，但針對田坎在自然周期性蒸發和降雨作用下抗剪強度的研究較少，因此選擇楊凌土作為試驗土樣，通過進行夯實、干濕交替處理以及抗剪強度測定等方法，研究土壤在干濕交替條件下抗剪強度的變化規律，研究結果可為農業生產實踐、水土資源的保護提供一定的理論依據和參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

表1 試驗用土理化性質

1.2 試驗原理及方法

將試驗用土取回至實驗室后，進行晾曬碾碎處理，然后將處理完成的土樣過1.25 mm篩，除去草根等雜物，加水配置成含水率為18%(質量含水率，下同)的土樣，靜置6 h，待土樣中的水分分布均勻后進行下一步試驗處理。

1.2.1 擊實試驗 為了保證土壤在干濕交替試驗過程中的完整性，方便土壤樣品的取用，在擊實試驗前，根據擊實筒的尺寸(h=12.5 cm，r=10.0 cm)大小，預先準備好同等尺寸的鋁片，制成與擊實筒等體積大小的鋁筒，襯于擊實筒內側，使其與擊實筒內壁緊貼。在擊實筒內壁涂抹一層凡士林，減少鋁筒與擊實筒內壁之間的摩擦力，以便土壤順利取出。擊實試驗器材準備就緒后，將制備好的土壤放入擊實筒中的鋁筒內，為了保證試驗的準確性，在擊實試驗中采取統一標準，每次擊實土樣時，統一用擊實錘從同一高度落下并擊實10次，對土壤進行夯實，擊實后土壤下降高度為(8.3±0.05) cm，擊實完成后測得土壤體積質量為(1.74±0.03) g/cm3。本次試驗設計7次干濕交替循環，1個對照，設置3個重復，共需24組土樣。

1.2.2 干濕交替試驗 擊實試驗結束后，將包裹土壤的鋁筒從擊實筒中取出，然后用環箍將鋁筒固定，放入事先加有水的托盤中，水層高度始終高于土壤下表面2 cm，濕化處理共持續8 h。經過濕化處理后，為使土壤中的水分分布均勻，采用薄膜密封，靜置8 h，然后放入恒溫50℃的烘箱中干燥，干燥過程持續24 h，測得含水率為8%，此為1個干濕交替過程，待每次干濕交替試驗結束后，每組用直徑為6.18 cm，高為2 cm的直剪環刀取4個土樣進行抗剪試驗測定。

1.2.3 剪切試驗 試驗采用直剪儀進行快剪試驗。剪切試驗時對土樣分別施加100，200，300，400 kPa的垂直壓力作為垂直荷載。在對土樣施加垂直壓力后，以1.0 mm/min的速率進行剪切試驗。試驗過程中，讀出測微表讀數并按下式求得土壤的抗剪強度值：

τf=m·R

式中:τf為土壤的抗剪強度；m為測力環率定系數(kPa/0.01 mm)；R為直剪儀測微表讀數。

1.3 數據處理與分析

本文研究采用Excel 2010，SPSS 23.0進行數據處理與分析、制圖。

2 結果與分析

2.1 干濕交替變化對土壤內摩擦角的影響

經快速剪切試驗，測得不同干濕交替次數處理土壤內摩擦角，得到相應的干濕交替次數與土壤內摩擦角的關系見圖1。

圖1 內摩擦角與干濕交替次數的關系

夯實土壤在不進行干濕交替的條件下，土壤內摩擦角為5.4°；經過1次干濕交替處理，內摩擦角為5.6°；隨著干濕交替次數的增加，內摩擦角整體呈現總體極顯著性下降的趨勢(p<0.01)。土壤在經過第1次干濕交替后，其內摩擦角達到了峰值；隨著干濕交替次數的增加，在第2—4次干濕交替時，土壤內摩擦角下降幅度最大；第5次干濕交替后土壤內摩擦角與第4次干濕交替后土壤內摩擦角數值大致相等；第6次干濕交替后，內摩擦角下降幅度減緩，直至第7次干濕交替后，土壤內摩擦角達到最小值4.1°。

土壤在經歷第1次干濕交替后，內摩擦角達到最大值，隨著干濕交替次數的增加內摩擦角逐漸降低，土壤內部結構在復雜的物理化學變化中遭到破壞[16]，因此土體內微小顆粒的距離逐漸增大，孔隙比也不可避免地增大，同時，土壤在干濕交替濕化過程中土顆粒的不均勻收縮，逐漸形成部分團聚土顆粒，破壞了土體結構間的內部聯系，最終使得內摩擦角呈現衰減趨勢[18]；土壤在經歷第2—4次干濕交替時，此階段土壤中出現了大量裂隙，并且隨著土壤裂隙的不斷發育，土壤的內部結構發生改變，其完整性遭受破壞，穩定性大幅降低，因而土壤內摩擦角在此階段下降幅度最大；土壤在經歷第5—7次干濕交替時，隨著干濕交替次數的逐漸增加，土壤裂隙已經基本發育完成，裂隙不再大量增加，土壤的結構逐漸穩定并達到新的平衡，故此階段土壤內摩擦角的降幅較小，在第7次干濕交替時土壤內摩擦角出現最小值。

2.2 干濕交替變化對土壤粘聚力的影響

通過分析室內剪切試驗測得的試驗數據，得到干濕交替次數與土壤粘聚力的關系見圖2。

圖2 粘聚力與干濕交替次數的關系

通過圖2給出的在不同干濕交替次數下，土壤粘聚力和干濕交替次數的關系可以看出，土壤粘聚力與干濕交替次數總體呈現極顯著性正相關關系(p<0.01)。在不進行干濕交替時，土壤粘聚力為3.25 kPa；經過1次干濕交替處理后，粘聚力出現最小值2.25 kPa，隨著干濕交替次數的逐漸增加，土壤的粘聚力逐漸增大，在第2—5次干濕交替過程中，土壤粘聚力增加的幅度較為緩慢，在第6次干濕交替后土壤的粘聚力增幅較大，并在第7次達到最大值6.50 kPa。

土壤經歷第1次干濕交替后，粘聚力達到最小值，主要是因為在干濕交替的作用下，土壤顆粒間的孔隙逐漸增大，土壤裂隙增加，土壤顆粒之間的化合物膠結作用降低，從而使得粘聚力降低。但是隨著干濕交替次數的逐漸增加，在第2—5次干濕交替過程中，土壤的粘聚力逐漸增大，這是由于土壤干化過程中，水分含量減少，土壓力作用下土壤顆粒間的孔隙有一定程度的壓縮，土壤基質吸力逐漸增大[18]，土壤顆粒發生定向排列，達到一個新的穩定狀態，此時的土壤粘聚力大于前一次進行干濕交替的土壤的粘聚力，所以土壤粘聚力呈現逐漸增加的趨勢，在第6次干濕交替后，重組的土壤顆粒穩定性進一步提高，所以土壤粘聚力增幅比第2—5次干濕交替過程大，并在第7次達到最大值。

2.3 干濕交替變化對土壤抗剪強度的影響

試驗測得在不同的垂直壓力作用下的土壤其抗剪強度與干濕交替次數的關系見圖3。

圖3 不同垂直壓力作用下土壤抗剪強度與干濕交替次數的關系

從圖3中可以看出，在干濕交替次數一定的前提下，隨著垂直壓力的不斷增加，土壤的抗剪強度顯著增大，這是由于垂直壓力對土壤有壓實作用，這種壓實作用縮短了土壤顆粒的粒間距，減少了土壤孔隙，使得土壤顆粒更加緊密，趨于密實化、整體化，在一定程度上提高了土壤的密實性，使得土壤抵抗剪切破壞的能力增加，從而提高了土壤的抗剪強度。

在不同垂直壓力的作用下，抗剪強度與干濕交替次數的關系不完全一致。在100 kPa的垂直壓力作用下，隨著干濕交替次數的增加，土壤的抗剪強度變化不明顯，保持在10.75～12.45 kPa范圍內；200 kPa垂直壓力下，土壤的抗剪強度隨著干濕交替次數的增加先增大，然后趨于穩定；垂直壓力為300，400 kPa時，土壤抗剪強度隨著干濕交替次數的逐漸增加，均呈現先增大，然后降低，最后趨于穩定的趨勢。在100 kPa的垂直壓力作用下，隨著干濕交替次數的增加，土壤的抗剪強度變化不明顯，在11～12.75 kPa范圍內無規律變化，說明100 kPa的垂直壓力對于土壤的抗剪強度影響較小。

200～400 kPa垂直壓力作用下的土壤，在第1次干濕交替時抗剪強度均達到最大值，隨著干濕交替次數的增加，土壤裂隙逐漸發育，土壤結構發生不可逆的損傷，土壤顆粒間的摩擦阻力逐漸降低，雖然粘聚力在逐漸增加，但是其對土壤抗剪能力的影響較小，其中200 kPa垂直壓力作用下的土壤，在第1次干濕交替后，抗剪強度維持穩定，不隨著干濕交替次數的變化而變化。而300 kPa和400 kPa垂直壓力作用下的土壤，在第1次干濕交替后，隨著次數的增加，抗剪強度逐漸下降，并最終趨于穩定。

在1—7次干濕交替過程中，第1次干濕交替處理后的土壤隨著垂直壓力的增加，土壤的抗剪強度增幅最大，隨著次數的增加，其抗剪強度的增幅逐漸減小，在第7次土壤的抗剪強度增幅最小，說明干濕交替次數會影響垂直壓力對土壤的壓實作用，進而影響土壤的抗剪強度。

2.4 干濕交替變化對土壤抗剪強度指標影響顯著性分析

利用SPSS 23.0對不同干濕變化(1—7次)，分別對粘聚力c和內摩擦角φ進行單因素方差分析，計算結果見表2。

表2 干濕變化對抗剪強度單因素方差分析

由計算結果Sig.小于0.05，說明不同干濕交替水平對土壤粘聚力和內摩擦角的影響是顯著的。為進一步分析不同干濕交替之間的顯著性，進行了多重比較，結果見表3。

以上單因素分析及兩兩比較結果可以說明，不同干濕交替次數處理的土壤，其粘聚力和內摩擦角的變化不同。對于粘聚力來說，僅經過2次和3次兩種干濕交替處理水平的土壤差異不顯著，其他處理水平之間差異均顯著。對于內摩擦角來說，不同的是經歷4次和5次兩種處理水平、6次和7次兩種處理水平之間差異不顯著，其他水平之間均顯著。因此，可以說明干濕交替處理次數的不同，對于土壤粘聚力和內摩擦角的影響不同，相比較而言對內摩擦角的影響較大。

3 討 論

干濕交替過程對土壤的抗剪強度有著顯著的影響。已有研究表明，隨著干濕交替次數的增加，土壤的抗剪強度逐漸衰減，土壤粘聚力逐漸下降[25]，而內摩擦角基本保持不變[26]。楊和平等[27]認為，經過干濕交替的土壤，由于含水率的變化、土顆粒間裂隙的無規則分布以及顆粒間結合水膜的影響，土壤顆粒之間的粘聚作用下降，土壤粘聚力降低，進而抗剪強度下降。本試驗的研究結果中，內摩擦角的變化與已有研究結果相同[18]，但粘聚力的變化存在差異，土壤粘聚力在第1次干濕交替時出現最小值，之后隨著干濕交替次數的增加，粘聚力逐漸增大。

表3 干濕變化對抗剪強度多重比較分析

造成結果不同的原因：(1) 土壤經過第1次干濕交替后，由于土壤內部結構發生一定程度的破壞，土壤顆粒間裂隙增加，顆粒之間的粘聚作用下降，因而粘聚力降低；而經過第2次干濕交替后，土壤顆粒逐步形成定向排列，隨后逐漸聚集，膠結作用逐步增大，粘聚力逐漸增大，故隨著干濕交替次數的增加(2—7次)，土壤粘聚力逐漸增大。(2) 試驗土壤的膨脹性較弱，與膨脹性較強的土壤理化特性存在一定差異，在進行干濕交替處理后，土壤表現出來的性狀不同，進而試驗結果存在差異。干濕循環效應使土顆粒間的聯結產生了不可逆的損傷，土體微結構的劣化使得土壤抗剪強度降低[28]，可見土壤內部結構的完整性影響著土顆粒之間的聯結作用，進一步影響土壤的抗剪強度。

目前，土壤干濕交替的研究主要側重膨脹土領域的探索，對于膨脹性較弱或者無膨脹性的土壤相關研究較少。在試驗方法中，干濕交替次數，烘干和濕化的過程，以及土壤含水率的控制方面等諸多要素，在不同的研究中選取的標準并不一致，且目前針對干濕交替相關研究的試驗用土主要為重塑土，以原狀土為試驗用土的相關研究較少。與原狀土相比，重塑土本身的結構已經受到了一定程度的影響，加之試驗儀器和人為操作的因素，影響試驗的結果，所以針對不同特性的土壤，研究得出的結論存在一定程度的差異性。本試驗以膨脹性較弱的楊凌土為研究對象，進行干濕交替條件下夯實土壤抗剪特性的探究，模擬梯田田坎在自然條件下抗剪強度的變化規律，土壤內摩擦角和抗剪強度兩個指標與已有相關研究的結論基本一致，土壤粘聚力的變化趨勢有所差異，試驗結果豐富了干濕交替過程對土壤力學性質影響這一領域的研究。

干濕條件下土壤的力學性質與土壤的飽和性密切相關，目前針對飽和土的相關研究逐漸成熟，基本形成了較為統一的觀點，即土壤的力學性質隨著干濕交替次數的增加逐漸衰減，最終趨于穩定。同時土壤的含水狀態對土壤抗剪強度也有很大的影響，不同的含水率，土壤對應的吸力存在差異，從而影響土壤的強度特性[29-30]，針對飽和性和含水率對膨脹性較弱土壤的抗剪強度變化的影響分析，以及土壤強度特性的變化規律的相關研究有待進一步探索。

4 結 論

(1) 在土壤體積質量和含水率一定的情況下，土壤的粘聚力在第1次干濕交替時出現最小值，之后隨著干濕交替次數的增加，粘聚力逐漸增大。

(2) 在相同條件下，土壤的內摩擦角隨著干濕交替次數的增加，在第1次干濕交替時內摩擦角達到峰值，隨后逐漸減小，在第7次干濕交替時出現最小值。

(3) 不同的垂直壓力對土壤的抗剪強度有不同的影響。隨著干濕交替次數的增加，在100 kPa的垂直壓力作用下，土壤的抗剪強度受影響不明顯，在200 kPa的垂直壓力作用下，土壤的抗剪強度先增加，然后趨于穩定；在300 kPa和400 kPa的垂直壓力作用下，土壤的抗剪強度先增加，然后降低，最后趨于穩定。

(4) 在相同干濕交替次數的前提下，土壤的抗剪強度與垂直壓力呈現正相關關系；通過顯著性分析可以看出不同干濕交替處理對土壤的內摩擦角的影響大于土壤粘聚力。