陜南土坎梯田田坎強度試驗研究

楊 娟, 李光錄,, 魏 舟, 張 騰, 李柏橋, 付 玉

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

?

陜南土坎梯田田坎強度試驗研究

楊 娟1, 李光錄1,2, 魏 舟2, 張 騰2, 李柏橋1, 付 玉1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

以陜南土坎梯田田坎為研究對象，通過室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗，對當?shù)靥萏锾锟驳淖冃魏涂辜魪姸纫?guī)律進行了研究，分析了田坎土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系及抗剪強度特性，探究了田坎產(chǎn)生破壞的形式及其產(chǎn)生這種破壞的原因。結(jié)果顯示：所采土樣洋縣的為膨脹土，黑山無膨脹性或較弱膨脹性；土樣的強度變形關(guān)系在較高圍壓下呈硬化型，隨著圍壓升高結(jié)構(gòu)破壞程度升高，應(yīng)變強化程度增強，低圍壓下則呈現(xiàn)出弱軟化特性；在土層120 cm范圍內(nèi)的田坎土樣，其抗剪強度參數(shù)沿深度分布無明顯規(guī)律性，抗剪強度參數(shù)對含水率變化敏感，分析認為由于含水率不同致使土層之間存在的抗剪強度差異可能會導(dǎo)致田坎失穩(wěn)。

梯田田坎; 應(yīng)力—應(yīng)變; 粘聚力; 內(nèi)摩擦角

陜南秦巴山區(qū)，土坎梯田垮坎現(xiàn)象極為嚴重，調(diào)查顯示，一般當年修的梯地，在翌年雨季中就有30%～40%的田坎發(fā)生崩塌或滑塌，嚴重者甚至高達80%[1]，主要由土壤黏粒含量高、雨多強度大等自然因素和修筑質(zhì)量差、無植物護埂，甚至破壞地邊埂等不合理的人為因素造成[2]。有學(xué)者總結(jié)[3]：梯地坎坡變形破壞可歸納為剝落、鼓脹、溜塌、淺層座落4種基本類型，其共同的特征是發(fā)生在坎坡淺表工程，單個變形破壞規(guī)模較小。土坎梯地垮坎嚴重的根本原因在于土質(zhì)問題[4]。

我國學(xué)者朱建強等[2]，首先從填筑土的擊實特性方面入手，研究了其與其他主要物性指標之間的關(guān)系，并提出改善陜南地區(qū)土的擊實特性的方法，后又研究了填筑土的擊實特性與抗剪強度之間的關(guān)系，指出僅提高干密度并不能解決膨脹土分布區(qū)土坎梯地的垮坎問題，含水量對填筑土抗剪強度影響較大；李光錄、高霞等[5-7]分別對PP織物袋這種新型梯田筑坎方式進行了論證，對田坎穩(wěn)定性進行了分析，但對梯田垮坎原因的研究甚少。

陜南地區(qū)土坎梯田遇水強度衰減幅度大，風干后遇水崩解快，隨著含水率的增加，土壤會發(fā)生軟化，強度明顯降低，導(dǎo)致土坎垮塌。本試驗以陜南土坎梯田為研究對象，通過對樣地土壤基本物理性質(zhì)的測定，確定供試土質(zhì)是否是膨脹性土；通過室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗，對當?shù)靥萏锾锟驳淖冃魏涂辜魪姸纫?guī)律進行研究，并探索這些規(guī)律與梯田垮坎原因之間的關(guān)系。基于對土體力學(xué)指標的測定，為以后當?shù)靥萏锏慕ㄔO(shè)提供一些指導(dǎo)性建議。

1　試驗材料及方法

1.1研究地概況

試驗用土取自陜西省西南部的漢中洋縣(漢江流域)和陜西省東南部商州區(qū)的黑山鎮(zhèn)(丹江流域)，洋縣平均海拔為618 m，屬北亞熱帶向暖濕帶過渡的大陸性季風氣候，四季分明，氣候溫和濕潤。年平均氣溫14.5℃，最高氣溫38.7℃，最低氣溫-10.1℃，形成東北高陡，南部低緩，中部低平的地勢。年平均降雨量839.7 mm，主要集中在7—10月份。土體遇水強度衰減快，抗風化能力差；商州區(qū)平均海拔880 m，屬暖溫帶半濕潤季風山地氣候，年平均氣溫13.5℃，年均降雨量758 mm。兩試驗地的基本物理性指標詳見表1。

根據(jù)國家標準“膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范”[8]中依據(jù)自由膨脹率大小劃分膨脹土的膨脹潛勢方法，40≤δef<65為弱膨脹土，65≤δef<90為中膨脹土；δef≥90的為強膨脹土。初步判斷洋縣土壤為弱膨脹土或中等膨脹土，而黑山的則無膨脹性或者膨脹性很弱。膨脹土是有別于普通黏土的一類特殊性黏土，具有吸水膨脹強度銳減、失水收縮變硬并伴隨收縮裂隙的高塑性，主要由親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成，抗風化能力差，遇水易崩解。

表1樣地土壤基本物理性指標

試驗地液限Wl/%塑限Wp/%塑性指數(shù)Ip自由膨脹率/%<0.002mm顆粒含量/%最大干密度Ρd/(g·cm-3)最優(yōu)含水率Wop/%洋縣45.517.627.96724.91.9017.4商州區(qū)31.916.515.43516.81.8715

1.2試驗設(shè)備及土樣制備

兩個試驗地分別選取坎高為1.6 m的土坎梯田，每30 cm的深度取土。試驗儀器采用應(yīng)力—應(yīng)變控制式非飽和三軸儀，為重塑土的固結(jié)不排水三軸剪切試驗，采用壓實方法將重塑土制成圓柱狀試樣，試樣直徑與高度分別為39.1 mm和80.0 mm，截面積為12 cm3。在試樣周圍貼上濾紙條，使試樣既能通過兩端透水石排水，又能通過濾紙條排水，加速固結(jié)過程，固結(jié)時間一般需要6～10 h。將風干過的散土配置成每層土的天然含水率，見表2。試驗按照土工試驗方法標準[9]所規(guī)定的方法和步驟進行，按50，100，200，300 kPa設(shè)定相應(yīng)圍壓，剪切速率為0.160 mm/min。試樣在各級壓力下的抗剪強度取峰值作為強度，對無明顯峰值者，取軸向應(yīng)變ε1=15%的應(yīng)力值作為破壞峰值。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

首先通過SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行篩選，然后在Excel中，以軸向應(yīng)變ε1為橫坐標，偏應(yīng)力(σ1-σ3)為縱坐標，進行線性回歸，繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線；通過Excel的線性擬合函數(shù)直接求得三軸試驗的抗剪強度指標，并利用Excel內(nèi)置的VBA語言編寫程序繪制莫爾應(yīng)力圓。

2　結(jié)果與分析

2.1應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

常規(guī)三軸試驗中，土樣所受的偏應(yīng)力(σ1-σ3)與其軸向應(yīng)變ε1之間的關(guān)系曲線一般分為應(yīng)變硬化型和應(yīng)變軟化型兩種類型[10]，還有一種介于兩者之間的情況，是理想化的彈性理想塑性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。

表2每層土樣初始參數(shù)

試驗地坎高/m土層深度/cm天然含水率/%干密度/(g·cm-3)3018.521.576014.551.65洋縣1.69013.051.7012014.671.7515014.151.783016.711.616015.861.63商州區(qū)1.69014.051.8512022.591.6815018.241.84

進行了兩種土質(zhì)的梯田沿坎深方向的常規(guī)三軸固結(jié)不排水剪切試驗，土體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線實際上反映的是土的力學(xué)特性。在不同圍壓條件下，不同土層深其偏應(yīng)力(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε1關(guān)系曲線如圖1所示，土樣應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系經(jīng)歷了彈性、屈服、應(yīng)變強化3個階段。土樣的變形強度關(guān)系在高圍壓下呈硬化型，隨著圍壓升高結(jié)構(gòu)破壞程度升高，應(yīng)變強化程度增強；低圍壓下則呈現(xiàn)出弱軟化特性。彈性階段的應(yīng)力—應(yīng)變線接近直線，其應(yīng)變范圍較小(1.5%以內(nèi))，彈性區(qū)域的極限應(yīng)力普遍較小，表明土體被壓密后，可恢復(fù)變形很快就發(fā)揮出來，土體的彈性抗力對其整體強度的貢獻程度較??；屈服階段，土粒之間的接觸、咬合、摩擦進一步增強，土體的抗力不斷上升，同時由于土粒的滑移、破損，土體來不及適應(yīng)新的組織構(gòu)成，抗力增長速度減慢，并產(chǎn)生非彈性變形，應(yīng)力—應(yīng)變線為曲線；應(yīng)變強化階段，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行重新組合，從而形成一定的后繼力量，并吸收了一定的變形能，土體非彈性變形持續(xù)增長，抗力增速減小，此時的強度雖然提高到一定的程度但已逐漸破壞。

從圖1中可以看出，30 cm土層處，在應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系達到屈服狀態(tài)后，膨脹土(洋縣)變化過程相對較慢，而非膨脹土(黑山)的變化依然較快；在60，90，120，150 cm土層深度處，膨脹土(洋縣)的抗剪強度值高于非膨脹土黑山的，這主要是由黑山的土壤為石渣土，60 cm以上的土層含砂礫較多、地表表層土含砂礫較少造成的；而洋縣為弱、中性膨脹土，含砂礫極少，變化較為規(guī)律。在土層深度上的變化：相同應(yīng)變條件下，30—90 cm處抗剪強度逐漸增加，120—150 cm處的抗剪強度較小且比較接近。

在雨季隨著降雨的入滲、土體有效應(yīng)力狀態(tài)的變化，其抗剪強度會下降，田坎局部土體容易產(chǎn)生剪切滑移，尤其在抗剪強度差異較大的層面之間，剪切變形由局部迅速擴展，田坎產(chǎn)生滑動。

2.2抗剪強度特性分析

由于常規(guī)三軸試驗結(jié)果無法像分析直剪試驗成果那樣直接利用線性回歸公式進行統(tǒng)計，故采用Excel對試驗數(shù)據(jù)進行記錄和處理，通過Excel的線性擬合函數(shù)直接求得三軸試驗的抗剪強度指標，以(σ1+σ3)/2為圓心，(σ1-σ3)/2為半徑繪制莫爾應(yīng)力圓[11]。

對試驗結(jié)果進行記錄和處理，通過Excel的線性擬合函數(shù)直接求得三軸試驗的抗剪強度指標。以90 cm土層深為例，分別將兩種土質(zhì)的三軸試驗結(jié)果在τ-σ應(yīng)力平面上，繪制莫爾應(yīng)力圓和強度包線，如圖2所示。以這種方式可得到田坎不同土層深度下試樣的抗剪強度指標c，φ值，見表3。

固結(jié)不排水試驗，土的不排水剪切強度隨固結(jié)壓力的增大而增加。數(shù)據(jù)顯示，在90 cm深度內(nèi)，兩種土質(zhì)的抗剪強度指標均隨田坎土層深度的增加而增大，超過此深度，c，φ值均有一定程度的下降，但φ值整體上變化不明顯。以膨脹土為例分析，從表2中每層土的含水量上看，含水量為13.05%，14.15%，14.55%，14.67%，18.52%所對應(yīng)的粘聚力c值分別為131.84，115.31，114.62，113.85，107.75 kPa，可見，粘聚力c值與含水率成負相關(guān)關(guān)系，這與大量試驗研究結(jié)果相一致[12-13]，而非膨脹土地區(qū)含水量與粘聚力c值之間的關(guān)系表現(xiàn)一致。兩種土質(zhì)均是表層土的含水量較大，在90 cm處降為最低，這是由水的入滲能力所導(dǎo)致的，黑山(非膨脹土)在120 cm土層深度處水分異常偏大，這是因為該層砂礫性顆粒較多，天然含水率較大。

圖1不同土層深不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖290 cm土層深的摩爾應(yīng)力圓

表3抗剪強度指標的比較

試驗地土層深度/cm天然含水率/%粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)3018.52107.7528.426014.55114.6224.72洋縣9013.05131.8425.3012014.67113.8528.2315014.15115.3128.333016.7152.2827.936015.8662.7725.12黑山9014.0573.1526.1512022.5956.4327.6815018.2459.7226.39

粘聚力又叫內(nèi)聚力，是表征土體內(nèi)部的膠結(jié)、吸力等吸附作用的一個綜合量值，內(nèi)摩擦角則是反映土粒之間咬合、摩擦作用的綜合量值，田坎的穩(wěn)定性受粘聚力、內(nèi)摩擦角影響較大。膨脹土的抗剪強度參數(shù)受含水率、干濕循環(huán)的影響很大[14-15]，膨脹土初次失水干縮產(chǎn)生微小裂縫，土體的整體聯(lián)結(jié)程度下降，與相同含水率狀態(tài)相比，粘聚力減??；降雨作用下，水沿微小裂縫進入土體，與無裂縫狀態(tài)相比入滲深度增加，再次失水干縮開裂，開裂深度、寬度、長度增加。如此往復(fù)，達到一定的開裂深度，土體被分割成許多小塊，很容易發(fā)生滑塌。加之抗剪強度沿著深度不同，可能存在含水率較高的軟弱面，且暴露的軟弱面抵抗侵蝕能力較弱，在雨水的浸潤、軟化、沖蝕條件下，田坎中下部先破壞，從而導(dǎo)致整個田坎的滑塌，這與PP織物袋這種筑坎方式梯田田坎的破壞形式相似[7]。

從圖2莫爾應(yīng)力圓可以看到，同一土層深兩種土質(zhì)的強度包線基本接近平行，兩種土質(zhì)的內(nèi)摩擦角φ值變化并不明顯；而粘聚力c值相差較大，因此認為主要是粘聚力的變化對梯田垮坎產(chǎn)生影響。顆粒之間的摩擦強度相差不大，初步分析為兩種土質(zhì)的土壤經(jīng)過篩后，顆粒大小、粗細相似的原因造成的。

3　結(jié) 論

(1) 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系上：土樣的變形強度關(guān)系在較

高圍壓下呈硬化型，隨著圍壓升高結(jié)構(gòu)破壞程度升高，應(yīng)變強化程度增強，低圍壓下則呈現(xiàn)出弱軟化特性；

(2) 強度特性上：梯田田坎的抗剪強度隨含水量變化而變化，粘聚力c值的變化對梯田垮坎的影響大于內(nèi)摩擦角φ對其的影響；

(3) 在土層120 cm范圍內(nèi)的田坎土，其抗剪強度參數(shù)沿深度分布無明顯規(guī)律性，抗剪強度參數(shù)對含水率變化敏感，分析認為由于含水率不同致使土層之間存在的抗剪強度差異可能會導(dǎo)致田坎失穩(wěn)；

(4) 在修筑梯田時，必須充分認識膨脹土易風化、吸水軟化的規(guī)律。含水量對土的抗剪強度的影響較大，雨季梯田垮坎較嚴重，在膨脹土分布區(qū)土坎梯田的建設(shè)必須重視排水的問題，可在梯田與其上部陡坡地接合部位修建排水溝，疏導(dǎo)降雨徑流或以排水固坎為中心建立農(nóng)業(yè)、工程、生物措施相結(jié)合的綜合防治體系。

以上結(jié)論，是對一特定地區(qū)、特定類型的土進行試驗研究而得出的，不同地區(qū)、不同類型的土是否具有相同的規(guī)律，有待進一步的研究加以驗證。

[1]朱建強.陜南土坎梯地垮坎的原因分析及防治對策[J].水土保持通報,1994,14(3):44-47.

[2]朱建強,李靖.陜南坡改梯填筑土的擊實特性與抗剪強度試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2000,16(2):36-40.

[3]朱建強,李靖.陜南西部土坎梯地建設(shè)研究[J].水土保持通報,1998,18(2):19-24.

[4]朱建強,李靖.陜南膨脹土分布區(qū)土坎梯地建設(shè)探討[J].中國水土保持,1998(12):34-35.

[5]李光錄,柳詩眾,鄧民興,等.陜南秦巴山區(qū)PP織物袋梯田筑坎結(jié)構(gòu)和坎型研究[J].中國水土保持,2012(9):44-45.

[6]高霞,李光錄,柳詩眾,等.陜南秦巴山區(qū)PP織物袋筑坎梯田田坎穩(wěn)定性分析[J].中國水土保持,2013(12):21-23.

[7]高霞,李光錄,王新功.陜南秦巴山區(qū)PP織物袋梯田筑坎土壓力分布研究[J].水土保持通報,2013,33(6):37-41.

[8]中華人民共和國城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護部.膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范GBJ112—87[S].北京:中國計劃出版社,1989.

[9]南京水利科學(xué)研究院.土工試驗方法標準GB/T50123—1999[S].北京:中國計劃出版社,1999.

[10]黃文熙.土的工程性質(zhì)[M].北京:水利水電出版社,1983.

[11]陳立宏,唐松濤,張洪濤.常規(guī)三軸試驗數(shù)據(jù)處理的電子表格法[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2010,34(1):54-57.

[12]繆林昌,仲曉晨.膨脹土的強度與含水量的關(guān)系[J].巖土力學(xué),1999,20(2):71-75.

[13]徐彬,殷宗澤,劉述麗.膨脹土強度影響因素與規(guī)律的試驗研究[J].巖土力學(xué),2011,32(1):44-50.

[14]唐朝生,施斌.干濕循環(huán)過程中膨脹土的脹縮變形特征[J].巖土工程學(xué)報,2011,33(9):1376-1384.

[15]呂海波,曾召田,趙艷林,等.膨脹土強度干濕循環(huán)試驗研究[J].巖土力學(xué),2009,30(12):3797-3802.

Experimental Study on Strength of Terraced Field Ridge in Southern Shaanxi Province

YANG Juan1, LI Guanglu1,2, WEI Zhou2, ZHANG Teng2, LI Baiqiao1, FU Yu1

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Terraced field ridge in southern Shaanxi was selected as the study site. A study on strength characteristics of local terraced field ridge was carried out. The stress-strain relationship and shear strength characteristics of ridge soil were analyzed, and the failure mode and cause of retaining wall of terraced field ridge were explored. The results showed that soil samples of Yang County were expansive soil, while soil samples taken from Heishan were not expansive or weak expansion. Strength-deformation relationship of soil samples presented a hardening type at high confining pressure, structure failure and strain hardening level enhanced with the increase of confining pressure, while a weak softening characteristic was observed under low confining pressure. The distribution of shear strength parameters had no obvious regularity within 120 cm depth of soil layer, and they were sensitive to changes in moisture, maybe due to the different moisture contents resulting in differences for shear strength between different soils, which may lead to the instability of ridge.

terraced field ridge; stress-strain; cohesion; internal friction angle

2014-12-02

2015-03-21

水利部科技推廣計劃項目“PP織物袋在陜南地區(qū)坡耕地治理中的應(yīng)用與推廣”(TG1308);陜西省水保局重點科技示范“PP織物袋梯田筑坎技術(shù)的試驗與推廣”(20101003)

楊娟(1990—),女,河南安陽人,碩士研究生,研究方向為土壤侵蝕。E-mail:yangjuan901128@nwsuaf.edu.cn

李廣錄(1964—),男,甘肅永靖人,博士,副教授,主要從事土壤侵蝕與土地利用研究。E-mail:guangluli@nwsuaf.edu.cn

S281

A

1005-3409(2016)01-0360-04