喀斯特不同巖性發(fā)育區(qū)自然土壤力學(xué)特征研究

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(lèi)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(wèn)題正逐漸演變?yōu)槲覈?guó)第三大生態(tài)問(wèn)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(guò)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(yáng)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(guò)渡地帶。區(qū)內(nèi)地表的巖層以碳酸鹽類(lèi)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(yáng)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(xiàn)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(chēng)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(chēng)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?chē)x5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(guò)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(lèi)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(lái)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(lèi)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(mǎn)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(lái)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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