紫色土和黃壤草本根土復(fù)合體抗剪性能試驗(yàn)研究

王 耕，周騰禹，韋 杰

(1.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029； 2.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 401331)

抗剪強(qiáng)度是重要的土力學(xué)指標(biāo)，表示土體抵抗外力剪切破壞的極限能力[1]，也是土壤穩(wěn)定性的重要參數(shù)。土壤干密度[2]、含水率[3-6]、機(jī)械組成[6]和植物根系[7]等都會(huì)影響土體的抗剪性能。韋杰等[8]試驗(yàn)得出，紫色土黏聚力隨著土壤含水率的增加表現(xiàn)為先增加后減少，在含水率為11%時(shí)達(dá)到峰值。楊永紅等[9]研究表明，在天然含水率情況下，土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角與含根量呈正相關(guān)，且存在最優(yōu)含根量區(qū)域。

我們以重慶地區(qū)常見(jiàn)的紫色土和黃壤草本根土復(fù)合體為研究對(duì)象，利用全自動(dòng)四聯(lián)直剪儀進(jìn)行重塑土快速直剪試驗(yàn)，分析不同含水率和含根量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，旨在深化對(duì)紫色土和黃壤力學(xué)性質(zhì)的研究，這對(duì)防治三峽庫(kù)區(qū)水土流失具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)境內(nèi)，地處東經(jīng)106°30′14″～106°56′53″、北緯29°30′41″～30°11′21″，嘉陵江的支流梁灘河自南向北穿越而過(guò)。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫18.2 ℃，雨量充沛，降水季節(jié)分配不均，多集中在夏季，年平均日照時(shí)數(shù)1 260 h，年平均相對(duì)濕度75%，無(wú)霜期345 d。土壤多為紫色土和黃壤，植被為中亞熱帶常綠闊葉林，草類(lèi)以狗尾草、牛筋草和各種蕨類(lèi)植物為主。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 土樣預(yù)處理

將采到的土樣風(fēng)干，去除雜質(zhì)后研磨并過(guò)2 mm篩。由于要模擬采樣地的情況，因此含水率控制在15%～30%，設(shè)置為15%、20%、25%和30%。把配制的土樣烘干8 h，計(jì)算出黃壤和紫色土的風(fēng)干含水率分別為4.02%和3.18%。將蒸餾水噴灑在土樣之上，攪拌均勻后用保鮮膜密封24 h。

2.2 根系處理和試樣配置

選擇直徑為1～2 mm的新鮮牛筋草根系，用游標(biāo)卡尺測(cè)量根的上部、中部和下部直徑，保證3個(gè)結(jié)果誤差在0.5 mm內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)要求，含根量配置為0、0.2%、0.6%和1%。將配置好的土樣分3次裝進(jìn)環(huán)刀并做擊實(shí)處理，整個(gè)過(guò)程始終保持根系垂直排列。剪切速率設(shè)置為1.2 mm/min，垂直壓力設(shè)置為50、100、200和300 kPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 剪應(yīng)力峰值特征分析

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出土樣的剪應(yīng)力峰值特征，見(jiàn)圖1、2。由圖1、2可看出，在相同垂直壓力和含根量情況下，兩種根土復(fù)合體的剪應(yīng)力峰值隨著含水率的增大均表現(xiàn)為先增加后減少，即剪應(yīng)力峰值含水率20%土樣>含水率15%土樣>含水率25%土樣>含水率30%土樣；在相同垂直壓力和土壤含水率下，兩種根土復(fù)合體的剪應(yīng)力峰值隨著含根量的增加而增加，即剪應(yīng)力峰值含根量1%土樣>含根量0.6%土樣>含根量0.2%土樣>含根量0土樣；在相同含根量和含水率下，兩種根土復(fù)合體的剪應(yīng)力峰值隨著垂直壓力的增大而增大，即剪應(yīng)力峰值垂直壓力300 kPa>200 kPa>100 kPa>50 kPa。

圖1 黃壤根土復(fù)合體剪應(yīng)力峰值特征

圖2 紫色土根土復(fù)合體剪應(yīng)力峰值特征

3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

3.2.1 黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)分別測(cè)定黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果見(jiàn)圖3、4。對(duì)在不同含水率和含根量情況下的兩種根土復(fù)合體的黏聚力進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在同一含根量情況下，黃壤和紫色土根土復(fù)合體在試驗(yàn)含水率范圍內(nèi)，黏聚力隨含水率的增大均表現(xiàn)為先增大后減少，且在各個(gè)試驗(yàn)含水率梯度下黏聚力差異明顯(P<0.05)，其中黃壤在含水率為20%時(shí)黏聚力最大，紫色土在含水率為25%時(shí)黏聚力最大。在同一含根量情況下，兩種根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角隨含水率的增大也表現(xiàn)為先增大后減小，方差分析表明，除含水率15%與20%之間不存在顯著差異外，其他含水率之間均存在顯著差異(P<0.05)，其中黃壤在含水率為20%時(shí)內(nèi)摩擦角最大，紫色土在含水率為25%時(shí)內(nèi)摩擦角最大。

圖3 黃壤和紫色土根土復(fù)合體的黏聚力與含水率的關(guān)系

圖4 黃壤和紫色土根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系

3.2.2 黏聚力和內(nèi)摩擦角與含根量的關(guān)系

對(duì)不同含水率和含根量情況下的兩種根土復(fù)合體進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在同一含水率情況下，兩種土樣的黏聚力與內(nèi)摩擦角都隨含根量的增加而增大，且不同含根量之間的黏聚力與內(nèi)摩擦角存在顯著差異(P<0.05)，這表明黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化受含根量影響顯著。

雖然在同一含水率下，兩種土樣都是在含根量為1%時(shí)黏聚力和內(nèi)摩擦角最大，但是對(duì)黃壤而言，含根量1%與0.6%時(shí)的黏聚力和內(nèi)摩擦角相差較大，因此認(rèn)為1%為黃壤的最佳含根量；而對(duì)紫色土而言，含根量1%與0.6%時(shí)的黏聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值較為接近，因此認(rèn)為0.6%為紫色土的最佳含根量。

4 討 論

4.1 含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

從上述試驗(yàn)中可初步看出，黃壤最優(yōu)含水率為20%，紫色土最優(yōu)含水率為25%。為了搞清楚20%和25%是否為最優(yōu)值，針對(duì)黃壤補(bǔ)充了18%和22%兩個(gè)含水率，針對(duì)紫色土補(bǔ)充了23%和27%兩個(gè)含水率進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，黏聚力和內(nèi)摩擦角在含水率小于最優(yōu)含水率20%和25%時(shí)隨含水率的增大而增大，在大于最優(yōu)含水率后隨含水率的增大而減小，說(shuō)明20%和25%確實(shí)是黃壤和紫色土的最優(yōu)含水率。

4.2 含根量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

從試驗(yàn)中可初步看出，黃壤最優(yōu)含根量為1%，紫色土最優(yōu)含根量為0.6%。為了確定1%和0.6%是否為最優(yōu)含根量，針對(duì)黃壤補(bǔ)充了0.9%和1.1%兩個(gè)含根量，針對(duì)紫色土補(bǔ)充了0.5%和0.7%兩個(gè)含根量進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在含根量小于最優(yōu)含根量時(shí)，含根量的增加對(duì)于抗剪強(qiáng)度起積極作用，在大于最優(yōu)含根量后，隨著含根量的增加，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增幅并不明顯。

5 結(jié) 論

(1)在試驗(yàn)含水率范圍內(nèi)，不同含根量的根土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均高于素土。含根量對(duì)土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角具有顯著影響，對(duì)紫色土的黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響大于黃壤。

(2)在同一含水率下，黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著含根量的增加而增加。但當(dāng)含根量較高時(shí)抗剪強(qiáng)度的增加值并不明顯，即存在最優(yōu)含根量區(qū)域，其中黃壤最優(yōu)含根量為1%，紫色土最優(yōu)含根量為0.6%。

(3)在同一含根量時(shí)，黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加均表現(xiàn)為先增加后減少，且存在最優(yōu)含水率，其中黃壤最優(yōu)含水率為20%，紫色土最優(yōu)含水率為25%。