黃土高塬溝壑區(qū)土壤含水率對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

摘" 要： 土壤含水率是影響淺層滑坡發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，通過直剪試驗(yàn)，在100、200、300、400 kPa垂直荷載下，測(cè)量12個(gè)不同土壤含水率（16.12%～32.94%）下黃綿土的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角，以判定黃土高塬溝壑區(qū)土壤抗剪特征隨土壤含水率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：①在相同含水率條件下，隨著土壤垂直荷載增大，土壤抗剪強(qiáng)度不斷增大，但隨著土壤含水率持續(xù)增大，土壤抗剪強(qiáng)度反而不斷減??；②當(dāng)土壤含水率從16.12%增大到32.94%時(shí)，土壤黏聚力整體上呈線性降低趨勢(shì)，從29.79 kPa降低到18.34 kPa，降幅達(dá)38.44%；③隨著土壤含水率的增大，土壤內(nèi)摩擦角整體上呈線性降低趨勢(shì)，當(dāng)土壤含水率從16.12%增大到32.94%時(shí)，土壤內(nèi)摩擦角從23.72°降低到19.34°；④黃土高塬溝壑區(qū)土壤含水率的變化直接影響土體的穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度，土壤含水率的增加會(huì)降低土壤抗剪強(qiáng)度，同時(shí)土壤黏聚力、內(nèi)摩擦角也會(huì)降低，這可能會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，增加滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞： 淺層滑坡；抗剪強(qiáng)度；含水率；黏聚力；內(nèi)摩擦角；土壤；南小河溝小流域；黃土高塬溝壑區(qū)

中圖分類號(hào)： S157" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.02.019

引用格式： 張寶琦，劉鋒，劉震寰，等.黃土高塬溝壑區(qū)土壤含水率對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響［J］.中國(guó)水土保持，2025（2）：65-67，79.

收稿日期：2024-08-21

基金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（23JRRM0745）；慶陽(yáng)市青年科技基金項(xiàng)目（QY-STK-2023A-023）

第一作者：張寶琦（1994—），女，甘肅會(huì)寧人，工程師，碩士，主要從事土壤侵蝕研究。

E-mail： 18829489183@163.com

黃土高塬溝壑區(qū)作為我國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，其生態(tài)脆弱性和環(huán)境問題一直受到廣泛關(guān)注。近年來，氣候變化導(dǎo)致的極端降雨事件頻發(fā)，加劇了該區(qū)域的水土流失和地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，其中淺層滑坡的發(fā)生頻率顯著增加，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)，甚至直接威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全［1-2］。土壤含水率是影響淺層滑坡發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，它不僅決定土壤的物理力學(xué)性質(zhì)，還直接影響土壤的抗剪強(qiáng)度［3-4］。土壤抗剪強(qiáng)度與土壤含水率密切相關(guān)，當(dāng)土壤含水率增大時(shí)，土壤顆粒間的摩擦力和黏聚力減小，導(dǎo)致土壤抗剪強(qiáng)度下降，進(jìn)而降低了土壤抵抗降雨徑流剪切破壞的能力［5］，加速了土壤侵蝕過程，并誘發(fā)淺層滑坡。通過淺層滑坡調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分滑坡發(fā)生在地層深度30 cm左右，因此本研究以南小河溝小流域?yàn)槔?，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)，系統(tǒng)測(cè)定不同土壤含水率條件下淺層滑坡體土壤的抗剪強(qiáng)度，旨在深入探討土壤含水率變化對(duì)黃土高塬溝壑區(qū)土壤抗剪強(qiáng)度的影響機(jī)制。

1" 研究區(qū)概況

南小河溝小流域地處董志塬邊緣地帶，位于37°40′51″～35°44′55″N，107°30′03″～107°37′26″E，流域面積38.93 km2，海拔1 050～1 423 m。流域具有典型的黃土高塬溝壑區(qū)地貌特征，主要由塬、坡、溝三大地貌單元組成，其中塬面面積占56.9%、坡面面積占15.7%、溝谷面積占27.4%。流域共有支毛溝183條，溝壑密度2.68 km/km2，溝道平均比降2.8％。根據(jù)黃河水利委員會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站觀測(cè)資料，流域年均氣溫8.3 ℃，年內(nèi)溫差變化大，極端最高氣溫35.1 ℃，極端最低氣溫-22.6 ℃，最大凍土深82 cm；年均降水561.5 mm，年內(nèi)分配不均勻，其中7—9月降水占全年的56.3%，多年平均水面蒸發(fā)量1 503.5 mm。

2" 試驗(yàn)與方法

2.1" 樣品采集與加工

2024年6月，選取研究區(qū)淺層滑坡附近的草地坡面，挖取深度為30 cm的平行剖面，用環(huán)刀采集土壤樣品，共取60個(gè)土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室備用。依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019），將土樣浸泡在水中（保持水面高度不超過環(huán)刀下底面邊沿）6 h，使其達(dá)到飽和，然后以5個(gè)土樣為一組，將所有土樣分成12組。先取出1組飽和狀況下土樣，測(cè)試其中1個(gè)土樣的含水率，作為此組土樣的含水率；然后將其余11組土樣置于105～110 ℃恒溫的電熱烘箱中烘烤，每過0.5 h取出1組土樣，并依次測(cè)試其中1個(gè)土樣的含水率，作為該組土樣的含水率。每組土樣中余下的4個(gè)土樣將作為直剪試驗(yàn)樣品。12組土樣含水率測(cè)量結(jié)果見表1。

2.2" 直剪試驗(yàn)

將每組剩余的4個(gè)土樣放入ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀中，依次選用100、200、300、400 kPa垂直荷載進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切速度為0.8 mm/min。

當(dāng)試樣相對(duì)位移達(dá)到6 mm時(shí)，待測(cè)力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)即為土壤的抗剪強(qiáng)度。直剪試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.3" 數(shù)據(jù)處理與分析

采用WPS 2019對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與處理，以垂直荷載為橫坐標(biāo)、以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，采用Origin 2016對(duì)土壤不同含水率下垂直荷載、抗剪強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行線性函數(shù)擬合，并繪制相應(yīng)的關(guān)系直線，在縱坐標(biāo)的截距為土壤黏聚力，精度取0.01，土壤內(nèi)摩擦角由擬合直線斜率的反正切值推算求出，精度取0.01；之后以土壤含水率為橫坐標(biāo)、土壤黏聚力或內(nèi)摩擦角為縱坐標(biāo)，進(jìn)行函數(shù)擬合并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

3" 結(jié)果與分析

3.1" 土壤含水率對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

不同垂直荷載下土壤抗剪強(qiáng)度的變化情況見圖1。由圖1可知，在相同土壤含水率條件下，土壤抗剪強(qiáng)度隨著垂直荷載的增大呈線性增大。在相同垂直荷載下，隨著土壤含水率的增大，土壤抗剪強(qiáng)度整體上呈減小趨勢(shì)，只是在垂直荷載400 kPa、土壤含水率22.52%時(shí)，土壤抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)突變情況，其值最大，為200.01 kPa。在不同土壤含水率條件下，隨著垂直荷載的增大，土壤抗剪強(qiáng)度也不斷增大。當(dāng)土壤含水率從16.12%增大到32.94%時(shí)，土壤抗剪強(qiáng)度呈先快速增大后逐漸趨于穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為土壤含水率從16.12%增大到28.25%時(shí)，土壤抗剪強(qiáng)度在垂直荷載200～300 kPa時(shí)增長(zhǎng)速率最大，在垂直荷載300～400 kPa時(shí)增長(zhǎng)速率最小；當(dāng)土壤含水率從29.17%增大到32.94%時(shí)，土壤抗剪強(qiáng)度在垂直荷載100～200 kPa時(shí)增長(zhǎng)速率最大，在垂直荷載300～400 kPa時(shí)增長(zhǎng)速率最小。由此可見，隨著土壤含水率持續(xù)增大，相同垂直荷載下土壤抗剪強(qiáng)度反而不斷減小，表明土壤含水率對(duì)邊坡淺層土體的穩(wěn)定性具有重要影響。

3.2" 土壤含水率對(duì)土壤黏聚力的影響

土壤黏聚力又稱內(nèi)聚力，是指土壤顆粒間的結(jié)合力，它是土粒間締合強(qiáng)度的量度，可分為水膜黏結(jié)力和土粒黏結(jié)力兩種。本次試驗(yàn)土壤黏聚力與土壤含水率的關(guān)系見圖2。由圖2可知，當(dāng)土壤含水率從16.12%增大到32.94%時(shí)，土壤黏聚力整體上呈降低趨勢(shì)，從29.79 kPa降到18.34 kPa，降幅38.44%，這一結(jié)論與蔡國(guó)慶等［6］的研究結(jié)果一致。對(duì)土壤黏聚力與土壤含水率進(jìn)行函數(shù)擬合，得出兩者呈線性函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為y=35.74-0.52x（y為土壤黏聚力，x為土壤含水率），擬合度為0.83。由此可見，邊坡淺層土體黏聚力與土壤含水率有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著土壤含水率的增加，邊坡淺層土體的黏聚力下降明顯，邊坡穩(wěn)定性變差。

3.3 "土壤含水率對(duì)土壤內(nèi)摩擦角的影響

土壤內(nèi)摩擦角反映了土的摩擦特性，一般可分為兩部分，即土顆粒的表面摩擦力和顆粒間的咬合力，這兩部分作用力與土壤的顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形狀及密實(shí)程度有關(guān)［7］。本次試驗(yàn)土壤內(nèi)摩擦角與土壤含水率的關(guān)系見圖3。由圖3可知，土壤內(nèi)摩擦角隨著土壤含水率的增大整體上呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)土壤含水率從16.12%增大到32.94%時(shí)，土壤內(nèi)摩擦角從23.72°降低到19.34°，降幅達(dá)18.47%。將土壤內(nèi)摩擦角與土壤含水率進(jìn)行函數(shù)擬合，得出兩者呈線性函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為y=28.31-0.23x（y為土壤內(nèi)摩擦角，x為含水率），擬合度為0.58。由此可見，邊坡淺層土壤內(nèi)摩擦角與土壤含水率有較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著土壤含水率的增加，邊坡淺層土壤內(nèi)摩擦角緩慢下降，邊坡穩(wěn)定性變差。

4" 討論

土壤抗剪強(qiáng)度是衡量土體邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)［8］，主要由土粒間黏聚力和土粒間內(nèi)摩擦角共同作用，需服從摩爾-庫(kù)侖理論［9］。本次試驗(yàn)中土壤抗剪強(qiáng)度與垂直荷載呈線性相關(guān)，符合摩爾-庫(kù)侖理論，這一研究結(jié)果與王為等［10］的研究結(jié)論一致。土壤黏聚力不僅與庫(kù)侖力、范德華力、膠結(jié)作用力，以及由濃度差所引起的滲透壓力有關(guān)，還與水膜黏結(jié)力相關(guān)。目前土壤含水率對(duì)土壤黏聚力的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，隨著土壤含水率增大，土壤黏聚力呈先增加后減小的趨勢(shì)，如倪九派等［11］認(rèn)為當(dāng)土壤含水率為10%時(shí)，土壤黏聚力最大；另一方面，隨著土壤含水率增大，土壤黏聚力呈線性減小的趨勢(shì)，如黃聰［12］的研究證實(shí)了這一觀點(diǎn)。本次試驗(yàn)中，土壤黏聚力隨著土壤含水率的增大呈降低趨勢(shì)，主要原因是隨著土壤含水率增大，土粒周圍的水膜厚度也在逐漸增大，導(dǎo)致土壤顆粒間的黏聚力減小，土粒之間更易于滑動(dòng)，從而降低了土壤的抗剪強(qiáng)度。土壤含水率與黏聚力變化關(guān)系并未出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，這可能是試驗(yàn)中的土壤含水率范圍大于邊坡土層的最佳含水率，導(dǎo)致隨著土壤含水率持續(xù)增加，土壤黏聚力逐漸減?。?2］。

土壤內(nèi)摩擦角也是反映土壤抗剪強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。此次研究中，隨著土壤含水率的增加，內(nèi)摩擦角整體上呈減小趨勢(shì)，主要原因是水分對(duì)土壤中的膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生楔入作用，水合離子在土壤顆粒表面充當(dāng)潤(rùn)滑劑的作用，致使土壤內(nèi)摩擦角減?。?，13］；當(dāng)水分進(jìn)入土體后，會(huì)溶解土壤中一些起膠結(jié)作用的鹽分，同時(shí)對(duì)土壤中的某些膠結(jié)物質(zhì)起軟化作用［7］，這一過程會(huì)促使土壤顆粒被水膜包裹，加之膠結(jié)物的軟化，在顆粒接觸面形成有效的潤(rùn)滑劑，從而顯著降低土粒間的摩擦阻力。在這種情況下，一旦土壤遭受降雨等外部力量沖擊，原本緊密相連的土壤顆粒便易于滑動(dòng)，進(jìn)而觸發(fā)諸如山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

5" 結(jié)論

1）土壤含水率對(duì)邊坡淺層土體的穩(wěn)定性具有重要的影響。在相同土壤含水率下，隨著垂直荷載的增大，土壤的抗剪強(qiáng)度也不斷增大；但隨著土壤含水率持續(xù)增大，相同垂直荷載下土壤的抗剪強(qiáng)度反而不斷減小。

2）當(dāng)土壤含水率從16.12%增大到32.94%時(shí)，土壤黏聚力整體上呈線性降低的趨勢(shì)，從29.79 kPa降低到18.34 kPa，降低幅度達(dá)到38.44%。

3）隨著土壤含水率的增大，土壤內(nèi)摩擦角整體上呈線性降低趨勢(shì)，當(dāng)含水率從16.12%增大到32.94%時(shí)，土壤內(nèi)摩擦角從23.72°降低到19.34°，降幅為18.47%。

4）黃土高塬溝壑區(qū)土壤含水率的變化直接影響土體的穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度。土壤含水率的增加會(huì)降低土壤抗剪強(qiáng)度，同時(shí)土壤黏聚力、內(nèi)摩擦角也會(huì)降低，這可能會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，增加滑坡風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究土壤含水率對(duì)黃土高塬溝壑區(qū)土壤穩(wěn)定性的影響，對(duì)制定合理的土地利用策略和防治地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義。

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（責(zé)任編輯" 張緒蘭）