土壤含水率和干容重對不同植被類型邊坡土壤抗剪強度的影響

王 楠, 趙友朋, 郭曉平,2, 張金池, 劉勝龍,3

(1.南方現代林業協同創新中心 江蘇省水土保持與生態修復重點實驗室 南京林業大學林學院, 江蘇 南京 210037; 2.環境保護部南京環境科學研究所, 江蘇 南京 210042;3.浙江鳳陽山—百山祖國家級自然保護區鳳陽山管理處, 浙江 龍泉 323700)

邊坡是一種自然地質體，受到外因作用時，土壤內部某一面上的滑動力超過土壤抗滑動的能力，邊坡將失去穩定性[1]。邊坡失穩將導致滑坡、崩崗等災害，還可能帶來水土流失等環境問題[2]，嚴重威脅著人民的生命及財產安全。滑坡的發生和水的作用關系密切[3]。產生滑坡的機制是某一滑移面上剪應力超過了該面的抗剪強度所致，土壤的破壞過程實際上是土壤抗剪能力喪失的過程[4-5]。土壤抗剪強度由土粒間發生相對滑動而產生的摩擦力和顆粒間的膠結作用以及電子吸引微小顆粒所產生的黏聚力構成[6]。決定抗剪強度大小的主要內在因素是兩個抗剪強度指標為內摩擦角和黏聚力，因此研究土壤抗剪強度的大小即是研究內摩擦角和黏聚力的大小[7]。大量實踐和試驗[3,8-9]結果表明，土壤含水率和干容重與土壤的抗剪強度關系密切，其交互作用對土壤的穩定性存在不同程度的影響[10]，且在天然的情況下，受到降雨、蒸發、灌溉等因素的影響，土壤的含水率往往會發生較大的變化，一般情況下，土壤的抗剪強度和穩定性隨含水率的變化而變化[11-12]。研究地區主要土壤類型為黃棕壤，發育于亞熱帶常綠闊葉與落葉闊葉混交林，廣泛分布于我國亞熱帶南部地區，質地黏重，結構穩定性較低，具有明顯的發生層次，腐殖質層較厚，鐵鋁氧化物含量相對較高，且降雨豐富，增加了發生滑坡的機率。因此，探究土壤含水率和干容重對抗剪強度的作用，以期為加強土壤管理和利用提供一定的理論依據。陳紅星等[13]研究發現土壤黏聚力隨著土壤含水率的增加基本上呈先增大后減小之趨勢，土壤內摩擦角隨著土壤含水率的增加而線性減小。楊永紅等[14]研究發現，隨著含水量的增加，非飽和土的黏聚力和內摩擦角均減小，黏聚力有較大變化而內摩擦角變化較小。進行了控制含水率和干容重的直剪試驗之后發現，非飽和土的黏聚力和內摩擦角均隨含水率增加而線性減小，且黏聚力減小的幅度更明顯。而干容重對非飽和土的內摩擦角幾乎沒有影響，黏聚力隨干容重呈指數增加[15]。很多學者已經關注了含水率和干容重對抗剪強度參數的影響，但忽視了含水率和干容重的共同作用對邊坡土壤抗剪強度的影響過程，且對具體的影響規律尚無定論。因此，本文對鳳陽山自然保護區的三種典型植被類型邊坡土壤含水率和干容重對土壤抗剪強度參數黏聚力c和內摩擦角φ的影響進行研究，以期發現含水率和干容重共同作用下抗剪強度的變化規律，建立經驗公式，為土壤的可靠性分析和提高邊坡穩定性作科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于浙江省鳳陽山自然保護區，地處東經119°06′—119°15′，北緯27°46′—27°58′。鳳陽山保護區是浙江最大的自然保護區，管理范圍15 171.4 hm2，森林覆蓋率為90.8%。保護區為亞熱帶濕潤季風氣候，氣候特點是溫暖濕潤，雨量充沛。年均氣溫12.3 ℃，年降水量在2 000 mm以上。鳳陽山自然保護區的主要土壤類型為黃棕壤，顏色為黃棕色，土層已完整發育，人為干擾較少。保護區內植被類型豐富，主要包括針闊混交林、常綠闊葉林、竹林、茶園以及灌草林地等。天然分布的木本植物主要有：木荷(Schimasuperba)、杉木(CunninghamiaLanceolata)、短柄枹(Quercusglandulifera)、馬尾松(Pinusmassoniana)、柳杉(Cryptomeriafortunei)等。

1.2 樣品采集與理化性質的測定

2017年8月，在鳳陽山自然保護區內選擇常綠闊葉林、針闊混交林和灌草林地三種不同的植被類型的邊坡土壤，坡面植被覆蓋率相對較高。闊葉林為人工林，主要樹種是木荷和短柄枹；針闊混交林多為殘存的黃山松、杉木等，以及石楠(Photiniaserrulata)、柃木(Euryajaponica)、青岡等闊葉樹種；灌草林地主要是狗牙根(Cynodondactylon)、香附子(Cyperusrotundus)和茅草(Imperatacylindrica)等。每個植被類型選取3塊典型樣地(20 m×20 m)，每個樣地內沿對角線取2個點，去除表面的枯枝落葉層，隨機采取20—40 cm土壤30 kg帶回實驗室風干，混合每個植被類型的土壤樣品，用于抗剪強度的測定。再用環刀和鋁盒取各層的原狀土，盡快帶回實驗室測定土壤理化性質。土壤的含水率、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度采用環刀法測定[16]；將環刀內的土壤放至烘箱內烘干直至恒重，計算獲得其天然含水率。土壤顆粒(沙粒2～0.02 mm，粉粒0.02～0.002 mm，黏粒<0.002 mm)組成采用激光粒度分析儀進行測定；pH值采用電位法〔水土比2.5∶1，pH計(PHS-3D)測定〕。結果詳見表1。

表1 研究區樣地基本土壤理化性質

注：EBF代表常綠闊葉林; CBF代表針闊混交林; SGF代表灌草林地。下同。

1.3 試驗設計

將采集的土壤自然風干，按照《土工試驗規程SL237-1999》要求過2 mm篩，去除土中的根系和礫石等雜質，取足夠試驗用的土樣，充分拌勻，測定風干土含水率，裝入自封袋保濕備用。試驗設計75個處理，涉及3種植被類型，含水率根據實際情況處理為5個水平(25%，27%，29%，31%，33%)，干容重處理為5個水平(0.8，0.9，1.0，1.1，1.2 g/cm3)。稱取過篩的土壤平鋪于搪瓷盤內，按公式(1)計算需水量(去離子水)，然后均勻的噴灑在土樣上，攪拌均勻后裝入密封的容器內潤濕24 h備用。制樣前選取代表性的土樣20～30 g，用烘箱測定配制土樣的實際含水率，分別為25.2%，26.9%，29.1%，30.8%和33.3%，與原設計含水率基本接近。

根據試驗所需的土量和含水率，計算制備試樣所需的加水量，計算公式為：

(1)

式中：mω——土樣所需加水量(g)；m——風干含水率時的土樣質量(g)；ω0——風干含水率(%)，ω′——土樣所要求的含水率(%)。

根據環刀體積和設計的干容重，單個試件所需濕土質量的計算公式為：

m=(1+0.01ω0)ρdV

(2)

式中：ρd——試樣的干容重(g/cm3)；V——試樣容積(環刀體積)(cm3)。

1.4 土壤抗剪強度的測定和計算

土壤抗剪強度利用ZJ-2型等應變直剪儀(南京土壤儀器廠)進行測定，進行不固結不排水的快剪試驗。剪切時分別施加100，200，300，400 kPa的垂直壓力，以10 s/rin(每1 min為6轉)的速度勻速轉動手輪，直至試樣剪損。

試樣所得的剪應力按下式計算：

τ=C·R

(3)

式中：τ——剪應力(kpa)；C——測力計率定系數(kPa/0.01 mm)，本試驗中的測力計率定系數為1.825 kPa/0.01 mm；R——測力計度數，單位0.01 mm。

根據所得的不用壓力下的剪應力，依據庫侖公式(4)，計算出每組試樣的黏聚力c(kPa)和內摩擦角φ(°)。

τ=c+tanφ

(4)

1.5 數據處理和統計分析

采用SPSS 20.0軟件對含水率、干容重和抗剪強度參數進行相關性分析，Excel 2016進行黏聚力隨干容重變化規律的方程擬合，進行統計分析，建立預測模型，Excel 2016，Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 干容重和含水率對不同植被類型土壤抗剪強度參數的影響

從圖1—3可以看出，3種植被類型的土壤黏聚力(c)表現出明顯一致的變化趨勢，均隨含水率的增加而減小，隨干容重的增加而增加。灌草林地和常綠闊葉林在含水率為25%，27%時黏聚力(c)隨干容重的增加，增大的幅度較大，針闊混交林在含水率從25%到29%時黏聚力(c)隨干容重的增加，增幅較大。而干容重在1.1，1.2 g/cm3時，土壤黏聚力(c)隨含水率的增加，減小趨勢明顯。3種植被類型土壤黏聚力(c)的最大值均出現在含水率為25%，干容重為1.2 g/cm3的時候。從圖1—3可以看出，內摩擦角(φ)對含水率和干容重的響應效果不明顯。3種植被類型土壤內摩擦角(φ)隨含水率的變化總是集中在一個范圍內離散波動。當壓實程度相同時，內摩擦角(φ)隨著含水率的增加基本表現出非線性減小的特征。但并不是所有的植被類型都表現出相同的規律，常綠闊葉林的土壤內摩擦角(φ)隨含水率的增加表現出先增加后減小的趨勢，且在含水率為29%時出現了較明顯的峰值，這表明相對于黏聚力而言，含水率對內摩擦角(φ)的影響可能存在一個最優含水率。而當含水率相同時，內摩擦角(φ)隨著干容重的增加呈現一定程度的增加〔高干容重下的內摩擦角(φ)的值明顯較大〕。

圖1 灌草林地土壤在不同含水率ω0和干容重ρd下的土壤黏聚力和內摩擦角

圖2 常綠闊葉林土壤在不同含水率ω0和干容重ρd下的土壤黏聚力和內摩擦角

圖3 針闊混交林土壤在不同含水率ω0和干容重ρd下的土壤黏聚力和內摩擦角

表2說明了植被類型、含水率mc(%)和干容重ρd(g·cm-3)對tanφ、內摩擦角φ(°)和黏聚力c(kPa)的影響。從表中可以看出，植被類型對內摩擦角(φ)和黏聚力(c)影響不顯著。含水率(mc)與土壤黏聚力c之間是顯著的負相關關系，干容重和tanφ、內摩擦角(φ)和黏聚力(c)之間呈現顯著的正相關關系，而tanφ、內摩擦角(φ)和黏聚力(c)顯著負相關。各個相關關系均達到極顯著水平。

表2 各變量之間的相關系數矩陣

注：*代表在p<0.05水平存在顯著性差異，**代表在p<0.01水平存在極顯著性差異。

2.2 不同植被類型土壤黏聚力隨含水率和干容重的變化規律

不同含水率條件下，不同植被類型土地黏聚力(c)隨干容重的變化規律，通過回歸方程擬合，可以采用指數方程進行擬合，且方程擬合程度較高，ρd-lnc呈線性相關關系。

不同含水率下擬合的相關系數詳見表3。灌草林地的相關系數在0.971～0.991之間。常綠闊葉林的相關系數在0.965～0.987之間。針闊混交林的相關系數在0.953～0.997之間。

表3 不同植被類型不同含水率下土壤抗剪強度指標隨干容重變化的規律

由表3可以看出，灌草林地、常綠闊葉林和針闊混交林ρd-lnc的擬合方程常數項和一次項系數之間的比值總體差別不大，在4.50～6.92之間。這里以灌草林地土壤為例進行說明。

對于灌草林地土壤，擬合方程為：

ω=25×(1±1%)， lnc=0.534+2.850 2ρd

ω=27×(1±1%)， lnc=0.504+2.775 8ρd

ω=29×(1±1%)， lnc=0.472+2.633 5ρd

ω=31×(1±%)， lnc=0.439+2.471 3ρd

ω=33×(1±%)， lnc=0.419+2.274 2ρd

上述方程中，把含水率ω=25×(1±1%)的常數項和一次項作為基準值，含水率ω=27×(1±1%)時的常數項和一次項分別與各自基準值的比值為0.943和0.974，兩者相差3.2%，兩個方程大致符合線性相關關系；而含水率ω=29×(1±1%)時的常數項和一次項分別與各自基準值的比值為0.883和0.924，兩者相差4.4%，含水率ω=31×(1±1%)時的常數項和一次項分別與各自基準值的比值為0.822和0.867，兩者相差5.2%，含水率ω=33×(1±1%)時的常數項和一次項分別與各自基準值的比值為0.785和0.798，兩者相差1.6%，方程也大致符合線性相關關系。因此，考慮含水率ω對lnc的線性影響系數為β，有：

ω=25×(1±1%)，β=1

ω=27×(1±1%)，β=(0.943+0.974)/2=0.958

ω=29×(1±1%)，β=(0.883+0.924)/2=0.903

ω=31×(1±1%)，β=(0.822+0.867)/2=0.844

ω=33×(1±1%)，β=(0.785+0.798)/2=0.792

經擬合，可得β=-0.026 5ω+1.669 3(R2=0.997)，再把含水率ω的線性影響代入公式，最后的形式為：

lnc=(0.534+2.850 2ρd)(-0.026 5ω+1.669 3)

根據上述的分析方法，也可得到常綠闊葉林和針闊混交林的預測公式。考慮含水率的變化對土壤黏聚力的影響，最后的結果詳見表4。為驗證公式的有效性，另外進行試驗，進行實測數據和預測數據的對比，結果表明實測數據與預測數據間的誤差較小，可滿足工程精度要求(表5)。

表4 不同植被類型土壤黏聚力隨干容重與含水率的變化關系

表5 經驗公式lnc=(A+Bρd)(Cω+D)預測結果分析

3 討 論

(1) 水分是影響土壤抗剪強度的最主要因素之一[17-18]，黏聚力主要是由于土壤間的細粒連接形成，影響土壤的穩定性。研究發現，含水率對黏聚力作用比較明顯，而對內摩擦角的影響相對微弱。這和黃琨等[11]研究結果一致。隨著含水率的增加，土壤黏聚力減小，邊加敏等[19]也有同樣的結論，但是土壤內摩擦角對應的減小，卻和本文得出的結論有偏差，本研究發現，隨著含水率的增加，3種植被類型的內摩擦角變化規律是不同的，灌草林地和針闊混交林的土壤內摩擦角隨著含水率的增加相應的減小，而常綠闊葉林卻呈現先增大再減小的趨勢。這可能和植被類型以及土壤的理化性質有關，不同類型的土壤，內摩擦角主要與土壤的顆粒大小、結構及密實度等緊密相關[20-21]。土壤的粒徑級配在一定程度上影響了其的內部結構[22]，對內摩擦角影響顯著[23]。土壤黏聚力隨著土壤含水率的變化而變化，它是由基質吸力或負孔隙水壓力產生[24]。隨著土壤含水率的增大，基質吸力減小，空隙水壓力增大，水和土粒之間的水膜增厚，水膜對土粒的吸力減小，土壤顆粒間的聯結力變小，黏聚效果變低，土的抗剪強度降低，黏聚力為土壤抗剪強度的主控因素。而含水率的增加，同時使得土壤中游離的鐵鋁氧化物的膠結作用逐漸降低，破壞了土壤的膠結物質，使得抗剪強度降低[25-26]。隨著含水率的增加，水在顆粒之間發揮潤滑作用，使得摩擦角逐漸減小，從而呈現內摩擦角波動變化但整體下降的趨勢[27]，但是本文含水率對內摩擦角的影響不顯著，這和王麗等的結論一致[28]，含水率對黏聚力的影響遠大于其對內摩擦角的影響。

(2) 土壤干容重反映了土粒間的壓實程度，本文研究表明，隨著干容重的增加，土壤黏聚力和內摩擦角都呈現顯著增加的趨勢，黏聚力的規律性更加明顯。這和張奎等[29]得到的結論一致。土壤的干容重越大，土粒間的空隙越小，接觸點越多，結合的越緊密，從而黏聚力增大。一般情況下，含水率一定時越密實的土，其內摩擦角越大。土壤越密實，顆粒擠得越來越緊密，整體結構性越好(顆粒間的約束作用越強)，在剪切過程中顆粒間的摩擦力逐漸增大，故內摩擦角增大[30]。

(3) 本文通過擬合干容重和黏聚力，發現黏聚力的對數與干容重呈正相關。這與申春妮等[15]研究結果相同，證明黏聚力隨干容重呈指數增加。在研究抗剪強度的影響因素時，應綜合考慮各因子的共同作用。本文綜合考慮了含水率和干容重對抗剪強度指標黏聚力(c)的共同影響，發現黏聚力的對數與含水率呈線性負相關，這與許旭堂等[31]研究結果一致。通過研究含水率和干容重的交互作用，能夠更好的表征黏聚力的變化規律，為預測抗剪強度強弱和土壤穩定性提供依據。

(4) 影響土壤抗剪強度的因素錯綜復雜，本文僅解釋了土壤含水率和干容重的影響效應，要進一步解釋抗剪強度的受影響機制，尚需結合土壤酸堿度、機械組成等其他因子的作用[32-33]，從而豐富邊坡土壤抗剪強度的影響機理，為提高邊坡穩定性作科學參考。

4 結 論

(1) 土壤黏聚力(c)和干容重顯著正相關，和含水率顯著負相關，內摩擦角(φ)和干容重顯著正相關。

(2) 土壤黏聚力隨含水率的增加而減小，隨干容重的增加而增加，規律明顯；隨著干容重的增加，內摩擦角有明顯增加的趨勢，相對于黏聚力，內摩擦角受含水率的影響較小，隨含水率的增大，在灌草林地和針闊混交林表現出非線性減小的特征，在常綠闊葉林呈現先增大后減小的趨勢，考慮出現最優含水率。

(3) 在同一含水率下，干容重對3類土壤黏聚力具有增強作用，ρd-lnc呈線性正相關，本文考慮干容重和含水率對土壤抗剪強度的共同作用，建立經驗公式，為邊坡穩定性預測和邊坡整治提供參考。