郭文召, 劉亞坤, 徐向舟, 唐小微, 李 濤, 劉楨義, 宋國(guó)棟

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024)

水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)地處黃土高原北部，是黃土高原水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)，也是黃河中下游河道粗泥沙的主要來(lái)源區(qū)。該區(qū)處于第四紀(jì)抬升中心，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，滑坡、崩塌等重力侵蝕發(fā)生頻繁，為汛期溝道泥沙輸移提供了大量的物質(zhì)來(lái)源[1]。六道溝小流域位于該交錯(cuò)區(qū)的強(qiáng)烈侵蝕中心，水蝕、風(fēng)蝕、重力侵蝕全年交替疊加進(jìn)行[2]。3種侵蝕營(yíng)力交互作用，一方面互相提供了侵蝕的物質(zhì)源，另一方面加重了土壤侵蝕的強(qiáng)度，然而3種侵蝕營(yíng)力交互作用下的黃土的力學(xué)性質(zhì)尚不明確。此外，土壤的巖土力學(xué)性質(zhì)與土壤侵蝕密不可分[3]，是控制重力侵蝕的內(nèi)在因素?？辜魪?qiáng)度是表征土壤力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)主要指標(biāo)，其大小直接反映了土壤在外力作用下發(fā)生剪切變形破壞的難易程度。而土壤含水量和干密度是影響土壤抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)重要因素。因此，研究該地區(qū)黃土抗剪強(qiáng)度的水敏感性特征以及干密度對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)研究水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)的重力侵蝕災(zāi)害發(fā)育規(guī)律、發(fā)生機(jī)理，減輕該地區(qū)水土流失和保護(hù)區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境等方面具有重要意義。

粘聚力和內(nèi)摩擦角是土的2個(gè)重要抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，主要受土體的種類、含水量[4]和干密度[5]等因素影響。黨進(jìn)謙等[6]通過(guò)分析非飽和黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水量增大時(shí)，其抗剪強(qiáng)度迅速降低，并得到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與初始含水量之間的冪函數(shù)關(guān)系式。Zhong等[7]通過(guò)研究含水量對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)非飽和黃土的抗剪強(qiáng)度比飽和黃土的抗剪強(qiáng)度大。上述研究主要考慮含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，尚未涉及其他影響因素。張文毅等[8]通過(guò)直剪快剪試驗(yàn)分析了重塑黃土在不同含水量和干密度下的抗剪強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)含水量與干密度是影響重塑超固結(jié)黃土抗剪強(qiáng)度的重要因素。褚峰等[9]通過(guò)分析天然干密度和豎向應(yīng)力對(duì)原狀非飽和黃土土水特征的影響，研究得知同一含水量下、原狀非飽和黃土的吸力隨著天然干密度的增大而增大。但研究中并沒(méi)有定量分析含水量和干密度對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響程度，也沒(méi)有分析出含水量和干密度這兩個(gè)因素哪個(gè)因素對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響程度更大。而且，已有研究多是針對(duì)黃土高原南部水蝕地區(qū)的黃土進(jìn)行的研究，對(duì)水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)的黃土的研究則較少。

鑒此，本文以黃土高原六道溝小流域的黃土為例，利用直剪快剪試驗(yàn)研究干密度和含水量對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度及其相關(guān)參數(shù)(粘聚力和內(nèi)摩擦角)的影響。把該區(qū)黃土的抗剪強(qiáng)度與黃土高原南部水蝕地區(qū)的黃土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行比較，分析它們的差異性。然后采用基于變量增長(zhǎng)率的敏感性分析方法，定量分析土壤抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量和干密度的敏感程度，并且對(duì)影響因素的重要性進(jìn)行定量分析和比較，進(jìn)一步探討含水量和干密度這兩個(gè)因素哪個(gè)因素對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響程度更大。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木縣六道溝小流域(38°46′—38°51′N，110°21′—110°23′E)。六道溝小流域是典型的半干旱區(qū)，地處毛烏素沙漠邊緣，水蝕、風(fēng)蝕、重力侵蝕全年交替疊加進(jìn)行，屬于黃土高原強(qiáng)烈侵蝕中心[2]。該流域面積6.9 km2，集中了黃土高原水蝕風(fēng)蝕帶、農(nóng)牧過(guò)渡帶、黃土沙地過(guò)渡帶，“三帶”特色極為明顯。千溝萬(wàn)壑的地形、植被稀疏以及黃土的易碎特性導(dǎo)致崩塌、滑坡、泥流等重力侵蝕十分頻繁[10-12]。多年平均降雨量437.4 mm，其中6—9月降水量占全年降水量的77%[13]。該地區(qū)降雨強(qiáng)度大，歷時(shí)短，多以大雨或暴雨的形式發(fā)生，加之重力侵蝕和風(fēng)蝕為水蝕提供了大量的松散泥沙，流域內(nèi)土壤侵蝕嚴(yán)重，產(chǎn)沙量高。

2　材料與方法

試驗(yàn)用土取自六道溝小流域某陡峭的黃土溝坡，取土深度為20～30 cm。該黃土陡坡面土壤侵蝕的一個(gè)重要特點(diǎn)是水蝕與風(fēng)蝕強(qiáng)烈的交互作用，在同一空間同時(shí)出現(xiàn)或在一年內(nèi)交替出現(xiàn)水蝕、風(fēng)蝕及重力侵蝕過(guò)程。為保證土樣的均一性，取樣時(shí)遵循同一時(shí)間，同一深度的原則。隨機(jī)選取22個(gè)不同位置的樣點(diǎn)，用環(huán)刀取其土樣。然后用環(huán)刀法來(lái)測(cè)量溝坡黃土的干密度(樣品數(shù)為22個(gè))，用烘干法來(lái)測(cè)量黃土的質(zhì)量含水量(樣品數(shù)為8個(gè))，用篩分法和沉降法相結(jié)合的方法來(lái)確定土壤粒徑的分布(樣品數(shù)為2個(gè))。黃土基本理化性質(zhì)結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)黃土中值粒徑為0.11 mm，其中粒徑大于0.05 mm的砂粒占68.4%。

表1　試驗(yàn)黃土物理性質(zhì)

試驗(yàn)土壤的含水量控制方法如下。首先，將土樣用橡皮錘碾散，并過(guò)2 mm孔徑的篩，并用烘干法測(cè)量土樣的初始含水量ω0。根據(jù)以下公式計(jì)算制樣所需的土量和加水量，用精度為0.001 g的電子天平測(cè)量黃土和純凈水的質(zhì)量，然后將黃土和純凈水均勻攪拌后裝入容器內(nèi)密封，潤(rùn)濕24 h，從而配制不同含水量ω的土樣。制樣所需的土量m0按下式計(jì)算：

m0=(1+0.01ω0)ρV

(1)

式中：ω0為土樣初始含水量13.3%；ρ為土樣干密度；V為環(huán)刀容積。制樣所需的加水量mω按下式計(jì)算：

(2)

式中：m0為制樣所需的土量；ω為制樣要求的含水量。

采用已知含水量的土壤配置一定干密度的土樣。根據(jù)設(shè)計(jì)的干密度和所用環(huán)刀的容積，計(jì)算某一干密度對(duì)應(yīng)的土壤質(zhì)量。將一定質(zhì)量的土樣倒入裝有環(huán)刀的壓樣器內(nèi)，用專門(mén)的加載設(shè)備把土樣在壓樣器中壓實(shí)，從而得到所需干密度為ρ的試樣。最后，對(duì)于飽和試樣，本文采用抽氣飽和法進(jìn)行飽和，將裝有試樣的飽和器放入真空鍋內(nèi)并靜置10 h以上，使試樣充分飽和。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行兩種方案的試驗(yàn)：(1)控制含水量為20%，研究干密度變化(1.45，1.55，1.65，1.75 g/cm3)對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響；(2)控制干密度為1.45 g/cm3，研究含水量變化(13.3%，16.0%，18.0%，20.0%，22.0%，24.0%，26.0%及飽和含水量)對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響。本文測(cè)得飽和含水量為31.8%。在不同的垂直壓力(50，100，200，300 kPa)下，采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)，剪切時(shí)間3～4 min。所用環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高度為20 mm。按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[14]選取剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線上的峰值點(diǎn)或穩(wěn)定值作為抗剪強(qiáng)度，如無(wú)明顯峰值點(diǎn)則取剪切位移等于4 mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度。

采用基于變量增長(zhǎng)率的敏感性分析方法來(lái)評(píng)價(jià)抗剪強(qiáng)度對(duì)干密度和含水量變化的敏感性[15]：

(3)

式中：xi為影響因素初始值；xi+1為變化后的影響因素值；yi，yi+1分別為與xi，xi+1對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度值?？辜魪?qiáng)度對(duì)于某影響因素的敏感系數(shù)S為抗剪強(qiáng)度的增量與某影響因素的增量的比值，是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)值。此公式適用于對(duì)不同量綱數(shù)值(不同單位)影響因素敏感性的比較。

3　結(jié)果與分析

3.1　干密度和含水量對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響分析

不同垂直壓力下黃土的抗剪強(qiáng)度隨干密度的變化規(guī)律見(jiàn)圖1。在相同的垂直壓力下，黃土的干密度越大，抗剪強(qiáng)度越大(圖1A)。當(dāng)垂直壓力較低(50 kPa，100 kPa)時(shí)，曲線比較平緩；垂直壓力較高(200 kPa，300 kPa)時(shí)，曲線比較陡，說(shuō)明高垂直壓力時(shí)抗剪強(qiáng)度對(duì)干密度的變化比低垂直壓力時(shí)抗剪強(qiáng)度對(duì)干密度的變化更敏感。粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨土壤干密度的增加而增加，且粘聚力的增加幅度更明顯，見(jiàn)圖1B、C所示。當(dāng)干密度從1.45 g/cm3增加到1.75 g/cm3時(shí)，粘聚力從19.0 kPa增加到36.7 kPa，增加了93.2%，而此時(shí)內(nèi)摩擦角從21.1°增加到28.8°，僅增加了36.5%。

抗剪強(qiáng)度隨含水量的變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖2，含水量ω對(duì)抗剪強(qiáng)度τ的減小作用主要體現(xiàn)在：粘聚力c呈指數(shù)函數(shù)減小，而對(duì)內(nèi)摩擦角φ影響很小。由圖2A可知，粘聚力隨含水量的增大而減小，曲線呈現(xiàn)出一階指數(shù)衰減關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.95。含水量對(duì)粘聚力的消減作用是十分明顯的。黃土含水量從13.3%增加到31.8%時(shí)，粘聚力從24.9 kPa減小到6.1 kPa，下降77.5%，但內(nèi)摩擦角隨含水量的增大只有微小的變化，可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)(均值21.1°，見(jiàn)圖2B)。因此含水量對(duì)粘聚力的消減作用比對(duì)內(nèi)摩擦角的消減作用大。隨含水量的增加，黃土的抗剪強(qiáng)度逐漸下降(見(jiàn)圖2C)。在低含水量范圍內(nèi)，抗剪強(qiáng)度的變化速度比在高含水量范圍內(nèi)時(shí)的變化速度快?；谡尘哿隨含水量ω的變化關(guān)系進(jìn)行回歸分析獲得的回歸方程可表達(dá)為：

c(ω)=62.06e-0.07ω

(4)

圖1　黃土抗剪強(qiáng)度及參數(shù)隨干密度的變化

3.2　粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)含水量和干密度的敏感性

利用變量增長(zhǎng)率的敏感性分析方法來(lái)評(píng)價(jià)粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)含水量和干密度的敏感程度，其敏感性分析結(jié)果見(jiàn)表2和表3。從表中可知，粘聚力對(duì)干密度和含水量的敏感系數(shù)均值分別為4.18和-0.74，內(nèi)摩擦角對(duì)干密度和含水量的敏感系數(shù)均值分別為2.20和-0.04。抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)干密度的敏感性呈正相關(guān)性，而對(duì)含水量的敏感性呈負(fù)相關(guān)性。粘聚力對(duì)干密度的敏感系數(shù)大于粘聚力對(duì)含水量的敏感系數(shù)，前者基本是后者的5.6倍；內(nèi)摩擦角對(duì)干密度的敏感系數(shù)大于其對(duì)含水量的敏感系數(shù)，前者基本是后者的55倍。也就是說(shuō)，與干密度因素相比，含水量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響很小，可以忽略不計(jì)，這與本文3.1節(jié)得出的結(jié)論一致。另一方面，干密度對(duì)粘聚力的影響大于其對(duì)內(nèi)摩擦角的影響，前者的影響基本是后者的2倍；同樣的，含水量對(duì)粘聚力的影響也大于其對(duì)內(nèi)摩擦角的影響，前者的影響是后者的18.5倍。

圖2　黃土抗剪強(qiáng)度及參數(shù)隨含水量的變化

干密度ρ/(g·cm-3)粘聚力c/(kPa)敏感系數(shù)S干密度ρ/(g·cm-3)內(nèi)摩擦角φ/°敏感系數(shù)S1.4519.0—1.4521.1—1.5525.75.091.5524.42.251.6526.92.981.6528.62.571.7536.74.481.7528.81.77

綜上，干密度和含水量的變化都會(huì)對(duì)粘聚力產(chǎn)生顯著的影響。干密度的變化對(duì)內(nèi)摩擦角產(chǎn)生一定影響，而含水量變化對(duì)內(nèi)摩擦角的影響很小。干密度是通過(guò)影響粘聚力和內(nèi)摩擦角來(lái)影響抗剪強(qiáng)度，而含水量?jī)H僅通過(guò)影響粘聚力來(lái)影響抗剪強(qiáng)度。

表3　抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)含水量的敏感性分析

3.3　抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量和干密度的敏感性

干密度和含水量都是影響土壤抗剪強(qiáng)度的重要因素。為了研究干密度和含水量等因素對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響程度，現(xiàn)對(duì)這些因素進(jìn)行敏感性分析。結(jié)果見(jiàn)圖3A和圖3B所示?？辜魪?qiáng)度對(duì)干密度的敏感系數(shù)為2.76～3.35，抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量的敏感系數(shù)為-0.43～-0.16?？傮w來(lái)說(shuō)，抗剪強(qiáng)度對(duì)干密度的敏感性均大于抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量的敏感性，前者的敏感性基本是后者的10倍。另一方面，抗剪強(qiáng)度對(duì)干密度和含水量的敏感系數(shù)絕對(duì)值都隨垂直壓力的增大而減小。

圖3　敏感系數(shù)Sρ與垂直壓力σ關(guān)系曲線

4　討 論

含水量在22%～26%范圍時(shí)，本研究通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)獲得的重塑黃土的粘聚力范圍與肖培青等[16]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究得出的原狀黃土的粘聚力基本一致，其試驗(yàn)區(qū)亦為六道溝小流域，但我們的重塑黃土的內(nèi)摩擦角比肖培青等[16]得出的原狀黃土的內(nèi)摩擦角值略偏小。這是因?yàn)橹厮茳S土由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遭到破壞，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角的偏小。此外，通過(guò)對(duì)本文中六道溝黃土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[6]中黃土高原南部水蝕地區(qū)楊凌的黃土抗剪強(qiáng)度的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：兩者摩擦角基本一致，但前者(六道溝黃土)的粘聚力明顯比后者(楊凌的黃土)偏小，平均只有后者的48%。本文試驗(yàn)方法與文獻(xiàn)[6]的試驗(yàn)方法一樣，都為重塑黃土的直剪快剪試驗(yàn)，土樣的含水量和干密度的條件也相似?？梢詮囊韵?個(gè)方面來(lái)解釋粘聚力的差異：(1) 六道溝的黃土和楊凌的黃土粒徑組成不同。六道溝的黃土主要以粒徑大于0.05 mm的砂粒為主，粉粒和黏粒很少。楊凌的黃土以粉粒為主，粗顆粒含量較少。(2) 兩者的膠結(jié)類型不同。六道溝黃土的膠結(jié)物呈薄膜狀，膠結(jié)類型為接觸式；楊凌的黃土呈現(xiàn)團(tuán)聚狀的膠結(jié)物，膠結(jié)類型為基底式[17]。

含水量的變化對(duì)粘聚力產(chǎn)生較大的影響，尤其當(dāng)土壤的含水量較小時(shí)(13.3%～16.0%)，粘聚力對(duì)含水量的敏感系數(shù)絕對(duì)值較大(S=-1.17)(見(jiàn)表3)。此時(shí)，粘聚力對(duì)含水量的敏感系數(shù)和粘聚力對(duì)干密度的敏感系數(shù)還處于同一數(shù)量級(jí)。當(dāng)含水量超過(guò)一定值時(shí)，含水量的變化仍然對(duì)土壤的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，但抗剪強(qiáng)度和粘聚力對(duì)高含水量的變化不再敏感。這是抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量的敏感系數(shù)偏小的一個(gè)原因。由于黃土中黏土礦物和有機(jī)質(zhì)為非水穩(wěn)性膠結(jié)物質(zhì)，僅在干燥狀態(tài)具有較弱的膠結(jié)作用[18]，在較高含水狀態(tài)下時(shí)，黃土中的易溶鹽溶解，土體結(jié)構(gòu)破壞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本消失。王中文等[19]和Adekalu等[20]的研究也認(rèn)為土壤處于低含水量時(shí)，若含水量增大，則抗剪強(qiáng)度和粘聚力急劇減小，但當(dāng)土壤處于高含水量時(shí)，抗剪強(qiáng)度和粘聚力的波動(dòng)不明顯。這與本文得出的結(jié)論相吻合。

含水量變化對(duì)內(nèi)摩擦角的消減作用甚微(圖2B和表3)，這是導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量的敏感系數(shù)偏小的另一個(gè)原因。由于黃土的內(nèi)摩擦角主要取決于土的礦物成分，在干密度不變時(shí)，內(nèi)摩擦角隨含水量發(fā)生變化的范圍較小，一般不超過(guò)±2°[6]。此外，從表2，3可看出干密度對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角都產(chǎn)生顯著的影響，且其影響程度均比含水量的大。粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)干密度的敏感系數(shù)分別是它們對(duì)含水量的敏感系數(shù)的5.6倍和55倍，同時(shí)抗剪強(qiáng)度對(duì)干密度的敏感性大于其對(duì)含水量的敏感性。王林浩等[21]發(fā)現(xiàn)粘聚力和內(nèi)摩擦角隨干密度變化的趨勢(shì)線比粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量變化的趨勢(shì)線陡。這進(jìn)一步證明了上述結(jié)果的合理性。筆者在六道溝小流域的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[22]中也發(fā)現(xiàn)，在同一場(chǎng)暴雨后，在同一溝坡的不同位置，雖然含水量、坡度、坡高等條件差別不大，但是如果某部位土壤越密實(shí)(對(duì)應(yīng)的干密度大)，則該部位重力侵蝕量越小。這也說(shuō)明了干密度對(duì)抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。

以上是導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度對(duì)干密度的敏感系數(shù)大于抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量的敏感系數(shù)的原因。本研究嘗試使用了增長(zhǎng)率分析法這一新方法來(lái)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度影響因素的敏感性分析。這種方法使我們能更深入的理解土體的抗剪強(qiáng)度機(jī)理，幫助我們識(shí)別出抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量和干密度等因素的敏感性。此外土壤的抗剪強(qiáng)度是控制重力侵蝕的內(nèi)在因素。因此本文研究結(jié)果可為黃土溝坡重力侵蝕的力學(xué)機(jī)理和水土保持其他領(lǐng)域研究提供參考依據(jù)。

5　結(jié) 論

(1) 干密度是通過(guò)影響粘聚力和內(nèi)摩擦角來(lái)影響抗剪強(qiáng)度，而含水量主要是通過(guò)影響粘聚力來(lái)影響抗剪強(qiáng)度。含水量對(duì)粘聚力的影響呈指數(shù)函數(shù)減小，而對(duì)內(nèi)摩擦角影響很小(均值為21.1°)。

(2) 干密度對(duì)粘聚力的影響大于其對(duì)內(nèi)摩擦角的影響，前者的影響基本是后者的2倍；含水量對(duì)粘聚力的影響也大于其對(duì)內(nèi)摩擦角的影響，前者的影響是后者的18.5倍。粘聚力對(duì)干密度和含水量的敏感系數(shù)均值分別為4.18和-0.74，內(nèi)摩擦角對(duì)干密度和含水量的敏感系數(shù)均值分別為2.20和-0.04。

(3) 黃土抗剪強(qiáng)度對(duì)干密度的敏感性大于抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量的敏感性，前者的敏感性基本是后者的10倍。原因是含水量對(duì)內(nèi)摩擦角的消減作用不明顯及抗剪強(qiáng)度對(duì)高含水量的變化不敏感等。抗剪強(qiáng)度對(duì)干密度的敏感系數(shù)為2.76～3.35，抗剪強(qiáng)度對(duì)含水量的敏感系數(shù)為-0.43～-0.16?？辜魪?qiáng)度對(duì)干密度和含水量的敏感系數(shù)絕對(duì)值都隨垂直壓力的增大而減小。

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