土壤液限和抗剪强度特征值及其影响因素研究基于紫色土区Word文档格式.docx

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0引言

紫色土作为一种发育时间短的岩性土[1-2]，其母质特性独特，特别是广泛出露的紫色泥页岩极易风化崩解破碎，土壤力学性质复杂，土壤侵蚀严重，对紫色土区水土保持和农田基本建设产生了极大的影响。

因此，在长江上游紫色土区开展其土壤工程学性质的研究显得十分重要。

土壤的液塑限及抗剪强度是土壤力学性质的直观反映，与土壤的侵蚀强度、滑坡以及地基的承载力密切相关[3]。

一般认为，土壤中有机质和粘粒的含量对土壤力学性质有着重要的影响。

国内外较多的研究集中在高含量有机质，以及滑坡、泥石流等特殊现象中土壤力学性质的研究，而对低有机质等一般耕作土壤的力学性质研究相对较少。

HoltzandKrizek[4]认为，低有机质土壤的干密度随着有机质含量的增大而减小，而最佳含水量却随着有机质含量增加而增大。

此外，一些学者认为由于粘粒其具有较大比表面积，致使土壤颗粒表面的物理化学作用十分强烈，对土壤流变参数、流变特性、整体强度等都具有直接的影响[5]。

土壤的抗剪强度是表征土壤力学性质的另一个重要指标，其大小直接反映了土体在外力作用下发生剪切变形破坏的难易程度。

土壤抗剪强度是土壤抗性的量度指标，其对地基承载力和边坡稳定性也有着重要的影响。

土壤抗剪强度大，则在降雨径流冲刷力的作用下，土壤抵抗径流的剪切破坏能力也就增加，从而可以减缓土壤侵蚀及滑坡的发生。

国内学者开展了土壤含水率、碱度以及土壤结构对土壤抗剪强度的影响研究，但该类研究主要集中在干旱区和盐碱土区[6-8]。

基于此，国内外学者开展了较多关于土壤液限及抗剪强度性质的研究，但主要集中在高有机质土和特殊条件作用下土壤力学性质的研究，而针对紫色土等低含量有机质土壤液限值及抗剪强度研究相对较少。

本文通过液塑限联合测定试验测和快速剪切试验，测定紫色土和水稻土两种不同类型土壤的液塑限及抗剪强度值，并进一步分析了其力学特性与土壤有机质和粘粒之间的相关关系，从而对紫色土区土壤液限、抗剪强度及其影响因素做初步探讨，旨在为紫色土壤地区农田基础设施建设以及水土环境保护提供一定的理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于重庆市合川区大石镇，距合川主城区约10km，处于城市与乡村的结合部，是重庆市基本农田保护示范区和西部生态建设农田整治工程建设区，也是合川区主要的粮经产区。

地理位置介于东经106°

10'

24″～106°

12′45″、北纬30°

04′06″～30°

06′35″之间。

地貌类型为丘陵，海拔高度在220.9～337.8m，相对高差20～40m，属亚热带湿润性季风气候，四季分明，年平均气温为18.10°

C，年平均降雨量为1124.0mm。

大地构造区域属四川中台坳，次级构造单元为大石背斜，母质类型为侏罗系沙溪庙组紫色砂岩，土壤类型为紫色土和水稻土。

1.2样点布设与样品采集

采样点布设采取随机布设的方法，在紫色土和水稻土耕作区各布设30个采样点，每个样点选用梅花形采集0～20cm混合土样。

1.3试验仪器与测定方法

1.3.1土壤基本性质的测定

土壤的基本理化性质按中国土壤学会提供的基本方法测定[9]。

1.3.2液塑限的测定

土壤液塑限的测定采用联合测定法[10]。

试验时取代表性试样，加不同数量的纯水，调成3种不同稠度的试样，用电磁落锥法分别测定圆锥在自重下沉入试样5s时的下沉深度。

以含水量为横坐标，圆锥沉入深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制关系直线。

试验方法标准规定沉入深度17mm所对应的含水量为17mm液限，10mm所对应的含水量为10mm液限，沉入2mm所对应的含水量为塑限。

1.3.3特定荷载作用下抗剪强度的测定

土壤的抗剪强度测试采用EDJ一1型二速电动等应变直剪仪，测定土样的强度指标。

采用快剪法测定剪切率为12r/min，剪切历时3-5min，垂直压力为100kPa[10]。

2结果与分析

2.1粘粒含量对土壤液限的影响

水稻土粘粒含量最大值为24.96%，平均值为49.97%，远大于紫色土粘粒含量的平均值13.18%。

相应水稻土的液限最大值为47.64%，最小值为42.61%，平均值为45.16%；

而紫色土的液限最大值为15.75%，最小值为13.37%，平均值仅为14.42%，见表1和2所示。

通过进一步统计分析得出，紫色土和水稻土两种土壤的粘粒含量与土壤液限之间的关系符合线性规律，一元线性回归方程可表述如下。

1）紫色土。

LL=0.523CLay+7.5285R2=0.8017

（1）

2）水稻土。

LL=0.5463CLay+33.782R2=0.7978

（2）

紫色土和水稻土的液限值均随土壤的粘粒含量增加而增大，二者之间具有正相关关系，见图1所示。

2.2有机质对土壤液限的影响

有机质的含量对土壤的液塑限有很大的影响，有机质含量过高会引起土的高塑性[11]，见图2所示。

从结果中可以得出，水稻土的有机质含量最大值为2.30%，最小值为1.61%，平均值为1.95%；

而紫色土有机质含量最大值为1.48%，最小值为1.16%，平均值为1.31%（如表1所示）。

通过统计分析可以得出，土壤的液限值随有机质含量的增加而增大，二者之间具有明显的线性关系，一元线性回归方程表示如下。

LL=6.4754soc+5.9076R2=0.7226

（3）

LL=6.5237oc+32.465R2=0.9323

（4）

2.3土壤液限值与粘粒和有机质的相关关系

由图1和图2已表明，有机质和粘粒含量与液限值具有很强的相关性。

同时，通过多元线性回归分析方法分别得出紫色土和水稻土三者之间的关回归方程如下。

LL=0.448Clay+2.062Soc+5.804R2=0.922

（5）

LL=0.311Clay+3.106Soc+22.596R2=0.969

（6）

为了检验方程的精确性，可通过方程（5）和方程（6）计算紫色土与水稻土的预测值结果，并分别与实际测量值做比较，比较结果如图3和图4所示。

相关系数可反映预测方程是否良好的指标之一[12]，同时通过VAF（解释方差）（方程7）和RMSE（均方根误差）（方程8）来检验方程的精确性[13-14]。

（7）

（8）

式中y，y′—表示测量值和预测值。

一般认为，VAF越接近100，RMSE值越接近0，说明预测结果就越好。

根据计算结果，紫色土和水稻土多元线性回归方程的VAF和RMSE值分别为92.18，96.86和0.19，0.24，R2值分别为0.922和0.969，见表3所示。

说明回归方程（7）和方程（8）能够较好地描述土壤液限值与粘粒及有机质含量之间的相关关系。

方程还表明，不论是紫色土还是水稻土，其液限值受有机质影响最大，有机质含量越高，土壤液限值就越大。

2.4特定荷载强度下液性指数对土壤抗剪强度影响

土壤液性指数为土壤的自然含水量和塑限的差值与塑性指数之间的比值，是反映土软硬状态的一个物性指标。

土的抗剪强度直接反映了土壤在外力作用下发生剪切变形破坏的难易程度。

由库仑定律可知，土壤粘聚力是影响土壤抗剪强度的主要因素[15]。

水稻土的液性指数平均值为0.78，紫色土平均值为0.50，水稻土的液性指数明显高于紫色土。

在特定荷载强度下（垂直压力为100kPa），两种土壤均表现出不同的抗剪强度值，水稻土的抗剪强度为45.67～53.96kPa,紫色土的抗剪强度为47.65～85.23kPa，水稻土的抗剪强度值低于紫色土。

同时，通过统计分析得出液性指数与抗剪强度之间具有很好的指数关系，见图5所示。

回归关系式可表述为

y=101.192e-0.992x

3讨论

3.1粘粒与有机质对紫色土区土壤液限的影响

在整个研究区，紫色土与水稻土的液限平均值分别为14.42%和45.16%，二者表现出了较大差异，紫色土为一般性粘土，而水稻土为高液限粘性土。

进一步分析发现，土壤的液限与粘粒和有机质含量有着重要关系。

曹成林等[16]认为，它们可以有效地改变土壤中的土壤颗粒和水分的分布状况，粘粒能够通过影响土壤颗粒排列形式来影响土壤的可塑性。

粘粒含量不同，土壤颗粒间的连接形式、排列方式及孔隙大小均会发生较大变化。

其次，粘粒巨大的比表面积使其具有很强的吸附能力，从而来影响土壤中的水流速度，细小粘粒对较大孔隙的镶嵌填充也对土壤中的水流通道有阻挡作用，从而影响土壤的液限性质[17]。

粘粒含量较高时，粗颗粒较均匀地分布在粘粒基质中，土粒间被粘粒充填，粗颗粒被隔开，并有利于颗粒的定向排列，弱结合水含量升高，从而增加土壤的液限[18]。

有机质主要通过改变土壤颗粒的比表面积和持水率，来影响土壤的液限性质。

有机质的含量越高，有机胶体也增多，土壤的持水率越大，液限值升高[19]。

紫色土一般坡度较大，土壤冲刷扰动较为强烈，土层浅薄，有机质和粘粒含量较少，而水稻土则由于长期水耕或水旱交替作用下，粘粒的淋溶与淀积过程较为明显，从而使水稻土的粘粒和有机质含量均高于紫色土。

Abdallah等[20]认为，当土壤有机质的含量均低于10%时，土壤的液限值与有机质之间具有明显的正相关性。

本文与其结果得出了相似的结论。

3.2液性指数与抗剪强度的内在联系

水稻土的液性指数高于紫色土值，而抗剪强度小于紫色土。

总体来说，研究区内土壤液性指数与抗剪强度之间表现出了较好的指数关系，土壤的液性指数可以较为有效地影响土壤的抗剪强度。

蒋建平等[21]认为，土壤的液性指数与土壤的自然含水量呈正比关系，土壤液性指数可以较好地反映出土壤中水分的变化情况。

土壤含水量可直接引起土壤的粘聚力和内摩擦角的变化，从而影响土壤的抗剪强度[22-23]。

水稻土的自然含水量远大于紫色土，从而导致了其抗剪强度的剧烈变化。

当土壤含水量较低时，土壤粘聚力主要通过水膜黏结力的大小影响土壤的力学性质，但当含水量增大到一定程度后，由于土颗粒周围的水膜厚度增大，水膜对土颗粒的黏结力减小，土颗粒之间的相互移动较为容易，摩擦力降低，水分对胶结物质会产生一种楔入作用，导致土颗粒之间更易于滑动，从而降低土壤的抗剪强度[6，24]。

4结论

在紫色土区，通过对紫和水稻土两种不同类型土壤的理化性测定、液塑限联合测定和快速剪切试验，得出以下基本结论：

1）紫色土和水稻土的液限值差异明显，紫色土的液限值总体为13.37%～15.75%，而水稻土液限总体值为42.61%～47.64%，紫色土为一般性粘土，而水稻土为高液限粘性土。

2）粘粒和有机质同时影响土壤液塑限值，且受有机质影响最为强烈，三者之间可用多元线性回归分析方程进行表述，即

紫色土LL=0.448Clay+2.062Soc+5.804

水稻土LL=0.311Clay+3.106Soc+22.596

相关系数（R2）值分别为0.922和0.967。

VAF与RASE值分别为92.18%，96.86%和0.19，0.24。

3）水稻土的液性指数高于紫色土，而抗剪强度小于紫色土。

水稻土的液性指数平均值为0.78，紫色土为0.50，抗剪强度分别为46.76kPa和61.91kPa，土壤液性指数与抗剪强度之间符合指数方程，即y=101.192e-0.0992x。

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基金项目：

国家科技支撑计划项目（2008BAD98B02）；

西南大学生态学重点学科“211工程”项目（2005-2010）