土壤剪切力影响因素研究.docx

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土壤剪切力影响因素研究

摘要

从土壤力学上看,土壤水蚀是雨滴对土粒的溅击剪切作用和径流对土粒的冲刷剪切作用的过程综合,所以土壤的抗剪强度是区域水土流失评价中反映土壤力学特性的重要指标；为了从土壤力学方面探索防治水土流失的途径与措施,该文采用直剪仪对临沂地区山5种典型植被的原状土和重塑土抗剪强度进行试验测定。

通过比较相同植被同干密度、同含水率的原状土与重塑土在同一垂直荷载下的剪切差异,以期得到从较易获得的重塑土抗剪强度到原状土的回归模型，并研究影响土壤抗剪强度的土壤属性因素。

研究结果表明:

原状土剪切位移小于重塑土;在相同垂直荷载作用下,同一植被原状土的抗剪强度大于与其同干密度、同含水率的重塑土。

原状土的剪切破坏近似于塑性破坏,而重塑土则属于弹性破坏;原状土的抗剪强度并以此建立关于原状土的抗剪强度回归模型；垂直荷载、土壤干密度、土壤含水率影响土壤的抗剪强度，可以建立相应的回归模型。

关键词：

抗剪强度；干密度；原状土；重塑土；含水率；回归模型

Abstract

Fromtheviewofsoilmechanics,soilerosionistheprocessofraindropsonthesoilparticlesplashshearingactionandrunoffsheareffectonsoilparticlesynthesis,sothesoilshearstrengthisoneoftheimportantindexestoreflectthecharacteristicsofsoilmechanicsinassessmentofregionalsoilandwaterloss；Inordertoexplorethewaysandmeasuresofpreventingandcontrollingsoilandwaterlossfromsoilmechanics,thispaperadoptstheundisturbedsoildirectshearapparatusfor5kindsoftypicalvegetationinLinyimountainandremoldedsoilshearstrengthtest。

Throughthecomparisonofthesamevegetationwiththestemofundisturbedsoilandremoldedsoildensity,thewatercontentinthesameverticalloadsheardifference,inordertogetmoreeasilyremoldedsoilobtainedfromtheshearstrengthofundisturbedsoiltotheregressionmodel,andtheinfluenceofsoilpropertiesonshearstrengthofsoilfactorsandtheinfluenceofsoilpropertiesonshearstrengthofsoilfactors.

Theresultsshowthat:

undisturbedsoilsheardisplacementthanremoldedsoil;Underthesameverticalload,thesamevegetationintactsoilshearstrengthisgreaterthanthesamedrydensity,remoldedsoilwithwatercontent.Shearfailureoftheundisturbedsoilissimilartoplasticfailure,andremoldedsoiliselasticdamage.Theshearstrengthandtheestablishmentoftheundisturbedsoilshearstrengthregressionmodelofundisturbedsoil;verticalload,soildensity,soilmoistureeffectsonsoilshearstrength,canestablishthecorrespondingregressionmodel.

Keywords:

Shearstrength；drydensity；undisturbedsoil；remoldedsoil；moisturecontent；regressionmodel

1前言：

水土流失是指地球陆地表面的土壤及其母质、岩石等在受水力、风力、冻融和重力等作用下所产生的侵蚀、搬运和堆积过程[7]，包括水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和化学侵蚀等[12]。

水土流失是水土保持学科和山区国土整治的常用概念，美、英、前苏联等多数国家采用土壤侵蚀一词，其含义与水土流失一词基本一致，即指在降雨、风等各种外营力作用下引起土壤的分离、搬运和堆积[11]。

土壤侵蚀包括土壤的流失与水分的流失，两者形影相随、相伴而失，其核心是土壤的流失。

土壤侵蚀是一个全球性的问题，依据联合国（1980）环境规划资料，全球每年有近2000万

的土地因土壤侵蚀而丧失部分或全部生产力[5]。

土壤侵蚀是通过降低土壤的水分、养分和有机质的可利用性，以及根系层的厚度来影响作物产量［8］。

Pimentel研究认为[24]，土壤侵蚀能减少30%以上的土壤透水性，且水力侵蚀和风力侵蚀通过有选择地搬运细土颗粒和有机质，使坡地上土壤持水能力降低，这不仅降低或损失了土地的生产力，而且引起了严重的环境问题；Judson（1981）估计[25]，每年由河流输送入海洋的泥沙，从集中农业和放牧开始以前的100亿吨，迄今增至250—500亿吨之多；Dudal（1981）[26]研究指出，世界范围内的土壤侵蚀以及其他因素引起的农田缩减、土壤退化导致每年有600万公顷肥沃的土地不可逆转地丧失生产力；Higgins（1982）及其合作者研究指出[27]，自从人类定居从事农业生产以来，土壤侵蚀已毁掉了约4.3亿公顷的用地；Buringh（1981）估计[28]，全球每年农业生产用地因为土壤侵蚀损失为300万公顷，因沙漠化损失200万公顷。

土壤侵蚀导致土地生产力的丧失以及土地荒化、沙漠化等，严重威胁人类的生存，因此研究土壤侵蚀规律其意义是不言而喻的。

防止水土流失，保护、改良和合理利用水土资源，维护和提高土地生产力，以利于充分发挥水土资源的经济效益、社会效益和生态效益，实现生态环境良性循环的综合性技术措施。

水和土是人类赖以生存的物质基础，是发展农业乃至国民经济的基本要素。

水土保持工程对开发建设山区、丘陵区和风沙荒漠区，对减少水、旱、风、沙灾害，实现生态平衡具有重要作用。

水土保持需坚持防治并举、治管结合、因地制宜、全面规划、综合治理、除害兴利的工作方针，以及生物措施和工程措施相结合、坡面治理与沟道治理相结合、田间工程与蓄水保土耕作措施相结合、治理与发展生产相结合、当前利益与长远利益相结合的原则。

其主要措施有：

（1）生物措施。

植树种草，封山育林，绿化大地，按不同地形营造各种水土保持林和绿化草带，用以涵蓄雨水，增强土壤凝聚力，减缓地表径流。

（2）工程措施。

修筑水平梯田、培地埂、建塘坝、筑谷坊、开挖拦洪沟等，把雨水拦蓄起来，减轻地表径流对土壤的冲击。

（3）耕作措施。

实行等高种植、带状垄作、粮草轮作、间作套种，使农田具有合理的生态结构。

特别是要在25°以上的坡耕地上实行退耕还林，在沙化土地上退耕还草，以增强地表覆盖，防治水土流失。

良好而完善的水土保持措施，可以防止土壤侵蚀，减少水、旱、风、沙灾害，避免土地生产力衰退，有利于繁荣山区经济，也有利于下游河流的治理和整个国民经济的发展。

沂蒙山区是北方土石山区的典型代表，具有土壤表层疏松、夹杂石砾、土层浅薄、土壤涵蓄水能力低、人口密度大的特点，中度及以上的土壤侵蚀强度面积达到５０％，土壤侵蚀严重[11]。

我国政府已将沂蒙山区列为国家水土保持重点工程建设区。

本次研究正是以这一地区5种典型土壤为对象。

从土壤力学上看,土壤水蚀是雨滴对土粒的溅击剪切作用和径流对土粒的冲刷剪切作用的过程综合,所以土壤的抗剪强度是区域水土流失评价中反映土壤力学特性的重要指标之一;近年来,我国水土流失的治理已由小流域转向较大区域的集中连片治理,作为水土保持基础的土壤侵蚀研究日益关注区域和全国尺度上的宏观研究,在土壤侵蚀宏观研究中,土壤作为被侵蚀的对象,是影响土壤侵蚀量和流失量的因子之一,而土壤抗剪强度是最能体现出区域水土流失过程中土壤抵抗径流冲刷剪切能力的指示指标之一,所以进行水土流失土壤抗剪强度规律的研究,对于区域和全国水土流失整治的宏观决策（如防止重力侵蚀、增加斜坡稳定性）十分重要,尤其是研究天然含水量状态下的原状土抗剪强度,对于基本农田建设中校核梯田边坡的稳定性、确定梯埂边坡设计坡度以防止水土流失更为重要。

在实际生产实践中,通过原状土剪切试验求得其抗剪强度既费时,又不便，许多研究人员进行了很多有益的探索，希望找到一个较易得得方法得到原状土的抗剪强度，并得到了许多方法。

在国外，Wu等[18]提出根系与土壤的胶结关系及各有关现代根系抗拉、土壤的抗剪试验等研究，根系固土力学机制的研究上了一个新的高度；ChepilWS研究表明[30]:

土壤质地对风蚀度有很大影响,质地最粗和最细的土壤比中等质地的土壤更易风蚀,风蚀度随土壤中直径小于0.42mm或0.84mm土粒的百分数而变化,随土壤中砂粒、粘粒和粉粒的比率而变化[31]；德国土壤学家wollny[20]于1877年第一个从事土壤侵蚀实验以来，人们就开始研究土壤类型、土壤性质对土壤侵蚀的影响。

Bennet[19]于1926年第一个认识到土壤的抗侵蚀性质随土壤的不同而变化，他研究了古巴的砖红壤，测定了影响土壤抗侵蚀能力的重要土壤性质，如土壤质地、土壤结构、有机质含量和化学组成。

Elision认为土壤的侵蚀动力是黄土抗侵蚀能力与抗剪强度的关系研究由分离土壤的能力和搬运土壤的能力两个相互独立的因素组成[30]，研究土壤抗侵蚀能力也可分为土壤可分离性和土壤可搬运性两个方面来描述。

国内许多研究人员也做了一些研究，张爱国[8]指出影响水土流失过程中土壤抗剪强度的主导因素是容重、粉/黏、土壤含水量、土壤有机质含量;抗剪强度随土壤类型发生有规律的变化;抗剪强度在中国水蚀区范围内有较明显的空间分异规律（包括水平分异规律和垂直剖面构型规律）。

王为等[1]建立了农业土壤抗剪强度与土壤所承受的垂直压力、含水量之间的数学模型。

张晓明等[9]指出以重塑土的抗剪强度、原状土的含根量和极细根的平均抗拉强度为自变量，原状土的抗剪强度为因变量，可以建立显著相关的回归方程；有研究资料表明[12]，土壤的垂直压力与含水量是影响抗剪强度的主要因素。

郭书魁[16]利用颗粒流理论对直剪试验进行数值模拟,分析了颗粒级配、孔隙比、颗粒接触刚度、颗粒摩擦系数和颗粒形状等细观参数的变化对宏观抗剪强度的影响。

郭培才等[14]，通过对不同土壤剖面（0-10cm，20-30cm，40-50cm）层次的草地、林地、农地的采样分析得出水稳性团粒含量是反映土壤抗侵蚀能力的最佳指标，并对土地类型作了定性定量分析，将土壤抗侵蚀能力划分为极弱、弱、中等、强、极强五个等级。

蒋定生、范兴科等[13]从宏观上分析研究了黄土高原的原状土和击实黄土的抗剪强度规律，他们得出：

在水平变化规律上，土壤的粘聚力呈现由北向南渐次递增的趋势，内摩擦角有自北向南渐次减少的趋势；在纵向变化规律上，随土层深度的增大，土壤容重增大，抗剪强度也有所提高；蒋定生[13]通过对黄土高原的抗剪强度分析后认为：

孔隙度、粘粒含量、容重、水分等是影响抗剪强度的重要因素，并建立了这些因素与粘聚力和内摩擦角之间的关系表达式，这对于分析和研究黄土抗剪强度奠定了基础。

潘利君等[15]在分析土壤抵御外力扭剪的能力后，认为土壤抗剪力制约着土壤的抗侵蚀能力，但他们做的工作很少。

代全厚等[3]通过对嫩江大提护坡植物根系和抗剪强度分析发现，土壤稳定性与植物根量关系密切，根量大，土壤抗剪强度大，而且能网络固持土壤增强土壤的稳定性，土壤抗剪强度与植物根量有明显的相关性；土壤根系可以提高土壤的抗侵蚀能力,张祖荣[10]认为由于须根的穿插和缠结作用，促进了土粒的团聚，王库[2]通过植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响得出：

直径小于1mm的根系在提高土壤水力学效应方面的贡献最大。

已经有许多科学家对土壤侵蚀性做出了很深入地研究，但是仍还有许多问题有待进一步解决与探讨：

（1）在影响土壤抗侵蚀能力的各项因素中，哪些因素适合作为评价指标。

（2）加强对土壤抗剪强度的认识与研究，前人对土壤抗蚀抗冲性的机理,经过几十年科学工作者的艰辛研究,已有了更深入的认识，但在抗剪强度这一领域里却还远远不够，因此为了找出更好的应对土壤侵蚀的对策，加强对土壤抗剪强度的研究是很有必要的。

为了从土壤力学方面探索防治水土流失的途径与措施,本文采用直剪仪对临沂地区山5种典型植被的原状土和重塑土抗剪强度进行试验测定。

通过比较相同植被同干密度、同含水率的原状土与重塑土在同一垂直荷载下的剪切差异,以期得到从较易获得的重塑土抗剪强度到原状土的回归模型，并研究影响土壤抗剪强度的土壤属性因素。

2材料与方法

2.1土壤的采集

项目区位于山东省的东南部，地近黄海，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。

暖温带大陆性季风气候，四季分明，夏秋季节雨量充沛，气候温和，全年平均气温14.1℃，极端最高气温39.℃，最低气温-24.1℃，年降水量849毫米，全年无霜期200天以上。

根据立地条件的差异，选取项目区的6种主要典型土壤:

花生地01、花生地02、花生地03、玉米地、林地01，林地02。

因为早在60年代,朱显谟先生就指出[21]：

土壤抗冲性的增强,主要取决于根系的缠绕、固结和串连土体作用,这种作用使土体有较高的水稳结构和抗蚀强度。

通过挖土壤剖面确定土壤剖面特征，选取最有代表性的A层取土样作为实验材料，土壤基本性质见表1。

使用SDJ-1型三速电动等应变直剪仪进行快剪试验,作出抗剪强度与垂直荷载（100、200、300、400kPa）的关系图,求得黏聚力C和内摩擦角ψ。

环刀法测定土壤容重及天然密度,烘箱法测定土壤天然含水率。

取回土样经风干、研碎,除去其中的根、大石砾等,按照试验测得原状土的含水率和干密度配制成与原状土同含水率、同密度的重塑土,进行快剪试验,操作同原状土。

为简明表示土样结果,重塑土记为“r”原状土记为“u”,每种土样按典型植被加重塑土或原状土编号加垂直荷载命名。

表1试验土壤的机械组成及基本理化性质

Table1thetestedsoilmechanicalcompositionandphysicochemicalproperties

土名

粘粒（<0.002mm）

粉粒（0.002-0.05mm）

砂粒（0.05-2mm）

质地判断

天然容重（g/cm3）

含水率（%）

花生地01

花生地03

花生地05

12.93

16.54

20.07

12.62

15.79

13.95

75.20

68.40

66.34

壤质砂土

砂质壤土

砂质壤土

1.76

1.80

1.81

7.40

11.10

13.00

林地01

林地02

28.59

25.20

33.00

44.57

39.19

31.00

壤土

壤土

1.73

1.70

15.40

15.30

玉米地

35.08

36.17

29.71

粘壤土

1.54

19.70

2.2直剪仪构造及其原理

图1直剪仪示意图[8]

Fig.1Schematicdiagramofdirectshearapparatus

图2结构图

Fig2.structurediagram

用直剪仪来测定土的抗剪强度是最简单的一种方法，它所测定的是土样预定剪切面上的抗剪强度。

直剪仪按加荷方式的不同，可分为应变控制式和应力控制式两种。

前者是以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力；后者则是对试样分级施加水平剪应力，同时测定相应的位移。

我国目前普遍采用的是应变控制式直剪仪[8]，该仪器的主要部件由固定的上盒和活动的下盒组成，试样放在盒内上下两块透水石之间。

试验时，由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试样施加某一法向应力s，然后等速推动下盒，使试样在沿上下盒之间的水平面上受剪直至破坏，剪应力t的大小可借助与上盒接触的量力环测定，即为该垂直压力下土的抗剪强度。

然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数：

内摩擦角ψ和内聚力c,则可以根据库伦抗剪强度公式：

求出其抗剪强度了。

直接剪切试验根据试样的排水固结作用分为快剪、固结快剪和慢剪三种。

快剪是施加垂直荷载和剪切过程都不使试样排水固结；固结快剪是加垂直荷载后使试样完全固结，但在剪切过程中不使试样充分排水固结。

每种试验方法求得的抗剪强度指标适用于排水固结条件与其相对应的工程问题。

2.3实验步骤及测定方法

（1）试验前准备工作：

a．取代表性土样风干、碾碎、过2mm筛，称料0.5kg

b．加水润湿24h；

c．击样：

用击样法击样；

d．用环刀取样（环刀内壁涂一层凡士林，刀口向下）；

e．削平试样

（2）试验操作步骤：

a.在上下剪切盒中放透水石、蜡纸；

b.环刀刀口向上将土样推入剪切盒；

c.将传压活塞放在试样上，并加钢球、加压框架、百分表；

d.加垂直荷载，并将百分表调零；

e.卸下固定销，开动秒表，以

的速度匀速加荷，使试样在3—5min内剪坏（百分表读数不变或后退时），并继续剪切至剪切位移为4mm时停止，记下破坏值（百分表读数），当剪切过程中测力计百分表无峰值时，剪切至剪切位移达6mm时停止；

f.记下百分表读数（估至0.001mm）；退掉剪切力和垂直压力，移动压力框架，取出试样，测含水量。

3实验数据处理与分析

法国科学家Coulomb于1776对土进行了一系列试验得到土的加载抗剪强度线，对砂性土和黏性土其抗剪强度的规律可分别采用如下公式描述[17]。

砂性土：

τ=σtanφ

（1）

黏性土：

τ=c+σtanφ

（2）

式中：

τ为土的抗剪强度；σ为正应力；φ为土的内摩擦角；c为土黏聚力。

土壤抗剪强度是由颗粒间的滑动所产生的内摩擦力和颗粒间连续拉引细微颗粒的粘聚力构成，粘结力使细微颗粒粘着或凝聚在一起，数值大小通常用库伦公式表示：

τ＝c＋σtanφ

式中：

τ—土的抗剪强度（kPa）；

σ—作用在剪切面上的法向应力（kPa）；

φ—土的内摩擦角;

c—土的粘聚力（kPa）。

土壤的内摩擦力是指土壤颗粒表面之间的摩擦力。

在土体剪切过程中,剪切面上下之间的土粒发生相对移动所产生的摩擦力。

因这种摩擦力存在于土体的内部，故称为内摩擦力。

内摩擦力有作用于剪切面的法向应力σ与土体的内摩擦角tanφ组成，内摩擦力的数值为这两项的乘积。

粘聚力是粘性土区别于无粘性土的特征，使粘性土的颗粒粘在一起成为团粒结构，而非无粘性土单粒结构。

粘聚力来源于以下两部分：

①电分子吸力粘性土颗粒极细，土粒表面带负电荷，土中水分子的正电荷一端与土粒表面吸引，定向排列成结合水，产生粘聚力。

②土中天然胶结物质土中含有硅铁碳酸盐等物质，对土粒产生胶结作用，使土具有粘聚力。

土壤抗剪强度指标c、φ是决定土壤抗剪强度大小的主要内在因素,所以对土壤抗剪强度的研究一般都是分为不同对土壤的粘聚力和内摩擦角的研究。

土体的结构、密度、含水量等因素都与抗剪强度指标有很大的关系，对于某一试验区来说，土体的结构和密度变化不会很大，而含水量对抗剪强度指标的影响可能要大于其他因素。

尤其对非饱和土来说，含水量的变化直接影响了非饱和土的一个重要的指标—基质吸力，研究表明，基质吸力与土壤的表观凝聚力有关，而表观凝聚力是总凝聚力的一部分，因此含水量的变化对土壤抗剪强度有很大的影响。

挖取土壤剖面选取A层代表性土壤，使用SDJ-1型三速电动等应变直剪仪进行快剪试验,作出抗剪强度与垂直荷载（100、200、300、400kPa）的关系图,求得黏聚力C和内摩擦角。

环刀法测定土壤容重及天然密度,烘箱法测定土壤天然含水率。

取回土样经风干、研碎,除去其中的根、大石砾等,

按照试验测得原状土的含水率和干密度配制成与原状土同含水率、同密度的重塑土,进行快剪试验,操作同原状土。

3.1原状土与重塑土剪切比较

3.1.1剪切曲线差异

原状样在低法向压力下表现出超固结土的应力－应变关系特征，即在应变硬化阶段，尽管出现显著的塑性变形，但由于塑性应变增加了土体继续变形的阻力，使其能够承受更大的应力，且屈服点不断提高，直到达到峰值，土体才发生破坏，到达峰值以后，应变再继续发展，应力反而下降，这一阶段称为应变软化阶段，但最终应力并不随应变的增加而下降，而是保持某一值[见图3中曲线

（1）]；而对于重塑土，应力随应变的发展过程不会出现峰值强度[见图3中曲线

（2）]。

图3标准土体的剪应力－剪切位移关系曲线[11]

Fig.3standardofsoilshearrelationcurvesbetweenstressandsheardisplacement

根据实验数据，得到了不同土样的剪切位移曲线，如下图4-15。

多数情况下，随着垂直荷载的增加，剪应力会增大，但也有例外情况如图10玉米地原状土剪切位移曲线，出现了300KPa荷载下的剪应力要大于400KPa垂直荷载下的剪应力，但重塑土保持正常的规律，说明某些土壤在一定垂直荷载下才满足库伦定理，本次试验土壤花生地土壤在300KPa以下的库伦曲线才有意义。

图14林地02原状土剪切位移曲线表现出在后期400KPa垂直荷载下要大于300KPa垂直荷载下的剪应力，前期要小于，也一定程度上说明库伦曲线的适用性。

图4花生地01原状土剪切位移曲线

Fig.4undisturbedsoilsheardisplacementcurveofpeanuts01

图5花生地01重塑土剪切位移曲线

Fig.5theremoldedsoilsheardisplacementcurveofpeanuts01

图6花生地03原状土剪切位移曲线

Fig.6undisturbedsoilsheardisplacementcurveofpeanuts03

图7花生地03重塑土剪切位移曲线

Fig.7theremoldedsoilsheardisplacementcurveofpeanuts03

图8花生地05原状土剪切位移曲线

Fig.8undisturbedsoi