宋鵬帥, 王 健, 陳 琳, 曹博召, 宋朝陽

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

土坎梯田是西部坡耕地地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，由于地形地勢、降雨等自然因素和梯田田坎修筑過程中的質(zhì)量、建成后的不合理利用等人為因素的影響，田坎垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重。相關(guān)調(diào)查表明，在陜南膨脹土分布區(qū)，當(dāng)年修筑的梯田，經(jīng)過一個雨季，梯田田坎垮塌2/5，情況嚴(yán)重時達(dá)到4/5[1-2]，因此對梯田田坎保護(hù)措施的相關(guān)研究變得尤為重要。

步入21世紀(jì)以來，水土流失問題日益嚴(yán)重，其中由于氣候的周期性變化引發(fā)的水土流失問題尤為突出。干濕交替過程作為氣候周期性變化的主要特征，探究其對水土保持的影響變得十分必要。干濕交替的概念于20世紀(jì)30年代首次出現(xiàn)，其對土壤影響的相關(guān)研究始于50年代。土壤的干濕交替是土壤受降雨蒸發(fā)的周期性變化影響而交替出現(xiàn)濕潤、干燥變化的循環(huán)過程，變化過程中其物理力學(xué)特性會有明顯的變化[3-5]，并常常發(fā)生脹縮現(xiàn)象，影響土壤孔隙的分布，造成土壤體積的變化以及裂縫的發(fā)育，進(jìn)而影響土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；土壤的干濕交替過程同時也是土壤系統(tǒng)熱力學(xué)和水文學(xué)視角短期變異較大的過程，可使土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一定程度的變化[6]。干濕交替使得土壤的容重、崩解性及抗蝕性等指標(biāo)發(fā)生相應(yīng)的改變，同時一定程度上改變土壤呼吸、有機(jī)質(zhì)分解及化學(xué)吸附等能力，最終使得土壤侵蝕產(chǎn)生較大不確定性[7-12]。田坎作為梯田最核心的部分，不僅能夠提高土地生產(chǎn)力，還可防治水土流失，保護(hù)土地資源，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[13]，通過機(jī)械阻擋作用來減少土壤侵蝕、改善土壤水分條件，提高土壤的抗剪能力[14]。因此關(guān)于夯實(shí)土壤在干濕交替條件下的理論研究對于農(nóng)業(yè)和工程等的生產(chǎn)實(shí)踐具有十分重要的意義。

自然條件下，由于土體的破壞所引發(fā)的自然災(zāi)害眾多，抗剪強(qiáng)度作為衡量土體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，需對其進(jìn)行定量測定，探究其在干濕交替過程中的變化規(guī)律。土壤的抗剪強(qiáng)度是土壤能夠抵抗外界荷載作用下剪切破壞的極限強(qiáng)度，大量工程實(shí)踐和科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，土體的破壞主要是由于剪切所引發(fā)的[15-16]，剪切破壞直接影響土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，進(jìn)一步影響農(nóng)業(yè)和工程建設(shè)的發(fā)展，而季節(jié)性的氣候變化，使得自然界長期處于干濕交替的循環(huán)過程中，干濕交替的環(huán)境導(dǎo)致土壤的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，大幅降低了土壤的抗剪強(qiáng)度，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到影響，工程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或者出現(xiàn)大幅度沉降，產(chǎn)生一系列的環(huán)境和工程問題。楊和平[17]、勾麗杰[18]等對于膨脹土的干濕交替在工程領(lǐng)域的特性進(jìn)行了相關(guān)研究，其認(rèn)為土壤在干濕交替過程中的裂隙發(fā)育是導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度衰減的主要原因[19]；徐丹等[20]認(rèn)為土壤經(jīng)歷多次干濕交替后，剪切特性類似于超固結(jié)土，土壤脆性顯著增加；汪東林[21]、張芳枝[22]等在干濕交替條件下對非飽和重塑黏土進(jìn)行了相關(guān)研究，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了黏土在干濕交替過程后的相關(guān)特性。目前，針對膨脹土領(lǐng)域的相關(guān)研究較多且已經(jīng)形成了一定的理論基礎(chǔ)[23-24]，但針對田坎在自然周期性蒸發(fā)和降雨作用下抗剪強(qiáng)度的研究較少，因此選擇楊凌土作為試驗(yàn)土樣，通過進(jìn)行夯實(shí)、干濕交替處理以及抗剪強(qiáng)度測定等方法，研究土壤在干濕交替條件下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐、水土資源的保護(hù)提供一定的理論依據(jù)和參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤

表1 試驗(yàn)用土理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)原理及方法

將試驗(yàn)用土取回至實(shí)驗(yàn)室后，進(jìn)行晾曬碾碎處理，然后將處理完成的土樣過1.25 mm篩，除去草根等雜物，加水配置成含水率為18%(質(zhì)量含水率，下同)的土樣，靜置6 h，待土樣中的水分分布均勻后進(jìn)行下一步試驗(yàn)處理。

1.2.1 擊實(shí)試驗(yàn) 為了保證土壤在干濕交替試驗(yàn)過程中的完整性，方便土壤樣品的取用，在擊實(shí)試驗(yàn)前，根據(jù)擊實(shí)筒的尺寸(h=12.5 cm，r=10.0 cm)大小，預(yù)先準(zhǔn)備好同等尺寸的鋁片，制成與擊實(shí)筒等體積大小的鋁筒，襯于擊實(shí)筒內(nèi)側(cè)，使其與擊實(shí)筒內(nèi)壁緊貼。在擊實(shí)筒內(nèi)壁涂抹一層凡士林，減少鋁筒與擊實(shí)筒內(nèi)壁之間的摩擦力，以便土壤順利取出。擊實(shí)試驗(yàn)器材準(zhǔn)備就緒后，將制備好的土壤放入擊實(shí)筒中的鋁筒內(nèi)，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在擊實(shí)試驗(yàn)中采取統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，每次擊實(shí)土樣時，統(tǒng)一用擊實(shí)錘從同一高度落下并擊實(shí)10次，對土壤進(jìn)行夯實(shí)，擊實(shí)后土壤下降高度為(8.3±0.05) cm，擊實(shí)完成后測得土壤體積質(zhì)量為(1.74±0.03) g/cm3。本次試驗(yàn)設(shè)計7次干濕交替循環(huán)，1個對照，設(shè)置3個重復(fù)，共需24組土樣。

1.2.2 干濕交替試驗(yàn) 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)束后，將包裹土壤的鋁筒從擊實(shí)筒中取出，然后用環(huán)箍將鋁筒固定，放入事先加有水的托盤中，水層高度始終高于土壤下表面2 cm，濕化處理共持續(xù)8 h。經(jīng)過濕化處理后，為使土壤中的水分分布均勻，采用薄膜密封，靜置8 h，然后放入恒溫50℃的烘箱中干燥，干燥過程持續(xù)24 h，測得含水率為8%，此為1個干濕交替過程，待每次干濕交替試驗(yàn)結(jié)束后，每組用直徑為6.18 cm，高為2 cm的直剪環(huán)刀取4個土樣進(jìn)行抗剪試驗(yàn)測定。

1.2.3 剪切試驗(yàn) 試驗(yàn)采用直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)。剪切試驗(yàn)時對土樣分別施加100，200，300，400 kPa的垂直壓力作為垂直荷載。在對土樣施加垂直壓力后，以1.0 mm/min的速率進(jìn)行剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，讀出測微表讀數(shù)并按下式求得土壤的抗剪強(qiáng)度值：

τf=m·R

式中:τf為土壤的抗剪強(qiáng)度；m為測力環(huán)率定系數(shù)(kPa/0.01 mm)；R為直剪儀測微表讀數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本文研究采用Excel 2010，SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析、制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕交替變化對土壤內(nèi)摩擦角的影響

經(jīng)快速剪切試驗(yàn)，測得不同干濕交替次數(shù)處理土壤內(nèi)摩擦角，得到相應(yīng)的干濕交替次數(shù)與土壤內(nèi)摩擦角的關(guān)系見圖1。

圖1 內(nèi)摩擦角與干濕交替次數(shù)的關(guān)系

夯實(shí)土壤在不進(jìn)行干濕交替的條件下，土壤內(nèi)摩擦角為5.4°；經(jīng)過1次干濕交替處理，內(nèi)摩擦角為5.6°；隨著干濕交替次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角整體呈現(xiàn)總體極顯著性下降的趨勢(p<0.01)。土壤在經(jīng)過第1次干濕交替后，其內(nèi)摩擦角達(dá)到了峰值；隨著干濕交替次數(shù)的增加，在第2—4次干濕交替時，土壤內(nèi)摩擦角下降幅度最大；第5次干濕交替后土壤內(nèi)摩擦角與第4次干濕交替后土壤內(nèi)摩擦角數(shù)值大致相等；第6次干濕交替后，內(nèi)摩擦角下降幅度減緩，直至第7次干濕交替后，土壤內(nèi)摩擦角達(dá)到最小值4.1°。

土壤在經(jīng)歷第1次干濕交替后，內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值，隨著干濕交替次數(shù)的增加內(nèi)摩擦角逐漸降低，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的物理化學(xué)變化中遭到破壞[16]，因此土體內(nèi)微小顆粒的距離逐漸增大，孔隙比也不可避免地增大，同時，土壤在干濕交替濕化過程中土顆粒的不均勻收縮，逐漸形成部分團(tuán)聚土顆粒，破壞了土體結(jié)構(gòu)間的內(nèi)部聯(lián)系，最終使得內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)衰減趨勢[18]；土壤在經(jīng)歷第2—4次干濕交替時，此階段土壤中出現(xiàn)了大量裂隙，并且隨著土壤裂隙的不斷發(fā)育，土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其完整性遭受破壞，穩(wěn)定性大幅降低，因而土壤內(nèi)摩擦角在此階段下降幅度最大；土壤在經(jīng)歷第5—7次干濕交替時，隨著干濕交替次數(shù)的逐漸增加，土壤裂隙已經(jīng)基本發(fā)育完成，裂隙不再大量增加，土壤的結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定并達(dá)到新的平衡，故此階段土壤內(nèi)摩擦角的降幅較小，在第7次干濕交替時土壤內(nèi)摩擦角出現(xiàn)最小值。

2.2 干濕交替變化對土壤粘聚力的影響

通過分析室內(nèi)剪切試驗(yàn)測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到干濕交替次數(shù)與土壤粘聚力的關(guān)系見圖2。

圖2 粘聚力與干濕交替次數(shù)的關(guān)系

通過圖2給出的在不同干濕交替次數(shù)下，土壤粘聚力和干濕交替次數(shù)的關(guān)系可以看出，土壤粘聚力與干濕交替次數(shù)總體呈現(xiàn)極顯著性正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。在不進(jìn)行干濕交替時，土壤粘聚力為3.25 kPa；經(jīng)過1次干濕交替處理后，粘聚力出現(xiàn)最小值2.25 kPa，隨著干濕交替次數(shù)的逐漸增加，土壤的粘聚力逐漸增大，在第2—5次干濕交替過程中，土壤粘聚力增加的幅度較為緩慢，在第6次干濕交替后土壤的粘聚力增幅較大，并在第7次達(dá)到最大值6.50 kPa。

土壤經(jīng)歷第1次干濕交替后，粘聚力達(dá)到最小值，主要是因?yàn)樵诟蓾窠惶娴淖饔孟?，土壤顆粒間的孔隙逐漸增大，土壤裂隙增加，土壤顆粒之間的化合物膠結(jié)作用降低，從而使得粘聚力降低。但是隨著干濕交替次數(shù)的逐漸增加，在第2—5次干濕交替過程中，土壤的粘聚力逐漸增大，這是由于土壤干化過程中，水分含量減少，土壓力作用下土壤顆粒間的孔隙有一定程度的壓縮，土壤基質(zhì)吸力逐漸增大[18]，土壤顆粒發(fā)生定向排列，達(dá)到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時的土壤粘聚力大于前一次進(jìn)行干濕交替的土壤的粘聚力，所以土壤粘聚力呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在第6次干濕交替后，重組的土壤顆粒穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，所以土壤粘聚力增幅比第2—5次干濕交替過程大，并在第7次達(dá)到最大值。

2.3 干濕交替變化對土壤抗剪強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)測得在不同的垂直壓力作用下的土壤其抗剪強(qiáng)度與干濕交替次數(shù)的關(guān)系見圖3。

圖3 不同垂直壓力作用下土壤抗剪強(qiáng)度與干濕交替次數(shù)的關(guān)系

從圖3中可以看出，在干濕交替次數(shù)一定的前提下，隨著垂直壓力的不斷增加，土壤的抗剪強(qiáng)度顯著增大，這是由于垂直壓力對土壤有壓實(shí)作用，這種壓實(shí)作用縮短了土壤顆粒的粒間距，減少了土壤孔隙，使得土壤顆粒更加緊密，趨于密實(shí)化、整體化，在一定程度上提高了土壤的密實(shí)性，使得土壤抵抗剪切破壞的能力增加，從而提高了土壤的抗剪強(qiáng)度。

在不同垂直壓力的作用下，抗剪強(qiáng)度與干濕交替次數(shù)的關(guān)系不完全一致。在100 kPa的垂直壓力作用下，隨著干濕交替次數(shù)的增加，土壤的抗剪強(qiáng)度變化不明顯，保持在10.75～12.45 kPa范圍內(nèi)；200 kPa垂直壓力下，土壤的抗剪強(qiáng)度隨著干濕交替次數(shù)的增加先增大，然后趨于穩(wěn)定；垂直壓力為300，400 kPa時，土壤抗剪強(qiáng)度隨著干濕交替次數(shù)的逐漸增加，均呈現(xiàn)先增大，然后降低，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。在100 kPa的垂直壓力作用下，隨著干濕交替次數(shù)的增加，土壤的抗剪強(qiáng)度變化不明顯，在11～12.75 kPa范圍內(nèi)無規(guī)律變化，說明100 kPa的垂直壓力對于土壤的抗剪強(qiáng)度影響較小。

200～400 kPa垂直壓力作用下的土壤，在第1次干濕交替時抗剪強(qiáng)度均達(dá)到最大值，隨著干濕交替次數(shù)的增加，土壤裂隙逐漸發(fā)育，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的損傷，土壤顆粒間的摩擦阻力逐漸降低，雖然粘聚力在逐漸增加，但是其對土壤抗剪能力的影響較小，其中200 kPa垂直壓力作用下的土壤，在第1次干濕交替后，抗剪強(qiáng)度維持穩(wěn)定，不隨著干濕交替次數(shù)的變化而變化。而300 kPa和400 kPa垂直壓力作用下的土壤，在第1次干濕交替后，隨著次數(shù)的增加，抗剪強(qiáng)度逐漸下降，并最終趨于穩(wěn)定。

在1—7次干濕交替過程中，第1次干濕交替處理后的土壤隨著垂直壓力的增加，土壤的抗剪強(qiáng)度增幅最大，隨著次數(shù)的增加，其抗剪強(qiáng)度的增幅逐漸減小，在第7次土壤的抗剪強(qiáng)度增幅最小，說明干濕交替次數(shù)會影響垂直壓力對土壤的壓實(shí)作用，進(jìn)而影響土壤的抗剪強(qiáng)度。

2.4 干濕交替變化對土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響顯著性分析

利用SPSS 23.0對不同干濕變化(1—7次)，分別對粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行單因素方差分析，計算結(jié)果見表2。

表2 干濕變化對抗剪強(qiáng)度單因素方差分析

由計算結(jié)果Sig.小于0.05，說明不同干濕交替水平對土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響是顯著的。為進(jìn)一步分析不同干濕交替之間的顯著性，進(jìn)行了多重比較，結(jié)果見表3。

以上單因素分析及兩兩比較結(jié)果可以說明，不同干濕交替次數(shù)處理的土壤，其粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化不同。對于粘聚力來說，僅經(jīng)過2次和3次兩種干濕交替處理水平的土壤差異不顯著，其他處理水平之間差異均顯著。對于內(nèi)摩擦角來說，不同的是經(jīng)歷4次和5次兩種處理水平、6次和7次兩種處理水平之間差異不顯著，其他水平之間均顯著。因此，可以說明干濕交替處理次數(shù)的不同，對于土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響不同，相比較而言對內(nèi)摩擦角的影響較大。

3 討 論

干濕交替過程對土壤的抗剪強(qiáng)度有著顯著的影響。已有研究表明，隨著干濕交替次數(shù)的增加，土壤的抗剪強(qiáng)度逐漸衰減，土壤粘聚力逐漸下降[25]，而內(nèi)摩擦角基本保持不變[26]。楊和平等[27]認(rèn)為，經(jīng)過干濕交替的土壤，由于含水率的變化、土顆粒間裂隙的無規(guī)則分布以及顆粒間結(jié)合水膜的影響，土壤顆粒之間的粘聚作用下降，土壤粘聚力降低，進(jìn)而抗剪強(qiáng)度下降。本試驗(yàn)的研究結(jié)果中，內(nèi)摩擦角的變化與已有研究結(jié)果相同[18]，但粘聚力的變化存在差異，土壤粘聚力在第1次干濕交替時出現(xiàn)最小值，之后隨著干濕交替次數(shù)的增加，粘聚力逐漸增大。

表3 干濕變化對抗剪強(qiáng)度多重比較分析

造成結(jié)果不同的原因：(1) 土壤經(jīng)過第1次干濕交替后，由于土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的破壞，土壤顆粒間裂隙增加，顆粒之間的粘聚作用下降，因而粘聚力降低；而經(jīng)過第2次干濕交替后，土壤顆粒逐步形成定向排列，隨后逐漸聚集，膠結(jié)作用逐步增大，粘聚力逐漸增大，故隨著干濕交替次數(shù)的增加(2—7次)，土壤粘聚力逐漸增大。(2) 試驗(yàn)土壤的膨脹性較弱，與膨脹性較強(qiáng)的土壤理化特性存在一定差異，在進(jìn)行干濕交替處理后，土壤表現(xiàn)出來的性狀不同，進(jìn)而試驗(yàn)結(jié)果存在差異。干濕循環(huán)效應(yīng)使土顆粒間的聯(lián)結(jié)產(chǎn)生了不可逆的損傷，土體微結(jié)構(gòu)的劣化使得土壤抗剪強(qiáng)度降低[28]，可見土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性影響著土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用，進(jìn)一步影響土壤的抗剪強(qiáng)度。

目前，土壤干濕交替的研究主要側(cè)重膨脹土領(lǐng)域的探索，對于膨脹性較弱或者無膨脹性的土壤相關(guān)研究較少。在試驗(yàn)方法中，干濕交替次數(shù)，烘干和濕化的過程，以及土壤含水率的控制方面等諸多要素，在不同的研究中選取的標(biāo)準(zhǔn)并不一致，且目前針對干濕交替相關(guān)研究的試驗(yàn)用土主要為重塑土，以原狀土為試驗(yàn)用土的相關(guān)研究較少。與原狀土相比，重塑土本身的結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到了一定程度的影響，加之試驗(yàn)儀器和人為操作的因素，影響試驗(yàn)的結(jié)果，所以針對不同特性的土壤，研究得出的結(jié)論存在一定程度的差異性。本試驗(yàn)以膨脹性較弱的楊凌土為研究對象，進(jìn)行干濕交替條件下夯實(shí)土壤抗剪特性的探究，模擬梯田田坎在自然條件下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，土壤內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度兩個指標(biāo)與已有相關(guān)研究的結(jié)論基本一致，土壤粘聚力的變化趨勢有所差異，試驗(yàn)結(jié)果豐富了干濕交替過程對土壤力學(xué)性質(zhì)影響這一領(lǐng)域的研究。

干濕條件下土壤的力學(xué)性質(zhì)與土壤的飽和性密切相關(guān)，目前針對飽和土的相關(guān)研究逐漸成熟，基本形成了較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)，即土壤的力學(xué)性質(zhì)隨著干濕交替次數(shù)的增加逐漸衰減，最終趨于穩(wěn)定。同時土壤的含水狀態(tài)對土壤抗剪強(qiáng)度也有很大的影響，不同的含水率，土壤對應(yīng)的吸力存在差異，從而影響土壤的強(qiáng)度特性[29-30]，針對飽和性和含水率對膨脹性較弱土壤的抗剪強(qiáng)度變化的影響分析，以及土壤強(qiáng)度特性的變化規(guī)律的相關(guān)研究有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié) 論

(1) 在土壤體積質(zhì)量和含水率一定的情況下，土壤的粘聚力在第1次干濕交替時出現(xiàn)最小值，之后隨著干濕交替次數(shù)的增加，粘聚力逐漸增大。

(2) 在相同條件下，土壤的內(nèi)摩擦角隨著干濕交替次數(shù)的增加，在第1次干濕交替時內(nèi)摩擦角達(dá)到峰值，隨后逐漸減小，在第7次干濕交替時出現(xiàn)最小值。

(3) 不同的垂直壓力對土壤的抗剪強(qiáng)度有不同的影響。隨著干濕交替次數(shù)的增加，在100 kPa的垂直壓力作用下，土壤的抗剪強(qiáng)度受影響不明顯，在200 kPa的垂直壓力作用下，土壤的抗剪強(qiáng)度先增加，然后趨于穩(wěn)定；在300 kPa和400 kPa的垂直壓力作用下，土壤的抗剪強(qiáng)度先增加，然后降低，最后趨于穩(wěn)定。

(4) 在相同干濕交替次數(shù)的前提下，土壤的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；通過顯著性分析可以看出不同干濕交替處理對土壤的內(nèi)摩擦角的影響大于土壤粘聚力。