喀斯特不同岩性发育区自然土壤力学特征研究

张旭贤

摘要：对喀斯特不同岩性发育区自然土壤的紧实度、内摩擦角和黏聚力进行了研究，结果表明：碳酸盐岩发育形成的自然土壤紧实度较高，土壤抗蚀性较强，其中自然土壤紧实度以泥灰岩最低，较容易受到侵蚀；纯碳酸盐岩区发育形成的自然土壤的抗蚀性要高于泥质碳酸盐岩区，纯碳酸盐岩区发育的土壤坡面不容易发生崩塌。

关键词：喀斯特地区；土力学特性；土壤紧实度；内摩擦角；黏聚力

中图分类号：S152

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10012803

1 引言

我国是世界上喀斯特地貌面积最大的国家之一[1]，喀斯特地貌地区极易发生土壤侵蚀，我国西南喀斯特地区土壤侵蚀导致的石漠化问题正逐渐演变为我国第三大生态问题[2]。目前，国内部分学者对喀斯特地区土壤退化[3]、土壤质量演变[4，5]等方面进行了研究，但我国喀斯特环境土壤侵蚀的有关研究工作仍极为薄弱。

土壤侵蚀是外部侵蚀营力与土壤本身的抗蚀能力共同作用的过程与结果。土壤本身力学特性是土壤侵蚀的内因，研究土壤的力学特性，有助于认知土壤侵蚀的机理。结合紧实度、内摩擦角、黏聚力综合反映不同碳酸盐岩发育形成的自然土壤的侵蚀力学特征，为水土保持工作提供参考依据。

2 研究区概况及研究方法

2.1 研究区地理位置及地质地貌状况

研究区位于贵州省中部偏北的贵阳市，地理位置处于东经106°27′～107°03′，北緯26°11′～26°55′之间，海拔872～1659 m。在地质构造上，属于黔中地台的一部分，地处苗岭中段，在贵州高原的第二台阶上，属全国东部向西部高原过渡地带。区内地表的岩层以碳酸盐类岩石分布面积最广，约占全市面积的71%，因而喀斯特地貌极为发育。该研究采集地点选择了贵阳市内喀斯特地貌较为典型的息烽县、修文县、清镇市以及花溪区与乌当区。

2.2 采样方法

该研究采取沿道路线路穿越的方式进行采样，在采样区分岩性选取道路两侧较为完好的林地或灌草地作为样地，进行常规剖面调查并采集不同土层的袋装土与原状土。共选取了41个样地，其中，纯白云岩样地9个，纯灰岩样地19个，泥灰岩样地6个，泥质白云岩样地7个。

2.3 土壤紧实度的测定

紧实度采用垂直测量和水平测量两种方法，垂直测量采用美国DICKEY-john 6100型土壤紧实度仪，笔者将其简称为“垂直”土壤紧实度仪。水平测量采用浙江农业大学土化系研制的土壤紧实度仪，对其简称为“水平”土壤紧实度仪。测量时先挖好剖面，确定各土层厚度，然后在剖面周围选5个点，均匀使劲，将“垂直”土壤紧实度仪压入不同的土层，测定垂直土壤紧实度。测量水平土壤紧实度时，先将剖面削整齐，在各土层的中部附近垂直于挖好的剖面均匀用力，将“水平”土壤紧实度仪匀速压入土层中，并记录读数。两种土壤紧实度的测量都需在各土层实测5次，若遇到异常值还需要补测，最后求其平均值，作为该土层的紧实度值。

2.4 土壤抗剪强度指标测定

在每个土层用20 mm×61.8 mm不锈钢环刀每层取4份原状土，带回实验室后按照土工试验方法（GB/T50123-1999）标准，采用ZJ—Ⅱ型等应变直剪仪进行快剪试验（15圈/min）[6]，通过作抗剪强度与垂直压力（100、200、300、400 kPa）的关系图，求得黏聚力c和内摩擦角φ。

抗剪强度采用库伦公式为：

τf=σtgφ+c（1）

式（1）中：τf为土的抗剪强度（kPa）；σ为作用在剪切面上的法向应力（kPa）；φ土壤内摩擦角（°）；c为土壤黏聚力（kPa）。

3 结果分析

3.1 碳酸盐岩发育形成自然土壤的力学总体特征

对碳酸盐岩发育形成的自然土壤力学特征统计（表1）得出：①碳酸盐岩发育形成的自然土壤垂直紧实度集中于900～1200 kPa之间，均值为1026.6 kPa，水平紧实度集中于3～8 kg/cm3之间，均值约为5.41 kg/cm3；②碳酸盐岩发育形成的自然土壤的黏聚力集中于30～50 Kpa之间，均值为41.72 kPa；③碳酸盐岩发育形成的自然土壤内摩擦角大多处于10～25°之间，均值为18.08°。

3.2 不同碳酸盐岩发育总成自然土壤紧实度

土壤紧实度主要受土壤机械组成、有机质、含水量、孔隙度及石砾含量的影响，集中反映了土壤内部的力学状况，可作为土壤侵蚀特征的力学指标。将野外调查的紧实度数据按不同的岩性与土层进行归类统计与方差分析得到表2，对不同碳酸盐岩发育形成的土壤的紧实度进行进行LSD检验，得到表3。

从表2与3可知，岩性对土壤的紧实度影响显著。这是由于不同碳酸盐岩的矿物成分，所含杂质等有所不同，致使其风化成土后土壤的机械组成（尤其是黏粒含量）、有机质等存在差异，土壤颗粒间的紧密状况及颗粒间的粘结力有所差异，使得土壤紧实度各不相同。

3.3 不同碳酸盐岩发育形成自然土壤的抗剪特征

土壤抗剪强度由滑动面上土的黏聚力（阻挡剪切）和土的内摩阻力两部分组成，用土壤的黏聚力c（kPa）与内摩擦角φ（°）来表示。土壤的抗剪特性与土壤侵蚀密切相关，是土壤侵蚀的重要力学特征指标。

对喀斯特地区不同碳酸盐岩发育形成的自然土壤进行直剪试验测得的数据进行归类统计与方差分析得到表4，在此基础上对各抗剪指标分岩性与土层进行LSD检验得到表5。

4 结论与讨论

碳酸盐岩发育形成的自然土壤紧实度较高，土壤抗蚀性较强。4种碳酸盐岩发育形成的自然土壤紧实度以泥灰岩最低，当产生蓄满产流后，泥灰岩发育的土壤较容易受到侵蚀，应加强泥灰岩区的水土保持工作。

碳酸盐岩发育的自然土壤的黏聚力较强，4种碳酸盐岩发育形成的自然土壤的黏聚力以纯白云岩与纯灰岩区的较高，而泥质白云岩与泥灰岩区的较低，从黏聚力来看，纯碳酸盐岩区发育形成的自然土壤的抗蚀性要高于泥质碳酸盐岩区，相比之下，纯碳酸盐岩区发育的土壤坡面不容易发生崩塌。

不同碳酸盐岩发育形成的自然土壤其A层的内摩擦角集中在10～25°之间，略高于B层。4种碳酸盐岩发育形成的自然土壤的内摩擦角总体表现为石灰岩组高于白云岩组。

参考文献：

[1]

韦启璠.我国南方喀斯特区土壤侵蚀特点及防治途径[J].水土保持研究，1996，3（4）：72～76.

[2]吴秀芹，蔡运龙.喀斯特山区土壤侵蚀与土地利用关系研究：以贵州省关岭县石板桥流域为例[J].水土保持研究，2005，12（4）：46～48.

[3]杨胜天，朱启疆.论喀斯特环境中土壤退化的研究[J].中国岩溶，1999，18（2）：169～175.

[4]龙 健，李 娟，黄昌勇.我国西南地区的喀斯特环境与土壤退化及其恢复[J].水土保持学报，2002，（1）：36～39.

[5]龙 健，滕 应，黄昌勇.贵州高原喀斯特环境退化过程土壤质量的生物学特性研究[J].水土保持学报，2003，17（2）：47～50.

[6]王云琦，王玉杰，张洪江，等.重庆缙云山不同土地利用类型土壤结构对土壤抗剪性能的影响[J].农业工程学报，2006，22（3）：40～45.