大兴安岭土壤抗剪强度及影响因素研究

孙术发王敬凯赵浩然张继文

(东北林业大学 工程技术学院, 哈尔滨 150040)

0 引言

土壤是森林生态系统的重要组成部分,土壤的抗剪性即土体在外界干扰(如:降雨冲刷、重力压实等)的作用下离开母体发生相对位移的过程中,土壤表现出的抵抗剪切破坏的位移阻力,通常用土壤抗剪强度来表示[1]。土壤抗剪强度由土壤颗粒间发生相对滑动而产生的内摩擦力和土粒之间的胶结作用及电子吸引微小颗粒而产生的黏聚力构成[2],为土壤力学特征的一个重要指标。土壤抗剪强度越大,则土壤发生变形和活动时所具有的抵抗剪切破坏的极限程度也就越高,在外力作用下,土壤抵抗剪切径流的剪切破坏能力也就越大,从而可以减缓土壤侵蚀及漏失现象的发生[3]。

土壤容重、含水率、有机物含量、机械组成和树木根系等均会对土壤抗剪强度产生不同程度的影响[4]。目前,国内外学者也针对土壤抗剪强度的影响因素进行了分析。王楠等[5]通过探究边坡土壤的含水率和干容重对土壤抗剪强度的影响,得出土壤黏聚力的对数与含水率呈显著负相关,与干容重呈显著正相关,含水率对内摩擦角影响不严重的结论。杨永红等[6]研究发现,随着含水量的增加,非饱和土的黏聚力与内摩擦角均减小,黏聚力有较大变化而内摩擦角变化较小。此外土壤的颗粒大小、结构及密实程度通过影响土壤内部结构,对土壤内摩擦角造成一定的影响[7-10],进而影响土壤的抗剪强度。有机物的含量也会对土体产生一定的影响,N(氮)、P(磷)含量与抗剪强度呈显著性正相关[11],在一定范围内有机物含量的增加有利于提高土壤的抗剪强度。植物根系能够提供给土壤额外的抗剪能力和通过抵抗土体变形来增强土体的抗剪强度,但植物根系对土体抗剪强度的增强是有限的[12-15]。适宜含量的根系有助于土壤抗剪强度的提高。但整体来看,国内外学者进行的土壤抗剪强度研究多集中在紫土、红土等土壤,针对我国东北地区典型黑土的抗剪强度研究存在一定的缺失,对于大兴安岭地区土壤抗剪强度的研究也主要集中于冻融状态对黑土抗剪强度方面的影响[16-17]。

因此,本文以大兴安岭地区典型土壤为研究对象,进行三轴剪切试验,深入分析土壤含水率、土壤容重、机械组成和根系对大兴安岭土壤抗剪强度的影响,以此来弥补黑土抗剪强度方面研究的不足,为大兴安岭地区防治土壤流失提供理论依据。

1 研究区概况及研究样地选取

研究区位于中国东北部,呼中区西南50 km处(123°51′21″E、51°37′13″N),是我国森林资源储备地之一。该地位属大兴安岭地区,气候为寒温带大陆性季风气候,平均海拔810 m,年平均气温-4.3 ℃,最低气温-52 ℃,最高气温32 ℃,年平均降水量为497.7 mm,年日照时长为2 326.4 h,森林覆盖率为96.24%,主要森林植被类型有兴安落叶松、樟子松、红皮云杉、白桦、蒙古栎和山杨等,土壤类型主要有棕色针叶林土、暗棕壤、灰黑土、草甸土和沼泽土。

本研究选择该地区立地条件相似的棕色针叶林土(以下简称棕针)和暗棕壤土各3个为研究样地(20 m×20 m)。棕针天然植被主要为明亮针叶林,是寒温带湿润气候针叶林下发育的具有酸性淋溶特征的土壤,其pH为5.0～5.5,盐基饱和度为50%～70%,水解酸性较高,铁、铝活动性强。暗棕壤又名暗棕色森林土,是在温带湿润季风气候和针阔混交林下发育形成的,表层腐殖质积聚,土壤全剖面呈中至微酸性反应,盐基饱和度为60%～80%,剖面中部黏粒和铁锰含量均高于其上下两层的淋溶土。

2 研究方法

2.1 土壤样品的采集

2020年9月,在研究样地进行棕针采集和暗棕壤土采集。在选定的样地中,根据对土壤颗粒特点的认识,利用剖面刀将土壤剖面进行修整。通过实地采集发现大兴安岭地区的棕针在0～50 cm的表土层范围内存在明显的分层现象,如图1(a)所示。腐殖层内多为植物根系,土壤占比小,所以对腐殖层下2层土壤分别进行取土,即为腐殖层和淀积层的过渡层以及淀积层。取土时先用取土环刀在每层土层取12个土样放入事先称好质量的铝盒(80 mm×60 mm)内,用胶带密封好,装入密封袋中,铝盒土样用于测量土壤容重、初始含水率和土粒含量等基本物理性质,待铝盒取土完毕后,再每层取2袋土用于试验。暗棕壤的土壤刨面不具备明显的分层,如图1(b)所示,腐殖层内多为植物根系,土壤占比小,故按上述取样方法取得暗棕壤的过渡层和淀积层土样作为试验对象。

图1 试验土样Fig.1 Test soil samples

2.2 初始含水率测定

将装有新鲜土样的铝盒进行清洁处理,去除表面携带的土粒,保证所测含水率的精确性。将清洁后的铝盒置于分析天平上称重并记录相关数据。称重完毕,将铝盒打开,盒盖放在盒底,置于已预加热至105 ℃±2 ℃的烤箱中烘烤12 h。烘烤结束后取出铝盒将盖子盖好,移入干燥器内冷却至室温,立即称重,根据公式(1)计算初始含水率,试验进行3组,以平均结果作为实验最终数据。

式中:M0为烘干空铝盒质量;M1为烘干前铝盒及土样质量;M2为烘干后铝盒及土样质量。

2.3 土壤容重及机械组成测定

将土样在实验室内进行标准环刀样的制备。待土样制备完成并经过试验准备后进行环刀法测量土壤的容重。将土壤试样进行2 mm过筛处理,留作测量土壤机械组成的试验用土。依据鲍氏比重法进行土壤机械组成的试验操作,土壤颗粒分级标准依据国际标准进行,将土壤颗粒分为黏粒(＜0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～2 mm)3种[18]。试验进行3组,以平均结果作为试验最终数据。记录棕针样为Z,其过渡层土样为Z1,淀积层土样为Z2,暗棕壤土样为A,其过渡层土样为A1,淀积层土样为A2。

各试验土样的基本物理性质见表1,表中数据为平均值±标准差,大写字母表示土样间自然含水率差异显著(P＜0.05),小写字母表示土样间土壤容重差异显著(P＜0.05)。

表1 试验土样的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of test soil samples

2.4 土壤的三轴剪切试验

2.4.1 三轴剪切试样制备

为避免采样过程中由于操作原因造成土样的破坏以及重塑土样与原状土样之间存在的土壤颗粒结构、黏结和排列等的差异,本试验统一采用重塑土样来进行,重塑土样制备要求高度为8 cm,直径为3.91 cm,三轴剪切试验的土样的制备按照《土木实验规程》进行。将取得的棕针及暗棕壤置于烘箱中进行烘干处理,烘箱温度控制在105 ℃±2 ℃,烘干时长控制在16 h。烘干处理后将土样过2 mm筛处理,过滤掉较大的根系及杂质备用。

实验将各层土样分别进行滤去根系的纯土土样配置,及添加根系的对照土样配置。其中,纯土土样记录为P,添加根系的土样记录为R,共计8种土样。此外按照土壤刨面结构及土样分层的特性,分别配置Z1+Z2及A1+A2的纯土和添加根系的土样来模仿实际土样的存在情况,共计4种土样。由表1中的各种土样的自然含水率可知,4种土样的自然含水率分布为13.31%～15.83 %,故12种土样的配置含水率均设置在15%。

2.4.2 三轴剪切试验

为得到土样的库伦强度线,采用室内三轴压缩试验,三轴压缩仪选择为美国GCTS公司生产的GDS非饱和三轴仪。实验开始前,排除三轴压缩仪器孔压传感器内部的残余空气。将预先制备好的高度为8 cm、直径为3.91 cm的三轴剪切标准土样经由橡皮膜、抽气装置装入装样器中。将土样装入三轴剪切仪器内部,设置剪切速度为0.8 mm/min,分别在100、200、300 kPa的径向围压下进行不排水不固结的三轴剪切试验,以此得到相关土样的抗剪强度包线。当剪切过程中出现剪切峰值后,试验继续进行,直至超过15%的轴向应变为止,若无峰值出现时,剪切应进行到轴向应变为20%时停止,取轴向应变15%时的主应力作为破坏点。GDS非饱和三轴仪配备有专用的土工试验微机数据处理系统,实验数据经由该系统采集储存[18]。土壤的抗剪强度计算公式为

式中:τ为抗剪强度;Cu为土壤黏聚力;σ为径向围压;φu为土壤内摩擦角。

2.5 数据处理

土壤的三轴剪切数据由土工试验微机数据处理系统采集获得,应用Excel 2019进行数据的预处理,采用Origin 2021和matlab 2021分别进行数据处理和图像绘制,利用SPSS 26.0进行显著性和相关性分析。

3 结果与分析

3.1 研究对象理化性质变化特征

(1)自然含水率。随着土层深度的增加,2种研究土样自然含水率均表现为下降的趋势。棕针自然含水率为14.00%～16.35%,暗棕壤自然含水率为13.13%～15.10%。棕针过渡层、淀积层与暗棕壤过渡层之间自然含水率不存在显著性差异,暗棕壤淀积层与其他3层土样之间存在显著性差异(P＜0.05),如图2所示(条形图绘制为该对象的均值,工形为对象测定误差)。

(2)容重。随土层深度的加深,2种 研究土样的土壤容重均增大,淀积层的土壤容重均大于过渡层。棕针的土壤容重为1.30～1.41 g/cm3,暗棕壤的土壤容重为1.13～1.25 g/cm3。同一土样不同土层之间的土壤容重的差异性不大,不同土样各土层土壤容重存在显著性差异(P＜0.05),暗棕壤土壤容重均小于棕针,如图2所示(条形图绘制为该对象的均值,工形为对象测定误差)。

图2 研究对象自然含水率及容重情况Fig.2 Natural moisture content and bulk density of the research objects

(3)机械组成。研究对象的机械组成情况,如图3所示。由图3可知,2个研究对象各土层砂粒占比在半成左右(48.0%～51.1%),与粉粒、黏粒占比成显著性差异(P＜0.05);粉粒和黏粒占比相差不大,为20.3%～31.20%,暗棕壤及棕针淀积层粉粒占比大于黏粒,棕针过渡层土样粉粒占比略低于黏粒。2个研究对象不同土层之间机械组成不存在显著性差异。

图3 研究对象机械组成情况Fig.3 Mechanical composition of research object

3.2 研究对象不同土层抗剪强度比较

3.2.1 同一土壤纯土与添加根系比较

设置纯土和添加根系的对照组。随着土层深度的增加,棕针各实验组均表现出内摩擦角增大、土壤黏聚力减少的特点。与纯土相比,添加根系对照组的棕针过渡层内摩擦角减小,淀积层内摩擦角增大,各土层均表现出黏聚力减小的趋势,如图4(a)所示。三轴剪切实验中随着径向围压的增大,棕针在纯土和添加根系状态下,过渡层抗剪强度均大于淀积层。当径向围压达到350～400 kPa时,添加根系状态下棕针抗剪强度逐渐大于纯土状态下的棕针抗剪强度,如图 4(b)所示。

随着土层深度的增加,暗棕壤各实验组均表现出内摩擦角增大的现象,这一特征与棕针表现相似。但暗棕壤黏聚力随着土层深度的增加表现出增大的趋势,这点与棕针表现相反。与纯土状态相比,添加根系后暗棕壤过渡层内摩擦角减小,淀积层内摩擦角增大,各土层黏聚力均增大,如图5(a)所示。三轴剪切试验中,随着径向围压的增大,暗棕壤在纯土或添加根系状态下,过渡层抗剪强度均小于淀积层。

对纯土状态和添加根系状态进行对比分析,结果如图6所示。经图6对照比较可以看出,添加根系状态下,土壤的内摩擦角增大,抗剪强度线的斜率增大,单位径向围压增大时,土壤的抗剪强度增长速度均大于纯土状态。

图4 棕针土壤内摩擦角、黏聚力及抗剪强度情况Fig.4 Soil internal friction angle, cohesion and shear strength of brown coniferous forest

图5 暗棕壤内摩擦角、黏聚力及抗剪强度情况Fig.5 Internal friction angle, cohesion and shear strength of dark brown soil

图6 研究土样纯土与添加根系抗剪强度情况Fig.6 Study on shear strength of pure soil and added root

3.2.2 不同土壤抗剪强度比较

对棕针、暗棕壤各土层纯土和添加根系分别进行对照比较。除土壤淀积层添加根系状态外,棕针的土壤黏聚力均大于暗棕壤。内摩擦角在纯土或添加根系状态下均表现为棕针较大的结果。暗棕壤纯土和添加根系状态下,淀积层黏聚力均大于过渡层,与棕针表现相反。添加根系均会造成棕针和暗棕壤内摩擦角的增大,如图7所示。

图7 棕针土壤、暗棕壤内摩擦角、黏聚力对比Fig.7 Comparison of internal friction angle and cohesion between brown coniferous forest soil and dark brown soil

随着土壤径向围压的增大,纯土状态下,棕针的抗剪强度均大于暗棕壤。根据抗剪强度线的发展趋势,可以预测出,棕针纯土状态下过渡层土壤抗剪强度均大于淀积层,暗棕壤纯土状态下过渡层抗剪强度会在径向围压接近500 kPa时,与淀积层抗剪强度相差不大,之后随着径向围压的增大,其抗剪强度将会远大于淀积层。添加根系状态下,当径向围压大于308 kPa时,棕针过渡层在抗剪强度方面有一个较好的表现,如图8所示。

图8 各土层纯土、添加根系抗剪强度线Fig.8 Shear strength lines of pure soil and roots in each soil layer

3.3 研究对象与还原土样抗剪强度比较

按照土壤实际存在的情况,配置上层为过渡层,下层为淀积层的还原土样,以此来模拟土壤的真实存在情况。各土层与还原土样黏聚力、内摩擦角情况如图9所示。还原土样的黏聚力介于过渡层和淀积层之间,除暗棕壤纯土实验组外,还原土壤也表现出内摩擦角大小介于过渡层和淀积层之间的情况。

由图10抗剪强度情况可以看出,棕针还原土样,在纯土和添加根系状态下,还原土样随着土壤径向围压的增大均表现为抗剪强度大于淀积层,小于过渡层的态势。暗棕壤在纯土状态下,还原土样的抗剪强度有一个较好的表现;在添加根系的状态下,随着土壤径向围压的增大,抗剪强度小于淀积层,大于过渡层。

图9 各土层与还原土样内摩擦角、黏聚力对比Fig.9 Comparison of internal friction angle and cohesion of layered and reduced soils

图10 各土层与还原土样抗剪强度线Fig.10 Shear strength line of layered and reduced soil samples

3.4 研究对象土壤理化性质与抗剪强度相关性分析

土壤的抗剪强度受到土壤的多种性质的影响,本文选取土壤容重和土壤机械组成为主要分析对象,探究其与土壤抗剪强度(径向围压为200 kPa状态)之间的关系,基础物理性质测定数据见表2,相关性分析结果见表3。

由表3中的数据可知,土壤抗剪强度与砂粒含量存在极显著相关性关系(P＜0.01),与粉粒含量存在显著相关关系(P＜0.05)。粉粒含量与抗剪强度呈显著负相关,相关系数R=-0.755 3;砂粒含量与抗剪强度呈极显著正相关,相关系数R=0.978 4。绘制散点图来确定粉粒含量和砂粒含量与抗剪强度之间的关系是否为线性,图像绘制结果如图11所示。

表2 基础物理性质测定数据Tab.2 Basic physical properties measurement data

表3 相关性分析表Tab.3 Correlation analysis table

图11 粉粒含量和砂粒含量与抗剪强度关系散点图Fig.11 The scatter diagram of the relationship between silt content, clay content and shear strength

由图11可知,粉粒含量和砂粒含量均与抗剪强度呈现明显的线性关系,故采用线性拟合的方式对抗剪强度进行拟合公式的求解。拟合结果计算公式为

式中:y为土壤抗剪强度(径向围压为200 kPa状态);x1为粉粒含量;x2为砂粒含量。

均方误差(Mean Squared,MSE,公式中用MSE表示)为回归问题的性能指标,是预测值与真实值间的差距,是测量误差的方差。MSE值越小,模型精度越高。

调整后的决定系数将自变量的个数考虑在内,在一定程度上解决了因为自变量个数较多造成的决定系数较大,和实际情况不相符的结果,能较好地进行回归方程拟合效果的评判,计算公式如下

式中:SST为总平方和;SSR为回归平方和;SSE为残差平方和;adjustedR2为调整后的决定系数;yi为原始序列中的第i个数据;y-为原始序列的均值;y︿i为第i个数据的预测值。

adjustedR2越接近1模型的精度越高。此外对该模型进行F检验、T检验以及残差检验。检验结果见表4,残差分析如图12所示。

由表4及图12结果可知,足够的抗剪强度线性拟合模型精度,可为土壤抗剪强度的求解提供一定的理论依据。

表4 模型检验Tab.4 Model checking

图12 残差个案次序图Fig.12 Residual case sequence diagram

4 讨论

研究对象选择为棕针和暗棕壤的过渡层和淀积层,2种土壤均呈现出淀积层含水率低于过渡层,土壤容重高于过渡层的特点。这与各土层的特性息息相关,过渡层中含有少量腐殖层土壤,腐殖层中存在较多的枯枝落叶,土壤的孔隙度较大,便于微生物的生命活动,因此,过渡层的土壤容重与淀积层相比较小。此外,过渡层与土壤表层相距较近,与淀积层相比更容易受到外界环境的影响。淀积层离地表较远,不易受到表层变化的影响,保持了土样原有的理化特征,故在自然含水率方面,其测定值大于淀积层。

对2种研究土样各土层分别进行机械组成 测定,黏粒、粉粒、砂粒含量在各土层中的占比均存在一定程度的差异。从整体上看,土壤中的砂粒含量处于较高水平,约占土壤的50%,不同土样不同土层在黏粒和粉粒占比之间也有不同的表现。棕针过渡层和暗棕壤淀积层土壤黏粒占比和粉粒占比存在显著性差异。

试验中设置添加根系的对照试验以及还原土层原始存在状态的还原对照试验。根据三轴试验结果来看,添加根系后,与纯土状态相比棕针表现为内摩擦角增大,黏聚力下降。低径向围压状态下,土壤抗剪强度与纯土状态相比减小,但随着径向围压的增大,棕针添加根系的抗剪强度逐渐大于纯土状态。暗棕壤表现出内摩擦角增大,黏聚力增大,土壤抗剪强度增大的状态,不受径向围压的影响。整体来看,根系对土壤产生“加筋”[20]作用,添加根系有助于黑土抗剪强度的提高,这与黄钢等[21]的研究结果相符。

还原试验显示,土壤的黏聚力、内摩擦角和抗剪强度大体上表现出过渡层和淀积层的中和趋势。还原土样由多个土层叠加而成,具有多个土层的特性,使得土壤最终抗剪强度表现出向两土层的中间状态发展。

对影响土壤抗剪强度的因素进行相关性分析,研究结果显示,土壤的抗剪强度与粉粒含量、砂粒含量存在显著相关[22],黏聚力与砂粒含量存在显著相关,内摩擦角与黏粒含量、粉粒含量存在显著相关。这也进一步证明了土壤的理化性质为土壤抗剪强度的重要影响因素[23]。但试验未将土壤成土条件、所处环境及土壤内部微生物和有机物含量作为抗剪强度的影响因素考虑在内,在之后的研究中仍需不断补充。

5 结论

(1) 2种研究土样均随着土层深度增加,含水率减少,土壤容重增大。机械组成方面均表现为砂粒占比约50%,黏粒和粉粒含量相差不大的状态。

(2) 径向围压为200 kPa时,棕针壤纯土状态的抗剪强度为348.31～382.81 kPa,暗棕壤纯土状态的抗剪强度为205.95～257.63 kPa,两者存在显著性差异(P＜0.05)(表2)。抗剪强度在两土样不同土层深度时表现不同,土壤抗剪强度的大小并不绝对随土层深度的增加而变大。

(3) 根系通过影响土壤的内摩擦角和黏聚力进而改变土壤抗剪强度,高径向围压下根系表现出的“加筋”效果,有助于土壤抗剪强度的提高。还原土样具备不同土层的中和特征,抗剪强度表现为向过渡层、淀积层中和方向发展。

(4) 土壤抗剪强度与砂粒含量存在极显著正相关性关系(P＜0.01),相关系数R=0.978 4;与粉粒含量呈显著负相关(P＜0.05),相关系数R=-0.755 3。黏聚力与砂粒含量呈显著正相关(P＜0.05),相关系数R=0.760 1。内摩擦角与黏粒含量呈显著正相关(P＜0.05),相关系数R=0.836 0;与粉粒含量呈显著负相关(P＜0.05),相关系数R=-0.815 9。