紫色土埂坎根-土复合体土水特性与抗剪强度.pdf
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1、第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 4 资助项目:重庆市杰出青年科学基金项目(c s t c 2 0 1 9 j y c j j q X 0 0 2 5);重庆英才青年拔尖人才项目(C QY C 2 0 1 9 0 5 0 0 9);四川省科技计划项目(2 0 2 0 Y J 0 2 0 2,2 0 2 1 Y F S 0 2 8 8);国家级大学生创新创业训练计划
2、项目(2 0 2 1 1 0 6 3 7 0 0 4)第一作者:郑文娇(1 9 9 8),女,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。E-m a i l:j o e y h e r e 2 0 2 2 f o x m a i l.c o m 通信作者:韦杰(1 9 7 9),男,博士,教授,硕士生导师,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。E-m a i l:w e i_j i e m a i l s.u c a s.a c.c n紫色土埂坎根-土复合体土水特性与抗剪强度郑文娇1,韦 杰1,2,唐 强3,李进林4,何 颖1(1.重庆师范大学地理与旅游学院,三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验
3、室,重庆4 0 1 3 3 1;2.三峡库区地表生态过程重庆市野外科学观测研究站,重庆4 0 1 3 3 1;3.西南大学地理科学学院,重庆金佛山喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站,重庆4 0 0 7 1 5;4.中国科学院重庆绿色智能技术研究院,重庆4 0 0 7 1 4)摘要:研究根-土复合体土-水特征曲线与抗剪强度的关系,可为紫色土埂坎根-土复合体强化机理的揭示与埂坎稳定性的维持提供科学依据。选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎草本植物根土复合体为研究对象,结合H y p r o p 2土壤水分特征曲线测量仪、滤纸法与直剪试验,拟合土-水特征曲线,揭示基质吸力对根-土复合体抗剪强度的影响。
4、结果表明:(1)根-土复合体土-水特征曲线明显分为边界效应区、过渡区与非饱和残余区,3种常用模型(B-C、VG、F-X)中F-X模型拟合该曲线效果最好,根-土复合体饱和含水率、进气吸力、残余区含水率以及相同体积含水率下的基质吸力均高于素土。(2)随着体积含水率降低,根-土复合体黏聚力先增大后减小,试验范围内黏聚力最大值5 1.2 5k P a出现在体积含水率约2 3%时,内摩擦角则线性增大。相同体积含水率下,根-土复合体黏聚力较素土最大增加5 0%,内摩擦角提升不大。(3)基质吸力对根-土复合体抗剪强度的增强作用具有阶段性特征,各阶段临界吸力值与土-水特征曲线一致,过渡区(基质吸力为35 0
5、0k P a)土体抗剪强度提高明显,进入非饱和残余区后(基质吸力5 0 0k P a)由于黏聚力下降,土体抗剪强度增速减慢,根-土复合体抗剪强度随基质吸力增大而提升的幅度大于素土。通过建立埂坎根-土复合体土-水特征曲线和抗剪强度的关系,可估测实际工况下的埂坎土体抗剪强度,进而为坡耕地埂坎的建设、维护管理以及坡耕地侵蚀阻控提供理论依据。关键词:根-土复合体;土-水特征曲线;抗剪强度;基质吸力;埂坎中图分类号:S 1 5 7.3+2 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 0 7 5-0 8D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s
6、 t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 1 1S o i l-w a t e rC h a r a c t e r i s t i c sa n dS h e a rS t r e n g t ho fR o o t-s o i lC o m p o s i t e s f r o mP u r p l e-s o i l e dB u n d sZ HE NG W e n j i a o1,WE I J i e1,2,T ANGQ i a n g3,L I J i n l i n4,HEY i n g1(1.C h o n g q i n gK e yL a b o r a t o
7、 r yo fS u r f a c eP r o c e s sa n dE n v i r o n m e n tR e m o t eS e n s i n gi nt h eT h r e eG o r g e sR e s e r v o i rA r e a,S c h o o l o fG e o g r a p h ya n dT o u r i s m,C h o n g q i n gN o r m a lU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g4 0 1 3 3 1;2.C h o n g q i n gO b s e r v a t i
8、 o na n dR e s e a r c hS t a t i o no fE a r t hS u r f a c eE c o l o g i c a lP r o c e s s e s i nt h eT h r e eG o r g e sR e s e r v o i rA r e a,C h o n g q i n g4 0 1 3 3 1;3.C h o n g q i n gJ i n f oM o u n t a i nK a r s tE c o s y s t e m N a t i o n a lO b s e r v a t i o na n dR e s e
9、a r c hS t a t i o n,S c h o o l o fG e o g r a p h i c a lS c i e n c e s,S o u t h w e s tU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g4 0 0 7 1 5,C h i n a;4.C h o n g q i n gI n s t i t u t eo fG r e e na n dI n t e l l i g e n tT e c h n o l o g y,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,C h o n g
10、q i n g4 0 0 7 1 4)A b s t r a c t:I n v e s t i g a t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i l-w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e(SWC C)a n ds h e a rs t r e n g t ho f r o o t-s o i l c o m p o s i t e s i se x p e c t e dt op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s f o rr
11、 e v e a l i n gt h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fp u r p l e-s o i l e dr o o t-s o i lc o m p o s i t e sa n d m a i n t a i n i n gt h es t a b i l i t yo fs o i lb u n d s.T h er o o t-s o i lc o m p o s i t e so fh e r b a c e o u sp l a n t so nt h es o i l b u n d so f t y p i
12、 c a l p u r p l e-s o i l e ds l o p i n gf a r m l a n d s i nt h eT h r e eG o r g e sR e s e r v o i rr e g i o nw a ss e l e c t e da s t h er e s e a r c ho b j e c t,a n dt h ee f f e c to fm a t r i xs u c t i o no nt h es h e a r s t r e n g t ho f r o o t-s o i lc o m p o s i t e sw a s c
13、o n s t r u c t e db yu s i n gH y p r o p 2s o i lm o i s t u r e c h a r a c t e r i s t i c c u r v em e a s u r i n g i n s t r u m e n t,f i l t e rp a p e rm e t h o dc o m b i n e dw i t ht h ed i r e c ts h e a rt e s t.M a j o rf i n d i n g sw e r e:(1)S WC Co ft h er o o t-s o i lc o m p
14、o s i t e sc o u l db ed i v i d e di n t ob o u n d a r ye f f e c tz o n e,t r a n s i t i o nz o n e,a n du n s a t u r a t e dr e s i d u a lz o n e,a n dt h eF-Xm o d e l f i t t e db e s t a m o n g t h e t h r e e c o mm o n l yu s e dm o d e l s(B-C,VG,F-X).T h e s a t u r a t e dw a t e r c
15、 o n t e n t,a i r i n t a k es u c t i o n,r e s i d u a lw a t e rc o n t e n t,a n ds u c t i o na t t h es a m ev o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n to f t h er o o t-s o i lc o m p o s i t e sw e r ea l lh i g h e rt h a nt h o s eo ft h ep l a i ns o i l.(2)T h ec o h e s i o no ft h er o o
16、 t-s o i lc o m p o s i t e sf i r s ti n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n gv o l u m e t r i cm o i s t u r e c o n t e n t,a n d t h em a x i m u mc o h e s i o no f5 1.2 5k P a i nt h e t e s t r a n g eo c c u r r e da t av o l u m e t r i cm o i s t u r ec
17、 o n t e n to fa b o u t2 3%.A t t h es a m et i m e,t h ea n g l eo f i n t e r n a l f r i c t i o n i n c r e a s e d l i n e a r l y.T h ec o h e s i o no f r o o t-s o i l c o m p o s i t e s i n c r e a s e db y5 0%c o m p a r e dw i t hp l a i ns o i l a t t h e s a m ev o l u m e t r i cw a
18、t e r c o n t e n t,a n d t h e i n t e r n a l f r i c t i o na n g l ew a sn o t g r e a t l ye n h a n c e d.(3)T h e e n h a n c e m e n t e f f e c t o fm a t r i xs u c t i o no n t h e s h e a r s t r e n g t ho f r o o t-s o i l c o m p o s i t e s a n d i t sp a r a m e t e r sh a das t a g
19、 e-s p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c,a n d t h e c r i t i c a l s u c t i o nv a l u eo f e a c hs t a g ew a s c o n s i s t e n tw i t h t h eSWC C.T h es h e a rs t r e n g t ho f s o i l i nt h e t r a n s i t i o nz o n e(w h e r et h em a t r i xs u c t i o nw a s35 0 0k P a)w a sm o
20、 s to b v i o u s l yi m p r o v e d.A f t e r e n t e r i n g t h eu n s a t u r a t e dr e s i d u a l z o n e(m a t r i xs u c t i o nw a sg r e a t e r t h a n5 0 0k P a),t h e s h e a rs t r e n g t ho f s o i l i n c r e a s e da t as l o w e r r a t ed u e t ot h ed e c r e a s eo f c o h e s
21、 i o n.I na d d i t i o n,t h es h e a rs t r e n g t ho ft h er o o t-s o i l c o m p o s i t e s r a i s e dw i t h i n c r e a s i n gm a t r i xs u c t i o nt oag r e a t e re x t e n t t h a nt h a to f t h ep l a i ns o i l.E s t a b l i s h i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nSWC Ca
22、 n ds h e a rs t r e n g t ho f t h er o o t-s o i l c o m p o s i t e so fp u r p l e-s o i l e db u n d sc o u l de s t i m a t et h es h e a rs t r e n g t ho fs o i lb u n d su n d e ra c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s,w h i c hp r o v i d e sa ni m p o r t a n t t h e o r e t i c a l s
23、 u p p o r t f o r t h e c o n s t r u c t i o n,m a i n t e n a n c e a n dm a n a g e m e n t o f s l o p e c u l t i v a t e d l a n da n dt h ee r o s i o nc o n t r o l o f s l o p ec u l t i v a t e d l a n d.K e y w o r d s:r o o t-s o i l c o m p o s i t e s;s o i l-w a t e rc h a r a c t e
24、r i s t i cc u r v e;s h e a rs t r e n g t h;m a t r i xs u c t i o n;s o i lb u n d s 埂坎是防止集水冲毁耕地而修筑的高出田面的台阶与其外侧坡组合而成的复合体,是阻控坡耕地侵蚀的重要措施1。土坎因造价低廉且生态适应性良好成为现有紫色土坡耕地埂坎的主要类型2。紫色土区多降雨且蒸发强,埂坎土体经常在饱和与非饱和态切换,抗剪强度随土体含水率、基质吸力变化,容易发生滑移、坍塌等现象,阻碍其水土保持功能的发挥3。近年来,生物埂坎、地埂篱等植物措施被广泛用于埂坎垮塌防治,具有良好的水土保持效果和显著的生态效益。植物根系
25、通过缠绕固结、分泌物胶结、膨压作用等形成根-土复合体,使土体工程力学与水力学性能明显提高,工程力学机制主要体现为浅层根系、深层垂直根系和水平根系对土体进行牵引、锚固与加筋,增强土体的抗剪抗蚀能力4-5。水力学机制则表现为根系吸水、蒸腾及对孔隙的膨压填充等作用引起土体基质吸力变化,从而产生附加剪切强度6。目前,对于埂坎根-土复合体的研究主要集中于工程力学效益方面,如根系的抗拉特性7、根-土界面摩阻特性8与抗剪抗冲性能9等。然而根系作用引起的基质吸力变化也会改变土体抗剪强度,埂坎根-土复合体中基质吸力对土体稳定性的影响报道不多。基质吸力是控制非饱和土应力应变状态的重要变量,国内外大量研究证实了非饱
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