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崩岗土体胶结物质与其抗剪强度的关系研究

陈嘉林  
【摘要】:崩岗是南方红壤区最严重的一种复合侵蚀类型,土体抗剪强度的衰减是导致崩岗发生崩塌的主要原因之一。崩岗土体中胶结物质形态、数量决定了土体的抗剪强度,然而目前有关胶结物质与崩壁土体抗剪强度的关系还研究较少。因此,本研究以福建省安溪县为研究区,在研究区内采集龙门镇两个崩岗土壤剖面及感德镇两个未发生崩岗土壤剖面土样,通过分析不同深度土壤样品的基本理化性质、矿物学特性、抗剪特性(黏聚力和内摩角)等,初步探明典型崩岗土体矿物学特性以及影响崩岗土体抗剪强度的主要因素。同时还采集了龙门镇典型崩岗红土层、砂土层和碎屑层的土壤样品,通过去除土体中的胶结物质及外源添加胶结物质两种方式处理土样,研究不同浓度梯度处理下土壤抗剪强度的变化情况,分析了胶结物质含量的变化对土壤质地、粒径分布、分形维数等的影响。结果表明:(1)未受崩岗侵蚀土壤的土壤特性优于已崩岗土壤,二者总铁和各形态铁氧化物含量的差异最为显著。未崩岗土壤的结构性和持水性均比崩岗土壤优异。二者内摩擦角较为接近,但未崩岗土壤具有更强的粘聚力而更能抵抗外力剪切。不管受过崩岗侵蚀与否,二者的粘土矿物组成都包括高岭石、伊利石、层间蛭石和三水铝石。但在已崩岗的土壤剖面中高岭石的含量高达粘土矿物总量的85%左右,说明已遭受崩岗侵蚀的土壤其风化更为迅速。在含有未崩岗和崩岗土壤分组中,粘聚力和内摩擦角与不同形态的铁、铝、锰氧化物,钙、镁、铁的含量均成极显著相关。(2)在梯度去除游离和无定形氧化物过程中,游离氧化铁(Fed)因发生活化其含量随处理梯度而减少。梯度去除氧化物胶体后,各土层的质地、粒径分布、分形维数都发生了改变,另外干湿交替也会影响它们与抗剪强度之间的关系。总体而言,氧化物胶体的去除会增加土壤里细颗粒的含量,从而导致分形维数(D)的上升,不同游离氧化物浓度下,干湿交替前后分形维数与土壤粘聚力和内摩擦角的关系可以分别用 c = D18.78725、c =D15.93285 和ψ=0.1148D5.62174、ψ=0 9718D3.29803定量表达。氧化物胶体的去除同时会减弱土壤结构的稳定性,从而使其黏聚力下降,方程In c=0.02641d+94.549可以表达红土层Fed浓度(d)与其粘聚力之间的定量关系。不同无定形氧化物去除梯度下,砂土层的粘聚力和碎屑层的内摩擦角与无定形氧化铁浓度(o)之间则可以用方程 c = 64.9636o 0 19487 和ψ=21.8360+0.04189o 4.3626进行定量表达。(3)针铁矿和高岭土由于其吸附和粒径特性,对土壤的粒径分布和分形维数影响较大,从而影响其抗剪强度。添加针铁矿处理下,可以用方程 c =-776.98D2 + 3538.51D-3960.24 和 c =-355.61D2 +1622.99D-1793.58表达分形维数与砂土层干湿交替前后的粘聚力之间的定量关系。针铁矿的胶结作用使土壤的抗剪强度得到提升,干湿交替前后Fed含量与砂土层和碎屑层粘聚力的关系可以通过方程c =68.7044-5.3366×106×0.1463d、c = 57.9026-1.2047×106×0.1609d和 c =35.3880×1.1206d 和c=33.1300+5.7010d进行定量表达。高岭土的添加使崩岗土层的粘聚力和内摩擦角均有所增大,但红土层的粘聚力反而有所下降。高岭土添加比与红土层、砂土层和碎屑层的粘聚力之间的关系可以分别用方程c = 224.5571g-0.3166、c =-2.4570g2+ 17.6144g-28.7447 和 c=62.9967-19.4204×0.5733g进行定量表达。(4)有机质(腐殖酸和富里酸)的梯度添加均从不同程度上提高了土壤中各有机组分的含量,改变了土壤原有的胶结状态和结构组成。土壤中的团聚体和细颗粒含量随有机质的添加总体呈上升的趋势,添加腐殖酸后,可用方程c = 1.11×D25.0981和c =76.45691-6.06×1071×1.13×10-29D定量表达分形维数与砂土层和碎屑粘聚力的关系。红土层的粘聚力随有机质的添加而减小,砂土层和碎屑层粘聚力的变化则相反,可分别用c=304.7311×H-0.1548、c = 73.6231-40.44246×0.67748H和 c = 56.6089×H0.1125 对添加腐殖酸后,红土层、砂土层和碎屑层的腐殖质碳量和粘聚力之间的关系进行定量表达。添加富里酸后,红土层和砂土层的粘聚力与腐殖质碳量之间的关系可以用 c = 297.7895H-0.07351 和 c =-0.63481H2+ 11.80794H+35.67314进行定量表达。由于有机胶体自身分子量和结构的复杂性,除了富里酸碳量与砂土层内摩擦角关系显著外,其他各有机组分与崩岗土壤内摩擦角之间并无显著相关,故仍需进一步探索研究。


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