【摘要】：土壤侵蝕是我國南方花崗巖地區(qū)地力退化的重要因素�；◢弾r風(fēng)化殼受風(fēng)化程度的影響呈現(xiàn)明顯的剖面非均質(zhì)性,并形成了獨(dú)特的侵蝕地貌-崩崗。傳統(tǒng)的土壤侵蝕無法全面對崩崗侵蝕的形成和演替進(jìn)行解釋,且鮮有研究從巖土力學(xué)的角度對土壤侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行探究�；◢弾r風(fēng)化巖土體穩(wěn)定性的研究對于該區(qū)域土壤侵蝕預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及后續(xù)治理具有重要意義。本文以鄂東南崩崗侵蝕集中區(qū)典型花崗巖風(fēng)化殼為研究對象,根據(jù)風(fēng)化程度將巖土體自上而下劃分為表土層、紅土層、砂土層和碎屑層,通過測定其土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)、土水特征、土體形變及強(qiáng)度等指標(biāo),研究了花崗巖風(fēng)化巖土體理化及力學(xué)特性的變異性,并基于試驗(yàn)結(jié)果采用有限差分和極限平衡為主的數(shù)值分析方法進(jìn)行了土體非飽和滲流和穩(wěn)定性計(jì)算。主要結(jié)果如下:(1)花崗巖風(fēng)化巖土體主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的及持水特性花崗巖風(fēng)化巖土體的黏土礦物以高嶺石為主,顆粒形狀以片狀為主;不同風(fēng)化層次間土壤顆粒組成具有明顯的多重分形特性,且顆粒的排列方式及結(jié)構(gòu)特性差異明顯;不同層次間土壤容重變化范圍較小,1.20~1.42 g/cm~3;土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)及游離鐵鋁氧化物的含量大致隨著巖土體深度的加深而降低,其變化范圍分別為13~42%、0~21 g/kg、4~24(Fe2O3)和1~7(Al2O3)g/kg;塑限和液限的變化規(guī)律不明顯,范圍為22~30%和28~52%;紅土層的土壤孔隙主要集中于0.01~0.1μm,而表土層因生物活動(dòng)的影響土壤具有較多的大孔隙,而砂土層和碎屑層則受大顆粒的影響,大孔隙含量較高。Fredlund-Xing模型可以很好的模擬花崗巖風(fēng)化巖土體的水分特征曲線(R20.99,SE0.00,RSS0.02),其模型參數(shù)與土壤顆粒組成和液塑限存在顯著的相關(guān)關(guān)系(r0.98,p0.01;r0.8,p0.05)。(2)花崗巖風(fēng)化巖土體的脫水收縮形變特征在脫水過程中,紅土層的收縮形變明顯,體積形變量高達(dá)0.2 cm~3/cm~3其中正常收縮階段占總形變量的52%以上,而碎屑層的收縮形變量較小,體積形變量小于0.05 cm~3/cm~3;不同層次土壤收縮形變的異向性隨含水率的變化而變化,其中表土層和砂土層的體積收縮應(yīng)變以徑向收縮為主,幾何因子γ的變化范圍為1.2~2.2,而紅土層和碎屑層的以軸向收縮應(yīng)變?yōu)橹?幾何因子γ均大于3.0;粉粒含量是影響花崗巖風(fēng)化巖土體干縮形變的主要因子,土體形變?nèi)萘渴芸紫抖扔绊戄^大(p0.05)。(3)花崗巖風(fēng)化巖土體的飽和-非飽和抗剪強(qiáng)度特征不同層次間花崗巖風(fēng)化巖土體的非飽和抗剪強(qiáng)度特征差異明顯,其中紅土層和砂土層隨著含水率的降低呈應(yīng)力軟化,而碎屑層則呈應(yīng)力硬化,且質(zhì)地較黏重的土層抗剪強(qiáng)度較大,尤其在低含水率條件下;非飽和抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力呈明顯的非線性變化,這可以用Lee等(2005)的非飽和抗剪強(qiáng)度公式表征;高基質(zhì)吸力條件下,抗剪強(qiáng)度受基質(zhì)吸力和法向壓力相互作用的影響;基于非飽直剪試驗(yàn)結(jié)果求得有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)(c′和φ′),其大小隨土壤含水量的增加而減小;在100~1000 k Pa的基質(zhì)吸力范圍內(nèi)紅土層的抗剪強(qiáng)度受基質(zhì)吸力的變化影響較大,而超過此范圍則影響較小;砂土層和碎屑層抗剪強(qiáng)度受基質(zhì)吸力影響相對較小,尤其是碎屑層,其抗剪強(qiáng)度的變化范圍為45~75 k Pa。除碎屑層以外,花崗巖風(fēng)化土的非飽和抗剪強(qiáng)度與飽和度相關(guān)的參數(shù)具有線性相關(guān)關(guān)系(R20.6,RMSE28,AICc-23);當(dāng)土壤含水率在14~7%時(shí),抗剪強(qiáng)度總體較大;紅土層在土壤含水量為21%左右,其抗剪強(qiáng)度異向性明顯(λ1.5);土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化范圍分別為0~120 k Pa和22~52°,且風(fēng)化層次、土體方向及土壤含水率均對黏聚力具有顯著影響(F=9.48,p0.01),而內(nèi)摩擦角僅受含水率影響(F=17.78,p0.001)。Duncan-Chang本構(gòu)模型可以較好的模擬花崗巖風(fēng)化巖土體的應(yīng)力應(yīng)變特性,據(jù)該模擬計(jì)算得到飽和花崗巖風(fēng)化體紅土層、砂土層和碎屑層彈性模量,其變化范圍分別為46~172、66~338和61~163 k Pa,其變異性受總孔隙度和粉粒含量影響(p0.05);砂土和碎屑層的有效黏聚力遠(yuǎn)小于總黏聚力,而對于紅土層和表土層,其差異不明顯;飽和條件下基于三軸壓縮試驗(yàn)求得的黏聚力普遍較直剪試驗(yàn)大,而內(nèi)摩擦角則相反。(4)花崗巖風(fēng)化巖土體的非飽和滲流及穩(wěn)定性分析非飽和滲流分析結(jié)果表明,花崗巖風(fēng)化土體的底部砂土和碎屑區(qū)域容易發(fā)生積水,這與剪應(yīng)力增量劇烈的區(qū)域一致;土體的整體穩(wěn)定性受坡度大小控制,極限平衡條件下45°為臨界坡度值,土體的破壞方式以剪切破壞為主,表土和紅土層存在明顯的拉伸破壞;塑性破壞面的角度隨土體坡度的增大而增大,潛在破壞面的移動(dòng)方式由土體原有坡度決定,坡度小于45°時(shí)以滑移破壞為主,而大于65°時(shí)則容易發(fā)生崩塌破壞,且土體的破壞是從土體底部開始往上發(fā)展,這可能是風(fēng)化巖土體底部易受侵蝕影響的原因。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S157.1
【圖文】：

水化程度的影響，風(fēng)化體通常呈現(xiàn)出紅色、橘色、黃Ogundipe,2012; Marto et al., 2013)，且土體中可溶性鐵鋁氧化物較多，硅鋁率多在 1.5~2.5 之間，但南北南方地區(qū)的 3.5 倍，黏土顆粒的含量及鐵離子的氧化堿飽和度和離子交換能力則降低（Lan et al., 2003），有明顯的地帶性特征。地區(qū)典型花崗巖風(fēng)化剖面如圖 1-1 所示。除了剖面土粒度分異也很明顯，從底層到表面依次為：完整巖石砂土→黏土。在早期的風(fēng)化過程中，母巖的原始結(jié)構(gòu)礦物分解較緩慢。隨著風(fēng)化過程的加深，原有的母風(fēng)化加深并形成黏土礦物。由于不同區(qū)域風(fēng)化程度同，比如在風(fēng)化過程中鉀長石的變化順序依次為：鉀嶺石。

圖 1-2.我國南方花崗巖風(fēng)化剖面的次生礦物類型 1-2. Secondary minerals in the granitic weathering profile in Sout土環(huán)境及礦物組分的影響，花崗巖風(fēng)化巖土體具有其獨(dú)特結(jié)構(gòu)以下幾方面：層厚度。我國南方地區(qū)花崗巖土體的風(fēng)化殼厚度可達(dá) 20~60m境、成土?xí)r間、土壤侵蝕等因素的影響風(fēng)化殼厚度的區(qū)域差異壤層次�；◢弾r風(fēng)化巖土體雖然沒有地層分層現(xiàn)象，但具有非平層次分異性。土壤水中溶解的礦物元素淋溶及可溶性鹽在剖促進(jìn)了花崗巖風(fēng)化巖土體剖面不同層次肉眼可見的淋溶析出水質(zhì)組分�；◢弾r風(fēng)化剖面是由不同風(fēng)化程度的碎屑物質(zhì)形成，顯，其顆粒大小、土層結(jié)構(gòu)等變異較大。崗巖地區(qū)土壤侵蝕

壤黃壤區(qū)侵蝕總面積的 28%；其中高度和劇烈侵蝕占總侵蝕面積的 22%， 中度侵蝕占 49 %（表 1-1）（史德明，1991）。此外，花崗巖風(fēng)化巖土體分布區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)高達(dá) 104t/（km2·a），高度和劇烈侵蝕區(qū)的土壤流失量分別為容許流失量的 21.5 倍和 27 倍。在持續(xù)的侵蝕作用下，南方花崗巖地區(qū)形成了較為特殊的侵蝕地貌特征（圖 1-3）。表 1-1. 南方花崗巖區(qū)土壤侵蝕面積及比例（引自史德明，1991）Table 1-1. Soil erosion and ratio in granitic soil areas of South China (Shi, 1991).侵蝕強(qiáng)度面積104km2占花崗巖區(qū)總面積（%）占花崗巖區(qū)侵蝕總面積（%）占南方紅黃壤區(qū)侵蝕總面積（%）無明顯侵蝕 4.2 17.56輕度侵蝕 5.64 23.58 28.62 8.17中度侵蝕 9.77 40.84 49.54 14.16重度侵蝕 2.95 12.33 14.96 4.28劇烈侵蝕 1.36 5.69 6.9 1.97合計(jì) 19.72 82.44 100 28.58

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