紫色土颗粒特征及其水土力学作用机理

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土壤颗粒特征(大小、形状、组合与聚合形态、表面性质)及颗粒与水的相互作用决定了土壤颗粒-水-气界面的物理-化学过程,进而影响了土壤的持水能力、抗剪强度等水土力学特性。当前颗粒特征、土壤水力学过程及土力学过程的研究已经十分成熟,但宏微观角度下颗粒特征及颗粒间相互作用力对水土力学特性影响作用的研究依旧十分匮乏,此外鲜有学者定量计算孔隙盐溶液所引起颗粒表面电场、颗粒间物理化学应力的变化及其对土壤抗剪强度的控制作用。因此,本文以重庆地区砂壤土到黏壤土系列质地紫色土为研究对象,设置不同孔隙液环境(纯水、0.5、1.0、2.0 mol/L氯化钠溶液),对不同孔隙液环境下饱和/非饱和紫色土颗粒间物理化学应力进行定量计算,对比分析不同质地紫色土的颗粒特征、矿物组成、颗粒间相互作用力、持水能力、抗剪强度等指标,探讨土壤颗粒特征及粒间作用力对紫色土水土力学行为影响的作用机制,阐明紫色土颗粒与水相互作用的力学机理。主要研究结果如下:(1)土壤颗粒特征及矿物组成显著影响了紫色土水土力学特性土壤颗粒特征及矿物组成显著影响了紫色土的水土力学特性。对于紫色土抗剪强度而言,紫色土矿物组成及颗粒组成的差异使得高饱和阶段紫色土抗剪强度总体表现为壤土(S6)(>粉壤土(S4)>砂壤土(S3)>壤土(S2)>黏壤土(S5)>黏壤土(S1),其中黏壤土(S1)、壤土(S2)、黏壤土(S5)的黏聚力明显大于其它土样,内摩擦角小于其它土样。此外,紫色土颗粒组成与矿物成分的差异使得黏壤土(S1)、壤土(S2)、黏壤土(S5)内摩擦角及抗剪强度随饱和度的变化幅度明显大于其它土样。对于紫色土持水能力而言,中低吸力阶段,紫色土黏粒含量及孔隙结构的差异使得其持水能力总体表现为:黏壤土(S1)>黏壤土(S5)>壤土(S2)>粉壤土(S4)>壤土(S6)>砂壤土(S3);高吸力阶段,紫色土矿物成分及表面性质的差异使得不同质地紫色土持水能力总体表现为:黏壤土(S1)>黏壤土(S5)>壤土(S2)>壤土(S6)>砂壤土(S3)>粉壤土(S4)。此外水分特征曲线模型拟合结果表明,BC模型及VG模型对中低吸力阶段及全吸力阶段水分特征曲线拟合效果最佳;黏壤土(S1)比水容量随土壤水吸力的增加呈先增加后减小的趋势,壤土(S2)、砂壤土(S3)、粉壤土(S4)、黏壤土(S5)、壤土(S6)比水容量随土壤水吸力的增加而减小。(2)孔隙液盐溶液提高了饱和紫色土的内摩擦角进而提升了饱和紫色土的抗剪强度与孔隙液为纯水饱和紫色土相比,孔隙盐溶液降低了颗粒间结合水膜的厚度使得内摩擦角及剪切阻力增加,抗剪强度随之提高。另一方面,孔隙盐溶液会引起颗粒间表面电位及物理化学应力的变化,黏聚力也随之改变,其影响作用效果与颗粒特征及矿物成分有关。黏壤土(S1)、壤土(S2)、砂壤土(S3)颗粒特征及矿物成分的差异使得孔隙液为盐溶液饱和黏壤土(S1)试样黏聚力有小幅提升,壤土(S2)、砂壤土(S3)试样黏聚力有小幅下降。黏壤土(S1)和壤土(S2)饱和试样抗剪强度总体随孔隙液离子浓度的增加而增加,砂壤土(S3)饱和试样抗剪强度随孔隙液离子浓度的增加无明显变化规律。(3)孔隙盐溶液对抗剪强度的提升作用(与孔隙液为纯水相比)随饱和度的下降而增强对比分析3个饱和度梯度(80%、60%、40%)下,不同孔隙液环境非饱和紫色土抗剪强度可得,孔隙液环境为1mol/L氯化钠溶液非饱和紫色土抗剪强度相较于相同饱和度下孔隙液为纯水的非紫色土抗剪强度均有一定提升,其提升幅度随饱和度的下降总体呈增加。原因在于,低饱和度阶段,颗粒间液桥产生的毛细引力、表面张力、基质吸力使得颗粒间距减小,孔隙液溶液所引起的物理化学应力的改变的作用效果增强。综上所述,土壤颗粒特征、矿物成分及粒间作用力的类型和强弱均会对紫色土水土力学特性产生影响,颗粒特征及矿物组成对紫色土水/土力学行为的影响作用方式不同,孔隙盐溶液使得颗粒表面电位、颗粒表面结合水膜厚度、颗粒间物理化学应力发生改变,宏观上表现为土体强度的变化。本研究结果可为紫色土区田间土壤水分管理及水土保持工作的开展提供数据支撑,促进耕地资源的可持续发展。
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