本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第3期“水土保持科学与工程”栏目。
为系统探究干湿循环频度和强度对赣州花岗岩红壤固结强度的影响，本研究通过进行不同强度和频度干湿循环条件下的快速固结试验，确定干湿循环效应对固结强度变化的影响机制。
位于江西省南部的江西省赣州市赣县(E 114°42′~ 115°22′，N 25°26′~26°17′)属中亚热带丘陵山区季风湿润气候，雨热同期，年均温为19.6 ℃，年平均降水量为1 446 mm。研究区4—6月为全年降雨主要集中时间段，降雨历时较短，降雨强度大；高温普遍集中在7—9月，炎热高温，蒸发迅速。赣县白鹭乡、田村镇交汇处的“金钩形崩岗群”是我国南方崩岗侵蚀最为剧烈、集中连片、崩岗成群区域之一，水土流失严重。
固结特性的改变，其根本是土体孔隙结构的变化，孔隙结构是花岗岩红壤压缩特性的主要影响因素之一。花岗岩红壤孔隙比高、压缩性低，物理性质较差，但同时又具有较高的结构性强度，作为代表性结构土，具有胶结、大孔隙的特点。固结阶段土体在封闭环境内因吸力变化产生压缩变形，土体内水分和气体被排出，孔隙压力逐步减少，有效应力增加。土颗粒间接触更加紧密，孔隙体积减小，土骨架产生形变，导致土体孔隙比不断下降，土壤压缩变形程度不断加剧。当固结压力达到一定强度时，土体内部结构无法承受各向等压固结作用，进而被完全破坏，土体固结强度降低。多次干湿循环使土体孔隙结构向大孔隙均质发展，土壤的均质性和导水能力增强，7次循环后土体结构均质化发展完全，土体结构趋于稳定。宋洋等通过固结试验得出土体结构经过多次干湿循环后将达到稳定平衡状态，王港等通过定向玫瑰图展示花岗岩残积土孔隙的定向性，得出在较大荷载压力下花岗岩残积土的压缩变形是微观结构不断调整以趋达到最稳定且有序状态的过程，与笔者基本一致。
花岗岩红壤中主要的矿物成分是石英和黏土，石英构成土体的骨架，由黏土组成的胶结物决定着土体最终的力学强度。7次循环前，土壤固结强度虽在不断下降，但自身仍具有黏结性，保证土体仍具备一定的固结强度；7次循环后土体结构被破坏完全，土体的胶结状态被打破，变形程度达到最大，故10次循环土体变形趋于稳定。多次干湿循环下土体水分不断蒸发渗透，孔隙水压力不断减小增大，颗粒间相互作用力反复发生变化，土壤内部孔隙结构趋于松散。因此随着干湿循环频度增加固结系数下降。
此外，干湿循环强度也显著影响土壤固结强度。笔者通过含水率变化范围设置干湿循环强度，不同干湿循环强度处理下固结强度变化趋势一致，低强度土体压缩性远高于高、中强度土体。在3种干湿循环强度中，高强度处理下土体粗颗粒向细颗粒转化，崩解程度加剧，较中高强度更易于压缩。增湿和脱湿2种形态不断交替导致土壤干燥开裂，这属于另外一种拉张作用，土体内部产生的拉张应力，当其超过土体抗拉强度时，会导致土体发生拉张破坏，土体完整性的降低影响土颗粒间的应力传递，致使土体强度下降，从另一个角度证明本试验结果的准确性。笔者在探究干湿循环与土壤固结强度的关系时考虑干湿循环强度的影响，预测崩岗变形失稳的效果更好。但笔者采用室内模拟循环，试验装置温度设置恒定，没有考虑降雨和干旱交替的实际温度变化情况，在实际应用中还有待进一步深入。
结论：
1) 孔隙比随着荷载压力的增大呈现先快速减小后趋于平稳趋势，干湿循环加剧花岗岩红壤的压缩变形，其中前7次干湿循环内孔隙比的变化规律为中强度>低强度>高强度，7次干湿循环后强度对孔隙比变化无明显规律，土体压缩变形达到稳定状态。
2) 随着干湿循环频度和强度的增加，土壤瞬时沉降量和主固结沉降量均呈现逐渐增加的趋势，10次循环时瞬时沉降增量出现回弹，较7次干湿循环降低0.079 mm，7次循环后干湿交替对土体的瞬时沉降的影响越来越小。
3) 干湿循环后的花岗岩红壤土体压缩系数整体在0.8~1.0之间，呈现高压缩性，7次循环后压缩系数缓慢增加并趋于稳定。固结系数随着干湿循环频度的增加和强度的降低均呈现连续减小趋势，土壤结构发生破坏，土体强度降低，7次循环后土体破坏程度趋于完全。
4) 频度和强度之间交互作用影响较弱(F=6.57，P < 0.05；F=2.32，P>0.1)，但频度和强度均对花岗岩红壤的固结强度有显著影响，且两者均对固结系数影响最大，其中频度对花岗岩红壤固结强度的影响更大。
不同干湿循环强度处理下e-p曲线图
不同干湿循环频度处理下e-p曲线图
干湿循环不同频度和强度土壤沉降量
干湿循环不同处理下土壤压缩系数
干湿循环不同处理下土壤固结系数
不同频度和强度处理下的土壤固结特性分析
任秋菊, 孙艺函, 魏玉杰, 陈新, 王佳鑫, 刘凌志, 张光辉, 蔡崇法. 不同频度和强度的干湿循环对花岗岩红壤固结强度的影响[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(3): 28-35. DOI: 10.16843/j.sswc.2023092.
REN Qiuju, SUN Yihan, WEI Yujie, CHEN Xin, WANG Jiaxin, LIU Lingzhi, ZHANG Guanghui, CAI Chongfa. Effect of wetting-drying cycles of different frequencies and intensities on consolidation intensity of granite red soil[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(3): 28-35. DOI: 10.16843/j.sswc.2023092.
国家自然科学基金面上项目“花岗岩风化土体裂隙演化机制及其对崩岗侵蚀的影响”(42277329)；国家自然科学基金青年科学基金项目“干湿交替作用下非均质土体的变形与失稳机制”(41807065)；华中农业大学大学生创新创业训练计划项目“PAM对花岗岩残积土理化性质及作物生长的改良效应”(202210504016)
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