干湿交替对鄂南崩壁不同岩土层抗侵蚀特性的影响

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崩岗是发生于我国南方热带、亚热带花岗岩红壤区的一种特殊的土壤侵蚀现象。灾害发生区域气候雨旱交替频繁,土体内部水分特征经历不断地干湿交替变化,而崩壁的崩塌又是整个崩岗演变过程中最活跃的部分且水分变化最为剧烈。因此,本文以鄂南地区某代表性崩岗的崩壁为研究对象,根据崩壁形态和侵蚀状态的不同,采集崩壁剖面上4层典型的土壤层和母质层岩土,根据其不同的风化程度分别划分为淋溶层(A层)、过渡层(BC层)、母质层1(C1层)和母质层2(C2层),通过干湿交替处理改变其结构特征和水分、力学特性,结合崩岗形成的宏观过程进行了崩解、溅蚀和冲刷3个典型侵蚀试验,探究了干湿交替条件下不同层次岩土的结构特征、水分力学特性的差异,及其对岩土各抗侵蚀能力的影响,可为综合探讨干湿交替对崩壁失稳及崩岗侵蚀宏观过程的影响提供量化支撑和理论基础,为崩岗治理提供科学依据。研究结果如下:(1)花岗岩风化岩土体的黏土矿物类型主要为高岭石和伊利石,氧化物含量占比均以SiO2(60.46%-64.93%)和Al2O3(25.73%-28.54%)为主,各层次土壤比重主要在2.542.57范围内,容重在1.16-1.36g/cm3内,随着剖面层次加深,岩土体质地逐渐变粗,液、塑限有降低趋势,有机质含量降低。(2)结构特征上,活性孔隙占比呈现母质层2>母质层1>淋溶层>过渡层的规律;随着干湿交替次数的增加,各层次岩土颗粒发生重排,结构破碎,孔隙发育并大量产生新孔隙,岩土体中活性孔隙占比升高;花岗岩风化土属于非膨胀型土,线性膨胀系数低于0.03,干湿交替处理增大了岩土的膨胀系数,母质层1和母质层2分别可达到0.060和0.091,同时土壤容重降低,且岩土体表面裂隙均逐渐发育扩大。(3)水分特性上,干湿交替处理使得岩土体的饱和导水率增大,经过10次干湿交替后的饱和导水率大小表现为淋溶层(0.071 cm/min)(29)母质层2(0.062 cm/min)(29)母质层1(0.033 cm/min)(29)过渡层(0.025 cm/min)。且干湿交替降低了岩土体的持水性。力学特性上,淋溶层内摩擦角较大(34.62°),另外3层岩土体内摩擦角随砂粒含量升高而增大;上层岩土体粘聚力较大,而过渡层土壤结构紧实,土壤粘聚力最大(14.06 kPa);干湿交替使岩土体的抗剪强度、粘聚力和内摩擦角普遍呈衰减趋势,且大体在2次干湿交替后衰减幅度较大。(4)淋溶层崩解性极弱,甚至发生“负崩解”,经过干湿交替处理后其崩解性有少许提高,但最终崩解率也不及2%;过渡层崩解性较弱,最终崩解率25.31%,经过干湿交替处理后,其崩解速度和最终崩解率都显著升高,并可达完全崩解;母质层1和母质层2岩土体本身极易完全崩解,干湿交替处理进一步加快了土样的崩解速度。粘粒含量低、砂粒含量高、容重小、粘聚力低、总孔隙度高、活性孔隙占比高的岩土体崩解速率较快,机械组成和粘聚力对最终崩解量的影响显著。不同当量孔径的孔隙占比中,0.6-29?m孔径的孔隙占比对岩土体崩解率和最终崩解量的影响最大,表现为显著正相关关系。(5)用对数递减曲线可较好地拟合溅蚀剥离率随累积降雨能量的变化过程,初始剥离率和剥离率随累积降雨能量减小的趋势快慢均为母质层2最大而过渡层最小;干湿交替处理加快了岩土体的初始剥离速率和剥离率减小的速度。结构松散、粗颗粒含量高的岩土体抗剥离能力较弱,而结构松散、孔隙度高、渗透性强的岩土体剥离率随累积降雨能量减小得快。不同当量孔径的孔隙占比中,0.6-10?m孔径的孔隙占比对岩土体溅蚀平均剥离速率的影响最大。(6)冲刷过程中,各层次岩土体径流含沙率均随冲刷时间延长呈明显的下降趋势,抗冲系数则呈明显的升高趋势。岩土体冲刷过程中的径流含沙率随层次的加深而增大,随着干湿交替次数的增加,各层次岩土体的径流含沙率增加,且在2次干湿交替后提升幅度最大;抗冲系数变化规律则与径流含沙率相反,2次干湿交替后抗冲系数比不经过干湿交替处理的土样分别降低了81.67%(淋溶层)、89.93%(过渡层)、29.26%(母质层1)和54.90%(母质层2)。根据前25s内的平均径流含沙率认为颗粒组成细、容重高、粘聚力高、孔隙度低、活性孔隙占比低的岩土体抗冲性能较强。随着0.6-29?m孔径孔隙占比的增大,平均径流含沙率呈指数上升,而抗冲系数呈指数下降。
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