石漠化区岩-土与非岩-土界面土壤孔隙变异及入渗对干湿变化的响应

全球气候变化下土壤水分暴涨骤减愈加频繁和强烈,这使生态系统脆弱的喀斯特区石漠化适应性治理面临严峻挑战。因此,探究干湿变化下土壤孔隙变异及入渗响应对石漠化区土壤水分补给及降雨径流调节具有重要意义。该研究采用原位圆盘入渗法研究了干湿条件下不同露石岩面形状岩-土界面和非岩-土界面土壤孔隙结构变异及水分入渗的响应。结果表明:1)干旱条件下土壤孔隙大小及数量均大于湿润条件;干湿条件下岩-土界面土壤小(<0.2 mm)、中孔隙(0.2~1.0 mm)数及体积比均大于非岩-土界面,大孔隙(>1.0 mm)数及体积比则小于非岩-土界面;干湿变化下土壤孔隙数及体积比的平均变化幅度从高到低为小孔隙、中孔隙、大孔隙,土壤孔隙各参数平均变化幅度从高到低为非毛管孔隙度、毛管孔隙度、通气度、总孔隙度。2)干旱条件下土壤稳定入渗率和饱和导水率均大于湿润条件;随着水头压力的增加,岩-土界面和非岩-土界面土壤导水率逐渐增加,土壤稳定入渗率则呈现先减小后增大的趋势。3)干湿条件下各级土壤孔隙对入渗水流的贡献率均随孔隙减小而降低;非毛管孔隙度和大孔隙数对土壤入渗能力的影响最大。4)岩-土界面土壤孔隙及水分入渗等参数在干湿变化下的平均变化幅度均大于非岩-土界面。研究结果可为干湿变化下土壤孔隙变异引起的土壤水分补给及降雨径流调节能力变化的认识及石漠化的适应性治理提供科学依据。

石漠化山区露石岩面流对岩-土界面土壤氮磷淋溶与输入作用的研究

基岩出露的石漠化区露石岩面在承接降水(含穿透雨)后易形成岩面流,并携带岩面有机或无机物质输送至岩周土壤中,对岩-土界面土壤养分变化具有重要影响。为探明岩面流对岩-土界面土壤氮磷的淋溶与输入影响,选取基岩明显出露的休耕地(1年岩面流作用)、退耕灌草地(5年岩面流作用)和坡耕地(无/少岩面流作用)3种样地,并分别选择外凸、平直和内凹3种特殊的岩面形状,研究了距岩面不同水平距离及土层的岩-土界面及非岩-土界面土壤的全氮和全磷变化特征。结果表明:岩面流对0~10 cm表层岩-土界面土壤氮磷产生输入或淋溶作用,对10~20 cm层岩-土界面土壤氮磷作用不明显。不同岩面形状形成的岩面流对岩-土界面土壤氮磷的淋溶与输入作用强度依次为:内凹型>平直型>外凸型。其中,在1年岩面流作用的休耕地中,内凹型岩面形成的岩面流对岩-土界面土壤氮素的影响主要表现为淋溶,而平直型和外凸型岩面表现为输入作用;不同形状岩面流对岩-土界面土壤磷素的影响均表现为淋溶。然而,在植被生长较好的退耕灌草地中,5年岩面流作用下不同形状岩面流对岩-土界面土壤氮磷的影响主要表现为输入。研究结果可为深入认识出露岩石对喀斯特生态系统土壤特性的影响提供科学依据。

碳酸盐岩风化壳岩-土界面地球化学特征及其形成过程——以贵州花溪灰岩风化壳剖面为例

在对黔中花溪灰岩风化壳原地风化残积特征进行了论证的基础上 ,本文从地球化学角度对碳酸盐岩风化壳岩 土界面发育特征及其形成机理进行了讨论。碳酸盐岩的易溶解性和显著的差异性溶蚀 ,导致了其风化壳基岩面起伏强烈、岩 土界面界线清楚且突变 ;与此宏观特征相对应的是风化产物在矿物成分、主量、微量元素等方面均存在明显的突变现象。同时 ,在岩 土界面土层中形成了一个相对狭窄而突变的碱性障 ,此障无疑对风化壳的一些地质地球化学过程产生强烈影响 ,例如硅酸盐矿物的进一步蚀变分解 ,以及稀土和其它部分微量元素的超常富集和强烈分异等。

碳酸盐岩风化壳岩-土界面风化作用机制——对岩粉层淋溶模拟的初步研究

碳酸盐岩风化壳通常呈现出清晰突变的岩-土界面,成为直接利用野外地质剖面的发育特征探索碳酸盐岩风化作用过程的障碍。本文选择贵州中部及湘西的4条典型碳酸盐岩原位风化壳的岩-土界面作为研究对象,模拟干热风化条件(即气候温暖或炎热、排水条件良好的风化状态),在24～29.5℃的环境温度下,利用饱和CO2水对各剖面岩粉层样柱开展了系统的淋溶实验研究(淋溶终点以碳酸盐完全溶蚀为标志)。通过对淋出液中主要造岩元素和淋溶残余物的动态取样分析,初步揭示了碳酸盐岩风化壳岩-土界面的风化作用机制。结果表明:①碳酸盐岩风化壳岩-土界面风化过程中,碳酸盐的溶蚀和酸不溶物的分解是同步进行的,在碳酸盐淋溶伊始,酸不溶物已表现出明显的风化倾向;②排水条件良好的风化环境下,由硅酸盐等酸不溶物组分分解溶出的盐基离子及Si等元素更易随风化溶液淋失,使得在风化残余物中难以形成蒙脱石、伊利石、高岭石等自生粘土矿物。酸不溶物相的其他造岩元素中,Ti和Al为惰性元素,Fe为弱迁移元素,Mn和P表现出明显的活性;③碳酸盐岩岩粉层的水-岩作用过程中,当碳酸盐含量对水-岩反应而言过量时,碳酸盐的溶蚀强度主要受岩粉层质地的制约。粒度粗,渗透性强,水-岩作用时间短,碳酸盐的溶蚀量低,反之亦然。而酸不溶物组分对于水-岩反应而言,在整个淋溶周期内都是不足的,其含量成为制约水-岩反应强度的主要因素。

喀斯特溶槽岩-土界面优势流及其对土壤水分动态的影响

通过对两个典型溶槽剖面的野外入渗实验,结合对入渗锋面的红外成像和染色示踪,分析溶槽中土壤湿润锋运移受岩—土界面优势流、初始水分状态(干湿程度和不均匀分布)及植被根系的影响程度。其结果表明:岩—土界面优势流增加入渗锋面到达处的土壤含水率是溶槽中部的1.1～14.5倍,但岩—土界面优势流形成的侧向水势梯度可降低优势流锋面下移;初始入渗中表土湿润锋运移主要受植被根系大孔隙优势流的影响,岩—土界面优势流作用不显著,但随着入渗深度的加大,岩—土界面优势流侧向弥散对湿润锋运移和土壤水分的影响加强。

石漠化区露石岩-土界面流形成过程模拟试验

岩-土界面是石漠化区露石岩面流和地表径流下渗转化为地下裂隙流的主要路径。作为地下裂隙流的重要组成部分,岩-土界面流对坡面降雨径流转化、水分地下快速渗漏以及土壤侵蚀/漏失具有重要影响。为探究喀斯特石漠化区露石岩-土界面流形成过程与转化机制,通过模拟典型露石岩-土界面,采用人工模拟降雨试验研究露石面-土壤组成的岩-土结构单元下地表径流及地表下壤中流、岩-土界面流及非岩-土界面流的形成过程及输出特征,探究其对岩周径流形成转化的影响。结果表明:岩-土界面流产流量在降雨过程中呈先增加后稳定的变化趋势;相同条件下,有出露岩面流形成的岩-土界面流(岩面倾角45°、60°、75°)产流量远大于仅有土壤水分下渗形成的岩-土界面流(岩面倾角90°),前者是后者的4.78~16.58倍。岩面倾角是影响岩周径流形成、转化的主要因素,岩面倾角越大则岩-土界面流对水分漏失总量贡献越小,而非岩-土界面流则相反;雨强次之。然而,雨强是影响初始产流时间、稳定产流时间的主要因素,二者均随雨强增大显著减小(P<0.01);岩面倾角次之。岩-土界面的存在不仅直接形成岩-土界面流,同时对非岩-土界面流表现出较强的补给效应,约有一半的岩-土界面流最终以非岩-土界面流的形式流失。研究结果可为石漠化区产流过程及机制的深度揭示提供理论依据。

球状风化花岗岩类土质边坡土-岩界面优势流潜蚀特性研究

受降雨作用,球状风化花岗岩类土质边坡的土-岩差异风化界面极易演化为优势渗流通道而发生渗流潜蚀,进而加速该类边坡的变形失稳,然而当前有关其渗流潜蚀作用特征、细颗粒迁移规律等的研究仍鲜见开展。基于多孔介质非饱和渗流理论,综合考虑细颗粒运移、潜蚀启动响应与非饱和渗流的耦合关系,提出一种可准确描述土-岩界面渗流潜蚀过程的数值计算框架。采用有限元方法,构建优势流作用下非饱和花岗岩残积土的渗流潜蚀模型,并以均质土柱的渗流潜蚀过程为参考,系统研究3种典型土-岩界面埋藏状态下的优势流潜蚀特性。结果表明:球状风化花岗岩类土质边坡的土-岩界面与基质渗透性存在高度差异性,湿润锋形成向下凹陷的渗透漏斗,且随着降雨的持续,湿润锋的凹陷程度愈发明显;细颗粒流失程度与土-岩界面的埋藏状态相关,其中下填土体工况的优势流潜蚀最为显著,其界面处甚至出现超孔隙水压力,最不利于该类边坡的稳定性。研究成果可为降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡稳定性的准确评价提供科学依据。

剑麻纤维复合基材土岩界面剪切性能试验

为揭示剑麻纤维掺量与界面粗糙度对土-岩界面剪切力学性能的影响规律,采用表面起伏的混凝土模块作为岩面相似材料,进行了一系列的改进室内直剪试验,并结合扫描电镜试验进一步分析了剑麻纤维参与强化界面剪切性能的机理。结果表明:剑麻纤维通过提高黏聚力提高土-混凝土界面间的剪切力学性能;纤维添加量为0.8%的土-混凝土界面黏聚力提高80%~500%,内摩擦角提高10%~20%;界面粗糙度主要通过提高黏聚力增强界面剪切力学性能,6.5 mm粗糙度的界面黏聚力增量为7~15.5.kPa,提高20%~300%;对于素土界面和掺纤维界面,粗糙度对土-混凝土界面间剪切力学性能的强化表现为2种模式,加入纤维的界面黏聚力关于粗糙度的增长关系上,粗糙度的最优值出现在较小区间(0~2.5 mm)。

土-岩界面重金属行为的研究进展

随着多环境介质问题研究的深入,重金属在跨介质迁移时产生的界面效应问题倍受人们关注。土－岩界面因其特有的微环境结构和特性,使重金属在该界面的行为过程既部分地表现出与在两侧的环境介质运移过程的动力学特征及机制,又有其独特的特性。有关研究表明自然因素及人为活动等引起的环境参数的变化对土－岩界面的重金属行为有显著影响。今后土－岩界面的重金属行为研究应在目前研究状况的基础上立足于为土壤污染的修复提供技术支撑。

岩溶环境中岩—土界面方解石的表面化学特征及其反应机理

利用Ｘ射线光电子谱（ＸＰＳ）仪和扫描电镜（ＳＥＭ），探讨了岩溶环境中岩—土界面方解石的表面化学特征及其表面反应机理。方解石表面的选择性吸附和溶蚀作用是方解石表面化学反应的基本特征，也是岩溶环境中最重要和最广泛的内容。

岩-土交界面处超大直径过江盾构隧道地震响应特征

以武汉市三阳路超大直径过江“公铁合建”盾构隧道工程为依托,探讨了强震作用下岩-土交界面处隧道的损伤演化规律及地震响应包络特征。基于ABAQUS软件研发的动力有限元计算平台,建立了双隧道(含内部构件公路板与竖向隔板)-土体有限元模型,土体本构采用了修正的Davidenkov黏弹性动力本构模型,混凝土本构采用损伤塑性模型以模拟其开裂、损伤特征。计算结果表明:在岩-土交界面附近,盾构隧道衬砌的加速度、位移及应力响应均出现突变;由于隧道结构穿越了软硬土层,其破坏始于拱腰的退出工作,进而衬砌内部构件节点破坏,拱肩最后破坏;衬砌拱腰处的破坏区域均在岩-土交界面附近的软土层中;衬砌内部构件的存在使得超大直径衬砌拱侧的水平剪应力明显减小。

模拟不同形态土-岩界面的直剪试验

土-岩界面具有特殊的工程地质性质,为了研究土-岩界面的剪切特性,在实验室制备了若干不同形态接触面和不同材料性质的圆盘试样,开展室内直剪试验,并对剪切破坏面的颗粒分布和接触面剪切本构模型进行分析。研究表明:接触面的应力-应变曲线呈现出弹塑性变化特点,利用指数型接触面摩擦本构模型,可以较好地反映剪切过程中接触面的应力-应变关系;剪切面颗粒在剪切过程中发生了破碎和移动,颗粒破碎所需的力大于移动所需的力,宏观上表现为抗剪强度的差异,颗粒重新分布及接触面闭合共同作用导致试样的法向变形;低法向荷载下,接触面强度低于两侧材料强度,随着法向荷载增大,接触面强度逐渐增大,其残余强度值位于两侧材料强度之间。

马迹山港堆场区域岩—土界面的抗震稳定性

本文根据宝钢马迹山港矿石堆场地质特点。采用有限元法和直接积分法对地震荷载作用下堆场区域岩－土界面及附近地层动力响应进行时域计算分析，得出地层运动量和应力时程曲线。结合库仑强度理论推算出，只要界面附近不出现软弱夹层，岩－土界面有足够的抗剪切滑移安全度。

土—岩界面滑坡变形及成因分析—以陕西南部某滑坡为例

以陕西南部山区土—岩界面滑坡为研究对象,采用野外调查和地质分析的方法,总结出该滑坡变形特点及其成因,得出结论如下:(1)该滑坡为土—岩界面滑坡,滑面上部为土岩界面,下部为含碎石粉质粘土层内错动带;(2)滑坡的形成是受地形地貌、地层岩性、地下水及人类工程活动多种因素的影响;(3)土—岩界面为此类堆积层滑坡主控滑动面。

土-岩变化地层盾构隧道纵向地震作用试验研究

隧道穿越地层岩性变化所导致的地震效应差异为工程建设关注的焦点之一。该文开展几何比尺为1∶25的模型地层-隧道结构振动台试验,地层模型与原型地层动力特性相似,依据盾构隧道纵向刚度等效原则设计制作出含接头构造的精细化隧道模型,从振动台面水平纵向输入场地地震安全性评价给出的人工合成波,试验观测隧道衬砌结构的加速度、直径变形和环缝张开变形等动力响应,采用传递函数重点分析土、岩地层内隧道的地震响应差异。试验结果表明:岩层内隧道随岩体整体运动,环缝变形和直径变形量值极小;土层内隧道以纵向受拉和竖向弯曲变形为主;环缝张开变形极值位于土岩界面处;隧道直径变形量值整体较小,以水平、竖向直径变形为主。抗震设计时应重点关注土岩界面处隧道大的环缝张开变形。

模拟不同气候条件下碳酸盐岩风化作用的淋溶实验研究

通过模拟干热、湿热与干冷3种气候条件,以饱和CO2水作为淋溶液,对黔中岩溶区3条碳酸盐岩风化壳岩-土界面的岩粉层试样进行了淋溶实验(其中干热、湿热条件下淋溶到残余酸不溶物阶段),对淋出液的pH值以及主要造岩元素的浓度进行了动态分析。结果表明,碳酸盐岩风化壳岩-土界面由岩到土的转变过程中,伴随碳酸盐的溶蚀,酸不溶物已表现出明显的风化倾向。碳酸盐的溶蚀强度表现为干冷>干热>湿热的变化趋势。温度低,碳酸盐的溶解速率大;排水条件好,碳酸盐溶解释放的Ca、Mg易随风化流体排出体系。对于酸不溶物组分,淋溶实验中有:(1)K、Na、Mg、Si、P的载体矿物风化强度在干热条件下最大(至于Ca,由于方解石与白云石均是其主要的载体矿物,酸不溶物相中的Ca难以在淋出液中有效识别)。在干冷与湿热之间,K、Na、Mg等盐基离子的溶出能力大多表现为湿热>干冷,指示了温度对盐基离子释放强度的重要制约作用;而Si和P未表现出一致的变化趋势,可能源于淋溶体系微环境的差异。(2)Fe与Mn表现出弱迁移性。其中,Fe在干冷环境下淋出强度最弱,说明温度是制约含Fe矿物分解速率的重要因素。而Fe在干热与湿热之间,以及Mn在3种淋溶条件下,未呈现出一致的变化趋势。(3)Al和Ti在碳酸盐岩风化过程中表现出强烈的惰性。

碳酸盐岩风化剖面U和Th的富集特征及淋溶实验的指示

通过对贵州岩溶区12条风化剖面U、Th的分布情况、岩-土界面岩粉层动态淋溶残余物的元素变化特征以及元素质量平衡的研究,初步揭示了碳酸盐岩风化剖面U、Th的富集特征。①在碳酸盐岩风化体系中,U呈现出明显的活性,而Th既有惰性的一面,又表现出活性的一面。②碳酸盐岩风化过程中,岩-土界面是U、Th产生突变性富集的重要地球化学场所,而剖面进一步发育演化中U、Th的变化是一个长期而缓慢的过程。岩-土界面反应中,由于风化残余物体积的巨大缩小,U呈现出低背景、强亏损、高富集的地球化学特征。当Th呈现活性态时,与U表现出相似的地球化学特征;当Th表现为惰性态时,其在剖面中的富集主要源于易溶组分溶蚀后的绝对残余。③碳酸盐岩风化剖面U、Th的富集系数与基岩酸不溶物含量存在明显的负相关,说明碳酸盐岩酸不溶物含量愈低,碳酸盐溶蚀的体量愈大,风化溶液带出的活性U或Th也愈多,风化残余物的体积缩小变化程度也愈强,因此残余U或Th的相对富集程度也愈高。

基于点安全系数的边坡加固优化设计研究

二元结构边坡是指上部为土层、下部为基岩的一类边坡,其破坏模式通常为上覆土层沿土-岩界面或风化层界面发生滑动。由于边坡各部位坡度、上覆土层厚度的差异,导致边坡潜在滑面上的应力状态具有差异性,研究其滑面上的应力分布规律对优化边坡加固方案具有重要意义。本文以某桥梁边坡为例,采用点安全系数法对其土-岩界面上的点安全系数分布进行分析研究。结果表明,该边坡在原加固方案下具有较好的稳定性,但支护量较大。基于土-岩界面点安全系数分布的优化加固方案不仅能满足边坡稳定性需求,同时减少了工程数量,降低了工程造价。