海涂围垦区土壤孔隙特征与强度特性原位试验

In Situ Experimental Study on the Characteristics of Soil Pore and Strength in Coastal Reclamation Areas

摘要

目的 为探究原位状态下海涂围垦区土壤强度特性与其孔隙特征之间的关系。 方法 以江苏省沿海滩涂不同围垦区土壤为研究对象，通过现场十字板剪切试验和CT扫描技术分析土壤结构与土壤原位抗剪强度（C_u ）和灵敏度（S_t ）之间的关系。 结果 滨海（BH）和如东（RD）处S_t 为1.3~5.4，属于中敏感（2~4）至敏感（4~8）范围，但其扰动土的S_t 在不同深度和围垦年限下无明显变化。相比之下，东台（DT）地区扰动土的S_t 差异显著，其各土层深度的S_t 值均高于BH和RD，其中DT1处S_t 最高，BH3处最低。土壤力学性质分析表明，土壤体积质量（CD）、黏粒质量分数与C_u 呈正相关（r=0.657，0.782，p<0.05），而土壤孔隙度与之负相关（r=-0.529，-0.414，p<0.05）。土壤灵敏度（S_t ）与分形维数（FD）和孔隙数量（NOP）呈显著负相关（r=-0.611，p<0.05）。在回归分析中进一步揭示C_u 与土壤孔隙度呈负相关且S_t 与NOP符合对数递减关系。主成分分析中第1主成分（PC1）主要由孔隙数量、分形维数和黏土质量分数主导，PC2以C_u 和CD为主，PC3则受孔隙度和土体抗剪强度共同驱动，这些指标共同强调土壤孔隙结构和物理性质在抗剪强度评价中的重要性。 结论 研究结果为深入理解海涂围垦区土壤特性提供科学依据，对滨海地区工程建设稳定性、边坡稳定性、土壤抗侵蚀能力评估和植物生长条件分析等研究提供重要参考，有助于推动沿海地区农业的可持续发展。

Abstract

Objective To explore the relationship between the characteristics of soil strength and soil pore in the tidal flat reclamation areas under in-situ conditions. Methods Taking the soils in different reclamation areas of the coastal tidal flats in Jiangsu Province as the research object， the relationships among soil structure，in-situ soil shear strength （C_u ） and sensitivity （S_t ） were analyzed through in-situ vane shear tests and CT scanning technology. Results The S_t values in Binhai （BH） and Rudong （RD） were between 1.3 and 5.4， falling within the range from medium sensitivity （2-4） to sensitivity （4-8）. However， for the disturbed soil in these two places， the S_t values showed no significant changes under different depths and reclamation years. In contrast， the S _t values of the disturbed soil in Dongtai （DT） varied significantly. The S_t values in each soil layer were higher than those at BH and RD. Among them， the S_t value at DT1 was the highest， and the S_t value at BH3 was the lowest. The analysis of soil mechanical properties indicates that there was a positive correlation between soil bulk density， clay particle content and C_u （r=0.657 and 0.782， p<0.05），while there was a negative correlation between soil porosity and C_u （r=-0.529 and -0.414， p<0.05）. In addition， there was a significant negative correlation between soil sensitivity （S_t ）and fractal dimension （FD）， pore number （NOP） （r=-0.611， p<0.05）. In the regression analysis， it is further revealed that there was a negative correlation between C_u and soil porosity， and St and NOP followed a logarithmic decreasing relationship. In the principal component analysis， the first principal component （PC1） was mainly dominated by the pore number， fractal dimension and clay content. PC2 was mainly composed of C_u and bulk density， and PC3 was jointly driven by soil porosity and soil shear strength. These indicators jointly highlight the importance of soil pore structure and physical properties in the evaluation of shear strength. Conclusion This study provides a scientific basis for an in-depth understanding of soil characteristics in coastal reclamation areas and offers important references for research on the stability of engineering construction， slope stability， evaluation of soil erosion resistance， and analysis of plant growth conditions in coastal areas， which is helpful to promote sustainable development of agriculture in coastal areas.

Graphical abstract

关键词

土壤抗剪强度 / 孔隙特征 / CT扫描 / 主成分分析

Key words

soil shear strength / pore characteristics / CT scanning / principal component analysis

受自然因素与人类活动等多重因素影响，海涂围垦区土壤工程性质在空间上呈较大差异。土壤抗剪强度参数作为工程中常用的重要指标^［1］，与工程建设稳定性、边坡稳定性分析和土壤抗侵蚀能力紧密相关。土壤粒度分布^［2］、表面积^［3］、体积质量、含水量、基质吸力^［4］、植物根系^［5］及有机质含量^［6］等因素对土壤抗剪强度具有显著影响。已有研究^［7-10］利用土壤液塑限试验、标准贯入试验和十字板剪切试验进一步探索耕作或机械压实对土壤抗剪强度的影响。尽管前人在相关领域已取得诸多成果，现有关于土壤力学性质及其影响因素的研究多集中于黄土高原、喀斯特地区、西北地区等水蚀风蚀严重区域^［11］，已有研究为理解特殊区域土壤力学行为提供重要参考，但对海涂围垦区的研究尚未完善。

江苏省海涂围垦区土壤在物理、化学、生物及人类活动的共同作用下，其基本性质发生较大变化，导致土壤抗剪强度发生变化^［12］。然而，现有研究主要聚焦在水力特征、盐分特征及生态环境问题上^［13］，忽视土壤结构性质与土壤力学性质之间的关系，以及环境因素对土壤物理-力学性质的影响及其变化规律。本文采用现场十字剪切板试验与CT扫描技术相结合的方式深入探究土壤结构与十字板抗剪强度和土体灵敏度^［14］之间的关系，分析原位抗剪强度和灵敏度的影响因素，目的在于深入探究原位状态下海涂围垦区土壤强度特性与其孔隙特征之间的关系，为滨海地区工程建设稳定性评估、边坡稳定性设计、提升土壤抗侵蚀能力及优化植物生长条件等提供科学依据，助力沿海地区农业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江苏省东部沿海的南北狭长地带，地势平坦，主要由近代海相沉积物堆积而成，成陆时间较短，属于典型的淤泥质海涂滩地。试验在江苏省3个沿海围垦地区进行，包括滨海县试验区（BH）（34°14′51″~34°15′13″N，120°09′53″~120°16′36″E），东台市试验区（DT）（32°47′50″~32°48′38″N，120°47′58″~120°57′36″E），如东县试验区（RD）（32°18′12″~32°19′59″N，121°17′56″~121°25′52″E）。在每个围垦地区，沿垂直于新海堤向陆面延伸方向，根据围垦年限选取3个监测点（图1）。

1.2 试验设计

在每个监测点采用十字板剪切仪在3个深度（0~20、20~40、40~60 cm）原位测量原状土抗剪强度、重塑土抗剪强度和灵敏度。同时，在每个取样点的各个深度使用直径5 cm、高度5 cm的PVC管采集原状土样进行CT扫描试验，并通过扫描图像计算土壤孔隙结构参数。

在每个研究区3个不同土层深度（0~20、20~40、40~60 cm）和3个距离海岸线约1、6、11 km的地点，作为土壤取样和原位抗剪强度试验点。在每个采样点，分别用PVC柱和切割环采集2个未扰动的土壤样品，体积均为100 cm³（直径5 cm、高5 cm）。在同一采样点内混合5×100 g土，采集相对均匀的扰动土样。将采集到的未受扰动和受扰动的土壤样品密封在塑料膜内，以避免土壤扰动并保持其初始水分状态。采用切割环和PVC管采集原状土样，分别进行土壤体积质量测定和孔隙结构扫描分析。同时制备扰动土样，用于测定土壤物理性质。

将采集的扰动土壤样品风干后，用2 mm滤网进行筛分。用激光粒度分析仪（BetterSize Instruments）测量土壤粒径分布。采用六偏磷酸钠分散土壤样品，用过氧化氢去除有机质，用HCl去除CaCO₃，测定黏粒（<0.002 mm）、粉粒（0.002~0.02 mm）和砂粒（0.02~2 mm）质量分数。

1.3 抗剪强度计算

十字板剪切通过插入某一深度的十字板头，施加扭转力矩将土体剪切破坏，测得的土体抵抗产生的最大力矩，通过换算可以得到土体的现场抗剪强度^［15］。十字板头在旋转过程中产生圆柱状剪损面，假设剪损面侧面和上下面土体抗剪强度相等。在剪切过程中，原状土体所产生的最大抵抗力矩（M_u）为圆柱体侧表面的抵抗力矩和上下面的抵抗力矩之和：

M_u=\left(\mathrm{\pi }DH\frac{D}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{6}}{D}^{\mathrm{3}}\right)C_u（1）

可得原位土抗剪强度（C_u）：

C_u=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{\pi }{D}^{\mathrm{2}}\left(H+\frac{D}{\mathrm{3}}\right)}{M}_u（2）

同理，可得重塑土抗剪强度（C_d）：

C_d=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{\pi }{D}^{\mathrm{2}}\left(H+\frac{D}{\mathrm{3}}\right)}{M}_d（3）

土的灵敏度为原位土抗剪强度和重塑土抗剪强度比值：

S_t=\frac{C_u}{C_d}（4）

式中：D为十字板头直径，m；H为十字板头高度m；M_u和M_d分别为剪切原状土和重塑土产生的最大抵抗力矩，\mathrm{N}/{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}};C_u和C_d分别为原位土和重塑土抗剪强度，{\mathrm{P}}_{\mathrm{a}};S_t为土的灵敏度，表示土壤从原状到遭受破坏后的抗剪强度降低程度。

1.4 数据处理与分析

所有数据使用Excel 2021软件进行记录与计算，探究原状土非饱和抗剪强度参数与土壤基本理化性质的关系。使用Origin 2024软件计算，并对数据集进行分组。文中图表采用Excel 2021和Origin 2024软件进行绘制。

图2为CT扫描土壤结构示意。土壤中大孔隙存在较多，小孔隙较少，土壤团聚结构较少。通过CT扫描结果可以求得分形维数（FD）、孔隙率（Porosity）和孔隙数量（NOP）等土壤孔隙结构参数。

2 结果与分析

2.1 围垦年限对原位土壤抗剪强度影响

由表1可知，对于同一围垦区，不同土层深度的C_u 差异较为显著，且随土层深度逐渐增加。当土层深度相同时，RD处的C_u 变化较BH和DT处更为显著。在BH、DT和RD处C_u 的最小值分别为15.52、21.73、19.66 kPa，最大值分别为56.91、60.02、49.15 kPa。与表层相比，BH处C_u 随土层深度增加约53%（20~40 cm）和68%（40~60 cm），DT处C_u 随土层深度增加约23%（20~40 cm）和43%（40~60 cm），RD处C_u 随土层深度增加约30%（20~40 cm）和69%（40~60 cm）。其中，DT处第1条样带的C_u 最高，而BH处第1条样带的C_u 最低。

不同位置和土层深度下，BH处的C_d 最高，0~20 cm为33.11 kPa，20~40 cm为34.15 kPa，40~60 cm为37.25 kPa。在DT和RD处，不同采样点和深度的C_d 差异不显著。DT处C_d 为4.66~12.42 kPa，RD处的C_d 为3.62~19.66 kPa，均低于BH处。除DT1外，试验区C_d 均随土层深度的增加呈缓慢增加趋势。在相同条件下，C_d 显著低于C_u 值。

为量化C_u 与C_d 的差异，引入S_t 来比较二者的差异。S_t 受土壤位置的影响显著，而不受土层深度的影响。S_t 在BH和RD处变化不大，而在DT处变化较大，BH和RD处S_t 为1.3~5.4，属于中敏感（2~4）至敏感（4~8）范围。不同土层深度的土壤在DT处S_t 均高于BH处和RD处。BH3处土壤的S_t 最低，而DT1处土壤的S_t 最高。S_t 的变化反映土壤结构从未受扰动到受扰动的抗剪强度损失，可能与土壤孔隙结构和质地密切相关。

2.2 土壤原位抗剪强度影响因素

通过Pearson相关分析，评价原位土抗剪强度（C_u ）与其他土体性质，特别是与土体孔隙结构性质的潜在关系。由图3可知，C_u 与孔隙率、分形维数（FD）、体积质量（BD）、C_d 高度相关（p<0.05）。C_u 与BD呈显著正相关（p<0.05），相关系数为0.657。而C_u 与土壤孔隙度和分形维数呈显著负相关，相关系数分别为-0.529（p<0.05）和-0.414（p<0.05）。C_d 与NOP、黏土质量分数、C_u 和S_t 显著相关。土壤黏粒质量分数与C_d 相关系数最高（r=0.782），而NOP的相关系数较低（r=0.452）。土壤孔隙度、BD、粉粒质量分数与C_d 无显著相关性。NOP、BD和C_d 与S_t 呈显著相关（p<0.05）。分形维数可以表征土壤孔隙结构特征，且与S_t 具有较高的相关性（r=-0.611）。该关系表明，土壤敏感性与土壤孔隙系统的复杂性高度相关。

考虑到土体抗剪强度与孔隙结构性质之间的高度相关性。通过回归分析揭示C_u 随孔隙结构性质的变化趋势。由图4可知，C_u 与土壤孔隙度呈负相关，S_t 与NOP表现为负趋势的对数关系。孔隙数和分形维数越小，S_t 越高。说明结构性较高的土体在受到扰动后强度损失较大，从而影响工程施工。

2.3 土壤原位抗剪强度主成分分析

由图5可知，主成分分析发现，特征值>1的主成分共有3个，累计贡献率为81.27%。其中，第1主成分（PC1）的方差贡献率为39.36%，其次是PC2和PC3，分别为28.52%和13.4%。不同主成分下土壤变量的载荷存在差异。对于PC1，土壤孔隙数量（NOP）、分形维数（FD）和黏土的正载荷高于其他变量，反映土壤的内在结构性质。同时，含沙量和S_t 在PC1上表现出较高的负荷。PC2对C_u 的载荷最大，其次为BD，说明PC2可以代表原状土的基本物理性质和结构。孔隙度和土体抗剪强度对PC3的贡献最大。主成分分析将土壤变量分为3个主要变量，不同土壤性质对各主成分的贡献存在显著差异。

3 讨 论

沿海地区的土壤在沉积过程中受到范德华力、库仑力、毛细力和胶结力的共同作用^［16］。当土壤细颗粒在海水中沉积时，海水中的大量阳离子吸附在颗粒表面，平衡黏土颗粒的负电荷，使得颗粒之间的距离减小，范德华引力增强^［17］。此过程促使土壤颗粒以角-面、边-面或边-边连接的方式形成土壤的蜂窝状结构，由于蜂窝状结构本身性质较为均匀，各向同性较好，土壤能够较好地承受静态荷载。然而，当土壤遭受动态荷载时，其结构容易发生坍塌，产生较大的变形。

通过对沿海地区土壤的实际观察、扫描及灵敏度的试验，证实沿海地区土壤具有一定的蜂窝状结构，且其高灵敏度与土壤结构性质密切相关。土壤的体积质量、黏粒质量分数和孔隙度等因素与抗剪强度密切相关。土壤体积质量与抗剪强度呈正相关，因为体积质量较大时，土壤颗粒之间的接触更加紧密，摩擦力增大，从而提高抗剪强度。黏粒质量分数与抗剪强度同样呈正相关，黏粒具有较大的比表面积和表面能，能够增加颗粒之间的黏结力，进而提高抗剪强度。试验点处连通孔隙多集中为非毛管孔隙^［18］，且非毛管孔隙度与抗剪强度呈负相关，非毛管孔隙度越大，土壤颗粒之间的接触面积减小，黏结力减弱，导致抗剪强度降低^［19］。土壤灵敏度与分形维数、孔隙数均呈极显著负相关。分形维数反映土壤孔隙结构的复杂程度，分形维数越小，孔隙结构越简单，土壤灵敏度越高。孔隙数较少时，土壤结构的稳定性较差，在受到扰动后容易发生破坏，导致强度损失较大。表明土壤结构的复杂性对土壤的力学性质有显著影响，结构性较强的土体在受到扰动后强度损失更为显著。

综上所述，沿海地区土壤的蜂窝状结构及其相关的物理性质和孔隙特征，共同决定土壤的抗剪强度和灵敏度。对于理解沿海地区土壤的力学性质及在工程建设、水土流失治理等方面的应用具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨如何通过改善土壤结构（如增加黏粒质量分数、优化非毛管孔隙分布等）来提高土壤的抗剪强度^［20］。同时，在工程设计中应充分考虑土壤的这些特性，采取相应的措施来确保工程的稳定性和安全性^［21］。例如，在沿海地区的建筑工程中，可以根据土壤的抗剪强度和灵敏度合理设计地基和边坡，以防止土体坍塌和变形^［22］。在水土流失治理方面，可以通过改良土壤结构来增强土壤的抗侵蚀能力，保护生态环境^［23］。

4 结 论

1）围垦区表层原位土抗剪强度显著低于深层土，而扰动土抗剪强度随深度的增加而增加，这种现象在如东地区尤为明显。不同深度和围垦年限的扰动土灵敏度在滨海和如东地区变化不大，但在东台地区差异较大。根据灵敏度划分，各围垦区土壤可划分为敏感土。

2）土壤体积质量与原位土抗剪强度、黏粒质量分数呈较强正相关，土壤非毛管孔隙度与原位土抗剪强度呈负相关。土壤灵敏度与分形维数呈极显著负相关，与孔隙数也呈极显著负相关。

3）主成分分析结果显示，PC1中土壤孔隙数量、分形维数和黏土质量分数贡献最大，PC2中原位土抗剪强度和容重为主要贡献因素，PC3中主要贡献为孔隙度和土体抗剪强度。这些指标突出土壤孔隙结构和物理性质在抗剪强度评价中的重要性。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42307398)