对于某一土体而言，其土体发生破坏往往是从内部土壤颗粒及团聚体的破坏开始^[1]。土壤抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力，同时也是重要的土力学指标^[2]。目前已有大量学者对土壤颗粒组成和团聚体对于抗剪强度作用机制进行了研究。钟守琴等人^[3]通过分析紫色泥岩土壤颗粒组成及团聚体状态发现土壤中大量存在的岩石碎屑能显著影响土壤抗剪强度特性，同时提出了先天性团聚体和后天性团聚体的概念；蔡奕等人^[4]通过团聚体大小对填筑土强度影响的试验研究发现团聚体平均粒径大小对素土、纤维土和石灰土抗剪强度变化趋势具有显著影响；张爱国等人^[5]在水蚀区范围内的土壤试验发现土壤有机质含量、土壤质地均对抗剪强度有显著影响并且抗剪强度随着土壤类型的改变发生有规律的变化；余宏明等^[6]以红色泥岩风化的含砾黏土为研究对象发现抗剪强度与含水量、密度和黏粒含量具有单一的相关性。因此，研究土壤颗粒组成及特性对土壤抗剪强度的影响具有重要现实的意义。

紫色土作为重庆分布面积最广泛的土壤。紫色黏土岩发育的紫色土具有化学风化微弱、物理风化强烈、土壤中岩石碎屑含量高^[7]，同时基本保持了母质的理化性质等特征^[8]。紫色页岩作为黏土岩的一种，因其形成环境为干燥炎热高压下的陆缘浅海，属于浅海相沉积岩^[9]，其碳酸盐物质含量超过300 g/kg，石质坚硬，很难形成深厚风化壳。由其发育而来的紫色土成土方式以机械破碎为主，很好地继承了母岩的特性；由于农业工程的大力发展，大量的工程被修建在坡耕地上，因此研究页岩发育的紫色土区域坡耕地抗剪强度的变化具有很重要的价值，同时也对该地区工程建设具有指导意义。

因此，本研究在前人对土壤抗剪强度影响因素的研究下，以紫色页岩发育的坡耕地土壤为研究对象，分析土壤中颗粒组成及其团聚特性，探讨其对抗剪强度的作用机制，为重庆山地丘陵地区紫色坡耕地农业工程建设可持续发展提供一定的理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

重庆市位于四川盆地东部，地处我国西南部，平均海拔为400 m，北碚区处于重庆市西北部，气候属于亚热带季风性湿润气候，降雨量充沛，具有春早、夏热、秋短、冬迟特征，地形以丘陵为主，紫色土分布广泛。紫色土是我国的一种特殊土壤，也是南方重要的土壤类型之一，根据土壤pH、CaCO₃含量和硅铝率等特性，进一步划分为酸性紫色土、中性紫色土、石灰性紫色土。本研究选取三迭系飞仙观组页岩及其发育的暗紫泥为试验对象，飞仙观组岩层分布较广，集中见于盆地四周和川东平行岭谷各背斜轴部，多构成与岩层走向一致的陡坡垄岗状地形，石质坚硬，因其形成环境为干燥炎热高压下的陆缘浅海，属于浅海相沉积岩^[9]，含碳酸盐物质在300 g/kg以上，易沿构造裂隙和成岩裂隙风化崩解成碎屑，很难形成深厚风化壳；由其发育而成的土壤为暗紫泥，颜色与母岩颜色一致，质地砂壤至轻黏，耕层疏松，呈粒状或团块状结构^[10]，成土方式以机械破碎为主，物理风化强烈，风化度浅^[11]。

1.2 土样采集与测定

供试样采自北碚鸡公山一处坡耕地，从坡顶至坡脚共计5个采样点(图 1)，坡顶至坡脚分别是P1(29°45′32" N，106°26′7" E，514 m)、P2(29°45′50" N，106°25′38" E，504 m)、P3(29°45′45" N，106°25′41" E，494 m)、P4(29°45′47" N，106°25′40" E，484 m)、P5(29°45′50" N，106°25′40" E，473 m)，土地利用类型均为旱地。每样点采集深度5 ~ 20 cm的土样10 kg，除去较大岩石碎屑、动植物残体及其他杂质。同时在采样时用大环刀采集土样测定容重。采集回的土样在通风环境下自然风干，研磨，筛掉 > 2 mm的岩石碎屑，制备成粒径 < 2 mm的土样以备用。并取风干后的土样用人工配置的方法配置10种不同含水率(7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%、23%、25%)的土样，采用ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)测定其抗剪强度参数。

测定的基本物理性质见表 1，其中土壤容重采用烘干法测定，> 2 mm的岩石碎屑采用水洗法测定，液限和塑限采用液塑限联合测定仪测定。本研究主要探讨紫色土中颗粒组成及其特性，除了传统意义上的颗粒组成和团聚体，还需要测定岩石碎屑的含量，由于现有的研究主要集中在 > 2 mm的岩石碎屑或者砾石上，本研究探讨的岩石碎屑是粒径 < 2 mm的部分；由于团聚体和岩石碎屑抵抗分散作用的程度不一，所以需要采用不同的分散处理^[12-13]，具体操作方法参考钟守琴等人^[3]的处理方法。同时对于土壤中小于某一粒径土壤颗粒中以3种不同状态(单粒、岩石碎屑及团聚体)存在的颗粒含量的计算方法如下(以 < 0.25 mm的土壤颗粒为例)：

$ {{N_1} = {R_{ > 0.25}} - {I_{ > 0.25}}} $

(1)

$ {N_2} = {A_{ > 0.25}} - {R_{ > 0.25}} $

(2)

$ {{N_3} = {I_{ < 0.25}} - {N_1} - {N_2}} $

(3)

式中：N₁表示 > 0.25 mm岩石碎屑含量；N₂表示 > 0.25 mm水稳性团聚体含量；N₃表示其他 < 0.25 mm土粒含量(包含 < 0.25 mm的单粒、岩石碎屑及团聚体)^[3]；R_{> 0.25}表示采用测定岩石碎屑方法测定的 > 0.25 mm粒径含量；I_{> 0.25}表示采用测定土壤颗粒组成方法测定的 > 0.25 mm的粒径含量；A_{> 0.25}表示采用测定团聚体方法测定的 > 0.25 mm的粒径含量；I_{< 0.25}表示采用测定土壤颗粒组成方法测定的 < 0.25 mm的粒径含量。

1.3 数据采集与处理

为了研究重庆坡耕地土壤抗剪强度作用机制，本试验采用应变直减仪测定土样在不同含水率及垂直压力下的指标，以及同一含水率下不同坡位土壤的抗剪强度指标。人为配置的含水率为10种(7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%、23%、25%)，施加的垂向压力分别是100、200、300、400 kPa，剪切量设置为6 mm，试验方法选择快速剪切，试验数据通过应变控制式直剪仪自带的智龙土工试验微机控制数据处理系统采集。试验数据利用Matlab 2016和Excel 2016进行处理。

2 结果与分析 2.1 土壤颗粒组成

颗粒组成作为评价土壤质地的基础，是一个十分重要的物理指标。由图 2可知，暗紫泥发育母岩(PR)的颗粒组成中，黏粒、粉粒及砂粒含量依次为182.26、543.53、274.20 g/kg；坡顶(P1)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次为216.28、437.85、345.85 g/kg；坡肩(P2)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次为253.54、462.44、284.01 g/kg；坡腰(P3)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次为296.21、504.40、199.38 g/kg；坡腰(P4)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次为327.24、470.78、201.97 g/kg；坡脚(P5)土壤黏粒、粉粒及砂粒含量依次为293.83、502.80、203.36 g/kg。从图中可以看出，母岩颗粒组成中黏粒含量小于各坡位土壤的黏粒含量，且从坡顶(P1)到坡脚(P5)黏粒缓慢增大；粉粒含量各坡位土壤与母岩均相差不大，且均以细砂粒(0.02 ~ 0.25 mm)为主，粗砂粒(0.25 ~ 2 mm)含量很少，且母岩(PR)的颗粒组成中不存在 > 0.25 mm的颗粒；砂粒含量存在坡顶(P1) > 坡肩(P2) > 母岩(PR) > 坡腰(P3、P4)/坡脚(P5)的关系。

2.2 土壤颗粒聚合状况

土壤中很少有单独存在的颗粒，均是以各种聚合的形式存在。含岩石碎屑土壤中，除了传统意义上的团聚体还存在大量的岩石碎屑。土壤团聚体是良好的土壤结构体，并且作为评价土壤肥沃的标志之一。按照团聚体测定方法得出图 3中团聚体的组成图。由图可知，土壤团聚体组成中，P1 ~ P5土壤中0.25 ~ 2 mm颗粒含量分别为518.63、487.86、593.35、514.67、467.62 g/kg；0.05 ~ 0.25 mm颗粒含量分别为274.51、312.30、235.03、268.42、299.05 g/kg；0.02 ~ 0.05 mm颗粒含量分别为108.34、117.94、87.03、111.88、121.81 g/kg；0.002 ~ 0.02 mm颗粒含量分别为83.87、65.82、69.05、80.18、87.80 g/kg；< 0.002 mm颗粒含量分别为14.64、16.10、15.53、25.85、23.72 g/kg；可以看出各坡位团聚体中5种粒径颗粒含量均相差不大，即坡顶到坡脚没有明显规律变化。

试验土壤由紫色页岩的坡残积母质发育而成，成土方式以机械破碎为主，因此土壤中岩石碎屑含量很高，按照岩石碎屑测定方法得出图 3中岩石碎屑的组成图，从图中可以看出岩石碎屑在0.05 ~ 0.25 mm、0.02 ~ 0.05 mm、0.002 ~ 0.02 mm粒径含量与土壤团聚体相差较大，P1 ~ P5坡位土壤中0.05 ~ 0.25 mm岩石碎屑颗粒含量分别为91.48、84.42、69.35、77.85、79.99 g/kg，明显小于团聚体中同粒径颗粒含量；0.02 ~ 0.05 mm岩石碎屑颗粒含量分别为162.38、170.87、148.94、172.82、198.91 g/kg，0.002 ~ 0.02 mm岩石碎屑颗粒含量分别为207.26、236.54、220.45、222.12、237.57 g/kg，均明显大于团聚体中同粒径颗粒含量；而对于0.25 ~ 2 mm和 < 0.002 mm颗粒含量与团聚体中相差不大，虽然单个粒径含量与团聚体中有所差别，但坡顶到坡脚依然没有明显规律变化。

结合图 2、图 3及公式(1) ~公式(3)可以得到图 4小于某粒径的土壤颗粒结构图。通过前文分析可知，土壤中 < R粒径含量主要以3类形式存在：> R岩石碎屑、> R团聚体及其他 < R土粒。从图 2可知，坡顶(P1)到坡脚(P5)土壤颗粒组成中 < 0.25 mm土壤颗粒含量相差不大，依次为995.65、998.10、997.54、998.63、998.12 g/kg，结合图 4A可以得出其中 > 0.25 mm岩石碎屑分别为508.27、461.23、510.40、483.27、439.80 g/kg，而 > 0.25 mm团聚体分别为6.01、24.73、80.50、30.02、25.94 g/kg。继续对土壤中 < 0.05 mm、< 0.02 mm、< 0.002 mm土壤团聚体颗粒组成结构分析发现：< 2 mm岩石碎屑大量存在于紫色页岩发育的紫色土中，且随着粒径的减小，其中以大于此粒径存在的岩石碎屑的含量占有比例逐渐增加。因此可以得出在紫色页岩发育的土壤中除了水稳性团聚体，还大量存在 < 2 mm的岩石碎屑，这些岩石碎屑主要是由母岩机械破碎形成，继承了母岩的特性，而传统意义上的团聚体是在有机质参与下形成的，参考钟守琴等人^[3]的研究结果可以将其延伸为先天性团聚体和后天性团聚体，其中 < 2 mm的岩石碎屑属于先天性团聚体，而水稳性团聚体属于后天性团聚体。

2.3 抗剪强度特征 2.3.1 垂直压力对抗剪强度的影响

通过直剪试验绘制了图 5所示的5个坡面抗剪强度在不同含水率下随着垂直压力的变化图。从图中可以看出，整体而言，土壤抗剪强度在垂直压力100 ~ 400 kPa之间，随着垂直压力的增大，抗剪强度也逐渐增大；当含水率从7%增加到25%时，抗剪强度均是在垂直压力为100 kPa的时候出现最小值，且存在P1(69.39 kPa) < P4(74.58 kPa) < P2(75.2 kPa) < P3(77.055 kPa) < P5 (77.135 kPa)的关系；同时随着垂直压力的增大，抗剪强度显著增加，最大值均出现在垂直压力为400 kPa的时候，且存在P1(337.79 kPa) > P2(320 kPa) > P4 (301.825 kPa) > P3(290 kPa) > P5(285.88 kPa)；另外，当垂直压力从100 kPa增加到400 kPa的过程中，各坡位土壤抗剪强度变化范围存在：P1(268.4 kPa) > P2 (244.8 kPa) > P4(227.245 kPa) > P3(212.945 kPa) > P5 (208.745 kPa)。即当垂直压力增加时，抗剪强度也会随之增大，且供试坡位的土壤最大值和垂直压力对抗剪强度的影响大小均存在坡顶(P1) > 坡肩(P2) > 坡腰(P3、P4) > 坡脚(P5)的关系。

2.3.2 含水率对抗剪强度的影响

黏聚力和内摩擦角作为两个常用来表示抗剪强度的参数，图 6表示不同坡位土壤黏聚力随着含水率的变化曲线，从整体上看黏聚力随着含水率的增加呈现先增加后降低的趋势。当含水率为7%的条件下，P1 ~ P5的黏聚力依次是10.95、38.08、18.48、22.79、30.71 kPa，随着含水率的增加，P1、P2、P3、P5均出现了2个峰值，而P4只出现了一个峰值。从坡顶到坡脚(P1 ~ P5)，黏聚力出现的最大值依次是62.30、57.49、54.73、52.93、49.94 kPa，且对应的含水率依次是13%、15%、13%、17%、15%；而最小值依次是10.95、30.12、18.48、22.79、30.71 kPa，对应的含水率依次是7%、25%、7%、7%、7%。可以看出对于同一坡位土壤，其黏聚力随着含水率(7% ~ 25%)的增大出现先增加后减少的趋势。对于不同坡位土壤，最大值均出现在13% ~ 17%之间且呈现P1 > P2 > P3 > P4 > P5，即从坡顶到坡脚黏聚力最大值逐渐降低；而黏聚力的最小值却出现在含水率的两端且呈现P1 < P3 < P4 < P2 < P5，即从坡顶到坡脚黏聚力最小值反而升高。

图 7表示不同坡位的土壤含水率与内摩擦角之间的变化曲线，整体上各个坡位土壤内摩擦角均随着土壤含水率的增加而减少，当含水率从7%增加到25%时，P1 ~ P5的内摩擦角分别从39.44°、36.48°、37.11°、35.80°、33.92°降低到25.20°、25.91°、24.53°、23.89°、22.35°。对图 7进行拟合，拟合结果见表 2，从P1到P5土壤含水率与内摩擦角呈现负相关趋势，拟合曲线的斜率依次是-0.765 9、-0.614 1、-0.623、-0.649 4、-0.579，相关系数为0.980 6、0.946 9、0.928 2、0.918 8、0.936 1。由此可以看出，对于同一位置的土壤，当含水率从7%增加到25%时，内摩擦角反而降低；对于不同位置的土壤在同一含水率下，内摩擦角存在坡顶(P1) > 坡肩(P2)/坡腰(P3、P4) > 坡脚(P5)的关系，且拟合曲线斜率的绝对值也存在坡顶(P1) > 坡肩(P2)/坡腰(P3、P4) > 坡脚(P5)的关系，即含水率对不同坡位土壤影响的大小也存在坡顶(P1) > 坡肩(P2)/坡腰(P3、P4) > 坡脚(P5)的关系。

3 讨论 3.1 < 2 mm岩石碎屑是紫色页岩发育的土壤颗粒聚合体之一

紫色土是一种幼年土，风化度不深，母质特性明显^[10]。由于其风化程度不高，土壤中常含有砾石或岩石碎屑，过去的研究主要集中在土壤中＞2 mm的砾石或岩石碎屑^[14-16]，而对土壤中 < 2 mm的岩石碎屑研究较少。钟守琴等人^[3]对泥岩发育的紫色土中 < 2 mm的岩石碎屑进行了研究，发现其大量存在并提出了先天性团聚体和后天性团聚体的概念。本研究结果表明，坡顶(P1)到坡脚(P5)土壤颗粒组成中，< 0.25 mm单粒累积含量在995.65 ~ 98.63 g/kg之间；其中，以0.25 ~ 2 mm岩石碎屑存在的颗粒含量分别为508.27、461.23、510.40、483.27、439.80 g/kg；以0.25 ~ 2 mm团聚体存在的颗粒含量分别为6.01、24.73、80.50、30.02、25.94 g/kg；以 < 0.25 mm单粒态存在的颗粒含量分别为481.36、512.14、406.64、485.33、532.98 g/kg。且随着粒径的减小，其中以大于此粒径存在的岩石碎屑含量占有比例就越大。因此，< 2 mm的岩石碎屑是紫色页岩发育的土壤颗粒聚合体之一，与钟守琴等人^[3]研究结果一致。

因此，在页岩发育的紫色土中，除了单粒与团聚体外，还存在大量 < 2 mm的岩石碎屑，即 < 2 mm岩石碎屑是紫色页岩发育的土壤颗粒聚合体之一。这些岩石碎屑继承了母岩的理化性质，属于先天性团聚体^[3]。

3.2 大量致密坚硬的岩石碎屑提高了页岩发育土壤的抗剪强度

现有的研究表明，紫色土抗剪强度具有水敏性^[17]，对于非饱和土，黏聚力和内摩擦角受含水状态变化的影响很大^[18-19]，土壤中水分含量的增加，会在土体表面形成一层润滑剂，从而导致土体间的内摩擦角减小^[20]。从研究结果可以看出供试点页岩发育的土壤含水率与内摩擦角呈负相关关系且从坡顶到坡脚拟合曲线的斜率的绝对值缓慢减小，即说明含水率对供试坡地土壤内摩擦角的影响随着高程的降低缓慢减小，其中内摩擦角与含水率呈负相关关系，与林鸿州等^[21]、倪九派等^[22]、钟茫^[23]的研究结果一致；当含水率较低时，吸力较小，随着水分的增加，水膜的黏聚力逐渐增强，当含水率增加到一定程度时，水膜逐渐增厚，对土壤颗粒的吸力也逐渐减少，从而造成随着含水率增加，黏聚力出现先增大后减小的现象，这与钟茫^[23]、江浩浩等^[24]的研究结果一致。可以得出页岩发育的紫色土水敏性与前人研究结果一致，但本研究主要想探讨页岩发育的紫色土中 < 2 mm岩石碎屑对其抗剪强度的作用机制，通过对5个坡位土壤岩石碎屑组成的分析发现，P1 ~ P5岩石碎屑含量相差不大，即随着位置高程的降低，土壤中 < 2 mm的岩石碎屑含量并没有出现规律性的升高或降低，同时对比钟守琴等^[3]对紫色泥岩发育土壤的研究结果可以发现：在同一含水率下，对紫色泥岩和紫色页岩发育的土壤施加相同的垂向压力，紫色页岩发育土壤的抗剪强度高于紫色泥岩发育的抗剪强度；同时对比两种土壤的内摩擦角和黏聚力的水敏性变化可以发现紫色页岩发育土壤的抗剪强度水敏性低于紫色泥岩发育土壤的抗剪强度水敏性。造成这种差异的原因是：本研究采用的试验土样为页岩发育的紫色土，与钟守琴等^[3]采用的泥岩发育的紫色土有所差别，本研究采用的三迭系飞仙观页岩属于浅海相沉积岩，其形成环境为干燥炎热高压下的陆缘浅海，高压的成土环境导致其石质坚硬，以成土率略高于化泥的速度进行风化^[8]，土壤由页岩的坡残积母质发育而成，成土方式以机械破碎为主，物理风化强烈，化学风化度浅，水土流失严重，土层浅薄，坡面土壤中碎屑含量很高，而其岩石碎屑很好地继承了母岩的物化性质，具有致密坚硬的特点。而钟守琴等^[3]研究采用的是紫色泥岩及其发育的土壤，泥岩属于湖泊相沉积岩，岩石厚度比较稳定，形成环境为较干旱条件和河漫湖泊的洪水泛滥至正常河流，且其土壤具有最高的成土率与化泥率比值，成土过程主要为剥蚀风化，物理风化程度快，严重的水土流失导致坡的上部主要是薄层石骨子土，随着高程的降低，土层也逐渐加深，坡腰进入黏化初级阶段，而坡脚则以质地偏黏的紫泥土为主^{[9, 11]}。

综上所述，页岩属于浅海相沉积岩，形成环境为干燥炎热高压下的陆缘浅海，高压的成岩环境导致其岩石碎屑具有致密坚硬的特点，同时其特殊的成土过程使坡顶到坡脚的土体中碎屑含量很高，大量致密坚硬的岩石碎屑增强了页岩发育土壤的抗剪强度同时减弱了其抗剪强度的水敏性。

4 结论

1) 页岩发育的紫色土中存在大量 < 2 mm的岩石碎屑，是紫色页岩发育的土壤颗粒聚合体之一，其主要继承了母岩的理化性质，属于先天性团聚体。

2) 页岩发育的紫色土中大量致密坚硬的岩石碎屑提高土壤抗剪强度，同时减弱了抗剪强度的水敏性。