崩岗侵蚀是我国南方热带及亚热带地区侵蚀强度最大，危害最严重的一种侵蚀类型^[1]。我国南方水热条件充分，温度以及降雨强度和频率的变化导致土壤水分的变化，使土壤的湿润程度发生改变，进而引发频繁的干湿循环现象，使崩塌概率增加^[2]。干湿循环影响土体稳定性、团聚体结构以及胀缩性，导致崩岗等自然地质灾害的发生^[3-4]。而花岗岩红壤广泛分布于我国南方地区，且具有各向异性、不均质性、扰动性以及软化崩解等特性，其力学特性易受到物质成分、水理因素的影响，是崩岗发生的主要物质基础。

目前已有学者对干湿循环条件下土体的力学特性变化开展大量研究，方瑾瑾等^[5]对干湿循环条件下的膨胀土的压缩特性展开研究；徐彬等^[6]对膨胀土进行直剪试验得出黏聚力和内摩擦角与干湿循环频度的关系；张文^[7]分析干湿循环次数对重塑黄土的压缩应变和压缩模量的影响。通过干湿循环试验模拟我国南方崩岗发育的气候过程是一种常见有效的方法。然而以往研究大多集中于干湿循环频度对土体黏聚力、抗剪强度以及其随干湿循环频度变化的规律等因素的影响，对于不同干湿循环频度和强度对花岗岩红壤固结强度的影响没有系统的研究。

我国南方花岗岩红壤的固结特性、压缩特性等力学性质长期受到干湿循环效应的影响，失稳和垮塌的风险较大。因此，通过室内固结试验，探究不同频度和强度的干湿循环作用对花岗岩红壤固结强度的影响，对区域水土资源调控利用和土壤侵蚀防控具有重要意义，揭示干湿循环作用与土壤固结强度的内在联系规律为崩岗侵蚀的预防和治理提供参考。

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。

本试验选取金钩形小流域崩岗顶部表层花岗岩红壤，采用“S”形采样法进行采样，采样土壤深度为0~20 cm，自然含水率为16%，质地为黏壤土，通过室内试验获取土壤的基本物理性质见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 供试土壤物理性质 Tab. 1 Soil physical properties for this study 土样 Soil sample 黏粒 Clay particles/% 粉粒 Silt particles/% 砂粒 Sand particles/% 质地 Texture 含水率 Water content/% 土粒密度 Soil density/(g·cm-3) 红壤Red soil 31.12±1.10 27.11±2.92 41.77±1.44 黏壤土Clay loam 16.00 1.29±0.35

表 1 供试土壤物理性质 Tab. 1 Soil physical properties for this study

采集样品后当场混匀去除杂质，置于塑封袋中带回实验室，置阴凉处自然风干处理后过2 mm筛除去杂质进行干湿循环试验，按照实验设计安排5组频度：土样分别为经历0、2、4、7和10次干湿循环试验。每组频度通过控制含水率变化范围设置3组强度：高(饱和含水率~10%含水率)、中(饱和含水率~20%含水率)、低(饱和含水率~30%含水率)3种强度，共15组处理组，每组设置3个平行。本实验采用华中农业大学自主研发的有机玻璃恒温恒湿箱监测干湿循环全过程^[8]。将土槽放入水中进行浸泡增湿至饱和，随后将土槽放入恒温恒湿箱中40 ℃状态下进行脱湿，烘干至设计含水率，冷却后再次浸泡至饱和，“增湿—脱湿—增湿”为1个完整的干湿循环过程。试样达到干湿循环设计频度后采用GZQ-1型全自动气压固结仪进行固结实验。

采用南京土壤仪器厂有限公司生产的GZQ-1型全自动气压固结仪进行固结实验，利用Φ 6.18 cm×2 cm环刀从土槽中获取已循环完毕的土壤样品称重计算饱和含水率，将土样置入固结仪中，依次放入护环、滤纸、透水板和加压盖；启动气压控制器，打开计算机固结仪试验采集系统，选择快速固结模式进行固结；点击平衡自重，加压底座上升，使上方紧密接触传感器后开始试验，设置压力值依次为50、100、200、400和800 kPa，试验完毕后进入固结数据处理系统加载本次试验数据，可得出孔隙比和沉降量，计算压缩系数和固结系数。

e~p曲线是室内土固结试验的直接反映，用来判断固结过程中的土体不同变形特性，按照e~p曲线可以确定土的压缩系数a(1/MPa)，为便于比较，通常采用压力段由p=100 kPa增加到200 kPa时的压缩系数a_1-2来评定土样的压缩性，当压缩系数a < 0.1时为低压缩土，0.1≤a < 0.5时为中压缩土，a≥0.5时为高压缩土^[2]。

固结系数C_v(cm²/s)是反映土体在荷载作用下固结速度的标量，是土样的单向固结理论中表示固结快慢的变形特性指标，笔者通过Taylor提出的时间平方根法来确定固结系数^[9]。土样的固结沉降可以分为瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降，笔者选取瞬时沉降与主固结沉降2种沉降方式，不考虑次固结沉降过程，对供试土样进行研究分析^[9]。

采用Excel 2016和SPSS 20.0统计软件进行数据处理，进行双因素方差分析探讨不同干湿循环强度和频度对土样固结特性影响，采用Origin 2021进行作图。

不同频度和强度干湿循环条件下土壤孔隙比如图 1和图 2所示。孔隙比随着荷载压力的增大呈现先快速减小后趋于平稳的趋势，在0~400 kPa范围内急剧减小，>400 kPa后变化趋于平稳。在干湿循环强度一定时，土壤孔隙比随着频度的增加逐渐减小，在中强度800 kPa条件下，分别经历0~10循环后土壤孔隙比由0.69减小为0.54、0.51、0.43和0.38，其中，0~2次循环孔隙比变化显著，孔隙比变化速率为21.74%，2~10次变化速率分别为5.55%、15.68%和11.63%，表明未干湿循环土体(0次)与经历过干湿循环土体(2次)土壤压缩性能差异明显。

图 1(Fig. 1)

高强度：含水率在10%~饱和内变化；中强度：含水率在20%~饱和内变化；低强度：含水率在30%~饱和内变化。0、2、4、7和10为干湿循环频度。下同。 High intensity: Water content varies from 10% to saturation. Medium intensity: Water content varies from 20% to saturation. Low intensity: Water content varies from 30% to saturation. 0, 2, 4, 7 and 10 are the frequencies of wetting-drying cycles. The same below. 图 1 不同干湿循环强度处理下e-p曲线图 Fig. 1 e-p curves under different wetting-drying cycle intensity treatments

图 2(Fig. 2)

图 2 不同干湿循环频度处理下e-p曲线图 Fig. 2 e-p curves under different wetting-drying cycle frequency treatments

在干湿循环频度一定时，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次循环后强度对孔隙比变化无明显规律。其中0~7次循环400 kPa条件下，孔隙比变化率分别为8.33%、15.14%和5.85%；在7~10次循环400 kPa条件下孔隙比变化率仅为2.90%和1.48%。

由不同频度和强度干湿循环条件下的固结沉降规律可知(表 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。随着频度的增加，瞬时沉降量增量的变化均呈现在0~7次循环内增大，7~10次循环内减小的变化规律。其中7次循环的平均瞬时沉降增量最大，高、中、低强度的干湿循环对应的平均瞬时增量分别为0.195、0.147和0.121 mm，0次循环时的平均瞬时沉降增量最小(高强度0.063 mm、中强度0.041 mm、低强度0.078 mm)，10次循环增量较7次循环降低0.079 mm，表明7次循环后沉降量趋于平稳且有回弹趋势。随着干湿循环强度的增加，瞬时沉降量占总沉降量的比例分别为18.48%、19.48%和21.87%，瞬时沉降量呈增大趋势。本实验主固结沉降量约占总固结沉降量的81%，变化范围在3.446~3.616 mm内，干湿循环频度和强度的增加，主固结沉降量均呈上升趋势。但在0次循环条件下中强度土体的主固结沉降量最低，与整体趋势不一致，是因为此时土体并未经过干湿循环，且中强度的土体含水率最接近花岗岩红壤自然含水率，土壤破坏程度最低，最不易被压缩。

表 2(Tab. 2)

表 2 干湿循环不同频度和强度土壤沉降量 Tab. 2 Sedimentation of soil under different frequency and intensity of wetting-drying cycles   mm 频度 Frequency 瞬时沉降量Instantaneous sedimentation 主固结沉降量Main consolidation sedimentation 总沉降量Total sedimentation 高强度 High intensity 中强度 Medium intensity 低强度 Low intensity 高强度 High intensity 中强度 Medium intensity 低强度 Low intensity 高强度 High intensity 中强度 Medium intensity 低强度 Low intensity 0 0.806 0.683 0.598 3.571 3.419 3.446 4.377 4.102 4.044 2 0.869 0.724 0.676 3.598 3.478 3.468 4.467 4.202 4.144 4 0.981 0.827 0.782 3.608 3.509 3.429 4.589 4.336 4.211 7 1.176 0.974 0.903 3.611 3.524 3.421 4.787 4.498 4.324 10 1.241 1.052 0.985 3.616 3.565 3.520 4.857 4.617 4.505

表 2 干湿循环不同频度和强度土壤沉降量 Tab. 2 Sedimentation of soil under different frequency and intensity of wetting-drying cycles

不同频度和强度干湿循环条件下压缩系数见图 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。随着干湿循环频度的增加，压缩系数逐渐增大，7次循环后缓慢增加并趋于稳定，压缩系数增量基本不变。0~7次循环压缩系数变化范围在0.009~0.034之间，7~10次循环变化范围仅在0.004~0.018之间，可知7次循环后干湿循环频度对土体的压缩性影响越来越小。由图 3b可知随着干湿循环强度降低，低强度土体压缩性远高于高、中强度土体，表现为中强度到低强度压缩系数平均增率为11.29%，高强度到低强度压缩系数平均减小率仅为2.58%。

图 3(Fig. 3)

a：压缩系数。下同。 a: Compression factor. The same below. 图 3 干湿循环不同处理下土壤压缩系数 Fig. 3 Soil compression factors under different wetting-drying cycle treatments

不同频度和强度干湿循环条件下固结系数C_v如图 4所示。随着干湿循环频度的增大和强度的减弱，固结系数均呈现连续减小趋势，其中高强度条件下土体固结系数减小速度最快，固结强度变化可分为3个阶段，2~4次固结系数下降速度较快，平均速率为10.5%，后逐渐趋于平稳，7次循环后下降速度再次增加至11.2%。当干湿循环频度一定时(图 4a)，0次循环不同干湿循环强度土体固结系数在6.09~6.48范围内，差值为0.39；10次循环不同干湿循环强度土体固结系数在5.66~5.81范围内波动，差值为0.15，表明多次干湿循环使花岗岩红壤固结强度不断降低，但不同干湿循环强度土体的固结强度差异逐渐减小。

图 4(Fig. 4)

Cv：固结系数。后同。 Cv: Consolidation factor. The same below. 图 4 干湿循环不同处理下土壤固结系数 Fig. 4 Soil consolidation factors under different wetting-drying cycle treatments

采用双因素方差分析进一步明确干湿循环频度和强度对花岗岩红壤压缩系数、固结系数的影响(表 3)，结果表明干湿循环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)，而频度和强度均对花岗岩红壤的压缩系数和固结系数有显著影响，且两者均对固结系数影响最大(F=4 102.71，P < 0.001；F=463.22，P < 0.001)，表明频度和强度的改变使土壤强度变化剧烈。在干湿循环过程中固结系数和压缩系数主要受到频度的影响，频度改变从而降低土壤固结特性，增加土壤压缩性。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同频度和强度处理下的土壤固结特性分析 Tab. 3 Analysis of soil consolidation characteristics under different frequency and intensity treatments 频度 Frequency 强度 Intensity Cv (10-3·cm2·s-1) a/ (MPa-1) 高High 6.45±0.221 0.830±0.004 0 中Medium 6.23±0.342 0.805±0.007 低Low 6.08±0.157 0.891±0.020 高High 6.22±0.165 0.84±0.003 2 中Medium 6.00±0.171 0.817±0.010 低Low 5.97±0.265 0.908±0.015 高High 6.01±0.409 0.858±0.017 4 中Medium 5.93±0.245 0.825±0.020 低Low 5.88±0.255 0.921±0.007 高High 5.96±0.267 0.867±0.010 7 中Medium 5.87±0.592 0.851±0.020 低Low 5.78±0.197 0.945±0.006 高High 5.72±0.035 0.871±0.007 10 中Medium 5.77±0.276 0.857±0.015 低Low 5.66±0.125 0.949±0.005 影响因素Influence factors F值F-value 频度Frequency 4 102.71*** 508.40*** 强度Intensity 463.22*** 59.38*** 频度×强度 Frequency×Intensity 6.57* 2.32 注：*、**、***分别表示显著性水平为P < 0.05，0.01和0.001。Notes：*，**，and *** indicates that the significance level is P < 0.05, 0.01 and 0.001，respectively.

表 3 不同频度和强度处理下的土壤固结特性分析 Tab. 3 Analysis of soil consolidation characteristics under different frequency and intensity treatments

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^[10]。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^[11]。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^[12]，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^[8]，土体结构趋于稳定。宋洋等^[13]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^[14]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^[15]。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^[16]，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。

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。