碎石對(duì)土石材料性能的影響

碎石對(duì)土石材料性能的影響

根據(jù)不同的分類(lèi)系統(tǒng)，土壤中的碎屑有不同的定義，直徑為2mm。相對(duì)獨(dú)立、且易于破碎的礦物被認(rèn)為是碎屑，含有碎屑的土壤被稱(chēng)為石頭土壤。石質(zhì)土壤的分布較為廣泛,西歐土壤表面礫石含量大約為30%,在地中海地區(qū)土壤表層礫石含量甚至達(dá)到60%以上。我國(guó)不同地區(qū)的粗骨土、紫色土、寒凍土、沖擊土、湖岸土及戈壁土中,礫石的巖性不同且具有不同的分布特征。北京山區(qū)粗骨褐土中,荒草地土壤表層的礫石含量達(dá)到22%以上。土石山區(qū)在黃土高原亦大量分布,總面積達(dá)到13.3萬(wàn)km。土壤表面和表層中礫石的含量和種類(lèi)使得石質(zhì)土壤同細(xì)土(fineearth)的理化特性存在顯著差異。土壤中礫石的存在會(huì)影響溫度等物理特性,由于礫石存在而產(chǎn)生的大孔隙會(huì)對(duì)土壤水分特性產(chǎn)生影響,包括入滲、蒸發(fā)、再分布等方面;礫石的存在對(duì)土壤各種化學(xué)特性如土壤碳、氮等各種元素含量及溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生較大影響;此外對(duì)于土地利用和生產(chǎn)力等影響也比較顯著。然而,在研究土壤水分運(yùn)動(dòng)特性的時(shí)候,通常不考慮礫石的影響,這就使得土壤水文相關(guān)指標(biāo)的研究存在較大誤差。由于較小的比表面積,礫石對(duì)土壤化學(xué)過(guò)程的影響也常忽略不計(jì)。實(shí)際上礫石占據(jù)了土壤的部分體積,對(duì)于土壤理化特性的量化如果對(duì)應(yīng)于土壤中的細(xì)土成分,忽略礫石會(huì)使得這些指標(biāo)的量化不能反映其實(shí)際情況,另外由于礫石巖性的差異,某些種類(lèi)的礫石會(huì)具有不可忽略的持水能力和含有一定含量的元素。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐中農(nóng)田土壤養(yǎng)分和水分的空間變異性也會(huì)由于礫石的存在而變得更復(fù)雜,對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水平的提高有必要對(duì)土壤中礫石含量進(jìn)行測(cè)量,從而對(duì)灌溉和施肥決策及手段的制定提供重要的參考。當(dāng)土壤中礫石含量達(dá)到一定程度,礫石會(huì)在很大程度上改變土壤結(jié)構(gòu),進(jìn)而對(duì)土壤中的物理、化學(xué)和生物特性都會(huì)產(chǎn)生影響,礫石含量是評(píng)價(jià)這些影響最重要的參數(shù)之一?？陀^、精確地測(cè)定土壤中礫石含量是一直困擾從事土壤研究人員的一個(gè)難題,導(dǎo)致關(guān)于石質(zhì)土壤中相關(guān)計(jì)算和量化過(guò)程中由于礫石含量及其誤差的信息缺失而缺乏可信度。礫石含量及其空間變異性相關(guān)信息的把握將會(huì)極大改善現(xiàn)有土壤生產(chǎn)力模型、水文和風(fēng)化模擬的研究水平。對(duì)土壤中礫石的含量定量化研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值,日益受到廣泛重視。國(guó)外學(xué)者就土壤中礫石含量的測(cè)定及研究方法取得一些成果,本文主要針對(duì)國(guó)外研究做一評(píng)述,為國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的相關(guān)研究提供借鑒。1u和shoa的視測(cè)方法表層土壤中礫石相對(duì)含量最常用的3種表述方法包括:(1)土壤表面礫石覆蓋度(Rc);(2)礫石體積含量(Rv);(3)礫石質(zhì)量含量(Rm)。土壤表面礫石覆蓋度用礫石地上部分投影面積與地表面積的比值來(lái)表示,它可以通過(guò)視測(cè)法測(cè)定,也可以通過(guò)激光掃描或拍照獲取地表圖像信息,然后通過(guò)圖像處理軟件獲取礫石覆蓋度。Zhu和Shao通過(guò)將數(shù)碼相機(jī)垂直固定在土表1.5m上方,采用軟件ImageJ處理照片獲得土壤表面礫石覆蓋度和尺寸,此方法的最大相對(duì)誤差為(0.7±0.8)%,可以達(dá)到所需要的精度要求。視測(cè)法在礫石粒徑(>76mm)和覆蓋度大的地方比較適用,對(duì)于小的碎石,視測(cè)變得十分困難,尤其是礫石含量不高時(shí)測(cè)定結(jié)果可能與實(shí)際情況有較大差異。土壤中礫石體積含量Rv為礫石體積和包括礫石與細(xì)土的土壤體積的比值,質(zhì)量含量Rm為礫石質(zhì)量和石質(zhì)土壤總質(zhì)量的比值。二者可以通過(guò)以下公式實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換:式中,BDt和BDrf分別對(duì)應(yīng)于土壤體積質(zhì)量和礫石體積質(zhì)量,相應(yīng)的Rm可以由Rv求得。然而在進(jìn)行二者轉(zhuǎn)換過(guò)程中需謹(jǐn)慎,礫石體積質(zhì)量BDrf通常采用2.65g/cm3,此數(shù)值僅在礫石內(nèi)部沒(méi)有孔隙時(shí)適用,實(shí)際上由于風(fēng)化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生的內(nèi)部孔隙,使得土壤中的礫石體積質(zhì)量數(shù)值小于此值。礫石風(fēng)化程度與礫石大小關(guān)系密切,礫石越小風(fēng)化程度越重,這實(shí)質(zhì)上是由于較小礫石的表面積和體積比值較大。風(fēng)化程度較重的礫石表現(xiàn)出:孔隙度大,陽(yáng)離子交換量高和碳氮含量高等特點(diǎn)。2礫石的體積測(cè)定礫石的質(zhì)量含量Rm可以通過(guò)篩重法測(cè)定,首先對(duì)采樣區(qū)域的土壤樣品中的礫石和細(xì)土部分進(jìn)行篩分,干燥后被分別稱(chēng)重進(jìn)行計(jì)算得到質(zhì)量含量。礫石的體積通過(guò)排水法得到,可以計(jì)算得到礫石的體積質(zhì)量。所取出的土壤中細(xì)土部分體積可由其質(zhì)量和其體積質(zhì)量計(jì)算得到,細(xì)土的體積質(zhì)量通過(guò)環(huán)刀所取出未擾動(dòng)土部分計(jì)算得到。最終可以根據(jù)(1)式實(shí)現(xiàn)Rm和Rv之間的轉(zhuǎn)換。實(shí)際操作過(guò)程中,由于礫石的尺寸較大,取樣小會(huì)使得取樣代表性差,取樣大會(huì)使工作強(qiáng)度相應(yīng)增大。另外,礫石的存在使環(huán)刀取樣來(lái)進(jìn)行細(xì)土體積質(zhì)量的測(cè)定變得困難。鑒于以上原因,礫石體積含量Rv的測(cè)量成為眾多學(xué)者特別關(guān)注的問(wèn)題之一。下面就重點(diǎn)對(duì)土壤礫石體積含量Rv的測(cè)定方法進(jìn)行評(píng)述。2.1環(huán)刀對(duì)石質(zhì)土壤的影響在石質(zhì)土壤進(jìn)行環(huán)刀取樣是土壤學(xué)研究者經(jīng)常遇到的難題,很難將環(huán)刀壓進(jìn)石質(zhì)土壤中,并且在這個(gè)過(guò)程中,環(huán)刀很容易被小的礫石損壞。當(dāng)環(huán)刀遇到礫石時(shí)可能無(wú)法采集位于環(huán)刀邊緣的礫石,這一點(diǎn)在礫石體積較大和含量較高時(shí)尤其明顯。此外,環(huán)刀取樣的土壤體積有限,樣本對(duì)于石質(zhì)土壤的代表性較差。盡管如此,此方法對(duì)于礫石含量不高,且礫石本身體積較小的土壤仍是一種簡(jiǎn)捷快速測(cè)定Rv的好方法。2.2置換法對(duì)于非織造土地的一般方法坑法法是最直接和最普遍使用于測(cè)定Rv的測(cè)定方法。通過(guò)挖坑取出含礫石土壤,礫石體積可采用排水法得到,顯然,從坑中采取出來(lái)的介質(zhì)體積或坑的容積對(duì)最終的Rv計(jì)算結(jié)果影響極大,如何得到盡可能準(zhǔn)確的介質(zhì)體積從而盡可能減小誤差是此方法關(guān)鍵。在挖坑過(guò)程中盡可能地保證所挖的圓柱形或立方體型坑比較規(guī)則,坑壁豎直并且底部平整,最后可以通過(guò)尺子測(cè)量各部位維度計(jì)算得到挖出介質(zhì)體積?？颖谏蠒?huì)有突出礫石(圖1),突出礫石體積估計(jì)可通過(guò)取出并用排水法得到突出部分體積,此方法會(huì)由于較大尺寸礫石的存在使得挖掘過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度大并且很難能保證坑壁和底部平整。如果試驗(yàn)場(chǎng)地允許且運(yùn)輸不是很困難的話,置換法可以用來(lái)解決上述體積的測(cè)量問(wèn)題。置換材料可以是土壤團(tuán)粒、水、沙子、石蠟、塑料球等。用土壤團(tuán)粒取材方便,但是容易變緊實(shí),測(cè)定值往往偏高;水做置換材料要求預(yù)先鋪上塑料布這需要移去那些可能會(huì)扎破它的礫石尖角或粗樹(shù)根,另外水作為置換材料只適用于地表水平的情況,這對(duì)于大多處于坡地的石質(zhì)土壤是不適用的;沙子是一種不錯(cuò)的選擇,但由于自身塑性,只能在坡度不太大的情況使用,另外在取樣比較大時(shí),搬運(yùn)比較費(fèi)力;石蠟便于攜帶,但其凝固前取樣需要8~24h,比較費(fèi)時(shí);塑料球、乒乓球甚至狗糧作為置換材料便于攜帶、方便回收也可以測(cè)定體積較大的樣本并且適用于任意坡度石質(zhì)土壤礫石含量的測(cè)定。所挖坑的剖面會(huì)有礫石露出,可以通過(guò)剖面表達(dá)法來(lái)直觀估計(jì)礫石的出現(xiàn)頻率,此方法被證明易于低估礫石含量,它的精度僅對(duì)于大的礫石(>76mm)可以接受。石質(zhì)土壤大多處于山地林區(qū),采樣點(diǎn)遠(yuǎn)離道路,大型挖掘工具難以接近,置換材料等運(yùn)輸較為困難,實(shí)地測(cè)定過(guò)程中挖坑法的最大缺點(diǎn)是破壞土壤結(jié)構(gòu),不能重復(fù)測(cè)定和校驗(yàn)。除此以外,為了保證采樣點(diǎn)的代表性需要增加采樣點(diǎn)的數(shù)目;為了保證測(cè)定精度對(duì)于較大尺寸的礫石需要增大坑的體積,這些因素決定挖坑法實(shí)際操作費(fèi)時(shí)耗力,勞動(dòng)強(qiáng)度大。2.3血礫石指數(shù)法。在確定的基礎(chǔ)上測(cè)定挖坑法這種破壞式的采樣方法會(huì)阻礙在所挖坑進(jìn)行的下一步實(shí)驗(yàn)觀察,因此許多學(xué)者采用非破壞式的礫石含量測(cè)定方法,這些方法中Viro所提出的插釬法得到廣泛應(yīng)用,該方法可快速地對(duì)表層土壤中礫石體積含量進(jìn)行較精確的測(cè)量。其原理是插入細(xì)的金屬釬到含礫石土壤中,直到碰到礫石而無(wú)法插得更深停止,由于金屬釬插入土壤的平均深度與礫石含量存在一定關(guān)系,稱(chēng)為“礫石指數(shù)(thestoniness-index)”,利用此關(guān)系就可以知道土壤的礫石含量。Eriksson對(duì)這一方法做了檢驗(yàn),認(rèn)為這種方法所測(cè)定的礫石含量只反映土壤的上層狀況,且僅在礫石含量<50%才具有一定精度,當(dāng)?shù)[石含量>50%時(shí)測(cè)定結(jié)果精度較差。礫石體積含量較高時(shí),礫石含量的變化不會(huì)對(duì)鋼釬插入土壤的平均深度產(chǎn)生較大影響,即使體積含量從85%變化到70%,鋼釬遇到靠近表層的礫石可能性仍然很高。此外,必須測(cè)量足夠的次數(shù)才能保證測(cè)定結(jié)果不致產(chǎn)生太大誤差。2.4土壤質(zhì)量的測(cè)定γ射線法包括單探頭散射法和雙探頭傳導(dǎo)法。前者需要挖坑測(cè)定礫石含量進(jìn)行校正,后者則可獨(dú)立同時(shí)測(cè)定土壤礫石含量、體積質(zhì)量和含水量,礫石含量顯著影響石質(zhì)土壤的含水量,而γ射線在石質(zhì)土壤中穿透不受土壤含水量的影響而保持恒定,因此比較適用于石質(zhì)土壤中一些物理特性的測(cè)定。雙探頭γ射線探測(cè)儀用于土壤中礫石含量測(cè)量時(shí),一定體積的土壤介質(zhì)體積質(zhì)量ρb被測(cè)定,通過(guò)挖坑測(cè)定該體積部分的細(xì)土質(zhì)量mf和礫石質(zhì)量mr,通過(guò)計(jì)算礫石密度ρr,這樣土壤礫石體積含量Rv可由(2)式得到:該方法田間測(cè)定時(shí)可通過(guò)逐層測(cè)量得到整個(gè)采樣點(diǎn)的Rv,每次深度增加最小為2.5cm。γ射線法在使用前要進(jìn)行校正,但是在礫石尺寸和含量空間變異大的地方校正比較困難,而且放射性元素對(duì)人體有一定危害,設(shè)備比較重,在遠(yuǎn)離公路的地方不便應(yīng)用。2.5石質(zhì)土壤gpr的概念上述4種礫石含量測(cè)定技術(shù)基于采樣點(diǎn)的選取而且研究的是有限體積范圍內(nèi)的土石介質(zhì),目前廣泛使用的一些地球物理探測(cè)技術(shù)基于無(wú)損探測(cè)、可以對(duì)較大尺寸范圍的土壤物化特性進(jìn)行研究。這些方法中,數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)由于分辨率較高和操作方便等優(yōu)點(diǎn),在諸如地下水資源評(píng)價(jià)、礦產(chǎn)探測(cè)、考古研究和環(huán)境研究等方面得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)在過(guò)去10~15年的發(fā)展使其可應(yīng)用于地表下幾十米范圍內(nèi)的地球介質(zhì)研究。雷達(dá)波具有波的傳播特點(diǎn)和規(guī)律,其中一個(gè)突出的特點(diǎn)是雷達(dá)波遇到不同介電常數(shù)的兩種物質(zhì)界面會(huì)發(fā)生反射。GPR就是通過(guò)發(fā)射和接受高頻率、短脈沖電磁波(10MHz~2.5GHz),接收到的反射電磁波經(jīng)過(guò)處理后,以偽彩色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來(lái)。經(jīng)事后處理,可用來(lái)分析和推斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層巖石特性。土壤內(nèi)部各組成之間介電特性的差異是GPR探測(cè)的先決條件。由于植物根系含水量一般高于土壤基質(zhì),致使兩者介電常數(shù)產(chǎn)生較大差異,GPR已經(jīng)被證明是可以用于對(duì)植物根系進(jìn)行探測(cè)和研究的潛在工具,研究表明此方法可以繪制出根徑大于3cm的粗跟的分布形態(tài)圖,準(zhǔn)確率可達(dá)到80%,越粗的根越容易探測(cè),而且只有當(dāng)雷達(dá)掃描方向與根的伸展方向垂直時(shí),才能準(zhǔn)確測(cè)量出根徑的大小,對(duì)于豎根和根徑小于20mm的細(xì)根及根與根之間的交叉或重疊部分無(wú)法識(shí)別。石質(zhì)土壤內(nèi)部細(xì)土和礫石介電特性的差異明顯,Jol提出用雷達(dá)波代替探頭測(cè)定礫石含量,雷達(dá)波發(fā)射和接受探頭可以安置在地下不同深度,既可以測(cè)定水平方向,也可以測(cè)定垂直方向的礫石含量。GPR在被應(yīng)用于石質(zhì)土壤的礫石含量研究時(shí),較深層次巖石對(duì)電磁波的反射會(huì)被上層巖石的反射所掩蓋,使得所得到圖像不能反映石質(zhì)土壤內(nèi)部的真實(shí)情況,這一點(diǎn)和Viro插釬法相似。當(dāng)?shù)[石含量較高時(shí),由于反射界面較多使得反射波形混亂,使得石質(zhì)土壤并非GPR的理想探測(cè)環(huán)境。另外各種商業(yè)軟件的使用可以獲得高精度的GPR掃描圖像,但其精度是否足夠有效以區(qū)分礫石和細(xì)土值得懷疑。2.6利用電阻率斷層掃描技術(shù)各種地球物理探測(cè)方法的基本原理是通過(guò)無(wú)損探測(cè)來(lái)收集探測(cè)體積內(nèi)介質(zhì)的特性信息,其中,基于電學(xué)特性的手段由于土壤的理化特性(質(zhì)地、鹽性、含水量、結(jié)構(gòu)等)可以與其電學(xué)特性緊密聯(lián)系因此具有廣泛應(yīng)用前景。電阻率影像法以其觀測(cè)密度大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。電阻率(其倒數(shù)為電導(dǎo)率,土壤物理學(xué)研究者多采用電阻率而土壤化學(xué)研究多采用電導(dǎo)率)是一個(gè)田間易于測(cè)量的地球物理學(xué)參數(shù),自然界中各種介質(zhì)的電阻率值具有較大的變化范圍,黏土電阻率值在1?·m左右,而對(duì)于一些巖石如石灰?guī)r和花崗巖,其電阻率值高達(dá)104?·m。電阻率斷層掃描的目的是通過(guò)在地表的電學(xué)測(cè)量,測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)商用軟件的計(jì)算機(jī)反演最終得到地表下各點(diǎn)的電阻率實(shí)際數(shù)值及其分布情況。電阻率斷層掃描技術(shù)已從最初的一維發(fā)展到二維直至目前廣泛使用的三維掃描,所獲得的電阻率數(shù)值可以和土壤的理化特性如水分狀況、肥力、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式聯(lián)系起來(lái)。Dahlin對(duì)這一方法有較詳細(xì)的介紹。土壤電阻率數(shù)值與其內(nèi)部電阻率較大的巖石、孔隙等及其內(nèi)部電阻率較小的水源、受污染區(qū)域等比較敏感,利用這點(diǎn)可以對(duì)土壤內(nèi)部存在的侵入物的含量進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于土壤中礫石含量的相關(guān)研究大多基于假設(shè)侵入物的電阻率數(shù)值無(wú)窮大,實(shí)際上土壤中礫石總會(huì)由于孔隙的存在而含有一定含量的水分使得其電阻率并非趨于無(wú)窮大。Bussian假設(shè)土壤為二相介質(zhì),提出對(duì)土壤內(nèi)部礫石含量進(jìn)行估計(jì)的模型。電阻率為ρRF的礫石鑲嵌于電阻率為ρFE的連續(xù)性分布細(xì)土中,ρ為土石介質(zhì)的等效電阻率,那么土石介質(zhì)中的細(xì)土體積含量φFE可通過(guò)下式確定:土壤中離散分布的礫石體積含量可由:φFE=1-φFE確定。式中m稱(chēng)為膠結(jié)因子(cementationfactor),它的數(shù)值由侵入物的形狀所決定,在球形礫石其數(shù)值為1.2而對(duì)于片狀外形其數(shù)值為1.9的范圍內(nèi)變化,一個(gè)可能的解釋是它的數(shù)值隨著介質(zhì)內(nèi)傳導(dǎo)路徑的曲折程度而增加。Rey等通過(guò)研究證明電阻率斷層掃描方法實(shí)際操作過(guò)程中,當(dāng)電極間距達(dá)到礫石尺寸半徑8倍以上時(shí)得到的電阻率值為土石介質(zhì)的等效電阻ρ,他們測(cè)定了采自實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的細(xì)土樣品電阻率ρFE和礫石樣品電阻率數(shù)值ρRF,通過(guò)數(shù)值模擬和野外實(shí)驗(yàn),根據(jù)Bussian模型證明了電阻率斷層掃描方法獲得的礫石體積含量與實(shí)際情況相符。解迎革等利用數(shù)值模擬方法,對(duì)電阻率斷層掃描法應(yīng)用于土壤中礫石體積含量估計(jì)進(jìn)行了研究,結(jié)果驗(yàn)證了其可適用性并指出該方法田間使用的適宜條件。由于細(xì)土和礫石電阻率數(shù)值會(huì)由于實(shí)地含水量的變異性使得他們各自數(shù)值在一定范圍內(nèi)波動(dòng),從而影響對(duì)最