莊佳鑫，陳樹召，盧方舟

（中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院,江蘇 徐州 221116）

表土是露天礦排土場生態(tài)修復的一種十分重要的資源[1]。露天礦采運排作業(yè)過程中，土壤被壓實，其密度明顯增大、孔隙比例失調(diào)、透水通氣性變差[2]，不能為植物提供充分的水分、氧氣和排除土壤中的有害氣體，難以適合植物生長需求。土壤密度的大小可從一定程度上反應礦物質(zhì)組成、腐殖質(zhì)含量、土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和松緊狀況等因素[3]，數(shù)值越小，表明土壤結(jié)構(gòu)越好、質(zhì)量高；反之數(shù)值越大，表明土壤結(jié)構(gòu)越差，質(zhì)量低[4]。研究表明，土壤密度超過1.6 g/cm3時會嚴重影響植物根系的生長[5]。根據(jù)TD/T 1036—2013土地復墾質(zhì)量控制標準的規(guī)定，露天開采后擬恢復成草地的土地，土壤的密度需小于1.4 g/cm3。因此，降低露天礦生產(chǎn)過程中土壤的壓實程度具有重要意義。王憲良等人研究表明，增加土壤有機質(zhì)含量能夠有效促進土壤團聚化，形成良好結(jié)構(gòu)，提高土壤抗壓實性能，可以采用將秸稈與表土混合的方法提高其有機質(zhì)含量[6]。孫忠英等人研究表明，降低輪胎氣壓、改用履帶式行走方式的作業(yè)設備均可以降低土壤被壓實程度[7]。

由于凍結(jié)以后土的強度會顯著提高，提出了利用北方地區(qū)氣候特點調(diào)整表土采剝作業(yè)時間來降低土壤壓實的方法，因此進行了不同含水率和溫度條件下土的抗壓實能力的試驗研究。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

試驗土樣選自內(nèi)蒙古自治區(qū)的寶日希勒礦區(qū)，取土深度為30 cm，天然密度為1.36 g/cm3，含水率為7.4%。取足量表土，經(jīng)過2 mm 的分選篩篩選后，分別配制成含水率為8%、13%、18%、23%、28%、33%的土樣（通過噴壺均勻噴灑、調(diào)土刀攪拌保證土樣含水率均勻），每組試件的密度均為1.0 g/cm3。配制土樣時通過下式確定所需水的質(zhì)量：

式中：mw為試樣所需的配水量，g；m0為所取的自然含水率狀態(tài)土樣的質(zhì)量，g；w0為自然含水率狀態(tài)土樣的含水率，%；w1為自制重塑樣要求的含水率，%。

將配制好的土樣用保鮮膜包裹后靜止24 h，使水分分布更加均勻。然后將土樣放入高度100 mm、內(nèi)直徑50 mm 的圓柱形模具中，用自封塑料袋密封，再將其放入凍融箱中，調(diào)至預定溫度靜置2 500 min[8]，確保試件的整體溫度都達到預定溫度。

1.2 試驗方案

取常溫（15 ℃）和低溫（分別為－5、－10、－15 ℃）條件下含水率相同的土壤試件，在模具束縛下進行壓實試驗。加壓設備選用WDW－300 型微機控制電子萬能試驗機，通過直徑50 mm、高60 mm 的墊塊對模具內(nèi)部的土樣進行加載。參照露天礦生產(chǎn)過程中機械設備作業(yè)的最大對地比壓，確定表土的壓實強度為2 MPa[9]，根據(jù)模具參數(shù)計算試驗壓力為：

式中：F 為對試件施加的壓力，N；r 為土壤試件的半徑，取模具內(nèi)直徑的1/2，m；p 為試驗的壓實強度，取2×106Pa；φ 為模具內(nèi)直徑，取0.05 m。

將參數(shù)代入式（2）計算得，試驗過程中需施加的最大載荷為3 938 N。

通過計算機讀取土壤試件壓實過程中的試驗力－位移曲線，假設試驗過程中土壤的質(zhì)量不發(fā)生變化，根據(jù)模具參數(shù)計算出土壤試樣壓實后的密度。

式中：ρy為壓實后土壤試件的密度，g／cm3；L 為試件的初始高度，設計為100 mm；ρ 為壓實前土壤試件的密度，設計為1.0g/cm3，壓實試驗前進行校核；L 為試驗過程中墊塊下降的距離，由位移曲線讀出，mm。

2 試驗結(jié)果

2.1 含水率對壓實后土壤密度的影響

15 ℃條件下，土壤試件的壓實后密度隨含水率的增加而逐漸增大；當土壤試件的含水率為28 %時，其壓實后密度最大。觀察土壤試件的壓實過程可知，土壤試件壓實的過程即為原有土結(jié)構(gòu)被破壞、空隙內(nèi)空氣被排出、較小的顆粒被緊密地擠進空隙的過程。由于土壤試件含水率的增大，水份減弱了土顆粒間的摩擦作用，使得土顆粒間的滑移和錯位變得相對容易，因此土壤試件更容易壓實。當土壤試件的含水率為33 %時，壓實后的密度相比于含水率為28 %的土壤試件下降了9.8 %。觀察和分析土壤試件壓實過程中的試驗力-位移曲線，認為壓實過程中含水率為33 %的土壤試件的部分水來不及排出，孔隙水開始承受壓力，故土壤試件的抗壓能力增強，壓實后土壤密度的增大反不如更低含水率的土壤試件顯著，15 ℃條件下土壤試件的壓實過程如圖1。

圖1 15 ℃條件下土壤試件的壓實過程

－5 ℃條件下，土壤試件的壓實后密度整體呈現(xiàn)出隨含水率增加而增大的趨勢。這是因為，隨著配制的土壤試件含水率增大，土顆粒間的黏聚程度也變大，土壤試件內(nèi)部的空隙也有所增大，故其容易被壓實。當土壤試件的含水率達到33 %時，壓實后密度反而降低，且小于其它含水率的土壤試件。觀察試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，含水率33 %的土壤試件中出現(xiàn)了冰晶，在壓實過程中起到了一定的支撐作用；而含水率為8 %～28 %的土壤試件中沒有發(fā)現(xiàn)冰晶，含水率對壓實后土壤密度的影響如圖2。

冰晶對土壤密度變化的影響在－10 ℃和－15 ℃條件下的壓實試驗中表現(xiàn)的更為顯著。由圖2 可知，－10 ℃條件下，土壤試件壓實后的密度呈現(xiàn)出隨含水率增加逐漸減小的規(guī)律。觀察發(fā)現(xiàn)，所有含水率的土壤試件內(nèi)部均有冰晶，冰晶與原有的土骨架形成了新的結(jié)構(gòu)，二者共同承擔壓力，故土壤試件壓實后的密度變化減小。當土壤試件的含水率高于23 %時，壓實后的密度可保持在1.4 g/cm3以下，滿足TD/T 1036—2013 土地復墾質(zhì)量控制標準關于土壤密度的要求。

圖2 含水率對壓實后土壤密度的影響

－15 ℃條件下，凍結(jié)土壤試件中固體礦物顆粒與冰的膠結(jié)程度增大，形成的新結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，故其抗壓能力也明顯增大，所有含水率的土壤試件壓實后密度都小于1.4 g/cm3。對比分析不同含水率試件的壓實過程發(fā)現(xiàn)，壓實后的土壤密度始終呈現(xiàn)出與含水率成反比的規(guī)律，當含水率達到一定程度時（如試驗中含水率為33 %的試樣），壓實前后土壤試件密度基本不變。分析上述情況出現(xiàn)的原因為，土壤試件的溫度降低到－15 ℃的過程中，試件表面的溫度最先降低，水分會首先會遷移到試件表面并凝結(jié)成冰[10]，成為壓實過程中承受壓載荷的主體，故一定壓力范圍內(nèi)土壤試件的密度基本不變，－15 ℃條件下土壤試件的壓實過程如圖3。

圖3 －15 ℃條件下土壤試件的壓實過程

由圖2 和圖3 中數(shù)據(jù)可知，含水率為33 %的土壤試件在－10 ℃和－15 ℃條件下壓實前后的密度變化不大，表明通過改變土壤的溫度和含水率來提高其抗壓實能力是可行的。

2.2 溫度對壓實后土壤密度的影響

相同含水率條件下，隨著土壤試件溫度降低，土壤中的未凍水含量減小，固體礦物顆粒與冰的膠結(jié)能力增強，土壤試件的抗壓強度隨之增大，因此壓實后的土壤密度變小。以含水率為18%的土壤試件為例，土壤試件壓實過程中的密度變化幅度隨著溫度的降低明顯減小，含水率為18 %的土壤試樣試驗結(jié)果如圖4。

圖4 含水率為18 %的土壤試樣試驗結(jié)果

當土壤試件的含水率為23%、28%、33%時，壓實過程中土壤密度的增加幅度也同樣隨溫度的降低而減小，而且是含水率越高變化趨勢越顯著。對比含水率為33%的土壤試件和含水率為18%的土壤試件（圖4）的壓實試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在土壤溫度低于冰點的情況下，降低土壤溫度和提高土壤含水率均可減小壓實過程中土壤密度的變化，含水率為33%的土壤試樣試驗結(jié)果如圖5。

圖5 含水率為33%的土壤試樣試驗結(jié)果

結(jié)合圖3～圖5 的土壤壓實試驗結(jié)果可以看出，要降低露天礦生產(chǎn)過程中的表土壓實程度（使壓實后的土壤密度小于1.4 g/cm3），可以等土體溫度降低到－15 ℃以下，或者在－10 ℃條件下將含水率提高到18 %以上。

2.3 礦山設備作業(yè)條件

露天礦表土剝離作業(yè)應用的主要設備為挖掘機、前裝機、卡車、推土機等。其中挖掘機和推土機采用履帶走行，對地比壓較小；卡車和前裝機采用輪胎走行，對地比壓較大。表土剝離設備對地比壓見表1。

表1 表土剝離設備對地比壓

注：①礦用卡車的對地比壓采用現(xiàn)場試驗方法測得[11]；②挖掘機的對地比壓根據(jù)設備質(zhì)量和履帶接地面積計算確定；③試驗壓力是根據(jù)設備的對地比壓和土壤試件的截面計算出的實驗等效荷載。

以保證剝采排作業(yè)后表土密度滿足TD/T 1036—2013 土地復墾質(zhì)量控制標準的相關要求為目標，對比設備的等效試驗壓力和試驗得到的應力－密度曲線即可得到允許的設備作業(yè)條件，露天礦用設備作業(yè)條件如圖6。

圖6 露天礦用設備作業(yè)條件

由于挖掘機等履帶走行設備的對地比壓較小，所有條件下均滿足要求。－10 ℃條件下，土壤的壓實后密度隨含水率的增加而減小，當土壤含水率大于18 %時可保證礦用卡車碾壓后土壤密度仍滿足要求；－15 ℃條件下，各含水率的土壤均能適應礦用卡車運行的需要，而－5 ℃和15 ℃條件下礦用卡車碾壓會造成土壤密度顯著增大，無法滿足生態(tài)修復需求。

3 結(jié)論

綜合分析不同含水率和溫度條件下的土壤壓實試驗結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）凍結(jié)可以顯著提高土壤的抗壓實能力，當溫度降低到－15 ℃時，各含水率狀態(tài)的土壤試件的壓實后密度均可保持在1.4 g/cm3以下。

2）含水率對土壤抗壓能力的影響與溫度有關。低于凍結(jié)溫度時可以通過提高含水率來降低壓實程度；常溫條件下可以通過降低含水率來緩解土壤壓實。

3）為保證對地比壓較大的礦用卡車碾壓后土壤容重滿足要求，應等土壤溫度降低至－15 ℃再進行剝采排作業(yè)，或者在－10 ℃的情況下將土壤含水率提高到18 %以上。