溫度和含水率對(duì)表土抗壓實(shí)能力的影響

莊佳鑫，陳樹(shù)召，盧方舟

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116）

表土是露天礦排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)的一種十分重要的資源[1]。露天礦采運(yùn)排作業(yè)過(guò)程中，土壤被壓實(shí)，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(zhǎng)需求。土壤密度的大小可從一定程度上反應(yīng)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?dāng)?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(guò)1.6 g/cm3時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響植物根系的生長(zhǎng)[5]。根據(jù)TD/T 1036—2013土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，露天開(kāi)采后擬恢復(fù)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(guò)程中土壤的壓實(shí)程度具有重要意義。王憲良等人研究表明，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量能夠有效促進(jìn)土壤團(tuán)聚化，形成良好結(jié)構(gòu)，提高土壤抗壓實(shí)性能，可以采用將秸稈與表土混合的方法提高其有機(jī)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(shè)備均可以降低土壤被壓實(shí)程度[7]。

由于凍結(jié)以后土的強(qiáng)度會(huì)顯著提高，提出了利用北方地區(qū)氣候特點(diǎn)調(diào)整表土采剝作業(yè)時(shí)間來(lái)降低土壤壓實(shí)的方法，因此進(jìn)行了不同含水率和溫度條件下土的抗壓實(shí)能力的試驗(yàn)研究。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)土樣選自?xún)?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(guò)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(guò)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(shí)通過(guò)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(yù)定溫度靜置2 500 min[8]，確保試件的整體溫度都達(dá)到預(yù)定溫度。

1.2 試驗(yàn)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(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)。加壓設(shè)備選用WDW－300 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)直徑50 mm、高60 mm 的墊塊對(duì)模具內(nèi)部的土樣進(jìn)行加載。參照露天礦生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)械設(shè)備作業(yè)的最大對(duì)地比壓，確定表土的壓實(shí)強(qiáng)度為2 MPa[9]，根據(jù)模具參數(shù)計(jì)算試驗(yàn)壓力為：

式中：F 為對(duì)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(yàn)的壓實(shí)強(qiáng)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(jì)算得，試驗(yàn)過(guò)程中需施加的最大載荷為3 938 N。

通過(guò)計(jì)算機(jī)讀取土壤試件壓實(shí)過(guò)程中的試驗(yàn)力－位移曲線，假設(shè)試驗(yàn)過(guò)程中土壤的質(zhì)量不發(fā)生變化，根據(jù)模具參數(shù)計(jì)算出土壤試樣壓實(shí)后的密度。

式中：ρy為壓實(shí)后土壤試件的密度，g／cm3；L 為試件的初始高度，設(shè)計(jì)為100 mm；ρ 為壓實(shí)前土壤試件的密度，設(shè)計(jì)為1.0g/cm3，壓實(shí)試驗(yàn)前進(jìn)行校核；L 為試驗(yàn)過(guò)程中墊塊下降的距離，由位移曲線讀出，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 含水率對(duì)壓實(shí)后土壤密度的影響

15 ℃條件下，土壤試件的壓實(shí)后密度隨含水率的增加而逐漸增大；當(dāng)土壤試件的含水率為28 %時(shí)，其壓實(shí)后密度最大。觀察土壤試件的壓實(shí)過(guò)程可知，土壤試件壓實(shí)的過(guò)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?cái)D進(jìn)空隙的過(guò)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(cuò)位變得相對(duì)容易，因此土壤試件更容易壓實(shí)。當(dāng)土壤試件的含水率為33 %時(shí)，壓實(shí)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(shí)過(guò)程中的試驗(yàn)力-位移曲線，認(rèn)為壓實(shí)過(guò)程中含水率為33 %的土壤試件的部分水來(lái)不及排出，孔隙水開(kāi)始承受壓力，故土壤試件的抗壓能力增強(qiáng)，壓實(shí)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(shí)過(guò)程如圖1。

圖1 15 ℃條件下土壤試件的壓實(shí)過(guò)程

－5 ℃條件下，土壤試件的壓實(shí)后密度整體呈現(xiàn)出隨含水率增加而增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，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(shí)。當(dāng)土壤試件的含水率達(dá)到33 %時(shí)，壓實(shí)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(shí)過(guò)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(méi)有發(fā)現(xiàn)冰晶，含水率對(duì)壓實(shí)后土壤密度的影響如圖2。

冰晶對(duì)土壤密度變化的影響在－10 ℃和－15 ℃條件下的壓實(shí)試驗(yàn)中表現(xiàn)的更為顯著。由圖2 可知，－10 ℃條件下，土壤試件壓實(shí)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(dān)壓力，故土壤試件壓實(shí)后的密度變化減小。當(dāng)土壤試件的含水率高于23 %時(shí)，壓實(shí)后的密度可保持在1.4 g/cm3以下，滿(mǎn)足TD/T 1036—2013 土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于土壤密度的要求。

圖2 含水率對(duì)壓實(shí)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(shí)后密度都小于1.4 g/cm3。對(duì)比分析不同含水率試件的壓實(shí)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)后的土壤密度始終呈現(xiàn)出與含水率成反比的規(guī)律，當(dāng)含水率達(dá)到一定程度時(shí)（如試驗(yàn)中含水率為33 %的試樣），壓實(shí)前后土壤試件密度基本不變。分析上述情況出現(xiàn)的原因?yàn)?，土壤試件的溫度降低到?5 ℃的過(guò)程中，試件表面的溫度最先降低，水分會(huì)首先會(huì)遷移到試件表面并凝結(jié)成冰[10]，成為壓實(shí)過(guò)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(shí)過(guò)程如圖3。

圖3 －15 ℃條件下土壤試件的壓實(shí)過(guò)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(shí)前后的密度變化不大，表明通過(guò)改變土壤的溫度和含水率來(lái)提高其抗壓實(shí)能力是可行的。

2.2 溫度對(duì)壓實(shí)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(qiáng)，土壤試件的抗壓強(qiáng)度隨之增大，因此壓實(shí)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(shí)過(guò)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(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 含水率為18 %的土壤試樣試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)土壤試件的含水率為23%、28%、33%時(shí)，壓實(shí)過(guò)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(shì)越顯著。對(duì)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(shí)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在土壤溫度低于冰點(diǎn)的情況下，降低土壤溫度和提高土壤含水率均可減小壓實(shí)過(guò)程中土壤密度的變化，含水率為33%的土壤試樣試驗(yàn)結(jié)果如圖5。

圖5 含水率為33%的土壤試樣試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖3～圖5 的土壤壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，要降低露天礦生產(chǎn)過(guò)程中的表土壓實(shí)程度（使壓實(shí)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(shè)備作業(yè)條件

露天礦表土剝離作業(yè)應(yīng)用的主要設(shè)備為挖掘機(jī)、前裝機(jī)、卡車(chē)、推土機(jī)等。其中挖掘機(jī)和推土機(jī)采用履帶走行，對(duì)地比壓較小；卡車(chē)和前裝機(jī)采用輪胎走行，對(duì)地比壓較大。表土剝離設(shè)備對(duì)地比壓見(jiàn)表1。

表1 表土剝離設(shè)備對(duì)地比壓

注：①礦用卡車(chē)的對(duì)地比壓采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法測(cè)得[11]；②挖掘機(jī)的對(duì)地比壓根據(jù)設(shè)備質(zhì)量和履帶接地面積計(jì)算確定；③試驗(yàn)壓力是根據(jù)設(shè)備的對(duì)地比壓和土壤試件的截面計(jì)算出的實(shí)驗(yàn)等效荷載。

以保證剝采排作業(yè)后表土密度滿(mǎn)足TD/T 1036—2013 土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求為目標(biāo)，對(duì)比設(shè)備的等效試驗(yàn)壓力和試驗(yàn)得到的應(yīng)力－密度曲線即可得到允許的設(shè)備作業(yè)條件，露天礦用設(shè)備作業(yè)條件如圖6。

圖6 露天礦用設(shè)備作業(yè)條件

由于挖掘機(jī)等履帶走行設(shè)備的對(duì)地比壓較小，所有條件下均滿(mǎn)足要求。－10 ℃條件下，土壤的壓實(shí)后密度隨含水率的增加而減小，當(dāng)土壤含水率大于18 %時(shí)可保證礦用卡車(chē)碾壓后土壤密度仍滿(mǎn)足要求；－15 ℃條件下，各含水率的土壤均能適應(yīng)礦用卡車(chē)運(yùn)行的需要，而－5 ℃和15 ℃條件下礦用卡車(chē)碾壓會(huì)造成土壤密度顯著增大，無(wú)法滿(mǎn)足生態(tài)修復(fù)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(shí)試驗(yàn)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(shí)能力，當(dāng)溫度降低到－15 ℃時(shí)，各含水率狀態(tài)的土壤試件的壓實(shí)后密度均可保持在1.4 g/cm3以下。

2）含水率對(duì)土壤抗壓能力的影響與溫度有關(guān)。低于凍結(jié)溫度時(shí)可以通過(guò)提高含水率來(lái)降低壓實(shí)程度；常溫條件下可以通過(guò)降低含水率來(lái)緩解土壤壓實(shí)。

3）為保證對(duì)地比壓較大的礦用卡車(chē)碾壓后土壤容重滿(mǎn)足要求，應(yīng)等土壤溫度降低至－15 ℃再進(jìn)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。