温度和含水率对表土抗压实能力的影响

庄佳鑫，陈树召，卢方舟

（中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116）

表土是露天矿排土场生态修复的一种十分重要的资源[1]。露天矿采运排作业过程中，土壤被压实，其密度明显增大、孔隙比例失调、透水通气性变差[2]，不能为植物提供充分的水分、氧气和排除土壤中的有害气体，难以适合植物生长需求。土壤密度的大小可从一定程度上反应矿物质组成、腐殖质含量、土壤质地、结构和松紧状况等因素[3]，数值越小，表明土壤结构越好、质量高；反之数值越大，表明土壤结构越差，质量低[4]。研究表明，土壤密度超过1.6 g/cm3时会严重影响植物根系的生长[5]。根据TD/T 1036—2013土地复垦质量控制标准的规定，露天开采后拟恢复成草地的土地，土壤的密度需小于1.4 g/cm3。因此，降低露天矿生产过程中土壤的压实程度具有重要意义。王宪良等人研究表明，增加土壤有机质含量能够有效促进土壤团聚化，形成良好结构，提高土壤抗压实性能，可以采用将秸秆与表土混合的方法提高其有机质含量[6]。孙忠英等人研究表明，降低轮胎气压、改用履带式行走方式的作业设备均可以降低土壤被压实程度[7]。

由于冻结以后土的强度会显著提高，提出了利用北方地区气候特点调整表土采剥作业时间来降低土壤压实的方法，因此进行了不同含水率和温度条件下土的抗压实能力的试验研究。

1 材料与方法

1.1 试样制备

试验土样选自内蒙古自治区的宝日希勒矿区，取土深度为30 cm，天然密度为1.36 g/cm3，含水率为7.4%。取足量表土，经过2 mm 的分选筛筛选后，分别配制成含水率为8%、13%、18%、23%、28%、33%的土样（通过喷壶均匀喷洒、调土刀搅拌保证土样含水率均匀），每组试件的密度均为1.0 g/cm3。配制土样时通过下式确定所需水的质量：

式中：mw为试样所需的配水量，g；m0为所取的自然含水率状态土样的质量，g；w0为自然含水率状态土样的含水率，%；w1为自制重塑样要求的含水率，%。

将配制好的土样用保鲜膜包裹后静止24 h，使水分分布更加均匀。然后将土样放入高度100 mm、内直径50 mm 的圆柱形模具中，用自封塑料袋密封，再将其放入冻融箱中，调至预定温度静置2 500 min[8]，确保试件的整体温度都达到预定温度。

1.2 试验方案

取常温（15 ℃）和低温（分别为－5、－10、－15 ℃）条件下含水率相同的土壤试件，在模具束缚下进行压实试验。加压设备选用WDW－300 型微机控制电子万能试验机，通过直径50 mm、高60 mm 的垫块对模具内部的土样进行加载。参照露天矿生产过程中机械设备作业的最大对地比压，确定表土的压实强度为2 MPa[9]，根据模具参数计算试验压力为：

式中：F 为对试件施加的压力，N；r 为土壤试件的半径，取模具内直径的1/2，m；p 为试验的压实强度，取2×106Pa；φ 为模具内直径，取0.05 m。

将参数代入式（2）计算得，试验过程中需施加的最大载荷为3 938 N。

通过计算机读取土壤试件压实过程中的试验力－位移曲线，假设试验过程中土壤的质量不发生变化，根据模具参数计算出土壤试样压实后的密度。

式中：ρy为压实后土壤试件的密度，g／cm3；L 为试件的初始高度，设计为100 mm；ρ 为压实前土壤试件的密度，设计为1.0g/cm3，压实试验前进行校核；L 为试验过程中垫块下降的距离，由位移曲线读出，mm。

2 试验结果

2.1 含水率对压实后土壤密度的影响

15 ℃条件下，土壤试件的压实后密度随含水率的增加而逐渐增大；当土壤试件的含水率为28 %时，其压实后密度最大。观察土壤试件的压实过程可知，土壤试件压实的过程即为原有土结构被破坏、空隙内空气被排出、较小的颗粒被紧密地挤进空隙的过程。由于土壤试件含水率的增大，水份减弱了土颗粒间的摩擦作用，使得土颗粒间的滑移和错位变得相对容易，因此土壤试件更容易压实。当土壤试件的含水率为33 %时，压实后的密度相比于含水率为28 %的土壤试件下降了9.8 %。观察和分析土壤试件压实过程中的试验力-位移曲线，认为压实过程中含水率为33 %的土壤试件的部分水来不及排出，孔隙水开始承受压力，故土壤试件的抗压能力增强，压实后土壤密度的增大反不如更低含水率的土壤试件显著，15 ℃条件下土壤试件的压实过程如图1。

图1 15 ℃条件下土壤试件的压实过程

－5 ℃条件下，土壤试件的压实后密度整体呈现出随含水率增加而增大的趋势。这是因为，随着配制的土壤试件含水率增大，土颗粒间的黏聚程度也变大，土壤试件内部的空隙也有所增大，故其容易被压实。当土壤试件的含水率达到33 %时，压实后密度反而降低，且小于其它含水率的土壤试件。观察试件内部结构发现，含水率33 %的土壤试件中出现了冰晶，在压实过程中起到了一定的支撑作用；而含水率为8 %～28 %的土壤试件中没有发现冰晶，含水率对压实后土壤密度的影响如图2。

冰晶对土壤密度变化的影响在－10 ℃和－15 ℃条件下的压实试验中表现的更为显著。由图2 可知，－10 ℃条件下，土壤试件压实后的密度呈现出随含水率增加逐渐减小的规律。观察发现，所有含水率的土壤试件内部均有冰晶，冰晶与原有的土骨架形成了新的结构，二者共同承担压力，故土壤试件压实后的密度变化减小。当土壤试件的含水率高于23 %时，压实后的密度可保持在1.4 g/cm3以下，满足TD/T 1036—2013 土地复垦质量控制标准关于土壤密度的要求。

图2 含水率对压实后土壤密度的影响

－15 ℃条件下，冻结土壤试件中固体矿物颗粒与冰的胶结程度增大，形成的新结构更加稳定，故其抗压能力也明显增大，所有含水率的土壤试件压实后密度都小于1.4 g/cm3。对比分析不同含水率试件的压实过程发现，压实后的土壤密度始终呈现出与含水率成反比的规律，当含水率达到一定程度时（如试验中含水率为33 %的试样），压实前后土壤试件密度基本不变。分析上述情况出现的原因为，土壤试件的温度降低到－15 ℃的过程中，试件表面的温度最先降低，水分会首先会迁移到试件表面并凝结成冰[10]，成为压实过程中承受压载荷的主体，故一定压力范围内土壤试件的密度基本不变，－15 ℃条件下土壤试件的压实过程如图3。

图3 －15 ℃条件下土壤试件的压实过程

由图2 和图3 中数据可知，含水率为33 %的土壤试件在－10 ℃和－15 ℃条件下压实前后的密度变化不大，表明通过改变土壤的温度和含水率来提高其抗压实能力是可行的。

2.2 温度对压实后土壤密度的影响

相同含水率条件下，随着土壤试件温度降低，土壤中的未冻水含量减小，固体矿物颗粒与冰的胶结能力增强，土壤试件的抗压强度随之增大，因此压实后的土壤密度变小。以含水率为18%的土壤试件为例，土壤试件压实过程中的密度变化幅度随着温度的降低明显减小，含水率为18 %的土壤试样试验结果如图4。

图4 含水率为18 %的土壤试样试验结果

当土壤试件的含水率为23%、28%、33%时，压实过程中土壤密度的增加幅度也同样随温度的降低而减小，而且是含水率越高变化趋势越显著。对比含水率为33%的土壤试件和含水率为18%的土壤试件（图4）的压实试验结果可以发现，在土壤温度低于冰点的情况下，降低土壤温度和提高土壤含水率均可减小压实过程中土壤密度的变化，含水率为33%的土壤试样试验结果如图5。

图5 含水率为33%的土壤试样试验结果

结合图3～图5 的土壤压实试验结果可以看出，要降低露天矿生产过程中的表土压实程度（使压实后的土壤密度小于1.4 g/cm3），可以等土体温度降低到－15 ℃以下，或者在－10 ℃条件下将含水率提高到18 %以上。

2.3 矿山设备作业条件

露天矿表土剥离作业应用的主要设备为挖掘机、前装机、卡车、推土机等。其中挖掘机和推土机采用履带走行，对地比压较小；卡车和前装机采用轮胎走行，对地比压较大。表土剥离设备对地比压见表1。

表1 表土剥离设备对地比压

注：①矿用卡车的对地比压采用现场试验方法测得[11]；②挖掘机的对地比压根据设备质量和履带接地面积计算确定；③试验压力是根据设备的对地比压和土壤试件的截面计算出的实验等效荷载。

以保证剥采排作业后表土密度满足TD/T 1036—2013 土地复垦质量控制标准的相关要求为目标，对比设备的等效试验压力和试验得到的应力－密度曲线即可得到允许的设备作业条件，露天矿用设备作业条件如图6。

图6 露天矿用设备作业条件

由于挖掘机等履带走行设备的对地比压较小，所有条件下均满足要求。－10 ℃条件下，土壤的压实后密度随含水率的增加而减小，当土壤含水率大于18 %时可保证矿用卡车碾压后土壤密度仍满足要求；－15 ℃条件下，各含水率的土壤均能适应矿用卡车运行的需要，而－5 ℃和15 ℃条件下矿用卡车碾压会造成土壤密度显著增大，无法满足生态修复需求。

3 结论

综合分析不同含水率和温度条件下的土壤压实试验结果，可以得出如下结论：

1）冻结可以显著提高土壤的抗压实能力，当温度降低到－15 ℃时，各含水率状态的土壤试件的压实后密度均可保持在1.4 g/cm3以下。

2）含水率对土壤抗压能力的影响与温度有关。低于冻结温度时可以通过提高含水率来降低压实程度；常温条件下可以通过降低含水率来缓解土壤压实。

3）为保证对地比压较大的矿用卡车碾压后土壤容重满足要求，应等土壤温度降低至－15 ℃再进行剥采排作业，或者在－10 ℃的情况下将土壤含水率提高到18 %以上。