李 濤, 呂春娟, 姜成剛, 張 徐, 孫 波

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 山西 太谷 030801)

中國鐵礦資源豐富，鐵礦資源的開發(fā)對于社會經(jīng)濟的發(fā)展做出了巨大的貢獻。但同時，中國的鐵礦石品位較低，鐵礦石的開采會產(chǎn)生大量的尾礦，尾礦由于密度大、利用率差、養(yǎng)分低且通氣性較差等問題長期堆放不僅會占用一定的土地資源，并且隨著尾礦的堆放，尾礦邊坡穩(wěn)定性下降，易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，危及地區(qū)人民的生命安全，影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

抗剪強度作為評價土壤侵蝕敏感性，維護耕層土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，反映耕層土壤耕作性能的重要力學(xué)指標(biāo)[1-3]，主要受到含水率、密度以及土體自身結(jié)構(gòu)的影響，密度和結(jié)構(gòu)一般由土體自身性質(zhì)決定變化較小，而含水率一般受到降雨的影響變化較大。因此，探究抗剪強度的變化就要考慮含水率的影響。聚丙烯酰胺(PAM)作為一種已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用的土壤結(jié)構(gòu)調(diào)理劑，具有水溶性好，無毒，絮凝性好等優(yōu)點，并且能夠與土壤顆粒有效的結(jié)合，減少徑流侵蝕中泥沙的沉積[4]，增加土壤團聚體數(shù)量[5-7]，提高土體臨界抗剪切強度的作用[8]。目前，針對PAM的研究主要以改良土壤理化性質(zhì)為主，王中妮等[9]研究發(fā)現(xiàn)，PAM的施加可以提高土壤的抗沖性與抗拉強度。張婉璐等[10]研究發(fā)現(xiàn)，施用一定濃度的PAM可以提高土壤中團聚體的含量、土壤內(nèi)部孔隙增多、總孔隙度增大、土壤氣孔結(jié)構(gòu)得到改善。而將PAM應(yīng)用于鐵尾礦砂的研究還相對較少，特別是PAM對鐵尾礦砂抗剪強度作用效果的研究尚無相關(guān)報道。為此，本文以山西省垣曲縣鐵尾礦砂為研究對象，設(shè)計不同的砂土比例重構(gòu)鐵尾礦砂，測定疏松、偏緊、致密3種狀態(tài)下含水率、PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強度的影響。通過本文系統(tǒng)性研究，以期為鐵尾礦的邊坡穩(wěn)定性防護提供新思路，同時也為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗樣品為鐵尾礦砂和土壤，鐵尾礦砂來源于山西省垣曲縣國泰礦業(yè)集團泉子溝干排鐵尾礦庫，實地調(diào)查測得礦區(qū)鐵尾礦砂長期自然沉降后表層容重為1.65 g/cm3。土壤為礦區(qū)周邊農(nóng)田耕層原狀土壤，土壤類型為黃褐土。試驗樣品于2021年4月采集完畢帶回實驗室，風(fēng)干、碾碎、去除雜物過2 mm篩備用。試驗用陰離子型聚丙烯酰胺(PAM)，選取分子量分別為3.00×106和6.00×106Da，質(zhì)量濃度均為0.08%。該試驗材料由河南眾邦環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)，水解度為30%，粒徑約5 mm。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用室內(nèi)重塑土體的方法制備重構(gòu)鐵尾礦砂試樣，共設(shè)置S，S3T1，S1T1，S1T3，T(S為鐵尾礦砂，T為土壤)這5種重構(gòu)模式，質(zhì)量摻土率分別為0，25%，50%，75%，100%。由于實測得到鐵尾礦砂田間持水量為14.82%，飽和含水率為23.49%，故5種重構(gòu)模式均設(shè)置15%，20%兩個含水率水平。鐵尾礦砂在排棄過程中由于受到機械碾壓作用容重變化較大[11]，為了比較不同容重狀態(tài)下鐵尾礦砂的穩(wěn)定性，根據(jù)每個重構(gòu)模式的容重變幅設(shè)置3個容重水平代表疏松、偏緊、致密3種狀態(tài)。本團隊在研究PAM對鐵尾礦砂水分運移的影響中發(fā)現(xiàn)，PAM分子量越大對鐵尾礦砂飽和導(dǎo)水率的抑制作用就越強，且PAM質(zhì)量濃度為0.08%時，生態(tài)修復(fù)的效果較好[12]。故本次試驗選取PAM分子量為3.00×106Da，6.00×106Da兩個水平，質(zhì)量濃度均為0.08%。試驗設(shè)計詳見表1，每種處理設(shè)3組重復(fù)。重構(gòu)鐵尾礦砂顆粒分析詳見表2。

表1 重構(gòu)鐵尾礦砂試驗設(shè)計

表2 重構(gòu)鐵尾礦砂顆粒分析

1.3 試驗方法

(1) 試樣制備。試驗于2021年5—8月于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境試驗站進行。根據(jù)所設(shè)重構(gòu)試樣的容重與含水率，稱取相應(yīng)質(zhì)量鐵尾礦砂和土樣混勻備用，采用干混法加入PAM，將加入的PAM與重構(gòu)試樣充分混勻后加水，根據(jù)公式(1)計算制備試樣所需加入的水量，均勻噴灑于試樣上，充分混勻后裝入盛土容器中并用保鮮膜密封，使其充分濕潤24 h，以配制成不同容重、含水率、不同分子量PAM的試樣。制備試樣所需的加水量計算公式為：

(1)

式中：mw為制樣所需加入水的質(zhì)量(g);m0為風(fēng)干重構(gòu)土體的質(zhì)量(g);w0為風(fēng)干重構(gòu)土體的含水率(%);w1為制樣所需的含水率(%)。

(2) 剪切過程。制備好的試樣采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(四聯(lián)剪)進行試驗。試驗中利用環(huán)刀進行取樣，取樣面積為30 cm2，高度為2 cm。取樣完成后直接剪切。試驗設(shè)置4個法向應(yīng)力分別為50，100，200，400 kPa，剪切速率為0.8 mm/min，使試樣在3～5 min內(nèi)剪破。如測力計中的量表指針不再前進，或有明顯后退，表示試樣已經(jīng)剪切破壞。但一般宜剪切變形達4 mm。若量表指針再繼續(xù)增加，則剪切變形應(yīng)達6 mm為止，直至試樣剪破為止，記錄量表最終讀數(shù)，每組載荷做3組重復(fù)試驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2019整理試驗數(shù)據(jù)并作圖，SPSS 21.0軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率和PAM分子量對重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力的影響

黏聚力的形成主要包括兩個部分，一部分是由于土粒間分子引力所形成的原始黏聚力，另外一部分是由于土中化合物的膠結(jié)作用形成的固化黏聚力。黏聚力作為影響土體抗剪強度變化的一個重要力學(xué)指標(biāo)，因此研究鐵尾礦砂抗剪強度就需要考慮黏聚力變化產(chǎn)生的影響。含水率和PAM分子量對重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力的影響如圖1—3所示。整體來看，隨著摻土量的增加，重構(gòu)鐵尾礦砂的黏聚力呈上升的趨勢；隨著含水率的增加重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力下降；隨著PAM分子量的不同，重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力有所變化；3種狀態(tài)下隨緊實度的增加，重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力增大。

2.1.1 含水率變化對重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力的影響 疏松、偏緊、致密3種狀態(tài)下，隨著含水率增加，T，S1T3，S1T1，S3T1，S這5種重構(gòu)模式的黏聚力下降。疏松狀態(tài)下，含水率由15%增至20%時，5種重構(gòu)模式的黏聚力依次分別降低了3.47，3.02，1.59，1.37和2.23 kPa；受含水率影響，T模式的黏聚力顯著降低(p<0.05)，S1T3，S1T1，S3T13種重構(gòu)模式隨摻土量的減少，黏聚力降幅減弱。偏緊狀態(tài)下，含水率由15%增至20%時，5種重構(gòu)模式的黏聚力依次分別降低了4.53，3.82，5.42，0.82和3.30 kPa；受含水率的影響，S1T1模式的黏聚力顯著性降低(p<0.05)，S3T1模式的黏聚力無顯著性變化(p>0.05)。致密狀態(tài)下，含水率由15%增至20%時，5種重構(gòu)模式的黏聚力依次降低了5.89，1.51，2.72，2.56和2.50 kPa；受含水率的影響，T模式的黏聚力顯著性降低(p<0.05)，S1T3模式的黏聚力無顯著性變化(p>0.05)。含水率的增加黏聚力降低，分析其原因主要是由于水分進入土壤，在土壤顆粒表面形成水膜，產(chǎn)生一種潤滑作用，隨著含水率的升高，顆粒表面水膜增厚，潤滑作用增強，使得土壤顆粒在外力作用下相對滑動的阻力減小，從而導(dǎo)致黏聚力隨含水率的增加而減小[13]。

2.1.2 PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力的影響 疏松、偏緊、致密3種狀態(tài)下，PAM分子量由0增至3.00×106Da時，S1T3，S1T1，S3T1，S這4種重構(gòu)模式的黏聚力降低，分子量由3.00×106Da增至6.00×106Da時，4種重構(gòu)模式的黏聚力增大；T的黏聚力隨PAM分子量的增加持續(xù)增大。疏松狀態(tài)下，PAM分子量由0增至3.00×106Da，S1T3，S1T1，S3T1，S4種重構(gòu)模式在含水率15%時黏聚力依次降低了0.96，0.61，1.03和2.57 kPa；含水率20%時黏聚力依次降低了0.95，1.72，1.68和1.79 kPa。PAM分子量由3.00×106增至6.00×106Da，4種重構(gòu)模式在含水率15%時黏聚力依次增加了3.14，3.74，4.43和2.92 kPa，S3T1模式的黏聚力增幅最大；含水率20%時黏聚力依次增加了4.41，2.69，2.34和3.40 kPa，S1T3模式的黏聚力增長幅度最大。偏緊狀態(tài)下，PAM分子量為3.00×106Da，含水率15%時，S模式的黏聚力15.65 kPa高于S3T1的黏聚力14.55 kPa；PAM分子量為6.00×106Da時，S模式的黏聚力19.09 kPa低于S3T1的黏聚力20.13 kPa；PAM分子量為3.00×106Da，含水率20%時，S模式的黏聚力12.53 kPa高于S3T1的黏聚力12.39 kPa；PAM分子量為6.00×106Da時，S的黏聚力15.04 kPa低于S3T1的黏聚力15.21 kPa。致密狀態(tài)下，PAM分子量為3.00×106Da，含水率20%時，S模式的黏聚力17.56 kPa高于S3T1的黏聚力16.53 kPa；PAM分子量為6.00×106Da時，S模式的黏聚力20.29 kPa低于S3T1的黏聚力18.57 kPa。

注：圖中S，S3T1，S1T1，S1T3， T分別表示5種重構(gòu)模式，質(zhì)量摻土率分別為0，25%，50%，75%，100%； e表示在不同重構(gòu)模式中加入3.00×106 Da分子量PAM， f表示在不同重構(gòu)模式中加入6.00×106 Da分子量的PAM；大寫字母表示不同重構(gòu)模式、不同含水率對黏聚力影響的差異顯著性 (p<0.05)，小寫字母表示相同重構(gòu)模式下不同PAM分子量、不同含水率對黏聚力影響的差異顯著性 (p<0.05)。下同

圖2 偏緊狀態(tài)下含水率和PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力的影響

圖3 致密狀態(tài)下含水率和PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力的影響

2.2 含水率和PAM分子量對重構(gòu)鐵尾礦砂內(nèi)摩擦角的影響

土壤內(nèi)摩擦角反映了土壤的摩擦特性，一般包括土壤顆粒之間的滑動摩擦力和顆粒間的咬合力兩部分[14]。內(nèi)摩擦角作為影響抗剪強度變化的另一重要力學(xué)指標(biāo)。

因此研究鐵尾礦砂抗剪強度時就需要考慮內(nèi)摩擦角變化產(chǎn)生的影響。含水率和PAM分子量對重構(gòu)鐵尾礦砂內(nèi)摩擦角的影響如圖4—6所示。整體來看，隨著含水率的增加，重構(gòu)鐵尾礦砂的內(nèi)摩擦角在降低；PAM的施加可以提高重構(gòu)鐵尾礦砂的內(nèi)摩擦角，且隨PAM分子量的不同，內(nèi)摩擦角有所變化；3種狀態(tài)下隨緊實度的增加，重構(gòu)鐵尾礦砂的內(nèi)摩擦角增大。

圖4 疏松狀態(tài)下含水率和PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂內(nèi)摩擦角的影響

圖5 偏緊狀態(tài)下含水率和PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂內(nèi)摩擦角的影響

圖6 致密狀態(tài)下含水率和PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂內(nèi)摩擦角的影響

2.2.1 含水率變化對重構(gòu)鐵尾礦砂內(nèi)摩擦角的影響 疏松、偏緊、致密3種狀態(tài)下，隨著含水率增加，T，S1T3，S1T1，S3T1，這5種重構(gòu)模式的內(nèi)摩擦角降低。疏松狀態(tài)下，含水率由15%增至20%，5種重構(gòu)模式的內(nèi)摩擦角依次降低了5.99°，4.49°，4.06°，3.45°，3.05°。偏緊狀態(tài)下，含水率由15%增至20%，5種重構(gòu)模式的內(nèi)摩擦角依次降低了6.05°，4.06°，3.74°，2.79°，0.74°。致密狀態(tài)下含水率由15%增至20%，5種重構(gòu)模式的內(nèi)摩擦角依次降低了6.00°，1.15°，0.60°，0.92°，0.45°。隨著含水率的升高，3種狀態(tài)下，T模式的內(nèi)摩擦角顯著性降低(p<0.05)，疏松、偏緊狀態(tài)下S模式的內(nèi)摩擦角顯著性降低(p<0.05)；S1T3，S1T1，S3T1，S這4種重構(gòu)模式隨摻土量的減少，內(nèi)摩擦角降幅減弱；含水率變化對致密狀態(tài)下S1T3，S1T1，S3T1，S這4種重構(gòu)模式的內(nèi)摩擦角影響較小。

2.2.2 PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂內(nèi)摩擦角的影響 疏松、偏緊、致密3種狀態(tài)下，PAM分子量由0增至3.00×106Da時，T，S1T3，S1T1，S3T1，S這5種重構(gòu)模式的內(nèi)摩擦角增大，PAM分子量由3.00×106Da增至6.00×106Da時，3種狀態(tài)下內(nèi)摩擦角無顯著性變化(p>0.05)。疏松狀態(tài)下，PAM分子量由0增至3.00×106Da，5種重構(gòu)模式在含水率15%時內(nèi)摩擦角依次增加了0.44°，1.36°，1.20°，1.45°，1.60°；含水率20%時，內(nèi)摩擦角依次增加了0.66°，1.67°，2.17°，2.34°，3.43°。偏緊狀態(tài)下，PAM分子量由0增至3.00×106Da，5種重構(gòu)模式在含水率15%時內(nèi)摩擦角依次增加了0.12°，1.21°，0.84°，1.37°，1.59°；含水率20%時，內(nèi)摩擦角依次增加了0.49°，1.80°，2.24°，2.46°，1.80°。致密狀態(tài)下，PAM分子量由0增至3.00×106Da，5種重構(gòu)模式在含水率15%時內(nèi)摩擦角依次增加了0.26°，1.03°，1.06°，1.40°，1.76°；含水率20%時，內(nèi)摩擦角依次增加了1.31°，1.40°，1.08°，1.77°，1.67°。偏緊、致密兩種狀態(tài)下，隨著PAM分子量的增加，S模式的內(nèi)摩擦角持續(xù)增大。

2.3 含水率和PAM分子量對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響

抗剪強度主要指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力。對于鐵尾礦砂，由于長時間的堆積，上層砂子自身重力會對下層土體產(chǎn)生一定的壓力，下層受到外部載荷的作用會產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當(dāng)下層土體中某一點或者某一個面由于外部載荷產(chǎn)生的剪應(yīng)力達到土體的抗剪強度時，下層土體連同砂粒就會沿著剪應(yīng)力的作用方向產(chǎn)生相對滑動。因此，要想保證鐵尾礦砂的邊坡穩(wěn)定，就要提高抗剪強度。含水率和PAM分子量對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響如圖7—9所示。整體來看，隨著含水率的增加，重構(gòu)鐵尾礦砂的抗剪強度降低；PAM的施加能夠有效的提高重構(gòu)鐵尾礦砂的抗剪強度，且隨PAM分子量的增加，抗剪強度增大。3種狀態(tài)下，隨緊實度的增加，重構(gòu)鐵尾礦砂的抗剪強度在增大。

2.3.1 含水率變化對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響 含水率變化會影響重構(gòu)鐵尾礦砂的內(nèi)摩擦角和黏聚力，而內(nèi)摩擦角和黏聚力又是抗剪強度的兩個重要力學(xué)參數(shù)，因此，含水率變化會對抗剪強度產(chǎn)生影響。疏松、偏緊、致密3種狀態(tài)下，隨著含水率的增加，T，S1T3，S1T1，S3T1，S這5種重構(gòu)模式的抗剪強度在降低。疏松狀態(tài)下，含水率由15%增至20%時，5種重構(gòu)模式的抗剪強度依次降低了58.61，43.82，38.82，32.81 和27.20 kPa。偏緊狀態(tài)下，含水率由15%增至20%時，5種重構(gòu)模式的抗剪強度依次降低了60.46，41.90，40.74，25.22和10.66 kPa。致密狀態(tài)下，含水率由15%增至20%時，5種重構(gòu)模式的抗剪強度依次降低了63.31，13.58，9.29，12.41和6.34 kPa。隨著含水率的升高，3種狀態(tài)下，T模式的抗剪強度顯著性降低(p<0.05)；含水率的變化對致密狀態(tài)下重構(gòu)鐵尾礦砂的抗剪強度影響最小。

2.3.2 PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響 疏松、偏緊、致密3種狀態(tài)下，施加PAM可以提高T，S1T3，S1T1，S3T1，S這5種重構(gòu)模式的抗剪強度，且隨著PAM分子量的增加，重構(gòu)模式的抗剪強度增大。疏松狀態(tài)下，PAM分子量由0增至3.00×106Da，5種重構(gòu)模式的抗剪強度在含水率15%時依次增加了6.34，12.40，11.71，14.05和13.86 kPa，其中S3T1模式在15%含水率時抗剪強度顯著性增加(p<0.05)；PAM分子量由3.00×106Da增至6.00×106Da，5種重構(gòu)模式的抗剪強度依次增加了4.44，1.90，3.21，2.00和1.59 kPa。PAM分子量由0增至3.00×106Da，5種重構(gòu)模式的抗剪強度在含水率20%時依次增加了7.92，14.61，19.18，20.42和28.82 kPa； PAM分子量由3.00×106Da增至6.00×106Da時，抗剪強度依次增加了3.96，7.86，6.44，4.69和2.34 kPa；PAM分子量6.00×106Da時，5種重構(gòu)模式的抗剪強度均有增加，但與3.00×106Da分子量相比，抗剪強度增加不顯著(p>0.05)。

偏緊狀態(tài)下，PAM分子量由0增至3.00×106Da時，5種重構(gòu)模式的抗剪強度在含水率15%時依次增加了3.55，11.39，7.50，12.50和13.81 kPa；含水率20%時，抗剪強度依次增加了6.86，15.39，19.03，19.97 和16.19 kPa。PAM分子量由3.00×106Da增至6.00×106Da，5種重構(gòu)模式的抗剪強度雖有增加但增加不顯著(p>0.05)。致密狀態(tài)下，PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦抗剪強度的作用效果與疏松、偏緊狀態(tài)基本相同，即PAM分子量3.00×106Da時，5種重構(gòu)模式抗剪強度增幅較大，PAM分子量由3.00×106Da增至6.00×106Da時，抗剪強度雖有增加但增加不顯著(p>0.05)。疏松、偏緊、致密3種狀態(tài)下，添加3.00×106Da分子量的PAM，S3T1模式的抗剪強度增長較大。

圖7 疏松狀態(tài)下含水率和PAM分子量變化對鐵尾礦砂抗剪強度的影響

圖8 偏緊狀態(tài)下含水率和PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響

圖9 致密狀態(tài)下含水率和PAM分子量變化對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響

3 討 論

3.1 含水率對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響

重構(gòu)鐵尾礦砂的抗剪強度因含水率的不同而存在一定差異，試驗結(jié)果證明，含水率由15%增至20%，重構(gòu)鐵尾礦砂內(nèi)摩擦角減小、黏聚力下降，最終導(dǎo)致抗剪強度值也在減小。這與韋杰等[15]和施威等[16]研究含水率對土壤抗剪性能的影響結(jié)果一致，韋杰等[15]認為，土壤含水率越大，在相同圍壓下破壞土體時作用于試樣的總壓力越小，土體更易被破壞；施威等[16]認為，隨著含水率的增加，孔隙水壓力增大，根據(jù)有效應(yīng)力原理，總應(yīng)力大小不變，則有效應(yīng)力減小，土的抗剪強度降低。試驗發(fā)現(xiàn)，在疏松和偏緊兩種狀態(tài)下，含水率變化對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響較大，分析其原因可能是這兩種狀態(tài)下緊實度相對較低，鐵尾礦砂黏粒含量也低，結(jié)構(gòu)過于分散，大孔隙數(shù)量多使得鐵尾礦砂固持水分的能力降低，水分易流動，含水率的變化就會對鐵尾礦砂穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響；致密狀態(tài)下，含水率變化對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度影響較小，其主要是因為隨著緊實度的增加，鐵尾礦砂內(nèi)部大孔隙就會被擠壓成易于持水的中小孔隙，水分存儲空間增多，鐵尾礦砂中的水分就相對穩(wěn)定，此時含水率變化對鐵尾礦砂穩(wěn)定性影響較小。本次試驗設(shè)置的最高含水率20%已接近鐵尾礦砂的飽和含水率23.49%，含水率較高時重構(gòu)模式的抗剪強度下降，因此，在鐵尾礦砂生態(tài)修復(fù)實踐中，要增強其重構(gòu)土體水分入滲能力，否則會由于含水率過高，降低重構(gòu)鐵尾礦砂的抗剪強度，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性的下降；含水率15%時5種重構(gòu)模式的抗剪強度均較高，S3T1的重構(gòu)模式水分入滲能力較好，有利于鐵尾礦邊坡穩(wěn)定性的防護。

3.2 容重對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響

容重可以影響鐵尾礦砂的水分入滲性能[17]，影響鐵尾礦砂的持水性能[18]，影響土體內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗剪強度[19]。本團隊在對鐵尾礦砂水分運移的研究中發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦砂在容重1.6 g/cm3時持水性最好，其他重構(gòu)模式均在1.5 g/cm3下持水性最高；5種重構(gòu)模式在最佳持水容重下，T的持水性最好，持水性能總體上隨摻土率的升高而增強；T，S1T3，S1T1，S3T1，S這5種重構(gòu)模式中透氣性由好到差依次為T，S3T1，S1T1，S3T1，S；砂土混摻中S3T1，S1T1和S1T3這3種重構(gòu)模式在定容重情況下S3T1入滲性能最好[11]。試驗結(jié)果表明，隨著容重的增加，同一含水率水平下，重構(gòu)鐵尾礦砂的內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗剪強度均呈增加的趨勢。這與前人關(guān)于土體容重對抗剪強度影響的結(jié)果基本相同，王建等[20]在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤容重越大，土壤將越緊實，顆粒間距離越近，顆粒間接觸越密集，導(dǎo)致土壤顆粒之間及土壤顆粒與水分之間相對作用增強，導(dǎo)致土壤內(nèi)摩擦角變大、黏聚力增大，進而導(dǎo)致土壤抗剪強度增大。試驗表明容重越大，越有利于鐵尾礦砂抗剪強度的提高，但在實際的生產(chǎn)中，容重增大可能會導(dǎo)致土壤孔隙減小，水分入滲困難，土壤含水率降低，持水能力下降等，將不利于植被的生長。因此，針對鐵尾礦砂在不同容重下抗剪強度表現(xiàn)的差異性，還需要進一步設(shè)置不同容重梯度從不同容重下孔隙的微觀結(jié)構(gòu)和連通性差異去驗證，在提高鐵尾礦砂抗剪強度的同時，又要保證鐵尾礦砂通氣、保水，適宜植被生長，也為鐵尾礦砂高效利用提供了方向。

3.3 PAM分子量對重構(gòu)鐵尾礦砂抗剪強度的影響

PAM可以起到增加土壤中大團聚體數(shù)量，增強團聚體穩(wěn)定性的作用[21-24]，單施PAM即可以起到增強土壤抗剪強度的作用[25]，同時可以增強植物根系的抗剪、抗拉特性，根土復(fù)合體更有益于土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[26-27]。本團隊在研究PAM對鐵尾礦砂水分運移的影響中發(fā)現(xiàn)，PAM的加入可以提高鐵尾礦砂田間持水量，提高鐵尾礦砂的保水性及飽和含水量，但飽和導(dǎo)水率隨PAM質(zhì)量濃度的增加呈下降趨勢，并且PAM分子量越大對鐵尾礦砂飽和導(dǎo)水率的抑制作用就越強[12]。試驗結(jié)果表明，PAM的加入可以有效提高鐵尾礦砂的抗剪強度，作用效果隨PAM分子量的增加而增強，這表明加入PAM后，隨著鐵尾礦砂中大團聚體數(shù)量的增加，鐵尾礦砂抵抗剪切破壞的能力增強，鐵尾礦穩(wěn)定性提高。作為影響抗剪強度變化的重要力學(xué)參數(shù)黏聚力，本次研究發(fā)現(xiàn)，PAM分子量對S1T3，S1T1，S3T1，S這4種重構(gòu)模式黏聚力產(chǎn)生了一定的影響，分子量為3.00×106Da時，加入PAM后4種重構(gòu)模式的黏聚力降低，分子量6.00×106Da時，PAM的加入黏聚力增大。針對這一現(xiàn)象，后續(xù)研究中可以適當(dāng)增加PAM分子量和質(zhì)量濃度梯度，探究不同濃度和分子量作用下重構(gòu)鐵尾礦砂黏聚力的變化規(guī)律，為后續(xù)科學(xué)實踐提供更加全面的依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1) 同一緊實狀態(tài)下，隨著含水率的增加，純土、摻土率25%，50%，75%、純尾礦砂5種重構(gòu)模式的黏聚力、內(nèi)摩擦角下降；15%含水率時5種重構(gòu)模式的抗剪強度均高于20%含水率；同一含水率水平下，5種重構(gòu)模式的內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗剪強度隨緊實度的增加而增大。

(2) 本課題前期研究表明聚丙烯酰胺(PAM)的加入可以提高鐵尾礦砂田間持水量，增加鐵尾礦砂的保水性和飽和含水率，同時PAM分子量過高會抑制鐵尾礦砂的飽和導(dǎo)水率，低分子量3.00×106Da的PAM有利于生態(tài)修復(fù)。本試驗在此基礎(chǔ)上進一步證明PAM可以提高重構(gòu)鐵尾礦砂的抗剪強度，且PAM分子量為3.00×106Da時，5種重構(gòu)模式的抗剪強度增強效果比6.00×106Da PAM分子量的好。

(3) 5種重構(gòu)模式中添加3.00×106Da分子量的PAM，摻土率25%的重構(gòu)模式抗剪強度提高較大，水分入滲能力也較強；同時摻土率25%的模式，鐵尾礦砂利用率高，土壤摻入量少。

(4) 綜合以上結(jié)果分析，含水率15%，PAM分子量為3.00×106Da時，摻土率25%的少土重構(gòu)模式對于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)、鐵尾礦邊坡穩(wěn)定性的提高具有積極的作用。