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主營項目:石膏板生產(chan)線(xian)(xian)、石膏粉生產(chan)線(xian)(xian)、石膏裝(zhuang)飾(shi)板生產(chan)線(xian)(xian)等(deng)石膏設(she)備

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沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要:磷石膏是磷酸生產過程中的副產品,目前的綜合利用率尚不足40%,大部分需要堆存存放。受地形限制和經濟效益考慮,中國主要為濕法堆存的山谷型堆場。依托柳樹箐磷石膏堆積壩,針對沉積磷石膏首先開展了密度、含水率、滲透、土水特征和顆分等物理性質試驗,然后開展了三軸cu、蠕變及動三軸等力學特性試驗。試驗結果表明:①沉積磷石膏的干密度與埋深沒有相關關系;②沉積磷石膏不具有自然分級現象,但具有明顯的各向異性;③沉積磷石膏具有較高的摩擦角和抗液化能力,但其蠕變變形較大、滲透比降較小。上述工作為分析磷石膏堆積壩的壩體穩定性提供了基礎,對現行磷石膏庫的運行管理以及新建工程的設計具有重要的借鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏是濕法磷(lin)(lin)酸生(sheng)(sheng)產過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)副產品,2018年,全(quan)國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏產生(sheng)(sheng)量為7800萬噸,且(qie)呈(cheng)逐年增長(chang)的(de)(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)主要成分(fen)是CaO和SO3,但(dan)含有一(yi)定量的(de)(de)(de)(de)氟化物和其它放(fang)射性物質,在中(zhong)國(guo)(guo)(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般(ban)工業固(gu)體廢物處(chu)(chu)理,鑒(jian)于無(wu)害(hai)化處(chu)(chu)理成本較高,目前綜合利(li)用率尚不(bu)足40%,故大(da)(da)部分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏需要堆(dui)存存放(fang)。按堆(dui)存場地(di)(di)的(de)(de)(de)(de)不(bu)同,可分(fen)為平地(di)(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷(gu)型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)場,在中(zhong)國(guo)(guo)(guo)基(ji)本上是山谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)場。相(xiang)比較干法堆(dui)存,濕法堆(dui)存經濟(ji)優勢明顯,因而如地(di)(di)質條件為非(fei)碳酸鹽巖地(di)(di)區(qu),一(yi)般(ban)均采(cai)用濕排濕堆(dui)方式。隨著(zhu)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)肥工業的(de)(de)(de)(de)快速發(fa)展,本世紀初中(zhong)國(guo)(guo)(guo)相(xiang)繼(ji)建設了幾座(zuo)濕法堆(dui)存的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫,例如云天(tian)化國(guo)(guo)(guo)際化工三環(huan)分(fen)公司的(de)(de)(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)和富瑞分(fen)公司的(de)(de)(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba),這兩座(zuo)壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高均超過100m、處(chu)(chu)于8度地(di)(di)震區(qu),其安全(quan)性備受關注(zhu)。


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



據統計,110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai),全(quan)世界(jie)有118座尾礦壩(ba)曾發(fa)生過破(po)壞或(huo)潰壩(ba)事故(gu),原(yuan)因主(zhu)要有地(di)震、洪水漫頂、滲(shen)透破(po)壞和(he)(he)基礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事后會造成巨大(da)的生態災難和(he)(he)人員傷亡,近幾(ji)十(shi)年(nian)來(lai),

國(guo)內外對(dui)金屬(shu)(shu)尾礦的沉積(ji)規(gui)律(lv)、物理(li)力(li)(li)學(xue)特(te)性(xing)及(ji)其穩(wen)定(ding)性(xing)開(kai)(kai)展了大量的研究(jiu),但(dan)對(dui)于(yu)與(yu)金屬(shu)(shu)尾礦庫相近的磷(lin)石(shi)(shi)膏庫,一般僅限于(yu)在可研階段采(cai)用(yong)人(ren)工制(zhi)備樣進行物理(li)力(li)(li)學(xue)性(xing)質試驗,并據此進行穩(wen)定(ding)性(xing)分(fen)析,尚未有人(ren)針對(dui)己運(yun)行若干(gan)年的大型濕法(fa)堆(dui)(dui)存磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)壩開(kai)(kai)展過磷(lin)石(shi)(shi)膏沉積(ji)規(gui)律(lv)及(ji)其物理(li)力(li)(li)學(xue)特(te)性(xing)的專項(xiang)研究(jiu)。

本(ben)文依托柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩,首(shou)先進行了鉆探(tan)取樣(yang),采用原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展了密度、含水率、滲透(tou)、土水特(te)征(zheng)和顆(ke)分等物理性(xing)質試(shi)驗,在(zai)此基(ji)(ji)礎上(shang)有(you)針(zhen)對性(xing)的選(xuan)擇原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展了三軸(zhou)CU、蠕(ru)變及動三軸(zhou)等力學特(te)性(xing)試(shi)驗。通(tong)過上(shang)述試(shi)驗研(yan)究,總結了磷(lin)石(shi)膏(gao)的沉積規律、滲透(tou)特(te)性(xing)、滲透(tou)破壞特(te)性(xing)以(yi)及靜動力特(te)性(xing),上(shang)述研(yan)究工(gong)作對研(yan)究和評估磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆積壩的穩(wen)定性(xing)提供(gong)了基(ji)(ji)礎數據,對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)的運行管(guan)理以(yi)及新建(jian)工(gong)程的設計具有(you)重要的借鑒意義。


一、依(yi)托工程(cheng)概況(kuang)

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存(cun)設計方案

由初期(qi)壩和堆積壩組(zu)成,設(she)計總壩高約130m。

(1)初期壩(ba)

初期壩(ba)壩(ba)高約30m,采用土料填筑(zhu)。上(shang)游坡(po)面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置堆(dui)石排水體,三者相連通(tong)構成(cheng)整個堆(dui)積(ji)壩(ba)的主要排滲系統。

(2)堆積壩及(ji)其(qi)輔助排滲措施

采用(yong)上(shang)游式筑(zhu)壩(ba)法,共20級(ji)子(zi)壩(ba),頂寬(kuan)6~9m,高(gao)度5m,堆積高(gao)度約100m。采用(yong)排(pai)滲管網作為(wei)輔助排(pai)滲方案,目(mu)前己在5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩(ba)和13級(ji)子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置了井字形排(pai)滲管網。

1.2沉積磷石膏的(de)鉆探(tan)取樣(yang)

鉆(zhan)孔(kong)(kong)平面(mian)位(wei)置(zhi)見圖l。2008年6月,堆積至(zhi)5級子壩(ba)時(shi)(shi),布設了9個(ge)(ge)取樣鉆(zhan)孔(kong)(kong),鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)(bian)號K1~K9,取原(yuan)狀(zhuang)樣76件;2013年5月,堆積至(zhi)13級子壩(ba)時(shi)(shi),又(you)布設了11個(ge)(ge)取樣鉆(zhan)孔(kong)(kong),鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)(bian)號K10~K20,取原(yuan)狀(zhuang)樣112件,為(wei)比(bi)較(jiao)子壩(ba)加高和磷(lin)石膏堆積過(guo)程中磷(lin)石膏物(wu)理力學性質(zhi)的(de)變化,在2,4級子壩(ba)K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近(jin)各(ge)布設了一個(ge)(ge)鉆(zhan)孔(kong)(kong),鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)(bian)號分(fen)別(bie)為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷(lin)石膏尾礦(kuang)庫2005年(nian)開工建設,2006年(nian)1月投入運行,截至(zhi)2013年(nian)5月己堆至(zhi)13級(ji)子壩,尚有7級(ji)子壩即堆存(cun)至(zhi)設計高(gao)程(cheng)。鑒(jian)于磷(lin)石膏庫地形、地質條件較好,具備擴容(rong)改造的條件,以提(ti)高(gao)堆存(cun)庫容(rong),減少堆存(cun)占(zhan)地,節約土(tu)地資源。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



本(ben)文主要對沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)物理力學(xue)特性(xing)進行了全(quan)(quan)面總結,限于(yu)篇幅(fu),有關現狀磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積壩的(de)安全(quan)(quan)性(xing)評(ping)價(jia)及其加高可(ke)行性(xing)的(de)研究將另文發表。


二、沉積磷(lin)石膏的(de)物理力學(xue)特性

2.1物(wu)理特性

(1)干密度分布

圖2給(gei)出了14個鉆孔(kong)的(de)取樣深度和試驗所得(de)干密度的(de)關系(xi),圖中UWL表示水位(wei)(wei)線(xian)(xian)上(shang)(shang),(系(xi)鉆孔(kong)期間的(de)初見水位(wei)(wei)線(xian)(xian),下同),DWL表示水位(wei)(wei)線(xian)(xian)下。圖3給(gei)出了水位(wei)(wei)線(xian)(xian)上(shang)(shang)下的(de)飽和度分布圖。由于磷石膏(gao)中的(de)主要成分為CaSO4·2H2O,不同溫(wen)度和烘烤時(shi)間對測定(ding)結果有(you)一定(ding)影響,不能照搬現行的(de)土工試驗規(gui)范(fan),本文磷石膏(gao)的(de)含水率測定(ding)方法(fa)為55℃溫(wen)度下烘培(pei)24h。

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圖2沉(chen)積磷石膏干(gan)密度(du)與埋(mai)深的關(guan)系

Fig.2Variation of dry density with depth of depositlon PG

由圖(tu)3,水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上的磷(lin)石膏(gao)飽(bao)和(he)度(du)平(ping)均(jun)值(zhi)為50.4%,處于(yu)非飽(bao)和(he)狀態(tai),水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以下(xia)(xia)的磷(lin)石膏(gao)飽(bao)和(he)度(du)平(ping)均(jun)值(zhi)為85.0%,基本處于(yu)飽(bao)和(he)狀態(tai),由于(yu)水(shui)(shui)位(wei)下(xia)(xia)降后磷(lin)石膏(gao)來(lai)不及排水(shui)(shui)固(gu)結(jie),故而水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上局部試樣的飽(bao)和(he)度(du)較高。

由圖2,水(shui)(shui)位線以(yi)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在0.98~1.67g/cm3之間(jian),均(jun)值為1.30g/cm3;水(shui)(shui)位線以(yi)下的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在1.15~1.73g/cm3之間(jian),均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)與一般(ban)的(de)(de)(de)尾礦有所不(bu)同(tong),磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)并不(bu)隨(sui)埋(mai)深的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)而(er)明顯增(zeng)(zeng)大(da),但水(shui)(shui)位線以(yi)下的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干密(mi)度(du)從統(tong)計意義(yi)上(shang)(shang)來看仍大(da)于水(shui)(shui)位線以(yi)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干密(mi)度(du),這主要是(shi)由于水(shui)(shui)位線隨(sui)庫水(shui)(shui)位的(de)(de)(de)變(bian)化反復升降(jiang)而(er)使得磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)(shui)固結所致。

室(shi)內擊(ji)實(shi)得到的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)干密度(du)一(yi)般(ban)在1.36~1.46g/cm3之間,從(cong)圖2可(ke)以看出,自然沉積的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)干密度(du)可(ke)達到1.73g/cm3,原因(yin)如下(xia):與經典的(de)土骨(gu)架(jia)不(bu)可(ke)壓縮的(de)理論不(bu)同(tong),石(shi)(shi)膏(gao)本身(shen)可(ke)壓縮,同(tong)時由于(yu)顆(ke)粒(li)結構(gou)不(bu)穩定,擊(ji)實(shi)試驗過程中磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)結構(gou)被破壞,受夯擊(ji)處下(xia)陷,四周(zhou)鼓起,出現了(le)類似于(yu)橡皮土的(de)現象。而在現場條件下(xia),石(shi)(shi)膏(gao)骨(gu)架(jia)被破壞后,會(hui)導致顆(ke)粒(li)中的(de)結合水滲出至(zhi)孔隙內,變成孔隙水,排水固結后會(hui)使得磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)孔隙比減(jian)小,干密度(du)增大(da)。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



圖4給(gei)出了相鄰(lin)鉆孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)于(yu)2級子(zi)壩(ba)河床(chuang)部(bu)位(wei))以及相鄰(lin)鉆孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)于(yu)4級子(zi)壩(ba)河床(chuang)部(bu)位(wei))干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)對比圖。K2鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.12~1.47g/cm3之間,均(jun)值為(wei)(wei)1.30g/cm3,K17鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.2~1.39g/cm3之間,均(jun)值為(wei)(wei)1.32g/cm3;K6鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.13~1.57g/cm3之間,均(jun)值為(wei)(wei)1.36g/cm3,K18鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.14~1.59g/cm3之間,均(jun)值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見(jian),即使(shi)從統(tong)計意義上來看,磷石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)也并未隨后(hou)續磷石膏的(de)(de)堆積而(er)有較為(wei)(wei)明(ming)顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆(ke)粒分(fen)析試驗采用密度計(ji)法,制備懸液時不(bu)煮沸,不(bu)加(jia)六偏磷酸(suan)鈉(na)。圖(tu)5給出了試驗得到的級(ji)配包線、平(ping)均粒徑d50、不(bu)均勻系數(1u和曲(qu)率(lv)系數Cc的分(fen)布圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見(jian),磷石膏的粒徑主要分布(bu)在(zai)0.005~0.075mm之(zhi)間,總體上屬(shu)于(yu)粉土,但可(ke)能由于(yu)礦石來源或(huo)生產工藝(yi)有(you)所不(bu)同,局部屬(shu)于(yu)粉砂(sha)~中(zhong)砂(sha)。粒徑分布(bu)范圍比Blight和張超等(deng)的試驗(yan)結果要寬一(yi)些。

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圖4子壩加高后沉積磷石膏的干密度變化


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圖5沉積磷石膏的平(ping)均粒(li)徑和(he)級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c),無論是水平向(xiang)(xiang)還(huan)是垂直向(xiang)(xiang),磷(lin)石膏(gao)(gao)與(yu)金(jin)(jin)屬礦山尾(wei)(wei)礦的(de)(de)(de)(de)“前粗(cu)后細(xi)(xi),上粗(cu)下(xia)細(xi)(xi)”的(de)(de)(de)(de)自然分級現象(xiang)不(bu)(bu)同,也即粗(cu)顆粒(li)(li)并不(bu)(bu)是沿(yan)埋深(shen)逐步減(jian)小或距(ju)離放漿口越遠(yuan)顆粒(li)(li)越細(xi)(xi),其原因如下(xia):①磷(lin)石膏(gao)(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成(cheng)較(jiao)為集中、均勻,主(zhu)要(yao)以(yi)粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu),級配較(jiao)差;②相比較(jiao)金(jin)(jin)屬尾(wei)(wei)礦,磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)比重(zhong)較(jiao)小,磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)比重(zhong)一(yi)般為2.3~2.4,遠(yuan)小于(yu)金(jin)(jin)屬尾(wei)(wei)礦的(de)(de)(de)(de)比重(zhong),例如鐵(tie)尾(wei)(wei)礦的(de)(de)(de)(de)比重(zhong)可達2.9;③放漿口隨子壩高度(du)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)增加而(er)不(bu)(bu)斷(duan)(duan)變動并向(xiang)(xiang)庫尾(wei)(wei)延伸,造成(cheng)沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明顯。

從圖5(d)可見,不均勻系(xi)(xi)數Cu范(fan)圍值(zhi)1.61~21.5,平均值(zhi)為4.18,曲率系(xi)(xi)數(1c范(fan)圍值(zhi)0.28~9.78,平均值(zhi)為1.21,在(zai)統(tong)計的100多個試樣中,屬(shu)于級配不良土的占93%。這種級配特(te)性(xing)決(jue)定(ding)了磷石膏(gao)具(ju)有較(jiao)高的壓(ya)縮性(xing)、滲透破壞型式表現(xian)為流土破壞。

2.2滲透特性(xing)

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主(zhu)要因(yin)素是粒徑大(da)小(xiao)、級配(pei)和孔隙比,因(yin)而磷石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與粉土較為(wei)(wei)接近。由于(yu)孔隙比e減(jian)小(xiao),使(shi)得過水通道面(mian)積減(jian)小(xiao),滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將(jiang)減(jian)小(xiao),k與e呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土,一(yi)般(ban)認為(wei)(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較好,圖6給出了二(er)者(zhe)(zhe)間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線,由于(yu)沉(chen)積磷石膏的(de)(de)不均(jun)勻(yun)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化(hua)較大(da),使(shi)得沉(chen)積磷石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化(hua)范圍較大(da)(平均(jun)值為(wei)(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級),二(er)者(zhe)(zhe)問的(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較差。

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圖6沉(chen)積磷石膏滲透系數與孔(kong)隙比的關系

Fig.6Relationship between hydraulic conductivity and void ratio of depositlon PG

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)平(ping)與(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數比(bi)值(zhi)的(de)分布。沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數kh一般大于(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)滲透(tou)(tou)系數kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約(yue)為2.86,這一點與(yu)成層分布的(de)金屬(shu)尾礦規律一致。造成沉積磷(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數大于(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數的(de)原因是由于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏具有明顯的(de)晶體結(jie)構,電鏡掃描顯示多(duo)為菱形和棱柱狀形式(見圖8),在沉積過(guo)程(cheng)中,由于(yu)(yu)扁平(ping)狀磷(lin)石(shi)膏顆(ke)粒(li)多(duo)呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)排列,使(shi)得(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性大于(yu)(yu)垂直(zhi)方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性,從而(er)使(shi)磷(lin)石(shi)膏呈現明顯的(de)各(ge)向(xiang)(xiang)異性。

另根據中(zhong)國(guo)有色金屬工(gong)業昆(kun)明勘察設計研究院在(zai)楊家箐磷石膏(gao)堆(dui)積壩開展的現(xian)(xian)場(chang)滲(shen)透試驗,kh/kv的平(ping)均值(zhi)約(yue)為1.9。但張超(chao)等的室內試驗顯示,kh/kv的平(ping)均值(zhi)約(yue)為0.46,也即垂直向滲(shen)透系(xi)數(shu)大于水平(ping)向滲(shen)透系(xi)數(shu),與本(ben)文和現(xian)(xian)場(chang)試驗結(jie)果恰恰相反。從(cong)磷石膏(gao)的微觀結(jie)構來看,本(ben)文試驗結(jie)果更為合理。

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圖7沉積磷石膏(gao)干密度與水平和(he)垂直(zhi)滲(shen)透系(xi)(xi)數比值的關系(xi)(xi)


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(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密度為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力梯度J與流速(su)V的(de)(de)關系曲線,試驗(yan)(yan)在水(shui)(shui)平(ping)管涌儀中采(cai)用水(shui)(shui)平(ping)方向的(de)(de)滲流形式進行。試驗(yan)(yan)得到的(de)(de)臨界坡(po)(po)降Jc=0.355,破壞(huai)(huai)坡(po)(po)降Jp=0.375。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo),對1,2級(ji)工(gong)程,滲透安全系數(shu)取(qu)為(wei)(wei)2.5,則(ze)允(yun)(yun)(yun)許(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142,對3級(ji)以下工(gong)程,滲透安全系數(shu)取(qu)2.0,則(ze)允(yun)(yun)(yun)許(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)(yun)許(xu)比降與粉(fen)(fen)土一(yi)粉(fen)(fen)砂大(da)致(zhi)相(xiang)同。但上(shang)述(shu)滲透變形試驗(yan)(yan)是(shi)采(cai)用自(zi)來(lai)水(shui)(shui)進行的(de)(de),自(zi)來(lai)水(shui)(shui)對磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有(you)一(yi)定的(de)(de)溶(rong)蝕(shi)作(zuo)用,而實際上(shang)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中殘余磷(lin)(lin)、硫和(he)氟(fu)酸(suan),庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小于(yu)3(稱之為(wei)(wei)酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)),在酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用下,磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不會發生(sheng)破壞(huai)(huai),上(shang)述(shu)試驗(yan)(yan)結果是(shi)偏于(yu)保守(shou)的(de)(de),但對非酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴(bao)雨)下的(de)(de)滲透穩(wen)定判斷有(you)一(yi)定的(de)(de)借鑒意(yi)義(yi)。

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圖9水力梯度J-流速v試驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)


(3)土水特征試驗

試驗(yan)在5Bar的壓力板儀中進行,環刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1,1.2和1.29g/cm3共3組,吸力范(fan)圍0~500kPa。表l列(lie)出了含水率特征(zheng)值,試驗(yan)曲線見圖10所(suo)示。

試(shi)驗結果表明(ming):①干密度對進(jin)氣(qi)值(zhi)沒(mei)有明(ming)顯的(de)(de)影響,不同干密度的(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)進(jin)氣(qi)值(zhi)大(da)致在10kPa左(zuo)右;②土樣殘(can)余含(han)(han)水率隨干密度的(de)(de)增(zeng)加而(er)減少,殘(can)余含(han)(han)水率約(yue)為飽(bao)和含(han)(han)水率的(de)(de)10%。上述特性與粉土一粉砂基本一致。

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2.3靜(jing)力力學特性

(1)三軸CU試(shi)驗

由(you)于沉積(ji)磷(lin)石膏的密(mi)(mi)度(du)變化(hua)較大,而(er)進行三(san)(san)軸(zhou)試(shi)(shi)驗需要若干原狀樣,為(wei)使試(shi)(shi)驗結(jie)果具有(you)較好的一(yi)致性(xing),有(you)針對(dui)性(xing)的選擇(ze)平均(jun)干密(mi)(mi)度(du)分(fen)別為(wei)1.2(1.2~1.21g/cm3),1.28(1.27~1.28g/cm3),1.4(1.39~1.41g/cm3),1.5(1.49~1.51g/cm3)和1.58g/cm3(1.57~1.6g/cm3)的若干試(shi)(shi)樣,進行了5組三(san)(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗。圖11是為(wei)干密(mi)(mi)度(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的三(san)(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗曲線。

從圖11可以看出,磷石膏的(de)應(ying)力應(ying)變(bian)關(guan)系曲(qu)線在低圍(wei)(wei)壓下(xia)表現(xian)為軟化型(xing),在高圍(wei)(wei)壓下(xia)表現(xian)為硬化型(xing),與一(yi)般土類相(xiang)似。但與一(yi)般粉土一(yi)粉砂不同的(de)是,即使在較為疏松的(de)狀態下(xia),磷石膏仍(reng)表現(xian)了較為強烈的(de)剪脹,隨(sui)密實度增大,剪脹作(zuo)用(yong)愈發(fa)明顯。

表(biao)(biao)2給出(chu)了(le)不同干(gan)密度(du)(du)下的(de)(de)內(nei)(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao),圖12給出(chu)了(le)內(nei)(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)關系曲線(xian)。隨干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)大(da),內(nei)(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨之增(zeng)大(da),且可采用冪(mi)函數(shu)較(jiao)(jiao)好地(di)擬合。磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)加(jia)(jia)為1.58g/cm3,增(zeng)加(jia)(jia)了(le)32%,總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)加(jia)(jia)為37.3°(根據擬合曲線(xian)求(qiu)得),增(zeng)幅(fu)為9.4%,有效應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)加(jia)(jia)為38.8°,增(zeng)幅(fu)為3.2%,由于隨圍壓的(de)(de)增(zeng)大(da),孔壓也明(ming)(ming)顯增(zeng)大(da),故(gu)有效摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外較(jiao)(jiao)之于干(gan)密度(du)(du)增(zeng)幅(fu),摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)幅(fu)并不顯著,表(biao)(biao)明(ming)(ming)即使較(jiao)(jiao)為疏(shu)松(song)的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)仍具有較(jiao)(jiao)高的(de)(de)強(qiang)度(du)(du)指標,這也表(biao)(biao)明(ming)(ming)磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)穩(wen)定(ding)性較(jiao)(jiao)高。

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(2)蠕變(次(ci)固(gu)結(jie))變形試驗

磷石膏的蠕變(bian)變(bian)形試(shi)驗(yan)在(zai)側限壓縮儀中進行(xing),試(shi)驗(yan)狀態相(xiang)當于(yu)K0固結。試(shi)樣(yang)直(zhi)徑61.8mm,高度20mm,試(shi)樣(yang)干密度為1.30g/cm3,對試(shi)樣(yang)飽和后分別開展了上(shang)覆壓力ρ為100,200,400,800kPa的試(shi)驗(yan),

試(shi)驗(yan)從2012年8月27日(ri)開始,試(shi)驗(yan)己進行了1年多,試(shi)驗(yan)結(jie)果見圖13所(suo)示。

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從(cong)圖13中可以看出(chu):上覆荷(he)載(zai)越(yue)大,磷(lin)石(shi)膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也越(yue)大,荷(he)載(zai)施加1年后(hou),磷(lin)石(shi)膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍非(fei)常(chang)顯(xian)著(zhu),尚未達到穩定(ding)狀態,這也是磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩后(hou)期變(bian)(bian)形(xing)較(jiao)大的原因(yin),原型觀(guan)測資料表(biao)(biao)明,在5級子壩河床部(bu)位的表(biao)(biao)面沉降(jiang)量已(yi)經達到3.1m,且尚未完全穩定(ding)。

按(an)時(shi)間對數法,可求得各級荷(he)載(zai)下的(de)主(zhu)(zhu)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)量(liang)如表3所示(shi)。試驗結(jie)(jie)(jie)果表明,在100~400kPa上覆(fu)荷(he)載(zai)作用下,在試驗時(shi)間范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8~3.1倍,當然由(you)于(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未完成(cheng),實際的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更(geng)大。對土體(ti)而(er)(er)言,發(fa)生蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是(shi)由(you)于(yu)土體(ti)在主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完成(cheng)之后(hou),土體(ti)中仍有(you)微(wei)小(xiao)的(de)超靜(jing)孔(kong)隙壓力存在,驅使(shi)水(shui)在顆粒問(wen)流動,一般來講土體(ti)的(de)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing);對磷(lin)石(shi)膏而(er)(er)言,其(qi)滲透系數在10-4cm/s數量(liang)級,遠大于(yu)黏性土,但其(qi)卻(que)發(fa)生了極為顯(xian)著的(de)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing),其(qi)原(yuan)因在于(yu)磷(lin)石(shi)膏晶體(ti)結(jie)(jie)(jie)構發(fa)生了壓縮、破壞(huai),接觸(chu)點晶格發(fa)生歪曲和變(bian)(bian)形(xing),而(er)(er)破壞(huai)后(hou)晶格之間的(de)重新排列、調整到最后(hou)趨于(yu)相(xiang)對靜(jing)止需要相(xiang)當長(chang)的(de)時(shi)間才能完成(cheng)。

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2.4動力(li)力(li)學(xue)特性

試驗(yan)設備采(cai)用英(ying)國(guo)GDS公司進口的電(dian)機(ji)控(kong)制(zhi)動(dong)三軸(zhou)試驗(yan)系統,試樣(yang)直徑39.1mm,高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼(ni)比(bi)

同樣由于自然沉積的磷石膏(gao)密度變化較大,為此根據(ju)物(wu)理性質(zhi)試(shi)驗(yan)結果,選擇兩(liang)種平均干密度1.34g/cm3(變化范圍(wei)1.33~1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍(wei)1.44~1.46g/cm3)進行(xing)試(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模量G、阻(zu)尼比與(yu)剪(jian)應變(bian)幅值γd的關系式(shi)如下:

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式中k1為參數,表(biao)示(shi)動剪切(qie)模量的(de)衰(shuai)減或(huo)阻尼(ni)比的(de)增長速(su)率;λmax為最大(da)阻尼(ni)比;Gmax,γd分別為最大(da)動剪切(qie)模量和歸一化的(de)動剪應變,表(biao)示(shi)為

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式中(zhong)k2,n為(wei)參數;σm為(wei)球應力;Pa為(wei)標(biao)準大氣壓(ya);vd為(wei)動泊松比;εa為(wei)歸一化的動應變,表達為(wei)

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圖(tu)14給(gei)出(chu)了(le)動(dong)剪切模量、阻(zu)尼比與(yu)歸一化(hua)動(dong)應變的關(guan)系曲線,另(ling)外(wai)圖(tu)中還(huan)給(gei)出(chu)了(le)式(1)的擬合曲線以及Seed等(deng)給(gei)出(chu)的砂樣的上下邊界線,圖(tu)例(li)中,σ2表示圍壓(ya),Kc表示固結應力比。

從圖中(zhong)(zhong)可以看出(chu):①式(1)可較好(hao)地描(miao)述磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應(ying)(ying)力-動(dong)(dong)(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線(xian)(xian),表明采用等(deng)價黏彈性模(mo)型進(jin)行循(xun)環荷載作用下的(de)(de)(de)(de)分析是(shi)可行的(de)(de)(de)(de);②圖14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線(xian)(xian)位(wei)(wei)于(yu)(yu)干密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線(xian)(xian)上方(fang),圖14(b)中(zhong)(zhong)則位(wei)(wei)于(yu)(yu)下方(fang),表明密(mi)度越(yue)大(da),動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)越(yue)大(da)、阻(zu)尼(ni)比越(yue)小;③圖14(a)中(zhong)(zhong),兩(liang)種干密(mi)度的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線(xian)(xian)基本位(wei)(wei)于(yu)(yu)Seed等(deng)給出(chu)的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)上方(fang),而圖14(b)中(zhong)(zhong)則基本處于(yu)(yu)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)中(zhong)(zhong)間(jian),表明相比較砂(sha)樣,磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)較大(da),會導致磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)應(ying)(ying)較大(da),但由于(yu)(yu)阻(zu)尼(ni)比也較大(da),這樣又會削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)應(ying)(ying),二(er)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)相互影響下,磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆積壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)應(ying)(ying)將不(bu)會過(guo)于(yu)(yu)強(qiang)烈,這對磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定(ding)性是(shi)有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干密度為1.12(變(bian)化(hua)范圍1.1~1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.29~1.3lg/cm3)進行試驗,破(po)壞標(biao)準為總應變(bian)達到10%。

圖15給出了動剪應力(li)(li)比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次(ci)Nf的關(guan)系曲線圖,其(qi)中σ0為振前試樣45°面上的有效(xiao)法(fa)向應力(li)(li),表(biao)達為:σ0=(Kc+1)σ2′/2,Kc為固(gu)結比(bi)。從(cong)試驗結果可(ke)以看出,沉積磷石膏的動強度與(yu)其(qi)它土體相似,表(biao)現為圍壓(ya)和(he)固(gu)結應力(li)(li)比(bi)與(yu)動剪應力(li)(li)比(bi)呈(cheng)負相關(guan)關(guan)系。

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為(wei)判別(bie)沉積磷石膏的抗液化(hua)能力,假定(ding)抗震(zhen)設計烈(lie)度為(wei)8度,即等效振次(ci)Ⅳ可(ke)取為(wei)30。首先由(you)式(shi)(4)

所(suo)示的冪函數關系(xi)式得到振(zhen)次為(wei)30時(shi)各個圍(wei)壓和固(gu)結比下的動剪應力比:

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合(he)求得動剪應(ying)力比(bi)與圍壓和固結(jie)應(ying)力比(bi)的關系(xi)式:ρa=1.12g/cm3:τd/σ′0=0.5395-0.01σ3/pa0.037Kc;ρd=1.306g/cm3:τd/σ0′=0.589-0.008σ3/ρa0.039Kc。


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


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從上(shang)述擬(ni)合關系(xi)式可見,密實度提(ti)(ti)高(gao)(gao)后(hou),動剪應力比(bi)提(ti)(ti)高(gao)(gao),表(biao)明抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力也提(ti)(ti)高(gao)(gao)。但即使是在低密度下,其(qi)動剪應力比(bi)較之同類的(de)粉(fen)土或(huo)粉(fen)砂(sha)也大出許多,表(biao)明磷石膏具(ju)有較高(gao)(gao)的(de)抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力。


三、結論

依托(tuo)柳樹箐磷石膏堆積(ji)壩,在鉆(zhan)探取樣工作(zuo)的基礎上,首先(xian)開(kai)展了物理性質(zhi)試(shi)驗(yan),然后開(kai)展了靜動(dong)力力學特性試(shi)驗(yan)。通(tong)過上述試(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu),得出如下結論:

(1)沉積磷石膏總體上屬于級(ji)配不良的粉土(tu),局部屬于粉砂一中(zhong)砂,無自(zi)然分級(ji)現(xian)象(xiang)。其(qi)干密度和粒(li)徑變化(hua)隨埋深或距放漿口(kou)距離的變化(hua)不明顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水平方(fang)向的滲透系(xi)數大于垂直方(fang)向的滲透系(xi)數,呈現(xian)明顯的各向異性。

(3)與(yu)土體顆粒不可壓(ya)縮(suo)不同,磷石膏(gao)的晶體結(jie)構會發(fa)生壓(ya)縮(suo)破壞(huai),具有較大的壓(ya)縮(suo)性,其(qi)次固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量(liang)遠(yuan)大于主固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量(liang)。

(4)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏的靜動強(qiang)度較之同等密實度下的粉(fen)土(tu)、粉(fen)砂要高。


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