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主營項(xiang)目:石(shi)(shi)膏(gao)板(ban)生產線、石(shi)(shi)膏(gao)粉生產線、石(shi)(shi)膏(gao)裝飾板(ban)生產線等石(shi)(shi)膏(gao)設備(bei)

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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(yao):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(yin)言

磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)是(shi)(shi)濕(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)副(fu)產(chan)品,2018年(nian),全(quan)國磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產(chan)生量(liang)為7800萬噸,且呈逐年(nian)增長的(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)主要成(cheng)分(fen)(fen)是(shi)(shi)CaO和SO3,但含有一定量(liang)的(de)(de)氟化物(wu)和其(qi)(qi)它放射性物(wu)質(zhi),在中(zhong)(zhong)國通(tong)常按Ⅱ類(lei)一般(ban)工業(ye)固體廢(fei)物(wu)處(chu)(chu)理,鑒于無害化處(chu)(chu)理成(cheng)本較高(gao),目前綜合利(li)用(yong)率尚不足(zu)40%,故大部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)(di)的(de)(de)不同,可分(fen)(fen)為平地(di)(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和截(jie)河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang),在中(zhong)(zhong)國基本上(shang)是(shi)(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)。相比較干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun),濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)經(jing)濟優勢(shi)明顯,因而如地(di)(di)質(zhi)條件為非碳酸(suan)鹽巖地(di)(di)區(qu)(qu),一般(ban)均(jun)采用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。隨(sui)著中(zhong)(zhong)國磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥(fei)工業(ye)的(de)(de)快速(su)發展,本世紀初中(zhong)(zhong)國相繼(ji)建設了幾座濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫,例如云天(tian)化國際化工三環(huan)分(fen)(fen)公司(si)的(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩和富瑞分(fen)(fen)公司(si)的(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩,這(zhe)兩座壩設計壩高(gao)均(jun)超過100m、處(chu)(chu)于8度地(di)(di)震(zhen)區(qu)(qu),其(qi)(qi)安全(quan)性備受關(guan)注。


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



據統計,110多年(1901年一2013年)來(lai),全世界有(you)118座尾(wei)礦壩曾發生(sheng)過破壞(huai)或(huo)潰壩事故(gu),原(yuan)因(yin)主要有(you)地震、洪水(shui)漫(man)頂、滲透破壞(huai)和基礎失穩(wen)。尾(wei)礦庫失事后會造成巨大的生(sheng)態災難(nan)和人員傷亡,近幾十年來(lai),

國內(nei)外對金屬(shu)尾(wei)礦的沉(chen)積(ji)規(gui)律(lv)、物(wu)理(li)(li)力學(xue)特(te)性(xing)(xing)及(ji)其穩定(ding)性(xing)(xing)開展(zhan)了大(da)量的研(yan)究(jiu),但(dan)對于與(yu)金屬(shu)尾(wei)礦庫相近的磷(lin)石膏庫,一般僅限于在可(ke)研(yan)階(jie)段采用人工(gong)制備(bei)樣進(jin)行物(wu)理(li)(li)力學(xue)性(xing)(xing)質(zhi)試驗,并據此(ci)進(jin)行穩定(ding)性(xing)(xing)分析(xi),尚未有(you)人針對己運行若(ruo)干年(nian)的大(da)型濕法堆存磷(lin)石膏堆積(ji)壩開展(zhan)過磷(lin)石膏沉(chen)積(ji)規(gui)律(lv)及(ji)其物(wu)理(li)(li)力學(xue)特(te)性(xing)(xing)的專項研(yan)究(jiu)。

本(ben)文依托柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩,首(shou)先(xian)進行(xing)了(le)鉆探取樣(yang)(yang),采用原(yuan)狀樣(yang)(yang)開展了(le)密度、含水率、滲透(tou)、土水特征和顆分(fen)等(deng)(deng)物理(li)(li)性質試(shi)驗(yan),在(zai)此基(ji)礎上有針對(dui)性的選擇原(yuan)狀樣(yang)(yang)開展了(le)三(san)軸CU、蠕變及(ji)動三(san)軸等(deng)(deng)力(li)學(xue)特性試(shi)驗(yan)。通過上述(shu)試(shi)驗(yan)研究,總(zong)結了(le)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的沉積(ji)規律、滲透(tou)特性、滲透(tou)破壞特性以(yi)及(ji)靜動力(li)特性,上述(shu)研究工作(zuo)對(dui)研究和評估磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)積(ji)壩的穩定性提供了(le)基(ji)礎數據(ju),對(dui)現行(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的運行(xing)管理(li)(li)以(yi)及(ji)新建工程的設計具有重要的借鑒意義(yi)。


一(yi)、依托工程概況

1.1柳樹(shu)箐(qing)磷石膏堆積壩堆存設計方案

由初期壩和堆積壩組成,設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高(gao)約30m,采用土料填(tian)筑。上游坡面、壩底和下游壩腳設置堆(dui)石排水體,三者相連通構成(cheng)整個堆(dui)積壩的主要排滲(shen)系統。

(2)堆積(ji)壩(ba)及(ji)其(qi)輔助排(pai)滲措(cuo)施

采用上游式筑壩法,共(gong)20級子(zi)壩,頂寬6~9m,高度(du)5m,堆(dui)積高度(du)約100m。采用排滲管網作(zuo)為輔助排滲方案,目前己在5級、9級子(zi)壩和(he)13級子(zi)壩壩前120m范圍內設置了井字形排滲管網。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)孔平面位(wei)置見(jian)圖(tu)l。2008年6月,堆積(ji)至5級子(zi)壩(ba)(ba)時,布設(she)了(le)9個(ge)(ge)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔,鉆(zhan)孔編號K1~K9,取(qu)(qu)(qu)原(yuan)狀樣(yang)76件(jian);2013年5月,堆積(ji)至13級子(zi)壩(ba)(ba)時,又布設(she)了(le)11個(ge)(ge)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔,鉆(zhan)孔編號K10~K20,取(qu)(qu)(qu)原(yuan)狀樣(yang)112件(jian),為(wei)比較子(zi)壩(ba)(ba)加高(gao)和磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)過程中磷石(shi)(shi)膏物理力學(xue)性質的變(bian)化,在2,4級子(zi)壩(ba)(ba)K2孔和K6孔附近各布設(she)了(le)一個(ge)(ge)鉆(zhan)孔,鉆(zhan)孔編號分別為(wei)K17和K18。

1.3運(yun)行概況

柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)尾礦庫(ku)(ku)2005年開工建設,2006年1月投入(ru)運行(xing),截(jie)至(zhi)2013年5月己堆(dui)至(zhi)13級子壩,尚有7級子壩即(ji)堆(dui)存至(zhi)設計(ji)高程。鑒于磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)地(di)(di)形、地(di)(di)質(zhi)條件較(jiao)好,具(ju)備擴(kuo)容(rong)改造的條件,以提高堆(dui)存庫(ku)(ku)容(rong),減少堆(dui)存占地(di)(di),節約土地(di)(di)資源。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



本文(wen)主(zhu)要(yao)對沉積磷石(shi)膏的物理(li)力(li)學特性(xing)(xing)進(jin)行了全(quan)面(mian)總結,限(xian)于(yu)篇(pian)幅,有關現狀(zhuang)磷石(shi)膏庫(ku)堆積壩的安全(quan)性(xing)(xing)評價及(ji)其加高可行性(xing)(xing)的研(yan)究(jiu)將另文(wen)發表。


二、沉(chen)積磷石膏的物理力(li)學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密(mi)度分布

圖2給出(chu)了14個鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)取樣深(shen)度(du)和(he)試驗所(suo)得干密度(du)的(de)(de)關系,圖中UWL表示(shi)水(shui)位線上,(系鉆(zhan)孔(kong)期(qi)間(jian)的(de)(de)初見(jian)水(shui)位線,下同),DWL表示(shi)水(shui)位線下。圖3給出(chu)了水(shui)位線上下的(de)(de)飽和(he)度(du)分布圖。由于磷石膏中的(de)(de)主要成分為CaSO4·2H2O,不同溫度(du)和(he)烘(hong)烤時間(jian)對測定結(jie)果有一定影(ying)響,不能照搬現行的(de)(de)土工試驗規范,本(ben)文磷石膏的(de)(de)含水(shui)率測定方法為55℃溫度(du)下烘(hong)培24h。

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圖2沉積(ji)磷石膏(gao)干密度與埋(mai)深的關系

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

由圖3,水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上的磷(lin)(lin)石膏飽(bao)和(he)度平均值為50.4%,處于非飽(bao)和(he)狀態,水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以下的磷(lin)(lin)石膏飽(bao)和(he)度平均值為85.0%,基本處于飽(bao)和(he)狀態,由于水(shui)(shui)位(wei)下降后(hou)磷(lin)(lin)石膏來(lai)不(bu)及排水(shui)(shui)固結(jie),故(gu)而水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上局部試(shi)樣(yang)的飽(bao)和(he)度較高。

由圖2,水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以上的干密度(du)在0.98~1.67g/cm3之間(jian),均值(zhi)為1.30g/cm3;水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以下的干密度(du)在1.15~1.73g/cm3之間(jian),均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石膏(gao)(gao)(gao)與一般(ban)的尾礦有(you)所(suo)不同(tong),磷石膏(gao)(gao)(gao)的干密度(du)并(bing)不隨埋深的增大(da)(da)而明顯增大(da)(da),但(dan)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以下的磷石膏(gao)(gao)(gao)干密度(du)從統(tong)計意(yi)義上來看仍(reng)大(da)(da)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以上的磷石膏(gao)(gao)(gao)干密度(du),這主(zhu)要是由于(yu)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)的變化(hua)反復升降(jiang)而使得磷石膏(gao)(gao)(gao)排水(shui)(shui)固結所(suo)致。

室內(nei)擊(ji)(ji)實得到的(de)(de)磷石膏(gao)最(zui)大(da)干密(mi)度(du)(du)一般在1.36~1.46g/cm3之間(jian),從圖2可以看(kan)出(chu),自(zi)然沉積(ji)的(de)(de)磷石膏(gao)最(zui)大(da)干密(mi)度(du)(du)可達(da)到1.73g/cm3,原因如下:與(yu)經典(dian)的(de)(de)土骨架不可壓(ya)縮的(de)(de)理論不同,石膏(gao)本身可壓(ya)縮,同時(shi)由于(yu)顆粒(li)結(jie)構不穩定,擊(ji)(ji)實試驗過(guo)程中(zhong)磷石膏(gao)結(jie)構被破壞,受夯(hang)擊(ji)(ji)處(chu)下陷,四(si)周鼓起,出(chu)現(xian)了類似于(yu)橡(xiang)皮(pi)土的(de)(de)現(xian)象(xiang)。而在現(xian)場條件下,石膏(gao)骨架被破壞后,會(hui)(hui)導致顆粒(li)中(zhong)的(de)(de)結(jie)合(he)水(shui)滲(shen)出(chu)至孔(kong)(kong)隙(xi)內(nei),變成孔(kong)(kong)隙(xi)水(shui),排(pai)水(shui)固結(jie)后會(hui)(hui)使得磷石膏(gao)的(de)(de)孔(kong)(kong)隙(xi)比減小,干密(mi)度(du)(du)增大(da)。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



圖(tu)4給(gei)出了相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔K2和(he)(he)K17(位(wei)于2級子(zi)壩(ba)河(he)(he)床部(bu)位(wei))以及相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔K6和(he)(he)K18(位(wei)于4級子(zi)壩(ba)河(he)(he)床部(bu)位(wei))干(gan)密度(du)的(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)干(gan)密度(du)在(zai)1.12~1.47g/cm3之間(jian),均值(zhi)(zhi)為1.30g/cm3,K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)干(gan)密度(du)在(zai)1.2~1.39g/cm3之間(jian),均值(zhi)(zhi)為1.32g/cm3;K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)干(gan)密度(du)在(zai)1.13~1.57g/cm3之間(jian),均值(zhi)(zhi)為1.36g/cm3,K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)干(gan)密度(du)在(zai)1.14~1.59g/cm3之間(jian),均值(zhi)(zhi)為1.37g/cm3。可見,即使從統計意義上(shang)來看,磷石(shi)膏(gao)的(de)干(gan)密度(du)也并未隨后(hou)續磷石(shi)膏(gao)的(de)堆積而有較為明(ming)顯的(de)增(zeng)大。

(2)級配分布

顆粒分(fen)析試驗(yan)采用密度計法(fa),制備懸液時不煮沸,不加六(liu)偏磷酸鈉。圖5給出(chu)了試驗(yan)得到的級配包(bao)線、平均粒徑d50、不均勻系數(1u和曲(qu)率系數Cc的分(fen)布圖。

從圖5(a)可(ke)見(jian),磷(lin)石(shi)膏的粒(li)徑主要(yao)分(fen)(fen)布(bu)在0.005~0.075mm之間(jian),總(zong)體上屬于粉(fen)土(tu),但可(ke)能(neng)由于礦石(shi)來源或生產(chan)工藝有所不同,局部(bu)屬于粉(fen)砂(sha)~中(zhong)砂(sha)。粒(li)徑分(fen)(fen)布(bu)范圍比Blight和張超等的試驗(yan)結果要(yao)寬一些。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


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圖4子壩加高后沉(chen)積(ji)磷石膏的(de)干(gan)密度變(bian)化(hua)


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圖5沉積磷石(shi)膏(gao)的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c),無論是水平向(xiang)還是垂直向(xiang),磷(lin)石膏(gao)(gao)與(yu)金屬(shu)礦山尾(wei)礦的(de)(de)“前(qian)粗后細,上粗下細”的(de)(de)自然分級(ji)現象(xiang)不(bu)同,也即粗顆(ke)粒(li)(li)并不(bu)是沿埋深逐步減(jian)小或距離放漿(jiang)口(kou)越遠(yuan)顆(ke)粒(li)(li)越細,其原因如下:①磷(lin)石膏(gao)(gao)顆(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成(cheng)較(jiao)為(wei)集中(zhong)、均勻,主(zhu)要(yao)以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu),級(ji)配較(jiao)差;②相比(bi)較(jiao)金屬(shu)尾(wei)礦,磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重較(jiao)小,磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重一般為(wei)2.3~2.4,遠(yuan)小于金屬(shu)尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重,例(li)如鐵尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重可達(da)2.9;③放漿(jiang)口(kou)隨(sui)子(zi)壩(ba)高度不(bu)斷(duan)增加而不(bu)斷(duan)變動并向(xiang)庫尾(wei)延伸(shen),造成(cheng)沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)明顯(xian)。

從圖(tu)5(d)可見,不(bu)均(jun)勻系(xi)數Cu范(fan)圍值1.61~21.5,平均(jun)值為4.18,曲(qu)率系(xi)數(1c范(fan)圍值0.28~9.78,平均(jun)值為1.21,在統(tong)計的100多(duo)個(ge)試樣(yang)中,屬于級(ji)配不(bu)良土的占(zhan)93%。這(zhe)種級(ji)配特性(xing)決定了(le)磷石膏具(ju)有較高的壓縮性(xing)、滲(shen)透破壞型式表現為流土破壞。

2.2滲(shen)透(tou)特(te)性

(1)滲透系數(shu)

影(ying)響滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)主要因素是粒徑(jing)大(da)小(xiao)(xiao)(xiao)、級(ji)配和(he)孔隙比,因而磷石膏的(de)(de)(de)滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與粉土較為接近(jin)。由于孔隙比e減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)(xiao),使得(de)過水(shui)通道面積減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)(xiao),滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)(xiao),k與e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)。對砂土,一般(ban)認(ren)為滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)較好,圖(tu)6給(gei)出(chu)了二者間的(de)(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)曲(qu)線(xian)(xian),由于沉積磷石膏的(de)(de)(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化較大(da),使得(de)沉積磷石膏的(de)(de)(de)滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化范(fan)圍較大(da)(平(ping)均值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級(ji)),二者問(wen)的(de)(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)較差。

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圖(tu)6沉積(ji)磷石膏滲(shen)透系(xi)數與孔(kong)隙比的(de)關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)與垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)分(fen)(fen)布。沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kh一般大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為(wei)2.86,這一點與成層分(fen)(fen)布的(de)金(jin)屬尾礦規律一致。造成沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的(de)原因是由于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具有(you)明(ming)顯的(de)晶體結構,電鏡掃(sao)描(miao)顯示多(duo)為(wei)菱形和棱(leng)柱(zhu)狀(zhuang)形式(見圖8),在沉(chen)積過程中,由于(yu)(yu)扁(bian)平(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆粒多(duo)呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)排列,使(shi)(shi)得水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性,從(cong)而使(shi)(shi)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)呈現明(ming)顯的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根據(ju)中(zhong)國有色金(jin)屬工業昆明勘察(cha)設(she)計研究院(yuan)在楊家箐(qing)磷(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩開展的(de)(de)現場滲(shen)透(tou)試(shi)驗,kh/kv的(de)(de)平均值約為1.9。但張超等的(de)(de)室(shi)內試(shi)驗顯示,kh/kv的(de)(de)平均值約為0.46,也(ye)即垂直向滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)大(da)于水(shui)平向滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu),與(yu)本文和現場試(shi)驗結(jie)果(guo)恰恰相反。從磷(lin)石膏的(de)(de)微觀結(jie)構來(lai)看,本文試(shi)驗結(jie)果(guo)更為合理。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


圖7沉積(ji)磷(lin)石膏干密(mi)度(du)與水平和垂直滲透系數比(bi)值的關系


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



(2)滲透變形

圖9為磷(lin)石(shi)膏(gao)干密度為1.40g/cm3的(de)水(shui)力(li)梯度J與(yu)流(liu)速(su)V的(de)關系曲線(xian),試(shi)驗(yan)在水(shui)平管涌儀中采用(yong)(yong)水(shui)平方向的(de)滲(shen)流(liu)形式(shi)進行(xing)。試(shi)驗(yan)得到的(de)臨界坡(po)降Jc=0.355,破壞坡(po)降Jp=0.375。一(yi)(yi)般(ban)來說,對1,2級工(gong)程,滲(shen)透(tou)(tou)安(an)全系數(shu)取為2.5,則(ze)允(yun)許(xu)出逸坡(po)降為0.355/2.5=0.142,對3級以下(xia)工(gong)程,滲(shen)透(tou)(tou)安(an)全系數(shu)取2.0,則(ze)允(yun)許(xu)出逸坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)許(xu)比降與(yu)粉土一(yi)(yi)粉砂(sha)大(da)致相(xiang)同。但(dan)上述滲(shen)透(tou)(tou)變形試(shi)驗(yan)是采用(yong)(yong)自來水(shui)進行(xing)的(de),自來水(shui)對磷(lin)石(shi)膏(gao)具有一(yi)(yi)定的(de)溶蝕(shi)作(zuo)用(yong)(yong),而實(shi)際上磷(lin)石(shi)膏(gao)中殘余磷(lin)、硫和氟酸(suan),庫水(shui)的(de)pH值一(yi)(yi)般(ban)小于3(稱之為酸(suan)性水(shui)),在酸(suan)性水(shui)作(zuo)用(yong)(yong)下(xia),磷(lin)石(shi)膏(gao)不會發生破壞,上述試(shi)驗(yan)結果是偏于保守的(de),但(dan)對非(fei)酸(suan)性水(shui)條(tiao)件(jian)(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)滲(shen)透(tou)(tou)穩定判斷有一(yi)(yi)定的(de)借鑒(jian)意義(yi)。

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圖(tu)9水力梯度J-流速v試(shi)驗過程線(ρd=140g/cm3)


(3)土水特征(zheng)試(shi)驗

試驗(yan)(yan)在(zai)5Bar的壓力(li)板儀中進行,環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1,1.2和1.29g/cm3共3組,吸力(li)范圍0~500kPa。表(biao)l列出了含水率(lv)特征值,試驗(yan)(yan)曲線見圖10所示。

試驗(yan)結果表明(ming):①干(gan)密(mi)度對進(jin)氣值沒有明(ming)顯的影(ying)響,不同干(gan)密(mi)度的試樣的進(jin)氣值大(da)致(zhi)在(zai)10kPa左右(you);②土(tu)樣殘(can)余(yu)含(han)水率隨干(gan)密(mi)度的增加而減少,殘(can)余(yu)含(han)水率約(yue)為飽和含(han)水率的10%。上述特性(xing)與粉土(tu)一粉砂基本一致(zhi)。

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2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)密度(du)(du)變化較(jiao)(jiao)大,而進行三軸(zhou)試(shi)驗(yan)(yan)需要若(ruo)干原(yuan)狀樣(yang),為(wei)(wei)使(shi)試(shi)驗(yan)(yan)結果具有較(jiao)(jiao)好的(de)一致性,有針對(dui)性的(de)選(xuan)擇平均干密度(du)(du)分別(bie)為(wei)(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(de)若(ruo)干試(shi)樣(yang),進行了5組(zu)三軸(zhou)CU試(shi)驗(yan)(yan)。圖11是為(wei)(wei)干密度(du)(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三軸(zhou)CU試(shi)驗(yan)(yan)曲線。

從圖(tu)11可以看出,磷(lin)石膏(gao)的(de)應力應變關(guan)系曲線在低圍壓下表(biao)現(xian)為(wei)軟化型,在高圍壓下表(biao)現(xian)為(wei)硬化型,與一般(ban)土(tu)類(lei)相似。但與一般(ban)粉土(tu)一粉砂不同(tong)的(de)是,即使在較為(wei)疏松(song)的(de)狀(zhuang)態(tai)下,磷(lin)石膏(gao)仍表(biao)現(xian)了較為(wei)強烈的(de)剪脹(zhang),隨密實(shi)度增大,剪脹(zhang)作用愈發(fa)明顯。

表2給出(chu)了(le)不(bu)同干(gan)密度(du)(du)下的(de)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao),圖12給出(chu)了(le)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)與干(gan)密度(du)(du)的(de)關系曲線。隨干(gan)密度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)大(da),內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)大(da),且可采(cai)用(yong)冪(mi)函數(shu)較(jiao)(jiao)好地擬合(he)。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)干(gan)密度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3,增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%,總應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬合(he)曲線求得),增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%,有效(xiao)應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°,增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%,由(you)于隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)大(da),孔壓(ya)也(ye)明(ming)(ming)(ming)顯(xian)(xian)增(zeng)(zeng)大(da),故(gu)有效(xiao)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅較(jiao)(jiao)之總應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要小(xiao)。另外較(jiao)(jiao)之于干(gan)密度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅,摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅并不(bu)顯(xian)(xian)著,表明(ming)(ming)(ming)即(ji)使較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)仍具有較(jiao)(jiao)高的(de)強度(du)(du)指標,這也(ye)表明(ming)(ming)(ming)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

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(2)蠕變(次(ci)固(gu)結(jie))變形試驗(yan)

磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變變形試(shi)(shi)驗(yan)(yan)在(zai)側限壓縮儀中進行,試(shi)(shi)驗(yan)(yan)狀態相(xiang)當于K0固結。試(shi)(shi)樣(yang)直徑61.8mm,高度20mm,試(shi)(shi)樣(yang)干密度為1.30g/cm3,對試(shi)(shi)樣(yang)飽和后分(fen)別開展了上(shang)覆(fu)壓力(li)ρ為100,200,400,800kPa的(de)試(shi)(shi)驗(yan)(yan),

試驗(yan)從2012年(nian)8月27日(ri)開始,試驗(yan)己進行了(le)1年(nian)多,試驗(yan)結果(guo)見圖13所(suo)示(shi)。

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從圖(tu)13中可以(yi)看出(chu):上覆荷載越(yue)大(da),磷(lin)石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形也(ye)越(yue)大(da),荷載施加1年后,磷(lin)石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形仍非(fei)常顯著,尚(shang)未達到(dao)穩定(ding)狀態,這也(ye)是磷(lin)石膏堆積壩(ba)后期變(bian)形較大(da)的原因(yin),原型觀測資(zi)料表明,在5級子(zi)壩(ba)河床部位(wei)的表面(mian)沉降(jiang)量已經達到(dao)3.1m,且尚(shang)未完(wan)全穩定(ding)。

按時間對(dui)數(shu)法(fa),可求得各級荷載下的主(zhu)(zhu)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)量如表(biao)3所示。試驗結(jie)(jie)果表(biao)明(ming),在(zai)(zai)100~400kPa上覆荷載作用下,在(zai)(zai)試驗時間范圍(wei)內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)是主(zhu)(zhu)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)的1.8~3.1倍,當(dang)然由于(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)尚未(wei)完成(cheng),實際的蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)應更大。對(dui)土(tu)(tu)(tu)(tu)體(ti)而(er)言(yan),發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的原(yuan)(yuan)因(yin)(yin)是由于(yu)(yu)土(tu)(tu)(tu)(tu)體(ti)在(zai)(zai)主(zhu)(zhu)固結(jie)(jie)完成(cheng)之后,土(tu)(tu)(tu)(tu)體(ti)中仍有微小(xiao)的超(chao)靜孔隙(xi)壓力(li)存在(zai)(zai),驅使(shi)水在(zai)(zai)顆粒問(wen)流動,一般來講土(tu)(tu)(tu)(tu)體(ti)的次(ci)(ci)固結(jie)(jie)遠(yuan)小(xiao)于(yu)(yu)主(zhu)(zhu)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing);對(dui)磷石(shi)膏而(er)言(yan),其滲(shen)透系(xi)數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級,遠(yuan)大于(yu)(yu)黏(nian)性土(tu)(tu)(tu)(tu),但其卻發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了(le)極為顯(xian)著的次(ci)(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing),其原(yuan)(yuan)因(yin)(yin)在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石(shi)膏晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)構發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了(le)壓縮、破壞,接觸(chu)點(dian)晶(jing)格(ge)(ge)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和(he)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing),而(er)破壞后晶(jing)格(ge)(ge)之間的重新排列(lie)、調整(zheng)到最(zui)后趨于(yu)(yu)相對(dui)靜止需要相當(dang)長的時間才能完成(cheng)。

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2.4動力力學特性

試(shi)驗(yan)設備采(cai)用英國GDS公司進口的電(dian)機控制(zhi)動三(san)軸試(shi)驗(yan)系統,試(shi)樣(yang)直徑39.1mm,高(gao)度80mm。

(1)動模(mo)量和阻(zu)尼比(bi)

同樣由于自然(ran)沉積的磷石膏密度變化較大(da),為此(ci)根(gen)據物理性質試驗結果,選擇(ze)兩種平均干密度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(jin)行試驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)(de)動(dong)剪切模量G、阻(zu)尼(ni)比與剪應變幅值γd的(de)(de)關系式如(ru)下:

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式(shi)中k1為(wei)參數(shu),表示動剪切模量的(de)(de)衰減或阻尼比的(de)(de)增長速(su)率;λmax為(wei)最大阻尼比;Gmax,γd分別(bie)為(wei)最大動剪切模量和歸一(yi)化的(de)(de)動剪應變,表示為(wei)

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式中k2,n為(wei)(wei)(wei)參(can)數;σm為(wei)(wei)(wei)球應力;Pa為(wei)(wei)(wei)標準大氣壓;vd為(wei)(wei)(wei)動(dong)泊松比;εa為(wei)(wei)(wei)歸一化的動(dong)應變,表達為(wei)(wei)(wei)

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圖(tu)14給出(chu)(chu)了動(dong)剪切模量(liang)、阻(zu)尼比與歸一化(hua)動(dong)應變的(de)關系曲(qu)(qu)線,另外圖(tu)中還給出(chu)(chu)了式(shi)(1)的(de)擬(ni)合曲(qu)(qu)線以及Seed等給出(chu)(chu)的(de)砂樣的(de)上下邊界線,圖(tu)例中,σ2表(biao)(biao)示圍壓,Kc表(biao)(biao)示固結(jie)應力比。

從圖中(zhong)(zhong)可以看(kan)出(chu):①式(1)可較(jiao)好(hao)地描述磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)動應(ying)力-動應(ying)變(bian)試(shi)驗曲線(xian),表明采用(yong)等價黏彈性模型進行循環荷(he)載作用(yong)下(xia)的(de)(de)(de)分析是(shi)可行的(de)(de)(de);②圖14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)位于(yu)(yu)干(gan)密(mi)度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)上方,圖14(b)中(zhong)(zhong)則位于(yu)(yu)下(xia)方,表明密(mi)度越大(da),動彈模越大(da)、阻尼(ni)比(bi)(bi)越小;③圖14(a)中(zhong)(zhong),兩種干(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)擬合線(xian)基(ji)本(ben)位于(yu)(yu)Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)邊界(jie)線(xian)上方,而圖14(b)中(zhong)(zhong)則基(ji)本(ben)處于(yu)(yu)邊界(jie)線(xian)中(zhong)(zhong)間,表明相(xiang)比(bi)(bi)較(jiao)砂(sha)樣,磷(lin)石(shi)膏(gao)動彈模較(jiao)大(da),會導致(zhi)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)動力反(fan)應(ying)較(jiao)大(da),但由(you)于(yu)(yu)阻尼(ni)比(bi)(bi)也較(jiao)大(da),這(zhe)樣又會削弱壩體的(de)(de)(de)動力反(fan)應(ying),二者的(de)(de)(de)相(xiang)互影響下(xia),磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩壩體的(de)(de)(de)動力反(fan)應(ying)將不會過于(yu)(yu)強烈,這(zhe)對(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)抗(kang)震穩(wen)定性是(shi)有利的(de)(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選(xuan)擇兩種平均干密(mi)度(du)為1.12(變(bian)化(hua)范(fan)圍1.1~1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍1.29~1.3lg/cm3)進行試驗(yan),破(po)壞標(biao)準為總應變(bian)達到(dao)10%。

圖15給(gei)出了動(dong)(dong)剪應(ying)(ying)(ying)力(li)比τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次(ci)Nf的(de)關(guan)系曲線圖,其(qi)中σ0為(wei)振(zhen)前試樣45°面上(shang)的(de)有(you)效法向(xiang)應(ying)(ying)(ying)力(li),表(biao)(biao)達為(wei):σ0=(Kc+1)σ2′/2,Kc為(wei)固結(jie)(jie)比。從試驗結(jie)(jie)果可(ke)以看出,沉積(ji)磷石膏的(de)動(dong)(dong)強度(du)與(yu)其(qi)它(ta)土體相似,表(biao)(biao)現為(wei)圍(wei)壓和固結(jie)(jie)應(ying)(ying)(ying)力(li)比與(yu)動(dong)(dong)剪應(ying)(ying)(ying)力(li)比呈負相關(guan)關(guan)系。

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為判(pan)別沉積磷石膏(gao)的抗(kang)液化能力,假定抗(kang)震設計烈度為8度,即(ji)等效振次Ⅳ可取為30。首先(xian)由式(4)

所示的(de)冪函數關(guan)系式得(de)到振次為30時(shi)各個圍(wei)壓和固結比下的(de)動剪應力比:

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求(qiu)得動剪應力比與圍(wei)壓(ya)和固結應力比的(de)關系式: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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從上述擬合關系式(shi)可見,密實度(du)提高(gao)(gao)后,動剪應(ying)力(li)(li)比(bi)提高(gao)(gao),表明(ming)抗(kang)液化(hua)能(neng)力(li)(li)也(ye)提高(gao)(gao)。但(dan)即使是在低(di)密度(du)下,其動剪應(ying)力(li)(li)比(bi)較之同(tong)類的(de)粉(fen)土或(huo)粉(fen)砂也(ye)大出許多,表明(ming)磷石(shi)膏(gao)具有較高(gao)(gao)的(de)抗(kang)液化(hua)能(neng)力(li)(li)。


三、結論

依托柳樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩,在鉆(zhan)探(tan)取樣工(gong)作(zuo)的基礎上(shang),首先開展了物(wu)理性質試(shi)(shi)驗,然(ran)后開展了靜動(dong)力(li)力(li)學特性試(shi)(shi)驗。通過上(shang)述試(shi)(shi)驗研究,得出如(ru)下結論:

(1)沉(chen)積磷石膏總體上屬于級配不良的(de)(de)粉土(tu),局部屬于粉砂一中砂,無自然(ran)分級現象。其干(gan)密(mi)度和粒(li)徑變化隨埋深或(huo)距(ju)放漿口距(ju)離(li)的(de)(de)變化不明顯。

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

(3)與土體(ti)顆粒(li)不可壓(ya)(ya)縮不同(tong),磷石膏的晶(jing)體(ti)結構會發生(sheng)壓(ya)(ya)縮破壞,具有較大的壓(ya)(ya)縮性,其次固結變形量遠大于主固結變形量。

(4)沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)靜動強度(du)(du)較(jiao)之同等密實(shi)度(du)(du)下的(de)粉土、粉砂要(yao)高。


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