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主營項目:石膏板(ban)生(sheng)產線(xian)(xian)(xian)、石膏粉生(sheng)產線(xian)(xian)(xian)、石膏裝飾(shi)板(ban)生(sheng)產線(xian)(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)石膏是(shi)(shi)濕(shi)法磷(lin)(lin)酸(suan)(suan)生產過程中的(de)副產品,2018年,全國磷(lin)(lin)石膏產生量為(wei)7800萬(wan)噸,且呈(cheng)逐年增長的(de)態勢。磷(lin)(lin)石膏的(de)主要(yao)成分(fen)是(shi)(shi)CaO和(he)SO3,但含有(you)一定量的(de)氟化(hua)(hua)物(wu)和(he)其(qi)它放射性物(wu)質,在中國通常(chang)按Ⅱ類一般工(gong)(gong)業固體廢物(wu)處理,鑒于(yu)無(wu)害化(hua)(hua)處理成本較(jiao)高,目前綜合(he)利用率(lv)尚不(bu)足40%,故大部分(fen)磷(lin)(lin)石膏需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)場地的(de)不(bu)同(tong),可分(fen)為(wei)平(ping)地型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)場,在中國基本上是(shi)(shi)山谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)場。相比較(jiao)干法堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun),濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明顯(xian),因而如地質條件為(wei)非碳酸(suan)(suan)鹽巖地區,一般均(jun)采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)方(fang)式。隨著中國磷(lin)(lin)肥工(gong)(gong)業的(de)快(kuai)速(su)發展,本世(shi)紀初(chu)中國相繼建設了幾座濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)大型(xing)磷(lin)(lin)石膏庫(ku),例如云天化(hua)(hua)國際化(hua)(hua)工(gong)(gong)三環分(fen)公司(si)的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石膏庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba)和(he)富瑞分(fen)公司(si)的(de)楊家箐磷(lin)(lin)石膏庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba),這兩座壩(ba)設計壩(ba)高均(jun)超過100m、處于(yu)8度地震區,其(qi)安全性備受關注。


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



據統計,110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來(lai),全世界(jie)有(you)118座(zuo)尾礦壩曾發生過破壞(huai)或潰壩事(shi)故(gu),原(yuan)因主要有(you)地震、洪水漫頂、滲透破壞(huai)和(he)基礎失穩(wen)。尾礦庫失事(shi)后會造成巨大的生態(tai)災難和(he)人員傷亡,近幾十年(nian)(nian)來(lai),

國(guo)內(nei)外(wai)對金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的(de)沉積規(gui)律(lv)、物理(li)(li)力(li)學(xue)特(te)性(xing)及其(qi)(qi)穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)開(kai)展了大(da)量(liang)的(de)研究(jiu),但(dan)對于與(yu)金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)庫(ku)相近(jin)的(de)磷石膏庫(ku),一般僅限于在(zai)可研階段(duan)采用人(ren)工制備樣(yang)進行(xing)物理(li)(li)力(li)學(xue)性(xing)質試驗,并據(ju)此(ci)進行(xing)穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)分析,尚(shang)未有人(ren)針對己運行(xing)若干年的(de)大(da)型(xing)濕法(fa)堆存磷石膏堆積壩開(kai)展過磷石膏沉積規(gui)律(lv)及其(qi)(qi)物理(li)(li)力(li)學(xue)特(te)性(xing)的(de)專(zhuan)項研究(jiu)。

本文依(yi)托柳樹箐(qing)磷(lin)石膏(gao)堆積壩,首(shou)先(xian)進行(xing)了鉆(zhan)探取(qu)樣(yang),采用原狀(zhuang)樣(yang)開(kai)展了密度、含(han)水(shui)率、滲透、土水(shui)特(te)征和顆分等物理性(xing)(xing)質試驗,在此基(ji)礎上有(you)針對性(xing)(xing)的(de)(de)選擇(ze)原狀(zhuang)樣(yang)開(kai)展了三軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三軸(zhou)等力(li)學特(te)性(xing)(xing)試驗。通(tong)過上述試驗研究(jiu),總(zong)結(jie)了磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)沉積規律(lv)、滲透特(te)性(xing)(xing)、滲透破(po)壞特(te)性(xing)(xing)以及(ji)靜動力(li)特(te)性(xing)(xing),上述研究(jiu)工作對研究(jiu)和評估磷(lin)石膏(gao)庫堆積壩的(de)(de)穩定性(xing)(xing)提供了基(ji)礎數據,對現行(xing)磷(lin)石膏(gao)庫的(de)(de)運行(xing)管(guan)理以及(ji)新建工程的(de)(de)設計具有(you)重要的(de)(de)借鑒(jian)意義。


一、依托工程(cheng)概況(kuang)

1.1柳樹(shu)箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存(cun)設(she)計(ji)方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成,設計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)壩(ba)高(gao)約30m,采用土(tu)料填筑。上游坡面、壩(ba)底和(he)下游壩(ba)腳設置堆石排水(shui)體,三(san)者相連通構成整個堆積壩(ba)的主(zhu)要排滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其輔助(zhu)排滲措施

采(cai)用上游式筑壩(ba)法,共20級(ji)子壩(ba),頂寬6~9m,高度(du)5m,堆積高度(du)約100m。采(cai)用排(pai)滲(shen)管(guan)網作為輔助排(pai)滲(shen)方案,目前(qian)己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和(he)13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范圍內設置了井(jing)字形(xing)排(pai)滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔平面位置見圖l。2008年6月,堆積(ji)(ji)至5級子(zi)壩時,布設了9個取樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔,鉆(zhan)孔編(bian)號(hao)(hao)K1~K9,取原(yuan)狀樣(yang)(yang)76件;2013年5月,堆積(ji)(ji)至13級子(zi)壩時,又布設了11個取樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔,鉆(zhan)孔編(bian)號(hao)(hao)K10~K20,取原(yuan)狀樣(yang)(yang)112件,為(wei)(wei)比較子(zi)壩加(jia)高和磷(lin)石膏堆積(ji)(ji)過程中磷(lin)石膏物理力學性質的變化(hua),在2,4級子(zi)壩K2孔和K6孔附近各布設了一(yi)個鉆(zhan)孔,鉆(zhan)孔編(bian)號(hao)(hao)分別(bie)為(wei)(wei)K17和K18。

1.3運行概況(kuang)

柳樹箐磷石膏尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建設,2006年(nian)1月(yue)投入運行,截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)己堆至(zhi)13級子壩,尚有7級子壩即(ji)堆存至(zhi)設計高程。鑒于磷石膏庫(ku)地(di)形、地(di)質條件(jian)較(jiao)好,具備擴(kuo)容改造的(de)條件(jian),以提(ti)高堆存庫(ku)容,減(jian)少堆存占地(di),節約(yue)土(tu)地(di)資(zi)源。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



本文主要(yao)對沉積磷石膏的(de)物(wu)理力(li)學特性進行了(le)全(quan)面總結,限(xian)于篇(pian)幅,有關現狀磷石膏庫堆積壩的(de)安(an)全(quan)性評(ping)價及(ji)其加高可(ke)行性的(de)研究將另文發表。


二、沉積(ji)磷石膏的物(wu)理力(li)學(xue)特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出了14個鉆孔的(de)取樣(yang)深度(du)和(he)試驗所得干密度(du)的(de)關系,圖(tu)中(zhong)UWL表示水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上,(系鉆孔期(qi)間的(de)初見水(shui)位(wei)(wei)線(xian),下同),DWL表示水(shui)位(wei)(wei)線(xian)下。圖(tu)3給(gei)出了水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上下的(de)飽和(he)度(du)分(fen)布圖(tu)。由(you)于(yu)磷石膏中(zhong)的(de)主要成分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O,不(bu)同溫(wen)度(du)和(he)烘烤時間對測定(ding)結果(guo)有(you)一定(ding)影響,不(bu)能照搬現行的(de)土工試驗規范,本文磷石膏的(de)含水(shui)率(lv)測定(ding)方法為(wei)55℃溫(wen)度(du)下烘培24h。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


圖(tu)2沉積磷石膏干密度與埋深(shen)的關系

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

由圖3,水位線(xian)上的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為(wei)50.4%,處(chu)于非飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態(tai)(tai),水位線(xian)以下的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為(wei)85.0%,基本(ben)處(chu)于飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態(tai)(tai),由于水位下降(jiang)后磷(lin)石膏(gao)(gao)來不及(ji)排水固結,故而水位線(xian)上局部(bu)試樣的(de)(de)飽(bao)(bao)和(he)度(du)較高。

由圖2,水位線以(yi)(yi)(yi)上的(de)(de)干(gan)密度(du)在0.98~1.67g/cm3之間(jian),均(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3;水位線以(yi)(yi)(yi)下的(de)(de)干(gan)密度(du)在1.15~1.73g/cm3之間(jian),均(jun)值(zhi)為(wei)1.4g/cm3。可(ke)見磷石(shi)(shi)(shi)膏與一般的(de)(de)尾礦有所(suo)不同,磷石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)干(gan)密度(du)并不隨埋深的(de)(de)增(zeng)大而明(ming)顯增(zeng)大,但水位線以(yi)(yi)(yi)下的(de)(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏干(gan)密度(du)從統計意(yi)義上來看仍(reng)大于水位線以(yi)(yi)(yi)上的(de)(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏干(gan)密度(du),這主(zhu)要是由于水位線隨庫(ku)水位的(de)(de)變化反復升降而使得磷石(shi)(shi)(shi)膏排水固結所(suo)致。

室內擊(ji)實得到的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)一般在(zai)1.36~1.46g/cm3之間,從(cong)圖2可(ke)以看出(chu),自然沉積的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)可(ke)達到1.73g/cm3,原(yuan)因(yin)如下:與經典的(de)(de)土(tu)骨架不可(ke)壓(ya)縮的(de)(de)理(li)論不同(tong),石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)本身可(ke)壓(ya)縮,同(tong)時由于(yu)(yu)顆粒(li)結(jie)構不穩定(ding),擊(ji)實試驗過程中磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)結(jie)構被(bei)破壞,受夯擊(ji)處下陷(xian),四周鼓起,出(chu)現了(le)類似于(yu)(yu)橡(xiang)皮土(tu)的(de)(de)現象(xiang)。而在(zai)現場(chang)條件下,石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)骨架被(bei)破壞后,會(hui)導致顆粒(li)中的(de)(de)結(jie)合水滲出(chu)至孔(kong)隙(xi)內,變成孔(kong)隙(xi)水,排水固結(jie)后會(hui)使得磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)孔(kong)隙(xi)比減小(xiao),干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)增大。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



圖(tu)(tu)4給出了(le)相鄰鉆(zhan)孔K2和(he)K17(位(wei)于2級(ji)子壩河(he)(he)床部位(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔K6和(he)K18(位(wei)于4級(ji)子壩河(he)(he)床部位(wei))干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)對(dui)比(bi)圖(tu)(tu)。K2鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.12~1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間,均值為(wei)1.30g/cm3,K17鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.2~1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間,均值為(wei)1.32g/cm3;K6鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.13~1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間,均值為(wei)1.36g/cm3,K18鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.14~1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間,均值為(wei)1.37g/cm3。可見,即使從統計意義上(shang)來看,磷石膏的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)也并未隨后續磷石膏的(de)(de)堆積而有較為(wei)明(ming)顯的(de)(de)增(zeng)大。

(2)級配分(fen)布

顆粒分(fen)析試驗采(cai)用(yong)密度計(ji)法,制備懸(xuan)液時不煮沸,不加六(liu)偏(pian)磷酸鈉。圖5給出了試驗得到的(de)級配包線、平均粒徑(jing)d50、不均勻系(xi)數(1u和曲率(lv)系(xi)數Cc的(de)分(fen)布圖。

從(cong)圖(tu)5(a)可(ke)見,磷石膏的(de)粒徑主要(yao)分布在0.005~0.075mm之間,總體上屬(shu)于粉土(tu),但可(ke)能由于礦石來源或生產工藝有所不同,局部屬(shu)于粉砂~中砂。粒徑分布范圍(wei)比Blight和張(zhang)超等的(de)試驗(yan)結果要(yao)寬一些(xie)。

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圖4子壩加高后沉積磷石膏的干密度(du)變化


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圖5沉積(ji)磷石膏的平均粒徑和級配分布(bu)

由圖(tu)5(b)和5(c),無論(lun)是(shi)水(shui)平向還是(shi)垂直向,磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)(de)(de)(de)“前粗后細,上粗下(xia)細”的(de)(de)(de)(de)自然分級(ji)現象不同(tong),也即(ji)粗顆(ke)粒并不是(shi)沿埋深逐步減小或距離放漿(jiang)口(kou)越(yue)遠顆(ke)粒越(yue)細,其原因如下(xia):①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒粒徑(jing)(jing)組成較(jiao)為集中(zhong)、均(jun)勻,主(zhu)要以粉(fen)粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu),級(ji)配較(jiao)差;②相比較(jiao)金屬尾礦(kuang),磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)比重較(jiao)小,磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)比重一般為2.3~2.4,遠小于(yu)金屬尾礦(kuang)的(de)(de)(de)(de)比重,例如鐵尾礦(kuang)的(de)(de)(de)(de)比重可達2.9;③放漿(jiang)口(kou)隨子壩(ba)高度不斷增(zeng)加而不斷變動并向庫(ku)尾延伸(shen),造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)粒徑(jing)(jing)變化不明顯。

從(cong)圖5(d)可見(jian),不(bu)均(jun)勻系(xi)數(shu)(shu)Cu范圍(wei)值1.61~21.5,平均(jun)值為4.18,曲率(lv)系(xi)數(shu)(shu)(1c范圍(wei)值0.28~9.78,平均(jun)值為1.21,在統計(ji)的(de)100多個(ge)試樣中,屬于級配不(bu)良(liang)土(tu)的(de)占93%。這種級配特性(xing)(xing)決定了磷石(shi)膏(gao)具有較(jiao)高的(de)壓縮(suo)性(xing)(xing)、滲透破(po)壞型式表現為流土(tu)破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數(shu)

影響滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)的(de)主要(yao)因(yin)素是(shi)粒徑大小(xiao)、級(ji)配和(he)孔隙(xi)比(bi),因(yin)而磷石膏的(de)滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)與(yu)粉(fen)土較為接近。由于孔隙(xi)比(bi)e減(jian)(jian)小(xiao),使(shi)得過水通道(dao)面積減(jian)(jian)小(xiao),滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)k也將減(jian)(jian)小(xiao),k與(yu)e呈正(zheng)相關關系。對(dui)砂土,一(yi)般認為滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性關系較好,圖6給出了二者間的(de)關系曲線,由于沉(chen)積磷石膏的(de)不均(jun)勻系數(shu)(shu)變化(hua)(hua)較大,使(shi)得沉(chen)積磷石膏的(de)滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)變化(hua)(hua)范(fan)圍較大(平(ping)均(jun)值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji)),二者問的(de)線性關系較差。

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圖(tu)6沉積磷石(shi)膏滲透系(xi)(xi)數與孔隙比的(de)關(guan)系(xi)(xi)

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

圖7給出了(le)水(shui)平(ping)(ping)與(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數比值的(de)分布(bu)。沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數kh一(yi)般大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約(yue)為2.86,這一(yi)點與(yu)成層分布(bu)的(de)金屬尾礦規律一(yi)致。造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數的(de)原因(yin)是由(you)于(yu)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)有明顯(xian)(xian)的(de)晶體結構,電鏡(jing)掃(sao)描(miao)顯(xian)(xian)示多(duo)為菱形和(he)棱柱狀形式(見圖8),在沉積過(guo)程中,由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)顆粒多(duo)呈水(shui)平(ping)(ping)排列,使得水(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)的(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)性大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)的(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)性,從(cong)而使磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)呈現(xian)明顯(xian)(xian)的(de)各向(xiang)異性。

另根據中(zhong)國有色金屬(shu)工業(ye)昆明(ming)勘(kan)察設計研究院在楊(yang)家箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩開展的現場(chang)滲透(tou)(tou)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan),kh/kv的平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約為(wei)1.9。但張(zhang)超(chao)等的室內(nei)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)顯示,kh/kv的平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約為(wei)0.46,也即垂直向滲透(tou)(tou)系(xi)數大于水平(ping)(ping)向滲透(tou)(tou)系(xi)數,與本文和現場(chang)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)結果恰恰相(xiang)反。從(cong)磷石(shi)膏的微觀結構來看,本文試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)結果更為(wei)合理。

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圖7沉(chen)積磷石膏(gao)干密度與水平和垂直(zhi)滲透系數比(bi)值(zhi)的關系


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



(2)滲(shen)透(tou)變形

圖9為(wei)(wei)磷(lin)石膏干密度(du)為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)力(li)梯(ti)度(du)J與流(liu)速V的(de)關(guan)系曲線,試驗(yan)(yan)在(zai)水(shui)(shui)平管涌儀中采用(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)平方向(xiang)的(de)滲(shen)流(liu)形式進行。試驗(yan)(yan)得(de)到的(de)臨界(jie)坡降(jiang)Jc=0.355,破(po)壞坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說,對1,2級工程,滲(shen)透(tou)(tou)安(an)全系數取為(wei)(wei)2.5,則允(yun)許出逸坡降(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142,對3級以下工程,滲(shen)透(tou)(tou)安(an)全系數取2.0,則允(yun)許出逸坡降(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比(bi)降(jiang)與粉土一(yi)粉砂(sha)大(da)致相(xiang)同。但上(shang)(shang)述滲(shen)透(tou)(tou)變形試驗(yan)(yan)是(shi)采用(yong)(yong)(yong)自來(lai)水(shui)(shui)進行的(de),自來(lai)水(shui)(shui)對磷(lin)石膏具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)溶蝕作用(yong)(yong)(yong),而實際(ji)上(shang)(shang)磷(lin)石膏中殘余(yu)磷(lin)、硫和氟酸(suan),庫水(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)般小(xiao)于3(稱之(zhi)為(wei)(wei)酸(suan)性水(shui)(shui)),在(zai)酸(suan)性水(shui)(shui)作用(yong)(yong)(yong)下,磷(lin)石膏不(bu)會發生(sheng)破(po)壞,上(shang)(shang)述試驗(yan)(yan)結果是(shi)偏于保(bao)守的(de),但對非酸(suan)性水(shui)(shui)條(tiao)件(例如特大(da)暴雨(yu))下的(de)滲(shen)透(tou)(tou)穩定(ding)判斷(duan)有(you)一(yi)定(ding)的(de)借鑒意義。

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圖(tu)9水力梯度(du)J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)


(3)土水特征試驗

試(shi)驗在5Bar的壓力(li)板儀(yi)中進(jin)行,環(huan)刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1,1.2和(he)1.29g/cm3共3組,吸力(li)范圍0~500kPa。表(biao)l列出了含水率特征值(zhi),試(shi)驗曲線(xian)見圖(tu)10所示。

試驗結果表明(ming):①干(gan)密度(du)對進氣(qi)值沒有明(ming)顯的影響,不同干(gan)密度(du)的試樣的進氣(qi)值大致(zhi)在10kPa左右;②土樣殘余含(han)水(shui)(shui)率(lv)隨干(gan)密度(du)的增加而減少,殘余含(han)水(shui)(shui)率(lv)約為飽和含(han)水(shui)(shui)率(lv)的10%。上述特性與(yu)粉(fen)土一粉(fen)砂基本一致(zhi)。

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2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試(shi)驗

由于沉積(ji)磷石膏的(de)密(mi)度變化(hua)較(jiao)大,而進行(xing)三軸(zhou)試(shi)(shi)驗需要(yao)若干原狀(zhuang)樣(yang)(yang),為(wei)(wei)使試(shi)(shi)驗結果具有較(jiao)好的(de)一(yi)致(zhi)性(xing)(xing),有針對性(xing)(xing)的(de)選擇平均干密(mi)度分別為(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)若干試(shi)(shi)樣(yang)(yang),進行(xing)了5組三軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗。圖11是為(wei)(wei)干密(mi)度為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗曲線。

從圖11可以看(kan)出,磷石膏(gao)的(de)應力應變關系曲線在低圍壓(ya)下表現為(wei)(wei)軟化(hua)型(xing),在高圍壓(ya)下表現為(wei)(wei)硬化(hua)型(xing),與一般(ban)土類相似。但與一般(ban)粉土一粉砂(sha)不同的(de)是,即使(shi)在較為(wei)(wei)疏(shu)松的(de)狀態下,磷石膏(gao)仍(reng)表現了較為(wei)(wei)強(qiang)烈的(de)剪(jian)脹(zhang),隨(sui)密實度增大,剪(jian)脹(zhang)作用愈發(fa)明顯。

表2給(gei)出(chu)了不同(tong)干(gan)密(mi)度(du)下的(de)(de)內摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao),圖12給(gei)出(chu)了內摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)關系曲線。隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大,內摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大,且(qie)可采用冪函數較好(hao)地擬合(he)。磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為1.58g/cm3,增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了32%,總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為37.3°(根據擬合(he)曲線求得(de)),增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為9.4%,有(you)效(xiao)應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為38.8°,增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為3.2%,由(you)于隨圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大,孔壓也(ye)明(ming)(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大,故(gu)有(you)效(xiao)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較之總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較之于干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu),摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著,表明(ming)(ming)即使較為疏(shu)松的(de)(de)磷(lin)石膏仍具有(you)較高(gao)的(de)(de)強度(du)指(zhi)標,這也(ye)表明(ming)(ming)磷(lin)石膏堆積壩的(de)(de)穩定性較高(gao)。

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(2)蠕變(bian)(bian)(次固結)變(bian)(bian)形(xing)試驗

磷石膏的蠕變變形試驗(yan)在側限壓縮儀中進行,試驗(yan)狀態相當于K0固(gu)結。試樣直徑(jing)61.8mm,高度20mm,試樣干密度為1.30g/cm3,對試樣飽(bao)和(he)后分(fen)別開展了上覆壓力ρ為100,200,400,800kPa的試驗(yan),

試(shi)驗(yan)從2012年(nian)8月27日(ri)開始,試(shi)驗(yan)己進行了1年(nian)多(duo),試(shi)驗(yan)結果見(jian)圖13所示。

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從圖(tu)13中(zhong)可以(yi)看出:上覆荷載(zai)越大,磷(lin)石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形也(ye)越大,荷載(zai)施加1年后,磷(lin)石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形仍非常顯著(zhu),尚(shang)未達到穩定狀態,這也(ye)是磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩(ba)后期變(bian)形較大的原(yuan)因(yin),原(yuan)型觀測資料表明,在5級子壩(ba)河床(chuang)部位的表面(mian)沉降量已經達到3.1m,且(qie)尚(shang)未完(wan)全穩定。

按時間對(dui)數法,可(ke)求得各級荷載下的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所示。試驗結(jie)(jie)果表明,在(zai)(zai)100~400kPa上覆(fu)荷載作用(yong)下,在(zai)(zai)試驗時間范(fan)圍內(nei)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8~3.1倍(bei),當然由于蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成,實際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應(ying)更大(da)。對(dui)土(tu)體(ti)而言(yan),發生蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因是由于土(tu)體(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)完成之后,土(tu)體(ti)中仍有(you)微小的(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力(li)存在(zai)(zai),驅使水在(zai)(zai)顆粒問流(liu)動,一般來講土(tu)體(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)遠小于主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing);對(dui)磷(lin)石膏而言(yan),其(qi)滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級,遠大(da)于黏性土(tu),但其(qi)卻發生了極為顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing),其(qi)原因在(zai)(zai)于磷(lin)石膏晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)構發生了壓縮、破壞(huai),接觸點晶(jing)格(ge)發生歪曲(qu)和變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing),而破壞(huai)后晶(jing)格(ge)之間的(de)(de)重新排列(lie)、調整到(dao)最后趨于相(xiang)對(dui)靜(jing)止需要相(xiang)當長的(de)(de)時間才能完成。

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2.4動力(li)力(li)學特性

試(shi)驗(yan)設備采用英(ying)國GDS公(gong)司(si)進(jin)口(kou)的電機控制動三軸試(shi)驗(yan)系統(tong),試(shi)樣直徑39.1mm,高度80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼比

同樣(yang)由于自然沉(chen)積的(de)磷石膏密度(du)變(bian)化(hua)較大(da),為(wei)此根據(ju)物理(li)性質試驗結(jie)果,選擇兩種平均干(gan)密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍1.33~1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍1.44~1.46g/cm3)進(jin)行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模(mo)量G、阻尼比與剪應變(bian)幅值γd的關系式(shi)如(ru)下:

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式(shi)中(zhong)k1為參數,表示動(dong)剪切模量(liang)的(de)(de)衰減或阻(zu)尼比的(de)(de)增長速(su)率;λmax為最(zui)大阻(zu)尼比;Gmax,γd分(fen)別為最(zui)大動(dong)剪切模量(liang)和(he)歸一化的(de)(de)動(dong)剪應(ying)變,表示為

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式中k2,n為參數;σm為球(qiu)應(ying)力;Pa為標(biao)準大氣(qi)壓;vd為動(dong)泊松比;εa為歸一化的動(dong)應(ying)變,表達為

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圖(tu)14給(gei)出(chu)了動剪切模量、阻尼比與歸一(yi)化動應(ying)變的關系(xi)曲(qu)線(xian)(xian),另外(wai)圖(tu)中(zhong)還給(gei)出(chu)了式(1)的擬合曲(qu)線(xian)(xian)以及Seed等給(gei)出(chu)的砂樣的上下邊界(jie)線(xian)(xian),圖(tu)例(li)中(zhong),σ2表示圍壓,Kc表示固結應(ying)力比。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)以看出(chu):①式(1)可(ke)較(jiao)好地描述(shu)磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)變試驗(yan)曲線(xian)(xian),表明(ming)(ming)采用等價(jia)黏彈(dan)性(xing)(xing)模型進行(xing)循環(huan)荷載作用下的(de)(de)(de)(de)分(fen)析是(shi)可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)(de);②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)位于(yu)(yu)干密(mi)(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)上方,圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位于(yu)(yu)下方,表明(ming)(ming)密(mi)(mi)度越大(da),動(dong)(dong)彈(dan)模越大(da)、阻(zu)尼(ni)比(bi)越小;③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong),兩(liang)種干密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)基(ji)本位于(yu)(yu)Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界線(xian)(xian)上方,而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基(ji)本處于(yu)(yu)邊(bian)界線(xian)(xian)中(zhong)(zhong)間,表明(ming)(ming)相比(bi)較(jiao)砂樣,磷石(shi)(shi)膏動(dong)(dong)彈(dan)模較(jiao)大(da),會(hui)(hui)導致磷石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)較(jiao)大(da),但由于(yu)(yu)阻(zu)尼(ni)比(bi)也(ye)較(jiao)大(da),這樣又會(hui)(hui)削弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying),二者的(de)(de)(de)(de)相互影響下,磷石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)將(jiang)不會(hui)(hui)過于(yu)(yu)強烈,這對磷石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)(xing)是(shi)有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度(du)

選擇兩種平均干密(mi)度為(wei)1.12(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.1~1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.29~1.3lg/cm3)進行試驗,破壞標準為(wei)總(zong)應(ying)變(bian)達(da)到10%。

圖15給出了動剪(jian)應(ying)力比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的關系曲線圖,其(qi)中σ0為(wei)(wei)(wei)振前(qian)試(shi)樣45°面上的有效法向應(ying)力,表達(da)為(wei)(wei)(wei):σ0=(Kc+1)σ2′/2,Kc為(wei)(wei)(wei)固結(jie)(jie)比(bi)(bi)。從試(shi)驗結(jie)(jie)果(guo)可以看出,沉積磷石膏的動強度與(yu)其(qi)它(ta)土體相似,表現(xian)為(wei)(wei)(wei)圍壓和固結(jie)(jie)應(ying)力比(bi)(bi)與(yu)動剪(jian)應(ying)力比(bi)(bi)呈負(fu)相關關系。

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為(wei)判別沉積(ji)磷石膏的抗(kang)液(ye)化能(neng)力,假定抗(kang)震設計烈度為(wei)8度,即等效振次Ⅳ可取為(wei)30。首先由式(shi)(4)

所示的冪函數關系式(shi)得到振次為30時各(ge)個圍壓和固結比(bi)下的動剪應力比(bi):

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可(ke)擬合求得動剪應力(li)比與(yu)圍壓(ya)和固結應力(li)比的關系式: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(cong)上述(shu)擬合(he)關(guan)系式可(ke)見(jian),密(mi)實度(du)提(ti)高(gao)后(hou),動剪應(ying)力(li)(li)比(bi)提(ti)高(gao),表明抗液(ye)化(hua)能(neng)力(li)(li)也提(ti)高(gao)。但(dan)即使是在低密(mi)度(du)下(xia),其(qi)動剪應(ying)力(li)(li)比(bi)較之同類(lei)的粉(fen)土或粉(fen)砂也大出(chu)許多,表明磷石(shi)膏具有較高(gao)的抗液(ye)化(hua)能(neng)力(li)(li)。


三、結論

依托柳樹箐磷石膏(gao)堆(dui)積壩,在鉆(zhan)探(tan)取樣工(gong)作的基礎(chu)上,首(shou)先開(kai)展了(le)物理性質試(shi)驗(yan),然(ran)后(hou)開(kai)展了(le)靜(jing)動力力學特性試(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)研究(jiu),得(de)出如下結論(lun):

(1)沉(chen)積磷石膏(gao)總(zong)體上屬(shu)于(yu)級(ji)配不良的粉土,局部屬(shu)于(yu)粉砂一中砂,無自(zi)然分級(ji)現象。其干密(mi)度(du)和(he)粒徑變化隨埋深(shen)或距(ju)放漿口距(ju)離的變化不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏(gao)水平(ping)方(fang)向的(de)滲透系數大(da)于垂直方(fang)向的(de)滲透系數,呈現明顯的(de)各向異性。

(3)與土體(ti)顆粒不可壓縮不同(tong),磷石膏(gao)的(de)晶體(ti)結(jie)構會發生壓縮破壞,具有較大的(de)壓縮性,其次固結(jie)變形量遠大于(yu)主固結(jie)變形量。

(4)沉積磷石膏的靜動(dong)強度較之(zhi)同等(deng)密實(shi)度下的粉土、粉砂要高。


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