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主(zhu)營項目:石(shi)(shi)膏板(ban)生產線(xian)(xian)、石(shi)(shi)膏粉生產線(xian)(xian)、石(shi)(shi)膏裝飾板(ban)生產線(xian)(xian)等(deng)石(shi)(shi)膏設備(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: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(yan)

磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏是濕(shi)法磷酸生產(chan)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)副產(chan)品,2018年,全(quan)國磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏產(chan)生量(liang)為(wei)7800萬噸,且呈逐年增長的(de)態(tai)勢(shi)。磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏的(de)主要成分(fen)是CaO和SO3,但含(han)有一(yi)定量(liang)的(de)氟化物(wu)和其(qi)它放射(she)性(xing)物(wu)質,在(zai)(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)國通(tong)常(chang)按(an)Ⅱ類一(yi)般工(gong)業(ye)固體廢物(wu)處理,鑒于無害化處理成本較高,目(mu)前綜合利用(yong)率(lv)尚不(bu)足40%,故大部(bu)分(fen)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏需要堆(dui)(dui)存存放。按(an)堆(dui)(dui)存場地(di)(di)的(de)不(bu)同,可(ke)分(fen)為(wei)平(ping)地(di)(di)型(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)場,在(zai)(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)國基(ji)本上是山谷型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較干法堆(dui)(dui)存,濕(shi)法堆(dui)(dui)存經濟優(you)勢(shi)明顯(xian),因而(er)如地(di)(di)質條件為(wei)非(fei)碳酸鹽巖地(di)(di)區,一(yi)般均采用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方式(shi)。隨著中(zhong)(zhong)(zhong)國磷肥工(gong)業(ye)的(de)快速(su)發展,本世紀初中(zhong)(zhong)(zhong)國相(xiang)繼(ji)建(jian)設(she)了幾(ji)座濕(shi)法堆(dui)(dui)存的(de)大型(xing)(xing)(xing)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏庫,例如云天化國際化工(gong)三環分(fen)公司(si)的(de)柳樹箐磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏庫堆(dui)(dui)積壩和富(fu)瑞分(fen)公司(si)的(de)楊家箐磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏庫堆(dui)(dui)積壩,這兩座壩設(she)計壩高均超(chao)過(guo)(guo)100m、處于8度地(di)(di)震(zhen)區,其(qi)安全(quan)性(xing)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(duo)年(1901年一2013年)來(lai),全世界有(you)118座尾礦(kuang)壩(ba)曾(ceng)發(fa)生(sheng)過破壞或潰壩(ba)事故(gu),原因主要有(you)地震、洪(hong)水漫頂、滲(shen)透破壞和基(ji)礎失穩(wen)。尾礦(kuang)庫失事后會造(zao)成巨大(da)的(de)生(sheng)態(tai)災難和人員(yuan)傷亡,近幾十年來(lai),

國內(nei)外對金屬(shu)尾礦(kuang)的(de)(de)沉積(ji)規律(lv)、物(wu)理(li)力(li)學特性(xing)及(ji)其(qi)穩定性(xing)開展了大量的(de)(de)研(yan)究,但對于(yu)與金屬(shu)尾礦(kuang)庫相近的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫,一般僅限于(yu)在(zai)可(ke)研(yan)階段采用人工制備樣進行物(wu)理(li)力(li)學性(xing)質試驗,并據此進行穩定性(xing)分析,尚未有(you)人針對己運行若干年(nian)的(de)(de)大型濕法堆存(cun)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩開展過磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)沉積(ji)規律(lv)及(ji)其(qi)物(wu)理(li)力(li)學特性(xing)的(de)(de)專項研(yan)究。

本文依托柳樹箐磷石膏堆(dui)積(ji)壩,首(shou)先進行了(le)鉆(zhan)探取樣,采用原(yuan)狀樣開(kai)展了(le)密(mi)度、含水率、滲(shen)(shen)透、土水特征(zheng)和顆分等(deng)物理性(xing)(xing)(xing)質試驗(yan)(yan),在此基礎(chu)上有針對(dui)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)選擇原(yuan)狀樣開(kai)展了(le)三軸CU、蠕(ru)變及(ji)動三軸等(deng)力學特性(xing)(xing)(xing)試驗(yan)(yan)。通過上述(shu)試驗(yan)(yan)研(yan)究,總結了(le)磷石膏的(de)(de)沉積(ji)規(gui)律(lv)、滲(shen)(shen)透特性(xing)(xing)(xing)、滲(shen)(shen)透破壞特性(xing)(xing)(xing)以(yi)及(ji)靜動力特性(xing)(xing)(xing),上述(shu)研(yan)究工(gong)作對(dui)研(yan)究和評估磷石膏庫堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)穩定性(xing)(xing)(xing)提供了(le)基礎(chu)數據(ju),對(dui)現(xian)行磷石膏庫的(de)(de)運行管(guan)理以(yi)及(ji)新建工(gong)程的(de)(de)設計具有重要的(de)(de)借(jie)鑒意義。


一(yi)、依托工(gong)程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存(cun)設計方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組(zu)成,設計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m,采用(yong)土料填筑。上游坡面、壩(ba)(ba)底和(he)下游壩(ba)(ba)腳設置堆石排水體(ti),三(san)者相連通構成整個堆積壩(ba)(ba)的主要排滲系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措施

采(cai)用上游式筑壩(ba)(ba)法(fa),共20級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)(ba),頂寬6~9m,高度(du)5m,堆積高度(du)約100m。采(cai)用排(pai)(pai)滲管網作為輔(fu)助排(pai)(pai)滲方案(an),目前(qian)己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)(ba)和13級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前(qian)120m范圍內(nei)設置了井字形排(pai)(pai)滲管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探(tan)取(qu)樣(yang)

鉆(zhan)孔(kong)平(ping)面位置見圖l。2008年6月(yue),堆積(ji)(ji)至5級(ji)子(zi)壩(ba)時(shi),布(bu)設(she)了9個取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong),鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號(hao)(hao)K1~K9,取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)(yang)76件;2013年5月(yue),堆積(ji)(ji)至13級(ji)子(zi)壩(ba)時(shi),又布(bu)設(she)了11個取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong),鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號(hao)(hao)K10~K20,取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)(yang)112件,為比(bi)較子(zi)壩(ba)加高和磷(lin)石膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)過程中(zhong)磷(lin)石膏(gao)(gao)物理力學(xue)性質的變化,在2,4級(ji)子(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布(bu)設(she)了一個鉆(zhan)孔(kong),鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號(hao)(hao)分(fen)別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫(ku)(ku)2005年(nian)開工建設,2006年(nian)1月(yue)投入運(yun)行,截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)己堆(dui)至(zhi)13級子壩(ba)(ba),尚有7級子壩(ba)(ba)即(ji)堆(dui)存至(zhi)設計高(gao)程(cheng)。鑒于(yu)磷石膏庫(ku)(ku)地(di)形、地(di)質條件較(jiao)好,具備擴容(rong)改造(zao)的條件,以(yi)提高(gao)堆(dui)存庫(ku)(ku)容(rong),減(jian)少堆(dui)存占地(di),節約土(tu)地(di)資(zi)源。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



本文主要對(dui)沉積磷石膏的(de)物理(li)力學特性進行(xing)了全(quan)面(mian)總結,限于篇幅,有關現狀磷石膏庫堆積壩(ba)的(de)安全(quan)性評價(jia)及(ji)其加(jia)高(gao)可行(xing)性的(de)研究將另文發表。


二、沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)的(de)物理力學特性

2.1物(wu)理特(te)性(xing)

(1)干密度分布

圖2給(gei)出了(le)14個鉆孔的(de)取(qu)樣深度(du)(du)和(he)試(shi)驗所(suo)得干密度(du)(du)的(de)關系,圖中(zhong)UWL表示(shi)水(shui)位線(xian)(xian)上(shang),(系鉆孔期間(jian)的(de)初(chu)見水(shui)位線(xian)(xian),下(xia)同),DWL表示(shi)水(shui)位線(xian)(xian)下(xia)。圖3給(gei)出了(le)水(shui)位線(xian)(xian)上(shang)下(xia)的(de)飽(bao)和(he)度(du)(du)分布圖。由于磷石膏中(zhong)的(de)主要成分為(wei)CaSO4·2H2O,不同溫度(du)(du)和(he)烘烤時間(jian)對測定(ding)結果有一定(ding)影響(xiang),不能(neng)照搬(ban)現行的(de)土工試(shi)驗規范,本文(wen)磷石膏的(de)含(han)水(shui)率(lv)測定(ding)方法為(wei)55℃溫度(du)(du)下(xia)烘培(pei)24h。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


圖2沉積(ji)磷石膏干(gan)密(mi)度與(yu)埋(mai)深的關系

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

由(you)圖3,水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)的磷石(shi)(shi)膏(gao)飽和度平(ping)均(jun)值為(wei)50.4%,處于非(fei)飽和狀態,水(shui)(shui)位線(xian)以下的磷石(shi)(shi)膏(gao)飽和度平(ping)均(jun)值為(wei)85.0%,基本處于飽和狀態,由(you)于水(shui)(shui)位下降后(hou)磷石(shi)(shi)膏(gao)來不及排水(shui)(shui)固結,故而水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)局部(bu)試樣的飽和度較高。

由圖2,水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上(shang)的(de)(de)干密(mi)度(du)(du)在0.98~1.67g/cm3之(zhi)間,均值為1.30g/cm3;水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)干密(mi)度(du)(du)在1.15~1.73g/cm3之(zhi)間,均值為1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏與一般的(de)(de)尾礦有(you)所(suo)不同,磷石(shi)膏的(de)(de)干密(mi)度(du)(du)并不隨埋(mai)深的(de)(de)增大(da)而(er)明(ming)顯(xian)增大(da),但水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)磷石(shi)膏干密(mi)度(du)(du)從統計意義上(shang)來看仍大(da)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上(shang)的(de)(de)磷石(shi)膏干密(mi)度(du)(du),這主要(yao)是由于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)(de)變化反(fan)復升降而(er)使(shi)得磷石(shi)膏排水(shui)(shui)固(gu)結所(suo)致。

室(shi)內擊實(shi)得到(dao)的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏最大(da)干(gan)密度(du)一(yi)般(ban)在(zai)(zai)1.36~1.46g/cm3之間,從(cong)圖2可(ke)(ke)以看出(chu),自然(ran)沉積的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏最大(da)干(gan)密度(du)可(ke)(ke)達到(dao)1.73g/cm3,原因如下(xia):與經典的(de)(de)土(tu)骨(gu)架不可(ke)(ke)壓(ya)縮(suo)的(de)(de)理(li)論不同(tong),石(shi)(shi)(shi)膏本身可(ke)(ke)壓(ya)縮(suo),同(tong)時(shi)由于(yu)顆粒結(jie)(jie)構不穩定,擊實(shi)試驗過(guo)程(cheng)中(zhong)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏結(jie)(jie)構被破壞,受(shou)夯擊處(chu)下(xia)陷,四周鼓起,出(chu)現了(le)類似(si)于(yu)橡皮土(tu)的(de)(de)現象。而在(zai)(zai)現場條件下(xia),石(shi)(shi)(shi)膏骨(gu)架被破壞后(hou),會導致(zhi)顆粒中(zhong)的(de)(de)結(jie)(jie)合水(shui)(shui)滲出(chu)至孔(kong)隙內,變成孔(kong)隙水(shui)(shui),排水(shui)(shui)固(gu)結(jie)(jie)后(hou)會使得磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)孔(kong)隙比減小(xiao),干(gan)密度(du)增(zeng)大(da)。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



圖4給出了相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K2和(he)K17(位(wei)于2級子壩河(he)(he)床(chuang)部(bu)位(wei))以及相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K6和(he)K18(位(wei)于4級子壩河(he)(he)床(chuang)部(bu)位(wei))干密(mi)度(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)在1.12~1.47g/cm3之間(jian)(jian),均值(zhi)為1.30g/cm3,K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)在1.2~1.39g/cm3之間(jian)(jian),均值(zhi)為1.32g/cm3;K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)在1.13~1.57g/cm3之間(jian)(jian),均值(zhi)為1.36g/cm3,K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)在1.14~1.59g/cm3之間(jian)(jian),均值(zhi)為1.37g/cm3。可見,即使從統計意義上來看(kan),磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)干密(mi)度(du)也并(bing)未隨(sui)后續磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)堆積而有較為明顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試驗采用密度(du)計法,制備懸液時不(bu)煮沸,不(bu)加(jia)六偏磷酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了試驗得(de)到(dao)的級配包線、平均(jun)粒(li)徑d50、不(bu)均(jun)勻系數(1u和曲(qu)率系數Cc的分布(bu)圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見,磷石(shi)膏的粒徑主要(yao)分(fen)布在0.005~0.075mm之間(jian),總體上屬(shu)于粉土,但可(ke)能(neng)由于礦石(shi)來源或(huo)生產工藝(yi)有(you)所(suo)不(bu)同,局部屬(shu)于粉砂(sha)~中砂(sha)。粒徑分(fen)布范(fan)圍(wei)比(bi)Blight和張超等的試驗結(jie)果要(yao)寬一些。

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圖4子壩加高后沉積磷石膏的干密度變(bian)化(hua)


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圖5沉(chen)積磷石膏(gao)的平(ping)均粒徑和級配分布

由圖(tu)5(b)和5(c),無論是水平向(xiang)還是垂直向(xiang),磷石(shi)膏(gao)與(yu)金(jin)屬礦山尾(wei)礦的(de)(de)“前粗(cu)后細(xi),上(shang)粗(cu)下細(xi)”的(de)(de)自然分(fen)級(ji)現象不(bu)(bu)同(tong),也(ye)即粗(cu)顆粒并不(bu)(bu)是沿埋深逐步減小(xiao)或距離放漿(jiang)口越遠(yuan)顆粒越細(xi),其(qi)原因如下:①磷石(shi)膏(gao)顆粒粒徑組成較為集中、均勻,主要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主,級(ji)配較差;②相比較金(jin)屬尾(wei)礦,磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)較小(xiao),磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)一般(ban)為2.3~2.4,遠(yuan)小(xiao)于金(jin)屬尾(wei)礦的(de)(de)比重(zhong),例如鐵尾(wei)礦的(de)(de)比重(zhong)可(ke)達(da)2.9;③放漿(jiang)口隨子壩高度不(bu)(bu)斷增加而不(bu)(bu)斷變動并向(xiang)庫尾(wei)延伸(shen),造成沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒徑變化不(bu)(bu)明顯。

從圖5(d)可見,不均勻系數(shu)Cu范圍值(zhi)(zhi)1.61~21.5,平均值(zhi)(zhi)為4.18,曲率系數(shu)(1c范圍值(zhi)(zhi)0.28~9.78,平均值(zhi)(zhi)為1.21,在統計的100多個試樣中,屬于級配不良土的占(zhan)93%。這種級配特性(xing)決定(ding)了磷石膏具有較高的壓(ya)縮性(xing)、滲(shen)透破(po)壞型式表現為流土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數(shu)

影響滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)的主要因(yin)素是粒徑(jing)大小(xiao)、級(ji)配(pei)和(he)孔(kong)隙比,因(yin)而磷(lin)石膏的滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)為接近。由(you)于(yu)孔(kong)隙比e減小(xiao),使得過水通道面積減小(xiao),滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)k也將減小(xiao),k與(yu)e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系。對砂土,一般認(ren)為滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的線性(xing)(xing)關(guan)系較(jiao)好,圖6給出了(le)二者間的關(guan)系曲線,由(you)于(yu)沉積磷(lin)石膏的不均勻系數(shu)(shu)變化較(jiao)大,使得沉積磷(lin)石膏的滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)變化范圍較(jiao)大(平(ping)均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji)),二者問的線性(xing)(xing)關(guan)系較(jiao)差。

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圖6沉積磷(lin)石(shi)膏滲透(tou)系數(shu)與孔(kong)隙比(bi)的關(guan)系

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

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)與(yu)垂(chui)直(zhi)向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)分布。沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kh一(yi)般大于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為2.86,這一(yi)點與(yu)成層分布的(de)金屬尾礦規律(lv)一(yi)致(zhi)。造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)大于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)的(de)原因是由于(yu)(yu)磷(lin)(lin)石(shi)膏具有(you)明顯的(de)晶(jing)體結構,電鏡掃描(miao)顯示(shi)多為菱形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖8),在沉積過程中,由于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)(lin)石(shi)膏顆粒多呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)排(pai)列(lie),使(shi)得水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)方(fang)向的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)大于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)方(fang)向的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing),從而(er)使(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏呈現明顯的(de)各向異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色金屬工業(ye)昆明勘察設計研究院在(zai)楊家箐磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩開展的(de)現場滲(shen)透試(shi)驗,kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約為1.9。但張(zhang)超等的(de)室內(nei)試(shi)驗顯(xian)示,kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約為0.46,也即垂(chui)直向滲(shen)透系(xi)數大于(yu)水平向滲(shen)透系(xi)數,與本文(wen)和(he)現場試(shi)驗結(jie)果恰(qia)(qia)恰(qia)(qia)相反。從磷石膏(gao)的(de)微觀結(jie)構來看,本文(wen)試(shi)驗結(jie)果更為合理。

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圖7沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)干密度與水平和垂直滲透系數(shu)比值的關(guan)系


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(2)滲透變(bian)形(xing)

圖9為(wei)(wei)(wei)磷(lin)(lin)石膏(gao)干(gan)密度為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)水力梯度J與流速(su)V的(de)關系曲線,試驗(yan)在(zai)水平管涌(yong)儀中(zhong)(zhong)采(cai)用(yong)水平方向的(de)滲(shen)流形式(shi)進行。試驗(yan)得(de)到(dao)的(de)臨(lin)界坡(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355,破壞坡(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說,對1,2級(ji)工(gong)程,滲(shen)透(tou)安(an)全(quan)系數(shu)取為(wei)(wei)(wei)2.5,則(ze)(ze)允(yun)(yun)許(xu)(xu)出逸坡(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142,對3級(ji)以(yi)下(xia)(xia)工(gong)程,滲(shen)透(tou)安(an)全(quan)系數(shu)取2.0,則(ze)(ze)允(yun)(yun)許(xu)(xu)出逸坡(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許(xu)(xu)比(bi)降(jiang)(jiang)(jiang)與粉土一粉砂(sha)大致相同(tong)。但(dan)上述滲(shen)透(tou)變形試驗(yan)是采(cai)用(yong)自來(lai)水進行的(de),自來(lai)水對磷(lin)(lin)石膏(gao)具(ju)有一定(ding)的(de)溶蝕作(zuo)用(yong),而實際上磷(lin)(lin)石膏(gao)中(zhong)(zhong)殘余磷(lin)(lin)、硫和氟(fu)酸(suan),庫水的(de)pH值一般小(xiao)于3(稱之(zhi)為(wei)(wei)(wei)酸(suan)性(xing)(xing)水),在(zai)酸(suan)性(xing)(xing)水作(zuo)用(yong)下(xia)(xia),磷(lin)(lin)石膏(gao)不(bu)會發生破壞,上述試驗(yan)結果是偏于保守的(de),但(dan)對非酸(suan)性(xing)(xing)水條(tiao)件(例如特大暴雨)下(xia)(xia)的(de)滲(shen)透(tou)穩定(ding)判斷有一定(ding)的(de)借(jie)鑒(jian)意義。

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圖9水力梯度J-流速v試驗(yan)過程線(ρd=140g/cm3)


(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的壓力板儀(yi)中進行(xing),環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1,1.2和1.29g/cm3共3組,吸(xi)力范圍0~500kPa。表l列出(chu)了(le)含水(shui)率特征值(zhi),試(shi)驗(yan)曲線見圖10所示(shi)。

試驗結果表(biao)明(ming):①干密(mi)度對進氣(qi)值(zhi)沒有明(ming)顯的(de)影響,不同(tong)干密(mi)度的(de)試樣的(de)進氣(qi)值(zhi)大致(zhi)在10kPa左右;②土樣殘(can)余含水率隨干密(mi)度的(de)增加而減少,殘(can)余含水率約為飽(bao)和含水率的(de)10%。上述(shu)特性與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂基本一(yi)致(zhi)。

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2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)密(mi)度(du)變化較大,而進行三軸試(shi)(shi)驗需(xu)要若干(gan)(gan)原狀樣(yang),為(wei)(wei)使試(shi)(shi)驗結果具(ju)有較好的(de)(de)(de)(de)一致性,有針對性的(de)(de)(de)(de)選擇平均干(gan)(gan)密(mi)度(du)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)(de)(de)(de)若干(gan)(gan)試(shi)(shi)樣(yang),進行了5組三軸CU試(shi)(shi)驗。圖(tu)11是為(wei)(wei)干(gan)(gan)密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)(de)(de)三軸CU試(shi)(shi)驗曲線。

從圖11可(ke)以看出(chu),磷石膏的(de)應(ying)力(li)應(ying)變關系曲線在低圍壓下表(biao)現為(wei)(wei)軟化型(xing),在高圍壓下表(biao)現為(wei)(wei)硬(ying)化型(xing),與(yu)一(yi)般土類相似。但與(yu)一(yi)般粉土一(yi)粉砂(sha)不同的(de)是,即使在較(jiao)為(wei)(wei)疏松(song)的(de)狀態(tai)下,磷石膏仍(reng)表(biao)現了較(jiao)為(wei)(wei)強烈的(de)剪(jian)脹(zhang),隨密實度增大,剪(jian)脹(zhang)作用愈(yu)發明顯。

表(biao)2給(gei)出了不同(tong)干(gan)(gan)密(mi)度(du)下的(de)內摩擦(ca)角(jiao)(jiao),圖12給(gei)出了內摩擦(ca)角(jiao)(jiao)與(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)關系曲(qu)線。隨干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)(zeng)大(da),內摩擦(ca)角(jiao)(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)大(da),且(qie)可采用冪函數(shu)較(jiao)(jiao)好地擬(ni)合。磷石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3,增(zeng)(zeng)加(jia)了32%,總(zong)應力(li)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲(qu)線求得(de)),增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%,有效應力(li)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°,增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%,由于(yu)(yu)隨圍(wei)壓的(de)增(zeng)(zeng)大(da),孔壓也明(ming)顯增(zeng)(zeng)大(da),故有效摩擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅較(jiao)(jiao)之(zhi)總(zong)應力(li)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)于(yu)(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)幅,摩擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅并(bing)不顯著(zhu),表(biao)明(ming)即使(shi)較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)磷石膏(gao)仍具有較(jiao)(jiao)高的(de)強度(du)指(zhi)標(biao),這也表(biao)明(ming)磷石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

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(2)蠕變(次(ci)固結)變形試驗

磷石(shi)膏(gao)的蠕變變形試(shi)驗(yan)在(zai)側(ce)限壓(ya)縮儀(yi)中進行,試(shi)驗(yan)狀(zhuang)態相當于(yu)K0固結。試(shi)樣直徑(jing)61.8mm,高度20mm,試(shi)樣干密度為1.30g/cm3,對試(shi)樣飽和后分別開展了上覆(fu)壓(ya)力(li)ρ為100,200,400,800kPa的試(shi)驗(yan),

試驗從(cong)2012年8月27日(ri)開(kai)始,試驗己進行(xing)了1年多,試驗結(jie)果見圖13所示。

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從圖13中可(ke)以(yi)看(kan)出:上覆荷(he)載越(yue)大,磷(lin)石(shi)膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形也(ye)越(yue)大,荷(he)載施加(jia)1年后(hou),磷(lin)石(shi)膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形仍非常(chang)顯著,尚(shang)(shang)未達到穩定狀態,這也(ye)是磷(lin)石(shi)膏堆積壩后(hou)期(qi)變(bian)(bian)形較大的原因,原型觀測(ce)資料(liao)表明,在5級子壩河床部位的表面沉降量已經達到3.1m,且尚(shang)(shang)未完全穩定。

按(an)時(shi)間對數(shu)法,可求得各級(ji)荷(he)載(zai)下的(de)(de)主次固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)量如表(biao)3所示。試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)(jie)果表(biao)明(ming),在(zai)(zai)100~400kPa上覆荷(he)載(zai)作用下,在(zai)(zai)試(shi)驗(yan)時(shi)間范(fan)圍(wei)內蠕變(bian)(次固(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)形(xing)(xing)是主固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8~3.1倍,當然由于(yu)(yu)(yu)蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)尚(shang)未完(wan)成(cheng),實際的(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)應更大(da)。對土(tu)體(ti)(ti)(ti)而(er)言,發(fa)生(sheng)蠕變(bian)的(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)(yu)土(tu)體(ti)(ti)(ti)在(zai)(zai)主固(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成(cheng)之后,土(tu)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)仍有微小的(de)(de)超靜孔隙壓力存在(zai)(zai),驅使水在(zai)(zai)顆粒問(wen)流(liu)動(dong),一般(ban)來(lai)講土(tu)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)次固(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)(yu)(yu)主固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing);對磷石(shi)膏而(er)言,其(qi)滲(shen)透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級(ji),遠大(da)于(yu)(yu)(yu)黏性土(tu),但其(qi)卻發(fa)生(sheng)了(le)極為顯著的(de)(de)次固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing),其(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)(yu)(yu)磷石(shi)膏晶(jing)體(ti)(ti)(ti)結(jie)(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)了(le)壓縮、破(po)壞,接觸點晶(jing)格發(fa)生(sheng)歪(wai)曲和變(bian)形(xing)(xing),而(er)破(po)壞后晶(jing)格之間的(de)(de)重新(xin)排列、調整到(dao)最后趨于(yu)(yu)(yu)相(xiang)對靜止需要相(xiang)當長的(de)(de)時(shi)間才能完(wan)成(cheng)。

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2.4動(dong)力力學(xue)特性(xing)

試驗設備采用(yong)英國GDS公司進口的電機(ji)控(kong)制動三軸試驗系統(tong),試樣直徑(jing)39.1mm,高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同(tong)樣(yang)由(you)于自然(ran)沉積(ji)的磷石膏密度變化較大,為此(ci)根據(ju)物(wu)理(li)性質試驗結(jie)果(guo),選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變化范(fan)(fan)圍1.33~1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范(fan)(fan)圍1.44~1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動(dong)剪(jian)切模量G、阻尼比(bi)與剪(jian)應(ying)變幅值(zhi)γd的關系(xi)式如下(xia):

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式中k1為(wei)參數,表示(shi)動剪(jian)切模量的(de)衰減或阻尼比(bi)的(de)增長速率(lv);λmax為(wei)最大(da)阻尼比(bi);Gmax,γd分別(bie)為(wei)最大(da)動剪(jian)切模量和(he)歸一化的(de)動剪(jian)應變,表示(shi)為(wei)

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式中(zhong)k2,n為參數;σm為球應(ying)力;Pa為標(biao)準(zhun)大氣壓;vd為動(dong)泊松(song)比;εa為歸(gui)一化的動(dong)應(ying)變,表達(da)為

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圖14給(gei)出了動剪切模量、阻(zu)尼比(bi)與歸一化動應(ying)變的關系曲線,另(ling)外圖中(zhong)還給(gei)出了式(1)的擬合曲線以(yi)及Seed等(deng)給(gei)出的砂樣(yang)的上下邊(bian)界線,圖例中(zhong),σ2表(biao)示圍壓,Kc表(biao)示固(gu)結應(ying)力比(bi)。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可以(yi)看出:①式(1)可較(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)動(dong)應(ying)力-動(dong)應(ying)變試驗曲(qu)線(xian)(xian),表明(ming)(ming)采用等價黏彈性模型進行循環荷載作用下(xia)的(de)分析是(shi)(shi)可行的(de);②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度為1.45g/cm3的(de)擬合(he)線(xian)(xian)位于干(gan)密(mi)度為1.34g/cm3的(de)擬合(he)線(xian)(xian)上方,圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位于下(xia)方,表明(ming)(ming)密(mi)度越大,動(dong)彈模越大、阻(zu)尼比(bi)(bi)越小;③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong),兩種干(gan)密(mi)度的(de)擬合(he)線(xian)(xian)基(ji)本(ben)(ben)位于Seed等給出的(de)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)上方,而(er)圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基(ji)本(ben)(ben)處于邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)中(zhong)(zhong)間,表明(ming)(ming)相(xiang)比(bi)(bi)較(jiao)砂樣(yang),磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏動(dong)彈模較(jiao)大,會導致磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)的(de)動(dong)力反(fan)應(ying)較(jiao)大,但由于阻(zu)尼比(bi)(bi)也較(jiao)大,這(zhe)樣(yang)又會削弱壩(ba)(ba)體(ti)的(de)動(dong)力反(fan)應(ying),二者(zhe)的(de)相(xiang)互影響下(xia),磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體(ti)的(de)動(dong)力反(fan)應(ying)將不會過于強(qiang)烈,這(zhe)對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)的(de)抗震穩定性是(shi)(shi)有利的(de)。

(2)動強度

選擇兩種(zhong)平(ping)均干(gan)密度為1.12(變(bian)化范圍1.1~1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍1.29~1.3lg/cm3)進(jin)行試驗,破壞標準為總應變(bian)達到10%。

圖15給出了動剪(jian)應力比τd/σ0′與破壞振(zhen)次Nf的關系曲(qu)線圖,其(qi)(qi)中(zhong)σ0為(wei)振(zhen)前試(shi)樣45°面上的有效(xiao)法向應力,表達為(wei):σ0=(Kc+1)σ2′/2,Kc為(wei)固(gu)結比。從試(shi)驗結果(guo)可(ke)以(yi)看出,沉積磷石膏(gao)的動強度與其(qi)(qi)它土體相(xiang)似,表現(xian)為(wei)圍(wei)壓和固(gu)結應力比與動剪(jian)應力比呈負相(xiang)關關系。

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為判別沉積磷(lin)石膏的抗液化能力,假定(ding)抗震設計烈(lie)度為8度,即等效振(zhen)次Ⅳ可(ke)取為30。首先由式(4)

所示的(de)冪函數關系式(shi)得到振次為30時各個圍壓和固結(jie)比(bi)下(xia)的(de)動剪應力比(bi):

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求得動(dong)剪(jian)應力(li)比(bi)與圍(wei)壓和固結應力(li)比(bi)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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從上述擬(ni)合關系(xi)式(shi)可見,密(mi)實度(du)提(ti)高(gao)后,動剪應力比提(ti)高(gao),表明(ming)抗(kang)液化能力也(ye)提(ti)高(gao)。但即使是在(zai)低密(mi)度(du)下,其(qi)動剪應力比較(jiao)之同類的粉(fen)土或(huo)粉(fen)砂也(ye)大出許(xu)多,表明(ming)磷石膏具有較(jiao)高(gao)的抗(kang)液化能力。


三、結(jie)論

依托(tuo)柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩(ba),在鉆(zhan)探取樣工(gong)作的基礎上,首先(xian)開展了物(wu)理(li)性質(zhi)試(shi)驗(yan),然后開展了靜動力力學特性試(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)研究,得出如(ru)下結論:

(1)沉(chen)積磷石膏(gao)總體上屬(shu)于(yu)級(ji)配不(bu)良的粉土,局部(bu)屬(shu)于(yu)粉砂一中砂,無自(zi)然(ran)分級(ji)現(xian)象(xiang)。其干密(mi)度和粒徑變(bian)化隨埋深或(huo)距放漿口距離的變(bian)化不(bu)明顯(xian)。

(2)沉積(ji)磷石膏水平方(fang)向的(de)(de)滲透系數大于(yu)垂直方(fang)向的(de)(de)滲透系數,呈現明顯的(de)(de)各向異性。

(3)與土體顆粒不可壓(ya)縮不同,磷石膏的晶體結(jie)(jie)構(gou)會發生壓(ya)縮破壞,具有較大的壓(ya)縮性,其(qi)次固結(jie)(jie)變形量遠大于(yu)主固結(jie)(jie)變形量。

(4)沉積磷石(shi)膏的靜動(dong)強度較之(zhi)同(tong)等密實度下的粉土(tu)、粉砂要高(gao)。


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