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主(zhu)營項(xiang)目:石(shi)膏板生(sheng)產(chan)(chan)線、石(shi)膏粉生(sheng)產(chan)(chan)線、石(shi)膏裝(zhuang)飾板生(sheng)產(chan)(chan)線等石(shi)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(zhai)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(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)生(sheng)產過(guo)程中(zhong)(zhong)的副產品,2018年(nian),全國磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)產生(sheng)量(liang)為7800萬噸(dun),且呈(cheng)逐年(nian)增長的態(tai)勢(shi)。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)的主要成分(fen)(fen)是(shi)CaO和SO3,但含有一定量(liang)的氟化(hua)(hua)物和其它放射性物質,在中(zhong)(zhong)國通常(chang)按Ⅱ類(lei)一般工業固體廢(fei)物處(chu)理(li),鑒于無害化(hua)(hua)處(chu)理(li)成本較高,目前(qian)綜合利用(yong)(yong)率尚不(bu)(bu)足(zu)40%,故大部(bu)分(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)需要堆(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)存(cun)(cun)場(chang)地的不(bu)(bu)同,可分(fen)(fen)為平地型(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)、山谷(gu)型(xing)(xing)(xing)和截(jie)河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)場(chang),在中(zhong)(zhong)國基本上是(shi)山谷(gu)型(xing)(xing)(xing)堆(dui)場(chang)。相比較干法(fa)堆(dui)存(cun)(cun),濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)經(jing)濟優(you)勢(shi)明顯,因(yin)而如(ru)地質條件為非碳酸(suan)鹽(yan)巖地區,一般均(jun)采用(yong)(yong)濕(shi)(shi)(shi)排(pai)濕(shi)(shi)(shi)堆(dui)方式。隨著中(zhong)(zhong)國磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥工業的快速發(fa)展,本世紀(ji)初中(zhong)(zhong)國相繼(ji)建設了幾(ji)座濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)的大型(xing)(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)(ku),例如(ru)云天化(hua)(hua)國際化(hua)(hua)工三環(huan)分(fen)(fen)公(gong)(gong)司的柳(liu)樹箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)積(ji)壩和富瑞分(fen)(fen)公(gong)(gong)司的楊家箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)積(ji)壩,這兩(liang)座壩設計壩高均(jun)超過(guo)100m、處(chu)于8度地震(zhen)區,其安(an)全性備(bei)受關注。


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



據(ju)統計,110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)(lai),全世(shi)界有(you)118座尾礦壩曾(ceng)發(fa)生過(guo)破壞或潰壩事故,原因(yin)主要有(you)地震、洪(hong)水漫(man)頂、滲透破壞和基礎失(shi)穩。尾礦庫(ku)失(shi)事后會造成(cheng)巨(ju)大的生態災難和人員傷亡,近幾十年(nian)來(lai)(lai),

國內外(wai)對金屬尾礦(kuang)的(de)(de)沉積(ji)(ji)規律、物理力學(xue)(xue)特性(xing)及(ji)其(qi)穩(wen)定性(xing)開展了(le)大(da)量的(de)(de)研究,但對于與金屬尾礦(kuang)庫(ku)相近的(de)(de)磷石(shi)膏庫(ku),一般僅限于在可(ke)研階段采用人(ren)工制備樣進(jin)行物理力學(xue)(xue)性(xing)質試(shi)驗,并據此進(jin)行穩(wen)定性(xing)分析,尚(shang)未(wei)有人(ren)針對己運行若干年的(de)(de)大(da)型濕(shi)法堆存磷石(shi)膏堆積(ji)(ji)壩開展過磷石(shi)膏沉積(ji)(ji)規律及(ji)其(qi)物理力學(xue)(xue)特性(xing)的(de)(de)專(zhuan)項研究。

本文依托柳(liu)樹箐磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩,首先(xian)進行了(le)(le)鉆探(tan)取樣,采(cai)用(yong)原(yuan)狀(zhuang)樣開(kai)展(zhan)了(le)(le)密(mi)度、含水(shui)率、滲(shen)(shen)(shen)透、土水(shui)特征和(he)顆分等物理性質(zhi)試驗,在此基礎上有針對性的(de)(de)選擇原(yuan)狀(zhuang)樣開(kai)展(zhan)了(le)(le)三(san)軸CU、蠕變及(ji)動三(san)軸等力學特性試驗。通(tong)過(guo)上述(shu)試驗研(yan)究,總結(jie)了(le)(le)磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)沉(chen)積(ji)規律、滲(shen)(shen)(shen)透特性、滲(shen)(shen)(shen)透破壞特性以(yi)及(ji)靜動力特性,上述(shu)研(yan)究工(gong)作對研(yan)究和(he)評(ping)估(gu)磷石(shi)膏(gao)(gao)庫堆積(ji)壩的(de)(de)穩定性提供了(le)(le)基礎數據,對現行磷石(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)(de)運行管理以(yi)及(ji)新建工(gong)程的(de)(de)設計具有重要的(de)(de)借鑒意義。


一(yi)、依(yi)托工(gong)程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩堆(dui)存設計方案

由初期壩和堆積(ji)壩組成,設(she)計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩壩高約30m,采用(yong)土料(liao)填筑。上游坡面(mian)、壩底和(he)下游壩腳設置堆石排水體,三者相連通構成整個堆積壩的主要排滲系統。

(2)堆積壩及其(qi)輔助排滲措施

采用上游式筑壩(ba)法,共20級(ji)(ji)(ji)子(zi)壩(ba),頂寬6~9m,高度(du)5m,堆(dui)積高度(du)約100m。采用排滲管網(wang)作為輔助排滲方案,目前(qian)己在(zai)5級(ji)(ji)(ji)、9級(ji)(ji)(ji)子(zi)壩(ba)和13級(ji)(ji)(ji)子(zi)壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范圍內設(she)置了井字形(xing)排滲管網(wang)。

1.2沉(chen)積磷石膏(gao)的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平(ping)面位置見圖l。2008年(nian)6月,堆(dui)積至(zhi)5級子壩時(shi),布設(she)了(le)9個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong),鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號K1~K9,取(qu)(qu)原狀樣(yang)76件;2013年(nian)5月,堆(dui)積至(zhi)13級子壩時(shi),又布設(she)了(le)11個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong),鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號K10~K20,取(qu)(qu)原狀樣(yang)112件,為(wei)比較子壩加高和磷(lin)石膏堆(dui)積過程(cheng)中磷(lin)石膏物理力學性質的(de)變化,在2,4級子壩K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近各(ge)布設(she)了(le)一個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong),鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號分(fen)別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹箐(qing)磷(lin)石膏尾礦(kuang)庫(ku)2005年(nian)開工建設,2006年(nian)1月投(tou)入運(yun)行,截至2013年(nian)5月己堆(dui)至13級(ji)子(zi)壩,尚有7級(ji)子(zi)壩即(ji)堆(dui)存(cun)(cun)至設計高程。鑒(jian)于磷(lin)石膏庫(ku)地形、地質條件較(jiao)好,具(ju)備擴容改造的條件,以提高堆(dui)存(cun)(cun)庫(ku)容,減少堆(dui)存(cun)(cun)占(zhan)地,節約土地資源。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



本文主(zhu)要對沉積(ji)磷石(shi)膏的物理力學特性(xing)進行了全面總結,限于(yu)篇幅,有關現(xian)狀磷石(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩的安全性(xing)評價(jia)及其加高(gao)可行性(xing)的研(yan)究將另文發(fa)表。


二、沉積磷石(shi)膏的(de)物(wu)理力學特性

2.1物(wu)理特(te)性(xing)

(1)干密度分布(bu)

圖2給出了(le)14個鉆孔的(de)取樣深度(du)和(he)試驗(yan)所得干(gan)密度(du)的(de)關系,圖中(zhong)UWL表示水位線上,(系鉆孔期間(jian)的(de)初見水位線,下(xia)同(tong)),DWL表示水位線下(xia)。圖3給出了(le)水位線上下(xia)的(de)飽和(he)度(du)分布圖。由于磷石膏中(zhong)的(de)主要(yao)成(cheng)分為CaSO4·2H2O,不(bu)同(tong)溫度(du)和(he)烘(hong)烤時間(jian)對測(ce)定(ding)結果有一定(ding)影響,不(bu)能照(zhao)搬現行的(de)土工試驗(yan)規范(fan),本文磷石膏的(de)含(han)水率測(ce)定(ding)方(fang)法為55℃溫度(du)下(xia)烘(hong)培24h。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


圖2沉積磷石膏干密度與埋深(shen)的(de)關系

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

由圖3,水位(wei)線上的磷石(shi)膏飽和(he)(he)(he)(he)度(du)平均值(zhi)為50.4%,處于(yu)非飽和(he)(he)(he)(he)狀態(tai),水位(wei)線以下的磷石(shi)膏飽和(he)(he)(he)(he)度(du)平均值(zhi)為85.0%,基本(ben)處于(yu)飽和(he)(he)(he)(he)狀態(tai),由于(yu)水位(wei)下降后磷石(shi)膏來(lai)不及排水固結,故而水位(wei)線上局部試樣的飽和(he)(he)(he)(he)度(du)較高。

由圖2,水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的(de)干(gan)密(mi)度(du)在0.98~1.67g/cm3之(zhi)間(jian),均值為1.30g/cm3;水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.15~1.73g/cm3之(zhi)間(jian),均值為1.4g/cm3。可見磷石(shi)(shi)膏(gao)與一般的(de)尾礦有所(suo)不同,磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)并不隨埋深的(de)增(zeng)大而(er)(er)明顯增(zeng)大,但水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)從統計意義上來看(kan)仍大于(yu)水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du),這主要是由于(yu)水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)隨庫水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)的(de)變化反(fan)復升降而(er)(er)使得磷石(shi)(shi)膏(gao)排水(shui)(shui)(shui)(shui)固(gu)結所(suo)致(zhi)。

室內(nei)擊(ji)(ji)實得到的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏最大干密度(du)一般在1.36~1.46g/cm3之間,從圖2可以(yi)看(kan)出(chu),自然沉積的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏最大干密度(du)可達到1.73g/cm3,原因如下:與經典的(de)土(tu)骨(gu)架不可壓縮(suo)的(de)理論不同,石(shi)(shi)(shi)膏本身可壓縮(suo),同時由于(yu)顆粒結構不穩定,擊(ji)(ji)實試驗(yan)過程中磷石(shi)(shi)(shi)膏結構被破壞,受(shou)夯擊(ji)(ji)處下陷,四周鼓起,出(chu)現(xian)了類(lei)似(si)于(yu)橡(xiang)皮土(tu)的(de)現(xian)象。而在現(xian)場條件下,石(shi)(shi)(shi)膏骨(gu)架被破壞后,會導(dao)致(zhi)顆粒中的(de)結合水(shui)滲出(chu)至(zhi)孔隙(xi)內(nei),變成孔隙(xi)水(shui),排水(shui)固結后會使得磷石(shi)(shi)(shi)膏的(de)孔隙(xi)比減小(xiao),干密度(du)增大。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



圖4給出(chu)了相(xiang)鄰鉆孔(kong)(kong)K2和K17(位于(yu)2級(ji)子壩河(he)床部位)以及相(xiang)鄰鉆孔(kong)(kong)K6和K18(位于(yu)4級(ji)子壩河(he)床部位)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的對比圖。K2鉆孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.12~1.47g/cm3之(zhi)間,均值(zhi)(zhi)為1.30g/cm3,K17鉆孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.2~1.39g/cm3之(zhi)間,均值(zhi)(zhi)為1.32g/cm3;K6鉆孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.13~1.57g/cm3之(zhi)間,均值(zhi)(zhi)為1.36g/cm3,K18鉆孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.14~1.59g/cm3之(zhi)間,均值(zhi)(zhi)為1.37g/cm3。可見,即使從統計意義上來看,磷(lin)石膏的干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)也(ye)并(bing)未(wei)隨后(hou)續磷(lin)石膏的堆積而(er)有較為明顯的增大(da)。

(2)級配分布

顆粒分(fen)析試驗采用密度計(ji)法,制備懸液(ye)時不煮(zhu)沸,不加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給(gei)出了試驗得到的(de)級配包線、平均粒徑(jing)d50、不均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的(de)分(fen)布圖(tu)。

從圖5(a)可見,磷石膏的粒(li)徑(jing)主(zhu)要(yao)分(fen)布(bu)在0.005~0.075mm之間,總體上屬于(yu)粉(fen)土,但(dan)可能由于(yu)礦石來源或生產(chan)工藝有所不同,局部屬于(yu)粉(fen)砂~中(zhong)砂。粒(li)徑(jing)分(fen)布(bu)范圍比Blight和張超(chao)等(deng)的試驗結果要(yao)寬一些(xie)。

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圖(tu)4子壩加(jia)高后(hou)沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)干密度變(bian)化


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圖5沉(chen)積磷石膏(gao)的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和(he)5(c),無(wu)論(lun)是水(shui)平向(xiang)還是垂直(zhi)向(xiang),磷(lin)石膏(gao)與金屬(shu)(shu)礦山尾(wei)礦的(de)(de)“前粗后細,上粗下(xia)細”的(de)(de)自然(ran)分級(ji)現象(xiang)不同(tong),也(ye)即(ji)粗顆(ke)粒(li)并不是沿埋深逐步(bu)減小(xiao)或距(ju)離放漿口(kou)越遠顆(ke)粒(li)越細,其原因(yin)如下(xia):①磷(lin)石膏(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑組成(cheng)較(jiao)為集中、均勻(yun),主(zhu)要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu),級(ji)配(pei)較(jiao)差;②相比較(jiao)金屬(shu)(shu)尾(wei)礦,磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)較(jiao)小(xiao),磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)一般(ban)為2.3~2.4,遠小(xiao)于金屬(shu)(shu)尾(wei)礦的(de)(de)比重(zhong),例如鐵尾(wei)礦的(de)(de)比重(zhong)可達2.9;③放漿口(kou)隨子壩高(gao)度(du)不斷增加(jia)而不斷變(bian)動(dong)并向(xiang)庫(ku)尾(wei)延伸,造成(cheng)沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)粒(li)徑變(bian)化不明顯。

從圖(tu)5(d)可見,不均(jun)勻系(xi)數(shu)Cu范圍(wei)(wei)值1.61~21.5,平均(jun)值為4.18,曲(qu)率系(xi)數(shu)(1c范圍(wei)(wei)值0.28~9.78,平均(jun)值為1.21,在統計(ji)的100多個試樣中(zhong),屬于級配不良(liang)土的占93%。這種級配特性決定(ding)了磷石膏具有(you)較高的壓(ya)縮性、滲透破(po)壞型式表現為流土破(po)壞。

2.2滲(shen)透特(te)性

(1)滲透系數(shu)

影(ying)響滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的主要因素是粒徑(jing)大(da)(da)小(xiao)、級配(pei)和孔(kong)隙(xi)比,因而磷(lin)石(shi)膏的滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)與粉土(tu)較為(wei)接近。由于孔(kong)隙(xi)比e減小(xiao),使(shi)(shi)得過水通道面(mian)積(ji)減小(xiao),滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k也將減小(xiao),k與e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土(tu),一般認為(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)較好,圖6給(gei)出了二(er)者間(jian)的關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線(xian),由于沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏的不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)變化(hua)較大(da)(da),使(shi)(shi)得沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏的滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)變化(hua)范圍較大(da)(da)(平均(jun)值(zhi)為(wei)10-4cm/s數(shu)量級),二(er)者問的線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)較差。

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圖6沉積磷石膏滲(shen)透系數與孔隙比的關(guan)系

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

圖7給出(chu)了水(shui)平(ping)(ping)與垂(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)比值(zhi)的(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)。沉積(ji)(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)kh一(yi)般大(da)于垂(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值(zhi)約(yue)為(wei)2.86,這一(yi)點(dian)與成層分(fen)布(bu)(bu)的(de)(de)金(jin)屬尾礦規律一(yi)致。造(zao)成沉積(ji)(ji)磷石(shi)膏(gao)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)大(da)于垂(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)的(de)(de)原(yuan)因是(shi)由于磷石(shi)膏(gao)具有明顯的(de)(de)晶體結構(gou),電鏡掃描顯示多為(wei)菱形和(he)棱(leng)柱狀形式(見圖8),在(zai)沉積(ji)(ji)過程中,由于扁平(ping)(ping)狀磷石(shi)膏(gao)顆粒多呈水(shui)平(ping)(ping)排列(lie),使得水(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)性(xing)(xing)大(da)于垂(chui)直(zhi)(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)性(xing)(xing),從而使磷石(shi)膏(gao)呈現明顯的(de)(de)各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異(yi)性(xing)(xing)。

另根(gen)據(ju)中國有(you)色金屬工業昆明勘察設計研究院(yuan)在楊家箐磷石膏堆積壩開展的現場滲(shen)透試(shi)驗,kh/kv的平均值約為(wei)1.9。但張超等的室內試(shi)驗顯示,kh/kv的平均值約為(wei)0.46,也即垂(chui)直向滲(shen)透系數大于水平向滲(shen)透系數,與(yu)本文(wen)和現場試(shi)驗結果恰(qia)(qia)恰(qia)(qia)相反。從磷石膏的微觀結構來看,本文(wen)試(shi)驗結果更為(wei)合理。

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圖(tu)7沉積磷(lin)石膏干密(mi)度與水平和(he)垂直(zhi)滲(shen)透系(xi)數比值的關系(xi)


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(2)滲透變(bian)形(xing)

圖(tu)9為(wei)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)密度(du)(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)力梯(ti)度(du)(du)J與流(liu)(liu)速V的(de)(de)(de)關系曲線,試(shi)驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采用(yong)(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)(de)(de)滲流(liu)(liu)形式進(jin)行。試(shi)驗(yan)得(de)到的(de)(de)(de)臨界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355,破壞坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)來說,對1,2級工(gong)程(cheng),滲透安全(quan)系數取為(wei)2.5,則允(yun)許出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142,對3級以下(xia)工(gong)程(cheng),滲透安全(quan)系數取2.0,則允(yun)許出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比(bi)降(jiang)(jiang)與粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂大(da)致相同。但上述滲透變(bian)形試(shi)驗(yan)是(shi)采用(yong)(yong)自(zi)來水(shui)(shui)進(jin)行的(de)(de)(de),自(zi)來水(shui)(shui)對磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)具(ju)有一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)溶蝕作用(yong)(yong),而實際上磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)中(zhong)殘余磷(lin)、硫和氟酸,庫水(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小于3(稱(cheng)之為(wei)酸性(xing)水(shui)(shui)),在(zai)酸性(xing)水(shui)(shui)作用(yong)(yong)下(xia),磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)不會發生(sheng)破壞,上述試(shi)驗(yan)結果是(shi)偏(pian)于保守的(de)(de)(de),但對非酸性(xing)水(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)滲透穩定(ding)(ding)判斷有一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)借鑒意義。

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圖9水(shui)力梯度J-流速v試驗(yan)過程線(xian)(ρd=140g/cm3)


(3)土水特征(zheng)試驗

試驗在(zai)5Bar的(de)壓(ya)力(li)板儀中(zhong)進行,環刀尺寸6.18cm。干密(mi)度分1.1,1.2和1.29g/cm3共(gong)3組,吸力(li)范(fan)圍0~500kPa。表l列出了含水率特(te)征值,試驗曲線(xian)見(jian)圖10所示。

試(shi)驗(yan)結果表(biao)明:①干(gan)密(mi)度(du)對進氣(qi)值沒有(you)明顯(xian)的(de)影響,不同干(gan)密(mi)度(du)的(de)試(shi)樣的(de)進氣(qi)值大致在(zai)10kPa左右;②土(tu)樣殘余含(han)水率隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)增加(jia)而減少,殘余含(han)水率約為(wei)飽和含(han)水率的(de)10%。上述特(te)性與粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂基本(ben)一(yi)致。

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2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三(san)軸CU試驗(yan)

由于沉積磷石膏的(de)(de)密(mi)度變化較大(da),而進(jin)行三(san)軸試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)需要若(ruo)干原狀樣,為(wei)(wei)使試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)結果具(ju)有(you)較好的(de)(de)一(yi)致(zhi)性(xing),有(you)針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)(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)(de)若(ruo)干試(shi)(shi)(shi)樣,進(jin)行了5組三(san)軸CU試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)。圖11是為(wei)(wei)干密(mi)度為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)軸CU試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)曲線。

從(cong)圖11可以看出(chu),磷石膏的應力應變關系(xi)曲(qu)線在低圍壓下表現(xian)(xian)為(wei)軟化型,在高(gao)圍壓下表現(xian)(xian)為(wei)硬化型,與一(yi)般土(tu)類(lei)相似。但與一(yi)般粉土(tu)一(yi)粉砂不同的是(shi),即使在較為(wei)疏(shu)松的狀態下,磷石膏仍表現(xian)(xian)了較為(wei)強烈的剪脹(zhang),隨(sui)密實(shi)度增大,剪脹(zhang)作用愈發明顯。

表(biao)2給出了不同(tong)干密度下的(de)(de)(de)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao),圖12給出了內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干密度的(de)(de)(de)關系曲線。隨干密度的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da),內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da),且可采(cai)用冪(mi)函(han)數較(jiao)好地擬(ni)合(he)。磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)干密度由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3,增(zeng)(zeng)(zeng)加了32%,總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據(ju)擬(ni)合(he)曲線求得),增(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%,有效(xiao)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°,增(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%,由(you)于隨圍(wei)壓(ya)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da),孔壓(ya)也明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da),故有效(xiao)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)之(zhi)總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要(yao)小。另外較(jiao)之(zhi)于干密度增(zeng)(zeng)(zeng)幅,摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅并不顯著,表(biao)明即(ji)使較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有較(jiao)高的(de)(de)(de)強度指標,這也表(biao)明磷(lin)石(shi)膏堆積壩的(de)(de)(de)穩定性(xing)較(jiao)高。

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(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗(yan)

磷(lin)石膏的(de)蠕變變形試驗在側限壓縮儀(yi)中進行,試驗狀態相(xiang)當(dang)于K0固結。試樣(yang)直徑(jing)61.8mm,高度20mm,試樣(yang)干(gan)密度為1.30g/cm3,對試樣(yang)飽和后(hou)分別開(kai)展了上覆壓力ρ為100,200,400,800kPa的(de)試驗,

試驗從2012年8月27日開始,試驗己進(jin)行了(le)1年多,試驗結果見(jian)圖13所示。

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從圖13中(zhong)可以看出(chu):上覆荷載越大,磷石(shi)(shi)膏的蠕變變形也越大,荷載施加1年后,磷石(shi)(shi)膏的蠕變變形仍非常顯(xian)著,尚未(wei)達到穩定(ding)狀態(tai),這也是磷石(shi)(shi)膏堆積壩(ba)后期變形較大的原(yuan)因,原(yuan)型(xing)觀測資料(liao)表(biao)明,在5級子壩(ba)河床部位的表(biao)面沉(chen)降(jiang)量(liang)已經達到3.1m,且尚未(wei)完全穩定(ding)。

按時間(jian)對(dui)數(shu)法(fa),可求得(de)各級荷載下的(de)主(zhu)次(ci)固結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)如表3所(suo)示(shi)。試驗結果(guo)表明,在(zai)100~400kPa上覆(fu)荷載作用下,在(zai)試驗時間(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固結)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)1.8~3.1倍,當(dang)(dang)然(ran)由于蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成,實際(ji)的(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大。對(dui)土(tu)體而言,發(fa)生蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)原因是由于土(tu)體在(zai)主(zhu)固結完成之(zhi)后(hou),土(tu)體中仍有微小(xiao)的(de)超靜(jing)孔隙(xi)壓力存在(zai),驅使(shi)水在(zai)顆粒問流動(dong),一般來(lai)講(jiang)土(tu)體的(de)次(ci)固結遠小(xiao)于主(zhu)固結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing);對(dui)磷石(shi)膏而言,其滲透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級,遠大于黏性土(tu),但其卻發(fa)生了極為顯(xian)著的(de)次(ci)固結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing),其原因在(zai)于磷石(shi)膏晶(jing)體結構發(fa)生了壓縮(suo)、破壞,接(jie)觸點晶(jing)格發(fa)生歪曲(qu)和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing),而破壞后(hou)晶(jing)格之(zhi)間(jian)的(de)重新排列、調整到最后(hou)趨于相(xiang)對(dui)靜(jing)止需(xu)要相(xiang)當(dang)(dang)長的(de)時間(jian)才(cai)能完成。

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2.4動力力學(xue)特性

試(shi)驗設備(bei)采用英國GDS公司進(jin)口的電機控制動三軸試(shi)驗系統,試(shi)樣(yang)直徑39.1mm,高度(du)80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比

同(tong)樣(yang)由(you)于自然沉積的磷石膏密度變化(hua)(hua)較(jiao)大(da),為(wei)此根據物理性(xing)質試驗結果,選(xuan)擇兩(liang)種平均干密度1.34g/cm3(變化(hua)(hua)范圍1.33~1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化(hua)(hua)范圍1.44~1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動剪切模量(liang)G、阻尼比與剪應(ying)變幅值γd的關(guan)系(xi)式(shi)如下(xia):

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式中k1為(wei)(wei)參數(shu),表示(shi)(shi)動(dong)剪切(qie)模量的(de)衰減或阻(zu)尼比的(de)增長(chang)速(su)率;λmax為(wei)(wei)最大阻(zu)尼比;Gmax,γd分別為(wei)(wei)最大動(dong)剪切(qie)模量和歸一化的(de)動(dong)剪應變(bian),表示(shi)(shi)為(wei)(wei)

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式中k2,n為(wei)參數;σm為(wei)球(qiu)應力;Pa為(wei)標準大氣壓;vd為(wei)動泊松比(bi);εa為(wei)歸一化的動應變,表達為(wei)

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圖14給出(chu)了動(dong)剪(jian)切模量(liang)、阻尼比(bi)與歸(gui)一化(hua)動(dong)應(ying)變(bian)的關系曲線,另外圖中還給出(chu)了式(shi)(1)的擬合曲線以(yi)及(ji)Seed等(deng)給出(chu)的砂樣的上下邊界線,圖例中,σ2表(biao)示圍壓(ya),Kc表(biao)示固結應(ying)力比(bi)。

從圖(tu)(tu)中可以看出:①式(shi)(1)可較(jiao)(jiao)好地描述(shu)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)變試驗曲線(xian)(xian),表(biao)明(ming)采用等(deng)價黏(nian)彈性(xing)模型(xing)進行循環(huan)荷載作用下(xia)的(de)(de)(de)分(fen)析(xi)是可行的(de)(de)(de);②圖(tu)(tu)14(a)中干(gan)密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)位(wei)(wei)于(yu)干(gan)密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)上(shang)方(fang)(fang),圖(tu)(tu)14(b)中則位(wei)(wei)于(yu)下(xia)方(fang)(fang),表(biao)明(ming)密度(du)越(yue)大,動(dong)(dong)彈模越(yue)大、阻(zu)尼比(bi)越(yue)小;③圖(tu)(tu)14(a)中,兩種干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)基(ji)本位(wei)(wei)于(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)邊界線(xian)(xian)上(shang)方(fang)(fang),而圖(tu)(tu)14(b)中則基(ji)本處于(yu)邊界線(xian)(xian)中間,表(biao)明(ming)相比(bi)較(jiao)(jiao)砂樣,磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏動(dong)(dong)彈模較(jiao)(jiao)大,會(hui)導(dao)致(zhi)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)較(jiao)(jiao)大,但由于(yu)阻(zu)尼比(bi)也較(jiao)(jiao)大,這樣又會(hui)削(xue)弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying),二者的(de)(de)(de)相互(hu)影響下(xia),磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)將不會(hui)過于(yu)強(qiang)烈,這對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有(you)利的(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強度

選擇兩種平(ping)均干密度為1.12(變化范(fan)圍1.1~1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范(fan)圍1.29~1.3lg/cm3)進行試(shi)驗,破壞標準為總應變達到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動剪(jian)應(ying)(ying)力比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次(ci)Nf的關(guan)系曲線圖(tu),其中σ0為(wei)振(zhen)前試樣45°面上的有(you)效法向(xiang)應(ying)(ying)力,表達為(wei):σ0=(Kc+1)σ2′/2,Kc為(wei)固結(jie)(jie)比(bi)。從試驗(yan)結(jie)(jie)果可以看出(chu),沉(chen)積(ji)磷石膏的動強度與(yu)其它土體相(xiang)似,表現為(wei)圍壓(ya)和固結(jie)(jie)應(ying)(ying)力比(bi)與(yu)動剪(jian)應(ying)(ying)力比(bi)呈負相(xiang)關(guan)關(guan)系。

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為判(pan)別沉積磷石(shi)膏(gao)的抗(kang)液(ye)化能力,假定抗(kang)震設計烈度(du)為8度(du),即等(deng)效振次Ⅳ可取為30。首(shou)先由(you)式(4)

所示的(de)冪(mi)函數關系(xi)式得到振次為30時(shi)各個圍壓和固結比下的(de)動剪應力(li)比:

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應力比與(yu)圍壓和固結應力比的關系(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。


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從上述擬合(he)關系式可見,密(mi)實度提高后,動(dong)剪(jian)應力(li)(li)比提高,表明(ming)抗(kang)液化(hua)能力(li)(li)也提高。但即使是(shi)在低密(mi)度下,其動(dong)剪(jian)應力(li)(li)比較之同類(lei)的粉(fen)土或粉(fen)砂也大出許多,表明(ming)磷石膏具有較高的抗(kang)液化(hua)能力(li)(li)。


三、結論

依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩,在鉆探取樣工作的(de)基礎上,首先(xian)開展了物理性質試(shi)驗(yan),然后開展了靜動力力學特性試(shi)驗(yan)。通(tong)過上述試(shi)驗(yan)研究,得出如下結論:

(1)沉積磷石膏總體上屬于級配不良的(de)(de)粉(fen)土,局部屬于粉(fen)砂(sha)一中(zhong)砂(sha),無自然分級現象。其干(gan)密度(du)和粒徑變化隨埋深(shen)或距(ju)放漿(jiang)口(kou)距(ju)離(li)的(de)(de)變化不明顯。

(2)沉積(ji)磷(lin)石膏水平方(fang)向(xiang)(xiang)的滲透系(xi)數大(da)于垂直方(fang)向(xiang)(xiang)的滲透系(xi)數,呈現(xian)明顯的各向(xiang)(xiang)異性。

(3)與土(tu)體顆粒(li)不可壓縮不同,磷石(shi)膏的(de)晶體結構會發生壓縮破壞,具有較(jiao)大的(de)壓縮性,其(qi)次固(gu)結變形量遠(yuan)大于主固(gu)結變形量。

(4)沉積磷石膏的靜動強度較之同等密實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂要(yao)高。


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