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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)膏(gao)是(shi)濕法磷(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)(chan)過(guo)程中(zhong)的副(fu)產(chan)(chan)品,2018年,全(quan)(quan)國磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產(chan)(chan)生(sheng)量為(wei)(wei)7800萬噸,且(qie)呈逐年增長(chang)的態勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的主要成分(fen)是(shi)CaO和SO3,但含有(you)一(yi)定(ding)量的氟化物和其它放射(she)性(xing)物質,在(zai)中(zhong)國通常按Ⅱ類一(yi)般工(gong)業固體(ti)廢物處(chu)理,鑒于無害化處(chu)理成本(ben)較(jiao)高(gao),目(mu)前綜合利用(yong)率尚不足(zu)40%,故(gu)大部分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)(cun)場(chang)地(di)的不同(tong),可分(fen)為(wei)(wei)平地(di)型、傍山型、山谷(gu)型和截河型堆(dui)(dui)場(chang),在(zai)中(zhong)國基本(ben)上是(shi)山谷(gu)型堆(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)(xiang)比較(jiao)干法堆(dui)(dui)存(cun)(cun),濕法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)經濟優勢明(ming)顯,因而如地(di)質條件為(wei)(wei)非碳酸鹽巖地(di)區(qu),一(yi)般均(jun)采用(yong)濕排(pai)濕堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國磷(lin)(lin)肥工(gong)業的快速(su)發展,本(ben)世紀初中(zhong)國相(xiang)(xiang)繼建設了(le)幾座(zuo)濕法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)的大型磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫,例如云天化國際化工(gong)三(san)環分(fen)公司的柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)積(ji)壩和富瑞分(fen)公司的楊(yang)家箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)積(ji)壩,這兩座(zuo)壩設計壩高(gao)均(jun)超過(guo)100m、處(chu)于8度地(di)震區(qu),其安(an)全(quan)(quan)性(xing)備(bei)受關注(zhu)。


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



據(ju)統(tong)計,110多年(1901年一(yi)2013年)來(lai),全世界(jie)有118座尾(wei)(wei)礦壩(ba)曾發生過破壞或潰壩(ba)事故,原因主要(yao)有地震(zhen)、洪水漫(man)頂、滲透(tou)破壞和(he)基礎失穩。尾(wei)(wei)礦庫失事后會造成巨大(da)的生態災難和(he)人員傷亡,近幾十年來(lai),

國內外(wai)對金屬(shu)尾礦的(de)沉(chen)積(ji)(ji)(ji)規律(lv)、物理力(li)學(xue)(xue)特性(xing)(xing)及(ji)其穩定性(xing)(xing)開展(zhan)了(le)大(da)量(liang)的(de)研(yan)究,但對于與金屬(shu)尾礦庫相近的(de)磷(lin)石膏庫,一般僅限于在可研(yan)階(jie)段采用人(ren)工制備樣進行物理力(li)學(xue)(xue)性(xing)(xing)質試(shi)驗,并據此(ci)進行穩定性(xing)(xing)分析,尚未有人(ren)針對己運行若干年的(de)大(da)型(xing)濕法堆存磷(lin)石膏堆積(ji)(ji)(ji)壩(ba)開展(zhan)過(guo)磷(lin)石膏沉(chen)積(ji)(ji)(ji)規律(lv)及(ji)其物理力(li)學(xue)(xue)特性(xing)(xing)的(de)專項研(yan)究。

本文依托柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩,首先進行了(le)鉆探取(qu)樣(yang),采用(yong)原狀樣(yang)開展了(le)密度、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特征和顆分等物理性(xing)質試驗,在此(ci)基(ji)礎上有針對性(xing)的(de)(de)選擇(ze)原狀樣(yang)開展了(le)三軸CU、蠕變及(ji)動(dong)三軸等力學(xue)特性(xing)試驗。通過上述試驗研究,總(zong)結了(le)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)沉積(ji)規律、滲(shen)透(tou)特性(xing)、滲(shen)透(tou)破(po)壞特性(xing)以及(ji)靜動(dong)力特性(xing),上述研究工作對研究和評估磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)穩定性(xing)提供了(le)基(ji)礎數(shu)據,對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫的(de)(de)運行管(guan)理以及(ji)新建工程的(de)(de)設計具有重要的(de)(de)借鑒意義。


一、依托工程概(gai)況

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩堆存(cun)設(she)計方(fang)案

由初期(qi)壩(ba)和堆(dui)積壩(ba)組成,設計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)壩(ba)高約30m,采用土料填筑(zhu)。上游(you)坡(po)面(mian)、壩(ba)底和(he)下(xia)游(you)壩(ba)腳設置堆(dui)石排(pai)水(shui)體,三者相連(lian)通(tong)構成(cheng)整個堆(dui)積壩(ba)的主要排(pai)滲系統。

(2)堆積壩及其(qi)輔助(zhu)排滲措施(shi)

采用上游(you)式筑(zhu)壩法,共20級子壩,頂寬6~9m,高度5m,堆積高度約100m。采用排滲管網作為輔(fu)助排滲方案,目前(qian)己在5級、9級子壩和13級子壩壩前(qian)120m范圍內設(she)置了(le)井(jing)字(zi)形(xing)排滲管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣(yang)

鉆孔(kong)(kong)平(ping)面位置見圖l。2008年(nian)6月(yue),堆積(ji)(ji)至(zhi)5級(ji)子壩時,布(bu)設(she)了(le)9個(ge)(ge)(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆孔(kong)(kong),鉆孔(kong)(kong)編(bian)號K1~K9,取(qu)(qu)原狀(zhuang)樣(yang)76件;2013年(nian)5月(yue),堆積(ji)(ji)至(zhi)13級(ji)子壩時,又(you)布(bu)設(she)了(le)11個(ge)(ge)(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆孔(kong)(kong),鉆孔(kong)(kong)編(bian)號K10~K20,取(qu)(qu)原狀(zhuang)樣(yang)112件,為比較子壩加高和(he)磷石(shi)膏堆積(ji)(ji)過程中磷石(shi)膏物理力學性質(zhi)的變(bian)化(hua),在2,4級(ji)子壩K2孔(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)附近各(ge)布(bu)設(she)了(le)一個(ge)(ge)(ge)鉆孔(kong)(kong),鉆孔(kong)(kong)編(bian)號分別為K17和(he)K18。

1.3運行(xing)概況

柳樹箐磷石(shi)膏(gao)尾礦庫(ku)2005年開工(gong)建(jian)設(she),2006年1月投(tou)入運行,截至2013年5月己堆(dui)至13級子壩(ba),尚(shang)有7級子壩(ba)即堆(dui)存(cun)(cun)至設(she)計高程。鑒于磷石(shi)膏(gao)庫(ku)地(di)(di)形(xing)、地(di)(di)質條(tiao)件較好,具備擴容(rong)改造的條(tiao)件,以提高堆(dui)存(cun)(cun)庫(ku)容(rong),減少堆(dui)存(cun)(cun)占地(di)(di),節約土地(di)(di)資源(yuan)。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



本文(wen)主要(yao)對沉積磷(lin)石膏的物理力(li)學(xue)特(te)性(xing)進行了全(quan)(quan)面(mian)總(zong)結(jie),限于篇幅,有關現狀磷(lin)石膏庫堆(dui)積壩的安全(quan)(quan)性(xing)評價及其加高可行性(xing)的研(yan)究(jiu)將另(ling)文(wen)發表。


二(er)、沉積磷石(shi)膏的物理力(li)學特性

2.1物理特性

(1)干(gan)密度分布

圖(tu)(tu)2給出了(le)(le)14個鉆孔(kong)的取樣深度(du)(du)和(he)試驗所得(de)干密(mi)度(du)(du)的關系,圖(tu)(tu)中UWL表(biao)示(shi)水位線(xian)上,(系鉆孔(kong)期間的初見水位線(xian),下(xia)同),DWL表(biao)示(shi)水位線(xian)下(xia)。圖(tu)(tu)3給出了(le)(le)水位線(xian)上下(xia)的飽和(he)度(du)(du)分布圖(tu)(tu)。由(you)于磷石膏(gao)中的主要(yao)成分為CaSO4·2H2O,不(bu)同溫(wen)度(du)(du)和(he)烘烤(kao)時間對測定(ding)結果有(you)一定(ding)影響,不(bu)能照搬現(xian)行的土工試驗規(gui)范,本文磷石膏(gao)的含水率測定(ding)方法(fa)為55℃溫(wen)度(du)(du)下(xia)烘培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(mi)度與埋深(shen)的關系

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

由(you)圖3,水(shui)位線上的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)和度平(ping)均值(zhi)為50.4%,處(chu)于(yu)非飽(bao)和狀態,水(shui)位線以(yi)下(xia)的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)和度平(ping)均值(zhi)為85.0%,基(ji)本處(chu)于(yu)飽(bao)和狀態,由(you)于(yu)水(shui)位下(xia)降后磷(lin)石(shi)膏來不及排水(shui)固結,故而水(shui)位線上局部試樣的飽(bao)和度較高(gao)。

由圖(tu)2,水位(wei)線以上的(de)干密(mi)(mi)度(du)在0.98~1.67g/cm3之(zhi)間,均值為1.30g/cm3;水位(wei)線以下的(de)干密(mi)(mi)度(du)在1.15~1.73g/cm3之(zhi)間,均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石膏(gao)(gao)與一般的(de)尾礦有所不(bu)同(tong),磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)干密(mi)(mi)度(du)并不(bu)隨埋深的(de)增(zeng)大而明顯(xian)增(zeng)大,但(dan)水位(wei)線以下的(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)干密(mi)(mi)度(du)從統計意義上來看(kan)仍大于水位(wei)線以上的(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)干密(mi)(mi)度(du),這主要是由于水位(wei)線隨庫水位(wei)的(de)變化(hua)反復升降而使得磷(lin)石膏(gao)(gao)排(pai)水固結(jie)所致。

室內擊(ji)實(shi)得到(dao)的(de)(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)膏最(zui)大干密度一般在(zai)1.36~1.46g/cm3之間(jian),從(cong)圖2可(ke)以(yi)看出(chu),自然(ran)沉積的(de)(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)膏最(zui)大干密度可(ke)達到(dao)1.73g/cm3,原(yuan)因如下:與經典的(de)(de)(de)(de)土骨架不可(ke)壓縮(suo)的(de)(de)(de)(de)理論不同(tong),石(shi)(shi)膏本身可(ke)壓縮(suo),同(tong)時由于顆粒結構不穩定,擊(ji)實(shi)試(shi)驗過程中磷石(shi)(shi)膏結構被(bei)破(po)壞,受夯擊(ji)處(chu)下陷,四周鼓起,出(chu)現了類似于橡皮土的(de)(de)(de)(de)現象。而在(zai)現場條件(jian)下,石(shi)(shi)膏骨架被(bei)破(po)壞后(hou),會導致顆粒中的(de)(de)(de)(de)結合(he)水(shui)滲出(chu)至孔隙(xi)(xi)內,變成孔隙(xi)(xi)水(shui),排水(shui)固結后(hou)會使(shi)得磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)孔隙(xi)(xi)比減小,干密度增大。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



圖4給(gei)出了相(xiang)(xiang)鄰鉆孔K2和(he)K17(位于(yu)2級子(zi)(zi)壩河(he)床(chuang)部位)以(yi)及相(xiang)(xiang)鄰鉆孔K6和(he)K18(位于(yu)4級子(zi)(zi)壩河(he)床(chuang)部位)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)的(de)對比圖。K2鉆孔的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在1.12~1.47g/cm3之間,均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3,K17鉆孔的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在1.2~1.39g/cm3之間,均值(zhi)為(wei)1.32g/cm3;K6鉆孔的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在1.13~1.57g/cm3之間,均值(zhi)為(wei)1.36g/cm3,K18鉆孔的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在1.14~1.59g/cm3之間,均值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見,即使從統計(ji)意義(yi)上來看,磷石(shi)膏的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)也并未隨后續磷石(shi)膏的(de)堆(dui)積而(er)有較為(wei)明顯的(de)增大(da)。

(2)級配分布(bu)

顆(ke)粒分(fen)析(xi)試驗采用密度計(ji)法,制備懸液時不煮沸(fei),不加六偏(pian)磷酸鈉。圖(tu)(tu)5給出了試驗得到的(de)級配包線(xian)、平均(jun)粒徑(jing)d50、不均(jun)勻系數(1u和曲率系數Cc的(de)分(fen)布圖(tu)(tu)。

從圖(tu)5(a)可(ke)見,磷石膏的粒(li)(li)徑主要(yao)分(fen)布(bu)在0.005~0.075mm之間,總體上屬于粉(fen)(fen)土,但可(ke)能(neng)由于礦(kuang)石來源或生產工藝有所(suo)不(bu)同,局部屬于粉(fen)(fen)砂~中砂。粒(li)(li)徑分(fen)布(bu)范圍比(bi)Blight和張超等的試驗(yan)結果要(yao)寬一些(xie)。

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圖4子壩加高后(hou)沉積磷石膏的干密度(du)變化


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圖5沉積磷石膏(gao)的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c),無論是(shi)水(shui)平向(xiang)還是(shi)垂直向(xiang),磷石膏與金(jin)屬(shu)礦山尾(wei)礦的(de)(de)“前粗(cu)后細(xi),上粗(cu)下細(xi)”的(de)(de)自(zi)然分級(ji)(ji)現象不(bu)(bu)同,也即粗(cu)顆粒(li)(li)并不(bu)(bu)是(shi)沿埋深逐步(bu)減小或距離放漿口越遠顆粒(li)(li)越細(xi),其原(yuan)因如下:①磷石膏顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組(zu)成(cheng)較(jiao)為集中、均勻,主要(yao)以粉粒(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主,級(ji)(ji)配(pei)較(jiao)差;②相比(bi)較(jiao)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦,磷石膏的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)較(jiao)小,磷石膏的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)一般為2.3~2.4,遠小于金(jin)屬(shu)尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong),例如鐵尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)可達(da)2.9;③放漿口隨(sui)子(zi)壩高度不(bu)(bu)斷(duan)增加而不(bu)(bu)斷(duan)變動并向(xiang)庫(ku)尾(wei)延伸(shen),造(zao)成(cheng)沉積磷石膏的(de)(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明顯。

從(cong)圖5(d)可見(jian),不均勻系數Cu范(fan)圍值(zhi)1.61~21.5,平均值(zhi)為4.18,曲率(lv)系數(1c范(fan)圍值(zhi)0.28~9.78,平均值(zhi)為1.21,在統計的100多個試樣中,屬于級配不良土的占93%。這種級配特(te)性(xing)決定了磷石膏(gao)具(ju)有較高的壓縮性(xing)、滲(shen)透破(po)壞型式(shi)表(biao)現為流土破(po)壞。

2.2滲(shen)透(tou)特性

(1)滲(shen)透系數

影(ying)響滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑(jing)大(da)小、級配和(he)孔隙(xi)比(bi),因而磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)(jiao)為接近。由于(yu)孔隙(xi)比(bi)e減(jian)小,使(shi)(shi)得過水通道面積減(jian)小,滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減(jian)小,k與(yu)e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對(dui)砂土(tu),一般認為滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好,圖6給出了二者間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)(xian),由于(yu)沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化(hua)較(jiao)(jiao)大(da),使(shi)(shi)得沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化(hua)范圍較(jiao)(jiao)大(da)(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級),二者問的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差。

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圖6沉積磷石膏滲透系數與孔(kong)隙比的關(guan)系

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

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)平(ping)與(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)比(bi)值(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)。沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)kh一般大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約為2.86,這(zhe)一點(dian)與(yu)成層(ceng)分(fen)(fen)布(bu)的(de)(de)(de)金屬尾礦規律一致。造成沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)是由于(yu)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)具(ju)有明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)晶體(ti)結構(gou),電鏡(jing)掃(sao)描顯(xian)(xian)示多(duo)為菱(ling)形(xing)和棱柱狀形(xing)式(見圖8),在沉(chen)積(ji)過(guo)程中,由于(yu)扁平(ping)狀磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)顆粒(li)多(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)(shui)平(ping)排(pai)列(lie),使得水(shui)(shui)(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性大于(yu)垂直(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性,從而(er)使磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)呈(cheng)現明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根(gen)據(ju)中國(guo)有色(se)金屬(shu)工業昆明勘(kan)察設計研究院在楊家(jia)箐磷石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)開展的現場滲(shen)透(tou)試(shi)驗,kh/kv的平均值(zhi)約為1.9。但張超等的室內(nei)試(shi)驗顯(xian)示,kh/kv的平均值(zhi)約為0.46,也即(ji)垂直向滲(shen)透(tou)系(xi)數大于水(shui)平向滲(shen)透(tou)系(xi)數,與本文和現場試(shi)驗結果(guo)恰恰相反。從磷石膏(gao)的微觀結構來看,本文試(shi)驗結果(guo)更(geng)為合理。

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圖7沉積(ji)磷石膏干(gan)密度與水(shui)平和(he)垂(chui)直滲透(tou)系數比(bi)值的(de)關(guan)系


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



(2)滲(shen)透變形

圖9為(wei)磷(lin)石(shi)膏(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水力梯度J與流速V的(de)(de)(de)關系(xi)曲線,試驗(yan)在(zai)(zai)水平(ping)管涌儀中(zhong)采用(yong)(yong)水平(ping)方(fang)向的(de)(de)(de)滲(shen)流形式進行。試驗(yan)得到(dao)的(de)(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355,破壞坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說,對(dui)1,2級(ji)工程(cheng),滲(shen)透(tou)安(an)(an)全系(xi)數取(qu)為(wei)2.5,則允許出逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142,對(dui)3級(ji)以下(xia)工程(cheng),滲(shen)透(tou)安(an)(an)全系(xi)數取(qu)2.0,則允許出逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)與粉土(tu)一(yi)粉砂(sha)大致相同(tong)。但(dan)上述滲(shen)透(tou)變形試驗(yan)是采用(yong)(yong)自來(lai)水進行的(de)(de)(de),自來(lai)水對(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)有(you)一(yi)定的(de)(de)(de)溶蝕作用(yong)(yong),而實際上磷(lin)石(shi)膏(gao)中(zhong)殘余磷(lin)、硫和氟酸(suan),庫水的(de)(de)(de)pH值一(yi)般小(xiao)于3(稱(cheng)之為(wei)酸(suan)性(xing)水),在(zai)(zai)酸(suan)性(xing)水作用(yong)(yong)下(xia),磷(lin)石(shi)膏(gao)不會發(fa)生破壞,上述試驗(yan)結果是偏于保守的(de)(de)(de),但(dan)對(dui)非酸(suan)性(xing)水條件(例如特大暴(bao)雨(yu))下(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定判斷有(you)一(yi)定的(de)(de)(de)借鑒意(yi)義。

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圖9水力梯度J-流速v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)


(3)土水(shui)特(te)征試驗

試(shi)驗在5Bar的壓力板(ban)儀中進(jin)行,環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1,1.2和1.29g/cm3共3組,吸力范圍0~500kPa。表(biao)l列出了含水率特(te)征值(zhi),試(shi)驗曲線見圖10所(suo)示。

試驗結果表明:①干密(mi)度(du)(du)對進(jin)氣值(zhi)(zhi)沒有(you)明顯的(de)影響,不同干密(mi)度(du)(du)的(de)試樣(yang)(yang)的(de)進(jin)氣值(zhi)(zhi)大致在10kPa左右(you);②土樣(yang)(yang)殘余(yu)含(han)水(shui)率(lv)(lv)隨干密(mi)度(du)(du)的(de)增加而減(jian)少,殘余(yu)含(han)水(shui)率(lv)(lv)約為(wei)飽和含(han)水(shui)率(lv)(lv)的(de)10%。上述特性與粉(fen)(fen)土一粉(fen)(fen)砂基本一致。

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2.3靜力力學(xue)特(te)性

(1)三軸CU試(shi)驗

由于沉積磷石膏的(de)密度變化較大,而(er)進(jin)行三軸(zhou)試驗(yan)需要若干原狀樣(yang),為(wei)(wei)使試驗(yan)結果具有較好的(de)一致性(xing),有針對性(xing)的(de)選擇(ze)平均(jun)干密度分別為(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(he)1.58g/cm3(1.57~1.6g/cm3)的(de)若干試樣(yang),進(jin)行了(le)5組三軸(zhou)CU試驗(yan)。圖11是(shi)為(wei)(wei)干密度為(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三軸(zhou)CU試驗(yan)曲線。

從圖11可以(yi)看出(chu),磷石膏(gao)的應力應變關系曲線在(zai)低圍(wei)壓(ya)下(xia)表現為(wei)軟化(hua)型(xing),在(zai)高圍(wei)壓(ya)下(xia)表現為(wei)硬化(hua)型(xing),與一般土(tu)(tu)類相似。但(dan)與一般粉(fen)土(tu)(tu)一粉(fen)砂不同的是(shi),即使在(zai)較為(wei)疏(shu)松的狀(zhuang)態下(xia),磷石膏(gao)仍(reng)表現了較為(wei)強烈(lie)的剪(jian)脹,隨密(mi)實度增大,剪(jian)脹作用愈發(fa)明顯。

表2給出了(le)不同干密(mi)度下的(de)(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao),圖12給出了(le)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)與干密(mi)度的(de)(de)(de)關系曲(qu)線。隨(sui)(sui)干密(mi)度的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da),內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)也隨(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)大(da),且可(ke)采用(yong)冪函數較(jiao)(jiao)(jiao)好地擬合。磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密(mi)度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3,增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%,總應(ying)(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根(gen)據(ju)擬合曲(qu)線求得),增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%,有(you)(you)效(xiao)應(ying)(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°,增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%,由于(yu)隨(sui)(sui)圍壓的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da),孔(kong)壓也明(ming)(ming)顯增(zeng)(zeng)大(da),故有(you)(you)效(xiao)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)之總應(ying)(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)(jiao)之于(yu)干密(mi)度增(zeng)(zeng)幅(fu),摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著,表明(ming)(ming)即使較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)疏(shu)松的(de)(de)(de)磷石膏(gao)(gao)仍(reng)具有(you)(you)較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)強(qiang)度指標,這也表明(ming)(ming)磷石膏(gao)(gao)堆積壩的(de)(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)(jiao)高。

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(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試(shi)驗

磷(lin)石膏(gao)的蠕變變形試驗在側限壓縮儀(yi)中進行,試驗狀態相當于K0固結(jie)。試樣直徑61.8mm,高度20mm,試樣干密度為1.30g/cm3,對試樣飽和后分別開展了(le)上覆(fu)壓力ρ為100,200,400,800kPa的試驗,

試驗(yan)從2012年8月(yue)27日開始,試驗(yan)己進(jin)行了1年多,試驗(yan)結果見圖13所(suo)示(shi)。

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從圖13中(zhong)可(ke)以看(kan)出:上覆(fu)荷(he)載越大(da),磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)蠕變變形(xing)(xing)也越大(da),荷(he)載施(shi)加1年后(hou)(hou),磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)蠕變變形(xing)(xing)仍非常顯(xian)著(zhu),尚未達到(dao)穩定狀態,這也是(shi)磷石膏(gao)(gao)堆積壩(ba)后(hou)(hou)期變形(xing)(xing)較大(da)的(de)(de)原(yuan)因,原(yuan)型觀測(ce)資(zi)料表明(ming),在(zai)5級子壩(ba)河(he)床部位(wei)的(de)(de)表面(mian)沉降量已經(jing)達到(dao)3.1m,且尚未完全(quan)穩定。

按時(shi)間對(dui)數法,可求得各級荷(he)載(zai)(zai)下的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)量如表(biao)3所示。試驗結(jie)果表(biao)明,在(zai)(zai)100~400kPa上覆荷(he)載(zai)(zai)作(zuo)用下,在(zai)(zai)試驗時(shi)間范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)結(jie))變(bian)(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)1.8~3.1倍,當然由于(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未完(wan)成,實際的(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更大。對(dui)土(tu)體(ti)(ti)而(er)言,發生(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)(de)原因(yin)是(shi)由于(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)結(jie)完(wan)成之后,土(tu)體(ti)(ti)中仍有微小的(de)(de)超靜孔隙壓力存在(zai)(zai),驅(qu)使水(shui)在(zai)(zai)顆粒問流動,一般來講土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)遠小于(yu)主(zhu)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing);對(dui)磷石(shi)膏(gao)而(er)言,其(qi)滲(shen)透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級,遠大于(yu)黏性(xing)土(tu),但其(qi)卻發生(sheng)了極為顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing),其(qi)原因(yin)在(zai)(zai)于(yu)磷石(shi)膏(gao)晶體(ti)(ti)結(jie)構發生(sheng)了壓縮、破壞,接觸點晶格(ge)發生(sheng)歪曲(qu)和變(bian)(bian)形(xing),而(er)破壞后晶格(ge)之間的(de)(de)重新排列、調整到(dao)最(zui)后趨于(yu)相對(dui)靜止(zhi)需要相當長的(de)(de)時(shi)間才能完(wan)成。

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2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采用英國GDS公司進口的(de)電機控制動(dong)三軸試(shi)驗系統,試(shi)樣直徑39.1mm,高度80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比

同(tong)樣由于(yu)自(zi)然沉(chen)積的磷石膏密(mi)度(du)變(bian)化(hua)較大,為此根據物(wu)理性(xing)質(zhi)試驗(yan)結果,選擇兩種平均干密(mi)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)進行試驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的動(dong)剪切模(mo)量G、阻尼比(bi)與(yu)剪應變幅值γd的關系式如下:

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式中(zhong)k1為參數,表示(shi)動剪切模量(liang)的(de)衰減或阻尼(ni)比(bi)(bi)的(de)增(zeng)長速率;λmax為最大阻尼(ni)比(bi)(bi);Gmax,γd分別(bie)為最大動剪切模量(liang)和歸一化的(de)動剪應變,表示(shi)為

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

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圖14給(gei)出(chu)了動(dong)剪切模量、阻尼比與歸一化動(dong)應變的(de)關系(xi)曲(qu)線(xian),另外圖中(zhong)還給(gei)出(chu)了式(1)的(de)擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給(gei)出(chu)的(de)砂(sha)樣的(de)上(shang)下邊界線(xian),圖例(li)中(zhong),σ2表示圍壓,Kc表示固結應力比。

從圖(tu)(tu)中可以看出(chu):①式(1)可較(jiao)(jiao)(jiao)好(hao)地描述(shu)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)動(dong)應力(li)(li)-動(dong)應變試(shi)驗曲(qu)線(xian)(xian),表(biao)明(ming)(ming)采(cai)用等價(jia)黏彈性模(mo)(mo)型進(jin)行循(xun)環荷載作用下的(de)(de)(de)分(fen)析是(shi)可行的(de)(de)(de);②圖(tu)(tu)14(a)中干(gan)(gan)密度(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)(xian)位(wei)于(yu)(yu)干(gan)(gan)密度(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)(xian)上方(fang),圖(tu)(tu)14(b)中則位(wei)于(yu)(yu)下方(fang),表(biao)明(ming)(ming)密度(du)越(yue)大,動(dong)彈模(mo)(mo)越(yue)大、阻(zu)尼比(bi)越(yue)小(xiao);③圖(tu)(tu)14(a)中,兩種干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)(yu)Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)(de)邊界(jie)線(xian)(xian)上方(fang),而圖(tu)(tu)14(b)中則基本(ben)處于(yu)(yu)邊界(jie)線(xian)(xian)中間,表(biao)明(ming)(ming)相比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)砂樣(yang),磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)動(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)(jiao)(jiao)大,會導致磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應較(jiao)(jiao)(jiao)大,但由(you)于(yu)(yu)阻(zu)尼比(bi)也較(jiao)(jiao)(jiao)大,這(zhe)樣(yang)又會削弱壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應,二者的(de)(de)(de)相互影響下,磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應將(jiang)不會過(guo)于(yu)(yu)強烈(lie),這(zhe)對磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)抗(kang)震穩定性是(shi)有利的(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強度

選擇兩種平均(jun)干密(mi)度(du)為(wei)1.12(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.1~1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.29~1.3lg/cm3)進行試(shi)驗(yan),破(po)壞標準為(wei)總應變(bian)達到(dao)10%。

圖15給出(chu)了動剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)(bi)(bi)τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)關系(xi)曲(qu)線圖,其中σ0為(wei)振前試樣45°面上的(de)有效(xiao)法向應(ying)力(li),表達為(wei):σ0=(Kc+1)σ2′/2,Kc為(wei)固結(jie)(jie)比(bi)(bi)(bi)。從試驗結(jie)(jie)果(guo)可以看出(chu),沉積(ji)磷石膏的(de)動強度與其它土體相(xiang)似,表現為(wei)圍壓和固結(jie)(jie)應(ying)力(li)比(bi)(bi)(bi)與動剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)(bi)(bi)呈負相(xiang)關關系(xi)。

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為(wei)判別沉積磷石膏的抗液化能力,假定抗震(zhen)設計烈度(du)為(wei)8度(du),即等效振(zhen)次Ⅳ可取為(wei)30。首先由式(shi)(4)

所示的(de)冪函數關系式得到(dao)振次為30時各(ge)個(ge)圍壓和固結比(bi)下的(de)動剪應(ying)力比(bi):

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可擬合求(qiu)得動剪應力比與圍壓(ya)和固結應力比的關系式(shi):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)合關系式可見,密實(shi)度提(ti)高后,動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)比提(ti)高,表明(ming)抗液化(hua)能力(li)也提(ti)高。但即使是在(zai)低密度下,其動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)比較(jiao)之同類的粉土或粉砂(sha)也大出(chu)許多,表明(ming)磷石膏具有較(jiao)高的抗液化(hua)能力(li)。


三、結(jie)論

依托柳樹箐磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩,在鉆探取樣(yang)工作(zuo)的基礎(chu)上,首先開(kai)(kai)展了物理性(xing)質(zhi)試驗(yan),然后開(kai)(kai)展了靜動力(li)力(li)學(xue)特性(xing)試驗(yan)。通過上述(shu)試驗(yan)研究,得(de)出如(ru)下結論:

(1)沉積磷石膏(gao)總體(ti)上(shang)屬(shu)于級配不良的粉土(tu),局(ju)部屬(shu)于粉砂一(yi)中砂,無自然分級現(xian)象。其干密度和粒(li)徑變化隨埋深或(huo)距放漿(jiang)口距離的變化不明顯。

(2)沉(chen)積磷石(shi)膏水平方(fang)向(xiang)的滲透系數大于垂直方(fang)向(xiang)的滲透系數,呈現明顯的各向(xiang)異性。

(3)與(yu)土體(ti)顆粒(li)不可壓縮(suo)不同(tong),磷石(shi)膏的晶體(ti)結構會(hui)發生壓縮(suo)破壞(huai),具(ju)有較大(da)的壓縮(suo)性,其次(ci)固結變形量遠大(da)于主固結變形量。

(4)沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)靜(jing)動強度(du)較之同等(deng)密(mi)實度(du)下的(de)粉土(tu)、粉砂要高。


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