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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(yan)

磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)是濕(shi)(shi)(shi)法(fa)磷(lin)酸(suan)生(sheng)產過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)副產品,2018年,全國(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產生(sheng)量(liang)為(wei)7800萬噸,且呈逐(zhu)年增長的(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)主要(yao)成分(fen)是CaO和(he)SO3,但含有一定量(liang)的(de)(de)氟化物(wu)(wu)和(he)其它放(fang)射性物(wu)(wu)質,在中(zhong)國(guo)通常(chang)按Ⅱ類一般工(gong)業(ye)固體廢物(wu)(wu)處理,鑒于無害化處理成本(ben)較(jiao)(jiao)高,目前綜合利用率尚(shang)不足(zu)40%,故大部分(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)堆(dui)存存放(fang)。按堆(dui)存場(chang)(chang)地(di)(di)的(de)(de)不同,可分(fen)為(wei)平地(di)(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)場(chang)(chang),在中(zhong)國(guo)基本(ben)上是山(shan)谷型(xing)堆(dui)場(chang)(chang)。相(xiang)比較(jiao)(jiao)干法(fa)堆(dui)存,濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存經濟優勢明顯,因而如地(di)(di)質條件為(wei)非碳酸(suan)鹽巖地(di)(di)區(qu),一般均采(cai)用濕(shi)(shi)(shi)排濕(shi)(shi)(shi)堆(dui)方式。隨著(zhu)中(zhong)國(guo)磷(lin)肥工(gong)業(ye)的(de)(de)快速發(fa)展,本(ben)世紀(ji)初(chu)中(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了幾(ji)座濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存的(de)(de)大型(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫,例如云(yun)天化國(guo)際(ji)化工(gong)三環分(fen)公(gong)司的(de)(de)柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)積壩和(he)富瑞分(fen)公(gong)司的(de)(de)楊家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)積壩,這兩座壩設計壩高均超過100m、處于8度地(di)(di)震區(qu),其安全性備受關注。


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



據統計,110多年(1901年一2013年)來(lai),全世界有118座尾(wei)礦壩曾(ceng)發(fa)生(sheng)過破(po)壞或(huo)潰壩事故,原因主要有地(di)震、洪水漫(man)頂、滲透破(po)壞和基礎失穩。尾(wei)礦庫(ku)失事后會造(zao)成巨大的生(sheng)態(tai)災難和人員傷(shang)亡,近(jin)幾(ji)十年來(lai),

國(guo)內外對金屬(shu)尾礦的沉積規(gui)律(lv)、物理力學特(te)(te)性(xing)及其穩(wen)定(ding)性(xing)開(kai)展了大量的研究,但(dan)對于與金屬(shu)尾礦庫(ku)相近的磷石膏庫(ku),一般僅限(xian)于在可(ke)研階(jie)段采用人工制備樣進(jin)行物理力學性(xing)質試驗,并據此進(jin)行穩(wen)定(ding)性(xing)分(fen)析,尚未有人針對己運行若(ruo)干年的大型濕法堆(dui)存磷石膏堆(dui)積壩開(kai)展過(guo)磷石膏沉積規(gui)律(lv)及其物理力學特(te)(te)性(xing)的專(zhuan)項研究。

本文依托柳樹箐(qing)磷石膏(gao)堆積(ji)壩,首先進行(xing)了(le)鉆(zhan)探取樣,采用原狀(zhuang)樣開展(zhan)了(le)密度、含水率、滲透(tou)、土(tu)水特征(zheng)和顆分等物理性質試(shi)(shi)(shi)驗,在此基礎(chu)上有針對性的(de)選擇原狀(zhuang)樣開展(zhan)了(le)三(san)(san)軸(zhou)(zhou)CU、蠕變及動三(san)(san)軸(zhou)(zhou)等力(li)學特性試(shi)(shi)(shi)驗。通過上述試(shi)(shi)(shi)驗研究(jiu),總結了(le)磷石膏(gao)的(de)沉(chen)積(ji)規律、滲透(tou)特性、滲透(tou)破壞特性以及靜動力(li)特性,上述研究(jiu)工作對研究(jiu)和評估磷石膏(gao)庫堆積(ji)壩的(de)穩(wen)定性提供了(le)基礎(chu)數據,對現行(xing)磷石膏(gao)庫的(de)運行(xing)管(guan)理以及新(xin)建工程的(de)設計具有重(zhong)要的(de)借鑒意義(yi)。


一、依托(tuo)工程概況

1.1柳(liu)樹箐磷石(shi)膏(gao)堆積壩堆存設計方案(an)

由初期壩和堆積壩組成,設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m,采用土料填筑。上(shang)游坡面、壩(ba)底和下(xia)游壩(ba)腳設置堆(dui)石排水體(ti),三者相(xiang)連(lian)通構成(cheng)整個堆(dui)積壩(ba)的主要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及(ji)其輔助(zhu)排滲措施

采用上游式筑壩(ba)法,共20級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba),頂寬6~9m,高(gao)度(du)5m,堆(dui)積(ji)高(gao)度(du)約(yue)100m。采用排(pai)滲管網(wang)作為(wei)輔助排(pai)滲方案,目(mu)前(qian)己在(zai)5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)和13級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范圍(wei)內設(she)置了井字形排(pai)滲管網(wang)。

1.2沉積磷石(shi)膏的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平面(mian)位置見圖l。2008年(nian)6月(yue)(yue),堆(dui)(dui)積(ji)至5級(ji)子(zi)壩(ba)時,布(bu)設(she)了9個(ge)取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong),鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K1~K9,取原狀(zhuang)樣76件;2013年(nian)5月(yue)(yue),堆(dui)(dui)積(ji)至13級(ji)子(zi)壩(ba)時,又布(bu)設(she)了11個(ge)取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong),鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K10~K20,取原狀(zhuang)樣112件,為(wei)比(bi)較子(zi)壩(ba)加高(gao)和(he)磷石膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)過程中磷石膏(gao)物理力學性(xing)質的(de)變(bian)化(hua),在(zai)2,4級(ji)子(zi)壩(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)附(fu)近(jin)各(ge)布(bu)設(she)了一(yi)個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong),鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號分別(bie)為(wei)K17和(he)K18。

1.3運(yun)行概況

柳樹箐磷石膏尾(wei)礦庫(ku)2005年(nian)(nian)(nian)開工建設,2006年(nian)(nian)(nian)1月投入運行(xing),截(jie)至(zhi)2013年(nian)(nian)(nian)5月己堆至(zhi)13級子壩,尚(shang)有(you)7級子壩即堆存至(zhi)設計高程(cheng)。鑒于磷石膏庫(ku)地形、地質條件較好,具備擴(kuo)容(rong)改造的條件,以提高堆存庫(ku)容(rong),減(jian)少堆存占地,節約土地資源。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



本文主要(yao)對沉積磷石膏(gao)的(de)物理力學特性進行(xing)了全面(mian)總結,限于篇幅,有(you)關現狀磷石膏(gao)庫堆積壩(ba)的(de)安(an)全性評價及(ji)其加高(gao)可行(xing)性的(de)研(yan)究將另文發表。


二、沉積磷石膏(gao)的(de)物理(li)力(li)學特性(xing)

2.1物理特性

(1)干(gan)密度分布

圖2給出了14個(ge)鉆(zhan)孔的(de)取樣深度(du)(du)和(he)試(shi)驗所得(de)干密度(du)(du)的(de)關系(xi),圖中UWL表(biao)示(shi)水位線(xian)(xian)上(shang),(系(xi)鉆(zhan)孔期(qi)間的(de)初見水位線(xian)(xian),下(xia)同(tong)),DWL表(biao)示(shi)水位線(xian)(xian)下(xia)。圖3給出了水位線(xian)(xian)上(shang)下(xia)的(de)飽和(he)度(du)(du)分(fen)布圖。由(you)于(yu)磷石膏中的(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O,不同(tong)溫度(du)(du)和(he)烘烤時間對測定(ding)(ding)結果有一定(ding)(ding)影響(xiang),不能照搬現行(xing)的(de)土工(gong)試(shi)驗規范,本(ben)文磷石膏的(de)含水率測定(ding)(ding)方法為55℃溫度(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(lin)石膏干密度與埋(mai)深的關系

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

由圖3,水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)上(shang)的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)和(he)度(du)平均值為(wei)50.4%,處(chu)于(yu)非飽(bao)和(he)狀態(tai),水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)和(he)度(du)平均值為(wei)85.0%,基本處(chu)于(yu)飽(bao)和(he)狀態(tai),由于(yu)水(shui)位(wei)(wei)下(xia)降后磷(lin)石(shi)膏來不及(ji)排水(shui)固(gu)結,故而水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)上(shang)局部試樣的飽(bao)和(he)度(du)較(jiao)高。

由圖2,水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度在0.98~1.67g/cm3之(zhi)(zhi)間,均(jun)值為1.30g/cm3;水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下(xia)的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度在1.15~1.73g/cm3之(zhi)(zhi)間,均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石膏(gao)與一(yi)般的(de)(de)尾礦有所不(bu)同,磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度并不(bu)隨埋深的(de)(de)增大而明顯(xian)增大,但水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下(xia)的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度從統計意(yi)義上來看仍(reng)大于水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度,這(zhe)主要是(shi)由于水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)隨庫水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)的(de)(de)變化反復升(sheng)降而使得磷(lin)(lin)石膏(gao)排水(shui)(shui)(shui)(shui)固結(jie)所致。

室內擊實(shi)得到的磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)度(du)一般(ban)在1.36~1.46g/cm3之(zhi)間,從(cong)圖2可以(yi)看(kan)出(chu),自然沉積的磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)度(du)可達到1.73g/cm3,原因如(ru)下:與經典的土(tu)骨(gu)架(jia)(jia)不可壓(ya)縮的理論不同,石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)本身可壓(ya)縮,同時由于顆粒結構不穩定,擊實(shi)試(shi)驗過程中磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)結構被破壞,受夯(hang)擊處下陷(xian),四(si)周鼓起,出(chu)現(xian)了類似于橡皮土(tu)的現(xian)象。而在現(xian)場(chang)條件下,石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)架(jia)(jia)被破壞后,會導(dao)致顆粒中的結合水滲出(chu)至(zhi)孔隙內,變成孔隙水,排水固結后會使得磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的孔隙比減小,干(gan)密(mi)度(du)增大。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



圖4給出了(le)相鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位于2級子(zi)壩河床部(bu)位)以及相鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位于4級子(zi)壩河床部(bu)位)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)的對比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.12~1.47g/cm3之間(jian),均(jun)值(zhi)(zhi)為1.30g/cm3,K17鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.2~1.39g/cm3之間(jian),均(jun)值(zhi)(zhi)為1.32g/cm3;K6鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.13~1.57g/cm3之間(jian),均(jun)值(zhi)(zhi)為1.36g/cm3,K18鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.14~1.59g/cm3之間(jian),均(jun)值(zhi)(zhi)為1.37g/cm3。可(ke)見,即(ji)使從統(tong)計意義上來看,磷石膏(gao)的干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)也并(bing)未隨后續磷石膏(gao)的堆積(ji)而有較為明顯(xian)的增大(da)。

(2)級配分布

顆粒分析(xi)試驗(yan)采用密度計法,制備懸(xuan)液時不煮沸,不加六偏磷酸(suan)鈉。圖5給出了試驗(yan)得到的級配包線、平均粒徑(jing)d50、不均勻(yun)系數(1u和曲率系數Cc的分布(bu)圖。

從圖5(a)可見,磷(lin)石膏(gao)的粒徑(jing)主要分布在0.005~0.075mm之間,總體上屬(shu)于粉土,但可能由于礦(kuang)石來源或(huo)生產工藝有所(suo)不(bu)同(tong),局部屬(shu)于粉砂(sha)(sha)~中(zhong)砂(sha)(sha)。粒徑(jing)分布范圍(wei)比Blight和張(zhang)超等的試驗結果(guo)要寬一些。

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圖4子壩加高后沉積磷石膏的干密度變化


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圖5沉積磷石膏的平均粒(li)徑和(he)級配分布

由圖5(b)和5(c),無論是水平向還是垂直向,磷(lin)(lin)石膏與金屬(shu)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后細,上(shang)粗(cu)下(xia)細”的(de)(de)自(zi)然分級現象不(bu)同,也即粗(cu)顆(ke)粒(li)并不(bu)是沿埋深(shen)逐步減小或距離放(fang)(fang)漿(jiang)口(kou)越(yue)遠(yuan)顆(ke)粒(li)越(yue)細,其(qi)原因(yin)如下(xia):①磷(lin)(lin)石膏顆(ke)粒(li)粒(li)徑(jing)組成(cheng)較(jiao)為集中、均勻,主要以(yi)粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主,級配較(jiao)差(cha);②相比(bi)較(jiao)金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang),磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)小,磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)比(bi)重(zhong)一般為2.3~2.4,遠(yuan)小于金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong),例如鐵(tie)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)可達2.9;③放(fang)(fang)漿(jiang)口(kou)隨子壩高度不(bu)斷增加(jia)而不(bu)斷變(bian)動并向庫(ku)尾(wei)(wei)延伸,造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)粒(li)徑(jing)變(bian)化不(bu)明顯。

從圖5(d)可見,不均勻系數Cu范圍值(zhi)1.61~21.5,平均值(zhi)為4.18,曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28~9.78,平均值(zhi)為1.21,在統(tong)計的100多個試樣中,屬于級配(pei)不良土(tu)的占93%。這(zhe)種級配(pei)特性決定了磷石(shi)膏具有較高的壓縮性、滲透破(po)壞型(xing)式表現為流土(tu)破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲(shen)透系數

影響滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數的(de)主要因(yin)素是粒徑大(da)小、級配和孔(kong)隙(xi)比,因(yin)而磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數與(yu)粉土較(jiao)為接近。由(you)(you)于(yu)孔(kong)隙(xi)比e減小,使得過水通道面積(ji)減小,滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數k也將減小,k與(yu)e呈正(zheng)相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對砂土,一般認為滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數k與(yu)e3/(1+e)的(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較(jiao)好,圖(tu)6給出了二(er)者(zhe)間的(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線(xian),由(you)(you)于(yu)沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏的(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)數變化較(jiao)大(da),使得沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數變化范(fan)圍較(jiao)大(da)(平均(jun)值為10-4cm/s數量(liang)級),二(er)者(zhe)問(wen)的(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較(jiao)差。

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圖6沉(chen)積磷(lin)石膏滲透系數與孔隙比的關系

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

圖7給出了水(shui)平(ping)(ping)(ping)與(yu)(yu)垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數比值(zhi)的(de)(de)分布。沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)水(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數kh一般大于(yu)(yu)垂直向(xiang)的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系數kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均值(zhi)約為(wei)(wei)2.86,這一點與(yu)(yu)成(cheng)層(ceng)分布的(de)(de)金屬尾礦規律(lv)一致。造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)水(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數大于(yu)(yu)垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數的(de)(de)原因是由于(yu)(yu)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有明顯的(de)(de)晶體結(jie)構,電鏡掃(sao)描顯示多為(wei)(wei)菱形(xing)和棱(leng)柱狀形(xing)式(見(jian)圖8),在沉積過(guo)程中,由于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆粒多呈(cheng)水(shui)平(ping)(ping)(ping)排(pai)列,使得水(shui)平(ping)(ping)(ping)方(fang)向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing)大于(yu)(yu)垂直方(fang)向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing),從而使磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)呈(cheng)現明顯的(de)(de)各(ge)向(xiang)異性(xing)。

另根(gen)據(ju)中國有色金屬工業昆明勘(kan)察設計研究(jiu)院在楊家箐磷(lin)石膏堆積壩開(kai)展的(de)現場滲(shen)透(tou)試驗(yan),kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約(yue)為1.9。但張超等的(de)室(shi)內試驗(yan)顯示,kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約(yue)為0.46,也即(ji)垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)系數大于水平向(xiang)滲(shen)透(tou)系數,與本(ben)文(wen)(wen)和現場試驗(yan)結(jie)果(guo)恰恰相(xiang)反。從(cong)磷(lin)石膏的(de)微觀結(jie)構來(lai)看,本(ben)文(wen)(wen)試驗(yan)結(jie)果(guo)更為合理。

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圖7沉積磷石(shi)膏干密度與水平(ping)和(he)垂直(zhi)滲透系(xi)數(shu)比值的關(guan)系(xi)


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(2)滲透變形

圖9為磷石膏干(gan)密度為1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)力梯(ti)度J與流(liu)(liu)速V的(de)關系曲線,試(shi)(shi)驗在(zai)水(shui)(shui)平管涌儀(yi)中采用(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)滲(shen)(shen)流(liu)(liu)形(xing)式進(jin)行(xing)。試(shi)(shi)驗得到的(de)臨界(jie)坡(po)(po)降(jiang)Jc=0.355,破壞坡(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來(lai)(lai)說,對(dui)(dui)1,2級工程,滲(shen)(shen)透(tou)安(an)全(quan)系數取為2.5,則允(yun)許(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)為0.355/2.5=0.142,對(dui)(dui)3級以下工程,滲(shen)(shen)透(tou)安(an)全(quan)系數取2.0,則允(yun)許(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)比(bi)降(jiang)與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大致相同。但(dan)上述(shu)滲(shen)(shen)透(tou)變(bian)形(xing)試(shi)(shi)驗是采用(yong)自(zi)來(lai)(lai)水(shui)(shui)進(jin)行(xing)的(de),自(zi)來(lai)(lai)水(shui)(shui)對(dui)(dui)磷石膏具有一(yi)定的(de)溶蝕作(zuo)用(yong),而(er)實際上磷石膏中殘余磷、硫和(he)氟酸(suan),庫水(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)般小于3(稱之為酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)),在(zai)酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下,磷石膏不會(hui)發(fa)生破壞,上述(shu)試(shi)(shi)驗結(jie)果(guo)是偏(pian)于保守的(de),但(dan)對(dui)(dui)非酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)條件(jian)(例如特大暴雨)下的(de)滲(shen)(shen)透(tou)穩定判斷有一(yi)定的(de)借鑒意(yi)義。

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圖9水力梯度J-流速v試驗過(guo)程線(ρd=140g/cm3)


(3)土水特征試(shi)驗(yan)

試(shi)驗在5Bar的壓力(li)板儀(yi)中進(jin)行,環刀(dao)尺寸6.18cm。干密度分1.1,1.2和(he)1.29g/cm3共3組,吸(xi)力(li)范圍0~500kPa。表l列出了含水(shui)率(lv)特征值,試(shi)驗曲線見(jian)圖10所示。

試驗結果表明(ming):①干(gan)密度(du)對進氣值沒有明(ming)顯的(de)影響,不同干(gan)密度(du)的(de)試樣(yang)的(de)進氣值大(da)致在(zai)10kPa左右;②土(tu)(tu)樣(yang)殘余含水率(lv)隨干(gan)密度(du)的(de)增加(jia)而減(jian)少,殘余含水率(lv)約(yue)為飽和含水率(lv)的(de)10%。上述特性(xing)與粉土(tu)(tu)一粉砂基(ji)本一致。

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2.3靜力力學特性

(1)三(san)軸(zhou)CU試驗

由于沉積磷石膏(gao)的(de)(de)密度變(bian)化較大,而進(jin)行三軸試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)需要若(ruo)干原狀樣(yang)(yang),為(wei)使試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)結(jie)果具有(you)較好的(de)(de)一致性,有(you)針對性的(de)(de)選擇平(ping)均干密度分(fen)別(bie)為(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(yang)(yang),進(jin)行了5組三軸CU試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)。圖11是(shi)為(wei)干密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸CU試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)曲線。

從圖11可以看(kan)出,磷石(shi)膏(gao)的應力應變關(guan)系(xi)曲線(xian)在低圍(wei)壓下表(biao)現為(wei)軟化型(xing),在高圍(wei)壓下表(biao)現為(wei)硬化型(xing),與(yu)一(yi)般土(tu)類相似。但與(yu)一(yi)般粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂不同的是,即使在較(jiao)為(wei)疏松的狀態下,磷石(shi)膏(gao)仍表(biao)現了較(jiao)為(wei)強烈的剪脹(zhang),隨密實度增(zeng)大,剪脹(zhang)作用愈發明顯。

表2給出了(le)(le)不(bu)同干密(mi)度(du)下的(de)(de)(de)(de)內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角,圖12給出了(le)(le)內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角與干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)關系曲(qu)線。隨(sui)干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da),內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角也隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da),且(qie)可(ke)采用冪函(han)數較(jiao)好地擬合(he)。磷石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3,增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)(le)32%,總應力摩(mo)擦(ca)(ca)角由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬合(he)曲(qu)線求得),增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)9.4%,有(you)效應力摩(mo)擦(ca)(ca)角由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°,增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)3.2%,由于(yu)隨(sui)圍壓的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da),孔壓也明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da),故有(you)效摩(mo)擦(ca)(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)之(zhi)總應力摩(mo)擦(ca)(ca)角要小(xiao)。另外較(jiao)之(zhi)于(yu)干密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu),摩(mo)擦(ca)(ca)角的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不(bu)顯著,表明(ming)即使(shi)較(jiao)為(wei)疏(shu)松的(de)(de)(de)(de)磷石膏(gao)仍具有(you)較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)強度(du)指標,這也表明(ming)磷石膏(gao)堆積壩的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定性較(jiao)高(gao)。

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(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形(xing)試驗

磷石膏的蠕變變形試(shi)驗在側限壓(ya)縮儀(yi)中(zhong)進行,試(shi)驗狀態相當于(yu)K0固(gu)結。試(shi)樣(yang)直(zhi)徑61.8mm,高(gao)度20mm,試(shi)樣(yang)干密度為1.30g/cm3,對試(shi)樣(yang)飽(bao)和后(hou)分(fen)別開展了上(shang)覆壓(ya)力ρ為100,200,400,800kPa的試(shi)驗,

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

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從圖(tu)13中可以(yi)看出:上覆荷(he)載越大,磷(lin)石膏的蠕變變形(xing)也越大,荷(he)載施加(jia)1年(nian)后,磷(lin)石膏的蠕變變形(xing)仍非常顯著(zhu),尚(shang)未達(da)到(dao)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai),這也是磷(lin)石膏堆積壩(ba)后期(qi)變形(xing)較大的原(yuan)因(yin),原(yuan)型觀測資料表(biao)明,在5級子壩(ba)河床部(bu)位的表(biao)面沉降量已經達(da)到(dao)3.1m,且尚(shang)未完全穩(wen)定(ding)。

按(an)時間(jian)(jian)對數(shu)法,可(ke)求(qiu)得(de)各級荷載下(xia)的(de)(de)主次(ci)(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形量(liang)如表(biao)3所示(shi)。試驗結(jie)(jie)果表(biao)明,在(zai)100~400kPa上(shang)覆荷載作用(yong)下(xia),在(zai)試驗時間(jian)(jian)范(fan)圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形是主固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)1.8~3.1倍,當(dang)然由(you)于蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形尚(shang)未完成(cheng),實際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形應更大。對土體(ti)(ti)而言,發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因是由(you)于土體(ti)(ti)在(zai)主固結(jie)(jie)完成(cheng)之后(hou),土體(ti)(ti)中(zhong)仍有微小的(de)(de)超靜孔隙壓力存(cun)在(zai),驅使(shi)水在(zai)顆粒問流動(dong),一(yi)般來講土體(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)遠小于主固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形;對磷石膏(gao)(gao)而言,其(qi)滲透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級,遠大于黏性土,但其(qi)卻發(fa)生(sheng)了極為顯著的(de)(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形,其(qi)原因在(zai)于磷石膏(gao)(gao)晶(jing)體(ti)(ti)結(jie)(jie)構(gou)發(fa)生(sheng)了壓縮、破(po)壞,接觸(chu)點(dian)晶(jing)格(ge)發(fa)生(sheng)歪(wai)曲和變(bian)(bian)(bian)形,而破(po)壞后(hou)晶(jing)格(ge)之間(jian)(jian)的(de)(de)重新(xin)排列、調整到最后(hou)趨于相(xiang)對靜止需要(yao)相(xiang)當(dang)長的(de)(de)時間(jian)(jian)才能(neng)完成(cheng)。

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2.4動力(li)力(li)學特性

試(shi)驗(yan)設備采(cai)用英國GDS公司進口的電機控制動(dong)三(san)軸試(shi)驗(yan)系統,試(shi)樣直徑(jing)39.1mm,高度(du)80mm。

(1)動模量和阻尼比

同(tong)樣由(you)于自然沉積(ji)的(de)磷石膏密度(du)變化較(jiao)大(da),為此根(gen)據物理性質試驗結果,選擇兩(liang)種平(ping)均(jun)干密度(du)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)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切(qie)模量G、阻尼比與剪(jian)應變幅(fu)值γd的關系式(shi)如下(xia):

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式中k1為參數,表(biao)示動(dong)剪(jian)切(qie)模(mo)(mo)量的(de)衰減或(huo)阻尼(ni)比的(de)增長速率;λmax為最(zui)大(da)阻尼(ni)比;Gmax,γd分別為最(zui)大(da)動(dong)剪(jian)切(qie)模(mo)(mo)量和歸(gui)一化的(de)動(dong)剪(jian)應變(bian),表(biao)示為

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式中k2,n為(wei)參數;σm為(wei)球應(ying)力(li);Pa為(wei)標準(zhun)大氣壓;vd為(wei)動(dong)泊松比(bi);εa為(wei)歸一化的動(dong)應(ying)變,表(biao)達為(wei)

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圖(tu)14給出了動(dong)剪(jian)切模量、阻(zu)尼比(bi)(bi)與(yu)歸一化(hua)動(dong)應變的關(guan)系曲線(xian),另外圖(tu)中還(huan)給出了式(shi)(1)的擬(ni)合(he)曲線(xian)以(yi)及Seed等給出的砂樣的上下邊(bian)界線(xian),圖(tu)例中,σ2表示圍壓,Kc表示固結應力比(bi)(bi)。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可以(yi)看(kan)出(chu):①式(shi)(1)可較(jiao)好(hao)地描述磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)動(dong)應力-動(dong)應變試驗曲線,表(biao)(biao)明(ming)采用等價黏彈性模型進行(xing)循環(huan)荷載作用下(xia)的(de)(de)(de)分析是可行(xing)的(de)(de)(de);②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線位于(yu)干(gan)密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線上方(fang)(fang),圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位于(yu)下(xia)方(fang)(fang),表(biao)(biao)明(ming)密(mi)度越大(da)(da)(da)(da),動(dong)彈模越大(da)(da)(da)(da)、阻(zu)(zu)尼(ni)(ni)比越小;③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong),兩種干(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)擬(ni)合線基本位于(yu)Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)邊界線上方(fang)(fang),而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基本處于(yu)邊界線中(zhong)(zhong)間,表(biao)(biao)明(ming)相比較(jiao)砂樣,磷石(shi)膏(gao)(gao)動(dong)彈模較(jiao)大(da)(da)(da)(da),會導(dao)致磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)力反應較(jiao)大(da)(da)(da)(da),但由于(yu)阻(zu)(zu)尼(ni)(ni)比也較(jiao)大(da)(da)(da)(da),這(zhe)樣又會削弱壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力反應,二者的(de)(de)(de)相互影響下(xia),磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力反應將不(bu)會過于(yu)強(qiang)烈,這(zhe)對磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定(ding)性是有利(li)的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇(ze)兩種(zhong)平均干密度(du)為1.12(變(bian)化范圍(wei)1.1~1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)化范圍(wei)1.29~1.3lg/cm3)進行試驗,破壞(huai)標準為總應變(bian)達到(dao)10%。

圖15給出(chu)了動(dong)(dong)剪應力比τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次Nf的關(guan)系曲線圖,其(qi)中σ0為振(zhen)前試(shi)樣45°面上的有效法向應力,表(biao)達為:σ0=(Kc+1)σ2′/2,Kc為固結比。從(cong)試(shi)驗(yan)結果可以看(kan)出(chu),沉(chen)積磷(lin)石膏的動(dong)(dong)強度與(yu)其(qi)它(ta)土體相似,表(biao)現為圍壓(ya)和固結應力比與(yu)動(dong)(dong)剪應力比呈(cheng)負相關(guan)關(guan)系。

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為判別沉積(ji)磷石膏的抗液化能力,假(jia)定抗震設計烈度(du)為8度(du),即等效(xiao)振次Ⅳ可取為30。首(shou)先由式(4)

所示(shi)的冪(mi)函(han)數關系式得到(dao)振次為30時(shi)各個圍(wei)壓(ya)和固結比下的動剪應力比:

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合(he)求(qiu)得動剪應力(li)比與圍壓和固結應力(li)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。


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


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從上述擬合關系式可(ke)見(jian),密實度提高(gao)后,動(dong)剪應(ying)力(li)比提高(gao),表明抗(kang)液(ye)化能力(li)也提高(gao)。但即使是在低密度下,其動(dong)剪應(ying)力(li)比較(jiao)之同類的粉(fen)土(tu)或粉(fen)砂也大(da)出許多(duo),表明磷石膏具有較(jiao)高(gao)的抗(kang)液(ye)化能力(li)。


三、結論

依托(tuo)柳(liu)樹箐(qing)磷石膏堆積壩,在鉆探(tan)取樣工作的基礎上(shang),首先(xian)開展了物理(li)性(xing)質試(shi)驗,然后開展了靜動力(li)力(li)學(xue)特性(xing)試(shi)驗。通(tong)過(guo)上(shang)述試(shi)驗研(yan)究,得出如(ru)下結論:

(1)沉積磷(lin)石膏(gao)總(zong)體(ti)上屬于級配不(bu)良(liang)的粉土,局部屬于粉砂一中砂,無(wu)自(zi)然分級現象。其干(gan)密度和(he)粒(li)徑變化(hua)隨(sui)埋深或距放(fang)漿(jiang)口距離的變化(hua)不(bu)明顯(xian)。

(2)沉(chen)積磷(lin)石膏水(shui)平方向的滲透系數(shu)大于垂直方向的滲透系數(shu),呈現(xian)明顯的各向異性。

(3)與(yu)土體顆(ke)粒不可壓(ya)縮(suo)不同,磷(lin)石(shi)膏的晶體結(jie)構會發生(sheng)壓(ya)縮(suo)破壞,具有(you)較(jiao)大的壓(ya)縮(suo)性,其次固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量遠(yuan)大于(yu)主固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量。

(4)沉積磷石(shi)膏(gao)的靜動強度較(jiao)之同(tong)等密(mi)實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂(sha)要高(gao)。


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