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主(zhu)營項目:石(shi)膏板生(sheng)(sheng)產(chan)線、石(shi)膏粉生(sheng)(sheng)產(chan)線、石(shi)膏裝飾(shi)板生(sheng)(sheng)產(chan)線等石(shi)膏設備

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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)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)過程中(zhong)的(de)副產(chan)(chan)品,2018年(nian),全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)量為7800萬(wan)噸,且呈逐年(nian)增長的(de)態(tai)勢。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)主要(yao)成(cheng)分是(shi)CaO和(he)SO3,但(dan)含有一(yi)定量的(de)氟(fu)化(hua)物(wu)(wu)和(he)其(qi)(qi)它放射性物(wu)(wu)質,在中(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般工業固(gu)體(ti)廢物(wu)(wu)處理(li),鑒于(yu)無害化(hua)處理(li)成(cheng)本(ben)較高(gao),目(mu)前綜合利用率尚不足40%,故大(da)部分磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)(di)的(de)不同,可分為平地(di)(di)型、傍山(shan)型、山(shan)谷型和(he)截河型堆(dui)(dui)(dui)場(chang),在中(zhong)國(guo)基本(ben)上是(shi)山(shan)谷型堆(dui)(dui)(dui)場(chang)。相比較干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun),濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明顯,因而如地(di)(di)質條件為非碳(tan)酸(suan)鹽巖地(di)(di)區,一(yi)般均采用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥工業的(de)快(kuai)速發(fa)展,本(ben)世紀初中(zhong)國(guo)相繼建設(she)了幾(ji)座濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)大(da)型磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫,例如云天化(hua)國(guo)際(ji)化(hua)工三環分公司(si)的(de)柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積壩和(he)富(fu)瑞分公司(si)的(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積壩,這兩座壩設(she)計壩高(gao)均超過100m、處于(yu)8度(du)地(di)(di)震區,其(qi)(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(1901年一2013年)來,全世(shi)界有118座(zuo)尾(wei)礦(kuang)壩曾發生過破壞(huai)或(huo)潰壩事(shi)故,原因主要有地震、洪水漫頂、滲透(tou)破壞(huai)和基礎失穩(wen)。尾(wei)礦(kuang)庫失事(shi)后(hou)會造成巨大的(de)生態災(zai)難(nan)和人員傷亡,近幾十(shi)年來,

國(guo)內外對金屬尾礦(kuang)的(de)沉(chen)積規律、物(wu)理(li)力(li)學特性(xing)及其(qi)穩定(ding)性(xing)開展了大(da)量的(de)研(yan)究,但對于與(yu)金屬尾礦(kuang)庫(ku)相近的(de)磷石膏(gao)庫(ku),一般僅(jin)限于在可(ke)研(yan)階段采用人工制備樣進行(xing)物(wu)理(li)力(li)學性(xing)質試驗,并據此進行(xing)穩定(ding)性(xing)分析,尚未有人針對己運行(xing)若干年的(de)大(da)型濕法堆存磷石膏(gao)堆積壩開展過磷石膏(gao)沉(chen)積規律及其(qi)物(wu)理(li)力(li)學特性(xing)的(de)專項(xiang)研(yan)究。

本文依托柳樹箐磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩,首先進(jin)行(xing)了(le)鉆(zhan)探取樣,采用(yong)原(yuan)狀(zhuang)樣開展了(le)密度(du)、含水(shui)(shui)率、滲透(tou)、土水(shui)(shui)特征和(he)顆分等(deng)物(wu)理性(xing)(xing)質試驗,在(zai)此(ci)基(ji)礎上(shang)(shang)有(you)針對(dui)性(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀(zhuang)樣開展了(le)三(san)軸CU、蠕變(bian)及(ji)動(dong)三(san)軸等(deng)力(li)學(xue)特性(xing)(xing)試驗。通過(guo)上(shang)(shang)述試驗研究(jiu),總結了(le)磷(lin)石膏(gao)的(de)沉(chen)積規律、滲透(tou)特性(xing)(xing)、滲透(tou)破壞特性(xing)(xing)以(yi)及(ji)靜動(dong)力(li)特性(xing)(xing),上(shang)(shang)述研究(jiu)工(gong)作對(dui)研究(jiu)和(he)評估磷(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)積壩的(de)穩(wen)定性(xing)(xing)提供(gong)了(le)基(ji)礎數據,對(dui)現行(xing)磷(lin)石膏(gao)庫(ku)的(de)運行(xing)管(guan)理以(yi)及(ji)新建工(gong)程的(de)設(she)計具有(you)重要(yao)的(de)借(jie)鑒意義。


一、依(yi)托工程概況

1.1柳樹(shu)箐磷石膏(gao)堆積壩堆存設計方案

由初期壩和堆積壩組成(cheng),設計(ji)總壩高約130m。

(1)初期(qi)壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m,采(cai)用土料(liao)填(tian)筑。上游(you)坡面、壩(ba)底和下(xia)游(you)壩(ba)腳設置(zhi)堆石(shi)排水(shui)體,三者相連通構成(cheng)整個堆積壩(ba)的主要排滲系(xi)統。

(2)堆積(ji)壩及其(qi)輔助排滲措施

采用上游式(shi)筑壩(ba)(ba)法(fa),共20級(ji)(ji)子壩(ba)(ba),頂寬6~9m,高度5m,堆積高度約100m。采用排滲管(guan)網作為輔助排滲方(fang)案,目前己(ji)在(zai)5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)和(he)13級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前120m范圍內設置了井字形排滲管(guan)網。

1.2沉積磷石(shi)膏(gao)的鉆探(tan)取樣(yang)

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月(yue),堆(dui)積至5級子壩(ba)時,布設了(le)9個取(qu)(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong),鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編號K1~K9,取(qu)(qu)原(yuan)狀樣76件(jian);2013年(nian)5月(yue),堆(dui)積至13級子壩(ba)時,又布設了(le)11個取(qu)(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong),鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編號K10~K20,取(qu)(qu)原(yuan)狀樣112件(jian),為(wei)比較(jiao)子壩(ba)加高和(he)磷石膏(gao)堆(dui)積過程(cheng)中磷石膏(gao)物理力學性質的變化(hua),在2,4級子壩(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)(kong)附近各布設了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong),鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編號分別為(wei)K17和(he)K18。

1.3運行(xing)概況

柳樹箐磷(lin)石膏尾礦庫2005年(nian)開工建設(she),2006年(nian)1月投(tou)入運行,截至(zhi)(zhi)2013年(nian)5月己堆(dui)(dui)至(zhi)(zhi)13級子(zi)壩(ba),尚有7級子(zi)壩(ba)即(ji)堆(dui)(dui)存至(zhi)(zhi)設(she)計(ji)高程(cheng)。鑒于(yu)磷(lin)石膏庫地形、地質條(tiao)件(jian)較好,具備(bei)擴容改造的條(tiao)件(jian),以提高堆(dui)(dui)存庫容,減少(shao)堆(dui)(dui)存占地,節約土地資源(yuan)。

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(shi)膏的(de)物理力(li)學(xue)特性進(jin)行了全(quan)面(mian)總結,限于篇幅,有關現(xian)狀磷石(shi)膏庫(ku)堆積壩的(de)安全(quan)性評價(jia)及其加(jia)高可行性的(de)研究將(jiang)另文發(fa)表。


二、沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏(gao)的物理力學(xue)特性

2.1物理特(te)性

(1)干密度分布

圖2給出(chu)了(le)14個鉆孔的(de)取樣深度(du)(du)和試(shi)驗所得干密度(du)(du)的(de)關系(xi),圖中(zhong)UWL表示水(shui)位線(xian)上(shang),(系(xi)鉆孔期間的(de)初見(jian)水(shui)位線(xian),下同(tong)),DWL表示水(shui)位線(xian)下。圖3給出(chu)了(le)水(shui)位線(xian)上(shang)下的(de)飽(bao)和度(du)(du)分布圖。由于磷(lin)石(shi)膏(gao)中(zhong)的(de)主要成分為(wei)CaSO4·2H2O,不同(tong)溫(wen)度(du)(du)和烘烤時間對(dui)測定(ding)結(jie)果(guo)有一(yi)定(ding)影(ying)響,不能照搬現行的(de)土工(gong)試(shi)驗規范,本(ben)文磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)含水(shui)率測定(ding)方(fang)法為(wei)55℃溫(wen)度(du)(du)下烘培24h。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


圖2沉(chen)積磷石膏(gao)干密度與埋深(shen)的關系

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

由圖3,水(shui)(shui)位線(xian)(xian)上的磷石膏飽(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值為50.4%,處于(yu)非飽(bao)和(he)狀態,水(shui)(shui)位線(xian)(xian)以下(xia)的磷石膏飽(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值為85.0%,基本處于(yu)飽(bao)和(he)狀態,由于(yu)水(shui)(shui)位下(xia)降(jiang)后磷石膏來不及排水(shui)(shui)固結(jie),故而水(shui)(shui)位線(xian)(xian)上局部試樣的飽(bao)和(he)度較高。

由圖2,水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的干(gan)(gan)(gan)密度在0.98~1.67g/cm3之間(jian),均值(zhi)為1.30g/cm3;水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的干(gan)(gan)(gan)密度在1.15~1.73g/cm3之間(jian),均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏(gao)與一般的尾礦有所(suo)不同,磷(lin)石(shi)膏(gao)的干(gan)(gan)(gan)密度并(bing)不隨(sui)埋深的增大而明顯增大,但水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)(gan)(gan)密度從統計意義上來看仍大于水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)(gan)(gan)密度,這(zhe)主要是由于水位(wei)線(xian)(xian)隨(sui)庫(ku)水位(wei)的變化反復升降而使得磷(lin)石(shi)膏(gao)排水固結所(suo)致。

室內擊實得到的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)(da)干(gan)密度一般在1.36~1.46g/cm3之間,從圖2可以看出(chu),自(zi)然(ran)沉積的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)(da)干(gan)密度可達到1.73g/cm3,原因如下(xia):與經典的(de)(de)土(tu)骨(gu)架不可壓(ya)縮(suo)的(de)(de)理論(lun)不同,石膏(gao)(gao)本身可壓(ya)縮(suo),同時由于顆粒(li)結構(gou)不穩(wen)定,擊實試驗過程中磷(lin)石膏(gao)(gao)結構(gou)被破(po)壞,受夯擊處下(xia)陷,四周鼓起,出(chu)現了類似于橡皮土(tu)的(de)(de)現象。而(er)在現場條件下(xia),石膏(gao)(gao)骨(gu)架被破(po)壞后,會(hui)導致顆粒(li)中的(de)(de)結合(he)水(shui)(shui)滲出(chu)至孔隙(xi)內,變(bian)成(cheng)孔隙(xi)水(shui)(shui),排水(shui)(shui)固結后會(hui)使得磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)孔隙(xi)比減小,干(gan)密度增大(da)(da)(da)。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



圖4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位于2級子壩河(he)床部位)以及相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位于4級子壩河(he)床部位)干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)對(dui)比(bi)圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.12~1.47g/cm3之(zhi)間,均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3,K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.2~1.39g/cm3之(zhi)間,均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.32g/cm3;K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.13~1.57g/cm3之(zhi)間,均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.36g/cm3,K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.14~1.59g/cm3之(zhi)間,均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見(jian),即使(shi)從統(tong)計(ji)意義上來看(kan),磷石(shi)膏的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)也并未(wei)隨(sui)后續磷石(shi)膏的(de)(de)(de)堆積而有(you)較為(wei)明顯的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分(fen)(fen)析試(shi)驗采用(yong)密(mi)度計(ji)法,制備懸液時不煮沸,不加六偏磷酸鈉(na)。圖5給出了(le)試(shi)驗得到(dao)的級配包線、平(ping)均粒(li)徑d50、不均勻系數(1u和曲率(lv)系數Cc的分(fen)(fen)布圖。

從圖5(a)可見(jian),磷石膏的粒徑(jing)主(zhu)要分(fen)布(bu)在0.005~0.075mm之(zhi)間,總體(ti)上屬于粉(fen)土,但可能由(you)于礦(kuang)石來源(yuan)或(huo)生產(chan)工藝有所不同,局部屬于粉(fen)砂~中砂。粒徑(jing)分(fen)布(bu)范圍(wei)比Blight和(he)張超(chao)等(deng)的試驗結果要寬一些。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


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圖4子壩加高(gao)后沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)干密度變化(hua)


沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


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圖(tu)5沉積磷石膏的平均粒徑(jing)和級配(pei)分(fen)布(bu)

由圖(tu)5(b)和(he)5(c),無論是(shi)水平向(xiang)(xiang)還是(shi)垂直(zhi)向(xiang)(xiang),磷(lin)(lin)石(shi)膏與金(jin)屬礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)(de)(de)(de)“前粗(cu)后細,上粗(cu)下細”的(de)(de)(de)(de)自然分級現象(xiang)不(bu)同,也即粗(cu)顆(ke)粒(li)并不(bu)是(shi)沿(yan)埋(mai)深逐步減小或距離放(fang)漿口越遠(yuan)顆(ke)粒(li)越細,其原因如下:①磷(lin)(lin)石(shi)膏顆(ke)粒(li)粒(li)徑(jing)組(zu)成(cheng)較(jiao)為集中(zhong)、均(jun)勻,主要以粉(fen)粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主,級配較(jiao)差;②相比(bi)(bi)較(jiao)金(jin)屬尾礦(kuang),磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)重(zhong)較(jiao)小,磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)重(zhong)一(yi)般為2.3~2.4,遠(yuan)小于金(jin)屬尾礦(kuang)的(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)重(zhong),例如鐵尾礦(kuang)的(de)(de)(de)(de)比(bi)(bi)重(zhong)可達2.9;③放(fang)漿口隨子壩高度(du)不(bu)斷(duan)增加而(er)不(bu)斷(duan)變動并向(xiang)(xiang)庫(ku)尾延伸,造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)粒(li)徑(jing)變化不(bu)明顯。

從圖5(d)可見,不(bu)均(jun)勻系數Cu范圍(wei)值(zhi)1.61~21.5,平均(jun)值(zhi)為4.18,曲率系數(1c范圍(wei)值(zhi)0.28~9.78,平均(jun)值(zhi)為1.21,在統計的100多(duo)個(ge)試樣中,屬于級配不(bu)良土的占93%。這種(zhong)級配特(te)性決定了(le)磷石(shi)膏具有較高(gao)的壓縮性、滲(shen)透破壞型式表現為流土破壞。

2.2滲透特性(xing)

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要因(yin)素是粒(li)徑大(da)小(xiao)、級(ji)(ji)配和孔隙(xi)比,因(yin)而磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)與粉(fen)土較(jiao)為接近(jin)。由于孔隙(xi)比e減(jian)小(xiao),使(shi)得(de)過(guo)水(shui)通道面積(ji)減(jian)小(xiao),滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k也(ye)將減(jian)小(xiao),k與e呈正相關關系(xi)(xi)。對砂(sha)土,一(yi)般認為滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)較(jiao)好,圖6給出了(le)二者間的(de)(de)關系(xi)(xi)曲線(xian),由于沉(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)不均(jun)勻(yun)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)大(da),使(shi)得(de)沉(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化范圍較(jiao)大(da)(平均(jun)值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji)(ji)),二者問的(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)較(jiao)差。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


圖(tu)6沉積磷石(shi)膏滲透系(xi)數與孔(kong)隙比的關(guan)系(xi)

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

圖7給出了(le)水平(ping)(ping)(ping)與垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)(de)分布。沉(chen)(chen)積磷石膏的(de)(de)水平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kh一(yi)般大(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均值約為(wei)2.86,這一(yi)點與成(cheng)層分布的(de)(de)金屬(shu)尾礦規律一(yi)致。造成(cheng)沉(chen)(chen)積磷石膏水平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)大(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的(de)(de)原因(yin)是由(you)于(yu)磷石膏具有明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)晶體(ti)結構,電鏡掃描(miao)顯(xian)(xian)示多為(wei)菱形和棱柱狀形式(見圖8),在沉(chen)(chen)積過程中(zhong),由(you)于(yu)扁(bian)平(ping)(ping)(ping)狀磷石膏顆粒多呈(cheng)水平(ping)(ping)(ping)排(pai)列,使(shi)得(de)水平(ping)(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水性(xing)大(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水性(xing),從而使(shi)磷石膏呈(cheng)現明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根(gen)據(ju)中國有色(se)金屬(shu)工(gong)業昆明勘察設計(ji)研(yan)究院(yuan)在楊家箐磷石膏堆積壩開展的(de)現(xian)(xian)場(chang)滲透試驗,kh/kv的(de)平均值(zhi)約為(wei)1.9。但張超等的(de)室內試驗顯示,kh/kv的(de)平均值(zhi)約為(wei)0.46,也(ye)即(ji)垂直向滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)大于水(shui)平向滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu),與本文和現(xian)(xian)場(chang)試驗結果恰恰相反(fan)。從(cong)磷石膏的(de)微(wei)觀(guan)結構(gou)來看,本文試驗結果更為(wei)合(he)理。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究


圖7沉積(ji)磷石膏干密度(du)與水平和垂(chui)直滲透系數(shu)比(bi)值的關系


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(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)磷石(shi)膏干密度為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)力梯度J與(yu)流速(su)V的(de)關系曲線(xian),試(shi)(shi)驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采(cai)用水(shui)(shui)平方向的(de)滲(shen)流形式進行。試(shi)(shi)驗(yan)得到的(de)臨界坡降Jc=0.355,破(po)壞坡降Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)般來(lai)說,對(dui)1,2級(ji)(ji)工(gong)程,滲(shen)透(tou)安全系數(shu)取為(wei)(wei)2.5,則允許出逸(yi)坡降為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142,對(dui)3級(ji)(ji)以下(xia)工(gong)程,滲(shen)透(tou)安全系數(shu)取2.0,則允許出逸(yi)坡降為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降與(yu)粉(fen)土(tu)一(yi)(yi)(yi)粉(fen)砂大(da)致相同。但上述滲(shen)透(tou)變形試(shi)(shi)驗(yan)是采(cai)用自(zi)來(lai)水(shui)(shui)進行的(de),自(zi)來(lai)水(shui)(shui)對(dui)磷石(shi)膏具有(you)一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)溶蝕作用,而實際(ji)上磷石(shi)膏中(zhong)殘(can)余(yu)磷、硫和氟酸,庫水(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)(yi)(yi)般小(xiao)于3(稱之為(wei)(wei)酸性水(shui)(shui)),在(zai)酸性水(shui)(shui)作用下(xia),磷石(shi)膏不會發生(sheng)破(po)壞,上述試(shi)(shi)驗(yan)結果是偏(pian)于保(bao)守(shou)的(de),但對(dui)非酸性水(shui)(shui)條件(例(li)如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)滲(shen)透(tou)穩定(ding)判斷有(you)一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)借鑒意義。

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圖(tu)9水力梯度J-流(liu)速v試(shi)驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)


(3)土水特征(zheng)試驗

試(shi)(shi)驗在5Bar的壓力(li)板儀中(zhong)進行,環刀尺寸(cun)6.18cm。干密度分1.1,1.2和1.29g/cm3共3組,吸力(li)范圍0~500kPa。表l列出了含水率特征值,試(shi)(shi)驗曲線見圖10所(suo)示。

試(shi)驗(yan)結果表(biao)明(ming):①干(gan)密(mi)度對進氣(qi)值沒有明(ming)顯的影響,不同(tong)干(gan)密(mi)度的試(shi)樣的進氣(qi)值大致在10kPa左(zuo)右;②土(tu)樣殘(can)余(yu)含水率隨干(gan)密(mi)度的增加(jia)而減(jian)少,殘(can)余(yu)含水率約為飽和含水率的10%。上述(shu)特性與粉土(tu)一(yi)粉砂基本一(yi)致。

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2.3靜力力學特(te)性

(1)三(san)軸CU試驗

由于沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)密度變化較大,而進(jin)行三(san)軸(zhou)試(shi)驗需要若干(gan)原狀樣,為(wei)使試(shi)驗結果具有(you)較好(hao)的(de)一(yi)致性,有(you)針對性的(de)選(xuan)擇(ze)平均干(gan)密度分別為(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)若干(gan)試(shi)樣,進(jin)行了5組三(san)軸(zhou)CU試(shi)驗。圖11是為(wei)干(gan)密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸(zhou)CU試(shi)驗曲線(xian)。

從圖11可以看出,磷(lin)石膏的(de)應力應變關系曲線在低(di)圍壓(ya)下(xia)表(biao)現(xian)為(wei)軟化(hua)型(xing),在高圍壓(ya)下(xia)表(biao)現(xian)為(wei)硬(ying)化(hua)型(xing),與(yu)一(yi)般土類相(xiang)似(si)。但與(yu)一(yi)般粉土一(yi)粉砂不同(tong)的(de)是,即(ji)使在較為(wei)疏(shu)松的(de)狀態下(xia),磷(lin)石膏仍表(biao)現(xian)了較為(wei)強烈的(de)剪脹,隨(sui)密實度增大,剪脹作用愈發明顯。

表2給(gei)出了(le)不同干(gan)密度(du)(du)下的(de)(de)(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角,圖12給(gei)出了(le)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角與干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)關系(xi)曲(qu)線。隨干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da),內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角也隨之(zhi)增(zeng)大(da)(da),且可采用冪函數較(jiao)(jiao)好(hao)地擬合(he)。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)加為1.58g/cm3,增(zeng)加了(le)32%,總(zong)應力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角由34.1°增(zeng)加為37.3°(根據擬合(he)曲(qu)線求(qiu)得),增(zeng)幅為9.4%,有效應力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角由37.6°增(zeng)加為38.8°,增(zeng)幅為3.2%,由于(yu)隨圍壓的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da),孔壓也明(ming)顯增(zeng)大(da)(da),故(gu)有效摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角增(zeng)幅較(jiao)(jiao)之(zhi)總(zong)應力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角要小。另外(wai)較(jiao)(jiao)之(zhi)于(yu)干(gan)密度(du)(du)增(zeng)幅,摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角的(de)(de)(de)(de)增(zeng)幅并(bing)不顯著,表明(ming)即使(shi)較(jiao)(jiao)為疏(shu)松的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)仍(reng)具有較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)強度(du)(du)指標,這也表明(ming)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)高(gao)。

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(2)蠕變(次固結)變形試(shi)驗(yan)

磷石膏的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形試驗在(zai)側限(xian)壓縮儀中進行,試驗狀態(tai)相當(dang)于K0固結。試樣(yang)直(zhi)徑61.8mm,高度20mm,試樣(yang)干密度為1.30g/cm3,對試樣(yang)飽(bao)和后分別(bie)開展(zhan)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(shi),試驗己(ji)進行了(le)1年多,試驗結(jie)果見圖(tu)13所(suo)示。

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從圖13中可以(yi)看(kan)出:上覆荷(he)(he)載越(yue)大,磷石膏的蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形也(ye)(ye)越(yue)大,荷(he)(he)載施加(jia)1年(nian)后(hou),磷石膏的蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形仍(reng)非常顯著,尚未達到(dao)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai),這也(ye)(ye)是磷石膏堆積壩后(hou)期變(bian)(bian)(bian)形較大的原(yuan)(yuan)因,原(yuan)(yuan)型觀測資料表明,在5級子(zi)壩河床部位的表面沉降量已經(jing)達到(dao)3.1m,且尚未完全穩(wen)定(ding)。

按時間(jian)對(dui)(dui)數(shu)(shu)法,可(ke)求得各級(ji)荷載下(xia)的(de)(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量(liang)如表(biao)3所示。試驗(yan)結(jie)果表(biao)明,在100~400kPa上覆荷載作用下(xia),在試驗(yan)時間(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie))變(bian)形(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)的(de)(de)(de)1.8~3.1倍,當然由于(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)尚未完(wan)(wan)(wan)成,實際的(de)(de)(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)應更大。對(dui)(dui)土(tu)(tu)(tu)(tu)體(ti)而言(yan)(yan),發(fa)生蠕(ru)變(bian)的(de)(de)(de)原因是由于(yu)土(tu)(tu)(tu)(tu)體(ti)在主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)完(wan)(wan)(wan)成之后,土(tu)(tu)(tu)(tu)體(ti)中仍有微小(xiao)的(de)(de)(de)超(chao)靜孔隙壓(ya)力存在,驅使水(shui)在顆(ke)粒(li)問流動,一般(ban)來(lai)講土(tu)(tu)(tu)(tu)體(ti)的(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)遠小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing);對(dui)(dui)磷石膏而言(yan)(yan),其滲透系(xi)數(shu)(shu)在10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級(ji),遠大于(yu)黏性土(tu)(tu)(tu)(tu),但(dan)其卻發(fa)生了極為顯著的(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing),其原因在于(yu)磷石膏晶體(ti)結(jie)構發(fa)生了壓(ya)縮、破壞,接(jie)觸點晶格發(fa)生歪(wai)曲和變(bian)形(xing),而破壞后晶格之間(jian)的(de)(de)(de)重新(xin)排列、調整到(dao)最(zui)后趨于(yu)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)靜止需要相(xiang)(xiang)當長的(de)(de)(de)時間(jian)才能完(wan)(wan)(wan)成。

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2.4動力力學(xue)特性

試驗設(she)備采(cai)用英國GDS公(gong)司進(jin)口的(de)電機控(kong)制動三軸試驗系統,試樣(yang)直徑(jing)39.1mm,高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比

同樣(yang)由于自(zi)然沉積的磷石(shi)膏(gao)密(mi)度(du)變(bian)化(hua)(hua)較大(da),為此根據(ju)物(wu)理性質試(shi)驗結果(guo),選擇兩種平均干密(mi)度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍(wei)1.33~1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍(wei)1.44~1.46g/cm3)進行(xing)試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪切(qie)模(mo)量(liang)G、阻(zu)尼比(bi)與(yu)剪應變幅值γd的(de)關系式(shi)如(ru)下:

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式中k1為參數,表示動剪(jian)切(qie)模量的衰減或阻尼比(bi)的增長速(su)率;λmax為最(zui)大(da)阻尼比(bi);Gmax,γd分別為最(zui)大(da)動剪(jian)切(qie)模量和歸一化(hua)的動剪(jian)應變,表示為

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式(shi)中(zhong)k2,n為參數;σm為球應力(li);Pa為標(biao)準(zhun)大氣壓;vd為動(dong)泊松比;εa為歸(gui)一(yi)化的動(dong)應變,表達(da)為

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圖(tu)14給(gei)出(chu)了動(dong)剪(jian)切模量、阻(zu)尼比與歸一化動(dong)應變的關系曲線,另外圖(tu)中(zhong)還給(gei)出(chu)了式(1)的擬合曲線以(yi)及Seed等給(gei)出(chu)的砂樣的上下邊界(jie)線,圖(tu)例中(zhong),σ2表示(shi)圍壓,Kc表示(shi)固結應力(li)比。

從圖中(zhong)可(ke)以看出:①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)動(dong)應(ying)(ying)力(li)-動(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線,表(biao)(biao)明采用等(deng)(deng)價黏彈性模(mo)(mo)型進行(xing)循環荷載作用下的(de)(de)分析是可(ke)行(xing)的(de)(de);②圖14(a)中(zhong)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線位(wei)于干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線上方(fang)(fang),圖14(b)中(zhong)則位(wei)于下方(fang)(fang),表(biao)(biao)明密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)越(yue)大(da)(da),動(dong)彈模(mo)(mo)越(yue)大(da)(da)、阻(zu)尼(ni)比(bi)越(yue)小;③圖14(a)中(zhong),兩種干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)擬(ni)合線基(ji)本位(wei)于Seed等(deng)(deng)給(gei)出的(de)(de)邊(bian)界(jie)線上方(fang)(fang),而(er)圖14(b)中(zhong)則基(ji)本處于邊(bian)界(jie)線中(zhong)間,表(biao)(biao)明相比(bi)較(jiao)(jiao)砂樣,磷(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)(jiao)大(da)(da),會(hui)導致磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)較(jiao)(jiao)大(da)(da),但由(you)于阻(zu)尼(ni)比(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)(da),這樣又會(hui)削(xue)弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying),二者的(de)(de)相互影響下,磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)將不(bu)會(hui)過于強烈,這對磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)的(de)(de)抗震(zhen)穩定性是有利(li)的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均(jun)干密度為1.12(變(bian)化范圍1.1~1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)化范圍1.29~1.3lg/cm3)進行試驗,破壞標準為總應變(bian)達(da)到10%。

圖15給(gei)出了動剪(jian)應力比(bi)τd/σ0′與破(po)壞振(zhen)(zhen)次(ci)Nf的(de)關系曲線圖,其中σ0為振(zhen)(zhen)前試樣(yang)45°面上的(de)有效法(fa)向(xiang)應力,表(biao)達為:σ0=(Kc+1)σ2′/2,Kc為固(gu)結(jie)比(bi)。從試驗結(jie)果可以看出,沉(chen)積磷石膏的(de)動強(qiang)度(du)與其它土體相似,表(biao)現為圍壓和固(gu)結(jie)應力比(bi)與動剪(jian)應力比(bi)呈負相關關系。

沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究



為判別沉積磷(lin)石膏的(de)抗液化(hua)能力(li),假定抗震設計烈度為8度,即等效振次Ⅳ可(ke)取為30。首先(xian)由式(4)

所(suo)示的冪(mi)函數關系式得(de)到振次為30時各個圍壓和固結比下的動剪應力比:

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應力比與圍壓(ya)和固結應力比的關系式: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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從上述(shu)擬合關系式可見,密實度(du)提高后,動剪(jian)應(ying)力(li)比提高,表(biao)明(ming)抗(kang)液(ye)化能力(li)也提高。但(dan)即(ji)使(shi)是在(zai)低密度(du)下,其動剪(jian)應(ying)力(li)比較之同(tong)類的粉(fen)土或粉(fen)砂也大(da)出許(xu)多,表(biao)明(ming)磷(lin)石膏具有較高的抗(kang)液(ye)化能力(li)。


三、結論

依(yi)托柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩,在鉆探取樣工(gong)作的(de)基礎上(shang),首先開(kai)展了物理(li)性(xing)質試(shi)驗(yan)(yan),然后開(kai)展了靜動力力學特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。通過(guo)上(shang)述(shu)試(shi)驗(yan)(yan)研究,得(de)出如(ru)下結(jie)論(lun):

(1)沉積磷石膏總體上(shang)屬于(yu)級配不良的(de)粉土,局部(bu)屬于(yu)粉砂一中砂,無自(zi)然分級現象。其干(gan)密度和(he)粒徑(jing)變化隨埋深或距放(fang)漿(jiang)口距離的(de)變化不明顯。

(2)沉積磷(lin)石膏水平方(fang)(fang)向的滲透系(xi)(xi)數(shu)大于(yu)垂(chui)直方(fang)(fang)向的滲透系(xi)(xi)數(shu),呈現明顯的各向異性(xing)。

(3)與土體顆(ke)粒不(bu)可壓(ya)縮不(bu)同,磷石膏的(de)晶(jing)體結(jie)(jie)構會發(fa)生壓(ya)縮破壞(huai),具有較大(da)的(de)壓(ya)縮性,其次(ci)固(gu)結(jie)(jie)變形量遠大(da)于主固(gu)結(jie)(jie)變形量。

(4)沉積磷(lin)石膏(gao)的靜(jing)動(dong)強度(du)較之(zhi)同等密(mi)實(shi)度(du)下的粉(fen)土、粉(fen)砂要高。


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