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沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘要:磷石膏是磷酸生产过程中的副产品,目前的综合利用率尚不足40%,大部分需要堆存存放。受地形限制和经济效益考虑,中国主要为湿法堆存的山谷型堆场。依托柳树箐磷石膏堆积坝,针对沉积磷石膏首先开展了密度、含水率、渗透、土水特征和颗分等物理性质试验,然后开展了三轴cu、蠕变及动三轴等力学特性试验。试验结果表明:①沉积磷石膏的干密度与埋深没有相关关系;②沉积磷石膏不具有自然分级现象,但具有明显的各向异性;③沉积磷石膏具有较高的摩擦角和抗液化能力,但其蠕变变形较大、渗透比降较小。上述工作为分析磷石膏堆积坝的坝体稳定性提供了基础,对现行磷石膏库的运行管理以及新建工程的设计具有重要的借鉴意义。

引言

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是湿(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)酸生产(chan)(chan)过程(cheng)中的(de)(de)副产(chan)(chan)品,2018年,全国磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)产(chan)(chan)生量(liang)为7800万吨,且呈逐(zhu)年增长的(de)(de)态(tai)势(shi)。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)主要(yao)成分(fen)是CaO和SO3,但含有一定量(liang)的(de)(de)氟化(hua)物(wu)和其它放射性物(wu)质,在中国通常(chang)按Ⅱ类(lei)一般(ban)工(gong)业(ye)固体废物(wu)处理(li),鉴于(yu)无害化(hua)处理(li)成本(ben)较(jiao)高,目前(qian)综合(he)利用率尚不足(zu)40%,故大(da)部(bu)分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)场地(di)的(de)(de)不同,可(ke)分(fen)为平地(di)型(xing)、傍(bang)山型(xing)、山谷型(xing)和截河型(xing)堆(dui)(dui)场,在中国基(ji)本(ben)上(shang)是山谷型(xing)堆(dui)(dui)场。相比较(jiao)干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun),湿(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)经济优(you)势(shi)明显,因(yin)而如地(di)质条件为非碳酸盐岩地(di)区,一般(ban)均采用湿(shi)(shi)排湿(shi)(shi)堆(dui)(dui)方式。随着中国磷(lin)(lin)肥工(gong)业(ye)的(de)(de)快速发(fa)展,本(ben)世纪初中国相继建设(she)了几(ji)座湿(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库(ku),例如云天化(hua)国际化(hua)工(gong)三(san)环分(fen)公司(si)(si)的(de)(de)柳树(shu)箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库(ku)堆(dui)(dui)积(ji)坝(ba)和富瑞分(fen)公司(si)(si)的(de)(de)杨家箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库(ku)堆(dui)(dui)积(ji)坝(ba),这两座坝(ba)设(she)计(ji)坝(ba)高均超过100m、处于(yu)8度(du)地(di)震区,其安全性备(bei)受关注。


沉积磷石膏的物理力学特性试验研究



据(ju)统计,110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))来(lai),全世(shi)界有118座尾矿(kuang)坝曾发生过破坏或溃坝事故,原因主要有地震、洪水(shui)漫顶、渗透破坏和(he)基础失(shi)稳。尾矿(kuang)库失(shi)事后会造成巨大的生态灾难和(he)人员伤亡(wang),近(jin)几十年(nian)来(lai),

国(guo)内外对金属(shu)尾(wei)矿的(de)沉(chen)积规(gui)律(lv)、物理(li)力(li)学(xue)特性(xing)及其稳(wen)定性(xing)开展(zhan)了大量的(de)研(yan)究,但对于与(yu)金属(shu)尾(wei)矿库相近的(de)磷(lin)石膏库,一般仅(jin)限于在(zai)可研(yan)阶段采用人(ren)工制备样进(jin)行物理(li)力(li)学(xue)性(xing)质试验,并(bing)据此进(jin)行稳(wen)定性(xing)分(fen)析,尚未有人(ren)针对己运行若干年的(de)大型湿法堆存磷(lin)石膏堆积坝开展(zhan)过磷(lin)石膏沉(chen)积规(gui)律(lv)及其物理(li)力(li)学(xue)特性(xing)的(de)专(zhuan)项研(yan)究。

本文依(yi)托柳树(shu)箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆积坝,首先进行(xing)(xing)了(le)钻探取样(yang),采(cai)用原状样(yang)开展(zhan)了(le)密度(du)、含水率、渗透、土水特征(zheng)和(he)颗分(fen)等物理性质试(shi)验,在此(ci)基(ji)(ji)础上有针对性的选择原状样(yang)开展(zhan)了(le)三轴CU、蠕(ru)变及(ji)动三轴等力(li)学特性试(shi)验。通过上述试(shi)验研究,总结了(le)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的沉(chen)积规律、渗透特性、渗透破坏特性以及(ji)静动力(li)特性,上述研究工作对研究和(he)评估磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库堆积坝的稳(wen)定性提供了(le)基(ji)(ji)础数据,对现行(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库的运行(xing)(xing)管理以及(ji)新建(jian)工程(cheng)的设(she)计(ji)具有重要的借鉴意义。


一、依托工程概况

1.1柳树(shu)箐磷(lin)石膏堆(dui)积坝堆(dui)存(cun)设计方案(an)

由初期坝(ba)和堆积(ji)坝(ba)组(zu)成,设计(ji)总坝(ba)高(gao)约130m。

(1)初(chu)期坝(ba)

初期坝(ba)坝(ba)高(gao)约30m,采用(yong)土料填(tian)筑。上游坡面、坝(ba)底和下游坝(ba)脚(jiao)设置堆(dui)石(shi)排(pai)水体(ti),三者相连通构成整个(ge)堆(dui)积坝(ba)的主要(yao)排(pai)渗系(xi)统。

(2)堆积(ji)坝及其辅助排渗措施(shi)

采(cai)用上游式筑坝(ba)法(fa),共20级子(zi)(zi)坝(ba),顶宽6~9m,高度5m,堆(dui)积高度约100m。采(cai)用排渗管网作为辅助排渗方案,目前(qian)己在5级、9级子(zi)(zi)坝(ba)和(he)13级子(zi)(zi)坝(ba)坝(ba)前(qian)120m范(fan)围内设(she)置了井字形排渗管网。

1.2沉积磷石(shi)膏的钻探取样

钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)平面位置见(jian)图(tu)l。2008年6月(yue),堆(dui)积(ji)至5级(ji)子坝(ba)时(shi),布(bu)设(she)了(le)9个取(qu)样(yang)(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong),钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)编(bian)(bian)号K1~K9,取(qu)原状(zhuang)样(yang)(yang)76件;2013年5月(yue),堆(dui)积(ji)至13级(ji)子坝(ba)时(shi),又布(bu)设(she)了(le)11个取(qu)样(yang)(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong),钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)编(bian)(bian)号K10~K20,取(qu)原状(zhuang)样(yang)(yang)112件,为(wei)比较子坝(ba)加(jia)高和磷石(shi)膏堆(dui)积(ji)过程中磷石(shi)膏物理力学性(xing)质(zhi)的变化,在(zai)2,4级(ji)子坝(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)(kong)附近各(ge)布(bu)设(she)了(le)一个钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong),钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)编(bian)(bian)号分别为(wei)K17和K18。

1.3运行概况

柳树箐磷石膏(gao)尾矿库2005年(nian)(nian)开工建设,2006年(nian)(nian)1月投(tou)入(ru)运行(xing),截至2013年(nian)(nian)5月己(ji)堆(dui)至13级子坝,尚有7级子坝即堆(dui)存至设计高程。鉴于磷石膏(gao)库地(di)(di)形、地(di)(di)质条件较好,具备扩容改(gai)造的条件,以提(ti)高堆(dui)存库容,减(jian)少堆(dui)存占(zhan)地(di)(di),节约(yue)土地(di)(di)资源。

沉积磷石膏的物理力学特性试验研究



本文主要对沉积(ji)(ji)磷石膏(gao)的物理力学特(te)性进行(xing)了全面总结,限于篇幅,有关现状磷石膏(gao)库堆(dui)积(ji)(ji)坝的安全性评价及其加高(gao)可行(xing)性的研(yan)究将另文发(fa)表。


二、沉积(ji)磷石膏的物理力学特(te)性

2.1物理特性(xing)

(1)干密度分布(bu)

图(tu)(tu)2给(ji)(ji)出了(le)14个钻(zuan)孔的(de)(de)取样深(shen)度(du)和试验所得干密度(du)的(de)(de)关系(xi)(xi),图(tu)(tu)中UWL表(biao)示水(shui)位线(xian)上,(系(xi)(xi)钻(zuan)孔期(qi)间的(de)(de)初见水(shui)位线(xian),下(xia)同(tong)(tong)),DWL表(biao)示水(shui)位线(xian)下(xia)。图(tu)(tu)3给(ji)(ji)出了(le)水(shui)位线(xian)上下(xia)的(de)(de)饱和度(du)分(fen)布图(tu)(tu)。由于磷(lin)石膏中的(de)(de)主(zhu)要成(cheng)分(fen)为(wei)CaSO4·2H2O,不同(tong)(tong)温度(du)和烘(hong)烤时间对测(ce)定结果有一(yi)定影响,不能(neng)照(zhao)搬现(xian)行的(de)(de)土(tu)工(gong)试验规(gui)范,本文磷(lin)石膏的(de)(de)含水(shui)率(lv)测(ce)定方法(fa)为(wei)55℃温度(du)下(xia)烘(hong)培24h。

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图2沉积磷石膏干密度与埋深的(de)关(guan)系(xi)

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

由(you)图3,水位(wei)(wei)线(xian)(xian)上的磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)(he)度平均值(zhi)为(wei)50.4%,处(chu)于非饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)(he)状态(tai),水位(wei)(wei)线(xian)(xian)以下(xia)的磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)(he)度平均值(zhi)为(wei)85.0%,基本(ben)处(chu)于饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)(he)状态(tai),由(you)于水位(wei)(wei)下(xia)降后磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)来不(bu)及排水固结,故而水位(wei)(wei)线(xian)(xian)上局部试(shi)样的饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)(he)度较高。

由图2,水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)线以上(shang)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在0.98~1.67g/cm3之间,均(jun)值(zhi)为(wei)1.30g/cm3;水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)线以下的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.15~1.73g/cm3之间,均(jun)值(zhi)为(wei)1.4g/cm3。可见磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)与一(yi)般的(de)(de)尾矿有所不(bu)同,磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)并不(bu)随埋深的(de)(de)增大而明显增大,但水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)线以下的(de)(de)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度(du)从统(tong)计意(yi)义上(shang)来(lai)看仍大于水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)线以上(shang)的(de)(de)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度(du),这主(zhu)要(yao)是(shi)由于水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)线随库水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)的(de)(de)变(bian)化反复升降而使得磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)(shui)固结(jie)所致。

室内击(ji)实(shi)得(de)到的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大(da)干密(mi)(mi)度(du)一般在1.36~1.46g/cm3之间(jian),从图2可以(yi)看出(chu),自然(ran)沉积的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大(da)干密(mi)(mi)度(du)可达(da)到1.73g/cm3,原因如下(xia):与经典的(de)土骨架不(bu)可压(ya)缩(suo)的(de)理论不(bu)同(tong),石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)本身可压(ya)缩(suo),同(tong)时由于颗(ke)粒结(jie)(jie)(jie)构不(bu)稳定(ding),击(ji)实(shi)试验过程中(zhong)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)结(jie)(jie)(jie)构被破坏(huai),受夯击(ji)处下(xia)陷,四周鼓起,出(chu)现了类似(si)于橡皮土的(de)现象。而在现场条件下(xia),石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)骨架被破坏(huai)后,会导致颗(ke)粒中(zhong)的(de)结(jie)(jie)(jie)合水(shui)渗出(chu)至孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)内,变(bian)成孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)水(shui),排水(shui)固结(jie)(jie)(jie)后会使得(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)比(bi)减小,干密(mi)(mi)度(du)增大(da)。

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图4给出了相邻(lin)(lin)钻孔(kong)K2和K17(位(wei)于2级子(zi)坝河(he)床(chuang)部位(wei))以及相邻(lin)(lin)钻孔(kong)K6和K18(位(wei)于4级子(zi)坝河(he)床(chuang)部位(wei))干(gan)密度的对比图。K2钻孔(kong)的干(gan)密度在1.12~1.47g/cm3之间,均(jun)(jun)值为1.30g/cm3,K17钻孔(kong)的干(gan)密度在1.2~1.39g/cm3之间,均(jun)(jun)值为1.32g/cm3;K6钻孔(kong)的干(gan)密度在1.13~1.57g/cm3之间,均(jun)(jun)值为1.36g/cm3,K18钻孔(kong)的干(gan)密度在1.14~1.59g/cm3之间,均(jun)(jun)值为1.37g/cm3。可见(jian),即使(shi)从统计意义上来看(kan),磷石膏的干(gan)密度也并未随后续磷石膏的堆(dui)积而有较为明显的增(zeng)大(da)。

(2)级配分布

颗粒分析试(shi)(shi)验采用密度(du)计法,制备悬液时不(bu)煮(zhu)沸,不(bu)加(jia)六偏(pian)磷(lin)酸钠。图(tu)5给出了试(shi)(shi)验得到的(de)级配(pei)包线、平均粒径d50、不(bu)均匀(yun)系(xi)数(shu)(1u和曲率系(xi)数(shu)Cc的(de)分布图(tu)。

从图5(a)可(ke)见,磷石膏的(de)粒径主要(yao)分布(bu)在0.005~0.075mm之间,总体上属(shu)于(yu)(yu)粉土,但可(ke)能由于(yu)(yu)矿石来源或(huo)生产工(gong)艺有所(suo)不(bu)同,局部属(shu)于(yu)(yu)粉砂~中砂。粒径分布(bu)范围比Blight和张超等(deng)的(de)试验结果要(yao)宽(kuan)一些。

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图(tu)4子坝(ba)加高后沉(chen)积(ji)磷(lin)石膏的干密度变化(hua)


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图5沉积磷石膏的平均(jun)粒(li)径和级配分布

由图5(b)和5(c),无论是水平向还是垂直向,磷(lin)石膏(gao)与金(jin)属矿(kuang)山(shan)尾矿(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)(cu)后细(xi),上粗(cu)(cu)下(xia)细(xi)”的(de)(de)自然分级(ji)现(xian)象不同,也即粗(cu)(cu)颗粒(li)并(bing)不是沿埋深逐步(bu)减小(xiao)或距离(li)放(fang)浆(jiang)口越远颗粒(li)越细(xi),其原(yuan)因如(ru)下(xia):①磷(lin)石膏(gao)颗粒(li)粒(li)径(jing)组成较(jiao)为集中、均(jun)匀,主要以粉粒(li)组(0.005mm<d≤0.074mm)为主,级(ji)配较(jiao)差;②相比较(jiao)金(jin)属尾矿(kuang),磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比重较(jiao)小(xiao),磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比重一(yi)般(ban)为2.3~2.4,远小(xiao)于(yu)金(jin)属尾矿(kuang)的(de)(de)比重,例如(ru)铁(tie)尾矿(kuang)的(de)(de)比重可达2.9;③放(fang)浆(jiang)口随子坝高度(du)不断(duan)增加而不断(duan)变动并(bing)向库尾延伸(shen),造成沉积磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)粒(li)径(jing)变化不明显。

从图5(d)可见,不(bu)均匀系数Cu范围值1.61~21.5,平均值为4.18,曲率(lv)系数(1c范围值0.28~9.78,平均值为1.21,在统计的(de)100多个(ge)试样中(zhong),属于(yu)级配不(bu)良土(tu)的(de)占93%。这(zhei)种级配特性(xing)决定(ding)了磷石膏具有较高(gao)的(de)压缩性(xing)、渗透破(po)坏(huai)型式表现为流土(tu)破(po)坏(huai)。

2.2渗透(tou)特性

(1)渗透系数

影(ying)响渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)主(zhu)要因(yin)素是粒径(jing)大小(xiao)(xiao)、级(ji)(ji)配和孔(kong)隙比,因(yin)而磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)与(yu)(yu)粉土(tu)较为(wei)接近。由(you)于孔(kong)隙比e减(jian)小(xiao)(xiao),使(shi)得(de)过水通道(dao)面(mian)积(ji)减(jian)小(xiao)(xiao),渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)k也将减(jian)小(xiao)(xiao),k与(yu)(yu)e呈正相关(guan)关(guan)系(xi)(xi)(xi)。对砂土(tu),一般认(ren)为(wei)渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)k与(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)线性关(guan)系(xi)(xi)(xi)较好(hao),图6给(ji)出(chu)了二者(zhe)间(jian)的(de)关(guan)系(xi)(xi)(xi)曲线,由(you)于沉积(ji)磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)不(bu)均(jun)匀系(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)变(bian)化较大,使(shi)得(de)沉积(ji)磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)变(bian)化范围较大(平均(jun)值为(wei)10-4cm/s数(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)量级(ji)(ji)),二者(zhe)问的(de)线性关(guan)系(xi)(xi)(xi)较差。

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图6沉积磷石膏渗透系(xi)数(shu)与孔隙比(bi)的关(guan)系(xi)

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

图7给出了(le)水(shui)平与垂(chui)直向渗(shen)透系数(shu)(shu)比(bi)值(zhi)的(de)(de)(de)分布。沉积磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)水(shui)平向渗(shen)透系数(shu)(shu)kh一般大(da)于垂(chui)直向的(de)(de)(de)渗(shen)透系数(shu)(shu)kv,kh/kv平均值(zhi)约为(wei)2.86,这一点与成层分布的(de)(de)(de)金属尾矿规律一致(zhi)。造成沉积磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水(shui)平向渗(shen)透系数(shu)(shu)大(da)于垂(chui)直向渗(shen)透系数(shu)(shu)的(de)(de)(de)原因是由(you)于磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具有明显的(de)(de)(de)晶体结构,电(dian)镜扫描显示多为(wei)菱(ling)形(xing)和棱柱状形(xing)式(见图8),在沉积过程中,由(you)于扁平状磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)颗粒(li)多呈水(shui)平排(pai)列,使(shi)得水(shui)平方(fang)向的(de)(de)(de)透水(shui)性大(da)于垂(chui)直方(fang)向的(de)(de)(de)透水(shui)性,从而使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈现明显的(de)(de)(de)各向异性。

另根(gen)据中国有色金属工(gong)业昆明勘(kan)察设计研究院在(zai)杨家箐磷石(shi)膏堆积坝(ba)开(kai)展的(de)现(xian)(xian)场(chang)渗透(tou)试验,kh/kv的(de)平(ping)均值(zhi)约(yue)为1.9。但张超等(deng)的(de)室内(nei)试验显示,kh/kv的(de)平(ping)均值(zhi)约(yue)为0.46,也即垂(chui)直(zhi)向渗透(tou)系数大于(yu)水平(ping)向渗透(tou)系数,与本(ben)(ben)文和现(xian)(xian)场(chang)试验结果恰(qia)恰(qia)相反。从(cong)磷石(shi)膏的(de)微观结构(gou)来看,本(ben)(ben)文试验结果更为合理(li)。

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图(tu)7沉积(ji)磷石膏干密度与水平和垂直渗透系(xi)数比(bi)值的(de)关系(xi)


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(2)渗透变形

图9为(wei)磷石膏(gao)干密(mi)度为(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水力梯度J与流速V的(de)(de)(de)关系曲线,试(shi)验(yan)(yan)在(zai)水平管涌(yong)仪中采(cai)用(yong)水平方(fang)向的(de)(de)(de)渗(shen)流形式进(jin)行。试(shi)验(yan)(yan)得到的(de)(de)(de)临界(jie)坡(po)(po)(po)降Jc=0.355,破坏坡(po)(po)(po)降Jp=0.375。一(yi)般来说,对(dui)(dui)(dui)1,2级工(gong)程,渗(shen)透(tou)安全(quan)系数取(qu)为(wei)2.5,则允许出(chu)逸坡(po)(po)(po)降为(wei)0.355/2.5=0.142,对(dui)(dui)(dui)3级以下工(gong)程,渗(shen)透(tou)安全(quan)系数取(qu)2.0,则允许出(chu)逸坡(po)(po)(po)降为(wei)0.355/2.0=0.178。其允许比(bi)降与粉土(tu)一(yi)粉砂大(da)致相(xiang)同。但上(shang)述渗(shen)透(tou)变形试(shi)验(yan)(yan)是(shi)采(cai)用(yong)自(zi)来水进(jin)行的(de)(de)(de),自(zi)来水对(dui)(dui)(dui)磷石膏(gao)具有一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)溶蚀作(zuo)用(yong),而实际上(shang)磷石膏(gao)中残余磷、硫和氟酸(suan),库水的(de)(de)(de)pH值一(yi)般小于3(称之(zhi)为(wei)酸(suan)性(xing)水),在(zai)酸(suan)性(xing)水作(zuo)用(yong)下,磷石膏(gao)不会发(fa)生破坏,上(shang)述试(shi)验(yan)(yan)结果(guo)是(shi)偏于保守的(de)(de)(de),但对(dui)(dui)(dui)非酸(suan)性(xing)水条(tiao)件(例如特大(da)暴(bao)雨(yu))下的(de)(de)(de)渗(shen)透(tou)稳定(ding)判断(duan)有一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)借鉴(jian)意义(yi)。

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图9水力梯度J-流速v试验过程线(ρd=140g/cm3)


(3)土水(shui)特征试验

试验(yan)在5Bar的压(ya)力板仪中进行,环刀尺(chi)寸(cun)6.18cm。干密(mi)度(du)分1.1,1.2和1.29g/cm3共3组,吸力范(fan)围0~500kPa。表l列(lie)出(chu)了(le)含(han)水率特(te)征值,试验(yan)曲线见图10所示(shi)。

试验(yan)结果(guo)表明:①干(gan)密(mi)度(du)对进(jin)气值没有明显(xian)的(de)影响,不同干(gan)密(mi)度(du)的(de)试样的(de)进(jin)气值大致在(zai)10kPa左(zuo)右;②土(tu)样残余(yu)含水(shui)率随干(gan)密(mi)度(du)的(de)增加而减少,残余(yu)含水(shui)率约为饱和含水(shui)率的(de)10%。上述特(te)性与粉土(tu)一粉砂基本(ben)一致。

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2.3静力力学特性

(1)三轴(zhou)CU试验

由于沉积磷石膏的密(mi)度变化较大(da),而(er)进(jin)行(xing)三轴试(shi)(shi)(shi)验(yan)需要若干原状样,为使试(shi)(shi)(shi)验(yan)结果具有(you)较好的一致(zhi)性,有(you)针(zhen)对(dui)性的选择平均干密(mi)度分别(bie)为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)的若干试(shi)(shi)(shi)样,进(jin)行(xing)了5组(zu)三轴CU试(shi)(shi)(shi)验(yan)。图11是为干密(mi)度为1.2和(he)1.58g/cm3的三轴CU试(shi)(shi)(shi)验(yan)曲(qu)线。

从图11可以看出,磷石膏的(de)应力应变关系曲线在(zai)低围(wei)压下(xia)(xia)表现(xian)(xian)为(wei)(wei)软化(hua)型,在(zai)高(gao)围(wei)压下(xia)(xia)表现(xian)(xian)为(wei)(wei)硬化(hua)型,与一般(ban)土(tu)类相似。但与一般(ban)粉土(tu)一粉砂不同的(de)是,即使在(zai)较为(wei)(wei)疏松(song)的(de)状态下(xia)(xia),磷石膏仍表现(xian)(xian)了较为(wei)(wei)强烈的(de)剪(jian)胀(zhang),随密(mi)实(shi)度增大,剪(jian)胀(zhang)作用(yong)愈发明显。

表(biao)2给(ji)出了(le)(le)不(bu)同干(gan)(gan)(gan)密(mi)度下的(de)(de)内摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao),图12给(ji)出了(le)(le)内摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)与(yu)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度的(de)(de)关系曲线(xian)。随干(gan)(gan)(gan)密(mi)度的(de)(de)增大(da),内摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也随之(zhi)(zhi)增大(da),且可采(cai)用幂函数(shu)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)好地拟(ni)合。磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度由(you)(you)1.20g/cm3增加(jia)为(wei)1.58g/cm3,增加(jia)了(le)(le)32%,总应(ying)(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)(you)34.1°增加(jia)为(wei)37.3°(根据拟(ni)合曲线(xian)求得(de)),增幅(fu)为(wei)9.4%,有效应(ying)(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)(you)37.6°增加(jia)为(wei)38.8°,增幅(fu)为(wei)3.2%,由(you)(you)于(yu)随围压(ya)的(de)(de)增大(da),孔压(ya)也明显(xian)增大(da),故有效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增幅(fu)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)总应(ying)(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)于(yu)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度增幅(fu),摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)增幅(fu)并不(bu)显(xian)著,表(biao)明即使较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)为(wei)疏松的(de)(de)磷石膏(gao)仍具(ju)有较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)(de)强(qiang)度指(zhi)标,这也表(biao)明磷石膏(gao)堆积坝的(de)(de)稳(wen)定性较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)高。

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(2)蠕变(bian)(次固结)变(bian)形试验

磷石膏的蠕变变形试(shi)验(yan)(yan)在侧限压(ya)缩仪中进(jin)行,试(shi)验(yan)(yan)状态相当于K0固结(jie)。试(shi)样直径(jing)61.8mm,高度(du)20mm,试(shi)样干密度(du)为1.30g/cm3,对试(shi)样饱和后分别开展了上覆(fu)压(ya)力ρ为100,200,400,800kPa的试(shi)验(yan)(yan),

试验(yan)从2012年(nian)8月27日(ri)开始,试验(yan)己进行(xing)了1年(nian)多,试验(yan)结(jie)果见图13所(suo)示。

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从图13中可(ke)以看出:上覆荷载(zai)越(yue)大(da)(da),磷(lin)(lin)石膏(gao)的蠕(ru)变变形(xing)(xing)也(ye)越(yue)大(da)(da),荷载(zai)施(shi)加1年后,磷(lin)(lin)石膏(gao)的蠕(ru)变变形(xing)(xing)仍非常(chang)显著,尚(shang)未达到稳定状态,这也(ye)是磷(lin)(lin)石膏(gao)堆积坝后期变形(xing)(xing)较大(da)(da)的原因,原型观(guan)测资料表明(ming),在5级子坝河床部位的表面沉(chen)降量已(yi)经达到3.1m,且尚(shang)未完全稳定。

按时间对数法(fa),可求(qiu)得各级荷载(zai)(zai)下的(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)形(xing)量(liang)如表3所示(shi)。试验(yan)(yan)结(jie)果表明,在(zai)(zai)100~400kPa上覆荷载(zai)(zai)作用下,在(zai)(zai)试验(yan)(yan)时间范围内蠕变(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)结(jie))变(bian)(bian)形(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8~3.1倍,当然由于(yu)(yu)(yu)蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形(xing)尚未完(wan)成(cheng),实际的(de)蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形(xing)应更大。对土体(ti)(ti)而(er)言(yan),发(fa)生(sheng)(sheng)蠕变(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)(yu)土体(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)结(jie)完(wan)成(cheng)之后,土体(ti)(ti)中仍(reng)有微小的(de)超(chao)静(jing)孔(kong)隙压力存在(zai)(zai),驱使(shi)水在(zai)(zai)颗粒问(wen)流动,一般来讲土体(ti)(ti)的(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)结(jie)远小于(yu)(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)形(xing);对磷石膏(gao)(gao)而(er)言(yan),其渗(shen)透系数在(zai)(zai)10-4cm/s数量(liang)级,远大于(yu)(yu)(yu)黏性土,但其却发(fa)生(sheng)(sheng)了(le)极为显著的(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)形(xing),其原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)(yu)(yu)磷石膏(gao)(gao)晶体(ti)(ti)结(jie)构发(fa)生(sheng)(sheng)了(le)压缩、破坏,接(jie)触点晶格(ge)发(fa)生(sheng)(sheng)歪曲(qu)和(he)变(bian)(bian)形(xing),而(er)破坏后晶格(ge)之间的(de)重新排列、调整到最(zui)后趋(qu)于(yu)(yu)(yu)相对静(jing)止需要相当长的(de)时间才能完(wan)成(cheng)。

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2.4动力力学特性

试验(yan)设(she)备采用英(ying)国GDS公司进(jin)口(kou)的(de)电机控制动(dong)三轴试验(yan)系统,试样直(zhi)径39.1mm,高(gao)度80mm。

(1)动(dong)模量和阻(zu)尼比

同(tong)样由于自(zi)然沉(chen)积的磷石膏密(mi)度变化(hua)较大,为(wei)此根(gen)据物(wu)理性(xing)质试(shi)验(yan)结果,选择两种平均干密(mi)度1.34g/cm3(变化(hua)范(fan)围1.33~1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(变化(hua)范(fan)围1.44~1.46g/cm3)进行(xing)试(shi)验(yan)。

Hardin-Dmevich建(jian)议的动剪切模量G、阻尼比(bi)与(yu)剪应(ying)变幅(fu)值(zhi)γd的关系式如下:

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式中k1为(wei)参数(shu),表示(shi)动剪切模量的衰减或阻尼(ni)比的增长速(su)率;λmax为(wei)最(zui)大(da)阻尼(ni)比;Gmax,γd分别为(wei)最(zui)大(da)动剪切模量和归一化的动剪应变,表示(shi)为(wei)

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式中k2,n为(wei)(wei)(wei)参数;σm为(wei)(wei)(wei)球应力;Pa为(wei)(wei)(wei)标(biao)准大气压;vd为(wei)(wei)(wei)动泊(bo)松比;εa为(wei)(wei)(wei)归一(yi)化的(de)动应变,表达为(wei)(wei)(wei)

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图(tu)14给出了(le)动(dong)剪(jian)切模量、阻(zu)尼比与归(gui)一化动(dong)应变的(de)关系曲(qu)线,另外图(tu)中(zhong)还给出了(le)式(1)的(de)拟(ni)合曲(qu)线以(yi)及Seed等给出的(de)砂样的(de)上下边界线,图(tu)例(li)中(zhong),σ2表(biao)示围压,Kc表(biao)示固结应力(li)比。

从(cong)图(tu)(tu)中(zhong)可以看出(chu):①式(1)可较(jiao)好地(di)描(miao)述(shu)磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)(de)(de)动(dong)应力(li)-动(dong)应变试验曲线(xian),表明(ming)采(cai)用等价黏弹(dan)(dan)性模(mo)(mo)型(xing)进行循环荷载作用下(xia)的(de)(de)(de)(de)分析是可行的(de)(de)(de)(de);②图(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)(du)为1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)位(wei)于(yu)干密(mi)度(du)(du)为1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)上方(fang),图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则位(wei)于(yu)下(xia)方(fang),表明(ming)密(mi)度(du)(du)越(yue)(yue)大,动(dong)弹(dan)(dan)模(mo)(mo)越(yue)(yue)大、阻尼(ni)比越(yue)(yue)小;③图(tu)(tu)14(a)中(zhong),两(liang)种干密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)Seed等给出(chu)的(de)(de)(de)(de)边界线(xian)上方(fang),而图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则基本(ben)处于(yu)边界线(xian)中(zhong)间,表明(ming)相(xiang)比较(jiao)砂样,磷(lin)(lin)石膏动(dong)弹(dan)(dan)模(mo)(mo)较(jiao)大,会导致磷(lin)(lin)石膏堆(dui)积坝(ba)的(de)(de)(de)(de)动(dong)力(li)反应较(jiao)大,但由于(yu)阻尼(ni)比也较(jiao)大,这(zhei)样又会削弱坝(ba)体的(de)(de)(de)(de)动(dong)力(li)反应,二者的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影(ying)响(xiang)下(xia),磷(lin)(lin)石膏堆(dui)积坝(ba)坝(ba)体的(de)(de)(de)(de)动(dong)力(li)反应将不会过于(yu)强烈,这(zhei)对磷(lin)(lin)石膏堆(dui)积坝(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震稳定性是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)动强度(du)

选择两种平(ping)均(jun)干(gan)密度为1.12(变(bian)化(hua)范(fan)围(wei)1.1~1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变(bian)化(hua)范(fan)围(wei)1.29~1.3lg/cm3)进行试验(yan),破(po)坏标准(zhun)为总应变(bian)达到10%。

图15给出(chu)了动(dong)(dong)剪(jian)应(ying)力(li)比(bi)τd/σ0′与破坏(huai)振次Nf的关(guan)(guan)系曲线图,其(qi)中σ0为(wei)振前试(shi)样45°面上的有(you)效法向应(ying)力(li),表达为(wei):σ0=(Kc+1)σ2′/2,Kc为(wei)固(gu)结比(bi)。从试(shi)验(yan)结果(guo)可以看出(chu),沉(chen)积磷石(shi)膏(gao)的动(dong)(dong)强(qiang)度(du)与其(qi)它土(tu)体相似,表现为(wei)围(wei)压和固(gu)结应(ying)力(li)比(bi)与动(dong)(dong)剪(jian)应(ying)力(li)比(bi)呈(cheng)负相关(guan)(guan)关(guan)(guan)系。

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为判别沉积磷石膏的抗液化能(neng)力,假定抗震设计烈度为8度,即等效振次(ci)Ⅳ可取为30。首先由式(4)

所示的幂函(han)数关系式(shi)得到振次为30时各个围压和固结比下(xia)的动剪应力比:

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可(ke)拟(ni)合求得(de)动剪应(ying)力比(bi)与围压和固(gu)结应(ying)力比(bi)的关系式: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。


沉积磷石膏的物理力学特性试验研究


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从上述拟合关系式可(ke)见,密(mi)实度提(ti)(ti)(ti)高后(hou),动(dong)剪应力(li)比提(ti)(ti)(ti)高,表明(ming)抗液(ye)化(hua)能力(li)也提(ti)(ti)(ti)高。但即使是在低密(mi)度下,其动(dong)剪应力(li)比较之(zhi)同类的粉(fen)土(tu)或粉(fen)砂(sha)也大(da)出许多,表明(ming)磷(lin)石膏(gao)具有较高的抗液(ye)化(hua)能力(li)。


三(san)、结论

依(yi)托柳(liu)树箐磷石膏堆积(ji)坝,在钻探取(qu)样工作的(de)基础上(shang),首先开展(zhan)了物理性(xing)质试验,然(ran)后开展(zhan)了静(jing)动力力学特性(xing)试验。通过(guo)上(shang)述试验研(yan)究,得出如下结(jie)论:

(1)沉积磷石膏总体(ti)上属于级配不(bu)(bu)良的粉土,局部属于粉砂(sha)一中砂(sha),无自然分级现象。其干密(mi)度(du)和粒径变化(hua)随埋深或距放浆(jiang)口(kou)距离的变化(hua)不(bu)(bu)明显(xian)。

(2)沉积磷石膏(gao)水(shui)平(ping)方(fang)向的(de)(de)渗透(tou)系数大于垂直方(fang)向的(de)(de)渗透(tou)系数,呈(cheng)现明显的(de)(de)各(ge)向异性。

(3)与土体颗粒(li)不可压缩不同(tong),磷(lin)石膏(gao)的(de)晶体结(jie)构(gou)会发生压缩破(po)坏,具(ju)有较大的(de)压缩性,其次固(gu)结(jie)变形量远大于主固(gu)结(jie)变形量。

(4)沉积磷石膏的(de)静动(dong)强(qiang)度(du)较之同等密实度(du)下的(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要高。


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