沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)石(shi)膏(gao)是磷(lin)酸生產(chan)過程中的(de)(de)副產(chan)品(pin)，目前的(de)(de)綜合利用率尚不(bu)足(zu)40%，大部分需(xu)要堆(dui)存存放。受地(di)形(xing)限制和(he)經濟效益考慮，中國主要為濕法堆(dui)存的(de)(de)山谷(gu)型堆(dui)場。依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)，針對沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)首先(xian)開(kai)展了密度、含(han)水(shui)率、滲(shen)(shen)透、土水(shui)特征和(he)顆(ke)分等物理性(xing)質試驗，然(ran)后開(kai)展了三軸cu、蠕(ru)變及動三軸等力學特性(xing)試驗。試驗結果(guo)表明(ming)：①沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)密度與埋(mai)深沒有相關(guan)關(guan)系；②沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)不(bu)具有自然(ran)分級現象，但具有明(ming)顯的(de)(de)各向異性(xing)；③沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)(de)摩擦(ca)角和(he)抗(kang)液(ye)化能力，但其蠕(ru)變變形(xing)較(jiao)(jiao)大、滲(shen)(shen)透比降較(jiao)(jiao)小。上述工作為分析(xi)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)壩(ba)(ba)體穩定性(xing)提供了基(ji)礎，對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫的(de)(de)運行管理以及新建工程的(de)(de)設計具有重要的(de)(de)借鑒(jian)意義。

引言(yan)

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)(shi)濕(shi)法(fa)(fa)磷(lin)(lin)(lin)酸生產(chan)過程中的副產(chan)品，2018年，全(quan)國磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)生量為7800萬(wan)噸，且呈逐年增(zeng)長的態勢(shi)。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的主要成分(fen)(fen)是(shi)(shi)CaO和SO3，但含有一(yi)定(ding)量的氟化(hua)(hua)物(wu)(wu)和其它放射性物(wu)(wu)質(zhi)，在中國通(tong)常按(an)Ⅱ類(lei)一(yi)般(ban)工業固體廢物(wu)(wu)處理，鑒(jian)于無害化(hua)(hua)處理成本較(jiao)高，目前(qian)綜合利用(yong)率(lv)尚不(bu)足40%，故大(da)部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)存(cun)場地的不(bu)同，可分(fen)(fen)為平(ping)地型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)場，在中國基本上是(shi)(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)場。相(xiang)(xiang)比較(jiao)干法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)，濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)經濟優勢(shi)明顯(xian)，因而如(ru)地質(zhi)條件為非碳酸鹽巖地區(qu)，一(yi)般(ban)均采用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)方式。隨(sui)著中國磷(lin)(lin)(lin)肥工業的快(kuai)速發展，本世(shi)紀初中國相(xiang)(xiang)繼建設(she)了幾(ji)座(zuo)濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)的大(da)型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫，例如(ru)云天化(hua)(hua)國際化(hua)(hua)工三環(huan)分(fen)(fen)公(gong)司的柳(liu)樹(shu)箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)積(ji)壩(ba)和富瑞分(fen)(fen)公(gong)司的楊家(jia)箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)積(ji)壩(ba)，這兩(liang)座(zuo)壩(ba)設(she)計壩(ba)高均超過100m、處于8度地震區(qu)，其安全(quan)性備受(shou)關(guan)注。

據統計，110多年(1901年一2013年)來，全世界有118座尾(wei)礦(kuang)壩(ba)曾發(fa)生過破(po)壞(huai)或潰壩(ba)事(shi)(shi)故，原(yuan)因主要有地震、洪水漫頂、滲透破(po)壞(huai)和(he)基(ji)礎失穩(wen)。尾(wei)礦(kuang)庫失事(shi)(shi)后會造成巨(ju)大的生態災難和(he)人員傷亡，近(jin)幾十年來，

國(guo)內外對金(jin)屬(shu)尾礦的(de)(de)沉積規律、物理力(li)(li)學(xue)特性及(ji)其穩(wen)(wen)定(ding)性開(kai)展(zhan)(zhan)了大(da)(da)量的(de)(de)研究(jiu)，但對于與金(jin)屬(shu)尾礦庫相近的(de)(de)磷石膏(gao)庫，一般僅限(xian)于在(zai)可研階(jie)段采用人工制備(bei)樣進行物理力(li)(li)學(xue)性質試驗，并據此(ci)進行穩(wen)(wen)定(ding)性分析，尚未有人針對己運行若(ruo)干(gan)年的(de)(de)大(da)(da)型濕(shi)法堆存磷石膏(gao)堆積壩開(kai)展(zhan)(zhan)過(guo)磷石膏(gao)沉積規律及(ji)其物理力(li)(li)學(xue)特性的(de)(de)專項研究(jiu)。

本文依托柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩，首先進行了(le)(le)鉆探取(qu)樣，采(cai)用(yong)原狀樣開(kai)展(zhan)了(le)(le)密度(du)、含水(shui)率、滲透、土水(shui)特(te)征和(he)顆分等物(wu)理(li)性(xing)(xing)(xing)質試(shi)(shi)驗(yan)，在此基礎(chu)上有(you)針對(dui)(dui)性(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣開(kai)展(zhan)了(le)(le)三軸CU、蠕(ru)變及(ji)動三軸等力學(xue)特(te)性(xing)(xing)(xing)試(shi)(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)，總(zong)結了(le)(le)磷(lin)石膏的(de)沉積規律(lv)、滲透特(te)性(xing)(xing)(xing)、滲透破壞特(te)性(xing)(xing)(xing)以及(ji)靜動力特(te)性(xing)(xing)(xing)，上述研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)對(dui)(dui)研(yan)究(jiu)和(he)評(ping)估磷(lin)石膏庫堆積壩的(de)穩定性(xing)(xing)(xing)提供了(le)(le)基礎(chu)數(shu)據，對(dui)(dui)現行磷(lin)石膏庫的(de)運(yun)行管理(li)以及(ji)新建工(gong)程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存設計方案

由初(chu)期壩和(he)堆積壩組成，設計(ji)總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采用土(tu)料填筑。上游(you)(you)坡面、壩底和(he)下(xia)游(you)(you)壩腳設(she)置堆石排(pai)水(shui)體，三者(zhe)相連通構成(cheng)整(zheng)個堆積壩的主要排(pai)滲系(xi)統。

(2)堆積壩及其輔助排滲(shen)措施

采(cai)用(yong)上游式筑壩(ba)法，共20級(ji)子(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約(yue)100m。采(cai)用(yong)排(pai)滲管網(wang)作為(wei)輔(fu)助排(pai)滲方案，目前己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩(ba)和13級(ji)子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范(fan)圍內設置了井字形(xing)排(pai)滲管網(wang)。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探取樣

鉆孔(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月(yue)，堆積(ji)至5級(ji)子(zi)壩時，布設(she)了9個(ge)取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號K1～K9，取原狀(zhuang)樣(yang)76件；2013年(nian)5月(yue)，堆積(ji)至13級(ji)子(zi)壩時，又布設(she)了11個(ge)取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號K10～K20，取原狀(zhuang)樣(yang)112件，為比較子(zi)壩加高和磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)過(guo)程中磷石(shi)(shi)膏物(wu)理(li)力(li)學性質的變化，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近(jin)各布設(she)了一(yi)個(ge)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹箐磷石膏尾(wei)礦庫(ku)2005年開工(gong)建設，2006年1月投入運行，截至(zhi)2013年5月己堆至(zhi)13級子壩，尚有7級子壩即堆存至(zhi)設計高(gao)程。鑒于(yu)磷石膏庫(ku)地(di)形(xing)、地(di)質(zhi)條件較好，具(ju)備(bei)擴容改造的(de)條件，以提(ti)高(gao)堆存庫(ku)容，減少堆存占地(di)，節約土地(di)資源。

本文主要(yao)對沉積磷石膏的物(wu)理力學(xue)特性進行(xing)了全(quan)面總(zong)結，限于篇幅，有(you)關現狀磷石膏庫(ku)堆積壩的安(an)全(quan)性評(ping)價(jia)及其加高(gao)可(ke)行(xing)性的研(yan)究將另文發表。

二(er)、沉積(ji)磷(lin)石膏的物(wu)理力學特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給出了14個(ge)鉆孔的(de)取樣(yang)深(shen)度(du)(du)和(he)試驗所得干密度(du)(du)的(de)關系，圖(tu)中UWL表(biao)示水(shui)位線(xian)(xian)上(shang)，(系鉆孔期間的(de)初見水(shui)位線(xian)(xian)，下同)，DWL表(biao)示水(shui)位線(xian)(xian)下。圖(tu)3給出了水(shui)位線(xian)(xian)上(shang)下的(de)飽和(he)度(du)(du)分(fen)布圖(tu)。由(you)于磷(lin)石(shi)膏中的(de)主要成(cheng)分(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)(du)和(he)烘(hong)烤時間對測(ce)定結(jie)果有(you)一定影響，不(bu)能(neng)照搬現行的(de)土工試驗規范(fan)，本文(wen)磷(lin)石(shi)膏的(de)含(han)水(shui)率(lv)測(ce)定方法為55℃溫度(du)(du)下烘(hong)培24h。

圖(tu)2沉(chen)積磷石膏干(gan)密度與埋深的關系

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

由(you)圖(tu)3，水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線上的磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)飽和度平均(jun)值為50.4%，處(chu)于非飽和狀(zhuang)(zhuang)態，水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線以下(xia)的磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)飽和度平均(jun)值為85.0%，基本處(chu)于飽和狀(zhuang)(zhuang)態，由(you)于水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)下(xia)降后磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)來不及排水(shui)(shui)(shui)(shui)固結，故(gu)而水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線上局部試樣的飽和度較高(gao)。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)干(gan)密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石(shi)膏(gao)與一般的(de)尾(wei)礦有所不同，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)并(bing)不隨埋深的(de)增大而明(ming)顯(xian)增大，但(dan)水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)從(cong)統計(ji)意義上來看(kan)仍大于水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)，這主要是由于水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)變化反復升降而使得磷(lin)石(shi)膏(gao)排(pai)水(shui)(shui)固結所致。

室內(nei)擊(ji)(ji)實得到的(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干(gan)(gan)密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自然沉(chen)積的(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干(gan)(gan)密度可達到1.73g/cm3，原因(yin)如下：與經典(dian)的(de)土骨(gu)(gu)架不可壓(ya)縮(suo)的(de)理(li)論(lun)不同(tong)，石(shi)膏(gao)(gao)本(ben)身可壓(ya)縮(suo)，同(tong)時(shi)由于(yu)顆粒(li)結(jie)(jie)構不穩定，擊(ji)(ji)實試驗過程中磷石(shi)膏(gao)(gao)結(jie)(jie)構被(bei)破壞，受夯擊(ji)(ji)處(chu)下陷，四周鼓起，出現(xian)(xian)了類似于(yu)橡皮土的(de)現(xian)(xian)象。而在現(xian)(xian)場條件下，石(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)(gu)架被(bei)破壞后(hou)(hou)，會導致顆粒(li)中的(de)結(jie)(jie)合水(shui)滲出至(zhi)孔隙(xi)內(nei)，變成孔隙(xi)水(shui)，排水(shui)固結(jie)(jie)后(hou)(hou)會使(shi)得磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)孔隙(xi)比(bi)減小，干(gan)(gan)密度增大。

圖4給出(chu)了相(xiang)鄰鉆孔(kong)K2和K17(位(wei)于2級子壩河(he)床(chuang)部(bu)位(wei))以及相(xiang)鄰鉆孔(kong)K6和K18(位(wei)于4級子壩河(he)床(chuang)部(bu)位(wei))干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)對比圖。K2鉆孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)(zhi)間，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)(zhi)間，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)(zhi)間，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)(zhi)間，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.37g/cm3。可見，即使從統計(ji)意義上來看，磷石(shi)膏(gao)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)也(ye)并未隨后(hou)續(xu)磷石(shi)膏(gao)的(de)堆積而有較為明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試驗(yan)采(cai)用(yong)密(mi)度計法，制備(bei)懸(xuan)液(ye)時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏(pian)磷酸鈉。圖5給(gei)出了試驗(yan)得到的(de)級配(pei)包線、平均(jun)粒(li)徑d50、不(bu)均(jun)勻系(xi)數(1u和曲率(lv)系(xi)數Cc的(de)分布圖。

從圖5(a)可見，磷(lin)石膏的粒徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬(shu)于(yu)粉土，但可能由(you)于(yu)礦石來源或生產(chan)工藝(yi)有所(suo)不同，局部屬(shu)于(yu)粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分布范圍(wei)比Blight和張超等(deng)的試驗結果要(yao)寬一些(xie)。

圖(tu)4子壩(ba)加高后(hou)沉積磷石膏的(de)干密度變(bian)化(hua)

圖5沉積磷石膏的(de)平(ping)均(jun)粒徑和級配(pei)分布(bu)

由圖5(b)和(he)5(c)，無(wu)論是水平向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)與金屬礦山尾(wei)(wei)礦的(de)(de)“前粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的(de)(de)自然分(fen)級現(xian)象不(bu)同，也(ye)即粗(cu)顆(ke)(ke)粒并(bing)不(bu)是沿埋深逐(zhu)步減小或距(ju)離放漿(jiang)口(kou)越遠顆(ke)(ke)粒越細，其(qi)原因(yin)如(ru)下：①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)(ke)粒粒徑組(zu)成(cheng)較(jiao)為(wei)集中、均(jun)勻，主要以粉粒組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金屬尾(wei)(wei)礦，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)小，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠小于金屬尾(wei)(wei)礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)，例如(ru)鐵尾(wei)(wei)礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿(jiang)口(kou)隨子壩高度不(bu)斷(duan)增加(jia)而不(bu)斷(duan)變動并(bing)向(xiang)庫(ku)尾(wei)(wei)延伸(shen)，造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒徑變化不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均勻系數Cu范(fan)(fan)圍(wei)(wei)值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)為4.18，曲率系數(1c范(fan)(fan)圍(wei)(wei)值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)為1.21，在統計的(de)(de)100多個(ge)試樣中，屬于級配不良土(tu)的(de)(de)占(zhan)93%。這種級配特性(xing)決(jue)定了磷石膏具有較高(gao)的(de)(de)壓縮性(xing)、滲透破壞型式表現為流土(tu)破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)主要(yao)因素是粒徑大(da)小(xiao)、級配和孔(kong)隙比，因而磷石膏的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)(tu)較為接近。由于(yu)孔(kong)隙比e減小(xiao)，使得過水(shui)通道(dao)面積減小(xiao)，滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正(zheng)相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)。對砂土(tu)(tu)，一般認為滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性關(guan)(guan)系(xi)較好，圖6給出了二(er)者間的(de)關(guan)(guan)系(xi)曲線，由于(yu)沉積磷石膏的(de)不均勻(yun)系(xi)數(shu)(shu)變化較大(da)，使得沉積磷石膏的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)變化范圍(wei)較大(da)(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級)，二(er)者問的(de)線性關(guan)(guan)系(xi)較差。

圖(tu)6沉(chen)積磷(lin)石膏滲透系數與孔隙(xi)比的(de)關系

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

圖7給出了(le)水(shui)(shui)(shui)平(ping)與垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數比值的(de)(de)分布(bu)。沉積磷石膏(gao)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數kh一(yi)般大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數kv,kh/kv平(ping)均值約(yue)為(wei)2.86，這一(yi)點與成(cheng)層(ceng)分布(bu)的(de)(de)金屬(shu)尾礦規律一(yi)致。造(zao)成(cheng)沉積磷石膏(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數的(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)磷石膏(gao)具(ju)有明顯(xian)的(de)(de)晶體結構(gou)，電鏡掃描顯(xian)示(shi)多為(wei)菱形(xing)(xing)和棱柱(zhu)狀(zhuang)形(xing)(xing)式(見圖8)，在沉積過程中(zhong)，由于(yu)扁平(ping)狀(zhuang)磷石膏(gao)顆(ke)粒多呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)排列，使得(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)大于(yu)垂直(zhi)方向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)，從而使磷石膏(gao)呈現明顯(xian)的(de)(de)各(ge)向(xiang)異性(xing)(xing)。

另根據中國有色金屬工業(ye)昆明勘察(cha)設計研究院在楊家箐磷(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩開展的現場滲透試驗(yan)，kh/kv的平(ping)均值(zhi)約(yue)為1.9。但張超等的室(shi)內試驗(yan)顯示(shi)，kh/kv的平(ping)均值(zhi)約(yue)為0.46，也即(ji)垂直向滲透系(xi)數大于水平(ping)向滲透系(xi)數，與本文和現場試驗(yan)結果恰恰相反。從磷(lin)石膏的微(wei)觀(guan)結構來看，本文試驗(yan)結果更(geng)為合(he)理。

圖7沉(chen)積磷石膏干(gan)密度與水平(ping)和垂直(zhi)滲透系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為磷石(shi)膏干密度為1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度J與流速V的(de)(de)(de)關(guan)系曲線(xian)，試驗(yan)(yan)(yan)在(zai)(zai)水(shui)(shui)(shui)平管涌(yong)儀中(zhong)采用(yong)水(shui)(shui)(shui)平方(fang)向的(de)(de)(de)滲流形式進行(xing)。試驗(yan)(yan)(yan)得到的(de)(de)(de)臨(lin)界坡(po)降Jc=0.355，破壞坡(po)降Jp=0.375。一(yi)(yi)般來(lai)說，對(dui)1，2級工程，滲透安全系數取(qu)為2.5，則允(yun)許出(chu)逸坡(po)降為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以(yi)下工程，滲透安全系數取(qu)2.0，則允(yun)許出(chu)逸坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)許比降與粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂大致(zhi)相同(tong)。但上述滲透變形試驗(yan)(yan)(yan)是采用(yong)自來(lai)水(shui)(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)對(dui)磷石(shi)膏具有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)溶(rong)蝕(shi)作用(yong)，而(er)實(shi)際(ji)上磷石(shi)膏中(zhong)殘余磷、硫和(he)氟酸，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)(yi)般小于(yu)3(稱之為酸性水(shui)(shui)(shui))，在(zai)(zai)酸性水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下，磷石(shi)膏不會發生破壞，上述試驗(yan)(yan)(yan)結果是偏于(yu)保(bao)守的(de)(de)(de)，但對(dui)非酸性水(shui)(shui)(shui)條件(jian)(例(li)如特大暴(bao)雨(yu))下的(de)(de)(de)滲透穩定判斷有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)借鑒意(yi)義。

圖(tu)9水力梯度J-流速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力板儀(yi)中進(jin)行，環刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共(gong)3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含水率(lv)特征值，試驗曲線見圖10所(suo)示。

試(shi)驗結果表明：①干密(mi)度(du)(du)對進氣(qi)(qi)值(zhi)沒有明顯的(de)影響，不同(tong)干密(mi)度(du)(du)的(de)試(shi)樣的(de)進氣(qi)(qi)值(zhi)大致在10kPa左右；②土(tu)樣殘余含水(shui)率(lv)隨干密(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)加而減少，殘余含水(shui)率(lv)約為飽(bao)和含水(shui)率(lv)的(de)10%。上(shang)述特性與粉土(tu)一粉砂(sha)基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉(chen)積磷石膏的(de)密(mi)度變化(hua)較大，而進行(xing)三軸試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)需要若(ruo)干(gan)(gan)原狀樣，為(wei)使試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果(guo)具有(you)較好的(de)一致性，有(you)針對(dui)性的(de)選(xuan)擇平均干(gan)(gan)密(mi)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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)干(gan)(gan)試(shi)(shi)樣，進行(xing)了5組三軸CU試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)。圖(tu)11是(shi)為(wei)干(gan)(gan)密(mi)度為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三軸CU試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)曲線(xian)。

從圖11可以看(kan)出，磷(lin)石膏的(de)應力應變關系曲線在低圍(wei)壓下(xia)表現為軟化型，在高(gao)圍(wei)壓下(xia)表現為硬化型，與(yu)一(yi)般土類(lei)相(xiang)似。但與(yu)一(yi)般粉土一(yi)粉砂不同的(de)是，即使(shi)在較為疏松(song)的(de)狀態下(xia)，磷(lin)石膏仍(reng)表現了(le)較為強(qiang)烈的(de)剪脹(zhang)，隨密實(shi)度(du)增大，剪脹(zhang)作用(yong)愈(yu)發(fa)明顯。

表(biao)2給(gei)(gei)出了(le)不同干密(mi)(mi)度下(xia)的(de)(de)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)，圖(tu)12給(gei)(gei)出了(le)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)與干密(mi)(mi)度的(de)(de)關系曲線(xian)(xian)。隨干密(mi)(mi)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大，且(qie)可采用冪函數較好(hao)地(di)擬合。磷石膏(gao)的(de)(de)干密(mi)(mi)度由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬合曲線(xian)(xian)求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)9.4%，有效應力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨圍(wei)壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔(kong)壓也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較之總應力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要小。另外較之于干密(mi)(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不顯著，表(biao)明即使(shi)較為(wei)疏(shu)松的(de)(de)磷石膏(gao)仍(reng)具有較高(gao)(gao)的(de)(de)強度指標，這(zhe)也(ye)表(biao)明磷石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)穩(wen)定(ding)性較高(gao)(gao)。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形試驗

磷石(shi)膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)在側限(xian)壓縮儀中進行，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)狀態相當于K0固結。試(shi)(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣(yang)干密(mi)度為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣(yang)飽(bao)和后分(fen)別開展了(le)上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，

試(shi)(shi)驗從(cong)2012年8月27日開始，試(shi)(shi)驗己進行了1年多，試(shi)(shi)驗結果見圖13所示。

從(cong)圖13中(zhong)可以看出：上覆(fu)荷載越大(da)，磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變變形也越大(da)，荷載施加(jia)1年后，磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變變形仍非(fei)常顯著，尚未達到穩定(ding)(ding)狀態(tai)，這也是磷石膏(gao)堆積壩后期變形較(jiao)大(da)的(de)原因，原型觀測資(zi)料表明，在5級子壩河床(chuang)部位的(de)表面沉降量已經達到3.1m，且(qie)尚未完全穩定(ding)(ding)。

按時(shi)間對(dui)數法，可(ke)求(qiu)得各(ge)級荷(he)載(zai)下(xia)的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變形(xing)(xing)量如表3所(suo)示(shi)。試驗結(jie)(jie)(jie)果(guo)表明，在(zai)(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆荷(he)載(zai)作用(yong)下(xia)，在(zai)(zai)(zai)試驗時(shi)間范圍內(nei)蠕(ru)(ru)(ru)變(次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當然由(you)于(yu)(yu)蠕(ru)(ru)(ru)變變形(xing)(xing)尚未完成，實際(ji)的(de)(de)蠕(ru)(ru)(ru)變變形(xing)(xing)應(ying)更(geng)大(da)。對(dui)土體(ti)而(er)言，發(fa)(fa)生(sheng)蠕(ru)(ru)(ru)變的(de)(de)原因是由(you)于(yu)(yu)土體(ti)在(zai)(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完成之后(hou)，土體(ti)中(zhong)仍有微小的(de)(de)超(chao)靜(jing)孔(kong)隙壓力(li)存在(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)顆粒問流動，一般(ban)來講土體(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠(yuan)小于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變形(xing)(xing)；對(dui)磷石(shi)膏而(er)言，其(qi)(qi)滲透系數在(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠(yuan)大(da)于(yu)(yu)黏(nian)性土，但其(qi)(qi)卻(que)發(fa)(fa)生(sheng)了極(ji)為顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變形(xing)(xing)，其(qi)(qi)原因在(zai)(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石(shi)膏晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構發(fa)(fa)生(sheng)了壓縮、破(po)壞，接觸點晶(jing)格(ge)發(fa)(fa)生(sheng)歪曲(qu)和變形(xing)(xing)，而(er)破(po)壞后(hou)晶(jing)格(ge)之間的(de)(de)重新排列、調(diao)整到最后(hou)趨于(yu)(yu)相對(dui)靜(jing)止(zhi)需(xu)要相當長的(de)(de)時(shi)間才能完成。

2.4動力力學特性

試驗設備采用英國GDS公司(si)進(jin)口(kou)的電機(ji)控制(zhi)動三軸試驗系統，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比

同樣由于自然(ran)沉(chen)積的磷石(shi)膏密(mi)度變(bian)化(hua)較大(da)，為此根據物理性質試(shi)驗(yan)結果，選擇兩(liang)種(zhong)平均(jun)干密(mi)度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建(jian)議的(de)動剪切模量G、阻尼比與(yu)剪應變幅(fu)值γd的(de)關系式如下：

式中k1為(wei)(wei)參數，表(biao)示(shi)(shi)動剪切模(mo)量(liang)的衰(shuai)減或阻尼比(bi)的增長速率；λmax為(wei)(wei)最大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大動剪切模(mo)量(liang)和(he)歸一化的動剪應(ying)變，表(biao)示(shi)(shi)為(wei)(wei)

式中(zhong)k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸一(yi)化的(de)動應(ying)變，表達為(wei)

圖14給(gei)出了(le)動剪(jian)切模量、阻尼(ni)比與歸(gui)一化動應(ying)變的(de)關(guan)系曲線，另外圖中還給(gei)出了(le)式(1)的(de)擬合曲線以及(ji)Seed等給(gei)出的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊界線，圖例中，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固(gu)結應(ying)力比。

從(cong)圖中(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)(ke)(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)(ke)(ke)較(jiao)(jiao)好(hao)地描述磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)應力-動(dong)(dong)應變試驗曲(qu)線(xian)，表(biao)明采用等價黏彈性模(mo)(mo)型進行(xing)循環荷載作用下(xia)(xia)的(de)(de)分析是(shi)可(ke)(ke)(ke)行(xing)的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)干密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)位于干密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)上(shang)方，圖14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則位于下(xia)(xia)方，表(biao)明密度(du)越(yue)大(da)，動(dong)(dong)彈模(mo)(mo)越(yue)大(da)、阻(zu)尼比(bi)越(yue)小(xiao)；③圖14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)，兩(liang)種干密度(du)的(de)(de)擬合線(xian)基本(ben)位于Seed等給出(chu)的(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)上(shang)方，而圖14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則基本(ben)處于邊(bian)界(jie)線(xian)中(zhong)(zhong)(zhong)間，表(biao)明相比(bi)較(jiao)(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)動(dong)(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)導致(zhi)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應較(jiao)(jiao)大(da)，但由于阻(zu)尼比(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)，這樣又會(hui)削弱壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應，二者的(de)(de)相互影(ying)響(xiang)下(xia)(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應將(jiang)不(bu)會(hui)過(guo)于強烈，這對磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)抗(kang)震穩定性是(shi)有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干密度(du)為1.12(變化范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗，破壞標準(zhun)為總應變達到10%。

圖(tu)15給出了動(dong)剪(jian)應(ying)(ying)力比(bi)(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破(po)壞振次Nf的關(guan)(guan)系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為振前試(shi)樣45°面上的有效法向應(ying)(ying)力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結(jie)比(bi)(bi)(bi)。從(cong)試(shi)驗結(jie)果可以看出，沉(chen)積磷石膏的動(dong)強度(du)與(yu)其(qi)它土(tu)體相似(si)，表現(xian)為圍壓和固(gu)結(jie)應(ying)(ying)力比(bi)(bi)(bi)與(yu)動(dong)剪(jian)應(ying)(ying)力比(bi)(bi)(bi)呈負相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。

為(wei)(wei)判別沉積磷石膏(gao)的抗液化能力，假定抗震設計烈度(du)為(wei)(wei)8度(du)，即等(deng)效振次(ci)Ⅳ可取為(wei)(wei)30。首(shou)先由式(shi)(4)

所示的冪函數關系(xi)式得到振次(ci)為30時各個圍(wei)壓(ya)和固結比下的動剪應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動(dong)剪(jian)應力比與圍壓和固結應力比的(de)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。

從上述擬(ni)合關系式可見，密實度(du)提(ti)(ti)高后(hou)，動剪應力(li)(li)比提(ti)(ti)高，表明(ming)抗(kang)液化能(neng)力(li)(li)也提(ti)(ti)高。但即使是在低密度(du)下(xia)，其動剪應力(li)(li)比較之同類的粉土(tu)或粉砂也大出(chu)許多，表明(ming)磷石(shi)膏(gao)具有較高的抗(kang)液化能(neng)力(li)(li)。

三(san)、結論

依托柳(liu)樹箐磷石膏堆積(ji)壩，在鉆探取樣(yang)工作的基(ji)礎上，首先(xian)開(kai)展(zhan)了物理性質(zhi)試驗(yan)，然后(hou)開(kai)展(zhan)了靜(jing)動力力學特性試驗(yan)。通過(guo)上述試驗(yan)研究，得出如(ru)下結論：

(1)沉積磷(lin)石(shi)膏總體上(shang)屬(shu)于級(ji)配(pei)不(bu)良的(de)粉土，局(ju)部屬(shu)于粉砂一中砂，無(wu)自然分級(ji)現象。其干密度和粒(li)徑變化隨埋深或距放漿口距離(li)的(de)變化不(bu)明(ming)顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水平方向的滲(shen)透系(xi)數(shu)大于垂直方向的滲(shen)透系(xi)數(shu)，呈現明(ming)顯的各向異性(xing)。

(3)與土體顆粒不可壓(ya)(ya)縮(suo)不同(tong)，磷石膏的(de)(de)晶體結(jie)構會發生壓(ya)(ya)縮(suo)破壞，具有較大的(de)(de)壓(ya)(ya)縮(suo)性，其次(ci)固結(jie)變(bian)形量遠大于主固結(jie)變(bian)形量。

(4)沉積磷石(shi)膏的(de)(de)靜動強度較之同等密(mi)實度下(xia)的(de)(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要高。