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)

磷石(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)(shi)(shi)法(fa)磷酸生(sheng)產過程中(zhong)(zhong)的副產品(pin)，2018年，全國(guo)磷石(shi)(shi)膏(gao)產生(sheng)量(liang)為(wei)7800萬噸，且呈逐年增長(chang)的態(tai)勢(shi)。磷石(shi)(shi)膏(gao)的主要(yao)成分(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但(dan)含有(you)一(yi)定量(liang)的氟(fu)化(hua)物(wu)和(he)其它(ta)放射性(xing)物(wu)質，在中(zhong)(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般工業固體(ti)廢物(wu)處(chu)理(li)，鑒(jian)于無(wu)害化(hua)處(chu)理(li)成本(ben)(ben)(ben)較高，目前綜(zong)合(he)利(li)用率尚不足40%，故(gu)大部分(fen)磷石(shi)(shi)膏(gao)需(xu)要(yao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)場地的不同，可分(fen)為(wei)平地型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場，在中(zhong)(zhong)國(guo)基(ji)本(ben)(ben)(ben)上(shang)是(shi)山谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場。相比(bi)較干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優(you)勢(shi)明顯，因而(er)如地質條(tiao)件(jian)為(wei)非碳酸鹽巖地區(qu)(qu)，一(yi)般均采用濕(shi)(shi)(shi)排(pai)濕(shi)(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)(zhong)國(guo)磷肥(fei)工業的快(kuai)速(su)發展，本(ben)(ben)(ben)世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相繼(ji)建設(she)了(le)幾座濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的大型(xing)磷石(shi)(shi)膏(gao)庫，例如云天化(hua)國(guo)際化(hua)工三環分(fen)公司的柳樹箐磷石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩和(he)富(fu)瑞分(fen)公司的楊家箐磷石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩，這兩(liang)座壩設(she)計壩高均超過100m、處(chu)于8度地震區(qu)(qu)，其安全性(xing)備(bei)受關注。

據統計(ji)，110多(duo)年(nian)(1901年(nian)一(yi)2013年(nian))來，全世界(jie)有118座尾礦壩曾發生(sheng)過破(po)壞或潰壩事(shi)故，原因主要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破(po)壞和基礎失穩。尾礦庫失事(shi)后會(hui)造成巨大的生(sheng)態災難和人員傷亡，近幾十年(nian)來，

國內外對金屬尾礦的沉積規(gui)律、物(wu)理(li)力學特性(xing)(xing)及其(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)開展了大量的研(yan)究，但對于與(yu)金屬尾礦庫相近的磷石膏庫，一般僅限(xian)于在可研(yan)階段采用人工制備(bei)樣進(jin)行(xing)物(wu)理(li)力學性(xing)(xing)質試(shi)驗，并(bing)據此進(jin)行(xing)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)分析，尚(shang)未有(you)人針對己運行(xing)若干年(nian)的大型濕法堆存磷石膏堆積壩開展過(guo)磷石膏沉積規(gui)律及其(qi)物(wu)理(li)力學特性(xing)(xing)的專(zhuan)項(xiang)研(yan)究。

本文(wen)依托柳樹(shu)箐(qing)磷石膏(gao)(gao)(gao)堆積壩，首先進行了(le)(le)鉆探(tan)取樣(yang)，采用(yong)原狀樣(yang)開展了(le)(le)密度、含水率、滲透(tou)(tou)、土水特(te)征(zheng)和顆分等物理(li)性(xing)(xing)(xing)(xing)質試驗(yan)，在此基礎上有(you)針對(dui)(dui)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣(yang)開展了(le)(le)三(san)(san)軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三(san)(san)軸(zhou)等力學特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)試驗(yan)。通過(guo)上述試驗(yan)研(yan)(yan)究(jiu)，總結了(le)(le)磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)沉(chen)積規律、滲透(tou)(tou)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)、滲透(tou)(tou)破壞特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)以及(ji)靜(jing)動力特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)，上述研(yan)(yan)究(jiu)工作對(dui)(dui)研(yan)(yan)究(jiu)和評估磷石膏(gao)(gao)(gao)庫堆積壩的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)提供了(le)(le)基礎數(shu)據，對(dui)(dui)現行磷石膏(gao)(gao)(gao)庫的(de)運行管理(li)以及(ji)新建(jian)工程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒意義。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計方案

由(you)初期壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約(yue)30m，采用(yong)土料填筑。上游坡(po)面、壩(ba)(ba)底和下游壩(ba)(ba)腳設置堆石(shi)排水體(ti)，三者相連通構成(cheng)整個堆積壩(ba)(ba)的主要排滲系統。

(2)堆積壩及(ji)其輔助排(pai)滲措(cuo)施

采用(yong)上游式(shi)筑(zhu)壩(ba)(ba)法(fa)，共20級子(zi)壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高(gao)(gao)度(du)(du)5m，堆積高(gao)(gao)度(du)(du)約(yue)100m。采用(yong)排滲(shen)管網作(zuo)為輔助(zhu)排滲(shen)方案，目前(qian)己在5級、9級子(zi)壩(ba)(ba)和13級子(zi)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前(qian)120m范圍內設(she)置(zhi)了井(jing)字形排滲(shen)管網。

1.2沉積(ji)磷石(shi)膏的鉆(zhan)探取樣(yang)

鉆孔(kong)平面位置(zhi)見圖(tu)l。2008年6月，堆積(ji)(ji)至5級子(zi)壩時(shi)(shi)，布設了9個取樣(yang)鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編號(hao)(hao)K1～K9，取原(yuan)狀樣(yang)76件；2013年5月，堆積(ji)(ji)至13級子(zi)壩時(shi)(shi)，又布設了11個取樣(yang)鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編號(hao)(hao)K10～K20，取原(yuan)狀樣(yang)112件，為(wei)比較子(zi)壩加高和磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)(ji)過程中磷(lin)石膏(gao)物理力學性質的變化，在(zai)2，4級子(zi)壩K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布設了一個鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編號(hao)(hao)分別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷石膏(gao)尾礦庫(ku)2005年(nian)(nian)(nian)開(kai)工建設，2006年(nian)(nian)(nian)1月投入運行，截至(zhi)2013年(nian)(nian)(nian)5月己堆(dui)至(zhi)13級子壩(ba)，尚有7級子壩(ba)即堆(dui)存(cun)(cun)至(zhi)設計高(gao)程。鑒于磷石膏(gao)庫(ku)地(di)形、地(di)質(zhi)條件較(jiao)好，具(ju)備擴容改造的(de)條件，以(yi)提高(gao)堆(dui)存(cun)(cun)庫(ku)容，減少(shao)堆(dui)存(cun)(cun)占地(di)，節(jie)約土地(di)資源。

本文主(zhu)要對沉積磷石膏的(de)物理力學特性(xing)進行了全面(mian)總(zong)結，限于篇幅，有關現(xian)狀磷石膏庫(ku)堆(dui)積壩的(de)安全性(xing)評價及其加高可行性(xing)的(de)研究將另文發表(biao)。

二、沉(chen)積磷石膏的物(wu)理力(li)學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了(le)14個鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)取樣深度和(he)試驗(yan)所(suo)得干密度的(de)(de)(de)關系(xi)，圖中UWL表示水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)上(shang)，(系(xi)鉆(zhan)孔期間的(de)(de)(de)初見水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)，下同)，DWL表示水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)下。圖3給出了(le)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)上(shang)下的(de)(de)(de)飽和(he)度分(fen)(fen)布圖。由于磷(lin)石膏中的(de)(de)(de)主要成分(fen)(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度和(he)烘(hong)烤(kao)時間對測定(ding)(ding)結果有一定(ding)(ding)影(ying)響，不(bu)能(neng)照搬現行的(de)(de)(de)土(tu)工試驗(yan)規(gui)范，本文磷(lin)石膏的(de)(de)(de)含(han)水(shui)(shui)率測定(ding)(ding)方法為55℃溫(wen)度下烘(hong)培24h。

圖(tu)2沉積磷石膏干密度與埋深的(de)關系(xi)

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

由圖(tu)3，水(shui)位線上的(de)磷(lin)石(shi)膏飽和(he)度平均值為(wei)50.4%，處于(yu)非飽和(he)狀(zhuang)態，水(shui)位線以下(xia)的(de)磷(lin)石(shi)膏飽和(he)度平均值為(wei)85.0%，基本處于(yu)飽和(he)狀(zhuang)態，由于(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(bu)試樣(yang)的(de)飽和(he)度較高。

由(you)圖2，水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上(shang)的(de)(de)(de)干密度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)(de)干密度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)與一般的(de)(de)(de)尾礦(kuang)有所不同，磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密度(du)并(bing)不隨(sui)埋深的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)明顯增(zeng)大(da)，但水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干密度(du)從統計(ji)意義上(shang)來看仍大(da)于水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上(shang)的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干密度(du)，這(zhe)主(zhu)要是由(you)于水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨(sui)庫水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)(de)(de)變化反(fan)復(fu)升降而(er)使得磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)排水(shui)(shui)(shui)固(gu)結所致。

室(shi)內(nei)擊實得(de)到(dao)的磷(lin)石膏(gao)最(zui)(zui)大干(gan)密(mi)度一般在(zai)(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖(tu)2可以看(kan)出(chu)，自(zi)然(ran)沉積(ji)的磷(lin)石膏(gao)最(zui)(zui)大干(gan)密(mi)度可達到(dao)1.73g/cm3，原(yuan)因如下(xia)：與經典的土骨(gu)(gu)架不可壓(ya)縮(suo)的理論(lun)不同，石膏(gao)本身可壓(ya)縮(suo)，同時由于(yu)顆粒結構(gou)(gou)不穩定，擊實試驗過程(cheng)中磷(lin)石膏(gao)結構(gou)(gou)被破壞，受夯擊處下(xia)陷，四周(zhou)鼓起(qi)，出(chu)現(xian)了類似于(yu)橡皮土的現(xian)象(xiang)。而(er)在(zai)(zai)現(xian)場條件下(xia)，石膏(gao)骨(gu)(gu)架被破壞后(hou)，會導(dao)致顆粒中的結合水滲出(chu)至孔隙(xi)內(nei)，變成孔隙(xi)水，排水固(gu)結后(hou)會使得(de)磷(lin)石膏(gao)的孔隙(xi)比減小，干(gan)密(mi)度增大。

圖(tu)4給出(chu)了(le)相鄰(lin)鉆孔(kong)K2和K17(位(wei)于2級(ji)子(zi)壩河床(chuang)部位(wei))以(yi)及相鄰(lin)鉆孔(kong)K6和K18(位(wei)于4級(ji)子(zi)壩河床(chuang)部位(wei))干(gan)密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)對比圖(tu)。K2鉆孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在1.12～1.47g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在1.2～1.39g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在1.13～1.57g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在1.14～1.59g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使(shi)從統(tong)計意義上來看，磷石(shi)膏的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度也并未(wei)隨(sui)后續(xu)磷石(shi)膏的(de)(de)(de)堆積(ji)而有(you)較為(wei)明顯的(de)(de)(de)增(zeng)大。

(2)級配分布

顆粒(li)分(fen)析試驗采用密度計法(fa)，制備懸(xuan)液(ye)時不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏磷酸鈉(na)。圖5給出了(le)試驗得到的級配包線(xian)、平均粒(li)徑d50、不(bu)均勻(yun)系數(1u和(he)曲率系數Cc的分(fen)布圖。

從圖5(a)可見，磷石(shi)(shi)膏的粒徑(jing)主(zhu)要分(fen)布在0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬(shu)于(yu)(yu)粉土(tu)，但可能由于(yu)(yu)礦石(shi)(shi)來源或生產工藝有所(suo)不同，局(ju)部屬(shu)于(yu)(yu)粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑(jing)分(fen)布范圍比Blight和張超(chao)等的試驗結果要寬一些。

圖4子壩加高(gao)后沉積磷石(shi)膏的干密(mi)度(du)變化(hua)

圖5沉積磷石膏(gao)的(de)平均粒徑和級(ji)配分布

由(you)圖5(b)和5(c)，無(wu)論是水平向(xiang)(xiang)還是垂直向(xiang)(xiang)，磷(lin)石膏(gao)與金(jin)屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后細(xi)，上(shang)粗(cu)下細(xi)”的(de)(de)自然分級現(xian)象不同，也即粗(cu)顆粒(li)(li)并(bing)不是沿埋深逐步減小(xiao)或距離放漿口越(yue)遠(yuan)顆粒(li)(li)越(yue)細(xi)，其原因如下：①磷(lin)石膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組(zu)成較(jiao)為集中(zhong)、均勻，主要以粉粒(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差；②相(xiang)比(bi)較(jiao)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)小(xiao)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)一般為2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿口隨子(zi)壩高度不斷增加而不斷變(bian)動并(bing)向(xiang)(xiang)庫尾(wei)延(yan)伸(shen)，造成沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑變(bian)化(hua)不明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不(bu)均勻系(xi)數Cu范(fan)(fan)圍值1.61～21.5，平均值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范(fan)(fan)圍值0.28～9.78，平均值為(wei)1.21，在統計(ji)的100多(duo)個試樣(yang)中，屬于級(ji)配不(bu)良土的占93%。這種級(ji)配特性(xing)決(jue)定了磷石膏具(ju)有較高的壓縮性(xing)、滲透破壞型(xing)式表現為(wei)流土破壞。

2.2滲(shen)透(tou)特性(xing)

(1)滲透系(xi)數

影響滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)主要因素是粒徑大小、級配和孔隙比，因而磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)與粉(fen)土較(jiao)為接近(jin)。由于孔隙比e減(jian)小，使(shi)(shi)得過水通(tong)道(dao)面積減(jian)小，滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)k也將減(jian)小，k與e呈正相關關系(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認(ren)為滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線性關系(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了二者間的(de)(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)曲線，由于沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)變化較(jiao)大，使(shi)(shi)得沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)變化范圍較(jiao)大(平均(jun)值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)(shu)量級)，二者問的(de)(de)(de)線性關系(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉(chen)積磷石膏滲透系數與(yu)孔(kong)隙比(bi)的關系

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

圖(tu)(tu)7給出了水(shui)(shui)平(ping)與(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)比值(zhi)(zhi)的分(fen)(fen)布。沉(chen)(chen)積磷石(shi)膏(gao)(gao)的水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)kh一般(ban)大(da)于(yu)(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)的滲(shen)透系數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)(zhi)約(yue)為(wei)2.86，這一點(dian)與(yu)成(cheng)層分(fen)(fen)布的金屬尾(wei)礦規律(lv)一致。造成(cheng)沉(chen)(chen)積磷石(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)大(da)于(yu)(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)的原(yuan)因是由于(yu)(yu)磷石(shi)膏(gao)(gao)具有(you)明顯的晶體結構，電(dian)鏡(jing)掃(sao)描顯示多為(wei)菱形和棱柱狀形式(shi)(見圖(tu)(tu)8)，在沉(chen)(chen)積過程中，由于(yu)(yu)扁平(ping)狀磷石(shi)膏(gao)(gao)顆粒多呈水(shui)(shui)平(ping)排(pai)列，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的透水(shui)(shui)性大(da)于(yu)(yu)垂直(zhi)(zhi)方向(xiang)的透水(shui)(shui)性，從而(er)使(shi)磷石(shi)膏(gao)(gao)呈現明顯的各向(xiang)異性。

另根據中國有色(se)金(jin)屬工業(ye)昆明勘察設計研究院在(zai)楊家(jia)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩開(kai)展(zhan)的(de)(de)現場(chang)滲(shen)透試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為(wei)1.9。但(dan)張超等(deng)的(de)(de)室(shi)內試(shi)驗(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為(wei)0.46，也即垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)大于水平(ping)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)，與本文和現場(chang)試(shi)驗(yan)結(jie)果恰恰相反。從磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)微(wei)觀結(jie)構來看(kan)，本文試(shi)驗(yan)結(jie)果更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏(gao)干(gan)密度與(yu)水平和垂直滲透系數比(bi)值的關系

(2)滲(shen)透變(bian)形

圖9為(wei)磷(lin)石膏(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力(li)梯度J與(yu)流(liu)速V的(de)(de)關系(xi)曲線，試(shi)驗(yan)(yan)在水(shui)(shui)平管(guan)涌儀中采用水(shui)(shui)平方(fang)向的(de)(de)滲(shen)(shen)流(liu)形(xing)式進行(xing)。試(shi)驗(yan)(yan)得到的(de)(de)臨界(jie)坡(po)降Jc=0.355，破(po)壞坡(po)降Jp=0.375。一(yi)(yi)般(ban)來(lai)說，對(dui)(dui)1，2級工程，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)安全系(xi)數取為(wei)2.5，則允(yun)(yun)許出(chu)逸(yi)坡(po)降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以(yi)下工程，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)安全系(xi)數取2.0，則允(yun)(yun)許出(chu)逸(yi)坡(po)降為(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)(yun)許比降與(yu)粉土(tu)一(yi)(yi)粉砂大致相同。但上述滲(shen)(shen)透(tou)(tou)變形(xing)試(shi)驗(yan)(yan)是(shi)采用自來(lai)水(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)對(dui)(dui)磷(lin)石膏(gao)具(ju)有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)溶(rong)蝕作(zuo)用，而實(shi)際上磷(lin)石膏(gao)中殘余磷(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)(yi)般(ban)小于(yu)3(稱之為(wei)酸性(xing)水(shui)(shui))，在酸性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用下，磷(lin)石膏(gao)不會(hui)發生破(po)壞，上述試(shi)驗(yan)(yan)結果是(shi)偏于(yu)保(bao)守(shou)的(de)(de)，但對(dui)(dui)非酸性(xing)水(shui)(shui)條件(jian)(例如(ru)特大暴雨)下的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)穩(wen)定(ding)判斷有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯度J-流速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗

試驗(yan)在(zai)5Bar的壓(ya)力板儀(yi)中進行，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸(xi)力范(fan)圍0～500kPa。表l列出(chu)了含水率(lv)特(te)征值，試驗(yan)曲線見(jian)圖10所示。

試驗結果(guo)表明：①干(gan)密度(du)對(dui)進(jin)氣值(zhi)沒有明顯的影(ying)響(xiang)，不同(tong)干(gan)密度(du)的試樣的進(jin)氣值(zhi)大(da)致在10kPa左右；②土樣殘(can)余含(han)(han)水率(lv)(lv)(lv)隨干(gan)密度(du)的增加而減少，殘(can)余含(han)(han)水率(lv)(lv)(lv)約為飽和含(han)(han)水率(lv)(lv)(lv)的10%。上述(shu)特(te)性與粉土一粉砂基(ji)本一致。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三(san)軸(zhou)CU試(shi)驗

由于沉積磷石膏(gao)的(de)密度變化較大，而進(jin)行(xing)三(san)軸(zhou)(zhou)試驗(yan)(yan)需要若干原狀樣，為(wei)(wei)使試驗(yan)(yan)結(jie)果具有(you)較好的(de)一致性，有(you)針對(dui)性的(de)選擇平(ping)均干密度分別為(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干試樣，進(jin)行(xing)了(le)5組三(san)軸(zhou)(zhou)CU試驗(yan)(yan)。圖11是為(wei)(wei)干密度為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸(zhou)(zhou)CU試驗(yan)(yan)曲(qu)線。

從圖11可以(yi)看出(chu)，磷石(shi)膏的(de)應(ying)力(li)應(ying)變(bian)關系(xi)曲線在低圍壓(ya)下(xia)表(biao)(biao)現為軟化型(xing)(xing)，在高圍壓(ya)下(xia)表(biao)(biao)現為硬(ying)化型(xing)(xing)，與一般土(tu)類相(xiang)似(si)。但與一般粉土(tu)一粉砂不(bu)同的(de)是，即使在較(jiao)(jiao)為疏松的(de)狀(zhuang)態下(xia)，磷石(shi)膏仍表(biao)(biao)現了較(jiao)(jiao)為強(qiang)烈(lie)的(de)剪脹，隨(sui)密實度(du)增(zeng)大，剪脹作(zuo)用愈(yu)發明顯。

表(biao)2給出(chu)了不(bu)同干(gan)密(mi)度(du)下的(de)(de)內摩(mo)擦(ca)角，圖12給出(chu)了內摩(mo)擦(ca)角與干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)關系(xi)曲線。隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，內摩(mo)擦(ca)角也(ye)(ye)隨之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，且(qie)可采用冪函數較(jiao)好(hao)地擬合(he)。磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總(zong)(zong)應力摩(mo)擦(ca)角由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬合(he)曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%，有(you)效應力摩(mo)擦(ca)角由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%，由于隨圍(wei)壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔(kong)壓也(ye)(ye)明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，故(gu)有(you)效摩(mo)擦(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)之(zhi)(zhi)總(zong)(zong)應力摩(mo)擦(ca)角要小。另(ling)外(wai)較(jiao)之(zhi)(zhi)于干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)擦(ca)角的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅并(bing)不(bu)顯(xian)著，表(biao)明(ming)即使較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)(de)磷石膏(gao)仍具有(you)較(jiao)高的(de)(de)強度(du)指標，這也(ye)(ye)表(biao)明(ming)磷石膏(gao)堆積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試(shi)驗

磷石膏的(de)蠕(ru)變變形試(shi)驗(yan)(yan)在側限壓縮儀中進行，試(shi)驗(yan)(yan)狀態(tai)相當于K0固結。試(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)樣(yang)干密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)飽和后分別(bie)開展了(le)上覆壓力ρ為(wei)(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗(yan)(yan)，

試驗(yan)從(cong)2012年8月(yue)27日開始(shi)，試驗(yan)己進行了1年多(duo)，試驗(yan)結果見圖13所示。

從圖(tu)13中可以看出：上(shang)覆荷(he)(he)載(zai)越大，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形也越大，荷(he)(he)載(zai)施加1年后，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形仍(reng)非(fei)常顯(xian)著，尚(shang)未達到穩定狀(zhuang)態，這也是磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩后期(qi)變(bian)形較大的(de)(de)原(yuan)因(yin)，原(yuan)型觀(guan)測(ce)資(zi)料表明，在5級子壩河(he)床部位的(de)(de)表面沉降量已經達到3.1m，且尚(shang)未完全穩定。

按時(shi)(shi)間對(dui)數法，可求得各級(ji)荷(he)載下的(de)主(zhu)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)量如表(biao)3所示。試(shi)驗結(jie)(jie)(jie)果(guo)表(biao)明，在(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆荷(he)載作用下，在(zai)(zai)(zai)試(shi)驗時(shi)(shi)間范圍內蠕變(bian)(次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)形(xing)是主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然(ran)由于(yu)蠕變(bian)變(bian)形(xing)尚未(wei)完(wan)(wan)成，實際的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)應更大(da)。對(dui)土(tu)(tu)體(ti)而言(yan)，發生蠕變(bian)的(de)原因是由于(yu)土(tu)(tu)體(ti)在(zai)(zai)(zai)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)(wan)成之后(hou)，土(tu)(tu)體(ti)中(zhong)仍有(you)微小的(de)超靜孔(kong)隙(xi)壓力存在(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)顆(ke)粒問流動，一(yi)般來(lai)講土(tu)(tu)體(ti)的(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)；對(dui)磷石膏而言(yan)，其(qi)滲透系(xi)數在(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數量級(ji)，遠大(da)于(yu)黏(nian)性土(tu)(tu)，但其(qi)卻發生了(le)(le)極為顯著的(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)，其(qi)原因在(zai)(zai)(zai)于(yu)磷石膏晶體(ti)結(jie)(jie)(jie)構發生了(le)(le)壓縮、破壞，接(jie)觸點晶格發生歪曲和變(bian)形(xing)，而破壞后(hou)晶格之間的(de)重新排列(lie)、調整到(dao)最后(hou)趨(qu)于(yu)相對(dui)靜止需(xu)要(yao)相當長的(de)時(shi)(shi)間才(cai)能完(wan)(wan)成。

2.4動力(li)力(li)學特性

試(shi)驗設備采用(yong)英國GDS公司進(jin)口的(de)電機控制動三(san)軸(zhou)試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比(bi)

同樣由于自然沉積的磷石膏(gao)密度變化(hua)較大，為此(ci)根據物理性質試驗(yan)(yan)結果(guo)，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進(jin)行(xing)試驗(yan)(yan)。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動(dong)剪(jian)切(qie)模量G、阻尼比(bi)與剪(jian)應變幅值γd的關(guan)系(xi)式如(ru)下(xia)：

式中k1為(wei)參數，表示動(dong)剪切(qie)模量的(de)衰減(jian)或阻尼(ni)比的(de)增長速率；λmax為(wei)最(zui)大阻尼(ni)比；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動(dong)剪切(qie)模量和歸(gui)一化的(de)動(dong)剪應(ying)變，表示為(wei)

式中(zhong)k2,n為(wei)(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)(wei)標準大(da)氣(qi)壓；vd為(wei)(wei)(wei)動(dong)(dong)泊松(song)比；εa為(wei)(wei)(wei)歸(gui)一化的(de)動(dong)(dong)應變，表達(da)為(wei)(wei)(wei)

圖14給出了(le)動剪切模(mo)量、阻尼比與歸一化(hua)動應(ying)(ying)變的(de)關系(xi)曲線(xian)，另外圖中(zhong)還給出了(le)式(1)的(de)擬(ni)合曲線(xian)以及Seed等給出的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊界線(xian)，圖例(li)中(zhong)，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固(gu)結應(ying)(ying)力比。

從圖中(zhong)(zhong)可(ke)以看出：①式(shi)(1)可(ke)較(jiao)好地描述磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)力-動(dong)(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線，表明采用等價黏彈(dan)性(xing)模型(xing)進行循環荷載(zai)作用下的(de)(de)分析(xi)是可(ke)行的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬合(he)線位(wei)于(yu)(yu)干密(mi)(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬合(he)線上方，圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)(yu)下方，表明密(mi)(mi)度(du)越大(da)，動(dong)(dong)彈(dan)模越大(da)、阻尼比(bi)越小；③圖14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)擬合(he)線基本(ben)位(wei)于(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)邊(bian)界線上方，而(er)圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基本(ben)處(chu)于(yu)(yu)邊(bian)界線中(zhong)(zhong)間，表明相比(bi)較(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模較(jiao)大(da)，會(hui)導致磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應(ying)(ying)較(jiao)大(da)，但由于(yu)(yu)阻尼比(bi)也較(jiao)大(da)，這樣(yang)又會(hui)削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應(ying)(ying)，二(er)者的(de)(de)相互影(ying)響下，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應(ying)(ying)將(jiang)不會(hui)過于(yu)(yu)強烈(lie)，這對磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種(zhong)平均干密度為(wei)1.12(變(bian)化范圍(wei)(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍(wei)(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞標準為(wei)總應變(bian)達到10%。

圖15給出(chu)了動(dong)(dong)剪應(ying)力(li)比τd/σ0′與破壞振次Nf的關(guan)系(xi)曲線圖，其中(zhong)σ0為(wei)振前試(shi)樣45°面(mian)上的有(you)效(xiao)法向應(ying)力(li)，表(biao)達(da)為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結比。從試(shi)驗結果(guo)可以看出(chu)，沉積磷石膏的動(dong)(dong)強度(du)與其它土體相似，表(biao)現為(wei)圍(wei)壓和固(gu)結應(ying)力(li)比與動(dong)(dong)剪應(ying)力(li)比呈負相關(guan)關(guan)系(xi)。

為(wei)判別沉積磷(lin)石膏(gao)的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震設計烈(lie)度(du)為(wei)8度(du)，即等(deng)效振次Ⅳ可取為(wei)30。首先由(you)式(shi)(4)

所示(shi)的冪函數關(guan)系式得到(dao)振次(ci)為30時(shi)各個(ge)圍(wei)壓和固結比下(xia)的動剪(jian)應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動(dong)剪(jian)應力比(bi)與(yu)圍(wei)壓(ya)和固(gu)結應力比(bi)的關(guan)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。

從(cong)上述擬(ni)合關系式可見，密實度提(ti)高(gao)(gao)后，動(dong)剪應(ying)力比提(ti)高(gao)(gao)，表(biao)明抗(kang)液化能(neng)力也提(ti)高(gao)(gao)。但即使是在低密度下(xia)，其動(dong)剪應(ying)力比較之同(tong)類的粉土或粉砂也大(da)出許多，表(biao)明磷石膏具有較高(gao)(gao)的抗(kang)液化能(neng)力。

三(san)、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆(zhan)探取樣工作的基礎(chu)上，首先開(kai)展(zhan)了物理性(xing)質(zhi)試驗(yan)，然后開(kai)展(zhan)了靜動(dong)力力學特性(xing)試驗(yan)。通(tong)過上述試驗(yan)研究，得出如(ru)下結論(lun)：

(1)沉積磷石膏總(zong)體上屬于(yu)級(ji)配不良的粉(fen)土，局部屬于(yu)粉(fen)砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級(ji)現象(xiang)。其(qi)干(gan)密(mi)度和粒徑變(bian)化隨埋深或(huo)距(ju)放漿(jiang)口距(ju)離的變(bian)化不明顯(xian)。

(2)沉積磷(lin)石膏水(shui)平方(fang)向(xiang)的滲(shen)透系數(shu)大于(yu)垂直方(fang)向(xiang)的滲(shen)透系數(shu)，呈(cheng)現(xian)明顯的各(ge)向(xiang)異性。

(3)與土體顆粒不可(ke)壓(ya)縮(suo)(suo)不同，磷石膏的(de)晶體結(jie)構會發生壓(ya)縮(suo)(suo)破壞，具有較大(da)的(de)壓(ya)縮(suo)(suo)性，其(qi)次固結(jie)變形(xing)量遠大(da)于主(zhu)固結(jie)變形(xing)量。

(4)沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)靜動(dong)強度較之(zhi)同等密實度下的(de)粉土、粉砂要高。