沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)是(shi)磷(lin)(lin)酸生產(chan)過程中(zhong)的(de)(de)(de)副產(chan)品，目前的(de)(de)(de)綜合利用率(lv)尚不足40%，大部分需(xu)要堆(dui)存存放。受地形限制和經濟效益考慮，中(zhong)國(guo)主(zhu)要為(wei)濕法堆(dui)存的(de)(de)(de)山谷型(xing)堆(dui)場。依托(tuo)柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)，針(zhen)對(dui)沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)首先開展了(le)密度(du)、含水(shui)率(lv)、滲透、土水(shui)特(te)征(zheng)和顆分等(deng)物理(li)(li)性質試驗，然后開展了(le)三軸cu、蠕變及(ji)動三軸等(deng)力學特(te)性試驗。試驗結果表(biao)明：①沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密度(du)與(yu)埋(mai)深沒(mei)有(you)(you)相(xiang)關關系(xi)；②沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)不具(ju)有(you)(you)自然分級現(xian)象，但具(ju)有(you)(you)明顯的(de)(de)(de)各向異性；③沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)具(ju)有(you)(you)較高的(de)(de)(de)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(wei)分析磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)壩(ba)體(ti)穩定性提(ti)供了(le)基礎(chu)，對(dui)現(xian)行磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)的(de)(de)(de)運行管理(li)(li)以(yi)及(ji)新建工程的(de)(de)(de)設計具(ju)有(you)(you)重要的(de)(de)(de)借鑒意(yi)義。

引言

磷石膏(gao)(gao)是濕法(fa)磷酸生產過程中(zhong)的(de)(de)副產品(pin)，2018年(nian)，全國磷石膏(gao)(gao)產生量(liang)為7800萬(wan)噸，且(qie)呈逐年(nian)增(zeng)長的(de)(de)態勢(shi)。磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)主要成(cheng)分(fen)(fen)是CaO和(he)(he)SO3，但含有(you)一(yi)定量(liang)的(de)(de)氟化(hua)(hua)物和(he)(he)其它放射性(xing)物質，在中(zhong)國通常按Ⅱ類一(yi)般(ban)工業(ye)固體廢物處理，鑒于(yu)無害化(hua)(hua)處理成(cheng)本較(jiao)高，目前綜合利用率尚(shang)不足40%，故(gu)大部分(fen)(fen)磷石膏(gao)(gao)需(xu)要堆(dui)存存放。按堆(dui)存場(chang)地(di)(di)的(de)(de)不同，可分(fen)(fen)為平地(di)(di)型(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)(xing)和(he)(he)截(jie)河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)場(chang)，在中(zhong)國基本上是山谷型(xing)(xing)(xing)堆(dui)場(chang)。相比較(jiao)干(gan)法(fa)堆(dui)存，濕法(fa)堆(dui)存經濟優勢(shi)明顯，因(yin)而如地(di)(di)質條件為非碳(tan)酸鹽巖地(di)(di)區，一(yi)般(ban)均采用濕排濕堆(dui)方式。隨著中(zhong)國磷肥工業(ye)的(de)(de)快(kuai)速發(fa)展，本世紀初中(zhong)國相繼建設了幾座濕法(fa)堆(dui)存的(de)(de)大型(xing)(xing)(xing)磷石膏(gao)(gao)庫，例(li)如云(yun)天化(hua)(hua)國際化(hua)(hua)工三環分(fen)(fen)公司的(de)(de)柳樹箐磷石膏(gao)(gao)庫堆(dui)積壩(ba)和(he)(he)富瑞(rui)分(fen)(fen)公司的(de)(de)楊家箐磷石膏(gao)(gao)庫堆(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設計壩(ba)高均超(chao)過100m、處于(yu)8度地(di)(di)震(zhen)區，其安全性(xing)備受關注(zhu)。

據(ju)統計，110多(duo)年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界(jie)有(you)(you)118座尾礦(kuang)壩(ba)曾(ceng)發生過破(po)(po)壞(huai)或潰壩(ba)事故，原(yuan)因主要有(you)(you)地震、洪水漫(man)頂、滲(shen)透破(po)(po)壞(huai)和基礎失穩(wen)。尾礦(kuang)庫失事后會造(zao)成巨大的生態災難(nan)和人員(yuan)傷亡，近幾十年(nian)來，

國內外對(dui)金屬(shu)尾礦的沉(chen)積(ji)規律、物理(li)(li)力(li)(li)學特性及其穩(wen)定性開展了大(da)量的研究，但對(dui)于與金屬(shu)尾礦庫(ku)相(xiang)近的磷石膏(gao)庫(ku)，一般僅(jin)限(xian)于在可研階段(duan)采(cai)用人(ren)工制(zhi)備樣進行物理(li)(li)力(li)(li)學性質試驗，并據此(ci)進行穩(wen)定性分析，尚未有人(ren)針對(dui)己運行若(ruo)干(gan)年的大(da)型濕法堆(dui)存磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩開展過磷石膏(gao)沉(chen)積(ji)規律及其物理(li)(li)力(li)(li)學特性的專項研究。

本文依托柳(liu)樹箐磷石膏(gao)堆積壩(ba)(ba)，首先進行了(le)(le)鉆探取(qu)樣(yang)，采用原狀樣(yang)開展(zhan)了(le)(le)密度、含(han)水(shui)率、滲(shen)透(tou)、土(tu)水(shui)特(te)征(zheng)和(he)顆分等物理(li)(li)性(xing)質(zhi)試驗(yan)(yan)，在此(ci)基(ji)礎上(shang)有(you)(you)針對性(xing)的(de)(de)(de)選擇(ze)原狀樣(yang)開展(zhan)了(le)(le)三軸CU、蠕變及(ji)動(dong)三軸等力(li)(li)學特(te)性(xing)試驗(yan)(yan)。通(tong)過(guo)上(shang)述試驗(yan)(yan)研(yan)究(jiu)，總結(jie)了(le)(le)磷石膏(gao)的(de)(de)(de)沉積規(gui)律、滲(shen)透(tou)特(te)性(xing)、滲(shen)透(tou)破壞特(te)性(xing)以(yi)及(ji)靜動(dong)力(li)(li)特(te)性(xing)，上(shang)述研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)對研(yan)究(jiu)和(he)評估磷石膏(gao)庫堆積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)穩定性(xing)提供了(le)(le)基(ji)礎數據(ju)，對現行磷石膏(gao)庫的(de)(de)(de)運行管理(li)(li)以(yi)及(ji)新(xin)建工(gong)程的(de)(de)(de)設(she)計(ji)具有(you)(you)重要的(de)(de)(de)借鑒意義。

一、依托工(gong)程概況(kuang)

1.1柳(liu)樹箐磷石膏堆積(ji)壩堆存設計方(fang)案

由初期壩和堆積壩組成(cheng)，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采用土料(liao)填筑。上游(you)坡面、壩底和下游(you)壩腳設置堆石排水體(ti)，三者相連通構成整個堆積(ji)壩的主要排滲(shen)系統。

(2)堆積壩及(ji)其(qi)輔助排滲(shen)措施(shi)

采(cai)用上游式筑壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)用排(pai)滲管網作為(wei)輔(fu)助排(pai)滲方案，目前己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和(he)13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范(fan)圍(wei)內(nei)設置了井字(zi)形排(pai)滲管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔平面(mian)位置(zhi)見圖l。2008年6月，堆(dui)積(ji)至(zhi)5級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)(ba)時，布設了9個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔編號K1～K9，取(qu)(qu)原狀樣(yang)76件；2013年5月，堆(dui)積(ji)至(zhi)13級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)(ba)時，又布設了11個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔編號K10～K20，取(qu)(qu)原狀樣(yang)112件，為比較子(zi)壩(ba)(ba)加高和磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)過程中磷石(shi)膏(gao)物理力學性質(zhi)的變化，在2，4級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)(ba)K2孔和K6孔附近各布設了一個(ge)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔編號分(fen)別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷(lin)石膏(gao)尾礦庫2005年(nian)開(kai)工建設，2006年(nian)1月投(tou)入(ru)運行，截至2013年(nian)5月己堆至13級(ji)子壩(ba)，尚有(you)7級(ji)子壩(ba)即堆存至設計高(gao)程。鑒于磷(lin)石膏(gao)庫地(di)(di)(di)形、地(di)(di)(di)質(zhi)條(tiao)件較好(hao)，具(ju)備(bei)擴容(rong)改造的條(tiao)件，以(yi)提高(gao)堆存庫容(rong)，減(jian)少堆存占地(di)(di)(di)，節約(yue)土地(di)(di)(di)資源。

本文(wen)主要(yao)對沉(chen)積磷石(shi)膏的物理力學特(te)性(xing)進行了全面總(zong)結，限于篇(pian)幅，有關現狀磷石(shi)膏庫堆積壩(ba)的安全性(xing)評價(jia)及其加(jia)高(gao)可行性(xing)的研究將另文(wen)發表(biao)。

二、沉積磷(lin)石膏的物理(li)力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給出了14個鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)取(qu)樣深度(du)和(he)試(shi)驗所得干密(mi)度(du)的(de)關(guan)系，圖(tu)中UWL表示水(shui)位(wei)線上(shang)，(系鉆(zhan)孔(kong)(kong)期間的(de)初見水(shui)位(wei)線，下同(tong))，DWL表示水(shui)位(wei)線下。圖(tu)3給出了水(shui)位(wei)線上(shang)下的(de)飽和(he)度(du)分布圖(tu)。由于磷石(shi)膏中的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同(tong)溫度(du)和(he)烘(hong)(hong)烤時間對測(ce)定結果有(you)一(yi)定影響，不(bu)(bu)能(neng)照搬現行的(de)土(tu)工試(shi)驗規范，本文(wen)磷石(shi)膏的(de)含水(shui)率測(ce)定方法為55℃溫度(du)下烘(hong)(hong)培24h。

圖2沉積(ji)磷石(shi)膏干密(mi)度與埋深的關系

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

由圖3，水(shui)位線上(shang)的(de)磷(lin)石膏(gao)飽和(he)度(du)平均值為50.4%，處于非飽和(he)狀態，水(shui)位線以下(xia)(xia)的(de)磷(lin)石膏(gao)飽和(he)度(du)平均值為85.0%，基本處于飽和(he)狀態，由于水(shui)位下(xia)(xia)降后磷(lin)石膏(gao)來(lai)不(bu)及排水(shui)固結，故而(er)水(shui)位線上(shang)局部試(shi)樣的(de)飽和(he)度(du)較高(gao)。

由圖(tu)2，水位(wei)(wei)線以上的(de)(de)(de)干(gan)密度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為1.30g/cm3；水位(wei)(wei)線以下的(de)(de)(de)干(gan)密度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見(jian)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏與一般的(de)(de)(de)尾礦有所不(bu)同，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)干(gan)密度并不(bu)隨(sui)埋深的(de)(de)(de)增大(da)而(er)明顯增大(da)，但(dan)水位(wei)(wei)線以下的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密度從(cong)統計意義上來(lai)看(kan)仍大(da)于水位(wei)(wei)線以上的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密度，這(zhe)主要是由于水位(wei)(wei)線隨(sui)庫水位(wei)(wei)的(de)(de)(de)變化反復升(sheng)降而(er)使得磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏排水固結所致。

室內(nei)(nei)擊實(shi)得到(dao)的磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)干(gan)密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出(chu)，自然沉積的磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)干(gan)密度可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如(ru)下：與經典的土骨架(jia)不(bu)可(ke)壓(ya)縮的理論(lun)不(bu)同，石(shi)膏(gao)(gao)(gao)本身可(ke)壓(ya)縮，同時由(you)于(yu)顆粒結(jie)構不(bu)穩定(ding)，擊實(shi)試(shi)驗過(guo)程中(zhong)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)結(jie)構被破(po)壞(huai)，受夯擊處下陷(xian)，四周鼓起，出(chu)現了(le)類似于(yu)橡皮土的現象。而在現場條件下，石(shi)膏(gao)(gao)(gao)骨架(jia)被破(po)壞(huai)后(hou)(hou)，會導致(zhi)顆粒中(zhong)的結(jie)合水(shui)(shui)(shui)滲出(chu)至孔(kong)(kong)隙(xi)內(nei)(nei)，變成孔(kong)(kong)隙(xi)水(shui)(shui)(shui)，排(pai)水(shui)(shui)(shui)固結(jie)后(hou)(hou)會使得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的孔(kong)(kong)隙(xi)比減小，干(gan)密度增大(da)(da)。

圖4給出了相鄰鉆孔(kong)K2和K17(位(wei)于(yu)2級(ji)子壩河床(chuang)部位(wei))以及相鄰鉆孔(kong)K6和K18(位(wei)于(yu)4級(ji)子壩河床(chuang)部位(wei))干(gan)密(mi)(mi)度的(de)(de)對比(bi)圖。K2鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)值為(wei)1.37g/cm3。可見，即使從(cong)統計意(yi)義上(shang)來看，磷石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度也(ye)并(bing)未(wei)隨(sui)后續磷石膏的(de)(de)堆積而(er)有較(jiao)為(wei)明顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分(fen)析(xi)試(shi)驗(yan)(yan)采用密(mi)度(du)計(ji)法，制備(bei)懸液(ye)時不煮沸，不加六(liu)偏磷酸鈉(na)。圖5給出(chu)了試(shi)驗(yan)(yan)得到的級配包線、平均粒(li)徑(jing)d50、不均勻系(xi)數(1u和曲率系(xi)數Cc的分(fen)布(bu)圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷(lin)石膏的粒徑主要分(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之間，總體(ti)上(shang)屬于(yu)粉土，但可(ke)能(neng)由于(yu)礦石來(lai)源或生產工藝(yi)有所不同，局(ju)部屬于(yu)粉砂～中(zhong)砂。粒徑分(fen)布(bu)范圍(wei)比Blight和(he)張超等的試驗結(jie)果要寬一些。

圖4子壩加高后沉(chen)積磷石膏的干密度變化(hua)

圖5沉(chen)積磷石膏的平均(jun)粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水(shui)平(ping)向還是垂直(zhi)向，磷(lin)石(shi)(shi)膏與金(jin)(jin)屬礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的“前粗后細，上(shang)粗下細”的自然分(fen)級現象(xiang)不(bu)(bu)同，也即粗顆粒(li)并不(bu)(bu)是沿埋(mai)深逐步減小(xiao)(xiao)或距離放漿口越(yue)遠(yuan)(yuan)顆粒(li)越(yue)細，其(qi)原因如(ru)(ru)下：①磷(lin)石(shi)(shi)膏顆粒(li)粒(li)徑組(zu)成較(jiao)為集中、均勻(yun)，主要(yao)以粉(fen)粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差；②相比較(jiao)金(jin)(jin)屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的比重較(jiao)小(xiao)(xiao)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的比重一般(ban)為2.3～2.4，遠(yuan)(yuan)小(xiao)(xiao)于金(jin)(jin)屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的比重，例如(ru)(ru)鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的比重可(ke)達2.9；③放漿口隨子壩高度不(bu)(bu)斷(duan)增加而不(bu)(bu)斷(duan)變動并向庫尾(wei)延伸，造成沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏的粒(li)徑變化不(bu)(bu)明顯(xian)。

從圖5(d)可見(jian)，不均勻(yun)系數(shu)Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)4.18，曲率系數(shu)(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.21，在統計的100多個試樣中，屬于級配不良土的占93%。這種級配特性決定了磷石膏具(ju)有較高的壓縮性、滲(shen)透破(po)壞型式表現為(wei)(wei)(wei)流土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透系數的(de)(de)主要因(yin)素是粒徑大(da)小(xiao)、級(ji)配和孔(kong)隙比，因(yin)而磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透系數與(yu)粉土較(jiao)為(wei)接近。由于(yu)孔(kong)隙比e減小(xiao)，使得過(guo)水(shui)通道面積減小(xiao)，滲(shen)透系數k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈(cheng)正相(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。對砂土，一(yi)般認為(wei)滲(shen)透系數k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性(xing)關(guan)(guan)系較(jiao)好，圖6給出(chu)了(le)二(er)者間的(de)(de)關(guan)(guan)系曲(qu)線(xian)，由于(yu)沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)不均(jun)勻系數變化較(jiao)大(da)，使得沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透系數變化范圍較(jiao)大(da)(平均(jun)值為(wei)10-4cm/s數量級(ji))，二(er)者問的(de)(de)線(xian)性(xing)關(guan)(guan)系較(jiao)差。

圖(tu)6沉積磷石(shi)膏(gao)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(chu)了水(shui)(shui)平與(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)比值(zhi)的(de)分布(bu)。沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)水(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)kh一般大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)kv,kh/kv平均值(zhi)約為(wei)(wei)2.86，這一點與(yu)成層分布(bu)的(de)金屬尾礦(kuang)規(gui)律一致。造成沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)的(de)原因是由(you)于(yu)(yu)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有明顯的(de)晶體(ti)結構，電鏡掃描(miao)顯示(shi)多為(wei)(wei)菱形和(he)棱柱狀形式(見(jian)圖8)，在沉積(ji)過程(cheng)中，由(you)于(yu)(yu)扁平狀磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)多呈(cheng)水(shui)(shui)平排列，使得水(shui)(shui)平方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性，從而(er)使磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)呈(cheng)現明顯的(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另根(gen)據中國有色金屬工業(ye)昆明勘察設計研(yan)究院在楊家(jia)箐磷石膏(gao)堆積(ji)壩開(kai)展的(de)(de)現場滲透(tou)試驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為(wei)(wei)1.9。但張(zhang)超(chao)等的(de)(de)室(shi)內試驗(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為(wei)(wei)0.46，也即垂直向(xiang)滲透(tou)系數大于(yu)水平(ping)向(xiang)滲透(tou)系數，與(yu)本(ben)文和現場試驗(yan)結(jie)果(guo)恰恰相反。從磷石膏(gao)的(de)(de)微(wei)觀結(jie)構來看，本(ben)文試驗(yan)結(jie)果(guo)更為(wei)(wei)合理(li)。

圖7沉(chen)積磷石(shi)膏干密度與水(shui)平和(he)垂直滲透系數(shu)比值(zhi)的(de)關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)(wei)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水力梯度J與(yu)流速V的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)曲線，試驗在水平(ping)管涌儀中(zhong)采(cai)用水平(ping)方向的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)流形式進行。試驗得到的(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)坡(po)(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)壞(huai)坡(po)(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說，對1，2級(ji)工程(cheng)(cheng)，滲(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)數取(qu)為(wei)(wei)(wei)2.5，則允(yun)許出逸(yi)坡(po)(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下(xia)(xia)工程(cheng)(cheng)，滲(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)數取(qu)2.0，則允(yun)許出逸(yi)坡(po)(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比(bi)降(jiang)(jiang)(jiang)(jiang)與(yu)粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂大(da)致相同。但上(shang)述滲(shen)(shen)透變(bian)形試驗是(shi)采(cai)用自(zi)來(lai)水進行的(de)(de)(de)，自(zi)來(lai)水對磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具(ju)有(you)一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)溶蝕作用，而(er)實際上(shang)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)中(zhong)殘余磷(lin)、硫和氟酸，庫(ku)水的(de)(de)(de)pH值一般小于(yu)3(稱之為(wei)(wei)(wei)酸性水)，在酸性水作用下(xia)(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)不會發生破(po)壞(huai)，上(shang)述試驗結果(guo)是(shi)偏于(yu)保守的(de)(de)(de)，但對非酸性水條件(例(li)如特大(da)暴雨(yu))下(xia)(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透穩(wen)定(ding)(ding)判斷有(you)一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯(ti)度(du)J-流(liu)速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的壓(ya)力板(ban)儀中進行，環刀尺(chi)寸6.18cm。干密(mi)度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了(le)含水率特(te)征值，試(shi)驗(yan)曲線見圖(tu)10所示。

試驗結果(guo)表明：①干(gan)(gan)密(mi)度對進(jin)氣值沒有(you)明顯的(de)影響，不同干(gan)(gan)密(mi)度的(de)試樣的(de)進(jin)氣值大致在10kPa左右；②土樣殘余(yu)含水率(lv)隨干(gan)(gan)密(mi)度的(de)增加而減少，殘余(yu)含水率(lv)約(yue)為飽和含水率(lv)的(de)10%。上述(shu)特(te)性與粉土一(yi)粉砂基本一(yi)致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于沉積磷石膏的密(mi)度變化較大(da)，而進(jin)(jin)行三軸試(shi)驗需要若干(gan)原狀(zhuang)樣(yang)，為(wei)使試(shi)驗結果具有(you)較好的一致(zhi)性，有(you)針對(dui)性的選擇(ze)平均干(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干(gan)試(shi)樣(yang)，進(jin)(jin)行了5組三軸CU試(shi)驗。圖11是為(wei)干(gan)密(mi)度為(wei)1.2和1.58g/cm3的三軸CU試(shi)驗曲線。

從圖11可以(yi)看出，磷石膏的(de)應力應變關系曲(qu)線在(zai)低圍(wei)壓下(xia)表(biao)現為(wei)軟(ruan)化(hua)型(xing)，在(zai)高圍(wei)壓下(xia)表(biao)現為(wei)硬化(hua)型(xing)，與一般(ban)土(tu)類相似。但(dan)與一般(ban)粉土(tu)一粉砂不(bu)同的(de)是，即使在(zai)較為(wei)疏松的(de)狀態下(xia)，磷石膏仍表(biao)現了較為(wei)強烈(lie)的(de)剪脹，隨(sui)密實度增大，剪脹作用愈發明顯。

表2給(gei)出(chu)了不同干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)下(xia)的(de)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)關(guan)系曲(qu)線(xian)。隨(sui)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)增(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨(sui)之增(zeng)大(da)，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)好地擬(ni)合。磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加了32%，總應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲(qu)線(xian)求得)，增(zeng)幅為(wei)9.4%，有(you)效應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)幅為(wei)3.2%，由(you)于隨(sui)圍壓的(de)增(zeng)大(da)，孔壓也明顯(xian)增(zeng)大(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)幅較(jiao)(jiao)之總應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要(yao)小。另外較(jiao)(jiao)之于干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)幅并(bing)不顯(xian)著，表明即使較(jiao)(jiao)為(wei)疏松的(de)磷(lin)石膏(gao)仍具有(you)較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)強度(du)指標，這也表明磷(lin)石膏(gao)堆積壩的(de)穩定(ding)性較(jiao)(jiao)高(gao)。

(2)蠕(ru)變(bian)(次固結)變(bian)形試(shi)驗

磷石膏的蠕變變形試(shi)驗在側限壓(ya)縮儀(yi)中進行，試(shi)驗狀態相當(dang)于(yu)K0固結。試(shi)樣(yang)(yang)直徑(jing)61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)樣(yang)(yang)干密度(du)為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)(yang)飽(bao)和后分別開展了上覆壓(ya)力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

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

從圖13中可以看出：上覆荷載越(yue)大，磷石(shi)(shi)膏(gao)的蠕變變形(xing)(xing)也越(yue)大，荷載施加(jia)1年(nian)后(hou)，磷石(shi)(shi)膏(gao)的蠕變變形(xing)(xing)仍非常顯著(zhu)，尚未(wei)達到穩定(ding)狀態，這(zhe)也是磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)后(hou)期變形(xing)(xing)較大的原(yuan)因，原(yuan)型觀測資料表明，在5級子壩(ba)河床部位的表面沉降量已經(jing)達到3.1m，且尚未(wei)完全穩定(ding)。

按時間(jian)(jian)對數(shu)法，可求(qiu)得各級(ji)荷(he)(he)載下的(de)(de)(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)量(liang)如表(biao)3所示。試驗(yan)結(jie)(jie)(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，在100～400kPa上覆荷(he)(he)載作用下，在試驗(yan)時間(jian)(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)是主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當(dang)然由于(yu)(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)尚未(wei)完(wan)(wan)成(cheng)，實際的(de)(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)應更(geng)大。對土體(ti)而言(yan)，發(fa)生蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)原因是由于(yu)(yu)(yu)土體(ti)在主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)(wan)成(cheng)之后，土體(ti)中仍有微小的(de)(de)(de)(de)超(chao)靜孔隙(xi)壓(ya)力存在，驅使水在顆粒問流動，一般來(lai)講土體(ti)的(de)(de)(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)遠(yuan)小于(yu)(yu)(yu)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)；對磷石(shi)膏而言(yan)，其滲透系數(shu)在10-4cm/s數(shu)量(liang)級(ji)，遠(yuan)大于(yu)(yu)(yu)黏性土，但(dan)其卻發(fa)生了(le)極為(wei)顯著的(de)(de)(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)，其原因在于(yu)(yu)(yu)磷石(shi)膏晶體(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)發(fa)生了(le)壓(ya)縮(suo)、破(po)壞，接(jie)觸點晶格發(fa)生歪曲(qu)和(he)變(bian)(bian)(bian)形(xing)，而破(po)壞后晶格之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)重新排列、調(diao)整到最后趨(qu)于(yu)(yu)(yu)相對靜止需要相當(dang)長的(de)(de)(de)(de)時間(jian)(jian)才能(neng)完(wan)(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)(shi)驗設備(bei)采用英(ying)國GDS公(gong)司進口的電機(ji)控制(zhi)動(dong)三軸試(shi)(shi)驗系統，試(shi)(shi)樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由于(yu)自然沉積(ji)的(de)磷石膏(gao)密度(du)變化較大，為此(ci)根據(ju)物理性質(zhi)試(shi)驗結果，選擇兩種平(ping)均干密度(du)1.34g/cm3(變化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)動剪切(qie)模量G、阻(zu)尼(ni)比與剪應變幅值(zhi)γd的(de)關系式(shi)如下：

式中k1為(wei)參數，表(biao)示動剪(jian)切模量的衰減或阻尼(ni)比(bi)(bi)的增(zeng)長(chang)速率；λmax為(wei)最大阻尼(ni)比(bi)(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最大動剪(jian)切模量和歸一化的動剪(jian)應變，表(biao)示為(wei)

式中k2,n為(wei)參數(shu)；σm為(wei)球(qiu)應力；Pa為(wei)標準大(da)氣壓；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸一化的動應變，表(biao)達為(wei)

圖(tu)14給出了動(dong)剪切模量、阻尼比與歸(gui)一(yi)化動(dong)應(ying)變的關(guan)系曲(qu)線，另外圖(tu)中還給出了式(1)的擬合曲(qu)線以及Seed等給出的砂(sha)樣的上下邊界線，圖(tu)例中，σ2表(biao)示(shi)圍壓(ya)，Kc表(biao)示(shi)固結應(ying)力(li)比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)：①式(1)可(ke)較好地(di)描述(shu)磷(lin)石膏的(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)(ying)變試(shi)驗曲線(xian)(xian)，表(biao)明采用等價黏彈(dan)性(xing)模(mo)型進行循環荷載作用下(xia)的(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)(xian)位(wei)于(yu)干密度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)(xian)上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)下(xia)方，表(biao)明密度越(yue)大(da)(da)(da)，動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)大(da)(da)(da)、阻尼(ni)比(bi)(bi)越(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密度的(de)(de)擬合線(xian)(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)邊界(jie)線(xian)(xian)上方，而(er)圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基本(ben)處于(yu)邊界(jie)線(xian)(xian)中(zhong)(zhong)間(jian)，表(biao)明相比(bi)(bi)較砂(sha)樣，磷(lin)石膏動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較大(da)(da)(da)，會(hui)導致磷(lin)石膏堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應(ying)(ying)較大(da)(da)(da)，但(dan)由于(yu)阻尼(ni)比(bi)(bi)也較大(da)(da)(da)，這(zhe)樣又(you)會(hui)削弱壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應(ying)(ying)，二者(zhe)的(de)(de)相互影響下(xia)，磷(lin)石膏堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應(ying)(ying)將不會(hui)過于(yu)強烈，這(zhe)對(dui)磷(lin)石膏堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)抗(kang)震穩定性(xing)是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩(liang)種(zhong)平均干密(mi)度為1.12(變化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞(huai)標準為總應變達到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動剪應力比τd/σ0′與(yu)破(po)壞振(zhen)次Nf的(de)關(guan)系曲線圖(tu)，其中σ0為振(zhen)前試樣45°面上的(de)有效法向應力，表(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結(jie)(jie)比。從試驗結(jie)(jie)果可以看出(chu)，沉積磷(lin)石膏的(de)動強度與(yu)其它土(tu)體相似，表(biao)現為圍(wei)壓和固(gu)結(jie)(jie)應力比與(yu)動剪應力比呈負相關(guan)關(guan)系。

為判(pan)別沉積磷石膏的(de)抗液化能力，假定抗震(zhen)設(she)計烈度為8度，即等(deng)效振次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示(shi)的(de)冪函(han)數關(guan)系式(shi)得(de)到振次為30時各個圍壓和固結(jie)比(bi)下的(de)動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求得動剪應力(li)比與圍(wei)壓和固結應力(li)比的關(guan)系式(shi)：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(shang)述擬(ni)合(he)關系(xi)式可(ke)見(jian)，密實(shi)度(du)提高后，動(dong)剪(jian)(jian)應力比(bi)提高，表明抗(kang)液(ye)化(hua)能力也提高。但即使是(shi)在低密度(du)下(xia)，其動(dong)剪(jian)(jian)應力比(bi)較(jiao)之同類的(de)粉(fen)土(tu)或粉(fen)砂也大(da)出許(xu)多，表明磷石膏具有較(jiao)高的(de)抗(kang)液(ye)化(hua)能力。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積(ji)壩，在鉆探取樣工作的基礎上(shang)，首先開展了物(wu)理性(xing)質試(shi)驗，然后開展了靜(jing)動力力學特性(xing)試(shi)驗。通過上(shang)述試(shi)驗研究，得出如下結論：

(1)沉積磷石膏總體上屬(shu)于級(ji)配不(bu)良(liang)的(de)粉土，局部(bu)屬(shu)于粉砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級(ji)現象。其干密(mi)度(du)和粒(li)徑變化(hua)隨埋深或(huo)距放漿口距離的(de)變化(hua)不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏(gao)水平方向的(de)滲(shen)透(tou)系數大于垂(chui)直方向的(de)滲(shen)透(tou)系數，呈現明顯(xian)的(de)各(ge)向異性。

(3)與(yu)土體顆(ke)粒不(bu)可壓(ya)縮(suo)不(bu)同，磷石膏(gao)的晶體結構會(hui)發生(sheng)壓(ya)縮(suo)破壞，具有較大的壓(ya)縮(suo)性，其次固結變(bian)形量遠大于(yu)主(zhu)固結變(bian)形量。

(4)沉積磷石膏的靜動(dong)強度較之同(tong)等密實度下的粉土、粉砂要高。