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)石(shi)膏是(shi)(shi)濕法磷(lin)(lin)酸生(sheng)產過程中的副產品(pin)，2018年(nian)，全(quan)國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏產生(sheng)量(liang)(liang)為(wei)7800萬噸(dun)，且呈(cheng)逐年(nian)增長的態勢。磷(lin)(lin)石(shi)膏的主要成分(fen)是(shi)(shi)CaO和SO3，但含(han)有一(yi)定量(liang)(liang)的氟(fu)化(hua)物(wu)和其它(ta)放(fang)射性(xing)物(wu)質，在中國(guo)通常按(an)Ⅱ類一(yi)般(ban)工(gong)業(ye)固體廢(fei)物(wu)處理(li)，鑒于無害化(hua)處理(li)成本(ben)(ben)較高(gao)，目前(qian)綜合利用率(lv)尚不足40%，故大部(bu)分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)膏需要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放(fang)。按(an)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)場地(di)(di)(di)的不同，可分(fen)為(wei)平地(di)(di)(di)型、傍山型、山谷型和截河型堆(dui)(dui)(dui)場，在中國(guo)基(ji)本(ben)(ben)上是(shi)(shi)山谷型堆(dui)(dui)(dui)場。相(xiang)比較干(gan)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)經(jing)濟優勢明顯，因而如(ru)地(di)(di)(di)質條件(jian)為(wei)非碳酸鹽巖地(di)(di)(di)區(qu)，一(yi)般(ban)均采用濕排濕堆(dui)(dui)(dui)方式。隨著中國(guo)磷(lin)(lin)肥(fei)工(gong)業(ye)的快速(su)發(fa)展，本(ben)(ben)世紀初(chu)中國(guo)相(xiang)繼建設了(le)幾座(zuo)(zuo)濕法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)的大型磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)，例如(ru)云天(tian)化(hua)國(guo)際化(hua)工(gong)三環(huan)分(fen)公(gong)司的柳樹(shu)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)和富瑞(rui)分(fen)公(gong)司的楊家(jia)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座(zuo)(zuo)壩(ba)設計壩(ba)高(gao)均超過100m、處于8度(du)地(di)(di)(di)震區(qu)，其安全(quan)性(xing)備受(shou)關注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有118座尾礦壩(ba)曾發生過(guo)破壞或潰壩(ba)事故(gu)，原因主要有地震、洪(hong)水漫頂、滲透破壞和(he)基礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事后會造成巨大的(de)生態災難和(he)人員傷亡(wang)，近幾(ji)十年(nian)來，

國內外對(dui)金屬尾礦的沉(chen)(chen)積規律、物理(li)力(li)學特性及其(qi)穩(wen)定性開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)大量的研(yan)究，但對(dui)于與金屬尾礦庫相近的磷石(shi)膏(gao)(gao)庫，一般(ban)僅限于在可研(yan)階段(duan)采(cai)用人工制(zhi)備樣進(jin)行(xing)物理(li)力(li)學性質試(shi)驗，并(bing)據此進(jin)行(xing)穩(wen)定性分(fen)析(xi)，尚未有人針對(dui)己運行(xing)若(ruo)干年的大型濕法堆(dui)存磷石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩開(kai)展(zhan)(zhan)過磷石(shi)膏(gao)(gao)沉(chen)(chen)積規律及其(qi)物理(li)力(li)學特性的專項研(yan)究。

本文依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩，首(shou)先(xian)進行了(le)(le)鉆探取樣(yang)，采用原狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)(le)密度、含水(shui)率、滲透(tou)(tou)、土水(shui)特(te)(te)征和顆(ke)分等物理(li)性(xing)(xing)(xing)質試驗(yan)，在此基礎上有針對性(xing)(xing)(xing)的選擇(ze)原狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)(le)三(san)軸(zhou)CU、蠕變及動三(san)軸(zhou)等力(li)學特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研(yan)究，總結了(le)(le)磷(lin)(lin)石(shi)膏的沉積規律、滲透(tou)(tou)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)、滲透(tou)(tou)破(po)壞(huai)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)以及靜動力(li)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)，上述研(yan)究工(gong)作(zuo)對研(yan)究和評估磷(lin)(lin)石(shi)膏庫堆(dui)積壩的穩定性(xing)(xing)(xing)提供了(le)(le)基礎數據，對現行磷(lin)(lin)石(shi)膏庫的運行管理(li)以及新建工(gong)程(cheng)的設計(ji)具有重要的借(jie)鑒(jian)意(yi)義(yi)。

一、依托(tuo)工程(cheng)概況

1.1柳(liu)樹箐磷石(shi)膏(gao)堆積壩堆存設計方案

由初期壩和(he)堆積壩組(zu)成，設計總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采用(yong)土料填筑。上游(you)坡面、壩底和下(xia)游(you)壩腳設置堆石排水體，三(san)者相連(lian)通構(gou)成整個堆積壩的主(zhu)要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩(ba)及其(qi)輔助排(pai)滲措(cuo)施

采用上游式筑壩法，共(gong)20級(ji)子壩，頂寬(kuan)6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲管(guan)網作為輔助排滲方案，目前己在5級(ji)、9級(ji)子壩和13級(ji)子壩壩前120m范圍內設置了井字(zi)形排滲管(guan)網。

1.2沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)平面位置見(jian)圖l。2008年(nian)6月(yue)，堆積(ji)至(zhi)5級子(zi)壩時，布設(she)了(le)9個取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣76件；2013年(nian)5月(yue)，堆積(ji)至(zhi)13級子(zi)壩時，又布設(she)了(le)11個取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣112件，為比(bi)較子(zi)壩加高(gao)和(he)(he)磷(lin)(lin)石(shi)膏堆積(ji)過程(cheng)中磷(lin)(lin)石(shi)膏物(wu)理力學性(xing)質的變化，在2，4級子(zi)壩K2孔(kong)和(he)(he)K6孔(kong)附近各布設(she)了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號分(fen)別(bie)為K17和(he)(he)K18。

1.3運行概況

柳樹(shu)箐磷(lin)石膏尾礦庫2005年開工建(jian)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。鑒于磷(lin)石膏庫地形(xing)、地質條件較好，具備擴容改造的條件，以提高(gao)堆存庫容，減少堆存占(zhan)地，節約土地資源。

本文(wen)主要(yao)對沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)物理力(li)學特性(xing)進行了全面(mian)總(zong)結，限(xian)于篇幅，有關(guan)現(xian)狀磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)堆積(ji)壩的(de)安全性(xing)評價及其(qi)加(jia)高(gao)可(ke)行性(xing)的(de)研究將另文(wen)發表。

二、沉積磷石(shi)膏的物理力學特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密(mi)度分布

圖2給出(chu)(chu)了14個鉆孔(kong)的(de)取(qu)樣深度(du)(du)和(he)試(shi)驗所得(de)干密度(du)(du)的(de)關系(xi)，圖中(zhong)UWL表(biao)示(shi)水(shui)位(wei)(wei)線上，(系(xi)鉆孔(kong)期(qi)間的(de)初見水(shui)位(wei)(wei)線，下(xia)(xia)同(tong))，DWL表(biao)示(shi)水(shui)位(wei)(wei)線下(xia)(xia)。圖3給出(chu)(chu)了水(shui)位(wei)(wei)線上下(xia)(xia)的(de)飽和(he)度(du)(du)分布圖。由(you)于(yu)磷石(shi)膏中(zhong)的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫(wen)度(du)(du)和(he)烘(hong)烤時(shi)間對測定結(jie)果有一定影響(xiang)，不能照搬(ban)現行的(de)土(tu)工試(shi)驗規范，本文磷石(shi)膏的(de)含水(shui)率測定方法為55℃溫(wen)度(du)(du)下(xia)(xia)烘(hong)培24h。

圖2沉(chen)積(ji)磷石膏干密度與埋(mai)深的關系

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

由圖3，水位線上的磷石膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)和度平均值(zhi)為50.4%，處于非飽(bao)(bao)(bao)和狀態(tai)，水位線以下的磷石膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)和度平均值(zhi)為85.0%，基本處于飽(bao)(bao)(bao)和狀態(tai)，由于水位下降后磷石膏(gao)來(lai)不及排水固結，故而水位線上局部(bu)試樣(yang)的飽(bao)(bao)(bao)和度較高(gao)。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上(shang)(shang)的(de)干密度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下(xia)的(de)干密度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)與一般的(de)尾礦(kuang)有所(suo)不同，磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)干密度(du)并(bing)不隨(sui)埋深的(de)增大而(er)明顯增大，但水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下(xia)的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)干密度(du)從(cong)統計意義上(shang)(shang)來看仍大于水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上(shang)(shang)的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)干密度(du)，這主(zhu)要是由(you)于水(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨(sui)庫水(shui)位(wei)(wei)的(de)變化反復升降而(er)使得(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)固結所(suo)致(zhi)。

室內(nei)擊實得(de)到的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看(kan)出(chu)，自然(ran)沉積的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)密度可(ke)達到1.73g/cm3，原(yuan)因如下：與經典的(de)土(tu)骨架(jia)不可(ke)壓縮的(de)理論不同，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)本(ben)身可(ke)壓縮，同時由于顆粒(li)結(jie)構不穩定，擊實試驗過程中(zhong)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)結(jie)構被破(po)(po)壞，受夯(hang)擊處下陷，四(si)周鼓(gu)起(qi)，出(chu)現了類似于橡(xiang)皮土(tu)的(de)現象(xiang)。而在現場(chang)條件下，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨架(jia)被破(po)(po)壞后，會(hui)導(dao)致顆粒(li)中(zhong)的(de)結(jie)合水(shui)(shui)滲(shen)出(chu)至(zhi)孔(kong)隙內(nei)，變成孔(kong)隙水(shui)(shui)，排水(shui)(shui)固(gu)結(jie)后會(hui)使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)孔(kong)隙比(bi)減(jian)小(xiao)，干(gan)密度增(zeng)大。

圖4給出(chu)了相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位于(yu)2級(ji)子(zi)壩河床部位)以(yi)及相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位于(yu)4級(ji)子(zi)壩河床部位)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.37g/cm3。可見，即使從統(tong)計(ji)意義(yi)上來看，磷石膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未隨后(hou)續磷石膏的(de)堆積而(er)有較(jiao)為明顯的(de)增大。

(2)級配(pei)分布

顆粒分析試(shi)(shi)驗采用密(mi)度計法，制備懸液時不煮(zhu)沸，不加六偏磷(lin)酸鈉。圖(tu)5給出了試(shi)(shi)驗得到的級配包(bao)線(xian)、平均(jun)粒徑d50、不均(jun)勻系(xi)數(1u和曲率系(xi)數Cc的分布圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見，磷(lin)石膏的(de)粒徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬于(yu)(yu)(yu)粉(fen)土，但可(ke)能(neng)由于(yu)(yu)(yu)礦石來源或生(sheng)產工藝有所不(bu)同，局部(bu)屬于(yu)(yu)(yu)粉(fen)砂～中砂。粒徑分布范圍(wei)比Blight和張(zhang)超等的(de)試(shi)驗結果要寬一些(xie)。

圖4子壩加高后沉積磷石膏(gao)的干(gan)密度變化(hua)

圖5沉積磷石膏的平(ping)均粒徑和(he)級配分布

由圖5(b)和(he)5(c)，無(wu)論是水平向(xiang)還(huan)是垂直向(xiang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)與金(jin)屬礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的(de)(de)自然分級(ji)現(xian)象不(bu)同，也即粗(cu)顆(ke)粒并不(bu)是沿埋(mai)深逐(zhu)步減小(xiao)(xiao)或(huo)距離放漿(jiang)口(kou)(kou)越遠顆(ke)粒越細，其原因如(ru)(ru)下：①磷(lin)(lin)石膏(gao)顆(ke)粒粒徑(jing)組(zu)成(cheng)較為(wei)集中(zhong)、均(jun)勻，主(zhu)要以粉粒組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級(ji)配(pei)較差；②相比(bi)(bi)(bi)較金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)較小(xiao)(xiao)，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)(xiao)于金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)，例如(ru)(ru)鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿(jiang)口(kou)(kou)隨子壩(ba)高度不(bu)斷增加(jia)而不(bu)斷變動并向(xiang)庫尾(wei)延伸，造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)粒徑(jing)變化不(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不均勻系(xi)數Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平(ping)(ping)均值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平(ping)(ping)均值為(wei)1.21，在統計的100多個試(shi)樣中，屬于級配(pei)不良(liang)土的占93%。這種級配(pei)特性(xing)決定了磷石(shi)膏具有(you)較(jiao)高的壓縮性(xing)、滲透(tou)破(po)壞型式(shi)表(biao)現(xian)為(wei)流土破(po)壞。

2.2滲透(tou)特性(xing)

(1)滲透系數

影(ying)響滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的主要因(yin)素是粒徑大小(xiao)、級配和孔隙比，因(yin)而磷(lin)石(shi)膏的滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)(yu)粉土較為接(jie)近(jin)。由(you)(you)于孔隙比e減(jian)(jian)小(xiao)，使得過水通(tong)道面積(ji)減(jian)(jian)小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減(jian)(jian)小(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正相關關系(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的線性關系(xi)(xi)較好，圖6給出了二者(zhe)間的關系(xi)(xi)曲線，由(you)(you)于沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏的不均(jun)(jun)勻(yun)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化較大，使得沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏的滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化范(fan)圍較大(平均(jun)(jun)值(zhi)為10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二者(zhe)問的線性關系(xi)(xi)較差。

圖6沉積磷石膏(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給出了水(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)與垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)比值的(de)(de)(de)分布。沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)水(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)kh一般(ban)大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)(ping)均值約為(wei)2.86，這一點與成層(ceng)分布的(de)(de)(de)金屬尾(wei)礦規律一致(zhi)。造成沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)原因是由(you)于(yu)(yu)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有明顯(xian)的(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)結構，電(dian)鏡掃描顯(xian)示多為(wei)菱形和棱柱狀形式(見圖8)，在沉積(ji)過程(cheng)中，由(you)于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)顆粒多呈水(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)排列(lie)，使(shi)得水(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing)大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing)，從而使(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)呈現明顯(xian)的(de)(de)(de)各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色金屬工業昆明勘察設(she)計(ji)研究院在楊家箐磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩開展的(de)(de)現場滲(shen)透(tou)試(shi)(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值約為1.9。但張(zhang)超等的(de)(de)室內試(shi)(shi)驗(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值約為0.46，也即垂(chui)直向滲(shen)透(tou)系數大于水平(ping)向滲(shen)透(tou)系數，與本(ben)文和現場試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)微觀結(jie)(jie)構(gou)來看，本(ben)文試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果(guo)更(geng)為合理。

圖7沉積磷石膏干密度與水平和垂直滲透系數(shu)比值的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石膏干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度(du)J與(yu)流速V的(de)(de)關系曲(qu)線，試(shi)驗(yan)在水(shui)平管(guan)涌儀中(zhong)采(cai)用(yong)水(shui)平方向的(de)(de)滲(shen)流形式進行。試(shi)驗(yan)得到的(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破(po)(po)壞坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般來說，對(dui)1，2級工(gong)程，滲(shen)透(tou)(tou)安全(quan)系數取為(wei)2.5，則(ze)允(yun)(yun)許出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以(yi)下工(gong)程，滲(shen)透(tou)(tou)安全(quan)系數取2.0，則(ze)允(yun)(yun)許出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許比(bi)降(jiang)與(yu)粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂(sha)大致相同(tong)。但上述滲(shen)透(tou)(tou)變形試(shi)驗(yan)是(shi)采(cai)用(yong)自來水(shui)進行的(de)(de)，自來水(shui)對(dui)磷(lin)石膏具有一(yi)(yi)定的(de)(de)溶蝕作用(yong)，而(er)實際上磷(lin)石膏中(zhong)殘余磷(lin)、硫(liu)和(he)氟酸，庫水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)(yi)般小于3(稱之為(wei)酸性(xing)(xing)水(shui))，在酸性(xing)(xing)水(shui)作用(yong)下，磷(lin)石膏不會發生破(po)(po)壞，上述試(shi)驗(yan)結果是(shi)偏于保守的(de)(de)，但對(dui)非(fei)酸性(xing)(xing)水(shui)條件(例如(ru)特大暴雨)下的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)穩定判斷有一(yi)(yi)定的(de)(de)借鑒意義。

圖(tu)9水力梯度(du)J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征(zheng)試驗

試驗在5Bar的壓力(li)板儀(yi)中進行，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密(mi)度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出(chu)了含(han)水率特征(zheng)值，試驗曲線見圖(tu)10所示。

試驗結果表明：①干(gan)密(mi)度對進氣(qi)值(zhi)沒有明顯的影響，不同(tong)干(gan)密(mi)度的試樣(yang)的進氣(qi)值(zhi)大致(zhi)在10kPa左(zuo)右；②土樣(yang)殘余含(han)水率隨干(gan)密(mi)度的增加而減少，殘余含(han)水率約(yue)為飽(bao)和(he)含(han)水率的10%。上述(shu)特性與(yu)粉土一粉砂(sha)基本(ben)一致(zhi)。

2.3靜(jing)力力學特(te)性

(1)三軸CU試驗

由于(yu)沉積磷石膏的密(mi)(mi)度(du)(du)變化較(jiao)大，而進行三軸試(shi)(shi)驗需要若(ruo)干原(yuan)狀樣，為(wei)使試(shi)(shi)驗結果具(ju)有(you)較(jiao)好的一致(zhi)性，有(you)針對性的選擇(ze)平均干密(mi)(mi)度(du)(du)分(fen)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(ruo)干試(shi)(shi)樣，進行了5組(zu)三軸CU試(shi)(shi)驗。圖(tu)11是為(wei)干密(mi)(mi)度(du)(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的三軸CU試(shi)(shi)驗曲線。

從圖11可(ke)以看出(chu)，磷石(shi)膏的(de)(de)應力應變關系曲線(xian)在低圍壓(ya)下(xia)(xia)表現為軟化(hua)型，在高圍壓(ya)下(xia)(xia)表現為硬化(hua)型，與(yu)(yu)一般(ban)土類相似。但與(yu)(yu)一般(ban)粉土一粉砂不同的(de)(de)是，即使在較(jiao)為疏松的(de)(de)狀(zhuang)態下(xia)(xia)，磷石(shi)膏仍表現了(le)較(jiao)為強(qiang)烈的(de)(de)剪脹，隨(sui)密實度(du)增大，剪脹作用愈發明顯(xian)。

表(biao)2給出(chu)了不同干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出(chu)了內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與(yu)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)關(guan)系曲線。隨(sui)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)大，內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也隨(sui)之(zhi)增(zeng)大，且可采用冪函數較好地擬(ni)合(he)。磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加了32%，總應(ying)(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據擬(ni)合(he)曲線求(qiu)得)，增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效應(ying)(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)為(wei)(wei)3.2%，由(you)于隨(sui)圍壓(ya)的(de)(de)增(zeng)大，孔壓(ya)也明(ming)顯增(zeng)大，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)較之(zhi)總應(ying)(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小(xiao)。另(ling)外較之(zhi)于干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)并不顯著，表(biao)明(ming)即使較為(wei)(wei)疏松的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏仍具有較高的(de)(de)強(qiang)度(du)指(zhi)標，這也表(biao)明(ming)磷(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩的(de)(de)穩定(ding)性較高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷(lin)石(shi)膏(gao)的蠕(ru)變變形試(shi)(shi)驗(yan)在側限壓縮儀中進行，試(shi)(shi)驗(yan)狀態(tai)相當于K0固結(jie)。試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)直(zhi)徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)干密度(du)為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)飽和后(hou)分別開(kai)展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)，

試(shi)(shi)驗(yan)(yan)從2012年8月27日(ri)開(kai)始(shi)，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)己進行(xing)了1年多(duo)，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果見圖(tu)13所示。

從圖13中可以看出(chu)：上覆荷載越大(da)，磷(lin)石膏(gao)(gao)的蠕(ru)(ru)變(bian)變(bian)形(xing)也越大(da)，荷載施加1年(nian)后(hou)，磷(lin)石膏(gao)(gao)的蠕(ru)(ru)變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未達(da)到穩定狀態，這也是磷(lin)石膏(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)后(hou)期變(bian)形(xing)較大(da)的原因(yin)，原型觀測資料表明，在5級子壩(ba)河床部位的表面沉降量已經(jing)達(da)到3.1m，且尚未完(wan)全穩定。

按時(shi)間(jian)對(dui)數法，可求得(de)各級荷載(zai)下(xia)的主次固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)量如(ru)表(biao)3所示。試驗結(jie)(jie)果表(biao)明，在100～400kPa上(shang)覆荷載(zai)作用下(xia)，在試驗時(shi)間(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(次固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)形(xing)是(shi)主固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)的1.8～3.1倍，當然由(you)(you)于(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)尚未完成，實際(ji)的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)應更大。對(dui)土體(ti)(ti)而(er)言(yan)，發生蠕(ru)變(bian)的原(yuan)因(yin)是(shi)由(you)(you)于(yu)土體(ti)(ti)在主固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)完成之后，土體(ti)(ti)中仍(reng)有微小的超靜(jing)孔隙壓(ya)(ya)力存在，驅使(shi)水在顆粒(li)問流動，一般來講土體(ti)(ti)的次固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)遠小于(yu)主固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)；對(dui)磷石(shi)膏(gao)而(er)言(yan)，其滲透系數在10-4cm/s數量級，遠大于(yu)黏性土，但(dan)其卻(que)發生了(le)(le)極為顯著的次固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)，其原(yuan)因(yin)在于(yu)磷石(shi)膏(gao)晶(jing)體(ti)(ti)結(jie)(jie)構發生了(le)(le)壓(ya)(ya)縮、破壞(huai)，接觸點(dian)晶(jing)格(ge)(ge)發生歪曲和變(bian)形(xing)，而(er)破壞(huai)后晶(jing)格(ge)(ge)之間(jian)的重新排列、調整到最后趨于(yu)相對(dui)靜(jing)止(zhi)需(xu)要(yao)相當長(chang)的時(shi)間(jian)才能完成。

2.4動力(li)力(li)學特性

試驗(yan)設備采用英(ying)國GDS公司(si)進口的電機控(kong)制(zhi)動(dong)三軸試驗(yan)系統，試樣(yang)直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同樣由于自(zi)然沉積的磷石膏密度變(bian)(bian)化較大(da)，為此(ci)根據物理性質試驗結果，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議(yi)的(de)動(dong)剪切(qie)模量G、阻(zu)尼比與(yu)剪應變幅(fu)值γd的(de)關系式如下：

式中k1為(wei)參(can)數，表示動(dong)剪(jian)切(qie)(qie)模量的(de)衰減(jian)或阻尼比的(de)增長速率；λmax為(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分(fen)別(bie)為(wei)最大動(dong)剪(jian)切(qie)(qie)模量和歸一化(hua)的(de)動(dong)剪(jian)應變，表示為(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標(biao)準(zhun)大(da)氣壓；vd為(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)歸一化的動應變，表達為(wei)(wei)

圖(tu)14給出了(le)動剪切(qie)模(mo)量、阻尼比(bi)與(yu)歸一化動應(ying)變的(de)關系曲(qu)線，另外圖(tu)中還給出了(le)式(1)的(de)擬合曲(qu)線以及Seed等給出的(de)砂(sha)樣的(de)上(shang)下(xia)邊(bian)界線，圖(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應(ying)力比(bi)。

從圖中(zhong)(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)較(jiao)好地描(miao)述磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力(li)(li)-動(dong)(dong)應(ying)變試(shi)驗曲(qu)線(xian)(xian)，表(biao)明(ming)采用等(deng)價黏(nian)彈性模型(xing)進行(xing)循環(huan)荷載(zai)作用下的(de)(de)(de)分析(xi)是可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)干密度(du)為(wei)(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)位于(yu)干密度(du)為(wei)(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)上方，圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位于(yu)下方，表(biao)明(ming)密度(du)越(yue)大，動(dong)(dong)彈模越(yue)大、阻(zu)尼比越(yue)小；③圖14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密度(du)的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)基(ji)本(ben)位于(yu)Seed等(deng)給出(chu)的(de)(de)(de)邊界線(xian)(xian)上方，而圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基(ji)本(ben)處于(yu)邊界線(xian)(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)明(ming)相比較(jiao)砂樣(yang)，磷石(shi)(shi)膏動(dong)(dong)彈模較(jiao)大，會導致磷石(shi)(shi)膏堆積壩的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)較(jiao)大，但由于(yu)阻(zu)尼比也(ye)較(jiao)大，這(zhe)樣(yang)又會削弱壩體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)，二(er)者的(de)(de)(de)相互影響下，磷石(shi)(shi)膏堆積壩壩體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)將不(bu)會過于(yu)強烈，這(zhe)對磷石(shi)(shi)膏堆積壩的(de)(de)(de)抗震穩定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強度

選擇兩種平(ping)均干密度為1.12(變化范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準為總應變達到10%。

圖15給出了動剪(jian)應力(li)(li)比(bi)τd/σ0′與(yu)(yu)破(po)壞(huai)振次Nf的(de)關(guan)(guan)系曲線圖，其(qi)中(zhong)σ0為(wei)振前(qian)試樣45°面上的(de)有(you)效(xiao)法向應力(li)(li)，表(biao)達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結比(bi)。從試驗結果可以看出，沉積磷石膏的(de)動強度與(yu)(yu)其(qi)它土(tu)體相似(si)，表(biao)現為(wei)圍壓和固結應力(li)(li)比(bi)與(yu)(yu)動剪(jian)應力(li)(li)比(bi)呈負相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。

為判別沉積磷石(shi)膏的抗液化能(neng)力，假(jia)定(ding)抗震(zhen)設計(ji)烈(lie)度(du)(du)為8度(du)(du)，即等效(xiao)振次Ⅳ可取為30。首先由式(shi)(4)

所示的冪函數關系式得到(dao)振(zhen)次為30時各個圍壓和固結比下的動剪(jian)應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求(qiu)得動剪應力比(bi)與圍(wei)壓和(he)固結應力比(bi)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。

從上(shang)述擬(ni)合(he)關系式(shi)可見，密實度提(ti)(ti)高(gao)(gao)后，動剪應力(li)(li)比提(ti)(ti)高(gao)(gao)，表(biao)明抗(kang)液化能力(li)(li)也(ye)提(ti)(ti)高(gao)(gao)。但即使(shi)是在低密度下，其動剪應力(li)(li)比較之(zhi)同類的粉土或(huo)粉砂也(ye)大出許多，表(biao)明磷石膏(gao)具(ju)有較高(gao)(gao)的抗(kang)液化能力(li)(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的基(ji)礎上，首先(xian)開(kai)展了物(wu)理(li)性(xing)質試(shi)驗(yan)，然(ran)后(hou)開(kai)展了靜動力力學特性(xing)試(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)研究，得出(chu)如(ru)下結(jie)論：

(1)沉積磷(lin)石膏總(zong)體(ti)上屬于級配不良的粉土，局(ju)部屬于粉砂一中(zhong)砂，無自然分級現(xian)象。其干(gan)密度和(he)粒(li)徑變化隨埋深或(huo)距放漿口距離(li)的變化不明顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水(shui)平(ping)方向的滲透系(xi)數(shu)大于垂直(zhi)方向的滲透系(xi)數(shu)，呈現明顯的各向異(yi)性。

(3)與土(tu)體顆粒不可(ke)壓縮(suo)不同，磷石膏的(de)晶體結(jie)構會發生壓縮(suo)破(po)壞，具有較大的(de)壓縮(suo)性，其次固(gu)結(jie)變(bian)形量遠(yuan)大于(yu)主固(gu)結(jie)變(bian)形量。

(4)沉積(ji)磷石膏的靜動強度較(jiao)之同等密實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂要高。