沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：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)(shi)膏(gao)是(shi)濕法磷(lin)(lin)酸生產(chan)過程中的(de)副(fu)產(chan)品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產(chan)生量為(wei)(wei)7800萬噸(dun)，且呈逐年增長(chang)的(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)主要成分(fen)(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定(ding)量的(de)氟化(hua)(hua)物和(he)其(qi)它放射性物質(zhi)，在中國(guo)通常按(an)Ⅱ類(lei)一(yi)般工(gong)業(ye)固體廢(fei)物處理，鑒于(yu)無害化(hua)(hua)處理成本(ben)較(jiao)高(gao)，目(mu)前(qian)綜合利用(yong)率尚不足(zu)40%，故(gu)大部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要堆(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)存(cun)場(chang)地的(de)不同，可分(fen)(fen)為(wei)(wei)平地型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)場(chang)，在中國(guo)基本(ben)上是(shi)山谷型(xing)(xing)堆(dui)場(chang)。相比較(jiao)干法堆(dui)存(cun)，濕法堆(dui)存(cun)經濟優勢明顯(xian)，因而如(ru)地質(zhi)條件為(wei)(wei)非碳酸鹽(yan)巖地區，一(yi)般均采用(yong)濕排濕堆(dui)方(fang)式。隨著中國(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)業(ye)的(de)快速(su)發展，本(ben)世紀初(chu)中國(guo)相繼建設了幾(ji)座濕法堆(dui)存(cun)的(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)，例(li)如(ru)云天化(hua)(hua)國(guo)際(ji)化(hua)(hua)工(gong)三(san)環分(fen)(fen)公(gong)司的(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)積(ji)壩和(he)富瑞分(fen)(fen)公(gong)司的(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)積(ji)壩，這(zhe)兩座壩設計壩高(gao)均超過100m、處于(yu)8度地震區，其(qi)安全性備(bei)受關注。

據統計，110多(duo)年(nian)(1901年(nian)一(yi)2013年(nian))來(lai)，全(quan)世界有118座尾(wei)礦壩曾發生過(guo)破(po)壞(huai)或潰壩事故(gu)，原(yuan)因主要有地震、洪水漫頂、滲透破(po)壞(huai)和(he)基礎(chu)失(shi)穩。尾(wei)礦庫失(shi)事后會造成(cheng)巨(ju)大的(de)生態(tai)災難和(he)人員傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國內(nei)外對金(jin)屬尾礦(kuang)的(de)(de)沉積規律、物(wu)理(li)力學特性(xing)及其(qi)穩定性(xing)開展了大(da)量的(de)(de)研究，但對于與金(jin)屬尾礦(kuang)庫(ku)相近的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)庫(ku)，一般僅限于在可研階段采用人工制備樣進行物(wu)理(li)力學性(xing)質試驗，并據此進行穩定性(xing)分(fen)析，尚未有人針對己運(yun)行若(ruo)干年的(de)(de)大(da)型濕法(fa)堆存磷(lin)石膏(gao)堆積壩開展過磷(lin)石膏(gao)沉積規律及其(qi)物(wu)理(li)力學特性(xing)的(de)(de)專項(xiang)研究。

本文依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩，首先進行了(le)鉆(zhan)探取樣，采用(yong)原狀樣開展了(le)密度(du)、含水(shui)率(lv)、滲(shen)透、土(tu)水(shui)特(te)征和顆分等(deng)物理性(xing)(xing)(xing)質試驗，在(zai)此(ci)基(ji)礎上(shang)有針對性(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣開展了(le)三(san)軸CU、蠕(ru)變(bian)及(ji)動三(san)軸等(deng)力(li)(li)學特(te)性(xing)(xing)(xing)試驗。通(tong)過上(shang)述試驗研(yan)究(jiu)，總結了(le)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)沉積規律(lv)、滲(shen)透特(te)性(xing)(xing)(xing)、滲(shen)透破壞(huai)特(te)性(xing)(xing)(xing)以(yi)(yi)及(ji)靜動力(li)(li)特(te)性(xing)(xing)(xing)，上(shang)述研(yan)究(jiu)工(gong)作對研(yan)究(jiu)和評估(gu)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩的(de)穩定性(xing)(xing)(xing)提(ti)供了(le)基(ji)礎數(shu)據，對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)運行管理以(yi)(yi)及(ji)新建(jian)工(gong)程(cheng)的(de)設計(ji)具有重要的(de)借(jie)鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩(ba)堆存設(she)計(ji)方案

由初期壩(ba)和堆(dui)積壩(ba)組(zu)成，設(she)計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約(yue)30m，采用土料填(tian)筑(zhu)。上游(you)坡面(mian)、壩(ba)底和下(xia)游(you)壩(ba)腳設置堆(dui)石排(pai)水體，三者相連(lian)通構成(cheng)整個(ge)堆(dui)積壩(ba)的主(zhu)要(yao)排(pai)滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其輔助排滲措施

采用上游式筑壩法，共20級(ji)(ji)子壩，頂(ding)寬6～9m，高度5m，堆(dui)積高度約100m。采用排滲(shen)管(guan)網作為輔助排滲(shen)方案，目前(qian)己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩和13級(ji)(ji)子壩壩前(qian)120m范圍內設置了井(jing)字形排滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積(ji)磷石膏的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)孔(kong)平面位(wei)置見圖(tu)l。2008年6月，堆積(ji)至(zhi)5級子(zi)壩時，布設了9個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號(hao)K1～K9，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)76件；2013年5月，堆積(ji)至(zhi)13級子(zi)壩時，又布設了11個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號(hao)K10～K20，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)112件，為(wei)比較子(zi)壩加高(gao)和磷石(shi)膏堆積(ji)過程中(zhong)磷石(shi)膏物理力學(xue)性質(zhi)的(de)變化，在2，4級子(zi)壩K2孔(kong)和K6孔(kong)附(fu)近(jin)各(ge)布設了一個鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號(hao)分(fen)別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷(lin)(lin)石膏(gao)尾礦庫(ku)(ku)2005年開工建設(she)，2006年1月投(tou)入運行(xing)，截(jie)至2013年5月己堆(dui)至13級(ji)子壩，尚(shang)有7級(ji)子壩即堆(dui)存(cun)至設(she)計高程。鑒(jian)于(yu)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)(ku)地形、地質條件較好(hao)，具備(bei)擴容(rong)改(gai)造的條件，以(yi)提(ti)高堆(dui)存(cun)庫(ku)(ku)容(rong)，減少(shao)堆(dui)存(cun)占(zhan)地，節約土地資源。

本文(wen)主要對沉積(ji)磷石膏(gao)的物理力學特性進行了全面(mian)總結，限(xian)于篇幅，有(you)關現狀磷石膏(gao)庫(ku)堆(dui)積(ji)壩的安(an)全性評價及其加高可(ke)行性的研究將另文(wen)發表。

二、沉(chen)積磷石膏的(de)物理力學特(te)性(xing)

2.1物理特性(xing)

(1)干密度分布

圖(tu)2給出了14個鉆孔的(de)取樣深度(du)(du)和(he)試驗(yan)所得干密度(du)(du)的(de)關系(xi)，圖(tu)中UWL表示水位線上，(系(xi)鉆孔期間的(de)初見水位線，下(xia)同(tong))，DWL表示水位線下(xia)。圖(tu)3給出了水位線上下(xia)的(de)飽和(he)度(du)(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷石(shi)膏中的(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫(wen)度(du)(du)和(he)烘烤時間對測(ce)(ce)定(ding)結果有一定(ding)影(ying)響，不能照搬現行的(de)土工試驗(yan)規范，本文(wen)磷石(shi)膏的(de)含水率測(ce)(ce)定(ding)方法(fa)為55℃溫(wen)度(du)(du)下(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石(shi)膏干密度(du)與(yu)埋深的關系

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

由圖3，水(shui)位(wei)線(xian)上的磷(lin)石(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)和度(du)平均值為50.4%，處(chu)于非(fei)飽(bao)(bao)和狀(zhuang)態，水(shui)位(wei)線(xian)以下的磷(lin)石(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)和度(du)平均值為85.0%，基本處(chu)于飽(bao)(bao)和狀(zhuang)態，由于水(shui)位(wei)下降后磷(lin)石(shi)膏(gao)來不(bu)及排水(shui)固結，故而(er)水(shui)位(wei)線(xian)上局(ju)部試(shi)樣的飽(bao)(bao)和度(du)較(jiao)高(gao)。

由圖(tu)2，水位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水位(wei)線以(yi)下(xia)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)膏與一般(ban)的(de)(de)尾礦有所(suo)不同(tong)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度并不隨(sui)埋深(shen)的(de)(de)增(zeng)大而(er)(er)明顯增(zeng)大，但水位(wei)線以(yi)下(xia)的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密(mi)度從統計意義上(shang)來看(kan)仍(reng)大于(yu)水位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密(mi)度，這主要(yao)是由于(yu)水位(wei)線隨(sui)庫水位(wei)的(de)(de)變化反復升降而(er)(er)使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏排水固結所(suo)致。

室內擊實得到的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏最大(da)干(gan)(gan)密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自然沉積的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏最大(da)干(gan)(gan)密度可達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與(yu)經典的(de)(de)土(tu)骨(gu)架不(bu)可壓縮(suo)的(de)(de)理論不(bu)同，石(shi)膏本身可壓縮(suo)，同時由(you)于(yu)(yu)顆粒結(jie)(jie)構不(bu)穩定(ding)，擊實試驗(yan)過程中(zhong)磷(lin)石(shi)膏結(jie)(jie)構被破壞(huai)，受夯擊處下(xia)陷，四周鼓起，出現(xian)了類似于(yu)(yu)橡皮土(tu)的(de)(de)現(xian)象。而在現(xian)場(chang)條(tiao)件(jian)下(xia)，石(shi)膏骨(gu)架被破壞(huai)后，會(hui)導致(zhi)顆粒中(zhong)的(de)(de)結(jie)(jie)合水滲(shen)出至孔(kong)隙內，變成孔(kong)隙水，排水固結(jie)(jie)后會(hui)使(shi)得磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)孔(kong)隙比(bi)減小，干(gan)(gan)密度增大(da)。

圖(tu)4給(gei)出(chu)了相(xiang)鄰鉆孔(kong)K2和K17(位(wei)于2級子壩(ba)河床(chuang)部位(wei))以及相(xiang)鄰鉆孔(kong)K6和K18(位(wei)于4級子壩(ba)河床(chuang)部位(wei))干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)對比圖(tu)。K2鉆孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見(jian)，即(ji)使從統計意義上來看，磷石膏的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)也(ye)并未隨后續磷石膏的(de)(de)(de)堆積而有較(jiao)為(wei)(wei)明顯的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試(shi)驗采(cai)用密度計(ji)法(fa)，制(zhi)備懸液時不(bu)(bu)煮沸(fei)，不(bu)(bu)加六(liu)偏磷酸鈉。圖5給出了試(shi)驗得到的(de)級配包線、平均粒徑(jing)d50、不(bu)(bu)均勻系(xi)數(1u和曲(qu)率系(xi)數Cc的(de)分布圖。

從圖5(a)可見(jian)，磷(lin)石膏的粒徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體(ti)上屬于粉(fen)土，但可能由于礦石來源(yuan)或生(sheng)產(chan)工藝(yi)有所(suo)不同(tong)，局部(bu)屬于粉(fen)砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分布范(fan)圍比Blight和(he)張超等(deng)的試驗結(jie)果要(yao)寬一些。

圖4子壩加高(gao)后沉積磷石膏的(de)干密度變化

圖5沉積磷石膏的平(ping)均粒徑和(he)級配分布

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向還是(shi)垂直向，磷(lin)石膏與金屬(shu)礦(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗后細，上粗下細”的(de)自然分級(ji)(ji)現象不同(tong)，也(ye)即(ji)粗顆粒(li)(li)(li)并(bing)不是(shi)沿埋(mai)深逐(zhu)步減(jian)小或距離放漿(jiang)口(kou)越遠(yuan)顆粒(li)(li)(li)越細，其原因如下：①磷(lin)石膏顆粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)徑組成較為集中(zhong)、均勻(yun)，主要以粉粒(li)(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)(ji)配較差(cha)；②相比(bi)較金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)，磷(lin)石膏的(de)比(bi)重(zhong)較小，磷(lin)石膏的(de)比(bi)重(zhong)一(yi)般為2.3～2.4，遠(yuan)小于金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿(jiang)口(kou)隨(sui)子壩(ba)高度不斷(duan)增(zeng)加而不斷(duan)變動并(bing)向庫(ku)尾(wei)延伸(shen)，造(zao)成沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)粒(li)(li)(li)徑變化不明顯。

從圖5(d)可(ke)見，不均勻系(xi)數(shu)(shu)Cu范圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)(zhi)為4.18，曲率系(xi)數(shu)(shu)(1c范圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)(zhi)為1.21，在統計的100多個試樣中，屬(shu)于級配(pei)不良土的占(zhan)93%。這種(zhong)級配(pei)特(te)性決定了磷石膏具有較高的壓縮性、滲透破壞型(xing)式表現(xian)為流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主(zhu)要因素是粒徑大(da)小(xiao)、級配和孔隙比(bi)，因而磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)為(wei)(wei)接近(jin)。由(you)于(yu)孔隙比(bi)e減(jian)小(xiao)，使得過水(shui)通(tong)道(dao)面積減(jian)小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也(ye)將減(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認(ren)為(wei)(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲(qu)線(xian)(xian)，由(you)于(yu)沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)不(bu)均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)大(da)，使得沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化范圍較(jiao)大(da)(平(ping)均(jun)值為(wei)(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二(er)者問的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲透系數與孔隙比(bi)的關(guan)系

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

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)(shui)平與(yu)垂(chui)直(zhi)向滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)比值的(de)(de)分布。沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)平向滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)kh一(yi)(yi)般大于(yu)(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向的(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)kv,kh/kv平均值約(yue)為2.86，這一(yi)(yi)點(dian)與(yu)成(cheng)層分布的(de)(de)金屬尾礦(kuang)規(gui)律一(yi)(yi)致。造成(cheng)沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)(shui)(shui)平向滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)大于(yu)(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏具有(you)明顯的(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多(duo)為菱形(xing)(xing)和棱柱狀形(xing)(xing)式(shi)(見(jian)圖8)，在(zai)沉(chen)(chen)積過(guo)程中，由于(yu)(yu)(yu)扁平狀磷(lin)石(shi)膏顆粒多(duo)呈水(shui)(shui)(shui)(shui)平排列，使(shi)(shi)得水(shui)(shui)(shui)(shui)平方向的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)性(xing)大于(yu)(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)方向的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)性(xing)，從而使(shi)(shi)磷(lin)石(shi)膏呈現(xian)明顯的(de)(de)各向異性(xing)。

另(ling)根(gen)據中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院(yuan)在(zai)楊家(jia)箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩開展的(de)(de)現場滲(shen)透(tou)試驗，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為(wei)1.9。但(dan)張超等的(de)(de)室內試驗顯示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為(wei)0.46，也即垂直向滲(shen)透(tou)系數(shu)大于水平(ping)向滲(shen)透(tou)系數(shu)，與(yu)本(ben)文和(he)現場試驗結果恰(qia)恰(qia)相反。從磷(lin)石膏的(de)(de)微觀結構(gou)來看，本(ben)文試驗結果更為(wei)合理(li)。

圖7沉積磷石膏干密度與(yu)水平(ping)和垂直滲透系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)磷(lin)石(shi)膏(gao)干密度(du)為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力梯(ti)度(du)J與(yu)流(liu)速V的(de)(de)(de)(de)關系(xi)曲線，試(shi)驗(yan)(yan)(yan)在水(shui)(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采用水(shui)(shui)(shui)平方向的(de)(de)(de)(de)滲(shen)流(liu)形(xing)式進行(xing)。試(shi)驗(yan)(yan)(yan)得到(dao)的(de)(de)(de)(de)臨界坡(po)降Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般(ban)(ban)來說，對(dui)(dui)1，2級(ji)工程，滲(shen)透安全(quan)系(xi)數取為(wei)(wei)2.5，則允(yun)許(xu)出逸坡(po)降為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級(ji)以(yi)下(xia)工程，滲(shen)透安全(quan)系(xi)數取2.0，則允(yun)許(xu)出逸坡(po)降為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)許(xu)比降與(yu)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大(da)致相同(tong)。但(dan)上述滲(shen)透變形(xing)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)是采用自來水(shui)(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)(de)(de)，自來水(shui)(shui)(shui)對(dui)(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)溶蝕作(zuo)用，而實際上磷(lin)石(shi)膏(gao)中(zhong)殘余磷(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)pH值一(yi)般(ban)(ban)小(xiao)于3(稱之為(wei)(wei)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui))，在酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)作(zuo)用下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)不會發(fa)生(sheng)破壞(huai)，上述試(shi)驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果是偏于保守的(de)(de)(de)(de)，但(dan)對(dui)(dui)非酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)(de)滲(shen)透穩定(ding)判(pan)斷有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

圖9水力(li)梯度J-流速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征(zheng)試驗(yan)

試(shi)驗在5Bar的(de)壓力(li)板儀中進行，環刀(dao)尺寸(cun)6.18cm。干密(mi)度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含(han)水率(lv)特征值，試(shi)驗曲線見圖10所(suo)示。

試驗結果表明：①干密度(du)對(dui)進氣值沒有(you)明顯的(de)影(ying)響，不(bu)同干密度(du)的(de)試樣的(de)進氣值大致在10kPa左右；②土樣殘余含(han)水率(lv)(lv)隨干密度(du)的(de)增加而減少，殘余含(han)水率(lv)(lv)約為飽和含(han)水率(lv)(lv)的(de)10%。上述特性與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)基本一(yi)致。

2.3靜力力學特(te)性

(1)三(san)軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)密度變化較(jiao)大(da)，而(er)進(jin)行(xing)三(san)軸試(shi)驗需(xu)要(yao)若(ruo)干原(yuan)狀樣(yang)，為使試(shi)驗結果(guo)具有(you)(you)較(jiao)好的(de)一(yi)致性(xing)，有(you)(you)針對(dui)性(xing)的(de)選擇平均干密度分別為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(ruo)干試(shi)樣(yang)，進(jin)行(xing)了5組三(san)軸CU試(shi)驗。圖11是為干密度為1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)驗曲(qu)線。

從(cong)圖11可以看出，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)應力應變關系曲線在(zai)低圍壓下(xia)表現(xian)為軟化型(xing)，在(zai)高(gao)圍壓下(xia)表現(xian)為硬化型(xing)，與一般土類相似。但與一般粉土一粉砂不同(tong)的(de)(de)是，即(ji)使在(zai)較為疏(shu)松的(de)(de)狀態下(xia)，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)仍表現(xian)了(le)較為強烈的(de)(de)剪脹，隨密實度增大(da)，剪脹作用愈發明顯。

表2給出了不同(tong)干(gan)密(mi)度(du)下的(de)內(nei)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出了內(nei)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)的(de)關系(xi)曲線。隨(sui)干(gan)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨(sui)之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較(jiao)好地擬(ni)合(he)。磷石(shi)(shi)膏的(de)干(gan)密(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總(zong)應力摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為37.3°(根據擬(ni)合(he)曲線求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)為9.4%，有(you)(you)(you)效應力摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為3.2%，由于(yu)隨(sui)圍壓的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也明(ming)顯增(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)(you)(you)效摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)(zhi)總(zong)應力摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外(wai)較(jiao)之(zhi)(zhi)于(yu)干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表明(ming)即使(shi)較(jiao)為疏松的(de)磷石(shi)(shi)膏仍具有(you)(you)(you)較(jiao)高(gao)的(de)強度(du)指標，這也表明(ming)磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩的(de)穩(wen)定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗(yan)

磷(lin)石膏(gao)的(de)蠕變變形試驗(yan)在側限壓(ya)縮儀(yi)中進行，試驗(yan)狀態相當于K0固結。試樣(yang)直(zhi)徑61.8mm，高度(du)(du)20mm，試樣(yang)干密度(du)(du)為1.30g/cm3，對試樣(yang)飽和后(hou)分別開展了上覆(fu)壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試驗(yan)，

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

從圖13中可以(yi)看(kan)出：上(shang)覆荷(he)載(zai)越大(da)，磷(lin)石膏(gao)的蠕(ru)變變形也越大(da)，荷(he)載(zai)施加1年后(hou)，磷(lin)石膏(gao)的蠕(ru)變變形仍(reng)非常(chang)顯著，尚(shang)未達到穩定狀態，這也是磷(lin)石膏(gao)堆積壩后(hou)期變形較大(da)的原因，原型(xing)觀測資料表(biao)明(ming)，在5級子壩河床部位的表(biao)面沉(chen)降量已(yi)經達到3.1m，且尚(shang)未完全穩定。

按時間對(dui)數法，可(ke)求得各級荷(he)載下的主次(ci)(ci)固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)量如表(biao)(biao)3所(suo)示(shi)。試(shi)驗結果表(biao)(biao)明(ming)，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷(he)載作用(yong)下，在(zai)(zai)試(shi)驗時間范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)結)變(bian)(bian)形(xing)是(shi)主固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)的1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未完成(cheng)，實際的蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更大(da)。對(dui)土(tu)體(ti)(ti)而言，發(fa)生蠕(ru)變(bian)(bian)的原因是(shi)由于(yu)(yu)(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)(zai)主固(gu)結完成(cheng)之后(hou)，土(tu)體(ti)(ti)中(zhong)仍有微(wei)小的超靜(jing)孔(kong)隙(xi)壓力存在(zai)(zai)，驅使(shi)水在(zai)(zai)顆粒問(wen)流動，一(yi)般來講土(tu)體(ti)(ti)的次(ci)(ci)固(gu)結遠(yuan)小于(yu)(yu)(yu)主固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)；對(dui)磷石膏而言，其滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠(yuan)大(da)于(yu)(yu)(yu)黏(nian)性土(tu)，但其卻(que)發(fa)生了(le)極為顯著(zhu)的次(ci)(ci)固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)，其原因在(zai)(zai)于(yu)(yu)(yu)磷石膏晶(jing)體(ti)(ti)結構發(fa)生了(le)壓縮(suo)、破壞，接觸點晶(jing)格發(fa)生歪曲和變(bian)(bian)形(xing)，而破壞后(hou)晶(jing)格之間的重新排列、調(diao)整到最(zui)后(hou)趨于(yu)(yu)(yu)相對(dui)靜(jing)止需要相當(dang)長的時間才能完成(cheng)。

2.4動力(li)(li)力(li)(li)學特性

試驗設備采用英國GDS公司進(jin)口(kou)的電機控制動三軸試驗系(xi)統，試樣(yang)直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣(yang)由(you)于(yu)自然沉(chen)積的(de)磷石(shi)膏(gao)密度變(bian)化(hua)較(jiao)大，為此根據(ju)物理性質試驗(yan)結果，選(xuan)擇兩(liang)種平均干(gan)密度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模量G、阻尼比與剪應變幅(fu)值γd的關(guan)系式如(ru)下：

式中k1為(wei)(wei)(wei)參數，表(biao)示動剪切模(mo)(mo)量的衰減或阻尼比的增(zeng)長速(su)率(lv)；λmax為(wei)(wei)(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分別(bie)為(wei)(wei)(wei)最大動剪切模(mo)(mo)量和歸一化的動剪應變，表(biao)示為(wei)(wei)(wei)

式中k2,n為參(can)數；σm為球應力；Pa為標準大氣壓；vd為動泊松比(bi)；εa為歸(gui)一化(hua)的動應變，表(biao)達(da)為

圖(tu)(tu)14給出了動(dong)(dong)剪切模量、阻(zu)尼比與歸一化動(dong)(dong)應變(bian)的(de)(de)關系曲線(xian)，另外圖(tu)(tu)中還給出了式(1)的(de)(de)擬合曲線(xian)以及Seed等給出的(de)(de)砂樣的(de)(de)上下(xia)邊界線(xian)，圖(tu)(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)以看(kan)出：①式(1)可(ke)較(jiao)好地描述磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應力-動(dong)(dong)應變(bian)試驗曲線(xian)(xian)(xian)，表(biao)明(ming)采用等價黏彈性模型(xing)進行循環荷載作用下的(de)(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)干(gan)密度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)位(wei)于(yu)干(gan)密度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)上方(fang)(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則位(wei)于(yu)下方(fang)(fang)，表(biao)明(ming)密度越大(da)(da)，動(dong)(dong)彈模越大(da)(da)、阻尼(ni)比越小(xiao)；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密度的(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)Seed等給(gei)出的(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)(xian)(xian)上方(fang)(fang)，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則基本(ben)處于(yu)邊界線(xian)(xian)(xian)中(zhong)(zhong)(zhong)間，表(biao)明(ming)相比較(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)動(dong)(dong)彈模較(jiao)大(da)(da)，會導(dao)致磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應較(jiao)大(da)(da)，但由(you)于(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)大(da)(da)，這樣又(you)會削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應，二者(zhe)的(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應將不會過于(yu)強烈，這對磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定性是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

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

圖15給出了動(dong)(dong)剪應(ying)力(li)(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振次(ci)Nf的(de)關系曲(qu)線(xian)圖，其(qi)中σ0為振前試(shi)樣45°面上的(de)有效法向應(ying)力(li)(li)，表(biao)(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比(bi)。從試(shi)驗結(jie)果(guo)可以看(kan)出，沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)的(de)動(dong)(dong)強度(du)與其(qi)它土體相(xiang)似，表(biao)(biao)現(xian)為圍(wei)壓和固結(jie)應(ying)力(li)(li)比(bi)與動(dong)(dong)剪應(ying)力(li)(li)比(bi)呈負相(xiang)關關系。

為判別沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)抗液化能力，假定(ding)抗震設計烈(lie)度為8度，即等效振次Ⅳ可(ke)取為30。首先由式(4)

所示的冪函數(shu)關系(xi)式得到(dao)振次(ci)為30時各個圍(wei)壓和固結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合(he)求得動(dong)剪應(ying)力(li)比與圍壓和(he)固結應(ying)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(cong)上述(shu)擬合關系式可見，密實(shi)度提高后(hou)，動(dong)剪(jian)應力(li)比提高，表明抗(kang)液化(hua)能(neng)力(li)也(ye)(ye)提高。但即(ji)使是(shi)在(zai)低密度下，其動(dong)剪(jian)應力(li)比較(jiao)之(zhi)同類的粉土或粉砂也(ye)(ye)大(da)出(chu)許多，表明磷石膏具有較(jiao)高的抗(kang)液化(hua)能(neng)力(li)。

三、結論

依托(tuo)柳樹箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩(ba)，在鉆(zhan)探取(qu)樣工作的(de)基礎上(shang)，首先開(kai)展(zhan)了物理性(xing)質試(shi)驗，然(ran)后開(kai)展(zhan)了靜動力力學特性(xing)試(shi)驗。通過上(shang)述試(shi)驗研(yan)究，得出如下結論：

(1)沉積(ji)磷石膏總體上屬(shu)于級配(pei)不良的粉土，局部屬(shu)于粉砂一(yi)中(zhong)砂，無自然(ran)分級現象。其干密(mi)度(du)和粒徑變(bian)化隨埋(mai)深或距放漿(jiang)口距離的變(bian)化不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平方(fang)向的滲透系數大于垂(chui)直方(fang)向的滲透系數，呈(cheng)現(xian)明顯的各向異性(xing)。

(3)與(yu)土體顆粒不可(ke)壓縮(suo)不同，磷石膏的(de)晶體結構會發生壓縮(suo)破壞，具有較大的(de)壓縮(suo)性，其次(ci)固結變形(xing)量(liang)遠大于(yu)主固結變形(xing)量(liang)。

(4)沉積(ji)磷石膏的靜動強度較之同等密實(shi)度下(xia)的粉土(tu)、粉砂(sha)要高。