沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)是磷(lin)(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)過程中的(de)副產(chan)品(pin)，目(mu)前的(de)綜(zong)合(he)利(li)用率尚(shang)不(bu)足40%，大部(bu)分(fen)需要(yao)(yao)堆(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。受地形限制和經濟效益考慮，中國主(zhu)要(yao)(yao)為濕法堆(dui)存(cun)(cun)的(de)山(shan)谷型堆(dui)場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積壩，針對沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)首(shou)先開展(zhan)了(le)密(mi)度、含(han)水(shui)率、滲透、土水(shui)特征和顆分(fen)等物理性質試(shi)驗，然后開展(zhan)了(le)三軸cu、蠕(ru)變及動三軸等力(li)學特性試(shi)驗。試(shi)驗結(jie)果表明(ming)(ming)：①沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)干密(mi)度與埋深沒有(you)相關(guan)關(guan)系；②沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)不(bu)具有(you)自然分(fen)級現象，但具有(you)明(ming)(ming)顯(xian)的(de)各向異性；③沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)具有(you)較(jiao)高的(de)摩擦(ca)角和抗液化能力(li)，但其(qi)蠕(ru)變變形較(jiao)大、滲透比降較(jiao)小。上述工(gong)作為分(fen)析磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積壩的(de)壩體(ti)穩定性提供了(le)基(ji)礎，對現行磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)的(de)運行管(guan)理以(yi)及新建工(gong)程的(de)設(she)計(ji)具有(you)重要(yao)(yao)的(de)借(jie)鑒(jian)意義。

引言

磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)是濕法(fa)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸生(sheng)產過程中(zhong)的(de)副產品，2018年(nian)，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)產生(sheng)量為(wei)(wei)7800萬(wan)噸，且呈(cheng)逐(zhu)年(nian)增(zeng)長的(de)態勢(shi)(shi)。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)的(de)主要成分(fen)是CaO和SO3，但含有一定(ding)量的(de)氟化(hua)(hua)物(wu)和其它放(fang)射性物(wu)質，在(zai)中(zhong)國(guo)通(tong)常(chang)按Ⅱ類一般(ban)工(gong)業(ye)固(gu)體廢物(wu)處(chu)理，鑒于無害(hai)化(hua)(hua)處(chu)理成本較高，目前綜(zong)合(he)利用率尚(shang)不足40%，故(gu)大部分(fen)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按堆(dui)(dui)存(cun)場地(di)的(de)不同，可分(fen)為(wei)(wei)平地(di)型(xing)(xing)、傍(bang)山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場，在(zai)中(zhong)國(guo)基(ji)本上是山(shan)谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟優勢(shi)(shi)明(ming)顯，因而(er)如地(di)質條件為(wei)(wei)非(fei)碳(tan)酸鹽巖地(di)區(qu)，一般(ban)均采(cai)用濕排濕堆(dui)(dui)方式(shi)。隨(sui)著中(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥工(gong)業(ye)的(de)快速發展，本世紀初中(zhong)國(guo)相(xiang)繼建(jian)設了(le)幾座濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)庫，例如云天化(hua)(hua)國(guo)際化(hua)(hua)工(gong)三環分(fen)公(gong)司(si)(si)的(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)和富瑞分(fen)公(gong)司(si)(si)的(de)楊家(jia)箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高均超(chao)過100m、處(chu)于8度(du)地(di)震區(qu)，其安全性備受(shou)關注(zhu)。

據統計，110多年(1901年一2013年)來，全世(shi)界有118座(zuo)尾礦壩曾發(fa)生過破壞(huai)或潰壩事(shi)(shi)故，原因(yin)主要有地震、洪水(shui)漫(man)頂、滲透破壞(huai)和(he)基(ji)礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事(shi)(shi)后(hou)會造成巨大的生態(tai)災難和(he)人員傷(shang)亡(wang)，近幾十年來，

國(guo)內外對金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)(de)沉(chen)積(ji)規律、物理(li)力(li)學(xue)特(te)性(xing)及(ji)其穩定性(xing)開展了(le)大量的(de)(de)(de)研究，但對于與金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)庫相近的(de)(de)(de)磷石膏庫，一(yi)般僅限(xian)于在可研階段(duan)采用人(ren)工制備(bei)樣進行物理(li)力(li)學(xue)性(xing)質試驗，并(bing)據此進行穩定性(xing)分析(xi)，尚(shang)未有(you)人(ren)針對己運行若干年的(de)(de)(de)大型濕法堆(dui)存(cun)磷石膏堆(dui)積(ji)壩開展過磷石膏沉(chen)積(ji)規律及(ji)其物理(li)力(li)學(xue)特(te)性(xing)的(de)(de)(de)專項研究。

本文依托(tuo)柳(liu)樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩，首先(xian)進行(xing)了鉆(zhan)探(tan)取樣，采用原(yuan)(yuan)狀(zhuang)樣開展(zhan)了密度(du)、含水率、滲(shen)透(tou)、土(tu)水特(te)(te)征(zheng)和顆(ke)分等(deng)物理(li)性(xing)質(zhi)試驗，在此基礎(chu)上(shang)有針對(dui)(dui)性(xing)的選擇原(yuan)(yuan)狀(zhuang)樣開展(zhan)了三軸CU、蠕(ru)變(bian)及(ji)(ji)動(dong)三軸等(deng)力(li)(li)學特(te)(te)性(xing)試驗。通(tong)過(guo)上(shang)述(shu)試驗研究，總(zong)結了磷石(shi)膏的沉積規(gui)律、滲(shen)透(tou)特(te)(te)性(xing)、滲(shen)透(tou)破(po)壞特(te)(te)性(xing)以及(ji)(ji)靜(jing)動(dong)力(li)(li)特(te)(te)性(xing)，上(shang)述(shu)研究工(gong)作對(dui)(dui)研究和評估磷石(shi)膏庫堆(dui)積壩的穩定性(xing)提(ti)供了基礎(chu)數據，對(dui)(dui)現行(xing)磷石(shi)膏庫的運行(xing)管理(li)以及(ji)(ji)新建工(gong)程的設計具有重要的借鑒意(yi)義。

一(yi)、依(yi)托(tuo)工程概況

1.1柳(liu)樹箐磷石(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)壩堆(dui)(dui)存設計方(fang)案

由(you)初期(qi)壩(ba)和(he)堆積壩(ba)組(zu)成，設計總壩(ba)高(gao)約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高(gao)約30m，采(cai)用土料填筑。上游坡面(mian)、壩(ba)(ba)底(di)和下游壩(ba)(ba)腳(jiao)設置堆石排水體，三者相(xiang)連通構成(cheng)整(zheng)個堆積(ji)壩(ba)(ba)的主要排滲系(xi)統。

(2)堆積壩及(ji)其輔助排滲措施

采(cai)用上游式筑壩法(fa)，共20級子(zi)(zi)壩，頂寬6～9m，高度5m，堆積(ji)高度約100m。采(cai)用排(pai)滲管(guan)網作為輔(fu)助排(pai)滲方案，目前己在5級、9級子(zi)(zi)壩和13級子(zi)(zi)壩壩前120m范圍(wei)內設置了井字形(xing)排(pai)滲管(guan)網。

1.2沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)鉆探取樣

鉆孔(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積至5級(ji)(ji)子壩(ba)時，布(bu)(bu)設了9個(ge)取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取原狀樣(yang)76件；2013年5月，堆(dui)積至13級(ji)(ji)子壩(ba)時，又布(bu)(bu)設了11個(ge)取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取原狀樣(yang)112件，為比較子壩(ba)加高和(he)磷石(shi)膏堆(dui)積過程(cheng)中磷石(shi)膏物理力學性質的(de)變(bian)化，在2，4級(ji)(ji)子壩(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)(bu)設了一個(ge)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)分別(bie)為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫(ku)2005年開工(gong)建設(she)，2006年1月投入(ru)運行(xing)，截至2013年5月己堆至13級(ji)子(zi)壩，尚有(you)7級(ji)子(zi)壩即堆存(cun)(cun)至設(she)計(ji)高程。鑒于磷石膏庫(ku)地(di)形、地(di)質(zhi)條(tiao)件較好，具(ju)備擴容改造的條(tiao)件，以提高堆存(cun)(cun)庫(ku)容，減少堆存(cun)(cun)占地(di)，節約土地(di)資源。

本(ben)文主要對沉積(ji)磷石膏的(de)物理力學特性(xing)進行(xing)了(le)全(quan)(quan)面總結，限于(yu)篇幅，有關(guan)現狀(zhuang)磷石膏庫堆積(ji)壩的(de)安全(quan)(quan)性(xing)評價及其加高可行(xing)性(xing)的(de)研(yan)究將另文發(fa)表(biao)。

二、沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出(chu)了14個鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)取樣(yang)深度(du)(du)和(he)試驗所得干(gan)密度(du)(du)的(de)關系，圖中(zhong)UWL表示水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)上，(系鉆(zhan)孔(kong)(kong)期間(jian)的(de)初(chu)見水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)，下(xia)同)，DWL表示水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)下(xia)。圖3給出(chu)了水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)上下(xia)的(de)飽和(he)度(du)(du)分布(bu)圖。由于磷石膏(gao)中(zhong)的(de)主要成(cheng)分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)(du)和(he)烘烤時間(jian)對測定(ding)結果有一定(ding)影(ying)響，不(bu)能照(zhao)搬現行(xing)的(de)土工試驗規范，本文磷石膏(gao)的(de)含水(shui)(shui)率測定(ding)方法為55℃溫度(du)(du)下(xia)烘培24h。

圖2沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏干密度(du)與埋(mai)深(shen)的關系

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

由(you)(you)圖3，水位線上的磷石膏飽和(he)(he)(he)度平均(jun)值(zhi)為(wei)50.4%，處(chu)于非飽和(he)(he)(he)狀態，水位線以下的磷石膏飽和(he)(he)(he)度平均(jun)值(zhi)為(wei)85.0%，基(ji)本處(chu)于飽和(he)(he)(he)狀態，由(you)(you)于水位下降后(hou)磷石膏來(lai)不(bu)及排(pai)水固結，故(gu)而水位線上局部試樣的飽和(he)(he)(he)度較高。

由圖2，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石膏(gao)與一般的(de)尾礦有所不(bu)同，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)并不(bu)隨埋深(shen)的(de)增大而明顯增大，但水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)從統計意義上來看仍大于(yu)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)，這主要是由于(yu)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨庫(ku)水(shui)位(wei)(wei)的(de)變(bian)化反復升降而使得磷(lin)(lin)石膏(gao)排水(shui)固(gu)結所致。

室內(nei)擊(ji)(ji)實得(de)到的磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大(da)(da)干(gan)(gan)(gan)密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)(ke)以(yi)看出(chu)，自然(ran)沉積的磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大(da)(da)干(gan)(gan)(gan)密度可(ke)(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與(yu)經典(dian)的土骨架不可(ke)(ke)壓縮的理論不同，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)本身可(ke)(ke)壓縮，同時由于顆(ke)粒結(jie)(jie)構不穩定，擊(ji)(ji)實試驗過程(cheng)中磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)結(jie)(jie)構被破壞，受(shou)夯擊(ji)(ji)處下(xia)陷，四周(zhou)鼓起，出(chu)現(xian)了類似于橡皮土的現(xian)象。而(er)在現(xian)場(chang)條件下(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨架被破壞后，會導致顆(ke)粒中的結(jie)(jie)合水滲出(chu)至孔隙(xi)(xi)內(nei)，變成孔隙(xi)(xi)水，排(pai)水固結(jie)(jie)后會使(shi)得(de)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的孔隙(xi)(xi)比減小，干(gan)(gan)(gan)密度增大(da)(da)。

圖(tu)4給(gei)出了(le)相鄰(lin)鉆孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于2級子壩河(he)床部(bu)位(wei)(wei))以及相鄰(lin)鉆孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于4級子壩河(he)床部(bu)位(wei)(wei))干(gan)密(mi)(mi)度的對比圖(tu)。K2鉆孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)(jian)，均值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)(jian)，均值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)(jian)，均值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)(jian)，均值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使從統計意義上來看，磷(lin)石(shi)膏的干(gan)密(mi)(mi)度也(ye)并未隨后續磷(lin)石(shi)膏的堆積而(er)有較為(wei)(wei)明顯(xian)的增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試驗采用密度計法(fa)，制備懸(xuan)液時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得到的級配(pei)包線、平(ping)均粒(li)徑d50、不均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的分布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏的粒徑(jing)主要分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于(yu)(yu)粉(fen)土，但(dan)可(ke)能由(you)于(yu)(yu)礦石來源或生產工藝有所不同，局(ju)部屬(shu)于(yu)(yu)粉(fen)砂～中砂。粒徑(jing)分(fen)布范(fan)圍比(bi)Blight和張超等的試(shi)驗結果(guo)要寬(kuan)一些(xie)。

圖4子壩(ba)加(jia)高后沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)干密(mi)度變化

圖(tu)5沉積磷(lin)石(shi)膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向還是(shi)垂直向，磷(lin)石(shi)膏(gao)與金(jin)屬(shu)(shu)礦山(shan)尾(wei)(wei)礦的(de)(de)“前粗后細(xi)，上粗下細(xi)”的(de)(de)自然分級現象(xiang)不同，也即粗顆粒(li)(li)(li)并不是(shi)沿(yan)埋深逐步減小(xiao)或距離(li)放漿口(kou)越遠顆粒(li)(li)(li)越細(xi)，其原因如下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)徑(jing)組(zu)成(cheng)較(jiao)(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒(li)(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)(jiao)金(jin)屬(shu)(shu)尾(wei)(wei)礦，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重較(jiao)(jiao)小(xiao)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重一般(ban)為2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬(shu)(shu)尾(wei)(wei)礦的(de)(de)比(bi)重，例如鐵尾(wei)(wei)礦的(de)(de)比(bi)重可(ke)達2.9；③放漿口(kou)隨子壩高度不斷增加而不斷變動并向庫尾(wei)(wei)延伸(shen)，造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)(li)徑(jing)變化不明顯(xian)。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻系數(shu)Cu范圍值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(shu)(1c范圍值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)1.21，在統(tong)計(ji)的(de)100多個試樣中，屬于級配不良土的(de)占93%。這種級配特性決定(ding)了磷石膏具有較高的(de)壓縮(suo)性、滲透破壞型式表(biao)現為(wei)流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級(ji)配和孔隙比，因而(er)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)較為接近。由(you)于(yu)孔隙比e減小(xiao)，使(shi)得(de)過水通道面積減小(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土(tu)，一般認為滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性關(guan)系(xi)較好，圖6給出了二者間(jian)的(de)關(guan)系(xi)曲(qu)線，由(you)于(yu)沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)不均勻系(xi)數(shu)(shu)變化(hua)(hua)較大，使(shi)得(de)沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)變化(hua)(hua)范圍較大(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二者問的(de)線性關(guan)系(xi)較差。

圖(tu)6沉(chen)積磷石膏(gao)滲(shen)透(tou)系數與孔隙比的(de)關系

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

圖(tu)(tu)7給(gei)出了水(shui)平與垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)比(bi)值的(de)分布(bu)。沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)水(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kh一般大于(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平均值約為2.86，這一點與成層(ceng)分布(bu)的(de)金屬尾礦規律一致。造(zao)成沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)大于(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)的(de)原因是(shi)由(you)于(yu)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具有明(ming)顯(xian)的(de)晶(jing)體結構，電(dian)鏡掃描顯(xian)示多為菱形(xing)(xing)和棱柱狀形(xing)(xing)式(見圖(tu)(tu)8)，在沉積過程中，由(you)于(yu)扁平狀磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)多呈(cheng)水(shui)平排列(lie)，使(shi)得(de)水(shui)平方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性大于(yu)垂(chui)直方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性，從而(er)使(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈(cheng)現明(ming)顯(xian)的(de)各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根據(ju)中國(guo)有色金屬工業昆明勘察設計研究院在楊(yang)家箐磷石(shi)膏堆積(ji)壩開展的現場滲(shen)透(tou)(tou)試(shi)驗(yan)，kh/kv的平均值約為(wei)1.9。但張超等的室內試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的平均值約為(wei)0.46，也(ye)即垂直(zhi)向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數大(da)于水平向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數，與本(ben)文和現場試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果恰(qia)恰(qia)相反。從磷石(shi)膏的微觀結(jie)(jie)構來(lai)看(kan)，本(ben)文試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果更(geng)為(wei)合理(li)。

圖7沉積磷石膏干(gan)密度與水(shui)平和(he)垂直滲透(tou)系數比值的關系

(2)滲透變形

圖(tu)9為磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密度為1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)(shui)力梯(ti)度J與流(liu)速V的(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線，試驗在水(shui)(shui)(shui)平(ping)管涌(yong)儀中(zhong)采(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)滲流(liu)形(xing)式進(jin)行(xing)。試驗得到的(de)臨界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般(ban)來說，對(dui)1，2級工程，滲透(tou)安全(quan)系(xi)(xi)(xi)數取(qu)為2.5，則允許出逸(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)(xia)工程，滲透(tou)安全(quan)系(xi)(xi)(xi)數取(qu)2.0，則允許出逸(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)(jiang)與粉土一粉砂(sha)大致相同。但(dan)(dan)上(shang)述滲透(tou)變形(xing)試驗是采(cai)用(yong)自(zi)來水(shui)(shui)(shui)進(jin)行(xing)的(de)，自(zi)來水(shui)(shui)(shui)對(dui)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有(you)一定的(de)溶蝕作(zuo)用(yong)，而實際上(shang)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)中(zhong)殘余磷、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)pH值一般(ban)小于(yu)3(稱之為酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下(xia)(xia)，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)不會(hui)發(fa)生破壞(huai)，上(shang)述試驗結果是偏(pian)于(yu)保(bao)守的(de)，但(dan)(dan)對(dui)非酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)(shui)條(tiao)件(例(li)如特(te)大暴雨)下(xia)(xia)的(de)滲透(tou)穩(wen)定判斷有(you)一定的(de)借鑒(jian)意義。

圖9水(shui)力梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的壓力(li)(li)板儀(yi)中進行(xing)，環刀(dao)尺寸6.18cm。干(gan)密度分(fen)1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力(li)(li)范(fan)圍0～500kPa。表(biao)l列出了含水率(lv)特(te)征值，試(shi)驗(yan)曲線見圖10所示(shi)。

試(shi)(shi)驗結果表明(ming)：①干(gan)(gan)密度(du)對進氣值沒有明(ming)顯的(de)影響(xiang)，不同干(gan)(gan)密度(du)的(de)試(shi)(shi)樣(yang)的(de)進氣值大致在(zai)10kPa左右；②土樣(yang)殘余含水率(lv)隨干(gan)(gan)密度(du)的(de)增(zeng)加而減少，殘余含水率(lv)約為(wei)飽和含水率(lv)的(de)10%。上述特性(xing)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

由于沉積磷石膏的密度(du)變化較大(da)，而進行三(san)(san)軸試(shi)(shi)驗(yan)需要若干原狀樣，為(wei)使試(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)具有較好(hao)的一致(zhi)性，有針對性的選(xuan)擇平均干密度(du)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)的若干試(shi)(shi)樣，進行了5組(zu)三(san)(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)。圖(tu)11是為(wei)干密度(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的三(san)(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)曲線(xian)。

從圖11可(ke)以看出，磷石(shi)膏(gao)的應(ying)力應(ying)變關系曲線在(zai)(zai)低圍壓(ya)下(xia)(xia)表(biao)現(xian)為(wei)(wei)軟(ruan)化(hua)型(xing)，在(zai)(zai)高圍壓(ya)下(xia)(xia)表(biao)現(xian)為(wei)(wei)硬(ying)化(hua)型(xing)，與一般土類相似。但與一般粉土一粉砂不同的是，即(ji)使在(zai)(zai)較為(wei)(wei)疏松的狀態下(xia)(xia)，磷石(shi)膏(gao)仍表(biao)現(xian)了(le)較為(wei)(wei)強烈的剪脹，隨密實度增(zeng)大，剪脹作(zuo)用愈發明顯。

表(biao)2給出(chu)了(le)不(bu)同(tong)干(gan)密(mi)度(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出(chu)了(le)內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)關系曲線。隨(sui)(sui)干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)也隨(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)大，且(qie)可采(cai)用冪函數較(jiao)好地(di)擬(ni)合。磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總(zong)應(ying)(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲線求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效應(ying)(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由(you)于隨(sui)(sui)圍壓(ya)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也明(ming)顯增(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之總(zong)應(ying)(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外(wai)較(jiao)之于干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不(bu)顯著，表(biao)明(ming)即使(shi)較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)(de)磷石膏(gao)(gao)仍具有較(jiao)高(gao)的(de)(de)強度(du)指標，這也表(biao)明(ming)磷石膏(gao)(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(次固結)變形(xing)試驗

磷石膏的(de)(de)蠕變變形(xing)試(shi)驗(yan)在側限(xian)壓縮儀中進(jin)行，試(shi)驗(yan)狀態相當于K0固結。試(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣(yang)干密(mi)度為1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)飽和后分別(bie)開展(zhan)了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)(de)試(shi)驗(yan)，

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

從圖(tu)13中可以看出(chu)：上覆荷載越大，磷石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)也(ye)越大，荷載施加1年后，磷石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未達到穩(wen)定狀態，這(zhe)也(ye)是磷石膏(gao)堆積壩(ba)(ba)后期變(bian)形(xing)較(jiao)大的原因，原型觀測資料表明，在(zai)5級子壩(ba)(ba)河床部(bu)位(wei)的表面沉(chen)降量已經達到3.1m，且尚未完全穩(wen)定。

按時(shi)間對(dui)數(shu)法，可(ke)求得各級(ji)荷(he)載(zai)下(xia)的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如(ru)表3所(suo)示。試(shi)驗結(jie)(jie)(jie)果(guo)表明，在(zai)100～400kPa上覆荷(he)載(zai)作用下(xia)，在(zai)試(shi)驗時(shi)間范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚(shang)未完(wan)成(cheng)，實際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應(ying)更(geng)大。對(dui)土體而(er)言，發生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因(yin)是由于(yu)土體在(zai)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成(cheng)之后，土體中仍有微小(xiao)的(de)(de)超靜孔隙壓(ya)力存在(zai)，驅(qu)使水(shui)在(zai)顆(ke)粒問(wen)流動，一般來講土體的(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)遠(yuan)小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷(lin)石膏而(er)言，其滲透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量級(ji)，遠(yuan)大于(yu)黏性土，但其卻發生(sheng)了(le)極為顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原因(yin)在(zai)于(yu)磷(lin)石膏晶體結(jie)(jie)(jie)構發生(sheng)了(le)壓(ya)縮、破壞，接觸(chu)點晶格發生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞后晶格之間的(de)(de)重新排列、調整到最后趨于(yu)相對(dui)靜止需要(yao)相當(dang)長的(de)(de)時(shi)間才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采用英(ying)國GDS公(gong)司進口的(de)電機控制動三軸試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和(he)阻尼比

同樣(yang)由于自(zi)然(ran)沉積的磷(lin)石膏密(mi)度變化(hua)較大，為此根據物理(li)性質試(shi)驗結果，選擇兩種平均干(gan)密(mi)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)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模量G、阻尼(ni)比與(yu)剪(jian)應變幅值γd的關系式如(ru)下：

式(shi)中(zhong)k1為參數，表(biao)示動剪(jian)切(qie)模(mo)量的(de)衰減或阻尼(ni)比的(de)增長(chang)速率；λmax為最大阻尼(ni)比；Gmax，γd分別為最大動剪(jian)切(qie)模(mo)量和歸一化的(de)動剪(jian)應變(bian)，表(biao)示為

式中k2,n為(wei)(wei)參(can)數；σm為(wei)(wei)球(qiu)應力(li)；Pa為(wei)(wei)標準大(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14給(gei)(gei)(gei)出了動剪切模量、阻(zu)尼(ni)比與歸一化動應(ying)變的(de)(de)關系曲(qu)線(xian)(xian)，另外圖中還給(gei)(gei)(gei)出了式(1)的(de)(de)擬合曲(qu)線(xian)(xian)以及Seed等給(gei)(gei)(gei)出的(de)(de)砂樣(yang)的(de)(de)上下邊界(jie)線(xian)(xian)，圖例中，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結(jie)應(ying)力比。

從圖(tu)(tu)中可以看出：①式(1)可較(jiao)(jiao)(jiao)好(hao)地(di)描述磷石膏的(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)(ying)變(bian)試驗曲線(xian)(xian)(xian)，表明(ming)(ming)(ming)采用(yong)(yong)等(deng)價(jia)黏(nian)彈(dan)性(xing)模(mo)型進行循環荷載作用(yong)(yong)下的(de)(de)分析是可行的(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中干密(mi)(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)(xian)(xian)位于(yu)干密(mi)(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)(xian)(xian)上(shang)方(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中則(ze)位于(yu)下方(fang)，表明(ming)(ming)(ming)密(mi)(mi)度越大，動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越大、阻(zu)(zu)尼比(bi)越小；③圖(tu)(tu)14(a)中，兩種(zhong)干密(mi)(mi)度的(de)(de)擬合線(xian)(xian)(xian)基本(ben)位于(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)邊界線(xian)(xian)(xian)上(shang)方(fang)，而圖(tu)(tu)14(b)中則(ze)基本(ben)處于(yu)邊界線(xian)(xian)(xian)中間，表明(ming)(ming)(ming)相比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)砂樣，磷石膏動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)(jiao)(jiao)大，會(hui)導致磷石膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)較(jiao)(jiao)(jiao)大，但由于(yu)阻(zu)(zu)尼比(bi)也較(jiao)(jiao)(jiao)大，這(zhe)樣又會(hui)削弱壩體(ti)(ti)的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)(de)相互影響下，磷石膏堆(dui)積(ji)壩壩體(ti)(ti)的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)將(jiang)不(bu)會(hui)過于(yu)強烈，這(zhe)對磷石膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干密度為1.12(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞標準為總應變達(da)到10%。

圖15給出(chu)了(le)動剪應(ying)力比(bi)τd/σ0′與破壞(huai)振次Nf的(de)關系曲(qu)線圖，其中σ0為振前(qian)試(shi)樣45°面上的(de)有效法向應(ying)力，表(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比(bi)。從試(shi)驗結(jie)果可以看(kan)出(chu)，沉積磷石膏(gao)的(de)動強度(du)與其它(ta)土體相似，表(biao)現(xian)為圍壓(ya)和固結(jie)應(ying)力比(bi)與動剪應(ying)力比(bi)呈負相關關系。

為(wei)判別(bie)沉積(ji)磷石膏的抗液(ye)化能力，假定抗震設計烈度為(wei)8度，即等(deng)效振(zhen)次Ⅳ可(ke)取為(wei)30。首(shou)先由式(4)

所(suo)示的(de)冪函數關系式得到(dao)振(zhen)次為30時(shi)各個圍壓和固結比下(xia)的(de)動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動(dong)剪(jian)應(ying)力比與(yu)圍壓和固結應(ying)力比的關系式：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。

從上述(shu)擬(ni)合關系式(shi)可見，密實(shi)度提高(gao)后，動(dong)剪應(ying)力(li)比提高(gao)，表(biao)明抗液(ye)化能力(li)也提高(gao)。但即使是在(zai)低密度下，其動(dong)剪應(ying)力(li)比較之同類的粉土或粉砂也大出許多(duo)，表(biao)明磷(lin)石(shi)膏具(ju)有較高(gao)的抗液(ye)化能力(li)。

三、結論

依托柳樹(shu)箐磷石膏(gao)堆(dui)積壩，在鉆探取樣(yang)工作(zuo)的基礎上，首先開展了(le)物理性質(zhi)試(shi)驗(yan)，然(ran)后開展了(le)靜(jing)動力力學(xue)特性試(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)研(yan)究，得(de)出(chu)如下結(jie)論：

(1)沉積磷(lin)石膏總體上屬于級(ji)配不(bu)良的(de)(de)粉土(tu)，局部(bu)屬于粉砂一(yi)中砂，無(wu)自然分級(ji)現象(xiang)。其干密(mi)度和(he)粒徑變(bian)化隨埋(mai)深或距放漿口距離的(de)(de)變(bian)化不(bu)明顯(xian)。

(2)沉積(ji)磷石膏水平方向的滲透系數大于垂直方向的滲透系數，呈現明顯的各向異性。

(3)與土體(ti)顆粒(li)不可壓(ya)縮不同，磷石膏的晶體(ti)結構會發生壓(ya)縮破壞，具有(you)較大的壓(ya)縮性，其次固結變(bian)形量遠大于主固結變(bian)形量。

(4)沉積磷(lin)石(shi)膏的靜動強(qiang)度較(jiao)之同等(deng)密(mi)實度下(xia)的粉土、粉砂(sha)要高(gao)。