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)石(shi)膏(gao)是(shi)濕法(fa)磷(lin)酸生(sheng)產(chan)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)副(fu)產(chan)品，2018年，全國(guo)(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)產(chan)生(sheng)量(liang)為(wei)7800萬噸，且呈逐年增長(chang)的(de)態勢。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)主要成分是(shi)CaO和SO3，但含有一(yi)定(ding)量(liang)的(de)氟化(hua)物(wu)和其它放射性物(wu)質(zhi)，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般(ban)工業固體廢物(wu)處理，鑒(jian)于無害化(hua)處理成本(ben)較高，目前綜合利用率尚(shang)不足(zu)40%，故大(da)部分磷(lin)石(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)(cun)場地(di)的(de)不同，可分為(wei)平(ping)地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)基本(ben)上是(shi)山(shan)谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場。相比較干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)經濟優勢明顯，因而如地(di)質(zhi)條件(jian)為(wei)非碳酸鹽巖(yan)地(di)區，一(yi)般(ban)均(jun)采用濕排(pai)濕堆(dui)(dui)方式(shi)。隨著(zhu)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)磷(lin)肥(fei)工業的(de)快速發展，本(ben)世紀初(chu)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)相繼建設了幾座濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)，例如云(yun)天化(hua)國(guo)(guo)際化(hua)工三(san)環分公(gong)司(si)(si)的(de)柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩和富瑞(rui)分公(gong)司(si)(si)的(de)楊家箐磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩，這兩座壩設計壩高均(jun)超(chao)過(guo)100m、處于8度地(di)震區，其安全性備受(shou)關注。

據統計(ji)，110多年(1901年一2013年)來(lai)，全(quan)世界(jie)有(you)118座尾礦(kuang)(kuang)壩曾發生(sheng)(sheng)過破壞或潰壩事(shi)故(gu)，原因(yin)主要(yao)有(you)地震、洪水漫頂、滲透破壞和基礎失穩。尾礦(kuang)(kuang)庫失事(shi)后會造成巨大(da)的生(sheng)(sheng)態災難和人員傷亡，近幾十年來(lai)，

國內(nei)外對(dui)金屬(shu)尾礦(kuang)的(de)沉積(ji)(ji)規律、物理力(li)學特性及(ji)其(qi)穩(wen)定性開(kai)展了大量的(de)研究，但對(dui)于與金屬(shu)尾礦(kuang)庫(ku)相近的(de)磷(lin)石膏庫(ku)，一般(ban)僅限于在可研階段采(cai)用人工制備(bei)樣進行物理力(li)學性質試驗，并據此進行穩(wen)定性分析，尚(shang)未有(you)人針對(dui)己(ji)運行若干年的(de)大型濕法(fa)堆存磷(lin)石膏堆積(ji)(ji)壩(ba)開(kai)展過磷(lin)石膏沉積(ji)(ji)規律及(ji)其(qi)物理力(li)學特性的(de)專項研究。

本文(wen)依托柳樹(shu)箐磷(lin)石膏(gao)(gao)堆積壩(ba)，首先進行了(le)鉆探取樣，采用(yong)原狀樣開展了(le)密度、含(han)水率(lv)、滲(shen)(shen)透(tou)(tou)、土水特(te)(te)(te)征和顆(ke)分等物(wu)理性(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)，在此基(ji)礎上有針對(dui)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)選擇原狀樣開展了(le)三軸(zhou)CU、蠕變及(ji)(ji)動三軸(zhou)等力學特(te)(te)(te)性(xing)(xing)試(shi)驗(yan)。通過(guo)上述(shu)試(shi)驗(yan)研(yan)究，總結了(le)磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)沉積規律、滲(shen)(shen)透(tou)(tou)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)、滲(shen)(shen)透(tou)(tou)破壞特(te)(te)(te)性(xing)(xing)以及(ji)(ji)靜動力特(te)(te)(te)性(xing)(xing)，上述(shu)研(yan)究工作對(dui)研(yan)究和評估磷(lin)石膏(gao)(gao)庫堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)穩定(ding)性(xing)(xing)提供了(le)基(ji)礎數據，對(dui)現行磷(lin)石膏(gao)(gao)庫的(de)(de)(de)(de)運行管理以及(ji)(ji)新(xin)建工程的(de)(de)(de)(de)設計(ji)具有重要的(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

一(yi)、依托工程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩堆存設計方案

由初(chu)期壩和堆積(ji)壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初(chu)期壩

初(chu)期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土料(liao)填筑。上(shang)游坡面(mian)、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置堆(dui)石排水體，三(san)者相連通構成整個堆(dui)積(ji)壩(ba)的主要排滲系(xi)統。

(2)堆積壩(ba)及其(qi)輔(fu)助排滲(shen)措(cuo)施

采用上游(you)式筑壩(ba)法，共(gong)20級(ji)(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆(dui)積高度(du)約100m。采用排(pai)滲(shen)管(guan)網作為輔助排(pai)滲(shen)方案，目前己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)和13級(ji)(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范圍內(nei)設置了井字形排(pai)滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積磷石膏的(de)鉆探取樣

鉆孔(kong)平面(mian)位置見圖l。2008年6月(yue)，堆(dui)積至5級子(zi)(zi)壩(ba)時，布設了9個(ge)取樣鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取原(yuan)狀樣76件(jian)；2013年5月(yue)，堆(dui)積至13級子(zi)(zi)壩(ba)時，又(you)布設了11個(ge)取樣鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取原(yuan)狀樣112件(jian)，為(wei)比較(jiao)子(zi)(zi)壩(ba)加高和磷石(shi)膏堆(dui)積過程中磷石(shi)膏物理力(li)學(xue)性質的(de)變(bian)化，在2，4級子(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附(fu)近各(ge)布設了一個(ge)鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編(bian)號(hao)分別為(wei)K17和K18。

1.3運行(xing)概況

柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)尾礦庫(ku)2005年開工建設(she)，2006年1月投入(ru)運(yun)行(xing)，截(jie)至(zhi)2013年5月己堆(dui)(dui)至(zhi)13級子(zi)(zi)壩(ba)，尚有7級子(zi)(zi)壩(ba)即(ji)堆(dui)(dui)存(cun)至(zhi)設(she)計(ji)高(gao)程。鑒于磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)地形、地質(zhi)條件較好，具備(bei)擴容(rong)改造的條件，以(yi)提(ti)高(gao)堆(dui)(dui)存(cun)庫(ku)容(rong)，減(jian)少堆(dui)(dui)存(cun)占地，節約土地資源。

本文主要對沉積磷石膏的物理(li)力學特(te)性進(jin)行了全面總結，限于篇幅，有關現(xian)狀磷石膏庫堆(dui)積壩的安全性評價及其加高(gao)可行性的研究將另文發表。

二、沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)物理力學(xue)特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分(fen)布

圖2給出(chu)了14個鉆孔(kong)的(de)(de)(de)取樣(yang)深度(du)和(he)試(shi)驗(yan)所得干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)關系，圖中(zhong)UWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)，(系鉆孔(kong)期間的(de)(de)(de)初見水(shui)(shui)位(wei)線，下(xia)同)，DWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線下(xia)。圖3給出(chu)了水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)下(xia)的(de)(de)(de)飽和(he)度(du)分(fen)布圖。由于磷(lin)石膏中(zhong)的(de)(de)(de)主要成分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和(he)烘(hong)烤時間對測(ce)定(ding)結果(guo)有一定(ding)影響，不能照搬現行的(de)(de)(de)土工(gong)試(shi)驗(yan)規范(fan)，本(ben)文(wen)磷(lin)石膏的(de)(de)(de)含(han)水(shui)(shui)率測(ce)定(ding)方(fang)法為(wei)55℃溫度(du)下(xia)烘(hong)培24h。

圖(tu)2沉(chen)積磷石(shi)膏干密(mi)度與埋(mai)深的關系

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

由圖(tu)3，水位(wei)(wei)線上的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)(bao)和度平(ping)均值(zhi)為50.4%，處于非飽(bao)(bao)和狀(zhuang)態，水位(wei)(wei)線以下的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)(bao)和度平(ping)均值(zhi)為85.0%，基本處于飽(bao)(bao)和狀(zhuang)態，由于水位(wei)(wei)下降后磷(lin)石(shi)膏來不及排水固結(jie)，故而水位(wei)(wei)線上局部試樣的飽(bao)(bao)和度較高(gao)。

由(you)圖(tu)2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)干(gan)(gan)密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)與一般的(de)尾礦有所(suo)不(bu)同，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度并不(bu)隨埋深的(de)增大而明顯增大，但水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)(gan)密(mi)度從統計意義上來看仍大于水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)(gan)密(mi)度，這主(zhu)要是由(you)于水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)的(de)變化反復升降(jiang)而使得磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)(shui)固結所(suo)致。

室內(nei)擊(ji)實(shi)得(de)到(dao)的(de)磷石(shi)膏(gao)最大(da)干密(mi)度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出(chu)，自然沉積(ji)的(de)磷石(shi)膏(gao)最大(da)干密(mi)度可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因(yin)如下(xia)：與經典(dian)的(de)土骨(gu)架(jia)不(bu)可(ke)壓縮(suo)的(de)理論不(bu)同，石(shi)膏(gao)本身可(ke)壓縮(suo)，同時(shi)由于顆粒結構(gou)不(bu)穩定，擊(ji)實(shi)試(shi)驗(yan)過程中(zhong)磷石(shi)膏(gao)結構(gou)被破壞，受夯(hang)擊(ji)處下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現(xian)(xian)了類似于橡皮土的(de)現(xian)(xian)象。而在(zai)現(xian)(xian)場條件下(xia)，石(shi)膏(gao)骨(gu)架(jia)被破壞后，會導致(zhi)顆粒中(zhong)的(de)結合水滲(shen)出(chu)至孔(kong)(kong)隙內(nei)，變成孔(kong)(kong)隙水，排水固結后會使得(de)磷石(shi)膏(gao)的(de)孔(kong)(kong)隙比減小(xiao)，干密(mi)度增大(da)。

圖4給出了(le)相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔K2和K17(位于2級子壩河床(chuang)部(bu)(bu)位)以及相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔K6和K18(位于4級子壩河床(chuang)部(bu)(bu)位)干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之間(jian)(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之間(jian)(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之間(jian)(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之間(jian)(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來看，磷石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)也并未隨后續磷石膏的(de)(de)堆積(ji)而有較為(wei)(wei)明(ming)顯的(de)(de)增(zeng)大。

(2)級配(pei)分布

顆(ke)粒(li)(li)分析試驗采(cai)用密度計法，制(zhi)備懸液(ye)時(shi)不煮沸(fei)，不加六偏磷酸鈉(na)。圖5給(gei)出了試驗得到的(de)級(ji)配包線、平均(jun)(jun)粒(li)(li)徑d50、不均(jun)(jun)勻(yun)系數(1u和曲(qu)率系數Cc的(de)分布圖。

從(cong)圖5(a)可(ke)見，磷石膏(gao)的粒(li)徑(jing)主要分(fen)(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于粉土，但可(ke)能(neng)由于礦石來源(yuan)或生(sheng)產工藝有(you)所不同，局部屬于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑(jing)分(fen)(fen)布范圍比Blight和張超等的試驗結果要寬一些。

圖4子壩加高后(hou)沉積磷石膏的干密度變(bian)化(hua)

圖(tu)5沉積磷(lin)石膏的平均粒(li)徑和級配(pei)分(fen)布

由(you)圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向(xiang)還是(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)石膏(gao)與金屬(shu)(shu)礦(kuang)(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下細(xi)”的(de)(de)自(zi)然分(fen)級現象不(bu)(bu)同(tong)，也即(ji)粗(cu)顆(ke)粒(li)并不(bu)(bu)是(shi)沿埋(mai)深逐(zhu)步減小(xiao)或(huo)距離放漿口越遠顆(ke)粒(li)越細(xi)，其原因如下：①磷(lin)石膏(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑組成較為(wei)(wei)集中(zhong)、均勻，主要以(yi)粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)(wei)主，級配較差；②相比較金屬(shu)(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比重較小(xiao)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比重一般為(wei)(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)比重，例如鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)比重可達2.9；③放漿口隨子壩高(gao)度不(bu)(bu)斷增(zeng)加而(er)不(bu)(bu)斷變(bian)(bian)動并向(xiang)庫尾(wei)延伸，造成沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)粒(li)徑變(bian)(bian)化不(bu)(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻(yun)系數(shu)Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平均(jun)值為(wei)4.18，曲率系數(shu)(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平均(jun)值為(wei)1.21，在統(tong)計(ji)的100多個試樣中(zhong)，屬于級配不良土的占93%。這種級配特(te)性決定了磷石膏(gao)具有較高的壓縮性、滲透破壞(huai)型式(shi)表現為(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透(tou)系數

影響(xiang)滲透(tou)系(xi)數的主要因素是粒(li)徑大小(xiao)、級配(pei)和孔(kong)隙比，因而磷(lin)石膏的滲透(tou)系(xi)數與(yu)粉(fen)土較(jiao)(jiao)為(wei)接近。由于(yu)孔(kong)隙比e減小(xiao)，使得過水通道面(mian)積減小(xiao)，滲透(tou)系(xi)數k也將(jiang)減小(xiao)，k與(yu)e呈正相(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)。對砂土，一(yi)般認為(wei)滲透(tou)系(xi)數k與(yu)e3/(1+e)的線性關(guan)(guan)系(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給(gei)出了(le)二者間的關(guan)(guan)系(xi)曲線，由于(yu)沉(chen)(chen)積磷(lin)石膏的不均(jun)勻系(xi)數變化(hua)較(jiao)(jiao)大，使得沉(chen)(chen)積磷(lin)石膏的滲透(tou)系(xi)數變化(hua)范圍較(jiao)(jiao)大(平(ping)均(jun)值為(wei)10-4cm/s數量級)，二者問的線性關(guan)(guan)系(xi)較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲透系數與孔隙比(bi)的關系

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

圖(tu)7給(gei)出(chu)了水(shui)平(ping)與(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數比值(zhi)的分布。沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏(gao)的水(shui)平(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數kh一般大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)的滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約為2.86，這一點與(yu)成層分布的金屬尾礦規(gui)律一致。造成沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏(gao)水(shui)平(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數的原因是由于(yu)磷(lin)石膏(gao)具有明顯(xian)的晶(jing)體結構，電鏡掃(sao)描顯(xian)示(shi)多(duo)為菱形(xing)和棱(leng)柱(zhu)狀形(xing)式(見圖(tu)8)，在(zai)沉(chen)積(ji)過程中，由于(yu)扁平(ping)狀磷(lin)石膏(gao)顆粒多(duo)呈(cheng)水(shui)平(ping)排列，使得水(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)的透(tou)(tou)水(shui)性大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)的透(tou)(tou)水(shui)性，從而使磷(lin)石膏(gao)呈(cheng)現(xian)明顯(xian)的各向(xiang)異性。

另根(gen)據中國有色金屬工業昆(kun)明勘察設計研究院在楊家箐(qing)磷(lin)石膏堆積壩(ba)開展的(de)現場滲(shen)透試驗(yan)(yan)(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均值(zhi)約為1.9。但張超等的(de)室內試驗(yan)(yan)(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)均值(zhi)約為0.46，也(ye)即垂直向滲(shen)透系(xi)(xi)數大(da)于水平(ping)向滲(shen)透系(xi)(xi)數，與本(ben)文和(he)現場試驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從磷(lin)石膏的(de)微觀結(jie)構來看，本(ben)文試驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果(guo)更(geng)為合理。

圖7沉積(ji)磷石膏干密度與水平和垂直(zhi)滲透系數比(bi)值的關系

(2)滲透變形(xing)

圖9為(wei)磷(lin)石膏(gao)干(gan)密(mi)度為(wei)1.40g/cm3的(de)水力梯(ti)度J與流速(su)V的(de)關系曲線(xian)，試(shi)驗在水平(ping)管涌儀中采用水平(ping)方向的(de)滲流形式進行。試(shi)驗得到的(de)臨界坡(po)(po)降Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)(po)降Jp=0.375。一般來(lai)說，對(dui)1，2級工程(cheng)，滲透(tou)安全(quan)系數(shu)取為(wei)2.5，則允許(xu)(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)工程(cheng)，滲透(tou)安全(quan)系數(shu)取2.0，則允許(xu)(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降為(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允許(xu)(xu)比降與粉土一粉砂(sha)大(da)致相同。但(dan)(dan)上述滲透(tou)變形試(shi)驗是采用自來(lai)水進行的(de)，自來(lai)水對(dui)磷(lin)石膏(gao)具(ju)有一定的(de)溶(rong)蝕作用，而實際上磷(lin)石膏(gao)中殘余磷(lin)、硫(liu)和氟酸(suan)，庫水的(de)pH值一般小(xiao)于(yu)3(稱(cheng)之為(wei)酸(suan)性水)，在酸(suan)性水作用下(xia)，磷(lin)石膏(gao)不(bu)會發(fa)生破壞(huai)，上述試(shi)驗結果是偏(pian)于(yu)保守的(de)，但(dan)(dan)對(dui)非酸(suan)性水條件(例如特(te)大(da)暴(bao)雨)下(xia)的(de)滲透(tou)穩定判(pan)斷有一定的(de)借(jie)鑒意(yi)義。

圖9水(shui)力梯度J-流速v試(shi)驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土(tu)水特征(zheng)試驗

試驗在5Bar的壓力板(ban)儀中進行(xing)，環刀尺寸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(lie)出了含水率特(te)征(zheng)值，試驗曲線(xian)見圖10所示。

試(shi)驗(yan)結果表明：①干密度(du)(du)對(dui)進氣(qi)值(zhi)沒有明顯的(de)(de)影響，不同(tong)干密度(du)(du)的(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)進氣(qi)值(zhi)大(da)致在10kPa左右(you)；②土(tu)樣殘(can)余(yu)含(han)水率(lv)隨干密度(du)(du)的(de)(de)增加而減少，殘(can)余(yu)含(han)水率(lv)約為(wei)飽和(he)含(han)水率(lv)的(de)(de)10%。上(shang)述特性與(yu)粉土(tu)一(yi)粉砂基本(ben)一(yi)致。

2.3靜(jing)力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷(lin)石膏的(de)(de)(de)密(mi)度(du)變化較大，而進行三(san)軸(zhou)試驗需要若干原狀(zhuang)樣，為(wei)(wei)使試驗結(jie)果(guo)具有較好的(de)(de)(de)一致性，有針對性的(de)(de)(de)選(xuan)擇(ze)平(ping)均(jun)干密(mi)度(du)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)(de)(de)若干試樣，進行了5組三(san)軸(zhou)CU試驗。圖11是為(wei)(wei)干密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)(de)三(san)軸(zhou)CU試驗曲線(xian)。

從圖11可以看(kan)出，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)應力應變關系曲(qu)線在(zai)低圍(wei)壓下表現為軟化(hua)型(xing)，在(zai)高圍(wei)壓下表現為硬(ying)化(hua)型(xing)，與(yu)一般(ban)土類相似。但與(yu)一般(ban)粉(fen)土一粉(fen)砂不同的(de)是(shi)，即(ji)使在(zai)較為疏松的(de)狀態(tai)下，磷石(shi)(shi)膏(gao)仍(reng)表現了較為強烈(lie)的(de)剪脹，隨密實度(du)增大，剪脹作用(yong)愈發明顯。

表2給出了不(bu)(bu)同(tong)干(gan)密(mi)度(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)，圖12給出了內摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)關系曲線(xian)。隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)也(ye)(ye)隨之增(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采用冪函(han)數較(jiao)(jiao)好地擬(ni)合。磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲線(xian)求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)為(wei)9.4%，有效(xiao)應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)為(wei)3.2%，由(you)于(yu)隨圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也(ye)(ye)明(ming)顯增(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有效(xiao)摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)較(jiao)(jiao)之總應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)要(yao)小。另外較(jiao)(jiao)之于(yu)干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)，摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)并不(bu)(bu)顯著，表明(ming)即使較(jiao)(jiao)為(wei)疏(shu)松的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)仍(reng)具(ju)有較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)(de)強度(du)指標，這也(ye)(ye)表明(ming)磷石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次固(gu)結)變(bian)形試(shi)驗

磷石膏的蠕變變形試(shi)驗在側限壓縮儀中進(jin)行(xing)，試(shi)驗狀態相(xiang)當(dang)于K0固結。試(shi)樣(yang)直徑(jing)61.8mm，高(gao)度(du)20mm，試(shi)樣(yang)干(gan)密(mi)度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)飽和后分別開展了(le)上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

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

從(cong)圖13中可以看出：上覆荷載越(yue)大，磷(lin)石膏(gao)的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)也越(yue)大，荷載施加1年后，磷(lin)石膏(gao)的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)仍非常顯(xian)著(zhu)，尚未達(da)到穩定(ding)狀態(tai)，這也是磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩(ba)后期(qi)變(bian)形(xing)(xing)較(jiao)大的原(yuan)因，原(yuan)型觀測資(zi)料表明，在5級子壩(ba)河(he)床部(bu)位的表面沉(chen)降量已經達(da)到3.1m，且尚未完全穩定(ding)。

按時間(jian)對數(shu)法(fa)，可求得各級(ji)荷(he)載下(xia)的(de)主(zhu)次(ci)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)量如表(biao)3所(suo)示。試驗(yan)結(jie)果表(biao)明，在100～400kPa上(shang)覆荷(he)載作(zuo)用下(xia)，在試驗(yan)時間(jian)范圍內(nei)蠕(ru)變(bian)(次(ci)固結(jie))變(bian)形(xing)(xing)(xing)是(shi)主(zhu)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完成，實際的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)應更(geng)大。對土體(ti)而言，發(fa)生(sheng)(sheng)蠕(ru)變(bian)的(de)原因是(shi)由(you)于(yu)土體(ti)在主(zhu)固結(jie)完成之后，土體(ti)中(zhong)仍有微小的(de)超靜孔隙壓力(li)存在，驅使水在顆粒問流(liu)動，一般來講土體(ti)的(de)次(ci)固結(jie)遠(yuan)小于(yu)主(zhu)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)；對磷石膏而言，其(qi)滲透系(xi)數(shu)在10-4cm/s數(shu)量級(ji)，遠(yuan)大于(yu)黏性(xing)土，但其(qi)卻發(fa)生(sheng)(sheng)了(le)極為顯著的(de)次(ci)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)，其(qi)原因在于(yu)磷石膏晶體(ti)結(jie)構發(fa)生(sheng)(sheng)了(le)壓縮、破壞(huai)，接觸(chu)點晶格發(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和變(bian)形(xing)(xing)(xing)，而破壞(huai)后晶格之間(jian)的(de)重新排列(lie)、調整到(dao)最后趨(qu)于(yu)相(xiang)對靜止需要相(xiang)當長的(de)時間(jian)才(cai)能(neng)完成。

2.4動(dong)力力學特(te)性(xing)

試驗(yan)設備采(cai)用英國GDS公司進口的電機控制(zhi)動三軸試驗(yan)系統，試樣直徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由于自然(ran)沉(chen)積的(de)磷石膏密(mi)度變化(hua)較大，為此(ci)根據物(wu)理性質試驗(yan)結果，選擇兩種平均干密(mi)度1.34g/cm3(變化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模量G、阻尼比與剪(jian)應變幅(fu)值(zhi)γd的關系式如下：

式中(zhong)k1為(wei)參(can)數，表示(shi)動剪(jian)切模量的衰(shuai)減或(huo)阻尼比(bi)的增(zeng)長速率(lv)；λmax為(wei)最大(da)阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最大(da)動剪(jian)切模量和(he)歸一(yi)化的動剪(jian)應(ying)變，表示(shi)為(wei)

式中(zhong)k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)歸一化的(de)動(dong)應變，表達(da)為(wei)

圖14給(gei)(gei)出了動剪(jian)切模(mo)量、阻尼(ni)比(bi)與歸一化動應(ying)變的(de)(de)關(guan)系曲線(xian)，另外圖中(zhong)還給(gei)(gei)出了式(shi)(1)的(de)(de)擬(ni)合曲線(xian)以(yi)及Seed等(deng)給(gei)(gei)出的(de)(de)砂樣的(de)(de)上下邊界線(xian)，圖例(li)中(zhong)，σ2表示圍壓，Kc表示固結應(ying)力比(bi)。

從(cong)圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描(miao)述磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應力-動(dong)(dong)(dong)應變試驗曲線(xian)(xian)(xian)，表(biao)明(ming)采用(yong)等價黏彈(dan)性模(mo)型進行(xing)(xing)循(xun)環(huan)荷載作用(yong)下的(de)(de)(de)分(fen)析是可(ke)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)干密(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)(xian)位(wei)于干密(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)(xian)上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)則(ze)位(wei)于下方，表(biao)明(ming)密(mi)度(du)越(yue)大，動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)大、阻尼比越(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，兩種干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)(xian)基本位(wei)于Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)邊界(jie)線(xian)(xian)(xian)上方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)則(ze)基本處于邊界(jie)線(xian)(xian)(xian)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間，表(biao)明(ming)相比較(jiao)(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)(jiao)大，會(hui)導致(zhi)磷(lin)(lin)石膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)應較(jiao)(jiao)大，但由于阻尼比也較(jiao)(jiao)大，這樣(yang)又會(hui)削弱(ruo)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)應，二者的(de)(de)(de)相互影響(xiang)下，磷(lin)(lin)石膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)應將不會(hui)過于強烈(lie)，這對磷(lin)(lin)石膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)抗(kang)震穩定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇兩種平均(jun)干密度為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)進行試驗，破壞標準為總應變(bian)達(da)到10%。

圖15給出(chu)了動剪(jian)應(ying)(ying)力(li)比τd/σ0′與破壞振(zhen)次Nf的關(guan)(guan)系曲(qu)線圖，其中σ0為(wei)(wei)振(zhen)前試樣45°面(mian)上的有效法(fa)向應(ying)(ying)力(li)，表(biao)達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結比。從(cong)試驗結果可(ke)以看(kan)出(chu)，沉積磷石膏的動強度與其它土體(ti)相似，表(biao)現為(wei)(wei)圍壓和固結應(ying)(ying)力(li)比與動剪(jian)應(ying)(ying)力(li)比呈負相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。

為判別沉積磷石膏的抗液化(hua)能(neng)力，假定抗震設(she)計烈度為8度，即(ji)等效振次Ⅳ可取(qu)為30。首先由式(4)

所示(shi)的(de)冪函數關系式得到振次為30時各個(ge)圍壓和固(gu)結比下(xia)的(de)動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求得動剪應力比與(yu)圍壓和固結(jie)應力比的(de)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。

從上述擬(ni)合關系式(shi)可見，密實度提(ti)高(gao)后，動(dong)剪應(ying)力比(bi)提(ti)高(gao)，表(biao)明抗液(ye)化(hua)能力也提(ti)高(gao)。但即使(shi)是在低密度下，其動(dong)剪應(ying)力比(bi)較(jiao)之同類的粉(fen)土(tu)或粉(fen)砂(sha)也大出許多，表(biao)明磷石膏具有較(jiao)高(gao)的抗液(ye)化(hua)能力。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開展了物理(li)性質試(shi)驗(yan)，然后開展了靜動力力學特性試(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)研究，得出如(ru)下(xia)結論(lun)：

(1)沉積磷石膏總體上屬(shu)于級配(pei)不良的粉(fen)土，局部屬(shu)于粉(fen)砂一中砂，無自(zi)然分級現象。其干密(mi)度和粒徑(jing)變化隨(sui)埋深或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離的變化不明顯。

(2)沉積磷(lin)石膏水平方(fang)向的滲透系(xi)數大(da)于垂直方(fang)向的滲透系(xi)數，呈現明(ming)顯的各向異性。

(3)與(yu)土(tu)體(ti)顆粒不(bu)可(ke)壓縮不(bu)同，磷(lin)石膏的(de)(de)晶體(ti)結構會發生(sheng)壓縮破壞，具(ju)有較大的(de)(de)壓縮性，其次(ci)固(gu)結變形(xing)量遠大于主固(gu)結變形(xing)量。

(4)沉積磷(lin)石膏的靜動強度較之(zhi)同等密實度下的粉(fen)(fen)土、粉(fen)(fen)砂要高。