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)是磷(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)(chan)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)副產(chan)(chan)品，目前的(de)(de)(de)(de)綜合利用率尚不足40%，大部分需要堆存存放。受地形限(xian)制和經濟效益考慮，中國(guo)主要為(wei)濕法堆存的(de)(de)(de)(de)山(shan)谷型堆場。依(yi)托柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩，針對沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)首先開(kai)展(zhan)了密度(du)、含水率、滲透、土水特征和顆分等物理性(xing)(xing)(xing)質試(shi)驗，然后開(kai)展(zhan)了三軸(zhou)cu、蠕(ru)變(bian)及動(dong)三軸(zhou)等力學特性(xing)(xing)(xing)試(shi)驗。試(shi)驗結果(guo)表明：①沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干密度(du)與(yu)埋深沒有相關關系；②沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不具(ju)(ju)有自(zi)然分級現(xian)象(xiang)，但具(ju)(ju)有明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)各向(xiang)異性(xing)(xing)(xing)；③沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)(ju)有較高的(de)(de)(de)(de)摩擦角和抗液化能力，但其蠕(ru)變(bian)變(bian)形較大、滲透比降(jiang)較小(xiao)。上述工作為(wei)分析磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)壩體(ti)穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)提(ti)供了基(ji)礎，對現(xian)行(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫的(de)(de)(de)(de)運行(xing)(xing)管理以及新建工程的(de)(de)(de)(de)設(she)計(ji)具(ju)(ju)有重要的(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)是(shi)(shi)濕(shi)法磷(lin)(lin)(lin)酸(suan)生產過程中(zhong)(zhong)的(de)副產品，2018年(nian)，全國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)產生量為7800萬噸，且呈逐年(nian)增(zeng)長的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)主要(yao)成分是(shi)(shi)CaO和SO3，但含有一(yi)定量的(de)氟化(hua)物(wu)和其(qi)它放(fang)射性物(wu)質，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般(ban)(ban)工(gong)業(ye)固體廢(fei)物(wu)處理，鑒于無害(hai)化(hua)處理成本較(jiao)高(gao)，目前(qian)綜(zong)合(he)利用率尚不(bu)足40%，故大部分磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)需(xu)要(yao)堆存存放(fang)。按堆存場地的(de)不(bu)同(tong)，可分為平地型、傍山型、山谷型和截(jie)河(he)型堆場，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)基本上是(shi)(shi)山谷型堆場。相比較(jiao)干(gan)法堆存，濕(shi)法堆存經濟優勢明顯，因而如(ru)地質條件為非碳酸(suan)鹽巖地區，一(yi)般(ban)(ban)均(jun)采(cai)用濕(shi)排濕(shi)堆方式。隨(sui)著(zhu)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥工(gong)業(ye)的(de)快速發展，本世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)相繼建(jian)設(she)了幾座(zuo)(zuo)濕(shi)法堆存的(de)大型磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫，例如(ru)云天化(hua)國(guo)(guo)(guo)際化(hua)工(gong)三環分公司的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫堆積(ji)壩(ba)(ba)和富(fu)瑞分公司的(de)楊家箐磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫堆積(ji)壩(ba)(ba)，這兩座(zuo)(zuo)壩(ba)(ba)設(she)計壩(ba)(ba)高(gao)均(jun)超(chao)過100m、處于8度地震區，其(qi)安全性備受關(guan)注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一(yi)2013年(nian))來(lai)，全(quan)世界有118座尾礦(kuang)壩曾發生過(guo)破壞或潰壩事故，原因(yin)主(zhu)要有地(di)震(zhen)、洪水(shui)漫頂(ding)、滲透破壞和基礎失穩。尾礦(kuang)庫失事后會造(zao)成巨大的生態災難和人員(yuan)傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國(guo)內外(wai)對(dui)金(jin)(jin)屬(shu)尾礦的(de)(de)沉積(ji)規(gui)律、物(wu)理力學(xue)特(te)性(xing)及其(qi)穩(wen)定性(xing)開(kai)展了大量的(de)(de)研究，但對(dui)于與(yu)金(jin)(jin)屬(shu)尾礦庫相近的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)庫，一(yi)般僅(jin)限于在可研階段采用人(ren)工制(zhi)備樣進行(xing)物(wu)理力學(xue)性(xing)質試驗，并據此(ci)進行(xing)穩(wen)定性(xing)分(fen)析，尚(shang)未(wei)有人(ren)針對(dui)己運行(xing)若干(gan)年的(de)(de)大型濕法堆存磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩開(kai)展過磷(lin)石膏(gao)沉積(ji)規(gui)律及其(qi)物(wu)理力學(xue)特(te)性(xing)的(de)(de)專項(xiang)研究。

本文(wen)依托柳(liu)樹箐磷石(shi)膏堆積壩(ba)，首先進行了(le)(le)鉆探取(qu)樣，采用(yong)原(yuan)狀(zhuang)樣開展了(le)(le)密度、含水率、滲透、土水特征和(he)顆分等物理(li)(li)性(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)，在此基礎上(shang)有針(zhen)對(dui)性(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀(zhuang)樣開展了(le)(le)三(san)(san)軸CU、蠕變及動三(san)(san)軸等力學特性(xing)(xing)試(shi)驗(yan)。通過上(shang)述試(shi)驗(yan)研(yan)(yan)究，總結(jie)了(le)(le)磷石(shi)膏的(de)沉積規(gui)律(lv)、滲透特性(xing)(xing)、滲透破壞特性(xing)(xing)以(yi)(yi)及靜動力特性(xing)(xing)，上(shang)述研(yan)(yan)究工作(zuo)對(dui)研(yan)(yan)究和(he)評(ping)估磷石(shi)膏庫堆積壩(ba)的(de)穩定(ding)性(xing)(xing)提供(gong)了(le)(le)基礎數據，對(dui)現行磷石(shi)膏庫的(de)運行管理(li)(li)以(yi)(yi)及新建工程的(de)設(she)計具有重要的(de)借(jie)鑒(jian)意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆積壩堆存設計方(fang)案

由(you)初期壩和堆積壩組成，設計(ji)總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土(tu)料填筑。上游(you)坡面、壩(ba)底(di)和下游(you)壩(ba)腳設(she)置堆(dui)石排水體，三者相連(lian)通構成(cheng)整個堆(dui)積(ji)壩(ba)的主(zhu)要排滲(shen)系(xi)統。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲措(cuo)施

采(cai)用(yong)上游式筑壩(ba)法(fa)，共(gong)20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)用(yong)排(pai)(pai)滲管網作為輔助排(pai)(pai)滲方(fang)案，目前(qian)己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范圍內設置(zhi)了(le)井字形排(pai)(pai)滲管網。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔平面位(wei)置見(jian)圖l。2008年6月(yue)，堆(dui)積至5級子(zi)壩(ba)時(shi)，布(bu)(bu)設了9個取樣鉆(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)孔編號(hao)K1～K9，取原狀(zhuang)樣76件；2013年5月(yue)，堆(dui)積至13級子(zi)壩(ba)時(shi)，又(you)布(bu)(bu)設了11個取樣鉆(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)孔編號(hao)K10～K20，取原狀(zhuang)樣112件，為比(bi)較(jiao)子(zi)壩(ba)加高和磷石(shi)膏堆(dui)積過(guo)程中磷石(shi)膏物理力學性(xing)質(zhi)的(de)變化，在2，4級子(zi)壩(ba)K2孔和K6孔附近各布(bu)(bu)設了一(yi)個鉆(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)孔編號(hao)分別(bie)為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷石膏尾礦庫2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入(ru)運(yun)行(xing)，截至(zhi)2013年(nian)5月己(ji)堆至(zhi)13級子壩，尚有7級子壩即堆存(cun)至(zhi)設計(ji)高(gao)程(cheng)。鑒(jian)于磷石膏庫地(di)形、地(di)質條件(jian)(jian)較好，具備擴容改造的(de)條件(jian)(jian)，以提(ti)高(gao)堆存(cun)庫容，減(jian)少(shao)堆存(cun)占地(di)，節約土地(di)資源。

本(ben)文主要對沉積(ji)磷石(shi)膏的物(wu)理(li)力學(xue)特性進行了(le)全面總結，限于篇幅，有關現狀磷石(shi)膏庫堆積(ji)壩的安(an)全性評價及其加高可行性的研究將(jiang)另文發(fa)表。

二、沉積磷石膏(gao)的物(wu)理力學(xue)特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出了(le)14個鉆孔的(de)取樣深度(du)和試驗(yan)所得干密度(du)的(de)關(guan)系(xi)，圖(tu)中UWL表示水(shui)(shui)位線上，(系(xi)鉆孔期(qi)間的(de)初見水(shui)(shui)位線，下同)，DWL表示水(shui)(shui)位線下。圖(tu)3給(gei)出了(le)水(shui)(shui)位線上下的(de)飽和度(du)分布(bu)圖(tu)。由(you)于磷石膏(gao)(gao)中的(de)主要成(cheng)分為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同溫(wen)度(du)和烘(hong)(hong)烤(kao)時(shi)間對(dui)測定結(jie)果有一定影響，不(bu)(bu)能照搬(ban)現行(xing)的(de)土(tu)工試驗(yan)規范，本(ben)文磷石膏(gao)(gao)的(de)含水(shui)(shui)率測定方法為(wei)55℃溫(wen)度(du)下烘(hong)(hong)培(pei)24h。

圖2沉積(ji)磷石膏干密度與(yu)埋深的關系

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

由圖3，水位(wei)線上的(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度平(ping)均(jun)值為(wei)50.4%，處于(yu)(yu)非飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，水位(wei)線以下(xia)的(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度平(ping)均(jun)值為(wei)85.0%，基本(ben)處于(yu)(yu)飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，由于(yu)(yu)水位(wei)下(xia)降(jiang)后(hou)磷(lin)石膏來不及(ji)排水固結(jie)，故(gu)而水位(wei)線上局部試(shi)樣的(de)飽(bao)(bao)和(he)(he)度較高(gao)。

由圖(tu)2，水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上(shang)(shang)的(de)干密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下的(de)干密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石膏與(yu)一般的(de)尾礦有所(suo)不(bu)同，磷(lin)(lin)石膏的(de)干密(mi)度并不(bu)隨(sui)埋深的(de)增大而明顯增大，但水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)(lin)石膏干密(mi)度從(cong)統計意義上(shang)(shang)來看仍大于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上(shang)(shang)的(de)磷(lin)(lin)石膏干密(mi)度，這主要是由于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)隨(sui)庫水(shui)(shui)位(wei)的(de)變化反復升(sheng)降而使得磷(lin)(lin)石膏排(pai)水(shui)(shui)固結(jie)所(suo)致(zhi)。

室(shi)內擊實得(de)(de)到的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)度一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可(ke)(ke)以看出，自然(ran)沉積(ji)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)度可(ke)(ke)達到1.73g/cm3，原(yuan)因(yin)如(ru)下(xia)：與經典的(de)土骨架不可(ke)(ke)壓縮的(de)理論(lun)不同(tong)(tong)，石(shi)膏(gao)本身(shen)可(ke)(ke)壓縮，同(tong)(tong)時(shi)由(you)于顆粒結(jie)構不穩定，擊實試(shi)驗過程中磷(lin)石(shi)膏(gao)結(jie)構被破(po)壞(huai)，受夯擊處下(xia)陷，四周鼓起，出現(xian)(xian)了類似于橡皮(pi)土的(de)現(xian)(xian)象。而在現(xian)(xian)場條(tiao)件下(xia)，石(shi)膏(gao)骨架被破(po)壞(huai)后，會導致顆粒中的(de)結(jie)合(he)水(shui)滲(shen)出至孔隙內，變成孔隙水(shui)，排水(shui)固結(jie)后會使(shi)得(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)孔隙比減小(xiao)，干(gan)密(mi)度增大。

圖4給出(chu)了相鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位于(yu)2級子壩(ba)河(he)(he)床(chuang)部位)以(yi)及相鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位于(yu)4級子壩(ba)河(he)(he)床(chuang)部位)干(gan)密度的對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密度在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密度在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密度在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密度在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.37g/cm3。可見(jian)，即使從(cong)統計意義(yi)上(shang)來看，磷(lin)石膏的干(gan)密度也并未(wei)隨后續(xu)磷(lin)石膏的堆(dui)積而有較為明(ming)顯的增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試驗采(cai)用密度計法，制備懸(xuan)液時不(bu)(bu)(bu)煮沸，不(bu)(bu)(bu)加(jia)六偏(pian)磷(lin)酸鈉。圖(tu)5給出了試驗得到的級配包(bao)線、平(ping)均粒(li)徑d50、不(bu)(bu)(bu)均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的分布圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒徑主要分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于粉土，但可能由(you)于礦石來源或生產工(gong)藝有所(suo)不同，局部屬(shu)于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分(fen)布范(fan)圍比Blight和張(zhang)超等的試驗結果要寬一些。

圖4子(zi)壩(ba)加高(gao)后(hou)沉(chen)積磷石膏的干密度變化(hua)

圖5沉積磷(lin)石(shi)膏的平(ping)均粒(li)徑和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向還是(shi)垂(chui)直向，磷石(shi)膏(gao)(gao)與金屬(shu)礦山(shan)尾(wei)礦的(de)“前粗后(hou)細(xi)，上粗下細(xi)”的(de)自然分級(ji)現象不同(tong)，也(ye)即粗顆粒(li)并不是(shi)沿埋深逐步減小或距離放(fang)漿口越遠(yuan)顆粒(li)越細(xi)，其原因如(ru)下：①磷石(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)粒(li)徑組成(cheng)較(jiao)(jiao)為集(ji)中、均勻，主要以粉(fen)粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)配較(jiao)(jiao)差；②相比(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)金屬(shu)尾(wei)礦，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重較(jiao)(jiao)小，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重一般為2.3～2.4，遠(yuan)小于金屬(shu)尾(wei)礦的(de)比(bi)(bi)(bi)重，例如(ru)鐵尾(wei)礦的(de)比(bi)(bi)(bi)重可達2.9；③放(fang)漿口隨子壩高度不斷增加而不斷變動并向庫尾(wei)延(yan)伸，造(zao)成(cheng)沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)粒(li)徑變化不明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不均(jun)勻系(xi)數Cu范圍(wei)值1.61～21.5，平均(jun)值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范圍(wei)值0.28～9.78，平均(jun)值為(wei)1.21，在統計的100多個(ge)試樣中，屬于(yu)級配(pei)不良(liang)土的占93%。這種級配(pei)特(te)性決定了磷(lin)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)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的(de)主要因(yin)(yin)素是(shi)粒徑大小、級配和孔(kong)隙比(bi)，因(yin)(yin)而磷(lin)石膏的(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)與粉土較為(wei)接近。由(you)于孔(kong)隙比(bi)e減小，使(shi)(shi)得過水通道面積(ji)減小，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)k也將(jiang)減小，k與e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)。對砂(sha)土，一般(ban)認為(wei)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)較好，圖6給出了(le)二者間的(de)關(guan)(guan)系(xi)曲線(xian)，由(you)于沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)不(bu)均勻系(xi)數(shu)變化(hua)較大，使(shi)(shi)得沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)變化(hua)范(fan)圍較大(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)量級)，二者問的(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)較差。

圖(tu)6沉積(ji)磷石膏滲透系數與(yu)孔隙比的(de)關系

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

圖7給出了(le)水(shui)平(ping)(ping)與垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)比值的(de)分(fen)布。沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)的(de)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)kh一(yi)般大于(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為(wei)(wei)2.86，這一(yi)點與成(cheng)層分(fen)布的(de)金屬尾礦規律(lv)一(yi)致。造成(cheng)沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)大于(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)原(yuan)因是(shi)由于(yu)(yu)磷石(shi)膏(gao)具有明顯的(de)晶體結(jie)構，電鏡掃描顯示多為(wei)(wei)菱形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉(chen)積過程中，由于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)狀(zhuang)磷石(shi)膏(gao)顆粒多呈(cheng)水(shui)平(ping)(ping)排列，使得水(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透水(shui)性(xing)大于(yu)(yu)垂直(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透水(shui)性(xing)，從而(er)使磷石(shi)膏(gao)呈(cheng)現明顯的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另(ling)根據(ju)中國有色(se)金屬(shu)工(gong)業昆明(ming)勘察設計研究院在楊家箐磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩開展的現(xian)場滲(shen)(shen)透(tou)試驗，kh/kv的平均值約為(wei)1.9。但張超等的室(shi)內試驗顯示(shi)，kh/kv的平均值約為(wei)0.46，也即垂直向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數大于水平向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數，與本文和現(xian)場試驗結(jie)果(guo)恰恰相反。從磷石(shi)膏(gao)(gao)的微觀結(jie)構來看(kan)，本文試驗結(jie)果(guo)更為(wei)合(he)理。

圖7沉積磷石(shi)膏(gao)干密度(du)與水平(ping)和(he)垂直滲透(tou)系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)(wei)磷(lin)(lin)石膏干密(mi)度為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯(ti)度J與流速V的(de)(de)關系曲線，試(shi)驗在水(shui)平(ping)管(guan)涌儀中采用(yong)(yong)(yong)水(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)流形式(shi)進行。試(shi)驗得到的(de)(de)臨界坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般來(lai)說，對(dui)(dui)1，2級工程(cheng)，滲(shen)透(tou)安全系數取為(wei)(wei)(wei)2.5，則允(yun)許出逸(yi)坡(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下(xia)(xia)工程(cheng)，滲(shen)透(tou)安全系數取2.0，則允(yun)許出逸(yi)坡(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比降(jiang)與粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂大致相同(tong)。但(dan)上(shang)(shang)述滲(shen)透(tou)變形試(shi)驗是(shi)采用(yong)(yong)(yong)自來(lai)水(shui)進行的(de)(de)，自來(lai)水(shui)對(dui)(dui)磷(lin)(lin)石膏具有一(yi)(yi)定的(de)(de)溶蝕作用(yong)(yong)(yong)，而實際上(shang)(shang)磷(lin)(lin)石膏中殘余磷(lin)(lin)、硫(liu)和氟酸，庫水(shui)的(de)(de)pH值(zhi)一(yi)(yi)般小于3(稱之為(wei)(wei)(wei)酸性水(shui))，在酸性水(shui)作用(yong)(yong)(yong)下(xia)(xia)，磷(lin)(lin)石膏不(bu)會發生(sheng)破(po)壞，上(shang)(shang)述試(shi)驗結(jie)果是(shi)偏于保守(shou)的(de)(de)，但(dan)對(dui)(dui)非(fei)酸性水(shui)條(tiao)件(例如特(te)大暴雨)下(xia)(xia)的(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定判(pan)斷有一(yi)(yi)定的(de)(de)借鑒(jian)意(yi)義(yi)。

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

(3)土水特征試驗

試驗(yan)在5Bar的壓(ya)力(li)板(ban)儀中(zhong)進行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密(mi)度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試驗(yan)曲(qu)線見(jian)圖10所(suo)示(shi)。

試驗(yan)結果表明：①干(gan)密(mi)(mi)度對(dui)進氣值沒有明顯的(de)影(ying)響(xiang)，不(bu)同干(gan)密(mi)(mi)度的(de)試樣的(de)進氣值大致(zhi)(zhi)在(zai)10kPa左(zuo)右；②土(tu)樣殘余含水率隨干(gan)密(mi)(mi)度的(de)增加而減少，殘余含水率約為飽(bao)和含水率的(de)10%。上述特性(xing)與粉土(tu)一粉砂基本一致(zhi)(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于沉積磷(lin)石膏的(de)密(mi)度(du)變化較(jiao)大，而進行(xing)三軸(zhou)(zhou)試(shi)(shi)驗需要(yao)若干(gan)(gan)原狀樣(yang)，為(wei)(wei)使試(shi)(shi)驗結果具有較(jiao)好的(de)一致(zhi)性，有針對性的(de)選擇平均(jun)干(gan)(gan)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)若干(gan)(gan)試(shi)(shi)樣(yang)，進行(xing)了(le)5組三軸(zhou)(zhou)CU試(shi)(shi)驗。圖11是為(wei)(wei)干(gan)(gan)密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三軸(zhou)(zhou)CU試(shi)(shi)驗曲(qu)線。

從圖11可以看(kan)出，磷(lin)石膏的(de)應力應變關系曲線在低圍壓(ya)下表現(xian)(xian)為軟化型(xing)，在高圍壓(ya)下表現(xian)(xian)為硬化型(xing)，與一般土(tu)類相似。但與一般粉土(tu)一粉砂(sha)不同的(de)是，即(ji)使在較為疏松的(de)狀(zhuang)態下，磷(lin)石膏仍(reng)表現(xian)(xian)了較為強烈的(de)剪(jian)脹，隨密(mi)實度(du)增(zeng)大，剪(jian)脹作(zuo)用愈發(fa)明顯。

表2給出(chu)了不同(tong)干(gan)密(mi)度下的(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出(chu)了內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)度的(de)關系曲(qu)線。隨(sui)干(gan)密(mi)度的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可(ke)采(cai)用冪函數較好地擬合。磷(lin)石(shi)膏的(de)干(gan)密(mi)度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了32%，總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬合曲(qu)線求(qiu)得(de))，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于隨(sui)圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明顯(xian)增(zeng)(zeng)大(da)，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較之(zhi)總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較之(zhi)于干(gan)密(mi)度增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表明即使較為(wei)疏松(song)的(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有較高的(de)強度指標(biao)，這也表明磷(lin)石(shi)膏堆積壩的(de)穩(wen)定性較高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形(xing)試(shi)驗

磷石膏的(de)蠕變變形試驗(yan)在(zai)側限壓縮儀中進行，試驗(yan)狀(zhuang)態相當于K0固結(jie)。試樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試樣(yang)干密度(du)為1.30g/cm3，對試樣(yang)飽和后分別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試驗(yan)，

試驗(yan)從2012年8月27日(ri)開始，試驗(yan)己進(jin)行(xing)了(le)1年多，試驗(yan)結果見圖13所(suo)示。

從(cong)圖(tu)13中可以看出(chu)：上覆荷(he)載越大，磷石(shi)(shi)膏(gao)的蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形也(ye)越大，荷(he)載施加1年后，磷石(shi)(shi)膏(gao)的蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形仍非常顯著，尚未達到穩(wen)定(ding)狀態，這也(ye)是磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)后期(qi)變(bian)(bian)形較(jiao)大的原(yuan)因，原(yuan)型觀(guan)測資(zi)料表(biao)明，在5級子(zi)壩(ba)(ba)河床(chuang)部位的表(biao)面沉降量已經達到3.1m，且尚未完全(quan)穩(wen)定(ding)。

按時(shi)間(jian)對(dui)數法，可求得各級荷載(zai)下的(de)(de)主次(ci)固結(jie)變(bian)(bian)形量如(ru)表3所(suo)示(shi)。試驗(yan)結(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載(zai)作(zuo)用下，在(zai)(zai)試驗(yan)時(shi)間(jian)范圍(wei)內蠕(ru)變(bian)(bian)(次(ci)固結(jie))變(bian)(bian)形是主固結(jie)變(bian)(bian)形的(de)(de)1.8～3.1倍，當然由于蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形尚未完(wan)成(cheng)，實際(ji)的(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形應更大。對(dui)土(tu)體(ti)而言，發生(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)(de)原因是由于土(tu)體(ti)在(zai)(zai)主固結(jie)完(wan)成(cheng)之后(hou)，土(tu)體(ti)中仍有微(wei)小的(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流(liu)動，一(yi)般來(lai)講土(tu)體(ti)的(de)(de)次(ci)固結(jie)遠小于主固結(jie)變(bian)(bian)形；對(dui)磷(lin)石膏(gao)而言，其(qi)滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠大于黏性土(tu)，但其(qi)卻發生(sheng)了(le)極(ji)為顯(xian)著的(de)(de)次(ci)固結(jie)變(bian)(bian)形，其(qi)原因在(zai)(zai)于磷(lin)石膏(gao)晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)構發生(sheng)了(le)壓縮(suo)、破壞(huai)，接觸點晶(jing)(jing)格(ge)發生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形，而破壞(huai)后(hou)晶(jing)(jing)格(ge)之間(jian)的(de)(de)重新排列、調(diao)整到最后(hou)趨于相(xiang)(xiang)對(dui)靜(jing)止需要相(xiang)(xiang)當長(chang)的(de)(de)時(shi)間(jian)才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設(she)備采(cai)用英(ying)國GDS公司進口的電(dian)機(ji)控制動三軸試(shi)驗系統，試(shi)樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼比(bi)

同樣由于自然沉積的磷石(shi)膏(gao)密度(du)變化較大，為此根據物理性質試驗(yan)結果，選擇兩種平均干(gan)密度(du)1.34g/cm3(變化范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動剪(jian)切模(mo)量G、阻尼比(bi)與剪(jian)應變幅(fu)值γd的關系式如下(xia)：

式(shi)中k1為參數(shu)，表(biao)示動剪(jian)切模量的(de)衰減或阻尼比(bi)的(de)增(zeng)長(chang)速率；λmax為最(zui)大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為最(zui)大動剪(jian)切模量和歸(gui)一(yi)化的(de)動剪(jian)應(ying)變，表(biao)示為

式中k2,n為(wei)參(can)數(shu)；σm為(wei)球(qiu)應(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動(dong)泊松比(bi)；εa為(wei)歸一(yi)化的動(dong)應(ying)變，表達(da)為(wei)

圖(tu)14給(gei)出(chu)了動(dong)(dong)剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化動(dong)(dong)應變的關系(xi)曲線，另外圖(tu)中(zhong)還(huan)給(gei)出(chu)了式(1)的擬合曲線以及Seed等(deng)給(gei)出(chu)的砂樣的上下邊界線，圖(tu)例中(zhong)，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比(bi)。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(shi)(1)可(ke)較好(hao)地描述磷石(shi)膏(gao)的(de)動(dong)(dong)(dong)應力-動(dong)(dong)(dong)應變試驗曲線(xian)(xian)，表(biao)明采用等價(jia)黏彈(dan)性(xing)模(mo)型進行循環荷載作用下的(de)分(fen)析是可(ke)行的(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)擬合(he)線(xian)(xian)位于(yu)(yu)(yu)干(gan)密(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)擬合(he)線(xian)(xian)上方(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則位于(yu)(yu)(yu)下方(fang)，表(biao)明密(mi)度(du)(du)越大(da)，動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越大(da)、阻尼比越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)擬合(he)線(xian)(xian)基本位于(yu)(yu)(yu)Seed等給出(chu)的(de)邊界線(xian)(xian)上方(fang)，而(er)圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)(yu)(yu)邊界線(xian)(xian)中(zhong)間，表(biao)明相比較砂(sha)樣，磷石(shi)膏(gao)動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較大(da)，會導(dao)致磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的(de)動(dong)(dong)(dong)力反應較大(da)，但由于(yu)(yu)(yu)阻尼比也較大(da)，這樣又會削(xue)弱壩(ba)體的(de)動(dong)(dong)(dong)力反應，二者的(de)相互影響下，磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)壩(ba)體的(de)動(dong)(dong)(dong)力反應將(jiang)不會過于(yu)(yu)(yu)強烈，這對磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干(gan)密度為1.12(變化(hua)范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化(hua)范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞(huai)標準為總應(ying)變達(da)到10%。

圖(tu)15給(gei)出了動(dong)剪應力比τd/σ0′與破壞(huai)振次(ci)Nf的(de)(de)關系曲線圖(tu)，其中σ0為振前試樣45°面(mian)上的(de)(de)有效法(fa)向應力，表(biao)達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比。從試驗結(jie)果可以看出，沉積(ji)磷石膏的(de)(de)動(dong)強度與其它土(tu)體相(xiang)似，表(biao)現(xian)為圍壓和(he)固結(jie)應力比與動(dong)剪應力比呈負相(xiang)關關系。

為(wei)判別沉(chen)積磷石膏的抗液化能(neng)力，假(jia)定(ding)抗震設計烈(lie)度為(wei)8度，即等效(xiao)振次(ci)Ⅳ可取為(wei)30。首(shou)先由式(4)

所示的冪函數關系式得到振(zhen)次為30時(shi)各個(ge)圍壓和固結(jie)比下(xia)的動(dong)剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得(de)動剪應力(li)比與圍(wei)壓和固結(jie)應力(li)比的關系式(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。

從上述(shu)擬合關系式可見，密實度提高(gao)(gao)后，動剪應力(li)比提高(gao)(gao)，表明抗液(ye)化能力(li)也(ye)提高(gao)(gao)。但即使是在低密度下，其動剪應力(li)比較之(zhi)同類的粉(fen)土或粉(fen)砂也(ye)大出(chu)許多(duo)，表明磷(lin)石膏具有(you)較高(gao)(gao)的抗液(ye)化能力(li)。

三、結論(lun)

依托柳樹箐磷石膏堆積(ji)壩，在鉆探(tan)取樣工作的基礎上，首先開展了物理性(xing)質(zhi)試(shi)驗，然后開展了靜動力(li)力(li)學特性(xing)試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，得出如下(xia)結(jie)論：

(1)沉積磷石膏總體上屬于級(ji)配不良的粉土，局部屬于粉砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級(ji)現象。其干密度和粒徑(jing)變化(hua)隨埋深或距放漿口距離(li)的變化(hua)不明(ming)顯。

(2)沉積磷石膏水平方(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數(shu)大于垂(chui)直方(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數(shu)，呈現明顯的各向(xiang)異性。

(3)與土體顆粒不(bu)可壓(ya)縮(suo)(suo)不(bu)同，磷石膏的(de)晶體結(jie)構會發生(sheng)壓(ya)縮(suo)(suo)破壞，具有較大的(de)壓(ya)縮(suo)(suo)性(xing)，其次固結(jie)變(bian)形量遠(yuan)大于主(zhu)固結(jie)變(bian)形量。

(4)沉積磷石膏的靜(jing)動(dong)強度較之同等密實度下的粉土、粉砂要(yao)高。