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(yin)言(yan)

磷石(shi)膏是(shi)(shi)濕(shi)(shi)(shi)法磷酸(suan)(suan)生產(chan)(chan)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)副(fu)產(chan)(chan)品，2018年，全國磷石(shi)膏產(chan)(chan)生量為(wei)7800萬噸，且呈逐年增長的(de)(de)(de)態勢(shi)。磷石(shi)膏的(de)(de)(de)主要(yao)成(cheng)(cheng)分(fen)是(shi)(shi)CaO和SO3，但(dan)含有一定量的(de)(de)(de)氟化物(wu)(wu)和其它放射性(xing)物(wu)(wu)質，在(zai)中(zhong)(zhong)國通常按(an)Ⅱ類(lei)一般(ban)(ban)工業(ye)(ye)固體(ti)廢物(wu)(wu)處理，鑒(jian)于無害化處理成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)較高，目前綜合利(li)用率(lv)尚不(bu)(bu)足(zu)40%，故大部分(fen)磷石(shi)膏需要(yao)堆(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)存(cun)場地(di)(di)的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同，可分(fen)為(wei)平地(di)(di)型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和截河型(xing)堆(dui)場，在(zai)中(zhong)(zhong)國基(ji)本(ben)(ben)上是(shi)(shi)山谷型(xing)堆(dui)場。相(xiang)比較干(gan)法堆(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)(shi)法堆(dui)存(cun)經濟優(you)勢(shi)明顯，因而(er)如地(di)(di)質條(tiao)件為(wei)非碳酸(suan)(suan)鹽巖(yan)地(di)(di)區，一般(ban)(ban)均(jun)采用濕(shi)(shi)(shi)排濕(shi)(shi)(shi)堆(dui)方式(shi)。隨著中(zhong)(zhong)國磷肥(fei)工業(ye)(ye)的(de)(de)(de)快速發展(zhan)，本(ben)(ben)世(shi)紀初中(zhong)(zhong)國相(xiang)繼建設(she)了(le)幾座(zuo)濕(shi)(shi)(shi)法堆(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)磷石(shi)膏庫，例如云天化國際化工三環分(fen)公司的(de)(de)(de)柳(liu)樹箐磷石(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩(ba)和富瑞(rui)分(fen)公司的(de)(de)(de)楊家箐磷石(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設(she)計(ji)壩(ba)高均(jun)超過(guo)(guo)100m、處于8度地(di)(di)震區，其安全性(xing)備受關注。

據統計，110多(duo)年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有(you)118座尾(wei)礦壩(ba)曾發(fa)生(sheng)(sheng)過破壞(huai)或潰(kui)壩(ba)事(shi)故，原(yuan)因主要有(you)地震、洪水漫(man)頂、滲(shen)透破壞(huai)和基礎失穩(wen)。尾(wei)礦庫失事(shi)后會造(zao)成巨(ju)大的生(sheng)(sheng)態災難和人員傷亡(wang)，近幾(ji)十年(nian)來，

國內(nei)外對金(jin)屬(shu)(shu)尾礦的沉(chen)積(ji)規(gui)律、物理力(li)(li)學特性(xing)(xing)及(ji)其(qi)穩定性(xing)(xing)開展了大量的研究，但對于與金(jin)屬(shu)(shu)尾礦庫相(xiang)近的磷(lin)石膏(gao)庫，一(yi)般僅限于在可研階(jie)段采用人工(gong)制備樣進行物理力(li)(li)學性(xing)(xing)質試驗，并據此進行穩定性(xing)(xing)分(fen)析，尚未有人針對己運行若干年(nian)的大型濕法堆存(cun)磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩開展過磷(lin)石膏(gao)沉(chen)積(ji)規(gui)律及(ji)其(qi)物理力(li)(li)學特性(xing)(xing)的專項研究。

本文依托柳樹箐(qing)磷(lin)石膏堆積(ji)壩，首(shou)先進行了(le)(le)鉆探取樣，采用原狀樣開展了(le)(le)密(mi)度(du)、含水(shui)率(lv)、滲透(tou)、土水(shui)特征和(he)(he)顆分(fen)等(deng)物理(li)性(xing)質(zhi)試驗(yan)，在此基礎上(shang)有針對(dui)性(xing)的選(xuan)擇原狀樣開展了(le)(le)三(san)軸(zhou)(zhou)CU、蠕(ru)變(bian)及動(dong)三(san)軸(zhou)(zhou)等(deng)力(li)學特性(xing)試驗(yan)。通過上(shang)述試驗(yan)研(yan)究，總結了(le)(le)磷(lin)石膏的沉積(ji)規律、滲透(tou)特性(xing)、滲透(tou)破壞特性(xing)以及靜動(dong)力(li)特性(xing)，上(shang)述研(yan)究工(gong)作對(dui)研(yan)究和(he)(he)評估(gu)磷(lin)石膏庫堆積(ji)壩的穩定性(xing)提(ti)供了(le)(le)基礎數(shu)據，對(dui)現行磷(lin)石膏庫的運行管理(li)以及新建工(gong)程的設計具(ju)有重要的借鑒意義。

一、依托(tuo)工程(cheng)概況

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩(ba)堆(dui)存設(she)計(ji)方案

由初期壩(ba)和堆積(ji)壩(ba)組成，設(she)計(ji)總(zong)壩(ba)高約(yue)130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土料填筑。上游坡面(mian)、壩(ba)底和下(xia)游壩(ba)腳設置堆石排水體，三(san)者相(xiang)連(lian)通構成(cheng)整個(ge)堆積壩(ba)的主要排滲(shen)系統(tong)。

(2)堆(dui)積壩及其輔助排滲(shen)措施

采用(yong)上(shang)游式筑(zhu)壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬(kuan)6～9m，高度(du)5m，堆積(ji)高度(du)約100m。采用(yong)排(pai)滲管網作為輔助(zhu)排(pai)滲方案，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(nei)設置了井字形排(pai)滲管網。

1.2沉積(ji)磷(lin)石膏的鉆探取(qu)樣

鉆孔(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)(dui)積至5級(ji)子(zi)壩時(shi)(shi)，布(bu)(bu)設(she)了9個(ge)取(qu)樣(yang)鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編號(hao)K1～K9，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)76件(jian)；2013年5月，堆(dui)(dui)積至13級(ji)子(zi)壩時(shi)(shi)，又布(bu)(bu)設(she)了11個(ge)取(qu)樣(yang)鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編號(hao)K10～K20，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)112件(jian)，為比較子(zi)壩加(jia)高和磷石膏堆(dui)(dui)積過(guo)程中磷石膏物理力學性質的變(bian)化，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)和K6孔(kong)附(fu)近各布(bu)(bu)設(she)了一個(ge)鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編號(hao)分別為K17和K18。

1.3運(yun)行概(gai)況

柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)膏尾礦庫2005年(nian)開工建設(she)(she)，2006年(nian)1月投(tou)入運行，截至2013年(nian)5月己堆(dui)至13級子壩，尚有7級子壩即堆(dui)存至設(she)(she)計高程。鑒于磷(lin)石(shi)膏庫地形、地質(zhi)條件較好，具備擴容(rong)(rong)改造的(de)條件，以(yi)提高堆(dui)存庫容(rong)(rong)，減少(shao)堆(dui)存占地，節約土地資(zi)源。

本(ben)文主要對沉積磷石膏(gao)的物理力學(xue)特性進行(xing)了全面總結，限于(yu)篇幅，有關現狀磷石膏(gao)庫堆積壩的安全性評價及其加高可行(xing)性的研究將另(ling)文發(fa)表。

二(er)、沉積磷石膏的物理力學特性

2.1物理特性(xing)

(1)干密度(du)分布

圖(tu)2給(gei)出(chu)了(le)14個鉆孔的(de)取樣深度(du)(du)和(he)試驗所(suo)得干密度(du)(du)的(de)關系(xi)，圖(tu)中UWL表示(shi)水(shui)位(wei)(wei)線上(shang)，(系(xi)鉆孔期間的(de)初見水(shui)位(wei)(wei)線，下同)，DWL表示(shi)水(shui)位(wei)(wei)線下。圖(tu)3給(gei)出(chu)了(le)水(shui)位(wei)(wei)線上(shang)下的(de)飽和(he)度(du)(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷(lin)石膏(gao)中的(de)主要成(cheng)分(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同溫度(du)(du)和(he)烘烤時(shi)間對(dui)測定(ding)結(jie)果有(you)一定(ding)影(ying)響，不(bu)(bu)能照搬現行的(de)土工試驗規范，本文(wen)磷(lin)石膏(gao)的(de)含水(shui)率測定(ding)方法為55℃溫度(du)(du)下烘培24h。

圖(tu)2沉積磷石膏干密(mi)度與埋深(shen)的(de)關系

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

由(you)(you)圖(tu)3，水(shui)位線上的磷(lin)石膏飽(bao)和(he)度(du)(du)平(ping)均(jun)值為50.4%，處于(yu)非(fei)飽(bao)和(he)狀態，水(shui)位線以下的磷(lin)石膏飽(bao)和(he)度(du)(du)平(ping)均(jun)值為85.0%，基本處于(yu)飽(bao)和(he)狀態，由(you)(you)于(yu)水(shui)位下降后(hou)磷(lin)石膏來不及排水(shui)固結，故而水(shui)位線上局(ju)部試樣的飽(bao)和(he)度(du)(du)較(jiao)高(gao)。

由(you)圖2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線以上(shang)(shang)的(de)(de)干(gan)密度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線以下的(de)(de)干(gan)密度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與一般的(de)(de)尾礦有所不同，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)密度(du)并(bing)不隨埋深的(de)(de)增大(da)而明顯增大(da)，但水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線以下的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干(gan)密度(du)從統計意(yi)義上(shang)(shang)來看仍大(da)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線以上(shang)(shang)的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干(gan)密度(du)，這主要是由(you)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線隨庫水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)的(de)(de)變化反(fan)復升降而使得磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)排(pai)水(shui)(shui)固結所致。

室內(nei)擊實得(de)到的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏最大干密(mi)度一(yi)般在1.36～1.46g/cm3之間，從(cong)圖2可(ke)以看(kan)出(chu)，自然沉(chen)積的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏最大干密(mi)度可(ke)達到1.73g/cm3，原(yuan)因如下(xia)：與經典的(de)土骨架不(bu)可(ke)壓(ya)縮的(de)理論不(bu)同，石(shi)(shi)膏本身可(ke)壓(ya)縮，同時由(you)于顆粒(li)結構不(bu)穩定，擊實試驗(yan)過程中(zhong)(zhong)磷(lin)石(shi)(shi)膏結構被破壞，受(shou)夯(hang)擊處(chu)下(xia)陷(xian)，四周鼓起(qi)，出(chu)現(xian)了類似(si)于橡皮土的(de)現(xian)象。而在現(xian)場條件下(xia)，石(shi)(shi)膏骨架被破壞后，會導(dao)致顆粒(li)中(zhong)(zhong)的(de)結合水滲出(chu)至孔(kong)隙內(nei)，變成孔(kong)隙水，排水固結后會使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)孔(kong)隙比減小，干密(mi)度增大。

圖(tu)4給出了相鄰鉆(zhan)孔K2和(he)K17(位(wei)于2級(ji)子(zi)壩河(he)床部位(wei))以及(ji)相鄰鉆(zhan)孔K6和(he)K18(位(wei)于4級(ji)子(zi)壩河(he)床部位(wei))干(gan)(gan)密度的(de)(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.37g/cm3。可見，即(ji)使從統(tong)計意義上來看(kan)，磷石(shi)膏的(de)(de)干(gan)(gan)密度也并(bing)未(wei)隨后(hou)續磷石(shi)膏的(de)(de)堆積(ji)而有較為明顯的(de)(de)增(zeng)大。

(2)級配分布(bu)

顆粒分(fen)析(xi)試驗采用密(mi)度計法(fa)，制備懸液(ye)時不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏磷酸鈉。圖5給出了(le)試驗得到的(de)級配(pei)包線、平(ping)均(jun)粒徑d50、不(bu)均(jun)勻系數(shu)(1u和(he)曲率(lv)系數(shu)Cc的(de)分(fen)布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏的粒徑主要(yao)分(fen)(fen)布在(zai)0.005～0.075mm之間(jian)，總(zong)體(ti)上屬(shu)(shu)于粉(fen)(fen)土，但可(ke)能(neng)由于礦石來(lai)源或(huo)生產工藝有所不同，局部屬(shu)(shu)于粉(fen)(fen)砂～中砂。粒徑分(fen)(fen)布范圍(wei)比Blight和(he)張超等的試驗結果要(yao)寬(kuan)一些。

圖4子壩(ba)加高后沉積(ji)磷石膏的干密度變(bian)化(hua)

圖5沉積(ji)磷石膏的平(ping)均粒(li)徑和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向(xiang)還是垂直(zhi)向(xiang)，磷(lin)石(shi)膏與金屬礦(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)(de)“前粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的(de)(de)(de)自然分級現象不(bu)同，也(ye)即粗(cu)顆(ke)粒并(bing)不(bu)是沿埋深逐步減(jian)小或距離放(fang)漿(jiang)口越(yue)遠顆(ke)粒越(yue)細，其(qi)原因(yin)如下：①磷(lin)石(shi)膏顆(ke)粒粒徑組成(cheng)較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)集中、均勻，主要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較(jiao)(jiao)(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)金屬尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)(jiao)(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)一般(ban)為(wei)2.3～2.4，遠小于(yu)金屬尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放(fang)漿(jiang)口隨子壩(ba)高度(du)不(bu)斷(duan)(duan)增加(jia)而(er)不(bu)斷(duan)(duan)變動并(bing)向(xiang)庫尾(wei)(wei)延伸，造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)粒徑變化不(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不(bu)均勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為4.18，曲(qu)率(lv)系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為1.21，在(zai)統計的100多個試樣中，屬于級配(pei)不(bu)良土的占93%。這(zhe)種級配(pei)特性決定了磷石膏(gao)具有較(jiao)高的壓縮性、滲透破(po)壞型式表(biao)現為流土破(po)壞。

2.2滲(shen)透(tou)特性

(1)滲(shen)透系數

影響(xiang)滲(shen)透(tou)系數的(de)主要因(yin)素是粒(li)徑大小、級配和孔(kong)隙比，因(yin)而磷石膏(gao)的(de)滲(shen)透(tou)系數與粉土(tu)較為(wei)接近(jin)。由于孔(kong)隙比e減(jian)小，使(shi)(shi)得(de)過水通道面積減(jian)小，滲(shen)透(tou)系數k也(ye)將減(jian)小，k與e呈正(zheng)相關關系。對(dui)砂土(tu)，一般認為(wei)滲(shen)透(tou)系數k與e3/(1+e)的(de)線性關系較好，圖6給出(chu)了二(er)者間的(de)關系曲線，由于沉積磷石膏(gao)的(de)不均勻系數變化較大，使(shi)(shi)得(de)沉積磷石膏(gao)的(de)滲(shen)透(tou)系數變化范圍較大(平均值為(wei)10-4cm/s數量級)，二(er)者問的(de)線性關系較差。

圖6沉積(ji)磷石膏(gao)滲透系(xi)數與孔隙比的(de)關(guan)系(xi)

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

圖7給(gei)出(chu)了(le)水(shui)(shui)平(ping)(ping)與垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數比值(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)布。沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數kh一般(ban)大(da)于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數kv,kh/kv平(ping)(ping)均值(zhi)約為(wei)2.86，這一點與成層分(fen)布的(de)(de)(de)金屬尾(wei)礦規律一致。造成沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數大(da)于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數的(de)(de)(de)原(yuan)因是由于磷(lin)石膏(gao)(gao)具有明顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)晶體結構，電(dian)鏡掃描顯(xian)(xian)示(shi)多為(wei)菱形(xing)和棱柱狀形(xing)式(見(jian)圖8)，在沉(chen)積過程中(zhong)，由于扁平(ping)(ping)狀磷(lin)石膏(gao)(gao)顆粒(li)多呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列(lie)，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)大(da)于垂直(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從而使(shi)磷(lin)石膏(gao)(gao)呈(cheng)現明顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國(guo)有(you)色金(jin)屬工業(ye)昆明勘察設(she)計(ji)研究院在(zai)楊家箐磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩開展的(de)現場(chang)滲透試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約(yue)為1.9。但張超等的(de)室(shi)內試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約(yue)為0.46，也(ye)即垂直向滲透系數大于水平(ping)(ping)向滲透系數，與本文(wen)和現場(chang)試(shi)驗(yan)結果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)微觀(guan)結構(gou)來(lai)看，本文(wen)試(shi)驗(yan)結果(guo)更為合理。

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

(2)滲透變形(xing)

圖(tu)9為磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏干密(mi)度為1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯度J與流速V的(de)關系曲(qu)線，試(shi)驗在(zai)水(shui)平(ping)(ping)管涌儀中采用(yong)水(shui)平(ping)(ping)方向的(de)滲流形式進行。試(shi)驗得到的(de)臨界坡降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)般來說(shuo)，對1，2級工(gong)程，滲透(tou)安全系數(shu)取為2.5，則(ze)允(yun)許(xu)出逸坡降(jiang)(jiang)為0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)工(gong)程，滲透(tou)安全系數(shu)取2.0，則(ze)允(yun)許(xu)出逸坡降(jiang)(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)比降(jiang)(jiang)與粉土一(yi)(yi)(yi)粉砂大(da)致(zhi)相同。但上述滲透(tou)變形試(shi)驗是采用(yong)自來水(shui)進行的(de)，自來水(shui)對磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏具(ju)有一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)溶蝕作用(yong)，而實際(ji)上磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏中殘余(yu)磷(lin)、硫和(he)氟(fu)酸(suan)，庫水(shui)的(de)pH值(zhi)一(yi)(yi)(yi)般小于3(稱之為酸(suan)性(xing)水(shui))，在(zai)酸(suan)性(xing)水(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏不(bu)會(hui)發生破壞(huai)，上述試(shi)驗結果是偏(pian)于保守的(de)，但對非酸(suan)性(xing)水(shui)條(tiao)件(例如特大(da)暴(bao)雨)下(xia)的(de)滲透(tou)穩定(ding)判斷有一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)借鑒(jian)意義(yi)。

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

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在(zai)5Bar的壓(ya)力(li)板儀中進行(xing)，環刀(dao)尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水(shui)率特征值(zhi)，試(shi)驗曲線見(jian)圖10所示。

試驗(yan)結果表明：①干(gan)密度(du)對進(jin)氣值沒有(you)明顯的影(ying)響，不同干(gan)密度(du)的試樣的進(jin)氣值大致在10kPa左(zuo)右(you)；②土樣殘余含水(shui)率隨干(gan)密度(du)的增加而減少，殘余含水(shui)率約為飽和含水(shui)率的10%。上述特(te)性與粉土一粉砂基本一致。

2.3靜力力學特(te)性(xing)

(1)三軸CU試(shi)驗

由于沉積磷石膏的密(mi)度變化(hua)較(jiao)大(da)，而進(jin)行三(san)軸試(shi)(shi)驗需要若(ruo)干(gan)原狀(zhuang)樣，為使試(shi)(shi)驗結果具有較(jiao)好的一致性(xing)，有針(zhen)對(dui)性(xing)的選擇平均干(gan)密(mi)度分(fen)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)的若(ruo)干(gan)試(shi)(shi)樣，進(jin)行了5組三(san)軸CU試(shi)(shi)驗。圖11是為干(gan)密(mi)度為1.2和1.58g/cm3的三(san)軸CU試(shi)(shi)驗曲(qu)線。

從圖(tu)11可以看出，磷石(shi)(shi)膏(gao)的應力應變關(guan)系曲線在(zai)低圍壓下表現(xian)為(wei)軟化(hua)型，在(zai)高圍壓下表現(xian)為(wei)硬化(hua)型，與(yu)一(yi)般土類(lei)相似。但與(yu)一(yi)般粉土一(yi)粉砂不(bu)同的是，即使在(zai)較為(wei)疏松的狀態下，磷石(shi)(shi)膏(gao)仍表現(xian)了較為(wei)強(qiang)烈的剪(jian)脹，隨密實度增大(da)，剪(jian)脹作用(yong)愈發明顯。

表(biao)2給(gei)出了不(bu)同干(gan)密(mi)度(du)(du)下的(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出了內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)關系曲線(xian)。隨干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)增大，內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)(ye)隨之(zhi)(zhi)增大，且可(ke)采用冪(mi)函數較(jiao)好地擬(ni)(ni)合(he)(he)。磷石膏的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增加(jia)了32%，總(zong)應力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬(ni)(ni)合(he)(he)曲線(xian)求得(de))，增幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有(you)效應力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由(you)于(yu)隨圍壓(ya)的(de)增大，孔壓(ya)也(ye)(ye)明顯(xian)增大，故有(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增幅(fu)較(jiao)之(zhi)(zhi)總(zong)應力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)之(zhi)(zhi)于(yu)干(gan)密(mi)度(du)(du)增幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)增幅(fu)并(bing)不(bu)顯(xian)著，表(biao)明即使較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)磷石膏仍具有(you)較(jiao)高的(de)強度(du)(du)指標，這也(ye)(ye)表(biao)明磷石膏堆積壩的(de)穩(wen)定(ding)性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固(gu)結)變形試驗(yan)

磷石膏的(de)蠕變變形試驗在側限壓縮儀中(zhong)進行，試驗狀態相當于K0固結。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(fen)別開展了(le)上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試驗，

試驗(yan)從2012年8月(yue)27日開始，試驗(yan)己進行了1年多，試驗(yan)結果見(jian)圖13所示(shi)。

從圖(tu)13中可以看出(chu)：上覆(fu)荷(he)載越大(da)，磷(lin)石膏(gao)的(de)蠕變(bian)變(bian)形也越大(da)，荷(he)載施(shi)加1年(nian)后(hou)，磷(lin)石膏(gao)的(de)蠕變(bian)變(bian)形仍(reng)非常顯著，尚(shang)未達(da)(da)到(dao)(dao)穩(wen)定(ding)(ding)狀態，這也是磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)后(hou)期(qi)變(bian)形較(jiao)大(da)的(de)原因，原型(xing)觀測資料表明(ming)，在(zai)5級子(zi)壩(ba)河床部位的(de)表面沉(chen)降量已經(jing)達(da)(da)到(dao)(dao)3.1m，且(qie)尚(shang)未完全穩(wen)定(ding)(ding)。

按時(shi)間對(dui)數法(fa)，可(ke)求得各級(ji)荷(he)載(zai)下的(de)(de)(de)主(zhu)次(ci)(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形量如表3所示。試驗(yan)(yan)結(jie)(jie)(jie)果表明(ming)，在100～400kPa上(shang)覆荷(he)載(zai)作用下，在試驗(yan)(yan)時(shi)間范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形是(shi)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)(dang)然(ran)由(you)于(yu)(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形尚未完(wan)成，實(shi)際的(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形應更(geng)大。對(dui)土(tu)(tu)體而言(yan)，發(fa)(fa)生蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因是(shi)由(you)于(yu)(yu)(yu)土(tu)(tu)體在主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成之后(hou)，土(tu)(tu)體中仍有(you)微(wei)小的(de)(de)(de)超靜孔隙壓力存在，驅使(shi)水在顆粒問流動(dong)，一(yi)般(ban)來講土(tu)(tu)體的(de)(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)(yu)(yu)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形；對(dui)磷石膏而言(yan)，其滲(shen)透系數在10-4cm/s數量級(ji)，遠大于(yu)(yu)(yu)黏性土(tu)(tu)，但其卻發(fa)(fa)生了極為顯著的(de)(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形，其原因在于(yu)(yu)(yu)磷石膏晶(jing)體結(jie)(jie)(jie)構發(fa)(fa)生了壓縮、破壞，接觸點(dian)晶(jing)格發(fa)(fa)生歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形，而破壞后(hou)晶(jing)格之間的(de)(de)(de)重新排列、調(diao)整到最后(hou)趨于(yu)(yu)(yu)相對(dui)靜止需要(yao)相當(dang)(dang)長的(de)(de)(de)時(shi)間才能(neng)完(wan)成。

2.4動力力學特性

試驗設備采用(yong)英國GDS公司進(jin)口的(de)電機(ji)控制動三軸試驗系統(tong)，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比

同樣由于(yu)自(zi)然(ran)沉積的(de)磷石膏(gao)密度(du)變(bian)化(hua)(hua)較大，為此(ci)根(gen)據物理(li)性質試(shi)驗(yan)結果，選擇兩種平均(jun)干密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建(jian)議的(de)動剪(jian)切(qie)模量G、阻(zu)尼比與剪(jian)應變幅值γd的(de)關系式如下：

式中(zhong)k1為(wei)參數，表(biao)示動(dong)剪切模量的衰減或(huo)阻(zu)尼比的增長速率(lv)；λmax為(wei)最大阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)最大動(dong)剪切模量和歸(gui)一化(hua)的動(dong)剪應變，表(biao)示為(wei)

式中k2,n為參(can)數；σm為球(qiu)應力；Pa為標準(zhun)大氣壓；vd為動泊松比；εa為歸一(yi)化的動應變，表達(da)為

圖14給出(chu)(chu)了(le)動剪切模量、阻(zu)尼(ni)比(bi)與(yu)歸一化動應(ying)變的關系曲(qu)線(xian)，另外圖中還(huan)給出(chu)(chu)了(le)式(shi)(1)的擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給出(chu)(chu)的砂樣(yang)的上下邊界線(xian)，圖例(li)中，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結應(ying)力比(bi)。

從圖中(zhong)(zhong)可(ke)以看(kan)出(chu)：①式(shi)(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好(hao)地描述磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)動(dong)應力(li)-動(dong)應變試驗曲線(xian)，表(biao)(biao)明采用(yong)(yong)等價黏彈(dan)(dan)性(xing)模(mo)(mo)型(xing)進行(xing)循環荷載作(zuo)用(yong)(yong)下(xia)的(de)(de)分(fen)析是可(ke)行(xing)的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線(xian)位(wei)于(yu)(yu)干(gan)密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線(xian)上方，圖14(b)中(zhong)(zhong)則位(wei)于(yu)(yu)下(xia)方，表(biao)(biao)明密(mi)度越大(da)，動(dong)彈(dan)(dan)模(mo)(mo)越大(da)、阻尼比(bi)越小；③圖14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密(mi)度的(de)(de)擬(ni)合線(xian)基(ji)(ji)本位(wei)于(yu)(yu)Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)邊界線(xian)上方，而(er)圖14(b)中(zhong)(zhong)則基(ji)(ji)本處于(yu)(yu)邊界線(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)(biao)明相比(bi)較(jiao)(jiao)砂樣，磷石(shi)膏(gao)動(dong)彈(dan)(dan)模(mo)(mo)較(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)(hui)導致磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應較(jiao)(jiao)大(da)，但由(you)于(yu)(yu)阻尼比(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)，這(zhe)樣又會(hui)(hui)削弱壩(ba)體的(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應，二(er)者的(de)(de)相互(hu)影響下(xia)，磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應將不(bu)會(hui)(hui)過于(yu)(yu)強烈(lie)，這(zhe)對(dui)磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)抗震穩定(ding)性(xing)是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干密(mi)度為1.12(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗，破(po)壞標(biao)準為總應變達到10%。

圖15給出了動(dong)剪應力(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振次Nf的關系曲線(xian)圖，其中σ0為(wei)振前試樣(yang)45°面上的有效法(fa)向(xiang)應力(li)，表(biao)達(da)為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結比(bi)。從(cong)試驗結果可(ke)以看出，沉積磷石(shi)膏的動(dong)強度與其它(ta)土體(ti)相似，表(biao)現為(wei)圍壓(ya)和固(gu)結應力(li)比(bi)與動(dong)剪應力(li)比(bi)呈負相關關系。

為(wei)判別沉積磷石膏的抗(kang)液化能力，假定(ding)抗(kang)震(zhen)設計烈(lie)度為(wei)8度，即等效振次Ⅳ可取(qu)為(wei)30。首先由(you)式(4)

所示的(de)冪函數關系式得到振次為30時各(ge)個(ge)圍壓和固結比下(xia)的(de)動剪應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得(de)動剪(jian)應力(li)比(bi)與圍壓和固結(jie)應力(li)比(bi)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。

從上述擬合關(guan)系式可見，密實度提高后(hou)，動剪應力(li)比提高，表明(ming)抗(kang)液化能力(li)也提高。但即使(shi)是(shi)在低密度下，其動剪應力(li)比較(jiao)之同類的粉土或(huo)粉砂也大出許多，表明(ming)磷石膏具有較(jiao)高的抗(kang)液化能力(li)。

三(san)、結論

依(yi)托(tuo)柳樹箐磷(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)，在鉆探取樣工作的基礎(chu)上，首先開展了物理(li)性質試(shi)驗(yan)，然后開展了靜(jing)動力力學特性試(shi)驗(yan)。通過(guo)上述試(shi)驗(yan)研究，得出如下結論：

(1)沉(chen)積(ji)磷石膏總(zong)體上屬于級配不(bu)良的(de)粉土(tu)，局部(bu)屬于粉砂(sha)一(yi)中砂(sha)，無(wu)自然分(fen)級現象。其干密度和粒徑變化(hua)隨埋深或距放漿(jiang)口距離的(de)變化(hua)不(bu)明(ming)顯。

(2)沉(chen)積磷石膏(gao)水平方向(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透系數大于垂(chui)直方向(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透系數，呈(cheng)現明顯(xian)的(de)各向(xiang)(xiang)異性。

(3)與土體顆粒不可壓縮不同(tong)，磷石(shi)膏(gao)的晶體結構會發(fa)生(sheng)壓縮破(po)壞，具有較大的壓縮性，其次(ci)固(gu)結變(bian)形量(liang)遠大于主固(gu)結變(bian)形量(liang)。

(4)沉積磷石(shi)膏(gao)的靜動強度(du)較之同等(deng)密實度(du)下的粉(fen)土、粉(fen)砂要高。