沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是磷(lin)酸生產過程(cheng)中的(de)(de)(de)副(fu)產品(pin)，目前的(de)(de)(de)綜合(he)利用率尚不(bu)足40%，大部分需要(yao)堆存(cun)存(cun)放(fang)。受地形限制和經濟效益(yi)考慮，中國主要(yao)為(wei)濕法堆存(cun)的(de)(de)(de)山谷型堆場。依托柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩，針(zhen)對沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)首(shou)先開(kai)展了密度、含水(shui)率、滲透、土水(shui)特征和顆分等(deng)物(wu)理(li)性(xing)質試驗，然后開(kai)展了三軸cu、蠕變(bian)及動三軸等(deng)力學(xue)特性(xing)試驗。試驗結果(guo)表明：①沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密度與(yu)埋(mai)深沒有(you)(you)(you)相(xiang)關關系；②沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)不(bu)具(ju)有(you)(you)(you)自然分級(ji)現象(xiang)，但具(ju)有(you)(you)(you)明顯的(de)(de)(de)各向異(yi)性(xing)；③沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有(you)(you)(you)較(jiao)高的(de)(de)(de)摩擦角和抗液化能力，但其(qi)蠕變(bian)變(bian)形較(jiao)大、滲透比降較(jiao)小。上述工作(zuo)為(wei)分析磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩的(de)(de)(de)壩體穩定性(xing)提(ti)供了基礎(chu)，對現行(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)(de)(de)運行(xing)管(guan)理(li)以(yi)及新建(jian)工程(cheng)的(de)(de)(de)設計具(ju)有(you)(you)(you)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)借(jie)鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)石(shi)膏是濕(shi)(shi)法磷(lin)(lin)酸生(sheng)產過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)副產品，2018年(nian)(nian)，全國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏產生(sheng)量為7800萬(wan)噸(dun)，且呈逐年(nian)(nian)增長(chang)的(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)主要成分(fen)是CaO和(he)SO3，但含有(you)一(yi)(yi)定(ding)量的(de)(de)氟化(hua)物(wu)和(he)其它放射性物(wu)質，在中(zhong)(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類一(yi)(yi)般(ban)(ban)工業固體廢物(wu)處理，鑒于無害化(hua)處理成本較(jiao)高，目前綜合利用率尚不足40%，故大(da)部(bu)分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)膏需要堆存(cun)存(cun)放。按堆存(cun)場地(di)的(de)(de)不同，可分(fen)為平地(di)型(xing)(xing)、傍(bang)山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)堆場，在中(zhong)(zhong)國(guo)基(ji)本上是山谷型(xing)(xing)堆場。相比(bi)較(jiao)干法堆存(cun)，濕(shi)(shi)法堆存(cun)經濟優(you)勢明顯，因而如(ru)地(di)質條件為非碳酸鹽(yan)巖地(di)區(qu)，一(yi)(yi)般(ban)(ban)均采用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆方式。隨著中(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)肥工業的(de)(de)快速發展，本世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相繼建設(she)(she)了幾座(zuo)(zuo)濕(shi)(shi)法堆存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)，例如(ru)云(yun)天化(hua)國(guo)際化(hua)工三環分(fen)公司的(de)(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)堆積壩和(he)富瑞分(fen)公司的(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)堆積壩，這兩座(zuo)(zuo)壩設(she)(she)計壩高均超(chao)過100m、處于8度地(di)震區(qu)，其安全性備受關注。

據統計(ji)，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)(lai)，全世界有(you)118座尾(wei)礦(kuang)壩曾發(fa)生過(guo)破壞(huai)或潰壩事故，原因主(zhu)要有(you)地震、洪水漫頂、滲(shen)透(tou)破壞(huai)和基(ji)礎失穩。尾(wei)礦(kuang)庫(ku)失事后會造成巨大的生態災難和人員傷亡，近幾(ji)十年(nian)來(lai)(lai)，

國內外對(dui)(dui)金屬尾(wei)礦的(de)沉(chen)積(ji)規律、物(wu)理(li)力學(xue)特(te)性(xing)及(ji)其穩(wen)定性(xing)開(kai)展(zhan)了大量的(de)研(yan)(yan)究(jiu)，但對(dui)(dui)于與金屬尾(wei)礦庫相近的(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫，一般(ban)僅限于在可研(yan)(yan)階段采用(yong)人工制備樣進行(xing)物(wu)理(li)力學(xue)性(xing)質試驗，并據此(ci)進行(xing)穩(wen)定性(xing)分析，尚(shang)未有(you)人針對(dui)(dui)己運行(xing)若干(gan)年的(de)大型濕(shi)法堆(dui)存磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩開(kai)展(zhan)過磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)沉(chen)積(ji)規律及(ji)其物(wu)理(li)力學(xue)特(te)性(xing)的(de)專項(xiang)研(yan)(yan)究(jiu)。

本文(wen)依托柳樹(shu)箐磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)，首(shou)先進(jin)行(xing)了(le)(le)鉆探取樣，采用原(yuan)狀樣開(kai)展了(le)(le)密度、含(han)水(shui)率、滲透、土水(shui)特(te)征和顆(ke)分等物(wu)理(li)(li)性質試驗(yan)，在此基礎上(shang)有針(zhen)對(dui)(dui)性的選擇原(yuan)狀樣開(kai)展了(le)(le)三軸CU、蠕變及(ji)動三軸等力學(xue)特(te)性試驗(yan)。通過上(shang)述(shu)試驗(yan)研(yan)究，總結了(le)(le)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的沉(chen)積規律、滲透特(te)性、滲透破(po)壞特(te)性以(yi)及(ji)靜(jing)動力特(te)性，上(shang)述(shu)研(yan)究工作對(dui)(dui)研(yan)究和評估磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)的穩(wen)定性提供(gong)了(le)(le)基礎數據，對(dui)(dui)現行(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)庫(ku)的運行(xing)管(guan)理(li)(li)以(yi)及(ji)新建(jian)工程的設計具有重要的借(jie)鑒意義。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩堆存設計(ji)方案

由(you)初期壩和(he)堆積壩組成，設計(ji)總壩高約(yue)130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土料填筑。上(shang)游坡面、壩(ba)底(di)和下游壩(ba)腳(jiao)設置堆(dui)石排水體(ti)，三者相(xiang)連通構成整個堆(dui)積(ji)壩(ba)的主要排滲系統(tong)。

(2)堆積壩及其(qi)輔助(zhu)排滲措施(shi)

采(cai)用上游(you)式筑壩(ba)法，共20級(ji)子(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆(dui)積高度約100m。采(cai)用排滲管網作為(wei)輔助排滲方案，目前己(ji)在(zai)5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩(ba)和13級(ji)子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范圍(wei)內(nei)設置了井字形排滲管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣

鉆孔(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆積(ji)至5級子(zi)(zi)壩時(shi)(shi)，布設(she)了9個(ge)取樣鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取原(yuan)狀(zhuang)樣76件；2013年5月，堆積(ji)至13級子(zi)(zi)壩時(shi)(shi)，又布設(she)了11個(ge)取樣鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取原(yuan)狀(zhuang)樣112件，為比較(jiao)子(zi)(zi)壩加高和(he)磷(lin)石膏堆積(ji)過(guo)程中磷(lin)石膏物理力(li)學性質(zhi)的變(bian)化，在2，4級子(zi)(zi)壩K2孔(kong)和(he)K6孔(kong)附近(jin)各布設(she)了一個(ge)鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編(bian)號(hao)分別(bie)為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)石膏(gao)尾礦庫(ku)2005年開工建設(she)，2006年1月投(tou)入運(yun)行，截至(zhi)(zhi)2013年5月己堆(dui)(dui)至(zhi)(zhi)13級子(zi)壩，尚有7級子(zi)壩即堆(dui)(dui)存(cun)至(zhi)(zhi)設(she)計高程。鑒于磷(lin)石膏(gao)庫(ku)地形、地質(zhi)條件較好，具備擴容(rong)(rong)改造(zao)的條件，以提高堆(dui)(dui)存(cun)庫(ku)容(rong)(rong)，減少堆(dui)(dui)存(cun)占(zhan)地，節(jie)約土地資源。

本文(wen)(wen)主(zhu)要對沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)物(wu)理力學(xue)特(te)性進行了全(quan)面總結，限于篇幅，有關(guan)現狀磷(lin)石(shi)膏庫堆積壩的(de)(de)安全(quan)性評(ping)價及其(qi)加高可行性的(de)(de)研究將另文(wen)(wen)發表(biao)。

二、沉積磷石膏的物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出了14個鉆孔(kong)的(de)取樣深度和(he)試驗所得(de)干密(mi)度的(de)關(guan)系，圖(tu)中UWL表示水位(wei)線上(shang)，(系鉆孔(kong)期(qi)間的(de)初見水位(wei)線，下(xia)(xia)同)，DWL表示水位(wei)線下(xia)(xia)。圖(tu)3給(gei)出了水位(wei)線上(shang)下(xia)(xia)的(de)飽和(he)度分布圖(tu)。由(you)于(yu)磷石膏中的(de)主(zhu)要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度和(he)烘烤時間對測定結果有一(yi)定影響，不(bu)能(neng)照(zhao)搬現(xian)行的(de)土工試驗規范，本(ben)文(wen)磷石膏的(de)含(han)水率測定方法為55℃溫(wen)度下(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石(shi)膏干密度(du)與埋深的關系

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

由圖3，水(shui)(shui)位線上(shang)(shang)的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)飽和度(du)(du)平(ping)均值(zhi)(zhi)為50.4%，處于(yu)非飽和狀態，水(shui)(shui)位線以下的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)飽和度(du)(du)平(ping)均值(zhi)(zhi)為85.0%，基本處于(yu)飽和狀態，由于(yu)水(shui)(shui)位下降后(hou)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)來不及排水(shui)(shui)固結(jie)，故(gu)而(er)水(shui)(shui)位線上(shang)(shang)局部試樣的(de)飽和度(du)(du)較高。

由圖2，水(shui)(shui)(shui)位線以(yi)(yi)(yi)上(shang)(shang)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位線以(yi)(yi)(yi)下的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見(jian)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)與一般的(de)尾礦有所不同(tong)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度并不隨埋深的(de)增大而(er)明(ming)顯(xian)增大，但水(shui)(shui)(shui)位線以(yi)(yi)(yi)下的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度從統計意義上(shang)(shang)來看仍大于水(shui)(shui)(shui)位線以(yi)(yi)(yi)上(shang)(shang)的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度，這主(zhu)要是(shi)由于水(shui)(shui)(shui)位線隨庫水(shui)(shui)(shui)位的(de)變化反(fan)復升降而(er)使得磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)排水(shui)(shui)(shui)固結(jie)所致。

室內(nei)擊實得到(dao)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從(cong)圖2可(ke)以看出(chu)，自然沉積的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)度可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如下：與經典的(de)(de)土(tu)骨架不可(ke)壓縮的(de)(de)理論不同，石(shi)膏(gao)本(ben)身(shen)可(ke)壓縮，同時由于(yu)顆(ke)粒結(jie)構(gou)不穩定，擊實試驗過程中(zhong)磷石(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)被破壞，受夯擊處下陷，四周鼓起，出(chu)現了類似于(yu)橡(xiang)皮土(tu)的(de)(de)現象(xiang)。而在現場條件(jian)下，石(shi)膏(gao)骨架被破壞后，會(hui)導(dao)致顆(ke)粒中(zhong)的(de)(de)結(jie)合水(shui)(shui)滲(shen)出(chu)至孔隙(xi)(xi)內(nei)，變成孔隙(xi)(xi)水(shui)(shui)，排水(shui)(shui)固結(jie)后會(hui)使得磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)孔隙(xi)(xi)比減小，干(gan)密(mi)度增(zeng)大。

圖4給出了相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)于(yu)2級子壩(ba)河床部(bu)位(wei))以及相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)于(yu)4級子壩(ba)河床部(bu)位(wei))干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值為1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上(shang)來看，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)也并未隨后續磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)堆積而有較為明(ming)顯(xian)的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析(xi)試驗采用密度計法(fa)，制備(bei)懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏(pian)磷酸鈉。圖5給出了(le)試驗得到的(de)級配包線、平均(jun)粒徑(jing)d50、不(bu)均(jun)勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的(de)分布圖。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏的粒徑主要(yao)分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)(shu)于(yu)粉土，但可能由于(yu)礦石(shi)來源或(huo)生產工藝(yi)有所不同，局部(bu)屬(shu)(shu)于(yu)粉砂～中(zhong)砂。粒徑分(fen)布范圍比Blight和張超等的試(shi)驗(yan)結果要(yao)寬(kuan)一(yi)些。

圖4子壩(ba)加高后沉積磷石膏的干密度變化

圖5沉積磷石膏的平均(jun)粒徑和級配分(fen)布

由(you)圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向還是(shi)垂(chui)直(zhi)向，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)與金(jin)屬(shu)(shu)礦(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下(xia)細(xi)”的(de)(de)自(zi)然分級(ji)現(xian)象不(bu)(bu)同，也(ye)即粗(cu)顆粒并不(bu)(bu)是(shi)沿埋深逐步減小(xiao)或距離放漿(jiang)口越(yue)遠顆粒越(yue)細(xi)，其原因如下(xia)：①磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆粒粒徑(jing)組成較(jiao)(jiao)為(wei)集(ji)中(zhong)、均勻，主(zhu)要(yao)以(yi)粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級(ji)配較(jiao)(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)(jiao)金(jin)屬(shu)(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)較(jiao)(jiao)小(xiao)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬(shu)(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)，例如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)可達2.9；③放漿(jiang)口隨子(zi)壩高度不(bu)(bu)斷增加(jia)而不(bu)(bu)斷變(bian)動并向庫尾(wei)(wei)延伸(shen)，造(zao)成沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)粒徑(jing)變(bian)化不(bu)(bu)明顯(xian)。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻系(xi)數Cu范(fan)(fan)圍值1.61～21.5，平(ping)均(jun)值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范(fan)(fan)圍值0.28～9.78，平(ping)均(jun)值為(wei)1.21，在(zai)統(tong)計的100多個試樣中，屬于級配不良土的占93%。這(zhe)種(zhong)級配特(te)性(xing)決定(ding)了磷(lin)石膏具有較高的壓縮(suo)性(xing)、滲透破(po)(po)壞型式表現(xian)為(wei)流土破(po)(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)主要因素是(shi)粒徑大(da)小、級(ji)配和孔隙比，因而(er)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)為(wei)接(jie)近。由于(yu)(yu)孔隙比e減(jian)小，使(shi)得過水通道面積(ji)(ji)減(jian)小，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也(ye)將(jiang)減(jian)小，k與(yu)e呈正(zheng)相關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土，一般(ban)認為(wei)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的(de)關(guan)系(xi)曲(qu)線，由于(yu)(yu)沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)不均勻(yun)系(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)大(da)，使(shi)得沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)變化范圍(wei)較(jiao)大(da)(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級(ji))，二(er)者問的(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)差。

圖6沉積(ji)磷石膏滲透系(xi)數與(yu)孔隙比的(de)關系(xi)

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

圖7給出了水平與垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)比(bi)值的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)。沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)水平向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)kh一(yi)般(ban)大于垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)kv,kh/kv平均值約為(wei)(wei)2.86，這一(yi)點與成層分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)金屬尾(wei)礦規律一(yi)致。造成沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)水平向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)大于垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)原因是由(you)于磷(lin)石膏(gao)(gao)具有(you)明顯的(de)(de)(de)(de)晶體(ti)結構，電(dian)鏡掃(sao)描(miao)顯示多為(wei)(wei)菱形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉積過程中(zhong)，由(you)于扁平狀(zhuang)磷(lin)石膏(gao)(gao)顆粒(li)多呈(cheng)(cheng)水平排列，使(shi)得水平方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透(tou)(tou)水性大于垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透(tou)(tou)水性，從而使(shi)磷(lin)石膏(gao)(gao)呈(cheng)(cheng)現明顯的(de)(de)(de)(de)各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另(ling)根據中(zhong)國(guo)有色金屬工業昆明勘察(cha)設計研究院在楊家箐(qing)磷(lin)石膏堆積壩開展(zhan)的(de)現(xian)場滲透(tou)(tou)試(shi)驗，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約為(wei)1.9。但(dan)張超等的(de)室(shi)內試(shi)驗顯(xian)示，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約為(wei)0.46，也即(ji)垂直(zhi)向(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)大于水平向(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)，與本文和(he)現(xian)場試(shi)驗結果恰(qia)(qia)恰(qia)(qia)相(xiang)反。從(cong)磷(lin)石膏的(de)微觀結構來看，本文試(shi)驗結果更為(wei)合理。

圖7沉積磷(lin)石膏(gao)干密(mi)度與(yu)水平和垂直(zhi)滲透系(xi)數(shu)比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷石(shi)膏干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度(du)J與流速V的(de)(de)關系(xi)(xi)曲線，試驗在(zai)水(shui)平管涌儀(yi)中(zhong)采用水(shui)平方(fang)向的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)流形式進行。試驗得到(dao)的(de)(de)臨界坡(po)(po)降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)來說(shuo)，對(dui)(dui)1，2級工(gong)程(cheng)，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)安(an)全系(xi)(xi)數(shu)取為(wei)2.5，則允(yun)許出逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下工(gong)程(cheng)，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)安(an)全系(xi)(xi)數(shu)取2.0，則允(yun)許出逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比(bi)降(jiang)與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大(da)致相同(tong)。但上(shang)述滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)變(bian)形試驗是(shi)(shi)采用自來水(shui)進行的(de)(de)，自來水(shui)對(dui)(dui)磷石(shi)膏具有一(yi)定(ding)的(de)(de)溶蝕作用，而實(shi)際上(shang)磷石(shi)膏中(zhong)殘余磷、硫和(he)氟酸(suan)，庫水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小于(yu)3(稱之為(wei)酸(suan)性(xing)水(shui))，在(zai)酸(suan)性(xing)水(shui)作用下，磷石(shi)膏不會發生破(po)壞，上(shang)述試驗結果是(shi)(shi)偏于(yu)保(bao)守(shou)的(de)(de)，但對(dui)(dui)非(fei)酸(suan)性(xing)水(shui)條件(例如(ru)特大(da)暴雨(yu))下的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)穩定(ding)判(pan)斷(duan)有一(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒(jian)意(yi)義。

圖9水力梯度(du)J-流速v試驗(yan)過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗(yan)在(zai)5Bar的壓(ya)力板儀(yi)中(zhong)進行，環刀尺(chi)寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范(fan)圍0～500kPa。表(biao)l列出(chu)了含(han)水率(lv)特征值(zhi)，試驗(yan)曲(qu)線見圖10所示。

試驗結果表明：①干(gan)(gan)密度對進氣(qi)值沒有明顯的(de)影(ying)響，不同干(gan)(gan)密度的(de)試樣的(de)進氣(qi)值大(da)致(zhi)在10kPa左右；②土(tu)樣殘(can)余(yu)含水(shui)率隨干(gan)(gan)密度的(de)增加而減少，殘(can)余(yu)含水(shui)率約為飽和含水(shui)率的(de)10%。上述特性與粉土(tu)一(yi)(yi)粉砂基(ji)本一(yi)(yi)致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)密(mi)度變化較大，而進(jin)行(xing)(xing)三(san)軸試(shi)驗(yan)需要若(ruo)干(gan)(gan)原狀樣，為使試(shi)驗(yan)結果具(ju)有較好的(de)一致性，有針對性的(de)選擇(ze)平均干(gan)(gan)密(mi)度分別(bie)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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)干(gan)(gan)試(shi)樣，進(jin)行(xing)(xing)了5組三(san)軸CU試(shi)驗(yan)。圖11是(shi)為干(gan)(gan)密(mi)度為1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)驗(yan)曲(qu)線(xian)。

從圖11可以(yi)看出，磷石膏的應(ying)力應(ying)變(bian)關系曲(qu)線在低圍(wei)壓(ya)下(xia)表現(xian)為軟化(hua)型，在高(gao)圍(wei)壓(ya)下(xia)表現(xian)為硬化(hua)型，與一(yi)般土(tu)類相似。但與一(yi)般粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂不同的是，即使在較為疏松的狀態下(xia)，磷石膏仍表現(xian)了(le)較為強(qiang)烈的剪(jian)脹，隨密(mi)實度增大，剪(jian)脹作(zuo)用(yong)愈發明顯。

表2給出了(le)(le)不同干密(mi)度(du)下的內摩擦角(jiao)，圖12給出了(le)(le)內摩擦角(jiao)與干密(mi)度(du)的關系曲(qu)線(xian)。隨(sui)干密(mi)度(du)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩擦角(jiao)也(ye)隨(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪(mi)函數較(jiao)(jiao)好(hao)地擬合(he)。磷(lin)石(shi)膏(gao)的干密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)(le)32%，總應(ying)(ying)(ying)力(li)摩擦角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根(gen)據擬合(he)曲(qu)線(xian)求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)9.4%，有(you)效應(ying)(ying)(ying)力(li)摩擦角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨(sui)圍壓(ya)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也(ye)明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩擦角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)(jiao)之總應(ying)(ying)(ying)力(li)摩擦角(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之于干密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩擦角(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不顯著，表明(ming)即使較(jiao)(jiao)為(wei)疏松的磷(lin)石(shi)膏(gao)仍具(ju)有(you)較(jiao)(jiao)高(gao)的強度(du)指標，這也(ye)表明(ming)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的穩(wen)定性較(jiao)(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(次固結)變形試驗(yan)

磷(lin)石膏的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形試(shi)(shi)驗在側限(xian)壓縮儀中進行(xing)，試(shi)(shi)驗狀(zhuang)態相當于K0固結(jie)。試(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣干(gan)密度為(wei)1.30g/cm3，對(dui)試(shi)(shi)樣飽(bao)和后分別開展了上覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)驗，

試驗從(cong)2012年(nian)8月27日開始，試驗己(ji)進行了(le)1年(nian)多(duo)，試驗結果見圖(tu)13所(suo)示。

從圖13中可以(yi)看(kan)出：上覆荷(he)載越(yue)大(da)(da)，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也越(yue)大(da)(da)，荷(he)載施(shi)加1年后(hou)，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍(reng)非常(chang)顯(xian)著，尚未達到(dao)穩定狀態，這也是磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩后(hou)期變(bian)(bian)形(xing)較大(da)(da)的(de)(de)原因(yin)，原型(xing)觀測資料表明，在5級子壩河(he)床部(bu)位的(de)(de)表面沉降量(liang)已經(jing)達到(dao)3.1m，且尚未完全穩定。

按時(shi)間對數(shu)法，可求得各級荷載(zai)下的(de)(de)主(zhu)次(ci)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)量如表(biao)3所示(shi)。試(shi)驗(yan)結(jie)果表(biao)明，在(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆荷載(zai)作用下，在(zai)(zai)試(shi)驗(yan)時(shi)間范圍內蠕(ru)(ru)變(bian)(次(ci)固結(jie))變(bian)形(xing)(xing)是(shi)(shi)主(zhu)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實際的(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)應更大。對土(tu)(tu)體而言(yan)，發(fa)生(sheng)蠕(ru)(ru)變(bian)的(de)(de)原因是(shi)(shi)由于(yu)(yu)土(tu)(tu)體在(zai)(zai)主(zhu)固結(jie)完(wan)成(cheng)之(zhi)后(hou)，土(tu)(tu)體中仍有微小的(de)(de)超(chao)靜(jing)孔隙壓力存(cun)在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流動(dong)，一般來(lai)講土(tu)(tu)體的(de)(de)次(ci)固結(jie)遠小于(yu)(yu)主(zhu)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)；對磷石(shi)膏(gao)而言(yan)，其(qi)滲(shen)透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠大于(yu)(yu)黏性土(tu)(tu)，但其(qi)卻(que)發(fa)生(sheng)了(le)極為顯(xian)著的(de)(de)次(ci)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原因在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石(shi)膏(gao)晶(jing)體結(jie)構發(fa)生(sheng)了(le)壓縮、破壞，接觸點晶(jing)格發(fa)生(sheng)歪曲和(he)變(bian)形(xing)(xing)，而破壞后(hou)晶(jing)格之(zhi)間的(de)(de)重新排列、調整(zheng)到最后(hou)趨于(yu)(yu)相對靜(jing)止需要(yao)相當(dang)長(chang)的(de)(de)時(shi)間才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗設備(bei)采用英國GDS公(gong)司進(jin)口(kou)的電(dian)機控(kong)制動三軸試驗系統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼(ni)比(bi)

同樣由于(yu)自(zi)然(ran)沉積(ji)的磷石膏密度變化較(jiao)大，為此根據物(wu)理性(xing)質試驗結果，選擇兩種平均干(gan)密度1.34g/cm3(變化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議(yi)的動剪切模(mo)量G、阻尼比與剪應(ying)變幅值γd的關系式如下：

式中k1為參數，表示動剪切模量(liang)的衰減或阻尼比的增長速率；λmax為最大阻尼比；Gmax，γd分(fen)別為最大動剪切模量(liang)和歸一化的動剪應(ying)變，表示為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力(li)；Pa為(wei)標準(zhun)大氣壓；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸一化的動應變(bian)，表達為(wei)

圖14給出了動剪切模量、阻尼比與歸一化動應變的(de)關系曲線，另外圖中還給出了式(1)的(de)擬合曲線以及Seed等給出的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊界線，圖例中，σ2表(biao)示(shi)圍壓，Kc表(biao)示(shi)固(gu)結應力比。

從圖中(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可較好地描述磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)動(dong)應力(li)-動(dong)應變試(shi)驗曲線(xian)(xian)，表明(ming)(ming)采用(yong)等價黏彈性模型進行(xing)循環荷載作用(yong)下的(de)(de)分析是可行(xing)的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)干密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)(xian)位(wei)于(yu)(yu)干密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)(xian)上(shang)方(fang)，圖14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)(yu)下方(fang)，表明(ming)(ming)密(mi)度越(yue)(yue)大(da)(da)，動(dong)彈模越(yue)(yue)大(da)(da)、阻尼比(bi)越(yue)(yue)小；③圖14(a)中(zhong)，兩種干密(mi)度的(de)(de)擬合線(xian)(xian)基本位(wei)于(yu)(yu)Seed等給(gei)出的(de)(de)邊界線(xian)(xian)上(shang)方(fang)，而圖14(b)中(zhong)則(ze)基本處于(yu)(yu)邊界線(xian)(xian)中(zhong)間，表明(ming)(ming)相(xiang)(xiang)比(bi)較砂樣，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)動(dong)彈模較大(da)(da)，會(hui)導致磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應較大(da)(da)，但由于(yu)(yu)阻尼比(bi)也較大(da)(da)，這樣又會(hui)削弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應，二者的(de)(de)相(xiang)(xiang)互影響下，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應將不(bu)會(hui)過(guo)于(yu)(yu)強烈，這對磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)抗震(zhen)穩定性是有(you)利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干(gan)密度(du)為(wei)(wei)1.12(變化(hua)范(fan)(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范(fan)(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞標(biao)準(zhun)為(wei)(wei)總應變達(da)到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的關(guan)系(xi)曲線圖(tu)，其中σ0為振前試(shi)樣45°面上(shang)的有效(xiao)法向應力(li)(li)，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比(bi)。從試(shi)驗結果可以(yi)看(kan)出(chu)，沉(chen)積磷石膏(gao)的動(dong)強度與(yu)其它土體相似，表現(xian)為圍壓和固結應力(li)(li)比(bi)與(yu)動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)呈負(fu)相關(guan)關(guan)系(xi)。

為判別沉積磷(lin)石膏的抗(kang)液(ye)化能力，假(jia)定抗(kang)震(zhen)設計烈度(du)為8度(du)，即等效振次Ⅳ可取為30。首(shou)先(xian)由式(4)

所示的冪函數關系式(shi)得到振次(ci)為30時各個圍壓(ya)和固結比下的動剪(jian)應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求得動剪應(ying)力(li)比與圍壓和固(gu)結應(ying)力(li)比的關(guan)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(cong)上述擬合關(guan)系(xi)式可見，密(mi)實度提高(gao)(gao)后，動(dong)剪應力比(bi)提高(gao)(gao)，表明(ming)抗(kang)液化(hua)能(neng)力也提高(gao)(gao)。但即使是在(zai)低密(mi)度下，其動(dong)剪應力比(bi)較之同類的粉土(tu)或粉砂(sha)也大出許(xu)多，表明(ming)磷石膏具(ju)有較高(gao)(gao)的抗(kang)液化(hua)能(neng)力。

三、結論

依托柳(liu)樹箐(qing)磷石膏(gao)堆積壩，在鉆探取樣工(gong)作的基礎上，首先開展了物理(li)性質試(shi)驗，然(ran)后開展了靜(jing)動(dong)力(li)力(li)學(xue)特(te)性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，得出如下結論：

(1)沉積(ji)磷石膏總體上(shang)屬于級配不良的(de)粉土，局(ju)部屬于粉砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級現象。其干密度和粒徑變(bian)化隨埋深或距(ju)放漿口距(ju)離的(de)變(bian)化不明顯。

(2)沉積磷(lin)石(shi)膏水平方向的(de)(de)滲透系(xi)數(shu)大于(yu)垂直方向的(de)(de)滲透系(xi)數(shu)，呈(cheng)現明顯的(de)(de)各向異性。

(3)與土體顆粒不(bu)(bu)可(ke)壓(ya)(ya)縮不(bu)(bu)同(tong)，磷石膏的晶體結(jie)構會發生壓(ya)(ya)縮破壞(huai)，具有較大的壓(ya)(ya)縮性，其次固結(jie)變形量(liang)遠大于主固結(jie)變形量(liang)。

(4)沉積磷石膏的(de)靜(jing)動(dong)強度較之同等密實度下的(de)粉土、粉砂要高。