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。

引言

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)是濕(shi)法磷(lin)(lin)(lin)酸生產過程中的(de)(de)(de)副產品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)產生量為(wei)(wei)7800萬噸，且(qie)呈逐年增長的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)主要(yao)(yao)成分(fen)是CaO和SO3，但含有(you)一定量的(de)(de)(de)氟(fu)化(hua)物和其它放(fang)射性(xing)物質(zhi)，在(zai)中國(guo)通常(chang)按Ⅱ類一般工業固體(ti)廢物處(chu)理(li)，鑒于(yu)無(wu)害化(hua)處(chu)理(li)成本(ben)(ben)較(jiao)高(gao)，目前綜合利用率尚不足40%，故大部分(fen)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)(yao)堆存存放(fang)。按堆存場地的(de)(de)(de)不同，可(ke)分(fen)為(wei)(wei)平地型、傍山(shan)型、山(shan)谷型和截河型堆場，在(zai)中國(guo)基本(ben)(ben)上是山(shan)谷型堆場。相比較(jiao)干法堆存，濕(shi)法堆存經濟優勢明顯(xian)，因而如地質(zhi)條件為(wei)(wei)非碳酸鹽巖(yan)地區，一般均(jun)采用濕(shi)排濕(shi)堆方式(shi)。隨著(zhu)中國(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥(fei)工業的(de)(de)(de)快(kuai)速發展，本(ben)(ben)世紀初中國(guo)相繼建(jian)設了幾座濕(shi)法堆存的(de)(de)(de)大型磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例如云天(tian)化(hua)國(guo)際化(hua)工三環(huan)分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆積壩和富瑞(rui)分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆積壩，這兩座壩設計壩高(gao)均(jun)超過100m、處(chu)于(yu)8度地震(zhen)區，其安全性(xing)備(bei)受(shou)關注(zhu)。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全(quan)世界有118座尾礦(kuang)壩(ba)(ba)曾發生過破壞(huai)或潰壩(ba)(ba)事(shi)故，原因主要有地震、洪水漫頂(ding)、滲(shen)透破壞(huai)和基(ji)礎失穩。尾礦(kuang)庫(ku)失事(shi)后會造(zao)成巨大的生態(tai)災難和人員(yuan)傷亡(wang)，近幾十年(nian)來(lai)，

國內外對金(jin)屬尾礦的(de)沉(chen)積規律(lv)、物理(li)(li)力學特性及(ji)其(qi)(qi)穩定(ding)性開展了大量的(de)研究(jiu)，但對于與金(jin)屬尾礦庫相近的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏庫，一般僅限于在可研階段采用人(ren)工制備樣進(jin)行物理(li)(li)力學性質試驗，并據此進(jin)行穩定(ding)性分析，尚未(wei)有人(ren)針對己(ji)運行若(ruo)干(gan)年的(de)大型濕(shi)法堆存(cun)磷(lin)(lin)石(shi)膏堆積壩開展過(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏沉(chen)積規律(lv)及(ji)其(qi)(qi)物理(li)(li)力學特性的(de)專項(xiang)研究(jiu)。

本文(wen)依托柳樹(shu)箐磷石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)，首先進行(xing)了(le)鉆探取(qu)樣(yang)，采(cai)用原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展了(le)密度、含水率、滲(shen)透、土水特(te)(te)征和顆分等物理性(xing)(xing)(xing)質試驗(yan)，在此基礎(chu)上有(you)針(zhen)對性(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展了(le)三軸(zhou)CU、蠕變(bian)及(ji)(ji)動(dong)三軸(zhou)等力(li)學特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)試驗(yan)。通(tong)過(guo)上述(shu)試驗(yan)研(yan)究(jiu)，總結(jie)了(le)磷石膏(gao)的(de)沉積(ji)規律、滲(shen)透特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)、滲(shen)透破(po)壞特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)以及(ji)(ji)靜動(dong)力(li)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)，上述(shu)研(yan)究(jiu)工作對研(yan)究(jiu)和評估磷石膏(gao)庫堆積(ji)壩(ba)(ba)的(de)穩定性(xing)(xing)(xing)提供(gong)了(le)基礎(chu)數(shu)據，對現行(xing)磷石膏(gao)庫的(de)運行(xing)管理以及(ji)(ji)新建(jian)工程的(de)設計具有(you)重要的(de)借(jie)鑒意義。

一、依托(tuo)工程概況(kuang)

1.1柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)堆(dui)(dui)存設計方(fang)案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設(she)計總(zong)壩(ba)高(gao)約(yue)130m。

(1)初期(qi)壩

初期壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)高約30m，采用(yong)土料(liao)填筑。上游坡面、壩(ba)(ba)(ba)底和下游壩(ba)(ba)(ba)腳設置堆(dui)石排(pai)水體，三者相連通(tong)構成整個堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的主要排(pai)滲(shen)系統。

(2)堆(dui)積(ji)壩及(ji)其輔(fu)助(zhu)排滲措施

采(cai)用上游式(shi)筑(zhu)壩(ba)法，共20級子壩(ba)，頂寬(kuan)6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采(cai)用排(pai)滲管網作(zuo)為輔(fu)助排(pai)滲方案，目前己在5級、9級子壩(ba)和13級子壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置了(le)井字形排(pai)滲管網。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探取樣

鉆(zhan)孔平面位置見圖l。2008年6月(yue)，堆(dui)積至(zhi)5級子(zi)(zi)壩時，布(bu)設了9個(ge)取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號K1～K9，取(qu)原狀樣(yang)76件(jian)；2013年5月(yue)，堆(dui)積至(zhi)13級子(zi)(zi)壩時，又布(bu)設了11個(ge)取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號K10～K20，取(qu)原狀樣(yang)112件(jian)，為比(bi)較子(zi)(zi)壩加高(gao)和(he)磷石膏堆(dui)積過程中(zhong)磷石膏物理力學(xue)性質的變化，在2，4級子(zi)(zi)壩K2孔和(he)K6孔附近各布(bu)設了一個(ge)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號分別(bie)為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹(shu)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏尾(wei)礦庫(ku)(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入運(yun)行，截至2013年(nian)5月己堆(dui)至13級子壩(ba)，尚有(you)7級子壩(ba)即堆(dui)存至設計(ji)高(gao)程(cheng)。鑒于磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)(ku)地(di)形(xing)、地(di)質條件較好，具備擴容改造的條件，以提(ti)高(gao)堆(dui)存庫(ku)(ku)容，減(jian)少堆(dui)存占地(di)，節約土地(di)資源。

本(ben)文(wen)主要(yao)對(dui)沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)物(wu)理(li)力學(xue)特(te)性(xing)進行了全面總結，限于篇幅，有(you)關現(xian)狀磷石膏(gao)庫堆積(ji)壩的(de)安全性(xing)評價及其加高(gao)可行性(xing)的(de)研究將另文(wen)發表(biao)。

二、沉積磷石膏(gao)的物(wu)理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度(du)分布(bu)

圖(tu)(tu)(tu)2給出了14個鉆(zhan)孔的取樣(yang)深度(du)(du)和試(shi)驗(yan)所得(de)干(gan)密度(du)(du)的關系，圖(tu)(tu)(tu)中UWL表(biao)示(shi)水位(wei)線上，(系鉆(zhan)孔期間(jian)的初見水位(wei)線，下(xia)同)，DWL表(biao)示(shi)水位(wei)線下(xia)。圖(tu)(tu)(tu)3給出了水位(wei)線上下(xia)的飽和度(du)(du)分(fen)(fen)布圖(tu)(tu)(tu)。由于磷石膏中的主要成分(fen)(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度(du)(du)和烘烤時間(jian)對測定結(jie)果有(you)一定影(ying)響，不能照搬現(xian)行的土工試(shi)驗(yan)規范，本文磷石膏的含水率測定方(fang)法為55℃溫(wen)度(du)(du)下(xia)烘培24h。

圖2沉積磷(lin)石膏干密(mi)度(du)與埋深的關系

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

由圖(tu)3，水(shui)位線(xian)上(shang)的磷(lin)石(shi)膏飽和(he)度(du)(du)平均值為50.4%，處(chu)于(yu)非飽和(he)狀(zhuang)態，水(shui)位線(xian)以(yi)下(xia)的磷(lin)石(shi)膏飽和(he)度(du)(du)平均值為85.0%，基本處(chu)于(yu)飽和(he)狀(zhuang)態，由于(yu)水(shui)位下(xia)降后(hou)磷(lin)石(shi)膏來不(bu)及排水(shui)固結(jie)，故而水(shui)位線(xian)上(shang)局部(bu)試樣(yang)的飽和(he)度(du)(du)較高。

由圖2，水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)上的(de)干密(mi)度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)下(xia)的(de)干密(mi)度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏與一(yi)般的(de)尾礦有所(suo)不同，磷石(shi)膏的(de)干密(mi)度(du)并不隨埋深的(de)增大而明顯增大，但水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)下(xia)的(de)磷石(shi)膏干密(mi)度(du)從(cong)統計(ji)意義(yi)上來看仍大于水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)上的(de)磷石(shi)膏干密(mi)度(du)，這主要(yao)是由于水(shui)(shui)位線(xian)隨庫水(shui)(shui)位的(de)變化反復升降而使(shi)得磷石(shi)膏排水(shui)(shui)固(gu)結所(suo)致。

室內擊(ji)實(shi)得到(dao)的磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)(gan)密(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出(chu)，自然沉積的磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)(gan)密(mi)度(du)可達到(dao)1.73g/cm3，原因如下：與經典的土(tu)(tu)骨(gu)架不可壓縮的理(li)論不同，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)本(ben)身可壓縮，同時由于(yu)顆粒(li)結(jie)(jie)構不穩定(ding)，擊(ji)實(shi)試驗(yan)過程(cheng)中磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)結(jie)(jie)構被(bei)破(po)壞，受(shou)夯擊(ji)處下陷，四周(zhou)鼓起，出(chu)現(xian)了類似(si)于(yu)橡皮土(tu)(tu)的現(xian)象。而在現(xian)場條件下，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)架被(bei)破(po)壞后，會導致(zhi)顆粒(li)中的結(jie)(jie)合水滲(shen)出(chu)至孔隙(xi)內，變(bian)成孔隙(xi)水，排水固結(jie)(jie)后會使(shi)得磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的孔隙(xi)比減(jian)小(xiao)，干(gan)(gan)密(mi)度(du)增大。

圖4給出了(le)相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K2和(he)K17(位(wei)(wei)于2級子壩(ba)河床部位(wei)(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K6和(he)K18(位(wei)(wei)于4級子壩(ba)河床部位(wei)(wei))干(gan)(gan)密(mi)度的(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度在1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度在1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度在1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度在1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.37g/cm3。可見，即使從統計(ji)意(yi)義上來看，磷石膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)度也并未隨(sui)后續磷石膏的(de)堆積而有較為明顯的(de)增(zeng)大。

(2)級配(pei)分布

顆(ke)粒分析試驗采用密度計(ji)法，制備(bei)懸液(ye)時不煮沸(fei)，不加六(liu)偏磷酸鈉。圖5給出了(le)試驗得到(dao)的(de)級配包線、平均粒徑d50、不均勻系(xi)數(1u和曲(qu)率系(xi)數Cc的(de)分布圖。

從圖5(a)可(ke)見(jian)，磷石膏的粒徑主要分(fen)布在0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬于粉土，但(dan)可(ke)能由于礦石來源或生(sheng)產工(gong)藝有所不同，局部屬于粉砂～中砂。粒徑分(fen)布范(fan)圍比Blight和張超等的試驗結果要寬一(yi)些(xie)。

圖4子壩(ba)加(jia)高后沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)的干密(mi)度變化

圖(tu)5沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)平均粒(li)徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論(lun)是(shi)水平向(xiang)還是(shi)垂直(zhi)向(xiang)，磷(lin)石膏(gao)與金屬礦山尾(wei)礦的(de)“前粗(cu)后(hou)細，上粗(cu)下(xia)細”的(de)自然分級現(xian)象不同，也即粗(cu)顆粒(li)(li)并(bing)不是(shi)沿埋深逐步減小(xiao)(xiao)或(huo)距離放(fang)漿(jiang)口(kou)越遠顆粒(li)(li)越細，其原因(yin)如(ru)(ru)下(xia)：①磷(lin)石膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成(cheng)較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)集中、均勻，主要以粉(fen)粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較(jiao)(jiao)(jiao)差；②相比(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)金屬尾(wei)礦，磷(lin)石膏(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重較(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)(xiao)，磷(lin)石膏(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重一般為(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)(xiao)于金屬尾(wei)礦的(de)比(bi)(bi)(bi)重，例如(ru)(ru)鐵(tie)尾(wei)礦的(de)比(bi)(bi)(bi)重可(ke)達2.9；③放(fang)漿(jiang)口(kou)隨子(zi)壩高度不斷(duan)增加而不斷(duan)變(bian)動并(bing)向(xiang)庫尾(wei)延(yan)伸，造成(cheng)沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)粒(li)(li)徑變(bian)化(hua)不明(ming)顯(xian)。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻系數(shu)Cu范圍值1.61～21.5，平均(jun)值為(wei)4.18，曲率系數(shu)(1c范圍值0.28～9.78，平均(jun)值為(wei)1.21，在(zai)統計(ji)的(de)100多個(ge)試樣中，屬于級(ji)配不良土的(de)占93%。這種級(ji)配特性決定了磷石(shi)膏具(ju)有較(jiao)高的(de)壓(ya)縮(suo)性、滲透破壞(huai)型式表現(xian)為(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲透特性(xing)

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒(li)徑大小、級配和(he)孔隙(xi)比(bi)，因而(er)磷石膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)與粉(fen)土較(jiao)(jiao)為接近(jin)。由(you)于孔隙(xi)比(bi)e減(jian)小，使得(de)過(guo)水通道面積(ji)減(jian)小，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也將減(jian)小，k與e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土，一(yi)般認(ren)為滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給出了(le)二(er)者間(jian)的(de)(de)關(guan)系(xi)曲線，由(you)于沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)不均(jun)勻系(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)(jiao)大，使得(de)沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)變化范圍(wei)較(jiao)(jiao)大(平均(jun)值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二(er)者問(wen)的(de)(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷(lin)石膏(gao)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)(shui)平與垂直向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)比值的(de)(de)(de)分布。沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)(de)水(shui)(shui)平向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)kh一(yi)(yi)般大(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平均值約為2.86，這一(yi)(yi)點(dian)與成(cheng)層分布的(de)(de)(de)金屬尾礦規律一(yi)(yi)致。造成(cheng)沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏水(shui)(shui)平向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)大(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)磷(lin)石膏具(ju)有明顯的(de)(de)(de)晶(jing)體結構，電鏡掃(sao)描顯示多為菱形和棱柱狀形式(見圖8)，在(zai)沉(chen)積(ji)過程(cheng)中，由于(yu)(yu)扁(bian)平狀磷(lin)石膏顆粒多呈水(shui)(shui)平排列，使得水(shui)(shui)平方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)(xing)大(da)于(yu)(yu)垂直方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)(xing)，從而使磷(lin)石膏呈現明顯的(de)(de)(de)各(ge)向(xiang)異性(xing)(xing)(xing)。

另根(gen)據中國(guo)有色(se)金屬(shu)工業(ye)昆明勘察設計(ji)研究院在楊家箐磷石膏堆積壩開展的(de)現場(chang)滲(shen)透試(shi)驗，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均(jun)值約(yue)為1.9。但張超等的(de)室內(nei)試(shi)驗顯示，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均(jun)值約(yue)為0.46，也即垂直向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數大于水平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數，與本(ben)文和現場(chang)試(shi)驗結(jie)果恰(qia)恰(qia)相(xiang)反。從磷石膏的(de)微觀結(jie)構(gou)來(lai)看，本(ben)文試(shi)驗結(jie)果更(geng)為合(he)理。

圖7沉積磷石(shi)膏(gao)干密(mi)度(du)與水平和垂直滲透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)(lin)石膏干密度為1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)(shui)力梯(ti)度J與(yu)(yu)流速V的(de)關系(xi)曲(qu)線(xian)，試(shi)驗在(zai)水(shui)(shui)(shui)平管(guan)涌儀中(zhong)采(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平方(fang)向的(de)滲(shen)流形式進(jin)行。試(shi)驗得到的(de)臨界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來說，對(dui)1，2級工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全系(xi)數(shu)取為2.5，則(ze)允許(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)(xia)工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全系(xi)數(shu)取2.0，則(ze)允許(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)(jiang)與(yu)(yu)粉(fen)土一粉(fen)砂大(da)致相同。但(dan)上述滲(shen)透(tou)變(bian)形試(shi)驗是采(cai)用(yong)自(zi)來水(shui)(shui)(shui)進(jin)行的(de)，自(zi)來水(shui)(shui)(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石膏具有(you)一定(ding)的(de)溶(rong)蝕作用(yong)，而(er)實(shi)際上磷(lin)(lin)石膏中(zhong)殘余(yu)磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)pH值一般小于3(稱之為酸(suan)性水(shui)(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下(xia)(xia)，磷(lin)(lin)石膏不會發生破壞，上述試(shi)驗結果(guo)是偏于保(bao)守的(de)，但(dan)對(dui)非(fei)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)(xia)的(de)滲(shen)透(tou)穩定(ding)判斷(duan)有(you)一定(ding)的(de)借(jie)鑒意義。

圖9水力梯度(du)J-流(liu)速v試(shi)驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特征試驗(yan)

試驗在5Bar的壓力(li)板儀(yi)中(zhong)進(jin)行，環刀尺寸6.18cm。干密(mi)度(du)分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征(zheng)值，試驗曲線見圖(tu)10所(suo)示。

試驗結果表明：①干(gan)密(mi)度(du)對進(jin)氣(qi)值沒有明顯的影響，不同干(gan)密(mi)度(du)的試樣(yang)的進(jin)氣(qi)值大致(zhi)(zhi)在10kPa左右；②土樣(yang)殘(can)余(yu)含(han)水率(lv)隨干(gan)密(mi)度(du)的增加(jia)而減少，殘(can)余(yu)含(han)水率(lv)約為(wei)飽和(he)含(han)水率(lv)的10%。上述特性與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂基本一(yi)致(zhi)(zhi)。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石(shi)膏的密度變化較大(da)，而進行三(san)(san)軸試驗(yan)需要若干(gan)(gan)原狀(zhuang)樣(yang)，為(wei)使(shi)試驗(yan)結(jie)果具有(you)(you)較好的一致性(xing)，有(you)(you)針對性(xing)的選擇平(ping)均干(gan)(gan)密度分別為(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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干(gan)(gan)試樣(yang)，進行了5組三(san)(san)軸CU試驗(yan)。圖11是為(wei)干(gan)(gan)密度為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的三(san)(san)軸CU試驗(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)應(ying)力應(ying)變關系曲線在低圍壓下(xia)表現為(wei)軟(ruan)化型，在高圍壓下(xia)表現為(wei)硬化型，與一般(ban)土類相似。但(dan)與一般(ban)粉土一粉砂不同(tong)的(de)(de)(de)是，即使在較為(wei)疏松的(de)(de)(de)狀態下(xia)，磷(lin)石膏(gao)仍表現了較為(wei)強烈(lie)的(de)(de)(de)剪脹，隨(sui)密(mi)實度增大，剪脹作用愈發(fa)明顯。

表2給出(chu)了不同干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)，圖12給出(chu)了內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)與干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)關系曲線。隨干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)增大，內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也(ye)隨之增大，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)好地擬合。磷石膏的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)由1.20g/cm3增加為(wei)1.58g/cm3，增加了32%，總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由34.1°增加為(wei)37.3°(根據(ju)擬合曲線求得(de))，增幅為(wei)9.4%，有效(xiao)(xiao)應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由37.6°增加為(wei)38.8°，增幅為(wei)3.2%，由于隨圍壓的(de)(de)增大，孔(kong)壓也(ye)明(ming)顯(xian)增大，故有效(xiao)(xiao)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增幅較(jiao)(jiao)之總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要小。另(ling)外較(jiao)(jiao)之于干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)增幅，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)增幅并(bing)不顯(xian)著，表明(ming)即使較(jiao)(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)磷石膏仍具有較(jiao)(jiao)高的(de)(de)強度(du)(du)指標，這也(ye)表明(ming)磷石膏堆積壩的(de)(de)穩(wen)定(ding)性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固結(jie))變形(xing)試驗

磷石(shi)膏的蠕變變形試(shi)驗在側限(xian)壓(ya)縮儀中進行，試(shi)驗狀態相當于K0固結。試(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)樣(yang)干(gan)密度(du)為(wei)1.30g/cm3，對(dui)試(shi)樣(yang)飽和(he)后分別(bie)開展了上覆壓(ya)力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試(shi)驗從(cong)2012年8月(yue)27日(ri)開始，試(shi)驗己(ji)進行了1年多，試(shi)驗結果見圖13所示。

從圖(tu)13中可(ke)以看出：上覆荷(he)載越大，磷(lin)石(shi)(shi)膏的蠕(ru)變變形(xing)也越大，荷(he)載施(shi)加1年后，磷(lin)石(shi)(shi)膏的蠕(ru)變變形(xing)仍(reng)非(fei)常(chang)顯著，尚未(wei)達到穩(wen)定(ding)狀態(tai)，這也是磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積壩后期變形(xing)較大的原(yuan)因，原(yuan)型(xing)觀測資料表(biao)明，在5級子壩河床部位的表(biao)面(mian)沉降(jiang)量已經達到3.1m，且(qie)尚未(wei)完全穩(wen)定(ding)。

按(an)時間對(dui)數法，可(ke)求得(de)各級荷(he)(he)載下的(de)(de)(de)(de)主(zhu)次(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所(suo)示。試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷(he)(he)載作(zuo)用下，在(zai)(zai)試(shi)驗(yan)時間范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是(shi)主(zhu)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)成，實際的(de)(de)(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更(geng)大。對(dui)土(tu)(tu)體(ti)(ti)而言(yan)，發(fa)(fa)生蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)因是(shi)由(you)于(yu)土(tu)(tu)體(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固結(jie)(jie)(jie)完(wan)成之后，土(tu)(tu)體(ti)(ti)中仍有微小的(de)(de)(de)(de)超靜孔隙壓(ya)力存在(zai)(zai)，驅使(shi)水(shui)在(zai)(zai)顆粒問流動，一般來(lai)講(jiang)土(tu)(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)次(ci)固結(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)主(zhu)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷(lin)石膏而言(yan)，其(qi)(qi)滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠大于(yu)黏性土(tu)(tu)，但(dan)其(qi)(qi)卻(que)發(fa)(fa)生了極為顯著的(de)(de)(de)(de)次(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)磷(lin)石膏晶體(ti)(ti)結(jie)(jie)(jie)構發(fa)(fa)生了壓(ya)縮、破壞(huai)，接觸點晶格發(fa)(fa)生歪曲(qu)和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞(huai)后晶格之間的(de)(de)(de)(de)重新排列、調整到最后趨于(yu)相對(dui)靜止需(xu)要(yao)相當長的(de)(de)(de)(de)時間才能完(wan)成。

2.4動力力學特性

試(shi)(shi)(shi)驗設(she)備采用英(ying)國GDS公司進口的電機控(kong)制動三軸試(shi)(shi)(shi)驗系統，試(shi)(shi)(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和(he)阻尼(ni)比

同樣由于自然沉積的磷石膏密度變(bian)化較大，為此根(gen)據物(wu)理性質(zhi)試驗結果，選擇兩種平均(jun)干密度1.34g/cm3(變(bian)化范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)化范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模量G、阻尼(ni)比與(yu)剪應變(bian)幅(fu)值γd的關系式如下：

式中(zhong)k1為參數，表示動(dong)剪切模量的(de)衰減或阻(zu)尼比(bi)的(de)增長(chang)速率；λmax為最大阻(zu)尼比(bi)；Gmax，γd分別為最大動(dong)剪切模量和歸一(yi)化的(de)動(dong)剪應變，表示為

式中k2,n為參數；σm為球應力；Pa為標準大氣壓；vd為動泊松比(bi)；εa為歸一(yi)化的動應變，表(biao)達為

圖(tu)(tu)14給(gei)出(chu)了動(dong)剪切模量、阻(zu)尼比與歸(gui)一化動(dong)應變的(de)關系(xi)曲線，另(ling)外(wai)圖(tu)(tu)中還給(gei)出(chu)了式(1)的(de)擬合曲線以及(ji)Seed等給(gei)出(chu)的(de)砂(sha)樣(yang)的(de)上下邊界(jie)線，圖(tu)(tu)例中，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可以看出：①式(1)可較(jiao)(jiao)好(hao)地描述(shu)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線(xian)，表(biao)明采用等(deng)價黏(nian)彈(dan)性(xing)模型進行循(xun)環(huan)荷載作(zuo)用下(xia)的(de)(de)(de)(de)分析是(shi)可行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合(he)線(xian)位于(yu)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合(he)線(xian)上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位于(yu)下(xia)方，表(biao)明密(mi)(mi)度(du)(du)越大(da)，動(dong)(dong)彈(dan)模越大(da)、阻(zu)尼比(bi)越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩(liang)種干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合(he)線(xian)基本位于(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)上方，而(er)圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基本處于(yu)邊界線(xian)中(zhong)(zhong)間(jian)，表(biao)明相(xiang)(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)砂樣，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模較(jiao)(jiao)大(da)，會導致(zhi)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)(ying)較(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)阻(zu)尼比(bi)也(ye)較(jiao)(jiao)大(da)，這樣又會削(xue)弱壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互(hu)影響下(xia)，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)(ying)將不(bu)會過于(yu)強烈，這對磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩(wen)定性(xing)是(shi)有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強(qiang)度

選擇兩種平均干(gan)密度為(wei)1.12(變(bian)化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試(shi)驗，破壞標準為(wei)總應變(bian)達到10%。

圖15給出了動剪(jian)應力比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞(huai)振(zhen)次(ci)Nf的關系曲線圖，其中σ0為(wei)振(zhen)前(qian)試(shi)樣45°面上(shang)的有(you)效法向(xiang)應力，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結比(bi)。從試(shi)驗結果可(ke)以看(kan)出，沉積磷石膏的動強度與(yu)其它土體(ti)相似，表現為(wei)圍壓和固結應力比(bi)與(yu)動剪(jian)應力比(bi)呈負相關關系。

為(wei)(wei)判別沉積磷石(shi)膏的抗液化能(neng)力，假定抗震(zhen)設計烈度為(wei)(wei)8度，即等效振次(ci)Ⅳ可取為(wei)(wei)30。首先由式(4)

所示的冪函數(shu)關系式得到振(zhen)次為30時各個圍壓(ya)和固結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可(ke)擬(ni)合求得動剪應力(li)比與圍壓和固結應力(li)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。

從上述擬合關系式可見(jian)，密(mi)實度提(ti)(ti)高(gao)后，動剪(jian)應力(li)(li)比(bi)提(ti)(ti)高(gao)，表明抗液(ye)化(hua)能力(li)(li)也提(ti)(ti)高(gao)。但即使是在低密(mi)度下，其動剪(jian)應力(li)(li)比(bi)較(jiao)之同類的粉土或粉砂(sha)也大出許多，表明磷石膏具有較(jiao)高(gao)的抗液(ye)化(hua)能力(li)(li)。

三(san)、結論

依(yi)托柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩，在(zai)鉆探取樣工作的基礎上，首先開(kai)展了物(wu)理性(xing)質(zhi)試驗，然后開(kai)展了靜動(dong)力(li)力(li)學(xue)特(te)性(xing)試驗。通過上述試驗研(yan)究，得出如下結論：

(1)沉積(ji)磷石膏總體(ti)上(shang)屬(shu)(shu)于(yu)級(ji)配不良的粉土，局部屬(shu)(shu)于(yu)粉砂一中(zhong)砂，無自然分級(ji)現象。其干密(mi)度和粒(li)徑變化(hua)隨埋深或距放(fang)漿口距離的變化(hua)不明顯。

(2)沉(chen)積磷石膏水平(ping)方向的滲透系數大于垂直方向的滲透系數，呈現(xian)明顯的各向異性。

(3)與土體顆粒不可壓縮不同(tong)，磷石(shi)膏的晶體結(jie)(jie)構會發生壓縮破壞，具有較大的壓縮性，其次固結(jie)(jie)變形(xing)量(liang)遠(yuan)大于主固結(jie)(jie)變形(xing)量(liang)。

(4)沉積磷石(shi)膏的靜動強度較之同等密實度下(xia)的粉土、粉砂要高。