沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是磷(lin)(lin)(lin)酸生產(chan)過(guo)程中的副產(chan)品(pin)，目(mu)前的綜合利用率(lv)尚不(bu)足40%，大(da)(da)部分(fen)(fen)需要(yao)(yao)堆存存放(fang)。受地形限制(zhi)和經濟(ji)效益(yi)考慮(lv)，中國主要(yao)(yao)為(wei)濕法(fa)堆存的山谷型堆場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積壩，針對沉(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)首先開展了(le)密度(du)、含水(shui)率(lv)、滲透、土水(shui)特征和顆分(fen)(fen)等(deng)物理(li)性質試驗，然后開展了(le)三(san)(san)軸cu、蠕(ru)變及動三(san)(san)軸等(deng)力學(xue)特性試驗。試驗結果表明(ming)：①沉(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的干密度(du)與埋(mai)深沒有(you)(you)相關(guan)關(guan)系；②沉(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)不(bu)具(ju)有(you)(you)自然分(fen)(fen)級現(xian)象，但具(ju)有(you)(you)明(ming)顯的各(ge)向異性；③沉(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有(you)(you)較高的摩擦角和抗液(ye)化能力，但其蠕(ru)變變形較大(da)(da)、滲透比降較小。上述工作為(wei)分(fen)(fen)析磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積壩的壩體穩定性提供了(le)基(ji)礎(chu)，對現(xian)行磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的運(yun)行管理(li)以及新建工程的設計具(ju)有(you)(you)重要(yao)(yao)的借鑒(jian)意義。

引(yin)言

磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)是濕(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)(suan)生(sheng)產(chan)(chan)過(guo)程中(zhong)的(de)副產(chan)(chan)品，2018年，全國磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)產(chan)(chan)生(sheng)量為(wei)7800萬噸，且呈逐年增長的(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)主(zhu)要成分(fen)是CaO和SO3，但含有一(yi)定量的(de)氟化(hua)物和其它放射性物質(zhi)，在中(zhong)國通常按(an)Ⅱ類(lei)一(yi)般(ban)工業固(gu)體廢物處(chu)理(li)，鑒于無害(hai)化(hua)處(chu)理(li)成本(ben)(ben)(ben)較(jiao)高(gao)，目前綜(zong)合利(li)用率尚不足40%，故(gu)大部(bu)分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存存放。按(an)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存場地(di)的(de)不同，可(ke)分(fen)為(wei)平地(di)型(xing)、傍山(shan)(shan)型(xing)、山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)和截河(he)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場，在中(zhong)國基本(ben)(ben)(ben)上(shang)是山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場。相(xiang)比較(jiao)干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存，濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存經濟(ji)優勢明顯(xian)，因而如地(di)質(zhi)條件(jian)為(wei)非碳(tan)酸(suan)(suan)鹽巖地(di)區，一(yi)般(ban)均采用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國磷(lin)(lin)肥工業的(de)快速發展，本(ben)(ben)(ben)世紀初中(zhong)國相(xiang)繼建設(she)了幾座(zuo)濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存的(de)大型(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)，例如云天化(hua)國際化(hua)工三環分(fen)公司的(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)和富瑞分(fen)公司的(de)楊(yang)家箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設(she)計壩(ba)高(gao)均超過(guo)100m、處(chu)于8度地(di)震區，其安全性備受關注。

據統計(ji)，110多年(1901年一(yi)2013年)來(lai)(lai)，全世界有118座尾(wei)礦壩曾發生(sheng)過破(po)壞或潰壩事故，原因(yin)主要(yao)有地震、洪水漫頂(ding)、滲透破(po)壞和基礎失穩。尾(wei)礦庫失事后會造成巨大(da)的生(sheng)態災難和人員傷亡，近幾十(shi)年來(lai)(lai)，

國(guo)內外(wai)對金(jin)屬(shu)尾礦的沉積規(gui)律、物理力(li)學特性及其穩(wen)定(ding)性開(kai)展(zhan)了(le)大量的研究，但對于與金(jin)屬(shu)尾礦庫(ku)(ku)相近的磷(lin)石膏庫(ku)(ku)，一般僅限于在可研階(jie)段采用人(ren)工制(zhi)備樣進(jin)行物理力(li)學性質試驗，并據此進(jin)行穩(wen)定(ding)性分析，尚未有人(ren)針對己運行若干年的大型(xing)濕法堆(dui)存磷(lin)石膏堆(dui)積壩開(kai)展(zhan)過(guo)磷(lin)石膏沉積規(gui)律及其物理力(li)學特性的專(zhuan)項研究。

本文依(yi)托柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩，首先進行了(le)鉆探(tan)取(qu)樣，采用原(yuan)狀(zhuang)樣開展了(le)密度、含(han)水率(lv)、滲透(tou)、土(tu)水特(te)征(zheng)和顆分等(deng)物理性(xing)(xing)質(zhi)試驗(yan)，在此(ci)基礎(chu)上(shang)(shang)有(you)針對性(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀(zhuang)樣開展了(le)三軸CU、蠕變及動三軸等(deng)力學特(te)性(xing)(xing)試驗(yan)。通過上(shang)(shang)述試驗(yan)研(yan)究(jiu)(jiu)，總結了(le)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)沉積規律、滲透(tou)特(te)性(xing)(xing)、滲透(tou)破壞(huai)特(te)性(xing)(xing)以(yi)及靜動力特(te)性(xing)(xing)，上(shang)(shang)述研(yan)究(jiu)(jiu)工作對研(yan)究(jiu)(jiu)和評估磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆積壩的(de)穩定性(xing)(xing)提供了(le)基礎(chu)數(shu)據，對現行磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫的(de)運行管理以(yi)及新建工程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒意義。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存設計方(fang)案

由初期(qi)壩和堆積壩組成，設計(ji)總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)高(gao)約30m，采用土料填筑(zhu)。上游坡面、壩(ba)(ba)(ba)底(di)和下(xia)游壩(ba)(ba)(ba)腳設置堆石排水(shui)體(ti)，三者(zhe)相連通構成整個堆積壩(ba)(ba)(ba)的主要(yao)排滲系(xi)統(tong)。

(2)堆積(ji)壩及(ji)其輔助排(pai)滲措施

采用上游式筑壩(ba)(ba)法(fa)，共(gong)20級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲(shen)管網(wang)作為輔助排滲(shen)方案，目前(qian)己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)和(he)13級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前(qian)120m范圍內設置(zhi)了井(jing)字(zi)形排滲(shen)管網(wang)。

1.2沉(chen)積磷(lin)石膏的鉆(zhan)探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面位置見(jian)圖(tu)l。2008年6月，堆積至5級子(zi)壩時，布設了9個取樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)(hao)K1～K9，取原狀(zhuang)樣76件；2013年5月，堆積至13級子(zi)壩時，又(you)布設了11個取樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)(hao)K10～K20，取原狀(zhuang)樣112件，為比較(jiao)子(zi)壩加(jia)高和(he)磷石膏堆積過程中磷石膏物理力學性質的變化(hua)，在2，4級子(zi)壩K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各(ge)布設了一個鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)(hao)分別(bie)為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹(shu)箐磷石膏尾礦庫(ku)2005年(nian)開工(gong)建設，2006年(nian)1月投入運行，截至2013年(nian)5月己堆至13級子(zi)壩，尚(shang)有7級子(zi)壩即堆存(cun)(cun)至設計高程(cheng)。鑒于磷石膏庫(ku)地(di)形、地(di)質條件較好，具備擴容(rong)改造的條件，以提高堆存(cun)(cun)庫(ku)容(rong)，減少(shao)堆存(cun)(cun)占地(di)，節約土地(di)資源。

本(ben)文主要對(dui)沉積(ji)磷石膏的物理力(li)學(xue)特性進行了全(quan)面(mian)總(zong)結，限于篇(pian)幅，有關(guan)現狀磷石膏庫堆積(ji)壩的安全(quan)性評價及其加(jia)高可行性的研究將(jiang)另文發表。

二、沉積磷石膏的物(wu)理力學(xue)特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給(gei)出了(le)14個鉆孔的(de)(de)(de)取樣深度(du)(du)和試驗所得干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)(de)關系，圖中UWL表示水(shui)位線上，(系鉆孔期間的(de)(de)(de)初見(jian)水(shui)位線，下(xia)同)，DWL表示水(shui)位線下(xia)。圖3給(gei)出了(le)水(shui)位線上下(xia)的(de)(de)(de)飽和度(du)(du)分布圖。由于磷石膏(gao)中的(de)(de)(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)(du)和烘烤時間對測定(ding)結(jie)果有(you)一定(ding)影響，不能照(zhao)搬現(xian)行(xing)的(de)(de)(de)土工試驗規范，本(ben)文磷石膏(gao)的(de)(de)(de)含水(shui)率測定(ding)方法為55℃溫度(du)(du)下(xia)烘培(pei)24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋(mai)深(shen)的關系(xi)

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

由(you)圖3，水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線上的磷石膏(gao)飽和度(du)平(ping)均值為(wei)50.4%，處(chu)于(yu)(yu)非飽和狀態，水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線以下的磷石膏(gao)飽和度(du)平(ping)均值為(wei)85.0%，基(ji)本處(chu)于(yu)(yu)飽和狀態，由(you)于(yu)(yu)水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)下降后磷石膏(gao)來不(bu)及排水(shui)(shui)(shui)(shui)固結，故而水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線上局部試樣的飽和度(du)較高。

由圖(tu)2，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)(de)干密度(du)在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)(de)干密度(du)在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.4g/cm3。可見(jian)磷石膏(gao)與一般(ban)的(de)(de)尾礦有所(suo)不同(tong)，磷石膏(gao)的(de)(de)干密度(du)并(bing)不隨埋深的(de)(de)增大(da)而(er)明顯增大(da)，但水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)(de)磷石膏(gao)干密度(du)從(cong)統計(ji)意義上來看仍(reng)大(da)于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)(de)磷石膏(gao)干密度(du)，這主要是由于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)隨庫水(shui)位(wei)的(de)(de)變(bian)化反復升降而(er)使得磷石膏(gao)排水(shui)固結(jie)所(suo)致。

室內擊實(shi)得(de)到(dao)的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏最(zui)大(da)(da)干密(mi)度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自然沉積(ji)的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏最(zui)大(da)(da)干密(mi)度(du)可達到(dao)1.73g/cm3，原因如(ru)下：與經典(dian)的(de)(de)土(tu)骨架(jia)不(bu)可壓(ya)縮的(de)(de)理論(lun)不(bu)同，石(shi)膏本身可壓(ya)縮，同時由于(yu)顆粒結構不(bu)穩定，擊實(shi)試驗過(guo)程中磷(lin)石(shi)膏結構被(bei)破壞，受夯擊處下陷，四周鼓(gu)起，出現了類似于(yu)橡皮(pi)土(tu)的(de)(de)現象。而在(zai)現場條件(jian)下，石(shi)膏骨架(jia)被(bei)破壞后，會導(dao)致顆粒中的(de)(de)結合(he)水滲出至(zhi)孔隙內，變成孔隙水，排水固結后會使(shi)得(de)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)孔隙比(bi)減小，干密(mi)度(du)增大(da)(da)。

圖(tu)4給出了相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于(yu)2級(ji)子壩(ba)河床部位(wei)(wei))以及相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于(yu)4級(ji)子壩(ba)河床部位(wei)(wei))干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上(shang)來看，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)也(ye)并未隨后續磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)堆積而(er)有(you)較為(wei)(wei)明顯的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗采用密度計法，制備懸液時不煮沸，不加六偏磷酸(suan)鈉。圖(tu)5給出(chu)了試驗得(de)到的級配包(bao)線(xian)、平均粒徑(jing)d50、不均勻(yun)系數(1u和曲率系數Cc的分布圖(tu)。

從(cong)圖5(a)可(ke)見，磷石膏的(de)粒(li)徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總體(ti)上屬于(yu)粉土，但可(ke)能由于(yu)礦(kuang)石來源或生(sheng)產工(gong)藝(yi)有(you)所(suo)不同，局部屬于(yu)粉砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑分布范(fan)圍比Blight和張超等(deng)的(de)試(shi)驗結果要寬一(yi)些。

圖4子壩加高后沉積磷石膏(gao)的干(gan)密(mi)度(du)變化(hua)

圖5沉積磷石膏的平(ping)均粒徑和級配(pei)分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向還是垂直向，磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)與金屬礦(kuang)山(shan)尾礦(kuang)的“前粗后細，上粗下細”的自然分級現象不(bu)同，也即粗顆(ke)粒(li)并(bing)不(bu)是沿埋深逐(zhu)步減小(xiao)或距離放漿口越(yue)遠顆(ke)粒(li)越(yue)細，其(qi)原因如(ru)(ru)下：①磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑(jing)組成較(jiao)為(wei)集中、均勻，主(zhu)要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級配(pei)較(jiao)差(cha)；②相(xiang)比較(jiao)金屬尾礦(kuang)，磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的比重(zhong)較(jiao)小(xiao)，磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的比重(zhong)一般(ban)為(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬尾礦(kuang)的比重(zhong)，例(li)如(ru)(ru)鐵(tie)尾礦(kuang)的比重(zhong)可達2.9；③放漿口隨子壩高(gao)度不(bu)斷增加(jia)而不(bu)斷變動并(bing)向庫尾延伸(shen)，造成沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的粒(li)徑(jing)變化不(bu)明顯。

從(cong)圖(tu)5(d)可見(jian)，不均勻系數Cu范(fan)圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為4.18，曲率(lv)系數(1c范(fan)圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為1.21，在統計的100多個試(shi)樣中(zhong)，屬于級(ji)配不良土的占93%。這種級(ji)配特性(xing)(xing)決定了磷石膏具有(you)較(jiao)高的壓縮(suo)性(xing)(xing)、滲透(tou)破(po)壞型(xing)式表現為流土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)主要因素是(shi)粒徑大小、級配和孔隙比(bi)，因而磷石膏的(de)(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)與粉土(tu)較(jiao)為(wei)接近。由于孔隙比(bi)e減小，使(shi)得(de)過水通道面積(ji)減小，滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k也將減小，k與e呈(cheng)正相關關系(xi)(xi)(xi)。對砂土(tu)，一般認為(wei)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線(xian)性(xing)關系(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的(de)(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由于沉(chen)(chen)積(ji)磷石膏的(de)(de)(de)不(bu)均勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)變(bian)化較(jiao)大，使(shi)得(de)沉(chen)(chen)積(ji)磷石膏的(de)(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)變(bian)化范(fan)圍較(jiao)大(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)量(liang)級)，二(er)者問的(de)(de)(de)線(xian)性(xing)關系(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖(tu)6沉積磷石膏滲(shen)透(tou)系數(shu)與孔隙比的關系

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

圖(tu)7給出了(le)水平(ping)(ping)(ping)與(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)比值(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)布。沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)水平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)kh一般大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均值(zhi)約為(wei)2.86，這一點與(yu)成(cheng)層分(fen)布的(de)(de)(de)金屬尾礦規律一致。造成(cheng)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)水平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)原因是由于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具有明顯的(de)(de)(de)晶(jing)體結構，電鏡掃描顯示多為(wei)菱形(xing)和棱柱狀形(xing)式(shi)(見圖(tu)8)，在沉(chen)(chen)積(ji)(ji)過程(cheng)中，由于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)(ping)狀磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)粒多呈(cheng)水平(ping)(ping)(ping)排列，使(shi)得(de)水平(ping)(ping)(ping)方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水性(xing)大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水性(xing)，從而使(shi)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)呈(cheng)現明顯的(de)(de)(de)各向(xiang)異性(xing)。

另根據中國有色金屬工業昆明勘察設(she)計研究院在(zai)楊家箐(qing)磷石膏堆積壩(ba)開展的(de)現場(chang)滲(shen)透(tou)試(shi)驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)平均值(zhi)約為1.9。但張超(chao)等的(de)室內試(shi)驗(yan)(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)平均值(zhi)約為0.46，也(ye)即垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)大于(yu)水平向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)，與本(ben)文和現場(chang)試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果恰恰相反。從磷石膏的(de)微觀結(jie)(jie)構來看(kan)，本(ben)文試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果更為合理。

圖7沉(chen)積磷石膏干(gan)密度與(yu)水平和(he)垂直滲透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖(tu)9為磷石(shi)(shi)膏(gao)干密度為1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度J與流(liu)速V的(de)(de)關系(xi)曲線，試(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)平管(guan)涌儀中(zhong)采(cai)用水(shui)(shui)(shui)平方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)流(liu)形式進(jin)行。試(shi)驗(yan)得到(dao)的(de)(de)臨界坡(po)降Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)般(ban)來(lai)說，對1，2級(ji)工程(cheng)，滲(shen)透(tou)安(an)全(quan)系(xi)數(shu)取為2.5，則允(yun)許出逸坡(po)降為0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下工程(cheng)，滲(shen)透(tou)安(an)全(quan)系(xi)數(shu)取2.0，則允(yun)許出逸坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比(bi)降與粉土一(yi)(yi)(yi)粉砂大致相同。但上(shang)述(shu)滲(shen)透(tou)變形試(shi)驗(yan)是采(cai)用自來(lai)水(shui)(shui)(shui)進(jin)行的(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)對磷石(shi)(shi)膏(gao)具有一(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)溶蝕作(zuo)用，而實(shi)際(ji)上(shang)磷石(shi)(shi)膏(gao)中(zhong)殘余磷、硫和氟酸，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)(yi)(yi)般(ban)小于(yu)3(稱之(zhi)為酸性水(shui)(shui)(shui))，在酸性水(shui)(shui)(shui)作(zuo)用下，磷石(shi)(shi)膏(gao)不(bu)會發(fa)生破壞(huai)，上(shang)述(shu)試(shi)驗(yan)結果是偏于(yu)保守的(de)(de)，但對非酸性水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大暴(bao)雨)下的(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定判斷有一(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力板儀(yi)中進行，環刀尺(chi)寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸(xi)力范圍0～500kPa。表(biao)l列(lie)出(chu)了含水(shui)率(lv)特征值，試驗曲線見圖10所示(shi)。

試(shi)(shi)驗結果(guo)表明：①干(gan)密(mi)(mi)度(du)對進氣值沒(mei)有(you)明顯的(de)(de)影(ying)響，不(bu)同干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)試(shi)(shi)樣的(de)(de)進氣值大致(zhi)(zhi)在(zai)10kPa左右(you)；②土(tu)樣殘余含水率隨干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)增加而(er)減少，殘余含水率約為飽(bao)和含水率的(de)(de)10%。上述特性與粉土(tu)一粉砂基本一致(zhi)(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)(de)密度變化較大，而(er)進(jin)行(xing)三(san)軸試(shi)驗需要(yao)若干(gan)原狀樣，為(wei)使(shi)試(shi)驗結果具(ju)有較好的(de)(de)一致性，有針對(dui)性的(de)(de)選擇平均干(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(de)(de)若干(gan)試(shi)樣，進(jin)行(xing)了5組三(san)軸CU試(shi)驗。圖11是為(wei)干(gan)密度為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)(de)三(san)軸CU試(shi)驗曲線。

從圖11可以看出，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的應力應變關(guan)系曲線在(zai)低圍壓下表(biao)現為(wei)軟化型(xing)，在(zai)高圍壓下表(biao)現為(wei)硬化型(xing)，與一般土(tu)類相似(si)。但與一般粉土(tu)一粉砂不同的是，即使在(zai)較為(wei)疏松的狀態下，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)仍表(biao)現了(le)較為(wei)強烈的剪脹，隨密實(shi)度增大，剪脹作用愈(yu)發(fa)明(ming)顯。

表2給(gei)出了不同(tong)干密(mi)度下(xia)的(de)(de)(de)(de)內摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出了內摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干密(mi)度的(de)(de)(de)(de)關系曲線(xian)。隨干密(mi)度的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大，且(qie)可(ke)采用冪函數較(jiao)好地擬(ni)合。磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總應(ying)力摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)(wei)37.3°(根據(ju)擬(ni)合曲線(xian)求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)(wei)9.4%，有(you)(you)效(xiao)應(ying)力摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)(wei)3.2%，由于(yu)隨圍壓的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓也(ye)明顯(xian)(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)(you)效(xiao)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)之(zhi)總應(ying)力摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小(xiao)。另(ling)外較(jiao)之(zhi)于(yu)干密(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅并不顯(xian)(xian)著(zhu)，表明即使較(jiao)為(wei)(wei)(wei)疏松的(de)(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)仍具有(you)(you)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度指標，這也(ye)表明磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)(de)穩定性較(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形試驗

磷(lin)石膏的蠕變變形試(shi)驗(yan)在側限壓(ya)縮儀中進行，試(shi)驗(yan)狀(zhuang)態相當于K0固結。試(shi)樣直徑(jing)61.8mm，高(gao)度20mm，試(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后分別開展了上覆壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗(yan)，

試驗(yan)(yan)從2012年8月27日開(kai)始，試驗(yan)(yan)己進行了1年多，試驗(yan)(yan)結(jie)果見圖13所(suo)示。

從圖(tu)13中可以看出(chu)：上(shang)覆荷(he)載(zai)越大，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)蠕變變形也越大，荷(he)載(zai)施(shi)加1年后(hou)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)蠕變變形仍非常(chang)顯著(zhu)，尚未達到穩定(ding)狀態(tai)，這也是磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩后(hou)期變形較(jiao)大的(de)原因，原型觀測(ce)資料(liao)表明，在5級子壩河床部位的(de)表面沉降量已(yi)經達到3.1m，且尚未完全穩定(ding)。

按(an)時間對數(shu)法，可求得各級荷載下(xia)(xia)的(de)(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)如(ru)表(biao)3所示(shi)。試驗結(jie)(jie)果表(biao)明，在100～400kPa上覆荷載作用下(xia)(xia)，在試驗時間范圍內(nei)蠕變(bian)(bian)(次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成(cheng)(cheng)，實際(ji)的(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大。對土(tu)體(ti)(ti)而言，發(fa)生(sheng)(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因是(shi)由于(yu)土(tu)體(ti)(ti)在主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)完成(cheng)(cheng)之后，土(tu)體(ti)(ti)中仍有微(wei)小的(de)(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力存在，驅使水(shui)在顆粒問流(liu)動，一般(ban)來講土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)遠(yuan)小于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)；對磷(lin)(lin)石膏而言，其(qi)(qi)滲透(tou)系數(shu)在10-4cm/s數(shu)量(liang)(liang)級，遠(yuan)大于(yu)黏性(xing)土(tu)，但(dan)其(qi)(qi)卻發(fa)生(sheng)(sheng)了極(ji)為(wei)顯著的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)(qi)原因在于(yu)磷(lin)(lin)石膏晶體(ti)(ti)結(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)(sheng)了壓縮、破壞(huai)，接觸點晶格發(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞(huai)后晶格之間的(de)(de)(de)重新排列、調(diao)整到最后趨于(yu)相對靜(jing)止需(xu)要(yao)相當長(chang)的(de)(de)(de)時間才能完成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗(yan)設備采用(yong)英(ying)國GDS公司進口的電機控制動三軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由于(yu)自然沉積的磷(lin)石膏密(mi)度變化較大，為此根據物理(li)性質試驗結果(guo)，選擇(ze)兩種平均干密(mi)度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。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)動(dong)剪切模(mo)量(liang)G、阻尼比與剪應變幅值γd的(de)關系式如(ru)下：

式中k1為(wei)參數(shu)，表示動剪切(qie)模(mo)量的衰減或阻尼(ni)比的增(zeng)長速(su)率(lv)；λmax為(wei)最(zui)大阻尼(ni)比；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動剪切(qie)模(mo)量和(he)歸(gui)一化的動剪應變，表示為(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標準大氣(qi)壓(ya)；vd為(wei)(wei)動(dong)泊(bo)松比(bi)；εa為(wei)(wei)歸(gui)一化的(de)動(dong)應變(bian)，表達(da)為(wei)(wei)

圖14給(gei)出(chu)了動剪切模(mo)量、阻尼比與(yu)歸一化動應變的(de)(de)關系曲(qu)線(xian)，另外圖中(zhong)還給(gei)出(chu)了式(1)的(de)(de)擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)砂樣的(de)(de)上下邊界線(xian)，圖例中(zhong)，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固結應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可較好地描述磷石膏(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)-動(dong)(dong)應(ying)(ying)(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表(biao)明(ming)(ming)采用(yong)等(deng)價黏彈(dan)性模(mo)型進行(xing)循(xun)環荷載作用(yong)下(xia)的(de)(de)分(fen)析是可行(xing)的(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)度(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)(xian)位(wei)(wei)于(yu)干密(mi)度(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)(xian)上(shang)方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位(wei)(wei)于(yu)下(xia)方，表(biao)明(ming)(ming)密(mi)度(du)越(yue)(yue)大，動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)(yue)大、阻尼比(bi)越(yue)(yue)小(xiao)；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩(liang)種干密(mi)度(du)的(de)(de)擬合(he)線(xian)(xian)基(ji)本位(wei)(wei)于(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)邊(bian)界線(xian)(xian)上(shang)方，而(er)圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基(ji)本處于(yu)邊(bian)界線(xian)(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)明(ming)(ming)相(xiang)比(bi)較砂樣，磷石膏(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較大，會導(dao)致磷石膏(gao)堆積壩的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)(ying)(ying)較大，但(dan)由(you)于(yu)阻尼比(bi)也較大，這樣又會削(xue)弱壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)(ying)(ying)，二者(zhe)的(de)(de)相(xiang)互影響(xiang)下(xia)，磷石膏(gao)堆積壩壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)(ying)(ying)將(jiang)不會過(guo)于(yu)強烈，這對(dui)磷石膏(gao)堆積壩的(de)(de)抗震穩定(ding)性是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇(ze)兩(liang)種平均干密度為1.12(變化范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試(shi)驗(yan)，破(po)壞(huai)標準為總(zong)應(ying)變達(da)到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動剪(jian)應(ying)力比τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)(zhen)次Nf的(de)(de)關(guan)系曲線圖(tu)，其(qi)中(zhong)σ0為(wei)振(zhen)(zhen)前試(shi)樣(yang)45°面上的(de)(de)有效法向應(ying)力，表(biao)達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)(jie)比。從試(shi)驗結(jie)(jie)果可(ke)以看(kan)出(chu)，沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)動強度與(yu)其(qi)它土體(ti)相似(si)，表(biao)現為(wei)圍壓和(he)固結(jie)(jie)應(ying)力比與(yu)動剪(jian)應(ying)力比呈負相關(guan)關(guan)系。

為判別沉(chen)積磷石膏的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震設計烈度(du)(du)為8度(du)(du)，即等效(xiao)振次Ⅳ可取為30。首先由式(shi)(4)

所示的(de)冪函數關系式得到(dao)振次為30時各個圍壓(ya)和固結比(bi)下(xia)的(de)動(dong)剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合(he)求(qiu)得動(dong)剪應(ying)力(li)比與圍壓(ya)和固結應(ying)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(shang)述擬(ni)合關系式可見，密(mi)實度提(ti)(ti)高(gao)(gao)后，動剪應力比提(ti)(ti)高(gao)(gao)，表(biao)明抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力也(ye)提(ti)(ti)高(gao)(gao)。但即使(shi)是在低密(mi)度下，其動剪應力比較之(zhi)同類(lei)的粉土或(huo)粉砂也(ye)大出許多，表(biao)明磷石膏具有較高(gao)(gao)的抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力。

三、結論

依托(tuo)柳樹(shu)箐磷石膏堆積壩，在鉆(zhan)探取樣工(gong)作的基礎上，首(shou)先開(kai)展了物理性質試驗，然(ran)后開(kai)展了靜動力力學(xue)特性試驗。通(tong)過上述試驗研究，得出(chu)如下結(jie)論：

(1)沉積磷(lin)石膏(gao)總體上屬于級(ji)配不(bu)良的粉土，局(ju)部屬于粉砂一(yi)中(zhong)砂，無(wu)自然分(fen)級(ji)現象。其干密(mi)度(du)和粒徑(jing)變化隨埋(mai)深或距放漿口距離的變化不(bu)明顯(xian)。

(2)沉積磷(lin)石膏水平方向的(de)(de)滲(shen)透系數大于垂直方向的(de)(de)滲(shen)透系數，呈(cheng)現明顯的(de)(de)各向異性(xing)。

(3)與土體顆粒不(bu)可壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)不(bu)同，磷石(shi)膏的(de)晶體結(jie)(jie)構會發生(sheng)壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)破壞，具有較大(da)(da)的(de)壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)性，其(qi)次固(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)量(liang)遠(yuan)大(da)(da)于主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)量(liang)。

(4)沉(chen)積磷石膏的靜動強(qiang)度(du)較之同等(deng)密實度(du)下的粉土、粉砂要高。