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)膏是(shi)濕法(fa)磷(lin)(lin)(lin)酸生產過程中(zhong)(zhong)的(de)副產品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏產生量為7800萬噸，且(qie)呈(cheng)逐年增(zeng)長(chang)的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)主要成分是(shi)CaO和(he)(he)SO3，但(dan)含有一定量的(de)氟(fu)化(hua)物(wu)(wu)和(he)(he)其(qi)它放射性(xing)物(wu)(wu)質(zhi)，在中(zhong)(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類一般(ban)(ban)工業固(gu)體廢物(wu)(wu)處(chu)理，鑒于無害(hai)化(hua)處(chu)理成本較(jiao)高(gao)，目前綜合利用率尚不足40%，故大部(bu)分磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏需要堆(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)存(cun)(cun)場(chang)地(di)的(de)不同，可(ke)分為平(ping)地(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)(he)截河型(xing)堆(dui)場(chang)，在中(zhong)(zhong)國(guo)基(ji)本上是(shi)山(shan)谷型(xing)堆(dui)場(chang)。相(xiang)比(bi)較(jiao)干(gan)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)，濕法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)經濟優勢明顯，因而(er)如(ru)地(di)質(zhi)條件為非(fei)碳酸鹽巖地(di)區(qu)，一般(ban)(ban)均(jun)采用濕排濕堆(dui)方式(shi)。隨(sui)著(zhu)中(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥工業的(de)快(kuai)速發展，本世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設(she)了(le)幾座(zuo)濕法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)的(de)大型(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫，例如(ru)云(yun)天化(hua)國(guo)際(ji)化(hua)工三環分公(gong)(gong)司(si)的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫堆(dui)積壩和(he)(he)富瑞分公(gong)(gong)司(si)的(de)楊家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫堆(dui)積壩，這兩(liang)座(zuo)壩設(she)計壩高(gao)均(jun)超過100m、處(chu)于8度地(di)震區(qu)，其(qi)安(an)全性(xing)備受關注。

據(ju)統計，110多(duo)年(1901年一2013年)來，全世界有118座(zuo)尾礦壩曾(ceng)發(fa)生過破壞(huai)(huai)或潰壩事故，原(yuan)因主要有地震、洪水漫頂、滲透破壞(huai)(huai)和基礎(chu)失穩(wen)。尾礦庫失事后會造成巨大的(de)生態(tai)災難和人員傷亡(wang)，近幾十年來，

國內外(wai)對金屬(shu)尾礦的沉積規律、物理(li)力(li)(li)(li)學特性及其(qi)穩(wen)定性開展(zhan)了大量的研究(jiu)，但對于與金屬(shu)尾礦庫(ku)相近的磷石膏庫(ku)，一般僅限于在可研階段(duan)采用人工(gong)制備樣進(jin)行(xing)物理(li)力(li)(li)(li)學性質試驗，并據(ju)此進(jin)行(xing)穩(wen)定性分(fen)析，尚未有人針對己運(yun)行(xing)若(ruo)干年(nian)的大型濕法堆(dui)存磷石膏堆(dui)積壩開展(zhan)過(guo)磷石膏沉積規律及其(qi)物理(li)力(li)(li)(li)學特性的專項研究(jiu)。

本文依托柳樹箐磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)，首先進(jin)行了鉆探(tan)取(qu)樣，采(cai)用原狀樣開(kai)展(zhan)了密度、含水率、滲透、土(tu)水特征(zheng)和顆分(fen)等物理性(xing)質(zhi)試(shi)驗，在此基礎上有(you)針對性(xing)的(de)選擇原狀樣開(kai)展(zhan)了三軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三軸(zhou)等力(li)學特性(xing)試(shi)驗。通過上述(shu)試(shi)驗研(yan)究，總結了磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)沉(chen)積(ji)規律、滲透特性(xing)、滲透破壞特性(xing)以及(ji)靜動力(li)特性(xing)，上述(shu)研(yan)究工作對研(yan)究和評估磷石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆積(ji)壩(ba)的(de)穩定(ding)性(xing)提供(gong)了基礎數據，對現行磷石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)的(de)運行管理以及(ji)新(xin)建工程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳(liu)樹箐(qing)磷(lin)石膏堆積壩堆存設(she)計方案

由初期壩和堆(dui)積壩組成，設計(ji)總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期(qi)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用土料填筑。上游坡面、壩(ba)(ba)底和下游壩(ba)(ba)腳設置堆石(shi)排水(shui)體，三者相(xiang)連通構(gou)成整個堆積壩(ba)(ba)的主要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其(qi)輔助排滲措施

采用(yong)上游式筑壩法(fa)，共20級子壩，頂寬(kuan)6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用(yong)排(pai)滲管網作(zuo)為輔(fu)助排(pai)滲方案，目前己在5級、9級子壩和13級子壩壩前120m范(fan)圍內設置了井字形排(pai)滲管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣

鉆孔平(ping)面位置見(jian)圖l。2008年6月，堆積(ji)(ji)至5級子(zi)(zi)壩(ba)時，布(bu)設(she)了9個(ge)(ge)取(qu)樣(yang)鉆孔，鉆孔編號K1～K9，取(qu)原狀樣(yang)76件；2013年5月，堆積(ji)(ji)至13級子(zi)(zi)壩(ba)時，又布(bu)設(she)了11個(ge)(ge)取(qu)樣(yang)鉆孔，鉆孔編號K10～K20，取(qu)原狀樣(yang)112件，為比較子(zi)(zi)壩(ba)加高和磷石膏(gao)堆積(ji)(ji)過(guo)程中磷石膏(gao)物理力學性質(zhi)的變化(hua)，在2，4級子(zi)(zi)壩(ba)K2孔和K6孔附近各布(bu)設(she)了一個(ge)(ge)鉆孔，鉆孔編號分別為K17和K18。

1.3運(yun)行(xing)概(gai)況

柳樹箐(qing)磷(lin)石膏尾礦庫2005年(nian)(nian)開工建設(she)(she)，2006年(nian)(nian)1月(yue)投入運行，截至(zhi)2013年(nian)(nian)5月(yue)己堆(dui)(dui)至(zhi)13級子壩(ba)，尚有7級子壩(ba)即(ji)堆(dui)(dui)存至(zhi)設(she)(she)計高程。鑒(jian)于磷(lin)石膏庫地形、地質(zhi)條(tiao)件(jian)較好，具備擴(kuo)容改造(zao)的條(tiao)件(jian)，以提高堆(dui)(dui)存庫容，減少堆(dui)(dui)存占地，節約(yue)土地資源。

本文主(zhu)要對沉積磷石膏的物(wu)理力學特性(xing)進行了全面(mian)總(zong)結(jie)，限于篇幅，有(you)關現狀磷石膏庫堆積壩的安全性(xing)評價及其加(jia)高(gao)可行性(xing)的研(yan)究將另文發表。

二、沉積(ji)磷石膏的物(wu)理力學特性

2.1物理(li)特性

(1)干密(mi)度分布

圖(tu)2給(gei)出了(le)14個鉆(zhan)孔的(de)取樣深(shen)度(du)和(he)試驗所得干密度(du)的(de)關系(xi)，圖(tu)中UWL表示水(shui)(shui)位線(xian)上，(系(xi)鉆(zhan)孔期間的(de)初見水(shui)(shui)位線(xian)，下(xia)同)，DWL表示水(shui)(shui)位線(xian)下(xia)。圖(tu)3給(gei)出了(le)水(shui)(shui)位線(xian)上下(xia)的(de)飽和(he)度(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷(lin)石(shi)膏中的(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和(he)烘烤時間對(dui)測定結果有一定影響，不能照搬現(xian)行的(de)土工試驗規(gui)范，本文磷(lin)石(shi)膏的(de)含水(shui)(shui)率測定方法為55℃溫度(du)下(xia)烘培(pei)24h。

圖(tu)2沉(chen)積磷石膏(gao)干密度與埋深的(de)關系

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

由(you)圖3，水(shui)位(wei)線(xian)上的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏飽(bao)(bao)(bao)和(he)度(du)(du)平(ping)均值為(wei)50.4%，處于(yu)(yu)非(fei)飽(bao)(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)，水(shui)位(wei)線(xian)以下的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏飽(bao)(bao)(bao)和(he)度(du)(du)平(ping)均值為(wei)85.0%，基本處于(yu)(yu)飽(bao)(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)，由(you)于(yu)(yu)水(shui)位(wei)下降后(hou)磷(lin)石(shi)(shi)膏來不及排水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)線(xian)上局部試(shi)樣的(de)飽(bao)(bao)(bao)和(he)度(du)(du)較高。

由圖2，水位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.30g/cm3；水位(wei)線以(yi)下的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與一(yi)般的(de)(de)(de)尾礦有所不同，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)并不隨埋深的(de)(de)(de)增大(da)而明顯增大(da)，但水位(wei)線以(yi)下的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)(du)從(cong)統計意義上(shang)來(lai)看仍大(da)于(yu)水位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)(du)，這主(zhu)要是由于(yu)水位(wei)線隨庫水位(wei)的(de)(de)(de)變化反(fan)復升降(jiang)而使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)排水固結所致(zhi)。

室內擊(ji)實得(de)到的磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖(tu)2可以看(kan)出，自然(ran)沉(chen)積的磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)(mi)度(du)可達到1.73g/cm3，原因如下(xia)(xia)：與經(jing)典的土骨架不可壓縮的理論不同，石膏(gao)(gao)(gao)本身可壓縮，同時由于顆粒結構不穩定，擊(ji)實試(shi)驗過程(cheng)中磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)結構被破壞(huai)，受(shou)夯擊(ji)處下(xia)(xia)陷，四周鼓起(qi)，出現(xian)了類似(si)于橡皮土的現(xian)象。而(er)在現(xian)場條件下(xia)(xia)，石膏(gao)(gao)(gao)骨架被破壞(huai)后，會(hui)導致顆粒中的結合水(shui)(shui)滲(shen)出至孔(kong)隙內，變成(cheng)孔(kong)隙水(shui)(shui)，排水(shui)(shui)固(gu)結后會(hui)使得(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的孔(kong)隙比減小(xiao)，干(gan)密(mi)(mi)度(du)增大。

圖(tu)4給出了相鄰鉆(zhan)孔K2和K17(位(wei)于2級(ji)子壩(ba)河(he)床(chuang)部位(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔K6和K18(位(wei)于4級(ji)子壩(ba)河(he)床(chuang)部位(wei))干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)對(dui)比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來看，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)也并未隨(sui)后續磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)堆(dui)積而有較(jiao)為(wei)(wei)明顯的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分(fen)(fen)析試(shi)驗(yan)采用密度計法(fa)，制備懸液(ye)時不煮沸(fei)，不加六偏(pian)磷酸鈉。圖5給出了試(shi)驗(yan)得到的級配包線、平均粒徑d50、不均勻(yun)系數(1u和曲率(lv)系數Cc的分(fen)(fen)布圖。

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

圖(tu)4子壩加高(gao)后(hou)沉積(ji)磷(lin)石膏的干密度變化

圖(tu)5沉積磷石膏的(de)平均粒徑和級(ji)配分(fen)布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)與(yu)金(jin)屬礦(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗(cu)(cu)后細(xi)(xi)，上粗(cu)(cu)下細(xi)(xi)”的(de)自(zi)然分級(ji)現象不(bu)(bu)(bu)同，也即粗(cu)(cu)顆(ke)粒(li)(li)并(bing)不(bu)(bu)(bu)是沿埋(mai)深逐步減小或距離放漿口越遠顆(ke)粒(li)(li)越細(xi)(xi)，其原因(yin)如下：①磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)徑(jing)組成較為(wei)集中、均勻，主要以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)配較差；②相比(bi)(bi)較金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)重較小，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)重一般為(wei)2.3～2.4，遠小于金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)重，例如鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)重可達2.9；③放漿口隨(sui)子壩高度不(bu)(bu)(bu)斷(duan)增加(jia)而不(bu)(bu)(bu)斷(duan)變動(dong)并(bing)向(xiang)庫(ku)尾(wei)延伸，造成沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)粒(li)(li)徑(jing)變化不(bu)(bu)(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均勻系數(shu)Cu范(fan)(fan)圍值1.61～21.5，平均值為4.18，曲率(lv)系數(shu)(1c范(fan)(fan)圍值0.28～9.78，平均值為1.21，在統計的100多個試樣中，屬于(yu)級(ji)配不良土的占93%。這種級(ji)配特性(xing)決定(ding)了磷(lin)石膏具有較高的壓縮性(xing)、滲透破壞(huai)型式表現為流土破壞(huai)。

2.2滲透(tou)特性

(1)滲透系數(shu)

影響滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的主(zhu)要因(yin)素是粒(li)徑(jing)大小(xiao)、級配和孔隙比，因(yin)而磷石(shi)膏(gao)的滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)(yu)粉土較(jiao)(jiao)為接近。由于(yu)(yu)孔隙比e減小(xiao)，使(shi)得(de)過水通道面積(ji)減小(xiao)，滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一(yi)般(ban)認為滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的線性(xing)(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給出了二者間(jian)的關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線，由于(yu)(yu)沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化較(jiao)(jiao)大，使(shi)得(de)沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化范圍較(jiao)(jiao)大(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級)，二者問的線性(xing)(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏滲(shen)透系數與孔隙比的(de)關系

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

圖(tu)7給出了水(shui)(shui)平(ping)與垂(chui)(chui)直向滲(shen)(shen)透系(xi)數比值(zhi)的分(fen)布。沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏的水(shui)(shui)平(ping)向滲(shen)(shen)透系(xi)數kh一(yi)般大于(yu)垂(chui)(chui)直向的滲(shen)(shen)透系(xi)數kv,kh/kv平(ping)均(jun)值(zhi)約為2.86，這一(yi)點與成(cheng)層分(fen)布的金屬尾礦規律一(yi)致。造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)平(ping)向滲(shen)(shen)透系(xi)數大于(yu)垂(chui)(chui)直向滲(shen)(shen)透系(xi)數的原因是(shi)由(you)于(yu)磷(lin)石(shi)膏具有(you)明(ming)顯的晶(jing)體結(jie)構，電鏡掃描(miao)顯示多為菱形和棱(leng)柱(zhu)狀(zhuang)(zhuang)形式(shi)(見圖(tu)8)，在沉積(ji)過程(cheng)中，由(you)于(yu)扁平(ping)狀(zhuang)(zhuang)磷(lin)石(shi)膏顆粒多呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)排列，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)方向的透水(shui)(shui)性大于(yu)垂(chui)(chui)直方向的透水(shui)(shui)性，從(cong)而使(shi)磷(lin)石(shi)膏呈(cheng)現明(ming)顯的各向異(yi)性。

另根(gen)據(ju)中(zhong)國有(you)色金屬工業昆明勘(kan)察(cha)設計研究(jiu)院在(zai)楊家箐磷石膏(gao)堆積壩開展的(de)現(xian)(xian)場滲透試驗，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約為(wei)1.9。但張(zhang)超等(deng)的(de)室內試驗顯示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約為(wei)0.46，也即垂直向(xiang)滲透系(xi)數(shu)大于(yu)水平(ping)向(xiang)滲透系(xi)數(shu)，與本(ben)文(wen)和(he)現(xian)(xian)場試驗結果恰恰相反。從(cong)磷石膏(gao)的(de)微(wei)觀結構來看(kan)，本(ben)文(wen)試驗結果更(geng)為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密度(du)與水平和(he)垂直滲透系數比值(zhi)的關系

(2)滲(shen)透變形

圖9為(wei)(wei)磷石膏(gao)(gao)干(gan)密度為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯度J與(yu)流速V的(de)關(guan)系(xi)曲線，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)在水(shui)平管涌儀中采用水(shui)平方(fang)向的(de)滲流形(xing)式進(jin)行(xing)。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)得(de)到的(de)臨界(jie)坡(po)降Jc=0.355，破(po)(po)壞(huai)坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說，對(dui)(dui)(dui)1，2級工(gong)程(cheng)，滲透(tou)安(an)全(quan)系(xi)數取(qu)為(wei)(wei)2.5，則允許出逸(yi)坡(po)降為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)(dui)3級以下工(gong)程(cheng)，滲透(tou)安(an)全(quan)系(xi)數取(qu)2.0，則允許出逸(yi)坡(po)降為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降與(yu)粉土一(yi)粉砂(sha)大致相同。但(dan)上(shang)述滲透(tou)變形(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)是采用自(zi)來(lai)水(shui)進(jin)行(xing)的(de)，自(zi)來(lai)水(shui)對(dui)(dui)(dui)磷石膏(gao)(gao)具(ju)有一(yi)定(ding)的(de)溶(rong)蝕作(zuo)用，而實際(ji)上(shang)磷石膏(gao)(gao)中殘余磷、硫(liu)和(he)氟酸(suan)，庫水(shui)的(de)pH值一(yi)般小于3(稱(cheng)之為(wei)(wei)酸(suan)性(xing)(xing)水(shui))，在酸(suan)性(xing)(xing)水(shui)作(zuo)用下，磷石膏(gao)(gao)不會發生破(po)(po)壞(huai)，上(shang)述試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果是偏(pian)于保(bao)守的(de)，但(dan)對(dui)(dui)(dui)非(fei)酸(suan)性(xing)(xing)水(shui)條件(例如特(te)大暴(bao)雨(yu))下的(de)滲透(tou)穩定(ding)判斷有一(yi)定(ding)的(de)借鑒(jian)意義。

圖9水力梯度J-流速(su)v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特征試(shi)驗

試(shi)驗在5Bar的壓力板儀中進(jin)行(xing)，環刀尺(chi)寸6.18cm。干密度(du)分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組(zu)，吸力范圍0～500kPa。表l列(lie)出(chu)了(le)含(han)水率特征(zheng)值，試(shi)驗曲線(xian)見圖10所示。

試驗結果表明：①干(gan)密(mi)度對進(jin)氣值沒有明顯的(de)(de)影響，不(bu)同干(gan)密(mi)度的(de)(de)試樣的(de)(de)進(jin)氣值大致(zhi)在(zai)10kPa左右；②土樣殘余含水率(lv)(lv)(lv)隨干(gan)密(mi)度的(de)(de)增加(jia)而(er)減少，殘余含水率(lv)(lv)(lv)約為(wei)飽(bao)和含水率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)10%。上(shang)述特(te)性與(yu)粉土一(yi)粉砂基本一(yi)致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三(san)軸CU試(shi)驗

由于沉(chen)積磷石膏的密度(du)(du)變(bian)化較(jiao)大(da)，而(er)進行三(san)軸(zhou)試(shi)驗需(xu)要若(ruo)(ruo)干(gan)(gan)原狀樣(yang)，為使試(shi)驗結果具有較(jiao)好的一致性(xing)，有針對(dui)性(xing)的選擇平均干(gan)(gan)密度(du)(du)分別為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(he)(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若(ruo)(ruo)干(gan)(gan)試(shi)樣(yang)，進行了5組三(san)軸(zhou)CU試(shi)驗。圖(tu)11是為干(gan)(gan)密度(du)(du)為1.2和(he)(he)1.58g/cm3的三(san)軸(zhou)CU試(shi)驗曲線。

從(cong)圖11可以看出(chu)，磷(lin)石膏(gao)的(de)應(ying)力應(ying)變關系(xi)曲線在低圍(wei)壓下(xia)表現為(wei)(wei)軟化型，在高圍(wei)壓下(xia)表現為(wei)(wei)硬化型，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(de)是，即(ji)使在較(jiao)為(wei)(wei)疏松(song)的(de)狀態下(xia)，磷(lin)石膏(gao)仍表現了(le)較(jiao)為(wei)(wei)強烈的(de)剪脹(zhang)，隨密實度增(zeng)大(da)，剪脹(zhang)作用愈發明顯。

表2給出了(le)不同干(gan)(gan)密度(du)下的內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)，圖(tu)12給出了(le)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)密度(du)的關系(xi)曲線。隨干(gan)(gan)密度(du)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)也(ye)隨之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函(han)數較(jiao)好(hao)地擬合(he)。磷石膏的干(gan)(gan)密度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總(zong)(zong)應力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)37.3°(根據擬合(he)曲線求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)(xiao)應力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)(wei)3.2%，由于(yu)隨圍(wei)壓(ya)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也(ye)明(ming)(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故(gu)有效(xiao)(xiao)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)(zhi)總(zong)(zong)應力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)之(zhi)(zhi)于(yu)干(gan)(gan)密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著(zhu)，表明(ming)(ming)即使較(jiao)為(wei)(wei)(wei)疏松(song)的磷石膏仍具有較(jiao)高(gao)的強度(du)指標，這也(ye)表明(ming)(ming)磷石膏堆積壩(ba)的穩(wen)定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(次(ci)固(gu)結)變形試驗

磷石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形試(shi)驗在側限壓縮儀中進行，試(shi)驗狀態相當于(yu)K0固結。試(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣(yang)干(gan)密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)飽和(he)后分別開展了上覆壓力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗，

試(shi)(shi)驗(yan)從2012年(nian)8月27日開始，試(shi)(shi)驗(yan)己進行了(le)1年(nian)多，試(shi)(shi)驗(yan)結果見圖(tu)13所示(shi)。

從圖13中可以看出：上覆(fu)荷載越大(da)，磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形也(ye)越大(da)，荷載施加(jia)1年后，磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形仍非常顯(xian)著，尚未達到(dao)穩定(ding)狀態，這也(ye)是磷(lin)(lin)石(shi)膏堆積壩后期變(bian)(bian)(bian)形較大(da)的(de)原(yuan)因，原(yuan)型觀(guan)測資(zi)料表明，在5級(ji)子壩河床部位的(de)表面沉(chen)降(jiang)量已(yi)經達到(dao)3.1m，且尚未完全穩定(ding)。

按時(shi)間對數(shu)法(fa)，可求(qiu)得(de)各級(ji)荷載下的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形量如表(biao)3所示。試(shi)驗結(jie)(jie)果(guo)表(biao)明，在(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)試(shi)驗時(shi)間范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形是主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當(dang)然由于(yu)(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形尚未(wei)完成(cheng)，實際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形應更大(da)。對土體(ti)而(er)言，發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因(yin)是由于(yu)(yu)(yu)土體(ti)在(zai)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)完成(cheng)之(zhi)后，土體(ti)中仍有微(wei)小(xiao)的(de)(de)超(chao)靜孔隙壓力存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問(wen)流動，一般來講(jiang)土體(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)(yu)(yu)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形；對磷石膏而(er)言，其(qi)滲透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量級(ji)，遠大(da)于(yu)(yu)(yu)黏性土，但其(qi)卻(que)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)了極為顯(xian)著的(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形，其(qi)原因(yin)在(zai)于(yu)(yu)(yu)磷石膏晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)了壓縮、破壞，接觸點(dian)晶(jing)(jing)格發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)形，而(er)破壞后晶(jing)(jing)格之(zhi)間的(de)(de)重新排列、調整到最(zui)后趨(qu)于(yu)(yu)(yu)相對靜止(zhi)需要相當(dang)長的(de)(de)時(shi)間才能(neng)完成(cheng)。

2.4動力力學特(te)性

試驗(yan)設備采用(yong)英國GDS公(gong)司進口(kou)的(de)電機(ji)控制動三軸試驗(yan)系統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同樣由于自然沉積的磷石膏(gao)密(mi)度(du)變(bian)化(hua)較大，為此根據(ju)物理性(xing)質試(shi)驗(yan)結(jie)果，選擇兩種平均干密(mi)度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建(jian)議的(de)動剪切模量(liang)G、阻尼比與(yu)剪應變幅值γd的(de)關系式如(ru)下：

式中k1為(wei)(wei)參數，表(biao)示動(dong)剪切模量的(de)(de)(de)衰減或(huo)阻(zu)(zu)尼比(bi)的(de)(de)(de)增長(chang)速(su)率；λmax為(wei)(wei)最(zui)大(da)阻(zu)(zu)尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最(zui)大(da)動(dong)剪切模量和(he)歸一化的(de)(de)(de)動(dong)剪應變，表(biao)示為(wei)(wei)

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

圖14給(gei)出了(le)動(dong)剪切模量、阻尼比與歸(gui)一化動(dong)應(ying)變的關系曲(qu)(qu)線，另外圖中還給(gei)出了(le)式(1)的擬合曲(qu)(qu)線以及(ji)Seed等給(gei)出的砂樣的上下邊界(jie)線，圖例(li)中，σ2表(biao)示圍(wei)壓，Kc表(biao)示固(gu)結應(ying)力比。

從圖(tu)(tu)(tu)中(zhong)可以看(kan)出(chu)(chu)：①式(1)可較(jiao)好地(di)描述磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)(de)動應(ying)力-動應(ying)變試驗曲線(xian)，表明采用等(deng)價黏(nian)彈(dan)性模(mo)型進(jin)行循(xun)環荷載作用下的(de)(de)(de)分析是(shi)可行的(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)位(wei)于(yu)(yu)干密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)上方(fang)，圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則位(wei)于(yu)(yu)下方(fang)，表明密度(du)越(yue)(yue)(yue)大(da)，動彈(dan)模(mo)越(yue)(yue)(yue)大(da)、阻尼比(bi)越(yue)(yue)(yue)小；③圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密度(du)的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)(yu)Seed等(deng)給(gei)出(chu)(chu)的(de)(de)(de)邊(bian)界線(xian)上方(fang)，而圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則基本(ben)處于(yu)(yu)邊(bian)界線(xian)中(zhong)間，表明相比(bi)較(jiao)砂(sha)樣，磷(lin)(lin)石膏動彈(dan)模(mo)較(jiao)大(da)，會導致磷(lin)(lin)石膏堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)(de)動力反(fan)應(ying)較(jiao)大(da)，但由于(yu)(yu)阻尼比(bi)也(ye)較(jiao)大(da)，這樣又會削弱壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)(de)動力反(fan)應(ying)，二者的(de)(de)(de)相互影響下，磷(lin)(lin)石膏堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)(de)動力反(fan)應(ying)將不會過于(yu)(yu)強烈，這對(dui)磷(lin)(lin)石膏堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)(de)抗震(zhen)穩定(ding)性是(shi)有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇(ze)兩(liang)種平均(jun)干密度為(wei)1.12(變化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞標準(zhun)為(wei)總(zong)應(ying)變達到(dao)10%。

圖(tu)15給出(chu)(chu)了動剪(jian)應力(li)比τd/σ0′與破壞(huai)振次Nf的(de)關(guan)系曲(qu)線(xian)圖(tu)，其中(zhong)σ0為(wei)(wei)振前試樣(yang)45°面上(shang)的(de)有效法向應力(li)，表(biao)達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結(jie)比。從(cong)試驗結(jie)果(guo)可以看(kan)出(chu)(chu)，沉(chen)積磷石膏的(de)動強度(du)與其它(ta)土(tu)體相(xiang)似，表(biao)現為(wei)(wei)圍壓(ya)和(he)固結(jie)應力(li)比與動剪(jian)應力(li)比呈(cheng)負相(xiang)關(guan)關(guan)系。

為判別沉積磷石(shi)膏的抗(kang)液化能力(li)，假定(ding)抗(kang)震設(she)計烈度為8度，即(ji)等(deng)效振次Ⅳ可取為30。首先(xian)由(you)式(4)

所示(shi)的(de)冪函數關系式得(de)到(dao)振次為(wei)30時各(ge)個圍壓和固(gu)結比下的(de)動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可(ke)擬合求得(de)動剪應(ying)力比(bi)與圍(wei)壓(ya)和固結應(ying)力比(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(he)關系(xi)式可見，密(mi)實度提高后，動剪應力(li)(li)比(bi)提高，表(biao)明抗液化(hua)能力(li)(li)也(ye)提高。但即(ji)使是在(zai)低密(mi)度下，其動剪應力(li)(li)比(bi)較之同類(lei)的(de)粉(fen)土(tu)或粉(fen)砂也(ye)大出許多，表(biao)明磷石(shi)膏(gao)具有較高的(de)抗液化(hua)能力(li)(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)，在鉆探取樣(yang)工(gong)作(zuo)的基礎(chu)上，首先開(kai)展(zhan)了物理(li)性質試驗，然后(hou)開(kai)展(zhan)了靜動力力學(xue)特性試驗。通過上述試驗研(yan)究(jiu)，得出如下結論：

(1)沉積磷(lin)石膏(gao)總體上屬于級配(pei)不(bu)良的粉土(tu)，局部屬于粉砂一中砂，無自然分級現象(xiang)。其干(gan)密(mi)度(du)和粒徑變化(hua)(hua)隨埋深或(huo)距放漿口距離的變化(hua)(hua)不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏水(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)滲透(tou)系數大于垂直方向(xiang)的(de)滲透(tou)系數，呈現明顯的(de)各向(xiang)異性(xing)。

(3)與土(tu)體顆粒不可壓(ya)縮(suo)不同(tong)，磷石膏的晶體結(jie)構會發生壓(ya)縮(suo)破壞(huai)，具有較大(da)的壓(ya)縮(suo)性，其(qi)次固結(jie)變形量遠大(da)于主固結(jie)變形量。

(4)沉積(ji)磷石膏的靜動強度較之同等(deng)密實度下的粉土(tu)、粉砂要高。