沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸生產過程中的(de)(de)(de)副(fu)產品，目(mu)前的(de)(de)(de)綜(zong)合利(li)用(yong)率尚不足40%，大(da)(da)部分需(xu)要(yao)堆(dui)存(cun)存(cun)放。受地形限制和經濟效益(yi)考慮，中國主(zhu)要(yao)為(wei)濕法堆(dui)存(cun)的(de)(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托柳(liu)樹箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)，針對沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)首先開(kai)展了密(mi)度、含水率、滲透、土水特(te)(te)征和顆分等物理性(xing)質(zhi)試驗(yan)，然后(hou)開(kai)展了三軸cu、蠕(ru)變(bian)及動三軸等力(li)學特(te)(te)性(xing)試驗(yan)。試驗(yan)結果表明：①沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密(mi)度與埋深(shen)沒有相關關系；②沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)不具(ju)(ju)有自然分級現象，但具(ju)(ju)有明顯(xian)的(de)(de)(de)各向異(yi)性(xing)；③沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)(ju)有較(jiao)高的(de)(de)(de)摩擦角和抗液化能力(li)，但其蠕(ru)變(bian)變(bian)形較(jiao)大(da)(da)、滲透比降(jiang)較(jiao)小。上述工作為(wei)分析(xi)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)壩(ba)體穩定性(xing)提供(gong)了基礎，對現行磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)(de)(de)運行管理以(yi)及新建(jian)工程的(de)(de)(de)設計具(ju)(ju)有重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)借(jie)鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)石膏(gao)是濕法(fa)磷(lin)(lin)酸生產(chan)過程中(zhong)的(de)(de)副產(chan)品，2018年，全國磷(lin)(lin)石膏(gao)產(chan)生量為7800萬噸，且呈逐年增長的(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)主要成(cheng)分(fen)是CaO和(he)SO3，但含(han)有(you)一定(ding)量的(de)(de)氟化物和(he)其(qi)它放射性(xing)物質，在中(zhong)國通常(chang)按Ⅱ類一般工(gong)(gong)業(ye)固體廢物處理，鑒(jian)于無(wu)害化處理成(cheng)本較(jiao)高(gao)，目前綜(zong)合利(li)用率尚(shang)不(bu)足40%，故(gu)大部分(fen)磷(lin)(lin)石膏(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)場地(di)的(de)(de)不(bu)同，可分(fen)為平地(di)型(xing)、傍山(shan)(shan)型(xing)、山(shan)(shan)谷型(xing)和(he)截(jie)河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場，在中(zhong)國基本上是山(shan)(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場。相比較(jiao)干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明顯，因而如(ru)地(di)質條件為非碳酸鹽巖地(di)區，一般均(jun)采用濕排濕堆(dui)(dui)(dui)方(fang)式。隨著中(zhong)國磷(lin)(lin)肥(fei)工(gong)(gong)業(ye)的(de)(de)快速發展，本世紀初(chu)中(zhong)國相繼(ji)建設(she)了幾座濕法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大型(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫，例如(ru)云天化國際化工(gong)(gong)三(san)環(huan)分(fen)公(gong)司的(de)(de)柳(liu)樹箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積壩和(he)富瑞分(fen)公(gong)司的(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積壩，這兩座壩設(she)計壩高(gao)均(jun)超(chao)過100m、處于8度(du)地(di)震區，其(qi)安(an)全性(xing)備(bei)受關注。

據(ju)統(tong)計，110多年(1901年一(yi)2013年)來，全世界(jie)有118座(zuo)尾礦壩(ba)曾發生(sheng)(sheng)過破壞(huai)(huai)或(huo)潰壩(ba)事故，原因(yin)主要有地震、洪水漫頂、滲透破壞(huai)(huai)和基礎失穩(wen)。尾礦庫失事后會造成(cheng)巨大的生(sheng)(sheng)態災(zai)難和人員(yuan)傷亡(wang)，近(jin)幾十年來，

國內(nei)外對(dui)金屬尾礦的沉積規律、物(wu)理力(li)(li)學(xue)特性(xing)及(ji)其(qi)穩定性(xing)開(kai)展了(le)大(da)量的研(yan)(yan)究(jiu)，但(dan)對(dui)于與金屬尾礦庫相近的磷(lin)(lin)石膏(gao)庫，一般僅限于在可研(yan)(yan)階段采用人(ren)工制備樣進(jin)(jin)行物(wu)理力(li)(li)學(xue)性(xing)質(zhi)試驗，并據此進(jin)(jin)行穩定性(xing)分(fen)析，尚未有人(ren)針對(dui)己運行若干年的大(da)型濕(shi)法(fa)堆存磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積壩開(kai)展過磷(lin)(lin)石膏(gao)沉積規律及(ji)其(qi)物(wu)理力(li)(li)學(xue)特性(xing)的專項研(yan)(yan)究(jiu)。

本文(wen)依托柳樹(shu)箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩(ba)，首(shou)先(xian)進行了(le)(le)鉆(zhan)探(tan)取樣(yang)，采(cai)用原狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)(le)密度、含水率、滲透、土水特征和(he)顆分等(deng)物理性(xing)(xing)質試(shi)驗，在此(ci)基(ji)礎上有(you)(you)針對性(xing)(xing)的選擇原狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)(le)三軸(zhou)CU、蠕(ru)變(bian)及動三軸(zhou)等(deng)力(li)學特性(xing)(xing)試(shi)驗。通(tong)過(guo)上述(shu)試(shi)驗研(yan)究(jiu)，總結(jie)了(le)(le)磷石(shi)膏的沉積規律(lv)、滲透特性(xing)(xing)、滲透破(po)壞特性(xing)(xing)以及靜動力(li)特性(xing)(xing)，上述(shu)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)對研(yan)究(jiu)和(he)評估磷石(shi)膏庫堆(dui)積壩(ba)的穩定性(xing)(xing)提供了(le)(le)基(ji)礎數據，對現行磷石(shi)膏庫的運行管理以及新建工(gong)程的設計具有(you)(you)重(zhong)要的借鑒意(yi)義。

一、依托(tuo)工程(cheng)概況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積(ji)壩堆(dui)存設計(ji)方(fang)案

由初期壩(ba)(ba)和堆(dui)積壩(ba)(ba)組成，設計總壩(ba)(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采(cai)用(yong)土料填(tian)筑(zhu)。上游坡面、壩(ba)(ba)底(di)和下游壩(ba)(ba)腳設置堆石排水體(ti)，三者(zhe)相連通構(gou)成(cheng)整個堆積壩(ba)(ba)的主要排滲(shen)系統(tong)。

(2)堆積壩及其輔助排滲措施(shi)

采用上游式筑壩(ba)法，共20級(ji)子(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約100m。采用排滲管(guan)網(wang)作為輔助排滲方案(an)，目前己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩(ba)和13級(ji)子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置了井字形排滲管(guan)網(wang)。

1.2沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)平面位置(zhi)見圖l。2008年6月(yue)，堆積至(zhi)5級子(zi)壩(ba)時，布設(she)(she)了9個(ge)(ge)取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編號K1～K9，取(qu)原(yuan)狀樣76件(jian)；2013年5月(yue)，堆積至(zhi)13級子(zi)壩(ba)時，又布設(she)(she)了11個(ge)(ge)取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編號K10～K20，取(qu)原(yuan)狀樣112件(jian)，為(wei)(wei)比較子(zi)壩(ba)加(jia)高(gao)和(he)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積過(guo)程中磷(lin)石(shi)膏(gao)物理(li)力學性(xing)質的(de)變化，在2，4級子(zi)壩(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)附(fu)近各布設(she)(she)了一個(ge)(ge)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編號分別(bie)為(wei)(wei)K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入(ru)運行，截至(zhi)(zhi)2013年(nian)5月己堆(dui)至(zhi)(zhi)13級子壩(ba)，尚有7級子壩(ba)即堆(dui)存(cun)至(zhi)(zhi)設計高程。鑒于磷石(shi)膏庫(ku)地(di)(di)形(xing)、地(di)(di)質條(tiao)件(jian)較好，具備擴容改造的條(tiao)件(jian)，以提高堆(dui)存(cun)庫(ku)容，減少堆(dui)存(cun)占地(di)(di)，節約土(tu)地(di)(di)資源(yuan)。

本文主要對沉積(ji)磷石膏的物理力學特性(xing)進行了(le)全面總(zong)結(jie)，限于篇幅，有關現狀磷石膏庫堆積(ji)壩的安全性(xing)評價及其加(jia)高可行性(xing)的研究將另文發(fa)表。

二、沉積(ji)磷石膏的(de)物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了(le)(le)14個鉆孔(kong)的(de)取樣(yang)深度(du)和(he)試驗(yan)所(suo)得干(gan)密度(du)的(de)關系，圖中(zhong)UWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位線上(shang)(shang)，(系鉆孔(kong)期(qi)間(jian)的(de)初(chu)見水(shui)(shui)位線，下同)，DWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位線下。圖3給出了(le)(le)水(shui)(shui)位線上(shang)(shang)下的(de)飽和(he)度(du)分布圖。由于磷石膏中(zhong)的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)和(he)烘(hong)(hong)烤時間(jian)對測(ce)定(ding)結果(guo)有一定(ding)影(ying)響，不(bu)能照搬現(xian)行的(de)土工試驗(yan)規范，本(ben)文磷石膏的(de)含水(shui)(shui)率測(ce)定(ding)方法為55℃溫度(du)下烘(hong)(hong)培(pei)24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋(mai)深(shen)的關系

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

由(you)圖3，水(shui)(shui)位線上(shang)的(de)磷(lin)石膏(gao)飽(bao)和(he)度(du)(du)平均值為(wei)50.4%，處(chu)于(yu)非飽(bao)和(he)狀態，水(shui)(shui)位線以下的(de)磷(lin)石膏(gao)飽(bao)和(he)度(du)(du)平均值為(wei)85.0%，基本處(chu)于(yu)飽(bao)和(he)狀態，由(you)于(yu)水(shui)(shui)位下降后磷(lin)石膏(gao)來不(bu)及排水(shui)(shui)固結(jie)，故而水(shui)(shui)位線上(shang)局部試(shi)樣的(de)飽(bao)和(he)度(du)(du)較高(gao)。

由圖2，水(shui)位線以上(shang)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)位線以下的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏(gao)(gao)與(yu)一般的(de)(de)尾礦有所不(bu)同，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)并不(bu)隨(sui)埋深的(de)(de)增大(da)而明顯(xian)增大(da)，但水(shui)位線以下的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度(du)從(cong)統(tong)計意義上(shang)來看仍大(da)于水(shui)位線以上(shang)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度(du)，這主要是由于水(shui)位線隨(sui)庫水(shui)位的(de)(de)變化反(fan)復升(sheng)降(jiang)而使得磷石(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)固(gu)結(jie)所致。

室內擊實得(de)(de)到的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)最(zui)大干(gan)(gan)密(mi)度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出，自然沉積的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)最(zui)大干(gan)(gan)密(mi)度(du)可(ke)達(da)到1.73g/cm3，原因如下：與經(jing)典的(de)(de)土骨架不可(ke)壓縮(suo)的(de)(de)理論不同，石(shi)膏(gao)本身可(ke)壓縮(suo)，同時(shi)由于(yu)顆粒結構不穩定(ding)，擊實試(shi)驗過程中磷(lin)石(shi)膏(gao)結構被(bei)破壞，受夯擊處下陷，四周鼓起，出現(xian)了類似于(yu)橡皮土的(de)(de)現(xian)象。而在(zai)現(xian)場條件下，石(shi)膏(gao)骨架被(bei)破壞后，會(hui)導致顆粒中的(de)(de)結合水滲出至孔(kong)隙內，變成孔(kong)隙水，排水固(gu)結后會(hui)使得(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)孔(kong)隙比減小，干(gan)(gan)密(mi)度(du)增大。

圖(tu)4給出了相(xiang)鄰鉆孔K2和(he)K17(位(wei)(wei)(wei)于(yu)2級(ji)子(zi)壩河(he)床部(bu)位(wei)(wei)(wei))以及相(xiang)鄰鉆孔K6和(he)K18(位(wei)(wei)(wei)于(yu)4級(ji)子(zi)壩河(he)床部(bu)位(wei)(wei)(wei))干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)對比圖(tu)。K2鉆孔的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意(yi)義上來(lai)看(kan)，磷(lin)石膏的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)也(ye)并未(wei)隨(sui)后續磷(lin)石膏的(de)(de)(de)(de)堆(dui)積而有較為(wei)(wei)明(ming)顯(xian)的(de)(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試(shi)驗(yan)(yan)采(cai)用密(mi)度計法(fa)，制(zhi)備懸液時不煮沸，不加六偏磷酸(suan)鈉。圖5給(gei)出了試(shi)驗(yan)(yan)得到的級配(pei)包(bao)線(xian)、平均粒(li)徑d50、不均勻系(xi)數(1u和(he)曲率系(xi)數Cc的分布圖。

從(cong)圖(tu)5(a)可(ke)見，磷石膏的(de)粒徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬于粉(fen)土(tu)，但可(ke)能由于礦石來源(yuan)或生(sheng)產工藝(yi)有(you)所不同，局部屬于粉(fen)砂～中砂。粒徑分布范圍比Blight和張(zhang)超等(deng)的(de)試驗(yan)結果要寬一些。

圖(tu)4子壩加高后沉積磷石膏的干密度(du)變(bian)化

圖5沉積磷(lin)石膏(gao)的平(ping)均粒徑和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論(lun)是(shi)水平向還是(shi)垂直向，磷石膏(gao)與金(jin)屬礦(kuang)山(shan)尾(wei)礦(kuang)的(de)“前粗(cu)(cu)后細(xi)，上粗(cu)(cu)下細(xi)”的(de)自然分級現象不(bu)(bu)同，也即粗(cu)(cu)顆(ke)粒(li)(li)(li)并不(bu)(bu)是(shi)沿埋深(shen)逐步減(jian)小(xiao)或距離放漿口越遠(yuan)顆(ke)粒(li)(li)(li)越細(xi)，其原(yuan)因如下：①磷石膏(gao)顆(ke)粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)徑組(zu)成較(jiao)為(wei)集(ji)中、均勻，主要(yao)以粉粒(li)(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較(jiao)差；②相(xiang)比(bi)(bi)較(jiao)金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)，磷石膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)較(jiao)小(xiao)，磷石膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)一(yi)般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)可達(da)2.9；③放漿口隨子壩高度不(bu)(bu)斷(duan)增加而(er)不(bu)(bu)斷(duan)變動并向庫尾(wei)延伸，造成沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)粒(li)(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不均(jun)勻系數Cu范(fan)圍值(zhi)(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)為4.18，曲率系數(1c范(fan)圍值(zhi)(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)為1.21，在(zai)統(tong)計的100多個試樣中(zhong)，屬于級配(pei)不良土(tu)的占(zhan)93%。這種級配(pei)特(te)性決定了磷石膏(gao)具(ju)有較(jiao)高的壓縮性、滲(shen)透破壞(huai)型(xing)式(shi)表現(xian)為流土(tu)破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)系數的(de)(de)主要因(yin)素(su)是粒徑大(da)小(xiao)、級配和孔(kong)(kong)隙比(bi)，因(yin)而磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系數與(yu)粉土(tu)較(jiao)(jiao)為接近。由(you)于孔(kong)(kong)隙比(bi)e減小(xiao)，使(shi)得過水通(tong)道面積減小(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)系數k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正相(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。對砂土(tu)，一般認為滲(shen)(shen)透(tou)系數k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性關(guan)(guan)系較(jiao)(jiao)好，圖6給出了(le)二者(zhe)間的(de)(de)關(guan)(guan)系曲線，由(you)于沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)不均勻系數變化較(jiao)(jiao)大(da)，使(shi)得沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系數變化范圍較(jiao)(jiao)大(da)(平均值(zhi)為10-4cm/s數量級)，二者(zhe)問(wen)的(de)(de)線性關(guan)(guan)系較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲透(tou)系(xi)數與孔(kong)隙比的關系(xi)

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

圖7給出了水平(ping)(ping)(ping)與垂直向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)分布。沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)水平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kh一(yi)般大(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均(jun)值約為2.86，這一(yi)點與成層分布的(de)金屬(shu)尾(wei)礦規律(lv)一(yi)致(zhi)。造成沉(chen)積磷石膏(gao)水平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)大(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)的(de)原因是由于(yu)(yu)磷石膏(gao)具有明顯的(de)晶體結(jie)構，電鏡掃描顯示多(duo)為菱形(xing)和棱柱(zhu)狀(zhuang)形(xing)式(見圖8)，在(zai)沉(chen)積過程(cheng)中，由于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)(ping)狀(zhuang)磷石膏(gao)顆粒多(duo)呈水平(ping)(ping)(ping)排(pai)列，使得水平(ping)(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水性大(da)于(yu)(yu)垂直方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水性，從而使磷石膏(gao)呈現明顯的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異(yi)性。

另根(gen)據中國有色金屬工業(ye)昆明勘察設計研究院(yuan)在楊家(jia)箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積壩開展(zhan)的(de)現(xian)場(chang)滲(shen)透(tou)試驗(yan)(yan)(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值(zhi)約(yue)為1.9。但(dan)張超(chao)等的(de)室(shi)內試驗(yan)(yan)(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值(zhi)約(yue)為0.46，也(ye)即(ji)垂直(zhi)向滲(shen)透(tou)系(xi)數大于水平(ping)向滲(shen)透(tou)系(xi)數，與本(ben)文和現(xian)場(chang)試驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果恰恰相反。從磷石(shi)膏的(de)微觀結(jie)構(gou)來看，本(ben)文試驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果更(geng)為合理。

圖7沉積磷石膏干密度與(yu)水平和垂直滲透(tou)系(xi)(xi)數比值的(de)關(guan)系(xi)(xi)

(2)滲透變形

圖(tu)9為(wei)磷(lin)石(shi)(shi)膏干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水力(li)梯度(du)J與流(liu)速V的(de)(de)關系(xi)曲線，試(shi)(shi)(shi)驗(yan)在水平管(guan)涌儀中(zhong)采(cai)用水平方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)(shen)流(liu)形式進(jin)行。試(shi)(shi)(shi)驗(yan)得到(dao)的(de)(de)臨(lin)界坡降Jc=0.355，破(po)壞(huai)坡降Jp=0.375。一(yi)(yi)般(ban)來說，對(dui)1，2級(ji)工程，滲(shen)(shen)透(tou)安(an)全系(xi)數取為(wei)2.5，則允(yun)許(xu)出逸(yi)坡降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以(yi)下工程，滲(shen)(shen)透(tou)安(an)全系(xi)數取2.0，則允(yun)許(xu)出逸(yi)坡降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)比(bi)降與粉土一(yi)(yi)粉砂(sha)大致相(xiang)同(tong)。但(dan)(dan)上述(shu)滲(shen)(shen)透(tou)變(bian)形試(shi)(shi)(shi)驗(yan)是(shi)采(cai)用自來水進(jin)行的(de)(de)，自來水對(dui)磷(lin)石(shi)(shi)膏具有(you)一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)溶蝕作(zuo)用，而(er)實際上磷(lin)石(shi)(shi)膏中(zhong)殘余磷(lin)、硫(liu)和氟酸(suan)，庫水的(de)(de)pH值一(yi)(yi)般(ban)小于3(稱之為(wei)酸(suan)性(xing)水)，在酸(suan)性(xing)水作(zuo)用下，磷(lin)石(shi)(shi)膏不會發(fa)生破(po)壞(huai)，上述(shu)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)是(shi)偏于保守的(de)(de)，但(dan)(dan)對(dui)非酸(suan)性(xing)水條(tiao)件(jian)(例如特大暴雨)下的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)穩定(ding)判斷有(you)一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)借(jie)鑒意義。

圖(tu)9水力梯(ti)度(du)J-流速v試驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力(li)板儀(yi)中進(jin)行，環刀尺寸(cun)6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力(li)范(fan)圍0～500kPa。表(biao)l列出了(le)含水(shui)率特征值(zhi)，試驗曲線(xian)見圖10所示(shi)。

試驗結果表明：①干(gan)密(mi)度(du)對(dui)進氣值(zhi)沒有明顯的(de)影響(xiang)，不同干(gan)密(mi)度(du)的(de)試樣的(de)進氣值(zhi)大致(zhi)在10kPa左(zuo)右；②土(tu)樣殘余含水(shui)率(lv)隨(sui)干(gan)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)而減少(shao)，殘余含水(shui)率(lv)約為飽和含水(shui)率(lv)的(de)10%。上述特性與(yu)粉土(tu)一粉砂基(ji)本(ben)一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)密(mi)(mi)度(du)(du)變化較大(da)，而進行(xing)三(san)軸試(shi)(shi)驗(yan)需要(yao)若干(gan)原狀樣(yang)，為(wei)使試(shi)(shi)驗(yan)結果具有(you)較好的(de)一致性(xing)，有(you)針對(dui)性(xing)的(de)選(xuan)擇平均干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)分(fen)別(bie)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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干(gan)試(shi)(shi)樣(yang)，進行(xing)了5組(zu)三(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)。圖11是(shi)為(wei)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷(lin)石膏的(de)應力應變關系曲線在低(di)圍壓下(xia)表(biao)現(xian)為軟化型，在高圍壓下(xia)表(biao)現(xian)為硬化型，與一般(ban)土類(lei)相(xiang)似。但與一般(ban)粉土一粉砂不(bu)同的(de)是，即使在較為疏松的(de)狀態下(xia)，磷(lin)石膏仍表(biao)現(xian)了(le)較為強烈的(de)剪(jian)脹，隨密實度增大(da)，剪(jian)脹作用愈發明顯。

表2給出了(le)不同干(gan)密(mi)(mi)度(du)下(xia)的(de)(de)內(nei)摩(mo)擦(ca)角，圖12給出了(le)內(nei)摩(mo)擦(ca)角與干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)關系曲(qu)線(xian)。隨干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，內(nei)摩(mo)擦(ca)角也隨之(zhi)增(zeng)大(da)(da)，且(qie)可采用(yong)冪函數較(jiao)好地擬(ni)合。磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加了(le)32%，總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角由34.1°增(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲(qu)線(xian)求得)，增(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效(xiao)應(ying)力摩(mo)擦(ca)角由37.6°增(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于(yu)隨圍壓的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，孔壓也明顯(xian)增(zeng)大(da)(da)，故有效(xiao)摩(mo)擦(ca)角增(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角要(yao)小。另外較(jiao)之(zhi)于(yu)干(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)角的(de)(de)增(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著(zhu)，表明即(ji)使較(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有較(jiao)高的(de)(de)強(qiang)度(du)指標，這也表明磷(lin)石(shi)膏堆積壩的(de)(de)穩(wen)定性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏的蠕變變形試驗在側限壓縮(suo)儀(yi)中進行，試驗狀態相(xiang)當于K0固結。試樣直徑61.8mm，高度20mm，試樣干密度為1.30g/cm3，對試樣飽和(he)后分別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試驗，

試驗(yan)從2012年(nian)8月(yue)27日開始，試驗(yan)己進行了1年(nian)多(duo)，試驗(yan)結果見圖13所示。

從圖13中可以看出(chu)：上覆荷載(zai)越(yue)大，磷石膏的蠕變(bian)變(bian)形(xing)也(ye)越(yue)大，荷載(zai)施加1年后(hou)，磷石膏的蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚(shang)未達到穩定(ding)狀(zhuang)態，這也(ye)是磷石膏堆積壩后(hou)期(qi)變(bian)形(xing)較大的原因，原型(xing)觀測(ce)資料表(biao)(biao)明，在5級子壩河(he)床(chuang)部位的表(biao)(biao)面沉降量已經達到3.1m，且尚(shang)未完全穩定(ding)。

按時(shi)間(jian)對(dui)數法，可求得各級(ji)荷載下的(de)主次(ci)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量如(ru)表3所示。試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)表明，在(zai)(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)(zai)(zai)試(shi)驗(yan)時(shi)間(jian)范圍內蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)結(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是主固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚(shang)未完成，實際的(de)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應更大(da)。對(dui)土(tu)(tu)(tu)體(ti)而(er)(er)言，發(fa)(fa)生(sheng)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)土(tu)(tu)(tu)體(ti)在(zai)(zai)(zai)(zai)主固(gu)結(jie)完成之后，土(tu)(tu)(tu)體(ti)中仍有(you)微小的(de)超靜孔(kong)隙壓(ya)力存在(zai)(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)(zai)顆(ke)粒問流(liu)動，一(yi)般來講土(tu)(tu)(tu)體(ti)的(de)次(ci)固(gu)結(jie)遠(yuan)(yuan)小于(yu)(yu)主固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷石(shi)膏而(er)(er)言，其滲透系數在(zai)(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數量級(ji)，遠(yuan)(yuan)大(da)于(yu)(yu)黏性土(tu)(tu)(tu)，但其卻發(fa)(fa)生(sheng)了極為顯(xian)著(zhu)的(de)次(ci)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其原(yuan)因在(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石(shi)膏晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)發(fa)(fa)生(sheng)了壓(ya)縮、破壞，接觸點晶(jing)格(ge)發(fa)(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而(er)(er)破壞后晶(jing)格(ge)之間(jian)的(de)重新(xin)排列、調整到最后趨于(yu)(yu)相對(dui)靜止需要(yao)相當長(chang)的(de)時(shi)間(jian)才能完成。

2.4動力力學特性

試(shi)(shi)驗設備(bei)采用英國(guo)GDS公司進口的電機控制動三軸試(shi)(shi)驗系統，試(shi)(shi)樣(yang)直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由于自然沉積的磷石(shi)膏(gao)密度(du)變化(hua)較大，為此根據(ju)物理(li)性質試(shi)驗結果，選擇兩種平均干密度(du)1.34g/cm3(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議的動剪切模量G、阻尼(ni)比與剪應變幅值γd的關系式如(ru)下：

式中k1為(wei)參數(shu)，表(biao)(biao)示(shi)動剪切模量(liang)的(de)衰減(jian)或阻尼比(bi)的(de)增長速(su)率；λmax為(wei)最大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最大動剪切模量(liang)和歸一化的(de)動剪應變(bian)，表(biao)(biao)示(shi)為(wei)

式中k2,n為參數；σm為球應力；Pa為標準大氣(qi)壓；vd為動(dong)泊松比；εa為歸一化的動(dong)應變，表(biao)達(da)為

圖14給(gei)出(chu)了動(dong)剪(jian)切(qie)模量、阻尼(ni)比與歸一(yi)化動(dong)應變的(de)(de)關系曲(qu)線(xian)，另外圖中(zhong)還給(gei)出(chu)了式(shi)(1)的(de)(de)擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)砂樣(yang)的(de)(de)上下邊界線(xian)，圖例(li)中(zhong)，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固結(jie)應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可以看出：①式(shi)(1)可較(jiao)(jiao)(jiao)好地描述磷石(shi)膏的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應(ying)力-動(dong)(dong)(dong)應(ying)變試驗(yan)曲(qu)線，表明采用等價黏彈(dan)(dan)性模型進行(xing)循環荷載作用下(xia)(xia)的(de)(de)(de)分析是(shi)(shi)可行(xing)的(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線位于(yu)(yu)(yu)干(gan)密度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則位于(yu)(yu)(yu)下(xia)(xia)方，表明密度越(yue)(yue)大(da)，動(dong)(dong)(dong)彈(dan)(dan)模越(yue)(yue)大(da)、阻尼比(bi)越(yue)(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密度的(de)(de)(de)擬合(he)線基本(ben)位于(yu)(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)邊界線上方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則基本(ben)處于(yu)(yu)(yu)邊界線中(zhong)間，表明相(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)砂樣(yang)，磷石(shi)膏動(dong)(dong)(dong)彈(dan)(dan)模較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)導致磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應(ying)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)(yu)(yu)阻尼比(bi)也較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，這樣(yang)又(you)會(hui)削弱壩體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應(ying)，二(er)者的(de)(de)(de)相(xiang)互影(ying)響下(xia)(xia)，磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩壩體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應(ying)將(jiang)不會(hui)過于(yu)(yu)(yu)強烈，這對磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)抗震穩定性是(shi)(shi)有(you)利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種(zhong)平均干密度為(wei)1.12(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞(huai)標準(zhun)為(wei)總應變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出了動剪(jian)應(ying)力(li)(li)比τd/σ0′與(yu)破(po)壞振次Nf的(de)(de)關系(xi)曲線圖(tu)，其中σ0為(wei)振前試樣45°面上的(de)(de)有(you)效法(fa)向應(ying)力(li)(li)，表(biao)達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)比。從(cong)試驗(yan)結(jie)果(guo)可以看出，沉積磷石膏(gao)的(de)(de)動強度(du)與(yu)其它土體(ti)相似(si)，表(biao)現(xian)為(wei)圍(wei)壓(ya)和固結(jie)應(ying)力(li)(li)比與(yu)動剪(jian)應(ying)力(li)(li)比呈負(fu)相關關系(xi)。

為(wei)(wei)(wei)判(pan)別沉積磷石膏的抗液(ye)化(hua)能力(li)，假定抗震(zhen)設計烈(lie)度(du)(du)為(wei)(wei)(wei)8度(du)(du)，即等效振(zhen)次Ⅳ可(ke)取(qu)為(wei)(wei)(wei)30。首(shou)先由式(shi)(4)

所(suo)示的冪函(han)數關系式得到振(zhen)次為30時(shi)各(ge)個圍壓和固(gu)結比(bi)下(xia)的動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求得動剪應力(li)比與圍壓和(he)固結應力(li)比的關(guan)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(shang)述擬合關系式可見，密實度提(ti)高后，動剪(jian)應力(li)比提(ti)高，表明(ming)抗液化能力(li)也(ye)提(ti)高。但即使是在低(di)密度下，其動剪(jian)應力(li)比較之(zhi)同類(lei)的(de)粉土或(huo)粉砂也(ye)大出(chu)許(xu)多，表明(ming)磷石膏具(ju)有較高的(de)抗液化能力(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)，在鉆(zhan)探取樣工作的(de)基礎(chu)上，首先開展了物理(li)性質試驗，然后開展了靜動力(li)力(li)學特性試驗。通過上述試驗研究，得出如下結論：

(1)沉(chen)積磷石膏總體上屬(shu)于(yu)級配不良的粉土(tu)，局(ju)部屬(shu)于(yu)粉砂一中砂，無自然分級現(xian)象。其干(gan)密度(du)和粒徑變化隨埋深或距(ju)(ju)放漿口距(ju)(ju)離的變化不明(ming)顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水(shui)平方向的(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)大(da)于垂直方向的(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)，呈現明顯的(de)各向異(yi)性。

(3)與土(tu)體(ti)顆粒不(bu)可壓縮不(bu)同，磷石膏的晶體(ti)結(jie)構會發生壓縮破壞，具有較大的壓縮性，其次(ci)固(gu)結(jie)變形量(liang)遠大于主固(gu)結(jie)變形量(liang)。

(4)沉積磷石膏的靜動(dong)強度較之(zhi)同等(deng)密實度下的粉土、粉砂要高。