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)石膏(gao)(gao)(gao)是濕法(fa)(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生(sheng)產(chan)過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)副產(chan)品(pin)，2018年，全(quan)國(guo)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)產(chan)生(sheng)量為7800萬噸(dun)，且(qie)呈逐年增長的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)成分是CaO和SO3，但含有一定量的(de)(de)(de)氟化(hua)(hua)物和其它放(fang)射(she)性(xing)物質，在中(zhong)(zhong)國(guo)通常按(an)Ⅱ類(lei)一般(ban)工(gong)業固(gu)體(ti)廢物處(chu)(chu)(chu)理，鑒于無害化(hua)(hua)處(chu)(chu)(chu)理成本(ben)較高(gao)，目前綜合利用(yong)率(lv)尚不足40%，故(gu)大部分磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)需要(yao)堆存存放(fang)。按(an)堆存場地(di)的(de)(de)(de)不同，可(ke)分為平地(di)型(xing)、傍山型(xing)、山谷(gu)型(xing)和截河(he)型(xing)堆場，在中(zhong)(zhong)國(guo)基本(ben)上是山谷(gu)型(xing)堆場。相比(bi)較干法(fa)(fa)堆存，濕法(fa)(fa)堆存經濟優(you)勢明(ming)顯，因(yin)而如(ru)地(di)質條件為非碳(tan)酸(suan)鹽巖(yan)地(di)區(qu)，一般(ban)均(jun)采(cai)用(yong)濕排濕堆方式。隨著(zhu)中(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)業的(de)(de)(de)快(kuai)速(su)發展(zhan)，本(ben)世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相繼建(jian)設(she)了(le)幾座(zuo)濕法(fa)(fa)堆存的(de)(de)(de)大型(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫，例如(ru)云天化(hua)(hua)國(guo)際化(hua)(hua)工(gong)三環分公(gong)司的(de)(de)(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫堆積壩(ba)和富瑞分公(gong)司的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫堆積壩(ba)，這兩(liang)座(zuo)壩(ba)設(she)計壩(ba)高(gao)均(jun)超過100m、處(chu)(chu)(chu)于8度(du)地(di)震區(qu)，其安全(quan)性(xing)備受關注。

據統計(ji)，110多年(1901年一2013年)來(lai)(lai)，全世界有118座(zuo)尾(wei)礦壩(ba)曾發生(sheng)過破壞或(huo)潰壩(ba)事故，原因主要有地震、洪水漫頂、滲透(tou)破壞和(he)基礎失(shi)穩。尾(wei)礦庫(ku)失(shi)事后會造成(cheng)巨大的生(sheng)態災難和(he)人員傷亡，近幾十年來(lai)(lai)，

國內(nei)外對金屬(shu)尾礦的沉積(ji)(ji)(ji)規律(lv)、物理力學(xue)特性及(ji)其穩定(ding)性開(kai)展了(le)大量的研究，但對于與金屬(shu)尾礦庫相近(jin)的磷石膏(gao)庫，一般僅(jin)限(xian)于在可(ke)研階段(duan)采用人工制備樣進行(xing)物理力學(xue)性質(zhi)試(shi)驗，并據此進行(xing)穩定(ding)性分析，尚未有人針(zhen)對己運行(xing)若干年的大型(xing)濕(shi)法堆存磷石膏(gao)堆積(ji)(ji)(ji)壩開(kai)展過磷石膏(gao)沉積(ji)(ji)(ji)規律(lv)及(ji)其物理力學(xue)特性的專項研究。

本文依(yi)托柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩，首先進行了(le)(le)(le)鉆探(tan)取(qu)樣(yang)(yang)，采用原(yuan)狀樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)(le)(le)密度、含水(shui)率、滲透(tou)、土水(shui)特征和(he)顆分等物理性(xing)(xing)質試(shi)(shi)驗(yan)，在此基礎上(shang)(shang)(shang)有(you)針對(dui)(dui)性(xing)(xing)的選擇(ze)原(yuan)狀樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)(le)(le)三(san)軸CU、蠕變及(ji)動(dong)三(san)軸等力學(xue)特性(xing)(xing)試(shi)(shi)驗(yan)。通過上(shang)(shang)(shang)述(shu)試(shi)(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)，總結了(le)(le)(le)磷(lin)石(shi)(shi)膏的沉積(ji)規律、滲透(tou)特性(xing)(xing)、滲透(tou)破壞特性(xing)(xing)以及(ji)靜(jing)動(dong)力特性(xing)(xing)，上(shang)(shang)(shang)述(shu)研(yan)究(jiu)工作對(dui)(dui)研(yan)究(jiu)和(he)評估(gu)磷(lin)石(shi)(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩的穩定性(xing)(xing)提供(gong)了(le)(le)(le)基礎數據(ju)，對(dui)(dui)現(xian)行磷(lin)石(shi)(shi)膏庫的運行管理以及(ji)新建工程的設計具有(you)重(zhong)要的借鑒意義。

一、依托工程概(gai)況(kuang)

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計方(fang)案(an)

由初期(qi)壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約(yue)30m，采(cai)用土料填(tian)筑(zhu)。上游坡(po)面、壩(ba)(ba)底和下游壩(ba)(ba)腳設(she)置(zhi)堆石排水體，三者(zhe)相連通(tong)構成整個堆積壩(ba)(ba)的主要排滲系(xi)統。

(2)堆積壩及其(qi)輔助排滲措施

采用(yong)上游(you)式筑(zhu)壩(ba)(ba)(ba)法(fa)，共20級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用(yong)排(pai)滲(shen)管網(wang)作為輔助排(pai)滲(shen)方案，目前己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)(ba)和(he)13級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)前120m范圍內設置了井字形排(pai)滲(shen)管網(wang)。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年6月(yue)，堆積(ji)至5級(ji)子(zi)壩(ba)時(shi)，布(bu)(bu)設(she)了(le)9個取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號K1～K9，取(qu)(qu)原(yuan)狀樣(yang)76件；2013年5月(yue)，堆積(ji)至13級(ji)子(zi)壩(ba)時(shi)，又布(bu)(bu)設(she)了(le)11個取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號K10～K20，取(qu)(qu)原(yuan)狀樣(yang)112件，為(wei)(wei)比較子(zi)壩(ba)加(jia)高和磷石膏堆積(ji)過程(cheng)中磷石膏物(wu)理力學性質的變(bian)化，在2，4級(ji)子(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各(ge)布(bu)(bu)設(she)了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號分別為(wei)(wei)K17和K18。

1.3運行概況(kuang)

柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)尾礦庫2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入(ru)運行，截至(zhi)2013年(nian)5月己堆(dui)至(zhi)13級子壩，尚有7級子壩即(ji)堆(dui)存(cun)(cun)至(zhi)設計高程(cheng)。鑒于磷(lin)石(shi)膏(gao)庫地形、地質(zhi)條件(jian)較好(hao)，具(ju)備擴容(rong)改造的條件(jian)，以提(ti)高堆(dui)存(cun)(cun)庫容(rong)，減(jian)少堆(dui)存(cun)(cun)占地，節約(yue)土地資源。

本文(wen)主(zhu)要對沉積磷石(shi)(shi)膏(gao)的物理(li)力學特性進行(xing)了全面總(zong)結，限于篇幅(fu)，有關現(xian)狀磷石(shi)(shi)膏(gao)庫堆積壩(ba)的安全性評價及其加高(gao)可行(xing)性的研究將另文(wen)發表。

二、沉積磷(lin)石(shi)膏的物理力學特(te)性

2.1物理(li)特性

(1)干(gan)密度分布

圖2給(gei)出了14個鉆孔的(de)取(qu)樣深度和試(shi)驗(yan)所得干密度的(de)關(guan)系，圖中(zhong)UWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線上，(系鉆孔期間(jian)的(de)初見水(shui)(shui)位(wei)線，下(xia)同)，DWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線下(xia)。圖3給(gei)出了水(shui)(shui)位(wei)線上下(xia)的(de)飽和度分布圖。由于磷(lin)石膏中(zhong)的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同溫度和烘(hong)烤(kao)時間(jian)對測定(ding)結(jie)果有一(yi)定(ding)影響，不能照搬現行的(de)土(tu)工試(shi)驗(yan)規范，本文磷(lin)石膏的(de)含水(shui)(shui)率(lv)測定(ding)方法為55℃溫度下(xia)烘(hong)培(pei)24h。

圖(tu)2沉積(ji)磷石膏干(gan)密度與埋深的關系

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

由圖3，水位線上(shang)的磷(lin)石膏(gao)飽(bao)(bao)和度(du)平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)為50.4%，處于(yu)非飽(bao)(bao)和狀(zhuang)態，水位線以(yi)下(xia)(xia)的磷(lin)石膏(gao)飽(bao)(bao)和度(du)平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)為85.0%，基本(ben)處于(yu)飽(bao)(bao)和狀(zhuang)態，由于(yu)水位下(xia)(xia)降后磷(lin)石膏(gao)來不及排水固結，故(gu)而水位線上(shang)局部試樣的飽(bao)(bao)和度(du)較高。

由圖2，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以上的(de)(de)干(gan)密度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以下的(de)(de)干(gan)密度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石(shi)膏與一般的(de)(de)尾(wei)礦有所(suo)不同，磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)干(gan)密度(du)并不隨埋深的(de)(de)增(zeng)大而明顯增(zeng)大，但水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以下的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏干(gan)密度(du)從(cong)統(tong)計意義上來看仍大于(yu)水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以上的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏干(gan)密度(du)，這主要是由于(yu)水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)隨庫水(shui)位(wei)的(de)(de)變化反(fan)復(fu)升降而使(shi)得磷(lin)(lin)石(shi)膏排(pai)水(shui)固結所(suo)致。

室內擊(ji)實(shi)得到(dao)的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)最大干密(mi)(mi)度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從圖2可(ke)以看出，自然沉積的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)最大干密(mi)(mi)度可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如下：與(yu)經典的(de)土骨架不(bu)可(ke)壓縮的(de)理論不(bu)同，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)本身(shen)可(ke)壓縮，同時由于(yu)顆(ke)粒(li)結構(gou)不(bu)穩定，擊(ji)實(shi)試驗過程中(zhong)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)結構(gou)被(bei)破壞(huai)，受夯擊(ji)處下陷(xian)，四(si)周鼓(gu)起，出現了類似于(yu)橡皮土的(de)現象。而(er)在(zai)現場(chang)條件下，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)骨架被(bei)破壞(huai)后(hou)，會(hui)導致顆(ke)粒(li)中(zhong)的(de)結合(he)水(shui)滲出至(zhi)孔隙(xi)內，變成孔隙(xi)水(shui)，排水(shui)固結后(hou)會(hui)使得磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)孔隙(xi)比減小(xiao)，干密(mi)(mi)度增(zeng)大。

圖4給出了相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位于(yu)2級子(zi)壩河床部位)以及(ji)相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位于(yu)4級子(zi)壩河床部位)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為1.37g/cm3。可見(jian)，即(ji)使(shi)從統計意義上來(lai)看，磷石膏的干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)也并未隨后續磷石膏的堆積而有(you)較為明顯(xian)的增(zeng)大。

(2)級配分布(bu)

顆粒分(fen)析試(shi)驗采用密度計(ji)法，制備懸液(ye)時不(bu)(bu)煮沸，不(bu)(bu)加六偏磷酸鈉。圖5給出(chu)了試(shi)驗得到(dao)的(de)(de)級配包線、平均粒徑d50、不(bu)(bu)均勻(yun)系數(1u和(he)曲率系數Cc的(de)(de)分(fen)布(bu)圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏的(de)粒徑主要分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于(yu)粉土，但可(ke)能由于(yu)礦石來源或(huo)生產工藝(yi)有所(suo)不同(tong)，局部屬于(yu)粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分(fen)布范圍比Blight和(he)張超等的(de)試(shi)驗結果要寬一些。

圖(tu)4子壩(ba)加(jia)高后沉積磷石膏的干(gan)密度變(bian)化

圖5沉積磷(lin)石膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)(shi)水平向還是(shi)(shi)垂直向，磷(lin)石(shi)膏與金(jin)屬礦山尾(wei)(wei)(wei)礦的(de)(de)“前粗后細，上粗下(xia)細”的(de)(de)自(zi)然(ran)分級現象不(bu)(bu)同，也即粗顆(ke)粒(li)并不(bu)(bu)是(shi)(shi)沿埋(mai)深逐(zhu)步減小或(huo)距(ju)離放(fang)漿口(kou)越遠顆(ke)粒(li)越細，其(qi)原因(yin)如(ru)(ru)下(xia)：①磷(lin)石(shi)膏顆(ke)粒(li)粒(li)徑(jing)組(zu)成(cheng)較為集中、均勻(yun)，主要以粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較差；②相比較金(jin)屬尾(wei)(wei)(wei)礦，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)比重較小，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)比重一般(ban)為2.3～2.4，遠小于金(jin)屬尾(wei)(wei)(wei)礦的(de)(de)比重，例如(ru)(ru)鐵尾(wei)(wei)(wei)礦的(de)(de)比重可達2.9；③放(fang)漿口(kou)隨子(zi)壩高度不(bu)(bu)斷增加而不(bu)(bu)斷變(bian)動并向庫(ku)尾(wei)(wei)(wei)延(yan)伸，造成(cheng)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)粒(li)徑(jing)變(bian)化不(bu)(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不(bu)均(jun)勻系(xi)數Cu范圍值1.61～21.5，平均(jun)值為4.18，曲率(lv)系(xi)數(1c范圍值0.28～9.78，平均(jun)值為1.21，在統(tong)計的(de)100多個試樣中，屬于級配不(bu)良土(tu)的(de)占93%。這種級配特性(xing)決定了磷石膏具有較(jiao)高的(de)壓縮性(xing)、滲透破壞型式表現為流土(tu)破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要因(yin)素是(shi)粒徑大小(xiao)、級(ji)配和孔(kong)隙比(bi)，因(yin)而磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉(fen)土較(jiao)為(wei)接近。由(you)于(yu)孔(kong)隙比(bi)e減(jian)小(xiao)，使(shi)得過水通(tong)道面積減(jian)小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將(jiang)減(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對砂土，一般認為(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了(le)二(er)者間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線(xian)，由(you)于(yu)沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化(hua)較(jiao)大，使(shi)得沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化(hua)范圍較(jiao)大(平均值(zhi)為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二(er)者問(wen)的(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲透系(xi)數與(yu)孔隙比的關系(xi)

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

圖7給(gei)出了水(shui)平(ping)與(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)比值的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)。沉(chen)(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)kh一(yi)般大(da)于垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約為2.86，這一(yi)點與(yu)成層分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)金屬尾礦規律一(yi)致(zhi)。造成沉(chen)(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)大(da)于垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)原因是由(you)于磷(lin)石(shi)膏具有明顯的(de)(de)(de)(de)晶體結構，電鏡(jing)掃描顯示(shi)多為菱形和(he)棱柱狀形式(見圖8)，在沉(chen)(chen)積(ji)過程中，由(you)于扁平(ping)狀磷(lin)石(shi)膏顆粒(li)多呈水(shui)平(ping)排列，使得水(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透(tou)水(shui)性大(da)于垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透(tou)水(shui)性，從(cong)而使磷(lin)石(shi)膏呈現明顯的(de)(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根(gen)據中國有(you)色金(jin)屬工業昆(kun)明勘(kan)察(cha)設(she)計研究院在楊家箐磷石膏(gao)(gao)堆積壩(ba)開展的(de)現(xian)場滲透試(shi)(shi)驗，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為1.9。但張(zhang)超等的(de)室(shi)內試(shi)(shi)驗顯示(shi)，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為0.46，也(ye)即垂直向滲透系(xi)數大(da)于水(shui)平(ping)向滲透系(xi)數，與本文和現(xian)場試(shi)(shi)驗結果恰恰相反。從磷石膏(gao)(gao)的(de)微觀結構來看(kan)，本文試(shi)(shi)驗結果更為合理。

圖7沉(chen)積磷石膏(gao)干(gan)密(mi)度與水平和垂直滲透系數比(bi)值的關系

(2)滲透(tou)變形

圖(tu)9為(wei)(wei)(wei)磷(lin)石膏(gao)干密(mi)度為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度J與流(liu)速(su)V的(de)(de)關系曲線(xian)，試(shi)驗在(zai)(zai)水(shui)平(ping)管涌儀中采(cai)用(yong)(yong)水(shui)平(ping)方向的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)流(liu)形式進行(xing)。試(shi)驗得到的(de)(de)臨界坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般來說，對(dui)(dui)1，2級工程，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)安(an)全系數取(qu)為(wei)(wei)(wei)2.5，則(ze)(ze)允(yun)許(xu)出逸坡(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下(xia)工程，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)安(an)全系數取(qu)2.0，則(ze)(ze)允(yun)許(xu)出逸坡(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)比降(jiang)與粉土一(yi)(yi)粉砂(sha)大致相同。但上述滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)變形試(shi)驗是采(cai)用(yong)(yong)自來水(shui)進行(xing)的(de)(de)，自來水(shui)對(dui)(dui)磷(lin)石膏(gao)具有一(yi)(yi)定的(de)(de)溶蝕作用(yong)(yong)，而實際上磷(lin)石膏(gao)中殘余磷(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)(yi)般小于3(稱之為(wei)(wei)(wei)酸性水(shui))，在(zai)(zai)酸性水(shui)作用(yong)(yong)下(xia)，磷(lin)石膏(gao)不會發(fa)生破(po)壞，上述試(shi)驗結果是偏于保守(shou)的(de)(de)，但對(dui)(dui)非酸性水(shui)條件(例如特大暴雨(yu))下(xia)的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)穩定判(pan)斷有一(yi)(yi)定的(de)(de)借鑒意義(yi)。

圖(tu)9水力(li)梯度J-流速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗

試驗在5Bar的壓力板(ban)儀中進行，環刀尺寸(cun)6.18cm。干(gan)密(mi)度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范(fan)圍0～500kPa。表(biao)l列(lie)出了(le)含水(shui)率(lv)特征值，試驗曲線見圖10所(suo)示。

試驗(yan)結果(guo)表明：①干密度(du)(du)對進氣值沒有明顯(xian)的(de)(de)影(ying)響，不同干密度(du)(du)的(de)(de)試樣的(de)(de)進氣值大(da)致在10kPa左右；②土樣殘余含水率(lv)(lv)隨(sui)干密度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)加而減少，殘余含水率(lv)(lv)約為飽(bao)和含水率(lv)(lv)的(de)(de)10%。上述特性與(yu)粉(fen)土一粉(fen)砂基本一致。

2.3靜(jing)力(li)力(li)學特性(xing)

(1)三軸CU試驗

由(you)于(yu)沉(chen)積磷石膏的(de)(de)密(mi)度(du)變化(hua)較大，而進(jin)行三軸試(shi)驗(yan)需要若干(gan)(gan)原狀樣，為(wei)使試(shi)驗(yan)結果具有較好的(de)(de)一致(zhi)性(xing)(xing)，有針對(dui)性(xing)(xing)的(de)(de)選擇平均干(gan)(gan)密(mi)度(du)分(fen)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)(gan)試(shi)樣，進(jin)行了5組三軸CU試(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)干(gan)(gan)密(mi)度(du)為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)(de)三軸CU試(shi)驗(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷石膏的應力應變(bian)關系(xi)曲線在(zai)低圍壓(ya)下(xia)表現(xian)(xian)(xian)為軟(ruan)化型，在(zai)高圍壓(ya)下(xia)表現(xian)(xian)(xian)為硬化型，與(yu)一(yi)(yi)般(ban)土類(lei)相似。但與(yu)一(yi)(yi)般(ban)粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂不(bu)同的是，即使在(zai)較為疏松的狀態下(xia)，磷石膏仍(reng)表現(xian)(xian)(xian)了較為強烈的剪脹，隨(sui)密(mi)實度(du)增大(da)，剪脹作用愈發明顯。

表2給出(chu)了(le)(le)不同干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)下(xia)的(de)內(nei)摩擦(ca)角，圖12給出(chu)了(le)(le)內(nei)摩擦(ca)角與干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)關系曲線。隨干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)大(da)，內(nei)摩擦(ca)角也(ye)隨之增(zeng)大(da)，且可(ke)采用冪函數較(jiao)(jiao)(jiao)好地擬合。磷石膏的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)加為1.58g/cm3，增(zeng)加了(le)(le)32%，總應力摩擦(ca)角由(you)34.1°增(zeng)加為37.3°(根據(ju)擬合曲線求(qiu)得(de))，增(zeng)幅(fu)為9.4%，有效(xiao)應力摩擦(ca)角由(you)37.6°增(zeng)加為38.8°，增(zeng)幅(fu)為3.2%，由(you)于(yu)隨圍壓的(de)增(zeng)大(da)，孔(kong)壓也(ye)明(ming)顯增(zeng)大(da)，故(gu)有效(xiao)摩擦(ca)角增(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)之總應力摩擦(ca)角要小。另(ling)外較(jiao)(jiao)(jiao)之于(yu)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)幅(fu)，摩擦(ca)角的(de)增(zeng)幅(fu)并(bing)不顯著，表明(ming)即使較(jiao)(jiao)(jiao)為疏(shu)松的(de)磷石膏仍具有較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)強(qiang)度(du)(du)指標，這(zhe)也(ye)表明(ming)磷石膏堆積壩(ba)的(de)穩定性較(jiao)(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試(shi)驗

磷石(shi)膏的(de)蠕(ru)變變形試驗在側限壓縮儀中進行，試驗狀態(tai)相當于K0固(gu)結。試樣直徑61.8mm，高度(du)20mm，試樣干密度(du)為1.30g/cm3，對試樣飽和后(hou)分別(bie)開展了上(shang)覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試驗，

試驗從2012年8月27日(ri)開始，試驗己進行了1年多，試驗結果(guo)見圖13所示。

從圖(tu)13中可以看(kan)出：上覆(fu)荷載越大(da)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)也(ye)越大(da)，荷載施加(jia)1年后，磷(lin)石(shi)(shi)膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)仍非(fei)常(chang)顯著，尚(shang)未達到穩定狀態，這也(ye)是磷(lin)石(shi)(shi)膏堆積壩(ba)后期變(bian)形(xing)較大(da)的原因，原型觀測(ce)資料表(biao)(biao)明(ming)，在5級子(zi)壩(ba)河(he)床部(bu)位(wei)的表(biao)(biao)面沉降量已(yi)經達到3.1m，且尚(shang)未完全穩定。

按時間(jian)對(dui)數(shu)(shu)法，可(ke)求得(de)各級(ji)荷(he)載下的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量如(ru)表(biao)3所示。試(shi)驗結(jie)果(guo)表(biao)明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷(he)載作用下，在(zai)(zai)試(shi)驗時間(jian)范圍(wei)內蠕(ru)變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由(you)于(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)尚(shang)未完(wan)成(cheng)，實際(ji)的(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)應(ying)更大。對(dui)土(tu)體(ti)(ti)而(er)言(yan)，發(fa)生(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)(de)原(yuan)因是由(you)于(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)完(wan)成(cheng)之后(hou)(hou)，土(tu)體(ti)(ti)中(zhong)仍有微小(xiao)的(de)(de)超(chao)靜孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流動，一(yi)般來講(jiang)土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)遠小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石(shi)膏(gao)而(er)言(yan)，其(qi)滲透(tou)系數(shu)(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji)，遠大于(yu)黏性土(tu)，但其(qi)卻發(fa)生(sheng)了(le)極(ji)為顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)磷石(shi)膏(gao)晶(jing)體(ti)(ti)結(jie)構發(fa)生(sheng)了(le)壓縮、破壞(huai)(huai)，接(jie)觸點(dian)晶(jing)格(ge)發(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞(huai)(huai)后(hou)(hou)晶(jing)格(ge)之間(jian)的(de)(de)重新排列(lie)、調整到最(zui)后(hou)(hou)趨于(yu)相對(dui)靜止需(xu)要相當(dang)長的(de)(de)時間(jian)才能完(wan)成(cheng)。

2.4動(dong)力(li)力(li)學特性

試(shi)驗設備采用英國GDS公司進口(kou)的電機控制動三軸試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模(mo)量(liang)和阻尼比

同樣由于(yu)自然(ran)沉(chen)積的磷石膏密度變(bian)化較(jiao)大，為此根據物理(li)性(xing)質試(shi)驗結果，選擇兩種平均干(gan)密度1.34g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模量G、阻尼比與剪(jian)應(ying)變幅值γd的關系式如下：

式中k1為(wei)參數，表示(shi)動(dong)剪(jian)切模(mo)(mo)量的衰減或阻尼(ni)比的增長速(su)率；λmax為(wei)最(zui)大阻尼(ni)比；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動(dong)剪(jian)切模(mo)(mo)量和歸一(yi)化的動(dong)剪(jian)應變(bian)，表示(shi)為(wei)

式中k2,n為參數；σm為球應力；Pa為標(biao)準(zhun)大氣(qi)壓；vd為動泊(bo)松比；εa為歸一化(hua)的動應變，表達為

圖(tu)(tu)14給出(chu)了(le)(le)動(dong)剪切模量(liang)、阻尼比與(yu)歸一(yi)化(hua)動(dong)應變的關系曲(qu)線(xian)，另外(wai)圖(tu)(tu)中還給出(chu)了(le)(le)式(1)的擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給出(chu)的砂樣的上下邊界線(xian)，圖(tu)(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)(tu)(tu)中可以(yi)看(kan)出：①式(1)可較(jiao)好地(di)描述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)應(ying)力-動(dong)應(ying)變試(shi)驗(yan)曲線(xian)(xian)，表(biao)(biao)明(ming)(ming)采用(yong)等價黏彈(dan)性模型(xing)進行循環荷(he)載作用(yong)下的(de)(de)(de)(de)分析是可行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)(tu)14(a)中干密度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)位(wei)于(yu)(yu)(yu)干密度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)上方(fang)，圖(tu)(tu)(tu)14(b)中則位(wei)于(yu)(yu)(yu)下方(fang)，表(biao)(biao)明(ming)(ming)密度越(yue)大，動(dong)彈(dan)模越(yue)大、阻尼(ni)比越(yue)小；③圖(tu)(tu)(tu)14(a)中，兩種干密度的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)基本位(wei)于(yu)(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)(de)邊界(jie)線(xian)(xian)上方(fang)，而圖(tu)(tu)(tu)14(b)中則基本處于(yu)(yu)(yu)邊界(jie)線(xian)(xian)中間，表(biao)(biao)明(ming)(ming)相(xiang)比較(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)動(dong)彈(dan)模較(jiao)大，會(hui)導(dao)致磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)應(ying)較(jiao)大，但由于(yu)(yu)(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)大，這樣(yang)又會(hui)削弱壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)應(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影響下，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)應(ying)將(jiang)不會(hui)過于(yu)(yu)(yu)強烈，這對磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定性是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度(du)

選擇(ze)兩種平均干(gan)密度為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，破壞(huai)標準為總應變達到10%。

圖15給出了動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與破壞(huai)振(zhen)次Nf的(de)關(guan)系曲線圖，其中σ0為(wei)振(zhen)前試樣45°面(mian)上的(de)有(you)效法向(xiang)應力(li)(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)(jie)比(bi)(bi)。從試驗(yan)結(jie)(jie)果可以看出，沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)動(dong)強度(du)與其它土體相似，表現為(wei)圍壓(ya)和固結(jie)(jie)應力(li)(li)比(bi)(bi)與動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)(bi)呈負相關(guan)關(guan)系。

為判別沉積磷石膏的抗液(ye)化(hua)能力(li)，假定抗震設計(ji)烈度(du)(du)為8度(du)(du)，即等(deng)效振次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

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

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求得(de)動(dong)剪應力(li)比與圍壓(ya)和固結(jie)應力(li)比的關系(xi)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(ni)合關(guan)系式可(ke)見，密實度提高(gao)(gao)后(hou)，動(dong)(dong)剪應力(li)(li)比提高(gao)(gao)，表明(ming)抗液化能力(li)(li)也提高(gao)(gao)。但即使是在(zai)低密度下(xia)，其動(dong)(dong)剪應力(li)(li)比較之同類的粉(fen)土或粉(fen)砂也大(da)出許多，表明(ming)磷石膏具有較高(gao)(gao)的抗液化能力(li)(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩，在(zai)鉆(zhan)探取樣工作(zuo)的基(ji)礎上(shang)，首先開展了(le)物理性質試驗，然后開展了(le)靜(jing)動力力學特性試驗。通過上(shang)述(shu)試驗研(yan)究(jiu)，得出如下結論：

(1)沉積磷石(shi)膏總體上屬(shu)(shu)于級配(pei)不(bu)良的粉土，局部屬(shu)(shu)于粉砂(sha)(sha)一中砂(sha)(sha)，無自然分級現(xian)象(xiang)。其干密(mi)度和粒徑變(bian)化隨埋深或距放漿口(kou)距離的變(bian)化不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏水(shui)平方(fang)向的(de)滲(shen)透系數(shu)大于垂直方(fang)向的(de)滲(shen)透系數(shu)，呈現(xian)明顯的(de)各(ge)向異性。

(3)與土體(ti)顆粒不(bu)可壓縮不(bu)同，磷(lin)石膏的晶(jing)體(ti)結構會發生壓縮破壞，具有較大的壓縮性，其(qi)次固(gu)結變形量遠大于主固(gu)結變形量。

(4)沉積磷石(shi)膏的靜動強度較之同等密(mi)實(shi)度下的粉土、粉砂要高(gao)。