沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：磷(lin)石(shi)膏(gao)是(shi)磷(lin)酸(suan)生產過(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)副產品，目(mu)前的(de)(de)(de)(de)綜合利用率尚不足(zu)40%，大(da)部分需要(yao)堆(dui)存存放。受地形限制和(he)經濟效益考慮，中國(guo)主要(yao)為濕法堆(dui)存的(de)(de)(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩，針對沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)首先(xian)開(kai)展(zhan)了(le)密度、含(han)水率、滲透(tou)、土水特(te)征和(he)顆分等物理(li)性質(zhi)試(shi)驗(yan)，然后(hou)開(kai)展(zhan)了(le)三軸cu、蠕(ru)變及(ji)動(dong)三軸等力學特(te)性試(shi)驗(yan)。試(shi)驗(yan)結果表(biao)明(ming)：①沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干密度與埋(mai)深沒(mei)有(you)(you)相(xiang)關關系；②沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)不具有(you)(you)自然分級(ji)現(xian)象(xiang)，但具有(you)(you)明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)各向(xiang)異性；③沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有(you)(you)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)摩擦角和(he)抗液化能力，但其(qi)蠕(ru)變變形較(jiao)大(da)、滲透(tou)比降(jiang)較(jiao)小。上(shang)述工作為分析(xi)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩的(de)(de)(de)(de)壩體穩定性提供了(le)基礎，對現(xian)行(xing)(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫的(de)(de)(de)(de)運行(xing)(xing)管理(li)以及(ji)新建工程(cheng)的(de)(de)(de)(de)設計具有(you)(you)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)石膏(gao)是(shi)濕(shi)法磷(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)過程中(zhong)的(de)(de)(de)副(fu)產(chan)品，2018年，全(quan)國磷(lin)(lin)石膏(gao)產(chan)生量(liang)為7800萬噸，且呈(cheng)逐年增長(chang)的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)主(zhu)要成分(fen)(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一定量(liang)的(de)(de)(de)氟化(hua)(hua)物和(he)其它放射性(xing)(xing)物質(zhi)，在(zai)(zai)中(zhong)國通常按(an)Ⅱ類一般工(gong)業(ye)固體廢物處理，鑒于(yu)(yu)無害化(hua)(hua)處理成本(ben)較高，目前(qian)綜合(he)利用(yong)率尚(shang)不足40%，故大部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)石膏(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)場(chang)(chang)地(di)(di)(di)的(de)(de)(de)不同，可分(fen)(fen)為平地(di)(di)(di)型(xing)(xing)、傍(bang)山型(xing)(xing)、山谷(gu)型(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)，在(zai)(zai)中(zhong)國基本(ben)上是(shi)山谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)。相(xiang)(xiang)比較干(gan)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明顯，因而如地(di)(di)(di)質(zhi)條件為非(fei)碳酸(suan)鹽(yan)巖地(di)(di)(di)區，一般均(jun)采用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國磷(lin)(lin)肥(fei)工(gong)業(ye)的(de)(de)(de)快速發(fa)展，本(ben)世(shi)紀初中(zhong)國相(xiang)(xiang)繼建(jian)設了幾座(zuo)濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)，例如云天化(hua)(hua)國際化(hua)(hua)工(gong)三(san)環分(fen)(fen)公司的(de)(de)(de)柳(liu)樹箐磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba)和(he)富(fu)瑞分(fen)(fen)公司的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設計壩(ba)高均(jun)超過100m、處于(yu)(yu)8度(du)地(di)(di)(di)震區，其安全(quan)性(xing)(xing)備受關注。

據(ju)統計，110多(duo)年(1901年一2013年)來(lai)，全世界有118座尾礦壩(ba)曾發生過破壞或潰壩(ba)事(shi)故(gu)，原因主要有地(di)震、洪水漫頂、滲透(tou)破壞和基礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事(shi)后會造成巨大的生態災難和人員傷亡，近幾十年來(lai)，

國內外對金(jin)屬(shu)尾(wei)礦的(de)(de)沉(chen)積規律(lv)、物(wu)理力(li)學(xue)(xue)特性(xing)及其穩定性(xing)開(kai)展了大量(liang)的(de)(de)研究(jiu)，但對于與(yu)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦庫相近的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫，一般僅限于在(zai)可研階段(duan)采用人工制備樣進行(xing)(xing)物(wu)理力(li)學(xue)(xue)性(xing)質試驗，并據此進行(xing)(xing)穩定性(xing)分析，尚未有人針對己運(yun)行(xing)(xing)若(ruo)干年的(de)(de)大型濕法堆存磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩開(kai)展過(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)沉(chen)積規律(lv)及其物(wu)理力(li)學(xue)(xue)特性(xing)的(de)(de)專項研究(jiu)。

本文依(yi)托柳樹箐磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)(ji)壩，首先進行(xing)了(le)鉆探取樣，采用(yong)原(yuan)狀樣開展了(le)密度、含水率、滲透、土水特(te)(te)(te)征(zheng)和(he)(he)顆分等物理性(xing)質試(shi)驗(yan)，在此(ci)基(ji)礎上有(you)針對性(xing)的(de)(de)選(xuan)擇(ze)原(yuan)狀樣開展了(le)三(san)軸CU、蠕變及動(dong)(dong)三(san)軸等力學特(te)(te)(te)性(xing)試(shi)驗(yan)。通(tong)過(guo)上述試(shi)驗(yan)研(yan)究，總結了(le)磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)沉積(ji)(ji)規律、滲透特(te)(te)(te)性(xing)、滲透破壞特(te)(te)(te)性(xing)以及靜動(dong)(dong)力特(te)(te)(te)性(xing)，上述研(yan)究工作(zuo)對研(yan)究和(he)(he)評估磷石(shi)(shi)膏庫堆(dui)積(ji)(ji)壩的(de)(de)穩定(ding)性(xing)提供了(le)基(ji)礎數據，對現行(xing)磷石(shi)(shi)膏庫的(de)(de)運行(xing)管理以及新(xin)建工程(cheng)的(de)(de)設計具有(you)重要的(de)(de)借鑒意(yi)義。

一(yi)、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積(ji)壩堆(dui)存設計方案

由初期壩(ba)和(he)堆積壩(ba)組成，設計總(zong)壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采(cai)用土料填筑。上(shang)游坡面、壩底和下游壩腳設置堆石排水體，三者相連通(tong)構成整個堆積(ji)壩的主要排滲(shen)系(xi)統。

(2)堆積壩及其輔助排滲(shen)措(cuo)施

采用上游(you)式筑壩(ba)法，共(gong)20級子(zi)壩(ba)，頂寬(kuan)6～9m，高(gao)度5m，堆積(ji)高(gao)度約100m。采用排滲(shen)管網作為輔助排滲(shen)方案，目前(qian)己(ji)在5級、9級子(zi)壩(ba)和(he)13級子(zi)壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范圍(wei)內設置了井(jing)字形排滲(shen)管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)平面(mian)位置見圖l。2008年(nian)6月，堆(dui)(dui)積至5級(ji)子(zi)壩時(shi)，布(bu)設了(le)9個取樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K1～K9，取原狀樣(yang)76件；2013年(nian)5月，堆(dui)(dui)積至13級(ji)子(zi)壩時(shi)，又布(bu)設了(le)11個取樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K10～K20，取原狀樣(yang)112件，為(wei)(wei)比較(jiao)子(zi)壩加高和磷石膏(gao)堆(dui)(dui)積過程中磷石膏(gao)物理力學性質的變化，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附(fu)近各(ge)布(bu)設了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號分別為(wei)(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏(gao)(gao)尾(wei)礦庫2005年開工建設，2006年1月投入運行，截至2013年5月己(ji)堆(dui)(dui)至13級子(zi)壩(ba)，尚有7級子(zi)壩(ba)即堆(dui)(dui)存(cun)至設計高程。鑒(jian)于磷石膏(gao)(gao)庫地(di)(di)(di)形、地(di)(di)(di)質(zhi)條件較好，具(ju)備擴容改造的條件，以(yi)提高堆(dui)(dui)存(cun)庫容，減少堆(dui)(dui)存(cun)占地(di)(di)(di)，節約土地(di)(di)(di)資源。

本文主要(yao)對沉(chen)積磷石膏的(de)物(wu)理(li)力(li)學(xue)特性進行了全面總結，限于篇幅，有關(guan)現狀(zhuang)磷石膏庫(ku)堆積壩的(de)安全性評價及其加高可行性的(de)研究將另文發表。

二、沉積磷石膏的物理力學(xue)特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)(tu)2給出了14個鉆孔的取樣深度(du)(du)和試驗所得(de)干密(mi)度(du)(du)的關(guan)系，圖(tu)(tu)中(zhong)UWL表示水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)上，(系鉆孔期間(jian)的初(chu)見水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)，下(xia)(xia)(xia)同(tong))，DWL表示水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)下(xia)(xia)(xia)。圖(tu)(tu)3給出了水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)上下(xia)(xia)(xia)的飽和度(du)(du)分布圖(tu)(tu)。由于磷石膏中(zhong)的主(zhu)要成分為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫度(du)(du)和烘烤時(shi)間(jian)對測定(ding)結果有(you)一定(ding)影(ying)響，不(bu)能(neng)照(zhao)搬現行的土工試驗規范，本文磷石膏的含(han)水(shui)(shui)率測定(ding)方(fang)法為(wei)55℃溫度(du)(du)下(xia)(xia)(xia)烘培(pei)24h。

圖(tu)2沉積磷石(shi)膏(gao)干(gan)密度與埋深(shen)的關系

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

由(you)圖3，水位線(xian)上(shang)的(de)磷石膏(gao)(gao)(gao)飽和度平均值為50.4%，處于(yu)非(fei)飽和狀態(tai)，水位線(xian)以(yi)下的(de)磷石膏(gao)(gao)(gao)飽和度平均值為85.0%，基(ji)本處于(yu)飽和狀態(tai)，由(you)于(yu)水位下降后磷石膏(gao)(gao)(gao)來(lai)不及排(pai)水固(gu)結，故而水位線(xian)上(shang)局部試樣(yang)的(de)飽和度較高。

由圖2，水位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)(jun)值為1.30g/cm3；水位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以下的(de)(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏與(yu)一般的(de)(de)(de)(de)(de)尾礦(kuang)有所不同，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)并不隨埋深(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)增大而明顯增大，但水位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以下的(de)(de)(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏干密(mi)度(du)從(cong)統(tong)計意(yi)義(yi)上(shang)來看仍大于(yu)水位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏干密(mi)度(du)，這(zhe)主要是由于(yu)水位(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)隨庫水位(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)變化反復升(sheng)降而使得磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏排水固結(jie)所致。

室(shi)內擊(ji)實得到(dao)的磷(lin)石膏(gao)最大干(gan)密度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可以看出(chu)，自然沉積的磷(lin)石膏(gao)最大干(gan)密度(du)可達到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的土骨架(jia)(jia)不可壓縮的理論不同，石膏(gao)本(ben)身(shen)可壓縮，同時(shi)由于(yu)顆粒結(jie)構不穩(wen)定，擊(ji)實試(shi)驗過程中磷(lin)石膏(gao)結(jie)構被破壞，受夯擊(ji)處下(xia)陷(xian)，四周鼓起，出(chu)現(xian)了類似于(yu)橡皮土的現(xian)象。而在(zai)現(xian)場條(tiao)件下(xia)，石膏(gao)骨架(jia)(jia)被破壞后，會(hui)導致顆粒中的結(jie)合水(shui)滲(shen)出(chu)至孔隙(xi)內，變(bian)成(cheng)孔隙(xi)水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)后會(hui)使得磷(lin)石膏(gao)的孔隙(xi)比減小，干(gan)密度(du)增大。

圖4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位于2級子壩河床部位)以及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位于4級子壩河床部位)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使從統(tong)計(ji)意(yi)義(yi)上來看，磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)也并未隨后續磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)堆積而(er)有較為(wei)明顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗采用密(mi)度計法，制備(bei)懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏(pian)磷(lin)酸鈉。圖5給出(chu)了試驗得到的(de)級配(pei)包(bao)線、平均(jun)粒徑d50、不(bu)均(jun)勻系數(1u和(he)曲率系數Cc的(de)分布(bu)圖。

從(cong)圖(tu)5(a)可見，磷石膏的(de)粒徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上(shang)屬(shu)于(yu)粉土，但可能由于(yu)礦石來源或生產工藝有所不同，局部屬(shu)于(yu)粉砂～中砂。粒徑分布范圍(wei)比Blight和張超(chao)等的(de)試驗結(jie)果要(yao)寬一些。

圖(tu)4子壩(ba)加高后沉積(ji)磷石膏的干密(mi)度變化

圖5沉積磷石膏的平(ping)均(jun)粒徑(jing)和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論是水平向還是垂直向，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏與金屬(shu)礦(kuang)(kuang)山(shan)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗后細，上粗下細”的(de)自然分級現象(xiang)不(bu)(bu)同，也即粗顆(ke)粒(li)并(bing)(bing)不(bu)(bu)是沿埋(mai)深逐步(bu)減小(xiao)或距離放(fang)漿(jiang)口越(yue)遠顆(ke)粒(li)越(yue)細，其原(yuan)因如(ru)下：①磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏顆(ke)粒(li)粒(li)徑(jing)組(zu)成(cheng)較為集(ji)中、均(jun)勻，主(zhu)要以(yi)粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級配較差；②相比(bi)(bi)(bi)較金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)比(bi)(bi)(bi)重較小(xiao)，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)比(bi)(bi)(bi)重一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于(yu)金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)(bi)重，例(li)如(ru)鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)(bi)重可達2.9；③放(fang)漿(jiang)口隨子壩高度不(bu)(bu)斷(duan)增加(jia)而不(bu)(bu)斷(duan)變(bian)動并(bing)(bing)向庫(ku)尾(wei)(wei)延伸，造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)粒(li)徑(jing)變(bian)化不(bu)(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不(bu)均(jun)勻系(xi)(xi)數Cu范(fan)(fan)圍值1.61～21.5，平均(jun)值為(wei)4.18，曲率(lv)系(xi)(xi)數(1c范(fan)(fan)圍值0.28～9.78，平均(jun)值為(wei)1.21，在統(tong)計的(de)100多個試樣中，屬于級配不(bu)良土的(de)占93%。這種(zhong)級配特性決定了(le)磷石膏具有(you)較高的(de)壓縮性、滲透破(po)(po)壞型式表現(xian)為(wei)流土破(po)(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影(ying)響滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)主要因素是粒(li)徑大(da)小(xiao)、級(ji)配和孔隙比，因而磷石(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)(jiao)為接近(jin)。由于孔隙比e減小(xiao)，使得(de)(de)過水通道面積減小(xiao)，滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正相關關系(xi)。對(dui)砂土，一般認為滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線(xian)(xian)性關系(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給出了二者(zhe)間(jian)的(de)關系(xi)曲線(xian)(xian)，由于沉積磷石(shi)膏的(de)不均勻系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)變化(hua)較(jiao)(jiao)大(da)，使得(de)(de)沉積磷石(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)變化(hua)范圍較(jiao)(jiao)大(da)(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)(shu)量級(ji))，二者(zhe)問(wen)的(de)線(xian)(xian)性關系(xi)較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲透系(xi)數與(yu)孔隙(xi)比的(de)關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)平(ping)與垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲(shen)透系(xi)數(shu)比(bi)值的(de)(de)分(fen)布。沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)(de)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透系(xi)數(shu)kh一(yi)般大(da)于垂(chui)直向(xiang)(xiang)的(de)(de)滲(shen)透系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約為2.86，這一(yi)點與成(cheng)層分(fen)布的(de)(de)金屬尾礦規律一(yi)致。造成(cheng)沉(chen)積磷石膏(gao)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透系(xi)數(shu)大(da)于垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲(shen)透系(xi)數(shu)的(de)(de)原因是由于磷石膏(gao)具有明顯的(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多為菱形和棱柱狀(zhuang)形式(shi)(見(jian)圖8)，在沉(chen)積過(guo)程(cheng)中(zhong)，由于扁平(ping)狀(zhuang)磷石膏(gao)顆粒多呈(cheng)水(shui)平(ping)排列(lie)，使得(de)水(shui)平(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透水(shui)性大(da)于垂(chui)直方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透水(shui)性，從而使磷石膏(gao)呈(cheng)現明顯的(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另根據中國(guo)有色金屬工業昆明(ming)勘(kan)察設計研(yan)究院(yuan)在楊(yang)家(jia)箐磷石膏(gao)堆積壩(ba)開展的(de)現(xian)場滲透試(shi)(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)平均值約(yue)為1.9。但張超等的(de)室內(nei)試(shi)(shi)驗(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)平均值約(yue)為0.46，也即垂直向(xiang)滲透系數(shu)(shu)大于水平向(xiang)滲透系數(shu)(shu)，與本文和現(xian)場試(shi)(shi)驗(yan)結果恰恰相反(fan)。從磷石膏(gao)的(de)微觀(guan)結構來看，本文試(shi)(shi)驗(yan)結果更為合理。

圖7沉(chen)積磷(lin)石膏干密度與水平和垂直(zhi)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)比值(zhi)的(de)關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石(shi)膏(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力梯(ti)度J與流速V的(de)(de)關(guan)系曲線，試(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)平管涌儀中采用(yong)水(shui)(shui)平方(fang)向的(de)(de)滲(shen)流形式進行。試(shi)驗(yan)得到的(de)(de)臨界(jie)坡降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)般來說，對(dui)1，2級工程，滲(shen)透(tou)(tou)安全(quan)系數(shu)取(qu)(qu)為(wei)2.5，則允許(xu)出逸坡降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以(yi)下工程，滲(shen)透(tou)(tou)安全(quan)系數(shu)取(qu)(qu)2.0，則允許(xu)出逸坡降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比(bi)降(jiang)(jiang)與粉土一(yi)(yi)(yi)粉砂大(da)致相同。但上述滲(shen)透(tou)(tou)變(bian)形試(shi)驗(yan)是(shi)采用(yong)自來水(shui)(shui)進行的(de)(de)，自來水(shui)(shui)對(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)溶(rong)蝕作(zuo)(zuo)用(yong)，而實際上磷(lin)石(shi)膏(gao)中殘(can)余(yu)磷(lin)、硫和(he)氟(fu)酸(suan)(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)(yi)(yi)般小于(yu)(yu)3(稱之為(wei)酸(suan)(suan)性水(shui)(shui))，在酸(suan)(suan)性水(shui)(shui)作(zuo)(zuo)用(yong)下，磷(lin)石(shi)膏(gao)不會發生破壞(huai)，上述試(shi)驗(yan)結(jie)果是(shi)偏于(yu)(yu)保守的(de)(de)，但對(dui)非酸(suan)(suan)性水(shui)(shui)條件(jian)(例如特(te)大(da)暴雨)下的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)穩定(ding)判斷有一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯度J-流速v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗(yan)(yan)在5Bar的壓力板儀中進(jin)行，環刀(dao)尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍(wei)0～500kPa。表l列出了含水(shui)率(lv)特征值，試驗(yan)(yan)曲線(xian)見圖10所示。

試驗結果表明：①干(gan)密度對進氣值沒有明顯的影響(xiang)，不同(tong)干(gan)密度的試樣的進氣值大致(zhi)在10kPa左(zuo)右；②土(tu)(tu)樣殘余(yu)含水率(lv)隨干(gan)密度的增加而減少，殘余(yu)含水率(lv)約為飽和含水率(lv)的10%。上述特性(xing)與粉土(tu)(tu)一粉砂基本一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于(yu)沉積(ji)磷石膏的密度變化(hua)較(jiao)大，而進(jin)(jin)行三軸(zhou)試驗(yan)需要若干(gan)原(yuan)狀樣(yang)，為使(shi)試驗(yan)結果具有(you)(you)較(jiao)好的一致性，有(you)(you)針(zhen)對性的選擇平均干(gan)密度分別為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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干(gan)試樣(yang)，進(jin)(jin)行了5組三軸(zhou)CU試驗(yan)。圖11是為干(gan)密度為1.2和1.58g/cm3的三軸(zhou)CU試驗(yan)曲(qu)線(xian)。

從圖(tu)11可以(yi)看出，磷石膏的(de)(de)應力(li)應變關系曲(qu)線在低圍壓下表現(xian)為(wei)軟化型(xing)，在高圍壓下表現(xian)為(wei)硬(ying)化型(xing)，與一般(ban)土(tu)類相似。但與一般(ban)粉土(tu)一粉砂不同的(de)(de)是，即使在較為(wei)疏松(song)的(de)(de)狀態(tai)下，磷石膏仍表現(xian)了較為(wei)強(qiang)烈的(de)(de)剪脹(zhang)，隨(sui)密實度增大，剪脹(zhang)作(zuo)用愈(yu)發明(ming)顯。

表(biao)2給出了不同干(gan)(gan)密(mi)(mi)度下的內(nei)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)，圖12給出了內(nei)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)與(yu)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度的關系曲線(xian)。隨(sui)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度的增(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)也隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)大(da)，且可采(cai)用冪(mi)函(han)數較(jiao)好(hao)地擬合(he)。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應(ying)力(li)(li)(li)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為37.3°(根據(ju)擬合(he)曲線(xian)求得(de))，增(zeng)(zeng)幅(fu)為9.4%，有(you)效(xiao)應(ying)力(li)(li)(li)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為3.2%，由(you)(you)于隨(sui)圍壓(ya)的增(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明顯增(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)效(xiao)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)總應(ying)力(li)(li)(li)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)要(yao)小。另外較(jiao)之(zhi)于干(gan)(gan)密(mi)(mi)度增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦角(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著(zhu)，表(biao)明即使較(jiao)為疏松(song)的磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏仍具有(you)較(jiao)高的強(qiang)度指(zhi)標，這也表(biao)明磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積壩的穩定性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結(jie))變形試驗

磷(lin)石膏的(de)蠕(ru)變變形(xing)試(shi)(shi)驗在側限壓(ya)縮儀中進(jin)行，試(shi)(shi)驗狀態(tai)相當于(yu)K0固結。試(shi)(shi)樣直(zhi)徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣干密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣飽和(he)后分別開展了上覆壓(ya)力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)驗，

試(shi)(shi)驗從(cong)2012年(nian)8月27日(ri)開(kai)始，試(shi)(shi)驗己進行了1年(nian)多(duo)，試(shi)(shi)驗結果見圖13所示。

從圖13中可以看出：上覆荷載(zai)越大(da)(da)，磷石膏(gao)的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也越大(da)(da)，荷載(zai)施加1年后(hou)，磷石膏(gao)的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍非常顯(xian)著，尚未達到穩定狀態，這也是磷石膏(gao)堆積壩后(hou)期(qi)變(bian)(bian)形(xing)較大(da)(da)的原因，原型觀測資料表明(ming)，在5級子(zi)壩河床部(bu)位的表面沉降量已經達到3.1m，且尚未完全穩定。

按時(shi)(shi)間(jian)對(dui)數法(fa)，可求得各級荷載(zai)下的(de)(de)(de)(de)主次固(gu)結(jie)變(bian)(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上覆荷載(zai)作用下，在(zai)(zai)試(shi)驗時(shi)(shi)間(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(次固(gu)結(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當然由于蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成，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)土體而言(yan)(yan)，發(fa)生蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)因是由于土體在(zai)(zai)主固(gu)結(jie)完成之(zhi)(zhi)后(hou)(hou)，土體中(zhong)仍有(you)微小的(de)(de)(de)(de)超靜(jing)孔(kong)隙壓力存在(zai)(zai)，驅使(shi)水在(zai)(zai)顆粒問流動，一般來講(jiang)土體的(de)(de)(de)(de)次固(gu)結(jie)遠(yuan)小于主固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏(gao)而言(yan)(yan)，其(qi)滲透(tou)系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠(yuan)大于黏性土，但其(qi)卻發(fa)生了(le)極為顯著的(de)(de)(de)(de)次固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)于磷石膏(gao)晶(jing)體結(jie)構發(fa)生了(le)壓縮、破壞，接觸點晶(jing)格(ge)發(fa)生歪曲和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后(hou)(hou)晶(jing)格(ge)之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)重新排列(lie)、調整到最后(hou)(hou)趨于相對(dui)靜(jing)止需要(yao)相當長的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)才能(neng)完成。

2.4動力力學特性

試驗設備采用英國GDS公(gong)司進口的電機控制動三(san)軸(zhou)試驗系統，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模(mo)量(liang)和阻(zu)尼比

同樣由于自然沉積的磷石膏密(mi)度變(bian)化較大，為此根據物理性質(zhi)試驗結果，選擇兩種平均干密(mi)度1.34g/cm3(變(bian)化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議的動剪切(qie)模(mo)量(liang)G、阻(zu)尼比與剪應變幅值γd的關系式如下：

式中k1為(wei)參數，表示(shi)動(dong)剪切模(mo)量的(de)(de)衰減或阻尼比的(de)(de)增長速率；λmax為(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)最大動(dong)剪切模(mo)量和(he)歸一化(hua)的(de)(de)動(dong)剪應(ying)變，表示(shi)為(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)參數(shu)；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標準(zhun)大氣壓；vd為(wei)(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)(wei)歸一(yi)化的動(dong)應變，表達為(wei)(wei)

圖14給出了動剪切模(mo)量、阻尼比(bi)與歸一化動應變的關系曲(qu)線(xian)，另外圖中還給出了式(1)的擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等(deng)給出的砂(sha)樣的上下邊界線(xian)，圖例中，σ2表(biao)示(shi)圍壓，Kc表(biao)示(shi)固結應力比(bi)。

從圖(tu)中可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較好地(di)描述(shu)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)動(dong)應力-動(dong)應變試驗(yan)曲線(xian)，表明采(cai)用等價黏彈(dan)(dan)性模型進行循環荷載作用下的(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中干(gan)(gan)密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)位于(yu)(yu)干(gan)(gan)密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)上(shang)方，圖(tu)14(b)中則(ze)位于(yu)(yu)下方，表明密度(du)越大(da)，動(dong)彈(dan)(dan)模越大(da)、阻(zu)尼比越小；③圖(tu)14(a)中，兩種干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)擬合線(xian)基本位于(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)邊界線(xian)上(shang)方，而圖(tu)14(b)中則(ze)基本處于(yu)(yu)邊界線(xian)中間(jian)，表明相(xiang)比較砂(sha)樣，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)動(dong)彈(dan)(dan)模較大(da)，會導致磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)動(dong)力反(fan)應較大(da)，但由(you)于(yu)(yu)阻(zu)尼比也較大(da)，這樣又(you)會削弱壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)力反(fan)應，二者的(de)(de)相(xiang)互影響下，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)力反(fan)應將不會過于(yu)(yu)強(qiang)烈，這對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)抗震穩(wen)定性是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干密度為(wei)1.12(變化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標(biao)準為(wei)總應變達到10%。

圖(tu)15給出了動剪(jian)應(ying)力(li)(li)比τd/σ0′與破(po)壞振(zhen)次(ci)Nf的(de)(de)關(guan)系(xi)曲線圖(tu)，其中(zhong)σ0為(wei)振(zhen)前試(shi)樣45°面上的(de)(de)有效法(fa)向應(ying)力(li)(li)，表(biao)達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結比。從試(shi)驗結果(guo)可以(yi)看出，沉積磷石膏的(de)(de)動強度與其它(ta)土體相似(si)，表(biao)現為(wei)圍壓和固結應(ying)力(li)(li)比與動剪(jian)應(ying)力(li)(li)比呈(cheng)負相關(guan)關(guan)系(xi)。

為(wei)判(pan)別(bie)沉積(ji)磷石膏的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震(zhen)設(she)計烈度(du)為(wei)8度(du)，即等效振次Ⅳ可取為(wei)30。首先由(you)式(4)

所示的(de)冪函(han)數關系式得到振次(ci)為30時各個圍壓(ya)和(he)固結比(bi)下的(de)動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求(qiu)得動剪應力比與圍壓和固結應力比的關系式：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(cong)上述擬合關系式可見(jian)，密(mi)實度提高(gao)后，動剪應力(li)比提高(gao)，表明抗(kang)液(ye)(ye)化(hua)(hua)能(neng)力(li)也提高(gao)。但即使是在低(di)密(mi)度下，其(qi)動剪應力(li)比較之同類的粉(fen)土或粉(fen)砂(sha)也大(da)出許多，表明磷(lin)石膏具有較高(gao)的抗(kang)液(ye)(ye)化(hua)(hua)能(neng)力(li)。

三、結論

依托(tuo)柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩，在鉆探(tan)取樣(yang)工(gong)作的基礎上，首先(xian)開展了物理(li)性質試(shi)驗，然后(hou)開展了靜動力(li)力(li)學特(te)性試(shi)驗。通(tong)過上述試(shi)驗研究，得出(chu)如下結論：

(1)沉積磷(lin)石膏總體上(shang)屬于(yu)級配不良的(de)粉土，局部屬于(yu)粉砂(sha)一(yi)中砂(sha)，無自然分(fen)級現象。其干密度和(he)粒徑變(bian)化(hua)隨埋深或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離(li)的(de)變(bian)化(hua)不明顯(xian)。

(2)沉積磷石(shi)膏水平(ping)方向的(de)滲透(tou)系(xi)數大(da)于垂(chui)直(zhi)方向的(de)滲透(tou)系(xi)數，呈現(xian)明顯的(de)各向異性。

(3)與土體顆粒不(bu)可(ke)壓(ya)(ya)(ya)縮不(bu)同，磷石膏的(de)晶體結構會發生(sheng)壓(ya)(ya)(ya)縮破壞，具有較(jiao)大的(de)壓(ya)(ya)(ya)縮性，其次(ci)固結變形量(liang)遠大于主固結變形量(liang)。

(4)沉積磷石(shi)膏的靜動(dong)強(qiang)度較之(zhi)同等密實度下的粉土(tu)、粉砂要高。