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(yin)言(yan)

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)是濕(shi)(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)酸生產過程中(zhong)(zhong)的(de)副產品(pin)，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)產生量為7800萬噸，且(qie)呈(cheng)逐年增長的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)主(zhu)要成分是CaO和(he)(he)SO3，但含有一定(ding)量的(de)氟化物和(he)(he)其它放射性物質，在(zai)(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)通常按(an)Ⅱ類(lei)一般(ban)工業固(gu)體廢(fei)物處(chu)理(li)(li)，鑒于(yu)(yu)無害(hai)化處(chu)理(li)(li)成本(ben)較(jiao)高(gao)，目前綜合利用(yong)(yong)率尚(shang)不足40%，故大部分磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)場(chang)(chang)地的(de)不同，可(ke)分為平地型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和(he)(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)，在(zai)(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)基本(ben)上(shang)是山谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)。相(xiang)比較(jiao)干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明顯，因而如(ru)地質條件為非碳酸鹽(yan)巖地區(qu)，一般(ban)均采用(yong)(yong)濕(shi)(shi)(shi)排(pai)濕(shi)(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式(shi)。隨著中(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥(fei)工業的(de)快速發展，本(ben)世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了幾座(zuo)濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)大型(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫，例如(ru)云天化國(guo)際化工三環分公司的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)和(he)(he)富瑞分公司的(de)楊家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)，這兩(liang)座(zuo)壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高(gao)均超過100m、處(chu)于(yu)(yu)8度地震區(qu)，其安全性備受關(guan)注。

據(ju)統計(ji)，110多(duo)年(1901年一2013年)來，全(quan)世(shi)界(jie)有(you)(you)118座(zuo)尾(wei)礦壩曾發生過破壞或潰壩事故，原因主要(yao)有(you)(you)地(di)震、洪(hong)水(shui)漫(man)頂、滲(shen)透破壞和基礎失穩。尾(wei)礦庫失事后會造成(cheng)巨大的生態災(zai)難(nan)和人員傷亡(wang)，近幾十年來，

國內外對(dui)金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的沉(chen)積規律(lv)、物(wu)理力(li)學(xue)特(te)性及(ji)其穩(wen)(wen)定(ding)性開展(zhan)了大量的研究(jiu)(jiu)，但對(dui)于與金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)庫相近的磷石膏(gao)庫，一般僅限于在可研階段采用人(ren)工制備樣進(jin)行(xing)物(wu)理力(li)學(xue)性質試(shi)驗(yan)，并據此進(jin)行(xing)穩(wen)(wen)定(ding)性分析，尚未有人(ren)針(zhen)對(dui)己運行(xing)若干年的大型濕法堆存磷石膏(gao)堆積壩開展(zhan)過磷石膏(gao)沉(chen)積規律(lv)及(ji)其物(wu)理力(li)學(xue)特(te)性的專項研究(jiu)(jiu)。

本文依托柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩，首先進(jin)行(xing)了(le)(le)鉆探取樣(yang)，采用原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)(le)密度、含水率、滲透(tou)、土水特(te)征和(he)(he)顆分等(deng)物理性(xing)質試(shi)驗，在此基(ji)礎(chu)上有針(zhen)對性(xing)的(de)(de)選擇原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)(le)三(san)軸CU、蠕變及(ji)動三(san)軸等(deng)力學特(te)性(xing)試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，總(zong)結了(le)(le)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)沉積規律、滲透(tou)特(te)性(xing)、滲透(tou)破壞特(te)性(xing)以(yi)(yi)及(ji)靜動力特(te)性(xing)，上述研究工作對研究和(he)(he)評估磷(lin)石(shi)膏庫堆積壩的(de)(de)穩定性(xing)提供了(le)(le)基(ji)礎(chu)數據，對現行(xing)磷(lin)石(shi)膏庫的(de)(de)運行(xing)管理以(yi)(yi)及(ji)新建(jian)工程的(de)(de)設(she)計(ji)具有重要的(de)(de)借鑒意義。

一、依(yi)托工程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石(shi)膏(gao)堆積壩堆存設計方案

由初期壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高(gao)約30m，采用(yong)土料填筑。上(shang)游坡面、壩(ba)底和(he)下游壩(ba)腳設置(zhi)堆石排水體，三者(zhe)相連通構成整個堆積壩(ba)的主要排滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其輔(fu)助排滲措施

采(cai)用(yong)上游(you)式(shi)筑(zhu)壩法，共20級(ji)(ji)子(zi)壩，頂寬6～9m，高度5m，堆(dui)積高度約100m。采(cai)用(yong)排(pai)滲管網作為輔助排(pai)滲方案，目前(qian)己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子(zi)壩和13級(ji)(ji)子(zi)壩壩前(qian)120m范圍內設置了井(jing)字形排(pai)滲管網。

1.2沉積磷石膏的鉆(zhan)探取樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平面位置(zhi)見圖(tu)l。2008年6月(yue)，堆積(ji)至(zhi)5級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時，布設(she)了9個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K1～K9，取(qu)原狀樣76件；2013年5月(yue)，堆積(ji)至(zhi)13級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時，又布設(she)了11個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K10～K20，取(qu)原狀樣112件，為(wei)(wei)比較子(zi)(zi)壩(ba)加高和(he)磷石膏堆積(ji)過程中磷石膏物理力學性質(zhi)的變化(hua)，在(zai)2，4級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)附近各布設(she)了一個(ge)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號分(fen)別為(wei)(wei)K17和(he)K18。

1.3運行(xing)概況(kuang)

柳(liu)樹(shu)箐磷石膏尾礦(kuang)庫(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入運行，截至(zhi)(zhi)2013年(nian)5月己堆至(zhi)(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆存至(zhi)(zhi)設計高程。鑒于磷石膏庫(ku)地(di)形、地(di)質條(tiao)件較好(hao)，具備擴容改造的條(tiao)件，以提高堆存庫(ku)容，減(jian)少堆存占地(di)，節約土地(di)資(zi)源。

本(ben)文主(zhu)要(yao)對沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)的物(wu)理力學(xue)特性進行了全面(mian)總結，限于篇幅，有關(guan)現狀磷(lin)石膏(gao)庫堆積壩的安全性評價(jia)及其加高可行性的研究將另文發(fa)表。

二、沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)的物理(li)力學特性

2.1物理(li)特性

(1)干密(mi)度分(fen)布

圖(tu)2給(gei)出了(le)14個鉆孔(kong)的(de)(de)取樣(yang)深度和(he)試(shi)驗所得干密度的(de)(de)關系(xi)，圖(tu)中(zhong)UWL表示(shi)水(shui)位線(xian)上(shang)，(系(xi)鉆孔(kong)期(qi)間的(de)(de)初見(jian)水(shui)位線(xian)，下(xia)同(tong))，DWL表示(shi)水(shui)位線(xian)下(xia)。圖(tu)3給(gei)出了(le)水(shui)位線(xian)上(shang)下(xia)的(de)(de)飽和(he)度分布圖(tu)。由于(yu)磷(lin)(lin)石膏(gao)中(zhong)的(de)(de)主要成分為(wei)CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度和(he)烘烤時間對測定(ding)結果有(you)一(yi)定(ding)影響，不能照搬現行的(de)(de)土工試(shi)驗規范，本文(wen)磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)含水(shui)率(lv)測定(ding)方法為(wei)55℃溫度下(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋(mai)深的關系

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

由圖(tu)3，水位(wei)線(xian)(xian)上的(de)磷(lin)石膏飽(bao)和(he)(he)(he)度平均(jun)值為50.4%，處于非(fei)飽(bao)和(he)(he)(he)狀態(tai)，水位(wei)線(xian)(xian)以下的(de)磷(lin)石膏飽(bao)和(he)(he)(he)度平均(jun)值為85.0%，基本處于飽(bao)和(he)(he)(he)狀態(tai)，由于水位(wei)下降后磷(lin)石膏來(lai)不及排(pai)水固結，故而水位(wei)線(xian)(xian)上局部試樣的(de)飽(bao)和(he)(he)(he)度較高。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以上的干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以下的干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見(jian)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)與一般的尾礦有所不同，磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)并(bing)不隨埋深的增大(da)而明顯增大(da)，但(dan)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以下的磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)從統計意義上來(lai)看仍(reng)大(da)于水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以上的磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)，這主要是由于水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)的變化反復升降(jiang)而使(shi)得磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)排水(shui)(shui)固(gu)結(jie)所致。

室(shi)內擊(ji)(ji)實(shi)得到(dao)的磷石(shi)膏(gao)最大(da)干密度(du)一般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出(chu)(chu)(chu)，自然(ran)沉積的磷石(shi)膏(gao)最大(da)干密度(du)可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經(jing)典的土骨架(jia)不可(ke)壓(ya)縮的理(li)論不同，石(shi)膏(gao)本身可(ke)壓(ya)縮，同時(shi)由于顆(ke)粒(li)結構(gou)不穩定(ding)，擊(ji)(ji)實(shi)試(shi)驗(yan)過程(cheng)中磷石(shi)膏(gao)結構(gou)被(bei)破(po)壞，受(shou)夯擊(ji)(ji)處下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)(chu)(chu)現了(le)類似于橡皮土的現象(xiang)。而在(zai)現場(chang)條件下(xia)，石(shi)膏(gao)骨架(jia)被(bei)破(po)壞后(hou)，會導致顆(ke)粒(li)中的結合水(shui)(shui)滲(shen)出(chu)(chu)(chu)至孔隙(xi)內，變(bian)成(cheng)孔隙(xi)水(shui)(shui)，排(pai)水(shui)(shui)固結后(hou)會使得磷石(shi)膏(gao)的孔隙(xi)比(bi)減(jian)小，干密度(du)增大(da)。

圖4給出了(le)相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K2和K17(位(wei)(wei)(wei)于2級子(zi)壩河(he)床部位(wei)(wei)(wei))以(yi)及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K6和K18(位(wei)(wei)(wei)于4級子(zi)壩河(he)床部位(wei)(wei)(wei))干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值為(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統(tong)計(ji)意義上(shang)來看，磷石膏(gao)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)也并未隨后(hou)續(xu)磷石膏(gao)的(de)(de)(de)堆(dui)積而有較(jiao)為(wei)明顯(xian)的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗(yan)采(cai)用(yong)密度計法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加(jia)六偏磷酸(suan)鈉。圖5給出了試驗(yan)得到的級(ji)配包線、平(ping)均(jun)粒徑d50、不(bu)均(jun)勻系數(1u和(he)曲率系數Cc的分布(bu)圖。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒徑(jing)主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于粉土，但可能由于礦石來源或生產工藝有所不同(tong)，局部屬于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑(jing)分布范圍(wei)比Blight和張超等的試驗結果要(yao)寬一些(xie)。

圖4子壩加高后沉(chen)積(ji)磷石膏的干密度變化

圖5沉(chen)積磷石膏的平均粒徑和級(ji)配分(fen)布

由圖5(b)和(he)5(c)，無論是(shi)水平向還是(shi)垂直向，磷(lin)石(shi)(shi)膏與金屬(shu)(shu)礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)“前粗后(hou)細，上粗下(xia)細”的(de)自然分級現象不(bu)同，也即粗顆(ke)(ke)(ke)粒(li)并(bing)不(bu)是(shi)沿埋深(shen)逐步減(jian)小(xiao)或(huo)距(ju)離放漿(jiang)口(kou)越遠顆(ke)(ke)(ke)粒(li)越細，其原(yuan)因如(ru)下(xia)：①磷(lin)石(shi)(shi)膏顆(ke)(ke)(ke)粒(li)粒(li)徑組成(cheng)(cheng)較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)集(ji)中、均勻，主要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)(wei)主，級配較(jiao)(jiao)差；②相(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)金屬(shu)(shu)尾礦(kuang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)比(bi)重較(jiao)(jiao)小(xiao)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)比(bi)重一般為(wei)(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)(shu)尾礦(kuang)的(de)比(bi)重，例(li)如(ru)鐵尾礦(kuang)的(de)比(bi)重可達(da)2.9；③放漿(jiang)口(kou)隨子(zi)壩高(gao)度不(bu)斷(duan)增加而不(bu)斷(duan)變(bian)動(dong)并(bing)向庫尾延伸，造成(cheng)(cheng)沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)粒(li)徑變(bian)化不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均勻系數Cu范圍值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.21，在統計的(de)100多個試(shi)樣中(zhong)，屬(shu)于級(ji)配不良土(tu)的(de)占93%。這種級(ji)配特(te)性決(jue)定了(le)磷石膏(gao)具有較高的(de)壓(ya)縮(suo)性、滲透破壞型式(shi)表現(xian)為(wei)(wei)流土(tu)破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系(xi)數

影(ying)響滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)主要(yao)因(yin)素是(shi)粒徑大(da)小(xiao)、級配和(he)孔隙(xi)比，因(yin)而磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)為接(jie)近。由于孔隙(xi)比e減(jian)(jian)小(xiao)，使得(de)過水(shui)通道面(mian)積(ji)減(jian)(jian)小(xiao)，滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)k也將減(jian)(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土(tu)，一般認(ren)為滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出(chu)了二者間的(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由于沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)變化較(jiao)大(da)，使得(de)沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)變化范圍較(jiao)大(da)(平(ping)均值為10-4cm/s數(shu)量(liang)級)，二者問的(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉(chen)積磷石膏(gao)滲(shen)透系(xi)數與孔隙(xi)比的關系(xi)

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

圖7給出了水平與垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透系數(shu)(shu)比值的(de)分(fen)布(bu)。沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)水平向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透系數(shu)(shu)kh一(yi)般大于垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)的(de)滲(shen)(shen)(shen)透系數(shu)(shu)kv,kh/kv平均值約為(wei)2.86，這一(yi)點與成(cheng)層分(fen)布(bu)的(de)金屬尾礦規律一(yi)致。造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)水平向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透系數(shu)(shu)大于垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透系數(shu)(shu)的(de)原因(yin)是由于磷(lin)石(shi)膏(gao)具有明(ming)顯的(de)晶體結構，電(dian)鏡掃描顯示多為(wei)菱形(xing)和棱(leng)柱狀(zhuang)形(xing)式(見圖8)，在沉積過程(cheng)中，由于扁平狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒多呈水平排列，使得水平方向(xiang)的(de)透水性大于垂(chui)(chui)直(zhi)方向(xiang)的(de)透水性，從而使磷(lin)石(shi)膏(gao)呈現(xian)明(ming)顯的(de)各向(xiang)異性。

另根(gen)據中國有色金屬工業昆明勘察(cha)設計(ji)研究院在楊(yang)家(jia)箐磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩開展的(de)現場(chang)滲透(tou)試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)約(yue)為1.9。但張超等的(de)室內(nei)試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)約(yue)為0.46，也即垂(chui)直向滲透(tou)系(xi)數(shu)大(da)于水平(ping)向滲透(tou)系(xi)數(shu)，與本文和(he)現場(chang)試(shi)驗(yan)結(jie)果恰恰相反(fan)。從磷(lin)石(shi)膏的(de)微觀(guan)結(jie)構來看，本文試(shi)驗(yan)結(jie)果更為合理。

圖7沉積(ji)磷石膏干密度與水平(ping)和(he)垂直滲(shen)透系數比值(zhi)的(de)關系

(2)滲透變形

圖(tu)9為(wei)磷石膏(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力(li)梯度J與流(liu)速V的(de)(de)關系曲線，試(shi)(shi)驗在水(shui)平管涌(yong)儀中采用水(shui)平方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)流(liu)形式進行。試(shi)(shi)驗得(de)到的(de)(de)臨界坡(po)降Jc=0.355，破壞坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般來(lai)(lai)說(shuo)，對(dui)1，2級(ji)工程，滲(shen)透(tou)安全系數(shu)取為(wei)2.5，則允許出(chu)逸坡(po)降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下(xia)工程，滲(shen)透(tou)安全系數(shu)取2.0，則允許出(chu)逸坡(po)降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降與粉土一(yi)粉砂大致相同(tong)。但上(shang)述滲(shen)透(tou)變形試(shi)(shi)驗是(shi)(shi)采用自來(lai)(lai)水(shui)進行的(de)(de)，自來(lai)(lai)水(shui)對(dui)磷石膏(gao)具(ju)有一(yi)定的(de)(de)溶蝕作用，而實際上(shang)磷石膏(gao)中殘余磷、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般小于3(稱之(zhi)為(wei)酸(suan)性水(shui))，在酸(suan)性水(shui)作用下(xia)，磷石膏(gao)不會發生破壞，上(shang)述試(shi)(shi)驗結(jie)果是(shi)(shi)偏于保守的(de)(de)，但對(dui)非(fei)酸(suan)性水(shui)條(tiao)件(jian)(例如特(te)大暴雨)下(xia)的(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定判斷有一(yi)定的(de)(de)借(jie)鑒意義。

圖9水力(li)梯度J-流(liu)速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗

試驗在5Bar的(de)壓(ya)力板儀中(zhong)進行，環刀尺(chi)寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范(fan)圍(wei)0～500kPa。表l列出(chu)了(le)含水(shui)率特征值，試驗曲線(xian)見(jian)圖(tu)10所(suo)示(shi)。

試驗結果表明：①干密度(du)對進氣值沒有(you)明顯(xian)的(de)影響，不同干密度(du)的(de)試樣的(de)進氣值大致在(zai)10kPa左右；②土(tu)樣殘余含(han)水(shui)率隨干密度(du)的(de)增加而減少(shao)，殘余含(han)水(shui)率約(yue)為飽和含(han)水(shui)率的(de)10%。上述(shu)特性與粉土(tu)一粉砂基(ji)本一致。

2.3靜力力學特(te)性

(1)三軸(zhou)CU試驗(yan)

由(you)于沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)密(mi)度(du)變化較大，而(er)進行三(san)軸(zhou)試驗需(xu)要若(ruo)干(gan)原狀樣，為使試驗結果具有較好的(de)(de)一(yi)致性，有針(zhen)對性的(de)(de)選擇(ze)平均(jun)干(gan)密(mi)度(du)分別(bie)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(de)(de)若(ruo)干(gan)試樣，進行了(le)5組三(san)軸(zhou)CU試驗。圖11是為干(gan)密(mi)度(du)為1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)軸(zhou)CU試驗曲線。

從(cong)圖11可以(yi)看出(chu)，磷石膏的應力應變關系(xi)曲線在低圍壓下(xia)表(biao)現為(wei)軟化(hua)型，在高圍壓下(xia)表(biao)現為(wei)硬化(hua)型，與一般土(tu)類相似(si)。但(dan)與一般粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂不同的是，即使在較為(wei)疏松(song)的狀態下(xia)，磷石膏仍(reng)表(biao)現了較為(wei)強烈的剪脹，隨密實度增(zeng)大，剪脹作(zuo)用愈(yu)發(fa)明顯。

表2給出了不同干(gan)密(mi)度(du)下的(de)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)，圖12給出了內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)與(yu)干(gan)密(mi)度(du)的(de)關系曲線(xian)(xian)。隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)好地(di)擬合(he)。磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)由(you)(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)由(you)(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為37.3°(根據(ju)擬合(he)曲線(xian)(xian)求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為9.4%，有(you)效應力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)由(you)(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為3.2%，由(you)(you)(you)于隨圍壓的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有(you)效摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之總應力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)要(yao)小(xiao)。另外(wai)較(jiao)(jiao)之于干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表明即使較(jiao)(jiao)為疏松的(de)磷(lin)石膏(gao)仍具(ju)有(you)較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)強度(du)指(zhi)標，這也表明磷(lin)石膏(gao)堆積壩的(de)穩定性較(jiao)(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(次固(gu)結)變形(xing)試驗

磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變變形試(shi)(shi)(shi)驗在側限壓縮(suo)儀中進行，試(shi)(shi)(shi)驗狀態相當于K0固(gu)結。試(shi)(shi)(shi)樣直徑(jing)61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)(shi)樣干密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)(shi)樣飽和后分(fen)別開展了(le)上(shang)覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)(shi)驗，

試(shi)驗從2012年8月27日開始(shi)，試(shi)驗己進行了(le)1年多，試(shi)驗結(jie)果見圖13所示。

從(cong)圖13中可以看出：上覆荷(he)載越(yue)大，磷石膏的(de)(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)也越(yue)大，荷(he)載施(shi)加1年(nian)后，磷石膏的(de)(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)仍(reng)非常顯著(zhu)，尚(shang)(shang)未達到穩定(ding)狀態，這(zhe)也是磷石膏堆積壩后期變(bian)形(xing)較大的(de)(de)原因，原型觀測(ce)資料(liao)表明，在5級子壩河(he)床部位的(de)(de)表面沉降量已(yi)經達到3.1m，且尚(shang)(shang)未完全穩定(ding)。

按時間(jian)對(dui)(dui)(dui)數(shu)法(fa)，可求得各(ge)級荷載下的(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結變(bian)形(xing)量如表(biao)3所示。試驗結果表(biao)明，在(zai)100～400kPa上覆荷載作(zuo)用下，在(zai)試驗時間(jian)范(fan)圍(wei)內(nei)蠕變(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)結)變(bian)形(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結變(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于蠕變(bian)變(bian)形(xing)尚未完(wan)成，實(shi)際(ji)的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)應更(geng)大(da)。對(dui)(dui)(dui)土(tu)體(ti)而(er)(er)言，發(fa)(fa)生蠕變(bian)的(de)原因是由(you)于土(tu)體(ti)在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結完(wan)成之后，土(tu)體(ti)中仍有微小(xiao)的(de)超靜(jing)孔隙壓(ya)力存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問流動(dong)，一般來講土(tu)體(ti)的(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結遠(yuan)小(xiao)于主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結變(bian)形(xing)；對(dui)(dui)(dui)磷(lin)(lin)石膏而(er)(er)言，其(qi)滲透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠(yuan)大(da)于黏性土(tu)，但其(qi)卻發(fa)(fa)生了極(ji)為顯著的(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結變(bian)形(xing)，其(qi)原因在(zai)于磷(lin)(lin)石膏晶體(ti)結構(gou)發(fa)(fa)生了壓(ya)縮、破壞，接觸點晶格發(fa)(fa)生歪曲和變(bian)形(xing)，而(er)(er)破壞后晶格之間(jian)的(de)重新排列、調整(zheng)到最后趨(qu)于相對(dui)(dui)(dui)靜(jing)止需要相當長的(de)時間(jian)才能完(wan)成。

2.4動力力學特(te)性

試(shi)(shi)驗(yan)設備(bei)采(cai)用(yong)英國GDS公司(si)進口的電機控制動三軸試(shi)(shi)驗(yan)系統，試(shi)(shi)樣(yang)直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比

同樣由于自然(ran)沉積(ji)的磷(lin)石膏密度變化(hua)較大，為此根據物(wu)理(li)性質試驗(yan)(yan)結(jie)果，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進(jin)行(xing)試驗(yan)(yan)。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模(mo)量G、阻尼比(bi)與剪應變幅值γd的關系式(shi)如下(xia)：

式中k1為(wei)(wei)參數，表(biao)示動(dong)(dong)剪(jian)切模量的衰減或(huo)阻(zu)(zu)尼比的增長速率；λmax為(wei)(wei)最(zui)大阻(zu)(zu)尼比；Gmax，γd分別(bie)為(wei)(wei)最(zui)大動(dong)(dong)剪(jian)切模量和歸一化的動(dong)(dong)剪(jian)應變，表(biao)示為(wei)(wei)

式(shi)中k2,n為參數；σm為球應力；Pa為標準大氣壓；vd為動泊(bo)松比；εa為歸一化的動應變，表達(da)為

圖14給出了動剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化動應變的(de)(de)關系曲線，另外圖中還給出了式(shi)(1)的(de)(de)擬合曲線以及Seed等給出的(de)(de)砂樣的(de)(de)上下邊(bian)界線，圖例(li)中，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固結應力比(bi)。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可以看出：①式(1)可較(jiao)(jiao)(jiao)好地(di)描述(shu)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應(ying)力(li)(li)(li)-動(dong)(dong)(dong)應(ying)變試驗曲線(xian)，表(biao)(biao)明(ming)采用等價黏彈(dan)性(xing)模型進(jin)行循環荷載作用下的(de)(de)分析(xi)是可行的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密度為1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)位(wei)(wei)于(yu)(yu)干密度為1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)上方(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位(wei)(wei)于(yu)(yu)下方(fang)，表(biao)(biao)明(ming)密度越大(da)，動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模越大(da)、阻尼比越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密度的(de)(de)擬合線(xian)基本(ben)位(wei)(wei)于(yu)(yu)Seed等給(gei)出的(de)(de)邊界線(xian)上方(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基本(ben)處于(yu)(yu)邊界線(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)(biao)明(ming)相比較(jiao)(jiao)(jiao)砂(sha)樣，磷(lin)石膏(gao)動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)(hui)導致磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)(li)反應(ying)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)(yu)阻尼比也較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，這樣又(you)會(hui)(hui)削(xue)弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)(li)反應(ying)，二者的(de)(de)相互影響下，磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)(li)反應(ying)將不會(hui)(hui)過于(yu)(yu)強烈(lie)，這對磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)抗(kang)震(zhen)穩定性(xing)是有利的(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選擇兩種平均干密(mi)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(xing)試驗(yan)，破壞標準為(wei)總應變達到10%。

圖15給(gei)出(chu)了動剪應(ying)(ying)力比τd/σ0′與(yu)破壞振次(ci)Nf的關系曲線圖，其中σ0為(wei)振前試樣45°面上的有效(xiao)法向(xiang)應(ying)(ying)力，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)比。從(cong)試驗結(jie)果可以看出(chu)，沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)的動強度與(yu)其它土體(ti)相似，表現為(wei)圍壓(ya)和固結(jie)應(ying)(ying)力比與(yu)動剪應(ying)(ying)力比呈負相關關系。

為(wei)判別沉(chen)積(ji)磷石膏的抗液化能力，假定(ding)抗震設(she)計烈度為(wei)8度，即等效振次Ⅳ可取(qu)為(wei)30。首先(xian)由(you)式(4)

所示的冪函(han)數關(guan)系式得到振次為30時(shi)各個圍壓和固(gu)結比下的動剪(jian)應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求(qiu)得動剪應(ying)力比與圍(wei)壓和固(gu)結應(ying)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。

從上述(shu)擬合(he)關系式可見，密實(shi)度提高后，動(dong)剪應力(li)(li)比提高，表(biao)明抗液化(hua)能力(li)(li)也(ye)(ye)提高。但即使是在低密度下，其(qi)動(dong)剪應力(li)(li)比較(jiao)之同類的粉土或粉砂(sha)也(ye)(ye)大(da)出(chu)許多(duo)，表(biao)明磷石膏(gao)具有較(jiao)高的抗液化(hua)能力(li)(li)。

三(san)、結論

依托柳樹箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩，在鉆探取樣工作的基(ji)礎上(shang)，首先開(kai)(kai)展(zhan)了物理性質試(shi)驗(yan)，然后開(kai)(kai)展(zhan)了靜動力(li)力(li)學特性試(shi)驗(yan)。通過(guo)上(shang)述試(shi)驗(yan)研究，得(de)出(chu)如(ru)下結(jie)論：

(1)沉積磷石膏總體(ti)上屬(shu)于級(ji)配(pei)不良的粉土，局部(bu)屬(shu)于粉砂一中(zhong)砂，無自(zi)然分(fen)級(ji)現象。其干密度和粒(li)徑變化隨(sui)埋深或距放漿口距離的變化不明顯。

(2)沉積磷石膏(gao)水平方(fang)向(xiang)的(de)滲透(tou)系數(shu)大于垂直(zhi)方(fang)向(xiang)的(de)滲透(tou)系數(shu)，呈現明顯的(de)各向(xiang)異性。

(3)與土(tu)體(ti)顆粒不可壓縮(suo)不同，磷(lin)石膏的晶體(ti)結構會發生壓縮(suo)破(po)壞，具有較大(da)的壓縮(suo)性，其(qi)次(ci)固(gu)結變形量遠大(da)于主(zhu)固(gu)結變形量。

(4)沉(chen)積(ji)磷石膏的(de)靜動強度(du)較(jiao)之同等密(mi)實度(du)下的(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要高(gao)。