沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：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(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)過程中(zhong)的(de)副產(chan)品，2018年(nian)，全(quan)國(guo)(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產(chan)生(sheng)量(liang)為(wei)7800萬噸，且(qie)呈逐年(nian)增長的(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)主要(yao)成分是(shi)CaO和SO3，但(dan)含有一(yi)定(ding)量(liang)的(de)氟化(hua)物和其(qi)它放射性(xing)物質，在中(zhong)國(guo)(guo)通(tong)常按Ⅱ類(lei)一(yi)般工業固體廢物處(chu)理，鑒于(yu)無(wu)害(hai)化(hua)處(chu)理成本較高(gao)，目前綜合利用率(lv)尚(shang)不足(zu)40%，故(gu)大(da)部(bu)分磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存存放。按堆(dui)(dui)存場(chang)地(di)的(de)不同，可分為(wei)平地(di)型(xing)(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)國(guo)(guo)基本上是(shi)山谷型(xing)(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)比較干法(fa)堆(dui)(dui)存，濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存經濟優勢(shi)明顯(xian)，因而(er)如地(di)質條件為(wei)非(fei)碳酸鹽巖地(di)區(qu)，一(yi)般均采用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)(guo)磷(lin)(lin)肥(fei)工業的(de)快速發展，本世紀初中(zhong)國(guo)(guo)相(xiang)繼建設了(le)幾座濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存的(de)大(da)型(xing)(xing)(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫，例(li)如云天化(hua)國(guo)(guo)際化(hua)工三(san)環分公司(si)的(de)柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)和富瑞分公司(si)的(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)，這(zhe)兩座壩(ba)設計壩(ba)高(gao)均超過100m、處(chu)于(yu)8度(du)地(di)震區(qu)，其(qi)安(an)全(quan)性(xing)備受關注(zhu)。

據(ju)統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來，全世界有(you)(you)118座(zuo)尾礦(kuang)(kuang)壩曾(ceng)發生過(guo)破壞或潰壩事故(gu)，原(yuan)因主(zhu)要(yao)有(you)(you)地震、洪水漫頂、滲透破壞和(he)基礎失穩。尾礦(kuang)(kuang)庫失事后(hou)會(hui)造成巨大的生態災難和(he)人員傷亡，近幾十(shi)年(nian)(nian)來，

國(guo)內(nei)外對(dui)(dui)金屬(shu)尾(wei)礦的(de)沉(chen)積(ji)(ji)規(gui)律(lv)、物(wu)(wu)理力學(xue)特性(xing)(xing)及(ji)(ji)其(qi)穩定性(xing)(xing)開展(zhan)了(le)大(da)量的(de)研究，但對(dui)(dui)于(yu)與金屬(shu)尾(wei)礦庫(ku)相近的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)，一般(ban)僅限于(yu)在(zai)可研階段采用(yong)人(ren)工制(zhi)備(bei)樣進行物(wu)(wu)理力學(xue)性(xing)(xing)質試驗，并(bing)據此進行穩定性(xing)(xing)分析，尚未有人(ren)針對(dui)(dui)己運行若(ruo)干年的(de)大(da)型(xing)濕法(fa)堆存磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)(ji)壩開展(zhan)過(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)沉(chen)積(ji)(ji)規(gui)律(lv)及(ji)(ji)其(qi)物(wu)(wu)理力學(xue)特性(xing)(xing)的(de)專項研究。

本文依托柳樹箐磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩，首先進行了(le)鉆探取樣(yang)(yang)，采用(yong)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)密度、含(han)水率、滲(shen)透、土水特征和顆分等物理(li)性(xing)質試(shi)驗(yan)，在此(ci)基礎上有針對(dui)性(xing)的選擇(ze)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)三軸CU、蠕(ru)變及動(dong)三軸等力(li)學特性(xing)試(shi)驗(yan)。通過上述(shu)試(shi)驗(yan)研(yan)究，總結了(le)磷(lin)石膏(gao)的沉積(ji)規(gui)律、滲(shen)透特性(xing)、滲(shen)透破壞特性(xing)以(yi)及靜動(dong)力(li)特性(xing)，上述(shu)研(yan)究工作(zuo)對(dui)研(yan)究和評(ping)估磷(lin)石膏(gao)庫堆積(ji)壩的穩定性(xing)提供了(le)基礎數據，對(dui)現(xian)行磷(lin)石膏(gao)庫的運行管(guan)理(li)以(yi)及新(xin)建(jian)工程的設計具有重要的借鑒(jian)意義。

一、依(yi)托工(gong)程概況

1.1柳樹箐磷石膏(gao)堆積壩堆存設計(ji)方案(an)

由初(chu)期(qi)壩(ba)(ba)和堆積壩(ba)(ba)組成，設計(ji)總壩(ba)(ba)高(gao)約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)壩(ba)高約(yue)30m，采(cai)用土料填筑(zhu)。上游(you)坡面(mian)、壩(ba)底和(he)下(xia)游(you)壩(ba)腳設(she)置堆(dui)石排(pai)水體，三者相(xiang)連通構成整個堆(dui)積壩(ba)的主要(yao)排(pai)滲系(xi)統(tong)。

(2)堆積壩及其輔助(zhu)排滲措施

采(cai)用上游式筑壩法，共20級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩，頂寬(kuan)6～9m，高度5m，堆(dui)積(ji)高度約100m。采(cai)用排(pai)滲(shen)管網作為輔助排(pai)滲(shen)方案，目前(qian)己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩和13級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩壩前(qian)120m范圍內設置了井字形排(pai)滲(shen)管網。

1.2沉(chen)積磷石(shi)膏的鉆(zhan)探(tan)取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)平(ping)面(mian)位(wei)置(zhi)見(jian)圖l。2008年(nian)6月(yue)，堆(dui)積(ji)至5級子(zi)壩(ba)(ba)時(shi)，布(bu)設(she)(she)了(le)(le)9個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣76件(jian)；2013年(nian)5月(yue)，堆(dui)積(ji)至13級子(zi)壩(ba)(ba)時(shi)，又布(bu)設(she)(she)了(le)(le)11個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣112件(jian)，為(wei)比較子(zi)壩(ba)(ba)加(jia)高和(he)(he)磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)過(guo)程中磷石膏(gao)物理力學(xue)性質的變化，在2，4級子(zi)壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)(kong)和(he)(he)K6孔(kong)(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)設(she)(she)了(le)(le)一個(ge)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)分別(bie)為(wei)K17和(he)(he)K18。

1.3運行概(gai)況

柳(liu)樹箐磷石(shi)膏(gao)尾礦庫(ku)(ku)2005年(nian)開工建(jian)設(she)，2006年(nian)1月投入運行，截至(zhi)2013年(nian)5月己堆(dui)至(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆(dui)存至(zhi)設(she)計高(gao)程。鑒于(yu)磷石(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)地(di)形、地(di)質條件較好，具備(bei)擴容(rong)改造的條件，以提高(gao)堆(dui)存庫(ku)(ku)容(rong)，減少堆(dui)存占地(di)，節約(yue)土地(di)資源。

本文主要對沉積磷石(shi)膏的(de)(de)物理力學特性進行了(le)全面總結，限于篇幅，有(you)關(guan)現狀磷石(shi)膏庫堆積壩(ba)的(de)(de)安全性評價(jia)及其加高可(ke)行性的(de)(de)研(yan)究(jiu)將另文發表。

二、沉積磷石膏的物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密(mi)度分布

圖(tu)(tu)2給(gei)出(chu)了(le)14個鉆孔(kong)的(de)(de)取(qu)樣深(shen)度和(he)試驗所得干密度的(de)(de)關系，圖(tu)(tu)中UWL表示水(shui)位(wei)線上(shang)，(系鉆孔(kong)期間(jian)的(de)(de)初見水(shui)位(wei)線，下同)，DWL表示水(shui)位(wei)線下。圖(tu)(tu)3給(gei)出(chu)了(le)水(shui)位(wei)線上(shang)下的(de)(de)飽和(he)度分布圖(tu)(tu)。由(you)于(yu)磷石膏(gao)中的(de)(de)主要成(cheng)分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度和(he)烘烤時間(jian)對測(ce)定結果有(you)一定影響，不(bu)能照搬現行的(de)(de)土工試驗規(gui)范，本文(wen)磷石膏(gao)的(de)(de)含水(shui)率測(ce)定方法(fa)為55℃溫度下烘培24h。

圖2沉積(ji)磷石(shi)膏干密度(du)與埋深(shen)的關系(xi)

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

由圖3，水位(wei)線(xian)上(shang)的(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度平均值為(wei)50.4%，處于(yu)非飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)(zhuang)態，水位(wei)線(xian)以下的(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度平均值為(wei)85.0%，基本處于(yu)飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)(zhuang)態，由于(yu)水位(wei)下降后(hou)磷(lin)石膏來不及排水固結(jie)，故而(er)水位(wei)線(xian)上(shang)局部試樣(yang)的(de)飽(bao)(bao)和(he)度較高(gao)。

由圖2，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以上(shang)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)度在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以下(xia)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)度在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均值為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石(shi)膏與一(yi)般的(de)(de)(de)(de)尾礦有所(suo)不同(tong)，磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)度并不隨(sui)埋(mai)深(shen)的(de)(de)(de)(de)增大而明顯(xian)增大，但(dan)水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以下(xia)的(de)(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏干密(mi)(mi)(mi)度從統(tong)計意義上(shang)來看仍大于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以上(shang)的(de)(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏干密(mi)(mi)(mi)度，這主要是由于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)隨(sui)庫水(shui)位(wei)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)反復升降而使得磷(lin)(lin)石(shi)膏排水(shui)固結所(suo)致(zhi)。

室內(nei)擊(ji)實得(de)(de)到(dao)的(de)磷石(shi)(shi)膏最大干(gan)(gan)密度一(yi)般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可以看出，自然沉積的(de)磷石(shi)(shi)膏最大干(gan)(gan)密度可達(da)到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經(jing)典的(de)土骨架不(bu)可壓(ya)縮(suo)的(de)理論不(bu)同，石(shi)(shi)膏本身可壓(ya)縮(suo)，同時由于顆粒(li)結(jie)構不(bu)穩定，擊(ji)實試驗(yan)過程中(zhong)磷石(shi)(shi)膏結(jie)構被(bei)破壞(huai)，受夯(hang)擊(ji)處下(xia)陷，四周鼓起，出現(xian)了(le)類(lei)似(si)于橡皮(pi)土的(de)現(xian)象。而在(zai)現(xian)場條件下(xia)，石(shi)(shi)膏骨架被(bei)破壞(huai)后，會(hui)導致顆粒(li)中(zhong)的(de)結(jie)合水(shui)滲出至孔(kong)隙(xi)內(nei)，變成孔(kong)隙(xi)水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)后會(hui)使(shi)得(de)(de)磷石(shi)(shi)膏的(de)孔(kong)隙(xi)比減小，干(gan)(gan)密度增大。

圖(tu)4給出(chu)了相鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和(he)K17(位(wei)于(yu)2級(ji)子壩河(he)床部(bu)位(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和(he)K18(位(wei)于(yu)4級(ji)子壩河(he)床部(bu)位(wei))干(gan)(gan)密度(du)的(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統(tong)計意(yi)義(yi)上來看(kan)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密度(du)也并未(wei)隨后續磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)堆積(ji)而有(you)較為(wei)(wei)明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試驗采用密度計法，制備懸液時(shi)不(bu)(bu)煮(zhu)沸，不(bu)(bu)加六(liu)偏磷(lin)酸(suan)鈉。圖(tu)5給(gei)出了(le)試驗得到的(de)級配包線、平均(jun)粒(li)徑d50、不(bu)(bu)均(jun)勻(yun)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(1u和曲率系(xi)(xi)數(shu)(shu)Cc的(de)分布圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見，磷石(shi)(shi)膏的(de)粒徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于(yu)粉土，但可(ke)能由于(yu)礦石(shi)(shi)來源或(huo)生產工藝有所(suo)不同(tong)，局(ju)部屬(shu)于(yu)粉砂～中砂。粒徑分布范(fan)圍比Blight和張超等(deng)的(de)試驗結(jie)果(guo)要(yao)寬一些(xie)。

圖(tu)4子壩加高后(hou)沉積磷(lin)石膏(gao)的干密度(du)變化

圖5沉積磷石(shi)膏(gao)的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水(shui)平向還是垂直向，磷石膏(gao)與金屬(shu)(shu)礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前粗后細(xi)，上(shang)粗下細(xi)”的(de)(de)自(zi)然(ran)分(fen)級現象不(bu)同，也(ye)即粗顆(ke)粒(li)并(bing)不(bu)是沿(yan)埋深逐步(bu)減(jian)小或距離放漿(jiang)口越遠顆(ke)粒(li)越細(xi)，其(qi)原因(yin)如下：①磷石膏(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑組成較(jiao)為集(ji)中、均勻，主要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差；②相比較(jiao)金屬(shu)(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷石膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)較(jiao)小，磷石膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)一般為2.3～2.4，遠小于金屬(shu)(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比重(zhong)，例如鐵(tie)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比重(zhong)可(ke)達(da)2.9；③放漿(jiang)口隨子壩高度不(bu)斷(duan)增加而不(bu)斷(duan)變動并(bing)向庫(ku)尾(wei)延伸，造(zao)成沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)粒(li)徑變化不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均勻系數(shu)Cu范(fan)圍值(zhi)1.61～21.5，平(ping)(ping)均值(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲(qu)率系數(shu)(1c范(fan)圍值(zhi)0.28～9.78，平(ping)(ping)均值(zhi)為(wei)(wei)1.21，在統計的100多個試樣(yang)中(zhong)，屬于級(ji)配(pei)不良土的占(zhan)93%。這種級(ji)配(pei)特性決定了磷石膏(gao)具有較高的壓縮性、滲透破(po)壞型式表現為(wei)(wei)流(liu)土破(po)壞。

2.2滲透(tou)特性

(1)滲(shen)透系數

影響滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要(yao)因(yin)素是粒(li)徑大(da)小、級配和孔隙(xi)(xi)比(bi)(bi)，因(yin)而磷石膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)與粉(fen)土(tu)較(jiao)為(wei)(wei)接近。由(you)于孔隙(xi)(xi)比(bi)(bi)e減小，使得(de)過水(shui)通道面積(ji)減小，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也將減小，k與e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土(tu)，一般認(ren)為(wei)(wei)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)好，圖(tu)6給出了二(er)者(zhe)間的(de)(de)關(guan)系(xi)曲線，由(you)于沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)不均(jun)勻系(xi)數(shu)(shu)變化(hua)較(jiao)大(da)，使得(de)沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)變化(hua)范圍較(jiao)大(da)(平(ping)均(jun)值為(wei)(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二(er)者(zhe)問的(de)(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石(shi)膏滲(shen)透系(xi)數(shu)與孔隙比(bi)的(de)關(guan)系(xi)

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

圖(tu)7給出了水(shui)(shui)平(ping)(ping)與(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)比值的(de)分布。沉(chen)(chen)(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)的(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)kh一般大于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)的(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為2.86，這一點與(yu)(yu)成(cheng)(cheng)層分布的(de)金屬(shu)尾礦規律一致。造成(cheng)(cheng)沉(chen)(chen)(chen)積磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)大于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)原因是由(you)于(yu)(yu)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)具有明顯的(de)晶(jing)體結構，電鏡掃描顯示多(duo)為菱形和棱柱狀(zhuang)形式(shi)(見圖(tu)8)，在沉(chen)(chen)(chen)積過程(cheng)中，由(you)于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)顆(ke)粒(li)多(duo)呈水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性大于(yu)(yu)垂直方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性，從(cong)而使磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)呈現明顯的(de)各(ge)向(xiang)(xiang)異性。

另根(gen)據中(zhong)國有色金屬工(gong)業昆(kun)明勘察設(she)計研(yan)究院在楊家箐磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩(ba)開(kai)展的(de)現場(chang)滲(shen)透(tou)試驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為1.9。但張超(chao)等的(de)室內(nei)試驗(yan)(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為0.46，也即(ji)垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)系數大于(yu)水平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系數，與本(ben)文和現場(chang)試驗(yan)(yan)結(jie)果(guo)恰恰相反。從磷(lin)石膏(gao)的(de)微觀(guan)結(jie)構(gou)來看，本(ben)文試驗(yan)(yan)結(jie)果(guo)更為合(he)理。

圖7沉(chen)積磷石膏干密度與(yu)水平(ping)和垂直(zhi)滲透系數(shu)比值的關系

(2)滲透(tou)變形

圖9為(wei)磷石膏干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)力(li)梯度(du)J與流速V的(de)(de)(de)關系(xi)(xi)曲(qu)線(xian)，試(shi)驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平(ping)管涌(yong)儀中(zhong)采用水(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)流形式進(jin)行(xing)。試(shi)驗(yan)得到的(de)(de)(de)臨界坡(po)降Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般來說，對(dui)(dui)1，2級工程(cheng)，滲(shen)(shen)透(tou)安全(quan)(quan)系(xi)(xi)數取(qu)為(wei)2.5，則允(yun)(yun)許出逸(yi)坡(po)降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下(xia)工程(cheng)，滲(shen)(shen)透(tou)安全(quan)(quan)系(xi)(xi)數取(qu)2.0，則允(yun)(yun)許出逸(yi)坡(po)降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許比降與粉土一(yi)粉砂大致(zhi)相同。但上(shang)(shang)述滲(shen)(shen)透(tou)變形試(shi)驗(yan)是采用自來水(shui)(shui)進(jin)行(xing)的(de)(de)(de)，自來水(shui)(shui)對(dui)(dui)磷石膏具有(you)一(yi)定的(de)(de)(de)溶蝕作用，而實際(ji)上(shang)(shang)磷石膏中(zhong)殘(can)余磷、硫和氟酸，庫水(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)般小于3(稱之為(wei)酸性水(shui)(shui))，在(zai)酸性水(shui)(shui)作用下(xia)，磷石膏不會發生破壞(huai)，上(shang)(shang)述試(shi)驗(yan)結(jie)果是偏(pian)于保(bao)守的(de)(de)(de)，但對(dui)(dui)非(fei)酸性水(shui)(shui)條件(jian)(例如特大暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)穩定判斷有(you)一(yi)定的(de)(de)(de)借鑒(jian)意義。

圖9水(shui)力梯度J-流速v試驗(yan)過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗

試驗(yan)在5Bar的壓力(li)板儀中(zhong)進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列(lie)出了含(han)水率(lv)特征值，試驗(yan)曲線見圖10所(suo)示。

試(shi)驗結(jie)果表明：①干密度(du)(du)對進氣(qi)值沒有明顯的(de)影響，不同干密度(du)(du)的(de)試(shi)樣(yang)的(de)進氣(qi)值大致(zhi)(zhi)在10kPa左(zuo)右(you)；②土樣(yang)殘余(yu)含(han)水率隨干密度(du)(du)的(de)增(zeng)加而減少，殘余(yu)含(han)水率約為(wei)飽和含(han)水率的(de)10%。上述特(te)性與粉土一(yi)(yi)粉砂(sha)基本一(yi)(yi)致(zhi)(zhi)。

2.3靜(jing)力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)密度變化較(jiao)大，而進行(xing)三(san)軸(zhou)試(shi)(shi)驗(yan)需要若干(gan)原狀樣，為使(shi)試(shi)(shi)驗(yan)結果具(ju)有較(jiao)好(hao)的(de)一致性(xing)，有針(zhen)對性(xing)的(de)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(de)若干(gan)試(shi)(shi)樣，進行(xing)了5組三(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗(yan)。圖(tu)11是為干(gan)密度為1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗(yan)曲線。

從(cong)圖11可以看出，磷石膏的(de)應(ying)力應(ying)變關系曲(qu)線在(zai)低圍(wei)壓(ya)下表(biao)(biao)現為(wei)(wei)(wei)軟(ruan)化型，在(zai)高圍(wei)壓(ya)下表(biao)(biao)現為(wei)(wei)(wei)硬化型，與一(yi)般土類相似。但與一(yi)般粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)不(bu)同的(de)是，即使在(zai)較為(wei)(wei)(wei)疏(shu)松的(de)狀態(tai)下，磷石膏仍表(biao)(biao)現了較為(wei)(wei)(wei)強(qiang)烈的(de)剪脹(zhang)，隨密實度增(zeng)大，剪脹(zhang)作用愈(yu)發明顯。

表2給出了(le)不同干密度(du)(du)(du)下(xia)的(de)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出了(le)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與干密度(du)(du)(du)的(de)關系曲線。隨干密度(du)(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采用冪(mi)函數(shu)較(jiao)好地擬合。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)干密度(du)(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了(le)32%，總應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據(ju)擬合曲線求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由于(yu)(yu)隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明顯(xian)增(zeng)(zeng)大(da)，故有效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之總應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)之于(yu)(yu)干密度(du)(du)(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表明即使(shi)較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)仍具有較(jiao)高的(de)強(qiang)度(du)(du)(du)指(zhi)標，這(zhe)也表明磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)穩(wen)定(ding)性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形試驗在側限壓縮儀中進(jin)行，試驗狀態相當(dang)于K0固結。試樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試樣(yang)干密(mi)度為(wei)1.30g/cm3，對(dui)試樣(yang)飽和后分別開展了上覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試驗，

試(shi)(shi)(shi)驗(yan)從2012年8月27日開(kai)始(shi)，試(shi)(shi)(shi)驗(yan)己進(jin)行了1年多，試(shi)(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)見圖13所示。

從(cong)圖(tu)13中可以看出：上覆荷載越(yue)大，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的蠕變變形(xing)(xing)也越(yue)大，荷載施加1年后，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的蠕變變形(xing)(xing)仍(reng)非常顯著，尚未達(da)到穩定狀態，這也是(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)后期變形(xing)(xing)較大的原(yuan)(yuan)因(yin)，原(yuan)(yuan)型觀測資料表明，在(zai)5級子(zi)壩(ba)河床部位的表面沉(chen)降(jiang)量已經達(da)到3.1m，且尚未完全(quan)穩定。

按(an)時(shi)間(jian)對數法，可求得各級(ji)荷載下(xia)的(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)量(liang)如(ru)表(biao)3所示。試驗結(jie)果表(biao)明，在100～400kPa上(shang)覆荷載作(zuo)用下(xia)，在試驗時(shi)間(jian)范圍內蠕變(bian)(次固(gu)(gu)結(jie))變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當然由于蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)尚(shang)未(wei)完成(cheng)，實際的(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)應更大(da)。對土(tu)體(ti)(ti)而言，發(fa)生(sheng)(sheng)蠕變(bian)的(de)(de)原(yuan)因(yin)是由于土(tu)體(ti)(ti)在主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)完成(cheng)之后，土(tu)體(ti)(ti)中仍有微小的(de)(de)超靜孔隙壓(ya)力存在，驅使(shi)水在顆粒問流動，一般來講土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)遠(yuan)小于主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)；對磷石膏而言，其(qi)滲透系數在10-4cm/s數量(liang)級(ji)，遠(yuan)大(da)于黏性土(tu)，但其(qi)卻發(fa)生(sheng)(sheng)了極(ji)為顯著的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，其(qi)原(yuan)因(yin)在于磷石膏晶體(ti)(ti)結(jie)構發(fa)生(sheng)(sheng)了壓(ya)縮、破壞(huai)，接(jie)觸(chu)點晶格發(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，而破壞(huai)后晶格之間(jian)的(de)(de)重新排列(lie)、調整到最后趨于相(xiang)對靜止需要相(xiang)當長的(de)(de)時(shi)間(jian)才能完成(cheng)。

2.4動(dong)力力學特性

試驗設(she)備采(cai)用英(ying)國GDS公司進口的電機控制動三軸試驗系統，試樣直(zhi)徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動(dong)模(mo)量和阻尼比

同樣由于自然沉積的(de)磷石膏密度變化較(jiao)大(da)，為此(ci)根據物理性質(zhi)試驗結果，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模(mo)量G、阻尼(ni)比與(yu)剪應變幅值(zhi)γd的關系式如下：

式(shi)中(zhong)k1為(wei)(wei)參數，表(biao)示(shi)動剪切模(mo)量的衰減或阻尼比的增長(chang)速率；λmax為(wei)(wei)最(zui)大(da)阻尼比；Gmax，γd分(fen)別為(wei)(wei)最(zui)大(da)動剪切模(mo)量和歸一化的動剪應變，表(biao)示(shi)為(wei)(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標準大(da)氣壓(ya)；vd為(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)歸一化(hua)的動應變，表達為(wei)(wei)

圖14給出(chu)(chu)了動剪(jian)切模(mo)量、阻(zu)尼比與歸一化動應變的(de)關系曲(qu)線，另(ling)外圖中(zhong)還(huan)給出(chu)(chu)了式(1)的(de)擬合(he)曲(qu)線以(yi)及Seed等給出(chu)(chu)的(de)砂樣(yang)的(de)上下(xia)邊界(jie)線，圖例(li)中(zhong)，σ2表示圍壓，Kc表示固結(jie)應力(li)比。

從圖(tu)中可以看出：①式(1)可較(jiao)好地描述磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動應(ying)力-動應(ying)變試驗曲線，表(biao)(biao)明(ming)采用(yong)等價(jia)黏彈(dan)性模型(xing)進行(xing)循(xun)環荷載作用(yong)下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分析是可行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中干(gan)(gan)密(mi)度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線位(wei)于(yu)干(gan)(gan)密(mi)度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線上(shang)方，圖(tu)14(b)中則位(wei)于(yu)下方，表(biao)(biao)明(ming)密(mi)度越(yue)大(da)(da)，動彈(dan)模越(yue)大(da)(da)、阻(zu)尼比越(yue)小；③圖(tu)14(a)中，兩(liang)種干(gan)(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線基(ji)本位(wei)于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界線上(shang)方，而圖(tu)14(b)中則基(ji)本處于(yu)邊(bian)界線中間，表(biao)(biao)明(ming)相(xiang)比較(jiao)砂樣，磷(lin)石膏(gao)(gao)動彈(dan)模較(jiao)大(da)(da)，會導致磷(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動力反應(ying)較(jiao)大(da)(da)，但由于(yu)阻(zu)尼比也較(jiao)大(da)(da)，這樣又會削弱(ruo)壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動力反應(ying)，二(er)者的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)影響下，磷(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動力反應(ying)將(jiang)不會過于(yu)強烈，這對磷(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗震穩定性是有(you)利的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度(du)

選擇兩種(zhong)平均干密(mi)度為1.12(變(bian)化范圍(wei)(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍(wei)(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準為總應(ying)變(bian)達(da)到(dao)10%。

圖15給出(chu)了動剪應力比τd/σ0′與破壞振(zhen)(zhen)次Nf的(de)關(guan)系曲線圖，其中σ0為(wei)(wei)振(zhen)(zhen)前試樣45°面(mian)上(shang)的(de)有效(xiao)法(fa)向應力，表達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結(jie)比。從試驗結(jie)果可(ke)以(yi)看出(chu)，沉積(ji)磷石膏的(de)動強度與其它土體相似，表現為(wei)(wei)圍壓和固結(jie)應力比與動剪應力比呈(cheng)負相關(guan)關(guan)系。

為(wei)判別(bie)沉積磷石膏的抗液化能力(li)，假(jia)定抗震設(she)計烈(lie)度為(wei)8度，即等效振次Ⅳ可(ke)取為(wei)30。首先由式(4)

所示的冪函(han)數關系式得(de)到振次為(wei)30時(shi)各個(ge)圍壓和固(gu)結比(bi)下(xia)的動剪(jian)應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求得(de)動剪應(ying)(ying)力比(bi)與(yu)圍壓和固(gu)結應(ying)(ying)力比(bi)的關(guan)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。

從上述擬合關系式可見(jian)，密實度提高(gao)后，動剪(jian)應力(li)比(bi)提高(gao)，表明抗液化能力(li)也(ye)提高(gao)。但(dan)即使是在低密度下，其動剪(jian)應力(li)比(bi)較之同(tong)類的粉(fen)土或粉(fen)砂也(ye)大(da)出許多，表明磷(lin)石膏(gao)具有較高(gao)的抗液化能力(li)。

三、結論(lun)

依托柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩，在鉆探取樣工(gong)作的基礎上(shang)，首先開(kai)展了物理性(xing)質(zhi)試(shi)驗，然(ran)后開(kai)展了靜動力力學(xue)特性(xing)試(shi)驗。通過上(shang)述試(shi)驗研(yan)究，得(de)出如下(xia)結論：

(1)沉(chen)積磷石膏總體上屬于(yu)級(ji)配(pei)不良的粉(fen)土，局(ju)部屬于(yu)粉(fen)砂(sha)(sha)一中砂(sha)(sha)，無自然分級(ji)現象。其干密度(du)和粒徑(jing)變化隨埋(mai)深(shen)或距放(fang)漿口(kou)距離的變化不明顯(xian)。

(2)沉(chen)積磷石膏(gao)水(shui)平方向(xiang)的(de)滲透系數(shu)(shu)大于垂直方向(xiang)的(de)滲透系數(shu)(shu)，呈現明顯的(de)各向(xiang)異(yi)性。

(3)與土體(ti)顆粒不可壓縮(suo)不同，磷石(shi)膏(gao)的(de)晶體(ti)結構會發生壓縮(suo)破壞，具有較(jiao)大的(de)壓縮(suo)性，其次固結變形量遠大于主固結變形量。

(4)沉(chen)積磷石膏的靜(jing)動強度(du)(du)較之同等(deng)密實度(du)(du)下的粉(fen)土、粉(fen)砂要高。