沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)是磷(lin)(lin)酸生產過程中的(de)副產品，目前的(de)綜(zong)合利用(yong)率(lv)(lv)尚不(bu)足40%，大部分需(xu)要(yao)堆(dui)存(cun)存(cun)放。受地形限制和經(jing)濟(ji)效益考(kao)慮，中國主要(yao)為濕(shi)法堆(dui)存(cun)的(de)山谷型堆(dui)場(chang)。依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩，針對沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)首先(xian)開展(zhan)了密度、含水(shui)率(lv)(lv)、滲透(tou)、土水(shui)特征和顆分等物理性質(zhi)試驗，然后開展(zhan)了三軸cu、蠕變(bian)(bian)及動三軸等力學特性試驗。試驗結(jie)果表(biao)明：①沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)干密度與埋深沒有(you)(you)相關關系；②沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)不(bu)具有(you)(you)自然分級(ji)現象，但(dan)具有(you)(you)明顯的(de)各向(xiang)異性；③沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有(you)(you)較高的(de)摩擦角和抗液化能力，但(dan)其蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形較大、滲透(tou)比(bi)降(jiang)較小。上(shang)述(shu)工(gong)作(zuo)為分析磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩的(de)壩體穩定性提供了基礎(chu)，對現行(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)運行(xing)管理以及新建工(gong)程的(de)設計具有(you)(you)重要(yao)的(de)借鑒(jian)意義。

引言

磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)是濕法(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)(chan)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)副產(chan)(chan)品，2018年(nian)，全(quan)(quan)國(guo)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)產(chan)(chan)生量為7800萬(wan)噸，且呈逐(zhu)年(nian)增長(chang)的(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)主要成(cheng)分是CaO和(he)SO3，但含有一定(ding)量的(de)(de)氟化物(wu)和(he)其(qi)它放(fang)射性(xing)物(wu)質，在中(zhong)(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類一般工(gong)(gong)業固體(ti)廢物(wu)處理，鑒于無(wu)害(hai)化處理成(cheng)本較高，目前(qian)綜合(he)利用率尚(shang)不(bu)足(zu)40%，故大(da)部分磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按堆(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)(di)(di)的(de)(de)不(bu)同(tong)，可分為平地(di)(di)(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)和(he)截(jie)河型(xing)堆(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)(zhong)國(guo)基本上是山(shan)谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)比較干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟優(you)勢明顯，因而如地(di)(di)(di)質條件為非碳酸(suan)鹽巖地(di)(di)(di)區，一般均采(cai)用濕排濕堆(dui)(dui)方式。隨著(zhu)中(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)(gong)業的(de)(de)快速發展，本世(shi)紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了幾座濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)庫，例如云天(tian)化國(guo)際化工(gong)(gong)三環分公司的(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩和(he)富瑞分公司的(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩，這兩座壩設計壩高均超(chao)過(guo)100m、處于8度地(di)(di)(di)震(zhen)區，其(qi)安全(quan)(quan)性(xing)備受關注。

據(ju)統(tong)計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全(quan)世界(jie)有(you)118座(zuo)尾(wei)礦(kuang)壩(ba)曾發生過破壞(huai)或潰壩(ba)事(shi)故，原因主要(yao)有(you)地(di)震、洪水漫頂、滲透破壞(huai)和基礎失(shi)穩。尾(wei)礦(kuang)庫(ku)失(shi)事(shi)后會(hui)造成巨(ju)大的(de)生態災難和人員傷(shang)亡，近幾十年(nian)來，

國內外對(dui)金屬尾礦的沉(chen)積(ji)規律、物理(li)力(li)(li)學特性(xing)及其(qi)穩定性(xing)開展了大(da)(da)量的研(yan)究，但對(dui)于與(yu)金屬尾礦庫(ku)相近的磷(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)，一般(ban)僅限于在可研(yan)階(jie)段采用人工制(zhi)備樣進(jin)行物理(li)力(li)(li)學性(xing)質試(shi)驗(yan)，并據此進(jin)行穩定性(xing)分析，尚(shang)未有人針對(dui)己(ji)運(yun)行若干(gan)年的大(da)(da)型濕法堆存磷(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩開展過(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏沉(chen)積(ji)規律及其(qi)物理(li)力(li)(li)學特性(xing)的專項(xiang)研(yan)究。

本(ben)文依托(tuo)柳樹箐(qing)磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩，首先進行了(le)(le)鉆探取樣(yang)(yang)，采用原狀樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)(le)密度、含(han)水率、滲透、土水特(te)(te)征(zheng)和顆(ke)分等(deng)物(wu)理性(xing)(xing)(xing)(xing)質試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，在(zai)此基(ji)礎(chu)上(shang)(shang)有針對(dui)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)選擇原狀樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)(le)三軸CU、蠕(ru)變(bian)及(ji)動三軸等(deng)力(li)學特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)。通過上(shang)(shang)述(shu)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)研(yan)究(jiu)，總結了(le)(le)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)沉積(ji)規律(lv)、滲透特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)、滲透破壞(huai)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)以及(ji)靜動力(li)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)，上(shang)(shang)述(shu)研(yan)究(jiu)工作對(dui)研(yan)究(jiu)和評估磷(lin)石膏(gao)庫(ku)堆積(ji)壩的(de)(de)穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)提供了(le)(le)基(ji)礎(chu)數據，對(dui)現(xian)行磷(lin)石膏(gao)庫(ku)的(de)(de)運(yun)行管理以及(ji)新(xin)建工程的(de)(de)設計(ji)具有重要(yao)的(de)(de)借鑒意義。

一、依托工程概(gai)況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏(gao)堆積壩堆存設計方案(an)

由初(chu)期(qi)壩和(he)堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采(cai)用土料(liao)填(tian)筑。上游坡面、壩底和下(xia)游壩腳設置堆(dui)石(shi)排(pai)(pai)水體，三者(zhe)相連通構成整個堆(dui)積(ji)壩的主要排(pai)(pai)滲(shen)系統。

(2)堆積壩及(ji)其輔助排滲措施

采用上游(you)式筑壩(ba)法，共20級子(zi)壩(ba)，頂(ding)寬(kuan)6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲管網(wang)作為輔助排滲方案，目(mu)前(qian)己在5級、9級子(zi)壩(ba)和13級子(zi)壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范(fan)圍內設置(zhi)了(le)井字形排滲管網(wang)。

1.2沉積(ji)磷石膏(gao)的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平面(mian)位置見圖l。2008年6月(yue)，堆積(ji)至5級子壩時，布設(she)了9個(ge)(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號K1～K9，取(qu)原狀(zhuang)樣76件(jian)；2013年5月(yue)，堆積(ji)至13級子壩時，又布設(she)了11個(ge)(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號K10～K20，取(qu)原狀(zhuang)樣112件(jian)，為比(bi)較(jiao)子壩加高和(he)磷石膏(gao)堆積(ji)過程中磷石膏(gao)物理力學性質的變化，在2，4級子壩K2孔(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)附近各布設(she)了一(yi)個(ge)(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號分別(bie)為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)(shi)膏(gao)尾礦(kuang)庫2005年開工建設，2006年1月投入運行(xing)，截(jie)至2013年5月己堆(dui)至13級子壩(ba)(ba)，尚有7級子壩(ba)(ba)即堆(dui)存至設計高程(cheng)。鑒于磷石(shi)(shi)膏(gao)庫地(di)(di)形、地(di)(di)質條件(jian)(jian)較(jiao)好，具備(bei)擴容改(gai)造的條件(jian)(jian)，以提高堆(dui)存庫容，減少堆(dui)存占(zhan)地(di)(di)，節約土(tu)地(di)(di)資(zi)源。

本文主(zhu)要對(dui)沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)物理力學特性(xing)進行了全面總結，限(xian)于篇幅，有關現狀磷(lin)石膏庫堆積(ji)壩(ba)的(de)安全性(xing)評價及其加高可行性(xing)的(de)研究將(jiang)另(ling)文發表。

二、沉積磷石膏的物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給出(chu)了14個鉆孔的(de)(de)(de)取(qu)樣(yang)深度(du)和(he)(he)試(shi)(shi)驗(yan)所得(de)干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)關系(xi)，圖(tu)中(zhong)UWL表示(shi)水(shui)位(wei)線上(shang)，(系(xi)鉆孔期間(jian)的(de)(de)(de)初見水(shui)位(wei)線，下同)，DWL表示(shi)水(shui)位(wei)線下。圖(tu)3給出(chu)了水(shui)位(wei)線上(shang)下的(de)(de)(de)飽和(he)(he)度(du)分布圖(tu)。由于磷石膏中(zhong)的(de)(de)(de)主(zhu)要成(cheng)分為CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度(du)和(he)(he)烘(hong)烤時間(jian)對測定結果有一定影(ying)響，不能照搬現行(xing)的(de)(de)(de)土工試(shi)(shi)驗(yan)規范，本文磷石膏的(de)(de)(de)含水(shui)率測定方法(fa)為55℃溫(wen)度(du)下烘(hong)培24h。

圖2沉積磷石(shi)膏干密度與(yu)埋深的關(guan)系(xi)

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

由圖3，水(shui)位線(xian)上的(de)(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度(du)(du)(du)平均值(zhi)(zhi)為50.4%，處(chu)于非飽(bao)(bao)和(he)狀態，水(shui)位線(xian)以(yi)下的(de)(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度(du)(du)(du)平均值(zhi)(zhi)為85.0%，基(ji)本處(chu)于飽(bao)(bao)和(he)狀態，由于水(shui)位下降后磷(lin)石膏來不及排(pai)水(shui)固(gu)結，故而水(shui)位線(xian)上局(ju)部試樣(yang)的(de)(de)飽(bao)(bao)和(he)度(du)(du)(du)較高(gao)。

由(you)圖(tu)2，水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的(de)(de)(de)干(gan)密度在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)干(gan)密度在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見(jian)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)與一(yi)般的(de)(de)(de)尾礦有(you)所不同(tong)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)干(gan)密度并不隨埋深的(de)(de)(de)增大(da)而明顯增大(da)，但水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)密度從統計意(yi)義上來看仍大(da)于(yu)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)密度，這主要是由(you)于(yu)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)隨庫水(shui)(shui)(shui)位(wei)的(de)(de)(de)變化反復升(sheng)降(jiang)而使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)排水(shui)(shui)(shui)固結所致。

室(shi)內擊實得到的磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，自然沉(chen)積的磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)度(du)可(ke)達(da)到1.73g/cm3，原因如下：與(yu)經(jing)典的土骨架(jia)不可(ke)壓縮的理論不同，石(shi)(shi)膏(gao)本身(shen)可(ke)壓縮，同時由于顆(ke)粒(li)結(jie)構不穩定，擊實試驗過程中磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)結(jie)構被破壞，受夯擊處(chu)下陷，四周鼓(gu)起，出(chu)現(xian)了類似于橡皮(pi)土的現(xian)象。而在(zai)現(xian)場條(tiao)件(jian)下，石(shi)(shi)膏(gao)骨架(jia)被破壞后(hou)，會(hui)導致顆(ke)粒(li)中的結(jie)合水滲出(chu)至(zhi)孔隙(xi)(xi)內，變成孔隙(xi)(xi)水，排水固結(jie)后(hou)會(hui)使得磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的孔隙(xi)(xi)比減小，干(gan)密(mi)度(du)增大。

圖4給出(chu)了相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔K2和K17(位(wei)于(yu)2級子(zi)壩河床部(bu)位(wei))以及相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔K6和K18(位(wei)于(yu)4級子(zi)壩河床部(bu)位(wei))干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值為1.37g/cm3。可見，即(ji)使(shi)從統計意義(yi)上來看(kan)，磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)也并未隨后續磷石膏(gao)的(de)(de)堆(dui)積而有較為明顯(xian)的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗采用密度計法，制備懸液時不(bu)(bu)煮沸，不(bu)(bu)加六偏(pian)磷酸(suan)鈉。圖(tu)5給出(chu)了試驗得(de)到的級配包線、平(ping)均粒徑d50、不(bu)(bu)均勻系數(shu)(1u和曲(qu)率系數(shu)Cc的分布(bu)圖(tu)。

從(cong)圖5(a)可(ke)見，磷(lin)石(shi)膏的粒(li)徑(jing)主要分(fen)布在0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬(shu)于(yu)粉土，但(dan)可(ke)能由于(yu)礦石(shi)來源或(huo)生(sheng)產工藝有所(suo)不同，局部(bu)屬(shu)于(yu)粉砂～中砂。粒(li)徑(jing)分(fen)布范圍比(bi)Blight和張超(chao)等的試驗(yan)結果要寬一些。

圖4子(zi)壩(ba)加高后沉積(ji)磷石膏的干密度變(bian)化

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論是(shi)水(shui)平(ping)向(xiang)還(huan)是(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與金屬礦(kuang)(kuang)(kuang)山(shan)尾礦(kuang)(kuang)(kuang)的“前(qian)粗后細(xi)，上粗下細(xi)”的自然分級(ji)現象不(bu)同(tong)，也即粗顆粒并不(bu)是(shi)沿埋深逐(zhu)步減小(xiao)或距離放漿(jiang)口越遠顆粒越細(xi)，其原因如下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆粒粒徑組成(cheng)較為集中、均勻，主要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)配(pei)較差(cha)；②相比較金屬尾礦(kuang)(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的比重較小(xiao)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的比重一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬尾礦(kuang)(kuang)(kuang)的比重，例如鐵(tie)尾礦(kuang)(kuang)(kuang)的比重可達2.9；③放漿(jiang)口隨(sui)子壩高度不(bu)斷增加而不(bu)斷變(bian)動并向(xiang)庫尾延(yan)伸(shen)，造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的粒徑變(bian)化不(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不均(jun)勻系數Cu范圍值1.61～21.5，平均(jun)值為4.18，曲率系數(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(shi)樣中，屬于級配(pei)不良(liang)土的(de)占93%。這種(zhong)級配(pei)特性決(jue)定了磷石膏具(ju)有較高(gao)的(de)壓縮性、滲透破壞型式表現為流(liu)土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)透系(xi)數(shu)的(de)主要因(yin)(yin)素(su)是粒徑大(da)小、級(ji)配(pei)和孔(kong)隙比，因(yin)(yin)而(er)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)滲(shen)透系(xi)數(shu)與(yu)(yu)粉土較(jiao)為(wei)接近。由(you)于孔(kong)隙比e減(jian)小，使得過水通道面積(ji)減(jian)小，滲(shen)透系(xi)數(shu)k也將減(jian)小，k與(yu)(yu)e呈正相關關系(xi)。對砂土，一般認為(wei)滲(shen)透系(xi)數(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)線性關系(xi)較(jiao)好，圖(tu)6給出了二(er)者間的(de)關系(xi)曲線，由(you)于沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)不(bu)均勻系(xi)數(shu)變化較(jiao)大(da)，使得沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)滲(shen)透系(xi)數(shu)變化范圍較(jiao)大(da)(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二(er)者問的(de)線性關系(xi)較(jiao)差。

圖(tu)6沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)滲透(tou)系(xi)(xi)數與(yu)孔隙比的(de)關系(xi)(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)平(ping)(ping)與(yu)垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)比值的(de)(de)(de)分布。沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)kh一(yi)般大(da)于(yu)垂直向(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約(yue)為(wei)(wei)2.86，這一(yi)點與(yu)成(cheng)層(ceng)分布的(de)(de)(de)金屬尾礦(kuang)規律一(yi)致。造(zao)成(cheng)沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)大(da)于(yu)垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)的(de)(de)(de)原因是(shi)由于(yu)磷(lin)石膏(gao)(gao)具有(you)明顯的(de)(de)(de)晶(jing)體結構，電鏡(jing)掃描(miao)顯示多為(wei)(wei)菱形(xing)和(he)棱柱狀形(xing)式(見圖8)，在沉積(ji)過程中，由于(yu)扁平(ping)(ping)狀磷(lin)石膏(gao)(gao)顆粒(li)多呈水(shui)(shui)平(ping)(ping)排(pai)列，使得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)性大(da)于(yu)垂直方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)性，從而使磷(lin)石膏(gao)(gao)呈現明顯的(de)(de)(de)各向(xiang)異性。

另(ling)根據(ju)中國有色金(jin)屬(shu)工業(ye)昆明勘察設計研(yan)究院在(zai)楊家箐磷石膏(gao)堆積壩(ba)開展的(de)現場(chang)滲(shen)(shen)透(tou)試驗，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約(yue)為1.9。但張超等的(de)室內試驗顯示，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約(yue)為0.46，也即(ji)垂(chui)直向滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數大(da)于(yu)水平向滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數，與本文(wen)和現場(chang)試驗結(jie)果恰恰相反。從(cong)磷石膏(gao)的(de)微觀(guan)結(jie)構來(lai)看，本文(wen)試驗結(jie)果更為合理(li)。

圖(tu)7沉積磷石膏(gao)干密度(du)與水平和垂直滲透(tou)系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)石膏干密度為(wei)1.40g/cm3的水(shui)(shui)力梯度J與(yu)流(liu)速V的關(guan)系(xi)曲線(xian)，試(shi)驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平管涌儀(yi)中(zhong)采(cai)用(yong)水(shui)(shui)平方向的滲流(liu)形式進行(xing)。試(shi)驗(yan)得到的臨(lin)界坡(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說，對1，2級(ji)工(gong)程，滲透安(an)(an)全系(xi)數(shu)取為(wei)2.5，則允(yun)(yun)許(xu)(xu)出(chu)逸坡(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下工(gong)程，滲透安(an)(an)全系(xi)數(shu)取2.0，則允(yun)(yun)許(xu)(xu)出(chu)逸坡(po)(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許(xu)(xu)比降(jiang)(jiang)(jiang)與(yu)粉土(tu)一粉砂大(da)致相同。但上(shang)述滲透變形試(shi)驗(yan)是(shi)采(cai)用(yong)自來(lai)水(shui)(shui)進行(xing)的，自來(lai)水(shui)(shui)對磷(lin)(lin)石膏具有(you)一定(ding)的溶(rong)蝕(shi)作(zuo)用(yong)，而實際上(shang)磷(lin)(lin)石膏中(zhong)殘余磷(lin)(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)(shui)的pH值(zhi)一般小(xiao)于3(稱之為(wei)酸性(xing)水(shui)(shui))，在(zai)酸性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下，磷(lin)(lin)石膏不會(hui)發(fa)生(sheng)破壞(huai)，上(shang)述試(shi)驗(yan)結果是(shi)偏(pian)于保守的，但對非酸性(xing)水(shui)(shui)條件(例(li)如(ru)特大(da)暴雨)下的滲透穩定(ding)判斷(duan)有(you)一定(ding)的借鑒意(yi)義(yi)。

圖9水力梯(ti)度J-流速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在5Bar的壓(ya)力板(ban)儀中(zhong)進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含水(shui)率特征值，試(shi)驗曲線見(jian)圖10所示(shi)。

試(shi)驗結果表(biao)明：①干(gan)密(mi)度對(dui)進氣值沒有明顯的(de)影響，不同干(gan)密(mi)度的(de)試(shi)樣的(de)進氣值大(da)致在10kPa左右(you)；②土樣殘余含(han)水率隨干(gan)密(mi)度的(de)增加而減(jian)少(shao)，殘余含(han)水率約(yue)為飽(bao)和含(han)水率的(de)10%。上述特(te)性與粉土一(yi)粉砂基本(ben)一(yi)致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏(gao)的(de)密度變化較大，而進行三軸試(shi)(shi)驗需要(yao)若(ruo)干(gan)(gan)原狀樣(yang)(yang)，為(wei)使試(shi)(shi)驗結果具有較好的(de)一致性，有針對性的(de)選擇平均干(gan)(gan)密度分別為(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)干(gan)(gan)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)，進行了5組三軸CU試(shi)(shi)驗。圖(tu)11是為(wei)干(gan)(gan)密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三軸CU試(shi)(shi)驗曲線(xian)。

從圖11可以(yi)看出，磷石膏的(de)應力(li)應變關系曲線在低圍壓(ya)下(xia)表(biao)現(xian)(xian)為軟(ruan)化型，在高圍壓(ya)下(xia)表(biao)現(xian)(xian)為硬化型，與一般土類(lei)相似(si)。但與一般粉土一粉砂不同的(de)是(shi)，即(ji)使在較為疏松的(de)狀態下(xia)，磷石膏仍表(biao)現(xian)(xian)了較為強烈的(de)剪(jian)脹(zhang)，隨密(mi)實度增大，剪(jian)脹(zhang)作(zuo)用愈發(fa)明顯。

表(biao)(biao)2給出(chu)(chu)了不同干(gan)(gan)密(mi)度(du)下的(de)(de)(de)(de)內(nei)摩(mo)擦角(jiao)，圖12給出(chu)(chu)了內(nei)摩(mo)擦角(jiao)與干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)關系曲線。隨(sui)干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，內(nei)摩(mo)擦角(jiao)也(ye)(ye)(ye)隨(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪(mi)函數(shu)較(jiao)好地(di)擬(ni)合。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總應(ying)力(li)摩(mo)擦角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有(you)效應(ying)力(li)摩(mo)擦角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于(yu)隨(sui)圍壓(ya)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也(ye)(ye)(ye)明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩(mo)擦角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之總應(ying)力(li)摩(mo)擦角(jiao)要小。另外較(jiao)之于(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦角(jiao)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表(biao)(biao)明(ming)即使較(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)仍具有(you)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)強度(du)指標，這也(ye)(ye)(ye)表(biao)(biao)明(ming)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)穩定性較(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(bian)(次固(gu)結(jie))變(bian)形試驗(yan)

磷石(shi)膏的蠕變變形(xing)試(shi)(shi)驗在側限壓(ya)縮儀(yi)中進行，試(shi)(shi)驗狀態相當于K0固結。試(shi)(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣(yang)干(gan)密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣(yang)飽(bao)和后分別開展(zhan)了(le)上覆壓(ya)力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗，

試(shi)驗(yan)(yan)從2012年8月27日開始(shi)，試(shi)驗(yan)(yan)己進行了1年多，試(shi)驗(yan)(yan)結果見圖13所示(shi)。

從(cong)圖13中可以看出：上(shang)覆荷載越大，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的蠕(ru)變變形也(ye)越大，荷載施加1年后，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的蠕(ru)變變形仍非常顯著，尚未達(da)到穩定狀(zhuang)態，這也(ye)是磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積壩后期變形較(jiao)大的原因，原型觀測資(zi)料表明，在5級子壩河床(chuang)部位的表面沉降(jiang)量已(yi)經(jing)達(da)到3.1m，且尚未完全穩定。

按(an)時(shi)間(jian)(jian)對(dui)數法，可(ke)求得各級(ji)荷(he)載下(xia)的(de)主(zhu)次固(gu)(gu)結變(bian)(bian)形量如表3所示。試驗結果表明，在(zai)100～400kPa上(shang)覆荷(he)載作用下(xia)，在(zai)試驗時(shi)間(jian)(jian)范圍(wei)內蠕變(bian)(bian)(次固(gu)(gu)結)變(bian)(bian)形是主(zhu)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)形的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由于(yu)(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形尚未完成，實際(ji)的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形應更大。對(dui)土體(ti)而言(yan)，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)(yu)土體(ti)在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)結完成之后(hou)，土體(ti)中仍有微小(xiao)的(de)超(chao)靜孔隙(xi)壓(ya)力存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問流(liu)動(dong)，一般來講土體(ti)的(de)次固(gu)(gu)結遠小(xiao)于(yu)(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)形；對(dui)磷石(shi)膏而言(yan)，其(qi)滲透系數在(zai)10-4cm/s數量級(ji)，遠大于(yu)(yu)(yu)黏性土，但其(qi)卻發(fa)生(sheng)了極(ji)為顯著的(de)次固(gu)(gu)結變(bian)(bian)形，其(qi)原(yuan)因在(zai)于(yu)(yu)(yu)磷石(shi)膏晶體(ti)結構(gou)發(fa)生(sheng)了壓(ya)縮、破(po)(po)壞(huai)，接觸點(dian)晶格發(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形，而破(po)(po)壞(huai)后(hou)晶格之間(jian)(jian)的(de)重(zhong)新排列、調整(zheng)到最后(hou)趨于(yu)(yu)(yu)相對(dui)靜止需(xu)要相當(dang)長的(de)時(shi)間(jian)(jian)才能(neng)完成。

2.4動力力學特性

試驗(yan)設備采用(yong)英國(guo)GDS公司進口的(de)電機控制動三軸試驗(yan)系(xi)統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比

同樣(yang)由于(yu)自然(ran)沉積的磷(lin)石膏(gao)密(mi)度變(bian)化較大(da)，為(wei)此根(gen)據(ju)物理性質試驗(yan)結(jie)果，選擇兩種平均干(gan)密(mi)度1.34g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試驗(yan)。

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

式(shi)中(zhong)k1為(wei)(wei)(wei)參(can)數(shu)，表示動(dong)剪切模量的衰減或阻尼比的增(zeng)長速率(lv)；λmax為(wei)(wei)(wei)最(zui)大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)(wei)最(zui)大動(dong)剪切模量和歸(gui)一化的動(dong)剪應(ying)變，表示為(wei)(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力(li)；Pa為(wei)標準(zhun)大氣(qi)壓；vd為(wei)動泊松(song)比；εa為(wei)歸一化的動應變(bian)，表(biao)達為(wei)

圖(tu)14給出(chu)了動剪切模量、阻尼(ni)比與歸一化動應變的(de)關系曲線，另外圖(tu)中還給出(chu)了式(1)的(de)擬(ni)合曲線以及Seed等給出(chu)的(de)砂(sha)樣(yang)的(de)上下(xia)邊(bian)界線，圖(tu)例(li)中，σ2表示(shi)圍(wei)壓(ya)，Kc表示(shi)固結應力比。

從圖(tu)中(zhong)可以看(kan)出(chu)：①式(1)可較(jiao)(jiao)好地描述磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)動(dong)應力(li)-動(dong)應變試(shi)驗曲(qu)線，表(biao)(biao)明采用等價黏彈(dan)性模(mo)型進(jin)行循環(huan)荷載作用下的(de)分析(xi)是(shi)可行的(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)擬合(he)線位(wei)(wei)于(yu)干密度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)擬合(he)線上方，圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)(wei)于(yu)下方，表(biao)(biao)明密度(du)(du)越(yue)大(da)(da)，動(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)大(da)(da)、阻尼(ni)(ni)比越(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密度(du)(du)的(de)擬合(he)線基本(ben)位(wei)(wei)于(yu)Seed等給出(chu)的(de)邊界線上方，而(er)圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本(ben)處于(yu)邊界線中(zhong)間，表(biao)(biao)明相(xiang)比較(jiao)(jiao)砂樣，磷石(shi)膏(gao)(gao)動(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)(jiao)大(da)(da)，會(hui)導致磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩的(de)動(dong)力(li)反應較(jiao)(jiao)大(da)(da)，但由(you)于(yu)阻尼(ni)(ni)比也較(jiao)(jiao)大(da)(da)，這(zhe)(zhe)樣又會(hui)削弱壩體的(de)動(dong)力(li)反應，二者的(de)相(xiang)互影響下，磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩壩體的(de)動(dong)力(li)反應將(jiang)不會(hui)過于(yu)強烈，這(zhe)(zhe)對磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩的(de)抗(kang)震穩定性是(shi)有利的(de)。

(2)動強度

選擇兩種(zhong)平均干密(mi)度為1.12(變化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準為總應變達(da)到(dao)10%。

圖(tu)15給(gei)出了動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)(li)(li)(li)比(bi)τd/σ0′與(yu)破(po)壞(huai)振(zhen)次Nf的(de)關系曲線圖(tu)，其(qi)(qi)中σ0為(wei)振(zhen)前試樣45°面上的(de)有效法向應(ying)力(li)(li)(li)(li)，表(biao)達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結比(bi)。從(cong)試驗結果(guo)可以看出，沉積(ji)磷石膏的(de)動(dong)強度與(yu)其(qi)(qi)它土體相似，表(biao)現為(wei)圍(wei)壓和固結應(ying)力(li)(li)(li)(li)比(bi)與(yu)動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)(li)(li)(li)比(bi)呈負相關關系。

為(wei)判(pan)別(bie)沉積磷石膏的(de)抗液化能(neng)力，假定抗震設計烈度為(wei)8度，即等效(xiao)振次Ⅳ可取(qu)為(wei)30。首先(xian)由式(4)

所示的冪函數關系式得到(dao)振次為30時各個圍壓和固結(jie)比(bi)下的動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后(hou)可(ke)擬合求得動剪(jian)應力(li)比(bi)與圍(wei)壓和固結(jie)應力(li)比(bi)的(de)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。

從上述擬合關系(xi)式可(ke)見，密(mi)(mi)實度提高后，動剪應力(li)(li)比提高，表明抗液化(hua)(hua)能力(li)(li)也(ye)提高。但即使(shi)是在低密(mi)(mi)度下(xia)，其動剪應力(li)(li)比較(jiao)之同(tong)類的粉土或(huo)粉砂也(ye)大出許(xu)多，表明磷石(shi)膏具有較(jiao)高的抗液化(hua)(hua)能力(li)(li)。

三、結論

依托(tuo)柳樹箐磷(lin)石膏堆積(ji)壩，在鉆(zhan)探取樣(yang)工作的基礎上，首先開展(zhan)(zhan)了物理性質試驗(yan)(yan)，然(ran)后(hou)開展(zhan)(zhan)了靜動(dong)力力學特(te)性試驗(yan)(yan)。通過上述試驗(yan)(yan)研(yan)究，得出如(ru)下結論：

(1)沉積磷石膏總(zong)體上屬(shu)(shu)于(yu)級(ji)配(pei)不良的粉土，局部(bu)屬(shu)(shu)于(yu)粉砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級(ji)現象。其干密度和粒(li)徑變(bian)化隨埋深或(huo)距放漿口距離(li)的變(bian)化不明(ming)顯。

(2)沉積磷石(shi)膏(gao)水平方(fang)向(xiang)的滲透系(xi)數(shu)大于垂直(zhi)方(fang)向(xiang)的滲透系(xi)數(shu)，呈(cheng)現明(ming)顯的各向(xiang)異性。

(3)與土體顆粒不(bu)(bu)可壓縮(suo)不(bu)(bu)同(tong)，磷(lin)石膏的(de)晶(jing)體結(jie)構會發生壓縮(suo)破(po)壞，具(ju)有較大的(de)壓縮(suo)性，其次固結(jie)變(bian)形(xing)量遠大于主(zhu)固結(jie)變(bian)形(xing)量。

(4)沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)靜動強度(du)較之同(tong)等(deng)密實度(du)下的(de)粉土、粉砂要高(gao)。