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(yan)

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)是濕法(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)副產(chan)品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)產(chan)生量為(wei)7800萬噸(dun)，且呈逐(zhu)年增長的(de)(de)(de)態(tai)勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)主要(yao)成分(fen)(fen)(fen)是CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定量的(de)(de)(de)氟化物(wu)(wu)和(he)其它放射(she)性物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)，在(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)通常按(an)Ⅱ類一(yi)般(ban)工(gong)業固體廢物(wu)(wu)處理，鑒(jian)于無害化處理成本(ben)較高，目前綜合利(li)用率尚不(bu)足(zu)40%，故(gu)大部分(fen)(fen)(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)場地(di)的(de)(de)(de)不(bu)同，可分(fen)(fen)(fen)為(wei)平地(di)型(xing)、傍山型(xing)、山谷(gu)型(xing)和(he)截(jie)河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場，在(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)基(ji)本(ben)上(shang)是山谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場。相(xiang)比較干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明顯，因而如(ru)地(di)質(zhi)(zhi)條件為(wei)非碳酸(suan)鹽巖(yan)地(di)區，一(yi)般(ban)均(jun)采用濕排濕堆(dui)(dui)(dui)方式(shi)。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，本(ben)世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了幾座濕法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)，例如(ru)云(yun)天化國(guo)際化工(gong)三(san)環分(fen)(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)(de)柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)和(he)富(fu)瑞(rui)分(fen)(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)，這兩座壩(ba)設計壩(ba)高均(jun)超過(guo)100m、處于8度(du)地(di)震(zhen)區，其安全性備(bei)受關(guan)注。

據統計，110多(duo)年(nian)(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)(nian)一2013年(nian)(nian)(nian))來，全世界有118座尾礦壩曾(ceng)發生過破壞或潰壩事(shi)故(gu)，原因主要有地震、洪水漫頂、滲透破壞和(he)基礎失(shi)(shi)穩。尾礦庫失(shi)(shi)事(shi)后會造成巨大的生態(tai)災難和(he)人員傷亡，近(jin)幾十年(nian)(nian)(nian)來，

國(guo)內外對(dui)金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的(de)沉積規律(lv)、物(wu)理(li)力學(xue)特性(xing)(xing)及(ji)其穩定性(xing)(xing)開展(zhan)(zhan)了大量的(de)研(yan)究(jiu)，但(dan)對(dui)于與(yu)金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)庫相近的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫，一(yi)般僅限于在可研(yan)階段采用人工制備樣進行物(wu)理(li)力學(xue)性(xing)(xing)質試驗，并據(ju)此進行穩定性(xing)(xing)分(fen)析，尚未有(you)人針(zhen)對(dui)己運行若干(gan)年(nian)的(de)大型濕(shi)法堆存磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩開展(zhan)(zhan)過(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)沉積規律(lv)及(ji)其物(wu)理(li)力學(xue)特性(xing)(xing)的(de)專項研(yan)究(jiu)。

本(ben)文依托(tuo)柳樹箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩，首先進行了(le)鉆探取樣，采用原狀(zhuang)(zhuang)樣開展(zhan)了(le)密度、含水率(lv)、滲(shen)透、土水特(te)征和顆分等物理(li)性(xing)(xing)質(zhi)試驗，在此(ci)基(ji)礎上(shang)有針對性(xing)(xing)的選擇原狀(zhuang)(zhuang)樣開展(zhan)了(le)三軸CU、蠕變(bian)及動三軸等力(li)學特(te)性(xing)(xing)試驗。通(tong)過(guo)上(shang)述試驗研究(jiu)，總結了(le)磷(lin)石(shi)膏的沉積規律、滲(shen)透特(te)性(xing)(xing)、滲(shen)透破壞特(te)性(xing)(xing)以及靜動力(li)特(te)性(xing)(xing)，上(shang)述研究(jiu)工作對研究(jiu)和評估磷(lin)石(shi)膏庫(ku)堆積壩的穩定性(xing)(xing)提供了(le)基(ji)礎數據，對現行磷(lin)石(shi)膏庫(ku)的運行管(guan)理(li)以及新建(jian)工程的設(she)計具有重要的借鑒意義。

一、依(yi)托(tuo)工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存設計方案

由初期(qi)壩(ba)和堆積壩(ba)組成(cheng)，設計總壩(ba)高約130m。

(1)初(chu)期壩

初期(qi)壩壩高約(yue)30m，采用土(tu)料填筑。上游坡(po)面、壩底和(he)下游壩腳設置堆石排(pai)水體，三(san)者(zhe)相連通構成整個堆積壩的主要(yao)排(pai)滲系統。

(2)堆積壩(ba)及(ji)其(qi)輔助排滲措施

采用上游(you)式(shi)筑壩(ba)法，共20級子(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積(ji)高度約100m。采用排(pai)(pai)(pai)滲(shen)(shen)管(guan)網(wang)作為(wei)輔(fu)助排(pai)(pai)(pai)滲(shen)(shen)方案，目前己在5級、9級子(zi)壩(ba)和13級子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范圍內(nei)設置了井(jing)字形排(pai)(pai)(pai)滲(shen)(shen)管(guan)網(wang)。

1.2沉(chen)積磷(lin)石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔平面位置見圖l。2008年6月(yue)，堆(dui)(dui)積(ji)(ji)至(zhi)5級子(zi)(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，布設了(le)(le)9個(ge)取樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號(hao)(hao)K1～K9，取原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)76件；2013年5月(yue)，堆(dui)(dui)積(ji)(ji)至(zhi)13級子(zi)(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，又布設了(le)(le)11個(ge)取樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號(hao)(hao)K10～K20，取原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)112件，為比較子(zi)(zi)(zi)壩(ba)加高和磷石膏堆(dui)(dui)積(ji)(ji)過程(cheng)中磷石膏物(wu)理力學(xue)性質的(de)變化，在2，4級子(zi)(zi)(zi)壩(ba)K2孔和K6孔附近各布設了(le)(le)一個(ge)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號(hao)(hao)分別為K17和K18。

1.3運(yun)行概況

柳樹箐磷(lin)石(shi)膏尾礦(kuang)庫2005年開工(gong)建設，2006年1月投入運行，截至2013年5月己堆(dui)(dui)至13級子壩，尚(shang)有7級子壩即(ji)堆(dui)(dui)存(cun)至設計高程。鑒于磷(lin)石(shi)膏庫地(di)(di)形、地(di)(di)質條件較好，具(ju)備擴容改(gai)造的條件，以提高堆(dui)(dui)存(cun)庫容，減少堆(dui)(dui)存(cun)占(zhan)地(di)(di)，節約土地(di)(di)資源。

本文主要對沉積磷(lin)石膏的(de)(de)物(wu)理力學特性進行了全(quan)面總結(jie)，限于篇幅，有關現(xian)狀磷(lin)石膏庫堆積壩的(de)(de)安全(quan)性評價及其加高(gao)可行性的(de)(de)研究將另文發表(biao)。

二、沉積磷石膏的(de)物理力學特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度(du)分布

圖(tu)2給出(chu)了(le)14個(ge)鉆(zhan)孔的(de)取樣深度和試驗所(suo)得干密(mi)度的(de)關系，圖(tu)中UWL表示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線上，(系鉆(zhan)孔期間的(de)初見水(shui)(shui)位(wei)線，下(xia)(xia)同(tong))，DWL表示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線下(xia)(xia)。圖(tu)3給出(chu)了(le)水(shui)(shui)位(wei)線上下(xia)(xia)的(de)飽(bao)和度分布(bu)圖(tu)。由于磷石膏(gao)中的(de)主(zhu)要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫(wen)度和烘烤時間對(dui)測(ce)定結果有一定影(ying)響，不(bu)能(neng)照搬現(xian)行的(de)土工(gong)試驗規范，本文磷石膏(gao)的(de)含水(shui)(shui)率測(ce)定方法為55℃溫(wen)度下(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深(shen)的關系(xi)

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

由(you)圖3，水位(wei)線(xian)上的(de)磷石(shi)膏(gao)飽和(he)度平均值為50.4%，處(chu)于非飽和(he)狀(zhuang)態，水位(wei)線(xian)以下的(de)磷石(shi)膏(gao)飽和(he)度平均值為85.0%，基本處(chu)于飽和(he)狀(zhuang)態，由(you)于水位(wei)下降后磷石(shi)膏(gao)來不及(ji)排水固結，故(gu)而水位(wei)線(xian)上局部試樣(yang)的(de)飽和(he)度較高。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以上的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以下的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值為1.4g/cm3。可(ke)見磷石(shi)(shi)(shi)膏與一般的(de)(de)(de)(de)尾礦有所不同，磷石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)并(bing)不隨(sui)埋深的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而明顯增(zeng)大(da)(da)，但(dan)水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以下的(de)(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏干密(mi)度(du)從統計意義上來看(kan)仍大(da)(da)于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以上的(de)(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏干密(mi)度(du)，這主要是由(you)于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)隨(sui)庫(ku)水(shui)位(wei)的(de)(de)(de)(de)變化反復升降(jiang)而使得磷石(shi)(shi)(shi)膏排水(shui)固結所致。

室內擊實(shi)得到(dao)的磷石(shi)(shi)膏最(zui)大干密度一般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從圖2可(ke)(ke)(ke)以看(kan)出(chu)，自(zi)然沉積(ji)的磷石(shi)(shi)膏最(zui)大干密度可(ke)(ke)(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如(ru)下：與(yu)經(jing)典(dian)的土骨(gu)架(jia)不(bu)(bu)可(ke)(ke)(ke)壓(ya)縮的理論(lun)不(bu)(bu)同，石(shi)(shi)膏本(ben)身可(ke)(ke)(ke)壓(ya)縮，同時由于顆粒結(jie)(jie)構(gou)不(bu)(bu)穩定，擊實(shi)試驗過程(cheng)中(zhong)磷石(shi)(shi)膏結(jie)(jie)構(gou)被(bei)破壞，受夯擊處下陷，四周鼓起(qi)，出(chu)現(xian)了類似于橡(xiang)皮土的現(xian)象。而(er)在(zai)現(xian)場條件下，石(shi)(shi)膏骨(gu)架(jia)被(bei)破壞后，會(hui)(hui)導(dao)致顆粒中(zhong)的結(jie)(jie)合水(shui)滲(shen)出(chu)至(zhi)孔(kong)隙(xi)內，變成孔(kong)隙(xi)水(shui)，排水(shui)固結(jie)(jie)后會(hui)(hui)使得磷石(shi)(shi)膏的孔(kong)隙(xi)比(bi)減小，干密度增大。

圖4給出了相鄰(lin)鉆孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于2級子(zi)壩河床部位(wei)(wei))以及相鄰(lin)鉆孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于4級子(zi)壩河床部位(wei)(wei))干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)對比圖。K2鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.37g/cm3。可見(jian)，即使從統計意義上來看(kan)，磷(lin)石膏的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)也(ye)并未隨后續磷(lin)石膏的(de)(de)(de)堆積(ji)而(er)有較為(wei)(wei)(wei)明顯(xian)的(de)(de)(de)增(zeng)大。

(2)級(ji)配分布

顆粒(li)分析試驗采用密度計法，制備懸液(ye)時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得(de)到(dao)的級配(pei)包線、平均粒(li)徑d50、不均勻系數(shu)(1u和(he)曲(qu)率系數(shu)Cc的分布圖。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏的(de)粒(li)徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上(shang)屬于粉(fen)土(tu)，但(dan)可能(neng)由(you)于礦石(shi)來源(yuan)或(huo)生產工藝有所不(bu)同，局部(bu)屬于粉(fen)砂～中(zhong)砂。粒(li)徑分布范圍比Blight和(he)張(zhang)超等的(de)試驗結(jie)果要寬一些。

圖4子(zi)壩(ba)加(jia)高(gao)后沉積磷石膏的干密(mi)度(du)變化(hua)

圖5沉(chen)積磷石(shi)膏的平均粒(li)徑和(he)級配分布(bu)

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向(xiang)還是垂(chui)直(zhi)向(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與金屬礦山尾礦的“前粗(cu)(cu)后細，上粗(cu)(cu)下細”的自(zi)然(ran)分級現象(xiang)不(bu)同，也即粗(cu)(cu)顆(ke)粒并(bing)不(bu)是沿埋深(shen)逐步減小或距離放漿(jiang)口越遠(yuan)顆(ke)粒越細，其(qi)原因如(ru)下：①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆(ke)粒粒徑組成較(jiao)為(wei)集中(zhong)、均勻，主要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較(jiao)差(cha)；②相比(bi)較(jiao)金屬尾礦，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的比(bi)重較(jiao)小，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的比(bi)重一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于金屬尾礦的比(bi)重，例如(ru)鐵尾礦的比(bi)重可達2.9；③放漿(jiang)口隨子壩高度(du)不(bu)斷增(zeng)加而不(bu)斷變(bian)(bian)動并(bing)向(xiang)庫尾延伸，造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的粒徑變(bian)(bian)化不(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不(bu)均(jun)勻(yun)系數Cu范圍值1.61～21.5，平(ping)均(jun)值為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值0.28～9.78，平(ping)均(jun)值為(wei)1.21，在統(tong)計的100多(duo)個試樣中，屬于(yu)級配(pei)不(bu)良(liang)土的占93%。這種級配(pei)特性決定了磷石膏具有較高的壓縮性、滲透破(po)壞型(xing)式(shi)表(biao)現為(wei)流(liu)土破(po)壞。

2.2滲(shen)透特(te)性

(1)滲透系數(shu)

影響滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑大(da)(da)小(xiao)(xiao)(xiao)、級配和孔隙比(bi)，因而磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)為接近。由于(yu)孔隙比(bi)e減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)，使(shi)得(de)過水通(tong)道面積(ji)(ji)減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)，滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)(xiao)，k與(yu)e呈正相關關系(xi)(xi)(xi)(xi)。對(dui)砂土(tu)，一般(ban)認為滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)好(hao)，圖6給出了(le)二者(zhe)間的(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由于(yu)沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)大(da)(da)，使(shi)得(de)沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化范圍較(jiao)大(da)(da)(平(ping)均值(zhi)為10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二者(zhe)問(wen)的(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉(chen)積磷石膏(gao)滲透系數與孔(kong)隙比(bi)的關系

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

圖7給出(chu)了水(shui)平(ping)(ping)(ping)與(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)比值的(de)(de)分布(bu)。沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)水(shui)平(ping)(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)kh一(yi)般(ban)大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均(jun)值約為2.86，這一(yi)點與(yu)成(cheng)層分布(bu)的(de)(de)金屬尾礦規律一(yi)致。造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)平(ping)(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)原因是由于(yu)(yu)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有明顯的(de)(de)晶體結(jie)構，電鏡(jing)掃描顯示多(duo)為菱形和棱柱狀形式(見(jian)圖8)，在沉積過(guo)程中，由于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒多(duo)呈(cheng)水(shui)平(ping)(ping)(ping)排列，使(shi)(shi)得水(shui)平(ping)(ping)(ping)方(fang)(fang)向的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)方(fang)(fang)向的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性，從(cong)而使(shi)(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)呈(cheng)現(xian)明顯的(de)(de)各(ge)向異性。

另根據中國有(you)色金屬工業昆(kun)明勘察(cha)設計(ji)研究院(yuan)在楊家箐磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩開展的現(xian)場(chang)滲透試驗(yan)(yan)，kh/kv的平均(jun)值約(yue)為(wei)1.9。但張超等的室內試驗(yan)(yan)顯示，kh/kv的平均(jun)值約(yue)為(wei)0.46，也即垂直向滲透系數(shu)大于水(shui)平向滲透系數(shu)，與本(ben)(ben)文和現(xian)場(chang)試驗(yan)(yan)結果恰(qia)恰(qia)相反。從磷石(shi)膏的微觀結構來看，本(ben)(ben)文試驗(yan)(yan)結果更(geng)為(wei)合理(li)。

圖(tu)7沉積磷(lin)石(shi)膏干密度與(yu)水(shui)平和垂直(zhi)滲透(tou)系數比值的關系

(2)滲透(tou)變形(xing)

圖9為(wei)(wei)(wei)磷石膏(gao)(gao)(gao)干密度(du)為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯(ti)度(du)J與流(liu)速V的(de)(de)關系(xi)(xi)曲線，試(shi)驗在水(shui)平(ping)管涌儀(yi)中采(cai)用(yong)水(shui)平(ping)方向的(de)(de)滲流(liu)形式進(jin)行。試(shi)驗得到的(de)(de)臨(lin)界(jie)坡(po)(po)降Jc=0.355，破壞坡(po)(po)降Jp=0.375。一(yi)般來說，對1，2級(ji)工程，滲透(tou)安全系(xi)(xi)數(shu)取(qu)為(wei)(wei)(wei)2.5，則(ze)允許出逸(yi)坡(po)(po)降為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下工程，滲透(tou)安全系(xi)(xi)數(shu)取(qu)2.0，則(ze)允許出逸(yi)坡(po)(po)降為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大致相同。但(dan)上述滲透(tou)變形試(shi)驗是采(cai)用(yong)自來水(shui)進(jin)行的(de)(de)，自來水(shui)對磷石膏(gao)(gao)(gao)具有一(yi)定的(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)，而實際上磷石膏(gao)(gao)(gao)中殘(can)余磷、硫和(he)氟酸(suan)，庫水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般小于3(稱(cheng)之(zhi)為(wei)(wei)(wei)酸(suan)性水(shui))，在酸(suan)性水(shui)作(zuo)用(yong)下，磷石膏(gao)(gao)(gao)不會發生破壞，上述試(shi)驗結果是偏于保(bao)守的(de)(de)，但(dan)對非酸(suan)性水(shui)條(tiao)件(例如特(te)大暴雨)下的(de)(de)滲透(tou)穩定判(pan)斷有一(yi)定的(de)(de)借鑒(jian)意義。

圖9水力梯度J-流速v試驗過(guo)程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在(zai)5Bar的壓力板儀(yi)中(zhong)進行，環刀尺寸(cun)6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組(zu)，吸力范圍(wei)0～500kPa。表(biao)l列出了(le)含(han)水率(lv)特征值，試驗曲(qu)線見圖10所(suo)示。

試驗結果表明(ming)：①干密度(du)對進氣值沒有明(ming)顯的(de)(de)影響，不同干密度(du)的(de)(de)試樣的(de)(de)進氣值大致(zhi)在10kPa左右；②土樣殘余含水(shui)(shui)(shui)率(lv)隨(sui)干密度(du)的(de)(de)增加而減(jian)少，殘余含水(shui)(shui)(shui)率(lv)約為(wei)飽和含水(shui)(shui)(shui)率(lv)的(de)(de)10%。上述特性與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂基本一(yi)致(zhi)。

2.3靜(jing)力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試驗(yan)

由(you)于沉(chen)積磷石膏的密度(du)變化較(jiao)大，而進行三(san)(san)軸試驗需要若干(gan)原狀樣(yang)，為使試驗結果具有較(jiao)好的一致性，有針對性的選擇(ze)平均干(gan)密度(du)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)，進行了5組三(san)(san)軸CU試驗。圖11是為干(gan)密度(du)為1.2和1.58g/cm3的三(san)(san)軸CU試驗曲(qu)線(xian)。

從圖(tu)11可(ke)以看出，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)應(ying)力應(ying)變關系曲線在(zai)低圍壓(ya)下(xia)表現為(wei)軟化(hua)型，在(zai)高圍壓(ya)下(xia)表現為(wei)硬化(hua)型，與(yu)一(yi)般(ban)土(tu)(tu)類相似。但與(yu)一(yi)般(ban)粉土(tu)(tu)一(yi)粉砂(sha)不同的(de)(de)是，即(ji)使在(zai)較為(wei)疏松(song)的(de)(de)狀(zhuang)態下(xia)，磷石(shi)膏(gao)(gao)仍(reng)表現了(le)較為(wei)強烈的(de)(de)剪脹(zhang)，隨密實度(du)增大，剪脹(zhang)作用愈發明顯。

表2給(gei)出(chu)(chu)了不同干密度(du)下的(de)(de)(de)(de)內摩(mo)擦(ca)(ca)角，圖12給(gei)出(chu)(chu)了內摩(mo)擦(ca)(ca)角與干密度(du)的(de)(de)(de)(de)關系曲線(xian)。隨干密度(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)擦(ca)(ca)角也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較(jiao)好地擬合(he)(he)。磷石膏的(de)(de)(de)(de)干密度(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬合(he)(he)曲線(xian)求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)9.4%，有(you)效(xiao)應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)3.2%，由(you)(you)于隨圍壓的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔(kong)壓也明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有(you)效(xiao)摩(mo)擦(ca)(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)之總應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角要小。另外較(jiao)之于干密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不顯著，表明(ming)即使較(jiao)為(wei)疏(shu)松的(de)(de)(de)(de)磷石膏仍具有(you)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)強度(du)指(zhi)標，這也表明(ming)磷石膏堆積壩的(de)(de)(de)(de)穩定性(xing)較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷(lin)石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形試(shi)(shi)驗(yan)(yan)在(zai)側限壓縮儀中進行，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)狀態(tai)相當(dang)于K0固結。試(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)(shi)樣飽和后分(fen)別開(kai)展(zhan)了上(shang)覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，

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

從(cong)圖13中可以(yi)看出：上覆荷載越大(da)，磷(lin)石(shi)膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)也越大(da)，荷載施加1年后(hou)，磷(lin)石(shi)膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯(xian)著，尚未達(da)到(dao)穩(wen)定狀態，這也是磷(lin)石(shi)膏堆積壩后(hou)期(qi)變(bian)形(xing)較大(da)的原(yuan)因，原(yuan)型(xing)觀測(ce)資料(liao)表明，在(zai)5級子壩河床部位的表面沉(chen)降量已經達(da)到(dao)3.1m，且尚未完(wan)全穩(wen)定。

按時(shi)(shi)(shi)間(jian)對(dui)數法，可求得各級荷載下(xia)的(de)主次固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)量如表(biao)3所示(shi)。試驗結(jie)(jie)果表(biao)明，在(zai)100～400kPa上覆(fu)荷載作用下(xia)，在(zai)試驗時(shi)(shi)(shi)間(jian)范圍內(nei)蠕(ru)變(bian)(bian)(次固(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)是主固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍(bei)，當(dang)然由于蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未完成，實(shi)際的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更(geng)大。對(dui)土(tu)(tu)體而(er)言，發生(sheng)(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)原因(yin)是由于土(tu)(tu)體在(zai)主固(gu)結(jie)(jie)完成之(zhi)(zhi)后，土(tu)(tu)體中(zhong)仍(reng)有(you)微小(xiao)的(de)超靜孔隙壓力存在(zai)，驅使(shi)水在(zai)顆粒問流動，一般來講土(tu)(tu)體的(de)次固(gu)結(jie)(jie)遠小(xiao)于主固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)；對(dui)磷(lin)石膏(gao)而(er)言，其(qi)(qi)滲透(tou)系數在(zai)10-4cm/s數量級，遠大于黏性土(tu)(tu)，但其(qi)(qi)卻(que)發生(sheng)(sheng)了(le)極為顯著的(de)次固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)，其(qi)(qi)原因(yin)在(zai)于磷(lin)石膏(gao)晶(jing)體結(jie)(jie)構發生(sheng)(sheng)了(le)壓縮(suo)、破壞(huai)(huai)，接觸點晶(jing)格發生(sheng)(sheng)歪曲(qu)和變(bian)(bian)形(xing)，而(er)破壞(huai)(huai)后晶(jing)格之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)重新(xin)排列、調整到(dao)最后趨(qu)于相對(dui)靜止需要相當(dang)長的(de)時(shi)(shi)(shi)間(jian)才能完成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采(cai)用(yong)英國GDS公司進口的電機控制動三軸試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼(ni)比

同樣由于自然沉(chen)積(ji)的磷石膏(gao)密(mi)度變(bian)化較(jiao)大，為此根據物理性質試驗結果(guo)，選擇兩種平均干(gan)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(de)動剪切模量(liang)G、阻(zu)尼比與剪應變幅(fu)值γd的(de)關系式如下(xia)：

式中k1為(wei)參數，表示動(dong)(dong)剪(jian)切(qie)模量的(de)衰減或(huo)阻尼比的(de)增長速率(lv)；λmax為(wei)最大(da)阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)最大(da)動(dong)(dong)剪(jian)切(qie)模量和歸一化的(de)動(dong)(dong)剪(jian)應(ying)變，表示為(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應(ying)力(li)；Pa為(wei)(wei)標準大(da)氣(qi)壓；vd為(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)歸一(yi)化(hua)的動應(ying)變，表達(da)為(wei)(wei)

圖(tu)14給(gei)出(chu)(chu)了動剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化動應(ying)變的關(guan)系曲線(xian)(xian)，另外圖(tu)中(zhong)還給(gei)出(chu)(chu)了式(shi)(1)的擬合曲線(xian)(xian)以及(ji)Seed等給(gei)出(chu)(chu)的砂樣的上下邊界線(xian)(xian)，圖(tu)例中(zhong)，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結應(ying)力比(bi)。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)較好地描述磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)動應(ying)力(li)-動應(ying)變試驗(yan)曲線(xian)，表(biao)明采用(yong)(yong)等(deng)(deng)價黏彈(dan)性模(mo)型進行循(xun)環荷(he)載作用(yong)(yong)下(xia)的(de)(de)(de)分析是(shi)可(ke)行的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)位(wei)于(yu)干密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)上方，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位(wei)于(yu)下(xia)方，表(biao)明密(mi)度越(yue)大(da)(da)(da)，動彈(dan)模(mo)越(yue)大(da)(da)(da)、阻尼比越(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密(mi)度的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)Seed等(deng)(deng)給出(chu)的(de)(de)(de)邊(bian)界線(xian)上方，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基本(ben)處于(yu)邊(bian)界線(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)明相比較砂樣，磷(lin)石膏(gao)動彈(dan)模(mo)較大(da)(da)(da)，會(hui)導致磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)動力(li)反應(ying)較大(da)(da)(da)，但由于(yu)阻尼比也較大(da)(da)(da)，這樣又會(hui)削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動力(li)反應(ying)，二者(zhe)的(de)(de)(de)相互影(ying)響下(xia)，磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動力(li)反應(ying)將不會(hui)過于(yu)強烈，這對磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定性是(shi)有利(li)的(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強度(du)

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

圖(tu)15給出了動剪(jian)應(ying)力比(bi)τd/σ0′與(yu)(yu)破壞振次Nf的關(guan)系(xi)曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為(wei)(wei)振前試(shi)樣(yang)45°面上(shang)的有效法向應(ying)力，表(biao)達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結比(bi)。從試(shi)驗(yan)結果可以看出，沉(chen)積磷石膏的動強(qiang)度與(yu)(yu)其(qi)它土體相似，表(biao)現為(wei)(wei)圍壓(ya)和(he)固結應(ying)力比(bi)與(yu)(yu)動剪(jian)應(ying)力比(bi)呈負(fu)相關(guan)關(guan)系(xi)。

為(wei)(wei)判(pan)別(bie)沉積磷(lin)石膏的抗(kang)(kang)液化能力，假(jia)定抗(kang)(kang)震設計烈度為(wei)(wei)8度，即等效振次(ci)Ⅳ可(ke)取(qu)為(wei)(wei)30。首先由式(4)

所(suo)示的冪函數關系式得(de)到振次為30時(shi)各(ge)個(ge)圍壓和固(gu)結比(bi)下的動剪應力(li)比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應(ying)力比與圍壓和固結(jie)應(ying)力比的關系式(shi)：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，密實度提高(gao)(gao)后，動剪(jian)應(ying)力比提高(gao)(gao)，表(biao)(biao)明抗液化能力也提高(gao)(gao)。但即使是在低密度下(xia)，其動剪(jian)應(ying)力比較(jiao)之(zhi)同(tong)類的粉土或粉砂也大(da)出許多(duo)，表(biao)(biao)明磷石膏具有較(jiao)高(gao)(gao)的抗液化能力。

三(san)、結論

依(yi)托柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩(ba)，在鉆(zhan)探取(qu)樣(yang)工作的基礎上，首先開(kai)展了物理性質試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，然后開(kai)展了靜動(dong)力力學特性試(shi)(shi)驗(yan)(yan)。通過上述試(shi)(shi)驗(yan)(yan)研(yan)究，得出如下結論：

(1)沉(chen)積磷石膏總體上(shang)屬于級配不良(liang)的(de)粉土，局部屬于粉砂(sha)一中砂(sha)，無(wu)自然分(fen)級現象。其干密(mi)度和粒徑(jing)變(bian)化隨埋深或距放漿口距離的(de)變(bian)化不明顯。

(2)沉積磷石膏(gao)水平方(fang)向的滲(shen)透系數(shu)大于垂(chui)直方(fang)向的滲(shen)透系數(shu)，呈現明顯的各向異性。

(3)與土體顆粒不(bu)可(ke)壓縮不(bu)同，磷石(shi)膏(gao)的晶體結構會發生(sheng)壓縮破壞，具有較(jiao)大的壓縮性，其次固結變(bian)形(xing)量遠大于主固結變(bian)形(xing)量。

(4)沉(chen)積磷石(shi)膏的靜動強度較之同等密實度下的粉(fen)土(tu)、粉(fen)砂要高。