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(yin)言

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏是濕(shi)(shi)(shi)法(fa)(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)副產(chan)品，2018年(nian)，全國磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏產(chan)生量(liang)為(wei)7800萬噸(dun)，且(qie)呈逐年(nian)增長的(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)主要成分是CaO和(he)SO3，但(dan)含有一(yi)定量(liang)的(de)(de)氟化(hua)(hua)物(wu)和(he)其(qi)(qi)它放(fang)射(she)性物(wu)質(zhi)，在(zai)中(zhong)(zhong)國通常按(an)(an)Ⅱ類(lei)一(yi)般(ban)工業固體(ti)廢物(wu)處理，鑒于無(wu)害化(hua)(hua)處理成本較高，目(mu)前綜合利(li)用(yong)率尚不(bu)足40%，故大(da)部分磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏需要堆存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放(fang)。按(an)(an)堆存(cun)(cun)(cun)場(chang)(chang)地(di)的(de)(de)不(bu)同(tong)，可分為(wei)平地(di)型、傍山型、山谷型和(he)截(jie)河型堆場(chang)(chang)，在(zai)中(zhong)(zhong)國基本上是山谷型堆場(chang)(chang)。相比較干(gan)法(fa)(fa)堆存(cun)(cun)(cun)，濕(shi)(shi)(shi)法(fa)(fa)堆存(cun)(cun)(cun)經濟優(you)勢(shi)明顯，因(yin)而如地(di)質(zhi)條件為(wei)非碳酸(suan)鹽巖地(di)區，一(yi)般(ban)均采用(yong)濕(shi)(shi)(shi)排濕(shi)(shi)(shi)堆方式(shi)。隨著(zhu)中(zhong)(zhong)國磷(lin)(lin)肥工業的(de)(de)快速發展，本世紀初中(zhong)(zhong)國相繼建設了幾座濕(shi)(shi)(shi)法(fa)(fa)堆存(cun)(cun)(cun)的(de)(de)大(da)型磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)，例如云天化(hua)(hua)國際(ji)化(hua)(hua)工三環(huan)分公(gong)司(si)的(de)(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)堆積壩和(he)富瑞分公(gong)司(si)的(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)堆積壩，這兩座壩設計壩高均超過100m、處于8度地(di)震(zhen)區，其(qi)(qi)安全性備受關注。

據統計(ji)，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全世界有118座尾礦(kuang)壩曾(ceng)發生過(guo)破(po)壞或潰壩事故，原(yuan)因主要有地震、洪(hong)水漫頂、滲透破(po)壞和基礎失穩。尾礦(kuang)庫失事后會造成巨大(da)的生態災(zai)難和人(ren)員傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國(guo)內外對(dui)(dui)金屬(shu)尾礦(kuang)的(de)(de)沉(chen)積規律、物理(li)力學(xue)特(te)(te)性(xing)及(ji)其(qi)穩(wen)定性(xing)開展(zhan)了大量的(de)(de)研究，但對(dui)(dui)于與金屬(shu)尾礦(kuang)庫相近的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏庫，一(yi)般僅限于在(zai)可研階段采用人工制(zhi)備樣進(jin)行物理(li)力學(xue)性(xing)質試驗(yan)，并據(ju)此進(jin)行穩(wen)定性(xing)分析，尚未有人針對(dui)(dui)己運行若干(gan)年的(de)(de)大型濕法堆(dui)(dui)存磷(lin)石(shi)膏堆(dui)(dui)積壩開展(zhan)過磷(lin)石(shi)膏沉(chen)積規律及(ji)其(qi)物理(li)力學(xue)特(te)(te)性(xing)的(de)(de)專(zhuan)項研究。

本文(wen)依(yi)托柳樹(shu)箐磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)，首(shou)先進行了(le)(le)鉆(zhan)探取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開展了(le)(le)密度、含水率、滲(shen)透(tou)(tou)、土水特征和顆分等物理性(xing)(xing)質試驗(yan)(yan)，在此基(ji)礎上有(you)針對性(xing)(xing)的(de)(de)選(xuan)擇原狀樣(yang)開展了(le)(le)三軸(zhou)CU、蠕變及動三軸(zhou)等力學特性(xing)(xing)試驗(yan)(yan)。通過上述(shu)試驗(yan)(yan)研究，總結了(le)(le)磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)沉積(ji)規(gui)律、滲(shen)透(tou)(tou)特性(xing)(xing)、滲(shen)透(tou)(tou)破壞特性(xing)(xing)以(yi)及靜(jing)動力特性(xing)(xing)，上述(shu)研究工作(zuo)對研究和評(ping)估(gu)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)穩定性(xing)(xing)提(ti)供了(le)(le)基(ji)礎數據，對現(xian)行磷(lin)(lin)石膏(gao)庫的(de)(de)運行管理以(yi)及新建工程的(de)(de)設計具(ju)有(you)重要的(de)(de)借鑒意義。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳樹箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩堆存設(she)計(ji)方(fang)案(an)

由初期壩和堆積壩組成，設(she)計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采用土料填筑。上游坡面(mian)、壩底和下游壩腳設置(zhi)堆(dui)石排水體，三者相連通(tong)構成整個堆(dui)積(ji)壩的主要排滲(shen)系統。

(2)堆積(ji)壩及其(qi)輔助排滲措施

采(cai)用上游(you)式筑壩(ba)(ba)法，共20級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積(ji)高(gao)度約100m。采(cai)用排滲管(guan)(guan)網(wang)作為輔助排滲方(fang)案，目(mu)前己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)和13級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前120m范圍內設置了井字形排滲管(guan)(guan)網(wang)。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)平面位(wei)置(zhi)見圖l。2008年6月，堆(dui)積至(zhi)5級子壩時，布設了(le)(le)9個(ge)取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號(hao)K1～K9，取(qu)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)76件；2013年5月，堆(dui)積至(zhi)13級子壩時，又布設了(le)(le)11個(ge)取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號(hao)K10～K20，取(qu)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)112件，為比較(jiao)子壩加高和(he)磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積過(guo)程中磷石(shi)膏(gao)物(wu)理(li)力學性質的變化，在(zai)2，4級子壩K2孔(kong)和(he)K6孔(kong)附近各布設了(le)(le)一個(ge)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號(hao)分別為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏(gao)尾礦庫(ku)2005年開(kai)工建(jian)設，2006年1月投入運(yun)行，截至2013年5月己(ji)堆(dui)至13級(ji)子(zi)壩，尚(shang)有7級(ji)子(zi)壩即堆(dui)存至設計高程。鑒(jian)于磷石(shi)膏(gao)庫(ku)地(di)(di)形、地(di)(di)質條(tiao)件較好(hao)，具備擴容(rong)改造的條(tiao)件，以提高堆(dui)存庫(ku)容(rong)，減少堆(dui)存占地(di)(di)，節約土地(di)(di)資(zi)源。

本(ben)文主要對沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)物(wu)理力學特性進行(xing)了全(quan)面(mian)總結(jie)，限(xian)于篇幅(fu)，有關現狀(zhuang)磷石(shi)膏(gao)(gao)庫堆積(ji)壩的(de)安全(quan)性評(ping)價(jia)及其加高可行(xing)性的(de)研究將另文發表。

二、沉積磷石膏的(de)物理力學特(te)性(xing)

2.1物理特(te)性

(1)干密度分布

圖(tu)2給出(chu)了14個(ge)鉆孔的(de)(de)(de)(de)取(qu)樣深度(du)和(he)試驗所得干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)關系，圖(tu)中UWL表(biao)示(shi)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上，(系鉆孔期間的(de)(de)(de)(de)初見水(shui)位(wei)(wei)線(xian)，下同)，DWL表(biao)示(shi)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)下。圖(tu)3給出(chu)了水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上下的(de)(de)(de)(de)飽和(he)度(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷石膏(gao)中的(de)(de)(de)(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)(wen)度(du)和(he)烘(hong)烤時(shi)間對測定(ding)結果有(you)一定(ding)影(ying)響，不(bu)能(neng)照搬現(xian)行的(de)(de)(de)(de)土(tu)工試驗規范，本(ben)文磷石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)含水(shui)率測定(ding)方法(fa)為55℃溫(wen)(wen)度(du)下烘(hong)培24h。

圖2沉(chen)積磷石膏干密(mi)度與(yu)埋深的(de)關系

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

由(you)圖3，水(shui)位(wei)線上的磷石(shi)(shi)(shi)膏飽和度(du)平均值為(wei)50.4%，處于(yu)(yu)非飽和狀態，水(shui)位(wei)線以下(xia)的磷石(shi)(shi)(shi)膏飽和度(du)平均值為(wei)85.0%，基本處于(yu)(yu)飽和狀態，由(you)于(yu)(yu)水(shui)位(wei)下(xia)降后(hou)磷石(shi)(shi)(shi)膏來(lai)不及排(pai)水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)線上局(ju)部(bu)試樣(yang)的飽和度(du)較高(gao)。

由(you)圖(tu)2，水位(wei)(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)上的(de)干密(mi)度在(zai)0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均值為1.30g/cm3；水位(wei)(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)干密(mi)度在(zai)1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)膏與一(yi)般的(de)尾(wei)礦有所(suo)不(bu)同(tong)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)干密(mi)度并不(bu)隨埋深的(de)增(zeng)大而明顯增(zeng)大，但水位(wei)(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏干密(mi)度從統(tong)計意義上來看仍大于水位(wei)(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)上的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏干密(mi)度，這(zhe)主要(yao)是由(you)于水位(wei)(wei)(wei)線(xian)隨庫(ku)水位(wei)(wei)(wei)的(de)變化反復升降而使得磷(lin)石(shi)(shi)膏排水固結所(suo)致。

室內擊(ji)實得到的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)干密(mi)度一(yi)般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出，自(zi)然沉積的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)干密(mi)度可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)(de)土(tu)骨(gu)架不(bu)可(ke)壓(ya)縮的(de)(de)理論(lun)不(bu)同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)本(ben)身(shen)可(ke)壓(ya)縮，同(tong)時由于(yu)顆(ke)粒結(jie)構(gou)(gou)不(bu)穩定(ding)，擊(ji)實試驗過(guo)程中磷石(shi)(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)(gou)被破壞，受夯擊(ji)處下(xia)陷，四周鼓起，出現了類似于(yu)橡皮土(tu)的(de)(de)現象。而(er)在(zai)現場(chang)條(tiao)件下(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)骨(gu)架被破壞后，會(hui)導致顆(ke)粒中的(de)(de)結(jie)合水(shui)滲(shen)出至(zhi)孔(kong)(kong)隙(xi)內，變(bian)成孔(kong)(kong)隙(xi)水(shui)，排(pai)水(shui)固(gu)結(jie)后會(hui)使(shi)得磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)孔(kong)(kong)隙(xi)比減小，干密(mi)度增大(da)。

圖4給出(chu)了相鄰(lin)鉆孔K2和K17(位于2級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)河床(chuang)部(bu)位)以及相鄰(lin)鉆孔K6和K18(位于4級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)河床(chuang)部(bu)位)干密度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)對比(bi)圖。K2鉆孔的(de)(de)(de)(de)(de)干密度(du)在(zai)(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆孔的(de)(de)(de)(de)(de)干密度(du)在(zai)(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆孔的(de)(de)(de)(de)(de)干密度(du)在(zai)(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆孔的(de)(de)(de)(de)(de)干密度(du)在(zai)(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值(zhi)為1.37g/cm3。可(ke)見，即使(shi)從統計意(yi)義上來(lai)看，磷石膏的(de)(de)(de)(de)(de)干密度(du)也(ye)并未隨后續磷石膏的(de)(de)(de)(de)(de)堆積而有(you)較為明顯的(de)(de)(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗(yan)采(cai)用密(mi)度計(ji)法，制備懸液時(shi)不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖(tu)(tu)5給出了試驗(yan)得到的(de)級配包線、平(ping)均(jun)粒徑d50、不均(jun)勻系數(1u和曲率系數Cc的(de)分布圖(tu)(tu)。

從(cong)圖5(a)可見(jian)，磷石膏的(de)(de)粒徑(jing)主(zhu)要分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于(yu)(yu)粉(fen)土，但可能(neng)由于(yu)(yu)礦(kuang)石來源或生產工藝(yi)有所不同，局(ju)部(bu)屬于(yu)(yu)粉(fen)砂～中砂。粒徑(jing)分(fen)布范圍比(bi)Blight和張超(chao)等的(de)(de)試驗結果要寬一些。

圖4子壩加高后(hou)沉(chen)積磷石膏的干密度變化

圖(tu)5沉積磷(lin)石膏的平均粒徑和級(ji)配分布

由圖5(b)和(he)5(c)，無論是(shi)水平向還(huan)是(shi)垂直向，磷(lin)(lin)石(shi)膏與金(jin)屬礦山尾礦的(de)(de)“前粗后細，上粗下(xia)(xia)細”的(de)(de)自然(ran)分級現象不(bu)同，也即粗顆粒(li)并不(bu)是(shi)沿埋深逐步(bu)減小(xiao)(xiao)或距離放漿口(kou)越(yue)遠顆粒(li)越(yue)細，其(qi)原(yuan)因(yin)如下(xia)(xia)：①磷(lin)(lin)石(shi)膏顆粒(li)粒(li)徑(jing)組(zu)成較為集中(zhong)、均(jun)勻(yun)，主要以粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配(pei)較差；②相比(bi)較金(jin)屬尾礦，磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)較小(xiao)(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)一般(ban)為2.3～2.4，遠小(xiao)(xiao)于金(jin)屬尾礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)，例(li)如鐵尾礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)可達2.9；③放漿口(kou)隨子(zi)壩高度不(bu)斷增加而不(bu)斷變動(dong)并向庫尾延伸，造成沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)粒(li)徑(jing)變化不(bu)明(ming)顯。

從(cong)圖(tu)5(d)可見(jian)，不均(jun)勻系(xi)數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為(wei)1.21，在統計(ji)的(de)100多個試樣中(zhong)，屬于級配不良土的(de)占93%。這種級配特性(xing)決(jue)定了磷石膏具有較高的(de)壓(ya)縮性(xing)、滲透破(po)壞(huai)型式表(biao)現為(wei)流土破(po)壞(huai)。

2.2滲(shen)透特性

(1)滲透系數(shu)

影(ying)響滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)主要因(yin)素是粒徑大小(xiao)、級配(pei)和孔(kong)(kong)隙比(bi)，因(yin)而磷石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與(yu)粉土較為接(jie)近。由(you)于孔(kong)(kong)隙比(bi)e減小(xiao)，使(shi)得過水通道面積減小(xiao)，滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對砂土，一般認(ren)為滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較好，圖6給出了二(er)者間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線(xian)，由(you)于沉積磷石膏的(de)(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化(hua)較大，使(shi)得沉積磷石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化(hua)范圍較大(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量(liang)級)，二(er)者問的(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較差。

圖6沉(chen)積磷石膏滲透(tou)系(xi)數與孔(kong)隙比的關系(xi)

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

圖(tu)7給出了(le)水(shui)(shui)平(ping)(ping)與垂直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數比值的(de)(de)分(fen)布。沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數kh一般(ban)大于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數kv,kh/kv平(ping)(ping)均(jun)值約(yue)為(wei)2.86，這一點與成層分(fen)布的(de)(de)金屬尾礦規律一致。造成沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數大于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數的(de)(de)原因是由(you)于(yu)(yu)磷(lin)石膏(gao)具有明顯的(de)(de)晶(jing)體結(jie)構，電鏡掃描顯示多為(wei)菱形和棱(leng)柱狀形式(見圖(tu)8)，在(zai)沉(chen)積過(guo)程(cheng)中，由(you)于(yu)(yu)扁(bian)平(ping)(ping)狀磷(lin)石膏(gao)顆粒(li)多呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列(lie)，使得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)大于(yu)(yu)垂直方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從而使磷(lin)石膏(gao)呈(cheng)現明顯的(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色(se)金(jin)屬工(gong)業昆明勘察設計研究院在楊家(jia)箐(qing)磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩開(kai)展的現(xian)(xian)場(chang)滲透(tou)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)，kh/kv的平均(jun)值約為1.9。但張超(chao)等的室內試(shi)驗(yan)(yan)(yan)顯示，kh/kv的平均(jun)值約為0.46，也即垂(chui)直向滲透(tou)系數(shu)大于水平向滲透(tou)系數(shu)，與(yu)本(ben)(ben)文(wen)和現(xian)(xian)場(chang)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果恰恰相反。從磷(lin)石膏(gao)的微觀結(jie)構來看，本(ben)(ben)文(wen)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果更為合理。

圖7沉積磷(lin)石膏(gao)干密度與水平和(he)垂直(zhi)滲透系(xi)數比(bi)值的關系(xi)

(2)滲(shen)透變形(xing)

圖9為(wei)(wei)(wei)磷石(shi)(shi)膏(gao)干密度為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的水(shui)(shui)力梯度J與流(liu)速V的關系(xi)曲線，試(shi)(shi)驗在(zai)水(shui)(shui)平(ping)管(guan)涌(yong)儀中(zhong)(zhong)采用(yong)水(shui)(shui)平(ping)方向的滲流(liu)形式進行。試(shi)(shi)驗得到的臨界坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞(huai)(huai)坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來說，對(dui)1，2級工程(cheng)，滲透安(an)全系(xi)數取(qu)為(wei)(wei)(wei)2.5，則(ze)允許(xu)出逸(yi)坡(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下工程(cheng)，滲透安(an)全系(xi)數取(qu)2.0，則(ze)允許(xu)出逸(yi)坡(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大致相同。但上述滲透變形試(shi)(shi)驗是采用(yong)自來水(shui)(shui)進行的，自來水(shui)(shui)對(dui)磷石(shi)(shi)膏(gao)具(ju)有一(yi)定的溶蝕作用(yong)，而(er)實(shi)際上磷石(shi)(shi)膏(gao)中(zhong)(zhong)殘余磷、硫和氟酸(suan)(suan)，庫水(shui)(shui)的pH值一(yi)般小(xiao)于3(稱之(zhi)為(wei)(wei)(wei)酸(suan)(suan)性水(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)(suan)性水(shui)(shui)作用(yong)下，磷石(shi)(shi)膏(gao)不會發(fa)生破(po)壞(huai)(huai)，上述試(shi)(shi)驗結果是偏于保(bao)守(shou)的，但對(dui)非酸(suan)(suan)性水(shui)(shui)條件(例如特(te)大暴雨)下的滲透穩定判(pan)斷有一(yi)定的借(jie)鑒意義。

圖9水力(li)梯度J-流速v試驗(yan)過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特征(zheng)試驗

試驗在5Bar的(de)壓力板儀中進行，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(wei)0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試驗曲線見圖(tu)10所示。

試(shi)驗(yan)結果表明：①干密度(du)對進(jin)氣值沒有明顯的(de)(de)影(ying)響(xiang)，不同(tong)干密度(du)的(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)進(jin)氣值大致(zhi)在10kPa左右；②土(tu)樣殘(can)余含水(shui)率(lv)隨干密度(du)的(de)(de)增加而減少，殘(can)余含水(shui)率(lv)約為(wei)飽和含水(shui)率(lv)的(de)(de)10%。上述特性與粉土(tu)一粉砂基(ji)本一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三(san)軸CU試驗

由(you)于(yu)沉積磷石膏的密度變化(hua)較大(da)，而進(jin)行三軸試(shi)(shi)驗需要若干原狀樣(yang)，為(wei)使試(shi)(shi)驗結果具有較好的一致(zhi)性，有針對性的選擇(ze)平均干密度分別為(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)的若干試(shi)(shi)樣(yang)，進(jin)行了5組(zu)三軸CU試(shi)(shi)驗。圖11是為(wei)干密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的三軸CU試(shi)(shi)驗曲線。

從圖11可以看出，磷石膏(gao)的應(ying)力應(ying)變關系曲線在(zai)低圍壓(ya)下表現為(wei)軟化型，在(zai)高圍壓(ya)下表現為(wei)硬化型，與(yu)一(yi)般土(tu)類相似。但與(yu)一(yi)般粉土(tu)一(yi)粉砂不(bu)同的是，即使在(zai)較(jiao)(jiao)為(wei)疏松(song)的狀態下，磷石膏(gao)仍表現了較(jiao)(jiao)為(wei)強烈(lie)的剪(jian)脹，隨(sui)密實(shi)度增(zeng)大，剪(jian)脹作用(yong)愈發明顯。

表2給出了(le)(le)(le)不(bu)同(tong)干密(mi)度下的(de)(de)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)，圖12給出了(le)(le)(le)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)與(yu)干密(mi)度的(de)(de)關系(xi)曲(qu)線(xian)。隨(sui)干密(mi)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用(yong)冪函數較好地擬合(he)。磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)干密(mi)度由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)了(le)(le)(le)32%，總應(ying)(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為37.3°(根據(ju)擬合(he)曲(qu)線(xian)求(qiu)得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為9.4%，有效應(ying)(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為3.2%，由(you)(you)于隨(sui)圍(wei)壓(ya)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也(ye)明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較之(zhi)總應(ying)(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要小。另外較之(zhi)于干密(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不(bu)顯著，表明(ming)即使較為疏松的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏仍具有較高的(de)(de)強度指標，這也(ye)表明(ming)磷(lin)(lin)石膏堆(dui)積壩的(de)(de)穩定性(xing)較高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏的(de)(de)蠕(ru)變變形試(shi)驗在側限壓縮儀中進行(xing)，試(shi)驗狀態相當于(yu)K0固(gu)結。試(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)樣(yang)干密度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)飽和(he)后分(fen)別(bie)開展了上(shang)覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)(de)試(shi)驗，

試(shi)驗從2012年8月27日(ri)開始，試(shi)驗己進行了1年多，試(shi)驗結果見圖13所(suo)示。

從圖13中(zhong)可(ke)以看出：上(shang)覆(fu)荷(he)載(zai)越(yue)大(da)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的蠕(ru)(ru)變變形(xing)也越(yue)大(da)，荷(he)載(zai)施加(jia)1年后，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的蠕(ru)(ru)變變形(xing)仍(reng)非(fei)常顯著，尚未達到穩(wen)(wen)定狀(zhuang)態，這也是磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩后期(qi)變形(xing)較(jiao)大(da)的原因，原型觀測資料表(biao)明，在5級(ji)子壩河床部位的表(biao)面沉降(jiang)量已經達到3.1m，且(qie)尚未完全穩(wen)(wen)定。

按時間(jian)對數法，可求(qiu)得各級荷(he)(he)載(zai)(zai)下(xia)的(de)主次(ci)固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所示。試驗(yan)結果(guo)表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷(he)(he)載(zai)(zai)作用下(xia)，在(zai)(zai)試驗(yan)時間(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)結)變(bian)(bian)形(xing)(xing)是主固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實(shi)際的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)應更(geng)大。對土(tu)體(ti)而言，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)原(yuan)(yuan)因是由于(yu)(yu)土(tu)體(ti)在(zai)(zai)主固(gu)結完(wan)成(cheng)之后(hou)，土(tu)體(ti)中仍有(you)微(wei)小的(de)超靜(jing)孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流動(dong)，一般來講(jiang)土(tu)體(ti)的(de)次(ci)固(gu)結遠小于(yu)(yu)主固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)(xing)；對磷(lin)石(shi)膏而言，其(qi)滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠大于(yu)(yu)黏(nian)性土(tu)，但其(qi)卻發(fa)生(sheng)了極(ji)為顯(xian)著(zhu)的(de)次(ci)固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原(yuan)(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏晶體(ti)結構(gou)發(fa)生(sheng)了壓縮、破壞，接觸點(dian)晶格(ge)(ge)發(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后(hou)晶格(ge)(ge)之間(jian)的(de)重新排列、調整到(dao)最后(hou)趨于(yu)(yu)相對靜(jing)止(zhi)需要相當(dang)長的(de)時間(jian)才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力(li)力(li)學(xue)特性

試(shi)驗設備采(cai)用英國GDS公司(si)進(jin)口的電機控制動三軸(zhou)試(shi)驗系統(tong)，試(shi)樣直(zhi)徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比

同樣(yang)由于自(zi)然沉積(ji)的磷石膏(gao)密度(du)變(bian)化(hua)較大，為此根據物理性質試(shi)驗結果(guo)，選擇兩種平均干密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

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

式中k1為(wei)參數，表示動(dong)剪(jian)切模量(liang)(liang)的衰減或阻尼(ni)(ni)比的增長速率；λmax為(wei)最大(da)阻尼(ni)(ni)比；Gmax，γd分別(bie)為(wei)最大(da)動(dong)剪(jian)切模量(liang)(liang)和(he)歸一化的動(dong)剪(jian)應變，表示為(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標準大氣壓；vd為(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)歸一化的動應變，表達為(wei)(wei)

圖14給(gei)出(chu)(chu)了動(dong)剪切(qie)模量、阻尼比與歸一(yi)化動(dong)應變(bian)的關系曲(qu)(qu)線(xian)，另外圖中還給(gei)出(chu)(chu)了式(shi)(1)的擬合曲(qu)(qu)線(xian)以及Seed等給(gei)出(chu)(chu)的砂樣的上(shang)下邊界線(xian)，圖例(li)中，σ2表示(shi)圍壓(ya)，Kc表示(shi)固(gu)結(jie)應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可以看(kan)出：①式(1)可較(jiao)好(hao)地描述磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)動(dong)應力(li)(li)-動(dong)應變試驗(yan)曲線，表明(ming)采用等價黏彈(dan)性模型進行循環荷載作(zuo)用下的(de)(de)(de)分析是可行的(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密度(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線位(wei)于(yu)干(gan)密度(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線上方(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)下方(fang)，表明(ming)密度(du)越大(da)，動(dong)彈(dan)模越大(da)、阻尼(ni)比(bi)越小(xiao)；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)擬(ni)合線基本位(wei)于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線上方(fang)，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本處于(yu)邊(bian)界(jie)線中(zhong)間，表明(ming)相比(bi)較(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)動(dong)彈(dan)模較(jiao)大(da)，會(hui)導致磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應較(jiao)大(da)，但由于(yu)阻尼(ni)比(bi)也較(jiao)大(da)，這樣又會(hui)削弱(ruo)壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應，二者的(de)(de)(de)相互(hu)影響下，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應將不會(hui)過(guo)于(yu)強烈，這對磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定(ding)性是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度(du)

選擇兩種平均干密(mi)度為1.12(變化(hua)范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化(hua)范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試(shi)驗，破壞標準為總應變達到(dao)10%。

圖15給出(chu)了動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)比τd/σ0′與(yu)破壞振次(ci)Nf的(de)關系(xi)曲線(xian)圖，其中σ0為振前試(shi)樣45°面(mian)上的(de)有(you)效法向應(ying)力(li)，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結(jie)(jie)比。從試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果可以看(kan)出(chu)，沉積磷石膏的(de)動(dong)強度與(yu)其它(ta)土(tu)體相似，表現為圍壓和固(gu)結(jie)(jie)應(ying)力(li)比與(yu)動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)比呈(cheng)負(fu)相關關系(xi)。

為(wei)判別(bie)沉積磷石膏的抗液化能力，假(jia)定抗震設計烈(lie)度(du)為(wei)8度(du)，即等效振次(ci)Ⅳ可取(qu)為(wei)30。首(shou)先由式(shi)(4)

所示的冪函數關(guan)系式得到振(zhen)次為30時各(ge)個圍壓和固結比下的動剪應力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后(hou)可(ke)擬(ni)合求得動(dong)剪應(ying)(ying)力(li)比(bi)與圍壓和固結應(ying)(ying)力(li)比(bi)的(de)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(cong)上述(shu)擬合關(guan)系式可(ke)見，密(mi)實度提(ti)高后(hou)，動剪應力比提(ti)高，表明抗(kang)液化能(neng)力也(ye)提(ti)高。但(dan)即使是在低密(mi)度下(xia)，其動剪應力比較之同(tong)類的(de)粉土(tu)或(huo)粉砂也(ye)大出許多，表明磷石膏具有較高的(de)抗(kang)液化能(neng)力。

三、結論(lun)

依托柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏堆積壩，在鉆探取樣(yang)工作的基礎(chu)上(shang)，首先開展(zhan)(zhan)了物理性質試驗，然后開展(zhan)(zhan)了靜動力力學特性試驗。通過上(shang)述試驗研究(jiu)，得出如下結(jie)論：

(1)沉積磷石膏總體上屬(shu)于(yu)(yu)級(ji)配不良的(de)粉(fen)土(tu)，局部屬(shu)于(yu)(yu)粉(fen)砂一中砂，無自(zi)然(ran)分(fen)級(ji)現象。其(qi)干密度(du)和粒(li)徑(jing)變(bian)化隨埋深或(huo)距(ju)(ju)放漿(jiang)口(kou)距(ju)(ju)離的(de)變(bian)化不明顯(xian)。

(2)沉積磷(lin)石膏水平方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)滲透系(xi)數(shu)大于垂直方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)滲透系(xi)數(shu)，呈(cheng)現明顯的(de)各向(xiang)(xiang)異性。

(3)與土體(ti)顆粒不可(ke)壓縮不同(tong)，磷石膏的(de)晶體(ti)結(jie)構會發生壓縮破壞，具(ju)有較大的(de)壓縮性(xing)，其次固結(jie)變形量遠大于(yu)主固結(jie)變形量。

(4)沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的靜動強度較之同等密實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂要高。