沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)是磷(lin)酸生產(chan)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)副(fu)產(chan)品，目前的(de)(de)綜合利用(yong)率尚不足40%，大部分(fen)需要(yao)堆(dui)存存放。受地(di)形限制和(he)經濟(ji)效益考慮，中國(guo)主要(yao)為濕(shi)法(fa)堆(dui)存的(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩，針(zhen)對沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)首(shou)先開展了密度、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特征和(he)顆分(fen)等物(wu)理性(xing)質(zhi)試驗，然(ran)后(hou)開展了三軸cu、蠕變及(ji)動三軸等力學特性(xing)試驗。試驗結果表明：①沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)干(gan)密度與埋深(shen)沒有(you)相關(guan)關(guan)系(xi)；②沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)不具(ju)有(you)自然(ran)分(fen)級現象(xiang)，但(dan)具(ju)有(you)明顯的(de)(de)各向異(yi)性(xing)；③沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)具(ju)有(you)較高的(de)(de)摩擦角和(he)抗液化能力，但(dan)其蠕變變形較大、滲(shen)透(tou)比降較小。上述工作為分(fen)析磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩的(de)(de)壩體穩(wen)定(ding)性(xing)提供(gong)了基礎，對現行磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫的(de)(de)運行管理以及(ji)新建工程(cheng)的(de)(de)設計(ji)具(ju)有(you)重要(yao)的(de)(de)借鑒意義。

引言

磷石(shi)(shi)(shi)膏是濕法磷酸(suan)生(sheng)產過程(cheng)中的(de)副產品，2018年，全國(guo)磷石(shi)(shi)(shi)膏產生(sheng)量(liang)為7800萬噸，且(qie)呈逐年增長的(de)態(tai)勢。磷石(shi)(shi)(shi)膏的(de)主要成分(fen)(fen)是CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定量(liang)的(de)氟化(hua)物和(he)其它放射性(xing)物質，在中國(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般工(gong)業固體廢(fei)物處(chu)理(li)，鑒于無害化(hua)處(chu)理(li)成本(ben)(ben)較(jiao)高(gao)，目(mu)前綜合利用(yong)率尚不足40%，故大部分(fen)(fen)磷石(shi)(shi)(shi)膏需(xu)要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)場地(di)的(de)不同，可分(fen)(fen)為平(ping)地(di)型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和(he)截(jie)河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場，在中國(guo)基本(ben)(ben)上(shang)是山谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場。相比較(jiao)干(gan)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)經濟優(you)勢明(ming)顯，因而如(ru)(ru)地(di)質條(tiao)件為非碳酸(suan)鹽巖地(di)區，一(yi)般均(jun)采用(yong)濕排濕堆(dui)(dui)(dui)方式(shi)。隨著中國(guo)磷肥工(gong)業的(de)快速(su)發展，本(ben)(ben)世紀初(chu)中國(guo)相繼(ji)建設(she)了幾座(zuo)濕法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)大型(xing)磷石(shi)(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)，例如(ru)(ru)云天化(hua)國(guo)際化(hua)工(gong)三環(huan)分(fen)(fen)公(gong)司的(de)柳(liu)樹箐磷石(shi)(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩和(he)富瑞(rui)分(fen)(fen)公(gong)司的(de)楊家箐磷石(shi)(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩，這(zhe)兩座(zuo)壩設(she)計壩高(gao)均(jun)超過100m、處(chu)于8度地(di)震區，其安全性(xing)備(bei)受關(guan)注。

據統計，110多年(1901年一2013年)來，全(quan)世界(jie)有(you)118座尾礦壩(ba)曾發生過破壞或潰壩(ba)事故，原因主(zhu)要有(you)地震、洪(hong)水漫頂、滲透破壞和(he)基礎失穩。尾礦庫失事后會(hui)造成巨大的生態(tai)災難和(he)人員傷亡，近幾十年來，

國內外對金屬尾礦的沉積(ji)(ji)規律、物(wu)(wu)理(li)力學特(te)(te)性(xing)及其(qi)穩定性(xing)開(kai)展(zhan)了大(da)量的研(yan)究(jiu)，但對于(yu)與金屬尾礦庫相近的磷石(shi)(shi)膏庫，一般(ban)僅限于(yu)在可研(yan)階段采(cai)用人工制備樣進(jin)(jin)行物(wu)(wu)理(li)力學性(xing)質試驗，并據此進(jin)(jin)行穩定性(xing)分析(xi)，尚未(wei)有人針對己運行若干(gan)年的大(da)型濕法堆存磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)(ji)壩開(kai)展(zhan)過磷石(shi)(shi)膏沉積(ji)(ji)規律及其(qi)物(wu)(wu)理(li)力學特(te)(te)性(xing)的專(zhuan)項研(yan)究(jiu)。

本文依托(tuo)柳(liu)樹箐(qing)磷石膏堆積壩，首(shou)先進行了(le)(le)(le)鉆探取樣(yang)，采用(yong)原狀樣(yang)開(kai)展了(le)(le)(le)密度、含(han)水率、滲透、土水特(te)(te)(te)征和顆分等(deng)物理性質試(shi)驗，在此基(ji)礎上有針對性的(de)(de)選(xuan)擇原狀樣(yang)開(kai)展了(le)(le)(le)三(san)(san)軸(zhou)CU、蠕(ru)變及動三(san)(san)軸(zhou)等(deng)力學特(te)(te)(te)性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研(yan)究(jiu)，總結了(le)(le)(le)磷石膏的(de)(de)沉積規(gui)律(lv)、滲透特(te)(te)(te)性、滲透破壞(huai)特(te)(te)(te)性以及靜動力特(te)(te)(te)性，上述研(yan)究(jiu)工作對研(yan)究(jiu)和評估磷石膏庫堆積壩的(de)(de)穩定性提供(gong)了(le)(le)(le)基(ji)礎數(shu)據，對現行磷石膏庫的(de)(de)運行管(guan)理以及新建工程的(de)(de)設計具有重要的(de)(de)借(jie)鑒(jian)意義。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存設計方案

由初(chu)期壩和堆(dui)積壩組成(cheng)，設計(ji)總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用(yong)土料填筑(zhu)。上游坡(po)面、壩(ba)底和下(xia)游壩(ba)腳(jiao)設置堆石(shi)排水體，三者相連通構成整個堆積壩(ba)的主(zhu)要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其輔(fu)助排滲(shen)措施

采(cai)用上游式筑壩法，共20級子(zi)壩，頂(ding)寬(kuan)6～9m，高度(du)5m，堆(dui)積(ji)高度(du)約100m。采(cai)用排滲(shen)管網(wang)(wang)作為輔助排滲(shen)方案，目前己在(zai)5級、9級子(zi)壩和13級子(zi)壩壩前120m范圍內設置了井字形(xing)排滲(shen)管網(wang)(wang)。

1.2沉(chen)積磷石膏的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)孔平面位置見圖(tu)l。2008年6月(yue)，堆積至(zhi)5級子壩(ba)時，布(bu)設(she)(she)了(le)9個取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號K1～K9，取(qu)(qu)原狀(zhuang)樣(yang)76件；2013年5月(yue)，堆積至(zhi)13級子壩(ba)時，又布(bu)設(she)(she)了(le)11個取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號K10～K20，取(qu)(qu)原狀(zhuang)樣(yang)112件，為比較(jiao)子壩(ba)加高和磷石膏堆積過程中磷石膏物理力學性(xing)質的變化，在2，4級子壩(ba)K2孔和K6孔附近各(ge)布(bu)設(she)(she)了(le)一個鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號分別(bie)為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏(gao)(gao)尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建設(she)(she)，2006年(nian)1月(yue)(yue)投入運(yun)行(xing)，截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)(yue)己堆至(zhi)13級(ji)子(zi)(zi)壩，尚有7級(ji)子(zi)(zi)壩即(ji)堆存至(zhi)設(she)(she)計(ji)高(gao)程(cheng)。鑒(jian)于磷石膏(gao)(gao)庫(ku)地形、地質條件(jian)較好，具備擴(kuo)容改造的條件(jian)，以提高(gao)堆存庫(ku)容，減少堆存占(zhan)地，節(jie)約(yue)土地資源。

本文主要(yao)對沉積磷石膏(gao)的物理力學特性進行(xing)了(le)全面總結，限于篇幅，有(you)關(guan)現(xian)狀磷石膏(gao)庫(ku)堆積壩(ba)的安全性評價及其加高可行(xing)性的研究將(jiang)另文發表。

二、沉積磷石膏的物理(li)力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出(chu)了14個(ge)鉆孔(kong)的取樣深度(du)和(he)(he)試驗所(suo)得干(gan)密度(du)的關系(xi)，圖中(zhong)UWL表示水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)上，(系(xi)鉆孔(kong)期間(jian)(jian)的初見水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)，下同)，DWL表示水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)下。圖3給出(chu)了水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)上下的飽和(he)(he)度(du)分布圖。由于磷石(shi)膏中(zhong)的主要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)和(he)(he)烘烤時間(jian)(jian)對測(ce)定結果有一定影(ying)響(xiang)，不(bu)能(neng)照搬現(xian)行(xing)的土工試驗規(gui)范，本文(wen)磷石(shi)膏的含水(shui)率測(ce)定方(fang)法為55℃溫度(du)下烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密度(du)與埋深的關系

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

由圖3，水(shui)位(wei)線(xian)上的磷(lin)石膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值為(wei)50.4%，處于(yu)非飽(bao)(bao)和(he)狀態，水(shui)位(wei)線(xian)以下(xia)(xia)的磷(lin)石膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值為(wei)85.0%，基本處于(yu)飽(bao)(bao)和(he)狀態，由于(yu)水(shui)位(wei)下(xia)(xia)降(jiang)后(hou)磷(lin)石膏(gao)(gao)來(lai)不及(ji)排水(shui)固結，故(gu)而水(shui)位(wei)線(xian)上局部試樣的飽(bao)(bao)和(he)度較高。

由圖(tu)2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上的干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石膏與(yu)一般的尾礦有所不(bu)同，磷(lin)(lin)石膏的干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)并(bing)不(bu)隨埋深的增大而明顯(xian)增大，但(dan)水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的磷(lin)(lin)石膏干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)從統計意(yi)義上來看仍大于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上的磷(lin)(lin)石膏干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)，這主要是(shi)由于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)(wei)的變化(hua)反復升降而使(shi)得(de)磷(lin)(lin)石膏排水(shui)(shui)固結所致。

室內擊實得到的(de)磷(lin)石膏最(zui)大(da)(da)干密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出，自然(ran)沉積的(de)磷(lin)石膏最(zui)大(da)(da)干密(mi)度可(ke)達到1.73g/cm3，原(yuan)因如下(xia)：與經典的(de)土骨(gu)(gu)架不可(ke)壓(ya)縮(suo)的(de)理論不同，石膏本(ben)身可(ke)壓(ya)縮(suo)，同時由于(yu)顆(ke)(ke)粒(li)結構(gou)不穩定，擊實試(shi)驗(yan)過程(cheng)中磷(lin)石膏結構(gou)被破壞(huai)，受夯擊處下(xia)陷，四(si)周鼓起，出現了類似于(yu)橡皮土的(de)現象。而在現場條件下(xia)，石膏骨(gu)(gu)架被破壞(huai)后(hou)，會(hui)導致(zhi)顆(ke)(ke)粒(li)中的(de)結合水(shui)滲(shen)出至孔(kong)隙內，變(bian)成孔(kong)隙水(shui)，排水(shui)固結后(hou)會(hui)使得磷(lin)石膏的(de)孔(kong)隙比減小，干密(mi)度增大(da)(da)。

圖4給出(chu)了相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位于2級子壩(ba)河(he)床(chuang)部(bu)位)以及相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位于4級子壩(ba)河(he)床(chuang)部(bu)位)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即使(shi)從統計意(yi)義上來(lai)看，磷石膏的干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未隨后(hou)續磷石膏的堆積而有較為(wei)明顯(xian)的增(zeng)大。

(2)級配分布

顆粒(li)分(fen)析(xi)試驗(yan)采用(yong)密度計法，制備懸液(ye)時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給(gei)出了試驗(yan)得到的(de)級配包(bao)線、平均粒(li)徑d50、不均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的(de)分(fen)布圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷(lin)石膏(gao)的粒徑主要(yao)分(fen)布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之間，總體上屬于(yu)粉土，但可能由于(yu)礦石來源或生產工藝有所(suo)不同，局部屬于(yu)粉砂～中砂。粒徑分(fen)布(bu)范圍比Blight和張超等的試驗(yan)結果要(yao)寬一(yi)些。

圖4子壩加高后(hou)沉積磷(lin)石膏(gao)的干密度變化

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和級配分(fen)布

由圖5(b)和(he)5(c)，無(wu)論是(shi)(shi)水(shui)平(ping)向(xiang)還是(shi)(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)石膏與金(jin)屬礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的(de)“前粗后細(xi)，上粗下(xia)細(xi)”的(de)自(zi)然(ran)分級現象不(bu)同，也(ye)即粗顆粒(li)并不(bu)是(shi)(shi)沿(yan)埋深逐(zhu)步減(jian)小(xiao)或距離放漿口(kou)(kou)越(yue)(yue)遠顆粒(li)越(yue)(yue)細(xi)，其原因如下(xia)：①磷(lin)石膏顆粒(li)粒(li)徑組成(cheng)(cheng)較為集中、均勻，主要以(yi)粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較差；②相比較金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)石膏的(de)比重(zhong)(zhong)較小(xiao)，磷(lin)石膏的(de)比重(zhong)(zhong)一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)(zhong)可達2.9；③放漿口(kou)(kou)隨子壩(ba)高(gao)度不(bu)斷(duan)增加而不(bu)斷(duan)變動并向(xiang)庫尾(wei)延伸，造成(cheng)(cheng)沉積磷(lin)石膏的(de)粒(li)徑變化(hua)不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為(wei)1.21，在統計的100多(duo)個試樣(yang)中，屬于(yu)級(ji)配不良土的占(zhan)93%。這(zhe)種(zhong)級(ji)配特性決定了磷石膏具(ju)有(you)較高的壓縮性、滲透破壞(huai)型式表(biao)現為(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是(shi)粒徑大(da)小(xiao)(xiao)、級(ji)配和孔隙(xi)比，因而磷石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)(jiao)為(wei)接近。由于孔隙(xi)比e減(jian)小(xiao)(xiao)，使(shi)得過(guo)水(shui)通道面積(ji)減(jian)小(xiao)(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k也(ye)將減(jian)小(xiao)(xiao)，k與(yu)e呈正相關關系(xi)(xi)。對砂土(tu)，一般(ban)認為(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的(de)(de)關系(xi)(xi)曲線(xian)，由于沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)(jiao)大(da)，使(shi)得沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化范圍(wei)較(jiao)(jiao)大(da)(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二(er)者問(wen)的(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲(shen)透系(xi)數與孔隙比的關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)平(ping)與(yu)垂直向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)比值(zhi)的(de)分(fen)布。沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)水(shui)(shui)平(ping)向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)kh一(yi)般大于(yu)垂直向的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約為2.86，這一(yi)點與(yu)成層分(fen)布的(de)金屬尾礦規律一(yi)致(zhi)。造成沉積磷(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)平(ping)向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)大于(yu)垂直向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)的(de)原因是由于(yu)磷(lin)石(shi)膏具有明顯(xian)的(de)晶體結構(gou)，電鏡(jing)掃描(miao)顯(xian)示多為菱(ling)形和棱(leng)柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉積過(guo)程中(zhong)，由于(yu)扁(bian)平(ping)狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏顆粒多呈水(shui)(shui)平(ping)排(pai)列，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)方向的(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性大于(yu)垂直方向的(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性，從而使(shi)磷(lin)石(shi)膏呈現明顯(xian)的(de)各向異性。

另根據中國有色(se)金屬工業昆明勘(kan)察設(she)計研究院在楊(yang)家箐磷(lin)石膏堆積壩開展的(de)(de)現(xian)場(chang)滲透試驗，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為1.9。但張(zhang)超等的(de)(de)室內試驗顯(xian)示(shi)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為0.46，也即(ji)垂直向滲透系(xi)數(shu)大于水平(ping)向滲透系(xi)數(shu)，與本(ben)文和(he)現(xian)場(chang)試驗結(jie)果(guo)恰恰相反。從磷(lin)石膏的(de)(de)微觀結(jie)構來看(kan)，本(ben)文試驗結(jie)果(guo)更為合理。

圖(tu)7沉積磷石膏(gao)干密度與水平和(he)垂直滲(shen)透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石膏干密(mi)度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度(du)J與(yu)流速V的(de)(de)關系(xi)(xi)曲線，試驗(yan)在水(shui)平管(guan)涌(yong)儀中采用水(shui)平方向的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)流形式(shi)進行。試驗(yan)得(de)到的(de)(de)臨界(jie)坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說，對(dui)1，2級工程(cheng)，滲(shen)(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)(xi)數取為(wei)2.5，則允許出(chu)逸(yi)坡(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)工程(cheng)，滲(shen)(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)(xi)數取2.0，則允許出(chu)逸(yi)坡(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)與(yu)粉(fen)土一粉(fen)砂大(da)致相同(tong)。但(dan)上(shang)述滲(shen)(shen)(shen)透變形試驗(yan)是(shi)采用自來(lai)水(shui)進行的(de)(de)，自來(lai)水(shui)對(dui)磷(lin)石膏具(ju)有(you)一定的(de)(de)溶蝕(shi)作用，而(er)實際上(shang)磷(lin)石膏中殘余磷(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)的(de)(de)pH值一般小(xiao)于(yu)3(稱之為(wei)酸性水(shui))，在酸性水(shui)作用下(xia)，磷(lin)石膏不(bu)會發生破壞，上(shang)述試驗(yan)結(jie)果是(shi)偏于(yu)保守的(de)(de)，但(dan)對(dui)非酸性水(shui)條件(jian)(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透穩定判(pan)斷有(you)一定的(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯度J-流(liu)速v試(shi)驗(yan)過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗(yan)在5Bar的壓力板儀(yi)中進行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸(xi)力范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值(zhi)，試驗(yan)曲線(xian)見圖10所示(shi)。

試驗結果表明：①干密度(du)對進氣值(zhi)沒有明顯的影響，不同干密度(du)的試樣的進氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土樣殘余含(han)(han)水(shui)率隨干密度(du)的增加而減少，殘余含(han)(han)水(shui)率約為飽和含(han)(han)水(shui)率的10%。上(shang)述特性(xing)與(yu)粉土一粉砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)(de)密度(du)(du)變化較(jiao)大(da)，而進行三軸(zhou)試驗(yan)需(xu)要若干原狀(zhuang)樣(yang)，為(wei)(wei)使試驗(yan)結果(guo)具有較(jiao)好(hao)的(de)(de)一致性，有針(zhen)對性的(de)(de)選擇平(ping)均(jun)干密度(du)(du)分別為(wei)(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)(de)若干試樣(yang)，進行了5組(zu)三軸(zhou)CU試驗(yan)。圖11是為(wei)(wei)干密度(du)(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸(zhou)CU試驗(yan)曲線(xian)。

從圖11可(ke)以看(kan)出，磷石膏的應力應變(bian)關系(xi)曲線在(zai)(zai)低圍(wei)壓(ya)(ya)下表(biao)(biao)現為軟化型(xing)，在(zai)(zai)高圍(wei)壓(ya)(ya)下表(biao)(biao)現為硬(ying)化型(xing)，與一般(ban)土類(lei)相似(si)。但與一般(ban)粉(fen)土一粉(fen)砂不同的是，即(ji)使(shi)在(zai)(zai)較(jiao)為疏松的狀(zhuang)態下，磷石膏仍(reng)表(biao)(biao)現了較(jiao)為強烈(lie)的剪脹(zhang)，隨密(mi)實度增大(da)，剪脹(zhang)作用愈發明顯(xian)。

表2給(gei)(gei)出(chu)了不(bu)同干密(mi)度下的(de)(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)(gei)出(chu)了內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干密(mi)度的(de)(de)關系曲(qu)線。隨干密(mi)度的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)大(da)(da)，且可(ke)采(cai)用冪函(han)數較(jiao)好(hao)地擬合。磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)干密(mi)度由(you)1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了32%，總(zong)(zong)應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據(ju)擬合曲(qu)線求得)，增(zeng)幅為(wei)9.4%，有效(xiao)應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)幅為(wei)3.2%，由(you)于(yu)隨圍壓的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，孔壓也明(ming)顯(xian)增(zeng)大(da)(da)，故有效(xiao)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)幅較(jiao)之(zhi)總(zong)(zong)應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外較(jiao)之(zhi)于(yu)干密(mi)度增(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)幅并不(bu)顯(xian)著，表明(ming)即使較(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)仍具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)(de)強度指標，這也表明(ming)磷石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試(shi)驗

磷(lin)石膏的蠕變變形(xing)試(shi)(shi)驗在側限壓(ya)縮儀中(zhong)進(jin)行，試(shi)(shi)驗狀態(tai)相當于K0固結(jie)。試(shi)(shi)樣直(zhi)徑(jing)61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣飽和后分別開(kai)展了上覆(fu)壓(ya)力(li)ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗，

試驗(yan)從2012年8月(yue)27日開始，試驗(yan)己進行了1年多，試驗(yan)結果(guo)見圖13所示。

從圖13中可(ke)以看出：上覆荷載(zai)越(yue)大，磷石膏(gao)的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)也越(yue)大，荷載(zai)施加(jia)1年后，磷石膏(gao)的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未(wei)達到穩定狀態，這也是磷石膏(gao)堆積壩(ba)后期變(bian)形(xing)較(jiao)大的(de)原因(yin)，原型觀測資料(liao)表明，在5級子壩(ba)河床部位的(de)表面沉降(jiang)量(liang)已經達到3.1m，且尚未(wei)完全穩定。

按時(shi)間(jian)對數法，可求得各級荷載(zai)下的主次(ci)(ci)固結(jie)變形(xing)(xing)量如表3所示。試驗結(jie)果表明(ming)，在100～400kPa上覆(fu)荷載(zai)作用下，在試驗時(shi)間(jian)范(fan)圍(wei)內蠕(ru)(ru)變(次(ci)(ci)固結(jie))變形(xing)(xing)是主固結(jie)變形(xing)(xing)的1.8～3.1倍，當然(ran)由于(yu)蠕(ru)(ru)變變形(xing)(xing)尚(shang)未(wei)完(wan)成，實際(ji)的蠕(ru)(ru)變變形(xing)(xing)應更大。對土體(ti)而言(yan)，發(fa)生蠕(ru)(ru)變的原因(yin)是由于(yu)土體(ti)在主固結(jie)完(wan)成之(zhi)后(hou)，土體(ti)中仍有微小的超(chao)靜(jing)(jing)孔(kong)隙(xi)壓(ya)力存在，驅使水在顆粒問流(liu)動，一般來講(jiang)土體(ti)的次(ci)(ci)固結(jie)遠(yuan)小于(yu)主固結(jie)變形(xing)(xing)；對磷石膏(gao)而言(yan)，其滲透(tou)系數在10-4cm/s數量級，遠(yuan)大于(yu)黏性土，但其卻發(fa)生了極為顯(xian)著的次(ci)(ci)固結(jie)變形(xing)(xing)，其原因(yin)在于(yu)磷石膏(gao)晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)構發(fa)生了壓(ya)縮、破壞，接觸點晶(jing)(jing)格(ge)發(fa)生歪(wai)曲和變形(xing)(xing)，而破壞后(hou)晶(jing)(jing)格(ge)之(zhi)間(jian)的重新排(pai)列、調整(zheng)到最后(hou)趨于(yu)相對靜(jing)(jing)止需要相當長的時(shi)間(jian)才能完(wan)成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設(she)備采用英(ying)國GDS公司進口的電機控(kong)制(zhi)動(dong)三軸(zhou)試(shi)驗系統(tong)，試(shi)樣(yang)直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由(you)于自然沉(chen)積的磷石膏密度(du)變化較大(da)，為此根(gen)據物理(li)性質(zhi)試(shi)驗結果，選擇兩種(zhong)平均干密度(du)1.34g/cm3(變化范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動剪(jian)切模量G、阻(zu)尼比與(yu)剪(jian)應變幅值γd的關系式如下(xia)：

式(shi)中k1為(wei)(wei)參數(shu)，表(biao)示(shi)動(dong)剪(jian)切模量的衰(shuai)減(jian)或阻尼比(bi)的增長速(su)率；λmax為(wei)(wei)最(zui)大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別(bie)為(wei)(wei)最(zui)大動(dong)剪(jian)切模量和(he)歸一(yi)化(hua)的動(dong)剪(jian)應(ying)變(bian)，表(biao)示(shi)為(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)(wei)(wei)標準大(da)氣壓(ya)；vd為(wei)(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)(wei)歸一化的動應(ying)變，表達為(wei)(wei)(wei)

圖(tu)14給出了(le)動剪切(qie)模量、阻尼比與(yu)歸一(yi)化(hua)動應(ying)變的關系曲線(xian)，另外圖(tu)中還給出了(le)式(shi)(1)的擬合曲線(xian)以及Seed等給出的砂樣(yang)的上(shang)下(xia)邊界線(xian)，圖(tu)例中，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結應(ying)力(li)比。

從圖中可以看(kan)出：①式(1)可較(jiao)好地描述磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)動(dong)應力(li)-動(dong)應變試驗曲線(xian)(xian)，表(biao)明采用等價黏彈性(xing)模型進行循(xun)環(huan)荷(he)載(zai)作用下的(de)(de)(de)(de)分析是可行的(de)(de)(de)(de)；②圖14(a)中干密度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)位于(yu)干密度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)上方(fang)(fang)，圖14(b)中則(ze)位于(yu)下方(fang)(fang)，表(biao)明密度越大，動(dong)彈模越大、阻尼比越小；③圖14(a)中，兩種干密度的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)基(ji)本位于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)上方(fang)(fang)，而圖14(b)中則(ze)基(ji)本處(chu)于(yu)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)中間，表(biao)明相(xiang)比較(jiao)砂樣(yang)，磷石(shi)(shi)膏動(dong)彈模較(jiao)大，會(hui)導致磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應較(jiao)大，但由于(yu)阻尼比也較(jiao)大，這樣(yang)又會(hui)削弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應，二者(zhe)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影響下，磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應將不會(hui)過于(yu)強烈(lie)，這對磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇兩種平均(jun)干密度(du)為(wei)1.12(變化(hua)范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破(po)壞標準為(wei)總應變達到10%。

圖15給出了動剪(jian)應力比τd/σ0′與破(po)壞振次(ci)Nf的關(guan)系(xi)曲(qu)線圖，其中σ0為(wei)(wei)振前試樣(yang)45°面上的有效法向應力，表(biao)達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固(gu)結比。從試驗結果(guo)可(ke)以看出，沉積磷石膏的動強度與其它(ta)土體相似，表(biao)現(xian)為(wei)(wei)圍壓和固(gu)結應力比與動剪(jian)應力比呈負相關(guan)關(guan)系(xi)。

為判別(bie)沉積磷石膏的(de)抗液(ye)化能(neng)力，假定(ding)抗震設計烈度為8度，即等(deng)效振次(ci)Ⅳ可取為30。首(shou)先由式(4)

所示的(de)冪函數(shu)關系式得到(dao)振次為30時各個圍壓和固結(jie)比下(xia)的(de)動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后(hou)可(ke)擬(ni)合求得動剪應力比與圍壓(ya)和固結應力比的關系式：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。

從上述擬合(he)關系(xi)式(shi)可(ke)見，密實度提(ti)高后，動剪(jian)應(ying)力(li)比提(ti)高，表(biao)明(ming)抗液(ye)化(hua)能力(li)也提(ti)高。但(dan)即使是(shi)在低密度下，其動剪(jian)應(ying)力(li)比較之同類(lei)的粉土或粉砂也大出許多，表(biao)明(ming)磷石膏具有較高的抗液(ye)化(hua)能力(li)。

三、結論

依(yi)托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆(zhan)探取(qu)樣(yang)工(gong)作的基礎上，首先開(kai)展了物理性質試(shi)驗，然(ran)后開(kai)展了靜動力(li)力(li)學特性試(shi)驗。通(tong)過上述試(shi)驗研究，得出如下結論：

(1)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)總體(ti)上屬(shu)于級配不良的粉(fen)(fen)土(tu)，局部屬(shu)于粉(fen)(fen)砂(sha)一中(zhong)砂(sha)，無(wu)自然(ran)分級現象。其干密度和粒徑變(bian)化隨埋深或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離(li)的變(bian)化不明顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水平方(fang)(fang)向的滲透系(xi)數(shu)大于垂直方(fang)(fang)向的滲透系(xi)數(shu)，呈現明顯的各向異性。

(3)與(yu)土體(ti)顆(ke)粒不(bu)可壓(ya)縮不(bu)同，磷石膏的晶體(ti)結(jie)構會發生(sheng)壓(ya)縮破壞，具有較大(da)的壓(ya)縮性，其(qi)次固結(jie)變(bian)形量遠大(da)于主(zhu)固結(jie)變(bian)形量。

(4)沉積磷石膏(gao)的靜動強度(du)較之同等密(mi)實度(du)下的粉(fen)土、粉(fen)砂要高。