沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：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

磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是濕法(fa)(fa)磷酸(suan)生產(chan)過(guo)程中的(de)(de)副產(chan)品，2018年，全國(guo)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)生量為(wei)7800萬噸(dun)，且(qie)呈逐年增長的(de)(de)態勢。磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)主要成分(fen)(fen)是CaO和(he)SO3，但含有一定量的(de)(de)氟化物(wu)和(he)其它放射性(xing)物(wu)質，在中國(guo)通常(chang)按(an)Ⅱ類一般(ban)工(gong)(gong)業(ye)固體(ti)廢物(wu)處(chu)(chu)理，鑒于無害化處(chu)(chu)理成本較(jiao)高，目前綜(zong)合利(li)用(yong)率(lv)尚(shang)不(bu)足(zu)40%，故大部分(fen)(fen)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需(xu)要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)的(de)(de)不(bu)同(tong)，可(ke)分(fen)(fen)為(wei)平(ping)地(di)型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)，在中國(guo)基本上是山谷型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)。相比較(jiao)干(gan)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明顯，因而如地(di)質條(tiao)件為(wei)非(fei)碳酸(suan)鹽巖地(di)區，一般(ban)均(jun)采(cai)用(yong)濕排濕堆(dui)(dui)方式。隨(sui)著(zhu)中國(guo)磷肥工(gong)(gong)業(ye)的(de)(de)快速(su)發展，本世紀初中國(guo)相繼建設了幾座濕法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例(li)如云天化國(guo)際化工(gong)(gong)三(san)環分(fen)(fen)公司的(de)(de)柳樹箐磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)和(he)富(fu)瑞分(fen)(fen)公司的(de)(de)楊家箐磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高均(jun)超過(guo)100m、處(chu)(chu)于8度地(di)震(zhen)區，其安全性(xing)備(bei)受關注。

據(ju)統計(ji)，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全世界有118座尾礦壩(ba)曾發(fa)生過破(po)壞或潰壩(ba)事故，原因主(zhu)要(yao)有地(di)震(zhen)、洪水漫頂、滲透破(po)壞和(he)基(ji)礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事后會造(zao)成巨大的生態災難和(he)人(ren)員傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國(guo)內外對(dui)金屬尾礦的(de)(de)沉積(ji)(ji)(ji)規(gui)律、物理力學特性及其穩定性開(kai)展(zhan)了大量的(de)(de)研究(jiu)，但對(dui)于與金屬尾礦庫(ku)相近的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏庫(ku)，一般僅(jin)限于在可研階段(duan)采用人工制(zhi)備樣進(jin)(jin)行(xing)物理力學性質試驗，并據此進(jin)(jin)行(xing)穩定性分(fen)析，尚未(wei)有人針對(dui)己運(yun)行(xing)若干年的(de)(de)大型(xing)濕法堆存磷(lin)(lin)石膏堆積(ji)(ji)(ji)壩開(kai)展(zhan)過(guo)磷(lin)(lin)石膏沉積(ji)(ji)(ji)規(gui)律及其物理力學特性的(de)(de)專項研究(jiu)。

本(ben)文依(yi)托柳樹箐磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩，首先進行了鉆探(tan)取(qu)樣(yang)，采用原狀樣(yang)開展了密度、含水率、滲透、土水特(te)(te)(te)征(zheng)和(he)顆(ke)分等物理性(xing)質試(shi)(shi)驗(yan)，在此基(ji)礎上(shang)有針對性(xing)的選擇原狀樣(yang)開展了三(san)軸(zhou)CU、蠕(ru)變及(ji)動三(san)軸(zhou)等力學特(te)(te)(te)性(xing)試(shi)(shi)驗(yan)。通過上(shang)述試(shi)(shi)驗(yan)研究，總結(jie)了磷石(shi)膏(gao)的沉(chen)積規律、滲透特(te)(te)(te)性(xing)、滲透破壞(huai)特(te)(te)(te)性(xing)以及(ji)靜動力特(te)(te)(te)性(xing)，上(shang)述研究工作對研究和(he)評(ping)估磷石(shi)膏(gao)庫堆(dui)積壩的穩定性(xing)提供了基(ji)礎數據，對現行磷石(shi)膏(gao)庫的運行管理以及(ji)新建工程的設計具(ju)有重要的借鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存設計(ji)方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成(cheng)，設計總壩(ba)高(gao)約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采(cai)用土料(liao)填(tian)筑(zhu)。上游坡面、壩(ba)底和下(xia)游壩(ba)腳設(she)置堆(dui)石排(pai)水體，三者相連通構成整個堆(dui)積壩(ba)的主要(yao)排(pai)滲系統(tong)。

(2)堆積(ji)壩(ba)及其輔助排滲措施

采用上游式筑壩法，共20級(ji)子壩，頂寬6～9m，高度5m，堆(dui)積高度約100m。采用排滲管(guan)網作為輔助排滲方(fang)案，目(mu)前己(ji)在(zai)5級(ji)、9級(ji)子壩和13級(ji)子壩壩前120m范(fan)圍內設置了(le)井(jing)字形排滲管(guan)網。

1.2沉(chen)積磷石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面位置見(jian)圖l。2008年(nian)6月，堆積至5級(ji)子(zi)壩時(shi)，布(bu)設了9個取(qu)樣(yang)(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號K1～K9，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)(yang)(yang)76件；2013年(nian)5月，堆積至13級(ji)子(zi)壩時(shi)，又布(bu)設了11個取(qu)樣(yang)(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號K10～K20，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)(yang)(yang)112件，為比較子(zi)壩加高和(he)磷石膏堆積過程(cheng)中磷石膏物理力學性質(zhi)的變化，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)設了一個鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號分別(bie)為K17和(he)K18。

1.3運行(xing)概況(kuang)

柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)膏(gao)尾礦庫2005年(nian)開工(gong)建設，2006年(nian)1月投入運行，截至(zhi)2013年(nian)5月己堆至(zhi)13級(ji)子(zi)壩，尚有(you)7級(ji)子(zi)壩即堆存至(zhi)設計高(gao)程(cheng)。鑒(jian)于磷(lin)石(shi)膏(gao)庫地(di)(di)(di)形、地(di)(di)(di)質(zhi)條(tiao)件較好，具備擴(kuo)容(rong)改造的條(tiao)件，以提高(gao)堆存庫容(rong)，減(jian)少堆存占地(di)(di)(di)，節約土地(di)(di)(di)資源。

本文主(zhu)要對(dui)沉積磷(lin)石(shi)膏的物理力(li)學(xue)特性(xing)進行(xing)了全(quan)(quan)面(mian)總結，限于(yu)篇幅，有關現狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏庫堆(dui)積壩(ba)的安全(quan)(quan)性(xing)評價及其加高(gao)可行(xing)性(xing)的研究將另(ling)文發表。

二、沉積磷石膏的物理力學特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分布(bu)

圖2給(gei)出(chu)了(le)(le)14個鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)取樣深度和(he)試(shi)驗所得干密度的(de)(de)(de)關系，圖中(zhong)UWL表(biao)示水位線(xian)(xian)上(shang)，(系鉆(zhan)孔(kong)(kong)期(qi)間(jian)的(de)(de)(de)初見水位線(xian)(xian)，下同(tong))，DWL表(biao)示水位線(xian)(xian)下。圖3給(gei)出(chu)了(le)(le)水位線(xian)(xian)上(shang)下的(de)(de)(de)飽和(he)度分布(bu)圖。由于(yu)磷石膏中(zhong)的(de)(de)(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫(wen)度和(he)烘(hong)烤時間(jian)對測定結果有一(yi)定影響，不能(neng)照搬現行的(de)(de)(de)土工試(shi)驗規范(fan)，本文磷石膏的(de)(de)(de)含水率測定方法為55℃溫(wen)度下烘(hong)培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與(yu)埋(mai)深的關(guan)系

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

由(you)圖(tu)3，水位(wei)(wei)線上的(de)磷石膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度平均值(zhi)為50.4%，處(chu)于(yu)(yu)非飽(bao)(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態(tai)，水位(wei)(wei)線以下的(de)磷石膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度平均值(zhi)為85.0%，基本(ben)處(chu)于(yu)(yu)飽(bao)(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態(tai)，由(you)于(yu)(yu)水位(wei)(wei)下降后磷石膏來不及排(pai)水固結(jie)，故而水位(wei)(wei)線上局(ju)部試樣(yang)的(de)飽(bao)(bao)和(he)(he)度較高。

由圖2，水(shui)(shui)位線(xian)(xian)以上(shang)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位線(xian)(xian)以下(xia)(xia)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見(jian)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)與一般的(de)尾礦有所(suo)(suo)不同，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)并不隨(sui)埋深的(de)增(zeng)(zeng)大而明顯(xian)增(zeng)(zeng)大，但水(shui)(shui)位線(xian)(xian)以下(xia)(xia)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)從統(tong)計意義上(shang)來看仍大于(yu)水(shui)(shui)位線(xian)(xian)以上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)，這主要是(shi)由于(yu)水(shui)(shui)位線(xian)(xian)隨(sui)庫水(shui)(shui)位的(de)變化(hua)反復升降而使得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)排水(shui)(shui)固結所(suo)(suo)致。

室內擊實(shi)得(de)到的(de)磷石(shi)(shi)膏最大(da)干密(mi)(mi)(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看(kan)出(chu)(chu)，自然沉積(ji)的(de)磷石(shi)(shi)膏最大(da)干密(mi)(mi)(mi)度(du)可(ke)達(da)到1.73g/cm3，原因如下：與經(jing)典的(de)土(tu)骨(gu)(gu)架不可(ke)壓縮(suo)的(de)理論不同(tong)，石(shi)(shi)膏本身可(ke)壓縮(suo)，同(tong)時(shi)由于顆粒結構(gou)不穩定，擊實(shi)試(shi)驗過程中磷石(shi)(shi)膏結構(gou)被(bei)破壞，受夯擊處下陷，四(si)周鼓起(qi)，出(chu)(chu)現(xian)了(le)類似于橡皮土(tu)的(de)現(xian)象。而在現(xian)場(chang)條件下，石(shi)(shi)膏骨(gu)(gu)架被(bei)破壞后，會(hui)導致顆粒中的(de)結合水滲出(chu)(chu)至(zhi)孔(kong)隙(xi)內，變成孔(kong)隙(xi)水，排水固結后會(hui)使(shi)得(de)磷石(shi)(shi)膏的(de)孔(kong)隙(xi)比(bi)減小(xiao)，干密(mi)(mi)(mi)度(du)增大(da)。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)于2級(ji)子壩(ba)河(he)床部(bu)位(wei))以及相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)于4級(ji)子壩(ba)河(he)床部(bu)位(wei))干(gan)(gan)密度(du)(du)的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使從(cong)統計意義上來看，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)也并未隨后續磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)堆積而有較(jiao)為(wei)(wei)明顯(xian)的(de)(de)增(zeng)大。

(2)級配分布(bu)

顆(ke)粒(li)分(fen)析(xi)試(shi)驗(yan)采用(yong)密度計法，制備懸液(ye)時不煮沸，不加(jia)六偏磷酸鈉。圖(tu)(tu)5給出了試(shi)驗(yan)得到的(de)級配包線、平均粒(li)徑d50、不均勻(yun)系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的(de)分(fen)布(bu)圖(tu)(tu)。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏的粒(li)徑主(zhu)要(yao)分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于(yu)粉(fen)土(tu)，但可能由于(yu)礦石(shi)來源或生產工藝有所不(bu)同，局(ju)部屬于(yu)粉(fen)砂～中(zhong)砂。粒(li)徑分(fen)布范(fan)圍比Blight和張超等(deng)的試驗結果要(yao)寬一些。

圖(tu)4子壩加高后沉積磷石膏的干密度變(bian)化(hua)

圖5沉積磷石(shi)膏(gao)的平均粒徑和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論是(shi)水平向(xiang)(xiang)還是(shi)垂(chui)直向(xiang)(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)與金(jin)(jin)屬礦(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗后細(xi)，上粗下細(xi)”的(de)自然分(fen)級(ji)(ji)現象不(bu)同(tong)，也(ye)即粗顆(ke)粒(li)(li)(li)并不(bu)是(shi)沿埋深(shen)逐步減小或距離(li)放漿口越遠(yuan)顆(ke)粒(li)(li)(li)越細(xi)，其原因(yin)如(ru)下：①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)徑(jing)組成(cheng)較(jiao)為(wei)集中、均勻，主要以粉粒(li)(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)(ji)配較(jiao)差(cha)；②相比(bi)較(jiao)金(jin)(jin)屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)小，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于金(jin)(jin)屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)，例如(ru)鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿口隨(sui)子壩高度不(bu)斷增加而不(bu)斷變(bian)動并向(xiang)(xiang)庫尾(wei)延(yan)伸，造(zao)成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)粒(li)(li)(li)徑(jing)變(bian)化不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻系數Cu范圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲率(lv)系數(1c范圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.21，在統(tong)計的100多個(ge)試樣(yang)中，屬于級配不良土的占93%。這種級配特(te)性(xing)決定了磷石膏具有(you)較(jiao)高的壓縮性(xing)、滲透破壞型式表(biao)現為(wei)(wei)流土破壞。

2.2滲透(tou)特性

(1)滲透系(xi)數

影響滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)主要因(yin)素是粒徑(jing)大(da)小、級配和孔(kong)隙比(bi)，因(yin)而(er)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)與粉土(tu)較(jiao)為(wei)(wei)接近。由(you)于孔(kong)隙比(bi)e減(jian)小，使(shi)得(de)過水(shui)通道面積(ji)減(jian)小，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k也將減(jian)小，k與e呈正(zheng)相關(guan)(guan)(guan)關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)。對砂(sha)土(tu)，一般認(ren)為(wei)(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線性關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了(le)二者(zhe)間的(de)(de)(de)關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)曲線，由(you)于沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)不均(jun)勻(yun)系(xi)(xi)數(shu)變化(hua)較(jiao)大(da)，使(shi)得(de)沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)變化(hua)范(fan)圍較(jiao)大(da)(平均(jun)值為(wei)(wei)10-4cm/s數(shu)量級)，二者(zhe)問的(de)(de)(de)線性關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲透系數與孔隙比的關系

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

圖(tu)7給(gei)出了水(shui)(shui)(shui)平與垂直(zhi)向(xiang)滲透(tou)系數(shu)比值(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)分布(bu)。沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)平向(xiang)滲透(tou)系數(shu)kh一般(ban)大(da)于垂直(zhi)向(xiang)的(de)(de)(de)滲透(tou)系數(shu)kv,kh/kv平均值(zhi)(zhi)約為2.86，這一點與成層分布(bu)的(de)(de)(de)金屬尾礦規(gui)律一致。造(zao)成沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)(shui)平向(xiang)滲透(tou)系數(shu)大(da)于垂直(zhi)向(xiang)滲透(tou)系數(shu)的(de)(de)(de)原因是由于磷(lin)石(shi)膏具有明顯的(de)(de)(de)晶體結構，電鏡掃描(miao)顯示多為菱(ling)形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖(tu)8)，在(zai)沉積(ji)過程中，由于扁平狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏顆(ke)粒多呈水(shui)(shui)(shui)平排列，使得水(shui)(shui)(shui)平方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)大(da)于垂直(zhi)方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)，從而使磷(lin)石(shi)膏呈現明顯的(de)(de)(de)各向(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色金屬工業昆明勘(kan)察設計研究院(yuan)在楊(yang)家箐磷石(shi)膏堆積(ji)壩開展的(de)現場滲(shen)透(tou)試(shi)(shi)驗，kh/kv的(de)平均(jun)值約(yue)為1.9。但(dan)張超等的(de)室內試(shi)(shi)驗顯示，kh/kv的(de)平均(jun)值約(yue)為0.46，也即垂直向滲(shen)透(tou)系數(shu)大于水平向滲(shen)透(tou)系數(shu)，與本文和現場試(shi)(shi)驗結果(guo)恰(qia)恰(qia)相(xiang)反(fan)。從(cong)磷石(shi)膏的(de)微(wei)觀結構來看，本文試(shi)(shi)驗結果(guo)更為合理。

圖(tu)7沉(chen)積磷(lin)石膏干密度與水平和垂直滲透(tou)系數比值的關(guan)系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷石(shi)膏干密(mi)度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度(du)J與(yu)流速V的(de)(de)關(guan)系曲線(xian)，試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)在水(shui)(shui)(shui)平(ping)管涌(yong)儀中采(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方(fang)向的(de)(de)滲流形(xing)式進行(xing)。試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)得到的(de)(de)臨界坡降Jc=0.355，破壞(huai)坡降Jp=0.375。一(yi)般(ban)來(lai)說，對1，2級工程，滲透(tou)安全系數(shu)取為(wei)2.5，則(ze)(ze)允許(xu)出(chu)逸(yi)坡降為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下工程，滲透(tou)安全系數(shu)取2.0，則(ze)(ze)允許(xu)出(chu)逸(yi)坡降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降與(yu)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大致相同。但(dan)上(shang)(shang)述(shu)滲透(tou)變(bian)形(xing)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)是(shi)采(cai)用(yong)自來(lai)水(shui)(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)對磷石(shi)膏具有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)溶(rong)蝕(shi)作(zuo)用(yong)，而(er)實際上(shang)(shang)磷石(shi)膏中殘余磷、硫(liu)和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小(xiao)于3(稱(cheng)之為(wei)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui))，在酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下，磷石(shi)膏不會(hui)發生破壞(huai)，上(shang)(shang)述(shu)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果是(shi)偏于保守的(de)(de)，但(dan)對非(fei)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)條件(jian)(例如特大暴雨)下的(de)(de)滲透(tou)穩定(ding)判斷有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒(jian)意(yi)義。

圖(tu)9水力(li)梯度J-流(liu)速v試(shi)驗過(guo)程(cheng)線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力(li)板(ban)儀中進行，環(huan)刀尺寸(cun)6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試驗曲線見圖10所示。

試驗結果表(biao)明(ming)(ming)：①干(gan)密(mi)度對進氣(qi)值(zhi)沒有明(ming)(ming)顯的(de)(de)影(ying)響，不同干(gan)密(mi)度的(de)(de)試樣的(de)(de)進氣(qi)值(zhi)大致在10kPa左右；②土樣殘余(yu)含水(shui)率隨(sui)干(gan)密(mi)度的(de)(de)增加而減少(shao)，殘余(yu)含水(shui)率約為飽(bao)和含水(shui)率的(de)(de)10%。上述特性與粉土一(yi)粉砂基本(ben)一(yi)致。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于(yu)沉積磷石膏的(de)密(mi)度(du)變(bian)化較大，而(er)進行(xing)三(san)軸(zhou)(zhou)試(shi)驗需要(yao)若干原狀樣，為(wei)使試(shi)驗結(jie)果(guo)具有較好的(de)一(yi)致性(xing)，有針對性(xing)的(de)選擇平均干密(mi)度(du)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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干試(shi)樣，進行(xing)了5組三(san)軸(zhou)(zhou)CU試(shi)驗。圖11是為(wei)干密(mi)度(du)為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)軸(zhou)(zhou)CU試(shi)驗曲(qu)線。

從圖(tu)11可以看出，磷石(shi)膏(gao)的(de)應力應變關系曲線(xian)在低(di)圍壓下表現為(wei)軟化(hua)型(xing)，在高圍壓下表現為(wei)硬(ying)化(hua)型(xing)，與(yu)一(yi)(yi)般(ban)土類(lei)相(xiang)似(si)。但與(yu)一(yi)(yi)般(ban)粉土一(yi)(yi)粉砂不同的(de)是，即使(shi)在較為(wei)疏松(song)的(de)狀態下，磷石(shi)膏(gao)仍(reng)表現了較為(wei)強烈(lie)的(de)剪脹，隨密實(shi)度增(zeng)大，剪脹作(zuo)用(yong)愈發明顯。

表(biao)2給(gei)出(chu)了(le)不同干(gan)(gan)密(mi)度(du)下的(de)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了(le)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)關系曲線。隨干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較(jiao)好(hao)地擬合。磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應力摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有(you)效(xiao)應力摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也(ye)明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效(xiao)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)(zhi)總應力摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)之(zhi)(zhi)于干(gan)(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并(bing)不顯著，表(biao)明(ming)即使較(jiao)為(wei)疏松的(de)磷(lin)石膏(gao)仍(reng)具有(you)較(jiao)高的(de)強(qiang)度(du)指標，這也(ye)表(biao)明(ming)磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)穩定(ding)性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結(jie))變形試驗

磷石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形試(shi)驗在側(ce)限壓縮(suo)儀中進行(xing)，試(shi)驗狀(zhuang)態(tai)相當(dang)于K0固結。試(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高(gao)度20mm，試(shi)樣(yang)干密度為1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)飽和后分別開(kai)展(zhan)了上覆壓力(li)ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗，

試驗(yan)從2012年8月(yue)27日開始(shi)，試驗(yan)己(ji)進(jin)行了(le)1年多，試驗(yan)結果見圖(tu)13所(suo)示(shi)。

從圖13中可以看出：上(shang)覆荷載越大，磷(lin)(lin)石膏的蠕變變形(xing)也(ye)越大，荷載施加1年(nian)后(hou)，磷(lin)(lin)石膏的蠕變變形(xing)仍(reng)非常顯(xian)著，尚(shang)未(wei)(wei)達到穩定(ding)狀態，這也(ye)是(shi)磷(lin)(lin)石膏堆積壩后(hou)期變形(xing)較大的原(yuan)因，原(yuan)型觀測資料(liao)表明，在5級子(zi)壩河床部位的表面沉降量已經達到3.1m，且尚(shang)未(wei)(wei)完全穩定(ding)。

按時(shi)間對(dui)數法，可求得(de)各級(ji)荷載(zai)下(xia)的(de)(de)主次(ci)固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)量如表3所示。試驗結果表明，在100～400kPa上覆荷載(zai)作用下(xia)，在試驗時(shi)間范(fan)圍內蠕變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)結)變(bian)(bian)形(xing)是主固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由(you)于(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未完成(cheng)(cheng)，實際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更(geng)大。對(dui)土體而言(yan)，發生(sheng)(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)(de)原因是由(you)于(yu)土體在主固(gu)結完成(cheng)(cheng)之后，土體中仍有微小的(de)(de)超(chao)靜(jing)(jing)孔隙壓(ya)力存在，驅(qu)使水(shui)在顆粒問(wen)流動(dong)，一般來(lai)講土體的(de)(de)次(ci)固(gu)結遠(yuan)小于(yu)主固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)；對(dui)磷(lin)石(shi)膏而言(yan)，其滲透系(xi)數在10-4cm/s數量級(ji)，遠(yuan)大于(yu)黏性土，但其卻發生(sheng)(sheng)了極為顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)結變(bian)(bian)形(xing)，其原因在于(yu)磷(lin)石(shi)膏晶體結構發生(sheng)(sheng)了壓(ya)縮、破壞(huai)(huai)，接觸(chu)點晶格發生(sheng)(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形(xing)，而破壞(huai)(huai)后晶格之間的(de)(de)重新排列(lie)、調整到(dao)最后趨于(yu)相(xiang)對(dui)靜(jing)(jing)止需(xu)要相(xiang)當(dang)長(chang)的(de)(de)時(shi)間才能完成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗(yan)設備采用英國GDS公司進口的(de)電機控制動三軸(zhou)試驗(yan)系統(tong)，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比(bi)

同樣(yang)由于(yu)自然沉積的磷石膏密(mi)度變(bian)化(hua)較大，為此根據物(wu)理性質(zhi)試(shi)驗結果(guo)，選擇(ze)兩種平均干密(mi)度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切(qie)模量G、阻尼(ni)比與剪應(ying)變幅值γd的關系式如下：

式中k1為參數，表示(shi)動剪切模量的衰減或阻尼比的增長速率(lv)；λmax為最(zui)(zui)大(da)阻尼比；Gmax，γd分別(bie)為最(zui)(zui)大(da)動剪切模量和歸一(yi)化的動剪應(ying)變(bian)，表示(shi)為

式中k2,n為(wei)(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)(wei)球應力(li)；Pa為(wei)(wei)(wei)標準大(da)氣(qi)壓；vd為(wei)(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)(wei)歸一化的(de)動應變，表達為(wei)(wei)(wei)

圖(tu)14給出(chu)(chu)了動剪切模(mo)量、阻(zu)尼比(bi)與歸一化動應(ying)變的關系曲(qu)線，另外(wai)圖(tu)中還給出(chu)(chu)了式(1)的擬合曲(qu)線以(yi)及Seed等給出(chu)(chu)的砂樣的上下邊界線，圖(tu)例(li)中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應(ying)力比(bi)。

從(cong)圖中(zhong)(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)變試驗曲(qu)線(xian)，表(biao)明采用(yong)(yong)等價黏彈(dan)性模型進行循環荷載(zai)作用(yong)(yong)下的(de)(de)(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)位于(yu)干密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)上方，圖14(b)中(zhong)(zhong)則位于(yu)下方，表(biao)明密(mi)度越(yue)大，動(dong)(dong)彈(dan)模越(yue)大、阻尼(ni)比越(yue)小；③圖14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)基本(ben)(ben)位于(yu)Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)上方，而(er)圖14(b)中(zhong)(zhong)則基本(ben)(ben)處于(yu)邊界線(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)明相比較(jiao)(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模較(jiao)(jiao)大，會(hui)導致磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)較(jiao)(jiao)大，但(dan)由于(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)(jiao)大，這樣(yang)又(you)會(hui)削弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)將不會(hui)過于(yu)強烈(lie)，這對磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)震穩(wen)定性是有利(li)的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩(liang)種平(ping)均干(gan)密(mi)度為(wei)(wei)1.12(變化(hua)范(fan)(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范(fan)(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞標準(zhun)為(wei)(wei)總應(ying)變達到10%。

圖15給出(chu)了動剪應(ying)力比(bi)τd/σ0′與破(po)壞振次Nf的關(guan)系曲線圖，其中σ0為(wei)振前試樣45°面上的有效法向應(ying)力，表(biao)達(da)為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結(jie)比(bi)。從試驗結(jie)果可以看出(chu)，沉積磷石膏的動強(qiang)度與其它土體相(xiang)似(si)，表(biao)現為(wei)圍壓(ya)和固(gu)結(jie)應(ying)力比(bi)與動剪應(ying)力比(bi)呈負相(xiang)關(guan)關(guan)系。

為判別沉積磷石膏的抗(kang)液化能(neng)力，假定(ding)抗(kang)震設計(ji)烈度為8度，即等效振次(ci)Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的冪(mi)函(han)數關系式得到振(zhen)次(ci)為30時各個圍壓和(he)固(gu)結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬(ni)合求得(de)動剪(jian)應力(li)比(bi)與圍壓(ya)和(he)固結應力(li)比(bi)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。

從上述擬合關系式可見，密(mi)實度(du)提高后，動剪(jian)應力比(bi)提高，表(biao)明(ming)抗液化能(neng)力也提高。但即使(shi)是(shi)在低密(mi)度(du)下，其動剪(jian)應力比(bi)較之(zhi)同(tong)類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化能(neng)力。

三、結(jie)論

依托柳樹箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開展了(le)物理性質(zhi)試(shi)驗，然(ran)后開展了(le)靜動(dong)力(li)力(li)學特(te)性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，得(de)出如下結論：

(1)沉積磷石膏總體(ti)上屬(shu)于(yu)級配不良(liang)的粉(fen)土，局部(bu)屬(shu)于(yu)粉(fen)砂一中砂，無(wu)自然分級現象。其干密度和(he)粒徑變化隨埋深或距放漿口距離(li)的變化不明(ming)顯。

(2)沉積磷石(shi)膏水(shui)平方向(xiang)(xiang)的滲透(tou)系數(shu)大(da)于垂直方向(xiang)(xiang)的滲透(tou)系數(shu)，呈現明顯的各向(xiang)(xiang)異性(xing)。

(3)與土體顆粒不可壓(ya)縮(suo)(suo)不同，磷石膏(gao)的晶體結(jie)構會發生壓(ya)縮(suo)(suo)破壞(huai)，具有較(jiao)大(da)的壓(ya)縮(suo)(suo)性(xing)，其次固結(jie)變(bian)形量遠大(da)于主固結(jie)變(bian)形量。

(4)沉積磷石膏的靜動強度較之同(tong)等密實度下的粉土、粉砂要高。