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。

引言

磷(lin)石(shi)膏是濕(shi)法磷(lin)酸生產(chan)過程中的(de)(de)副產(chan)品，2018年(nian)，全國磷(lin)石(shi)膏產(chan)生量為(wei)7800萬噸，且呈逐(zhu)年(nian)增長的(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)主要成分(fen)是CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定量的(de)(de)氟(fu)化物和(he)其它(ta)放射性(xing)物質，在(zai)(zai)中國通常(chang)按(an)(an)Ⅱ類一(yi)般工業固體(ti)廢物處(chu)理，鑒于無害化處(chu)理成本較高，目前綜合利用率尚不(bu)足40%，故大部分(fen)磷(lin)石(shi)膏需要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放。按(an)(an)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)場地(di)的(de)(de)不(bu)同，可分(fen)為(wei)平地(di)型、傍(bang)山型、山谷型和(he)截(jie)河型堆(dui)(dui)(dui)(dui)場，在(zai)(zai)中國基本上(shang)是山谷型堆(dui)(dui)(dui)(dui)場。相比較干(gan)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)經濟優(you)勢明顯，因(yin)而如地(di)質條件為(wei)非碳酸鹽(yan)巖地(di)區，一(yi)般均采(cai)用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨(sui)著(zhu)中國磷(lin)肥工業的(de)(de)快速發展，本世紀初中國相繼建設了幾座濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)的(de)(de)大型磷(lin)石(shi)膏庫(ku)(ku)，例如云(yun)天化國際(ji)化工三環分(fen)公司的(de)(de)柳樹箐磷(lin)石(shi)膏庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)和(he)富(fu)瑞分(fen)公司的(de)(de)楊家箐磷(lin)石(shi)膏庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)，這兩(liang)座壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高均超過100m、處(chu)于8度地(di)震區，其安全性(xing)備(bei)受關注。

據統計，110多年(nian)(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)(nian)一(yi)2013年(nian)(nian)(nian))來，全世界有118座(zuo)尾(wei)(wei)礦壩曾發(fa)生(sheng)過(guo)破壞(huai)或潰壩事(shi)故，原因主要有地震、洪水(shui)漫頂、滲透破壞(huai)和基(ji)礎失穩。尾(wei)(wei)礦庫失事(shi)后會造成巨大的(de)生(sheng)態災難和人員傷亡，近幾十年(nian)(nian)(nian)來，

國內外對(dui)金(jin)屬尾(wei)礦的沉(chen)積規(gui)律、物(wu)理(li)力學特性(xing)(xing)及(ji)(ji)其(qi)(qi)穩定性(xing)(xing)開展(zhan)了(le)大量的研究，但對(dui)于(yu)與(yu)金(jin)屬尾(wei)礦庫相近的磷石膏(gao)庫，一般僅限于(yu)在可研階段(duan)采用人工(gong)制備樣進行(xing)物(wu)理(li)力學性(xing)(xing)質(zhi)試驗，并據此(ci)進行(xing)穩定性(xing)(xing)分析，尚(shang)未有人針對(dui)己(ji)運行(xing)若干年(nian)的大型濕(shi)法堆存(cun)磷石膏(gao)堆積壩開展(zhan)過磷石膏(gao)沉(chen)積規(gui)律及(ji)(ji)其(qi)(qi)物(wu)理(li)力學特性(xing)(xing)的專項(xiang)研究。

本文(wen)依托柳樹箐磷石膏堆積(ji)壩(ba)，首先進行了(le)鉆探(tan)取(qu)樣(yang)，采(cai)用原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展(zhan)了(le)密(mi)度、含水率、滲(shen)透、土水特(te)(te)征和顆分等(deng)(deng)物(wu)理性質(zhi)試(shi)驗(yan)，在(zai)此基礎上有針對性的選擇原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展(zhan)了(le)三(san)軸CU、蠕變及(ji)(ji)動三(san)軸等(deng)(deng)力學特(te)(te)性試(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)，總(zong)結(jie)了(le)磷石膏的沉積(ji)規(gui)律、滲(shen)透特(te)(te)性、滲(shen)透破壞特(te)(te)性以及(ji)(ji)靜(jing)動力特(te)(te)性，上述研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)對研(yan)究(jiu)和評估(gu)磷石膏庫(ku)堆積(ji)壩(ba)的穩定(ding)性提供了(le)基礎數(shu)據，對現行磷石膏庫(ku)的運行管理以及(ji)(ji)新建工(gong)程的設(she)計具有重要的借鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏堆積壩堆存設計方案

由初期壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土(tu)料(liao)填(tian)筑(zhu)。上(shang)游(you)坡面(mian)、壩(ba)底和(he)下(xia)游(you)壩(ba)腳設置堆石排水體，三者相連(lian)通構成整個堆積壩(ba)的主要排滲系統。

(2)堆積壩及其輔(fu)助排(pai)滲措施(shi)

采(cai)用(yong)上(shang)游式筑壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積(ji)高(gao)度約100m。采(cai)用(yong)排(pai)滲(shen)(shen)管(guan)網(wang)作為(wei)輔助(zhu)排(pai)滲(shen)(shen)方案，目前己(ji)在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范(fan)圍內設置了井字形排(pai)滲(shen)(shen)管(guan)網(wang)。

1.2沉積磷石膏(gao)的(de)鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面位(wei)置見圖l。2008年(nian)6月(yue)，堆(dui)積(ji)至(zhi)5級(ji)子壩(ba)時，布設(she)(she)(she)了(le)9個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取原(yuan)狀樣(yang)76件；2013年(nian)5月(yue)，堆(dui)積(ji)至(zhi)13級(ji)子壩(ba)時，又布設(she)(she)(she)了(le)11個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取原(yuan)狀樣(yang)112件，為比較子壩(ba)加(jia)高和(he)磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)過程(cheng)中磷石膏(gao)物理(li)力學性質的(de)變(bian)化，在2，4級(ji)子壩(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近(jin)各布設(she)(she)(she)了(le)一個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)分別為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹(shu)箐磷石膏尾礦庫(ku)2005年開工建(jian)設，2006年1月投入運行，截至(zhi)(zhi)2013年5月己堆至(zhi)(zhi)13級子壩(ba)，尚有7級子壩(ba)即堆存(cun)至(zhi)(zhi)設計高程。鑒于磷石膏庫(ku)地(di)形、地(di)質條件較好，具備擴容(rong)改造的條件，以(yi)提高堆存(cun)庫(ku)容(rong)，減少(shao)堆存(cun)占(zhan)地(di)，節約(yue)土地(di)資源。

本文(wen)主要對沉積(ji)磷石膏的(de)物理力學特性進(jin)行了全(quan)面(mian)總結(jie)，限于篇幅，有關現狀磷石膏庫堆積(ji)壩的(de)安(an)全(quan)性評價及(ji)其加高可行性的(de)研(yan)究將另(ling)文(wen)發表。

二、沉積磷石膏(gao)的物理力學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分(fen)布(bu)

圖2給(gei)出了14個鉆孔的(de)(de)取樣深度(du)和(he)試驗(yan)所得(de)干密度(du)的(de)(de)關系(xi)，圖中(zhong)UWL表示(shi)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線上，(系(xi)鉆孔期間的(de)(de)初(chu)見水(shui)(shui)(shui)位(wei)線，下同)，DWL表示(shi)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線下。圖3給(gei)出了水(shui)(shui)(shui)位(wei)線上下的(de)(de)飽(bao)和(he)度(du)分布(bu)圖。由于磷(lin)石(shi)膏中(zhong)的(de)(de)主(zhu)要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度(du)和(he)烘烤(kao)時間對測定(ding)結果有一定(ding)影響，不(bu)能照搬現行的(de)(de)土工試驗(yan)規范，本文磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)含水(shui)(shui)(shui)率測定(ding)方法(fa)為55℃溫(wen)度(du)下烘培(pei)24h。

圖2沉積磷石(shi)膏干密度與埋深的關系

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

由圖3，水(shui)位(wei)(wei)(wei)線上的(de)磷石膏飽和(he)(he)度平均值(zhi)為50.4%，處(chu)于(yu)非飽和(he)(he)狀態(tai)(tai)，水(shui)位(wei)(wei)(wei)線以下(xia)的(de)磷石膏飽和(he)(he)度平均值(zhi)為85.0%，基(ji)本(ben)處(chu)于(yu)飽和(he)(he)狀態(tai)(tai)，由于(yu)水(shui)位(wei)(wei)(wei)下(xia)降后磷石膏來不及排水(shui)固結(jie)，故而水(shui)位(wei)(wei)(wei)線上局(ju)部試樣的(de)飽和(he)(he)度較高。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)(de)干(gan)密度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)(de)干(gan)密度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏(gao)與一般的(de)(de)尾礦有所不(bu)同，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)密度并不(bu)隨埋深(shen)的(de)(de)增大而(er)明(ming)顯增大，但水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)干(gan)密度從(cong)統(tong)計意義上來看仍大于水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)干(gan)密度，這主要是由于水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)的(de)(de)變化反復升降而(er)使得磷石(shi)膏(gao)排(pai)水(shui)(shui)固結所致。

室內擊實(shi)得(de)到的磷石膏(gao)(gao)最大干密度一(yi)般(ban)在1.36～1.46g/cm3之(zhi)間(jian)，從圖(tu)2可以看(kan)出(chu)，自然沉積的磷石膏(gao)(gao)最大干密度可達到1.73g/cm3，原因如(ru)下(xia)(xia)：與經典的土(tu)骨架不(bu)可壓(ya)縮(suo)的理(li)論不(bu)同，石膏(gao)(gao)本身可壓(ya)縮(suo)，同時由于(yu)顆粒結(jie)(jie)(jie)(jie)構不(bu)穩定，擊實(shi)試驗過程中(zhong)磷石膏(gao)(gao)結(jie)(jie)(jie)(jie)構被(bei)(bei)破壞，受(shou)夯擊處(chu)下(xia)(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現了類似(si)于(yu)橡皮(pi)土(tu)的現象。而在現場(chang)條件下(xia)(xia)，石膏(gao)(gao)骨架被(bei)(bei)破壞后，會(hui)導致(zhi)顆粒中(zhong)的結(jie)(jie)(jie)(jie)合(he)水(shui)(shui)(shui)滲(shen)出(chu)至孔隙內，變成孔隙水(shui)(shui)(shui)，排水(shui)(shui)(shui)固結(jie)(jie)(jie)(jie)后會(hui)使得(de)磷石膏(gao)(gao)的孔隙比減(jian)小(xiao)，干密度增大。

圖4給出了相(xiang)鄰(lin)鉆孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于(yu)(yu)2級子壩(ba)河床部(bu)位(wei)(wei))以及(ji)相(xiang)鄰(lin)鉆孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于(yu)(yu)4級子壩(ba)河床部(bu)位(wei)(wei))干(gan)(gan)密(mi)(mi)度的(de)對(dui)比圖。K2鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從(cong)統計意義上來看(kan)，磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度也并未隨(sui)后(hou)續磷(lin)石膏(gao)的(de)堆積而有較為(wei)(wei)(wei)明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析(xi)試驗采用密度計法，制備懸液時不煮沸(fei)，不加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得到的級(ji)配包線(xian)、平(ping)均粒徑d50、不均勻系數(shu)(1u和曲率(lv)系數(shu)Cc的分布圖。

從圖5(a)可見，磷(lin)石膏的(de)粒徑(jing)主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總體(ti)上屬于(yu)粉(fen)土，但可能由于(yu)礦(kuang)石來源或生產工藝有所不(bu)同，局(ju)部屬于(yu)粉(fen)砂(sha)～中砂(sha)。粒徑(jing)分布范(fan)圍比Blight和(he)張超等的(de)試驗結果要(yao)寬一些。

圖4子壩(ba)加高后沉積磷石膏的干(gan)密(mi)度變(bian)化

圖5沉積磷石膏(gao)的平均粒徑和(he)級(ji)配分布

由圖5(b)和5(c)，無論(lun)是水平(ping)向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)與金屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)“前粗后細，上粗下細”的(de)自然分(fen)級現(xian)象不同，也(ye)即粗顆粒(li)并不是沿埋深逐步減小或距離放(fang)漿(jiang)口越遠(yuan)顆粒(li)越細，其原因如下：①磷(lin)(lin)石膏(gao)顆粒(li)粒(li)徑組(zu)成較(jiao)為集中、均勻，主(zhu)要以(yi)粉(fen)粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級配(pei)較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)小，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)比(bi)重(zhong)一般為2.3～2.4，遠(yuan)小于金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)，例如鐵(tie)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)可(ke)達2.9；③放(fang)漿(jiang)口隨子壩高度不斷增(zeng)加(jia)而(er)不斷變動并向(xiang)庫尾(wei)(wei)延伸(shen)，造成沉積磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)粒(li)徑變化不明顯。

從(cong)圖5(d)可見(jian)，不均勻(yun)系數(shu)Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲(qu)率系數(shu)(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為(wei)(wei)1.21，在統計的100多(duo)個試樣中(zhong)，屬于(yu)級配(pei)不良土(tu)的占93%。這(zhe)種級配(pei)特性決定(ding)了磷石膏具有較高(gao)的壓(ya)縮性、滲透(tou)破壞型式表(biao)現為(wei)(wei)流土(tu)破壞。

2.2滲(shen)透特性(xing)

(1)滲透系數

影(ying)響滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑大(da)小(xiao)(xiao)、級(ji)配(pei)和孔(kong)隙(xi)比，因而磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土較為接近。由于孔(kong)隙(xi)比e減小(xiao)(xiao)，使得(de)過水通(tong)道(dao)面(mian)積減小(xiao)(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減小(xiao)(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較好，圖6給出了二者間的(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線，由于沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化較大(da)，使得(de)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化范圍較大(da)(平均值(zhi)為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二者問的(de)(de)線性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較差。

圖6沉積磷石膏滲透系數與孔隙比(bi)的關系

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

圖7給出了水平(ping)(ping)(ping)與垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)滲透系數比(bi)值(zhi)的(de)(de)分(fen)布(bu)。沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)水平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透系數kh一般大于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)的(de)(de)滲透系數kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均值(zhi)約為2.86，這(zhe)一點(dian)與成層分(fen)布(bu)的(de)(de)金屬尾礦規律一致。造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)水平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透系數大于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)滲透系數的(de)(de)原因是由(you)于(yu)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)具(ju)有明顯(xian)的(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯(xian)示多為菱形和(he)棱柱(zhu)狀形式(shi)(見圖8)，在沉積過程中，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)顆粒多呈水平(ping)(ping)(ping)排列，使得(de)水平(ping)(ping)(ping)方向(xiang)的(de)(de)透水性大于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)方向(xiang)的(de)(de)透水性，從而使磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)呈現明顯(xian)的(de)(de)各(ge)向(xiang)異性。

另根據(ju)中國(guo)有色金屬工業昆明勘察設計研究院(yuan)在楊家箐(qing)磷(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩開展的(de)現場(chang)滲(shen)透試驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約為1.9。但張超等的(de)室(shi)內試驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約為0.46，也即垂(chui)直(zhi)向滲(shen)透系數大于(yu)水(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)透系數，與本文(wen)和現場(chang)試驗(yan)結(jie)(jie)果恰(qia)恰(qia)相反。從磷(lin)石膏的(de)微觀(guan)結(jie)(jie)構(gou)來看，本文(wen)試驗(yan)結(jie)(jie)果更為合理。

圖7沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏干密(mi)度(du)與水(shui)平和垂直滲透系數(shu)比值的關系

(2)滲透變(bian)形(xing)

圖9為磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密度為1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)(shui)力(li)梯度J與流速V的(de)關系曲線，試(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)平管(guan)涌儀(yi)中采(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平方向的(de)滲(shen)流形式(shi)進行。試(shi)驗(yan)得到的(de)臨(lin)界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來說(shuo)，對1，2級(ji)工程，滲(shen)透(tou)安全(quan)系數(shu)取(qu)(qu)為2.5，則(ze)(ze)允(yun)許(xu)(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下(xia)工程，滲(shen)透(tou)安全(quan)系數(shu)取(qu)(qu)2.0，則(ze)(ze)允(yun)許(xu)(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)(xu)比降(jiang)(jiang)與粉土一(yi)粉砂大(da)致相同。但(dan)上述(shu)滲(shen)透(tou)變形試(shi)驗(yan)是采(cai)用(yong)自來水(shui)(shui)(shui)進行的(de)，自來水(shui)(shui)(shui)對磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有一(yi)定(ding)(ding)的(de)溶蝕作用(yong)，而實際上磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中殘余磷(lin)(lin)、硫和氟(fu)酸，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)pH值(zhi)一(yi)般小于3(稱之(zhi)為酸性水(shui)(shui)(shui))，在酸性水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不會發(fa)生破壞(huai)，上述(shu)試(shi)驗(yan)結果是偏于保(bao)守的(de)，但(dan)對非酸性水(shui)(shui)(shui)條件(jian)(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)滲(shen)透(tou)穩定(ding)(ding)判斷有一(yi)定(ding)(ding)的(de)借鑒意義(yi)。

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

(3)土水(shui)特征試(shi)驗(yan)

試驗在5Bar的壓力板(ban)儀中進(jin)行(xing)，環刀(dao)尺寸(cun)6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了(le)含水率特征值(zhi)，試驗曲線見圖(tu)10所示。

試(shi)(shi)驗結果表明：①干密度(du)對進(jin)氣值沒(mei)有明顯的(de)影響，不同干密度(du)的(de)試(shi)(shi)樣的(de)進(jin)氣值大致(zhi)在10kPa左右；②土(tu)(tu)樣殘(can)余含水率隨(sui)干密度(du)的(de)增(zeng)加(jia)而減少(shao)，殘(can)余含水率約為飽和含水率的(de)10%。上述特(te)性與粉(fen)土(tu)(tu)一(yi)粉(fen)砂基本一(yi)致(zhi)。

2.3靜力(li)力(li)學(xue)特性

(1)三軸CU試(shi)驗

由于(yu)沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)密(mi)度變化較(jiao)大，而進行三(san)(san)軸(zhou)試(shi)(shi)驗需(xu)要若(ruo)干(gan)原(yuan)狀樣，為(wei)(wei)使試(shi)(shi)驗結果具有(you)較(jiao)好的(de)(de)一致性，有(you)針對性的(de)(de)選(xuan)擇平(ping)均干(gan)密(mi)度分(fen)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(ruo)干(gan)試(shi)(shi)樣，進行了5組(zu)三(san)(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗。圖11是(shi)為(wei)(wei)干(gan)密(mi)度為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗曲線(xian)。

從圖11可(ke)以看出，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的應(ying)力應(ying)變關系(xi)曲線在低圍壓下表(biao)現(xian)為(wei)軟化型，在高圍壓下表(biao)現(xian)為(wei)硬化型，與一(yi)(yi)般土(tu)類(lei)相似。但(dan)與一(yi)(yi)般粉土(tu)一(yi)(yi)粉砂不同(tong)的是，即(ji)使在較(jiao)為(wei)疏松的狀態下，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)仍表(biao)現(xian)了較(jiao)為(wei)強烈的剪脹(zhang)，隨(sui)密實度增大，剪脹(zhang)作用愈發明(ming)顯(xian)。

表2給出了不同干(gan)密(mi)(mi)度(du)下的(de)內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)，圖12給出了內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)與干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)關系曲(qu)線(xian)(xian)。隨(sui)干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)也隨(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，且可采用冪函數(shu)較(jiao)(jiao)好地(di)擬合(he)。磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總(zong)應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為37.3°(根據擬合(he)曲(qu)線(xian)(xian)求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為9.4%，有效應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為3.2%，由于隨(sui)圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔壓(ya)也明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，故(gu)有效摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)(jiao)之總(zong)應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之于干(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并不顯(xian)著，表明(ming)即(ji)使較(jiao)(jiao)為疏(shu)松(song)的(de)磷(lin)石膏(gao)仍具(ju)有較(jiao)(jiao)高的(de)強度(du)指(zhi)標(biao)，這也表明(ming)磷(lin)石膏(gao)堆積壩的(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固(gu)結)變形(xing)試(shi)驗

磷石膏的蠕變(bian)變(bian)形試(shi)(shi)驗(yan)在(zai)側限(xian)壓縮儀中(zhong)進行，試(shi)(shi)驗(yan)狀態(tai)相(xiang)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(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣飽和后分別開展(zhan)了上覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)，

試(shi)驗從2012年8月(yue)27日開始，試(shi)驗己(ji)進行了1年多，試(shi)驗結果見圖13所示。

從圖13中可以看(kan)出(chu)：上覆(fu)荷載越大，磷(lin)石(shi)膏的(de)蠕變變形也越大，荷載施加(jia)1年(nian)后，磷(lin)石(shi)膏的(de)蠕變變形仍非(fei)常(chang)顯著，尚未達(da)到穩定(ding)狀態(tai)，這也是磷(lin)石(shi)膏堆積壩(ba)后期(qi)變形較大的(de)原因，原型觀測資料表明，在5級子(zi)壩(ba)河床(chuang)部位的(de)表面(mian)沉降量已經達(da)到3.1m，且(qie)尚未完(wan)全穩定(ding)。

按時間對數(shu)法(fa)，可(ke)求(qiu)得各級(ji)(ji)荷載下(xia)的(de)主次固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)量如(ru)表(biao)3所示(shi)。試驗結(jie)果表(biao)明，在(zai)100～400kPa上(shang)覆(fu)荷載作用下(xia)，在(zai)試驗時間范圍內蠕(ru)(ru)(ru)變(bian)(次固結(jie))變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)是主固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由(you)于(yu)(yu)(yu)(yu)蠕(ru)(ru)(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)尚未(wei)完成(cheng)，實際的(de)蠕(ru)(ru)(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)更大。對土體而(er)言，發生(sheng)蠕(ru)(ru)(ru)變(bian)的(de)原(yuan)(yuan)因(yin)是由(you)于(yu)(yu)(yu)(yu)土體在(zai)主固結(jie)完成(cheng)之后(hou)，土體中仍有微小(xiao)的(de)超靜(jing)孔隙壓力存(cun)在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問(wen)流動，一般來講土體的(de)次固結(jie)遠小(xiao)于(yu)(yu)(yu)(yu)主固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)；對磷石膏而(er)言，其滲透(tou)系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量級(ji)(ji)，遠大于(yu)(yu)(yu)(yu)黏性(xing)土，但其卻發生(sheng)了極為顯著的(de)次固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，其原(yuan)(yuan)因(yin)在(zai)于(yu)(yu)(yu)(yu)磷石膏晶(jing)體結(jie)構發生(sheng)了壓縮、破(po)(po)壞，接(jie)觸點晶(jing)格發生(sheng)歪曲和變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，而(er)破(po)(po)壞后(hou)晶(jing)格之間的(de)重新排列(lie)、調整到(dao)最后(hou)趨于(yu)(yu)(yu)(yu)相對靜(jing)止需(xu)要(yao)相當(dang)長(chang)的(de)時間才(cai)能完成(cheng)。

2.4動(dong)力力學特性

試驗設備采(cai)用英國GDS公司(si)進口的電機控(kong)制動三軸試驗系統，試樣(yang)直徑(jing)39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模量和(he)阻(zu)尼比

同樣由于自然沉積的磷石膏密度(du)變化較大，為(wei)此根據物理性質試驗結果，選擇兩種平均干密度(du)1.34g/cm3(變化范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動(dong)剪(jian)切模量G、阻(zu)尼比與剪(jian)應(ying)變幅值(zhi)γd的(de)關系式如下：

式中k1為參數(shu)，表(biao)示動剪切模量的(de)(de)衰減或阻(zu)尼比(bi)的(de)(de)增長速率；λmax為最大(da)阻(zu)尼比(bi)；Gmax，γd分別為最大(da)動剪切模量和歸一化的(de)(de)動剪應(ying)變，表(biao)示為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大氣(qi)壓；vd為(wei)動泊(bo)松比(bi)；εa為(wei)歸一化的(de)動應(ying)變(bian)，表達為(wei)

圖(tu)14給出了動(dong)(dong)剪(jian)切模量、阻(zu)尼比與(yu)歸一(yi)化動(dong)(dong)應變的(de)關系曲線(xian)(xian)，另外(wai)圖(tu)中還(huan)給出了式(1)的(de)擬合曲線(xian)(xian)以及Seed等給出的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊界線(xian)(xian)，圖(tu)例中，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固(gu)結應力比。

從圖中(zhong)可以看出：①式(1)可較好地描述磷(lin)(lin)(lin)石膏的(de)(de)(de)動(dong)應(ying)(ying)力(li)-動(dong)應(ying)(ying)變試驗曲(qu)線(xian)，表明采用(yong)等價黏彈性模(mo)型(xing)進行循環荷(he)載作用(yong)下的(de)(de)(de)分(fen)析是可行的(de)(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)干(gan)(gan)密度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合(he)(he)線(xian)位于(yu)干(gan)(gan)密度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合(he)(he)線(xian)上方(fang)，圖14(b)中(zhong)則(ze)(ze)位于(yu)下方(fang)，表明密度越大(da)，動(dong)彈模(mo)越大(da)、阻尼(ni)比越小；③圖14(a)中(zhong)，兩種干(gan)(gan)密度的(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合(he)(he)線(xian)基本位于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)邊界(jie)線(xian)上方(fang)，而圖14(b)中(zhong)則(ze)(ze)基本處于(yu)邊界(jie)線(xian)中(zhong)間，表明相比較砂樣(yang)，磷(lin)(lin)(lin)石膏動(dong)彈模(mo)較大(da)，會導致磷(lin)(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)較大(da)，但由于(yu)阻尼(ni)比也較大(da)，這樣(yang)又(you)會削弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)相互影響(xiang)下，磷(lin)(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)將不(bu)會過于(yu)強烈，這對磷(lin)(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)抗震(zhen)穩定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強度(du)

選(xuan)擇兩種平均干密度為1.12(變(bian)化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞標準為總應(ying)變(bian)達到10%。

圖15給出了動剪應力(li)(li)(li)比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次Nf的(de)關系曲線圖，其中σ0為(wei)振(zhen)前試(shi)樣45°面上的(de)有效(xiao)法向應力(li)(li)(li)，表達(da)為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)(jie)比(bi)。從試(shi)驗結(jie)(jie)果可以看出，沉積磷石膏(gao)的(de)動強度與(yu)其它土體相似，表現為(wei)圍壓和固結(jie)(jie)應力(li)(li)(li)比(bi)與(yu)動剪應力(li)(li)(li)比(bi)呈(cheng)負相關關系。

為判別(bie)沉(chen)積磷石膏的抗液化(hua)能力，假定抗震設(she)計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的(de)冪(mi)函(han)數(shu)關系式得到振次為30時(shi)各個圍壓和固結比(bi)下的(de)動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合(he)求得動剪應力(li)比與圍(wei)壓(ya)和固結應力(li)比的(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。

從上述擬合關系式可見，密實度提(ti)高(gao)后，動(dong)剪應力(li)比提(ti)高(gao)，表明抗(kang)液化能力(li)也(ye)提(ti)高(gao)。但即使是在低密度下，其動(dong)剪應力(li)比較之同類的粉土(tu)或粉砂(sha)也(ye)大出許多，表明磷石膏(gao)具有(you)較高(gao)的抗(kang)液化能力(li)。

三、結論

依托柳樹(shu)箐磷石膏(gao)堆積壩，在鉆探取樣工作(zuo)的基礎上，首先開(kai)展(zhan)了物(wu)理性(xing)質試驗，然后開(kai)展(zhan)了靜(jing)動力力學(xue)特性(xing)試驗。通過上述試驗研究，得出如(ru)下結論：

(1)沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)總體上(shang)屬于級(ji)配(pei)不良的粉土，局部屬于粉砂一中砂，無自然分級(ji)現象。其干(gan)密度和粒徑變化隨埋深(shen)或距放(fang)漿(jiang)口距離的變化不明顯。

(2)沉(chen)積磷石膏水平方向的(de)滲透系數大于垂直方向的(de)滲透系數，呈現(xian)明顯的(de)各(ge)向異性。

(3)與土(tu)體(ti)顆(ke)粒(li)不可壓(ya)(ya)縮(suo)不同，磷石(shi)膏的晶體(ti)結構會(hui)發生壓(ya)(ya)縮(suo)破壞，具有較大的壓(ya)(ya)縮(suo)性，其次固結變形(xing)量遠大于(yu)主固結變形(xing)量。

(4)沉積磷石膏的(de)靜動強度較(jiao)之同等密實度下的(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要高。