沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)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(gao)是濕(shi)法(fa)(fa)磷(lin)(lin)酸生產過程(cheng)中(zhong)的(de)副產品，2018年，全(quan)國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產生量(liang)為7800萬噸，且呈(cheng)逐年增(zeng)長的(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)主要成(cheng)分(fen)(fen)(fen)是CaO和(he)(he)(he)SO3，但含有一定量(liang)的(de)氟化(hua)物(wu)和(he)(he)(he)其(qi)它放射性(xing)(xing)物(wu)質，在中(zhong)國(guo)通常按(an)Ⅱ類一般工(gong)(gong)業(ye)固體廢(fei)物(wu)處(chu)(chu)理(li)，鑒于無害化(hua)處(chu)(chu)理(li)成(cheng)本較高，目前綜合利用率尚不(bu)足40%，故大部分(fen)(fen)(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要堆存(cun)存(cun)放。按(an)堆存(cun)場(chang)地(di)的(de)不(bu)同，可分(fen)(fen)(fen)為平地(di)型、傍山型、山谷型和(he)(he)(he)截(jie)河型堆場(chang)，在中(zhong)國(guo)基本上是山谷型堆場(chang)。相比較干法(fa)(fa)堆存(cun)，濕(shi)法(fa)(fa)堆存(cun)經(jing)濟優勢明顯，因(yin)而(er)如地(di)質條(tiao)件為非碳酸鹽巖地(di)區，一般均采用濕(shi)排(pai)濕(shi)堆方式。隨著中(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)(gong)業(ye)的(de)快速發展(zhan)，本世紀(ji)初(chu)中(zhong)國(guo)相繼(ji)建(jian)設了幾(ji)座濕(shi)法(fa)(fa)堆存(cun)的(de)大型磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫，例如云天化(hua)國(guo)際(ji)化(hua)工(gong)(gong)三環分(fen)(fen)(fen)公司的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆積壩(ba)和(he)(he)(he)富瑞分(fen)(fen)(fen)公司的(de)楊家箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆積壩(ba)，這(zhe)兩座壩(ba)設計(ji)壩(ba)高均超(chao)過100m、處(chu)(chu)于8度地(di)震區，其(qi)安(an)全(quan)性(xing)(xing)備受(shou)關注。

據統(tong)計，110多年(1901年一2013年)來，全世(shi)界(jie)有(you)118座尾礦壩曾(ceng)發(fa)生過破壞(huai)或潰壩事(shi)故(gu)，原因主要(yao)有(you)地震、洪(hong)水漫頂(ding)、滲透破壞(huai)和基礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事(shi)后會造成巨大的生態災難和人(ren)員傷亡，近幾十年來，

國內(nei)外對金(jin)屬尾礦的沉積(ji)規律(lv)、物理(li)力(li)學(xue)(xue)特性(xing)及其穩定(ding)(ding)性(xing)開(kai)展了大(da)量的研(yan)(yan)究，但對于與金(jin)屬尾礦庫相近的磷石膏(gao)(gao)庫，一般(ban)僅限(xian)于在可研(yan)(yan)階段采用人(ren)工制備(bei)樣進行物理(li)力(li)學(xue)(xue)性(xing)質試驗(yan)，并(bing)據(ju)此進行穩定(ding)(ding)性(xing)分析(xi)，尚未有(you)人(ren)針對己運行若干年的大(da)型濕法堆存磷石膏(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)開(kai)展過磷石膏(gao)(gao)沉積(ji)規律(lv)及其物理(li)力(li)學(xue)(xue)特性(xing)的專項研(yan)(yan)究。

本文依(yi)托柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩，首先進行(xing)了(le)鉆探取(qu)樣(yang)，采(cai)用原狀樣(yang)開展(zhan)了(le)密度、含水率、滲透、土水特(te)征和(he)顆分等物理(li)性(xing)(xing)質試驗(yan)，在此基(ji)礎上有(you)針對性(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣(yang)開展(zhan)了(le)三(san)軸CU、蠕變(bian)及動三(san)軸等力學特(te)性(xing)(xing)試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研(yan)究，總結了(le)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)沉積規(gui)律、滲透特(te)性(xing)(xing)、滲透破(po)壞特(te)性(xing)(xing)以及靜動力特(te)性(xing)(xing)，上述研(yan)究工(gong)(gong)作對研(yan)究和(he)評(ping)估(gu)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)積壩的(de)穩定性(xing)(xing)提供了(le)基(ji)礎數據，對現行(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)的(de)運行(xing)管理(li)以及新(xin)建工(gong)(gong)程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒意(yi)義。

一(yi)、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(qi)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(gao)約30m，采用土料填筑(zhu)。上游坡(po)面(mian)、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置(zhi)堆石排水體(ti)，三者(zhe)相連通構成整個(ge)堆積壩(ba)的主要(yao)排滲系統。

(2)堆積壩及其輔助(zhu)排(pai)滲措施

采(cai)用(yong)(yong)上游式(shi)筑壩法，共20級子(zi)壩，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆(dui)積高(gao)度約100m。采(cai)用(yong)(yong)排(pai)滲管網(wang)作為輔助排(pai)滲方案(an)，目前己在5級、9級子(zi)壩和(he)13級子(zi)壩壩前120m范圍(wei)內設置(zhi)了井(jing)字形排(pai)滲管網(wang)。

1.2沉積(ji)磷石(shi)膏的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面位置(zhi)見圖l。2008年(nian)6月，堆積至5級子壩(ba)(ba)時(shi)，布(bu)設了9個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)(bian)號K1～K9，取(qu)原狀樣76件(jian)；2013年(nian)5月，堆積至13級子壩(ba)(ba)時(shi)，又布(bu)設了11個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)(bian)號K10～K20，取(qu)原狀樣112件(jian)，為比較子壩(ba)(ba)加高和磷石(shi)膏堆積過程中磷石(shi)膏物理(li)力學性質的變化，在2，4級子壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)設了一個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)(bian)號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫2005年開工建(jian)設(she)，2006年1月投入(ru)運行，截至2013年5月己堆至13級(ji)(ji)子(zi)壩，尚有7級(ji)(ji)子(zi)壩即堆存(cun)(cun)(cun)至設(she)計(ji)高程。鑒于磷石膏庫地(di)(di)形、地(di)(di)質條(tiao)件(jian)較(jiao)好，具(ju)備擴容(rong)改造的條(tiao)件(jian)，以(yi)提高堆存(cun)(cun)(cun)庫容(rong)，減(jian)少(shao)堆存(cun)(cun)(cun)占地(di)(di)，節約土地(di)(di)資源。

本文主要對沉積(ji)磷(lin)石膏的物理力學特性進行(xing)了(le)全面總(zong)結(jie)，限于篇幅，有關現狀磷(lin)石膏庫堆(dui)積(ji)壩的安全性評價及其加高(gao)可行(xing)性的研究(jiu)將(jiang)另文發(fa)表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理力學特性

2.1物理(li)特性

(1)干密(mi)度分(fen)布

圖(tu)(tu)(tu)2給出了14個鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)取樣深(shen)度(du)和(he)試驗所得干密度(du)的(de)關系(xi)，圖(tu)(tu)(tu)中UWL表(biao)示水(shui)位(wei)線(xian)上，(系(xi)鉆(zhan)孔(kong)(kong)期間的(de)初見水(shui)位(wei)線(xian)，下(xia)同(tong))，DWL表(biao)示水(shui)位(wei)線(xian)下(xia)。圖(tu)(tu)(tu)3給出了水(shui)位(wei)線(xian)上下(xia)的(de)飽(bao)和(he)度(du)分布圖(tu)(tu)(tu)。由于磷石(shi)(shi)膏中的(de)主要成(cheng)分為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫(wen)度(du)和(he)烘(hong)烤時(shi)間對測定(ding)結果(guo)有一(yi)定(ding)影響，不能照(zhao)搬(ban)現(xian)行(xing)的(de)土(tu)工試驗規范，本文磷石(shi)(shi)膏的(de)含(han)水(shui)率(lv)測定(ding)方法為55℃溫(wen)度(du)下(xia)烘(hong)培24h。

圖2沉積(ji)磷石膏(gao)干密度與埋(mai)深的關系

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

由圖3，水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)飽和(he)(he)度平均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)50.4%，處于(yu)(yu)非(fei)飽和(he)(he)狀態，水(shui)(shui)位(wei)線以下的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)飽和(he)(he)度平均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)85.0%，基(ji)本(ben)處于(yu)(yu)飽和(he)(he)狀態，由于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)下降后磷(lin)石(shi)膏(gao)來(lai)不(bu)及(ji)排(pai)水(shui)(shui)固結，故而水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)局(ju)部(bu)試(shi)樣(yang)的(de)飽和(he)(he)度較高。

由圖2，水位(wei)線(xian)(xian)(xian)以上的(de)干(gan)(gan)(gan)密度在(zai)0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均值為1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)(xian)(xian)以下(xia)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度在(zai)1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均值為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏與一般的(de)尾(wei)礦有所不(bu)同(tong)，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏的(de)干(gan)(gan)(gan)密度并不(bu)隨埋深的(de)增(zeng)大而明顯增(zeng)大，但水位(wei)線(xian)(xian)(xian)以下(xia)的(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏干(gan)(gan)(gan)密度從統計意義上來(lai)看(kan)仍(reng)大于(yu)水位(wei)線(xian)(xian)(xian)以上的(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏干(gan)(gan)(gan)密度，這(zhe)主(zhu)要(yao)是由于(yu)水位(wei)線(xian)(xian)(xian)隨庫水位(wei)的(de)變化反復(fu)升降而使得磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏排水固結(jie)所致。

室內(nei)擊實得(de)到(dao)的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)(da)干密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出(chu)(chu)，自然沉積(ji)的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)(da)干密度可達到(dao)1.73g/cm3，原因如下：與經典的(de)土骨架不(bu)可壓(ya)縮的(de)理論(lun)不(bu)同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)本身可壓(ya)縮，同(tong)時由于顆粒(li)結構不(bu)穩定，擊實試驗過程中(zhong)磷石(shi)(shi)膏(gao)結構被破壞(huai)，受(shou)夯(hang)擊處下陷，四周鼓起，出(chu)(chu)現了類似于橡皮土的(de)現象。而在現場條件(jian)下，石(shi)(shi)膏(gao)骨架被破壞(huai)后(hou)，會導(dao)致顆粒(li)中(zhong)的(de)結合水滲出(chu)(chu)至孔隙(xi)(xi)內(nei)，變成孔隙(xi)(xi)水，排(pai)水固(gu)結后(hou)會使得(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)孔隙(xi)(xi)比減小(xiao)，干密度增大(da)(da)。

圖4給出(chu)了相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于2級子(zi)壩(ba)河床(chuang)(chuang)部位(wei)(wei))以及相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于4級子(zi)壩(ba)河床(chuang)(chuang)部位(wei)(wei))干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值為(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值為(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值為(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值為(wei)(wei)(wei)1.37g/cm3。可見(jian)，即使從統計意義上(shang)來看，磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)也并未(wei)隨后續磷(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

顆粒分析試(shi)驗采用密度(du)計法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏(pian)磷酸鈉(na)。圖5給出了試(shi)驗得(de)到的級配包(bao)線(xian)、平均粒徑d50、不(bu)均勻系(xi)數(1u和曲率系(xi)數Cc的分布圖。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒徑主要(yao)分(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之(zhi)間(jian)，總體上(shang)屬于粉土，但可能(neng)由于礦石來源(yuan)或生產工藝有(you)所(suo)不同，局(ju)部屬于粉砂～中砂。粒徑分(fen)布(bu)范圍比Blight和張超等的試驗(yan)結果要(yao)寬一些(xie)。

圖4子壩加高后沉積磷石(shi)膏(gao)的干密度(du)變化

圖5沉積磷(lin)石膏(gao)的平均粒徑(jing)和級(ji)配分布

由圖(tu)5(b)和(he)5(c)，無論是(shi)水(shui)平(ping)向還是(shi)垂直(zhi)向，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與金(jin)屬(shu)礦山尾(wei)礦的(de)(de)“前粗后細(xi)，上(shang)粗下細(xi)”的(de)(de)自然分級現象不同，也即粗顆粒(li)并(bing)不是(shi)沿埋深逐(zhu)步減(jian)小或距離放(fang)漿(jiang)口越遠(yuan)顆粒(li)越細(xi)，其原(yuan)因如下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)粒(li)徑(jing)組成較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)(wei)集中、均勻，主(zhu)要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)(wei)主(zhu)，級配較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)差；②相(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)一般為(wei)(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于金(jin)屬(shu)尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)可(ke)達2.9；③放(fang)漿(jiang)口隨子壩高度不斷增加(jia)而不斷變(bian)動并(bing)向庫尾(wei)延伸，造成沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)粒(li)徑(jing)變(bian)化不明顯。

從(cong)圖5(d)可(ke)見，不(bu)均(jun)勻系數(shu)Cu范(fan)圍(wei)值1.61～21.5，平均(jun)值為4.18，曲率系數(shu)(1c范(fan)圍(wei)值0.28～9.78，平均(jun)值為1.21，在統計的100多個(ge)試樣中，屬于級配不(bu)良土的占93%。這種(zhong)級配特性決(jue)定了磷石膏具有(you)較高的壓縮性、滲透破(po)壞(huai)型(xing)式表現(xian)為流土破(po)壞(huai)。

2.2滲(shen)透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的主(zhu)要(yao)因素是粒(li)徑大小(xiao)、級配(pei)和孔(kong)隙(xi)比(bi)，因而磷石(shi)膏(gao)(gao)的滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉(fen)土較為接近。由(you)(you)于孔(kong)隙(xi)比(bi)e減小(xiao)，使(shi)得過水(shui)通道面積(ji)減小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將(jiang)減小(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般(ban)認為滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)較好，圖(tu)6給出了二者間的關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線，由(you)(you)于沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)(gao)的不(bu)均勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化較大，使(shi)得沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)(gao)的滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化范圍較大(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二者問的線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)較差。

圖6沉(chen)積磷石(shi)膏滲(shen)透系數與孔(kong)隙比的(de)關系

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

圖7給出了水平(ping)(ping)與(yu)(yu)垂直(zhi)(zhi)向滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)比(bi)值(zhi)的(de)(de)分(fen)布。沉(chen)積磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)水平(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)kh一(yi)般大(da)于(yu)垂直(zhi)(zhi)向的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值(zhi)約為2.86，這一(yi)點與(yu)(yu)成(cheng)層分(fen)布的(de)(de)金屬尾礦規律(lv)一(yi)致。造成(cheng)沉(chen)積磷石(shi)(shi)膏(gao)水平(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)大(da)于(yu)垂直(zhi)(zhi)向滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)的(de)(de)原因是由(you)于(yu)磷石(shi)(shi)膏(gao)具有明顯的(de)(de)晶體(ti)結構，電鏡(jing)掃描顯示(shi)多為菱形和棱柱狀形式(shi)(見圖8)，在沉(chen)積過程中(zhong)，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)狀磷石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)粒多呈(cheng)水平(ping)(ping)排列，使得水平(ping)(ping)方向的(de)(de)透(tou)(tou)水性(xing)大(da)于(yu)垂直(zhi)(zhi)方向的(de)(de)透(tou)(tou)水性(xing)，從(cong)而使磷石(shi)(shi)膏(gao)呈(cheng)現(xian)明顯的(de)(de)各向異性(xing)。

另根據中國有色金屬(shu)工業昆明勘察設計研(yan)究(jiu)院在楊家(jia)箐磷石膏堆積壩開展的現場滲透(tou)試(shi)驗，kh/kv的平(ping)均值(zhi)約為1.9。但張(zhang)超(chao)等的室內試(shi)驗顯示，kh/kv的平(ping)均值(zhi)約為0.46，也即垂直向滲透(tou)系(xi)數大于水平(ping)向滲透(tou)系(xi)數，與本(ben)文(wen)和現場試(shi)驗結(jie)果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從(cong)磷石膏的微觀結(jie)構來看，本(ben)文(wen)試(shi)驗結(jie)果(guo)更為合理。

圖7沉積磷石膏干密度與水(shui)平和垂直(zhi)滲(shen)透系(xi)數比值(zhi)的(de)關系(xi)

(2)滲透變(bian)形

圖(tu)9為磷石膏(gao)(gao)干密(mi)度為1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力(li)梯度J與(yu)流(liu)速V的(de)(de)(de)關(guan)系曲線，試(shi)驗在(zai)水(shui)(shui)(shui)平(ping)管涌(yong)儀中采(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向的(de)(de)(de)滲(shen)流(liu)形式進行(xing)。試(shi)驗得到(dao)的(de)(de)(de)臨界(jie)坡(po)降Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般來說，對1，2級工程，滲(shen)透安全系數取為2.5，則允(yun)許出(chu)逸(yi)坡(po)降為0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)工程，滲(shen)透安全系數取2.0，則允(yun)許出(chu)逸(yi)坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比降與(yu)粉土一(yi)粉砂(sha)大致相(xiang)同。但上述(shu)滲(shen)透變形試(shi)驗是采(cai)用(yong)自來水(shui)(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)(de)，自來水(shui)(shui)(shui)對磷石膏(gao)(gao)具有(you)一(yi)定的(de)(de)(de)溶蝕作用(yong)，而(er)實際上磷石膏(gao)(gao)中殘余磷、硫和(he)氟(fu)酸(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)般小于3(稱之為酸(suan)性水(shui)(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下(xia)，磷石膏(gao)(gao)不(bu)會發生破壞(huai)，上述(shu)試(shi)驗結果是偏于保守的(de)(de)(de)，但對非酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)條件(jian)(例如(ru)特大暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)透穩定判斷有(you)一(yi)定的(de)(de)(de)借鑒意義(yi)。

圖9水力梯度J-流速v試(shi)驗過(guo)程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征(zheng)試驗

試驗(yan)在5Bar的(de)壓力(li)(li)板儀中(zhong)進行，環刀尺(chi)寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力(li)(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水(shui)率(lv)特(te)征值，試驗(yan)曲線見圖10所示。

試驗結果(guo)表明：①干(gan)密(mi)度(du)對進(jin)氣值(zhi)沒(mei)有明顯的(de)影響，不同干(gan)密(mi)度(du)的(de)試樣的(de)進(jin)氣值(zhi)大致(zhi)在10kPa左(zuo)右；②土樣殘(can)余含水率隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)增加而減(jian)少(shao)，殘(can)余含水率約為飽和含水率的(de)10%。上述特性(xing)與(yu)粉土一(yi)粉砂基本(ben)一(yi)致(zhi)。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試(shi)驗

由于沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)密度變化較(jiao)大，而進(jin)行三(san)軸(zhou)(zhou)試(shi)(shi)驗需(xu)要若干(gan)原狀樣(yang)，為使試(shi)(shi)驗結果具有較(jiao)好(hao)的(de)一(yi)致性(xing)，有針對性(xing)的(de)選擇(ze)平(ping)均干(gan)密度分別為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(de)若干(gan)試(shi)(shi)樣(yang)，進(jin)行了5組三(san)軸(zhou)(zhou)CU試(shi)(shi)驗。圖(tu)11是(shi)為干(gan)密度為1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸(zhou)(zhou)CU試(shi)(shi)驗曲(qu)線。

從(cong)圖11可以看出，磷(lin)石(shi)膏的(de)應力應變(bian)關系曲線(xian)在(zai)(zai)低圍(wei)壓下(xia)表現為軟化型(xing)，在(zai)(zai)高圍(wei)壓下(xia)表現為硬化型(xing)，與一般土(tu)類相似。但與一般粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂不同的(de)是，即使(shi)在(zai)(zai)較為疏松的(de)狀態(tai)下(xia)，磷(lin)石(shi)膏仍(reng)表現了(le)較為強烈的(de)剪脹，隨密實度增大，剪脹作用愈發(fa)明顯。

表(biao)2給出了不(bu)同干密度(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)，圖12給出了內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)與干密度(du)的(de)(de)關系曲線。隨干密度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)也(ye)(ye)隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采(cai)用冪函數(shu)較(jiao)(jiao)好地擬合。磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)干密度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總(zong)(zong)應力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為37.3°(根據擬合曲線求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為9.4%，有效應力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為3.2%，由(you)于隨圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓也(ye)(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之(zhi)總(zong)(zong)應力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)于干密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不(bu)顯著(zhu)，表(biao)明即使較(jiao)(jiao)為疏松的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)仍具(ju)有較(jiao)(jiao)高的(de)(de)強度(du)指標，這也(ye)(ye)表(biao)明磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗

磷石膏的蠕變變形試(shi)(shi)驗(yan)在側限壓(ya)縮儀(yi)中進行，試(shi)(shi)驗(yan)狀態相當于K0固結。試(shi)(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣(yang)干密度為(wei)(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣(yang)飽和(he)后分(fen)別(bie)開(kai)展(zhan)了(le)上覆壓(ya)力ρ為(wei)(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)，

試驗從2012年8月27日開始，試驗己進行了1年多，試驗結果(guo)見圖13所示。

從(cong)圖13中可以(yi)看出：上覆(fu)荷(he)載(zai)越(yue)大(da)，磷石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形也越(yue)大(da)，荷(he)載(zai)施加1年后，磷石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形仍非常顯著，尚未(wei)達到(dao)穩(wen)定狀(zhuang)態，這也是磷石膏(gao)堆積(ji)壩后期變(bian)形較大(da)的原因，原型觀(guan)測資(zi)料表(biao)明，在5級(ji)子(zi)壩河床部位的表(biao)面(mian)沉(chen)降量已經達到(dao)3.1m，且尚未(wei)完全(quan)穩(wen)定。

按時(shi)間對數法，可求得各級荷(he)載(zai)下(xia)(xia)的(de)主(zhu)(zhu)次(ci)固結(jie)變(bian)(bian)形(xing)量如表3所示。試驗(yan)結(jie)果(guo)表明(ming)，在(zai)100～400kPa上覆荷(he)載(zai)作用下(xia)(xia)，在(zai)試驗(yan)時(shi)間范圍內蠕變(bian)(bian)(次(ci)固結(jie))變(bian)(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)(zhu)固結(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未完成(cheng)(cheng)，實(shi)際的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應(ying)更大。對土(tu)體而(er)言(yan)，發生(sheng)(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)原(yuan)(yuan)因(yin)是(shi)由于(yu)(yu)(yu)土(tu)體在(zai)主(zhu)(zhu)固結(jie)完成(cheng)(cheng)之(zhi)后(hou)，土(tu)體中(zhong)仍有微小(xiao)(xiao)的(de)超靜孔隙壓力(li)存在(zai)，驅使(shi)水(shui)在(zai)顆(ke)粒(li)問流動，一般來講土(tu)體的(de)次(ci)固結(jie)遠小(xiao)(xiao)于(yu)(yu)(yu)主(zhu)(zhu)固結(jie)變(bian)(bian)形(xing)；對磷(lin)石膏而(er)言(yan)，其滲透系(xi)數在(zai)10-4cm/s數量級，遠大于(yu)(yu)(yu)黏性(xing)土(tu)，但其卻(que)發生(sheng)(sheng)了極為顯(xian)著(zhu)的(de)次(ci)固結(jie)變(bian)(bian)形(xing)，其原(yuan)(yuan)因(yin)在(zai)于(yu)(yu)(yu)磷(lin)石膏晶(jing)(jing)體結(jie)構發生(sheng)(sheng)了壓縮、破壞，接觸點晶(jing)(jing)格(ge)發生(sheng)(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形(xing)，而(er)破壞后(hou)晶(jing)(jing)格(ge)之(zhi)間的(de)重新排列、調(diao)整到最后(hou)趨(qu)于(yu)(yu)(yu)相(xiang)對靜止需(xu)要相(xiang)當長的(de)時(shi)間才能完成(cheng)(cheng)。

2.4動(dong)力(li)力(li)學(xue)特(te)性

試驗設備采用(yong)英國GDS公司進(jin)口的電(dian)機控(kong)制(zhi)動(dong)三軸試驗系統(tong)，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼比

同樣由于自(zi)然沉(chen)積(ji)的磷石膏密度(du)變(bian)化(hua)較大，為此根據物理性(xing)質試驗結(jie)果，選擇(ze)兩種平均(jun)干密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動(dong)剪切模量G、阻尼比(bi)與(yu)剪應變幅值γd的關系(xi)式如下(xia)：

式中(zhong)k1為(wei)參數，表示動剪切(qie)模(mo)量的衰減或阻(zu)尼比的增長速率(lv)；λmax為(wei)最大阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)最大動剪切(qie)模(mo)量和歸一化的動剪應變，表示為(wei)

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球(qiu)應(ying)(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動泊松比(bi)；εa為(wei)歸一(yi)化的(de)動應(ying)(ying)變，表達為(wei)

圖14給(gei)出(chu)(chu)了動剪切模量、阻尼比與歸一化(hua)動應(ying)(ying)變的(de)關系曲(qu)線，另外圖中還(huan)給(gei)出(chu)(chu)了式(1)的(de)擬合曲(qu)線以及(ji)Seed等給(gei)出(chu)(chu)的(de)砂樣的(de)上下邊界線，圖例中，σ2表示(shi)(shi)圍(wei)壓，Kc表示(shi)(shi)固(gu)結應(ying)(ying)力比。

從圖中(zhong)(zhong)可(ke)(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)(ke)較好地描述(shu)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)動(dong)應(ying)(ying)(ying)力(li)-動(dong)應(ying)(ying)(ying)變試驗曲線，表(biao)明采用等價黏彈性(xing)模型進行(xing)循環荷載(zai)作用下(xia)的(de)(de)分析是可(ke)(ke)行(xing)的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線位(wei)于(yu)干(gan)密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線上(shang)方(fang)(fang)，圖14(b)中(zhong)(zhong)則位(wei)于(yu)下(xia)方(fang)(fang)，表(biao)明密(mi)度越大(da)，動(dong)彈模越大(da)、阻尼比越小；③圖14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密(mi)度的(de)(de)擬(ni)合線基本(ben)位(wei)于(yu)Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)邊界線上(shang)方(fang)(fang)，而(er)圖14(b)中(zhong)(zhong)則基本(ben)處于(yu)邊界線中(zhong)(zhong)間，表(biao)明相比較砂(sha)樣，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)動(dong)彈模較大(da)，會導致磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)(ying)較大(da)，但由于(yu)阻尼比也較大(da)，這(zhe)樣又會削(xue)弱壩體的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)(ying)，二者的(de)(de)相互影響下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩壩體的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)(ying)將不會過于(yu)強(qiang)烈，這(zhe)對磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)抗(kang)震穩定(ding)性(xing)是有利的(de)(de)。

(2)動(dong)強度

選(xuan)擇(ze)兩種(zhong)平均(jun)干密(mi)度(du)為(wei)1.12(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞標準為(wei)總應變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與破壞(huai)振次Nf的(de)關(guan)系曲線圖(tu)，其中σ0為振前試樣45°面(mian)上的(de)有(you)效法向應(ying)力(li)，表(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比(bi)(bi)。從試驗(yan)結果可(ke)以看出(chu)，沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)的(de)動(dong)強度與其它土體相似，表(biao)現(xian)為圍壓和固結應(ying)力(li)比(bi)(bi)與動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)(bi)呈(cheng)負相關(guan)關(guan)系。

為(wei)判(pan)別沉(chen)積磷石(shi)膏的抗液化能(neng)力，假(jia)定抗震設(she)計烈度為(wei)8度，即等效振次Ⅳ可取為(wei)30。首先由(you)式(4)

所示的冪函數關系式得到振次為30時各個圍壓和固結比(bi)下的動剪(jian)應(ying)力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可(ke)擬合求得動(dong)剪(jian)應力比(bi)與圍壓和(he)固結(jie)應力比(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(shang)述擬合關系式可見，密(mi)實度(du)提高(gao)后，動(dong)剪應力(li)比提高(gao)，表(biao)明抗(kang)液(ye)化能力(li)也提高(gao)。但即(ji)使是(shi)在低密(mi)度(du)下，其動(dong)剪應力(li)比較之同類的粉(fen)(fen)土或粉(fen)(fen)砂也大出(chu)許多，表(biao)明磷(lin)石(shi)膏具有(you)較高(gao)的抗(kang)液(ye)化能力(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩，在鉆探取樣工(gong)作的基礎上(shang)，首先開展了物理(li)性質試驗，然后開展了靜動力(li)力(li)學特性試驗。通過(guo)上(shang)述(shu)試驗研究，得出如下結論：

(1)沉積磷(lin)石膏總體上屬(shu)(shu)于(yu)(yu)級配不良的粉土，局部屬(shu)(shu)于(yu)(yu)粉砂一中砂，無自然分級現象。其(qi)干密度和(he)粒(li)徑變化隨埋深或距(ju)放漿(jiang)口距(ju)離(li)的變化不明顯。

(2)沉積磷石(shi)膏水平方向(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系數大于垂直方向(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系數，呈(cheng)現明(ming)顯的(de)各向(xiang)(xiang)異性。

(3)與土體顆(ke)粒不可壓縮不同，磷(lin)石膏的晶體結構會發生壓縮破(po)壞，具(ju)有較大的壓縮性，其(qi)次(ci)固結變(bian)形量遠(yuan)大于主固結變(bian)形量。

(4)沉積(ji)磷石膏的靜動強(qiang)度較之同等(deng)密實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂要高(gao)。