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)是磷(lin)酸生產(chan)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)副產(chan)品，目前的(de)(de)綜合利用(yong)率尚不足40%，大部(bu)分(fen)需要堆(dui)(dui)存存放。受(shou)地形限制和經(jing)濟(ji)效益(yi)考(kao)慮，中(zhong)國主要為濕(shi)法堆(dui)(dui)存的(de)(de)山谷型堆(dui)(dui)場。依托柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)，針對沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)首(shou)先(xian)開(kai)展(zhan)了(le)密(mi)度(du)、含水(shui)率、滲透(tou)、土水(shui)特征(zheng)和顆分(fen)等物理性(xing)質試驗，然(ran)后開(kai)展(zhan)了(le)三軸cu、蠕(ru)變(bian)及(ji)動三軸等力學特性(xing)試驗。試驗結(jie)果表明(ming)：①沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)干密(mi)度(du)與埋深沒有(you)相關(guan)關(guan)系；②沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)不具(ju)有(you)自(zi)然(ran)分(fen)級(ji)現(xian)象(xiang)，但具(ju)有(you)明(ming)顯的(de)(de)各向異性(xing)；③沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具(ju)有(you)較高(gao)的(de)(de)摩(mo)擦角和抗液化(hua)能力，但其(qi)蠕(ru)變(bian)變(bian)形較大、滲透(tou)比降較小。上述工(gong)作為分(fen)析磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)壩(ba)體穩定性(xing)提供了(le)基礎，對現(xian)行(xing)(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫的(de)(de)運(yun)行(xing)(xing)管(guan)理以(yi)及(ji)新建(jian)工(gong)程的(de)(de)設(she)計具(ju)有(you)重(zhong)要的(de)(de)借鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)是濕法(fa)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)(suan)生產過(guo)程中(zhong)的副(fu)產品(pin)，2018年，全國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)產生量為7800萬(wan)噸，且(qie)呈(cheng)逐年增長的態勢(shi)。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)的主要成(cheng)(cheng)分是CaO和(he)(he)SO3，但(dan)含(han)有(you)一(yi)定量的氟化(hua)物和(he)(he)其它放(fang)(fang)射性(xing)物質，在中(zhong)國(guo)(guo)(guo)通(tong)常(chang)按Ⅱ類(lei)一(yi)般(ban)工(gong)業(ye)固體廢物處理(li)，鑒于(yu)無害化(hua)處理(li)成(cheng)(cheng)本較(jiao)高(gao)，目前綜(zong)合利(li)用(yong)(yong)率(lv)尚不足40%，故大部(bu)分磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)需(xu)要堆(dui)(dui)存存放(fang)(fang)。按堆(dui)(dui)存場地(di)(di)的不同(tong)，可(ke)分為平(ping)地(di)(di)型(xing)、傍(bang)山型(xing)、山谷(gu)型(xing)和(he)(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)場，在中(zhong)國(guo)(guo)(guo)基本上是山谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)場。相比較(jiao)干法(fa)堆(dui)(dui)存，濕法(fa)堆(dui)(dui)存經濟(ji)優勢(shi)明顯，因而如(ru)地(di)(di)質條件為非碳(tan)酸(suan)(suan)鹽巖地(di)(di)區(qu)，一(yi)般(ban)均采用(yong)(yong)濕排濕堆(dui)(dui)方式(shi)。隨著中(zhong)國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥工(gong)業(ye)的快速(su)發展，本世紀初(chu)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)相繼建設(she)了幾座(zuo)(zuo)濕法(fa)堆(dui)(dui)存的大型(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)，例(li)如(ru)云天(tian)化(hua)國(guo)(guo)(guo)際(ji)化(hua)工(gong)三(san)環分公(gong)司(si)的柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩和(he)(he)富瑞分公(gong)司(si)的楊家箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩，這兩(liang)座(zuo)(zuo)壩設(she)計壩高(gao)均超過(guo)100m、處于(yu)8度地(di)(di)震區(qu)，其安全性(xing)備受關(guan)注。

據統計，110多(duo)年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全世界有118座尾礦壩(ba)曾發生(sheng)過破壞或潰壩(ba)事故(gu)，原因主要(yao)有地(di)震、洪水(shui)漫(man)頂、滲透破壞和基礎失穩。尾礦庫失事后會造(zao)成巨(ju)大的(de)生(sheng)態(tai)災難和人員傷亡，近(jin)幾十(shi)年(nian)來(lai)，

國內外對(dui)金屬(shu)尾(wei)礦的沉積(ji)規律、物理(li)力學特(te)(te)性(xing)及其穩定性(xing)開(kai)展(zhan)了大(da)(da)量的研究，但對(dui)于與金屬(shu)尾(wei)礦庫(ku)(ku)相近的磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)，一般僅限于在(zai)可研階段采用人工制備(bei)樣進行(xing)物理(li)力學性(xing)質試驗，并據此進行(xing)穩定性(xing)分析(xi)，尚未(wei)有人針對(dui)己(ji)運行(xing)若干(gan)年的大(da)(da)型濕法堆存磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩開(kai)展(zhan)過磷(lin)石(shi)膏(gao)沉積(ji)規律及其物理(li)力學特(te)(te)性(xing)的專項研究。

本文依托柳(liu)樹箐磷石(shi)膏堆積壩(ba)，首先進(jin)行了鉆(zhan)探取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開展了密(mi)度、含水率(lv)、滲透(tou)、土(tu)水特(te)征和(he)顆分等(deng)(deng)物理(li)(li)性(xing)質試驗，在此基礎(chu)上(shang)有針對(dui)性(xing)的(de)(de)(de)(de)選擇(ze)原狀樣(yang)開展了三(san)軸CU、蠕變及動三(san)軸等(deng)(deng)力學特(te)性(xing)試驗。通過上(shang)述(shu)試驗研(yan)究(jiu)，總(zong)結了磷石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)沉積規律、滲透(tou)特(te)性(xing)、滲透(tou)破壞(huai)特(te)性(xing)以及靜動力特(te)性(xing)，上(shang)述(shu)研(yan)究(jiu)工(gong)作對(dui)研(yan)究(jiu)和(he)評估(gu)磷石(shi)膏庫堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)穩定性(xing)提供了基礎(chu)數據(ju)，對(dui)現行磷石(shi)膏庫的(de)(de)(de)(de)運行管(guan)理(li)(li)以及新建(jian)工(gong)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)設計具有重要的(de)(de)(de)(de)借鑒(jian)意義。

一、依(yi)托(tuo)工程概(gai)況(kuang)

1.1柳樹箐磷(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩堆(dui)存設(she)計方(fang)案(an)

由初(chu)期壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)高約30m，采(cai)用土料填筑。上游(you)坡面、壩(ba)(ba)(ba)底和下(xia)游(you)壩(ba)(ba)(ba)腳(jiao)設(she)置堆(dui)石(shi)排水體，三者(zhe)相連通構(gou)成整(zheng)個堆(dui)積壩(ba)(ba)(ba)的主(zhu)要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其輔助排滲(shen)措施

采用(yong)上游(you)式(shi)筑(zhu)壩法，共20級(ji)(ji)子(zi)壩，頂寬(kuan)6～9m，高(gao)度5m，堆積(ji)高(gao)度約100m。采用(yong)排(pai)(pai)滲管網(wang)作為輔(fu)助排(pai)(pai)滲方案，目前己(ji)在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子(zi)壩和13級(ji)(ji)子(zi)壩壩前120m范圍內設置(zhi)了井字形排(pai)(pai)滲管網(wang)。

1.2沉積磷石膏的鉆(zhan)探取樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)平面位(wei)置見(jian)圖l。2008年(nian)6月，堆(dui)積(ji)至5級子(zi)(zi)壩(ba)時，布(bu)設(she)了(le)(le)9個取樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取原狀樣76件；2013年(nian)5月，堆(dui)積(ji)至13級子(zi)(zi)壩(ba)時，又布(bu)設(she)了(le)(le)11個取樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取原狀樣112件，為比較子(zi)(zi)壩(ba)加(jia)高和(he)(he)磷(lin)石膏堆(dui)積(ji)過程(cheng)中磷(lin)石膏物(wu)理力學性(xing)質(zhi)的變化，在2，4級子(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)和(he)(he)K6孔(kong)附近各布(bu)設(she)了(le)(le)一個鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)號(hao)分別為K17和(he)(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)尾礦庫2005年(nian)(nian)開工建設，2006年(nian)(nian)1月(yue)投入運(yun)行(xing)，截至2013年(nian)(nian)5月(yue)己堆至13級子壩，尚(shang)有(you)7級子壩即堆存(cun)至設計(ji)高(gao)(gao)程(cheng)。鑒于磷(lin)石(shi)膏(gao)庫地(di)形、地(di)質條件(jian)較(jiao)好，具備擴(kuo)容改(gai)造的條件(jian)，以提高(gao)(gao)堆存(cun)庫容，減少(shao)堆存(cun)占地(di)，節約土地(di)資源。

本文主(zhu)要對沉積磷(lin)石膏(gao)的物理力學特性進行了全(quan)面(mian)總結，限于篇幅(fu)，有關現狀磷(lin)石膏(gao)庫堆積壩的安全(quan)性評價及其加(jia)高可行性的研究將另文發表。

二、沉積磷石膏的物理力學(xue)特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了(le)14個鉆(zhan)孔(kong)的取樣(yang)深度(du)(du)和(he)(he)試驗(yan)(yan)所得干密(mi)度(du)(du)的關系(xi)(xi)，圖中(zhong)UWL表(biao)示水位(wei)線(xian)上，(系(xi)(xi)鉆(zhan)孔(kong)期間的初見水位(wei)線(xian)，下同)，DWL表(biao)示水位(wei)線(xian)下。圖3給出了(le)水位(wei)線(xian)上下的飽(bao)和(he)(he)度(du)(du)分(fen)布圖。由(you)于磷石(shi)膏中(zhong)的主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)(du)和(he)(he)烘烤時間對測(ce)定(ding)結果有一定(ding)影響(xiang)，不能(neng)照(zhao)搬現行(xing)的土工試驗(yan)(yan)規范(fan)，本文磷石(shi)膏的含水率測(ce)定(ding)方(fang)法為55℃溫度(du)(du)下烘培24h。

圖2沉積磷石膏(gao)干(gan)密度與埋深(shen)的關系(xi)

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

由圖3，水位(wei)線上(shang)(shang)的磷(lin)(lin)石(shi)膏飽(bao)和度平均(jun)值為50.4%，處(chu)于非(fei)飽(bao)和狀態，水位(wei)線以(yi)下(xia)的磷(lin)(lin)石(shi)膏飽(bao)和度平均(jun)值為85.0%，基本處(chu)于飽(bao)和狀態，由于水位(wei)下(xia)降后磷(lin)(lin)石(shi)膏來不(bu)及排水固結，故而水位(wei)線上(shang)(shang)局(ju)部(bu)試樣的飽(bao)和度較高。

由圖2，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)(yi)上(shang)的干(gan)密(mi)度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)(yi)下的干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)與一般的尾礦(kuang)有(you)所(suo)不同，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的干(gan)密(mi)度(du)并不隨埋(mai)深(shen)的增大而(er)明顯增大，但水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)(yi)下的磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)從統計(ji)意義上(shang)來看仍大于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)(yi)上(shang)的磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)，這主要是由于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)隨庫水(shui)位(wei)的變化反復升(sheng)降而(er)使得磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)排(pai)水(shui)固結所(suo)致。

室內(nei)擊(ji)實(shi)得到(dao)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干密(mi)度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從(cong)圖2可以(yi)看出(chu)(chu)，自然(ran)沉積(ji)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干密(mi)度可達到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經(jing)典的(de)(de)土骨(gu)架(jia)不(bu)可壓縮的(de)(de)理論不(bu)同(tong)(tong)，石(shi)膏(gao)本(ben)身可壓縮，同(tong)(tong)時(shi)由于顆(ke)粒結(jie)(jie)構(gou)不(bu)穩定，擊(ji)實(shi)試驗(yan)過程(cheng)中磷石(shi)膏(gao)結(jie)(jie)構(gou)被(bei)破壞(huai)，受夯擊(ji)處下(xia)陷，四(si)周鼓起，出(chu)(chu)現(xian)了類似于橡皮土的(de)(de)現(xian)象。而(er)在(zai)現(xian)場條件下(xia)，石(shi)膏(gao)骨(gu)架(jia)被(bei)破壞(huai)后，會導致(zhi)顆(ke)粒中的(de)(de)結(jie)(jie)合水滲出(chu)(chu)至孔隙內(nei)，變成孔隙水，排水固(gu)結(jie)(jie)后會使得磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)孔隙比(bi)減小，干密(mi)度增大。

圖4給出(chu)了相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔K2和K17(位(wei)(wei)于2級子(zi)壩河床部位(wei)(wei))以(yi)及相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔K6和K18(位(wei)(wei)于4級子(zi)壩河床部位(wei)(wei))干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度在1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均值(zhi)(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度在1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均值(zhi)(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度在1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均值(zhi)(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度在1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均值(zhi)(zhi)為1.37g/cm3。可見，即(ji)使從(cong)統計意義上(shang)來看，磷石膏的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度也(ye)并未隨后續磷石膏的(de)(de)堆積而(er)有較為明(ming)顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗采用密度計法(fa)，制(zhi)備(bei)懸液時不(bu)(bu)(bu)煮沸，不(bu)(bu)(bu)加六(liu)偏磷酸鈉。圖5給出(chu)了試驗得(de)到的(de)級配包線(xian)、平均粒徑d50、不(bu)(bu)(bu)均勻(yun)系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的(de)分布圖。

從(cong)圖5(a)可見，磷石(shi)膏(gao)的(de)粒徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于粉土，但可能由(you)于礦(kuang)石(shi)來源或生產工藝有所不同，局部屬于粉砂(sha)(sha)～中砂(sha)(sha)。粒徑分布范圍比Blight和張(zhang)超等的(de)試驗(yan)結果要寬(kuan)一些。

圖4子壩(ba)加(jia)高后沉積磷石(shi)膏的干密度變化

圖5沉積磷石(shi)膏的平均粒(li)徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論是(shi)(shi)水平向還是(shi)(shi)垂直(zhi)向，磷石(shi)膏(gao)與金(jin)屬礦(kuang)(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗后細(xi)，上粗下(xia)細(xi)”的(de)自然分級(ji)現(xian)象不(bu)同，也即(ji)粗顆粒(li)并(bing)不(bu)是(shi)(shi)沿埋深逐(zhu)步減小或距離放漿(jiang)口越遠顆粒(li)越細(xi)，其原因如下(xia)：①磷石(shi)膏(gao)顆粒(li)粒(li)徑(jing)組成較(jiao)為(wei)集中、均(jun)勻，主要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)配較(jiao)差；②相(xiang)比較(jiao)金(jin)屬尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)，磷石(shi)膏(gao)的(de)比重(zhong)較(jiao)小，磷石(shi)膏(gao)的(de)比重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠小于金(jin)屬尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比重(zhong)，例(li)如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比重(zhong)可達2.9；③放漿(jiang)口隨子壩高度不(bu)斷(duan)增(zeng)加而不(bu)斷(duan)變動并(bing)向庫尾(wei)(wei)延伸，造成沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑(jing)變化不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不(bu)均(jun)(jun)(jun)勻系數Cu范圍(wei)(wei)值1.61～21.5，平(ping)均(jun)(jun)(jun)值為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍(wei)(wei)值0.28～9.78，平(ping)均(jun)(jun)(jun)值為(wei)1.21，在(zai)統計的(de)100多個試樣中，屬于(yu)級(ji)配不(bu)良(liang)土的(de)占(zhan)93%。這(zhe)種(zhong)級(ji)配特性(xing)決定(ding)了磷石膏具有較(jiao)高的(de)壓縮性(xing)、滲透破壞型式表現為(wei)流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)的(de)主要因(yin)素是粒徑大小、級配和孔隙(xi)比，因(yin)而磷石膏的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)與(yu)(yu)粉土(tu)較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)(wei)接近。由于孔隙(xi)比e減小，使得過水通道(dao)面積減小，滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)k也(ye)將減小，k與(yu)(yu)e呈正(zheng)相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)。對砂土(tu)，一般認為(wei)(wei)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)線性關(guan)(guan)系(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)好，圖6給出(chu)了二(er)者間的(de)關(guan)(guan)系(xi)曲線，由于沉積磷石膏的(de)不均勻系(xi)數(shu)變化(hua)較(jiao)(jiao)(jiao)大，使得沉積磷石膏的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)變化(hua)范圍較(jiao)(jiao)(jiao)大(平均值為(wei)(wei)10-4cm/s數(shu)量(liang)級)，二(er)者問的(de)線性關(guan)(guan)系(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)差(cha)。

圖(tu)6沉積磷(lin)石(shi)膏滲(shen)透(tou)系數與(yu)孔隙比的關系

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

圖(tu)7給出(chu)了水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)與(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)比(bi)值的(de)分(fen)布(bu)。沉積磷石膏(gao)(gao)的(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)kh一(yi)般大于(yu)(yu)(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)的(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均(jun)值約為2.86，這(zhe)一(yi)點與(yu)成(cheng)層分(fen)布(bu)的(de)金屬(shu)尾礦規律(lv)一(yi)致(zhi)。造(zao)成(cheng)沉積磷石膏(gao)(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)大于(yu)(yu)(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)原(yuan)因(yin)是由于(yu)(yu)(yu)磷石膏(gao)(gao)具有明顯(xian)的(de)晶(jing)體結構，電鏡(jing)掃描顯(xian)示多為菱形(xing)(xing)和棱柱(zhu)狀(zhuang)形(xing)(xing)式(見圖(tu)8)，在沉積過程(cheng)中，由于(yu)(yu)(yu)扁平(ping)(ping)(ping)狀(zhuang)磷石膏(gao)(gao)顆粒多呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)排列，使得水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性大于(yu)(yu)(yu)垂(chui)直方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性，從而使磷石膏(gao)(gao)呈現明顯(xian)的(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另根據中(zhong)國有色金屬工業(ye)昆明勘(kan)察設計研究院在楊(yang)家箐(qing)磷(lin)石(shi)膏堆積壩(ba)開展的(de)現(xian)場滲透(tou)試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均值約為1.9。但張超等(deng)的(de)室內試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)均值約為0.46，也即垂(chui)直向(xiang)滲透(tou)系數大于水平(ping)向(xiang)滲透(tou)系數，與本文(wen)和現(xian)場試(shi)驗(yan)結果恰(qia)恰(qia)相反。從(cong)磷(lin)石(shi)膏的(de)微(wei)觀(guan)結構(gou)來看，本文(wen)試(shi)驗(yan)結果更(geng)為合(he)理。

圖7沉積磷石膏干密(mi)度與(yu)水平和垂直滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)比值(zhi)的(de)關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)干密(mi)度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)水(shui)力梯度J與(yu)流速V的(de)(de)(de)(de)關系(xi)曲線，試驗在(zai)水(shui)平管(guan)涌儀中采用(yong)水(shui)平方向的(de)(de)(de)(de)滲(shen)(shen)流形(xing)式進(jin)行。試驗得到的(de)(de)(de)(de)臨界坡降Jc=0.355，破(po)壞坡降Jp=0.375。一(yi)般來說，對(dui)1，2級工(gong)程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)數取為(wei)2.5，則(ze)允(yun)許(xu)出逸坡降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下工(gong)程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)數取2.0，則(ze)允(yun)許(xu)出逸坡降為(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)許(xu)比降與(yu)粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂大(da)致(zhi)相同。但上述滲(shen)(shen)透變形(xing)試驗是(shi)采用(yong)自來水(shui)進(jin)行的(de)(de)(de)(de)，自來水(shui)對(dui)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)具有一(yi)定的(de)(de)(de)(de)溶蝕作用(yong)，而實際上磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)中殘余磷(lin)(lin)(lin)、硫和(he)氟(fu)酸，庫(ku)水(shui)的(de)(de)(de)(de)pH值一(yi)般小于(yu)3(稱之為(wei)酸性水(shui))，在(zai)酸性水(shui)作用(yong)下，磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)不會發生破(po)壞，上述試驗結果是(shi)偏于(yu)保(bao)守的(de)(de)(de)(de)，但對(dui)非酸性水(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下的(de)(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透穩定判(pan)斷有一(yi)定的(de)(de)(de)(de)借鑒意(yi)義。

圖9水力梯(ti)度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力(li)板儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出(chu)了含水率(lv)特(te)征值(zhi)，試驗曲線(xian)見圖10所示。

試驗結果(guo)表明：①干(gan)密(mi)度對進(jin)氣(qi)值(zhi)沒有明顯的影(ying)響(xiang)，不同干(gan)密(mi)度的試樣(yang)的進(jin)氣(qi)值(zhi)大致在10kPa左右；②土(tu)樣(yang)殘余含(han)(han)水率(lv)隨(sui)干(gan)密(mi)度的增加而減少，殘余含(han)(han)水率(lv)約為飽和含(han)(han)水率(lv)的10%。上述特性與粉土(tu)一(yi)粉砂基本一(yi)致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積(ji)磷石膏的(de)(de)密度變化(hua)較大，而進行三軸(zhou)試(shi)(shi)驗(yan)需要若干原狀樣，為(wei)使試(shi)(shi)驗(yan)結果具(ju)有較好的(de)(de)一致(zhi)性，有針對性的(de)(de)選擇平(ping)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(de)(de)若干試(shi)(shi)樣，進行了5組三軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)干密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗(yan)曲線(xian)。

從圖(tu)11可(ke)以看出，磷石膏(gao)(gao)的(de)應力應變關系曲線在低圍(wei)壓下(xia)表現為軟化(hua)型，在高圍(wei)壓下(xia)表現為硬(ying)化(hua)型，與(yu)一般(ban)土類相似。但(dan)與(yu)一般(ban)粉(fen)(fen)土一粉(fen)(fen)砂不同的(de)是，即使在較為疏松的(de)狀態(tai)下(xia)，磷石膏(gao)(gao)仍表現了較為強(qiang)烈的(de)剪脹，隨密(mi)實(shi)度增大，剪脹作用愈發(fa)明(ming)顯。

表2給出了不同干(gan)(gan)密度(du)下的(de)(de)內摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出了內摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)關系曲(qu)(qu)線。隨干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)增(zeng)大(da)，內摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)也隨之增(zeng)大(da)，且可(ke)采用冪函數較(jiao)好地擬(ni)合(he)。磷石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)由1.20g/cm3增(zeng)加為(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加了32%，總應力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)加為(wei)(wei)(wei)37.3°(根(gen)據擬(ni)合(he)曲(qu)(qu)線求得)，增(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)(xiao)應力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)加為(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)(wei)3.2%，由于(yu)隨圍壓的(de)(de)增(zeng)大(da)，孔壓也明顯增(zeng)大(da)，故有效(xiao)(xiao)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)之總應力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)要(yao)小(xiao)。另外較(jiao)之于(yu)干(gan)(gan)密度(du)增(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)幅(fu)(fu)并不顯著，表明即使較(jiao)為(wei)(wei)(wei)疏松的(de)(de)磷石膏仍(reng)具有較(jiao)高(gao)的(de)(de)強度(du)指標，這也表明磷石膏堆(dui)積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕(ru)變(bian)(次固結)變(bian)形(xing)試(shi)驗

磷石膏的蠕變變形(xing)試(shi)驗在(zai)側限壓(ya)縮儀中進行(xing)，試(shi)驗狀態(tai)相當于(yu)K0固結。試(shi)樣直徑61.8mm，高(gao)度20mm，試(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和(he)后分(fen)別(bie)開展(zhan)了上覆(fu)壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試(shi)驗(yan)(yan)從2012年(nian)8月(yue)27日開始，試(shi)驗(yan)(yan)己進(jin)行了1年(nian)多(duo)，試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)果(guo)見(jian)圖13所示。

從圖13中(zhong)可以看出：上覆荷(he)載越大(da)(da)，磷石膏的(de)(de)蠕(ru)變變形也越大(da)(da)，荷(he)載施加1年后，磷石膏的(de)(de)蠕(ru)變變形仍非常顯著，尚(shang)未達到(dao)穩定狀態，這也是磷石膏堆(dui)積壩(ba)后期變形較大(da)(da)的(de)(de)原(yuan)因(yin)，原(yuan)型(xing)觀測資(zi)料表明，在(zai)5級子壩(ba)河床部位的(de)(de)表面沉降量已經(jing)達到(dao)3.1m，且尚(shang)未完全穩定。

按時間對數法(fa)，可求得各級荷載下的(de)(de)主次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)量如(ru)表(biao)3所示。試(shi)驗結(jie)(jie)果表(biao)明，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)試(shi)驗時間范圍內蠕(ru)變(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)形(xing)是(shi)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)尚(shang)未完(wan)成(cheng)(cheng)，實(shi)際(ji)的(de)(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)應(ying)更(geng)大。對土(tu)體(ti)(ti)(ti)(ti)而(er)(er)言，發(fa)生(sheng)蠕(ru)變(bian)的(de)(de)原因是(shi)由(you)于土(tu)體(ti)(ti)(ti)(ti)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)完(wan)成(cheng)(cheng)之后，土(tu)體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)仍有微小的(de)(de)超(chao)靜孔隙壓(ya)(ya)力(li)存(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)，驅(qu)使水(shui)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)顆粒(li)問流動，一般來講土(tu)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)遠(yuan)小于主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)；對磷(lin)石膏(gao)而(er)(er)言，其(qi)滲透系數在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠(yuan)大于黏性土(tu)，但其(qi)卻(que)發(fa)生(sheng)了極為顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)，其(qi)原因在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)于磷(lin)石膏(gao)晶(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)結(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)了壓(ya)(ya)縮(suo)、破壞(huai)(huai)，接觸點晶(jing)格發(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)形(xing)，而(er)(er)破壞(huai)(huai)后晶(jing)格之間的(de)(de)重新排列、調整到(dao)最后趨于相(xiang)對靜止需要相(xiang)當長的(de)(de)時間才能完(wan)成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗設備采用(yong)英國(guo)GDS公司進口的電機(ji)控制動(dong)三軸試驗系統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模(mo)量和阻尼比

同(tong)樣由于(yu)自然沉積(ji)的磷石膏密度(du)變(bian)(bian)化較大，為此根據物理性質(zhi)試(shi)驗結果，選擇兩(liang)種平均干(gan)密度(du)1.34g/cm3(變(bian)(bian)化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議的動剪(jian)切模(mo)量G、阻尼(ni)比與剪(jian)應(ying)變幅(fu)值γd的關系(xi)式(shi)如下：

式中k1為(wei)(wei)參數(shu)，表示動剪切模量的衰減或阻尼比的增長速率；λmax為(wei)(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大動剪切模量和(he)歸一化的動剪應變，表示為(wei)(wei)

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

圖14給出了動剪切模量、阻尼比與(yu)歸(gui)一(yi)化動應變的關系曲線(xian)，另外圖中(zhong)還給出了式(1)的擬合(he)曲線(xian)以及Seed等給出的砂樣的上下邊界(jie)線(xian)，圖例中(zhong)，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結(jie)應力比。

從圖中可(ke)(ke)以看出：①式(shi)(1)可(ke)(ke)較(jiao)好地(di)描述磷石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表(biao)(biao)明(ming)(ming)采用(yong)等價黏彈(dan)性模型(xing)進行循環荷載作(zuo)用(yong)下的(de)(de)(de)(de)分析(xi)是可(ke)(ke)行的(de)(de)(de)(de)；②圖14(a)中干(gan)密度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)(xian)位于(yu)干(gan)密度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)(xian)上方，圖14(b)中則(ze)位于(yu)下方，表(biao)(biao)明(ming)(ming)密度(du)(du)越大(da)(da)(da)，動(dong)(dong)彈(dan)模越大(da)(da)(da)、阻(zu)尼(ni)比越小；③圖14(a)中，兩種干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)(xian)基本位于(yu)Seed等給(gei)出的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)上方，而圖14(b)中則(ze)基本處于(yu)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)中間，表(biao)(biao)明(ming)(ming)相比較(jiao)砂樣，磷石膏(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模較(jiao)大(da)(da)(da)，會(hui)導致磷石膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)較(jiao)大(da)(da)(da)，但由于(yu)阻(zu)尼(ni)比也較(jiao)大(da)(da)(da)，這樣又會(hui)削弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷石膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)將不(bu)會(hui)過于(yu)強烈，這對磷石膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震(zhen)穩定性是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇(ze)兩(liang)種平均干密度為1.12(變化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試(shi)驗(yan)，破壞標準為總應(ying)變達到(dao)10%。

圖(tu)(tu)15給出了動(dong)剪(jian)應力(li)比τd/σ0′與破壞(huai)振(zhen)(zhen)次Nf的關系(xi)曲(qu)線圖(tu)(tu)，其(qi)中σ0為(wei)(wei)振(zhen)(zhen)前試樣45°面上的有效法向應力(li)，表(biao)達(da)為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結比。從試驗結果可以看出，沉積磷石膏的動(dong)強度(du)與其(qi)它土體相似，表(biao)現為(wei)(wei)圍壓(ya)和固結應力(li)比與動(dong)剪(jian)應力(li)比呈負(fu)相關關系(xi)。

為判別沉積(ji)磷石膏(gao)的抗液化能力，假定抗震設計烈度為8度，即等(deng)效振次(ci)Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的冪函數(shu)關(guan)系式得到振次為30時各個圍(wei)壓和固結比(bi)下(xia)的動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后(hou)可擬合求得(de)動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)與(yu)圍壓(ya)和固結應(ying)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(cong)上述擬合關系式(shi)可見，密實度(du)提(ti)高(gao)后，動剪(jian)(jian)應(ying)力(li)比提(ti)高(gao)，表明(ming)抗液(ye)化能力(li)也提(ti)高(gao)。但即(ji)使(shi)是在低密度(du)下，其動剪(jian)(jian)應(ying)力(li)比較之同類的(de)粉(fen)土或粉(fen)砂也大(da)出許多，表明(ming)磷石膏具有(you)較高(gao)的(de)抗液(ye)化能力(li)。

三(san)、結(jie)論(lun)

依托柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)，在鉆(zhan)探取樣工(gong)作的(de)基(ji)礎(chu)上，首先開(kai)展(zhan)了物理性(xing)質試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，然(ran)后開(kai)展(zhan)了靜動力(li)力(li)學特(te)性(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)。通過(guo)上述試(shi)(shi)驗(yan)(yan)研究，得出如下結論(lun)：

(1)沉積磷石膏總體上(shang)屬(shu)于級配不良(liang)的粉土，局部(bu)屬(shu)于粉砂(sha)一中砂(sha)，無自然分(fen)級現(xian)象。其干密度和粒徑變化隨埋(mai)深或距(ju)放漿口距(ju)離(li)的變化不明顯。

(2)沉積磷石膏(gao)水(shui)平方向的滲透(tou)系數(shu)大于垂直(zhi)方向的滲透(tou)系數(shu)，呈(cheng)現明顯的各(ge)向異性。

(3)與土(tu)體(ti)顆粒(li)不可壓縮不同，磷石(shi)膏的晶體(ti)結(jie)(jie)構會發(fa)生(sheng)壓縮破壞(huai)，具有較大的壓縮性，其次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)量遠(yuan)大于(yu)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)量。

(4)沉積磷(lin)石膏的(de)(de)靜動強(qiang)度(du)較之(zhi)同等密實度(du)下的(de)(de)粉土(tu)、粉砂要高。