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(yan)

磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕法(fa)(fa)磷(lin)酸生產過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)副產品，2018年，全國(guo)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)產生量(liang)為7800萬噸，且呈(cheng)逐年增長(chang)的(de)態(tai)勢(shi)。磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)主(zhu)要成分(fen)(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但(dan)含有一(yi)定(ding)量(liang)的(de)氟化(hua)物和(he)其它放射性(xing)物質，在中(zhong)(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般(ban)(ban)工(gong)業固體廢物處理(li)，鑒(jian)于無害化(hua)處理(li)成本(ben)較高(gao)(gao)，目前綜合(he)利用(yong)率尚不足40%，故(gu)大(da)部分(fen)(fen)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)需(xu)要堆存存放。按堆存場(chang)地(di)的(de)不同，可(ke)分(fen)(fen)為平地(di)型(xing)、傍山(shan)(shan)型(xing)、山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)和(he)截(jie)河(he)型(xing)堆場(chang)，在中(zhong)(zhong)國(guo)基本(ben)上是(shi)山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)堆場(chang)。相(xiang)比(bi)較干法(fa)(fa)堆存，濕法(fa)(fa)堆存經(jing)濟(ji)優勢(shi)明顯，因而如地(di)質條件為非碳酸鹽巖地(di)區，一(yi)般(ban)(ban)均采用(yong)濕排(pai)濕堆方(fang)式。隨(sui)著中(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)肥工(gong)業的(de)快速(su)發(fa)展(zhan)，本(ben)世(shi)紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了幾座濕法(fa)(fa)堆存的(de)大(da)型(xing)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例如云天化(hua)國(guo)際化(hua)工(gong)三環分(fen)(fen)公(gong)(gong)司的(de)柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆積壩(ba)和(he)富(fu)瑞分(fen)(fen)公(gong)(gong)司的(de)楊家箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆積壩(ba)，這兩座壩(ba)設計(ji)壩(ba)高(gao)(gao)均超過(guo)100m、處于8度(du)地(di)震區，其安全性(xing)備受(shou)關注。

據統計，110多年(1901年一(yi)2013年)來，全世界有118座尾(wei)礦壩曾發生(sheng)過破(po)壞或潰壩事故，原因(yin)主要有地震、洪(hong)水漫頂、滲(shen)透(tou)破(po)壞和基礎失穩(wen)。尾(wei)礦庫失事后會造成巨大的生(sheng)態災難和人(ren)員傷亡，近(jin)幾十年來，

國內外對(dui)金屬尾(wei)礦(kuang)的沉積規(gui)(gui)律(lv)(lv)、物(wu)理(li)力(li)學特(te)性及其(qi)穩定性開展(zhan)了(le)大(da)量的研(yan)究(jiu)(jiu)，但對(dui)于(yu)與(yu)金屬尾(wei)礦(kuang)庫相近的磷(lin)(lin)石膏(gao)庫，一般僅限(xian)于(yu)在可研(yan)階(jie)段采用人工(gong)制備樣進行(xing)物(wu)理(li)力(li)學性質試驗，并據此進行(xing)穩定性分析，尚(shang)未(wei)有(you)人針對(dui)己(ji)運行(xing)若干年的大(da)型濕法堆存磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積壩(ba)開展(zhan)過磷(lin)(lin)石膏(gao)沉積規(gui)(gui)律(lv)(lv)及其(qi)物(wu)理(li)力(li)學特(te)性的專項研(yan)究(jiu)(jiu)。

本文依托柳樹(shu)箐(qing)磷石(shi)膏堆積壩，首(shou)先進行了(le)鉆探取樣，采用(yong)原(yuan)狀(zhuang)樣開(kai)展了(le)密度、含(han)水(shui)率、滲透、土水(shui)特(te)征(zheng)和顆分等物理(li)性(xing)質試驗(yan)，在此(ci)基礎上有針對性(xing)的(de)選擇(ze)原(yuan)狀(zhuang)樣開(kai)展了(le)三(san)軸CU、蠕變及動三(san)軸等力學特(te)性(xing)試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研(yan)(yan)究，總(zong)結(jie)了(le)磷石(shi)膏的(de)沉積規律、滲透特(te)性(xing)、滲透破壞(huai)特(te)性(xing)以及靜(jing)動力特(te)性(xing)，上述研(yan)(yan)究工作對研(yan)(yan)究和評估磷石(shi)膏庫堆積壩的(de)穩定性(xing)提供了(le)基礎數據，對現行磷石(shi)膏庫的(de)運行管理(li)以及新建工程的(de)設計具有重要的(de)借(jie)鑒意義。

一、依托工程概(gai)況

1.1柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆積壩堆存設計方案

由(you)初期壩(ba)和堆積壩(ba)組(zu)成(cheng)，設計總(zong)壩(ba)高約130m。

(1)初(chu)期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采(cai)用土料填筑。上游坡面、壩(ba)底和下(xia)游壩(ba)腳設(she)置堆石排水(shui)體(ti)，三者相連(lian)通構成整個堆積壩(ba)的主要排滲(shen)系統。

(2)堆(dui)積壩及其輔助排滲措施

采(cai)用(yong)上游式筑(zhu)壩(ba)法，共20級子(zi)壩(ba)，頂(ding)寬6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約(yue)100m。采(cai)用(yong)排滲管網作為輔助排滲方(fang)案，目前(qian)己(ji)在(zai)5級、9級子(zi)壩(ba)和13級子(zi)壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范圍(wei)內設置了井字形排滲管網。

1.2沉積磷(lin)石膏的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平面位(wei)置見圖l。2008年(nian)(nian)6月，堆(dui)積至5級子(zi)壩時，布設(she)了9個(ge)(ge)(ge)取(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號K1～K9，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)76件(jian)；2013年(nian)(nian)5月，堆(dui)積至13級子(zi)壩時，又布設(she)了11個(ge)(ge)(ge)取(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號K10～K20，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)112件(jian)，為(wei)比較子(zi)壩加高和磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積過程中磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)物理力學性質(zhi)的變化(hua)，在2，4級子(zi)壩K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近(jin)各布設(she)了一個(ge)(ge)(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號分(fen)別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況(kuang)

柳樹箐磷石(shi)膏尾礦庫2005年開工建設，2006年1月投(tou)入(ru)運(yun)行(xing)，截至(zhi)2013年5月己堆至(zhi)13級子壩(ba)(ba)，尚有7級子壩(ba)(ba)即(ji)堆存(cun)(cun)至(zhi)設計(ji)高程。鑒(jian)于磷石(shi)膏庫地(di)形、地(di)質條(tiao)件(jian)(jian)較好，具備擴容改(gai)造的條(tiao)件(jian)(jian)，以提(ti)高堆存(cun)(cun)庫容，減少(shao)堆存(cun)(cun)占地(di)，節約土地(di)資(zi)源。

本文主要對沉積磷石膏(gao)的(de)(de)物(wu)理(li)力(li)學特性(xing)進行(xing)(xing)了全面總結，限于篇幅(fu)，有(you)關現狀磷石膏(gao)庫堆(dui)積壩的(de)(de)安全性(xing)評價(jia)及其加高可行(xing)(xing)性(xing)的(de)(de)研究將另文發(fa)表。

二、沉積(ji)磷石膏(gao)的物(wu)理力(li)學(xue)特(te)性

2.1物(wu)理特性

(1)干密(mi)度分布(bu)

圖(tu)2給(gei)出(chu)了14個(ge)鉆孔(kong)的(de)(de)(de)(de)取樣深(shen)度(du)和(he)(he)試驗所得干密度(du)的(de)(de)(de)(de)關系，圖(tu)中(zhong)UWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位線上，(系鉆孔(kong)期間的(de)(de)(de)(de)初(chu)見水(shui)(shui)位線，下同(tong))，DWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位線下。圖(tu)3給(gei)出(chu)了水(shui)(shui)位線上下的(de)(de)(de)(de)飽和(he)(he)度(du)分布圖(tu)。由于磷石(shi)膏中(zhong)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要成分為(wei)CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度(du)和(he)(he)烘烤時間對(dui)測定結果有一定影響，不能(neng)照搬(ban)現行的(de)(de)(de)(de)土(tu)工試驗規范，本文磷石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)含(han)水(shui)(shui)率(lv)測定方法為(wei)55℃溫度(du)下烘培24h。

圖2沉積(ji)磷石膏干密度與埋深的關系(xi)

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

由圖3，水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)的(de)(de)磷石膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)度平均值為50.4%，處于非飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態，水(shui)(shui)位(wei)線以下(xia)的(de)(de)磷石膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)度平均值為85.0%，基本(ben)處于飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態，由于水(shui)(shui)位(wei)下(xia)降后(hou)磷石膏(gao)來不及排水(shui)(shui)固結，故(gu)而水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)局部(bu)試樣的(de)(de)飽(bao)(bao)和(he)度較高(gao)。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上(shang)的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石膏(gao)與一(yi)般的(de)(de)尾礦(kuang)有所不(bu)同(tong)，磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)并不(bu)隨埋深的(de)(de)增大而(er)明顯增大，但水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)(de)磷石膏(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)從(cong)統計(ji)意義上(shang)來看(kan)仍大于水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上(shang)的(de)(de)磷石膏(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)，這主(zhu)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)使得磷石膏(gao)排水(shui)(shui)固(gu)結所致。

室內擊(ji)實得到的磷石(shi)膏(gao)(gao)最大干密(mi)度一(yi)般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自然沉積的磷石(shi)膏(gao)(gao)最大干密(mi)度可達到1.73g/cm3，原因如下：與經典(dian)的土骨(gu)架(jia)(jia)不可壓縮的理論不同(tong)，石(shi)膏(gao)(gao)本身可壓縮，同(tong)時由于顆粒結(jie)構(gou)不穩定，擊(ji)實試驗過程中(zhong)磷石(shi)膏(gao)(gao)結(jie)構(gou)被破(po)壞，受夯(hang)擊(ji)處(chu)下陷，四周鼓起，出現了類似于橡皮土的現象。而在現場(chang)條件(jian)下，石(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)架(jia)(jia)被破(po)壞后(hou)(hou)，會導致顆粒中(zhong)的結(jie)合(he)水(shui)滲出至孔(kong)隙內，變成孔(kong)隙水(shui)，排(pai)水(shui)固結(jie)后(hou)(hou)會使(shi)得磷石(shi)膏(gao)(gao)的孔(kong)隙比減小，干密(mi)度增大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔K2和K17(位(wei)于2級子壩(ba)河床部位(wei))以及相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔K6和K18(位(wei)于4級子壩(ba)河床部位(wei))干(gan)(gan)密度的(de)(de)(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見(jian)，即使從統計意義(yi)上來(lai)看，磷(lin)石膏的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度也(ye)并(bing)未(wei)隨后續磷(lin)石膏的(de)(de)(de)(de)堆積而有較為(wei)明顯的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)。

(2)級(ji)配分布

顆粒分析試驗(yan)采(cai)用密度(du)計法，制備懸(xuan)液時不(bu)(bu)(bu)煮沸，不(bu)(bu)(bu)加(jia)六偏磷酸鈉。圖(tu)5給出了試驗(yan)得到的級配(pei)包線(xian)、平均粒徑(jing)d50、不(bu)(bu)(bu)均勻系數(shu)(1u和曲(qu)率(lv)系數(shu)Cc的分布(bu)圖(tu)。

從(cong)圖5(a)可(ke)(ke)見(jian)，磷(lin)石膏(gao)的粒徑主要分(fen)布在0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬于粉土，但(dan)可(ke)(ke)能由于礦石來源或(huo)生產工藝有(you)所不同(tong)，局部屬于粉砂～中砂。粒徑分(fen)布范圍(wei)比(bi)Blight和張(zhang)超(chao)等的試驗結果要寬一(yi)些(xie)。

圖4子壩加高后沉積磷石膏(gao)的干(gan)密度變化

圖5沉積磷石膏(gao)的(de)平均粒徑和(he)級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向還是垂直向，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與金(jin)(jin)(jin)屬礦山尾礦的(de)“前粗后細(xi)，上粗下(xia)(xia)細(xi)”的(de)自然分級(ji)現象不同，也即粗顆粒(li)(li)(li)并不是沿埋深逐步減小或(huo)距離放漿口(kou)越(yue)遠顆粒(li)(li)(li)越(yue)細(xi)，其原因如(ru)下(xia)(xia)：①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)徑組(zu)成(cheng)較(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒(li)(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)配(pei)較(jiao)差(cha)；②相(xiang)比(bi)(bi)較(jiao)金(jin)(jin)(jin)屬尾礦，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)較(jiao)小，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)一(yi)般為2.3～2.4，遠小于(yu)金(jin)(jin)(jin)屬尾礦的(de)比(bi)(bi)重(zhong)，例如(ru)鐵尾礦的(de)比(bi)(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿口(kou)隨(sui)子壩(ba)高度(du)不斷增加(jia)而不斷變動并向庫(ku)尾延伸(shen)，造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)粒(li)(li)(li)徑變化不明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不(bu)均勻系數Cu范(fan)(fan)圍值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲(qu)率系數(1c范(fan)(fan)圍值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)為(wei)(wei)1.21，在統(tong)計(ji)的(de)100多個試樣(yang)中，屬于(yu)級(ji)配不(bu)良土的(de)占93%。這種級(ji)配特性決定了磷石膏(gao)具有較(jiao)高的(de)壓縮性、滲(shen)透破壞型式表(biao)現為(wei)(wei)流土破壞。

2.2滲透特性(xing)

(1)滲透系數

影響滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)主要因(yin)(yin)素是粒徑(jing)大小(xiao)、級配和孔(kong)隙比，因(yin)(yin)而磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與粉土較(jiao)(jiao)為接近。由于(yu)(yu)孔(kong)隙比e減小(xiao)，使得(de)過(guo)水(shui)通道(dao)面(mian)積減小(xiao)，滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一(yi)般認為滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線(xian)性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給出了二者(zhe)間(jian)的(de)(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)曲(qu)線(xian)，由于(yu)(yu)沉(chen)積磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化(hua)較(jiao)(jiao)大，使得(de)沉(chen)積磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化(hua)范圍較(jiao)(jiao)大(平均值(zhi)為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量(liang)級)，二者(zhe)問(wen)的(de)(de)(de)線(xian)性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積(ji)磷石膏滲透系數與(yu)孔隙(xi)比的(de)關(guan)系

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

圖(tu)7給出了水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)與垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數比值(zhi)的分布。沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數kh一(yi)般大于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)的滲透(tou)系(xi)數kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均值(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)點與成層分布的金屬(shu)尾礦(kuang)規律一(yi)致。造成沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數大于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數的原因是(shi)由于(yu)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有明顯的晶體結構，電鏡掃描(miao)顯示多為(wei)菱形(xing)和棱柱狀形(xing)式(見圖(tu)8)，在沉(chen)(chen)積過程中，由于(yu)扁平(ping)(ping)(ping)狀磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆粒多呈(cheng)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)排列(lie)，使得水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)方向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)大于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)方向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)，從(cong)而使磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)呈(cheng)現明顯的各(ge)向(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色金屬工業(ye)昆(kun)明勘(kan)察設計研(yan)究(jiu)院在楊家箐磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩開展(zhan)的(de)現場滲透試(shi)驗，kh/kv的(de)平均值約(yue)為(wei)1.9。但(dan)張超等的(de)室內試(shi)驗顯示，kh/kv的(de)平均值約(yue)為(wei)0.46，也即垂直(zhi)向滲透系數大于水平向滲透系數，與本(ben)文(wen)和現場試(shi)驗結(jie)果(guo)(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從磷石(shi)(shi)膏的(de)微觀結(jie)構(gou)來看，本(ben)文(wen)試(shi)驗結(jie)果(guo)(guo)更為(wei)合(he)理。

圖7沉積磷石(shi)膏(gao)干密度與水平和垂(chui)直滲透系(xi)數(shu)比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石(shi)膏干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)力梯度J與(yu)流速(su)V的(de)(de)(de)關系(xi)曲線(xian)，試(shi)(shi)驗在水(shui)平(ping)管(guan)涌儀中(zhong)(zhong)采(cai)用(yong)水(shui)平(ping)方向的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)流形(xing)式進(jin)行(xing)。試(shi)(shi)驗得到的(de)(de)(de)臨界坡(po)(po)(po)降(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一般(ban)來(lai)說，對1，2級(ji)工程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全系(xi)數取為(wei)2.5，則(ze)允(yun)許出(chu)逸坡(po)(po)(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下(xia)工程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全系(xi)數取2.0，則(ze)允(yun)許出(chu)逸坡(po)(po)(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比降(jiang)與(yu)粉土(tu)一粉砂大致相同。但(dan)上述(shu)滲(shen)(shen)透變形(xing)試(shi)(shi)驗是采(cai)用(yong)自來(lai)水(shui)進(jin)行(xing)的(de)(de)(de)，自來(lai)水(shui)對磷(lin)石(shi)膏具(ju)有一定的(de)(de)(de)溶蝕作用(yong)，而實際上磷(lin)石(shi)膏中(zhong)(zhong)殘(can)余磷(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)的(de)(de)(de)pH值一般(ban)小(xiao)于3(稱之為(wei)酸(suan)性水(shui))，在酸(suan)性水(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)石(shi)膏不會發生破壞，上述(shu)試(shi)(shi)驗結果是偏于保(bao)守的(de)(de)(de)，但(dan)對非(fei)酸(suan)性水(shui)條件(例如(ru)特大暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透穩定判斷有一定的(de)(de)(de)借鑒意義。

圖(tu)9水力梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征(zheng)試(shi)驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的壓力板儀(yi)中(zhong)進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組(zu)，吸力范(fan)圍0～500kPa。表l列出了含水率特征(zheng)值，試(shi)驗(yan)曲線見圖(tu)10所示。

試驗結(jie)果表(biao)明：①干(gan)密度(du)(du)對(dui)進(jin)氣(qi)值沒有明顯(xian)的(de)影響，不同干(gan)密度(du)(du)的(de)試樣的(de)進(jin)氣(qi)值大致在(zai)10kPa左右；②土樣殘余含水率隨干(gan)密度(du)(du)的(de)增(zeng)加而(er)減少，殘余含水率約(yue)為飽和含水率的(de)10%。上述特性與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂基(ji)本一(yi)致。

2.3靜力(li)力(li)學(xue)特性

(1)三軸(zhou)CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)密度變化較大，而(er)進(jin)行三軸(zhou)試驗需(xu)要若干(gan)原狀樣(yang)，為(wei)(wei)(wei)使(shi)試驗結(jie)果(guo)具(ju)有(you)較好的(de)一致性，有(you)針對性的(de)選擇(ze)平均干(gan)密度分別為(wei)(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)若干(gan)試樣(yang)，進(jin)行了(le)5組三軸(zhou)CU試驗。圖11是為(wei)(wei)(wei)干(gan)密度為(wei)(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三軸(zhou)CU試驗曲線(xian)。

從(cong)圖11可以看出，磷石膏(gao)的(de)應力應變關系曲線在(zai)(zai)低圍(wei)(wei)壓(ya)下表現為軟化型，在(zai)(zai)高圍(wei)(wei)壓(ya)下表現為硬化型，與一(yi)(yi)般土類相似。但(dan)與一(yi)(yi)般粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂不同的(de)是，即使(shi)在(zai)(zai)較為疏松的(de)狀態下，磷石膏(gao)仍表現了較為強烈的(de)剪脹，隨密(mi)實(shi)度增(zeng)大，剪脹作用愈發明顯。

表2給(gei)出了(le)不同干密(mi)(mi)度(du)(du)下的(de)內摩擦角(jiao)，圖(tu)12給(gei)出了(le)內摩擦角(jiao)與干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)關(guan)系曲線(xian)(xian)。隨(sui)(sui)干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩擦角(jiao)也(ye)隨(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函(han)數(shu)較(jiao)好地(di)擬合(he)。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)力摩擦角(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)37.3°(根據擬合(he)曲線(xian)(xian)求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)(wei)9.4%，有效應(ying)力摩擦角(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)(wei)3.2%，由于(yu)隨(sui)(sui)圍壓的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也(ye)明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效摩擦角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之總應(ying)力摩擦角(jiao)要小。另外較(jiao)之于(yu)干密(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩擦角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表明(ming)即使(shi)較(jiao)為(wei)(wei)(wei)疏松的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)仍具有較(jiao)高(gao)的(de)強度(du)(du)指標，這也(ye)表明(ming)磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積壩的(de)穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次(ci)固結)變(bian)形試(shi)驗(yan)

磷石膏(gao)的蠕變變形試(shi)驗在(zai)側限壓(ya)縮儀中進(jin)行，試(shi)驗狀態相當于K0固結(jie)。試(shi)樣(yang)(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣(yang)(yang)干密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)(yang)飽(bao)和后分(fen)別開展(zhan)了(le)上覆(fu)壓(ya)力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試(shi)(shi)驗從(cong)2012年8月27日開始，試(shi)(shi)驗己進行(xing)了1年多，試(shi)(shi)驗結果見(jian)圖(tu)13所示。

從圖13中可以(yi)看出：上覆荷載越(yue)(yue)大(da)(da)，磷石(shi)膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形也(ye)越(yue)(yue)大(da)(da)，荷載施加1年(nian)后，磷石(shi)膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形仍非常顯著，尚(shang)未達(da)到(dao)穩定(ding)狀態，這也(ye)是磷石(shi)膏堆積壩后期變(bian)(bian)形較大(da)(da)的原因，原型觀測資料表(biao)(biao)明(ming)，在5級子壩河(he)床部位的表(biao)(biao)面沉降量(liang)已(yi)經達(da)到(dao)3.1m，且尚(shang)未完全穩定(ding)。

按時(shi)(shi)間對(dui)數(shu)法，可求得各級(ji)荷載下的(de)(de)(de)主次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量(liang)如表(biao)3所(suo)示。試(shi)驗結(jie)(jie)(jie)果(guo)表(biao)明，在(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)(zai)試(shi)驗時(shi)(shi)間范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是主固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完(wan)成，實際的(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應更大(da)。對(dui)土(tu)體(ti)而(er)言，發生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因(yin)是由于(yu)(yu)土(tu)體(ti)在(zai)(zai)(zai)主固結(jie)(jie)(jie)完(wan)成之(zhi)后(hou)，土(tu)體(ti)中仍有微(wei)小的(de)(de)(de)超靜孔隙壓力存在(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)顆粒問(wen)流動(dong)，一般來講土(tu)體(ti)的(de)(de)(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)(yu)主固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷石膏而(er)言，其滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)在(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級(ji)，遠大(da)于(yu)(yu)黏性(xing)土(tu)，但其卻發生(sheng)了(le)極為顯(xian)著的(de)(de)(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其原因(yin)在(zai)(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構發生(sheng)了(le)壓縮、破(po)壞，接(jie)觸(chu)點晶(jing)格發生(sheng)歪(wai)曲和(he)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而(er)破(po)壞后(hou)晶(jing)格之(zhi)間的(de)(de)(de)重新排列、調整到(dao)最后(hou)趨(qu)于(yu)(yu)相對(dui)靜止需(xu)要(yao)相當(dang)長的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間才能完(wan)成。

2.4動(dong)力(li)力(li)學特性

試驗設備(bei)采用英國GDS公(gong)司進(jin)口的電機(ji)控制(zhi)動三軸試驗系統，試樣直徑39.1mm，高(gao)度(du)80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼(ni)比

同(tong)樣由于自然沉積的(de)磷石膏密度(du)變(bian)化較(jiao)大，為(wei)此根(gen)據物理(li)性(xing)質試(shi)驗結果(guo)，選擇兩種平(ping)均干(gan)密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模量(liang)G、阻尼(ni)比與剪應變幅值γd的關系式(shi)如(ru)下：

式中k1為參(can)數(shu)，表示動剪切模量的衰(shuai)減或阻尼比的增長速率；λmax為最大阻尼比；Gmax，γd分(fen)別為最大動剪切模量和歸一化的動剪應變，表示為

式中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力(li)；Pa為(wei)(wei)標(biao)準(zhun)大氣壓；vd為(wei)(wei)動泊松比(bi)；εa為(wei)(wei)歸一化的動應變，表(biao)達為(wei)(wei)

圖(tu)14給出(chu)(chu)了動(dong)剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化(hua)動(dong)應變的(de)關系曲線，另外圖(tu)中(zhong)還給出(chu)(chu)了式(shi)(1)的(de)擬合曲線以及(ji)Seed等給出(chu)(chu)的(de)砂樣的(de)上下邊界(jie)線，圖(tu)例(li)中(zhong)，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比(bi)。

從圖中(zhong)可以(yi)看出(chu)(chu)：①式(1)可較(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)應力(li)(li)-動(dong)應變試(shi)驗曲線(xian)，表明采(cai)用(yong)等(deng)價黏彈性(xing)模(mo)型進行(xing)循環荷載作用(yong)下(xia)的(de)(de)(de)(de)分析是可行(xing)的(de)(de)(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)位(wei)于(yu)(yu)(yu)干密(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)上方，圖14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)(yu)(yu)下(xia)方，表明密(mi)度(du)越大，動(dong)彈模(mo)越大、阻尼比(bi)越小(xiao)；③圖14(a)中(zhong)，兩種干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)基本位(wei)于(yu)(yu)(yu)Seed等(deng)給出(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)上方，而圖14(b)中(zhong)則(ze)基本處于(yu)(yu)(yu)邊界線(xian)中(zhong)間，表明相(xiang)比(bi)較(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)動(dong)彈模(mo)較(jiao)大，會(hui)導致磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應較(jiao)大，但由于(yu)(yu)(yu)阻尼比(bi)也較(jiao)大，這樣(yang)又會(hui)削弱壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應，二者的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影響下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應將(jiang)不(bu)會(hui)過于(yu)(yu)(yu)強(qiang)烈，這對磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度(du)

選擇兩種平均干密度為1.12(變(bian)化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行(xing)試驗，破壞標準為總應(ying)變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出(chu)(chu)了動剪應(ying)力比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破壞(huai)振次Nf的(de)關系曲(qu)線圖(tu)，其中σ0為振前(qian)試樣45°面上(shang)的(de)有效法向應(ying)力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)(gu)結比(bi)(bi)。從(cong)試驗(yan)結果可以看出(chu)(chu)，沉積磷石膏(gao)的(de)動強度與(yu)其它土體相似(si)，表現為圍壓和(he)固(gu)(gu)結應(ying)力比(bi)(bi)與(yu)動剪應(ying)力比(bi)(bi)呈負相關關系。

為(wei)(wei)判別沉積(ji)磷(lin)石膏的抗液化能(neng)力，假定抗震設計烈度為(wei)(wei)8度，即等效振次(ci)Ⅳ可取為(wei)(wei)30。首先由式(shi)(4)

所(suo)示(shi)的冪(mi)函數關(guan)系式得(de)到(dao)振次為30時各個圍(wei)壓和固結(jie)比下的動(dong)剪應(ying)力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應(ying)力比與圍(wei)壓和(he)固結(jie)應(ying)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。

從上述擬合關系(xi)式可見(jian)，密實度(du)提(ti)高(gao)后，動(dong)剪應力比提(ti)高(gao)，表明(ming)抗液化能(neng)力也提(ti)高(gao)。但即使是在低密度(du)下，其(qi)動(dong)剪應力比較之同類的(de)粉(fen)土或粉(fen)砂也大出許(xu)多，表明(ming)磷石(shi)膏(gao)具(ju)有較高(gao)的(de)抗液化能(neng)力。

三、結論

依托柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩(ba)，在鉆探取樣(yang)工(gong)作的(de)基礎上(shang)，首先(xian)開展了物理性(xing)質(zhi)試驗，然后(hou)開展了靜動力(li)力(li)學(xue)特性(xing)試驗。通過上(shang)述試驗研究，得(de)出如下結論(lun)：

(1)沉積磷石膏總體上屬于(yu)級(ji)配(pei)不(bu)良的(de)粉土，局(ju)部屬于(yu)粉砂一中砂，無自然分(fen)級(ji)現象(xiang)。其(qi)干密度和粒徑(jing)變化(hua)隨埋深或距放漿(jiang)口距離的(de)變化(hua)不(bu)明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平(ping)方向的滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數大于垂直方向的滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數，呈現明顯的各(ge)向異性。

(3)與土體(ti)(ti)顆粒不(bu)可壓縮不(bu)同，磷(lin)石膏的晶體(ti)(ti)結構會發生壓縮破壞，具有較(jiao)大的壓縮性，其次(ci)固(gu)結變形量遠大于主固(gu)結變形量。

(4)沉積磷石膏的靜動強(qiang)度較之(zhi)同(tong)等密實度下的粉土、粉砂要高。