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)(lin)石膏(gao)是濕(shi)法(fa)(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生產過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)副(fu)產品，2018年，全(quan)國磷(lin)(lin)石膏(gao)產生量為7800萬噸，且(qie)呈(cheng)逐年增長的(de)(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)主要(yao)成(cheng)分(fen)是CaO和SO3，但(dan)含有一定量的(de)(de)(de)氟化(hua)(hua)物和其它放射性(xing)物質，在中(zhong)國通常按(an)Ⅱ類一般工(gong)業(ye)固體廢(fei)物處(chu)理，鑒于無害(hai)化(hua)(hua)處(chu)理成(cheng)本(ben)較高(gao)，目前綜合利用率尚不(bu)足(zu)40%，故大(da)部(bu)分(fen)磷(lin)(lin)石膏(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)場地的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，可分(fen)為平(ping)地型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場，在中(zhong)國基本(ben)上是山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較干(gan)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)經濟(ji)優勢(shi)明(ming)顯，因而如(ru)地質條件(jian)為非碳酸(suan)鹽巖(yan)地區，一般均采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方式(shi)。隨著中(zhong)國磷(lin)(lin)肥(fei)工(gong)業(ye)的(de)(de)(de)快速發展，本(ben)世紀初中(zhong)國相(xiang)繼(ji)建設了幾座濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)(ku)，例如(ru)云天化(hua)(hua)國際(ji)化(hua)(hua)工(gong)三環分(fen)公司的(de)(de)(de)柳(liu)樹箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)和富瑞(rui)分(fen)公司的(de)(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高(gao)均超過(guo)100m、處(chu)于8度地震區，其安全(quan)性(xing)備(bei)受關注。

據統(tong)計，110多年(nian)(1901年(nian)一(yi)2013年(nian))來(lai)，全世界有118座尾(wei)礦壩曾發(fa)生(sheng)過破壞(huai)或潰壩事故(gu)，原因(yin)主要有地(di)震、洪水漫頂、滲透破壞(huai)和(he)基(ji)礎失穩。尾(wei)礦庫失事后會造(zao)成(cheng)巨大的(de)生(sheng)態(tai)災難(nan)和(he)人員傷(shang)亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國內外(wai)對金屬(shu)尾(wei)礦的(de)(de)沉積(ji)規(gui)律(lv)、物理(li)力學特(te)性及其穩定(ding)(ding)性開展了大量的(de)(de)研(yan)究(jiu)，但對于與金屬(shu)尾(wei)礦庫相近(jin)的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫，一般僅限于在可研(yan)階段采用人工制備樣(yang)進行物理(li)力學性質(zhi)試(shi)驗(yan)，并據此進行穩定(ding)(ding)性分析，尚(shang)未有人針(zhen)對己運行若干年的(de)(de)大型濕法堆存磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩開展過(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)沉積(ji)規(gui)律(lv)及其物理(li)力學特(te)性的(de)(de)專(zhuan)項(xiang)研(yan)究(jiu)。

本(ben)文(wen)依托柳樹箐(qing)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積壩(ba)，首先進行(xing)了(le)(le)鉆(zhan)探取樣，采(cai)用原(yuan)狀樣開展了(le)(le)密度、含水(shui)率(lv)、滲透(tou)、土水(shui)特征和顆(ke)分等物理性(xing)(xing)質試驗，在此基礎上有(you)針對性(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀樣開展了(le)(le)三軸CU、蠕(ru)變及動三軸等力學特性(xing)(xing)試驗。通過上述(shu)試驗研(yan)究(jiu)，總結了(le)(le)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)沉積規(gui)律(lv)、滲透(tou)特性(xing)(xing)、滲透(tou)破壞特性(xing)(xing)以(yi)及靜動力特性(xing)(xing)，上述(shu)研(yan)究(jiu)工作(zuo)對研(yan)究(jiu)和評估(gu)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫堆積壩(ba)的(de)穩定(ding)性(xing)(xing)提供了(le)(le)基礎數(shu)據，對現行(xing)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫的(de)運(yun)行(xing)管理以(yi)及新建(jian)工程的(de)設計具有(you)重要(yao)的(de)借鑒意義。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳樹(shu)箐(qing)磷石膏堆積壩堆存設計方(fang)案

由(you)初期壩(ba)和(he)堆(dui)積壩(ba)組成，設計總壩(ba)高(gao)約(yue)130m。

(1)初期(qi)壩

初期壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)高(gao)約(yue)30m，采用(yong)土料填筑。上游坡面、壩(ba)(ba)(ba)底和下游壩(ba)(ba)(ba)腳設置堆(dui)石排水體(ti)，三者相連通構(gou)成整個堆(dui)積壩(ba)(ba)(ba)的主要排滲系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措施

采(cai)用(yong)上游式筑壩(ba)(ba)(ba)法，共20級子(zi)壩(ba)(ba)(ba)，頂(ding)寬(kuan)6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)用(yong)排(pai)滲(shen)管(guan)網作為輔(fu)助排(pai)滲(shen)方案，目前己在(zai)5級、9級子(zi)壩(ba)(ba)(ba)和13級子(zi)壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)前120m范圍內設置了井字形(xing)排(pai)滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探(tan)取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)平面位置見(jian)圖l。2008年(nian)6月，堆積至(zhi)5級(ji)子壩(ba)時，布(bu)設了9個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)(bian)號K1～K9，取(qu)(qu)原(yuan)狀樣(yang)76件；2013年(nian)5月，堆積至(zhi)13級(ji)子壩(ba)時，又布(bu)設了11個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)(bian)號K10～K20，取(qu)(qu)原(yuan)狀樣(yang)112件，為比(bi)較子壩(ba)加高和(he)磷石(shi)膏堆積過程中磷石(shi)膏物理力學性(xing)質的變化，在2，4級(ji)子壩(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)附(fu)近各布(bu)設了一個(ge)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)(bian)號分別為K17和(he)K18。

1.3運(yun)行(xing)概況

柳樹箐(qing)磷石膏尾礦庫(ku)2005年開工建設，2006年1月(yue)投入運行，截(jie)至(zhi)2013年5月(yue)己堆(dui)至(zhi)13級(ji)子壩，尚有(you)7級(ji)子壩即堆(dui)存(cun)(cun)至(zhi)設計高(gao)程。鑒于磷石膏庫(ku)地(di)形、地(di)質(zhi)條件較好，具備(bei)擴容(rong)改造的(de)條件，以提高(gao)堆(dui)存(cun)(cun)庫(ku)容(rong)，減少(shao)堆(dui)存(cun)(cun)占(zhan)地(di)，節約土地(di)資源。

本(ben)文(wen)主要對沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)的物理力(li)學(xue)特性(xing)(xing)進(jin)行了全(quan)面總結，限于篇幅，有關(guan)現狀磷石膏(gao)庫堆(dui)積(ji)壩的安(an)全(quan)性(xing)(xing)評價及其加高可(ke)行性(xing)(xing)的研(yan)究將另文(wen)發(fa)表。

二、沉積磷石膏(gao)的物理力學特(te)性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分(fen)布

圖(tu)(tu)2給(gei)出了14個鉆(zhan)孔(kong)的(de)取(qu)樣(yang)深度和(he)試驗(yan)所得(de)干密度的(de)關系，圖(tu)(tu)中(zhong)UWL表(biao)示(shi)水(shui)位線上，(系鉆(zhan)孔(kong)期間的(de)初見水(shui)位線，下(xia)同(tong))，DWL表(biao)示(shi)水(shui)位線下(xia)。圖(tu)(tu)3給(gei)出了水(shui)位線上下(xia)的(de)飽(bao)和(he)度分布圖(tu)(tu)。由(you)于磷(lin)石膏中(zhong)的(de)主要成(cheng)分為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫(wen)度和(he)烘(hong)烤時間對測(ce)定結果有一定影響，不能照搬(ban)現(xian)行的(de)土工試驗(yan)規(gui)范，本文磷(lin)石膏的(de)含水(shui)率測(ce)定方法為55℃溫(wen)度下(xia)烘(hong)培(pei)24h。

圖(tu)2沉積(ji)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(tu)3，水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)上(shang)的(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度(du)(du)平均值(zhi)為50.4%，處(chu)于(yu)(yu)非飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)(zhuang)態，水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)以下(xia)的(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度(du)(du)平均值(zhi)為85.0%，基本處(chu)于(yu)(yu)飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)(zhuang)態，由于(yu)(yu)水(shui)位(wei)(wei)(wei)下(xia)降后磷(lin)石膏來不及排水(shui)固(gu)結，故而水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)上(shang)局部(bu)試樣的(de)飽(bao)(bao)和(he)度(du)(du)較高。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上(shang)的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與一般的(de)尾礦有所(suo)不同，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)并(bing)不隨(sui)埋(mai)深的(de)增(zeng)(zeng)大(da)而明顯增(zeng)(zeng)大(da)，但水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度(du)從統計意義上(shang)來看仍大(da)于(yu)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度(du)，這主要是(shi)由(you)于(yu)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨(sui)庫水(shui)位(wei)(wei)的(de)變化反復升降而使得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)固結所(suo)致。

室內擊(ji)(ji)實(shi)得到的(de)磷石膏(gao)最大(da)干密(mi)度(du)一(yi)般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可以看出，自然沉積的(de)磷石膏(gao)最大(da)干密(mi)度(du)可達(da)到1.73g/cm3，原因如下：與經典的(de)土(tu)骨架不(bu)可壓縮的(de)理(li)論不(bu)同(tong)，石膏(gao)本身可壓縮，同(tong)時由于顆粒(li)(li)結(jie)構不(bu)穩(wen)定，擊(ji)(ji)實(shi)試(shi)驗過程中磷石膏(gao)結(jie)構被(bei)破(po)壞(huai)，受夯擊(ji)(ji)處(chu)下陷，四(si)周(zhou)鼓(gu)起，出現(xian)了類似于橡皮土(tu)的(de)現(xian)象(xiang)。而在(zai)現(xian)場條件(jian)下，石膏(gao)骨架被(bei)破(po)壞(huai)后，會導致顆粒(li)(li)中的(de)結(jie)合(he)水(shui)滲出至(zhi)孔(kong)隙內，變(bian)成孔(kong)隙水(shui)，排水(shui)固結(jie)后會使得磷石膏(gao)的(de)孔(kong)隙比減小，干密(mi)度(du)增大(da)。

圖4給出(chu)了相(xiang)鄰鉆孔(kong)(kong)K2和(he)K17(位于(yu)2級子壩河(he)床部位)以(yi)及相(xiang)鄰鉆孔(kong)(kong)K6和(he)K18(位于(yu)4級子壩河(he)床部位)干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)的對比圖。K2鉆孔(kong)(kong)的干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)(kong)的干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)(kong)的干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)(kong)的干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.37g/cm3。可見(jian)，即使從統計意義(yi)上來看，磷石膏的干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)也(ye)并未隨后續磷石膏的堆積而有較(jiao)為明顯的增(zeng)大(da)。

(2)級配(pei)分布(bu)

顆粒(li)分析試(shi)驗采(cai)用密(mi)度計法，制備懸液時(shi)不煮沸，不加六偏(pian)磷(lin)酸鈉。圖5給(gei)出了(le)試(shi)驗得(de)到的級配包(bao)線、平均粒(li)徑d50、不均勻(yun)系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的分布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石(shi)膏的(de)粒(li)徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總體(ti)上屬于粉土，但可(ke)能(neng)由于礦石(shi)來(lai)源或生(sheng)產工藝有所(suo)不同，局部屬于粉砂(sha)～中(zhong)砂(sha)。粒(li)徑分布范(fan)圍比(bi)Blight和張超等(deng)的(de)試驗結(jie)果要寬一些。

圖(tu)4子壩加(jia)高后沉積磷石(shi)膏的干密度(du)變(bian)化

圖(tu)5沉積磷石膏的平均粒(li)徑(jing)和級配分(fen)布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水(shui)平向(xiang)還(huan)是(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)(de)“前(qian)粗后細，上粗下細”的(de)(de)自然分級(ji)現象不(bu)(bu)(bu)同(tong)，也即粗顆(ke)粒(li)并不(bu)(bu)(bu)是(shi)沿埋深逐步減小或距(ju)離(li)放(fang)漿口(kou)越遠顆(ke)粒(li)越細，其原因如下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑組(zu)成較(jiao)為集中、均勻，主要以粉(fen)粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)配較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金屬尾礦(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重較(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重一般為2.3～2.4，遠小于金屬尾礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重，例如鐵尾礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重可達2.9；③放(fang)漿口(kou)隨子壩高度不(bu)(bu)(bu)斷增加而不(bu)(bu)(bu)斷變動(dong)并向(xiang)庫(ku)尾延(yan)伸，造成沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)徑變化不(bu)(bu)(bu)明(ming)顯(xian)。

從圖(tu)5(d)可見(jian)，不(bu)均(jun)勻系(xi)數Cu范(fan)圍(wei)值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為4.18，曲率系(xi)數(1c范(fan)圍(wei)值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為1.21，在(zai)統計的100多個試(shi)樣(yang)中，屬于級(ji)配不(bu)良土(tu)的占93%。這種級(ji)配特性(xing)決定(ding)了磷石膏具有較高的壓(ya)縮性(xing)、滲透破(po)壞(huai)型(xing)式表(biao)現為流土(tu)破(po)壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)主要因素是粒徑(jing)大小(xiao)(xiao)、級配(pei)和孔隙(xi)比，因而磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與(yu)粉土較為(wei)接近。由于孔隙(xi)比e減(jian)小(xiao)(xiao)，使得過水通道面積(ji)減(jian)小(xiao)(xiao)，滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減(jian)小(xiao)(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對砂土，一(yi)般認為(wei)滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較好，圖6給(gei)出了二者間的(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線，由于沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化較大，使得沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化范圍較大(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級)，二者問的(de)線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較差。

圖6沉積磷石膏(gao)滲透系數與(yu)孔隙比(bi)的關系

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

圖(tu)7給出了水(shui)平(ping)與垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)比值(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)分布(bu)。沉積磷石膏(gao)的(de)(de)(de)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)kh一(yi)般(ban)大于(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)均(jun)值(zhi)(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)點與成(cheng)(cheng)層分布(bu)的(de)(de)(de)金屬尾礦規律一(yi)致(zhi)。造成(cheng)(cheng)沉積磷石膏(gao)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)大于(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)系數(shu)的(de)(de)(de)原因是(shi)由(you)于(yu)磷石膏(gao)具有明顯的(de)(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多為(wei)菱形和棱柱狀形式(見圖(tu)8)，在(zai)沉積過程中，由(you)于(yu)扁平(ping)狀磷石膏(gao)顆(ke)粒多呈水(shui)平(ping)排列，使得水(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)性大于(yu)垂直(zhi)(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)性，從(cong)而使磷石膏(gao)呈現明顯的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另(ling)根據中國有色金屬(shu)工(gong)業昆明(ming)勘(kan)察設計研究院在楊家箐磷(lin)石膏堆積壩開展的現場滲透(tou)試驗(yan)，kh/kv的平均(jun)值約為(wei)1.9。但張(zhang)超等的室內試驗(yan)顯示，kh/kv的平均(jun)值約為(wei)0.46，也即垂直向(xiang)滲透(tou)系(xi)數大于水平向(xiang)滲透(tou)系(xi)數，與(yu)本文和現場試驗(yan)結果恰恰相反。從磷(lin)石膏的微觀結構(gou)來看，本文試驗(yan)結果更為(wei)合理。

圖7沉積(ji)磷石膏干密(mi)度與水平和垂直(zhi)滲透系(xi)數比(bi)值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)(lin)石膏干密度(du)為1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)力梯度(du)J與(yu)流速V的(de)關系曲線，試驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采用(yong)(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)滲流形式進行(xing)。試驗(yan)得到的(de)臨界(jie)坡降Jc=0.355，破壞(huai)坡降Jp=0.375。一(yi)般來(lai)(lai)說，對(dui)1，2級(ji)工(gong)程，滲透安(an)全(quan)系數(shu)(shu)取為2.5，則允(yun)許出逸坡降為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下工(gong)程，滲透安(an)全(quan)系數(shu)(shu)取2.0，則允(yun)許出逸坡降為0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比降與(yu)粉土一(yi)粉砂(sha)大致相同。但上述滲透變形試驗(yan)是采用(yong)(yong)自來(lai)(lai)水(shui)(shui)進行(xing)的(de)，自來(lai)(lai)水(shui)(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石膏具有(you)一(yi)定的(de)溶蝕作(zuo)用(yong)(yong)，而(er)實際上磷(lin)(lin)石膏中(zhong)殘(can)余磷(lin)(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)(shui)的(de)pH值(zhi)一(yi)般小于3(稱(cheng)之為酸性(xing)水(shui)(shui))，在(zai)酸性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)(yong)下，磷(lin)(lin)石膏不會發生破壞(huai)，上述試驗(yan)結果是偏于保守的(de)，但對(dui)非酸性(xing)水(shui)(shui)條件(例如(ru)特大暴雨)下的(de)滲透穩定判斷(duan)有(you)一(yi)定的(de)借(jie)鑒意(yi)義。

圖9水力梯度J-流(liu)速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特征(zheng)試驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的壓力板儀中(zhong)進行(xing)，環刀(dao)尺(chi)寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試(shi)驗(yan)曲線(xian)見圖10所(suo)示。

試驗結果表明(ming)：①干密度對進(jin)氣值(zhi)沒有(you)明(ming)顯的影響，不同干密度的試樣(yang)的進(jin)氣值(zhi)大致(zhi)在10kPa左右；②土(tu)(tu)樣(yang)殘(can)余(yu)含水(shui)(shui)率隨干密度的增加而減少，殘(can)余(yu)含水(shui)(shui)率約(yue)為飽和含水(shui)(shui)率的10%。上述特性(xing)與粉土(tu)(tu)一粉砂基(ji)本一致(zhi)。

2.3靜(jing)力(li)力(li)學(xue)特性

(1)三(san)軸CU試驗

由于沉(chen)積磷石膏的(de)密度(du)變化較大，而進行三軸試驗(yan)(yan)(yan)需要若干原狀樣(yang)，為使試驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果具有較好的(de)一致性(xing)，有針對(dui)性(xing)的(de)選(xuan)擇平均干密度(du)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)若干試樣(yang)，進行了5組三軸CU試驗(yan)(yan)(yan)。圖11是為干密度(du)為1.2和1.58g/cm3的(de)三軸CU試驗(yan)(yan)(yan)曲線。

從圖11可以(yi)看出，磷石膏(gao)的(de)應力應變關系(xi)曲線(xian)在(zai)低(di)圍(wei)壓下表現為(wei)軟化(hua)型，在(zai)高圍(wei)壓下表現為(wei)硬化(hua)型，與一(yi)般(ban)(ban)土類相似。但與一(yi)般(ban)(ban)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)不同的(de)是，即使在(zai)較為(wei)疏松的(de)狀態下，磷石膏(gao)仍表現了較為(wei)強烈的(de)剪脹，隨(sui)密(mi)實(shi)度(du)增大(da)，剪脹作(zuo)用愈發明顯。

表2給(gei)(gei)出了(le)不同干(gan)密(mi)度(du)(du)下的(de)(de)(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖(tu)12給(gei)(gei)出了(le)內摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)關系曲線(xian)。隨(sui)(sui)干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨(sui)(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數(shu)較(jiao)(jiao)好地擬(ni)合。磷石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲線(xian)求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)9.4%，有(you)效應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)3.2%，由(you)(you)于(yu)隨(sui)(sui)圍壓(ya)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔(kong)壓(ya)也(ye)明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)(jiao)之(zhi)總應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)于(yu)干(gan)密(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并(bing)不顯(xian)著(zhu)，表明即使較(jiao)(jiao)為(wei)疏松(song)的(de)(de)(de)(de)磷石膏(gao)仍(reng)具(ju)有(you)較(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)(du)指標，這也(ye)表明磷石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷(lin)石膏的(de)蠕變變形試(shi)(shi)(shi)驗在側限壓縮儀(yi)中進行(xing)，試(shi)(shi)(shi)驗狀(zhuang)態相當于(yu)K0固結。試(shi)(shi)(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高(gao)度20mm，試(shi)(shi)(shi)樣(yang)干密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)(shi)樣(yang)飽和后(hou)分別開展了(le)上(shang)覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)(shi)驗，

試驗(yan)從2012年8月(yue)27日開始(shi)，試驗(yan)己進行(xing)了1年多，試驗(yan)結果見圖13所示。

從圖13中(zhong)可以看出：上覆荷載越大，磷石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)也越大，荷載施加1年(nian)后(hou)，磷石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著(zhu)，尚(shang)未達(da)(da)到穩(wen)定狀態(tai)，這也是磷石膏堆積壩(ba)后(hou)期(qi)變(bian)形(xing)較大的(de)原因，原型觀測資料表(biao)明，在(zai)5級子壩(ba)河床部位的(de)表(biao)面沉降(jiang)量已經達(da)(da)到3.1m，且尚(shang)未完全穩(wen)定。

按時間(jian)對數法，可求得各級(ji)荷載下的(de)(de)主(zhu)次固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)量如表3所(suo)示。試驗(yan)結(jie)果表明(ming)，在100～400kPa上覆荷載作(zuo)用下，在試驗(yan)時間(jian)范(fan)圍內(nei)蠕(ru)變(bian)(次固結(jie))變(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實際(ji)的(de)(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)應更大。對土(tu)體而(er)言，發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)蠕(ru)變(bian)的(de)(de)原(yuan)因(yin)是由于土(tu)體在主(zhu)固結(jie)完(wan)成(cheng)之(zhi)后(hou)，土(tu)體中仍(reng)有(you)微小的(de)(de)超靜孔(kong)隙壓(ya)力存在，驅使水(shui)在顆粒問(wen)流動，一般(ban)來講土(tu)體的(de)(de)次固結(jie)遠(yuan)小于主(zhu)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)；對磷石膏(gao)而(er)言，其滲透系(xi)數在10-4cm/s數量級(ji)，遠(yuan)大于黏性(xing)土(tu)，但(dan)其卻(que)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)了(le)極(ji)為顯著的(de)(de)次固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)，其原(yuan)因(yin)在于磷石膏(gao)晶體結(jie)構(gou)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)了(le)壓(ya)縮、破壞，接觸點晶格發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)歪曲和(he)變(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞后(hou)晶格之(zhi)間(jian)的(de)(de)重新排列(lie)、調整到最后(hou)趨于相對靜止需要(yao)相當(dang)長的(de)(de)時間(jian)才能完(wan)成(cheng)。

2.4動(dong)力(li)力(li)學(xue)特性

試(shi)驗(yan)(yan)設備(bei)采用英國GDS公(gong)司進口(kou)的(de)電(dian)機(ji)控制動(dong)三軸試(shi)驗(yan)(yan)系(xi)統，試(shi)樣直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和(he)阻尼(ni)比

同樣由于(yu)自(zi)然沉積的磷石膏密度變(bian)化(hua)較大，為此根據(ju)物理性質試驗結果，選(xuan)擇兩種平均干(gan)密度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議的動剪(jian)切模量G、阻尼比與(yu)剪(jian)應變幅(fu)值γd的關系式如下：

式中k1為(wei)參數(shu)，表示動(dong)(dong)剪切模(mo)量(liang)的(de)衰減或阻尼(ni)比(bi)的(de)增(zeng)長(chang)速率；λmax為(wei)最(zui)大阻尼(ni)比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動(dong)(dong)剪切模(mo)量(liang)和歸一化的(de)動(dong)(dong)剪應變，表示為(wei)

式中k2,n為(wei)參數(shu)；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標(biao)準大(da)氣壓；vd為(wei)動泊松(song)比(bi)；εa為(wei)歸一化的動應變(bian)，表達(da)為(wei)

圖(tu)(tu)14給(gei)出(chu)(chu)了動剪切模量、阻尼(ni)比與歸一化動應變的關系曲線，另外圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)還(huan)給(gei)出(chu)(chu)了式(1)的擬合曲線以及Seed等給(gei)出(chu)(chu)的砂樣的上下邊界線，圖(tu)(tu)例中(zhong)(zhong)，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結應力比。

從圖(tu)中(zhong)可(ke)(ke)以看出：①式(shi)(1)可(ke)(ke)較好地描述(shu)磷石膏(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應(ying)(ying)力-動(dong)(dong)(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線，表(biao)明(ming)采(cai)用等(deng)價黏彈(dan)性模型進行(xing)(xing)循(xun)環荷載作(zuo)用下的(de)(de)分析是(shi)可(ke)(ke)行(xing)(xing)的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬合(he)(he)線位于(yu)(yu)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬合(he)(he)線上(shang)方(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)則位于(yu)(yu)下方(fang)，表(biao)明(ming)密(mi)(mi)度(du)(du)越(yue)大，動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模越(yue)大、阻(zu)尼(ni)比(bi)越(yue)小(xiao)；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩(liang)種干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)擬合(he)(he)線基本位于(yu)(yu)Seed等(deng)給(gei)出的(de)(de)邊(bian)界線上(shang)方(fang)，而(er)圖(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)(yu)邊(bian)界線中(zhong)間，表(biao)明(ming)相(xiang)比(bi)較砂(sha)樣，磷石膏(gao)動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模較大，會導致磷石膏(gao)堆積(ji)(ji)壩的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)較大，但由于(yu)(yu)阻(zu)尼(ni)比(bi)也(ye)較大，這樣又會削弱壩體的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)(de)相(xiang)互影響下，磷石膏(gao)堆積(ji)(ji)壩壩體的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)將不會過(guo)于(yu)(yu)強烈，這對磷石膏(gao)堆積(ji)(ji)壩的(de)(de)抗(kang)震穩定性是(shi)有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干密(mi)度為(wei)(wei)1.12(變化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行(xing)試驗(yan)，破(po)壞標準為(wei)(wei)總(zong)應變達到(dao)10%。

圖15給出了動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振(zhen)次Nf的(de)關系曲線圖，其中σ0為(wei)(wei)振(zhen)前(qian)試(shi)樣45°面上的(de)有效法向應力(li)(li)，表(biao)達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結比(bi)。從試(shi)驗結果可以看出，沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)動(dong)強度與其它土體相似，表(biao)現為(wei)(wei)圍壓和固結應力(li)(li)比(bi)與動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)呈負(fu)相關關系。

為判別沉積磷石膏(gao)的抗(kang)液化(hua)能力，假定抗(kang)震設(she)計烈度為8度，即等效(xiao)振次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的(de)冪函數(shu)關系式得到振次為30時各(ge)個圍壓(ya)和固結比下(xia)的(de)動剪應(ying)力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合(he)求得動剪應力(li)比(bi)與圍壓和固(gu)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(ke)見，密(mi)實度提高后，動(dong)剪應力(li)比(bi)提高，表(biao)明抗(kang)液(ye)化(hua)能力(li)也(ye)提高。但即使是在(zai)低密(mi)度下，其動(dong)剪應力(li)比(bi)較(jiao)之同類(lei)的粉土或粉砂也(ye)大出許多(duo)，表(biao)明磷(lin)石膏具有較(jiao)高的抗(kang)液(ye)化(hua)能力(li)。

三、結論

依(yi)托(tuo)柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩，在鉆(zhan)探取樣(yang)工作的基(ji)礎上，首先開展了物理(li)性質試(shi)驗，然后開展了靜動(dong)力(li)力(li)學特性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，得出如下結論：

(1)沉積磷石(shi)膏總體上屬于級配不(bu)良(liang)的粉土，局部(bu)屬于粉砂一(yi)中砂，無自然(ran)分(fen)級現象。其干密(mi)度和(he)粒徑變化(hua)隨埋(mai)深或距放漿(jiang)口距離(li)的變化(hua)不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏水平方向(xiang)的滲透(tou)系(xi)(xi)數大(da)于垂直方向(xiang)的滲透(tou)系(xi)(xi)數，呈現明顯的各向(xiang)異性。

(3)與土(tu)體顆粒不可壓(ya)縮(suo)不同，磷石膏的晶體結構會發生壓(ya)縮(suo)破(po)壞，具有較大的壓(ya)縮(suo)性(xing)，其次(ci)固結變(bian)形量遠大于主固結變(bian)形量。

(4)沉積磷石(shi)膏的靜動強度(du)較之同等密(mi)實度(du)下的粉土、粉砂要高(gao)。