沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)是磷(lin)酸生產過(guo)程中的(de)(de)(de)副產品(pin)，目前(qian)的(de)(de)(de)綜合(he)利(li)用率尚不足40%，大部分(fen)(fen)需(xu)要(yao)(yao)堆(dui)存存放。受地形限制和(he)經濟(ji)效益(yi)考慮，中國主要(yao)(yao)為濕(shi)法(fa)堆(dui)存的(de)(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托(tuo)柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)，針(zhen)對沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)首先開展(zhan)了(le)(le)密(mi)度(du)、含水率、滲透、土(tu)水特征和(he)顆(ke)分(fen)(fen)等(deng)物理性(xing)(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)(yan)，然(ran)后開展(zhan)了(le)(le)三軸cu、蠕(ru)變(bian)及(ji)動三軸等(deng)力學特性(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。試(shi)驗(yan)(yan)結果(guo)表明：①沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)與(yu)埋深沒有(you)(you)相(xiang)關(guan)關(guan)系；②沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)不具有(you)(you)自然(ran)分(fen)(fen)級現象，但具有(you)(you)明顯(xian)的(de)(de)(de)各向異性(xing)(xing)(xing)；③沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)具有(you)(you)較(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)摩擦角和(he)抗液化能力，但其(qi)蠕(ru)變(bian)變(bian)形較(jiao)(jiao)大、滲透比降(jiang)較(jiao)(jiao)小。上述(shu)工(gong)作為分(fen)(fen)析磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)壩(ba)體穩定性(xing)(xing)(xing)提(ti)供了(le)(le)基礎，對現行(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫的(de)(de)(de)運(yun)行(xing)管理以及(ji)新建工(gong)程的(de)(de)(de)設計具有(you)(you)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)借鑒意義(yi)。

引言

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)是濕法(fa)(fa)磷(lin)(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)過程中(zhong)(zhong)的(de)副產(chan)品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)產(chan)生(sheng)量為(wei)7800萬(wan)噸，且(qie)呈逐年增(zeng)長的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)主要成分是CaO和SO3，但含有一(yi)(yi)定量的(de)氟化物(wu)(wu)和其它(ta)放(fang)(fang)射性(xing)物(wu)(wu)質，在(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)通常(chang)按Ⅱ類(lei)一(yi)(yi)般工業(ye)固體廢物(wu)(wu)處理(li)，鑒于無害(hai)化處理(li)成本較(jiao)高，目前綜合利用率尚不足40%，故大(da)部分磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放(fang)(fang)。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)場(chang)地(di)(di)的(de)不同，可分為(wei)平地(di)(di)型(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)，在(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)基(ji)本上(shang)是山谷型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)。相比較(jiao)干法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)，濕法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)經濟(ji)優勢明顯，因而如(ru)地(di)(di)質條件為(wei)非碳(tan)酸鹽巖地(di)(di)區，一(yi)(yi)般均采用濕排濕堆(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥工業(ye)的(de)快速發展，本世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相繼建設(she)了(le)幾座濕法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)的(de)大(da)型(xing)(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)，例如(ru)云天化國(guo)際化工三環(huan)分公司(si)的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)和富瑞分公司(si)的(de)楊(yang)家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)，這兩座壩(ba)設(she)計壩(ba)高均超過100m、處于8度地(di)(di)震區，其安全性(xing)備受關注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全世界(jie)有118座尾礦壩曾發生(sheng)過破(po)壞(huai)或潰(kui)壩事(shi)故，原因主要(yao)有地震、洪水漫頂、滲(shen)透破(po)壞(huai)和(he)基(ji)礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事(shi)后會造(zao)成巨大的生(sheng)態(tai)災難和(he)人員傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國內外(wai)對金屬尾礦的(de)沉積(ji)規(gui)律、物(wu)(wu)理力學特(te)性(xing)及(ji)(ji)其穩(wen)定性(xing)開展了大量的(de)研(yan)究，但對于(yu)與金屬尾礦庫相近(jin)的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫，一般僅限于(yu)在可研(yan)階(jie)段采用(yong)人工(gong)制備樣進(jin)行物(wu)(wu)理力學性(xing)質試驗，并(bing)據此進(jin)行穩(wen)定性(xing)分析(xi)，尚(shang)未有(you)人針對己運行若干年(nian)的(de)大型濕法(fa)堆(dui)(dui)存磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩開展過磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)沉積(ji)規(gui)律及(ji)(ji)其物(wu)(wu)理力學特(te)性(xing)的(de)專項(xiang)研(yan)究。

本(ben)文依(yi)托柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩，首先進行了鉆探取樣，采用原狀(zhuang)樣開展了密度、含水率(lv)、滲透(tou)(tou)、土水特征和顆分等(deng)物理(li)性(xing)(xing)質試(shi)驗，在此基礎上(shang)有(you)針(zhen)對性(xing)(xing)的選擇原狀(zhuang)樣開展了三軸CU、蠕變及(ji)(ji)動(dong)三軸等(deng)力(li)學特性(xing)(xing)試(shi)驗。通(tong)過上(shang)述試(shi)驗研究，總結(jie)了磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的沉積(ji)規律(lv)、滲透(tou)(tou)特性(xing)(xing)、滲透(tou)(tou)破壞特性(xing)(xing)以及(ji)(ji)靜動(dong)力(li)特性(xing)(xing)，上(shang)述研究工作對研究和評估磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫堆積(ji)壩的穩定性(xing)(xing)提供(gong)了基礎數(shu)據，對現(xian)行磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫的運(yun)行管(guan)理(li)以及(ji)(ji)新建工程的設計具有(you)重要(yao)的借鑒(jian)意義。

一、依托工程(cheng)概(gai)況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)堆存設(she)計方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設計(ji)總壩(ba)高約(yue)130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩(ba)壩(ba)高(gao)約30m，采用土料(liao)填筑(zhu)。上游坡面、壩(ba)底(di)和(he)下(xia)游壩(ba)腳設置堆(dui)石排水(shui)體(ti)，三者相連通構成整個堆(dui)積壩(ba)的主要排滲系統(tong)。

(2)堆積壩及其輔助排滲措施(shi)

采用上游(you)式筑壩(ba)法，共20級子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲管網作為輔助排滲方案，目前己在5級、9級子壩(ba)和13級子壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置了井(jing)字形排滲管網。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探取(qu)樣

鉆孔(kong)(kong)平面位(wei)置(zhi)見圖l。2008年(nian)6月，堆(dui)積(ji)(ji)至(zhi)5級子壩(ba)(ba)時，布設(she)了(le)9個取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號K1～K9，取原(yuan)(yuan)狀(zhuang)樣(yang)76件(jian)；2013年(nian)5月，堆(dui)積(ji)(ji)至(zhi)13級子壩(ba)(ba)時，又布設(she)了(le)11個取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號K10～K20，取原(yuan)(yuan)狀(zhuang)樣(yang)112件(jian)，為比較子壩(ba)(ba)加高(gao)和磷石膏堆(dui)積(ji)(ji)過程中(zhong)磷石膏物理(li)力學性質的(de)變化，在2，4級子壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近各布設(she)了(le)一(yi)個鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹(shu)箐(qing)磷石膏尾礦(kuang)庫(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入運(yun)行，截(jie)至(zhi)(zhi)2013年(nian)5月己(ji)堆至(zhi)(zhi)13級子壩(ba)，尚有7級子壩(ba)即堆存至(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(bei)擴容改造的(de)條件，以提高堆存庫(ku)容，減少堆存占地(di)，節(jie)約土地(di)資源。

本文(wen)主要對沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)物理力(li)學(xue)特性進行了全面(mian)總結，限于篇幅，有(you)關現狀(zhuang)磷石(shi)膏(gao)(gao)庫堆積(ji)壩的(de)安全性評價及(ji)其加高(gao)可行性的(de)研究將另文(wen)發(fa)表。

二、沉積磷石膏的物理力學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了14個(ge)鉆(zhan)孔的取(qu)樣深度(du)和(he)試驗(yan)所得干(gan)密度(du)的關系(xi)，圖中(zhong)UWL表示水(shui)位線(xian)上(shang)，(系(xi)鉆(zhan)孔期間(jian)的初見水(shui)位線(xian)，下(xia)同)，DWL表示水(shui)位線(xian)下(xia)。圖3給出了水(shui)位線(xian)上(shang)下(xia)的飽和(he)度(du)分(fen)布圖。由于磷(lin)石(shi)膏中(zhong)的主(zhu)要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度(du)和(he)烘烤(kao)時間(jian)對(dui)測定結果(guo)有一定影響，不能照搬現行的土工試驗(yan)規范，本(ben)文磷(lin)石(shi)膏的含水(shui)率(lv)測定方法為55℃溫(wen)度(du)下(xia)烘培(pei)24h。

圖2沉積磷石膏干密度與(yu)埋深(shen)的關系

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

由(you)圖3，水位(wei)線(xian)上(shang)的(de)磷石膏飽(bao)(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值(zhi)(zhi)為50.4%，處于非(fei)飽(bao)(bao)和(he)狀態，水位(wei)線(xian)以(yi)下(xia)的(de)磷石膏飽(bao)(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值(zhi)(zhi)為85.0%，基本處于飽(bao)(bao)和(he)狀態，由(you)于水位(wei)下(xia)降后(hou)磷石膏來不及(ji)排(pai)水固結，故(gu)而水位(wei)線(xian)上(shang)局部(bu)試樣的(de)飽(bao)(bao)和(he)度較高。

由圖2，水位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)干密(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水位(wei)線以(yi)下(xia)的(de)干密(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石膏與一般的(de)尾礦(kuang)有所不同，磷(lin)石膏的(de)干密(mi)(mi)度并不隨(sui)埋深的(de)增(zeng)大而明顯增(zeng)大，但(dan)水位(wei)線以(yi)下(xia)的(de)磷(lin)石膏干密(mi)(mi)度從統計意義上(shang)來看仍大于水位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)磷(lin)石膏干密(mi)(mi)度，這主要(yao)是由于水位(wei)線隨(sui)庫水位(wei)的(de)變化反復升降而使得磷(lin)石膏排(pai)水固結所致(zhi)。

室(shi)內擊(ji)(ji)實得到(dao)的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)最大(da)(da)干密度(du)(du)一(yi)般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出(chu)，自(zi)然沉積(ji)的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)最大(da)(da)干密度(du)(du)可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因(yin)如(ru)下：與經(jing)典的(de)(de)(de)土骨架(jia)(jia)不可(ke)壓(ya)縮(suo)的(de)(de)(de)理(li)論不同(tong)，石(shi)膏(gao)本身可(ke)壓(ya)縮(suo)，同(tong)時由于(yu)顆(ke)粒(li)結構不穩定，擊(ji)(ji)實試驗過程中磷(lin)石(shi)膏(gao)結構被(bei)破壞，受(shou)夯擊(ji)(ji)處下陷，四周鼓起，出(chu)現(xian)(xian)了(le)類似于(yu)橡皮土的(de)(de)(de)現(xian)(xian)象(xiang)。而在現(xian)(xian)場條件(jian)下，石(shi)膏(gao)骨架(jia)(jia)被(bei)破壞后(hou)，會(hui)導致顆(ke)粒(li)中的(de)(de)(de)結合水滲出(chu)至(zhi)孔(kong)(kong)隙內，變成孔(kong)(kong)隙水，排水固(gu)結后(hou)會(hui)使得磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)孔(kong)(kong)隙比減小，干密度(du)(du)增大(da)(da)。

圖4給出了相鄰鉆孔K2和(he)(he)K17(位于2級子壩(ba)河床部(bu)位)以及相鄰鉆孔K6和(he)(he)K18(位于4級子壩(ba)河床部(bu)位)干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)對比圖。K2鉆孔的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從(cong)統計意義上來看，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)也并未隨(sui)后續磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)堆(dui)積而(er)有較為(wei)(wei)明顯的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分(fen)析試(shi)(shi)驗采用密度計法，制備懸液時不煮沸，不加六偏(pian)磷酸鈉。圖5給出(chu)了試(shi)(shi)驗得到(dao)的級配(pei)包線、平均(jun)粒徑d50、不均(jun)勻(yun)系數(shu)(1u和(he)曲(qu)率系數(shu)Cc的分(fen)布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石(shi)膏的(de)粒徑(jing)(jing)主要分布在0.005～0.075mm之間(jian)，總體上(shang)屬于粉(fen)土，但可(ke)能由于礦石(shi)來(lai)源或生產工藝有所不同(tong)，局部(bu)屬于粉(fen)砂(sha)～中砂(sha)。粒徑(jing)(jing)分布范圍比Blight和(he)張超等(deng)的(de)試驗結果要寬(kuan)一些(xie)。

圖4子壩加高后沉積(ji)磷石(shi)膏的干密度變(bian)化

圖(tu)5沉積(ji)磷石膏的平(ping)均粒徑和級配分(fen)布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向(xiang)還(huan)是垂(chui)直向(xiang)，磷石膏(gao)與(yu)金屬(shu)礦山尾礦的(de)“前粗(cu)后(hou)細，上粗(cu)下(xia)細”的(de)自然分級現象不同，也即粗(cu)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)并不是沿埋深逐步減小(xiao)或距(ju)離放漿口越遠(yuan)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)越細，其原(yuan)因(yin)如下(xia)：①磷石膏(gao)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)粒(li)徑組成較(jiao)為集中、均勻，主(zhu)(zhu)要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)(zhu)，級配較(jiao)差；②相比(bi)(bi)較(jiao)金屬(shu)尾礦，磷石膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)較(jiao)小(xiao)，磷石膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)一般為2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金屬(shu)尾礦的(de)比(bi)(bi)重(zhong)，例(li)如鐵尾礦的(de)比(bi)(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿口隨子壩高度不斷(duan)增(zeng)加而不斷(duan)變動(dong)并向(xiang)庫尾延伸，造成沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)的(de)粒(li)徑變化不明顯。

從圖5(d)可見，不(bu)均(jun)勻系(xi)數(shu)Cu范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)(zhi)為4.18，曲率(lv)系(xi)數(shu)(1c范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)(zhi)為1.21，在統計的(de)100多個試樣中(zhong)，屬(shu)于(yu)級配不(bu)良(liang)土的(de)占93%。這種級配特性(xing)決定了磷石(shi)膏具有較高的(de)壓縮性(xing)、滲透破壞(huai)型式表現為流土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)的主要因素(su)是粒徑大小、級配和孔隙比(bi)，因而磷(lin)石膏的滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)與粉土較(jiao)(jiao)為(wei)接近。由于孔隙比(bi)e減小，使得(de)過水通道面積(ji)減小，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k也將減小，k與e呈正相(xiang)關關系(xi)(xi)。對砂土，一(yi)般認為(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的線性關系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好(hao)，圖6給出了二(er)者間的關系(xi)(xi)曲線，由于沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的不(bu)均勻系(xi)(xi)數(shu)變化(hua)較(jiao)(jiao)大，使得(de)沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)變化(hua)范圍較(jiao)(jiao)大(平(ping)均值為(wei)10-4cm/s數(shu)量級)，二(er)者問的線性關系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲透(tou)系數與(yu)孔隙比的關系

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

圖7給(gei)出了水(shui)(shui)平(ping)與垂(chui)(chui)(chui)直向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數比值(zhi)的(de)分布。沉(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)水(shui)(shui)平(ping)向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數kh一(yi)(yi)般大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)垂(chui)(chui)(chui)直向的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約為2.86，這一(yi)(yi)點(dian)與成(cheng)層分布的(de)金屬尾礦(kuang)規律一(yi)(yi)致。造成(cheng)沉(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)垂(chui)(chui)(chui)直向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數的(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)(yu)磷石(shi)(shi)膏(gao)具有明(ming)顯的(de)晶體結構，電鏡掃描顯示(shi)多為菱(ling)形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉(chen)積(ji)過(guo)程中，由于(yu)(yu)(yu)扁平(ping)狀(zhuang)磷石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)粒多呈水(shui)(shui)平(ping)排列，使得水(shui)(shui)平(ping)方(fang)(fang)向的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)垂(chui)(chui)(chui)直方(fang)(fang)向的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性，從而使磷石(shi)(shi)膏(gao)呈現(xian)明(ming)顯的(de)各向異性。

另(ling)根(gen)據中國有色金屬(shu)工業昆明勘察設(she)計研究院在楊(yang)家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩開展(zhan)的(de)現(xian)場(chang)(chang)滲透試驗(yan)(yan)(yan)，kh/kv的(de)平均值約為1.9。但張超等(deng)的(de)室內(nei)試驗(yan)(yan)(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)平均值約為0.46，也即垂直向滲透系數(shu)大于水平向滲透系數(shu)，與本文(wen)和現(xian)場(chang)(chang)試驗(yan)(yan)(yan)結果(guo)恰恰相反。從(cong)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)微觀(guan)結構來(lai)看，本文(wen)試驗(yan)(yan)(yan)結果(guo)更為合理(li)。

圖(tu)7沉積磷石膏干密度與水平和垂直滲透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖(tu)9為(wei)(wei)磷(lin)石(shi)膏干密度(du)(du)為(wei)(wei)1.40g/cm3的水(shui)(shui)(shui)(shui)力梯度(du)(du)J與流速V的關系(xi)曲線(xian)，試驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)(shui)平管涌儀中采用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)平方向的滲流形(xing)式進行。試驗(yan)得到的臨界坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般來(lai)說，對1，2級工(gong)程，滲透(tou)(tou)安全系(xi)數取為(wei)(wei)2.5，則(ze)允許(xu)出逸(yi)(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)工(gong)程，滲透(tou)(tou)安全系(xi)數取2.0，則(ze)允許(xu)出逸(yi)(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允許(xu)比降(jiang)(jiang)(jiang)與粉(fen)(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)(fen)砂大致相同。但(dan)上述滲透(tou)(tou)變形(xing)試驗(yan)是采用(yong)自來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)進行的，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)對磷(lin)石(shi)膏具有一(yi)(yi)定(ding)的溶(rong)蝕作用(yong)，而實際上磷(lin)石(shi)膏中殘(can)余磷(lin)、硫和氟(fu)酸(suan)，庫(ku)水(shui)(shui)(shui)(shui)的pH值(zhi)一(yi)(yi)般小于(yu)3(稱之為(wei)(wei)酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)(shui)(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)(shui)(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)石(shi)膏不(bu)會發生破壞，上述試驗(yan)結果是偏于(yu)保守(shou)的，但(dan)對非酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)(shui)(shui)條件(例(li)如(ru)特大暴(bao)雨)下(xia)的滲透(tou)(tou)穩(wen)定(ding)判(pan)斷有一(yi)(yi)定(ding)的借鑒意義。

圖(tu)9水力梯(ti)度J-流(liu)速v試(shi)驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在(zai)5Bar的壓力板儀中進行(xing)，環(huan)刀尺寸(cun)6.18cm。干密度分(fen)1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力范圍(wei)0～500kPa。表l列出了含水率(lv)特征(zheng)值(zhi)，試(shi)驗曲線見(jian)圖(tu)10所示。

試驗結果(guo)表(biao)明(ming)(ming)：①干密(mi)度對進(jin)氣(qi)(qi)值沒有(you)明(ming)(ming)顯(xian)的(de)影響(xiang)，不同干密(mi)度的(de)試樣的(de)進(jin)氣(qi)(qi)值大致(zhi)在(zai)10kPa左右；②土(tu)樣殘余含(han)水率(lv)隨干密(mi)度的(de)增(zeng)加而減少，殘余含(han)水率(lv)約(yue)為飽和含(han)水率(lv)的(de)10%。上述特性與粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂基本(ben)一(yi)致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于沉積磷石膏(gao)的(de)(de)密(mi)度(du)變(bian)化較大，而進(jin)行三軸(zhou)試驗(yan)(yan)需要若干原狀樣，為(wei)使(shi)試驗(yan)(yan)結(jie)果具有(you)較好(hao)的(de)(de)一致性(xing)，有(you)針對性(xing)的(de)(de)選擇平(ping)均(jun)干密(mi)度(du)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)若干試樣，進(jin)行了5組三軸(zhou)CU試驗(yan)(yan)。圖(tu)11是為(wei)干密(mi)度(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸(zhou)CU試驗(yan)(yan)曲(qu)線。

從(cong)圖11可(ke)以看出，磷(lin)石膏的(de)應(ying)力應(ying)變關系曲線在低圍壓下表(biao)現(xian)為軟化型，在高(gao)圍壓下表(biao)現(xian)為硬化型，與(yu)一(yi)般(ban)土類(lei)相似。但與(yu)一(yi)般(ban)粉土一(yi)粉砂不同的(de)是(shi)，即使(shi)在較為疏松的(de)狀(zhuang)態下，磷(lin)石膏仍表(biao)現(xian)了較為強烈的(de)剪(jian)脹，隨密(mi)實度(du)增大，剪(jian)脹作用愈發明(ming)顯。

表2給出了(le)不同(tong)干密(mi)(mi)度下的(de)(de)(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出了(le)內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)與干密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)(de)關(guan)系曲線。隨干密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較(jiao)好地擬(ni)合。磷石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)32%，總應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為37.3°(根(gen)據擬(ni)合曲線求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為9.4%，有效(xiao)應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為3.2%，由于隨圍壓(ya)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效(xiao)摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之總應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)之于干密(mi)(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表明即使較(jiao)為疏松(song)的(de)(de)(de)(de)磷石膏(gao)仍具有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)強度指標，這也(ye)表明磷石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次固(gu)結)變(bian)形試(shi)驗

磷(lin)石膏的蠕變變形試(shi)驗在側限壓縮儀(yi)中(zhong)進行，試(shi)驗狀(zhuang)態相當于K0固結。試(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后(hou)分別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試(shi)驗(yan)從2012年(nian)8月27日開始(shi)，試(shi)驗(yan)己進行了1年(nian)多(duo)，試(shi)驗(yan)結(jie)果見圖13所示。

從圖(tu)13中可以看出：上(shang)覆荷載越(yue)大(da)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的蠕(ru)(ru)變變形(xing)也(ye)越(yue)大(da)，荷載施加(jia)1年后，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的蠕(ru)(ru)變變形(xing)仍非常顯(xian)著(zhu)，尚未達(da)到穩定狀態(tai)，這也(ye)是磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩后期變形(xing)較大(da)的原因，原型觀測資料表明，在5級子(zi)壩河(he)床(chuang)部位的表面沉降(jiang)量(liang)已經達(da)到3.1m，且(qie)尚未完(wan)全(quan)穩定。

按時間對(dui)(dui)數(shu)法，可求得各級(ji)荷載(zai)下(xia)的(de)主次固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)量如表3所示。試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果表明，在(zai)100～400kPa上覆荷載(zai)作(zuo)用下(xia)，在(zai)試(shi)(shi)驗(yan)時間范圍內蠕變(bian)(bian)(次固(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)是主固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未完成，實(shi)際的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更大。對(dui)(dui)土(tu)(tu)體(ti)而言，發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是由(you)于(yu)土(tu)(tu)體(ti)在(zai)主固(gu)結(jie)(jie)完成之后(hou)，土(tu)(tu)體(ti)中仍有(you)微(wei)小(xiao)的(de)超靜孔隙壓(ya)力存(cun)在(zai)，驅(qu)使水在(zai)顆粒問流動，一般來講土(tu)(tu)體(ti)的(de)次固(gu)結(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)主固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)；對(dui)(dui)磷(lin)(lin)石膏(gao)而言，其滲(shen)透系(xi)數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量級(ji)，遠大于(yu)黏性(xing)土(tu)(tu)，但其卻發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了極為顯著的(de)次固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)，其原(yuan)因在(zai)于(yu)磷(lin)(lin)石膏(gao)晶體(ti)結(jie)(jie)構(gou)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了壓(ya)縮、破壞，接觸(chu)點晶格(ge)發(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)歪曲(qu)和變(bian)(bian)形(xing)，而破壞后(hou)晶格(ge)之間的(de)重新排列(lie)、調整到(dao)最后(hou)趨于(yu)相對(dui)(dui)靜止(zhi)需(xu)要相當長的(de)時間才(cai)能完成。

2.4動力力學特性

試驗(yan)設備(bei)采用(yong)英國GDS公司(si)進口的電機(ji)控(kong)制動三(san)軸試驗(yan)系(xi)統，試樣直徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼(ni)比

同樣由于(yu)自然(ran)沉(chen)積的磷石膏密度變(bian)化(hua)較大，為此(ci)根據物理性(xing)質試驗結(jie)果，選擇(ze)兩(liang)種平(ping)均(jun)干密度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議的動(dong)剪切(qie)模量(liang)G、阻尼比與剪應變幅(fu)值γd的關系(xi)式如(ru)下(xia)：

式(shi)中k1為參數，表(biao)示動(dong)剪切模量(liang)的衰減或阻尼比(bi)的增長速率；λmax為最大阻尼比(bi)；Gmax，γd分(fen)別為最大動(dong)剪切模量(liang)和歸(gui)一化的動(dong)剪應變，表(biao)示為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓(ya)；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸一化的動應(ying)變，表達(da)為(wei)

圖(tu)14給出(chu)了(le)動(dong)剪切模量、阻(zu)尼比與歸一化(hua)動(dong)應變的關(guan)系曲(qu)線，另外(wai)圖(tu)中還給出(chu)了(le)式(1)的擬合(he)曲(qu)線以(yi)及Seed等給出(chu)的砂樣的上下邊界線，圖(tu)例(li)中，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)中(zhong)可(ke)(ke)以看出：①式(1)可(ke)(ke)較(jiao)(jiao)好(hao)地描述磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)動應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)-動應(ying)(ying)(ying)變(bian)試驗(yan)曲線(xian)(xian)，表(biao)明采用等價黏彈性模型進行循(xun)環荷載(zai)作用下的(de)(de)分析是可(ke)(ke)行的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)(xian)位于(yu)(yu)(yu)(yu)干密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)(xian)上(shang)方，圖(tu)14(b)中(zhong)則位于(yu)(yu)(yu)(yu)下方，表(biao)明密(mi)度越(yue)(yue)大，動彈模越(yue)(yue)大、阻(zu)尼(ni)比(bi)越(yue)(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種(zhong)干密(mi)度的(de)(de)擬合(he)線(xian)(xian)基本位于(yu)(yu)(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)邊界線(xian)(xian)上(shang)方，而圖(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)(yu)(yu)(yu)邊界線(xian)(xian)中(zhong)間(jian)，表(biao)明相比(bi)較(jiao)(jiao)砂樣(yang)，磷石(shi)膏(gao)(gao)動彈模較(jiao)(jiao)大，會導致磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩的(de)(de)動力(li)(li)(li)反(fan)應(ying)(ying)(ying)較(jiao)(jiao)大，但由于(yu)(yu)(yu)(yu)阻(zu)尼(ni)比(bi)也較(jiao)(jiao)大，這樣(yang)又會削弱壩體的(de)(de)動力(li)(li)(li)反(fan)應(ying)(ying)(ying)，二者的(de)(de)相互影響下，磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩壩體的(de)(de)動力(li)(li)(li)反(fan)應(ying)(ying)(ying)將不(bu)會過(guo)于(yu)(yu)(yu)(yu)強烈，這對(dui)磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩的(de)(de)抗震穩定性是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩(liang)種平均(jun)干密度(du)為(wei)1.12(變(bian)化范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞標準為(wei)總應變(bian)達(da)到10%。

圖15給出了動(dong)剪應(ying)(ying)力(li)(li)(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振次Nf的關系曲線圖，其(qi)中σ0為(wei)振前(qian)試樣45°面(mian)上的有效法向應(ying)(ying)力(li)(li)(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)(jie)比(bi)。從試驗結(jie)(jie)果可以看出，沉積磷石(shi)膏的動(dong)強度與其(qi)它土體相(xiang)似，表現為(wei)圍壓和(he)固結(jie)(jie)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)比(bi)與動(dong)剪應(ying)(ying)力(li)(li)(li)比(bi)呈(cheng)負相(xiang)關關系。

為判別沉積(ji)磷石(shi)膏的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震設(she)計(ji)烈度(du)為8度(du)，即等效振(zhen)次Ⅳ可(ke)取為30。首先由式(4)

所示的冪(mi)函數關系式得到(dao)振(zhen)次(ci)為30時(shi)各個圍壓和固結(jie)比下的動(dong)剪(jian)應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可(ke)擬合求得動(dong)剪應力比(bi)與圍(wei)壓和固(gu)結應力比(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。

從上述(shu)擬(ni)合關系式(shi)可(ke)見，密(mi)實(shi)度(du)提(ti)高后，動剪(jian)應力(li)比提(ti)高，表明(ming)抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)(neng)力(li)也提(ti)高。但即使是(shi)在低密(mi)度(du)下，其動剪(jian)應力(li)比較之同類(lei)的(de)粉(fen)(fen)土或(huo)粉(fen)(fen)砂也大出(chu)許(xu)多(duo)，表明(ming)磷石膏具有較高的(de)抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)(neng)力(li)。

三、結論(lun)

依(yi)托柳樹箐(qing)磷石膏(gao)堆積(ji)壩，在鉆探取(qu)樣工作的基(ji)礎上，首先開(kai)展了物理(li)性質試驗(yan)，然后開(kai)展了靜動力(li)力(li)學特性試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研(yan)究，得出如下結論：

(1)沉積(ji)磷石膏總體上屬(shu)(shu)于(yu)級(ji)配(pei)不良的粉土，局部屬(shu)(shu)于(yu)粉砂一(yi)中砂，無自然分(fen)級(ji)現(xian)象。其干(gan)密度(du)和粒(li)徑變化隨埋深或距(ju)放漿(jiang)口距(ju)離的變化不明顯。

(2)沉(chen)積(ji)磷石膏水平方(fang)(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數大于(yu)垂(chui)直方(fang)(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數，呈現(xian)明顯的各向(xiang)異性(xing)。

(3)與土(tu)體顆粒不可壓(ya)縮(suo)(suo)不同，磷石膏的(de)晶(jing)體結(jie)構(gou)會發生(sheng)壓(ya)縮(suo)(suo)破壞，具有較大(da)的(de)壓(ya)縮(suo)(suo)性，其次固結(jie)變(bian)形量遠大(da)于主(zhu)固結(jie)變(bian)形量。

(4)沉積磷石膏(gao)的靜(jing)動強度較之同等密實度下(xia)的粉土、粉砂要高(gao)。