沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)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

磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)法(fa)磷(lin)酸生產過(guo)程中(zhong)的(de)(de)副產品，2018年，全國(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產生量為7800萬噸，且(qie)呈(cheng)逐年增長(chang)的(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)主要(yao)成分是(shi)CaO和(he)(he)SO3，但含有(you)一定量的(de)(de)氟化(hua)(hua)物和(he)(he)其它放射性(xing)物質，在中(zhong)國(guo)通常(chang)按Ⅱ類一般工(gong)業(ye)固(gu)體廢物處理，鑒于(yu)無害(hai)化(hua)(hua)處理成本(ben)較高，目前綜合利用率尚不(bu)足40%，故大部分磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)(cun)場地(di)的(de)(de)不(bu)同(tong)，可分為平地(di)型(xing)、傍山(shan)(shan)型(xing)、山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)和(he)(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)場，在中(zhong)國(guo)基本(ben)上是(shi)山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)場。相(xiang)比(bi)較干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)經(jing)濟優勢(shi)明顯(xian)，因而如(ru)地(di)質條件為非(fei)碳酸鹽巖地(di)區，一般均采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)磷(lin)肥工(gong)業(ye)的(de)(de)快速發展，本(ben)世紀初中(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了(le)幾座(zuo)濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)大型(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例如(ru)云天(tian)化(hua)(hua)國(guo)際化(hua)(hua)工(gong)三環(huan)分公司(si)的(de)(de)柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩和(he)(he)富瑞分公司(si)的(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩，這兩座(zuo)壩設計(ji)壩高均超過(guo)100m、處于(yu)8度地(di)震區，其安(an)全性(xing)備受關注(zhu)。

據統(tong)計，110多年(1901年一2013年)來(lai)，全世(shi)界(jie)有118座尾礦壩(ba)曾(ceng)發(fa)生過(guo)破(po)壞或潰(kui)壩(ba)事故，原因主要有地震(zhen)、洪水漫(man)頂(ding)、滲(shen)透破(po)壞和基(ji)礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事后(hou)會造成巨大的生態災難和人員傷亡，近幾十(shi)年來(lai)，

國內外(wai)對(dui)(dui)金屬(shu)尾(wei)礦的沉積規(gui)律(lv)、物理(li)力學(xue)特性(xing)及其穩(wen)定性(xing)開展了大量的研(yan)究，但對(dui)(dui)于與(yu)金屬(shu)尾(wei)礦庫相近的磷(lin)石(shi)膏庫，一般僅(jin)限于在可研(yan)階段采用人(ren)工制備樣(yang)進(jin)行(xing)物理(li)力學(xue)性(xing)質試驗，并據此(ci)進(jin)行(xing)穩(wen)定性(xing)分(fen)析，尚未有人(ren)針(zhen)對(dui)(dui)己運行(xing)若干年的大型(xing)濕法堆存(cun)磷(lin)石(shi)膏堆積壩開展過(guo)磷(lin)石(shi)膏沉積規(gui)律(lv)及其物理(li)力學(xue)特性(xing)的專項(xiang)研(yan)究。

本文依(yi)托柳樹箐磷石膏(gao)堆(dui)積壩，首先進(jin)行(xing)了(le)(le)(le)鉆(zhan)探取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開(kai)展了(le)(le)(le)密(mi)度、含水率、滲(shen)透(tou)(tou)、土水特(te)征(zheng)和顆分(fen)等物理性(xing)質試驗(yan)，在此(ci)基礎上有針對(dui)(dui)性(xing)的(de)(de)選擇原狀樣(yang)開(kai)展了(le)(le)(le)三軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三軸(zhou)等力(li)學特(te)性(xing)試驗(yan)。通(tong)過上述試驗(yan)研(yan)究，總結了(le)(le)(le)磷石膏(gao)的(de)(de)沉積規律、滲(shen)透(tou)(tou)特(te)性(xing)、滲(shen)透(tou)(tou)破(po)壞特(te)性(xing)以及(ji)靜動力(li)特(te)性(xing)，上述研(yan)究工作對(dui)(dui)研(yan)究和評估磷石膏(gao)庫堆(dui)積壩的(de)(de)穩定性(xing)提供了(le)(le)(le)基礎數據，對(dui)(dui)現行(xing)磷石膏(gao)庫的(de)(de)運行(xing)管理以及(ji)新建工程的(de)(de)設計(ji)具有重要(yao)的(de)(de)借鑒意(yi)義。

一、依(yi)托工程(cheng)概況

1.1柳樹(shu)箐磷(lin)石膏堆積壩(ba)堆存設計(ji)方案

由初期壩和堆積壩組(zu)成，設計(ji)總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約(yue)30m，采用土料填筑。上游坡面、壩底和下游壩腳設置堆石排水體(ti)，三者相(xiang)連通構成整個堆積壩的主(zhu)要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及(ji)其輔(fu)助排(pai)滲措(cuo)施

采用(yong)上游式筑壩法，共20級子(zi)壩，頂寬(kuan)6～9m，高(gao)度(du)5m，堆積(ji)高(gao)度(du)約100m。采用(yong)排滲(shen)管網作(zuo)為輔助排滲(shen)方案，目前(qian)己在(zai)5級、9級子(zi)壩和13級子(zi)壩壩前(qian)120m范(fan)圍(wei)內設置(zhi)了(le)井字(zi)形排滲(shen)管網。

1.2沉積(ji)磷石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)(dui)積至5級子壩時，布設了(le)9個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K1～K9，取(qu)(qu)原狀(zhuang)樣(yang)76件(jian)；2013年5月，堆(dui)(dui)積至13級子壩時，又布設了(le)11個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K10～K20，取(qu)(qu)原狀(zhuang)樣(yang)112件(jian)，為比較(jiao)子壩加高和磷石(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)積過程中磷石(shi)膏(gao)物(wu)理力學性質的變化(hua)，在2，4級子壩K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近各布設了(le)一(yi)個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號分別為K17和K18。

1.3運(yun)行概(gai)況

柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏尾礦庫(ku)(ku)2005年(nian)開(kai)工建設，2006年(nian)1月(yue)投(tou)入(ru)運行，截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)己堆(dui)至(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆(dui)存至(zhi)設計高(gao)(gao)程(cheng)。鑒(jian)于磷(lin)石(shi)膏庫(ku)(ku)地(di)(di)形、地(di)(di)質條件(jian)較(jiao)好，具備擴容(rong)改造的(de)條件(jian)，以提高(gao)(gao)堆(dui)存庫(ku)(ku)容(rong)，減(jian)少堆(dui)存占地(di)(di)，節約(yue)土地(di)(di)資源。

本文(wen)主(zhu)要對沉(chen)積磷(lin)(lin)石膏的物理力學(xue)特性(xing)進行了(le)全(quan)面總(zong)結(jie)，限于篇幅，有(you)關現狀磷(lin)(lin)石膏庫(ku)堆(dui)積壩的安全(quan)性(xing)評價及其加高可行性(xing)的研究將另文(wen)發表。

二、沉積磷石膏的物理力學(xue)特性

2.1物理(li)特(te)性

(1)干密(mi)度分布

圖(tu)(tu)2給出(chu)了(le)14個鉆孔的(de)取樣深(shen)度(du)(du)(du)和(he)(he)試驗(yan)所(suo)得干(gan)密度(du)(du)(du)的(de)關系(xi)(xi)，圖(tu)(tu)中UWL表示水(shui)位線上，(系(xi)(xi)鉆孔期間(jian)的(de)初(chu)見水(shui)位線，下(xia)同)，DWL表示水(shui)位線下(xia)。圖(tu)(tu)3給出(chu)了(le)水(shui)位線上下(xia)的(de)飽和(he)(he)度(du)(du)(du)分(fen)(fen)布圖(tu)(tu)。由于(yu)磷石(shi)(shi)膏中的(de)主要成分(fen)(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度(du)(du)(du)和(he)(he)烘烤時間(jian)對測定結果有一定影響，不(bu)能照搬現行的(de)土工試驗(yan)規范，本文(wen)磷石(shi)(shi)膏的(de)含水(shui)率測定方法為55℃溫(wen)度(du)(du)(du)下(xia)烘培24h。

圖2沉積磷(lin)石膏(gao)干密度與埋深的關系

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

由圖3，水位(wei)線(xian)上的(de)磷(lin)石膏(gao)飽(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值為50.4%，處(chu)于(yu)(yu)非(fei)飽(bao)和(he)狀態(tai)，水位(wei)線(xian)以下的(de)磷(lin)石膏(gao)飽(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值為85.0%，基(ji)本(ben)處(chu)于(yu)(yu)飽(bao)和(he)狀態(tai)，由于(yu)(yu)水位(wei)下降后(hou)磷(lin)石膏(gao)來不及排水固結，故而水位(wei)線(xian)上局部(bu)試樣的(de)飽(bao)和(he)度較高(gao)。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的(de)干密(mi)(mi)(mi)度在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下(xia)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石膏(gao)與一般的(de)尾(wei)礦有(you)所不同，磷石膏(gao)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度并不隨(sui)埋(mai)深的(de)增(zeng)(zeng)大而明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)大，但水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下(xia)的(de)磷石膏(gao)干密(mi)(mi)(mi)度從統計意義上來看仍大于水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的(de)磷石膏(gao)干密(mi)(mi)(mi)度，這(zhe)主要是由(you)于水(shui)位(wei)線(xian)隨(sui)庫水(shui)位(wei)的(de)變(bian)化(hua)反復升降而使得(de)磷石膏(gao)排水(shui)固結所致。

室內(nei)擊實(shi)得(de)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看(kan)出(chu)，自然(ran)沉積的(de)(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)度(du)可(ke)達到(dao)(dao)1.73g/cm3，原因如下：與(yu)經典的(de)(de)(de)(de)土骨(gu)架(jia)不(bu)可(ke)壓縮的(de)(de)(de)(de)理論不(bu)同，石(shi)膏(gao)(gao)本身可(ke)壓縮，同時由于顆粒(li)結構(gou)不(bu)穩定，擊實(shi)試驗(yan)過程中磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)結構(gou)被破(po)壞(huai)，受夯擊處(chu)下陷，四(si)周鼓起，出(chu)現了類似于橡皮土的(de)(de)(de)(de)現象。而在(zai)現場條(tiao)件下，石(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)架(jia)被破(po)壞(huai)后(hou)，會導致(zhi)顆粒(li)中的(de)(de)(de)(de)結合(he)水滲出(chu)至孔(kong)(kong)隙內(nei)，變成孔(kong)(kong)隙水，排水固結后(hou)會使得(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)孔(kong)(kong)隙比(bi)減小(xiao)，干(gan)密(mi)度(du)增大。

圖4給(gei)出了相(xiang)鄰鉆孔(kong)K2和(he)K17(位于2級(ji)子壩河床部位)以(yi)及相(xiang)鄰鉆孔(kong)K6和(he)K18(位于4級(ji)子壩河床部位)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度的(de)對(dui)比圖。K2鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使從統計意義(yi)上(shang)來看(kan)，磷石膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度也并未(wei)隨后續磷石膏的(de)堆積而(er)有較為(wei)(wei)明(ming)顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗采用密度計(ji)法，制備懸液時不煮沸，不加六偏磷酸(suan)鈉。圖(tu)5給出了試驗得到的級配包線、平(ping)均(jun)粒徑d50、不均(jun)勻系數(1u和曲率系數Cc的分布圖(tu)。

從圖(tu)5(a)可見，磷石膏的粒徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于粉土(tu)，但可能由于礦石來源或生產工藝有所不同，局部屬于粉砂～中砂。粒徑分布范圍比Blight和張超等的試驗(yan)結果要寬(kuan)一些。

圖4子壩(ba)加(jia)高后沉積(ji)磷石膏的干密度(du)變(bian)化

圖5沉(chen)積磷石膏的平均粒(li)徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論(lun)是(shi)(shi)水平向還是(shi)(shi)垂(chui)直向，磷石(shi)膏(gao)(gao)與(yu)金屬(shu)礦(kuang)山(shan)尾(wei)礦(kuang)的(de)“前粗(cu)后細(xi)，上(shang)粗(cu)下(xia)細(xi)”的(de)自然分級現(xian)象不同(tong)，也即(ji)粗(cu)顆粒(li)(li)并不是(shi)(shi)沿埋深逐步(bu)減小(xiao)或距離放(fang)漿口越(yue)(yue)遠顆粒(li)(li)越(yue)(yue)細(xi)，其原因如下(xia)：①磷石(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑(jing)組(zu)成較(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差；②相比較(jiao)金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)比重(zhong)較(jiao)小(xiao)，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)比重(zhong)一般(ban)為2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)可達2.9；③放(fang)漿口隨子壩高度不斷(duan)增加(jia)而不斷(duan)變動并向庫尾(wei)延伸，造成沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)粒(li)(li)徑(jing)變化不明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不(bu)(bu)均(jun)勻系(xi)數Cu范圍(wei)值1.61～21.5，平(ping)均(jun)值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范圍(wei)值0.28～9.78，平(ping)均(jun)值為(wei)1.21，在統(tong)計的(de)100多個試樣中，屬(shu)于級(ji)配不(bu)(bu)良土(tu)的(de)占93%。這種級(ji)配特(te)性決定了磷(lin)石膏具有較高的(de)壓縮(suo)性、滲透破(po)(po)壞型(xing)式表現為(wei)流土(tu)破(po)(po)壞。

2.2滲透(tou)特(te)性

(1)滲(shen)透系數

影響滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)主要因(yin)素(su)是粒徑大小(xiao)(xiao)、級配和(he)孔隙比(bi)(bi)，因(yin)而磷(lin)石膏的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)與粉土較為(wei)接近。由于(yu)孔隙比(bi)(bi)e減(jian)小(xiao)(xiao)，使(shi)得過水通道面積(ji)減(jian)小(xiao)(xiao)，滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將(jiang)減(jian)小(xiao)(xiao)，k與e呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對砂土，一(yi)般認為(wei)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較好(hao)，圖6給(gei)出了(le)二者(zhe)間的(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線(xian)，由于(yu)沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化較大，使(shi)得沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化范圍較大(平均(jun)值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二者(zhe)問的(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較差(cha)。

圖(tu)6沉(chen)積磷石(shi)膏滲(shen)透系數與孔(kong)隙比的關(guan)系

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

圖7給出了水平(ping)與垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)(shu)(shu)比值的(de)分布(bu)。沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的(de)水平(ping)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)(shu)(shu)kh一般大(da)于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)的(de)滲(shen)透系數(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約為2.86，這一點與成(cheng)層(ceng)分布(bu)的(de)金屬尾(wei)礦規律一致。造成(cheng)沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏水平(ping)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)(shu)(shu)大(da)于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)透系數(shu)(shu)(shu)的(de)原因是由于(yu)磷(lin)石膏具有明顯的(de)晶體(ti)結構，電鏡掃(sao)描顯示多為菱形和棱柱狀形式(見圖8)，在沉(chen)積(ji)過程(cheng)中，由于(yu)扁平(ping)狀磷(lin)石膏顆粒(li)多呈水平(ping)排列，使得水平(ping)方(fang)向(xiang)的(de)透水性(xing)(xing)大(da)于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)的(de)透水性(xing)(xing)，從(cong)而使磷(lin)石膏呈現明顯的(de)各向(xiang)異(yi)性(xing)(xing)。

另根據中國有色金屬工(gong)業(ye)昆明勘察(cha)設(she)計研究院在楊(yang)家(jia)箐磷石膏堆積(ji)壩開展的(de)(de)現場滲(shen)透(tou)試驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平均值約為1.9。但張超等的(de)(de)室內試驗(yan)顯示，kh/kv的(de)(de)平均值約為0.46，也即(ji)垂直(zhi)向滲(shen)透(tou)系數(shu)大于(yu)水(shui)平向滲(shen)透(tou)系數(shu)，與本(ben)文(wen)和現場試驗(yan)結果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從磷石膏的(de)(de)微觀結構來看，本(ben)文(wen)試驗(yan)結果(guo)更為合理。

圖7沉積(ji)磷石膏干(gan)密度與水平和垂直滲(shen)透系數比值的關系

(2)滲透變(bian)形

圖9為(wei)磷(lin)石(shi)膏干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力(li)梯度(du)J與(yu)流速(su)V的(de)(de)關系曲線，試(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)平管(guan)涌(yong)儀中采用水(shui)(shui)平方(fang)向的(de)(de)滲(shen)流形式進(jin)行。試(shi)驗(yan)得到的(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破壞坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說(shuo)，對1，2級工程，滲(shen)透(tou)安全系數取為(wei)2.5，則允(yun)(yun)許(xu)出(chu)逸(yi)(yi)坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)工程，滲(shen)透(tou)安全系數取2.0，則允(yun)(yun)許(xu)出(chu)逸(yi)(yi)坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許(xu)比降(jiang)與(yu)粉土一(yi)粉砂大(da)致相同。但(dan)上述滲(shen)透(tou)變形試(shi)驗(yan)是(shi)采用自(zi)來(lai)水(shui)(shui)進(jin)行的(de)(de)，自(zi)來(lai)水(shui)(shui)對磷(lin)石(shi)膏具有一(yi)定的(de)(de)溶蝕作用，而(er)實際上磷(lin)石(shi)膏中殘余磷(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般小于3(稱之為(wei)酸(suan)性水(shui)(shui))，在酸(suan)性水(shui)(shui)作用下(xia)，磷(lin)石(shi)膏不會發生破壞，上述試(shi)驗(yan)結果是(shi)偏于保(bao)守的(de)(de)，但(dan)對非(fei)酸(suan)性水(shui)(shui)條件(例如特(te)大(da)暴雨(yu))下(xia)的(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定判斷有一(yi)定的(de)(de)借(jie)鑒意義(yi)。

圖9水力(li)梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特(te)征試(shi)驗

試(shi)驗在(zai)5Bar的壓力(li)板儀中進(jin)行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干密度分(fen)1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列(lie)出(chu)了含水率特征值(zhi)，試(shi)驗曲(qu)線見圖10所示(shi)。

試(shi)(shi)驗結(jie)果表明：①干(gan)密度(du)對進氣(qi)值(zhi)沒有明顯的(de)影響，不同干(gan)密度(du)的(de)試(shi)(shi)樣(yang)的(de)進氣(qi)值(zhi)大致(zhi)(zhi)在(zai)10kPa左右；②土樣(yang)殘(can)余(yu)(yu)含水(shui)率(lv)隨(sui)干(gan)密度(du)的(de)增加(jia)而減少，殘(can)余(yu)(yu)含水(shui)率(lv)約(yue)為飽(bao)和含水(shui)率(lv)的(de)10%。上述特性與粉(fen)(fen)土一粉(fen)(fen)砂基本一致(zhi)(zhi)。

2.3靜(jing)力(li)力(li)學特性

(1)三(san)軸CU試驗

由于(yu)沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)密(mi)(mi)度(du)變化(hua)較大，而進行(xing)三軸試(shi)(shi)(shi)驗(yan)需(xu)要若(ruo)干原狀(zhuang)樣，為(wei)(wei)使試(shi)(shi)(shi)驗(yan)結果具有(you)較好的(de)一致性(xing)，有(you)針對性(xing)的(de)選擇平(ping)均干密(mi)(mi)度(du)分別為(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(ruo)干試(shi)(shi)(shi)樣，進行(xing)了5組(zu)三軸CU試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)(wei)干密(mi)(mi)度(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三軸CU試(shi)(shi)(shi)驗(yan)曲(qu)線。

從圖11可以(yi)看出，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)應(ying)力(li)應(ying)變關(guan)系曲線在(zai)低圍(wei)壓(ya)下表(biao)現為(wei)(wei)軟化型，在(zai)高圍(wei)壓(ya)下表(biao)現為(wei)(wei)硬(ying)化型，與(yu)一般土類相似(si)。但與(yu)一般粉土一粉砂不同的(de)(de)是(shi)，即使在(zai)較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)(de)狀態(tai)下，磷(lin)石(shi)膏仍表(biao)現了較(jiao)為(wei)(wei)強(qiang)烈的(de)(de)剪脹，隨密實度增大，剪脹作用愈發明顯。

表(biao)(biao)2給(gei)出了(le)不同(tong)干(gan)密(mi)度(du)下的(de)內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)，圖12給(gei)出了(le)內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)的(de)關系(xi)曲(qu)線。隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)(zeng)大，內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也(ye)隨之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)大，且可采用冪函(han)數較好地擬合。磷(lin)石膏的(de)干(gan)密(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總(zong)應力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬合曲(qu)線求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效應力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也(ye)明顯增(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較之(zhi)(zhi)總(zong)應力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要小(xiao)。另外較之(zhi)(zhi)于干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著(zhu)，表(biao)(biao)明即使(shi)較為(wei)疏松的(de)磷(lin)石膏仍具有較高的(de)強度(du)指(zhi)標，這(zhe)也(ye)表(biao)(biao)明磷(lin)石膏堆積壩的(de)穩定性較高。

(2)蠕變(次固結(jie))變形試(shi)驗

磷石膏的蠕變變形試(shi)(shi)驗(yan)在側限壓(ya)縮儀中(zhong)進行，試(shi)(shi)驗(yan)狀態相(xiang)當于K0固結(jie)。試(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高(gao)度20mm，試(shi)(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣飽和后分別開展了(le)上覆壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)，

試驗(yan)從2012年(nian)8月27日開始，試驗(yan)己進行了1年(nian)多，試驗(yan)結果見(jian)圖(tu)13所示。

從(cong)圖13中可以看出：上(shang)覆(fu)荷載(zai)越大(da)，磷石膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)也(ye)(ye)越大(da)，荷載(zai)施加(jia)1年后(hou)，磷石膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)仍非常顯著(zhu)，尚未(wei)達到穩定(ding)狀態，這(zhe)也(ye)(ye)是磷石膏堆積壩(ba)后(hou)期變(bian)(bian)形(xing)(xing)較(jiao)大(da)的原因(yin)，原型(xing)觀測資(zi)料表明(ming)，在5級子壩(ba)河床部位的表面沉降量已經達到3.1m，且尚未(wei)完全(quan)穩定(ding)。

按時(shi)間對數(shu)法(fa)，可求(qiu)得各級(ji)荷載(zai)下的主(zhu)次(ci)固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量如表(biao)3所示(shi)。試驗(yan)結(jie)果表(biao)明，在100～400kPa上覆荷載(zai)作用下，在試驗(yan)時(shi)間范圍內(nei)蠕變(bian)(次(ci)固(gu)結(jie))變(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)的1.8～3.1倍，當(dang)然由于蠕變(bian)變(bian)形(xing)尚未(wei)完(wan)(wan)成，實際的蠕變(bian)變(bian)形(xing)應(ying)更大(da)。對土(tu)體(ti)而言(yan)，發生(sheng)(sheng)蠕變(bian)的原因是(shi)由于土(tu)體(ti)在主(zhu)固(gu)結(jie)完(wan)(wan)成之后，土(tu)體(ti)中仍有微(wei)小(xiao)的超靜(jing)孔隙壓(ya)力存(cun)在，驅使水在顆粒問流動，一般來講土(tu)體(ti)的次(ci)固(gu)結(jie)遠(yuan)小(xiao)于主(zhu)固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)；對磷石膏而言(yan)，其(qi)(qi)滲透系數(shu)在10-4cm/s數(shu)量級(ji)，遠(yuan)大(da)于黏性土(tu)，但其(qi)(qi)卻發生(sheng)(sheng)了(le)極為顯(xian)著的次(ci)固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)，其(qi)(qi)原因在于磷石膏晶(jing)體(ti)結(jie)構發生(sheng)(sheng)了(le)壓(ya)縮、破(po)壞，接觸點晶(jing)格發生(sheng)(sheng)歪曲和變(bian)形(xing)，而破(po)壞后晶(jing)格之間的重(zhong)新排列、調整到最(zui)后趨于相(xiang)對靜(jing)止需要相(xiang)當(dang)長的時(shi)間才能完(wan)(wan)成。

2.4動力力學特性

試(shi)(shi)驗設備采(cai)用(yong)英國(guo)GDS公司進(jin)口(kou)的(de)電機控制動三軸試(shi)(shi)驗系統(tong)，試(shi)(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣(yang)由于自然沉積的磷石膏(gao)密度變化較大，為此根(gen)據物(wu)理性質試驗(yan)結果，選擇(ze)兩(liang)種平均干密度1.34g/cm3(變化范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪(jian)切模量G、阻尼比(bi)與(yu)剪(jian)應變幅值γd的(de)關系式如(ru)下：

式中k1為參數，表示動剪切模量的衰(shuai)減或阻尼比的增長(chang)速率；λmax為最大阻尼比；Gmax，γd分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)參數；σm為(wei)球(qiu)應力(li)；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸(gui)一化的動應變，表達為(wei)

圖14給出了(le)(le)動剪切模量(liang)、阻尼(ni)比與歸(gui)一化動應(ying)變的(de)關系曲線，另(ling)外圖中(zhong)還給出了(le)(le)式(1)的(de)擬合曲線以及Seed等給出的(de)砂(sha)樣的(de)上下邊界線，圖例中(zhong)，σ2表(biao)示(shi)圍壓，Kc表(biao)示(shi)固結應(ying)力比。

從圖(tu)中(zhong)可以看出：①式(1)可較好地描述磷(lin)石膏的(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)變試驗曲線(xian)，表(biao)明采用等價(jia)黏彈性模型進行(xing)(xing)循環荷載作用下的(de)(de)分析是可行(xing)(xing)的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密度為1.45g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)位(wei)于(yu)干密度為1.34g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)上方(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)則位(wei)于(yu)下方(fang)，表(biao)明密度越大(da)(da)，動(dong)(dong)彈模越大(da)(da)、阻(zu)尼(ni)比(bi)越小(xiao)；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密度的(de)(de)擬合(he)線(xian)基本位(wei)于(yu)Seed等給出的(de)(de)邊界(jie)線(xian)上方(fang)，而(er)圖(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)邊界(jie)線(xian)中(zhong)間(jian)，表(biao)明相(xiang)比(bi)較砂(sha)樣，磷(lin)石膏動(dong)(dong)彈模較大(da)(da)，會(hui)導致磷(lin)石膏堆積壩(ba)的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)較大(da)(da)，但由于(yu)阻(zu)尼(ni)比(bi)也較大(da)(da)，這樣又會(hui)削(xue)弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)，二者的(de)(de)相(xiang)互(hu)影響下，磷(lin)石膏堆積壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應(ying)將不會(hui)過(guo)于(yu)強(qiang)烈(lie)，這對磷(lin)石膏堆積壩(ba)的(de)(de)抗震穩(wen)定性是有(you)利的(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇(ze)兩種平均干密度為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，破壞標準為總應變達到10%。

圖15給(gei)出了動剪(jian)應(ying)力比(bi)τd/σ0′與破壞振次(ci)Nf的(de)(de)關(guan)系曲線圖，其中σ0為(wei)振前試樣45°面(mian)上的(de)(de)有效法向應(ying)力，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結(jie)比(bi)。從試驗結(jie)果可以(yi)看出，沉積磷石膏(gao)的(de)(de)動強度與其它土體相似，表現為(wei)圍(wei)壓和固(gu)結(jie)應(ying)力比(bi)與動剪(jian)應(ying)力比(bi)呈負相關(guan)關(guan)系。

為(wei)(wei)判別沉積磷石膏的抗液化能力，假定抗震設(she)計烈度(du)為(wei)(wei)8度(du)，即等(deng)效振次Ⅳ可取為(wei)(wei)30。首先由式(4)

所(suo)示的冪函(han)數關(guan)系式得到振(zhen)次為30時各(ge)個圍壓(ya)和固結比下(xia)的動剪應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求得動剪(jian)應力(li)比與圍壓(ya)和固結(jie)應力(li)比的(de)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(guan)系(xi)式可(ke)見，密實度(du)提高后，動剪應力比提高，表(biao)明抗(kang)液(ye)化能(neng)力也(ye)提高。但即使是(shi)在低密度(du)下，其動剪應力比較之(zhi)同類的(de)粉土或(huo)粉砂也(ye)大出許多，表(biao)明磷石膏具(ju)有較高的(de)抗(kang)液(ye)化能(neng)力。

三、結論

依托柳樹箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩(ba)，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開展(zhan)了物理性(xing)質(zhi)試驗(yan)，然(ran)后開展(zhan)了靜動(dong)力力學特性(xing)試驗(yan)。通(tong)過(guo)上述試驗(yan)研(yan)究，得出(chu)如下(xia)結論：

(1)沉積磷石膏總(zong)體上(shang)屬于級(ji)配不良(liang)的粉土，局(ju)部屬于粉砂一中砂，無自然分級(ji)現象。其干密(mi)度和粒徑變(bian)化(hua)(hua)隨(sui)埋深或距(ju)放(fang)漿(jiang)口距(ju)離的變(bian)化(hua)(hua)不明顯。

(2)沉積(ji)磷(lin)石膏水平方向(xiang)的(de)(de)滲透系數大于垂直方向(xiang)的(de)(de)滲透系數，呈現明顯的(de)(de)各向(xiang)異性。

(3)與(yu)土體顆粒不可壓(ya)縮不同，磷石膏(gao)的(de)晶體結(jie)構會發生(sheng)壓(ya)縮破壞，具有較大的(de)壓(ya)縮性，其次固結(jie)變形量遠大于主固結(jie)變形量。

(4)沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)靜動強(qiang)度較之同(tong)等密(mi)實度下的(de)粉土、粉砂要高。