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。

引言

磷(lin)石(shi)膏(gao)是濕(shi)(shi)法磷(lin)酸(suan)生產(chan)過程中(zhong)的(de)(de)(de)副產(chan)品(pin)，2018年(nian)，全國(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)產(chan)生量為(wei)7800萬噸，且呈逐年(nian)增長(chang)的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)(yao)成分(fen)(fen)(fen)是CaO和SO3，但含有一(yi)(yi)定量的(de)(de)(de)氟化(hua)物和其(qi)它放射性物質，在(zai)中(zhong)國(guo)通常(chang)按(an)Ⅱ類(lei)一(yi)(yi)般工業固體廢物處(chu)理(li)，鑒于無害化(hua)處(chu)理(li)成本(ben)(ben)較高，目前(qian)綜合利用率尚不(bu)足40%，故大(da)部分(fen)(fen)(fen)磷(lin)石(shi)膏(gao)需(xu)要(yao)(yao)堆(dui)存存放。按(an)堆(dui)存場地(di)(di)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，可分(fen)(fen)(fen)為(wei)平地(di)(di)型(xing)、傍(bang)山(shan)(shan)型(xing)、山(shan)(shan)谷型(xing)和截(jie)河型(xing)堆(dui)場，在(zai)中(zhong)國(guo)基(ji)本(ben)(ben)上是山(shan)(shan)谷型(xing)堆(dui)場。相比較干法堆(dui)存，濕(shi)(shi)法堆(dui)存經濟優勢明顯，因(yin)而如地(di)(di)質條件為(wei)非碳酸(suan)鹽巖地(di)(di)區，一(yi)(yi)般均采用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)方式。隨(sui)著中(zhong)國(guo)磷(lin)肥工業的(de)(de)(de)快速(su)發展，本(ben)(ben)世紀初中(zhong)國(guo)相繼建設(she)了幾座濕(shi)(shi)法堆(dui)存的(de)(de)(de)大(da)型(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫，例如云天化(hua)國(guo)際化(hua)工三(san)環分(fen)(fen)(fen)公司(si)(si)的(de)(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆(dui)積壩(ba)和富(fu)瑞分(fen)(fen)(fen)公司(si)(si)的(de)(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設(she)計壩(ba)高均超過100m、處(chu)于8度地(di)(di)震(zhen)區，其(qi)安全性備受關(guan)注。

據統(tong)計，110多(duo)年(nian)(1901年(nian)一(yi)2013年(nian))來(lai)，全世(shi)界有118座(zuo)尾(wei)礦(kuang)壩曾發生過(guo)破壞或潰壩事(shi)故，原因主要有地震、洪水漫頂、滲透破壞和基礎失穩。尾(wei)礦(kuang)庫失事(shi)后會造成巨大的生態災難和人員傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國內外對金(jin)屬(shu)尾(wei)礦的沉(chen)積規(gui)(gui)律、物(wu)(wu)理(li)力(li)學(xue)特性(xing)(xing)及其穩(wen)定性(xing)(xing)開展(zhan)了(le)大(da)量的研(yan)究(jiu)，但對于(yu)與(yu)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦庫(ku)相近(jin)的磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)，一(yi)般僅限于(yu)在(zai)可(ke)研(yan)階段采用人工(gong)制備樣進行物(wu)(wu)理(li)力(li)學(xue)性(xing)(xing)質試驗，并(bing)據(ju)此進行穩(wen)定性(xing)(xing)分(fen)析，尚未有人針對己運行若(ruo)干(gan)年的大(da)型濕法堆存磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩開展(zhan)過(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)沉(chen)積規(gui)(gui)律及其物(wu)(wu)理(li)力(li)學(xue)特性(xing)(xing)的專項研(yan)究(jiu)。

本(ben)文依(yi)托(tuo)柳(liu)樹箐(qing)磷石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩，首先進行(xing)了鉆(zhan)探(tan)取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開(kai)展(zhan)(zhan)了密度、含(han)水(shui)率、滲透(tou)、土水(shui)特(te)(te)(te)征和顆分等物理性(xing)質試驗，在此基礎(chu)上(shang)有針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)選(xuan)擇原狀樣(yang)開(kai)展(zhan)(zhan)了三軸CU、蠕變及(ji)(ji)動三軸等力學(xue)特(te)(te)(te)性(xing)試驗。通過上(shang)述試驗研究，總(zong)結了磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)沉積規律、滲透(tou)特(te)(te)(te)性(xing)、滲透(tou)破壞特(te)(te)(te)性(xing)以(yi)及(ji)(ji)靜動力特(te)(te)(te)性(xing)，上(shang)述研究工作對(dui)研究和評估(gu)磷石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)積壩的(de)穩定性(xing)提供了基礎(chu)數據，對(dui)現行(xing)磷石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)的(de)運(yun)行(xing)管理以(yi)及(ji)(ji)新建工程的(de)設計具有重要的(de)借鑒意(yi)義。

一、依托(tuo)工程概(gai)況

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩堆(dui)存設計方案

由初(chu)期壩(ba)和堆積壩(ba)組成(cheng)，設計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩(ba)壩(ba)高約(yue)30m，采用土料填筑。上(shang)游坡面(mian)、壩(ba)底和下(xia)游壩(ba)腳設置堆(dui)石排(pai)水(shui)體(ti)，三者(zhe)相連(lian)通構成整個堆(dui)積壩(ba)的(de)主要排(pai)滲(shen)系統。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲措(cuo)施(shi)

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

1.2沉積磷石膏的(de)鉆(zhan)探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置見圖(tu)l。2008年6月，堆積至5級(ji)子(zi)壩(ba)時，布(bu)設了(le)9個(ge)取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取(qu)原狀樣(yang)(yang)76件(jian)；2013年5月，堆積至13級(ji)子(zi)壩(ba)時，又布(bu)設了(le)11個(ge)取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取(qu)原狀樣(yang)(yang)112件(jian)，為比較子(zi)壩(ba)加高和磷(lin)石膏堆積過程中磷(lin)石膏物(wu)理力學性質的變化(hua)，在(zai)2，4級(ji)子(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布(bu)設了(le)一(yi)個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號分(fen)別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷(lin)石膏尾(wei)礦庫2005年(nian)開(kai)工建(jian)設，2006年(nian)1月(yue)投入(ru)運行，截至(zhi)(zhi)2013年(nian)5月(yue)己堆(dui)(dui)至(zhi)(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆(dui)(dui)存至(zhi)(zhi)設計(ji)高程。鑒于磷(lin)石膏庫地形、地質條件(jian)較好，具(ju)備擴容(rong)改造的條件(jian)，以提高堆(dui)(dui)存庫容(rong)，減少堆(dui)(dui)存占地，節約土地資源(yuan)。

本文主要對沉積(ji)磷石膏的(de)物理力學特性進行(xing)了全面(mian)總結，限于篇(pian)幅，有(you)關現狀磷石膏庫堆積(ji)壩的(de)安全性評價及其(qi)加高可行(xing)性的(de)研究將另文發表。

二(er)、沉積磷石膏的物理(li)力(li)學特性

2.1物理特性

(1)干密度分(fen)布(bu)

圖2給(gei)出了14個鉆(zhan)孔的(de)(de)取樣(yang)深度(du)和(he)試(shi)驗(yan)所得(de)干密度(du)的(de)(de)關系(xi)，圖中(zhong)UWL表示(shi)水位(wei)線上，(系(xi)鉆(zhan)孔期間(jian)的(de)(de)初見水位(wei)線，下(xia)(xia)同)，DWL表示(shi)水位(wei)線下(xia)(xia)。圖3給(gei)出了水位(wei)線上下(xia)(xia)的(de)(de)飽和(he)度(du)分布圖。由于磷石膏(gao)中(zhong)的(de)(de)主(zhu)要成分為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和(he)烘烤時(shi)間(jian)對測定(ding)結果(guo)有一定(ding)影響，不能照搬現行的(de)(de)土工試(shi)驗(yan)規范，本文磷石膏(gao)的(de)(de)含水率測定(ding)方法為55℃溫度(du)下(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石膏(gao)干密度與埋深(shen)的(de)關系

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

由圖3，水位線(xian)上的磷石膏飽和(he)(he)度(du)(du)平均值為(wei)50.4%，處于(yu)非飽和(he)(he)狀態，水位線(xian)以(yi)下的磷石膏飽和(he)(he)度(du)(du)平均值為(wei)85.0%，基本(ben)處于(yu)飽和(he)(he)狀態，由于(yu)水位下降后磷石膏來不及排水固結，故而水位線(xian)上局部試樣的飽和(he)(he)度(du)(du)較高(gao)。

由(you)(you)圖2，水位(wei)線(xian)(xian)以上的(de)干(gan)密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)(xian)以下的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與一般的(de)尾礦(kuang)有所不同，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)并不隨(sui)埋(mai)深的(de)增(zeng)大(da)而明顯增(zeng)大(da)，但水位(wei)線(xian)(xian)以下的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度(du)從統計意義(yi)上來看仍大(da)于水位(wei)線(xian)(xian)以上的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度(du)，這主要是(shi)由(you)(you)于水位(wei)線(xian)(xian)隨(sui)庫水位(wei)的(de)變(bian)化反復升降(jiang)而使得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排(pai)水固結所致。

室內擊(ji)(ji)實得到的(de)(de)磷(lin)石膏最(zui)大干(gan)密度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從(cong)圖(tu)2可(ke)以看出，自然沉積的(de)(de)磷(lin)石膏最(zui)大干(gan)密度(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下：與經典的(de)(de)土骨(gu)架不可(ke)壓(ya)縮(suo)的(de)(de)理(li)論(lun)不同(tong)，石膏本身可(ke)壓(ya)縮(suo)，同(tong)時由于(yu)顆粒結(jie)構不穩(wen)定，擊(ji)(ji)實試驗過程中磷(lin)石膏結(jie)構被破壞，受(shou)夯擊(ji)(ji)處下陷，四周鼓起，出現(xian)了類似于(yu)橡皮(pi)土的(de)(de)現(xian)象。而在(zai)現(xian)場條件下，石膏骨(gu)架被破壞后，會(hui)導致顆粒中的(de)(de)結(jie)合(he)水(shui)滲出至孔隙內，變成孔隙水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)后會(hui)使得磷(lin)石膏的(de)(de)孔隙比減(jian)小，干(gan)密度(du)增大。

圖4給出了相鄰(lin)鉆孔K2和K17(位(wei)于2級(ji)子(zi)壩河(he)床部位(wei))以及(ji)相鄰(lin)鉆孔K6和K18(位(wei)于4級(ji)子(zi)壩河(he)床部位(wei))干(gan)密度的(de)(de)對比圖。K2鉆孔的(de)(de)干(gan)密度在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)(jian)，均值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆孔的(de)(de)干(gan)密度在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)(jian)，均值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆孔的(de)(de)干(gan)密度在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)(jian)，均值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆孔的(de)(de)干(gan)密度在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)(jian)，均值(zhi)為1.37g/cm3。可(ke)見(jian)，即使從統(tong)計(ji)意義上來看，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)干(gan)密度也并未(wei)隨后續磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)堆積而有較為明顯的(de)(de)增大(da)。

(2)級配(pei)分布

顆粒(li)(li)分(fen)(fen)析(xi)試驗采用密度計(ji)法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏(pian)磷(lin)酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了試驗得(de)到的級(ji)配(pei)包(bao)線、平均粒(li)(li)徑d50、不(bu)均勻系數(1u和(he)曲(qu)率系數Cc的分(fen)(fen)布圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷(lin)石(shi)膏(gao)的粒徑(jing)主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于粉土(tu)，但可能由于礦石(shi)來源(yuan)或(huo)生產工藝有所不同，局(ju)部屬(shu)于粉砂(sha)～中(zhong)砂(sha)。粒徑(jing)分布范圍(wei)比Blight和(he)張超等(deng)的試驗結果要(yao)寬(kuan)一些。

圖(tu)4子(zi)壩(ba)加高后沉積(ji)磷石膏的干密度變化(hua)

圖5沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)平均粒(li)徑(jing)和級配(pei)分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向還是垂直向，磷(lin)石膏(gao)與(yu)金(jin)屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后細，上粗(cu)下(xia)細”的(de)(de)自(zi)然分(fen)級現象不同，也即粗(cu)顆(ke)粒(li)(li)并不是沿埋(mai)深逐(zhu)步減小(xiao)或距離放(fang)漿口越遠顆(ke)粒(li)(li)越細，其原因如下(xia)：①磷(lin)石膏(gao)顆(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成較為集(ji)中、均勻，主(zhu)要以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級配(pei)較差；②相(xiang)比(bi)較金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)較小(xiao)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)一般(ban)為2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)，例如鐵(tie)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放(fang)漿口隨子(zi)壩(ba)高度不斷(duan)增加而不斷(duan)變動并向庫尾(wei)延伸，造(zao)成沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑變化不明顯(xian)。

從(cong)圖5(d)可見，不均(jun)勻(yun)系(xi)數Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平(ping)均(jun)值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平(ping)均(jun)值為(wei)1.21，在統計的(de)100多個試樣(yang)中，屬于級(ji)配(pei)不良(liang)土的(de)占93%。這種(zhong)級(ji)配(pei)特性決定(ding)了磷(lin)石膏具有較高(gao)的(de)壓縮性、滲透破壞(huai)型式表現(xian)為(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透(tou)系(xi)數

影響滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數的(de)主要因素是(shi)粒徑大小、級配和(he)孔(kong)隙比(bi)，因而磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數與(yu)粉土較為接近。由(you)于孔(kong)隙比(bi)e減小，使得過水通道面(mian)積減小，滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數k也(ye)將(jiang)減小，k與(yu)e呈正相(xiang)關關系(xi)(xi)(xi)(xi)。對(dui)砂土，一般(ban)認為滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性(xing)關系(xi)(xi)(xi)(xi)較好，圖6給出了二(er)者間的(de)關系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線，由(you)于沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數變(bian)化(hua)較大，使得沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)較大(平(ping)均值(zhi)為10-4cm/s數量級)，二(er)者問的(de)線性(xing)關系(xi)(xi)(xi)(xi)較差。

圖6沉積磷(lin)石膏滲(shen)透系數與孔隙比的關(guan)系

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

圖7給出了水平(ping)(ping)(ping)(ping)與垂(chui)直向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)比值的(de)(de)分(fen)布。沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)水平(ping)(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)kh一(yi)般大于(yu)(yu)垂(chui)直向(xiang)的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)(ping)均值約為2.86，這一(yi)點與成層分(fen)布的(de)(de)金(jin)屬尾礦規律一(yi)致。造成沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)水平(ping)(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)大于(yu)(yu)垂(chui)直向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)原因是由于(yu)(yu)磷石膏(gao)具有明顯的(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多為菱形和棱柱狀形式(見圖8)，在沉(chen)積(ji)過程中，由于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)(ping)(ping)狀磷石膏(gao)顆(ke)粒(li)多呈水平(ping)(ping)(ping)(ping)排列，使得(de)水平(ping)(ping)(ping)(ping)方向(xiang)的(de)(de)透(tou)水性(xing)大于(yu)(yu)垂(chui)直方向(xiang)的(de)(de)透(tou)水性(xing)，從而使磷石膏(gao)呈現明顯的(de)(de)各向(xiang)異性(xing)。

另根據中國有色金屬工業昆明勘察設(she)計研究院在楊家(jia)箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩開展的現(xian)場滲透試驗，kh/kv的平均值約(yue)為(wei)1.9。但張超等的室內試驗顯示，kh/kv的平均值約(yue)為(wei)0.46，也即垂直(zhi)向滲透系數大于水平向滲透系數，與本文和現(xian)場試驗結(jie)果恰(qia)恰(qia)相反(fan)。從磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的微(wei)觀(guan)結(jie)構來(lai)看，本文試驗結(jie)果更為(wei)合理(li)。

圖(tu)7沉積磷石膏干(gan)密度與水平(ping)和垂直滲透系數比值的(de)關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)(wei)磷石(shi)膏干(gan)密度為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)水力梯(ti)度J與流(liu)速V的(de)關系曲線(xian)，試驗(yan)(yan)在(zai)水平(ping)管涌儀中(zhong)采用水平(ping)方向的(de)滲(shen)(shen)(shen)流(liu)形式進(jin)(jin)行。試驗(yan)(yan)得(de)到(dao)的(de)臨界坡(po)(po)降(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來說，對1，2級工程，滲(shen)(shen)(shen)透安全系數取為(wei)(wei)(wei)2.5，則允許出逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)工程，滲(shen)(shen)(shen)透安全系數取2.0，則允許出逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比(bi)降(jiang)與粉土(tu)一(yi)粉砂大(da)致相同。但(dan)上(shang)述滲(shen)(shen)(shen)透變形試驗(yan)(yan)是(shi)采用自來水進(jin)(jin)行的(de)，自來水對磷石(shi)膏具有一(yi)定的(de)溶蝕作用，而實(shi)際上(shang)磷石(shi)膏中(zhong)殘余磷、硫和氟酸(suan)，庫水的(de)pH值(zhi)一(yi)般小于3(稱之(zhi)為(wei)(wei)(wei)酸(suan)性(xing)水)，在(zai)酸(suan)性(xing)水作用下(xia)，磷石(shi)膏不會發生破壞，上(shang)述試驗(yan)(yan)結(jie)果是(shi)偏于保(bao)守(shou)的(de)，但(dan)對非酸(suan)性(xing)水條件(例(li)如特大(da)暴(bao)雨(yu))下(xia)的(de)滲(shen)(shen)(shen)透穩定判斷有一(yi)定的(de)借鑒意義。

圖9水力梯(ti)度J-流(liu)速v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特征試驗

試驗在5Bar的(de)壓力板儀(yi)中進行，環(huan)刀尺(chi)寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列(lie)出了含水(shui)率(lv)特征(zheng)值，試驗曲(qu)線見圖10所示。

試驗結果(guo)表明：①干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)對進氣值沒有明顯(xian)的影響(xiang)，不同干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)的試樣的進氣值大致在10kPa左(zuo)右；②土樣殘余含水率(lv)隨(sui)干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)的增加(jia)而減(jian)少(shao)，殘余含水率(lv)約為飽和(he)含水率(lv)的10%。上述(shu)特性(xing)與粉(fen)土一粉(fen)砂基本一致。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏(gao)的密度變化較大，而進行三(san)(san)軸(zhou)試驗(yan)(yan)需要若(ruo)干(gan)原狀樣，為使試驗(yan)(yan)結果具有(you)較好的一致性(xing)，有(you)針對性(xing)的選擇平均干(gan)密度分(fen)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)的若(ruo)干(gan)試樣，進行了5組三(san)(san)軸(zhou)CU試驗(yan)(yan)。圖11是為干(gan)密度為1.2和1.58g/cm3的三(san)(san)軸(zhou)CU試驗(yan)(yan)曲線。

從圖11可以(yi)看出，磷石(shi)膏(gao)的應力應變關系曲線在(zai)(zai)低圍壓下表現為(wei)軟化(hua)型，在(zai)(zai)高圍壓下表現為(wei)硬化(hua)型，與(yu)一般土類相似(si)。但與(yu)一般粉土一粉砂不同的是(shi)，即使在(zai)(zai)較為(wei)疏(shu)松(song)的狀態下，磷石(shi)膏(gao)仍表現了較為(wei)強(qiang)烈的剪(jian)脹，隨密實(shi)度增大(da)，剪(jian)脹作(zuo)用愈(yu)發明顯。

表(biao)2給出了不(bu)同干(gan)密(mi)(mi)度(du)下的(de)內摩(mo)擦角(jiao)，圖12給出了內摩(mo)擦角(jiao)與干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)關系(xi)曲(qu)線(xian)。隨(sui)(sui)干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)增(zeng)大，內摩(mo)擦角(jiao)也隨(sui)(sui)之(zhi)增(zeng)大，且可(ke)采用冪函數較(jiao)(jiao)好地擬合。磷石膏的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加了32%，總應(ying)力(li)(li)摩(mo)擦角(jiao)由34.1°增(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根(gen)據擬合曲(qu)線(xian)求得)，增(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)9.4%，有(you)效應(ying)力(li)(li)摩(mo)擦角(jiao)由37.6°增(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)3.2%，由于隨(sui)(sui)圍壓的(de)增(zeng)大，孔壓也明顯增(zeng)大，故有(you)效摩(mo)擦角(jiao)增(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)(jiao)之(zhi)總應(ying)力(li)(li)摩(mo)擦角(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)于干(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)擦角(jiao)的(de)增(zeng)幅(fu)(fu)并不(bu)顯著，表(biao)明即使較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)磷石膏仍具(ju)有(you)較(jiao)(jiao)高的(de)強度(du)指標，這也表(biao)明磷石膏堆(dui)積壩(ba)的(de)穩定(ding)性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗

磷(lin)石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形試(shi)驗(yan)在側限(xian)壓(ya)(ya)縮(suo)儀中進行(xing)，試(shi)驗(yan)狀(zhuang)態(tai)相當于(yu)K0固結(jie)。試(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后分別(bie)開展(zhan)了上覆壓(ya)(ya)力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗(yan)，

試(shi)驗從2012年8月27日開始(shi)，試(shi)驗己進行了(le)1年多，試(shi)驗結果見圖13所示。

從圖13中可以看出：上覆(fu)荷載越(yue)大，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)也越(yue)大，荷載施加1年后，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著(zhu)，尚未達(da)到穩定(ding)狀態，這也是磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩后期變(bian)形(xing)較大的(de)原因，原型觀測資(zi)料(liao)表明，在5級子壩河床(chuang)部位的(de)表面沉降量已經(jing)達(da)到3.1m，且尚未完全穩定(ding)。

按時(shi)間(jian)對數(shu)法，可求得各級荷載下的(de)(de)(de)主次固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)量如(ru)表3所示。試(shi)驗結(jie)果(guo)表明，在100～400kPa上覆荷載作用下，在試(shi)驗時(shi)間(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(次固(gu)結(jie))變(bian)(bian)形(xing)是(shi)主固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當然(ran)由于(yu)(yu)(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚(shang)未完成，實際的(de)(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更大。對土(tu)體而(er)言(yan)，發(fa)生蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)原(yuan)因是(shi)由于(yu)(yu)(yu)(yu)土(tu)體在主固(gu)結(jie)完成之(zhi)后，土(tu)體中(zhong)仍(reng)有微小的(de)(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力存(cun)在，驅使水在顆粒問流動，一(yi)般來(lai)講(jiang)土(tu)體的(de)(de)(de)次固(gu)結(jie)遠小于(yu)(yu)(yu)(yu)主固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)；對磷(lin)石(shi)膏而(er)言(yan)，其(qi)滲透系數(shu)在10-4cm/s數(shu)量級，遠大于(yu)(yu)(yu)(yu)黏性(xing)土(tu)，但其(qi)卻發(fa)生了極為顯(xian)著的(de)(de)(de)次固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)，其(qi)原(yuan)因在于(yu)(yu)(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏晶體結(jie)構發(fa)生了壓縮、破壞，接觸點晶格發(fa)生歪曲和變(bian)(bian)形(xing)，而(er)破壞后晶格之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)重新排列、調整到最(zui)后趨于(yu)(yu)(yu)(yu)相(xiang)對靜(jing)止需要相(xiang)當長的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)才能完成。

2.4動(dong)力(li)力(li)學(xue)特性(xing)

試驗設(she)備采用(yong)英國GDS公司進口的電(dian)機控制動三軸試驗系統，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比(bi)

同樣由于自然沉積的(de)磷石膏(gao)密度變化較大，為(wei)此根據(ju)物理(li)性質試驗(yan)(yan)結果，選擇兩種平均(jun)干密度1.34g/cm3(變化范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進(jin)行(xing)試驗(yan)(yan)。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動剪(jian)切模量(liang)G、阻尼比與剪(jian)應變幅值γd的關系式如下(xia)：

式中k1為(wei)參(can)數，表示動剪切模量的衰減(jian)或阻尼比的增長(chang)速率；λmax為(wei)最(zui)大(da)阻尼比；Gmax，γd分(fen)別(bie)為(wei)最(zui)大(da)動剪切模量和歸一化的動剪應變，表示為(wei)

式中k2,n為參數；σm為球(qiu)應力；Pa為標(biao)準(zhun)大氣壓；vd為動泊松比(bi)；εa為歸(gui)一(yi)化的動應變，表達為

圖14給出了(le)動剪切模(mo)量(liang)、阻尼比與歸一化(hua)動應變的(de)關系曲線，另外圖中還給出了(le)式(1)的(de)擬(ni)合曲線以及Seed等給出的(de)砂樣(yang)的(de)上下邊界線，圖例中，σ2表示圍壓，Kc表示固(gu)結應力比。

從圖(tu)(tu)(tu)中(zhong)可以(yi)看(kan)出：①式(1)可較好地(di)描述磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力-動(dong)(dong)應(ying)變試驗(yan)曲線，表明(ming)采用等(deng)價黏(nian)彈(dan)性模型進行循(xun)環荷載作用下(xia)的(de)(de)(de)(de)分析(xi)是可行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合線位于(yu)(yu)(yu)(yu)干密(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合線上(shang)方，圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則位于(yu)(yu)(yu)(yu)下(xia)方，表明(ming)密(mi)度(du)越(yue)大(da)，動(dong)(dong)彈(dan)模越(yue)大(da)、阻尼比(bi)越(yue)小；③圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩(liang)種干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合線基本位于(yu)(yu)(yu)(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線上(shang)方，而圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)(yu)(yu)(yu)邊(bian)界(jie)線中(zhong)間(jian)，表明(ming)相比(bi)較砂樣(yang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模較大(da)，會(hui)導致磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)應(ying)較大(da)，但由于(yu)(yu)(yu)(yu)阻尼比(bi)也較大(da)，這樣(yang)又(you)會(hui)削弱壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)應(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相互影響下(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)應(ying)將(jiang)不會(hui)過于(yu)(yu)(yu)(yu)強烈，這對磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)抗震穩(wen)定性是有(you)利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強度

選擇(ze)兩種平均(jun)干(gan)密度為1.12(變化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破(po)壞標準為總(zong)應變達到10%。

圖15給出(chu)了動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的(de)關系曲線圖，其(qi)中σ0為振前試樣(yang)45°面上的(de)有(you)效法向應(ying)力(li)，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比(bi)(bi)。從試驗結果可以看出(chu)，沉(chen)積磷石膏的(de)動(dong)強度與(yu)其(qi)它土體相(xiang)似，表現為圍壓和固結應(ying)力(li)比(bi)(bi)與(yu)動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)(bi)呈(cheng)負相(xiang)關關系。

為(wei)判別(bie)沉(chen)積磷石膏的抗液化能力，假定(ding)抗震設(she)計烈度為(wei)8度，即(ji)等(deng)效振次Ⅳ可取為(wei)30。首先由式(4)

所示(shi)的冪函(han)數關系(xi)式得到振次為30時各個圍壓和固結比(bi)(bi)下的動剪應力比(bi)(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應(ying)力比(bi)與圍壓和固(gu)結應(ying)力比(bi)的關(guan)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(shang)述(shu)擬合關系(xi)式可見，密(mi)實度(du)提(ti)高(gao)(gao)后(hou)，動剪應力(li)(li)比提(ti)高(gao)(gao)，表(biao)明(ming)抗液(ye)化能(neng)力(li)(li)也提(ti)高(gao)(gao)。但(dan)即使是在低密(mi)度(du)下(xia)，其動剪應力(li)(li)比較(jiao)之同類(lei)的粉土或粉砂(sha)也大(da)出(chu)許多，表(biao)明(ming)磷(lin)石膏(gao)具(ju)有較(jiao)高(gao)(gao)的抗液(ye)化能(neng)力(li)(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作(zuo)的基礎上，首先(xian)開展了物理性質(zhi)試驗，然后開展了靜動(dong)力力學特性試驗。通過上述試驗研究(jiu)，得出如下結論(lun)：

(1)沉積磷(lin)石膏總體上(shang)屬于級(ji)配不良的(de)粉(fen)土(tu)，局部屬于粉(fen)砂一中砂，無自然(ran)分級(ji)現象。其(qi)干密度和粒(li)徑變(bian)化隨埋深或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離(li)的(de)變(bian)化不明顯。

(2)沉積(ji)磷石膏(gao)水平方向(xiang)的(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)大于垂(chui)直方向(xiang)的(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)，呈現明(ming)顯的(de)各向(xiang)異性。

(3)與土(tu)體顆(ke)粒不(bu)可(ke)壓縮(suo)不(bu)同，磷石膏的晶體結構(gou)會發生壓縮(suo)破壞，具有較大的壓縮(suo)性，其(qi)次固結變(bian)形量(liang)遠大于主固結變(bian)形量(liang)。

(4)沉積磷(lin)石膏的靜動強度較之同(tong)等密實度下的粉土、粉砂(sha)要高。