沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)石膏是磷(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)副產(chan)品，目前(qian)的(de)(de)(de)(de)綜合(he)利用率尚不(bu)足40%，大部分(fen)需要(yao)(yao)堆(dui)存存放。受地形限制和(he)經濟效益考慮，中國(guo)主要(yao)(yao)為(wei)濕法堆(dui)存的(de)(de)(de)(de)山谷型堆(dui)場。依(yi)托柳樹箐磷(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩，針對(dui)沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石膏首先開展了(le)密(mi)(mi)度(du)、含水(shui)率、滲透(tou)(tou)、土水(shui)特征和(he)顆(ke)分(fen)等(deng)物理性(xing)質試(shi)驗，然后開展了(le)三軸cu、蠕(ru)變及(ji)動(dong)三軸等(deng)力學特性(xing)試(shi)驗。試(shi)驗結果表明(ming)：①沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)與埋深沒有相關(guan)關(guan)系；②沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石膏不(bu)具(ju)有自然分(fen)級現(xian)象，但具(ju)有明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)各向異性(xing)；③沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石膏具(ju)有較高的(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)角和(he)抗液(ye)化能力，但其蠕(ru)變變形較大、滲透(tou)(tou)比降較小。上(shang)述工(gong)作為(wei)分(fen)析磷(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)壩體穩定性(xing)提供了(le)基礎，對(dui)現(xian)行磷(lin)(lin)石膏庫的(de)(de)(de)(de)運行管理以(yi)及(ji)新(xin)建工(gong)程的(de)(de)(de)(de)設計(ji)具(ju)有重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)借鑒(jian)意義。

引言

磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)是(shi)(shi)(shi)濕(shi)(shi)(shi)法(fa)(fa)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸生產過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)副產品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)產生量為(wei)7800萬噸，且呈逐年增(zeng)長的(de)(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)主要成(cheng)分(fen)(fen)是(shi)(shi)(shi)CaO和SO3，但含有一(yi)(yi)定量的(de)(de)(de)氟化物和其它放射性物質(zhi)，在中(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類(lei)一(yi)(yi)般(ban)工(gong)業固體廢物處理(li)，鑒(jian)于(yu)無害(hai)化處理(li)成(cheng)本較高(gao)，目前綜合利用率尚不(bu)足40%，故大部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)場地的(de)(de)(de)不(bu)同，可(ke)分(fen)(fen)為(wei)平(ping)地型、傍山(shan)型、山(shan)谷(gu)(gu)型和截河(he)型堆(dui)(dui)場，在中(zhong)國(guo)基本上是(shi)(shi)(shi)山(shan)谷(gu)(gu)型堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較干法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟優勢(shi)明顯，因而如地質(zhi)條件為(wei)非碳酸鹽(yan)巖地區，一(yi)(yi)般(ban)均(jun)采用濕(shi)(shi)(shi)排濕(shi)(shi)(shi)堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥(fei)工(gong)業的(de)(de)(de)快速發展，本世紀初中(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設(she)了幾座濕(shi)(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫，例(li)如云天化國(guo)際化工(gong)三環分(fen)(fen)公司的(de)(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)和富瑞(rui)分(fen)(fen)公司的(de)(de)(de)楊(yang)家箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)(ba)，這(zhe)兩座壩(ba)(ba)設(she)計壩(ba)(ba)高(gao)均(jun)超(chao)過(guo)100m、處于(yu)8度地震區，其安(an)全性備(bei)受關注。

據統計(ji)，110多年(1901年一(yi)2013年)來，全世界(jie)有118座尾礦壩曾發生過破壞或潰壩事(shi)故，原(yuan)因主(zhu)要有地(di)震、洪水漫頂、滲透破壞和基礎失(shi)(shi)穩。尾礦庫失(shi)(shi)事(shi)后會造成巨(ju)大的生態災難和人員(yuan)傷亡(wang)，近幾十年來，

國內外對(dui)金屬尾礦(kuang)的沉積規律(lv)(lv)、物(wu)理(li)力學特(te)性(xing)(xing)及(ji)其穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)開展(zhan)了(le)大量的研究(jiu)，但對(dui)于(yu)與金屬尾礦(kuang)庫(ku)相近的磷石(shi)膏庫(ku)，一般僅限于(yu)在可研階段采用人(ren)工制(zhi)備(bei)樣進行(xing)物(wu)理(li)力學性(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)，并據此(ci)進行(xing)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)分析，尚未有人(ren)針對(dui)己運(yun)行(xing)若干年的大型(xing)濕(shi)法堆(dui)存(cun)磷石(shi)膏堆(dui)積壩開展(zhan)過磷石(shi)膏沉積規律(lv)(lv)及(ji)其物(wu)理(li)力學特(te)性(xing)(xing)的專項研究(jiu)。

本文依托(tuo)柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩，首(shou)先進行了(le)鉆(zhan)探取樣，采用原(yuan)狀樣開展(zhan)了(le)密度、含(han)水率、滲(shen)透、土水特(te)(te)征和顆分等物(wu)理性(xing)質試驗，在此基(ji)礎上有針對性(xing)的(de)選擇原(yuan)狀樣開展(zhan)了(le)三軸CU、蠕變及(ji)動三軸等力學特(te)(te)性(xing)試驗。通(tong)過上述(shu)試驗研究，總(zong)結了(le)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)沉積規律、滲(shen)透特(te)(te)性(xing)、滲(shen)透破壞特(te)(te)性(xing)以(yi)及(ji)靜(jing)動力特(te)(te)性(xing)，上述(shu)研究工作對研究和評估磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積壩的(de)穩定性(xing)提供了(le)基(ji)礎數據，對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫的(de)運行管理以(yi)及(ji)新建(jian)工程的(de)設計具有重要的(de)借鑒(jian)意義。

一(yi)、依托工(gong)程概況

1.1柳樹(shu)箐(qing)磷石膏堆積(ji)壩堆存設計方案

由初期壩和堆積壩組成(cheng)，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)高約30m，采用土料填(tian)筑(zhu)。上游(you)坡面、壩(ba)(ba)(ba)底和(he)下游(you)壩(ba)(ba)(ba)腳(jiao)設置堆石排水體(ti)，三(san)者(zhe)相(xiang)連(lian)通(tong)構成整個堆積壩(ba)(ba)(ba)的主(zhu)要(yao)排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其(qi)輔(fu)助排(pai)滲(shen)措施

采用上游式筑(zhu)壩(ba)法(fa)，共20級(ji)(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采用排滲管網(wang)作(zuo)為(wei)輔助排滲方案，目(mu)前己(ji)在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)和13級(ji)(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置(zhi)了井字形排滲管網(wang)。

1.2沉(chen)積磷石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面位置(zhi)見(jian)圖l。2008年6月，堆積(ji)至5級子(zi)(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，布(bu)設了(le)9個(ge)(ge)取樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)K1～K9，取原狀樣(yang)76件；2013年5月，堆積(ji)至13級子(zi)(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，又(you)布(bu)設了(le)11個(ge)(ge)取樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)K10～K20，取原狀樣(yang)112件，為比較(jiao)子(zi)(zi)(zi)壩(ba)加高和(he)磷(lin)石膏堆積(ji)過程(cheng)中磷(lin)石膏物(wu)理(li)力學性質的變化，在2，4級子(zi)(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近(jin)各布(bu)設了(le)一個(ge)(ge)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)分(fen)別為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏尾礦(kuang)庫2005年開工建(jian)設，2006年1月投入運行，截至2013年5月己堆至13級子(zi)壩(ba)(ba)，尚有7級子(zi)壩(ba)(ba)即堆存至設計高程。鑒于磷石(shi)膏庫地形、地質條件較好(hao)，具備(bei)擴容改造的條件，以提高堆存庫容，減少堆存占地，節約土地資源。

本(ben)文(wen)(wen)主要對沉積磷石(shi)膏的物理力學特性進行了全(quan)面(mian)總結，限于篇幅，有關現狀磷石(shi)膏庫堆(dui)積壩(ba)的安全(quan)性評價及其加高可行性的研究將(jiang)另文(wen)(wen)發表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理力(li)學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出(chu)了14個鉆孔的(de)取(qu)樣(yang)深度(du)(du)(du)和(he)試驗所得干(gan)密度(du)(du)(du)的(de)關系(xi)，圖中UWL表示水(shui)(shui)位線上，(系(xi)鉆孔期間(jian)的(de)初見水(shui)(shui)位線，下同)，DWL表示水(shui)(shui)位線下。圖3給出(chu)了水(shui)(shui)位線上下的(de)飽和(he)度(du)(du)(du)分布(bu)圖。由于磷(lin)石膏中的(de)主要成分為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同溫(wen)度(du)(du)(du)和(he)烘(hong)烤時間(jian)對測定(ding)結果(guo)有一定(ding)影響，不(bu)(bu)能照搬(ban)現行的(de)土(tu)工(gong)試驗規范，本文磷(lin)石膏的(de)含(han)水(shui)(shui)率測定(ding)方法為(wei)55℃溫(wen)度(du)(du)(du)下烘(hong)培24h。

圖2沉(chen)積(ji)磷石膏干密度與埋深(shen)的關系

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

由(you)圖(tu)3，水位(wei)線上(shang)的磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)飽和(he)度(du)平均值(zhi)為50.4%，處于(yu)非飽和(he)狀態，水位(wei)線以下的磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)飽和(he)度(du)平均值(zhi)為85.0%，基(ji)本(ben)處于(yu)飽和(he)狀態，由(you)于(yu)水位(wei)下降后(hou)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)來不及(ji)排水固結，故而水位(wei)線上(shang)局部試(shi)樣的飽和(he)度(du)較高。

由圖(tu)2，水位線以(yi)上(shang)的(de)干(gan)密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值為1.30g/cm3；水位線以(yi)下(xia)的(de)干(gan)密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值為1.4g/cm3。可見磷石(shi)(shi)膏與一(yi)般的(de)尾礦有所(suo)不(bu)同，磷石(shi)(shi)膏的(de)干(gan)密(mi)度并(bing)不(bu)隨埋深(shen)的(de)增(zeng)大而明顯增(zeng)大，但水位線以(yi)下(xia)的(de)磷石(shi)(shi)膏干(gan)密(mi)度從統(tong)計意(yi)義上(shang)來(lai)看仍大于水位線以(yi)上(shang)的(de)磷石(shi)(shi)膏干(gan)密(mi)度，這(zhe)主要是由于水位線隨庫水位的(de)變化反復(fu)升降而使得磷石(shi)(shi)膏排水固結所(suo)致。

室內擊(ji)實得(de)到的(de)(de)磷石膏(gao)最大(da)干密度(du)(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從圖2可(ke)以看出(chu)，自然沉(chen)積的(de)(de)磷石膏(gao)最大(da)干密度(du)(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)(de)土(tu)骨(gu)架不可(ke)壓縮的(de)(de)理論不同(tong)，石膏(gao)本身可(ke)壓縮，同(tong)時(shi)由(you)于顆粒(li)結(jie)構(gou)不穩(wen)定，擊(ji)實試驗過程中(zhong)磷石膏(gao)結(jie)構(gou)被破壞，受(shou)夯擊(ji)處(chu)下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現(xian)(xian)了類似于橡皮土(tu)的(de)(de)現(xian)(xian)象。而在(zai)現(xian)(xian)場條件下(xia)，石膏(gao)骨(gu)架被破壞后，會導致(zhi)顆粒(li)中(zhong)的(de)(de)結(jie)合水滲(shen)出(chu)至(zhi)孔隙內，變成孔隙水，排(pai)水固結(jie)后會使得(de)磷石膏(gao)的(de)(de)孔隙比減小，干密度(du)(du)增大(da)。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位于2級(ji)子壩(ba)河床部位)以(yi)及相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位于4級(ji)子壩(ba)河床部位)干(gan)密度(du)的(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即使(shi)從統計意義上(shang)來看，磷(lin)石膏的(de)干(gan)密度(du)也(ye)并未隨(sui)后續磷(lin)石膏的(de)堆積而有較為(wei)明顯的(de)增(zeng)大(da)。

(2)級配分布

顆粒分(fen)析試(shi)驗采用密度計法(fa)，制(zhi)備懸液時(shi)不煮沸，不加六(liu)偏磷酸鈉。圖5給出了試(shi)驗得到的級(ji)配包線、平均(jun)粒徑d50、不均(jun)勻系(xi)數(1u和曲率系(xi)數Cc的分(fen)布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏(gao)的粒徑主要分布在(zai)0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬于粉土(tu)，但(dan)可(ke)能由于礦(kuang)石來(lai)源或生(sheng)產工藝有所不同(tong)，局(ju)部屬于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分布范圍比(bi)Blight和(he)張超等(deng)的試驗結果要寬一些。

圖4子(zi)壩加高(gao)后沉積(ji)磷石膏的干密度(du)變化

圖5沉積磷石膏(gao)的平(ping)均粒(li)徑和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論(lun)是(shi)(shi)水平向(xiang)還是(shi)(shi)垂直(zhi)向(xiang)，磷石膏(gao)與(yu)金屬礦山尾礦的(de)(de)“前(qian)粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的(de)(de)自然分級(ji)現象不同，也即粗(cu)顆粒(li)(li)并不是(shi)(shi)沿(yan)埋深逐步減小(xiao)或距(ju)離放(fang)漿口(kou)越遠(yuan)顆粒(li)(li)越細，其(qi)原(yuan)因如下：①磷石膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑(jing)組成較(jiao)為集中、均勻，主(zhu)要以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級(ji)配較(jiao)差；②相比(bi)(bi)(bi)較(jiao)金屬尾礦，磷石膏(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重較(jiao)小(xiao)，磷石膏(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重一般為2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金屬尾礦的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重，例如鐵(tie)尾礦的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重可(ke)達2.9；③放(fang)漿口(kou)隨子壩高(gao)度不斷增加(jia)而不斷變動并向(xiang)庫(ku)尾延伸，造成沉積磷石膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑(jing)變化(hua)不明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不均勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為(wei)1.21，在統計的100多個試樣中(zhong)，屬于級配(pei)不良土的占93%。這種級配(pei)特性決定了磷石膏具有較(jiao)高(gao)的壓(ya)縮性、滲(shen)透破壞(huai)(huai)型式表現為(wei)流土破壞(huai)(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主(zhu)要因素是(shi)粒徑大小(xiao)(xiao)、級配和孔隙(xi)比，因而磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)(yu)粉(fen)土較(jiao)(jiao)為接(jie)近(jin)。由于(yu)(yu)孔隙(xi)比e減(jian)小(xiao)(xiao)，使(shi)(shi)得過水(shui)通道面積減(jian)小(xiao)(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減(jian)小(xiao)(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給出了二者間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線，由于(yu)(yu)沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)(jiao)大，使(shi)(shi)得沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化范圍較(jiao)(jiao)大(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二者問的(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差。

圖6沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏滲(shen)透(tou)系數與孔隙比的關系

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

圖(tu)7給出了水(shui)(shui)平(ping)(ping)與(yu)垂(chui)直向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)比值的分(fen)布。沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)膏的水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)kh一般(ban)大(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)的滲(shen)透(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均(jun)值約為(wei)2.86，這一點與(yu)成(cheng)層分(fen)布的金屬尾礦規律(lv)一致(zhi)。造成(cheng)沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)大(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)的原因是由(you)于(yu)磷(lin)(lin)石(shi)膏具有明顯(xian)的晶體結構，電鏡(jing)掃描顯(xian)示多為(wei)菱(ling)形(xing)和棱柱狀(zhuang)形(xing)式(見(jian)圖(tu)8)，在沉(chen)(chen)積過(guo)程中，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)(lin)石(shi)膏顆粒多呈水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)性(xing)大(da)于(yu)垂(chui)直方(fang)向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從而使(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏呈現明顯(xian)的各(ge)向(xiang)異性(xing)。

另(ling)根據(ju)中國有色金(jin)屬工業昆明勘察(cha)設(she)計研究院在楊家(jia)箐磷石膏堆積壩開展的現場滲(shen)透(tou)試(shi)(shi)驗，kh/kv的平均(jun)值約(yue)為1.9。但(dan)張超等的室內試(shi)(shi)驗顯示，kh/kv的平均(jun)值約(yue)為0.46，也(ye)即垂直向滲(shen)透(tou)系數大(da)于水平向滲(shen)透(tou)系數，與本(ben)文(wen)和現場試(shi)(shi)驗結果恰恰相反。從磷石膏的微觀結構來看，本(ben)文(wen)試(shi)(shi)驗結果更為合理。

圖7沉積磷石膏干密度(du)與水平和垂(chui)直(zhi)滲透系數(shu)比值(zhi)的關系

(2)滲透變形

圖(tu)9為磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密度為1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)力梯度J與流速V的(de)(de)(de)關系曲線，試驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平管(guan)涌儀中采用水(shui)(shui)平方向的(de)(de)(de)滲(shen)流形(xing)式進行(xing)。試驗(yan)得(de)到的(de)(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡降(jiang)Jp=0.375。一般來說，對1，2級(ji)工程(cheng)，滲(shen)透安全(quan)(quan)系數取為2.5，則(ze)允許出逸(yi)坡降(jiang)為0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以(yi)下工程(cheng)，滲(shen)透安全(quan)(quan)系數取2.0，則(ze)允許出逸(yi)坡降(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允許比(bi)降(jiang)與粉土一粉砂大(da)致相同(tong)。但(dan)(dan)上述滲(shen)透變形(xing)試驗(yan)是(shi)采用自(zi)來水(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)(de)，自(zi)來水(shui)(shui)對磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)有一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)溶蝕作(zuo)用，而實際上磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中殘余磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一般小(xiao)于(yu)3(稱之為酸(suan)性(xing)水(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用下，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不會發生破(po)壞，上述試驗(yan)結果是(shi)偏于(yu)保守的(de)(de)(de)，但(dan)(dan)對非酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)條件(例如特(te)大(da)暴雨)下的(de)(de)(de)滲(shen)透穩定(ding)(ding)判斷有一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)借鑒(jian)意義。

圖9水力梯度J-流(liu)速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在5Bar的壓(ya)力(li)板儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含(han)水(shui)率(lv)特征值(zhi)，試(shi)驗曲線(xian)見圖10所示。

試驗結果表明：①干(gan)密(mi)度(du)對進氣(qi)值(zhi)沒有明顯的(de)影響，不(bu)同(tong)干(gan)密(mi)度(du)的(de)試樣(yang)的(de)進氣(qi)值(zhi)大致在10kPa左(zuo)右；②土(tu)樣(yang)殘余含(han)水(shui)率隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)加而減少，殘余含(han)水(shui)率約為(wei)飽(bao)和含(han)水(shui)率的(de)10%。上(shang)述(shu)特性與粉土(tu)一粉砂基(ji)本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)密(mi)(mi)度(du)(du)變化較(jiao)大(da)，而(er)進(jin)行(xing)三(san)軸試驗需(xu)要若干(gan)原狀樣，為(wei)使試驗結(jie)果(guo)具有較(jiao)好的(de)一致性，有針對(dui)性的(de)選擇平均干(gan)密(mi)(mi)度(du)(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)若干(gan)試樣，進(jin)行(xing)了5組三(san)軸CU試驗。圖(tu)11是為(wei)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試驗曲線。

從圖11可以(yi)看出，磷石(shi)膏的(de)應力應變關系曲線在(zai)(zai)低圍(wei)壓下(xia)(xia)表(biao)現為(wei)軟化型(xing)，在(zai)(zai)高圍(wei)壓下(xia)(xia)表(biao)現為(wei)硬化型(xing)，與(yu)(yu)一般土類相似。但與(yu)(yu)一般粉土一粉砂(sha)不同的(de)是(shi)，即使在(zai)(zai)較為(wei)疏松的(de)狀態下(xia)(xia)，磷石(shi)膏仍表(biao)現了較為(wei)強烈(lie)的(de)剪脹，隨密實度(du)增大(da)，剪脹作用愈發(fa)明顯(xian)。

表2給出了不同干密(mi)(mi)度(du)下的內摩(mo)擦(ca)(ca)角，圖12給出了內摩(mo)擦(ca)(ca)角與干密(mi)(mi)度(du)的關系(xi)曲線(xian)(xian)。隨干密(mi)(mi)度(du)的增(zeng)大，內摩(mo)擦(ca)(ca)角也(ye)隨之增(zeng)大，且可(ke)采用(yong)冪(mi)函(han)數較(jiao)好地擬合。磷(lin)(lin)石膏(gao)的干密(mi)(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了32%，總應力摩(mo)擦(ca)(ca)角由34.1°增(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬合曲線(xian)(xian)求得)，增(zeng)幅為(wei)9.4%，有效應力摩(mo)擦(ca)(ca)角由37.6°增(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)幅為(wei)3.2%，由于隨圍壓的增(zeng)大，孔壓也(ye)明(ming)顯增(zeng)大，故有效摩(mo)擦(ca)(ca)角增(zeng)幅較(jiao)之總應力摩(mo)擦(ca)(ca)角要小。另外較(jiao)之于干密(mi)(mi)度(du)增(zeng)幅，摩(mo)擦(ca)(ca)角的增(zeng)幅并不顯著，表明(ming)即(ji)使較(jiao)為(wei)疏松的磷(lin)(lin)石膏(gao)仍具(ju)有較(jiao)高的強度(du)指標，這也(ye)表明(ming)磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積壩的穩(wen)定性較(jiao)高。

(2)蠕變(次(ci)固結)變形試驗

磷石膏的蠕變變形試(shi)(shi)(shi)驗在側(ce)限壓縮儀中進行，試(shi)(shi)(shi)驗狀(zhuang)態相當(dang)于(yu)K0固結。試(shi)(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)(shi)樣飽(bao)和后分(fen)別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)(shi)驗，

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

從圖13中可以(yi)看出(chu)：上(shang)覆(fu)荷載(zai)越大，磷石膏(gao)的(de)蠕變(bian)變(bian)形也越大，荷載(zai)施加(jia)1年后，磷石膏(gao)的(de)蠕變(bian)變(bian)形仍(reng)非常(chang)顯著，尚未達(da)到(dao)(dao)穩定(ding)狀態(tai)，這也是(shi)磷石膏(gao)堆積壩(ba)后期變(bian)形較大的(de)原(yuan)因，原(yuan)型觀測(ce)資料表明，在5級子壩(ba)河(he)床(chuang)部(bu)位(wei)的(de)表面沉降量已經達(da)到(dao)(dao)3.1m，且(qie)尚未完全(quan)穩定(ding)。

按時間對(dui)數(shu)法，可求得(de)各(ge)級荷(he)載下的(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)量如表(biao)3所示。試(shi)驗結(jie)果表(biao)明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷(he)載作用下，在(zai)(zai)試(shi)驗時間范圍(wei)內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)是(shi)(shi)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由于(yu)(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)尚未完成，實際(ji)的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)應更大。對(dui)土(tu)體(ti)(ti)而言(yan)(yan)，發(fa)生(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是(shi)(shi)由于(yu)(yu)(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)完成之后(hou)，土(tu)體(ti)(ti)中(zhong)仍(reng)有微小的(de)超靜(jing)孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅(qu)使水(shui)在(zai)(zai)顆粒(li)問流(liu)動，一般來講土(tu)體(ti)(ti)的(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)遠(yuan)小于(yu)(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)；對(dui)磷石(shi)膏(gao)(gao)而言(yan)(yan)，其滲透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠(yuan)大于(yu)(yu)(yu)黏性土(tu)，但其卻(que)發(fa)生(sheng)了極為顯著(zhu)的(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)，其原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)(yu)(yu)磷石(shi)膏(gao)(gao)晶體(ti)(ti)結(jie)構發(fa)生(sheng)了壓縮、破(po)壞，接觸點晶格(ge)發(fa)生(sheng)歪(wai)曲和(he)變(bian)(bian)(bian)形(xing)，而破(po)壞后(hou)晶格(ge)之間的(de)重新(xin)排列、調整到最后(hou)趨(qu)于(yu)(yu)(yu)相對(dui)靜(jing)止(zhi)需要相當(dang)長的(de)時間才(cai)能完成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采用英國GDS公(gong)司進口的電機控制(zhi)動三(san)軸試(shi)驗系統(tong)，試(shi)樣(yang)直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由于自(zi)然沉積(ji)的(de)磷石(shi)膏(gao)密度變化較大(da)，為此根據(ju)物理性(xing)質(zhi)試驗結果(guo)，選擇兩種平均干密度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。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪切模量G、阻尼比與(yu)剪應變幅值γd的(de)關系式如下：

式中(zhong)k1為(wei)參(can)數，表(biao)示動(dong)剪切(qie)模(mo)量(liang)的衰減或阻尼比的增長速率；λmax為(wei)最(zui)大阻尼比；Gmax，γd分別(bie)為(wei)最(zui)大動(dong)剪切(qie)模(mo)量(liang)和歸一化的動(dong)剪應變，表(biao)示為(wei)

式中k2,n為(wei)參(can)數(shu)；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標(biao)準大氣(qi)壓；vd為(wei)動(dong)泊松(song)比；εa為(wei)歸一化的動(dong)應變(bian)，表達為(wei)

圖14給(gei)出(chu)了動剪切模量(liang)、阻尼比與歸(gui)一化(hua)動應變的(de)關系曲線，另外(wai)圖中(zhong)還(huan)給(gei)出(chu)了式(1)的(de)擬合(he)曲線以及Seed等給(gei)出(chu)的(de)砂樣的(de)上(shang)下邊界線，圖例中(zhong)，σ2表(biao)示(shi)圍壓，Kc表(biao)示(shi)固結應力(li)比。

從圖中(zhong)可(ke)以看(kan)出：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描述磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)動(dong)應(ying)力(li)(li)(li)-動(dong)應(ying)變(bian)試(shi)驗曲線(xian)(xian)，表(biao)明(ming)采用等(deng)(deng)價(jia)黏彈(dan)性(xing)模型(xing)進行(xing)(xing)循環荷載作用下的(de)(de)(de)(de)分析是可(ke)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)干(gan)密度(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)位(wei)于(yu)(yu)干(gan)密度(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)上(shang)方(fang)，圖14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)(yu)下方(fang)，表(biao)明(ming)密度(du)越(yue)大，動(dong)彈(dan)模越(yue)大、阻尼比越(yue)小(xiao)；③圖14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)(yu)Seed等(deng)(deng)給出的(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)(xian)上(shang)方(fang)，而圖14(b)中(zhong)則(ze)基本(ben)處于(yu)(yu)邊界線(xian)(xian)中(zhong)間，表(biao)明(ming)相比較(jiao)(jiao)砂樣，磷石(shi)(shi)膏動(dong)彈(dan)模較(jiao)(jiao)大，會(hui)(hui)導致磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)(li)反應(ying)較(jiao)(jiao)大，但由于(yu)(yu)阻尼比也較(jiao)(jiao)大，這樣又(you)會(hui)(hui)削弱壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)(li)反應(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)(li)反應(ying)將不(bu)會(hui)(hui)過(guo)于(yu)(yu)強烈，這對磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩(liang)種平均干密度為1.12(變化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞標(biao)準(zhun)為總應變達到10%。

圖15給出了動剪(jian)應力(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)(de)關(guan)系(xi)曲線(xian)圖，其中σ0為(wei)(wei)振前試樣45°面上的(de)(de)有效法向應力(li)，表達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結比(bi)。從試驗結果(guo)可以(yi)看(kan)出，沉積磷石膏的(de)(de)動強度(du)與其它土體相似，表現(xian)為(wei)(wei)圍壓和固結應力(li)比(bi)與動剪(jian)應力(li)比(bi)呈(cheng)負相關(guan)關(guan)系(xi)。

為判別沉積磷石膏的抗液(ye)化能力，假定抗震(zhen)設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所(suo)示(shi)的(de)冪函數關(guan)系式得到振次為30時各(ge)個圍(wei)壓(ya)和(he)固結比下的(de)動(dong)剪應力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求(qiu)得(de)動剪應力比與(yu)圍壓和固結應力比的(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(ni)合關系式可(ke)見，密(mi)實度提高后(hou)，動(dong)剪應(ying)力比(bi)提高，表明抗(kang)液化能力也提高。但即使是在低密(mi)度下，其動(dong)剪應(ying)力比(bi)較之同類的(de)(de)粉土或粉砂也大出(chu)許多，表明磷石膏具有較高的(de)(de)抗(kang)液化能力。

三、結(jie)論

依托柳樹(shu)箐(qing)磷石膏堆積壩(ba)，在鉆(zhan)探取樣工(gong)作的基礎上(shang)(shang)，首先開(kai)展(zhan)(zhan)了物理性質(zhi)試(shi)驗，然后(hou)開(kai)展(zhan)(zhan)了靜動力力學特性試(shi)驗。通過(guo)上(shang)(shang)述(shu)試(shi)驗研究，得出如下結(jie)論：

(1)沉積磷石膏總體上屬于級(ji)(ji)配不(bu)(bu)良的(de)粉土(tu)，局(ju)部屬于粉砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級(ji)(ji)現象。其干密度和(he)粒徑變化隨埋深或距放漿口(kou)距離的(de)變化不(bu)(bu)明(ming)顯(xian)。

(2)沉積磷(lin)石膏水平方向的(de)滲透系(xi)數(shu)大于垂直(zhi)方向的(de)滲透系(xi)數(shu)，呈現明顯的(de)各向異性。

(3)與土體顆粒不可壓縮不同，磷石膏的(de)晶(jing)體結構會(hui)發生壓縮破壞，具有較大(da)的(de)壓縮性，其次固(gu)(gu)結變(bian)形(xing)量(liang)遠大(da)于主固(gu)(gu)結變(bian)形(xing)量(liang)。

(4)沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)靜動強度較(jiao)之同等密實度下的(de)粉(fen)土(tu)、粉(fen)砂(sha)要高(gao)。