沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是磷(lin)(lin)酸(suan)生(sheng)產過程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)副(fu)產品，目前的(de)(de)(de)(de)綜合利(li)用率尚不足40%，大(da)部(bu)分(fen)需要(yao)(yao)堆(dui)存存放。受地(di)形限制和經濟效益考慮，中國(guo)主要(yao)(yao)為濕法堆(dui)存的(de)(de)(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩，針(zhen)對沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)首先開(kai)展(zhan)了(le)(le)密度、含水率、滲透(tou)、土水特(te)征和顆分(fen)等物(wu)理(li)性(xing)質試(shi)驗，然(ran)(ran)后開(kai)展(zhan)了(le)(le)三(san)(san)軸(zhou)cu、蠕(ru)變及動三(san)(san)軸(zhou)等力學特(te)性(xing)試(shi)驗。試(shi)驗結果表明(ming)：①沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)干密度與(yu)埋深沒有(you)(you)相關關系；②沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)不具(ju)有(you)(you)自然(ran)(ran)分(fen)級現象，但具(ju)有(you)(you)明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)各向異(yi)性(xing)；③沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有(you)(you)較高的(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)角和抗液化(hua)能(neng)力，但其蠕(ru)變變形較大(da)、滲透(tou)比降較小。上述工(gong)作為分(fen)析磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)(de)壩體穩定(ding)性(xing)提供了(le)(le)基礎，對現行磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)(de)(de)(de)運行管理(li)以(yi)及新(xin)建工(gong)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)設計具(ju)有(you)(you)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)借鑒意(yi)義(yi)。

引(yin)言

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是濕(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)酸生產(chan)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)副產(chan)品，2018年，全國(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)生量為7800萬噸，且呈逐年增(zeng)長的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)主要成分是CaO和(he)SO3，但含(han)有(you)一定量的(de)氟化(hua)物(wu)和(he)其它(ta)放射性(xing)物(wu)質，在中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)(guo)通常按(an)Ⅱ類一般工業(ye)固體廢物(wu)處(chu)理(li)，鑒于(yu)無害化(hua)處(chu)理(li)成本(ben)(ben)較(jiao)高，目前綜合(he)利用率尚不(bu)足40%，故大(da)部分磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)場(chang)地的(de)不(bu)同，可分為平地型(xing)、傍(bang)山型(xing)、山谷(gu)型(xing)和(he)截河(he)型(xing)堆(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)(guo)基本(ben)(ben)上是山谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)場(chang)。相比(bi)較(jiao)干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)經濟(ji)優(you)勢明(ming)顯，因(yin)而(er)如(ru)地質條件(jian)為非碳酸鹽(yan)巖地區(qu)(qu)，一般均(jun)采用濕(shi)排(pai)濕(shi)堆(dui)(dui)方式。隨(sui)著中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥工業(ye)的(de)快速發展，本(ben)(ben)世紀(ji)初(chu)中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)(guo)相繼建(jian)設(she)了(le)幾座(zuo)濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)的(de)大(da)型(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)(ku)，例如(ru)云(yun)天化(hua)國(guo)(guo)際化(hua)工三環分公司(si)的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)積壩和(he)富瑞分公司(si)的(de)楊家(jia)箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)積壩，這兩(liang)座(zuo)壩設(she)計壩高均(jun)超過(guo)100m、處(chu)于(yu)8度(du)地震區(qu)(qu)，其安全性(xing)備(bei)受關注。

據統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一(yi)2013年(nian)(nian))來，全世界(jie)有118座尾礦(kuang)壩(ba)曾發生(sheng)過(guo)破(po)壞(huai)或潰壩(ba)事故，原因主要有地震、洪(hong)水漫頂、滲(shen)透破(po)壞(huai)和基礎失穩(wen)。尾礦(kuang)庫失事后會(hui)造成巨大的生(sheng)態災(zai)難(nan)和人(ren)員傷亡，近幾十年(nian)(nian)來，

國內外對(dui)(dui)金屬尾礦的沉積(ji)規律(lv)、物理(li)力學特(te)(te)性(xing)及其穩定(ding)性(xing)開展了大量的研究，但(dan)對(dui)(dui)于與金屬尾礦庫相近的磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫，一(yi)般僅限于在可研階段采(cai)用人(ren)工制備樣進行物理(li)力學性(xing)質試驗，并(bing)據此進行穩定(ding)性(xing)分析(xi)，尚(shang)未(wei)有人(ren)針對(dui)(dui)己運行若干年的大型濕法(fa)堆存磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積(ji)壩開展過磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)沉積(ji)規律(lv)及其物理(li)力學特(te)(te)性(xing)的專項研究。

本文依托柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩，首先(xian)進行了(le)鉆探取(qu)樣(yang)，采(cai)用原狀樣(yang)開展(zhan)了(le)密度、含(han)水率、滲(shen)(shen)透、土水特(te)征和顆分等物理(li)性(xing)(xing)質(zhi)試驗，在此(ci)基礎上有(you)針對性(xing)(xing)的選擇原狀樣(yang)開展(zhan)了(le)三軸(zhou)(zhou)CU、蠕變及(ji)動(dong)三軸(zhou)(zhou)等力學特(te)性(xing)(xing)試驗。通過上述試驗研(yan)究，總結了(le)磷(lin)石膏的沉積規(gui)律、滲(shen)(shen)透特(te)性(xing)(xing)、滲(shen)(shen)透破壞特(te)性(xing)(xing)以及(ji)靜動(dong)力特(te)性(xing)(xing)，上述研(yan)究工(gong)作對研(yan)究和評估磷(lin)石膏庫堆積壩的穩定性(xing)(xing)提供了(le)基礎數據，對現行磷(lin)石膏庫的運行管(guan)理(li)以及(ji)新建工(gong)程的設計具(ju)有(you)重要的借鑒意義(yi)。

一、依托工程(cheng)概況(kuang)

1.1柳樹(shu)箐磷石膏堆(dui)積壩(ba)堆(dui)存設計方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組(zu)成，設計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用土料填筑(zhu)。上(shang)游坡面、壩(ba)(ba)底和下(xia)游壩(ba)(ba)腳設置堆石排(pai)水(shui)體(ti)，三者(zhe)相連通構成整個堆積壩(ba)(ba)的主(zhu)要排(pai)滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其輔(fu)助(zhu)排滲措施

采用上游式筑壩(ba)(ba)(ba)(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度(du)5m，堆積高(gao)度(du)約100m。采用排(pai)(pai)滲(shen)管網作為輔助排(pai)(pai)滲(shen)方案(an)，目前己(ji)在(zai)5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)(ba)和13級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)(ba)前120m范圍內設置了井(jing)字形排(pai)(pai)滲(shen)管網。

1.2沉(chen)積磷石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔平面位置(zhi)見(jian)圖l。2008年6月，堆積(ji)(ji)至(zhi)5級子壩(ba)(ba)時(shi)，布(bu)設了9個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編(bian)號K1～K9，取(qu)原狀(zhuang)樣(yang)76件；2013年5月，堆積(ji)(ji)至(zhi)13級子壩(ba)(ba)時(shi)，又布(bu)設了11個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編(bian)號K10～K20，取(qu)原狀(zhuang)樣(yang)112件，為比較子壩(ba)(ba)加高和磷石膏堆積(ji)(ji)過程中磷石膏物理力學性質的變化(hua)，在2，4級子壩(ba)(ba)K2孔和K6孔附近各布(bu)設了一個鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編(bian)號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷石膏(gao)尾礦庫2005年開工建設(she)，2006年1月(yue)投(tou)入運行，截(jie)至2013年5月(yue)己堆(dui)(dui)至13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆(dui)(dui)存至設(she)計(ji)高程。鑒(jian)于(yu)磷石膏(gao)庫地形、地質條件較好(hao)，具備(bei)擴容(rong)改造的條件，以提高堆(dui)(dui)存庫容(rong)，減少堆(dui)(dui)存占地，節約土(tu)地資源。

本文主(zhu)要對沉積(ji)磷石(shi)(shi)膏的(de)物理(li)力學特性進行(xing)了全面(mian)總結，限于篇幅，有關現(xian)狀(zhuang)磷石(shi)(shi)膏庫(ku)堆積(ji)壩的(de)安(an)全性評價及其加高可行(xing)性的(de)研究將另文發表。

二、沉積磷石(shi)膏的(de)物理(li)力(li)學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給(gei)出了14個鉆孔(kong)的(de)(de)(de)取樣深度和試驗所得干密度的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)，圖中UWL表(biao)示水(shui)位線上(shang)，(系(xi)鉆孔(kong)期間(jian)的(de)(de)(de)初見水(shui)位線，下(xia)同)，DWL表(biao)示水(shui)位線下(xia)。圖3給(gei)出了水(shui)位線上(shang)下(xia)的(de)(de)(de)飽和度分(fen)(fen)布圖。由于(yu)磷石膏中的(de)(de)(de)主要成分(fen)(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不同溫度和烘烤(kao)時間(jian)對測定結果有一定影響(xiang)，不能照搬現(xian)行的(de)(de)(de)土(tu)工試驗規范，本文磷石膏的(de)(de)(de)含(han)水(shui)率測定方(fang)法為(wei)55℃溫度下(xia)烘培24h。

圖2沉積(ji)磷石膏干密(mi)度與埋深的關系

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

由圖3，水位線上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)飽(bao)和度(du)平均(jun)值(zhi)為50.4%，處(chu)于非(fei)飽(bao)和狀(zhuang)態(tai)，水位線以(yi)下的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)飽(bao)和度(du)平均(jun)值(zhi)為85.0%，基(ji)本處(chu)于飽(bao)和狀(zhuang)態(tai)，由于水位下降后磷(lin)石(shi)膏(gao)來(lai)不及排水固結，故(gu)而水位線上(shang)局(ju)部試樣的(de)飽(bao)和度(du)較高。

由(you)(you)圖(tu)2，水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均值為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏與(yu)一般的(de)(de)(de)尾礦(kuang)有(you)所不同，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)并不隨埋深的(de)(de)(de)增大(da)而(er)明顯增大(da)，但(dan)水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)從統計(ji)意義上來看仍大(da)于(yu)水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干密(mi)(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)，這主要(yao)是由(you)(you)于(yu)水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)(xian)隨庫水(shui)(shui)(shui)位的(de)(de)(de)變化(hua)反復升降而(er)使得磷(lin)石(shi)膏排(pai)水(shui)(shui)(shui)固結所致。

室內(nei)擊實得到的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)度一般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從(cong)圖2可以看出，自(zi)然沉積的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)度可達(da)到1.73g/cm3，原(yuan)因如下：與經典(dian)的(de)(de)土骨架(jia)不(bu)可壓縮的(de)(de)理論不(bu)同(tong)，石(shi)膏(gao)(gao)本身可壓縮，同(tong)時由(you)于顆粒結構不(bu)穩定，擊實試驗過程中磷石(shi)膏(gao)(gao)結構被破(po)壞(huai)，受夯擊處下陷，四周鼓(gu)起(qi)，出現了類似于橡(xiang)皮土的(de)(de)現象。而(er)在(zai)現場條件下，石(shi)膏(gao)(gao)骨架(jia)被破(po)壞(huai)后(hou)，會導致顆粒中的(de)(de)結合水(shui)滲(shen)出至孔隙內(nei)，變成孔隙水(shui)，排水(shui)固結后(hou)會使得磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)孔隙比減(jian)小，干(gan)密(mi)度增大。

圖4給出了相鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位于2級(ji)子壩河(he)床部位)以及相鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位于4級(ji)子壩河(he)床部位)干密度(du)(du)的(de)對比(bi)圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)干密度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)干密度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)干密度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)干密度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見(jian)，即使從統計意義上來(lai)看，磷石膏的(de)干密度(du)(du)也并未隨后續磷石膏的(de)堆積而有較為(wei)明顯的(de)增(zeng)大。

(2)級配分布

顆(ke)粒分(fen)析試驗采用密度(du)計(ji)法，制(zhi)備懸液時不(bu)(bu)煮沸(fei)，不(bu)(bu)加(jia)六偏磷酸鈉(na)。圖(tu)(tu)5給出了試驗得到的級配包(bao)線、平均(jun)粒徑d50、不(bu)(bu)均(jun)勻系數(1u和曲率系數Cc的分(fen)布(bu)圖(tu)(tu)。

從圖5(a)可見，磷(lin)石(shi)膏的粒(li)徑主(zhu)要(yao)分(fen)布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于粉(fen)(fen)土，但可能由于礦石(shi)來源或生產工藝有(you)所(suo)不同，局部屬(shu)于粉(fen)(fen)砂～中砂。粒(li)徑分(fen)布(bu)范(fan)圍比Blight和(he)張超等的試驗結(jie)果要(yao)寬一些。

圖4子壩加高后沉積磷石膏的干密(mi)度變化

圖(tu)5沉積磷石膏(gao)的平均粒徑和級配分(fen)布

由圖5(b)和(he)5(c)，無論是(shi)(shi)水平向還是(shi)(shi)垂(chui)直向，磷石(shi)(shi)膏(gao)與(yu)金(jin)屬(shu)(shu)礦(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)“前(qian)粗(cu)后(hou)細，上粗(cu)下(xia)細”的(de)(de)自然分級(ji)(ji)現象(xiang)不(bu)同(tong)，也即粗(cu)顆粒(li)并不(bu)是(shi)(shi)沿(yan)埋深逐步減(jian)小(xiao)或距離(li)放漿口(kou)越遠顆粒(li)越細，其原因如下(xia)：①磷石(shi)(shi)膏(gao)顆粒(li)粒(li)徑(jing)組成(cheng)較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)集中、均勻，主要以(yi)粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)(wei)主，級(ji)(ji)配較(jiao)(jiao)差；②相比較(jiao)(jiao)金(jin)屬(shu)(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比重較(jiao)(jiao)小(xiao)，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比重一般為(wei)(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬(shu)(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比重，例如鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比重可(ke)達2.9；③放漿口(kou)隨(sui)子壩高度不(bu)斷增加(jia)而不(bu)斷變(bian)動并向庫尾(wei)延伸(shen)，造(zao)成(cheng)沉(chen)積磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)徑(jing)變(bian)化不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均勻系數Cu范圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)(zhi)為(wei)1.21，在統計的100多個試(shi)樣中，屬于級配不良土的占(zhan)93%。這種級配特性決定了磷石膏具有較高的壓縮性、滲(shen)透破(po)壞(huai)型式(shi)表現(xian)為(wei)流土破(po)壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)主要因(yin)素是粒徑大小(xiao)、級配和(he)孔隙比，因(yin)而磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)與(yu)粉(fen)土較為(wei)接近(jin)。由(you)于孔隙比e減(jian)小(xiao)，使(shi)得過(guo)水(shui)通道(dao)面積(ji)減(jian)小(xiao)，滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k也(ye)將減(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認為(wei)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較好(hao)，圖6給出了二(er)者(zhe)間(jian)的(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)曲(qu)線，由(you)于沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)變化(hua)較大，使(shi)得沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)變化(hua)范圍較大(平(ping)均值為(wei)10-4cm/s數(shu)量級)，二(er)者(zhe)問的(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較差。

圖6沉積磷石膏滲透系(xi)數(shu)與孔隙比的關系(xi)

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

圖7給出了水平(ping)與(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)比值(zhi)的(de)分(fen)布(bu)。沉積磷(lin)石膏的(de)水平(ping)向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kh一般大(da)于垂(chui)直(zhi)(zhi)向的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)均(jun)值(zhi)約為(wei)2.86，這一點與(yu)(yu)成(cheng)層分(fen)布(bu)的(de)金屬尾礦規(gui)律一致。造成(cheng)沉積磷(lin)石膏水平(ping)向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)大(da)于垂(chui)直(zhi)(zhi)向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的(de)原(yuan)因是由(you)于磷(lin)石膏具有明顯(xian)的(de)晶體結構(gou)，電鏡掃(sao)描顯(xian)示多(duo)為(wei)菱(ling)形(xing)和(he)棱柱狀形(xing)式(見圖8)，在(zai)沉積過程中(zhong)，由(you)于扁平(ping)狀磷(lin)石膏顆粒多(duo)呈(cheng)水平(ping)排列(lie)，使得水平(ping)方向的(de)透(tou)水性(xing)大(da)于垂(chui)直(zhi)(zhi)方向的(de)透(tou)水性(xing)，從而(er)使磷(lin)石膏呈(cheng)現明顯(xian)的(de)各向異(yi)性(xing)。

另(ling)根據中國有色金(jin)屬(shu)工(gong)業(ye)昆明勘察設(she)計研究院在楊家箐磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩開展的現(xian)場滲透試(shi)(shi)(shi)驗(yan)，kh/kv的平均值約為1.9。但(dan)張超(chao)等的室(shi)內(nei)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的平均值約為0.46，也(ye)即垂直向滲透系(xi)數(shu)大于水(shui)平向滲透系(xi)數(shu)，與本文和現(xian)場試(shi)(shi)(shi)驗(yan)結果恰(qia)恰(qia)相反(fan)。從(cong)磷石膏(gao)的微觀結構來看，本文試(shi)(shi)(shi)驗(yan)結果更為合理。

圖(tu)7沉積磷石膏干密度與水平和垂(chui)直滲透系數(shu)比值的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)磷石膏(gao)干(gan)密度(du)為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力(li)梯度(du)J與流速V的(de)(de)(de)關系(xi)曲(qu)線，試驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)平管涌儀(yi)中采(cai)(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平方向的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)流形(xing)式(shi)進行。試驗(yan)得到(dao)的(de)(de)(de)臨界(jie)坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說(shuo)，對1，2級工程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)數取為(wei)(wei)2.5，則允許出(chu)逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)(xia)工程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)數取2.0，則允許出(chu)逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)(jiang)與粉(fen)土一粉(fen)砂大致相同。但上述滲(shen)(shen)透變形(xing)試驗(yan)是(shi)采(cai)(cai)用(yong)自來(lai)水(shui)(shui)(shui)進行的(de)(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)對磷石膏(gao)具有(you)一定的(de)(de)(de)溶蝕(shi)作用(yong)，而實際上磷石膏(gao)中殘余磷、硫(liu)和氟(fu)酸，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一般小(xiao)于(yu)3(稱(cheng)之為(wei)(wei)酸性(xing)水(shui)(shui)(shui))，在酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下(xia)(xia)，磷石膏(gao)不會發生破壞(huai)，上述試驗(yan)結果是(shi)偏于(yu)保守的(de)(de)(de)，但對非酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大暴(bao)雨)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透穩(wen)定判斷有(you)一定的(de)(de)(de)借(jie)鑒意義。

圖9水力梯度(du)J-流速v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在(zai)5Bar的(de)壓力板儀(yi)中進行，環刀(dao)尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了(le)含(han)水率特征值(zhi)，試驗曲線見圖10所示(shi)。

試驗結果表明(ming)：①干密度(du)(du)(du)對(dui)進氣值(zhi)沒有(you)明(ming)顯的(de)影響，不同干密度(du)(du)(du)的(de)試樣的(de)進氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土(tu)樣殘余(yu)含水率(lv)隨干密度(du)(du)(du)的(de)增加而減少(shao)，殘余(yu)含水率(lv)約為飽(bao)和含水率(lv)的(de)10%。上述特性(xing)與粉土(tu)一粉砂(sha)基本(ben)一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于(yu)沉(chen)積磷石膏的(de)(de)密度變化較(jiao)大(da)，而(er)進(jin)行三(san)(san)軸(zhou)試(shi)(shi)驗需要若干原狀樣(yang)，為(wei)(wei)(wei)使(shi)試(shi)(shi)驗結果具有(you)較(jiao)好的(de)(de)一致性(xing)，有(you)針對性(xing)的(de)(de)選擇平均干密度分別為(wei)(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)(de)若干試(shi)(shi)樣(yang)，進(jin)行了5組三(san)(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗。圖11是(shi)為(wei)(wei)(wei)干密度為(wei)(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗曲線(xian)。

從圖11可以看出(chu)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)應(ying)力應(ying)變關系曲線(xian)在低圍(wei)壓下表現(xian)為(wei)軟化型，在高圍(wei)壓下表現(xian)為(wei)硬化型，與一(yi)般(ban)土(tu)類相(xiang)似。但與一(yi)般(ban)粉土(tu)一(yi)粉砂不(bu)同(tong)的(de)(de)是，即使在較為(wei)疏松的(de)(de)狀態下，磷(lin)石膏(gao)仍(reng)表現(xian)了(le)較為(wei)強(qiang)烈的(de)(de)剪脹，隨密實度增(zeng)大(da)，剪脹作用愈發(fa)明(ming)顯(xian)。

表(biao)2給出(chu)了(le)不同(tong)干(gan)密度(du)(du)下的(de)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)，圖12給出(chu)了(le)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)與干(gan)密度(du)(du)的(de)關系曲線。隨干(gan)密度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，且可采用冪(mi)函(han)數(shu)較(jiao)好地擬合。磷(lin)石(shi)膏的(de)干(gan)密度(du)(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)了(le)32%，總應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為37.3°(根(gen)據擬合曲線求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為9.4%，有(you)效應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為3.2%，由(you)(you)于(yu)隨圍壓的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，孔壓也(ye)明(ming)顯增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)之總應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)要小(xiao)。另外(wai)較(jiao)之于(yu)干(gan)密度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不顯著，表(biao)明(ming)即使較(jiao)為疏松(song)的(de)磷(lin)石(shi)膏仍具(ju)有(you)較(jiao)高的(de)強度(du)(du)指標，這也(ye)表(biao)明(ming)磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩的(de)穩(wen)定性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形試驗在側限壓縮儀中進行，試驗狀態相當(dang)于K0固(gu)結。試樣(yang)直徑(jing)61.8mm，高度(du)20mm，試樣(yang)干密度(du)為(wei)1.30g/cm3，對試樣(yang)飽(bao)和后(hou)分別開展了上(shang)覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試驗，

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

從圖13中可以(yi)看(kan)出：上覆(fu)荷載越大，磷石膏(gao)的蠕變變形也越大，荷載施加1年后，磷石膏(gao)的蠕變變形仍非常(chang)顯著(zhu)，尚(shang)未達(da)到穩定(ding)狀態(tai)，這(zhe)也是磷石膏(gao)堆積壩(ba)后期(qi)變形較(jiao)大的原因，原型觀測資(zi)料表明，在5級(ji)子壩(ba)河床(chuang)部位的表面沉降量已經達(da)到3.1m，且尚(shang)未完(wan)全穩定(ding)。

按時(shi)間對(dui)(dui)數法，可求(qiu)得(de)各級荷載(zai)下(xia)的(de)(de)(de)主(zhu)次(ci)固結變(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)如表3所示。試驗結果(guo)表明，在(zai)100～400kPa上覆荷載(zai)作用下(xia)，在(zai)試驗時(shi)間范(fan)圍內蠕變(bian)(次(ci)固結)變(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固結變(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)(dang)然由于蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)尚未完成(cheng)，實際的(de)(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)應更大(da)(da)。對(dui)(dui)土(tu)體(ti)而言，發(fa)生(sheng)(sheng)蠕變(bian)的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)是由于土(tu)體(ti)在(zai)主(zhu)固結完成(cheng)之后(hou)，土(tu)體(ti)中(zhong)仍有微(wei)小的(de)(de)(de)超(chao)靜(jing)孔(kong)隙壓力(li)存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問流動，一般(ban)來講土(tu)體(ti)的(de)(de)(de)次(ci)固結遠小于主(zhu)固結變(bian)形(xing)(xing)；對(dui)(dui)磷石膏而言，其滲透(tou)系數在(zai)10-4cm/s數量(liang)(liang)級，遠大(da)(da)于黏性土(tu)，但其卻發(fa)生(sheng)(sheng)了(le)極為顯著的(de)(de)(de)次(ci)固結變(bian)形(xing)(xing)，其原(yuan)因(yin)在(zai)于磷石膏晶(jing)體(ti)結構發(fa)生(sheng)(sheng)了(le)壓縮、破(po)壞(huai)，接觸(chu)點晶(jing)格發(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和變(bian)形(xing)(xing)，而破(po)壞(huai)后(hou)晶(jing)格之間的(de)(de)(de)重新排列(lie)、調整到最后(hou)趨于相對(dui)(dui)靜(jing)止需要相當(dang)(dang)長的(de)(de)(de)時(shi)間才能完成(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采(cai)用英國GDS公司(si)進口的電機控制(zhi)動三軸(zhou)試(shi)驗系統(tong)，試(shi)樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和(he)阻尼比(bi)

同樣由于自(zi)然沉積的(de)磷石膏密度變化較大，為此(ci)根據物理性質試(shi)驗(yan)結果，選擇(ze)兩(liang)種平均干密度1.34g/cm3(變化范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建(jian)議(yi)的動剪切模量G、阻尼(ni)比(bi)與剪應變幅值γd的關系式如下：

式中k1為(wei)(wei)參數，表(biao)示(shi)動(dong)剪切模量(liang)的衰(shuai)減或阻尼比的增長(chang)速(su)率；λmax為(wei)(wei)最(zui)大(da)阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最(zui)大(da)動(dong)剪切模量(liang)和歸一(yi)化的動(dong)剪應變(bian)，表(biao)示(shi)為(wei)(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)(wei)參數(shu)；σm為(wei)(wei)球應力(li)；Pa為(wei)(wei)標準(zhun)大氣壓(ya)；vd為(wei)(wei)動泊松(song)比(bi)；εa為(wei)(wei)歸一化的動應變，表達為(wei)(wei)

圖14給(gei)出(chu)(chu)了動剪切模量、阻(zu)尼比(bi)與歸一(yi)化(hua)動應變的(de)(de)關系曲線(xian)，另外(wai)圖中還給(gei)出(chu)(chu)了式(1)的(de)(de)擬合曲線(xian)以及Seed等給(gei)出(chu)(chu)的(de)(de)砂樣的(de)(de)上下邊界線(xian)，圖例中，σ2表示圍(wei)壓(ya)，Kc表示固結應力比(bi)。

從圖中(zhong)(zhong)(zhong)可以看出(chu)：①式(1)可較好(hao)地描述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)動(dong)應(ying)力(li)-動(dong)應(ying)變試驗曲線(xian)，表明(ming)采用等(deng)價黏彈(dan)(dan)性(xing)模(mo)型進(jin)行(xing)循(xun)環(huan)荷(he)載作用下的(de)分(fen)析(xi)是可行(xing)的(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)干密(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)擬(ni)合線(xian)位(wei)于(yu)干密(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)擬(ni)合線(xian)上方(fang)，圖14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則位(wei)于(yu)下方(fang)，表明(ming)密(mi)度(du)(du)越(yue)大(da)(da)，動(dong)彈(dan)(dan)模(mo)越(yue)大(da)(da)、阻尼比越(yue)小(xiao)；③圖14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)，兩(liang)種干密(mi)度(du)(du)的(de)擬(ni)合線(xian)基本位(wei)于(yu)Seed等(deng)給出(chu)的(de)邊界(jie)(jie)線(xian)上方(fang)，而(er)圖14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則基本處于(yu)邊界(jie)(jie)線(xian)中(zhong)(zhong)(zhong)間，表明(ming)相比較砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏動(dong)彈(dan)(dan)模(mo)較大(da)(da)，會導致磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩的(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)較大(da)(da)，但由于(yu)阻尼比也較大(da)(da)，這樣(yang)又會削(xue)弱(ruo)壩體(ti)的(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)，二者的(de)相互影(ying)響下，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩壩體(ti)的(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)將不(bu)會過于(yu)強烈(lie)，這對磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩的(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干密度為1.12(變化(hua)范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破(po)壞標(biao)準為總應變達到(dao)10%。

圖15給(gei)出了(le)動(dong)剪應(ying)力比(bi)(bi)τd/σ0′與破壞(huai)振(zhen)次Nf的關(guan)(guan)系曲線圖，其中σ0為(wei)(wei)振(zhen)前試樣(yang)45°面上的有效法向應(ying)力，表達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固(gu)結(jie)比(bi)(bi)。從試驗(yan)結(jie)果可以看出，沉積磷石膏(gao)的動(dong)強度與其它土體相(xiang)似，表現為(wei)(wei)圍(wei)壓(ya)和固(gu)結(jie)應(ying)力比(bi)(bi)與動(dong)剪應(ying)力比(bi)(bi)呈負相(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。

為判別沉(chen)積磷(lin)石膏的抗液化能力，假定抗震設計(ji)烈度為8度，即等效(xiao)振次(ci)Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的(de)冪函數關系式得(de)到振次為30時各(ge)個圍壓和(he)固(gu)結比下(xia)的(de)動(dong)剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求得(de)動剪應(ying)力比與圍壓和固(gu)結應(ying)力比的關系式：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(shang)述擬合關系式可見，密(mi)實度(du)提(ti)高(gao)(gao)(gao)后，動(dong)剪應(ying)(ying)力(li)(li)比提(ti)高(gao)(gao)(gao)，表明抗(kang)液(ye)(ye)化能力(li)(li)也(ye)提(ti)高(gao)(gao)(gao)。但(dan)即使是在低密(mi)度(du)下(xia)，其動(dong)剪應(ying)(ying)力(li)(li)比較(jiao)之同類的粉(fen)土或粉(fen)砂(sha)也(ye)大出許多(duo)，表明磷(lin)石膏具有(you)較(jiao)高(gao)(gao)(gao)的抗(kang)液(ye)(ye)化能力(li)(li)。

三(san)、結論

依(yi)托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取(qu)樣(yang)工作的基(ji)礎上(shang)，首先開展了(le)物理性質試(shi)驗，然后開展了(le)靜動力力學(xue)特性試(shi)驗。通過(guo)上(shang)述試(shi)驗研究，得出如下結論：

(1)沉積(ji)磷石(shi)膏總(zong)體(ti)上屬于級配(pei)不良的粉土，局部屬于粉砂一中砂，無自然分級現象。其干密度和粒徑變化隨埋深或(huo)距(ju)放漿口距(ju)離的變化不明顯。

(2)沉積磷石膏水平(ping)方(fang)向的(de)滲(shen)透(tou)系數大于垂(chui)直方(fang)向的(de)滲(shen)透(tou)系數，呈(cheng)現明顯(xian)的(de)各(ge)向異性。

(3)與土體顆(ke)粒(li)不(bu)可(ke)壓縮(suo)不(bu)同，磷石膏的(de)晶體結(jie)構(gou)會發生壓縮(suo)破壞(huai)，具有較大的(de)壓縮(suo)性，其次固結(jie)變形(xing)量遠大于(yu)主(zhu)固結(jie)變形(xing)量。

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