沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：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)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)(shi)濕(shi)(shi)法(fa)磷(lin)酸生產(chan)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)副產(chan)品，2018年(nian)，全國(guo)(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)生量(liang)(liang)為(wei)7800萬噸，且呈(cheng)逐年(nian)增(zeng)長(chang)的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)主要(yao)成分是(shi)(shi)CaO和(he)(he)SO3，但含有一定量(liang)(liang)的(de)(de)(de)氟(fu)化物(wu)(wu)(wu)和(he)(he)其它放(fang)射性(xing)物(wu)(wu)(wu)質，在中(zhong)國(guo)(guo)通常按(an)Ⅱ類一般工(gong)業固體廢物(wu)(wu)(wu)處理(li)，鑒于無(wu)害化處理(li)成本較高(gao)，目(mu)前綜(zong)合利用率尚(shang)不足40%，故大部分磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需(xu)要(yao)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按(an)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)場地(di)的(de)(de)(de)不同，可分為(wei)平地(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)和(he)(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)場，在中(zhong)國(guo)(guo)基本上是(shi)(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)場。相比較干(gan)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優(you)勢明顯，因而如(ru)地(di)質條件為(wei)非碳酸鹽巖地(di)區，一般均采(cai)用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)(guo)磷(lin)肥工(gong)業的(de)(de)(de)快速發展，本世(shi)紀(ji)初中(zhong)國(guo)(guo)相繼建(jian)設(she)了(le)幾座濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例如(ru)云天化國(guo)(guo)際化工(gong)三環分公司的(de)(de)(de)柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)和(he)(he)富(fu)瑞分公司的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)設(she)計(ji)壩(ba)(ba)高(gao)均超過(guo)100m、處于8度地(di)震(zhen)區，其安全性(xing)備受關注。

據統計，110多(duo)年(1901年一2013年)來(lai)，全世界有118座尾(wei)礦壩曾(ceng)發(fa)生過破壞或潰壩事故(gu)，原因主要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破壞和基礎失穩。尾(wei)礦庫失事后(hou)會(hui)造成巨大的生態(tai)災難(nan)和人員(yuan)傷亡(wang)，近幾(ji)十年來(lai)，

國內(nei)外(wai)對(dui)金屬(shu)尾礦的(de)沉(chen)積(ji)規(gui)律、物(wu)理力學(xue)特(te)性(xing)及其(qi)穩定性(xing)開(kai)展了大(da)量的(de)研(yan)(yan)究(jiu)，但(dan)對(dui)于(yu)與金屬(shu)尾礦庫相近的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏庫，一(yi)般僅限于(yu)在(zai)可研(yan)(yan)階(jie)段采用人工制備(bei)樣(yang)進行(xing)物(wu)理力學(xue)性(xing)質試驗，并據(ju)此進行(xing)穩定性(xing)分析，尚(shang)未有人針對(dui)己運(yun)行(xing)若干年的(de)大(da)型(xing)濕(shi)法(fa)堆(dui)存磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩開(kai)展過磷(lin)(lin)石(shi)膏沉(chen)積(ji)規(gui)律及其(qi)物(wu)理力學(xue)特(te)性(xing)的(de)專(zhuan)項(xiang)研(yan)(yan)究(jiu)。

本文(wen)依托柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏堆積(ji)壩(ba)，首先進行了(le)鉆探取樣(yang)(yang)，采(cai)用原狀樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)密度、含水(shui)(shui)率、滲透(tou)(tou)、土水(shui)(shui)特(te)(te)征和顆分等物理性(xing)質試(shi)驗(yan)(yan)，在此基礎(chu)上(shang)(shang)有(you)(you)針對性(xing)的(de)選擇原狀樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)三(san)軸CU、蠕變及動三(san)軸等力(li)學特(te)(te)性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。通過上(shang)(shang)述試(shi)驗(yan)(yan)研(yan)究(jiu)，總結(jie)了(le)磷(lin)石(shi)膏的(de)沉(chen)積(ji)規律、滲透(tou)(tou)特(te)(te)性(xing)、滲透(tou)(tou)破(po)壞特(te)(te)性(xing)以(yi)及靜(jing)動力(li)特(te)(te)性(xing)，上(shang)(shang)述研(yan)究(jiu)工(gong)作對研(yan)究(jiu)和評(ping)估磷(lin)石(shi)膏庫(ku)堆積(ji)壩(ba)的(de)穩定(ding)性(xing)提供了(le)基礎(chu)數據，對現行磷(lin)石(shi)膏庫(ku)的(de)運行管理以(yi)及新(xin)建(jian)工(gong)程的(de)設計具有(you)(you)重要的(de)借鑒意義。

一、依(yi)托工程(cheng)概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏(gao)堆(dui)積壩堆(dui)存設(she)計方案

由初(chu)期壩和堆積壩組成，設(she)計總壩高(gao)約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高(gao)約30m，采用(yong)土料填筑。上游坡面(mian)、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設(she)置堆石排水(shui)體，三者相連(lian)通構成(cheng)整個堆積壩(ba)的主要(yao)排滲(shen)系統。

(2)堆積壩(ba)及其輔(fu)助(zhu)排(pai)滲(shen)措(cuo)施(shi)

采用(yong)上游式(shi)筑壩(ba)法，共20級子(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高(gao)(gao)度5m，堆積高(gao)(gao)度約100m。采用(yong)排(pai)滲(shen)管網作為(wei)輔助排(pai)滲(shen)方案(an)，目前己在5級、9級子(zi)壩(ba)和13級子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設(she)置了井字形排(pai)滲(shen)管網。

1.2沉積磷(lin)石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆積至5級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)時，布(bu)設了(le)(le)9個(ge)(ge)取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)K1～K9，取(qu)原狀(zhuang)樣76件；2013年5月，堆積至13級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)時，又布(bu)設了(le)(le)11個(ge)(ge)取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)K10～K20，取(qu)原狀(zhuang)樣112件，為(wei)比較子(zi)壩(ba)加高和磷石膏堆積過程中磷石膏物理力(li)學性質的變化，在(zai)2，4級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)設了(le)(le)一個(ge)(ge)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)分(fen)別為(wei)K17和K18。

1.3運(yun)行概(gai)況(kuang)

柳(liu)樹箐(qing)磷石膏尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月(yue)(yue)投入運(yun)行(xing)，截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)(yue)己堆至(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆存至(zhi)設計高程。鑒于磷石膏庫(ku)地形、地質條(tiao)(tiao)件較好，具(ju)備擴容改造的條(tiao)(tiao)件，以提高堆存庫(ku)容，減(jian)少堆存占地，節約土(tu)地資源。

本文主(zhu)要(yao)對沉積磷石膏的物理力學特性(xing)進行了全(quan)面總(zong)結，限于篇幅，有關(guan)現狀磷石膏庫堆(dui)積壩的安全(quan)性(xing)評價(jia)及(ji)其(qi)加(jia)高(gao)可行性(xing)的研究將另文發表(biao)。

二(er)、沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的物理(li)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(ge)鉆孔(kong)(kong)的(de)取樣(yang)深度和試(shi)(shi)驗所得(de)干密度的(de)關系(xi)，圖中UWL表示水(shui)(shui)位(wei)線上，(系(xi)鉆孔(kong)(kong)期間的(de)初見水(shui)(shui)位(wei)線，下(xia)(xia)同)，DWL表示水(shui)(shui)位(wei)線下(xia)(xia)。圖3給出(chu)了水(shui)(shui)位(wei)線上下(xia)(xia)的(de)飽和度分布圖。由(you)于磷石(shi)膏中的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度和烘(hong)烤時間對(dui)測(ce)定(ding)(ding)結(jie)果有一定(ding)(ding)影響，不能照搬現行的(de)土工試(shi)(shi)驗規范，本文磷石(shi)膏的(de)含水(shui)(shui)率測(ce)定(ding)(ding)方法為55℃溫(wen)度下(xia)(xia)烘(hong)培24h。

圖(tu)2沉積磷石膏(gao)干密度與埋深的關系(xi)

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

由圖3，水(shui)位線(xian)上的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏飽(bao)和度平均值為50.4%，處于非飽(bao)和狀(zhuang)態，水(shui)位線(xian)以下的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏飽(bao)和度平均值為85.0%，基本處于飽(bao)和狀(zhuang)態，由于水(shui)位下降后(hou)磷(lin)石(shi)(shi)膏來不(bu)及排水(shui)固結，故而(er)水(shui)位線(xian)上局部試樣的(de)飽(bao)和度較(jiao)高。

由圖2，水位(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)干密度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水位(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)(de)干密度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏與一般的(de)(de)(de)尾(wei)礦(kuang)有所不同(tong)，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)干密度(du)并不隨(sui)(sui)埋深的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而(er)明顯增(zeng)大(da)(da)，但水位(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏干密度(du)從統計(ji)意義上來看仍大(da)(da)于水位(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏干密度(du)，這主(zhu)要是由于水位(wei)(wei)線(xian)隨(sui)(sui)庫水位(wei)(wei)的(de)(de)(de)變化反復升降而(er)使得磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏排水固結(jie)所致。

室(shi)內擊實得到(dao)(dao)的磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)干密(mi)(mi)度(du)一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可(ke)(ke)以看出(chu)，自然(ran)沉積的磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)干密(mi)(mi)度(du)可(ke)(ke)達到(dao)(dao)1.73g/cm3，原因如(ru)下(xia)(xia)：與經典的土骨架不可(ke)(ke)壓(ya)縮(suo)的理(li)論不同(tong)，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)本身(shen)可(ke)(ke)壓(ya)縮(suo)，同(tong)時由于顆粒結構不穩定，擊實試驗過程中(zhong)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)結構被破(po)壞(huai)，受夯擊處下(xia)(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現(xian)了類(lei)似(si)于橡皮土的現(xian)象。而在現(xian)場條件(jian)下(xia)(xia)，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨架被破(po)壞(huai)后，會(hui)導致顆粒中(zhong)的結合水(shui)滲(shen)出(chu)至孔隙(xi)內，變(bian)成(cheng)孔隙(xi)水(shui)，排水(shui)固結后會(hui)使得磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的孔隙(xi)比減小，干密(mi)(mi)度(du)增大(da)。

圖(tu)4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位于2級子(zi)壩河床部(bu)(bu)位)以(yi)及相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位于4級子(zi)壩河床部(bu)(bu)位)干密度(du)的對比圖(tu)。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的干密度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的干密度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的干密度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的干密度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.37g/cm3。可見(jian)，即使從(cong)統計(ji)意義上來看，磷石(shi)膏的干密度(du)也并未隨后續磷石(shi)膏的堆積而有較為(wei)(wei)(wei)明(ming)顯的增大。

(2)級配(pei)分布

顆粒分析(xi)試驗采用(yong)密度計法(fa)，制備懸(xuan)液(ye)時不煮(zhu)沸，不加(jia)六偏磷(lin)酸鈉。圖5給出了試驗得到的(de)級(ji)配包線、平均(jun)粒徑(jing)d50、不均(jun)勻系(xi)數(1u和曲率系(xi)數Cc的(de)分布圖。

從(cong)圖5(a)可見，磷(lin)石(shi)膏的(de)粒徑(jing)主要分布在0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬于(yu)(yu)粉土，但可能由(you)于(yu)(yu)礦石(shi)來(lai)源或生產工藝(yi)有所不同，局部屬于(yu)(yu)粉砂～中砂。粒徑(jing)分布范圍比(bi)Blight和張(zhang)超等的(de)試驗結果要寬一些。

圖4子(zi)壩(ba)加高(gao)后沉積(ji)磷石膏(gao)的干密度(du)變化

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向還是垂直向，磷(lin)石(shi)膏(gao)與(yu)金屬(shu)礦(kuang)(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下細(xi)”的(de)(de)自(zi)然分級現(xian)象(xiang)不(bu)同，也即粗(cu)顆(ke)粒(li)并(bing)(bing)不(bu)是沿埋深(shen)逐步減小或距(ju)離放漿口(kou)越遠顆(ke)粒(li)越細(xi)，其原(yuan)因如(ru)下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑組成(cheng)較(jiao)(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)(jiao)差(cha)；②相比較(jiao)(jiao)金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比重較(jiao)(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比重一般為2.3～2.4，遠小于金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比重，例如(ru)鐵(tie)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比重可達2.9；③放漿口(kou)隨子壩高度不(bu)斷增加而不(bu)斷變動并(bing)(bing)向庫(ku)尾(wei)(wei)延伸，造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)徑變化不(bu)明顯(xian)。

從圖5(d)可見，不均勻系數Cu范圍(wei)值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為4.18，曲率系數(1c范圍(wei)值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為1.21，在統(tong)計(ji)的100多個試樣中，屬于級配不良(liang)土的占93%。這種級配特(te)性決定了磷石膏具有較高(gao)的壓縮(suo)性、滲透破壞(huai)型式表現為流(liu)土破壞(huai)。

2.2滲透特(te)性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)主(zhu)要因素是粒徑大小(xiao)、級(ji)配和孔隙比，因而磷(lin)石(shi)膏的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)與粉土較(jiao)為接近。由(you)于孔隙比e減(jian)小(xiao)，使得過水(shui)通道面積(ji)減(jian)小(xiao)，滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k也將減(jian)小(xiao)，k與e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂(sha)土，一般認(ren)為滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了二者(zhe)間的(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由(you)于沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)不均勻(yun)系(xi)(xi)(xi)數(shu)變(bian)化較(jiao)大，使得沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)變(bian)化范(fan)圍較(jiao)大(平均值為10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二者(zhe)問的(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖(tu)6沉積磷石膏(gao)滲(shen)透系數與(yu)孔隙(xi)比(bi)的(de)關系

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

圖7給出了水(shui)平(ping)(ping)與垂(chui)(chui)(chui)直向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)比值(zhi)的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)。沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)水(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)kh一(yi)般大于垂(chui)(chui)(chui)直向的(de)(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值(zhi)約為2.86，這一(yi)點(dian)與成(cheng)(cheng)層分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)金屬尾礦規(gui)律一(yi)致。造成(cheng)(cheng)沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏水(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)大于垂(chui)(chui)(chui)直向滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)是由于磷(lin)石(shi)(shi)膏具(ju)有明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)晶體結構，電(dian)鏡掃描顯(xian)(xian)示多(duo)為菱形和棱柱(zhu)狀形式(見(jian)圖8)，在沉積過程中，由于扁平(ping)(ping)狀磷(lin)石(shi)(shi)膏顆粒多(duo)呈水(shui)平(ping)(ping)排(pai)列，使得水(shui)平(ping)(ping)方向的(de)(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性大于垂(chui)(chui)(chui)直方向的(de)(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性，從(cong)而使磷(lin)石(shi)(shi)膏呈現明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)各向異性。

另根據中國(guo)有色金(jin)屬工業昆明勘(kan)察設計(ji)研(yan)究院在楊家箐磷(lin)石膏堆積壩開展的現場(chang)滲透試驗(yan)，kh/kv的平(ping)均值約(yue)為1.9。但張超等的室內試驗(yan)顯(xian)示，kh/kv的平(ping)均值約(yue)為0.46，也即(ji)垂直向滲透系數大于水平(ping)向滲透系數，與本文和現場(chang)試驗(yan)結果(guo)恰(qia)恰(qia)相(xiang)反。從磷(lin)石膏的微觀結構來看，本文試驗(yan)結果(guo)更為合理(li)。

圖(tu)7沉(chen)積磷(lin)石膏干密度與水平和(he)垂直滲(shen)透系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密度為1.40g/cm3的水(shui)(shui)力梯度J與流速V的關系曲線，試驗在水(shui)(shui)平(ping)管(guan)涌(yong)儀中采(cai)用水(shui)(shui)平(ping)方向的滲(shen)(shen)(shen)流形式進行。試驗得到的臨(lin)界(jie)坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)般(ban)來說，對(dui)(dui)1，2級(ji)(ji)工(gong)程，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)安全系數(shu)取(qu)為2.5，則(ze)允許出(chu)逸(yi)(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級(ji)(ji)以(yi)下工(gong)程，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)安全系數(shu)取(qu)2.0，則(ze)允許出(chu)逸(yi)(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)(jiang)與粉土一(yi)(yi)(yi)粉砂大致相同。但(dan)上(shang)述滲(shen)(shen)(shen)透(tou)變形試驗是采(cai)用自(zi)來水(shui)(shui)進行的，自(zi)來水(shui)(shui)對(dui)(dui)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有一(yi)(yi)(yi)定的溶蝕作用，而(er)實際上(shang)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中殘(can)余磷(lin)(lin)(lin)、硫和氟(fu)酸，庫水(shui)(shui)的pH值一(yi)(yi)(yi)般(ban)小于3(稱(cheng)之為酸性水(shui)(shui))，在酸性水(shui)(shui)作用下，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不會(hui)發生(sheng)破(po)壞，上(shang)述試驗結(jie)果是偏于保守的，但(dan)對(dui)(dui)非酸性水(shui)(shui)條件(例如(ru)特大暴(bao)雨)下的滲(shen)(shen)(shen)透(tou)穩定判(pan)斷有一(yi)(yi)(yi)定的借鑒意義。

圖9水力(li)梯(ti)度J-流(liu)速v試驗過(guo)程線(ρd=140g/cm3)

(3)土(tu)水特征試驗

試驗在5Bar的(de)壓(ya)力板儀中進行，環刀尺(chi)寸(cun)6.18cm。干密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表(biao)l列出了含(han)水(shui)率特征值，試驗曲線見圖10所示。

試(shi)驗(yan)結果表明：①干(gan)密度對進氣(qi)值(zhi)沒(mei)有明顯的(de)(de)影響，不同干(gan)密度的(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)進氣(qi)值(zhi)大致(zhi)(zhi)在10kPa左右；②土樣殘(can)余含水(shui)(shui)(shui)率(lv)隨(sui)干(gan)密度的(de)(de)增(zeng)加而減少(shao)，殘(can)余含水(shui)(shui)(shui)率(lv)約為飽和含水(shui)(shui)(shui)率(lv)的(de)(de)10%。上述特性與(yu)粉(fen)土一粉(fen)砂(sha)基本一致(zhi)(zhi)。

2.3靜(jing)力(li)力(li)學特(te)性

(1)三軸CU試驗

由于沉(chen)積磷石膏的(de)(de)密度變化較大，而進(jin)行三(san)(san)(san)軸(zhou)試(shi)驗(yan)(yan)需要若干(gan)(gan)原狀樣，為(wei)使(shi)試(shi)驗(yan)(yan)結果具有較好的(de)(de)一致性，有針對性的(de)(de)選擇平均干(gan)(gan)密度分別為(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(gan)(gan)試(shi)樣，進(jin)行了5組三(san)(san)(san)軸(zhou)CU試(shi)驗(yan)(yan)。圖(tu)11是為(wei)干(gan)(gan)密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)(san)(san)軸(zhou)CU試(shi)驗(yan)(yan)曲線。

從圖11可以(yi)看出，磷(lin)石(shi)膏的(de)應力應變關系(xi)曲線(xian)在低圍壓下(xia)表現(xian)為軟化型，在高圍壓下(xia)表現(xian)為硬化型，與一(yi)般土(tu)類(lei)相似。但與一(yi)般粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂不(bu)同的(de)是，即使(shi)在較(jiao)為疏松的(de)狀態下(xia)，磷(lin)石(shi)膏仍表現(xian)了(le)較(jiao)為強烈的(de)剪脹(zhang)，隨密實度(du)增大，剪脹(zhang)作(zuo)用愈發明顯。

表(biao)2給(gei)出了(le)不同干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)下的(de)(de)內摩(mo)擦(ca)角(jiao)，圖12給(gei)出了(le)內摩(mo)擦(ca)角(jiao)與干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)關(guan)系曲線(xian)(xian)。隨(sui)(sui)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，內摩(mo)擦(ca)角(jiao)也隨(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)大，且可采用(yong)冪函數較(jiao)(jiao)好地(di)擬合。磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了(le)32%，總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據(ju)擬合曲線(xian)(xian)求(qiu)得(de))，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有(you)效應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨(sui)(sui)圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，孔壓也明顯增(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之于干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并(bing)不顯著，表(biao)明即使較(jiao)(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)仍具(ju)有(you)較(jiao)(jiao)高的(de)(de)強度(du)(du)指標(biao)，這也表(biao)明磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏(gao)的(de)蠕變(bian)變(bian)形試驗在側限壓(ya)縮儀中進行，試驗狀態相當于K0固結(jie)。試樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試樣(yang)干(gan)密度為(wei)1.30g/cm3，對(dui)試樣(yang)飽和后(hou)分別開展了上覆壓(ya)力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試驗，

試(shi)驗(yan)從2012年(nian)8月27日(ri)開始，試(shi)驗(yan)己進行了(le)1年(nian)多(duo)，試(shi)驗(yan)結(jie)果見圖13所(suo)示。

從圖13中可以看(kan)出：上(shang)覆荷載越(yue)大(da)，磷石膏(gao)的(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)也(ye)越(yue)大(da)，荷載施加1年后(hou)，磷石膏(gao)的(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未(wei)達到穩定(ding)狀態，這也(ye)是磷石膏(gao)堆(dui)積壩后(hou)期變(bian)形(xing)較大(da)的(de)(de)原(yuan)因(yin)，原(yuan)型觀測資料表(biao)明，在5級子壩河床部位的(de)(de)表(biao)面沉降量已經(jing)達到3.1m，且(qie)尚未(wei)完全穩定(ding)。

按時間(jian)對(dui)數法，可求得各級荷(he)載下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量如表(biao)3所示。試驗結(jie)果表(biao)明(ming)，在(zai)100～400kPa上覆荷(he)載作(zuo)用下(xia)，在(zai)試驗時間(jian)范圍(wei)內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由于(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實際的(de)(de)(de)(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應更(geng)大(da)。對(dui)土(tu)體而(er)言(yan)，發(fa)(fa)(fa)生蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)是由于(yu)(yu)土(tu)體在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)完(wan)成(cheng)之后(hou)，土(tu)體中仍有微小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)靜孔隙壓(ya)(ya)力存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問流動，一般來(lai)講土(tu)體的(de)(de)(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)遠小(xiao)于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷(lin)石膏(gao)而(er)言(yan)，其滲(shen)透系數在(zai)10-4cm/s數量級，遠大(da)于(yu)(yu)黏性土(tu)，但其卻發(fa)(fa)(fa)生了極為顯著的(de)(de)(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其原因(yin)在(zai)于(yu)(yu)磷(lin)石膏(gao)晶(jing)體結(jie)構發(fa)(fa)(fa)生了壓(ya)(ya)縮、破壞，接觸點晶(jing)格發(fa)(fa)(fa)生歪曲和(he)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而(er)破壞后(hou)晶(jing)格之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)重新排列、調整到最后(hou)趨(qu)于(yu)(yu)相(xiang)對(dui)靜止需要相(xiang)當(dang)長的(de)(de)(de)(de)(de)時間(jian)才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力(li)力(li)學特(te)性(xing)

試驗設備采用(yong)英國(guo)GDS公司進(jin)口的電機(ji)控制動三軸(zhou)試驗系(xi)統，試樣直徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同(tong)樣由(you)于(yu)自然沉積的磷石膏密度變(bian)化(hua)(hua)較(jiao)大，為此根據物理性(xing)質試驗結果(guo)，選擇(ze)兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)動(dong)剪切模(mo)量G、阻(zu)尼比與剪應變(bian)幅值γd的(de)關系(xi)式如下：

式中k1為參(can)數，表示(shi)動剪(jian)切模(mo)量(liang)的(de)衰減(jian)或阻尼比(bi)的(de)增長速率；λmax為最(zui)大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為最(zui)大動剪(jian)切模(mo)量(liang)和歸一化的(de)動剪(jian)應(ying)變，表示(shi)為

式(shi)中k2,n為(wei)參數(shu)；σm為(wei)球(qiu)應(ying)力；Pa為(wei)標(biao)準大氣壓；vd為(wei)動泊(bo)松比；εa為(wei)歸(gui)一化的動應(ying)變，表(biao)達為(wei)

圖14給出了動(dong)剪切模量、阻(zu)尼比與歸一(yi)化動(dong)應變的關系曲線，另(ling)外圖中還給出了式(1)的擬合(he)曲線以及Seed等(deng)給出的砂樣的上下邊界線，圖例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結(jie)應力比。

從圖(tu)中(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(shi)(1)可(ke)較(jiao)好地描述磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)應(ying)力(li)(li)(li)(li)-動(dong)應(ying)變試驗曲線(xian)，表明采用等價黏彈性(xing)模型(xing)進行循環荷(he)載作用下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合線(xian)位于干(gan)密度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合線(xian)上(shang)方，圖(tu)14(b)中(zhong)則位于下(xia)方，表明密度越大(da)，動(dong)彈模越大(da)、阻尼比(bi)越小(xiao)；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)(ni)合線(xian)基本位于Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)上(shang)方，而圖(tu)14(b)中(zhong)則基本處于邊(bian)界(jie)線(xian)中(zhong)間(jian)，表明相比(bi)較(jiao)砂(sha)樣，磷(lin)石膏(gao)動(dong)彈模較(jiao)大(da)，會(hui)(hui)導致磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)(li)(li)反(fan)應(ying)較(jiao)大(da)，但由于阻尼比(bi)也較(jiao)大(da)，這樣又會(hui)(hui)削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)(li)(li)反(fan)應(ying)，二者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相互影響下(xia)，磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)(li)(li)反(fan)應(ying)將(jiang)不(bu)會(hui)(hui)過于強烈(lie)，這對磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有(you)利的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選(xuan)擇兩種平均干密度為(wei)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(shi)驗，破(po)壞標準(zhun)為(wei)總應變達到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動剪應(ying)(ying)力(li)比(bi)τd/σ0′與(yu)(yu)破(po)壞振(zhen)次(ci)Nf的(de)關系曲線圖(tu)，其中σ0為(wei)(wei)振(zhen)前試(shi)樣45°面上的(de)有(you)效法向(xiang)應(ying)(ying)力(li)，表達(da)為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固(gu)結(jie)比(bi)。從(cong)試(shi)驗結(jie)果可以看出(chu)，沉積磷石膏的(de)動強度與(yu)(yu)其它土體相似，表現為(wei)(wei)圍壓和固(gu)結(jie)應(ying)(ying)力(li)比(bi)與(yu)(yu)動剪應(ying)(ying)力(li)比(bi)呈負相關關系。

為(wei)判別沉積磷石膏(gao)的抗液化能力(li)，假(jia)定抗震(zhen)設計烈度(du)為(wei)8度(du)，即等效(xiao)振次Ⅳ可取為(wei)30。首先(xian)由式(4)

所示的冪函數關(guan)系式得(de)到(dao)振次為30時各個圍(wei)壓(ya)和固結比下的動剪應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬(ni)合求得動剪應力(li)比(bi)與圍壓和固結(jie)應力(li)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)擬合關系式(shi)可見(jian)，密實度提高(gao)后，動剪(jian)應力比提高(gao)，表(biao)明抗液化(hua)能(neng)力也提高(gao)。但即使是在低(di)密度下，其動剪(jian)應力比較(jiao)之(zhi)同類的粉土或粉砂也大出許多，表(biao)明磷石膏具有較(jiao)高(gao)的抗液化(hua)能(neng)力。

三、結論

依托(tuo)柳樹箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩(ba)，在鉆探取樣(yang)工作的基(ji)礎上，首先開(kai)展(zhan)了物理(li)性質(zhi)試(shi)驗，然(ran)后開(kai)展(zhan)了靜動力力學特(te)性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，得出如下結論：

(1)沉積磷石膏總體上(shang)屬于級配(pei)不良的粉土，局部(bu)屬于粉砂一中砂，無自然分級現象(xiang)。其(qi)干密度和粒徑變(bian)化隨埋深(shen)或(huo)距(ju)(ju)放漿口距(ju)(ju)離的變(bian)化不明(ming)顯。

(2)沉積磷石膏水平方向的滲透系數(shu)(shu)大于垂(chui)直(zhi)方向的滲透系數(shu)(shu)，呈(cheng)現明顯的各向異性。

(3)與土體顆粒不可壓縮(suo)不同，磷石膏的晶體結(jie)構會發生(sheng)壓縮(suo)破壞，具有較大的壓縮(suo)性，其次固(gu)結(jie)變形量遠大于主固(gu)結(jie)變形量。

(4)沉積磷(lin)石膏的靜動強度較之(zhi)同等密(mi)實(shi)度下(xia)的粉土、粉砂要(yao)高。