沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)是磷(lin)(lin)酸生產過程中的(de)(de)副(fu)產品，目前的(de)(de)綜合利用率尚(shang)不足40%，大部分(fen)需(xu)要(yao)堆(dui)存存放。受地形限制和(he)經濟效益考慮，中國主要(yao)為濕法(fa)堆(dui)存的(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托柳(liu)樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩，針對沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)首先開(kai)展了(le)密(mi)度(du)、含水(shui)率、滲透、土水(shui)特(te)征和(he)顆分(fen)等物理性(xing)質試(shi)驗(yan)，然(ran)(ran)后開(kai)展了(le)三(san)軸cu、蠕(ru)變(bian)及(ji)動三(san)軸等力學特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)。試(shi)驗(yan)結果表明：①沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)干密(mi)度(du)與(yu)埋深沒有(you)相關(guan)關(guan)系；②沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)不具有(you)自然(ran)(ran)分(fen)級現(xian)象，但(dan)具有(you)明顯的(de)(de)各向異性(xing)；③沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)具有(you)較(jiao)高的(de)(de)摩擦角和(he)抗液化(hua)能(neng)力，但(dan)其蠕(ru)變(bian)變(bian)形較(jiao)大、滲透比(bi)降較(jiao)小。上述工(gong)作為分(fen)析磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩的(de)(de)壩體穩定性(xing)提供了(le)基礎，對現(xian)行(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)的(de)(de)運行(xing)(xing)管理以及(ji)新建(jian)工(gong)程的(de)(de)設(she)計具有(you)重要(yao)的(de)(de)借鑒(jian)意義。

引(yin)言

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是濕(shi)法(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生(sheng)產過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)副產品(pin)，2018年，全國(guo)(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產生(sheng)量為(wei)(wei)7800萬(wan)噸(dun)，且呈逐年增長的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)主要成分是CaO和SO3，但(dan)含有一(yi)定量的(de)(de)(de)氟化物(wu)和其它放射性(xing)物(wu)質，在(zai)中(zhong)國(guo)(guo)通常按(an)(an)Ⅱ類(lei)一(yi)般工(gong)業(ye)固體廢物(wu)處理(li)(li)，鑒于(yu)無害化處理(li)(li)成本較高(gao)，目前綜(zong)合利用率尚(shang)不(bu)足40%，故大部(bu)分磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存存放。按(an)(an)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存場地的(de)(de)(de)不(bu)同，可分為(wei)(wei)平地型、傍山型、山谷(gu)(gu)型和截河型堆(dui)(dui)(dui)(dui)場，在(zai)中(zhong)國(guo)(guo)基本上是山谷(gu)(gu)型堆(dui)(dui)(dui)(dui)場。相(xiang)比較干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存，濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存經濟優勢明顯，因而如地質條件為(wei)(wei)非碳酸(suan)鹽(yan)巖(yan)地區(qu)，一(yi)般均采(cai)用濕(shi)排(pai)濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)業(ye)的(de)(de)(de)快速發展，本世紀(ji)初中(zhong)國(guo)(guo)相(xiang)繼建設了(le)幾座濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存的(de)(de)(de)大型磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例如云天化國(guo)(guo)際化工(gong)三環分公司(si)的(de)(de)(de)柳(liu)樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩和富瑞分公司(si)的(de)(de)(de)楊家(jia)箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩，這兩座壩設計壩高(gao)均超過(guo)100m、處于(yu)8度地震區(qu)，其安全性(xing)備受關注。

據統(tong)計(ji)，110多年(1901年一2013年)來，全世界(jie)有(you)(you)118座尾(wei)礦壩(ba)曾發生過(guo)破壞(huai)或潰壩(ba)事故，原因主要(yao)有(you)(you)地震、洪水(shui)漫頂、滲透破壞(huai)和基礎失穩(wen)。尾(wei)礦庫失事后(hou)會(hui)造成(cheng)巨大的(de)生態災(zai)難和人(ren)員傷亡(wang)，近幾十年來，

國內(nei)外對金屬尾礦的(de)沉積(ji)規律、物(wu)(wu)(wu)理(li)力(li)學特性(xing)(xing)及(ji)其(qi)穩(wen)定性(xing)(xing)開(kai)展(zhan)了大量的(de)研究，但對于(yu)與(yu)金屬尾礦庫相(xiang)近的(de)磷石(shi)膏庫，一般僅(jin)限于(yu)在可研階(jie)段采(cai)用(yong)人工制備樣(yang)進行物(wu)(wu)(wu)理(li)力(li)學性(xing)(xing)質試(shi)驗，并據此進行穩(wen)定性(xing)(xing)分析，尚未有(you)人針對己運(yun)行若(ruo)干年的(de)大型濕法堆存磷石(shi)膏堆積(ji)壩開(kai)展(zhan)過磷石(shi)膏沉積(ji)規律及(ji)其(qi)物(wu)(wu)(wu)理(li)力(li)學特性(xing)(xing)的(de)專項研究。

本(ben)文依托柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)石膏(gao)(gao)堆積壩(ba)，首先進行了(le)鉆探取樣，采用原(yuan)狀(zhuang)樣開(kai)展了(le)密(mi)度(du)、含水率、滲(shen)透、土水特(te)征和顆分等物(wu)理(li)(li)性質試驗，在此基礎上有(you)(you)針對性的選擇原(yuan)狀(zhuang)樣開(kai)展了(le)三(san)軸CU、蠕變及動三(san)軸等力(li)學特(te)性試驗。通過上述試驗研究(jiu)，總結了(le)磷(lin)石膏(gao)(gao)的沉(chen)積規律(lv)、滲(shen)透特(te)性、滲(shen)透破壞特(te)性以及靜動力(li)特(te)性，上述研究(jiu)工(gong)作對研究(jiu)和評估磷(lin)石膏(gao)(gao)庫(ku)堆積壩(ba)的穩定性提供了(le)基礎數據，對現行磷(lin)石膏(gao)(gao)庫(ku)的運行管(guan)理(li)(li)以及新(xin)建工(gong)程的設計(ji)具有(you)(you)重要的借鑒意義。

一、依托(tuo)工程(cheng)概(gai)況

1.1柳樹箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計(ji)方案

由初期壩和堆(dui)積(ji)壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用(yong)土料(liao)填(tian)筑。上游(you)坡面、壩(ba)(ba)底和下游(you)壩(ba)(ba)腳設置堆(dui)石排水(shui)體，三者相連通構成整個堆(dui)積壩(ba)(ba)的主要排滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措施

采用上(shang)游式筑壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排(pai)滲管(guan)(guan)網作為輔助(zhu)排(pai)滲方案(an)，目前(qian)己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范圍內(nei)設置了井字形排(pai)滲管(guan)(guan)網。

1.2沉積磷石膏的鉆(zhan)探(tan)取樣

鉆(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月，堆(dui)積(ji)至5級(ji)子(zi)壩時(shi)，布設了(le)9個取樣鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取原狀樣76件(jian)；2013年(nian)5月，堆(dui)積(ji)至13級(ji)子(zi)壩時(shi)，又布設了(le)11個取樣鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取原狀樣112件(jian)，為(wei)比較子(zi)壩加高和(he)(he)磷(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)過(guo)程中磷(lin)(lin)石膏物理力學(xue)性質的變(bian)化，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)和(he)(he)K6孔(kong)附近各布設了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號分別為(wei)K17和(he)(he)K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹(shu)箐磷石膏尾礦庫(ku)2005年開工建設(she)，2006年1月投入(ru)運行，截至2013年5月己堆至13級子壩，尚(shang)有7級子壩即堆存至設(she)計高(gao)程(cheng)。鑒于磷石膏庫(ku)地(di)形、地(di)質條件(jian)較好(hao)，具備(bei)擴容(rong)改(gai)造的條件(jian)，以提高(gao)堆存庫(ku)容(rong)，減(jian)少堆存占(zhan)地(di)，節約土地(di)資源。

本文(wen)主要對沉(chen)積磷石膏的(de)物理力學特性進行了全面總(zong)結，限于篇幅，有關現狀磷石膏庫(ku)堆(dui)積壩的(de)安全性評(ping)價及其加高可行性的(de)研究將另文(wen)發表(biao)。

二、沉積磷石膏(gao)的物理(li)力(li)學(xue)特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了14個鉆孔的(de)取樣深度(du)(du)和試驗所得干密度(du)(du)的(de)關系，圖中UWL表(biao)示水(shui)位(wei)線(xian)上(shang)，(系鉆孔期間的(de)初見水(shui)位(wei)線(xian)，下(xia)同(tong))，DWL表(biao)示水(shui)位(wei)線(xian)下(xia)。圖3給出了水(shui)位(wei)線(xian)上(shang)下(xia)的(de)飽和度(du)(du)分(fen)布(bu)圖。由于(yu)磷石(shi)膏中的(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度(du)(du)和烘(hong)烤時(shi)間對測(ce)定結果有一定影響，不能照搬現(xian)行的(de)土工試驗規范，本文(wen)磷石(shi)膏的(de)含(han)水(shui)率測(ce)定方法為55℃溫度(du)(du)下(xia)烘(hong)培24h。

圖(tu)2沉積(ji)磷石膏干密(mi)度與埋(mai)深的關(guan)系

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

由(you)圖3，水(shui)(shui)位線上(shang)(shang)的磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)飽和度(du)平(ping)均值(zhi)為50.4%，處于(yu)非飽和狀態(tai)，水(shui)(shui)位線以下的磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)飽和度(du)平(ping)均值(zhi)為85.0%，基本處于(yu)飽和狀態(tai)，由(you)于(yu)水(shui)(shui)位下降后磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)來不及排水(shui)(shui)固結，故(gu)而水(shui)(shui)位線上(shang)(shang)局(ju)部試(shi)樣的飽和度(du)較高。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)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)(yi)下(xia)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為1.4g/cm3。可見(jian)磷(lin)石(shi)膏(gao)與(yu)一般的(de)尾礦有所(suo)不(bu)同，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)并不(bu)隨(sui)埋深(shen)的(de)增大(da)(da)而明(ming)顯增大(da)(da)，但水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)(yi)下(xia)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)(du)從統計意義(yi)上(shang)來看仍大(da)(da)于水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)(du)，這主(zhu)要是由(you)于水(shui)位(wei)線(xian)隨(sui)庫水(shui)位(wei)的(de)變化反復升(sheng)降(jiang)而使得磷(lin)石(shi)膏(gao)排(pai)水(shui)固結所(suo)致。

室(shi)內擊(ji)(ji)實(shi)得到(dao)的磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)最大干(gan)(gan)密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以(yi)看出，自然沉積的磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)最大干(gan)(gan)密(mi)度可達到(dao)1.73g/cm3，原(yuan)因如下：與經典的土骨(gu)架(jia)不可壓縮(suo)的理論不同，石膏(gao)(gao)本身可壓縮(suo)，同時由(you)于(yu)顆粒結構不穩定，擊(ji)(ji)實(shi)試(shi)驗過程中磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)結構被(bei)破壞(huai)，受(shou)夯擊(ji)(ji)處下陷(xian)，四周(zhou)鼓起(qi)，出現了類似于(yu)橡(xiang)皮土的現象。而(er)在現場條(tiao)件下，石膏(gao)(gao)骨(gu)架(jia)被(bei)破壞(huai)后(hou)，會導致顆粒中的結合水(shui)滲出至孔隙內，變成孔隙水(shui)，排水(shui)固結后(hou)會使得磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的孔隙比減(jian)小，干(gan)(gan)密(mi)度增大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于(yu)2級子(zi)壩(ba)河床部(bu)位(wei)(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于(yu)4級子(zi)壩(ba)河床部(bu)位(wei)(wei))干(gan)密度(du)的(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)在1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)在1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)在1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)在1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.37g/cm3。可(ke)見，即(ji)使從(cong)統(tong)計意義上來(lai)看，磷石(shi)膏的(de)干(gan)密度(du)也(ye)并未隨后續磷石(shi)膏的(de)堆積而(er)有較為明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試驗采用密(mi)度計法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加(jia)六偏磷(lin)酸鈉。圖5給出(chu)了(le)試驗得到(dao)的級配包(bao)線、平(ping)均(jun)粒(li)徑d50、不(bu)均(jun)勻系(xi)數(1u和曲率(lv)系(xi)數Cc的分布圖。

從圖5(a)可見，磷(lin)石膏的粒(li)徑主(zhu)要(yao)分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上(shang)屬(shu)(shu)于粉(fen)土(tu)，但可能由于礦石來源或(huo)生產工藝有(you)所不同(tong)，局部屬(shu)(shu)于粉(fen)砂～中砂。粒(li)徑分(fen)布范圍比Blight和張超等的試驗結果要(yao)寬一(yi)些。

圖4子壩(ba)加高后沉積磷石膏的干(gan)密度(du)變化(hua)

圖(tu)5沉積磷石膏的平(ping)均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向(xiang)還是(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與金屬(shu)(shu)礦(kuang)(kuang)山(shan)尾礦(kuang)(kuang)的(de)(de)“前粗后細，上(shang)粗下細”的(de)(de)自然分級現象不同，也(ye)即粗顆粒(li)(li)并不是(shi)沿埋深逐(zhu)步減小(xiao)或距離放漿口越(yue)遠顆粒(li)(li)越(yue)細，其原因如(ru)(ru)下：①磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組(zu)(zu)成較(jiao)為(wei)(wei)集中、均勻，主要以(yi)粉粒(li)(li)組(zu)(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)(wei)主，級配較(jiao)差；②相比較(jiao)金屬(shu)(shu)尾礦(kuang)(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)較(jiao)小(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)一般為(wei)(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)(shu)尾礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比重(zhong)，例如(ru)(ru)鐵尾礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比重(zhong)可達2.9；③放漿口隨子壩高度(du)不斷增加而不斷變(bian)動并向(xiang)庫尾延伸(shen)，造成沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑變(bian)化不明顯。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻(yun)系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為1.21，在(zai)統計的(de)100多個試樣中，屬于級配(pei)(pei)不良土(tu)的(de)占93%。這種級配(pei)(pei)特(te)性決(jue)定(ding)了磷石膏具有較高的(de)壓(ya)縮(suo)性、滲(shen)透破(po)壞(huai)型式表現(xian)為流土(tu)破(po)壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要(yao)因素是粒徑大小(xiao)、級配和孔隙比(bi)，因而(er)磷(lin)石膏的(de)(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)為接近(jin)。由(you)于孔隙比(bi)e減小(xiao)，使(shi)得過水通(tong)道面積減小(xiao)，滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)。對(dui)砂土，一般(ban)認為滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)較(jiao)好，圖6給出了二(er)者(zhe)間的(de)(de)關(guan)系(xi)曲(qu)線(xian)，由(you)于沉積磷(lin)石膏的(de)(de)不均勻系(xi)數(shu)(shu)變化(hua)較(jiao)大，使(shi)得沉積磷(lin)石膏的(de)(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)變化(hua)范圍較(jiao)大(平(ping)均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二(er)者(zhe)問的(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲透系(xi)數與孔(kong)隙比(bi)的關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)平與垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)滲透(tou)系數(shu)比值的(de)(de)(de)分布(bu)。沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)水(shui)平向(xiang)滲透(tou)系數(shu)kh一(yi)般大(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)的(de)(de)(de)滲透(tou)系數(shu)kv,kh/kv平均值約為2.86，這(zhe)一(yi)點(dian)與成層(ceng)分布(bu)的(de)(de)(de)金屬尾(wei)礦規律(lv)一(yi)致。造(zao)成沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷石(shi)膏(gao)水(shui)平向(xiang)滲透(tou)系數(shu)大(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)滲透(tou)系數(shu)的(de)(de)(de)原因是由于(yu)磷石(shi)膏(gao)具有明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)晶體結構(gou)，電鏡掃描顯(xian)(xian)示多為菱形(xing)和棱柱狀(zhuang)(zhuang)形(xing)式(見圖8)，在沉(chen)(chen)積(ji)(ji)過程中，由于(yu)扁平狀(zhuang)(zhuang)磷石(shi)膏(gao)顆(ke)粒多呈(cheng)(cheng)水(shui)平排列(lie)，使得水(shui)平方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水(shui)性(xing)大(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水(shui)性(xing)，從而使磷石(shi)膏(gao)呈(cheng)(cheng)現明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)各(ge)向(xiang)異性(xing)。

另根據中國有(you)色金屬工業昆明(ming)勘察設計研究(jiu)院在楊(yang)家箐(qing)磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩開展的(de)現(xian)場滲透試驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)平均值約為1.9。但張(zhang)超等的(de)室內試驗(yan)(yan)顯示，kh/kv的(de)平均值約為0.46，也即垂直向(xiang)滲透系數(shu)大于(yu)水(shui)平向(xiang)滲透系數(shu)，與本(ben)文和現(xian)場試驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果恰恰相反。從磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)微觀結(jie)(jie)構(gou)來看，本(ben)文試驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果更為合理。

圖7沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)干密度與水平和垂直滲透(tou)系數比值的關(guan)系

(2)滲透變形

圖(tu)9為(wei)磷(lin)(lin)石膏干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度J與流(liu)速(su)V的(de)(de)(de)關系曲線，試(shi)(shi)驗在水(shui)(shui)(shui)平管(guan)涌儀(yi)中采用(yong)水(shui)(shui)(shui)平方(fang)向的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)流(liu)形(xing)式進(jin)行。試(shi)(shi)驗得到的(de)(de)(de)臨界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)來(lai)說，對(dui)1，2級工(gong)程，滲(shen)(shen)透安全系數取為(wei)2.5，則允許(xu)(xu)出(chu)(chu)逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下工(gong)程，滲(shen)(shen)透安全系數取2.0，則允許(xu)(xu)出(chu)(chu)逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)(xu)比降(jiang)(jiang)與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大致相(xiang)同。但(dan)上(shang)述滲(shen)(shen)透變形(xing)試(shi)(shi)驗是(shi)采用(yong)自來(lai)水(shui)(shui)(shui)進(jin)行的(de)(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石膏具有一(yi)定的(de)(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)，而(er)實(shi)際上(shang)磷(lin)(lin)石膏中殘余磷(lin)(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小于3(稱之(zhi)為(wei)酸性水(shui)(shui)(shui))，在酸性水(shui)(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下，磷(lin)(lin)石膏不會發生破壞，上(shang)述試(shi)(shi)驗結果(guo)是(shi)偏(pian)于保守的(de)(de)(de)，但(dan)對(dui)非酸性水(shui)(shui)(shui)條件(例(li)如(ru)特大暴雨)下的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透穩定判(pan)斷(duan)有一(yi)定的(de)(de)(de)借鑒意義。

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

(3)土水特征試驗

試驗(yan)在(zai)5Bar的(de)壓(ya)力板(ban)儀中進行，環刀尺(chi)寸6.18cm。干密度(du)分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力范圍0～500kPa。表l列出了含水率(lv)特征值，試驗(yan)曲線見圖10所示。

試驗(yan)結果表明：①干密度對進氣值沒有明顯的影響，不同(tong)干密度的試樣(yang)的進氣值大致在(zai)10kPa左右(you)；②土樣(yang)殘余(yu)含水(shui)率隨干密度的增加而減少，殘余(yu)含水(shui)率約為飽和含水(shui)率的10%。上述特性與粉土一粉砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石(shi)膏的(de)密度變化較大，而進行三軸(zhou)試驗需要若(ruo)干原(yuan)狀樣，為使試驗結果具有(you)(you)較好的(de)一(yi)致性(xing)，有(you)(you)針對性(xing)的(de)選擇平(ping)均干密度分別為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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)干試樣，進行了5組三軸(zhou)CU試驗。圖11是為干密度為1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三軸(zhou)CU試驗曲線。

從圖(tu)11可以看出，磷(lin)石膏的(de)應力應變關系曲(qu)線在低圍壓下表現為(wei)軟化(hua)型，在高圍壓下表現為(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(de)是，即(ji)使在較為(wei)疏松的(de)狀態下，磷(lin)石膏仍表現了(le)較為(wei)強烈(lie)的(de)剪脹(zhang)，隨密實度增(zeng)大(da)，剪脹(zhang)作用愈發明顯。

表(biao)2給(gei)出了不同干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度下的(de)(de)(de)(de)(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出了內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系曲線。隨(sui)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)(jiao)好地擬(ni)(ni)合。磷石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)37.3°(根據擬(ni)(ni)合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)(wei)9.4%，有(you)效應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)(wei)3.2%，由(you)于隨(sui)圍壓的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)之總應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外較(jiao)(jiao)(jiao)之于干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并(bing)不顯著，表(biao)明即使較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)(wei)(wei)疏松的(de)(de)(de)(de)(de)磷石膏(gao)仍(reng)具有(you)較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)(de)(de)強度指標，這也(ye)表(biao)明磷石膏(gao)堆積壩的(de)(de)(de)(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(次固(gu)結(jie))變形試驗

磷石膏(gao)的蠕變變形試(shi)驗在側限壓縮儀(yi)中進行，試(shi)驗狀態(tai)相當于(yu)K0固結。試(shi)樣直徑(jing)61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)樣干密度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后分別開展(zhan)了(le)上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試驗(yan)從2012年8月27日開始，試驗(yan)己(ji)進行了1年多，試驗(yan)結果(guo)見(jian)圖13所(suo)示。

從圖13中可以看出(chu)：上覆荷(he)載(zai)越大，磷石膏(gao)的(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形也越大，荷(he)載(zai)施加1年后，磷石膏(gao)的(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形仍(reng)非常顯著，尚(shang)未達到穩定狀態，這也是(shi)磷石膏(gao)堆積壩后期(qi)變(bian)形較(jiao)大的(de)(de)原(yuan)因，原(yuan)型(xing)觀測資料表明，在5級(ji)子(zi)壩河(he)床部位的(de)(de)表面沉降量已經達到3.1m，且尚(shang)未完(wan)全穩定。

按時(shi)間(jian)(jian)對(dui)數法，可求得各級荷載(zai)下的(de)(de)主(zhu)(zhu)(zhu)次固結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)量(liang)如表3所示(shi)。試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果表明，在100～400kPa上覆荷載(zai)作用下，在試(shi)驗(yan)時(shi)間(jian)(jian)范圍內(nei)蠕變(bian)(bian)(次固結(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)是主(zhu)(zhu)(zhu)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未完成(cheng)，實際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更大。對(dui)土(tu)體(ti)(ti)而(er)言，發生蠕變(bian)(bian)的(de)(de)原因是由于(yu)(yu)土(tu)體(ti)(ti)在主(zhu)(zhu)(zhu)固結(jie)(jie)完成(cheng)之后(hou)，土(tu)體(ti)(ti)中仍有(you)微小的(de)(de)超靜(jing)(jing)孔(kong)隙壓力存在，驅使水在顆粒問(wen)流(liu)動，一般(ban)來講土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)次固結(jie)(jie)遠小于(yu)(yu)主(zhu)(zhu)(zhu)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)；對(dui)磷石膏而(er)言，其滲透系數在10-4cm/s數量(liang)級，遠大于(yu)(yu)黏性土(tu)，但其卻(que)發生了(le)極為顯著的(de)(de)次固結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)，其原因在于(yu)(yu)磷石膏晶體(ti)(ti)結(jie)(jie)構發生了(le)壓縮、破壞，接觸點晶格(ge)發生歪曲和變(bian)(bian)形(xing)，而(er)破壞后(hou)晶格(ge)之間(jian)(jian)的(de)(de)重新排列(lie)、調整到最后(hou)趨于(yu)(yu)相對(dui)靜(jing)(jing)止需(xu)要相當長的(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)才(cai)能完成(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗(yan)設備采用英國GDS公司進口的電機控制(zhi)動(dong)三軸(zhou)試驗(yan)系統，試樣(yang)直(zhi)徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和(he)阻尼比

同(tong)樣由于(yu)自然沉積(ji)的(de)磷石膏密度變化(hua)較大，為此根(gen)據物理性(xing)質試驗結果，選擇兩種平均干(gan)密度1.34g/cm3(變化(hua)范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化(hua)范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪切模(mo)量G、阻尼比與剪應(ying)變(bian)幅值(zhi)γd的(de)關系式(shi)如下(xia)：

式中k1為(wei)(wei)參數，表示(shi)動(dong)剪(jian)切模量(liang)的(de)衰減(jian)或阻尼比的(de)增長速率；λmax為(wei)(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大動(dong)剪(jian)切模量(liang)和(he)歸(gui)一化的(de)動(dong)剪(jian)應變，表示(shi)為(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)參數(shu)；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大(da)氣壓；vd為(wei)動(dong)(dong)泊松比；εa為(wei)歸一化的動(dong)(dong)應(ying)變，表達(da)為(wei)

圖(tu)(tu)14給出(chu)(chu)了動剪切(qie)模(mo)量、阻尼比(bi)與歸一(yi)化動應變(bian)的(de)關系曲線(xian)(xian)，另外(wai)圖(tu)(tu)中還給出(chu)(chu)了式(1)的(de)擬合曲線(xian)(xian)以(yi)及(ji)Seed等(deng)給出(chu)(chu)的(de)砂樣的(de)上(shang)下邊界線(xian)(xian)，圖(tu)(tu)例中，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固結應力比(bi)。

從圖(tu)中可(ke)以看出(chu)：①式(shi)(1)可(ke)較(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)動(dong)應(ying)(ying)(ying)力-動(dong)應(ying)(ying)(ying)變試驗曲線(xian)，表(biao)明(ming)采用等(deng)價黏彈性模型進行循環荷載作(zuo)用下的(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中干密(mi)度為(wei)(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)位(wei)于干密(mi)度為(wei)(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)上方，圖(tu)14(b)中則位(wei)于下方，表(biao)明(ming)密(mi)度越(yue)大(da)，動(dong)彈模越(yue)大(da)、阻(zu)尼比越(yue)小；③圖(tu)14(a)中，兩種干密(mi)度的(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)基本位(wei)于Seed等(deng)給出(chu)的(de)(de)(de)邊界線(xian)上方，而(er)圖(tu)14(b)中則基本處于邊界線(xian)中間，表(biao)明(ming)相比較(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)膏動(dong)彈模較(jiao)大(da)，會(hui)導致磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)力反應(ying)(ying)(ying)較(jiao)大(da)，但由于阻(zu)尼比也較(jiao)大(da)，這(zhe)樣又會(hui)削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)力反應(ying)(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)相互影響下，磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)力反應(ying)(ying)(ying)將不(bu)會(hui)過于強(qiang)烈，這(zhe)對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定性是有(you)利(li)的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇兩種平均干密(mi)度為(wei)1.12(變(bian)化(hua)范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行(xing)試驗，破(po)壞(huai)標準(zhun)為(wei)總應變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動(dong)剪應(ying)力(li)(li)(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破壞(huai)振(zhen)次(ci)Nf的關(guan)系曲(qu)線圖(tu)，其(qi)中(zhong)σ0為振(zhen)前試樣(yang)45°面上(shang)的有效法向應(ying)力(li)(li)(li)，表達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結比(bi)(bi)。從試驗結果可以看出(chu)，沉積磷石(shi)膏的動(dong)強度與(yu)其(qi)它土(tu)體相似，表現為圍壓和(he)固(gu)結應(ying)力(li)(li)(li)比(bi)(bi)與(yu)動(dong)剪應(ying)力(li)(li)(li)比(bi)(bi)呈負相關(guan)關(guan)系。

為判別沉積磷石膏的(de)抗液化能力(li)，假(jia)定(ding)抗震(zhen)設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取(qu)為30。首(shou)先由式(4)

所示的冪函數(shu)關系式得到(dao)振次為30時各個(ge)圍壓和固結比下(xia)的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可擬合求得動剪應力比與(yu)圍(wei)壓和固結應力比的關系(xi)式(shi)：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(shi)度提(ti)高后，動剪應力(li)比提(ti)高，表明抗(kang)液(ye)化能力(li)也提(ti)高。但(dan)即(ji)使(shi)是在低密(mi)度下(xia)，其動剪應力(li)比較之同類的(de)粉土或粉砂(sha)也大出許多，表明磷石(shi)膏具(ju)有較高的(de)抗(kang)液(ye)化能力(li)。

三、結(jie)論(lun)

依托柳樹箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開展(zhan)了物(wu)理性質試驗(yan)，然后(hou)開展(zhan)了靜動(dong)力力學特(te)性試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研究，得出(chu)如下(xia)結論：

(1)沉積磷石膏總體上屬于(yu)級配不良(liang)的粉(fen)土，局部屬于(yu)粉(fen)砂(sha)(sha)一中砂(sha)(sha)，無自然分級現象。其干密(mi)度(du)和粒徑變化隨埋深或距(ju)放漿(jiang)口距(ju)離的變化不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平(ping)方(fang)(fang)向的(de)(de)滲透(tou)系數大于(yu)垂直方(fang)(fang)向的(de)(de)滲透(tou)系數，呈現明(ming)顯的(de)(de)各向異性。

(3)與土(tu)體(ti)(ti)顆粒(li)不(bu)可壓縮不(bu)同，磷石膏的(de)晶體(ti)(ti)結(jie)(jie)構會發生壓縮破壞，具有較大(da)的(de)壓縮性，其次固結(jie)(jie)變形量(liang)遠大(da)于主(zhu)固結(jie)(jie)變形量(liang)。

(4)沉積磷石膏的(de)(de)靜動強度較之同(tong)等密實度下的(de)(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要(yao)高。