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(yin)言

磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)是濕法磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸生產過程中(zhong)的(de)副產品，2018年，全國(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)產生量為(wei)7800萬噸(dun)，且呈逐(zhu)年增(zeng)長的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)主(zhu)要(yao)成分是CaO和(he)SO3，但含有一定量的(de)氟化(hua)物(wu)(wu)和(he)其它(ta)放射性物(wu)(wu)質，在(zai)(zai)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)通常(chang)按(an)Ⅱ類(lei)一般(ban)工業固體廢物(wu)(wu)處理，鑒于(yu)無害化(hua)處理成本(ben)(ben)較高，目(mu)前綜合利(li)用(yong)率尚不足(zu)40%，故大部分磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)存存放。按(an)堆(dui)(dui)(dui)存場(chang)地的(de)不同，可分為(wei)平(ping)地型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、傍山(shan)(shan)型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)截(jie)河型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)，在(zai)(zai)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)基本(ben)(ben)上是山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)比較干(gan)法堆(dui)(dui)(dui)存，濕法堆(dui)(dui)(dui)存經濟優勢明顯，因而如地質條件為(wei)非碳酸鹽巖地區，一般(ban)均采(cai)用(yong)濕排濕堆(dui)(dui)(dui)方式。隨著(zhu)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥工業的(de)快速發展，本(ben)(ben)世紀初(chu)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)相(xiang)繼(ji)建設了(le)幾座濕法堆(dui)(dui)(dui)存的(de)大型(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫(ku)，例如云天化(hua)國(guo)(guo)(guo)(guo)際化(hua)工三環分公司(si)的(de)柳(liu)樹箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)和(he)富瑞分公司(si)的(de)楊(yang)家箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高均超過100m、處于(yu)8度地震區，其安全性備受關注(zhu)。

據統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來，全(quan)世界有118座(zuo)尾(wei)礦壩曾發生(sheng)過破壞或潰(kui)壩事故，原(yuan)因主要(yao)有地(di)震、洪水漫頂、滲透(tou)破壞和基礎失穩。尾(wei)礦庫失事后會造(zao)成巨(ju)大的生(sheng)態(tai)災難和人員傷亡，近幾十(shi)年(nian)(nian)來，

國(guo)內外(wai)對(dui)(dui)金(jin)屬尾礦(kuang)的(de)沉積規律(lv)、物(wu)理力學(xue)特性及其穩定(ding)性開(kai)展了大量(liang)的(de)研(yan)(yan)究(jiu)，但(dan)對(dui)(dui)于(yu)與金(jin)屬尾礦(kuang)庫相近的(de)磷石膏庫，一般僅限(xian)于(yu)在可研(yan)(yan)階段采用人(ren)工(gong)制備(bei)樣進行(xing)(xing)物(wu)理力學(xue)性質試(shi)驗，并(bing)據此進行(xing)(xing)穩定(ding)性分析，尚未有人(ren)針對(dui)(dui)己運(yun)行(xing)(xing)若(ruo)干年的(de)大型濕法堆存磷石膏堆積壩開(kai)展過磷石膏沉積規律(lv)及其物(wu)理力學(xue)特性的(de)專項研(yan)(yan)究(jiu)。

本文依托柳(liu)樹箐磷石膏(gao)(gao)(gao)堆積壩，首先進行了(le)鉆探取樣，采用(yong)原狀樣開展(zhan)了(le)密度、含水率(lv)、滲透、土水特(te)(te)征(zheng)和顆分等(deng)物理性(xing)質試(shi)(shi)驗，在此(ci)基礎上有針對(dui)(dui)性(xing)的(de)(de)(de)選擇原狀樣開展(zhan)了(le)三軸CU、蠕變及動三軸等(deng)力(li)學特(te)(te)性(xing)試(shi)(shi)驗。通過(guo)上述(shu)試(shi)(shi)驗研(yan)(yan)究，總結了(le)磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)沉積規(gui)律(lv)、滲透特(te)(te)性(xing)、滲透破壞特(te)(te)性(xing)以(yi)及靜動力(li)特(te)(te)性(xing)，上述(shu)研(yan)(yan)究工作對(dui)(dui)研(yan)(yan)究和評(ping)估磷石膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)(ku)堆積壩的(de)(de)(de)穩定性(xing)提供了(le)基礎數(shu)據(ju)，對(dui)(dui)現行磷石膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)(ku)的(de)(de)(de)運行管(guan)理以(yi)及新建工程的(de)(de)(de)設計具有重(zhong)要的(de)(de)(de)借鑒意義。

一(yi)、依托(tuo)工程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏堆(dui)積壩(ba)堆(dui)存設計方案(an)

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設(she)計總壩(ba)高(gao)約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采(cai)用土料填筑。上游(you)坡(po)面、壩(ba)底和下游(you)壩(ba)腳設置(zhi)堆石排水(shui)體，三者(zhe)相連通構成整個(ge)堆積壩(ba)的主要(yao)排滲系統。

(2)堆積壩(ba)及(ji)其輔助排滲措施(shi)

采(cai)用(yong)(yong)上游式筑壩(ba)(ba)(ba)(ba)法，共20級子壩(ba)(ba)(ba)(ba)，頂寬(kuan)6～9m，高度5m，堆(dui)積高度約100m。采(cai)用(yong)(yong)排滲(shen)管網(wang)作為(wei)輔助排滲(shen)方(fang)案，目前己在(zai)5級、9級子壩(ba)(ba)(ba)(ba)和(he)13級子壩(ba)(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)(ba)前120m范圍內設置了井字(zi)形(xing)排滲(shen)管網(wang)。

1.2沉積磷石膏的鉆探取(qu)樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置見圖(tu)l。2008年(nian)6月，堆(dui)(dui)積(ji)至(zhi)5級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，布(bu)設(she)了9個取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣76件；2013年(nian)5月，堆(dui)(dui)積(ji)至(zhi)13級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，又布(bu)設(she)了11個取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣112件，為(wei)比較子(zi)(zi)壩(ba)加高(gao)和(he)磷(lin)石(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)過(guo)程中磷(lin)石(shi)膏物理力(li)學性質的變化，在2，4級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)和(he)K6孔(kong)附近各(ge)布(bu)設(she)了一個鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號分別為(wei)K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏尾礦(kuang)庫2005年開工建設，2006年1月(yue)投入(ru)運行，截至(zhi)2013年5月(yue)己(ji)堆(dui)至(zhi)13級子壩，尚有7級子壩即堆(dui)存(cun)(cun)(cun)至(zhi)設計(ji)高(gao)程。鑒(jian)于磷石(shi)膏庫地(di)形、地(di)質條件(jian)較好(hao)，具備擴容(rong)改造的條件(jian)，以(yi)提(ti)高(gao)堆(dui)存(cun)(cun)(cun)庫容(rong)，減少堆(dui)存(cun)(cun)(cun)占地(di)，節約土地(di)資源。

本文主要對沉積磷石(shi)膏的(de)(de)物理力學特性(xing)進行了全(quan)面總結(jie)，限于篇幅，有關現狀(zhuang)磷石(shi)膏庫堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)安全(quan)性(xing)評(ping)價及其加高可行性(xing)的(de)(de)研究將另文發表。

二、沉(chen)積磷石膏的(de)物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密(mi)度分布(bu)

圖(tu)(tu)(tu)2給出了(le)14個(ge)鉆(zhan)孔的(de)取樣深度和(he)試(shi)(shi)驗所得干密度的(de)關(guan)系，圖(tu)(tu)(tu)中UWL表(biao)示水位(wei)線(xian)上(shang)(shang)，(系鉆(zhan)孔期間的(de)初(chu)見水位(wei)線(xian)，下同)，DWL表(biao)示水位(wei)線(xian)下。圖(tu)(tu)(tu)3給出了(le)水位(wei)線(xian)上(shang)(shang)下的(de)飽(bao)和(he)度分(fen)布圖(tu)(tu)(tu)。由于(yu)磷(lin)石膏中的(de)主要成(cheng)分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度和(he)烘烤(kao)時間對測定(ding)結(jie)果(guo)有一定(ding)影響(xiang)，不(bu)能(neng)照搬(ban)現行(xing)的(de)土(tu)工試(shi)(shi)驗規(gui)范(fan)，本文磷(lin)石膏的(de)含水率測定(ding)方法為(wei)55℃溫度下烘培24h。

圖2沉(chen)積磷石膏干密度(du)與埋深的(de)關系

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

由(you)圖3，水位線(xian)上的磷石膏(gao)飽(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值為(wei)50.4%，處于非飽(bao)和(he)狀態(tai)，水位線(xian)以下的磷石膏(gao)飽(bao)和(he)度平(ping)均(jun)值為(wei)85.0%，基(ji)本處于飽(bao)和(he)狀態(tai)，由(you)于水位下降(jiang)后磷石膏(gao)來(lai)不(bu)及(ji)排水固結，故而水位線(xian)上局部試(shi)樣的飽(bao)和(he)度較高。

由圖2，水(shui)位(wei)線以(yi)上(shang)的干密(mi)度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線以(yi)下的干密(mi)度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)與(yu)一(yi)般的尾礦有(you)所(suo)不(bu)(bu)同，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的干密(mi)度(du)并不(bu)(bu)隨埋深的增大(da)而明顯(xian)增大(da)，但(dan)水(shui)位(wei)線以(yi)下的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干密(mi)度(du)從統計意義上(shang)來看仍大(da)于(yu)水(shui)位(wei)線以(yi)上(shang)的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干密(mi)度(du)，這主要是(shi)由于(yu)水(shui)位(wei)線隨庫(ku)水(shui)位(wei)的變化反復升降而使得磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)固結所(suo)致。

室內(nei)擊(ji)(ji)(ji)實(shi)得到(dao)的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏最大(da)干密(mi)(mi)度一(yi)般在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從(cong)圖2可以看出(chu)，自然沉(chen)積的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏最大(da)干密(mi)(mi)度可達到(dao)1.73g/cm3，原因如(ru)下：與經典(dian)的(de)土(tu)骨架(jia)不(bu)可壓(ya)縮的(de)理論不(bu)同，石(shi)(shi)(shi)膏本身可壓(ya)縮，同時由于顆粒結(jie)構不(bu)穩(wen)定，擊(ji)(ji)(ji)實(shi)試(shi)驗過程(cheng)中磷石(shi)(shi)(shi)膏結(jie)構被破(po)壞，受夯擊(ji)(ji)(ji)處(chu)下陷(xian)，四周鼓起，出(chu)現(xian)了類(lei)似于橡皮土(tu)的(de)現(xian)象。而(er)在(zai)現(xian)場條件下，石(shi)(shi)(shi)膏骨架(jia)被破(po)壞后，會導致顆粒中的(de)結(jie)合水滲出(chu)至孔(kong)隙內(nei)，變成孔(kong)隙水，排水固結(jie)后會使得磷石(shi)(shi)(shi)膏的(de)孔(kong)隙比減小(xiao)，干密(mi)(mi)度增大(da)。

圖(tu)4給(gei)出了(le)相鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位于(yu)2級(ji)子壩河床部(bu)位)以及相鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位于(yu)4級(ji)子壩河床部(bu)位)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使從統計意義(yi)上來看，磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)也并未隨后續磷(lin)石膏(gao)的(de)堆積(ji)而有較(jiao)為(wei)明顯的(de)增大。

(2)級配分(fen)布

顆粒分析試驗采用密度計(ji)法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏(pian)磷酸鈉。圖5給出了試驗得到的級配(pei)包線、平(ping)均粒徑d50、不(bu)均勻(yun)系(xi)數(1u和曲率系(xi)數Cc的分布圖。

從圖5(a)可(ke)見(jian)，磷石(shi)膏的粒(li)徑主要(yao)分布(bu)在0.005～0.075mm之(zhi)間(jian)，總體上屬(shu)于(yu)粉(fen)土(tu)，但可(ke)能由于(yu)礦石(shi)來源或生(sheng)產(chan)工藝有(you)所(suo)不同，局部屬(shu)于(yu)粉(fen)砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑分布(bu)范圍比Blight和張超等的試驗結果要(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沉積磷石膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向(xiang)還(huan)是垂(chui)直向(xiang)，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)與金(jin)屬(shu)(shu)礦(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后細(xi)，上(shang)粗(cu)下細(xi)”的(de)(de)自(zi)然(ran)分(fen)級(ji)現象不同(tong)，也即(ji)粗(cu)顆粒(li)(li)并(bing)不是沿埋深逐步減小(xiao)或距離放漿口越遠(yuan)顆粒(li)(li)越細(xi)，其原因如下：①磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組(zu)成較(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)配(pei)較(jiao)差；②相比較(jiao)金(jin)屬(shu)(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比重較(jiao)小(xiao)，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比重一般為2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金(jin)屬(shu)(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比重，例(li)如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比重可達2.9；③放漿口隨子壩高度不斷(duan)增(zeng)加而不斷(duan)變(bian)動并(bing)向(xiang)庫尾(wei)(wei)延伸，造成沉積磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑變(bian)化(hua)不明顯。

從圖5(d)可見，不(bu)均(jun)(jun)勻系數Cu范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)4.18，曲率(lv)系數(1c范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)1.21，在統計的100多個(ge)試樣中，屬于級(ji)配(pei)不(bu)良土的占93%。這種級(ji)配(pei)特性決定(ding)了磷石膏具有較高(gao)的壓縮性、滲透(tou)破(po)壞型式表現為(wei)流土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透(tou)系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的主要因素(su)是粒徑大小、級(ji)配和孔(kong)隙比，因而(er)磷(lin)(lin)石膏的滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)為(wei)接近(jin)。由(you)于(yu)孔(kong)隙比e減小，使得(de)過水通道面積(ji)減小，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減小，k與(yu)e呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對(dui)砂土(tu)，一(yi)般認為(wei)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較(jiao)好(hao)，圖6給出(chu)了二者間(jian)的關(guan)系(xi)(xi)曲線，由(you)于(yu)沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏的不(bu)均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)大，使得(de)沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏的滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化范圍較(jiao)大(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級(ji))，二者問(wen)的線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較(jiao)差。

圖(tu)6沉(chen)積磷石(shi)膏滲透系數與孔隙比的關系

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

圖7給出了水(shui)平與垂直向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數比值的(de)(de)分布。沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)水(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數kh一般(ban)大于垂直向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)滲透(tou)(tou)系數kv,kh/kv平均值約為2.86，這一點與成層(ceng)分布的(de)(de)金屬尾礦規律一致。造成沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石膏水(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數大于垂直向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數的(de)(de)原因是由于磷(lin)(lin)石膏具(ju)有明顯(xian)(xian)的(de)(de)晶體結構，電(dian)鏡掃描顯(xian)(xian)示多為菱形和棱柱狀形式(見(jian)圖8)，在沉積(ji)(ji)過程中，由于扁平狀磷(lin)(lin)石膏顆粒多呈(cheng)(cheng)水(shui)平排列，使得水(shui)平方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing)大于垂直方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing)，從而使磷(lin)(lin)石膏呈(cheng)(cheng)現明顯(xian)(xian)的(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另(ling)根據中國有色(se)金屬工業昆明(ming)勘察設(she)計研究院在楊(yang)家箐磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩開展的(de)(de)現場(chang)滲(shen)透(tou)試驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)(ping)均(jun)(jun)值(zhi)約為1.9。但(dan)張超等(deng)的(de)(de)室內試驗(yan)顯示，kh/kv的(de)(de)平(ping)(ping)均(jun)(jun)值(zhi)約為0.46，也即(ji)垂直向滲(shen)透(tou)系數(shu)大于水平(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)系數(shu)，與本(ben)文(wen)和現場(chang)試驗(yan)結(jie)果恰(qia)恰(qia)相反(fan)。從磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)微(wei)觀(guan)結(jie)構來看(kan)，本(ben)文(wen)試驗(yan)結(jie)果更為合(he)理(li)。

圖7沉積磷石膏干密度(du)與水(shui)平(ping)和垂直滲透系數比值的(de)關系

(2)滲透變形

圖(tu)9為(wei)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)力梯度J與(yu)流速V的(de)(de)關系(xi)(xi)曲(qu)線，試(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)(shui)平管涌儀中采(cai)用(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)平方(fang)向的(de)(de)滲流形(xing)式進(jin)行(xing)(xing)。試(shi)驗(yan)得到的(de)(de)臨(lin)界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)般(ban)來說，對1，2級工(gong)程(cheng)，滲透安全(quan)系(xi)(xi)數取為(wei)2.5，則(ze)(ze)允許出(chu)逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以(yi)下工(gong)程(cheng)，滲透安全(quan)系(xi)(xi)數取2.0，則(ze)(ze)允許出(chu)逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)(jiang)與(yu)粉土一(yi)(yi)(yi)粉砂(sha)大(da)致相同。但上述滲透變形(xing)試(shi)驗(yan)是采(cai)用(yong)(yong)(yong)自(zi)來水(shui)(shui)(shui)(shui)進(jin)行(xing)(xing)的(de)(de)，自(zi)來水(shui)(shui)(shui)(shui)對磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有(you)一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)(yong)(yong)，而實際上磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)中殘余磷(lin)、硫(liu)和氟酸，庫(ku)水(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)(yi)(yi)般(ban)小(xiao)于(yu)3(稱(cheng)之為(wei)酸性水(shui)(shui)(shui)(shui))，在酸性水(shui)(shui)(shui)(shui)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)下，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)不會發生破壞，上述試(shi)驗(yan)結果是偏于(yu)保守的(de)(de)，但對非酸性水(shui)(shui)(shui)(shui)條件(例如(ru)特大(da)暴雨)下的(de)(de)滲透穩定(ding)判斷有(you)一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒意義。

圖9水力(li)梯(ti)度J-流速v試(shi)驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土(tu)水特征試驗(yan)

試(shi)驗在(zai)5Bar的壓力板儀中進行，環刀尺(chi)寸(cun)6.18cm。干密(mi)度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力范圍0～500kPa。表l列(lie)出了含水率特征值，試(shi)驗曲(qu)線見圖10所示。

試驗(yan)結果表明(ming)：①干(gan)(gan)密(mi)度對進氣(qi)值沒有明(ming)顯的影響，不同干(gan)(gan)密(mi)度的試樣的進氣(qi)值大(da)致在10kPa左右；②土(tu)樣殘余含(han)水率(lv)隨干(gan)(gan)密(mi)度的增加而減少，殘余含(han)水率(lv)約(yue)為飽和含(han)水率(lv)的10%。上述特性與粉土(tu)一粉砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試(shi)驗

由于沉積磷石(shi)膏的(de)(de)密度變(bian)化(hua)較大，而(er)進行三軸試(shi)驗需要若干(gan)原狀樣(yang)，為(wei)使(shi)試(shi)驗結果具有較好的(de)(de)一致性(xing)，有針對性(xing)的(de)(de)選擇平均干(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)試(shi)樣(yang)，進行了(le)5組三軸CU試(shi)驗。圖11是(shi)為(wei)干(gan)密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸CU試(shi)驗曲線。

從圖11可以(yi)看出，磷石膏的(de)應(ying)力應(ying)變關系曲(qu)線在(zai)低圍(wei)壓下(xia)表(biao)現為(wei)軟化型，在(zai)高圍(wei)壓下(xia)表(biao)現為(wei)硬化型，與一(yi)般(ban)土(tu)類相似(si)。但(dan)與一(yi)般(ban)粉土(tu)一(yi)粉砂不同的(de)是，即使(shi)在(zai)較為(wei)疏松(song)的(de)狀態下(xia)，磷石膏仍(reng)表(biao)現了較為(wei)強烈的(de)剪(jian)脹(zhang)，隨(sui)密實度增大，剪(jian)脹(zhang)作用愈(yu)發明顯。

表(biao)2給(gei)出(chu)了(le)不同(tong)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)下的(de)(de)內摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了(le)內摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)與干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)關系曲(qu)線(xian)(xian)。隨干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，內摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)也隨之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，且可采用冪函數較好地(di)擬合。磷石(shi)膏的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)力摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據(ju)擬合曲(qu)線(xian)(xian)求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)9.4%，有(you)效(xiao)應(ying)力摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨圍壓(ya)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔壓(ya)也明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，故(gu)有(you)效(xiao)摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較之(zhi)(zhi)總應(ying)力摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)要(yao)小。另外較之(zhi)(zhi)于干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不顯(xian)著，表(biao)明(ming)即使較為(wei)疏(shu)松的(de)(de)磷石(shi)膏仍具(ju)有(you)較高的(de)(de)強度(du)(du)指(zhi)標，這也表(biao)明(ming)磷石(shi)膏堆積(ji)壩的(de)(de)穩定性(xing)較高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗(yan)

磷石膏(gao)的蠕變變形試(shi)驗(yan)在側限壓縮儀中進行，試(shi)驗(yan)狀態(tai)相當于K0固(gu)結。試(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干密(mi)度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后(hou)分別開展了上覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)驗(yan)，

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

從圖13中可以看(kan)出：上(shang)覆(fu)荷載越(yue)大(da)，磷石膏的(de)蠕(ru)變變形也(ye)越(yue)大(da)，荷載施(shi)加1年后，磷石膏的(de)蠕(ru)變變形仍非常顯著，尚未達(da)到(dao)穩(wen)定狀態，這(zhe)也(ye)是磷石膏堆(dui)積壩(ba)后期變形較大(da)的(de)原因，原型觀測(ce)資(zi)料表明(ming)，在5級子壩(ba)河(he)床部位的(de)表面沉降量(liang)已(yi)經達(da)到(dao)3.1m，且尚未完(wan)全穩(wen)定。

按時(shi)(shi)間(jian)對(dui)數法，可(ke)求得各級(ji)荷載(zai)下(xia)的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)量(liang)如(ru)表(biao)(biao)3所示。試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)(jie)(jie)果表(biao)(biao)明，在(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆荷載(zai)作用下(xia)，在(zai)(zai)試(shi)驗(yan)時(shi)(shi)間(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當(dang)然由于蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)尚未完成(cheng)，實(shi)際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)應更(geng)大。對(dui)土(tu)(tu)體(ti)(ti)(ti)而言，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因是(shi)由于土(tu)(tu)體(ti)(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)完成(cheng)之后(hou)，土(tu)(tu)體(ti)(ti)(ti)中仍有微小的(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆(ke)粒問流動(dong)，一般來講土(tu)(tu)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)遠小于主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)；對(dui)磷石(shi)(shi)膏(gao)而言，其滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量(liang)級(ji)，遠大于黏性土(tu)(tu)，但其卻發(fa)生(sheng)了(le)極為(wei)顯(xian)著的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)，其原因在(zai)(zai)于磷石(shi)(shi)膏(gao)晶體(ti)(ti)(ti)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)發(fa)生(sheng)了(le)壓縮(suo)、破壞，接觸點晶格發(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)形(xing)，而破壞后(hou)晶格之間(jian)的(de)(de)重新(xin)排(pai)列、調整到最后(hou)趨于相對(dui)靜(jing)止需要相當(dang)長的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)才(cai)能(neng)完成(cheng)。

2.4動力力學(xue)特性(xing)

試驗設備采用英國GDS公司進口的電(dian)機控制動三軸(zhou)試驗系統，試樣(yang)直(zhi)徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比(bi)

同(tong)樣由于自然沉積(ji)的磷石膏密度(du)變(bian)化(hua)(hua)較大，為此(ci)根據物理性(xing)質試驗結果，選擇兩種(zhong)平均(jun)干密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)(de)動剪切(qie)模量G、阻尼比與(yu)剪應(ying)變幅值(zhi)γd的(de)(de)關系式如下(xia)：

式中k1為參數，表示動(dong)剪(jian)切(qie)模量的(de)(de)衰減(jian)或阻尼(ni)比(bi)的(de)(de)增長速率(lv)；λmax為最(zui)(zui)大阻尼(ni)比(bi)；Gmax，γd分別為最(zui)(zui)大動(dong)剪(jian)切(qie)模量和歸一化(hua)的(de)(de)動(dong)剪(jian)應變(bian)，表示為

式(shi)中k2,n為(wei)(wei)(wei)參數(shu)；σm為(wei)(wei)(wei)球應(ying)(ying)力；Pa為(wei)(wei)(wei)標(biao)準大氣壓；vd為(wei)(wei)(wei)動(dong)泊(bo)松(song)比；εa為(wei)(wei)(wei)歸一化的(de)動(dong)應(ying)(ying)變，表達為(wei)(wei)(wei)

圖(tu)14給出(chu)了動剪切(qie)模量、阻尼比(bi)與歸一化動應變的關(guan)系曲線，另外(wai)圖(tu)中(zhong)還給出(chu)了式(1)的擬合曲線以及Seed等(deng)給出(chu)的砂樣的上(shang)下邊界線，圖(tu)例中(zhong)，σ2表(biao)示圍壓(ya)，Kc表(biao)示固結(jie)應力比(bi)。

從圖(tu)中(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(shi)(1)可(ke)較好地描述磷石膏(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力-動(dong)(dong)應(ying)變試驗(yan)曲線(xian)，表(biao)明采(cai)用等價黏彈(dan)性(xing)模(mo)型進行(xing)循環荷(he)載(zai)作用下的(de)(de)分(fen)析是可(ke)行(xing)的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)位(wei)(wei)于(yu)(yu)干密(mi)度(du)(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)上方(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)(wei)于(yu)(yu)下方(fang)，表(biao)明密(mi)度(du)(du)越(yue)(yue)大，動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)(yue)大、阻(zu)尼(ni)比(bi)越(yue)(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密(mi)度(du)(du)的(de)(de)擬合線(xian)基本位(wei)(wei)于(yu)(yu)Seed等給出(chu)的(de)(de)邊界線(xian)上方(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本處于(yu)(yu)邊界線(xian)中(zhong)間，表(biao)明相比(bi)較砂樣，磷石膏(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較大，會導(dao)致磷石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)動(dong)(dong)力反應(ying)較大，但由(you)于(yu)(yu)阻(zu)尼(ni)比(bi)也(ye)較大，這(zhe)樣又會削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)(dong)力反應(ying)，二者的(de)(de)相互影響下，磷石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)(dong)力反應(ying)將不會過于(yu)(yu)強烈，這(zhe)對磷石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干密度為1.12(變化范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準為總應變達到10%。

圖15給(gei)出(chu)了(le)動(dong)剪應(ying)力(li)比τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的(de)關(guan)系曲線圖，其中(zhong)σ0為(wei)振前試(shi)樣(yang)45°面上的(de)有(you)效法向應(ying)力(li)，表(biao)達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)(jie)(jie)比。從試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)(jie)果可以看(kan)出(chu)，沉積磷(lin)石膏的(de)動(dong)強度與(yu)其它土(tu)體(ti)相似，表(biao)現為(wei)圍壓和固結(jie)(jie)(jie)應(ying)力(li)比與(yu)動(dong)剪應(ying)力(li)比呈負相關(guan)關(guan)系。

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

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

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可(ke)擬合求(qiu)得動剪應力比與(yu)圍壓(ya)和固結應力比的關(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。

從上述擬合(he)關系式可見，密(mi)實度提高后，動(dong)(dong)剪應力比(bi)提高，表明抗液化能力也提高。但即(ji)使是在低密(mi)度下，其動(dong)(dong)剪應力比(bi)較之(zhi)同類(lei)的(de)粉土或粉砂(sha)也大出許多，表明磷石膏(gao)具有較高的(de)抗液化能力。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆(dui)積(ji)壩，在鉆探取樣工作的基(ji)礎上，首先開(kai)展(zhan)了(le)物理性質試驗，然后開(kai)展(zhan)了(le)靜(jing)動力力學特性試驗。通(tong)過上述(shu)試驗研究，得出如下(xia)結論：

(1)沉積磷石(shi)膏總體上屬于(yu)級(ji)配不良的粉土，局部屬于(yu)粉砂一中砂，無自然分級(ji)現象。其干密度和粒徑(jing)變(bian)化(hua)隨(sui)埋(mai)深(shen)或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離的變(bian)化(hua)不明(ming)顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水平方向的(de)滲(shen)透(tou)系數大(da)于垂(chui)直方向的(de)滲(shen)透(tou)系數，呈現明顯的(de)各向異性(xing)。

(3)與土體(ti)(ti)顆粒(li)不可壓(ya)縮不同，磷石膏(gao)的(de)晶體(ti)(ti)結(jie)構(gou)會發生壓(ya)縮破壞，具有較大(da)的(de)壓(ya)縮性，其(qi)次固(gu)結(jie)變形量(liang)遠大(da)于主固(gu)結(jie)變形量(liang)。

(4)沉積磷石(shi)膏的靜動強(qiang)度(du)較之(zhi)同等密(mi)實度(du)下的粉土、粉砂要高。