沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)石(shi)膏(gao)是磷(lin)酸生產過程中的(de)副產品，目前(qian)的(de)綜合利用(yong)率尚不足40%，大部分需(xu)要堆(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。受(shou)地形(xing)限制和(he)(he)經濟效益考慮，中國主要為(wei)濕法堆(dui)存(cun)(cun)的(de)山谷型堆(dui)場。依(yi)托柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩，針對沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)首先開展了(le)密度、含水(shui)率、滲(shen)透、土水(shui)特征和(he)(he)顆分等(deng)物理性(xing)質試(shi)驗，然(ran)后開展了(le)三軸cu、蠕變及(ji)動(dong)三軸等(deng)力學特性(xing)試(shi)驗。試(shi)驗結(jie)果表明：①沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)干密度與埋深沒(mei)有(you)相關(guan)關(guan)系；②沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)不具有(you)自然(ran)分級現象，但具有(you)明顯的(de)各向異性(xing)；③沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)具有(you)較高的(de)摩擦角和(he)(he)抗液(ye)化能力，但其蠕變變形(xing)較大、滲(shen)透比降較小。上述工作為(wei)分析磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)壩體穩定性(xing)提(ti)供(gong)了(le)基礎(chu)，對現行(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫的(de)運行(xing)管理以及(ji)新(xin)建工程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒意(yi)義。

引(yin)言

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)法磷(lin)(lin)酸生產(chan)過程中的副產(chan)品，2018年(nian)，全(quan)國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)產(chan)生量為(wei)7800萬噸，且呈逐年(nian)增長的態勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的主要成(cheng)分(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有(you)一(yi)定(ding)量的氟化物和(he)其它放(fang)(fang)射性物質，在中國(guo)(guo)(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般工(gong)業(ye)固體(ti)廢物處(chu)理，鑒于無害化處(chu)理成(cheng)本較高，目前綜合利用(yong)率(lv)尚不足40%，故大(da)部(bu)分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放(fang)(fang)。按堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)場地(di)(di)的不同，可分(fen)為(wei)平地(di)(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)截河(he)型(xing)堆(dui)(dui)場，在中國(guo)(guo)(guo)基本上是(shi)山(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較干法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)經濟優勢明顯(xian)，因而如地(di)(di)質條件為(wei)非碳酸鹽巖(yan)地(di)(di)區，一(yi)般均采用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方(fang)式。隨著中國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)業(ye)的快速發(fa)展，本世紀(ji)初中國(guo)(guo)(guo)相(xiang)繼建設了(le)幾(ji)座濕(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)的大(da)型(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例如云天(tian)化國(guo)(guo)(guo)際化工(gong)三環分(fen)公(gong)司的柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩和(he)富瑞分(fen)公(gong)司的楊家(jia)箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩，這兩(liang)座壩設計壩高均超過100m、處(chu)于8度地(di)(di)震區，其安(an)全(quan)性備受關注(zhu)。

據統(tong)計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界(jie)有118座尾礦壩(ba)曾發(fa)生過破壞(huai)(huai)或潰壩(ba)事故，原(yuan)因(yin)主(zhu)要有地震、洪水漫頂、滲(shen)透破壞(huai)(huai)和基礎失穩。尾礦庫(ku)失事后會造成巨大的生態災難(nan)和人(ren)員傷亡，近幾十年(nian)來，

國內外對金屬尾礦的(de)(de)沉積(ji)(ji)規律、物理力學特性(xing)(xing)及(ji)其穩定性(xing)(xing)開展了(le)大(da)量的(de)(de)研(yan)究，但對于(yu)與金屬尾礦庫相(xiang)近的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏庫，一般僅限于(yu)在(zai)可研(yan)階段采用人工制(zhi)備樣進行物理力學性(xing)(xing)質試(shi)驗，并據(ju)此(ci)進行穩定性(xing)(xing)分析，尚(shang)未有人針對己運行若干年的(de)(de)大(da)型濕(shi)法堆存磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)(ji)壩開展過(guo)磷石(shi)(shi)膏沉積(ji)(ji)規律及(ji)其物理力學特性(xing)(xing)的(de)(de)專項研(yan)究。

本文依托柳(liu)樹箐磷石(shi)膏堆積(ji)壩，首先進(jin)行(xing)(xing)了(le)鉆探(tan)取(qu)樣，采用(yong)原(yuan)狀樣開展了(le)密度(du)、含水率(lv)、滲(shen)透、土(tu)水特征(zheng)和顆分等物理性質試驗，在此基礎(chu)上有針對性的選擇(ze)原(yuan)狀樣開展了(le)三軸(zhou)CU、蠕變及動(dong)三軸(zhou)等力學特性試驗。通過上述(shu)試驗研(yan)究(jiu)，總結了(le)磷石(shi)膏的沉(chen)積(ji)規律(lv)、滲(shen)透特性、滲(shen)透破壞特性以及靜動(dong)力特性，上述(shu)研(yan)究(jiu)工作對研(yan)究(jiu)和評估磷石(shi)膏庫(ku)堆積(ji)壩的穩定性提供了(le)基礎(chu)數據，對現行(xing)(xing)磷石(shi)膏庫(ku)的運行(xing)(xing)管理以及新(xin)建工程的設計具有重要的借鑒意義。

一、依托工(gong)程概況

1.1柳樹箐磷石膏(gao)堆(dui)積壩(ba)堆(dui)存設計方案

由初期(qi)壩(ba)和堆積(ji)壩(ba)組成，設(she)計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約(yue)30m，采用(yong)土(tu)料(liao)填筑。上游(you)(you)坡(po)面、壩(ba)底和下游(you)(you)壩(ba)腳設置堆石排水體(ti)，三(san)者相連(lian)通構(gou)成(cheng)整個堆積壩(ba)的主要排滲系統。

(2)堆積(ji)壩及其輔助(zhu)排滲(shen)措施

采(cai)用上游式筑(zhu)壩(ba)(ba)法，共(gong)20級(ji)子壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆積(ji)高度(du)約(yue)100m。采(cai)用排滲(shen)管(guan)網作為輔助(zhu)排滲(shen)方案，目前(qian)己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)和13級(ji)子壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前(qian)120m范圍內設置了井字形排滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)孔(kong)平面位(wei)置見(jian)圖l。2008年(nian)(nian)6月，堆積至5級子(zi)壩(ba)(ba)時，布(bu)設了9個取樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取原(yuan)狀樣(yang)76件(jian)；2013年(nian)(nian)5月，堆積至13級子(zi)壩(ba)(ba)時，又布(bu)設了11個取樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取原(yuan)狀樣(yang)112件(jian)，為比較子(zi)壩(ba)(ba)加高(gao)和(he)磷石膏堆積過程中磷石膏物(wu)理力學性質的變化(hua)，在2，4級子(zi)壩(ba)(ba)K2孔(kong)和(he)K6孔(kong)附近(jin)各布(bu)設了一個鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號分別為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷(lin)石(shi)膏尾礦庫(ku)(ku)2005年(nian)開(kai)工建設(she)，2006年(nian)1月投入(ru)運行，截至2013年(nian)5月己堆(dui)至13級子壩，尚有(you)7級子壩即堆(dui)存(cun)(cun)至設(she)計高(gao)程。鑒于磷(lin)石(shi)膏庫(ku)(ku)地形、地質(zhi)條件(jian)(jian)較好，具備擴容(rong)改造(zao)的條件(jian)(jian)，以提高(gao)堆(dui)存(cun)(cun)庫(ku)(ku)容(rong)，減少堆(dui)存(cun)(cun)占地，節約土地資源(yuan)。

本(ben)文主要對沉積(ji)磷石膏(gao)的物理力(li)學特性(xing)進行了全(quan)面總結，限于篇幅，有關現狀磷石膏(gao)庫(ku)堆積(ji)壩的安全(quan)性(xing)評價及(ji)其加高可行性(xing)的研(yan)究(jiu)將另文發表。

二、沉積磷石(shi)膏的物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)(tu)2給出了(le)14個鉆孔的(de)(de)(de)(de)取(qu)樣深度(du)(du)和(he)試(shi)驗所得干密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)關系，圖(tu)(tu)中(zhong)UWL表(biao)示水(shui)位線(xian)上，(系鉆孔期間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)初見水(shui)位線(xian)，下(xia)(xia)同(tong))，DWL表(biao)示水(shui)位線(xian)下(xia)(xia)。圖(tu)(tu)3給出了(le)水(shui)位線(xian)上下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)飽和(he)度(du)(du)分布(bu)圖(tu)(tu)。由(you)于磷石(shi)膏(gao)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫(wen)度(du)(du)和(he)烘烤時間(jian)(jian)對(dui)測定(ding)結(jie)果有一定(ding)影響(xiang)，不(bu)能(neng)照搬現行的(de)(de)(de)(de)土工試(shi)驗規范，本文磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)含水(shui)率測定(ding)方(fang)法為55℃溫(wen)度(du)(du)下(xia)(xia)烘培24h。

圖(tu)2沉積磷石膏干(gan)密度(du)與埋深(shen)的關系(xi)

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

由(you)圖3，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上的磷石膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)度平均值為50.4%，處于非飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態(tai)，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下(xia)的磷石膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)度平均值為85.0%，基本處于飽(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態(tai)，由(you)于水(shui)位(wei)(wei)下(xia)降后磷石膏(gao)來(lai)不及排水(shui)固結，故而(er)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上局部試樣的飽(bao)(bao)和(he)度較(jiao)高。

由(you)圖(tu)2，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上(shang)(shang)的(de)(de)干密度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)干密度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)(jun)值為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與一(yi)般的(de)(de)尾礦(kuang)有(you)所不(bu)同，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)干密度并不(bu)隨埋(mai)深的(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)明顯增(zeng)大(da)，但水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密度從(cong)統計意義(yi)上(shang)(shang)來看仍大(da)于水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上(shang)(shang)的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密度，這主要是由(you)于水(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨庫水(shui)位(wei)(wei)的(de)(de)變化反(fan)復升降而(er)使得磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排(pai)水(shui)固結所致。

室內擊(ji)實(shi)得到的(de)磷(lin)石膏最大(da)(da)干(gan)密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖(tu)2可以(yi)看出，自(zi)然沉積的(de)磷(lin)石膏最大(da)(da)干(gan)密度可達到1.73g/cm3，原因如(ru)下：與經典的(de)土(tu)骨架不(bu)可壓縮(suo)的(de)理論(lun)不(bu)同(tong)，石膏本身可壓縮(suo)，同(tong)時由于顆粒(li)結(jie)(jie)構不(bu)穩定，擊(ji)實(shi)試(shi)驗過程(cheng)中磷(lin)石膏結(jie)(jie)構被(bei)(bei)破壞，受夯擊(ji)處(chu)下陷，四(si)周鼓(gu)起(qi)，出現(xian)了類(lei)似于橡皮土(tu)的(de)現(xian)象(xiang)。而在現(xian)場(chang)條件(jian)下，石膏骨架被(bei)(bei)破壞后(hou)(hou)，會導致顆粒(li)中的(de)結(jie)(jie)合水(shui)滲出至(zhi)孔隙(xi)內，變(bian)成孔隙(xi)水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)(jie)后(hou)(hou)會使得磷(lin)石膏的(de)孔隙(xi)比減(jian)小(xiao)，干(gan)密度增大(da)(da)。

圖4給(gei)出了相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔K2和K17(位(wei)(wei)于2級(ji)子(zi)壩(ba)河(he)床部(bu)位(wei)(wei))以及(ji)相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔K6和K18(位(wei)(wei)于4級(ji)子(zi)壩(ba)河(he)床部(bu)位(wei)(wei))干(gan)密(mi)度的對(dui)比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的干(gan)密(mi)度在1.12～1.47g/cm3之間，均值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的干(gan)密(mi)度在1.2～1.39g/cm3之間，均值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的干(gan)密(mi)度在1.13～1.57g/cm3之間，均值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔的干(gan)密(mi)度在1.14～1.59g/cm3之間，均值為(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使從統計意(yi)義上(shang)來看，磷(lin)石膏(gao)的干(gan)密(mi)度也并未(wei)隨后(hou)續磷(lin)石膏(gao)的堆(dui)積而有較為(wei)明顯的增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析(xi)試驗采用密(mi)度計法，制(zhi)備懸液時不煮沸，不加六偏(pian)磷酸鈉。圖5給出了試驗得到(dao)的級配包線、平均(jun)粒(li)徑d50、不均(jun)勻系(xi)(xi)數(shu)(1u和曲率系(xi)(xi)數(shu)Cc的分布圖。

從圖5(a)可見，磷(lin)石膏的粒徑主要(yao)分(fen)(fen)布(bu)(bu)在0.005～0.075mm之(zhi)間(jian)，總體上屬于(yu)粉(fen)土，但可能(neng)由于(yu)礦石來源或生產(chan)工藝(yi)有所不同，局部屬于(yu)粉(fen)砂～中(zhong)砂。粒徑分(fen)(fen)布(bu)(bu)范圍比Blight和(he)張超等的試(shi)驗結果要(yao)寬一(yi)些。

圖4子壩加高(gao)后沉積磷(lin)石膏的干密度變化

圖5沉積磷石膏的(de)平均(jun)粒徑和級(ji)配分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論(lun)是(shi)水平向(xiang)還(huan)是(shi)垂(chui)直向(xiang)，磷(lin)石膏(gao)與金屬礦山尾(wei)礦的“前粗(cu)(cu)后細(xi)，上粗(cu)(cu)下(xia)細(xi)”的自然分(fen)級現象不(bu)(bu)(bu)同，也(ye)即粗(cu)(cu)顆(ke)(ke)粒(li)并不(bu)(bu)(bu)是(shi)沿(yan)埋深逐步減(jian)小或距離放漿口越遠(yuan)(yuan)顆(ke)(ke)粒(li)越細(xi)，其原因如下(xia)：①磷(lin)石膏(gao)顆(ke)(ke)粒(li)粒(li)徑(jing)組(zu)成(cheng)較為集中(zhong)、均勻，主要以粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較差；②相(xiang)比較金屬尾(wei)礦，磷(lin)石膏(gao)的比重較小，磷(lin)石膏(gao)的比重一般為2.3～2.4，遠(yuan)(yuan)小于金屬尾(wei)礦的比重，例如鐵尾(wei)礦的比重可達(da)2.9；③放漿口隨(sui)子壩(ba)高度不(bu)(bu)(bu)斷(duan)增加而不(bu)(bu)(bu)斷(duan)變動并向(xiang)庫尾(wei)延伸，造成(cheng)沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)的粒(li)徑(jing)變化不(bu)(bu)(bu)明顯。

從圖5(d)可(ke)見(jian)，不均勻系(xi)數(shu)(shu)Cu范圍值1.61～21.5，平(ping)均值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(shu)(shu)(1c范圍值0.28～9.78，平(ping)均值為(wei)1.21，在統計的(de)100多個試樣中，屬于級(ji)配不良土(tu)的(de)占93%。這種級(ji)配特性決定了磷石(shi)膏(gao)具有較高的(de)壓縮(suo)性、滲透破壞(huai)型(xing)式表現為(wei)流土(tu)破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影(ying)響滲(shen)透系(xi)(xi)數的主(zhu)要(yao)因素是粒徑大小、級配和孔隙比(bi)，因而磷石膏(gao)的滲(shen)透系(xi)(xi)數與(yu)粉土較(jiao)(jiao)為接近。由(you)于孔隙比(bi)e減(jian)(jian)小，使得過水通道面積(ji)減(jian)(jian)小，滲(shen)透系(xi)(xi)數k也(ye)將減(jian)(jian)小，k與(yu)e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)透系(xi)(xi)數k與(yu)e3/(1+e)的線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖(tu)6給出了二者(zhe)間(jian)的關(guan)(guan)系(xi)(xi)曲線，由(you)于沉積(ji)磷石膏(gao)的不(bu)均(jun)勻(yun)系(xi)(xi)數變(bian)化較(jiao)(jiao)大，使得沉積(ji)磷石膏(gao)的滲(shen)透系(xi)(xi)數變(bian)化范圍較(jiao)(jiao)大(平均(jun)值(zhi)為10-4cm/s數量級)，二者(zhe)問的線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲(shen)透系(xi)數與孔(kong)隙比的關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)與垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)(tou)系數比值(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)布。沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)(tou)系數kh一般大(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)(tou)(tou)系數kv,kh/kv平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約(yue)為2.86，這一點(dian)與成(cheng)層分(fen)布的(de)(de)(de)金屬(shu)尾礦規律一致。造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)(tou)系數大(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)(tou)系數的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)是由于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)有明顯(xian)的(de)(de)(de)晶體結構，電(dian)鏡掃(sao)描顯(xian)示多為菱形和棱柱(zhu)狀形式(見(jian)圖8)，在(zai)沉積(ji)過(guo)程中，由于(yu)扁平(ping)(ping)狀磷(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒多呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使(shi)得水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)大(da)于(yu)垂(chui)直方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)，從而使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)呈現明顯(xian)的(de)(de)(de)各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中國有(you)色金屬工業昆明勘察設(she)計(ji)研(yan)究院在楊(yang)家(jia)箐磷(lin)石膏堆積(ji)壩開(kai)展的(de)現場(chang)滲(shen)(shen)透試(shi)驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)平均(jun)值約為(wei)1.9。但張超等的(de)室內試(shi)驗(yan)(yan)顯示，kh/kv的(de)平均(jun)值約為(wei)0.46，也即垂直(zhi)向滲(shen)(shen)透系數大于水平向滲(shen)(shen)透系數，與本(ben)文(wen)和現場(chang)試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從磷(lin)石膏的(de)微觀結(jie)(jie)構來(lai)看，本(ben)文(wen)試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果(guo)更為(wei)合理(li)。

圖7沉積磷石(shi)膏干(gan)密(mi)度與水平(ping)和垂直(zhi)滲透(tou)系(xi)數比(bi)值(zhi)的關系(xi)

(2)滲透變形

圖(tu)9為(wei)磷(lin)(lin)石(shi)膏干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯度(du)J與(yu)流速V的(de)關系曲線(xian)，試驗(yan)(yan)在水(shui)平(ping)管涌儀中(zhong)采用(yong)水(shui)平(ping)方向的(de)滲(shen)流形(xing)(xing)式(shi)進行(xing)(xing)。試驗(yan)(yan)得到(dao)的(de)臨(lin)界坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)(po)壞坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般來(lai)說，對1，2級(ji)工程(cheng)，滲(shen)透安全系數取為(wei)2.5，則允許(xu)(xu)出逸(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下(xia)(xia)工程(cheng)，滲(shen)透安全系數取2.0，則允許(xu)(xu)出逸(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)(xu)比降(jiang)(jiang)(jiang)與(yu)粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂大致相同(tong)。但上(shang)述(shu)滲(shen)透變形(xing)(xing)試驗(yan)(yan)是采用(yong)自(zi)來(lai)水(shui)進行(xing)(xing)的(de)，自(zi)來(lai)水(shui)對磷(lin)(lin)石(shi)膏具(ju)有(you)一(yi)(yi)定的(de)溶(rong)蝕(shi)作用(yong)，而實際上(shang)磷(lin)(lin)石(shi)膏中(zhong)殘余磷(lin)(lin)、硫和(he)氟(fu)酸，庫水(shui)的(de)pH值一(yi)(yi)般小(xiao)于(yu)3(稱之為(wei)酸性(xing)水(shui))，在酸性(xing)水(shui)作用(yong)下(xia)(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏不會發生破(po)(po)壞，上(shang)述(shu)試驗(yan)(yan)結果是偏于(yu)保(bao)守的(de)，但對非(fei)酸性(xing)水(shui)條件(例如(ru)特大暴雨)下(xia)(xia)的(de)滲(shen)透穩定判斷有(you)一(yi)(yi)定的(de)借鑒意(yi)義。

圖(tu)9水力梯度J-流速v試驗過(guo)程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的壓(ya)力(li)板儀中進行(xing)，環刀(dao)尺寸(cun)6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征(zheng)值，試(shi)驗(yan)曲線見圖10所(suo)示。

試(shi)驗結果表明：①干密(mi)(mi)度(du)對進氣(qi)值(zhi)沒有明顯的(de)影響，不同干密(mi)(mi)度(du)的(de)試(shi)樣(yang)的(de)進氣(qi)值(zhi)大致在10kPa左右；②土樣(yang)殘余含水率隨干密(mi)(mi)度(du)的(de)增(zeng)加而減(jian)少，殘余含水率約為(wei)飽和含水率的(de)10%。上述(shu)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(you)于(yu)沉積磷石膏的(de)(de)密度(du)變化較大，而進行(xing)三(san)軸試(shi)驗需要(yao)若干原(yuan)狀樣，為(wei)使(shi)試(shi)驗結果具有(you)較好(hao)的(de)(de)一致(zhi)性，有(you)針對性的(de)(de)選擇平均干密度(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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)(de)若干試(shi)樣，進行(xing)了5組(zu)三(san)軸CU試(shi)驗。圖(tu)11是為(wei)干密度(du)為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)(de)三(san)軸CU試(shi)驗曲線(xian)。

從(cong)圖(tu)11可以看出，磷(lin)石膏的(de)(de)應力應變關系(xi)曲(qu)線在低圍(wei)壓下表(biao)現(xian)為(wei)軟化型，在高圍(wei)壓下表(biao)現(xian)為(wei)硬化型，與一般土(tu)類相(xiang)似。但與一般粉土(tu)一粉砂不(bu)同的(de)(de)是，即使在較為(wei)疏松的(de)(de)狀態下，磷(lin)石膏仍表(biao)現(xian)了較為(wei)強(qiang)烈的(de)(de)剪脹，隨密實度增大，剪脹作(zuo)用愈發明顯。

表2給(gei)出了(le)不同(tong)干(gan)(gan)密度(du)(du)下(xia)的內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出了(le)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)密度(du)(du)的關系曲線(xian)。隨(sui)干(gan)(gan)密度(du)(du)的增(zeng)大，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)也隨(sui)之增(zeng)大，且可采用冪函(han)數較(jiao)好地(di)擬(ni)合(he)(he)。磷石(shi)膏(gao)的干(gan)(gan)密度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬(ni)合(he)(he)曲線(xian)求得(de))，增(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效應(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于隨(sui)圍壓的增(zeng)大，孔壓也明顯(xian)增(zeng)大，故(gu)有效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)幅(fu)較(jiao)之總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外較(jiao)之于干(gan)(gan)密度(du)(du)增(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的增(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表明即使較(jiao)為(wei)疏松(song)的磷石(shi)膏(gao)仍具有較(jiao)高(gao)的強度(du)(du)指標(biao)，這也表明磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的穩定(ding)性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗(yan)

磷石膏(gao)的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形試(shi)驗在側限壓(ya)縮儀中(zhong)進(jin)行(xing)，試(shi)驗狀態相當于(yu)K0固結(jie)。試(shi)樣直徑61.8mm，高(gao)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)了上覆壓(ya)力(li)ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試驗從2012年8月(yue)27日開始，試驗己進(jin)行了(le)1年多，試驗結果(guo)見圖13所(suo)示(shi)。

從圖13中可以(yi)看(kan)出：上覆荷載越(yue)大(da)，磷石膏(gao)(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)也越(yue)大(da)，荷載施加1年后，磷石膏(gao)(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未(wei)達到(dao)穩(wen)定狀態(tai)，這也是磷石膏(gao)(gao)堆積壩(ba)后期變(bian)形(xing)較大(da)的原因，原型(xing)觀(guan)測資料(liao)表明，在5級(ji)子壩(ba)河(he)床部位的表面(mian)沉降(jiang)量已經達到(dao)3.1m，且尚未(wei)完(wan)全穩(wen)定。

按時間對(dui)數法(fa)，可求(qiu)得各級(ji)荷載下的(de)(de)(de)主(zhu)次固(gu)結變(bian)形量如表3所示。試(shi)驗結果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)試(shi)驗時間范(fan)圍內蠕變(bian)(次固(gu)結)變(bian)形是主(zhu)固(gu)結變(bian)形的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕變(bian)變(bian)形尚未完(wan)成(cheng)，實(shi)際的(de)(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形應更(geng)大。對(dui)土(tu)體(ti)而言(yan)，發生蠕變(bian)的(de)(de)(de)原因(yin)(yin)是由于(yu)(yu)土(tu)體(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)結完(wan)成(cheng)之后(hou)，土(tu)體(ti)中仍有微小的(de)(de)(de)超靜孔隙壓(ya)(ya)力存在(zai)(zai)，驅使水(shui)在(zai)(zai)顆(ke)粒(li)問流動，一般來講土(tu)體(ti)的(de)(de)(de)次固(gu)結遠小于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)結變(bian)形；對(dui)磷石膏而言(yan)，其滲透(tou)系(xi)數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級(ji)，遠大于(yu)(yu)黏性(xing)土(tu)，但其卻(que)發生了極為顯著的(de)(de)(de)次固(gu)結變(bian)形，其原因(yin)(yin)在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶(jing)(jing)體(ti)結構發生了壓(ya)(ya)縮、破壞，接觸點晶(jing)(jing)格發生歪曲和變(bian)形，而破壞后(hou)晶(jing)(jing)格之間的(de)(de)(de)重(zhong)新排列、調整到最后(hou)趨于(yu)(yu)相對(dui)靜止需要相當(dang)長的(de)(de)(de)時間才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采(cai)用英國GDS公司進口的電機控(kong)制動三軸試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比

同樣由于(yu)自然(ran)沉積的磷石膏密度(du)變(bian)化較(jiao)大，為此(ci)根據物理性質試(shi)驗結果，選擇兩種平均干密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議的動(dong)剪(jian)切模量G、阻(zu)尼比與剪(jian)應變幅值γd的關系式(shi)如下：

式中k1為(wei)參數，表示(shi)動(dong)剪(jian)(jian)切(qie)模(mo)量(liang)的衰減或阻(zu)尼(ni)(ni)比(bi)(bi)的增長速(su)率(lv)；λmax為(wei)最大阻(zu)尼(ni)(ni)比(bi)(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最大動(dong)剪(jian)(jian)切(qie)模(mo)量(liang)和歸一化的動(dong)剪(jian)(jian)應變，表示(shi)為(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)(wei)球應(ying)(ying)力；Pa為(wei)(wei)(wei)標(biao)準(zhun)大氣壓；vd為(wei)(wei)(wei)動(dong)(dong)泊松比；εa為(wei)(wei)(wei)歸一化的動(dong)(dong)應(ying)(ying)變，表達為(wei)(wei)(wei)

圖(tu)(tu)14給出了動(dong)剪切模量(liang)、阻尼比(bi)與(yu)歸一化動(dong)應(ying)變(bian)的關系曲線(xian)，另外圖(tu)(tu)中還(huan)給出了式(1)的擬合(he)曲線(xian)以及Seed等(deng)給出的砂樣的上下邊界線(xian)，圖(tu)(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固(gu)結應(ying)力比(bi)。

從(cong)圖(tu)中(zhong)(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可較(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)應力-動(dong)應變試驗曲線，表(biao)明(ming)(ming)采(cai)用等價黏(nian)彈(dan)(dan)性模(mo)型進行循環(huan)荷(he)載作用下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)分析是可行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線位于(yu)干密(mi)(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線上方，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位于(yu)下(xia)(xia)方，表(biao)明(ming)(ming)密(mi)(mi)度(du)(du)越(yue)大(da)(da)，動(dong)彈(dan)(dan)模(mo)越(yue)大(da)(da)、阻尼(ni)比(bi)越(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩(liang)種干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)擬合線基(ji)本(ben)位于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)(de)邊界線上方，而(er)圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基(ji)本(ben)處(chu)于(yu)邊界線中(zhong)(zhong)間，表(biao)明(ming)(ming)相(xiang)比(bi)較(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)動(dong)彈(dan)(dan)模(mo)較(jiao)大(da)(da)，會導致磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)應較(jiao)大(da)(da)，但由于(yu)阻尼(ni)比(bi)也較(jiao)大(da)(da)，這樣又會削(xue)弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)應，二者(zhe)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影響下(xia)(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)應將不會過于(yu)強烈(lie)，這對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定性是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇(ze)兩(liang)種(zhong)平(ping)均干密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.12(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞標(biao)準(zhun)為(wei)(wei)總應變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出(chu)了(le)動(dong)剪(jian)應(ying)力比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)(yu)破壞振次Nf的關(guan)系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為振前試樣45°面(mian)上的有效法向應(ying)力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比(bi)(bi)。從試驗結(jie)果(guo)可以看出(chu)，沉積磷(lin)石膏的動(dong)強度(du)與(yu)(yu)其(qi)它土體(ti)相(xiang)似，表現為圍壓和固結(jie)應(ying)力比(bi)(bi)與(yu)(yu)動(dong)剪(jian)應(ying)力比(bi)(bi)呈負相(xiang)關(guan)關(guan)系。

為(wei)判別沉積(ji)磷石膏的抗液化能力(li)，假(jia)定抗震設(she)計烈(lie)度(du)(du)為(wei)8度(du)(du)，即等效振(zhen)次Ⅳ可取為(wei)30。首先由式(4)

所示的冪函數關系式得到振次為30時各(ge)個圍壓和(he)固(gu)結比(bi)下的動剪應(ying)力(li)比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可擬合求得動剪應力(li)比與圍(wei)壓和固結應力(li)比的(de)關(guan)系式(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。

從上述擬合關系式可(ke)見，密實(shi)度提高(gao)(gao)(gao)后，動(dong)剪(jian)應(ying)力比提高(gao)(gao)(gao)，表明(ming)抗(kang)液化(hua)能(neng)力也提高(gao)(gao)(gao)。但即(ji)使是在低密度下，其動(dong)剪(jian)應(ying)力比較之同類的(de)粉(fen)土或粉(fen)砂(sha)也大出許(xu)多，表明(ming)磷石膏具有(you)較高(gao)(gao)(gao)的(de)抗(kang)液化(hua)能(neng)力。

三、結論

依托柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩，在鉆(zhan)探取樣(yang)工作的基礎(chu)上，首先開(kai)展了物理性質試驗(yan)，然后開(kai)展了靜(jing)動力(li)力(li)學特性試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研究，得出如下結論：

(1)沉積磷(lin)石膏總體上屬(shu)于級(ji)配不良(liang)的粉土，局部屬(shu)于粉砂一中砂，無(wu)自然分級(ji)現(xian)象。其干密度和粒徑變化隨埋深或(huo)距放漿口距離(li)的變化不明顯。

(2)沉積磷石膏(gao)水平方向(xiang)的(de)滲透系(xi)數大于垂(chui)直方向(xiang)的(de)滲透系(xi)數，呈現(xian)明顯的(de)各(ge)向(xiang)異性。

(3)與(yu)土體顆粒不(bu)(bu)可壓縮(suo)不(bu)(bu)同(tong)，磷石膏的晶體結構會發生壓縮(suo)破壞，具有較大的壓縮(suo)性(xing)，其次(ci)固結變(bian)形量遠(yuan)大于主(zhu)固結變(bian)形量。

(4)沉積磷石膏的靜動(dong)強度較之同等密實度下的粉土、粉砂要(yao)高。