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。

引言(yan)

磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)法(fa)磷酸(suan)(suan)生產過程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)副產品，2018年，全(quan)國(guo)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)產生量(liang)為(wei)(wei)7800萬噸(dun)，且呈逐年增(zeng)長(chang)的(de)(de)態勢。磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)主要成(cheng)分是(shi)CaO和(he)(he)SO3，但含有一定量(liang)的(de)(de)氟化物(wu)和(he)(he)其它放射(she)性物(wu)質(zhi)，在中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)通常(chang)按Ⅱ類一般工業固(gu)體廢物(wu)處(chu)(chu)理(li)，鑒于無害化處(chu)(chu)理(li)成(cheng)本較高，目前綜合利用率尚不足40%，故大部(bu)分磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)場地(di)(di)的(de)(de)不同，可分為(wei)(wei)平(ping)地(di)(di)型(xing)、傍(bang)山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)(he)截河(he)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場，在中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)基(ji)本上(shang)是(shi)山(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場。相(xiang)比(bi)較干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟(ji)優勢明(ming)顯(xian)，因而如(ru)地(di)(di)質(zhi)條件為(wei)(wei)非碳酸(suan)(suan)鹽(yan)巖地(di)(di)區，一般均(jun)采(cai)用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。隨(sui)著(zhu)中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)磷肥(fei)工業的(de)(de)快(kuai)速發展(zhan)，本世紀初中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)相(xiang)繼(ji)建設(she)了幾座(zuo)(zuo)濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大型(xing)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例如(ru)云天(tian)化國(guo)際(ji)化工三(san)環分公司(si)的(de)(de)柳(liu)樹箐磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩和(he)(he)富瑞(rui)分公司(si)的(de)(de)楊(yang)家箐磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩，這兩座(zuo)(zuo)壩設(she)計壩高均(jun)超過100m、處(chu)(chu)于8度地(di)(di)震區，其安(an)全(quan)性備受關注。

據(ju)統(tong)計，110多(duo)年(1901年一2013年)來(lai)，全世界(jie)有118座尾礦壩曾發生過(guo)破壞或潰壩事(shi)故，原因主要有地震(zhen)、洪(hong)水(shui)漫頂、滲透破壞和(he)基礎失穩。尾礦庫失事(shi)后會(hui)造成巨大的生態災(zai)難和(he)人員傷(shang)亡，近幾(ji)十年來(lai)，

國(guo)內外對(dui)金屬尾礦的沉積(ji)規(gui)律(lv)、物理力(li)(li)學特(te)性(xing)(xing)及(ji)其(qi)穩定性(xing)(xing)開(kai)展了(le)大量的研(yan)究(jiu)，但對(dui)于與金屬尾礦庫相近的磷石膏(gao)庫，一般僅(jin)限于在可研(yan)階段采用人工制備樣(yang)進行物理力(li)(li)學性(xing)(xing)質(zhi)試驗(yan)，并(bing)據此(ci)進行穩定性(xing)(xing)分(fen)析，尚未有人針對(dui)己運(yun)行若干年(nian)的大型濕法堆(dui)存磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩開(kai)展過磷石膏(gao)沉積(ji)規(gui)律(lv)及(ji)其(qi)物理力(li)(li)學特(te)性(xing)(xing)的專項(xiang)研(yan)究(jiu)。

本文(wen)依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩，首先進行了鉆探取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開展(zhan)了密度(du)、含(han)水率、滲透、土水特(te)征和顆分等(deng)物(wu)理性質試驗(yan)，在此基礎上(shang)有針對(dui)性的(de)(de)選擇原狀樣(yang)開展(zhan)了三軸(zhou)CU、蠕(ru)變及(ji)動三軸(zhou)等(deng)力學特(te)性試驗(yan)。通過上(shang)述試驗(yan)研(yan)究，總結了磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)沉積規律、滲透特(te)性、滲透破壞特(te)性以及(ji)靜動力特(te)性，上(shang)述研(yan)究工作對(dui)研(yan)究和評估磷(lin)石(shi)膏庫堆(dui)積壩的(de)(de)穩定性提(ti)供了基礎數據，對(dui)現行磷(lin)石(shi)膏庫的(de)(de)運(yun)行管理以及(ji)新建(jian)工程的(de)(de)設計具有重要(yao)的(de)(de)借(jie)鑒意義。

一、依托工程概(gai)況

1.1柳樹箐磷石膏(gao)堆積壩堆存(cun)設計方案

由初期壩和堆積(ji)壩組(zu)成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用土料填筑。上游坡面(mian)、壩(ba)(ba)底和下(xia)游壩(ba)(ba)腳設置堆石排水體，三者相(xiang)連(lian)通(tong)構成整個堆積(ji)壩(ba)(ba)的(de)主要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其輔助排滲措施

采(cai)用(yong)上游式筑壩法，共20級子壩，頂(ding)寬6～9m，高度5m，堆積(ji)高度約100m。采(cai)用(yong)排滲(shen)管(guan)(guan)網(wang)作為輔助排滲(shen)方案(an)，目(mu)前己在(zai)5級、9級子壩和13級子壩壩前120m范圍(wei)內設(she)置了(le)井字形排滲(shen)管(guan)(guan)網(wang)。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)平面(mian)位置見圖(tu)l。2008年(nian)6月，堆(dui)(dui)積至5級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時，布設(she)了(le)9個取樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)號K1～K9，取原(yuan)狀樣(yang)(yang)76件；2013年(nian)5月，堆(dui)(dui)積至13級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時，又布設(she)了(le)11個取樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)號K10～K20，取原(yuan)狀樣(yang)(yang)112件，為比較子(zi)(zi)壩(ba)加高和磷石膏堆(dui)(dui)積過(guo)程中磷石膏物理力(li)學性質的變化，在2，4級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布設(she)了(le)一個鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)號分(fen)別為K17和K18。

1.3運行概況(kuang)

柳樹箐磷(lin)石膏尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建(jian)設(she)，2006年(nian)1月(yue)投入運行，截至(zhi)(zhi)2013年(nian)5月(yue)己(ji)堆至(zhi)(zhi)13級(ji)子壩，尚有(you)7級(ji)子壩即堆存至(zhi)(zhi)設(she)計高(gao)程。鑒于磷(lin)石膏庫(ku)地(di)形(xing)、地(di)質條件較好(hao)，具(ju)備(bei)擴(kuo)容改造的條件，以提高(gao)堆存庫(ku)容，減少堆存占地(di)，節約(yue)土地(di)資源。

本文(wen)主要對沉積磷石(shi)膏的物理力學特性進行了全面總結，限于(yu)篇幅，有關(guan)現狀磷石(shi)膏庫堆積壩的安(an)全性評價及其(qi)加高(gao)可行性的研究將另文(wen)發(fa)表。

二、沉積磷石膏的物理力(li)學特(te)性

2.1物(wu)理特性(xing)

(1)干密度(du)分布(bu)

圖(tu)(tu)(tu)2給出(chu)了14個鉆孔的(de)(de)(de)取樣深(shen)度和(he)試(shi)驗所得干密度的(de)(de)(de)關系，圖(tu)(tu)(tu)中(zhong)UWL表(biao)示水位(wei)線上(shang)，(系鉆孔期間的(de)(de)(de)初見水位(wei)線，下同)，DWL表(biao)示水位(wei)線下。圖(tu)(tu)(tu)3給出(chu)了水位(wei)線上(shang)下的(de)(de)(de)飽和(he)度分布圖(tu)(tu)(tu)。由于磷(lin)石膏(gao)中(zhong)的(de)(de)(de)主要(yao)成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度和(he)烘烤(kao)時間對測定(ding)結果有一定(ding)影響，不(bu)能照搬現行(xing)的(de)(de)(de)土工(gong)試(shi)驗規范，本(ben)文(wen)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)含水率測定(ding)方法為55℃溫(wen)度下烘培24h。

圖2沉(chen)積磷石膏干密度(du)與埋深的關系(xi)

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

由圖3，水(shui)位(wei)(wei)線上(shang)的磷(lin)石膏飽(bao)和(he)(he)度平均(jun)值為50.4%，處(chu)于非飽(bao)和(he)(he)狀態(tai)，水(shui)位(wei)(wei)線以下的磷(lin)石膏飽(bao)和(he)(he)度平均(jun)值為85.0%，基(ji)本處(chu)于飽(bao)和(he)(he)狀態(tai)，由于水(shui)位(wei)(wei)下降后磷(lin)石膏來不及排水(shui)固(gu)結，故而水(shui)位(wei)(wei)線上(shang)局部(bu)試樣的飽(bao)和(he)(he)度較高(gao)。

由(you)(you)圖2，水位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)干密(mi)度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為(wei)(wei)1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)干密(mi)度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為(wei)(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石膏(gao)(gao)與(yu)一(yi)般的(de)(de)尾(wei)礦有所不同，磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)干密(mi)度(du)并不隨埋深的(de)(de)增大而明(ming)顯增大，但(dan)水位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)干密(mi)度(du)從統(tong)計(ji)意義上(shang)來(lai)看仍(reng)大于水位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)干密(mi)度(du)，這主要是由(you)(you)于水位(wei)線(xian)(xian)(xian)隨庫水位(wei)的(de)(de)變化反復升降而使得磷(lin)石膏(gao)(gao)排水固結所致。

室內擊(ji)實得到(dao)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)干密度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出，自然沉(chen)積的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)干密度可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原(yuan)因如下：與經典的(de)土(tu)骨架不可(ke)壓縮的(de)理論不同，石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)本(ben)身可(ke)壓縮，同時由(you)于顆粒結構不穩定，擊(ji)實試驗(yan)過(guo)程中磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)結構被破壞，受夯擊(ji)處(chu)下陷(xian)，四周鼓起，出現(xian)了類似于橡皮土(tu)的(de)現(xian)象。而在(zai)現(xian)場條件(jian)下，石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)骨架被破壞后，會導致顆粒中的(de)結合水(shui)滲出至孔隙(xi)內，變(bian)成孔隙(xi)水(shui)，排水(shui)固結后會使得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)孔隙(xi)比減小，干密度增大(da)(da)。

圖4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)于2級(ji)子壩(ba)河床部位(wei))以及(ji)相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)于4級(ji)子壩(ba)河床部位(wei))干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統(tong)計意(yi)義上來(lai)看，磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)也并未隨后續磷石膏(gao)的(de)(de)堆積而有較為(wei)明顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗(yan)采(cai)用密度(du)計法，制備懸液(ye)時不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏磷酸(suan)鈉。圖5給出了試驗(yan)得到的(de)級配包線、平均粒徑(jing)d50、不(bu)均勻系數(1u和曲率系數Cc的(de)分布圖。

從(cong)圖(tu)5(a)可見，磷石膏的(de)粒(li)徑主(zhu)要分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬于粉土，但可能由于礦石來源或生產工藝有所不同，局部屬于粉砂～中砂。粒(li)徑分布范圍比Blight和張超(chao)等的(de)試驗結果要寬一(yi)些。

圖4子壩加高后沉積磷(lin)石膏的干(gan)密度變化

圖5沉積磷石膏的(de)平(ping)均粒徑和(he)級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向還是垂直向，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)與金屬(shu)礦山尾(wei)礦的(de)(de)“前粗后(hou)細(xi)，上粗下(xia)細(xi)”的(de)(de)自然分級(ji)現(xian)象不(bu)(bu)同，也即粗顆粒(li)(li)并不(bu)(bu)是沿埋深(shen)逐(zhu)步減小(xiao)或(huo)距離(li)放(fang)漿口(kou)越遠顆粒(li)(li)越細(xi)，其原(yuan)因(yin)如(ru)下(xia)：①磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組(zu)成較(jiao)(jiao)為集中(zhong)、均(jun)勻，主(zhu)要以粉粒(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級(ji)配較(jiao)(jiao)差；②相(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)金屬(shu)尾(wei)礦，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)(jiao)小(xiao)，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)，例(li)如(ru)鐵尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放(fang)漿口(kou)隨(sui)子壩高(gao)度不(bu)(bu)斷增加而不(bu)(bu)斷變動并向庫尾(wei)延伸，造成沉積磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明顯(xian)。

從圖5(d)可見(jian)，不(bu)均(jun)勻系數Cu范圍(wei)值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍(wei)值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為(wei)1.21，在統(tong)計的(de)100多個試樣(yang)中(zhong)，屬于級配(pei)不(bu)良土的(de)占93%。這種級配(pei)特性決定了磷石膏具有較高(gao)的(de)壓縮性、滲透破壞型式表現為(wei)流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影(ying)響滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數的(de)主要因(yin)素(su)是粒徑大(da)小(xiao)、級配和孔隙(xi)比，因(yin)而磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數與(yu)(yu)粉土較(jiao)為(wei)接(jie)近(jin)。由于孔隙(xi)比e減小(xiao)，使得過水(shui)通(tong)道面積(ji)減小(xiao)，滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數k也將減小(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正(zheng)相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認(ren)為(wei)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)曲(qu)線(xian)，由于沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)數變化較(jiao)大(da)，使得沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數變化范圍較(jiao)大(da)(平均(jun)值為(wei)10-4cm/s數量級)，二(er)者問的(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

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

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

圖7給出了水(shui)平(ping)與(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)。沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kh一般(ban)大(da)于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約(yue)為2.86，這一點與(yu)成層分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)金屬尾礦規律一致。造成沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)大(da)于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)原因是由于(yu)磷石(shi)膏(gao)具有明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯(xian)示多(duo)為菱形(xing)和棱柱狀形(xing)式(見圖8)，在沉(chen)積過程中，由于(yu)扁平(ping)狀磷石(shi)膏(gao)顆粒多(duo)呈水(shui)平(ping)排列(lie)，使得(de)水(shui)平(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透(tou)水(shui)性大(da)于(yu)垂直(zhi)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透(tou)水(shui)性，從而(er)使磷石(shi)膏(gao)呈現明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)各(ge)向(xiang)(xiang)異性。

另根(gen)據中國有(you)色金(jin)屬工業昆(kun)明勘察(cha)設計研究(jiu)院在楊(yang)家箐磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩開(kai)展的(de)(de)現場滲(shen)透(tou)試驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為1.9。但張超等的(de)(de)室(shi)內試驗(yan)顯示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為0.46，也即垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)大于水平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)，與本文和(he)現場試驗(yan)結(jie)果(guo)恰恰相(xiang)反(fan)。從磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)微觀結(jie)構來看，本文試驗(yan)結(jie)果(guo)更為合理。

圖7沉(chen)積磷(lin)石膏干密度(du)與水平和垂(chui)直(zhi)滲透系數比值的關系

(2)滲透(tou)變形

圖9為(wei)(wei)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密度為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯度J與(yu)流(liu)速V的(de)關系(xi)(xi)曲線，試(shi)(shi)驗(yan)在水(shui)平管涌儀中(zhong)采用水(shui)平方向的(de)滲(shen)流(liu)形(xing)式(shi)進(jin)行(xing)。試(shi)(shi)驗(yan)得到的(de)臨界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來說，對(dui)1，2級工程(cheng)(cheng)，滲(shen)透(tou)安全系(xi)(xi)數取(qu)為(wei)(wei)2.5，則允許出逸(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下工程(cheng)(cheng)，滲(shen)透(tou)安全系(xi)(xi)數取(qu)2.0，則允許出逸(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)(jiang)與(yu)粉土一粉砂大致相同。但上(shang)述滲(shen)透(tou)變形(xing)試(shi)(shi)驗(yan)是采用自來水(shui)進(jin)行(xing)的(de)，自來水(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有一定的(de)溶蝕作(zuo)用，而實際上(shang)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中(zhong)殘余磷(lin)(lin)、硫(liu)和氟酸，庫水(shui)的(de)pH值一般小于(yu)3(稱之為(wei)(wei)酸性水(shui))，在酸性水(shui)作(zuo)用下，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不會發生破壞，上(shang)述試(shi)(shi)驗(yan)結果是偏于(yu)保守的(de)，但對(dui)非酸性水(shui)條件(例如(ru)特大暴雨)下的(de)滲(shen)透(tou)穩定判斷有一定的(de)借鑒(jian)意(yi)義(yi)。

圖9水力(li)梯度J-流(liu)速(su)v試驗(yan)過(guo)程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試(shi)驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的(de)壓力(li)板儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征(zheng)值(zhi)，試(shi)驗(yan)曲線(xian)見圖10所示。

試(shi)驗結果表(biao)明(ming)：①干(gan)密度對進氣(qi)值沒(mei)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)(de)影響，不(bu)同干(gan)密度的(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)進氣(qi)值大致(zhi)在10kPa左右；②土(tu)樣殘余(yu)含水(shui)(shui)率(lv)(lv)隨干(gan)密度的(de)(de)增加而減少(shao)，殘余(yu)含水(shui)(shui)率(lv)(lv)約為飽(bao)和含水(shui)(shui)率(lv)(lv)的(de)(de)10%。上述特性(xing)與(yu)粉土(tu)一粉砂基(ji)本(ben)一致(zhi)。

2.3靜(jing)力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于(yu)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)密(mi)度(du)變化較(jiao)大，而進(jin)行三(san)軸試(shi)(shi)驗(yan)(yan)需要若(ruo)干(gan)原(yuan)狀(zhuang)樣，為(wei)使試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果具(ju)有(you)較(jiao)好的(de)一致(zhi)性，有(you)針對性的(de)選(xuan)擇平(ping)均干(gan)密(mi)度(du)分(fen)別(bie)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)若(ruo)干(gan)試(shi)(shi)樣，進(jin)行了5組三(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)(yan)。圖11是(shi)為(wei)干(gan)密(mi)度(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)(yan)曲線(xian)。

從圖11可(ke)以(yi)看出，磷(lin)石膏的(de)(de)應力應變關系(xi)曲線在低圍(wei)壓下表現(xian)為軟化型，在高圍(wei)壓下表現(xian)為硬化型，與一(yi)般(ban)土(tu)類(lei)相似。但與一(yi)般(ban)粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂不同的(de)(de)是(shi)，即使在較為疏松(song)的(de)(de)狀態下，磷(lin)石膏仍(reng)表現(xian)了較為強(qiang)烈的(de)(de)剪脹(zhang)，隨密實度增大，剪脹(zhang)作用愈發(fa)明(ming)顯。

表2給出(chu)了不同干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)下的(de)內摩擦(ca)角(jiao)(jiao)，圖(tu)12給出(chu)了內摩擦(ca)角(jiao)(jiao)與干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)的(de)關(guan)系曲線。隨(sui)干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩擦(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較(jiao)好地(di)擬(ni)合。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應力(li)(li)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有(you)效(xiao)應力(li)(li)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨(sui)圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效(xiao)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)總應力(li)(li)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)要(yao)小。另外較(jiao)之(zhi)于干密(mi)(mi)度(du)(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并(bing)不顯著，表明即使較(jiao)為(wei)疏松的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)仍具有(you)較(jiao)高的(de)強度(du)(du)(du)指標，這也(ye)表明磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩的(de)穩定性較(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(bian)(次固結)變(bian)(bian)形(xing)試驗

磷石膏(gao)的(de)蠕變變形試(shi)(shi)驗(yan)在側限壓(ya)縮(suo)儀中(zhong)進行，試(shi)(shi)驗(yan)狀態相(xiang)當(dang)于K0固結。試(shi)(shi)樣(yang)直徑(jing)61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣(yang)干密度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)(shi)樣(yang)飽和后(hou)分(fen)別開展了上(shang)覆壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)驗(yan)，

試(shi)(shi)驗(yan)從2012年(nian)(nian)8月27日開始(shi)，試(shi)(shi)驗(yan)己進行了(le)1年(nian)(nian)多(duo)，試(shi)(shi)驗(yan)結果見(jian)圖13所示(shi)。

從圖13中可以看出：上覆荷載(zai)越大(da)(da)(da)，磷(lin)石膏的蠕變變形(xing)也越大(da)(da)(da)，荷載(zai)施(shi)加1年(nian)后，磷(lin)石膏的蠕變變形(xing)仍非常(chang)顯著，尚(shang)未達到穩定狀(zhuang)態，這也是磷(lin)石膏堆積壩(ba)后期(qi)變形(xing)較大(da)(da)(da)的原因，原型(xing)觀測(ce)資料表明(ming)，在5級子壩(ba)河床部(bu)位的表面(mian)沉降量已(yi)經達到3.1m，且尚(shang)未完全(quan)穩定。

按時間對數(shu)法，可求得各級(ji)荷載(zai)下(xia)的(de)主次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量如表(biao)3所示。試驗結(jie)(jie)果表(biao)明，在(zai)100～400kPa上覆(fu)荷載(zai)作用下(xia)，在(zai)試驗時間范圍(wei)內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完成(cheng)，實際的(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應(ying)更大。對土(tu)體(ti)(ti)而言，發(fa)(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是由(you)于(yu)(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)完成(cheng)之(zhi)(zhi)后(hou)，土(tu)體(ti)(ti)中仍有微(wei)小的(de)超靜孔隙壓(ya)力存在(zai)，驅使(shi)水在(zai)顆粒(li)問流動，一般來講(jiang)土(tu)體(ti)(ti)的(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)遠小于(yu)(yu)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對磷(lin)石膏(gao)而言，其(qi)滲(shen)透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量級(ji)，遠大于(yu)(yu)黏性土(tu)，但其(qi)卻(que)發(fa)(fa)生(sheng)了極為顯著的(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其(qi)原(yuan)因在(zai)于(yu)(yu)磷(lin)石膏(gao)晶體(ti)(ti)結(jie)(jie)構發(fa)(fa)生(sheng)了壓(ya)縮、破壞，接(jie)觸點晶格發(fa)(fa)生(sheng)歪(wai)曲(qu)和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而破壞后(hou)晶格之(zhi)(zhi)間的(de)重新(xin)排列(lie)、調整到最(zui)后(hou)趨于(yu)(yu)相(xiang)(xiang)對靜止需要相(xiang)(xiang)當長的(de)時間才能完成(cheng)。

2.4動(dong)力(li)(li)力(li)(li)學特(te)性

試驗設備采用英國(guo)GDS公司進口(kou)的電(dian)機控制(zhi)動(dong)三軸(zhou)試驗系統，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量和(he)阻尼比

同樣(yang)由于自然沉積(ji)的磷石膏密度變(bian)化(hua)較大，為(wei)此根(gen)據物理性質試(shi)驗結(jie)果(guo)，選(xuan)擇兩種平均干(gan)密度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的動(dong)剪切(qie)模量G、阻(zu)尼比與剪應變幅值γd的關系式如下(xia)：

式中k1為(wei)參數，表示(shi)動(dong)剪切(qie)模(mo)量的(de)衰減或阻(zu)尼比的(de)增(zeng)長速率(lv)；λmax為(wei)最(zui)大阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動(dong)剪切(qie)模(mo)量和(he)歸一化的(de)動(dong)剪應(ying)變(bian)，表示(shi)為(wei)

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

圖14給(gei)出(chu)(chu)了動(dong)剪切模量、阻尼比與歸一化動(dong)應變的(de)(de)(de)關系(xi)曲線，另外圖中(zhong)還給(gei)出(chu)(chu)了式(1)的(de)(de)(de)擬合曲線以及(ji)Seed等給(gei)出(chu)(chu)的(de)(de)(de)砂樣的(de)(de)(de)上(shang)下邊(bian)界(jie)線，圖例(li)中(zhong)，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可較好地描(miao)述磷石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)動應(ying)力(li)-動應(ying)變(bian)試驗曲線(xian)，表明(ming)采用(yong)等價黏彈性(xing)模型進行循環荷載作(zuo)用(yong)下的(de)(de)(de)(de)(de)分析(xi)是(shi)可行的(de)(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)位于(yu)(yu)干(gan)密(mi)度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)上(shang)方(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位于(yu)(yu)下方(fang)，表明(ming)密(mi)度越(yue)大，動彈模越(yue)大、阻尼比越(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)基本(ben)位于(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)(de)(de)邊界(jie)線(xian)上(shang)方(fang)，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基本(ben)處于(yu)(yu)邊界(jie)線(xian)中(zhong)(zhong)間(jian)，表明(ming)相比較砂(sha)樣(yang)，磷石(shi)膏動彈模較大，會導致磷石(shi)膏堆(dui)積壩的(de)(de)(de)(de)(de)動力(li)反(fan)應(ying)較大，但由于(yu)(yu)阻尼比也較大，這樣(yang)又會削弱壩體的(de)(de)(de)(de)(de)動力(li)反(fan)應(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷石(shi)膏堆(dui)積壩壩體的(de)(de)(de)(de)(de)動力(li)反(fan)應(ying)將不會過(guo)于(yu)(yu)強(qiang)烈，這對磷石(shi)膏堆(dui)積壩的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)震穩定性(xing)是(shi)有(you)利(li)的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度(du)

選(xuan)擇兩種平均干(gan)密度(du)為(wei)1.12(變(bian)化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標準為(wei)總應變(bian)達到10%。

圖(tu)15給(gei)出了動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與破壞(huai)振次Nf的(de)(de)關系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為(wei)振前試樣45°面上的(de)(de)有效(xiao)法(fa)向應(ying)力(li)，表(biao)達(da)為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)(gu)結比(bi)(bi)。從試驗結果可以看出，沉積磷石膏(gao)的(de)(de)動(dong)強度與其(qi)它土體相(xiang)似，表(biao)現為(wei)圍壓(ya)和固(gu)(gu)結應(ying)力(li)比(bi)(bi)與動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)(bi)呈負相(xiang)關關系。

為(wei)判別沉積磷石膏的(de)抗液(ye)化能力，假定抗震設(she)計(ji)烈度(du)為(wei)8度(du)，即等效(xiao)振次Ⅳ可(ke)取為(wei)30。首先由式(4)

所示的冪函數關系式得到振(zhen)次為30時各(ge)個圍壓和(he)固結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求得(de)動剪應力(li)比與圍壓和(he)固結(jie)應力(li)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(jian)，密實度(du)提高(gao)后，動剪(jian)應力(li)比(bi)提高(gao)，表明抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力(li)也(ye)提高(gao)。但即使是在(zai)低密度(du)下，其(qi)動剪(jian)應力(li)比(bi)較(jiao)之同類的粉土或粉砂也(ye)大出許多，表明磷石膏具(ju)有較(jiao)高(gao)的抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力(li)。

三、結(jie)論

依托柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩，在鉆探(tan)取(qu)樣工作的(de)基礎上(shang)，首先開展(zhan)了物理性質試(shi)驗(yan)(yan)，然后(hou)開展(zhan)了靜(jing)動力(li)力(li)學特性試(shi)驗(yan)(yan)。通(tong)過上(shang)述試(shi)驗(yan)(yan)研究，得出如下結(jie)論：

(1)沉積磷石(shi)膏(gao)總體上屬(shu)于級配不(bu)良的(de)粉(fen)(fen)土，局部(bu)屬(shu)于粉(fen)(fen)砂一中砂，無自然分(fen)級現象(xiang)。其干密(mi)度和粒徑變(bian)(bian)化隨埋深(shen)或距放(fang)漿(jiang)口距離的(de)變(bian)(bian)化不(bu)明顯。

(2)沉積磷(lin)石膏水(shui)平方(fang)向的(de)滲(shen)透(tou)系數(shu)大于垂直(zhi)方(fang)向的(de)滲(shen)透(tou)系數(shu)，呈(cheng)現(xian)明顯的(de)各(ge)向異性(xing)。

(3)與土(tu)體顆粒不可壓(ya)縮不同，磷石膏的晶體結構會(hui)發生壓(ya)縮破壞(huai)，具有較大的壓(ya)縮性，其次(ci)固(gu)結變(bian)形量(liang)遠大于主固(gu)結變(bian)形量(liang)。

(4)沉積磷石膏的靜(jing)動強度較之同等密實度下的粉(fen)(fen)土、粉(fen)(fen)砂(sha)要高。