沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏是(shi)磷(lin)(lin)酸(suan)生產過程中的(de)(de)(de)(de)副產品，目前的(de)(de)(de)(de)綜合利用(yong)率尚不足40%，大部(bu)分需要(yao)堆存(cun)存(cun)放。受地形限(xian)制和(he)經濟效益考慮，中國主要(yao)為濕(shi)法堆存(cun)的(de)(de)(de)(de)山谷型堆場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆積壩，針對(dui)沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏首先開展了(le)密度、含水率、滲(shen)透、土(tu)水特征和(he)顆分等物理性(xing)(xing)質試(shi)驗，然后(hou)開展了(le)三軸cu、蠕(ru)變(bian)及(ji)動三軸等力學特性(xing)(xing)試(shi)驗。試(shi)驗結果表明(ming)：①沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)干密度與埋深沒有相關(guan)關(guan)系；②沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏不具(ju)有自然分級(ji)現(xian)象，但具(ju)有明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)各(ge)向異(yi)性(xing)(xing)；③沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏具(ju)有較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)角和(he)抗液化能力，但其蠕(ru)變(bian)變(bian)形較(jiao)大、滲(shen)透比降較(jiao)小(xiao)。上述工(gong)(gong)作為分析磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆積壩的(de)(de)(de)(de)壩體穩定性(xing)(xing)提供(gong)了(le)基(ji)礎，對(dui)現(xian)行磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫的(de)(de)(de)(de)運行管理以及(ji)新建工(gong)(gong)程的(de)(de)(de)(de)設計具(ju)有重要(yao)的(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)石(shi)膏是濕(shi)法(fa)(fa)磷(lin)(lin)酸生(sheng)(sheng)產(chan)過(guo)程中的(de)副產(chan)品，2018年，全國(guo)(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏產(chan)生(sheng)(sheng)量為(wei)7800萬噸，且呈逐(zhu)年增長的(de)態(tai)勢。磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)主要(yao)成分(fen)是CaO和SO3，但(dan)含(han)有一(yi)定量的(de)氟化(hua)(hua)物和其它放射(she)性物質(zhi)，在中國(guo)(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般工業固體廢物處理，鑒于無害化(hua)(hua)處理成本較(jiao)高，目前(qian)綜合(he)利用率(lv)尚不足40%，故(gu)大部分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)膏需要(yao)堆(dui)存存放。按堆(dui)存場(chang)地(di)的(de)不同，可(ke)分(fen)為(wei)平地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)和截(jie)河(he)型(xing)(xing)堆(dui)場(chang)，在中國(guo)(guo)基本上是山(shan)谷型(xing)(xing)堆(dui)場(chang)。相比較(jiao)干法(fa)(fa)堆(dui)存，濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存經(jing)濟優勢明顯，因而如(ru)地(di)質(zhi)條件為(wei)非碳酸鹽巖(yan)地(di)區，一(yi)般均(jun)采(cai)用濕(shi)排(pai)濕(shi)堆(dui)方(fang)式。隨著中國(guo)(guo)磷(lin)(lin)肥工業的(de)快速發展，本世紀初中國(guo)(guo)相繼(ji)建設了幾座(zuo)濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存的(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)，例如(ru)云天化(hua)(hua)國(guo)(guo)際化(hua)(hua)工三(san)環分(fen)公司的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)和富瑞分(fen)公司的(de)楊家箐磷(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)，這兩(liang)座(zuo)壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高均(jun)超(chao)過(guo)100m、處于8度地(di)震區，其安全性備受關注。

據統計(ji)，110多年(1901年一2013年)來，全世界(jie)有(you)118座尾礦(kuang)壩曾發生過破(po)壞或潰(kui)壩事故，原(yuan)因主要有(you)地震、洪(hong)水漫(man)頂、滲透破(po)壞和(he)基礎失(shi)穩。尾礦(kuang)庫失(shi)事后(hou)會造成巨大(da)的(de)生態災難和(he)人(ren)員傷亡，近幾十(shi)年來，

國內外對(dui)金屬(shu)尾(wei)礦的沉(chen)積規律(lv)、物(wu)理(li)力(li)(li)學(xue)特性及其(qi)穩(wen)定性開(kai)展了大量的研(yan)究，但(dan)對(dui)于與金屬(shu)尾(wei)礦庫相(xiang)近的磷(lin)石(shi)膏庫，一般僅限于在可研(yan)階段采用人工制備樣(yang)進行物(wu)理(li)力(li)(li)學(xue)性質試(shi)驗，并據此(ci)進行穩(wen)定性分析(xi)，尚(shang)未(wei)有人針對(dui)己運行若干(gan)年的大型濕法堆(dui)存磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩開(kai)展過磷(lin)石(shi)膏沉(chen)積規律(lv)及其(qi)物(wu)理(li)力(li)(li)學(xue)特性的專項研(yan)究。

本文(wen)依托柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏堆積壩，首先進行(xing)(xing)了(le)(le)鉆探(tan)取樣，采用原狀(zhuang)樣開(kai)展了(le)(le)密度、含水率、滲透(tou)、土(tu)水特(te)征(zheng)和(he)顆分等物理性質試驗，在此基(ji)礎上(shang)有(you)針(zhen)對(dui)性的(de)(de)選擇(ze)原狀(zhuang)樣開(kai)展了(le)(le)三(san)軸(zhou)CU、蠕變(bian)及動(dong)三(san)軸(zhou)等力學特(te)性試驗。通(tong)過上(shang)述試驗研(yan)究，總結了(le)(le)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)沉積規律、滲透(tou)特(te)性、滲透(tou)破壞特(te)性以(yi)及靜動(dong)力特(te)性，上(shang)述研(yan)究工作對(dui)研(yan)究和(he)評(ping)估(gu)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)堆積壩的(de)(de)穩定性提供了(le)(le)基(ji)礎數據，對(dui)現(xian)行(xing)(xing)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)的(de)(de)運行(xing)(xing)管理以(yi)及新建工程的(de)(de)設計(ji)具(ju)有(you)重要(yao)的(de)(de)借鑒意義(yi)。

一、依托(tuo)工程(cheng)概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏(gao)堆積(ji)壩堆存設計方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設計(ji)總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高(gao)約30m，采用(yong)土料填筑。上(shang)游坡面、壩底(di)和下(xia)游壩腳設置堆石(shi)排(pai)水體，三者相連通(tong)構成整個堆積壩的主要(yao)排(pai)滲系(xi)統。

(2)堆(dui)積壩及其輔(fu)助(zhu)排滲措(cuo)施

采用上游式(shi)筑(zhu)壩(ba)(ba)法，共20級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采用排滲管網(wang)作為輔助排滲方案，目前己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)和(he)13級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前120m范圍內設置了井字(zi)形(xing)排滲管網(wang)。

1.2沉積磷(lin)石膏的(de)鉆探取(qu)樣

鉆孔(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月(yue)，堆積至(zhi)5級(ji)子壩(ba)(ba)時(shi)，布設了(le)9個(ge)取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)K1～K9，取原(yuan)狀樣(yang)76件(jian)；2013年(nian)5月(yue)，堆積至(zhi)13級(ji)子壩(ba)(ba)時(shi)，又布設了(le)11個(ge)取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)K10～K20，取原(yuan)狀樣(yang)112件(jian)，為比較子壩(ba)(ba)加高和磷石膏堆積過程中磷石膏物理(li)力(li)學性質的變化，在2，4級(ji)子壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布設了(le)一個(ge)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏(gao)尾(wei)礦庫2005年開(kai)工建(jian)設(she)，2006年1月(yue)(yue)投入運行(xing)，截至(zhi)2013年5月(yue)(yue)己堆至(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即(ji)堆存至(zhi)設(she)計高程。鑒于磷石膏(gao)庫地(di)(di)形、地(di)(di)質條(tiao)件(jian)較好，具備擴容改造的條(tiao)件(jian)，以提高堆存庫容，減少堆存占地(di)(di)，節約(yue)土地(di)(di)資源。

本文主要對沉(chen)積(ji)磷石膏的物(wu)理力學特性進行了(le)全面總(zong)結(jie)，限于篇(pian)幅，有關現狀磷石膏庫堆(dui)積(ji)壩的安全性評價及其加高可行性的研究將(jiang)另文發表。

二、沉(chen)積磷(lin)石膏的物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)(tu)2給出了14個鉆孔的(de)取(qu)樣深度和(he)試驗所得干密度的(de)關系，圖(tu)(tu)中UWL表示(shi)水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)，(系鉆孔期間的(de)初見水(shui)(shui)位線(xian)，下同(tong))，DWL表示(shi)水(shui)(shui)位線(xian)下。圖(tu)(tu)3給出了水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)下的(de)飽和(he)度分(fen)布圖(tu)(tu)。由于磷(lin)石膏(gao)中的(de)主(zhu)要成分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不同(tong)溫(wen)度和(he)烘烤(kao)時(shi)間對測定(ding)結(jie)果有一定(ding)影響，不能照搬現行(xing)的(de)土工(gong)試驗規范，本文(wen)磷(lin)石膏(gao)的(de)含水(shui)(shui)率測定(ding)方法為(wei)55℃溫(wen)度下烘培24h。

圖(tu)2沉積磷石膏干密度與埋(mai)深的(de)關系(xi)

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

由圖(tu)3，水(shui)(shui)位(wei)線上的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)和(he)度平均值為(wei)50.4%，處(chu)于(yu)(yu)非飽(bao)和(he)狀態，水(shui)(shui)位(wei)線以下的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)和(he)度平均值為(wei)85.0%，基(ji)本處(chu)于(yu)(yu)飽(bao)和(he)狀態，由于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)下降后磷(lin)石(shi)膏來不及排水(shui)(shui)固結，故而水(shui)(shui)位(wei)線上局部試樣的飽(bao)和(he)度較高。

由圖2，水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)干(gan)密度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)干(gan)密度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏與一般(ban)的(de)尾礦(kuang)有所(suo)不(bu)同(tong)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)干(gan)密度(du)(du)并不(bu)隨埋深的(de)增大(da)而(er)明顯(xian)增大(da)，但水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密度(du)(du)從(cong)統計(ji)意(yi)義(yi)上來看仍大(da)于(yu)水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密度(du)(du)，這主要是由于(yu)水位(wei)線(xian)(xian)隨庫水位(wei)的(de)變化反復升降(jiang)而(er)使得磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏排水固結所(suo)致。

室內擊實得(de)到的(de)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出，自(zi)然沉積(ji)的(de)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與(yu)經(jing)典的(de)土骨(gu)(gu)架不(bu)可(ke)壓縮的(de)理論不(bu)同，石(shi)膏(gao)(gao)本身可(ke)壓縮，同時(shi)由于(yu)顆粒(li)結(jie)構(gou)不(bu)穩定，擊實試驗過程(cheng)中磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)結(jie)構(gou)被破(po)壞，受夯(hang)擊處(chu)下(xia)陷，四周鼓起，出現了類似(si)于(yu)橡皮土的(de)現象。而在(zai)現場(chang)條件下(xia)，石(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)(gu)架被破(po)壞后，會(hui)導致顆粒(li)中的(de)結(jie)合水滲出至孔隙內，變成(cheng)孔隙水，排水固結(jie)后會(hui)使得(de)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)孔隙比減小(xiao)，干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)增大(da)。

圖(tu)4給出(chu)了相鄰鉆孔(kong)(kong)K2和K17(位于2級子(zi)壩(ba)(ba)河床部位)以及相鄰鉆孔(kong)(kong)K6和K18(位于4級子(zi)壩(ba)(ba)河床部位)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)的(de)對比圖(tu)。K2鉆孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來(lai)看，磷石膏的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)也(ye)并未(wei)隨后續磷石膏的(de)堆積而有較為明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗(yan)采用密度計法，制(zhi)備懸(xuan)液時(shi)不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了試驗(yan)得到的(de)級配包線(xian)、平均粒徑(jing)d50、不均勻系(xi)數(shu)(1u和曲率系(xi)數(shu)Cc的(de)分布圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏(gao)的粒徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于(yu)粉土，但可能由于(yu)礦石(shi)來源(yuan)或生產工藝有所不(bu)同，局部屬(shu)于(yu)粉砂～中砂。粒徑分布范圍比Blight和張(zhang)超(chao)等的試驗(yan)結(jie)果(guo)要寬一些(xie)。

圖4子壩加高后沉積磷(lin)石膏的(de)干(gan)密(mi)度(du)變化

圖5沉(chen)積磷石膏的平(ping)均粒徑和級配分布(bu)

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論是水平向(xiang)(xiang)還(huan)是垂直向(xiang)(xiang)，磷石(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)(kuang)山(shan)尾礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下細(xi)”的(de)自然分級現象不(bu)同(tong)，也即粗(cu)顆粒(li)并不(bu)是沿埋深逐步減小(xiao)(xiao)或距(ju)離放漿(jiang)口越遠(yuan)顆粒(li)越細(xi)，其原因如(ru)(ru)下：①磷石(shi)膏(gao)顆粒(li)粒(li)徑(jing)組成較為(wei)集中(zhong)、均勻(yun)，主要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配(pei)較差；②相比較金屬尾礦(kuang)(kuang)，磷石(shi)膏(gao)的(de)比重較小(xiao)(xiao)，磷石(shi)膏(gao)的(de)比重一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)(xiao)于金屬尾礦(kuang)(kuang)的(de)比重，例如(ru)(ru)鐵尾礦(kuang)(kuang)的(de)比重可達2.9；③放漿(jiang)口隨子壩高(gao)度(du)不(bu)斷(duan)增加而不(bu)斷(duan)變動并向(xiang)(xiang)庫尾延伸，造成沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑(jing)變化不(bu)明顯。

從圖5(d)可(ke)見，不均(jun)勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.21，在(zai)統計的100多(duo)個試樣中，屬(shu)于級(ji)(ji)配不良土的占93%。這種(zhong)級(ji)(ji)配特(te)性決定了磷石膏具有較(jiao)高(gao)的壓縮性、滲透破壞(huai)型式表現(xian)為(wei)(wei)(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑大(da)(da)小(xiao)、級(ji)配和(he)孔(kong)隙比(bi)，因而磷石膏的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)與粉土較為(wei)接(jie)近。由(you)(you)于(yu)孔(kong)隙比(bi)e減小(xiao)，使得(de)過水(shui)通道面積減小(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)k也將(jiang)減小(xiao)，k與e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對(dui)砂土，一般認為(wei)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較好，圖6給出了二者(zhe)間(jian)的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線，由(you)(you)于(yu)沉積磷石膏的(de)(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)變(bian)化(hua)較大(da)(da)，使得(de)沉積磷石膏的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)變(bian)化(hua)范圍較大(da)(da)(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)(shu)量級(ji))，二者(zhe)問的(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)較差。

圖(tu)6沉積(ji)磷(lin)石膏滲透系(xi)數與孔隙比的關(guan)系(xi)

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

圖7給出了(le)水(shui)(shui)平(ping)(ping)與垂直向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)系數比(bi)值(zhi)的(de)(de)(de)分(fen)布(bu)。沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)系數kh一般(ban)大(da)(da)于(yu)垂直向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)(tou)系數kv,kh/kv平(ping)(ping)均值(zhi)約為2.86，這一點與成(cheng)層分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)金屬尾礦規律一致(zhi)。造成(cheng)沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)系數大(da)(da)于(yu)垂直向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)系數的(de)(de)(de)原因是由(you)于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有明顯的(de)(de)(de)晶體結(jie)構，電鏡掃描顯示(shi)多為菱形(xing)和(he)棱(leng)柱狀形(xing)式(見圖8)，在沉(chen)積(ji)過程中(zhong)，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)狀磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒(li)多呈水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列(lie)，使得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性大(da)(da)于(yu)垂直方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性，從(cong)而使磷(lin)石(shi)膏(gao)呈現明顯的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另根據中國有(you)色(se)金屬工(gong)業昆明勘察設計(ji)研究院(yuan)在楊家(jia)箐磷石膏(gao)堆積壩開展的(de)現場滲(shen)透試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均值約(yue)為(wei)1.9。但張超(chao)等的(de)室內試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)均值約(yue)為(wei)0.46，也即垂直向滲(shen)透系數(shu)大于(yu)水平(ping)向滲(shen)透系數(shu)，與本文和現場試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果恰(qia)(qia)恰(qia)(qia)相反。從磷石膏(gao)的(de)微觀(guan)結(jie)(jie)構來看(kan)，本文試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果更(geng)為(wei)合理。

圖(tu)7沉積磷石(shi)膏干密度與(yu)水(shui)平和垂(chui)直滲透系數比(bi)值的關(guan)系

(2)滲透變形

圖9為磷石膏(gao)干密(mi)度為1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯度J與(yu)流(liu)速V的(de)關系曲線(xian)，試驗(yan)(yan)在(zai)水(shui)平(ping)管涌儀中采用水(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)滲(shen)流(liu)形(xing)(xing)式進(jin)行(xing)(xing)。試驗(yan)(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(gong)程，滲(shen)透安(an)全系數取(qu)為2.5，則(ze)允許(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)工(gong)程，滲(shen)透安(an)全系數取(qu)2.0，則(ze)允許(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)(jiang)與(yu)粉(fen)土一粉(fen)砂大(da)致(zhi)相同。但(dan)上述(shu)(shu)滲(shen)透變形(xing)(xing)試驗(yan)(yan)是(shi)采用自來水(shui)進(jin)行(xing)(xing)的(de)，自來水(shui)對(dui)磷石膏(gao)具有(you)一定(ding)的(de)溶蝕(shi)作用，而實際上磷石膏(gao)中殘余(yu)磷、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)的(de)pH值一般小于3(稱(cheng)之為酸(suan)性水(shui))，在(zai)酸(suan)性水(shui)作用下(xia)，磷石膏(gao)不(bu)會發生破壞，上述(shu)(shu)試驗(yan)(yan)結(jie)果是(shi)偏于保守的(de)，但(dan)對(dui)非(fei)酸(suan)性水(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)滲(shen)透穩定(ding)判(pan)斷有(you)一定(ding)的(de)借(jie)鑒意義。

圖9水力梯(ti)度J-流(liu)速v試(shi)驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓(ya)力板儀中進行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸(xi)力范圍0～500kPa。表l列出(chu)了含水(shui)率特征值(zhi)，試驗曲線見圖10所示。

試驗結果表明(ming)：①干(gan)密度對進氣值(zhi)(zhi)沒有明(ming)顯(xian)的(de)(de)影響，不同(tong)干(gan)密度的(de)(de)試樣的(de)(de)進氣值(zhi)(zhi)大致(zhi)在10kPa左右；②土樣殘(can)余(yu)含水率(lv)隨干(gan)密度的(de)(de)增加而減(jian)少，殘(can)余(yu)含水率(lv)約為(wei)飽和(he)含水率(lv)的(de)(de)10%。上述特性(xing)與粉土一粉砂基本一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于沉積(ji)磷石(shi)膏的密(mi)度變化較大，而(er)進(jin)行(xing)三(san)軸(zhou)試(shi)驗需要若干(gan)原(yuan)狀樣(yang)，為使試(shi)驗結果具有較好(hao)的一(yi)致性(xing)，有針(zhen)對(dui)性(xing)的選擇平(ping)均干(gan)密(mi)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)的若干(gan)試(shi)樣(yang)，進(jin)行(xing)了(le)5組(zu)三(san)軸(zhou)CU試(shi)驗。圖11是(shi)為干(gan)密(mi)度為1.2和(he)1.58g/cm3的三(san)軸(zhou)CU試(shi)驗曲線。

從圖11可以看出，磷石膏的(de)應(ying)力應(ying)變(bian)關系曲線在低圍(wei)壓下表(biao)(biao)現為(wei)軟化型，在高圍(wei)壓下表(biao)(biao)現為(wei)硬化型，與一(yi)般土類(lei)相似。但與一(yi)般粉土一(yi)粉砂不同的(de)是，即使在較為(wei)疏(shu)松的(de)狀(zhuang)態下，磷石膏仍(reng)表(biao)(biao)現了較為(wei)強烈的(de)剪脹，隨密實度增大，剪脹作用愈發明顯(xian)。

表(biao)2給出(chu)了(le)不(bu)同(tong)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)下的內摩(mo)擦角(jiao)，圖12給出(chu)了(le)內摩(mo)擦角(jiao)與干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的關系曲(qu)線(xian)。隨干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩(mo)擦角(jiao)也(ye)隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且(qie)可(ke)采用冪(mi)函數較(jiao)好地擬合。磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總(zong)應力摩(mo)擦角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬合曲(qu)線(xian)求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)(xiao)應力摩(mo)擦角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%，由(you)于隨圍壓的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓也(ye)明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效(xiao)(xiao)摩(mo)擦角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)之(zhi)總(zong)應力摩(mo)擦角(jiao)要小。另(ling)外較(jiao)之(zhi)于干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)擦角(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并不(bu)顯(xian)著，表(biao)明即(ji)使較(jiao)為(wei)(wei)疏松的磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)仍具有較(jiao)高的強(qiang)度(du)(du)指標，這也(ye)表(biao)明磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積壩的穩(wen)定性較(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試(shi)驗

磷石膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形試驗在側限壓(ya)縮儀中(zhong)進行，試驗狀態相當于K0固結(jie)。試樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試樣(yang)干密度(du)為1.30g/cm3，對(dui)試樣(yang)飽和后分(fen)別開展了上(shang)覆壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試驗，

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

從圖13中可以看出：上覆荷載越(yue)大(da)，磷石膏的(de)蠕變變形(xing)也越(yue)大(da)，荷載施加1年(nian)后(hou)，磷石膏的(de)蠕變變形(xing)仍非常顯(xian)著，尚未(wei)達到(dao)穩定狀態，這也是磷石膏堆積壩后(hou)期變形(xing)較(jiao)大(da)的(de)原因(yin)，原型觀測資料表明，在5級子壩河床部位的(de)表面沉降(jiang)量已經達到(dao)3.1m，且(qie)尚未(wei)完全穩定。

按時間(jian)對數(shu)法，可求得各(ge)級(ji)荷載下的主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)如(ru)表3所(suo)示。試驗結(jie)(jie)果表明，在100～400kPa上覆荷載作(zuo)用下，在試驗時間(jian)范(fan)圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未(wei)完(wan)成(cheng)(cheng)，實際的蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應(ying)更大。對土(tu)體(ti)而(er)言，發生蠕變(bian)(bian)(bian)的原因是由于(yu)土(tu)體(ti)在主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)完(wan)成(cheng)(cheng)之后，土(tu)體(ti)中(zhong)仍有微小的超靜孔隙壓(ya)(ya)力存(cun)在，驅(qu)使水(shui)在顆粒問流動，一(yi)般(ban)來講(jiang)土(tu)體(ti)的次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)遠小于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對磷(lin)石膏而(er)言，其(qi)滲透系數(shu)在10-4cm/s數(shu)量(liang)(liang)級(ji)，遠大于(yu)黏性土(tu)，但其(qi)卻發生了(le)(le)極為(wei)顯著的次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原因在于(yu)磷(lin)石膏晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)構發生了(le)(le)壓(ya)(ya)縮、破壞，接(jie)觸點晶(jing)格發生歪曲和(he)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞后晶(jing)格之間(jian)的重(zhong)新(xin)排列(lie)、調整(zheng)到最后趨于(yu)相對靜止需要(yao)相當(dang)長的時間(jian)才(cai)能完(wan)成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備(bei)采(cai)用英(ying)國GDS公司(si)進口的電機控(kong)制動三(san)軸試(shi)驗系(xi)統，試(shi)樣直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼(ni)比

同樣由于自然沉積的磷石膏密度變(bian)化(hua)較大，為此根據物理性(xing)質試驗結果(guo)，選擇兩種平(ping)均干密度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模量G、阻(zu)尼比(bi)與(yu)剪應變(bian)幅值γd的關系式如下：

式中k1為(wei)(wei)參數，表(biao)(biao)示動剪(jian)切模(mo)(mo)量(liang)的(de)衰(shuai)減或阻(zu)尼(ni)比(bi)的(de)增長速率；λmax為(wei)(wei)最(zui)(zui)大阻(zu)尼(ni)比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最(zui)(zui)大動剪(jian)切模(mo)(mo)量(liang)和歸(gui)一化的(de)動剪(jian)應變，表(biao)(biao)示為(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)參數(shu)；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標準大(da)氣壓(ya)；vd為(wei)(wei)動(dong)泊松(song)比；εa為(wei)(wei)歸一(yi)化的(de)動(dong)應變(bian)，表達為(wei)(wei)

圖14給出(chu)了動剪切模量、阻尼比與歸一化動應變的關系(xi)曲線，另外(wai)圖中還(huan)給出(chu)了式(1)的擬合曲線以(yi)及Seed等給出(chu)的砂樣的上下邊界線，圖例中，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結應力(li)比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)以(yi)看出：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地(di)描述(shu)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動應(ying)力-動應(ying)變試驗(yan)曲(qu)線(xian)，表(biao)明(ming)采用等(deng)價黏彈(dan)性(xing)模型進(jin)行(xing)循環(huan)荷載作用下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析是可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)干(gan)密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)位于干(gan)密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)上方(fang)(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則位于下方(fang)(fang)，表(biao)明(ming)密度(du)越(yue)(yue)大，動彈(dan)模越(yue)(yue)大、阻(zu)尼比(bi)越(yue)(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)，兩(liang)種干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)基本位于Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界線(xian)上方(fang)(fang)，而(er)圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則基本處于邊(bian)界線(xian)中(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)，表(biao)明(ming)相(xiang)(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)膏(gao)動彈(dan)模較(jiao)(jiao)大，會(hui)(hui)(hui)導致磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動力反應(ying)較(jiao)(jiao)大，但由于阻(zu)尼比(bi)也較(jiao)(jiao)大，這樣又會(hui)(hui)(hui)削弱壩體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動力反應(ying)，二(er)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互影(ying)響下，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩壩體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動力反應(ying)將不(bu)會(hui)(hui)(hui)過于強烈，這對磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

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

圖15給出(chu)了動剪應力比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的關(guan)系(xi)曲線圖，其中σ0為(wei)振前試樣(yang)45°面上(shang)的有效法向應力，表(biao)達(da)為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結(jie)比(bi)(bi)。從試驗結(jie)果可以看出(chu)，沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏(gao)的動強度與(yu)其它土體相似，表(biao)現為(wei)圍壓和(he)固(gu)結(jie)應力比(bi)(bi)與(yu)動剪應力比(bi)(bi)呈負相關(guan)關(guan)系(xi)。

為判別沉積磷石膏(gao)的抗液化能力(li)，假定抗震設計(ji)烈度(du)為8度(du)，即等效振次Ⅳ可取為30。首(shou)先由式(4)

所示的冪函數關(guan)系(xi)式得到振次為(wei)30時各個(ge)圍壓和固結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應力(li)(li)比(bi)與(yu)圍壓和(he)固結應力(li)(li)比(bi)的關系式(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(shang)述擬合關(guan)系式可(ke)見，密實度(du)提(ti)高后，動剪應力(li)比提(ti)高，表明抗(kang)液化能(neng)力(li)也提(ti)高。但即(ji)使(shi)是在低密度(du)下，其動剪應力(li)比較之同類的粉土或(huo)粉砂(sha)也大出許多，表明磷石膏具有較高的抗(kang)液化能(neng)力(li)。

三、結論

依托柳樹(shu)箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣(yang)工作的基(ji)礎上，首先開展(zhan)(zhan)了(le)物(wu)理性質試(shi)驗(yan)，然后開展(zhan)(zhan)了(le)靜動力(li)(li)力(li)(li)學(xue)特性試(shi)驗(yan)。通過上述(shu)試(shi)驗(yan)研(yan)究，得出如下結論：

(1)沉積磷石膏總(zong)體上屬(shu)于(yu)級配不良的粉土，局(ju)部屬(shu)于(yu)粉砂(sha)(sha)一中砂(sha)(sha)，無自然(ran)分級現象。其(qi)干密度和(he)粒徑變(bian)化(hua)隨埋深或距放漿口距離的變(bian)化(hua)不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏(gao)水(shui)平方向(xiang)的(de)滲透系數(shu)大于垂直方向(xiang)的(de)滲透系數(shu)，呈現明顯的(de)各(ge)向(xiang)異性。

(3)與土(tu)體(ti)顆粒不可壓縮不同，磷石膏的晶體(ti)結(jie)(jie)構(gou)會(hui)發生壓縮破壞，具有較大的壓縮性，其次固(gu)結(jie)(jie)變形量遠大于主固(gu)結(jie)(jie)變形量。

(4)沉積(ji)磷石膏的靜(jing)動強度(du)較之同等密實(shi)度(du)下的粉土、粉砂要(yao)高。