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)是磷(lin)(lin)酸生產(chan)過程(cheng)中(zhong)的(de)副產(chan)品，目前的(de)綜合利用率(lv)尚不(bu)(bu)足40%，大部分(fen)需要堆(dui)(dui)存存放。受地形限(xian)制和經濟(ji)效益考慮，中(zhong)國主要為(wei)濕法堆(dui)(dui)存的(de)山谷型堆(dui)(dui)場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)(ji)(ji)壩，針(zhen)對(dui)沉(chen)積(ji)(ji)(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)首(shou)先(xian)開展了(le)密度、含水率(lv)、滲(shen)透(tou)、土水特(te)征和顆分(fen)等物理(li)性質(zhi)試驗，然后開展了(le)三(san)軸(zhou)cu、蠕變(bian)(bian)及(ji)動三(san)軸(zhou)等力學特(te)性試驗。試驗結果表明：①沉(chen)積(ji)(ji)(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密度與埋(mai)深沒有(you)相關關系；②沉(chen)積(ji)(ji)(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)不(bu)(bu)具(ju)(ju)有(you)自然分(fen)級現象(xiang)，但具(ju)(ju)有(you)明顯的(de)各向異性；③沉(chen)積(ji)(ji)(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具(ju)(ju)有(you)較(jiao)高的(de)摩擦角(jiao)和抗液化能(neng)力，但其蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形較(jiao)大、滲(shen)透(tou)比降(jiang)較(jiao)小。上述工(gong)作為(wei)分(fen)析磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)(ji)(ji)壩的(de)壩體(ti)穩(wen)定性提(ti)供了(le)基礎，對(dui)現行磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)運行管理(li)以及(ji)新建工(gong)程(cheng)的(de)設計具(ju)(ju)有(you)重要的(de)借鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)是(shi)濕法(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生產過程中(zhong)的(de)(de)副產品(pin)，2018年，全(quan)國磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)產生量為7800萬(wan)噸，且(qie)呈(cheng)逐年增長的(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)主要成分(fen)(fen)是(shi)CaO和(he)(he)SO3，但含有一(yi)定量的(de)(de)氟化物和(he)(he)其它放射性(xing)物質，在中(zhong)國通常按Ⅱ類一(yi)般工業固體廢物處理，鑒于無(wu)害化處理成本(ben)(ben)較高，目前綜合(he)利(li)用率尚不足40%，故(gu)大部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)場地(di)的(de)(de)不同，可分(fen)(fen)為平地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和(he)(he)截河(he)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場，在中(zhong)國基本(ben)(ben)上是(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場。相比較干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明(ming)顯，因而如地(di)質條件為非碳酸(suan)鹽巖(yan)地(di)區，一(yi)般均采用濕排濕堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國磷(lin)(lin)肥工業的(de)(de)快速(su)發(fa)展，本(ben)(ben)世(shi)紀初中(zhong)國相繼建(jian)設(she)了幾座(zuo)濕法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫，例如云天(tian)化國際化工三(san)環分(fen)(fen)公司的(de)(de)柳樹(shu)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩和(he)(he)富瑞(rui)分(fen)(fen)公司的(de)(de)楊(yang)家箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩，這(zhe)兩座(zuo)壩設(she)計壩高均超過100m、處于8度地(di)震區，其安全(quan)性(xing)備受關注。

據統計(ji)，110多年(1901年一2013年)來，全世界有118座尾礦壩曾發生過破(po)壞或潰壩事(shi)故，原因主(zhu)要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破(po)壞和(he)基礎失(shi)(shi)穩。尾礦庫失(shi)(shi)事(shi)后會造成巨(ju)大的(de)生態災(zai)難和(he)人(ren)員(yuan)傷亡，近幾十年來，

國內(nei)外對金(jin)屬尾(wei)礦的沉積(ji)(ji)規律(lv)(lv)、物理(li)力(li)學(xue)特性(xing)及其穩定性(xing)開展了大量的研究，但對于與金(jin)屬尾(wei)礦庫相(xiang)近(jin)的磷石(shi)膏庫，一般僅限于在(zai)可研階段采用(yong)人(ren)工制備樣進行物理(li)力(li)學(xue)性(xing)質試驗(yan)，并據此進行穩定性(xing)分(fen)析(xi)，尚未有(you)人(ren)針對己運行若干(gan)年的大型濕法堆存磷石(shi)膏堆積(ji)(ji)壩開展過磷石(shi)膏沉積(ji)(ji)規律(lv)(lv)及其物理(li)力(li)學(xue)特性(xing)的專(zhuan)項研究。

本文依托柳樹箐磷石膏(gao)堆(dui)積壩，首先進行了(le)(le)鉆探取樣，采(cai)用原狀(zhuang)樣開展了(le)(le)密(mi)度、含水(shui)率、滲透、土水(shui)特(te)征(zheng)和顆分等物理性(xing)(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)，在此基礎上有(you)針(zhen)對(dui)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)選(xuan)擇原狀(zhuang)樣開展了(le)(le)三軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三軸(zhou)等力學(xue)特(te)性(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)。通(tong)過上述試(shi)驗(yan)研究(jiu)(jiu)，總(zong)結了(le)(le)磷石膏(gao)的(de)(de)(de)沉積規(gui)律、滲透特(te)性(xing)(xing)(xing)、滲透破壞特(te)性(xing)(xing)(xing)以及(ji)靜動力特(te)性(xing)(xing)(xing)，上述研究(jiu)(jiu)工(gong)作對(dui)研究(jiu)(jiu)和評估(gu)磷石膏(gao)庫(ku)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)穩定性(xing)(xing)(xing)提供了(le)(le)基礎數據，對(dui)現行磷石膏(gao)庫(ku)的(de)(de)(de)運(yun)行管理以及(ji)新建工(gong)程的(de)(de)(de)設(she)計(ji)具(ju)有(you)重要的(de)(de)(de)借鑒意義。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩堆存設計方(fang)案(an)

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

(1)初期壩

初(chu)期(qi)壩(ba)壩(ba)高約30m，采(cai)用土料填筑。上游(you)坡面、壩(ba)底和下游(you)壩(ba)腳設置堆(dui)石排(pai)水體，三者相連通構成整個堆(dui)積壩(ba)的(de)主要排(pai)滲系統(tong)。

(2)堆積(ji)壩及其輔助排滲(shen)措(cuo)施

采(cai)用上(shang)游(you)式筑壩法，共20級子壩，頂寬(kuan)6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約100m。采(cai)用排滲管網(wang)作為輔(fu)助排滲方案，目前己在5級、9級子壩和13級子壩壩前120m范(fan)圍(wei)內設置了井字形排滲管網(wang)。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)平(ping)面位(wei)置見(jian)圖(tu)l。2008年6月，堆(dui)積(ji)至5級子壩(ba)時(shi)，布(bu)設了(le)9個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取(qu)原狀樣(yang)76件(jian)；2013年5月，堆(dui)積(ji)至13級子壩(ba)時(shi)，又布(bu)設了(le)11個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取(qu)原狀樣(yang)112件(jian)，為(wei)比較子壩(ba)加高(gao)和(he)(he)磷(lin)石膏堆(dui)積(ji)過程中磷(lin)石膏物(wu)理力學性(xing)質的變化，在2，4級子壩(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)(he)K6孔(kong)(kong)附(fu)近各(ge)布(bu)設了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號(hao)分別為(wei)K17和(he)(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷(lin)石膏(gao)尾礦(kuang)庫2005年(nian)開工(gong)建設，2006年(nian)1月投入運行，截至2013年(nian)5月己堆至13級子壩，尚(shang)有7級子壩即堆存至設計高(gao)程。鑒于磷(lin)石膏(gao)庫地(di)(di)(di)形、地(di)(di)(di)質條件較好，具備擴容改(gai)造的條件，以提高(gao)堆存庫容，減少(shao)堆存占地(di)(di)(di)，節約土地(di)(di)(di)資(zi)源(yuan)。

本文主要對沉積磷石膏(gao)的物理力學特性(xing)進行(xing)了全面總結，限于(yu)篇幅，有關現(xian)狀磷石膏(gao)庫堆(dui)積壩的安全性(xing)評價及其加高可(ke)行(xing)性(xing)的研究將另文發表(biao)。

二(er)、沉(chen)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)2給出了14個鉆(zhan)孔的(de)取樣深(shen)度和(he)試驗所得干密(mi)度的(de)關系(xi)，圖(tu)中UWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上(shang)，(系(xi)鉆(zhan)孔期(qi)間的(de)初見水(shui)(shui)位(wei)線(xian)，下(xia)同(tong))，DWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)下(xia)。圖(tu)3給出了水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上(shang)下(xia)的(de)飽和(he)度分(fen)布圖(tu)。由于磷石膏(gao)中的(de)主要成分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度和(he)烘烤時(shi)間對(dui)測定結果有一(yi)定影響，不能照(zhao)搬(ban)現行的(de)土工試驗規范，本(ben)文磷石膏(gao)的(de)含水(shui)(shui)率測定方法為(wei)55℃溫度下(xia)烘培(pei)24h。

圖2沉積磷石膏干(gan)密度與(yu)埋深的關系

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

由(you)圖(tu)3，水(shui)位線上(shang)的磷石(shi)(shi)膏(gao)飽和(he)(he)度平均(jun)值(zhi)為(wei)50.4%，處(chu)于(yu)非飽和(he)(he)狀態，水(shui)位線以下(xia)的磷石(shi)(shi)膏(gao)飽和(he)(he)度平均(jun)值(zhi)為(wei)85.0%，基本(ben)處(chu)于(yu)飽和(he)(he)狀態，由(you)于(yu)水(shui)位下(xia)降后磷石(shi)(shi)膏(gao)來(lai)不及排水(shui)固結，故(gu)而(er)水(shui)位線上(shang)局部試樣的飽和(he)(he)度較高。

由(you)圖(tu)2，水位線以(yi)(yi)上的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值為(wei)1.30g/cm3；水位線以(yi)(yi)下的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值為(wei)1.4g/cm3。可見(jian)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)與一(yi)般的(de)尾礦有所(suo)不(bu)同(tong)，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)并不(bu)隨(sui)埋(mai)深的(de)增大(da)而明(ming)顯增大(da)，但水位線以(yi)(yi)下的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)從統(tong)計意義上來看仍大(da)于水位線以(yi)(yi)上的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)，這主要是由(you)于水位線隨(sui)庫水位的(de)變(bian)化反(fan)復升降而使得(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)排水固結(jie)所(suo)致。

室內(nei)擊(ji)實(shi)得到的(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖(tu)2可以看出，自(zi)然沉積的(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大干(gan)密(mi)度可達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)(de)(de)土骨架不可壓(ya)縮的(de)(de)(de)理論不同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)本身可壓(ya)縮，同(tong)時由(you)于顆粒結構不穩定，擊(ji)實(shi)試驗(yan)過程中磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)結構被破(po)壞(huai)(huai)，受夯擊(ji)處下(xia)陷，四周鼓起，出現了類似于橡皮土的(de)(de)(de)現象。而在現場條(tiao)件下(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)骨架被破(po)壞(huai)(huai)后，會(hui)導致(zhi)顆粒中的(de)(de)(de)結合(he)水滲(shen)出至(zhi)孔(kong)隙(xi)內(nei)，變成(cheng)孔(kong)隙(xi)水，排水固結后會(hui)使得磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)孔(kong)隙(xi)比減小，干(gan)密(mi)度增大。

圖(tu)4給(gei)出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位于(yu)2級子壩(ba)(ba)河床部(bu)位)以及(ji)相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位于(yu)4級子壩(ba)(ba)河床部(bu)位)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)對比(bi)圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義(yi)上(shang)來看(kan)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未隨(sui)后續磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)堆(dui)積而有較為(wei)(wei)明顯的(de)(de)增大(da)。

(2)級配分布

顆(ke)粒分(fen)析(xi)試驗采(cai)用(yong)密度計法，制備懸液時不煮沸，不加(jia)六(liu)偏磷酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了試驗得到的級配包線、平均粒徑d50、不均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的分(fen)布圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏的粒徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于粉土，但可能由于礦石(shi)來源或生產工藝(yi)有所不同，局部屬(shu)于粉砂(sha)～中(zhong)砂(sha)。粒徑分布范圍比Blight和張超等的試驗結果要(yao)寬一些。

圖4子壩加高后沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的干密度(du)變化(hua)

圖(tu)5沉積磷(lin)石膏的平均粒徑和級配(pei)分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向還是垂直(zhi)向，磷(lin)石膏與金(jin)屬礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的“前粗(cu)后細，上粗(cu)下(xia)細”的自然分級現象不(bu)(bu)同(tong)，也即(ji)粗(cu)顆粒(li)并不(bu)(bu)是沿埋深(shen)逐步(bu)減小(xiao)(xiao)或距(ju)離放(fang)漿口越(yue)遠顆粒(li)越(yue)細，其原因如下(xia)：①磷(lin)石膏顆粒(li)粒(li)徑(jing)組成較(jiao)(jiao)為集中、均勻，主(zhu)要(yao)以(yi)粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級配較(jiao)(jiao)差；②相比較(jiao)(jiao)金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)石膏的比重較(jiao)(jiao)小(xiao)(xiao)，磷(lin)石膏的比重一般為2.3～2.4，遠小(xiao)(xiao)于金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的比重，例(li)如鐵(tie)尾(wei)礦(kuang)的比重可(ke)達2.9；③放(fang)漿口隨子壩高(gao)度不(bu)(bu)斷(duan)增加而不(bu)(bu)斷(duan)變動并向庫尾(wei)延伸，造成沉積磷(lin)石膏的粒(li)徑(jing)變化不(bu)(bu)明(ming)顯。

從(cong)圖5(d)可(ke)見，不均勻系數Cu范圍(wei)值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為4.18，曲率(lv)系數(1c范圍(wei)值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為1.21，在(zai)統計的100多(duo)個試樣(yang)中，屬于(yu)級配(pei)不良(liang)土(tu)的占93%。這種級配(pei)特性(xing)(xing)決定(ding)了磷石(shi)膏具有較(jiao)高的壓縮性(xing)(xing)、滲透破(po)(po)壞(huai)型式表現為流(liu)土(tu)破(po)(po)壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)系(xi)數(shu)的(de)主要(yao)因(yin)素是(shi)粒(li)徑大(da)小(xiao)、級配和孔(kong)隙(xi)比(bi)，因(yin)而(er)磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)與(yu)粉土(tu)較為接近。由于(yu)孔(kong)隙(xi)比(bi)e減小(xiao)，使得過(guo)水通道面積減小(xiao)，滲透(tou)系(xi)數(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)。對(dui)砂土(tu)，一般認為滲透(tou)系(xi)數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性(xing)關(guan)系(xi)較好，圖(tu)6給出了二(er)者間的(de)關(guan)系(xi)曲(qu)線，由于(yu)沉(chen)積磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)不均(jun)(jun)勻系(xi)數(shu)變化(hua)較大(da)，使得沉(chen)積磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)變化(hua)范(fan)圍較大(da)(平均(jun)(jun)值為10-4cm/s數(shu)量級)，二(er)者問(wen)的(de)線性(xing)關(guan)系(xi)較差。

圖(tu)6沉積磷石膏滲(shen)透系數與孔(kong)隙比的關系

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

圖7給出了水(shui)平(ping)(ping)與(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)比值的(de)分布。沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)kh一般大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為2.86，這一點與(yu)成(cheng)(cheng)層分布的(de)金(jin)屬尾礦(kuang)規律一致。造成(cheng)(cheng)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)的(de)原因是由(you)于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏具(ju)有明(ming)(ming)顯的(de)晶體結構，電鏡掃描顯示(shi)多為菱形和棱柱狀形式(shi)(見圖8)，在(zai)沉(chen)積過程中(zhong)，由(you)于(yu)(yu)扁(bian)平(ping)(ping)狀磷(lin)石(shi)膏顆粒多呈(cheng)水(shui)平(ping)(ping)排列，使(shi)得水(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing)大于(yu)(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing)，從(cong)而使(shi)磷(lin)石(shi)膏呈(cheng)現明(ming)(ming)顯的(de)各向(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色(se)金屬工業(ye)昆明勘(kan)察設計研究院(yuan)在楊家箐磷石膏堆積壩開展的(de)現場滲(shen)透試驗，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為(wei)1.9。但張超等的(de)室內(nei)試驗顯示，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為(wei)0.46，也即垂(chui)直向(xiang)滲(shen)透系數大于水平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透系數，與本文和現場試驗結(jie)果(guo)恰恰相反。從磷石膏的(de)微(wei)觀結(jie)構來看，本文試驗結(jie)果(guo)更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干(gan)密度(du)與水平和垂直滲(shen)透(tou)系(xi)數比(bi)值(zhi)的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷石膏干密度(du)(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水力(li)梯(ti)度(du)(du)J與流速V的(de)(de)關(guan)系曲線，試(shi)(shi)驗(yan)在水平(ping)管(guan)涌儀中采用(yong)水平(ping)方向的(de)(de)滲流形式進(jin)行(xing)。試(shi)(shi)驗(yan)得到的(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)來說，對(dui)(dui)1，2級工(gong)程(cheng)，滲透(tou)(tou)安全(quan)系數(shu)取為(wei)2.5，則允許出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下(xia)(xia)工(gong)程(cheng)，滲透(tou)(tou)安全(quan)系數(shu)取2.0，則允許出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大致相同。但上述(shu)滲透(tou)(tou)變(bian)形試(shi)(shi)驗(yan)是采用(yong)自(zi)來水進(jin)行(xing)的(de)(de)，自(zi)來水對(dui)(dui)磷石膏具有一(yi)定(ding)的(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)，而實際上磷石膏中殘余(yu)磷、硫和氟(fu)酸(suan)，庫水的(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小(xiao)于3(稱之為(wei)酸(suan)性(xing)水)，在酸(suan)性(xing)水作(zuo)用(yong)下(xia)(xia)，磷石膏不(bu)會發生(sheng)破(po)壞，上述(shu)試(shi)(shi)驗(yan)結果是偏(pian)于保守的(de)(de)，但對(dui)(dui)非(fei)酸(suan)性(xing)水條件(例如特大暴雨)下(xia)(xia)的(de)(de)滲透(tou)(tou)穩(wen)定(ding)判斷(duan)有一(yi)定(ding)的(de)(de)借(jie)鑒意義。

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

(3)土水特征試驗

試驗(yan)在(zai)5Bar的壓力(li)板儀(yi)中進行，環刀尺寸6.18cm。干密(mi)度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸(xi)力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試驗(yan)曲線見圖10所示。

試(shi)驗結果表明：①干(gan)密(mi)(mi)度對進(jin)氣值(zhi)沒有明顯的影響(xiang)，不同干(gan)密(mi)(mi)度的試(shi)樣(yang)的進(jin)氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土樣(yang)殘余含水(shui)率(lv)隨干(gan)密(mi)(mi)度的增加而(er)減(jian)少(shao)，殘余含水(shui)率(lv)約為飽和含水(shui)率(lv)的10%。上述特性與粉(fen)土一粉(fen)砂基本(ben)一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于沉積磷石(shi)膏的(de)密(mi)度變化(hua)較(jiao)(jiao)大，而進行三(san)軸試驗(yan)(yan)(yan)需要若干(gan)(gan)原狀樣，為(wei)使試驗(yan)(yan)(yan)結果(guo)具有較(jiao)(jiao)好的(de)一致(zhi)性(xing)(xing)，有針對性(xing)(xing)的(de)選擇平均(jun)干(gan)(gan)密(mi)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)若干(gan)(gan)試樣，進行了5組三(san)軸CU試驗(yan)(yan)(yan)。圖11是為(wei)干(gan)(gan)密(mi)度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試驗(yan)(yan)(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷石(shi)膏(gao)的(de)應力應變(bian)關系曲線在低圍壓(ya)下(xia)表現(xian)為軟(ruan)化型，在高圍壓(ya)下(xia)表現(xian)為硬(ying)化型，與一(yi)般土類相似。但與一(yi)般粉土一(yi)粉砂(sha)不(bu)同(tong)的(de)是，即使在較(jiao)為疏松的(de)狀態下(xia)，磷石(shi)膏(gao)仍表現(xian)了較(jiao)為強烈的(de)剪(jian)脹，隨密實度增大，剪(jian)脹作用愈發明(ming)顯。

表2給出(chu)了(le)不同干密度(du)(du)(du)下(xia)的(de)(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出(chu)了(le)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與干密度(du)(du)(du)的(de)(de)關系(xi)曲(qu)線(xian)。隨干密度(du)(du)(du)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)大(da)(da)，且可采用冪函(han)數較(jiao)(jiao)(jiao)好地(di)擬合。磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)干密度(du)(du)(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)加(jia)為37.3°(根據擬合曲(qu)線(xian)求得(de))，增(zeng)幅(fu)為9.4%，有效(xiao)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)幅(fu)為3.2%，由(you)(you)于隨圍壓的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，孔壓也明(ming)顯(xian)增(zeng)大(da)(da)，故(gu)有效(xiao)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)總應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外(wai)較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)于干密度(du)(du)(du)增(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表明(ming)即(ji)使較(jiao)(jiao)(jiao)為疏(shu)松的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有較(jiao)(jiao)(jiao)高(gao)的(de)(de)強(qiang)度(du)(du)(du)指標，這也表明(ming)磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩的(de)(de)穩(wen)定性較(jiao)(jiao)(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次固(gu)結(jie))變(bian)形試驗

磷石膏的(de)蠕變變形試(shi)(shi)驗在側(ce)限壓縮儀中進(jin)行，試(shi)(shi)驗狀態相當于(yu)K0固結。試(shi)(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)(shi)樣(yang)干密度(du)為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣(yang)飽(bao)和(he)后分別開展了上覆壓力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)驗，

試驗從2012年(nian)8月27日開(kai)始，試驗己(ji)進行了1年(nian)多，試驗結果見(jian)圖13所示。

從圖13中可以(yi)看(kan)出(chu)：上覆荷載越大，磷石(shi)膏的蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也越大，荷載施加(jia)1年(nian)后，磷石(shi)膏的蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍非常顯著，尚(shang)未(wei)達(da)(da)到穩(wen)定狀(zhuang)態，這(zhe)也是磷石(shi)膏堆積壩(ba)后期變(bian)(bian)形(xing)較大的原因(yin)，原型觀測資料(liao)表明(ming)，在5級子壩(ba)河床部位的表面沉降量已經達(da)(da)到3.1m，且(qie)尚(shang)未(wei)完(wan)全穩(wen)定。

按時間對(dui)數(shu)(shu)法(fa)，可求得各(ge)級(ji)荷載下(xia)的(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)結(jie)變形(xing)(xing)量(liang)如(ru)表(biao)3所(suo)示。試驗(yan)結(jie)果(guo)表(biao)明，在(zai)(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用(yong)下(xia)，在(zai)(zai)(zai)(zai)試驗(yan)時間范圍內蠕(ru)變(次固(gu)(gu)結(jie))變形(xing)(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕(ru)變變形(xing)(xing)尚未完(wan)(wan)成，實際的(de)(de)蠕(ru)變變形(xing)(xing)應更大。對(dui)土體(ti)而言，發(fa)(fa)生蠕(ru)變的(de)(de)原因是(shi)由于(yu)(yu)土體(ti)在(zai)(zai)(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)完(wan)(wan)成之(zhi)后，土體(ti)中(zhong)仍有微(wei)小(xiao)的(de)(de)超(chao)靜孔隙壓力存在(zai)(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)(zai)顆粒問流(liu)動，一般(ban)來講土體(ti)的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)遠小(xiao)于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏而言，其滲透系數(shu)(shu)在(zai)(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級(ji)，遠大于(yu)(yu)黏性土，但其卻發(fa)(fa)生了極(ji)為顯著的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)變形(xing)(xing)，其原因在(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶體(ti)結(jie)構發(fa)(fa)生了壓縮、破(po)壞，接觸(chu)點晶格發(fa)(fa)生歪曲和(he)變形(xing)(xing)，而破(po)壞后晶格之(zhi)間的(de)(de)重新排列、調整到最后趨于(yu)(yu)相對(dui)靜止需要(yao)相當(dang)長的(de)(de)時間才能完(wan)(wan)成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設(she)備采(cai)用英國GDS公(gong)司進口的電機控(kong)制動三軸(zhou)試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模量和阻尼(ni)比

同樣由于自然沉積的磷石(shi)膏密度(du)變(bian)(bian)化較(jiao)大，為此(ci)根據(ju)物(wu)理(li)性質試驗(yan)結果，選擇兩種平均(jun)干密度(du)1.34g/cm3(變(bian)(bian)化范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)(bian)化范圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗(yan)。

Hardin-Dmevich建(jian)議(yi)的(de)動剪切模量(liang)G、阻尼比與剪應變幅值γd的(de)關系式如下(xia)：

式中k1為(wei)參數，表示(shi)動(dong)(dong)剪切模量的(de)衰減或阻尼比的(de)增長(chang)速率；λmax為(wei)最(zui)(zui)大(da)阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)(zui)大(da)動(dong)(dong)剪切模量和歸一化的(de)動(dong)(dong)剪應變，表示(shi)為(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)(wei)標準大(da)氣壓；vd為(wei)(wei)(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)(wei)(wei)歸(gui)一化的動(dong)應變(bian)，表達為(wei)(wei)(wei)

圖(tu)14給出(chu)了動剪切(qie)模量、阻尼(ni)比與歸一化動應(ying)變的(de)關系曲(qu)線(xian)，另外圖(tu)中還給出(chu)了式(shi)(1)的(de)擬(ni)合曲(qu)線(xian)以及Seed等給出(chu)的(de)砂(sha)樣的(de)上下邊界線(xian)，圖(tu)例(li)中，σ2表示圍壓，Kc表示固(gu)結(jie)應(ying)力比。

從圖(tu)中(zhong)可(ke)以看(kan)出：①式(1)可(ke)較好地描述磷(lin)(lin)石(shi)膏的動應(ying)力-動應(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表(biao)(biao)明采(cai)用(yong)等價黏彈性(xing)模型(xing)進行循環荷載作用(yong)下的分析是可(ke)行的；②圖(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密(mi)度(du)為(wei)1.45g/cm3的擬(ni)合線(xian)(xian)位于(yu)(yu)(yu)干(gan)密(mi)度(du)為(wei)1.34g/cm3的擬(ni)合線(xian)(xian)上(shang)方(fang)(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)則位于(yu)(yu)(yu)下方(fang)(fang)，表(biao)(biao)明密(mi)度(du)越(yue)大，動彈模越(yue)大、阻尼比越(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密(mi)度(du)的擬(ni)合線(xian)(xian)基本位于(yu)(yu)(yu)Seed等給出的邊界(jie)(jie)線(xian)(xian)上(shang)方(fang)(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)(yu)(yu)邊界(jie)(jie)線(xian)(xian)中(zhong)間(jian)，表(biao)(biao)明相(xiang)比較砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏動彈模較大，會導致磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩的動力反應(ying)較大，但(dan)由于(yu)(yu)(yu)阻尼比也較大，這樣(yang)又(you)會削弱壩體(ti)的動力反應(ying)，二者的相(xiang)互(hu)影響下，磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩壩體(ti)的動力反應(ying)將不會過(guo)于(yu)(yu)(yu)強烈，這對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩的抗震穩定(ding)性(xing)是有利的。

(2)動強度

選擇兩種平均干(gan)密度為1.12(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行(xing)試驗，破壞標準為總應(ying)變達到10%。

圖15給出了動(dong)剪應(ying)(ying)力比τd/σ0′與破壞振(zhen)次(ci)Nf的關(guan)系曲線圖，其(qi)中σ0為振(zhen)前試樣(yang)45°面(mian)上的有效法(fa)向應(ying)(ying)力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結(jie)比。從試驗結(jie)果可以(yi)看出，沉積磷石膏的動(dong)強度與其(qi)它土體相似，表現為圍壓和(he)固(gu)結(jie)應(ying)(ying)力比與動(dong)剪應(ying)(ying)力比呈負相關(guan)關(guan)系。

為(wei)判別沉積(ji)磷石膏的抗(kang)液化能(neng)力(li)，假定抗(kang)震設計烈度為(wei)8度，即等效振次Ⅳ可(ke)取為(wei)30。首先(xian)由式(4)

所示的冪(mi)函數(shu)關系式得到振次(ci)為30時各個(ge)圍壓和固結(jie)比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可擬合求(qiu)得(de)動剪應(ying)(ying)力(li)比與(yu)圍壓和固結(jie)應(ying)(ying)力(li)比的關系式：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(shu)擬合關系(xi)式可(ke)見，密實(shi)度提高后，動剪應力(li)比提高，表明抗液化(hua)能力(li)也(ye)提高。但(dan)即使是在(zai)低(di)密度下，其動剪應力(li)比較(jiao)之同(tong)類的粉土(tu)或(huo)粉砂也(ye)大(da)出許(xu)多，表明磷(lin)石膏具有較(jiao)高的抗液化(hua)能力(li)。

三、結論(lun)

依托柳樹箐磷石膏(gao)堆積壩(ba)，在鉆探(tan)取樣工作的基礎上，首先開展了物理性(xing)(xing)質試驗(yan)(yan)，然后開展了靜動力力學特性(xing)(xing)試驗(yan)(yan)。通過上述試驗(yan)(yan)研究(jiu)，得出如(ru)下結論：

(1)沉積磷石膏總體上屬于級(ji)配不良(liang)的(de)粉(fen)土，局部(bu)屬于粉(fen)砂一中砂，無自然分級(ji)現象。其干密度和粒徑變(bian)化隨(sui)埋(mai)深或(huo)距放漿口距離的(de)變(bian)化不明顯(xian)。

(2)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏水(shui)平方(fang)向的滲透系(xi)數(shu)大于垂直(zhi)方(fang)向的滲透系(xi)數(shu)，呈現明顯(xian)的各向異性。

(3)與土體(ti)顆粒不可壓(ya)縮不同，磷石膏的(de)(de)晶體(ti)結(jie)構會發生壓(ya)縮破壞，具有較大(da)的(de)(de)壓(ya)縮性，其次固(gu)結(jie)變形(xing)量遠大(da)于主固(gu)結(jie)變形(xing)量。

(4)沉積(ji)磷石膏的(de)靜動強度較之同等密實(shi)度下(xia)的(de)粉土、粉砂(sha)要高。