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(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)是濕(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)酸生產(chan)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)副產(chan)品，2018年(nian)，全國(guo)(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)生量(liang)為7800萬噸，且(qie)呈逐年(nian)增(zeng)長(chang)的(de)(de)(de)態(tai)勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)主要(yao)成分(fen)是CaO和(he)SO3，但含有一定量(liang)的(de)(de)(de)氟化物和(he)其它放射性物質，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)通常按Ⅱ類一般(ban)工業固體廢物處(chu)理(li)，鑒于無害化處(chu)理(li)成本(ben)較高，目前(qian)綜合利用率尚不(bu)足(zu)40%，故大部分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)場地(di)(di)(di)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，可分(fen)為平地(di)(di)(di)型(xing)(xing)、傍(bang)山(shan)(shan)型(xing)(xing)、山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和(he)截河(he)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)基(ji)本(ben)上是山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場。相比較干(gan)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明(ming)顯，因(yin)而(er)如(ru)地(di)(di)(di)質條件為非碳酸鹽巖地(di)(di)(di)區(qu)，一般(ban)均(jun)采用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)方(fang)式。隨(sui)著中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)磷(lin)(lin)肥工業的(de)(de)(de)快速(su)發(fa)展，本(ben)世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)相繼建設(she)了幾座濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例如(ru)云天化國(guo)(guo)際化工三環分(fen)公(gong)司(si)的(de)(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩和(he)富瑞分(fen)公(gong)司(si)的(de)(de)(de)楊家(jia)箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩，這(zhe)兩座壩設(she)計壩高均(jun)超過100m、處(chu)于8度(du)地(di)(di)(di)震區(qu)，其安(an)全性備受關注。

據統計(ji)，110多年(1901年一2013年)來，全世(shi)界有118座(zuo)尾(wei)(wei)礦壩(ba)曾(ceng)發生過破壞或潰壩(ba)事(shi)故，原因主要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破壞和(he)基(ji)礎失穩。尾(wei)(wei)礦庫失事(shi)后會造(zao)成巨大的生態災難和(he)人員傷亡，近幾十年來，

國內外對(dui)金(jin)屬尾礦的沉(chen)積規(gui)律、物理力學特(te)性(xing)(xing)及其(qi)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)開展(zhan)了大(da)量的研究(jiu)，但對(dui)于(yu)與金(jin)屬尾礦庫(ku)相近的磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)，一般(ban)僅(jin)限于(yu)在(zai)可(ke)研階段采用人工制備樣進(jin)行(xing)(xing)物理力學性(xing)(xing)質試(shi)驗，并據此進(jin)行(xing)(xing)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)分析，尚未有人針(zhen)對(dui)己運行(xing)(xing)若干年的大(da)型濕法堆(dui)存磷(lin)(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩開展(zhan)過磷(lin)(lin)石膏(gao)沉(chen)積規(gui)律及其(qi)物理力學特(te)性(xing)(xing)的專項(xiang)研究(jiu)。

本文依(yi)托柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆積壩，首先進(jin)行(xing)了(le)鉆探取樣(yang)，采用原狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)密度(du)、含水(shui)率、滲(shen)透(tou)、土水(shui)特(te)(te)征和顆(ke)分等(deng)物理(li)性(xing)(xing)(xing)質試(shi)(shi)驗(yan)，在此基(ji)礎(chu)上(shang)有(you)針對(dui)性(xing)(xing)(xing)的選擇原狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)三(san)軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三(san)軸(zhou)等(deng)力學(xue)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)試(shi)(shi)驗(yan)。通過(guo)上(shang)述試(shi)(shi)驗(yan)研究，總結(jie)了(le)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的沉積規律、滲(shen)透(tou)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)、滲(shen)透(tou)破(po)壞特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)以(yi)(yi)及(ji)靜動力特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)，上(shang)述研究工(gong)作對(dui)研究和評(ping)估磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫堆積壩的穩定性(xing)(xing)(xing)提(ti)供了(le)基(ji)礎(chu)數(shu)據，對(dui)現行(xing)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫的運(yun)行(xing)管(guan)理(li)以(yi)(yi)及(ji)新建(jian)工(gong)程(cheng)的設計(ji)具有(you)重要的借鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積壩堆(dui)存設(she)計方(fang)案

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

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采(cai)用土料填(tian)筑(zhu)。上游坡面、壩底和下游壩腳設置堆石(shi)排水體，三者(zhe)相連通構成整個堆積壩的主要排滲系統。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲措施

采(cai)用(yong)上游(you)式筑(zhu)壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂(ding)寬6～9m，高度5m，堆積高度約(yue)100m。采(cai)用(yong)排滲管網(wang)作(zuo)為輔助(zhu)排滲方案，目前己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范圍(wei)內設置(zhi)了井字形排滲管網(wang)。

1.2沉積(ji)磷石膏的鉆探(tan)取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆積至5級(ji)子壩時，布設了(le)(le)9個取樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取原(yuan)狀樣(yang)(yang)76件；2013年5月，堆積至13級(ji)子壩時，又布設了(le)(le)11個取樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取原(yuan)狀樣(yang)(yang)112件，為比較子壩加(jia)高和磷(lin)石(shi)膏堆積過程中磷(lin)石(shi)膏物理力(li)學性質的變化，在2，4級(ji)子壩K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布設了(le)(le)一個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號分別為K17和K18。

1.3運行概(gai)況

柳樹箐磷石膏尾礦庫(ku)(ku)2005年(nian)(nian)開工建設，2006年(nian)(nian)1月投(tou)入運行，截至(zhi)2013年(nian)(nian)5月己(ji)堆(dui)至(zhi)13級(ji)子(zi)壩，尚有7級(ji)子(zi)壩即堆(dui)存(cun)至(zhi)設計高程(cheng)。鑒于磷石膏庫(ku)(ku)地(di)形、地(di)質條件(jian)(jian)較好，具備擴容改造的條件(jian)(jian)，以(yi)提高堆(dui)存(cun)庫(ku)(ku)容，減少(shao)堆(dui)存(cun)占地(di)，節約土地(di)資(zi)源(yuan)。

本(ben)文主要(yao)對(dui)沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)的物理力學(xue)特性(xing)進行了全(quan)面總結(jie)，限于篇幅，有關(guan)現狀磷(lin)石膏(gao)庫堆積壩的安全(quan)性(xing)評(ping)價及(ji)其加(jia)高可行性(xing)的研究(jiu)將另文發表。

二、沉積磷石膏的物理力學特性

2.1物理特(te)性

(1)干密度分布

圖2給出了14個鉆孔(kong)的(de)(de)(de)取樣深度(du)和(he)試驗所(suo)得干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)關系，圖中UWL表(biao)(biao)示水位線上，(系鉆孔(kong)期間(jian)的(de)(de)(de)初見水位線，下同)，DWL表(biao)(biao)示水位線下。圖3給出了水位線上下的(de)(de)(de)飽和(he)度(du)分(fen)布圖。由于磷(lin)石(shi)膏中的(de)(de)(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度(du)和(he)烘(hong)烤時間(jian)對測定結(jie)果有一定影響(xiang)，不能照搬現行的(de)(de)(de)土工試驗規范，本文磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)含水率測定方法為55℃溫(wen)度(du)下烘(hong)培24h。

圖2沉積磷石膏干(gan)密度與埋深(shen)的關系

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

由圖(tu)3，水(shui)位(wei)線(xian)上的(de)磷(lin)石(shi)膏飽(bao)和(he)(he)(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為50.4%，處于非飽(bao)和(he)(he)(he)狀(zhuang)態，水(shui)位(wei)線(xian)以下的(de)磷(lin)石(shi)膏飽(bao)和(he)(he)(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為85.0%，基本處于飽(bao)和(he)(he)(he)狀(zhuang)態，由于水(shui)位(wei)下降(jiang)后磷(lin)石(shi)膏來不及排水(shui)固結(jie)，故而水(shui)位(wei)線(xian)上局(ju)部試樣(yang)的(de)飽(bao)和(he)(he)(he)度(du)較高。

由圖2，水(shui)位線(xian)(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)位線(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石膏與(yu)一般的(de)(de)(de)(de)尾礦有所(suo)不同(tong)，磷石膏的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)并不隨(sui)埋深的(de)(de)(de)(de)增大(da)而(er)明(ming)顯增大(da)，但水(shui)位線(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)(de)(de)磷石膏干(gan)密(mi)度(du)(du)從統計意義上來看仍大(da)于(yu)水(shui)位線(xian)(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)(de)磷石膏干(gan)密(mi)度(du)(du)，這主要是由于(yu)水(shui)位線(xian)(xian)隨(sui)庫水(shui)位的(de)(de)(de)(de)變(bian)化反(fan)復(fu)升降而(er)使得磷石膏排水(shui)固結所(suo)致。

室內擊實得到的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)干(gan)(gan)密度(du)一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間，從(cong)圖2可(ke)以看出(chu)，自然沉積的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)干(gan)(gan)密度(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下：與經典的土骨(gu)架不可(ke)壓(ya)縮的理論(lun)不同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)本身可(ke)壓(ya)縮，同(tong)時由于顆粒結(jie)(jie)構不穩(wen)定，擊實試驗過程中磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)結(jie)(jie)構被破(po)壞，受夯擊處下陷，四周鼓起，出(chu)現了類(lei)似(si)于橡(xiang)皮土的現象。而在現場條件下，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)架被破(po)壞后(hou)，會導(dao)致顆粒中的結(jie)(jie)合水滲(shen)出(chu)至孔隙(xi)內，變(bian)成(cheng)孔隙(xi)水，排水固(gu)結(jie)(jie)后(hou)會使(shi)得磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的孔隙(xi)比減小，干(gan)(gan)密度(du)增大(da)。

圖(tu)4給出了相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K2和K17(位于2級子壩河床(chuang)部位)以及(ji)相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K6和K18(位于4級子壩河床(chuang)部位)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的對(dui)比圖(tu)。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)(jian)，均(jun)(jun)(jun)值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)(jian)，均(jun)(jun)(jun)值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)(jian)，均(jun)(jun)(jun)值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)(jian)，均(jun)(jun)(jun)值為(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使(shi)從統計意義上來看，磷石膏的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未隨后(hou)續(xu)磷石膏的堆(dui)積而有較(jiao)為(wei)明顯的增大(da)。

(2)級配分布

顆粒分析(xi)試驗采用密度(du)計法，制備(bei)懸(xuan)液時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖5給(gei)出(chu)了試驗得到(dao)的級配包線、平均粒徑d50、不均勻系數(1u和(he)曲率(lv)系數Cc的分布圖。

從(cong)圖5(a)可見，磷石膏的粒徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于粉(fen)土，但(dan)可能(neng)由于礦(kuang)石來源(yuan)或生產工藝有所不同(tong)，局部屬(shu)于粉(fen)砂～中(zhong)砂。粒徑分布范圍比Blight和張超等的試驗結果要寬一(yi)些(xie)。

圖(tu)4子(zi)壩加高后沉積(ji)磷石膏的干(gan)密度變化

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(shi)水平(ping)向還是(shi)垂直(zhi)向，磷石(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)山(shan)尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)的(de)“前粗后細(xi)，上(shang)粗下細(xi)”的(de)自然分(fen)級現象不(bu)(bu)同，也即粗顆粒(li)并不(bu)(bu)是(shi)沿埋(mai)深(shen)逐步減小(xiao)或距離放漿(jiang)口越遠顆粒(li)越細(xi)，其原因如(ru)下：①磷石(shi)膏(gao)顆粒(li)粒(li)徑組(zu)成較(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金屬尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)，磷石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)小(xiao)，磷石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)重(zhong)一(yi)般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)，例如(ru)鐵尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿(jiang)口隨子壩(ba)高度不(bu)(bu)斷(duan)增加而不(bu)(bu)斷(duan)變(bian)(bian)動并向庫(ku)尾(wei)(wei)(wei)延(yan)伸(shen)，造成沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑變(bian)(bian)化不(bu)(bu)明(ming)顯。

從(cong)圖5(d)可見，不均勻系(xi)數Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平均值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平均值為(wei)1.21，在統計的(de)100多個(ge)試(shi)樣中，屬于級配不良土的(de)占(zhan)93%。這(zhe)種級配特性決(jue)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)響滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑大(da)小、級配和孔(kong)隙(xi)比，因而磷石膏(gao)的(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)與粉土較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)接近。由(you)于孔(kong)隙(xi)比e減小，使(shi)得(de)過水通道面積減小，滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)k也將減小，k與e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂(sha)土，一般認為(wei)(wei)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖(tu)6給(gei)出(chu)了二(er)者間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線，由(you)于沉積磷石膏(gao)的(de)(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)變(bian)化(hua)較(jiao)(jiao)大(da)，使(shi)得(de)沉積磷石膏(gao)的(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)變(bian)化(hua)范圍較(jiao)(jiao)大(da)(平均(jun)值為(wei)(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)(shu)量級)，二(er)者問的(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差(cha)。

圖(tu)6沉積(ji)磷石(shi)膏滲透系(xi)數(shu)與孔隙比的(de)關系(xi)

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

圖(tu)7給出了(le)水(shui)(shui)平(ping)(ping)與(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數比值的(de)分布(bu)(bu)。沉(chen)(chen)積磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數kh一(yi)般大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為2.86，這一(yi)點與(yu)成層分布(bu)(bu)的(de)金屬尾礦規律(lv)一(yi)致。造成沉(chen)(chen)積磷石膏(gao)(gao)(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數的(de)原(yuan)因是由(you)于(yu)磷石膏(gao)(gao)(gao)具(ju)有明顯的(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多為菱(ling)形和棱柱狀形式(shi)(見(jian)圖(tu)8)，在沉(chen)(chen)積過(guo)程中，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)狀磷石膏(gao)(gao)(gao)顆粒多呈(cheng)(cheng)水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列(lie)，使得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從(cong)而使磷石膏(gao)(gao)(gao)呈(cheng)(cheng)現明顯的(de)各向(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中國有色(se)金屬(shu)工業昆明勘察(cha)設計(ji)研(yan)究院在(zai)楊家箐磷石(shi)膏堆積壩開展的(de)現場(chang)滲(shen)(shen)透(tou)試(shi)驗，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為1.9。但張超(chao)等的(de)室內試(shi)驗顯(xian)示，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為0.46，也即垂直向滲(shen)(shen)透(tou)系數大于水平(ping)(ping)向滲(shen)(shen)透(tou)系數，與本文和(he)現場(chang)試(shi)驗結(jie)果恰(qia)恰(qia)相反(fan)。從磷石(shi)膏的(de)微觀結(jie)構來看(kan)，本文試(shi)驗結(jie)果更為合理(li)。

圖(tu)7沉積磷石膏干密度與水平和垂直滲透系數比(bi)值的關系

(2)滲(shen)透(tou)變形

圖9為磷(lin)(lin)石膏干密(mi)度為1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)水力梯度J與(yu)流速V的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)曲線，試驗在(zai)水平管涌(yong)儀中采(cai)用(yong)(yong)水平方向的(de)(de)(de)(de)(de)(de)滲(shen)流形式進行。試驗得(de)到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)臨界坡(po)降Jc=0.355，破壞坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般來說，對1，2級(ji)工(gong)程，滲(shen)透(tou)安全(quan)系(xi)數取為2.5，則允許出(chu)逸坡(po)降為0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下工(gong)程，滲(shen)透(tou)安全(quan)系(xi)數取2.0，則允許出(chu)逸坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其允許比降與(yu)粉土一(yi)粉砂(sha)大致(zhi)相同。但(dan)上(shang)(shang)述滲(shen)透(tou)變(bian)形試驗是采(cai)用(yong)(yong)自來水進行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，自來水對磷(lin)(lin)石膏具有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶蝕作用(yong)(yong)，而實(shi)際上(shang)(shang)磷(lin)(lin)石膏中殘(can)余(yu)磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)，庫(ku)水的(de)(de)(de)(de)(de)(de)pH值(zhi)一(yi)般小(xiao)于(yu)3(稱(cheng)之為酸(suan)性水)，在(zai)酸(suan)性水作用(yong)(yong)下，磷(lin)(lin)石膏不會發生破壞，上(shang)(shang)述試驗結果是偏于(yu)保(bao)守(shou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，但(dan)對非酸(suan)性水條件(例如特大暴雨(yu))下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定(ding)判(pan)斷有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

圖9水力(li)梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征(zheng)試驗

試(shi)(shi)驗在5Bar的壓力板儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍(wei)0～500kPa。表l列出了含水率特(te)征值(zhi)，試(shi)(shi)驗曲線(xian)見圖10所示。

試(shi)驗(yan)結果(guo)表明：①干密度(du)對進(jin)(jin)氣(qi)值沒有明顯的影響，不同干密度(du)的試(shi)樣(yang)的進(jin)(jin)氣(qi)值大致(zhi)(zhi)在10kPa左右；②土樣(yang)殘余(yu)含水(shui)率(lv)隨(sui)干密度(du)的增加而減少，殘余(yu)含水(shui)率(lv)約為飽(bao)和含水(shui)率(lv)的10%。上述特性與粉土一(yi)粉砂基本一(yi)致(zhi)(zhi)。

2.3靜力力學特性(xing)

(1)三軸CU試(shi)驗

由于沉(chen)積(ji)磷石膏的(de)(de)密度(du)變化較大，而(er)進行(xing)三軸試驗(yan)需要若干原狀樣，為(wei)(wei)使試驗(yan)結果具有較好(hao)的(de)(de)一致性，有針(zhen)對性的(de)(de)選擇(ze)平均(jun)干密度(du)分別為(wei)(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)若干試樣，進行(xing)了5組三軸CU試驗(yan)。圖11是為(wei)(wei)干密度(du)為(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)(de)三軸CU試驗(yan)曲線。

從圖11可以看出(chu)，磷(lin)石(shi)膏的(de)應力應變關系曲(qu)線在低(di)圍壓下表(biao)現為(wei)軟化型(xing)，在高圍壓下表(biao)現為(wei)硬化型(xing)，與一般土類相似。但與一般粉土一粉砂不同(tong)的(de)是，即使在較為(wei)疏松的(de)狀態下，磷(lin)石(shi)膏仍表(biao)現了(le)較為(wei)強烈的(de)剪(jian)(jian)脹(zhang)，隨密(mi)實度增大(da)，剪(jian)(jian)脹(zhang)作用愈發明(ming)顯。

表2給(gei)出了不(bu)同干密度(du)(du)下的(de)(de)內摩(mo)擦(ca)角，圖12給(gei)出了內摩(mo)擦(ca)角與干密度(du)(du)的(de)(de)關系曲(qu)(qu)線(xian)。隨(sui)干密度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩(mo)擦(ca)角也(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較(jiao)好地擬(ni)合。磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)干密度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)了32%，總應力摩(mo)擦(ca)角由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲(qu)(qu)線(xian)求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)9.4%，有(you)效應力摩(mo)擦(ca)角由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)3.2%，由于隨(sui)圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩(mo)擦(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)之(zhi)總應力摩(mo)擦(ca)角要小。另外(wai)較(jiao)之(zhi)于干密度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)擦(ca)角的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不(bu)顯著，表明即使較(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)仍(reng)具有(you)較(jiao)高(gao)的(de)(de)強度(du)(du)指標，這也(ye)表明磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)穩(wen)定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形試驗

磷石膏的蠕變變形試(shi)(shi)驗(yan)在側限壓(ya)縮儀中進行，試(shi)(shi)驗(yan)狀態相當(dang)于K0固(gu)結。試(shi)(shi)樣直(zhi)徑61.8mm，高度(du)(du)20mm，試(shi)(shi)樣干密度(du)(du)為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣飽和后分別開展了上(shang)覆壓(ya)力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)，

試(shi)驗(yan)從(cong)2012年(nian)8月27日(ri)開始，試(shi)驗(yan)己進行(xing)了(le)1年(nian)多，試(shi)驗(yan)結果見圖13所示。

從圖13中可以看出：上(shang)覆荷載(zai)越大(da)，磷石膏的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也越大(da)，荷載(zai)施加1年后，磷石膏的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未達(da)(da)到(dao)穩定狀態，這也是磷石膏堆積(ji)壩后期變(bian)(bian)形(xing)較大(da)的(de)原因，原型(xing)觀測(ce)資(zi)料(liao)表明，在5級(ji)子壩河(he)床部位的(de)表面沉降量已經達(da)(da)到(dao)3.1m，且尚未完全穩定。

按時間對(dui)數法，可(ke)求得各(ge)級荷載下的(de)(de)主(zhu)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形量如表3所示。試驗結(jie)(jie)果表明，在100～400kPa上覆荷載作用(yong)下，在試驗時間范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形是主(zhu)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由(you)于(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形尚未完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)，實(shi)際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形應更大(da)。對(dui)土體而(er)言(yan)，發生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因是由(you)于(yu)土體在主(zhu)固結(jie)(jie)完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)之(zhi)后(hou)，土體中仍(reng)有微小的(de)(de)超(chao)靜(jing)孔隙壓(ya)力存在，驅使水在顆粒問(wen)流動，一(yi)般來講土體的(de)(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)遠小于(yu)主(zhu)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形；對(dui)磷(lin)石膏而(er)言(yan)，其(qi)(qi)滲(shen)透系(xi)數在10-4cm/s數量級，遠大(da)于(yu)黏(nian)性土，但其(qi)(qi)卻發生(sheng)了極(ji)為顯著的(de)(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形，其(qi)(qi)原因在于(yu)磷(lin)石膏晶體結(jie)(jie)構發生(sheng)了壓(ya)縮、破壞，接觸點晶格(ge)發生(sheng)歪曲(qu)和變(bian)(bian)(bian)形，而(er)破壞后(hou)晶格(ge)之(zhi)間的(de)(de)重新排列、調整到最后(hou)趨(qu)于(yu)相對(dui)靜(jing)止需要相當(dang)長的(de)(de)時間才能完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學(xue)特性

試驗設備采用英國GDS公司進口(kou)的電機控(kong)制動(dong)三軸試驗系統，試樣(yang)直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼比

同樣由(you)于自然沉積(ji)的(de)磷石膏密度(du)變化較大，為此根(gen)據物理性(xing)質試驗結果，選擇兩種平均(jun)干密度(du)1.34g/cm3(變化范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)動剪(jian)切(qie)模量G、阻(zu)尼比與剪(jian)應(ying)變幅值γd的(de)關(guan)系式如下(xia)：

式中k1為(wei)(wei)(wei)參數，表(biao)示動剪(jian)切模量的衰減(jian)或阻尼比的增長(chang)速率；λmax為(wei)(wei)(wei)最(zui)大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)(wei)最(zui)大動剪(jian)切模量和(he)歸一化的動剪(jian)應變，表(biao)示為(wei)(wei)(wei)

式(shi)中(zhong)k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸一化的動應(ying)變，表達為(wei)

圖14給出(chu)(chu)了動剪切(qie)模(mo)量、阻尼(ni)比與歸一化(hua)動應變的(de)關系(xi)曲(qu)線(xian)，另外圖中(zhong)還給出(chu)(chu)了式(shi)(1)的(de)擬(ni)合曲(qu)線(xian)以(yi)及Seed等(deng)給出(chu)(chu)的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊界線(xian)，圖例中(zhong)，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固結(jie)應力比。

從圖(tu)中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)應力(li)-動(dong)應變試(shi)驗(yan)曲線(xian)，表(biao)明采用等價黏(nian)彈性模(mo)(mo)型(xing)進行(xing)循環荷載作用下(xia)的(de)(de)(de)(de)分析是可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)位(wei)于干(gan)密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)上(shang)方，圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于下(xia)方，表(biao)明密(mi)度越大，動(dong)彈模(mo)(mo)越大、阻尼(ni)比越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)基(ji)本位(wei)于Seed等給出的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界線(xian)上(shang)方，而(er)圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基(ji)本處于邊(bian)界線(xian)中(zhong)間，表(biao)明相比較(jiao)(jiao)砂樣(yang)(yang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)動(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)(jiao)大，會導致磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應較(jiao)(jiao)大，但由于阻尼(ni)比也較(jiao)(jiao)大，這(zhe)樣(yang)(yang)又會削弱壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應，二者的(de)(de)(de)(de)相互影響(xiang)下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應將不會過于強烈，這(zhe)對磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)(de)抗震穩(wen)定性是有(you)利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇(ze)兩種平均(jun)干(gan)密(mi)度為1.12(變化(hua)(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗，破(po)壞標(biao)準為總應(ying)變達到10%。

圖15給(gei)出了(le)動剪(jian)(jian)應力比(bi)τd/σ0′與破壞振(zhen)次Nf的關系曲線圖，其中σ0為振(zhen)前試(shi)樣(yang)45°面上的有效法向應力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結(jie)比(bi)。從(cong)試(shi)驗結(jie)果可以看出，沉積磷石膏的動強度(du)與其它土體相(xiang)似，表現為圍壓(ya)和(he)固(gu)結(jie)應力比(bi)與動剪(jian)(jian)應力比(bi)呈負相(xiang)關關系。

為判別(bie)沉積(ji)磷石(shi)膏的抗液(ye)化能力，假定抗震設計烈(lie)度為8度，即等效(xiao)振次Ⅳ可取為30。首先由(you)式(4)

所示的冪(mi)函數(shu)關系(xi)式得到振次為30時各(ge)個(ge)圍(wei)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(jian)應(ying)力(li)比(bi)與(yu)圍壓和(he)固(gu)結應(ying)力(li)比(bi)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(guan)系式可見，密實度提高(gao)(gao)后，動(dong)剪(jian)應力(li)比提高(gao)(gao)，表(biao)明抗液化能(neng)力(li)也提高(gao)(gao)。但即(ji)使是在低(di)密度下(xia)，其動(dong)剪(jian)應力(li)比較之同(tong)類(lei)的粉土或(huo)粉砂也大出許多，表(biao)明磷石膏具有較高(gao)(gao)的抗液化能(neng)力(li)。

三、結論

依托(tuo)柳樹箐磷石膏(gao)堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首(shou)先開(kai)展了(le)物理(li)性質試驗，然后開(kai)展了(le)靜動力(li)力(li)學特性試驗。通過上述試驗研究，得出(chu)如下結論：

(1)沉積磷石膏總體(ti)上屬于級配不良(liang)的粉土(tu)，局部屬于粉砂一中(zhong)砂，無自然分級現象。其干密(mi)度和粒(li)徑變化隨埋深(shen)或距放漿口距離的變化不明(ming)顯。

(2)沉積磷石膏水(shui)平(ping)方向的(de)(de)滲透系數大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)方向的(de)(de)滲透系數，呈現明顯的(de)(de)各向異(yi)性。

(3)與土體顆粒不可壓(ya)縮不同，磷石膏(gao)的晶體結構會發生壓(ya)縮破壞，具有(you)較大(da)的壓(ya)縮性，其次固結變(bian)形(xing)量(liang)遠大(da)于主固結變(bian)形(xing)量(liang)。

(4)沉積(ji)磷石膏(gao)的靜動強(qiang)度較之(zhi)同(tong)等密實(shi)度下的粉土、粉砂要高。