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)(gao)是磷(lin)酸生產(chan)(chan)過程中的副產(chan)(chan)品(pin)，目(mu)前的綜(zong)合利用率尚(shang)不(bu)足40%，大(da)部分需要堆存(cun)存(cun)放。受地形限制和經濟效益考(kao)慮，中國(guo)主要為(wei)(wei)濕法堆存(cun)的山谷型堆場。依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)壩，針(zhen)對沉積(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)首(shou)先開展(zhan)了密(mi)度(du)、含水(shui)率、滲(shen)透、土(tu)水(shui)特征和顆(ke)分等(deng)物理(li)性(xing)質(zhi)試(shi)驗(yan)(yan)，然(ran)后開展(zhan)了三(san)軸cu、蠕(ru)變(bian)及(ji)動(dong)三(san)軸等(deng)力(li)學特性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。試(shi)驗(yan)(yan)結果表明(ming)：①沉積(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的干(gan)密(mi)度(du)與(yu)埋深沒有(you)相關關系；②沉積(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)不(bu)具有(you)自然(ran)分級現(xian)象(xiang)，但具有(you)明(ming)顯(xian)的各(ge)向異性(xing)；③沉積(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具有(you)較高的摩擦角和抗(kang)液化(hua)能力(li)，但其蠕(ru)變(bian)變(bian)形較大(da)、滲(shen)透比(bi)降較小。上述工(gong)作為(wei)(wei)分析磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)壩的壩體穩定(ding)性(xing)提(ti)供了基(ji)礎，對現(xian)行磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫的運行管理(li)以及(ji)新(xin)建工(gong)程的設(she)計具有(you)重要的借鑒意(yi)義。

引言

磷石(shi)膏(gao)(gao)是(shi)濕法(fa)磷酸(suan)生(sheng)產(chan)過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)副產(chan)品(pin)，2018年(nian)，全(quan)國(guo)(guo)(guo)磷石(shi)膏(gao)(gao)產(chan)生(sheng)量為(wei)7800萬(wan)噸(dun)，且(qie)呈逐年(nian)增長(chang)的(de)態勢。磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)主要成分(fen)是(shi)CaO和SO3，但含(han)有一(yi)(yi)定量的(de)氟化(hua)物(wu)和其它(ta)放射(she)性(xing)物(wu)質，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)通(tong)常按(an)Ⅱ類一(yi)(yi)般(ban)工(gong)業(ye)固體廢(fei)物(wu)處(chu)理(li)，鑒(jian)于無害化(hua)處(chu)理(li)成本較(jiao)高，目前(qian)綜合利用率尚不足40%，故(gu)大(da)部(bu)分(fen)磷石(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)的(de)不同，可分(fen)為(wei)平地(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)和截(jie)河(he)型(xing)堆(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)基本上是(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)場(chang)。相比較(jiao)干(gan)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟(ji)優勢明顯(xian)，因而如地(di)質條(tiao)件為(wei)非碳酸(suan)鹽巖地(di)區(qu)，一(yi)(yi)般(ban)均采(cai)用濕排濕堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)磷肥(fei)工(gong)業(ye)的(de)快速(su)發展，本世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)相繼建設了幾座(zuo)濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)大(da)型(xing)磷石(shi)膏(gao)(gao)庫，例(li)如云天(tian)化(hua)國(guo)(guo)(guo)際化(hua)工(gong)三環分(fen)公司的(de)柳樹箐磷石(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)和富瑞分(fen)公司的(de)楊家(jia)箐磷石(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設計壩(ba)高均超過100m、處(chu)于8度地(di)震區(qu)，其安全(quan)性(xing)備受關(guan)注。

據統計，110多(duo)年(1901年一2013年)來(lai)，全世界(jie)有118座(zuo)尾(wei)礦壩曾(ceng)發(fa)生過破(po)壞(huai)(huai)或潰壩事故，原因主要有地震、洪水漫頂、滲(shen)透破(po)壞(huai)(huai)和(he)基礎失穩。尾(wei)礦庫失事后會造成(cheng)巨(ju)大的(de)生態災(zai)難和(he)人員傷(shang)亡，近幾(ji)十年來(lai)，

國內(nei)外(wai)對(dui)金屬(shu)尾(wei)礦的(de)(de)(de)沉積規律、物理(li)力學(xue)(xue)特(te)性(xing)(xing)(xing)及其穩定性(xing)(xing)(xing)開展了大(da)量的(de)(de)(de)研究，但(dan)對(dui)于與金屬(shu)尾(wei)礦庫(ku)相(xiang)近的(de)(de)(de)磷(lin)石膏庫(ku)，一(yi)般僅限于在(zai)可研階段采用人工制備樣進(jin)行物理(li)力學(xue)(xue)性(xing)(xing)(xing)質(zhi)試(shi)驗，并據(ju)此進(jin)行穩定性(xing)(xing)(xing)分析，尚(shang)未有人針對(dui)己運(yun)行若干年的(de)(de)(de)大(da)型(xing)濕法堆存磷(lin)石膏堆積壩開展過磷(lin)石膏沉積規律及其物理(li)力學(xue)(xue)特(te)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)專項研究。

本文依托柳樹箐(qing)磷石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)，首先進行了(le)(le)鉆探取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開(kai)展(zhan)了(le)(le)密度、含水率(lv)、滲透、土水特征和顆分等(deng)(deng)物理(li)性(xing)質試驗，在此基(ji)礎(chu)上有針對性(xing)的(de)選擇原狀樣(yang)開(kai)展(zhan)了(le)(le)三軸CU、蠕變及(ji)動三軸等(deng)(deng)力學特性(xing)試驗。通(tong)過上述試驗研究(jiu)，總結了(le)(le)磷石(shi)膏(gao)的(de)沉積(ji)規律、滲透特性(xing)、滲透破壞特性(xing)以及(ji)靜動力特性(xing)，上述研究(jiu)工作對研究(jiu)和評估磷石(shi)膏(gao)庫堆積(ji)壩(ba)的(de)穩(wen)定性(xing)提供了(le)(le)基(ji)礎(chu)數據，對現行磷石(shi)膏(gao)庫的(de)運行管理(li)以及(ji)新建(jian)工程的(de)設計具有重(zhong)要的(de)借鑒意(yi)義。

一、依托工程概況(kuang)

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩堆(dui)存(cun)設計(ji)方案

由(you)初期壩和堆積(ji)壩組成，設計總壩高約(yue)130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采(cai)用土料填筑。上游坡面、壩(ba)底和下(xia)游壩(ba)腳設(she)置堆石排水體，三者相連通構(gou)成整個堆積壩(ba)的主要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩(ba)及(ji)其輔助(zhu)排滲措施

采用(yong)(yong)上游式筑壩法，共20級子壩，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用(yong)(yong)排滲管(guan)網作(zuo)為輔助(zhu)排滲方案，目前(qian)己(ji)在5級、9級子壩和13級子壩壩前(qian)120m范圍內設置了井字形排滲管(guan)網。

1.2沉積磷(lin)石(shi)膏的鉆探(tan)取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積(ji)(ji)至5級子壩(ba)(ba)時(shi)，布(bu)設了9個(ge)(ge)取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K1～K9，取原狀樣76件；2013年5月，堆(dui)積(ji)(ji)至13級子壩(ba)(ba)時(shi)，又布(bu)設了11個(ge)(ge)取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K10～K20，取原狀樣112件，為比較子壩(ba)(ba)加高和(he)磷(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)(ji)過程中磷(lin)(lin)石膏物理力學性(xing)質的(de)變化，在2，4級子壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)附近各布(bu)設了一(yi)個(ge)(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號分(fen)別為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹箐磷(lin)石膏(gao)(gao)尾礦庫2005年開工建設，2006年1月投入運(yun)行(xing)，截至(zhi)2013年5月己堆(dui)(dui)至(zhi)13級(ji)子壩(ba)，尚有7級(ji)子壩(ba)即(ji)堆(dui)(dui)存至(zhi)設計高程(cheng)。鑒于磷(lin)石膏(gao)(gao)庫地(di)形、地(di)質條件(jian)較好(hao)，具備擴容(rong)(rong)改造的(de)條件(jian)，以提高堆(dui)(dui)存庫容(rong)(rong)，減少堆(dui)(dui)存占地(di)，節約土(tu)地(di)資源(yuan)。

本文(wen)主要(yao)對沉積(ji)磷(lin)石膏的物(wu)理(li)力(li)學(xue)特(te)性進行了全面總結，限(xian)于篇幅，有關現(xian)狀磷(lin)石膏庫堆積(ji)壩(ba)的安全性評價(jia)及(ji)其加高(gao)可行性的研究將(jiang)另文(wen)發(fa)表。

二、沉積(ji)磷石(shi)膏的物(wu)理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了(le)14個鉆(zhan)孔(kong)的取樣深度(du)和(he)試驗(yan)所(suo)得干密度(du)的關系，圖中UWL表(biao)示水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)(shang)，(系鉆(zhan)孔(kong)期間的初見(jian)水(shui)(shui)位線(xian)，下(xia)同)，DWL表(biao)示水(shui)(shui)位線(xian)下(xia)。圖3給出了(le)水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)(shang)下(xia)的飽和(he)度(du)分布圖。由于磷(lin)石膏中的主(zhu)要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)和(he)烘(hong)(hong)烤時間對測定(ding)結果有一定(ding)影響，不(bu)能照搬(ban)現行的土工試驗(yan)規范，本文磷(lin)石膏的含水(shui)(shui)率(lv)測定(ding)方法為55℃溫度(du)下(xia)烘(hong)(hong)培(pei)24h。

圖(tu)2沉積磷石膏干(gan)密度(du)與(yu)埋深的(de)關系

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

由(you)圖(tu)3，水(shui)位(wei)線(xian)上的(de)磷(lin)石膏飽和度平均(jun)值(zhi)為50.4%，處于非飽和狀態，水(shui)位(wei)線(xian)以下的(de)磷(lin)石膏飽和度平均(jun)值(zhi)為85.0%，基本處于飽和狀態，由(you)于水(shui)位(wei)下降后磷(lin)石膏來不及(ji)排水(shui)固結(jie)，故而水(shui)位(wei)線(xian)上局部試樣(yang)的(de)飽和度較高。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)線以(yi)上的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)線以(yi)下的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏(gao)與(yu)一般的(de)(de)(de)尾(wei)礦有(you)所不同(tong)，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)并不隨埋深的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而明顯增(zeng)大(da)，但水(shui)(shui)位(wei)線以(yi)下的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)從統計(ji)意(yi)義上來看仍大(da)于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)線以(yi)上的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)，這主要是(shi)由于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)線隨庫水(shui)(shui)位(wei)的(de)(de)(de)變化反復升降而使得磷石(shi)膏(gao)排水(shui)(shui)固結所致。

室內擊實(shi)得到的磷石(shi)膏最(zui)大干(gan)密度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看(kan)出(chu)(chu)，自(zi)然沉(chen)積的磷石(shi)膏最(zui)大干(gan)密度(du)可達(da)到1.73g/cm3，原因(yin)如(ru)下：與經(jing)典的土骨(gu)架(jia)不可壓縮的理(li)論不同，石(shi)膏本(ben)身可壓縮，同時由于(yu)顆粒結(jie)構不穩定，擊實(shi)試驗過程中(zhong)(zhong)磷石(shi)膏結(jie)構被(bei)(bei)破壞，受夯擊處下陷，四周鼓(gu)起(qi)，出(chu)(chu)現(xian)了類似(si)于(yu)橡皮土的現(xian)象。而在現(xian)場條件下，石(shi)膏骨(gu)架(jia)被(bei)(bei)破壞后(hou)，會(hui)導致顆粒中(zhong)(zhong)的結(jie)合(he)水滲(shen)出(chu)(chu)至孔(kong)(kong)隙內，變(bian)成孔(kong)(kong)隙水，排(pai)水固結(jie)后(hou)會(hui)使得磷石(shi)膏的孔(kong)(kong)隙比減小，干(gan)密度(du)增(zeng)大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)于2級子壩(ba)河床部位(wei))以及相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)于4級子壩(ba)河床部位(wei))干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)(du)的(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使(shi)從統(tong)計意義上來看，磷石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)(du)也并未隨(sui)后續磷石膏(gao)的(de)堆積而有較(jiao)為(wei)明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗采用密(mi)度計法，制備懸液時不(bu)煮沸(fei)，不(bu)加六偏磷(lin)酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了試驗得(de)到的級(ji)配包線、平均粒徑d50、不(bu)均勻系數(1u和(he)曲(qu)率系數Cc的分布圖(tu)。

從圖(tu)5(a)可見，磷石(shi)膏的(de)粒徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬于(yu)粉土，但(dan)可能(neng)由于(yu)礦石(shi)來源或(huo)生產工藝有(you)所不同，局部(bu)屬于(yu)粉砂～中(zhong)砂。粒徑分布范圍比Blight和(he)張超(chao)等的(de)試驗結(jie)果要(yao)寬一些。

圖4子壩加高后沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的干密度變化

圖5沉積磷石(shi)膏(gao)的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向還是垂(chui)直(zhi)向，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)與金屬(shu)礦山尾礦的(de)“前粗(cu)后(hou)細，上(shang)粗(cu)下(xia)細”的(de)自然(ran)分級(ji)現象不(bu)(bu)同，也即粗(cu)顆(ke)粒(li)并不(bu)(bu)是沿埋深逐步減(jian)小(xiao)(xiao)或(huo)距離(li)放(fang)漿(jiang)(jiang)口越遠顆(ke)粒(li)越細，其原因(yin)如下(xia)：①磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑組(zu)成(cheng)較為集中、均勻，主要(yao)以(yi)粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)配較差；②相(xiang)比(bi)(bi)(bi)較金屬(shu)尾礦，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)較小(xiao)(xiao)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)一般為2.3～2.4，遠小(xiao)(xiao)于金屬(shu)尾礦的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)，例如鐵尾礦的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)可達2.9；③放(fang)漿(jiang)(jiang)口隨子壩高度不(bu)(bu)斷(duan)增加而不(bu)(bu)斷(duan)變動(dong)并向庫尾延伸，造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)粒(li)徑變化不(bu)(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可(ke)見，不均(jun)勻(yun)系數Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平均(jun)值為4.18，曲率系數(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平均(jun)值為1.21，在統(tong)計的100多(duo)個試樣(yang)中，屬于級配不良(liang)土(tu)的占93%。這種(zhong)級配特性(xing)決定了(le)磷石膏具有較高的壓(ya)縮(suo)性(xing)、滲透(tou)破壞(huai)型式表現為流(liu)土(tu)破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影(ying)響(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)主要(yao)因素是粒(li)徑大(da)小(xiao)(xiao)、級配和孔隙(xi)比(bi)，因而磷石膏(gao)(gao)的(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)為接近。由(you)于孔隙(xi)比(bi)e減小(xiao)(xiao)，使(shi)得(de)過(guo)水通道面積(ji)減小(xiao)(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)k也(ye)將減小(xiao)(xiao)，k與(yu)e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土(tu)，一般認為滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)好(hao)，圖6給出了(le)二(er)(er)者間的(de)關(guan)系(xi)曲線，由(you)于沉積(ji)磷石膏(gao)(gao)的(de)不(bu)均(jun)勻系(xi)數(shu)(shu)(shu)變化較(jiao)大(da)，使(shi)得(de)沉積(ji)磷石膏(gao)(gao)的(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)變化范圍較(jiao)大(da)(平(ping)均(jun)值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級)，二(er)(er)者問的(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石(shi)膏滲透系數(shu)與孔(kong)隙(xi)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)與垂(chui)直向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)比值的(de)(de)(de)分布。沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)水(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)kh一般大于垂(chui)直向的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約(yue)為2.86，這一點與成層分布的(de)(de)(de)金屬尾礦(kuang)規律一致。造(zao)成沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏水(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)大于垂(chui)直向滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)原因是由于磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏具(ju)有明(ming)顯的(de)(de)(de)晶體(ti)結構，電鏡掃(sao)描顯示多為菱形(xing)和棱柱(zhu)狀形(xing)式(shi)(見(jian)圖8)，在沉(chen)積(ji)(ji)過程中，由于扁平(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏顆粒(li)多呈水(shui)平(ping)(ping)排列，使得水(shui)平(ping)(ping)方向的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性大于垂(chui)直方向的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性，從(cong)而使磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏呈現明(ming)顯的(de)(de)(de)各向異(yi)性。

另根(gen)據中國有色金屬工業(ye)昆明勘察設計(ji)研究(jiu)院在楊家箐磷石膏(gao)堆積壩開展的(de)現場(chang)滲(shen)透試驗，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約為1.9。但(dan)張超等(deng)的(de)室內試驗顯示，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約為0.46，也即(ji)垂直向(xiang)滲(shen)透系數大于水(shui)平向(xiang)滲(shen)透系數，與本文(wen)和現場(chang)試驗結果恰(qia)恰(qia)相(xiang)反。從磷石膏(gao)的(de)微觀(guan)結構(gou)來看，本文(wen)試驗結果更為合理。

圖7沉積(ji)磷石膏干(gan)密度與(yu)水平和垂直(zhi)滲透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)(lin)石(shi)膏干密(mi)度(du)為1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)力(li)梯度(du)J與流速(su)V的(de)(de)(de)關系(xi)曲線，試驗在(zai)水(shui)平管涌儀中采用(yong)水(shui)平方向的(de)(de)(de)滲流形(xing)式進(jin)行。試驗得(de)到的(de)(de)(de)臨界坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來說，對1，2級(ji)工程，滲透(tou)安全(quan)系(xi)數(shu)取(qu)為2.5，則允許(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下(xia)工程，滲透(tou)安全(quan)系(xi)數(shu)取(qu)2.0，則允許(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)(jiang)(jiang)與粉土一粉砂(sha)大致相同。但(dan)(dan)上述滲透(tou)變形(xing)試驗是采用(yong)自來水(shui)進(jin)行的(de)(de)(de)，自來水(shui)對磷(lin)(lin)石(shi)膏具(ju)有一定的(de)(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)，而實際上磷(lin)(lin)石(shi)膏中殘(can)余磷(lin)(lin)、硫(liu)和氟酸(suan)(suan)，庫(ku)水(shui)的(de)(de)(de)pH值一般小于(yu)3(稱(cheng)之為酸(suan)(suan)性(xing)水(shui))，在(zai)酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)作(zuo)用(yong)下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏不會(hui)發生破壞(huai)，上述試驗結果(guo)是偏于(yu)保守的(de)(de)(de)，但(dan)(dan)對非酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)條(tiao)件(例如特大暴(bao)雨)下(xia)的(de)(de)(de)滲透(tou)穩定判(pan)斷有一定的(de)(de)(de)借鑒意義。

圖(tu)9水(shui)力梯(ti)度J-流速v試(shi)驗(yan)過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

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

試(shi)驗結(jie)果(guo)表明：①干密度對進氣值(zhi)沒有(you)明顯的(de)影響，不同干密度的(de)試(shi)樣的(de)進氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土(tu)樣殘余含水率(lv)隨干密度的(de)增(zeng)加而減少，殘余含水率(lv)約(yue)為飽和含水率(lv)的(de)10%。上述特性與粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂基本一(yi)致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏(gao)的密度變(bian)化較大，而進行三(san)軸試(shi)驗(yan)需要若干(gan)(gan)原(yuan)狀樣(yang)，為(wei)使(shi)試(shi)驗(yan)結(jie)果具有(you)較好(hao)的一致性，有(you)針對性的選擇(ze)平均(jun)干(gan)(gan)密度分別為(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)的若干(gan)(gan)試(shi)樣(yang)，進行了5組三(san)軸CU試(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)干(gan)(gan)密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的三(san)軸CU試(shi)驗(yan)曲(qu)線。

從圖11可以看出，磷石(shi)(shi)膏(gao)的應力應變關系曲線(xian)在低圍壓下表(biao)現(xian)(xian)為軟化(hua)型(xing)(xing)，在高圍壓下表(biao)現(xian)(xian)為硬化(hua)型(xing)(xing)，與一(yi)般土類相似(si)。但與一(yi)般粉土一(yi)粉砂不(bu)同的是，即使在較為疏松的狀態下，磷石(shi)(shi)膏(gao)仍表(biao)現(xian)(xian)了較為強烈的剪脹，隨(sui)密實(shi)度增大，剪脹作用愈發明顯。

表(biao)2給(gei)出(chu)了不(bu)同干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)下的(de)(de)(de)(de)內(nei)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了內(nei)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)關系(xi)曲線。隨干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)(ye)隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可(ke)采用冪函數較(jiao)(jiao)好地擬合。磷(lin)石膏的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總(zong)(zong)應力摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據(ju)擬合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效應力摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)為(wei)(wei)3.2%，由(you)(you)于隨圍壓的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔(kong)壓也(ye)(ye)明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有效摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)較(jiao)(jiao)之(zhi)總(zong)(zong)應力摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外(wai)較(jiao)(jiao)之(zhi)于干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)，摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)并不(bu)顯(xian)著，表(biao)明即(ji)使較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石膏仍具有較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)強度(du)指(zhi)標，這(zhe)也(ye)(ye)表(biao)明磷(lin)石膏堆積壩的(de)(de)(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(次(ci)固結)變形試(shi)驗

磷石膏的(de)蠕變變形試(shi)驗在(zai)側限壓縮儀中進行(xing)，試(shi)驗狀(zhuang)態相當于K0固(gu)結。試(shi)樣直徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)樣干密度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽(bao)和后分(fen)別開(kai)展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗，

試(shi)驗(yan)從2012年8月27日開始(shi)，試(shi)驗(yan)己進行了1年多(duo)，試(shi)驗(yan)結果見圖13所(suo)示。

從圖13中可以看出：上(shang)覆荷(he)載(zai)越大(da)，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)也越大(da)，荷(he)載(zai)施加(jia)1年后，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常(chang)顯著，尚未達到穩(wen)定(ding)(ding)狀態(tai)，這也是磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積壩后期變(bian)形(xing)較大(da)的原因(yin)，原型觀測(ce)資料(liao)表明，在5級子(zi)壩河床部位的表面沉降量已(yi)經達到3.1m，且尚未完全穩(wen)定(ding)(ding)。

按時間對(dui)數(shu)法，可求得(de)各級荷載(zai)下的(de)(de)主(zhu)次(ci)(ci)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)量如表3所示。試驗(yan)結果表明(ming)，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載(zai)作用(yong)下，在(zai)(zai)試驗(yan)時間范(fan)圍內(nei)蠕(ru)(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)(gu)結)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當然(ran)由于(yu)蠕(ru)(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實際的(de)(de)蠕(ru)(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)應更大(da)。對(dui)土體而(er)言，發(fa)生蠕(ru)(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)土體在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)結完(wan)成(cheng)之后，土體中仍(reng)有(you)微小(xiao)的(de)(de)超(chao)靜孔隙(xi)壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流(liu)動，一(yi)般來(lai)講土體的(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)(gu)結遠(yuan)小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷(lin)石膏而(er)言，其(qi)滲透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠(yuan)大(da)于(yu)黏性土，但其(qi)卻(que)發(fa)生了極為(wei)顯著的(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，其(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)磷(lin)石膏晶體結構(gou)發(fa)生了壓縮、破壞，接觸點晶格發(fa)生歪(wai)曲(qu)和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，而(er)破壞后晶格之間的(de)(de)重新(xin)排列、調(diao)整到(dao)最后趨于(yu)相(xiang)對(dui)靜止需要相(xiang)當長的(de)(de)時間才(cai)能(neng)完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗設備(bei)采(cai)用英國GDS公司進口的(de)電機控制動三(san)軸試驗系統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼(ni)比

同樣由于自然(ran)沉積(ji)的磷石(shi)膏密(mi)度變(bian)化較大(da)，為此根據物理性質試驗結果，選擇(ze)兩種(zhong)平均干密(mi)度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)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動(dong)剪切(qie)模(mo)量G、阻尼(ni)比(bi)與剪應(ying)變幅(fu)值γd的關系式如下(xia)：

式中k1為(wei)(wei)參數，表示(shi)動剪切模量(liang)的(de)衰減或(huo)阻(zu)尼(ni)比的(de)增長速率；λmax為(wei)(wei)最大(da)阻(zu)尼(ni)比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大(da)動剪切模量(liang)和歸一化的(de)動剪應變，表示(shi)為(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標準大氣壓；vd為(wei)(wei)動(dong)泊松(song)比；εa為(wei)(wei)歸一化的動(dong)應變，表(biao)達為(wei)(wei)

圖14給(gei)出(chu)了動剪切模量、阻尼比(bi)與歸一(yi)化(hua)動應變的(de)(de)關系曲(qu)線，另外圖中還給(gei)出(chu)了式(1)的(de)(de)擬合(he)曲(qu)線以(yi)及Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)砂(sha)樣的(de)(de)上下(xia)邊(bian)界線，圖例中，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固(gu)結應力比(bi)。

從圖(tu)中(zhong)可(ke)(ke)(ke)以看出：①式(shi)(1)可(ke)(ke)(ke)較(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)動(dong)(dong)(dong)應(ying)力(li)-動(dong)(dong)(dong)應(ying)變試(shi)驗曲(qu)線(xian)(xian)(xian)，表明(ming)采用等(deng)價(jia)黏(nian)彈性模(mo)型(xing)進行循環荷載作用下的(de)分(fen)析是(shi)(shi)可(ke)(ke)(ke)行的(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密度為1.45g/cm3的(de)擬合線(xian)(xian)(xian)位于干密度為1.34g/cm3的(de)擬合線(xian)(xian)(xian)上方，圖(tu)14(b)中(zhong)則位于下方，表明(ming)密度越大(da)(da)，動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)越大(da)(da)、阻尼比(bi)(bi)越小(xiao)；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密度的(de)擬合線(xian)(xian)(xian)基本(ben)位于Seed等(deng)給出的(de)邊界線(xian)(xian)(xian)上方，而圖(tu)14(b)中(zhong)則基本(ben)處(chu)于邊界線(xian)(xian)(xian)中(zhong)間，表明(ming)相(xiang)比(bi)(bi)較(jiao)(jiao)砂(sha)樣，磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)較(jiao)(jiao)大(da)(da)，會(hui)導致磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)的(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)反應(ying)較(jiao)(jiao)大(da)(da)，但由于阻尼比(bi)(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)(da)，這(zhe)樣又會(hui)削弱壩(ba)體的(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)反應(ying)，二(er)者的(de)相(xiang)互影響下，磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)反應(ying)將不會(hui)過于強烈(lie)，這(zhe)對磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)的(de)抗震(zhen)穩定性是(shi)(shi)有(you)利的(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干密度為1.12(變化范圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞標準(zhun)為總應(ying)變達到(dao)10%。

圖(tu)15給出了動剪應力(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的(de)關系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為振前試樣45°面上的(de)有效法向應力(li)，表(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比(bi)(bi)。從試驗結(jie)果可以看出，沉積(ji)磷石膏的(de)動強度與(yu)其(qi)它土體相似，表(biao)現為圍壓和固結(jie)應力(li)比(bi)(bi)與(yu)動剪應力(li)比(bi)(bi)呈負相關關系。

為(wei)(wei)判別沉(chen)積磷石(shi)膏的抗液化能力，假定抗震設計烈度為(wei)(wei)8度，即等效振次Ⅳ可取為(wei)(wei)30。首先(xian)由式(4)

所示的冪函數關系式(shi)得到振次(ci)為30時各個圍壓和(he)固(gu)結比(bi)下(xia)的動剪應(ying)力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求(qiu)得(de)動剪(jian)應(ying)(ying)力(li)比與圍壓和固結應(ying)(ying)力(li)比的關系式(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(cong)上述擬合關系式可見，密(mi)實(shi)度提(ti)(ti)高后，動(dong)(dong)剪(jian)應力比提(ti)(ti)高，表明抗液化能力也(ye)提(ti)(ti)高。但即使是在低密(mi)度下，其(qi)動(dong)(dong)剪(jian)應力比較之同類(lei)的(de)粉土或(huo)粉砂也(ye)大出許多，表明磷(lin)石膏(gao)具有較高的(de)抗液化能力。

三、結論(lun)

依托柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)，在鉆探(tan)取樣工作的(de)基礎上，首先開(kai)展(zhan)了物(wu)理性(xing)(xing)質(zhi)試驗，然后(hou)開(kai)展(zhan)了靜動力力學特(te)性(xing)(xing)試驗。通過上述試驗研(yan)究，得出如下結(jie)論：

(1)沉積(ji)磷石膏總(zong)體上(shang)屬于級配不良(liang)的粉土，局部屬于粉砂一中砂，無(wu)自然分(fen)級現象。其干密度(du)和粒徑(jing)變化隨埋深或距放(fang)漿口距離(li)的變化不明顯。

(2)沉(chen)積磷石膏水平(ping)方向(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系數大于垂直方向(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系數，呈(cheng)現明顯的(de)各向(xiang)異(yi)性。

(3)與土體顆粒不可壓縮不同，磷石膏的晶(jing)體結(jie)構會發生壓縮破壞，具(ju)有較(jiao)大的壓縮性，其(qi)次固結(jie)變形量(liang)遠(yuan)大于(yu)主(zhu)固結(jie)變形量(liang)。

(4)沉(chen)積磷石膏的靜動強(qiang)度較之同(tong)等密實度下的粉土、粉砂要高。