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

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)是(shi)濕(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)酸生產過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)副產品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)產生量(liang)為(wei)7800萬噸，且呈逐年增長的(de)態勢(shi)(shi)。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)主要(yao)成分(fen)(fen)是(shi)CaO和SO3，但含有(you)一(yi)定量(liang)的(de)氟化物和其(qi)它放射性(xing)物質，在中(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般工(gong)(gong)業固體廢物處理，鑒(jian)于無害化處理成本較高，目前綜合利用率(lv)尚不(bu)足40%，故(gu)大(da)部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)場(chang)(chang)(chang)地的(de)不(bu)同，可分(fen)(fen)為(wei)平地型、傍山型、山谷型和截(jie)河型堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)(chang)，在中(zhong)國(guo)基本上是(shi)山谷型堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)(chang)。相(xiang)比(bi)較干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優勢(shi)(shi)明顯，因而(er)如地質條件為(wei)非碳酸鹽巖地區，一(yi)般均采(cai)用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨(sui)著(zhu)中(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)肥(fei)工(gong)(gong)業的(de)快速發(fa)展，本世紀初中(zhong)國(guo)相(xiang)繼(ji)建設(she)了幾座濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)大(da)型磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫，例如云天化國(guo)際(ji)化工(gong)(gong)三環分(fen)(fen)公司的(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)和富瑞分(fen)(fen)公司的(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)，這(zhe)兩座壩(ba)設(she)計壩(ba)高均超過(guo)100m、處于8度(du)地震(zhen)區，其(qi)安全性(xing)備受關(guan)注。

據(ju)統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有118座尾(wei)礦壩曾(ceng)發生過破(po)壞(huai)或潰壩事(shi)故，原因(yin)主要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破(po)壞(huai)和基礎失穩。尾(wei)礦庫失事(shi)后會造成巨(ju)大的生態災難(nan)和人員傷亡，近幾(ji)十年(nian)來，

國內外對(dui)(dui)金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)沉(chen)積規(gui)律(lv)、物理力(li)學特性(xing)(xing)及其穩(wen)定性(xing)(xing)開展了大量的(de)研(yan)究，但對(dui)(dui)于與金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)庫相近(jin)的(de)磷(lin)石膏庫，一(yi)般僅限于在(zai)可研(yan)階段采用(yong)人工制備(bei)樣進(jin)行物理力(li)學性(xing)(xing)質試(shi)驗，并據(ju)此進(jin)行穩(wen)定性(xing)(xing)分析，尚(shang)未有人針(zhen)對(dui)(dui)己(ji)運(yun)行若干(gan)年的(de)大型濕法堆(dui)存(cun)磷(lin)石膏堆(dui)積壩開展過磷(lin)石膏沉(chen)積規(gui)律(lv)及其物理力(li)學特性(xing)(xing)的(de)專項研(yan)究。

本(ben)文(wen)依托柳(liu)樹(shu)箐(qing)磷(lin)石膏堆積壩(ba)，首先進行了鉆探取(qu)樣(yang)，采用原狀樣(yang)開展(zhan)了密度、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特征和顆分等物理性(xing)質試(shi)驗，在(zai)此(ci)基礎(chu)上(shang)有針對(dui)(dui)性(xing)的(de)(de)選(xuan)擇原狀樣(yang)開展(zhan)了三軸(zhou)CU、蠕變及動三軸(zhou)等力(li)學(xue)特性(xing)試(shi)驗。通過上(shang)述試(shi)驗研究(jiu)，總結了磷(lin)石膏的(de)(de)沉積規律、滲(shen)透(tou)特性(xing)、滲(shen)透(tou)破壞(huai)特性(xing)以(yi)及靜動力(li)特性(xing)，上(shang)述研究(jiu)工(gong)作對(dui)(dui)研究(jiu)和評估磷(lin)石膏庫堆積壩(ba)的(de)(de)穩定性(xing)提(ti)供了基礎(chu)數據，對(dui)(dui)現行磷(lin)石膏庫的(de)(de)運行管理以(yi)及新建工(gong)程的(de)(de)設計(ji)具有重要的(de)(de)借鑒(jian)意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹(shu)箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計方案

由初期壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高(gao)約30m，采用土料(liao)填筑。上游(you)坡面、壩(ba)底和下游(you)壩(ba)腳設置堆石排(pai)水體，三者相連(lian)通構成(cheng)整個堆積(ji)壩(ba)的主要排(pai)滲系統。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲(shen)措施

采(cai)用上游式筑壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度(du)5m，堆(dui)積(ji)高(gao)度(du)約100m。采(cai)用排滲(shen)(shen)(shen)管(guan)網作為(wei)輔助排滲(shen)(shen)(shen)方案，目前(qian)己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范圍內(nei)設置了井字形排滲(shen)(shen)(shen)管(guan)網。

1.2沉積磷(lin)石膏的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月，堆(dui)積(ji)至5級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩時，布(bu)設(she)了9個(ge)(ge)取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號(hao)(hao)(hao)K1～K9，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)76件(jian)(jian)；2013年(nian)5月，堆(dui)積(ji)至13級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩時，又布(bu)設(she)了11個(ge)(ge)取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號(hao)(hao)(hao)K10～K20，取(qu)原(yuan)狀樣(yang)112件(jian)(jian)，為比較子(zi)(zi)壩加高和(he)磷石膏堆(dui)積(ji)過程中磷石膏物(wu)理力學性質的變化(hua)，在(zai)2，4級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩K2孔(kong)和(he)K6孔(kong)附近各布(bu)設(she)了一個(ge)(ge)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號(hao)(hao)(hao)分別(bie)為K17和(he)K18。

1.3運行概(gai)況

柳樹箐磷(lin)石(shi)膏尾礦庫(ku)2005年開工建(jian)設(she)，2006年1月投入運(yun)行(xing)，截(jie)至(zhi)2013年5月己堆至(zhi)13級子(zi)壩(ba)，尚(shang)有(you)7級子(zi)壩(ba)即(ji)堆存(cun)(cun)至(zhi)設(she)計高(gao)(gao)程。鑒于磷(lin)石(shi)膏庫(ku)地形、地質條(tiao)件(jian)較(jiao)好，具備擴容(rong)改造(zao)的條(tiao)件(jian)，以提高(gao)(gao)堆存(cun)(cun)庫(ku)容(rong)，減少堆存(cun)(cun)占地，節約土地資源(yuan)。

本文主要對沉(chen)積磷石膏(gao)的物(wu)理力學特性(xing)進(jin)行了全面總(zong)結，限于(yu)篇(pian)幅，有關現狀磷石膏(gao)庫堆積壩(ba)的安全性(xing)評價及其加高可行性(xing)的研究將另文發表。

二、沉積(ji)磷石膏的物理力(li)學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出了(le)(le)14個鉆孔(kong)的(de)(de)(de)(de)取樣深度(du)和試(shi)驗所得干密度(du)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系，圖(tu)中(zhong)UWL表示(shi)水位(wei)線上，(系鉆孔(kong)期間的(de)(de)(de)(de)初見水位(wei)線，下(xia)(xia)(xia)同(tong))，DWL表示(shi)水位(wei)線下(xia)(xia)(xia)。圖(tu)3給(gei)出了(le)(le)水位(wei)線上下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)飽和度(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷(lin)石膏(gao)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度(du)和烘烤(kao)時間對(dui)測定(ding)結果(guo)有(you)一定(ding)影響，不能照搬(ban)現行(xing)的(de)(de)(de)(de)土工試(shi)驗規范，本文磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)含(han)水率測定(ding)方法為55℃溫度(du)下(xia)(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石(shi)膏(gao)干密度與(yu)埋深的(de)關系

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

由圖3，水(shui)位(wei)線上的磷石膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和度(du)平均(jun)(jun)值為50.4%，處(chu)(chu)于(yu)非(fei)飽(bao)(bao)和狀態(tai)，水(shui)位(wei)線以下的磷石膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和度(du)平均(jun)(jun)值為85.0%，基(ji)本處(chu)(chu)于(yu)飽(bao)(bao)和狀態(tai)，由于(yu)水(shui)位(wei)下降后磷石膏(gao)(gao)來不(bu)及排水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)線上局部試樣(yang)的飽(bao)(bao)和度(du)較高。

由(you)圖2，水位(wei)線以(yi)上的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密度在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.30g/cm3；水位(wei)線以(yi)下的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密度在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏與(yu)一般的(de)(de)尾礦有所不(bu)(bu)同，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密度并不(bu)(bu)隨埋深的(de)(de)增大而明(ming)顯增大，但水位(wei)線以(yi)下的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干(gan)(gan)(gan)密度從統計意義上來看仍大于(yu)水位(wei)線以(yi)上的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干(gan)(gan)(gan)密度，這主要是由(you)于(yu)水位(wei)線隨庫(ku)水位(wei)的(de)(de)變化反復升降(jiang)而使得磷(lin)石(shi)膏排水固結所致。

室內(nei)擊(ji)實得到的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)最(zui)大干(gan)密度一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從圖2可(ke)(ke)以看出，自然沉積(ji)的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)最(zui)大干(gan)密度可(ke)(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與(yu)經典的(de)(de)土骨(gu)架不(bu)(bu)可(ke)(ke)壓縮(suo)的(de)(de)理(li)論(lun)不(bu)(bu)同，石膏(gao)本身可(ke)(ke)壓縮(suo)，同時由于(yu)顆(ke)粒結(jie)構不(bu)(bu)穩定，擊(ji)實試驗過程中磷(lin)(lin)石膏(gao)結(jie)構被(bei)破(po)壞，受夯(hang)擊(ji)處下(xia)陷(xian)，四周鼓起，出現了類似(si)于(yu)橡皮(pi)土的(de)(de)現象。而在現場條件下(xia)，石膏(gao)骨(gu)架被(bei)破(po)壞后，會導致(zhi)顆(ke)粒中的(de)(de)結(jie)合水滲出至孔(kong)隙(xi)內(nei)，變成(cheng)孔(kong)隙(xi)水，排水固結(jie)后會使得磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)孔(kong)隙(xi)比減小，干(gan)密度增大。

圖4給出(chu)了相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K2和K17(位于(yu)2級子壩河(he)床部位)以及相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K6和K18(位于(yu)4級子壩河(he)床部位)干(gan)密(mi)度的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來看，磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度也并未隨后續磷(lin)石膏的(de)(de)堆積(ji)而有較(jiao)為(wei)明顯(xian)的(de)(de)增大。

(2)級配分(fen)布

顆粒分(fen)(fen)析試(shi)驗采用密度計(ji)法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏磷酸鈉。圖5給出了試(shi)驗得到(dao)的級配包線、平均粒徑d50、不(bu)均勻(yun)系數(1u和曲率系數Cc的分(fen)(fen)布圖。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏(gao)的粒(li)(li)徑主要分布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬于(yu)粉(fen)土，但可能由于(yu)礦(kuang)石(shi)來源或生產(chan)工藝有所(suo)不同(tong)，局部屬于(yu)粉(fen)砂～中砂。粒(li)(li)徑分布(bu)范(fan)圍(wei)比Blight和張超等的試驗(yan)結果(guo)要寬(kuan)一(yi)些。

圖4子壩加高后沉(chen)積磷(lin)石膏的干密(mi)度(du)變化(hua)

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和(he)5(c)，無論是(shi)水平向(xiang)(xiang)還是(shi)垂(chui)直向(xiang)(xiang)，磷石(shi)膏(gao)(gao)與金屬礦(kuang)山(shan)尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前粗后(hou)細，上粗下(xia)細”的(de)(de)自然分級(ji)現象不同(tong)，也即(ji)粗顆粒并不是(shi)沿(yan)埋深逐步減小或距離放漿口(kou)越遠(yuan)顆粒越細，其(qi)原因如下(xia)：①磷石(shi)膏(gao)(gao)顆粒粒徑(jing)組成較(jiao)為(wei)集中、均勻(yun)，主要以粉(fen)粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)配(pei)較(jiao)差；②相(xiang)比較(jiao)金屬尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)比重(zhong)較(jiao)小，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)比重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于金屬尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比重(zhong)，例如鐵尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比重(zhong)可達2.9；③放漿口(kou)隨子(zi)壩(ba)高(gao)度不斷增加而不斷變(bian)動并向(xiang)(xiang)庫(ku)尾(wei)(wei)(wei)延伸，造成沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)粒徑(jing)變(bian)化不明顯(xian)。

從圖5(d)可(ke)見，不(bu)均勻系數Cu范圍值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)(zhi)為4.18，曲率(lv)系數(1c范圍值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)(zhi)為1.21，在統計的(de)(de)100多個試樣中，屬(shu)于級(ji)配(pei)不(bu)良土的(de)(de)占93%。這種級(ji)配(pei)特性決定(ding)了(le)磷石膏具有(you)較高(gao)的(de)(de)壓縮性、滲透破壞型(xing)式表現為流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲(shen)透(tou)系(xi)數

影響滲(shen)透系(xi)數(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級(ji)配和孔(kong)隙(xi)比，因而磷石膏的(de)(de)滲(shen)透系(xi)數(shu)與(yu)粉土(tu)較為(wei)接近。由(you)于孔(kong)隙(xi)比e減(jian)(jian)小(xiao)，使得過(guo)水通(tong)道面(mian)積減(jian)(jian)小(xiao)，滲(shen)透系(xi)數(shu)k也(ye)將(jiang)減(jian)(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈正相關關系(xi)。對砂土(tu)，一般認為(wei)滲(shen)透系(xi)數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性關系(xi)較好(hao)，圖6給出了二(er)者(zhe)間(jian)的(de)(de)關系(xi)曲(qu)線，由(you)于沉積磷石膏的(de)(de)不均(jun)勻系(xi)數(shu)變化(hua)較大，使得沉積磷石膏的(de)(de)滲(shen)透系(xi)數(shu)變化(hua)范圍較大(平均(jun)值(zhi)為(wei)10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二(er)者(zhe)問的(de)(de)線性關系(xi)較差。

圖6沉積磷(lin)石膏滲透(tou)系數與孔隙(xi)比的關(guan)系

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

圖(tu)7給出(chu)了(le)水(shui)平(ping)(ping)與垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透系數(shu)比值的(de)(de)(de)(de)分布(bu)(bu)。沉積磷石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透系數(shu)kh一般大于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透系數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為(wei)2.86，這一點與成層(ceng)分布(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)金屬尾礦(kuang)規律一致。造成沉積磷石(shi)膏水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透系數(shu)大于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透系數(shu)的(de)(de)(de)(de)原因是由于(yu)磷石(shi)膏具有明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)晶體結(jie)構，電鏡掃描顯示多(duo)為(wei)菱形(xing)和棱柱狀(zhuang)形(xing)式(shi)(見圖(tu)8)，在沉積過程中(zhong)，由于(yu)扁平(ping)(ping)狀(zhuang)磷石(shi)膏顆粒多(duo)呈水(shui)平(ping)(ping)排列(lie)，使得水(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透水(shui)性大于(yu)垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透水(shui)性，從而使磷石(shi)膏呈現明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)異(yi)性。

另根據中國有(you)色金屬工(gong)業昆明勘察(cha)設計研究院在楊家箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積壩開展的(de)現(xian)場滲(shen)(shen)透試(shi)驗，kh/kv的(de)平均值約為(wei)1.9。但張超等(deng)的(de)室內試(shi)驗顯示，kh/kv的(de)平均值約為(wei)0.46，也即垂直向滲(shen)(shen)透系(xi)數大于(yu)水平向滲(shen)(shen)透系(xi)數，與(yu)本文和現(xian)場試(shi)驗結果(guo)恰(qia)恰(qia)相(xiang)反。從磷石(shi)膏的(de)微觀結構來(lai)看(kan)，本文試(shi)驗結果(guo)更為(wei)合理。

圖7沉積(ji)磷(lin)石膏干密度與水平和垂直(zhi)滲透系數比(bi)值的(de)關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)石膏干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)力梯度J與流速V的(de)(de)(de)(de)關系(xi)(xi)曲(qu)線，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)在水(shui)(shui)平(ping)管涌儀中采用水(shui)(shui)平(ping)方向的(de)(de)(de)(de)滲流形式進行。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)得(de)到的(de)(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)坡降(jiang)Jc=0.355，破壞坡降(jiang)Jp=0.375。一般(ban)來(lai)說，對(dui)(dui)1，2級工程，滲透(tou)(tou)安全系(xi)(xi)數(shu)取為(wei)2.5，則允(yun)許(xu)出逸(yi)坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以(yi)下工程，滲透(tou)(tou)安全系(xi)(xi)數(shu)取2.0，則允(yun)許(xu)出逸(yi)坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)比降(jiang)與粉土一粉砂大(da)致相同(tong)。但(dan)上(shang)述滲透(tou)(tou)變形試(shi)(shi)驗(yan)(yan)是(shi)采用自(zi)來(lai)水(shui)(shui)進行的(de)(de)(de)(de)，自(zi)來(lai)水(shui)(shui)對(dui)(dui)磷(lin)(lin)石膏具有(you)一定的(de)(de)(de)(de)溶(rong)蝕作用，而實際上(shang)磷(lin)(lin)石膏中殘余磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)pH值(zhi)一般(ban)小于(yu)3(稱(cheng)之為(wei)酸(suan)性水(shui)(shui))，在酸(suan)性水(shui)(shui)作用下，磷(lin)(lin)石膏不(bu)會發生破壞，上(shang)述試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結(jie)果是(shi)偏于(yu)保守的(de)(de)(de)(de)，但(dan)對(dui)(dui)非酸(suan)性水(shui)(shui)條件(jian)(例如特(te)大(da)暴雨)下的(de)(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)穩(wen)定判斷有(you)一定的(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯度(du)J-流速v試驗(yan)過(guo)程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗(yan)在5Bar的壓力板儀(yi)中進行(xing)，環刀(dao)尺寸6.18cm。干(gan)密度分(fen)1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組(zu)，吸力范圍(wei)0～500kPa。表l列出了含水(shui)率特(te)征值，試驗(yan)曲線見圖(tu)10所示。

試(shi)驗(yan)結果表(biao)明：①干密(mi)度對進(jin)氣值沒有(you)明顯的(de)(de)影響，不同(tong)干密(mi)度的(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)進(jin)氣值大致在10kPa左右；②土樣殘余(yu)含水率(lv)(lv)隨干密(mi)度的(de)(de)增加(jia)而減少(shao)，殘余(yu)含水率(lv)(lv)約為(wei)飽和含水率(lv)(lv)的(de)(de)10%。上述特(te)性與粉(fen)土一粉(fen)砂基本(ben)一致。

2.3靜力力學(xue)特性(xing)

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷(lin)石(shi)膏的密度變(bian)化較大(da)，而進(jin)行三軸(zhou)(zhou)試驗(yan)需要(yao)若(ruo)干(gan)原狀樣(yang)，為使(shi)試驗(yan)結果具有較好(hao)的一致(zhi)性(xing)，有針對性(xing)的選擇平(ping)均干(gan)密度分別為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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若(ruo)干(gan)試樣(yang)，進(jin)行了(le)5組(zu)三軸(zhou)(zhou)CU試驗(yan)。圖(tu)11是為干(gan)密度為1.2和1.58g/cm3的三軸(zhou)(zhou)CU試驗(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷石膏(gao)的應(ying)力應(ying)變關(guan)系曲線(xian)在低圍壓下(xia)表(biao)現為軟化型，在高圍壓下(xia)表(biao)現為硬化型，與一般土類相似。但與一般粉(fen)土一粉(fen)砂(sha)不同(tong)的是，即使在較為疏松(song)的狀態下(xia)，磷石膏(gao)仍(reng)表(biao)現了較為強(qiang)烈的剪脹(zhang)，隨密實度增大(da)，剪脹(zhang)作用愈(yu)發明顯。

表(biao)2給出了(le)不同(tong)干密(mi)度(du)(du)下的(de)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)，圖12給出了(le)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)與干密(mi)度(du)(du)的(de)關(guan)系曲線。隨干密(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可(ke)采用冪(mi)函(han)數較(jiao)好(hao)地擬(ni)合。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)干密(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)了(le)32%，總應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(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)效應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于(yu)(yu)隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)總應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)要(yao)小(xiao)。另外較(jiao)之(zhi)于(yu)(yu)干密(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表(biao)明即使較(jiao)為(wei)疏(shu)松的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)仍具有(you)較(jiao)高(gao)的(de)強度(du)(du)指標，這(zhe)也表(biao)明磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形試驗

磷石(shi)膏的蠕變變形試驗(yan)(yan)在側限壓縮(suo)儀中進(jin)行，試驗(yan)(yan)狀(zhuang)態相(xiang)當于K0固結。試樣(yang)(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試樣(yang)(yang)干密度為1.30g/cm3，對試樣(yang)(yang)飽(bao)和后分別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試驗(yan)(yan)，

試(shi)驗(yan)(yan)從2012年8月27日(ri)開始(shi)，試(shi)驗(yan)(yan)己(ji)進行(xing)了1年多(duo)，試(shi)驗(yan)(yan)結果見圖(tu)13所示。

從(cong)圖13中可以看出：上覆荷載(zai)越大，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也(ye)越大，荷載(zai)施(shi)加1年后(hou)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍非(fei)常顯著，尚未(wei)達(da)到穩定狀態，這也(ye)是(shi)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩后(hou)期(qi)變(bian)(bian)形(xing)較大的原因，原型觀測資料表明，在5級子壩河床(chuang)部位的表面沉降(jiang)量已經達(da)到3.1m，且(qie)尚未(wei)完全穩定。

按時間(jian)對(dui)數法，可求得各級荷載(zai)下的(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量如表(biao)3所示(shi)。試驗結(jie)果表(biao)明，在100～400kPa上覆荷載(zai)作用下，在試驗時間(jian)范圍(wei)內蠕(ru)變(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie))變(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)尚未(wei)完成(cheng)，實際的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)應更(geng)大。對(dui)土(tu)體而(er)(er)言，發(fa)(fa)生蠕(ru)變(bian)的(de)原(yuan)(yuan)因是(shi)由于(yu)土(tu)體在主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)完成(cheng)之(zhi)后，土(tu)體中仍有微小(xiao)的(de)超(chao)靜(jing)孔隙壓力存在，驅使(shi)水在顆粒問流動，一(yi)般來講(jiang)土(tu)體的(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)遠(yuan)小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)；對(dui)磷(lin)石(shi)膏而(er)(er)言，其滲透系數在10-4cm/s數量級，遠(yuan)大于(yu)黏(nian)性(xing)土(tu)，但其卻發(fa)(fa)生了(le)極為(wei)顯(xian)著的(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)，其原(yuan)(yuan)因在于(yu)磷(lin)石(shi)膏晶(jing)體結(jie)構發(fa)(fa)生了(le)壓縮(suo)、破壞，接觸點晶(jing)格發(fa)(fa)生歪曲和變(bian)形(xing)，而(er)(er)破壞后晶(jing)格之(zhi)間(jian)的(de)重新(xin)排列、調(diao)整到最后趨于(yu)相對(dui)靜(jing)止需要相當長的(de)時間(jian)才能完成(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采用英(ying)國GDS公司(si)進口的電機控制動(dong)三軸試(shi)驗系(xi)統，試(shi)樣(yang)直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量和阻尼比

同(tong)樣由于自然沉積(ji)的磷石(shi)膏密度(du)變化較(jiao)大(da)，為此根據物理性質試驗結果，選擇兩(liang)種(zhong)平均干密度(du)1.34g/cm3(變化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

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

式中(zhong)k1為(wei)參數，表示動剪(jian)切模量的(de)衰減或(huo)阻(zu)尼(ni)(ni)比(bi)的(de)增長速(su)率(lv)；λmax為(wei)最(zui)大(da)(da)阻(zu)尼(ni)(ni)比(bi)；Gmax，γd分別(bie)為(wei)最(zui)大(da)(da)動剪(jian)切模量和歸一(yi)化的(de)動剪(jian)應(ying)變(bian)，表示為(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)參數(shu)；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標準(zhun)大氣壓；vd為(wei)(wei)動(dong)泊(bo)松比；εa為(wei)(wei)歸一(yi)化的動(dong)應變(bian)，表達(da)為(wei)(wei)

圖(tu)(tu)14給出(chu)了動剪(jian)切模量、阻尼比(bi)與歸一化動應變的關系(xi)曲線(xian)(xian)，另(ling)外圖(tu)(tu)中(zhong)還給出(chu)了式(1)的擬合曲線(xian)(xian)以及(ji)Seed等給出(chu)的砂(sha)樣的上(shang)下邊界線(xian)(xian)，圖(tu)(tu)例中(zhong)，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結應力(li)比(bi)。

從圖(tu)(tu)(tu)中可(ke)(ke)以看出(chu)：①式(shi)(1)可(ke)(ke)較(jiao)(jiao)好(hao)地(di)描述磷石(shi)膏(gao)的(de)動(dong)應(ying)力(li)(li)-動(dong)應(ying)變試驗曲線(xian)，表(biao)(biao)明采用(yong)等價(jia)黏彈(dan)(dan)性模型進行循(xun)環荷載(zai)作用(yong)下(xia)(xia)的(de)分析是(shi)可(ke)(ke)行的(de)；②圖(tu)(tu)(tu)14(a)中干(gan)密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.45g/cm3的(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)位(wei)于(yu)干(gan)密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.34g/cm3的(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)上方，圖(tu)(tu)(tu)14(b)中則位(wei)于(yu)下(xia)(xia)方，表(biao)(biao)明密(mi)度(du)越(yue)大(da)，動(dong)彈(dan)(dan)模越(yue)大(da)、阻尼(ni)比越(yue)小(xiao)；③圖(tu)(tu)(tu)14(a)中，兩(liang)種干(gan)密(mi)度(du)的(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)Seed等給出(chu)的(de)邊(bian)(bian)界線(xian)上方，而圖(tu)(tu)(tu)14(b)中則基本(ben)處于(yu)邊(bian)(bian)界線(xian)中間，表(biao)(biao)明相比較(jiao)(jiao)砂樣，磷石(shi)膏(gao)動(dong)彈(dan)(dan)模較(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)(hui)導致(zhi)磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)動(dong)力(li)(li)反(fan)(fan)應(ying)較(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)(jiao)大(da)，這樣又會(hui)(hui)削弱壩(ba)體的(de)動(dong)力(li)(li)反(fan)(fan)應(ying)，二者的(de)相互(hu)影響下(xia)(xia)，磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)動(dong)力(li)(li)反(fan)(fan)應(ying)將不會(hui)(hui)過(guo)于(yu)強烈，這對磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)抗震穩定性是(shi)有利的(de)。

(2)動(dong)強度

選擇兩(liang)種平均(jun)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(dao)10%。

圖(tu)15給出了(le)動(dong)剪應(ying)力比τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次Nf的關系(xi)曲線圖(tu)，其中(zhong)σ0為(wei)振(zhen)前試(shi)樣45°面(mian)上的有效(xiao)法向應(ying)力，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結(jie)(jie)比。從試(shi)驗結(jie)(jie)果可以(yi)看(kan)出，沉積(ji)磷石膏的動(dong)強度(du)與(yu)其它(ta)土體相(xiang)似，表現為(wei)圍壓和固(gu)結(jie)(jie)應(ying)力比與(yu)動(dong)剪應(ying)力比呈負相(xiang)關關系(xi)。

為判別(bie)沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)的抗液化能力，假定抗震設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可(ke)取為30。首先由式(4)

所示的冪函數關系式得到(dao)振次(ci)為30時(shi)各個圍壓(ya)和固結比(bi)下的動(dong)剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合(he)求得動(dong)剪應(ying)(ying)力(li)(li)比與圍(wei)壓(ya)和固結應(ying)(ying)力(li)(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。

從上述擬(ni)合關系式可見(jian)，密實度提高后(hou)，動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)提高，表明(ming)抗液化能(neng)力(li)(li)也提高。但即(ji)使(shi)是在(zai)低密度下，其動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)較(jiao)之同(tong)類的粉(fen)(fen)土或(huo)粉(fen)(fen)砂也大出(chu)許多，表明(ming)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有(you)較(jiao)高的抗液化能(neng)力(li)(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩，在(zai)鉆探取樣工作的(de)基礎上，首先(xian)開展了物理性質(zhi)試(shi)驗，然后開展了靜動力力學特性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究(jiu)，得出如下結論(lun)：

(1)沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)總(zong)體上(shang)屬于級配不(bu)良(liang)的粉土，局部屬于粉砂一中砂，無自然分級現象(xiang)。其干密度和粒徑變化隨埋深或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離的變化不(bu)明顯。

(2)沉積磷石(shi)膏水平方(fang)(fang)向的滲透系數大于垂直(zhi)方(fang)(fang)向的滲透系數，呈現明顯的各向異性(xing)。

(3)與土(tu)體(ti)顆粒不可壓縮不同，磷石膏的(de)晶體(ti)結構會發生壓縮破(po)壞，具(ju)有(you)較(jiao)大(da)的(de)壓縮性，其次固結變(bian)(bian)形量遠大(da)于主(zhu)固結變(bian)(bian)形量。

(4)沉積磷石膏的靜動強度較之同等密實度下的粉土、粉砂要高。