沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)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(yin)言

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏是濕(shi)法磷(lin)(lin)(lin)酸(suan)生產過程(cheng)中的(de)(de)(de)副產品，2018年，全國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏產生量為(wei)(wei)7800萬(wan)噸，且呈逐年增(zeng)長(chang)的(de)(de)(de)態(tai)勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)主要(yao)成(cheng)分(fen)(fen)是CaO和(he)SO3，但(dan)含有(you)一定(ding)量的(de)(de)(de)氟化(hua)(hua)物(wu)和(he)其它放(fang)(fang)射(she)性(xing)物(wu)質，在中國(guo)(guo)(guo)通常按(an)Ⅱ類一般工業固(gu)體廢物(wu)處(chu)理(li)，鑒(jian)于無害化(hua)(hua)處(chu)理(li)成(cheng)本較(jiao)高(gao)，目前綜(zong)合利用率尚不足40%，故大(da)部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放(fang)(fang)。按(an)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)場(chang)地(di)的(de)(de)(de)不同，可分(fen)(fen)為(wei)(wei)平(ping)地(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷(gu)(gu)型(xing)(xing)和(he)截河(he)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)，在中國(guo)(guo)(guo)基本上是山谷(gu)(gu)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)。相比較(jiao)干法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)經濟優勢明顯，因而如地(di)質條件為(wei)(wei)非碳酸(suan)鹽巖地(di)區，一般均采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。隨著(zhu)中國(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥(fei)工業的(de)(de)(de)快速發展，本世紀初中國(guo)(guo)(guo)相繼建設了幾座濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫，例如云(yun)天(tian)化(hua)(hua)國(guo)(guo)(guo)際化(hua)(hua)工三(san)環分(fen)(fen)公司的(de)(de)(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫堆(dui)(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)(ba)和(he)富瑞分(fen)(fen)公司的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫堆(dui)(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)(ba)高(gao)均超過100m、處(chu)于8度地(di)震區，其安全性(xing)備受(shou)關注。

據統(tong)計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來(lai)，全世界有(you)118座(zuo)尾礦(kuang)壩曾(ceng)發生過破壞或潰(kui)壩事故，原(yuan)因(yin)主要(yao)有(you)地震、洪水漫頂、滲透破壞和(he)基礎失(shi)穩。尾礦(kuang)庫失(shi)事后(hou)會造成巨(ju)大的生態災難和(he)人員傷亡，近幾十年(nian)(nian)來(lai)，

國(guo)內外對(dui)(dui)金(jin)屬尾礦的沉(chen)積規律(lv)、物理力(li)學特性及(ji)其(qi)(qi)穩(wen)定(ding)性開展了大量(liang)的研究，但(dan)對(dui)(dui)于與金(jin)屬尾礦庫相近的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫，一般僅限(xian)于在(zai)可(ke)研階段(duan)采用人(ren)工制備樣進(jin)行(xing)(xing)物理力(li)學性質試驗，并據此進(jin)行(xing)(xing)穩(wen)定(ding)性分析，尚未(wei)有人(ren)針對(dui)(dui)己(ji)運(yun)行(xing)(xing)若干(gan)年的大型濕(shi)法堆(dui)存磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩開展過磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)沉(chen)積規律(lv)及(ji)其(qi)(qi)物理力(li)學特性的專項研究。

本文依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩，首先進行(xing)了鉆(zhan)探取樣，采用(yong)原(yuan)狀樣開展了密度、含水率、滲透、土(tu)水特(te)征和(he)顆分等(deng)物理(li)性(xing)(xing)(xing)(xing)質試驗，在此基(ji)礎上(shang)有針對性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀樣開展了三軸CU、蠕(ru)變及動(dong)(dong)三軸等(deng)力學特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)試驗。通過上(shang)述(shu)試驗研究，總結了磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)沉積規律、滲透特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)、滲透破壞特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)以及靜動(dong)(dong)力特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)，上(shang)述(shu)研究工(gong)(gong)作對研究和(he)評估磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆積壩的(de)穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)提供了基(ji)礎數據，對現行(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)的(de)運行(xing)管理(li)以及新建工(gong)(gong)程的(de)設計(ji)具有重要的(de)借鑒(jian)意義。

一、依(yi)托工程概況

1.1柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)堆存(cun)設計方案

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

(1)初期壩(ba)

初期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用土料填筑。上游(you)坡面、壩(ba)(ba)底和下游(you)壩(ba)(ba)腳設(she)置(zhi)堆石排(pai)水體，三(san)者相連通構成(cheng)整個堆積壩(ba)(ba)的主要排(pai)滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其輔助(zhu)排滲措施(shi)

采(cai)用(yong)上游式筑壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采(cai)用(yong)排(pai)(pai)滲(shen)管網(wang)作為輔助排(pai)(pai)滲(shen)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(fan)圍內設置了井字(zi)形排(pai)(pai)滲(shen)管網(wang)。

1.2沉積(ji)磷石膏的(de)鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平(ping)面位(wei)置見圖(tu)l。2008年6月，堆積至(zhi)5級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)(ba)(ba)時(shi)，布設(she)了(le)9個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號(hao)K1～K9，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣76件；2013年5月，堆積至(zhi)13級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)(ba)(ba)時(shi)，又(you)布設(she)了(le)11個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號(hao)K10～K20，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣112件，為比較子(zi)壩(ba)(ba)(ba)(ba)加高和磷石膏堆積過程(cheng)中磷石膏物理力學性質的變(bian)化，在2，4級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附(fu)近(jin)各布設(she)了(le)一個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編號(hao)分別(bie)為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏(gao)(gao)尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入運行，截(jie)至2013年(nian)5月己堆(dui)(dui)(dui)至13級(ji)子壩(ba)，尚有7級(ji)子壩(ba)即堆(dui)(dui)(dui)存(cun)至設計(ji)高程。鑒(jian)于(yu)磷石(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)地(di)形(xing)、地(di)質(zhi)條(tiao)件較(jiao)好，具備(bei)擴容(rong)改造的條(tiao)件，以提高堆(dui)(dui)(dui)存(cun)庫(ku)容(rong)，減(jian)少堆(dui)(dui)(dui)存(cun)占地(di)，節約土地(di)資源。

本文主(zhu)要對沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)的物(wu)理(li)力學特性(xing)進行了全(quan)面總(zong)結，限(xian)于篇(pian)幅，有關(guan)現狀(zhuang)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫堆積(ji)壩的安全(quan)性(xing)評價及(ji)其(qi)加高(gao)可(ke)行性(xing)的研(yan)究將另文發表(biao)。

二、沉積磷石膏的物理(li)力學特性

2.1物(wu)理特性

(1)干密度(du)分(fen)布

圖(tu)2給(gei)出了14個鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)取樣深度(du)(du)(du)(du)和(he)試驗所得(de)干密度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)關(guan)系(xi)，圖(tu)中(zhong)UWL表示水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)上，(系(xi)鉆(zhan)(zhan)孔期間(jian)的(de)(de)初見(jian)水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)，下(xia)同)，DWL表示水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)下(xia)。圖(tu)3給(gei)出了水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)上下(xia)的(de)(de)飽和(he)度(du)(du)(du)(du)分(fen)布圖(tu)。由于(yu)磷石膏中(zhong)的(de)(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)(du)(du)(du)和(he)烘(hong)烤時間(jian)對(dui)測定結(jie)果有(you)一定影響，不(bu)能照搬現行的(de)(de)土工試驗規范(fan)，本文磷石膏的(de)(de)含水(shui)率測定方法(fa)為55℃溫度(du)(du)(du)(du)下(xia)烘(hong)培(pei)24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深的關系

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

由圖3，水(shui)位線上(shang)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)飽(bao)和度平(ping)均值(zhi)為50.4%，處于非飽(bao)和狀(zhuang)態(tai)，水(shui)位線以下(xia)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)飽(bao)和度平(ping)均值(zhi)為85.0%，基(ji)本處于飽(bao)和狀(zhuang)態(tai)，由于水(shui)位下(xia)降后磷石(shi)膏(gao)來不及排水(shui)固結(jie)，故(gu)而水(shui)位線上(shang)局部試樣(yang)的(de)(de)飽(bao)和度較(jiao)高。

由(you)圖2，水(shui)(shui)位線以(yi)上(shang)的(de)干密度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位線以(yi)下(xia)的(de)干密度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石膏(gao)與一般的(de)尾礦有所不同(tong)，磷石膏(gao)的(de)干密度(du)(du)并不隨埋深(shen)的(de)增大而明顯增大，但(dan)水(shui)(shui)位線以(yi)下(xia)的(de)磷石膏(gao)干密度(du)(du)從統計意義上(shang)來(lai)看仍大于水(shui)(shui)位線以(yi)上(shang)的(de)磷石膏(gao)干密度(du)(du)，這主要是由(you)于水(shui)(shui)位線隨庫(ku)水(shui)(shui)位的(de)變(bian)化(hua)反復升降而使得磷石膏(gao)排水(shui)(shui)固(gu)結所致(zhi)。

室內擊(ji)(ji)實得(de)到(dao)的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)(gan)密(mi)度(du)一(yi)般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可(ke)以看出(chu)，自然沉積的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干(gan)(gan)密(mi)度(du)可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經(jing)典的(de)(de)土骨架不可(ke)壓(ya)(ya)縮(suo)的(de)(de)理論不同(tong)，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)本身可(ke)壓(ya)(ya)縮(suo)，同(tong)時由于顆(ke)粒結構(gou)不穩定，擊(ji)(ji)實試驗過(guo)程中(zhong)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)結構(gou)被破壞(huai)，受夯擊(ji)(ji)處(chu)下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現(xian)了類(lei)似于橡皮土的(de)(de)現(xian)象(xiang)。而在(zai)現(xian)場條件(jian)下(xia)，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨架被破壞(huai)后(hou)，會導致顆(ke)粒中(zhong)的(de)(de)結合水(shui)滲出(chu)至孔隙(xi)內，變成孔隙(xi)水(shui)，排水(shui)固結后(hou)會使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)孔隙(xi)比減小，干(gan)(gan)密(mi)度(du)增大。

圖4給出了相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K2和K17(位(wei)于2級(ji)(ji)子壩(ba)河床(chuang)部位(wei))以及(ji)相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K6和K18(位(wei)于4級(ji)(ji)子壩(ba)河床(chuang)部位(wei))干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.37g/cm3。可(ke)見，即使(shi)從統計意義上(shang)來看，磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)也并未隨后續磷(lin)石膏的(de)(de)堆積而有較為明(ming)顯的(de)(de)增大。

(2)級(ji)配分布

顆粒(li)分析試(shi)驗(yan)(yan)采用密度計法，制備懸液(ye)時不煮(zhu)沸，不加(jia)六偏(pian)磷(lin)酸(suan)鈉。圖5給出(chu)了試(shi)驗(yan)(yan)得到的級配包線、平均(jun)粒(li)徑(jing)d50、不均(jun)勻系數(1u和曲率系數Cc的分布圖。

從(cong)圖5(a)可(ke)見，磷石膏的粒徑(jing)主要(yao)分布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬(shu)于(yu)粉土，但可(ke)能由于(yu)礦石來(lai)源或(huo)生產工藝有所不同，局部屬(shu)于(yu)粉砂～中砂。粒徑(jing)分布(bu)范圍比Blight和張超等的試驗結果(guo)要(yao)寬一些。

圖4子壩(ba)加高后沉(chen)積(ji)磷石膏的干(gan)密度變化

圖5沉積磷石膏的平均(jun)粒徑和級配(pei)分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論是(shi)(shi)水平向還是(shi)(shi)垂(chui)直向，磷石膏(gao)(gao)與金(jin)(jin)屬礦(kuang)山(shan)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前粗后細(xi)，上(shang)粗下細(xi)”的(de)(de)自然分級(ji)現象不(bu)同(tong)，也即粗顆(ke)粒并不(bu)是(shi)(shi)沿埋深逐步減小(xiao)(xiao)或距離放漿口越遠(yuan)顆(ke)粒越細(xi)，其原因如下：①磷石膏(gao)(gao)顆(ke)粒粒徑組成(cheng)較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)集(ji)中(zhong)、均勻，主要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)(wei)主，級(ji)配較(jiao)(jiao)差；②相比(bi)(bi)較(jiao)(jiao)金(jin)(jin)屬尾(wei)礦(kuang)，磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)重(zhong)較(jiao)(jiao)小(xiao)(xiao)，磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)重(zhong)一(yi)般為(wei)(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)(xiao)于金(jin)(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿口隨子壩高度不(bu)斷增(zeng)加而不(bu)斷變動并向庫尾(wei)延伸，造(zao)成(cheng)沉積(ji)磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)粒徑變化不(bu)明(ming)顯。

從(cong)圖5(d)可(ke)見(jian)，不(bu)均(jun)勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為(wei)1.21，在統計的100多個試樣中，屬于(yu)級(ji)配不(bu)良土(tu)的占93%。這種級(ji)配特性(xing)決定了磷石膏(gao)具有較高的壓縮性(xing)、滲透破壞型式表現為(wei)流土(tu)破壞。

2.2滲透(tou)特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒(li)徑大(da)小(xiao)、級(ji)配和孔(kong)隙(xi)比，因而磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)與粉土較為接(jie)近(jin)。由于孔(kong)隙(xi)比e減小(xiao)，使得過(guo)水(shui)通道面積減小(xiao)，滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與e呈正相關關系(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)(xian)性(xing)關系(xi)(xi)較好，圖(tu)6給出了二(er)者(zhe)間的(de)(de)關系(xi)(xi)曲線(xian)(xian)，由于沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)不均(jun)勻(yun)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化較大(da)，使得沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)變化范圍較大(da)(平均(jun)值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二(er)者(zhe)問的(de)(de)線(xian)(xian)性(xing)關系(xi)(xi)較差。

圖(tu)6沉積磷石膏(gao)滲透(tou)系數與孔隙比的關系

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

圖(tu)7給(gei)出了水(shui)(shui)平(ping)(ping)與(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向滲(shen)透系(xi)數(shu)比值(zhi)的分(fen)布。沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的水(shui)(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)透系(xi)數(shu)kh一(yi)(yi)般大于垂(chui)(chui)直(zhi)向的滲(shen)透系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)(yi)點與(yu)成層分(fen)布的金屬尾(wei)礦規律一(yi)(yi)致。造(zao)成沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)透系(xi)數(shu)大于垂(chui)(chui)直(zhi)向滲(shen)透系(xi)數(shu)的原因(yin)是由于磷(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)有明顯(xian)的晶體(ti)結構，電鏡掃(sao)描(miao)顯(xian)示多(duo)為(wei)菱形和棱柱(zhu)狀(zhuang)形式(見圖(tu)8)，在(zai)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)過程中(zhong)，由于扁平(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒多(duo)呈水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使得(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)方(fang)向的透水(shui)(shui)性(xing)(xing)大于垂(chui)(chui)直(zhi)方(fang)向的透水(shui)(shui)性(xing)(xing)，從而使磷(lin)石(shi)膏(gao)呈現明顯(xian)的各(ge)向異性(xing)(xing)。

另根據中(zhong)國(guo)有色金屬工業昆明勘(kan)察(cha)設計研究院在楊家箐磷石膏堆積壩開展的(de)現場滲透試(shi)驗，kh/kv的(de)平(ping)均值約為(wei)1.9。但張超等的(de)室(shi)內(nei)試(shi)驗顯示(shi)，kh/kv的(de)平(ping)均值約為(wei)0.46，也即垂直向(xiang)滲透系數大于水平(ping)向(xiang)滲透系數，與(yu)本文和現場試(shi)驗結果恰恰相反。從磷石膏的(de)微觀結構(gou)來看，本文試(shi)驗結果更為(wei)合理(li)。

圖(tu)7沉積磷石(shi)膏(gao)干密度與水平(ping)和垂直滲透系數比(bi)值的關系

(2)滲(shen)透變形

圖9為(wei)磷(lin)石膏干(gan)密度為(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)力梯度J與(yu)流(liu)(liu)速V的(de)關系(xi)曲線，試驗(yan)(yan)在水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)管涌儀中采用水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)方(fang)向的(de)滲(shen)流(liu)(liu)形式進(jin)行。試驗(yan)(yan)得(de)到的(de)臨界(jie)坡降Jc=0.355，破(po)壞坡降Jp=0.375。一(yi)般來(lai)(lai)說，對(dui)(dui)1，2級工(gong)程(cheng)，滲(shen)透安(an)全系(xi)數取(qu)為(wei)2.5，則允(yun)許(xu)(xu)出逸坡降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以(yi)下工(gong)程(cheng)，滲(shen)透安(an)全系(xi)數取(qu)2.0，則允(yun)許(xu)(xu)出逸坡降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)(xu)比降與(yu)粉土一(yi)粉砂大致相同。但上述滲(shen)透變形試驗(yan)(yan)是采用自來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)進(jin)行的(de)，自來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)對(dui)(dui)磷(lin)石膏具有一(yi)定的(de)溶蝕作用，而實(shi)際上磷(lin)石膏中殘(can)余磷(lin)、硫和(he)氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)般小于3(稱(cheng)之為(wei)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui))，在酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)作用下，磷(lin)石膏不會發生破(po)壞，上述試驗(yan)(yan)結果是偏(pian)于保(bao)守的(de)，但對(dui)(dui)非酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)條件(例如特大暴雨)下的(de)滲(shen)透穩(wen)定判斷有一(yi)定的(de)借鑒意義(yi)。

圖(tu)9水力(li)梯(ti)度J-流(liu)速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓(ya)力(li)板儀中進行(xing)，環(huan)刀(dao)尺(chi)寸6.18cm。干密度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試驗曲線見圖(tu)10所示(shi)。

試驗結果表明(ming)：①干密度(du)對(dui)進(jin)氣值沒有明(ming)顯的影響，不同干密度(du)的試樣(yang)(yang)的進(jin)氣值大致(zhi)在10kPa左右；②土(tu)樣(yang)(yang)殘余含(han)水率隨干密度(du)的增(zeng)加而減少，殘余含(han)水率約為飽和含(han)水率的10%。上述特性與(yu)粉土(tu)一粉砂基(ji)本一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗(yan)

由于沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)密(mi)(mi)度(du)變化較大，而進行(xing)三(san)(san)軸試(shi)驗需要若干(gan)原狀樣，為(wei)(wei)使試(shi)驗結(jie)果具有較好的(de)一致性(xing)，有針(zhen)對性(xing)的(de)選擇(ze)平均(jun)干(gan)密(mi)(mi)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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干(gan)試(shi)樣，進行(xing)了5組三(san)(san)軸CU試(shi)驗。圖(tu)11是為(wei)(wei)干(gan)密(mi)(mi)度(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)(san)軸CU試(shi)驗曲線。

從(cong)圖11可以(yi)看出，磷石膏的應(ying)力應(ying)變(bian)關系曲線在低圍壓下(xia)表(biao)(biao)現為(wei)軟化型，在高圍壓下(xia)表(biao)(biao)現為(wei)硬化型，與一般土(tu)類相似。但與一般粉土(tu)一粉砂不同的是(shi)，即(ji)使在較為(wei)疏松的狀態(tai)下(xia)，磷石膏仍表(biao)(biao)現了較為(wei)強(qiang)烈的剪脹(zhang)，隨密實度(du)增大，剪脹(zhang)作用愈(yu)發明(ming)顯。

表(biao)2給出(chu)了(le)不同干密(mi)度下(xia)的(de)內(nei)摩擦(ca)角(jiao)，圖(tu)12給出(chu)了(le)內(nei)摩擦(ca)角(jiao)與(yu)干密(mi)度的(de)關系(xi)曲線。隨干密(mi)度的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，內(nei)摩擦(ca)角(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)大(da)(da)，且可采(cai)用冪函(han)數較好地擬(ni)合。磷石(shi)(shi)膏的(de)干密(mi)度由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)力(li)摩擦(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根(gen)據(ju)擬(ni)合曲線求得(de))，增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%，有(you)(you)效應(ying)力(li)摩擦(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%，由(you)于隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔壓(ya)也明顯增(zeng)(zeng)大(da)(da)，故(gu)有(you)(you)效摩擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅較之總應(ying)力(li)摩擦(ca)角(jiao)要小。另外(wai)較之于干密(mi)度增(zeng)(zeng)幅，摩擦(ca)角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅并(bing)不顯著，表(biao)明即使較為(wei)(wei)疏松的(de)磷石(shi)(shi)膏仍具有(you)(you)較高(gao)(gao)的(de)強度指標，這也表(biao)明磷石(shi)(shi)膏堆積壩的(de)穩定性較高(gao)(gao)。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏的蠕變變形試驗(yan)在(zai)側限(xian)壓(ya)(ya)縮儀中進行，試驗(yan)狀態相(xiang)當(dang)于K0固結。試樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試樣(yang)干密(mi)度(du)為1.30g/cm3，對(dui)試樣(yang)飽和后分別開展了上(shang)覆壓(ya)(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試驗(yan)，

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

從圖13中可以看(kan)出：上覆荷載(zai)越大，磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形也越大，荷載(zai)施加1年后，磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形仍非常(chang)顯著，尚未達到穩定(ding)(ding)狀態，這也是磷石膏(gao)堆(dui)積壩后期變(bian)形較(jiao)大的(de)原因(yin)，原型觀(guan)測資料表明，在5級子(zi)壩河床部位的(de)表面(mian)沉(chen)降量(liang)已經達到3.1m，且尚未完(wan)全穩定(ding)(ding)。

按(an)時間(jian)(jian)(jian)對(dui)數(shu)法，可(ke)求得各級荷載(zai)下(xia)(xia)的(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)量(liang)如表(biao)3所示。試驗(yan)結(jie)(jie)(jie)(jie)果表(biao)明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載(zai)作用下(xia)(xia)，在(zai)(zai)試驗(yan)時間(jian)(jian)(jian)范圍內蠕(ru)(ru)變(bian)(次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie))變(bian)形(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)變(bian)形(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實際的(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)變(bian)形(xing)應更大。對(dui)土體(ti)(ti)而(er)言(yan)，發生蠕(ru)(ru)變(bian)的(de)(de)原(yuan)因(yin)是由于(yu)土體(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)完(wan)成(cheng)之后(hou)(hou)，土體(ti)(ti)中仍有(you)微小(xiao)的(de)(de)超(chao)靜孔(kong)隙壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流(liu)動，一般來講土體(ti)(ti)的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)遠(yuan)小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)；對(dui)磷石膏而(er)言(yan)，其滲透(tou)系(xi)數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級，遠(yuan)大于(yu)黏性土，但其卻發生了極為(wei)顯著(zhu)的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)，其原(yuan)因(yin)在(zai)(zai)于(yu)磷石膏晶體(ti)(ti)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)發生了壓縮、破壞(huai)，接觸點晶格發生歪曲和變(bian)形(xing)，而(er)破壞(huai)后(hou)(hou)晶格之間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)重新(xin)排列、調整(zheng)到最(zui)后(hou)(hou)趨于(yu)相對(dui)靜止需(xu)要相當(dang)長(chang)的(de)(de)時間(jian)(jian)(jian)才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力(li)力(li)學特性

試(shi)驗設備(bei)采用英(ying)國GDS公司(si)進口的電(dian)機控制(zhi)動(dong)三軸試(shi)驗系統(tong)，試(shi)樣(yang)直徑39.1mm，高(gao)度(du)80mm。

(1)動模量和阻尼(ni)比

同樣由于自然沉積的磷石(shi)膏密度變(bian)化(hua)較大，為此根據物理(li)性質試驗結果，選擇兩種平均干密度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(jin)行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切(qie)模量(liang)G、阻尼比與剪(jian)應變幅值γd的關系式(shi)如(ru)下(xia)：

式(shi)中k1為參數，表示(shi)動剪切(qie)(qie)模量的衰減或阻尼(ni)比的增(zeng)長速率；λmax為最(zui)大(da)阻尼(ni)比；Gmax，γd分別為最(zui)大(da)動剪切(qie)(qie)模量和(he)歸(gui)一化的動剪應(ying)變，表示(shi)為

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)動泊(bo)松比(bi)；εa為(wei)(wei)歸一化的動應變(bian)，表達為(wei)(wei)

圖(tu)14給出(chu)了動(dong)剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化動(dong)應(ying)(ying)變的關系曲線，另外圖(tu)中還給出(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(tu)例中，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結(jie)應(ying)(ying)力比(bi)。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可以看出：①式(1)可較(jiao)好地描述磷石膏的(de)(de)(de)動(dong)應(ying)(ying)力-動(dong)應(ying)(ying)變(bian)試(shi)驗曲線(xian)，表明采用(yong)等價黏彈性模(mo)(mo)型進行循環荷(he)載作用(yong)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)分(fen)析是可行的(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)位于(yu)(yu)干密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)上(shang)方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位于(yu)(yu)下(xia)(xia)方，表明密(mi)度越(yue)大，動(dong)彈模(mo)(mo)越(yue)大、阻尼(ni)比(bi)越(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密(mi)度的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)基本位于(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)上(shang)方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基本處于(yu)(yu)邊(bian)界(jie)線(xian)中(zhong)(zhong)間，表明相比(bi)較(jiao)砂樣，磷石膏動(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)大，會導致磷石膏堆積(ji)壩的(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)(fan)應(ying)(ying)較(jiao)大，但由(you)于(yu)(yu)阻尼(ni)比(bi)也較(jiao)大，這樣又會削(xue)弱壩體的(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)(fan)應(ying)(ying)，二者(zhe)的(de)(de)(de)相互影響下(xia)(xia)，磷石膏堆積(ji)壩壩體的(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)(fan)應(ying)(ying)將(jiang)不會過于(yu)(yu)強(qiang)烈，這對磷石膏堆積(ji)壩的(de)(de)(de)抗震(zhen)穩定(ding)性是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干密度為1.12(變(bian)化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞(huai)標準為總(zong)應變(bian)達到10%。

圖15給出了動(dong)剪(jian)應力(li)比τd/σ0′與破壞振(zhen)(zhen)次Nf的(de)關系曲線圖，其中σ0為(wei)振(zhen)(zhen)前試樣45°面上的(de)有(you)效法(fa)向(xiang)應力(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結(jie)(jie)比。從(cong)試驗結(jie)(jie)果(guo)可(ke)以看出，沉積磷石(shi)膏的(de)動(dong)強(qiang)度與其它土體相(xiang)似，表現為(wei)圍壓和(he)固(gu)結(jie)(jie)應力(li)比與動(dong)剪(jian)應力(li)比呈負相(xiang)關關系。

為判別沉積(ji)磷石膏的(de)抗液(ye)化能(neng)力，假定抗震設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的冪函(han)數關系式得到(dao)振次為30時各(ge)個圍壓(ya)和固結比下(xia)的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求(qiu)得動剪應(ying)力比與圍壓和(he)固結(jie)應(ying)力比的關(guan)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。

從上述擬合(he)關系式可見，密實(shi)度提高(gao)后，動剪應力比提高(gao)，表(biao)明抗液(ye)化能力也(ye)提高(gao)。但即使(shi)是(shi)在低(di)密度下，其動剪應力比較(jiao)之(zhi)同(tong)類的(de)粉土(tu)或(huo)粉砂也(ye)大出許多，表(biao)明磷石膏具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)抗液(ye)化能力。

三、結論

依托柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開(kai)展了(le)物(wu)理(li)性質試驗(yan)，然后開(kai)展了(le)靜動(dong)力力學(xue)特性試驗(yan)。通過(guo)上述(shu)試驗(yan)研(yan)究，得(de)出如下結(jie)論：

(1)沉積磷石膏總體上屬于級(ji)(ji)配不良的粉(fen)土，局部屬于粉(fen)砂(sha)(sha)一中砂(sha)(sha)，無(wu)自然分級(ji)(ji)現象。其(qi)干密(mi)度和粒(li)徑變化(hua)隨埋深(shen)或距(ju)放漿口距(ju)離的變化(hua)不明顯。

(2)沉積磷石(shi)膏水平方向的滲透(tou)系(xi)數(shu)大于垂直方向的滲透(tou)系(xi)數(shu)，呈(cheng)現(xian)明顯的各(ge)向異性。

(3)與土體顆粒(li)不可壓(ya)縮(suo)不同，磷石膏的(de)晶體結(jie)構會發生壓(ya)縮(suo)破壞，具有(you)較(jiao)大(da)(da)的(de)壓(ya)縮(suo)性，其次固結(jie)變形量(liang)遠大(da)(da)于主固結(jie)變形量(liang)。

(4)沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)靜動強度較之同等(deng)密實度下的(de)(de)粉土、粉砂(sha)要(yao)高。