沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：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)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)濕(shi)(shi)法(fa)(fa)磷(lin)酸生產(chan)(chan)過程中(zhong)的(de)副產(chan)(chan)品，2018年，全國磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)(chan)生量(liang)為7800萬噸，且(qie)呈逐年增長的(de)態勢。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)主要成分(fen)是(shi)CaO和SO3，但含(han)有一(yi)定量(liang)的(de)氟化物(wu)和其(qi)(qi)它放(fang)射性(xing)物(wu)質，在(zai)中(zhong)國通常按(an)Ⅱ類一(yi)般(ban)工(gong)業固(gu)體廢物(wu)處(chu)理，鑒于(yu)無害化處(chu)理成本(ben)較高，目(mu)前綜合利用率尚不足40%，故大部分(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需(xu)要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按(an)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)場地的(de)不同，可分(fen)為平地型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場，在(zai)中(zhong)國基(ji)本(ben)上是(shi)山谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場。相(xiang)比較干法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明(ming)顯(xian)，因而如地質條件為非碳酸鹽(yan)巖地區，一(yi)般(ban)均采用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國磷(lin)肥(fei)工(gong)業的(de)快速發展，本(ben)世(shi)紀初中(zhong)國相(xiang)繼建設了幾座濕(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)大型(xing)(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例如云天化國際化工(gong)三環分(fen)公司(si)的(de)柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)和富(fu)瑞分(fen)公司(si)的(de)楊家(jia)箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)，這(zhe)兩座壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高均超過100m、處(chu)于(yu)8度(du)地震(zhen)區，其(qi)(qi)安全性(xing)備受關注。

據(ju)統(tong)計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全世界有(you)118座尾礦(kuang)壩曾發生過破壞或潰壩事(shi)故，原因(yin)主要有(you)地震、洪水漫頂、滲透破壞和基礎失(shi)(shi)穩。尾礦(kuang)庫失(shi)(shi)事(shi)后會造成巨大的生態災(zai)難(nan)和人員傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國內外對(dui)(dui)金屬(shu)尾礦的(de)沉(chen)積規(gui)律、物理(li)力學特性(xing)及其(qi)穩定性(xing)開(kai)展了大量的(de)研究(jiu)，但(dan)對(dui)(dui)于與金屬(shu)尾礦庫相(xiang)近(jin)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫，一般僅限(xian)于在可研階段采用人工制備樣進(jin)行(xing)物理(li)力學性(xing)質試驗，并(bing)據此進(jin)行(xing)穩定性(xing)分析(xi)，尚未(wei)有(you)人針對(dui)(dui)己運行(xing)若干年(nian)的(de)大型濕(shi)法堆存磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積壩(ba)開(kai)展過磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)沉(chen)積規(gui)律及其(qi)物理(li)力學特性(xing)的(de)專項(xiang)研究(jiu)。

本文依托柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)膏堆積(ji)壩，首先進行(xing)了鉆探取樣，采用原狀(zhuang)樣開展了密(mi)度(du)、含水率(lv)、滲透(tou)(tou)、土水特(te)征和顆(ke)分等(deng)物理(li)性質試驗(yan)，在此基(ji)(ji)礎(chu)上(shang)有針對性的(de)選擇原狀(zhuang)樣開展了三(san)軸CU、蠕變(bian)及(ji)動(dong)(dong)三(san)軸等(deng)力(li)學(xue)特(te)性試驗(yan)。通(tong)過上(shang)述試驗(yan)研究(jiu)，總(zong)結了磷(lin)石(shi)膏的(de)沉積(ji)規律、滲透(tou)(tou)特(te)性、滲透(tou)(tou)破(po)壞特(te)性以(yi)及(ji)靜動(dong)(dong)力(li)特(te)性，上(shang)述研究(jiu)工作對研究(jiu)和評(ping)估磷(lin)石(shi)膏庫堆積(ji)壩的(de)穩定(ding)性提供了基(ji)(ji)礎(chu)數據(ju)，對現行(xing)磷(lin)石(shi)膏庫的(de)運行(xing)管(guan)理(li)以(yi)及(ji)新建(jian)工程的(de)設(she)計具(ju)有重要的(de)借(jie)鑒意義。

一(yi)、依(yi)托工程概況

1.1柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩堆存設(she)計方案(an)

由初期(qi)壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期(qi)壩(ba)

初期壩壩高(gao)約30m，采用土料填筑。上游(you)坡面、壩底和(he)下游(you)壩腳設置堆石排水(shui)體，三者相連通(tong)構成(cheng)整個(ge)堆積壩的(de)主要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其輔助排滲措施(shi)

采(cai)用(yong)上游式筑壩(ba)(ba)法，共(gong)20級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆積(ji)高度(du)約100m。采(cai)用(yong)排(pai)滲管(guan)網(wang)(wang)作為輔助排(pai)滲方(fang)案(an)，目前己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)和13級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前120m范圍內設置了井字形排(pai)滲管(guan)網(wang)(wang)。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)平面位(wei)置見圖(tu)l。2008年6月，堆(dui)積(ji)至5級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時，布設(she)了9個取(qu)(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取(qu)(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣76件；2013年5月，堆(dui)積(ji)至13級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時，又布設(she)了11個取(qu)(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取(qu)(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣112件，為比較子(zi)(zi)壩(ba)加高和磷石膏堆(dui)積(ji)過程中磷石膏物理力(li)學性質的變化(hua)，在2，4級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近(jin)各(ge)布設(she)了一個鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)尾礦庫2005年開(kai)工建(jian)設，2006年1月(yue)投入運行(xing)，截至(zhi)2013年5月(yue)己(ji)堆至(zhi)13級子(zi)壩(ba)，尚有(you)7級子(zi)壩(ba)即堆存至(zhi)設計高程。鑒于磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫地(di)形、地(di)質條(tiao)件(jian)(jian)較(jiao)好，具備擴容改造的條(tiao)件(jian)(jian)，以提高堆存庫容，減少堆存占(zhan)地(di)，節約土地(di)資源。

本文(wen)主要對沉積磷石膏(gao)的物理力(li)學特性(xing)進行了全面總結，限(xian)于篇幅，有關現(xian)狀磷石膏(gao)庫堆積壩(ba)的安全性(xing)評價及其加(jia)高可行性(xing)的研(yan)究將(jiang)另(ling)文(wen)發(fa)表。

二、沉積磷石膏的物(wu)理力(li)學特性(xing)

2.1物理(li)特性

(1)干密度分(fen)布(bu)

圖(tu)2給出(chu)了14個鉆孔的(de)(de)取樣(yang)深度和試(shi)驗所得干密度的(de)(de)關(guan)系，圖(tu)中(zhong)UWL表示水位(wei)線(xian)上，(系鉆孔期(qi)間的(de)(de)初見水位(wei)線(xian)，下同(tong))，DWL表示水位(wei)線(xian)下。圖(tu)3給出(chu)了水位(wei)線(xian)上下的(de)(de)飽和度分布圖(tu)。由于磷(lin)石膏(gao)中(zhong)的(de)(de)主要成分為(wei)CaSO4·2H2O，不同(tong)溫(wen)度和烘(hong)烤時間對測定(ding)結果有一定(ding)影響，不能照搬現(xian)行的(de)(de)土(tu)工試(shi)驗規范，本文(wen)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)含(han)水率測定(ding)方(fang)法為(wei)55℃溫(wen)度下烘(hong)培(pei)24h。

圖2沉積磷(lin)石(shi)膏干密度(du)與埋深的(de)關(guan)系

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

由圖3，水位(wei)(wei)(wei)線(xian)上(shang)(shang)的磷(lin)石膏飽(bao)和(he)(he)度平均值為50.4%，處(chu)于非飽(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態，水位(wei)(wei)(wei)線(xian)以下的磷(lin)石膏飽(bao)和(he)(he)度平均值為85.0%，基本處(chu)于飽(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態，由于水位(wei)(wei)(wei)下降后磷(lin)石膏來(lai)不及排水固(gu)結，故而水位(wei)(wei)(wei)線(xian)上(shang)(shang)局(ju)部試樣的飽(bao)和(he)(he)度較(jiao)高。

由圖(tu)2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以上的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以下(xia)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與一般的(de)(de)(de)尾礦有所不同(tong)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)并(bing)不隨埋深(shen)的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而明(ming)顯增(zeng)大(da)(da)，但水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以下(xia)的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度(du)從統計意義上來(lai)看仍大(da)(da)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以上的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度(du)，這(zhe)主要是由于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)隨庫(ku)水(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)(de)(de)變化反(fan)復(fu)升(sheng)降而使得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)(shui)固結所致。

室內(nei)擊實(shi)(shi)得(de)到的(de)(de)(de)(de)(de)磷石膏(gao)(gao)(gao)最大(da)干(gan)密度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)間(jian)，從圖2可(ke)以看出(chu)(chu)，自然沉(chen)積的(de)(de)(de)(de)(de)磷石膏(gao)(gao)(gao)最大(da)干(gan)密度(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)(de)(de)(de)(de)土骨架(jia)不可(ke)壓(ya)縮的(de)(de)(de)(de)(de)理(li)論不同，石膏(gao)(gao)(gao)本身可(ke)壓(ya)縮，同時(shi)由于顆粒結構(gou)(gou)不穩定，擊實(shi)(shi)試驗過程中磷石膏(gao)(gao)(gao)結構(gou)(gou)被(bei)破(po)壞(huai)，受夯擊處下(xia)陷，四周鼓起(qi)，出(chu)(chu)現(xian)了類(lei)似于橡皮土的(de)(de)(de)(de)(de)現(xian)象。而在(zai)現(xian)場條件下(xia)，石膏(gao)(gao)(gao)骨架(jia)被(bei)破(po)壞(huai)后(hou)，會導致顆粒中的(de)(de)(de)(de)(de)結合水滲出(chu)(chu)至孔(kong)隙內(nei)，變成孔(kong)隙水，排水固結后(hou)會使(shi)得(de)磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)孔(kong)隙比減小，干(gan)密度(du)增大(da)。

圖(tu)4給出了相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K2和(he)K17(位(wei)于2級子壩河床部(bu)位(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K6和(he)K18(位(wei)于4級子壩河床部(bu)位(wei))干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.37g/cm3。可見(jian)，即使從統計意義上來看，磷石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)也并未隨(sui)后續磷石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)堆(dui)積(ji)而有較為明顯的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)大。

(2)級配分布

顆粒(li)分(fen)析試驗(yan)采用密度(du)計法，制備(bei)懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏磷酸鈉。圖(tu)5給出了試驗(yan)得到(dao)的級配(pei)包線、平均(jun)粒(li)徑d50、不(bu)均(jun)勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的分(fen)布圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見，磷石(shi)膏的(de)粒(li)徑(jing)主(zhu)要分布在0.005～0.075mm之間(jian)，總體(ti)上屬于粉(fen)土(tu)，但(dan)可(ke)能(neng)由于礦(kuang)石(shi)來源或生(sheng)產工藝有所不同，局部屬于粉(fen)砂～中砂。粒(li)徑(jing)分布范(fan)圍(wei)比(bi)Blight和張超等的(de)試(shi)驗結(jie)果(guo)要寬一些。

圖4子壩加高(gao)后沉積磷石膏(gao)的干密度變化

圖5沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)平均粒(li)徑和級配(pei)分布

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論(lun)是水平向還是垂直向，磷(lin)石膏(gao)與(yu)金屬礦(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)“前(qian)粗后細，上粗下細”的(de)自然分(fen)級現象不(bu)同，也即粗顆粒并(bing)不(bu)是沿(yan)埋深逐步(bu)減(jian)小(xiao)或距(ju)離放(fang)漿(jiang)口越遠(yuan)顆粒越細，其(qi)原因如下：①磷(lin)石膏(gao)顆粒粒徑組成較(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差(cha)；②相比(bi)較(jiao)金屬尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷(lin)石膏(gao)的(de)比(bi)重較(jiao)小(xiao)，磷(lin)石膏(gao)的(de)比(bi)重一般為2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金屬尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重，例如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重可(ke)達(da)2.9；③放(fang)漿(jiang)口隨子壩高(gao)度不(bu)斷增加而不(bu)斷變動并(bing)向庫尾(wei)(wei)延伸，造成沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)粒徑變化不(bu)明顯。

從(cong)圖5(d)可見(jian)，不均勻系數(shu)Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為4.18，曲率系數(shu)(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為1.21，在統(tong)計的100多個試樣中，屬(shu)于級(ji)配不良土的占93%。這種(zhong)級(ji)配特(te)性決定了(le)磷石膏具(ju)有較高的壓縮性、滲透破壞型式(shi)表現為流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)系數的(de)(de)主要因素是粒徑大小、級配和孔(kong)隙比，因而磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系數與(yu)粉土(tu)較(jiao)(jiao)為(wei)接近。由(you)于(yu)孔(kong)隙比e減小，使(shi)得過(guo)水通道面積減小，滲(shen)(shen)透(tou)系數k也將減小，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系。對砂(sha)土(tu)，一般認為(wei)滲(shen)(shen)透(tou)系數k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性(xing)關(guan)系較(jiao)(jiao)好，圖6給出了(le)二者(zhe)間的(de)(de)關(guan)系曲線(xian)，由(you)于(yu)沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)不(bu)均勻系數變(bian)化較(jiao)(jiao)大，使(shi)得沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系數變(bian)化范圍(wei)較(jiao)(jiao)大(平均值為(wei)10-4cm/s數量級)，二者(zhe)問的(de)(de)線(xian)性(xing)關(guan)系較(jiao)(jiao)差。

圖(tu)6沉積磷石膏滲透系(xi)數與孔隙比的關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平與垂(chui)直向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)比(bi)值的(de)分布(bu)。沉(chen)(chen)積磷石膏(gao)的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)kh一般大于(yu)垂(chui)直向(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平均值約為(wei)2.86，這一點與成層分布(bu)的(de)金屬尾礦規律一致(zhi)。造成沉(chen)(chen)積磷石膏(gao)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)大于(yu)垂(chui)直向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)原(yuan)因是由(you)于(yu)磷石膏(gao)具有明(ming)顯(xian)的(de)晶體結構，電鏡掃描顯(xian)示多為(wei)菱形(xing)和棱柱狀形(xing)式(shi)(見(jian)圖8)，在沉(chen)(chen)積過程中，由(you)于(yu)扁平狀磷石膏(gao)顆(ke)粒多呈水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平排列，使得(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平方(fang)向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)性大于(yu)垂(chui)直方(fang)向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)性，從而使磷石膏(gao)呈現(xian)明(ming)顯(xian)的(de)各向(xiang)異性。

另根(gen)據(ju)中國有色金屬(shu)工業(ye)昆明勘察設計研究院在楊家箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩開展的(de)現場滲透試驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均值約為1.9。但張超等的(de)室(shi)內試驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)均值約為0.46，也即垂直向(xiang)滲透系(xi)(xi)數(shu)大于(yu)水平(ping)向(xiang)滲透系(xi)(xi)數(shu)，與本文和現場試驗(yan)結果(guo)恰恰相反。從磷(lin)石膏(gao)的(de)微(wei)觀結構來看，本文試驗(yan)結果(guo)更(geng)為合理(li)。

圖7沉(chen)積磷石膏(gao)干密度(du)與(yu)水平和垂直滲(shen)透(tou)系(xi)數比值(zhi)的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯度(du)J與流速V的(de)關系(xi)曲線，試(shi)(shi)驗在水(shui)平管涌(yong)儀中采(cai)用(yong)水(shui)平方向(xiang)的(de)滲(shen)流形(xing)式進行。試(shi)(shi)驗得到的(de)臨(lin)界坡(po)降Jc=0.355，破壞(huai)(huai)坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般(ban)來(lai)說，對1，2級(ji)工(gong)程，滲(shen)透安全(quan)系(xi)數取為(wei)2.5，則允(yun)許出逸坡(po)降為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下工(gong)程，滲(shen)透安全(quan)系(xi)數取2.0，則允(yun)許出逸坡(po)降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比(bi)降與粉土一(yi)粉砂(sha)大致(zhi)相(xiang)同。但(dan)上(shang)述滲(shen)透變形(xing)試(shi)(shi)驗是(shi)采(cai)用(yong)自來(lai)水(shui)進行的(de)，自來(lai)水(shui)對磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)具有一(yi)定的(de)溶(rong)蝕作用(yong)，而實際上(shang)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)中殘余磷(lin)(lin)、硫和氟(fu)酸(suan)(suan)，庫(ku)水(shui)的(de)pH值一(yi)般(ban)小于(yu)3(稱之為(wei)酸(suan)(suan)性(xing)水(shui))，在酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)作用(yong)下，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)不會發生(sheng)破壞(huai)(huai)，上(shang)述試(shi)(shi)驗結果(guo)是(shi)偏于(yu)保守的(de)，但(dan)對非酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)條件(例如(ru)特大暴雨(yu))下的(de)滲(shen)透穩定判(pan)斷(duan)有一(yi)定的(de)借鑒意義。

圖(tu)9水力梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗

試驗在5Bar的壓(ya)力板儀中進行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸(xi)力范(fan)圍(wei)0～500kPa。表l列出了(le)含水率(lv)特征值，試驗曲線(xian)見圖10所示(shi)。

試(shi)驗結果(guo)表明：①干(gan)密度對(dui)進氣(qi)值沒(mei)有明顯的(de)(de)影(ying)響，不同干(gan)密度的(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)進氣(qi)值大致(zhi)在10kPa左右；②土樣殘余含水(shui)率(lv)(lv)隨(sui)干(gan)密度的(de)(de)增加而減少，殘余含水(shui)率(lv)(lv)約為飽和含水(shui)率(lv)(lv)的(de)(de)10%。上述(shu)特性與粉土一粉砂(sha)基本一致(zhi)。

2.3靜(jing)力力學特(te)性

(1)三軸CU試驗(yan)

由于沉積磷石膏的(de)密(mi)度(du)變化較大，而進行三軸試驗(yan)需要若干(gan)原狀樣，為(wei)(wei)使試驗(yan)結果(guo)具有較好的(de)一致性，有針對性的(de)選(xuan)擇平均干(gan)密(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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干(gan)試樣，進行了5組(zu)三軸CU試驗(yan)。圖11是為(wei)(wei)干(gan)密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三軸CU試驗(yan)曲線(xian)。

從(cong)圖11可以看出，磷石膏(gao)(gao)的(de)應(ying)力應(ying)變(bian)關(guan)系(xi)曲線(xian)在(zai)低圍(wei)(wei)壓下(xia)表現為(wei)(wei)軟化型，在(zai)高圍(wei)(wei)壓下(xia)表現為(wei)(wei)硬(ying)化型，與(yu)一般(ban)土(tu)(tu)類相似。但(dan)與(yu)一般(ban)粉(fen)土(tu)(tu)一粉(fen)砂不同的(de)是，即使在(zai)較為(wei)(wei)疏(shu)松(song)的(de)狀(zhuang)態下(xia)，磷石膏(gao)(gao)仍表現了(le)較為(wei)(wei)強烈的(de)剪脹，隨密(mi)實度增大，剪脹作用愈(yu)發明顯。

表(biao)2給(gei)出(chu)了(le)不同干(gan)密(mi)度(du)(du)下的(de)(de)(de)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了(le)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)關系曲(qu)線。隨(sui)干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)增大(da)，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也隨(sui)之(zhi)增大(da)，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)好(hao)地擬(ni)合。磷(lin)石膏的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)由1.20g/cm3增加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增加(jia)了(le)32%，總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由34.1°增加(jia)為(wei)37.3°(根據(ju)擬(ni)合曲(qu)線求得)，增幅(fu)(fu)(fu)為(wei)9.4%，有(you)效應(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由37.6°增加(jia)為(wei)38.8°，增幅(fu)(fu)(fu)為(wei)3.2%，由于(yu)隨(sui)圍壓的(de)(de)(de)增大(da)，孔壓也明顯增大(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增幅(fu)(fu)(fu)較(jiao)(jiao)之(zhi)總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)于(yu)干(gan)密(mi)度(du)(du)增幅(fu)(fu)(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)增幅(fu)(fu)(fu)并不顯著(zhu)，表(biao)明即使(shi)較(jiao)(jiao)為(wei)疏松(song)的(de)(de)(de)磷(lin)石膏仍具(ju)有(you)較(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)強度(du)(du)指標，這也表(biao)明磷(lin)石膏堆積(ji)壩的(de)(de)(de)穩定(ding)性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗(yan)

磷石(shi)膏的蠕(ru)變變形試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)在(zai)側限壓縮儀中進行，試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)狀態相(xiang)當于K0固結。試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣直(zhi)徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)樣飽和(he)后分(fen)別開展(zhan)了上覆(fu)壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)，

試驗從2012年(nian)8月27日開始(shi)，試驗己進(jin)行了(le)1年(nian)多(duo)，試驗結(jie)果(guo)見圖13所示。

從圖13中可以看出：上覆荷載越大(da)，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也(ye)(ye)越大(da)，荷載施加1年后，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未達到穩(wen)定狀態，這也(ye)(ye)是磷石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)后期(qi)變(bian)(bian)形(xing)較大(da)的(de)原因，原型觀測(ce)資料表(biao)明(ming)，在5級子壩(ba)河床部位的(de)表(biao)面沉(chen)降(jiang)量(liang)已(yi)經(jing)達到3.1m，且(qie)尚未完全穩(wen)定。

按時間對(dui)數法(fa)，可(ke)求得各級(ji)荷載下的(de)主(zhu)(zhu)(zhu)次固(gu)結(jie)變形(xing)量如表3所示。試驗結(jie)果表明，在100～400kPa上覆荷載作用下，在試驗時間范圍內蠕(ru)(ru)變(次固(gu)結(jie))變形(xing)是主(zhu)(zhu)(zhu)固(gu)結(jie)變形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由于蠕(ru)(ru)變變形(xing)尚未(wei)完(wan)成(cheng)(cheng)，實際的(de)蠕(ru)(ru)變變形(xing)應更大。對(dui)土體而(er)言(yan)(yan)，發(fa)生(sheng)(sheng)蠕(ru)(ru)變的(de)原因是由于土體在主(zhu)(zhu)(zhu)固(gu)結(jie)完(wan)成(cheng)(cheng)之(zhi)后，土體中仍有微小的(de)超靜孔(kong)隙壓(ya)力存(cun)在，驅使水在顆(ke)粒問流動，一般(ban)來講土體的(de)次固(gu)結(jie)遠小于主(zhu)(zhu)(zhu)固(gu)結(jie)變形(xing)；對(dui)磷石膏而(er)言(yan)(yan)，其(qi)滲透(tou)系數在10-4cm/s數量級(ji)，遠大于黏(nian)性土，但(dan)其(qi)卻發(fa)生(sheng)(sheng)了(le)極為顯(xian)著的(de)次固(gu)結(jie)變形(xing)，其(qi)原因在于磷石膏晶(jing)(jing)體結(jie)構發(fa)生(sheng)(sheng)了(le)壓(ya)縮、破壞，接觸點(dian)晶(jing)(jing)格發(fa)生(sheng)(sheng)歪曲(qu)和變形(xing)，而(er)破壞后晶(jing)(jing)格之(zhi)間的(de)重新排列、調整(zheng)到最后趨于相(xiang)對(dui)靜止需要相(xiang)當(dang)長的(de)時間才(cai)能完(wan)成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采(cai)用英國GDS公司進(jin)口的電機控制動三軸(zhou)試(shi)驗系統(tong)，試(shi)樣(yang)直(zhi)徑(jing)39.1mm，高(gao)度(du)80mm。

(1)動(dong)模量(liang)和阻尼(ni)比

同(tong)樣由(you)于自然沉積的磷石(shi)膏(gao)密度變(bian)(bian)化(hua)較大，為此根據(ju)物理性質試驗結果(guo)，選(xuan)擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模量G、阻尼(ni)比與剪應變(bian)幅值γd的關系(xi)式如下：

式(shi)中k1為(wei)(wei)參數，表示動(dong)剪(jian)切模(mo)量(liang)的(de)衰減或阻尼比的(de)增長速率(lv)；λmax為(wei)(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大動(dong)剪(jian)切模(mo)量(liang)和歸一化(hua)的(de)動(dong)剪(jian)應變，表示為(wei)(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大(da)氣壓；vd為(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)歸一化的動(dong)應(ying)變(bian)，表達為(wei)

圖(tu)14給出(chu)(chu)了動(dong)剪切模量(liang)、阻尼比(bi)與歸(gui)一化動(dong)應變的(de)關系曲線，另(ling)外圖(tu)中(zhong)(zhong)還給出(chu)(chu)了式(1)的(de)擬合曲線以及Seed等給出(chu)(chu)的(de)砂(sha)樣的(de)上下邊界線，圖(tu)例(li)中(zhong)(zhong)，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固結應力比(bi)。

從圖(tu)中(zhong)可以看出：①式(shi)(1)可較(jiao)好地描述磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)動應(ying)力-動應(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表明采(cai)用等(deng)價黏彈性(xing)模型進行循環荷載作(zuo)用下的(de)(de)(de)(de)分(fen)析是可行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)位(wei)(wei)于(yu)(yu)干密(mi)度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)上方，圖(tu)14(b)中(zhong)則位(wei)(wei)于(yu)(yu)下方，表明密(mi)度越大(da)，動彈模越大(da)、阻尼比越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密(mi)度的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)基本位(wei)(wei)于(yu)(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)上方，而圖(tu)14(b)中(zhong)則基本處(chu)于(yu)(yu)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)中(zhong)間，表明相比較(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)動彈模較(jiao)大(da)，會(hui)導(dao)致磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)動力反應(ying)較(jiao)大(da)，但(dan)由于(yu)(yu)阻尼比也較(jiao)大(da)，這(zhe)樣又會(hui)削弱壩(ba)(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動力反應(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動力反應(ying)將不(bu)會(hui)過于(yu)(yu)強烈，這(zhe)對磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利(li)的(de)(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強度

選擇兩(liang)種(zhong)平均干(gan)密度(du)為1.12(變(bian)化(hua)范圍(wei)(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試(shi)驗，破壞(huai)標準(zhun)為總應(ying)變(bian)達到(dao)10%。

圖(tu)15給出了動(dong)(dong)剪應力比τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的(de)關系曲(qu)線圖(tu)，其(qi)中σ0為振前試(shi)樣45°面上的(de)有效法向應力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結比。從試(shi)驗結果可(ke)以看(kan)出，沉積磷(lin)石膏的(de)動(dong)(dong)強(qiang)度(du)與(yu)其(qi)它土體相(xiang)似，表現為圍壓和(he)固(gu)結應力比與(yu)動(dong)(dong)剪應力比呈(cheng)負相(xiang)關關系。

為判別沉積(ji)磷石膏的抗液化(hua)能力，假定抗震設計烈度(du)為8度(du)，即等效振次Ⅳ可取為30。首(shou)先由式(4)

所示的冪函(han)數關系式得到(dao)振次(ci)為30時各個(ge)圍壓(ya)和固結(jie)比下的動剪(jian)應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可(ke)擬合求(qiu)得動剪應力比(bi)與圍壓和(he)固結應力比(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(ni)合關系(xi)式可見，密(mi)實度(du)提(ti)高后，動剪(jian)(jian)應(ying)力(li)比(bi)提(ti)高，表明(ming)抗(kang)液(ye)化能(neng)力(li)也提(ti)高。但即使是在低密(mi)度(du)下，其動剪(jian)(jian)應(ying)力(li)比(bi)較之同(tong)類的粉土或粉砂也大出許多，表明(ming)磷(lin)石膏具有較高的抗(kang)液(ye)化能(neng)力(li)。

三、結(jie)論

依(yi)托柳樹(shu)箐磷石(shi)膏堆積壩，在鉆(zhan)探取樣工作的基礎(chu)上，首先開(kai)展了物理性質試驗(yan)(yan)，然后開(kai)展了靜動力(li)力(li)學特性試驗(yan)(yan)。通(tong)過上述試驗(yan)(yan)研究，得(de)出如(ru)下結論：

(1)沉積(ji)磷(lin)石膏總(zong)體上屬于級(ji)配不良的(de)粉土(tu)，局部(bu)屬于粉砂(sha)一中砂(sha)，無自(zi)然分級(ji)現(xian)象。其干(gan)密(mi)度和粒徑變化隨埋(mai)深或距放(fang)漿口距離的(de)變化不明顯。

(2)沉積磷(lin)石膏水平方向(xiang)的(de)(de)滲透系數大于垂直(zhi)方向(xiang)的(de)(de)滲透系數，呈現明(ming)顯的(de)(de)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)。

(3)與土體顆粒不(bu)可壓(ya)縮不(bu)同，磷石膏的(de)晶體結(jie)構會發生壓(ya)縮破壞(huai)，具有(you)較大的(de)壓(ya)縮性，其次(ci)固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量(liang)遠(yuan)大于主固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量(liang)。

(4)沉積磷石膏的(de)靜動(dong)強度較之同(tong)等密實(shi)度下的(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要(yao)高。