沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)是磷(lin)(lin)酸生產(chan)過程中的(de)副產(chan)品，目前的(de)綜合利(li)用率尚不足40%，大部分(fen)需要(yao)堆(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。受地形(xing)限制和(he)經濟效益考慮，中國主要(yao)為濕法堆(dui)存(cun)(cun)的(de)山(shan)谷(gu)型堆(dui)場。依(yi)托柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)，針對沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)首先開展(zhan)了(le)密度、含水率、滲透、土水特征和(he)顆分(fen)等(deng)物理性質試(shi)(shi)驗(yan)，然后開展(zhan)了(le)三(san)軸(zhou)cu、蠕變(bian)及(ji)動三(san)軸(zhou)等(deng)力(li)學特性試(shi)(shi)驗(yan)。試(shi)(shi)驗(yan)結果表明：①沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)干密度與埋深(shen)沒有(you)相(xiang)關關系；②沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)不具有(you)自然分(fen)級現象，但(dan)(dan)具有(you)明顯的(de)各向異(yi)性；③沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)具有(you)較(jiao)高的(de)摩擦角(jiao)和(he)抗液(ye)化能力(li)，但(dan)(dan)其蠕變(bian)變(bian)形(xing)較(jiao)大、滲透比降較(jiao)小。上述(shu)工作為分(fen)析磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)壩(ba)體(ti)穩定性提供(gong)了(le)基礎(chu)，對現行(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫(ku)的(de)運行(xing)管理以(yi)及(ji)新建工程的(de)設計具有(you)重要(yao)的(de)借鑒意義。

引言

磷(lin)石膏(gao)是(shi)濕(shi)(shi)法磷(lin)酸(suan)生產(chan)過(guo)程中(zhong)的(de)副產(chan)品(pin)，2018年，全(quan)國(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)石膏(gao)產(chan)生量為(wei)7800萬(wan)噸(dun)，且呈逐年增長的(de)態勢。磷(lin)石膏(gao)的(de)主要(yao)成分(fen)(fen)是(shi)CaO和SO3，但含(han)有一(yi)定(ding)量的(de)氟化(hua)物和其它放(fang)射(she)性物質，在(zai)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般(ban)工(gong)(gong)(gong)業固體廢(fei)物處(chu)理，鑒于(yu)無害化(hua)處(chu)理成本較(jiao)高，目(mu)前綜合利用(yong)率尚不足40%，故大(da)部(bu)分(fen)(fen)磷(lin)石膏(gao)需要(yao)堆(dui)存存放(fang)。按堆(dui)存場地(di)(di)(di)的(de)不同(tong)，可分(fen)(fen)為(wei)平(ping)地(di)(di)(di)型(xing)、傍山(shan)(shan)型(xing)、山(shan)(shan)谷型(xing)和截河型(xing)堆(dui)場，在(zai)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)基本上(shang)是(shi)山(shan)(shan)谷型(xing)堆(dui)場。相比(bi)較(jiao)干法堆(dui)存，濕(shi)(shi)法堆(dui)存經濟(ji)優(you)勢明顯，因而如(ru)地(di)(di)(di)質條件為(wei)非碳酸(suan)鹽巖地(di)(di)(di)區，一(yi)般(ban)均(jun)采(cai)用(yong)濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)方式(shi)。隨著中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)肥工(gong)(gong)(gong)業的(de)快速發展(zhan)，本世(shi)紀初中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)相繼建設了幾座濕(shi)(shi)法堆(dui)存的(de)大(da)型(xing)磷(lin)石膏(gao)庫(ku)，例如(ru)云天化(hua)國(guo)(guo)(guo)(guo)際(ji)化(hua)工(gong)(gong)(gong)三環分(fen)(fen)公司(si)的(de)柳樹箐磷(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)和富(fu)瑞分(fen)(fen)公司(si)的(de)楊家(jia)箐磷(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設計(ji)壩(ba)高均(jun)超過(guo)100m、處(chu)于(yu)8度地(di)(di)(di)震區，其安全(quan)性備受(shou)關注。

據統計，110多年(1901年一(yi)2013年)來，全世界(jie)有(you)118座尾(wei)礦壩曾發生過(guo)破(po)壞或(huo)潰壩事故，原因主要有(you)地震、洪水(shui)漫頂、滲(shen)透破(po)壞和基礎失(shi)穩。尾(wei)礦庫失(shi)事后會造成巨大的生態災難(nan)和人員傷亡，近幾十年來，

國內(nei)外對金屬尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)沉(chen)積(ji)規(gui)律、物(wu)理力(li)學(xue)(xue)特(te)性(xing)(xing)及(ji)其穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)開(kai)(kai)展(zhan)(zhan)了大量的(de)(de)研究，但對于與金屬尾(wei)礦(kuang)庫相近的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)庫，一般僅限于在可研階(jie)段采用(yong)人(ren)工(gong)制備樣進行物(wu)理力(li)學(xue)(xue)性(xing)(xing)質試驗，并據此進行穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)分(fen)析(xi)，尚未有(you)人(ren)針對己運(yun)行若干年的(de)(de)大型濕法堆存磷石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩開(kai)(kai)展(zhan)(zhan)過磷石(shi)膏(gao)沉(chen)積(ji)規(gui)律及(ji)其物(wu)理力(li)學(xue)(xue)特(te)性(xing)(xing)的(de)(de)專(zhuan)項(xiang)研究。

本文依(yi)托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)，首先進行了鉆探取樣(yang)，采用(yong)原狀樣(yang)開展(zhan)了密度、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特(te)征(zheng)和顆(ke)分等(deng)物(wu)理性(xing)(xing)(xing)質試驗，在此基礎(chu)上(shang)有針(zhen)對性(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣(yang)開展(zhan)了三軸(zhou)CU、蠕變及動三軸(zhou)等(deng)力學特(te)性(xing)(xing)(xing)試驗。通過上(shang)述試驗研究，總結了磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)沉積規律、滲(shen)透(tou)特(te)性(xing)(xing)(xing)、滲(shen)透(tou)破壞特(te)性(xing)(xing)(xing)以及靜(jing)動力特(te)性(xing)(xing)(xing)，上(shang)述研究工作對研究和評估磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積壩(ba)的(de)穩定性(xing)(xing)(xing)提供了基礎(chu)數據，對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫的(de)運行管(guan)理以及新建工程的(de)設(she)計具有重要的(de)借鑒意義。

一、依托(tuo)工程概(gai)況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計方案

由初期壩(ba)(ba)和堆積壩(ba)(ba)組(zu)成，設(she)計(ji)總(zong)壩(ba)(ba)高約(yue)130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩(ba)壩(ba)高約30m，采(cai)用土料填筑(zhu)。上游坡(po)面(mian)、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置堆(dui)石(shi)排(pai)水體，三者(zhe)相(xiang)連通構成整個堆(dui)積壩(ba)的主要排(pai)滲系統。

(2)堆積壩及其(qi)輔助排滲措施

采(cai)用上游(you)式筑壩(ba)法，共(gong)20級子(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約100m。采(cai)用排(pai)滲(shen)管(guan)網(wang)作為(wei)輔(fu)助排(pai)滲(shen)方(fang)案，目前己在5級、9級子(zi)壩(ba)和13級子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范(fan)圍內設置(zhi)了井字形(xing)排(pai)滲(shen)管(guan)網(wang)。

1.2沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏的鉆探(tan)取樣

鉆孔(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月(yue)(yue)，堆積(ji)(ji)至(zhi)(zhi)5級(ji)子(zi)壩時，布設(she)了(le)9個(ge)取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號K1～K9，取原狀(zhuang)樣(yang)76件；2013年(nian)5月(yue)(yue)，堆積(ji)(ji)至(zhi)(zhi)13級(ji)子(zi)壩時，又布設(she)了(le)11個(ge)取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號K10～K20，取原狀(zhuang)樣(yang)112件，為比(bi)較子(zi)壩加高和磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)過程中磷石(shi)膏(gao)(gao)物理力(li)學性質的變(bian)化，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近各(ge)布設(she)了(le)一(yi)個(ge)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷(lin)石膏(gao)尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入(ru)運行，截至(zhi)2013年(nian)5月己堆(dui)(dui)至(zhi)13級子壩(ba)，尚有7級子壩(ba)即堆(dui)(dui)存(cun)至(zhi)設計高程。鑒于磷(lin)石膏(gao)庫(ku)地(di)形、地(di)質條件較(jiao)好(hao)，具備(bei)擴容改造的條件，以提(ti)高堆(dui)(dui)存(cun)庫(ku)容，減少堆(dui)(dui)存(cun)占地(di)，節約土地(di)資源。

本文主(zhu)要對(dui)沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)物(wu)理力學特(te)性(xing)進行了全面總結，限于篇幅(fu)，有關現狀磷(lin)石膏(gao)庫堆積壩的(de)安全性(xing)評價及其加高可(ke)行性(xing)的(de)研究將(jiang)另文發表。

二(er)、沉積磷石膏的物理力學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給(gei)出(chu)了14個鉆孔的取樣深度和試驗所(suo)得干密度的關(guan)系(xi)，圖中UWL表示水(shui)(shui)(shui)位(wei)線上，(系(xi)鉆孔期間的初(chu)見(jian)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線，下(xia)同(tong))，DWL表示水(shui)(shui)(shui)位(wei)線下(xia)。圖3給(gei)出(chu)了水(shui)(shui)(shui)位(wei)線上下(xia)的飽和度分布圖。由于(yu)磷石膏中的主要成分為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫(wen)度和烘烤時間對測定結(jie)果(guo)有(you)一定影響(xiang)，不能(neng)照搬現行(xing)的土工試驗規(gui)范，本(ben)文磷石膏的含水(shui)(shui)(shui)率測定方(fang)法為55℃溫(wen)度下(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深的關系(xi)

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

由圖3，水(shui)(shui)位(wei)(wei)線上的磷(lin)石膏(gao)飽和(he)度(du)平均(jun)值為50.4%，處(chu)于(yu)非飽和(he)狀(zhuang)態(tai)，水(shui)(shui)位(wei)(wei)線以下(xia)的磷(lin)石膏(gao)飽和(he)度(du)平均(jun)值為85.0%，基本處(chu)于(yu)飽和(he)狀(zhuang)態(tai)，由于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)下(xia)降(jiang)后磷(lin)石膏(gao)來不及(ji)排水(shui)(shui)固結，故(gu)而水(shui)(shui)位(wei)(wei)線上局部試(shi)樣的飽和(he)度(du)較高。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)(yi)上的(de)干密度(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)干密度(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石膏與(yu)一(yi)般的(de)尾礦有所(suo)不同，磷(lin)石膏的(de)干密度(du)(du)并不隨埋深的(de)增大(da)(da)而明(ming)顯增大(da)(da)，但水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)磷(lin)石膏干密度(du)(du)從(cong)統計意義(yi)上來(lai)看(kan)仍大(da)(da)于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)(yi)上的(de)磷(lin)石膏干密度(du)(du)，這主(zhu)要是由于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)的(de)變化(hua)反復升(sheng)降而使得磷(lin)石膏排水(shui)(shui)固(gu)結所(suo)致。

室內擊(ji)實(shi)得到的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石膏(gao)最大(da)(da)干密度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可(ke)以看出，自然沉積的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石膏(gao)最大(da)(da)干密度(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原(yuan)因如(ru)下(xia)：與經典的(de)(de)(de)(de)土骨(gu)架不可(ke)壓縮的(de)(de)(de)(de)理論(lun)不同(tong)(tong)，石膏(gao)本身可(ke)壓縮，同(tong)(tong)時由于顆粒結構不穩定(ding)，擊(ji)實(shi)試(shi)驗過程中磷(lin)石膏(gao)結構被(bei)破壞，受(shou)夯擊(ji)處下(xia)陷，四周鼓起，出現了類(lei)似(si)于橡皮土的(de)(de)(de)(de)現象(xiang)。而在(zai)現場(chang)條件下(xia)，石膏(gao)骨(gu)架被(bei)破壞后(hou)，會導致顆粒中的(de)(de)(de)(de)結合水(shui)滲出至孔(kong)(kong)隙內，變(bian)成孔(kong)(kong)隙水(shui)，排(pai)水(shui)固結后(hou)會使(shi)得磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)孔(kong)(kong)隙比減小，干密度(du)增大(da)(da)。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)于2級子(zi)壩(ba)河床部(bu)位(wei))以及(ji)相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)于4級子(zi)壩(ba)河床部(bu)位(wei))干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為1.37g/cm3。可見(jian)，即使從統計意義上來看，磷石(shi)膏的(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)也(ye)并未隨后續磷石(shi)膏的(de)堆積而有較為明(ming)顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析(xi)試驗采(cai)用(yong)密度(du)計法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷(lin)酸(suan)鈉。圖5給出了試驗得到的級配包線(xian)、平均粒徑d50、不(bu)均勻系(xi)數(shu)(1u和曲率系(xi)數(shu)Cc的分布圖。

從(cong)圖5(a)可(ke)見，磷石膏的(de)粒(li)徑主要分布在(zai)0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬(shu)于粉(fen)土，但(dan)可(ke)能由于礦(kuang)石來源或生(sheng)產工(gong)藝有所不同，局部屬(shu)于粉(fen)砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑分布范(fan)圍比Blight和(he)張超等的(de)試驗(yan)結果要寬一些。

圖4子(zi)壩加高后(hou)沉積磷石膏的干(gan)密度(du)變化

圖5沉積磷石膏的平均粒(li)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(chui)直向，磷(lin)石(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)(cu)后(hou)細(xi)(xi)，上粗(cu)(cu)下細(xi)(xi)”的(de)(de)自然分級現象不(bu)(bu)同，也即粗(cu)(cu)顆粒(li)(li)并不(bu)(bu)是(shi)沿埋深(shen)逐(zhu)步減小或距離放漿(jiang)口越遠顆粒(li)(li)越細(xi)(xi)，其(qi)原因如下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成(cheng)較(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差(cha)；②相比(bi)(bi)(bi)較(jiao)金屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)(zhong)較(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)(zhong)一(yi)般為2.3～2.4，遠小于金屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)(zhong)，例如鐵(tie)尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)(zhong)可(ke)達2.9；③放漿(jiang)口隨(sui)子(zi)壩高度不(bu)(bu)斷增加而(er)不(bu)(bu)斷變動并向庫尾(wei)延伸，造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明(ming)顯。

從圖5(d)可見，不(bu)(bu)均(jun)勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為1.21，在統計的(de)100多(duo)個試樣(yang)中，屬于(yu)級配(pei)不(bu)(bu)良土的(de)占(zhan)93%。這種級配(pei)特性決定了磷(lin)石(shi)膏具有較(jiao)高的(de)壓縮性、滲透破壞型式表現為流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)的(de)主要因素是(shi)粒(li)徑大小、級配和孔(kong)(kong)隙(xi)比(bi)，因而磷(lin)石膏的(de)滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)為接近。由于(yu)孔(kong)(kong)隙(xi)比(bi)e減小，使得過水(shui)通道(dao)面積減小，滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)k也將(jiang)減小，k與(yu)e呈正相(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)。對砂土(tu)，一(yi)般認為滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)曲線，由于(yu)沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)變化較(jiao)大，使得沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)滲(shen)透系(xi)(xi)數(shu)變化范(fan)圍較(jiao)大(平均值為10-4cm/s數(shu)量級)，二(er)者問的(de)線性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲(shen)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(gei)出(chu)了水(shui)(shui)平與垂直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)比值(zhi)(zhi)的(de)分布(bu)(bu)。沉(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏的(de)水(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)kh一般(ban)大于(yu)垂直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)kv,kh/kv平均值(zhi)(zhi)約為2.86，這一點與成(cheng)層分布(bu)(bu)的(de)金屬(shu)尾(wei)礦規(gui)律一致。造成(cheng)沉(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏水(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)大于(yu)垂直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)的(de)原因是由(you)(you)于(yu)磷石(shi)(shi)膏具(ju)有明(ming)顯(xian)的(de)晶體結構，電鏡掃描顯(xian)示多(duo)為菱(ling)形和棱柱狀形式(見圖8)，在(zai)沉(chen)積(ji)過程中，由(you)(you)于(yu)扁平狀磷石(shi)(shi)膏顆粒多(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)平排列，使得(de)水(shui)(shui)平方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)大于(yu)垂直(zhi)(zhi)(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)，從而使磷石(shi)(shi)膏呈(cheng)現明(ming)顯(xian)的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)(xing)。

另根據中國有色金屬工業昆明勘察設計(ji)研究(jiu)院在楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩開(kai)展(zhan)的(de)現場滲透試驗，kh/kv的(de)平均值約(yue)為1.9。但張超等的(de)室內試驗顯示，kh/kv的(de)平均值約(yue)為0.46，也即垂直向滲透系數(shu)大于(yu)水平向滲透系數(shu)，與本文和(he)現場試驗結(jie)果恰(qia)恰(qia)相(xiang)反(fan)。從(cong)磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)微觀(guan)結(jie)構(gou)來看，本文試驗結(jie)果更為合理。

圖7沉積磷(lin)石膏干密度與水平和(he)垂直滲透(tou)系數比(bi)值的關(guan)系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)石(shi)膏干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度(du)J與流速V的(de)(de)(de)關系(xi)曲(qu)線，試驗在(zai)水(shui)(shui)(shui)平管(guan)涌儀(yi)中(zhong)采用水(shui)(shui)(shui)平方向的(de)(de)(de)滲流形式進行。試驗得到的(de)(de)(de)臨界坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一般來說，對(dui)1，2級(ji)工(gong)程，滲透安全系(xi)數取為(wei)2.5，則允許(xu)(xu)出逸坡(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下(xia)工(gong)程，滲透安全系(xi)數取2.0，則允許(xu)(xu)出逸坡(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允許(xu)(xu)比降(jiang)與粉土一粉砂大(da)致相同。但(dan)上述滲透變形試驗是采用自來水(shui)(shui)(shui)進行的(de)(de)(de)，自來水(shui)(shui)(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏具有一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)溶(rong)蝕作用，而實(shi)際上磷(lin)(lin)石(shi)膏中(zhong)殘余磷(lin)(lin)、硫(liu)和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一般小于3(稱之(zhi)為(wei)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)作用下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏不會(hui)發(fa)生破(po)壞，上述試驗結果是偏于保(bao)守的(de)(de)(de)，但(dan)對(dui)非酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴(bao)雨)下(xia)的(de)(de)(de)滲透穩定(ding)(ding)判(pan)斷有一定(ding)(ding)的(de)(de)(de)借鑒意義。

圖9水(shui)力梯度J-流(liu)速v試驗(yan)過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力(li)板儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了(le)含水(shui)率特征值，試驗曲線(xian)見圖10所(suo)示(shi)。

試驗結果表明：①干(gan)密(mi)度(du)(du)對進氣(qi)值沒有明顯的影響，不同干(gan)密(mi)度(du)(du)的試樣(yang)的進氣(qi)值大致(zhi)在10kPa左(zuo)右(you)；②土樣(yang)殘余含水率隨干(gan)密(mi)度(du)(du)的增(zeng)加而減少，殘余含水率約為飽和含水率的10%。上(shang)述特性與粉(fen)土一粉(fen)砂基(ji)本一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)密度(du)變化較(jiao)大，而進行(xing)(xing)三(san)軸試驗需要(yao)若(ruo)干(gan)原狀樣，為使試驗結果具(ju)有(you)較(jiao)好的(de)一致性(xing)，有(you)針(zhen)對性(xing)的(de)選擇平均干(gan)密度(du)分(fen)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(de)若(ruo)干(gan)試樣，進行(xing)(xing)了5組三(san)軸CU試驗。圖(tu)11是為干(gan)密度(du)為1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試驗曲線。

從圖11可以看出，磷石膏的(de)(de)(de)應(ying)力應(ying)變(bian)關系曲線在低圍(wei)(wei)壓下表現為軟化型，在高圍(wei)(wei)壓下表現為硬(ying)化型，與一(yi)般土類相似。但與一(yi)般粉土一(yi)粉砂不同的(de)(de)(de)是，即使在較為疏松(song)的(de)(de)(de)狀態下，磷石膏仍表現了較為強烈的(de)(de)(de)剪(jian)脹(zhang)，隨(sui)密實度增大，剪(jian)脹(zhang)作用愈(yu)發明顯(xian)。

表(biao)(biao)2給出(chu)(chu)了(le)不(bu)同干密(mi)度(du)(du)下的(de)內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出(chu)(chu)了(le)內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干密(mi)度(du)(du)的(de)關系曲線。隨干密(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)大(da)(da)(da)，內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨之(zhi)增(zeng)大(da)(da)(da)，且可采用冪(mi)函數較(jiao)(jiao)好地擬合。磷(lin)石膏(gao)的(de)干密(mi)度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬合曲線求得)，增(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%，有效應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%，由于隨圍(wei)壓(ya)的(de)增(zeng)大(da)(da)(da)，孔(kong)壓(ya)也(ye)明顯增(zeng)大(da)(da)(da)，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)幅較(jiao)(jiao)之(zhi)總應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)于干密(mi)度(du)(du)增(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)幅并(bing)不(bu)顯著(zhu)，表(biao)(biao)明即使(shi)較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)磷(lin)石膏(gao)仍具有較(jiao)(jiao)高的(de)強度(du)(du)指(zhi)標，這也(ye)表(biao)(biao)明磷(lin)石膏(gao)堆積壩的(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗

磷石膏的蠕變變形(xing)試(shi)驗(yan)(yan)在側(ce)限壓縮儀中(zhong)進行，試(shi)驗(yan)(yan)狀態相當于K0固結。試(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽(bao)和后分別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗(yan)(yan)，

試驗(yan)從2012年(nian)8月27日(ri)開始，試驗(yan)己(ji)進(jin)行了(le)1年(nian)多(duo)，試驗(yan)結果見圖13所示。

從圖13中可以看出：上覆荷載越大，磷石膏(gao)(gao)的(de)蠕(ru)變變形也(ye)越大，荷載施加1年(nian)后(hou)，磷石膏(gao)(gao)的(de)蠕(ru)變變形仍非常顯著，尚未(wei)達到穩(wen)定(ding)狀態，這(zhe)也(ye)是磷石膏(gao)(gao)堆(dui)積壩后(hou)期變形較(jiao)大的(de)原(yuan)因，原(yuan)型觀測資(zi)料表明，在5級子壩河床(chuang)部位的(de)表面沉降量已經達到3.1m，且尚未(wei)完全穩(wen)定(ding)。

按時(shi)間(jian)(jian)對(dui)數法，可(ke)求得(de)各(ge)級荷載(zai)下的(de)主(zhu)次(ci)(ci)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)量(liang)如表3所(suo)示。試驗結(jie)果表明(ming)，在(zai)(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆(fu)荷載(zai)作用下，在(zai)(zai)(zai)(zai)試驗時(shi)間(jian)(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(次(ci)(ci)固結(jie))變(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)尚未完成(cheng)，實際的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)應更大。對(dui)土體(ti)(ti)而(er)言(yan)，發(fa)(fa)生(sheng)蠕(ru)變(bian)的(de)原因是由于(yu)土體(ti)(ti)在(zai)(zai)(zai)(zai)主(zhu)固結(jie)完成(cheng)之(zhi)后(hou)，土體(ti)(ti)中(zhong)仍有微小(xiao)的(de)超靜(jing)孔隙(xi)壓力存在(zai)(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)(zai)顆粒問流動，一般(ban)來講土體(ti)(ti)的(de)次(ci)(ci)固結(jie)遠(yuan)(yuan)小(xiao)于(yu)主(zhu)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏(gao)(gao)而(er)言(yan)，其(qi)(qi)滲透系(xi)數在(zai)(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數量(liang)級，遠(yuan)(yuan)大于(yu)黏(nian)性土，但其(qi)(qi)卻(que)發(fa)(fa)生(sheng)了極(ji)為顯著的(de)次(ci)(ci)固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)，其(qi)(qi)原因在(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)磷石膏(gao)(gao)晶體(ti)(ti)結(jie)構發(fa)(fa)生(sheng)了壓縮、破壞，接觸點晶格發(fa)(fa)生(sheng)歪曲(qu)和變(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞后(hou)晶格之(zhi)間(jian)(jian)的(de)重(zhong)新(xin)排列、調整到最(zui)后(hou)趨于(yu)相對(dui)靜(jing)止需要(yao)相當(dang)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)(jian)才能(neng)完成(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗設備(bei)采用英國GDS公(gong)司進口的電機控制動(dong)三軸試驗系統，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼(ni)比

同樣由(you)于自然沉積(ji)的磷石膏密(mi)度(du)(du)變(bian)(bian)化(hua)較大，為此根據物理(li)性(xing)質試驗結果，選(xuan)擇兩種(zhong)平均干密(mi)度(du)(du)1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模量G、阻(zu)尼比與剪應(ying)變幅值γd的關系式如下：

式中(zhong)k1為(wei)參數，表(biao)示動(dong)剪(jian)切(qie)(qie)模量(liang)(liang)的(de)(de)衰減或(huo)阻(zu)尼比的(de)(de)增(zeng)長速率；λmax為(wei)最大(da)阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)最大(da)動(dong)剪(jian)切(qie)(qie)模量(liang)(liang)和歸一化的(de)(de)動(dong)剪(jian)應變，表(biao)示為(wei)

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球(qiu)應力(li)；Pa為(wei)標準(zhun)大(da)氣壓；vd為(wei)動(dong)(dong)泊松比；εa為(wei)歸一化的動(dong)(dong)應變，表達為(wei)

圖14給出了(le)動剪(jian)切模量、阻(zu)尼比與歸一化動應變的關系(xi)曲線，另外圖中還(huan)給出了(le)式(1)的擬合曲線以及Seed等給出的砂樣的上下(xia)邊界線，圖例中，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固(gu)結應力比。

從(cong)圖(tu)中(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可較(jiao)好地描述(shu)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)應力(li)-動(dong)(dong)應變(bian)試驗曲線，表明采用等價(jia)黏彈性模(mo)(mo)(mo)型進行(xing)循環荷載作(zuo)用下的(de)(de)分(fen)析是(shi)可行(xing)的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線位(wei)(wei)于(yu)(yu)干密(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線上方(fang)(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)則位(wei)(wei)于(yu)(yu)下方(fang)(fang)，表明密(mi)度(du)越大，動(dong)(dong)彈模(mo)(mo)(mo)越大、阻(zu)尼比(bi)越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密(mi)度(du)的(de)(de)擬(ni)合線基(ji)本位(wei)(wei)于(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)邊(bian)(bian)界(jie)線上方(fang)(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)則基(ji)本處于(yu)(yu)邊(bian)(bian)界(jie)線中(zhong)間，表明相(xiang)比(bi)較(jiao)砂樣(yang)(yang)，磷(lin)石膏(gao)動(dong)(dong)彈模(mo)(mo)(mo)較(jiao)大，會(hui)(hui)導致(zhi)磷(lin)石膏(gao)堆(dui)(dui)積壩的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應較(jiao)大，但由于(yu)(yu)阻(zu)尼比(bi)也較(jiao)大，這(zhe)樣(yang)(yang)又會(hui)(hui)削(xue)弱壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應，二者的(de)(de)相(xiang)互(hu)影(ying)響下，磷(lin)石膏(gao)堆(dui)(dui)積壩壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應將不會(hui)(hui)過于(yu)(yu)強烈，這(zhe)對磷(lin)石膏(gao)堆(dui)(dui)積壩的(de)(de)抗震(zhen)穩(wen)定(ding)性是(shi)有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩(liang)種平均干密度為(wei)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，破壞標準為(wei)總應變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動剪應(ying)力比τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次Nf的(de)關系(xi)(xi)曲線(xian)圖(tu)，其(qi)中σ0為(wei)振(zhen)前試樣45°面上(shang)的(de)有效法向應(ying)力，表(biao)達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結(jie)比。從試驗(yan)結(jie)果可以看出(chu)，沉積磷石膏的(de)動強度與(yu)其(qi)它土(tu)體相(xiang)似，表(biao)現為(wei)圍壓和固(gu)結(jie)應(ying)力比與(yu)動剪應(ying)力比呈負相(xiang)關關系(xi)(xi)。

為(wei)(wei)判別沉積磷石膏(gao)的抗液化能力，假定(ding)抗震(zhen)設計烈(lie)度為(wei)(wei)8度，即(ji)等(deng)效振次Ⅳ可取(qu)為(wei)(wei)30。首(shou)先由式(4)

所示的冪(mi)函(han)數關系式得到振次為(wei)30時各個圍壓和固結比(bi)下的動剪應(ying)力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合(he)求得動剪應力比(bi)與圍壓和固結應力比(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(shang)述(shu)擬合關系式可見，密實度提高后(hou)，動(dong)剪(jian)應力(li)比提高，表明抗(kang)液(ye)化能力(li)也(ye)提高。但即使是在低密度下，其(qi)動(dong)剪(jian)應力(li)比較之(zhi)同類(lei)的(de)粉土或(huo)粉砂(sha)也(ye)大出許多，表明磷石膏具有較高的(de)抗(kang)液(ye)化能力(li)。

三、結論

依托柳(liu)樹箐磷石膏堆積壩(ba)，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開展了物(wu)理(li)性質試(shi)(shi)驗(yan)，然后開展了靜(jing)動力力學(xue)特(te)性試(shi)(shi)驗(yan)。通(tong)過上述試(shi)(shi)驗(yan)研(yan)究，得出如(ru)下結(jie)論：

(1)沉積磷石膏(gao)總體上屬于級(ji)配不良(liang)的粉土(tu)，局部屬于粉砂(sha)一中砂(sha)，無自(zi)然分級(ji)現象。其干(gan)密度和粒徑變化(hua)隨埋深或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離的變化(hua)不明顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水平(ping)方(fang)向的滲透(tou)系數(shu)大(da)于垂直方(fang)向的滲透(tou)系數(shu)，呈現明顯的各向異性。

(3)與土體(ti)顆粒不可(ke)壓縮不同(tong)，磷石膏的晶體(ti)結(jie)構會發(fa)生壓縮破壞，具有較大的壓縮性，其(qi)次固(gu)結(jie)變形量(liang)遠大于主固(gu)結(jie)變形量(liang)。

(4)沉積磷石膏的靜(jing)動(dong)強(qiang)度較之同(tong)等密實度下(xia)的粉土、粉砂要(yao)高。