沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)是磷(lin)(lin)(lin)酸生產(chan)過程中的(de)副產(chan)品，目前的(de)綜合(he)利用(yong)率(lv)尚(shang)不(bu)足40%，大(da)部分(fen)(fen)需要堆存(cun)存(cun)放。受地形(xing)限制和經濟效益考慮，中國主(zhu)要為濕法堆存(cun)的(de)山(shan)谷(gu)型堆場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)堆積(ji)壩，針對沉積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)首先開展了密度(du)、含(han)水率(lv)、滲(shen)透、土水特(te)征和顆分(fen)(fen)等(deng)(deng)物理(li)性質試驗，然后開展了三(san)軸cu、蠕變(bian)及動三(san)軸等(deng)(deng)力(li)學特(te)性試驗。試驗結果表明：①沉積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)干(gan)密度(du)與埋深沒有(you)相(xiang)關(guan)關(guan)系；②沉積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)不(bu)具有(you)自然分(fen)(fen)級(ji)現(xian)象，但(dan)具有(you)明顯(xian)的(de)各向異性；③沉積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)具有(you)較高的(de)摩擦(ca)角和抗液化能力(li)，但(dan)其蠕變(bian)變(bian)形(xing)較大(da)、滲(shen)透比降較小。上述(shu)工(gong)(gong)作為分(fen)(fen)析磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)堆積(ji)壩的(de)壩體穩定性提(ti)供了基礎(chu)，對現(xian)行磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫(ku)的(de)運行管理(li)以(yi)及新建工(gong)(gong)程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒(jian)意(yi)義。

引(yin)言

磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)是(shi)濕(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)過程中的(de)(de)副(fu)產(chan)品，2018年，全(quan)國磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)產(chan)生(sheng)量(liang)為7800萬噸，且呈(cheng)逐(zhu)年增長的(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)主要成分(fen)是(shi)CaO和SO3，但含有一定(ding)量(liang)的(de)(de)氟化(hua)(hua)(hua)物(wu)和其(qi)它放射性物(wu)質，在中國通(tong)常(chang)按(an)Ⅱ類一般工(gong)(gong)業(ye)固體(ti)廢物(wu)處(chu)理(li)，鑒(jian)于(yu)無害化(hua)(hua)(hua)處(chu)理(li)成本較(jiao)高(gao)，目前綜合利用(yong)率尚不(bu)(bu)足40%，故(gu)大(da)部(bu)分(fen)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)需要堆(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)存(cun)場地(di)的(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)，可分(fen)為平(ping)地(di)型、傍山型、山谷(gu)型和截河型堆(dui)場，在中國基本上是(shi)山谷(gu)型堆(dui)場。相比較(jiao)干法(fa)堆(dui)存(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)經濟優勢(shi)明顯(xian)，因而(er)如(ru)地(di)質條件(jian)為非碳(tan)酸鹽巖地(di)區，一般均采用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)方式。隨著(zhu)中國磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥工(gong)(gong)業(ye)的(de)(de)快速發展，本世紀初中國相繼建設了幾(ji)座濕(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)，例如(ru)云天化(hua)(hua)(hua)國際(ji)化(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)三環(huan)分(fen)公司的(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)和富瑞分(fen)公司的(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設計壩(ba)高(gao)均超過100m、處(chu)于(yu)8度(du)地(di)震區，其(qi)安(an)全(quan)性備受關(guan)注(zhu)。

據(ju)統計，110多年(1901年一2013年)來(lai)(lai)，全世界有118座尾(wei)(wei)礦(kuang)壩曾發生過破壞或(huo)潰壩事故，原因主要(yao)有地震、洪(hong)水漫頂、滲透破壞和(he)基礎失穩(wen)。尾(wei)(wei)礦(kuang)庫(ku)失事后會造(zao)成巨大(da)的生態(tai)災難和(he)人員(yuan)傷亡(wang)，近幾十年來(lai)(lai)，

國內(nei)外對金屬尾礦(kuang)的(de)沉(chen)積規(gui)律(lv)、物理力(li)(li)學特性(xing)及其穩(wen)定性(xing)開展了大(da)量(liang)的(de)研(yan)究，但對于與金屬尾礦(kuang)庫相近的(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫，一般僅限(xian)于在可研(yan)階段(duan)采用(yong)人工制(zhi)備樣進行(xing)物理力(li)(li)學性(xing)質試驗，并據(ju)此進行(xing)穩(wen)定性(xing)分析，尚未(wei)有(you)人針對己運(yun)行(xing)若干(gan)年的(de)大(da)型濕(shi)法堆存(cun)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積壩開展過磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)沉(chen)積規(gui)律(lv)及其物理力(li)(li)學特性(xing)的(de)專項研(yan)究。

本文(wen)依托(tuo)柳樹箐(qing)磷石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)，首先進行(xing)了(le)鉆探取(qu)樣，采用原(yuan)狀(zhuang)樣開展(zhan)了(le)密(mi)度、含水率(lv)、滲透、土(tu)水特(te)征和(he)顆(ke)分(fen)等物理(li)性(xing)質試(shi)驗，在此基礎(chu)上有(you)針對性(xing)的(de)(de)選擇原(yuan)狀(zhuang)樣開展(zhan)了(le)三(san)(san)軸CU、蠕變(bian)及(ji)動三(san)(san)軸等力學特(te)性(xing)試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研(yan)究，總結了(le)磷石膏的(de)(de)沉(chen)積(ji)規律(lv)、滲透特(te)性(xing)、滲透破壞特(te)性(xing)以及(ji)靜動力特(te)性(xing)，上述研(yan)究工(gong)作對研(yan)究和(he)評估磷石膏庫堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)穩(wen)定性(xing)提供了(le)基礎(chu)數據(ju)，對現行(xing)磷石膏庫的(de)(de)運行(xing)管理(li)以及(ji)新建工(gong)程的(de)(de)設計具有(you)重要的(de)(de)借(jie)鑒意義。

一、依(yi)托工程概(gai)況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏堆(dui)積壩(ba)堆(dui)存設計方案

由初期(qi)壩(ba)(ba)和堆積壩(ba)(ba)組成，設計總壩(ba)(ba)高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩壩高(gao)約30m，采(cai)用(yong)土料填筑。上(shang)游(you)坡面、壩底和下游(you)壩腳設置(zhi)堆石排(pai)水體，三者相連通構成整個堆積壩的主要排(pai)滲(shen)系統(tong)。

(2)堆積壩及(ji)其輔助排滲措施

采用上游式筑(zhu)壩(ba)(ba)(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)，頂寬(kuan)6～9m，高度(du)(du)5m，堆積高度(du)(du)約100m。采用排滲管(guan)網作(zuo)為輔助排滲方(fang)案，目前(qian)己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)和13級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)前(qian)120m范圍內設置(zhi)了井字形排滲管(guan)網。

1.2沉積(ji)磷石膏(gao)的鉆探取樣

鉆孔平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)(dui)積(ji)至(zhi)5級子(zi)壩(ba)時，布(bu)設(she)了(le)(le)9個(ge)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)鉆孔，鉆孔編(bian)號K1～K9，取(qu)(qu)(qu)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)76件(jian)；2013年5月，堆(dui)(dui)積(ji)至(zhi)13級子(zi)壩(ba)時，又(you)布(bu)設(she)了(le)(le)11個(ge)取(qu)(qu)(qu)樣(yang)(yang)鉆孔，鉆孔編(bian)號K10～K20，取(qu)(qu)(qu)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)112件(jian)，為比(bi)較子(zi)壩(ba)加高和磷(lin)石膏堆(dui)(dui)積(ji)過(guo)程(cheng)中磷(lin)石膏物理力學性質的變化，在2，4級子(zi)壩(ba)K2孔和K6孔附(fu)近各布(bu)設(she)了(le)(le)一個(ge)鉆孔，鉆孔編(bian)號分(fen)別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷石(shi)膏尾礦庫(ku)2005年開(kai)工(gong)建(jian)設，2006年1月投(tou)入運行，截至(zhi)(zhi)2013年5月己堆(dui)(dui)至(zhi)(zhi)13級(ji)(ji)子(zi)壩，尚有7級(ji)(ji)子(zi)壩即(ji)堆(dui)(dui)存至(zhi)(zhi)設計高程(cheng)。鑒于(yu)磷石(shi)膏庫(ku)地(di)形、地(di)質(zhi)條件(jian)(jian)較好，具備擴(kuo)容改(gai)造的(de)條件(jian)(jian)，以(yi)提高堆(dui)(dui)存庫(ku)容，減(jian)少堆(dui)(dui)存占地(di)，節約土地(di)資源。

本文主(zhu)要(yao)對沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)物理(li)力學特性進行了全面總(zong)結，限于篇幅(fu)，有關現狀(zhuang)磷(lin)石膏庫堆(dui)積壩的(de)安全性評價及(ji)其加高可行性的(de)研究將另文發(fa)表(biao)。

二、沉積磷石(shi)膏的物理(li)力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)(tu)2給(gei)出了(le)14個鉆孔(kong)的(de)(de)取(qu)樣深度和(he)試驗所(suo)得干密度的(de)(de)關系，圖(tu)(tu)中(zhong)UWL表示(shi)水位(wei)線(xian)(xian)上，(系鉆孔(kong)期間(jian)的(de)(de)初見(jian)水位(wei)線(xian)(xian)，下(xia)同)，DWL表示(shi)水位(wei)線(xian)(xian)下(xia)。圖(tu)(tu)3給(gei)出了(le)水位(wei)線(xian)(xian)上下(xia)的(de)(de)飽和(he)度分(fen)(fen)布(bu)圖(tu)(tu)。由于(yu)磷石膏中(zhong)的(de)(de)主(zhu)要成分(fen)(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同溫(wen)度和(he)烘烤(kao)時間(jian)對測定結果有一定影響，不(bu)(bu)能照搬現行的(de)(de)土工試驗規范，本(ben)文磷石膏的(de)(de)含水率測定方法為55℃溫(wen)度下(xia)烘培24h。

圖2沉積(ji)磷石(shi)膏干密度與埋深的關(guan)系(xi)

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

由(you)圖3，水位線(xian)上的磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)(bao)和(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為50.4%，處(chu)于非(fei)飽(bao)(bao)(bao)(bao)和(he)狀態，水位線(xian)以下(xia)的磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)(bao)和(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為85.0%，基本處(chu)于飽(bao)(bao)(bao)(bao)和(he)狀態，由(you)于水位下(xia)降后磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)來不及排(pai)水固結(jie)，故而水位線(xian)上局部試樣的飽(bao)(bao)(bao)(bao)和(he)度(du)較高(gao)。

由(you)圖2，水位(wei)線(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)以(yi)(yi)下(xia)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)與一般的(de)(de)(de)尾礦有(you)所不(bu)同(tong)，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度并不(bu)隨埋深的(de)(de)(de)增大而明(ming)顯(xian)增大，但(dan)水位(wei)線(xian)以(yi)(yi)下(xia)的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度從統計(ji)意義上(shang)來(lai)看仍大于水位(wei)線(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度，這主要是(shi)由(you)于水位(wei)線(xian)隨庫水位(wei)的(de)(de)(de)變(bian)化反復升降(jiang)而使(shi)得磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)排水固結(jie)所致。

室內擊(ji)實得到(dao)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干密度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出(chu)，自然沉積的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干密度(du)可達(da)到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)(de)土骨架(jia)不可壓(ya)縮(suo)的(de)(de)理論(lun)不同，石(shi)膏(gao)本身(shen)可壓(ya)縮(suo)，同時由(you)于顆(ke)粒結(jie)構(gou)不穩定，擊(ji)實試驗過程中(zhong)磷石(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)被(bei)破壞(huai)(huai)，受夯擊(ji)處(chu)下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現了(le)類似(si)于橡皮土的(de)(de)現象。而在現場條件下(xia)，石(shi)膏(gao)骨架(jia)被(bei)破壞(huai)(huai)后，會導(dao)致顆(ke)粒中(zhong)的(de)(de)結(jie)合(he)水(shui)(shui)滲出(chu)至孔(kong)隙內，變成孔(kong)隙水(shui)(shui)，排水(shui)(shui)固結(jie)后會使得磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)孔(kong)隙比減小，干密度(du)增大。

圖4給出(chu)了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)于(yu)2級子(zi)(zi)壩河床(chuang)部位(wei))以及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)于(yu)4級子(zi)(zi)壩河床(chuang)部位(wei))干(gan)密度的(de)(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密度在1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密度在1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密度在1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干(gan)密度在1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使從(cong)統計(ji)意義上來看，磷石膏的(de)(de)(de)干(gan)密度也并未隨后(hou)續(xu)磷石膏的(de)(de)(de)堆積(ji)而有較為(wei)(wei)明顯(xian)的(de)(de)(de)增(zeng)大。

(2)級配分布

顆(ke)粒分(fen)析試(shi)驗采用(yong)密(mi)度計法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給(gei)出了試(shi)驗得(de)到(dao)的(de)級配包線、平均粒徑d50、不(bu)均勻(yun)系(xi)數(1u和曲率(lv)系(xi)數Cc的(de)分(fen)布圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷(lin)石膏的粒徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總體上(shang)屬于(yu)粉(fen)土，但可能由于(yu)礦石來源或生產工藝(yi)有(you)所不同，局部屬于(yu)粉(fen)砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分布范圍比Blight和張超等的試驗(yan)結果(guo)要(yao)寬一些。

圖4子壩加(jia)高后(hou)沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)干密度變(bian)化

圖(tu)5沉積磷石(shi)膏的平均粒徑和級(ji)配(pei)分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論是水平(ping)向還是垂直向，磷(lin)(lin)石膏(gao)與金(jin)屬(shu)礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)(de)(de)“前粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的(de)(de)(de)自然分級(ji)(ji)現(xian)象不(bu)同，也即粗(cu)顆粒(li)并不(bu)是沿(yan)埋深(shen)逐步(bu)減小或距離放漿口越遠顆粒(li)越細，其(qi)原因如下：①磷(lin)(lin)石膏(gao)顆粒(li)粒(li)徑(jing)組(zu)成較為集中、均勻，主(zhu)要以粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級(ji)(ji)配(pei)較差；②相比(bi)較金(jin)屬(shu)尾礦(kuang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)比(bi)重較小，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)比(bi)重一般為2.3～2.4，遠小于金(jin)屬(shu)尾礦(kuang)的(de)(de)(de)比(bi)重，例(li)如鐵尾礦(kuang)的(de)(de)(de)比(bi)重可(ke)達2.9；③放漿口隨子壩高度(du)不(bu)斷增加而不(bu)斷變(bian)動并向庫尾延伸，造成沉積磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)粒(li)徑(jing)變(bian)化(hua)不(bu)明顯(xian)。

從圖5(d)可(ke)見，不均勻(yun)系數Cu范圍值1.61～21.5，平(ping)均值為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值0.28～9.78，平(ping)均值為(wei)1.21，在(zai)統計的(de)(de)100多個試樣中，屬于(yu)級(ji)配不良(liang)土(tu)的(de)(de)占93%。這種級(ji)配特性決定了磷石(shi)膏具有較高的(de)(de)壓縮性、滲透(tou)破壞型式表現為(wei)流土(tu)破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)主要因(yin)素是粒(li)徑大小(xiao)(xiao)、級(ji)配和孔隙(xi)比，因(yin)而(er)磷(lin)石膏的(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)與粉土(tu)較(jiao)(jiao)(jiao)為接近。由于孔隙(xi)比e減(jian)小(xiao)(xiao)，使得過水通(tong)道面積減(jian)小(xiao)(xiao)，滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k也將(jiang)減(jian)小(xiao)(xiao)，k與e呈正相關關系(xi)(xi)。對砂土(tu)，一般(ban)認為滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線性(xing)關系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)好，圖(tu)6給出了二(er)者(zhe)間(jian)的(de)(de)關系(xi)(xi)曲(qu)線，由于沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)(de)不均(jun)(jun)勻系(xi)(xi)數(shu)變(bian)化(hua)較(jiao)(jiao)(jiao)大，使得沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)變(bian)化(hua)范圍較(jiao)(jiao)(jiao)大(平均(jun)(jun)值為10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二(er)者(zhe)問的(de)(de)線性(xing)關系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)差。

圖6沉積(ji)磷石膏滲透系數(shu)與孔(kong)隙比的關系

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

圖7給出了水(shui)(shui)平與垂(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)比值(zhi)的(de)分布(bu)。沉(chen)積(ji)(ji)磷石膏的(de)水(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)kh一般大(da)于垂(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平均值(zhi)約(yue)為(wei)2.86，這(zhe)一點與成層分布(bu)的(de)金屬尾礦規(gui)律一致(zhi)。造(zao)成沉(chen)積(ji)(ji)磷石膏水(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)大(da)于垂(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)原因是由(you)于磷石膏具(ju)有明(ming)顯的(de)晶體結(jie)構(gou)，電鏡掃描顯示多(duo)為(wei)菱形和棱柱狀形式(見圖8)，在(zai)沉(chen)積(ji)(ji)過程中(zhong)，由(you)于扁平狀磷石膏顆粒多(duo)呈水(shui)(shui)平排(pai)列(lie)，使得水(shui)(shui)平方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性大(da)于垂(chui)(chui)直方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性，從(cong)而使磷石膏呈現明(ming)顯的(de)各向(xiang)(xiang)異(yi)性。

另根據(ju)中(zhong)國有色金屬工(gong)業(ye)昆明勘察設計研(yan)究院(yuan)在楊(yang)家箐磷石膏(gao)堆(dui)積壩開展的現(xian)場滲(shen)透(tou)試驗(yan)，kh/kv的平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約為1.9。但張超(chao)等的室內試驗(yan)顯示，kh/kv的平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約為0.46，也即垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)系數大于水平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系數，與本文和(he)現(xian)場試驗(yan)結(jie)果(guo)恰恰相反(fan)。從磷石膏(gao)的微觀結(jie)構(gou)來看，本文試驗(yan)結(jie)果(guo)更(geng)為合理。

圖7沉積磷石膏干密(mi)度(du)與水平和垂直滲透(tou)系(xi)(xi)數比值的關系(xi)(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)(wei)(wei)磷(lin)(lin)石膏干密(mi)度為(wei)(wei)(wei)(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)關系曲線(xian)，試驗(yan)在水(shui)(shui)平(ping)管(guan)涌(yong)儀中采用(yong)水(shui)(shui)平(ping)方向的(de)(de)(de)(de)滲流形(xing)(xing)式進行(xing)。試驗(yan)得到的(de)(de)(de)(de)臨界坡(po)(po)降Jc=0.355，破(po)壞(huai)坡(po)(po)降Jp=0.375。一(yi)(yi)般來說，對(dui)1，2級工(gong)程(cheng)，滲透安全(quan)系數(shu)(shu)取(qu)為(wei)(wei)(wei)(wei)2.5，則允許(xu)出逸(yi)(yi)坡(po)(po)降為(wei)(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下工(gong)程(cheng)，滲透安全(quan)系數(shu)(shu)取(qu)2.0，則允許(xu)出逸(yi)(yi)坡(po)(po)降為(wei)(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降與粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂大致相同。但上(shang)述滲透變(bian)形(xing)(xing)試驗(yan)是(shi)采用(yong)自來水(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)(de)(de)，自來水(shui)(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石膏具(ju)有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)溶蝕作用(yong)，而實際上(shang)磷(lin)(lin)石膏中殘(can)余磷(lin)(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)pH值一(yi)(yi)般小于3(稱之為(wei)(wei)(wei)(wei)酸性(xing)水(shui)(shui))，在酸性(xing)水(shui)(shui)作用(yong)下，磷(lin)(lin)石膏不會(hui)發生破(po)壞(huai)，上(shang)述試驗(yan)結果是(shi)偏(pian)于保守的(de)(de)(de)(de)，但對(dui)非酸性(xing)水(shui)(shui)條件(例如特大暴雨(yu))下的(de)(de)(de)(de)滲透穩(wen)定(ding)判斷(duan)有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)借鑒意義(yi)。

圖9水力梯度J-流速v試(shi)驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力板儀(yi)中(zhong)進(jin)行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干密(mi)度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力范(fan)圍0～500kPa。表l列(lie)出了含水率特征值，試驗曲(qu)線見圖(tu)10所示。

試驗結果表(biao)明(ming)：①干(gan)(gan)密度對進氣值沒(mei)有(you)明(ming)顯的(de)(de)影響，不同干(gan)(gan)密度的(de)(de)試樣(yang)的(de)(de)進氣值大致在10kPa左(zuo)右；②土樣(yang)殘余(yu)含(han)水(shui)率(lv)隨干(gan)(gan)密度的(de)(de)增加而減少，殘余(yu)含(han)水(shui)率(lv)約為飽(bao)和含(han)水(shui)率(lv)的(de)(de)10%。上述特性與粉(fen)土一粉(fen)砂(sha)基(ji)本(ben)一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)密(mi)(mi)度(du)變化較(jiao)大，而進行三(san)軸試(shi)驗(yan)需要(yao)若(ruo)干原狀(zhuang)樣，為使(shi)試(shi)驗(yan)結果具有較(jiao)好的(de)一(yi)致性，有針對性的(de)選擇(ze)平均干密(mi)(mi)度(du)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(de)若(ruo)干試(shi)樣，進行了5組三(san)軸CU試(shi)驗(yan)。圖11是(shi)為干密(mi)(mi)度(du)為1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)驗(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷石膏的應(ying)力應(ying)變關(guan)系曲線在低圍壓(ya)下表現(xian)為(wei)軟化型，在高圍壓(ya)下表現(xian)為(wei)硬化型，與(yu)一(yi)(yi)般土(tu)類相似。但與(yu)一(yi)(yi)般粉土(tu)一(yi)(yi)粉砂不(bu)同(tong)的是，即(ji)使(shi)在較為(wei)疏松的狀態下，磷石膏仍表現(xian)了較為(wei)強烈(lie)的剪脹(zhang)，隨密(mi)實(shi)度增大，剪脹(zhang)作用(yong)愈發(fa)明顯。

表(biao)(biao)2給出了不同(tong)干密(mi)度下的(de)(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)，圖(tu)12給出了內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)與干密(mi)度的(de)(de)關(guan)系曲(qu)線。隨干密(mi)度的(de)(de)增(zeng)大，內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)也(ye)隨之增(zeng)大，且可采用冪函數較(jiao)好地擬合。磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)干密(mi)度由1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了32%，總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由34.1°增(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據(ju)擬合曲(qu)線求得)，增(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%，有(you)效(xiao)應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由37.6°增(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%，由于(yu)隨圍壓的(de)(de)增(zeng)大，孔壓也(ye)明顯增(zeng)大，故有(you)效(xiao)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)幅較(jiao)之總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)要(yao)小。另外較(jiao)之于(yu)干密(mi)度增(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)幅并(bing)不顯著，表(biao)(biao)明即使較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)仍具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)(de)強度指標(biao)，這(zhe)也(ye)表(biao)(biao)明磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗

磷石膏的蠕(ru)變變形試驗在側限壓(ya)縮儀中進行(xing)，試驗狀態相當于K0固結。試樣直徑61.8mm，高度20mm，試樣干密度為1.30g/cm3，對試樣飽和后(hou)分別開展了上(shang)覆(fu)壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試驗，

試驗從2012年8月(yue)27日開始，試驗己進行(xing)了1年多，試驗結果(guo)見(jian)圖(tu)13所示。

從圖13中可以(yi)看出：上覆荷載(zai)越(yue)大，磷石膏的(de)蠕變變形(xing)也越(yue)大，荷載(zai)施加1年后，磷石膏的(de)蠕變變形(xing)仍(reng)非常顯(xian)著，尚未(wei)達到穩定狀(zhuang)態(tai)，這也是磷石膏堆(dui)積壩后期變形(xing)較大的(de)原因(yin)，原型觀測資料表明，在5級子壩河床部位的(de)表面沉降量已經達到3.1m，且尚未(wei)完(wan)全穩定。

按時間(jian)(jian)對(dui)(dui)(dui)數(shu)法，可求得各(ge)級荷(he)載下的主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)如表3所示。試驗結(jie)(jie)(jie)果表明，在(zai)100～400kPa上(shang)覆荷(he)載作用下，在(zai)試驗時間(jian)(jian)范圍(wei)內蠕變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)的1.8～3.1倍，當然由于(yu)(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)尚(shang)未完(wan)成，實際的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)應(ying)更大。對(dui)(dui)(dui)土(tu)體而言，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)的原因(yin)是由于(yu)(yu)(yu)土(tu)體在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成之(zhi)后(hou)(hou)，土(tu)體中仍有微小的超(chao)靜孔隙(xi)壓力(li)存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問流動，一般來講(jiang)土(tu)體的次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)(dui)(dui)磷石膏而言，其(qi)滲透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級，遠大于(yu)(yu)(yu)黏性土(tu)，但(dan)其(qi)卻發(fa)生(sheng)了極(ji)為顯著的次(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原因(yin)在(zai)于(yu)(yu)(yu)磷石膏晶(jing)體結(jie)(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)了壓縮、破壞(huai)，接觸點(dian)晶(jing)格發(fa)生(sheng)歪(wai)曲(qu)和變(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞(huai)后(hou)(hou)晶(jing)格之(zhi)間(jian)(jian)的重新(xin)排列、調(diao)整到最(zui)后(hou)(hou)趨于(yu)(yu)(yu)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)靜止需要相(xiang)當長的時間(jian)(jian)才能(neng)完(wan)成。

2.4動力力學特性

試驗設備采用英國GDS公司進口的電機(ji)控制動三軸試驗系統，試樣(yang)直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和(he)阻(zu)尼比(bi)

同樣(yang)由于自然沉積的磷石膏密度變(bian)(bian)化(hua)較(jiao)大，為此根據物理性質試(shi)(shi)驗(yan)結果，選擇兩種平(ping)均干密度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的動(dong)剪切模(mo)量(liang)G、阻尼比與(yu)剪應變幅值γd的關系式如下：

式中k1為參數，表(biao)(biao)示動(dong)剪切模量(liang)的(de)衰(shuai)減(jian)或阻(zu)尼(ni)(ni)比的(de)增長(chang)速率；λmax為最大阻(zu)尼(ni)(ni)比；Gmax，γd分別為最大動(dong)剪切模量(liang)和歸(gui)一化的(de)動(dong)剪應變，表(biao)(biao)示為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球(qiu)應力；Pa為(wei)標準大(da)氣壓；vd為(wei)動(dong)泊松比(bi)；εa為(wei)歸一化的(de)動(dong)應變，表達(da)為(wei)

圖(tu)14給出了(le)動(dong)剪切(qie)模量(liang)、阻尼比(bi)與歸一化動(dong)應變(bian)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系曲線，另外圖(tu)中(zhong)還給出了(le)式(1)的(de)(de)(de)(de)擬合曲線以(yi)及Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)(de)砂(sha)樣的(de)(de)(de)(de)上(shang)下邊界線，圖(tu)例(li)中(zhong)，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固結(jie)應力比(bi)。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可以看出：①式(shi)(1)可較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)好地描述磷石膏(gao)的(de)(de)動(dong)應(ying)(ying)力-動(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線(xian)，表(biao)明(ming)采用等(deng)價黏彈性(xing)模型進行(xing)(xing)循環荷載作用下(xia)的(de)(de)分析是可行(xing)(xing)的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)位(wei)于(yu)(yu)干(gan)密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)上(shang)方(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位(wei)于(yu)(yu)下(xia)方(fang)，表(biao)明(ming)密度(du)越大(da)(da)，動(dong)彈模越大(da)(da)、阻尼比(bi)越小(xiao)；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種(zhong)干(gan)密度(du)的(de)(de)擬合(he)線(xian)基(ji)本(ben)(ben)位(wei)于(yu)(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)上(shang)方(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基(ji)本(ben)(ben)處于(yu)(yu)邊(bian)界(jie)線(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)明(ming)相比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)砂樣，磷石膏(gao)動(dong)彈模較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)，會導致(zhi)磷石膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)動(dong)力反(fan)應(ying)(ying)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)，但(dan)由于(yu)(yu)阻尼比(bi)也較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)，這樣又會削弱壩體的(de)(de)動(dong)力反(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)(de)相互影響下(xia)，磷石膏(gao)堆(dui)積壩壩體的(de)(de)動(dong)力反(fan)應(ying)(ying)將不會過(guo)于(yu)(yu)強(qiang)烈，這對(dui)磷石膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)抗(kang)震穩(wen)定(ding)性(xing)是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均(jun)干密度為1.12(變化(hua)(hua)范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)(hua)范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準為總應變達到10%。

圖(tu)15給出了動剪(jian)應(ying)(ying)力比(bi)τd/σ0′與破壞振(zhen)次(ci)Nf的關系曲線圖(tu)，其中σ0為振(zhen)前試樣45°面上的有效法向應(ying)(ying)力，表(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結比(bi)。從試驗結果可以看(kan)出，沉積磷石膏的動強度與其它土(tu)體相(xiang)似，表(biao)現為圍壓和(he)固(gu)結應(ying)(ying)力比(bi)與動剪(jian)應(ying)(ying)力比(bi)呈負相(xiang)關關系。

為判別沉積磷(lin)石膏的抗液化能力，假定(ding)抗震(zhen)設計(ji)烈度(du)(du)為8度(du)(du)，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

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

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應(ying)力比(bi)與圍壓(ya)和固結(jie)應(ying)力比(bi)的(de)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。

從上述(shu)擬合關系式可見，密實度提高后，動剪應力(li)比提高，表(biao)明(ming)抗液化能(neng)力(li)也提高。但(dan)即使是在低密度下(xia)，其動剪應力(li)比較之同類的(de)粉土或(huo)粉砂也大(da)出許多，表(biao)明(ming)磷石(shi)膏具有較高的(de)抗液化能(neng)力(li)。

三、結論(lun)

依托柳(liu)樹箐磷石膏堆(dui)積壩，在鉆(zhan)探取樣工作的基(ji)礎上，首(shou)先開展(zhan)了(le)物理(li)性質(zhi)試驗，然后開展(zhan)了(le)靜動力(li)力(li)學特性試驗。通過上述(shu)試驗研究，得出如下結論：

(1)沉積磷石膏(gao)總體上屬(shu)(shu)于級配不(bu)良的粉土，局部屬(shu)(shu)于粉砂一中砂，無自然分級現(xian)象。其干密度和(he)粒徑變化(hua)隨埋深或距(ju)放漿口距(ju)離的變化(hua)不(bu)明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)滲透系(xi)數大(da)于垂直方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)滲透系(xi)數，呈現(xian)明顯的(de)(de)各向(xiang)(xiang)異(yi)性。

(3)與土體顆粒(li)不(bu)可壓縮不(bu)同，磷石膏的晶體結(jie)構會(hui)發(fa)生壓縮破壞，具有較大(da)的壓縮性，其次固結(jie)變形(xing)量遠(yuan)大(da)于主(zhu)固結(jie)變形(xing)量。

(4)沉(chen)積磷石膏的靜動強度較之(zhi)同(tong)等密實度下(xia)的粉土(tu)、粉砂要高。