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)石(shi)(shi)膏(gao)是濕(shi)法(fa)磷(lin)酸生(sheng)產過(guo)程(cheng)中的(de)(de)副(fu)產品，2018年，全(quan)國(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產生(sheng)量為7800萬噸，且呈逐年增長的(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)主要(yao)(yao)成(cheng)分(fen)是CaO和(he)(he)SO3，但含有一(yi)定(ding)量的(de)(de)氟化物和(he)(he)其它放射性物質，在(zai)中國(guo)通(tong)常按(an)Ⅱ類一(yi)般(ban)工業(ye)固體(ti)廢物處理，鑒于無害(hai)化處理成(cheng)本(ben)較高，目前綜合利用率尚不足40%，故大(da)部(bu)分(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)(yao)堆(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)存(cun)場地的(de)(de)不同，可分(fen)為平地型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)(he)截河型(xing)堆(dui)場，在(zai)中國(guo)基本(ben)上是山(shan)谷型(xing)堆(dui)場。相比較干法(fa)堆(dui)存(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)經濟(ji)優勢明顯，因而如地質條件為非碳(tan)酸鹽巖地區(qu)，一(yi)般(ban)均采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)方(fang)式。隨著中國(guo)磷(lin)肥工業(ye)的(de)(de)快速發展，本(ben)世紀(ji)初(chu)中國(guo)相繼建(jian)設了幾座(zuo)濕(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫，例(li)如云天化國(guo)際化工三環(huan)分(fen)公司的(de)(de)柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)積壩和(he)(he)富瑞分(fen)公司的(de)(de)楊(yang)家箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)積壩，這兩座(zuo)壩設計壩高均超過(guo)100m、處于8度地震區(qu)，其安全(quan)性備受關注。

據(ju)統計，110多年(1901年一2013年)來(lai)，全世界有118座尾礦(kuang)壩曾發生過破壞(huai)(huai)或潰壩事故，原因(yin)主要有地震、洪水漫(man)頂、滲透破壞(huai)(huai)和(he)基礎失穩。尾礦(kuang)庫失事后(hou)會造成巨(ju)大的生態災難和(he)人員傷亡(wang)，近(jin)幾(ji)十年來(lai)，

國內(nei)外對金屬尾(wei)礦的沉積(ji)規律(lv)、物(wu)理(li)力學特性(xing)及其穩定(ding)(ding)性(xing)開展(zhan)了(le)大量的研(yan)究，但對于與金屬尾(wei)礦庫(ku)(ku)相近的磷(lin)石膏庫(ku)(ku)，一般僅限于在可研(yan)階段采用人工(gong)制備樣進行物(wu)理(li)力學性(xing)質試(shi)驗，并據此進行穩定(ding)(ding)性(xing)分析(xi)，尚未有人針(zhen)對己運行若干(gan)年的大型(xing)濕(shi)法堆存磷(lin)石膏堆積(ji)壩開展(zhan)過(guo)磷(lin)石膏沉積(ji)規律(lv)及其物(wu)理(li)力學特性(xing)的專項研(yan)究。

本文依托柳樹箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩，首先進行了(le)鉆探取樣，采用原狀(zhuang)樣開展(zhan)了(le)密(mi)度、含水(shui)率、滲透、土水(shui)特(te)征(zheng)和(he)顆分等物(wu)理(li)性質試驗，在此基礎上有針對(dui)性的選擇原狀(zhuang)樣開展(zhan)了(le)三軸(zhou)CU、蠕變及動(dong)三軸(zhou)等力學特(te)性試驗。通過上述試驗研究，總結了(le)磷(lin)石膏(gao)的沉積規律、滲透特(te)性、滲透破(po)壞特(te)性以及靜動(dong)力特(te)性，上述研究工(gong)作對(dui)研究和(he)評估磷(lin)石膏(gao)庫堆積壩的穩(wen)定性提供了(le)基礎數據，對(dui)現行磷(lin)石膏(gao)庫的運行管(guan)理(li)以及新(xin)建(jian)工(gong)程(cheng)的設(she)計(ji)具(ju)有重要的借鑒(jian)意義(yi)。

一、依(yi)托工程概況

1.1柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩堆存設計方案

由初期壩和堆積壩組成，設計(ji)總(zong)壩高(gao)約130m。

(1)初(chu)期壩

初期壩壩高約30m，采用土(tu)料填(tian)筑。上游坡面(mian)、壩底(di)和下游壩腳設置堆石排水體，三者相連通(tong)構成(cheng)整(zheng)個(ge)堆積(ji)壩的(de)主(zhu)要(yao)排滲系統。

(2)堆積(ji)壩及其輔助排(pai)滲措施(shi)

采(cai)用(yong)上游式(shi)筑壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂(ding)寬6～9m，高(gao)度(du)(du)5m，堆積高(gao)度(du)(du)約100m。采(cai)用(yong)排滲管(guan)網作(zuo)為輔助排滲方(fang)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范圍內設置了井字形排滲管(guan)網。

1.2沉積磷石膏的(de)鉆探取樣

鉆(zhan)孔平面位置見(jian)圖l。2008年(nian)6月，堆積(ji)(ji)至5級(ji)子(zi)壩時，布(bu)設了(le)9個(ge)取樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號(hao)K1～K9，取原(yuan)狀樣(yang)(yang)76件；2013年(nian)5月，堆積(ji)(ji)至13級(ji)子(zi)壩時，又布(bu)設了(le)11個(ge)取樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號(hao)K10～K20，取原(yuan)狀樣(yang)(yang)112件，為比較子(zi)壩加(jia)高(gao)和(he)磷(lin)石(shi)膏堆積(ji)(ji)過程中磷(lin)石(shi)膏物理力(li)學(xue)性(xing)質(zhi)的變化(hua)，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔和(he)K6孔附近各布(bu)設了(le)一(yi)個(ge)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號(hao)分別(bie)為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹(shu)箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏尾礦庫2005年開工建設，2006年1月投入(ru)運行(xing)，截(jie)至2013年5月己(ji)堆至13級子壩，尚有7級子壩即堆存至設計高(gao)(gao)程。鑒于磷(lin)石(shi)(shi)膏庫地(di)形、地(di)質(zhi)條件較(jiao)好，具備擴容改造(zao)的條件，以提高(gao)(gao)堆存庫容，減少堆存占地(di)，節約土地(di)資(zi)源(yuan)。

本(ben)文主要對(dui)沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)物(wu)理(li)力學特性(xing)進行了全面總結，限于篇幅，有關(guan)現狀磷(lin)石膏庫堆(dui)積(ji)壩的(de)安全性(xing)評價及其(qi)加高可行性(xing)的(de)研(yan)究將另文發表。

二、沉積磷(lin)石(shi)膏的物(wu)理(li)力學特(te)性

2.1物(wu)理特性

(1)干(gan)密(mi)度分布

圖2給出(chu)(chu)了14個鉆孔的(de)取樣深度(du)和試(shi)驗所得干密度(du)的(de)關系，圖中UWL表示(shi)水位(wei)線上(shang)，(系鉆孔期間的(de)初(chu)見水位(wei)線，下同)，DWL表示(shi)水位(wei)線下。圖3給出(chu)(chu)了水位(wei)線上(shang)下的(de)飽和度(du)分布圖。由于磷石膏中的(de)主(zhu)要成分為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和烘烤(kao)時間對測定(ding)結果有一定(ding)影響，不能(neng)照搬現行的(de)土工試(shi)驗規范，本文磷石膏的(de)含水率測定(ding)方法(fa)為55℃溫度(du)下烘培24h。

圖2沉(chen)積磷石膏干密(mi)度(du)與埋深的關(guan)系

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

由(you)圖3，水位(wei)線(xian)上(shang)的(de)磷石(shi)膏飽和(he)度(du)(du)平(ping)均(jun)值為50.4%，處(chu)于非飽和(he)狀態(tai)，水位(wei)線(xian)以下的(de)磷石(shi)膏飽和(he)度(du)(du)平(ping)均(jun)值為85.0%，基本處(chu)于飽和(he)狀態(tai)，由(you)于水位(wei)下降后磷石(shi)膏來不及排水固結，故而水位(wei)線(xian)上(shang)局部試樣(yang)的(de)飽和(he)度(du)(du)較高。

由(you)(you)圖2，水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)上(shang)的(de)(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)(yi)下(xia)的(de)(de)干密度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)石膏(gao)與一般(ban)的(de)(de)尾礦有所(suo)不(bu)同，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干密度(du)(du)并不(bu)隨埋(mai)深的(de)(de)增(zeng)大(da)而明顯增(zeng)大(da)，但水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)下(xia)的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)干密度(du)(du)從統計意(yi)義(yi)上(shang)來看仍(reng)大(da)于(yu)水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)干密度(du)(du)，這(zhe)主要是由(you)(you)于(yu)水(shui)(shui)位線隨庫水(shui)(shui)位的(de)(de)變化反復升降而使得磷(lin)石膏(gao)排(pai)水(shui)(shui)固結所(suo)致。

室內擊實得到的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)最大干密(mi)(mi)度一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間，從圖(tu)2可(ke)(ke)以看出，自然(ran)沉積的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)最大干密(mi)(mi)度可(ke)(ke)達到1.73g/cm3，原(yuan)因如下(xia)：與經典(dian)的(de)土骨(gu)架不(bu)可(ke)(ke)壓縮(suo)的(de)理論不(bu)同，石(shi)膏(gao)本身可(ke)(ke)壓縮(suo)，同時由于(yu)顆(ke)粒(li)結構(gou)不(bu)穩定，擊實試(shi)驗過(guo)程中磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)結構(gou)被(bei)破(po)壞(huai)，受夯(hang)擊處下(xia)陷，四(si)周鼓起，出現(xian)(xian)了類似于(yu)橡皮(pi)土的(de)現(xian)(xian)象。而在現(xian)(xian)場條件(jian)下(xia)，石(shi)膏(gao)骨(gu)架被(bei)破(po)壞(huai)后，會導致顆(ke)粒(li)中的(de)結合水滲出至孔隙(xi)內，變成孔隙(xi)水，排水固結后會使(shi)得磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)孔隙(xi)比減小，干密(mi)(mi)度增大。

圖4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位于2級(ji)子壩河床(chuang)部位)以及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位于4級(ji)子壩河床(chuang)部位)干(gan)密(mi)度的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見(jian)，即使從統計意(yi)義上來看(kan)，磷石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度也并未隨后續磷石膏的(de)(de)堆積(ji)而有較為(wei)明顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試(shi)驗采(cai)用密度計法，制備懸液(ye)時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏(pian)磷酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了試(shi)驗得(de)到(dao)的級(ji)配包線、平均粒徑(jing)d50、不(bu)均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的分布圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷(lin)石膏的(de)(de)粒(li)徑(jing)主要分(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之(zhi)間，總(zong)體上(shang)屬(shu)(shu)于粉土，但可能由于礦石來源或生產(chan)工藝有(you)所不同，局(ju)部屬(shu)(shu)于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑(jing)分(fen)布(bu)范(fan)圍比Blight和(he)張超等的(de)(de)試驗結果要寬(kuan)一些。

圖4子壩(ba)加高后(hou)沉積磷石膏的干密(mi)度變化(hua)

圖5沉積磷石膏(gao)的平(ping)均(jun)粒徑和級配分布

由圖(tu)5(b)和(he)5(c)，無(wu)論是水平向還是垂直向，磷(lin)石(shi)(shi)膏與金(jin)屬(shu)礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)(de)(de)(de)“前粗后細，上粗下細”的(de)(de)(de)(de)自然(ran)分級現象不(bu)(bu)(bu)同，也(ye)即粗顆(ke)粒(li)(li)并不(bu)(bu)(bu)是沿埋深逐步減小或(huo)距離放漿口越遠(yuan)顆(ke)粒(li)(li)越細，其原因如(ru)下：①磷(lin)石(shi)(shi)膏顆(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)徑(jing)組成較(jiao)為(wei)集中、均勻(yun)，主(zhu)要以(yi)粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級配較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金(jin)屬(shu)尾礦(kuang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)比(bi)重較(jiao)小，磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)比(bi)重一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于金(jin)屬(shu)尾礦(kuang)的(de)(de)(de)(de)比(bi)重，例如(ru)鐵尾礦(kuang)的(de)(de)(de)(de)比(bi)重可達(da)2.9；③放漿口隨子壩(ba)高度不(bu)(bu)(bu)斷增加(jia)而不(bu)(bu)(bu)斷變動(dong)并向庫尾延(yan)伸，造成沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)粒(li)(li)徑(jing)變化不(bu)(bu)(bu)明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不均勻系數Cu范(fan)(fan)圍值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(1c范(fan)(fan)圍值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)(zhi)為(wei)1.21，在統計的(de)100多個試樣中(zhong)，屬于(yu)級配(pei)不良(liang)土(tu)的(de)占93%。這種級配(pei)特性決(jue)定了磷石膏具有(you)較高的(de)壓縮性、滲透破壞型式(shi)表(biao)現為(wei)流土(tu)破壞。

2.2滲透(tou)特性(xing)

(1)滲(shen)透系數(shu)

影響滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)主要因素是(shi)粒(li)徑(jing)大(da)小、級配和孔(kong)隙比(bi)，因而磷石膏(gao)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與粉土(tu)較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)接近(jin)。由于孔(kong)隙比(bi)e減小，使(shi)得過(guo)水通道面積(ji)減小，滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減小，k與e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土(tu)，一(yi)般認為(wei)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)好(hao)，圖6給出了(le)二者間的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線，由于沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化(hua)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，使(shi)得沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化(hua)范圍較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二者問的(de)(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷(lin)石膏(gao)滲透系(xi)數與孔隙比的關(guan)系(xi)

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

圖7給(gei)出(chu)了水平與(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)比值(zhi)的分布(bu)。沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的水平向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)kh一(yi)般大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的滲(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)kv,kh/kv平均(jun)值(zhi)約為2.86，這一(yi)點與(yu)成層分布(bu)的金屬尾礦規律一(yi)致(zhi)。造成沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)水平向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數(shu)(shu)的原(yuan)因是(shi)由于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具(ju)有明(ming)顯的晶體結(jie)構，電(dian)鏡掃(sao)描顯示多為菱形和棱柱(zhu)狀形式(見圖8)，在沉(chen)積(ji)過程中，由于(yu)(yu)扁平狀磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆粒多呈水平排列，使得水平方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的透(tou)水性大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的透(tou)水性，從而使磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)呈現明(ming)顯的各向(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根據(ju)中國有色金屬(shu)工(gong)業昆(kun)明勘察設計(ji)研究(jiu)院在楊家箐磷石膏堆積壩開展的(de)(de)現(xian)場滲(shen)透(tou)試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約(yue)(yue)為(wei)1.9。但張超(chao)等的(de)(de)室內試(shi)驗(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約(yue)(yue)為(wei)0.46，也即垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系數大于水平(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系數，與(yu)本(ben)文和(he)現(xian)場試(shi)驗(yan)結果恰(qia)恰(qia)相反。從磷石膏的(de)(de)微觀結構來看，本(ben)文試(shi)驗(yan)結果更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密度與水平和垂(chui)直滲透系數(shu)比值的關系

(2)滲(shen)透(tou)變形

圖9為磷(lin)(lin)石膏干密度(du)(du)為1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯(ti)度(du)(du)J與(yu)流速V的(de)(de)關系曲線，試(shi)驗(yan)在水(shui)平管涌儀(yi)中采用水(shui)平方向的(de)(de)滲(shen)流形式進(jin)行。試(shi)驗(yan)得到(dao)的(de)(de)臨界坡(po)(po)(po)降(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般來(lai)說(shuo)，對(dui)1，2級(ji)工程(cheng)，滲(shen)透(tou)(tou)安全系數取為2.5，則允(yun)(yun)許出逸坡(po)(po)(po)降(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下(xia)工程(cheng)，滲(shen)透(tou)(tou)安全系數取2.0，則允(yun)(yun)許出逸坡(po)(po)(po)降(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許比降(jiang)與(yu)粉土一(yi)(yi)粉砂大(da)致(zhi)相同。但(dan)上(shang)述(shu)滲(shen)透(tou)(tou)變形試(shi)驗(yan)是(shi)采用自(zi)來(lai)水(shui)進(jin)行的(de)(de)，自(zi)來(lai)水(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石膏具有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)溶(rong)蝕作用，而實(shi)際上(shang)磷(lin)(lin)石膏中殘余(yu)磷(lin)(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)的(de)(de)pH值(zhi)一(yi)(yi)般小于3(稱之為酸性水(shui))，在酸性水(shui)作用下(xia)，磷(lin)(lin)石膏不會發(fa)生破壞(huai)，上(shang)述(shu)試(shi)驗(yan)結果(guo)是(shi)偏于保守的(de)(de)，但(dan)對(dui)非酸性水(shui)條(tiao)件(例如特大(da)暴(bao)雨(yu))下(xia)的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)穩定(ding)判(pan)斷有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒意(yi)義。

圖9水力梯度J-流速v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試(shi)驗

試(shi)驗在5Bar的壓力(li)板儀中進行，環刀尺寸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(lie)出了(le)含水率特(te)征值，試(shi)驗曲線(xian)見圖10所示。

試驗結果表明(ming)：①干(gan)密(mi)度對進(jin)(jin)氣值(zhi)沒有明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，不(bu)同干(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)(de)試樣的(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土樣殘(can)余(yu)含水(shui)率隨(sui)干(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)(de)增加而減少，殘(can)余(yu)含水(shui)率約(yue)為飽和含水(shui)率的(de)(de)(de)(de)10%。上述(shu)特性與粉(fen)土一粉(fen)砂基本一致。

2.3靜(jing)力(li)力(li)學特(te)性

(1)三(san)軸(zhou)CU試驗

由于(yu)沉積磷石(shi)膏的(de)密(mi)(mi)度變化較大，而進行三(san)軸試(shi)(shi)驗需要若(ruo)干原(yuan)狀樣，為(wei)(wei)(wei)使試(shi)(shi)驗結果具(ju)有(you)較好的(de)一致性，有(you)針(zhen)對性的(de)選擇平均干密(mi)(mi)度分(fen)別為(wei)(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(ruo)干試(shi)(shi)樣，進行了5組三(san)軸CU試(shi)(shi)驗。圖11是為(wei)(wei)(wei)干密(mi)(mi)度為(wei)(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)(shi)驗曲線。

從(cong)圖11可以(yi)看出，磷石膏的應力應變關系曲線在(zai)低圍壓下(xia)表(biao)現(xian)為軟化(hua)型(xing)，在(zai)高(gao)圍壓下(xia)表(biao)現(xian)為硬(ying)化(hua)型(xing)，與一般(ban)土類(lei)相(xiang)似。但與一般(ban)粉土一粉砂不同的是(shi)，即使(shi)在(zai)較為疏松的狀態下(xia)，磷石膏仍(reng)表(biao)現(xian)了較為強(qiang)烈的剪脹，隨(sui)密實(shi)度增大，剪脹作用愈發明顯(xian)。

表(biao)2給出了(le)不同干(gan)密度下的(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角，圖(tu)12給出了(le)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角與(yu)干(gan)密度的(de)(de)關系曲線。隨(sui)干(gan)密度的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角也(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)好地擬合(he)。磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)干(gan)密度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)32%，總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據(ju)擬合(he)曲線求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效(xiao)應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于隨(sui)圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓也(ye)明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效(xiao)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之(zhi)總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角要小。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)于干(gan)密度增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表(biao)明即使較(jiao)(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有較(jiao)(jiao)高的(de)(de)強度指標(biao)，這也(ye)表(biao)明磷(lin)石(shi)膏堆積壩的(de)(de)穩定(ding)性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(bian)(次固結)變(bian)形試驗

磷石膏的(de)蠕變變形試(shi)(shi)(shi)驗在側限壓縮儀中進行，試(shi)(shi)(shi)驗狀態相當(dang)于K0固結。試(shi)(shi)(shi)樣(yang)直徑(jing)61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)(shi)樣(yang)干密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)(shi)樣(yang)飽和后分別開(kai)展(zhan)了上覆壓力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)(shi)驗，

試驗從(cong)2012年(nian)8月27日開始，試驗己(ji)進行(xing)了1年(nian)多，試驗結(jie)果見圖13所示。

從圖(tu)13中可以看出：上覆荷載越(yue)大，磷(lin)石(shi)膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)也(ye)越(yue)大，荷載施加1年(nian)后，磷(lin)石(shi)膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)仍非常顯著，尚(shang)(shang)未達到穩定(ding)狀態，這也(ye)是磷(lin)石(shi)膏堆積壩后期(qi)變(bian)形(xing)(xing)較大的(de)原因，原型觀測資(zi)料表明，在(zai)5級(ji)子壩河床部位的(de)表面沉(chen)降量已經達到3.1m，且(qie)尚(shang)(shang)未完全(quan)穩定(ding)。

按(an)時(shi)間(jian)(jian)對(dui)數(shu)(shu)法，可求得各級(ji)荷(he)載(zai)下的(de)主(zhu)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)量如表3所示。試驗(yan)結(jie)(jie)果表明(ming)，在100～400kPa上覆(fu)荷(he)載(zai)作用下，在試驗(yan)時(shi)間(jian)(jian)范圍內(nei)蠕變(bian)(次固(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)尚未完成(cheng)(cheng)，實(shi)際的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)應更大(da)。對(dui)土(tu)體而(er)言，發生(sheng)蠕變(bian)的(de)原因是由于(yu)土(tu)體在主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)完成(cheng)(cheng)之(zhi)后(hou)，土(tu)體中(zhong)仍(reng)有微小的(de)超靜(jing)孔(kong)隙壓力存在，驅使水在顆(ke)粒問流動，一般來(lai)講(jiang)土(tu)體的(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)遠小于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石(shi)膏而(er)言，其(qi)(qi)滲(shen)透系(xi)數(shu)(shu)在10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji)，遠大(da)于(yu)黏性(xing)土(tu)，但其(qi)(qi)卻發生(sheng)了極為顯(xian)著的(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)，其(qi)(qi)原因在于(yu)磷石(shi)膏晶(jing)體結(jie)(jie)構發生(sheng)了壓縮、破壞，接(jie)觸(chu)點晶(jing)格發生(sheng)歪曲和(he)變(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞后(hou)晶(jing)格之(zhi)間(jian)(jian)的(de)重新排列、調整到最后(hou)趨于(yu)相(xiang)對(dui)靜(jing)止需要相(xiang)當(dang)長的(de)時(shi)間(jian)(jian)才能完成(cheng)(cheng)。

2.4動力(li)力(li)學特性

試驗設備采用英國GDS公司進口的電(dian)機控制動(dong)三軸試驗系統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模(mo)量和(he)阻尼(ni)比

同樣(yang)由于自(zi)然沉積(ji)的磷石膏密(mi)(mi)度(du)變(bian)化(hua)較大(da)，為此根據物理性(xing)質試驗結果，選擇(ze)兩種平均(jun)干密(mi)(mi)度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進(jin)行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)(de)動剪(jian)切(qie)模量G、阻尼比與(yu)剪(jian)應(ying)變(bian)幅值γd的(de)(de)關系式(shi)如下：

式中k1為(wei)(wei)參數，表示(shi)(shi)動(dong)剪切模量的衰減或阻(zu)尼比的增長(chang)速率；λmax為(wei)(wei)最(zui)大(da)阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最(zui)大(da)動(dong)剪切模量和歸一化的動(dong)剪應變，表示(shi)(shi)為(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標(biao)準大氣壓；vd為(wei)(wei)動(dong)泊松(song)比；εa為(wei)(wei)歸(gui)一化的動(dong)應變，表達為(wei)(wei)

圖14給出(chu)了(le)動剪切模量(liang)、阻(zu)尼比與歸一化動應變的(de)關系(xi)曲(qu)(qu)線，另外圖中還給出(chu)了(le)式(1)的(de)擬合曲(qu)(qu)線以及Seed等給出(chu)的(de)砂(sha)樣(yang)的(de)上(shang)下邊界線，圖例中，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固結應力比。

從(cong)圖(tu)中(zhong)可以看出(chu)：①式(1)可較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)好(hao)地(di)描述磷(lin)石(shi)膏(gao)的動應(ying)力-動應(ying)變試驗曲(qu)線(xian)(xian)(xian)，表(biao)明采(cai)用(yong)等價黏(nian)彈性模型進行(xing)循環荷載作用(yong)下(xia)的分析是(shi)(shi)可行(xing)的；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密度(du)為1.45g/cm3的擬合線(xian)(xian)(xian)位于干密度(du)為1.34g/cm3的擬合線(xian)(xian)(xian)上方，圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位于下(xia)方，表(biao)明密度(du)越大(da)，動彈模越大(da)、阻尼(ni)比越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密度(du)的擬合線(xian)(xian)(xian)基本位于Seed等給出(chu)的邊(bian)界線(xian)(xian)(xian)上方，而圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本處于邊(bian)界線(xian)(xian)(xian)中(zhong)間，表(biao)明相比較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)膏(gao)動彈模較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)導致磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)的動力反(fan)(fan)應(ying)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，但由于阻尼(ni)比也較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，這樣又會(hui)削弱壩(ba)(ba)體的動力反(fan)(fan)應(ying)，二(er)者的相互影(ying)響下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的動力反(fan)(fan)應(ying)將不會(hui)過(guo)于強烈，這對磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)的抗震穩定性是(shi)(shi)有利的。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干密(mi)度為1.12(變化(hua)范(fan)(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化(hua)范(fan)(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行(xing)試驗，破壞(huai)標準為總應(ying)變達到(dao)10%。

圖(tu)15給(gei)出(chu)了動剪應力比(bi)τd/σ0′與(yu)(yu)破(po)壞振次(ci)Nf的關(guan)系(xi)(xi)曲線圖(tu)，其中σ0為振前(qian)試樣45°面上的有效法(fa)向(xiang)應力，表達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比(bi)。從試驗(yan)結果可以看出(chu)，沉積磷石(shi)膏的動強度與(yu)(yu)其它土體相似，表現為圍壓和固結應力比(bi)與(yu)(yu)動剪應力比(bi)呈負相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。

為判別沉積(ji)磷石膏的抗液化能(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)

所示的冪函數關系式得到振次為30時各(ge)個(ge)圍壓和固結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求(qiu)得動剪應(ying)力比(bi)與圍壓(ya)和固結應(ying)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(cong)上(shang)述(shu)擬(ni)合關(guan)系式可見，密實度提(ti)(ti)高后，動(dong)剪應力(li)(li)比提(ti)(ti)高，表(biao)明抗液(ye)化能力(li)(li)也提(ti)(ti)高。但即使(shi)是在低密度下，其動(dong)剪應力(li)(li)比較之同類的粉土或粉砂也大出許多(duo)，表(biao)明磷石膏(gao)具有較高的抗液(ye)化能力(li)(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩(ba)，在鉆探(tan)取樣(yang)工作的基礎(chu)上，首先開展了物理性(xing)質試驗，然(ran)后開展了靜動(dong)力力學特性(xing)試驗。通過上述試驗研究(jiu)，得出如下結論(lun)：

(1)沉積(ji)磷石膏總體上屬于級(ji)配不良的(de)粉(fen)土，局(ju)部屬于粉(fen)砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級(ji)現象。其干(gan)密度(du)和粒徑變化隨(sui)埋(mai)深或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離的(de)變化不明顯(xian)。

(2)沉積磷(lin)石膏水平方向的(de)滲(shen)透系數(shu)(shu)大于垂直(zhi)方向的(de)滲(shen)透系數(shu)(shu)，呈現(xian)明顯的(de)各向異性(xing)。

(3)與(yu)土體顆粒不可壓(ya)縮不同，磷石膏(gao)的(de)晶體結構會發生壓(ya)縮破壞，具有(you)較大(da)的(de)壓(ya)縮性，其次固結變(bian)形量遠(yuan)大(da)于主固結變(bian)形量。

(4)沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)靜動(dong)強(qiang)度較之同(tong)等密(mi)實(shi)度下的(de)粉土、粉砂要高。