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(suan)生產過程中的(de)(de)(de)副產品(pin)，2018年(nian)，全(quan)國(guo)(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產生量為7800萬噸，且呈逐(zhu)年(nian)增長的(de)(de)(de)態勢(shi)(shi)。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)主要成(cheng)分(fen)是CaO和(he)SO3，但含有一定(ding)量的(de)(de)(de)氟化(hua)物(wu)和(he)其它放(fang)射性物(wu)質，在(zai)中國(guo)(guo)通常按Ⅱ類一般工(gong)業固體廢物(wu)處(chu)(chu)理，鑒(jian)于無害(hai)化(hua)處(chu)(chu)理成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)，目前綜合利用(yong)率(lv)尚不足40%，故大部分(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放(fang)。按堆(dui)(dui)存(cun)(cun)場地(di)(di)的(de)(de)(de)不同，可分(fen)為平地(di)(di)型、傍山型、山谷(gu)型和(he)截(jie)河型堆(dui)(dui)場，在(zai)中國(guo)(guo)基本(ben)上是山谷(gu)型堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較(jiao)干(gan)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)經濟(ji)優勢(shi)(shi)明顯，因而如地(di)(di)質條件為非碳(tan)酸(suan)鹽巖地(di)(di)區(qu)，一般均(jun)采(cai)用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方(fang)式。隨著中國(guo)(guo)磷(lin)肥工(gong)業的(de)(de)(de)快(kuai)速發展，本(ben)世紀初中國(guo)(guo)相(xiang)繼建(jian)設了幾(ji)座濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)(de)大型磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例(li)如云天化(hua)國(guo)(guo)際化(hua)工(gong)三(san)環(huan)分(fen)公(gong)司的(de)(de)(de)柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)和(he)富瑞分(fen)公(gong)司的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設計壩(ba)高(gao)均(jun)超(chao)過100m、處(chu)(chu)于8度地(di)(di)震區(qu)，其安全(quan)性備受關注。

據(ju)統(tong)計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有(you)118座尾礦(kuang)壩曾發生(sheng)過破壞或(huo)潰壩事(shi)(shi)故，原因主要(yao)有(you)地(di)震、洪水漫(man)頂、滲透破壞和(he)(he)基(ji)礎失穩。尾礦(kuang)庫失事(shi)(shi)后會造成巨大的生(sheng)態災難和(he)(he)人員(yuan)傷(shang)亡，近幾十年(nian)來，

國內外對金(jin)屬尾礦的(de)沉(chen)積(ji)規律(lv)、物理力學(xue)(xue)特性及(ji)其穩(wen)(wen)定性開展(zhan)了大量的(de)研究(jiu)，但(dan)對于與金(jin)屬尾礦庫相近的(de)磷(lin)石膏庫，一般僅限于在(zai)可(ke)研階(jie)段采用人工制備(bei)樣進行物理力學(xue)(xue)性質試驗(yan)，并據此進行穩(wen)(wen)定性分析，尚未(wei)有(you)人針對己運行若干年(nian)的(de)大型濕法堆存磷(lin)石膏堆積(ji)壩開展(zhan)過磷(lin)石膏沉(chen)積(ji)規律(lv)及(ji)其物理力學(xue)(xue)特性的(de)專項研究(jiu)。

本文依托柳樹箐磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)，首先進行(xing)了(le)(le)鉆探取樣，采用(yong)原(yuan)(yuan)狀(zhuang)樣開展了(le)(le)密度、含水率、滲透(tou)、土水特(te)(te)征和顆(ke)分等物理性(xing)質試驗(yan)，在此基礎上(shang)有針對性(xing)的(de)選擇原(yuan)(yuan)狀(zhuang)樣開展了(le)(le)三軸CU、蠕變及(ji)動(dong)三軸等力(li)學(xue)特(te)(te)性(xing)試驗(yan)。通過(guo)上(shang)述(shu)(shu)試驗(yan)研究(jiu)，總結了(le)(le)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)沉積規律、滲透(tou)特(te)(te)性(xing)、滲透(tou)破壞特(te)(te)性(xing)以及(ji)靜動(dong)力(li)特(te)(te)性(xing)，上(shang)述(shu)(shu)研究(jiu)工(gong)(gong)作對研究(jiu)和評估磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)積壩(ba)的(de)穩定性(xing)提(ti)供了(le)(le)基礎數據，對現行(xing)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫的(de)運行(xing)管理以及(ji)新建工(gong)(gong)程的(de)設計具有重(zhong)要的(de)借(jie)鑒意義。

一、依托工程(cheng)概(gai)況

1.1柳樹(shu)箐磷石膏堆(dui)積壩(ba)堆(dui)存(cun)設計方案

由初期(qi)壩和(he)堆積壩組(zu)成，設計(ji)總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)高約(yue)30m，采(cai)用土料填筑。上游坡面(mian)、壩(ba)(ba)(ba)底和下游壩(ba)(ba)(ba)腳設置(zhi)堆石排水體，三者相連通構成整個堆積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的(de)主要排滲(shen)系統(tong)。

(2)堆(dui)積壩及其輔助排滲措(cuo)施

采用上(shang)游(you)式筑壩(ba)法，共20級子壩(ba)，頂(ding)寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排(pai)(pai)滲管網(wang)作為輔(fu)助排(pai)(pai)滲方案，目前己(ji)在5級、9級子壩(ba)和13級子壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置了井字形(xing)排(pai)(pai)滲管網(wang)。

1.2沉積磷(lin)石膏的(de)鉆探取樣

鉆孔平面位置見圖l。2008年6月，堆積(ji)至(zhi)5級(ji)子(zi)壩時，布設(she)了(le)9個(ge)取(qu)樣(yang)鉆孔，鉆孔編號K1～K9，取(qu)原狀樣(yang)76件；2013年5月，堆積(ji)至(zhi)13級(ji)子(zi)壩時，又布設(she)了(le)11個(ge)取(qu)樣(yang)鉆孔，鉆孔編號K10～K20，取(qu)原狀樣(yang)112件，為(wei)比較子(zi)壩加高和(he)(he)磷石膏堆積(ji)過程中磷石膏物理力學性質的(de)變(bian)化，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔和(he)(he)K6孔附近各布設(she)了(le)一個(ge)鉆孔，鉆孔編號分別(bie)為(wei)K17和(he)(he)K18。

1.3運行(xing)概況(kuang)

柳(liu)樹箐磷石膏(gao)尾(wei)礦庫(ku)2005年(nian)開(kai)工(gong)建(jian)設，2006年(nian)1月投入運行(xing)，截至(zhi)2013年(nian)5月己堆至(zhi)13級子(zi)壩(ba)，尚有7級子(zi)壩(ba)即堆存(cun)至(zhi)設計高(gao)程。鑒于磷石膏(gao)庫(ku)地形(xing)、地質條件(jian)(jian)較(jiao)好，具備擴容改造的條件(jian)(jian)，以提高(gao)堆存(cun)庫(ku)容，減少堆存(cun)占地，節約土地資源。

本文(wen)主要(yao)對沉積磷石膏的物理力學特性進行了全面總(zong)結，限于篇幅，有關現狀磷石膏庫(ku)堆積壩(ba)的安全性評價及(ji)其加高可行性的研究將另文(wen)發表。

二(er)、沉積磷石(shi)膏的物(wu)理力學特性

2.1物理特性

(1)干密(mi)度(du)分布

圖(tu)(tu)2給(gei)出了14個鉆孔(kong)的(de)(de)取樣深(shen)度和(he)試驗所得干密度的(de)(de)關(guan)系(xi)，圖(tu)(tu)中UWL表示水位(wei)線(xian)上，(系(xi)鉆孔(kong)期間(jian)的(de)(de)初見水位(wei)線(xian)，下(xia)(xia)同(tong))，DWL表示水位(wei)線(xian)下(xia)(xia)。圖(tu)(tu)3給(gei)出了水位(wei)線(xian)上下(xia)(xia)的(de)(de)飽和(he)度分布圖(tu)(tu)。由于磷石膏(gao)中的(de)(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫度和(he)烘烤(kao)時間(jian)對測定結(jie)果有(you)一定影響，不(bu)能照搬現行的(de)(de)土(tu)工試驗規(gui)范(fan)，本文磷石膏(gao)的(de)(de)含水率測定方法(fa)為55℃溫度下(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉(chen)積磷石膏干密度與埋深的關系

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

由(you)圖3，水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線上的磷石膏飽(bao)(bao)和(he)度平(ping)均值(zhi)為(wei)50.4%，處于非(fei)飽(bao)(bao)和(he)狀態，水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線以(yi)下(xia)的磷石膏飽(bao)(bao)和(he)度平(ping)均值(zhi)為(wei)85.0%，基本處于飽(bao)(bao)和(he)狀態，由(you)于水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)下(xia)降后磷石膏來(lai)不及排水(shui)(shui)(shui)固(gu)結，故而水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線上局部試(shi)樣的飽(bao)(bao)和(he)度較(jiao)高。

由圖2，水(shui)(shui)(shui)位(wei)線以上的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位(wei)線以下的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見(jian)磷石(shi)(shi)膏與一(yi)般的(de)尾礦有所(suo)不同，磷石(shi)(shi)膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度并不隨埋深的(de)增大而明(ming)顯增大，但水(shui)(shui)(shui)位(wei)線以下的(de)磷石(shi)(shi)膏干(gan)(gan)密(mi)(mi)度從(cong)統計意(yi)義上來看仍大于(yu)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線以上的(de)磷石(shi)(shi)膏干(gan)(gan)密(mi)(mi)度，這(zhe)主要是由于(yu)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線隨庫水(shui)(shui)(shui)位(wei)的(de)變(bian)化反(fan)復升降而使得磷石(shi)(shi)膏排水(shui)(shui)(shui)固(gu)結(jie)所(suo)致。

室(shi)內擊實得(de)到的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏最大干(gan)密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從圖2可以(yi)看(kan)出(chu)，自然(ran)沉積的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏最大干(gan)密(mi)度可達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經(jing)典(dian)的(de)土骨架(jia)不可壓縮的(de)理論(lun)不同，石(shi)(shi)膏本身可壓縮，同時由于顆粒(li)結(jie)(jie)構不穩定，擊實試(shi)驗過程(cheng)中磷(lin)石(shi)(shi)膏結(jie)(jie)構被破壞(huai)，受(shou)夯擊處(chu)下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現了類似于橡皮土的(de)現象。而在現場條件下(xia)，石(shi)(shi)膏骨架(jia)被破壞(huai)后，會(hui)導致顆粒(li)中的(de)結(jie)(jie)合水(shui)滲(shen)出(chu)至孔(kong)隙(xi)內，變成孔(kong)隙(xi)水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)(jie)后會(hui)使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)孔(kong)隙(xi)比減小，干(gan)密(mi)度增大。

圖4給(gei)出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔K2和(he)K17(位于(yu)(yu)2級子(zi)壩河床部位)以及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔K6和(he)K18(位于(yu)(yu)4級子(zi)壩河床部位)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義(yi)上來看，磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)也(ye)并(bing)未隨后(hou)續(xu)磷(lin)石膏(gao)的(de)堆積而有較為(wei)(wei)明(ming)顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗(yan)采用(yong)密度(du)計法，制備懸液時不煮(zhu)沸，不加六偏(pian)磷酸鈉。圖5給出(chu)了試驗(yan)得到的(de)級配(pei)包線、平均粒徑d50、不均勻系數(1u和曲率系數Cc的(de)分布圖。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒(li)徑(jing)主要分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于(yu)粉土，但(dan)可能由于(yu)礦(kuang)石來源或(huo)生產工藝有(you)所不同，局部屬于(yu)粉砂～中砂。粒(li)徑(jing)分(fen)布范圍比Blight和張超(chao)等(deng)的試驗結(jie)果(guo)要寬(kuan)一些。

圖4子壩加高(gao)后(hou)沉積磷石膏的干密度變化

圖5沉積(ji)磷石膏的平均粒徑(jing)和(he)級配分布

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向(xiang)還是(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)石(shi)膏與(yu)金(jin)(jin)屬(shu)礦(kuang)山(shan)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前(qian)粗后細，上粗下細”的(de)(de)自然分(fen)級現象不(bu)同，也即(ji)粗顆粒(li)并不(bu)是(shi)沿埋(mai)深逐(zhu)步減(jian)小(xiao)或距離放(fang)漿口(kou)(kou)越遠(yuan)(yuan)顆粒(li)越細，其原因如下：①磷(lin)石(shi)膏顆粒(li)粒(li)徑(jing)(jing)組成(cheng)較(jiao)為(wei)集中(zhong)、均勻，主(zhu)要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級配較(jiao)差；②相(xiang)比(bi)較(jiao)金(jin)(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)比(bi)重較(jiao)小(xiao)，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)比(bi)重一(yi)般(ban)為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)(yuan)小(xiao)于金(jin)(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重，例(li)如鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重可(ke)達2.9；③放(fang)漿口(kou)(kou)隨(sui)子壩高度(du)不(bu)斷(duan)增加而不(bu)斷(duan)變(bian)動并向(xiang)庫尾(wei)延伸，造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)粒(li)徑(jing)(jing)變(bian)化不(bu)明顯(xian)。

從(cong)圖5(d)可見，不(bu)均勻(yun)系(xi)數Cu范圍值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲(qu)率系(xi)數(1c范圍值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.21，在(zai)統計的(de)100多個試樣(yang)中，屬于級配(pei)不(bu)良土(tu)的(de)占(zhan)93%。這種級配(pei)特性決定(ding)了磷石膏具有較高的(de)壓縮性、滲透破壞(huai)型式表現為(wei)(wei)流土(tu)破壞(huai)。

2.2滲(shen)透特性(xing)

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的主要因(yin)(yin)素(su)是(shi)粒徑大(da)(da)小(xiao)、級配和(he)孔(kong)(kong)隙比，因(yin)(yin)而磷石膏(gao)的滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)與(yu)(yu)粉(fen)土較(jiao)(jiao)(jiao)為接近。由于(yu)孔(kong)(kong)隙比e減(jian)小(xiao)，使(shi)得過水通道面積(ji)(ji)減(jian)小(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k也將減(jian)小(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正(zheng)相(xiang)關關系(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的線性(xing)關系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)好，圖6給出了二(er)者間(jian)的關系(xi)(xi)(xi)曲(qu)線，由于(yu)沉(chen)積(ji)(ji)磷石膏(gao)的不(bu)均勻(yun)系(xi)(xi)(xi)數(shu)變化較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)，使(shi)得沉(chen)積(ji)(ji)磷石膏(gao)的滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)變化范圍(wei)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)(平(ping)均值為10-4cm/s數(shu)量級)，二(er)者問的線性(xing)關系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲(shen)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(ping)(ping)與垂直向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)比(bi)值(zhi)的(de)(de)分(fen)(fen)布。沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kh一(yi)(yi)般(ban)大(da)于垂直向的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值(zhi)約為2.86，這一(yi)(yi)點與成(cheng)層分(fen)(fen)布的(de)(de)金屬尾(wei)礦(kuang)規律一(yi)(yi)致。造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)大(da)于垂直向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的(de)(de)原因是由于磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)有明(ming)顯(xian)的(de)(de)晶體結構(gou)，電鏡掃描顯(xian)示多為菱(ling)形和棱柱狀形式(見圖8)，在沉積過程(cheng)中，由于扁(bian)平(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)顆粒多呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使(shi)得(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)方向的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)大(da)于垂直方向的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)，從(cong)而使(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)呈(cheng)現明(ming)顯(xian)的(de)(de)各向異性(xing)(xing)。

另根據中國有色金屬(shu)工業昆明勘(kan)察設計研究院(yuan)在楊(yang)家(jia)箐磷石膏堆積壩開展的(de)(de)現場滲透試驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平均值(zhi)約為(wei)1.9。但(dan)張超等的(de)(de)室內試驗(yan)顯(xian)示，kh/kv的(de)(de)平均值(zhi)約為(wei)0.46，也即垂直向(xiang)(xiang)滲透系(xi)數(shu)大于水平向(xiang)(xiang)滲透系(xi)數(shu)，與本文和現場試驗(yan)結(jie)果恰恰相反。從磷石膏的(de)(de)微觀結(jie)構來看，本文試驗(yan)結(jie)果更(geng)為(wei)合理。

圖(tu)7沉積磷石(shi)膏干密度與水平(ping)和垂(chui)直(zhi)滲透系數比值的關系

(2)滲透(tou)變形

圖9為(wei)(wei)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密度為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力梯(ti)度J與(yu)流速V的(de)(de)關系曲線，試(shi)驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平管涌儀中采(cai)用(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)(de)滲流形式(shi)進行。試(shi)驗(yan)得到的(de)(de)臨(lin)界坡(po)(po)降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞(huai)坡(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一般(ban)來說，對(dui)1，2級(ji)工(gong)程，滲透(tou)安全系數取(qu)為(wei)(wei)2.5，則允許(xu)出逸坡(po)(po)降(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下工(gong)程，滲透(tou)安全系數取(qu)2.0，則允許(xu)出逸坡(po)(po)降(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)與(yu)粉土一粉砂大(da)致相同。但(dan)(dan)上述(shu)滲透(tou)變形試(shi)驗(yan)是采(cai)用(yong)自(zi)來水(shui)(shui)進行的(de)(de)，自(zi)來水(shui)(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏具有一定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)，而實際上磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏中殘(can)余磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)(suan)(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一般(ban)小于(yu)3(稱之(zhi)為(wei)(wei)酸(suan)(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏不會發生破(po)壞(huai)，上述(shu)試(shi)驗(yan)結果是偏于(yu)保守的(de)(de)，但(dan)(dan)對(dui)非酸(suan)(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下的(de)(de)滲透(tou)穩定(ding)(ding)(ding)判斷有一定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)借(jie)鑒(jian)意義。

圖9水力(li)梯度(du)J-流速v試驗過(guo)程線(ρd=140g/cm3)

(3)土(tu)水特征試(shi)驗

試驗在5Bar的壓力(li)板儀中進(jin)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列出了(le)含水(shui)率特征值(zhi)，試驗曲線見圖10所示。

試(shi)驗結果表明：①干密(mi)度(du)對進氣(qi)值沒有明顯的(de)(de)影響，不同干密(mi)度(du)的(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)進氣(qi)值大致(zhi)在10kPa左(zuo)右；②土樣殘余含水率(lv)隨干密(mi)度(du)的(de)(de)增加(jia)而(er)減(jian)少(shao)，殘余含水率(lv)約為飽和含水率(lv)的(de)(de)10%。上述特性與粉(fen)(fen)土一粉(fen)(fen)砂(sha)基本(ben)一致(zhi)。

2.3靜力(li)力(li)學(xue)特性

(1)三軸(zhou)CU試驗

由于沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)密度(du)(du)變(bian)化較大，而進(jin)(jin)行三(san)(san)軸(zhou)試驗(yan)需要若干(gan)(gan)(gan)原狀樣(yang)，為(wei)(wei)使試驗(yan)結果具(ju)有較好的(de)(de)一致性，有針(zhen)對(dui)性的(de)(de)選擇平均(jun)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)分(fen)別(bie)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)(de)若干(gan)(gan)(gan)試樣(yang)，進(jin)(jin)行了5組三(san)(san)軸(zhou)CU試驗(yan)。圖11是為(wei)(wei)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)(san)軸(zhou)CU試驗(yan)曲線。

從圖11可(ke)以看出，磷(lin)石(shi)膏的(de)應力應變關系(xi)曲線(xian)在低圍(wei)壓下表現(xian)(xian)為軟化型，在高圍(wei)壓下表現(xian)(xian)為硬化型，與(yu)一般(ban)土(tu)類相似。但與(yu)一般(ban)粉土(tu)一粉砂不(bu)同的(de)是，即使在較為疏松的(de)狀態下，磷(lin)石(shi)膏仍表現(xian)(xian)了較為強烈的(de)剪脹，隨密實度(du)增大(da)，剪脹作(zuo)用愈發明顯。

表2給出(chu)了不同干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)下的(de)(de)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出(chu)了內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)的(de)(de)關系曲線。隨(sui)干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)的(de)(de)增大，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)也隨(sui)之(zhi)增大，且可采用冪函(han)數較(jiao)好地擬合(he)。磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)由(you)1.20g/cm3增加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增加(jia)了32%，總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增加(jia)為(wei)37.3°(根(gen)據擬合(he)曲線求得)，增幅為(wei)9.4%，有效應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增加(jia)為(wei)38.8°，增幅為(wei)3.2%，由(you)于隨(sui)圍壓的(de)(de)增大，孔壓也明(ming)顯(xian)(xian)增大，故(gu)有效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)增幅較(jiao)之(zhi)總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)要(yao)小。另外較(jiao)之(zhi)于干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)增幅，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)增幅并不顯(xian)(xian)著，表明(ming)即(ji)使較(jiao)為(wei)疏(shu)松的(de)(de)磷(lin)石膏仍具有較(jiao)高的(de)(de)強度(du)(du)(du)指標，這也表明(ming)磷(lin)石膏堆積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

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

試驗從2012年(nian)8月27日開(kai)始，試驗己進行了1年(nian)多，試驗結果見(jian)圖(tu)13所(suo)示。

從圖13中(zhong)可以看出：上覆荷(he)載越(yue)大(da)，磷(lin)石膏的蠕變(bian)變(bian)形也越(yue)大(da)，荷(he)載施加1年后(hou)，磷(lin)石膏的蠕變(bian)變(bian)形仍非常(chang)顯(xian)著，尚未(wei)達(da)到穩定(ding)(ding)狀態(tai)，這(zhe)也是磷(lin)石膏堆積壩(ba)(ba)后(hou)期變(bian)形較(jiao)大(da)的原因，原型(xing)觀測(ce)資料(liao)表明，在5級子(zi)壩(ba)(ba)河床部位的表面沉降量已經達(da)到3.1m，且尚未(wei)完全穩定(ding)(ding)。

按時間對(dui)數(shu)(shu)法，可求得各(ge)級(ji)荷(he)載下(xia)(xia)的(de)(de)主次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量(liang)如表(biao)3所示(shi)。試驗結(jie)(jie)果表(biao)明，在100～400kPa上(shang)覆荷(he)載作用下(xia)(xia)，在試驗時間范(fan)圍內(nei)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由于(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完成，實際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應(ying)更(geng)大。對(dui)土體(ti)(ti)(ti)而言(yan)，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因(yin)是由于(yu)土體(ti)(ti)(ti)在主固(gu)(gu)結(jie)(jie)完成之后(hou)(hou)，土體(ti)(ti)(ti)中仍有微(wei)小(xiao)的(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力(li)存在，驅使水在顆粒問(wen)流動，一(yi)般來講(jiang)土體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷石(shi)膏(gao)而言(yan)，其滲(shen)透系數(shu)(shu)在10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級(ji)，遠大于(yu)黏性土，但其卻發(fa)生(sheng)了極(ji)為顯著(zhu)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其原因(yin)在于(yu)磷石(shi)膏(gao)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)(ti)結(jie)(jie)構(gou)發(fa)生(sheng)了壓縮、破(po)壞，接觸點(dian)晶(jing)(jing)格(ge)發(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而破(po)壞后(hou)(hou)晶(jing)(jing)格(ge)之間的(de)(de)重新排列、調(diao)整(zheng)到(dao)最(zui)后(hou)(hou)趨(qu)于(yu)相對(dui)靜(jing)止需要相當(dang)長的(de)(de)時間才能完成。

2.4動(dong)力力學特性

試(shi)驗(yan)設(she)備采用(yong)英國(guo)GDS公司進口的電機控制動三軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣(yang)直徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比

同樣(yang)由于自然沉積的磷石膏密(mi)(mi)度(du)變(bian)(bian)化(hua)較大，為此根據物(wu)理性質(zhi)試(shi)驗(yan)結果，選擇兩種(zhong)平(ping)均干密(mi)(mi)度(du)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(jin)行試(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模(mo)量G、阻尼比與(yu)剪(jian)應變(bian)幅(fu)值γd的關系式如下(xia)：

式中k1為參數(shu)，表(biao)示動(dong)剪切模(mo)量(liang)的(de)衰減或阻尼(ni)比的(de)增長速率；λmax為最大阻尼(ni)比；Gmax，γd分(fen)別為最大動(dong)剪切模(mo)量(liang)和(he)歸一化的(de)動(dong)剪應變(bian)，表(biao)示為

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

圖(tu)14給出(chu)了動(dong)剪切(qie)模量、阻尼(ni)比與歸一化動(dong)應(ying)變的關(guan)系曲線(xian)，另外(wai)圖(tu)中還(huan)給出(chu)了式(1)的擬合曲線(xian)以及Seed等給出(chu)的砂(sha)樣的上(shang)下邊界(jie)線(xian)，圖(tu)例(li)中，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結應(ying)力比。

從圖(tu)(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)較好(hao)地(di)描述磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)動(dong)應力(li)-動(dong)應變(bian)試驗(yan)曲線(xian)，表明采用等價黏彈(dan)性模型進行(xing)循環荷(he)載作用下的(de)(de)(de)(de)分析是可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)位(wei)于干密度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)上(shang)方(fang)，圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于下方(fang)，表明密度越(yue)大(da)，動(dong)彈(dan)模越(yue)大(da)、阻(zu)尼(ni)比越(yue)小；③圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密度的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)基本(ben)位(wei)于Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界線(xian)上(shang)方(fang)，而圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本(ben)處(chu)于邊(bian)界線(xian)中(zhong)間，表明相比較砂樣，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏動(dong)彈(dan)模較大(da)，會導致磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應較大(da)，但由于阻(zu)尼(ni)比也較大(da)，這樣又會削弱壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應，二(er)者的(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆積壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應將(jiang)不(bu)會過于強烈，這對磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定(ding)性是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選擇兩(liang)種平均干(gan)密度為(wei)1.12(變(bian)化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破(po)壞標(biao)準為(wei)總應變(bian)達到10%。

圖15給出了(le)動(dong)剪應(ying)力比(bi)(bi)τd/σ0′與破(po)壞振次Nf的(de)(de)關系曲線圖，其中(zhong)σ0為振前(qian)試樣45°面上(shang)的(de)(de)有效法(fa)向應(ying)力，表(biao)(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結(jie)比(bi)(bi)。從試驗結(jie)果可以(yi)看出，沉積磷石膏(gao)的(de)(de)動(dong)強度與其它土體相似，表(biao)(biao)現為圍壓(ya)和固(gu)結(jie)應(ying)力比(bi)(bi)與動(dong)剪應(ying)力比(bi)(bi)呈負相關關系。

為判別沉積磷石膏的抗液化能力(li)，假(jia)定抗震設計烈度為8度，即等效振(zhen)次Ⅳ可(ke)取為30。首先由式(4)

所示的冪函數關系式(shi)得(de)到振次(ci)為30時各個(ge)圍(wei)壓和(he)固結(jie)比(bi)下(xia)的動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可(ke)擬合求得動剪應力比(bi)與圍壓和固結(jie)應力比(bi)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，密實度提高(gao)(gao)(gao)后(hou)，動剪應力比提高(gao)(gao)(gao)，表明抗(kang)液化(hua)能力也提高(gao)(gao)(gao)。但即使是(shi)在(zai)低密度下，其動剪應力比較之同類(lei)的(de)粉(fen)土或粉(fen)砂也大(da)出許多(duo)，表明磷石膏具有較高(gao)(gao)(gao)的(de)抗(kang)液化(hua)能力。

三、結論

依托柳樹箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩(ba)，在鉆探取樣工作的(de)基(ji)礎上，首先開展(zhan)了物(wu)理性(xing)質試驗(yan)，然(ran)后開展(zhan)了靜(jing)動力(li)力(li)學(xue)特性(xing)試驗(yan)。通過(guo)上述試驗(yan)研究，得出(chu)如下結論：

(1)沉積磷(lin)石膏總體上(shang)屬于級(ji)配不(bu)良的粉(fen)土(tu)，局部屬于粉(fen)砂一中砂，無自然分級(ji)現(xian)象。其干密(mi)度(du)和粒徑(jing)變化隨(sui)埋深或(huo)距(ju)放漿口距(ju)離的變化不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏水平方向的滲透系數(shu)大于垂直方向的滲透系數(shu)，呈現明顯的各向異性。

(3)與土體顆粒不可(ke)壓(ya)縮不同，磷石(shi)膏(gao)的晶體結(jie)構會發生壓(ya)縮破壞，具有較大的壓(ya)縮性，其次固結(jie)變形(xing)量(liang)遠大于主固結(jie)變形(xing)量(liang)。

(4)沉積(ji)磷石膏(gao)的靜動(dong)強度(du)較(jiao)之同等密實度(du)下(xia)的粉土(tu)、粉砂(sha)要高。