沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)是磷(lin)酸生產過程中(zhong)的(de)(de)副(fu)產品(pin)，目前的(de)(de)綜合(he)利用率(lv)尚不足40%，大部分(fen)需要(yao)堆(dui)存存放。受地形(xing)限制和經(jing)濟效益考慮，中(zhong)國主要(yao)為(wei)濕法(fa)堆(dui)存的(de)(de)山(shan)谷型堆(dui)場。依托柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)，針(zhen)對沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)首先開(kai)展了密度、含水率(lv)、滲透、土水特征(zheng)和顆分(fen)等物(wu)理(li)性質試驗(yan)，然后開(kai)展了三軸cu、蠕變(bian)及(ji)動三軸等力(li)學特性試驗(yan)。試驗(yan)結果表明：①沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)干密度與埋深沒(mei)有(you)相關(guan)關(guan)系；②沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)不具(ju)有(you)自(zi)然分(fen)級現(xian)象，但(dan)(dan)具(ju)有(you)明顯的(de)(de)各向異性；③沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)具(ju)有(you)較高的(de)(de)摩擦角和抗液化能力(li)，但(dan)(dan)其蠕變(bian)變(bian)形(xing)較大、滲透比(bi)降較小。上述工作為(wei)分(fen)析磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)壩(ba)體穩定性提供(gong)了基礎，對現(xian)行磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫的(de)(de)運行管理(li)以(yi)及(ji)新建工程的(de)(de)設計具(ju)有(you)重要(yao)的(de)(de)借鑒意(yi)義。

引言

磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏是(shi)濕(shi)法磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸生產(chan)過程中的(de)(de)(de)副產(chan)品(pin)，2018年(nian)，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏產(chan)生量為7800萬噸，且(qie)呈逐年(nian)增長的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)主要(yao)成分是(shi)CaO和SO3，但含有一定量的(de)(de)(de)氟(fu)化物和其它放射性物質(zhi)，在(zai)中國(guo)通常按Ⅱ類一般(ban)工(gong)業(ye)固體廢物處理，鑒于無害化處理成本較高，目前綜合利(li)用率(lv)尚不(bu)足40%，故大部分磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏需要(yao)堆存存放。按堆存場地的(de)(de)(de)不(bu)同，可分為平地型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)和截河型(xing)堆場，在(zai)中國(guo)基本上是(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)堆場。相(xiang)比較干法堆存，濕(shi)法堆存經濟優勢明顯，因而如地質(zhi)條件(jian)為非碳酸鹽巖地區(qu)，一般(ban)均采用濕(shi)排濕(shi)堆方式。隨著中國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥工(gong)業(ye)的(de)(de)(de)快速發(fa)展(zhan)，本世紀初中國(guo)相(xiang)繼建設了幾(ji)座(zuo)濕(shi)法堆存的(de)(de)(de)大型(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫，例(li)如云天化國(guo)際化工(gong)三環分公(gong)司的(de)(de)(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫堆積壩和富瑞分公(gong)司的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫堆積壩，這兩座(zuo)壩設計(ji)壩高均超(chao)過100m、處于8度地震區(qu)，其安全性備受關注。

據統(tong)計，110多(duo)年(1901年一(yi)2013年)來，全世(shi)界(jie)有118座尾礦壩(ba)曾發生過(guo)破壞或潰(kui)壩(ba)事(shi)故，原因主要有地震、洪水漫頂、滲透破壞和(he)基礎失穩。尾礦庫失事(shi)后會造(zao)成巨(ju)大(da)的生態(tai)災(zai)難和(he)人員傷亡，近(jin)幾(ji)十年來，

國內外對(dui)金(jin)屬尾(wei)礦的(de)(de)沉積規律、物(wu)理力(li)學特性及其穩(wen)定(ding)性開(kai)展(zhan)了大(da)量的(de)(de)研(yan)究，但對(dui)于與金(jin)屬尾(wei)礦庫相近的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫，一般(ban)僅限于在可研(yan)階段(duan)采用人工(gong)制備樣進行(xing)物(wu)理力(li)學性質試(shi)驗，并據此(ci)進行(xing)穩(wen)定(ding)性分析，尚未有(you)人針對(dui)己運行(xing)若干年的(de)(de)大(da)型濕法(fa)堆存磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積壩開(kai)展(zhan)過磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)沉積規律及其物(wu)理力(li)學特性的(de)(de)專項研(yan)究。

本文依(yi)托柳樹箐磷石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)(ba)，首先進(jin)行了(le)鉆探取樣，采(cai)用原(yuan)狀(zhuang)(zhuang)樣開展了(le)密度、含(han)水(shui)率、滲透(tou)、土(tu)水(shui)特(te)(te)(te)征和(he)顆分等(deng)物(wu)理(li)性(xing)(xing)(xing)(xing)質試驗，在此基礎(chu)上有(you)針對性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)選擇原(yuan)狀(zhuang)(zhuang)樣開展了(le)三軸CU、蠕(ru)變及(ji)(ji)(ji)動三軸等(deng)力(li)學特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)試驗。通過上述試驗研(yan)究，總結了(le)磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)沉(chen)積規(gui)律、滲透(tou)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)、滲透(tou)破壞特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)以及(ji)(ji)(ji)靜動力(li)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)，上述研(yan)究工(gong)作對研(yan)究和(he)評估(gu)磷石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)(xing)提供了(le)基礎(chu)數(shu)據(ju)，對現行磷石(shi)(shi)膏(gao)庫的(de)(de)運行管理(li)以及(ji)(ji)(ji)新建工(gong)程的(de)(de)設計具有(you)重(zhong)要的(de)(de)借鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存(cun)設計方案(an)

由初期(qi)壩(ba)(ba)(ba)和(he)堆(dui)積壩(ba)(ba)(ba)組成，設(she)計總壩(ba)(ba)(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩壩高約30m，采用土料填筑。上游(you)坡(po)面、壩底和下游(you)壩腳設置堆石排水體(ti)，三者(zhe)相(xiang)連(lian)通構(gou)成整(zheng)個(ge)堆積(ji)壩的(de)主(zhu)要排滲系統。

(2)堆積(ji)壩及其輔助排滲措施

采(cai)用(yong)上游式筑壩法，共20級(ji)(ji)子壩，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約100m。采(cai)用(yong)排滲(shen)管(guan)網(wang)作為(wei)輔助排滲(shen)方案，目(mu)前(qian)己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩和13級(ji)(ji)子壩壩前(qian)120m范(fan)圍內設置(zhi)了(le)井字形排滲(shen)管(guan)網(wang)。

1.2沉積磷石(shi)膏(gao)的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)孔平面位置見圖l。2008年6月，堆積至5級(ji)子(zi)壩時(shi)，布設了(le)9個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)孔編號K1～K9，取原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)76件(jian)；2013年5月，堆積至13級(ji)子(zi)壩時(shi)，又布設了(le)11個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)孔編號K10～K20，取原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)112件(jian)，為(wei)(wei)比較子(zi)壩加高(gao)和磷(lin)石膏(gao)堆積過(guo)程(cheng)中磷(lin)石膏(gao)物理力學性質的變(bian)化(hua)，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔和K6孔附近各布設了(le)一個鉆(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)孔編號分別為(wei)(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)石(shi)膏尾礦(kuang)庫2005年開工建設(she)，2006年1月投入(ru)運行，截至(zhi)2013年5月己堆(dui)至(zhi)13級子(zi)壩，尚(shang)有7級子(zi)壩即(ji)堆(dui)存至(zhi)設(she)計高(gao)程(cheng)。鑒于(yu)磷(lin)石(shi)膏庫地(di)形(xing)、地(di)質條件(jian)較(jiao)好，具(ju)備擴容改造的條件(jian)，以提高(gao)堆(dui)存庫容，減少堆(dui)存占(zhan)地(di)，節約土(tu)地(di)資(zi)源。

本文主(zhu)要對沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)的物理力學(xue)特性(xing)進(jin)行了全面總結，限于篇幅(fu)，有關(guan)現狀磷(lin)石膏(gao)庫堆積(ji)壩(ba)的安全性(xing)評(ping)價及其加高(gao)可行性(xing)的研究(jiu)將另文發表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理力學(xue)特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了(le)14個(ge)鉆孔的取(qu)樣深度和(he)試(shi)驗所得干密度的關系(xi)(xi)，圖中UWL表(biao)示水位(wei)線(xian)上，(系(xi)(xi)鉆孔期間的初見(jian)水位(wei)線(xian)，下(xia)同)，DWL表(biao)示水位(wei)線(xian)下(xia)。圖3給出了(le)水位(wei)線(xian)上下(xia)的飽和(he)度分布圖。由于磷石膏(gao)中的主要成分為CaSO4·2H2O，不同溫度和(he)烘烤時間對測定結果有一定影響，不能照搬現行的土工試(shi)驗規(gui)范(fan)，本文(wen)磷石膏(gao)的含(han)水率(lv)測定方法為55℃溫度下(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石膏干(gan)密(mi)度與埋深的關系

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

由(you)圖3，水(shui)位(wei)線上的磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)飽(bao)和度平(ping)均值為(wei)50.4%，處于非飽(bao)和狀態，水(shui)位(wei)線以下(xia)的磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)飽(bao)和度平(ping)均值為(wei)85.0%，基(ji)本處于飽(bao)和狀態，由(you)于水(shui)位(wei)下(xia)降(jiang)后磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)來(lai)不及排(pai)水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)線上局部試樣的飽(bao)和度較(jiao)高。

由(you)圖2，水位(wei)線(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石膏與(yu)一般的(de)(de)尾(wei)礦有所不(bu)同，磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)并不(bu)隨埋深的(de)(de)增大而明顯增大，但水位(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)磷(lin)石膏干(gan)(gan)密度(du)從統計(ji)意義上來看(kan)仍大于水位(wei)線(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)磷(lin)石膏干(gan)(gan)密度(du)，這主要是由(you)于水位(wei)線(xian)隨庫水位(wei)的(de)(de)變化反復升降而使得磷(lin)石膏排水固結所致。

室內(nei)擊實(shi)得(de)到的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大(da)干密(mi)度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看(kan)出(chu)(chu)，自然沉積的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大(da)干密(mi)度可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下：與經典的(de)(de)土骨(gu)架不(bu)(bu)可(ke)壓(ya)縮的(de)(de)理(li)論(lun)不(bu)(bu)同，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)本(ben)身可(ke)壓(ya)縮，同時(shi)由于顆粒結(jie)(jie)(jie)構不(bu)(bu)穩定，擊實(shi)試驗過程中磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)結(jie)(jie)(jie)構被破壞，受夯擊處下陷，四(si)周鼓起(qi)，出(chu)(chu)現(xian)了類似于橡(xiang)皮土的(de)(de)現(xian)象。而(er)在(zai)現(xian)場(chang)條件下，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)骨(gu)架被破壞后(hou)，會導致顆粒中的(de)(de)結(jie)(jie)(jie)合(he)水滲出(chu)(chu)至孔隙內(nei)，變(bian)成孔隙水，排水固結(jie)(jie)(jie)后(hou)會使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)孔隙比減小，干密(mi)度增(zeng)大(da)。

圖4給出了相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K2和(he)K17(位于2級(ji)子(zi)壩(ba)河床部(bu)位)以及相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K6和(he)K18(位于4級(ji)子(zi)壩(ba)河床部(bu)位)干密(mi)(mi)度的(de)對比(bi)圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度在1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度在1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度在1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度在1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見(jian)，即使從統計意義(yi)上來看，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)干密(mi)(mi)度也并未隨后續磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)堆積(ji)而(er)有較為(wei)明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試(shi)驗采用密(mi)度計法，制備懸(xuan)液時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給出了(le)試(shi)驗得到的級配包線、平均(jun)粒徑(jing)d50、不均(jun)勻系(xi)(xi)數(1u和曲(qu)率系(xi)(xi)數Cc的分布圖(tu)。

從圖(tu)5(a)可見，磷石(shi)膏的粒(li)徑主要分布在0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬(shu)于粉(fen)土，但可能由于礦石(shi)來源或生產(chan)工(gong)藝(yi)有所不(bu)同，局部屬(shu)于粉(fen)砂(sha)(sha)～中砂(sha)(sha)。粒(li)徑分布范圍(wei)比Blight和(he)張超等(deng)的試驗結果(guo)要寬一些。

圖4子壩加高后沉積磷石膏的干密度變化

圖5沉積磷石(shi)膏的平(ping)均粒徑和級配分布(bu)

由圖(tu)5(b)和(he)5(c)，無(wu)論(lun)是水平向還是垂(chui)直向，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與金(jin)屬礦(kuang)(kuang)山(shan)尾礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下細(xi)”的(de)自然分級現象不(bu)同，也(ye)即粗(cu)顆粒(li)并(bing)不(bu)是沿埋(mai)深逐步減小(xiao)或(huo)距離放漿口(kou)越遠顆粒(li)越細(xi)，其(qi)原因(yin)如下：①磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆粒(li)粒(li)徑(jing)(jing)組(zu)成(cheng)較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)集中、均勻，主(zhu)要以(yi)粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)(wei)主(zhu)，級配較(jiao)(jiao)差；②相比較(jiao)(jiao)金(jin)屬尾礦(kuang)(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比重較(jiao)(jiao)小(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比重一般為(wei)(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬尾礦(kuang)(kuang)的(de)比重，例如鐵尾礦(kuang)(kuang)的(de)比重可達2.9；③放漿口(kou)隨子壩高度不(bu)斷增加(jia)而不(bu)斷變動并(bing)向庫(ku)尾延伸，造(zao)成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑(jing)(jing)變化不(bu)明顯(xian)。

從圖5(d)可見，不(bu)均勻系數(shu)Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(shu)(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為(wei)1.21，在統(tong)計的(de)100多個試樣中，屬于級(ji)配(pei)不(bu)良(liang)土的(de)占93%。這(zhe)種級(ji)配(pei)特性決(jue)定(ding)了磷石(shi)膏具有(you)較高的(de)壓縮性、滲(shen)透破壞(huai)型式表現為(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)主要因素是粒徑大(da)小(xiao)、級配和孔(kong)(kong)隙比，因而磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與粉土較為(wei)接近(jin)。由(you)于(yu)孔(kong)(kong)隙比e減(jian)小(xiao)，使(shi)(shi)得過水通道面積減(jian)小(xiao)，滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減(jian)小(xiao)，k與e呈(cheng)正相關關系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般(ban)認為(wei)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)線(xian)性(xing)關系(xi)(xi)(xi)(xi)較好，圖(tu)6給出(chu)了(le)二(er)者間的(de)關系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由(you)于(yu)沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化較大(da)，使(shi)(shi)得沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化范圍(wei)較大(da)(平均(jun)值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級)，二(er)者問的(de)線(xian)性(xing)關系(xi)(xi)(xi)(xi)較差。

圖(tu)6沉積(ji)磷石膏滲透系(xi)數(shu)與孔(kong)隙比的關系(xi)

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

圖(tu)(tu)7給出(chu)了水(shui)(shui)平與垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲透(tou)系數比值(zhi)的分布。沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏的水(shui)(shui)平向(xiang)滲透(tou)系數kh一般大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)的滲透(tou)系數kv,kh/kv平均(jun)值(zhi)約為(wei)2.86，這一點(dian)與成層分布的金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)規律(lv)一致。造成沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏水(shui)(shui)平向(xiang)滲透(tou)系數大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲透(tou)系數的原因是(shi)由于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)(shi)膏具有明(ming)顯的晶體結構，電鏡(jing)掃描顯示多(duo)(duo)為(wei)菱形和棱柱狀形式(見(jian)圖(tu)(tu)8)，在(zai)沉積過程中，由于(yu)(yu)扁平狀磷(lin)石(shi)(shi)膏顆粒多(duo)(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)平排(pai)列，使(shi)得水(shui)(shui)平方向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)性大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)性，從而使(shi)磷(lin)石(shi)(shi)膏呈(cheng)現明(ming)顯的各向(xiang)異性。

另根據中(zhong)國有(you)色金屬工(gong)業昆(kun)明勘察設計研究(jiu)院(yuan)在楊家箐磷石膏堆積壩開展(zhan)的(de)現場(chang)滲透試驗(yan)，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約(yue)為(wei)(wei)1.9。但張超等(deng)的(de)室內(nei)試驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)約(yue)為(wei)(wei)0.46，也即垂直(zhi)向滲透系(xi)數大于水平向滲透系(xi)數，與本(ben)文和現場(chang)試驗(yan)結(jie)果(guo)恰恰相反。從磷石膏的(de)微(wei)觀(guan)結(jie)構(gou)來(lai)看，本(ben)文試驗(yan)結(jie)果(guo)更為(wei)(wei)合理。

圖7沉(chen)積磷石膏干密度與水平和垂直滲(shen)透系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)石膏干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力(li)梯度(du)J與流速V的(de)(de)關系曲線，試(shi)驗(yan)(yan)在水(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采用(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)(de)滲流形式進行(xing)。試(shi)驗(yan)(yan)得到的(de)(de)臨(lin)界坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說，對1，2級工程，滲透(tou)安全(quan)系數取(qu)為(wei)2.5，則允(yun)許(xu)出逸坡(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以(yi)下(xia)工程，滲透(tou)安全(quan)系數取(qu)2.0，則允(yun)許(xu)出逸坡(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)比降(jiang)與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)大(da)致相同(tong)。但上述滲透(tou)變形試(shi)驗(yan)(yan)是采用(yong)自(zi)來(lai)水(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)，自(zi)來(lai)水(shui)(shui)對磷(lin)(lin)石膏具有(you)一(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)，而實際上磷(lin)(lin)石膏中(zhong)殘余(yu)磷(lin)(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般小于3(稱之為(wei)酸性(xing)水(shui)(shui))，在酸性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下(xia)，磷(lin)(lin)石膏不會發生破壞，上述試(shi)驗(yan)(yan)結果是偏于保守的(de)(de)，但對非酸性(xing)水(shui)(shui)條件(例如(ru)特(te)大(da)暴雨)下(xia)的(de)(de)滲透(tou)穩定(ding)(ding)(ding)判斷(duan)有(you)一(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)借鑒意(yi)義。

圖9水力梯度J-流速(su)v試驗(yan)過(guo)程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗(yan)在5Bar的壓力板儀(yi)中進(jin)行(xing)，環(huan)刀(dao)尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組(zu)，吸力范圍0～500kPa。表l列出(chu)了(le)含水率(lv)特征值，試驗(yan)曲(qu)線見圖10所示。

試驗結果表明：①干(gan)密度(du)(du)對進(jin)氣值沒有明顯(xian)的影(ying)響，不同干(gan)密度(du)(du)的試樣的進(jin)氣值大致在10kPa左右；②土樣殘余含水(shui)(shui)率隨干(gan)密度(du)(du)的增加而減少，殘余含水(shui)(shui)率約(yue)為飽和含水(shui)(shui)率的10%。上述(shu)特性(xing)與粉土一粉砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)密度(du)變化較(jiao)大，而進行三軸試(shi)驗(yan)需要若干原(yuan)狀樣(yang)，為(wei)使試(shi)驗(yan)結(jie)果具有較(jiao)好的(de)一致性，有針對性的(de)選擇(ze)平均干密度(du)分別為(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)若干試(shi)樣(yang)，進行了5組三軸CU試(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)干密度(du)為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三軸CU試(shi)驗(yan)曲線。

從圖11可(ke)以看出，磷(lin)石膏(gao)的應(ying)力(li)應(ying)變關系(xi)曲線在低圍壓下(xia)表現(xian)為軟化型(xing)，在高圍壓下(xia)表現(xian)為硬化型(xing)，與一般土類(lei)相似。但與一般粉土一粉砂不同(tong)的是，即使(shi)在較為疏松的狀態下(xia)，磷(lin)石膏(gao)仍表現(xian)了較為強烈的剪脹，隨密(mi)實度增大，剪脹作用愈發(fa)明顯。

表2給出了(le)不(bu)同干密度下的內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出了(le)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與干密度的關系曲線(xian)。隨(sui)(sui)干密度的增(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也隨(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)大(da)，且可(ke)采用冪(mi)函數較(jiao)(jiao)好地擬合。磷(lin)石(shi)膏的干密度由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了(le)32%，總(zong)應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬合曲線(xian)求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)9.4%，有效(xiao)應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)3.2%，由(you)于(yu)隨(sui)(sui)圍壓(ya)的增(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明顯增(zeng)(zeng)大(da)，故有效(xiao)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)(jiao)之總(zong)應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要(yao)小(xiao)。另外(wai)較(jiao)(jiao)之于(yu)干密度增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不(bu)顯著，表明即使較(jiao)(jiao)為(wei)疏松的磷(lin)石(shi)膏仍(reng)具有較(jiao)(jiao)高的強度指標，這也表明磷(lin)石(shi)膏堆積壩的穩定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固(gu)結(jie))變形試驗(yan)

磷石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)試(shi)驗(yan)在側限壓縮儀(yi)中進行(xing)，試(shi)驗(yan)狀態相當(dang)于K0固結。試(shi)樣直(zhi)徑(jing)61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干(gan)密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后分別(bie)開(kai)展(zhan)了上覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗(yan)，

試(shi)驗從2012年8月27日開始，試(shi)驗己進行了1年多，試(shi)驗結果見圖13所示。

從圖13中可以看出：上覆荷載越大(da)，磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形也(ye)越大(da)，荷載施加1年后(hou)，磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形仍(reng)非常顯著，尚未達到(dao)穩定狀態，這也(ye)是(shi)磷石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)后(hou)期變(bian)形較大(da)的(de)原因，原型觀測資料表(biao)明，在5級(ji)子壩(ba)河床部位的(de)表(biao)面(mian)沉降量已經達到(dao)3.1m，且尚未完全穩定。

按時(shi)(shi)間(jian)對(dui)(dui)數(shu)法(fa)，可求得各級荷(he)載下的(de)(de)(de)主次固結(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所示。試(shi)驗結(jie)果(guo)表明，在(zai)100～400kPa上覆(fu)荷(he)載作用下，在(zai)試(shi)驗時(shi)(shi)間(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(次固結(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)是主固結(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成，實際的(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大。對(dui)(dui)土(tu)體(ti)而(er)言，發生(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)是由于(yu)土(tu)體(ti)在(zai)主固結(jie)完成之后(hou)，土(tu)體(ti)中仍有微小的(de)(de)(de)超靜孔隙壓力(li)存在(zai)，驅(qu)使(shi)水在(zai)顆粒問流動，一般來講土(tu)體(ti)的(de)(de)(de)次固結(jie)遠小于(yu)主固結(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)(dui)磷石膏(gao)而(er)言，其滲透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠大于(yu)黏性土(tu)，但其卻發生(sheng)了極為(wei)顯著的(de)(de)(de)次固結(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原(yuan)因(yin)在(zai)于(yu)磷石膏(gao)晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)構(gou)發生(sheng)了壓縮、破壞，接觸點晶(jing)(jing)格發生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞后(hou)晶(jing)(jing)格之間(jian)的(de)(de)(de)重新排列(lie)、調整到最(zui)后(hou)趨于(yu)相(xiang)對(dui)(dui)靜止(zhi)需(xu)要(yao)相(xiang)當長的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)才能完成。

2.4動力力學特性

試驗設備采(cai)用英國(guo)GDS公(gong)司進口的(de)電機控制動三(san)軸試驗系統(tong)，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比

同(tong)樣由于自然沉積(ji)的(de)磷(lin)石膏(gao)密度變化較大，為此(ci)根據物理性質試驗結果，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變化范圍(wei)(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍(wei)(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模量(liang)G、阻尼比與剪(jian)應(ying)變幅值γd的關系式(shi)如下：

式中k1為(wei)參數，表(biao)(biao)示(shi)(shi)動(dong)剪切模量(liang)的衰減(jian)或(huo)阻尼比的增(zeng)長速率；λmax為(wei)最(zui)大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動(dong)剪切模量(liang)和歸(gui)一(yi)化的動(dong)剪應變，表(biao)(biao)示(shi)(shi)為(wei)

式中k2,n為參數；σm為球應力；Pa為標準大(da)氣壓；vd為動泊松比；εa為歸一化(hua)的動應變，表達為

圖(tu)14給出(chu)了動剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化動應變的(de)關系曲(qu)線(xian)，另外圖(tu)中(zhong)還給出(chu)了式(1)的(de)擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等(deng)給出(chu)的(de)砂樣的(de)上(shang)下邊界線(xian)，圖(tu)例中(zhong)，σ2表示圍壓，Kc表示固(gu)結應力比(bi)。

從圖中(zhong)可以看出：①式(1)可較(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)力-動(dong)(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線(xian)，表(biao)明(ming)采(cai)用等(deng)價黏(nian)彈(dan)性模(mo)型進(jin)行循環荷載(zai)作用下的(de)(de)(de)(de)(de)分析是可行的(de)(de)(de)(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線(xian)位于(yu)干密(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線(xian)上方(fang)，圖14(b)中(zhong)則(ze)位于(yu)下方(fang)，表(biao)明(ming)密(mi)度(du)越大(da)，動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越大(da)、阻尼比(bi)(bi)越小(xiao)；③圖14(a)中(zhong)，兩(liang)種干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線(xian)基本位于(yu)Seed等(deng)給(gei)出的(de)(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)上方(fang)，而圖14(b)中(zhong)則(ze)基本處于(yu)邊界線(xian)中(zhong)間，表(biao)明(ming)相比(bi)(bi)較(jiao)(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)(hui)導致磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)應(ying)(ying)較(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)阻尼比(bi)(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)，這樣(yang)又(you)會(hui)(hui)削(xue)弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆(dui)積壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)應(ying)(ying)將不會(hui)(hui)過于(yu)強(qiang)烈，這對磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)抗震穩定性是有利的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干密度(du)為1.12(變(bian)化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標(biao)準為總應變(bian)達到10%。

圖15給出(chu)了動剪應力(li)比τd/σ0′與破壞振次(ci)Nf的(de)關(guan)系曲線圖，其中σ0為(wei)振前試樣45°面上的(de)有效法向應力(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結比。從試驗結果(guo)可以看(kan)出(chu)，沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)動強度與其它土體相似，表現為(wei)圍(wei)壓和固結應力(li)比與動剪應力(li)比呈負(fu)相關(guan)關(guan)系。

為判(pan)別沉積磷石膏的抗(kang)液(ye)化能(neng)力，假定抗(kang)震(zhen)設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(shi)(4)

所示的冪函(han)數(shu)關系式得(de)到振次(ci)為30時(shi)各個圍(wei)壓和固結比(bi)下(xia)的動剪應(ying)力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合(he)求得動剪應(ying)力(li)比與圍壓和(he)固結應(ying)力(li)比的關系式：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。

從上述擬合(he)關(guan)系(xi)式可見(jian)，密實(shi)度提高后，動剪應(ying)力(li)比提高，表明抗液(ye)化能力(li)也提高。但即(ji)使是在低(di)密度下(xia)，其動剪應(ying)力(li)比較之同類的粉土或粉砂也大出(chu)許多，表明磷石(shi)膏具有較高的抗液(ye)化能力(li)。

三、結論

依托柳樹箐(qing)磷石膏堆積(ji)壩，在鉆探取(qu)樣工(gong)作的基礎上(shang)(shang)，首先開展(zhan)了(le)物(wu)理(li)性(xing)質試(shi)驗，然后開展(zhan)了(le)靜(jing)動力力學(xue)特(te)性(xing)試(shi)驗。通(tong)過上(shang)(shang)述(shu)試(shi)驗研(yan)究，得出如下結論：

(1)沉積磷石膏(gao)總體上屬于(yu)級(ji)配不良的粉土，局部屬于(yu)粉砂一中砂，無自然分級(ji)現象。其(qi)干密(mi)度和粒(li)徑變(bian)化隨埋深或(huo)距(ju)放漿口距(ju)離的變(bian)化不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平方(fang)向的(de)滲(shen)透系數大于垂直方(fang)向的(de)滲(shen)透系數，呈現明顯的(de)各向異性。

(3)與土體顆粒不(bu)可壓縮(suo)不(bu)同，磷石膏的(de)晶體結(jie)(jie)構會發生壓縮(suo)破壞，具有較大的(de)壓縮(suo)性(xing)，其次(ci)固結(jie)(jie)變形量遠大于主(zhu)固結(jie)(jie)變形量。

(4)沉積(ji)磷石膏的(de)靜動強度(du)較(jiao)之同等密實度(du)下(xia)的(de)粉(fen)土(tu)、粉(fen)砂要高。