沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)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(yin)言

磷(lin)石(shi)(shi)膏是濕(shi)法(fa)磷(lin)酸(suan)生(sheng)產過(guo)程中(zhong)(zhong)的副(fu)產品，2018年(nian)(nian)，全國(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏產生(sheng)量為(wei)7800萬噸，且(qie)呈逐(zhu)年(nian)(nian)增長的態勢。磷(lin)石(shi)(shi)膏的主(zhu)要成(cheng)分是CaO和SO3，但含有一定量的氟化(hua)物(wu)(wu)和其它(ta)放射性(xing)(xing)物(wu)(wu)質，在(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)通常(chang)按(an)Ⅱ類一般工業(ye)(ye)固(gu)體廢物(wu)(wu)處理(li)，鑒(jian)于無害化(hua)處理(li)成(cheng)本較高(gao)，目前綜合利用(yong)率尚(shang)不足40%，故大部(bu)分磷(lin)石(shi)(shi)膏需要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)場地(di)(di)的不同，可分為(wei)平地(di)(di)型、傍(bang)山型、山谷(gu)型和截河型堆(dui)(dui)場，在(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)基本上(shang)是山谷(gu)型堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較干(gan)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟優(you)勢明顯，因而如地(di)(di)質條件為(wei)非(fei)碳酸(suan)鹽巖地(di)(di)區，一般均采用(yong)濕(shi)排(pai)濕(shi)堆(dui)(dui)方式(shi)。隨(sui)著中(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)肥(fei)工業(ye)(ye)的快速發(fa)展，本世紀(ji)初中(zhong)(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了幾座濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的大型磷(lin)石(shi)(shi)膏庫，例如云天(tian)化(hua)國(guo)際化(hua)工三(san)環分公司的柳(liu)樹箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏庫堆(dui)(dui)積壩和富瑞分公司的楊家箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏庫堆(dui)(dui)積壩，這兩座壩設計壩高(gao)均超過(guo)100m、處于8度地(di)(di)震區，其安全性(xing)(xing)備受關注。

據統計(ji)，110多年(1901年一2013年)來，全世界(jie)有(you)118座(zuo)尾礦壩曾發生(sheng)(sheng)過破壞(huai)或(huo)潰壩事故(gu)，原因主要(yao)有(you)地震、洪水漫頂、滲透破壞(huai)和基礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事后會造(zao)成巨大(da)的生(sheng)(sheng)態災(zai)難和人員(yuan)傷亡，近幾(ji)十年來，

國內外(wai)對(dui)(dui)金(jin)屬尾礦(kuang)的(de)(de)沉積(ji)規律(lv)、物理(li)力學特(te)性(xing)(xing)及其穩定性(xing)(xing)開展(zhan)(zhan)了大量的(de)(de)研究(jiu)(jiu)，但對(dui)(dui)于與(yu)金(jin)屬尾礦(kuang)庫(ku)相(xiang)近的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)，一般僅限于在可(ke)研階段采用人工制備(bei)樣進(jin)(jin)行物理(li)力學性(xing)(xing)質(zhi)試驗，并據此進(jin)(jin)行穩定性(xing)(xing)分(fen)析，尚未有人針對(dui)(dui)己(ji)運行若干(gan)年(nian)的(de)(de)大型濕法堆存磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩開展(zhan)(zhan)過磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)沉積(ji)規律(lv)及其物理(li)力學特(te)性(xing)(xing)的(de)(de)專項(xiang)研究(jiu)(jiu)。

本(ben)文(wen)依(yi)托(tuo)柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩(ba)，首先進行了鉆探取(qu)樣(yang)，采用原(yuan)狀樣(yang)開展了密度、含水率、滲(shen)透、土(tu)水特征和顆分等(deng)物(wu)理性(xing)(xing)質試驗，在(zai)此基礎(chu)上(shang)(shang)有針對性(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀樣(yang)開展了三軸(zhou)(zhou)CU、蠕變及動(dong)三軸(zhou)(zhou)等(deng)力學(xue)特性(xing)(xing)試驗。通過上(shang)(shang)述(shu)試驗研(yan)究(jiu)，總結了磷(lin)石膏的(de)沉(chen)積規律、滲(shen)透特性(xing)(xing)、滲(shen)透破壞(huai)特性(xing)(xing)以及靜動(dong)力特性(xing)(xing)，上(shang)(shang)述(shu)研(yan)究(jiu)工(gong)作對研(yan)究(jiu)和評(ping)估磷(lin)石膏庫堆積壩(ba)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)提供了基礎(chu)數(shu)據(ju)，對現行磷(lin)石膏庫的(de)運行管理以及新建工(gong)程的(de)設計具有重要的(de)借鑒意義(yi)。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩堆存(cun)設計方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設計總壩(ba)高約130m。

(1)初(chu)期壩

初期壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)高約30m，采用土料(liao)填筑。上游坡面、壩(ba)(ba)(ba)底和下游壩(ba)(ba)(ba)腳設(she)置堆石排(pai)水體，三(san)者(zhe)相連通構成整個堆積壩(ba)(ba)(ba)的主要(yao)排(pai)滲系(xi)統。

(2)堆積壩及其輔助排滲(shen)措施

采用上(shang)游(you)式(shi)筑壩法，共20級子(zi)壩，頂寬6～9m，高(gao)度(du)5m，堆積高(gao)度(du)約(yue)100m。采用排(pai)滲(shen)管網作為輔助排(pai)滲(shen)方(fang)案，目前(qian)己(ji)在5級、9級子(zi)壩和13級子(zi)壩壩前(qian)120m范圍內設置了井字形(xing)排(pai)滲(shen)管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆積至5級子壩(ba)(ba)時，布(bu)(bu)設(she)了(le)9個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)號K1～K9，取原狀樣(yang)76件(jian)(jian)；2013年5月，堆積至13級子壩(ba)(ba)時，又布(bu)(bu)設(she)了(le)11個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)號K10～K20，取原狀樣(yang)112件(jian)(jian)，為(wei)比(bi)較子壩(ba)(ba)加(jia)高和磷石膏堆積過程中磷石膏物理力學性質的變化，在2，4級子壩(ba)(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布(bu)(bu)設(she)了(le)一個鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)號分別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏尾礦庫(ku)2005年(nian)開(kai)工建設，2006年(nian)1月(yue)投入運(yun)行，截至2013年(nian)5月(yue)己堆(dui)(dui)至13級(ji)(ji)子(zi)壩，尚有7級(ji)(ji)子(zi)壩即堆(dui)(dui)存至設計高(gao)程。鑒于磷石(shi)膏庫(ku)地(di)形、地(di)質條件(jian)(jian)較好，具(ju)備擴容改造的(de)條件(jian)(jian)，以提高(gao)堆(dui)(dui)存庫(ku)容，減少堆(dui)(dui)存占地(di)，節(jie)約(yue)土地(di)資源。

本文主(zhu)要(yao)對(dui)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的物理力學特性進行了全面總(zong)結，限于篇幅，有(you)關現狀磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積壩的安全性評(ping)價及其(qi)加高可(ke)行性的研(yan)究將另文發表。

二、沉積(ji)磷石膏的物理(li)力學特(te)性

2.1物理特性

(1)干(gan)密(mi)度分(fen)布

圖(tu)2給出(chu)了14個(ge)鉆(zhan)孔(kong)的(de)取(qu)樣深度(du)和(he)試驗(yan)所(suo)得干密(mi)度(du)的(de)關系，圖(tu)中UWL表示水位(wei)線上，(系鉆(zhan)孔(kong)期(qi)間的(de)初(chu)見水位(wei)線，下同)，DWL表示水位(wei)線下。圖(tu)3給出(chu)了水位(wei)線上下的(de)飽和(he)度(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷石膏中的(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同溫度(du)和(he)烘烤時間對(dui)測(ce)定(ding)結(jie)果(guo)有一(yi)定(ding)影響，不(bu)(bu)能照搬現行(xing)的(de)土工(gong)試驗(yan)規(gui)范，本文磷石膏的(de)含水率測(ce)定(ding)方法為55℃溫度(du)下烘培24h。

圖(tu)2沉積磷(lin)石膏干(gan)密度(du)與埋深的關系

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

由圖3，水位線上的(de)磷石(shi)膏飽和度(du)平均(jun)值為50.4%，處(chu)于(yu)非飽和狀(zhuang)態，水位線以下的(de)磷石(shi)膏飽和度(du)平均(jun)值為85.0%，基本處(chu)于(yu)飽和狀(zhuang)態，由于(yu)水位下降(jiang)后(hou)磷石(shi)膏來不及排水固結，故而水位線上局部試樣的(de)飽和度(du)較(jiao)高。

由(you)圖2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)線以上(shang)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)線以下的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)與一般的(de)尾(wei)礦有所不同，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)并(bing)不隨(sui)(sui)埋(mai)深的(de)增(zeng)大(da)(da)而明顯(xian)增(zeng)大(da)(da)，但水(shui)(shui)位(wei)(wei)線以下的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)(du)從統計意義上(shang)來(lai)看仍大(da)(da)于水(shui)(shui)位(wei)(wei)線以上(shang)的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)(du)，這主要(yao)是由(you)于水(shui)(shui)位(wei)(wei)線隨(sui)(sui)庫水(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)變(bian)化反復(fu)升降而使得磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)排水(shui)(shui)固結所致。

室內擊實得(de)到(dao)的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)最大(da)干(gan)密度一般在1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可以看出(chu)，自然沉(chen)積的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)最大(da)干(gan)密度可達到(dao)1.73g/cm3，原因如下：與(yu)經典的(de)(de)(de)(de)土骨架(jia)不可壓縮的(de)(de)(de)(de)理論(lun)不同，石膏(gao)(gao)本身可壓縮，同時(shi)由于(yu)顆(ke)粒(li)(li)結(jie)構(gou)(gou)不穩定，擊實試驗過程中磷(lin)石膏(gao)(gao)結(jie)構(gou)(gou)被破(po)壞，受夯擊處下陷(xian)，四周鼓(gu)起(qi)，出(chu)現了類似于(yu)橡皮土的(de)(de)(de)(de)現象(xiang)。而在現場(chang)條(tiao)件(jian)下，石膏(gao)(gao)骨架(jia)被破(po)壞后，會(hui)導(dao)致顆(ke)粒(li)(li)中的(de)(de)(de)(de)結(jie)合水(shui)滲(shen)出(chu)至孔隙內，變成孔隙水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)后會(hui)使得(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)孔隙比減小(xiao)，干(gan)密度增大(da)。

圖4給(gei)出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔K2和(he)K17(位(wei)于2級子(zi)壩河(he)床部位(wei))以(yi)及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔K6和(he)K18(位(wei)于4級子(zi)壩河(he)床部位(wei))干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使(shi)從統(tong)計意義上來(lai)看，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)也并(bing)未隨后續磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)堆積而有較(jiao)為(wei)(wei)明顯的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分(fen)(fen)析試驗采用密度計(ji)法，制備懸液時不(bu)煮(zhu)沸，不(bu)加六(liu)偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得到(dao)的級配包(bao)線、平均粒徑d50、不(bu)均勻系數(1u和(he)曲(qu)率系數Cc的分(fen)(fen)布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石(shi)膏的粒(li)徑(jing)主要分布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬于(yu)粉土，但可(ke)能由(you)于(yu)礦石(shi)來(lai)源(yuan)或生產工藝有(you)所(suo)不同(tong)，局(ju)部屬于(yu)粉砂～中砂。粒(li)徑(jing)分布(bu)范圍比Blight和張超等的試(shi)驗結(jie)果要寬(kuan)一些。

圖(tu)4子壩加(jia)高后沉積磷石膏的干密度變化(hua)

圖5沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和(he)5(c)，無論是水平(ping)向(xiang)(xiang)還是垂直向(xiang)(xiang)，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)(de)“前粗(cu)后細(xi)，上(shang)粗(cu)下(xia)細(xi)”的(de)(de)(de)自然分級現象不(bu)(bu)同，也(ye)即粗(cu)顆(ke)粒(li)(li)并不(bu)(bu)是沿埋深逐(zhu)步減小或距離放漿口(kou)越遠顆(ke)粒(li)(li)越細(xi)，其原因如(ru)下(xia)：①磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)徑組(zu)(zu)成(cheng)較(jiao)為(wei)(wei)集中、均勻，主要以粉粒(li)(li)組(zu)(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)(wei)主，級配較(jiao)差；②相(xiang)比較(jiao)金屬尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)比重較(jiao)小，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)比重一般為(wei)(wei)2.3～2.4，遠小于(yu)金屬尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)(de)比重，例如(ru)鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)(de)比重可達2.9；③放漿口(kou)隨子壩高(gao)度不(bu)(bu)斷(duan)增加而不(bu)(bu)斷(duan)變動并向(xiang)(xiang)庫(ku)尾(wei)延伸(shen)，造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不(bu)均(jun)勻系數Cu范圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)(zhi)為4.18，曲率(lv)系數(1c范圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)(zhi)為1.21，在統計的100多(duo)個試(shi)樣中，屬于級配不(bu)良(liang)土(tu)的占93%。這(zhe)種級配特性(xing)決定(ding)了磷石(shi)膏具(ju)有(you)較高的壓縮性(xing)、滲透破(po)壞(huai)型式表現為流土(tu)破(po)壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲(shen)透系數(shu)

影響滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的主要因素是粒徑大小(xiao)、級(ji)配和孔(kong)隙(xi)比，因而(er)磷(lin)石(shi)膏的滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)與粉(fen)土較(jiao)(jiao)(jiao)為接近。由于孔(kong)隙(xi)比e減小(xiao)，使(shi)得(de)過水(shui)通道面積減小(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)k也(ye)將減小(xiao)，k與e呈正相關關系(xi)。對砂土，一般(ban)認(ren)為滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的線(xian)性關系(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)好，圖6給出(chu)了二者(zhe)(zhe)間的關系(xi)曲(qu)線(xian)，由于沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的不均勻系(xi)數(shu)變(bian)化較(jiao)(jiao)(jiao)大，使(shi)得(de)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)變(bian)化范圍(wei)較(jiao)(jiao)(jiao)大(平均值為10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二者(zhe)(zhe)問的線(xian)性關系(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)差。

圖6沉(chen)積磷(lin)石膏滲透系(xi)(xi)數與(yu)孔隙(xi)比(bi)的關系(xi)(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)與(yu)垂直向(xiang)滲透(tou)系(xi)數比值(zhi)的(de)(de)分布(bu)。沉積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數kh一(yi)(yi)般大(da)(da)于垂直向(xiang)的(de)(de)滲透(tou)系(xi)數kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均值(zhi)約為2.86，這一(yi)(yi)點與(yu)成層分布(bu)的(de)(de)金屬尾礦規律一(yi)(yi)致。造成沉積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數大(da)(da)于垂直向(xiang)滲透(tou)系(xi)數的(de)(de)原因(yin)是由于磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具有明顯的(de)(de)晶體結(jie)構，電(dian)鏡掃描顯示多為菱(ling)形(xing)和(he)棱(leng)柱狀(zhuang)形(xing)式(見圖8)，在(zai)沉積(ji)過程中，由于扁平(ping)(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆粒多呈(cheng)(cheng)水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)排(pai)列，使(shi)得水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)方向(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)性大(da)(da)于垂直方向(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)性，從而使(shi)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈(cheng)(cheng)現明顯的(de)(de)各(ge)向(xiang)異性。

另(ling)根據中國有色金屬工(gong)業昆明勘察設計(ji)研究院(yuan)在楊(yang)家(jia)箐磷石膏堆積(ji)壩開展(zhan)的(de)(de)現場(chang)滲透試(shi)驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)(ping)均值約為1.9。但張超等的(de)(de)室內試(shi)驗(yan)(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)(de)平(ping)(ping)均值約為0.46，也即垂直向滲透系(xi)數大于水平(ping)(ping)向滲透系(xi)數，與(yu)本文和(he)現場(chang)試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)果恰恰相反(fan)。從磷石膏的(de)(de)微觀結(jie)構來看(kan)，本文試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)果更(geng)為合理。

圖7沉積(ji)磷石膏干密(mi)度與水平(ping)和(he)垂直滲(shen)透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)密度為(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)力梯度J與流速(su)V的(de)關系(xi)曲線，試(shi)驗在(zai)水(shui)(shui)平管涌儀(yi)中(zhong)采(cai)用水(shui)(shui)平方向的(de)滲(shen)流形式進行。試(shi)驗得到的(de)臨界(jie)坡降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般(ban)來說，對(dui)(dui)(dui)1，2級(ji)工程，滲(shen)透安全(quan)(quan)系(xi)數(shu)取為(wei)2.5，則允(yun)許出(chu)逸坡降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)(dui)3級(ji)以下(xia)工程，滲(shen)透安全(quan)(quan)系(xi)數(shu)取2.0，則允(yun)許出(chu)逸坡降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比降(jiang)(jiang)與粉土一粉砂(sha)大致相同(tong)。但(dan)上述滲(shen)透變(bian)形試(shi)驗是采(cai)用自(zi)來水(shui)(shui)進行的(de)，自(zi)來水(shui)(shui)對(dui)(dui)(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)具有(you)(you)一定(ding)的(de)溶蝕作(zuo)用，而(er)實際上磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)中(zhong)殘余磷(lin)、硫和氟酸(suan)(suan)(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)pH值一般(ban)小(xiao)于3(稱之為(wei)酸(suan)(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)不(bu)會發生破(po)壞，上述試(shi)驗結(jie)果是偏于保守(shou)的(de)，但(dan)對(dui)(dui)(dui)非(fei)酸(suan)(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)條件(jian)(例如特大暴雨)下(xia)的(de)滲(shen)透穩定(ding)判(pan)斷(duan)有(you)(you)一定(ding)的(de)借鑒意(yi)義(yi)。

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

(3)土水特(te)征(zheng)試驗

試(shi)(shi)驗(yan)在(zai)5Bar的壓力(li)板儀中(zhong)進行(xing)，環(huan)刀尺寸(cun)6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水(shui)率特征值(zhi)，試(shi)(shi)驗(yan)曲線見(jian)圖10所示。

試驗結果表明(ming)：①干(gan)密(mi)度對進氣值沒有(you)明(ming)顯的(de)影(ying)響，不同干(gan)密(mi)度的(de)試樣的(de)進氣值大致在10kPa左(zuo)右；②土樣殘余含(han)水率(lv)隨干(gan)密(mi)度的(de)增(zeng)加(jia)而減少，殘余含(han)水率(lv)約為(wei)飽和含(han)水率(lv)的(de)10%。上述(shu)特(te)性與粉土一粉砂(sha)基本一致。

2.3靜力力學(xue)特性

(1)三(san)軸CU試(shi)驗

由于沉積磷石膏的(de)(de)(de)密(mi)度變化較大，而進(jin)行(xing)三(san)軸試(shi)驗(yan)(yan)需要(yao)若干原狀樣(yang)，為(wei)(wei)使試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)果具有較好的(de)(de)(de)一(yi)致(zhi)性(xing)，有針(zhen)對性(xing)的(de)(de)(de)選(xuan)擇平均干密(mi)度分別為(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)(de)若干試(shi)樣(yang)，進(jin)行(xing)了5組三(san)軸CU試(shi)驗(yan)(yan)。圖11是為(wei)(wei)干密(mi)度為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)(de)三(san)軸CU試(shi)驗(yan)(yan)曲(qu)線(xian)。

從圖11可以看出，磷石(shi)膏的(de)應力(li)應變關系曲(qu)線(xian)在(zai)低圍壓下表現為(wei)軟化型，在(zai)高圍壓下表現為(wei)硬化型，與一(yi)般(ban)土類(lei)相似(si)。但與一(yi)般(ban)粉土一(yi)粉砂(sha)不同的(de)是，即使(shi)在(zai)較(jiao)為(wei)疏松的(de)狀態下，磷石(shi)膏仍表現了較(jiao)為(wei)強烈的(de)剪脹，隨密實(shi)度增大，剪脹作用愈發(fa)明顯(xian)。

表2給(gei)出(chu)了(le)不(bu)同干(gan)(gan)(gan)密(mi)度下的(de)(de)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了(le)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)與干(gan)(gan)(gan)密(mi)度的(de)(de)關系(xi)曲線。隨干(gan)(gan)(gan)密(mi)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采(cai)用冪函(han)數較(jiao)(jiao)好地擬合。磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)32%，總應力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據擬合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)9.4%，有(you)效應力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)3.2%，由(you)(you)于(yu)隨圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也明顯(xian)(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)(jiao)之總應力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要小。另(ling)外較(jiao)(jiao)之于(yu)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并(bing)不(bu)顯(xian)(xian)著，表明即使較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏仍具有(you)較(jiao)(jiao)高的(de)(de)強度指標，這也表明磷(lin)石(shi)(shi)膏堆積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(bian)(次固(gu)結)變(bian)形試驗

磷石膏(gao)的蠕變變形試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)在側限(xian)壓縮儀(yi)中進行(xing)，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)狀態相當于K0固結(jie)。試(shi)(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)(shi)樣(yang)干密(mi)度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣(yang)飽和后分別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)，

試(shi)(shi)驗(yan)從2012年(nian)8月(yue)27日開始，試(shi)(shi)驗(yan)己進行了1年(nian)多(duo)，試(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)見圖13所示。

從圖(tu)13中可(ke)以看出：上(shang)覆荷(he)載越(yue)大(da)，磷(lin)(lin)石膏的(de)蠕變變形(xing)(xing)也越(yue)大(da)，荷(he)載施加1年后，磷(lin)(lin)石膏的(de)蠕變變形(xing)(xing)仍非常顯著，尚未達到穩(wen)(wen)定狀(zhuang)態，這(zhe)也是磷(lin)(lin)石膏堆積(ji)壩(ba)后期變形(xing)(xing)較(jiao)大(da)的(de)原因，原型觀測資料表明，在5級子壩(ba)河(he)床部位的(de)表面(mian)沉降量已經達到3.1m，且尚未完全穩(wen)(wen)定。

按時間對(dui)數法，可求(qiu)得各(ge)級荷載下的(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形量(liang)如表3所示。試驗結(jie)(jie)(jie)(jie)果表明(ming)，在100～400kPa上(shang)覆荷載作用(yong)下，在試驗時間范(fan)圍內蠕(ru)(ru)變(bian)(次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie))變(bian)形是主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)變(bian)形尚未完(wan)成，實際的(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)變(bian)形應(ying)更大。對(dui)土體而言(yan)(yan)，發(fa)(fa)生蠕(ru)(ru)變(bian)的(de)(de)原因是由于(yu)(yu)(yu)土體在主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)完(wan)成之后，土體中仍(reng)有微小(xiao)(xiao)的(de)(de)超(chao)靜(jing)孔隙(xi)壓力存在，驅使水在顆粒(li)問(wen)流動(dong)，一(yi)般來講土體的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)(xiao)于(yu)(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形；對(dui)磷(lin)石膏而言(yan)(yan)，其(qi)滲透系數在10-4cm/s數量(liang)級，遠大于(yu)(yu)(yu)黏性土，但其(qi)卻發(fa)(fa)生了極為顯著的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形，其(qi)原因在于(yu)(yu)(yu)磷(lin)石膏晶(jing)體結(jie)(jie)(jie)(jie)構發(fa)(fa)生了壓縮(suo)、破(po)壞，接觸(chu)點晶(jing)格發(fa)(fa)生歪(wai)曲和變(bian)形，而破(po)壞后晶(jing)格之間的(de)(de)重(zhong)新排(pai)列、調整到最后趨(qu)于(yu)(yu)(yu)相對(dui)靜(jing)止需要相當(dang)長的(de)(de)時間才能完(wan)成。

2.4動力力學特性

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

(1)動模量和阻尼比

同樣由于自然沉積的(de)磷石膏密度變(bian)化(hua)較大，為此(ci)根據物理性質試驗結果，選擇兩種(zhong)平均干密度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪切模量G、阻尼比與剪應變幅值γd的(de)關系式如下：

式中(zhong)k1為參數，表示(shi)動(dong)剪(jian)切模量的衰減或阻尼(ni)比的增長(chang)速率；λmax為最(zui)大(da)阻尼(ni)比；Gmax，γd分別(bie)為最(zui)大(da)動(dong)剪(jian)切模量和歸一化的動(dong)剪(jian)應變(bian)，表示(shi)為

式(shi)中k2,n為(wei)(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)(wei)標準大(da)氣壓；vd為(wei)(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)(wei)歸一化的(de)動應變，表達為(wei)(wei)(wei)

圖14給(gei)出(chu)(chu)了(le)動剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化動應變(bian)的(de)關系曲線，另外圖中還給(gei)出(chu)(chu)了(le)式(1)的(de)擬(ni)合曲線以(yi)及(ji)Seed等給(gei)出(chu)(chu)的(de)砂(sha)樣的(de)上下邊(bian)界線，圖例中，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結(jie)應力比(bi)。

從圖中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好(hao)地描(miao)述磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)動(dong)應(ying)力(li)-動(dong)應(ying)變試驗(yan)曲線(xian)，表(biao)明采用等價(jia)黏彈性模(mo)(mo)型進行(xing)循(xun)環荷(he)載作用下的(de)(de)分析(xi)是可(ke)行(xing)的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)干密度為1.45g/cm3的(de)(de)擬(ni)(ni)合(he)(he)線(xian)位于(yu)(yu)干密度為1.34g/cm3的(de)(de)擬(ni)(ni)合(he)(he)線(xian)上方，圖14(b)中(zhong)則(ze)(ze)位于(yu)(yu)下方，表(biao)明密度越大(da)(da)(da)，動(dong)彈模(mo)(mo)越大(da)(da)(da)、阻尼(ni)比(bi)(bi)越小；③圖14(a)中(zhong)，兩(liang)種干密度的(de)(de)擬(ni)(ni)合(he)(he)線(xian)基(ji)本(ben)位于(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)邊界(jie)線(xian)上方，而圖14(b)中(zhong)則(ze)(ze)基(ji)本(ben)處于(yu)(yu)邊界(jie)線(xian)中(zhong)間，表(biao)明相比(bi)(bi)較(jiao)(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)(jiao)大(da)(da)(da)，會導(dao)致(zhi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)較(jiao)(jiao)大(da)(da)(da)，但由(you)于(yu)(yu)阻尼(ni)比(bi)(bi)也(ye)較(jiao)(jiao)大(da)(da)(da)，這樣又會削弱壩(ba)(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)，二者的(de)(de)相互影響下，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)將不會過于(yu)(yu)強(qiang)烈，這對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)抗震穩定性是有(you)利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干密度(du)為(wei)1.12(變化(hua)范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗，破(po)壞(huai)標準(zhun)為(wei)總應變達(da)到10%。

圖15給出(chu)了動(dong)(dong)(dong)剪(jian)應(ying)(ying)(ying)(ying)力比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的(de)關系曲線圖，其中(zhong)σ0為(wei)振前試樣(yang)45°面上的(de)有(you)效(xiao)法向應(ying)(ying)(ying)(ying)力，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結比(bi)。從試驗結果可以看出(chu)，沉(chen)積磷石膏的(de)動(dong)(dong)(dong)強度(du)與(yu)其它土(tu)體相(xiang)(xiang)似，表現為(wei)圍壓(ya)和固(gu)結應(ying)(ying)(ying)(ying)力比(bi)與(yu)動(dong)(dong)(dong)剪(jian)應(ying)(ying)(ying)(ying)力比(bi)呈(cheng)負(fu)相(xiang)(xiang)關關系。

為(wei)判別沉積磷石(shi)膏的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震設計烈度為(wei)8度，即等效(xiao)振(zhen)次Ⅳ可取(qu)為(wei)30。首先由式(4)

所示(shi)的冪函數關系式得到振次為(wei)30時各個(ge)圍壓和(he)固(gu)結比(bi)下的動(dong)剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可擬合(he)求得動剪應力比(bi)與(yu)圍壓和固(gu)結應力比(bi)的(de)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)擬合關系式可見(jian)，密(mi)實度提高(gao)后，動剪應力比(bi)提高(gao)，表(biao)明(ming)抗液(ye)化能(neng)力也提高(gao)。但即(ji)使是在低密(mi)度下，其動剪應力比(bi)較之同類的粉土或粉砂也大(da)出許(xu)多，表(biao)明(ming)磷石膏具有(you)較高(gao)的抗液(ye)化能(neng)力。

三(san)、結論

依(yi)托柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆積壩，在鉆探(tan)取(qu)樣工作的基礎(chu)上(shang)，首先開(kai)展了物理性質試驗，然后開(kai)展了靜(jing)動力(li)力(li)學(xue)特性試驗。通過上(shang)述試驗研究，得出如下結論：

(1)沉積磷石膏總體上屬(shu)于級(ji)配不(bu)(bu)良的(de)粉(fen)土(tu)，局(ju)部屬(shu)于粉(fen)砂一(yi)中砂，無自然分級(ji)現(xian)象。其干密度和粒徑變(bian)化隨埋(mai)深或(huo)距放(fang)漿口距離的(de)變(bian)化不(bu)(bu)明顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水平方(fang)向的滲透系數(shu)大(da)于(yu)垂直(zhi)方(fang)向的滲透系數(shu)，呈現明顯的各向異性。

(3)與土體顆粒(li)不(bu)可壓縮(suo)不(bu)同(tong)，磷石膏的晶(jing)體結(jie)構會發生(sheng)壓縮(suo)破(po)壞，具有較大(da)的壓縮(suo)性，其次固結(jie)變形(xing)量遠(yuan)大(da)于(yu)主固結(jie)變形(xing)量。

(4)沉積磷石膏的靜動強度較之同等密實度下的粉土、粉砂要高。