沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是磷(lin)酸(suan)生產過(guo)程中的(de)(de)副(fu)產品，目(mu)前的(de)(de)綜合利用率尚(shang)不(bu)足40%，大部分(fen)需要堆存存放。受地形(xing)限制和(he)經(jing)濟效益考慮，中國主(zhu)要為濕(shi)法堆存的(de)(de)山谷型堆場(chang)。依托柳(liu)樹箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩，針(zhen)對沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)首先(xian)開展了(le)密度、含(han)水率、滲透(tou)、土水特征(zheng)和(he)顆分(fen)等(deng)(deng)物(wu)理(li)性(xing)質試驗，然(ran)后(hou)開展了(le)三(san)軸cu、蠕(ru)變(bian)及動三(san)軸等(deng)(deng)力學(xue)特性(xing)試驗。試驗結果表明(ming)：①沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)干密度與埋(mai)深沒有相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系；②沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)不(bu)具(ju)有自然(ran)分(fen)級現象(xiang)，但(dan)具(ju)有明(ming)顯的(de)(de)各向異性(xing)；③沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有較高的(de)(de)摩(mo)擦角和(he)抗液化能力，但(dan)其蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)較大、滲透(tou)比降較小(xiao)。上(shang)述工作(zuo)為分(fen)析磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩的(de)(de)壩體穩定性(xing)提(ti)供了(le)基礎(chu)，對現行磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)(de)運行管(guan)理(li)以及新建(jian)工程的(de)(de)設計(ji)具(ju)有重要的(de)(de)借鑒意義。

引言(yan)

磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)是濕(shi)(shi)法(fa)(fa)磷(lin)酸(suan)生產(chan)過程中的(de)(de)(de)(de)副(fu)產(chan)品，2018年，全國(guo)(guo)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)產(chan)生量為7800萬(wan)噸，且呈逐年增長(chang)的(de)(de)(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)主要成分(fen)是CaO和SO3，但含有一(yi)(yi)定量的(de)(de)(de)(de)氟化物和其(qi)它放(fang)射(she)性物質(zhi)，在(zai)中國(guo)(guo)通常按Ⅱ類一(yi)(yi)般工業固體廢物處(chu)理，鑒(jian)于無害(hai)化處(chu)理成本(ben)(ben)較高(gao)，目前綜(zong)合利用(yong)率(lv)尚不足40%，故大部分(fen)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)需要堆(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按堆(dui)存(cun)場(chang)地(di)(di)的(de)(de)(de)(de)不同，可分(fen)為平地(di)(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)場(chang)，在(zai)中國(guo)(guo)基本(ben)(ben)上是山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)場(chang)。相比較干(gan)法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)經濟(ji)優勢(shi)明顯，因而如地(di)(di)質(zhi)條(tiao)件(jian)為非碳酸(suan)鹽巖地(di)(di)區(qu)(qu)，一(yi)(yi)般均(jun)采用(yong)濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)方式。隨著中國(guo)(guo)磷(lin)肥(fei)工業的(de)(de)(de)(de)快速發展，本(ben)(ben)世紀初中國(guo)(guo)相繼建設(she)了幾座濕(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)的(de)(de)(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)，例如云天化國(guo)(guo)際化工三(san)環分(fen)公司的(de)(de)(de)(de)柳樹箐磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)和富瑞分(fen)公司的(de)(de)(de)(de)楊家(jia)箐磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設(she)計壩(ba)高(gao)均(jun)超(chao)過100m、處(chu)于8度地(di)(di)震區(qu)(qu)，其(qi)安全性備(bei)受關(guan)注。

據統(tong)計，110多年(1901年一2013年)來(lai)，全世(shi)界(jie)有118座(zuo)尾礦壩(ba)(ba)曾(ceng)發生過破壞(huai)或潰壩(ba)(ba)事故(gu)，原因主要有地震、洪水漫頂、滲透破壞(huai)和(he)基礎失穩(wen)。尾礦庫失事后會造成巨(ju)大(da)的生態災難和(he)人員傷亡，近(jin)幾十年來(lai)，

國內外對金屬尾礦的(de)(de)沉(chen)積(ji)(ji)規律、物(wu)(wu)理力學特性及其穩(wen)定性開展(zhan)了(le)大(da)量的(de)(de)研(yan)究，但對于與金屬尾礦庫相(xiang)近的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫，一(yi)般僅(jin)限于在(zai)可研(yan)階段(duan)采用人工制備樣(yang)進(jin)行(xing)物(wu)(wu)理力學性質試驗(yan)，并(bing)據此進(jin)行(xing)穩(wen)定性分析，尚未有人針對己運(yun)行(xing)若干年的(de)(de)大(da)型濕法堆(dui)存磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)開展(zhan)過磷(lin)石(shi)膏(gao)沉(chen)積(ji)(ji)規律及其物(wu)(wu)理力學特性的(de)(de)專項研(yan)究。

本文依托柳(liu)樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)，首先進(jin)行了(le)鉆探(tan)取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開(kai)展了(le)密度、含水(shui)率、滲(shen)透(tou)、土水(shui)特(te)征(zheng)和顆分等(deng)物理性(xing)質試(shi)驗，在此基礎上(shang)有(you)針對性(xing)的(de)選擇原狀樣(yang)開(kai)展了(le)三軸(zhou)CU、蠕變及動(dong)三軸(zhou)等(deng)力學特(te)性(xing)試(shi)驗。通過上(shang)述(shu)試(shi)驗研究(jiu)，總(zong)結了(le)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)沉積(ji)(ji)規(gui)律、滲(shen)透(tou)特(te)性(xing)、滲(shen)透(tou)破壞(huai)特(te)性(xing)以及靜(jing)動(dong)力特(te)性(xing)，上(shang)述(shu)研究(jiu)工作(zuo)對研究(jiu)和評估磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積(ji)(ji)壩(ba)的(de)穩定(ding)性(xing)提供了(le)基礎數據，對現行磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫的(de)運行管理以及新建工程的(de)設計(ji)具有(you)重要的(de)借鑒意義。

一、依托工程概(gai)況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計方案(an)

由初期壩和堆積壩組成，設(she)計總壩高約(yue)130m。

(1)初期壩

初期壩壩高(gao)約(yue)30m，采(cai)用(yong)土料填(tian)筑(zhu)。上游坡面、壩底和(he)下游壩腳設(she)置(zhi)堆石排水體(ti)，三者(zhe)相連通構成整個(ge)堆積壩的主(zhu)要排滲系統。

(2)堆積壩及其輔(fu)助(zhu)排(pai)滲措施

采用(yong)上游式(shi)筑(zhu)壩(ba)(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度(du)5m，堆(dui)積高(gao)度(du)約100m。采用(yong)排(pai)滲管網作為輔助排(pai)滲方案，目前(qian)己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)和13級(ji)子壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前(qian)120m范圍(wei)內設置(zhi)了(le)井字形排(pai)滲管網。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆(zhan)探取(qu)樣

鉆孔平面位置(zhi)見(jian)圖l。2008年6月，堆積至5級(ji)子(zi)壩(ba)時，布設(she)了(le)9個(ge)取樣(yang)(yang)鉆孔，鉆孔編號K1～K9，取原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)(yang)76件；2013年5月，堆積至13級(ji)子(zi)壩(ba)時，又布設(she)了(le)11個(ge)取樣(yang)(yang)鉆孔，鉆孔編號K10～K20，取原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)(yang)112件，為(wei)比較子(zi)壩(ba)加高和磷石膏堆積過程中磷石膏物理(li)力學性(xing)質的變(bian)化，在2，4級(ji)子(zi)壩(ba)K2孔和K6孔附近各(ge)布設(she)了(le)一個(ge)鉆孔，鉆孔編號分別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫2005年(nian)開工建設(she)，2006年(nian)1月投(tou)入運行，截至2013年(nian)5月己堆(dui)(dui)至13級(ji)子(zi)壩，尚有7級(ji)子(zi)壩即堆(dui)(dui)存至設(she)計高(gao)程。鑒(jian)于磷石膏庫地形、地質條(tiao)件(jian)較好(hao)，具備擴容改造的條(tiao)件(jian)，以提高(gao)堆(dui)(dui)存庫容，減少(shao)堆(dui)(dui)存占(zhan)地，節約土地資源(yuan)。

本文主要對沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)物(wu)理(li)力(li)學特(te)性(xing)進行(xing)了全面(mian)總(zong)結，限于篇(pian)幅，有關現狀磷石膏(gao)庫堆積壩的(de)安全性(xing)評(ping)價及其加(jia)高(gao)可(ke)行(xing)性(xing)的(de)研究將另文發表。

二(er)、沉積(ji)磷石膏的物理(li)力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出(chu)了14個鉆孔的取樣深度(du)(du)和(he)試驗所得干(gan)密度(du)(du)的關(guan)系，圖中(zhong)UWL表(biao)示(shi)水(shui)位(wei)線(xian)上(shang)，(系鉆孔期間(jian)的初見水(shui)位(wei)線(xian)，下(xia)同(tong))，DWL表(biao)示(shi)水(shui)位(wei)線(xian)下(xia)。圖3給出(chu)了水(shui)位(wei)線(xian)上(shang)下(xia)的飽(bao)和(he)度(du)(du)分(fen)布圖。由于磷石(shi)膏(gao)中(zhong)的主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度(du)(du)和(he)烘(hong)烤時間(jian)對測(ce)定結果(guo)有一定影響，不能照搬現行的土工試驗規范(fan)，本文磷石(shi)膏(gao)的含水(shui)率測(ce)定方法為55℃溫度(du)(du)下(xia)烘(hong)培(pei)24h。

圖(tu)2沉積磷石(shi)膏干密度與埋(mai)深的關系

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

由圖3，水(shui)位線上(shang)的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平(ping)均值為50.4%，處于非飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態(tai)，水(shui)位線以下的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平(ping)均值為85.0%，基(ji)本處于飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態(tai)，由于水(shui)位下降后(hou)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)來(lai)不及排水(shui)固(gu)結，故而水(shui)位線上(shang)局部試樣的(de)(de)飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)較(jiao)高。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的干密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)(zhi)間，均值為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下的干密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)(zhi)間，均值為1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏與一(yi)般的尾礦(kuang)有所不(bu)同，磷石(shi)膏的干密(mi)度(du)并不(bu)隨埋深(shen)的增大(da)而(er)(er)明顯增大(da)，但水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下的磷石(shi)膏干密(mi)度(du)從統(tong)計意義上來看仍大(da)于水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的磷石(shi)膏干密(mi)度(du)，這主要(yao)是由(you)于水(shui)位(wei)線(xian)隨庫水(shui)位(wei)的變化反復升(sheng)降而(er)(er)使得磷石(shi)膏排水(shui)固結所致(zhi)。

室內(nei)擊實得到(dao)的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)最大干密度(du)一般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖(tu)2可以看出(chu)，自然沉(chen)積(ji)的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)最大干密度(du)可達到(dao)1.73g/cm3，原(yuan)因如下：與經典(dian)的(de)(de)土(tu)骨架不可壓縮的(de)(de)理論(lun)不同(tong)，石膏(gao)(gao)本身可壓縮，同(tong)時由于顆(ke)粒結構不穩定，擊實試驗過程中磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)結構被破壞(huai)，受夯擊處下陷，四周(zhou)鼓(gu)起，出(chu)現了類似于橡(xiang)皮土(tu)的(de)(de)現象。而(er)在(zai)現場(chang)條件(jian)下，石膏(gao)(gao)骨架被破壞(huai)后，會導致(zhi)顆(ke)粒中的(de)(de)結合水(shui)滲出(chu)至孔(kong)隙內(nei)，變成孔(kong)隙水(shui)，排水(shui)固結后會使得磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)孔(kong)隙比(bi)減小，干密度(du)增大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)孔K2和K17(位(wei)(wei)于2級子壩河床部(bu)位(wei)(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔K6和K18(位(wei)(wei)于4級子壩河床部(bu)位(wei)(wei))干密(mi)(mi)度的(de)(de)對比(bi)圖。K2鉆(zhan)孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意(yi)義上來看，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)干密(mi)(mi)度也并未隨(sui)后續(xu)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)堆積(ji)而有較為(wei)明顯的(de)(de)增大(da)。

(2)級配分布

顆粒分析試驗(yan)采用密度計法，制(zhi)備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗(yan)得到的(de)(de)級(ji)配包(bao)線(xian)、平均粒徑d50、不(bu)均勻系數(1u和(he)曲(qu)率系數Cc的(de)(de)分布圖。

從圖(tu)5(a)可見，磷石膏的(de)(de)粒(li)徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于(yu)粉土，但可能由于(yu)礦(kuang)石來(lai)源或(huo)生產(chan)工(gong)藝(yi)有所不(bu)同，局部屬(shu)于(yu)粉砂～中砂。粒(li)徑分布范圍比Blight和(he)張超(chao)等的(de)(de)試驗結果要(yao)寬一些。

圖4子壩加(jia)高后(hou)沉積磷石膏(gao)的干密度(du)變(bian)化

圖5沉(chen)積磷石(shi)膏的平(ping)均粒徑和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向(xiang)(xiang)還(huan)是垂(chui)直向(xiang)(xiang)，磷石(shi)膏(gao)與(yu)金(jin)屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的“前(qian)粗后細，上粗下細”的自然(ran)分級現象不同，也(ye)即粗顆粒并不是沿埋深逐步減(jian)小(xiao)或距離放(fang)漿口越(yue)遠顆粒越(yue)細，其原因如下：①磷石(shi)膏(gao)顆粒粒徑組(zu)成較(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配(pei)較(jiao)差(cha)；②相(xiang)比較(jiao)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷石(shi)膏(gao)的比重(zhong)較(jiao)小(xiao)，磷石(shi)膏(gao)的比重(zhong)一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的比重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)的比重(zhong)可達2.9；③放(fang)漿口隨(sui)子壩(ba)高度不斷(duan)增加而不斷(duan)變(bian)動并向(xiang)(xiang)庫尾(wei)延伸，造成沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)的粒徑變(bian)化不明顯。

從圖5(d)可見(jian)，不均勻系數Cu范(fan)圍值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)4.18，曲率系數(1c范(fan)圍值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.21，在統計的(de)100多個試樣中，屬于(yu)級(ji)配不良土的(de)占93%。這種級(ji)配特性決定了磷石膏具有較高的(de)壓縮性、滲透破壞型式表現為(wei)(wei)(wei)流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)主(zhu)要因(yin)素是(shi)粒徑大(da)小、級(ji)配和孔隙(xi)比(bi)(bi)，因(yin)而磷石(shi)膏的(de)(de)滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)與(yu)(yu)粉土較(jiao)(jiao)為(wei)接近。由于孔隙(xi)比(bi)(bi)e減小，使得(de)過(guo)水通道面積減小，滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)k也將減小，k與(yu)(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對砂土，一般認為(wei)滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給出(chu)了二(er)者間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線(xian)，由于沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)(de)不(bu)均(jun)勻(yun)系(xi)(xi)數(shu)變化(hua)較(jiao)(jiao)大(da)，使得(de)沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)(de)滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)變化(hua)范圍較(jiao)(jiao)大(da)(平均(jun)值(zhi)為(wei)10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二(er)者問(wen)的(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲透(tou)系數與孔(kong)隙比的關系

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

圖7給(gei)出(chu)了水(shui)(shui)平(ping)(ping)與垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)分(fen)布。沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kh一般大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為(wei)2.86，這一點與成層分(fen)布的(de)金屬(shu)尾礦規律(lv)一致(zhi)。造成沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的(de)原因是由(you)于(yu)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有(you)明顯的(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多(duo)為(wei)菱(ling)形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉積過(guo)程中，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆(ke)粒(li)多(duo)呈水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列(lie)，使(shi)得(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性(xing)大于(yu)垂直(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從而使(shi)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)呈現明顯的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色金屬工業昆明(ming)勘察設(she)計研究院在楊家箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積壩開展的(de)現場滲透試(shi)驗，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約為1.9。但張超等的(de)室內試(shi)驗顯示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約為0.46，也(ye)即垂直向滲透系(xi)數大于(yu)水平(ping)向滲透系(xi)數，與本文和現場試(shi)驗結(jie)(jie)果恰(qia)恰(qia)相反(fan)。從磷石(shi)膏的(de)微觀結(jie)(jie)構來看(kan)，本文試(shi)驗結(jie)(jie)果更為合理。

圖(tu)7沉積磷(lin)石膏干(gan)密度與水平和垂(chui)直滲透系數(shu)比值的關系

(2)滲透變形

圖(tu)9為(wei)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度J與流(liu)速(su)V的(de)關系(xi)曲線，試驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)平管(guan)涌儀(yi)中采用水(shui)(shui)(shui)平方(fang)向的(de)滲(shen)(shen)(shen)流(liu)形式進行。試驗(yan)得到的(de)臨(lin)界坡降(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來(lai)(lai)說，對(dui)1，2級工(gong)程，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)安全(quan)系(xi)數(shu)取為(wei)2.5，則允(yun)許出(chu)逸(yi)坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)工(gong)程，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)安全(quan)系(xi)數(shu)取2.0，則允(yun)許出(chu)逸(yi)坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比(bi)降(jiang)與粉土一(yi)粉砂(sha)大致相同。但上(shang)(shang)述(shu)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)變(bian)形試驗(yan)是(shi)采用自來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)進行的(de)，自來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)對(dui)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)具有一(yi)定(ding)(ding)的(de)溶蝕(shi)作用，而實際上(shang)(shang)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)中殘余(yu)磷(lin)(lin)(lin)(lin)、硫(liu)和氟酸，庫(ku)水(shui)(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)般小于3(稱(cheng)之(zhi)為(wei)酸性水(shui)(shui)(shui))，在酸性水(shui)(shui)(shui)作用下(xia)，磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)不會發生破壞(huai)，上(shang)(shang)述(shu)試驗(yan)結果是(shi)偏于保守的(de)，但對(dui)非酸性水(shui)(shui)(shui)條(tiao)件(例如(ru)特大暴雨)下(xia)的(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)穩定(ding)(ding)判斷有一(yi)定(ding)(ding)的(de)借鑒意義。

圖9水力梯度J-流(liu)速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)在(zai)5Bar的壓(ya)力(li)板儀中進行(xing)，環刀(dao)尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表(biao)l列(lie)出了(le)含水率特征值，試(shi)驗(yan)曲線見(jian)圖(tu)10所示。

試驗結果表(biao)明：①干(gan)密(mi)度(du)對進氣值沒(mei)有明顯的(de)影響，不同干(gan)密(mi)度(du)的(de)試樣(yang)的(de)進氣值大致(zhi)在(zai)10kPa左右；②土(tu)樣(yang)殘(can)余(yu)含(han)水(shui)(shui)率隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)增加(jia)而減少，殘(can)余(yu)含(han)水(shui)(shui)率約為飽和含(han)水(shui)(shui)率的(de)10%。上述特性與粉土(tu)一粉砂基本(ben)一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的密度變化較(jiao)大，而進(jin)行(xing)三(san)軸試驗(yan)需(xu)要若(ruo)干原狀(zhuang)樣，為(wei)使(shi)試驗(yan)結果具有(you)較(jiao)好的一(yi)致性，有(you)針對(dui)性的選擇(ze)平均(jun)干密度分別為(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若(ruo)干試樣，進(jin)行(xing)了5組三(san)軸CU試驗(yan)。圖11是為(wei)干密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的三(san)軸CU試驗(yan)曲線。

從圖11可以(yi)看出，磷石(shi)膏的應力應變關系(xi)曲線在低圍壓下表(biao)現(xian)為軟化(hua)型，在高圍壓下表(biao)現(xian)為硬化(hua)型，與一(yi)般(ban)土類相似(si)。但與一(yi)般(ban)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)不同的是，即使在較為疏松的狀態(tai)下，磷石(shi)膏仍表(biao)現(xian)了較為強烈的剪脹(zhang)，隨密實度增大，剪脹(zhang)作用愈發明顯。

表2給出了不同干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)(du)下的(de)(de)內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角，圖12給出了內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角與(yu)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)關(guan)系曲(qu)線(xian)(xian)。隨(sui)(sui)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角也隨(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可(ke)采用冪函數較(jiao)好地擬合。磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬合曲(qu)線(xian)(xian)求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)9.4%，有(you)效(xiao)應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)3.2%，由于隨(sui)(sui)圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也明顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)效(xiao)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)之總應力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角要小。另(ling)外較(jiao)之于干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并(bing)不顯著(zhu)，表明即(ji)使(shi)較(jiao)為(wei)疏(shu)松的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有(you)較(jiao)高的(de)(de)強度(du)(du)(du)指標，這也表明磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)穩(wen)定(ding)性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏的蠕變變形試驗在側限壓縮儀(yi)中進行(xing)，試驗狀態相當于K0固結。試樣直徑(jing)61.8mm，高度(du)20mm，試樣干密度(du)為(wei)1.30g/cm3，對試樣飽和后分別開(kai)展了(le)上覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試驗，

試驗(yan)(yan)從2012年(nian)8月27日開始，試驗(yan)(yan)己(ji)進行了1年(nian)多，試驗(yan)(yan)結果見(jian)圖13所示。

從(cong)圖13中可以看出：上(shang)覆荷載越(yue)大，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)也(ye)越(yue)大，荷載施(shi)加1年后，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)仍非常(chang)顯(xian)著，尚未(wei)(wei)達(da)到穩定狀態，這也(ye)是磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏堆積壩(ba)后期變(bian)(bian)形(xing)(xing)較大的(de)原因，原型觀(guan)測資料表(biao)明，在5級子壩(ba)河床部位的(de)表(biao)面沉降量已經達(da)到3.1m，且尚未(wei)(wei)完全(quan)穩定。

按時間對數(shu)法，可求(qiu)得各級荷載下的(de)(de)(de)主次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)如(ru)表3所示。試驗結(jie)(jie)(jie)果(guo)表明，在(zai)(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)(zai)(zai)試驗時間范圍(wei)內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當然(ran)由于(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成，實際的(de)(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應(ying)更大。對土體而(er)言，發生(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因是由于(yu)土體在(zai)(zai)(zai)(zai)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完成之(zhi)后，土體中仍有微小的(de)(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力存在(zai)(zai)(zai)(zai)，驅使(shi)水(shui)在(zai)(zai)(zai)(zai)顆(ke)粒問流動，一般(ban)來講土體的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對磷石膏而(er)言，其滲透系數(shu)在(zai)(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級，遠大于(yu)黏(nian)性(xing)土，但(dan)其卻發生(sheng)了(le)極為顯(xian)著的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原因在(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)磷石膏晶體結(jie)(jie)(jie)構發生(sheng)了(le)壓縮(suo)、破(po)壞(huai)，接(jie)觸點(dian)晶格發生(sheng)歪曲(qu)和變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而(er)破(po)壞(huai)后晶格之(zhi)間的(de)(de)(de)重新排(pai)列、調整到(dao)最后趨于(yu)相對靜(jing)止需要相當長(chang)的(de)(de)(de)時間才能完成。

2.4動力力學特性

試(shi)(shi)驗設備采用英國GDS公司進口的電(dian)機控制動三(san)軸試(shi)(shi)驗系統，試(shi)(shi)樣直徑(jing)39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣(yang)由于(yu)自然(ran)沉積的磷石膏密(mi)度變(bian)化較(jiao)大，為此(ci)根據物理性質(zhi)試驗結果(guo)，選擇兩種平均(jun)干密(mi)度1.34g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模量G、阻尼(ni)比(bi)與剪應變(bian)幅(fu)值γd的關系式(shi)如下：

式(shi)中k1為(wei)參(can)數，表(biao)示(shi)動(dong)剪(jian)切模量的衰減(jian)或阻(zu)尼比的增長速率；λmax為(wei)最大阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)最大動(dong)剪(jian)切模量和歸一化的動(dong)剪(jian)應變，表(biao)示(shi)為(wei)

式中(zhong)k2,n為參數(shu)；σm為球(qiu)應力(li)；Pa為標(biao)準大(da)氣(qi)壓；vd為動泊(bo)松比；εa為歸一化的動應變，表達為

圖14給(gei)出了動(dong)剪切模量、阻(zu)尼比與(yu)歸一(yi)化(hua)動(dong)應變(bian)的(de)(de)關系曲(qu)線，另外圖中還(huan)給(gei)出了式(1)的(de)(de)擬合曲(qu)線以及Seed等給(gei)出的(de)(de)砂(sha)樣的(de)(de)上下邊界線，圖例中，σ2表示圍壓，Kc表示固(gu)結應力(li)比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可以看出：①式(1)可較好地(di)描述磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)動應(ying)力(li)(li)(li)-動應(ying)變試驗曲線，表明采用等價黏彈(dan)性(xing)模型進行(xing)循環(huan)荷載作用下(xia)的(de)(de)(de)分析(xi)是可行(xing)的(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線位(wei)于干密(mi)(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線上方(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于下(xia)方(fang)，表明密(mi)(mi)度(du)越大(da)，動彈(dan)模越大(da)、阻(zu)尼(ni)比越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩(liang)種干密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)(de)擬合(he)線基本(ben)位(wei)于Seed等給出的(de)(de)(de)邊(bian)界線上方(fang)，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本(ben)處于邊(bian)界線中(zhong)間，表明相比較砂樣，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)動彈(dan)模較大(da)，會(hui)(hui)導(dao)致磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)動力(li)(li)(li)反(fan)應(ying)較大(da)，但由于阻(zu)尼(ni)比也較大(da)，這樣又(you)會(hui)(hui)削弱壩(ba)體的(de)(de)(de)動力(li)(li)(li)反(fan)應(ying)，二(er)者的(de)(de)(de)相互影響下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)動力(li)(li)(li)反(fan)應(ying)將不會(hui)(hui)過于強(qiang)烈，這對(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

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

圖(tu)15給出了動(dong)剪(jian)應(ying)力比τd/σ0′與破壞(huai)振(zhen)次(ci)Nf的關(guan)系曲線圖(tu)，其中σ0為(wei)振(zhen)前試樣45°面上的有效法(fa)向應(ying)力，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)比。從試驗結(jie)果可以看出，沉積磷石膏的動(dong)強度與其它土(tu)體相似，表現為(wei)圍壓和固結(jie)應(ying)力比與動(dong)剪(jian)應(ying)力比呈負(fu)相關(guan)關(guan)系。

為判(pan)別沉(chen)積磷石膏的抗液(ye)化能力，假定(ding)抗震設計(ji)烈(lie)度(du)為8度(du)，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的冪函數(shu)關系式得到振次為30時(shi)各個圍壓和固結比下的動剪(jian)應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合(he)求得(de)動剪應(ying)力(li)比與圍壓(ya)和固結應(ying)力(li)比的關(guan)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。

從上述擬(ni)合關(guan)系式(shi)可見(jian)，密實度(du)提(ti)高(gao)(gao)(gao)后，動剪應(ying)力(li)(li)比提(ti)高(gao)(gao)(gao)，表明抗液化能力(li)(li)也提(ti)高(gao)(gao)(gao)。但即使是在(zai)低(di)密度(du)下(xia)，其動剪應(ying)力(li)(li)比較之同類(lei)的粉土或粉砂(sha)也大出許多，表明磷石膏具有(you)較高(gao)(gao)(gao)的抗液化能力(li)(li)。

三、結論(lun)

依托(tuo)柳(liu)樹箐(qing)磷石膏堆(dui)積壩，在鉆探取樣(yang)工(gong)作的基礎上，首先開展了(le)(le)物理性質(zhi)試驗(yan)，然后開展了(le)(le)靜動力(li)力(li)學特性試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研(yan)究，得出如下結論：

(1)沉(chen)積磷石(shi)膏總體(ti)上屬于級配不(bu)良的粉(fen)土(tu)，局(ju)部屬于粉(fen)砂一中砂，無自然分(fen)級現象。其干(gan)密度(du)和粒徑變(bian)(bian)化(hua)隨埋(mai)深或距放漿口距離的變(bian)(bian)化(hua)不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏水平方(fang)向的滲透(tou)系(xi)數大于垂直方(fang)向的滲透(tou)系(xi)數，呈現明顯的各向異(yi)性(xing)。

(3)與土體顆粒(li)不(bu)可壓縮(suo)不(bu)同(tong)，磷(lin)石膏的(de)晶體結構(gou)會(hui)發生壓縮(suo)破(po)壞，具(ju)有較大的(de)壓縮(suo)性，其次固結變形量(liang)遠大于主固結變形量(liang)。

(4)沉(chen)積磷石膏的(de)靜(jing)動強度較之(zhi)同(tong)等密實度下(xia)的(de)粉土、粉砂要(yao)高(gao)。