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。

引言

磷(lin)石(shi)(shi)膏是(shi)濕(shi)(shi)法磷(lin)酸生產過程中(zhong)的(de)(de)副產品，2018年，全國(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏產生量為(wei)7800萬噸，且呈(cheng)逐年增長的(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)主(zhu)要(yao)成分(fen)(fen)是(shi)CaO和SO3，但(dan)含有一定量的(de)(de)氟化物(wu)和其(qi)(qi)它放射性物(wu)質，在中(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類(lei)一般(ban)工(gong)業固體廢物(wu)處理(li)，鑒于(yu)無害化處理(li)成本較(jiao)高(gao)，目(mu)前綜合利用率尚不足40%，故大部分(fen)(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏需(xu)要(yao)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)場(chang)地(di)的(de)(de)不同，可(ke)分(fen)(fen)為(wei)平地(di)型、傍山型、山谷型和截(jie)河型堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)國(guo)基本上(shang)是(shi)山谷型堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)。相比較(jiao)干法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)經(jing)濟優勢明(ming)顯(xian)，因而如(ru)地(di)質條件為(wei)非碳酸鹽巖地(di)區，一般(ban)均(jun)采(cai)用濕(shi)(shi)排(pai)濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方(fang)式(shi)。隨著中(zhong)國(guo)磷(lin)肥工(gong)業的(de)(de)快速發展，本世紀(ji)初中(zhong)國(guo)相繼建設了(le)幾座(zuo)濕(shi)(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)大型磷(lin)石(shi)(shi)膏庫，例如(ru)云(yun)天化國(guo)際化工(gong)三環分(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩和富瑞分(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)楊(yang)家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩，這兩座(zuo)壩設計壩高(gao)均(jun)超過100m、處于(yu)8度地(di)震區，其(qi)(qi)安全性備受關注。

據統計(ji)，110多年(1901年一2013年)來，全世界有(you)118座尾礦壩曾發生(sheng)(sheng)過破壞或潰壩事(shi)故，原因主(zhu)要有(you)地震、洪水漫(man)頂、滲透破壞和基礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事(shi)后會(hui)造(zao)成巨大的生(sheng)(sheng)態災難和人(ren)員傷亡，近幾十年來，

國內外對(dui)(dui)金(jin)(jin)屬尾礦的(de)沉積規(gui)律、物理力(li)學(xue)特性及(ji)其穩(wen)定性開展了(le)大(da)量的(de)研(yan)(yan)究(jiu)，但對(dui)(dui)于(yu)與金(jin)(jin)屬尾礦庫相近的(de)磷石(shi)膏庫，一般僅限于(yu)在可研(yan)(yan)階(jie)段采用人(ren)工制備樣進行物理力(li)學(xue)性質試驗，并據此進行穩(wen)定性分析，尚未有(you)人(ren)針對(dui)(dui)己運(yun)行若干年(nian)的(de)大(da)型濕法堆存(cun)磷石(shi)膏堆積壩開展過(guo)磷石(shi)膏沉積規(gui)律及(ji)其物理力(li)學(xue)特性的(de)專項(xiang)研(yan)(yan)究(jiu)。

本文依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)，首先進行了(le)鉆(zhan)探(tan)取(qu)樣，采用原狀樣開展了(le)密度(du)、含水率、滲(shen)透、土水特征和(he)顆(ke)分(fen)等(deng)物理(li)(li)性(xing)(xing)質試驗，在此(ci)基礎(chu)上(shang)有(you)針對性(xing)(xing)的(de)選(xuan)擇原狀樣開展了(le)三(san)軸CU、蠕變(bian)及動三(san)軸等(deng)力學特性(xing)(xing)試驗。通過上(shang)述(shu)試驗研(yan)(yan)究，總結(jie)了(le)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)沉積(ji)規律、滲(shen)透特性(xing)(xing)、滲(shen)透破壞(huai)特性(xing)(xing)以(yi)及靜動力特性(xing)(xing)，上(shang)述(shu)研(yan)(yan)究工作對研(yan)(yan)究和(he)評估磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)穩(wen)定性(xing)(xing)提(ti)供了(le)基礎(chu)數(shu)據，對現(xian)行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)的(de)運行管理(li)(li)以(yi)及新建工程(cheng)的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒意義。

一(yi)、依托工(gong)程概況(kuang)

1.1柳樹(shu)箐磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩堆(dui)存設計方(fang)案

由(you)初期(qi)壩和堆積壩組(zu)成，設計總壩高約130m。

(1)初期(qi)壩(ba)

初期壩壩高(gao)約30m，采用土料(liao)填(tian)筑。上游坡(po)面、壩底和(he)下游壩腳設置堆石排(pai)水體，三(san)者(zhe)相連通(tong)構(gou)成整個堆積壩的主(zhu)要(yao)排(pai)滲系統。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲措施

采(cai)用上游式(shi)筑壩法，共20級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采(cai)用排滲(shen)(shen)管網作(zuo)為輔助排滲(shen)(shen)方案(an)，目(mu)前己在(zai)5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩和13級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩壩前120m范圍內(nei)設置了井字形排滲(shen)(shen)管網。

1.2沉積磷石膏的(de)鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)孔平面位(wei)置(zhi)見圖(tu)l。2008年6月，堆積(ji)至(zhi)5級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)(ba)時，布設了(le)9個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號K1～K9，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣76件(jian)；2013年5月，堆積(ji)至(zhi)13級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)(ba)時，又布設了(le)11個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號K10～K20，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣112件(jian)，為比較子(zi)壩(ba)(ba)加高和磷石膏堆積(ji)過程中磷石膏物理力學性(xing)質的變化，在(zai)2，4級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)(ba)K2孔和K6孔附近(jin)各(ge)布設了(le)一個(ge)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號分別為K17和K18。

1.3運行(xing)概況(kuang)

柳樹箐磷(lin)石膏(gao)尾礦庫(ku)(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入運行，截至2013年(nian)5月己(ji)堆(dui)(dui)至13級子壩(ba)，尚有7級子壩(ba)即堆(dui)(dui)存(cun)至設計(ji)高程。鑒于(yu)磷(lin)石膏(gao)庫(ku)(ku)地(di)形、地(di)質條(tiao)件(jian)較好，具備擴容改造的條(tiao)件(jian)，以提高堆(dui)(dui)存(cun)庫(ku)(ku)容，減少堆(dui)(dui)存(cun)占地(di)，節約土地(di)資源。

本(ben)文主要對沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)物理力學特性進(jin)行(xing)了全面總結，限于篇幅(fu)，有關(guan)現狀磷(lin)石膏(gao)庫堆積壩的(de)安全性評價及(ji)其加高可行(xing)性的(de)研究將另文發表(biao)。

二、沉積磷(lin)石膏的物理力學特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給(gei)出了(le)14個鉆孔(kong)的(de)取(qu)樣深度(du)和試(shi)驗所得干密(mi)度(du)的(de)關系，圖中UWL表示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)，(系鉆孔(kong)期間的(de)初(chu)見水(shui)(shui)位(wei)線，下(xia)(xia)同)，DWL表示(shi)水(shui)(shui)位(wei)線下(xia)(xia)。圖3給(gei)出了(le)水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)下(xia)(xia)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(bu)同溫(wen)度(du)和烘烤時間對(dui)測定結果有一定影(ying)響(xiang)，不(bu)能照(zhao)搬現行的(de)土工(gong)試(shi)驗規范，本文磷石膏的(de)含(han)水(shui)(shui)率測定方法(fa)為55℃溫(wen)度(du)下(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉積磷(lin)石膏(gao)干密度與埋深的關系(xi)

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

由圖3，水位(wei)線(xian)上的(de)(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度(du)平(ping)(ping)均(jun)值為(wei)50.4%，處于(yu)非飽(bao)(bao)和(he)狀態，水位(wei)線(xian)以下的(de)(de)磷(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度(du)平(ping)(ping)均(jun)值為(wei)85.0%，基本處于(yu)飽(bao)(bao)和(he)狀態，由于(yu)水位(wei)下降(jiang)后磷(lin)石膏來(lai)不及排水固結(jie)，故而(er)水位(wei)線(xian)上局部(bu)試樣的(de)(de)飽(bao)(bao)和(he)度(du)較(jiao)高。

由(you)圖2，水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)干(gan)密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)干(gan)密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可(ke)見(jian)磷(lin)石膏與一般的(de)(de)尾礦有所不同(tong)，磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度并不隨(sui)埋深(shen)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)而明顯增(zeng)(zeng)大(da)，但水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)磷(lin)石膏干(gan)密(mi)度從統計(ji)意義上(shang)來看(kan)仍大(da)于水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)磷(lin)石膏干(gan)密(mi)度，這主要是由(you)于水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨(sui)庫(ku)水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)(de)變化反復升降而使得磷(lin)石膏排水(shui)(shui)(shui)(shui)固結所致。

室(shi)內(nei)(nei)擊(ji)實得到的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)干(gan)密度一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可以看出(chu)(chu)，自然沉積的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)干(gan)密度可達到1.73g/cm3，原因(yin)如下：與經典(dian)的(de)土(tu)骨架不(bu)可壓(ya)縮的(de)理論(lun)不(bu)同(tong)，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)本身可壓(ya)縮，同(tong)時(shi)由于(yu)顆粒(li)結(jie)構(gou)不(bu)穩定，擊(ji)實試驗過程中磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)結(jie)構(gou)被(bei)破壞，受(shou)夯擊(ji)處下陷，四周鼓起(qi)，出(chu)(chu)現了(le)類似于(yu)橡皮土(tu)的(de)現象。而在現場條件下，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨架被(bei)破壞后，會導致顆粒(li)中的(de)結(jie)合水(shui)滲出(chu)(chu)至孔(kong)隙內(nei)(nei)，變成(cheng)孔(kong)隙水(shui)，排水(shui)固結(jie)后會使(shi)得磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)孔(kong)隙比減小，干(gan)密度增(zeng)大(da)(da)。

圖4給(gei)出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位于(yu)(yu)2級子壩河床(chuang)部(bu)位)以及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位于(yu)(yu)4級子壩河床(chuang)部(bu)位)干密(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來看(kan)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)也并未隨(sui)后(hou)續磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)堆積(ji)而有較為(wei)明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)增大。

(2)級(ji)配分布

顆粒(li)分析試(shi)(shi)驗采用密度計法(fa)，制備懸液時不(bu)(bu)煮沸，不(bu)(bu)加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給出了試(shi)(shi)驗得到的(de)級配包線、平均粒(li)徑d50、不(bu)(bu)均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的(de)分布圖(tu)。

從圖(tu)5(a)可見，磷(lin)石膏的(de)粒徑(jing)主要(yao)分布(bu)(bu)在0.005～0.075mm之間，總體(ti)上屬于粉土，但可能由于礦石來源或生(sheng)產工藝有所不同，局部(bu)屬于粉砂～中砂。粒徑(jing)分布(bu)(bu)范圍比Blight和張超等的(de)試驗結果要(yao)寬一(yi)些(xie)。

圖4子壩(ba)加高后沉(chen)積磷石膏的干(gan)密度變化

圖(tu)5沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)平均(jun)粒徑(jing)和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水(shui)平向(xiang)還是(shi)垂(chui)直向(xiang)，磷(lin)石膏(gao)與(yu)金(jin)屬礦(kuang)山(shan)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前(qian)粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下(xia)細(xi)”的(de)(de)自然分級(ji)現(xian)象不(bu)同(tong)，也即(ji)粗(cu)顆(ke)(ke)粒并(bing)不(bu)是(shi)沿埋深逐步(bu)減小或(huo)距離放漿(jiang)口越遠顆(ke)(ke)粒越細(xi)，其(qi)原(yuan)因(yin)如(ru)下(xia)：①磷(lin)石膏(gao)顆(ke)(ke)粒粒徑(jing)組(zu)成(cheng)較(jiao)為(wei)集中、均(jun)勻(yun)，主要(yao)以粉粒組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)配較(jiao)差；②相(xiang)比較(jiao)金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)(zhong)較(jiao)小，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)比重(zhong)(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠小于金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比重(zhong)(zhong)，例(li)如(ru)鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)比重(zhong)(zhong)可達2.9；③放漿(jiang)口隨(sui)子壩高度不(bu)斷增加而不(bu)斷變(bian)動并(bing)向(xiang)庫(ku)尾(wei)延伸，造(zao)成(cheng)沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)粒徑(jing)變(bian)化不(bu)明顯。

從(cong)圖5(d)可見(jian)，不均(jun)勻系數Cu范(fan)圍值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)(zhi)為4.18，曲率系數(1c范(fan)圍值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)(zhi)為1.21，在統計的100多個試(shi)樣(yang)中，屬于(yu)級配(pei)不良土的占93%。這種級配(pei)特性(xing)決定了磷石膏具有較高的壓(ya)縮性(xing)、滲透破壞型式表現為流(liu)土破壞。

2.2滲(shen)透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)的(de)主要因(yin)素是粒徑大(da)(da)小(xiao)、級配和孔(kong)隙(xi)比(bi)，因(yin)而磷石膏(gao)(gao)的(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)與(yu)(yu)粉土較為接近。由(you)于(yu)孔(kong)隙(xi)比(bi)e減(jian)小(xiao)，使(shi)得過水通道面(mian)積(ji)減(jian)小(xiao)，滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k也(ye)將減(jian)小(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對砂(sha)土，一(yi)般(ban)認(ren)為滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較好，圖6給(gei)出了(le)二者(zhe)間的(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線(xian)，由(you)于(yu)沉積(ji)磷石膏(gao)(gao)的(de)不均勻(yun)系(xi)(xi)數(shu)變化較大(da)(da)，使(shi)得沉積(ji)磷石膏(gao)(gao)的(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)變化范圍(wei)較大(da)(da)(平(ping)均值為10-4cm/s數(shu)量級)，二者(zhe)問的(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲(shen)透(tou)系數與孔隙(xi)比的關系

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

圖7給出了(le)水(shui)平與垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透系數比值的(de)分(fen)布。沉積磷石膏(gao)的(de)水(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透系數kh一般大于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透系數kv,kh/kv平均值約(yue)為(wei)2.86，這一點(dian)與成層分(fen)布的(de)金(jin)屬尾礦規律一致。造成沉積磷石膏(gao)水(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透系數大于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透系數的(de)原因是由(you)于磷石膏(gao)具有明顯的(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多為(wei)菱(ling)形(xing)和棱柱狀(zhuang)形(xing)式(shi)(見(jian)圖8)，在沉積過程中，由(you)于扁平狀(zhuang)磷石膏(gao)顆粒(li)多呈(cheng)水(shui)平排列，使(shi)得水(shui)平方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透水(shui)性(xing)大于垂直(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透水(shui)性(xing)，從而使(shi)磷石膏(gao)呈(cheng)現明顯的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另(ling)根據中國有色金屬工業昆明(ming)勘察設計研究院在楊家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩開展的(de)現場滲透(tou)試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)平均值(zhi)約為(wei)1.9。但張超(chao)等的(de)室內試(shi)驗(yan)顯(xian)示，kh/kv的(de)平均值(zhi)約為(wei)0.46，也即垂直向滲透(tou)系數大于水平向滲透(tou)系數，與(yu)本(ben)文和現場試(shi)驗(yan)結果恰(qia)恰(qia)相反。從磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)微觀(guan)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(gan)密(mi)度與水平和垂(chui)直滲透系(xi)數(shu)比值的關(guan)系(xi)

(2)滲(shen)透變形

圖(tu)9為(wei)磷石膏(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)力梯度J與流速V的(de)關系曲(qu)線，試驗(yan)在水(shui)(shui)平(ping)管涌儀中采用水(shui)(shui)平(ping)方向的(de)滲(shen)流形式進行。試驗(yan)得到的(de)臨界(jie)坡降Jc=0.355，破壞坡降Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說，對1，2級工程(cheng)，滲(shen)透安全系數取(qu)為(wei)2.5，則允(yun)許出逸(yi)坡降為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)工程(cheng)，滲(shen)透安全系數取(qu)2.0，則允(yun)許出逸(yi)坡降為(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)許比降與粉土一(yi)粉砂大(da)致相同。但(dan)上(shang)(shang)述(shu)滲(shen)透變形試驗(yan)是采用自來(lai)水(shui)(shui)進行的(de)，自來(lai)水(shui)(shui)對磷石膏(gao)具有一(yi)定的(de)溶蝕(shi)作(zuo)用，而實際(ji)上(shang)(shang)磷石膏(gao)中殘余磷、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)般小(xiao)于3(稱之為(wei)酸(suan)性水(shui)(shui))，在酸(suan)性水(shui)(shui)作(zuo)用下(xia)，磷石膏(gao)不會發生破壞，上(shang)(shang)述(shu)試驗(yan)結果是偏于保守的(de)，但(dan)對非酸(suan)性水(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)滲(shen)透穩定判斷有一(yi)定的(de)借鑒(jian)意義。

圖(tu)9水力梯度J-流(liu)速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土(tu)水特征試驗

試(shi)驗在5Bar的壓(ya)力(li)板儀中進行，環(huan)刀(dao)尺寸6.18cm。干密(mi)度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組(zu)，吸(xi)力(li)范圍(wei)0～500kPa。表l列出了含水率特征值(zhi)，試(shi)驗曲(qu)線見圖10所示。

試驗(yan)結果表(biao)明(ming)：①干密度對進氣值沒(mei)有(you)明(ming)顯的(de)影響，不同干密度的(de)試樣的(de)進氣值大致在10kPa左右；②土(tu)樣殘(can)(can)余(yu)含水(shui)率隨(sui)干密度的(de)增加而減少，殘(can)(can)余(yu)含水(shui)率約為飽(bao)和含水(shui)率的(de)10%。上(shang)述特性與粉土(tu)一粉砂基(ji)本一致。

2.3靜力力學(xue)特(te)性

(1)三軸CU試驗

由于沉積(ji)磷石膏的密(mi)(mi)度變化(hua)較大，而進(jin)行(xing)三軸(zhou)試驗(yan)需要若干原狀樣，為(wei)使試驗(yan)結果具有(you)(you)較好的一(yi)致性，有(you)(you)針對性的選擇平均干密(mi)(mi)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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干試樣，進(jin)行(xing)了5組三軸(zhou)CU試驗(yan)。圖11是為(wei)干密(mi)(mi)度為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的三軸(zhou)CU試驗(yan)曲線(xian)。

從圖11可以看出，磷(lin)石(shi)膏(gao)的應力應變關系曲(qu)線在(zai)低圍壓(ya)下表現為(wei)軟化(hua)型，在(zai)高圍壓(ya)下表現為(wei)硬化(hua)型，與一(yi)(yi)般土(tu)類相似(si)。但與一(yi)(yi)般粉土(tu)一(yi)(yi)粉砂不同的是，即使(shi)在(zai)較(jiao)為(wei)疏松(song)的狀態(tai)下，磷(lin)石(shi)膏(gao)仍(reng)表現了較(jiao)為(wei)強烈的剪(jian)(jian)脹(zhang)，隨密實度增大，剪(jian)(jian)脹(zhang)作用愈發明顯。

表2給(gei)出了不同干密(mi)(mi)度(du)(du)下的(de)(de)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出了內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)與干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)關系曲(qu)線。隨干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)(ye)隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較好地(di)擬(ni)合(he)。磷石(shi)膏的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總(zong)(zong)應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬(ni)合(he)曲(qu)線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)3.2%，由(you)(you)于隨圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也(ye)(ye)明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較之(zhi)總(zong)(zong)應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外較之(zhi)于干密(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不顯著，表明(ming)即使(shi)較為(wei)(wei)疏松(song)的(de)(de)磷石(shi)膏仍具有較高的(de)(de)強度(du)(du)指(zhi)標，這(zhe)也(ye)(ye)表明(ming)磷石(shi)膏堆積(ji)壩的(de)(de)穩(wen)定性較高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗

磷石膏的(de)蠕變變形試(shi)驗(yan)在側限壓縮(suo)儀中進行(xing)，試(shi)驗(yan)狀(zhuang)態相當于K0固結。試(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后分別開展(zhan)了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗(yan)，

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

從(cong)圖(tu)13中可以(yi)看出(chu)：上覆荷載(zai)越(yue)大(da)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形也(ye)越(yue)大(da)，荷載(zai)施加(jia)1年后，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形仍非(fei)常顯著，尚未達到(dao)穩定狀(zhuang)態，這也(ye)是(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩后期(qi)變(bian)(bian)形較大(da)的原因，原型觀(guan)測(ce)資料表明，在5級子(zi)壩河床部位(wei)的表面沉降(jiang)量已經(jing)達到(dao)3.1m，且尚未完全穩定。

按時(shi)(shi)間(jian)對(dui)數法，可求得各級荷(he)載下的(de)(de)主(zhu)(zhu)次(ci)(ci)固(gu)結變(bian)形(xing)(xing)量如表(biao)3所示。試驗(yan)結果表(biao)明，在(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆(fu)荷(he)載作用下，在(zai)(zai)(zai)試驗(yan)時(shi)(shi)間(jian)范圍內蠕變(bian)(次(ci)(ci)固(gu)結)變(bian)形(xing)(xing)是(shi)主(zhu)(zhu)固(gu)結變(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當然由于蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)尚未(wei)完成(cheng)(cheng)，實際(ji)的(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)應更大。對(dui)土體(ti)(ti)(ti)而言(yan)，發生(sheng)蠕變(bian)的(de)(de)原因(yin)是(shi)由于土體(ti)(ti)(ti)在(zai)(zai)(zai)主(zhu)(zhu)固(gu)結完成(cheng)(cheng)之(zhi)后，土體(ti)(ti)(ti)中仍(reng)有微小(xiao)的(de)(de)超靜孔隙(xi)壓力存在(zai)(zai)(zai)，驅(qu)使水在(zai)(zai)(zai)顆粒問(wen)流動，一般來(lai)講土體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)結遠小(xiao)于主(zhu)(zhu)固(gu)結變(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏而言(yan)，其(qi)滲透系數在(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠大于黏性(xing)土，但其(qi)卻發生(sheng)了極為顯著的(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)結變(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原因(yin)在(zai)(zai)(zai)于磷石膏晶體(ti)(ti)(ti)結構(gou)發生(sheng)了壓縮(suo)、破(po)壞(huai)，接(jie)觸(chu)點晶格發生(sheng)歪曲和變(bian)形(xing)(xing)，而破(po)壞(huai)后晶格之(zhi)間(jian)的(de)(de)重新排列(lie)、調整到最后趨于相(xiang)(xiang)對(dui)靜止需要相(xiang)(xiang)當長的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)才能完成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學特(te)性

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

(1)動(dong)模量和阻(zu)尼比

同樣由于自然沉積的磷(lin)石膏密度變化較大，為此根(gen)據物理(li)性質試驗結(jie)果(guo)，選擇兩(liang)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(de)動剪切模量G、阻尼(ni)比與剪應變幅值γd的(de)關(guan)系(xi)式如下：

式中k1為參數，表示動(dong)剪(jian)切(qie)模(mo)(mo)量(liang)的(de)(de)衰減或阻(zu)尼比的(de)(de)增長速率；λmax為最(zui)大阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為最(zui)大動(dong)剪(jian)切(qie)模(mo)(mo)量(liang)和歸一(yi)化的(de)(de)動(dong)剪(jian)應變，表示為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標準大氣(qi)壓；vd為(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)歸一化的動(dong)應變(bian)，表達為(wei)

圖(tu)14給出了(le)動剪切模量(liang)、阻尼比(bi)與歸(gui)一化動應變的(de)關(guan)系曲線(xian)，另外圖(tu)中還(huan)給出了(le)式(1)的(de)擬合曲線(xian)以及Seed等給出的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊界線(xian)，圖(tu)例中，σ2表(biao)示(shi)圍壓，Kc表(biao)示(shi)固結應力比(bi)。

從圖中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較好地描述(shu)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)動應力-動應變試驗曲線(xian)，表明(ming)采用(yong)等價黏(nian)彈(dan)性(xing)模(mo)型進行(xing)循環荷載作用(yong)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)分析(xi)是(shi)可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)干(gan)密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)位于(yu)干(gan)密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)上方，圖14(b)中(zhong)則(ze)位于(yu)下(xia)方，表明(ming)密度(du)越(yue)大(da)(da)，動彈(dan)模(mo)越(yue)大(da)(da)、阻尼比(bi)越(yue)小；③圖14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)基本位于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)上方，而圖14(b)中(zhong)則(ze)基本處于(yu)邊界線(xian)中(zhong)間，表明(ming)相比(bi)較砂樣，磷石(shi)膏(gao)動彈(dan)模(mo)較大(da)(da)，會(hui)(hui)導致磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)動力反(fan)應較大(da)(da)，但由(you)于(yu)阻尼比(bi)也較大(da)(da)，這樣又(you)會(hui)(hui)削弱(ruo)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動力反(fan)應，二者的(de)(de)(de)(de)(de)相互影響下(xia)，磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動力反(fan)應將(jiang)不會(hui)(hui)過于(yu)強烈，這對磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)震穩定性(xing)是(shi)有利的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強度(du)

選擇兩種(zhong)平均干密度為1.12(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標準為總應變(bian)達到(dao)10%。

圖(tu)15給出(chu)了(le)動(dong)剪應力(li)比τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次Nf的(de)關(guan)系曲線(xian)圖(tu)，其中σ0為(wei)振(zhen)前試樣45°面(mian)上的(de)有效法向應力(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)(gu)結比。從試驗結果可以看出(chu)，沉(chen)積磷石膏的(de)動(dong)強度與(yu)其它土體(ti)相似，表現為(wei)圍(wei)壓和固(gu)(gu)結應力(li)比與(yu)動(dong)剪應力(li)比呈負相關(guan)關(guan)系。

為判(pan)別沉積磷石膏的抗液化(hua)能力，假定抗震設計烈度(du)(du)為8度(du)(du)，即等(deng)效振(zhen)次(ci)Ⅳ可取為30。首先(xian)由式(shi)(4)

所示的冪函數關系(xi)式(shi)得到振次為30時(shi)各個(ge)圍壓和固結比下的動剪(jian)應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪(jian)應力比與(yu)圍(wei)壓和固結應力比的關系式：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(cong)上述擬(ni)合關(guan)系式可見，密(mi)(mi)實度(du)提高(gao)后，動剪應(ying)力比(bi)提高(gao)，表(biao)明(ming)抗(kang)液化能力也(ye)提高(gao)。但即使是在低密(mi)(mi)度(du)下，其動剪應(ying)力比(bi)較之(zhi)同(tong)類(lei)的粉土或粉砂也(ye)大出許(xu)多，表(biao)明(ming)磷石膏具(ju)有較高(gao)的抗(kang)液化能力。

三(san)、結論

依托柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎(chu)上，首(shou)先(xian)開展了物理性質試(shi)驗(yan)，然(ran)后開展了靜動(dong)力力學特性試(shi)驗(yan)。通(tong)過上述試(shi)驗(yan)研究，得出如下結論：

(1)沉積磷石膏總(zong)體上屬于(yu)級配不良(liang)的粉土(tu)，局部屬于(yu)粉砂一中(zhong)砂，無自然(ran)分級現象(xiang)。其干密度和粒徑變化隨埋(mai)深或距放漿(jiang)口距離的變化不明顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水(shui)平方向的滲透系數大于垂直方向的滲透系數，呈現明(ming)顯的各向異性。

(3)與土體顆(ke)粒不(bu)可壓(ya)縮(suo)不(bu)同(tong)，磷石膏(gao)的(de)晶體結(jie)構(gou)會發生壓(ya)縮(suo)破壞，具有較大的(de)壓(ya)縮(suo)性，其(qi)次固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)量遠(yuan)大于主固結(jie)變(bian)形(xing)(xing)量。

(4)沉積磷石膏的靜(jing)動強(qiang)度較(jiao)之同等(deng)密實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂要(yao)高。