沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)是磷(lin)酸生產(chan)過程中的(de)(de)(de)(de)副產(chan)品，目(mu)前的(de)(de)(de)(de)綜(zong)合利(li)用率尚不足40%，大(da)部分需要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。受地形限制和經(jing)濟效益考慮，中國主要(yao)為(wei)(wei)濕法堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)(de)山谷型(xing)堆(dui)(dui)場。依(yi)托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)，針對沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)首先開展(zhan)了(le)(le)密度、含水率、滲透(tou)、土水特征和顆分等(deng)物理性(xing)質試驗(yan)，然(ran)后(hou)開展(zhan)了(le)(le)三(san)軸(zhou)cu、蠕變及(ji)動三(san)軸(zhou)等(deng)力學特性(xing)試驗(yan)。試驗(yan)結果表(biao)明(ming)：①沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)干密度與埋深沒有(you)相關(guan)關(guan)系；②沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)不具(ju)有(you)自然(ran)分級現象，但(dan)具(ju)有(you)明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)各向異性(xing)；③沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有(you)較高的(de)(de)(de)(de)摩擦角和抗液化能(neng)力，但(dan)其蠕變變形較大(da)、滲透(tou)比(bi)降(jiang)較小。上述工(gong)作為(wei)(wei)分析磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)壩(ba)(ba)體穩定性(xing)提供了(le)(le)基礎，對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)(de)(de)(de)運行管理以(yi)及(ji)新建工(gong)程的(de)(de)(de)(de)設計具(ju)有(you)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

引(yin)言(yan)

磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)濕法(fa)磷酸生產(chan)(chan)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)副(fu)產(chan)(chan)品(pin)，2018年(nian)，全(quan)國磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)(chan)生量(liang)為(wei)7800萬噸，且(qie)呈逐(zhu)年(nian)增長的(de)(de)(de)(de)態勢。磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)主要成(cheng)分(fen)(fen)是(shi)CaO和SO3，但含有一定(ding)量(liang)的(de)(de)(de)(de)氟化(hua)物(wu)和其(qi)(qi)它放(fang)射性物(wu)質(zhi)，在(zai)(zai)中(zhong)(zhong)國通常按(an)Ⅱ類一般工業固體廢物(wu)處理，鑒于無害(hai)化(hua)處理成(cheng)本較高，目前綜合利(li)用(yong)率尚不足40%，故大部分(fen)(fen)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)需(xu)要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)場(chang)(chang)地(di)的(de)(de)(de)(de)不同，可(ke)分(fen)(fen)為(wei)平地(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)(chang)，在(zai)(zai)中(zhong)(zhong)國基本上是(shi)山谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)(chang)。相比較干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟優勢明顯，因而如地(di)質(zhi)條件(jian)為(wei)非碳(tan)酸鹽巖地(di)區，一般均采用(yong)濕排濕堆(dui)(dui)方(fang)式(shi)。隨著中(zhong)(zhong)國磷肥工業的(de)(de)(de)(de)快速發展，本世紀初中(zhong)(zhong)國相繼建設(she)了幾座(zuo)濕法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)(de)大型(xing)(xing)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫，例如云天(tian)化(hua)國際化(hua)工三環分(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)(de)(de)柳樹箐磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)和富瑞分(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)(de)(de)楊家(jia)箐磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設(she)計壩(ba)高均超過100m、處于8度地(di)震(zhen)區，其(qi)(qi)安全(quan)性備受關注。

據統計，110多年(1901年一(yi)2013年)來，全世界有118座尾(wei)礦壩曾發(fa)生過(guo)破壞或(huo)潰(kui)壩事故，原因主要有地震、洪(hong)水(shui)漫頂、滲透破壞和(he)(he)基礎失穩(wen)。尾(wei)礦庫(ku)失事后會造(zao)成(cheng)巨大的生態災難(nan)和(he)(he)人員傷亡，近幾十(shi)年來，

國內外對(dui)(dui)金屬尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)沉(chen)(chen)積(ji)規律、物理(li)力(li)學(xue)(xue)(xue)特性(xing)(xing)及其穩定性(xing)(xing)開展了大(da)量的(de)(de)研究(jiu)(jiu)，但對(dui)(dui)于與(yu)金屬尾(wei)礦(kuang)庫(ku)相近的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏庫(ku)，一般僅限于在可研階段采用人(ren)工(gong)制備樣進行物理(li)力(li)學(xue)(xue)(xue)性(xing)(xing)質試驗，并據(ju)此(ci)進行穩定性(xing)(xing)分析，尚未有人(ren)針對(dui)(dui)己運行若干年的(de)(de)大(da)型濕法(fa)堆存(cun)磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩開展過磷石(shi)(shi)膏沉(chen)(chen)積(ji)規律及其物理(li)力(li)學(xue)(xue)(xue)特性(xing)(xing)的(de)(de)專項研究(jiu)(jiu)。

本文依托柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩，首(shou)先(xian)進行了鉆探(tan)取樣(yang)，采用原狀(zhuang)樣(yang)開展了密度(du)、含水率、滲透、土水特(te)(te)征(zheng)和顆分等(deng)物理性(xing)(xing)質試(shi)驗，在此基礎上有針(zhen)對(dui)性(xing)(xing)的(de)選擇原狀(zhuang)樣(yang)開展了三軸CU、蠕變(bian)及動三軸等(deng)力(li)學特(te)(te)性(xing)(xing)試(shi)驗。通過(guo)上述(shu)試(shi)驗研究，總結了磷石(shi)膏的(de)沉積(ji)規(gui)律、滲透特(te)(te)性(xing)(xing)、滲透破壞特(te)(te)性(xing)(xing)以及靜動力(li)特(te)(te)性(xing)(xing)，上述(shu)研究工作對(dui)研究和評估磷石(shi)膏庫(ku)堆(dui)積(ji)壩的(de)穩定性(xing)(xing)提供(gong)了基礎數據(ju)，對(dui)現行磷石(shi)膏庫(ku)的(de)運行管理以及新(xin)建(jian)工程的(de)設計(ji)具有重要的(de)借(jie)鑒意義(yi)。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳樹箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩堆存設計方案(an)

由初期壩(ba)(ba)和堆(dui)積壩(ba)(ba)組成(cheng)，設計總壩(ba)(ba)高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用土(tu)料填筑。上游坡面、壩(ba)(ba)底和下游壩(ba)(ba)腳設置堆石排(pai)(pai)水體，三者相(xiang)連(lian)通(tong)構(gou)成整個堆積壩(ba)(ba)的主(zhu)要排(pai)(pai)滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其輔(fu)助排滲措施

采用上游式筑(zhu)壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲(shen)管網作為(wei)輔(fu)助排滲(shen)方案，目前己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和(he)13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范圍(wei)內設置了井字(zi)形排滲(shen)管網。

1.2沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)鉆探(tan)取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)平面(mian)位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積至5級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，布設了(le)9個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K1～K9，取(qu)原狀樣(yang)76件；2013年5月，堆(dui)積至13級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，又布設了(le)11個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K10～K20，取(qu)原狀樣(yang)112件，為比較子(zi)(zi)壩(ba)加(jia)高和(he)(he)磷石膏堆(dui)積過程(cheng)中磷石膏物理力學性質的變化，在2，4級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)(he)K6孔(kong)(kong)附近各布設了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號分(fen)別(bie)為K17和(he)(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏(gao)尾(wei)礦庫(ku)2005年(nian)(nian)開工建設，2006年(nian)(nian)1月(yue)投入運行，截(jie)至2013年(nian)(nian)5月(yue)己堆(dui)至13級(ji)子(zi)壩，尚有(you)7級(ji)子(zi)壩即堆(dui)存至設計高(gao)程。鑒于磷石膏(gao)庫(ku)地(di)(di)形(xing)、地(di)(di)質條(tiao)(tiao)件較(jiao)好，具備(bei)擴容(rong)改造(zao)的條(tiao)(tiao)件，以提高(gao)堆(dui)存庫(ku)容(rong)，減(jian)少堆(dui)存占地(di)(di)，節約土地(di)(di)資源(yuan)。

本文主要(yao)對沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)物(wu)理力學特(te)性進行(xing)了全(quan)面總結，限于篇(pian)幅，有關現狀(zhuang)磷(lin)石膏庫堆積(ji)壩(ba)的(de)安全(quan)性評價及其加高可行(xing)性的(de)研(yan)究(jiu)將另文發表。

二、沉積(ji)磷石膏的物(wu)理力學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了14個(ge)鉆孔的(de)(de)(de)取樣深度和試驗所得干密度的(de)(de)(de)關系，圖中(zhong)(zhong)UWL表示水(shui)位(wei)線(xian)上，(系鉆孔期(qi)間的(de)(de)(de)初見(jian)水(shui)位(wei)線(xian)，下同)，DWL表示水(shui)位(wei)線(xian)下。圖3給出了水(shui)位(wei)線(xian)上下的(de)(de)(de)飽和度分(fen)布圖。由于磷(lin)石膏(gao)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)主要成(cheng)分(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度和烘烤(kao)時間對測定(ding)結果有一定(ding)影響，不能照搬現(xian)行(xing)的(de)(de)(de)土工(gong)試驗規范，本文(wen)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)含水(shui)率測定(ding)方法為55℃溫(wen)度下烘培24h。

圖(tu)2沉積(ji)磷石膏干密度與埋深的(de)關(guan)系(xi)

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

由(you)圖3，水位(wei)線(xian)上的(de)磷石(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)和度平均值為50.4%，處(chu)于(yu)非飽(bao)(bao)和狀態，水位(wei)線(xian)以下(xia)(xia)的(de)磷石(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)和度平均值為85.0%，基本處(chu)于(yu)飽(bao)(bao)和狀態，由(you)于(yu)水位(wei)下(xia)(xia)降后(hou)磷石(shi)膏(gao)來不及排水固結(jie)，故而水位(wei)線(xian)上局部試樣的(de)飽(bao)(bao)和度較高。

由圖2，水(shui)位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線以(yi)下(xia)的(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與一(yi)般(ban)的(de)尾(wei)礦有(you)所不(bu)同，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)并(bing)不(bu)隨埋深(shen)的(de)增大(da)(da)而明顯增大(da)(da)，但(dan)水(shui)位(wei)線以(yi)下(xia)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)(gan)密度(du)(du)從統計意義上(shang)來(lai)看仍大(da)(da)于(yu)水(shui)位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)(gan)密度(du)(du)，這主要(yao)是由于(yu)水(shui)位(wei)線隨庫(ku)水(shui)位(wei)的(de)變化反復升降而使(shi)得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排(pai)水(shui)固結所致(zhi)。

室內擊(ji)(ji)實得(de)到的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)干密度(du)一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖(tu)2可(ke)以(yi)看(kan)出，自(zi)然沉積(ji)的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)干密度(du)可(ke)達(da)到1.73g/cm3，原因如下：與經典的(de)土骨架不(bu)可(ke)壓縮的(de)理論不(bu)同，石(shi)(shi)膏(gao)本身可(ke)壓縮，同時由于(yu)顆(ke)粒(li)結(jie)(jie)構不(bu)穩定，擊(ji)(ji)實試驗過程(cheng)中(zhong)磷石(shi)(shi)膏(gao)結(jie)(jie)構被破壞，受夯擊(ji)(ji)處下陷，四(si)周鼓(gu)起，出現(xian)了類(lei)似于(yu)橡皮土的(de)現(xian)象。而在現(xian)場條件下，石(shi)(shi)膏(gao)骨架被破壞后，會(hui)(hui)導致顆(ke)粒(li)中(zhong)的(de)結(jie)(jie)合水(shui)滲(shen)出至孔(kong)(kong)隙內，變成孔(kong)(kong)隙水(shui)，排水(shui)固結(jie)(jie)后會(hui)(hui)使得(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)孔(kong)(kong)隙比減小，干密度(du)增大(da)。

圖4給出(chu)了相鄰鉆孔(kong)K2和K17(位(wei)于2級(ji)子壩河床部(bu)位(wei))以及(ji)相鄰鉆孔(kong)K6和K18(位(wei)于4級(ji)子壩河床部(bu)位(wei))干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(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)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)也并未隨(sui)后續磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)堆積而(er)有較為(wei)(wei)(wei)明(ming)顯的(de)(de)增大(da)。

(2)級配分布

顆粒分(fen)析試(shi)驗采(cai)用密度(du)計法，制備懸液時(shi)不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了(le)試(shi)驗得到的級配包(bao)線、平均粒徑d50、不(bu)均勻(yun)系數(1u和曲率系數Cc的分(fen)布圖(tu)。

從(cong)圖5(a)可(ke)見，磷(lin)石膏的粒(li)(li)徑(jing)主要(yao)分(fen)布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬于粉土，但可(ke)能由于礦石來源或(huo)生產(chan)工藝有所不同，局部屬于粉砂～中(zhong)砂。粒(li)(li)徑(jing)分(fen)布(bu)范圍(wei)比Blight和(he)張超等的試(shi)驗結(jie)果要(yao)寬一些(xie)。

圖4子壩加高后沉積磷石膏的干密度變化

圖5沉積磷石膏的平(ping)均(jun)粒徑(jing)和級配分(fen)布

由(you)圖5(b)和5(c)，無(wu)論(lun)是(shi)水平向(xiang)(xiang)(xiang)還是(shi)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)，磷石(shi)膏與金屬(shu)(shu)礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)“前粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的(de)自然分級(ji)(ji)現象(xiang)不(bu)同(tong)，也即粗(cu)顆(ke)粒并(bing)不(bu)是(shi)沿埋深逐步減小或距離(li)放漿口越遠顆(ke)粒越細，其原(yuan)因如(ru)下：①磷石(shi)膏顆(ke)粒粒徑組成較為集(ji)中、均勻，主(zhu)要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級(ji)(ji)配較差；②相比(bi)較金屬(shu)(shu)尾礦(kuang)，磷石(shi)膏的(de)比(bi)重較小，磷石(shi)膏的(de)比(bi)重一般為2.3～2.4，遠小于金屬(shu)(shu)尾礦(kuang)的(de)比(bi)重，例如(ru)鐵尾礦(kuang)的(de)比(bi)重可(ke)達2.9；③放漿口隨子壩(ba)高(gao)度不(bu)斷(duan)增加而不(bu)斷(duan)變動(dong)并(bing)向(xiang)(xiang)(xiang)庫(ku)尾延伸，造成沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)粒徑變化不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均勻(yun)系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(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(duo)個試樣中，屬于級(ji)配不良土(tu)的(de)占93%。這(zhe)種級(ji)配特性決定(ding)了磷石膏具有較高的(de)壓縮性、滲透(tou)破壞(huai)(huai)型(xing)式(shi)表現為(wei)流(liu)土(tu)破壞(huai)(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲透(tou)系(xi)數的(de)(de)主要因(yin)素是粒徑(jing)大小(xiao)、級配和孔(kong)隙比，因(yin)而磷(lin)石膏的(de)(de)滲透(tou)系(xi)數與粉土較為(wei)接(jie)近。由于孔(kong)隙比e減(jian)小(xiao)，使得(de)過水通(tong)道面積減(jian)小(xiao)，滲透(tou)系(xi)數k也(ye)將(jiang)減(jian)小(xiao)，k與e呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土，一般認(ren)為(wei)滲透(tou)系(xi)數k與e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)較好，圖6給出了二者間的(de)(de)關(guan)系(xi)曲線(xian)(xian)，由于沉積磷(lin)石膏的(de)(de)不均(jun)勻系(xi)數變(bian)化較大，使得(de)沉積磷(lin)石膏的(de)(de)滲透(tou)系(xi)數變(bian)化范圍較大(平(ping)均(jun)值為(wei)10-4cm/s數量(liang)級)，二者問的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)較差(cha)。

圖6沉積(ji)磷石膏滲透系數與孔隙比的關系

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

圖7給出了(le)水(shui)(shui)(shui)平與垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數比值的(de)(de)分(fen)布。沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數kh一般大于(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數kv,kh/kv平均值約為(wei)2.86，這一點與成(cheng)層分(fen)布的(de)(de)金屬尾礦規律一致。造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)水(shui)(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數大于(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系數的(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)具有明(ming)顯的(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯示(shi)多為(wei)菱形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉積(ji)過程(cheng)中，由于(yu)扁平狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)顆粒多呈水(shui)(shui)(shui)平排列，使(shi)得水(shui)(shui)(shui)平方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性大于(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性，從而使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)呈現明(ming)顯的(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另根據中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院(yuan)在楊(yang)家(jia)箐磷石膏堆積壩開展(zhan)的現場滲透(tou)(tou)試(shi)驗，kh/kv的平(ping)均(jun)值約為1.9。但張超等的室內試(shi)驗顯(xian)示(shi)，kh/kv的平(ping)均(jun)值約為0.46，也即垂直向(xiang)滲透(tou)(tou)系數大于水(shui)平(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系數，與本(ben)文(wen)和現場試(shi)驗結(jie)(jie)果恰恰相反。從(cong)磷石膏的微觀結(jie)(jie)構(gou)來(lai)看，本(ben)文(wen)試(shi)驗結(jie)(jie)果更(geng)為合(he)理。

圖7沉積磷石膏干(gan)密(mi)度與水平和(he)垂(chui)直滲透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)石(shi)膏(gao)干密度(du)為1.40g/cm3的(de)(de)(de)水力梯度(du)J與流速V的(de)(de)(de)關系(xi)曲線(xian)，試驗(yan)(yan)在水平(ping)管(guan)涌儀中(zhong)采用水平(ping)方向(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)流形(xing)式進(jin)行。試驗(yan)(yan)得到的(de)(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般(ban)來(lai)(lai)說，對(dui)(dui)1，2級工程，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)安(an)全系(xi)數取(qu)為2.5，則(ze)允(yun)許(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下工程，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)安(an)全系(xi)數取(qu)2.0，則(ze)允(yun)許(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)許(xu)比降(jiang)與粉土一(yi)(yi)粉砂大致相同。但(dan)上(shang)述滲(shen)(shen)透(tou)(tou)變(bian)形(xing)試驗(yan)(yan)是采用自來(lai)(lai)水進(jin)行的(de)(de)(de)，自來(lai)(lai)水對(dui)(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有(you)一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)溶蝕(shi)作用，而(er)實際(ji)上(shang)磷(lin)石(shi)膏(gao)中(zhong)殘余(yu)磷(lin)、硫和氟酸，庫水的(de)(de)(de)pH值一(yi)(yi)般(ban)小于3(稱之為酸性(xing)水)，在酸性(xing)水作用下，磷(lin)石(shi)膏(gao)不會發生破壞(huai)，上(shang)述試驗(yan)(yan)結果是偏于保守的(de)(de)(de)，但(dan)對(dui)(dui)非酸性(xing)水條件(例如特大暴雨)下的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)穩定(ding)判斷有(you)一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯(ti)度J-流速(su)v試驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在5Bar的(de)壓力板儀中進行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干密(mi)度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含水(shui)率特(te)征值，試(shi)驗曲線見圖10所示。

試驗結果表明：①干(gan)密度對(dui)進(jin)氣值(zhi)沒有明顯(xian)的影響(xiang)，不(bu)同干(gan)密度的試樣的進(jin)氣值(zhi)大致(zhi)在10kPa左右；②土樣殘余含(han)水率(lv)隨(sui)干(gan)密度的增加而(er)減少，殘余含(han)水率(lv)約為飽和(he)含(han)水率(lv)的10%。上述特(te)性與粉土一粉砂基本(ben)一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)密(mi)度(du)變(bian)化較大，而進行(xing)三(san)(san)軸試(shi)驗需要若(ruo)干(gan)原(yuan)狀樣，為(wei)(wei)使試(shi)驗結果具有較好的(de)一致(zhi)性，有針對性的(de)選擇平均干(gan)密(mi)度(du)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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)干(gan)試(shi)樣，進行(xing)了5組(zu)三(san)(san)軸CU試(shi)驗。圖11是為(wei)(wei)干(gan)密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)(san)軸CU試(shi)驗曲線。

從圖11可以(yi)看出，磷石膏(gao)的(de)應力應變關系(xi)曲線在低圍壓下表(biao)現(xian)(xian)為軟化(hua)型(xing)，在高圍壓下表(biao)現(xian)(xian)為硬化(hua)型(xing)，與(yu)一般土類相似(si)。但(dan)與(yu)一般粉(fen)土一粉(fen)砂不同的(de)是，即使在較為疏松(song)的(de)狀態下，磷石膏(gao)仍表(biao)現(xian)(xian)了(le)較為強烈的(de)剪脹，隨密實度增大(da)，剪脹作用愈(yu)發明(ming)顯。

表2給出了(le)不(bu)同(tong)干密(mi)(mi)度下(xia)的內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)，圖(tu)12給出了(le)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)與干密(mi)(mi)度的關系曲線。隨(sui)(sui)干密(mi)(mi)度的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也隨(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪(mi)函數較(jiao)好地擬(ni)(ni)合。磷石(shi)膏的干密(mi)(mi)度由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)32%，總(zong)應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為37.3°(根(gen)據擬(ni)(ni)合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為9.4%，有效應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為3.2%，由(you)(you)于(yu)隨(sui)(sui)圍壓(ya)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)之總(zong)應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要小。另外較(jiao)之于(yu)干密(mi)(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不(bu)顯(xian)著，表明(ming)即使較(jiao)為疏松的磷石(shi)膏仍具(ju)有較(jiao)高(gao)的強度指標(biao)，這也表明(ming)磷石(shi)膏堆積壩的穩(wen)定性(xing)較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次(ci)固結)變(bian)形試驗

磷石膏(gao)的蠕變變形(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)在側(ce)限壓縮儀中進(jin)行，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)狀態相當于K0固結。試(shi)(shi)樣(yang)直(zhi)徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣(yang)干密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣(yang)飽(bao)和后分別開展了上(shang)覆壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，

試驗(yan)從2012年8月27日(ri)開(kai)始，試驗(yan)己進行了(le)1年多(duo)，試驗(yan)結果見圖13所示。

從圖13中(zhong)可以看出：上覆荷(he)載越大(da)(da)，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)也越大(da)(da)，荷(he)載施加(jia)1年后(hou)，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚(shang)(shang)未達(da)到(dao)穩定(ding)狀態，這也是(shi)磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩后(hou)期變(bian)形(xing)較大(da)(da)的(de)(de)(de)原(yuan)因，原(yuan)型(xing)觀測資料表明，在(zai)5級(ji)子壩河床(chuang)部位的(de)(de)(de)表面(mian)沉降量已經達(da)到(dao)3.1m，且(qie)尚(shang)(shang)未完全穩定(ding)。

按時間對(dui)數法，可求得各級(ji)荷載(zai)下(xia)的主次(ci)固結變(bian)形量(liang)如表3所示。試驗(yan)結果(guo)表明，在100～400kPa上覆(fu)荷載(zai)作(zuo)用(yong)下(xia)，在試驗(yan)時間范(fan)圍內(nei)蠕(ru)變(bian)(次(ci)固結)變(bian)形是(shi)主固結變(bian)形的1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形尚(shang)未完(wan)成，實(shi)際的蠕(ru)變(bian)變(bian)形應(ying)更大。對(dui)土(tu)(tu)體(ti)(ti)(ti)而言(yan)，發(fa)生(sheng)蠕(ru)變(bian)的原(yuan)因(yin)是(shi)由于(yu)(yu)土(tu)(tu)體(ti)(ti)(ti)在主固結完(wan)成之(zhi)后(hou)，土(tu)(tu)體(ti)(ti)(ti)中(zhong)仍有微(wei)小的超靜孔隙壓力(li)存在，驅使(shi)水在顆粒問流動，一般來講土(tu)(tu)體(ti)(ti)(ti)的次(ci)固結遠(yuan)小于(yu)(yu)主固結變(bian)形；對(dui)磷(lin)石(shi)膏而言(yan)，其滲(shen)透系(xi)數在10-4cm/s數量(liang)級(ji)，遠(yuan)大于(yu)(yu)黏(nian)性(xing)土(tu)(tu)，但(dan)其卻發(fa)生(sheng)了極為顯著的次(ci)固結變(bian)形，其原(yuan)因(yin)在于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏晶體(ti)(ti)(ti)結構發(fa)生(sheng)了壓縮、破(po)壞，接觸點(dian)晶格發(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)形，而破(po)壞后(hou)晶格之(zhi)間的重新排列、調整(zheng)到最后(hou)趨于(yu)(yu)相對(dui)靜止需(xu)要(yao)相當(dang)長(chang)的時間才(cai)能完(wan)成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采用英(ying)國GDS公司進口的電機控(kong)制動三軸試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由于(yu)自然沉積的磷(lin)石膏密(mi)度變(bian)(bian)化(hua)較大，為(wei)此根(gen)據物(wu)理(li)性質試(shi)驗(yan)結(jie)果，選(xuan)擇兩種平(ping)均干(gan)密(mi)度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模量G、阻尼比與(yu)剪(jian)應(ying)變幅值γd的關系式如(ru)下：

式中k1為(wei)參數，表(biao)示動剪切(qie)模(mo)量(liang)的衰減或阻尼(ni)比(bi)的增長速率(lv)；λmax為(wei)最大(da)(da)阻尼(ni)比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最大(da)(da)動剪切(qie)模(mo)量(liang)和歸一化的動剪應(ying)變，表(biao)示為(wei)

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓(ya)；vd為(wei)動泊(bo)松比；εa為(wei)歸一化(hua)的動應(ying)(ying)變，表達(da)為(wei)

圖14給出了動(dong)剪切模(mo)量、阻尼比與歸(gui)一化動(dong)應變的(de)關系曲線(xian)(xian)，另外圖中還給出了式(1)的(de)擬合曲線(xian)(xian)以及(ji)Seed等給出的(de)砂樣的(de)上(shang)下(xia)邊界(jie)線(xian)(xian)，圖例中，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結應力比。

從圖中(zhong)(zhong)可以(yi)看出：①式(shi)(1)可較(jiao)好(hao)地描述磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)動應力(li)-動應變試驗曲線，表(biao)明(ming)采用(yong)(yong)等價黏彈性(xing)模型進行循環荷載作用(yong)(yong)下的(de)(de)分析(xi)是可行的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)度(du)(du)(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬合線位(wei)于(yu)干密(mi)度(du)(du)(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬合線上(shang)方，圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)下方，表(biao)明(ming)密(mi)度(du)(du)(du)越大(da)(da)，動彈模越大(da)(da)、阻尼比(bi)越小；③圖14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)擬合線基本位(wei)于(yu)Seed等給(gei)出的(de)(de)邊(bian)界線上(shang)方，而(er)圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基本處于(yu)邊(bian)界線中(zhong)(zhong)間，表(biao)明(ming)相比(bi)較(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)膏動彈模較(jiao)大(da)(da)，會(hui)導致磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)動力(li)反應較(jiao)大(da)(da)，但由于(yu)阻尼比(bi)也較(jiao)大(da)(da)，這樣又會(hui)削弱壩(ba)體(ti)(ti)的(de)(de)動力(li)反應，二者的(de)(de)相互影響下，磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩(ba)壩(ba)體(ti)(ti)的(de)(de)動力(li)反應將不會(hui)過于(yu)強烈，這對(dui)磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)抗(kang)震穩(wen)定性(xing)是有(you)利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩(liang)種平均干(gan)密度為1.12(變化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗(yan)，破壞標準為總(zong)應變達到10%。

圖15給出(chu)了動(dong)剪應(ying)力(li)比τd/σ0′與破壞(huai)振次Nf的關(guan)(guan)系曲線圖，其中σ0為(wei)振前試樣45°面上的有效法向應(ying)力(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)比。從試驗結(jie)果可以(yi)看出(chu)，沉積磷石膏的動(dong)強度與其它(ta)土體相(xiang)(xiang)似(si)，表現為(wei)圍壓和固結(jie)應(ying)力(li)比與動(dong)剪應(ying)力(li)比呈負相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。

為(wei)(wei)(wei)判別沉積(ji)磷石膏的(de)抗(kang)液(ye)化能力，假定抗(kang)震設計烈度為(wei)(wei)(wei)8度，即等效振次Ⅳ可取(qu)為(wei)(wei)(wei)30。首先由(you)式(4)

所示的冪函(han)數關系式(shi)得到振次為30時各個圍壓(ya)和固結比(bi)下的動剪應力(li)比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求得(de)動剪應力比與圍壓和(he)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(shu)擬合關系(xi)式可(ke)見，密實度提(ti)(ti)高(gao)后，動剪應力比(bi)提(ti)(ti)高(gao)，表(biao)明抗(kang)液化能力也(ye)提(ti)(ti)高(gao)。但即使是(shi)在低密度下，其(qi)動剪應力比(bi)較之同(tong)類的粉(fen)土或粉(fen)砂也(ye)大(da)出(chu)許多，表(biao)明磷石膏(gao)具(ju)有(you)較高(gao)的抗(kang)液化能力。

三、結論(lun)

依(yi)托柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)，在鉆(zhan)探(tan)取(qu)樣工作的基礎上，首(shou)先開(kai)展(zhan)了(le)物理性質試驗(yan)(yan)，然后開(kai)展(zhan)了(le)靜動力力學特性試驗(yan)(yan)。通過上述試驗(yan)(yan)研究，得出如下結論(lun)：

(1)沉積(ji)磷石膏總體上屬于級(ji)配不良的粉土，局部屬于粉砂一中(zhong)砂，無自然(ran)分級(ji)現象。其(qi)干(gan)密度(du)和粒徑(jing)變(bian)(bian)化(hua)隨埋深或距放漿口距離的變(bian)(bian)化(hua)不明顯。

(2)沉積磷石(shi)膏水(shui)平(ping)方向的滲(shen)透系數大于垂直方向的滲(shen)透系數，呈現明(ming)顯的各向異性。

(3)與土(tu)體(ti)顆(ke)粒不可壓縮不同，磷石膏的晶體(ti)結(jie)構會發生壓縮破壞，具有較(jiao)大的壓縮性(xing)，其次(ci)固結(jie)變形(xing)量(liang)遠大于主固結(jie)變形(xing)量(liang)。

(4)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)靜(jing)動強度(du)較之同等密實度(du)下的(de)(de)粉(fen)(fen)土(tu)、粉(fen)(fen)砂要高。