沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：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)膏(gao)(gao)(gao)是濕(shi)法(fa)磷(lin)酸生產過程中的(de)副產品，2018年，全國(guo)(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)產生量為(wei)(wei)7800萬噸，且(qie)呈逐年增(zeng)長的(de)態(tai)勢(shi)。磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)主要(yao)成(cheng)(cheng)分(fen)是CaO和(he)SO3，但含有一(yi)(yi)定(ding)量的(de)氟化(hua)物和(he)其(qi)它放射性物質(zhi)，在中國(guo)(guo)通常按Ⅱ類(lei)一(yi)(yi)般工(gong)(gong)業固(gu)體廢物處理，鑒于(yu)無害化(hua)處理成(cheng)(cheng)本(ben)較(jiao)(jiao)高(gao)，目(mu)前綜合(he)利用(yong)(yong)率(lv)尚(shang)不足40%，故大(da)部分(fen)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)存(cun)(cun)場地(di)的(de)不同，可(ke)分(fen)為(wei)(wei)平地(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷(gu)型(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)場，在中國(guo)(guo)基本(ben)上是山谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)場。相比(bi)較(jiao)(jiao)干法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)經濟優勢(shi)明顯，因而如地(di)質(zhi)條件為(wei)(wei)非碳酸鹽巖地(di)區，一(yi)(yi)般均采用(yong)(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)方式。隨(sui)著中國(guo)(guo)磷(lin)肥工(gong)(gong)業的(de)快速發(fa)展，本(ben)世紀初中國(guo)(guo)相繼建(jian)設了(le)幾座濕(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)的(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫，例如云天化(hua)國(guo)(guo)際(ji)化(hua)工(gong)(gong)三環分(fen)公司的(de)柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)積壩和(he)富瑞(rui)分(fen)公司的(de)楊家箐磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)積壩，這兩座壩設計壩高(gao)均超過100m、處于(yu)8度地(di)震區，其(qi)安全性備受關注。

據統(tong)計，110多(duo)年(1901年一2013年)來，全世界有118座尾(wei)(wei)礦壩曾發生(sheng)(sheng)過破壞(huai)(huai)或潰(kui)壩事(shi)故，原因主(zhu)要有地震(zhen)、洪水漫頂(ding)、滲透破壞(huai)(huai)和基礎(chu)失穩。尾(wei)(wei)礦庫(ku)失事(shi)后會造成(cheng)巨大(da)的生(sheng)(sheng)態災(zai)難和人員(yuan)傷亡，近幾十年來，

國(guo)內(nei)外對金屬尾(wei)礦(kuang)的(de)沉積(ji)(ji)規(gui)律、物(wu)(wu)理力學(xue)特性及其穩(wen)定性開展了大量的(de)研究(jiu)(jiu)，但(dan)對于(yu)與金屬尾(wei)礦(kuang)庫(ku)相(xiang)近的(de)磷石膏(gao)庫(ku)，一般僅限于(yu)在可研階段采用人(ren)工制備樣進行(xing)物(wu)(wu)理力學(xue)性質試驗，并據此進行(xing)穩(wen)定性分析，尚未(wei)有人(ren)針對己運(yun)行(xing)若(ruo)干年的(de)大型濕法(fa)堆存磷石膏(gao)堆積(ji)(ji)壩開展過磷石膏(gao)沉積(ji)(ji)規(gui)律及其物(wu)(wu)理力學(xue)特性的(de)專項研究(jiu)(jiu)。

本文依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩，首先進行了(le)鉆探(tan)取樣(yang)，采用(yong)原狀(zhuang)(zhuang)樣(yang)開展(zhan)了(le)密度、含水率、滲(shen)透、土水特(te)征和顆分等物理(li)性(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)，在此基礎(chu)上(shang)有(you)針對(dui)性(xing)(xing)的選擇原狀(zhuang)(zhuang)樣(yang)開展(zhan)了(le)三軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三軸(zhou)等力學特(te)性(xing)(xing)試(shi)驗(yan)。通過上(shang)述試(shi)驗(yan)研究，總結了(le)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的沉(chen)積(ji)規律、滲(shen)透特(te)性(xing)(xing)、滲(shen)透破壞特(te)性(xing)(xing)以及(ji)靜(jing)動力特(te)性(xing)(xing)，上(shang)述研究工(gong)作(zuo)對(dui)研究和評估磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆積(ji)壩的穩定(ding)性(xing)(xing)提供了(le)基礎(chu)數(shu)據(ju)，對(dui)現行磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)的運行管理(li)以及(ji)新建工(gong)程的設計具(ju)有(you)重要的借鑒意(yi)義。

一、依托(tuo)工程概況(kuang)

1.1柳樹(shu)箐磷石膏堆積壩堆存(cun)設計方案

由初期(qi)壩和堆(dui)積壩組成，設計總壩高(gao)約130m。

(1)初期壩

初(chu)期(qi)壩壩高約30m，采用土料填筑。上游坡面、壩底和下游壩腳設置堆石排水體，三者(zhe)相連通構成(cheng)整個堆積(ji)壩的主(zhu)要排滲系統。

(2)堆積壩(ba)及其輔(fu)助排滲措(cuo)施

采用上游式筑壩(ba)(ba)法(fa)，共(gong)20級子(zi)壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約(yue)100m。采用排滲(shen)(shen)管網作為輔助排滲(shen)(shen)方案，目前己在5級、9級子(zi)壩(ba)(ba)和13級子(zi)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前120m范圍內(nei)設置了井字(zi)形排滲(shen)(shen)管網。

1.2沉積磷石(shi)膏的鉆(zhan)探(tan)取(qu)樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置見(jian)圖l。2008年6月(yue)，堆積(ji)至(zhi)5級(ji)子(zi)壩(ba)時，布設了(le)9個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取(qu)原(yuan)狀樣76件；2013年5月(yue)，堆積(ji)至(zhi)13級(ji)子(zi)壩(ba)時，又布設了(le)11個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取(qu)原(yuan)狀樣112件，為比較子(zi)壩(ba)加高(gao)和磷石膏堆積(ji)過程中(zhong)磷石膏物理力學性質的變化，在(zai)2，4級(ji)子(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附(fu)近各(ge)布設了(le)一個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號分(fen)別為K17和K18。

1.3運(yun)行概況

柳樹箐(qing)磷石膏尾礦庫(ku)2005年開工建設(she)，2006年1月投入運行，截至2013年5月己(ji)堆(dui)至13級子壩，尚(shang)有7級子壩即堆(dui)存至設(she)計高程。鑒于磷石膏庫(ku)地形(xing)、地質條(tiao)件(jian)較(jiao)好，具備擴容(rong)改造(zao)的條(tiao)件(jian)，以提(ti)高堆(dui)存庫(ku)容(rong)，減少堆(dui)存占地，節約土(tu)地資源。

本文主要對沉積磷石(shi)膏的(de)物理力學特性進行了全面總結，限于篇幅，有關現狀磷石(shi)膏庫堆積壩的(de)安全性評價(jia)及其加高可行性的(de)研究將(jiang)另(ling)文發表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理(li)力學特(te)性

2.1物理(li)特性(xing)

(1)干密度分布(bu)

圖(tu)2給出了14個鉆孔的(de)取樣深(shen)度和試驗(yan)所得干密度的(de)關系，圖(tu)中UWL表示(shi)水位(wei)(wei)線上(shang)，(系鉆孔期間(jian)(jian)的(de)初見水位(wei)(wei)線，下(xia)(xia)同)，DWL表示(shi)水位(wei)(wei)線下(xia)(xia)。圖(tu)3給出了水位(wei)(wei)線上(shang)下(xia)(xia)的(de)飽和度分布(bu)圖(tu)。由于(yu)磷(lin)石膏(gao)中的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度和烘烤時(shi)間(jian)(jian)對測(ce)(ce)定結果有一定影(ying)響，不(bu)能照搬現行的(de)土工試驗(yan)規范，本文(wen)磷(lin)石膏(gao)的(de)含水率(lv)測(ce)(ce)定方法為55℃溫(wen)度下(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉(chen)積磷石膏干密度與埋深的(de)關系

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

由(you)圖3，水(shui)(shui)位(wei)線上的磷石(shi)膏飽(bao)(bao)(bao)和(he)度平均值(zhi)為50.4%，處(chu)于(yu)(yu)非飽(bao)(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態，水(shui)(shui)位(wei)線以下的磷石(shi)膏飽(bao)(bao)(bao)和(he)度平均值(zhi)為85.0%，基本處(chu)于(yu)(yu)飽(bao)(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態，由(you)于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)下降后磷石(shi)膏來(lai)不及排水(shui)(shui)固結(jie)，故而水(shui)(shui)位(wei)線上局部(bu)試樣的飽(bao)(bao)(bao)和(he)度較(jiao)高。

由(you)圖(tu)2，水(shui)位線(xian)(xian)以上(shang)(shang)的(de)干密度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)位線(xian)(xian)以下的(de)干密度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏與一(yi)般的(de)尾(wei)礦有所不同，磷石(shi)膏的(de)干密度(du)(du)并(bing)不隨(sui)埋深的(de)增大而(er)明顯(xian)增大，但(dan)水(shui)位線(xian)(xian)以下的(de)磷石(shi)膏干密度(du)(du)從統(tong)計意義上(shang)(shang)來看仍大于水(shui)位線(xian)(xian)以上(shang)(shang)的(de)磷石(shi)膏干密度(du)(du)，這主(zhu)要是由(you)于水(shui)位線(xian)(xian)隨(sui)庫(ku)水(shui)位的(de)變化反復升(sheng)降而(er)使(shi)得磷石(shi)膏排(pai)水(shui)固結所致。

室內擊(ji)實得(de)到的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干密(mi)度一(yi)般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以(yi)看出，自然(ran)沉積的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干密(mi)度可達到1.73g/cm3，原因(yin)如下：與經典的(de)(de)(de)土(tu)骨(gu)架不(bu)可壓縮(suo)的(de)(de)(de)理論不(bu)同，石(shi)膏(gao)(gao)本身可壓縮(suo)，同時由(you)于顆粒結(jie)構不(bu)穩定，擊(ji)實試驗過程中磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)結(jie)構被破(po)壞(huai)，受夯擊(ji)處下陷(xian)，四周鼓(gu)起，出現(xian)了類似于橡皮土(tu)的(de)(de)(de)現(xian)象。而(er)在現(xian)場條(tiao)件下，石(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)架被破(po)壞(huai)后(hou)，會(hui)(hui)導致(zhi)顆粒中的(de)(de)(de)結(jie)合水(shui)滲出至孔隙內，變成(cheng)孔隙水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)后(hou)會(hui)(hui)使得(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)孔隙比減小，干密(mi)度增大。

圖(tu)(tu)4給出(chu)了(le)相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K2和(he)(he)K17(位(wei)于2級子(zi)壩河(he)床(chuang)部(bu)(bu)位(wei))以及相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)K6和(he)(he)K18(位(wei)于4級子(zi)壩河(he)床(chuang)部(bu)(bu)位(wei))干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)對比圖(tu)(tu)。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使從統(tong)計意義上來看，磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未(wei)隨后續磷(lin)石膏的(de)(de)堆積(ji)而有較為(wei)(wei)明顯的(de)(de)增大。

(2)級(ji)配分布

顆(ke)粒分析試驗采用密度計法(fa)，制備懸液時不煮沸，不加六偏(pian)磷酸鈉。圖(tu)(tu)5給出了試驗得到(dao)的(de)級配(pei)包線、平均粒徑d50、不均勻系數(1u和曲率系數Cc的(de)分布圖(tu)(tu)。

從圖5(a)可見，磷(lin)石膏的粒徑(jing)(jing)主要(yao)(yao)分(fen)布在(zai)0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬(shu)于(yu)粉土，但可能由(you)于(yu)礦(kuang)石來源或生產(chan)工(gong)藝(yi)有(you)所不同，局部屬(shu)于(yu)粉砂～中砂。粒徑(jing)(jing)分(fen)布范圍比(bi)Blight和張超等的試驗結果要(yao)(yao)寬一些(xie)。

圖4子壩加(jia)高后(hou)沉積(ji)磷石(shi)膏的干密度變化

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和級配分布

由(you)圖5(b)和(he)5(c)，無論是(shi)水平向還是(shi)垂直向，磷石(shi)膏(gao)(gao)與(yu)金屬(shu)礦(kuang)山(shan)尾(wei)礦(kuang)的(de)“前粗后細，上粗下細”的(de)自然分級(ji)現象不(bu)同，也(ye)即粗顆粒(li)(li)(li)并不(bu)是(shi)沿埋深逐步減(jian)小(xiao)或距離放漿口越遠顆粒(li)(li)(li)越細，其原因如下：①磷石(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)徑組(zu)成較為(wei)(wei)集中(zhong)、均(jun)勻，主(zhu)要(yao)以(yi)粉粒(li)(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)(wei)主(zhu)，級(ji)配較差；②相(xiang)比(bi)較金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)比(bi)重(zhong)較小(xiao)，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)比(bi)重(zhong)一般為(wei)(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿口隨子壩高度不(bu)斷增加(jia)而不(bu)斷變動(dong)并向庫尾(wei)延伸，造成沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)粒(li)(li)(li)徑變化不(bu)明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不(bu)均勻系數Cu范(fan)(fan)圍(wei)值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)為4.18，曲(qu)率(lv)系數(1c范(fan)(fan)圍(wei)值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)為1.21，在統計的(de)(de)100多個(ge)試樣中，屬于(yu)級(ji)(ji)配(pei)不(bu)良(liang)土的(de)(de)占(zhan)93%。這種級(ji)(ji)配(pei)特性決定了磷石(shi)膏(gao)具有較高的(de)(de)壓縮性、滲透(tou)破(po)壞型式(shi)表現(xian)為流土破(po)壞。

2.2滲透(tou)特性

(1)滲透系數

影(ying)響滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)主要因(yin)素是粒(li)徑大(da)小(xiao)、級配和孔隙比，因(yin)而磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)與(yu)(yu)粉土較為(wei)(wei)接近。由于孔隙比e減小(xiao)，使得過水通道面(mian)積(ji)(ji)減小(xiao)，滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)k也將(jiang)減小(xiao)，k與(yu)(yu)e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認(ren)為(wei)(wei)滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較好，圖(tu)6給(gei)出(chu)了二者間的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由于沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)不(bu)均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)變化(hua)(hua)較大(da)，使得沉積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)滲透系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)變化(hua)(hua)范(fan)圍(wei)較大(da)(平均值(zhi)為(wei)(wei)10-4cm/s數(shu)量級)，二者問的(de)(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較差。

圖6沉積磷(lin)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(gei)出了水(shui)(shui)(shui)平與垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數(shu)比(bi)值(zhi)的(de)分布。沉(chen)積(ji)(ji)磷石(shi)膏的(de)水(shui)(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數(shu)kh一(yi)般(ban)大于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透系數(shu)kv,kh/kv平均值(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)點(dian)與成層分布的(de)金屬尾礦規律一(yi)致(zhi)。造(zao)成沉(chen)積(ji)(ji)磷石(shi)膏水(shui)(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數(shu)大于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數(shu)的(de)原因(yin)是由(you)(you)于磷石(shi)膏具有明顯(xian)(xian)的(de)晶體結構，電鏡掃(sao)描顯(xian)(xian)示多為(wei)菱形和(he)棱柱狀(zhuang)形式(shi)(見圖8)，在沉(chen)積(ji)(ji)過程中，由(you)(you)于扁平狀(zhuang)磷石(shi)膏顆粒多呈水(shui)(shui)(shui)平排列，使(shi)(shi)得(de)水(shui)(shui)(shui)平方向(xiang)(xiang)的(de)透水(shui)(shui)(shui)性(xing)大于垂直(zhi)方向(xiang)(xiang)的(de)透水(shui)(shui)(shui)性(xing)，從而使(shi)(shi)磷石(shi)膏呈現明顯(xian)(xian)的(de)各向(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中國(guo)有色金(jin)屬工業昆明(ming)勘察設(she)計研究院在楊(yang)家(jia)箐(qing)磷石膏堆積壩開(kai)展的(de)(de)現場(chang)滲透(tou)試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約為1.9。但張(zhang)超(chao)等(deng)的(de)(de)室(shi)內試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約為0.46，也即(ji)垂直向滲透(tou)系數大于(yu)水平(ping)向滲透(tou)系數，與本文和現場(chang)試(shi)驗(yan)結果(guo)恰恰相反。從磷石膏的(de)(de)微觀結構來看(kan)，本文試(shi)驗(yan)結果(guo)更(geng)為合(he)理。

圖7沉積磷石膏干密度(du)與(yu)水平和垂(chui)直(zhi)滲透系(xi)(xi)數比值的關系(xi)(xi)

(2)滲(shen)透變形

圖(tu)9為(wei)(wei)磷(lin)石膏(gao)干(gan)密度(du)為(wei)(wei)1.40g/cm3的水(shui)(shui)力梯度(du)J與流速V的關系(xi)(xi)曲(qu)線，試(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采(cai)用水(shui)(shui)平方向的滲(shen)流形(xing)式(shi)進行。試(shi)驗(yan)得到(dao)的臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破壞坡降(jiang)Jp=0.375。一般(ban)(ban)來說，對1，2級工程(cheng)，滲(shen)透安全系(xi)(xi)數(shu)取為(wei)(wei)2.5，則(ze)允許(xu)(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下工程(cheng)，滲(shen)透安全系(xi)(xi)數(shu)取2.0，則(ze)允許(xu)(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)(xu)比降(jiang)與粉土一粉砂(sha)大(da)(da)致相同。但(dan)上(shang)述滲(shen)透變形(xing)試(shi)驗(yan)是采(cai)用自(zi)來水(shui)(shui)進行的，自(zi)來水(shui)(shui)對磷(lin)石膏(gao)具有一定(ding)的溶(rong)蝕(shi)作用，而實際上(shang)磷(lin)石膏(gao)中(zhong)殘余(yu)磷(lin)、硫(liu)和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)的pH值(zhi)一般(ban)(ban)小于3(稱之(zhi)為(wei)(wei)酸(suan)性(xing)水(shui)(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)作用下，磷(lin)石膏(gao)不(bu)會發(fa)生破壞，上(shang)述試(shi)驗(yan)結果是偏(pian)于保(bao)守的，但(dan)對非酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)條件(例(li)如(ru)特大(da)(da)暴雨)下的滲(shen)透穩(wen)定(ding)判斷有一定(ding)的借鑒(jian)意義(yi)。

圖9水力(li)梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土(tu)水(shui)特征試驗

試驗(yan)在(zai)5Bar的壓力板儀中(zhong)進行，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含(han)水(shui)率特(te)征值(zhi)，試驗(yan)曲線見圖10所示。

試(shi)驗結果(guo)表明(ming)(ming)：①干密度(du)(du)對進(jin)(jin)氣值沒有明(ming)(ming)顯的(de)影響，不同干密度(du)(du)的(de)試(shi)樣(yang)的(de)進(jin)(jin)氣值大致在(zai)10kPa左(zuo)右；②土樣(yang)殘余含水(shui)率隨干密度(du)(du)的(de)增加而減少，殘余含水(shui)率約為(wei)飽(bao)和含水(shui)率的(de)10%。上述特性與粉土一(yi)粉砂基本一(yi)致。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試(shi)驗

由于(yu)沉積磷石膏(gao)的密(mi)(mi)度(du)變化較大(da)，而進行(xing)三(san)(san)軸試(shi)驗(yan)(yan)需(xu)要若干(gan)(gan)(gan)原狀樣，為使(shi)試(shi)驗(yan)(yan)結果(guo)具有較好(hao)的一致性，有針對性的選擇平均干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)分別為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)(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干(gan)(gan)(gan)試(shi)樣，進行(xing)了(le)5組三(san)(san)軸CU試(shi)驗(yan)(yan)。圖(tu)11是為干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)為1.2和(he)(he)1.58g/cm3的三(san)(san)軸CU試(shi)驗(yan)(yan)曲線。

從(cong)圖11可以(yi)看出，磷石膏的應(ying)力應(ying)變關系曲線在低圍壓下(xia)(xia)表(biao)現(xian)(xian)為軟化型，在高圍壓下(xia)(xia)表(biao)現(xian)(xian)為硬化型，與(yu)一(yi)般土類相似。但與(yu)一(yi)般粉(fen)(fen)土一(yi)粉(fen)(fen)砂不同的是(shi)，即使在較為疏松的狀態下(xia)(xia)，磷石膏仍(reng)表(biao)現(xian)(xian)了較為強烈的剪脹，隨密(mi)實(shi)度增大，剪脹作用愈(yu)發明顯。

表2給出了不同干(gan)密(mi)度下(xia)的(de)(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)，圖12給出了內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)與干(gan)密(mi)度的(de)(de)關系(xi)曲(qu)線。隨干(gan)密(mi)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，內摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，且可采用(yong)冪函數(shu)較好(hao)地(di)擬(ni)合。磷石(shi)膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了32%，總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲(qu)線求得)，增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)(wei)9.4%，有效應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)(wei)3.2%，由于(yu)隨圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，孔壓也明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅較之總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)要小。另外較之于(yu)干(gan)密(mi)度增(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅并不顯(xian)著(zhu)，表明(ming)即使(shi)較為(wei)(wei)(wei)疏松(song)的(de)(de)磷石(shi)膏仍具(ju)有較高(gao)的(de)(de)強度指標(biao)，這也表明(ming)磷石(shi)膏堆積壩的(de)(de)穩定性(xing)較高(gao)。

(2)蠕(ru)變(bian)(次固結)變(bian)形試驗

磷石(shi)膏(gao)的蠕變變形試(shi)(shi)驗在側限壓縮儀中進行，試(shi)(shi)驗狀態相(xiang)當于K0固結。試(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)(shi)樣干密(mi)度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣飽和(he)后分別開(kai)展(zhan)了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗，

試(shi)驗(yan)從2012年8月27日開始(shi)，試(shi)驗(yan)己(ji)進行了1年多，試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)見(jian)圖13所示。

從(cong)圖13中可以看出：上(shang)覆荷載(zai)越大(da)(da)，磷(lin)石(shi)膏的蠕(ru)變變形也越大(da)(da)，荷載(zai)施加1年后，磷(lin)石(shi)膏的蠕(ru)變變形仍(reng)非(fei)常顯(xian)著，尚未(wei)(wei)達到穩定狀(zhuang)態，這也是磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩后期變形較大(da)(da)的原因，原型(xing)觀測(ce)資料表明，在5級子壩河床部位的表面(mian)沉降量(liang)已經達到3.1m，且尚未(wei)(wei)完全(quan)穩定。

按時(shi)(shi)間(jian)(jian)對數(shu)(shu)法，可求得各(ge)級荷載下的(de)(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)如表(biao)3所示(shi)。試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)(jie)果表(biao)明(ming)，在(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)試(shi)驗(yan)時(shi)(shi)間(jian)(jian)范圍(wei)內(nei)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)(dang)然由于蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚(shang)未完(wan)成，實際的(de)(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應(ying)更大。對土體而言，發生(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原(yuan)因是(shi)由于土體在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成之后(hou)，土體中(zhong)仍(reng)有微小(xiao)的(de)(de)(de)超靜(jing)(jing)孔隙(xi)壓(ya)(ya)力存在(zai)，驅(qu)使水在(zai)顆粒問流動，一(yi)般來講土體的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)于主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對磷石膏而言，其(qi)滲透系(xi)數(shu)(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級，遠大于黏(nian)性(xing)土，但其(qi)卻發生(sheng)了極為顯(xian)著的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原(yuan)因在(zai)于磷石膏晶體結(jie)(jie)(jie)構發生(sheng)了壓(ya)(ya)縮、破(po)(po)壞，接觸點晶格(ge)發生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破(po)(po)壞后(hou)晶格(ge)之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)重新排列(lie)、調(diao)整到最(zui)后(hou)趨于相對靜(jing)(jing)止(zhi)需要相當(dang)(dang)長(chang)的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)(jian)才能(neng)完(wan)成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗(yan)設備采用(yong)英國GDS公司進口的電機控制動三軸試(shi)驗(yan)系統(tong)，試(shi)樣直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比(bi)

同(tong)樣由于自然沉積的磷石膏密度變化較(jiao)大，為此根據物理(li)性質試(shi)驗結果，選擇(ze)兩種平均干密度1.34g/cm3(變化范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪(jian)切模量(liang)G、阻尼比(bi)與剪(jian)應變(bian)幅值(zhi)γd的(de)關系式如下：

式中k1為參數(shu)，表示動剪切模量的(de)(de)衰減或阻尼比(bi)(bi)的(de)(de)增長速率(lv)；λmax為最大(da)阻尼比(bi)(bi)；Gmax，γd分別為最大(da)動剪切模量和歸一化的(de)(de)動剪應變，表示為

式中k2,n為(wei)參(can)數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸一化(hua)的動應(ying)變，表達為(wei)

圖(tu)(tu)(tu)14給出(chu)了動(dong)剪切模(mo)量、阻尼(ni)比與歸一化動(dong)應(ying)變的(de)(de)關系曲(qu)線(xian)，另外(wai)圖(tu)(tu)(tu)中還給出(chu)了式(shi)(1)的(de)(de)擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給出(chu)的(de)(de)砂(sha)樣的(de)(de)上下(xia)邊界線(xian)，圖(tu)(tu)(tu)例中，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固結應(ying)力(li)比。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)可以看出：①式(1)可較(jiao)(jiao)好(hao)地(di)描述磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)變試驗曲線(xian)(xian)(xian)(xian)，表明(ming)采(cai)用等價黏彈(dan)性模型進行(xing)循環荷(he)載作用下的(de)(de)(de)(de)分析是(shi)可行(xing)的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)干(gan)密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)(xian)(xian)位(wei)于(yu)干(gan)密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)(xian)(xian)上(shang)方，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)下方，表明(ming)密度(du)越大(da)，動(dong)(dong)彈(dan)模越大(da)、阻尼比(bi)越小(xiao)；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，兩種(zhong)干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)(xian)(xian)基本位(wei)于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)(xian)(xian)(xian)上(shang)方，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)則(ze)基本處于(yu)邊界線(xian)(xian)(xian)(xian)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間，表明(ming)相(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模較(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)導(dao)致磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應(ying)較(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)阻尼比(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)，這樣(yang)又會(hui)削(xue)弱壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)影響下，磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應(ying)將不會(hui)過于(yu)強烈，這對磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)抗(kang)震穩(wen)定性是(shi)有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選(xuan)擇兩種平均干密度為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(po)壞標準為總應變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出了動剪應(ying)力比τd/σ0′與(yu)破壞(huai)振次Nf的(de)關(guan)系曲線(xian)圖(tu)，其中σ0為振前試樣45°面上的(de)有效(xiao)法(fa)向應(ying)力，表達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比。從試驗(yan)結(jie)果(guo)可以看出，沉(chen)積磷石膏的(de)動強度(du)與(yu)其它土體相似(si)，表現為圍壓(ya)和(he)固結(jie)應(ying)力比與(yu)動剪應(ying)力比呈(cheng)負相關(guan)關(guan)系。

為判別沉積磷(lin)石膏(gao)的抗(kang)(kang)液化能力，假定抗(kang)(kang)震設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(shi)(4)

所示的冪函數(shu)關系式得(de)到振次為30時各(ge)個圍壓和固(gu)結比(bi)下的動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求得動剪應(ying)力比與圍壓和固(gu)結應(ying)力比的關(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。

從上述擬合關系式可見，密(mi)實度(du)提高(gao)(gao)后，動剪應(ying)力比提高(gao)(gao)，表(biao)明抗液化能力也(ye)提高(gao)(gao)。但即使是在低密(mi)度(du)下，其動剪應(ying)力比較(jiao)之(zhi)同類的粉土或粉砂也(ye)大(da)出許多(duo)，表(biao)明磷石膏具有較(jiao)高(gao)(gao)的抗液化能力。

三、結(jie)論

依托柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩，在(zai)鉆探取樣工作的(de)基(ji)礎上(shang)，首先開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)物理性(xing)質試(shi)驗(yan)，然后(hou)開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)靜動力力學特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)。通過上(shang)述試(shi)驗(yan)研究，得出如下結論：

(1)沉積(ji)磷石膏總體上屬于級配不良的(de)粉(fen)土，局(ju)部屬于粉(fen)砂(sha)一中砂(sha)，無(wu)自然(ran)分級現象(xiang)。其干密度和粒(li)徑變化(hua)隨(sui)埋深或距放(fang)漿(jiang)口距離的(de)變化(hua)不明顯。

(2)沉(chen)積磷石膏水平方向(xiang)的滲透系(xi)數大于(yu)垂直(zhi)方向(xiang)的滲透系(xi)數，呈現明顯的各向(xiang)異性。

(3)與土體(ti)顆粒不可壓(ya)縮(suo)(suo)不同，磷石膏的晶體(ti)結(jie)構會發(fa)生(sheng)壓(ya)縮(suo)(suo)破(po)壞，具有較(jiao)大的壓(ya)縮(suo)(suo)性，其次固結(jie)變形量遠大于主固結(jie)變形量。

(4)沉積磷石(shi)膏的靜動強度較(jiao)之同等密(mi)實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂要(yao)高。