沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)(lin)石(shi)膏是(shi)磷(lin)(lin)酸生產(chan)過(guo)程中(zhong)(zhong)的副產(chan)品(pin)，目前的綜合利用率尚(shang)不足40%，大(da)部分(fen)(fen)需要(yao)(yao)堆存存放。受地(di)形限制(zhi)和(he)經濟效益考慮，中(zhong)(zhong)國主(zhu)要(yao)(yao)為濕法堆存的山谷型堆場。依托(tuo)柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏堆積(ji)(ji)壩，針對沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏首(shou)先開展了密度、含水(shui)率、滲(shen)透(tou)、土(tu)水(shui)特征和(he)顆分(fen)(fen)等(deng)物理性質試(shi)驗，然(ran)后開展了三軸(zhou)cu、蠕變及動三軸(zhou)等(deng)力學特性試(shi)驗。試(shi)驗結果表明(ming)：①沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏的干密度與埋(mai)深(shen)沒有相(xiang)關關系；②沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏不具(ju)(ju)(ju)有自然(ran)分(fen)(fen)級現象，但具(ju)(ju)(ju)有明(ming)顯的各向異性；③沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏具(ju)(ju)(ju)有較(jiao)高的摩擦角(jiao)和(he)抗液化能(neng)力，但其蠕變變形較(jiao)大(da)、滲(shen)透(tou)比降較(jiao)小(xiao)。上述工作(zuo)為分(fen)(fen)析磷(lin)(lin)石(shi)膏堆積(ji)(ji)壩的壩體穩定性提(ti)供了基(ji)礎，對現行(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏庫的運行(xing)(xing)管理以及新建工程的設計具(ju)(ju)(ju)有重要(yao)(yao)的借鑒(jian)意義。

引言

磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)法(fa)(fa)磷(lin)酸(suan)生產(chan)過程中的副(fu)產(chan)品(pin)，2018年，全國(guo)(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產(chan)生量(liang)為(wei)7800萬噸，且呈逐年增長的態勢。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的主要(yao)成分(fen)(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但(dan)含有一定量(liang)的氟(fu)化物(wu)和(he)其它放(fang)射性物(wu)質，在(zai)中國(guo)(guo)通常按Ⅱ類(lei)一般工業固體廢物(wu)處理，鑒于(yu)無害化處理成本較高(gao)，目前綜(zong)合利(li)用率(lv)尚不足40%，故大部分(fen)(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)堆存(cun)(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)(cun)放(fang)。按堆存(cun)(cun)(cun)(cun)場(chang)地(di)(di)(di)(di)的不同，可分(fen)(fen)為(wei)平地(di)(di)(di)(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷(gu)型(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)堆場(chang)，在(zai)中國(guo)(guo)基本上是(shi)山谷(gu)型(xing)(xing)堆場(chang)。相(xiang)比較干法(fa)(fa)堆存(cun)(cun)(cun)(cun)，濕(shi)法(fa)(fa)堆存(cun)(cun)(cun)(cun)經(jing)濟優勢明顯，因而如地(di)(di)(di)(di)質條件(jian)為(wei)非碳酸(suan)鹽(yan)巖地(di)(di)(di)(di)區(qu)，一般均采(cai)用濕(shi)排濕(shi)堆方(fang)式。隨著中國(guo)(guo)磷(lin)肥(fei)工業的快速(su)發展，本世紀初中國(guo)(guo)相(xiang)繼建設(she)了幾座濕(shi)法(fa)(fa)堆存(cun)(cun)(cun)(cun)的大型(xing)(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫，例如云(yun)天化國(guo)(guo)際化工三環分(fen)(fen)公(gong)司的柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆積壩(ba)和(he)富(fu)瑞分(fen)(fen)公(gong)司的楊家箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆積壩(ba)，這兩座壩(ba)設(she)計壩(ba)高(gao)均超過100m、處于(yu)8度地(di)(di)(di)(di)震區(qu)，其安全性備受關(guan)注。

據統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來(lai)，全世界(jie)有118座尾(wei)礦壩曾發生過破壞(huai)或潰壩事(shi)故，原因主要有地震、洪水漫頂、滲(shen)透破壞(huai)和(he)基礎(chu)失穩。尾(wei)礦庫失事(shi)后會(hui)造(zao)成巨(ju)大的生態(tai)災難和(he)人員傷亡，近幾十年(nian)(nian)來(lai)，

國內(nei)外對金(jin)屬尾礦的沉(chen)積(ji)規律、物(wu)理(li)力學特性及(ji)其穩定性開展了大(da)量的研究(jiu)，但對于與金(jin)屬尾礦庫相近的磷石(shi)膏庫，一般僅限(xian)于在可研階段采(cai)用人工制備樣進(jin)行(xing)物(wu)理(li)力學性質試驗，并據此進(jin)行(xing)穩定性分析，尚未有人針(zhen)對己運行(xing)若干年的大(da)型(xing)濕法堆存磷石(shi)膏堆積(ji)壩(ba)開展過磷石(shi)膏沉(chen)積(ji)規律及(ji)其物(wu)理(li)力學特性的專(zhuan)項研究(jiu)。

本(ben)文依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩(ba)(ba)，首先進行(xing)了(le)鉆探取樣(yang)(yang)，采用原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)密度、含水(shui)率、滲透、土水(shui)特征和顆分(fen)等物理性(xing)質(zhi)試驗(yan)，在此(ci)基礎上有(you)針對性(xing)的(de)選擇原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)三軸(zhou)CU、蠕(ru)變及動三軸(zhou)等力學特性(xing)試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研究，總結(jie)了(le)磷(lin)石(shi)膏的(de)沉積規律、滲透特性(xing)、滲透破壞特性(xing)以及靜動力特性(xing)，上述研究工作(zuo)對研究和評估(gu)磷(lin)石(shi)膏庫堆積壩(ba)(ba)的(de)穩定性(xing)提供(gong)了(le)基礎數據(ju)，對現行(xing)磷(lin)石(shi)膏庫的(de)運行(xing)管理以及新(xin)建工程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒(jian)意義。

一、依(yi)托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)堆存設計方案

由初(chu)期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設(she)計總(zong)壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期(qi)壩壩高約30m，采(cai)用土料填(tian)筑(zhu)。上游坡面、壩底和下游壩腳設置(zhi)堆石排水(shui)體(ti)，三者相連通構成整個堆積壩的主要排滲系統(tong)。

(2)堆(dui)積壩及(ji)其輔助(zhu)排滲措施

采用上游式(shi)筑壩法，共20級(ji)子壩，頂寬6～9m，高度5m，堆(dui)積高度約100m。采用排(pai)滲管(guan)網作為輔(fu)助排(pai)滲方(fang)案，目前(qian)(qian)己在5級(ji)、9級(ji)子壩和13級(ji)子壩壩前(qian)(qian)120m范圍(wei)內設置了井字形排(pai)滲管(guan)網。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面(mian)位置(zhi)見圖l。2008年6月，堆積至(zhi)(zhi)5級子(zi)壩時，布(bu)設了9個取(qu)(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號K1～K9，取(qu)(qu)原狀樣(yang)(yang)76件；2013年5月，堆積至(zhi)(zhi)13級子(zi)壩時，又布(bu)設了11個取(qu)(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號K10～K20，取(qu)(qu)原狀樣(yang)(yang)112件，為(wei)比較子(zi)壩加高和(he)(he)磷石(shi)膏堆積過程中磷石(shi)膏物(wu)理力(li)學(xue)性(xing)質的變化，在2，4級子(zi)壩K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各(ge)布(bu)設了一(yi)個鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號分別為(wei)K17和(he)(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷(lin)石膏尾(wei)礦庫2005年(nian)開工建設(she)，2006年(nian)1月投入運(yun)行，截至(zhi)2013年(nian)5月己堆(dui)至(zhi)13級子壩，尚有7級子壩即堆(dui)存(cun)至(zhi)設(she)計高(gao)程(cheng)。鑒于(yu)磷(lin)石膏庫地(di)(di)形、地(di)(di)質條件較好，具備擴容(rong)改造的條件，以提高(gao)堆(dui)存(cun)庫容(rong)，減少(shao)堆(dui)存(cun)占地(di)(di)，節(jie)約土地(di)(di)資源(yuan)。

本文主(zhu)要對沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)物理力學特性進(jin)行(xing)了全面總結，限于篇幅，有關現狀(zhuang)磷(lin)石膏(gao)(gao)庫堆積壩(ba)的(de)(de)安全性評價及其加高可行(xing)性的(de)(de)研究(jiu)將(jiang)另文發表(biao)。

二、沉(chen)積磷石(shi)膏的物理力(li)學(xue)特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)(tu)2給出了(le)14個鉆孔的(de)(de)(de)取樣深(shen)度(du)(du)和(he)試驗所得干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)(de)關系(xi)，圖(tu)(tu)中UWL表示水(shui)位線上，(系(xi)鉆孔期(qi)間(jian)的(de)(de)(de)初(chu)見水(shui)位線，下同(tong))，DWL表示水(shui)位線下。圖(tu)(tu)3給出了(le)水(shui)位線上下的(de)(de)(de)飽和(he)度(du)(du)分(fen)布(bu)圖(tu)(tu)。由于(yu)磷石(shi)膏(gao)中的(de)(de)(de)主要(yao)成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度(du)(du)和(he)烘(hong)烤時間(jian)對測定結果有(you)一定影響(xiang)，不能照搬現(xian)行的(de)(de)(de)土工試驗規(gui)范，本(ben)文磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)含水(shui)率(lv)測定方法為55℃溫度(du)(du)下烘(hong)培(pei)24h。

圖2沉積磷石膏干密(mi)度(du)與埋深的關系(xi)

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

由圖3，水(shui)位(wei)線(xian)上的磷石(shi)膏飽(bao)和(he)度平均值為50.4%，處于非飽(bao)和(he)狀(zhuang)態，水(shui)位(wei)線(xian)以下(xia)的磷石(shi)膏飽(bao)和(he)度平均值為85.0%，基本處于飽(bao)和(he)狀(zhuang)態，由于水(shui)位(wei)下(xia)降(jiang)后磷石(shi)膏來不(bu)及排水(shui)固結，故而(er)水(shui)位(wei)線(xian)上局部試樣的飽(bao)和(he)度較高。

由(you)圖2，水位線以(yi)(yi)上的干密度在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3；水位線以(yi)(yi)下(xia)的干密度在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石(shi)膏與一般的尾礦有(you)所(suo)不(bu)同，磷(lin)(lin)石(shi)膏的干密度并不(bu)隨(sui)埋深的增大而(er)明顯增大，但(dan)水位線以(yi)(yi)下(xia)的磷(lin)(lin)石(shi)膏干密度從(cong)統計意義上來看(kan)仍大于水位線以(yi)(yi)上的磷(lin)(lin)石(shi)膏干密度，這主(zhu)要是由(you)于水位線隨(sui)庫(ku)水位的變(bian)化反復升降(jiang)而(er)使得磷(lin)(lin)石(shi)膏排水固(gu)結所(suo)致。

室(shi)內擊(ji)實得(de)到(dao)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)(da)干(gan)密(mi)度(du)(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出，自然沉(chen)積的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)(da)(da)干(gan)密(mi)度(du)(du)可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如(ru)下(xia)：與經典的(de)土骨(gu)架(jia)不(bu)可(ke)壓縮的(de)理論不(bu)同(tong)(tong)，石(shi)膏(gao)(gao)本身可(ke)壓縮，同(tong)(tong)時由于顆(ke)粒結(jie)構不(bu)穩定，擊(ji)實試驗過程(cheng)中磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)結(jie)構被破(po)壞，受夯擊(ji)處下(xia)陷，四周(zhou)鼓起，出現(xian)了類似于橡皮土的(de)現(xian)象。而(er)在現(xian)場條件下(xia)，石(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)架(jia)被破(po)壞后，會(hui)導致顆(ke)粒中的(de)結(jie)合水(shui)滲(shen)出至孔(kong)隙(xi)內，變(bian)成孔(kong)隙(xi)水(shui)，排水(shui)固結(jie)后會(hui)使(shi)得(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)孔(kong)隙(xi)比減小，干(gan)密(mi)度(du)(du)增大(da)(da)(da)。

圖4給(gei)出了相鄰鉆孔K2和K17(位于2級子壩河(he)床部位)以及相鄰鉆孔K6和K18(位于4級子壩河(he)床部位)干密度(du)(du)的(de)對比圖。K2鉆孔的(de)干密度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.30g/cm3，K17鉆孔的(de)干密度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.32g/cm3；K6鉆孔的(de)干密度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.36g/cm3，K18鉆孔的(de)干密度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之間(jian)(jian)，均值為1.37g/cm3。可(ke)見，即使(shi)從統計意義上來看，磷石(shi)膏的(de)干密度(du)(du)也(ye)并未隨后續磷石(shi)膏的(de)堆(dui)積而有(you)較為明顯(xian)的(de)增(zeng)大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗(yan)采用密度計法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗(yan)得到的級配包線(xian)、平均粒徑d50、不(bu)均勻系數(1u和曲(qu)率(lv)系數Cc的分布(bu)圖。

從圖5(a)可見，磷石膏的(de)粒徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬于(yu)(yu)粉土(tu)，但可能由于(yu)(yu)礦(kuang)石來(lai)源或生(sheng)產工藝有所(suo)不(bu)同(tong)，局(ju)部屬于(yu)(yu)粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分布范圍比Blight和張超等的(de)試驗結果要(yao)寬一些。

圖4子壩加高后沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)干密度變(bian)化

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和級(ji)配分(fen)布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向(xiang)還是(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)石膏(gao)與金(jin)屬礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)(de)(de)“前粗(cu)后(hou)細(xi)，上粗(cu)下(xia)細(xi)”的(de)(de)(de)自然(ran)分級現象不(bu)(bu)同，也即(ji)粗(cu)顆粒(li)(li)并(bing)不(bu)(bu)是(shi)沿埋深逐步減小(xiao)或距(ju)離放漿(jiang)口(kou)(kou)越遠顆粒(li)(li)越細(xi)，其原因如(ru)下(xia)：①磷(lin)石膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成(cheng)(cheng)較為(wei)集(ji)中(zhong)、均勻(yun)，主要以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較差；②相比較金(jin)屬尾礦(kuang)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)比重(zhong)較小(xiao)，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)比重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬尾礦(kuang)的(de)(de)(de)比重(zhong)，例如(ru)鐵尾礦(kuang)的(de)(de)(de)比重(zhong)可達2.9；③放漿(jiang)口(kou)(kou)隨子壩(ba)高度不(bu)(bu)斷增加而不(bu)(bu)斷變動并(bing)向(xiang)庫尾延伸(shen)，造成(cheng)(cheng)沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明顯。

從(cong)圖(tu)5(d)可見，不均勻系(xi)數Cu范圍值1.61～21.5，平(ping)均值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范圍值0.28～9.78，平(ping)均值為(wei)1.21，在統計(ji)的100多個試樣中，屬于級配不良土(tu)的占93%。這種級配特性決定了磷石膏具有(you)較高的壓縮性、滲(shen)透(tou)破壞型(xing)式(shi)表現為(wei)流土(tu)破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)主要因素是粒徑(jing)大(da)小(xiao)(xiao)(xiao)、級(ji)配(pei)和孔(kong)隙(xi)比(bi)，因而(er)磷石(shi)膏的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)(jiao)為(wei)接近(jin)。由于孔(kong)隙(xi)比(bi)e減小(xiao)(xiao)(xiao)，使得(de)過(guo)水通道面(mian)積(ji)減小(xiao)(xiao)(xiao)，滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)k也將減小(xiao)(xiao)(xiao)，k與(yu)e呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系。對砂土，一般認為(wei)滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)(de)線性(xing)關(guan)系較(jiao)(jiao)好，圖(tu)6給(gei)出了二(er)者(zhe)間的(de)(de)(de)關(guan)系曲線，由于沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)(de)不(bu)均(jun)勻系數(shu)(shu)變化較(jiao)(jiao)大(da)，使得(de)沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系數(shu)(shu)變化范圍(wei)較(jiao)(jiao)大(da)(平均(jun)值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級(ji))，二(er)者(zhe)問的(de)(de)(de)線性(xing)關(guan)系較(jiao)(jiao)差。

圖6沉(chen)積磷石膏(gao)滲(shen)透(tou)系數(shu)與孔隙比(bi)的關(guan)系

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

圖(tu)(tu)7給出了水平(ping)與垂直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)比值的分(fen)布(bu)。沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的水平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)kh一般(ban)大(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約為(wei)2.86，這一點與成層分(fen)布(bu)的金屬尾礦規律一致。造成沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)水平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)大(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)的原因是由于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有明顯(xian)的晶體結構，電鏡(jing)掃描顯(xian)示多為(wei)菱形和棱(leng)柱(zhu)狀形式(見圖(tu)(tu)8)，在沉(chen)(chen)積(ji)(ji)過程中，由于(yu)(yu)扁平(ping)狀磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒多呈水平(ping)排列(lie)，使(shi)得(de)水平(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的透(tou)(tou)水性(xing)(xing)大(da)于(yu)(yu)垂直方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的透(tou)(tou)水性(xing)(xing)，從而使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)呈現明顯(xian)的各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)(xing)。

另根(gen)據中(zhong)國(guo)有(you)色金(jin)屬工(gong)業(ye)昆明勘察設計研究院在楊家箐磷石(shi)膏(gao)堆積壩開展的(de)現(xian)場滲(shen)透(tou)試(shi)驗，kh/kv的(de)平均值約為(wei)1.9。但(dan)張超等的(de)室(shi)內試(shi)驗顯示，kh/kv的(de)平均值約為(wei)0.46，也即垂直向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)大于水平向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)，與本(ben)文(wen)和現(xian)場試(shi)驗結(jie)果恰(qia)恰(qia)相反(fan)。從磷石(shi)膏(gao)的(de)微觀(guan)結(jie)構來看(kan)，本(ben)文(wen)試(shi)驗結(jie)果更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密(mi)度與水(shui)平(ping)和垂(chui)直(zhi)滲透系數比值(zhi)的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石膏干密(mi)度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度J與流(liu)(liu)速V的(de)(de)關系(xi)曲(qu)線(xian)，試(shi)驗在水(shui)平管涌儀中(zhong)采用(yong)水(shui)平方向的(de)(de)滲流(liu)(liu)形(xing)式進(jin)行(xing)。試(shi)驗得到的(de)(de)臨界坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般來(lai)(lai)說(shuo)，對(dui)1，2級工程(cheng)，滲透(tou)安全系(xi)數(shu)取(qu)為(wei)2.5，則(ze)允(yun)許(xu)出逸坡(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)工程(cheng)，滲透(tou)安全系(xi)數(shu)取(qu)2.0，則(ze)允(yun)許(xu)出逸坡(po)降(jiang)為(wei)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(xiang)同。但(dan)上述滲透(tou)變形(xing)試(shi)驗是采用(yong)自來(lai)(lai)水(shui)進(jin)行(xing)的(de)(de)，自來(lai)(lai)水(shui)對(dui)磷(lin)石膏具有(you)一(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)溶(rong)蝕作用(yong)，而實際上磷(lin)石膏中(zhong)殘余磷(lin)、硫(liu)和(he)氟酸(suan)(suan)，庫水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)(yi)般小于3(稱之為(wei)酸(suan)(suan)性水(shui))，在酸(suan)(suan)性水(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)石膏不會(hui)發生破(po)壞，上述試(shi)驗結果是偏于保守的(de)(de)，但(dan)對(dui)非(fei)酸(suan)(suan)性水(shui)條(tiao)件(例如特大暴(bao)雨)下(xia)的(de)(de)滲透(tou)穩定(ding)(ding)(ding)判(pan)斷有(you)一(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)借鑒(jian)意義(yi)。

圖9水力梯度(du)J-流(liu)速v試(shi)驗過(guo)程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗(yan)在5Bar的(de)壓力板儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力范(fan)圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值(zhi)，試驗(yan)曲(qu)線見圖10所(suo)示(shi)。

試(shi)驗結(jie)果表明：①干(gan)(gan)密(mi)度對(dui)進(jin)氣值(zhi)沒有明顯(xian)的(de)影響，不(bu)同(tong)干(gan)(gan)密(mi)度的(de)試(shi)樣的(de)進(jin)氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土樣殘余(yu)(yu)含(han)水率隨(sui)干(gan)(gan)密(mi)度的(de)增(zeng)加(jia)而減少，殘余(yu)(yu)含(han)水率約為飽和(he)含(han)水率的(de)10%。上述特性與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)基本一(yi)致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉(chen)積磷石膏的(de)(de)密(mi)度變化較大，而進(jin)行三(san)軸(zhou)試(shi)(shi)驗(yan)需要若干(gan)原狀樣(yang)，為(wei)(wei)使(shi)試(shi)(shi)驗(yan)結果具有較好的(de)(de)一致(zhi)性(xing)(xing)，有針對性(xing)(xing)的(de)(de)選擇平均干(gan)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)若干(gan)試(shi)(shi)樣(yang)，進(jin)行了5組三(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)(wei)干(gan)密(mi)度為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗(yan)曲線。

從(cong)圖11可以看(kan)出，磷石膏的(de)應(ying)力(li)應(ying)變關系曲(qu)線在低(di)圍(wei)(wei)壓下(xia)表現(xian)(xian)(xian)為(wei)軟(ruan)化(hua)型(xing)，在高(gao)圍(wei)(wei)壓下(xia)表現(xian)(xian)(xian)為(wei)硬化(hua)型(xing)，與(yu)一(yi)(yi)般(ban)土類相似。但與(yu)一(yi)(yi)般(ban)粉土一(yi)(yi)粉砂不同的(de)是(shi)，即使在較為(wei)疏松(song)的(de)狀態下(xia)，磷石膏仍表現(xian)(xian)(xian)了(le)較為(wei)強(qiang)烈的(de)剪脹，隨密實度增大(da)，剪脹作(zuo)用愈(yu)發明顯。

表2給(gei)(gei)出(chu)了(le)不同(tong)干密(mi)度下的(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)，圖(tu)12給(gei)(gei)出(chu)了(le)內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)與(yu)干密(mi)度的(de)(de)關系曲線(xian)。隨干密(mi)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函(han)數較(jiao)好地擬合。磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)干密(mi)度由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根(gen)據擬合曲線(xian)求(qiu)得(de))，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有效摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)要小。另外較(jiao)之于干密(mi)度增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表明(ming)即使(shi)較(jiao)為(wei)疏松(song)的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏仍具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)(de)強度指標，這也表明(ming)磷(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩的(de)(de)穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石(shi)膏的蠕變(bian)變(bian)形試(shi)驗(yan)在(zai)側限壓縮儀(yi)中進行，試(shi)驗(yan)狀態相當于K0固結。試(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干(gan)密度為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后分別開展了上覆壓力(li)ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗(yan)，

試(shi)驗(yan)(yan)從2012年8月27日開始(shi)，試(shi)驗(yan)(yan)己(ji)進(jin)行了1年多，試(shi)驗(yan)(yan)結果見圖13所示。

從(cong)圖13中可以(yi)看出(chu)：上覆荷載越大，磷(lin)石膏的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形也(ye)越大，荷載施加1年后(hou)，磷(lin)石膏的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形仍(reng)非常顯著，尚未(wei)達到穩定狀(zhuang)態，這也(ye)是磷(lin)石膏堆積(ji)壩(ba)(ba)后(hou)期變(bian)(bian)形較大的(de)(de)原(yuan)因，原(yuan)型觀(guan)測資料表(biao)明，在5級(ji)子壩(ba)(ba)河(he)床部位的(de)(de)表(biao)面沉降量已(yi)經達到3.1m，且尚未(wei)完全穩定。

按時(shi)間(jian)(jian)對(dui)數法，可(ke)求得各(ge)級荷(he)載下的(de)主(zhu)(zhu)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如(ru)表(biao)(biao)3所示。試驗結(jie)(jie)(jie)果表(biao)(biao)明，在(zai)100～400kPa上覆荷(he)載作用下，在(zai)試驗時(shi)間(jian)(jian)范圍(wei)內蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)(zhu)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚(shang)未完成，實際的(de)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大(da)(da)。對(dui)土體(ti)而言，發(fa)生蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)原因(yin)是由于(yu)(yu)土體(ti)在(zai)主(zhu)(zhu)固結(jie)(jie)(jie)完成之后，土體(ti)中(zhong)仍有微小(xiao)的(de)超靜(jing)孔隙(xi)壓力存在(zai)，驅(qu)使水在(zai)顆粒問流動，一般來講土體(ti)的(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)遠(yuan)小(xiao)于(yu)(yu)主(zhu)(zhu)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏而言，其滲(shen)透系數在(zai)10-4cm/s數量級，遠(yuan)大(da)(da)于(yu)(yu)黏性土，但其卻發(fa)生了極為顯著的(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原因(yin)在(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶體(ti)結(jie)(jie)(jie)構發(fa)生了壓縮、破壞，接觸點晶格發(fa)生歪曲和(he)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后晶格之間(jian)(jian)的(de)重新排(pai)列(lie)、調(diao)整到最(zui)后趨于(yu)(yu)相對(dui)靜(jing)止需要(yao)相當(dang)長的(de)時(shi)間(jian)(jian)才能(neng)完成。

2.4動力力學特性

試驗(yan)(yan)設備采(cai)用英國GDS公司進口的電(dian)機(ji)控制動三軸試驗(yan)(yan)系統，試樣(yang)直徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼比

同樣由(you)于(yu)自然(ran)沉積的磷石膏(gao)密度變(bian)(bian)化(hua)(hua)較大，為此根據物(wu)理性質試驗結果，選(xuan)擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)(hua)范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)(hua)范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切(qie)模量G、阻尼比與剪應變幅(fu)值γd的關(guan)系式如下：

式中k1為參數(shu)，表示動剪(jian)切模量(liang)的衰減或阻尼比的增長速率；λmax為最大(da)阻尼比；Gmax，γd分別(bie)為最大(da)動剪(jian)切模量(liang)和歸一化的動剪(jian)應變，表示為

式中k2,n為(wei)(wei)(wei)參(can)數(shu)；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)歸一化的動應變(bian)，表達為(wei)(wei)(wei)

圖(tu)(tu)14給出(chu)(chu)了(le)動剪切模量、阻尼(ni)比(bi)與歸(gui)一化動應(ying)變的關系曲(qu)線(xian)，另外圖(tu)(tu)中還給出(chu)(chu)了(le)式(1)的擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給出(chu)(chu)的砂樣的上下邊界線(xian)，圖(tu)(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應(ying)力比(bi)。

從圖中可(ke)以看(kan)出(chu)：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描(miao)述磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)應力(li)-動(dong)應變試驗(yan)曲線(xian)，表(biao)明(ming)采用等價黏彈性模(mo)(mo)型進行循環荷載作用下的(de)(de)(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)(de)(de)；②圖14(a)中干密(mi)(mi)度(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)位于干密(mi)(mi)度(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)上(shang)方，圖14(b)中則(ze)位于下方，表(biao)明(ming)密(mi)(mi)度(du)越(yue)(yue)大(da)，動(dong)彈模(mo)(mo)越(yue)(yue)大(da)、阻尼(ni)比(bi)(bi)越(yue)(yue)小；③圖14(a)中，兩種干密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)(he)線(xian)基(ji)本位于Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)上(shang)方，而圖14(b)中則(ze)基(ji)本處于邊界線(xian)中間，表(biao)明(ming)相(xiang)比(bi)(bi)較(jiao)(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)石膏(gao)動(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)(jiao)大(da)，會導致磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應較(jiao)(jiao)大(da)，但由于阻尼(ni)比(bi)(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)，這(zhe)樣(yang)又會削弱(ruo)壩體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應，二者的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影響下，磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩壩體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應將不會過于強(qiang)烈，這(zhe)對磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)震穩定性是有利的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干密度為1.12(變化范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破(po)壞標準(zhun)為總應變達到10%。

圖(tu)15給出了動(dong)剪(jian)(jian)應力比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破(po)壞(huai)振次Nf的關(guan)系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為振前試樣(yang)45°面上的有效(xiao)法向應力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結比(bi)(bi)。從試驗結果(guo)可以(yi)看出，沉(chen)積磷石膏的動(dong)強度與(yu)其(qi)它土體相(xiang)似，表現為圍壓和固(gu)結應力比(bi)(bi)與(yu)動(dong)剪(jian)(jian)應力比(bi)(bi)呈負相(xiang)關(guan)關(guan)系。

為(wei)判別沉積(ji)磷石膏(gao)的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震設(she)計烈度(du)為(wei)8度(du)，即等效振(zhen)次Ⅳ可取為(wei)30。首(shou)先(xian)由(you)式(shi)(4)

所示的(de)冪函數關系式得到振(zhen)次為(wei)30時各個圍壓和(he)固結比下的(de)動剪應力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應(ying)(ying)力比與圍(wei)壓和固(gu)結應(ying)(ying)力比的關系(xi)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。

從上述擬合關(guan)系式可見，密實度提(ti)(ti)高(gao)后，動(dong)剪應力(li)比(bi)提(ti)(ti)高(gao)，表(biao)明抗液化能力(li)也提(ti)(ti)高(gao)。但即使是在(zai)低密度下，其動(dong)剪應力(li)比(bi)較之(zhi)同類的粉土或粉砂也大出許多，表(biao)明磷石(shi)膏具有較高(gao)的抗液化能力(li)。

三、結論(lun)

依托柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆積壩，在(zai)鉆(zhan)探(tan)取樣工作的(de)基礎上，首先開展了物理性(xing)質(zhi)試(shi)驗，然后開展了靜動力(li)力(li)學特性(xing)試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，得出如下結(jie)論(lun)：

(1)沉積磷石膏(gao)總體上屬(shu)于級(ji)配不(bu)良的粉(fen)土，局部屬(shu)于粉(fen)砂一中砂，無自(zi)然分級(ji)現象。其(qi)干密度(du)和(he)粒徑變化隨埋(mai)深或(huo)距(ju)放漿口(kou)距(ju)離的變化不(bu)明顯。

(2)沉積(ji)磷(lin)石膏水平方(fang)向的(de)滲透系(xi)數大(da)于垂直方(fang)向的(de)滲透系(xi)數，呈現明(ming)顯的(de)各向異性。

(3)與土體(ti)顆粒不(bu)可(ke)壓縮不(bu)同，磷石(shi)膏的(de)晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)會發生壓縮破(po)壞，具(ju)有較大(da)的(de)壓縮性，其次固結(jie)變形(xing)量遠大(da)于主固結(jie)變形(xing)量。

(4)沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)靜動強度較(jiao)之同等密實度下的(de)(de)粉土、粉砂要高。