沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)磷(lin)(lin)(lin)酸生產過程中的(de)(de)副產品(pin)，目前的(de)(de)綜合利用率尚不(bu)足40%，大部分需要(yao)堆(dui)存存放。受地形(xing)限制(zhi)和經濟效益(yi)考慮，中國(guo)主要(yao)為濕法堆(dui)存的(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托(tuo)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩，針對(dui)沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)首先(xian)開展了(le)密度(du)、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特征和顆(ke)分等(deng)物理性(xing)(xing)質試驗(yan)，然(ran)后開展了(le)三(san)(san)軸cu、蠕(ru)變(bian)及動三(san)(san)軸等(deng)力(li)(li)學特性(xing)(xing)試驗(yan)。試驗(yan)結(jie)果表明：①沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)干密度(du)與(yu)埋深沒有(you)相(xiang)關關系；②沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)不(bu)具有(you)自然(ran)分級現象(xiang)，但具有(you)明顯的(de)(de)各(ge)向異性(xing)(xing)；③沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有(you)較(jiao)高(gao)的(de)(de)摩擦(ca)角(jiao)和抗液化能(neng)力(li)(li)，但其蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)較(jiao)大、滲(shen)透(tou)比降較(jiao)小(xiao)。上述工作為分析磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)壩體穩定性(xing)(xing)提(ti)供了(le)基礎，對(dui)現行磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)(de)運行管理以及新(xin)建工程的(de)(de)設計具有(you)重要(yao)的(de)(de)借鑒意義。

引(yin)言

磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)濕(shi)(shi)法(fa)磷(lin)酸(suan)(suan)生產(chan)過(guo)程中(zhong)(zhong)的副產(chan)品(pin)，2018年(nian)，全國(guo)(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)生量為(wei)(wei)7800萬噸(dun)，且呈(cheng)逐年(nian)增長的態勢(shi)。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的主(zhu)要(yao)(yao)成(cheng)分(fen)(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一(yi)(yi)定量的氟化物(wu)(wu)和(he)其它放射(she)性(xing)物(wu)(wu)質(zhi)，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)通(tong)常按Ⅱ類一(yi)(yi)般(ban)工業(ye)固體廢物(wu)(wu)處(chu)理，鑒(jian)于無害化處(chu)理成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)，目前綜合利(li)用率(lv)尚不足40%，故大(da)部(bu)分(fen)(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要(yao)(yao)堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)(cun)放。按堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)場地的不同，可(ke)分(fen)(fen)為(wei)(wei)平地型(xing)(xing)、傍(bang)山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)場，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)基本(ben)上(shang)是(shi)山谷型(xing)(xing)堆(dui)場。相(xiang)比較(jiao)干法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)，濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)經濟優勢(shi)明顯，因而如(ru)地質(zhi)條件為(wei)(wei)非碳酸(suan)(suan)鹽巖地區，一(yi)(yi)般(ban)均采用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)方式(shi)。隨(sui)著中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)磷(lin)肥(fei)工業(ye)的快速發展，本(ben)世紀(ji)初中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)相(xiang)繼建設(she)了幾座濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)的大(da)型(xing)(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例如(ru)云天化國(guo)(guo)際化工三(san)環分(fen)(fen)公司(si)的柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)和(he)富瑞分(fen)(fen)公司(si)的楊家箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設(she)計壩(ba)高(gao)均超過(guo)100m、處(chu)于8度地震區，其安全性(xing)備受(shou)關注。

據統計，110多年(1901年一(yi)2013年)來，全(quan)世(shi)界有118座尾(wei)礦壩曾發(fa)生(sheng)過(guo)破壞或潰壩事故，原因主要有地(di)震、洪水漫頂、滲透(tou)破壞和(he)基(ji)礎失(shi)穩。尾(wei)礦庫失(shi)事后(hou)會造成巨(ju)大(da)的生(sheng)態(tai)災難(nan)和(he)人員(yuan)傷亡(wang)，近幾十(shi)年來，

國內外對金屬尾(wei)礦的(de)(de)沉積規(gui)律、物理力(li)學(xue)特性及其穩定(ding)性開(kai)展了大量(liang)的(de)(de)研究，但對于與(yu)金屬尾(wei)礦庫(ku)相近的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)庫(ku)，一(yi)般僅限(xian)于在可研階段采(cai)用人工制備(bei)樣進行(xing)物理力(li)學(xue)性質試(shi)驗，并據(ju)此(ci)進行(xing)穩定(ding)性分析，尚未有人針對己運行(xing)若干年的(de)(de)大型(xing)濕(shi)法(fa)堆存磷石(shi)膏(gao)堆積壩開(kai)展過(guo)磷石(shi)膏(gao)沉積規(gui)律及其物理力(li)學(xue)特性的(de)(de)專項研究。

本文依托柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏堆積壩(ba)，首先(xian)進行了(le)鉆探取樣，采用(yong)原狀樣開(kai)展了(le)密(mi)度、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特(te)征(zheng)和顆分等(deng)物(wu)理(li)性(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)，在此基礎上有(you)針對(dui)性(xing)(xing)的(de)選(xuan)擇原狀樣開(kai)展了(le)三軸(zhou)CU、蠕(ru)變及動三軸(zhou)等(deng)力(li)(li)學特(te)性(xing)(xing)試(shi)驗(yan)。通過(guo)上述試(shi)驗(yan)研究，總結了(le)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏的(de)沉(chen)積規律、滲(shen)透(tou)特(te)性(xing)(xing)、滲(shen)透(tou)破(po)壞特(te)性(xing)(xing)以(yi)(yi)及靜動力(li)(li)特(te)性(xing)(xing)，上述研究工(gong)作對(dui)研究和評估磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)堆積壩(ba)的(de)穩定性(xing)(xing)提供了(le)基礎數據，對(dui)現(xian)行磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏庫(ku)的(de)運行管理(li)以(yi)(yi)及新建工(gong)程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積(ji)壩(ba)堆存設計方案(an)

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

(1)初期壩

初(chu)期壩壩高(gao)約30m，采用土料填筑。上游坡(po)面、壩底和下游壩腳設(she)置(zhi)堆石排(pai)水體(ti)，三者(zhe)相連通構成整個(ge)堆積壩的主要排(pai)滲系(xi)統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措施

采(cai)用上游式(shi)筑壩(ba)(ba)法，共(gong)20級子(zi)壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆積(ji)高度(du)約100m。采(cai)用排(pai)(pai)滲(shen)管(guan)網作為(wei)輔助(zhu)排(pai)(pai)滲(shen)方案，目前己(ji)在5級、9級子(zi)壩(ba)(ba)和(he)13級子(zi)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前120m范圍內設(she)置了井字形排(pai)(pai)滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積(ji)磷石(shi)膏的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積至(zhi)5級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)(ba)時，布(bu)設了(le)9個(ge)(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K1～K9，取(qu)(qu)原狀樣(yang)76件(jian)；2013年5月，堆(dui)積至(zhi)13級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)(ba)時，又布(bu)設了(le)11個(ge)(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號K10～K20，取(qu)(qu)原狀樣(yang)112件(jian)，為(wei)比(bi)較子(zi)(zi)壩(ba)(ba)加(jia)高和磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積過程中磷(lin)石(shi)膏(gao)物(wu)理力學(xue)性質的變化，在2，4級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近各布(bu)設了(le)一個(ge)(ge)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號分別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹(shu)箐(qing)磷(lin)石膏(gao)尾礦(kuang)庫2005年(nian)開(kai)工(gong)建設，2006年(nian)1月投(tou)入運(yun)行，截至(zhi)2013年(nian)5月己(ji)堆(dui)至(zhi)13級(ji)子壩(ba)(ba)，尚(shang)有7級(ji)子壩(ba)(ba)即堆(dui)存至(zhi)設計高程。鑒(jian)于磷(lin)石膏(gao)庫地形(xing)、地質(zhi)條件較好，具備擴容改造的條件，以提高堆(dui)存庫容，減少堆(dui)存占地，節約土地資源。

本文(wen)主(zhu)要對(dui)沉積(ji)(ji)磷石膏(gao)的(de)物理力學(xue)特性(xing)進行了全面總結，限于篇幅(fu)，有關現狀磷石膏(gao)庫堆積(ji)(ji)壩的(de)安全性(xing)評價(jia)及其加高可行性(xing)的(de)研究(jiu)將另文(wen)發表。

二(er)、沉(chen)積磷石膏的物理(li)力學(xue)特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出了14個鉆孔的(de)取樣深度(du)(du)和(he)試驗所(suo)得(de)干密度(du)(du)的(de)關(guan)系，圖(tu)中UWL表示(shi)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線上，(系鉆孔期(qi)間(jian)的(de)初見(jian)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線，下(xia)同(tong))，DWL表示(shi)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線下(xia)。圖(tu)3給(gei)出了水(shui)(shui)(shui)位(wei)線上下(xia)的(de)飽和(he)度(du)(du)分布圖(tu)。由(you)于(yu)磷(lin)石膏中的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度(du)(du)和(he)烘烤(kao)時(shi)間(jian)對測定結果有一定影響，不能照搬現行的(de)土工試驗規范，本文磷(lin)石膏的(de)含水(shui)(shui)(shui)率測定方法為55℃溫度(du)(du)下(xia)烘培24h。

圖(tu)2沉(chen)積磷(lin)石膏干密度與埋深的關系

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

由圖3，水(shui)(shui)位(wei)線上的磷(lin)石膏飽和(he)度平均值為50.4%，處(chu)于(yu)(yu)非飽和(he)狀(zhuang)態(tai)，水(shui)(shui)位(wei)線以下(xia)的磷(lin)石膏飽和(he)度平均值為85.0%，基(ji)本處(chu)于(yu)(yu)飽和(he)狀(zhuang)態(tai)，由于(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)下(xia)降后磷(lin)石膏來(lai)不及排水(shui)(shui)固(gu)結，故而水(shui)(shui)位(wei)線上局部(bu)試樣的飽和(he)度較高。

由(you)圖2，水(shui)(shui)(shui)位(wei)線以上(shang)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位(wei)線以下的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)(wei)1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏(gao)與一般的(de)尾礦有所(suo)不(bu)同，磷石(shi)膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)并不(bu)隨(sui)埋(mai)深的(de)增大(da)而明顯增大(da)，但水(shui)(shui)(shui)位(wei)線以下的(de)磷石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)(du)從統計意(yi)義上(shang)來看仍大(da)于(yu)(yu)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線以上(shang)的(de)磷石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)(du)，這主(zhu)要是由(you)于(yu)(yu)水(shui)(shui)(shui)位(wei)線隨(sui)庫水(shui)(shui)(shui)位(wei)的(de)變化反復升降(jiang)而使得磷石(shi)膏(gao)排(pai)水(shui)(shui)(shui)固結(jie)所(suo)致。

室(shi)內擊(ji)實得到(dao)的磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干(gan)密度一(yi)般在1.36～1.46g/cm3之(zhi)間(jian)，從(cong)圖2可(ke)(ke)以看出(chu)，自然沉(chen)積的磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干(gan)密度可(ke)(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如(ru)下：與經(jing)典(dian)的土骨架不(bu)可(ke)(ke)壓縮的理論不(bu)同(tong)，石(shi)膏(gao)(gao)本身可(ke)(ke)壓縮，同(tong)時由于(yu)顆(ke)粒結(jie)構不(bu)穩定，擊(ji)實試驗(yan)過程中磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)結(jie)構被破(po)壞，受(shou)夯(hang)擊(ji)處下陷，四周鼓起，出(chu)現(xian)了類(lei)似于(yu)橡皮土的現(xian)象。而(er)在現(xian)場條件下，石(shi)膏(gao)(gao)骨架被破(po)壞后(hou)，會導致顆(ke)粒中的結(jie)合水滲出(chu)至孔隙(xi)(xi)內，變成孔隙(xi)(xi)水，排水固結(jie)后(hou)會使得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的孔隙(xi)(xi)比減小(xiao)，干(gan)密度增大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)于2級(ji)子壩河床部位(wei))以及(ji)相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)于4級(ji)子壩河床部位(wei))干(gan)密(mi)度(du)的(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值為1.37g/cm3。可見(jian)，即使從統計意義上來看，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)也并未隨(sui)后(hou)續磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)堆積而有(you)較為明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試驗(yan)(yan)采用密度計法，制備懸液時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗(yan)(yan)得到的(de)級(ji)配包線、平均粒(li)徑d50、不均勻系(xi)數(1u和(he)曲率(lv)系(xi)數Cc的(de)分布(bu)圖。

從(cong)圖5(a)可見，磷(lin)石膏(gao)的粒徑主要分(fen)(fen)布在(zai)0.005～0.075mm之間，總體上屬于(yu)粉土，但可能由于(yu)礦(kuang)石來源或生(sheng)產(chan)工藝(yi)有所不同，局(ju)部屬于(yu)粉砂(sha)～中(zhong)砂(sha)。粒徑分(fen)(fen)布范(fan)圍(wei)比Blight和(he)張超等的試(shi)驗結果要寬一些。

圖4子壩加高后沉(chen)積磷石膏的干密(mi)度變(bian)化

圖5沉積(ji)磷石膏的平均粒徑和(he)級配分(fen)布

由(you)圖5(b)和5(c)，無論(lun)是水平(ping)向還是垂直(zhi)向，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)與金屬(shu)礦山尾(wei)(wei)礦的(de)(de)“前粗后細，上粗下細”的(de)(de)自然分級現(xian)象不(bu)同(tong)，也即粗顆粒并(bing)不(bu)是沿埋深逐步減小(xiao)或距離放漿口越遠顆粒越細，其原因如下：①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)顆粒粒徑組(zu)成(cheng)較為集(ji)中、均勻，主(zhu)要(yao)以粉粒組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級配較差；②相比較金屬(shu)尾(wei)(wei)礦，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)比重(zhong)較小(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)比重(zhong)一(yi)般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)尾(wei)(wei)礦的(de)(de)比重(zhong)，例如鐵尾(wei)(wei)礦的(de)(de)比重(zhong)可達2.9；③放漿口隨子壩高度不(bu)斷增加而(er)不(bu)斷變動并(bing)向庫尾(wei)(wei)延伸(shen)，造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)粒徑變化不(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不均勻系數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，在統計(ji)的100多個(ge)試樣中(zhong)，屬(shu)于級配(pei)不良土的占93%。這種級配(pei)特性決(jue)定了磷石膏具有(you)較高的壓縮性、滲(shen)透破(po)壞型式表現為(wei)流土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)主要因素(su)是(shi)粒徑大小(xiao)、級配(pei)和孔隙比，因而磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與粉(fen)土較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)為接近。由于(yu)孔隙比e減(jian)(jian)小(xiao)，使得過水(shui)通道面積(ji)減(jian)(jian)小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減(jian)(jian)小(xiao)，k與e呈正相(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由于(yu)沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大，使得沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化范圍較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(平均(jun)值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級)，二(er)者問的(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)差。

圖6沉積(ji)磷石(shi)膏滲透系數(shu)與孔(kong)隙(xi)比的關(guan)系

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

圖7給出了水平(ping)與(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向滲(shen)透系(xi)數比(bi)值的分布。沉(chen)積(ji)(ji)磷石(shi)膏(gao)的水平(ping)向滲(shen)透系(xi)數kh一(yi)(yi)般大(da)(da)于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向的滲(shen)透系(xi)數kv,kh/kv平(ping)均值約(yue)為(wei)2.86，這一(yi)(yi)點與(yu)成(cheng)層分布的金屬尾礦規(gui)律一(yi)(yi)致(zhi)。造成(cheng)沉(chen)積(ji)(ji)磷石(shi)膏(gao)水平(ping)向滲(shen)透系(xi)數大(da)(da)于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向滲(shen)透系(xi)數的原因是由(you)于(yu)磷石(shi)膏(gao)具有(you)明(ming)顯(xian)的晶體(ti)結構，電鏡掃描(miao)顯(xian)示(shi)多為(wei)菱形和棱柱狀形式(shi)(見圖8)，在沉(chen)積(ji)(ji)過程中，由(you)于(yu)扁平(ping)狀磷石(shi)膏(gao)顆粒(li)多呈水平(ping)排列，使得(de)水平(ping)方向的透水性大(da)(da)于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)方向的透水性，從而使磷石(shi)膏(gao)呈現(xian)明(ming)顯(xian)的各向異(yi)性。

另(ling)根(gen)據中國有色金(jin)屬(shu)工(gong)業昆明勘察設計研(yan)究院在楊家箐磷石膏(gao)堆積壩開(kai)展的(de)現場滲透(tou)試驗(yan)(yan)(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值(zhi)約為(wei)1.9。但(dan)張(zhang)超等的(de)室內試驗(yan)(yan)(yan)顯(xian)示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值(zhi)約為(wei)0.46，也(ye)即垂(chui)直(zhi)向滲透(tou)系(xi)數(shu)大(da)于(yu)水平(ping)向滲透(tou)系(xi)數(shu)，與本文(wen)和現場試驗(yan)(yan)(yan)結果恰恰相反。從磷石膏(gao)的(de)微觀結構來看(kan)，本文(wen)試驗(yan)(yan)(yan)結果更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密度與水平和(he)垂直滲透系數比值(zhi)的關系

(2)滲透變形

圖(tu)9為磷(lin)石(shi)膏干密度為1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度J與流速(su)V的(de)關系(xi)(xi)曲線，試驗在水(shui)(shui)(shui)平管涌儀中采(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平方向的(de)滲(shen)流形(xing)式進行。試驗得到的(de)臨界坡降Jc=0.355，破壞坡降Jp=0.375。一般來說，對(dui)(dui)1，2級(ji)工程，滲(shen)透安(an)全系(xi)(xi)數(shu)取為2.5，則(ze)(ze)允許出(chu)逸坡降為0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級(ji)以下(xia)工程，滲(shen)透安(an)全系(xi)(xi)數(shu)取2.0，則(ze)(ze)允許出(chu)逸坡降為0.355/2.0=0.178。其允許比降與粉(fen)土一粉(fen)砂大(da)致相同。但上述(shu)滲(shen)透變形(xing)試驗是采(cai)用(yong)自(zi)來水(shui)(shui)(shui)進行的(de)，自(zi)來水(shui)(shui)(shui)對(dui)(dui)磷(lin)石(shi)膏具有一定的(de)溶蝕作用(yong)，而實(shi)際上磷(lin)石(shi)膏中殘余磷(lin)、硫和氟(fu)酸(suan)(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)pH值一般小于3(稱之為酸(suan)(suan)性(xing)(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui))，在酸(suan)(suan)性(xing)(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)石(shi)膏不(bu)會(hui)發(fa)生破壞，上述(shu)試驗結果是偏于保守的(de)，但對(dui)(dui)非酸(suan)(suan)性(xing)(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)滲(shen)透穩(wen)定判斷有一定的(de)借(jie)鑒意義。

圖9水力梯度(du)J-流速v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力板儀中進行，環刀尺(chi)寸(cun)6.18cm。干(gan)密度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍(wei)0～500kPa。表(biao)l列出(chu)了含水(shui)率特征(zheng)值，試驗曲(qu)線見圖10所示(shi)。

試(shi)驗結果表明：①干(gan)密度(du)對進(jin)氣值(zhi)沒(mei)有明顯的影響，不同干(gan)密度(du)的試(shi)樣(yang)的進(jin)氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土(tu)樣(yang)殘(can)余(yu)含(han)(han)水(shui)(shui)率(lv)隨干(gan)密度(du)的增加而(er)減少，殘(can)余(yu)含(han)(han)水(shui)(shui)率(lv)約為飽和含(han)(han)水(shui)(shui)率(lv)的10%。上述(shu)特性(xing)與粉土(tu)一粉砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積(ji)磷石膏的密度(du)變化(hua)較大(da)，而進(jin)行三(san)(san)軸(zhou)試驗需要若干(gan)原狀樣，為使試驗結果具(ju)有較好的一致性(xing)，有針(zhen)對性(xing)的選擇平均干(gan)密度(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)試樣，進(jin)行了5組三(san)(san)軸(zhou)CU試驗。圖(tu)11是為干(gan)密度(du)為1.2和(he)(he)1.58g/cm3的三(san)(san)軸(zhou)CU試驗曲線。

從圖11可以看出(chu)，磷石膏的應(ying)力應(ying)變關系曲線(xian)在(zai)低圍壓下表現為軟(ruan)化型，在(zai)高(gao)圍壓下表現為硬化型，與一般土類相似。但與一般粉土一粉砂不(bu)同(tong)的是，即(ji)使在(zai)較為疏松(song)的狀態下，磷石膏仍(reng)表現了較為強烈的剪(jian)脹(zhang)，隨密實度增大，剪(jian)脹(zhang)作用愈(yu)發明顯。

表2給出了不同干(gan)密度(du)下的(de)(de)內(nei)摩擦(ca)角(jiao)，圖(tu)12給出了內(nei)摩擦(ca)角(jiao)與(yu)干(gan)密度(du)的(de)(de)關(guan)系曲線。隨干(gan)密度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩擦(ca)角(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較好(hao)地擬(ni)合。磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)干(gan)密度(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總應力(li)摩擦(ca)角(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲線求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)9.4%，有效應力(li)摩擦(ca)角(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)3.2%，由(you)(you)于隨圍(wei)壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效摩擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅較之(zhi)總應力(li)摩擦(ca)角(jiao)要小。另外較之(zhi)于干(gan)密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩擦(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅并不顯(xian)著，表明即使較為(wei)疏(shu)松的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有較高的(de)(de)強度(du)指標，這(zhe)也表明磷(lin)石(shi)膏堆積壩的(de)(de)穩定性較高。

(2)蠕變(次固結(jie))變形試驗(yan)

磷石膏的蠕變變形試驗(yan)在側限(xian)壓(ya)縮(suo)儀中進行，試驗(yan)狀態相當于K0固(gu)結。試樣(yang)直徑(jing)61.8mm，高度20mm，試樣(yang)干密度為1.30g/cm3，對試樣(yang)飽(bao)和(he)后(hou)分(fen)別開(kai)展了(le)上覆壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試驗(yan)，

試驗從(cong)2012年8月27日開始，試驗己進行(xing)了1年多，試驗結果見圖13所示(shi)。

從圖13中可以看出：上覆荷載越大(da)，磷石(shi)(shi)膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形也(ye)越大(da)，荷載施加1年(nian)后(hou)，磷石(shi)(shi)膏的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形仍非常顯(xian)著，尚未達到穩定(ding)狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)也(ye)是磷石(shi)(shi)膏堆積壩后(hou)期變(bian)(bian)形較(jiao)大(da)的原因，原型觀測資料表(biao)明，在5級子壩河床部(bu)位的表(biao)面(mian)沉(chen)降量已經達到3.1m，且尚未完全穩定(ding)。

按時(shi)間(jian)對數法，可(ke)求得各級荷載(zai)下(xia)的(de)(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形量(liang)如表3所示。試(shi)驗結(jie)果(guo)表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆(fu)荷載(zai)作用(yong)下(xia)，在(zai)(zai)試(shi)驗時(shi)間(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(次固(gu)(gu)結(jie))變(bian)(bian)形是主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形尚(shang)未完成，實際的(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形應更大。對土(tu)體而言，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因(yin)是由于(yu)(yu)土(tu)體在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)完成之后(hou)，土(tu)體中仍有微小的(de)(de)(de)超靜孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅(qu)使水(shui)在(zai)(zai)顆粒問流動，一(yi)般來講土(tu)體的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)遠(yuan)小于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形；對磷(lin)石膏(gao)而言，其(qi)滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量(liang)級，遠(yuan)大于(yu)(yu)黏性土(tu)，但其(qi)卻發(fa)生(sheng)了極為顯著的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形，其(qi)原因(yin)在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷(lin)石膏(gao)晶體結(jie)構發(fa)生(sheng)了壓縮、破壞，接觸點(dian)晶格發(fa)生(sheng)歪(wai)曲和變(bian)(bian)形，而破壞后(hou)晶格之間(jian)的(de)(de)(de)重新排列、調整到最后(hou)趨于(yu)(yu)相對靜止需要相當(dang)長(chang)的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)才能完成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采用英(ying)國GDS公(gong)司(si)進(jin)口的電機(ji)控制動三軸(zhou)試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由于自然沉積的(de)磷石膏密度變(bian)(bian)化(hua)(hua)較大，為此根(gen)據物理性(xing)質試(shi)驗結果，選擇兩種(zhong)平均干(gan)密度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)(hua)范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)(hua)范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

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

式中k1為(wei)參數，表示動(dong)剪切模量的衰減或(huo)阻(zu)尼比的增(zeng)長(chang)速率；λmax為(wei)最大(da)阻(zu)尼比；Gmax，γd分(fen)別為(wei)最大(da)動(dong)剪切模量和歸一(yi)化的動(dong)剪應變，表示為(wei)

式中(zhong)k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標(biao)準大(da)氣壓；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸(gui)一(yi)化的(de)動應變，表(biao)達為(wei)

圖14給出(chu)(chu)(chu)了動剪(jian)切模量、阻尼(ni)比(bi)與歸一化動應變的關系曲(qu)(qu)線(xian)(xian)，另外(wai)圖中(zhong)還給出(chu)(chu)(chu)了式(1)的擬合曲(qu)(qu)線(xian)(xian)以及Seed等給出(chu)(chu)(chu)的砂樣(yang)的上下邊界線(xian)(xian)，圖例中(zhong)，σ2表(biao)示(shi)圍壓(ya)，Kc表(biao)示(shi)固結應力比(bi)。

從圖(tu)中(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可較(jiao)(jiao)好地描(miao)述磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)變試(shi)驗(yan)曲線(xian)(xian)(xian)，表(biao)明采用等(deng)價(jia)黏彈(dan)(dan)性模型進(jin)行循環荷載作用下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析是(shi)可行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)(xian)位于(yu)(yu)干密度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)(xian)上方(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)則位于(yu)(yu)下(xia)方(fang)，表(biao)明密度越(yue)大(da)(da)，動(dong)(dong)彈(dan)(dan)模越(yue)大(da)(da)、阻(zu)尼比(bi)越(yue)小(xiao)；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩(liang)種(zhong)干密度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)(xian)基(ji)本位于(yu)(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界線(xian)(xian)(xian)上方(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)則基(ji)本處(chu)于(yu)(yu)邊(bian)界線(xian)(xian)(xian)中(zhong)間，表(biao)明相(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)砂樣，磷石(shi)(shi)膏動(dong)(dong)彈(dan)(dan)模較(jiao)(jiao)大(da)(da)，會(hui)導(dao)致磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應(ying)較(jiao)(jiao)大(da)(da)，但由(you)于(yu)(yu)阻(zu)尼比(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)(da)，這(zhe)樣又會(hui)削(xue)弱壩(ba)(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應(ying)，二(er)者的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影(ying)響(xiang)下(xia)，磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)反應(ying)將不會(hui)過于(yu)(yu)強烈，這(zhe)對磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)震(zhen)穩定(ding)性是(shi)有(you)利的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇(ze)兩種(zhong)平均干(gan)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，破壞標(biao)準為總應變(bian)達到10%。

圖15給出了動剪(jian)應力比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次Nf的關系(xi)曲線圖，其中σ0為(wei)振(zhen)前試樣45°面上的有效(xiao)法向應力，表(biao)達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結比(bi)。從試驗結果可以看出，沉積磷石膏的動強度與(yu)其它土(tu)體相似，表(biao)現為(wei)圍壓(ya)和(he)固結應力比(bi)與(yu)動剪(jian)應力比(bi)呈負相關關系(xi)。

為(wei)判別沉(chen)積磷石(shi)膏的抗液(ye)化能(neng)力(li)，假(jia)定抗震設計烈度為(wei)8度，即等(deng)效振次(ci)Ⅳ可(ke)取為(wei)30。首先(xian)由式(shi)(4)

所(suo)示(shi)的冪函數關系式得到振次為30時(shi)各個圍壓和固結比下的動剪應力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求得動剪應(ying)(ying)力比(bi)與圍壓和固結應(ying)(ying)力比(bi)的(de)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。

從上述(shu)擬合(he)關系式可見，密實度提高(gao)(gao)后，動(dong)剪應力(li)比提高(gao)(gao)，表明抗(kang)液(ye)(ye)化能(neng)力(li)也提高(gao)(gao)。但即使是在低密度下，其動(dong)剪應力(li)比較之同類的粉(fen)土或粉(fen)砂也大出許多，表明磷石膏具有較高(gao)(gao)的抗(kang)液(ye)(ye)化能(neng)力(li)。

三、結論(lun)

依托柳(liu)樹箐磷石膏(gao)堆積壩，在(zai)鉆探(tan)取樣工作的基礎(chu)上，首先開展了物理性質試驗，然后開展了靜動(dong)力力學特性試驗。通過(guo)上述試驗研(yan)究，得出如下(xia)結論：

(1)沉(chen)積磷石膏(gao)總體(ti)上屬(shu)于(yu)(yu)級(ji)配不良的(de)粉土，局部屬(shu)于(yu)(yu)粉砂一中砂，無自然分級(ji)現(xian)象。其(qi)干密度和粒徑變(bian)化隨(sui)埋深或(huo)距放漿口距離(li)的(de)變(bian)化不明顯(xian)。

(2)沉積磷(lin)石膏水平(ping)方向(xiang)的(de)(de)滲透系數(shu)大于垂(chui)直方向(xiang)的(de)(de)滲透系數(shu)，呈現明顯的(de)(de)各(ge)向(xiang)異性。

(3)與土(tu)體(ti)顆粒不可壓縮(suo)不同(tong)，磷石(shi)膏的(de)晶體(ti)結(jie)構會發生壓縮(suo)破壞(huai)，具有較(jiao)大的(de)壓縮(suo)性，其次固(gu)結(jie)變(bian)形量遠大于主固(gu)結(jie)變(bian)形量。

(4)沉積(ji)磷石膏的靜動強度較(jiao)之同等密實度下的粉土(tu)、粉砂要高。