沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)是磷(lin)酸生(sheng)產過程(cheng)中(zhong)的(de)副產品，目前的(de)綜合(he)利用率尚不(bu)足40%，大(da)部分需要(yao)(yao)堆存(cun)存(cun)放。受地形(xing)限制(zhi)和(he)經濟效益考慮，中(zhong)國主要(yao)(yao)為濕法堆存(cun)的(de)山谷型堆場。依托柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)，針對沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)首先開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)密度、含水率、滲透、土水特征和(he)顆分等物理(li)性(xing)質(zhi)試(shi)驗，然后(hou)開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)三軸(zhou)cu、蠕(ru)(ru)變及動三軸(zhou)等力(li)學特性(xing)試(shi)驗。試(shi)驗結果(guo)表(biao)明：①沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)干密度與埋(mai)深沒有(you)相(xiang)關關系(xi)；②沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)不(bu)具有(you)自然分級現(xian)象，但(dan)具有(you)明顯的(de)各向異性(xing)；③沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)具有(you)較高的(de)摩(mo)擦(ca)角和(he)抗(kang)液化能力(li)，但(dan)其蠕(ru)(ru)變變形(xing)較大(da)、滲透比(bi)降(jiang)較小。上述(shu)工(gong)作為分析磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)壩(ba)體穩定性(xing)提供了(le)基礎，對現(xian)行磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫的(de)運行管理(li)以及新建工(gong)程(cheng)的(de)設計(ji)具有(you)重要(yao)(yao)的(de)借鑒意義。

引(yin)言

磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)濕(shi)法磷酸生產過程中(zhong)的(de)副產品，2018年(nian)(nian)，全國磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產生量為7800萬噸(dun)，且呈(cheng)逐年(nian)(nian)增(zeng)長的(de)態勢。磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)主要(yao)成(cheng)分(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定(ding)量的(de)氟化(hua)物和(he)其(qi)它(ta)放(fang)射性物質，在中(zhong)國通常按Ⅱ類一(yi)般工(gong)業固體廢物處(chu)(chu)理(li)，鑒(jian)于無(wu)害化(hua)處(chu)(chu)理(li)成(cheng)本(ben)較高，目前綜(zong)合(he)利用率尚不(bu)足40%，故(gu)大部分(fen)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)(di)(di)(di)的(de)不(bu)同，可分(fen)為平地(di)(di)(di)(di)型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)國基本(ben)上是(shi)山谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)比較干法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟(ji)優勢明顯，因而如地(di)(di)(di)(di)質條件(jian)為非碳酸鹽巖地(di)(di)(di)(di)區(qu)，一(yi)般均(jun)采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨著(zhu)中(zhong)國磷肥工(gong)業的(de)快(kuai)速發展，本(ben)世紀(ji)初中(zhong)國相(xiang)繼建設(she)了幾(ji)座(zuo)濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)大型(xing)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫，例(li)如云天化(hua)國際化(hua)工(gong)三環分(fen)公司的(de)柳(liu)樹箐磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)和(he)富瑞分(fen)公司的(de)楊家箐磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)，這(zhe)兩座(zuo)壩(ba)(ba)設(she)計壩(ba)(ba)高均(jun)超(chao)過100m、處(chu)(chu)于8度地(di)(di)(di)(di)震(zhen)區(qu)，其(qi)安(an)全性備受關注。

據統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來(lai)，全世界有118座尾礦壩(ba)曾發生過破壞(huai)或潰壩(ba)事故，原因主要(yao)有地震(zhen)、洪水(shui)漫頂、滲透破壞(huai)和基礎失穩。尾礦庫失事后(hou)會造成巨大的生態災難和人員傷亡，近(jin)幾(ji)十年(nian)(nian)來(lai)，

國(guo)內(nei)外對(dui)金屬尾礦(kuang)的(de)(de)沉積(ji)規律、物(wu)理(li)力學(xue)特(te)性及其穩定性開(kai)展了大量的(de)(de)研究，但(dan)對(dui)于(yu)與金屬尾礦(kuang)庫相近的(de)(de)磷(lin)石膏庫，一般(ban)僅限于(yu)在可研階段采用人工制備樣進行物(wu)理(li)力學(xue)性質試驗，并據此進行穩定性分析，尚未有(you)人針對(dui)己運行若干年(nian)的(de)(de)大型濕法堆存磷(lin)石膏堆積(ji)壩開(kai)展過(guo)磷(lin)石膏沉積(ji)規律及其物(wu)理(li)力學(xue)特(te)性的(de)(de)專項研究。

本文依托柳樹箐磷石(shi)膏堆積(ji)(ji)壩，首先進行(xing)了(le)鉆(zhan)探取樣，采(cai)用原狀樣開展了(le)密(mi)度、含水率(lv)、滲(shen)(shen)透、土(tu)水特(te)征(zheng)和顆分(fen)等(deng)物(wu)理(li)性(xing)質試(shi)驗(yan)(yan)，在(zai)此基(ji)(ji)礎上有針對(dui)(dui)性(xing)的(de)(de)選擇原狀樣開展了(le)三(san)軸CU、蠕(ru)變及(ji)動三(san)軸等(deng)力學(xue)特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。通過(guo)上述試(shi)驗(yan)(yan)研究(jiu)，總(zong)結了(le)磷石(shi)膏的(de)(de)沉(chen)積(ji)(ji)規律、滲(shen)(shen)透特(te)性(xing)、滲(shen)(shen)透破(po)壞特(te)性(xing)以(yi)(yi)及(ji)靜動力特(te)性(xing)，上述研究(jiu)工作對(dui)(dui)研究(jiu)和評(ping)估磷石(shi)膏庫堆積(ji)(ji)壩的(de)(de)穩定性(xing)提供了(le)基(ji)(ji)礎數據，對(dui)(dui)現行(xing)磷石(shi)膏庫的(de)(de)運行(xing)管理(li)以(yi)(yi)及(ji)新(xin)建工程的(de)(de)設計具有重(zhong)要的(de)(de)借鑒意義(yi)。

一、依托工程概況

1.1柳樹(shu)箐(qing)磷石膏(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)堆(dui)(dui)存設計方案

由初期壩和堆積壩組成(cheng)，設計總壩高(gao)約(yue)130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采用土料填筑(zhu)。上(shang)游坡面、壩底和下游壩腳設置(zhi)堆石排水體，三者(zhe)相(xiang)連(lian)通構(gou)成整個堆積(ji)壩的主要排滲系統。

(2)堆積壩(ba)及(ji)其輔(fu)助排(pai)滲措施

采(cai)用(yong)上游式(shi)筑壩(ba)法(fa)，共(gong)20級(ji)(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)用(yong)排滲(shen)管網作為輔(fu)助排滲(shen)方案，目(mu)前己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)和13級(ji)(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置(zhi)了(le)井字形排滲(shen)管網。

1.2沉(chen)積(ji)磷石膏的鉆(zhan)探取(qu)樣

鉆(zhan)孔平面位置見圖l。2008年(nian)6月，堆(dui)積至5級(ji)(ji)子(zi)壩時(shi)，布設(she)了9個取(qu)(qu)樣鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號K1～K9，取(qu)(qu)原狀(zhuang)(zhuang)樣76件(jian)；2013年(nian)5月，堆(dui)積至13級(ji)(ji)子(zi)壩時(shi)，又布設(she)了11個取(qu)(qu)樣鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號K10～K20，取(qu)(qu)原狀(zhuang)(zhuang)樣112件(jian)，為比較子(zi)壩加高(gao)和磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積過程中磷(lin)石(shi)膏物理(li)力學性(xing)質的變化，在2，4級(ji)(ji)子(zi)壩K2孔和K6孔附近各布設(she)了一個鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月(yue)投入(ru)運行，截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)己堆至(zhi)13級子壩，尚有7級子壩即堆存(cun)至(zhi)設計高程。鑒于磷石膏庫地形、地質條件較好，具備擴容改造的條件，以提高堆存(cun)庫容，減少(shao)堆存(cun)占地，節約(yue)土(tu)地資源(yuan)。

本(ben)文(wen)主要對沉積(ji)磷石膏(gao)的物理力學特性(xing)進(jin)行(xing)了(le)全(quan)(quan)面總結，限(xian)于篇幅，有(you)關現狀磷石膏(gao)庫(ku)堆積(ji)壩(ba)的安全(quan)(quan)性(xing)評價及其(qi)加高可行(xing)性(xing)的研究將另文(wen)發表。

二、沉積磷石膏的物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出了14個(ge)鉆孔的(de)(de)取樣深度(du)和(he)(he)試(shi)(shi)驗所(suo)得干密度(du)的(de)(de)關系(xi)，圖(tu)中UWL表示(shi)水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)上，(系(xi)鉆孔期間的(de)(de)初(chu)見水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)，下同)，DWL表示(shi)水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)下。圖(tu)3給(gei)出了水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)上下的(de)(de)飽(bao)和(he)(he)度(du)分布圖(tu)。由于磷(lin)石膏中的(de)(de)主要(yao)成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)和(he)(he)烘烤(kao)時間對測定結果有一定影響(xiang)，不(bu)能照搬現行(xing)的(de)(de)土工(gong)試(shi)(shi)驗規范，本文磷(lin)石膏的(de)(de)含(han)水(shui)(shui)(shui)(shui)率測定方法為55℃溫度(du)下烘培24h。

圖2沉(chen)積磷石膏干(gan)密度與(yu)埋深(shen)的(de)關系

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

由(you)圖3，水位線(xian)上的(de)磷石膏飽(bao)(bao)和度平均值為50.4%，處(chu)于(yu)非(fei)飽(bao)(bao)和狀態，水位線(xian)以(yi)下(xia)的(de)磷石膏飽(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)水位下(xia)降后(hou)磷石膏來不及排(pai)水固結(jie)，故而水位線(xian)上局部試樣的(de)飽(bao)(bao)和度較高(gao)。

由圖2，水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)(yi)上的干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)(yi)下的干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)(lin)石膏(gao)與一(yi)般的尾礦有所不(bu)同，磷(lin)(lin)石膏(gao)的干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)并不(bu)隨埋深的增大而(er)明(ming)顯增大，但水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)(yi)下的磷(lin)(lin)石膏(gao)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)從統計意義上來看仍大于水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)(yi)上的磷(lin)(lin)石膏(gao)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)，這主要是由于水位(wei)線(xian)(xian)隨庫水位(wei)的變化反復升降(jiang)而(er)使得磷(lin)(lin)石膏(gao)排水固結(jie)所致。

室內擊實(shi)得(de)到的(de)磷石(shi)(shi)膏最大(da)干(gan)密(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)(ke)以看出(chu)(chu)，自然沉積的(de)磷石(shi)(shi)膏最大(da)干(gan)密(mi)度(du)可(ke)(ke)達到1.73g/cm3，原因(yin)如下(xia)(xia)：與經典(dian)的(de)土骨架不可(ke)(ke)壓縮的(de)理論不同，石(shi)(shi)膏本身可(ke)(ke)壓縮，同時(shi)由于顆粒結(jie)構(gou)不穩(wen)定，擊實(shi)試驗(yan)過程中磷石(shi)(shi)膏結(jie)構(gou)被破壞，受(shou)夯擊處下(xia)(xia)陷，四周鼓起，出(chu)(chu)現(xian)了(le)類似于橡皮(pi)土的(de)現(xian)象。而在現(xian)場(chang)條(tiao)件下(xia)(xia)，石(shi)(shi)膏骨架被破壞后，會導致(zhi)顆粒中的(de)結(jie)合水(shui)滲出(chu)(chu)至孔(kong)隙(xi)內，變成孔(kong)隙(xi)水(shui)，排水(shui)固結(jie)后會使(shi)得(de)磷石(shi)(shi)膏的(de)孔(kong)隙(xi)比(bi)減小，干(gan)密(mi)度(du)增大(da)。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)(wei)于(yu)2級子(zi)(zi)壩(ba)河床部(bu)(bu)位(wei)(wei)(wei))以(yi)及相鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)(wei)于(yu)4級子(zi)(zi)壩(ba)河床部(bu)(bu)位(wei)(wei)(wei))干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均(jun)值為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均(jun)值為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均(jun)值為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均(jun)值為1.37g/cm3。可見，即(ji)使(shi)從(cong)統(tong)計意(yi)義上(shang)來看，磷石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)也并未隨后續磷石膏的(de)(de)堆積(ji)而有較為明顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試(shi)驗(yan)采用密度計法，制備懸(xuan)液時不煮沸，不加六偏(pian)磷(lin)酸鈉。圖(tu)5給(gei)出了試(shi)驗(yan)得到的(de)級配包線、平均粒徑d50、不均勻系(xi)數(shu)(1u和(he)曲率系(xi)數(shu)Cc的(de)分布(bu)圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)(ke)見，磷石(shi)膏的粒徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于粉(fen)土，但可(ke)(ke)能由(you)于礦石(shi)來源或生產工藝有(you)所不同，局部屬于粉(fen)砂～中砂。粒徑分布范圍(wei)比Blight和張(zhang)超等的試驗結果要寬一(yi)些。

圖(tu)4子(zi)壩加高后沉(chen)積磷石(shi)膏的干密度(du)變化

圖5沉積磷石膏的平(ping)均粒(li)徑和級(ji)配(pei)分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平(ping)向還是(shi)垂直向，磷(lin)石膏(gao)(gao)與金(jin)屬礦山尾(wei)礦的“前粗后細(xi)，上粗下(xia)細(xi)”的自然分級現象不(bu)同，也(ye)即粗顆(ke)粒并不(bu)是(shi)沿埋深(shen)逐步減小(xiao)(xiao)或距離放(fang)漿口越遠(yuan)顆(ke)粒越細(xi)，其(qi)原因如(ru)下(xia)：①磷(lin)石膏(gao)(gao)顆(ke)粒粒徑(jing)組成較為(wei)集(ji)中、均勻(yun)，主要以(yi)粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較差(cha)；②相比(bi)(bi)較金(jin)屬尾(wei)礦，磷(lin)石膏(gao)(gao)的比(bi)(bi)重(zhong)(zhong)較小(xiao)(xiao)，磷(lin)石膏(gao)(gao)的比(bi)(bi)重(zhong)(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)(xiao)于金(jin)屬尾(wei)礦的比(bi)(bi)重(zhong)(zhong)，例如(ru)鐵尾(wei)礦的比(bi)(bi)重(zhong)(zhong)可達2.9；③放(fang)漿口隨子壩高(gao)度不(bu)斷增(zeng)加而不(bu)斷變動(dong)并向庫尾(wei)延(yan)伸，造成沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)的粒徑(jing)變化不(bu)明顯。

從圖5(d)可(ke)見，不均勻(yun)系數Cu范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(1c范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)(zhi)為(wei)1.21，在統計(ji)的(de)100多個試樣中，屬于級配(pei)(pei)不良(liang)土(tu)的(de)占93%。這種級配(pei)(pei)特性決(jue)定了磷石膏具有較高的(de)壓縮性、滲透破壞型式表現為(wei)流土(tu)破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)系(xi)數(shu)的(de)主要因(yin)素是粒徑大(da)(da)小、級配(pei)和孔隙比，因(yin)而磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)與粉土(tu)較(jiao)為接(jie)近。由于(yu)孔隙比e減(jian)小，使得(de)過水通道(dao)面積(ji)減(jian)小，滲透(tou)系(xi)數(shu)k也將減(jian)小，k與e呈(cheng)正(zheng)相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土(tu)，一般認為滲透(tou)系(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)好，圖6給出了(le)二者間的(de)關(guan)系(xi)曲線，由于(yu)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)不均勻系(xi)數(shu)變(bian)化較(jiao)大(da)(da)，使得(de)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)變(bian)化范圍(wei)較(jiao)大(da)(da)(平均值為10-4cm/s數(shu)量(liang)級)，二者問的(de)線性關(guan)系(xi)較(jiao)差。

圖6沉積(ji)磷石膏滲透系(xi)數與孔隙比的(de)關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)平與垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)透系數比值的(de)分(fen)布(bu)。沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)水(shui)(shui)平向(xiang)滲(shen)透系數kh一般(ban)大(da)(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)的(de)滲(shen)透系數kv,kh/kv平均值約(yue)為2.86，這一點與成(cheng)層分(fen)布(bu)的(de)金屬尾(wei)礦(kuang)規(gui)律一致(zhi)。造成(cheng)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平向(xiang)滲(shen)透系數大(da)(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)透系數的(de)原因是由于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有明顯的(de)晶(jing)體結構，電鏡掃(sao)描顯示(shi)多為菱形(xing)和棱柱狀(zhuang)形(xing)式(見圖8)，在沉(chen)積過程(cheng)中，由于(yu)扁平狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒多呈水(shui)(shui)平排(pai)列，使得水(shui)(shui)平方向(xiang)的(de)透水(shui)(shui)性(xing)(xing)大(da)(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)的(de)透水(shui)(shui)性(xing)(xing)，從而使磷(lin)石(shi)膏(gao)呈現明顯的(de)各向(xiang)異性(xing)(xing)。

另(ling)根據中國有色金屬工(gong)業昆(kun)明勘察設(she)計研究院在楊家箐磷石(shi)膏堆積壩開(kai)展的現(xian)場(chang)滲透試(shi)驗(yan)(yan)，kh/kv的平均值(zhi)(zhi)約(yue)為1.9。但張超等的室內試(shi)驗(yan)(yan)顯示，kh/kv的平均值(zhi)(zhi)約(yue)為0.46，也即(ji)垂(chui)直向滲透系數大于水平向滲透系數，與(yu)本文和現(xian)場(chang)試(shi)驗(yan)(yan)結果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從(cong)磷石(shi)膏的微觀(guan)結構來(lai)看，本文試(shi)驗(yan)(yan)結果(guo)更為合理(li)。

圖7沉(chen)積磷(lin)石膏干密度與水平和垂直滲透系(xi)數比值(zhi)的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)干密(mi)度為1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力梯度J與(yu)流(liu)速V的(de)(de)關系(xi)曲線，試驗在(zai)水(shui)(shui)平管涌(yong)儀中(zhong)采用水(shui)(shui)平方向的(de)(de)滲(shen)流(liu)形式進(jin)行。試驗得到的(de)(de)臨界(jie)坡降(jiang)Jc=0.355，破壞坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)來(lai)說，對1，2級工程，滲(shen)透(tou)(tou)安(an)全(quan)系(xi)數取為2.5，則允許(xu)出逸坡降(jiang)為0.355/2.5=0.142，對3級以下工程，滲(shen)透(tou)(tou)安(an)全(quan)系(xi)數取2.0，則允許(xu)出逸坡降(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)與(yu)粉土一(yi)粉砂大(da)致相同。但上(shang)述(shu)滲(shen)透(tou)(tou)變(bian)形試驗是采用自來(lai)水(shui)(shui)進(jin)行的(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)對磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)具有一(yi)定的(de)(de)溶蝕(shi)作用，而實際(ji)上(shang)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)中(zhong)殘余(yu)磷(lin)(lin)、硫和(he)氟酸，庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小于3(稱之為酸性水(shui)(shui))，在(zai)酸性水(shui)(shui)作用下，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)不會發生破壞，上(shang)述(shu)試驗結果是偏于保守的(de)(de)，但對非酸性水(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴(bao)雨)下的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)穩定判斷有一(yi)定的(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯度(du)J-流速v試驗過(guo)程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的壓力板儀中進(jin)行，環刀尺(chi)寸(cun)6.18cm。干密(mi)度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力范圍0～500kPa。表(biao)l列出了含(han)水率特征值(zhi)，試(shi)驗(yan)曲線見圖10所示。

試驗結果(guo)表明(ming)：①干(gan)密(mi)度(du)(du)對進氣(qi)值沒有明(ming)顯的(de)影響，不(bu)同干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)試樣(yang)的(de)進氣(qi)值大致在10kPa左(zuo)右；②土(tu)樣(yang)殘余(yu)(yu)含水(shui)率隨干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)增加(jia)而減少，殘余(yu)(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(sha)基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)密度(du)變化較(jiao)(jiao)大，而(er)進行三(san)軸(zhou)試驗(yan)需要若(ruo)干原狀(zhuang)樣，為(wei)使(shi)試驗(yan)結(jie)果具有(you)較(jiao)(jiao)好(hao)的(de)一致性，有(you)針對性的(de)選擇平均干密度(du)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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)干試樣，進行了5組三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)。圖11是為(wei)干密度(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)應力應變關系曲線在低(di)圍壓下(xia)表(biao)現為(wei)軟化型，在高圍壓下(xia)表(biao)現為(wei)硬化型，與(yu)一(yi)般(ban)土類相似。但(dan)與(yu)一(yi)般(ban)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂不同的(de)(de)是，即(ji)使在較(jiao)為(wei)疏(shu)松的(de)(de)狀態(tai)下(xia)，磷(lin)石膏(gao)仍(reng)表(biao)現了較(jiao)為(wei)強烈的(de)(de)剪脹，隨密實度增大(da)，剪脹作用愈發(fa)明顯。

表(biao)2給(gei)出了(le)不同干(gan)密(mi)(mi)度下(xia)的(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出了(le)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)(mi)度的(de)關系曲線(xian)。隨(sui)干(gan)密(mi)(mi)度的(de)增(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨(sui)之(zhi)增(zeng)大(da)，且可采用冪函數(shu)較(jiao)(jiao)(jiao)好(hao)地擬合。磷石(shi)(shi)膏的(de)干(gan)密(mi)(mi)度由(you)(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)加(jia)(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)(jia)了(le)32%，總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)(you)(you)34.1°增(zeng)加(jia)(jia)為(wei)37.3°(根(gen)據(ju)擬合曲線(xian)求得)，增(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效(xiao)應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)(you)(you)37.6°增(zeng)加(jia)(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)(you)(you)于(yu)隨(sui)圍(wei)壓的(de)增(zeng)大(da)，孔壓也明(ming)顯增(zeng)大(da)，故有效(xiao)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另(ling)外較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)于(yu)干(gan)密(mi)(mi)度增(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)幅(fu)并不顯著，表(biao)明(ming)即使較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)疏松的(de)磷石(shi)(shi)膏仍(reng)具有較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)強度指(zhi)標，這也表(biao)明(ming)磷石(shi)(shi)膏堆積壩(ba)的(de)穩定性較(jiao)(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固(gu)結)變形試驗

磷(lin)石膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形試(shi)驗在側限壓(ya)縮儀中進行(xing)，試(shi)驗狀態相當(dang)于K0固結。試(shi)樣直徑(jing)61.8mm，高(gao)度20mm，試(shi)樣干密度為(wei)1.30g/cm3，對(dui)試(shi)樣飽和后分別(bie)開(kai)展了上覆壓(ya)力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗，

試驗從2012年(nian)8月27日開始，試驗己(ji)進行(xing)了1年(nian)多，試驗結果見圖13所示。

從圖13中(zhong)可以看出：上覆荷載越大(da)，磷(lin)石(shi)膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)也越大(da)，荷載施加1年(nian)后，磷(lin)石(shi)膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯(xian)著(zhu)，尚未達到穩定(ding)狀態(tai)，這也是磷(lin)石(shi)膏堆積壩后期(qi)變(bian)形(xing)較大(da)的(de)原因，原型觀測資料表明，在5級子壩河床(chuang)部位的(de)表面沉降量已經(jing)達到3.1m，且(qie)尚未完全(quan)穩定(ding)。

按時(shi)間(jian)對(dui)數(shu)法，可求得各級荷載下(xia)的(de)(de)(de)主次固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所(suo)示。試驗結果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆(fu)荷載作用下(xia)，在(zai)(zai)試驗時(shi)間(jian)范圍內蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(次固(gu)(gu)結)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成(cheng)，實際(ji)的(de)(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大。對(dui)土體(ti)(ti)而言(yan)，發生(sheng)(sheng)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)土體(ti)(ti)在(zai)(zai)主固(gu)(gu)結完成(cheng)之(zhi)后，土體(ti)(ti)中仍有(you)微(wei)小的(de)(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流動，一般來講(jiang)土體(ti)(ti)的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)結遠小于(yu)(yu)主固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷(lin)石(shi)膏而言(yan)，其滲透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠大于(yu)(yu)黏性土，但其卻發生(sheng)(sheng)了極為顯著的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏晶體(ti)(ti)結構發生(sheng)(sheng)了壓縮、破壞，接觸點晶格(ge)(ge)發生(sheng)(sheng)歪曲和(he)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后晶格(ge)(ge)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)重新排列、調(diao)整到最后趨(qu)于(yu)(yu)相(xiang)對(dui)靜(jing)止需要相(xiang)當(dang)長的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)才能完成(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗(yan)(yan)設備采(cai)用英國GDS公司(si)進口(kou)的電機控制(zhi)動三軸(zhou)試驗(yan)(yan)系(xi)統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼比

同樣由于自然(ran)沉積的磷石膏密度(du)變化(hua)較大，為(wei)此(ci)根(gen)據物理性質試(shi)驗結果，選擇兩種平均干密度(du)1.34g/cm3(變化(hua)范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變化(hua)范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的動(dong)剪(jian)切模量G、阻尼比與(yu)剪(jian)應變幅(fu)值γd的關系式(shi)如下：

式(shi)中(zhong)k1為參(can)數，表示動(dong)(dong)剪切模量的衰減或阻尼(ni)比的增長速率(lv)；λmax為最(zui)大阻尼(ni)比；Gmax，γd分別為最(zui)大動(dong)(dong)剪切模量和歸(gui)一化的動(dong)(dong)剪應變，表示為

式中(zhong)k2,n為(wei)(wei)參數(shu)；σm為(wei)(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)(wei)標(biao)準大氣壓；vd為(wei)(wei)動(dong)泊松(song)比；εa為(wei)(wei)歸(gui)一化的動(dong)應(ying)變，表(biao)達為(wei)(wei)

圖(tu)14給(gei)(gei)出(chu)了(le)動(dong)剪切模量(liang)、阻尼(ni)比(bi)與歸(gui)一化(hua)動(dong)應(ying)變(bian)的關系曲線，另外圖(tu)中(zhong)還給(gei)(gei)出(chu)了(le)式(shi)(1)的擬(ni)合曲線以及Seed等給(gei)(gei)出(chu)的砂樣的上下邊(bian)界線，圖(tu)例中(zhong)，σ2表(biao)(biao)示圍壓，Kc表(biao)(biao)示固結應(ying)力比(bi)。

從圖(tu)中可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)好地(di)描述(shu)磷石膏(gao)的(de)(de)(de)動(dong)應(ying)(ying)力(li)(li)-動(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表(biao)明(ming)(ming)采用(yong)等價黏彈(dan)性模(mo)型進行循環荷載作用(yong)下的(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中干(gan)(gan)密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)位于(yu)干(gan)(gan)密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)上方(fang)，圖(tu)14(b)中則(ze)位于(yu)下方(fang)，表(biao)明(ming)(ming)密度(du)越(yue)大，動(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)大、阻(zu)尼比越(yue)小；③圖(tu)14(a)中，兩種干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)基本位于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)邊界線(xian)(xian)上方(fang)，而圖(tu)14(b)中則(ze)基本處于(yu)邊界線(xian)(xian)中間，表(biao)明(ming)(ming)相比較(jiao)砂樣，磷石膏(gao)動(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)大，會導致磷石膏(gao)堆積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反(fan)應(ying)(ying)較(jiao)大，但由(you)于(yu)阻(zu)尼比也較(jiao)大，這(zhe)樣又(you)會削(xue)弱(ruo)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)相互影(ying)響下，磷石膏(gao)堆積壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反(fan)應(ying)(ying)將不(bu)會過于(yu)強(qiang)烈，這(zhe)對磷石膏(gao)堆積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均(jun)干(gan)密度為(wei)1.12(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗(yan)，破(po)壞(huai)標準為(wei)總應變達到(dao)10%。

圖15給出(chu)了動(dong)(dong)剪應(ying)力比τd/σ0′與破壞振次Nf的關系(xi)曲線圖，其中σ0為振前試樣45°面上的有效法向(xiang)應(ying)力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比。從(cong)試驗結果(guo)可以看(kan)出(chu)，沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)的動(dong)(dong)強度與其它土體相似，表現(xian)為圍壓和(he)固結應(ying)力比與動(dong)(dong)剪應(ying)力比呈負相關關系(xi)。

為判別沉積磷石膏的抗液化(hua)能(neng)力，假定抗震設計烈度為8度，即(ji)等效振次Ⅳ可(ke)取(qu)為30。首(shou)先由式(4)

所示的(de)冪函數關系式得到振(zhen)次為30時各個圍壓和(he)固(gu)結比下的(de)動(dong)剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求得動(dong)剪應力(li)比(bi)與圍壓(ya)和固(gu)結(jie)應力(li)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)擬合關系式(shi)可見，密實度(du)提高(gao)后，動剪應力比(bi)提高(gao)，表(biao)明抗液化(hua)能力也提高(gao)。但即(ji)使是在(zai)低密度(du)下，其動剪應力比(bi)較(jiao)之(zhi)同類的(de)粉(fen)土或粉(fen)砂也大出許多，表(biao)明磷石(shi)膏具有較(jiao)高(gao)的(de)抗液化(hua)能力。

三、結論(lun)

依托(tuo)柳(liu)樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開(kai)展了物理性質試驗，然后(hou)開(kai)展了靜動力力學(xue)特性試驗。通過上述(shu)試驗研究，得出如下結論：

(1)沉(chen)積磷石(shi)膏總(zong)體上屬于(yu)(yu)級配不良(liang)的(de)粉(fen)土(tu)，局部屬于(yu)(yu)粉(fen)砂一中(zhong)砂，無自然分級現(xian)象(xiang)。其(qi)干密度和(he)粒徑變化隨埋深或距放漿口距離(li)的(de)變化不明顯。

(2)沉(chen)積磷石膏水平方向的(de)滲透系(xi)數(shu)大(da)于垂直方向的(de)滲透系(xi)數(shu)，呈現明顯的(de)各向異性。

(3)與土體(ti)顆粒不(bu)可(ke)壓(ya)縮不(bu)同(tong)，磷石膏的(de)晶(jing)體(ti)結構會發生壓(ya)縮破壞，具有較大的(de)壓(ya)縮性(xing)，其次固結變形量(liang)遠(yuan)大于主固結變形量(liang)。

(4)沉積(ji)磷石膏的靜動強(qiang)度較之同(tong)等密(mi)實(shi)度下的粉土、粉砂要(yao)高。