沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：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(yin)言

磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)是(shi)濕(shi)(shi)法磷(lin)(lin)(lin)酸生(sheng)(sheng)產過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)副產品，2018年(nian)，全國磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)產生(sheng)(sheng)量(liang)為(wei)7800萬噸，且呈逐年(nian)增長(chang)的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)主要成(cheng)分是(shi)CaO和(he)SO3，但(dan)含有一定(ding)量(liang)的(de)(de)(de)氟化物(wu)和(he)其它放射性(xing)物(wu)質，在中(zhong)國通常按(an)Ⅱ類(lei)一般(ban)工(gong)(gong)業固體廢物(wu)處理，鑒(jian)于(yu)無害化處理成(cheng)本(ben)較高(gao)，目前綜合利用(yong)率尚不(bu)足40%，故(gu)大部分磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)需(xu)要堆(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)場(chang)地(di)(di)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，可分為(wei)平地(di)(di)型、傍山型、山谷(gu)型和(he)截河型堆(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)國基本(ben)上是(shi)山谷(gu)型堆(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)(xiang)比較干(gan)法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)經濟優勢明顯(xian)，因而(er)如(ru)地(di)(di)質條件為(wei)非碳酸鹽巖地(di)(di)區，一般(ban)均采用(yong)濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)方式。隨著(zhu)中(zhong)國磷(lin)(lin)(lin)肥工(gong)(gong)業的(de)(de)(de)快速(su)發展(zhan)，本(ben)世紀初中(zhong)國相(xiang)(xiang)繼建設了幾座(zuo)濕(shi)(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)(de)大型磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)，例如(ru)云(yun)天化國際化工(gong)(gong)三環分公司(si)(si)的(de)(de)(de)柳(liu)樹箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)和(he)富瑞分公司(si)(si)的(de)(de)(de)楊(yang)家箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設計壩(ba)高(gao)均超過(guo)100m、處于(yu)8度地(di)(di)震(zhen)區，其安(an)全性(xing)備受關注。

據(ju)統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一(yi)2013年(nian)(nian))來，全世界有118座(zuo)尾(wei)礦(kuang)壩曾發生過破(po)(po)壞或潰壩事(shi)故，原因(yin)主要有地震、洪水漫頂、滲透破(po)(po)壞和基(ji)礎失(shi)穩(wen)。尾(wei)礦(kuang)庫失(shi)事(shi)后會造(zao)成(cheng)巨大的生態災難和人員傷亡，近幾十年(nian)(nian)來，

國(guo)內外對金屬尾礦(kuang)的(de)(de)(de)沉(chen)積(ji)規律(lv)、物理力(li)學特(te)性及(ji)其穩定性開(kai)展了大量的(de)(de)(de)研究(jiu)，但對于(yu)與(yu)金屬尾礦(kuang)庫(ku)相近的(de)(de)(de)磷石(shi)膏庫(ku)，一般僅限于(yu)在可(ke)研階段采用人工(gong)制備樣進行物理力(li)學性質試驗，并據此進行穩定性分析，尚未有(you)人針對己運行若干年(nian)的(de)(de)(de)大型濕法堆存磷石(shi)膏堆積(ji)壩開(kai)展過磷石(shi)膏沉(chen)積(ji)規律(lv)及(ji)其物理力(li)學特(te)性的(de)(de)(de)專項研究(jiu)。

本文依托柳樹(shu)箐磷石(shi)膏堆積壩，首(shou)先進行了(le)鉆(zhan)探取樣(yang)(yang)，采用原(yuan)狀樣(yang)(yang)開(kai)展了(le)密(mi)度、含(han)水率、滲透、土水特(te)(te)征和(he)顆分等物(wu)理(li)性(xing)(xing)質試(shi)驗，在此基礎上(shang)(shang)有針對性(xing)(xing)的(de)選擇(ze)原(yuan)狀樣(yang)(yang)開(kai)展了(le)三軸CU、蠕變及(ji)動(dong)三軸等力學(xue)特(te)(te)性(xing)(xing)試(shi)驗。通過(guo)上(shang)(shang)述試(shi)驗研(yan)究，總結了(le)磷石(shi)膏的(de)沉積規律、滲透特(te)(te)性(xing)(xing)、滲透破壞(huai)特(te)(te)性(xing)(xing)以(yi)及(ji)靜動(dong)力特(te)(te)性(xing)(xing)，上(shang)(shang)述研(yan)究工作(zuo)對研(yan)究和(he)評(ping)估磷石(shi)膏庫堆積壩的(de)穩(wen)定性(xing)(xing)提供了(le)基礎數據(ju)，對現行磷石(shi)膏庫的(de)運行管理(li)以(yi)及(ji)新建工程(cheng)的(de)設計具有重要的(de)借鑒意義。

一、依托工程(cheng)概況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存(cun)設計方案(an)

由(you)初期壩(ba)(ba)和堆積壩(ba)(ba)組成，設計(ji)總壩(ba)(ba)高約(yue)130m。

(1)初期(qi)壩(ba)

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采(cai)用(yong)土料(liao)填筑。上(shang)游坡面、壩(ba)底(di)和下游壩(ba)腳(jiao)設置堆石排水(shui)體(ti)，三者(zhe)相連通(tong)構成整個堆積壩(ba)的主要(yao)排滲系統(tong)。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲措(cuo)施

采用上(shang)游式筑壩法，共20級(ji)(ji)子(zi)壩，頂(ding)寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲管網作(zuo)為輔助排滲方案(an)，目(mu)前己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子(zi)壩和13級(ji)(ji)子(zi)壩壩前120m范(fan)圍內設置(zhi)了井字形排滲管網。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置見(jian)圖l。2008年6月，堆(dui)積至5級(ji)子壩時，布(bu)設了(le)9個取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取(qu)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)76件(jian)；2013年5月，堆(dui)積至13級(ji)子壩時，又布(bu)設了(le)11個取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取(qu)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)112件(jian)，為(wei)比較子壩加高和(he)磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積過程(cheng)中磷石(shi)膏(gao)物理力學性質的(de)變化(hua)，在2，4級(ji)子壩K2孔(kong)和(he)K6孔(kong)附近各布(bu)設了(le)一(yi)個鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號分別為(wei)K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷(lin)石膏(gao)尾礦庫(ku)2005年開工建設(she)，2006年1月投入運行，截(jie)至2013年5月己堆(dui)至13級子(zi)(zi)壩，尚(shang)有7級子(zi)(zi)壩即堆(dui)存至設(she)計(ji)高程。鑒(jian)于磷(lin)石膏(gao)庫(ku)地(di)(di)形、地(di)(di)質條(tiao)件(jian)較(jiao)好(hao)，具(ju)備擴容改造的條(tiao)件(jian)，以提高堆(dui)存庫(ku)容，減(jian)少堆(dui)存占地(di)(di)，節約土地(di)(di)資(zi)源。

本文(wen)主要對(dui)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)物理力學特性(xing)進行了(le)全面(mian)總結，限(xian)于(yu)篇幅(fu)，有關(guan)現狀磷(lin)石(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩的(de)安全性(xing)評價及其加高可行性(xing)的(de)研(yan)究將另文(wen)發表(biao)。

二、沉積磷石膏的物理力學特(te)性

2.1物理(li)特性(xing)

(1)干(gan)密度(du)分布(bu)

圖(tu)2給(gei)出了14個鉆孔(kong)的取樣深度(du)(du)和試驗所得干密度(du)(du)的關系，圖(tu)中UWL表(biao)示水位(wei)線上，(系鉆孔(kong)期間的初見(jian)水位(wei)線，下(xia)同)，DWL表(biao)示水位(wei)線下(xia)。圖(tu)3給(gei)出了水位(wei)線上下(xia)的飽和度(du)(du)分(fen)(fen)布圖(tu)。由于磷石(shi)膏(gao)中的主要成分(fen)(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度(du)(du)和烘(hong)烤(kao)時(shi)間對測定(ding)(ding)(ding)結(jie)果有一定(ding)(ding)(ding)影(ying)響，不(bu)能照搬現行的土(tu)工試驗規范，本文磷石(shi)膏(gao)的含(han)水率(lv)測定(ding)(ding)(ding)方法為(wei)55℃溫(wen)度(du)(du)下(xia)烘(hong)培24h。

圖2沉積磷石(shi)膏干(gan)密度與埋深的關系

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

由(you)(you)圖3，水位線上的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)和(he)度平均值(zhi)(zhi)為50.4%，處(chu)于非飽(bao)(bao)(bao)和(he)狀態，水位線以(yi)下的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)和(he)度平均值(zhi)(zhi)為85.0%，基本處(chu)于飽(bao)(bao)(bao)和(he)狀態，由(you)(you)于水位下降后磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)來(lai)不(bu)及(ji)排水固結(jie)，故而(er)水位線上局(ju)部試樣的(de)飽(bao)(bao)(bao)和(he)度較高。

由(you)圖(tu)2，水位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見(jian)磷(lin)(lin)石膏與一般的(de)(de)尾(wei)礦有(you)所(suo)不同，磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度并不隨埋深的(de)(de)增大(da)而明顯增大(da)，但水位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度從統計意義(yi)上來看仍大(da)于水位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度，這主(zhu)要是由(you)于水位(wei)(wei)線(xian)隨庫水位(wei)(wei)的(de)(de)變(bian)化反(fan)復升降而使(shi)得磷(lin)(lin)石膏排(pai)水固(gu)結(jie)所(suo)致。

室內擊實(shi)得(de)到(dao)的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最(zui)大(da)干密度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從(cong)圖2可(ke)以看出，自然沉(chen)積的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最(zui)大(da)干密度(du)可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原(yuan)因如下：與經典的(de)(de)土骨架不(bu)(bu)可(ke)壓(ya)縮的(de)(de)理(li)論不(bu)(bu)同，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)本(ben)身(shen)可(ke)壓(ya)縮，同時由于顆粒結構不(bu)(bu)穩(wen)定(ding)，擊實(shi)試驗過程中磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)結構被破壞，受夯擊處下陷，四周鼓起，出現(xian)了類似(si)于橡(xiang)皮(pi)土的(de)(de)現(xian)象。而在現(xian)場條件下，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)骨架被破壞后(hou)，會導致顆粒中的(de)(de)結合(he)水(shui)滲出至孔隙內，變成孔隙水(shui)，排(pai)水(shui)固結后(hou)會使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)孔隙比減小(xiao)，干密度(du)增大(da)。

圖4給出了相鄰鉆孔K2和K17(位于(yu)2級(ji)子(zi)壩河床部(bu)位)以及相鄰鉆孔K6和K18(位于(yu)4級(ji)子(zi)壩河床部(bu)位)干密(mi)(mi)度(du)(du)的對比圖。K2鉆孔的干密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均(jun)值為1.30g/cm3，K17鉆孔的干密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均(jun)值為1.32g/cm3；K6鉆孔的干密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均(jun)值為1.36g/cm3，K18鉆孔的干密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均(jun)值為1.37g/cm3。可(ke)見，即使從統計意義上來看，磷石(shi)膏的干密(mi)(mi)度(du)(du)也(ye)并未隨后續(xu)磷石(shi)膏的堆(dui)積(ji)而有較為明顯的增大。

(2)級(ji)配分布

顆粒分析試驗采用密(mi)度(du)計法，制備懸液時不(bu)煮(zhu)沸，不(bu)加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給(gei)出了試驗得(de)到的級配包線、平均粒徑d50、不(bu)均勻(yun)系數(1u和曲率系數Cc的分布圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏(gao)的(de)粒(li)徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體(ti)上屬于(yu)粉土，但(dan)可(ke)能由于(yu)礦石來源或生產(chan)工藝有所(suo)不同(tong)，局部屬于(yu)粉砂～中(zhong)砂。粒(li)徑分布范圍比Blight和張超等的(de)試驗結果要寬一些(xie)。

圖(tu)4子壩加高后(hou)沉積磷石(shi)膏的干密度變化(hua)

圖(tu)5沉積磷石膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向(xiang)(xiang)還是垂直向(xiang)(xiang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)與金(jin)屬(shu)礦(kuang)(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)“前粗后細(xi)，上粗下細(xi)”的(de)自然(ran)分(fen)級現(xian)象不(bu)同，也即粗顆粒(li)(li)并不(bu)是沿埋(mai)深逐步減小(xiao)或距離(li)放漿(jiang)口(kou)(kou)越遠顆粒(li)(li)越細(xi)，其原因如下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成較(jiao)為(wei)集中、均勻，主要(yao)以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配(pei)較(jiao)差；②相比(bi)(bi)(bi)較(jiao)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)較(jiao)小(xiao)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)可(ke)達2.9；③放漿(jiang)口(kou)(kou)隨子壩高度(du)不(bu)斷(duan)增加(jia)而不(bu)斷(duan)變(bian)動并向(xiang)(xiang)庫尾(wei)延(yan)伸，造成沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)粒(li)(li)徑變(bian)化(hua)不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻(yun)系(xi)數Cu范圍值1.61～21.5，平均(jun)值為4.18，曲率系(xi)數(1c范圍值0.28～9.78，平均(jun)值為1.21，在統計的(de)100多個試樣中(zhong)，屬于(yu)級配(pei)不良土的(de)占(zhan)93%。這種級配(pei)特(te)性(xing)決定了磷石膏具(ju)有較高的(de)壓縮性(xing)、滲透(tou)破(po)壞型式(shi)表(biao)現為流(liu)土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲(shen)透系數(shu)

影響滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)主(zhu)要因素是粒(li)徑(jing)大小(xiao)、級(ji)配和(he)孔隙(xi)比，因而磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與粉土(tu)較(jiao)為(wei)接近(jin)。由于(yu)孔隙(xi)比e減(jian)(jian)小(xiao)，使得過水(shui)通道(dao)面積減(jian)(jian)小(xiao)，滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減(jian)(jian)小(xiao)，k與e呈正相關關系(xi)(xi)。對(dui)砂土(tu)，一般認為(wei)滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)(xian)性(xing)關系(xi)(xi)較(jiao)好(hao)，圖6給出了二者間的(de)(de)關系(xi)(xi)曲線(xian)(xian)，由于(yu)沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)不(bu)均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變(bian)化較(jiao)大，使得沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變(bian)化范圍較(jiao)大(平(ping)均值(zhi)為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級(ji))，二者問(wen)的(de)(de)線(xian)(xian)性(xing)關系(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲(shen)透系(xi)數與孔隙(xi)比的(de)關系(xi)

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

圖7給出了(le)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)與垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數比值的(de)分布。沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數kh一般(ban)大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)的(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均(jun)值約為(wei)2.86，這一點與成層(ceng)分布的(de)金(jin)屬尾礦規律一致。造(zao)成沉(chen)(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數的(de)原因(yin)是由(you)于(yu)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有明(ming)顯(xian)的(de)晶體(ti)結(jie)構(gou)，電(dian)鏡掃描顯(xian)示多(duo)為(wei)菱形(xing)(xing)和(he)棱柱狀形(xing)(xing)式(見圖8)，在(zai)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)過程(cheng)中，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆(ke)粒多(duo)呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)排列，使得水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)方向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性大于(yu)垂直(zhi)方向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性，從(cong)而(er)使磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈現明(ming)顯(xian)的(de)各向(xiang)異性。

另根據(ju)中國有色金(jin)屬工(gong)業昆明(ming)勘察設(she)計(ji)研(yan)究院在楊(yang)家箐磷石(shi)膏堆積(ji)壩開展的(de)現場(chang)滲透試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為(wei)1.9。但張超等的(de)室內試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為(wei)0.46，也即垂直向(xiang)滲透系(xi)數大于水平(ping)向(xiang)滲透系(xi)數，與本文和現場(chang)試(shi)驗(yan)結果(guo)恰恰相(xiang)反。從磷石(shi)膏的(de)微觀結構(gou)來看，本文試(shi)驗(yan)結果(guo)更為(wei)合(he)理。

圖7沉積磷(lin)石膏干(gan)密度與水平和垂直滲透系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷石膏(gao)(gao)干密(mi)度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水力梯度J與流速V的(de)(de)關(guan)系曲(qu)線，試驗(yan)(yan)在(zai)水平管涌儀中采(cai)用(yong)(yong)(yong)水平方向的(de)(de)滲(shen)流形式(shi)進(jin)行。試驗(yan)(yan)得到的(de)(de)臨(lin)界坡(po)降Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般來說，對(dui)(dui)1，2級工(gong)程，滲(shen)透(tou)安全系數取為(wei)2.5，則允(yun)(yun)(yun)許出逸坡(po)降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下工(gong)程，滲(shen)透(tou)安全系數取2.0，則允(yun)(yun)(yun)許出逸坡(po)降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)(yun)許比降與粉土一(yi)粉砂大(da)致相同。但上述滲(shen)透(tou)變形試驗(yan)(yan)是(shi)采(cai)用(yong)(yong)(yong)自(zi)來水進(jin)行的(de)(de)，自(zi)來水對(dui)(dui)磷石膏(gao)(gao)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)(yong)(yong)，而實際上磷石膏(gao)(gao)中殘余磷、硫和氟(fu)酸(suan)，庫(ku)水的(de)(de)pH值一(yi)般小(xiao)于(yu)3(稱(cheng)之為(wei)酸(suan)性水)，在(zai)酸(suan)性水作(zuo)用(yong)(yong)(yong)下，磷石膏(gao)(gao)不(bu)會(hui)發生破壞(huai)，上述試驗(yan)(yan)結(jie)果是(shi)偏于(yu)保守(shou)的(de)(de)，但對(dui)(dui)非(fei)酸(suan)性水條件(例如(ru)特(te)大(da)暴雨)下的(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定(ding)判斷有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯度J-流速v試(shi)驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗

試驗在5Bar的壓力板儀(yi)中進行，環刀(dao)尺寸6.18cm。干密度(du)分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表(biao)l列出了含(han)水率特(te)征(zheng)值，試驗曲線見圖(tu)10所示。

試(shi)驗(yan)結果(guo)表明(ming)：①干密度對進氣值沒有明(ming)顯的影響，不同干密度的試(shi)樣的進氣值大致(zhi)在10kPa左右；②土(tu)樣殘余含(han)(han)(han)水率隨干密度的增加而減少，殘余含(han)(han)(han)水率約為(wei)飽和(he)含(han)(han)(han)水率的10%。上述特性與(yu)粉土(tu)一(yi)粉砂基(ji)本一(yi)致(zhi)。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試驗(yan)

由(you)于沉積磷石(shi)膏的(de)(de)密(mi)度(du)變化較(jiao)(jiao)大，而(er)進行(xing)三(san)軸(zhou)試驗(yan)需要若干(gan)原狀樣，為(wei)(wei)使試驗(yan)結果(guo)具有較(jiao)(jiao)好(hao)的(de)(de)一致性(xing)，有針對性(xing)的(de)(de)選擇(ze)平均干(gan)密(mi)度(du)分(fen)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)試樣，進行(xing)了5組三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)。圖(tu)11是為(wei)(wei)干(gan)密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)曲線。

從(cong)圖11可以看出，磷石(shi)膏的應(ying)(ying)力應(ying)(ying)變關(guan)系曲線在(zai)(zai)低圍壓(ya)下表(biao)現(xian)為(wei)(wei)(wei)軟(ruan)化型(xing)，在(zai)(zai)高圍壓(ya)下表(biao)現(xian)為(wei)(wei)(wei)硬化型(xing)，與一般土類相似。但與一般粉(fen)土一粉(fen)砂不同的是(shi)，即使(shi)在(zai)(zai)較為(wei)(wei)(wei)疏松的狀態下，磷石(shi)膏仍表(biao)現(xian)了較為(wei)(wei)(wei)強烈的剪脹(zhang)，隨(sui)密實度增(zeng)大，剪脹(zhang)作用愈發(fa)明顯(xian)。

表(biao)(biao)2給出了不(bu)同干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)下的(de)(de)(de)內摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出了內摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)(de)關系曲(qu)(qu)線。隨(sui)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大，內摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨(sui)之增(zeng)(zeng)大，且(qie)可采用冪函數(shu)較(jiao)(jiao)(jiao)好地擬(ni)合。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應(ying)(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據(ju)擬(ni)合曲(qu)(qu)線求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)9.4%，有效應(ying)(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)3.2%，由于隨(sui)圍壓的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大，孔壓也(ye)明顯增(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)之總應(ying)(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外(wai)較(jiao)(jiao)(jiao)之于干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并(bing)不(bu)顯著(zhu)，表(biao)(biao)明即(ji)使較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)仍具有較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)強度(du)指(zhi)標(biao)，這也(ye)表(biao)(biao)明磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(bian)(次固結)變(bian)(bian)形試(shi)驗

磷石膏的蠕變變形試(shi)驗在側限壓(ya)縮儀中(zhong)進行(xing)，試(shi)驗狀態相當于K0固結。試(shi)樣(yang)直徑(jing)61.8mm，高度(du)(du)20mm，試(shi)樣(yang)干密度(du)(du)為1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)飽(bao)和后分別開(kai)展了上覆壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試(shi)驗(yan)從2012年(nian)8月27日開始，試(shi)驗(yan)己進行了(le)1年(nian)多，試(shi)驗(yan)結果見圖13所示。

從(cong)圖(tu)13中(zhong)可以看出：上(shang)覆荷載越大，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形也越大，荷載施加1年后，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形仍非常顯著(zhu)，尚未(wei)(wei)達到(dao)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態，這也是(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)后期變(bian)形較大的(de)原因，原型觀測資(zi)料表(biao)明，在5級子壩(ba)河床部位的(de)表(biao)面沉降量已經(jing)達到(dao)3.1m，且尚未(wei)(wei)完全穩(wen)定(ding)。

按時間對數(shu)法，可(ke)求(qiu)得各級荷載下的(de)(de)(de)主次(ci)(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形量(liang)(liang)如(ru)表3所(suo)示(shi)。試(shi)驗結(jie)(jie)果(guo)表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)試(shi)驗時間范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形是主固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由于蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形尚未完成(cheng)，實際的(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形應更大(da)。對土(tu)體而言(yan)，發(fa)生(sheng)(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因(yin)是由于土(tu)體在(zai)(zai)主固結(jie)(jie)完成(cheng)之后，土(tu)體中(zhong)仍有微小的(de)(de)(de)超靜孔隙壓(ya)力存在(zai)(zai)，驅(qu)使(shi)水在(zai)(zai)顆粒(li)問流動，一般來講(jiang)土(tu)體的(de)(de)(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)遠小于主固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形；對磷(lin)(lin)石膏而言(yan)，其(qi)滲(shen)透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)(liang)級，遠大(da)于黏性土(tu)，但其(qi)卻發(fa)生(sheng)(sheng)了極(ji)為顯著的(de)(de)(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形，其(qi)原因(yin)在(zai)(zai)于磷(lin)(lin)石膏晶體結(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)(sheng)了壓(ya)縮、破壞，接(jie)觸(chu)點晶格發(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和(he)變(bian)(bian)(bian)形，而破壞后晶格之間的(de)(de)(de)重新排列、調(diao)整到最后趨于相對靜止需(xu)要相當(dang)長的(de)(de)(de)時間才能完成(cheng)。

2.4動(dong)力(li)力(li)學特性(xing)

試(shi)驗(yan)設(she)備(bei)采用英國GDS公司(si)進口的(de)電機控(kong)制動三(san)軸試(shi)驗(yan)系統(tong)，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼(ni)比

同樣由(you)于自然沉積的(de)磷石膏密(mi)度變化(hua)較(jiao)大，為此根據物理(li)性質試驗結果，選擇兩種平均干(gan)密(mi)度1.34g/cm3(變化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動(dong)剪(jian)(jian)切模(mo)量G、阻尼比(bi)與(yu)剪(jian)(jian)應變幅值γd的(de)關系式如下(xia)：

式中k1為(wei)參(can)數，表示動剪(jian)切(qie)模(mo)量的(de)(de)衰減或阻尼(ni)比(bi)的(de)(de)增長速(su)率；λmax為(wei)最大(da)阻尼(ni)比(bi)；Gmax，γd分別(bie)為(wei)最大(da)動剪(jian)切(qie)模(mo)量和歸(gui)一(yi)化的(de)(de)動剪(jian)應變，表示為(wei)

式中(zhong)k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)(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)(ying)變，表達為(wei)

圖(tu)14給出了動剪切模(mo)量、阻尼比與(yu)歸一(yi)化動應變的關系曲線，另外圖(tu)中(zhong)還給出了式(1)的擬合曲線以及Seed等給出的砂樣的上下邊界線，圖(tu)例中(zhong)，σ2表示(shi)圍壓(ya)，Kc表示(shi)固結應力比。

從圖中可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描(miao)述磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)力(li)(li)-動(dong)(dong)應(ying)(ying)變試(shi)驗曲線，表明(ming)采用(yong)等價黏彈性(xing)模型進行循環荷載作用(yong)下(xia)的(de)分析(xi)是(shi)可(ke)行的(de)；②圖14(a)中干(gan)密度為1.45g/cm3的(de)擬合(he)線位于(yu)(yu)干(gan)密度為1.34g/cm3的(de)擬合(he)線上方，圖14(b)中則位于(yu)(yu)下(xia)方，表明(ming)密度越(yue)大(da)，動(dong)(dong)彈模越(yue)大(da)、阻尼比(bi)越(yue)小；③圖14(a)中，兩種干(gan)密度的(de)擬合(he)線基本位于(yu)(yu)Seed等給出的(de)邊(bian)界(jie)線上方，而圖14(b)中則基本處于(yu)(yu)邊(bian)界(jie)線中間(jian)，表明(ming)相(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)砂(sha)樣(yang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)(dong)彈模較(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)導致磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩的(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)(ying)較(jiao)(jiao)大(da)，但(dan)由于(yu)(yu)阻尼比(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)，這(zhe)樣(yang)又(you)會(hui)削弱壩體的(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)(ying)，二者的(de)相(xiang)互影(ying)響(xiang)下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩壩體的(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)(ying)將不會(hui)過于(yu)(yu)強烈，這(zhe)對磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩的(de)抗(kang)震(zhen)穩定性(xing)是(shi)有利的(de)。

(2)動強度(du)

選擇兩種平均干(gan)密(mi)度為1.12(變化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破(po)壞標準(zhun)為總(zong)應變達到(dao)10%。

圖(tu)15給出(chu)了(le)動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與破壞(huai)振(zhen)次Nf的關(guan)系曲線(xian)圖(tu)，其中σ0為(wei)振(zhen)前試(shi)樣45°面上(shang)的有效(xiao)法向應(ying)力(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)比(bi)(bi)。從試(shi)驗結(jie)果可(ke)以(yi)看出(chu)，沉積磷(lin)石膏的動(dong)強度與其它土體相似，表現為(wei)圍(wei)壓(ya)和固結(jie)應(ying)力(li)比(bi)(bi)與動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)(bi)呈負相關(guan)關(guan)系。

為判別沉積磷石膏的抗液化能力，假定抗震設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可(ke)取為30。首(shou)先由(you)式(4)

所示的(de)冪函數(shu)關系(xi)式(shi)得到振次為30時(shi)各個(ge)圍壓和固結比(bi)下的(de)動剪應力(li)比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)與圍(wei)壓(ya)和(he)固(gu)結應(ying)力(li)比(bi)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。

從上述擬合關系式(shi)可見(jian)，密實(shi)度(du)提高(gao)后，動(dong)剪應(ying)力(li)(li)比提高(gao)，表明抗液(ye)化能(neng)力(li)(li)也提高(gao)。但(dan)即(ji)使是(shi)在低密度(du)下，其動(dong)剪應(ying)力(li)(li)比較之同類的粉土或粉砂也大出許多，表明磷石膏具有較高(gao)的抗液(ye)化能(neng)力(li)(li)。

三、結論

依托柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩(ba)，在鉆探取(qu)樣工作的基礎上，首(shou)先(xian)開(kai)展(zhan)了物理(li)性質試(shi)驗(yan)，然(ran)后開(kai)展(zhan)了靜動力力學特性試(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)研究，得出(chu)如(ru)下結論(lun)：

(1)沉積磷(lin)石膏總體上屬(shu)于級(ji)配不良(liang)的(de)粉土，局部(bu)屬(shu)于粉砂一中砂，無自然分級(ji)現象(xiang)。其干密(mi)度和粒徑(jing)變化(hua)隨埋深或距放(fang)漿(jiang)口距離的(de)變化(hua)不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平方(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數(shu)大于垂直方(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數(shu)，呈現明顯的各向(xiang)異(yi)性。

(3)與(yu)土體(ti)顆粒不(bu)(bu)可(ke)壓(ya)縮不(bu)(bu)同，磷石膏的晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)會發生壓(ya)縮破(po)壞，具有較大(da)的壓(ya)縮性，其次(ci)固結(jie)變形(xing)量(liang)遠(yuan)大(da)于(yu)主(zhu)固結(jie)變形(xing)量(liang)。

(4)沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的靜動強度(du)較(jiao)之同等密實度(du)下(xia)的粉土、粉砂要(yao)高。