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(yan)

磷(lin)石(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)法(fa)磷(lin)酸生產過程中(zhong)(zhong)的(de)副(fu)產品，2018年，全國(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)產生量為(wei)7800萬噸，且呈(cheng)逐年增長(chang)的(de)態勢(shi)。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)主要成分是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定量的(de)氟化物和(he)其它放射性(xing)物質(zhi)(zhi)，在(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)通常按(an)Ⅱ類一(yi)般工(gong)業固體廢物處理(li)，鑒于無害化處理(li)成本較(jiao)(jiao)高，目(mu)前綜合利用(yong)(yong)率尚不足40%，故大(da)部(bu)分磷(lin)石(shi)膏(gao)需要堆(dui)(dui)存存放。按(an)堆(dui)(dui)存場地的(de)不同，可分為(wei)平地型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和(he)截河(he)型(xing)堆(dui)(dui)場，在(zai)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)基本上(shang)是(shi)山谷型(xing)堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較(jiao)(jiao)干法(fa)堆(dui)(dui)存，濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存經濟(ji)優(you)勢(shi)明(ming)顯，因而如(ru)地質(zhi)(zhi)條件為(wei)非(fei)碳酸鹽巖地區，一(yi)般均(jun)采(cai)用(yong)(yong)濕(shi)排(pai)濕(shi)堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)肥(fei)工(gong)業的(de)快速發展(zhan)，本世紀初(chu)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)相(xiang)繼建設(she)了幾(ji)座(zuo)濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存的(de)大(da)型(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)，例如(ru)云天化國(guo)(guo)(guo)(guo)際化工(gong)三(san)環分公司的(de)柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩和(he)富瑞分公司的(de)楊家箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩，這兩(liang)座(zuo)壩設(she)計壩高均(jun)超(chao)過100m、處于8度地震區，其安全性(xing)備(bei)受關注。

據(ju)統計(ji)，110多(duo)年(1901年一2013年)來(lai)，全(quan)世界有118座尾礦壩(ba)曾發生過破壞或(huo)潰壩(ba)事故，原因主要有地(di)震、洪(hong)水漫頂、滲透破壞和基礎失穩。尾礦庫(ku)失事后(hou)會(hui)造成巨(ju)大的生態災難和人員傷亡，近幾十年來(lai)，

國內外對(dui)金屬(shu)(shu)尾礦的沉積(ji)規律、物(wu)理(li)力學特性及(ji)其(qi)穩定性開展了(le)大(da)量的研(yan)(yan)(yan)究，但對(dui)于與金屬(shu)(shu)尾礦庫相近的磷石(shi)膏(gao)庫，一般僅(jin)限(xian)于在可研(yan)(yan)(yan)階段采(cai)用人工制備樣進行物(wu)理(li)力學性質試驗，并據(ju)此(ci)進行穩定性分析，尚(shang)未有人針對(dui)己運行若干年的大(da)型濕法堆(dui)存磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩開展過磷石(shi)膏(gao)沉積(ji)規律及(ji)其(qi)物(wu)理(li)力學特性的專項研(yan)(yan)(yan)究。

本文依托(tuo)柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積壩，首先(xian)進行了(le)(le)鉆探取樣，采用(yong)原狀樣開(kai)(kai)展了(le)(le)密度、含水(shui)率、滲透、土水(shui)特(te)(te)征和顆分(fen)等(deng)物理(li)性(xing)質試驗，在此(ci)基礎上有針對(dui)性(xing)的(de)選(xuan)擇(ze)原狀樣開(kai)(kai)展了(le)(le)三(san)軸CU、蠕變及動三(san)軸等(deng)力學(xue)特(te)(te)性(xing)試驗。通過(guo)上述(shu)試驗研(yan)究，總(zong)結了(le)(le)磷石(shi)膏的(de)沉積規(gui)律(lv)、滲透特(te)(te)性(xing)、滲透破壞特(te)(te)性(xing)以(yi)及靜動力特(te)(te)性(xing)，上述(shu)研(yan)究工作對(dui)研(yan)究和評估磷石(shi)膏庫堆(dui)積壩的(de)穩定性(xing)提供了(le)(le)基礎數據，對(dui)現(xian)行磷石(shi)膏庫的(de)運行管理(li)以(yi)及新建工程的(de)設計具有重要的(de)借(jie)鑒意義。

一、依托(tuo)工程概況

1.1柳(liu)樹(shu)箐(qing)磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計方案

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

(1)初期(qi)壩

初期壩(ba)壩(ba)高約(yue)30m，采用土料填(tian)筑。上游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳(jiao)設置(zhi)堆(dui)石排水體(ti)，三者(zhe)相連通(tong)構成(cheng)整個(ge)堆(dui)積(ji)壩(ba)的主要排滲系(xi)統(tong)。

(2)堆(dui)積壩及其輔助排滲措施

采用(yong)上(shang)游式筑壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬(kuan)6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約(yue)100m。采用(yong)排滲(shen)管(guan)網作為輔助排滲(shen)方案，目前己(ji)在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和(he)13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范(fan)圍內設置了(le)井字形排滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔平(ping)面位(wei)置見圖l。2008年6月(yue)，堆積至5級子壩時，布設了(le)9個取樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔編(bian)號(hao)K1～K9，取原狀樣(yang)(yang)76件；2013年5月(yue)，堆積至13級子壩時，又布設了(le)11個取樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔編(bian)號(hao)K10～K20，取原狀樣(yang)(yang)112件，為比較子壩加(jia)高和磷石膏(gao)堆積過程中磷石膏(gao)物理力學性質的變化，在2，4級子壩K2孔和K6孔附近各(ge)布設了(le)一(yi)個鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔編(bian)號(hao)分別為K17和K18。

1.3運(yun)行概況

柳樹(shu)箐磷石膏尾礦庫(ku)(ku)2005年(nian)(nian)開工建設，2006年(nian)(nian)1月投入(ru)運行(xing)，截至(zhi)(zhi)(zhi)2013年(nian)(nian)5月己堆至(zhi)(zhi)(zhi)13級(ji)子(zi)壩，尚(shang)有7級(ji)子(zi)壩即(ji)堆存(cun)至(zhi)(zhi)(zhi)設計高(gao)程。鑒于磷石膏庫(ku)(ku)地(di)(di)形、地(di)(di)質條件較好，具備擴(kuo)容(rong)改造的條件，以提高(gao)堆存(cun)庫(ku)(ku)容(rong)，減(jian)少堆存(cun)占地(di)(di)，節約土地(di)(di)資源。

本(ben)文主要對沉積磷石膏的(de)物理力學特性(xing)進行了全面總結(jie)，限于篇幅，有關(guan)現(xian)狀磷石膏庫堆積壩的(de)安全性(xing)評(ping)價及(ji)其加高可(ke)行性(xing)的(de)研究將另文發表。

二、沉積磷石膏的物理(li)力學(xue)特性

2.1物理特(te)性

(1)干密度分布

圖2給(gei)出(chu)了14個鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)取樣深度(du)和試驗所得干密度(du)的(de)(de)關系(xi)，圖中UWL表示水位(wei)線(xian)上，(系(xi)鉆(zhan)孔(kong)(kong)期間(jian)的(de)(de)初見(jian)水位(wei)線(xian)，下(xia)同)，DWL表示水位(wei)線(xian)下(xia)。圖3給(gei)出(chu)了水位(wei)線(xian)上下(xia)的(de)(de)飽和度(du)分(fen)布圖。由(you)于磷石膏中的(de)(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和烘(hong)烤時間(jian)對測定結(jie)果有一定影響，不能照搬現(xian)行的(de)(de)土工試驗規范，本文磷石膏的(de)(de)含水率測定方法為55℃溫度(du)下(xia)烘(hong)培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深(shen)的關系

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

由(you)圖3，水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線上的磷石(shi)膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度平均值為50.4%，處于(yu)(yu)(yu)非(fei)飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線以(yi)下的磷石(shi)膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度平均值為85.0%，基本處于(yu)(yu)(yu)飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，由(you)于(yu)(yu)(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)下降后(hou)磷石(shi)膏來不及排水(shui)(shui)固(gu)結，故而水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線上局部試(shi)樣的飽(bao)(bao)和(he)(he)度較高。

由圖(tu)2，水(shui)位線(xian)(xian)(xian)以上的(de)干(gan)密(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位線(xian)(xian)(xian)以下的(de)干(gan)密(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.4g/cm3。可見(jian)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與一般的(de)尾礦有(you)所(suo)不同，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密(mi)(mi)度并不隨(sui)(sui)埋深的(de)增(zeng)大而明(ming)顯增(zeng)大，但水(shui)位線(xian)(xian)(xian)以下的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度從(cong)統計意(yi)義上來(lai)看(kan)仍大于水(shui)位線(xian)(xian)(xian)以上的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度，這主(zhu)要是由于水(shui)位線(xian)(xian)(xian)隨(sui)(sui)庫水(shui)位的(de)變化反復升降(jiang)而使得(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)固結所(suo)致。

室(shi)內擊(ji)實(shi)得(de)到的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)最大(da)干密度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看(kan)出，自然沉積的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)最大(da)干密度(du)可達到1.73g/cm3，原因(yin)如(ru)下(xia)：與經(jing)典的(de)(de)(de)土骨架(jia)不(bu)(bu)可壓(ya)縮的(de)(de)(de)理論不(bu)(bu)同(tong)，石(shi)膏(gao)(gao)本身可壓(ya)縮，同(tong)時由于(yu)顆(ke)粒結構(gou)不(bu)(bu)穩定，擊(ji)實(shi)試驗過程中磷石(shi)膏(gao)(gao)結構(gou)被破(po)壞，受夯擊(ji)處下(xia)陷(xian)，四周鼓起(qi)，出現(xian)(xian)了類(lei)似(si)于(yu)橡皮土的(de)(de)(de)現(xian)(xian)象。而(er)在(zai)現(xian)(xian)場條件下(xia)，石(shi)膏(gao)(gao)骨架(jia)被破(po)壞后(hou)，會導致顆(ke)粒中的(de)(de)(de)結合水滲出至孔(kong)隙內，變成孔(kong)隙水，排水固結后(hou)會使得(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)孔(kong)隙比減小，干密度(du)增大(da)。

圖4給出(chu)了相鄰鉆孔K2和(he)K17(位(wei)于2級子壩河(he)床(chuang)(chuang)部位(wei))以(yi)及相鄰鉆孔K6和(he)K18(位(wei)于4級子壩河(he)床(chuang)(chuang)部位(wei))干密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)對(dui)比(bi)圖。K2鉆孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)為1.37g/cm3。可(ke)見，即使從統計意義上來看(kan)，磷(lin)石膏的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)也并(bing)未隨后續(xu)磷(lin)石膏的(de)(de)堆(dui)積而有較為明顯(xian)的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆(ke)粒(li)分析(xi)試驗采用密(mi)度計法，制備懸液時不煮沸，不加六偏磷酸(suan)鈉。圖5給出(chu)了試驗得到的級配包線、平(ping)均粒(li)徑(jing)d50、不均勻(yun)系數(1u和曲率(lv)系數Cc的分布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏的(de)粒徑主(zhu)要(yao)分(fen)(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之間，總體上屬于(yu)粉土(tu)，但(dan)可(ke)能由(you)于(yu)礦石來源或生產工藝有所(suo)不同，局部屬于(yu)粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分(fen)(fen)布(bu)范圍比Blight和(he)張超等的(de)試(shi)驗結(jie)果要(yao)寬一些。

圖4子(zi)壩加高后(hou)沉積磷石膏(gao)的干密度變化

圖5沉積磷石膏(gao)的(de)平均粒(li)徑(jing)和級(ji)配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向(xiang)(xiang)還是(shi)垂直向(xiang)(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與金(jin)屬礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)“前粗后(hou)細，上粗下細”的(de)自然分級現象不(bu)同，也即粗顆(ke)(ke)粒(li)并不(bu)是(shi)沿埋深(shen)逐步減(jian)小或(huo)距離放漿(jiang)口(kou)(kou)越遠(yuan)顆(ke)(ke)粒(li)越細，其原因如(ru)下：①磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)(ke)粒(li)粒(li)徑(jing)(jing)組(zu)成(cheng)較(jiao)(jiao)為集中、均勻，主要以粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)(jiao)差(cha)；②相比(bi)(bi)較(jiao)(jiao)金(jin)屬尾礦(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重較(jiao)(jiao)小，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重一般為2.3～2.4，遠(yuan)小于金(jin)屬尾礦(kuang)的(de)比(bi)(bi)重，例如(ru)鐵(tie)尾礦(kuang)的(de)比(bi)(bi)重可(ke)達(da)2.9；③放漿(jiang)口(kou)(kou)隨子(zi)壩高(gao)度不(bu)斷增加而(er)不(bu)斷變動并向(xiang)(xiang)庫尾延伸，造(zao)成(cheng)沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑(jing)(jing)變化(hua)不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻系數Cu范圍(wei)值1.61～21.5，平均(jun)值為4.18，曲率(lv)系數(1c范圍(wei)值0.28～9.78，平均(jun)值為1.21，在統計的100多個試樣中，屬于級(ji)配不良(liang)土的占93%。這種級(ji)配特性(xing)決定了磷(lin)石膏具有較高的壓縮性(xing)、滲透破壞型式(shi)表現為流土破壞。

2.2滲透特(te)性

(1)滲(shen)透系數

影響滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)主要因素是粒徑大(da)(da)(da)小、級配和(he)孔隙比，因而磷石(shi)膏的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)(shu)與粉土較(jiao)為(wei)接近。由(you)于孔隙比e減小，使得過水通道面(mian)積減小，滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)(shu)k也將減小，k與e呈正相關(guan)(guan)(guan)關(guan)(guan)(guan)系。對砂土，一般認為(wei)滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)(guan)(guan)系較(jiao)好，圖(tu)6給出了二(er)者(zhe)間的(de)(de)(de)關(guan)(guan)(guan)系曲線(xian)(xian)，由(you)于沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)(de)(de)不均(jun)勻系數(shu)(shu)(shu)變化(hua)(hua)較(jiao)大(da)(da)(da)，使得沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系數(shu)(shu)(shu)變化(hua)(hua)范圍較(jiao)大(da)(da)(da)(平(ping)均(jun)值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級)，二(er)者(zhe)問的(de)(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)(guan)(guan)系較(jiao)差。

圖6沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)滲(shen)透系(xi)數與孔隙比(bi)的(de)關系(xi)

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

圖(tu)7給出了水(shui)(shui)平(ping)與垂直向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)比值(zhi)的(de)(de)分布。沉積(ji)(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)kh一(yi)般大(da)(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)點與成層分布的(de)(de)金屬(shu)尾礦規律一(yi)致。造成沉積(ji)(ji)磷石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)大(da)(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系數(shu)的(de)(de)原因是由(you)于(yu)(yu)磷石(shi)膏(gao)具(ju)有明顯(xian)的(de)(de)晶體結(jie)構，電鏡掃描顯(xian)示多為(wei)菱形(xing)和(he)棱柱狀(zhuang)形(xing)式(見圖(tu)8)，在沉積(ji)(ji)過(guo)程中，由(you)于(yu)(yu)扁平(ping)狀(zhuang)磷石(shi)膏(gao)顆粒多呈水(shui)(shui)平(ping)排列，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)大(da)(da)于(yu)(yu)垂直方向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從(cong)而使(shi)磷石(shi)膏(gao)呈現明顯(xian)的(de)(de)各(ge)向(xiang)異性(xing)。

另(ling)根(gen)據中(zhong)國有色金屬工業(ye)昆明勘(kan)察(cha)設計研(yan)究院在(zai)楊家箐磷石膏(gao)堆積壩開(kai)展的現(xian)場(chang)滲(shen)透試(shi)驗，kh/kv的平(ping)均(jun)值(zhi)約為1.9。但張超等的室內試(shi)驗顯(xian)示，kh/kv的平(ping)均(jun)值(zhi)約為0.46，也即垂直向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數大(da)于水平(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數，與本文(wen)(wen)和(he)現(xian)場(chang)試(shi)驗結果恰恰相反。從磷石膏(gao)的微(wei)觀結構來看，本文(wen)(wen)試(shi)驗結果更為合理。

圖7沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)干密度與(yu)水平和垂直滲透系(xi)數比值的(de)關系(xi)

(2)滲透(tou)變形

圖(tu)9為(wei)(wei)磷石膏干密(mi)度為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水力梯度J與(yu)流速V的(de)(de)關系曲(qu)線，試(shi)驗(yan)在水平管涌儀中(zhong)采(cai)用水平方向的(de)(de)滲(shen)(shen)流形式進行(xing)。試(shi)驗(yan)得(de)到的(de)(de)臨界坡降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來(lai)(lai)說，對(dui)(dui)1，2級(ji)工(gong)程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全系數取(qu)為(wei)(wei)2.5，則允(yun)(yun)許(xu)出逸(yi)坡降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級(ji)以下(xia)工(gong)程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全系數取(qu)2.0，則允(yun)(yun)許(xu)出逸(yi)坡降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許(xu)比降(jiang)(jiang)與(yu)粉土一(yi)粉砂大致相(xiang)同。但上述(shu)滲(shen)(shen)透變形試(shi)驗(yan)是采(cai)用自來(lai)(lai)水進行(xing)的(de)(de)，自來(lai)(lai)水對(dui)(dui)磷石膏具有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)溶蝕作用，而實際上磷石膏中(zhong)殘余磷、硫(liu)和氟(fu)酸，庫水的(de)(de)pH值一(yi)般小于(yu)(yu)3(稱之為(wei)(wei)酸性(xing)水)，在酸性(xing)水作用下(xia)，磷石膏不會發生(sheng)破(po)壞，上述(shu)試(shi)驗(yan)結果(guo)是偏于(yu)(yu)保(bao)守的(de)(de)，但對(dui)(dui)非(fei)酸性(xing)水條件(例如特大暴雨)下(xia)的(de)(de)滲(shen)(shen)透穩定(ding)判斷有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒意(yi)義。

圖(tu)9水力梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特征試驗

試驗在5Bar的壓力板儀中進行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組(zu)，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含(han)水率特征(zheng)值，試驗曲線見圖10所示。

試(shi)驗結果表明：①干密度(du)對進氣值沒(mei)有明顯的(de)影響，不同干密度(du)的(de)試(shi)樣(yang)(yang)的(de)進氣值大致在10kPa左右(you)；②土(tu)(tu)樣(yang)(yang)殘余含(han)水率(lv)(lv)隨(sui)干密度(du)的(de)增(zeng)加而減少，殘余含(han)水率(lv)(lv)約為飽和含(han)水率(lv)(lv)的(de)10%。上述特性與粉(fen)土(tu)(tu)一(yi)粉(fen)砂基本一(yi)致。

2.3靜力力學(xue)特性

(1)三軸CU試(shi)驗(yan)

由于沉積磷石膏(gao)的(de)(de)密度變化較(jiao)大，而(er)進行(xing)三軸試(shi)(shi)驗(yan)需要(yao)若(ruo)干原狀樣(yang)，為(wei)使試(shi)(shi)驗(yan)結果具有較(jiao)好的(de)(de)一致性(xing)，有針對性(xing)的(de)(de)選擇平均干密度分別為(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)(de)若(ruo)干試(shi)(shi)樣(yang)，進行(xing)了5組三軸CU試(shi)(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)干密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸CU試(shi)(shi)驗(yan)曲線。

從圖11可(ke)以(yi)看出(chu)，磷石膏的(de)應力應變關(guan)系(xi)曲線在(zai)低(di)圍(wei)(wei)壓(ya)下表現(xian)為(wei)軟(ruan)化型，在(zai)高(gao)圍(wei)(wei)壓(ya)下表現(xian)為(wei)硬化型，與(yu)一般土(tu)類相似。但(dan)與(yu)一般粉土(tu)一粉砂不同的(de)是，即(ji)使在(zai)較為(wei)疏松的(de)狀態(tai)下，磷石膏仍(reng)表現(xian)了較為(wei)強烈(lie)的(de)剪(jian)脹，隨密(mi)實度增大，剪(jian)脹作(zuo)用愈發明顯(xian)。

表(biao)2給(gei)出了不同干(gan)密(mi)(mi)度(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出了內摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)關(guan)系曲線。隨(sui)干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，內摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)也(ye)(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，且可采用冪函(han)數較好地擬合(he)。磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了32%，總應力摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根(gen)據擬合(he)曲線求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)應力摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由于(yu)隨(sui)圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔壓也(ye)(ye)明顯增(zeng)(zeng)大(da)(da)，故有效(xiao)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較之(zhi)總應力摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)要小。另(ling)外較之(zhi)于(yu)干(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表(biao)明即使較為(wei)(wei)疏(shu)松(song)的(de)(de)磷石膏(gao)仍(reng)具有較高的(de)(de)強度(du)指(zhi)標，這也(ye)(ye)表(biao)明磷石膏(gao)堆積壩的(de)(de)穩定性較高。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形(xing)試驗(yan)

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

試(shi)驗(yan)從(cong)2012年(nian)8月(yue)27日開(kai)始，試(shi)驗(yan)己進(jin)行(xing)了1年(nian)多，試(shi)驗(yan)結果(guo)見圖13所示。

從圖13中(zhong)可以看出(chu)：上(shang)覆荷(he)(he)載越大，磷石(shi)膏(gao)的蠕變變形也越大，荷(he)(he)載施加(jia)1年后(hou)，磷石(shi)膏(gao)的蠕變變形仍非常顯(xian)著(zhu)，尚(shang)未達到穩定狀態，這也是磷石(shi)膏(gao)堆積壩后(hou)期(qi)變形較大的原因，原型觀測資料表(biao)明，在5級(ji)子壩河床部位的表(biao)面沉降量已經達到3.1m，且尚(shang)未完(wan)全穩定。

按時間(jian)對(dui)數法，可求(qiu)得各(ge)級荷載下(xia)的(de)主(zhu)(zhu)次固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量如表(biao)3所示。試(shi)驗結(jie)果(guo)表(biao)明，在(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆荷載作用下(xia)，在(zai)(zai)試(shi)驗時間(jian)范圍(wei)內蠕(ru)變(bian)(次固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie))變(bian)形(xing)是主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由(you)于(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)尚(shang)未完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)，實際(ji)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)應(ying)更大。對(dui)土體(ti)(ti)而(er)(er)言(yan)，發(fa)生蠕(ru)變(bian)的(de)原(yuan)因(yin)是由(you)于(yu)土體(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)之后，土體(ti)(ti)中仍有微小的(de)超(chao)靜孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅使(shi)水(shui)在(zai)(zai)顆(ke)粒問流動，一般來講土體(ti)(ti)的(de)次固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)遠小于(yu)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)；對(dui)磷(lin)石膏而(er)(er)言(yan)，其滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠大于(yu)黏性土，但(dan)其卻發(fa)生了極為顯著(zhu)的(de)次固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)形(xing)，其原(yuan)因(yin)在(zai)(zai)于(yu)磷(lin)石膏晶(jing)體(ti)(ti)結(jie)構發(fa)生了壓縮、破壞(huai)，接觸點晶(jing)格發(fa)生歪(wai)曲和變(bian)形(xing)，而(er)(er)破壞(huai)后晶(jing)格之間(jian)的(de)重(zhong)新排列、調整到(dao)最后趨于(yu)相(xiang)對(dui)靜止需(xu)要相(xiang)當(dang)長的(de)時間(jian)才能完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學(xue)特性

試(shi)驗設(she)備采用英(ying)國GDS公司(si)進(jin)口的電機控制動三軸(zhou)試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼(ni)比

同樣由于(yu)自然沉積的磷石(shi)膏密(mi)(mi)度變化較大(da)，為(wei)此根據物(wu)理性質試驗結果，選擇兩種平均干密(mi)(mi)度1.34g/cm3(變化范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變化范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議的動剪切(qie)模量(liang)G、阻(zu)尼比與(yu)剪應變幅值γd的關系式如下：

式中k1為參數，表(biao)示(shi)動剪(jian)切(qie)模(mo)量(liang)的衰減或阻尼比的增(zeng)長速率；λmax為最(zui)大阻尼比；Gmax，γd分別(bie)為最(zui)大動剪(jian)切(qie)模(mo)量(liang)和(he)歸(gui)一(yi)化的動剪(jian)應變(bian)，表(biao)示(shi)為

式中k2,n為(wei)(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)(wei)(wei)標準(zhun)大(da)氣壓(ya)；vd為(wei)(wei)(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)(wei)(wei)歸一化的動(dong)應(ying)變(bian)，表達為(wei)(wei)(wei)

圖14給出(chu)了動(dong)剪切模(mo)量(liang)、阻尼比(bi)與歸一(yi)化動(dong)應(ying)變(bian)的關系(xi)曲(qu)線，另外圖中(zhong)還給出(chu)了式(shi)(1)的擬合曲(qu)線以及(ji)Seed等給出(chu)的砂樣的上下(xia)邊(bian)界線，圖例中(zhong)，σ2表示圍壓，Kc表示固結應(ying)力比(bi)。

從(cong)圖中(zhong)(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)好地描(miao)述磷石(shi)(shi)膏的動(dong)(dong)應(ying)力(li)-動(dong)(dong)應(ying)變(bian)試驗曲(qu)線(xian)(xian)，表(biao)明采用等(deng)價黏彈(dan)性模(mo)型進行循環荷載作用下的分析是可(ke)行的；②圖14(a)中(zhong)(zhong)干密度(du)為(wei)1.45g/cm3的擬(ni)合線(xian)(xian)位于(yu)干密度(du)為(wei)1.34g/cm3的擬(ni)合線(xian)(xian)上方(fang)，圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位于(yu)下方(fang)，表(biao)明密度(du)越(yue)大，動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)大、阻(zu)(zu)尼比越(yue)小；③圖14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密度(du)的擬(ni)合線(xian)(xian)基本位于(yu)Seed等(deng)給出的邊界(jie)線(xian)(xian)上方(fang)，而圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基本處于(yu)邊界(jie)線(xian)(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)明相(xiang)比較(jiao)砂(sha)樣，磷石(shi)(shi)膏動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)大，會導致磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩(ba)的動(dong)(dong)力(li)反應(ying)較(jiao)大，但(dan)由(you)于(yu)阻(zu)(zu)尼比也較(jiao)大，這樣又(you)會削弱壩(ba)體的動(dong)(dong)力(li)反應(ying)，二者(zhe)的相(xiang)互(hu)影響下，磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩(ba)壩(ba)體的動(dong)(dong)力(li)反應(ying)將不會過于(yu)強烈，這對(dui)磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩(ba)的抗震(zhen)穩定性是有利(li)的。

(2)動強(qiang)度

選擇兩種平均干密度為(wei)(wei)1.12(變化范圍(wei)(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍(wei)(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準為(wei)(wei)總(zong)應(ying)變達到(dao)10%。

圖(tu)15給出(chu)了動(dong)剪應(ying)力(li)(li)比(bi)τd/σ0′與(yu)破(po)壞振(zhen)次(ci)Nf的關系曲線(xian)圖(tu)，其中σ0為(wei)(wei)(wei)振(zhen)前試樣45°面上(shang)的有效法向應(ying)力(li)(li)，表達為(wei)(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)(wei)固結(jie)比(bi)。從(cong)試驗結(jie)果可以看出(chu)，沉積磷石膏(gao)的動(dong)強度與(yu)其它土體相似，表現為(wei)(wei)(wei)圍(wei)壓和固結(jie)應(ying)力(li)(li)比(bi)與(yu)動(dong)剪應(ying)力(li)(li)比(bi)呈負相關關系。

為判別沉積磷石膏的(de)抗液化能(neng)力，假定(ding)抗震設計烈(lie)度(du)(du)為8度(du)(du)，即等效振次(ci)Ⅳ可(ke)取(qu)為30。首先(xian)由式(shi)(4)

所示的冪函數關系式得(de)到振次(ci)為30時各個圍壓和固(gu)結比(bi)下的動剪應力(li)比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可(ke)擬合求得動剪應力(li)比與圍壓和固(gu)結應力(li)比的關系式(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(shi)可(ke)見(jian)，密實度提(ti)高(gao)(gao)后，動剪(jian)應力(li)(li)比(bi)提(ti)高(gao)(gao)，表明抗液(ye)化(hua)能(neng)力(li)(li)也提(ti)高(gao)(gao)。但即(ji)使是在低密度下，其動剪(jian)應力(li)(li)比(bi)較之同(tong)類(lei)的(de)粉(fen)土或粉(fen)砂也大出許多，表明磷石膏具(ju)有較高(gao)(gao)的(de)抗液(ye)化(hua)能(neng)力(li)(li)。

三、結(jie)論

依托柳(liu)樹箐磷石膏堆積(ji)壩，在鉆探取樣工作的基礎上(shang)，首先開展(zhan)了物(wu)理性(xing)質試驗(yan)(yan)，然后開展(zhan)了靜(jing)動力力學特性(xing)試驗(yan)(yan)。通(tong)過上(shang)述試驗(yan)(yan)研究，得出如下結論：

(1)沉積磷石膏(gao)總體(ti)上屬(shu)于(yu)級配不(bu)良的(de)粉土，局部屬(shu)于(yu)粉砂一中砂，無自然分級現象。其(qi)干(gan)密度和粒徑(jing)變(bian)(bian)化隨(sui)埋深或距(ju)放漿(jiang)口距(ju)離的(de)變(bian)(bian)化不(bu)明(ming)顯。

(2)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏水平方(fang)向(xiang)的滲透系數大于垂(chui)直方(fang)向(xiang)的滲透系數，呈現明顯的各向(xiang)異(yi)性。

(3)與(yu)土體顆粒不(bu)可壓縮(suo)不(bu)同，磷石(shi)膏的晶體結(jie)構(gou)會發(fa)生(sheng)壓縮(suo)破(po)壞(huai)，具有較大的壓縮(suo)性，其次固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)(xing)量遠大于主固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)(xing)量。

(4)沉積(ji)磷石膏的(de)靜動強度較之(zhi)同(tong)等密實度下的(de)粉土、粉砂要高。