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

磷石(shi)膏(gao)(gao)是(shi)(shi)濕(shi)(shi)(shi)法磷酸生(sheng)(sheng)產(chan)過程中(zhong)的(de)(de)副產(chan)品，2018年，全(quan)國(guo)磷石(shi)膏(gao)(gao)產(chan)生(sheng)(sheng)量為7800萬噸(dun)，且呈逐年增長的(de)(de)態勢(shi)。磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)主要成分(fen)是(shi)(shi)CaO和(he)SO3，但含(han)有一定量的(de)(de)氟化(hua)(hua)物和(he)其它放(fang)射性物質，在中(zhong)國(guo)通(tong)常(chang)按Ⅱ類(lei)一般(ban)(ban)工(gong)業(ye)固體廢物處理，鑒(jian)于(yu)無害化(hua)(hua)處理成本(ben)(ben)較高，目前綜(zong)合利用率尚(shang)不足40%，故大部分(fen)磷石(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)的(de)(de)不同，可(ke)分(fen)為平地(di)型(xing)(xing)、傍(bang)山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和(he)截(jie)河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)國(guo)基(ji)本(ben)(ben)上是(shi)(shi)山谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)(xiang)比較干法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)經(jing)濟(ji)優勢(shi)明顯，因(yin)而(er)如地(di)質條件為非碳酸鹽(yan)巖地(di)區，一般(ban)(ban)均(jun)采(cai)用濕(shi)(shi)(shi)排濕(shi)(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)磷肥工(gong)業(ye)的(de)(de)快速發展，本(ben)(ben)世紀初中(zhong)國(guo)相(xiang)(xiang)繼建設(she)了(le)幾座濕(shi)(shi)(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大型(xing)(xing)磷石(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例如云(yun)天(tian)化(hua)(hua)國(guo)際化(hua)(hua)工(gong)三環分(fen)公司的(de)(de)柳樹箐(qing)磷石(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)和(he)富瑞分(fen)公司的(de)(de)楊家(jia)箐(qing)磷石(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)，這兩(liang)座壩(ba)(ba)設(she)計壩(ba)(ba)高均(jun)超過100m、處于(yu)8度地(di)震區，其安全(quan)性備受關注。

據統(tong)計，110多年(1901年一2013年)來，全世界有(you)118座尾礦壩(ba)曾(ceng)發生(sheng)過(guo)破壞或潰(kui)壩(ba)事(shi)故，原(yuan)因主要有(you)地震、洪水(shui)漫(man)頂、滲透破壞和(he)基礎(chu)失穩(wen)。尾礦庫失事(shi)后會造成巨大(da)的生(sheng)態災難和(he)人員傷亡，近幾(ji)十(shi)年來，

國內(nei)外對(dui)金屬(shu)尾礦(kuang)(kuang)的(de)沉積(ji)規律(lv)、物(wu)理(li)力學特性(xing)及其穩(wen)(wen)定性(xing)開(kai)(kai)展(zhan)了大量的(de)研(yan)究，但(dan)對(dui)于(yu)與金屬(shu)尾礦(kuang)(kuang)庫相(xiang)近的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫，一般僅(jin)限于(yu)在可研(yan)階段采用人工制(zhi)備樣(yang)進行物(wu)理(li)力學性(xing)質試驗，并(bing)據(ju)此進行穩(wen)(wen)定性(xing)分析，尚未有(you)人針對(dui)己運(yun)行若干年的(de)大型濕法堆存(cun)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)開(kai)(kai)展(zhan)過磷(lin)石(shi)膏(gao)沉積(ji)規律(lv)及其物(wu)理(li)力學特性(xing)的(de)專項研(yan)究。

本文依托柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)，首先進行(xing)了(le)鉆探取樣，采用原狀樣開展了(le)密度、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特(te)征和(he)(he)顆分等物理(li)(li)性質試(shi)驗(yan)(yan)，在(zai)此基礎(chu)上有針(zhen)對性的(de)選擇(ze)原狀樣開展了(le)三(san)(san)軸(zhou)CU、蠕(ru)變及動(dong)三(san)(san)軸(zhou)等力學特(te)性試(shi)驗(yan)(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)(yan)研(yan)究，總結了(le)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)沉積規律、滲(shen)透(tou)特(te)性、滲(shen)透(tou)破壞特(te)性以及靜(jing)動(dong)力特(te)性，上述研(yan)究工作對研(yan)究和(he)(he)評估磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)的(de)穩定性提(ti)供了(le)基礎(chu)數據，對現(xian)行(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)的(de)運(yun)行(xing)管理(li)(li)以及新建工程(cheng)的(de)設計(ji)具有重要的(de)借鑒意義。

一(yi)、依托(tuo)工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存設計方案

由初(chu)期(qi)壩和(he)堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初(chu)期壩

初期壩壩高約30m，采用(yong)土料填筑(zhu)。上(shang)游坡面、壩底和下游壩腳設置堆石排水體，三者相連通構成(cheng)整個堆積壩的主要排滲系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措(cuo)施

采用上(shang)游式筑(zhu)壩法，共20級子(zi)壩，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆(dui)積高(gao)度約(yue)100m。采用排(pai)滲(shen)(shen)管網作為輔(fu)助排(pai)滲(shen)(shen)方案，目前己在5級、9級子(zi)壩和13級子(zi)壩壩前120m范圍內設置了井字形排(pai)滲(shen)(shen)管網。

1.2沉積磷石(shi)膏的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔平面位置見圖l。2008年(nian)(nian)6月(yue)，堆(dui)積至5級(ji)子壩時，布設(she)了9個(ge)取樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔編號(hao)K1～K9，取原狀(zhuang)樣(yang)(yang)76件；2013年(nian)(nian)5月(yue)，堆(dui)積至13級(ji)子壩時，又布設(she)了11個(ge)取樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔編號(hao)K10～K20，取原狀(zhuang)樣(yang)(yang)112件，為比較子壩加高(gao)和磷(lin)石膏堆(dui)積過程中磷(lin)石膏物理力學性質的變化(hua)，在2，4級(ji)子壩K2孔和K6孔附近各(ge)布設(she)了一個(ge)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔編號(hao)分別為K17和K18。

1.3運行概(gai)況

柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)尾(wei)礦庫2005年(nian)開工建(jian)設，2006年(nian)1月(yue)投入運行(xing)，截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)己(ji)堆至(zhi)13級子壩，尚(shang)有7級子壩即堆存至(zhi)設計(ji)高程。鑒于磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫地形、地質條(tiao)件較好，具備擴(kuo)容改造的條(tiao)件，以提(ti)高堆存庫容，減少堆存占(zhan)地，節約土地資源(yuan)。

本文主(zhu)要對沉積磷石(shi)膏的物理力學特性(xing)進行了(le)全面總(zong)結(jie)，限于(yu)篇(pian)幅，有關現狀磷石(shi)膏庫堆(dui)積壩的安全性(xing)評價(jia)及其加高可行性(xing)的研究將(jiang)另文發表。

二、沉積磷石膏(gao)的物理力學特性

2.1物(wu)理特性

(1)干密(mi)度(du)分(fen)布

圖2給(gei)出了14個鉆孔的(de)取樣(yang)深度(du)(du)和試(shi)驗所得干密度(du)(du)的(de)關系(xi)，圖中(zhong)UWL表(biao)示水(shui)位(wei)線(xian)上，(系(xi)鉆孔期間(jian)的(de)初見水(shui)位(wei)線(xian)，下(xia)同(tong))，DWL表(biao)示水(shui)位(wei)線(xian)下(xia)。圖3給(gei)出了水(shui)位(wei)線(xian)上下(xia)的(de)飽和度(du)(du)分布圖。由于磷石膏中(zhong)的(de)主要成分為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫度(du)(du)和烘烤(kao)時間(jian)對測(ce)定結果有一定影響，不(bu)能照搬現行的(de)土工試(shi)驗規范，本文磷石膏的(de)含水(shui)率測(ce)定方(fang)法為(wei)55℃溫度(du)(du)下(xia)烘培(pei)24h。

圖2沉積(ji)磷石膏干密度與埋深的關(guan)系

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

由圖3，水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)(shang)的(de)磷石膏(gao)(gao)飽和度平(ping)均(jun)值為(wei)(wei)50.4%，處(chu)于非(fei)飽和狀態，水(shui)(shui)位線(xian)以下(xia)的(de)磷石膏(gao)(gao)飽和度平(ping)均(jun)值為(wei)(wei)85.0%，基本處(chu)于飽和狀態，由于水(shui)(shui)位下(xia)降(jiang)后磷石膏(gao)(gao)來不及排水(shui)(shui)固結，故(gu)而水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)(shang)局(ju)部試樣的(de)飽和度較高(gao)。

由圖2，水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)上的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)下(xia)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)與一般的(de)尾礦有所(suo)不同，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)并(bing)不隨(sui)埋深(shen)的(de)增大(da)而(er)明顯增大(da)，但水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)下(xia)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)從統計意(yi)義上來看仍大(da)于(yu)水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)上的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)，這主要是由于(yu)水(shui)(shui)位線(xian)隨(sui)庫(ku)水(shui)(shui)位的(de)變(bian)化反復升降而(er)使得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)排(pai)水(shui)(shui)固結所(suo)致。

室內(nei)擊(ji)實(shi)得到(dao)的(de)磷石膏最大干(gan)密(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自然沉積的(de)磷石膏最大干(gan)密(mi)度(du)可達到(dao)1.73g/cm3，原因如(ru)下：與經典的(de)土骨架不可壓(ya)縮的(de)理論不同，石膏本身可壓(ya)縮，同時(shi)由于(yu)顆粒結(jie)構(gou)不穩定，擊(ji)實(shi)試驗(yan)過程中磷石膏結(jie)構(gou)被(bei)(bei)破壞，受夯擊(ji)處下陷(xian)，四周鼓起，出現(xian)了類似于(yu)橡皮土的(de)現(xian)象(xiang)。而在現(xian)場條件下，石膏骨架被(bei)(bei)破壞后(hou)，會導致顆粒中的(de)結(jie)合水(shui)(shui)(shui)滲(shen)出至孔(kong)隙(xi)(xi)內(nei)，變成孔(kong)隙(xi)(xi)水(shui)(shui)(shui)，排(pai)水(shui)(shui)(shui)固結(jie)后(hou)會使(shi)得磷石膏的(de)孔(kong)隙(xi)(xi)比減(jian)小，干(gan)密(mi)度(du)增大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于2級(ji)子(zi)壩(ba)河床(chuang)(chuang)部位(wei)(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于4級(ji)子(zi)壩(ba)河床(chuang)(chuang)部位(wei)(wei))干密(mi)度(du)的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之間，均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即(ji)使從統計(ji)意義上來(lai)看，磷石(shi)膏的(de)(de)干密(mi)度(du)也并(bing)未隨后續(xu)磷石(shi)膏的(de)(de)堆(dui)積而有較為(wei)明顯的(de)(de)增大。

(2)級配分(fen)布(bu)

顆粒分析試驗采用(yong)密度計法，制備(bei)懸液時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得(de)到的級配(pei)包線、平(ping)均粒徑d50、不均勻系數(1u和曲率系數Cc的分布圖。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒徑主要分布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之間，總體(ti)上屬于粉土，但可能由(you)于礦石來源或生(sheng)產工藝有所不同，局部屬于粉砂～中砂。粒徑分布(bu)范圍比Blight和張(zhang)超等的試驗結(jie)果要寬一些。

圖4子(zi)壩加高后(hou)沉積磷(lin)石(shi)膏的干密度變(bian)化

圖5沉(chen)積磷石膏的平均粒徑(jing)和級(ji)配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)(shi)水平(ping)向(xiang)還是(shi)(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)與金屬(shu)礦山尾礦的(de)(de)“前粗后(hou)細，上粗下細”的(de)(de)自(zi)然分級現(xian)象不(bu)同，也即粗顆粒并(bing)不(bu)是(shi)(shi)沿埋深逐(zhu)步(bu)減(jian)小(xiao)或(huo)距離放(fang)漿口越遠(yuan)顆粒越細，其(qi)原因如(ru)下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒粒徑組成較為(wei)集中、均勻，主(zhu)要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級配較差；②相比(bi)較金屬(shu)尾礦，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重較小(xiao)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金屬(shu)尾礦的(de)(de)比(bi)重，例如(ru)鐵尾礦的(de)(de)比(bi)重可達2.9；③放(fang)漿口隨(sui)子壩(ba)高度(du)不(bu)斷(duan)增加(jia)而不(bu)斷(duan)變動并(bing)向(xiang)庫尾延伸，造(zao)成沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒徑變化不(bu)明顯。

從圖5(d)可(ke)見，不均(jun)(jun)勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)4.18，曲(qu)率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.21，在(zai)統計的(de)100多個試樣中，屬于(yu)級配不良土的(de)占(zhan)93%。這種級配特性(xing)決(jue)定了磷(lin)石膏具(ju)有較高(gao)的(de)壓縮性(xing)、滲透破(po)壞型式表現為(wei)流土破(po)壞。

2.2滲透特(te)性

(1)滲透系數(shu)

影響滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的主要因素是(shi)粒徑大小(xiao)、級(ji)配和孔隙比(bi)，因而磷(lin)石膏的滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)與粉(fen)土(tu)較(jiao)為(wei)接近(jin)。由于(yu)孔隙比(bi)e減(jian)(jian)小(xiao)，使得(de)過水通道面積(ji)(ji)減(jian)(jian)小(xiao)，滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也將(jiang)減(jian)(jian)小(xiao)，k與e呈(cheng)正(zheng)相關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土(tu)，一般認為(wei)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的線性(xing)(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)好，圖6給出(chu)了二者(zhe)間的關(guan)系(xi)曲線，由于(yu)沉積(ji)(ji)磷(lin)石膏的不均(jun)勻系(xi)數(shu)(shu)變化(hua)(hua)較(jiao)大，使得(de)沉積(ji)(ji)磷(lin)石膏的滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)變化(hua)(hua)范圍較(jiao)大(平均(jun)值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二者(zhe)問(wen)的線性(xing)(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石膏(gao)滲(shen)透系數(shu)與孔(kong)隙比的(de)關系

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

圖7給(gei)出了水(shui)(shui)平(ping)(ping)與(yu)垂(chui)(chui)(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)比值的(de)(de)(de)分布(bu)。沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)kh一般大(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為2.86，這一點與(yu)成層分布(bu)的(de)(de)(de)金屬尾礦規律一致。造成沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)大(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)系數(shu)(shu)的(de)(de)(de)原因是由(you)于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有(you)明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)晶體(ti)結構，電鏡掃描顯(xian)(xian)示多(duo)為菱形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在(zai)沉(chen)積過程中，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒多(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使(shi)(shi)得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)大(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)(chui)直方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從而使(shi)(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)呈(cheng)現明(ming)顯(xian)(xian)的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中國有色金屬工業昆(kun)明勘察(cha)設(she)計研究院(yuan)在楊家箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩開展的(de)(de)現場(chang)(chang)滲透試(shi)(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約為(wei)1.9。但張超等的(de)(de)室(shi)內試(shi)(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約為(wei)0.46，也即垂(chui)直向滲透系數大于(yu)水平(ping)向滲透系數，與本文(wen)(wen)和(he)現場(chang)(chang)試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果恰恰相反。從磷(lin)石膏的(de)(de)微觀結(jie)構來看，本文(wen)(wen)試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密(mi)度與水(shui)平和垂直滲透系數比值的關系

(2)滲(shen)透變(bian)形

圖9為(wei)(wei)磷(lin)石膏干密度(du)(du)為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度(du)(du)J與流(liu)速(su)V的(de)關系(xi)曲線，試驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)管涌儀中采(cai)用水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)方向的(de)滲(shen)流(liu)形式進行。試驗(yan)得到(dao)的(de)臨(lin)界坡(po)降Jc=0.355，破(po)壞(huai)坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說，對1，2級(ji)工程，滲(shen)透安(an)全(quan)系(xi)數取為(wei)(wei)2.5，則允許(xu)出逸坡(po)降為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下工程，滲(shen)透安(an)全(quan)系(xi)數取2.0，則允許(xu)出逸坡(po)降為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大致相同。但上(shang)述滲(shen)透變(bian)形試驗(yan)是采(cai)用自(zi)(zi)來(lai)水(shui)(shui)(shui)進行的(de)，自(zi)(zi)來(lai)水(shui)(shui)(shui)對磷(lin)石膏具有(you)一(yi)定的(de)溶蝕作(zuo)用，而實際上(shang)磷(lin)石膏中殘(can)余(yu)磷(lin)、硫和氟(fu)酸，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)般小于3(稱之為(wei)(wei)酸性(xing)水(shui)(shui)(shui))，在酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)作(zuo)用下，磷(lin)石膏不會(hui)發生破(po)壞(huai)，上(shang)述試驗(yan)結果是偏(pian)于保(bao)守(shou)的(de)，但對非酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大暴雨)下的(de)滲(shen)透穩定判斷有(you)一(yi)定的(de)借鑒意義。

圖9水力梯度(du)J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特征試驗(yan)

試驗在5Bar的壓力板儀(yi)中(zhong)進行，環刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了(le)含水率特征(zheng)值，試驗曲線見圖10所示。

試驗結果表明(ming)：①干密(mi)度(du)(du)(du)對(dui)進氣值沒有明(ming)顯的(de)影響，不同干密(mi)度(du)(du)(du)的(de)試樣的(de)進氣值大致在10kPa左右；②土(tu)(tu)樣殘余含(han)水(shui)率隨干密(mi)度(du)(du)(du)的(de)增加而減(jian)少，殘余含(han)水(shui)率約(yue)為飽和(he)含(han)水(shui)率的(de)10%。上述特性與(yu)粉土(tu)(tu)一粉砂基本一致。

2.3靜力(li)力(li)學(xue)特性

(1)三(san)軸CU試驗(yan)

由于沉積磷石膏的(de)密度變化較大(da)，而進行(xing)(xing)三(san)軸試(shi)(shi)驗(yan)需要若干(gan)(gan)原狀樣，為(wei)(wei)(wei)使(shi)試(shi)(shi)驗(yan)結果具有較好的(de)一致性，有針對性的(de)選(xuan)擇平均干(gan)(gan)密度分(fen)別為(wei)(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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干(gan)(gan)試(shi)(shi)樣，進行(xing)(xing)了5組三(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)。圖11是(shi)為(wei)(wei)(wei)干(gan)(gan)密度為(wei)(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷(lin)石膏的應力應變關(guan)系曲線在低圍壓下(xia)表現為軟(ruan)化型(xing)，在高圍壓下(xia)表現為硬化型(xing)，與(yu)(yu)一(yi)(yi)般(ban)土類(lei)相似。但與(yu)(yu)一(yi)(yi)般(ban)粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂不同(tong)的是，即使在較為疏松的狀態(tai)下(xia)，磷(lin)石膏仍(reng)表現了較為強烈的剪脹(zhang)(zhang)，隨(sui)密實(shi)度增大，剪脹(zhang)(zhang)作用愈發明(ming)顯。

表2給出了(le)不(bu)同干(gan)(gan)密度(du)(du)下的(de)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖(tu)12給出了(le)內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)密度(du)(du)的(de)關系曲(qu)線。隨干(gan)(gan)密度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采用冪(mi)函數較好地擬合(he)。磷石膏的(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)力(li)(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬合(he)曲(qu)線求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有(you)效(xiao)應(ying)力(li)(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明顯(xian)增(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有(you)效(xiao)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較之總應(ying)力(li)(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另(ling)外較之于干(gan)(gan)密度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不(bu)顯(xian)著(zhu)，表明即使較為(wei)疏松的(de)磷石膏仍(reng)具有(you)較高的(de)強度(du)(du)指標，這也表明磷石膏堆(dui)積壩的(de)穩(wen)定性較高。

(2)蠕變(次(ci)固結)變形試驗

磷石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形試(shi)驗(yan)在側(ce)限壓縮儀中進行(xing)，試(shi)驗(yan)狀態相當于K0固結。試(shi)樣直徑61.8mm，高(gao)度(du)20mm，試(shi)樣干密度(du)為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)樣飽和后分別(bie)開展了(le)上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗(yan)，

試(shi)驗從2012年8月(yue)27日(ri)開始(shi)，試(shi)驗己進行了1年多，試(shi)驗結果見圖13所(suo)示。

從圖13中可(ke)以看出：上(shang)覆荷載(zai)越大(da)，磷石膏的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形也(ye)越大(da)，荷載(zai)施加(jia)1年(nian)后(hou)，磷石膏的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形仍非常顯著，尚(shang)未達到穩(wen)定(ding)狀態，這(zhe)也(ye)是磷石膏堆積壩后(hou)期變(bian)(bian)形較大(da)的(de)原(yuan)因，原(yuan)型觀測資料(liao)表明，在(zai)5級子壩河床部位的(de)表面沉降量已經達到3.1m，且尚(shang)未完全穩(wen)定(ding)。

按時(shi)間(jian)對(dui)數(shu)法，可求得各級(ji)荷載下的(de)主(zhu)次(ci)(ci)固結變(bian)(bian)(bian)形量(liang)如表3所示。試驗(yan)(yan)結果表明(ming)，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)試驗(yan)(yan)時(shi)間(jian)范圍內(nei)蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固結)變(bian)(bian)(bian)形是主(zhu)固結變(bian)(bian)(bian)形的(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形尚未完(wan)成，實際的(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形應更大(da)。對(dui)土(tu)(tu)體(ti)而言，發(fa)生(sheng)(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)原因是由于(yu)土(tu)(tu)體(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固結完(wan)成之(zhi)(zhi)后(hou)，土(tu)(tu)體(ti)中仍(reng)有微小的(de)超靜孔隙壓(ya)力存(cun)在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒(li)問流動，一般來講土(tu)(tu)體(ti)的(de)次(ci)(ci)固結遠小于(yu)主(zhu)固結變(bian)(bian)(bian)形；對(dui)磷(lin)石膏而言，其(qi)滲透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級(ji)，遠大(da)于(yu)黏性土(tu)(tu)，但其(qi)卻發(fa)生(sheng)(sheng)了極為顯著的(de)次(ci)(ci)固結變(bian)(bian)(bian)形，其(qi)原因在(zai)(zai)于(yu)磷(lin)石膏晶體(ti)結構發(fa)生(sheng)(sheng)了壓(ya)縮、破壞，接觸點晶格(ge)發(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)形，而破壞后(hou)晶格(ge)之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)重新(xin)排列、調整到最后(hou)趨于(yu)相對(dui)靜止需要相當長的(de)時(shi)間(jian)才能完(wan)成。

2.4動力(li)力(li)學特性(xing)

試(shi)驗設備采(cai)用英國GDS公司進口的電機控制動三軸(zhou)試(shi)驗系(xi)統，試(shi)樣直徑39.1mm，高(gao)度(du)80mm。

(1)動(dong)模(mo)量(liang)和阻尼比(bi)

同樣由于自然沉(chen)積的磷石膏密(mi)度變(bian)化(hua)(hua)較大，為(wei)此根據物理性質試驗結果，選擇兩種平均干(gan)密(mi)度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪(jian)切模量(liang)G、阻尼比與剪(jian)應變(bian)幅值γd的(de)關系式如下：

式中k1為參(can)數，表示(shi)動(dong)剪(jian)切模(mo)量的(de)(de)衰減或阻尼(ni)比的(de)(de)增長速率；λmax為最大(da)阻尼(ni)比；Gmax，γd分(fen)別為最大(da)動(dong)剪(jian)切模(mo)量和歸一化的(de)(de)動(dong)剪(jian)應(ying)變，表示(shi)為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動泊松(song)比；εa為(wei)歸一化的動應變，表達為(wei)

圖(tu)14給出(chu)了動(dong)剪切模量、阻尼比(bi)與歸(gui)一化動(dong)應變的(de)關系曲線(xian)，另外圖(tu)中(zhong)還給出(chu)了式(1)的(de)擬合曲線(xian)以及Seed等給出(chu)的(de)砂樣的(de)上下邊界線(xian)，圖(tu)例中(zhong)，σ2表(biao)示(shi)圍壓，Kc表(biao)示(shi)固結應力比(bi)。

從圖中(zhong)可以看出：①式(shi)(1)可較(jiao)好地(di)描述(shu)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)動(dong)(dong)應力(li)-動(dong)(dong)應變試驗曲線，表(biao)(biao)明采用等價黏彈(dan)性模(mo)型(xing)進行(xing)循(xun)環(huan)荷載(zai)作(zuo)用下(xia)的(de)分析是可行(xing)的(de)；②圖14(a)中(zhong)干(gan)密度為(wei)1.45g/cm3的(de)擬合線位(wei)(wei)于(yu)(yu)干(gan)密度為(wei)1.34g/cm3的(de)擬合線上方，圖14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)(wei)于(yu)(yu)下(xia)方，表(biao)(biao)明密度越(yue)大，動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)大、阻尼(ni)比越(yue)小；③圖14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密度的(de)擬合線基(ji)本位(wei)(wei)于(yu)(yu)Seed等給(gei)出的(de)邊(bian)界線上方，而(er)圖14(b)中(zhong)則(ze)基(ji)本處于(yu)(yu)邊(bian)界線中(zhong)間，表(biao)(biao)明相比較(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)大，會導致(zhi)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應較(jiao)大，但(dan)由于(yu)(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)大，這樣又會削弱壩(ba)體的(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應，二者的(de)相互影響(xiang)下(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)壩(ba)體的(de)動(dong)(dong)力(li)反(fan)應將不會過(guo)于(yu)(yu)強(qiang)烈，這對(dui)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)抗震穩定性是有利的(de)。

(2)動強(qiang)度

選擇兩種平均干密度為1.12(變(bian)化范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞標準為總應(ying)變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動(dong)剪應(ying)(ying)力比τd/σ0′與破壞(huai)振次(ci)Nf的(de)關(guan)系曲線圖(tu)，其中σ0為(wei)(wei)振前試樣45°面上的(de)有(you)效法向(xiang)應(ying)(ying)力，表達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固(gu)結(jie)比。從試驗結(jie)果(guo)可(ke)以看(kan)出(chu)，沉積磷(lin)石膏的(de)動(dong)強(qiang)度(du)與其它土體相似，表現(xian)為(wei)(wei)圍壓和(he)固(gu)結(jie)應(ying)(ying)力比與動(dong)剪應(ying)(ying)力比呈負相關(guan)關(guan)系。

為判別(bie)沉積磷石膏(gao)的抗(kang)液化能(neng)力(li)，假定抗(kang)震設計烈度為8度，即等效(xiao)振次Ⅳ可(ke)取為30。首先由式(4)

所示的(de)冪函數(shu)關系(xi)式得到振次為30時(shi)各(ge)個圍壓和固(gu)結比下的(de)動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求(qiu)得動剪應(ying)力比與圍壓和固結應(ying)力比的(de)關(guan)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。

從上述擬合關系式可見(jian)，密實度提高(gao)后(hou)，動剪應(ying)(ying)力(li)(li)比提高(gao)，表明抗液(ye)(ye)化(hua)能力(li)(li)也(ye)提高(gao)。但即使是在低密度下，其(qi)動剪應(ying)(ying)力(li)(li)比較(jiao)之同類的粉土(tu)或粉砂也(ye)大出許多(duo)，表明磷石膏具有較(jiao)高(gao)的抗液(ye)(ye)化(hua)能力(li)(li)。

三、結論

依托(tuo)柳樹(shu)箐磷石膏(gao)堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首(shou)先開展(zhan)了物理性質(zhi)試驗，然后開展(zhan)了靜(jing)動力力學特性試驗。通過上述試驗研(yan)究，得出(chu)如下結論(lun)：

(1)沉(chen)積(ji)磷石膏總體上屬于級配不(bu)良的粉(fen)土，局部屬于粉(fen)砂一中砂，無自然分級現象。其干密(mi)度和粒徑變化隨(sui)埋(mai)深或距放漿口距離的變化不(bu)明顯。

(2)沉積磷(lin)石膏水平方向(xiang)的(de)滲(shen)透系數大于垂直方向(xiang)的(de)滲(shen)透系數，呈現明(ming)顯的(de)各向(xiang)異性。

(3)與土體顆粒(li)不可壓縮不同，磷石膏的晶體結(jie)(jie)構會發生壓縮破壞，具(ju)有較大的壓縮性，其次固結(jie)(jie)變(bian)形量(liang)遠(yuan)大于主固結(jie)(jie)變(bian)形量(liang)。

(4)沉積磷石膏的靜動強度較之同等(deng)密實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂要高。