沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)是磷(lin)(lin)酸(suan)生產過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)副產品，目前的(de)(de)綜合利用率尚不(bu)足40%，大(da)部分(fen)需要堆(dui)(dui)存存放(fang)。受地形限(xian)制和經濟效(xiao)益(yi)考慮，中(zhong)國主要為(wei)濕法(fa)堆(dui)(dui)存的(de)(de)山(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)場。依托(tuo)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩，針對沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)首先開展了密度、含水(shui)率、滲透、土水(shui)特(te)(te)征和顆分(fen)等物理性(xing)質試驗，然(ran)后(hou)開展了三(san)軸cu、蠕(ru)變及動三(san)軸等力學特(te)(te)性(xing)試驗。試驗結(jie)果表明：①沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)干密度與埋深沒有相關(guan)關(guan)系(xi)；②沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)不(bu)具有自然(ran)分(fen)級現(xian)象，但(dan)具有明顯的(de)(de)各(ge)向異性(xing)；③沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)具有較(jiao)(jiao)高的(de)(de)摩擦角(jiao)和抗液化能力，但(dan)其蠕(ru)變變形較(jiao)(jiao)大(da)、滲透比降(jiang)較(jiao)(jiao)小。上(shang)述工(gong)作為(wei)分(fen)析磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩的(de)(de)壩體穩定(ding)性(xing)提供了基礎，對現(xian)行磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)庫(ku)的(de)(de)運行管理以及新建工(gong)程(cheng)的(de)(de)設計具有重要的(de)(de)借鑒意義。

引言(yan)

磷(lin)石(shi)膏(gao)是濕(shi)法磷(lin)酸生(sheng)產(chan)過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)副(fu)產(chan)品，2018年，全(quan)國磷(lin)石(shi)膏(gao)產(chan)生(sheng)量為(wei)(wei)7800萬噸，且呈逐年增長(chang)的(de)態勢。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)主要成分(fen)(fen)是CaO和SO3，但含有(you)一定量的(de)氟化(hua)物(wu)和其它放射性物(wu)質，在(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)國通常按(an)Ⅱ類一般工業固體(ti)廢(fei)物(wu)處(chu)理，鑒于無害(hai)化(hua)處(chu)理成本較高(gao)，目(mu)前綜合(he)利用率(lv)尚不(bu)足40%，故大(da)部(bu)分(fen)(fen)磷(lin)石(shi)膏(gao)需(xu)要堆(dui)(dui)(dui)存存放。按(an)堆(dui)(dui)(dui)存場地(di)(di)(di)的(de)不(bu)同，可分(fen)(fen)為(wei)(wei)平地(di)(di)(di)型(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場，在(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)國基本上是山谷型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場。相比(bi)較干法堆(dui)(dui)(dui)存，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存經濟優勢明顯，因而(er)如地(di)(di)(di)質條件為(wei)(wei)非碳(tan)酸鹽巖地(di)(di)(di)區，一般均(jun)采用濕(shi)排(pai)濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。隨(sui)著中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)國磷(lin)肥工業的(de)快速發(fa)展，本世紀初(chu)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)國相繼建設了幾座濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存的(de)大(da)型(xing)(xing)(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫，例(li)如云天化(hua)國際化(hua)工三環分(fen)(fen)公(gong)司(si)的(de)柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)和富瑞分(fen)(fen)公(gong)司(si)的(de)楊家(jia)箐磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)，這(zhe)兩座壩(ba)設計壩(ba)高(gao)均(jun)超過(guo)100m、處(chu)于8度地(di)(di)(di)震區，其安全(quan)性備受(shou)關注。

據(ju)統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來(lai)(lai)，全世界有118座尾礦壩(ba)曾(ceng)發生(sheng)過破(po)壞或(huo)潰壩(ba)事故，原因主(zhu)要有地震、洪水漫頂、滲透破(po)壞和基(ji)礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事后會造成巨大的生(sheng)態(tai)災難和人員(yuan)傷亡，近(jin)幾(ji)十年(nian)(nian)來(lai)(lai)，

國內外(wai)對(dui)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)沉積(ji)(ji)規律、物理力(li)學特性(xing)及其穩定(ding)性(xing)開展了大量的(de)研(yan)(yan)究，但對(dui)于與(yu)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)庫相近的(de)磷石(shi)(shi)膏庫，一般僅限于在可研(yan)(yan)階段(duan)采用(yong)人工制備樣進(jin)行(xing)物理力(li)學性(xing)質(zhi)試驗(yan)，并據此(ci)進(jin)行(xing)穩定(ding)性(xing)分(fen)析(xi)，尚未(wei)有人針對(dui)己運行(xing)若干(gan)年的(de)大型(xing)濕法堆存(cun)磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)(ji)壩開展過磷石(shi)(shi)膏沉積(ji)(ji)規律及其物理力(li)學特性(xing)的(de)專(zhuan)項研(yan)(yan)究。

本文依托(tuo)柳樹箐(qing)磷石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩，首先進(jin)行(xing)了鉆探取樣(yang)(yang)，采用原狀樣(yang)(yang)開(kai)(kai)展了密度、含水率、滲透、土水特(te)征和(he)顆分等物理性質(zhi)試(shi)驗，在此基(ji)礎上有針對性的選擇(ze)原狀樣(yang)(yang)開(kai)(kai)展了三軸CU、蠕變及動(dong)三軸等力(li)學(xue)特(te)性試(shi)驗。通過(guo)上述試(shi)驗研(yan)究，總結了磷石(shi)膏(gao)的沉積(ji)規律、滲透特(te)性、滲透破壞特(te)性以及靜動(dong)力(li)特(te)性，上述研(yan)究工作對研(yan)究和(he)評(ping)估磷石(shi)膏(gao)庫堆積(ji)壩的穩定性提供了基(ji)礎數據(ju)，對現行(xing)磷石(shi)膏(gao)庫的運(yun)行(xing)管(guan)理以及新建工程的設計(ji)具(ju)有重要的借(jie)鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏(gao)堆(dui)積壩堆(dui)存(cun)設計方案(an)

由初期壩和(he)堆積壩組成(cheng)，設計(ji)總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采用土料填筑。上游坡面、壩底和下游壩腳設置堆石排(pai)水(shui)體(ti)，三者相連通構成整個堆積壩的主要排(pai)滲系統。

(2)堆積壩(ba)及其(qi)輔助(zhu)排滲措施

采用上游式(shi)筑壩法(fa)，共20級子(zi)壩，頂(ding)寬6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采用排(pai)滲(shen)管網作為輔助排(pai)滲(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(nei)設置了井字形(xing)排(pai)滲(shen)管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣(yang)

鉆孔(kong)(kong)(kong)平面位置(zhi)見(jian)圖(tu)l。2008年6月，堆積(ji)(ji)至5級子壩時，布(bu)設(she)了9個取(qu)樣鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)K1～K9，取(qu)原狀樣76件(jian)；2013年5月，堆積(ji)(ji)至13級子壩時，又(you)布(bu)設(she)了11個取(qu)樣鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)K10～K20，取(qu)原狀樣112件(jian)，為比(bi)較子壩加高和磷(lin)石膏堆積(ji)(ji)過程中磷(lin)石膏物理力學性質的(de)變(bian)化，在(zai)2，4級子壩K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各(ge)布(bu)設(she)了一個鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)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月投入運行，截至2013年(nian)5月己堆至13級子壩(ba)，尚有(you)7級子壩(ba)即堆存(cun)至設計高程(cheng)。鑒(jian)于磷石膏庫地(di)形(xing)、地(di)質條(tiao)件較好，具備擴容改造的(de)條(tiao)件，以提(ti)高堆存(cun)庫容，減少堆存(cun)占(zhan)地(di)，節約土(tu)地(di)資源。

本文主要(yao)對沉(chen)積(ji)(ji)磷石膏(gao)(gao)的(de)物理(li)力(li)學特性進行了全面總結(jie)，限于(yu)篇(pian)幅，有關現狀(zhuang)磷石膏(gao)(gao)庫(ku)堆積(ji)(ji)壩的(de)安(an)全性評價及其加(jia)高可行性的(de)研究(jiu)將另文發(fa)表(biao)。

二、沉積磷石膏的(de)物(wu)理力學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了(le)14個鉆(zhan)孔的取樣(yang)深度(du)(du)和試驗所得干密度(du)(du)的關(guan)系，圖中(zhong)UWL表示(shi)水位線(xian)上，(系鉆(zhan)孔期間的初見水位線(xian)，下(xia)(xia)同)，DWL表示(shi)水位線(xian)下(xia)(xia)。圖3給出了(le)水位線(xian)上下(xia)(xia)的飽和度(du)(du)分布圖。由(you)于磷石(shi)膏中(zhong)的主要成分為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同溫度(du)(du)和烘(hong)烤時間對測定(ding)(ding)(ding)結果有一定(ding)(ding)(ding)影響(xiang)，不(bu)(bu)能照(zhao)搬現行的土工試驗規范，本文磷石(shi)膏的含水率測定(ding)(ding)(ding)方法(fa)為(wei)55℃溫度(du)(du)下(xia)(xia)烘(hong)培(pei)24h。

圖2沉積磷(lin)石膏干密度與埋(mai)深的關系

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

由(you)圖3，水(shui)位(wei)線(xian)上的磷(lin)(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度平均值為50.4%，處(chu)于非飽(bao)(bao)和(he)狀態，水(shui)位(wei)線(xian)以下的磷(lin)(lin)石膏飽(bao)(bao)和(he)度平均值為85.0%，基本處(chu)于飽(bao)(bao)和(he)狀態，由(you)于水(shui)位(wei)下降(jiang)后(hou)磷(lin)(lin)石膏來(lai)不(bu)及排水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)線(xian)上局部(bu)試樣的飽(bao)(bao)和(he)度較高。

由圖2，水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上(shang)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下(xia)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石膏(gao)與一(yi)般的(de)尾(wei)礦有所(suo)不同，磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)并不隨埋深的(de)增大(da)而明顯增大(da)，但水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下(xia)的(de)磷(lin)石膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)從統計意義上(shang)來看仍大(da)于水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上(shang)的(de)磷(lin)石膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)，這主要是(shi)由于水(shui)(shui)(shui)位(wei)線(xian)隨庫水(shui)(shui)(shui)位(wei)的(de)變化(hua)反復升降而使得(de)磷(lin)石膏(gao)排水(shui)(shui)(shui)固結所(suo)致。

室內擊(ji)實得到的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干密(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從(cong)圖2可(ke)以看出(chu)，自(zi)然沉積的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干密(mi)度(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原因(yin)如下：與經(jing)典的(de)(de)土骨(gu)架不(bu)可(ke)壓縮的(de)(de)理論不(bu)同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)本身可(ke)壓縮，同(tong)時(shi)由于顆粒結(jie)構不(bu)穩定(ding)，擊(ji)實試驗過(guo)程中磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)結(jie)構被破壞，受夯擊(ji)處下陷(xian)，四周鼓起，出(chu)現(xian)了類似于橡皮土的(de)(de)現(xian)象。而在現(xian)場條件下，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)架被破壞后(hou)，會(hui)導致(zhi)顆粒中的(de)(de)結(jie)合水(shui)滲出(chu)至(zhi)孔(kong)隙內，變成孔(kong)隙水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)后(hou)會(hui)使得磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)孔(kong)隙比減小，干密(mi)度(du)增大。

圖4給出了相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)于2級(ji)子壩河床部位(wei))以及(ji)相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)于4級(ji)子壩河床部位(wei))干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使(shi)從(cong)統計意(yi)義上來看，磷石膏的(de)(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)也(ye)并(bing)未(wei)隨后續磷石膏的(de)(de)堆(dui)積而(er)有較(jiao)為(wei)(wei)(wei)明顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試(shi)(shi)驗(yan)(yan)采用密(mi)度(du)計法，制(zhi)備(bei)懸液時(shi)不煮沸，不加(jia)六偏(pian)磷酸鈉。圖(tu)5給出了(le)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)得到的(de)(de)級配包線、平均粒徑d50、不均勻系(xi)數(shu)(1u和曲率系(xi)數(shu)Cc的(de)(de)分布圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏(gao)的(de)粒(li)(li)徑主要分(fen)布在(zai)0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬于(yu)(yu)粉土，但可(ke)能由于(yu)(yu)礦(kuang)石來源或生(sheng)產工藝有所(suo)不同，局部(bu)屬于(yu)(yu)粉砂(sha)～中(zhong)砂(sha)。粒(li)(li)徑分(fen)布范圍比Blight和張超等的(de)試驗(yan)結果要寬一些。

圖4子壩加高(gao)后沉積磷石膏的干密(mi)度(du)變化

圖5沉積磷(lin)石膏的(de)平(ping)均粒徑和級配(pei)分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)與金屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的(de)“前粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下(xia)細(xi)”的(de)自(zi)然分級現(xian)象不(bu)(bu)同，也(ye)即(ji)粗(cu)顆(ke)粒(li)并不(bu)(bu)是沿埋深逐步減小或距離放漿口(kou)越遠顆(ke)粒(li)越細(xi)，其原因(yin)如下(xia)：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑組成(cheng)較(jiao)為集(ji)中、均勻，主要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差；②相比(bi)(bi)(bi)較(jiao)金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)較(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)一般為2.3～2.4，遠小于金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿口(kou)隨子(zi)壩(ba)高度(du)不(bu)(bu)斷增加而不(bu)(bu)斷變動并向(xiang)庫(ku)尾(wei)延伸，造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑變化不(bu)(bu)明(ming)顯(xian)。

從圖5(d)可見，不(bu)均(jun)勻系數Cu范(fan)圍值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲率(lv)系數(1c范(fan)圍值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.21，在統計(ji)的100多個試樣中，屬于級配(pei)不(bu)良土(tu)的占93%。這種級配(pei)特性決定了磷石膏具有較高的壓(ya)縮性、滲(shen)透破(po)壞(huai)型式表現為(wei)(wei)流土(tu)破(po)壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的主要因素是粒(li)徑大小(xiao)、級(ji)配和孔隙比，因而磷石(shi)膏(gao)(gao)的滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)為接近(jin)。由(you)于(yu)孔隙比e減(jian)小(xiao)，使得(de)過水通道面積減(jian)小(xiao)，滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)k也(ye)將減(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈正相關關系(xi)。對砂土，一般認(ren)為滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的線(xian)性關系(xi)較(jiao)好，圖6給出了二者間的關系(xi)曲線(xian)，由(you)于(yu)沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的不(bu)均(jun)勻系(xi)數(shu)(shu)(shu)變化(hua)較(jiao)大，使得(de)沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)變化(hua)范圍較(jiao)大(平均(jun)值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級(ji))，二者問的線(xian)性關系(xi)較(jiao)差。

圖(tu)6沉(chen)積磷石膏滲透系數與孔隙(xi)比的關(guan)系

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

圖7給出了水(shui)(shui)平(ping)與(yu)垂(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)(xi)數比值(zhi)(zhi)的(de)分布。沉(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)(xi)數kh一(yi)(yi)般大于垂(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)(yi)點與(yu)成(cheng)層(ceng)分布的(de)金(jin)屬尾礦規(gui)律一(yi)(yi)致。造成(cheng)沉(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)(xi)數大于垂(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)(xi)數的(de)原因是由于磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)晶體結構，電(dian)鏡掃(sao)描顯(xian)示多為(wei)菱(ling)形(xing)和棱(leng)柱狀形(xing)式(見(jian)圖8)，在沉(chen)積(ji)過程中，由于扁平(ping)狀磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆(ke)粒(li)多呈水(shui)(shui)平(ping)排列，使得水(shui)(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性大于垂(chui)(chui)直方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性，從(cong)而使磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)呈現明(ming)顯(xian)的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根據中國有色金屬工業昆明勘察(cha)設計研究院(yuan)在楊家(jia)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏堆積(ji)壩開展的現場滲(shen)透試(shi)驗，kh/kv的平均(jun)值約(yue)為1.9。但張(zhang)超等的室內試(shi)驗顯(xian)示，kh/kv的平均(jun)值約(yue)為0.46，也(ye)即垂直向滲(shen)透系數大于水平向滲(shen)透系數，與本文和現場試(shi)驗結果恰(qia)恰(qia)相反(fan)。從磷(lin)(lin)石(shi)膏的微觀結構來看，本文試(shi)驗結果更(geng)為合理。

圖7沉積磷石膏干密度與水平和垂(chui)直滲透系數比值的關系

(2)滲透變形

圖(tu)9為(wei)(wei)磷石(shi)膏干密度為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)力梯度J與流速(su)V的(de)(de)關系曲線，試(shi)驗(yan)(yan)在水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)管涌儀(yi)中采(cai)用水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)方向的(de)(de)滲流形式(shi)進行(xing)(xing)。試(shi)驗(yan)(yan)得到的(de)(de)臨界(jie)坡(po)(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說，對1，2級(ji)工程，滲透(tou)(tou)安(an)全系數取為(wei)(wei)2.5，則允(yun)(yun)許出(chu)(chu)逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下(xia)工程，滲透(tou)(tou)安(an)全系數取2.0，則允(yun)(yun)許出(chu)(chu)逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許比(bi)降(jiang)(jiang)與粉(fen)土一粉(fen)砂(sha)大致相同。但上述(shu)滲透(tou)(tou)變形試(shi)驗(yan)(yan)是(shi)采(cai)用自來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)進行(xing)(xing)的(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)對磷石(shi)膏具有(you)一定(ding)的(de)(de)溶蝕作用，而實際(ji)上磷石(shi)膏中殘余(yu)磷、硫(liu)和氟酸，庫水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)pH值一般小(xiao)于3(稱之為(wei)(wei)酸性(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui))，在酸性(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)作用下(xia)，磷石(shi)膏不會發生破壞，上述(shu)試(shi)驗(yan)(yan)結果是(shi)偏于保守的(de)(de)，但對非酸性(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)條件(例如特大暴雨)下(xia)的(de)(de)滲透(tou)(tou)穩定(ding)判斷有(you)一定(ding)的(de)(de)借鑒(jian)意義。

圖9水力梯(ti)度J-流速v試驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在5Bar的(de)壓力(li)板儀中進行，環(huan)刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列(lie)出了含水率特征值，試(shi)驗曲線見(jian)圖10所示(shi)。

試(shi)驗結果表明：①干密(mi)度對進(jin)氣(qi)值(zhi)沒有明顯的影響，不同干密(mi)度的試(shi)樣的進(jin)氣(qi)值(zhi)大(da)致在(zai)10kPa左右；②土(tu)樣殘(can)余含水(shui)(shui)率(lv)隨干密(mi)度的增加(jia)而減少，殘(can)余含水(shui)(shui)率(lv)約為飽和(he)含水(shui)(shui)率(lv)的10%。上述特性與粉土(tu)一(yi)粉砂基本一(yi)致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于(yu)沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏的密(mi)度變化較(jiao)大，而進行三(san)軸試(shi)驗(yan)(yan)需要若干原狀樣，為(wei)使試(shi)驗(yan)(yan)結果具有(you)較(jiao)好的一致性(xing)，有(you)針對性(xing)的選擇(ze)平(ping)均干密(mi)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)的若干試(shi)樣，進行了(le)5組三(san)軸CU試(shi)驗(yan)(yan)。圖11是(shi)為(wei)干密(mi)度為(wei)1.2和1.58g/cm3的三(san)軸CU試(shi)驗(yan)(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷石膏的應(ying)力應(ying)變(bian)關系曲線在(zai)(zai)低圍(wei)壓下(xia)(xia)(xia)表現為(wei)軟化型(xing)，在(zai)(zai)高(gao)圍(wei)壓下(xia)(xia)(xia)表現為(wei)硬化型(xing)，與一般土類相似。但(dan)與一般粉土一粉砂不同(tong)的是，即使(shi)在(zai)(zai)較(jiao)為(wei)疏松的狀態下(xia)(xia)(xia)，磷石膏仍(reng)表現了(le)較(jiao)為(wei)強烈(lie)的剪脹(zhang)，隨密實度增大，剪脹(zhang)作用(yong)愈發明顯。

表(biao)(biao)2給(gei)(gei)出了不同干密度(du)(du)下的(de)(de)(de)內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)(gei)出了內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干密度(du)(du)的(de)(de)(de)關系曲(qu)線。隨干密度(du)(du)的(de)(de)(de)增大，內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨之增大，且可采(cai)用冪(mi)函數較好(hao)地擬合。磷石(shi)膏的(de)(de)(de)干密度(du)(du)由1.20g/cm3增加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增加(jia)了32%，總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬合曲(qu)線求得(de))，增幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有(you)效應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由于隨圍壓(ya)的(de)(de)(de)增大，孔壓(ya)也明顯增大，故有(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增幅(fu)較之總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小(xiao)。另(ling)外較之于干密度(du)(du)增幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)增幅(fu)并不顯著，表(biao)(biao)明即使(shi)較為(wei)(wei)疏松(song)的(de)(de)(de)磷石(shi)膏仍具有(you)較高的(de)(de)(de)強度(du)(du)指標，這(zhe)也表(biao)(biao)明磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)穩(wen)定性較高。

(2)蠕變(次固(gu)結(jie))變形(xing)試驗

磷石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形試(shi)(shi)(shi)驗在側限(xian)壓(ya)縮儀中進行，試(shi)(shi)(shi)驗狀態相當(dang)于K0固結(jie)。試(shi)(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)(shi)樣飽和后分別開(kai)展了上覆壓(ya)力(li)ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)(shi)驗，

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

從(cong)圖(tu)13中可以看出：上覆荷(he)載越大(da)，磷(lin)石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)也越大(da)，荷(he)載施加1年后，磷(lin)石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)仍非常顯著，尚(shang)未達(da)到穩定(ding)狀態，這也是磷(lin)石膏堆積(ji)壩后期變(bian)形(xing)(xing)較(jiao)大(da)的原因，原型觀測(ce)資料表明，在5級子壩河床部位的表面沉降(jiang)量(liang)已經(jing)達(da)到3.1m，且尚(shang)未完全穩定(ding)。

按時(shi)間對(dui)(dui)數法，可求得(de)各級荷(he)載下的(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)量如表3所示。試驗結(jie)果表明，在100～400kPa上(shang)覆荷(he)載作用下，在試驗時(shi)間范圍內蠕變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie))變(bian)(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由(you)于蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未(wei)完成，實際的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更大。對(dui)(dui)土(tu)體而言，發生蠕變(bian)(bian)的(de)原因是(shi)由(you)于土(tu)體在主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)完成之后，土(tu)體中仍有微小的(de)超靜(jing)孔隙壓(ya)力(li)存在，驅使(shi)水在顆粒問流動，一般(ban)來講土(tu)體的(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)遠小于主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)；對(dui)(dui)磷石膏(gao)而言，其滲透系數在10-4cm/s數量級，遠大于黏性土(tu)，但其卻發生了極為顯(xian)著的(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)，其原因在于磷石膏(gao)晶體結(jie)構發生了壓(ya)縮、破(po)壞，接(jie)觸點晶格發生歪曲(qu)和變(bian)(bian)形(xing)，而破(po)壞后晶格之間的(de)重(zhong)新排列、調(diao)整到(dao)最后趨于相(xiang)對(dui)(dui)靜(jing)止(zhi)需要相(xiang)當(dang)長的(de)時(shi)間才能完成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗(yan)設備(bei)采用英(ying)國(guo)GDS公司進(jin)口的電(dian)機控制動三軸試(shi)驗(yan)系(xi)統，試(shi)樣直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比(bi)

同樣(yang)由于自然(ran)沉積的磷石膏密(mi)度變(bian)(bian)化較大，為此根據(ju)物(wu)理(li)性質試(shi)驗(yan)結果(guo)，選擇兩種平(ping)均干密(mi)度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化范(fan)(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化范(fan)(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建(jian)議的動剪(jian)(jian)切模量(liang)G、阻(zu)尼(ni)比與剪(jian)(jian)應變幅值γd的關(guan)系(xi)式(shi)如下(xia)：

式中k1為參數，表(biao)示動剪切模(mo)量的衰減或阻尼(ni)比的增長(chang)速(su)率；λmax為最大阻尼(ni)比；Gmax，γd分別為最大動剪切模(mo)量和歸一化的動剪應變(bian)，表(biao)示為

式中k2,n為參數；σm為球應(ying)(ying)力；Pa為標準大氣壓；vd為動泊松比；εa為歸一化的動應(ying)(ying)變，表達為

圖(tu)14給出了動(dong)剪(jian)切模(mo)量、阻(zu)尼(ni)比與(yu)歸(gui)一化動(dong)應(ying)變的(de)關系曲線，另外(wai)圖(tu)中(zhong)還(huan)給出了式(1)的(de)擬合曲線以及Seed等(deng)給出的(de)砂(sha)樣的(de)上下邊界線，圖(tu)例中(zhong)，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結應(ying)力比。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)好地(di)描述磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)動(dong)應(ying)力(li)-動(dong)應(ying)變試驗曲線，表明(ming)采用等(deng)價黏(nian)彈(dan)性模型(xing)進行循環荷載作(zuo)用下的(de)(de)(de)分析是(shi)可(ke)行的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)干密(mi)度(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線位于干密(mi)度(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線上(shang)(shang)方(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則位于下方(fang)，表明(ming)密(mi)度(du)越(yue)大(da)，動(dong)彈(dan)模越(yue)大(da)、阻(zu)尼(ni)比越(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)，兩種(zhong)干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線基本位于Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)邊界(jie)線上(shang)(shang)方(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則基本處于邊界(jie)線中(zhong)(zhong)(zhong)間，表明(ming)相(xiang)比較(jiao)砂樣，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)動(dong)彈(dan)模較(jiao)大(da)，會導致(zhi)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)較(jiao)大(da)，但(dan)由于阻(zu)尼(ni)比也較(jiao)大(da)，這樣又(you)會削(xue)弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)，二者的(de)(de)(de)相(xiang)互影響(xiang)下，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)將不會過于強烈，這對磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定性是(shi)有利(li)的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干(gan)密度為(wei)1.12(變(bian)化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破(po)壞(huai)標準(zhun)為(wei)總應變(bian)達(da)到10%。

圖(tu)15給出(chu)了動(dong)剪應(ying)力(li)(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)(yu)破壞振次(ci)Nf的(de)關系曲(qu)線圖(tu)，其(qi)(qi)中(zhong)σ0為振前試樣(yang)45°面上的(de)有(you)效(xiao)法(fa)向應(ying)力(li)(li)，表達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比(bi)(bi)。從試驗結(jie)果可以看出(chu)，沉積磷石(shi)膏的(de)動(dong)強度與(yu)(yu)其(qi)(qi)它土體相似，表現為圍壓和(he)固結(jie)應(ying)力(li)(li)比(bi)(bi)與(yu)(yu)動(dong)剪應(ying)力(li)(li)比(bi)(bi)呈負相關關系。

為(wei)判別沉積(ji)磷石膏的抗液化能力(li)，假定抗震設計(ji)烈度為(wei)8度，即等效振(zhen)次Ⅳ可(ke)取為(wei)30。首先由式(shi)(4)

所示的冪函數(shu)關系式得到振(zhen)次為30時(shi)各個(ge)圍壓和固結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動(dong)剪應力比與(yu)圍壓和固結應力比的關系式：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(cong)上(shang)述擬合關系式可(ke)見，密(mi)實度提高(gao)后，動(dong)剪(jian)應力(li)比(bi)提高(gao)，表明抗(kang)液(ye)化能力(li)也提高(gao)。但(dan)即(ji)使是在低密(mi)度下，其(qi)動(dong)剪(jian)應力(li)比(bi)較之同類的(de)粉(fen)(fen)土(tu)或粉(fen)(fen)砂也大出許多，表明磷石膏(gao)具有較高(gao)的(de)抗(kang)液(ye)化能力(li)。

三(san)、結論

依托柳樹箐(qing)磷(lin)石膏堆積壩，在鉆探取樣工作(zuo)的基礎上，首先(xian)開(kai)展了物理性(xing)(xing)質試驗，然后開(kai)展了靜動力(li)力(li)學特性(xing)(xing)試驗。通過(guo)上述試驗研(yan)究，得出如下結論：

(1)沉(chen)積磷石膏總(zong)體(ti)上屬(shu)于級(ji)配不良的粉土(tu)，局部屬(shu)于粉砂一中砂，無自然分級(ji)現(xian)象。其干(gan)密度和粒徑變化隨埋深或(huo)距放漿口距離的變化不明顯。

(2)沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)水平方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)透系(xi)數(shu)(shu)大(da)于垂(chui)直方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)透系(xi)數(shu)(shu)，呈現明(ming)顯的(de)(de)各向(xiang)異性。

(3)與土(tu)體顆粒不可(ke)壓縮不同，磷石膏的晶(jing)體結構(gou)會發生壓縮破壞，具(ju)有(you)較大的壓縮性，其次(ci)固結變形(xing)量遠大于主固結變形(xing)量。

(4)沉積(ji)磷石膏(gao)的靜動強度(du)較之(zhi)同等密實度(du)下的粉(fen)土、粉(fen)砂要(yao)高。