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)石(shi)膏(gao)(gao)是濕(shi)法(fa)磷(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)(chan)過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)副(fu)產(chan)(chan)品(pin)，2018年，全(quan)國(guo)(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)產(chan)(chan)生(sheng)量為7800萬噸，且呈(cheng)逐年增長的(de)(de)(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)主要成(cheng)分(fen)是CaO和(he)(he)SO3，但含有一定量的(de)(de)(de)(de)氟化(hua)物(wu)和(he)(he)其(qi)它放(fang)射(she)性(xing)物(wu)質(zhi)，在(zai)中(zhong)國(guo)(guo)通常按(an)(an)Ⅱ類(lei)一般(ban)工(gong)業固(gu)體廢物(wu)處(chu)理，鑒(jian)于無害化(hua)處(chu)理成(cheng)本較高，目(mu)前綜(zong)合利用率尚不(bu)足(zu)40%，故大部分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)需(xu)要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按(an)(an)堆(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)的(de)(de)(de)(de)不(bu)同，可(ke)分(fen)為平地(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和(he)(he)截河(he)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)，在(zai)中(zhong)國(guo)(guo)基(ji)本上(shang)是山谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)。相比較干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟(ji)優勢(shi)明(ming)顯，因而(er)如(ru)地(di)質(zhi)條件為非(fei)碳酸鹽巖地(di)區(qu)，一般(ban)均(jun)采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)業的(de)(de)(de)(de)快速發展(zhan)，本世(shi)紀初中(zhong)國(guo)(guo)相繼(ji)建設了(le)幾(ji)座濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫，例(li)如(ru)云(yun)天化(hua)國(guo)(guo)際化(hua)工(gong)三環分(fen)公(gong)司(si)的(de)(de)(de)(de)柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)和(he)(he)富瑞分(fen)公(gong)司(si)的(de)(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設計(ji)壩(ba)高均(jun)超過100m、處(chu)于8度地(di)震區(qu)，其(qi)安全(quan)性(xing)備受關注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有(you)118座(zuo)尾礦(kuang)壩曾(ceng)發(fa)生過破(po)壞(huai)或(huo)潰(kui)壩事故，原因(yin)主要有(you)地震(zhen)、洪水漫頂、滲透(tou)破(po)壞(huai)和(he)基礎失穩。尾礦(kuang)庫(ku)失事后會(hui)造成巨大的(de)生態(tai)災難和(he)人員傷亡(wang)，近幾(ji)十年(nian)來，

國內外對金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的(de)沉積規律、物理(li)力學(xue)(xue)特性及(ji)其穩定(ding)性開展了(le)大量的(de)研(yan)究(jiu)，但(dan)對于與金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)庫相近的(de)磷(lin)石膏(gao)庫，一般僅限于在(zai)可研(yan)階段采用人工制備樣進行(xing)物理(li)力學(xue)(xue)性質試驗(yan)，并據此進行(xing)穩定(ding)性分析，尚未有人針對己運(yun)行(xing)若干(gan)年的(de)大型(xing)濕(shi)法堆存(cun)磷(lin)石膏(gao)堆積壩開展過磷(lin)石膏(gao)沉積規律及(ji)其物理(li)力學(xue)(xue)特性的(de)專項(xiang)研(yan)究(jiu)。

本文依(yi)托柳樹(shu)箐(qing)磷石膏堆積(ji)壩(ba)，首先(xian)進行(xing)了(le)(le)鉆探取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開展了(le)(le)密(mi)度、含水率、滲(shen)(shen)透(tou)、土水特征和(he)顆(ke)分等物(wu)理(li)性質試(shi)(shi)驗，在此基(ji)礎上有針對性的選擇原狀樣(yang)開展了(le)(le)三軸CU、蠕變及(ji)動(dong)三軸等力學(xue)特性試(shi)(shi)驗。通(tong)過上述試(shi)(shi)驗研(yan)究(jiu)，總結(jie)了(le)(le)磷石膏的沉積(ji)規律、滲(shen)(shen)透(tou)特性、滲(shen)(shen)透(tou)破壞特性以及(ji)靜動(dong)力特性，上述研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)對研(yan)究(jiu)和(he)評估磷石膏庫堆積(ji)壩(ba)的穩(wen)定性提(ti)供了(le)(le)基(ji)礎數據，對現行(xing)磷石膏庫的運行(xing)管理(li)以及(ji)新建(jian)工(gong)程的設計具有重要(yao)的借鑒意義。

一(yi)、依托(tuo)工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存設計(ji)方案

由初期(qi)壩(ba)和堆積(ji)壩(ba)組成(cheng)，設計總壩(ba)高約(yue)130m。

(1)初期(qi)壩

初(chu)期(qi)壩壩高約30m，采用(yong)土料填(tian)筑。上游(you)坡(po)面、壩底和(he)下(xia)游(you)壩腳(jiao)設置(zhi)堆(dui)石(shi)排(pai)水體，三者相連通構成整個堆(dui)積壩的主要排(pai)滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措施

采用上游式筑壩(ba)法(fa)，共20級子(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲(shen)管網作為輔助排滲(shen)方案，目(mu)前己在5級、9級子(zi)壩(ba)和13級子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范(fan)圍內(nei)設(she)置(zhi)了井字形排滲(shen)管網。

1.2沉積(ji)磷石膏的(de)鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積至5級子(zi)壩(ba)時，布設了(le)9個取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取(qu)原狀樣76件；2013年5月，堆(dui)積至13級子(zi)壩(ba)時，又布設了(le)11個取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取(qu)原狀樣112件，為比較子(zi)壩(ba)加高和磷石膏堆(dui)積過程(cheng)中磷石膏物理力學(xue)性(xing)質的變(bian)化，在2，4級子(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布設了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編號分別為K17和K18。

1.3運(yun)行(xing)概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫2005年開(kai)工建設，2006年1月(yue)投入(ru)運(yun)行，截至(zhi)2013年5月(yue)己堆(dui)至(zhi)13級(ji)子壩，尚有(you)7級(ji)子壩即堆(dui)存(cun)至(zhi)設計高程(cheng)。鑒(jian)于磷石膏庫地(di)形、地(di)質(zhi)條件(jian)(jian)較好，具(ju)備擴容改造的條件(jian)(jian)，以提高堆(dui)存(cun)庫容，減(jian)少堆(dui)存(cun)占地(di)，節約(yue)土地(di)資(zi)源。

本文(wen)主要對沉積磷石膏的物理力學特性進行了全面總結(jie)，限(xian)于(yu)篇幅，有關現(xian)狀磷石膏庫堆(dui)積壩的安(an)全性評(ping)價及(ji)其加(jia)高可行性的研究(jiu)將(jiang)另(ling)文(wen)發(fa)表。

二、沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)物理力學(xue)特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分(fen)布(bu)

圖(tu)2給出(chu)了14個(ge)鉆(zhan)孔(kong)的(de)取樣深(shen)度和試驗所得干密度的(de)關系，圖(tu)中(zhong)UWL表(biao)示水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)上，(系鉆(zhan)孔(kong)期間的(de)初見水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)，下同(tong))，DWL表(biao)示水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)下。圖(tu)3給出(chu)了水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)上下的(de)飽和度分布(bu)圖(tu)。由(you)于磷石膏中(zhong)的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫(wen)度和烘烤時間對測定(ding)結果有一(yi)定(ding)影(ying)響，不(bu)能照搬現(xian)行的(de)土工試驗規范，本(ben)文磷石膏的(de)含(han)水(shui)(shui)率(lv)測定(ding)方法為55℃溫(wen)度下烘培24h。

圖(tu)2沉積磷石膏干密度與埋深的(de)關系

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

由圖(tu)3，水(shui)位(wei)線(xian)上(shang)的(de)磷(lin)石膏(gao)飽(bao)和(he)度平(ping)均值(zhi)為50.4%，處于非飽(bao)和(he)狀態，水(shui)位(wei)線(xian)以下的(de)磷(lin)石膏(gao)飽(bao)和(he)度平(ping)均值(zhi)為85.0%，基(ji)本處于飽(bao)和(he)狀態，由于水(shui)位(wei)下降(jiang)后磷(lin)石膏(gao)來(lai)不及(ji)排水(shui)固(gu)結(jie)，故而水(shui)位(wei)線(xian)上(shang)局部試樣的(de)飽(bao)和(he)度較高。

由(you)圖2，水位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)(de)干密(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3；水位(wei)線以(yi)下的(de)(de)干密(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石膏(gao)與一般(ban)的(de)(de)尾礦有所不同，磷石膏(gao)的(de)(de)干密(mi)(mi)度并(bing)不隨埋(mai)深的(de)(de)增(zeng)大而(er)明顯增(zeng)大，但水位(wei)線以(yi)下的(de)(de)磷石膏(gao)干密(mi)(mi)度從統計(ji)意義上(shang)來看仍大于(yu)水位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)(de)磷石膏(gao)干密(mi)(mi)度，這主要是(shi)由(you)于(yu)水位(wei)線隨庫水位(wei)的(de)(de)變化(hua)反復升(sheng)降而(er)使得磷石膏(gao)排水固結所致。

室(shi)內擊實得到的(de)(de)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大干密(mi)度一般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)間(jian)，從圖(tu)2可以看出，自然沉(chen)積的(de)(de)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大干密(mi)度可達到1.73g/cm3，原因(yin)如下(xia)(xia)：與經(jing)典的(de)(de)土骨(gu)架不可壓(ya)縮(suo)(suo)的(de)(de)理(li)論不同(tong)，石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)本身可壓(ya)縮(suo)(suo)，同(tong)時(shi)由于顆粒結構不穩定，擊實試(shi)驗過程中磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)結構被破壞(huai)，受夯擊處下(xia)(xia)陷，四周鼓起(qi)，出現了(le)類似于橡皮土的(de)(de)現象(xiang)。而在(zai)現場條件下(xia)(xia)，石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)骨(gu)架被破壞(huai)后，會(hui)導致顆粒中的(de)(de)結合水滲出至孔隙(xi)(xi)內，變成孔隙(xi)(xi)水，排水固(gu)結后會(hui)使得磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)孔隙(xi)(xi)比減(jian)小(xiao)，干密(mi)度增大。

圖4給出(chu)了相鄰鉆孔(kong)K2和(he)K17(位于2級子壩(ba)河(he)床部(bu)位)以(yi)及相鄰鉆孔(kong)K6和(he)K18(位于4級子壩(ba)河(he)床部(bu)位)干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)對(dui)比(bi)圖。K2鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.37g/cm3。可見，即使(shi)從統計意義上來看，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)也并(bing)未(wei)隨后續磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)堆積而有較為(wei)明顯(xian)的(de)(de)增大。

(2)級(ji)配(pei)分布

顆粒分析試驗采(cai)用(yong)密(mi)度計(ji)法，制(zhi)備懸液(ye)時不煮(zhu)沸，不加(jia)六偏磷(lin)酸(suan)鈉。圖5給出(chu)了試驗得到的級(ji)配包線、平均粒徑d50、不均勻系(xi)(xi)數(shu)(1u和(he)曲率系(xi)(xi)數(shu)Cc的分布圖。

從圖5(a)可(ke)見(jian)，磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)粒徑主(zhu)要分(fen)布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)(shu)于粉(fen)土，但可(ke)能由于礦(kuang)石(shi)(shi)來源或(huo)生產工藝有所不同(tong)，局(ju)部屬(shu)(shu)于粉(fen)砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分(fen)布(bu)范圍(wei)比Blight和張超等的(de)(de)試驗(yan)結果要寬一些。

圖4子壩加高后沉積(ji)磷石膏(gao)的干密度變化(hua)

圖5沉積磷石膏的(de)平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論(lun)是(shi)水平向還(huan)是(shi)垂直向，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)與金屬(shu)(shu)礦(kuang)山尾礦(kuang)的“前粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的自(zi)然分級現象不同，也即粗(cu)顆(ke)粒并(bing)不是(shi)沿埋深逐步減小或距離放漿(jiang)口(kou)越(yue)遠顆(ke)粒越(yue)細，其(qi)原因如下：①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒粒徑組成較為集中、均勻，主要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較差(cha)；②相比(bi)較金屬(shu)(shu)尾礦(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的比(bi)重(zhong)較小，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的比(bi)重(zhong)一般為2.3～2.4，遠小于金屬(shu)(shu)尾礦(kuang)的比(bi)重(zhong)，例如鐵尾礦(kuang)的比(bi)重(zhong)可(ke)達2.9；③放漿(jiang)口(kou)隨子壩高度不斷增加而(er)不斷變(bian)動(dong)并(bing)向庫(ku)尾延伸，造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的粒徑變(bian)化不明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不(bu)均勻(yun)系數Cu范(fan)圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲率(lv)系數(1c范(fan)圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為(wei)(wei)1.21，在統計的(de)100多(duo)個試樣中，屬于級配不(bu)良土(tu)的(de)占93%。這(zhe)種級配特性決定了磷(lin)石膏(gao)具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)壓縮性、滲透破(po)壞型式表現為(wei)(wei)流土(tu)破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數(shu)

影響(xiang)滲透系(xi)(xi)數(shu)的主(zhu)要因(yin)素是粒(li)徑大(da)小、級配和孔隙比，因(yin)而磷(lin)(lin)石膏的滲透系(xi)(xi)數(shu)與粉土(tu)(tu)較(jiao)為接近。由(you)于(yu)孔隙比e減小，使(shi)得過(guo)水通道面積減小，滲透系(xi)(xi)數(shu)k也將減小，k與e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)。對砂土(tu)(tu)，一般認(ren)為滲透系(xi)(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的關(guan)(guan)系(xi)(xi)曲線，由(you)于(yu)沉積磷(lin)(lin)石膏的不均(jun)勻系(xi)(xi)數(shu)變化較(jiao)大(da)，使(shi)得沉積磷(lin)(lin)石膏的滲透系(xi)(xi)數(shu)變化范圍較(jiao)大(da)(平均(jun)值為10-4cm/s數(shu)量(liang)級)，二(er)者問的線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)差(cha)。

圖6沉積(ji)磷石膏滲透系(xi)數與孔隙比的關系(xi)

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

圖(tu)7給出了水(shui)(shui)平與垂直向(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)比值(zhi)的分(fen)布(bu)。沉積磷(lin)石(shi)膏的水(shui)(shui)平向(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)kh一般(ban)大于垂直向(xiang)的滲透(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平均值(zhi)約為2.86，這(zhe)一點與成層分(fen)布(bu)的金屬尾礦規(gui)律一致(zhi)。造成沉積磷(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)平向(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)大于垂直向(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)的原因(yin)是由(you)于磷(lin)石(shi)膏具(ju)有明顯的晶(jing)體結構，電(dian)鏡掃(sao)描顯示多(duo)為菱(ling)形和棱(leng)柱狀(zhuang)形式(見圖(tu)8)，在沉積過程中，由(you)于扁平狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏顆粒多(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)平排列(lie)，使得水(shui)(shui)平方(fang)向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)性大于垂直方(fang)向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)性，從而使磷(lin)石(shi)膏呈(cheng)現明顯的各向(xiang)異性。

另根據中國有色金屬(shu)工業(ye)昆明勘(kan)察設計(ji)研究院在楊家箐磷(lin)石膏堆積(ji)壩開(kai)展(zhan)的(de)(de)現場滲透(tou)(tou)試驗，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約(yue)為1.9。但張超(chao)等(deng)的(de)(de)室內試驗顯示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約(yue)為0.46，也即(ji)垂直向滲透(tou)(tou)系數大于(yu)水平(ping)向滲透(tou)(tou)系數，與本文(wen)和現場試驗結果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從磷(lin)石膏的(de)(de)微觀結構來看，本文(wen)試驗結果(guo)更為合理。

圖7沉積(ji)磷石膏(gao)干(gan)密(mi)度與水平和垂直(zhi)滲透系數比值的關(guan)系

(2)滲透變(bian)形

圖9為(wei)(wei)磷(lin)石膏干密度為(wei)(wei)1.40g/cm3的水(shui)力梯度J與流(liu)速V的關系(xi)曲(qu)線，試(shi)驗在水(shui)平管涌儀中采用(yong)(yong)水(shui)平方(fang)向的滲(shen)(shen)流(liu)形式進行。試(shi)驗得(de)到的臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破壞坡降(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說，對(dui)1，2級工程，滲(shen)(shen)透(tou)安全系(xi)數(shu)取為(wei)(wei)2.5，則(ze)允許出逸坡降(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)(xia)工程，滲(shen)(shen)透(tou)安全系(xi)數(shu)取2.0，則(ze)允許出逸坡降(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)與粉土一粉砂大致相同(tong)。但上(shang)述(shu)(shu)滲(shen)(shen)透(tou)變形試(shi)驗是采用(yong)(yong)自(zi)來(lai)水(shui)進行的，自(zi)來(lai)水(shui)對(dui)磷(lin)石膏具有一定(ding)的溶蝕作用(yong)(yong)，而(er)實際上(shang)磷(lin)石膏中殘(can)余磷(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)的pH值一般小(xiao)于(yu)3(稱之為(wei)(wei)酸性水(shui))，在酸性水(shui)作用(yong)(yong)下(xia)(xia)，磷(lin)石膏不會發生破壞，上(shang)述(shu)(shu)試(shi)驗結果是偏于(yu)保守(shou)的，但對(dui)非酸性水(shui)條(tiao)件(jian)(例如特大暴雨)下(xia)(xia)的滲(shen)(shen)透(tou)穩定(ding)判斷有一定(ding)的借(jie)鑒意義(yi)。

圖(tu)9水力梯(ti)度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土(tu)水(shui)特征(zheng)試驗

試驗在(zai)5Bar的壓力(li)板儀(yi)中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力(li)范圍(wei)0～500kPa。表l列出了(le)含水率(lv)特征值，試驗曲線見圖10所示。

試驗結果表明(ming)：①干(gan)密度(du)對進(jin)氣值沒有(you)明(ming)顯的(de)影響，不(bu)同干(gan)密度(du)的(de)試樣(yang)的(de)進(jin)氣值大致在10kPa左右；②土樣(yang)殘(can)余含(han)水率隨干(gan)密度(du)的(de)增加(jia)而減(jian)少，殘(can)余含(han)水率約為飽和(he)含(han)水率的(de)10%。上述特性與粉土一粉砂(sha)基本一致。

2.3靜力力學特(te)性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷(lin)石膏的密度(du)(du)變化較(jiao)(jiao)大，而進(jin)(jin)行三軸試(shi)驗需要(yao)若(ruo)干原狀樣，為使試(shi)驗結果具有(you)較(jiao)(jiao)好(hao)的一(yi)致性(xing)(xing)，有(you)針對性(xing)(xing)的選擇(ze)平(ping)均干密度(du)(du)分別為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)的若(ruo)干試(shi)樣，進(jin)(jin)行了5組三軸CU試(shi)驗。圖11是為干密度(du)(du)為1.2和(he)1.58g/cm3的三軸CU試(shi)驗曲線。

從圖11可以看出，磷石膏的(de)應(ying)力應(ying)變關系曲線在低圍(wei)壓下表(biao)現為(wei)(wei)軟化型(xing)，在高圍(wei)壓下表(biao)現為(wei)(wei)硬化型(xing)，與(yu)一(yi)般(ban)土(tu)類相似。但與(yu)一(yi)般(ban)粉土(tu)一(yi)粉砂不同的(de)是，即(ji)使在較(jiao)為(wei)(wei)疏(shu)松的(de)狀態下，磷石膏仍表(biao)現了較(jiao)為(wei)(wei)強烈(lie)的(de)剪脹(zhang)，隨密實度增大(da)，剪脹(zhang)作用(yong)愈發明顯。

表(biao)2給(gei)出(chu)了(le)不同(tong)干密度(du)下(xia)的(de)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了(le)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)與干密度(du)的(de)關系曲(qu)線。隨干密度(du)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)大(da)(da)，且可采(cai)用冪函數較(jiao)好地擬(ni)合。磷石(shi)膏的(de)干密度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了(le)32%，總(zong)應力摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據(ju)擬(ni)合曲(qu)線求得(de))，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效應力摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由于隨圍壓的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔壓也(ye)明(ming)(ming)顯增(zeng)(zeng)大(da)(da)，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之總(zong)應力摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)要小。另外較(jiao)之于干密度(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表(biao)明(ming)(ming)即使(shi)較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)磷石(shi)膏仍具有較(jiao)高(gao)的(de)強度(du)指標，這也(ye)表(biao)明(ming)(ming)磷石(shi)膏堆積壩的(de)穩定(ding)性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(bian)(次固(gu)結(jie))變(bian)(bian)形試驗

磷石膏的蠕(ru)變變形試驗在側限壓縮儀中進(jin)行，試驗狀態相(xiang)當于K0固結。試樣直徑61.8mm，高度20mm，試樣干(gan)密度為1.30g/cm3，對試樣飽和后分別開展了(le)上覆(fu)壓力ρ為100，200，400，800kPa的試驗，

試(shi)驗(yan)(yan)從2012年8月27日開(kai)始，試(shi)驗(yan)(yan)己進行了1年多(duo)，試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)果見圖(tu)13所示。

從(cong)圖13中可以(yi)看出：上覆荷載(zai)越大(da)，磷石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形也(ye)越大(da)，荷載(zai)施加1年后(hou)，磷石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形仍(reng)非常(chang)顯(xian)著，尚未(wei)達(da)到穩定狀(zhuang)態，這也(ye)是磷石膏(gao)堆積壩(ba)后(hou)期變(bian)形較大(da)的原(yuan)因，原(yuan)型觀測資料表(biao)明，在5級(ji)子壩(ba)河床部位的表(biao)面沉降量已經達(da)到3.1m，且尚未(wei)完全(quan)穩定。

按(an)時間對(dui)數法，可求得各級荷載下的(de)(de)主(zhu)(zhu)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)量(liang)如(ru)表3所示。試驗結(jie)(jie)(jie)果表明(ming)，在(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)試驗時間范圍(wei)內(nei)蠕(ru)變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)是(shi)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當然由(you)于(yu)(yu)(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)尚(shang)未完(wan)成(cheng)，實(shi)際的(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)更大(da)。對(dui)土(tu)體(ti)(ti)而言，發生蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)(de)原(yuan)因是(shi)由(you)于(yu)(yu)(yu)(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成(cheng)之后(hou)，土(tu)體(ti)(ti)中仍有微小(xiao)(xiao)的(de)(de)超(chao)靜孔隙壓力存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問(wen)流(liu)動，一般來講土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)(xiao)于(yu)(yu)(yu)(yu)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷石膏而言，其滲透系(xi)數在(zai)10-4cm/s數量(liang)級，遠大(da)于(yu)(yu)(yu)(yu)黏性土(tu)，但其卻發生了(le)極(ji)為顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，其原(yuan)因在(zai)于(yu)(yu)(yu)(yu)磷石膏晶(jing)體(ti)(ti)結(jie)(jie)(jie)構發生了(le)壓縮、破壞，接觸點(dian)晶(jing)格發生歪曲和變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，而破壞后(hou)晶(jing)格之間的(de)(de)重新排列(lie)、調整到(dao)最后(hou)趨于(yu)(yu)(yu)(yu)相對(dui)靜止需(xu)要相當長的(de)(de)時間才能(neng)完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性(xing)

試(shi)驗(yan)設備采用英國GDS公(gong)司進口的電機控(kong)制動三軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣(yang)直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼(ni)比

同樣由于自然沉積的磷石膏(gao)密(mi)(mi)度(du)變(bian)(bian)化(hua)較大，為此根據物理性質試驗結果，選擇兩種平(ping)均干密(mi)(mi)度(du)1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模量(liang)G、阻尼比與剪應變幅值(zhi)γd的關系式如(ru)下：

式中k1為(wei)(wei)參數，表示動剪切(qie)模量的衰減或阻(zu)尼比的增長(chang)速(su)率；λmax為(wei)(wei)最大(da)阻(zu)尼比；Gmax，γd分(fen)別為(wei)(wei)最大(da)動剪切(qie)模量和(he)歸(gui)一化的動剪應變(bian)，表示為(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力(li)；Pa為(wei)標準大氣壓(ya)；vd為(wei)動(dong)(dong)泊松比；εa為(wei)歸一化的動(dong)(dong)應變，表(biao)達為(wei)

圖(tu)(tu)14給出(chu)了動剪切(qie)模(mo)量、阻尼比與歸一化(hua)動應變(bian)的(de)關系曲線(xian)，另(ling)外(wai)圖(tu)(tu)中還給出(chu)了式(1)的(de)擬合曲線(xian)以及(ji)Seed等給出(chu)的(de)砂樣(yang)的(de)上下邊(bian)界線(xian)，圖(tu)(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(shi)(1)可(ke)較好地描述(shu)磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)應力-動(dong)應變試驗曲線(xian)，表明(ming)采用(yong)等價黏彈(dan)性(xing)(xing)模型進(jin)行循環荷載作用(yong)下(xia)的(de)(de)(de)(de)分析(xi)是可(ke)行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)(gan)密度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)位于(yu)(yu)(yu)干(gan)(gan)密度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位于(yu)(yu)(yu)下(xia)方，表明(ming)密度越(yue)大(da)(da)(da)，動(dong)彈(dan)模越(yue)大(da)(da)(da)、阻尼比越(yue)小(xiao)；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)(gan)密度的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)基本位于(yu)(yu)(yu)Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)(de)邊界(jie)線(xian)上方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本處于(yu)(yu)(yu)邊界(jie)線(xian)中(zhong)間，表明(ming)相(xiang)比較砂樣，磷石(shi)(shi)膏(gao)動(dong)彈(dan)模較大(da)(da)(da)，會(hui)(hui)導(dao)致磷石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力反應較大(da)(da)(da)，但由于(yu)(yu)(yu)阻尼比也較大(da)(da)(da)，這樣又(you)會(hui)(hui)削弱(ruo)壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力反應，二(er)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影響下(xia)，磷石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力反應將不會(hui)(hui)過于(yu)(yu)(yu)強烈，這對(dui)磷石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震(zhen)穩定性(xing)(xing)是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度(du)

選擇(ze)兩種平均干密(mi)度為1.12(變(bian)化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞標準為總應變(bian)達到10%。

圖(tu)(tu)15給出(chu)了動剪應(ying)力(li)比τd/σ0′與破壞振次(ci)Nf的關系曲線圖(tu)(tu)，其中σ0為(wei)(wei)(wei)振前(qian)試樣45°面上的有(you)效法向應(ying)力(li)，表(biao)達為(wei)(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)(wei)固結比。從試驗結果可以(yi)看出(chu)，沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的動強度與其它(ta)土體相似，表(biao)現為(wei)(wei)(wei)圍壓和固結應(ying)力(li)比與動剪應(ying)力(li)比呈負相關關系。

為判(pan)別(bie)沉積磷石膏的抗(kang)液化能(neng)力，假定抗(kang)震設計烈(lie)度為8度，即等(deng)效振次Ⅳ可(ke)取為30。首先由式(4)

所示的冪函(han)數關系式得(de)到振次為(wei)30時各(ge)個(ge)圍壓和固結比(bi)(bi)下的動剪應力比(bi)(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動(dong)剪應(ying)力(li)(li)比與圍壓和固(gu)結應(ying)力(li)(li)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)述擬合關系式可見，密實度提高后，動剪(jian)應力(li)(li)比(bi)提高，表(biao)明抗(kang)液(ye)化能力(li)(li)也(ye)提高。但即使是在低密度下，其動剪(jian)應力(li)(li)比(bi)較之同類的粉(fen)土或粉(fen)砂也(ye)大出許多，表(biao)明磷(lin)石膏(gao)具有較高的抗(kang)液(ye)化能力(li)(li)。

三、結(jie)論(lun)

依(yi)托柳(liu)樹箐磷石(shi)膏堆積壩，在鉆探取(qu)樣工作的(de)基礎(chu)上，首先(xian)開展了(le)物理性質(zhi)試(shi)驗(yan)，然(ran)后開展了(le)靜動力(li)力(li)學(xue)特性試(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)研究(jiu)，得(de)出如下結論：

(1)沉(chen)積磷石膏總體上屬于級配(pei)不(bu)良(liang)的粉土，局部屬于粉砂(sha)一中砂(sha)，無自然分(fen)級現象(xiang)。其干密度(du)和粒徑變化隨埋(mai)深或距(ju)放漿口距(ju)離的變化不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏水平方向的滲(shen)透系數(shu)大于垂直(zhi)方向的滲(shen)透系數(shu)，呈現明(ming)顯(xian)的各向異性。

(3)與土(tu)體顆粒不可壓縮不同(tong)，磷石膏的晶體結構會(hui)發生壓縮破壞，具有較大的壓縮性(xing)，其次(ci)固(gu)結變(bian)(bian)形量(liang)遠(yuan)大于(yu)主固(gu)結變(bian)(bian)形量(liang)。

(4)沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)靜動強度(du)較之(zhi)同等密(mi)實度(du)下的(de)(de)粉(fen)土(tu)、粉(fen)砂要(yao)高。