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)(lin)石(shi)膏(gao)是濕(shi)法磷(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)過程中(zhong)的(de)(de)(de)副(fu)產(chan)品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)產(chan)生量為7800萬噸，且呈逐年增長(chang)的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)主要成分(fen)(fen)是CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定(ding)量的(de)(de)(de)氟化(hua)物(wu)和(he)其(qi)它(ta)放(fang)(fang)射性(xing)物(wu)質(zhi)，在中(zhong)國(guo)通(tong)常按Ⅱ類(lei)一(yi)般(ban)工(gong)業固體(ti)廢物(wu)處理，鑒于(yu)(yu)無害(hai)化(hua)處理成本(ben)較高(gao)，目前綜(zong)合利(li)用(yong)(yong)率尚不(bu)(bu)足40%，故大部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)需(xu)要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放(fang)(fang)。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)場地的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同，可(ke)分(fen)(fen)為平地型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和(he)截河(he)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場，在中(zhong)國(guo)基本(ben)上是山谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場。相比較干法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)經濟(ji)優(you)勢明顯，因而(er)如(ru)地質(zhi)條件為非碳酸(suan)鹽巖地區，一(yi)般(ban)均(jun)采用(yong)(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式(shi)。隨(sui)著中(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)肥(fei)工(gong)業的(de)(de)(de)快(kuai)速發展，本(ben)世紀初中(zhong)國(guo)相繼(ji)建設了(le)幾座濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫，例如(ru)云(yun)天化(hua)國(guo)際化(hua)工(gong)三環(huan)分(fen)(fen)公司的(de)(de)(de)柳(liu)樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩和(he)富瑞分(fen)(fen)公司的(de)(de)(de)楊家(jia)箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩，這兩座壩設計壩高(gao)均(jun)超過100m、處于(yu)(yu)8度地震區，其(qi)安全性(xing)備受(shou)關注。

據統計(ji)，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全(quan)世界有118座尾礦壩曾發生過破壞(huai)或(huo)潰(kui)壩事(shi)故，原(yuan)因主要有地震、洪水漫頂、滲透破壞(huai)和基礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事(shi)后會(hui)造成巨大的生態災難和人員傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國內外對(dui)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)沉積(ji)規(gui)律、物(wu)理(li)力學特性(xing)(xing)及其穩定性(xing)(xing)開展了大量的(de)研(yan)究(jiu)，但對(dui)于(yu)(yu)與金(jin)屬(shu)尾(wei)礦(kuang)庫(ku)相(xiang)近的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)，一般僅限于(yu)(yu)在可研(yan)階段采用人工制備樣進行物(wu)理(li)力學性(xing)(xing)質試驗，并據此進行穩定性(xing)(xing)分析，尚(shang)未有人針(zhen)對(dui)己運行若(ruo)干年的(de)大型濕法堆存磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩開展過(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)沉積(ji)規(gui)律及其物(wu)理(li)力學特性(xing)(xing)的(de)專項(xiang)研(yan)究(jiu)。

本文(wen)依托柳樹(shu)箐磷石膏堆(dui)積壩，首先進行了(le)鉆探取樣(yang)(yang)，采用(yong)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)密(mi)度(du)、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特(te)(te)征和(he)顆分(fen)等(deng)物理性(xing)質試驗(yan)，在此基礎上有(you)針對(dui)性(xing)的選(xuan)擇原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開展(zhan)了(le)三軸CU、蠕變(bian)及(ji)動三軸等(deng)力學特(te)(te)性(xing)試驗(yan)。通過上述(shu)試驗(yan)研究(jiu)，總(zong)結了(le)磷石膏的沉(chen)積規律、滲(shen)透(tou)特(te)(te)性(xing)、滲(shen)透(tou)破(po)壞(huai)特(te)(te)性(xing)以(yi)及(ji)靜動力特(te)(te)性(xing)，上述(shu)研究(jiu)工(gong)作對(dui)研究(jiu)和(he)評估(gu)磷石膏庫(ku)堆(dui)積壩的穩定性(xing)提供了(le)基礎數據，對(dui)現行磷石膏庫(ku)的運行管理以(yi)及(ji)新(xin)建工(gong)程的設計具有(you)重要的借鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏(gao)堆積(ji)壩堆存設計方案

由初期壩和堆積壩組成(cheng)，設(she)計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土料填筑。上游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置(zhi)堆石排(pai)水體，三者相(xiang)連通構成整個堆積(ji)壩(ba)的(de)主(zhu)要排(pai)滲系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲(shen)措施

采(cai)用(yong)上(shang)游式(shi)筑(zhu)壩法，共20級子(zi)(zi)壩，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約(yue)100m。采(cai)用(yong)排滲(shen)管網作為輔助排滲(shen)方案(an)，目前(qian)己在5級、9級子(zi)(zi)壩和13級子(zi)(zi)壩壩前(qian)120m范圍內設置了井字形排滲(shen)管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取(qu)樣

鉆孔(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆積(ji)至(zhi)5級(ji)子(zi)壩時，布設了9個取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號K1～K9，取原(yuan)狀樣(yang)76件；2013年5月，堆積(ji)至(zhi)13級(ji)子(zi)壩時，又布設了11個取樣(yang)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號K10～K20，取原(yuan)狀樣(yang)112件，為比較子(zi)壩加高和(he)磷石(shi)膏堆積(ji)過程中磷石(shi)膏物理力學(xue)性質(zhi)的變化(hua)，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布設了一個鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號分別為K17和(he)K18。

1.3運(yun)行(xing)概況

柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏尾礦庫(ku)(ku)2005年開工建設，2006年1月投入(ru)運(yun)行，截至(zhi)2013年5月己(ji)堆至(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆存(cun)至(zhi)設計高(gao)程。鑒于磷(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)地(di)(di)形、地(di)(di)質條(tiao)件(jian)較(jiao)好，具備(bei)擴容改造的條(tiao)件(jian)，以提高(gao)堆存(cun)庫(ku)(ku)容，減少(shao)堆存(cun)占地(di)(di)，節約土地(di)(di)資源。

本文(wen)主(zhu)要對(dui)沉(chen)積(ji)磷石膏的(de)物理力(li)學(xue)特性(xing)進行了全(quan)面總結，限于篇(pian)幅，有關現狀磷石膏庫堆積(ji)壩(ba)的(de)安全(quan)性(xing)評價及其加高可行性(xing)的(de)研究(jiu)將另(ling)文(wen)發表。

二、沉積磷石膏的物理(li)力學特(te)性

2.1物(wu)理特性

(1)干密(mi)度分布

圖2給出了(le)14個鉆(zhan)孔的取樣深度(du)(du)和(he)試(shi)(shi)驗(yan)所(suo)得干密度(du)(du)的關系，圖中UWL表(biao)示水(shui)位線(xian)上(shang)(shang)，(系鉆(zhan)孔期間的初見水(shui)位線(xian)，下(xia)(xia)同(tong))，DWL表(biao)示水(shui)位線(xian)下(xia)(xia)。圖3給出了(le)水(shui)位線(xian)上(shang)(shang)下(xia)(xia)的飽和(he)度(du)(du)分(fen)布圖。由于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)中的主要成分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不同(tong)溫(wen)度(du)(du)和(he)烘烤時間對測定結果有一(yi)定影響，不能(neng)照搬(ban)現行的土(tu)工試(shi)(shi)驗(yan)規范，本文磷(lin)石(shi)膏(gao)的含水(shui)率測定方法為(wei)55℃溫(wen)度(du)(du)下(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉積磷(lin)石膏(gao)干密度與埋(mai)深(shen)的關(guan)系

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

由圖(tu)3，水位(wei)線上的磷(lin)石膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為(wei)50.4%，處于非飽(bao)(bao)和(he)狀態，水位(wei)線以下的磷(lin)石膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為(wei)85.0%，基本處于飽(bao)(bao)和(he)狀態，由于水位(wei)下降后磷(lin)石膏(gao)來不及排(pai)水固結，故(gu)而水位(wei)線上局部試樣(yang)的飽(bao)(bao)和(he)度(du)較(jiao)高。

由(you)圖(tu)2，水(shui)位(wei)線以上的干(gan)密度在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線以下的干(gan)密度在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏與一般的尾礦有所(suo)不(bu)同，磷(lin)石(shi)膏的干(gan)密度并不(bu)隨埋深的增(zeng)大(da)而明顯增(zeng)大(da)，但水(shui)位(wei)線以下的磷(lin)石(shi)膏干(gan)密度從(cong)統計意義上來(lai)看仍大(da)于(yu)水(shui)位(wei)線以上的磷(lin)石(shi)膏干(gan)密度，這主(zhu)要是由(you)于(yu)水(shui)位(wei)線隨庫水(shui)位(wei)的變化(hua)反復升降而使得磷(lin)石(shi)膏排水(shui)固結所(suo)致(zhi)。

室內擊實得到(dao)的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大干密度(du)一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自然沉積的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大干密度(du)可達到(dao)1.73g/cm3，原因(yin)如下(xia)：與經典的(de)(de)土骨架不可壓縮的(de)(de)理論不同，石(shi)(shi)膏(gao)本身可壓縮，同時由(you)于(yu)顆粒結構不穩定，擊實試驗過程(cheng)中磷石(shi)(shi)膏(gao)結構被破壞，受夯擊處下(xia)陷(xian)，四周鼓(gu)起，出現(xian)了類似(si)于(yu)橡皮土的(de)(de)現(xian)象。而在現(xian)場條件下(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)骨架被破壞后，會導致顆粒中的(de)(de)結合(he)水(shui)滲出至(zhi)孔(kong)(kong)隙內，變成孔(kong)(kong)隙水(shui)，排水(shui)固結后會使得磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)孔(kong)(kong)隙比(bi)減小，干密度(du)增大。

圖(tu)(tu)4給出了相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔K2和(he)K17(位于(yu)2級子(zi)壩(ba)河(he)床(chuang)部(bu)位)以及相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔K6和(he)K18(位于(yu)4級子(zi)壩(ba)河(he)床(chuang)部(bu)位)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)對比圖(tu)(tu)。K2鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使(shi)從統(tong)計意義上(shang)來(lai)看，磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)也并(bing)未隨后(hou)續磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)堆積而有(you)較為(wei)(wei)明(ming)顯的(de)(de)(de)增大。

(2)級(ji)配分布(bu)

顆粒(li)分析試驗(yan)采用密度(du)計法，制(zhi)備懸液時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖5給出了(le)試驗(yan)得到的級配包(bao)線、平均粒(li)徑(jing)d50、不均勻系數(1u和曲率系數Cc的分布圖。

從圖(tu)5(a)可見，磷石膏的粒徑主要(yao)分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于粉土，但可能由于礦石來源或生產工藝有(you)所不(bu)同，局部屬(shu)于粉砂(sha)(sha)～中砂(sha)(sha)。粒徑分(fen)布范圍比Blight和張(zhang)超(chao)等的試驗(yan)結(jie)果(guo)要(yao)寬一(yi)些。

圖(tu)4子壩加高(gao)后沉積磷石膏的干密度(du)變化(hua)

圖(tu)5沉積磷石膏的(de)平均粒徑和級配分布

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論(lun)是(shi)水平向(xiang)還(huan)是(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與(yu)金(jin)屬礦山尾礦的“前粗后(hou)細(xi)，上(shang)粗下(xia)細(xi)”的自然分級現象(xiang)不(bu)(bu)同，也即粗顆(ke)粒并不(bu)(bu)是(shi)沿埋深逐步減小(xiao)或距離放漿口(kou)越遠顆(ke)粒越細(xi)，其原因如(ru)下(xia)：①磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)粒粒徑組(zu)成較(jiao)(jiao)為集中、均勻(yun)，主要(yao)以粉粒組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)(jiao)金(jin)屬尾礦，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的比(bi)重(zhong)(zhong)較(jiao)(jiao)小(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的比(bi)重(zhong)(zhong)一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬尾礦的比(bi)重(zhong)(zhong)，例(li)如(ru)鐵尾礦的比(bi)重(zhong)(zhong)可達2.9；③放漿口(kou)隨子壩(ba)高度不(bu)(bu)斷增加而(er)不(bu)(bu)斷變(bian)動并向(xiang)庫尾延(yan)伸(shen)，造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的粒徑變(bian)化不(bu)(bu)明(ming)顯。

從(cong)圖5(d)可(ke)見，不(bu)均勻系數(shu)Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平均值為4.18，曲(qu)率系數(shu)(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平均值為1.21，在統計(ji)的(de)100多個試樣中，屬于級配(pei)不(bu)良土的(de)占93%。這種級配(pei)特性(xing)決定了磷(lin)石膏具有較高的(de)壓(ya)縮(suo)性(xing)、滲透(tou)破(po)壞(huai)型式表(biao)現為流(liu)土破(po)壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透(tou)系(xi)數的(de)(de)(de)(de)主要因素是粒徑(jing)大小、級配(pei)和孔(kong)隙(xi)比(bi)，因而磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)滲透(tou)系(xi)數與粉土較(jiao)為(wei)接近(jin)。由于(yu)孔(kong)隙(xi)比(bi)e減小，使(shi)得過水通(tong)道面積減小，滲透(tou)系(xi)數k也將減小，k與e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系(xi)。對(dui)砂(sha)土，一般認為(wei)滲透(tou)系(xi)數k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)好，圖6給(gei)出了二者(zhe)間的(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)曲線，由于(yu)沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)不均勻系(xi)數變(bian)化(hua)(hua)較(jiao)大，使(shi)得沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)滲透(tou)系(xi)數變(bian)化(hua)(hua)范圍較(jiao)大(平均值為(wei)10-4cm/s數量級)，二者(zhe)問(wen)的(de)(de)(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)差(cha)。

圖6沉積磷石(shi)膏滲透系數與孔隙比的關系

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(zhi)(zhi)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)分(fen)布。沉(chen)(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)kh一(yi)般(ban)大于垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)的(de)滲透(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約為2.86，這一(yi)點與(yu)成層分(fen)布的(de)金屬尾礦(kuang)規(gui)律一(yi)致。造成沉(chen)(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)大于垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)滲透(tou)系(xi)數(shu)的(de)原因是由于磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有明(ming)顯(xian)(xian)的(de)晶體結構，電(dian)鏡(jing)掃描顯(xian)(xian)示(shi)多為菱形和(he)棱(leng)柱(zhu)狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉(chen)(chen)積(ji)過程中，由于扁平(ping)狀(zhuang)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆粒多呈水(shui)(shui)平(ping)排列(lie)，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性大于垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)方向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性，從而(er)使(shi)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)呈現明(ming)顯(xian)(xian)的(de)各(ge)向(xiang)異性。

另根據中國有色(se)金(jin)屬(shu)工業昆(kun)明勘(kan)察設計研究(jiu)院在(zai)楊家箐磷(lin)石膏堆積(ji)壩開展的(de)(de)(de)(de)現場(chang)滲(shen)透試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)(de)(de)(de)平(ping)(ping)均值約(yue)為1.9。但張(zhang)超等的(de)(de)(de)(de)室內試(shi)(shi)驗(yan)(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)(de)(de)(de)平(ping)(ping)均值約(yue)為0.46，也(ye)即垂直向滲(shen)透系(xi)數(shu)大于水平(ping)(ping)向滲(shen)透系(xi)數(shu)，與本文和現場(chang)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果恰恰相反。從(cong)磷(lin)石膏的(de)(de)(de)(de)微觀結構來看(kan)，本文試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果更為合理。

圖7沉積磷石膏干(gan)密度與水平和垂直滲透系(xi)數比(bi)值(zhi)的關(guan)系(xi)

(2)滲透變(bian)形

圖(tu)9為磷(lin)(lin)石(shi)膏干密度為1.40g/cm3的水力梯度J與流(liu)速V的關系曲線，試驗(yan)在水平管涌(yong)儀中(zhong)采用水平方(fang)向的滲流(liu)形式進行。試驗(yan)得(de)到的臨(lin)界坡降(jiang)Jc=0.355，破壞坡降(jiang)Jp=0.375。一般來說，對(dui)(dui)1，2級工(gong)程，滲透安(an)全系數(shu)取(qu)為2.5，則(ze)允(yun)(yun)許(xu)出逸坡降(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以(yi)下(xia)(xia)工(gong)程，滲透安(an)全系數(shu)取(qu)2.0，則(ze)允(yun)(yun)許(xu)出逸坡降(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許(xu)比降(jiang)與粉土一粉砂大致相同。但上述滲透變形試驗(yan)是采用自來水進行的，自來水對(dui)(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏具有(you)一定的溶蝕作用，而實際上磷(lin)(lin)石(shi)膏中(zhong)殘余磷(lin)(lin)、硫(liu)和氟(fu)酸，庫水的pH值一般小于3(稱之為酸性水)，在酸性水作用下(xia)(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏不會發生破壞，上述試驗(yan)結果是偏于保守(shou)的，但對(dui)(dui)非酸性水條(tiao)件(例如特大暴雨)下(xia)(xia)的滲透穩定判斷有(you)一定的借鑒意義。

圖9水(shui)力梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征(zheng)試驗(yan)

試驗在5Bar的壓力板儀中進行，環(huan)刀尺寸(cun)6.18cm。干密(mi)度(du)分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共(gong)3組(zu)，吸力范圍(wei)0～500kPa。表(biao)l列出(chu)了含水率特征值，試驗曲線見(jian)圖(tu)10所示(shi)。

試驗(yan)結(jie)果表明(ming)：①干密(mi)度對進(jin)氣值(zhi)沒(mei)有(you)明(ming)顯的影響，不同干密(mi)度的試樣(yang)的進(jin)氣值(zhi)大致在10kPa左右(you)；②土(tu)樣(yang)殘余(yu)含水率(lv)隨干密(mi)度的增(zeng)加而減少，殘余(yu)含水率(lv)約為飽和含水率(lv)的10%。上述特性與粉土(tu)一粉砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏(gao)的密度變化(hua)較(jiao)大，而進行三軸試驗需要(yao)若干(gan)原狀樣(yang)，為使試驗結果具有較(jiao)好的一致性(xing)，有針對(dui)性(xing)的選擇(ze)平均干(gan)密度分別為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)(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干(gan)試樣(yang)，進行了5組(zu)三軸CU試驗。圖(tu)11是為干(gan)密度為1.2和(he)(he)1.58g/cm3的三軸CU試驗曲線。

從(cong)圖11可以(yi)看出，磷石膏(gao)的(de)應(ying)力應(ying)變關(guan)系曲線在低圍(wei)壓下表現(xian)為(wei)軟化型，在高(gao)圍(wei)壓下表現(xian)為(wei)硬化型，與(yu)一(yi)(yi)般土類相似。但與(yu)一(yi)(yi)般粉土一(yi)(yi)粉砂不同的(de)是，即使(shi)在較為(wei)疏(shu)松的(de)狀態下，磷石膏(gao)仍(reng)表現(xian)了(le)較為(wei)強烈(lie)的(de)剪(jian)脹，隨密實度增大，剪(jian)脹作用愈(yu)發(fa)明顯。

表(biao)2給出了(le)(le)不同干密(mi)(mi)度下的(de)(de)內(nei)(nei)(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出了(le)(le)內(nei)(nei)(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)與干密(mi)(mi)度的(de)(de)關系(xi)曲(qu)線。隨(sui)干密(mi)(mi)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內(nei)(nei)(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)也隨(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用(yong)冪函(han)數較好(hao)地擬合。磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干密(mi)(mi)度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)(le)32%，總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據擬合曲(qu)線求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%，有效應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%，由于隨(sui)圍(wei)壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔(kong)壓也明顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故(gu)有效摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅較之總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)要小。另(ling)外較之于干密(mi)(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并(bing)不顯著，表(biao)明即(ji)使較為(wei)(wei)疏(shu)松的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)仍具(ju)有較高的(de)(de)強度指(zhi)標(biao)，這(zhe)也表(biao)明磷(lin)石膏(gao)堆積壩的(de)(de)穩(wen)定性較高。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形試驗

磷石膏的蠕變(bian)變(bian)形試驗在側(ce)限壓(ya)縮儀(yi)中進行，試驗狀態相當(dang)于K0固結(jie)。試樣直徑61.8mm，高度20mm，試樣干(gan)密度為1.30g/cm3，對試樣飽(bao)和后分別開(kai)展了上覆(fu)壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試驗，

試(shi)(shi)(shi)驗(yan)從2012年8月(yue)27日開始(shi)，試(shi)(shi)(shi)驗(yan)己(ji)進(jin)行了1年多(duo)，試(shi)(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果見圖13所(suo)示(shi)。

從圖13中(zhong)可以看出：上(shang)覆荷載越(yue)大(da)(da)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的蠕(ru)(ru)變變形(xing)也越(yue)大(da)(da)，荷載施(shi)加1年(nian)后，磷(lin)石(shi)(shi)膏的蠕(ru)(ru)變變形(xing)仍非常顯(xian)著，尚未(wei)達(da)到(dao)穩(wen)(wen)定狀態，這也是磷(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩(ba)后期(qi)變形(xing)較大(da)(da)的原因，原型(xing)觀測資料表明，在5級(ji)子壩(ba)河床(chuang)部位的表面(mian)沉(chen)降(jiang)量已經達(da)到(dao)3.1m，且尚未(wei)完全(quan)穩(wen)(wen)定。

按時(shi)(shi)間對(dui)數法，可求得各(ge)級荷載(zai)下的(de)(de)主(zhu)次固(gu)結變(bian)形(xing)(xing)(xing)量如表3所示。試驗結果表明，在100～400kPa上(shang)覆荷載(zai)作用(yong)下，在試驗時(shi)(shi)間范圍內(nei)蠕(ru)變(bian)(次固(gu)結)變(bian)形(xing)(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)結變(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當(dang)(dang)然由于(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完(wan)成，實(shi)際(ji)的(de)(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)應更大。對(dui)土體(ti)(ti)(ti)而(er)(er)言(yan)(yan)，發(fa)(fa)生蠕(ru)變(bian)的(de)(de)原因是由于(yu)(yu)土體(ti)(ti)(ti)在主(zhu)固(gu)結完(wan)成之后(hou)，土體(ti)(ti)(ti)中仍(reng)有微小的(de)(de)超靜孔隙(xi)壓力存(cun)在，驅使水(shui)在顆粒問流動(dong)，一般來講土體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)次固(gu)結遠(yuan)小于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)結變(bian)形(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏而(er)(er)言(yan)(yan)，其滲透系數在10-4cm/s數量級，遠(yuan)大于(yu)(yu)黏(nian)性土，但(dan)其卻發(fa)(fa)生了(le)極為(wei)顯著的(de)(de)次固(gu)結變(bian)形(xing)(xing)(xing)，其原因在于(yu)(yu)磷(lin)(lin)石(shi)膏晶體(ti)(ti)(ti)結構(gou)發(fa)(fa)生了(le)壓縮、破壞，接觸點晶格發(fa)(fa)生歪(wai)曲和變(bian)形(xing)(xing)(xing)，而(er)(er)破壞后(hou)晶格之間的(de)(de)重新排列、調整(zheng)到(dao)最后(hou)趨于(yu)(yu)相(xiang)對(dui)靜止(zhi)需(xu)要相(xiang)當(dang)(dang)長的(de)(de)時(shi)(shi)間才能完(wan)成。

2.4動力力學特性(xing)

試驗(yan)(yan)設備采用(yong)英國GDS公司進口的電機控(kong)制(zhi)動三(san)軸試驗(yan)(yan)系統，試樣直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和(he)阻(zu)尼比

同(tong)樣(yang)由于自然沉(chen)積的磷石膏密(mi)度(du)變化較大，為此根據(ju)物理性質試(shi)驗結(jie)果，選擇兩種平均干密(mi)度(du)1.34g/cm3(變化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)動剪(jian)切模(mo)量G、阻尼比與剪(jian)應變幅值γd的(de)關系式(shi)如下：

式(shi)中k1為(wei)(wei)參數，表(biao)示動(dong)剪(jian)切(qie)模量的衰減或阻尼比(bi)的增長速率；λmax為(wei)(wei)最大(da)阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大(da)動(dong)剪(jian)切(qie)模量和歸一化的動(dong)剪(jian)應變，表(biao)示為(wei)(wei)

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

圖14給(gei)(gei)出了(le)動剪(jian)切模量、阻尼比與(yu)歸一化動應變的(de)關(guan)系曲線，另外圖中(zhong)(zhong)還給(gei)(gei)出了(le)式(1)的(de)擬合曲線以及Seed等給(gei)(gei)出的(de)砂樣的(de)上下邊界線，圖例中(zhong)(zhong)，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好(hao)地描述磷石膏(gao)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應(ying)力-動(dong)(dong)(dong)應(ying)變(bian)試驗曲線，表明(ming)(ming)采用等(deng)價(jia)黏彈性模(mo)(mo)型進行(xing)循(xun)環荷(he)載作(zuo)用下的(de)(de)(de)分析是可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線位于(yu)(yu)干密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線上(shang)方，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位于(yu)(yu)下方，表明(ming)(ming)密(mi)度越大(da)(da)，動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)(mo)越大(da)(da)、阻尼(ni)比越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種(zhong)干密(mi)度的(de)(de)(de)擬(ni)合線基(ji)(ji)本位于(yu)(yu)Seed等(deng)給出(chu)的(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線上(shang)方，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基(ji)(ji)本處于(yu)(yu)邊(bian)界(jie)線中(zhong)(zhong)間，表明(ming)(ming)相比較(jiao)(jiao)砂樣，磷石膏(gao)動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)(jiao)大(da)(da)，會導致磷石膏(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)應(ying)較(jiao)(jiao)大(da)(da)，但由(you)于(yu)(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)(jiao)大(da)(da)，這(zhe)樣又會削(xue)弱壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)應(ying)，二者(zhe)的(de)(de)(de)相互(hu)影響下，磷石膏(gao)堆積壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反(fan)應(ying)將不會過于(yu)(yu)強烈，這(zhe)對磷石膏(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選擇(ze)兩種平均(jun)干密度為(wei)1.12(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標(biao)準為(wei)總應變(bian)達到(dao)10%。

圖(tu)15給(gei)出(chu)了動剪應(ying)(ying)力(li)比τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)關系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為振前試(shi)樣45°面上的(de)有效法向應(ying)(ying)力(li)，表達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)(jie)(jie)比。從試(shi)驗結(jie)(jie)(jie)果可以看出(chu)，沉積(ji)磷石膏的(de)動強度與其(qi)它(ta)土體(ti)相似，表現為圍壓和(he)固結(jie)(jie)(jie)應(ying)(ying)力(li)比與動剪應(ying)(ying)力(li)比呈負(fu)相關關系。

為(wei)判(pan)別沉積磷石膏的(de)抗(kang)液化(hua)能(neng)力(li)，假定抗(kang)震設計(ji)烈度(du)為(wei)8度(du)，即等效振次(ci)Ⅳ可(ke)取為(wei)30。首先由式(4)

所示的(de)冪(mi)函數關系式得到振次為30時各(ge)個(ge)圍壓(ya)和(he)固(gu)結比下的(de)動剪應(ying)力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應(ying)力(li)比與圍壓(ya)和固結應(ying)力(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。

從上述擬(ni)合關系式可(ke)見，密實度(du)提高(gao)(gao)(gao)后(hou)，動剪(jian)應力比提高(gao)(gao)(gao)，表(biao)明抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力也提高(gao)(gao)(gao)。但即使是(shi)在低密度(du)下，其動剪(jian)應力比較之(zhi)同類的粉(fen)土(tu)或粉(fen)砂(sha)也大出許多，表(biao)明磷石膏具有較高(gao)(gao)(gao)的抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力。

三、結論

依托柳樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩，在鉆探(tan)取樣(yang)工(gong)作的基礎上，首先開(kai)展了(le)物理性(xing)質試(shi)驗，然后(hou)開(kai)展了(le)靜動力(li)力(li)學特(te)性(xing)試(shi)驗。通過(guo)上述試(shi)驗研究，得(de)出如(ru)下結論：

(1)沉積磷(lin)石膏總(zong)體上(shang)屬(shu)于級配不(bu)良的粉(fen)土(tu)，局(ju)部(bu)屬(shu)于粉(fen)砂一中砂，無自(zi)然分級現象(xiang)。其干密度和粒徑變化隨埋深或距(ju)(ju)放漿(jiang)口距(ju)(ju)離(li)的變化不(bu)明顯。

(2)沉(chen)積磷石膏(gao)水平方(fang)(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數(shu)大于垂直方(fang)(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數(shu)，呈現明顯(xian)的各向(xiang)異性(xing)。

(3)與(yu)土體顆粒不可(ke)壓縮(suo)不同，磷石膏的(de)晶體結(jie)構會發(fa)生壓縮(suo)破壞(huai)，具有較大的(de)壓縮(suo)性，其次(ci)固(gu)(gu)結(jie)變形量遠大于主固(gu)(gu)結(jie)變形量。

(4)沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)的靜動強度較之同等密實(shi)度下的粉土、粉砂要高。