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(yin)言(yan)

磷石(shi)膏(gao)(gao)是濕法(fa)(fa)磷酸生(sheng)產過(guo)程中的(de)(de)副產品，2018年(nian)，全國(guo)磷石(shi)膏(gao)(gao)產生(sheng)量(liang)為(wei)7800萬噸，且(qie)呈逐年(nian)增長的(de)(de)態勢(shi)。磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)主(zhu)要(yao)成(cheng)分(fen)是CaO和(he)(he)SO3，但含(han)有一(yi)定(ding)量(liang)的(de)(de)氟化物(wu)和(he)(he)其它(ta)放(fang)(fang)射性物(wu)質(zhi)，在中國(guo)通常(chang)按(an)Ⅱ類一(yi)般(ban)工業固(gu)體(ti)廢物(wu)處(chu)理(li)，鑒于無害化處(chu)理(li)成(cheng)本(ben)較(jiao)高，目(mu)前綜合利用(yong)率尚不(bu)足40%，故大(da)部分(fen)磷石(shi)膏(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)(fang)。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)場地的(de)(de)不(bu)同，可分(fen)為(wei)平地型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)和(he)(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場，在中國(guo)基本(ben)上是山(shan)谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場。相比較(jiao)干法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經(jing)濟優勢(shi)明顯，因而如地質(zhi)條件為(wei)非碳(tan)酸鹽(yan)巖地區，一(yi)般(ban)均采用(yong)濕排濕堆(dui)(dui)方式。隨(sui)著中國(guo)磷肥工業的(de)(de)快速發(fa)展，本(ben)世紀初中國(guo)相繼(ji)建設了幾座濕法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)(xing)磷石(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例(li)如云天(tian)化國(guo)際化工三環分(fen)公司的(de)(de)柳樹箐磷石(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)和(he)(he)富瑞分(fen)公司的(de)(de)楊(yang)家箐磷石(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)，這兩(liang)座壩(ba)設計壩(ba)高均超過(guo)100m、處(chu)于8度(du)地震區，其安(an)全性備(bei)受關注(zhu)。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全世界有118座尾礦壩曾(ceng)發生(sheng)過(guo)破壞或潰壩事(shi)(shi)故，原因(yin)主(zhu)要有地(di)震、洪水(shui)漫頂、滲(shen)透破壞和基礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事(shi)(shi)后會造成巨大(da)的生(sheng)態災難(nan)和人(ren)員傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國內(nei)外對(dui)(dui)金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)(de)(de)沉(chen)積規(gui)律、物(wu)理(li)力學特(te)性(xing)及其(qi)(qi)穩(wen)定性(xing)開展了(le)大(da)量的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)，但(dan)對(dui)(dui)于(yu)與金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)庫相近的(de)(de)(de)磷石膏庫，一(yi)般(ban)僅限于(yu)在可研(yan)(yan)階段采用人工(gong)制備(bei)樣(yang)進行(xing)物(wu)理(li)力學性(xing)質試(shi)驗，并據此進行(xing)穩(wen)定性(xing)分析，尚未(wei)有人針對(dui)(dui)己運行(xing)若干年的(de)(de)(de)大(da)型濕法堆存磷石膏堆積壩開展過磷石膏沉(chen)積規(gui)律及其(qi)(qi)物(wu)理(li)力學特(te)性(xing)的(de)(de)(de)專項研(yan)(yan)究(jiu)。

本文依托(tuo)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏堆積壩(ba)，首先進行了鉆探取樣(yang)，采用(yong)原(yuan)(yuan)狀樣(yang)開(kai)展(zhan)了密(mi)度、含(han)水率、滲(shen)透(tou)、土水特(te)(te)(te)征和顆分等(deng)物(wu)理(li)性質(zhi)試(shi)驗(yan)，在此(ci)基礎上有針對(dui)(dui)性的(de)選(xuan)擇原(yuan)(yuan)狀樣(yang)開(kai)展(zhan)了三軸CU、蠕(ru)變及動(dong)三軸等(deng)力學(xue)特(te)(te)(te)性試(shi)驗(yan)。通(tong)過上述試(shi)驗(yan)研(yan)究，總(zong)結(jie)了磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)沉積規律、滲(shen)透(tou)特(te)(te)(te)性、滲(shen)透(tou)破壞(huai)特(te)(te)(te)性以及靜動(dong)力特(te)(te)(te)性，上述研(yan)究工(gong)作對(dui)(dui)研(yan)究和評估磷(lin)(lin)石(shi)膏庫堆積壩(ba)的(de)穩定性提供了基礎數據(ju)，對(dui)(dui)現(xian)行磷(lin)(lin)石(shi)膏庫的(de)運行管(guan)理(li)以及新建工(gong)程的(de)設計具有重要的(de)借鑒(jian)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

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設計總壩(ba)高(gao)約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采(cai)用土料填筑。上游坡(po)面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置(zhi)堆(dui)石排水體，三者相連通構成整個堆(dui)積壩(ba)的主要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其(qi)輔助排滲措施

采用上游(you)式筑壩法，共20級子壩，頂寬6～9m，高度5m，堆(dui)積高度約100m。采用排(pai)(pai)滲(shen)管(guan)網(wang)(wang)作為(wei)輔(fu)助排(pai)(pai)滲(shen)方案，目前己在5級、9級子壩和13級子壩壩前120m范圍內(nei)設置了井字形排(pai)(pai)滲(shen)管(guan)網(wang)(wang)。

1.2沉積磷(lin)石膏的(de)鉆探取樣

鉆孔(kong)平面位置(zhi)見圖l。2008年6月(yue)，堆積至(zhi)5級(ji)子(zi)壩時，布(bu)設了9個(ge)(ge)取樣鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編(bian)號K1～K9，取原狀樣76件；2013年5月(yue)，堆積至(zhi)13級(ji)子(zi)壩時，又布(bu)設了11個(ge)(ge)取樣鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編(bian)號K10～K20，取原狀樣112件，為比(bi)較子(zi)壩加高和磷(lin)石膏堆積過程(cheng)中磷(lin)石膏物理(li)力學性質(zhi)的變化(hua)，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布(bu)設了一個(ge)(ge)鉆孔(kong)，鉆孔(kong)編(bian)號分別為K17和K18。

1.3運行概況(kuang)

柳樹箐磷(lin)石膏尾礦庫2005年開(kai)工建設(she)，2006年1月投入運行，截至2013年5月己堆(dui)至13級子壩(ba)，尚有(you)7級子壩(ba)即堆(dui)存(cun)至設(she)計高(gao)程。鑒(jian)于磷(lin)石膏庫地形、地質條件(jian)(jian)較好，具備擴容改造(zao)的(de)條件(jian)(jian)，以提高(gao)堆(dui)存(cun)庫容，減少堆(dui)存(cun)占地，節約土地資源。

本文主要(yao)對沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)物(wu)理力學特性進(jin)行了全面總結，限于篇幅，有關現狀磷(lin)石膏庫堆積(ji)壩的(de)(de)安全性評價及其(qi)加(jia)高(gao)可行性的(de)(de)研(yan)究將(jiang)另(ling)文發表。

二(er)、沉積(ji)磷石膏的物理力學特性

2.1物理(li)特性(xing)

(1)干(gan)密度分布

圖(tu)2給出了14個鉆孔(kong)的取樣深度(du)和試(shi)驗(yan)所得干密度(du)的關(guan)系，圖(tu)中(zhong)UWL表(biao)示(shi)水位線(xian)上，(系鉆孔(kong)期間的初見(jian)水位線(xian)，下(xia)同)，DWL表(biao)示(shi)水位線(xian)下(xia)。圖(tu)3給出了水位線(xian)上下(xia)的飽和度(du)分(fen)布(bu)圖(tu)。由于磷石(shi)膏中(zhong)的主要成(cheng)分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和烘烤時間對(dui)測(ce)定結果有一定影響，不能照搬現行的土工試(shi)驗(yan)規范，本文磷石(shi)膏的含水率測(ce)定方法為(wei)55℃溫度(du)下(xia)烘培24h。

圖2沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)干密度與埋深的關系

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

由(you)圖3，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)上(shang)的磷石膏(gao)飽和(he)(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為(wei)50.4%，處于非(fei)飽和(he)(he)狀態，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以下的磷石膏(gao)飽和(he)(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為(wei)85.0%，基(ji)本處于飽和(he)(he)狀態，由(you)于水(shui)位(wei)下降(jiang)后磷石膏(gao)來不(bu)及(ji)排水(shui)固結，故(gu)而水(shui)位(wei)線(xian)(xian)上(shang)局部試樣的飽和(he)(he)度(du)較高。

由圖2，水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)上的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)下的(de)(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)膏與(yu)一般(ban)的(de)(de)尾礦有所不同，磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度并不隨埋深的(de)(de)增大而明顯增大，但水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)下的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密(mi)度從統計(ji)意義上來看仍大于水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)上的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密(mi)度，這主要(yao)是由于水(shui)(shui)位線隨庫水(shui)(shui)位的(de)(de)變化反復(fu)升降而使得磷(lin)石(shi)(shi)膏排水(shui)(shui)固(gu)結所致。

室內(nei)擊(ji)(ji)實得到的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)干(gan)密度一(yi)般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出(chu)(chu)(chu)，自然沉積的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)干(gan)密度可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)(xia)：與(yu)經典的土骨架不可(ke)壓縮(suo)的理論不同，石(shi)(shi)膏(gao)本身可(ke)壓縮(suo)，同時(shi)由于(yu)顆(ke)粒(li)結(jie)構(gou)不穩定，擊(ji)(ji)實試驗過程(cheng)中磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)被破(po)壞，受(shou)夯擊(ji)(ji)處(chu)下(xia)(xia)陷(xian)，四周鼓起，出(chu)(chu)(chu)現了類似于(yu)橡皮(pi)土的現象(xiang)。而在(zai)現場條件下(xia)(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)骨架被破(po)壞后，會(hui)(hui)導致顆(ke)粒(li)中的結(jie)合水(shui)(shui)滲出(chu)(chu)(chu)至(zhi)孔隙(xi)內(nei)，變成(cheng)孔隙(xi)水(shui)(shui)，排水(shui)(shui)固(gu)結(jie)后會(hui)(hui)使得磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的孔隙(xi)比減(jian)小(xiao)，干(gan)密度增大(da)。

圖4給出了相(xiang)鄰鉆孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于2級子(zi)壩河床(chuang)部位(wei)(wei))以及相(xiang)鄰鉆孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于4級子(zi)壩河床(chuang)部位(wei)(wei))干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)對比圖。K2鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均值為1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均值為1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均值為1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均值為1.37g/cm3。可見，即使(shi)從統計意義上來看，磷石(shi)膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)也(ye)并未隨(sui)后(hou)續磷石(shi)膏的(de)堆(dui)積而有較(jiao)為明顯的(de)增(zeng)大。

(2)級配分布(bu)

顆(ke)粒分析試(shi)驗采用密度計法，制備懸液時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖5給出了試(shi)驗得到(dao)的級配包線(xian)、平均粒徑(jing)d50、不均勻(yun)系數(1u和曲率(lv)系數Cc的分布圖。

從圖(tu)5(a)可(ke)見(jian)，磷石膏(gao)的(de)粒徑主(zhu)要(yao)分(fen)(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬于粉土，但可(ke)能由于礦(kuang)石來源或生產工藝有所不同，局(ju)部屬于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑分(fen)(fen)布(bu)范圍比Blight和張超等的(de)試驗結(jie)果要(yao)寬一些(xie)。

圖4子壩加高后(hou)沉積磷石(shi)膏的(de)干密(mi)度變化(hua)

圖5沉(chen)積磷石膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論是水平向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)與金屬礦(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)“前粗后細，上粗下(xia)細”的(de)自(zi)然分級現象不(bu)同，也即粗顆(ke)粒(li)并不(bu)是沿埋深(shen)逐(zhu)步減小(xiao)或距離放(fang)漿(jiang)口越(yue)遠(yuan)(yuan)顆(ke)粒(li)越(yue)細，其原因如(ru)下(xia)：①磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑組(zu)成較為(wei)集中(zhong)、均勻(yun)，主(zhu)要以粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級配較差；②相比較金屬尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)比重(zhong)較小(xiao)，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)比重(zhong)一(yi)般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)(yuan)小(xiao)于金屬尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)，例(li)如(ru)鐵(tie)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)可(ke)達2.9；③放(fang)漿(jiang)口隨(sui)子壩高度(du)不(bu)斷增加而不(bu)斷變動(dong)并向(xiang)庫尾(wei)(wei)延伸(shen)，造成沉積磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)粒(li)徑變化不(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不均勻系(xi)數(shu)Cu范圍值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)(zhi)為4.18，曲(qu)率(lv)系(xi)數(shu)(1c范圍值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)(zhi)為1.21，在(zai)統計的(de)(de)100多個(ge)試樣中，屬于(yu)級配不良土(tu)(tu)的(de)(de)占93%。這種級配特性(xing)(xing)決定了磷石(shi)膏具(ju)有較高的(de)(de)壓縮性(xing)(xing)、滲透破壞(huai)型式表(biao)現為流土(tu)(tu)破壞(huai)。

2.2滲(shen)透特性

(1)滲透(tou)系數(shu)

影響滲(shen)透(tou)系(xi)數的(de)(de)主(zhu)要因素是粒徑大(da)小(xiao)、級(ji)配和(he)孔(kong)隙(xi)比，因而(er)磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數與粉(fen)土(tu)較為(wei)接近。由于孔(kong)隙(xi)比e減小(xiao)，使(shi)得過水通道(dao)面(mian)積減小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)數k也將減小(xiao)，k與e呈(cheng)正(zheng)相關關系(xi)。對砂土(tu)，一(yi)般(ban)認為(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)數k與e3/(1+e)的(de)(de)線性(xing)關系(xi)較好，圖6給出了二者(zhe)間的(de)(de)關系(xi)曲(qu)線，由于沉(chen)(chen)積磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)不(bu)均勻系(xi)數變化(hua)較大(da)，使(shi)得沉(chen)(chen)積磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數變化(hua)范圍較大(da)(平(ping)均值為(wei)10-4cm/s數量級(ji))，二者(zhe)問(wen)的(de)(de)線性(xing)關系(xi)較差。

圖6沉(chen)積磷石膏(gao)滲(shen)透系數(shu)與孔隙比的關系

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

圖7給出(chu)了水平(ping)(ping)與(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透系(xi)數比(bi)值(zhi)的(de)分(fen)布(bu)。沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)水平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透系(xi)數kh一(yi)般大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透系(xi)數kv,kh/kv平(ping)(ping)均(jun)值(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)點與(yu)成層分(fen)布(bu)的(de)金屬尾礦規律一(yi)致。造(zao)成沉積磷(lin)石(shi)膏水平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透系(xi)數大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透系(xi)數的(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏具有明(ming)顯的(de)晶體(ti)結構，電鏡(jing)掃描(miao)顯示多為(wei)菱形和棱柱(zhu)狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉積過程(cheng)中，由于(yu)(yu)扁(bian)平(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)石(shi)膏顆粒多呈(cheng)水平(ping)(ping)排列(lie)，使得(de)水平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透水性(xing)大(da)于(yu)(yu)垂(chui)直方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透水性(xing)，從(cong)而使磷(lin)石(shi)膏呈(cheng)現明(ming)顯的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色金屬工(gong)業(ye)昆明勘察設計研究院在楊家(jia)箐(qing)磷石膏堆積壩開展的現(xian)場滲(shen)透(tou)試(shi)驗，kh/kv的平(ping)均(jun)值(zhi)約(yue)為1.9。但張超(chao)等的室內(nei)試(shi)驗顯示，kh/kv的平(ping)均(jun)值(zhi)約(yue)為0.46，也(ye)即垂直向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)大(da)于水平(ping)向滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)，與本(ben)文(wen)和現(xian)場試(shi)驗結果(guo)恰恰相反。從(cong)磷石膏的微觀結構來看(kan)，本(ben)文(wen)試(shi)驗結果(guo)更為合(he)理。

圖7沉積磷(lin)石膏干密度與水平和垂直(zhi)滲(shen)透系數比(bi)值的關系

(2)滲(shen)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)力梯度J與流速V的(de)(de)關系曲(qu)線，試(shi)驗在(zai)水(shui)(shui)(shui)平管(guan)涌儀中(zhong)采(cai)(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)流形式進行(xing)。試(shi)驗得到(dao)的(de)(de)臨界坡降Jc=0.355，破壞坡降Jp=0.375。一(yi)般來說(shuo)，對(dui)(dui)1，2級工程，滲(shen)透安全系數(shu)取為(wei)(wei)2.5，則允許出逸(yi)坡降為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下(xia)工程，滲(shen)透安全系數(shu)取2.0，則允許出逸(yi)坡降為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降與粉土(tu)一(yi)粉砂大致(zhi)相同。但上(shang)述(shu)滲(shen)透變形試(shi)驗是采(cai)(cai)用(yong)自(zi)來水(shui)(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)，自(zi)來水(shui)(shui)(shui)對(dui)(dui)磷石(shi)膏具(ju)有(you)一(yi)定的(de)(de)溶蝕作用(yong)，而實際(ji)上(shang)磷石(shi)膏中(zhong)殘余(yu)磷、硫和氟酸(suan)(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般小于(yu)3(稱(cheng)之為(wei)(wei)酸(suan)(suan)性水(shui)(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)(suan)性水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下(xia)，磷石(shi)膏不會發生破壞，上(shang)述(shu)試(shi)驗結果(guo)是偏(pian)于(yu)保守(shou)的(de)(de)，但對(dui)(dui)非(fei)酸(suan)(suan)性水(shui)(shui)(shui)條件(例(li)如(ru)特大暴(bao)雨)下(xia)的(de)(de)滲(shen)透穩定判(pan)斷有(you)一(yi)定的(de)(de)借鑒(jian)意義。

圖9水力梯度J-流速v試驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗

試(shi)(shi)驗在(zai)5Bar的(de)壓力(li)板儀中(zhong)進行，環刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力(li)范(fan)圍0～500kPa。表(biao)l列出(chu)了含水(shui)率(lv)特征(zheng)值，試(shi)(shi)驗曲線見(jian)圖10所示。

試驗結果表明：①干(gan)密(mi)度對進氣值(zhi)沒有(you)明顯(xian)的影響，不同(tong)干(gan)密(mi)度的試樣(yang)的進氣值(zhi)大致(zhi)在10kPa左右(you)；②土樣(yang)殘余含水(shui)率隨(sui)干(gan)密(mi)度的增(zeng)加而減少，殘余含水(shui)率約為飽(bao)和含水(shui)率的10%。上述特(te)性(xing)與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂基(ji)本一(yi)致(zhi)。

2.3靜(jing)力力學特(te)性

(1)三(san)軸CU試驗

由于(yu)沉積(ji)磷石膏(gao)的密度變化較(jiao)大(da)，而進行(xing)三軸(zhou)試(shi)(shi)驗需要若(ruo)(ruo)干原狀樣(yang)，為(wei)(wei)使試(shi)(shi)驗結(jie)果(guo)具有較(jiao)好的一致性(xing)，有針(zhen)對性(xing)的選擇平均干密度分(fen)別為(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)的若(ruo)(ruo)干試(shi)(shi)樣(yang)，進行(xing)了5組三軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗。圖11是(shi)為(wei)(wei)干密度為(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的三軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗曲(qu)線。

從圖11可(ke)以看(kan)出，磷石(shi)膏(gao)的(de)應(ying)力應(ying)變(bian)關系曲線在(zai)低(di)圍(wei)壓下(xia)表(biao)現為(wei)軟化型，在(zai)高圍(wei)壓下(xia)表(biao)現為(wei)硬化型，與(yu)一(yi)般土類相似。但與(yu)一(yi)般粉(fen)(fen)土一(yi)粉(fen)(fen)砂不同的(de)是，即使在(zai)較為(wei)疏松的(de)狀(zhuang)態下(xia)，磷石(shi)膏(gao)仍表(biao)現了較為(wei)強烈的(de)剪(jian)脹，隨密實度增(zeng)大，剪(jian)脹作用愈發明顯。

表2給出(chu)了(le)不同干密(mi)度(du)下的(de)內摩(mo)擦(ca)角，圖(tu)12給出(chu)了(le)內摩(mo)擦(ca)角與干密(mi)度(du)的(de)關系曲線。隨(sui)干密(mi)度(du)的(de)增(zeng)大(da)(da)(da)，內摩(mo)擦(ca)角也(ye)隨(sui)之(zhi)(zhi)增(zeng)大(da)(da)(da)，且可采用冪函數較(jiao)好地擬合。磷石膏(gao)的(de)干密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)加為1.58g/cm3，增(zeng)加了(le)32%，總(zong)應(ying)(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)角由(you)34.1°增(zeng)加為37.3°(根(gen)據擬合曲線求得(de))，增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)為9.4%，有效(xiao)應(ying)(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)角由(you)37.6°增(zeng)加為38.8°，增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)為3.2%，由(you)于(yu)隨(sui)圍(wei)壓的(de)增(zeng)大(da)(da)(da)，孔壓也(ye)明(ming)顯(xian)增(zeng)大(da)(da)(da)，故有效(xiao)摩(mo)擦(ca)角增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)較(jiao)之(zhi)(zhi)總(zong)應(ying)(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)角要小。另外較(jiao)之(zhi)(zhi)于(yu)干密(mi)度(du)增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)，摩(mo)擦(ca)角的(de)增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)并不顯(xian)著(zhu)，表明(ming)即(ji)使(shi)較(jiao)為疏松的(de)磷石膏(gao)仍具有較(jiao)高的(de)強度(du)指標，這(zhe)也(ye)表明(ming)磷石膏(gao)堆(dui)積壩的(de)穩定性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結(jie))變形試驗

磷石膏的蠕(ru)變變形試(shi)驗在側限壓(ya)縮儀中進行，試(shi)驗狀態相當于(yu)K0固結(jie)。試(shi)樣直(zhi)徑(jing)61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干密度為(wei)1.30g/cm3，對(dui)試(shi)樣飽和后分(fen)別開(kai)展了(le)上覆壓(ya)力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試(shi)驗從(cong)2012年(nian)8月27日開始，試(shi)驗己進行了1年(nian)多，試(shi)驗結果(guo)見圖(tu)13所示。

從圖13中可以看(kan)出：上覆荷載越(yue)大(da)，磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)蠕變變形也(ye)(ye)越(yue)大(da)，荷載施加1年后(hou)，磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)蠕變變形仍(reng)非(fei)常顯(xian)著，尚未(wei)達(da)到穩(wen)定狀態，這也(ye)(ye)是磷(lin)石膏(gao)(gao)堆積壩后(hou)期變形較大(da)的(de)原(yuan)因(yin)，原(yuan)型(xing)觀測資料表(biao)明，在(zai)5級子壩河床部位的(de)表(biao)面沉降量已經(jing)達(da)到3.1m，且(qie)尚未(wei)完全(quan)穩(wen)定。

按時間(jian)(jian)(jian)對數(shu)法(fa)，可求得(de)各(ge)級(ji)荷載下的(de)主次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)量如(ru)表3所(suo)示。試(shi)驗結(jie)(jie)(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用(yong)下，在(zai)(zai)試(shi)驗時間(jian)(jian)(jian)范圍內(nei)蠕變(bian)(bian)(次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)是主固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍(bei)，當然由(you)于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未完成，實際的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更大(da)。對土(tu)體(ti)而(er)(er)言(yan)，發生(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)原因是由(you)于(yu)(yu)土(tu)體(ti)在(zai)(zai)主固結(jie)(jie)(jie)完成之后(hou)，土(tu)體(ti)中仍(reng)有微(wei)小(xiao)的(de)超靜(jing)孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問(wen)流動，一般來講土(tu)體(ti)的(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)(yu)主固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)；對磷石膏而(er)(er)言(yan)，其滲透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級(ji)，遠大(da)于(yu)(yu)黏性(xing)土(tu)，但其卻發生(sheng)了極為(wei)顯著的(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)，其原因在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶體(ti)結(jie)(jie)(jie)構發生(sheng)了壓縮、破壞(huai)，接觸點晶格發生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形(xing)，而(er)(er)破壞(huai)后(hou)晶格之間(jian)(jian)(jian)的(de)重新排(pai)列(lie)、調整(zheng)到最后(hou)趨于(yu)(yu)相對靜(jing)止需要相當長的(de)時間(jian)(jian)(jian)才(cai)能完成。

2.4動力力學(xue)特性(xing)

試(shi)驗(yan)設備采用英國(guo)GDS公司進口的(de)電機(ji)控制動三軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比

同(tong)樣(yang)由于(yu)自然沉積的磷石膏密度(du)變化較(jiao)大，為此根據物(wu)理性質試驗(yan)(yan)結果，選擇兩種平均干(gan)密度(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)進行試驗(yan)(yan)。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)動剪切模(mo)量G、阻尼比與剪應(ying)變(bian)幅值γd的(de)關系式(shi)如(ru)下：

式中k1為(wei)參(can)數(shu)，表示(shi)動(dong)剪(jian)切模量(liang)的衰減或阻尼(ni)比的增長(chang)速率；λmax為(wei)最大(da)阻尼(ni)比；Gmax，γd分(fen)別(bie)為(wei)最大(da)動(dong)剪(jian)切模量(liang)和歸一(yi)化(hua)的動(dong)剪(jian)應變(bian)，表示(shi)為(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應(ying)力(li)；Pa為(wei)(wei)標準(zhun)大氣壓；vd為(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)歸一化的動應(ying)變，表達(da)為(wei)(wei)

圖(tu)14給出了(le)動(dong)剪(jian)切(qie)模量、阻(zu)尼比(bi)與歸一化動(dong)應(ying)變的(de)(de)關系(xi)曲線，另外圖(tu)中還給出了(le)式(1)的(de)(de)擬合曲線以(yi)及Seed等給出的(de)(de)砂樣的(de)(de)上下(xia)邊界線，圖(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應(ying)力(li)比(bi)。

從(cong)圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)(ke)較(jiao)好地(di)描述磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)應(ying)力(li)-動(dong)應(ying)變試(shi)驗曲線，表(biao)明采(cai)用等(deng)價黏彈性(xing)模型(xing)進行循環荷載作用下的(de)(de)(de)(de)分析是可(ke)(ke)行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線位于(yu)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線上(shang)方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位于(yu)下方，表(biao)明密(mi)(mi)度(du)(du)越大(da)，動(dong)彈模越大(da)、阻尼比(bi)(bi)越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線基(ji)本(ben)位于(yu)Seed等(deng)給出(chu)的(de)(de)(de)(de)邊界線上(shang)方，而(er)圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基(ji)本(ben)處于(yu)邊界線中(zhong)(zhong)間，表(biao)明相比(bi)(bi)較(jiao)砂(sha)樣，磷石(shi)膏(gao)動(dong)彈模較(jiao)大(da)，會(hui)導致磷石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)較(jiao)大(da)，但由于(yu)阻尼比(bi)(bi)也(ye)較(jiao)大(da)，這樣又會(hui)削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)，二(er)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)相互(hu)影(ying)響下，磷石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)將不(bu)會(hui)過于(yu)強烈，這對(dui)磷石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)抗(kang)震穩定(ding)性(xing)是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選(xuan)擇(ze)兩種平均(jun)干密(mi)度為1.12(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗，破壞標(biao)準(zhun)為總應變(bian)達(da)到(dao)10%。

圖(tu)15給出了動(dong)剪應力比τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的關(guan)系曲線圖(tu)，其中σ0為振前試(shi)樣45°面上的有效法向應力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結(jie)比。從(cong)試(shi)驗(yan)結(jie)果可以(yi)看出，沉積(ji)磷石膏的動(dong)強度與(yu)其它土體相似，表現為圍壓和固(gu)結(jie)應力比與(yu)動(dong)剪應力比呈負相關(guan)關(guan)系。

為判別沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)抗液化能(neng)力，假定抗震(zhen)設計(ji)烈度為8度，即等效振(zhen)次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的(de)冪函數關系式得(de)到振次為(wei)30時(shi)各個(ge)圍(wei)壓和(he)固結比下的(de)動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動(dong)剪應(ying)力比與圍壓和固結應(ying)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。

從上述擬(ni)合關系(xi)式可見，密實度(du)提(ti)高(gao)后，動(dong)剪應力(li)(li)比提(ti)高(gao)，表明(ming)抗液(ye)化能(neng)力(li)(li)也(ye)(ye)提(ti)高(gao)。但(dan)即使是在低密度(du)下(xia)，其(qi)動(dong)剪應力(li)(li)比較之同類的粉土或(huo)粉砂也(ye)(ye)大出許多，表明(ming)磷石膏(gao)具有較高(gao)的抗液(ye)化能(neng)力(li)(li)。

三、結論

依托(tuo)柳樹箐磷石膏堆(dui)積壩，在鉆探(tan)取樣工作的基礎上(shang)，首(shou)先(xian)開(kai)展了物理性質(zhi)試驗(yan)，然后開(kai)展了靜(jing)動力(li)力(li)學特性試驗(yan)。通(tong)過上(shang)述試驗(yan)研究，得(de)出(chu)如下結論(lun)：

(1)沉積磷(lin)石膏總體上屬于級配不良的粉(fen)土，局部(bu)屬于粉(fen)砂(sha)一中砂(sha)，無自然分(fen)級現象。其干密度(du)和粒徑變化隨埋深或距放漿(jiang)口距離的變化不明顯。

(2)沉積磷石膏(gao)水平方(fang)向的(de)滲(shen)透系數大于垂直方(fang)向的(de)滲(shen)透系數，呈現明顯的(de)各向異性。

(3)與(yu)土(tu)體顆粒不可壓縮不同，磷石膏的晶體結(jie)(jie)構(gou)會發生壓縮破(po)壞，具(ju)有較大(da)的壓縮性，其次固結(jie)(jie)變(bian)(bian)形量遠(yuan)大(da)于主(zhu)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)形量。

(4)沉積磷石膏的靜動強度(du)較之同等密實度(du)下的粉土、粉砂要高。