沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：磷(lin)石(shi)(shi)膏是磷(lin)酸生產過程中的(de)(de)(de)(de)副產品，目前的(de)(de)(de)(de)綜合利用率尚不足40%，大部分(fen)需要堆(dui)存(cun)存(cun)放。受地形(xing)限(xian)制和(he)經濟效益考(kao)慮，中國主要為濕法堆(dui)存(cun)的(de)(de)(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積壩，針對(dui)沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏首(shou)先(xian)開展(zhan)了密度、含水率、滲(shen)透、土水特(te)征(zheng)和(he)顆分(fen)等(deng)物理(li)性質(zhi)試(shi)驗(yan)，然(ran)后(hou)開展(zhan)了三(san)軸(zhou)(zhou)cu、蠕變及(ji)動三(san)軸(zhou)(zhou)等(deng)力(li)學特(te)性試(shi)驗(yan)。試(shi)驗(yan)結果表明：①沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)干(gan)密度與埋(mai)深沒(mei)有(you)(you)相關關系(xi)；②沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏不具有(you)(you)自(zi)然(ran)分(fen)級(ji)現象，但(dan)具有(you)(you)明顯的(de)(de)(de)(de)各向(xiang)異性；③沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏具有(you)(you)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)摩(mo)擦(ca)角和(he)抗液化能力(li)，但(dan)其(qi)蠕變變形(xing)較(jiao)大、滲(shen)透比降較(jiao)小(xiao)。上述工作為分(fen)析磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積壩的(de)(de)(de)(de)壩體穩定性提供了基(ji)礎，對(dui)現行磷(lin)石(shi)(shi)膏庫的(de)(de)(de)(de)運(yun)行管理(li)以及(ji)新建工程的(de)(de)(de)(de)設(she)計具有(you)(you)重要的(de)(de)(de)(de)借鑒意(yi)義。

引言

磷(lin)(lin)石膏(gao)是濕法(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)(chan)過程中(zhong)的(de)副產(chan)(chan)品，2018年，全國(guo)(guo)磷(lin)(lin)石膏(gao)產(chan)(chan)生量為(wei)7800萬噸，且(qie)呈逐年增長的(de)態勢。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)主要(yao)(yao)成(cheng)分(fen)是CaO和SO3，但含有一定量的(de)氟化(hua)物和其它(ta)放射性物質，在中(zhong)國(guo)(guo)通常(chang)按Ⅱ類一般(ban)工業(ye)固(gu)體廢(fei)物處理，鑒于(yu)無害化(hua)處理成(cheng)本較(jiao)高，目前綜合利用率尚(shang)不(bu)足40%，故大(da)部(bu)分(fen)磷(lin)(lin)石膏(gao)需要(yao)(yao)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)場(chang)地(di)(di)的(de)不(bu)同，可分(fen)為(wei)平地(di)(di)型(xing)、傍山型(xing)、山谷(gu)型(xing)和截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)國(guo)(guo)基本上是山谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)比較(jiao)干法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)，濕法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)經濟優勢明(ming)顯，因而如地(di)(di)質條件為(wei)非碳酸(suan)鹽巖(yan)地(di)(di)區，一般(ban)均采用濕排濕堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)(guo)磷(lin)(lin)肥工業(ye)的(de)快速發展，本世紀初(chu)中(zhong)國(guo)(guo)相(xiang)繼建設(she)了幾(ji)座濕法(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)的(de)大(da)型(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫，例(li)如云天(tian)化(hua)國(guo)(guo)際化(hua)工三環分(fen)公司的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩和富瑞分(fen)公司的(de)楊(yang)家箐磷(lin)(lin)石膏(gao)庫堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩，這兩座壩設(she)計壩高均超過100m、處于(yu)8度地(di)(di)震區，其安(an)全性備受關注。

據(ju)統計，110多(duo)年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來(lai)，全世界有118座尾礦壩曾發生過(guo)破(po)壞或(huo)潰壩事(shi)故，原(yuan)因主要(yao)有地震(zhen)、洪水(shui)漫頂、滲(shen)透破(po)壞和基礎(chu)失穩。尾礦庫(ku)失事(shi)后會(hui)造成(cheng)巨大的生態災難和人員傷(shang)亡，近幾十年(nian)(nian)來(lai)，

國內外對(dui)(dui)金屬(shu)尾礦的(de)(de)(de)沉積規律、物理力(li)學特性(xing)及其穩定性(xing)開(kai)展了大量的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)，但對(dui)(dui)于與金屬(shu)尾礦庫(ku)(ku)相近的(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)，一般僅限于在(zai)可研(yan)階段(duan)采用人工制備(bei)樣(yang)進(jin)行物理力(li)學性(xing)質(zhi)試驗，并據(ju)此進(jin)行穩定性(xing)分析，尚未有(you)人針對(dui)(dui)己(ji)運行若干年的(de)(de)(de)大型濕法(fa)堆(dui)存磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積壩開(kai)展過磷石(shi)(shi)膏沉積規律及其物理力(li)學特性(xing)的(de)(de)(de)專項(xiang)研(yan)究(jiu)。

本文依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩，首(shou)先進行了(le)(le)鉆探取樣，采用原狀(zhuang)樣開(kai)展(zhan)了(le)(le)密(mi)度、含(han)水率、滲透(tou)、土水特(te)(te)征和顆分等物理(li)性(xing)(xing)質試驗，在此基礎上(shang)有(you)針對性(xing)(xing)的(de)(de)選擇原狀(zhuang)樣開(kai)展(zhan)了(le)(le)三軸CU、蠕變及動三軸等力學特(te)(te)性(xing)(xing)試驗。通過上(shang)述試驗研究(jiu)，總結(jie)了(le)(le)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)沉積(ji)規律、滲透(tou)特(te)(te)性(xing)(xing)、滲透(tou)破壞特(te)(te)性(xing)(xing)以及靜動力特(te)(te)性(xing)(xing)，上(shang)述研究(jiu)工作對研究(jiu)和評(ping)估(gu)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)穩定性(xing)(xing)提供了(le)(le)基礎數據，對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)的(de)(de)運行管理(li)以及新建工程的(de)(de)設(she)計具有(you)重要的(de)(de)借鑒意義(yi)。

一(yi)、依(yi)托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計(ji)方(fang)案

由初期壩和(he)堆積壩組成(cheng)，設計總壩高約(yue)130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩壩高約(yue)30m，采用土料填筑。上(shang)游坡面、壩底和下游壩腳(jiao)設(she)置堆石排水(shui)體，三者相連通構成整個堆積壩的(de)主要排滲系統。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲措施

采(cai)用上游式筑(zhu)壩(ba)(ba)法，共20級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)，頂(ding)寬(kuan)6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采(cai)用排滲管網作為輔助排滲方案(an)，目(mu)前己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)和13級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前120m范圍內設置了井字(zi)形排滲管網。

1.2沉(chen)積磷石膏的(de)鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積至5級子壩(ba)時，布設(she)了(le)9個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編號K1～K9，取(qu)原狀樣76件；2013年5月，堆(dui)積至13級子壩(ba)時，又布設(she)了(le)11個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編號K10～K20，取(qu)原狀樣112件，為(wei)比較子壩(ba)加高和(he)磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積過程(cheng)中(zhong)磷石(shi)膏(gao)物理(li)力(li)學性質的變化，在(zai)2，4級子壩(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)(kong)附近各布設(she)了(le)一個(ge)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編號分別為(wei)K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏尾礦(kuang)庫2005年(nian)開工(gong)建設，2006年(nian)1月(yue)投入運行，截(jie)至2013年(nian)5月(yue)己堆(dui)(dui)(dui)至13級(ji)子(zi)壩，尚有7級(ji)子(zi)壩即堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)至設計高(gao)程。鑒于磷石(shi)膏庫地形、地質條(tiao)件較好，具備擴(kuo)容改造的條(tiao)件，以(yi)提高(gao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)庫容，減少堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)占(zhan)地，節約土地資源。

本文主要對沉積(ji)磷石(shi)膏的物(wu)理力(li)學特性(xing)進行了全(quan)(quan)面總(zong)結，限于篇幅，有關現(xian)狀磷石(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩的安全(quan)(quan)性(xing)評價及其加高(gao)可行性(xing)的研究將另文發表。

二、沉積(ji)磷石膏的物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給出了14個鉆孔的(de)(de)(de)取樣深度(du)和試驗所(suo)得干密度(du)的(de)(de)(de)關系，圖(tu)中(zhong)UWL表示水位(wei)線(xian)(xian)上(shang)，(系鉆孔期間的(de)(de)(de)初見(jian)水位(wei)線(xian)(xian)，下同)，DWL表示水位(wei)線(xian)(xian)下。圖(tu)3給出了水位(wei)線(xian)(xian)上(shang)下的(de)(de)(de)飽和度(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷(lin)石(shi)膏中(zhong)的(de)(de)(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和烘烤時間對測(ce)定結果有一(yi)定影響(xiang)，不能照搬現(xian)行的(de)(de)(de)土工試驗規范(fan)，本(ben)文磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)含水率(lv)測(ce)定方法為55℃溫度(du)下烘培24h。

圖2沉積磷石膏干(gan)密度與(yu)埋深(shen)的關(guan)系

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

由(you)圖3，水位(wei)線(xian)(xian)(xian)上(shang)的(de)磷石膏飽(bao)(bao)和(he)度(du)平均(jun)(jun)值為(wei)50.4%，處于非飽(bao)(bao)和(he)狀態(tai)，水位(wei)線(xian)(xian)(xian)以下(xia)的(de)磷石膏飽(bao)(bao)和(he)度(du)平均(jun)(jun)值為(wei)85.0%，基本(ben)處于飽(bao)(bao)和(he)狀態(tai)，由(you)于水位(wei)下(xia)降后磷石膏來不及(ji)排水固(gu)結，故而水位(wei)線(xian)(xian)(xian)上(shang)局部試(shi)樣(yang)的(de)飽(bao)(bao)和(he)度(du)較高。

由(you)圖(tu)2，水(shui)位(wei)線以(yi)(yi)上(shang)的(de)干密度(du)(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線以(yi)(yi)下的(de)干密度(du)(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏與一般(ban)的(de)尾礦有所不同(tong)，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)干密度(du)(du)(du)并不隨(sui)埋深的(de)增大而(er)明顯增大，但(dan)水(shui)位(wei)線以(yi)(yi)下的(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏干密度(du)(du)(du)從統計意義上(shang)來看仍大于水(shui)位(wei)線以(yi)(yi)上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏干密度(du)(du)(du)，這主(zhu)要是由(you)于水(shui)位(wei)線隨(sui)庫水(shui)位(wei)的(de)變化反(fan)復升(sheng)降而(er)使得磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏排(pai)水(shui)固(gu)結所致。

室(shi)內擊實得(de)(de)到的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大(da)干(gan)密度一(yi)般在1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從圖2可(ke)以(yi)看出(chu)，自然沉積的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大(da)干(gan)密度可(ke)達到1.73g/cm3，原(yuan)因如(ru)下：與經(jing)典的(de)(de)土骨架不(bu)可(ke)壓(ya)縮的(de)(de)理論(lun)不(bu)同(tong)，石(shi)膏(gao)本(ben)身可(ke)壓(ya)縮，同(tong)時由于(yu)顆粒結(jie)構(gou)不(bu)穩(wen)定(ding)，擊實試驗過(guo)程(cheng)中磷石(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)被(bei)破(po)壞，受夯擊處下陷，四周鼓起，出(chu)現了類似于(yu)橡(xiang)皮土的(de)(de)現象。而在現場條(tiao)件下，石(shi)膏(gao)骨架被(bei)破(po)壞后，會導(dao)致顆粒中的(de)(de)結(jie)合水滲出(chu)至孔隙(xi)內，變成孔隙(xi)水，排水固結(jie)后會使得(de)(de)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)孔隙(xi)比(bi)減小(xiao)，干(gan)密度增大(da)。

圖(tu)4給出了相(xiang)(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于2級子壩河床(chuang)部位(wei)(wei))以及相(xiang)(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于4級子壩河床(chuang)部位(wei)(wei))干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)對比(bi)圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使從統計意義上來(lai)看，磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)也并未隨(sui)后(hou)續磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)堆(dui)積而有較(jiao)為(wei)(wei)明顯的(de)(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分(fen)(fen)析試(shi)驗采用密(mi)度計法，制備懸液(ye)時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷酸鈉(na)。圖5給(gei)出了試(shi)驗得到的(de)級配包線(xian)、平(ping)均粒(li)徑d50、不(bu)均勻系(xi)數(1u和曲率系(xi)數Cc的(de)分(fen)(fen)布圖。

從圖(tu)5(a)可見，磷石膏的粒徑(jing)主要分布在(zai)0.005～0.075mm之間(jian)，總(zong)體上屬于粉土(tu)，但可能由(you)于礦石來源或生(sheng)產工藝有所不同，局(ju)部屬于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑(jing)分布范圍比Blight和張超等(deng)的試驗結果要寬一(yi)些。

圖4子壩加高(gao)后沉積磷石膏的干密(mi)度變化

圖5沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的平均(jun)粒(li)徑(jing)和級(ji)配分布(bu)

由圖5(b)和(he)5(c)，無(wu)論是(shi)水平向還(huan)是(shi)垂(chui)直向，磷石(shi)(shi)膏(gao)與金屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)(cu)后細，上粗(cu)(cu)下細”的(de)(de)自然分級現象不(bu)同，也即(ji)粗(cu)(cu)顆(ke)粒并不(bu)是(shi)沿埋深逐步(bu)減小或距離放漿(jiang)口越遠顆(ke)粒越細，其原(yuan)因如(ru)下：①磷石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)粒粒徑(jing)組成(cheng)較(jiao)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(jiao)差；②相(xiang)比(bi)較(jiao)金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)較(jiao)小，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)一般(ban)為(wei)2.3～2.4，遠小于金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，例(li)如(ru)鐵(tie)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)達(da)2.9；③放漿(jiang)口隨子(zi)壩高(gao)度不(bu)斷增加而不(bu)斷變(bian)動并向庫尾(wei)(wei)延伸，造成(cheng)沉積磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)粒徑(jing)變(bian)化不(bu)明(ming)顯。

從圖5(d)可見，不(bu)均(jun)勻系數Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平均(jun)值為4.18，曲率系數(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平均(jun)值為1.21，在統計的100多(duo)個試樣中(zhong)，屬(shu)于級配(pei)不(bu)良土的占93%。這(zhe)種級配(pei)特性決(jue)定了磷石膏具有較高(gao)的壓縮性、滲透破(po)壞(huai)型式表現為流土破(po)壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)主(zhu)要因素是(shi)粒(li)徑大小(xiao)、級(ji)配和(he)孔隙比，因而磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)較為接(jie)近。由于孔隙比e減(jian)小(xiao)，使(shi)得過水通道(dao)面(mian)積減(jian)小(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也將減(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)。對(dui)砂(sha)土(tu)，一般(ban)認(ren)為滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)較好，圖6給(gei)出了二者間的(de)關(guan)系(xi)曲(qu)線(xian)(xian)，由于沉積磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)不均勻系(xi)數(shu)(shu)變(bian)化較大，使(shi)得沉積磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)變(bian)化范圍較大(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二者問(wen)的(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)較差。

圖6沉積磷石膏滲透系(xi)數與孔隙比(bi)的(de)關系(xi)

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

圖(tu)7給出了水(shui)(shui)平(ping)與垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數比值(zhi)的(de)(de)分(fen)布。沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數kh一般大(da)(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)的(de)(de)滲透(tou)系(xi)數kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約為2.86，這一點與成(cheng)層分(fen)布的(de)(de)金屬尾礦規律一致。造(zao)成(cheng)沉積磷(lin)石膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數大(da)(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲透(tou)系(xi)數的(de)(de)原因是由(you)于(yu)磷(lin)石膏(gao)具有明顯的(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多為菱形和(he)棱柱狀(zhuang)形式(見圖(tu)8)，在沉積過(guo)程中(zhong)，由(you)于(yu)扁(bian)平(ping)狀(zhuang)磷(lin)石膏(gao)顆(ke)粒多呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)排列(lie)，使得(de)水(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)性大(da)(da)于(yu)垂(chui)直方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)性，從而使磷(lin)石膏(gao)呈(cheng)現(xian)明顯的(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另根據中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院在楊家箐磷石膏堆(dui)積壩開展的(de)現場滲(shen)(shen)透(tou)試驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均值約為(wei)1.9。但張(zhang)超等的(de)室內(nei)試驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)均值約為(wei)0.46，也(ye)即垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)大于(yu)水平(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)，與本(ben)(ben)文和現場試驗(yan)結果恰(qia)恰(qia)相反(fan)。從磷石膏的(de)微(wei)觀結構(gou)來(lai)看，本(ben)(ben)文試驗(yan)結果更(geng)為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密度與(yu)水平和(he)垂直(zhi)滲透系數(shu)比值的(de)關系

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)石膏(gao)(gao)干(gan)密度為1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度J與流速(su)V的(de)(de)關(guan)系曲線(xian)，試驗在水(shui)平管涌儀中采用(yong)(yong)(yong)(yong)水(shui)平方向的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)流形(xing)式進行。試驗得到的(de)(de)臨界(jie)坡(po)降Jc=0.355，破壞坡(po)降Jp=0.375。一般(ban)來說，對(dui)(dui)1，2級工(gong)程，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)安(an)(an)全(quan)(quan)系數(shu)取(qu)為2.5，則允(yun)許(xu)出逸坡(po)降為0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下(xia)工(gong)程，滲(shen)(shen)(shen)透(tou)安(an)(an)全(quan)(quan)系數(shu)取(qu)2.0，則允(yun)許(xu)出逸坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)許(xu)比降與粉土一粉砂大(da)致相同。但(dan)上述滲(shen)(shen)(shen)透(tou)變形(xing)試驗是(shi)(shi)采用(yong)(yong)(yong)(yong)自(zi)來水(shui)進行的(de)(de)，自(zi)來水(shui)對(dui)(dui)磷(lin)石膏(gao)(gao)具有一定(ding)的(de)(de)溶(rong)蝕作用(yong)(yong)(yong)(yong)，而實際上磷(lin)石膏(gao)(gao)中殘余磷(lin)、硫和(he)氟酸(suan)，庫水(shui)的(de)(de)pH值一般(ban)小于3(稱之為酸(suan)性(xing)水(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)作用(yong)(yong)(yong)(yong)下(xia)，磷(lin)石膏(gao)(gao)不會發生(sheng)破壞，上述試驗結果是(shi)(shi)偏于保守的(de)(de)，但(dan)對(dui)(dui)非酸(suan)性(xing)水(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)穩定(ding)判斷有一定(ding)的(de)(de)借鑒(jian)意義。

圖(tu)9水力梯度J-流速v試(shi)驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

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

試驗(yan)結果表明：①干密度(du)對進氣值沒有明顯(xian)的(de)影響，不(bu)同(tong)干密度(du)的(de)試樣的(de)進氣值大致(zhi)在(zai)10kPa左右；②土(tu)樣殘余(yu)含(han)水(shui)率(lv)隨(sui)干密度(du)的(de)增加(jia)而減少，殘余(yu)含(han)水(shui)率(lv)約為飽和含(han)水(shui)率(lv)的(de)10%。上述特性與粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂基本一(yi)致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于(yu)沉積磷石膏的密(mi)度(du)(du)變化較大，而進行三(san)(san)軸試驗需要若干原狀樣，為使試驗結果具(ju)有較好的一致(zhi)性(xing)，有針對性(xing)的選擇(ze)平均干密(mi)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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干試樣，進行了5組三(san)(san)軸CU試驗。圖11是為干密(mi)度(du)(du)為1.2和1.58g/cm3的三(san)(san)軸CU試驗曲線。

從圖11可以看出，磷石膏(gao)的(de)(de)應力應變關系(xi)曲線在低圍(wei)壓(ya)下(xia)表(biao)現為軟化型(xing)，在高圍(wei)壓(ya)下(xia)表(biao)現為硬化型(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)(de)是，即使在較(jiao)為疏松的(de)(de)狀態下(xia)，磷石膏(gao)仍表(biao)現了較(jiao)為強烈的(de)(de)剪(jian)脹，隨密實度增大，剪(jian)脹作用愈發明顯。

表2給出了不(bu)同(tong)干(gan)(gan)密度(du)下的(de)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角，圖12給出了內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角與干(gan)(gan)密度(du)的(de)關系曲線。隨(sui)干(gan)(gan)密度(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角也(ye)隨(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采(cai)用冪函(han)數較(jiao)(jiao)好地(di)擬合。磷(lin)(lin)石膏的(de)干(gan)(gan)密度(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)角由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為37.3°(根據擬合曲線求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為9.4%，有(you)(you)效應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)角由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為3.2%，由(you)(you)于(yu)隨(sui)圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有(you)(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)(jiao)之總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)角要小。另外(wai)較(jiao)(jiao)之于(yu)干(gan)(gan)密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦(ca)角的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅并不(bu)顯著，表明即(ji)使較(jiao)(jiao)為疏松的(de)磷(lin)(lin)石膏仍具有(you)(you)較(jiao)(jiao)高(gao)的(de)強度(du)指標，這也(ye)表明磷(lin)(lin)石膏堆積壩的(de)穩定性較(jiao)(jiao)高(gao)。

(2)蠕(ru)變(bian)(次固結)變(bian)形(xing)試驗

磷(lin)石膏(gao)的(de)蠕變變形(xing)試驗(yan)(yan)在側限壓(ya)縮儀中(zhong)進行，試驗(yan)(yan)狀(zhuang)態(tai)相當于K0固(gu)結。試樣直徑61.8mm，高度(du)(du)20mm，試樣干密度(du)(du)為1.30g/cm3，對試樣飽和后分別開展了上覆壓(ya)力(li)ρ為100，200，400，800kPa的(de)試驗(yan)(yan)，

試驗(yan)從2012年8月27日開始，試驗(yan)己(ji)進行了1年多，試驗(yan)結(jie)果見(jian)圖13所示。

從圖13中可以看出(chu)：上覆荷載越大(da)，磷(lin)(lin)(lin)石膏的(de)(de)(de)蠕變變形也越大(da)，荷載施加(jia)1年(nian)后(hou)，磷(lin)(lin)(lin)石膏的(de)(de)(de)蠕變變形仍非常顯著(zhu)，尚未達到穩(wen)定狀態，這(zhe)也是(shi)磷(lin)(lin)(lin)石膏堆積壩后(hou)期變形較大(da)的(de)(de)(de)原(yuan)因，原(yuan)型觀測資料表(biao)明，在5級子壩河床(chuang)部位(wei)的(de)(de)(de)表(biao)面沉(chen)降(jiang)量(liang)已經(jing)達到3.1m，且尚未完全穩(wen)定。

按時(shi)(shi)間對數法，可求(qiu)得各級(ji)荷載下(xia)的(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)量如表(biao)3所示。試驗結(jie)(jie)果表(biao)明，在(zai)(zai)(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆荷載作用下(xia)，在(zai)(zai)(zai)(zai)試驗時(shi)(shi)間范圍(wei)內蠕(ru)變(bian)(bian)(次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)是主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚(shang)未完(wan)成(cheng)，實際的(de)(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更大。對土(tu)體而言，發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因是由(you)于土(tu)體在(zai)(zai)(zai)(zai)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)完(wan)成(cheng)之后(hou)(hou)，土(tu)體中仍有微小的(de)(de)(de)超靜孔隙壓力存在(zai)(zai)(zai)(zai)，驅使水(shui)在(zai)(zai)(zai)(zai)顆粒問流(liu)動，一般來講土(tu)體的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)遠小于主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)；對磷石(shi)膏而言，其滲(shen)透系數在(zai)(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數量級(ji)，遠大于黏(nian)性土(tu)，但其卻發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)了極為(wei)顯著的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)，其原因在(zai)(zai)(zai)(zai)于磷石(shi)膏晶(jing)體結(jie)(jie)構(gou)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)了壓縮(suo)、破(po)壞，接(jie)觸點晶(jing)格發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)歪(wai)曲和變(bian)(bian)形(xing)，而破(po)壞后(hou)(hou)晶(jing)格之間的(de)(de)(de)重(zhong)新排列、調整到(dao)最后(hou)(hou)趨于相(xiang)對靜止(zhi)需要相(xiang)當長的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間才能(neng)完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗(yan)設備(bei)采用英國GDS公司進口(kou)的電機控制動三軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同樣由于自(zi)然沉(chen)積的磷石膏(gao)密度變化較大，為此根據(ju)物理性質試(shi)驗結果，選擇(ze)兩種(zhong)平均(jun)干(gan)密度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建議的動剪切模量(liang)G、阻尼比與(yu)剪應變幅(fu)值γd的關系式如下：

式中k1為(wei)參數(shu)，表(biao)(biao)示動(dong)(dong)剪(jian)切(qie)模量的(de)衰減或阻尼(ni)比的(de)增長速率；λmax為(wei)最大阻尼(ni)比；Gmax，γd分別為(wei)最大動(dong)(dong)剪(jian)切(qie)模量和歸一化的(de)動(dong)(dong)剪(jian)應變，表(biao)(biao)示為(wei)

式中k2,n為參數；σm為球應力；Pa為標準大(da)氣壓；vd為動泊松(song)比；εa為歸一(yi)化的(de)動應變，表達為

圖(tu)(tu)14給出(chu)了動剪切(qie)模量、阻尼比與歸一化動應(ying)變的關系曲線(xian)，另外圖(tu)(tu)中還給出(chu)了式(1)的擬合曲線(xian)以及Seed等給出(chu)的砂(sha)樣的上(shang)下邊界線(xian)，圖(tu)(tu)例中，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固結應(ying)力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描(miao)述磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應力(li)(li)-動(dong)(dong)應變試驗曲線，表(biao)明采(cai)用(yong)(yong)等價黏彈性(xing)模(mo)型進行循環荷載作(zuo)用(yong)(yong)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)分析(xi)是可(ke)行的(de)(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)線位(wei)于(yu)干密(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)線上(shang)方(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則位(wei)于(yu)下(xia)方(fang)，表(biao)明密(mi)度(du)(du)越大(da)，動(dong)(dong)彈模(mo)越大(da)、阻(zu)尼(ni)比越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種(zhong)干密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)線基本位(wei)于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)(de)(de)邊界線上(shang)方(fang)，而(er)圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)邊界線中(zhong)間，表(biao)明相(xiang)比較(jiao)(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)(dong)彈模(mo)較(jiao)(jiao)大(da)，會(hui)導致磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反(fan)應較(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)阻(zu)尼(ni)比也較(jiao)(jiao)大(da)，這(zhe)樣又(you)會(hui)削弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反(fan)應，二者的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影響下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反(fan)應將(jiang)不會(hui)過于(yu)強烈，這(zhe)對磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)抗震(zhen)穩定性(xing)是有利的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇兩種平均干密(mi)度為1.12(變(bian)化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞標準為總應變(bian)達(da)到10%。

圖(tu)15給出了動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)τd/σ0′與(yu)破(po)壞振(zhen)次Nf的關(guan)(guan)系(xi)曲線(xian)圖(tu)，其(qi)中(zhong)σ0為(wei)振(zhen)前試(shi)樣45°面上(shang)的有效(xiao)法(fa)向應(ying)力(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結比(bi)。從(cong)試(shi)驗(yan)結果可以看出，沉(chen)積(ji)磷石膏的動(dong)強(qiang)度(du)與(yu)其(qi)它土體(ti)相(xiang)似，表現為(wei)圍壓和(he)固(gu)結應(ying)力(li)比(bi)與(yu)動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)呈負相(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)。

為判(pan)別沉積(ji)磷(lin)石膏的抗液化能力(li)，假定抗震(zhen)設計烈度為8度，即等效振(zhen)次(ci)Ⅳ可(ke)取為30。首先由式(4)

所示(shi)的冪函數關(guan)系式(shi)得到(dao)振次為30時(shi)各個圍壓和固結比(bi)下的動剪(jian)應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后(hou)可(ke)擬合求得動剪(jian)應(ying)力比與圍(wei)壓和(he)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(shang)述擬合關系式可見，密實度提(ti)高后，動剪應力比提(ti)高，表(biao)明抗液化(hua)能力也(ye)提(ti)高。但即使是(shi)在低密度下，其動剪應力比較之同類的粉(fen)土或粉(fen)砂也(ye)大出許多，表(biao)明磷石(shi)膏具有較高的抗液化(hua)能力。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏(gao)堆積壩，在(zai)鉆探取樣(yang)工作的(de)基(ji)礎(chu)上，首先開展(zhan)了物理性質試驗(yan)(yan)，然后開展(zhan)了靜(jing)動(dong)力力學特性試驗(yan)(yan)。通過上述試驗(yan)(yan)研究(jiu)，得出如下結(jie)論：

(1)沉積磷石膏(gao)總(zong)體(ti)上(shang)屬于級配(pei)不良的粉土(tu)，局(ju)部屬于粉砂一中(zhong)砂，無自然分級現象(xiang)。其干密度和粒徑變化(hua)隨埋深或距(ju)放漿口距(ju)離的變化(hua)不明顯。

(2)沉積磷石膏水平(ping)方向(xiang)的(de)滲透系數大于垂直(zhi)方向(xiang)的(de)滲透系數，呈現明顯的(de)各向(xiang)異性。

(3)與土體顆(ke)粒(li)不可壓(ya)縮(suo)不同，磷石(shi)膏的晶體結(jie)構會發生壓(ya)縮(suo)破壞，具有較大的壓(ya)縮(suo)性(xing)，其次固結(jie)變形量遠大于(yu)主固結(jie)變形量。

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