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

磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)濕(shi)法(fa)(fa)磷(lin)酸生產過程(cheng)中的(de)(de)副產品，2018年，全國(guo)(guo)(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產生量為7800萬噸，且呈逐年增長的(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)主要成分是(shi)CaO和SO3，但(dan)含(han)有一(yi)定量的(de)(de)氟(fu)化物(wu)和其它(ta)放射性物(wu)質(zhi)，在中國(guo)(guo)(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般工業(ye)固體廢物(wu)處(chu)理(li)，鑒于無害化處(chu)理(li)成本較高，目(mu)前綜合利用率尚不足40%，故大部分磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)存(cun)(cun)場(chang)地(di)(di)的(de)(de)不同，可分為平地(di)(di)型(xing)、傍(bang)山型(xing)、山谷型(xing)和截(jie)河型(xing)堆(dui)場(chang)，在中國(guo)(guo)(guo)基本上是(shi)山谷型(xing)堆(dui)場(chang)。相比較干法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)(cun)經(jing)濟優勢明顯，因(yin)而如地(di)(di)質(zhi)條件(jian)為非碳酸鹽巖地(di)(di)區(qu)，一(yi)般均采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)方(fang)式。隨(sui)著中國(guo)(guo)(guo)磷(lin)肥工業(ye)的(de)(de)快速發展，本世紀(ji)初中國(guo)(guo)(guo)相繼建設(she)了(le)幾座濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)大型(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫，例(li)如云天(tian)化國(guo)(guo)(guo)際化工三環(huan)分公司的(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)積壩(ba)和富瑞分公司的(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設(she)計壩(ba)高均超過100m、處(chu)于8度地(di)(di)震區(qu)，其安全性備受關注。

據統(tong)計，110多年(1901年一2013年)來，全(quan)世(shi)界有118座尾(wei)(wei)礦壩曾發(fa)生過破壞或(huo)潰(kui)壩事故(gu)，原因主(zhu)要有地(di)震(zhen)、洪水漫頂(ding)、滲(shen)透破壞和基(ji)礎(chu)失穩(wen)。尾(wei)(wei)礦庫失事后會(hui)造(zao)成巨大的生態災難和人(ren)員傷亡(wang)，近幾十年來，

國內外對金屬尾(wei)礦(kuang)的沉積(ji)規律(lv)、物(wu)(wu)理(li)力(li)學特性(xing)及(ji)其穩(wen)定性(xing)開展(zhan)了大(da)量(liang)的研(yan)究，但對于(yu)與(yu)金屬尾(wei)礦(kuang)庫相近的磷石膏庫，一般(ban)僅限于(yu)在可研(yan)階段采用人工(gong)制(zhi)備樣(yang)進(jin)行物(wu)(wu)理(li)力(li)學性(xing)質試驗，并(bing)據此(ci)進(jin)行穩(wen)定性(xing)分(fen)析(xi)，尚(shang)未有人針對己運行若干年的大(da)型濕(shi)法堆(dui)存磷石膏堆(dui)積(ji)壩開展(zhan)過磷石膏沉積(ji)規律(lv)及(ji)其物(wu)(wu)理(li)力(li)學特性(xing)的專項研(yan)究。

本(ben)文依托柳(liu)樹箐磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩，首(shou)先進行(xing)了鉆探取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開展了密(mi)度、含(han)水率、滲透、土水特征和顆分等(deng)物理(li)性(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)，在此基礎上(shang)有針對(dui)性(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣(yang)開展了三軸(zhou)CU、蠕變(bian)及動(dong)三軸(zhou)等(deng)力學特性(xing)(xing)試(shi)驗(yan)。通過上(shang)述試(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)(jiu)，總結(jie)了磷(lin)石膏(gao)的(de)沉(chen)積(ji)規律(lv)、滲透特性(xing)(xing)、滲透破壞特性(xing)(xing)以及靜動(dong)力特性(xing)(xing)，上(shang)述研(yan)究(jiu)(jiu)工作對(dui)研(yan)究(jiu)(jiu)和評估磷(lin)石膏(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)積(ji)壩的(de)穩定(ding)性(xing)(xing)提供了基礎數據(ju)，對(dui)現行(xing)磷(lin)石膏(gao)庫(ku)(ku)的(de)運行(xing)管理(li)以及新建工程的(de)設計具(ju)有重要的(de)借(jie)鑒意義。

一、依托工(gong)程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)堆存設(she)計方案

由初期壩和堆積壩組(zu)成，設計總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高(gao)約30m，采用土料(liao)填筑。上游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置(zhi)堆石排水體，三者相(xiang)連通(tong)構(gou)成(cheng)整個堆積壩(ba)的主要排滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其(qi)輔(fu)助(zhu)排滲(shen)措施(shi)

采用上(shang)游(you)式筑壩(ba)(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約100m。采用排滲管網(wang)作(zuo)為輔(fu)助排滲方(fang)案，目前己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)和13級(ji)子壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前120m范圍內(nei)設(she)置了井(jing)字形排滲管網(wang)。

1.2沉積磷石(shi)膏的(de)鉆(zhan)探取樣(yang)

鉆(zhan)孔平(ping)面位置見(jian)圖l。2008年6月(yue)，堆(dui)積至5級(ji)子(zi)壩時，布設(she)(she)了9個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編(bian)號(hao)K1～K9，取(qu)(qu)原狀樣(yang)76件(jian)；2013年5月(yue)，堆(dui)積至13級(ji)子(zi)壩時，又布設(she)(she)了11個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編(bian)號(hao)K10～K20，取(qu)(qu)原狀樣(yang)112件(jian)，為(wei)比較子(zi)壩加高和磷(lin)石膏堆(dui)積過程(cheng)中磷(lin)石膏物理(li)力(li)學性(xing)質(zhi)的變(bian)化(hua)，在(zai)2，4級(ji)子(zi)壩K2孔和K6孔附近各布設(she)(she)了一個(ge)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編(bian)號(hao)分別為(wei)K17和K18。

1.3運(yun)行(xing)概況

柳樹箐磷石膏尾礦(kuang)庫2005年開(kai)工建設，2006年1月投入運行，截至(zhi)2013年5月己堆至(zhi)13級子壩，尚有(you)7級子壩即堆存(cun)至(zhi)設計高(gao)程(cheng)。鑒于(yu)磷石膏庫地形、地質條件較好(hao)，具(ju)備(bei)擴容(rong)改造的條件，以提高(gao)堆存(cun)庫容(rong)，減少堆存(cun)占地，節約土地資(zi)源。

本文主要對沉積(ji)磷(lin)石膏的物理力學(xue)特性進行(xing)(xing)了全(quan)(quan)面(mian)總結(jie)，限(xian)于篇幅，有關(guan)現狀磷(lin)石膏庫堆積(ji)壩的安全(quan)(quan)性評(ping)價及其(qi)加(jia)高可行(xing)(xing)性的研究(jiu)將另文發表。

二(er)、沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)物理(li)力學特性

2.1物(wu)理特性(xing)

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出了(le)14個鉆孔(kong)的(de)(de)取樣深度(du)和試驗所(suo)得干密度(du)的(de)(de)關系(xi)，圖(tu)中UWL表示(shi)水(shui)位(wei)(wei)線上，(系(xi)鉆孔(kong)期間(jian)的(de)(de)初見水(shui)位(wei)(wei)線，下(xia)同)，DWL表示(shi)水(shui)位(wei)(wei)線下(xia)。圖(tu)3給(gei)出了(le)水(shui)位(wei)(wei)線上下(xia)的(de)(de)飽和度(du)分布圖(tu)。由(you)于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)中的(de)(de)主(zhu)要成(cheng)分為(wei)CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和烘(hong)烤時間(jian)對(dui)測定結果有一(yi)定影響(xiang)，不能照搬(ban)現行的(de)(de)土(tu)工試驗規范，本文磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)含(han)水(shui)率測定方法為(wei)55℃溫度(du)下(xia)烘(hong)培(pei)24h。

圖(tu)2沉(chen)積磷石膏干密度與(yu)埋深的關系

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

由圖(tu)3，水位線上的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)飽(bao)和(he)度(du)(du)平均值為50.4%，處(chu)于(yu)非飽(bao)和(he)狀態，水位線以下的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)飽(bao)和(he)度(du)(du)平均值為85.0%，基本處(chu)于(yu)飽(bao)和(he)狀態，由于(yu)水位下降后磷石(shi)(shi)膏(gao)來(lai)不及排水固(gu)結，故而水位線上局部(bu)試樣的(de)飽(bao)和(he)度(du)(du)較高。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)上的(de)(de)(de)干密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)(zhi)間，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)(de)(de)干密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)(zhi)間，均值為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏與一般的(de)(de)(de)尾(wei)礦有所不(bu)同，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)干密(mi)度并不(bu)隨埋深(shen)的(de)(de)(de)增大(da)而明顯增大(da)，但水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干密(mi)度從統計意義上來(lai)看(kan)仍(reng)大(da)于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)上的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干密(mi)度，這(zhe)主要是由(you)于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)隨庫水(shui)位(wei)的(de)(de)(de)變(bian)化反(fan)復升降而使(shi)得磷(lin)石(shi)膏排水(shui)固結所致(zhi)。

室(shi)內擊實得(de)到的磷石(shi)(shi)膏最大干密度一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖(tu)2可以看出(chu)，自然沉積的磷石(shi)(shi)膏最大干密度可達到1.73g/cm3，原因如下：與(yu)經典的土骨架不(bu)可壓縮的理論不(bu)同(tong)，石(shi)(shi)膏本身(shen)可壓縮，同(tong)時由于顆粒結(jie)構不(bu)穩(wen)定，擊實試驗過(guo)程中(zhong)磷石(shi)(shi)膏結(jie)構被破(po)壞，受夯擊處下陷，四周鼓起，出(chu)現了類(lei)似于橡皮土的現象。而在現場條件下，石(shi)(shi)膏骨架被破(po)壞后，會導致顆粒中(zhong)的結(jie)合水滲出(chu)至孔(kong)隙(xi)(xi)(xi)內，變成孔(kong)隙(xi)(xi)(xi)水，排水固結(jie)后會使得(de)磷石(shi)(shi)膏的孔(kong)隙(xi)(xi)(xi)比減小，干密度增大。

圖(tu)4給出(chu)了相鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于2級子(zi)壩(ba)河床部位(wei)(wei))以及(ji)相鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于4級子(zi)壩(ba)河床部位(wei)(wei))干(gan)(gan)密度的(de)(de)對(dui)比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)(gan)密度在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即使(shi)從統計意義上來看，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)密度也并(bing)未隨后續(xu)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)堆積而有較為(wei)明顯的(de)(de)增大(da)。

(2)級(ji)配分布

顆粒分析(xi)試(shi)驗(yan)采用密度計法，制備懸(xuan)液時不煮(zhu)沸，不加六(liu)偏磷酸鈉。圖5給出了試(shi)驗(yan)得到的級配(pei)包線(xian)、平均(jun)粒徑(jing)d50、不均(jun)勻系數(1u和曲率系數Cc的分布圖。

從圖(tu)5(a)可(ke)見，磷石膏的(de)粒徑(jing)(jing)主要(yao)分(fen)布在0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬于粉土，但可(ke)能(neng)由于礦(kuang)石來源或生(sheng)產工(gong)藝有所不同，局部屬于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒徑(jing)(jing)分(fen)布范圍比Blight和張超等的(de)試驗結果要(yao)寬(kuan)一些。

圖(tu)4子壩加高后沉積磷石(shi)膏的干密度變化

圖5沉積磷石膏的平(ping)均粒徑和(he)級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向還是垂直向，磷石膏(gao)(gao)(gao)與金屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)“前粗后細(xi)，上粗下細(xi)”的(de)自然分(fen)級(ji)現象不(bu)(bu)同，也即粗顆(ke)粒(li)(li)并不(bu)(bu)是沿埋深逐步減小(xiao)或(huo)距離放漿口(kou)越遠顆(ke)粒(li)(li)越細(xi)，其(qi)原因如下：①磷石膏(gao)(gao)(gao)顆(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成較為(wei)集中、均(jun)勻，主(zhu)要以(yi)粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級(ji)配(pei)較差；②相比較金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)比重(zhong)較小(xiao)，磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)比重(zhong)一(yi)般為(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)，例(li)如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)可達(da)2.9；③放漿口(kou)隨子(zi)壩高度不(bu)(bu)斷(duan)增加而(er)不(bu)(bu)斷(duan)變動并向庫尾(wei)(wei)延伸，造成沉積(ji)磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明顯(xian)。

從圖5(d)可見(jian)，不均(jun)勻系數Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平(ping)均(jun)值為4.18，曲(qu)率系數(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平(ping)均(jun)值為1.21，在統計的(de)100多(duo)個(ge)試樣中(zhong)，屬(shu)于(yu)級配不良土的(de)占93%。這種級配特性決(jue)定了磷石膏(gao)具有較高的(de)壓縮性、滲透破壞(huai)型(xing)式表(biao)現(xian)為流土破壞(huai)。

2.2滲(shen)透(tou)特性

(1)滲透系(xi)數(shu)

影響滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數的主要(yao)因素是粒徑大(da)小(xiao)、級配和孔隙(xi)比，因而磷(lin)石膏的滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數與(yu)(yu)粉(fen)土(tu)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)接近(jin)。由于孔隙(xi)比e減(jian)小(xiao)，使得過水通(tong)道面積減(jian)小(xiao)，滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數k也將減(jian)小(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂(sha)土(tu)，一般認為(wei)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數k與(yu)(yu)e3/(1+e)的線性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)曲線，由于沉(chen)積磷(lin)石膏的不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數變化(hua)(hua)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，使得沉(chen)積磷(lin)石膏的滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)數變化(hua)(hua)范圍較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(平均(jun)值為(wei)10-4cm/s數量級)，二(er)者問的線性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲(shen)透系數與孔(kong)隙比的關系

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

圖7給出了(le)水(shui)平(ping)與垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)比值(zhi)的(de)(de)分布(bu)。沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)kh一(yi)般大(da)于垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)均(jun)值(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)點與成層分布(bu)的(de)(de)金屬(shu)尾礦規律一(yi)致。造(zao)成沉積(ji)磷(lin)石膏(gao)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)大(da)于垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)原因(yin)是由于磷(lin)石膏(gao)具有明(ming)顯的(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多(duo)為(wei)菱形(xing)和棱柱狀(zhuang)形(xing)式(見(jian)圖8)，在沉積(ji)過程中，由于扁平(ping)狀(zhuang)磷(lin)石膏(gao)顆粒多(duo)呈水(shui)平(ping)排(pai)列(lie)，使(shi)得水(shui)平(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)性大(da)于垂(chui)直(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)性，從而使(shi)磷(lin)石膏(gao)呈現明(ming)顯的(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異(yi)性。

另(ling)根(gen)據中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院在楊家(jia)箐(qing)磷(lin)石膏堆(dui)積壩開展的(de)現場滲(shen)(shen)透(tou)試驗，kh/kv的(de)平均值約(yue)為(wei)1.9。但(dan)張超等的(de)室內試驗顯示，kh/kv的(de)平均值約(yue)為(wei)0.46，也(ye)即垂直向滲(shen)(shen)透(tou)系數(shu)大于水平向滲(shen)(shen)透(tou)系數(shu)，與本文和現場試驗結果恰恰相反。從磷(lin)石膏的(de)微觀結構(gou)來看，本文試驗結果更(geng)為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干(gan)密度與水平和垂直(zhi)滲(shen)透系數比值(zhi)的關(guan)系

(2)滲透變形(xing)

圖9為(wei)(wei)(wei)磷(lin)石膏(gao)干密度(du)為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力梯度(du)J與(yu)流(liu)速V的(de)(de)關(guan)系(xi)曲(qu)線，試(shi)驗在水(shui)(shui)平管涌儀中采(cai)用(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)(de)滲(shen)(shen)流(liu)形式進(jin)行(xing)。試(shi)驗得到的(de)(de)臨(lin)界坡降Jc=0.355，破壞(huai)坡降Jp=0.375。一般來(lai)說，對1，2級(ji)工(gong)程，滲(shen)(shen)透(tou)安全系(xi)數取(qu)為(wei)(wei)(wei)2.5，則允(yun)許出逸坡降為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下工(gong)程，滲(shen)(shen)透(tou)安全系(xi)數取(qu)2.0，則允(yun)許出逸坡降為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比降與(yu)粉土一粉砂大致(zhi)相同。但上述滲(shen)(shen)透(tou)變形試(shi)驗是采(cai)用(yong)自來(lai)水(shui)(shui)進(jin)行(xing)的(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)對磷(lin)石膏(gao)具(ju)有(you)一定(ding)的(de)(de)溶(rong)蝕作(zuo)用(yong)，而實(shi)際上磷(lin)石膏(gao)中殘余磷(lin)、硫和氟酸，庫(ku)水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一般小(xiao)于3(稱之為(wei)(wei)(wei)酸性(xing)水(shui)(shui))，在酸性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下，磷(lin)石膏(gao)不(bu)會發生(sheng)破壞(huai)，上述試(shi)驗結果是偏于保守的(de)(de)，但對非酸性(xing)水(shui)(shui)條件(例如特(te)大暴雨(yu))下的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)穩定(ding)判斷有(you)一定(ding)的(de)(de)借鑒(jian)意(yi)義。

圖(tu)9水(shui)力(li)梯度J-流速v試驗過(guo)程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗(yan)

試驗(yan)在5Bar的(de)壓力板儀中進(jin)行，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含水(shui)率特征值，試驗(yan)曲(qu)線見(jian)圖10所示。

試驗結果表(biao)明：①干密度(du)對進(jin)氣值沒有明顯的(de)(de)影(ying)響，不同干密度(du)的(de)(de)試樣的(de)(de)進(jin)氣值大致在10kPa左右(you)；②土樣殘余(yu)(yu)含水率(lv)隨(sui)干密度(du)的(de)(de)增加而減少，殘余(yu)(yu)含水率(lv)約為飽和含水率(lv)的(de)(de)10%。上述(shu)特性與粉(fen)土一粉(fen)砂基本一致。

2.3靜力力學特性(xing)

(1)三(san)軸CU試(shi)驗

由于沉積磷(lin)石膏的(de)密(mi)度變化(hua)較(jiao)大，而進(jin)行(xing)三(san)軸(zhou)試驗(yan)(yan)需(xu)要若(ruo)干(gan)(gan)原狀樣，為(wei)(wei)使試驗(yan)(yan)結果(guo)具有(you)較(jiao)好的(de)一致性，有(you)針對性的(de)選擇平均(jun)干(gan)(gan)密(mi)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(de)若(ruo)干(gan)(gan)試樣，進(jin)行(xing)了5組(zu)三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)(yan)。圖11是為(wei)(wei)干(gan)(gan)密(mi)度為(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)(yan)曲線。

從圖11可以看出(chu)，磷(lin)石(shi)膏的應力應變(bian)關(guan)系曲線(xian)在低圍壓下表(biao)現為軟化(hua)型(xing)(xing)，在高圍壓下表(biao)現為硬化(hua)型(xing)(xing)，與(yu)一(yi)般(ban)土類相似。但(dan)與(yu)一(yi)般(ban)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)不同的是，即使在較為疏(shu)松的狀態下，磷(lin)石(shi)膏仍表(biao)現了較為強烈的剪(jian)脹，隨(sui)密實度增大，剪(jian)脹作用愈發明顯。

表(biao)(biao)2給出了不同干密(mi)(mi)度(du)(du)下的(de)內(nei)摩(mo)擦(ca)角(jiao)，圖12給出了內(nei)摩(mo)擦(ca)角(jiao)與干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)關系曲(qu)線。隨干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)擦(ca)角(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采(cai)用冪函數較好(hao)地擬(ni)合(he)(he)。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬(ni)合(he)(he)曲(qu)線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于(yu)隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效摩(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較之(zhi)總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)要小。另外(wai)較之(zhi)于(yu)干密(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表(biao)(biao)明(ming)即使較為(wei)疏松的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)仍具(ju)有較高的(de)強度(du)(du)指標，這也表(biao)(biao)明(ming)磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)穩定性較高。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形試(shi)驗

磷(lin)石(shi)膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)試(shi)驗(yan)在側(ce)限壓縮儀中(zhong)進(jin)行，試(shi)驗(yan)狀態相當(dang)于K0固結。試(shi)樣(yang)(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)樣(yang)(yang)干密度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)(yang)飽(bao)和后(hou)分別開展了(le)上覆(fu)壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗(yan)，

試驗(yan)(yan)從(cong)2012年8月27日開始，試驗(yan)(yan)己進行了1年多，試驗(yan)(yan)結果見圖13所示。

從圖13中可以看出：上覆荷(he)載(zai)越大，磷(lin)石(shi)膏(gao)的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)也越大，荷(he)載(zai)施加1年后(hou)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)仍非(fei)常顯(xian)著，尚未(wei)達(da)(da)到(dao)穩定狀態，這也是磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)后(hou)期變(bian)形(xing)較大的原因，原型觀測資料表明，在5級子(zi)壩(ba)河床(chuang)部(bu)位(wei)的表面沉降量已經達(da)(da)到(dao)3.1m，且(qie)尚未(wei)完全穩定。

按時間對(dui)數(shu)(shu)法，可求得(de)各級(ji)荷(he)載(zai)下的(de)主(zhu)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)量如(ru)表3所示。試驗結(jie)(jie)(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷(he)載(zai)作用下，在(zai)(zai)試驗時間范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)是主(zhu)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍(bei)，當然由于蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)尚未(wei)完成，實(shi)際(ji)的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)應更(geng)大。對(dui)土體而(er)(er)言(yan)，發生(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是由于土體在(zai)(zai)主(zhu)固結(jie)(jie)(jie)完成之(zhi)(zhi)后(hou)，土體中仍有(you)微小的(de)超靜(jing)孔隙(xi)壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流動(dong)，一般(ban)來講土體的(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)遠(yuan)(yuan)小于主(zhu)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)；對(dui)磷石(shi)膏而(er)(er)言(yan)，其(qi)滲透系數(shu)(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji)，遠(yuan)(yuan)大于黏性土，但(dan)其(qi)卻發生(sheng)了極為顯著的(de)次(ci)(ci)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)，其(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)于磷石(shi)膏晶(jing)(jing)體結(jie)(jie)(jie)構發生(sheng)了壓縮、破(po)壞，接(jie)觸點晶(jing)(jing)格(ge)發生(sheng)歪曲和(he)變(bian)(bian)形(xing)，而(er)(er)破(po)壞后(hou)晶(jing)(jing)格(ge)之(zhi)(zhi)間的(de)重新排列(lie)、調(diao)整到最后(hou)趨于相對(dui)靜(jing)止需要相當長的(de)時間才能完成。

2.4動力(li)力(li)學特性

試(shi)驗設備采用英國GDS公司進口(kou)的電(dian)機(ji)控(kong)制動三(san)軸試(shi)驗系(xi)統，試(shi)樣(yang)直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和(he)阻(zu)尼比(bi)

同(tong)樣(yang)由于自(zi)然沉積(ji)的(de)磷(lin)石膏密度(du)變(bian)化較大(da)，為此(ci)根據物理性質試驗(yan)結果，選擇(ze)兩種(zhong)平均干密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模量G、阻尼(ni)比與剪應變幅值γd的關系式如下：

式中k1為(wei)參數，表示(shi)(shi)動剪(jian)切(qie)模量的衰減或阻尼比(bi)的增長速率；λmax為(wei)最(zui)大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動剪(jian)切(qie)模量和歸一化的動剪(jian)應變，表示(shi)(shi)為(wei)

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標(biao)準大氣(qi)壓；vd為(wei)動泊松比(bi)；εa為(wei)歸一化的動應變，表(biao)達為(wei)

圖14給(gei)出(chu)了(le)動剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化動應(ying)變的關系曲線(xian)(xian)，另外圖中(zhong)還(huan)給(gei)出(chu)了(le)式(1)的擬合曲線(xian)(xian)以及Seed等給(gei)出(chu)的砂樣的上下邊界(jie)線(xian)(xian)，圖例中(zhong)，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固(gu)結應(ying)力(li)比(bi)。

從圖(tu)中(zhong)可(ke)(ke)以看(kan)出(chu)(chu)：①式(1)可(ke)(ke)較好地(di)描述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應(ying)力-動(dong)(dong)(dong)應(ying)變(bian)試驗(yan)曲線，表(biao)明(ming)采用(yong)等價黏彈性模(mo)型進(jin)行(xing)(xing)循(xun)環荷載(zai)作(zuo)用(yong)下的(de)(de)(de)分析(xi)是可(ke)(ke)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線位(wei)于(yu)干密(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線上方，圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)下方，表(biao)明(ming)密(mi)度(du)(du)越大(da)，動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)越大(da)、阻尼比越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線基本位(wei)于(yu)Seed等給(gei)出(chu)(chu)的(de)(de)(de)邊(bian)界線上方，而圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本處(chu)于(yu)邊(bian)界線中(zhong)間，表(biao)明(ming)相(xiang)比較砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)較大(da)，會(hui)導致磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應(ying)較大(da)，但由于(yu)阻尼比也較大(da)，這樣又會(hui)削弱壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應(ying)，二者(zhe)的(de)(de)(de)相(xiang)互影響下，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆(dui)積壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應(ying)將不(bu)會(hui)過于(yu)強烈，這對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)抗震(zhen)穩(wen)定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇(ze)兩種(zhong)平(ping)均干密(mi)度為1.12(變化范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗(yan)，破壞標準為總應變達到10%。

圖15給出(chu)了動(dong)(dong)剪(jian)應(ying)(ying)力(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)關系(xi)曲線圖，其中σ0為振前試樣45°面上的(de)有效法向應(ying)(ying)力(li)，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比(bi)。從試驗(yan)結果可以看出(chu)，沉積磷石膏(gao)的(de)動(dong)(dong)強(qiang)度與其它土體相(xiang)似，表現(xian)為圍壓和固結應(ying)(ying)力(li)比(bi)與動(dong)(dong)剪(jian)應(ying)(ying)力(li)比(bi)呈(cheng)負相(xiang)關關系(xi)。

為判別沉積磷石膏的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震(zhen)設(she)計烈度為8度，即等(deng)效振次Ⅳ可取為30。首先由(you)式(4)

所示的(de)冪函數關系式得到振次為30時各個圍壓和固結比下的(de)動(dong)剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求(qiu)得動剪應力(li)比與(yu)圍壓和(he)固結應力(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(cong)上述擬合關系(xi)式可見，密(mi)實度(du)提高(gao)后，動(dong)剪應力(li)比(bi)提高(gao)，表(biao)明(ming)抗液化(hua)能(neng)力(li)也提高(gao)。但(dan)即使是在低密(mi)度(du)下，其動(dong)剪應力(li)比(bi)較之同類的(de)(de)粉(fen)土或粉(fen)砂也大出許多，表(biao)明(ming)磷石膏具有較高(gao)的(de)(de)抗液化(hua)能(neng)力(li)。

三、結論

依托柳(liu)樹箐磷石膏(gao)堆積壩，在鉆探(tan)取樣工作(zuo)的基礎上(shang)，首(shou)先(xian)開(kai)展了(le)物理性(xing)質試驗，然后開(kai)展了(le)靜動(dong)力(li)力(li)學(xue)特性(xing)試驗。通過上(shang)述(shu)試驗研究(jiu)，得(de)出(chu)如(ru)下結論：

(1)沉積磷(lin)石(shi)膏總體上屬于(yu)級(ji)配不良的粉土，局(ju)部屬于(yu)粉砂(sha)一中砂(sha)，無(wu)自然分級(ji)現象。其干密度(du)和粒徑變(bian)化隨埋深(shen)或距放漿口距離的變(bian)化不明顯。

(2)沉積磷石膏水平方向(xiang)(xiang)的滲透(tou)系數大于(yu)垂直方向(xiang)(xiang)的滲透(tou)系數，呈現明顯的各向(xiang)(xiang)異性。

(3)與土體顆(ke)粒不可壓縮(suo)不同，磷石膏的(de)(de)晶體結構會發生壓縮(suo)破壞，具有較(jiao)大的(de)(de)壓縮(suo)性，其(qi)次(ci)固(gu)結變(bian)形(xing)量遠大于主(zhu)固(gu)結變(bian)形(xing)量。

(4)沉積(ji)磷石膏的靜動強度較之同(tong)等(deng)密實(shi)度下的粉(fen)土(tu)、粉(fen)砂要高。