沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)磷(lin)(lin)酸(suan)生(sheng)產過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)副(fu)產品，目前的(de)(de)(de)綜(zong)合利用率尚(shang)不(bu)足40%，大部分(fen)需要堆存(cun)存(cun)放。受地形限(xian)制和經濟效益考慮，中(zhong)國主要為濕(shi)法堆存(cun)的(de)(de)(de)山谷型堆場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積壩(ba)，針對(dui)沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)首先開展了(le)密度(du)、含(han)水(shui)率、滲(shen)透、土水(shui)特征和顆分(fen)等(deng)物理性質(zhi)試(shi)驗(yan)，然后開展了(le)三軸(zhou)(zhou)cu、蠕變(bian)及動三軸(zhou)(zhou)等(deng)力學特性試(shi)驗(yan)。試(shi)驗(yan)結果表(biao)明(ming)：①沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密度(du)與埋深沒有(you)相關關系(xi)；②沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)不(bu)具(ju)(ju)有(you)自然分(fen)級現象，但具(ju)(ju)有(you)明(ming)顯的(de)(de)(de)各向異性；③沉(chen)(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)(ju)有(you)較高(gao)的(de)(de)(de)摩擦角和抗(kang)液(ye)化(hua)能力，但其蠕變(bian)變(bian)形較大、滲(shen)透比降較小(xiao)。上述工(gong)作為分(fen)析(xi)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)壩(ba)體(ti)穩(wen)定性提供了(le)基礎，對(dui)現行磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)(de)(de)運行管理以(yi)及新建工(gong)程(cheng)的(de)(de)(de)設計具(ju)(ju)有(you)重(zhong)要的(de)(de)(de)借鑒意義。

引言(yan)

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)是(shi)(shi)濕(shi)法磷(lin)(lin)(lin)酸生(sheng)產過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)副產品(pin)，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)產生(sheng)量(liang)為7800萬噸，且(qie)呈逐年增長(chang)的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)主(zhu)要成分(fen)(fen)(fen)是(shi)(shi)CaO和(he)SO3，但(dan)含有一(yi)定(ding)量(liang)的(de)氟化(hua)物和(he)其(qi)它(ta)放射性物質(zhi)，在中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)通常按(an)Ⅱ類一(yi)般(ban)工業固(gu)體(ti)廢(fei)物處理，鑒(jian)于無害(hai)化(hua)處理成本(ben)(ben)較(jiao)高，目前綜(zong)合利用率尚不(bu)(bu)足40%，故大部(bu)分(fen)(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)存存放。按(an)堆(dui)(dui)存場(chang)地的(de)不(bu)(bu)同(tong)，可分(fen)(fen)(fen)為平(ping)地型、傍山型、山谷型和(he)截(jie)河型堆(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)基本(ben)(ben)上(shang)是(shi)(shi)山谷型堆(dui)(dui)場(chang)。相比(bi)較(jiao)干法堆(dui)(dui)存，濕(shi)法堆(dui)(dui)存經濟優勢明顯(xian)，因而如(ru)地質(zhi)條(tiao)件為非碳酸鹽巖地區，一(yi)般(ban)均采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方式。隨(sui)著(zhu)中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥工業的(de)快速(su)發展，本(ben)(ben)世紀初中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)相繼建設了幾(ji)座(zuo)(zuo)濕(shi)法堆(dui)(dui)存的(de)大型磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)(ku)，例如(ru)云天(tian)化(hua)國(guo)際化(hua)工三環分(fen)(fen)(fen)公司的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)和(he)富(fu)瑞分(fen)(fen)(fen)公司的(de)楊(yang)家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)積壩(ba)，這兩(liang)座(zuo)(zuo)壩(ba)設計壩(ba)高均超(chao)過(guo)100m、處于8度地震區，其(qi)安全性備受(shou)關注。

據統計，110多年(1901年一2013年)來，全世(shi)界有118座尾礦(kuang)壩曾(ceng)發生過破壞或(huo)潰壩事(shi)故(gu)，原因主要(yao)有地震、洪(hong)水漫頂、滲透破壞和基礎失(shi)穩。尾礦(kuang)庫(ku)失(shi)事(shi)后會造成巨大的(de)生態災難(nan)和人員傷亡，近(jin)幾十年來，

國內(nei)外對金屬尾(wei)礦(kuang)的(de)沉(chen)積(ji)規律、物理(li)(li)力(li)學特(te)性及其穩定性開(kai)展了大量的(de)研(yan)究，但對于與(yu)金屬尾(wei)礦(kuang)庫(ku)相(xiang)近(jin)的(de)磷石(shi)膏庫(ku)，一般僅限于在可研(yan)階段采用人(ren)(ren)工制備樣進(jin)行物理(li)(li)力(li)學性質試驗，并據此進(jin)行穩定性分(fen)析，尚未有(you)人(ren)(ren)針對己運(yun)行若干年(nian)的(de)大型(xing)濕法堆存磷石(shi)膏堆積(ji)壩(ba)開(kai)展過磷石(shi)膏沉(chen)積(ji)規律及其物理(li)(li)力(li)學特(te)性的(de)專(zhuan)項研(yan)究。

本(ben)文依(yi)托柳(liu)樹(shu)箐磷石膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積壩，首先(xian)進(jin)行(xing)(xing)了鉆探取樣(yang)，采用原(yuan)狀樣(yang)開展(zhan)(zhan)了密度、含水率、滲透、土水特征和顆(ke)分等(deng)物(wu)理性(xing)(xing)(xing)質(zhi)試驗，在此基礎(chu)上有(you)針對(dui)性(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀樣(yang)開展(zhan)(zhan)了三(san)軸(zhou)CU、蠕(ru)變及動三(san)軸(zhou)等(deng)力(li)學特性(xing)(xing)(xing)試驗。通過(guo)上述(shu)試驗研究(jiu)，總結了磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)沉積規律、滲透特性(xing)(xing)(xing)、滲透破(po)壞特性(xing)(xing)(xing)以及靜動力(li)特性(xing)(xing)(xing)，上述(shu)研究(jiu)工(gong)作對(dui)研究(jiu)和評估磷石膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)積壩的(de)穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)提供了基礎(chu)數據，對(dui)現行(xing)(xing)磷石膏(gao)(gao)(gao)庫的(de)運行(xing)(xing)管(guan)理以及新建工(gong)程(cheng)的(de)設計具(ju)有(you)重要的(de)借鑒意義。

一、依托(tuo)工(gong)程概況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏堆積壩堆存設計方案(an)

由初期壩和堆(dui)積壩組成(cheng)，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約(yue)30m，采用土(tu)料填筑。上游(you)坡面、壩底和下游(you)壩腳設置堆(dui)石(shi)排水體，三者(zhe)相(xiang)連通構(gou)成整個堆(dui)積壩的主(zhu)要排滲系統。

(2)堆積壩及其輔助(zhu)排(pai)滲(shen)措施

采用上游式筑壩法(fa)，共(gong)20級(ji)子壩，頂(ding)寬(kuan)6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采用排(pai)滲管網(wang)作為輔助(zhu)排(pai)滲方案，目前己(ji)在5級(ji)、9級(ji)子壩和13級(ji)子壩壩前120m范圍(wei)內設置了(le)井(jing)字(zi)形排(pai)滲管網(wang)。

1.2沉積磷(lin)石(shi)膏的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)平(ping)面位置見圖(tu)l。2008年(nian)6月，堆積(ji)至(zhi)5級(ji)子(zi)壩時，布(bu)設了(le)9個取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號(hao)K1～K9，取(qu)(qu)原狀樣(yang)76件；2013年(nian)5月，堆積(ji)至(zhi)13級(ji)子(zi)壩時，又(you)布(bu)設了(le)11個取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號(hao)K10～K20，取(qu)(qu)原狀樣(yang)112件，為比較子(zi)壩加高和(he)(he)磷石(shi)(shi)膏堆積(ji)過程中磷石(shi)(shi)膏物理力學性質的變化(hua)，在2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)和(he)(he)K6孔(kong)附近(jin)各(ge)布(bu)設了(le)一個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號(hao)分別(bie)為K17和(he)(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏(gao)尾礦庫2005年(nian)開工建(jian)設，2006年(nian)1月投(tou)入運行，截至(zhi)2013年(nian)5月己堆(dui)(dui)(dui)至(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即(ji)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)至(zhi)設計高程。鑒(jian)于磷石(shi)膏(gao)庫地(di)(di)形、地(di)(di)質條件較好，具備(bei)擴容改造(zao)的(de)條件，以提高堆(dui)(dui)(dui)存(cun)庫容，減少(shao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)占地(di)(di)，節(jie)約土地(di)(di)資源。

本文主要對沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的物理力學特性(xing)進(jin)行了全面總結(jie)，限于(yu)篇幅，有關現狀磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆積壩的安(an)全性(xing)評價及其加高可行性(xing)的研究將(jiang)另文發表。

二、沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的物理力(li)學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給出(chu)了14個(ge)鉆孔的(de)取樣深度(du)和試驗(yan)所得干密度(du)的(de)關系，圖(tu)中(zhong)UWL表示(shi)水(shui)位線(xian)上(shang)，(系鉆孔期間的(de)初(chu)見水(shui)位線(xian)，下(xia)同(tong))，DWL表示(shi)水(shui)位線(xian)下(xia)。圖(tu)3給出(chu)了水(shui)位線(xian)上(shang)下(xia)的(de)飽和度(du)分布圖(tu)。由于磷(lin)(lin)石膏中(zhong)的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度(du)和烘(hong)烤時間對測定結(jie)果有一定影響，不能(neng)照搬(ban)現行的(de)土(tu)工試驗(yan)規范(fan)，本文磷(lin)(lin)石膏的(de)含水(shui)率測定方(fang)法為55℃溫度(du)下(xia)烘(hong)培24h。

圖2沉積磷(lin)石膏(gao)干密度與埋深的關系

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

由(you)(you)圖3，水位線(xian)上(shang)的磷石膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)和(he)度(du)平(ping)均值(zhi)為50.4%，處(chu)(chu)于(yu)非(fei)飽(bao)(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態，水位線(xian)以下的磷石膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)和(he)度(du)平(ping)均值(zhi)為85.0%，基(ji)本處(chu)(chu)于(yu)飽(bao)(bao)(bao)和(he)狀(zhuang)態，由(you)(you)于(yu)水位下降后(hou)磷石膏(gao)來(lai)不(bu)及(ji)排水固結，故(gu)而水位線(xian)上(shang)局(ju)部試樣(yang)的飽(bao)(bao)(bao)和(he)度(du)較高。

由圖2，水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)以上的(de)干密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)以下(xia)的(de)干密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與(yu)一般的(de)尾礦(kuang)有所不同，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干密(mi)度并不隨(sui)埋深的(de)增大而(er)明顯增大，但水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)以下(xia)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密(mi)度從統計意義上來看仍(reng)大于水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)以上的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密(mi)度，這主(zhu)要是由于水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)隨(sui)庫(ku)水(shui)(shui)(shui)位的(de)變化(hua)反(fan)復升(sheng)降而(er)使得(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)(shui)(shui)固結所致。

室內(nei)擊(ji)實得到的(de)磷石膏最大干密度(du)一般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)間(jian)，從圖2可以看出，自然沉(chen)積的(de)磷石膏最大干密度(du)可達(da)到1.73g/cm3，原因如下：與經典(dian)的(de)土骨架不可壓(ya)縮(suo)的(de)理論(lun)不同(tong)，石膏本身(shen)可壓(ya)縮(suo)，同(tong)時由于顆粒結(jie)構(gou)不穩定，擊(ji)實試驗過程中磷石膏結(jie)構(gou)被破壞，受(shou)夯擊(ji)處下陷，四周鼓起，出現(xian)了類似(si)于橡皮土的(de)現(xian)象。而在(zai)現(xian)場(chang)條件下，石膏骨架被破壞后(hou)，會導(dao)致顆粒中的(de)結(jie)合水(shui)滲(shen)出至(zhi)孔隙內(nei)，變(bian)成孔隙水(shui)，排(pai)水(shui)固結(jie)后(hou)會使得磷石膏的(de)孔隙比(bi)減小，干密度(du)增(zeng)大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)孔K2和K17(位于2級(ji)子壩(ba)河床部位)以及相鄰鉆(zhan)孔K6和K18(位于4級(ji)子壩(ba)河床部位)干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使從統(tong)計意(yi)義上來看(kan)，磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)也(ye)并(bing)未隨后(hou)續磷石膏(gao)的(de)(de)堆積而有較為(wei)明(ming)顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆(ke)粒分析(xi)試(shi)驗采用(yong)密(mi)度計法(fa)，制(zhi)備懸液時(shi)不(bu)煮(zhu)沸(fei)，不(bu)加六偏磷酸鈉。圖5給(gei)出(chu)了試(shi)驗得(de)到(dao)的級配包線(xian)、平(ping)均(jun)粒徑d50、不(bu)均(jun)勻系(xi)數(1u和曲(qu)率系(xi)數Cc的分布圖。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏的(de)粒徑(jing)主要分(fen)布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬于粉土，但可能(neng)由(you)于礦石(shi)來源或生產工藝有(you)所不同，局部屬于粉砂～中砂。粒徑(jing)分(fen)布(bu)范圍比Blight和張超等(deng)的(de)試驗結果要寬一(yi)些。

圖4子壩加高后(hou)沉積(ji)磷石膏(gao)的干密度變化

圖5沉(chen)積磷石膏的平均粒(li)徑和級配分(fen)布

由圖5(b)和(he)5(c)，無論是水平(ping)向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷石(shi)膏與金屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的“前粗后(hou)細，上粗下(xia)細”的自然分級(ji)現象不同，也即粗顆粒(li)(li)并(bing)(bing)不是沿埋深逐步減小或(huo)距(ju)離放漿口越(yue)遠顆粒(li)(li)越(yue)細，其原(yuan)因如下(xia)：①磷石(shi)膏顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組(zu)成較(jiao)為集中、均勻(yun)，主(zhu)要(yao)以粉粒(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級(ji)配較(jiao)差；②相(xiang)比較(jiao)金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷石(shi)膏的比重較(jiao)小，磷石(shi)膏的比重一般為2.3～2.4，遠小于金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的比重，例如鐵尾(wei)礦(kuang)的比重可(ke)達2.9；③放漿口隨子壩高度不斷增加而不斷變動并(bing)(bing)向(xiang)庫尾(wei)延(yan)伸，造(zao)成沉(chen)積磷石(shi)膏的粒(li)(li)徑變化不明顯(xian)。

從圖(tu)5(d)可見，不(bu)均(jun)勻(yun)系數(shu)Cu范(fan)圍(wei)值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為(wei)4.18，曲率(lv)系數(shu)(1c范(fan)圍(wei)值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為(wei)1.21，在(zai)統計的100多個試樣中，屬于級(ji)(ji)配不(bu)良土的占93%。這(zhe)種級(ji)(ji)配特性決定(ding)了磷石(shi)膏(gao)具有較高的壓(ya)縮性、滲透破壞型式(shi)表現(xian)為(wei)流(liu)土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑大(da)小(xiao)(xiao)、級(ji)配和孔隙比，因而磷石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與粉土(tu)較(jiao)為(wei)接近。由于(yu)孔隙比e減(jian)小(xiao)(xiao)，使(shi)得過水通道面(mian)積減(jian)小(xiao)(xiao)，滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減(jian)小(xiao)(xiao)，k與e呈正(zheng)相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土(tu)，一般認為(wei)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給(gei)出(chu)了二(er)者間(jian)的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)(xian)，由于(yu)沉(chen)積磷石膏的(de)(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化(hua)較(jiao)大(da)，使(shi)得沉(chen)積磷石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化(hua)范(fan)圍較(jiao)大(da)(平(ping)均(jun)值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二(er)者問的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲透系數(shu)與孔隙(xi)比的關系

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

圖(tu)(tu)7給出了水(shui)(shui)平(ping)與垂直(zhi)(zhi)向(xiang)滲透(tou)系數(shu)比值(zhi)的分布(bu)。沉積磷(lin)石膏(gao)的水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲透(tou)系數(shu)kh一般(ban)大(da)(da)于垂直(zhi)(zhi)向(xiang)的滲透(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約(yue)為(wei)2.86，這一點與成層(ceng)分布(bu)的金(jin)屬尾礦規律(lv)一致。造成沉積磷(lin)石膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲透(tou)系數(shu)大(da)(da)于垂直(zhi)(zhi)向(xiang)滲透(tou)系數(shu)的原因是(shi)由(you)于磷(lin)石膏(gao)具(ju)有明(ming)顯(xian)的晶體結構，電鏡掃描顯(xian)示多(duo)為(wei)菱(ling)形(xing)和棱柱狀形(xing)式(見(jian)圖(tu)(tu)8)，在(zai)沉積過程中(zhong)，由(you)于扁平(ping)狀磷(lin)石膏(gao)顆粒多(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)排列，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)性(xing)大(da)(da)于垂直(zhi)(zhi)方向(xiang)的透(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從而(er)使(shi)磷(lin)石膏(gao)呈(cheng)現明(ming)顯(xian)的各向(xiang)異性(xing)。

另(ling)根據中國有色金(jin)屬工業(ye)昆明勘察設計研(yan)究院(yuan)在楊家箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩開展的(de)現場滲透試(shi)(shi)驗，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為(wei)1.9。但張超等的(de)室內試(shi)(shi)驗顯示，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為(wei)0.46，也即垂(chui)直向(xiang)滲透系(xi)數(shu)大于水平(ping)(ping)向(xiang)滲透系(xi)數(shu)，與本文(wen)和現場試(shi)(shi)驗結果恰恰相反(fan)。從(cong)磷(lin)石膏(gao)的(de)微觀(guan)結構來(lai)看，本文(wen)試(shi)(shi)驗結果更(geng)為(wei)合理。

圖7沉積(ji)磷石膏干密度與(yu)水平和垂直滲透系(xi)(xi)數比值的關(guan)系(xi)(xi)

(2)滲透變形

圖(tu)9為磷石(shi)膏(gao)干(gan)密度(du)(du)為1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯(ti)度(du)(du)J與流速V的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)曲(qu)線，試(shi)驗(yan)在水(shui)平管(guan)涌(yong)儀中(zhong)采(cai)用水(shui)平方向的(de)(de)滲流形式進(jin)行。試(shi)驗(yan)得到(dao)的(de)(de)臨(lin)界坡降(jiang)Jc=0.355，破(po)(po)壞(huai)坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)來(lai)說，對(dui)1，2級(ji)工(gong)程(cheng)，滲透(tou)安全(quan)系(xi)(xi)數取為2.5，則允許出逸坡降(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下工(gong)程(cheng)，滲透(tou)安全(quan)系(xi)(xi)數取2.0，則允許出逸坡降(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允許比(bi)降(jiang)與粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大致相同。但(dan)上(shang)述滲透(tou)變形試(shi)驗(yan)是(shi)采(cai)用自來(lai)水(shui)進(jin)行的(de)(de)，自來(lai)水(shui)對(dui)磷石(shi)膏(gao)具有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)溶蝕作用，而(er)實際上(shang)磷石(shi)膏(gao)中(zhong)殘(can)余磷、硫和氟酸(suan)，庫(ku)水(shui)的(de)(de)pH值(zhi)一(yi)般(ban)小于3(稱之(zhi)為酸(suan)性水(shui))，在酸(suan)性水(shui)作用下，磷石(shi)膏(gao)不會發生破(po)(po)壞(huai)，上(shang)述試(shi)驗(yan)結果是(shi)偏于保守的(de)(de)，但(dan)對(dui)非(fei)酸(suan)性水(shui)條件(例如特(te)大暴雨)下的(de)(de)滲透(tou)穩定(ding)判斷(duan)有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒意(yi)義。

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

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在5Bar的壓力(li)板(ban)儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了(le)含水(shui)率特(te)征值，試(shi)驗曲線(xian)見圖10所示。

試驗結果表明(ming)：①干(gan)(gan)密度(du)對進氣(qi)值沒有明(ming)顯(xian)的影響，不同(tong)干(gan)(gan)密度(du)的試樣(yang)的進氣(qi)值大致(zhi)在(zai)10kPa左右(you)；②土樣(yang)殘余含水(shui)率隨干(gan)(gan)密度(du)的增加(jia)而(er)減少，殘余含水(shui)率約為飽(bao)和(he)含水(shui)率的10%。上述特性與粉土一粉砂基本(ben)一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)(de)密度變(bian)化(hua)較大(da)，而進(jin)行三軸試(shi)驗(yan)(yan)需(xu)要若(ruo)干(gan)(gan)(gan)原狀樣(yang)，為(wei)使試(shi)驗(yan)(yan)結果具有(you)(you)較好(hao)的(de)(de)一致性，有(you)(you)針對性的(de)(de)選擇平(ping)均干(gan)(gan)(gan)密度分別為(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)(de)若(ruo)干(gan)(gan)(gan)試(shi)樣(yang)，進(jin)行了(le)5組三軸CU試(shi)驗(yan)(yan)。圖11是為(wei)干(gan)(gan)(gan)密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸CU試(shi)驗(yan)(yan)曲線(xian)。

從圖11可(ke)以看出，磷(lin)石膏的應(ying)力應(ying)變關系曲線在(zai)低圍壓(ya)下表現(xian)為軟(ruan)化(hua)型(xing)，在(zai)高圍壓(ya)下表現(xian)為硬化(hua)型(xing)，與一(yi)般土類相(xiang)似。但與一(yi)般粉土一(yi)粉砂(sha)不同的是(shi)，即使(shi)在(zai)較為疏松(song)的狀態下，磷(lin)石膏仍表現(xian)了較為強烈的剪(jian)脹，隨密實度增大，剪(jian)脹作用愈發明顯。

表(biao)(biao)(biao)2給(gei)出(chu)了不同干(gan)密(mi)度(du)(du)下的(de)(de)(de)內(nei)摩擦(ca)(ca)(ca)(ca)角，圖12給(gei)出(chu)了內(nei)摩擦(ca)(ca)(ca)(ca)角與干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)關系曲(qu)線。隨(sui)干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)，內(nei)摩擦(ca)(ca)(ca)(ca)角也(ye)(ye)隨(sui)之增(zeng)大(da)，且可采(cai)用(yong)冪函數較(jiao)好地擬合。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了32%，總應(ying)力(li)(li)摩擦(ca)(ca)(ca)(ca)角由(you)(you)34.1°增(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根據擬合曲(qu)線求(qiu)得)，增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效應(ying)力(li)(li)摩擦(ca)(ca)(ca)(ca)角由(you)(you)37.6°增(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)為(wei)(wei)3.2%，由(you)(you)于(yu)(yu)隨(sui)圍壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)，孔壓(ya)(ya)也(ye)(ye)明顯增(zeng)大(da)，故有效摩擦(ca)(ca)(ca)(ca)角增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)較(jiao)之總應(ying)力(li)(li)摩擦(ca)(ca)(ca)(ca)角要小。另外較(jiao)之于(yu)(yu)干(gan)密(mi)度(du)(du)增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)，摩擦(ca)(ca)(ca)(ca)角的(de)(de)(de)增(zeng)幅(fu)(fu)(fu)(fu)并不顯著(zhu)，表(biao)(biao)(biao)明即使(shi)較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)仍具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)強度(du)(du)指(zhi)標，這(zhe)也(ye)(ye)表(biao)(biao)(biao)明磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)(de)(de)穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(bian)(bian)(次固結)變(bian)(bian)形試驗

磷石膏的(de)蠕(ru)變變形試驗在側限壓(ya)(ya)縮儀中進行，試驗狀態相當于K0固結(jie)。試樣直徑61.8mm，高度20mm，試樣干(gan)密(mi)度為1.30g/cm3，對試樣飽(bao)和后分(fen)別(bie)開(kai)展了上覆壓(ya)(ya)力(li)ρ為100，200，400，800kPa的(de)試驗，

試(shi)驗從2012年(nian)8月(yue)27日開(kai)始，試(shi)驗己進行了1年(nian)多，試(shi)驗結果見圖13所示(shi)。

從圖(tu)13中(zhong)可以看出：上(shang)覆荷載(zai)越大(da)，磷(lin)(lin)石(shi)膏的蠕變變形也(ye)越大(da)，荷載(zai)施(shi)加(jia)1年后，磷(lin)(lin)石(shi)膏的蠕變變形仍非常顯著，尚未達到穩定(ding)狀態(tai)，這也(ye)是磷(lin)(lin)石(shi)膏堆積壩后期變形較大(da)的原(yuan)因，原(yuan)型觀測資料表(biao)明，在5級子壩河床部位的表(biao)面沉(chen)降量已經達到3.1m，且尚未完(wan)全(quan)穩定(ding)。

按時間對數(shu)(shu)法，可(ke)求得各(ge)級荷載下的主(zhu)次(ci)(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)量如(ru)表(biao)3所示。試驗結(jie)(jie)(jie)果表(biao)明，在(zai)100～400kPa上覆荷載作(zuo)用下，在(zai)試驗時間范圍內(nei)蠕變(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)的1.8～3.1倍，當然由于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)尚未(wei)完(wan)(wan)成，實際的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)更大(da)。對土體而言，發(fa)(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)的原因(yin)是由于(yu)(yu)土體在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)(wan)成之(zhi)后，土體中(zhong)仍有微(wei)小(xiao)的超靜(jing)孔隙壓力存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒(li)問流(liu)動，一般來講土體的次(ci)(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)；對磷石膏而言，其(qi)滲透系數(shu)(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)(shu)量級，遠大(da)于(yu)(yu)黏性土，但其(qi)卻發(fa)(fa)生(sheng)了極為顯著的次(ci)(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，其(qi)原因(yin)在(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶(jing)體結(jie)(jie)(jie)構(gou)發(fa)(fa)生(sheng)了壓縮、破壞，接觸點(dian)晶(jing)格(ge)發(fa)(fa)生(sheng)歪曲(qu)和變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，而破壞后晶(jing)格(ge)之(zhi)間的重(zhong)新排列、調整(zheng)到最后趨于(yu)(yu)相(xiang)對靜(jing)止需要相(xiang)當長的時間才能完(wan)(wan)成。

2.4動力力學特性

試驗(yan)設備采用英(ying)國GDS公司(si)進(jin)口的電(dian)機控制動三軸(zhou)試驗(yan)系統，試樣直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模(mo)量(liang)和阻(zu)尼比

同樣由于(yu)自然沉積的磷(lin)石膏密(mi)度(du)(du)變(bian)化較大(da)，為此(ci)根據物(wu)理性質試(shi)驗結(jie)果，選擇兩種(zhong)平(ping)均干密(mi)度(du)(du)1.34g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動剪切(qie)模量G、阻尼比與剪應變幅(fu)值γd的關系(xi)式如下：

式中(zhong)k1為參數，表示動剪(jian)切模量的(de)衰減或阻尼比(bi)的(de)增(zeng)長速率；λmax為最大阻尼比(bi)；Gmax，γd分(fen)別為最大動剪(jian)切模量和(he)歸(gui)一化(hua)的(de)動剪(jian)應變(bian)，表示為

式中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標(biao)準(zhun)大氣壓；vd為(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)歸一化的(de)動應變，表達(da)為(wei)(wei)

圖14給(gei)出了(le)動(dong)剪切(qie)模量、阻尼比與歸(gui)一化動(dong)應變的(de)(de)關系(xi)曲線，另外圖中還(huan)給(gei)出了(le)式(1)的(de)(de)擬合曲線以及Seed等給(gei)出的(de)(de)砂樣的(de)(de)上下邊界(jie)線，圖例(li)中，σ2表(biao)示(shi)圍(wei)壓，Kc表(biao)示(shi)固結應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)以看(kan)出：①式(1)可(ke)較(jiao)好地描述磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應力-動(dong)(dong)(dong)應變試驗曲(qu)線，表(biao)明采用(yong)(yong)等(deng)價黏彈(dan)性模(mo)型進行(xing)循環荷載(zai)作用(yong)(yong)下的(de)(de)(de)(de)分析(xi)是可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線位于干(gan)密(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線上方(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則位于下方(fang)，表(biao)明密(mi)度(du)(du)越(yue)大(da)(da)(da)，動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)大(da)(da)(da)、阻(zu)尼比(bi)(bi)越(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)，兩種(zhong)干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線基本位于Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界線上方(fang)，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則基本處(chu)于邊(bian)界線中(zhong)(zhong)(zhong)間，表(biao)明相比(bi)(bi)較(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)大(da)(da)(da)，會導(dao)致(zhi)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)(ji)壩的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應較(jiao)大(da)(da)(da)，但由于阻(zu)尼比(bi)(bi)也較(jiao)大(da)(da)(da)，這樣(yang)又會削(xue)弱(ruo)壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應，二者的(de)(de)(de)(de)相互(hu)影響下，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)(ji)壩壩體的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應將不會過于強烈，這對磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)(ji)壩的(de)(de)(de)(de)抗(kang)震穩定性是有利(li)的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇兩種平(ping)均干密度為(wei)(wei)1.12(變(bian)(bian)化(hua)(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標準為(wei)(wei)總應變(bian)(bian)達到10%。

圖15給出了(le)動剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)τd/σ0′與破壞(huai)振(zhen)(zhen)次Nf的(de)關(guan)(guan)系曲線圖，其中(zhong)σ0為振(zhen)(zhen)前(qian)試(shi)樣(yang)45°面(mian)上(shang)的(de)有效法向應(ying)力(li)，表達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比(bi)。從試(shi)驗結果可以看(kan)出，沉積磷石膏的(de)動強度與其它土體相似，表現為圍壓和固結應(ying)力(li)比(bi)與動剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)呈負相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。

為(wei)(wei)判(pan)別沉積磷石膏的抗(kang)液化能力，假定(ding)抗(kang)震設計烈(lie)度為(wei)(wei)8度，即(ji)等效振(zhen)次(ci)Ⅳ可取為(wei)(wei)30。首先由(you)式(4)

所示的冪函數(shu)關系式得(de)到振次為30時各個(ge)圍壓和(he)固結比下的動剪應力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可(ke)擬(ni)合求得動剪應力(li)比與圍(wei)壓(ya)和固(gu)結應力(li)比的關(guan)系(xi)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。

從上述擬合關系式可見，密實度提高(gao)(gao)后，動剪應力比提高(gao)(gao)，表明(ming)抗液化(hua)能(neng)力也提高(gao)(gao)。但即使是在低密度下，其動剪應力比較之同(tong)類(lei)的粉土(tu)或粉砂也大(da)出(chu)許多，表明(ming)磷石(shi)膏具(ju)有較高(gao)(gao)的抗液化(hua)能(neng)力。

三、結論

依托柳樹箐(qing)磷石膏(gao)堆積壩，在鉆探(tan)取(qu)樣工(gong)作的基(ji)礎上，首先開(kai)(kai)展了(le)物(wu)理性質(zhi)試驗，然后(hou)開(kai)(kai)展了(le)靜動力(li)力(li)學特性試驗。通過上述試驗研究，得出如下結論：

(1)沉積(ji)磷石膏總體(ti)上屬于級(ji)配不(bu)良(liang)的(de)(de)粉(fen)(fen)土(tu)，局(ju)部屬于粉(fen)(fen)砂(sha)一中砂(sha)，無(wu)自然分級(ji)現象。其干密度和粒徑變化隨(sui)埋(mai)深(shen)或距(ju)放漿口距(ju)離的(de)(de)變化不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏水平方(fang)向(xiang)的滲(shen)透(tou)系(xi)數大于垂直(zhi)方(fang)向(xiang)的滲(shen)透(tou)系(xi)數，呈現(xian)明顯的各向(xiang)異(yi)性。

(3)與土(tu)體顆粒不可(ke)壓(ya)縮不同，磷石膏的晶(jing)體結(jie)(jie)(jie)構(gou)會發生壓(ya)縮破壞，具有(you)較大的壓(ya)縮性，其次固結(jie)(jie)(jie)變形(xing)量遠大于主固結(jie)(jie)(jie)變形(xing)量。

(4)沉積磷石膏(gao)的(de)靜動強度較之(zhi)同等(deng)密實度下的(de)粉土(tu)、粉砂要高。