沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：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)是濕(shi)(shi)(shi)法磷(lin)酸生產過程(cheng)中的(de)(de)(de)副產品，2018年，全國(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產生量(liang)為7800萬噸(dun)，且呈逐年增(zeng)長的(de)(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)成(cheng)分(fen)是CaO和(he)SO3，但(dan)含有(you)一(yi)(yi)定量(liang)的(de)(de)(de)氟化(hua)(hua)物(wu)(wu)和(he)其它(ta)放射性(xing)物(wu)(wu)質，在(zai)中國(guo)通常按(an)Ⅱ類一(yi)(yi)般工業固(gu)體(ti)廢物(wu)(wu)處(chu)(chu)理，鑒于無害(hai)化(hua)(hua)處(chu)(chu)理成(cheng)本(ben)較高，目前綜合(he)利(li)用率尚(shang)不足40%，故大部分(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需(xu)要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)場地的(de)(de)(de)不同，可分(fen)為平地型(xing)(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)場，在(zai)中國(guo)基(ji)本(ben)上是山(shan)谷型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)場。相比較干法堆(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)經(jing)濟優勢(shi)明顯，因而(er)如地質條(tiao)件(jian)為非碳酸鹽巖地區(qu)，一(yi)(yi)般均采用濕(shi)(shi)(shi)排(pai)濕(shi)(shi)(shi)堆(dui)(dui)方式。隨(sui)著中國(guo)磷(lin)肥工業的(de)(de)(de)快速發展，本(ben)世(shi)紀初中國(guo)相繼建設了(le)幾座濕(shi)(shi)(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)(xing)(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫，例如云天化(hua)(hua)國(guo)際化(hua)(hua)工三環分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)和(he)富瑞分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設計壩(ba)高均超過100m、處(chu)(chu)于8度(du)地震區(qu)，其安全性(xing)備受關注。

據統(tong)計，110多(duo)年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來，全(quan)世界有118座(zuo)尾礦(kuang)壩曾發生(sheng)(sheng)過破壞(huai)或潰壩事故(gu)，原因主要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破壞(huai)和(he)基礎失穩。尾礦(kuang)庫(ku)失事后會造成巨(ju)大(da)的生(sheng)(sheng)態災難和(he)人員傷(shang)亡(wang)，近幾十年(nian)(nian)來，

國內外對金屬尾礦(kuang)的(de)(de)沉積規律、物理(li)力學特性(xing)及其穩定(ding)(ding)性(xing)開展了大量的(de)(de)研(yan)究，但對于與金屬尾礦(kuang)庫相近的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏庫，一(yi)般僅限于在可研(yan)階(jie)段采用人(ren)工制備樣進行(xing)物理(li)力學性(xing)質試驗，并據(ju)此進行(xing)穩定(ding)(ding)性(xing)分析，尚未有人(ren)針對己(ji)運行(xing)若干年的(de)(de)大型濕法堆(dui)存磷(lin)(lin)石膏堆(dui)積壩開展過磷(lin)(lin)石膏沉積規律及其物理(li)力學特性(xing)的(de)(de)專項研(yan)究。

本(ben)文依托柳樹箐磷石膏堆積(ji)壩(ba)，首先進行了(le)鉆探(tan)取樣(yang)(yang)，采用原狀樣(yang)(yang)開(kai)展了(le)密度(du)、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特(te)(te)征和顆分等物(wu)理性(xing)(xing)質試驗，在此基(ji)礎上有針(zhen)對(dui)性(xing)(xing)的(de)(de)選擇原狀樣(yang)(yang)開(kai)展了(le)三(san)(san)軸CU、蠕變及(ji)動(dong)三(san)(san)軸等力學特(te)(te)性(xing)(xing)試驗。通過上述試驗研究，總結(jie)了(le)磷石膏的(de)(de)沉積(ji)規律、滲(shen)透(tou)特(te)(te)性(xing)(xing)、滲(shen)透(tou)破壞特(te)(te)性(xing)(xing)以及(ji)靜(jing)動(dong)力特(te)(te)性(xing)(xing)，上述研究工(gong)作對(dui)研究和評估磷石膏庫堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)穩定性(xing)(xing)提(ti)供了(le)基(ji)礎數據，對(dui)現行磷石膏庫的(de)(de)運行管理以及(ji)新建工(gong)程(cheng)的(de)(de)設計具有重要的(de)(de)借鑒意義。

一、依托工程概(gai)況

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆(dui)(dui)積壩(ba)堆(dui)(dui)存設計方案(an)

由初期(qi)壩和堆積壩組(zu)成(cheng)，設計總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)壩(ba)高約(yue)30m，采用土料填筑。上游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置堆(dui)石排水體，三(san)者相連通構成整個(ge)堆(dui)積壩(ba)的主要排滲(shen)系(xi)統。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲(shen)措施

采(cai)用(yong)上(shang)游式(shi)筑壩(ba)法，共20級(ji)子(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約(yue)100m。采(cai)用(yong)排滲(shen)管(guan)網作為(wei)輔助排滲(shen)方案，目前己(ji)在5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩(ba)和13級(ji)子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范(fan)圍內(nei)設置(zhi)了井字(zi)形排滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積磷石(shi)膏的鉆探取(qu)樣

鉆孔平面位置見(jian)圖l。2008年6月，堆(dui)積(ji)至(zhi)5級子壩時，布(bu)設了9個取(qu)(qu)樣鉆孔，鉆孔編號K1～K9，取(qu)(qu)原狀樣76件(jian)；2013年5月，堆(dui)積(ji)至(zhi)13級子壩時，又布(bu)設了11個取(qu)(qu)樣鉆孔，鉆孔編號K10～K20，取(qu)(qu)原狀樣112件(jian)，為比較子壩加(jia)高和(he)磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)過程(cheng)中(zhong)磷石(shi)膏物理力學性(xing)質(zhi)的變(bian)化，在2，4級子壩K2孔和(he)K6孔附(fu)近(jin)各布(bu)設了一個鉆孔，鉆孔編號分別為K17和(he)K18。

1.3運(yun)行概況

柳樹箐磷石膏(gao)尾礦庫2005年(nian)開工建(jian)設，2006年(nian)1月投(tou)入(ru)運行(xing)，截至(zhi)2013年(nian)5月己堆(dui)至(zhi)13級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩，尚有7級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩即堆(dui)存(cun)至(zhi)設計高(gao)程。鑒于(yu)磷石膏(gao)庫地形、地質(zhi)條件較好，具(ju)備擴容(rong)改造的(de)條件，以提高(gao)堆(dui)存(cun)庫容(rong)，減少堆(dui)存(cun)占地，節約(yue)土地資源(yuan)。

本文主(zhu)要對(dui)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)物(wu)理力學特(te)性(xing)進行了全面總結，限于篇幅，有關現(xian)狀磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積壩(ba)的(de)安全性(xing)評價(jia)及其加高可行性(xing)的(de)研究將另文發表。

二、沉(chen)積磷石膏的(de)物理力(li)學特性

2.1物理(li)特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出了(le)14個鉆(zhan)(zhan)孔的(de)(de)(de)取(qu)樣(yang)深度和試(shi)驗所得(de)干密度的(de)(de)(de)關系，圖(tu)中(zhong)UWL表示水位(wei)線上(shang)，(系鉆(zhan)(zhan)孔期間(jian)的(de)(de)(de)初見水位(wei)線，下同)，DWL表示水位(wei)線下。圖(tu)3給(gei)出了(le)水位(wei)線上(shang)下的(de)(de)(de)飽和度分布圖(tu)。由(you)于(yu)磷(lin)石膏(gao)中(zhong)的(de)(de)(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度和烘(hong)烤時間(jian)對(dui)測定結果有一定影響，不能照(zhao)搬(ban)現行(xing)的(de)(de)(de)土工試(shi)驗規(gui)范，本文(wen)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)含水率測定方法為55℃溫(wen)度下烘(hong)培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與(yu)埋深的關系

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

由圖3，水位(wei)(wei)線(xian)上的(de)磷石膏飽(bao)和(he)(he)度平(ping)均值為50.4%，處(chu)于非飽(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態，水位(wei)(wei)線(xian)以下(xia)的(de)磷石膏飽(bao)和(he)(he)度平(ping)均值為85.0%，基本處(chu)于飽(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態，由于水位(wei)(wei)下(xia)降后磷石膏來(lai)不及(ji)排(pai)水固結，故而(er)水位(wei)(wei)線(xian)上局(ju)部試樣的(de)飽(bao)和(he)(he)度較高。

由圖2，水(shui)位線(xian)(xian)以上的干(gan)密(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)位線(xian)(xian)以下的干(gan)密(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏(gao)(gao)與一般(ban)的尾礦有所不(bu)同，磷石(shi)膏(gao)(gao)的干(gan)密(mi)(mi)度并不(bu)隨埋深(shen)的增大而明(ming)顯增大，但水(shui)位線(xian)(xian)以下的磷石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度從統(tong)計意義上來看仍大于(yu)水(shui)位線(xian)(xian)以上的磷石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度，這主要(yao)是(shi)由于(yu)水(shui)位線(xian)(xian)隨庫水(shui)位的變(bian)化反復升降而使(shi)得磷石(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)固結(jie)所致。

室內擊(ji)實(shi)得到(dao)的磷石(shi)膏(gao)最(zui)(zui)大(da)(da)干密度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從圖(tu)2可(ke)以看出(chu)，自然(ran)沉積(ji)的磷石(shi)膏(gao)最(zui)(zui)大(da)(da)干密度可(ke)達(da)到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的土骨架不可(ke)壓(ya)縮的理論(lun)不同，石(shi)膏(gao)本(ben)身可(ke)壓(ya)縮，同時由于顆(ke)粒結(jie)構(gou)不穩定，擊(ji)實(shi)試驗(yan)過程中磷石(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)被破壞，受夯擊(ji)處下(xia)陷，四周鼓(gu)起，出(chu)現(xian)(xian)了類(lei)似(si)于橡皮土的現(xian)(xian)象。而在(zai)現(xian)(xian)場條(tiao)件下(xia)，石(shi)膏(gao)骨架被破壞后，會導致(zhi)顆(ke)粒中的結(jie)合水滲出(chu)至(zhi)孔隙內，變成(cheng)孔隙水，排水固結(jie)后會使(shi)得磷石(shi)膏(gao)的孔隙比(bi)減小，干密度增大(da)(da)。

圖(tu)(tu)4給出了相鄰鉆孔(kong)(kong)K2和(he)K17(位于2級子(zi)壩河(he)床部(bu)位)以及(ji)相鄰鉆孔(kong)(kong)K6和(he)K18(位于4級子(zi)壩河(he)床部(bu)位)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的對比圖(tu)(tu)。K2鉆孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)(kong)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為1.37g/cm3。可見，即使從(cong)統計意義上來(lai)看，磷石(shi)膏(gao)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未隨后續磷石(shi)膏(gao)的堆(dui)積而有較為明顯的增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試(shi)驗采用(yong)密(mi)度計法，制備懸(xuan)液(ye)時(shi)不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏磷(lin)酸鈉(na)。圖5給出了試(shi)驗得到的級配包線、平(ping)均(jun)粒(li)徑d50、不(bu)均(jun)勻系數(1u和曲率系數Cc的分布(bu)圖。

從(cong)圖(tu)5(a)可見，磷石膏的(de)粒(li)徑(jing)主要分布在0.005～0.075mm之間，總體(ti)上(shang)屬于粉土，但可能由于礦石來源或生產工藝有所不同，局(ju)部(bu)屬于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑(jing)分布范圍比Blight和張超等(deng)的(de)試驗結果要寬(kuan)一些。

圖4子壩加高后沉積磷(lin)石膏的干密度變化

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和級配分布

由圖(tu)5(b)和5(c)，無(wu)論是水(shui)平向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)與金屬(shu)礦山尾(wei)礦的(de)“前粗后細(xi)(xi)(xi)，上(shang)粗下細(xi)(xi)(xi)”的(de)自然分級現象不同，也即粗顆粒(li)(li)并不是沿埋深(shen)逐步減(jian)小或距離放(fang)漿口越(yue)遠(yuan)顆粒(li)(li)越(yue)細(xi)(xi)(xi)，其原因如下：①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成(cheng)較為(wei)集中(zhong)、均勻，主要以(yi)粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較差(cha)；②相比(bi)(bi)較金屬(shu)尾(wei)礦，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)較小，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于金屬(shu)尾(wei)礦的(de)比(bi)(bi)重(zhong)，例如鐵尾(wei)礦的(de)比(bi)(bi)重(zhong)可達2.9；③放(fang)漿口隨子壩高度不斷增加而不斷變(bian)動(dong)并向(xiang)庫尾(wei)延伸，造成(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)粒(li)(li)徑變(bian)化不明顯。

從圖5(d)可見，不均勻系數(shu)(shu)Cu范圍值1.61～21.5，平均值為4.18，曲率(lv)系數(shu)(shu)(1c范圍值0.28～9.78，平均值為1.21，在統計的(de)100多(duo)個試樣中(zhong)，屬(shu)于級(ji)配不良土的(de)占93%。這種級(ji)配特(te)性(xing)決定了磷(lin)石(shi)膏具(ju)有較高(gao)的(de)壓縮性(xing)、滲透(tou)破(po)壞型(xing)式表(biao)現為流(liu)土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系(xi)數(shu)

影響滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑大(da)小、級配和孔隙(xi)(xi)比，因而磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與粉土較為接近。由于(yu)孔隙(xi)(xi)比e減(jian)小，使(shi)得(de)過水通道面(mian)積(ji)(ji)減(jian)小，滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減(jian)小，k與e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較好，圖6給出了二(er)者(zhe)間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線(xian)(xian)，由于(yu)沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變(bian)化較大(da)，使(shi)得(de)沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變(bian)化范圍較大(da)(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級)，二(er)者(zhe)問(wen)的(de)(de)線(xian)(xian)性關(guan)系(xi)(xi)較差(cha)。

圖6沉積(ji)磷石膏(gao)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)(ping)與垂直向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)比值(zhi)(zhi)的(de)(de)分(fen)布。沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)kh一般大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)垂直向(xiang)的(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值(zhi)(zhi)約為(wei)2.86，這一點與成層(ceng)分(fen)布的(de)(de)金屬尾礦規律(lv)一致(zhi)。造成沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)垂直向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)原因是由于(yu)(yu)(yu)磷(lin)(lin)石膏具(ju)有明顯(xian)的(de)(de)晶體結構，電(dian)鏡(jing)掃描顯(xian)示多為(wei)菱(ling)形(xing)和棱(leng)柱狀形(xing)式(見圖8)，在沉積(ji)過程中，由于(yu)(yu)(yu)扁平(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)石膏顆粒(li)多呈(cheng)(cheng)水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)垂直方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性，從(cong)而使磷(lin)(lin)石膏呈(cheng)(cheng)現明顯(xian)的(de)(de)各向(xiang)異性。

另根(gen)據中國有色(se)金(jin)屬(shu)工(gong)業昆(kun)明勘察設計研究(jiu)院在楊家箐(qing)磷石膏堆積壩開展(zhan)的(de)(de)現場滲(shen)(shen)透試(shi)(shi)驗，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為1.9。但張超等的(de)(de)室內試(shi)(shi)驗顯示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為0.46，也即垂直向(xiang)滲(shen)(shen)透系(xi)數大于(yu)水平(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)透系(xi)數，與本文(wen)和現場試(shi)(shi)驗結果恰恰相反。從磷石膏的(de)(de)微觀(guan)結構(gou)來看，本文(wen)試(shi)(shi)驗結果更為合理。

圖(tu)7沉積磷石膏干密度與水(shui)平和垂直滲透(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)力梯度(du)J與(yu)流速V的(de)(de)(de)關系曲(qu)線，試驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)(shui)平管涌儀中采(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)平方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)滲流形式進(jin)行。試驗(yan)得(de)到的(de)(de)(de)臨界坡(po)降Jc=0.355，破(po)壞坡(po)降Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)(yi)般(ban)(ban)來(lai)說，對(dui)1，2級(ji)工(gong)程，滲透(tou)安(an)全系數(shu)取(qu)為(wei)2.5，則(ze)允(yun)許出(chu)逸坡(po)降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下工(gong)程，滲透(tou)安(an)全系數(shu)取(qu)2.0，則(ze)允(yun)許出(chu)逸坡(po)降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比降與(yu)粉土一(yi)(yi)(yi)(yi)粉砂大致(zhi)相同(tong)。但(dan)上述滲透(tou)變形試驗(yan)是采(cai)用(yong)自來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)進(jin)行的(de)(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有一(yi)(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)溶蝕作用(yong)，而實際(ji)上磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中殘余磷(lin)(lin)、硫和氟(fu)酸，庫水(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)(yi)(yi)(yi)般(ban)(ban)小于(yu)3(稱之為(wei)酸性水(shui)(shui)(shui)(shui))，在酸性水(shui)(shui)(shui)(shui)作用(yong)下，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不會發(fa)生(sheng)破(po)壞，上述試驗(yan)結(jie)果是偏于(yu)保守的(de)(de)(de)，但(dan)對(dui)非酸性水(shui)(shui)(shui)(shui)條(tiao)件(例如特(te)大暴雨)下的(de)(de)(de)滲透(tou)穩(wen)定(ding)判(pan)斷有一(yi)(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)借鑒意(yi)義(yi)。

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

(3)土水(shui)特征試驗

試驗在5Bar的壓力(li)板儀中進行，環刀尺(chi)寸(cun)6.18cm。干密度(du)分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含(han)水(shui)率特征值，試驗曲(qu)線(xian)見圖10所示。

試驗結果表明：①干密度對進(jin)氣值(zhi)沒有明顯的(de)影(ying)響，不同(tong)干密度的(de)試樣的(de)進(jin)氣值(zhi)大致在10kPa左右(you)；②土(tu)樣殘(can)余(yu)含水(shui)率(lv)隨干密度的(de)增加(jia)而減少，殘(can)余(yu)含水(shui)率(lv)約為飽和含水(shui)率(lv)的(de)10%。上述特性與粉(fen)(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)(fen)砂基本(ben)一(yi)致。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)密度(du)變化較大，而進行三(san)軸試驗(yan)需(xu)要(yao)若干(gan)原狀樣，為(wei)使試驗(yan)結果具有(you)較好的(de)(de)一(yi)致性(xing)，有(you)針對性(xing)的(de)(de)選(xuan)擇(ze)平均干(gan)密度(du)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)若干(gan)試樣，進行了(le)5組(zu)三(san)軸CU試驗(yan)。圖11是為(wei)干(gan)密度(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)軸CU試驗(yan)曲(qu)線。

從圖(tu)11可(ke)以(yi)看出，磷石(shi)膏的(de)應(ying)(ying)力(li)應(ying)(ying)變關系(xi)曲線在低圍(wei)壓(ya)下表現(xian)(xian)為軟化(hua)型，在高圍(wei)壓(ya)下表現(xian)(xian)為硬化(hua)型，與(yu)一(yi)(yi)般(ban)土類相似(si)。但與(yu)一(yi)(yi)般(ban)粉土一(yi)(yi)粉砂不同的(de)是(shi)，即使在較為疏松的(de)狀態下，磷石(shi)膏仍表現(xian)(xian)了較為強烈的(de)剪(jian)脹，隨密實度增大，剪(jian)脹作用愈發明顯。

表2給出(chu)了不(bu)同干(gan)密度(du)(du)下的內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)，圖12給出(chu)了內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)與(yu)干(gan)密度(du)(du)的關(guan)系(xi)曲(qu)線。隨干(gan)密度(du)(du)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，且(qie)可采用冪函數較好地擬合。磷石(shi)膏的干(gan)密度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)了32%，總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)為(wei)37.3°(根據擬合曲(qu)線求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨圍壓(ya)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔壓(ya)也明顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較之總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)要(yao)小。另外較之于干(gan)密度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不(bu)顯著，表明即使較為(wei)疏松的磷石(shi)膏仍具有較高(gao)的強度(du)(du)指標，這也表明磷石(shi)膏堆積壩的穩(wen)定性較高(gao)。

(2)蠕變(次(ci)固(gu)結)變形試(shi)驗

磷石(shi)膏的蠕變變形試(shi)(shi)驗(yan)在側限壓(ya)縮儀中進(jin)行，試(shi)(shi)驗(yan)狀態相當于K0固結(jie)。試(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)(shi)樣飽和后分別開(kai)展(zhan)了上覆壓(ya)力(li)ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)，

試驗(yan)從2012年8月27日(ri)開(kai)始，試驗(yan)己進(jin)行了1年多，試驗(yan)結果見圖13所示。

從(cong)圖(tu)13中可以看出：上覆荷(he)載(zai)越(yue)大，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也(ye)越(yue)大，荷(he)載(zai)施加1年后(hou)，磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍非常顯著，尚(shang)(shang)未達(da)到穩定狀(zhuang)態，這也(ye)是磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩(ba)后(hou)期變(bian)(bian)形(xing)較大的(de)原(yuan)因(yin)，原(yuan)型觀測資料表明，在5級子(zi)壩(ba)河(he)床部位的(de)表面沉降量已(yi)經達(da)到3.1m，且尚(shang)(shang)未完全(quan)穩定。

按(an)時(shi)間(jian)對(dui)數法，可求得(de)各級(ji)荷載下的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所示。試驗結(jie)(jie)(jie)果表明，在(zai)100～400kPa上覆荷載作用(yong)下，在(zai)試驗時(shi)間(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實(shi)際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大。對(dui)土(tu)體(ti)(ti)而(er)言，發(fa)(fa)生蠕變(bian)(bian)的(de)(de)原(yuan)因(yin)是由于(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成(cheng)之(zhi)后(hou)，土(tu)體(ti)(ti)中仍(reng)有微(wei)小(xiao)的(de)(de)超(chao)靜(jing)孔隙壓力存在(zai)，驅使水在(zai)顆(ke)粒問流動(dong)，一般來講土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏而(er)言，其(qi)(qi)滲透系數在(zai)10-4cm/s數量級(ji)，遠大于(yu)黏性土(tu)，但其(qi)(qi)卻發(fa)(fa)生了極為(wei)顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)(qi)原(yuan)因(yin)在(zai)于(yu)磷石膏晶體(ti)(ti)結(jie)(jie)(jie)構(gou)發(fa)(fa)生了壓縮、破壞(huai)，接觸點晶格發(fa)(fa)生歪曲和(he)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞(huai)后(hou)晶格之(zhi)間(jian)的(de)(de)重新(xin)排列、調整到最后(hou)趨于(yu)相(xiang)對(dui)靜(jing)止需要相(xiang)當長的(de)(de)時(shi)間(jian)才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力(li)力(li)學特(te)性

試(shi)驗設備采用英國GDS公司(si)進口的電機(ji)控制動(dong)三軸(zhou)試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼(ni)比

同樣由于自然(ran)沉(chen)積的磷(lin)石膏密度變(bian)化較大，為此(ci)根據物(wu)理性質試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)果，選擇兩種(zhong)平均干密度1.34g/cm3(變(bian)化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動剪(jian)切(qie)模量G、阻(zu)尼比與剪(jian)應變幅值γd的關系(xi)式如下：

式中k1為(wei)(wei)參數，表示動(dong)(dong)剪切模量的衰減或阻尼(ni)(ni)比(bi)的增長(chang)速(su)率；λmax為(wei)(wei)最大阻尼(ni)(ni)比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大動(dong)(dong)剪切模量和(he)歸一化(hua)的動(dong)(dong)剪應變，表示為(wei)(wei)

式中(zhong)k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力(li)；Pa為(wei)標(biao)準大氣(qi)壓(ya)；vd為(wei)動(dong)泊(bo)松比(bi)；εa為(wei)歸一化的動(dong)應變，表(biao)達為(wei)

圖(tu)14給出(chu)了(le)動剪切(qie)模量(liang)、阻(zu)尼比與歸一化(hua)動應(ying)變的(de)關系(xi)曲(qu)線，另外圖(tu)中還給出(chu)了(le)式(1)的(de)擬(ni)合曲(qu)線以及Seed等給出(chu)的(de)砂樣(yang)的(de)上下邊界線，圖(tu)例中，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固結(jie)應(ying)力比。

從圖中(zhong)(zhong)可(ke)以(yi)看出：①式(shi)(1)可(ke)較好地描述磷(lin)石膏的(de)(de)動(dong)應(ying)(ying)力(li)-動(dong)應(ying)(ying)變試驗(yan)曲(qu)線(xian)(xian)(xian)，表明采(cai)用(yong)等價黏彈(dan)性(xing)模(mo)型進行循環荷載(zai)作用(yong)下的(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)(xian)(xian)位(wei)于干(gan)密度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)(xian)(xian)上方(fang)，圖14(b)中(zhong)(zhong)則位(wei)于下方(fang)，表明密度越大(da)(da)(da)，動(dong)彈(dan)模(mo)越大(da)(da)(da)、阻尼(ni)比(bi)越小；③圖14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密度的(de)(de)擬合(he)線(xian)(xian)(xian)基(ji)本(ben)位(wei)于Seed等給出的(de)(de)邊界(jie)線(xian)(xian)(xian)上方(fang)，而圖14(b)中(zhong)(zhong)則基(ji)本(ben)處于邊界(jie)線(xian)(xian)(xian)中(zhong)(zhong)間，表明相(xiang)比(bi)較砂(sha)樣，磷(lin)石膏動(dong)彈(dan)模(mo)較大(da)(da)(da)，會(hui)導致磷(lin)石膏堆(dui)積壩的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)較大(da)(da)(da)，但由于阻尼(ni)比(bi)也較大(da)(da)(da)，這樣又(you)會(hui)削弱壩體的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)，二者(zhe)的(de)(de)相(xiang)互(hu)影響(xiang)下，磷(lin)石膏堆(dui)積壩壩體的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)將不(bu)會(hui)過于強(qiang)烈，這對磷(lin)石膏堆(dui)積壩的(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利(li)的(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選擇(ze)兩種(zhong)平均干密度為1.12(變(bian)(bian)化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞(huai)標(biao)準為總應變(bian)(bian)達到(dao)10%。

圖(tu)15給出了動剪應力(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)(de)關系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為(wei)(wei)振前試樣45°面上的(de)(de)有效法向(xiang)應力(li)，表達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結比(bi)。從試驗(yan)結果可以看出，沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)動強度與其(qi)它土體相(xiang)似，表現為(wei)(wei)圍壓和固結應力(li)比(bi)與動剪應力(li)比(bi)呈負(fu)相(xiang)關關系。

為判別沉(chen)積磷石膏的抗(kang)液化(hua)能力，假定(ding)抗(kang)震(zhen)設計烈度(du)為8度(du)，即等效振(zhen)次Ⅳ可取為30。首(shou)先由式(4)

所示的(de)(de)冪函數關系(xi)式得到(dao)振次為30時(shi)各(ge)個圍壓和(he)固(gu)結比下的(de)(de)動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應力比與(yu)圍壓和固結應力比的關系式(shi)：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(ke)見，密實度提(ti)高(gao)后(hou)，動剪(jian)應力(li)比提(ti)高(gao)，表(biao)明抗液化能力(li)也(ye)提(ti)高(gao)。但即使(shi)是在低密度下，其動剪(jian)應力(li)比較(jiao)之同類的(de)粉土或(huo)粉砂也(ye)大(da)出(chu)許(xu)多(duo)，表(biao)明磷石膏(gao)具有較(jiao)高(gao)的(de)抗液化能力(li)。

三、結論(lun)

依托(tuo)柳樹箐(qing)磷石膏堆(dui)積(ji)壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開展(zhan)了(le)物理性(xing)質(zhi)試(shi)驗，然(ran)后開展(zhan)了(le)靜(jing)動(dong)力力學特性(xing)試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研(yan)究，得出如下結(jie)論：

(1)沉積磷(lin)石(shi)膏總體上(shang)屬于(yu)級配不(bu)良的粉(fen)土(tu)，局部屬于(yu)粉(fen)砂一中砂，無自然分(fen)級現象。其干密度和粒徑變化隨埋深(shen)或距(ju)放漿(jiang)口距(ju)離的變化不(bu)明顯。

(2)沉(chen)積(ji)磷石膏水平方向(xiang)(xiang)的滲透系數大于垂直方向(xiang)(xiang)的滲透系數，呈現明(ming)顯的各向(xiang)(xiang)異性。

(3)與土體顆粒(li)不可壓縮不同，磷石膏的晶體結(jie)構會發生壓縮破(po)壞，具有較大(da)的壓縮性(xing)，其次(ci)固結(jie)變形量(liang)(liang)遠大(da)于主固結(jie)變形量(liang)(liang)。

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