沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷石(shi)(shi)膏是磷酸生產(chan)過(guo)程中的(de)(de)(de)副產(chan)品(pin)，目(mu)前的(de)(de)(de)綜(zong)合(he)利(li)用率(lv)(lv)尚不足40%，大部分(fen)需要(yao)(yao)堆(dui)存存放。受地形限制和(he)(he)經濟效益考慮，中國主(zhu)要(yao)(yao)為濕法堆(dui)存的(de)(de)(de)山(shan)谷(gu)型堆(dui)場(chang)。依(yi)托柳(liu)樹箐磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩，針對(dui)沉積(ji)磷石(shi)(shi)膏首先開展了(le)密度、含水率(lv)(lv)、滲透、土水特(te)征(zheng)和(he)(he)顆分(fen)等物理性質試(shi)驗(yan)，然后開展了(le)三(san)軸(zhou)(zhou)cu、蠕變及動三(san)軸(zhou)(zhou)等力(li)學特(te)性試(shi)驗(yan)。試(shi)驗(yan)結(jie)果表明(ming)：①沉積(ji)磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)干密度與埋(mai)深沒(mei)有相關關系(xi)；②沉積(ji)磷石(shi)(shi)膏不具(ju)有自然分(fen)級現(xian)象，但具(ju)有明(ming)顯的(de)(de)(de)各向異性；③沉積(ji)磷石(shi)(shi)膏具(ju)有較(jiao)高的(de)(de)(de)摩擦(ca)角和(he)(he)抗(kang)液化(hua)能力(li)，但其蠕變變形較(jiao)大、滲透比降較(jiao)小。上述工(gong)作為分(fen)析磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)壩體穩定性提供了(le)基礎，對(dui)現(xian)行(xing)磷石(shi)(shi)膏庫(ku)的(de)(de)(de)運行(xing)管理以及新建(jian)工(gong)程的(de)(de)(de)設計具(ju)有重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)借(jie)鑒意義。

引言

磷石(shi)(shi)膏(gao)是(shi)(shi)濕法磷酸生(sheng)產(chan)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)副產(chan)品(pin)，2018年，全(quan)國(guo)磷石(shi)(shi)膏(gao)產(chan)生(sheng)量為7800萬噸，且呈逐年增長的(de)(de)(de)(de)態勢。磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)成(cheng)分(fen)是(shi)(shi)CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定(ding)量的(de)(de)(de)(de)氟化(hua)(hua)(hua)物和(he)其它(ta)放(fang)射(she)性物質(zhi)，在中(zhong)國(guo)通常按(an)(an)Ⅱ類一(yi)般工(gong)業固體廢物處(chu)(chu)理，鑒(jian)于(yu)無害化(hua)(hua)(hua)處(chu)(chu)理成(cheng)本(ben)較高，目(mu)前綜合利用率尚不(bu)足40%，故大(da)部分(fen)磷石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存存放(fang)。按(an)(an)堆(dui)(dui)存場地(di)的(de)(de)(de)(de)不(bu)同，可分(fen)為平地(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)場，在中(zhong)國(guo)基本(ben)上是(shi)(shi)山(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較干(gan)法堆(dui)(dui)存，濕法堆(dui)(dui)存經(jing)濟優勢明顯(xian)，因而如地(di)質(zhi)條件為非碳酸鹽巖地(di)區，一(yi)般均(jun)采用濕排濕堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)磷肥工(gong)業的(de)(de)(de)(de)快(kuai)速發展，本(ben)世紀初中(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了幾座濕法堆(dui)(dui)存的(de)(de)(de)(de)大(da)型(xing)磷石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例(li)如云天化(hua)(hua)(hua)國(guo)際化(hua)(hua)(hua)工(gong)三環分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)(de)柳樹箐磷石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩和(he)富瑞分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)(de)楊(yang)家箐磷石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩，這兩(liang)座壩設計壩高均(jun)超過100m、處(chu)(chu)于(yu)8度地(di)震區，其安(an)全(quan)性備受(shou)關注。

據(ju)統(tong)計，110多年(1901年一2013年)來，全世(shi)界有(you)118座尾礦(kuang)(kuang)壩曾發生過破壞或潰壩事(shi)故，原(yuan)因(yin)主要有(you)地震、洪水(shui)漫頂、滲透破壞和基(ji)礎失穩。尾礦(kuang)(kuang)庫(ku)失事(shi)后會造成(cheng)巨大的生態災難和人(ren)員傷(shang)亡，近幾(ji)十年來，

國內(nei)外對(dui)金屬尾礦的沉(chen)積規律、物理(li)(li)力(li)學特性及(ji)其穩(wen)定性開展了大量(liang)的研(yan)(yan)究，但對(dui)于(yu)與金屬尾礦庫相近(jin)的磷石膏庫，一般僅(jin)限于(yu)在可研(yan)(yan)階段采用人工制備樣(yang)進行物理(li)(li)力(li)學性質試驗(yan)，并據此(ci)進行穩(wen)定性分(fen)析(xi)，尚未有人針(zhen)對(dui)己運行若(ruo)干年的大型濕法(fa)堆存(cun)磷石膏堆積壩開展過磷石膏沉(chen)積規律及(ji)其物理(li)(li)力(li)學特性的專項(xiang)研(yan)(yan)究。

本文依(yi)托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)，首先進行了鉆(zhan)探(tan)取(qu)樣，采(cai)用原狀樣開展(zhan)(zhan)了密度、含(han)水率、滲透、土水特(te)征和顆分等(deng)物理性(xing)(xing)(xing)質試驗(yan)，在此基礎上(shang)有(you)(you)針對(dui)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)選擇(ze)原狀樣開展(zhan)(zhan)了三軸(zhou)CU、蠕變(bian)及動三軸(zhou)等(deng)力學特(te)性(xing)(xing)(xing)試驗(yan)。通過上(shang)述試驗(yan)研究，總結了磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)沉積規律、滲透特(te)性(xing)(xing)(xing)、滲透破壞特(te)性(xing)(xing)(xing)以(yi)及靜動力特(te)性(xing)(xing)(xing)，上(shang)述研究工(gong)作對(dui)研究和評估(gu)磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)提供了基礎數據，對(dui)現行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫(ku)的(de)(de)(de)(de)(de)運行管理以(yi)及新建工(gong)程的(de)(de)(de)(de)(de)設計具有(you)(you)重要的(de)(de)(de)(de)(de)借鑒意(yi)義(yi)。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)堆存設計方案

由初期(qi)壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土料(liao)填筑。上游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置堆石(shi)排(pai)水(shui)體(ti)，三(san)者相(xiang)連通構成整個堆積壩(ba)的主要排(pai)滲(shen)系統。

(2)堆積壩及(ji)其(qi)輔助排滲措施

采(cai)用上游式(shi)筑壩(ba)(ba)法(fa)，共(gong)20級(ji)子壩(ba)(ba)，頂(ding)寬6～9m，高(gao)度(du)5m，堆積高(gao)度(du)約100m。采(cai)用排(pai)(pai)滲管網作(zuo)為輔助(zhu)排(pai)(pai)滲方案，目前(qian)己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)和(he)13級(ji)子壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前(qian)120m范(fan)圍內設置了井字(zi)形(xing)排(pai)(pai)滲管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣

鉆孔(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積(ji)(ji)至(zhi)5級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)時，布設了9個取(qu)(qu)(qu)樣(yang)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)K1～K9，取(qu)(qu)(qu)原(yuan)狀樣(yang)76件(jian)；2013年5月，堆(dui)積(ji)(ji)至(zhi)13級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)時，又布設了11個取(qu)(qu)(qu)樣(yang)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)K10～K20，取(qu)(qu)(qu)原(yuan)狀樣(yang)112件(jian)，為比較子(zi)壩(ba)(ba)加高和磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)過程中磷石(shi)膏(gao)物(wu)理力學性(xing)質的變化(hua)，在(zai)2，4級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布設了一個鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏(gao)尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入運行，截至(zhi)2013年(nian)5月己(ji)堆(dui)至(zhi)13級子壩，尚有7級子壩即堆(dui)存至(zhi)設計高程。鑒于磷石(shi)膏(gao)庫(ku)地形、地質(zhi)條(tiao)件較好，具(ju)備擴容(rong)改(gai)造的條(tiao)件，以提高堆(dui)存庫(ku)容(rong)，減少堆(dui)存占地，節約土地資源(yuan)。

本文主要對沉積磷(lin)石膏(gao)的物理力學特性(xing)進行了(le)全面總(zong)結，限于篇(pian)幅，有關(guan)現(xian)狀磷(lin)石膏(gao)庫堆積壩的安全性(xing)評價及其加高(gao)可行性(xing)的研(yan)究將另文發(fa)表(biao)。

二、沉積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(le)14個鉆(zhan)孔的取樣深(shen)度(du)和試驗所得干密(mi)度(du)的關(guan)系(xi)，圖(tu)中(zhong)UWL表示水位(wei)(wei)線(xian)上(shang)，(系(xi)鉆(zhan)孔期間(jian)的初見(jian)水位(wei)(wei)線(xian)，下同)，DWL表示水位(wei)(wei)線(xian)下。圖(tu)3給出了(le)水位(wei)(wei)線(xian)上(shang)下的飽和度(du)分布圖(tu)。由于(yu)磷(lin)石膏中(zhong)的主要(yao)成分為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和烘烤(kao)時間(jian)對(dui)測(ce)定結果(guo)有一定影響(xiang)，不能照搬現行(xing)的土工試驗規范，本文(wen)磷(lin)石膏的含水率測(ce)定方法為55℃溫度(du)下烘培24h。

圖2沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)干密(mi)度與埋深的關系

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

由(you)圖(tu)3，水位(wei)線上的磷(lin)(lin)石(shi)膏飽(bao)和(he)度平(ping)均值為50.4%，處于非飽(bao)和(he)狀態，水位(wei)線以(yi)下(xia)的磷(lin)(lin)石(shi)膏飽(bao)和(he)度平(ping)均值為85.0%，基本處于飽(bao)和(he)狀態，由(you)于水位(wei)下(xia)降后磷(lin)(lin)石(shi)膏來不(bu)及排水固結，故而水位(wei)線上局部試樣的飽(bao)和(he)度較高(gao)。

由圖2，水(shui)位線以上的(de)干密度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)位線以下的(de)干密度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏與(yu)一般的(de)尾礦有所不同，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)干密度(du)(du)并(bing)不隨埋(mai)深的(de)增(zeng)大(da)而(er)明顯(xian)增(zeng)大(da)，但水(shui)位線以下的(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏干密度(du)(du)從統計意義(yi)上來看(kan)仍大(da)于水(shui)位線以上的(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏干密度(du)(du)，這主要(yao)是由于水(shui)位線隨庫水(shui)位的(de)變化(hua)反復升降(jiang)而(er)使(shi)得磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏排水(shui)固結所致。

室內(nei)擊實得到的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)最大(da)(da)干密度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自然沉(chen)積的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)最大(da)(da)干密度可達到1.73g/cm3，原(yuan)因如下(xia)：與經典(dian)的(de)(de)(de)(de)土(tu)骨架不可壓縮(suo)的(de)(de)(de)(de)理論(lun)不同，石膏(gao)(gao)本身可壓縮(suo)，同時(shi)由于(yu)顆(ke)粒結(jie)構不穩定，擊實試驗過(guo)程(cheng)中(zhong)磷(lin)石膏(gao)(gao)結(jie)構被(bei)破壞，受夯(hang)擊處下(xia)陷，四周鼓起，出現了類似(si)于(yu)橡(xiang)皮(pi)土(tu)的(de)(de)(de)(de)現象。而在(zai)現場(chang)條(tiao)件下(xia)，石膏(gao)(gao)骨架被(bei)破壞后(hou)，會(hui)導致顆(ke)粒中(zhong)的(de)(de)(de)(de)結(jie)合水滲出至孔隙內(nei)，變(bian)成孔隙水，排水固結(jie)后(hou)會(hui)使得磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)孔隙比減小，干密度增大(da)(da)。

圖4給出了相(xiang)(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)于(yu)2級子(zi)壩(ba)河(he)床(chuang)部位(wei))以及相(xiang)(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)于(yu)4級子(zi)壩(ba)河(he)床(chuang)部位(wei))干(gan)(gan)密(mi)(mi)度的(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值(zhi)(zhi)(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值(zhi)(zhi)(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值(zhi)(zhi)(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值(zhi)(zhi)(zhi)為1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來看，磷石膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度也(ye)并(bing)未隨后(hou)續磷石膏的(de)堆積(ji)而有較為明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析(xi)試驗(yan)采用密度計法，制備懸液(ye)時不(bu)(bu)煮(zhu)沸，不(bu)(bu)加六偏磷酸鈉。圖5給(gei)出了試驗(yan)得到的級(ji)配包線、平(ping)均(jun)粒徑d50、不(bu)(bu)均(jun)勻系數(shu)(1u和曲率(lv)系數(shu)Cc的分布(bu)圖。

從圖(tu)5(a)可見，磷(lin)石(shi)膏的(de)粒徑(jing)主(zhu)要分布在0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬于(yu)(yu)粉(fen)土(tu)，但可能(neng)由于(yu)(yu)礦(kuang)石(shi)來源或生(sheng)產(chan)工藝有所不同，局(ju)部屬于(yu)(yu)粉(fen)砂～中砂。粒徑(jing)分布范圍比Blight和(he)張超等的(de)試(shi)驗結(jie)果要寬一些。

圖4子壩(ba)加高后沉積磷石(shi)膏的干(gan)密(mi)度(du)變化

圖5沉積磷(lin)石膏(gao)的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水(shui)平向(xiang)(xiang)還是垂直向(xiang)(xiang)，磷石(shi)膏(gao)與金屬(shu)(shu)礦(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)“前(qian)粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的(de)(de)自然分級現象不(bu)同，也(ye)即粗(cu)顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)并不(bu)是沿埋深逐步減小(xiao)或距(ju)離放漿(jiang)口(kou)越遠顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)越細，其原因(yin)如下：①磷石(shi)膏(gao)顆(ke)(ke)粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)徑組成較為集中、均勻，主要以(yi)粉(fen)粒(li)(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較差(cha)；②相比(bi)較金屬(shu)(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)(zhong)較小(xiao)，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)(zhong)一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于(yu)金屬(shu)(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)(zhong)，例(li)如鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)達2.9；③放漿(jiang)口(kou)隨子壩高度不(bu)斷(duan)增(zeng)加而不(bu)斷(duan)變動(dong)并向(xiang)(xiang)庫尾(wei)延伸，造(zao)成沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)(li)徑變化(hua)不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均勻系數Cu范圍值1.61～21.5，平均值為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值0.28～9.78，平均值為(wei)1.21，在(zai)統計(ji)的100多個試樣中，屬(shu)于級配不良土的占93%。這種級配特性決定了磷石(shi)膏具有較高的壓縮性、滲透破壞(huai)型式表(biao)現(xian)為(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)主(zhu)要因(yin)素是粒徑(jing)大(da)小(xiao)(xiao)、級(ji)配和孔(kong)隙比，因(yin)而(er)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)(jiao)為接近。由(you)于(yu)孔(kong)隙比e減(jian)小(xiao)(xiao)，使得過水通道面積(ji)(ji)減(jian)小(xiao)(xiao)，滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減(jian)小(xiao)(xiao)，k與(yu)e呈正(zheng)相關關系(xi)(xi)(xi)。對(dui)砂土，一(yi)般認(ren)為滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖(tu)6給出了二者間的(de)(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)曲(qu)線(xian)，由(you)于(yu)沉積(ji)(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)(jiao)大(da)，使得沉積(ji)(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變化范圍較(jiao)(jiao)大(da)(平(ping)均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二者問的(de)(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差(cha)。

圖6沉積磷(lin)石膏滲透系(xi)數與孔隙比的關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)與(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數比值(zhi)的(de)(de)分布。沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數kh一般大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約(yue)為(wei)(wei)2.86，這(zhe)一點與(yu)成層分布的(de)(de)金屬尾礦規律(lv)一致。造(zao)成沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數的(de)(de)原因是由于(yu)磷(lin)石(shi)膏具有明顯(xian)的(de)(de)晶體結構，電(dian)鏡掃描顯(xian)示多為(wei)(wei)菱形(xing)和棱(leng)柱狀形(xing)式(見圖8)，在沉(chen)(chen)積過程中，由于(yu)扁平(ping)狀磷(lin)石(shi)膏顆粒多呈(cheng)水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)排列，使得水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)性大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)的(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)性，從而使磷(lin)石(shi)膏呈(cheng)現明顯(xian)的(de)(de)各向(xiang)異性。

另根據中(zhong)國有色(se)金屬(shu)工業昆明勘察設計研(yan)究(jiu)院在楊家箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩開展的現(xian)場(chang)滲(shen)透(tou)試(shi)驗，kh/kv的平均(jun)值(zhi)約為1.9。但張超等(deng)的室內試(shi)驗顯示(shi)，kh/kv的平均(jun)值(zhi)約為0.46，也即垂直向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數大(da)于水平向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數，與本文(wen)和(he)現(xian)場(chang)試(shi)驗結(jie)果(guo)恰恰相反(fan)。從磷(lin)石(shi)膏的微觀結(jie)構來(lai)看，本文(wen)試(shi)驗結(jie)果(guo)更為合理。

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

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)石(shi)膏干密(mi)度(du)為(wei)1.40g/cm3的水(shui)力(li)梯度(du)J與流(liu)速V的關系曲線，試驗(yan)在水(shui)平管涌儀(yi)中(zhong)采用(yong)水(shui)平方向(xiang)的滲(shen)流(liu)形式進行。試驗(yan)得到的臨界(jie)坡降(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來說，對(dui)1，2級工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全(quan)系數(shu)取為(wei)2.5，則允許(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以(yi)下工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全(quan)系數(shu)取2.0，則允許(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)與粉(fen)(fen)土一(yi)粉(fen)(fen)砂大(da)致相同。但上(shang)述滲(shen)透(tou)變形試驗(yan)是(shi)采用(yong)自(zi)來水(shui)進行的，自(zi)來水(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏具有(you)一(yi)定(ding)的溶蝕作用(yong)，而實際(ji)上(shang)磷(lin)(lin)石(shi)膏中(zhong)殘余磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)的pH值(zhi)一(yi)般小于3(稱之(zhi)為(wei)酸(suan)性(xing)水(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)作用(yong)下，磷(lin)(lin)石(shi)膏不(bu)會發生破壞(huai)，上(shang)述試驗(yan)結果(guo)是(shi)偏于保守的，但對(dui)非酸(suan)性(xing)水(shui)條件(jian)(例如(ru)特大(da)暴雨)下的滲(shen)透(tou)穩(wen)定(ding)判斷有(you)一(yi)定(ding)的借鑒意(yi)義。

圖9水力梯度J-流速v試驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力(li)板儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水率特(te)征值(zhi)，試驗曲線見(jian)圖10所示。

試(shi)驗結果表明：①干密度對進(jin)氣值沒(mei)有明顯的(de)影響，不(bu)同(tong)干密度的(de)試(shi)樣的(de)進(jin)氣值大致在10kPa左右；②土樣殘余含(han)水(shui)率隨(sui)干密度的(de)增加而(er)減少，殘余含(han)水(shui)率約為飽和含(han)水(shui)率的(de)10%。上述特性與粉(fen)土一粉(fen)砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石(shi)膏的(de)(de)密(mi)度(du)變化較(jiao)大，而進(jin)行三軸(zhou)試驗(yan)需要若干(gan)原狀樣(yang)，為(wei)(wei)使試驗(yan)結果具有較(jiao)好的(de)(de)一致性，有針對性的(de)(de)選(xuan)擇平均干(gan)密(mi)度(du)分別為(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)(de)若干(gan)試樣(yang)，進(jin)行了5組三軸(zhou)CU試驗(yan)。圖(tu)11是為(wei)(wei)干(gan)密(mi)度(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸(zhou)CU試驗(yan)曲(qu)線。

從圖11可以看出(chu)，磷石膏(gao)的(de)應力應變關系曲線在(zai)低圍壓下表(biao)現為(wei)(wei)軟化型，在(zai)高圍壓下表(biao)現為(wei)(wei)硬(ying)化型，與一般(ban)土類相似。但與一般(ban)粉土一粉砂不同的(de)是，即使在(zai)較為(wei)(wei)疏松的(de)狀(zhuang)態下，磷石膏(gao)仍表(biao)現了較為(wei)(wei)強烈的(de)剪脹，隨密實度增(zeng)大，剪脹作用愈(yu)發明顯。

表(biao)2給出(chu)了(le)不同干(gan)(gan)密(mi)度下的(de)內摩(mo)擦(ca)角，圖(tu)12給出(chu)了(le)內摩(mo)擦(ca)角與干(gan)(gan)密(mi)度的(de)關系曲線。隨干(gan)(gan)密(mi)度的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)擦(ca)角也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采用(yong)冪函(han)數較(jiao)(jiao)好(hao)地擬合(he)。磷石膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)度由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總(zong)應(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)角由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)37.3°(根(gen)據擬合(he)曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)應(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)角由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由(you)于隨圍(wei)壓的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效(xiao)摩(mo)擦(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之(zhi)總(zong)應(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)角要小。另外(wai)較(jiao)(jiao)之(zhi)于干(gan)(gan)密(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)角的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表(biao)明(ming)即(ji)使(shi)較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)磷石膏仍具有較(jiao)(jiao)高的(de)強度指(zhi)標(biao)，這也表(biao)明(ming)磷石膏堆(dui)積壩(ba)的(de)穩(wen)定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(次固結(jie))變形試驗

磷石膏的蠕變變形(xing)試驗在側限壓縮儀(yi)中進(jin)行(xing)，試驗狀態(tai)相當于(yu)K0固結。試樣(yang)直(zhi)徑61.8mm，高度(du)20mm，試樣(yang)干密度(du)為1.30g/cm3，對(dui)試樣(yang)飽和后分別(bie)開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試驗，

試(shi)驗(yan)從2012年8月27日開始，試(shi)驗(yan)己進行了(le)1年多，試(shi)驗(yan)結果見圖13所示。

從圖(tu)13中可以(yi)看出：上覆荷(he)載越大(da)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形也越大(da)，荷(he)載施加1年后，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形仍非常顯著，尚未(wei)達到(dao)穩定狀態，這也是磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆積壩后期變(bian)(bian)(bian)形較大(da)的(de)原(yuan)因(yin)，原(yuan)型觀測資料表明，在(zai)5級子壩河床部位(wei)的(de)表面沉降量已經達到(dao)3.1m，且尚未(wei)完全穩定。

按時間對數法，可求得各(ge)級荷載下的(de)(de)(de)主次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)如表3所示。試驗(yan)結(jie)(jie)(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)試驗(yan)時間范(fan)圍(wei)內蠕變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)是主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(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，實際的(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大(da)。對土(tu)(tu)(tu)體而(er)言，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因(yin)是由于(yu)土(tu)(tu)(tu)體在(zai)(zai)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成之后，土(tu)(tu)(tu)體中(zhong)仍有微(wei)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)超(chao)靜(jing)孔(kong)隙(xi)壓(ya)力存(cun)在(zai)(zai)，驅使水(shui)在(zai)(zai)顆(ke)粒問流(liu)動，一般來講土(tu)(tu)(tu)體的(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)(xiao)于(yu)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)；對磷(lin)石(shi)膏而(er)言，其滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量(liang)(liang)級，遠大(da)于(yu)黏性土(tu)(tu)(tu)，但其卻發(fa)生(sheng)了極為顯(xian)著的(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原因(yin)在(zai)(zai)于(yu)磷(lin)石(shi)膏晶體結(jie)(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)了壓(ya)縮(suo)、破壞(huai)，接觸點(dian)晶格(ge)發(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞(huai)后晶格(ge)之間的(de)(de)(de)重新(xin)排(pai)列、調整到最后趨于(yu)相(xiang)對靜(jing)止需要相(xiang)當長的(de)(de)(de)時間才能完(wan)成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采用英國GDS公司(si)進(jin)口的(de)電機控制動三軸試(shi)驗系統(tong)，試(shi)樣直(zhi)徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模(mo)量和阻(zu)尼(ni)比(bi)

同樣由于自然沉積的磷石膏密度(du)變(bian)化(hua)(hua)較(jiao)大，為此根據物(wu)理性質試驗結(jie)果，選(xuan)擇兩種平均(jun)干密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

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

式(shi)中k1為參數，表示(shi)動(dong)剪(jian)切(qie)模量(liang)的衰減或阻尼比(bi)的增(zeng)長速率(lv)；λmax為最(zui)大(da)阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為最(zui)大(da)動(dong)剪(jian)切(qie)模量(liang)和歸一化的動(dong)剪(jian)應變(bian)，表示(shi)為

式中k2,n為參(can)數；σm為球應力；Pa為標準大(da)氣壓；vd為動(dong)泊松比；εa為歸一化(hua)的動(dong)應變，表達為

圖(tu)(tu)14給出了動剪切模量、阻尼比與(yu)歸一化動應變的關系曲線，另外圖(tu)(tu)中還(huan)給出了式(1)的擬合(he)曲線以及Seed等給出的砂(sha)樣的上下邊界線，圖(tu)(tu)例中，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固結應力(li)比。

從(cong)圖中(zhong)(zhong)可以(yi)看出(chu)：①式(1)可較(jiao)(jiao)好地描述磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)動應(ying)力-動應(ying)變試驗曲線(xian)，表(biao)明(ming)采(cai)用(yong)等價黏彈(dan)性模(mo)型(xing)進行循環荷載作用(yong)下的(de)(de)分析是(shi)可行的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)(zhong)干密度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線(xian)位于(yu)干密度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)擬(ni)合線(xian)上(shang)方，圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位于(yu)下方，表(biao)明(ming)密度越大(da)，動彈(dan)模(mo)越大(da)、阻(zu)尼比越小；③圖14(a)中(zhong)(zhong)，兩種(zhong)干密度的(de)(de)擬(ni)合線(xian)基(ji)(ji)本(ben)位于(yu)Seed等給出(chu)的(de)(de)邊界(jie)線(xian)上(shang)方，而圖14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基(ji)(ji)本(ben)處(chu)于(yu)邊界(jie)線(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)明(ming)相(xiang)(xiang)比較(jiao)(jiao)砂樣(yang)，磷石(shi)膏(gao)動彈(dan)模(mo)較(jiao)(jiao)大(da)，會導致磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)動力反(fan)應(ying)較(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)阻(zu)尼比也較(jiao)(jiao)大(da)，這樣(yang)又會削弱(ruo)壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)動力反(fan)應(ying)，二者的(de)(de)相(xiang)(xiang)互影響下，磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)動力反(fan)應(ying)將不(bu)會過(guo)于(yu)強烈(lie)，這對磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)抗震穩定性是(shi)有(you)利的(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇兩種平均干密度為(wei)1.12(變化(hua)(hua)范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)(hua)范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準(zhun)為(wei)總應變達到10%。

圖(tu)15給出了動(dong)剪(jian)(jian)應(ying)(ying)(ying)力(li)比τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)(de)(de)關系(xi)曲(qu)線圖(tu)，其(qi)中σ0為振前試(shi)樣45°面上的(de)(de)(de)有(you)效(xiao)法向應(ying)(ying)(ying)力(li)，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)(gu)結比。從試(shi)驗結果可(ke)以看出，沉積磷石膏的(de)(de)(de)動(dong)強度(du)與其(qi)它土體相似，表現(xian)為圍壓和固(gu)(gu)結應(ying)(ying)(ying)力(li)比與動(dong)剪(jian)(jian)應(ying)(ying)(ying)力(li)比呈負相關關系(xi)。

為判別沉積磷石膏的抗(kang)(kang)液化能力，假定(ding)抗(kang)(kang)震設(she)計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取為30。首先(xian)由式(4)

所示的冪函數關(guan)系式得到振次為30時各個圍壓和固結比下(xia)的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應(ying)力(li)比與圍壓和(he)固結應(ying)力(li)比的(de)關系(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(shang)述(shu)擬合(he)關系式可見，密(mi)實度(du)提高(gao)(gao)后，動剪(jian)應力比(bi)提高(gao)(gao)，表(biao)明抗液化(hua)能力也(ye)提高(gao)(gao)。但即使是在低密(mi)度(du)下，其動剪(jian)應力比(bi)較之(zhi)同類的粉土(tu)或粉砂(sha)也(ye)大(da)出許多，表(biao)明磷石膏具有較高(gao)(gao)的抗液化(hua)能力。

三、結論

依(yi)托(tuo)柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的(de)基礎上，首(shou)先開(kai)(kai)展了物理性質試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)，然后開(kai)(kai)展了靜(jing)動(dong)力力學(xue)特(te)性試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)。通過上述(shu)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)研究，得出(chu)如(ru)下結(jie)論(lun)：

(1)沉積磷石膏總體上屬于(yu)級配不(bu)良的(de)粉土(tu)，局(ju)部(bu)屬于(yu)粉砂一中(zhong)砂，無自然分級現象。其(qi)干密(mi)度和粒(li)徑變化隨埋(mai)深(shen)或距放漿口(kou)距離的(de)變化不(bu)明(ming)顯。

(2)沉(chen)積磷石膏水平方向的滲透系(xi)數大于垂直(zhi)方向的滲透系(xi)數，呈現明顯的各向異(yi)性。

(3)與土體顆粒不(bu)可壓(ya)(ya)縮不(bu)同，磷石膏的(de)(de)晶體結(jie)(jie)構會發生壓(ya)(ya)縮破(po)壞，具有較大(da)的(de)(de)壓(ya)(ya)縮性(xing)，其次固結(jie)(jie)變形量遠(yuan)大(da)于主(zhu)固結(jie)(jie)變形量。

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