沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)是磷(lin)酸生產(chan)過程中的(de)副(fu)產(chan)品，目前的(de)綜合利用率(lv)尚(shang)不(bu)足40%，大(da)部分(fen)需要(yao)堆存(cun)存(cun)放(fang)。受地形限制和經濟效益(yi)考慮，中國主要(yao)為(wei)濕法堆存(cun)的(de)山谷型堆場(chang)。依托柳(liu)樹箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆積壩(ba)，針(zhen)對(dui)(dui)沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)首先開(kai)展了密(mi)度(du)、含(han)水(shui)率(lv)、滲透、土(tu)水(shui)特征和顆分(fen)等物理性(xing)質(zhi)試驗(yan)，然后開(kai)展了三(san)軸cu、蠕(ru)變及動三(san)軸等力學特性(xing)試驗(yan)。試驗(yan)結果表明(ming)(ming)：①沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)干密(mi)度(du)與埋深沒(mei)有(you)(you)相關(guan)關(guan)系；②沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)不(bu)具(ju)有(you)(you)自然分(fen)級現象，但(dan)具(ju)有(you)(you)明(ming)(ming)顯(xian)的(de)各向異性(xing)；③沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)具(ju)有(you)(you)較高的(de)摩擦(ca)角和抗液化能力，但(dan)其蠕(ru)變變形較大(da)、滲透比降較小。上述工作為(wei)分(fen)析磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的(de)壩(ba)體穩定(ding)性(xing)提供了基礎，對(dui)(dui)現行磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫的(de)運(yun)行管理以及新建工程的(de)設計具(ju)有(you)(you)重要(yao)的(de)借(jie)鑒(jian)意義。

引言

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是濕法磷(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)(chan)過程中的(de)(de)副產(chan)(chan)品，2018年(nian)，全國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)(chan)生(sheng)量為7800萬噸，且呈逐(zhu)年(nian)增長的(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)主要成分(fen)(fen)是CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定量的(de)(de)氟化(hua)(hua)物(wu)和(he)其(qi)它放射性(xing)物(wu)質(zhi)，在(zai)中國(guo)通常按Ⅱ類一(yi)般工業固體廢物(wu)處理，鑒于無(wu)害化(hua)(hua)處理成本較高，目前綜(zong)合利用率尚(shang)不足40%，故(gu)大部(bu)分(fen)(fen)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)場地的(de)(de)不同，可分(fen)(fen)為平地型(xing)、傍(bang)山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)場，在(zai)中國(guo)基本上(shang)是山(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)場。相比較干法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)，濕法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)經(jing)濟(ji)優勢明顯(xian)，因而如(ru)(ru)地質(zhi)條件為非碳酸鹽巖地區，一(yi)般均(jun)采用濕排濕堆(dui)(dui)方式。隨著(zhu)中國(guo)磷(lin)(lin)肥工業的(de)(de)快速發(fa)展，本世紀初中國(guo)相繼建設了(le)幾(ji)座濕法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)的(de)(de)大型(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫，例如(ru)(ru)云天化(hua)(hua)國(guo)際(ji)化(hua)(hua)工三環分(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)和(he)富(fu)瑞分(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)楊家(jia)箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩(ba)，這(zhe)兩(liang)座壩(ba)設計壩(ba)高均(jun)超過100m、處于8度地震(zhen)區，其(qi)安全性(xing)備受關(guan)注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全(quan)世界有118座尾(wei)礦壩曾發生過(guo)破(po)(po)壞或潰(kui)壩事故，原因(yin)主要(yao)有地震、洪水漫頂(ding)、滲透破(po)(po)壞和基礎失(shi)(shi)穩(wen)。尾(wei)礦庫失(shi)(shi)事后會造成巨大的生態災難和人員傷亡，近(jin)幾十(shi)年(nian)來，

國內外對(dui)金屬尾礦的(de)(de)(de)沉積(ji)規律、物理(li)力(li)學特性(xing)(xing)及其(qi)穩定性(xing)(xing)開展(zhan)了(le)大(da)量的(de)(de)(de)研(yan)究，但對(dui)于與金屬尾礦庫相近(jin)的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石膏庫，一般僅限于在(zai)可(ke)研(yan)階(jie)段采(cai)用人工制(zhi)備(bei)樣進(jin)行(xing)物理(li)力(li)學性(xing)(xing)質(zhi)試驗(yan)，并據此進(jin)行(xing)穩定性(xing)(xing)分析，尚未有(you)人針對(dui)己運行(xing)若(ruo)干年的(de)(de)(de)大(da)型濕法堆(dui)存磷(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩開展(zhan)過磷(lin)(lin)石膏沉積(ji)規律及其(qi)物理(li)力(li)學特性(xing)(xing)的(de)(de)(de)專(zhuan)項研(yan)究。

本文依托柳樹箐磷石膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩，首先進行(xing)了(le)鉆探(tan)取樣，采用原狀(zhuang)樣開展了(le)密(mi)度、含水率(lv)、滲(shen)透、土水特(te)征和(he)顆(ke)分等(deng)物理性質試(shi)驗，在此(ci)基(ji)礎上有針對性的(de)選擇原狀(zhuang)樣開展了(le)三(san)軸(zhou)(zhou)CU、蠕變及(ji)動三(san)軸(zhou)(zhou)等(deng)力學特(te)性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研(yan)究(jiu)，總(zong)結了(le)磷石膏(gao)(gao)的(de)沉積規律、滲(shen)透特(te)性、滲(shen)透破壞特(te)性以及(ji)靜動力特(te)性，上述研(yan)究(jiu)工作對研(yan)究(jiu)和(he)評估磷石膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積壩的(de)穩定性提(ti)供了(le)基(ji)礎數據，對現行(xing)磷石膏(gao)(gao)庫(ku)的(de)運行(xing)管理以及(ji)新建工程的(de)設計(ji)具有重要的(de)借鑒意義。

一(yi)、依托(tuo)工(gong)程概(gai)況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設(she)計方案(an)

由初(chu)期壩和(he)堆積壩組成，設計總壩高(gao)約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用(yong)土料填筑。上游(you)坡(po)面、壩(ba)底和下游(you)壩(ba)腳設置(zhi)堆(dui)石排(pai)水體(ti)，三者相連通構成(cheng)整個堆(dui)積(ji)壩(ba)的主要排(pai)滲系統。

(2)堆(dui)積壩及(ji)其輔助排(pai)滲措施

采(cai)用(yong)上游式筑壩(ba)法，共(gong)20級子(zi)(zi)(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采(cai)用(yong)排滲(shen)管網作為輔助排滲(shen)方案，目前(qian)己(ji)在5級、9級子(zi)(zi)(zi)壩(ba)和13級子(zi)(zi)(zi)壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范圍(wei)內設置了井字形排滲(shen)管網。

1.2沉積磷(lin)石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月，堆積(ji)(ji)(ji)至(zhi)5級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，布設了9個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)(bian)號K1～K9，取(qu)原狀樣76件；2013年(nian)5月，堆積(ji)(ji)(ji)至(zhi)13級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時(shi)，又(you)布設了11個(ge)取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)(bian)號K10～K20，取(qu)原狀樣112件，為比較子(zi)(zi)壩(ba)加高和磷石膏(gao)堆積(ji)(ji)(ji)過(guo)程中磷石膏(gao)物理力學性質的(de)變化，在2，4級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布設了一個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編(bian)(bian)號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹箐磷石(shi)膏尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入(ru)運行(xing)，截(jie)至(zhi)2013年(nian)5月己堆至(zhi)13級子壩(ba)，尚有7級子壩(ba)即(ji)堆存(cun)至(zhi)設計高程。鑒于(yu)磷石(shi)膏庫(ku)地形(xing)、地質條(tiao)件較好，具備擴容改造(zao)的條(tiao)件，以(yi)提高堆存(cun)庫(ku)容，減少堆存(cun)占地，節約土地資源。

本(ben)文主要對(dui)沉積磷石(shi)(shi)膏的(de)物理力(li)學特性進行(xing)了全面(mian)總結(jie)，限于篇幅，有關現(xian)狀磷石(shi)(shi)膏庫(ku)堆積壩的(de)安(an)全性評(ping)價及其(qi)加高(gao)可(ke)行(xing)性的(de)研究將另文發表。

二、沉積磷石膏的物理(li)力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出(chu)(chu)了(le)14個鉆孔的取樣深度(du)(du)和(he)試(shi)驗所得干密度(du)(du)的關系，圖(tu)中(zhong)UWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)(shui)位線上，(系鉆孔期(qi)間(jian)的初見水(shui)(shui)(shui)位線，下(xia)(xia)同)，DWL表(biao)示(shi)水(shui)(shui)(shui)位線下(xia)(xia)。圖(tu)3給(gei)出(chu)(chu)了(le)水(shui)(shui)(shui)位線上下(xia)(xia)的飽和(he)度(du)(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷(lin)石膏中(zhong)的主要成分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度(du)(du)和(he)烘(hong)烤時間(jian)對測定結果有一定影響(xiang)，不(bu)能(neng)照(zhao)搬現行的土工試(shi)驗規(gui)范，本(ben)文磷(lin)石膏的含水(shui)(shui)(shui)率測定方法(fa)為(wei)55℃溫(wen)度(du)(du)下(xia)(xia)烘(hong)培24h。

圖2沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)干密度與埋深的關系(xi)

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

由圖(tu)3，水(shui)(shui)位(wei)線上的磷(lin)石(shi)膏(gao)飽和(he)度(du)(du)平(ping)均(jun)值為(wei)50.4%，處于非飽和(he)狀態，水(shui)(shui)位(wei)線以下(xia)的磷(lin)石(shi)膏(gao)飽和(he)度(du)(du)平(ping)均(jun)值為(wei)85.0%，基(ji)本處于飽和(he)狀態，由于水(shui)(shui)位(wei)下(xia)降后磷(lin)石(shi)膏(gao)來不及排(pai)水(shui)(shui)固結，故而水(shui)(shui)位(wei)線上局部試樣的飽和(he)度(du)(du)較高。

由圖2，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)上的(de)干(gan)密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)下的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)(lin)石(shi)膏與一般(ban)的(de)尾礦有所不(bu)同(tong)，磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)干(gan)密(mi)度(du)并不(bu)隨(sui)埋深的(de)增大(da)(da)而(er)明顯增大(da)(da)，但水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏干(gan)密(mi)度(du)從統計意義上來看(kan)仍大(da)(da)于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)以(yi)上的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏干(gan)密(mi)度(du)，這(zhe)主要是(shi)由于水(shui)位(wei)線(xian)(xian)(xian)隨(sui)庫水(shui)位(wei)的(de)變化反(fan)復升降而(er)使得磷(lin)(lin)石(shi)膏排水(shui)固(gu)結所致。

室內擊實(shi)(shi)得到(dao)的磷石膏(gao)(gao)最(zui)大干(gan)(gan)密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自(zi)然沉(chen)積(ji)的磷石膏(gao)(gao)最(zui)大干(gan)(gan)密度可達到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經(jing)典(dian)的土骨架不(bu)(bu)可壓縮的理論不(bu)(bu)同(tong)(tong)，石膏(gao)(gao)本(ben)身可壓縮，同(tong)(tong)時由于顆(ke)粒結構不(bu)(bu)穩定，擊實(shi)(shi)試驗過程(cheng)中磷石膏(gao)(gao)結構被(bei)(bei)破壞，受夯擊處下(xia)陷，四周鼓起，出現(xian)了類似于橡皮土的現(xian)象。而在現(xian)場條件下(xia)，石膏(gao)(gao)骨架被(bei)(bei)破壞后，會導致顆(ke)粒中的結合水(shui)(shui)滲出至(zhi)孔隙(xi)(xi)內，變成孔隙(xi)(xi)水(shui)(shui)，排水(shui)(shui)固(gu)結后會使(shi)得磷石膏(gao)(gao)的孔隙(xi)(xi)比減(jian)小(xiao)，干(gan)(gan)密度增大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)于2級子(zi)壩河床部位(wei))以(yi)及相鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)于4級子(zi)壩河床部位(wei))干(gan)密度(du)(du)(du)的(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密度(du)(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密度(du)(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密度(du)(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密度(du)(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值為1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來看(kan)，磷(lin)石膏的(de)干(gan)密度(du)(du)(du)也并未(wei)隨后續磷(lin)石膏的(de)堆積(ji)而有較為明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆(ke)粒(li)分析試(shi)(shi)驗(yan)采用密度計法，制備懸液時不(bu)(bu)煮(zhu)沸，不(bu)(bu)加六偏磷酸鈉。圖5給出了試(shi)(shi)驗(yan)得到的級配(pei)包線、平均粒(li)徑d50、不(bu)(bu)均勻(yun)系數(1u和(he)曲率系數Cc的分布(bu)圖。

從圖5(a)可見(jian)，磷石(shi)膏的粒徑主(zhu)要分布(bu)在0.005～0.075mm之間，總體上(shang)屬于粉土，但(dan)可能(neng)由于礦石(shi)來源或生產工藝有(you)所(suo)不(bu)同，局部屬于粉砂～中砂。粒徑分布(bu)范(fan)圍(wei)比Blight和張(zhang)超(chao)等的試驗結果要寬一些(xie)。

圖(tu)4子(zi)壩加高(gao)后沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的干密度(du)變化

圖5沉積磷(lin)石膏的平(ping)均粒徑和級配分(fen)布

由圖5(b)和5(c)，無論(lun)是(shi)水(shui)平向還是(shi)垂直向，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與(yu)金屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的(de)“前粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下(xia)(xia)細(xi)”的(de)自然分級現象不同，也即粗(cu)顆粒(li)并(bing)不是(shi)沿(yan)埋深逐步減小或(huo)距離放漿口越(yue)遠顆粒(li)越(yue)細(xi)，其原(yuan)因如下(xia)(xia)：①磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆粒(li)粒(li)徑組成(cheng)較為集中、均勻(yun)，主要以粉(fen)粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較差；②相(xiang)比較金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比重(zhong)較小，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比重(zhong)一般為2.3～2.4，遠小于金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)，例(li)如鐵尾(wei)礦(kuang)的(de)比重(zhong)可達2.9；③放漿口隨子壩(ba)高度不斷增加而不斷變(bian)動并(bing)向庫尾(wei)延伸，造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑變(bian)化不明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不均勻系數Cu范圍值1.61～21.5，平均值為4.18，曲率系數(1c范圍值0.28～9.78，平均值為1.21，在統(tong)計的100多個試(shi)樣中，屬于級(ji)配不良土(tu)的占93%。這種級(ji)配特(te)性決(jue)定了磷(lin)石膏具有較高的壓縮性、滲透破壞型式表現為流土(tu)破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)主要因(yin)素是粒徑大小(xiao)、級(ji)配和孔隙(xi)(xi)比，因(yin)而磷(lin)石膏的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)與(yu)粉土較(jiao)(jiao)為接(jie)近。由于孔隙(xi)(xi)比e減小(xiao)，使得過水通道面積(ji)減小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正相關關系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)(de)線(xian)(xian)性(xing)(xing)關系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給(gei)出了(le)二者(zhe)間的(de)(de)(de)關系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)(xian)，由于沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)變化較(jiao)(jiao)大，使得沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)變化范圍較(jiao)(jiao)大(平均值(zhi)為10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二者(zhe)問的(de)(de)(de)線(xian)(xian)性(xing)(xing)關系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲透系(xi)數(shu)與孔隙比的關(guan)系(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)平(ping)與(yu)垂(chui)(chui)直向(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)比值的(de)(de)(de)分布。沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)kh一(yi)般大于垂(chui)(chui)直向(xiang)的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約為2.86，這一(yi)點與(yu)成層分布的(de)(de)(de)金屬尾礦規律一(yi)致。造成沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)大于垂(chui)(chui)直向(xiang)滲透(tou)(tou)系數(shu)的(de)(de)(de)原因是(shi)由于磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具有明(ming)顯(xian)的(de)(de)(de)晶(jing)體結構(gou)，電鏡(jing)掃(sao)描顯(xian)示多為菱形(xing)和棱(leng)柱(zhu)狀形(xing)式(見(jian)圖8)，在沉(chen)積(ji)過程中(zhong)，由于扁平(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆粒多呈水(shui)(shui)平(ping)排列(lie)，使得水(shui)(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)大于垂(chui)(chui)直方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從而使磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)呈現明(ming)顯(xian)的(de)(de)(de)各向(xiang)異性(xing)。

另根據中國(guo)有(you)色金(jin)屬工業昆明勘察(cha)設計研究院在楊家箐磷石(shi)膏堆積(ji)壩(ba)開展的(de)(de)(de)(de)現(xian)場滲透試(shi)(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)(de)(de)(de)平均值(zhi)(zhi)約為1.9。但張超等的(de)(de)(de)(de)室內試(shi)(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)(de)(de)(de)平均值(zhi)(zhi)約為0.46，也(ye)即垂直向滲透系數(shu)大(da)于水平向滲透系數(shu)，與(yu)本文和現(xian)場試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果恰恰相反。從磷石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)微觀結(jie)構來(lai)看，本文試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果更為合理。

圖(tu)7沉積磷石(shi)膏干(gan)密度與(yu)水平和垂(chui)直滲(shen)透系數比(bi)值的(de)關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)力梯(ti)度J與(yu)流速V的(de)關系曲(qu)線，試(shi)(shi)驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采(cai)用(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)滲(shen)流形式進行。試(shi)(shi)驗(yan)得到(dao)的(de)臨界(jie)坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說，對1，2級工程(cheng)，滲(shen)透(tou)安全系數取(qu)為(wei)2.5，則允許出逸(yi)坡(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下工程(cheng)，滲(shen)透(tou)安全系數取(qu)2.0，則允許出逸(yi)坡(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)與(yu)粉土(tu)一粉砂大(da)(da)致(zhi)相同。但上(shang)述滲(shen)透(tou)變形試(shi)(shi)驗(yan)是(shi)采(cai)用(yong)(yong)(yong)自來(lai)水(shui)(shui)進行的(de)，自來(lai)水(shui)(shui)對磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)具有一定的(de)溶蝕(shi)作用(yong)(yong)(yong)，而實際上(shang)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)中(zhong)殘余磷(lin)、硫和氟(fu)酸(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)pH值一般小于3(稱之為(wei)酸(suan)性水(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)性水(shui)(shui)作用(yong)(yong)(yong)下，磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)不會發生破壞(huai)，上(shang)述試(shi)(shi)驗(yan)結果是(shi)偏于保守的(de)，但對非酸(suan)性水(shui)(shui)條件(例如特大(da)(da)暴雨(yu))下的(de)滲(shen)透(tou)穩定判斷有一定的(de)借鑒(jian)意(yi)義。

圖9水力梯度J-流速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在5Bar的壓力板儀中進行，環刀尺(chi)寸6.18cm。干(gan)密度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表(biao)l列出了含水率特征值，試(shi)驗曲線見圖10所(suo)示。

試(shi)驗結(jie)果表明(ming)：①干(gan)密度對進氣值(zhi)沒有(you)明(ming)顯的(de)影響(xiang)，不同干(gan)密度的(de)試(shi)樣(yang)的(de)進氣值(zhi)大致在10kPa左(zuo)右；②土樣(yang)殘余(yu)含水(shui)率(lv)隨干(gan)密度的(de)增加而減少，殘余(yu)含水(shui)率(lv)約為飽(bao)和含水(shui)率(lv)的(de)10%。上述特(te)性(xing)與粉土一粉砂基本(ben)一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的(de)密(mi)度變化(hua)較大(da)，而進行(xing)三軸試(shi)(shi)驗(yan)需(xu)要若干原(yuan)狀樣，為使試(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)具(ju)有較好的(de)一致性(xing)，有針對性(xing)的(de)選擇(ze)平(ping)均干密(mi)度分別為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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干試(shi)(shi)樣，進行(xing)了5組三軸CU試(shi)(shi)驗(yan)。圖(tu)11是為干密(mi)度為1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三軸CU試(shi)(shi)驗(yan)曲線。

從圖(tu)11可以看出，磷石膏的應(ying)(ying)力(li)應(ying)(ying)變關系(xi)曲線(xian)在低圍壓(ya)下(xia)(xia)表(biao)現(xian)為(wei)(wei)(wei)軟化型(xing)，在高圍壓(ya)下(xia)(xia)表(biao)現(xian)為(wei)(wei)(wei)硬化型(xing)，與一(yi)般土(tu)類相(xiang)似。但(dan)與一(yi)般粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂不同的是，即(ji)使(shi)在較為(wei)(wei)(wei)疏松的狀態下(xia)(xia)，磷石膏仍表(biao)現(xian)了較為(wei)(wei)(wei)強烈的剪脹(zhang)，隨密實(shi)度增大(da)，剪脹(zhang)作用(yong)愈發明顯。

表(biao)2給出了(le)不(bu)同干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)下(xia)的(de)內摩(mo)擦角(jiao)(jiao)，圖12給出了(le)內摩(mo)擦角(jiao)(jiao)與(yu)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)關系曲(qu)線(xian)。隨干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)大，內摩(mo)擦角(jiao)(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較好地擬(ni)合。磷(lin)石(shi)膏的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了(le)32%，總應力摩(mo)擦角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲(qu)線(xian)求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效應力摩(mo)擦角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由于隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也明顯(xian)增(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)擦角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較之(zhi)總應力摩(mo)擦角(jiao)(jiao)要小。另外較之(zhi)于干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并(bing)不(bu)顯(xian)著(zhu)，表(biao)明即使較為(wei)(wei)疏松的(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有較高(gao)的(de)強度(du)(du)指(zhi)標，這也表(biao)明磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩的(de)穩(wen)定性較高(gao)。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗

磷石膏的(de)蠕變變形試(shi)驗(yan)在(zai)側限壓縮儀中進行(xing)，試(shi)驗(yan)狀態相(xiang)當于K0固結。試(shi)樣直(zhi)徑(jing)61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干(gan)密(mi)度為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后分別開展(zhan)了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗(yan)，

試驗(yan)(yan)從2012年(nian)8月27日開(kai)始(shi)，試驗(yan)(yan)己進(jin)行了1年(nian)多，試驗(yan)(yan)結(jie)果見(jian)圖(tu)13所(suo)示。

從圖13中可以(yi)看出：上(shang)覆荷載越(yue)大(da)(da)，磷石膏的蠕變變形(xing)也(ye)越(yue)大(da)(da)，荷載施加(jia)1年后，磷石膏的蠕變變形(xing)仍(reng)非常顯(xian)著，尚(shang)未(wei)達到穩定狀態(tai)，這也(ye)是磷石膏堆積壩后期變形(xing)較大(da)(da)的原因，原型(xing)觀(guan)測資料表(biao)明，在5級子壩河床部(bu)位的表(biao)面沉降(jiang)量已經(jing)達到3.1m，且尚(shang)未(wei)完全穩定。

按時(shi)(shi)(shi)間(jian)對數(shu)法，可求得各級荷載(zai)下的(de)主次固(gu)結(jie)(jie)變形(xing)量(liang)如表3所示。試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果表明，在(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載(zai)作用下，在(zai)(zai)(zai)試(shi)驗(yan)時(shi)(shi)(shi)間(jian)范圍內蠕(ru)變(次固(gu)結(jie)(jie))變形(xing)是主固(gu)結(jie)(jie)變形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然(ran)由(you)于(yu)(yu)蠕(ru)變變形(xing)尚未完(wan)(wan)成(cheng)，實際的(de)蠕(ru)變變形(xing)應更(geng)大。對土體而(er)言，發(fa)(fa)生(sheng)蠕(ru)變的(de)原因是由(you)于(yu)(yu)土體在(zai)(zai)(zai)主固(gu)結(jie)(jie)完(wan)(wan)成(cheng)之(zhi)后(hou)，土體中仍有(you)微(wei)小(xiao)的(de)超靜孔(kong)隙壓力存在(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)顆粒問流動，一般來講土體的(de)次固(gu)結(jie)(jie)遠(yuan)小(xiao)于(yu)(yu)主固(gu)結(jie)(jie)變形(xing)；對磷石膏(gao)而(er)言，其(qi)滲透系數(shu)在(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級，遠(yuan)大于(yu)(yu)黏性土，但其(qi)卻發(fa)(fa)生(sheng)了極為(wei)顯著的(de)次固(gu)結(jie)(jie)變形(xing)，其(qi)原因在(zai)(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石膏(gao)晶(jing)體結(jie)(jie)構發(fa)(fa)生(sheng)了壓縮、破(po)壞，接觸點(dian)晶(jing)格(ge)發(fa)(fa)生(sheng)歪曲和變形(xing)，而(er)破(po)壞后(hou)晶(jing)格(ge)之(zhi)間(jian)的(de)重新排列、調整(zheng)到(dao)最(zui)后(hou)趨(qu)于(yu)(yu)相(xiang)對靜止需要(yao)相(xiang)當長的(de)時(shi)(shi)(shi)間(jian)才能完(wan)(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗設備采用英國GDS公(gong)司進口的電機(ji)控制動三軸試驗系(xi)統(tong)，試樣直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同樣(yang)由(you)于自然沉(chen)積(ji)的磷石膏密(mi)度(du)變(bian)化(hua)較(jiao)大，為此根據物(wu)理性質(zhi)試(shi)驗結果，選擇兩種平(ping)均干密(mi)度(du)1.34g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進(jin)行(xing)試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪(jian)切模量G、阻尼比與(yu)剪(jian)應變(bian)幅值γd的(de)關(guan)系式如(ru)下：

式中k1為(wei)參數，表(biao)示動(dong)剪切(qie)模(mo)量的(de)衰減(jian)或阻(zu)尼比的(de)增(zeng)長(chang)速率；λmax為(wei)最(zui)大阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動(dong)剪切(qie)模(mo)量和歸一化的(de)動(dong)剪應變，表(biao)示為(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)參數(shu)；σm為(wei)球應力(li)；Pa為(wei)標準大氣壓(ya)；vd為(wei)動泊松(song)比；εa為(wei)歸一化的動應變(bian)，表達為(wei)

圖14給(gei)(gei)出了動剪(jian)切模量、阻尼比(bi)與歸(gui)一化動應變的關系曲線(xian)，另外圖中還給(gei)(gei)出了式(1)的擬合曲線(xian)以及Seed等給(gei)(gei)出的砂樣的上下(xia)邊界線(xian)，圖例中，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結應力比(bi)。

從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應力-動(dong)(dong)(dong)應變試驗曲線，表(biao)明(ming)采用(yong)等(deng)價黏彈性模(mo)型進行循環荷載作用(yong)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干(gan)(gan)密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線位(wei)(wei)于(yu)干(gan)(gan)密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線上方(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)(ze)位(wei)(wei)于(yu)下(xia)(xia)方(fang)，表(biao)明(ming)密(mi)度越(yue)大(da)(da)，動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)越(yue)大(da)(da)、阻尼(ni)比越(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)擬合(he)線基本(ben)位(wei)(wei)于(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)邊界線上方(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)則(ze)(ze)基本(ben)處于(yu)邊界線中(zhong)間，表(biao)明(ming)相比較(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)較(jiao)大(da)(da)，會(hui)導(dao)致磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應較(jiao)大(da)(da)，但(dan)由于(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)大(da)(da)，這(zhe)樣(yang)又(you)會(hui)削弱壩體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應，二(er)者的(de)(de)(de)相互影響下(xia)(xia)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積壩壩體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力反應將不會(hui)過于(yu)強烈(lie)，這(zhe)對(dui)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)(de)抗震穩定性是有(you)利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干(gan)密度為1.12(變化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞標(biao)準(zhun)為總應變達到(dao)10%。

圖15給出了(le)動(dong)剪(jian)應力(li)比τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次Nf的(de)關(guan)系曲線圖，其中(zhong)σ0為振(zhen)前試樣(yang)45°面(mian)上的(de)有效法向(xiang)應力(li)，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比。從(cong)試驗結果(guo)可以看出，沉積磷石膏的(de)動(dong)強度(du)與(yu)其它土體相似(si)，表現為圍壓和固結應力(li)比與(yu)動(dong)剪(jian)應力(li)比呈負相關(guan)關(guan)系。

為判(pan)別沉積(ji)磷石膏(gao)的抗(kang)液化能力，假定(ding)抗(kang)震設計烈度(du)(du)為8度(du)(du)，即(ji)等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(shi)(4)

所示的(de)冪(mi)函數關(guan)系式得到振次為30時各個圍(wei)壓(ya)和固結(jie)比下的(de)動(dong)剪應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應力(li)比(bi)與圍壓和固結應力(li)比(bi)的關系(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)述擬合關系式可見，密實度(du)提(ti)高后，動剪應力(li)比(bi)提(ti)高，表明(ming)抗液化能力(li)也提(ti)高。但(dan)即(ji)使是在低密度(du)下，其動剪應力(li)比(bi)較(jiao)之同類的(de)粉土或粉砂(sha)也大出許多，表明(ming)磷石膏(gao)具有(you)較(jiao)高的(de)抗液化能力(li)。

三(san)、結論

依托柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的(de)基礎上(shang)，首先開(kai)(kai)展(zhan)了物理(li)性質試驗(yan)，然后開(kai)(kai)展(zhan)了靜動力力學特性試驗(yan)。通過(guo)上(shang)述試驗(yan)研究(jiu)，得(de)出如下結論：

(1)沉積(ji)磷(lin)石膏總(zong)體上(shang)屬于(yu)級配不(bu)良的粉土，局部屬于(yu)粉砂一(yi)中砂，無自然分級現象。其干密度(du)和粒徑(jing)變(bian)化隨埋深(shen)或距放漿口距離的變(bian)化不(bu)明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平方向(xiang)(xiang)的滲透系數大于垂(chui)直方向(xiang)(xiang)的滲透系數，呈(cheng)現明顯的各向(xiang)(xiang)異性(xing)。

(3)與土體顆粒不可壓縮(suo)(suo)不同，磷石膏的晶體結構會發(fa)生壓縮(suo)(suo)破壞，具有(you)較大的壓縮(suo)(suo)性，其次固(gu)結變形量遠(yuan)大于主固(gu)結變形量。

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