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)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)是濕法磷(lin)(lin)酸生產(chan)(chan)過(guo)(guo)程(cheng)中的(de)(de)副產(chan)(chan)品(pin)，2018年，全國磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)產(chan)(chan)生量為7800萬噸，且呈(cheng)逐(zhu)年增(zeng)長的(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)主要成(cheng)分(fen)(fen)(fen)是CaO和(he)(he)SO3，但含(han)有(you)一定量的(de)(de)氟化(hua)物(wu)和(he)(he)其(qi)它放(fang)射性物(wu)質，在中國通常(chang)按Ⅱ類一般工業固體廢物(wu)處(chu)理，鑒于(yu)無(wu)害化(hua)處(chu)理成(cheng)本較高，目前(qian)綜合利用率尚(shang)不(bu)足40%，故(gu)大(da)部分(fen)(fen)(fen)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按堆(dui)(dui)存(cun)場地的(de)(de)不(bu)同，可(ke)分(fen)(fen)(fen)為平地型、傍山(shan)(shan)(shan)型、山(shan)(shan)(shan)谷(gu)型和(he)(he)截河(he)型堆(dui)(dui)場，在中國基本上(shang)是山(shan)(shan)(shan)谷(gu)型堆(dui)(dui)場。相比較干法堆(dui)(dui)存(cun)，濕法堆(dui)(dui)存(cun)經濟優(you)勢明顯，因(yin)而如地質條件為非碳酸鹽巖地區，一般均(jun)(jun)采用濕排濕堆(dui)(dui)方式(shi)。隨著中國磷(lin)(lin)肥工業的(de)(de)快速發展(zhan)，本世(shi)紀(ji)初中國相繼建設(she)了幾座(zuo)濕法堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫(ku)，例(li)如云天化(hua)國際(ji)化(hua)工三(san)環(huan)分(fen)(fen)(fen)公司的(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)和(he)(he)富瑞分(fen)(fen)(fen)公司的(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)，這(zhe)兩(liang)座(zuo)壩(ba)設(she)計壩(ba)高均(jun)(jun)超(chao)過(guo)(guo)100m、處(chu)于(yu)8度地震區，其(qi)安全性備受關注。

據(ju)統計，110多年(1901年一2013年)來，全世界有(you)118座尾礦(kuang)壩(ba)曾(ceng)發生過破壞或潰壩(ba)事故，原因主要有(you)地震、洪水(shui)漫頂、滲透破壞和基礎失(shi)(shi)穩。尾礦(kuang)庫失(shi)(shi)事后會造成巨(ju)大的(de)生態災難和人(ren)員傷(shang)亡，近幾(ji)十年來，

國內外對金(jin)屬尾(wei)礦的(de)(de)沉積(ji)規律、物理力學特性(xing)及(ji)其穩(wen)定(ding)性(xing)開(kai)展了大量的(de)(de)研(yan)究(jiu)，但對于與金(jin)屬尾(wei)礦庫(ku)相近的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)，一般僅限(xian)于在可研(yan)階(jie)段采用人工制備樣進(jin)(jin)行(xing)物理力學性(xing)質試(shi)驗，并據此進(jin)(jin)行(xing)穩(wen)定(ding)性(xing)分析，尚未有人針(zhen)對己運行(xing)若干(gan)年的(de)(de)大型濕(shi)法堆(dui)存磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)開(kai)展過磷(lin)石(shi)膏沉積(ji)規律及(ji)其物理力學特性(xing)的(de)(de)專項研(yan)究(jiu)。

本文依托柳樹箐(qing)磷石膏堆(dui)積壩(ba)(ba)，首先(xian)進行了鉆探取樣(yang)，采用原(yuan)狀樣(yang)開展(zhan)了密度、含(han)水率(lv)、滲(shen)透、土水特(te)征(zheng)和顆分(fen)等(deng)物理性(xing)質試(shi)驗，在此基礎(chu)上有針對(dui)性(xing)的選擇原(yuan)狀樣(yang)開展(zhan)了三(san)軸CU、蠕(ru)變及(ji)動三(san)軸等(deng)力(li)學特(te)性(xing)試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，總結了磷石膏的沉積規律、滲(shen)透特(te)性(xing)、滲(shen)透破壞特(te)性(xing)以(yi)及(ji)靜動力(li)特(te)性(xing)，上述研究工作對(dui)研究和評估磷石膏庫(ku)堆(dui)積壩(ba)(ba)的穩(wen)定性(xing)提(ti)供了基礎(chu)數據，對(dui)現行磷石膏庫(ku)的運行管理以(yi)及(ji)新建工程的設(she)計(ji)具有重要的借鑒意義(yi)。

一、依托工程概況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏堆(dui)(dui)積(ji)壩堆(dui)(dui)存設計方案

由初期(qi)壩和堆積壩組(zu)成，設計總壩高(gao)約(yue)130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土料填筑。上游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設(she)置(zhi)堆石排水體，三(san)者相連(lian)通構成整個堆積壩(ba)的主要排滲系(xi)統(tong)。

(2)堆積壩及(ji)其輔助排滲(shen)措施

采用上游(you)式筑壩(ba)法，共20級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)，頂寬6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約100m。采用排(pai)滲(shen)管(guan)網作為輔助排(pai)滲(shen)方案，目前己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)和13級(ji)(ji)子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置了井字形(xing)排(pai)滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)平面位(wei)置見圖l。2008年(nian)6月，堆(dui)積(ji)至5級子壩(ba)時，布(bu)設(she)了(le)9個(ge)取樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編號(hao)K1～K9，取原狀(zhuang)樣(yang)76件；2013年(nian)5月，堆(dui)積(ji)至13級子壩(ba)時，又(you)布(bu)設(she)了(le)11個(ge)取樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編號(hao)K10～K20，取原狀(zhuang)樣(yang)112件，為(wei)比較子壩(ba)加高和磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)過程(cheng)中磷石膏(gao)物理力學(xue)性質的變(bian)化，在(zai)2，4級子壩(ba)K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近各(ge)布(bu)設(she)了(le)一(yi)個(ge)鉆(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)編號(hao)分別為(wei)K17和K18。

1.3運行概(gai)況

柳(liu)樹箐磷石膏尾礦(kuang)庫2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月(yue)投入運行(xing)，截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)己堆至(zhi)13級(ji)子壩(ba)(ba)，尚有7級(ji)子壩(ba)(ba)即堆存至(zhi)設計高程。鑒于磷石膏庫地(di)形、地(di)質條件(jian)較好，具(ju)備擴容改造的(de)條件(jian)，以提高堆存庫容，減(jian)少堆存占地(di)，節約土地(di)資源。

本文主(zhu)要對沉積磷(lin)石膏(gao)的物理力(li)學特性(xing)進行(xing)了全(quan)面總結，限(xian)于(yu)篇幅，有關現(xian)狀磷(lin)石膏(gao)庫(ku)堆積壩的安全(quan)性(xing)評價及(ji)其加高可行(xing)性(xing)的研究將另文發表。

二(er)、沉積磷(lin)石膏的物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布(bu)

圖(tu)2給(gei)出了14個鉆孔的取(qu)樣深(shen)度(du)和試(shi)驗所得干密度(du)的關系，圖(tu)中(zhong)UWL表(biao)示水(shui)位線上，(系鉆孔期間的初見水(shui)位線，下(xia)同)，DWL表(biao)示水(shui)位線下(xia)。圖(tu)3給(gei)出了水(shui)位線上下(xia)的飽(bao)和度(du)分(fen)布(bu)圖(tu)。由于(yu)磷石膏中(zhong)的主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)和烘烤時間對測定(ding)(ding)結(jie)果有一定(ding)(ding)影響，不(bu)能照搬(ban)現(xian)行(xing)的土工試(shi)驗規范，本文磷石膏的含水(shui)率測定(ding)(ding)方(fang)法為55℃溫度(du)下(xia)烘培24h。

圖2沉積(ji)磷石膏干密度(du)與(yu)埋深的(de)關系

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

由(you)圖3，水(shui)(shui)位線上的磷石(shi)膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和(he)(he)度平均值為(wei)50.4%，處(chu)于非(fei)飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態(tai)，水(shui)(shui)位線以下的磷石(shi)膏(gao)(gao)飽(bao)(bao)和(he)(he)度平均值為(wei)85.0%，基本處(chu)于飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態(tai)，由(you)于水(shui)(shui)位下降后磷石(shi)膏(gao)(gao)來不及排水(shui)(shui)固結，故而水(shui)(shui)位線上局部試樣的飽(bao)(bao)和(he)(he)度較高。

由(you)圖2，水(shui)位線(xian)(xian)以(yi)上(shang)(shang)的干密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)位線(xian)(xian)以(yi)下的干密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏與一般的尾(wei)礦有所(suo)不同，磷(lin)石(shi)膏的干密(mi)度并不隨(sui)埋深(shen)的增大而明顯增大，但水(shui)位線(xian)(xian)以(yi)下的磷(lin)石(shi)膏干密(mi)度從統計意義上(shang)(shang)來看仍大于水(shui)位線(xian)(xian)以(yi)上(shang)(shang)的磷(lin)石(shi)膏干密(mi)度，這主要是(shi)由(you)于水(shui)位線(xian)(xian)隨(sui)庫水(shui)位的變化(hua)反復升(sheng)降而使得磷(lin)石(shi)膏排水(shui)固結(jie)所(suo)致。

室(shi)內擊實得到(dao)的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)最(zui)大干密(mi)度一(yi)般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看(kan)出，自然沉積的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)最(zui)大干密(mi)度可達(da)到(dao)1.73g/cm3，原因(yin)如下：與(yu)經(jing)典的土骨架不可壓縮(suo)的理(li)論不同(tong)(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)本身可壓縮(suo)，同(tong)(tong)時由于顆粒結構不穩(wen)定(ding)，擊實試(shi)驗(yan)過程中(zhong)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)結構被破壞，受(shou)夯擊處下陷，四周鼓起，出現了類似于橡皮土的現象。而在現場條件(jian)下，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)骨架被破壞后，會導致顆粒中(zhong)的結合水(shui)滲出至孔隙內，變成(cheng)孔隙水(shui)，排水(shui)固結后會使(shi)得磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)的孔隙比(bi)減小，干密(mi)度增(zeng)大。

圖(tu)4給出了相鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和(he)K17(位(wei)于2級子(zi)壩河(he)床(chuang)(chuang)部位(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和(he)K18(位(wei)于4級子(zi)壩河(he)床(chuang)(chuang)部位(wei))干密(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為1.37g/cm3。可見，即使從(cong)統(tong)計意義上(shang)來(lai)看，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)(du)(du)也并未隨后續磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)堆積而有較為明顯的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分(fen)布

顆粒(li)分析試(shi)驗(yan)采用密(mi)度計法，制備(bei)懸液(ye)時(shi)不煮沸(fei)，不加六偏磷酸(suan)鈉。圖(tu)5給出了試(shi)驗(yan)得到的級配包線、平均粒(li)徑d50、不均勻系數(shu)(1u和曲率(lv)系數(shu)Cc的分布圖(tu)。

從圖(tu)5(a)可見(jian)，磷石膏的(de)粒徑(jing)主(zhu)要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬于(yu)粉土，但(dan)可能由于(yu)礦石來源(yuan)或生(sheng)產工藝有(you)所不(bu)同，局部(bu)屬于(yu)粉砂～中砂。粒徑(jing)分布范圍比Blight和張(zhang)超等(deng)的(de)試驗(yan)結(jie)果要(yao)寬一(yi)些。

圖(tu)4子壩(ba)加(jia)高后(hou)沉積磷石膏的干密度變化

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和(he)級配分布

由圖(tu)5(b)和(he)5(c)，無論是水平向還是垂(chui)直向，磷石(shi)膏與(yu)金屬礦山尾(wei)礦的(de)(de)“前粗(cu)后細，上粗(cu)下(xia)細”的(de)(de)自然分級(ji)現象不(bu)同，也即(ji)粗(cu)顆(ke)粒(li)(li)并(bing)不(bu)是沿埋(mai)深逐步減小或距離放(fang)漿口(kou)越遠(yuan)顆(ke)粒(li)(li)越細，其原因如下(xia)：①磷石(shi)膏顆(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成(cheng)較為集(ji)中、均勻(yun)，主(zhu)要以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級(ji)配較差；②相比(bi)較金屬尾(wei)礦，磷石(shi)膏的(de)(de)比(bi)重較小，磷石(shi)膏的(de)(de)比(bi)重一般為2.3～2.4，遠(yuan)小于金屬尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重，例(li)如鐵尾(wei)礦的(de)(de)比(bi)重可達(da)2.9；③放(fang)漿口(kou)隨(sui)子壩(ba)高度(du)不(bu)斷增加(jia)而不(bu)斷變動并(bing)向庫尾(wei)延(yan)伸，造成(cheng)沉積磷石(shi)膏的(de)(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)明顯(xian)。

從圖5(d)可(ke)見，不均(jun)(jun)勻系(xi)數Cu范圍值(zhi)(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)4.18，曲(qu)率系(xi)數(1c范圍值(zhi)(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)1.21，在統計的(de)100多個試樣中(zhong)，屬于級配(pei)不良土的(de)占93%。這種級配(pei)特(te)性決定了磷石膏具(ju)有(you)較高的(de)壓縮性、滲透破壞(huai)(huai)型式表現(xian)為(wei)流土破壞(huai)(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數(shu)

影響滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級配和孔隙(xi)比，因而磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與(yu)粉土較為接近(jin)。由于孔隙(xi)比e減小(xiao)，使得(de)過(guo)水通道面(mian)積(ji)(ji)(ji)減小(xiao)，滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)。對砂(sha)土，一般認為滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)較好，圖6給出了二者間的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)曲線，由于沉(chen)積(ji)(ji)(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)不均(jun)勻(yun)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變(bian)化較大，使得(de)沉(chen)積(ji)(ji)(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變(bian)化范圍(wei)較大(平均(jun)值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量級)，二者問(wen)的(de)(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)較差。

圖6沉積磷石膏(gao)滲透系數與孔隙比的關(guan)系

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

圖7給出(chu)了水平與垂(chui)(chui)直向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)比值的(de)分布。沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)水平向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)kh一(yi)般(ban)大(da)(da)于垂(chui)(chui)直向(xiang)的(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平均(jun)值約為(wei)2.86，這一(yi)點與成層分布的(de)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦規律一(yi)致(zhi)。造(zao)成沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏(gao)水平向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)大(da)(da)于垂(chui)(chui)直向(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)原因是由于磷(lin)石膏(gao)具(ju)有明顯(xian)的(de)晶體結構，電鏡掃描顯(xian)示多為(wei)菱(ling)形(xing)和棱柱狀(zhuang)形(xing)式(見圖8)，在沉(chen)積(ji)過程(cheng)中，由于扁(bian)平狀(zhuang)磷(lin)石膏(gao)顆粒多呈水平排列，使得(de)水平方向(xiang)的(de)透(tou)水性(xing)大(da)(da)于垂(chui)(chui)直方向(xiang)的(de)透(tou)水性(xing)，從而使磷(lin)石膏(gao)呈現(xian)明顯(xian)的(de)各向(xiang)異性(xing)。

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箐磷石膏(gao)堆積壩開展(zhan)的(de)現場(chang)滲透(tou)試驗，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均(jun)值約(yue)為(wei)1.9。但張超等的(de)室內試驗顯示，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均(jun)值約(yue)為(wei)0.46，也即垂直(zhi)向滲透(tou)系(xi)數大于(yu)水(shui)平(ping)(ping)向滲透(tou)系(xi)數，與本文和現場(chang)試驗結果(guo)恰(qia)恰(qia)相反(fan)。從磷石膏(gao)的(de)微(wei)觀結構來看，本文試驗結果(guo)更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密度(du)與水平(ping)和垂直滲透(tou)系(xi)(xi)數比(bi)值的關系(xi)(xi)

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)(lin)(lin)石膏干密度為1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力(li)梯度J與流(liu)速(su)V的(de)(de)關系(xi)(xi)曲線，試(shi)(shi)驗在水(shui)平管涌儀(yi)中采用(yong)水(shui)平方向的(de)(de)滲(shen)流(liu)形式進(jin)(jin)行。試(shi)(shi)驗得到的(de)(de)臨界坡降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，對1，2級工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全系(xi)(xi)數取為2.5，則(ze)允(yun)(yun)許出逸坡降(jiang)(jiang)為0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全系(xi)(xi)數取2.0，則(ze)允(yun)(yun)許出逸坡降(jiang)(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許比降(jiang)(jiang)與粉土一(yi)(yi)(yi)粉砂大(da)致相同。但(dan)上(shang)述滲(shen)透(tou)變形試(shi)(shi)驗是(shi)采用(yong)自來(lai)水(shui)進(jin)(jin)行的(de)(de)，自來(lai)水(shui)對磷(lin)(lin)(lin)石膏具有一(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)溶(rong)蝕作(zuo)用(yong)，而實際(ji)上(shang)磷(lin)(lin)(lin)石膏中殘余磷(lin)(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)(yi)(yi)般(ban)小于(yu)3(稱(cheng)之為酸(suan)性水(shui))，在酸(suan)性水(shui)作(zuo)用(yong)下(xia)，磷(lin)(lin)(lin)石膏不會發生破壞，上(shang)述試(shi)(shi)驗結(jie)果(guo)是(shi)偏于(yu)保(bao)守(shou)的(de)(de)，但(dan)對非酸(suan)性水(shui)條(tiao)件(例如(ru)特大(da)暴雨(yu))下(xia)的(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定判斷有一(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)借鑒意義。

圖9水力(li)梯(ti)度(du)J-流速v試驗(yan)過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特征試驗

試驗(yan)在5Bar的壓力板儀中(zhong)進行，環刀尺寸6.18cm。干密(mi)度(du)分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組(zu)，吸力范圍0～500kPa。表l列出(chu)了含水率(lv)特征值，試驗(yan)曲線見圖10所示。

試驗(yan)結(jie)果表(biao)明(ming)：①干(gan)(gan)密(mi)度(du)對(dui)進氣(qi)(qi)值沒有明(ming)顯(xian)的(de)(de)影(ying)響，不同干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)試樣(yang)(yang)的(de)(de)進氣(qi)(qi)值大致在10kPa左右；②土(tu)樣(yang)(yang)殘余含水率(lv)隨干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)增加而減少(shao)，殘余含水率(lv)約(yue)為飽和含水率(lv)的(de)(de)10%。上述(shu)特性與粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試(shi)驗

由于沉(chen)積磷石膏的(de)密度(du)變(bian)化較大，而(er)進行(xing)三(san)軸試(shi)驗(yan)需要(yao)若干(gan)(gan)原狀樣(yang)，為(wei)使試(shi)驗(yan)結果具有較好的(de)一致性，有針對性的(de)選(xuan)擇平(ping)均(jun)干(gan)(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)若干(gan)(gan)試(shi)樣(yang)，進行(xing)了5組(zu)三(san)軸CU試(shi)驗(yan)。圖11是(shi)為(wei)干(gan)(gan)密度(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)驗(yan)曲線。

從圖(tu)11可以看出，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)應力應變關系曲線在(zai)低圍(wei)壓下表現(xian)(xian)為(wei)(wei)軟化(hua)型，在(zai)高圍(wei)壓下表現(xian)(xian)為(wei)(wei)硬化(hua)型，與一(yi)般土(tu)類相(xiang)似。但(dan)與一(yi)般粉土(tu)一(yi)粉砂不同的(de)是，即使在(zai)較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)狀態下，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)仍(reng)表現(xian)(xian)了(le)較(jiao)為(wei)(wei)強烈的(de)剪脹，隨(sui)密實度增大，剪脹作用愈發明顯。

表(biao)2給(gei)出(chu)(chu)了(le)不(bu)同干(gan)密度(du)(du)下的(de)內(nei)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出(chu)(chu)了(le)內(nei)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)密度(du)(du)的(de)關系曲(qu)線。隨干(gan)密度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采用冪函(han)數較(jiao)(jiao)好地擬(ni)合(he)。磷(lin)石(shi)膏的(de)干(gan)密度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)了(le)32%，總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為37.3°(根據(ju)擬(ni)合(he)曲(qu)線求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為9.4%，有(you)(you)效應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為3.2%，由(you)于(yu)隨圍(wei)壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)(you)效摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之總應(ying)力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外(wai)較(jiao)(jiao)之于(yu)干(gan)密度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并(bing)不(bu)顯著，表(biao)明即(ji)使較(jiao)(jiao)為疏松的(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有(you)(you)較(jiao)(jiao)高的(de)強度(du)(du)指標，這(zhe)也(ye)表(biao)明磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩的(de)穩定性(xing)較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷(lin)石膏的蠕變變形試(shi)驗(yan)在側限(xian)壓(ya)縮儀中進行，試(shi)驗(yan)狀態相當于K0固(gu)結。試(shi)樣(yang)(yang)直徑(jing)61.8mm，高度20mm，試(shi)樣(yang)(yang)干密度為1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)(yang)飽和后分別開展了上覆(fu)壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗(yan)，

試(shi)驗從(cong)2012年8月27日開始，試(shi)驗己進行(xing)了1年多，試(shi)驗結果(guo)見圖13所示。

從圖13中(zhong)可(ke)以(yi)看出：上(shang)覆荷載(zai)越(yue)大，磷(lin)石膏的(de)(de)蠕(ru)變變形(xing)也越(yue)大，荷載(zai)施加(jia)1年后，磷(lin)石膏的(de)(de)蠕(ru)變變形(xing)仍非常顯著，尚未(wei)達到穩(wen)定(ding)狀態(tai)，這也是磷(lin)石膏堆積壩(ba)后期(qi)變形(xing)較大的(de)(de)原(yuan)因(yin)，原(yuan)型觀測資料表(biao)明，在(zai)5級子壩(ba)河(he)床部位的(de)(de)表(biao)面(mian)沉降量已經達到3.1m，且尚未(wei)完全穩(wen)定(ding)。

按(an)時間(jian)對(dui)數法，可(ke)求(qiu)得各級荷載下的(de)(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)如(ru)表3所示。試(shi)驗結(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆(fu)荷載作用(yong)下，在(zai)(zai)試(shi)驗時間(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是(shi)(shi)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未(wei)完成(cheng)，實際的(de)(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更(geng)大。對(dui)土(tu)(tu)體而言(yan)，發(fa)(fa)生蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原(yuan)因是(shi)(shi)由于(yu)(yu)土(tu)(tu)體在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)完成(cheng)之后，土(tu)(tu)體中仍有微(wei)小的(de)(de)(de)超靜(jing)孔(kong)隙壓(ya)力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆(ke)粒問流動，一般來講(jiang)土(tu)(tu)體的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)遠小于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏而言(yan)，其(qi)(qi)滲透(tou)系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量(liang)級，遠大于(yu)(yu)黏性土(tu)(tu)，但(dan)其(qi)(qi)卻發(fa)(fa)生了(le)極為顯著的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶體結(jie)構(gou)發(fa)(fa)生了(le)壓(ya)縮、破壞，接觸點晶格(ge)發(fa)(fa)生歪曲和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后晶格(ge)之間(jian)的(de)(de)(de)重新排列、調(diao)整到最后趨于(yu)(yu)相對(dui)靜(jing)止(zhi)需(xu)要相當(dang)長的(de)(de)(de)時間(jian)才能(neng)完成(cheng)。

2.4動力力學(xue)特(te)性

試驗設備采用英國GDS公司進口的(de)電機控制動(dong)三軸試驗系(xi)統，試樣直徑39.1mm，高(gao)度(du)80mm。

(1)動模量和(he)阻尼比

同樣由于(yu)自然沉積的(de)磷(lin)石(shi)膏密度(du)變化較大，為此(ci)根據物(wu)理性質試(shi)驗結果(guo)，選擇兩種平均干密度(du)1.34g/cm3(變化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切(qie)模量G、阻(zu)尼(ni)比與剪(jian)應(ying)變幅值γd的關(guan)系式如下：

式中k1為(wei)參數，表示動剪切(qie)模量(liang)(liang)的(de)衰減或阻尼比的(de)增長速率；λmax為(wei)最(zui)(zui)大(da)阻尼比；Gmax，γd分別(bie)為(wei)最(zui)(zui)大(da)動剪切(qie)模量(liang)(liang)和歸一(yi)化的(de)動剪應變，表示為(wei)

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

圖(tu)14給(gei)出(chu)了(le)動剪切模(mo)量、阻(zu)尼(ni)比(bi)與(yu)歸一(yi)化動應變的(de)(de)關系曲(qu)線(xian)，另外(wai)圖(tu)中(zhong)還給(gei)出(chu)了(le)式(1)的(de)(de)擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)砂樣的(de)(de)上下邊(bian)界線(xian)，圖(tu)例中(zhong)，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結應力(li)比(bi)。

從(cong)圖(tu)(tu)中(zhong)可(ke)(ke)以看出：①式(1)可(ke)(ke)較(jiao)好地描(miao)述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)動應力(li)-動應變(bian)試驗曲線(xian)(xian)(xian)，表明采用(yong)等價黏彈(dan)性(xing)模型進行循環荷載作用(yong)下的(de)(de)(de)(de)分析(xi)是可(ke)(ke)行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密(mi)(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)(xian)位于干(gan)密(mi)(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)(xian)上(shang)方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位于下方，表明密(mi)(mi)度(du)越大，動彈(dan)模越大、阻(zu)尼(ni)比(bi)越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)(xian)基(ji)本位于Seed等給出的(de)(de)(de)(de)邊(bian)(bian)界(jie)線(xian)(xian)(xian)上(shang)方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基(ji)本處于邊(bian)(bian)界(jie)線(xian)(xian)(xian)中(zhong)間，表明相(xiang)比(bi)較(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏動彈(dan)模較(jiao)大，會導致磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)動力(li)反應較(jiao)大，但由于阻(zu)尼(ni)比(bi)也較(jiao)大，這樣又會削弱壩體的(de)(de)(de)(de)動力(li)反應，二者的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影響(xiang)下，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)壩壩體的(de)(de)(de)(de)動力(li)反應將(jiang)不會過于強(qiang)烈，這對磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)(de)抗(kang)震穩定性(xing)是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動(dong)強度

選擇兩種(zhong)平均干密度(du)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，破(po)壞標準為總應變達到10%。

圖15給出了動(dong)剪應(ying)力(li)比τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次Nf的(de)(de)關(guan)系曲線圖，其中(zhong)σ0為振(zhen)前試(shi)樣45°面上的(de)(de)有(you)效(xiao)法向應(ying)力(li)，表(biao)達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比。從試(shi)驗結(jie)果可以(yi)看出，沉積磷石膏(gao)的(de)(de)動(dong)強(qiang)度與(yu)其它土體相似，表(biao)現為圍壓和固結(jie)應(ying)力(li)比與(yu)動(dong)剪應(ying)力(li)比呈負相關(guan)關(guan)系。

為判別沉積磷石膏的抗液化能力，假定抗震設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(shi)(4)

所示的(de)冪函數關系(xi)式得到振(zhen)次為30時各個圍壓和固結比(bi)下的(de)動剪應力(li)比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應(ying)力(li)比(bi)與圍壓(ya)和固結應(ying)力(li)比(bi)的(de)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(he)關系(xi)式可見，密實度(du)提高(gao)后，動(dong)剪(jian)應力(li)比(bi)(bi)提高(gao)，表明抗(kang)液(ye)化能(neng)力(li)也提高(gao)。但即使是在低密度(du)下，其動(dong)剪(jian)應力(li)比(bi)(bi)較之同類的粉(fen)(fen)土或粉(fen)(fen)砂(sha)也大出許多(duo)，表明磷石膏具有較高(gao)的抗(kang)液(ye)化能(neng)力(li)。

三、結(jie)論(lun)

依(yi)托柳(liu)樹箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩，在鉆探取樣工作的基(ji)礎上(shang)，首先開展(zhan)(zhan)了物理性(xing)質試驗，然后(hou)開展(zhan)(zhan)了靜動力(li)力(li)學(xue)特(te)性(xing)試驗。通(tong)過(guo)上(shang)述試驗研究(jiu)，得出如下(xia)結論：

(1)沉積磷石膏總體(ti)上(shang)屬于(yu)(yu)級(ji)配不(bu)良的粉土，局部屬于(yu)(yu)粉砂一中砂，無自然(ran)分級(ji)現象。其(qi)干密度(du)和(he)粒徑變化(hua)隨埋深或距放漿口(kou)距離的變化(hua)不(bu)明顯(xian)。

(2)沉積磷(lin)石膏(gao)水平方向的(de)滲透系數大(da)于垂直(zhi)方向的(de)滲透系數，呈(cheng)現明(ming)顯的(de)各向異(yi)性(xing)。

(3)與土體顆粒不(bu)可(ke)壓縮(suo)不(bu)同(tong)，磷石膏(gao)的晶(jing)體結構會發生壓縮(suo)破壞，具有(you)較大的壓縮(suo)性，其次固結變(bian)形量遠(yuan)大于主固結變(bian)形量。

(4)沉積磷石膏的(de)靜動強度(du)較(jiao)之(zhi)同等密實(shi)度(du)下的(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要高(gao)。