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

磷石膏(gao)是(shi)(shi)濕(shi)(shi)法(fa)(fa)磷酸生產過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的副產品，2018年(nian)(nian)，全國(guo)磷石膏(gao)產生量(liang)為(wei)7800萬(wan)噸，且呈(cheng)逐年(nian)(nian)增(zeng)長的態勢(shi)。磷石膏(gao)的主要成(cheng)分(fen)是(shi)(shi)CaO和SO3，但含(han)有一(yi)定量(liang)的氟化物和其它放射(she)性(xing)物質(zhi)，在(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)通常按(an)Ⅱ類(lei)一(yi)般工(gong)業(ye)固(gu)體廢物處(chu)理(li)，鑒(jian)于無害化處(chu)理(li)成(cheng)本較(jiao)高(gao)，目前(qian)綜合利用率尚(shang)不足40%，故大部(bu)分(fen)磷石膏(gao)需要堆(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)存(cun)場(chang)地(di)的不同，可分(fen)為(wei)平(ping)地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)場(chang)，在(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)基本上是(shi)(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)場(chang)。相(xiang)比較(jiao)干法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)經濟優勢(shi)明(ming)顯，因而如(ru)地(di)質(zhi)條件為(wei)非碳酸鹽巖地(di)區，一(yi)般均(jun)采用濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)方式。隨(sui)著中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)磷肥工(gong)業(ye)的快速(su)發展，本世(shi)紀初中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了幾座濕(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)存(cun)的大型(xing)(xing)磷石膏(gao)庫，例如(ru)云(yun)天化國(guo)際化工(gong)三環分(fen)公司的柳樹箐磷石膏(gao)庫堆(dui)積壩(ba)和富瑞(rui)分(fen)公司的楊家箐磷石膏(gao)庫堆(dui)積壩(ba)，這兩座壩(ba)設計壩(ba)高(gao)均(jun)超過(guo)100m、處(chu)于8度地(di)震區，其安(an)全性(xing)備(bei)受(shou)關注。

據統(tong)計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來(lai)，全世界有118座尾(wei)(wei)礦壩曾發生過(guo)破(po)(po)壞或潰壩事(shi)故，原(yuan)因主要有地震、洪水漫頂、滲透破(po)(po)壞和基礎(chu)失穩。尾(wei)(wei)礦庫失事(shi)后會造成巨(ju)大的生態災難和人(ren)員傷亡，近幾十年(nian)(nian)來(lai)，

國內(nei)外對(dui)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦的(de)沉積(ji)規律、物理力學特性及(ji)其穩定性開(kai)(kai)展(zhan)了大量的(de)研(yan)(yan)究，但對(dui)于與金(jin)屬(shu)尾(wei)礦庫(ku)(ku)相近的(de)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)(ku)，一(yi)般僅限(xian)于在可(ke)研(yan)(yan)階段采用人(ren)(ren)工(gong)制備樣進行物理力學性質試驗，并據(ju)此進行穩定性分析，尚未有人(ren)(ren)針對(dui)己(ji)運行若干(gan)年的(de)大型濕法堆(dui)存磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩開(kai)(kai)展(zhan)過(guo)磷(lin)石(shi)膏沉積(ji)規律及(ji)其物理力學特性的(de)專項(xiang)研(yan)(yan)究。

本(ben)文依托柳樹箐(qing)磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩，首先進行了(le)鉆探(tan)取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開(kai)展了(le)密度、含(han)水(shui)率(lv)、滲(shen)透、土水(shui)特(te)(te)征和(he)顆分等物理性(xing)(xing)(xing)(xing)質試驗(yan)，在此基(ji)(ji)礎上有(you)針對(dui)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣(yang)開(kai)展了(le)三軸CU、蠕(ru)變及(ji)動(dong)(dong)三軸等力學(xue)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)試驗(yan)。通過上述(shu)(shu)試驗(yan)研究(jiu)(jiu)，總結了(le)磷(lin)石膏(gao)的(de)沉積(ji)規(gui)律(lv)、滲(shen)透特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)、滲(shen)透破壞(huai)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)以及(ji)靜動(dong)(dong)力特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)，上述(shu)(shu)研究(jiu)(jiu)工(gong)作對(dui)研究(jiu)(jiu)和(he)評估磷(lin)石膏(gao)庫堆積(ji)壩的(de)穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)提供了(le)基(ji)(ji)礎數據，對(dui)現(xian)行磷(lin)石膏(gao)庫的(de)運(yun)行管(guan)理以及(ji)新建工(gong)程的(de)設計具有(you)重要的(de)借鑒(jian)意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩(ba)堆存設計(ji)方(fang)案

由初期壩(ba)(ba)和堆積壩(ba)(ba)組成(cheng)，設(she)計總壩(ba)(ba)高約(yue)130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用土料(liao)填筑。上游(you)(you)坡面、壩(ba)(ba)底和下(xia)游(you)(you)壩(ba)(ba)腳設(she)置(zhi)堆(dui)石排水體(ti)，三者相連通構(gou)成整個堆(dui)積壩(ba)(ba)的主要排滲系統。

(2)堆(dui)積壩及其輔(fu)助排滲措施

采用上(shang)游(you)式筑壩法，共(gong)20級子壩，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲(shen)管(guan)網(wang)作為輔助排滲(shen)方案，目前己在5級、9級子壩和13級子壩壩前120m范圍內設置(zhi)了(le)井(jing)字形排滲(shen)管(guan)網(wang)。

1.2沉(chen)積磷石膏的(de)鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平(ping)面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)(dui)積(ji)至5級(ji)子(zi)壩時(shi)，布設了9個(ge)取樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號K1～K9，取原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)(yang)76件；2013年5月，堆(dui)(dui)積(ji)至13級(ji)子(zi)壩時(shi)，又布設了11個(ge)取樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號K10～K20，取原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)(yang)112件，為比較子(zi)壩加高和磷石(shi)膏(gao)堆(dui)(dui)積(ji)過程(cheng)中磷石(shi)膏(gao)物理力學性(xing)質(zhi)的變化，在(zai)2，4級(ji)子(zi)壩K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各(ge)布設了一個(ge)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號分別為K17和K18。

1.3運行概(gai)況

柳樹箐磷(lin)(lin)石膏尾礦(kuang)庫2005年(nian)(nian)開工(gong)建設，2006年(nian)(nian)1月(yue)投入運行(xing)，截至2013年(nian)(nian)5月(yue)己堆(dui)(dui)至13級(ji)子壩(ba)，尚有7級(ji)子壩(ba)即(ji)堆(dui)(dui)存(cun)至設計高(gao)程。鑒于磷(lin)(lin)石膏庫地形、地質(zhi)條件(jian)較好，具備(bei)擴容改造(zao)的(de)條件(jian)，以提高(gao)堆(dui)(dui)存(cun)庫容，減少堆(dui)(dui)存(cun)占地，節約(yue)土地資源。

本文主要對沉積磷石膏(gao)的物(wu)理力學特性(xing)(xing)進行了(le)全面總結，限(xian)于(yu)篇幅，有(you)關現狀磷石膏(gao)庫堆積壩(ba)的安全性(xing)(xing)評價及其(qi)加高可行性(xing)(xing)的研究(jiu)將(jiang)另文發(fa)表。

二、沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)物理(li)力(li)學特(te)性

2.1物(wu)理特性

(1)干密(mi)度分(fen)布

圖(tu)2給出了14個鉆(zhan)孔的(de)(de)取樣深度(du)和試驗所得干密(mi)度(du)的(de)(de)關(guan)系(xi)，圖(tu)中(zhong)UWL表示水(shui)(shui)位線上，(系(xi)鉆(zhan)孔期間的(de)(de)初見水(shui)(shui)位線，下(xia)同)，DWL表示水(shui)(shui)位線下(xia)。圖(tu)3給出了水(shui)(shui)位線上下(xia)的(de)(de)飽和度(du)分布圖(tu)。由于磷石膏(gao)中(zhong)的(de)(de)主(zhu)要成分為(wei)CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和烘(hong)烤時間對測定(ding)結果(guo)有一定(ding)影(ying)響，不能照(zhao)搬現行(xing)的(de)(de)土(tu)工試驗規范，本文磷石膏(gao)的(de)(de)含水(shui)(shui)率測定(ding)方法(fa)為(wei)55℃溫度(du)下(xia)烘(hong)培24h。

圖2沉積磷(lin)石膏干密度與埋深的(de)關系

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

由圖3，水(shui)位(wei)線(xian)上的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)(bao)和(he)度平均(jun)值為(wei)50.4%，處于非飽(bao)(bao)和(he)狀態(tai)，水(shui)位(wei)線(xian)以下的磷(lin)石(shi)膏飽(bao)(bao)和(he)度平均(jun)值為(wei)85.0%，基本處于飽(bao)(bao)和(he)狀態(tai)，由于水(shui)位(wei)下降后磷(lin)石(shi)膏來不及排水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)線(xian)上局部試樣的飽(bao)(bao)和(he)度較(jiao)高。

由圖(tu)2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值(zhi)(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏與一般(ban)的(de)尾礦有所(suo)不同，磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)并不隨埋(mai)深(shen)的(de)增大(da)而明(ming)顯增大(da)，但水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)從統計意義上來看仍大(da)于水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上的(de)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)，這主要是(shi)由于水(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)變化反復升降(jiang)而使得磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏排水(shui)(shui)固(gu)結所(suo)致。

室內(nei)(nei)擊(ji)(ji)實得到的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)最大(da)干密度一(yi)般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可(ke)以看出(chu)，自然沉積(ji)的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)最大(da)干密度可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下：與經典的(de)(de)土骨架不可(ke)壓(ya)縮的(de)(de)理論不同(tong)，石膏(gao)本(ben)身可(ke)壓(ya)縮，同(tong)時由于(yu)顆粒結(jie)構不穩定(ding)，擊(ji)(ji)實試驗過程中磷(lin)(lin)石膏(gao)結(jie)構被破(po)壞，受夯擊(ji)(ji)處下陷(xian)，四周(zhou)鼓(gu)起，出(chu)現(xian)(xian)了類(lei)似于(yu)橡皮土的(de)(de)現(xian)(xian)象。而(er)在(zai)現(xian)(xian)場(chang)條(tiao)件(jian)下，石膏(gao)骨架被破(po)壞后，會導致(zhi)顆粒中的(de)(de)結(jie)合水(shui)滲(shen)出(chu)至孔(kong)隙內(nei)(nei)，變成孔(kong)隙水(shui)，排水(shui)固結(jie)后會使得磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)孔(kong)隙比減小(xiao)，干密度增大(da)。

圖(tu)(tu)4給(gei)出(chu)了相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K2和(he)K17(位(wei)于(yu)2級子壩河(he)床(chuang)部位(wei))以及相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)K6和(he)K18(位(wei)于(yu)4級子壩河(he)床(chuang)部位(wei))干密(mi)度(du)(du)的(de)(de)對比圖(tu)(tu)。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干密(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見(jian)，即使從(cong)統計意義上來看，磷石(shi)膏的(de)(de)干密(mi)度(du)(du)也并未隨后續(xu)磷石(shi)膏的(de)(de)堆積而有(you)較為(wei)明(ming)顯(xian)的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗采用密(mi)度計法，制備懸液時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得到的級配包線、平均(jun)粒徑d50、不均(jun)勻系(xi)數(shu)(1u和曲(qu)率系(xi)數(shu)Cc的分布圖。

從圖5(a)可見(jian)，磷石膏的(de)粒徑主(zhu)要(yao)(yao)分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于(yu)粉(fen)土，但可能由于(yu)礦石來源或(huo)生產工(gong)藝有所(suo)不(bu)同(tong)，局部(bu)屬(shu)于(yu)粉(fen)砂～中砂。粒徑分(fen)布范圍(wei)比Blight和(he)張超等(deng)的(de)試驗結果要(yao)(yao)寬一些。

圖4子(zi)壩加高后沉積磷(lin)石膏的(de)干密度變化(hua)

圖(tu)5沉積磷(lin)石膏的平均(jun)粒徑和級配(pei)分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論是(shi)(shi)水(shui)平向還(huan)是(shi)(shi)垂(chui)直(zhi)向，磷(lin)(lin)石(shi)膏與金(jin)屬礦(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后細，上(shang)粗(cu)下細”的(de)(de)自然分(fen)級現(xian)象(xiang)不(bu)(bu)同，也(ye)即粗(cu)顆粒(li)(li)并不(bu)(bu)是(shi)(shi)沿埋(mai)深(shen)逐步(bu)減小(xiao)或距(ju)離放漿口越遠顆粒(li)(li)越細，其原(yuan)因如(ru)下：①磷(lin)(lin)石(shi)膏顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成(cheng)(cheng)較為集中、均勻，主(zhu)要以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級配較差；②相比(bi)較金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)比(bi)重較小(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)比(bi)重一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比(bi)重，例如(ru)鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)比(bi)重可達(da)2.9；③放漿口隨子壩高度不(bu)(bu)斷增加而不(bu)(bu)斷變動(dong)并向庫尾(wei)延伸，造成(cheng)(cheng)沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明(ming)顯。

從(cong)圖5(d)可見，不均(jun)勻(yun)系數(shu)Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為4.18，曲率(lv)系數(shu)(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為1.21，在統(tong)計(ji)的(de)100多個試(shi)樣(yang)中，屬(shu)于級配(pei)不良土(tu)的(de)占93%。這種級配(pei)特性決定(ding)了(le)磷(lin)石膏具有較高的(de)壓縮性、滲透破壞型式表現為流土(tu)破壞。

2.2滲透(tou)特(te)性

(1)滲(shen)透系數

影響滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)(de)主要因素是粒徑大小(xiao)(xiao)、級(ji)配(pei)和孔隙比(bi)，因而磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)與(yu)(yu)粉土較(jiao)(jiao)(jiao)為接近。由于孔隙比(bi)e減小(xiao)(xiao)，使得(de)過水通道面積(ji)減小(xiao)(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)k也將減小(xiao)(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)(de)(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)好，圖6給出了二(er)者間(jian)的(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線，由于沉積(ji)磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)變(bian)化(hua)(hua)較(jiao)(jiao)(jiao)大，使得(de)沉積(ji)磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)變(bian)化(hua)(hua)范(fan)圍較(jiao)(jiao)(jiao)大(平均值(zhi)為10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二(er)者問的(de)(de)(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)差。

圖(tu)6沉積磷石膏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)(shui)平(ping)與(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數比值(zhi)的(de)分(fen)布(bu)。沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數kh一(yi)般大(da)于(yu)垂直(zhi)向(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數kv,kh/kv平(ping)均(jun)值(zhi)約(yue)為2.86，這一(yi)點與(yu)(yu)成層分(fen)布(bu)的(de)金(jin)屬(shu)尾礦規(gui)律一(yi)致(zhi)。造(zao)成沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數大(da)于(yu)垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數的(de)原因(yin)是由(you)于(yu)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有明顯(xian)的(de)晶體結構，電鏡掃描顯(xian)示多為菱形(xing)和棱柱狀形(xing)式(shi)(見圖8)，在沉積(ji)過程(cheng)中(zhong)，由(you)于(yu)扁平(ping)狀磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)多呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)排列，使得水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性大(da)于(yu)垂直(zhi)方向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性，從而使磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)呈現(xian)明顯(xian)的(de)各向(xiang)異性。

另根據中(zhong)國有(you)色金屬(shu)工業昆明勘察設計研究院在楊家箐(qing)磷石膏(gao)(gao)堆積壩開展的現場滲(shen)透試(shi)驗(yan)，kh/kv的平(ping)均值約(yue)為(wei)1.9。但張超等的室內試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的平(ping)均值約(yue)為(wei)0.46，也(ye)即垂直(zhi)向滲(shen)透系數(shu)大于水平(ping)向滲(shen)透系數(shu)，與本文(wen)和現場試(shi)驗(yan)結(jie)果恰(qia)恰(qia)相反。從磷石膏(gao)(gao)的微觀結(jie)構來(lai)看，本文(wen)試(shi)驗(yan)結(jie)果更(geng)為(wei)合理。

圖7沉積磷(lin)石(shi)膏干密度(du)與水平(ping)和垂直滲透系(xi)數比值(zhi)的關(guan)系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密(mi)度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)力(li)梯度(du)J與流(liu)速V的(de)(de)(de)關系曲線(xian)，試(shi)(shi)驗在水(shui)平(ping)管涌儀(yi)中(zhong)采用(yong)水(shui)平(ping)方向的(de)(de)(de)滲(shen)流(liu)形式進行。試(shi)(shi)驗得(de)到的(de)(de)(de)臨界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來說，對1，2級工程，滲(shen)透安全系數取為(wei)2.5，則允(yun)許(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)工程，滲(shen)透安全系數取2.0，則允(yun)許(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)比(bi)降(jiang)(jiang)與粉土(tu)一粉砂大致(zhi)相(xiang)同。但(dan)上述(shu)滲(shen)透變形試(shi)(shi)驗是采用(yong)自來水(shui)進行的(de)(de)(de)，自來水(shui)對磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有一定的(de)(de)(de)溶蝕作用(yong)，而(er)實際上磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中(zhong)殘余磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)(suan)，庫水(shui)的(de)(de)(de)pH值一般小于3(稱之為(wei)酸(suan)(suan)性水(shui))，在酸(suan)(suan)性水(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不會發生破壞，上述(shu)試(shi)(shi)驗結果是偏于保守的(de)(de)(de)，但(dan)對非酸(suan)(suan)性水(shui)條(tiao)件(jian)(例如特大暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)透穩定判(pan)斷有一定的(de)(de)(de)借鑒(jian)意(yi)義。

圖(tu)9水力梯度(du)J-流(liu)速v試驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗(yan)

試(shi)驗在5Bar的(de)壓力(li)板儀(yi)中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力(li)范(fan)圍0～500kPa。表l列(lie)出了含(han)水(shui)率特征(zheng)值，試(shi)驗曲線見圖10所示。

試驗(yan)結果表明：①干密度對進氣值沒有(you)明顯的影響，不(bu)同干密度的試樣的進氣值大致(zhi)(zhi)在(zai)10kPa左右(you)；②土(tu)(tu)樣殘(can)余含水(shui)(shui)率隨干密度的增加而減(jian)少，殘(can)余含水(shui)(shui)率約為飽和含水(shui)(shui)率的10%。上(shang)述特(te)性(xing)與(yu)粉(fen)土(tu)(tu)一(yi)粉(fen)砂(sha)基本一(yi)致(zhi)(zhi)。

2.3靜(jing)力(li)(li)力(li)(li)學特性(xing)

(1)三軸(zhou)CU試(shi)驗

由于沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)密(mi)度(du)變化較大，而進行(xing)三軸試驗(yan)(yan)需要若干(gan)(gan)原狀樣，為使試驗(yan)(yan)結果具(ju)有較好的(de)一(yi)致性，有針對性的(de)選擇(ze)平(ping)均干(gan)(gan)密(mi)度(du)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(gan)(gan)試樣，進行(xing)了5組(zu)三軸CU試驗(yan)(yan)。圖11是為干(gan)(gan)密(mi)度(du)為1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三軸CU試驗(yan)(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷石(shi)膏的(de)應力(li)應變關(guan)系曲(qu)線在(zai)低圍壓下表(biao)現為(wei)軟化型(xing)，在(zai)高(gao)圍壓下表(biao)現為(wei)硬化型(xing)，與一般土類相(xiang)似(si)。但與一般粉土一粉砂不同的(de)是，即使在(zai)較為(wei)疏松的(de)狀態(tai)下，磷石(shi)膏仍(reng)表(biao)現了較為(wei)強烈(lie)的(de)剪脹(zhang)，隨(sui)密實度增大，剪脹(zhang)作用愈發(fa)明顯(xian)。

表2給出了(le)不(bu)(bu)同干(gan)(gan)(gan)密度下的內摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖(tu)12給出了(le)內摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)(gan)密度的關系曲(qu)線。隨干(gan)(gan)(gan)密度的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采(cai)用冪函數(shu)較(jiao)好地擬(ni)合。磷(lin)石(shi)膏(gao)的干(gan)(gan)(gan)密度由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)32%，總應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為37.3°(根(gen)據擬(ni)合曲(qu)線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為9.4%，有(you)效應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為3.2%，由(you)于(yu)隨圍壓的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也(ye)明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)效摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)之總應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要(yao)小(xiao)。另外較(jiao)之于(yu)干(gan)(gan)(gan)密度增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并不(bu)(bu)顯(xian)著，表明(ming)即使較(jiao)為疏松(song)的磷(lin)石(shi)膏(gao)仍(reng)具有(you)較(jiao)高(gao)的強度指(zhi)標，這(zhe)也(ye)表明(ming)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形試驗(yan)

磷(lin)石膏的蠕變(bian)變(bian)形試驗(yan)在(zai)側限壓縮(suo)儀中進行(xing)，試驗(yan)狀(zhuang)態(tai)相當于K0固結。試樣直徑61.8mm，高度20mm，試樣干密(mi)度為(wei)(wei)1.30g/cm3，對試樣飽和后分別開展了(le)上覆壓力ρ為(wei)(wei)100，200，400，800kPa的試驗(yan)，

試驗從(cong)2012年(nian)(nian)8月27日開始，試驗己進行了1年(nian)(nian)多，試驗結果(guo)見圖13所示。

從圖13中(zhong)可以看出：上覆荷載越大，磷石(shi)膏的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)也越大，荷載施加1年后(hou)，磷石(shi)膏的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未(wei)達到穩定(ding)狀態，這也是(shi)磷石(shi)膏堆積壩后(hou)期變(bian)形(xing)較大的(de)原因，原型(xing)觀測資料表明，在(zai)5級子壩河床部(bu)位的(de)表面(mian)沉降量已經達到3.1m，且尚未(wei)完全穩定(ding)。

按時間對數法(fa)，可求得各級(ji)荷載(zai)下(xia)的(de)主次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)量如表(biao)3所示。試驗(yan)(yan)結(jie)(jie)(jie)(jie)果(guo)表(biao)明，在100～400kPa上覆(fu)荷載(zai)作(zuo)用下(xia)，在試驗(yan)(yan)時間范圍內蠕(ru)變(bian)(次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie))變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)是主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍(bei)，當然由于(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)尚未(wei)完(wan)成，實際(ji)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)應更大。對土體(ti)而言，發(fa)生蠕(ru)變(bian)的(de)原因是由于(yu)土體(ti)在主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)完(wan)成之后，土體(ti)中仍(reng)有(you)微小的(de)超靜孔隙壓力存(cun)在，驅使水在顆粒問流動，一(yi)般(ban)來講土體(ti)的(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)遠(yuan)小于(yu)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)；對磷(lin)石膏(gao)而言，其滲透系數在10-4cm/s數量級(ji)，遠(yuan)大于(yu)黏性土，但其卻發(fa)生了(le)極為顯著(zhu)的(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，其原因在于(yu)磷(lin)石膏(gao)晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)(jie)構發(fa)生了(le)壓縮、破壞，接觸點(dian)晶(jing)格發(fa)生歪曲和(he)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，而破壞后晶(jing)格之間的(de)重(zhong)新(xin)排列、調整到最后趨于(yu)相(xiang)對靜止需要相(xiang)當長的(de)時間才(cai)能完(wan)成。

2.4動力力學(xue)特性

試(shi)驗設備采用英國GDS公司進口的電機控制(zhi)動三軸(zhou)試(shi)驗系統，試(shi)樣(yang)直徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模量和阻尼比(bi)

同樣由于(yu)自然沉積的磷石(shi)膏密(mi)度變化(hua)較大，為此根據物理(li)性質試驗結果，選擇兩種(zhong)平均(jun)干密(mi)度1.34g/cm3(變化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪切(qie)模量G、阻尼比與剪應變(bian)幅(fu)值γd的(de)關(guan)系式如下：

式中k1為參數，表示動剪(jian)切模(mo)量(liang)的衰減或阻(zu)(zu)尼比(bi)的增長速(su)率；λmax為最大阻(zu)(zu)尼比(bi)；Gmax，γd分別為最大動剪(jian)切模(mo)量(liang)和歸一化的動剪(jian)應變，表示為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大(da)氣壓；vd為(wei)動泊(bo)松(song)比；εa為(wei)歸一化的動應(ying)變，表(biao)達為(wei)

圖14給(gei)出(chu)了動(dong)剪(jian)切模量(liang)、阻尼(ni)比與歸一化動(dong)應(ying)變的(de)關系(xi)曲線，另(ling)外圖中還給(gei)出(chu)了式(1)的(de)擬(ni)合曲線以及Seed等給(gei)出(chu)的(de)砂樣的(de)上下邊界線，圖例(li)中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應(ying)力比。

從(cong)圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)(ke)較(jiao)(jiao)(jiao)好(hao)地描述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)力-動(dong)(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表(biao)(biao)明采(cai)用(yong)等價黏(nian)彈性模型進行循(xun)環荷(he)載作用(yong)下的(de)(de)(de)(de)(de)分析(xi)是(shi)可(ke)(ke)行的(de)(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)位(wei)于干密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)上方(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位(wei)于下方(fang)，表(biao)(biao)明密(mi)度越大(da)，動(dong)(dong)彈模越大(da)、阻尼比(bi)越小(xiao)；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)基本(ben)位(wei)于Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)上方(fang)，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基本(ben)處(chu)于邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)(biao)明相比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏動(dong)(dong)彈模較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，會導致磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆積壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)應(ying)(ying)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，但(dan)由于阻尼比(bi)也較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，這樣又會削弱壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆積壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)應(ying)(ying)將不會過于強烈(lie)，這對磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆積壩(ba)(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)抗震穩定(ding)性是(shi)有利的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種(zhong)平均(jun)干密度為1.12(變(bian)化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標準為總應變(bian)達到10%。

圖15給出了動剪應力比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)(yu)(yu)破(po)壞(huai)振(zhen)次Nf的關系(xi)曲線圖，其(qi)中σ0為(wei)振(zhen)前試(shi)樣45°面上的有效法向應力，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結(jie)比(bi)(bi)。從試(shi)驗(yan)結(jie)果可以看出，沉積磷石膏(gao)的動強度與(yu)(yu)(yu)其(qi)它土體相似，表現為(wei)圍壓和(he)固(gu)結(jie)應力比(bi)(bi)與(yu)(yu)(yu)動剪應力比(bi)(bi)呈(cheng)負相關關系(xi)。

為(wei)(wei)判別沉(chen)積磷石膏的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震設計烈度為(wei)(wei)8度，即等效(xiao)振(zhen)次Ⅳ可取為(wei)(wei)30。首先(xian)由(you)式(4)

所(suo)示(shi)的冪函數關系式(shi)得(de)到振次為30時各個圍壓和固結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求(qiu)得動剪應力比與(yu)圍壓和固結應力比的(de)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(shu)擬合關系式可見(jian)，密(mi)實(shi)度(du)提高后(hou)，動(dong)剪應力(li)(li)比提高，表(biao)明(ming)抗液化(hua)能力(li)(li)也提高。但即(ji)使是在低密(mi)度(du)下(xia)，其動(dong)剪應力(li)(li)比較之同類(lei)的粉(fen)土或粉(fen)砂(sha)也大出許多，表(biao)明(ming)磷石(shi)膏具有較高的抗液化(hua)能力(li)(li)。

三、結論(lun)

依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩，在鉆(zhan)探取樣工作(zuo)的(de)基礎上，首先開(kai)展了物理性(xing)質試(shi)驗(yan)(yan)，然(ran)后開(kai)展了靜動力力學(xue)特性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。通過(guo)上述試(shi)驗(yan)(yan)研究，得出如(ru)下結論(lun)：

(1)沉積磷石膏(gao)總(zong)體上(shang)屬于級(ji)配不(bu)良的(de)粉土，局部屬于粉砂一中砂，無(wu)自然分(fen)級(ji)現(xian)象。其干(gan)密度和粒徑變(bian)化(hua)隨埋深或距放漿口(kou)距離的(de)變(bian)化(hua)不(bu)明(ming)顯。

(2)沉積磷石膏水平方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)滲透系數大于垂直方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)滲透系數，呈現明(ming)顯的(de)各向(xiang)(xiang)異性(xing)。

(3)與土體顆(ke)粒不(bu)可壓(ya)縮不(bu)同，磷(lin)石(shi)膏(gao)的晶體結構(gou)會發生壓(ya)縮破壞，具有較大(da)的壓(ya)縮性，其次固結變形量遠大(da)于主固結變形量。

(4)沉積磷石膏(gao)的靜動強度較(jiao)之同(tong)等密(mi)實(shi)度下(xia)的粉土、粉砂要高。