沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)是磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸生產過程中的(de)副產品，目前的(de)綜合利用(yong)率尚(shang)不(bu)足40%，大部分需要堆存存放。受(shou)地形(xing)限制和(he)經濟效(xiao)益(yi)考慮，中國主要為濕法堆存的(de)山谷(gu)型堆場。依(yi)托柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)，針(zhen)對沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)首先(xian)開(kai)展了密(mi)度(du)、含水(shui)率、滲(shen)透、土(tu)水(shui)特(te)征和(he)顆(ke)分等物理性(xing)(xing)質試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，然后開(kai)展了三軸cu、蠕變(bian)(bian)及(ji)動(dong)三軸等力學特(te)性(xing)(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果表明(ming)：①沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干密(mi)度(du)與埋深(shen)沒(mei)有(you)相關關系(xi)；②沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)不(bu)具(ju)(ju)有(you)自(zi)然分級現象，但具(ju)(ju)有(you)明(ming)顯的(de)各(ge)向異性(xing)(xing)；③沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具(ju)(ju)有(you)較高的(de)摩擦(ca)角和(he)抗液化能(neng)力，但其蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)較大、滲(shen)透比(bi)降較小(xiao)。上述工作為分析磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)壩(ba)體穩定性(xing)(xing)提供了基礎，對現行(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)運行(xing)管(guan)理以(yi)及(ji)新建工程的(de)設計具(ju)(ju)有(you)重要的(de)借鑒意(yi)義。

引言

磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)(shi)濕(shi)法磷酸生(sheng)產過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)副產品，2018年(nian)，全(quan)國(guo)(guo)(guo)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)產生(sheng)量為(wei)7800萬(wan)噸(dun)，且呈逐年(nian)增長的(de)(de)態勢。磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)主要(yao)成(cheng)分(fen)是(shi)(shi)CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定量的(de)(de)氟(fu)化物和(he)其它(ta)放(fang)射性物質(zhi)，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)通常按(an)Ⅱ類一(yi)般工業固體(ti)廢物處理，鑒于(yu)無害化處理成(cheng)本較高，目前綜合利用(yong)率(lv)尚不足(zu)40%，故大部分(fen)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放(fang)。按(an)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)場(chang)(chang)地的(de)(de)不同，可分(fen)為(wei)平地型、傍(bang)山(shan)型、山(shan)谷型和(he)截河型堆(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)基本上是(shi)(shi)山(shan)谷型堆(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)。相(xiang)比較干法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)經濟優勢明顯，因而如地質(zhi)條(tiao)件(jian)為(wei)非碳(tan)酸鹽(yan)巖地區，一(yi)般均(jun)采用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。隨著(zhu)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)磷肥(fei)工業的(de)(de)快速(su)發展，本世(shi)紀初中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)相(xiang)繼建(jian)設了幾座濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)大型磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)(ku)，例如云(yun)天化國(guo)(guo)(guo)際化工三環分(fen)公(gong)(gong)司的(de)(de)柳樹箐磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)和(he)富瑞分(fen)公(gong)(gong)司的(de)(de)楊(yang)家箐磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)，這兩座壩(ba)設計(ji)壩(ba)高均(jun)超過100m、處于(yu)8度(du)地震區，其安全(quan)性備受關注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有118座尾礦壩(ba)曾(ceng)發生(sheng)過破(po)(po)壞或潰壩(ba)事(shi)(shi)故，原因主(zhu)要有地震、洪水漫頂、滲透破(po)(po)壞和(he)基(ji)礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事(shi)(shi)后會造成巨大的生(sheng)態(tai)災難和(he)人員傷(shang)亡，近幾十年(nian)來，

國內外對金屬尾礦(kuang)的沉積規律、物理力學特性(xing)(xing)及其穩定性(xing)(xing)開展了(le)大(da)量的研(yan)(yan)究，但對于與金屬尾礦(kuang)庫(ku)相近的磷石膏(gao)(gao)庫(ku)，一般僅限于在可研(yan)(yan)階(jie)段(duan)采用(yong)人(ren)工制備樣進行物理力學性(xing)(xing)質試驗(yan)，并(bing)據此進行穩定性(xing)(xing)分析，尚未有人(ren)針對己(ji)運行若干年的大(da)型濕法堆(dui)存磷石膏(gao)(gao)堆(dui)積壩開展過磷石膏(gao)(gao)沉積規律及其物理力學特性(xing)(xing)的專項研(yan)(yan)究。

本文依托(tuo)柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩(ba)，首先進行了(le)鉆探(tan)取樣(yang)，采用(yong)原狀(zhuang)樣(yang)開(kai)展了(le)密度、含水(shui)率(lv)、滲透、土水(shui)特征和(he)顆分等物理性(xing)質試(shi)驗，在此基礎上有(you)針對(dui)性(xing)的(de)(de)選擇原狀(zhuang)樣(yang)開(kai)展了(le)三軸CU、蠕變及(ji)動三軸等力學特性(xing)試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研(yan)究(jiu)，總結了(le)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)沉積(ji)規律、滲透特性(xing)、滲透破(po)壞特性(xing)以(yi)及(ji)靜動力特性(xing)，上述研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)對(dui)研(yan)究(jiu)和(he)評估(gu)磷(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)穩定性(xing)提供了(le)基礎數據，對(dui)現行磷(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)的(de)(de)運行管理以(yi)及(ji)新建工(gong)程(cheng)的(de)(de)設計(ji)具有(you)重要的(de)(de)借鑒意義(yi)。

一、依托工程概況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設(she)計方案

由初期壩和堆積壩組成，設(she)計總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高(gao)約30m，采用(yong)土料填筑。上(shang)游(you)坡面、壩(ba)(ba)底(di)和下(xia)游(you)壩(ba)(ba)腳(jiao)設置堆石(shi)排水體，三(san)者相連通(tong)構成整個堆積壩(ba)(ba)的主(zhu)要排滲系(xi)統。

(2)堆(dui)積壩及(ji)其輔助(zhu)排滲措(cuo)施(shi)

采用上游式筑壩法，共20級(ji)子(zi)壩，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約100m。采用排(pai)滲管(guan)網作為輔助(zhu)排(pai)滲方案，目前己在5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩和13級(ji)子(zi)壩壩前120m范(fan)圍內設置了井字形排(pai)滲管(guan)網。

1.2沉積磷(lin)石膏(gao)的鉆探(tan)取樣

鉆(zhan)(zhan)孔平(ping)面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積至(zhi)(zhi)5級子壩(ba)時，布設了9個(ge)取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)孔編號K1～K9，取原狀樣(yang)76件；2013年5月，堆(dui)積至(zhi)(zhi)13級子壩(ba)時，又(you)布設了11個(ge)取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)孔編號K10～K20，取原狀樣(yang)112件，為比較子壩(ba)加高(gao)和(he)磷(lin)石膏堆(dui)積過程中磷(lin)石膏物理力學性質(zhi)的變化，在2，4級子壩(ba)K2孔和(he)K6孔附(fu)近各布設了一個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)孔編號分別為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫2005年開工建設，2006年1月(yue)投入運行，截至(zhi)2013年5月(yue)己堆(dui)至(zhi)13級子壩(ba)，尚(shang)有(you)7級子壩(ba)即堆(dui)存(cun)至(zhi)設計高程。鑒于磷石膏庫地(di)形、地(di)質條(tiao)件較好，具備擴容(rong)改(gai)造的條(tiao)件，以提高堆(dui)存(cun)庫容(rong)，減少堆(dui)存(cun)占地(di)，節(jie)約土地(di)資源。

本文主要對沉積(ji)磷(lin)石膏的物理力學特性進行(xing)了(le)全面(mian)總結，限于篇幅，有關(guan)現狀磷(lin)石膏庫(ku)堆(dui)積(ji)壩的安全性評價(jia)及其加(jia)高可行(xing)性的研究將另文發表。

二、沉積磷(lin)石(shi)膏的物理力學(xue)特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了(le)14個(ge)鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)取樣深度(du)和(he)試(shi)驗所得干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)關系，圖中UWL表示(shi)水(shui)(shui)位線(xian)(xian)上，(系鉆(zhan)孔期間(jian)的(de)(de)(de)初(chu)見水(shui)(shui)位線(xian)(xian)，下(xia)同)，DWL表示(shi)水(shui)(shui)位線(xian)(xian)下(xia)。圖3給出了(le)水(shui)(shui)位線(xian)(xian)上下(xia)的(de)(de)(de)飽和(he)度(du)分(fen)布圖。由于(yu)磷(lin)石膏中的(de)(de)(de)主要成分(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和(he)烘烤時間(jian)對測定結果有一定影響，不能照搬(ban)現行的(de)(de)(de)土工試(shi)驗規范，本文磷(lin)石膏的(de)(de)(de)含水(shui)(shui)率(lv)測定方法為55℃溫度(du)下(xia)烘培(pei)24h。

圖2沉積磷(lin)石膏干密度與埋(mai)深的關(guan)系

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

由圖3，水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)的(de)(de)磷(lin)石膏飽(bao)和(he)(he)度(du)平(ping)(ping)均值為50.4%，處于(yu)非飽(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態，水(shui)(shui)位線(xian)以下的(de)(de)磷(lin)石膏飽(bao)和(he)(he)度(du)平(ping)(ping)均值為85.0%，基(ji)本處于(yu)飽(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態，由于(yu)水(shui)(shui)位下降后磷(lin)石膏來不及排水(shui)(shui)固結，故(gu)而水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)局部試樣的(de)(de)飽(bao)和(he)(he)度(du)較高。

由圖(tu)2，水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以(yi)上(shang)的干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以(yi)下(xia)的干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值為1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏與一般(ban)的尾礦有(you)所不同，磷石(shi)膏的干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)并不隨埋深(shen)的增大(da)而(er)明顯增大(da)，但水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以(yi)下(xia)的磷石(shi)膏干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)從統(tong)計意義(yi)上(shang)來看(kan)仍(reng)大(da)于(yu)水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以(yi)上(shang)的磷石(shi)膏干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)，這(zhe)主要是(shi)由于(yu)水(shui)(shui)(shui)位線(xian)隨庫(ku)水(shui)(shui)(shui)位的變化反復升降而(er)使得磷石(shi)膏排水(shui)(shui)(shui)固結所致。

室(shi)內擊(ji)實得到的磷(lin)石膏最大(da)干密(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從(cong)圖(tu)2可(ke)以看出，自(zi)然沉積的磷(lin)石膏最大(da)干密(mi)度(du)可(ke)達(da)到1.73g/cm3，原因(yin)如下：與(yu)經典(dian)的土(tu)骨架不可(ke)壓(ya)(ya)縮的理(li)論不同，石膏本身可(ke)壓(ya)(ya)縮，同時由于顆(ke)粒結構不穩定，擊(ji)實試驗過程中磷(lin)石膏結構被破(po)壞，受夯擊(ji)處下陷，四周鼓起(qi)，出現了類似(si)于橡皮土(tu)的現象。而在現場條件下，石膏骨架被破(po)壞后(hou)，會(hui)導致(zhi)顆(ke)粒中的結合水滲(shen)出至(zhi)孔隙(xi)內，變(bian)成孔隙(xi)水，排水固結后(hou)會(hui)使得磷(lin)石膏的孔隙(xi)比減小，干密(mi)度(du)增大(da)。

圖4給出(chu)了相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)(wei)于2級(ji)(ji)子壩河床(chuang)部位(wei)(wei)(wei))以及相鄰鉆(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)(wei)于4級(ji)(ji)子壩河床(chuang)部位(wei)(wei)(wei))干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即(ji)使從(cong)統計(ji)意義上來(lai)看，磷石膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)也(ye)并未隨(sui)后續磷石膏(gao)的(de)堆(dui)積而有較為(wei)明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆(ke)粒分析試驗采用密度計法，制備懸液時(shi)不(bu)煮沸，不(bu)加(jia)六(liu)偏(pian)磷酸鈉。圖5給出了試驗得到(dao)的級(ji)配包線、平均粒徑d50、不(bu)均勻系(xi)數(1u和曲率系(xi)數Cc的分布圖。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏的粒徑主要分(fen)(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬于粉土，但可能由于礦石(shi)來(lai)源或生產工藝(yi)有所不同，局部屬于粉砂～中砂。粒徑分(fen)(fen)布(bu)范圍比Blight和張超等的試驗結果要寬一些。

圖4子壩加高后沉(chen)積磷石膏的干密度(du)變(bian)化(hua)

圖(tu)5沉積(ji)磷石膏的平均粒徑和(he)級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向還是(shi)垂直向，磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)與金(jin)屬礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的“前粗(cu)后(hou)細(xi)，上粗(cu)下細(xi)”的自然分級現象(xiang)不(bu)同，也即粗(cu)顆粒并不(bu)是(shi)沿埋深逐步減(jian)小或距離放漿口越遠顆粒越細(xi)，其原因如下：①磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)顆粒粒徑(jing)組成較為(wei)集(ji)中、均勻，主要(yao)以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較差；②相比較金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)，磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)的比重較小，磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)的比重一般為(wei)2.3～2.4，遠小于(yu)金(jin)屬尾(wei)礦(kuang)的比重，例(li)如鐵(tie)尾(wei)礦(kuang)的比重可達2.9；③放漿口隨子壩高度不(bu)斷(duan)增加而不(bu)斷(duan)變動(dong)并向庫尾(wei)延伸，造成沉積磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)的粒徑(jing)變化不(bu)明(ming)顯。

從圖5(d)可見，不(bu)均勻系數Cu范(fan)(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)(zhi)為4.18，曲率系數(1c范(fan)(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)(zhi)為1.21，在統計的100多個試樣中，屬于級(ji)配不(bu)良土(tu)的占93%。這種級(ji)配特性決(jue)定(ding)了磷石膏具(ju)有較高的壓縮性、滲(shen)透破(po)壞型式表(biao)現(xian)為流土(tu)破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)主要(yao)因(yin)素是粒徑大小(xiao)、級配和孔(kong)隙比(bi)，因(yin)而磷石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與(yu)(yu)粉土較(jiao)為接(jie)近。由(you)于孔(kong)隙比(bi)e減小(xiao)，使得過水通道面積(ji)減小(xiao)，滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了(le)二(er)者間的(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由(you)于沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)不(bu)均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化較(jiao)大，使得沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變化范圍較(jiao)大(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量(liang)級)，二(er)者問的(de)(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石膏(gao)滲透(tou)系數與孔隙(xi)比的關系

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

圖7給出了(le)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)與垂直向(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)比值的(de)分布(bu)。沉(chen)(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)kh一(yi)般大(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為2.86，這一(yi)點與成層分布(bu)的(de)金屬尾礦規律一(yi)致。造(zao)成沉(chen)(chen)積(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)大(da)于(yu)(yu)垂直向(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)原因是由于(yu)(yu)磷石(shi)(shi)膏(gao)具有明顯的(de)晶體結構，電(dian)鏡掃(sao)描顯示多為菱形(xing)和棱柱狀形(xing)式(見圖8)，在沉(chen)(chen)積(ji)過(guo)程中，由于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)狀磷石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)粒多呈水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)排(pai)列，使(shi)得水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)性(xing)大(da)于(yu)(yu)垂直方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)性(xing)，從而使(shi)磷石(shi)(shi)膏(gao)呈現(xian)明顯的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色金屬工業昆明勘(kan)察設計研究院在楊家箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩開展(zhan)的(de)(de)現(xian)場滲(shen)透(tou)試(shi)驗，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約(yue)(yue)為(wei)1.9。但(dan)張(zhang)超等(deng)的(de)(de)室內(nei)試(shi)驗顯示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值約(yue)(yue)為(wei)0.46，也即(ji)垂直向滲(shen)透(tou)系(xi)數大于(yu)水平(ping)向滲(shen)透(tou)系(xi)數，與本(ben)文和現(xian)場試(shi)驗結果恰(qia)恰(qia)相反。從(cong)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)微觀結構(gou)來(lai)看，本(ben)文試(shi)驗結果更為(wei)合(he)理。

圖7沉積磷石膏(gao)干密度(du)與(yu)水(shui)平和垂直滲透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷石(shi)膏干密度(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力(li)梯度(du)J與流速(su)V的(de)(de)關系(xi)曲線，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)在(zai)(zai)水(shui)(shui)平管涌(yong)儀中采(cai)用水(shui)(shui)平方向的(de)(de)滲流形(xing)式進行。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)得(de)到的(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說，對(dui)(dui)(dui)1，2級工程，滲透(tou)安(an)全(quan)系(xi)數取為(wei)2.5，則允(yun)許出逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)(dui)3級以下工程，滲透(tou)安(an)全(quan)系(xi)數取2.0，則允(yun)許出逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比降(jiang)與粉土一(yi)粉砂大致相同。但(dan)上(shang)(shang)述滲透(tou)變形(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)是采(cai)用自來(lai)水(shui)(shui)進行的(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)對(dui)(dui)(dui)磷石(shi)膏具有(you)一(yi)定的(de)(de)溶蝕(shi)作(zuo)用，而實際上(shang)(shang)磷石(shi)膏中殘(can)余磷、硫和(he)氟(fu)酸(suan)(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值(zhi)一(yi)般小(xiao)于3(稱之為(wei)酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui))，在(zai)(zai)酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用下，磷石(shi)膏不會(hui)發生破壞(huai)，上(shang)(shang)述試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果(guo)是偏于保守的(de)(de)，但(dan)對(dui)(dui)(dui)非酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)條件(例如特大暴(bao)雨)下的(de)(de)滲透(tou)穩定判斷有(you)一(yi)定的(de)(de)借鑒(jian)意義。

圖9水力梯度J-流速v試(shi)驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗(yan)在5Bar的壓(ya)力板儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試驗(yan)曲(qu)線見圖10所示。

試(shi)驗結果表明：①干(gan)密度對進(jin)氣值沒(mei)有(you)明顯(xian)的(de)影響，不(bu)同干(gan)密度的(de)試(shi)樣(yang)的(de)進(jin)氣值大致(zhi)在10kPa左右(you)；②土(tu)樣(yang)殘(can)余(yu)含水率(lv)隨干(gan)密度的(de)增加而減少(shao)，殘(can)余(yu)含水率(lv)約為(wei)飽和(he)含水率(lv)的(de)10%。上述特性與粉土(tu)一(yi)粉砂基本一(yi)致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于(yu)沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)密度(du)(du)變化較(jiao)大，而進(jin)行三(san)軸(zhou)試(shi)(shi)驗需要(yao)若干原(yuan)狀樣(yang)，為使試(shi)(shi)驗結果具(ju)有較(jiao)好的(de)一(yi)致性(xing)(xing)，有針對(dui)性(xing)(xing)的(de)選擇平均干密度(du)(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干試(shi)(shi)樣(yang)，進(jin)行了5組(zu)三(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗。圖11是為干密度(du)(du)為1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗曲線。

從(cong)圖11可(ke)以看出，磷石膏的(de)應力應變關系曲線(xian)在(zai)低圍壓下(xia)表(biao)現(xian)為軟化型(xing)，在(zai)高圍壓下(xia)表(biao)現(xian)為硬化型(xing)，與一(yi)般土類(lei)相(xiang)似。但與一(yi)般粉土一(yi)粉砂不同的(de)是(shi)，即使在(zai)較為疏松的(de)狀態下(xia)，磷石膏仍表(biao)現(xian)了較為強(qiang)烈(lie)的(de)剪脹(zhang)(zhang)，隨密實度(du)增大(da)，剪脹(zhang)(zhang)作(zuo)用愈發(fa)明顯。

表2給出了不(bu)同干(gan)密度(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)，圖(tu)12給出了內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)與干(gan)密度(du)的(de)(de)關系曲線。隨干(gan)密度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)大，且可(ke)采(cai)用(yong)冪函(han)數較(jiao)(jiao)好地擬合(he)。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)密度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了32%，總應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加為37.3°(根據擬合(he)曲線求得)，增(zeng)(zeng)幅為9.4%，有效應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加為38.8°，增(zeng)(zeng)幅為3.2%，由(you)于(yu)隨圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，孔壓也明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)大，故(gu)有效摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅較(jiao)(jiao)之(zhi)總應(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)要小(xiao)。另(ling)外較(jiao)(jiao)之(zhi)于(yu)干(gan)密度(du)增(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅并不(bu)顯(xian)著，表明(ming)即使較(jiao)(jiao)為疏松的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)仍具(ju)有較(jiao)(jiao)高的(de)(de)強度(du)指標(biao)，這也表明(ming)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)(de)穩(wen)定性(xing)較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次(ci)固(gu)結)變形試驗(yan)

磷石(shi)膏的蠕變變形試(shi)(shi)驗在側(ce)限壓縮儀中進(jin)行，試(shi)(shi)驗狀態相當于K0固(gu)結。試(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高(gao)度20mm，試(shi)(shi)樣干密度為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣飽和后分別開(kai)展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗，

試(shi)驗從2012年8月27日(ri)開始(shi)，試(shi)驗己進行了1年多，試(shi)驗結果見圖13所示。

從圖13中可(ke)以看出：上覆荷(he)載越(yue)大，磷(lin)石(shi)膏(gao)的蠕變變形(xing)也越(yue)大，荷(he)載施加1年后，磷(lin)石(shi)膏(gao)的蠕變變形(xing)仍非常顯著，尚未達(da)到(dao)穩定狀態，這也是磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩后期變形(xing)較(jiao)大的原因，原型觀測資(zi)料(liao)表明，在5級子壩河床(chuang)部(bu)位的表面沉降量已經達(da)到(dao)3.1m，且尚未完全穩定。

按時(shi)間對(dui)(dui)數(shu)法，可求(qiu)得(de)各級荷(he)載(zai)下的(de)(de)(de)主(zhu)次固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)量(liang)(liang)如(ru)表3所示。試驗(yan)結果(guo)表明，在(zai)100～400kPa上覆荷(he)載(zai)作用(yong)下，在(zai)試驗(yan)時(shi)間范圍內蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(次固(gu)結)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)是主(zhu)固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)尚(shang)未完(wan)成(cheng)(cheng)，實(shi)際的(de)(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)應更大(da)。對(dui)(dui)土(tu)體(ti)(ti)而(er)言，發生蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因是由于(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)主(zhu)固(gu)結完(wan)成(cheng)(cheng)之(zhi)(zhi)后，土(tu)體(ti)(ti)中仍(reng)有微小的(de)(de)(de)超靜(jing)(jing)孔隙壓力存在(zai)，驅使(shi)水在(zai)顆粒問流動(dong)，一(yi)般(ban)來講土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)次固(gu)結遠小于(yu)主(zhu)固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)；對(dui)(dui)磷石膏(gao)而(er)言，其(qi)(qi)滲透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)(liang)級，遠大(da)于(yu)黏性土(tu)，但其(qi)(qi)卻發生了(le)(le)極為顯著的(de)(de)(de)次固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，其(qi)(qi)原因在(zai)于(yu)磷石膏(gao)晶體(ti)(ti)結構發生了(le)(le)壓縮、破壞，接觸點晶格發生歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，而(er)破壞后晶格之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)重新排列、調整到最后趨(qu)于(yu)相(xiang)對(dui)(dui)靜(jing)(jing)止(zhi)需要相(xiang)當(dang)長的(de)(de)(de)時(shi)間才能完(wan)成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗設備采(cai)用英國(guo)GDS公司進口(kou)的(de)電機控制動三軸試驗系統(tong)，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同樣由(you)于(yu)自然(ran)沉積的磷石膏密(mi)度變(bian)化較大，為此(ci)根據物理性(xing)質試驗結果，選擇兩種平均干密(mi)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(jin)行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動(dong)剪切模(mo)量G、阻尼比與(yu)剪應變(bian)幅值γd的關系式如下(xia)：

式中(zhong)k1為(wei)參數，表示(shi)動(dong)剪切(qie)模量的衰減或阻尼比(bi)的增長速率；λmax為(wei)最(zui)大(da)阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大(da)動(dong)剪切(qie)模量和歸一化的動(dong)剪應變，表示(shi)為(wei)

式中(zhong)k2,n為(wei)參數；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(de)動應變，表達為(wei)

圖(tu)(tu)(tu)14給出了動(dong)剪切模量、阻尼比與歸一化動(dong)應變的(de)(de)(de)關系曲(qu)(qu)線，另外圖(tu)(tu)(tu)中還給出了式(1)的(de)(de)(de)擬合曲(qu)(qu)線以及Seed等給出的(de)(de)(de)砂樣(yang)的(de)(de)(de)上下(xia)邊界線，圖(tu)(tu)(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可(ke)(ke)以看出：①式(1)可(ke)(ke)較(jiao)好地(di)描述磷(lin)(lin)(lin)石膏的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)應(ying)力-動(dong)(dong)(dong)(dong)應(ying)變試驗曲線，表明采用(yong)(yong)等價黏彈(dan)性(xing)模(mo)型進行循環荷載(zai)作用(yong)(yong)下的(de)(de)分(fen)析是(shi)(shi)可(ke)(ke)行的(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬合線位(wei)于(yu)(yu)(yu)干密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬合線上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則位(wei)于(yu)(yu)(yu)下方，表明密度(du)越(yue)大，動(dong)(dong)(dong)(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)大、阻(zu)尼(ni)比越(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種(zhong)干密度(du)的(de)(de)擬合線基本位(wei)于(yu)(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)邊界線上方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)(yu)(yu)邊界線中(zhong)間，表明相(xiang)比較(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)(lin)石膏動(dong)(dong)(dong)(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)大，會導致磷(lin)(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)力反(fan)應(ying)較(jiao)大，但由于(yu)(yu)(yu)阻(zu)尼(ni)比也(ye)較(jiao)大，這樣又會削弱壩(ba)體的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)力反(fan)應(ying)，二者的(de)(de)相(xiang)互影響下，磷(lin)(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)力反(fan)應(ying)將不會過(guo)于(yu)(yu)(yu)強(qiang)烈，這對(dui)磷(lin)(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)抗震(zhen)穩定性(xing)是(shi)(shi)有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干(gan)密度(du)為(wei)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(shi)驗(yan)，破壞標(biao)準為(wei)總(zong)應(ying)變(bian)達到10%。

圖15給出了動(dong)剪(jian)應力(li)比τd/σ0′與破壞振(zhen)次(ci)Nf的關(guan)系(xi)曲線圖，其(qi)中(zhong)σ0為(wei)振(zhen)前試樣45°面上的有(you)效法向應力(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結比。從試驗(yan)結果(guo)可以看出，沉積(ji)磷石膏(gao)的動(dong)強度與其(qi)它(ta)土體相似，表現為(wei)圍壓和固結應力(li)比與動(dong)剪(jian)應力(li)比呈負相關(guan)關(guan)系(xi)。

為判(pan)別沉積磷石膏的抗液化能力，假定抗震設計(ji)烈度(du)為8度(du)，即等效振次Ⅳ可取為30。首(shou)先由(you)式(4)

所示的冪函數(shu)關系式得到(dao)振(zhen)次為30時各(ge)個圍(wei)壓和固(gu)結比下的動(dong)剪(jian)應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可擬合(he)求得動剪應(ying)(ying)力比與圍(wei)壓(ya)和固結應(ying)(ying)力比的(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。

從上述擬合(he)關系式可見，密(mi)(mi)實度(du)提(ti)高后(hou)，動剪應力(li)(li)比提(ti)高，表(biao)明(ming)(ming)抗液化能(neng)力(li)(li)也提(ti)高。但(dan)即使是在(zai)低密(mi)(mi)度(du)下(xia)，其動剪應力(li)(li)比較(jiao)之同類的粉(fen)土或粉(fen)砂也大出(chu)許多，表(biao)明(ming)(ming)磷石膏具有較(jiao)高的抗液化能(neng)力(li)(li)。

三、結論

依托柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩，在鉆探取樣(yang)工(gong)作的基礎上(shang)，首(shou)先開(kai)(kai)展(zhan)了(le)(le)物(wu)理(li)性(xing)質試(shi)驗(yan)，然后(hou)開(kai)(kai)展(zhan)了(le)(le)靜動力(li)力(li)學(xue)特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)。通過上(shang)述(shu)試(shi)驗(yan)研究，得出如下結論：

(1)沉積磷石(shi)膏總體(ti)上屬(shu)于(yu)級(ji)配不良的粉(fen)土，局部屬(shu)于(yu)粉(fen)砂一中砂，無自然分級(ji)現(xian)象。其(qi)干密(mi)度和粒徑(jing)變(bian)化隨埋深(shen)或距(ju)放漿口距(ju)離的變(bian)化不明顯。

(2)沉積磷石膏水(shui)平方向的滲(shen)透系數(shu)大于(yu)垂(chui)直方向的滲(shen)透系數(shu)，呈現(xian)明顯的各向異性。

(3)與土體顆粒不可壓縮(suo)不同，磷石膏的晶體結構會發(fa)生壓縮(suo)破壞，具有較大(da)的壓縮(suo)性，其次固(gu)結變形量遠大(da)于(yu)主(zhu)固(gu)結變形量。

(4)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)靜動強度(du)較之同(tong)等密實(shi)度(du)下(xia)的(de)粉土、粉砂(sha)要高。