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)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏是(shi)(shi)濕(shi)(shi)法磷(lin)(lin)(lin)酸生產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)副產(chan)品，2018年，全國磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏產(chan)生量(liang)為7800萬噸，且呈逐年增長的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)主要(yao)成分是(shi)(shi)CaO和SO3，但含有一定(ding)量(liang)的(de)氟(fu)化物和其(qi)它放射性(xing)(xing)物質，在中(zhong)(zhong)國通常按Ⅱ類一般(ban)工(gong)業固體廢物處理(li)，鑒(jian)于無害化處理(li)成本(ben)較(jiao)高，目(mu)前綜(zong)合利用率尚不足(zu)40%，故大部(bu)分磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏需要(yao)堆存(cun)存(cun)放。按堆存(cun)場地(di)的(de)不同，可分為平地(di)型、傍山型、山谷型和截河型堆場，在中(zhong)(zhong)國基本(ben)上是(shi)(shi)山谷型堆場。相(xiang)比較(jiao)干法堆存(cun)，濕(shi)(shi)法堆存(cun)經濟優勢明顯，因而如(ru)(ru)地(di)質條件為非碳酸鹽巖地(di)區(qu)，一般(ban)均采用濕(shi)(shi)排(pai)濕(shi)(shi)堆方式。隨著中(zhong)(zhong)國磷(lin)(lin)(lin)肥工(gong)業的(de)快速發展，本(ben)世紀初中(zhong)(zhong)國相(xiang)繼建設了幾座濕(shi)(shi)法堆存(cun)的(de)大型磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)，例如(ru)(ru)云天化國際化工(gong)三環(huan)分公司的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)堆積(ji)壩和富瑞分公司的(de)楊家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)堆積(ji)壩，這兩座壩設計(ji)壩高均超過(guo)100m、處于8度地(di)震區(qu)，其(qi)安(an)全性(xing)(xing)備受(shou)關注。

據統(tong)計，110多(duo)年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有118座尾礦(kuang)壩曾發生(sheng)過破(po)壞(huai)或潰壩事(shi)故(gu)，原因(yin)主要(yao)有地震、洪(hong)水漫頂、滲透破(po)壞(huai)和基礎失穩。尾礦(kuang)庫失事(shi)后會造成巨大的生(sheng)態災難和人員傷亡，近幾十年(nian)來，

國內外對金(jin)(jin)屬尾礦的沉積規律、物理(li)力(li)(li)學(xue)特(te)性(xing)及其穩(wen)定(ding)性(xing)開展了(le)大量(liang)的研(yan)究(jiu)，但對于與金(jin)(jin)屬尾礦庫相近的磷石(shi)膏庫，一(yi)般僅(jin)限于在(zai)可(ke)研(yan)階段采用人工制(zhi)備樣(yang)進行物理(li)力(li)(li)學(xue)性(xing)質試驗，并據(ju)此進行穩(wen)定(ding)性(xing)分析，尚未(wei)有人針(zhen)對己運(yun)行若干年的大型濕(shi)法堆存(cun)磷石(shi)膏堆積壩開展過(guo)磷石(shi)膏沉積規律及其物理(li)力(li)(li)學(xue)特(te)性(xing)的專項(xiang)研(yan)究(jiu)。

本文依托(tuo)柳樹箐磷石膏(gao)堆積(ji)壩，首先進(jin)行了鉆(zhan)探取樣，采用原(yuan)狀(zhuang)樣開展(zhan)了密度(du)、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特征和顆分等(deng)(deng)物理性(xing)質(zhi)試(shi)驗(yan)，在此(ci)基(ji)礎上(shang)(shang)有(you)針對(dui)性(xing)的(de)選擇(ze)原(yuan)狀(zhuang)樣開展(zhan)了三(san)軸CU、蠕變及(ji)動三(san)軸等(deng)(deng)力學特性(xing)試(shi)驗(yan)。通過上(shang)(shang)述試(shi)驗(yan)研究，總結了磷石膏(gao)的(de)沉積(ji)規律、滲(shen)透(tou)特性(xing)、滲(shen)透(tou)破壞特性(xing)以(yi)及(ji)靜動力特性(xing)，上(shang)(shang)述研究工作對(dui)研究和評(ping)估磷石膏(gao)庫堆積(ji)壩的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)提供(gong)了基(ji)礎數據，對(dui)現(xian)行磷石膏(gao)庫的(de)運行管理以(yi)及(ji)新建工程的(de)設計具有(you)重(zhong)要的(de)借鑒意義(yi)。

一、依托工(gong)程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設(she)計方(fang)案

由(you)初期壩和堆(dui)積壩組成(cheng)，設計總壩高(gao)約130m。

(1)初期壩(ba)

初期壩(ba)壩(ba)高(gao)約30m，采用(yong)土料填(tian)筑。上(shang)游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳(jiao)設置堆石排水體，三者相(xiang)連通構成整個(ge)堆積壩(ba)的(de)主要排滲(shen)系統。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲措施

采(cai)(cai)用上游(you)式筑壩(ba)法，共(gong)20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)(cai)用排滲管網(wang)作為輔助排滲方案，目(mu)前己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范圍(wei)內(nei)設置了(le)井字形排滲管網(wang)。

1.2沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)平面位置見圖(tu)l。2008年(nian)6月，堆積(ji)至(zhi)(zhi)5級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時，布設了9個取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取(qu)原狀樣76件；2013年(nian)5月，堆積(ji)至(zhi)(zhi)13級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)時，又布設了11個取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取(qu)原狀樣112件，為比(bi)較(jiao)子(zi)(zi)壩(ba)加高和磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)過程中磷石(shi)(shi)膏(gao)物理力學(xue)性質的變化，在(zai)2，4級(ji)(ji)子(zi)(zi)壩(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)(kong)附近各布設了一個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)分別為K17和K18。

1.3運(yun)行(xing)概(gai)況(kuang)

柳樹箐磷石(shi)膏(gao)尾礦庫(ku)2005年(nian)(nian)開工建設，2006年(nian)(nian)1月投(tou)入(ru)運行，截(jie)至2013年(nian)(nian)5月己堆(dui)(dui)(dui)至13級子(zi)壩，尚有7級子(zi)壩即(ji)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)至設計高程。鑒于(yu)磷石(shi)膏(gao)庫(ku)地(di)(di)形、地(di)(di)質(zhi)條件(jian)較好，具(ju)備擴(kuo)容改造(zao)的條件(jian)，以提高堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)庫(ku)容，減少堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)占(zhan)地(di)(di)，節約(yue)土地(di)(di)資(zi)源。

本文主要(yao)對沉積磷石膏(gao)的物理力學特性進行了全(quan)面(mian)總結，限于篇幅，有關現(xian)狀磷石膏(gao)庫堆積壩的安全(quan)性評(ping)價及其加高可行性的研究(jiu)將另文發表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理(li)力學特性

2.1物理(li)特性

(1)干密(mi)度分布

圖2給出(chu)了(le)14個鉆孔的(de)取樣深度(du)和(he)(he)試(shi)驗(yan)所得干密度(du)的(de)關(guan)系(xi)(xi)，圖中UWL表(biao)示(shi)水位線上(shang)，(系(xi)(xi)鉆孔期間(jian)的(de)初見水位線，下(xia)同)，DWL表(biao)示(shi)水位線下(xia)。圖3給出(chu)了(le)水位線上(shang)下(xia)的(de)飽(bao)和(he)(he)度(du)分布圖。由于(yu)磷石膏中的(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和(he)(he)烘烤時(shi)間(jian)對測(ce)定結果有一定影響，不能照搬現行的(de)土(tu)工(gong)試(shi)驗(yan)規范，本(ben)文磷石膏的(de)含(han)水率測(ce)定方法為55℃溫度(du)下(xia)烘培24h。

圖2沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)干密(mi)度(du)與埋(mai)深(shen)的關系(xi)

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

由圖(tu)3，水位(wei)線上(shang)(shang)的(de)磷石膏(gao)飽(bao)和(he)度(du)平(ping)均值為(wei)50.4%，處于(yu)非飽(bao)和(he)狀(zhuang)態(tai)，水位(wei)線以下的(de)磷石膏(gao)飽(bao)和(he)度(du)平(ping)均值為(wei)85.0%，基本處于(yu)飽(bao)和(he)狀(zhuang)態(tai)，由于(yu)水位(wei)下降(jiang)后磷石膏(gao)來不及排水固結，故而水位(wei)線上(shang)(shang)局部試樣(yang)的(de)飽(bao)和(he)度(du)較高。

由(you)圖2，水位(wei)線(xian)(xian)以上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)密度在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)(xian)以下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)密度在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏與一般(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)尾礦有(you)所不(bu)同，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)密度并不(bu)隨埋深的(de)(de)(de)(de)(de)增大(da)而明(ming)顯增大(da)，但水位(wei)線(xian)(xian)以下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干(gan)密度從統(tong)計(ji)意義上(shang)來看仍大(da)于水位(wei)線(xian)(xian)以上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干(gan)密度，這主要是由(you)于水位(wei)線(xian)(xian)隨庫(ku)水位(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)變化反復升降而使(shi)得磷(lin)石(shi)膏排水固結(jie)所致。

室(shi)內擊(ji)實得(de)到(dao)的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)最大干密(mi)度一(yi)般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可(ke)以看(kan)出，自然(ran)沉積的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)最大干密(mi)度可(ke)達(da)到(dao)1.73g/cm3，原因如下：與經典(dian)的(de)土(tu)(tu)骨(gu)架不可(ke)壓(ya)縮的(de)理論不同(tong)，石膏(gao)(gao)本身可(ke)壓(ya)縮，同(tong)時由于(yu)顆粒(li)結構(gou)不穩定，擊(ji)實試(shi)驗過程中(zhong)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)結構(gou)被破壞，受夯擊(ji)處下陷，四周(zhou)鼓起(qi)，出現(xian)了(le)類似于(yu)橡皮土(tu)(tu)的(de)現(xian)象。而(er)在(zai)現(xian)場(chang)條件下，石膏(gao)(gao)骨(gu)架被破壞后，會導致顆粒(li)中(zhong)的(de)結合(he)水滲出至孔隙內，變成孔隙水，排水固(gu)結后會使得(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)孔隙比(bi)減小，干密(mi)度增大。

圖4給出了相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔K2和(he)K17(位(wei)(wei)(wei)于2級子壩河床(chuang)部(bu)位(wei)(wei)(wei))以及相鄰(lin)鉆(zhan)(zhan)孔K6和(he)K18(位(wei)(wei)(wei)于4級子壩河床(chuang)部(bu)位(wei)(wei)(wei))干(gan)(gan)密度的(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)密度在1.12～1.47g/cm3之間，均(jun)(jun)值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)密度在1.2～1.39g/cm3之間，均(jun)(jun)值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)密度在1.13～1.57g/cm3之間，均(jun)(jun)值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)密度在1.14～1.59g/cm3之間，均(jun)(jun)值為(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使從統計意(yi)義上(shang)來看，磷石膏的(de)干(gan)(gan)密度也(ye)并未隨后續(xu)磷石膏的(de)堆積而有較為(wei)明(ming)顯的(de)增大。

(2)級(ji)配分(fen)布

顆粒(li)分(fen)析試驗采用密度計法，制備懸液時(shi)不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得(de)到的(de)(de)級配包線、平均粒(li)徑d50、不(bu)均勻系(xi)(xi)數(1u和曲率系(xi)(xi)數Cc的(de)(de)分(fen)布圖。

從(cong)圖5(a)可(ke)見，磷石膏的粒(li)徑主要分(fen)(fen)布(bu)(bu)在(zai)0.005～0.075mm之(zhi)間，總體上屬于(yu)粉土，但(dan)可(ke)能由于(yu)礦石來源或(huo)生產工藝有所不(bu)同，局部屬于(yu)粉砂～中砂。粒(li)徑分(fen)(fen)布(bu)(bu)范圍比Blight和(he)張超等的試驗結果要寬(kuan)一些。

圖4子(zi)壩加(jia)高后沉(chen)積磷石膏的干密(mi)度變化

圖5沉積(ji)磷石膏(gao)的平(ping)均粒徑和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論(lun)是水平向還是垂直向，磷石(shi)膏(gao)(gao)與金屬(shu)礦(kuang)山尾(wei)礦(kuang)的“前(qian)粗后細(xi)(xi)，上粗下細(xi)(xi)”的自(zi)然分級(ji)(ji)現象不(bu)(bu)同(tong)，也即粗顆粒(li)并不(bu)(bu)是沿埋深逐(zhu)步減小或距離(li)放(fang)漿口越遠(yuan)顆粒(li)越細(xi)(xi)，其原因(yin)如(ru)下：①磷石(shi)膏(gao)(gao)顆粒(li)粒(li)徑組成較為(wei)集中、均(jun)勻，主要以粉(fen)粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)(ji)配較差(cha)；②相(xiang)比較金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)，磷石(shi)膏(gao)(gao)的比重(zhong)較小，磷石(shi)膏(gao)(gao)的比重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的比重(zhong)，例如(ru)鐵尾(wei)礦(kuang)的比重(zhong)可達2.9；③放(fang)漿口隨子壩(ba)高(gao)度不(bu)(bu)斷(duan)增加而不(bu)(bu)斷(duan)變動(dong)并向庫尾(wei)延伸，造成沉積磷石(shi)膏(gao)(gao)的粒(li)徑變化不(bu)(bu)明(ming)顯(xian)。

從圖5(d)可見，不(bu)均(jun)勻系數Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平均(jun)值為4.18，曲率系數(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平均(jun)值為1.21，在統計的100多個試(shi)樣中，屬于級配(pei)不(bu)良土(tu)的占(zhan)93%。這種級配(pei)特性決定了磷石膏具有較(jiao)高的壓縮性、滲透破壞(huai)型式表(biao)現為流土(tu)破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)系數(shu)的主(zhu)要(yao)因(yin)素是粒徑大(da)小(xiao)、級(ji)配和孔隙比(bi)，因(yin)而磷石(shi)膏的滲(shen)透(tou)系數(shu)與粉土較為接近(jin)。由(you)于(yu)孔隙比(bi)e減小(xiao)，使(shi)(shi)得過水通道面(mian)積(ji)減小(xiao)，滲(shen)透(tou)系數(shu)k也將減小(xiao)，k與e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系。對(dui)砂土，一般認為滲(shen)透(tou)系數(shu)k與e3/(1+e)的線性(xing)(xing)關(guan)系較好，圖(tu)6給(gei)出了二(er)者(zhe)間的關(guan)系曲線，由(you)于(yu)沉積(ji)磷石(shi)膏的不均(jun)勻系數(shu)變化(hua)較大(da)，使(shi)(shi)得沉積(ji)磷石(shi)膏的滲(shen)透(tou)系數(shu)變化(hua)范圍較大(da)(平均(jun)值為10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二(er)者(zhe)問的線性(xing)(xing)關(guan)系較差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲透系(xi)數與孔隙比的關(guan)系(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)平與垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)比值的(de)分(fen)布(bu)。沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)水(shui)(shui)平向(xiang)滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)kh一般大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)的(de)滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)kv,kh/kv平均(jun)值約為2.86，這一點與成層分(fen)布(bu)的(de)金(jin)屬尾礦規律(lv)一致。造成沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平向(xiang)滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)(shen)透系(xi)數(shu)的(de)原(yuan)因是由(you)于(yu)(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有明顯(xian)(xian)的(de)晶體結構，電鏡掃描顯(xian)(xian)示多為菱形和(he)棱柱狀形式(見圖8)，在(zai)沉(chen)積過程中，由(you)于(yu)(yu)(yu)扁平狀磷(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒多呈(cheng)水(shui)(shui)平排(pai)列，使(shi)得(de)水(shui)(shui)平方向(xiang)的(de)透水(shui)(shui)性(xing)大(da)(da)于(yu)(yu)(yu)垂直(zhi)方向(xiang)的(de)透水(shui)(shui)性(xing)，從(cong)而(er)使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)呈(cheng)現明顯(xian)(xian)的(de)各向(xiang)異性(xing)。

另(ling)根(gen)據中國有色(se)金屬工業昆明(ming)勘察設計研究(jiu)院(yuan)在楊家(jia)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩開展的(de)(de)(de)現(xian)場滲透試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)(de)(de)平(ping)(ping)均值約為1.9。但張(zhang)超等(deng)的(de)(de)(de)室內試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)(de)(de)平(ping)(ping)均值約為0.46，也(ye)即垂直(zhi)向(xiang)滲透系(xi)數大于水平(ping)(ping)向(xiang)滲透系(xi)數，與(yu)本文和現(xian)場試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)恰恰相反(fan)。從磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)微觀(guan)結(jie)構(gou)來(lai)看，本文試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)更為合(he)理。

圖(tu)7沉(chen)積磷(lin)石膏干密度與水(shui)平和垂(chui)直滲透(tou)系(xi)(xi)數比(bi)值的關系(xi)(xi)

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石膏干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)力梯度J與流速(su)V的(de)(de)(de)關系(xi)曲線，試(shi)(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采用(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)平方(fang)向的(de)(de)(de)滲(shen)流形(xing)式進行(xing)。試(shi)(shi)驗(yan)得到(dao)的(de)(de)(de)臨界(jie)坡降Jc=0.355，破(po)(po)壞坡降Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說，對(dui)(dui)1，2級工程，滲(shen)透安(an)全(quan)系(xi)數(shu)取為(wei)2.5，則(ze)允(yun)許(xu)出逸(yi)坡降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以下(xia)工程，滲(shen)透安(an)全(quan)系(xi)數(shu)取2.0，則(ze)允(yun)許(xu)出逸(yi)坡降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)比降與粉土(tu)一(yi)粉砂大致相同。但上述滲(shen)透變形(xing)試(shi)(shi)驗(yan)是(shi)(shi)采用(yong)(yong)自(zi)來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)(de)，自(zi)來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)對(dui)(dui)磷(lin)石膏具有一(yi)定的(de)(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)(yong)，而(er)實際上磷(lin)石膏中(zhong)殘余磷(lin)、硫和氟酸，庫水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)般小(xiao)于3(稱之為(wei)酸性(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui))，在酸性(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)作(zuo)用(yong)(yong)下(xia)，磷(lin)石膏不會(hui)發生破(po)(po)壞，上述試(shi)(shi)驗(yan)結果是(shi)(shi)偏于保守(shou)的(de)(de)(de)，但對(dui)(dui)非(fei)酸性(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)條件(例(li)如特(te)大暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)透穩定判(pan)斷有一(yi)定的(de)(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯度(du)J-流速v試(shi)驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗(yan)

試(shi)驗(yan)在(zai)5Bar的壓力板儀中進行(xing)，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(wei)0～500kPa。表(biao)l列出了含水(shui)率特征(zheng)值，試(shi)驗(yan)曲線(xian)見(jian)圖(tu)10所示。

試(shi)驗結果表明(ming)：①干密(mi)度對進氣值沒有明(ming)顯的(de)影(ying)響，不(bu)同干密(mi)度的(de)試(shi)樣(yang)的(de)進氣值大致(zhi)在(zai)10kPa左右；②土(tu)樣(yang)殘余(yu)含水(shui)率(lv)隨(sui)干密(mi)度的(de)增加而減少，殘余(yu)含水(shui)率(lv)約為飽和含水(shui)率(lv)的(de)10%。上述特性與(yu)粉土(tu)一粉砂(sha)基(ji)本一致(zhi)。

2.3靜力力學特(te)性

(1)三軸CU試(shi)驗(yan)

由于沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)(de)密度(du)(du)(du)變化較(jiao)大，而(er)進行(xing)三軸(zhou)試(shi)(shi)驗需要若(ruo)干(gan)(gan)原(yuan)狀樣，為(wei)使試(shi)(shi)驗結果具有較(jiao)好的(de)(de)(de)一致性(xing)，有針對(dui)性(xing)的(de)(de)(de)選(xuan)擇平均干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)分別(bie)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)(de)(de)若(ruo)干(gan)(gan)試(shi)(shi)樣，進行(xing)了5組三軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗。圖11是(shi)為(wei)干(gan)(gan)密度(du)(du)(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)(de)三軸(zhou)CU試(shi)(shi)驗曲線。

從圖11可以看出，磷石(shi)膏(gao)的(de)應力應變關(guan)系曲線(xian)在(zai)(zai)低圍壓(ya)下(xia)表現為軟(ruan)化(hua)型，在(zai)(zai)高圍壓(ya)下(xia)表現為硬化(hua)型，與(yu)一般土類相似。但與(yu)一般粉土一粉砂不同的(de)是(shi)，即(ji)使在(zai)(zai)較(jiao)(jiao)為疏松的(de)狀態下(xia)，磷石(shi)膏(gao)仍表現了較(jiao)(jiao)為強烈的(de)剪(jian)脹(zhang)，隨密(mi)實度增大，剪(jian)脹(zhang)作(zuo)用愈(yu)發明顯(xian)。

表2給出了(le)不(bu)同干(gan)密度下的內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出了(le)內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)密度的關系曲線。隨干(gan)密度的增(zeng)(zeng)大，內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較好地擬合。磷(lin)石膏的干(gan)密度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了(le)32%，總應力摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加為37.3°(根(gen)據擬合曲線求得)，增(zeng)(zeng)幅為9.4%，有效應力摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加為38.8°，增(zeng)(zeng)幅為3.2%，由于(yu)(yu)隨圍壓的增(zeng)(zeng)大，孔壓也(ye)明顯(xian)增(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅較之總應力摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較之于(yu)(yu)干(gan)密度增(zeng)(zeng)幅，摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)幅并不(bu)顯(xian)著，表明即使較為疏(shu)松(song)的磷(lin)石膏仍具(ju)有較高的強度指標，這(zhe)也(ye)表明磷(lin)石膏堆積壩的穩定性較高。

(2)蠕變(次固結(jie))變形(xing)試驗

磷石膏的蠕變變形試(shi)(shi)驗在側限壓(ya)縮儀中進行(xing)，試(shi)(shi)驗狀態相當于K0固結。試(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)(shi)樣干密度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣飽和后分別開展了上覆壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗，

試(shi)驗(yan)從2012年8月27日開始(shi)，試(shi)驗(yan)己進行了1年多，試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)見(jian)圖13所示。

從圖13中(zhong)可以看出：上覆荷載(zai)越大(da)(da)，磷石膏(gao)(gao)的蠕變變形(xing)(xing)也(ye)越大(da)(da)，荷載(zai)施加1年后(hou)，磷石膏(gao)(gao)的蠕變變形(xing)(xing)仍非常(chang)顯著(zhu)，尚未達到穩定狀態，這也(ye)是磷石膏(gao)(gao)堆(dui)積壩后(hou)期(qi)變形(xing)(xing)較大(da)(da)的原因，原型觀測資(zi)料表明(ming)，在5級子壩河床部位的表面沉降量已經達到3.1m，且尚未完全穩定。

按(an)時間(jian)(jian)對數(shu)(shu)法，可求得各級荷載下的(de)主次固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)量(liang)如表3所示。試(shi)驗結(jie)果(guo)表明，在(zai)(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)(zai)(zai)試(shi)驗時間(jian)(jian)范圍內(nei)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(次固(gu)結(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)是(shi)主固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實(shi)際(ji)的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)應更大(da)。對土體(ti)而(er)言(yan)，發生蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是(shi)由于(yu)土體(ti)在(zai)(zai)(zai)(zai)主固(gu)結(jie)完(wan)成(cheng)之(zhi)后(hou)(hou)，土體(ti)中仍有微小的(de)超(chao)靜孔隙壓(ya)力存在(zai)(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)(zai)顆粒(li)問流動，一般來講土體(ti)的(de)次固(gu)結(jie)遠小于(yu)主固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)；對磷石膏而(er)言(yan)，其(qi)滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)在(zai)(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級，遠大(da)于(yu)黏(nian)性土，但(dan)其(qi)卻發生了(le)(le)極為(wei)顯著(zhu)的(de)次固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，其(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)磷石膏晶體(ti)結(jie)構發生了(le)(le)壓(ya)縮、破壞，接觸(chu)點晶格(ge)發生歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，而(er)破壞后(hou)(hou)晶格(ge)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)重(zhong)新(xin)排列(lie)、調整(zheng)到最(zui)后(hou)(hou)趨于(yu)相(xiang)對靜止需要相(xiang)當長的(de)時間(jian)(jian)才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學(xue)特性

試驗(yan)設(she)備采用英(ying)國GDS公司進口(kou)的電機控(kong)制動三(san)軸試驗(yan)系(xi)統(tong)，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模(mo)量(liang)和(he)阻(zu)尼比

同樣由于自(zi)然(ran)沉積的磷(lin)石(shi)膏密度變化較大，為此根據物(wu)理性質(zhi)試驗結(jie)果，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變化范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動剪切模量(liang)G、阻尼比與剪應變幅值γd的關系式如下：

式中k1為(wei)參數，表示(shi)動剪(jian)切(qie)模量(liang)的衰減或(huo)阻(zu)尼比的增長速率；λmax為(wei)最(zui)大(da)阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大(da)動剪(jian)切(qie)模量(liang)和歸一化的動剪(jian)應變，表示(shi)為(wei)

式中(zhong)k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力(li)；Pa為(wei)(wei)標準大氣壓；vd為(wei)(wei)動泊松(song)比；εa為(wei)(wei)歸一化的動應變，表達(da)為(wei)(wei)

圖14給出了動剪切模量(liang)、阻尼(ni)比(bi)與歸一化動應變的(de)(de)(de)關系曲線，另外圖中還給出了式(1)的(de)(de)(de)擬合曲線以(yi)及Seed等給出的(de)(de)(de)砂樣的(de)(de)(de)上下邊界線，圖例(li)中，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固結(jie)應力比(bi)。

從(cong)圖(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)以看(kan)出：①式(shi)(1)可(ke)較好地描述(shu)磷石膏(gao)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)-動(dong)(dong)應(ying)(ying)(ying)變試(shi)驗曲(qu)線(xian)，表(biao)明采用等價黏彈性(xing)模(mo)型(xing)進行循(xun)環荷(he)載作用下(xia)的(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)位(wei)(wei)于(yu)(yu)干(gan)密(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)上方，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則位(wei)(wei)于(yu)(yu)下(xia)方，表(biao)明密(mi)度(du)越大(da)(da)，動(dong)(dong)彈模(mo)越大(da)(da)、阻尼比(bi)越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)基(ji)(ji)本位(wei)(wei)于(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)邊界線(xian)上方，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則基(ji)(ji)本處于(yu)(yu)邊界線(xian)中(zhong)(zhong)(zhong)間，表(biao)明相(xiang)比(bi)較砂(sha)樣，磷石膏(gao)動(dong)(dong)彈模(mo)較大(da)(da)，會(hui)(hui)導(dao)致磷石膏(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)(ying)(ying)較大(da)(da)，但由(you)于(yu)(yu)阻尼比(bi)也較大(da)(da)，這樣又會(hui)(hui)削(xue)弱(ruo)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)相(xiang)互影響(xiang)下(xia)，磷石膏(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)反應(ying)(ying)(ying)將不會(hui)(hui)過于(yu)(yu)強烈，這對磷石膏(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種(zhong)平均(jun)干密(mi)度為1.12(變(bian)(bian)化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)(bian)化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準(zhun)為總(zong)應變(bian)(bian)達到(dao)10%。

圖15給出了動(dong)剪(jian)(jian)應力(li)比τd/σ0′與(yu)破壞(huai)振(zhen)次Nf的(de)關系曲線圖，其(qi)中σ0為(wei)(wei)振(zhen)前試樣(yang)45°面(mian)上的(de)有(you)效法向應力(li)，表達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結比。從(cong)試驗結果(guo)可以(yi)看出，沉積磷石膏的(de)動(dong)強度與(yu)其(qi)它土(tu)體(ti)相(xiang)似，表現為(wei)(wei)圍(wei)壓和固結應力(li)比與(yu)動(dong)剪(jian)(jian)應力(li)比呈負相(xiang)關關系。

為(wei)判別沉積磷石膏(gao)的抗(kang)液(ye)化(hua)能力，假定抗(kang)震設計(ji)烈度(du)為(wei)8度(du)，即等效振(zhen)次Ⅳ可取為(wei)30。首先由式(4)

所示的(de)冪函數(shu)關系式得到振(zhen)次(ci)為30時各(ge)個(ge)圍(wei)壓(ya)和固(gu)結比(bi)下的(de)動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應力比與圍(wei)壓(ya)和固結應力比的關系式：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(shang)述(shu)擬(ni)合關系(xi)式可見，密實(shi)度提高后(hou)，動剪應(ying)力(li)比提高，表(biao)明抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力(li)也提高。但即使是在低密度下(xia)，其動剪應(ying)力(li)比較之同類(lei)的粉土(tu)或粉砂也大出許(xu)多，表(biao)明磷石膏(gao)具有較高的抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力(li)。

三(san)、結論(lun)

依托柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩，在鉆探取樣(yang)工作的基礎(chu)上，首先(xian)開展了(le)物理性質試驗，然后開展了(le)靜動(dong)力力學特(te)性試驗。通(tong)過上述試驗研究，得出(chu)如下結論：

(1)沉積(ji)磷石膏(gao)總體(ti)上屬于級配不良的粉土，局部屬于粉砂一中砂，無自然分級現象(xiang)。其干密度和粒徑變化隨埋深或距放漿口距離的變化不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏(gao)水平方向(xiang)的滲透系數大于垂直(zhi)方向(xiang)的滲透系數，呈現明顯的各向(xiang)異性(xing)。

(3)與土體(ti)顆粒不可壓(ya)(ya)縮不同，磷石膏(gao)的晶體(ti)結構會發生壓(ya)(ya)縮破壞(huai)，具有較大的壓(ya)(ya)縮性，其次固(gu)結變形量(liang)遠大于主固(gu)結變形量(liang)。

(4)沉(chen)積磷石膏的靜動強(qiang)度較之(zhi)同等(deng)密實(shi)度下的粉土、粉砂要(yao)高。