沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)是磷(lin)(lin)(lin)酸生產過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)副產品，目(mu)前的(de)(de)(de)(de)綜合利(li)用率尚不足40%，大(da)部分(fen)需要(yao)堆(dui)存(cun)存(cun)放。受地形限制和(he)(he)(he)經濟效益考慮，中國主要(yao)為濕法(fa)堆(dui)存(cun)的(de)(de)(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)，針(zhen)對沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)首先開(kai)展了(le)(le)密(mi)(mi)度、含水(shui)(shui)率、滲(shen)透(tou)、土水(shui)(shui)特(te)征(zheng)和(he)(he)(he)顆分(fen)等(deng)(deng)物理性(xing)質(zhi)試(shi)驗(yan)，然后開(kai)展了(le)(le)三軸cu、蠕變(bian)及(ji)動三軸等(deng)(deng)力學特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)。試(shi)驗(yan)結(jie)果表明：①沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度與埋深(shen)沒有(you)相(xiang)關(guan)關(guan)系；②沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)不具有(you)自然分(fen)級(ji)現象，但具有(you)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)各(ge)向異性(xing)；③沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)具有(you)較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)摩擦角和(he)(he)(he)抗液化能(neng)力，但其蠕變(bian)變(bian)形較(jiao)大(da)、滲(shen)透(tou)比降較(jiao)小。上述工(gong)作為分(fen)析磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)壩(ba)體(ti)穩定性(xing)提供了(le)(le)基礎，對現行(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)庫的(de)(de)(de)(de)運行(xing)管理以及(ji)新建(jian)工(gong)程的(de)(de)(de)(de)設計具有(you)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)借鑒(jian)意義。

引(yin)言(yan)

磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)是濕(shi)法(fa)磷(lin)酸生產(chan)(chan)過程中(zhong)的(de)(de)副產(chan)(chan)品，2018年，全國磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)產(chan)(chan)生量(liang)(liang)為7800萬噸，且(qie)呈逐年增(zeng)長的(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)主要成分(fen)是CaO和(he)(he)SO3，但含有一定量(liang)(liang)的(de)(de)氟化物和(he)(he)其它放(fang)射(she)性物質(zhi)，在中(zhong)國通常按(an)Ⅱ類一般工(gong)(gong)業(ye)固(gu)體廢物處理，鑒(jian)于(yu)無害(hai)化處理成本(ben)較高，目前綜合利用率尚不(bu)足40%，故大(da)部分(fen)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)需(xu)要堆存(cun)存(cun)放(fang)。按(an)堆存(cun)場(chang)地(di)的(de)(de)不(bu)同，可(ke)分(fen)為平地(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和(he)(he)截河(he)型(xing)(xing)堆場(chang)，在中(zhong)國基本(ben)上是山谷型(xing)(xing)堆場(chang)。相比(bi)較干法(fa)堆存(cun)，濕(shi)法(fa)堆存(cun)經(jing)濟(ji)優(you)勢明顯，因而(er)如(ru)地(di)質(zhi)條(tiao)件為非碳酸鹽巖地(di)區(qu)，一般均采用濕(shi)排濕(shi)堆方式。隨著中(zhong)國磷(lin)肥工(gong)(gong)業(ye)的(de)(de)快速發展，本(ben)世(shi)紀初中(zhong)國相繼建設(she)(she)了幾座濕(shi)法(fa)堆存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)，例如(ru)云天化國際化工(gong)(gong)三環(huan)分(fen)公司的(de)(de)柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆積壩(ba)(ba)和(he)(he)富瑞(rui)分(fen)公司的(de)(de)楊家箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆積壩(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)設(she)(she)計壩(ba)(ba)高均超(chao)過100m、處于(yu)8度地(di)震區(qu)，其安全性備受關注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全世界(jie)有118座尾礦壩曾(ceng)發生過破壞或潰壩事(shi)(shi)故，原(yuan)因(yin)主要(yao)有地震、洪(hong)水(shui)漫(man)頂、滲透破壞和(he)基礎失穩(wen)。尾礦庫(ku)失事(shi)(shi)后會(hui)造成巨(ju)大的生態災難和(he)人員傷(shang)亡(wang)，近幾(ji)十年(nian)來(lai)，

國(guo)內外對金屬(shu)尾礦的(de)沉積(ji)(ji)規律(lv)、物(wu)理(li)力(li)學特(te)性及(ji)其穩定性開展了(le)大量的(de)研(yan)究(jiu)，但(dan)對于(yu)與金屬(shu)尾礦庫相近的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)庫，一般(ban)僅限(xian)于(yu)在可研(yan)階(jie)段采(cai)用人工制備樣進行物(wu)理(li)力(li)學性質試驗，并據此進行穩定性分析，尚未有人針對己運行若(ruo)干(gan)年的(de)大型濕法(fa)堆(dui)存磷石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩開展過磷石(shi)(shi)膏(gao)沉積(ji)(ji)規律(lv)及(ji)其物(wu)理(li)力(li)學特(te)性的(de)專(zhuan)項研(yan)究(jiu)。

本文依托(tuo)柳樹箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩(ba)，首先進行(xing)了(le)鉆探取樣(yang)，采(cai)用原狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)密度、含水(shui)(shui)率、滲透(tou)、土水(shui)(shui)特(te)征(zheng)和顆分等(deng)物理性(xing)質試驗，在此基礎上(shang)有針對性(xing)的選(xuan)擇(ze)原狀(zhuang)樣(yang)開展了(le)三軸CU、蠕(ru)變及(ji)動(dong)三軸等(deng)力學特(te)性(xing)試驗。通過上(shang)述(shu)試驗研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)，總結了(le)磷(lin)石(shi)膏的沉積規律、滲透(tou)特(te)性(xing)、滲透(tou)破壞特(te)性(xing)以及(ji)靜動(dong)力特(te)性(xing)，上(shang)述(shu)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)工作對研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)和評(ping)估磷(lin)石(shi)膏庫堆積壩(ba)的穩定(ding)性(xing)提(ti)供(gong)了(le)基礎數據，對現行(xing)磷(lin)石(shi)膏庫的運行(xing)管理以及(ji)新(xin)建工程的設計具有重要的借(jie)鑒意(yi)義(yi)。

一、依(yi)托工程(cheng)概況(kuang)

1.1柳樹箐(qing)磷石膏堆(dui)(dui)積壩堆(dui)(dui)存設(she)計方案(an)

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成(cheng)，設計(ji)總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用(yong)土料填筑。上游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置堆(dui)石排水體，三者相連通構成(cheng)整個堆(dui)積壩(ba)的主(zhu)要排滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其(qi)輔助排滲措施

采(cai)用(yong)上游(you)式(shi)筑壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)用(yong)排(pai)滲管(guan)網(wang)作為輔助(zhu)排(pai)滲方(fang)案(an)，目前己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置了井字形(xing)排(pai)滲管(guan)網(wang)。

1.2沉積磷石膏的鉆探(tan)取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面位置(zhi)見圖l。2008年(nian)6月，堆積(ji)至(zhi)(zhi)5級(ji)(ji)子(zi)壩時，布(bu)設(she)了(le)9個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取原(yuan)狀樣(yang)76件；2013年(nian)5月，堆積(ji)至(zhi)(zhi)13級(ji)(ji)子(zi)壩時，又布(bu)設(she)了(le)11個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取原(yuan)狀樣(yang)112件，為(wei)比較(jiao)子(zi)壩加高和磷(lin)石膏堆積(ji)過程中磷(lin)石膏物理(li)力(li)學性(xing)質(zhi)的變化，在2，4級(ji)(ji)子(zi)壩K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)設(she)了(le)一個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)分別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏尾礦庫2005年開工建設，2006年1月投(tou)入運行，截(jie)至2013年5月己堆至13級子壩，尚有7級子壩即堆存至設計高程。鑒于磷石(shi)膏庫地(di)形、地(di)質條件(jian)較好(hao)，具備擴容改造的條件(jian)，以提高堆存庫容，減(jian)少(shao)堆存占(zhan)地(di)，節(jie)約土地(di)資源。

本文主要對沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)物理力學特性進行了(le)全(quan)面(mian)總結，限于(yu)篇(pian)幅，有關現狀磷(lin)(lin)石(shi)膏庫堆積壩的(de)安(an)全(quan)性評價及其加高可(ke)行性的(de)研究將(jiang)另文發表。

二、沉積磷石膏的(de)物理力學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)(tu)2給出了(le)14個鉆(zhan)孔的(de)(de)取樣深度和試(shi)驗所(suo)得(de)干(gan)密(mi)度的(de)(de)關系，圖(tu)(tu)中UWL表示(shi)(shi)水位線(xian)上，(系鉆(zhan)孔期間的(de)(de)初(chu)見(jian)水位線(xian)，下(xia)同(tong))，DWL表示(shi)(shi)水位線(xian)下(xia)。圖(tu)(tu)3給出了(le)水位線(xian)上下(xia)的(de)(de)飽和度分(fen)布(bu)圖(tu)(tu)。由于磷(lin)石膏中的(de)(de)主要成(cheng)分(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫(wen)度和烘烤(kao)時間對測定(ding)結果有(you)一定(ding)影響，不(bu)能照(zhao)搬現行的(de)(de)土(tu)工(gong)試(shi)驗規范(fan)，本文(wen)磷(lin)石膏的(de)(de)含水率測定(ding)方法為55℃溫(wen)度下(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密度(du)與埋深的關系

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

由(you)圖3，水位線(xian)上的磷石膏飽(bao)和(he)度(du)平均值為50.4%，處于(yu)(yu)非(fei)飽(bao)和(he)狀(zhuang)態，水位線(xian)以下的磷石膏飽(bao)和(he)度(du)平均值為85.0%，基本處于(yu)(yu)飽(bao)和(he)狀(zhuang)態，由(you)于(yu)(yu)水位下降后磷石膏來不及排水固(gu)結，故而水位線(xian)上局部試樣的飽(bao)和(he)度(du)較高。

由圖2，水位(wei)線(xian)以上(shang)的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均值為(wei)1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)以下(xia)的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均值為(wei)1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石膏與一(yi)般的(de)尾(wei)礦有所不(bu)同，磷(lin)石膏的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)并不(bu)隨埋深的(de)增(zeng)(zeng)大(da)而明顯增(zeng)(zeng)大(da)，但(dan)水位(wei)線(xian)以下(xia)的(de)磷(lin)石膏干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)從統計意義上(shang)來看仍大(da)于水位(wei)線(xian)以上(shang)的(de)磷(lin)石膏干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)，這主要(yao)是由于水位(wei)線(xian)隨庫水位(wei)的(de)變(bian)化反復升降而使(shi)得磷(lin)石膏排水固結所致。

室內(nei)擊實得到的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干密度一(yi)般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看(kan)出(chu)，自然沉積的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干密度可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)(de)土骨(gu)(gu)架不(bu)可(ke)壓(ya)縮(suo)的(de)(de)理論不(bu)同，石(shi)膏(gao)本身可(ke)壓(ya)縮(suo)，同時由(you)于顆粒結(jie)構(gou)不(bu)穩定，擊實試驗過程中(zhong)磷石(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)被破(po)壞，受夯(hang)擊處下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現(xian)(xian)(xian)了類似(si)于橡皮土的(de)(de)現(xian)(xian)(xian)象。而在現(xian)(xian)(xian)場(chang)條(tiao)件下(xia)，石(shi)膏(gao)骨(gu)(gu)架被破(po)壞后，會導致顆粒中(zhong)的(de)(de)結(jie)合水滲出(chu)至孔(kong)隙(xi)(xi)內(nei)，變成孔(kong)隙(xi)(xi)水，排水固結(jie)后會使得磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)孔(kong)隙(xi)(xi)比(bi)減(jian)小，干密度增(zeng)大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)于(yu)2級(ji)子(zi)壩(ba)河(he)床部位(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)于(yu)4級(ji)子(zi)壩(ba)河(he)床部位(wei))干(gan)密(mi)度(du)的(de)對比(bi)圖。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意(yi)義上來看(kan)，磷(lin)石膏的(de)干(gan)密(mi)度(du)也(ye)并(bing)未隨后(hou)續磷(lin)石膏的(de)堆積而有較為(wei)(wei)明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分(fen)析試驗采用密度計法，制(zhi)備懸液時(shi)不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷酸鈉。圖5給(gei)出了試驗得到的(de)級(ji)配包(bao)線、平均(jun)(jun)粒徑d50、不(bu)均(jun)(jun)勻系(xi)數(shu)(1u和曲率(lv)系(xi)數(shu)Cc的(de)分(fen)布(bu)圖。

從圖5(a)可見(jian)，磷石膏(gao)的(de)粒徑主要分(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)礦石來源或生產工藝有所不同，局部(bu)屬(shu)于(yu)粉(fen)砂～中砂。粒徑分(fen)布范圍比Blight和張超等的(de)試驗(yan)結果(guo)要寬一些。

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

圖(tu)5沉積磷石膏的平均粒徑和級配分布(bu)

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向還是垂直(zhi)向，磷(lin)石(shi)膏(gao)與金屬(shu)礦(kuang)山(shan)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)“前(qian)粗后細(xi)(xi)(xi)，上粗下細(xi)(xi)(xi)”的(de)自然分級現(xian)象(xiang)不同，也(ye)即(ji)粗顆粒并(bing)不是沿(yan)埋深逐步減小(xiao)(xiao)或(huo)距離放(fang)漿(jiang)口(kou)越(yue)遠顆粒越(yue)細(xi)(xi)(xi)，其(qi)原因(yin)如下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒粒徑組成(cheng)較(jiao)為集中、均勻，主要以(yi)粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)重較(jiao)小(xiao)(xiao)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)重一般為2.3～2.4，遠小(xiao)(xiao)于金屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重，例如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)比(bi)重可達2.9；③放(fang)漿(jiang)口(kou)隨子壩高度不斷(duan)(duan)增加而不斷(duan)(duan)變動并(bing)向庫(ku)尾(wei)(wei)延伸，造成(cheng)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)粒徑變化不明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不均(jun)(jun)勻系數(shu)Cu范圍(wei)(wei)值1.61～21.5，平(ping)均(jun)(jun)值為(wei)4.18，曲率系數(shu)(1c范圍(wei)(wei)值0.28～9.78，平(ping)均(jun)(jun)值為(wei)1.21，在(zai)統計的100多個試(shi)樣中(zhong)，屬于級(ji)配不良土的占(zhan)93%。這種級(ji)配特性決(jue)定了磷石(shi)膏具有較高的壓縮性、滲透破壞型式表現為(wei)流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級配(pei)和孔隙比，因而(er)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)與(yu)粉(fen)土較(jiao)為(wei)(wei)接(jie)近(jin)。由于(yu)孔隙比e減(jian)(jian)小(xiao)，使(shi)得(de)過(guo)水通道面積減(jian)(jian)小(xiao)，滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)k也(ye)將減(jian)(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈(cheng)正(zheng)相(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)。對砂(sha)土，一般認為(wei)(wei)滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出(chu)了二者間(jian)的(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)曲線，由于(yu)沉(chen)(chen)積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)數(shu)變化較(jiao)大，使(shi)得(de)沉(chen)(chen)積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)滲(shen)(shen)透系(xi)(xi)數(shu)變化范圍(wei)較(jiao)大(平均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)10-4cm/s數(shu)量級)，二者問的(de)(de)線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)差。

圖(tu)6沉積磷石膏滲透系數(shu)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)垂(chui)(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)滲透(tou)系數(shu)比值(zhi)的(de)(de)分布。沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)系數(shu)kh一(yi)般大(da)(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)的(de)(de)滲透(tou)系數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約為2.86，這一(yi)點與(yu)成層(ceng)分布的(de)(de)金屬尾(wei)礦(kuang)規律一(yi)致。造成沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)系數(shu)大(da)(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)直向(xiang)(xiang)滲透(tou)系數(shu)的(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)磷石(shi)膏具有明(ming)顯的(de)(de)晶(jing)體結構，電鏡掃描顯示多(duo)為菱(ling)形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉(chen)積(ji)過(guo)程中，由于(yu)扁平(ping)狀(zhuang)磷石(shi)膏顆粒多(duo)呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)排列，使得水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性大(da)(da)于(yu)垂(chui)(chui)(chui)直方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性，從而使磷石(shi)膏呈現明(ming)顯的(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另根(gen)據(ju)中國(guo)有色金(jin)屬(shu)工業昆明勘(kan)察設計研究院在楊(yang)家箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩開展的(de)現場滲透試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)平均值(zhi)約為(wei)1.9。但張超等的(de)室(shi)內試(shi)(shi)驗(yan)(yan)顯示，kh/kv的(de)平均值(zhi)約為(wei)0.46，也(ye)即(ji)垂(chui)直向滲透系數(shu)大于水平向滲透系數(shu)，與本文和現場試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果恰恰相反。從磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)微觀結(jie)(jie)構來(lai)看(kan)，本文試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干(gan)密度與水平和垂直滲(shen)透系數比(bi)值的關系

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干(gan)密度為1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)力梯(ti)度J與流(liu)速V的(de)(de)(de)(de)關系(xi)曲線，試驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平(ping)管涌儀中采(cai)(cai)用(yong)水(shui)(shui)平(ping)方向的(de)(de)(de)(de)滲流(liu)形(xing)式進(jin)行。試驗(yan)得到的(de)(de)(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破壞坡降(jiang)Jp=0.375。一般來說，對1，2級(ji)工程(cheng)，滲透安全系(xi)數(shu)取為2.5，則允許(xu)出逸(yi)坡降(jiang)為0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下(xia)工程(cheng)，滲透安全系(xi)數(shu)取2.0，則允許(xu)出逸(yi)坡降(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)與粉(fen)土一粉(fen)砂大致相同。但(dan)上述滲透變形(xing)試驗(yan)是(shi)采(cai)(cai)用(yong)自來水(shui)(shui)進(jin)行的(de)(de)(de)(de)，自來水(shui)(shui)對磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具有一定(ding)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)蝕作(zuo)用(yong)，而(er)實(shi)際上磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)中殘余(yu)磷(lin)、硫和氟(fu)酸(suan)，庫(ku)水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)pH值(zhi)一般小(xiao)于3(稱之(zhi)為酸(suan)性水(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)性水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)不會發生破壞，上述試驗(yan)結果是(shi)偏于保守的(de)(de)(de)(de)，但(dan)對非(fei)酸(suan)性水(shui)(shui)條件(例(li)如特大暴(bao)雨)下(xia)的(de)(de)(de)(de)滲透穩定(ding)判斷有一定(ding)的(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

圖9水力梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在(zai)5Bar的(de)壓力(li)板儀中進行，環(huan)刀(dao)尺(chi)寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列(lie)出了含(han)水率(lv)特(te)征值，試驗曲線見圖10所(suo)示。

試驗結(jie)果(guo)表明：①干(gan)密(mi)度對進氣值沒有(you)明顯的影響，不同(tong)干(gan)密(mi)度的試樣的進氣值大致在10kPa左右；②土(tu)樣殘(can)余含(han)水(shui)(shui)率(lv)隨干(gan)密(mi)度的增加而減少，殘(can)余含(han)水(shui)(shui)率(lv)約為飽和(he)含(han)水(shui)(shui)率(lv)的10%。上述特性與粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由(you)于沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)密(mi)度變化較大，而進(jin)(jin)行三軸(zhou)(zhou)試(shi)(shi)驗(yan)需(xu)要若(ruo)(ruo)干(gan)原(yuan)狀(zhuang)樣，為(wei)(wei)使試(shi)(shi)驗(yan)結果具有(you)較好的(de)一(yi)致(zhi)性，有(you)針對性的(de)選(xuan)擇平(ping)均干(gan)密(mi)度分(fen)別(bie)為(wei)(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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)(ruo)干(gan)試(shi)(shi)樣，進(jin)(jin)行了5組(zu)三軸(zhou)(zhou)CU試(shi)(shi)驗(yan)。圖(tu)11是為(wei)(wei)干(gan)密(mi)度為(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三軸(zhou)(zhou)CU試(shi)(shi)驗(yan)曲線。

從圖11可以看(kan)出，磷石膏的(de)應力應變關系曲線在低圍壓(ya)下(xia)表(biao)(biao)(biao)現為(wei)軟(ruan)化(hua)型，在高(gao)圍壓(ya)下(xia)表(biao)(biao)(biao)現為(wei)硬化(hua)型，與一(yi)(yi)般(ban)土類相似(si)。但與一(yi)(yi)般(ban)粉土一(yi)(yi)粉砂不同的(de)是，即使在較為(wei)疏松的(de)狀態下(xia)，磷石膏仍表(biao)(biao)(biao)現了較為(wei)強烈的(de)剪脹，隨密實度(du)增大，剪脹作用愈發明顯。

表2給出了(le)不同干密(mi)度(du)(du)下的內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出了(le)內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干密(mi)度(du)(du)的關系曲(qu)(qu)線(xian)。隨干密(mi)度(du)(du)的增(zeng)(zeng)大，內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)大，且可采用冪函(han)數較(jiao)(jiao)好(hao)地擬(ni)合(he)。磷石(shi)膏(gao)的干密(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)為37.3°(根據擬(ni)合(he)曲(qu)(qu)線(xian)求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)為9.4%，有效應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為3.2%，由(you)于隨圍壓的增(zeng)(zeng)大，孔壓也明(ming)(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)總應力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)于干密(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表明(ming)(ming)即使較(jiao)(jiao)為疏松的磷石(shi)膏(gao)仍具有較(jiao)(jiao)高的強度(du)(du)指標，這也表明(ming)(ming)磷石(shi)膏(gao)堆積壩的穩定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(bian)(次固(gu)結(jie))變(bian)形(xing)試驗

磷(lin)石膏的蠕變(bian)變(bian)形試(shi)驗(yan)在側(ce)限壓縮儀中進行，試(shi)驗(yan)狀(zhuang)態相當于K0固(gu)結(jie)。試(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)樣飽和后分別開展(zhan)了上覆壓力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)驗(yan)，

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

從圖13中可以(yi)看出：上覆荷(he)載(zai)越大，磷石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)也越大，荷(he)載(zai)施加1年后(hou)，磷石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未達(da)到穩定(ding)狀(zhuang)態，這(zhe)也是磷石膏堆積壩(ba)后(hou)期變(bian)形(xing)較大的原(yuan)因，原(yuan)型觀測資(zi)料表(biao)明(ming)，在(zai)5級子壩(ba)河床部位的表(biao)面沉降量已經達(da)到3.1m，且尚未完(wan)全穩定(ding)。

按時間(jian)對(dui)數法(fa)，可求(qiu)得各級荷(he)載下的(de)主(zhu)(zhu)次固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量如表(biao)(biao)3所(suo)示。試驗(yan)結(jie)果表(biao)(biao)明，在100～400kPa上覆荷(he)載作用下，在試驗(yan)時間(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(次固(gu)(gu)結(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完成，實(shi)際的(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應更(geng)大。對(dui)土(tu)體(ti)而言，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)原因是由于(yu)土(tu)體(ti)在主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)結(jie)完成之后(hou)(hou)，土(tu)體(ti)中仍(reng)有微小的(de)超靜孔(kong)隙壓力存(cun)在，驅使(shi)水在顆粒(li)問流動，一般來講(jiang)土(tu)體(ti)的(de)次固(gu)(gu)結(jie)遠小于(yu)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷石(shi)膏(gao)而言，其滲透系數在10-4cm/s數量級，遠大于(yu)黏性土(tu)，但其卻發(fa)生(sheng)了極為顯著的(de)次固(gu)(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其原因在于(yu)磷石(shi)膏(gao)晶體(ti)結(jie)構(gou)發(fa)生(sheng)了壓縮、破壞(huai)，接觸點晶格(ge)發(fa)生(sheng)歪(wai)曲和(he)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而破壞(huai)后(hou)(hou)晶格(ge)之間(jian)的(de)重新排(pai)列、調整到最后(hou)(hou)趨于(yu)相對(dui)靜止(zhi)需要相當長的(de)時間(jian)才(cai)能完成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗(yan)設備采用英(ying)國GDS公司進口(kou)的電機控(kong)制動三軸試(shi)驗(yan)系統(tong)，試(shi)樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量(liang)和阻尼比

同樣由于自(zi)然沉積的(de)磷石膏(gao)密度變化較(jiao)大，為此(ci)根據(ju)物理性質(zhi)試(shi)驗結果，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變化范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切(qie)模(mo)量G、阻(zu)尼比與(yu)剪應變幅值γd的關系式如下(xia)：

式中k1為參數(shu)，表示動剪切模量的衰減或阻(zu)尼(ni)(ni)比的增長速率(lv)；λmax為最大阻(zu)尼(ni)(ni)比；Gmax，γd分別為最大動剪切模量和歸一(yi)化的動剪應變，表示為

式中(zhong)k2,n為參數(shu)；σm為球應(ying)力(li)；Pa為標準大氣壓；vd為動泊松比；εa為歸一化的動應(ying)變，表(biao)達為

圖(tu)14給(gei)(gei)出(chu)了(le)動剪切(qie)模量(liang)、阻尼比與(yu)歸一化動應(ying)變的關系(xi)曲(qu)線，另外圖(tu)中(zhong)(zhong)還給(gei)(gei)出(chu)了(le)式(1)的擬(ni)合曲(qu)線以及Seed等給(gei)(gei)出(chu)的砂樣的上下邊(bian)界線，圖(tu)例(li)中(zhong)(zhong)，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固(gu)結(jie)應(ying)力比。

從(cong)圖中(zhong)可以看出(chu)：①式(1)可較(jiao)好地(di)描述磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)動應力(li)-動應變試驗(yan)曲(qu)線(xian)，表(biao)明采(cai)用(yong)(yong)等價黏彈性模型進(jin)行循環荷載作用(yong)(yong)下(xia)的(de)(de)分析是可行的(de)(de)；②圖14(a)中(zhong)干(gan)密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)位于干(gan)密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)上方，圖14(b)中(zhong)則位于下(xia)方，表(biao)明密度(du)越(yue)大(da)，動彈模越(yue)大(da)、阻尼比(bi)越(yue)小；③圖14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密度(du)的(de)(de)擬合線(xian)基本(ben)位于Seed等給(gei)出(chu)的(de)(de)邊界線(xian)上方，而(er)圖14(b)中(zhong)則基本(ben)處(chu)于邊界線(xian)中(zhong)間(jian)，表(biao)明相比(bi)較(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)動彈模較(jiao)大(da)，會導致(zhi)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)動力(li)反應較(jiao)大(da)，但由于阻尼比(bi)也(ye)較(jiao)大(da)，這(zhe)樣又(you)會削弱壩體的(de)(de)動力(li)反應，二者的(de)(de)相互影響下(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩壩體的(de)(de)動力(li)反應將不會過于強烈，這(zhe)對磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)抗震穩定性是有(you)利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均(jun)干密度為1.12(變化范圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化范圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗(yan)，破壞標準(zhun)為總應變達到10%。

圖(tu)15給(gei)出(chu)了(le)動剪(jian)應(ying)(ying)力比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的(de)(de)關(guan)系(xi)曲(qu)線圖(tu)，其中σ0為(wei)振前試(shi)樣45°面上的(de)(de)有效(xiao)法(fa)向(xiang)應(ying)(ying)力，表(biao)達(da)為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)比(bi)。從試(shi)驗結(jie)果可(ke)以看(kan)出(chu)，沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)動強度與(yu)其它(ta)土體相似(si)，表(biao)現為(wei)圍壓和固結(jie)應(ying)(ying)力比(bi)與(yu)動剪(jian)應(ying)(ying)力比(bi)呈負相關(guan)關(guan)系(xi)。

為(wei)判別沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)抗(kang)(kang)液化能(neng)力，假定抗(kang)(kang)震設(she)計烈度(du)為(wei)8度(du)，即等效振次Ⅳ可取(qu)為(wei)30。首先由式(4)

所示的冪函數關系式(shi)得到振次為30時各個(ge)圍壓和固結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合(he)求得動剪應力比與(yu)圍壓和(he)固(gu)結應力比的關系(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(cong)上述(shu)擬(ni)合(he)關系式可見，密實度(du)提高(gao)后，動(dong)剪(jian)應(ying)力比提高(gao)，表明(ming)抗(kang)液(ye)化能(neng)力也提高(gao)。但(dan)即使是在低密度(du)下，其動(dong)剪(jian)應(ying)力比較之(zhi)同類的(de)粉土(tu)或粉砂也大出許多，表明(ming)磷(lin)石膏(gao)具有(you)較高(gao)的(de)抗(kang)液(ye)化能(neng)力。

三、結論

依托柳樹箐(qing)磷(lin)石膏堆(dui)積壩(ba)，在鉆(zhan)探(tan)取樣工作(zuo)的基礎(chu)上(shang)(shang)，首先開展了物理性質試驗(yan)，然后開展了靜動力力學特性試驗(yan)。通過上(shang)(shang)述試驗(yan)研究，得出(chu)如下結論：

(1)沉積磷石膏總體上屬于級配不良的粉(fen)土，局部屬于粉(fen)砂一中砂，無自然(ran)分級現象(xiang)。其(qi)干(gan)密度和粒徑(jing)變化隨埋深(shen)或距放漿口距離的變化不明顯。

(2)沉積(ji)磷石(shi)膏水平方(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數(shu)(shu)大于垂(chui)直方(fang)向(xiang)的滲透(tou)系數(shu)(shu)，呈現明顯的各向(xiang)異性。

(3)與土體顆粒不(bu)可壓(ya)(ya)縮不(bu)同，磷石膏的晶體結構會發生(sheng)壓(ya)(ya)縮破壞，具有(you)較大的壓(ya)(ya)縮性，其次(ci)固結變形量遠大于主固結變形量。

(4)沉積磷石膏的靜動(dong)強度較之同等密實度下的粉土(tu)、粉砂要高。