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(yin)言

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)是濕(shi)法磷(lin)(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)過(guo)程中(zhong)的(de)副產(chan)品，2018年(nian)，全國(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產(chan)生(sheng)量為(wei)7800萬噸(dun)，且(qie)呈逐年(nian)增長的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)主要(yao)成(cheng)分是CaO和(he)SO3，但含有(you)一定量的(de)氟化物和(he)其它放射性物質，在中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)通(tong)常(chang)按Ⅱ類一般工(gong)業(ye)(ye)固體(ti)廢物處(chu)(chu)理，鑒于(yu)無害化處(chu)(chu)理成(cheng)本(ben)較高，目(mu)前綜合利用率尚(shang)不足40%，故大(da)部分磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)場地(di)(di)的(de)不同，可(ke)分為(wei)平地(di)(di)型、傍(bang)山(shan)(shan)型、山(shan)(shan)谷型和(he)截河型堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)場，在中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)基本(ben)上(shang)是山(shan)(shan)谷型堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)場。相比較干(gan)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)經濟優(you)勢明顯，因而如(ru)地(di)(di)質條件(jian)為(wei)非(fei)碳酸鹽巖地(di)(di)區，一般均采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)方式(shi)。隨著中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥工(gong)業(ye)(ye)的(de)快速發(fa)展(zhan)，本(ben)世紀(ji)初(chu)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)(guo)相繼建設(she)了幾座濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)的(de)大(da)型磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)(ku)，例(li)如(ru)云天化國(guo)(guo)(guo)(guo)際化工(gong)三環分公司的(de)柳(liu)樹箐(qing)(qing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)積壩和(he)富瑞分公司的(de)楊家(jia)箐(qing)(qing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)積壩，這兩(liang)座壩設(she)計壩高均超過(guo)100m、處(chu)(chu)于(yu)8度地(di)(di)震區，其安(an)全性備(bei)受關(guan)注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一(yi)2013年(nian))來，全世界有118座尾礦壩曾發生過(guo)破壞(huai)或潰壩事故，原因(yin)主(zhu)要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲(shen)透破壞(huai)和基礎失(shi)(shi)穩。尾礦庫失(shi)(shi)事后會造成巨大的生態災難和人員傷亡(wang)，近幾十年(nian)來，

國內外對(dui)金屬尾礦(kuang)(kuang)的(de)(de)沉積規律、物理(li)(li)力(li)學(xue)特(te)性(xing)及其(qi)穩(wen)定性(xing)開(kai)(kai)展(zhan)了大量的(de)(de)研究(jiu)(jiu)，但對(dui)于(yu)與金屬尾礦(kuang)(kuang)庫相近的(de)(de)磷石膏庫，一般僅(jin)限于(yu)在可(ke)研階段采(cai)用人工制備樣進行物理(li)(li)力(li)學(xue)性(xing)質試驗，并據此進行穩(wen)定性(xing)分析，尚未有(you)人針對(dui)己運行若(ruo)干(gan)年的(de)(de)大型(xing)濕法堆存磷石膏堆積壩(ba)開(kai)(kai)展(zhan)過(guo)磷石膏沉積規律及其(qi)物理(li)(li)力(li)學(xue)特(te)性(xing)的(de)(de)專項研究(jiu)(jiu)。

本文依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩，首先進行了鉆探取樣(yang)，采用原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展了密度、含水(shui)率、滲(shen)透、土水(shui)特(te)(te)征和(he)顆分等(deng)物(wu)理性(xing)(xing)(xing)質試(shi)(shi)驗(yan)，在(zai)此基礎上有(you)針對性(xing)(xing)(xing)的選擇原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展了三軸CU、蠕變及(ji)(ji)動(dong)三軸等(deng)力學(xue)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)試(shi)(shi)驗(yan)。通過上述(shu)(shu)試(shi)(shi)驗(yan)研究，總結了磷(lin)石(shi)膏(gao)的沉積(ji)規(gui)律、滲(shen)透特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)、滲(shen)透破(po)壞特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)以及(ji)(ji)靜動(dong)力特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)，上述(shu)(shu)研究工作對研究和(he)評估磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積(ji)壩的穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)提(ti)供了基礎數據，對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫的運行管理以及(ji)(ji)新建工程的設計具有(you)重要(yao)的借鑒意(yi)義。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積(ji)壩堆(dui)存(cun)設(she)計(ji)方案

由初期壩和堆積(ji)壩組(zu)成(cheng)，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采(cai)用土料填筑(zhu)。上游(you)(you)坡面、壩底和(he)下游(you)(you)壩腳設置(zhi)堆石排(pai)水體，三者相連通構成整個堆積壩的主(zhu)要排(pai)滲系統。

(2)堆積壩及其輔助排(pai)滲措施

采用上游式筑壩法，共20級子壩，頂寬(kuan)6～9m，高度(du)5m，堆積高度(du)約(yue)100m。采用排滲管網(wang)作為輔助(zhu)排滲方(fang)案，目前(qian)己在5級、9級子壩和13級子壩壩前(qian)120m范圍內設置了井字(zi)形排滲管網(wang)。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆(zhan)探取樣

鉆(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積(ji)(ji)至5級(ji)子壩(ba)時，布設了(le)9個(ge)取樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號K1～K9，取原狀樣(yang)(yang)76件(jian)；2013年5月，堆(dui)積(ji)(ji)至13級(ji)子壩(ba)時，又(you)布設了(le)11個(ge)取樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號K10～K20，取原狀樣(yang)(yang)112件(jian)，為(wei)比較子壩(ba)加高和磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)過程中磷石膏(gao)物理(li)力學性質的(de)變化，在2，4級(ji)子壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布設了(le)一個(ge)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號分(fen)別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷石膏尾(wei)礦庫2005年開工建設(she)，2006年1月投(tou)入運行(xing)，截至(zhi)2013年5月己(ji)堆至(zhi)13級子壩，尚有7級子壩即(ji)堆存至(zhi)設(she)計高(gao)程。鑒(jian)于磷石膏庫地(di)(di)形、地(di)(di)質條(tiao)件(jian)較好，具備擴容改造的條(tiao)件(jian)，以提(ti)高(gao)堆存庫容，減少堆存占地(di)(di)，節約(yue)土(tu)地(di)(di)資源(yuan)。

本文主(zhu)要對(dui)沉積磷石膏的(de)物理力(li)學特性進(jin)行了全面(mian)總(zong)結，限于(yu)篇幅，有關現狀磷石膏庫堆積壩的(de)安(an)全性評價及其加高可(ke)行性的(de)研(yan)究將另(ling)文發表。

二、沉(chen)積磷石膏的(de)物理力學特性

2.1物理(li)特性

(1)干密度分(fen)布

圖(tu)2給出(chu)了14個鉆(zhan)孔的(de)取樣深度(du)(du)(du)和試(shi)驗所(suo)得干密(mi)度(du)(du)(du)的(de)關系(xi)，圖(tu)中UWL表(biao)示水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上，(系(xi)鉆(zhan)孔期間的(de)初(chu)見水(shui)(shui)位(wei)線(xian)，下同)，DWL表(biao)示水(shui)(shui)位(wei)線(xian)下。圖(tu)3給出(chu)了水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上下的(de)飽和度(du)(du)(du)分(fen)布圖(tu)。由(you)于磷(lin)石膏中的(de)主要(yao)成(cheng)分(fen)為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)(du)(du)和烘(hong)(hong)烤(kao)時間對測定結(jie)果有一定影響，不能照搬現行的(de)土工試(shi)驗規(gui)范，本(ben)文(wen)磷(lin)石膏的(de)含水(shui)(shui)率測定方法為55℃溫度(du)(du)(du)下烘(hong)(hong)培24h。

圖2沉積磷石膏干(gan)密度與埋深的關系(xi)

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

由圖(tu)3，水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)的(de)磷(lin)石膏飽和(he)(he)度平均(jun)(jun)值(zhi)為50.4%，處(chu)于(yu)非飽和(he)(he)狀態，水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)石膏飽和(he)(he)度平均(jun)(jun)值(zhi)為85.0%，基(ji)本處(chu)于(yu)飽和(he)(he)狀態，由于(yu)水(shui)(shui)位下降(jiang)后磷(lin)石膏來不及排水(shui)(shui)固結，故而水(shui)(shui)位線(xian)上(shang)局部試樣的(de)飽和(he)(he)度較(jiao)高。

由圖2，水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上(shang)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.30g/cm3；水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均(jun)值為1.4g/cm3。可(ke)見(jian)磷(lin)石膏(gao)與一般的(de)尾(wei)礦有所(suo)不同，磷(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)并不隨埋深的(de)增大而明(ming)顯增大，但水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)石膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)度(du)從統計意(yi)義上(shang)來看仍大于(yu)水位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上(shang)的(de)磷(lin)石膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)度(du)，這主要是由于(yu)水位(wei)線(xian)(xian)隨庫水位(wei)的(de)變化反復升降(jiang)而使得磷(lin)石膏(gao)排(pai)水固結所(suo)致。

室內擊(ji)實(shi)得到(dao)的磷(lin)(lin)石膏(gao)最大(da)干(gan)密度(du)(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自(zi)然沉積的磷(lin)(lin)石膏(gao)最大(da)干(gan)密度(du)(du)可達(da)到(dao)1.73g/cm3，原因如(ru)下(xia)：與經典(dian)的土(tu)骨(gu)架不可壓(ya)縮(suo)的理論不同，石膏(gao)本身(shen)可壓(ya)縮(suo)，同時(shi)由于顆粒結(jie)構不穩定，擊(ji)實(shi)試驗過程中磷(lin)(lin)石膏(gao)結(jie)構被破壞(huai)，受夯擊(ji)處下(xia)陷，四周鼓起，出現了類似于橡皮土(tu)的現象。而在(zai)現場條件下(xia)，石膏(gao)骨(gu)架被破壞(huai)后，會導致顆粒中的結(jie)合水滲出至孔隙內，變成(cheng)孔隙水，排水固結(jie)后會使得磷(lin)(lin)石膏(gao)的孔隙比減(jian)小(xiao)，干(gan)密度(du)(du)增(zeng)大(da)。

圖(tu)4給出了相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔K2和(he)K17(位(wei)(wei)于2級(ji)子壩(ba)河(he)床部(bu)位(wei)(wei))以及相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔K6和(he)K18(位(wei)(wei)于4級(ji)子壩(ba)河(he)床部(bu)位(wei)(wei))干(gan)密(mi)度(du)(du)的對比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔的干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均(jun)值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使從統(tong)計意義上來(lai)看(kan)，磷石膏(gao)的干(gan)密(mi)度(du)(du)也并未(wei)隨后續(xu)磷石膏(gao)的堆(dui)積而有較為(wei)明(ming)顯的增大。

(2)級配分(fen)布

顆粒分(fen)析(xi)試驗采用(yong)密(mi)度計法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加(jia)六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得(de)到的級配包線、平均粒徑(jing)d50、不(bu)均勻(yun)系數(1u和曲率系數Cc的分(fen)布圖。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒徑主要分(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于(yu)粉土，但可能由(you)于(yu)礦(kuang)石來源或生產工(gong)藝有所不同，局(ju)部屬(shu)于(yu)粉砂～中(zhong)砂。粒徑分(fen)布(bu)范圍(wei)比Blight和張超等的試驗結果要寬一(yi)些。

圖4子壩(ba)加高(gao)后沉積磷(lin)石膏的干(gan)密度變化

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和級(ji)配分布

由(you)圖5(b)和5(c)，無論是水平向(xiang)還(huan)是垂直向(xiang)，磷石(shi)膏(gao)與金屬(shu)礦山(shan)尾(wei)(wei)礦的(de)(de)“前粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下細(xi)”的(de)(de)自然分級現象不(bu)(bu)同，也即粗(cu)顆(ke)(ke)粒(li)并不(bu)(bu)是沿(yan)埋深逐步(bu)減(jian)小(xiao)或距離放漿口越遠(yuan)顆(ke)(ke)粒(li)越細(xi)，其(qi)原因如下：①磷石(shi)膏(gao)顆(ke)(ke)粒(li)粒(li)徑(jing)組成較為集(ji)中、均勻，主要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較差；②相比(bi)(bi)(bi)較金屬(shu)尾(wei)(wei)礦，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)(zhong)較小(xiao)，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)(zhong)一(yi)般(ban)為2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金屬(shu)尾(wei)(wei)礦的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)(zhong)，例如鐵尾(wei)(wei)礦的(de)(de)比(bi)(bi)(bi)重(zhong)(zhong)可達2.9；③放漿口隨子壩(ba)高度不(bu)(bu)斷增加而不(bu)(bu)斷變(bian)動并向(xiang)庫(ku)尾(wei)(wei)延伸(shen)，造成沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)徑(jing)變(bian)化不(bu)(bu)明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不均(jun)勻系(xi)數(shu)Cu范(fan)圍值1.61～21.5，平均(jun)值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(shu)(1c范(fan)圍值0.28～9.78，平均(jun)值為(wei)1.21，在統計的100多個試樣中，屬于級(ji)配不良土(tu)(tu)的占93%。這(zhe)種級(ji)配特性決定了磷石膏具(ju)有較高的壓(ya)縮性、滲透破(po)壞型式表現為(wei)流土(tu)(tu)破(po)壞。

2.2滲透(tou)特性(xing)

(1)滲(shen)透系數

影(ying)響(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)的(de)(de)主(zhu)要(yao)因素是(shi)粒徑大(da)(da)小、級配和(he)孔隙(xi)比，因而磷(lin)石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)系數(shu)與(yu)粉土(tu)較為接近。由于(yu)孔隙(xi)比e減小，使得過水(shui)通(tong)道面積(ji)減小，滲(shen)透(tou)系數(shu)k也(ye)將(jiang)減小，k與(yu)e呈正(zheng)相關關系。對砂土(tu)，一般認為滲(shen)透(tou)系數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線(xian)性(xing)關系較好，圖6給出了(le)二者間的(de)(de)關系曲線(xian)，由于(yu)沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)不均(jun)(jun)勻系數(shu)變(bian)化(hua)較大(da)(da)，使得沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)系數(shu)變(bian)化(hua)范圍較大(da)(da)(平均(jun)(jun)值為10-4cm/s數(shu)量級)，二者問的(de)(de)線(xian)性(xing)關系較差(cha)。

圖6沉積磷(lin)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(chu)了水平(ping)與垂(chui)直向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)比值的(de)(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)。沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)水平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)kh一(yi)般大于(yu)垂(chui)直向(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約為2.86，這(zhe)一(yi)點(dian)與成(cheng)層分(fen)布(bu)(bu)的(de)(de)(de)金屬(shu)尾礦規律(lv)一(yi)致。造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)大于(yu)垂(chui)直向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)原因是由于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有明顯(xian)的(de)(de)(de)晶(jing)體結構，電鏡(jing)掃描(miao)顯(xian)示(shi)多為菱形和棱柱狀形式(見圖8)，在沉積過程(cheng)中，由于(yu)扁平(ping)狀磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆粒多呈(cheng)水平(ping)排列，使得水平(ping)方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水性(xing)(xing)大于(yu)垂(chui)直方向(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)水性(xing)(xing)，從而使磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈(cheng)現明顯(xian)的(de)(de)(de)各向(xiang)異性(xing)(xing)。

另根據中國有色金屬(shu)工業昆明勘察設計研(yan)究院在楊家箐磷石膏堆積壩開展的現(xian)場(chang)滲(shen)透試(shi)驗，kh/kv的平均值(zhi)約為(wei)1.9。但張(zhang)超(chao)等的室內試(shi)驗顯示，kh/kv的平均值(zhi)約為(wei)0.46，也(ye)即垂(chui)直向滲(shen)透系(xi)數大(da)于(yu)水平向滲(shen)透系(xi)數，與(yu)本文(wen)和現(xian)場(chang)試(shi)驗結(jie)果(guo)恰恰相反。從磷石膏的微觀(guan)結(jie)構來看，本文(wen)試(shi)驗結(jie)果(guo)更為(wei)合理。

圖7沉(chen)積磷(lin)石膏干密度與水平(ping)和垂(chui)直(zhi)滲(shen)透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變(bian)形

圖9為(wei)磷石(shi)膏干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度J與流速V的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)曲線，試(shi)(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)平管涌儀(yi)中采用(yong)水(shui)(shui)(shui)平方向的(de)(de)(de)(de)(de)滲流形(xing)式進行。試(shi)(shi)驗(yan)得到的(de)(de)(de)(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來說(shuo)，對1，2級工程，滲透(tou)安(an)全系(xi)數取為(wei)2.5，則允許(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下(xia)工程，滲透(tou)安(an)全系(xi)數取2.0，則允許(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)與粉(fen)(fen)土一(yi)粉(fen)(fen)砂大致相同。但(dan)(dan)上(shang)述(shu)滲透(tou)變(bian)形(xing)試(shi)(shi)驗(yan)是采用(yong)自來水(shui)(shui)(shui)進行的(de)(de)(de)(de)(de)，自來水(shui)(shui)(shui)對磷石(shi)膏具有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)蝕作(zuo)用(yong)，而(er)實際上(shang)磷石(shi)膏中殘(can)余磷、硫和氟(fu)酸(suan)，庫(ku)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)pH值一(yi)般小于3(稱之(zhi)為(wei)酸(suan)性(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui))，在酸(suan)性(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下(xia)，磷石(shi)膏不會(hui)發生破(po)壞，上(shang)述(shu)試(shi)(shi)驗(yan)結果是偏(pian)于保守的(de)(de)(de)(de)(de)，但(dan)(dan)對非酸(suan)性(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)滲透(tou)穩定(ding)判斷(duan)有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)借鑒(jian)意義(yi)。

圖9水力梯度J-流(liu)速(su)v試驗(yan)過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗(yan)

試驗在5Bar的壓(ya)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(fan)圍0～500kPa。表l列出了含水(shui)率(lv)特征(zheng)值，試驗曲線見圖10所示。

試(shi)驗結果表明：①干密度對(dui)進(jin)氣值沒(mei)有明顯的(de)影響(xiang)，不同干密度的(de)試(shi)樣的(de)進(jin)氣值大致(zhi)在(zai)10kPa左右；②土樣殘(can)余含水率(lv)隨干密度的(de)增加(jia)而減少，殘(can)余含水率(lv)約(yue)為(wei)飽(bao)和(he)含水率(lv)的(de)10%。上述特性與粉土一(yi)粉砂基本(ben)一(yi)致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于(yu)沉積(ji)磷石膏的(de)密(mi)度變(bian)化較大(da)，而進行三(san)軸試(shi)驗(yan)需(xu)要(yao)若干(gan)原狀樣，為(wei)(wei)使試(shi)驗(yan)結果具有(you)較好(hao)的(de)一致(zhi)性，有(you)針對性的(de)選擇(ze)平均干(gan)密(mi)度分別(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)若干(gan)試(shi)樣，進行了(le)5組三(san)軸CU試(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)(wei)干(gan)密(mi)度為(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)驗(yan)曲線。

從圖11可(ke)以看(kan)出，磷(lin)石膏的應力應變關系(xi)曲線在(zai)低圍壓(ya)下(xia)表現(xian)為(wei)軟化型(xing)，在(zai)高(gao)圍壓(ya)下(xia)表現(xian)為(wei)硬化型(xing)，與一(yi)般土(tu)類相(xiang)似。但與一(yi)般粉土(tu)一(yi)粉砂不同(tong)的是，即使在(zai)較為(wei)疏(shu)松(song)的狀(zhuang)態下(xia)，磷(lin)石膏仍表現(xian)了(le)較為(wei)強烈(lie)的剪脹，隨密實(shi)度(du)增大，剪脹作用(yong)愈發明顯。

表2給(gei)出(chu)了(le)不(bu)同(tong)干密度(du)下的(de)(de)(de)內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了(le)內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干密度(du)的(de)(de)(de)關(guan)系曲線(xian)。隨(sui)干密度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也隨(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函(han)數較(jiao)好地擬合。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)干密度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為37.3°(根據擬合曲線(xian)求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為9.4%，有效應(ying)(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅為3.2%，由(you)于(yu)隨(sui)圍(wei)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)(ya)也明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故(gu)有效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)之總應(ying)(ying)力(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外較(jiao)之于(yu)干密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并(bing)不(bu)顯(xian)著，表明(ming)即使較(jiao)為疏松的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)仍具有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)強度(du)指標，這也表明(ming)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)穩(wen)定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕(ru)變(bian)(次固結)變(bian)形(xing)試驗(yan)

磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變變形試(shi)(shi)驗(yan)在側限壓縮儀中進(jin)行，試(shi)(shi)驗(yan)狀態(tai)相(xiang)當(dang)于(yu)K0固結(jie)。試(shi)(shi)樣(yang)直(zhi)徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)(shi)樣(yang)干(gan)密度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣(yang)飽和(he)后分別開(kai)展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)驗(yan)，

試(shi)驗(yan)從2012年(nian)8月27日開(kai)始(shi)，試(shi)驗(yan)己(ji)進行了(le)1年(nian)多，試(shi)驗(yan)結果(guo)見圖(tu)13所示(shi)。

從圖13中(zhong)可(ke)以看出：上覆(fu)荷載(zai)越(yue)大(da)(da)，磷(lin)石膏的蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)也越(yue)大(da)(da)，荷載(zai)施加1年后，磷(lin)石膏的蠕變(bian)變(bian)形(xing)(xing)仍非常顯著，尚(shang)未(wei)達到穩定狀態，這也是磷(lin)石膏堆積壩后期(qi)變(bian)形(xing)(xing)較大(da)(da)的原因，原型觀測(ce)資料表明，在5級子(zi)壩河(he)床部位的表面沉降量(liang)已經達到3.1m，且尚(shang)未(wei)完全(quan)穩定。

按時間(jian)對數(shu)法(fa)，可(ke)求得各級荷(he)載下的(de)主(zhu)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所示。試(shi)驗結(jie)(jie)(jie)果表明，在100～400kPa上覆荷(he)載作(zuo)用下，在試(shi)驗時間(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由于(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)成，實際的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更(geng)大。對土(tu)體(ti)(ti)(ti)而言，發(fa)(fa)生(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)原(yuan)因(yin)是由于(yu)土(tu)體(ti)(ti)(ti)在主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成之后(hou)(hou)(hou)，土(tu)體(ti)(ti)(ti)中仍有微(wei)小的(de)超靜孔隙壓力存在，驅使水在顆粒(li)問流動，一般(ban)來講(jiang)土(tu)體(ti)(ti)(ti)的(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對磷石膏而言，其滲透系數(shu)在10-4cm/s數(shu)量級，遠大于(yu)黏性(xing)土(tu)，但其卻發(fa)(fa)生(sheng)了極為顯(xian)著的(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原(yuan)因(yin)在于(yu)磷石膏晶體(ti)(ti)(ti)結(jie)(jie)(jie)構發(fa)(fa)生(sheng)了壓縮、破壞，接(jie)觸點晶格發(fa)(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后(hou)(hou)(hou)晶格之間(jian)的(de)重新排(pai)列(lie)、調整(zheng)到最后(hou)(hou)(hou)趨于(yu)相對靜止需要(yao)相當(dang)長的(de)時間(jian)才能(neng)完(wan)成。

2.4動力力學特性(xing)

試(shi)驗(yan)設備采用英國GDS公司進口的電機控制(zhi)動三軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比

同樣由于自然沉積的磷石膏(gao)密度變(bian)(bian)化(hua)較(jiao)大，為(wei)此根據(ju)物理(li)性質(zhi)試(shi)驗結果，選(xuan)擇(ze)兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模量G、阻(zu)尼比(bi)與(yu)剪(jian)應變幅值γd的關系式如下：

式中(zhong)k1為參(can)數(shu)，表(biao)(biao)示動剪切模量的(de)衰減或阻尼(ni)比(bi)的(de)增長速率；λmax為最大阻尼(ni)比(bi)；Gmax，γd分別(bie)為最大動剪切模量和歸一(yi)化的(de)動剪應(ying)變，表(biao)(biao)示為

式中k2,n為(wei)參數(shu)；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動(dong)泊(bo)松比(bi)；εa為(wei)歸一(yi)化的動(dong)應變，表(biao)達為(wei)

圖(tu)(tu)(tu)14給(gei)(gei)出了(le)動剪(jian)切(qie)模(mo)量、阻(zu)尼比與歸一化(hua)動應變(bian)的(de)關系(xi)曲線，另(ling)外圖(tu)(tu)(tu)中還(huan)給(gei)(gei)出了(le)式(1)的(de)擬合(he)曲線以及Seed等給(gei)(gei)出的(de)砂樣的(de)上(shang)下邊界線，圖(tu)(tu)(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固(gu)結應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可以看(kan)出：①式(1)可較(jiao)好地描(miao)述磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)動(dong)應(ying)力(li)-動(dong)應(ying)變試驗曲線，表明采(cai)用(yong)等價黏(nian)彈(dan)(dan)性模型進行循環荷載作用(yong)下(xia)的(de)(de)分析是(shi)可行的(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密度(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)擬合線位于(yu)干密度(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)擬合線上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則位于(yu)下(xia)方，表明密度(du)越大(da)，動(dong)彈(dan)(dan)模越大(da)、阻尼比(bi)越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩(liang)種干密度(du)的(de)(de)擬合線基本位于(yu)Seed等給出的(de)(de)邊界(jie)線上方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)邊界(jie)線中(zhong)間，表明相比(bi)較(jiao)砂樣，磷石(shi)膏(gao)動(dong)彈(dan)(dan)模較(jiao)大(da)，會導致磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)較(jiao)大(da)，但由于(yu)阻尼比(bi)也較(jiao)大(da)，這樣又會削弱壩體(ti)的(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)，二(er)者的(de)(de)相互(hu)影(ying)響下(xia)，磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩壩體(ti)的(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)將不會過于(yu)強烈，這對(dui)磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)抗震(zhen)穩定性是(shi)有利的(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選擇兩種平均干(gan)密度為1.12(變(bian)(bian)化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)(bian)化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標準(zhun)為總(zong)應(ying)變(bian)(bian)達到10%。

圖15給出了動(dong)剪應力比τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)關(guan)系曲線(xian)圖，其中σ0為(wei)(wei)振前試(shi)樣45°面上的(de)有效法向應力，表(biao)達(da)為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結(jie)比。從試(shi)驗結(jie)果可(ke)以看出，沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)的(de)動(dong)強度與其它土體相似，表(biao)現為(wei)(wei)圍壓(ya)和(he)固結(jie)應力比與動(dong)剪應力比呈負相關(guan)關(guan)系。

為判別沉(chen)積磷石(shi)膏的抗液化能力，假定抗震(zhen)設計烈度(du)為8度(du)，即(ji)等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(shi)(4)

所示的(de)冪函數關(guan)系式得到振(zhen)次為30時各個圍壓(ya)和固(gu)結(jie)比(bi)(bi)下的(de)動(dong)剪應力比(bi)(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求(qiu)得(de)動剪(jian)應(ying)力比與圍壓和固(gu)結應(ying)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。

從上述擬合關系(xi)式(shi)可見，密實度提(ti)(ti)高(gao)后，動剪(jian)應(ying)力比提(ti)(ti)高(gao)，表(biao)明(ming)(ming)抗(kang)液化能力也提(ti)(ti)高(gao)。但即使是在低密度下，其動剪(jian)應(ying)力比較之同類的粉土或粉砂(sha)也大出許多，表(biao)明(ming)(ming)磷石膏具有較高(gao)的抗(kang)液化能力。

三、結論

依托(tuo)柳樹(shu)箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作(zuo)的基礎上，首先開展了(le)物理性質試驗(yan)，然(ran)后開展了(le)靜動(dong)力力學特性試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研究，得出如下結(jie)論：

(1)沉積(ji)磷石膏總體上屬于級配不(bu)良(liang)的粉(fen)土(tu)，局部(bu)屬于粉(fen)砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級現象。其干密度和粒(li)徑變化隨埋深或(huo)距放漿口距離的變化不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏(gao)水平方(fang)向的(de)(de)滲透系(xi)數(shu)大于(yu)垂(chui)直方(fang)向的(de)(de)滲透系(xi)數(shu)，呈現明顯的(de)(de)各(ge)向異性。

(3)與土體顆粒不(bu)可(ke)壓(ya)縮(suo)不(bu)同(tong)，磷石膏的晶體結構(gou)會發生(sheng)壓(ya)縮(suo)破壞，具有較(jiao)大的壓(ya)縮(suo)性，其次固結變形量(liang)遠(yuan)大于主固結變形量(liang)。

(4)沉積磷石膏的(de)靜(jing)動強(qiang)度(du)較之同(tong)等(deng)密實度(du)下的(de)粉土、粉砂要高。