沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)是磷(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)過程中的(de)(de)副(fu)產(chan)品(pin)，目前的(de)(de)綜(zong)合(he)利用率尚不足(zu)40%，大部(bu)分需要(yao)(yao)(yao)堆存存放。受地形限制和經濟效益考慮(lv)，中國主要(yao)(yao)(yao)為(wei)濕法堆存的(de)(de)山谷型堆場(chang)。依托(tuo)柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)，針對沉(chen)(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)首(shou)先開(kai)展(zhan)了密(mi)度、含(han)水(shui)率、滲透、土水(shui)特征和顆分等物(wu)理(li)性質(zhi)試驗，然(ran)后(hou)開(kai)展(zhan)了三(san)軸cu、蠕變及動三(san)軸等力學特性試驗。試驗結果表明：①沉(chen)(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度與埋(mai)深沒有(you)(you)相(xiang)關(guan)關(guan)系；②沉(chen)(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)不具(ju)有(you)(you)自然(ran)分級現象，但具(ju)有(you)(you)明顯的(de)(de)各向異性；③沉(chen)(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有(you)(you)較高的(de)(de)摩擦角和抗液化能力，但其(qi)蠕變變形較大、滲透比降較小。上述(shu)工作為(wei)分析(xi)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)壩(ba)體穩定性提供了基(ji)礎，對現行(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)(de)運行(xing)(xing)管(guan)理(li)以及新建工程的(de)(de)設計具(ju)有(you)(you)重要(yao)(yao)(yao)的(de)(de)借鑒意義。

引(yin)言

磷(lin)(lin)石膏(gao)是(shi)濕(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)酸生(sheng)產過(guo)程中的(de)(de)(de)副產品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)石膏(gao)產生(sheng)量為7800萬噸，且(qie)呈逐年增長的(de)(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)主要(yao)成分是(shi)CaO和(he)SO3，但含有(you)一(yi)定量的(de)(de)(de)氟化物和(he)其它(ta)放射(she)性物質，在中國(guo)通常(chang)按Ⅱ類一(yi)般(ban)工業(ye)固體廢物處(chu)(chu)理(li)，鑒于(yu)無害化處(chu)(chu)理(li)成本較高，目前綜合利用(yong)率(lv)尚不足40%，故大部分磷(lin)(lin)石膏(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)(di)的(de)(de)(de)不同，可(ke)分為平地(di)(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和(he)截(jie)河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)，在中國(guo)基本上是(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)。相比較干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經(jing)濟優勢(shi)明顯(xian)，因而(er)如(ru)地(di)(di)質條(tiao)件為非(fei)碳酸鹽巖地(di)(di)區(qu)，一(yi)般(ban)均采用(yong)濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)方式。隨著中國(guo)磷(lin)(lin)肥工業(ye)的(de)(de)(de)快速發(fa)展(zhan)，本世紀(ji)初(chu)中國(guo)相繼建設(she)了幾座濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫，例(li)如(ru)云天化國(guo)際化工三環分公(gong)司(si)的(de)(de)(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫堆(dui)(dui)積壩和(he)富瑞分公(gong)司(si)的(de)(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫堆(dui)(dui)積壩，這兩座壩設(she)計壩高均超過(guo)100m、處(chu)(chu)于(yu)8度地(di)(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(quan)世(shi)界有118座尾礦壩曾(ceng)發生(sheng)(sheng)過破壞或潰(kui)壩事故，原因主(zhu)要有地震、洪水漫頂、滲(shen)透破壞和(he)基(ji)礎失穩。尾礦庫(ku)失事后會造成(cheng)巨大的生(sheng)(sheng)態災難和(he)人員傷亡，近幾十年(nian)來(lai)，

國內外對金(jin)屬(shu)尾礦(kuang)的(de)(de)(de)沉積(ji)規律、物(wu)理力學特性及(ji)其穩定性開(kai)展了大量的(de)(de)(de)研究，但(dan)對于與(yu)金(jin)屬(shu)尾礦(kuang)庫相(xiang)近的(de)(de)(de)磷石膏(gao)庫，一般(ban)僅限于在(zai)可研階段采用人工制備樣進(jin)行物(wu)理力學性質試驗，并據此進(jin)行穩定性分析，尚未(wei)有(you)人針對己運行若(ruo)干年的(de)(de)(de)大型濕法堆(dui)存磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩開(kai)展過磷石膏(gao)沉積(ji)規律及(ji)其物(wu)理力學特性的(de)(de)(de)專(zhuan)項研究。

本文依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)，首先進(jin)行了(le)(le)鉆探取樣，采用原(yuan)狀(zhuang)樣開展(zhan)了(le)(le)密度、含水率、滲透(tou)、土水特(te)征和顆(ke)分等物理(li)性(xing)(xing)(xing)(xing)質試驗(yan)，在此基礎上有針對性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀(zhuang)樣開展(zhan)了(le)(le)三(san)(san)軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三(san)(san)軸(zhou)等力(li)學特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研究(jiu)(jiu)，總結了(le)(le)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)沉積規律、滲透(tou)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)、滲透(tou)破壞特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)以及(ji)靜動力(li)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)，上述研究(jiu)(jiu)工作對研究(jiu)(jiu)和評估磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積壩(ba)的(de)穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)提供(gong)了(le)(le)基礎數據，對現行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫的(de)運行管理(li)以及(ji)新建工程(cheng)的(de)設(she)計具(ju)有重要的(de)借(jie)鑒意義(yi)。

一(yi)、依托(tuo)工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積(ji)壩堆存設(she)計方(fang)案(an)

由初期壩(ba)和(he)堆積壩(ba)組成，設計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約(yue)30m，采用土料填筑。上游坡面、壩底(di)和下游壩腳設置堆(dui)石排水體(ti)，三者(zhe)相(xiang)連(lian)通(tong)構成整個堆(dui)積(ji)壩的(de)主要排滲(shen)系統(tong)。

(2)堆積壩及其輔助(zhu)排滲措施

采(cai)用上游式筑壩(ba)(ba)法，共(gong)20級(ji)子壩(ba)(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度(du)5m，堆積高(gao)度(du)約(yue)100m。采(cai)用排滲管網作為輔(fu)助排滲方案，目(mu)前(qian)己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)和(he)13級(ji)子壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前(qian)120m范圍內設(she)置了井字形排滲管網。

1.2沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏的鉆探(tan)取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月，堆(dui)積至5級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)時，布(bu)設(she)了9個取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取原(yuan)(yuan)狀樣76件；2013年(nian)5月，堆(dui)積至13級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)時，又布(bu)設(she)了11個取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取原(yuan)(yuan)狀樣112件，為比較子壩(ba)(ba)加(jia)高和磷石膏堆(dui)積過(guo)程中(zhong)磷石膏物理(li)力學性質的變化，在2，4級(ji)(ji)子壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近各布(bu)設(she)了一個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)編(bian)號(hao)分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏尾(wei)礦庫(ku)2005年開工建設，2006年1月(yue)投(tou)入運(yun)行，截至2013年5月(yue)己堆(dui)至13級子壩，尚有7級子壩即堆(dui)存至設計(ji)高(gao)程。鑒(jian)于磷(lin)石(shi)膏庫(ku)地(di)形、地(di)質條(tiao)件(jian)較好，具(ju)備擴容改造的條(tiao)件(jian)，以提(ti)高(gao)堆(dui)存庫(ku)容，減少堆(dui)存占地(di)，節約土(tu)地(di)資(zi)源(yuan)。

本文主要(yao)對沉積磷石膏(gao)的物理(li)力學特性進行(xing)了全(quan)面總結，限于篇幅(fu)，有關現狀磷石膏(gao)庫堆(dui)積壩的安全(quan)性評(ping)價及其加高可行(xing)性的研究將另文發表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理力學特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)(tu)2給(gei)出了(le)14個鉆孔的取樣深度(du)和(he)試驗所得干密(mi)度(du)的關系，圖(tu)(tu)中UWL表示水(shui)位(wei)線(xian)上，(系鉆孔期間(jian)的初見(jian)水(shui)位(wei)線(xian)，下(xia)(xia)同)，DWL表示水(shui)位(wei)線(xian)下(xia)(xia)。圖(tu)(tu)3給(gei)出了(le)水(shui)位(wei)線(xian)上下(xia)(xia)的飽和(he)度(du)分布圖(tu)(tu)。由于磷石(shi)膏(gao)中的主要成分為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)和(he)烘(hong)(hong)烤(kao)時間(jian)對(dui)測(ce)定結(jie)果有一定影響，不(bu)能照搬現行的土(tu)工試驗規范，本(ben)文磷石(shi)膏(gao)的含水(shui)率測(ce)定方法為(wei)55℃溫度(du)下(xia)(xia)烘(hong)(hong)培(pei)24h。

圖2沉(chen)積磷石(shi)膏(gao)干密度與埋深的關系

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

由(you)(you)圖3，水(shui)(shui)位線上(shang)的(de)(de)磷石膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平均(jun)值為(wei)50.4%，處(chu)于(yu)非飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，水(shui)(shui)位線以(yi)下的(de)(de)磷石膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平均(jun)值為(wei)85.0%，基本處(chu)于(yu)飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，由(you)(you)于(yu)水(shui)(shui)位下降后(hou)磷石膏來不及(ji)排水(shui)(shui)固(gu)結(jie)，故(gu)而水(shui)(shui)位線上(shang)局部試樣的(de)(de)飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)較(jiao)高。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)以上的(de)干密(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)以下的(de)干密(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均值為(wei)1.4g/cm3。可(ke)見磷石(shi)膏(gao)與一(yi)般的(de)尾礦有(you)所(suo)(suo)不同，磷石(shi)膏(gao)的(de)干密(mi)(mi)度(du)并不隨(sui)埋深的(de)增大(da)而明顯增大(da)，但水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)以下的(de)磷石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)從統計意義上來看(kan)仍大(da)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)以上的(de)磷石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)，這主要(yao)是由于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)隨(sui)庫水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)的(de)變化反復升(sheng)降而使得磷石(shi)膏(gao)排(pai)水(shui)(shui)固結所(suo)(suo)致。

室內擊實得到的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大(da)(da)干(gan)密(mi)度一(yi)般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從(cong)圖2可(ke)以看出，自然沉(chen)積(ji)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大(da)(da)干(gan)密(mi)度可(ke)達到1.73g/cm3，原(yuan)因如下(xia)(xia)：與經典的(de)(de)土骨架不可(ke)壓縮(suo)的(de)(de)理論不同，石(shi)膏(gao)(gao)(gao)本(ben)身可(ke)壓縮(suo)，同時(shi)由于(yu)顆(ke)粒結(jie)構(gou)不穩定，擊實試驗(yan)過程(cheng)中(zhong)(zhong)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)結(jie)構(gou)被(bei)破壞，受夯擊處下(xia)(xia)陷，四周(zhou)鼓(gu)起，出現了(le)類似(si)于(yu)橡皮土的(de)(de)現象。而在(zai)現場條件下(xia)(xia)，石(shi)膏(gao)(gao)(gao)骨架被(bei)破壞后，會(hui)導致(zhi)顆(ke)粒中(zhong)(zhong)的(de)(de)結(jie)合水(shui)滲出至孔(kong)隙內，變成孔(kong)隙水(shui)，排水(shui)固結(jie)后會(hui)使得磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)孔(kong)隙比減小，干(gan)密(mi)度增大(da)(da)。

圖4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)于2級(ji)子壩河床(chuang)部位(wei))以及相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)于4級(ji)子壩河床(chuang)部位(wei))干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使從統計(ji)意義上來看(kan)，磷石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)也(ye)并未(wei)隨后(hou)續(xu)磷石膏的(de)(de)堆積(ji)而(er)有較為(wei)明(ming)顯的(de)(de)增(zeng)大(da)。

(2)級配分布

顆粒分析試(shi)驗(yan)采用密度計(ji)法，制備懸液(ye)時不(bu)煮沸(fei)，不(bu)加六(liu)偏(pian)磷酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了試(shi)驗(yan)得到的級配包(bao)線、平均粒徑(jing)d50、不(bu)均勻系(xi)數(shu)(1u和曲率系(xi)數(shu)Cc的分布(bu)圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏(gao)的粒徑(jing)主要(yao)分(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之間，總體上(shang)屬于(yu)粉(fen)土，但可能(neng)由于(yu)礦(kuang)石(shi)來源或生產工藝有所不同，局部屬于(yu)粉(fen)砂～中砂。粒徑(jing)分(fen)布(bu)范圍比Blight和張超等的試驗(yan)結果要(yao)寬一些。

圖4子(zi)壩加高(gao)后沉積磷石膏的干(gan)密度變化

圖(tu)5沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)平均粒徑和級配分布

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論是水平向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)與金屬礦(kuang)(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)“前粗后細，上(shang)粗下細”的(de)(de)(de)自然分(fen)級(ji)現象(xiang)不同(tong)，也即粗顆粒并不是沿埋深逐步減(jian)小(xiao)或距離放漿(jiang)口越遠顆粒越細，其原因(yin)如(ru)下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)顆粒粒徑組成(cheng)較為集中(zhong)、均(jun)勻，主要以粉(fen)粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)配較差；②相比較金屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)比重較小(xiao)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)比重一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)比重，例(li)如(ru)鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)比重可達2.9；③放漿(jiang)口隨(sui)子壩高度不斷增加而不斷變(bian)動并向(xiang)庫尾(wei)延(yan)伸，造(zao)成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)粒徑變(bian)化不明顯。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻系數(shu)Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲率系數(shu)(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均(jun)值(zhi)為(wei)(wei)1.21，在統計的(de)100多個試樣中，屬(shu)于(yu)級配不良土的(de)占93%。這種(zhong)級配特性(xing)決(jue)定了磷石膏具有(you)較(jiao)高的(de)壓縮性(xing)、滲透(tou)破(po)壞型式表現為(wei)(wei)流土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)透系數(shu)(shu)的(de)主要因素是粒(li)徑大(da)(da)小(xiao)、級配(pei)和(he)孔隙(xi)(xi)比，因而磷石(shi)膏(gao)的(de)滲(shen)透系數(shu)(shu)與(yu)粉土較為接(jie)近。由于(yu)孔隙(xi)(xi)比e減(jian)(jian)小(xiao)，使得過水通(tong)道面積減(jian)(jian)小(xiao)，滲(shen)透系數(shu)(shu)k也將減(jian)(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈正(zheng)相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。對砂(sha)土，一般(ban)認為滲(shen)透系數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)線性關(guan)(guan)系較好，圖6給出了二者(zhe)間的(de)關(guan)(guan)系曲線，由于(yu)沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)不均勻系數(shu)(shu)變化較大(da)(da)，使得沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)滲(shen)透系數(shu)(shu)變化范(fan)圍較大(da)(da)(平均值(zhi)為10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二者(zhe)問(wen)的(de)線性關(guan)(guan)系較差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲透系(xi)(xi)數與孔(kong)隙比的(de)關系(xi)(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)平與垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數比值的(de)(de)(de)分布。沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)水(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數kh一(yi)般(ban)大于垂(chui)直向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)透系數kv,kh/kv平均值約為(wei)2.86，這一(yi)點與成(cheng)層分布的(de)(de)(de)金屬尾礦(kuang)規(gui)律一(yi)致(zhi)。造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)平向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數大于垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲(shen)透系數的(de)(de)(de)原因是由(you)于磷(lin)(lin)石(shi)膏具有明顯的(de)(de)(de)晶體結構(gou)，電(dian)鏡掃描顯示多為(wei)菱形和棱(leng)柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉積(ji)過程中，由(you)于扁平狀(zhuang)磷(lin)(lin)石(shi)膏顆粒多呈水(shui)(shui)平排列，使(shi)得水(shui)(shui)平方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透水(shui)(shui)性大于垂(chui)直方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透水(shui)(shui)性，從而(er)使(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏呈現明顯的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另根據中國有(you)色金(jin)屬(shu)工業昆明勘察(cha)設計研究院(yuan)在楊(yang)家(jia)箐磷石膏(gao)堆積(ji)壩開展的現場(chang)滲(shen)透(tou)試驗，kh/kv的平均值約(yue)為(wei)1.9。但張超等的室內試驗顯示，kh/kv的平均值約(yue)為(wei)0.46，也(ye)即垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)大于水平向(xiang)滲(shen)透(tou)系數(shu)，與本(ben)文(wen)和現場(chang)試驗結(jie)果恰恰相反。從磷石膏(gao)的微觀結(jie)構(gou)來看，本(ben)文(wen)試驗結(jie)果更為(wei)合理。

圖(tu)7沉積磷(lin)石膏干密度與水平和垂直(zhi)滲透(tou)系數比值(zhi)的(de)關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干密(mi)度(du)為(wei)1.40g/cm3的水(shui)力梯(ti)度(du)J與(yu)流速(su)V的關系(xi)(xi)曲線，試(shi)(shi)驗(yan)在(zai)(zai)水(shui)平管涌儀中采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)水(shui)平方向的滲(shen)(shen)流形式進行(xing)。試(shi)(shi)驗(yan)得(de)到的臨(lin)界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說(shuo)，對(dui)1，2級(ji)工程(cheng)，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)安全系(xi)(xi)數取(qu)為(wei)2.5，則允許(xu)出逸(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下(xia)工程(cheng)，滲(shen)(shen)透(tou)(tou)安全系(xi)(xi)數取(qu)2.0，則允許(xu)出逸(yi)坡(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允許(xu)比降(jiang)(jiang)與(yu)粉土一粉砂大致(zhi)相同(tong)。但上(shang)述滲(shen)(shen)透(tou)(tou)變形試(shi)(shi)驗(yan)是采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)自來(lai)水(shui)進行(xing)的，自來(lai)水(shui)對(dui)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具(ju)有(you)一定的溶(rong)蝕(shi)作用(yong)(yong)(yong)，而(er)實際上(shang)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)中殘余磷(lin)、硫和氟酸(suan)，庫(ku)水(shui)的pH值一般小于(yu)3(稱(cheng)之為(wei)酸(suan)性(xing)(xing)水(shui))，在(zai)(zai)酸(suan)性(xing)(xing)水(shui)作用(yong)(yong)(yong)下(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)不會(hui)發生破壞，上(shang)述試(shi)(shi)驗(yan)結果是偏(pian)于(yu)保守(shou)的，但對(dui)非酸(suan)性(xing)(xing)水(shui)條件(例如特(te)大暴雨)下(xia)的滲(shen)(shen)透(tou)(tou)穩定判斷有(you)一定的借(jie)鑒意(yi)義。

圖9水力梯度(du)J-流速(su)v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓(ya)力(li)板儀中(zhong)進(jin)行，環刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力(li)范圍(wei)0～500kPa。表l列出了含水率(lv)特征值，試驗曲線見圖10所示。

試(shi)驗(yan)結果表明：①干(gan)密度(du)對進氣值(zhi)沒有(you)明顯(xian)的影響，不(bu)同干(gan)密度(du)的試(shi)樣(yang)的進氣值(zhi)大(da)致(zhi)在10kPa左右；②土(tu)樣(yang)殘余含(han)水率隨(sui)干(gan)密度(du)的增加而(er)減少，殘余含(han)水率約(yue)為飽和含(han)水率的10%。上述(shu)特性(xing)與粉土(tu)一(yi)粉砂(sha)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)膏的(de)密度(du)變(bian)化較(jiao)大，而進(jin)行三(san)軸試(shi)(shi)驗(yan)(yan)需要若(ruo)干原狀樣(yang)，為(wei)使試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果具有較(jiao)好的(de)一致性，有針對(dui)性的(de)選擇(ze)平均干密度(du)分(fen)別為(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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)干試(shi)(shi)樣(yang)，進(jin)行了5組三(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)(yan)。圖11是為(wei)干密度(du)為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)(shi)驗(yan)(yan)曲線。

從圖11可以看出(chu)，磷石膏的應力(li)應變關(guan)系曲線在低圍壓下(xia)表現(xian)為軟化型，在高圍壓下(xia)表現(xian)為硬化型，與一(yi)(yi)般(ban)土類相似。但與一(yi)(yi)般(ban)粉土一(yi)(yi)粉砂不同(tong)的是(shi)，即(ji)使(shi)在較為疏松的狀態(tai)下(xia)，磷石膏仍表現(xian)了(le)較為強烈的剪(jian)脹，隨(sui)密(mi)實度增大(da)，剪(jian)脹作用愈發明顯。

表(biao)2給出了(le)(le)不同(tong)干(gan)密(mi)度(du)下的(de)(de)內(nei)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出了(le)(le)內(nei)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)關系曲線。隨(sui)干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，內(nei)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)(ye)隨(sui)之(zhi)(zhi)增(zeng)大(da)(da)，且可采用冪函數(shu)較(jiao)(jiao)好地擬合(he)。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)加為(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加了(le)(le)32%，總應力摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)加為(wei)(wei)(wei)37.3°(根(gen)據擬合(he)曲線求得)，增(zeng)幅為(wei)(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)應力摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)加為(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)幅為(wei)(wei)(wei)3.2%，由(you)于隨(sui)圍壓(ya)的(de)(de)增(zeng)大(da)(da)，孔壓(ya)也(ye)(ye)明顯(xian)增(zeng)大(da)(da)，故有效(xiao)摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)幅較(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)總應力摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)于干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)幅，摩擦(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)幅并不顯(xian)著，表(biao)明即(ji)使較(jiao)(jiao)為(wei)(wei)(wei)疏松的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)仍具有較(jiao)(jiao)高的(de)(de)強度(du)指標，這(zhe)也(ye)(ye)表(biao)明磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

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

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

試驗(yan)從2012年8月(yue)27日開(kai)始，試驗(yan)己進行(xing)了(le)1年多，試驗(yan)結(jie)果見圖(tu)13所示(shi)。

從圖13中可以看出：上覆荷載越大(da)(da)，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)也(ye)越大(da)(da)，荷載施加(jia)1年后(hou)(hou)，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未達到穩定(ding)狀態，這也(ye)是磷(lin)石(shi)膏堆積壩后(hou)(hou)期變(bian)形(xing)較大(da)(da)的(de)(de)(de)原因(yin)，原型(xing)觀測資料表(biao)明(ming)，在5級(ji)子壩河床(chuang)部位的(de)(de)(de)表(biao)面沉降量已經(jing)達到3.1m，且(qie)尚未完(wan)全穩定(ding)。

按時(shi)(shi)間(jian)對(dui)(dui)數法，可(ke)求得各級荷(he)(he)載下的(de)(de)主次(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所示(shi)。試驗結(jie)(jie)果表明，在100～400kPa上覆荷(he)(he)載作用下，在試驗時(shi)(shi)間(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(次(ci)固結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是(shi)主固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)(dang)然由于(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成，實(shi)際的(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大(da)。對(dui)(dui)土體(ti)而言，發生(sheng)(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因(yin)是(shi)由于(yu)(yu)土體(ti)在主固結(jie)(jie)完成之后(hou)，土體(ti)中仍有(you)微小的(de)(de)超靜(jing)孔隙壓(ya)力(li)存在，驅(qu)使水在顆粒問(wen)流動，一般來講土體(ti)的(de)(de)次(ci)固結(jie)(jie)遠小于(yu)(yu)主固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)(dui)磷石(shi)膏(gao)而言，其(qi)滲透(tou)系數在10-4cm/s數量級，遠大(da)于(yu)(yu)黏(nian)性(xing)土，但(dan)其(qi)卻發生(sheng)(sheng)了極為顯(xian)著的(de)(de)次(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原因(yin)在于(yu)(yu)磷石(shi)膏(gao)晶體(ti)結(jie)(jie)構(gou)發生(sheng)(sheng)了壓(ya)縮、破壞，接(jie)觸點晶格(ge)發生(sheng)(sheng)歪(wai)曲和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后(hou)晶格(ge)之間(jian)的(de)(de)重新排列、調整到最后(hou)趨(qu)于(yu)(yu)相對(dui)(dui)靜(jing)止需要相當(dang)(dang)長(chang)的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)才能(neng)完成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備(bei)采用英國GDS公司(si)進口的電機控制動三軸試(shi)驗系(xi)統(tong)，試(shi)樣直徑39.1mm，高(gao)度(du)80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由于自然沉積(ji)的磷(lin)石膏密(mi)度變化較大(da)，為此根據物理性(xing)質試驗結果，選擇兩(liang)種平均干密(mi)度1.34g/cm3(變化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議的(de)動(dong)剪切模量G、阻(zu)尼比與剪應變幅(fu)值γd的(de)關(guan)系式如下：

式中k1為(wei)參數，表示動(dong)剪(jian)切模(mo)量的(de)衰減或阻(zu)尼比的(de)增(zeng)長速率；λmax為(wei)最(zui)大阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動(dong)剪(jian)切模(mo)量和歸(gui)一化的(de)動(dong)剪(jian)應變，表示為(wei)

式中k2,n為(wei)參(can)數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大(da)氣壓；vd為(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)歸一化(hua)的動(dong)應(ying)變，表達為(wei)

圖14給(gei)(gei)出(chu)了動剪切模量(liang)、阻(zu)尼比(bi)與歸一化動應變的關系曲線，另(ling)外圖中還給(gei)(gei)出(chu)了式(1)的擬(ni)合曲線以及Seed等給(gei)(gei)出(chu)的砂(sha)樣的上下邊界線，圖例中，σ2表(biao)示圍(wei)壓，Kc表(biao)示固結(jie)應力(li)比(bi)。

從圖中可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)好地描述磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)(ying)力-動(dong)(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表(biao)明采用等價黏彈性模型(xing)進行(xing)循環(huan)荷載作用下(xia)的(de)(de)分析是(shi)可(ke)行(xing)的(de)(de)；②圖14(a)中干(gan)密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)(xian)位(wei)于干(gan)密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)(xian)上(shang)(shang)方，圖14(b)中則位(wei)于下(xia)方，表(biao)明密度(du)越大(da)，動(dong)(dong)彈模越大(da)、阻尼(ni)比(bi)越小；③圖14(a)中，兩種干(gan)密度(du)的(de)(de)擬合線(xian)(xian)基(ji)本位(wei)于Seed等給出的(de)(de)邊界線(xian)(xian)上(shang)(shang)方，而圖14(b)中則基(ji)本處于邊界線(xian)(xian)中間，表(biao)明相比(bi)較(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)(dong)彈模較(jiao)大(da)，會(hui)導致磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)動(dong)(dong)力反應(ying)(ying)較(jiao)大(da)，但由于阻尼(ni)比(bi)也較(jiao)大(da)，這樣又(you)會(hui)削弱壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力反應(ying)(ying)，二(er)者的(de)(de)相互(hu)影(ying)響下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力反應(ying)(ying)將不(bu)會(hui)過于強烈，這對(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)抗(kang)震穩定(ding)性是(shi)有利的(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇兩種平均干密度為(wei)1.12(變化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗(yan)，破壞標準(zhun)為(wei)總應(ying)變達(da)到10%。

圖15給出(chu)了動剪(jian)應(ying)力比τd/σ0′與(yu)破壞振次(ci)Nf的(de)關系(xi)曲線圖，其中σ0為(wei)(wei)振前(qian)試樣45°面上的(de)有效法向應(ying)力，表達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固(gu)結(jie)比。從(cong)試驗(yan)結(jie)果可以(yi)看出(chu)，沉積磷石膏的(de)動強度與(yu)其它土體相(xiang)似，表現為(wei)(wei)圍(wei)壓和固(gu)結(jie)應(ying)力比與(yu)動剪(jian)應(ying)力比呈負相(xiang)關關系(xi)。

為判別沉積磷石膏的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震(zhen)設計(ji)烈度為8度，即等效振(zhen)次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的冪函數關系(xi)式得到振次為30時各個圍壓(ya)和(he)固結比(bi)下(xia)的動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得(de)動剪應力比(bi)與圍壓和固(gu)結應力比(bi)的關系式(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。

從上述擬合關系式可見，密實度提高后，動剪(jian)應(ying)力比提高，表(biao)明抗液化能力也(ye)提高。但即(ji)使是在(zai)低密度下，其(qi)動剪(jian)應(ying)力比較(jiao)之同類的粉土或(huo)粉砂也(ye)大(da)出許多，表(biao)明磷(lin)石膏(gao)具有較(jiao)高的抗液化能力。

三、結(jie)論

依(yi)托柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩，在鉆(zhan)探取樣工作的基礎上，首先開展(zhan)了物理性(xing)質試驗，然后開展(zhan)了靜(jing)動力力學特性(xing)試驗。通過上述試驗研究，得出如下結(jie)論(lun)：

(1)沉積磷(lin)石膏總(zong)體上屬于(yu)級配不良的粉土，局部屬于(yu)粉砂一中砂，無自然分級現(xian)象(xiang)。其干(gan)密(mi)度和(he)粒徑變化隨埋深或距放(fang)漿口(kou)距離的變化不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平方向的(de)滲透(tou)系數大于垂直方向的(de)滲透(tou)系數，呈現(xian)明(ming)顯的(de)各(ge)向異性。

(3)與土體顆粒不可壓(ya)縮不同，磷石膏的(de)晶體結構會(hui)發生(sheng)壓(ya)縮破壞，具有較(jiao)大(da)(da)的(de)壓(ya)縮性，其(qi)次固結變形(xing)量(liang)遠大(da)(da)于(yu)主固結變形(xing)量(liang)。

(4)沉積磷石膏的(de)靜動強(qiang)度(du)較之同等密實度(du)下(xia)的(de)粉土、粉砂要高。