沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)是(shi)磷(lin)(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)(chan)過程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)副產(chan)(chan)品(pin)，目(mu)前的(de)(de)(de)(de)綜(zong)合利用率尚不足40%，大(da)部分需要(yao)(yao)堆(dui)存(cun)存(cun)放。受地形(xing)限(xian)制和(he)經濟效益考慮，中國主要(yao)(yao)為(wei)濕法堆(dui)存(cun)的(de)(de)(de)(de)山谷型堆(dui)場。依托(tuo)柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)，針對(dui)沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)首先開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)密度、含水(shui)率、滲(shen)透、土水(shui)特(te)征和(he)顆分等物(wu)理性(xing)質試驗，然(ran)后(hou)開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)三(san)軸(zhou)cu、蠕(ru)變(bian)及動三(san)軸(zhou)等力學特(te)性(xing)試驗。試驗結果表明：①沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密度與埋深沒有(you)(you)相關關系；②沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)石膏(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)(de)(de)各向(xiang)異性(xing)；③沉(chen)積(ji)(ji)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)具(ju)有(you)(you)較高的(de)(de)(de)(de)摩擦角和(he)抗液(ye)化能力，但其蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)較大(da)、滲(shen)透比降較小。上述(shu)工作為(wei)分析磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)壩(ba)體穩定性(xing)提供了(le)基(ji)礎，對(dui)現行磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)庫的(de)(de)(de)(de)運行管理以及新建工程(cheng)的(de)(de)(de)(de)設(she)計具(ju)有(you)(you)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)借(jie)鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)濕(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生產(chan)過程中的(de)(de)(de)(de)副產(chan)品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)產(chan)生量為7800萬(wan)噸(dun)，且(qie)呈逐年增長的(de)(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)主要(yao)成(cheng)分是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一定量的(de)(de)(de)(de)氟化(hua)(hua)物(wu)和(he)其它放射(she)性物(wu)質(zhi)，在(zai)中國(guo)通常(chang)按Ⅱ類一般(ban)工業(ye)固體廢物(wu)處理(li)，鑒于無害化(hua)(hua)處理(li)成(cheng)本較(jiao)高(gao)，目前綜合利用(yong)率尚不(bu)足40%，故大部分磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)存存放。按堆(dui)存場(chang)地的(de)(de)(de)(de)不(bu)同，可分為平地型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)場(chang)，在(zai)中國(guo)基本上是(shi)山(shan)谷型(xing)堆(dui)場(chang)。相(xiang)比(bi)較(jiao)干法(fa)堆(dui)存，濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存經濟優勢明顯，因而如地質(zhi)條件為非碳酸(suan)鹽(yan)巖地區，一般(ban)均(jun)采用(yong)濕(shi)(shi)排濕(shi)(shi)堆(dui)方式。隨著中國(guo)磷(lin)(lin)肥工業(ye)的(de)(de)(de)(de)快速發展，本世紀(ji)初中國(guo)相(xiang)繼(ji)建(jian)設了幾座濕(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存的(de)(de)(de)(de)大型(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)(ku)，例如云天化(hua)(hua)國(guo)際化(hua)(hua)工三環分公(gong)司的(de)(de)(de)(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)和(he)富瑞分公(gong)司的(de)(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)(ku)堆(dui)積(ji)壩(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高(gao)均(jun)超過100m、處于8度地震區，其安全性備受關注。

據統計，110多年(1901年一(yi)2013年)來，全世界(jie)有118座(zuo)尾礦(kuang)壩曾發生過破(po)壞(huai)或潰壩事(shi)故，原因主要有地震(zhen)、洪水(shui)漫頂、滲透破(po)壞(huai)和(he)基礎失(shi)穩。尾礦(kuang)庫失(shi)事(shi)后會(hui)造(zao)成巨大的生態災(zai)難和(he)人(ren)員傷亡，近幾(ji)十年來，

國內外對(dui)金屬尾礦的(de)沉(chen)積(ji)規(gui)律、物理力(li)學特性及其穩(wen)定性開(kai)展了大量的(de)研(yan)究，但對(dui)于與金屬尾礦庫(ku)相近的(de)磷石(shi)膏(gao)庫(ku)，一般僅限于在可研(yan)階段采用人(ren)工制備樣進(jin)行(xing)物理力(li)學性質試(shi)驗，并據此(ci)進(jin)行(xing)穩(wen)定性分析，尚未有人(ren)針(zhen)對(dui)己運(yun)行(xing)若干年的(de)大型濕法(fa)堆(dui)存磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)壩開(kai)展過磷石(shi)膏(gao)沉(chen)積(ji)規(gui)律及其物理力(li)學特性的(de)專項研(yan)究。

本文依托柳樹箐磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩，首先進行(xing)了(le)鉆探取樣(yang)，采用原狀樣(yang)開(kai)(kai)展了(le)密度、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特(te)征和顆分等物理(li)性質試驗(yan)，在此基(ji)(ji)礎(chu)上有針(zhen)對性的選擇原狀樣(yang)開(kai)(kai)展了(le)三(san)軸CU、蠕(ru)變(bian)及(ji)動三(san)軸等力學(xue)特(te)性試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研(yan)究(jiu)，總結了(le)磷(lin)石(shi)膏的沉積規律、滲(shen)透(tou)特(te)性、滲(shen)透(tou)破(po)壞特(te)性以及(ji)靜動力特(te)性，上述研(yan)究(jiu)工作對研(yan)究(jiu)和評估(gu)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)堆(dui)積壩的穩定性提供了(le)基(ji)(ji)礎(chu)數據，對現行(xing)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)的運行(xing)管理(li)以及(ji)新建工程的設計具有重(zhong)要的借(jie)鑒(jian)意義。

一、依(yi)托工(gong)程概(gai)況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏堆積壩堆存(cun)設計方案

由(you)初(chu)期壩(ba)和堆積壩(ba)組成(cheng)，設計總壩(ba)高(gao)約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩壩高約30m，采用土料(liao)填筑(zhu)。上(shang)游坡面、壩底和下游壩腳(jiao)設置堆石排(pai)水體，三者(zhe)相連通(tong)構成整(zheng)個堆積壩的(de)主要排(pai)滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措(cuo)施

采用上游式筑壩法，共20級子壩，頂寬6～9m，高度5m，堆積(ji)高度約100m。采用排(pai)滲(shen)(shen)管網作為輔助排(pai)滲(shen)(shen)方案，目(mu)前己(ji)在(zai)5級、9級子壩和(he)13級子壩壩前120m范(fan)圍內設(she)置了井字形排(pai)滲(shen)(shen)管網。

1.2沉(chen)積磷石膏的(de)鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)孔(kong)平面位(wei)置見圖(tu)l。2008年(nian)6月，堆(dui)積(ji)至5級子(zi)壩(ba)時，布(bu)設了9個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號K1～K9，取(qu)(qu)原狀樣(yang)(yang)76件(jian)；2013年(nian)5月，堆(dui)積(ji)至13級子(zi)壩(ba)時，又布(bu)設了11個(ge)取(qu)(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號K10～K20，取(qu)(qu)原狀樣(yang)(yang)112件(jian)，為(wei)比(bi)較子(zi)壩(ba)加高和磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)過程中磷(lin)石(shi)膏(gao)物理力學(xue)性質的變化，在2，4級子(zi)壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附(fu)近各布(bu)設了一個(ge)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號分別(bie)為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷(lin)石膏尾礦(kuang)庫2005年(nian)開(kai)工建設(she)，2006年(nian)1月投入運(yun)行，截至2013年(nian)5月己堆(dui)(dui)(dui)至13級(ji)(ji)子壩(ba)，尚有7級(ji)(ji)子壩(ba)即堆(dui)(dui)(dui)存(cun)至設(she)計高程。鑒于(yu)磷(lin)石膏庫地(di)(di)形、地(di)(di)質條件較好(hao)，具備擴容(rong)改造的(de)條件，以提高堆(dui)(dui)(dui)存(cun)庫容(rong)，減少堆(dui)(dui)(dui)存(cun)占(zhan)地(di)(di)，節約土地(di)(di)資(zi)源。

本文(wen)主要對沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)物理力學特(te)性(xing)進行了全面總(zong)結，限于篇幅，有關現狀磷(lin)(lin)石(shi)膏庫堆積壩(ba)的(de)安全性(xing)評價及(ji)其加高可(ke)行性(xing)的(de)研究將另文(wen)發表。

二、沉(chen)積磷石(shi)膏的物理(li)力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給(gei)出了14個鉆孔(kong)的取樣深度(du)和試(shi)驗所(suo)得干密度(du)的關系，圖中UWL表示(shi)水位線(xian)上，(系鉆孔(kong)期間的初見水位線(xian)，下(xia)同)，DWL表示(shi)水位線(xian)下(xia)。圖3給(gei)出了水位線(xian)上下(xia)的飽和度(du)分布圖。由于磷石膏(gao)中的主要(yao)成分為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度(du)和烘(hong)烤時間對測定(ding)結果有一定(ding)影響，不(bu)能照搬(ban)現(xian)行的土工試(shi)驗規范，本文磷石膏(gao)的含(han)水率(lv)測定(ding)方法為(wei)55℃溫(wen)度(du)下(xia)烘(hong)培(pei)24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深的關系(xi)

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

由(you)圖(tu)3，水(shui)位線上(shang)的磷(lin)石膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)和度平均值(zhi)為(wei)50.4%，處(chu)于(yu)非飽(bao)(bao)(bao)和狀(zhuang)態(tai)，水(shui)位線以下(xia)(xia)的磷(lin)石膏(gao)飽(bao)(bao)(bao)和度平均值(zhi)為(wei)85.0%，基本處(chu)于(yu)飽(bao)(bao)(bao)和狀(zhuang)態(tai)，由(you)于(yu)水(shui)位下(xia)(xia)降后磷(lin)石膏(gao)來不及排水(shui)固(gu)結，故而水(shui)位線上(shang)局部試樣(yang)的飽(bao)(bao)(bao)和度較高。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的干密(mi)度(du)(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均(jun)值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下的干密(mi)度(du)(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均(jun)值為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石膏與一般的尾礦(kuang)有(you)所(suo)不(bu)同，磷(lin)(lin)石膏的干密(mi)度(du)(du)(du)并不(bu)隨(sui)埋深(shen)的增大而明顯增大，但水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下的磷(lin)(lin)石膏干密(mi)度(du)(du)(du)從統(tong)計(ji)意義上來(lai)看仍大于(yu)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)以(yi)上的磷(lin)(lin)石膏干密(mi)度(du)(du)(du)，這主要是由于(yu)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)隨(sui)庫水(shui)(shui)位(wei)的變化(hua)反復升(sheng)降而使得(de)磷(lin)(lin)石膏排水(shui)(shui)固結所(suo)致。

室內擊(ji)(ji)實(shi)得(de)到(dao)的(de)磷(lin)石膏最大干(gan)密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)(ke)以看出(chu)，自然沉(chen)積的(de)磷(lin)石膏最大干(gan)密度可(ke)(ke)達(da)到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)土骨(gu)架不(bu)(bu)可(ke)(ke)壓縮的(de)理論不(bu)(bu)同，石膏本(ben)身可(ke)(ke)壓縮，同時由(you)于(yu)顆(ke)粒(li)結(jie)構不(bu)(bu)穩定，擊(ji)(ji)實(shi)試驗過程中磷(lin)石膏結(jie)構被(bei)破(po)壞(huai)，受夯擊(ji)(ji)處下(xia)陷，四周(zhou)鼓起，出(chu)現(xian)了類似于(yu)橡皮土的(de)現(xian)象(xiang)。而(er)在現(xian)場(chang)條(tiao)件下(xia)，石膏骨(gu)架被(bei)破(po)壞(huai)后(hou)，會導致顆(ke)粒(li)中的(de)結(jie)合水(shui)滲出(chu)至孔隙內，變成孔隙水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)后(hou)會使得(de)磷(lin)石膏的(de)孔隙比減(jian)小，干(gan)密度增(zeng)大。

圖(tu)(tu)4給出了(le)相鄰鉆孔(kong)(kong)K2和K17(位于2級(ji)子壩河床(chuang)部位)以(yi)及相鄰鉆孔(kong)(kong)K6和K18(位于4級(ji)子壩河床(chuang)部位)干(gan)密(mi)(mi)度的(de)(de)對比(bi)圖(tu)(tu)。K2鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.37g/cm3。可見，即使從統計意(yi)義(yi)上來看，磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度也并未隨后續(xu)磷(lin)石膏的(de)(de)堆積而(er)有較為明顯(xian)的(de)(de)增(zeng)大(da)。

(2)級配分布

顆粒分(fen)析試驗采(cai)用(yong)密度計法(fa)，制備懸(xuan)液(ye)時不(bu)煮沸(fei)，不(bu)加六偏磷(lin)酸(suan)鈉(na)。圖5給(gei)出了試驗得到的(de)級配(pei)包線、平均粒徑d50、不(bu)均勻系(xi)數(shu)(1u和曲(qu)率系(xi)數(shu)Cc的(de)分(fen)布(bu)圖。

從圖5(a)可見，磷(lin)石(shi)膏的粒徑主要分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上(shang)屬于(yu)粉土，但可能由(you)于(yu)礦(kuang)石(shi)來源或生產工藝有所不同，局部屬于(yu)粉砂～中砂。粒徑分(fen)布范圍比Blight和(he)張超等的試驗結果要寬一些。

圖4子壩加高后沉積(ji)磷石膏的干密(mi)度變化

圖5沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)平(ping)均粒徑和(he)級配分布(bu)

由(you)圖5(b)和(he)5(c)，無論(lun)是水平向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷石膏(gao)與金屬(shu)礦(kuang)(kuang)山(shan)尾礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗后細，上粗下細”的(de)自然分級現象(xiang)不(bu)(bu)同，也即粗顆(ke)粒(li)并(bing)不(bu)(bu)是沿埋深(shen)逐(zhu)步(bu)減小或距(ju)離放漿口(kou)越遠(yuan)顆(ke)粒(li)越細，其原因如下：①磷石膏(gao)顆(ke)粒(li)粒(li)徑組(zu)成(cheng)較(jiao)為集中、均勻，主要(yao)以粉(fen)粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金屬(shu)尾礦(kuang)(kuang)，磷石膏(gao)的(de)比(bi)重較(jiao)小，磷石膏(gao)的(de)比(bi)重一(yi)般為2.3～2.4，遠(yuan)小于金屬(shu)尾礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重，例如鐵尾礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重可達2.9；③放漿口(kou)隨子壩高(gao)度(du)不(bu)(bu)斷(duan)增加而(er)不(bu)(bu)斷(duan)變動(dong)并(bing)向(xiang)庫尾延伸(shen)，造成(cheng)沉(chen)積磷石膏(gao)的(de)粒(li)徑變化不(bu)(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可(ke)見(jian)，不均勻系數Cu范圍(wei)值1.61～21.5，平均值為(wei)4.18，曲(qu)率系數(1c范圍(wei)值0.28～9.78，平均值為(wei)1.21，在統計(ji)的(de)100多個試樣中，屬于級配(pei)不良土的(de)占93%。這種級配(pei)特(te)性(xing)決定了磷石膏具有較高的(de)壓縮性(xing)、滲透(tou)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(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數的(de)(de)(de)主要因(yin)素是(shi)粒徑大(da)小(xiao)、級配和(he)孔隙比(bi)，因(yin)而磷石膏(gao)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數與粉土較為(wei)接近。由于孔隙比(bi)e減小(xiao)，使得過水通道(dao)面(mian)積減小(xiao)，滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數k也將減小(xiao)，k與e呈正相關關系(xi)。對砂土，一般認為(wei)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線性關系(xi)較好，圖6給出(chu)了(le)二(er)者(zhe)(zhe)間的(de)(de)(de)關系(xi)曲線，由于沉(chen)(chen)積磷石膏(gao)的(de)(de)(de)不均勻(yun)系(xi)數變化較大(da)，使得沉(chen)(chen)積磷石膏(gao)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系(xi)數變化范圍較大(da)(平均值為(wei)10-4cm/s數量級)，二(er)者(zhe)(zhe)問的(de)(de)(de)線性關系(xi)較差。

圖6沉(chen)積(ji)磷石膏滲(shen)透系數與孔(kong)隙(xi)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)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)比值的(de)分布(bu)。沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)水平(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)kh一般(ban)大(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約為2.86，這一點與成層分布(bu)的(de)金屬尾礦規律一致(zhi)。造成沉(chen)積磷石(shi)膏水平(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)大(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)原因是由(you)于(yu)磷石(shi)膏具有明顯的(de)晶體結構，電鏡(jing)掃描(miao)顯示(shi)多為菱形和棱柱狀形式(見圖8)，在沉(chen)積過(guo)程中，由(you)于(yu)扁平(ping)狀磷石(shi)膏顆粒多呈(cheng)水平(ping)排列，使得水平(ping)方向(xiang)的(de)透(tou)(tou)水性(xing)大(da)于(yu)垂(chui)直方向(xiang)的(de)透(tou)(tou)水性(xing)，從而使磷石(shi)膏呈(cheng)現明顯的(de)各(ge)向(xiang)異性(xing)。

另根據中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院在楊(yang)家箐磷石膏堆積壩(ba)開展的(de)現(xian)場滲(shen)透試驗，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)約為(wei)1.9。但張超等(deng)的(de)室(shi)內試驗顯示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)約為(wei)0.46，也(ye)即垂(chui)直向滲(shen)透系數(shu)大于水平(ping)向滲(shen)透系數(shu)，與(yu)本(ben)文和(he)現(xian)場試驗結(jie)果(guo)恰(qia)恰(qia)相(xiang)反。從磷石膏的(de)微觀結(jie)構來看，本(ben)文試驗結(jie)果(guo)更為(wei)合理。

圖7沉積(ji)磷石膏(gao)干密度(du)與水平和(he)垂(chui)直滲透系數比值(zhi)的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)干密(mi)度(du)為(wei)1.40g/cm3的水力梯度(du)J與(yu)流速V的關(guan)系曲線，試(shi)驗(yan)在水平管(guan)涌儀中(zhong)采用水平方向的滲(shen)流形式進行。試(shi)驗(yan)得到的臨(lin)界(jie)坡(po)(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)來(lai)(lai)說，對(dui)1，2級(ji)工程(cheng)(cheng)，滲(shen)透安全(quan)系數(shu)取為(wei)2.5，則允許(xu)出(chu)(chu)逸坡(po)(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下工程(cheng)(cheng)，滲(shen)透安全(quan)系數(shu)取2.0，則允許(xu)出(chu)(chu)逸坡(po)(po)降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降(jiang)(jiang)與(yu)粉(fen)(fen)土一(yi)粉(fen)(fen)砂大致相(xiang)同(tong)。但上述滲(shen)透變形試(shi)驗(yan)是采用自來(lai)(lai)水進行的，自來(lai)(lai)水對(dui)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)具有一(yi)定(ding)的溶蝕作用，而實際上磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)中(zhong)殘余磷(lin)、硫(liu)和氟酸，庫水的pH值一(yi)般(ban)小于3(稱之為(wei)酸性(xing)水)，在酸性(xing)水作用下，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)不會發生破壞，上述試(shi)驗(yan)結果是偏于保守的，但對(dui)非酸性(xing)水條件(例如特(te)大暴雨(yu))下的滲(shen)透穩定(ding)判(pan)斷有一(yi)定(ding)的借鑒意義。

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

(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的壓力板(ban)儀中進行，環刀尺(chi)寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力范圍0～500kPa。表l列出(chu)了含水率特征值，試(shi)驗(yan)曲線見圖10所示。

試驗結果(guo)表明：①干密(mi)(mi)度(du)對進(jin)氣(qi)值(zhi)沒(mei)有(you)明顯的影響，不同干密(mi)(mi)度(du)的試樣的進(jin)氣(qi)值(zhi)大致在(zai)10kPa左(zuo)右；②土樣殘余含(han)水率隨干密(mi)(mi)度(du)的增加而減(jian)少，殘余含(han)水率約(yue)為飽和(he)含(han)水率的10%。上述(shu)特性與(yu)粉土一(yi)粉砂(sha)基本(ben)一(yi)致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉(chen)積(ji)磷石膏的(de)密度(du)變化較大，而進行三(san)軸試(shi)驗需(xu)要若(ruo)干(gan)(gan)原狀樣，為(wei)(wei)使試(shi)驗結果具有較好的(de)一致性，有針對性的(de)選擇平(ping)均干(gan)(gan)密度(du)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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)干(gan)(gan)試(shi)樣，進行了5組(zu)三(san)軸CU試(shi)驗。圖11是(shi)為(wei)(wei)干(gan)(gan)密度(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)驗曲線(xian)。

從(cong)圖11可以(yi)看出(chu)，磷石(shi)膏的(de)應(ying)力應(ying)變關系曲線在低圍(wei)壓(ya)下表(biao)(biao)現為(wei)(wei)軟化型，在高圍(wei)壓(ya)下表(biao)(biao)現為(wei)(wei)硬化型，與(yu)一(yi)般土類相似。但與(yu)一(yi)般粉土一(yi)粉砂不(bu)同的(de)是，即使在較為(wei)(wei)疏松(song)的(de)狀態下，磷石(shi)膏仍表(biao)(biao)現了較為(wei)(wei)強烈(lie)的(de)剪脹(zhang)，隨密實度增大，剪脹(zhang)作用愈(yu)發明(ming)顯(xian)。

表2給出(chu)了(le)不(bu)同(tong)干(gan)(gan)密(mi)度(du)下的內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出(chu)了(le)內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)的關系(xi)曲線(xian)(xian)。隨干(gan)(gan)密(mi)度(du)的增(zeng)大，內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)(ye)隨之增(zeng)大，且(qie)可采(cai)用(yong)冪函數較(jiao)好(hao)地擬合(he)。磷(lin)石膏的干(gan)(gan)密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了(le)32%，總應(ying)力(li)(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬合(he)曲線(xian)(xian)求(qiu)得)，增(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有(you)(you)效應(ying)力(li)(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于(yu)隨圍壓的增(zeng)大，孔壓也(ye)(ye)明顯(xian)增(zeng)大，故有(you)(you)效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)幅(fu)較(jiao)之總應(ying)力(li)(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)之于(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)增(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的增(zeng)幅(fu)并不(bu)顯(xian)著(zhu)，表明即使較(jiao)為(wei)疏松的磷(lin)石膏仍具有(you)(you)較(jiao)高的強度(du)指(zhi)標，這也(ye)(ye)表明磷(lin)石膏堆(dui)積壩的穩定性(xing)較(jiao)高。

(2)蠕變(次固(gu)結(jie))變形試驗

磷石(shi)膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形(xing)試驗在(zai)側(ce)限壓縮儀(yi)中進行，試驗狀態相當于K0固結。試樣直徑61.8mm，高(gao)度(du)20mm，試樣干密度(du)為1.30g/cm3，對(dui)試樣飽(bao)和后分別(bie)開(kai)展(zhan)了上覆壓力(li)ρ為100，200，400，800kPa的(de)試驗，

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

從圖13中可以(yi)看出(chu)：上覆(fu)荷(he)載越大，磷石(shi)膏的蠕變(bian)變(bian)形也越大，荷(he)載施(shi)加1年后，磷石(shi)膏的蠕變(bian)變(bian)形仍非(fei)常顯著，尚(shang)未達到穩定(ding)(ding)狀態，這也是磷石(shi)膏堆積壩后期變(bian)形較大的原(yuan)因，原(yuan)型觀測(ce)資料表明(ming)，在5級子壩河床部位的表面沉(chen)降(jiang)量已經達到3.1m，且尚(shang)未完全(quan)穩定(ding)(ding)。

按時(shi)間對(dui)(dui)數(shu)法，可求得(de)各級荷載下的主次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)量(liang)如表3所示。試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)果表明(ming)，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用(yong)下，在(zai)(zai)試(shi)驗(yan)時(shi)間范圍內蠕(ru)變(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie))變(bian)形(xing)是(shi)(shi)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)的1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由于(yu)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實際(ji)的蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)應更大。對(dui)(dui)土(tu)體(ti)而(er)言(yan)，發生(sheng)蠕(ru)變(bian)的原(yuan)因是(shi)(shi)由于(yu)土(tu)體(ti)在(zai)(zai)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)完(wan)成(cheng)之后，土(tu)體(ti)中(zhong)仍有微小的超靜孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅使(shi)水在(zai)(zai)顆粒(li)問流動，一般(ban)來講土(tu)體(ti)的次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)；對(dui)(dui)磷(lin)石膏而(er)言(yan)，其(qi)滲透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級，遠大于(yu)黏性土(tu)，但其(qi)卻發生(sheng)了極為(wei)顯著的次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)，其(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)磷(lin)石膏晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)構發生(sheng)了壓縮、破(po)壞(huai)，接觸(chu)點晶(jing)(jing)格(ge)發生(sheng)歪(wai)曲和變(bian)形(xing)，而(er)破(po)壞(huai)后晶(jing)(jing)格(ge)之間的重(zhong)新(xin)排列、調整(zheng)到最后趨(qu)于(yu)相(xiang)對(dui)(dui)靜止需要相(xiang)當(dang)長的時(shi)間才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗(yan)設備采用英國GDS公(gong)司進口的電機控(kong)制動三(san)軸(zhou)試驗(yan)系統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼(ni)比

同樣(yang)由于自然沉積的磷石(shi)膏密度(du)變(bian)化較大，為(wei)此(ci)根據物理性質試驗結果，選擇兩種平均(jun)干密度(du)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)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)動剪切模(mo)量G、阻尼比(bi)與剪應變(bian)幅(fu)值γd的(de)關系式(shi)如下：

式中(zhong)k1為(wei)(wei)參數(shu)，表示動剪切模量(liang)的(de)衰減或阻(zu)尼比的(de)增長速率；λmax為(wei)(wei)最大阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大動剪切模量(liang)和(he)歸一化的(de)動剪應變，表示為(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標準(zhun)大氣壓(ya)；vd為(wei)動(dong)泊松(song)比；εa為(wei)歸一(yi)化的動(dong)應變，表(biao)達為(wei)

圖(tu)14給(gei)出(chu)(chu)了動(dong)剪切模量(liang)、阻尼比與(yu)歸(gui)一化動(dong)應(ying)變的(de)關系曲(qu)線，另外圖(tu)中(zhong)還給(gei)出(chu)(chu)了式(1)的(de)擬合曲(qu)線以(yi)及Seed等給(gei)出(chu)(chu)的(de)砂樣(yang)的(de)上下(xia)邊界線，圖(tu)例(li)中(zhong)，σ2表示圍(wei)壓(ya)，Kc表示固(gu)結應(ying)力比。

從圖(tu)(tu)(tu)中(zhong)可以看出(chu)：①式(1)可較(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動應(ying)力(li)-動應(ying)變試驗曲線，表明采用(yong)等價(jia)黏(nian)彈性(xing)模型進行循(xun)環荷載作用(yong)下的(de)(de)(de)(de)分析是(shi)(shi)可行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密度(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線位于(yu)干密度(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線上方，圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位于(yu)下方，表明密度(du)越(yue)大，動彈模越(yue)大、阻尼比越(yue)小；③圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密度(du)的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線基本(ben)位于(yu)Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)(de)邊界線上方，而(er)圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本(ben)處于(yu)邊界線中(zhong)間，表明相比較(jiao)(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)動彈模較(jiao)(jiao)大，會(hui)(hui)導致(zhi)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩的(de)(de)(de)(de)動力(li)反應(ying)較(jiao)(jiao)大，但由于(yu)阻尼比也較(jiao)(jiao)大，這樣又會(hui)(hui)削弱壩體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)動力(li)反應(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相互(hu)影響下，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩壩體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)動力(li)反應(ying)將不(bu)會(hui)(hui)過(guo)于(yu)強烈(lie)，這對磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩的(de)(de)(de)(de)抗震(zhen)穩定性(xing)是(shi)(shi)有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩(liang)種平均干(gan)密度(du)為(wei)(wei)1.12(變化范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞(huai)標(biao)準為(wei)(wei)總應變達到10%。

圖15給(gei)出了動剪應(ying)(ying)力(li)比τd/σ0′與(yu)(yu)破壞振(zhen)次(ci)Nf的關(guan)系曲(qu)線圖，其中σ0為振(zhen)前試樣45°面上(shang)的有效法向應(ying)(ying)力(li)，表(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結(jie)比。從(cong)試驗結(jie)果可(ke)以看出，沉積(ji)磷石膏的動強度與(yu)(yu)其它(ta)土體相似，表(biao)現為圍壓和固(gu)結(jie)應(ying)(ying)力(li)比與(yu)(yu)動剪應(ying)(ying)力(li)比呈(cheng)負(fu)相關(guan)關(guan)系。

為(wei)判別沉積磷石膏的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震設計烈度(du)為(wei)8度(du)，即等效振次Ⅳ可取為(wei)30。首先由式(shi)(4)

所示(shi)的(de)冪函(han)數(shu)關系式得到振次為30時各個(ge)圍壓和(he)固結比下(xia)的(de)動剪(jian)應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得(de)動剪應(ying)力比(bi)與圍壓和固結(jie)應(ying)力比(bi)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。

從上述擬合關系(xi)式可見(jian)，密實度(du)提(ti)高(gao)(gao)后，動剪應力比提(ti)高(gao)(gao)，表明(ming)抗液化能力也(ye)提(ti)高(gao)(gao)。但(dan)即(ji)使是在低密度(du)下(xia)，其動剪應力比較之同類的粉土或粉砂也(ye)大出(chu)許多，表明(ming)磷石膏具有較高(gao)(gao)的抗液化能力。

三、結論

依托柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆積壩，在鉆探取樣工作的(de)基礎上，首先開(kai)展了物理性(xing)質試(shi)(shi)驗，然后(hou)開(kai)展了靜動力力學特性(xing)試(shi)(shi)驗。通過上述試(shi)(shi)驗研究，得出(chu)如下(xia)結(jie)論：

(1)沉積磷石膏總體(ti)上屬于級(ji)配不(bu)良(liang)的(de)粉土，局部屬于粉砂(sha)一中砂(sha)，無自然(ran)分級(ji)現象。其干密度和粒徑變化隨埋深或距放漿(jiang)口(kou)距離的(de)變化不(bu)明顯。

(2)沉(chen)積磷石膏水平方向(xiang)的(de)滲透系數大于(yu)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)的(de)滲透系數，呈現明(ming)顯的(de)各向(xiang)異性。

(3)與土體顆粒不可壓(ya)(ya)縮(suo)不同，磷石膏(gao)的晶體結構會發生(sheng)壓(ya)(ya)縮(suo)破壞，具有較大的壓(ya)(ya)縮(suo)性，其次(ci)固(gu)結變形量(liang)遠大于主固(gu)結變形量(liang)。

(4)沉積磷石膏(gao)的靜動強度較之(zhi)同等密(mi)實度下的粉土、粉砂要高。