沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏是磷(lin)(lin)酸生產(chan)過程中的(de)(de)副產(chan)品，目前的(de)(de)綜合利(li)用率(lv)尚不足40%，大部(bu)分需要堆(dui)存存放(fang)。受(shou)地形(xing)限制(zhi)和經濟效益考慮，中國(guo)主要為濕(shi)法堆(dui)存的(de)(de)山(shan)谷型(xing)堆(dui)場。依托(tuo)柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)，針對(dui)沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏首先開展了(le)密(mi)度(du)、含水率(lv)、滲透、土水特(te)征(zheng)和顆(ke)分等物理性質試驗(yan)，然(ran)后開展了(le)三(san)軸cu、蠕變(bian)及動三(san)軸等力(li)學(xue)特(te)性試驗(yan)。試驗(yan)結果表明(ming)：①沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)干密(mi)度(du)與埋深沒有相關關系；②沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏不具(ju)有自然(ran)分級現象，但(dan)具(ju)有明(ming)顯的(de)(de)各向異性；③沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏具(ju)有較高的(de)(de)摩擦角和抗液(ye)化能力(li)，但(dan)其蠕變(bian)變(bian)形(xing)較大、滲透比降(jiang)較小。上述(shu)工(gong)作為分析磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)的(de)(de)壩(ba)體穩定性提供了(le)基礎，對(dui)現行(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)的(de)(de)運行(xing)管理以及新建工(gong)程的(de)(de)設計具(ju)有重要的(de)(de)借鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)是濕法磷(lin)(lin)(lin)酸生產過(guo)程中(zhong)的(de)副產品，2018年(nian)，全(quan)國磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)產生量(liang)為7800萬噸，且(qie)呈逐年(nian)增長的(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)主(zhu)要(yao)成分(fen)(fen)是CaO和(he)(he)SO3，但含有(you)一定量(liang)的(de)氟化物(wu)(wu)和(he)(he)其它放射性物(wu)(wu)質，在中(zhong)國通常按Ⅱ類一般(ban)工(gong)業固(gu)體廢物(wu)(wu)處理(li)，鑒于無害化處理(li)成本(ben)較高，目前綜合利用率尚不足(zu)40%，故大部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)需要(yao)堆存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆存(cun)(cun)場地(di)(di)(di)的(de)不同，可分(fen)(fen)為平(ping)地(di)(di)(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷(gu)型(xing)(xing)和(he)(he)截河(he)型(xing)(xing)堆場，在中(zhong)國基本(ben)上是山谷(gu)型(xing)(xing)堆場。相(xiang)比較干(gan)法堆存(cun)(cun)，濕法堆存(cun)(cun)經濟(ji)優勢明顯(xian)，因(yin)而如地(di)(di)(di)質條件(jian)為非碳(tan)酸鹽巖地(di)(di)(di)區，一般(ban)均采用濕排濕堆方式。隨著中(zhong)國磷(lin)(lin)(lin)肥工(gong)業的(de)快(kuai)速發展(zhan)，本(ben)世(shi)紀初中(zhong)國相(xiang)繼(ji)建設了(le)幾座濕法堆存(cun)(cun)的(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫，例(li)如云天化國際化工(gong)三環分(fen)(fen)公(gong)司的(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積(ji)壩和(he)(he)富(fu)瑞分(fen)(fen)公(gong)司的(de)楊家箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積(ji)壩，這(zhe)兩座壩設計(ji)壩高均超過(guo)100m、處于8度地(di)(di)(di)震區，其安全(quan)性備受關注。

據統(tong)計(ji)，110多(duo)年(1901年一2013年)來，全世界有(you)118座(zuo)尾礦壩曾發生過破壞(huai)或(huo)潰壩事(shi)故，原因主要有(you)地震、洪(hong)水漫頂、滲透(tou)破壞(huai)和(he)基礎失穩。尾礦庫(ku)失事(shi)后會造成巨(ju)大的生態災難和(he)人員傷亡，近幾十年來，

國(guo)內(nei)外對金屬尾礦的(de)沉積規律、物理(li)(li)力學(xue)特(te)性及(ji)其穩(wen)定性開展(zhan)了大量(liang)的(de)研究(jiu)，但對于(yu)與金屬尾礦庫相近的(de)磷石(shi)膏庫，一般僅限于(yu)在可研階段采用人工(gong)制備樣進(jin)行(xing)物理(li)(li)力學(xue)性質試驗，并(bing)據(ju)此進(jin)行(xing)穩(wen)定性分析(xi)，尚未有(you)人針(zhen)對己運行(xing)若干年的(de)大型(xing)濕法堆存磷石(shi)膏堆積壩開展(zhan)過磷石(shi)膏沉積規律及(ji)其物理(li)(li)力學(xue)特(te)性的(de)專項(xiang)研究(jiu)。

本(ben)文(wen)依托柳樹(shu)箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩，首(shou)先進行了(le)鉆探取樣，采用原(yuan)狀樣開(kai)展(zhan)了(le)密度、含水率、滲(shen)透、土水特(te)征和(he)顆分等物理(li)性(xing)質試驗(yan)，在此基礎上(shang)有針(zhen)對性(xing)的選(xuan)擇原(yuan)狀樣開(kai)展(zhan)了(le)三軸(zhou)(zhou)CU、蠕變(bian)及(ji)動三軸(zhou)(zhou)等力學特(te)性(xing)試驗(yan)。通(tong)過(guo)上(shang)述(shu)試驗(yan)研究，總(zong)結了(le)磷(lin)石膏(gao)的沉(chen)積規律(lv)、滲(shen)透特(te)性(xing)、滲(shen)透破壞特(te)性(xing)以及(ji)靜動力特(te)性(xing)，上(shang)述(shu)研究工作對研究和(he)評估磷(lin)石膏(gao)庫堆積壩的穩定性(xing)提(ti)供了(le)基礎數據，對現行磷(lin)石膏(gao)庫的運行管理(li)以及(ji)新建工程(cheng)的設計具有重要的借鑒意義。

一(yi)、依托工程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏(gao)堆積壩堆存設計方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設(she)計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩壩高約30m，采用土料填(tian)筑。上(shang)游坡面、壩底和下游壩腳設置堆(dui)石(shi)排(pai)水體，三者相(xiang)連通(tong)構成整(zheng)個堆(dui)積壩的(de)主要排(pai)滲系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲(shen)措施(shi)

采用上游式筑壩法，共20級子壩，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約100m。采用排滲(shen)管網作為輔助排滲(shen)方案，目前己(ji)在5級、9級子壩和13級子壩壩前120m范圍內設置了井(jing)字形排滲(shen)管網。

1.2沉積磷石(shi)膏的鉆探取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔平面位置見圖(tu)l。2008年6月，堆(dui)積(ji)至(zhi)5級(ji)子壩(ba)時，布設了9個取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔編號(hao)(hao)K1～K9，取(qu)(qu)原(yuan)(yuan)狀樣(yang)76件(jian)；2013年5月，堆(dui)積(ji)至(zhi)13級(ji)子壩(ba)時，又布設了11個取(qu)(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔編號(hao)(hao)K10～K20，取(qu)(qu)原(yuan)(yuan)狀樣(yang)112件(jian)，為(wei)比較子壩(ba)加高和(he)(he)磷(lin)(lin)石膏(gao)堆(dui)積(ji)過程(cheng)中磷(lin)(lin)石膏(gao)物(wu)理(li)力學(xue)性質的變化，在2，4級(ji)子壩(ba)K2孔和(he)(he)K6孔附近各布設了一個鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)孔編號(hao)(hao)分別為(wei)K17和(he)(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石(shi)膏尾礦庫2005年開工建(jian)設，2006年1月(yue)投入運(yun)行，截(jie)至2013年5月(yue)己堆至13級(ji)子壩(ba)(ba)，尚有7級(ji)子壩(ba)(ba)即堆存至設計高程。鑒(jian)于磷石(shi)膏庫地形、地質條(tiao)件(jian)(jian)較(jiao)好，具備擴容改造的條(tiao)件(jian)(jian)，以提高堆存庫容，減少堆存占地，節約(yue)土(tu)地資源。

本(ben)文主要對(dui)沉積磷(lin)(lin)石(shi)膏的物理力(li)學特性(xing)進(jin)行了全面總結，限于篇幅，有關現狀磷(lin)(lin)石(shi)膏庫堆積壩的安(an)全性(xing)評價及其加高可(ke)行性(xing)的研(yan)究將(jiang)另(ling)文發(fa)表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理(li)力學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出了14個鉆孔的取樣深度(du)和試驗所(suo)得干密度(du)的關系(xi)，圖中UWL表示水(shui)位線(xian)上，(系(xi)鉆孔期間的初見水(shui)位線(xian)，下同)，DWL表示水(shui)位線(xian)下。圖3給出了水(shui)位線(xian)上下的飽和度(du)分布圖。由(you)于磷石膏中的主(zhu)要成分為CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度(du)和烘烤時間對(dui)測(ce)定(ding)結果有(you)一定(ding)影(ying)響，不能照(zhao)搬現(xian)行的土工試驗規范(fan)，本文磷石膏的含水(shui)率測(ce)定(ding)方法為55℃溫(wen)度(du)下烘培24h。

圖2沉積磷(lin)石膏干(gan)密度與(yu)埋深的關系(xi)

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

由圖3，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)上的(de)(de)磷石(shi)膏飽和(he)(he)(he)度平均值為50.4%，處于非飽和(he)(he)(he)狀態，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以下的(de)(de)磷石(shi)膏飽和(he)(he)(he)度平均值為85.0%，基本處于飽和(he)(he)(he)狀態，由于水(shui)位(wei)下降后磷石(shi)膏來(lai)不(bu)及排(pai)水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)線(xian)(xian)上局部試(shi)樣的(de)(de)飽和(he)(he)(he)度較高。

由圖2，水(shui)位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線以(yi)下的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均(jun)值為(wei)1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與一(yi)般的(de)尾礦(kuang)有所(suo)不同，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)并不隨(sui)埋深的(de)增大而明(ming)顯增大，但水(shui)位(wei)線以(yi)下的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)從統計意(yi)義(yi)上(shang)來看仍大于水(shui)位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)，這主要是由于水(shui)位(wei)線隨(sui)庫水(shui)位(wei)的(de)變化反復(fu)升降而使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)排水(shui)固結所(suo)致(zhi)。

室內擊實(shi)得到的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大(da)干(gan)密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看(kan)出，自然沉積的(de)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大(da)干(gan)密(mi)度可達到1.73g/cm3，原因如下(xia)(xia)：與經典(dian)的(de)土骨架不可壓縮的(de)理論不同(tong)，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)本(ben)身可壓縮，同(tong)時由于(yu)顆粒(li)(li)結構不穩(wen)定，擊實(shi)試驗過(guo)程(cheng)中磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)結構被破(po)壞，受夯擊處下(xia)(xia)陷(xian)，四周(zhou)鼓起，出現了類(lei)似于(yu)橡皮土的(de)現象。而在現場(chang)條件下(xia)(xia)，石(shi)(shi)(shi)膏(gao)骨架被破(po)壞后，會(hui)導(dao)致顆粒(li)(li)中的(de)結合水(shui)滲(shen)出至孔隙內，變成(cheng)孔隙水(shui)，排水(shui)固(gu)結后會(hui)使(shi)得磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)孔隙比減(jian)小，干(gan)密(mi)度增大(da)。

圖4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位于2級(ji)子(zi)壩(ba)河床部(bu)位)以及(ji)相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位于4級(ji)子(zi)壩(ba)河床部(bu)位)干密度(du)(du)的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干密度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干密度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干密度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的(de)(de)干密度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來(lai)看，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干密度(du)(du)也并(bing)未隨后續磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)堆積而有較為(wei)明顯的(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆(ke)粒(li)分析試驗采用密度計(ji)法，制備(bei)懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷(lin)酸鈉。圖5給出了(le)試驗得到的級配包線(xian)、平均粒(li)徑d50、不(bu)均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的分布圖。

從(cong)圖5(a)可見，磷石(shi)膏的粒徑主要分布(bu)在0.005～0.075mm之(zhi)間(jian)，總體上(shang)屬于粉土，但可能由于礦石(shi)來源(yuan)或(huo)生產工藝(yi)有(you)所不同，局(ju)部屬于粉砂～中砂。粒徑分布(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(ba)加高后沉積磷石膏的干密度變化

圖5沉積磷石膏的(de)平均粒徑和級配分布

由(you)圖(tu)5(b)和5(c)，無(wu)論(lun)是水平(ping)向(xiang)還是垂直向(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與金(jin)屬(shu)礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)“前(qian)粗后(hou)細，上(shang)粗下細”的(de)自然分級現象(xiang)不(bu)同，也(ye)即粗顆(ke)(ke)粒(li)并不(bu)是沿埋深逐步減小(xiao)或距(ju)離放(fang)漿口(kou)越遠(yuan)(yuan)顆(ke)(ke)粒(li)越細，其原因如下：①磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)(ke)粒(li)粒(li)徑組(zu)(zu)成較(jiao)為集中、均勻，主(zhu)要以粉粒(li)組(zu)(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級配較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金(jin)屬(shu)尾礦(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比(bi)重較(jiao)小(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比(bi)重一般(ban)為2.3～2.4，遠(yuan)(yuan)小(xiao)于金(jin)屬(shu)尾礦(kuang)的(de)比(bi)重，例如鐵(tie)尾礦(kuang)的(de)比(bi)重可達(da)2.9；③放(fang)漿口(kou)隨子壩高度不(bu)斷(duan)增加(jia)而(er)不(bu)斷(duan)變(bian)動并向(xiang)庫尾延伸，造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑變(bian)化(hua)不(bu)明顯。

從圖5(d)可(ke)見，不均(jun)勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)為4.18，曲(qu)率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)為1.21，在統計(ji)的100多個試(shi)樣中，屬于(yu)級配不良(liang)土(tu)(tu)的占93%。這(zhe)種(zhong)級配特性決定了(le)磷石(shi)膏具有較高(gao)的壓縮性、滲透破(po)壞(huai)型式(shi)表現為流土(tu)(tu)破(po)壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)的(de)(de)主要因(yin)素是粒徑(jing)大(da)小(xiao)、級配和孔隙(xi)比，因(yin)而磷(lin)石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)為接(jie)近。由(you)于孔隙(xi)比e減小(xiao)，使得過(guo)水通道面積減小(xiao)，滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)k也將(jiang)減小(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)關(guan)系。對砂(sha)土(tu)，一般認為滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性(xing)關(guan)系較(jiao)好，圖6給(gei)出了二者(zhe)間的(de)(de)關(guan)系曲(qu)線，由(you)于沉積磷(lin)石膏的(de)(de)不(bu)均勻系數(shu)(shu)變化較(jiao)大(da)，使得沉積磷(lin)石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)(tou)系數(shu)(shu)變化范(fan)圍較(jiao)大(da)(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二者(zhe)問的(de)(de)線性(xing)關(guan)系較(jiao)差。

圖(tu)6沉(chen)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(tu)7給(gei)出了水平與垂直向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)比值的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)。沉(chen)積(ji)(ji)磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)水平向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)kh一般大于垂直向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平均值約為2.86，這一點與成層分(fen)(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)金屬尾礦規律(lv)一致(zhi)。造成沉(chen)積(ji)(ji)磷石(shi)(shi)膏水平向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)大于垂直向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)原因是由于磷石(shi)(shi)膏具(ju)有明顯的(de)(de)(de)(de)晶體(ti)結構(gou)，電鏡掃描顯示(shi)多為菱形和棱柱狀形式(見(jian)圖(tu)8)，在沉(chen)積(ji)(ji)過(guo)程中(zhong)，由于扁平狀磷石(shi)(shi)膏顆粒(li)多呈水平排(pai)列，使(shi)得水平方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透(tou)(tou)水性(xing)大于垂直方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透(tou)(tou)水性(xing)，從(cong)而使(shi)磷石(shi)(shi)膏呈現明顯的(de)(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根(gen)據中國有(you)色金屬(shu)工業昆明(ming)勘(kan)察(cha)設計研究(jiu)院(yuan)在楊家(jia)箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)開展的(de)現場滲透試(shi)驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)平均值(zhi)約(yue)為(wei)1.9。但張(zhang)超等的(de)室內(nei)試(shi)驗(yan)(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)平均值(zhi)約(yue)為(wei)0.46，也即垂直向滲透系(xi)數(shu)大于水(shui)平向滲透系(xi)數(shu)，與(yu)本文和現場試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果恰恰相(xiang)反(fan)。從(cong)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)微觀結(jie)(jie)構來(lai)看，本文試(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果更(geng)為(wei)合(he)理。

圖(tu)7沉積磷石膏干(gan)密度與水(shui)平和垂直滲透系數比值的關(guan)系

(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密度(du)為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)力(li)梯(ti)度(du)J與流速V的(de)(de)關系曲線，試驗在水(shui)(shui)(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采(cai)(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)平方向的(de)(de)滲(shen)流形式進行(xing)。試驗得到的(de)(de)臨(lin)界坡降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般(ban)來說，對(dui)1，2級工(gong)(gong)程，滲(shen)透(tou)安全(quan)系數(shu)取(qu)為(wei)(wei)2.5，則允許(xu)(xu)出逸坡降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以(yi)下工(gong)(gong)程，滲(shen)透(tou)安全(quan)系數(shu)取(qu)2.0，則允許(xu)(xu)出逸坡降(jiang)(jiang)為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)(xu)比降(jiang)(jiang)與粉土一粉砂大致相同。但上述滲(shen)透(tou)變形試驗是采(cai)(cai)用(yong)自來水(shui)(shui)(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)，自來水(shui)(shui)(shui)(shui)對(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具有一定(ding)的(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)，而實際(ji)上磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)中(zhong)殘余(yu)磷(lin)、硫和氟酸，庫(ku)水(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)pH值一般(ban)小于(yu)3(稱之為(wei)(wei)酸性水(shui)(shui)(shui)(shui))，在酸性水(shui)(shui)(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)不會發生破(po)壞，上述試驗結果是偏于(yu)保(bao)守的(de)(de)，但對(dui)非酸性水(shui)(shui)(shui)(shui)條件(例如特(te)大暴雨)下的(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定(ding)判斷有一定(ding)的(de)(de)借(jie)鑒意義。

圖9水力梯度J-流速v試(shi)驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)(yan)在(zai)5Bar的(de)壓力(li)板儀(yi)中進行，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了(le)含水率特征值，試(shi)驗(yan)(yan)曲(qu)線見圖10所示。

試(shi)驗(yan)結果表明：①干(gan)密度(du)(du)(du)對進(jin)氣(qi)值(zhi)沒有明顯的(de)影響(xiang)，不同干(gan)密度(du)(du)(du)的(de)試(shi)樣(yang)的(de)進(jin)氣(qi)值(zhi)大(da)致在10kPa左右；②土(tu)樣(yang)殘余含(han)(han)水率(lv)隨干(gan)密度(du)(du)(du)的(de)增加(jia)而減少，殘余含(han)(han)水率(lv)約為飽和含(han)(han)水率(lv)的(de)10%。上述特性與(yu)粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂基本(ben)一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石(shi)膏的(de)(de)密度變化較大，而(er)進行(xing)三軸試(shi)(shi)(shi)驗(yan)需要若干(gan)(gan)原狀樣(yang)，為(wei)(wei)使試(shi)(shi)(shi)驗(yan)結果具有(you)較好的(de)(de)一致性(xing)，有(you)針對性(xing)的(de)(de)選擇平均干(gan)(gan)密度分別為(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)(de)若干(gan)(gan)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)，進行(xing)了5組三軸CU試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)(wei)干(gan)(gan)密度為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸CU試(shi)(shi)(shi)驗(yan)曲線。

從圖11可(ke)以看出，磷石膏的(de)(de)應(ying)力應(ying)變(bian)關系曲線(xian)在低圍(wei)壓(ya)下(xia)表現為(wei)軟化(hua)型，在高(gao)圍(wei)壓(ya)下(xia)表現為(wei)硬(ying)化(hua)型，與(yu)(yu)一(yi)般土類相似(si)。但與(yu)(yu)一(yi)般粉土一(yi)粉砂不同的(de)(de)是，即(ji)使在較(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)狀態下(xia)，磷石膏仍表現了(le)較(jiao)為(wei)強烈的(de)(de)剪脹，隨密實度增大，剪脹作用愈(yu)發明顯。

表2給(gei)出了不同干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)下的內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)，圖12給(gei)出了內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)與干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的關(guan)系曲線。隨(sui)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的增(zeng)大(da)(da)，內摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也(ye)(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)大(da)(da)，且可采用冪(mi)函數較好地擬合。磷石(shi)膏的干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了32%，總應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬合曲線求得)，增(zeng)幅為(wei)9.4%，有效應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)幅為(wei)3.2%，由(you)(you)于(yu)(yu)隨(sui)圍壓的增(zeng)大(da)(da)，孔壓也(ye)(ye)明(ming)顯(xian)增(zeng)大(da)(da)，故有效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)幅較之(zhi)總應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要(yao)小。另(ling)外(wai)較之(zhi)于(yu)(yu)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)幅，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的增(zeng)幅并不顯(xian)著，表明(ming)即(ji)使較為(wei)疏(shu)松的磷石(shi)膏仍具有較高的強度(du)指(zhi)標，這也(ye)(ye)表明(ming)磷石(shi)膏堆(dui)積壩的穩定性(xing)較高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏的(de)(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形試(shi)(shi)驗(yan)在(zai)側限(xian)壓縮(suo)儀中(zhong)進行，試(shi)(shi)驗(yan)狀態(tai)相當(dang)于K0固結。試(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣干密(mi)度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)(shi)樣飽和后分別(bie)開展(zhan)了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)(de)試(shi)(shi)驗(yan)，

試驗從(cong)2012年(nian)8月27日開始，試驗己進行(xing)了1年(nian)多(duo)，試驗結(jie)果見圖13所示。

從圖13中可以看(kan)出：上覆荷(he)載越大(da)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的蠕(ru)變變形(xing)也越大(da)，荷(he)載施加1年后(hou)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的蠕(ru)變變形(xing)仍非常顯著(zhu)，尚(shang)未(wei)達到(dao)(dao)穩定狀態，這也是磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩后(hou)期變形(xing)較大(da)的原(yuan)因(yin)，原(yuan)型(xing)觀測資料表(biao)明(ming)，在5級子壩河床(chuang)部位的表(biao)面(mian)沉降量已經達到(dao)(dao)3.1m，且尚(shang)未(wei)完全穩定。

按時間(jian)對(dui)(dui)數(shu)(shu)法，可求得各(ge)級荷載(zai)下的主次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)量如表3所(suo)示(shi)。試驗(yan)結(jie)(jie)果(guo)表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載(zai)作用下，在(zai)(zai)試驗(yan)時間(jian)范圍內(nei)蠕變(次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie))變形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)是主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的1.8～3.1倍，當然由于(yu)(yu)蠕變變形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)尚未完(wan)成，實際的蠕變變形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)更大。對(dui)(dui)土體(ti)而(er)言，發(fa)生(sheng)(sheng)蠕變的原因是由于(yu)(yu)土體(ti)在(zai)(zai)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)完(wan)成之后，土體(ti)中仍有微小的超靜孔隙(xi)壓(ya)力存(cun)在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流動，一般來講土體(ti)的次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)遠(yuan)小于(yu)(yu)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)；對(dui)(dui)磷石膏而(er)言，其滲透系數(shu)(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)(shu)量級，遠(yuan)大于(yu)(yu)黏性土，但其卻發(fa)生(sheng)(sheng)了極為(wei)顯(xian)著的次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)變形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，其原因在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)(sheng)了壓(ya)縮、破(po)壞，接(jie)觸(chu)點(dian)晶(jing)(jing)格發(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和變形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，而(er)破(po)壞后晶(jing)(jing)格之間(jian)的重新排列、調整(zheng)到最后趨于(yu)(yu)相對(dui)(dui)靜止(zhi)需(xu)要相當長的時間(jian)才能完(wan)成。

2.4動力力學特性

試(shi)驗(yan)設備采用(yong)英國GDS公司進口的電機控(kong)制動三軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣(yang)直(zhi)徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量和阻尼比(bi)

同樣由于自然沉積(ji)的(de)磷石膏密(mi)度變化(hua)較大，為此根據(ju)物理性質試驗結(jie)果(guo)，選擇兩(liang)種(zhong)平均干密(mi)度1.34g/cm3(變化(hua)范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化(hua)范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模量G、阻尼比與(yu)剪(jian)應變幅(fu)值γd的關系式如下：

式中k1為參(can)數，表(biao)示(shi)動(dong)(dong)剪(jian)切(qie)模量的衰減或阻尼比(bi)的增長速(su)率；λmax為最大(da)阻尼比(bi)；Gmax，γd分(fen)別為最大(da)動(dong)(dong)剪(jian)切(qie)模量和歸一化(hua)的動(dong)(dong)剪(jian)應變，表(biao)示(shi)為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動(dong)泊松(song)比；εa為(wei)歸一化的動(dong)應(ying)變，表(biao)達(da)為(wei)

圖(tu)14給(gei)(gei)出了動(dong)剪切模量、阻尼比(bi)與歸(gui)一(yi)化(hua)動(dong)應變的關(guan)系(xi)曲(qu)線(xian)，另外圖(tu)中還給(gei)(gei)出了式(shi)(1)的擬合曲(qu)線(xian)以(yi)及Seed等給(gei)(gei)出的砂樣的上下邊(bian)界線(xian)，圖(tu)例中，σ2表示(shi)圍壓(ya)，Kc表示(shi)固結應力比(bi)。

從圖中可以看出：①式(1)可較(jiao)(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)石膏(gao)的(de)動(dong)應(ying)力-動(dong)應(ying)變試驗曲線，表(biao)明(ming)采用等價黏彈性模(mo)(mo)型(xing)進行(xing)循環荷(he)載(zai)作用下(xia)的(de)分析是(shi)可行(xing)的(de)；②圖14(a)中干密度(du)為1.45g/cm3的(de)擬(ni)合(he)線位于(yu)(yu)干密度(du)為1.34g/cm3的(de)擬(ni)合(he)線上方，圖14(b)中則(ze)位于(yu)(yu)下(xia)方，表(biao)明(ming)密度(du)越(yue)大(da)(da)，動(dong)彈模(mo)(mo)越(yue)大(da)(da)、阻(zu)尼(ni)比越(yue)小；③圖14(a)中，兩種干密度(du)的(de)擬(ni)合(he)線基本(ben)位于(yu)(yu)Seed等給(gei)出的(de)邊(bian)界(jie)線上方，而(er)圖14(b)中則(ze)基本(ben)處于(yu)(yu)邊(bian)界(jie)線中間，表(biao)明(ming)相(xiang)(xiang)比較(jiao)(jiao)(jiao)砂(sha)樣(yang)(yang)，磷(lin)石膏(gao)動(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)，會(hui)(hui)導(dao)致磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)的(de)動(dong)力反應(ying)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)，但由(you)于(yu)(yu)阻(zu)尼(ni)比也較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)，這樣(yang)(yang)又會(hui)(hui)削(xue)弱壩(ba)(ba)體的(de)動(dong)力反應(ying)，二(er)者(zhe)的(de)相(xiang)(xiang)互(hu)影(ying)響下(xia)，磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)動(dong)力反應(ying)將不(bu)會(hui)(hui)過于(yu)(yu)強烈，這對磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)的(de)抗震穩定性是(shi)有(you)利的(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇(ze)兩種(zhong)平均干(gan)密度為1.12(變化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準為總應(ying)變達到10%。

圖15給出了動(dong)剪應(ying)力比τd/σ0′與破壞(huai)振次Nf的(de)(de)關(guan)系曲(qu)線圖，其中σ0為(wei)(wei)振前(qian)試樣(yang)45°面上(shang)的(de)(de)有效法(fa)向應(ying)力，表達(da)為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結(jie)比。從試驗結(jie)果可以看出，沉積磷石膏的(de)(de)動(dong)強度與其它土體相(xiang)似，表現為(wei)(wei)圍(wei)壓和固結(jie)應(ying)力比與動(dong)剪應(ying)力比呈負相(xiang)關(guan)關(guan)系。

為(wei)判別(bie)沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)抗(kang)液化能力(li)，假(jia)定抗(kang)震設(she)計(ji)烈度為(wei)8度，即等效振次Ⅳ可取為(wei)30。首先由式(4)

所示的冪函數關系式得到振次為30時各個圍壓(ya)和固結(jie)比(bi)下(xia)的動(dong)剪應(ying)力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求得動剪應(ying)力比與圍壓和固結應(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(cong)上述擬(ni)合關(guan)系式可(ke)見(jian)，密(mi)實度提高后，動(dong)(dong)剪應力(li)比提高，表明抗液(ye)化能力(li)也提高。但即使是在低密(mi)度下(xia)，其動(dong)(dong)剪應力(li)比較之(zhi)同類(lei)的(de)粉土或粉砂也大(da)出許多，表明磷石膏具(ju)有較高的(de)抗液(ye)化能力(li)。

三、結論

依托柳樹(shu)箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩，在鉆(zhan)探取樣工作的基(ji)礎上(shang)，首先開(kai)展了物理性質試驗(yan)，然后開(kai)展了靜動力力學(xue)特(te)性試驗(yan)。通(tong)過上(shang)述(shu)試驗(yan)研究(jiu)，得出如下結論：

(1)沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏總體上屬(shu)于(yu)級配(pei)不良的(de)粉土，局(ju)部屬(shu)于(yu)粉砂一中(zhong)砂，無自然分級現象(xiang)。其(qi)干(gan)密度和粒徑變(bian)化(hua)隨(sui)埋深(shen)或距(ju)放漿口(kou)距(ju)離的(de)變(bian)化(hua)不明顯。

(2)沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏水平方向(xiang)的(de)滲透(tou)系(xi)數大于垂直(zhi)方向(xiang)的(de)滲透(tou)系(xi)數，呈現(xian)明顯的(de)各向(xiang)異(yi)性(xing)。

(3)與土體顆粒不可壓(ya)縮不同(tong)，磷(lin)石膏的(de)晶體結(jie)構(gou)會(hui)發(fa)生壓(ya)縮破(po)壞，具有較大(da)(da)的(de)壓(ya)縮性，其次(ci)固結(jie)變(bian)形量(liang)遠大(da)(da)于主(zhu)固結(jie)變(bian)形量(liang)。

(4)沉積磷石(shi)膏的靜動強度較之同等密實度下的粉土、粉砂要高。