沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：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(yan)

磷(lin)石膏是濕法磷(lin)酸生(sheng)產(chan)過程中的(de)副產(chan)品，2018年，全(quan)國磷(lin)石膏產(chan)生(sheng)量(liang)為7800萬噸，且呈逐年增長的(de)態(tai)勢(shi)。磷(lin)石膏的(de)主要成(cheng)分(fen)是CaO和(he)SO3，但(dan)含有一定量(liang)的(de)氟化物(wu)和(he)其(qi)它放射性(xing)物(wu)質(zhi)，在中國通常按Ⅱ類一般(ban)工業(ye)固體廢物(wu)處理，鑒于無害化處理成(cheng)本較(jiao)高(gao)，目前綜(zong)合利用率尚(shang)不足40%，故大(da)部(bu)分(fen)磷(lin)石膏需要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)場(chang)(chang)地(di)(di)的(de)不同，可分(fen)為平地(di)(di)型(xing)、傍(bang)山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)場(chang)(chang)，在中國基本上是山(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)場(chang)(chang)。相(xiang)比(bi)較(jiao)干(gan)法堆(dui)(dui)存(cun)，濕法堆(dui)(dui)存(cun)經(jing)濟優勢(shi)明顯，因而如(ru)地(di)(di)質(zhi)條件為非碳酸鹽巖地(di)(di)區，一般(ban)均采用濕排(pai)濕堆(dui)(dui)方式。隨著中國磷(lin)肥工業(ye)的(de)快速發展(zhan)，本世紀初中國相(xiang)繼建(jian)設了幾(ji)座(zuo)濕法堆(dui)(dui)存(cun)的(de)大(da)型(xing)磷(lin)石膏庫，例如(ru)云天化國際(ji)化工三(san)環分(fen)公司的(de)柳樹(shu)箐(qing)磷(lin)石膏庫堆(dui)(dui)積壩(ba)和(he)富瑞分(fen)公司的(de)楊(yang)家箐(qing)磷(lin)石膏庫堆(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設計壩(ba)高(gao)均超過100m、處于8度地(di)(di)震(zhen)區，其(qi)安全(quan)性(xing)備(bei)受關注。

據(ju)統計，110多年(1901年一2013年)來(lai)，全世界有118座(zuo)尾(wei)礦壩曾發生過破壞(huai)或潰壩事(shi)故，原因(yin)主要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破壞(huai)和基礎失穩(wen)。尾(wei)礦庫(ku)失事(shi)后會造成(cheng)巨大的生態災難和人員傷亡，近幾十(shi)年來(lai)，

國(guo)內外對金屬尾礦(kuang)的(de)(de)沉(chen)積規律(lv)(lv)、物理力學(xue)特性(xing)及其穩(wen)定性(xing)開展(zhan)了大量的(de)(de)研(yan)究(jiu)，但對于與(yu)金屬尾礦(kuang)庫相近的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)庫，一般(ban)僅限(xian)于在可(ke)研(yan)階段(duan)采(cai)用人(ren)工制備樣進行物理力學(xue)性(xing)質(zhi)試(shi)驗(yan)，并據此進行穩(wen)定性(xing)分(fen)析，尚未有(you)人(ren)針對己運行若干年的(de)(de)大型濕法堆存磷(lin)石膏(gao)堆積壩開展(zhan)過磷(lin)石膏(gao)沉(chen)積規律(lv)(lv)及其物理力學(xue)特性(xing)的(de)(de)專(zhuan)項研(yan)究(jiu)。

本文(wen)依托柳樹箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩，首先進行了鉆探取樣，采用原(yuan)狀(zhuang)樣開(kai)展了密度(du)、含水(shui)率(lv)、滲(shen)透、土水(shui)特(te)征和顆分等(deng)物理性(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)(yan)，在此基礎上有針對(dui)性(xing)(xing)的(de)選(xuan)擇(ze)原(yuan)狀(zhuang)樣開(kai)展了三(san)軸(zhou)CU、蠕(ru)變(bian)及動三(san)軸(zhou)等(deng)力(li)學特(te)性(xing)(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。通過(guo)上述試(shi)驗(yan)(yan)研究，總結了磷(lin)石膏(gao)的(de)沉積規律(lv)、滲(shen)透特(te)性(xing)(xing)、滲(shen)透破(po)壞特(te)性(xing)(xing)以及靜動力(li)特(te)性(xing)(xing)，上述研究工作對(dui)研究和評估磷(lin)石膏(gao)庫(ku)(ku)堆積壩的(de)穩(wen)定性(xing)(xing)提供了基礎數(shu)據，對(dui)現行磷(lin)石膏(gao)庫(ku)(ku)的(de)運行管理以及新(xin)建(jian)工程的(de)設計具有重要的(de)借鑒意義。

一、依(yi)托工(gong)程概況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計方案

由(you)初期(qi)壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設(she)計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩(ba)

初期壩壩高(gao)約30m，采(cai)用(yong)土(tu)料(liao)填筑。上游坡面、壩底和(he)下游壩腳(jiao)設置(zhi)堆石排水(shui)體，三(san)者相連通構(gou)成整(zheng)個堆積壩的主要排滲系(xi)統。

(2)堆積(ji)壩及其輔助(zhu)排滲措施

采用(yong)上游式(shi)筑壩(ba)法，共20級(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度(du)(du)5m，堆積高(gao)度(du)(du)約(yue)100m。采用(yong)排滲(shen)(shen)管網(wang)作為輔助排滲(shen)(shen)方案，目(mu)前己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)和(he)13級(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范(fan)圍內設置(zhi)了井字形(xing)排滲(shen)(shen)管網(wang)。

1.2沉積磷石膏的(de)鉆探(tan)取樣

鉆(zhan)孔平面位置見(jian)圖(tu)l。2008年(nian)6月，堆積(ji)至5級(ji)子(zi)(zi)壩時(shi)，布(bu)設了9個(ge)(ge)取樣鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號(hao)K1～K9，取原狀樣76件；2013年(nian)5月，堆積(ji)至13級(ji)子(zi)(zi)壩時(shi)，又布(bu)設了11個(ge)(ge)取樣鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號(hao)K10～K20，取原狀樣112件，為(wei)(wei)比較子(zi)(zi)壩加高和(he)磷石(shi)膏堆積(ji)過程中磷石(shi)膏物理(li)力學(xue)性質的變化，在2，4級(ji)子(zi)(zi)壩K2孔和(he)K6孔附近各布(bu)設了一個(ge)(ge)鉆(zhan)孔，鉆(zhan)孔編號(hao)分別為(wei)(wei)K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹(shu)箐磷石膏(gao)尾礦庫2005年開工建設，2006年1月(yue)(yue)投(tou)入運行，截至(zhi)2013年5月(yue)(yue)己堆(dui)至(zhi)13級子(zi)壩(ba)，尚有7級子(zi)壩(ba)即堆(dui)存至(zhi)設計高程(cheng)。鑒(jian)于(yu)磷石膏(gao)庫地形(xing)、地質條件較(jiao)好，具備(bei)擴容(rong)改(gai)造的條件，以提高堆(dui)存庫容(rong)，減少堆(dui)存占地，節約土地資(zi)源。

本文(wen)主要對沉積磷石膏的物理力學特性(xing)進行了全(quan)面總結，限于篇幅，有關現狀磷石膏庫堆積壩的安全(quan)性(xing)評價及其加(jia)高可行性(xing)的研究將另文(wen)發表(biao)。

二、沉積磷石膏(gao)的物理力學(xue)特性

2.1物理(li)特(te)性(xing)

(1)干(gan)密度分布

圖(tu)2給出了(le)(le)14個鉆孔的(de)(de)取樣深度(du)和試驗所得干(gan)密度(du)的(de)(de)關(guan)系，圖(tu)中UWL表示水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上，(系鉆孔期間的(de)(de)初見水(shui)位(wei)(wei)線(xian)，下(xia)(xia)同(tong))，DWL表示水(shui)位(wei)(wei)線(xian)下(xia)(xia)。圖(tu)3給出了(le)(le)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上下(xia)(xia)的(de)(de)飽和度(du)分(fen)(fen)布(bu)圖(tu)。由于(yu)磷石膏中的(de)(de)主要成分(fen)(fen)為CaSO4·2H2O，不同(tong)溫度(du)和烘烤(kao)時間對測(ce)定結果有(you)一定影響，不能照搬現(xian)行的(de)(de)土工試驗規范，本文磷石膏的(de)(de)含水(shui)率(lv)測(ce)定方(fang)法(fa)為55℃溫度(du)下(xia)(xia)烘培(pei)24h。

圖(tu)2沉積(ji)磷石膏(gao)干密度與埋(mai)深的關系(xi)

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

由(you)(you)圖(tu)3，水(shui)位(wei)線(xian)上的磷石(shi)膏飽(bao)和度平均值(zhi)為50.4%，處于非飽(bao)和狀(zhuang)態，水(shui)位(wei)線(xian)以(yi)下的磷石(shi)膏飽(bao)和度平均值(zhi)為85.0%，基本處于飽(bao)和狀(zhuang)態，由(you)(you)于水(shui)位(wei)下降后磷石(shi)膏來不及排(pai)水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)線(xian)上局部(bu)試樣的飽(bao)和度較高(gao)。

由圖(tu)2，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的干密(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的干密(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)與一般的尾礦有(you)所(suo)不同，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的干密(mi)(mi)度并不隨埋深的增(zeng)大而(er)明顯增(zeng)大，但水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度從統(tong)計意(yi)義上來看仍(reng)大于(yu)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度，這(zhe)主要是由于(yu)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)隨庫(ku)水(shui)位(wei)(wei)的變化(hua)反復升降而(er)使得磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)排水(shui)固結所(suo)致(zhi)。

室內(nei)擊(ji)實(shi)得(de)到(dao)的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大(da)干(gan)密(mi)度(du)一般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出，自然沉積的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大(da)干(gan)密(mi)度(du)可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如下：與經(jing)典(dian)的土骨(gu)(gu)架不(bu)可(ke)壓(ya)縮的理論不(bu)同，石(shi)(shi)膏(gao)本身(shen)可(ke)壓(ya)縮，同時由于(yu)顆粒(li)結(jie)構不(bu)穩定，擊(ji)實(shi)試驗過程中磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)結(jie)構被(bei)破壞，受夯擊(ji)處下陷，四周鼓(gu)起，出現(xian)了類似(si)于(yu)橡(xiang)皮土的現(xian)象(xiang)。而在(zai)現(xian)場條件下，石(shi)(shi)膏(gao)骨(gu)(gu)架被(bei)破壞后，會導致顆粒(li)中的結(jie)合水滲出至孔隙內(nei)，變成孔隙水，排水固(gu)結(jie)后會使(shi)得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的孔隙比減小(xiao)，干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)大(da)。

圖4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K2和K17(位于2級子壩河床部位)以及相(xiang)鄰鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)K6和K18(位于4級子壩河床部位)干(gan)密(mi)(mi)度的對比(bi)圖。K2鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度在1.12～1.47g/cm3之間，均(jun)值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度在1.2～1.39g/cm3之間，均(jun)值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度在1.13～1.57g/cm3之間，均(jun)值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度在1.14～1.59g/cm3之間，均(jun)值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來看，磷石膏的干(gan)密(mi)(mi)度也并未隨后續磷石膏的堆積而有(you)較為(wei)(wei)明顯的增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗采用密(mi)度(du)計法，制(zhi)備(bei)懸液(ye)時(shi)不(bu)煮(zhu)沸，不(bu)加(jia)六(liu)偏磷酸(suan)鈉(na)。圖5給出了試驗得到的級配包(bao)線、平均粒徑d50、不(bu)均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的分布(bu)圖。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒徑(jing)主要(yao)分布(bu)在0.005～0.075mm之間，總體上(shang)屬于粉(fen)土，但可能由于礦石來源或生產工藝有(you)所不同，局部屬于粉(fen)砂～中砂。粒徑(jing)分布(bu)范圍比(bi)Blight和張(zhang)超等的試(shi)驗結果要(yao)寬一(yi)些。

圖4子壩加高后沉積(ji)磷石膏(gao)的干密度變化(hua)

圖5沉積(ji)磷石膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論(lun)是(shi)水平(ping)向還(huan)是(shi)垂直向，磷(lin)石(shi)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)自然分級現象不(bu)(bu)同(tong)，也即粗顆(ke)(ke)粒(li)并(bing)不(bu)(bu)是(shi)沿(yan)埋深逐步減小或(huo)距離(li)放漿口(kou)越遠(yuan)顆(ke)(ke)粒(li)越細，其(qi)原因(yin)如下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)(ke)粒(li)粒(li)徑(jing)組成(cheng)較為集中、均勻(yun)，主(zhu)要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級配較差；②相比較金屬(shu)尾礦(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比重較小，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比重一般為2.3～2.4，遠(yuan)小于(yu)金屬(shu)尾礦(kuang)(kuang)的(de)比重，例(li)如鐵尾礦(kuang)(kuang)的(de)比重可達2.9；③放漿口(kou)隨子壩(ba)高度不(bu)(bu)斷增加而(er)不(bu)(bu)斷變動并(bing)向庫(ku)尾延伸，造(zao)成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑(jing)變化不(bu)(bu)明顯。

從圖(tu)5(d)可(ke)見，不(bu)均勻系數(shu)Cu范圍值1.61～21.5，平(ping)(ping)均值為4.18，曲率(lv)系數(shu)(1c范圍值0.28～9.78，平(ping)(ping)均值為1.21，在統計的100多(duo)個試(shi)樣(yang)中，屬于級(ji)配(pei)不(bu)良(liang)土的占93%。這種(zhong)級(ji)配(pei)特性決定了磷(lin)石膏具(ju)有(you)較高的壓縮性、滲透破(po)壞(huai)型式表現(xian)為流(liu)土破(po)壞(huai)。

2.2滲透特性(xing)

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)透系數(shu)(shu)的主要(yao)因(yin)素是粒徑大小(xiao)(xiao)、級配和孔隙比，因(yin)而磷石膏的滲(shen)透系數(shu)(shu)與粉(fen)土較(jiao)(jiao)為(wei)接近。由于孔隙比e減小(xiao)(xiao)，使得過水通道面積(ji)減小(xiao)(xiao)，滲(shen)透系數(shu)(shu)k也將減小(xiao)(xiao)，k與e呈(cheng)正相關關系。對(dui)砂(sha)土，一般認為(wei)滲(shen)透系數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的線(xian)性(xing)關系較(jiao)(jiao)好，圖6給出了二(er)者間的關系曲線(xian)，由于沉(chen)積(ji)磷石膏的不均(jun)勻系數(shu)(shu)變(bian)化較(jiao)(jiao)大，使得沉(chen)積(ji)磷石膏的滲(shen)透系數(shu)(shu)變(bian)化范圍較(jiao)(jiao)大(平均(jun)值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級)，二(er)者問的線(xian)性(xing)關系較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積磷石膏(gao)滲透系數與孔隙比的關系

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

圖(tu)(tu)7給(gei)出了水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)與垂(chui)(chui)直向(xiang)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)比值的(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)。沉(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)kh一(yi)(yi)般大于垂(chui)(chui)直向(xiang)的(de)(de)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為(wei)2.86，這一(yi)(yi)點與成(cheng)層分(fen)布(bu)(bu)的(de)(de)金屬尾礦規律(lv)一(yi)(yi)致。造成(cheng)沉(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)膏水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)大于垂(chui)(chui)直向(xiang)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)原因是由(you)于磷(lin)(lin)石(shi)膏具有明顯的(de)(de)晶體(ti)結(jie)構，電鏡掃描顯示(shi)多(duo)為(wei)菱形和棱柱(zhu)狀形式(見圖(tu)(tu)8)，在沉(chen)積過程中，由(you)于扁平(ping)(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)膏顆(ke)粒(li)多(duo)呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使得水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)透水(shui)(shui)(shui)性(xing)大于垂(chui)(chui)直方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)透水(shui)(shui)(shui)性(xing)，從而使磷(lin)(lin)石(shi)膏呈現(xian)明顯的(de)(de)各向(xiang)異性(xing)。

另根據中國有色金屬工業昆明勘(kan)察設(she)計研究院在楊家(jia)箐磷石膏(gao)堆積壩開展的(de)現場滲透試(shi)(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為(wei)(wei)1.9。但張超等的(de)室內試(shi)(shi)驗(yan)顯(xian)示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值約(yue)為(wei)(wei)0.46，也(ye)即垂直向滲透系數大于水平(ping)向滲透系數，與本(ben)文(wen)(wen)和現場試(shi)(shi)驗(yan)結果恰(qia)恰(qia)相反。從(cong)磷石膏(gao)的(de)微觀結構來看(kan)，本(ben)文(wen)(wen)試(shi)(shi)驗(yan)結果更為(wei)(wei)合理(li)。

圖(tu)7沉積磷石膏干密度與(yu)水平和垂(chui)直(zhi)滲透系數比值的關系

(2)滲透變形(xing)

圖9為磷石膏(gao)干密(mi)度為1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)力梯(ti)度J與流速V的(de)關系曲線，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)在水(shui)(shui)平管(guan)涌儀中(zhong)采用(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)滲(shen)流形(xing)式進行。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)得到的(de)臨(lin)界坡(po)降Jc=0.355，破壞坡(po)降Jp=0.375。一(yi)般來(lai)說，對(dui)1，2級工(gong)程(cheng)，滲(shen)透(tou)(tou)安(an)全系數(shu)取(qu)為2.5，則允(yun)許出逸坡(po)降為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下工(gong)程(cheng)，滲(shen)透(tou)(tou)安(an)全系數(shu)取(qu)2.0，則允(yun)許出逸坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比降與粉(fen)(fen)土一(yi)粉(fen)(fen)砂大(da)致(zhi)相同。但上述滲(shen)透(tou)(tou)變形(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)是(shi)采用(yong)自(zi)來(lai)水(shui)(shui)進行的(de)，自(zi)來(lai)水(shui)(shui)對(dui)磷石膏(gao)具有一(yi)定的(de)溶(rong)蝕作(zuo)(zuo)用(yong)，而實際上磷石膏(gao)中(zhong)殘余磷、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)般小于(yu)3(稱之為酸(suan)性水(shui)(shui))，在酸(suan)性水(shui)(shui)作(zuo)(zuo)用(yong)下，磷石膏(gao)不會發(fa)生破壞，上述試(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果是(shi)偏于(yu)保守的(de)，但對(dui)非酸(suan)性水(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下的(de)滲(shen)透(tou)(tou)穩定判(pan)斷有一(yi)定的(de)借鑒意義。

圖9水力(li)梯度(du)J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在(zai)5Bar的(de)壓力板儀中(zhong)進行(xing)，環刀(dao)尺寸(cun)6.18cm。干密度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍(wei)0～500kPa。表l列出(chu)了含水率特征值，試(shi)驗曲線見(jian)圖10所(suo)示。

試驗結果表明：①干密(mi)度對進氣值(zhi)沒(mei)有明顯(xian)的影響，不同干密(mi)度的試樣(yang)的進氣值(zhi)大致(zhi)在10kPa左右；②土(tu)(tu)樣(yang)殘(can)余(yu)含(han)水率(lv)隨干密(mi)度的增加而(er)減少，殘(can)余(yu)含(han)水率(lv)約為飽(bao)和(he)含(han)水率(lv)的10%。上述特性與粉土(tu)(tu)一(yi)粉砂基(ji)本一(yi)致(zhi)。

2.3靜力力學特性(xing)

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏的密度(du)(du)變化(hua)較大，而進行三(san)軸試驗(yan)需(xu)要若干原狀樣，為(wei)使試驗(yan)結果具有較好的一致(zhi)性，有針對(dui)性的選擇(ze)平均干密度(du)(du)分別為(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)的若干試樣，進行了5組(zu)三(san)軸CU試驗(yan)。圖11是為(wei)干密度(du)(du)為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的三(san)軸CU試驗(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷(lin)石膏的應(ying)力應(ying)變關系曲線在(zai)低圍(wei)壓下表現(xian)為(wei)(wei)軟化型，在(zai)高(gao)圍(wei)壓下表現(xian)為(wei)(wei)硬化型，與(yu)一般(ban)(ban)土類(lei)相似。但(dan)與(yu)一般(ban)(ban)粉土一粉砂不同的是，即使在(zai)較(jiao)為(wei)(wei)疏松的狀態(tai)下，磷(lin)石膏仍表現(xian)了(le)較(jiao)為(wei)(wei)強烈的剪(jian)脹，隨密實(shi)度(du)增大，剪(jian)脹作用愈發明顯(xian)。

表(biao)2給出了不(bu)同干(gan)(gan)(gan)密度(du)下(xia)的內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給出了內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)(gan)密度(du)的關系(xi)曲線(xian)。隨(sui)(sui)干(gan)(gan)(gan)密度(du)的增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨(sui)(sui)之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采(cai)用(yong)冪函(han)數較(jiao)(jiao)(jiao)好地(di)擬合。磷石(shi)膏(gao)的干(gan)(gan)(gan)密度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為37.3°(根(gen)據擬合曲線(xian)求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為9.4%，有效(xiao)應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為3.2%，由(you)于隨(sui)(sui)圍壓的增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效(xiao)摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)總應(ying)力摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要(yao)小。另外較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)于干(gan)(gan)(gan)密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)幅并(bing)不(bu)顯著，表(biao)明即使較(jiao)(jiao)(jiao)為疏松的磷石(shi)膏(gao)仍具有較(jiao)(jiao)(jiao)高的強度(du)指標，這也(ye)表(biao)明磷石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的穩定(ding)性較(jiao)(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(次(ci)固結)變(bian)形試驗

磷石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形試(shi)驗(yan)在(zai)側限壓(ya)縮儀中進行，試(shi)驗(yan)狀態相當于K0固結。試(shi)樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣(yang)干密度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)樣(yang)飽和(he)后分別開展了上覆壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗(yan)，

試驗(yan)從2012年8月27日開始(shi)，試驗(yan)己(ji)進行了1年多，試驗(yan)結果見圖13所(suo)示。

從圖13中可以看(kan)出(chu)：上覆(fu)荷(he)載(zai)越(yue)大(da)，磷(lin)石(shi)膏的蠕變變形也越(yue)大(da)，荷(he)載(zai)施(shi)加1年后(hou)，磷(lin)石(shi)膏的蠕變變形仍非常顯著，尚(shang)未(wei)達到穩定(ding)狀(zhuang)態，這也是磷(lin)石(shi)膏堆積壩(ba)后(hou)期變形較(jiao)大(da)的原(yuan)因(yin)，原(yuan)型(xing)觀測資料表明，在5級子(zi)壩(ba)河床部(bu)位的表面沉降(jiang)量已經(jing)達到3.1m，且尚(shang)未(wei)完(wan)全(quan)穩定(ding)。

按時(shi)間(jian)(jian)對(dui)數法，可求得各級荷載下的(de)主次固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)量如表3所示。試驗結(jie)(jie)(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆荷載作用(yong)下，在(zai)(zai)試驗時(shi)間(jian)(jian)范圍內(nei)蠕變(bian)(bian)(bian)(次固(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)是主固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)尚未完成(cheng)，實際(ji)的(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)應(ying)更大。對(dui)土(tu)(tu)體而(er)(er)言，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)原因是由于(yu)(yu)土(tu)(tu)體在(zai)(zai)主固(gu)結(jie)(jie)(jie)完成(cheng)之(zhi)后(hou)，土(tu)(tu)體中仍(reng)有微小的(de)超靜孔隙壓(ya)力存在(zai)(zai)，驅(qu)使水在(zai)(zai)顆(ke)粒問流動，一般來講土(tu)(tu)體的(de)次固(gu)結(jie)(jie)(jie)遠(yuan)小于(yu)(yu)主固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷石(shi)膏而(er)(er)言，其(qi)滲(shen)透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠(yuan)大于(yu)(yu)黏(nian)性(xing)土(tu)(tu)，但(dan)其(qi)卻發(fa)生(sheng)了(le)極為顯著(zhu)的(de)次固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，其(qi)原因在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石(shi)膏晶(jing)(jing)體結(jie)(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)了(le)壓(ya)縮、破壞，接觸點晶(jing)(jing)格發(fa)生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，而(er)(er)破壞后(hou)晶(jing)(jing)格之(zhi)間(jian)(jian)的(de)重新排(pai)列、調整到(dao)最(zui)后(hou)趨于(yu)(yu)相(xiang)對(dui)靜止(zhi)需(xu)要相(xiang)當(dang)長的(de)時(shi)間(jian)(jian)才能完成(cheng)。

2.4動(dong)力(li)力(li)學特性

試(shi)驗設(she)備采用英國GDS公司(si)進口的電(dian)機(ji)控制動三軸試(shi)驗系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)動模(mo)量和阻尼比

同樣(yang)由于自然沉(chen)積的磷石膏密度變(bian)(bian)化(hua)較大(da)，為(wei)此根據(ju)物理(li)性(xing)質試驗結果，選(xuan)擇(ze)兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切模(mo)量G、阻尼比與剪應變幅值γd的關系式如下：

式中(zhong)k1為參數，表(biao)示動剪切(qie)模(mo)量的衰減或阻(zu)(zu)尼比(bi)的增長速率(lv)；λmax為最大(da)阻(zu)(zu)尼比(bi)；Gmax，γd分別(bie)為最大(da)動剪切(qie)模(mo)量和歸一化的動剪應(ying)變(bian)，表(biao)示為

式中(zhong)k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球(qiu)應力(li)；Pa為(wei)(wei)標準大氣壓；vd為(wei)(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)(wei)歸一化(hua)的動(dong)應變，表達(da)為(wei)(wei)

圖14給出(chu)了(le)動剪切模(mo)量(liang)、阻尼比與歸一化動應變的(de)關系(xi)曲線(xian)，另外圖中還給出(chu)了(le)式(1)的(de)擬(ni)合曲線(xian)以(yi)及(ji)Seed等給出(chu)的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊界(jie)線(xian)，圖例中，σ2表(biao)示(shi)圍(wei)壓(ya)，Kc表(biao)示(shi)固結應力比。

從圖(tu)中(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)較(jiao)好地(di)描(miao)述磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)動(dong)(dong)應力(li)(li)(li)-動(dong)(dong)應變試驗曲線，表(biao)明采(cai)用等價黏彈性(xing)模(mo)型進行循環荷載作(zuo)用下的(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)(mi)度為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線位于(yu)干密(mi)(mi)度為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線上(shang)方，圖(tu)14(b)中(zhong)則位于(yu)下方，表(biao)明密(mi)(mi)度越(yue)大(da)，動(dong)(dong)彈模(mo)越(yue)大(da)、阻(zu)尼比越(yue)小(xiao)；③圖(tu)14(a)中(zhong)，兩(liang)種干密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線基本位于(yu)Seed等給出(chu)的(de)(de)(de)邊界(jie)線上(shang)方，而圖(tu)14(b)中(zhong)則基本處于(yu)邊界(jie)線中(zhong)間(jian)，表(biao)明相比較(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏動(dong)(dong)彈模(mo)較(jiao)大(da)，會(hui)導致磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)(li)反應較(jiao)大(da)，但(dan)由于(yu)阻(zu)尼比也(ye)較(jiao)大(da)，這樣(yang)又會(hui)削弱壩體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)(li)反應，二者的(de)(de)(de)相互影響下，磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩壩體的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力(li)(li)(li)反應將(jiang)不會(hui)過于(yu)強(qiang)烈，這對磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)(de)抗震穩定性(xing)是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇(ze)兩種平均干密(mi)度為1.12(變(bian)化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準為總(zong)應(ying)變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出了(le)動(dong)剪(jian)(jian)應(ying)(ying)力比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次(ci)Nf的(de)(de)關系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為振前試樣45°面上(shang)的(de)(de)有效法向應(ying)(ying)力，表(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固(gu)結比(bi)。從試驗結果可(ke)以看(kan)出，沉積磷石膏的(de)(de)動(dong)強度與(yu)其(qi)它土體相似，表(biao)現為圍壓和固(gu)結應(ying)(ying)力比(bi)與(yu)動(dong)剪(jian)(jian)應(ying)(ying)力比(bi)呈(cheng)負(fu)相關關系。

為(wei)(wei)判別(bie)沉積磷石膏的抗液化能力，假定抗震(zhen)設(she)計烈度為(wei)(wei)8度，即等(deng)效振次Ⅳ可取(qu)為(wei)(wei)30。首先(xian)由式(4)

所示的(de)冪(mi)函數關系式得到振次為30時各個圍(wei)壓和固結(jie)比下(xia)的(de)動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可(ke)擬合求(qiu)得(de)動(dong)剪應(ying)力(li)比與(yu)圍(wei)壓和固結應(ying)力(li)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。

從上述擬(ni)合(he)關系(xi)式可見(jian)，密(mi)實度(du)提(ti)高(gao)(gao)后，動剪應力比提(ti)高(gao)(gao)，表明抗液化(hua)能(neng)力也提(ti)高(gao)(gao)。但即(ji)使是在低密(mi)度(du)下(xia)，其動剪應力比較(jiao)之同類的粉土或粉砂也大出許多，表明磷(lin)石膏具有較(jiao)高(gao)(gao)的抗液化(hua)能(neng)力。

三、結論

依托柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積壩，在鉆(zhan)探(tan)取樣工作的基(ji)礎上(shang)，首先開展(zhan)了(le)物(wu)理(li)性質(zhi)試(shi)(shi)驗(yan)，然后開展(zhan)了(le)靜動力(li)力(li)學(xue)特性試(shi)(shi)驗(yan)。通(tong)過(guo)上(shang)述(shu)試(shi)(shi)驗(yan)研究，得出(chu)如(ru)下結(jie)論：

(1)沉(chen)積磷(lin)石膏總(zong)體上屬于(yu)級配不(bu)良的粉土，局部屬于(yu)粉砂(sha)一中砂(sha)，無自(zi)然分級現象。其干密度(du)和粒徑變(bian)化隨埋深或距(ju)放漿(jiang)口距(ju)離(li)的變(bian)化不(bu)明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)透系數大于垂直方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)透系數，呈現明顯的(de)(de)各向(xiang)異(yi)性。

(3)與土體(ti)顆粒不(bu)(bu)可壓縮(suo)不(bu)(bu)同，磷石膏的(de)晶(jing)體(ti)結構會(hui)發(fa)生壓縮(suo)破壞，具有較大的(de)壓縮(suo)性，其次固結變(bian)形量遠大于(yu)主固結變(bian)形量。

(4)沉積(ji)磷石膏的靜動強(qiang)度較(jiao)之同等密(mi)實(shi)度下的粉土(tu)、粉砂要高。