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。

引言

磷(lin)石(shi)膏是(shi)濕(shi)(shi)法(fa)(fa)磷(lin)酸生產(chan)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)副產(chan)品，2018年，全(quan)國(guo)(guo)(guo)磷(lin)石(shi)膏產(chan)生量為(wei)7800萬噸，且呈逐年增(zeng)長(chang)的(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)主要成分(fen)是(shi)CaO和SO3，但(dan)含有(you)一定量的(de)(de)氟化(hua)物(wu)(wu)和其(qi)它放射性物(wu)(wu)質，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)通常按(an)(an)Ⅱ類(lei)一般工業(ye)固(gu)體廢(fei)物(wu)(wu)處理，鑒于無害化(hua)處理成本(ben)較高(gao)，目前(qian)綜合利用率尚(shang)不足40%，故大(da)部分(fen)磷(lin)石(shi)膏需要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)(an)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)場地的(de)(de)不同，可(ke)分(fen)為(wei)平地型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)和截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場，在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)基本(ben)上是(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)場。相比較干法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優(you)勢明顯(xian)，因而如地質條件為(wei)非碳酸鹽巖地區(qu)，一般均采(cai)用濕(shi)(shi)排(pai)濕(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方(fang)式。隨著中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)磷(lin)肥(fei)工業(ye)的(de)(de)快速(su)發(fa)展，本(ben)世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)相繼建設了幾座(zuo)濕(shi)(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)，例如云天化(hua)國(guo)(guo)(guo)際化(hua)工三環(huan)分(fen)公司的(de)(de)柳樹箐(qing)(qing)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩和富(fu)瑞分(fen)公司的(de)(de)楊家(jia)箐(qing)(qing)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)積壩，這兩座(zuo)壩設計壩高(gao)均超過100m、處于8度地震區(qu)，其(qi)安全(quan)性備受關注。

據統計(ji)，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來(lai)，全(quan)世界有118座尾(wei)礦壩曾發生(sheng)過破壞(huai)或(huo)潰壩事故，原因主(zhu)要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破壞(huai)和(he)基礎(chu)失穩。尾(wei)礦庫失事后會造成巨(ju)大(da)的生(sheng)態災難和(he)人員傷亡，近(jin)幾十年(nian)來(lai)，

國內外對(dui)金屬(shu)尾礦的(de)(de)沉積(ji)規律(lv)、物(wu)理力學特(te)性(xing)及其(qi)穩定性(xing)開展了大(da)量的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)，但對(dui)于與金屬(shu)尾礦庫相近(jin)的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏庫，一(yi)般僅限于在可研(yan)(yan)階(jie)段采用人工制備(bei)樣進行(xing)物(wu)理力學性(xing)質試驗，并據此(ci)進行(xing)穩定性(xing)分析，尚未有人針對(dui)己運行(xing)若(ruo)干年的(de)(de)大(da)型濕法(fa)堆(dui)存(cun)磷(lin)(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩(ba)開展過磷(lin)(lin)石膏沉積(ji)規律(lv)及其(qi)物(wu)理力學特(te)性(xing)的(de)(de)專項研(yan)(yan)究(jiu)。

本文依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩，首先(xian)進行(xing)(xing)了(le)鉆探取樣(yang)，采用原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展了(le)密度、含水率、滲透、土水特(te)征和顆分(fen)等物理性(xing)(xing)(xing)質試驗(yan)，在此(ci)基(ji)(ji)礎(chu)上有針對(dui)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)選擇(ze)原(yuan)狀樣(yang)開(kai)展了(le)三軸CU、蠕變及(ji)動(dong)三軸等力(li)學特(te)性(xing)(xing)(xing)試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)，總結了(le)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)沉積(ji)規律、滲透特(te)性(xing)(xing)(xing)、滲透破壞(huai)特(te)性(xing)(xing)(xing)以及(ji)靜動(dong)力(li)特(te)性(xing)(xing)(xing)，上述研(yan)(yan)(yan)究(jiu)工作對(dui)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)和評(ping)估磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫堆積(ji)壩的(de)(de)穩定性(xing)(xing)(xing)提供(gong)了(le)基(ji)(ji)礎(chu)數據，對(dui)現行(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏庫的(de)(de)運(yun)行(xing)(xing)管理以及(ji)新建工程的(de)(de)設計具(ju)有重(zhong)要(yao)的(de)(de)借鑒意義。

一(yi)、依托工程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土料填筑。上游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳(jiao)設置堆石排水體，三者相連通構成(cheng)整個堆積(ji)壩(ba)的主要排滲系統(tong)。

(2)堆(dui)積壩(ba)及(ji)其輔助排滲措(cuo)施

采用上游(you)式筑壩法，共20級(ji)(ji)子壩，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積(ji)高(gao)度約100m。采用排(pai)滲(shen)管(guan)網作為(wei)輔助排(pai)滲(shen)方案，目前己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩和13級(ji)(ji)子壩壩前120m范圍內(nei)設置了井(jing)字形(xing)排(pai)滲(shen)管(guan)網。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆(zhan)探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月，堆(dui)(dui)積(ji)至(zhi)5級子(zi)壩時，布設了(le)9個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取(qu)原狀樣(yang)76件；2013年(nian)5月，堆(dui)(dui)積(ji)至(zhi)13級子(zi)壩時，又(you)布設了(le)11個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取(qu)原狀樣(yang)112件，為比較子(zi)壩加高和磷(lin)石膏堆(dui)(dui)積(ji)過程中磷(lin)石膏物理力學性(xing)質的變化，在2，4級子(zi)壩K2孔(kong)(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)(kong)附近(jin)各布設了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷石(shi)膏尾礦庫(ku)2005年(nian)開工建設(she)，2006年(nian)1月投入(ru)運行，截至2013年(nian)5月己堆(dui)至13級(ji)子(zi)壩，尚有(you)7級(ji)子(zi)壩即(ji)堆(dui)存(cun)(cun)至設(she)計高程。鑒于磷石(shi)膏庫(ku)地(di)(di)(di)形、地(di)(di)(di)質條(tiao)件較好，具備擴容改造的條(tiao)件，以提高堆(dui)存(cun)(cun)庫(ku)容，減少(shao)堆(dui)存(cun)(cun)占地(di)(di)(di)，節約土地(di)(di)(di)資(zi)源(yuan)。

本文主要對沉積磷(lin)石膏的(de)物理力學特(te)性進行了全面總結，限于篇幅，有(you)關現狀(zhuang)磷(lin)石膏庫堆積壩的(de)安全性評價(jia)及其加高(gao)可行性的(de)研究將另文發表。

二、沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)物理力(li)學特(te)性

2.1物理(li)特(te)性(xing)

(1)干(gan)密(mi)度分(fen)布

圖(tu)2給出了(le)(le)14個鉆(zhan)孔的(de)(de)取樣(yang)深度(du)和試(shi)驗(yan)所得干密度(du)的(de)(de)關系(xi)，圖(tu)中(zhong)UWL表(biao)(biao)示水位線上(shang)，(系(xi)鉆(zhan)孔期(qi)間的(de)(de)初見水位線，下同)，DWL表(biao)(biao)示水位線下。圖(tu)3給出了(le)(le)水位線上(shang)下的(de)(de)飽和度(du)分布(bu)圖(tu)。由于(yu)磷石(shi)膏中(zhong)的(de)(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和烘(hong)烤時間對(dui)測定結(jie)果有一(yi)定影(ying)響，不能(neng)照搬(ban)現行的(de)(de)土工試(shi)驗(yan)規范，本文磷石(shi)膏的(de)(de)含水率測定方法為55℃溫度(du)下烘(hong)培(pei)24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深的(de)關系

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

由圖3，水位線(xian)(xian)上的磷石(shi)膏飽(bao)(bao)和度平均值為50.4%，處于非飽(bao)(bao)和狀態，水位線(xian)(xian)以(yi)下的磷石(shi)膏飽(bao)(bao)和度平均值為85.0%，基(ji)本處于飽(bao)(bao)和狀態，由于水位下降后(hou)磷石(shi)膏來不及排(pai)水固(gu)結，故(gu)而水位線(xian)(xian)上局(ju)部試樣的飽(bao)(bao)和度較高。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)以上(shang)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值為(wei)(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值為(wei)(wei)1.4g/cm3。可(ke)見(jian)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)與一般的(de)(de)尾礦有所不同，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)并不隨(sui)埋(mai)深的(de)(de)增大(da)而明(ming)顯增大(da)，但水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)(mi)度(du)從統計(ji)意義上(shang)來看仍大(da)于水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)以上(shang)的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)(mi)度(du)，這主(zhu)要是由(you)于水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)隨(sui)庫水(shui)位(wei)(wei)(wei)的(de)(de)變(bian)化反復升降而使(shi)得磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)排水(shui)固結(jie)所致。

室(shi)內擊實得(de)到的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)最大干密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)(ke)以看(kan)出，自然沉積(ji)的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)最大干密度可(ke)(ke)達(da)到1.73g/cm3，原因如下(xia)(xia)：與經典的(de)(de)(de)土(tu)骨架不(bu)可(ke)(ke)壓縮的(de)(de)(de)理論(lun)不(bu)同(tong)，石膏(gao)(gao)本身可(ke)(ke)壓縮，同(tong)時由于(yu)顆粒(li)結(jie)構不(bu)穩定，擊實試驗過程中(zhong)(zhong)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)結(jie)構被(bei)破壞，受夯擊處下(xia)(xia)陷，四周(zhou)鼓起，出現了類似(si)于(yu)橡皮土(tu)的(de)(de)(de)現象。而在現場條件(jian)下(xia)(xia)，石膏(gao)(gao)骨架被(bei)破壞后(hou)，會(hui)導致(zhi)顆粒(li)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)結(jie)合水(shui)(shui)(shui)滲出至孔(kong)隙內，變(bian)成孔(kong)隙水(shui)(shui)(shui)，排水(shui)(shui)(shui)固結(jie)后(hou)會(hui)使得(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)孔(kong)隙比減小(xiao)，干密度增大。

圖(tu)4給出了相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K2和(he)K17(位(wei)于(yu)2級(ji)(ji)子(zi)壩河床(chuang)部位(wei))以及(ji)相鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K6和(he)K18(位(wei)于(yu)4級(ji)(ji)子(zi)壩河床(chuang)部位(wei))干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)的(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)為1.37g/cm3。可見，即使從(cong)統計意(yi)義上來看(kan)，磷(lin)石(shi)膏的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)也并未隨后續磷(lin)石(shi)膏的(de)堆積而有較(jiao)為明顯的(de)增大。

(2)級配分(fen)布

顆粒分析試(shi)(shi)驗采用密度計法，制(zhi)備懸液(ye)時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了試(shi)(shi)驗得到的級配包線、平均(jun)粒徑d50、不均(jun)勻系(xi)(xi)數(1u和曲(qu)率系(xi)(xi)數Cc的分布(bu)圖(tu)。

從圖(tu)5(a)可見，磷石(shi)膏的粒徑主(zhu)要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總體(ti)上屬于粉(fen)土，但可能(neng)由于礦石(shi)來源或(huo)生產工藝有所不同，局(ju)部屬于粉(fen)砂～中砂。粒徑分布范圍比Blight和張(zhang)超等(deng)的試驗結果要(yao)寬(kuan)一(yi)些。

圖4子壩(ba)加高后沉(chen)積磷石膏的干(gan)密度(du)變化

圖5沉積磷石膏(gao)的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向(xiang)還是(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏與金屬礦(kuang)山(shan)尾礦(kuang)的“前(qian)粗后細，上粗下細”的自然分(fen)級(ji)現象不(bu)(bu)同，也即粗顆粒(li)并不(bu)(bu)是(shi)沿(yan)埋(mai)深(shen)逐步減小(xiao)或距離放漿(jiang)口越遠顆粒(li)越細，其原(yuan)因如下：①磷(lin)(lin)石(shi)膏顆粒(li)粒(li)徑組(zu)成較(jiao)(jiao)為(wei)集(ji)中、均(jun)勻，主要以粉(fen)粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)配較(jiao)(jiao)差；②相比較(jiao)(jiao)金屬尾礦(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏的比重較(jiao)(jiao)小(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)膏的比重一般為(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬尾礦(kuang)的比重，例如鐵尾礦(kuang)的比重可達2.9；③放漿(jiang)口隨(sui)子(zi)壩(ba)高度不(bu)(bu)斷增加而不(bu)(bu)斷變(bian)動并向(xiang)庫尾延伸，造(zao)成沉(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)膏的粒(li)徑變(bian)化(hua)不(bu)(bu)明(ming)顯。

從圖5(d)可見，不(bu)均勻系數Cu范圍(wei)值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為4.18，曲率系數(1c范圍(wei)值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為1.21，在(zai)統計的100多個試樣中，屬于級配(pei)不(bu)良土(tu)的占(zhan)93%。這(zhe)種級配(pei)特(te)性(xing)決定了磷石膏具(ju)有較高的壓縮性(xing)、滲(shen)透破壞(huai)型式表現為流(liu)土(tu)破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透系(xi)(xi)數的主要因素是粒徑(jing)大(da)小、級配和(he)孔隙(xi)比，因而(er)磷(lin)石膏的滲(shen)透系(xi)(xi)數與(yu)粉土(tu)較(jiao)(jiao)為(wei)接近。由(you)于(yu)孔隙(xi)比e減小，使得過水通道面積(ji)減小，滲(shen)透系(xi)(xi)數k也將減小，k與(yu)e呈(cheng)正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)。對砂土(tu)，一般認為(wei)滲(shen)透系(xi)(xi)數k與(yu)e3/(1+e)的線(xian)性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好，圖6給出了(le)二者間(jian)的關(guan)(guan)系(xi)(xi)曲線(xian)，由(you)于(yu)沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的不均(jun)(jun)勻(yun)系(xi)(xi)數變化(hua)較(jiao)(jiao)大(da)，使得沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的滲(shen)透系(xi)(xi)數變化(hua)范圍(wei)較(jiao)(jiao)大(da)(平均(jun)(jun)值為(wei)10-4cm/s數量級)，二者問的線(xian)性(xing)關(guan)(guan)系(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差(cha)。

圖6沉積磷石膏滲透系(xi)數(shu)與孔隙比的關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)平與垂直向(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)數比值(zhi)的(de)(de)分(fen)布。沉積磷石膏(gao)的(de)(de)水(shui)平向(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)數kh一(yi)般大(da)于(yu)垂直向(xiang)(xiang)的(de)(de)滲透系(xi)(xi)數kv,kh/kv平均值(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)點與成層分(fen)布的(de)(de)金屬(shu)尾礦規律(lv)一(yi)致。造成沉積磷石膏(gao)水(shui)平向(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)數大(da)于(yu)垂直向(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)數的(de)(de)原因是由于(yu)磷石膏(gao)具有(you)明顯的(de)(de)晶體結構(gou)，電鏡掃(sao)描顯示(shi)多(duo)(duo)為(wei)菱(ling)形和棱(leng)柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在(zai)沉積過(guo)程中，由于(yu)扁(bian)平狀(zhuang)磷石膏(gao)顆粒多(duo)(duo)呈水(shui)平排列，使得水(shui)平方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)透水(shui)性大(da)于(yu)垂直方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)透水(shui)性，從(cong)而使磷石膏(gao)呈現明顯的(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另(ling)根據中國有色(se)金屬工業昆明勘(kan)察(cha)設計研究院(yuan)在楊家箐(qing)磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩開展的(de)現場(chang)滲(shen)透(tou)試驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為(wei)1.9。但張超(chao)等的(de)室(shi)內試驗(yan)顯示，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為(wei)0.46，也即垂(chui)直向滲(shen)透(tou)系數大于水平(ping)(ping)向滲(shen)透(tou)系數，與本文和現場(chang)試驗(yan)結(jie)果恰(qia)(qia)恰(qia)(qia)相反。從磷(lin)石膏(gao)的(de)微觀(guan)結(jie)構(gou)來(lai)看，本文試驗(yan)結(jie)果更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干(gan)密(mi)度與水平和垂直滲透系數比值(zhi)的關(guan)系

(2)滲透變(bian)形

圖(tu)9為(wei)(wei)磷(lin)石膏(gao)干(gan)密度為(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水力梯(ti)度J與流速V的(de)(de)關系曲線，試驗在水平管涌儀中采用水平方向(xiang)的(de)(de)滲(shen)(shen)流形式進行。試驗得到的(de)(de)臨界坡(po)(po)降Jc=0.355，破(po)壞坡(po)(po)降Jp=0.375。一般來(lai)(lai)說，對(dui)(dui)1，2級工程，滲(shen)(shen)透安(an)全系數取(qu)為(wei)(wei)2.5，則(ze)允許(xu)(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降為(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級以(yi)下工程，滲(shen)(shen)透安(an)全系數取(qu)2.0，則(ze)允許(xu)(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降為(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)(xu)比(bi)降與粉土一粉砂大致相同。但上(shang)述滲(shen)(shen)透變形試驗是采用自來(lai)(lai)水進行的(de)(de)，自來(lai)(lai)水對(dui)(dui)磷(lin)石膏(gao)具有一定的(de)(de)溶蝕作用，而實際上(shang)磷(lin)石膏(gao)中殘余磷(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水的(de)(de)pH值一般小于(yu)3(稱之(zhi)為(wei)(wei)酸(suan)性水)，在酸(suan)性水作用下，磷(lin)石膏(gao)不會發(fa)生破(po)壞，上(shang)述試驗結果(guo)是偏于(yu)保守的(de)(de)，但對(dui)(dui)非酸(suan)性水條(tiao)件(例如(ru)特大暴(bao)雨)下的(de)(de)滲(shen)(shen)透穩(wen)定判斷(duan)有一定的(de)(de)借鑒意義(yi)。

圖9水力(li)梯度(du)J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土(tu)水特征試驗

試驗在5Bar的壓力(li)板(ban)儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表(biao)l列出(chu)了含(han)水率特(te)征值，試驗曲線見圖10所示。

試(shi)驗結果表(biao)明：①干密度(du)對進氣值沒有明顯的(de)(de)(de)影響(xiang)，不同干密度(du)的(de)(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)(de)進氣值大致(zhi)在(zai)10kPa左(zuo)右(you)；②土(tu)樣殘余含(han)(han)水率隨干密度(du)的(de)(de)(de)增加而(er)減少，殘余含(han)(han)水率約為飽(bao)和含(han)(han)水率的(de)(de)(de)10%。上述特性與粉土(tu)一粉砂基本一致(zhi)。

2.3靜力力學特(te)性

(1)三(san)軸CU試驗(yan)

由(you)于沉積磷石膏(gao)的密(mi)度變化較大，而(er)進行三軸(zhou)試(shi)驗需要若(ruo)干(gan)原狀樣，為使試(shi)驗結果具有較好的一致性(xing)，有針對性(xing)的選擇平均干(gan)密(mi)度分別為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)的若(ruo)干(gan)試(shi)樣，進行了5組三軸(zhou)CU試(shi)驗。圖(tu)11是為干(gan)密(mi)度為1.2和1.58g/cm3的三軸(zhou)CU試(shi)驗曲(qu)線。

從(cong)圖11可以看(kan)出(chu)，磷石膏的(de)應力應變關系曲線(xian)在(zai)低圍壓(ya)下表現為軟化型，在(zai)高圍壓(ya)下表現為硬化型，與一般土類相似(si)。但與一般粉土一粉砂不(bu)同的(de)是，即(ji)使在(zai)較為疏(shu)松的(de)狀態(tai)下，磷石膏仍表現了較為強烈(lie)的(de)剪(jian)脹(zhang)，隨密實度(du)增(zeng)大(da)，剪(jian)脹(zhang)作(zuo)用愈發明顯。

表2給出(chu)了(le)不同(tong)干(gan)密度(du)下的(de)內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出(chu)了(le)內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)密度(du)的(de)關系曲線。隨干(gan)密度(du)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)大(da)，且可采用(yong)冪(mi)函數較(jiao)好地擬合。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)干(gan)密度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了(le)32%，總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬合曲線求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明(ming)(ming)顯增(zeng)(zeng)大(da)，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)之(zhi)于干(gan)密度(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表明(ming)(ming)即使較(jiao)為(wei)疏松(song)的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)仍具有較(jiao)高的(de)強度(du)指標，這也表明(ming)(ming)磷(lin)(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩的(de)穩定性較(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗(yan)

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

試(shi)驗(yan)從2012年8月27日開始，試(shi)驗(yan)己進行了1年多，試(shi)驗(yan)結果(guo)見圖13所示。

從(cong)圖13中可以看出(chu)：上覆荷(he)載越(yue)(yue)大，磷石(shi)膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形也越(yue)(yue)大，荷(he)載施加1年后，磷石(shi)膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形仍非常顯著(zhu)，尚(shang)未達(da)到(dao)穩定狀態，這(zhe)也是磷石(shi)膏(gao)堆積壩后期變(bian)形較大的原(yuan)因，原(yuan)型觀(guan)測資料表明，在5級(ji)子壩河(he)床部位的表面沉降量已經達(da)到(dao)3.1m，且(qie)尚(shang)未完全穩定。

按時間(jian)對(dui)數(shu)(shu)法，可求得各(ge)級荷載下(xia)的(de)(de)主次(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所示。試驗結(jie)(jie)果表明，在100～400kPa上覆荷載作(zuo)用下(xia)，在試驗時間(jian)范圍內蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)固結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當然由于(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成(cheng)(cheng)，實(shi)際(ji)的(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大(da)。對(dui)土(tu)體而言(yan)，發生(sheng)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)土(tu)體在主固結(jie)(jie)完成(cheng)(cheng)之(zhi)后(hou)，土(tu)體中(zhong)仍有微小的(de)(de)超靜(jing)孔隙壓(ya)力存在，驅(qu)使水在顆粒問流動，一般來(lai)講(jiang)土(tu)體的(de)(de)次(ci)固結(jie)(jie)遠小于(yu)主固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏(gao)而言(yan)，其滲透系數(shu)(shu)在10-4cm/s數(shu)(shu)量級，遠大(da)于(yu)黏性土(tu)，但其卻(que)發生(sheng)了極為顯著的(de)(de)次(ci)固結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原(yuan)因在于(yu)磷石膏(gao)晶(jing)(jing)體結(jie)(jie)構發生(sheng)了壓(ya)縮(suo)、破壞，接(jie)觸點(dian)晶(jing)(jing)格發生(sheng)歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后(hou)晶(jing)(jing)格之(zhi)間(jian)的(de)(de)重新(xin)排列、調整(zheng)到最后(hou)趨于(yu)相對(dui)靜(jing)止需要相當長(chang)的(de)(de)時間(jian)才能完成(cheng)(cheng)。

2.4動(dong)力力學特(te)性

試驗設(she)備采用英國(guo)GDS公(gong)司進口的電機控制動三軸試驗系(xi)統，試樣(yang)直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣(yang)由于自然沉積的磷石膏密(mi)度(du)變(bian)(bian)化(hua)較大，為此根據物理性質試驗結(jie)果，選擇兩(liang)種平(ping)均干密(mi)度(du)1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建(jian)議(yi)的動(dong)剪切模量G、阻尼比與剪應變幅(fu)值(zhi)γd的關系式如下：

式中k1為(wei)(wei)(wei)參(can)數，表示動剪(jian)切(qie)模量的(de)衰減或阻尼比(bi)的(de)增長速率；λmax為(wei)(wei)(wei)最大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別(bie)為(wei)(wei)(wei)最大動剪(jian)切(qie)模量和歸一化的(de)動剪(jian)應變，表示為(wei)(wei)(wei)

式中(zhong)k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標準大氣壓(ya)；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸一(yi)化(hua)的動應變，表達為(wei)

圖(tu)14給出了(le)動(dong)剪(jian)切模(mo)量、阻(zu)尼比(bi)與歸一化動(dong)應變的關系(xi)曲(qu)線(xian)，另外圖(tu)中還給出了(le)式(1)的擬合(he)曲(qu)線(xian)以及Seed等給出的砂樣的上下邊界線(xian)，圖(tu)例中，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結應力比(bi)。

從圖(tu)中可以看出：①式(1)可較好(hao)地描述(shu)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)動應(ying)(ying)力-動應(ying)(ying)變試驗曲(qu)線(xian)(xian)，表明采用等價(jia)黏彈(dan)性(xing)模(mo)(mo)型進(jin)行循環荷載作用下(xia)的(de)(de)(de)分析(xi)是可行的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中干密(mi)度(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)位(wei)于(yu)(yu)干密(mi)度(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)上(shang)方，圖(tu)14(b)中則(ze)位(wei)于(yu)(yu)下(xia)方，表明密(mi)度(du)越(yue)大，動彈(dan)模(mo)(mo)越(yue)大、阻尼(ni)比(bi)(bi)越(yue)小；③圖(tu)14(a)中，兩種干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)擬合線(xian)(xian)基本位(wei)于(yu)(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)上(shang)方，而圖(tu)14(b)中則(ze)基本處于(yu)(yu)邊(bian)界(jie)線(xian)(xian)中間，表明相(xiang)比(bi)(bi)較砂樣(yang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)動彈(dan)模(mo)(mo)較大，會(hui)導致磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)動力反應(ying)(ying)較大，但(dan)由于(yu)(yu)阻尼(ni)比(bi)(bi)也較大，這(zhe)樣(yang)又會(hui)削弱(ruo)壩(ba)體的(de)(de)(de)動力反應(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)相(xiang)互影響下(xia)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)動力反應(ying)(ying)將不會(hui)過于(yu)(yu)強烈，這(zhe)對磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)抗震穩(wen)定性(xing)是有利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩(liang)種平均干密度為(wei)1.12(變(bian)化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標(biao)準為(wei)總(zong)應變(bian)達到10%。

圖(tu)15給(gei)出了動剪應力(li)比τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的關(guan)系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為(wei)(wei)(wei)振前試樣45°面上的有效(xiao)法(fa)向應力(li)，表(biao)達為(wei)(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)(wei)固結比。從試驗(yan)結果可以看出，沉積磷石膏(gao)的動強度與(yu)其(qi)它土體相似，表(biao)現為(wei)(wei)(wei)圍(wei)壓(ya)和(he)固結應力(li)比與(yu)動剪應力(li)比呈負相關(guan)關(guan)系。

為(wei)(wei)判別沉積磷石膏的抗液(ye)化能力，假定抗震設(she)計(ji)烈度為(wei)(wei)8度，即等效振次(ci)Ⅳ可取為(wei)(wei)30。首(shou)先由(you)式(4)

所示的冪函數關(guan)系式得(de)到(dao)振次為30時各(ge)個圍壓(ya)和固(gu)結比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動剪應力(li)比與圍壓(ya)和固結應力(li)比的關系式(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(mi)實度提(ti)高后，動(dong)剪應力比提(ti)高，表(biao)明抗液化能(neng)力也(ye)提(ti)高。但即使是在低(di)密(mi)度下(xia)，其動(dong)剪應力比較之同類的(de)粉土或粉砂也(ye)大出許(xu)多，表(biao)明磷石膏具有較高的(de)抗液化能(neng)力。

三、結論

依托柳樹箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開展了物理性質試(shi)驗(yan)，然后開展了靜動力(li)力(li)學特性試(shi)驗(yan)。通過上述試(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)，得出如(ru)下結(jie)論：

(1)沉積磷石(shi)膏總體上屬于級配不良(liang)的粉(fen)土(tu)，局(ju)部屬于粉(fen)砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級現(xian)象。其干密度和粒徑變化(hua)隨埋深或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離(li)的變化(hua)不明顯。

(2)沉積磷石膏水平方向的(de)(de)滲透(tou)系數大于垂(chui)直(zhi)方向的(de)(de)滲透(tou)系數，呈現明(ming)顯的(de)(de)各向異性(xing)。

(3)與土體顆粒不可(ke)壓(ya)縮不同，磷石(shi)膏的晶體結(jie)(jie)構會(hui)發生壓(ya)縮破(po)壞(huai)，具有(you)較大(da)的壓(ya)縮性，其(qi)次固結(jie)(jie)變形量遠(yuan)大(da)于主固結(jie)(jie)變形量。

(4)沉積磷石膏的靜動(dong)強度較之(zhi)同等密實(shi)度下的粉土(tu)、粉砂要高。