沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)是(shi)磷(lin)(lin)(lin)酸生產過(guo)程中的(de)副產品，目前的(de)綜合利(li)用率尚不足40%，大部(bu)分(fen)需要堆(dui)存存放。受地形(xing)(xing)限制和經濟(ji)效益考(kao)慮(lv)，中國主要為濕法堆(dui)存的(de)山谷型(xing)堆(dui)場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)，針(zhen)對沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)首先(xian)開展了密度、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特征和顆分(fen)等(deng)物理(li)性質(zhi)試驗，然(ran)后開展了三(san)軸(zhou)(zhou)cu、蠕變及(ji)動三(san)軸(zhou)(zhou)等(deng)力學特性試驗。試驗結果(guo)表明：①沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密度與埋深沒有(you)相(xiang)關關系；②沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)不具(ju)有(you)自然(ran)分(fen)級現(xian)象，但(dan)具(ju)有(you)明顯的(de)各向(xiang)異(yi)性；③沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有(you)較高的(de)摩擦角和抗(kang)液化能力，但(dan)其蠕變變形(xing)(xing)較大、滲(shen)透(tou)比降較小。上述工作(zuo)為分(fen)析磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)壩(ba)體穩定性提供(gong)了基礎，對現(xian)行磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫的(de)運(yun)行管理(li)以及(ji)新(xin)建工程的(de)設計具(ju)有(you)重要的(de)借鑒意義。

引言

磷(lin)(lin)石膏(gao)是(shi)濕(shi)法磷(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)副(fu)產(chan)品，2018年，全國磷(lin)(lin)石膏(gao)產(chan)生(sheng)量(liang)(liang)為7800萬噸(dun)，且呈(cheng)逐年增(zeng)長的(de)(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)主要成分(fen)(fen)是(shi)CaO和SO3，但含有(you)一(yi)定(ding)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)氟化物(wu)和其它放射性(xing)物(wu)質，在(zai)中(zhong)(zhong)國通常按(an)Ⅱ類(lei)一(yi)般工業固(gu)體(ti)廢物(wu)處理(li)(li)，鑒于(yu)無害化處理(li)(li)成本較(jiao)高，目前綜合利用率(lv)尚不足40%，故大(da)(da)部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)石膏(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)場地(di)(di)的(de)(de)(de)(de)不同，可分(fen)(fen)為平地(di)(di)型(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)、山谷(gu)(gu)型(xing)(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場，在(zai)中(zhong)(zhong)國基本上是(shi)山谷(gu)(gu)型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場。相比(bi)較(jiao)干(gan)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)經(jing)濟優勢明顯，因而如地(di)(di)質條(tiao)件為非碳酸鹽(yan)巖地(di)(di)區，一(yi)般均采(cai)用濕(shi)排(pai)濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式(shi)。隨著中(zhong)(zhong)國磷(lin)(lin)肥工業的(de)(de)(de)(de)快速發展，本世(shi)紀初中(zhong)(zhong)國相繼建設了幾(ji)座(zuo)濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)型(xing)(xing)(xing)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)，例如云天化國際化工三(san)環(huan)分(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)(de)(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)和富(fu)瑞分(fen)(fen)公(gong)司的(de)(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積(ji)壩(ba)(ba)，這(zhe)兩座(zuo)壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高均超(chao)過(guo)100m、處于(yu)8度地(di)(di)震區，其安全性(xing)備受關注(zhu)。

據統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來，全世(shi)界有(you)118座尾礦壩曾發生過破(po)壞(huai)或(huo)潰壩事(shi)故(gu)，原因主要有(you)地(di)震(zhen)、洪水漫頂、滲透破(po)壞(huai)和(he)基(ji)礎失穩。尾礦庫失事(shi)后(hou)會造成巨大的生態災難和(he)人員傷亡，近幾十年(nian)(nian)來，

國(guo)內外對(dui)金(jin)屬尾礦的(de)(de)沉(chen)積規(gui)律、物理(li)力學(xue)特性(xing)及其(qi)穩定性(xing)開展(zhan)了大量(liang)的(de)(de)研究(jiu)，但(dan)對(dui)于(yu)與(yu)金(jin)屬尾礦庫相近的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)庫，一般僅限于(yu)在可研階段采用人工制備樣進(jin)行物理(li)力學(xue)性(xing)質(zhi)試驗，并據(ju)此進(jin)行穩定性(xing)分(fen)析，尚未有人針對(dui)己運(yun)行若干年的(de)(de)大型濕法堆存磷(lin)(lin)石膏(gao)堆積壩(ba)開展(zhan)過(guo)磷(lin)(lin)石膏(gao)沉(chen)積規(gui)律及其(qi)物理(li)力學(xue)特性(xing)的(de)(de)專(zhuan)項研究(jiu)。

本文(wen)依托柳樹(shu)箐磷石膏堆積(ji)(ji)壩，首先進行了鉆探取樣(yang)，采用(yong)原狀樣(yang)開展了密度、含水率、滲透(tou)、土水特(te)征和顆(ke)分等(deng)物(wu)理性質試(shi)驗(yan)，在此基礎(chu)上(shang)有針對(dui)(dui)性的(de)(de)選(xuan)擇原狀樣(yang)開展了三(san)軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三(san)軸(zhou)等(deng)力(li)學特(te)性試(shi)驗(yan)。通(tong)過上(shang)述試(shi)驗(yan)研究(jiu)，總結了磷石膏的(de)(de)沉積(ji)(ji)規律(lv)、滲透(tou)特(te)性、滲透(tou)破壞(huai)特(te)性以及(ji)靜動力(li)特(te)性，上(shang)述研究(jiu)工(gong)作對(dui)(dui)研究(jiu)和評(ping)估磷石膏庫(ku)堆積(ji)(ji)壩的(de)(de)穩定性提供了基礎(chu)數據，對(dui)(dui)現行磷石膏庫(ku)的(de)(de)運(yun)行管(guan)理以及(ji)新(xin)建工(gong)程的(de)(de)設(she)計具有重要的(de)(de)借鑒意義。

一(yi)、依(yi)托工(gong)程概況

1.1柳樹(shu)箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存設計方案

由(you)初期(qi)壩和堆積壩組成，設(she)計總壩高(gao)約(yue)130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采用土料填(tian)筑。上(shang)游(you)坡面、壩底和下游(you)壩腳(jiao)設置堆石(shi)排水體，三者相連通構成(cheng)整個堆積(ji)壩的主要排滲系統(tong)。

(2)堆積壩及其輔助排滲(shen)措施

采(cai)用上游(you)式筑壩(ba)(ba)法(fa)，共20級(ji)子壩(ba)(ba)，頂寬(kuan)6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)用排(pai)滲(shen)(shen)管網作為(wei)輔助排(pai)滲(shen)(shen)方(fang)案，目前(qian)己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)和13級(ji)子壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)前(qian)120m范(fan)圍內設置(zhi)了(le)井字形排(pai)滲(shen)(shen)管網。

1.2沉(chen)積(ji)磷石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)6月，堆積(ji)至(zhi)5級子壩(ba)時(shi)(shi)，布設了9個(ge)取樣鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號K1～K9，取原狀(zhuang)樣76件；2013年(nian)5月，堆積(ji)至(zhi)13級子壩(ba)時(shi)(shi)，又布設了11個(ge)取樣鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號K10～K20，取原狀(zhuang)樣112件，為比(bi)較(jiao)子壩(ba)加高和磷石(shi)膏堆積(ji)過程中磷石(shi)膏物理(li)力學性(xing)質(zhi)的(de)變化，在(zai)2，4級子壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布設了一(yi)個(ge)鉆(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)孔(kong)編(bian)號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏尾礦(kuang)庫(ku)2005年(nian)開(kai)工建(jian)設，2006年(nian)1月投入運行，截至(zhi)2013年(nian)5月己堆(dui)(dui)至(zhi)13級子壩，尚(shang)有(you)7級子壩即(ji)堆(dui)(dui)存(cun)至(zhi)設計(ji)高程。鑒于磷(lin)石(shi)膏庫(ku)地形(xing)、地質條件(jian)較好(hao)，具(ju)備擴容改(gai)造(zao)的條件(jian)，以提高堆(dui)(dui)存(cun)庫(ku)容，減(jian)少(shao)堆(dui)(dui)存(cun)占地，節約土地資(zi)源。

本文(wen)主要對沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)石膏的(de)物理力(li)學特性(xing)進行(xing)了全面總結，限(xian)于(yu)篇幅，有關現狀磷(lin)(lin)石膏庫堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)安全性(xing)評(ping)價(jia)及(ji)其加高可行(xing)性(xing)的(de)研究將另文(wen)發表。

二、沉積磷石膏的物理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)(tu)2給(gei)出了14個鉆孔的(de)(de)取樣深度(du)和(he)(he)試(shi)驗(yan)所得(de)干(gan)密度(du)的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)，圖(tu)(tu)中UWL表(biao)示(shi)水位線(xian)上，(系(xi)(xi)鉆孔期間(jian)的(de)(de)初見水位線(xian)，下(xia)(xia)同)，DWL表(biao)示(shi)水位線(xian)下(xia)(xia)。圖(tu)(tu)3給(gei)出了水位線(xian)上下(xia)(xia)的(de)(de)飽和(he)(he)度(du)分(fen)布圖(tu)(tu)。由于(yu)磷石(shi)膏中的(de)(de)主要成(cheng)分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度(du)和(he)(he)烘烤(kao)時間(jian)對測定結(jie)果有一(yi)定影響，不能照(zhao)搬(ban)現行的(de)(de)土工試(shi)驗(yan)規范(fan)，本文磷石(shi)膏的(de)(de)含水率測定方(fang)法為(wei)55℃溫(wen)度(du)下(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉(chen)積磷石膏(gao)干密(mi)度(du)與埋深(shen)的關系(xi)

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

由(you)圖3，水(shui)位(wei)線上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為(wei)50.4%，處(chu)于非飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，水(shui)位(wei)線以下的(de)磷(lin)石(shi)膏飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平均(jun)值(zhi)為(wei)85.0%，基(ji)本(ben)處(chu)于飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，由(you)于水(shui)位(wei)下降(jiang)后磷(lin)石(shi)膏來不及排水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)線上(shang)局部試樣的(de)飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)較高(gao)。

由(you)圖2，水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線以(yi)上的干密度(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線以(yi)下(xia)的干密度(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與一(yi)般(ban)的尾(wei)礦(kuang)有所(suo)不同，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的干密度(du)(du)并(bing)不隨埋深(shen)的增大(da)而明顯(xian)增大(da)，但(dan)水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線以(yi)下(xia)的磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密度(du)(du)從統計意義上來看(kan)仍大(da)于水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線以(yi)上的磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密度(du)(du)，這(zhe)主要是由(you)于水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線隨庫(ku)水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)的變(bian)化反復(fu)升降而使得磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)(shui)(shui)(shui)固結(jie)所(suo)致。

室內擊(ji)(ji)實(shi)得到的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏最大干密(mi)度(du)(du)(du)一般在1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從圖2可(ke)以看出，自然沉(chen)積的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏最大干密(mi)度(du)(du)(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下：與經典(dian)的(de)土(tu)骨架(jia)不(bu)可(ke)壓縮的(de)理論(lun)不(bu)同，石(shi)(shi)膏本身可(ke)壓縮，同時由于顆(ke)(ke)粒結(jie)(jie)構(gou)不(bu)穩(wen)定，擊(ji)(ji)實(shi)試驗過程(cheng)中磷(lin)石(shi)(shi)膏結(jie)(jie)構(gou)被破(po)壞，受夯擊(ji)(ji)處下陷，四周鼓起(qi)，出現(xian)(xian)了類(lei)似(si)于橡皮土(tu)的(de)現(xian)(xian)象。而在現(xian)(xian)場條件下，石(shi)(shi)膏骨架(jia)被破(po)壞后，會導致顆(ke)(ke)粒中的(de)結(jie)(jie)合水滲出至孔隙(xi)內，變(bian)成孔隙(xi)水，排水固結(jie)(jie)后會使得磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)孔隙(xi)比減(jian)小，干密(mi)度(du)(du)(du)增大。

圖(tu)(tu)4給出了相鄰鉆孔K2和(he)K17(位(wei)于2級(ji)子(zi)壩河床部位(wei))以及相鄰鉆孔K6和(he)K18(位(wei)于4級(ji)子(zi)壩河床部位(wei))干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)(de)對(dui)比圖(tu)(tu)。K2鉆孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為1.37g/cm3。可見，即(ji)使從統(tong)計意義(yi)上來(lai)看，磷石膏的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未(wei)隨(sui)后續磷石膏的(de)(de)(de)堆積而有較為明顯(xian)的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試(shi)驗采用密度計(ji)法，制備懸液時(shi)不煮(zhu)沸，不加六偏(pian)磷酸鈉。圖5給出了試(shi)驗得到的(de)級配包(bao)線、平均粒(li)徑d50、不均勻(yun)系數(1u和曲率系數Cc的(de)分布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏的(de)粒(li)徑(jing)主要分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬(shu)于(yu)粉(fen)(fen)土，但可(ke)能由(you)于(yu)礦石來(lai)源(yuan)或生產工藝有所不同，局部(bu)屬(shu)于(yu)粉(fen)(fen)砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑(jing)分(fen)布范圍比Blight和張(zhang)超等的(de)試驗結(jie)果(guo)要寬一些。

圖4子壩(ba)加高(gao)后沉積磷(lin)石膏的干密度變(bian)化(hua)

圖5沉積磷石膏的(de)平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)(shi)(shi)水平(ping)向(xiang)還是(shi)(shi)(shi)垂(chui)直向(xiang)，磷石膏(gao)(gao)(gao)與(yu)金屬礦(kuang)山(shan)尾礦(kuang)的(de)(de)(de)“前粗后細(xi)(xi)，上粗下(xia)細(xi)(xi)”的(de)(de)(de)自(zi)然分級現象不(bu)(bu)同，也(ye)即粗顆粒(li)(li)(li)并不(bu)(bu)是(shi)(shi)(shi)沿埋深逐步減小(xiao)或(huo)距離放(fang)漿口越遠顆粒(li)(li)(li)越細(xi)(xi)，其原(yuan)因如下(xia)：①磷石膏(gao)(gao)(gao)顆粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)徑(jing)組成(cheng)較為(wei)集中(zhong)、均(jun)勻，主要以(yi)粉(fen)粒(li)(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較差；②相比較金屬尾礦(kuang)，磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)比重(zhong)較小(xiao)，磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)比重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬尾礦(kuang)的(de)(de)(de)比重(zhong)，例如鐵尾礦(kuang)的(de)(de)(de)比重(zhong)可(ke)達(da)2.9；③放(fang)漿口隨子壩高度不(bu)(bu)斷(duan)(duan)增(zeng)加而不(bu)(bu)斷(duan)(duan)變動并向(xiang)庫尾延伸，造(zao)成(cheng)沉積磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)粒(li)(li)(li)徑(jing)變化不(bu)(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不(bu)(bu)均(jun)(jun)勻(yun)系數Cu范圍(wei)值1.61～21.5，平均(jun)(jun)值為4.18，曲率系數(1c范圍(wei)值0.28～9.78，平均(jun)(jun)值為1.21，在統計的100多個試樣中(zhong)，屬于(yu)級配(pei)不(bu)(bu)良土的占(zhan)93%。這種級配(pei)特性(xing)決定了磷石膏具(ju)有(you)較(jiao)高的壓縮性(xing)、滲透破壞型式表(biao)現為流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級配和孔隙(xi)比(bi)，因而磷(lin)石膏的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)與粉土較(jiao)為(wei)接近。由于孔隙(xi)比(bi)e減(jian)小(xiao)，使得過水(shui)通道面積(ji)減(jian)小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)k也將減(jian)小(xiao)，k與e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)。對砂(sha)土，一般(ban)認為(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的(de)線性(xing)(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)好，圖6給(gei)出了二(er)者(zhe)間的(de)關(guan)系(xi)曲線，由于沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的(de)不均勻系(xi)數(shu)變化較(jiao)大，使得沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏的(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)變化范圍(wei)較(jiao)大(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)量(liang)級)，二(er)者(zhe)問的(de)線性(xing)(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石膏(gao)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(shui)(shui)平(ping)(ping)與(yu)垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)比值的分(fen)布。沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏(gao)的水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kh一(yi)般大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)的滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為2.86，這一(yi)點(dian)與(yu)成層分(fen)布的金屬尾(wei)礦規律一(yi)致。造(zao)成沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)數(shu)的原因是由(you)(you)于(yu)磷石(shi)膏(gao)具(ju)有明顯的晶體(ti)結構(gou)，電(dian)鏡掃(sao)描(miao)顯示多為菱形和(he)棱(leng)柱狀形式(shi)(見圖(tu)8)，在沉(chen)積(ji)過程(cheng)中，由(you)(you)于(yu)扁平(ping)(ping)狀磷石(shi)膏(gao)顆(ke)粒多呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方(fang)(fang)向(xiang)的透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)大于(yu)垂直(zhi)方(fang)(fang)向(xiang)的透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)，從而使磷石(shi)膏(gao)呈(cheng)現明顯的各(ge)向(xiang)異性(xing)。

另根據中(zhong)國有色金(jin)屬工業(ye)昆明勘察設計研究院(yuan)在(zai)楊家箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積壩開展的現(xian)場滲透試驗(yan)，kh/kv的平均值約為(wei)(wei)1.9。但張超等(deng)的室內試驗(yan)顯示(shi)，kh/kv的平均值約為(wei)(wei)0.46，也即垂直向滲透系(xi)數大于水平向滲透系(xi)數，與本文和現(xian)場試驗(yan)結果(guo)恰恰相反。從磷石(shi)膏的微(wei)觀結構來(lai)看，本文試驗(yan)結果(guo)更為(wei)(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密(mi)度(du)與水平和(he)垂直滲透(tou)系數比值的關系

(2)滲透變形

圖(tu)9為磷石膏(gao)干密度為1.40g/cm3的(de)水力(li)梯度J與流速V的(de)關系曲線，試驗(yan)(yan)在(zai)水平管(guan)涌儀中(zhong)采用水平方(fang)向的(de)滲(shen)流形式進(jin)行。試驗(yan)(yan)得到的(de)臨界坡(po)降Jc=0.355，破(po)壞坡(po)降Jp=0.375。一(yi)(yi)般來(lai)說，對(dui)(dui)1，2級(ji)工程，滲(shen)透(tou)(tou)安(an)(an)全系數取為2.5，則允(yun)(yun)許出逸坡(po)降為0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級(ji)以下工程，滲(shen)透(tou)(tou)安(an)(an)全系數取2.0，則允(yun)(yun)許出逸坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許比降與粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂大致(zhi)相同。但上(shang)述(shu)滲(shen)透(tou)(tou)變(bian)形試驗(yan)(yan)是采用自來(lai)水進(jin)行的(de)，自來(lai)水對(dui)(dui)磷石膏(gao)具有(you)(you)一(yi)(yi)定的(de)溶蝕作(zuo)用，而實(shi)際上(shang)磷石膏(gao)中(zhong)殘余磷、硫和氟酸(suan)，庫水的(de)pH值一(yi)(yi)般小于3(稱之為酸(suan)性(xing)水)，在(zai)酸(suan)性(xing)水作(zuo)用下，磷石膏(gao)不會發生破(po)壞，上(shang)述(shu)試驗(yan)(yan)結果是偏(pian)于保守的(de)，但對(dui)(dui)非酸(suan)性(xing)水條件(例如特大暴(bao)雨(yu))下的(de)滲(shen)透(tou)(tou)穩定判斷有(you)(you)一(yi)(yi)定的(de)借鑒意義。

圖(tu)9水(shui)力梯(ti)度J-流(liu)速v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的(de)壓力板儀(yi)中進行(xing)，環刀尺寸(cun)6.18cm。干密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了(le)含(han)水率特征值，試驗曲(qu)線見圖10所示。

試(shi)驗結果表(biao)明：①干(gan)密(mi)度(du)對(dui)進氣值(zhi)沒(mei)有明顯的(de)(de)(de)影響，不同干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)試(shi)樣的(de)(de)(de)進氣值(zhi)大致(zhi)在10kPa左右；②土樣殘余含(han)水(shui)率(lv)隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)增加而減少，殘余含(han)水(shui)率(lv)約為飽(bao)和含(han)水(shui)率(lv)的(de)(de)(de)10%。上(shang)述特(te)性(xing)與粉土一(yi)粉砂基本一(yi)致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)密(mi)(mi)度變化較大(da)，而進行(xing)三(san)軸試(shi)驗需要若干(gan)原(yuan)狀樣，為使試(shi)驗結果具有較好的(de)一(yi)致(zhi)性，有針對(dui)性的(de)選擇平(ping)均干(gan)密(mi)(mi)度分別(bie)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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干(gan)試(shi)樣，進行(xing)了(le)5組三(san)軸CU試(shi)驗。圖11是為干(gan)密(mi)(mi)度為1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)驗曲線。

從圖11可以看出，磷石(shi)膏(gao)的應(ying)力應(ying)變(bian)關系曲線在(zai)低(di)圍壓下表(biao)現(xian)為(wei)(wei)軟(ruan)化型，在(zai)高(gao)圍壓下表(biao)現(xian)為(wei)(wei)硬化型，與一(yi)般土類相似。但(dan)與一(yi)般粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂不(bu)同的是，即(ji)使在(zai)較為(wei)(wei)疏松的狀態(tai)下，磷石(shi)膏(gao)仍表(biao)現(xian)了較為(wei)(wei)強烈的剪(jian)脹(zhang)，隨(sui)密實度增大(da)，剪(jian)脹(zhang)作用愈發明顯。

表2給(gei)出了不同干密度(du)下的(de)內摩(mo)擦角(jiao)，圖(tu)12給(gei)出了內摩(mo)擦角(jiao)與干密度(du)的(de)關系(xi)曲(qu)線。隨干密度(du)的(de)增(zeng)大，內摩(mo)擦角(jiao)也(ye)隨之(zhi)增(zeng)大，且可(ke)采用冪函數(shu)較(jiao)好(hao)地擬合。磷石膏的(de)干密度(du)由1.20g/cm3增(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)加(jia)了32%，總(zong)應力摩(mo)擦角(jiao)由34.1°增(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬合曲(qu)線求得(de))，增(zeng)幅為(wei)9.4%，有效應力摩(mo)擦角(jiao)由37.6°增(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)幅為(wei)3.2%，由于隨圍壓的(de)增(zeng)大，孔(kong)壓也(ye)明顯增(zeng)大，故有效摩(mo)擦角(jiao)增(zeng)幅較(jiao)之(zhi)總(zong)應力摩(mo)擦角(jiao)要小。另外較(jiao)之(zhi)于干密度(du)增(zeng)幅，摩(mo)擦角(jiao)的(de)增(zeng)幅并不顯著(zhu)，表明即(ji)使較(jiao)為(wei)疏松的(de)磷石膏仍具有較(jiao)高(gao)的(de)強(qiang)度(du)指標，這(zhe)也(ye)表明磷石膏堆積壩的(de)穩定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(次固結)變形試驗(yan)

磷石(shi)膏的蠕變變形(xing)試驗在側(ce)限壓(ya)縮儀中進行，試驗狀態相當于K0固結。試樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)20mm，試樣(yang)干(gan)密(mi)度(du)為(wei)1.30g/cm3，對試樣(yang)飽和后(hou)分別開展了(le)上覆壓(ya)力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試驗，

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

從圖13中可(ke)以看出：上覆荷載越大，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)也越大，荷載施加1年后，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)仍非常(chang)顯著，尚未達到(dao)穩定(ding)狀態，這(zhe)也是磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩(ba)后期變(bian)形(xing)較(jiao)大的(de)原因(yin)，原型觀(guan)測資料表(biao)明，在5級(ji)子壩(ba)河(he)床部位的(de)表(biao)面(mian)沉降(jiang)量已經達到(dao)3.1m，且尚未完全穩定(ding)。

按時(shi)間(jian)(jian)對數法，可求得各級荷(he)載下的(de)(de)(de)主(zhu)次固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量如(ru)表3所示。試(shi)(shi)驗結(jie)(jie)(jie)果表明，在(zai)100～400kPa上覆荷(he)載作用下，在(zai)試(shi)(shi)驗時(shi)間(jian)(jian)范圍內(nei)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(次固結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是主(zhu)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由(you)于(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完成，實際的(de)(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應更大。對土(tu)(tu)體而(er)言，發生(sheng)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)的(de)(de)(de)原(yuan)因是由(you)于(yu)土(tu)(tu)體在(zai)主(zhu)固結(jie)(jie)(jie)完成之后(hou)，土(tu)(tu)體中仍有微(wei)小的(de)(de)(de)超靜孔(kong)隙壓力存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問流動，一般(ban)來講土(tu)(tu)體的(de)(de)(de)次固結(jie)(jie)(jie)遠小于(yu)主(zhu)固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對磷(lin)石膏而(er)言，其滲透系數在(zai)10-4cm/s數量級，遠大于(yu)黏性土(tu)(tu)，但其卻發生(sheng)了(le)極(ji)為顯著(zhu)的(de)(de)(de)次固結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其原(yuan)因在(zai)于(yu)磷(lin)石膏晶(jing)(jing)體結(jie)(jie)(jie)構發生(sheng)了(le)壓縮、破壞，接觸(chu)點晶(jing)(jing)格發生(sheng)歪(wai)曲和變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而(er)破壞后(hou)晶(jing)(jing)格之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)重新排列、調整到最后(hou)趨于(yu)相(xiang)對靜止需要相(xiang)當(dang)長的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)才(cai)能(neng)完成。

2.4動力力學特性

試驗設備采用英國GDS公司進(jin)口(kou)的(de)電(dian)機控制動三軸試驗系統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和(he)阻尼比

同樣由于(yu)自然沉(chen)積的磷(lin)石(shi)膏密度變(bian)化較大，為此根據(ju)物理性(xing)質試驗結果，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切模(mo)量(liang)G、阻(zu)尼比與剪(jian)應變幅值γd的關(guan)系式如下：

式中k1為(wei)參數，表示動剪切模量的(de)衰減或阻尼(ni)比的(de)增長速率；λmax為(wei)最(zui)大(da)阻尼(ni)比；Gmax，γd分別(bie)為(wei)最(zui)大(da)動剪切模量和歸(gui)一化的(de)動剪應變，表示為(wei)

式中k2,n為參數；σm為球應(ying)力(li)；Pa為標準大氣壓；vd為動(dong)泊松(song)比；εa為歸(gui)一化的動(dong)應(ying)變(bian)，表達為

圖(tu)14給(gei)出了動(dong)剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化動(dong)應變(bian)的關(guan)系曲線，另外圖(tu)中還給(gei)出了式(1)的擬合曲線以及Seed等給(gei)出的砂樣(yang)的上下邊界線，圖(tu)例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比(bi)。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)以看出：①式(shi)(1)可(ke)較(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)動應力-動應變試驗曲線(xian)，表(biao)明(ming)采用(yong)等(deng)(deng)價黏彈性(xing)模型進行(xing)循(xun)環荷載作用(yong)下(xia)(xia)的(de)分(fen)析是(shi)可(ke)行(xing)的(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干密度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)擬(ni)合線(xian)位于干密度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)擬(ni)合線(xian)上方，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位于下(xia)(xia)方，表(biao)明(ming)密度(du)(du)越(yue)(yue)大，動彈模越(yue)(yue)大、阻(zu)尼(ni)比(bi)越(yue)(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干密度(du)(du)的(de)擬(ni)合線(xian)基(ji)本位于Seed等(deng)(deng)給出的(de)邊界線(xian)上方，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基(ji)本處于邊界線(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)明(ming)相比(bi)較(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)動彈模較(jiao)大，會(hui)導致磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)動力反應較(jiao)大，但(dan)由于阻(zu)尼(ni)比(bi)也較(jiao)大，這樣又會(hui)削弱壩體的(de)動力反應，二者的(de)相互影響下(xia)(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩壩體的(de)動力反應將(jiang)不會(hui)過于強烈(lie)，這對磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)抗震穩定性(xing)是(shi)有利的(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇兩種平均干密度為(wei)(wei)1.12(變(bian)化范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗(yan)，破(po)壞標準為(wei)(wei)總(zong)應變(bian)達(da)到10%。

圖15給出了動剪應(ying)(ying)(ying)力(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)關系曲(qu)線圖，其中σ0為(wei)振前試樣45°面上的(de)有(you)效(xiao)法向應(ying)(ying)(ying)力(li)，表達(da)為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固(gu)結比(bi)。從試驗結果(guo)可以看出，沉積磷石膏的(de)動強度與其它(ta)土體(ti)相(xiang)似，表現為(wei)圍壓和固(gu)結應(ying)(ying)(ying)力(li)比(bi)與動剪應(ying)(ying)(ying)力(li)比(bi)呈負相(xiang)關關系。

為判別沉積磷石膏的抗液化能力，假定(ding)抗震設計烈度為8度，即(ji)等(deng)效振次Ⅳ可取為30。首(shou)先由式(4)

所示的(de)冪函數關系式(shi)得到振次為30時各個圍(wei)壓和固結(jie)比下的(de)動剪應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可(ke)擬合求(qiu)得動剪應力(li)(li)比(bi)與圍壓和(he)固(gu)結(jie)應力(li)(li)比(bi)的(de)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(ni)合關系式可(ke)見，密實度提(ti)高(gao)后，動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)(li)(li)比(bi)提(ti)高(gao)，表明抗液化能力(li)(li)(li)也(ye)提(ti)高(gao)。但即使是(shi)在低密度下，其動(dong)剪(jian)應(ying)力(li)(li)(li)比(bi)較之同類的粉(fen)土或(huo)粉(fen)砂也(ye)大出許多，表明磷石(shi)膏具有較高(gao)的抗液化能力(li)(li)(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作(zuo)的基礎(chu)上(shang)，首先開展(zhan)了物理(li)性質(zhi)試(shi)驗，然后(hou)開展(zhan)了靜(jing)動(dong)力力學特性試(shi)驗。通過上(shang)述(shu)試(shi)驗研(yan)究，得出(chu)如(ru)下結論：

(1)沉積磷(lin)石(shi)膏總體上屬于級(ji)配不(bu)良的粉(fen)土，局部屬于粉(fen)砂(sha)一中砂(sha)，無自(zi)然分級(ji)現象。其(qi)干密(mi)度和粒徑(jing)變化(hua)隨(sui)埋深或距放(fang)漿口(kou)距離(li)的變化(hua)不(bu)明顯。

(2)沉(chen)積(ji)磷石膏水(shui)平方(fang)向(xiang)的滲透(tou)系(xi)數(shu)大于垂直方(fang)向(xiang)的滲透(tou)系(xi)數(shu)，呈現明(ming)顯(xian)的各向(xiang)異性。

(3)與土(tu)體(ti)顆粒不(bu)可壓(ya)縮不(bu)同，磷石膏的晶體(ti)結構(gou)會發生壓(ya)縮破壞(huai)，具(ju)有(you)較(jiao)大的壓(ya)縮性，其次固結變(bian)形量遠大于(yu)主固結變(bian)形量。

(4)沉積磷石(shi)膏的靜(jing)動強度較之同等密(mi)實度下的粉土(tu)、粉砂要(yao)高。