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(yan)

磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)(shi)濕法磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸生(sheng)產過(guo)程中的(de)(de)(de)副(fu)產品，2018年(nian)，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產生(sheng)量為7800萬噸，且呈逐(zhu)年(nian)增長的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)主要成分(fen)是(shi)(shi)CaO和(he)SO3，但含有一定量的(de)(de)(de)氟化(hua)物(wu)和(he)其它放射性物(wu)質，在中國(guo)通常按Ⅱ類(lei)一般工業固體廢物(wu)處(chu)理，鑒于(yu)無害化(hua)處(chu)理成本(ben)較(jiao)高，目前綜合利用率(lv)尚(shang)不足40%，故(gu)大部分(fen)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)場(chang)(chang)(chang)地(di)的(de)(de)(de)不同，可分(fen)為平地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)(chang)，在中國(guo)基本(ben)上是(shi)(shi)山(shan)谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)(chang)。相比(bi)較(jiao)干法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟(ji)優勢明顯，因而如地(di)質條件為非碳酸鹽巖地(di)區，一般均采用濕排濕堆(dui)(dui)(dui)方式(shi)。隨著中國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)肥工業的(de)(de)(de)快速發(fa)展，本(ben)世(shi)紀初(chu)中國(guo)相繼建(jian)設了幾座(zuo)濕法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例如云天(tian)化(hua)國(guo)際(ji)化(hua)工三(san)環分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)柳(liu)樹箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積壩和(he)富瑞(rui)分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)楊家(jia)箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積壩，這兩(liang)座(zuo)壩設計壩高均超過(guo)100m、處(chu)于(yu)8度地(di)震(zhen)區，其安全性備受關注。

據統計(ji)，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有118座尾(wei)礦壩曾(ceng)發生過破(po)壞或潰壩事(shi)故，原因主要(yao)有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透(tou)破(po)壞和基(ji)礎失穩。尾(wei)礦庫失事(shi)后會造成(cheng)巨大(da)的(de)生態災難和人員傷亡(wang)，近幾十年(nian)來，

國內外對(dui)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦的(de)沉積(ji)規(gui)律(lv)、物理(li)力學(xue)特性(xing)及其穩定性(xing)開展(zhan)了大量(liang)的(de)研(yan)(yan)究，但對(dui)于(yu)與(yu)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦庫相近的(de)磷(lin)石膏(gao)庫，一(yi)般僅限于(yu)在(zai)可研(yan)(yan)階段采用人工(gong)制(zhi)備樣進行物理(li)力學(xue)性(xing)質試驗，并據此進行穩定性(xing)分析，尚未(wei)有人針對(dui)己運(yun)行若干年(nian)的(de)大型濕法堆存磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩開展(zhan)過磷(lin)石膏(gao)沉積(ji)規(gui)律(lv)及其物理(li)力學(xue)特性(xing)的(de)專(zhuan)項研(yan)(yan)究。

本(ben)文依托柳樹(shu)箐磷石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩，首先進行(xing)了鉆探(tan)取樣(yang)，采用原(yuan)狀樣(yang)開展了密度(du)、含水率、滲(shen)透(tou)、土水特征和顆(ke)分等物(wu)理(li)性(xing)(xing)質試驗(yan)，在此基(ji)礎上有針對性(xing)(xing)的(de)選擇原(yuan)狀樣(yang)開展了三軸CU、蠕變及動(dong)三軸等力(li)學特性(xing)(xing)試驗(yan)。通過(guo)上述(shu)試驗(yan)研(yan)究(jiu)，總結了磷石(shi)膏(gao)的(de)沉(chen)積(ji)規(gui)律、滲(shen)透(tou)特性(xing)(xing)、滲(shen)透(tou)破壞特性(xing)(xing)以(yi)及靜動(dong)力(li)特性(xing)(xing)，上述(shu)研(yan)究(jiu)工(gong)作對研(yan)究(jiu)和評(ping)估磷石(shi)膏(gao)庫堆積(ji)壩的(de)穩定性(xing)(xing)提(ti)供了基(ji)礎數據(ju)，對現行(xing)磷石(shi)膏(gao)庫的(de)運(yun)行(xing)管理(li)以(yi)及新建工(gong)程的(de)設計具有重要的(de)借(jie)鑒意(yi)義。

一、依托(tuo)工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存(cun)設計方案

由初(chu)期壩和堆積壩組成，設計(ji)總壩高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩壩高(gao)約30m，采用土料填筑。上游(you)坡面(mian)、壩底和(he)下游(you)壩腳設(she)置堆(dui)石排水體，三者相(xiang)連(lian)通構成(cheng)整個堆(dui)積壩的主要(yao)排滲系統。

(2)堆積壩及其(qi)輔助排滲(shen)措施

采(cai)用(yong)上游式筑壩法，共20級子(zi)壩，頂寬6～9m，高(gao)度(du)5m，堆積高(gao)度(du)約100m。采(cai)用(yong)排(pai)滲(shen)管網作(zuo)為輔助排(pai)滲(shen)方(fang)案(an)，目前(qian)己在5級、9級子(zi)壩和13級子(zi)壩壩前(qian)120m范圍內設置了(le)井字形排(pai)滲(shen)管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年6月(yue)(yue)，堆(dui)積至5級子壩時(shi)(shi)，布(bu)設了(le)9個取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號K1～K9，取(qu)原狀樣76件；2013年5月(yue)(yue)，堆(dui)積至13級子壩時(shi)(shi)，又布(bu)設了(le)11個取(qu)樣鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號K10～K20，取(qu)原狀樣112件，為比(bi)較子壩加高和磷(lin)石膏堆(dui)積過(guo)程中磷(lin)石膏物理力學性質的變(bian)化，在(zai)2，4級子壩K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)設了(le)一個鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫2005年開工(gong)建(jian)設，2006年1月投入運行(xing)，截至2013年5月己堆(dui)(dui)至13級子(zi)壩，尚有7級子(zi)壩即(ji)堆(dui)(dui)存(cun)至設計(ji)高(gao)程。鑒于磷石膏庫地(di)形、地(di)質條(tiao)件(jian)較好，具備擴(kuo)容改造的條(tiao)件(jian)，以提高(gao)堆(dui)(dui)存(cun)庫容，減少(shao)堆(dui)(dui)存(cun)占地(di)，節(jie)約土地(di)資源。

本文主要對沉積磷(lin)石膏的(de)物理力學特性(xing)進行了全面總結，限于(yu)篇幅，有關現狀磷(lin)石膏庫堆積壩(ba)的(de)安全性(xing)評價及其加高(gao)可行性(xing)的(de)研究將另文發表(biao)。

二、沉積磷石膏(gao)的物(wu)理(li)力學特性

2.1物理特性

(1)干(gan)密度(du)分布(bu)

圖(tu)2給出(chu)了14個鉆(zhan)孔的(de)(de)取樣(yang)深度(du)和(he)試驗(yan)所(suo)得(de)干密(mi)度(du)的(de)(de)關系，圖(tu)中(zhong)UWL表(biao)示水位線(xian)上(shang)，(系鉆(zhan)孔期(qi)間的(de)(de)初見水位線(xian)，下(xia)同)，DWL表(biao)示水位線(xian)下(xia)。圖(tu)3給出(chu)了水位線(xian)上(shang)下(xia)的(de)(de)飽和(he)度(du)分(fen)(fen)布圖(tu)。由于磷(lin)石膏中(zhong)的(de)(de)主要(yao)成(cheng)分(fen)(fen)為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫(wen)度(du)和(he)烘(hong)烤時間對測定結果有一定影響，不(bu)能照(zhao)搬現(xian)行(xing)的(de)(de)土工(gong)試驗(yan)規范，本文磷(lin)石膏的(de)(de)含水率測定方(fang)法為55℃溫(wen)度(du)下(xia)烘(hong)培24h。

圖2沉積磷石(shi)膏干密度與埋深的關系

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

由圖3，水(shui)(shui)位線(xian)上的磷石膏飽(bao)和度平(ping)均值(zhi)為50.4%，處(chu)于(yu)非飽(bao)和狀(zhuang)態，水(shui)(shui)位線(xian)以(yi)下(xia)的磷石膏飽(bao)和度平(ping)均值(zhi)為85.0%，基(ji)本處(chu)于(yu)飽(bao)和狀(zhuang)態，由于(yu)水(shui)(shui)位下(xia)降后磷石膏來(lai)不(bu)及排水(shui)(shui)固結(jie)，故而水(shui)(shui)位線(xian)上局部試樣的飽(bao)和度較高。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)上(shang)的(de)干密度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)干密度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)(zhi)間，均(jun)值為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)與一般(ban)的(de)尾礦有(you)所不同，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干密度(du)(du)并不隨埋深的(de)增大(da)而明顯(xian)增大(da)，但水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密度(du)(du)從統計(ji)意義(yi)上(shang)來看仍大(da)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)以(yi)上(shang)的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密度(du)(du)，這主(zhu)要是(shi)由于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)線(xian)(xian)隨庫(ku)水(shui)(shui)位(wei)(wei)(wei)(wei)的(de)變化反(fan)復升(sheng)降而使得磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排(pai)水(shui)(shui)固結所致。

室內擊實得到(dao)的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)(da)干(gan)密(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出，自然沉積的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最大(da)(da)干(gan)密(mi)度(du)可(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)土骨(gu)架不(bu)(bu)可(ke)壓縮的(de)理論不(bu)(bu)同，石(shi)(shi)膏(gao)本(ben)身可(ke)壓縮，同時由于顆粒結構(gou)不(bu)(bu)穩(wen)定，擊實試驗過程中磷石(shi)(shi)膏(gao)結構(gou)被(bei)破(po)壞，受(shou)夯擊處下(xia)陷，四周鼓起，出現了類似于橡皮(pi)土的(de)現象。而在現場條件下(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)骨(gu)架被(bei)破(po)壞后(hou)，會導致顆粒中的(de)結合水(shui)滲出至孔(kong)隙(xi)內，變成(cheng)孔(kong)隙(xi)水(shui)，排水(shui)固(gu)結后(hou)會使得磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)孔(kong)隙(xi)比(bi)減(jian)小，干(gan)密(mi)度(du)增大(da)(da)。

圖4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和(he)K17(位于2級(ji)子(zi)壩河(he)(he)床部位)以及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和(he)K18(位于4級(ji)子(zi)壩河(he)(he)床部位)干(gan)密(mi)度(du)(du)的對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值(zhi)為1.37g/cm3。可見(jian)，即使從統(tong)計意義上來看，磷石膏(gao)的干(gan)密(mi)度(du)(du)也并未隨后續磷石膏(gao)的堆積而有較為明顯的增(zeng)大。

(2)級(ji)配(pei)分布(bu)

顆粒(li)分(fen)(fen)析試驗采用密度(du)計(ji)法，制備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏(pian)磷酸鈉。圖(tu)5給出了試驗得到的(de)(de)級配包(bao)線、平均(jun)粒(li)徑d50、不(bu)均(jun)勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒徑主要(yao)(yao)分布(bu)在0.005～0.075mm之間，總體上屬于(yu)粉土，但可能由于(yu)礦石來源(yuan)或生產工藝有所不(bu)同，局部屬于(yu)粉砂(sha)～中(zhong)砂(sha)。粒徑分布(bu)范圍比(bi)Blight和張超等的試(shi)驗結果要(yao)(yao)寬(kuan)一些。

圖4子壩(ba)加(jia)高后(hou)沉積磷石膏的干密(mi)度變化(hua)

圖5沉積磷石膏的平均(jun)粒徑和(he)級配分布

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向還是(shi)垂直向，磷(lin)石(shi)膏(gao)與金(jin)屬礦山尾礦的(de)(de)“前粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的(de)(de)自然(ran)分(fen)級(ji)現象不同，也(ye)即粗(cu)顆粒(li)(li)并不是(shi)沿埋(mai)深逐步(bu)減小或距離(li)放漿口越遠(yuan)顆粒(li)(li)越細，其原因(yin)如下：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑(jing)(jing)組(zu)成較(jiao)為(wei)集中、均(jun)勻，主要以粉粒(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)配較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金(jin)屬尾礦，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)較(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于(yu)金(jin)屬尾礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)，例如鐵尾礦的(de)(de)比(bi)重(zhong)可達2.9；③放漿口隨子壩高(gao)度不斷(duan)增加(jia)而不斷(duan)變(bian)動并向庫尾延伸(shen)，造成沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑(jing)(jing)變(bian)化不明顯。

從圖(tu)5(d)可見(jian)，不(bu)(bu)均勻系(xi)數Cu范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)(zhi)為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)(zhi)為(wei)1.21，在(zai)統計的(de)(de)100多個試樣中，屬于級配(pei)不(bu)(bu)良土的(de)(de)占93%。這種級配(pei)特性(xing)決定(ding)了磷石(shi)膏具有較高的(de)(de)壓縮性(xing)、滲透破壞型式表現(xian)為(wei)流土破壞。

2.2滲透(tou)特性

(1)滲(shen)透系(xi)數

影響(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要(yao)因(yin)素是(shi)粒(li)徑大小、級配和孔隙比，因(yin)而磷石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)為(wei)接(jie)近。由(you)于孔隙比e減小，使得過水通道面積減小，滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也(ye)將減小，k與(yu)e呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土，一(yi)般認為(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)好，圖6給出了二者間的(de)(de)關(guan)系(xi)曲線，由(you)于沉積磷石膏的(de)(de)不均勻系(xi)數(shu)(shu)變(bian)化較(jiao)大，使得沉積磷石膏的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)變(bian)化范圍較(jiao)大(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級)，二者問(wen)的(de)(de)線性(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石(shi)膏滲透系數與(yu)孔隙(xi)比的關(guan)系

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

圖7給出了水(shui)平(ping)(ping)與垂直向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)比(bi)值的(de)分(fen)布(bu)。沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)kh一(yi)般大(da)于垂直向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約(yue)為(wei)2.86，這一(yi)點與成(cheng)層分(fen)布(bu)的(de)金屬尾礦規律一(yi)致。造成(cheng)沉積(ji)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)大(da)于垂直向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)原因是由(you)于磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)具(ju)有明(ming)顯(xian)的(de)晶體結構(gou)，電鏡掃描顯(xian)示多為(wei)菱形和(he)棱柱狀形式(shi)(見圖8)，在沉積(ji)過(guo)程(cheng)中，由(you)于扁平(ping)(ping)狀磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)顆粒多呈水(shui)平(ping)(ping)排列，使得水(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性大(da)于垂直方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性，從而使磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)呈現(xian)明(ming)顯(xian)的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根(gen)據中國有色金屬工業昆明勘察設(she)計研究院在楊家箐磷(lin)石膏堆積(ji)壩開展的(de)現場滲(shen)透試驗，kh/kv的(de)平均值約(yue)為1.9。但張超等(deng)的(de)室(shi)內試驗顯示，kh/kv的(de)平均值約(yue)為0.46，也即(ji)垂直向滲(shen)透系(xi)數大于水平向滲(shen)透系(xi)數，與本文和(he)現場試驗結(jie)(jie)果恰恰相反。從磷(lin)石膏的(de)微(wei)觀(guan)結(jie)(jie)構(gou)來看，本文試驗結(jie)(jie)果更為合理。

圖7沉積磷石(shi)膏干(gan)密(mi)度與水平(ping)和垂直滲透系數(shu)比值的關系

(2)滲透(tou)變(bian)形

圖9為磷(lin)石膏干密度(du)為1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)力梯度(du)J與流速(su)V的(de)關系(xi)曲線，試(shi)驗在水(shui)(shui)平管涌儀中(zhong)采(cai)(cai)用水(shui)(shui)平方向(xiang)的(de)滲(shen)流形(xing)式進行。試(shi)驗得到(dao)的(de)臨界坡(po)(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破壞坡(po)(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般來說，對(dui)1，2級工程，滲(shen)透(tou)安全(quan)系(xi)數取(qu)為2.5，則(ze)允(yun)(yun)許(xu)出(chu)逸坡(po)(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)(xia)工程，滲(shen)透(tou)安全(quan)系(xi)數取(qu)2.0，則(ze)允(yun)(yun)許(xu)出(chu)逸坡(po)(po)降(jiang)(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)許(xu)比降(jiang)(jiang)與粉土一(yi)(yi)粉砂(sha)大(da)致(zhi)相同。但上述滲(shen)透(tou)變形(xing)試(shi)驗是(shi)采(cai)(cai)用自來水(shui)(shui)進行的(de)，自來水(shui)(shui)對(dui)磷(lin)石膏具有一(yi)(yi)定(ding)的(de)溶蝕(shi)作用，而實際上磷(lin)石膏中(zhong)殘余磷(lin)、硫和氟酸(suan)，庫(ku)水(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)(yi)般小于3(稱之為酸(suan)性(xing)水(shui)(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)作用下(xia)(xia)，磷(lin)石膏不會發生(sheng)破壞，上述試(shi)驗結果是(shi)偏于保(bao)守的(de)，但對(dui)非酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)條件(例(li)如特(te)大(da)暴(bao)雨)下(xia)(xia)的(de)滲(shen)透(tou)穩定(ding)判斷有一(yi)(yi)定(ding)的(de)借鑒意(yi)義。

圖9水力梯(ti)度J-流速v試驗過程線(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗

試(shi)(shi)驗在5Bar的壓力板儀中(zhong)進行，環(huan)刀尺寸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)含水率特征值，試(shi)(shi)驗曲線(xian)見圖(tu)10所示。

試驗結果表明：①干密度對進氣值沒有明顯的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，不同干密度的(de)(de)(de)(de)試樣的(de)(de)(de)(de)進氣值大致在10kPa左(zuo)右；②土樣殘(can)余含水率隨干密度的(de)(de)(de)(de)增加(jia)而減少，殘(can)余含水率約為飽和含水率的(de)(de)(de)(de)10%。上述特性與粉土一粉砂基本一致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗(yan)

由于(yu)沉積磷石膏(gao)的(de)(de)(de)密度變化較大，而進行三(san)(san)軸試(shi)驗(yan)需要若(ruo)干原狀樣(yang)(yang)，為(wei)(wei)使(shi)試(shi)驗(yan)結果具有較好(hao)的(de)(de)(de)一致性(xing)，有針對(dui)性(xing)的(de)(de)(de)選擇平均干密度分別為(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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)(de)(de)若(ruo)干試(shi)樣(yang)(yang)，進行了5組三(san)(san)軸CU試(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)(wei)干密度為(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)(de)(de)三(san)(san)軸CU試(shi)驗(yan)曲(qu)線。

從圖(tu)11可以看出(chu)，磷石(shi)膏(gao)的(de)應力應變關系曲線在(zai)低(di)圍壓(ya)下(xia)表(biao)(biao)現為軟化型(xing)，在(zai)高圍壓(ya)下(xia)表(biao)(biao)現為硬化型(xing)，與(yu)(yu)一(yi)般(ban)土(tu)類相似。但與(yu)(yu)一(yi)般(ban)粉土(tu)一(yi)粉砂不同的(de)是，即使在(zai)較(jiao)為疏松的(de)狀態下(xia)，磷石(shi)膏(gao)仍(reng)表(biao)(biao)現了較(jiao)為強烈的(de)剪脹，隨密實(shi)度增大，剪脹作用愈發(fa)明(ming)顯(xian)。

表(biao)2給出了不(bu)同干(gan)密度(du)下的(de)(de)(de)內(nei)摩(mo)擦角(jiao)，圖12給出了內(nei)摩(mo)擦角(jiao)與干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)關系曲線(xian)。隨干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，內(nei)摩(mo)擦角(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)(jiao)好地(di)擬合。磷石膏的(de)(de)(de)干(gan)密度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總(zong)應(ying)力摩(mo)擦角(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬合曲線(xian)求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效(xiao)應(ying)力摩(mo)擦角(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于(yu)隨圍壓的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓也明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效(xiao)摩(mo)擦角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)之總(zong)應(ying)力摩(mo)擦角(jiao)要(yao)小。另外(wai)較(jiao)(jiao)(jiao)之于(yu)干(gan)密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦角(jiao)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不(bu)顯著，表(biao)明(ming)即使較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)疏松(song)的(de)(de)(de)磷石膏仍具有較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)強度(du)指標，這也表(biao)明(ming)磷石膏堆積壩的(de)(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固(gu)結)變形(xing)試驗(yan)

磷(lin)石膏的蠕變變形試(shi)驗在側限壓縮(suo)儀中進行，試(shi)驗狀態相當(dang)于K0固結。試(shi)樣直(zhi)徑61.8mm，高度(du)20mm，試(shi)樣干(gan)密度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)樣飽(bao)和后(hou)分別(bie)開(kai)展了上(shang)覆(fu)壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試驗(yan)從2012年(nian)8月27日開始，試驗(yan)己進(jin)行了1年(nian)多，試驗(yan)結果(guo)見圖13所示。

從圖13中(zhong)可以(yi)看出(chu)：上覆荷載(zai)(zai)越(yue)大(da)(da)，磷石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)也越(yue)大(da)(da)，荷載(zai)(zai)施加1年(nian)后，磷石膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍非常顯著，尚未達到穩(wen)定(ding)狀態，這也是磷石膏(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)后期變(bian)形(xing)較(jiao)大(da)(da)的原因(yin)，原型觀測資(zi)料(liao)表明，在5級子壩(ba)河(he)床(chuang)部(bu)位的表面沉降量已經(jing)達到3.1m，且(qie)尚未完全(quan)穩(wen)定(ding)。

按時(shi)間(jian)對(dui)數(shu)法，可求得各級荷載下的(de)(de)主(zhu)次(ci)(ci)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)如表3所示。試驗結(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作(zuo)用(yong)下，在(zai)(zai)試驗時(shi)間(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)結(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)成，實(shi)際(ji)的(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大。對(dui)土(tu)體(ti)(ti)而言，發(fa)生蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因是由(you)于(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)結(jie)完(wan)成之后(hou)(hou)(hou)，土(tu)體(ti)(ti)中仍有(you)微(wei)小(xiao)的(de)(de)超靜(jing)孔(kong)隙壓力存在(zai)(zai)，驅(qu)使水(shui)在(zai)(zai)顆粒問流(liu)動，一般來講土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)結(jie)遠(yuan)小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏而言，其滲透系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量(liang)級，遠(yuan)大于(yu)黏(nian)性(xing)土(tu)，但其卻發(fa)生了極為顯著的(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原因在(zai)(zai)于(yu)磷石膏晶(jing)體(ti)(ti)結(jie)構發(fa)生了壓縮、破(po)(po)壞，接觸點晶(jing)格發(fa)生歪曲和(he)變(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破(po)(po)壞后(hou)(hou)(hou)晶(jing)格之間(jian)的(de)(de)重(zhong)新排列、調整(zheng)到最(zui)后(hou)(hou)(hou)趨(qu)于(yu)相對(dui)靜(jing)止需要(yao)相當長(chang)的(de)(de)時(shi)間(jian)才能完(wan)成。

2.4動力力學(xue)特性

試驗設備(bei)采用英國GDS公司進(jin)口(kou)的電(dian)機控(kong)制(zhi)動三軸試驗系統，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和(he)阻尼比

同樣由(you)于自然沉(chen)積的磷石膏(gao)密(mi)度(du)變(bian)(bian)化(hua)較(jiao)大(da)，為此根據(ju)物理(li)性質試驗(yan)結(jie)果，選擇兩種平均干密(mi)度(du)1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)動剪(jian)切模量G、阻(zu)尼比與(yu)剪(jian)應變(bian)幅值γd的(de)關系式(shi)如下：

式中k1為(wei)參(can)數，表(biao)示動(dong)(dong)剪切模量的(de)衰減或阻尼比(bi)(bi)的(de)增長速率(lv)；λmax為(wei)最大阻尼比(bi)(bi)；Gmax，γd分別(bie)為(wei)最大動(dong)(dong)剪切模量和歸一化的(de)動(dong)(dong)剪應變，表(biao)示為(wei)

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

圖14給(gei)出(chu)(chu)了動剪切模量、阻尼比(bi)與(yu)歸一(yi)化動應(ying)變(bian)的(de)(de)關系(xi)曲(qu)線(xian)，另(ling)外圖中(zhong)還給(gei)出(chu)(chu)了式(shi)(1)的(de)(de)擬合曲(qu)線(xian)以(yi)及Seed等(deng)給(gei)出(chu)(chu)的(de)(de)砂樣的(de)(de)上下(xia)邊界線(xian)，圖例中(zhong)，σ2表示(shi)圍(wei)壓(ya)，Kc表示(shi)固結應(ying)力比(bi)。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可較好(hao)地描述磷石(shi)膏(gao)的(de)動(dong)應(ying)(ying)力(li)-動(dong)應(ying)(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表明采用等(deng)價(jia)黏彈性模型(xing)進行循環荷(he)載作(zuo)用下的(de)分(fen)析是(shi)可行的(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)干(gan)密度為1.45g/cm3的(de)擬(ni)合(he)線(xian)(xian)位(wei)于(yu)干(gan)密度為1.34g/cm3的(de)擬(ni)合(he)線(xian)(xian)上方(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)下方(fang)，表明密度越大(da)，動(dong)彈模越大(da)、阻尼(ni)比越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密度的(de)擬(ni)合(he)線(xian)(xian)基(ji)(ji)本(ben)(ben)位(wei)于(yu)Seed等(deng)給(gei)出的(de)邊(bian)界線(xian)(xian)上方(fang)，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)(zhong)則(ze)基(ji)(ji)本(ben)(ben)處(chu)于(yu)邊(bian)界線(xian)(xian)中(zhong)(zhong)(zhong)間，表明相(xiang)比較砂樣(yang)(yang)，磷石(shi)膏(gao)動(dong)彈模較大(da)，會(hui)導(dao)致磷石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)較大(da)，但(dan)由于(yu)阻尼(ni)比也較大(da)，這(zhe)樣(yang)(yang)又會(hui)削弱(ruo)壩體的(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)，二者的(de)相(xiang)互(hu)影響下，磷石(shi)膏(gao)堆積壩壩體的(de)動(dong)力(li)反(fan)應(ying)(ying)將不會(hui)過(guo)于(yu)強烈，這(zhe)對磷石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)抗震穩定(ding)性是(shi)有利的(de)。

(2)動(dong)強度

選擇兩種平均(jun)干(gan)密度為1.12(變(bian)化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標準(zhun)為總(zong)應變(bian)達到(dao)10%。

圖(tu)15給出了動剪應力(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的(de)關(guan)系曲線圖(tu)，其(qi)中σ0為振前試樣45°面上的(de)有效法向應力(li)，表(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)(jie)比(bi)(bi)。從試驗結(jie)(jie)果可(ke)以看出，沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)動強度與(yu)其(qi)它土體相似，表(biao)現為圍壓和固結(jie)(jie)應力(li)比(bi)(bi)與(yu)動剪應力(li)比(bi)(bi)呈負相關(guan)關(guan)系。

為(wei)判別沉(chen)積磷石膏(gao)的抗(kang)液化能力(li)，假定抗(kang)震設計烈(lie)度為(wei)8度，即等效振次Ⅳ可(ke)取為(wei)30。首先由式(shi)(4)

所示的(de)(de)冪函(han)數(shu)關系式(shi)得到(dao)振次為30時各個圍壓和固結(jie)比下的(de)(de)動剪應力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得(de)動剪應力比(bi)與(yu)圍壓和固結應力比(bi)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。

從上(shang)述擬合關系(xi)式可見，密(mi)實度提(ti)高后(hou)，動剪應(ying)力比提(ti)高，表明(ming)抗液化(hua)能力也(ye)提(ti)高。但(dan)即(ji)使是在低密(mi)度下，其動剪應(ying)力比較之(zhi)同類的粉(fen)土或粉(fen)砂(sha)也(ye)大(da)出許多，表明(ming)磷石膏具有較高的抗液化(hua)能力。

三、結論

依托(tuo)柳樹箐磷石膏(gao)堆積(ji)壩，在鉆探取樣工(gong)作的基(ji)礎上，首先開展(zhan)了物理性質試(shi)驗，然后(hou)開展(zhan)了靜動(dong)力力學特性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，得出如(ru)下結論：

(1)沉積磷石膏總體上屬于(yu)(yu)級(ji)配不良(liang)的粉(fen)(fen)土，局部屬于(yu)(yu)粉(fen)(fen)砂一中砂，無自然分級(ji)現象。其(qi)干密度和粒徑變(bian)化隨埋深(shen)或距放(fang)漿口距離的變(bian)化不明顯。

(2)沉積磷石膏(gao)水平(ping)方向的(de)滲透系(xi)數大于垂直方向的(de)滲透系(xi)數，呈現明顯的(de)各向異性。

(3)與土(tu)體(ti)顆粒不(bu)可壓縮不(bu)同，磷石(shi)膏的(de)(de)晶體(ti)結構(gou)會發生壓縮破壞，具(ju)有較大的(de)(de)壓縮性，其次固結變形量(liang)遠(yuan)大于主固結變形量(liang)。

(4)沉積磷石膏的(de)靜(jing)動強度(du)較之(zhi)同(tong)等密實度(du)下(xia)的(de)粉土(tu)、粉砂(sha)要高。