沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)是磷(lin)酸生產(chan)過程中的(de)副產(chan)品，目前的(de)綜(zong)合(he)利用率尚不足40%，大(da)部分需要堆存存放。受地形(xing)限制和經(jing)濟效益考慮，中國(guo)主要為(wei)濕法堆存的(de)山(shan)谷(gu)型堆場。依(yi)托柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩，針對沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)首先開(kai)展了密(mi)度(du)、含水(shui)(shui)率、滲(shen)透、土水(shui)(shui)特征和顆分等物理性質試(shi)驗(yan)(yan)，然(ran)后開(kai)展了三軸cu、蠕(ru)變及動(dong)三軸等力學(xue)特性試(shi)驗(yan)(yan)。試(shi)驗(yan)(yan)結果表明：①沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)干密(mi)度(du)與埋深沒(mei)有(you)相關關系；②沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)不具(ju)有(you)自然(ran)分級現象，但(dan)具(ju)有(you)明顯的(de)各(ge)向異(yi)性；③沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)具(ju)有(you)較高(gao)的(de)摩擦角和抗液化能力，但(dan)其蠕(ru)變變形(xing)較大(da)、滲(shen)透比降較小(xiao)。上述(shu)工作為(wei)分析(xi)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的(de)壩體穩定性提供(gong)了基礎，對現行磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫的(de)運行管理以及新建(jian)工程的(de)設計具(ju)有(you)重(zhong)要的(de)借鑒意(yi)義。

引言

磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)是(shi)濕(shi)法磷(lin)(lin)(lin)酸(suan)生產過程中的(de)(de)副(fu)產品，2018年，全國(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)產生量為(wei)7800萬噸，且(qie)呈逐年增長的(de)(de)態(tai)勢。磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)主要(yao)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一定量的(de)(de)氟化物(wu)和(he)其它放(fang)射性物(wu)質，在(zai)中國(guo)(guo)通常按Ⅱ類一般工(gong)業固體廢(fei)物(wu)處理(li)，鑒于無害化處理(li)成(cheng)(cheng)本(ben)較高，目(mu)前綜合利用率尚不(bu)足(zu)40%，故大部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)需(xu)要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按堆(dui)(dui)存(cun)場(chang)(chang)地的(de)(de)不(bu)同，可分(fen)(fen)為(wei)平地型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)(chang)，在(zai)中國(guo)(guo)基本(ben)上是(shi)山谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)(chang)。相(xiang)(xiang)比較干法堆(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)經濟(ji)優(you)勢明顯，因而如地質條件為(wei)非碳酸(suan)鹽巖地區，一般均采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方(fang)式。隨著中國(guo)(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥工(gong)業的(de)(de)快速發展，本(ben)世(shi)紀初中國(guo)(guo)相(xiang)(xiang)繼(ji)建設(she)了幾座濕(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫，例(li)如云天化國(guo)(guo)際化工(gong)三環分(fen)(fen)公司(si)(si)的(de)(de)柳樹(shu)箐磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積(ji)壩和(he)富(fu)瑞分(fen)(fen)公司(si)(si)的(de)(de)楊(yang)家(jia)箐磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積(ji)壩，這兩座壩設(she)計壩高均超過100m、處于8度地震區，其安全性備受關注。

據統計(ji)，110多(duo)年(1901年一2013年)來，全(quan)世(shi)界有(you)118座(zuo)尾(wei)礦(kuang)壩(ba)曾發生過破壞(huai)或(huo)潰壩(ba)事(shi)故，原因主要有(you)地震、洪水漫頂(ding)、滲(shen)透(tou)破壞(huai)和(he)基礎失穩。尾(wei)礦(kuang)庫失事(shi)后(hou)會造成巨大的生態災(zai)難和(he)人(ren)員傷亡，近幾十年來，

國(guo)內外對金屬(shu)尾礦的(de)(de)沉積(ji)(ji)規律(lv)、物理(li)力學(xue)特性及其穩(wen)定性開(kai)展了大量的(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)，但對于(yu)與(yu)金屬(shu)尾礦庫(ku)相近的(de)(de)磷石(shi)膏庫(ku)，一般僅限于(yu)在可研(yan)(yan)(yan)階段(duan)采用人(ren)工制備樣進行(xing)(xing)物理(li)力學(xue)性質試驗，并據此進行(xing)(xing)穩(wen)定性分析(xi)，尚未有人(ren)針對己運行(xing)(xing)若干年的(de)(de)大型濕法堆存磷石(shi)膏堆積(ji)(ji)壩開(kai)展過(guo)磷石(shi)膏沉積(ji)(ji)規律(lv)及其物理(li)力學(xue)特性的(de)(de)專項(xiang)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)。

本文依托柳樹(shu)箐磷(lin)石膏堆(dui)積壩，首先(xian)進行(xing)了(le)鉆探取樣，采用原狀樣開展(zhan)了(le)密度、含水(shui)率、滲透(tou)、土水(shui)特(te)(te)征和顆(ke)分等物理性(xing)(xing)質試驗，在(zai)此基礎上(shang)有針(zhen)對(dui)性(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣開展(zhan)了(le)三軸CU、蠕(ru)變及(ji)動(dong)(dong)三軸等力學特(te)(te)性(xing)(xing)試驗。通過(guo)上(shang)述試驗研究(jiu)(jiu)，總結(jie)了(le)磷(lin)石膏的(de)沉(chen)積規律、滲透(tou)特(te)(te)性(xing)(xing)、滲透(tou)破壞特(te)(te)性(xing)(xing)以及(ji)靜動(dong)(dong)力特(te)(te)性(xing)(xing)，上(shang)述研究(jiu)(jiu)工作對(dui)研究(jiu)(jiu)和評估磷(lin)石膏庫堆(dui)積壩的(de)穩定性(xing)(xing)提(ti)供(gong)了(le)基礎數據(ju)，對(dui)現(xian)行(xing)磷(lin)石膏庫的(de)運行(xing)管理以及(ji)新建(jian)工程(cheng)的(de)設(she)計(ji)具有重要的(de)借鑒意(yi)義(yi)。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷(lin)石膏堆積壩堆存設(she)計(ji)方案(an)

由初(chu)期壩和堆(dui)積壩組(zu)成，設計總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土料填筑。上游(you)坡(po)面、壩(ba)底和下游(you)壩(ba)腳(jiao)設(she)置(zhi)堆(dui)(dui)石(shi)排(pai)(pai)水體，三者相連通構成整個堆(dui)(dui)積壩(ba)的(de)主要(yao)排(pai)(pai)滲系統。

(2)堆(dui)積(ji)壩及其輔助排滲措(cuo)施

采(cai)用上游(you)式筑(zhu)壩(ba)(ba)(ba)法，共20級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)(ba)，頂寬6～9m，高度(du)(du)5m，堆積高度(du)(du)約100m。采(cai)用排滲(shen)(shen)管網作為(wei)輔助排滲(shen)(shen)方案，目前己(ji)在5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)(ba)和13級(ji)子(zi)壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)前120m范圍內設置(zhi)了井字形排滲(shen)(shen)管網。

1.2沉積磷石膏的(de)鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平(ping)面位置見圖l。2008年(nian)(nian)6月，堆(dui)(dui)積(ji)(ji)至5級(ji)子壩時(shi)，布(bu)設了(le)9個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取原狀樣(yang)76件；2013年(nian)(nian)5月，堆(dui)(dui)積(ji)(ji)至13級(ji)子壩時(shi)，又布(bu)設了(le)11個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取原狀樣(yang)112件，為比(bi)較子壩加高和(he)磷石膏堆(dui)(dui)積(ji)(ji)過程中磷石膏物理力學(xue)性(xing)質(zhi)的(de)變化(hua)，在2，4級(ji)子壩K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)設了(le)一個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)分(fen)別(bie)為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷石膏(gao)尾(wei)礦(kuang)庫2005年(nian)開工建(jian)設(she)，2006年(nian)1月(yue)投入(ru)運行，截至2013年(nian)5月(yue)己(ji)堆(dui)(dui)至13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆(dui)(dui)存(cun)至設(she)計高程。鑒于磷石膏(gao)庫地形(xing)、地質條(tiao)件較好，具(ju)備擴容改造的條(tiao)件，以提高堆(dui)(dui)存(cun)庫容，減少堆(dui)(dui)存(cun)占地，節約土地資源。

本文主要對沉積(ji)磷石(shi)膏的物(wu)理力(li)學特性進行(xing)了全面總(zong)結，限于篇幅，有關現狀磷石(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩的安全性評價及其加高可行(xing)性的研究(jiu)將另文發表。

二、沉積(ji)磷石膏的物理力學特(te)性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給出(chu)了14個鉆(zhan)孔的(de)取樣深度(du)(du)和(he)試驗(yan)所得干密度(du)(du)的(de)關系，圖(tu)中UWL表(biao)(biao)示水位(wei)線(xian)(xian)上(shang)，(系鉆(zhan)孔期間的(de)初見水位(wei)線(xian)(xian)，下同(tong))，DWL表(biao)(biao)示水位(wei)線(xian)(xian)下。圖(tu)3給出(chu)了水位(wei)線(xian)(xian)上(shang)下的(de)飽和(he)度(du)(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷(lin)石膏中的(de)主(zhu)要(yao)成分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫度(du)(du)和(he)烘(hong)烤時(shi)間對測定(ding)(ding)結(jie)果有一定(ding)(ding)影響，不(bu)能(neng)照搬現行的(de)土工試驗(yan)規(gui)范，本文磷(lin)石膏的(de)含水率測定(ding)(ding)方(fang)法為(wei)55℃溫度(du)(du)下烘(hong)培(pei)24h。

圖2沉(chen)積磷石膏干密度與埋深的關系

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

由(you)(you)圖3，水(shui)位(wei)(wei)線上的(de)磷石(shi)膏飽(bao)和(he)度(du)(du)平均值為50.4%，處于(yu)非飽(bao)和(he)狀態，水(shui)位(wei)(wei)線以下的(de)磷石(shi)膏飽(bao)和(he)度(du)(du)平均值為85.0%，基本處于(yu)飽(bao)和(he)狀態，由(you)(you)于(yu)水(shui)位(wei)(wei)下降后磷石(shi)膏來不及排水(shui)固結，故而水(shui)位(wei)(wei)線上局部試樣的(de)飽(bao)和(he)度(du)(du)較高。

由圖2，水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以上的(de)干(gan)密(mi)度在(zai)(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以下的(de)干(gan)密(mi)度在(zai)(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石膏與一般的(de)尾(wei)礦有所不同，磷(lin)石膏的(de)干(gan)密(mi)度并不隨埋深的(de)增大而明顯增大，但水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以下的(de)磷(lin)石膏干(gan)密(mi)度從(cong)統計意義上來看仍大于水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以上的(de)磷(lin)石膏干(gan)密(mi)度，這主要是(shi)由于水(shui)(shui)(shui)位線(xian)隨庫水(shui)(shui)(shui)位的(de)變(bian)化反復升降(jiang)而使得磷(lin)石膏排水(shui)(shui)(shui)固結(jie)所致。

室內(nei)擊(ji)實得(de)到的(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏最大干(gan)密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從(cong)圖2可(ke)以(yi)看出(chu)，自(zi)然沉積的(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏最大干(gan)密(mi)度可(ke)達到1.73g/cm3，原因(yin)如下(xia)(xia)：與經典的(de)土骨(gu)架(jia)不(bu)可(ke)壓(ya)縮的(de)理論不(bu)同(tong)，石(shi)(shi)膏本身可(ke)壓(ya)縮，同(tong)時由于顆粒結(jie)(jie)構不(bu)穩定，擊(ji)實試驗過(guo)程中磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏結(jie)(jie)構被破(po)壞，受夯擊(ji)處下(xia)(xia)陷，四周鼓起(qi)，出(chu)現(xian)了類似于橡皮土的(de)現(xian)象。而在現(xian)場條件下(xia)(xia)，石(shi)(shi)膏骨(gu)架(jia)被破(po)壞后，會(hui)導致顆粒中的(de)結(jie)(jie)合水滲出(chu)至孔(kong)隙(xi)(xi)內(nei)，變成孔(kong)隙(xi)(xi)水，排水固(gu)結(jie)(jie)后會(hui)使得(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)孔(kong)隙(xi)(xi)比(bi)減小，干(gan)密(mi)度增大。

圖4給(gei)出(chu)了(le)相鄰(lin)鉆孔K2和K17(位(wei)于2級子壩河床(chuang)(chuang)部(bu)位(wei))以及相鄰(lin)鉆孔K6和K18(位(wei)于4級子壩河床(chuang)(chuang)部(bu)位(wei))干(gan)密(mi)度(du)的(de)對比圖。K2鉆孔的(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔的(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔的(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔的(de)干(gan)密(mi)度(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)(wei)(wei)1.37g/cm3。可見(jian)，即(ji)使從統計意義上來看，磷石膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)也(ye)并未隨(sui)后(hou)續磷石膏(gao)的(de)堆積而有(you)較(jiao)為(wei)(wei)(wei)(wei)明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分(fen)析試驗采用密度(du)計法，制備懸液(ye)時(shi)不(bu)煮沸，不(bu)加六偏(pian)磷(lin)酸鈉。圖5給出(chu)了試驗得(de)到的級配(pei)包(bao)線、平均粒徑d50、不(bu)均勻(yun)系(xi)數(shu)(1u和(he)曲率系(xi)數(shu)Cc的分(fen)布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏的(de)粒(li)徑(jing)(jing)主要分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體上屬(shu)于(yu)粉土(tu)，但可(ke)能由于(yu)礦石來源或生產工藝(yi)有所(suo)不同，局部(bu)屬(shu)于(yu)粉砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑(jing)(jing)分布范圍(wei)比Blight和張超等(deng)的(de)試驗結果要寬一些。

圖4子壩加(jia)高后(hou)沉(chen)積磷(lin)石膏的干密度(du)變化

圖5沉積磷石膏的(de)平(ping)均粒徑(jing)和級(ji)配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向(xiang)還是垂(chui)直向(xiang)，磷(lin)石膏與金(jin)屬(shu)礦(kuang)(kuang)(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)“前粗后(hou)細，上粗下細”的(de)自然分級現象不同，也即粗顆(ke)粒(li)并(bing)不是沿埋深逐步減小或距離放(fang)漿(jiang)口(kou)越遠(yuan)顆(ke)粒(li)越細，其原因如下：①磷(lin)石膏顆(ke)粒(li)粒(li)徑組(zu)成(cheng)較(jiao)為(wei)集中、均勻(yun)，主(zhu)要以粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級配較(jiao)差；②相比較(jiao)金(jin)屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)，磷(lin)石膏的(de)比重(zhong)(zhong)較(jiao)小，磷(lin)石膏的(de)比重(zhong)(zhong)一(yi)般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于金(jin)屬(shu)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比重(zhong)(zhong)，例如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比重(zhong)(zhong)可達2.9；③放(fang)漿(jiang)口(kou)隨(sui)子壩高度不斷增加而不斷變(bian)(bian)動并(bing)向(xiang)庫尾(wei)(wei)延伸，造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)粒(li)徑變(bian)(bian)化不明(ming)顯。

從圖(tu)5(d)可見，不均(jun)(jun)勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)為(wei)1.21，在統計的100多個(ge)試樣中，屬(shu)于級配不良土的占(zhan)93%。這種級配特性決定了磷石膏具有較(jiao)高的壓縮性、滲(shen)透破壞(huai)型式表現(xian)為(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數的(de)(de)(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級配和孔(kong)隙(xi)比，因而磷(lin)石膏的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數與粉土較(jiao)為(wei)接近。由于孔(kong)隙(xi)比e減(jian)小(xiao)，使得過水通道面積減(jian)小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數k也將(jiang)減(jian)小(xiao)，k與e呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對(dui)砂(sha)土，一般認為(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖6給出了二(er)(er)者間的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線，由于沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)(de)(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數變化(hua)較(jiao)大，使得沉(chen)積磷(lin)石膏的(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數變化(hua)范圍較(jiao)大(平均(jun)值為(wei)10-4cm/s數量級)，二(er)(er)者問的(de)(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石膏滲透系數(shu)與孔(kong)隙比的(de)關系

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

圖7給出了水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)與垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)分布(bu)。沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kh一般(ban)大(da)于垂(chui)直向(xiang)(xiang)的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為(wei)2.86，這一點與成層分布(bu)的(de)金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)規律一致。造成沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)大(da)于垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)的(de)原因是由于磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具有明(ming)顯(xian)的(de)晶體(ti)結構，電(dian)鏡掃描顯(xian)示多(duo)為(wei)菱形(xing)和棱柱狀(zhuang)形(xing)式(見圖8)，在沉積過程中(zhong)，由于扁平(ping)(ping)狀(zhuang)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆粒多(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使(shi)得水(shui)(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)性大(da)于垂(chui)直方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)(shui)性，從而使(shi)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)呈(cheng)現(xian)明(ming)顯(xian)的(de)各向(xiang)(xiang)異性。

另根據中(zhong)國有(you)色金(jin)屬工業昆明勘察設(she)計研究院在楊(yang)家箐磷石(shi)膏堆積(ji)壩(ba)開(kai)展的現場滲透(tou)試驗(yan)，kh/kv的平(ping)(ping)均值約(yue)為(wei)1.9。但張超等(deng)的室(shi)內試驗(yan)顯示(shi)，kh/kv的平(ping)(ping)均值約(yue)為(wei)0.46，也(ye)即垂(chui)直向滲透(tou)系數大于(yu)水平(ping)(ping)向滲透(tou)系數，與本(ben)文和現場試驗(yan)結(jie)(jie)果恰恰相(xiang)反。從磷石(shi)膏的微觀結(jie)(jie)構來看，本(ben)文試驗(yan)結(jie)(jie)果更(geng)為(wei)合理。

圖(tu)7沉積磷(lin)石膏(gao)干密度與水(shui)平和垂直滲透系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為磷(lin)(lin)石膏干密度為1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度J與流(liu)速(su)V的(de)(de)關系曲線，試驗在(zai)水(shui)平(ping)管涌儀中采用水(shui)平(ping)方向的(de)(de)滲(shen)(shen)流(liu)形式進行。試驗得到(dao)的(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般(ban)來(lai)說，對(dui)1，2級工程，滲(shen)(shen)透(tou)安全系數(shu)取(qu)為2.5，則允(yun)許(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下工程，滲(shen)(shen)透(tou)安全系數(shu)取(qu)2.0，則允(yun)許(xu)出(chu)逸坡降(jiang)為0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)比降(jiang)與粉土一(yi)(yi)粉砂大(da)(da)致相同。但上述(shu)滲(shen)(shen)透(tou)變形試驗是(shi)采用自來(lai)水(shui)進行的(de)(de)，自來(lai)水(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石膏具有一(yi)(yi)定的(de)(de)溶蝕作(zuo)用，而實際上磷(lin)(lin)石膏中殘余磷(lin)(lin)、硫和(he)氟(fu)酸(suan)(suan)，庫水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)(yi)般(ban)小(xiao)于(yu)(yu)3(稱之為酸(suan)(suan)性水(shui))，在(zai)酸(suan)(suan)性水(shui)作(zuo)用下，磷(lin)(lin)石膏不會發生破(po)壞，上述(shu)試驗結果是(shi)偏于(yu)(yu)保(bao)守的(de)(de)，但對(dui)非酸(suan)(suan)性水(shui)條(tiao)件(例如特(te)大(da)(da)暴雨(yu))下的(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)穩定判斷有一(yi)(yi)定的(de)(de)借鑒意義。

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

(3)土水特征試驗

試驗在(zai)5Bar的壓力(li)板儀中(zhong)進行，環刀尺寸6.18cm。干密度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組(zu)，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出了(le)含水(shui)率特征(zheng)值(zhi)，試驗曲線見圖10所示。

試驗結果表明(ming)：①干密(mi)度對進氣值(zhi)沒(mei)有明(ming)顯的影響(xiang)，不同(tong)干密(mi)度的試樣的進氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土樣殘(can)(can)余含(han)水率(lv)隨干密(mi)度的增加而減少，殘(can)(can)余含(han)水率(lv)約為飽和含(han)水率(lv)的10%。上(shang)述特性與粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂基本一(yi)(yi)致。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于(yu)沉(chen)積磷石膏的密(mi)(mi)度(du)變化較大，而進行三軸試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)需要若干(gan)原狀(zhuang)樣，為(wei)使(shi)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果具有較好的一致(zhi)性(xing)，有針對性(xing)的選擇平均(jun)干(gan)密(mi)(mi)度(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干(gan)試(shi)(shi)(shi)(shi)樣，進行了5組三軸CU試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)。圖11是為(wei)干(gan)密(mi)(mi)度(du)為(wei)1.2和1.58g/cm3的三軸CU試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)曲線。

從圖11可以看出(chu)，磷(lin)石膏的(de)應力應變(bian)關系曲線在(zai)(zai)低圍壓下(xia)(xia)表(biao)現(xian)為軟化(hua)型，在(zai)(zai)高圍壓下(xia)(xia)表(biao)現(xian)為硬化(hua)型，與一般土類相似。但與一般粉(fen)土一粉(fen)砂不同的(de)是，即使在(zai)(zai)較(jiao)(jiao)為疏松的(de)狀(zhuang)態下(xia)(xia)，磷(lin)石膏仍表(biao)現(xian)了(le)較(jiao)(jiao)為強烈(lie)的(de)剪脹，隨(sui)密實度(du)增大，剪脹作(zuo)用(yong)愈發明顯。

表2給出了(le)不(bu)同(tong)干密(mi)度(du)下(xia)的(de)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角，圖12給出了(le)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角與干密(mi)度(du)的(de)關系曲線。隨干密(mi)度(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較(jiao)好地(di)擬(ni)合。磷石膏(gao)的(de)干密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總(zong)應力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)應力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)(wei)(wei)3.2%，由(you)于隨圍(wei)壓的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也(ye)明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效(xiao)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)之總(zong)應力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角要(yao)小。另外較(jiao)之于干密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不(bu)顯(xian)著，表明(ming)即使(shi)較(jiao)為(wei)(wei)(wei)疏松(song)的(de)磷石膏(gao)仍(reng)具有較(jiao)高的(de)強度(du)指標，這也(ye)表明(ming)磷石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)穩定性較(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形試驗

磷(lin)石膏的(de)蠕變變形試(shi)驗(yan)在(zai)側限壓(ya)縮儀中進(jin)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(wei)1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)飽和后分(fen)別開展了上覆壓(ya)力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗(yan)，

試(shi)驗(yan)從2012年8月(yue)27日(ri)開始，試(shi)驗(yan)己進行了1年多(duo)，試(shi)驗(yan)結果見圖13所示。

從圖(tu)13中可以看出：上覆(fu)荷載(zai)越大(da)，磷石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形也(ye)(ye)越大(da)，荷載(zai)施加(jia)1年后(hou)，磷石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形仍非常顯著，尚(shang)未達到穩定狀態，這也(ye)(ye)是磷石膏堆積壩(ba)后(hou)期變(bian)形較大(da)的原(yuan)因，原(yuan)型觀測資料表明，在5級(ji)子壩(ba)河床部位(wei)的表面沉降量已經達到3.1m，且尚(shang)未完全穩定。

按時(shi)間對(dui)(dui)數(shu)(shu)法，可(ke)求得各級荷(he)載下的(de)(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量(liang)如表3所示(shi)。試(shi)驗結(jie)(jie)(jie)果(guo)表明，在(zai)100～400kPa上(shang)覆荷(he)載作用下，在(zai)試(shi)驗時(shi)間范圍(wei)內蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完成，實際的(de)(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應(ying)更大。對(dui)(dui)土體(ti)而(er)言，發(fa)生蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因是由(you)于(yu)土體(ti)在(zai)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)完成之(zhi)(zhi)后，土體(ti)中(zhong)仍(reng)有微小(xiao)的(de)(de)(de)超(chao)靜孔隙壓力存在(zai)，驅使水在(zai)顆粒問(wen)流動，一般來(lai)講(jiang)土體(ti)的(de)(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對(dui)(dui)磷(lin)石(shi)膏而(er)言，其滲透系數(shu)(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級，遠大于(yu)黏性土，但其卻發(fa)生了(le)極(ji)為顯著的(de)(de)(de)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其原因在(zai)于(yu)磷(lin)石(shi)膏晶體(ti)結(jie)(jie)(jie)構發(fa)生了(le)壓縮、破壞，接觸點晶格(ge)發(fa)生歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而(er)破壞后晶格(ge)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)重新(xin)排列、調整到最后趨于(yu)相對(dui)(dui)靜止需要相當長的(de)(de)(de)時(shi)間才(cai)能(neng)完成。

2.4動力力學特性

試驗設備采用(yong)英國GDS公司進口的電機(ji)控制動三軸(zhou)試驗系統，試樣直(zhi)徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量和阻尼(ni)比

同(tong)樣(yang)由(you)于自(zi)然(ran)沉積的(de)磷(lin)石膏密度(du)變(bian)化較大，為此根據(ju)物理性質試(shi)驗結果，選擇兩種平均干密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行試(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的(de)動剪切模量G、阻(zu)尼(ni)比與剪應變幅(fu)值γd的(de)關系式如下：

式中k1為(wei)(wei)參數(shu)，表示(shi)(shi)動(dong)剪切模量(liang)的(de)衰(shuai)減或阻尼比的(de)增長速率；λmax為(wei)(wei)最(zui)大阻尼比；Gmax，γd分(fen)別為(wei)(wei)最(zui)大動(dong)剪切模量(liang)和歸一化(hua)的(de)動(dong)剪應變，表示(shi)(shi)為(wei)(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)參數(shu)；σm為(wei)球應(ying)(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動泊松(song)比；εa為(wei)歸一(yi)化的(de)動應(ying)(ying)變，表達為(wei)

圖(tu)14給(gei)出了動(dong)剪(jian)切模(mo)量、阻尼比與歸(gui)一化動(dong)應變的(de)關系曲(qu)線，另外圖(tu)中還給(gei)出了式(1)的(de)擬合曲(qu)線以及Seed等給(gei)出的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊界線，圖(tu)例(li)中，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可以看出：①式(shi)(1)可較(jiao)好地(di)描述磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)應(ying)力-動(dong)(dong)應(ying)變試驗曲(qu)線(xian)，表明采用(yong)等價黏彈(dan)性(xing)模型進(jin)行循(xun)環荷載作用(yong)下(xia)的(de)(de)分析是可行的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)位(wei)于干(gan)密(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)擬合(he)線(xian)上方(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位(wei)于下(xia)方(fang)，表明密(mi)度越(yue)大，動(dong)(dong)彈(dan)模越(yue)大、阻(zu)尼比(bi)越(yue)小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密(mi)度的(de)(de)擬合(he)線(xian)基(ji)本位(wei)于Seed等給出的(de)(de)邊(bian)界(jie)線(xian)上方(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基(ji)本處于邊(bian)界(jie)線(xian)中(zhong)(zhong)間，表明相(xiang)(xiang)比(bi)較(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)動(dong)(dong)彈(dan)模較(jiao)大，會(hui)導致磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應(ying)較(jiao)大，但由于阻(zu)尼比(bi)也較(jiao)大，這(zhe)樣又會(hui)削弱壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應(ying)，二者的(de)(de)相(xiang)(xiang)互影響下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩壩體的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)應(ying)將不會(hui)過于強烈(lie)，這(zhe)對磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)壩的(de)(de)抗震(zhen)穩定性(xing)是有利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干密(mi)度為(wei)1.12(變化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破壞(huai)標準(zhun)為(wei)總應變達到10%。

圖15給出了動剪(jian)(jian)應力比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)(yu)破壞(huai)振(zhen)次Nf的(de)關系(xi)曲線圖，其中σ0為(wei)(wei)振(zhen)前試樣45°面上的(de)有效法向應力，表(biao)達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結比(bi)(bi)。從(cong)試驗結果可以看(kan)出，沉(chen)積磷石膏的(de)動強度(du)與(yu)(yu)其它土體相似，表(biao)現為(wei)(wei)圍壓和固結應力比(bi)(bi)與(yu)(yu)動剪(jian)(jian)應力比(bi)(bi)呈負相關關系(xi)。

為判別沉積磷石膏的(de)抗液化能力，假定抗震設計(ji)烈度為8度，即(ji)等效(xiao)振次Ⅳ可取為30。首先(xian)由式(4)

所示的冪(mi)函數關系(xi)式得到振次為30時各個圍壓(ya)和固結比下的動剪(jian)應力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可(ke)擬合(he)求得動(dong)剪應(ying)力(li)比與圍壓和固結(jie)應(ying)力(li)比的關(guan)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(he)關系式(shi)可見，密(mi)(mi)實度提高后，動剪應(ying)(ying)力(li)比提高，表明抗液化能力(li)也提高。但即使(shi)是在低密(mi)(mi)度下，其動剪應(ying)(ying)力(li)比較之(zhi)同類(lei)的(de)粉土或粉砂(sha)也大(da)出(chu)許(xu)多(duo)，表明磷石膏具(ju)有較高的(de)抗液化能力(li)。

三(san)、結(jie)論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)，在鉆探取(qu)樣工(gong)作的基礎上，首先開展了物理(li)性質試(shi)驗，然(ran)后(hou)開展了靜動(dong)力力學特性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，得出如下結論：

(1)沉(chen)積磷石膏總(zong)體(ti)上屬于(yu)級(ji)配(pei)不(bu)(bu)良的粉(fen)土，局(ju)部屬于(yu)粉(fen)砂一(yi)中(zhong)砂，無自然分級(ji)現象(xiang)。其干密度(du)和粒(li)徑變(bian)化(hua)隨埋(mai)深或距放漿口距離(li)的變(bian)化(hua)不(bu)(bu)明顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水平方(fang)向的滲透系數大(da)于垂(chui)直方(fang)向的滲透系數，呈現明顯的各向異性。

(3)與土體(ti)顆粒(li)不(bu)可壓(ya)縮(suo)不(bu)同，磷石膏的(de)晶體(ti)結構(gou)會發(fa)生壓(ya)縮(suo)破壞，具有較(jiao)大的(de)壓(ya)縮(suo)性(xing)，其次固結變形量遠大于主固結變形量。

(4)沉積(ji)磷石膏的(de)(de)靜動強度較之同等密實度下的(de)(de)粉土、粉砂要高。