沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)是(shi)磷(lin)(lin)酸生產過程(cheng)中(zhong)的副(fu)產品，目前的綜合(he)利用(yong)率(lv)尚不足40%，大部(bu)分(fen)(fen)需要(yao)堆(dui)存存放。受地(di)形限(xian)制和(he)經濟效(xiao)益考慮，中(zhong)國主要(yao)為(wei)濕法堆(dui)存的山谷型堆(dui)場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)，針對沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)首(shou)先開展了密度(du)、含水率(lv)、滲(shen)(shen)透、土(tu)水特征和(he)顆(ke)分(fen)(fen)等(deng)物理(li)性質(zhi)試(shi)驗(yan)，然后開展了三軸(zhou)cu、蠕變(bian)(bian)及動三軸(zhou)等(deng)力(li)學特性試(shi)驗(yan)。試(shi)驗(yan)結果表明：①沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的干(gan)密度(du)與(yu)埋(mai)深沒有相關(guan)關(guan)系；②沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不具(ju)有自(zi)然分(fen)(fen)級現象(xiang)，但(dan)具(ju)有明顯的各向異性；③沉積(ji)(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)有較(jiao)高的摩擦角(jiao)和(he)抗液化(hua)能力(li)，但(dan)其蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形較(jiao)大、滲(shen)(shen)透比降較(jiao)小。上述工作為(wei)分(fen)(fen)析磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)積(ji)(ji)壩(ba)的壩(ba)體穩定性提供(gong)了基礎，對現行磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫的運行管理(li)以及新(xin)建(jian)工程(cheng)的設(she)計具(ju)有重要(yao)的借(jie)鑒(jian)意義(yi)。

引言

磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)法磷(lin)酸(suan)生產(chan)過程中(zhong)(zhong)的(de)副產(chan)品(pin)，2018年，全(quan)國磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產(chan)生量為(wei)7800萬噸(dun)，且呈逐(zhu)年增長的(de)態勢。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)主要(yao)成分(fen)(fen)是(shi)CaO和(he)(he)SO3，但含有(you)一定量的(de)氟化(hua)物(wu)和(he)(he)其它(ta)放射(she)性物(wu)質，在中(zhong)(zhong)國通(tong)常按Ⅱ類一般工(gong)業(ye)固體廢物(wu)處理(li)，鑒于(yu)無害(hai)化(hua)處理(li)成本較高，目(mu)前綜合(he)利用(yong)率尚不(bu)足40%，故(gu)大(da)部分(fen)(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需(xu)要(yao)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存存放。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存場(chang)地(di)(di)(di)的(de)不(bu)同，可分(fen)(fen)為(wei)平地(di)(di)(di)型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和(he)(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)(zhong)國基本上是(shi)山谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)比較干法堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存經濟優(you)勢明顯，因而如(ru)地(di)(di)(di)質條件為(wei)非碳酸(suan)鹽(yan)巖(yan)地(di)(di)(di)區(qu)，一般均采用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)方(fang)式(shi)。隨著中(zhong)(zhong)國磷(lin)肥工(gong)業(ye)的(de)快(kuai)速發展，本世(shi)紀初中(zhong)(zhong)國相(xiang)繼建設(she)了幾座濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存的(de)大(da)型(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例(li)如(ru)云天(tian)化(hua)國際化(hua)工(gong)三環分(fen)(fen)公(gong)司的(de)柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)和(he)(he)富瑞分(fen)(fen)公(gong)司的(de)楊(yang)家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)設(she)計壩(ba)(ba)高均超過100m、處于(yu)8度地(di)(di)(di)震區(qu)，其安(an)全(quan)性備受關注。

據統計，110多年(1901年一2013年)來(lai)(lai)，全(quan)世界有118座尾礦壩曾發生過破壞或(huo)潰壩事故，原因主要有地震、洪(hong)水漫頂(ding)、滲透(tou)破壞和(he)基礎失穩。尾礦庫失事后會造成巨大的生態災難和(he)人員(yuan)傷亡，近幾十(shi)年來(lai)(lai)，

國內外對(dui)金(jin)屬尾礦的沉(chen)(chen)積規律(lv)、物(wu)理(li)力學(xue)特性(xing)(xing)及其穩定(ding)性(xing)(xing)開展了大(da)量(liang)的研(yan)(yan)究，但對(dui)于與金(jin)屬尾礦庫(ku)相(xiang)近的磷石(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，一般僅(jin)限于在可研(yan)(yan)階段采用人工制備(bei)樣進行(xing)物(wu)理(li)力學(xue)性(xing)(xing)質試驗，并據此進行(xing)穩定(ding)性(xing)(xing)分析，尚(shang)未有人針(zhen)對(dui)己(ji)運行(xing)若干年的大(da)型(xing)濕法堆存磷石(shi)膏(gao)(gao)堆積壩開展過(guo)磷石(shi)膏(gao)(gao)沉(chen)(chen)積規律(lv)及其物(wu)理(li)力學(xue)特性(xing)(xing)的專項研(yan)(yan)究。

本文依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩，首先進(jin)行(xing)了(le)(le)(le)鉆探(tan)取樣(yang)(yang)，采用原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開展了(le)(le)(le)密度、含(han)水率、滲(shen)透(tou)、土(tu)水特(te)(te)征(zheng)和(he)(he)顆分等(deng)物理(li)性(xing)(xing)質(zhi)試驗，在此基(ji)礎(chu)上有針對(dui)(dui)性(xing)(xing)的選(xuan)擇原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開展了(le)(le)(le)三軸CU、蠕變及(ji)動三軸等(deng)力學(xue)特(te)(te)性(xing)(xing)試驗。通過上述試驗研(yan)究，總(zong)結了(le)(le)(le)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的沉積規律(lv)、滲(shen)透(tou)特(te)(te)性(xing)(xing)、滲(shen)透(tou)破(po)壞特(te)(te)性(xing)(xing)以及(ji)靜動力特(te)(te)性(xing)(xing)，上述研(yan)究工(gong)作對(dui)(dui)研(yan)究和(he)(he)評估磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積壩的穩(wen)定性(xing)(xing)提供了(le)(le)(le)基(ji)礎(chu)數據，對(dui)(dui)現行(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫的運行(xing)管理(li)以及(ji)新(xin)建工(gong)程(cheng)的設計具有重要(yao)的借(jie)鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏(gao)堆積壩堆存設計方案(an)

由初期壩和(he)堆積(ji)壩組成，設計總壩高(gao)約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用(yong)土(tu)料(liao)填筑。上(shang)游坡面、壩(ba)(ba)底和下(xia)游壩(ba)(ba)腳設置堆(dui)石(shi)排水(shui)體，三(san)者(zhe)相(xiang)連通(tong)構成整個堆(dui)積壩(ba)(ba)的(de)主要排滲系統。

(2)堆積壩(ba)及其(qi)輔助(zhu)排滲措施

采用(yong)上(shang)游式(shi)筑(zhu)壩(ba)法，共20級子(zi)壩(ba)，頂(ding)寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用(yong)排滲管(guan)網作(zuo)為輔助排滲方案，目前己在5級、9級子(zi)壩(ba)和13級子(zi)壩(ba)壩(ba)前120m范圍內(nei)設置(zhi)了(le)井(jing)字形排滲管(guan)網。

1.2沉(chen)積磷石膏的鉆探取樣

鉆孔(kong)(kong)(kong)平面位(wei)置見(jian)圖l。2008年(nian)(nian)6月(yue)，堆積(ji)至(zhi)5級子(zi)(zi)壩時，布設(she)了(le)9個取樣鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編(bian)(bian)號(hao)K1～K9，取原狀樣76件；2013年(nian)(nian)5月(yue)，堆積(ji)至(zhi)13級子(zi)(zi)壩時，又布設(she)了(le)11個取樣鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編(bian)(bian)號(hao)K10～K20，取原狀樣112件，為(wei)比較子(zi)(zi)壩加高和磷石膏堆積(ji)過程(cheng)中(zhong)磷石膏物(wu)理力學性質的變化，在2，4級子(zi)(zi)壩K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附(fu)近各(ge)布設(she)了(le)一個鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編(bian)(bian)號(hao)分別為(wei)K17和K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹箐磷石(shi)膏尾(wei)礦庫(ku)2005年開工建設，2006年1月投(tou)入運(yun)行，截至(zhi)2013年5月己堆至(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆存(cun)(cun)至(zhi)設計高程。鑒于磷石(shi)膏庫(ku)地(di)(di)形(xing)、地(di)(di)質條(tiao)件較好(hao)，具備擴容改造的條(tiao)件，以提高堆存(cun)(cun)庫(ku)容，減少堆存(cun)(cun)占地(di)(di)，節約土地(di)(di)資源。

本文主要對沉積磷石膏的物理力(li)學特(te)性(xing)進行(xing)了全(quan)面總(zong)結，限于篇幅，有關(guan)現狀磷石膏庫(ku)堆(dui)積壩(ba)的安全(quan)性(xing)評(ping)價及(ji)其(qi)加高可(ke)行(xing)性(xing)的研究將另文發表。

二、沉(chen)積磷石(shi)膏的物理力(li)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(ge)鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)取樣(yang)深度(du)和試驗所得(de)干(gan)密度(du)的(de)(de)關系(xi)(xi)，圖(tu)中(zhong)(zhong)UWL表(biao)示水位(wei)線(xian)上，(系(xi)(xi)鉆(zhan)孔(kong)(kong)期間的(de)(de)初見水位(wei)線(xian)，下(xia)(xia)同(tong)(tong))，DWL表(biao)示水位(wei)線(xian)下(xia)(xia)。圖(tu)3給出(chu)了水位(wei)線(xian)上下(xia)(xia)的(de)(de)飽和度(du)分布圖(tu)。由于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)中(zhong)(zhong)的(de)(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不同(tong)(tong)溫度(du)和烘烤(kao)時間對測定(ding)結果(guo)有一(yi)定(ding)影響(xiang)，不能(neng)照搬現行(xing)的(de)(de)土工試驗規(gui)范(fan)，本文磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)含水率測定(ding)方(fang)法為55℃溫度(du)下(xia)(xia)烘培(pei)24h。

圖(tu)2沉積磷石膏干(gan)密度與埋深的關系(xi)

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

由圖3，水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)上的磷石(shi)膏飽(bao)和(he)(he)(he)度平均(jun)值為(wei)50.4%，處于(yu)非飽(bao)和(he)(he)(he)狀態(tai)，水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)以下的磷石(shi)膏飽(bao)和(he)(he)(he)度平均(jun)值為(wei)85.0%，基本處于(yu)飽(bao)和(he)(he)(he)狀態(tai)，由于(yu)水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)下降后磷石(shi)膏來不(bu)及排水(shui)(shui)(shui)固結(jie)，故而水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線(xian)(xian)上局部試樣的飽(bao)和(he)(he)(he)度較(jiao)高。

由(you)圖(tu)2，水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)下的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為(wei)1.4g/cm3。可見磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)與一般的(de)(de)(de)尾(wei)礦有所不同，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度并不隨(sui)埋深的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)明顯增(zeng)大(da)，但水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)下的(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)干密(mi)(mi)度從統(tong)計意義上來(lai)看仍大(da)于(yu)(yu)水(shui)(shui)位線以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)干密(mi)(mi)度，這主要(yao)是由(you)于(yu)(yu)水(shui)(shui)位線隨(sui)庫(ku)水(shui)(shui)位的(de)(de)(de)變(bian)化反復(fu)升降(jiang)而(er)使(shi)得磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)排水(shui)(shui)固結所致。

室內擊(ji)實(shi)得到(dao)的磷石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)(zui)大干(gan)密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖(tu)2可(ke)(ke)(ke)以看(kan)出，自然沉積的磷石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)(zui)大干(gan)密(mi)度可(ke)(ke)(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因(yin)如(ru)下：與經典(dian)的土骨架不(bu)可(ke)(ke)(ke)壓縮(suo)的理(li)論不(bu)同，石(shi)(shi)膏(gao)本身可(ke)(ke)(ke)壓縮(suo)，同時(shi)由于(yu)顆粒結構不(bu)穩定，擊(ji)實(shi)試驗過程(cheng)中(zhong)磷石(shi)(shi)膏(gao)結構被(bei)破壞，受夯擊(ji)處下陷，四周鼓(gu)起，出現了類似于(yu)橡皮土的現象。而在現場條件下，石(shi)(shi)膏(gao)骨架被(bei)破壞后，會(hui)導致顆粒中(zhong)的結合水(shui)滲出至孔(kong)隙(xi)內，變成孔(kong)隙(xi)水(shui)，排水(shui)固結后會(hui)使得磷石(shi)(shi)膏(gao)的孔(kong)隙(xi)比減小，干(gan)密(mi)度增大。

圖(tu)4給(gei)出(chu)了相(xiang)(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于(yu)2級子壩河床(chuang)部位(wei)(wei))以及相(xiang)(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于(yu)4級子壩河床(chuang)部位(wei)(wei))干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)的(de)對(dui)比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間，均值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間，均值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間，均值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間，均值為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即(ji)使從(cong)統計意義(yi)上(shang)來看，磷(lin)石(shi)膏的(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)(du)也并未隨后續磷(lin)石(shi)膏的(de)堆積(ji)而有較為(wei)明顯(xian)的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分析試(shi)驗采用密(mi)度計法(fa)，制(zhi)備懸液(ye)時(shi)不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷酸鈉(na)。圖5給出(chu)了試(shi)驗得到的(de)級配包線、平均粒徑d50、不(bu)均勻系(xi)數(shu)(1u和曲率系(xi)數(shu)Cc的(de)分布圖。

從圖(tu)5(a)可見，磷石膏的粒徑主要分布(bu)在0.005～0.075mm之間，總(zong)體(ti)上屬于粉土，但可能由于礦石來源(yuan)或(huo)生產工藝有所不同，局部屬于粉砂～中砂。粒徑分布(bu)范(fan)圍比Blight和張超等(deng)的試驗結果要寬一些。

圖4子壩加高后沉(chen)積(ji)磷石膏的干密度(du)變化

圖5沉積磷石膏(gao)的平(ping)均粒徑和(he)級(ji)配分布(bu)

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論(lun)是水平向還是垂直向，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏與金屬(shu)礦山尾礦的(de)(de)“前粗(cu)(cu)后細，上粗(cu)(cu)下(xia)細”的(de)(de)自然分級(ji)現象不(bu)同，也即粗(cu)(cu)顆(ke)粒(li)(li)并不(bu)是沿埋(mai)深逐步減(jian)小(xiao)或距離放漿口(kou)(kou)越遠顆(ke)粒(li)(li)越細，其原因如下(xia)：①磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏顆(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)徑(jing)組成較為集(ji)中(zhong)、均(jun)勻，主要以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)配較差；②相(xiang)比較金屬(shu)尾礦，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)比重(zhong)較小(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)比重(zhong)一般(ban)為2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)尾礦的(de)(de)比重(zhong)，例如鐵尾礦的(de)(de)比重(zhong)可達(da)2.9；③放漿口(kou)(kou)隨子(zi)壩高度不(bu)斷增加而不(bu)斷變(bian)動(dong)并向庫尾延(yan)伸，造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)粒(li)(li)徑(jing)變(bian)化(hua)不(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不(bu)均勻(yun)系(xi)數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為4.18，曲率系(xi)數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為1.21，在統(tong)計的(de)100多(duo)個試樣中，屬于級配(pei)不(bu)良土的(de)占93%。這種級配(pei)特(te)性(xing)決定了磷石膏具(ju)有(you)較高的(de)壓縮性(xing)、滲(shen)透破(po)壞型(xing)式(shi)表現為流土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影(ying)響滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要因素是粒(li)徑大小(xiao)(xiao)、級(ji)配和孔隙比，因而磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)為(wei)接近(jin)。由于孔隙比e減(jian)小(xiao)(xiao)，使(shi)得過(guo)水(shui)通道面積(ji)減(jian)小(xiao)(xiao)，滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也(ye)將減(jian)小(xiao)(xiao)，k與(yu)e呈正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂土(tu)，一般(ban)認為(wei)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)好，圖(tu)6給出了二者(zhe)間(jian)的(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線，由于沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)不(bu)均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化較(jiao)大，使(shi)得沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化范圍較(jiao)大(平(ping)均(jun)值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二者(zhe)問的(de)(de)線性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石(shi)膏滲透系(xi)數與(yu)孔(kong)隙比的關系(xi)

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

圖7給出了(le)水平(ping)與垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系(xi)數比值(zhi)的(de)(de)(de)分布(bu)。沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)水平(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系(xi)數kh一般大(da)于垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系(xi)數kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)約為(wei)2.86，這一點(dian)與成層分布(bu)的(de)(de)(de)金(jin)屬尾礦規律(lv)一致。造成沉積磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)水平(ping)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系(xi)數大(da)于垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)(tou)(tou)(tou)系(xi)數的(de)(de)(de)原(yuan)因是(shi)由于磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)具有(you)明顯(xian)的(de)(de)(de)晶體結構，電鏡(jing)掃(sao)描顯(xian)示多(duo)為(wei)菱形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖8)，在沉積過程中，由于扁(bian)平(ping)狀(zhuang)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)顆粒多(duo)呈(cheng)水平(ping)排列，使(shi)得水平(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水性大(da)于垂直(zhi)(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)水性，從(cong)而使(shi)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)呈(cheng)現(xian)明顯(xian)的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)異(yi)性。

另根(gen)據中國有色金屬工(gong)業昆明勘察(cha)設(she)計研究院在(zai)楊(yang)家箐(qing)磷石膏堆積壩開展的現場滲透試(shi)驗，kh/kv的平均(jun)值約為1.9。但張超等(deng)的室內試(shi)驗顯示，kh/kv的平均(jun)值約為0.46，也即垂直(zhi)向(xiang)滲透系(xi)數(shu)大于水平向(xiang)滲透系(xi)數(shu)，與本(ben)文和現場試(shi)驗結果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。從磷石膏的微(wei)觀結構來(lai)看，本(ben)文試(shi)驗結果(guo)更為合理。

圖7沉積磷石膏干密度與水平和垂直滲透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖(tu)9為(wei)磷石(shi)膏(gao)(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的水(shui)(shui)(shui)力梯度J與(yu)流(liu)速V的關系曲線，試(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)(shui)平(ping)管涌(yong)儀中采(cai)(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向的滲(shen)流(liu)形(xing)式進(jin)行(xing)(xing)。試(shi)驗(yan)得到的臨界坡降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一般來說，對1，2級(ji)工(gong)程(cheng)，滲(shen)透(tou)安全系數取為(wei)2.5，則(ze)允許(xu)出(chu)(chu)逸坡降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以(yi)下(xia)工(gong)程(cheng)，滲(shen)透(tou)安全系數取2.0，則(ze)允許(xu)出(chu)(chu)逸坡降(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比(bi)降(jiang)(jiang)與(yu)粉(fen)土一粉(fen)砂大致相(xiang)同。但上(shang)述(shu)滲(shen)透(tou)變形(xing)試(shi)驗(yan)是采(cai)(cai)用(yong)自來水(shui)(shui)(shui)進(jin)行(xing)(xing)的，自來水(shui)(shui)(shui)對磷石(shi)膏(gao)(gao)具有一定的溶蝕作用(yong)，而(er)實(shi)際上(shang)磷石(shi)膏(gao)(gao)中殘余磷、硫和氟酸，庫(ku)水(shui)(shui)(shui)的pH值一般小于3(稱之(zhi)為(wei)酸性水(shui)(shui)(shui))，在酸性水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下(xia)，磷石(shi)膏(gao)(gao)不會發生破(po)壞，上(shang)述(shu)試(shi)驗(yan)結果是偏于保守的，但對非(fei)酸性水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大暴(bao)雨(yu))下(xia)的滲(shen)透(tou)穩(wen)定判斷(duan)有一定的借鑒意義。

圖9水力(li)梯(ti)度J-流速v試(shi)驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓(ya)力板儀中進(jin)行(xing)，環刀(dao)尺寸6.18cm。干密(mi)度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組(zu)，吸(xi)力范圍(wei)0～500kPa。表l列出了含水率特征值(zhi)，試驗曲線(xian)見圖10所示(shi)。

試驗結果表明(ming)：①干密(mi)度(du)對進氣值沒有(you)明(ming)顯的(de)影響(xiang)，不同干密(mi)度(du)的(de)試樣(yang)的(de)進氣值大致(zhi)在10kPa左右(you)；②土樣(yang)殘(can)余含(han)水率隨干密(mi)度(du)的(de)增加(jia)而減少，殘(can)余含(han)水率約(yue)為飽和含(han)水率的(de)10%。上述特性與粉土一粉砂基本一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉(chen)積磷(lin)石膏的密(mi)度(du)變化較(jiao)大(da)，而(er)進行三(san)(san)軸試(shi)(shi)驗需要若(ruo)干原狀樣，為使試(shi)(shi)驗結果(guo)具有(you)較(jiao)好的一(yi)致性，有(you)針(zhen)對性的選(xuan)擇平均干密(mi)度(du)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)干試(shi)(shi)樣，進行了5組三(san)(san)軸CU試(shi)(shi)驗。圖11是為干密(mi)度(du)為1.2和1.58g/cm3的三(san)(san)軸CU試(shi)(shi)驗曲線。

從圖11可以看出(chu)，磷(lin)石膏的(de)(de)應(ying)力應(ying)變關(guan)系(xi)曲線在低圍壓下(xia)表(biao)現為(wei)軟化型(xing)，在高圍壓下(xia)表(biao)現為(wei)硬化型(xing)，與一般(ban)土類相似。但(dan)與一般(ban)粉土一粉砂不同的(de)(de)是，即(ji)使(shi)在較(jiao)(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)狀態(tai)下(xia)，磷(lin)石膏仍表(biao)現了較(jiao)(jiao)為(wei)強烈的(de)(de)剪(jian)脹，隨密實度增大，剪(jian)脹作用愈發明(ming)顯。

表(biao)2給出了(le)(le)不同干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)，圖12給出了(le)(le)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)與干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)關(guan)系(xi)曲線(xian)(xian)。隨(sui)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)也(ye)隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)(jiao)好地擬合(he)。磷石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)(le)32%，總應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加為37.3°(根據擬合(he)曲線(xian)(xian)求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為9.4%，有(you)效應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅為3.2%，由(you)于(yu)隨(sui)圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓也(ye)明(ming)顯增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)總應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)于(yu)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅并(bing)不顯著，表(biao)明(ming)即使較(jiao)(jiao)(jiao)為疏松的(de)(de)磷石膏仍具有(you)較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)(de)強度(du)指標，這也(ye)表(biao)明(ming)磷石膏堆積壩的(de)(de)穩定性較(jiao)(jiao)(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(次固(gu)結)變形試驗

磷(lin)石膏(gao)的蠕變變形試(shi)(shi)驗(yan)(yan)在(zai)側(ce)限(xian)壓(ya)縮儀中進行，試(shi)(shi)驗(yan)(yan)狀(zhuang)態相當于K0固(gu)結(jie)。試(shi)(shi)樣直徑(jing)61.8mm，高(gao)度20mm，試(shi)(shi)樣干密度為(wei)1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣飽(bao)和(he)后分別開展(zhan)了上覆壓(ya)力(li)ρ為(wei)100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗(yan)(yan)，

試(shi)驗(yan)從2012年(nian)(nian)8月27日開(kai)始(shi)，試(shi)驗(yan)己進(jin)行了1年(nian)(nian)多，試(shi)驗(yan)結果見圖13所示。

從圖13中可以看出：上覆荷載(zai)越大(da)(da)，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)也(ye)越大(da)(da)，荷載(zai)施(shi)加1年后(hou)，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)仍非常顯(xian)著，尚未(wei)達(da)到穩(wen)(wen)定狀態，這也(ye)是磷(lin)石(shi)膏堆積壩后(hou)期變(bian)(bian)(bian)形(xing)較(jiao)大(da)(da)的(de)(de)原(yuan)因，原(yuan)型觀測資料表明，在5級子壩河床部(bu)位的(de)(de)表面沉降量已經(jing)達(da)到3.1m，且尚未(wei)完全(quan)穩(wen)(wen)定。

按時間(jian)(jian)對(dui)數法(fa)，可求得各級(ji)荷載下的(de)主次固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形量如表3所示。試驗結果表明，在(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)(zai)試驗時間(jian)(jian)范圍內蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(次固(gu)結)變(bian)(bian)(bian)(bian)形是主固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形的(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形尚未完(wan)(wan)成(cheng)，實際(ji)的(de)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形應更大(da)。對(dui)土體(ti)而言，發(fa)生蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)原因(yin)是由于(yu)土體(ti)在(zai)(zai)(zai)主固(gu)結完(wan)(wan)成(cheng)之后，土體(ti)中仍有微小(xiao)的(de)超(chao)靜孔隙壓力(li)存在(zai)(zai)(zai)，驅使水(shui)在(zai)(zai)(zai)顆粒問流動，一般來講土體(ti)的(de)次固(gu)結遠小(xiao)于(yu)主固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形；對(dui)磷石(shi)膏而言，其滲透系數在(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數量級(ji)，遠大(da)于(yu)黏性土，但(dan)其卻發(fa)生了(le)極(ji)為顯著(zhu)的(de)次固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形，其原因(yin)在(zai)(zai)(zai)于(yu)磷石(shi)膏晶體(ti)結構發(fa)生了(le)壓縮、破壞，接觸(chu)點晶格發(fa)生歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)形，而破壞后晶格之間(jian)(jian)的(de)重新(xin)排列、調(diao)整(zheng)到最后趨于(yu)相(xiang)對(dui)靜止需要相(xiang)當長的(de)時間(jian)(jian)才能完(wan)(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗設備采用英國(guo)GDS公司(si)進口的電機控制(zhi)動三軸試驗系統，試樣(yang)直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動(dong)模量和(he)阻尼比(bi)

同樣由于自然沉積的磷石膏密度變化較大，為(wei)此根據物理(li)性(xing)質(zhi)試驗結果，選擇兩(liang)種平均干密度1.34g/cm3(變化范(fan)圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范(fan)圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動剪切模量G、阻尼比與剪應變幅值γd的關系(xi)式如下：

式(shi)中k1為(wei)(wei)參(can)數，表(biao)示動剪切模(mo)量的(de)衰減或(huo)阻尼比的(de)增長(chang)速率；λmax為(wei)(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大動剪切模(mo)量和歸一化的(de)動剪應變，表(biao)示為(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)參數(shu)；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)歸一化的動(dong)應變，表達為(wei)

圖14給(gei)出(chu)了(le)動剪切模量(liang)、阻(zu)尼比(bi)與歸一化動應變的關系曲(qu)線(xian)，另(ling)外圖中(zhong)還給(gei)出(chu)了(le)式(1)的擬(ni)合曲(qu)線(xian)以及Seed等給(gei)出(chu)的砂樣的上下(xia)邊界線(xian)，圖例(li)中(zhong)，σ2表示圍(wei)壓，Kc表示固結應力比(bi)。

從(cong)圖(tu)(tu)中(zhong)可以看(kan)出：①式(1)可較(jiao)好地描述磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)動(dong)(dong)應力-動(dong)(dong)應變試(shi)驗曲線(xian)，表(biao)(biao)明采用等價黏彈性(xing)模型進行循環荷載作用下(xia)的(de)(de)分析是(shi)可行的(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密度(du)(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)位(wei)于(yu)干(gan)密度(du)(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)擬合線(xian)上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)下(xia)方，表(biao)(biao)明密度(du)(du)越大(da)(da)，動(dong)(dong)彈模越大(da)(da)、阻尼(ni)(ni)比越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)擬合線(xian)基本位(wei)于(yu)Seed等給出的(de)(de)邊(bian)界線(xian)上方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本處于(yu)邊(bian)界線(xian)中(zhong)間(jian)，表(biao)(biao)明相比較(jiao)砂樣，磷(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)(dong)彈模較(jiao)大(da)(da)，會導致磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)(fan)應較(jiao)大(da)(da)，但(dan)由于(yu)阻尼(ni)(ni)比也較(jiao)大(da)(da)，這(zhe)樣又會削弱壩(ba)體的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)(fan)應，二(er)者的(de)(de)相互影響下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)動(dong)(dong)力反(fan)(fan)(fan)應將不會過(guo)于(yu)強(qiang)烈，這(zhe)對磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)抗震穩定性(xing)是(shi)有(you)利的(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均(jun)干密度為1.12(變化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標準為總應變達到(dao)10%。

圖15給出了動(dong)剪應(ying)力(li)比τd/σ0′與破(po)壞(huai)振次Nf的(de)關系曲線圖，其(qi)中(zhong)σ0為(wei)(wei)振前(qian)試(shi)樣45°面上的(de)有效法向應(ying)力(li)，表(biao)達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結(jie)(jie)比。從試(shi)驗結(jie)(jie)果可(ke)以看出，沉積磷石膏(gao)的(de)動(dong)強(qiang)度(du)與其(qi)它土體相似，表(biao)現(xian)為(wei)(wei)圍壓和(he)固結(jie)(jie)應(ying)力(li)比與動(dong)剪應(ying)力(li)比呈負相關關系。

為(wei)判別沉(chen)積(ji)磷石膏的抗液(ye)化能(neng)力，假定(ding)抗震設計(ji)烈度為(wei)8度，即等(deng)效振次(ci)Ⅳ可取(qu)為(wei)30。首先由式(4)

所示(shi)的冪函數關系式得到振次(ci)為30時(shi)各個(ge)圍壓和固(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)比與圍壓和(he)固結應力(li)比的(de)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(cong)上述擬合關系式可見，密實(shi)度提高(gao)后，動剪應(ying)力(li)比(bi)提高(gao)，表明抗液化能力(li)也(ye)提高(gao)。但即使是在(zai)低密度下，其動剪應(ying)力(li)比(bi)較之同類的(de)粉土或粉砂(sha)也(ye)大出許多，表明磷石膏具有(you)較高(gao)的(de)抗液化能力(li)。

三、結(jie)論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上(shang)，首(shou)先開展了物理性(xing)(xing)質試驗，然后開展了靜(jing)動力(li)力(li)學特(te)性(xing)(xing)試驗。通(tong)過(guo)上(shang)述試驗研究，得出如下(xia)結(jie)論(lun)：

(1)沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏總體上屬于(yu)級(ji)配不良(liang)的(de)粉土(tu)，局部(bu)屬于(yu)粉砂(sha)一中砂(sha)，無自然分(fen)級(ji)現象。其干密度和(he)粒(li)徑變(bian)化隨(sui)埋深或距放漿口距離的(de)變(bian)化不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平(ping)方(fang)向的滲透系(xi)數大于垂直方(fang)向的滲透系(xi)數，呈現明顯的各向異(yi)性。

(3)與土(tu)體顆粒(li)不(bu)可壓(ya)縮不(bu)同，磷石膏的晶(jing)體結(jie)構(gou)會發生壓(ya)縮破壞，具有較大的壓(ya)縮性，其次固(gu)結(jie)變形量(liang)遠大于主固(gu)結(jie)變形量(liang)。

(4)沉積磷(lin)石膏(gao)的靜(jing)動強度較之同等密(mi)實度下的粉(fen)(fen)土、粉(fen)(fen)砂要高。