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

磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)是濕法(fa)磷酸生(sheng)產過(guo)程中的副(fu)產品，2018年(nian)，全(quan)(quan)國(guo)(guo)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)產生(sheng)量為7800萬噸，且呈逐年(nian)增長(chang)的態勢。磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的主要成分(fen)是CaO和SO3，但含有一定量的氟(fu)化物和其它放射(she)性物質，在(zai)中國(guo)(guo)通常按Ⅱ類一般工業固體(ti)廢物處(chu)理，鑒(jian)于(yu)無害化處(chu)理成本(ben)(ben)較高(gao)，目前綜合(he)利用率尚不足40%，故大(da)部分(fen)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)需要堆(dui)存存放。按堆(dui)存場(chang)地(di)(di)(di)(di)的不同，可分(fen)為平地(di)(di)(di)(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和截河型(xing)堆(dui)場(chang)，在(zai)中國(guo)(guo)基本(ben)(ben)上是山(shan)谷型(xing)堆(dui)場(chang)。相比較干法(fa)堆(dui)存，濕法(fa)堆(dui)存經濟優(you)勢明顯，因而如地(di)(di)(di)(di)質條件為非碳酸鹽巖(yan)地(di)(di)(di)(di)區，一般均(jun)采用濕排濕堆(dui)方式。隨著(zhu)中國(guo)(guo)磷肥工業的快速發(fa)展，本(ben)(ben)世紀初中國(guo)(guo)相繼建設了(le)幾(ji)座濕法(fa)堆(dui)存的大(da)型(xing)磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例如云天(tian)化國(guo)(guo)際化工三環(huan)分(fen)公司(si)的柳樹箐磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)積壩和富瑞分(fen)公司(si)的楊(yang)家箐磷石(shi)(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)積壩，這兩座壩設計壩高(gao)均(jun)超過(guo)100m、處(chu)于(yu)8度地(di)(di)(di)(di)震區，其安全(quan)(quan)性備受關注。

據統計，110多年(1901年一2013年)來，全世界有118座尾(wei)(wei)礦壩曾發生過(guo)破壞(huai)或潰壩事故，原因(yin)主要有地震、洪水漫頂(ding)、滲透破壞(huai)和基(ji)礎失穩(wen)。尾(wei)(wei)礦庫(ku)失事后會造成巨大(da)的生態災難(nan)和人員傷亡(wang)，近幾十年來，

國(guo)內外(wai)對(dui)金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)的沉(chen)積(ji)(ji)規律(lv)、物(wu)(wu)理力學特性及其穩定性開展了大(da)量(liang)的研究(jiu)，但(dan)對(dui)于與金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)庫相近的磷(lin)石膏庫，一般僅(jin)限于在可研階段采(cai)用(yong)人工制備樣進行(xing)物(wu)(wu)理力學性質(zhi)試驗，并據此進行(xing)穩定性分析，尚未有人針對(dui)己運(yun)行(xing)若干年的大(da)型濕法堆(dui)(dui)存(cun)磷(lin)石膏堆(dui)(dui)積(ji)(ji)壩開展過(guo)磷(lin)石膏沉(chen)積(ji)(ji)規律(lv)及其物(wu)(wu)理力學特性的專項(xiang)研究(jiu)。

本(ben)文依托柳樹(shu)箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩，首先進行了鉆(zhan)探取樣，采用原狀樣開(kai)展(zhan)了密度、含水(shui)率、滲(shen)透、土水(shui)特(te)(te)征和(he)(he)顆分等物(wu)理(li)性(xing)(xing)(xing)(xing)質(zhi)試驗(yan)，在此(ci)基礎(chu)(chu)上有(you)(you)針對性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣開(kai)展(zhan)了三軸CU、蠕(ru)變及(ji)(ji)動三軸等力(li)學特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)試驗(yan)。通過上述(shu)試驗(yan)研究(jiu)，總(zong)結了磷(lin)石(shi)膏的(de)沉積規律(lv)、滲(shen)透特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)、滲(shen)透破壞(huai)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)以(yi)及(ji)(ji)靜動力(li)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)，上述(shu)研究(jiu)工(gong)作對研究(jiu)和(he)(he)評估磷(lin)石(shi)膏庫(ku)堆積壩的(de)穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)提(ti)供(gong)了基礎(chu)(chu)數據，對現行磷(lin)石(shi)膏庫(ku)的(de)運(yun)行管理(li)以(yi)及(ji)(ji)新建(jian)工(gong)程的(de)設計具有(you)(you)重要的(de)借鑒意(yi)義。

一、依托工程概(gai)況

1.1柳樹箐(qing)磷石膏(gao)堆積壩堆存設計方(fang)案

由(you)初期壩(ba)和堆積壩(ba)組(zu)成，設計總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩(ba)

初期(qi)壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)高約30m，采用(yong)土料填筑。上游坡面、壩(ba)(ba)(ba)底(di)和下(xia)游壩(ba)(ba)(ba)腳設置堆石排(pai)水體，三者相連通構成整(zheng)個堆積壩(ba)(ba)(ba)的主要排(pai)滲系統。

(2)堆積壩及(ji)其輔助排滲(shen)措施

采用(yong)(yong)上游式(shi)筑壩(ba)(ba)(ba)法，共(gong)20級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)，頂(ding)寬(kuan)6～9m，高(gao)(gao)度5m，堆(dui)積高(gao)(gao)度約100m。采用(yong)(yong)排滲管(guan)網作為輔(fu)助排滲方案，目前己在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)和13級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)前120m范圍內(nei)設(she)置(zhi)了井字(zi)形排滲管(guan)網。

1.2沉積磷石(shi)膏的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆(dui)積(ji)至5級子壩(ba)時，布(bu)設了(le)9個(ge)(ge)取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號(hao)K1～K9，取原狀樣76件(jian)；2013年5月，堆(dui)積(ji)至13級子壩(ba)時，又布(bu)設了(le)11個(ge)(ge)取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號(hao)K10～K20，取原狀樣112件(jian)，為比(bi)較子壩(ba)加高和磷石膏堆(dui)積(ji)過(guo)程中磷石膏物理力學性質(zhi)的(de)變化，在2，4級子壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各(ge)布(bu)設了(le)一個(ge)(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號(hao)分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹(shu)箐磷石膏(gao)尾礦庫(ku)2005年開工建(jian)設(she)，2006年1月(yue)投入運行，截至2013年5月(yue)己堆(dui)(dui)至13級子壩，尚有7級子壩即(ji)堆(dui)(dui)存(cun)至設(she)計高程。鑒于磷石膏(gao)庫(ku)地(di)形、地(di)質條件(jian)較好，具備擴(kuo)容(rong)改造(zao)的條件(jian)，以提高堆(dui)(dui)存(cun)庫(ku)容(rong)，減少堆(dui)(dui)存(cun)占(zhan)地(di)，節約土地(di)資(zi)源。

本文(wen)主要對(dui)沉積磷(lin)石膏的(de)物理力學特性進行了全面(mian)總結，限于篇幅，有關(guan)現狀磷(lin)石膏庫堆積壩(ba)的(de)安(an)全性評價及其加高(gao)可行性的(de)研究將另文(wen)發表。

二、沉積磷石膏的物理力學(xue)特性(xing)

2.1物(wu)理特(te)性

(1)干密度(du)分布

圖(tu)2給出(chu)了14個鉆(zhan)孔的(de)取(qu)樣深度(du)和試驗(yan)所得(de)干密度(du)的(de)關系，圖(tu)中UWL表(biao)示水(shui)(shui)位線上，(系鉆(zhan)孔期間(jian)的(de)初見(jian)水(shui)(shui)位線，下(xia)同)，DWL表(biao)示水(shui)(shui)位線下(xia)。圖(tu)3給出(chu)了水(shui)(shui)位線上下(xia)的(de)飽(bao)和度(du)分布圖(tu)。由于磷石(shi)膏(gao)中的(de)主要成分為(wei)(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同溫度(du)和烘(hong)烤時間(jian)對測定結(jie)果有一定影響，不(bu)(bu)能照搬(ban)現行的(de)土工(gong)試驗(yan)規范，本文磷石(shi)膏(gao)的(de)含水(shui)(shui)率測定方(fang)法為(wei)(wei)55℃溫度(du)下(xia)烘(hong)培24h。

圖(tu)2沉積磷石膏干密度與埋深的關(guan)系(xi)

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

由圖3，水位線上的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)度平均值為(wei)50.4%，處(chu)于(yu)非(fei)飽(bao)(bao)和(he)狀態(tai)，水位線以下的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)度平均值為(wei)85.0%，基本處(chu)于(yu)飽(bao)(bao)和(he)狀態(tai)，由于(yu)水位下降后(hou)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)來不及(ji)排水固結，故而(er)水位線上局(ju)部試樣的飽(bao)(bao)和(he)度較高(gao)。

由圖2，水(shui)位線以(yi)(yi)上(shang)(shang)的干(gan)密(mi)度在(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位線以(yi)(yi)下的干(gan)密(mi)度在(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均值為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)與(yu)一般的尾礦有(you)所(suo)(suo)不同，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的干(gan)密(mi)度并(bing)不隨埋深的增(zeng)大而明顯(xian)增(zeng)大，但水(shui)位線以(yi)(yi)下的磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度從(cong)統計(ji)意義上(shang)(shang)來(lai)看仍大于(yu)水(shui)位線以(yi)(yi)上(shang)(shang)的磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度，這主要是由于(yu)水(shui)位線隨庫水(shui)位的變(bian)化反復升降而使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)固(gu)結(jie)所(suo)(suo)致。

室內擊(ji)實(shi)得(de)到的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大(da)(da)干密(mi)(mi)度一般在(zai)(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可(ke)以看出(chu)，自然(ran)沉積的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大(da)(da)干密(mi)(mi)度可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)(xia)(xia)：與(yu)經典(dian)的(de)(de)(de)土(tu)骨(gu)(gu)架不(bu)(bu)可(ke)壓(ya)縮(suo)的(de)(de)(de)理論(lun)不(bu)(bu)同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)本身可(ke)壓(ya)縮(suo)，同(tong)時由于顆粒結(jie)(jie)構不(bu)(bu)穩定，擊(ji)實(shi)試(shi)驗過程中磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)結(jie)(jie)構被破(po)壞，受夯擊(ji)處(chu)下(xia)(xia)(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現了(le)類似于橡皮土(tu)的(de)(de)(de)現象。而在(zai)(zai)現場條件下(xia)(xia)(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)骨(gu)(gu)架被破(po)壞后，會(hui)導致(zhi)顆粒中的(de)(de)(de)結(jie)(jie)合(he)水滲出(chu)至孔隙(xi)內，變成孔隙(xi)水，排水固結(jie)(jie)后會(hui)使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)孔隙(xi)比減小，干密(mi)(mi)度增大(da)(da)。

圖4給出了相鄰鉆孔(kong)(kong)(kong)K2和(he)K17(位于2級子壩河(he)床(chuang)部(bu)位)以(yi)及相鄰鉆孔(kong)(kong)(kong)K6和(he)K18(位于4級子壩河(he)床(chuang)部(bu)位)干(gan)(gan)密度(du)(du)的(de)(de)(de)對比圖。K2鉆孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.30g/cm3，K17鉆孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.32g/cm3；K6鉆孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.36g/cm3，K18鉆孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.37g/cm3。可見，即(ji)使從統計意(yi)義上來看(kan)，磷(lin)石膏的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)也并未(wei)隨后續磷(lin)石膏的(de)(de)(de)堆積而有較為(wei)明(ming)顯的(de)(de)(de)增大(da)。

(2)級配分布

顆粒分析試(shi)驗采用密(mi)度計法，制(zhi)備懸液時(shi)不(bu)煮(zhu)沸，不(bu)加六偏磷(lin)酸鈉。圖5給出了(le)試(shi)驗得(de)到的級配包線、平均粒徑d50、不(bu)均勻系數(shu)(shu)(1u和(he)曲率系數(shu)(shu)Cc的分布(bu)圖。

從圖(tu)5(a)可見，磷石膏的(de)粒(li)(li)徑(jing)主要分布(bu)在0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬(shu)于粉(fen)土(tu)，但可能由于礦石來源或生產(chan)工藝有所(suo)不(bu)同(tong)，局部(bu)屬(shu)于粉(fen)砂～中砂。粒(li)(li)徑(jing)分布(bu)范圍比Blight和張(zhang)超(chao)等的(de)試驗結果要寬一些(xie)。

圖4子壩(ba)加高后(hou)沉積磷石膏(gao)的干密度變化

圖5沉積磷石膏的(de)平均(jun)粒徑和級配(pei)分布

由圖5(b)和5(c)，無(wu)論(lun)是(shi)水(shui)平向還是(shi)垂直向，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)“前粗后細(xi)，上粗下細(xi)”的(de)自然(ran)分(fen)級現象不同，也(ye)即粗顆粒并不是(shi)沿埋(mai)深逐步減小或距(ju)離(li)放漿口(kou)越(yue)遠顆粒越(yue)細(xi)，其原因如下：①磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆粒粒徑組(zu)成(cheng)較(jiao)(jiao)為(wei)集中、均勻，主要以粉粒組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配較(jiao)(jiao)差；②相比較(jiao)(jiao)金屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比重較(jiao)(jiao)小，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比重一般為(wei)2.3～2.4，遠小于金屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比重，例(li)如鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比重可(ke)達2.9；③放漿口(kou)隨(sui)子(zi)壩高度不斷(duan)(duan)增加而(er)不斷(duan)(duan)變(bian)動并向庫(ku)尾(wei)延伸，造成(cheng)沉積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)粒徑變(bian)化不明顯。

從圖(tu)5(d)可見，不均勻(yun)系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為(wei)1.21，在統(tong)計的(de)100多個試(shi)樣(yang)中(zhong)，屬于級配不良(liang)土的(de)占93%。這種級配特性(xing)決定了磷(lin)石膏具有較高(gao)的(de)壓縮性(xing)、滲透(tou)破(po)壞型式表(biao)現為(wei)流(liu)土破(po)壞。

2.2滲透(tou)特性

(1)滲透系數(shu)

影響滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)主要(yao)因素是粒徑(jing)大(da)小、級配(pei)和孔(kong)隙(xi)比，因而磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)與(yu)粉土較(jiao)為(wei)(wei)接(jie)近。由于孔(kong)隙(xi)比e減(jian)小，使得過水通(tong)道面(mian)積減(jian)小，滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也將減(jian)小，k與(yu)e呈正相關關系(xi)。對砂土，一(yi)般(ban)認(ren)為(wei)(wei)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性(xing)關系(xi)較(jiao)好，圖6給出了二者間的(de)(de)關系(xi)曲線，由于沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)不均勻系(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)大(da)，使得沉積磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)變化范圍較(jiao)大(da)(平均值為(wei)(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量(liang)級)，二者問的(de)(de)線性(xing)關系(xi)較(jiao)差。

圖6沉(chen)積磷石膏(gao)滲透系(xi)數與孔隙比的關系(xi)

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

圖(tu)7給出了(le)水(shui)(shui)(shui)平(ping)與垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)(xi)數比值的分布。沉(chen)(chen)(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)(xi)數kh一般(ban)大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的滲透系(xi)(xi)(xi)數kv,kh/kv平(ping)均值約(yue)為2.86，這一點與成(cheng)層分布的金屬尾(wei)礦(kuang)規律一致。造成(cheng)沉(chen)(chen)(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)(xi)數大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲透系(xi)(xi)(xi)數的原(yuan)因是由于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的晶(jing)體結構，電鏡掃描顯(xian)示多(duo)為菱形(xing)和棱(leng)柱狀形(xing)式(見圖(tu)8)，在沉(chen)(chen)(chen)積(ji)過程中，由于(yu)扁(bian)平(ping)狀磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆粒多(duo)呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)排列，使(shi)(shi)得水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的透水(shui)(shui)(shui)性大于(yu)垂直(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的透水(shui)(shui)(shui)性，從而使(shi)(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈現(xian)明(ming)顯(xian)的各向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根據中國有色金屬工業昆(kun)明勘察設(she)計(ji)研(yan)究院在楊家箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩開(kai)展的(de)(de)現場(chang)滲透試驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平均(jun)值約為1.9。但張超等的(de)(de)室內試驗(yan)顯示，kh/kv的(de)(de)平均(jun)值約為0.46，也即垂直(zhi)向滲透系數大于水平向滲透系數，與本文和(he)現場(chang)試驗(yan)結果恰恰相反。從磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)微觀(guan)結構(gou)來看(kan)，本文試驗(yan)結果更為合(he)理。

圖(tu)7沉(chen)積磷石膏(gao)干密度與水平和(he)垂(chui)直滲透系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)石(shi)膏(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力梯度J與流(liu)速V的(de)(de)(de)關系(xi)曲線，試驗(yan)(yan)(yan)在(zai)水(shui)(shui)(shui)平管(guan)涌儀中采用水(shui)(shui)(shui)平方向(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)流(liu)形式進行(xing)。試驗(yan)(yan)(yan)得到的(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)坡(po)(po)降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞坡(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般來(lai)(lai)說(shuo)，對(dui)1，2級工程，滲(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)數取(qu)為(wei)2.5，則允許出逸坡(po)(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)(xia)工程，滲(shen)(shen)透安全(quan)系(xi)數取(qu)2.0，則允許出逸坡(po)(po)降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允許比降(jiang)與粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂大(da)致(zhi)相同。但上(shang)述滲(shen)(shen)透變(bian)形試驗(yan)(yan)(yan)是(shi)采用自來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)(de)，自來(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)對(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)有一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)溶蝕作用，而實(shi)際(ji)上(shang)磷(lin)石(shi)膏(gao)中殘余磷(lin)、硫和氟酸，庫(ku)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)般小于3(稱之(zhi)為(wei)酸性(xing)水(shui)(shui)(shui))，在(zai)酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)作用下(xia)(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)不(bu)會發生破(po)壞，上(shang)述試驗(yan)(yan)(yan)結(jie)果是(shi)偏(pian)于保守的(de)(de)(de)，但對(dui)非酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透穩定(ding)判斷有一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)借鑒意義。

圖9水(shui)力梯度J-流速v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)在5Bar的壓力板儀(yi)中進行(xing)，環(huan)刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸(xi)力范圍0～500kPa。表l列出(chu)了含水率(lv)特征值，試(shi)驗(yan)曲線(xian)見圖10所示。

試驗結(jie)果表明：①干(gan)密(mi)度(du)對進(jin)氣(qi)值沒有(you)明顯的(de)影(ying)響，不同干(gan)密(mi)度(du)的(de)試樣的(de)進(jin)氣(qi)值大致在(zai)10kPa左(zuo)右；②土樣殘余含(han)水率(lv)(lv)隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)增加而減少，殘余含(han)水率(lv)(lv)約為飽(bao)和含(han)水率(lv)(lv)的(de)10%。上述特(te)性與粉土一粉砂基本一致。

2.3靜力力學特性(xing)

(1)三軸CU試驗

由(you)于沉積磷(lin)石膏的(de)(de)密(mi)度變化較(jiao)大，而進(jin)行三軸(zhou)試驗(yan)需要(yao)若干(gan)原狀樣，為使(shi)試驗(yan)結果具有(you)較(jiao)好的(de)(de)一致性，有(you)針對性的(de)(de)選擇平(ping)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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)(de)若干(gan)試樣，進(jin)行了5組三軸(zhou)CU試驗(yan)。圖11是為干(gan)密(mi)度為1.2和(he)1.58g/cm3的(de)(de)三軸(zhou)CU試驗(yan)曲線(xian)。

從圖11可以看出，磷石膏(gao)(gao)的(de)應力應變關系曲線在(zai)低圍壓下表現(xian)為軟化型，在(zai)高圍壓下表現(xian)為硬化型，與一(yi)般土類(lei)相似(si)。但與一(yi)般粉土一(yi)粉砂不同的(de)是，即使在(zai)較為疏松的(de)狀態下，磷石膏(gao)(gao)仍(reng)表現(xian)了較為強烈的(de)剪脹(zhang)，隨(sui)密實度增大，剪脹(zhang)作用愈(yu)發明顯。

表2給出了不同干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)下的(de)內摩擦(ca)角，圖(tu)12給出了內摩擦(ca)角與干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)關系曲線。隨(sui)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩擦(ca)角也隨(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)(jiao)好地擬合。磷石膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總(zong)應(ying)力(li)摩擦(ca)角由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據擬合曲線求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)應(ying)力(li)摩擦(ca)角由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由于隨(sui)圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效(xiao)摩擦(ca)角增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)總(zong)應(ying)力(li)摩擦(ca)角要小。另外較(jiao)(jiao)(jiao)之(zhi)于干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩擦(ca)角的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表明即(ji)使較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)磷石膏(gao)仍具有較(jiao)(jiao)(jiao)高的(de)強度(du)(du)指標，這也表明磷石膏(gao)堆(dui)積壩的(de)穩定性較(jiao)(jiao)(jiao)高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗(yan)

磷石膏的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形試(shi)驗在側限壓(ya)縮儀中進行，試(shi)驗狀態(tai)相當(dang)于K0固(gu)結(jie)。試(shi)樣(yang)直(zhi)徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣(yang)干密(mi)度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)樣(yang)飽和后分(fen)別開(kai)展了上(shang)覆壓(ya)力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)驗，

試驗(yan)從(cong)2012年8月27日開始，試驗(yan)己進行了1年多，試驗(yan)結(jie)果見圖13所(suo)示(shi)。

從圖13中可以(yi)看出：上覆荷(he)載越大(da)，磷石膏的蠕變變形也越大(da)，荷(he)載施加1年后，磷石膏的蠕變變形仍非(fei)常顯著(zhu)，尚(shang)未達(da)到(dao)穩定狀態，這也是磷石膏堆積壩后期(qi)變形較大(da)的原因(yin)，原型觀測資料表明，在5級子壩河床部位(wei)的表面沉降(jiang)量已經達(da)到(dao)3.1m，且尚(shang)未完全(quan)穩定。

按時間對(dui)(dui)數(shu)法(fa)，可求得各級荷(he)載下的(de)(de)主次固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所示。試驗結(jie)(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆(fu)荷(he)載作用下，在(zai)(zai)試驗時間范圍內蠕變(bian)(bian)(次固(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)是主固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)(wan)成，實際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大。對(dui)(dui)土(tu)(tu)(tu)體(ti)而言，發(fa)(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)的(de)(de)原因(yin)是由(you)于(yu)(yu)土(tu)(tu)(tu)體(ti)在(zai)(zai)主固(gu)結(jie)(jie)完(wan)(wan)成之后，土(tu)(tu)(tu)體(ti)中仍有微小的(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力(li)存(cun)在(zai)(zai)，驅使(shi)水在(zai)(zai)顆(ke)粒問流動，一般來講土(tu)(tu)(tu)體(ti)的(de)(de)次固(gu)結(jie)(jie)遠小于(yu)(yu)主固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)(dui)磷石(shi)膏而言，其(qi)滲透(tou)系數(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠大于(yu)(yu)黏性土(tu)(tu)(tu)，但其(qi)卻發(fa)(fa)生(sheng)了極為顯著的(de)(de)次固(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原因(yin)在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石(shi)膏晶體(ti)結(jie)(jie)構(gou)發(fa)(fa)生(sheng)了壓縮(suo)、破壞，接(jie)觸點晶格發(fa)(fa)生(sheng)歪曲(qu)和變(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后晶格之間的(de)(de)重新排列、調整到最后趨于(yu)(yu)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)靜(jing)止需要(yao)相(xiang)(xiang)當長(chang)的(de)(de)時間才能完(wan)(wan)成。

2.4動力(li)力(li)學特性

試(shi)驗(yan)設備采用英國GDS公司進口的電機控(kong)制(zhi)動三軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣直(zhi)徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同(tong)樣由于自然(ran)沉(chen)積(ji)的(de)磷石膏密度變(bian)化較大，為此(ci)根據物理(li)性質試驗結果，選擇(ze)兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)化范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)化范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試驗。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪切模量G、阻尼比與剪應變幅值γd的(de)關系式如下：

式中k1為參數，表示動(dong)(dong)剪(jian)(jian)切模量(liang)的(de)衰減或阻尼比的(de)增(zeng)長速率；λmax為最(zui)大阻尼比；Gmax，γd分別為最(zui)大動(dong)(dong)剪(jian)(jian)切模量(liang)和歸一(yi)化的(de)動(dong)(dong)剪(jian)(jian)應(ying)變，表示為

式中k2,n為(wei)(wei)參(can)數；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標準大氣(qi)壓；vd為(wei)(wei)動泊松比；εa為(wei)(wei)歸一化的動應變，表達為(wei)(wei)

圖(tu)(tu)14給出(chu)了(le)動(dong)剪切模量(liang)、阻尼比與(yu)歸一化動(dong)應變的(de)(de)關系曲(qu)線，另外(wai)圖(tu)(tu)中還給出(chu)了(le)式(1)的(de)(de)擬合曲(qu)線以及Seed等給出(chu)的(de)(de)砂(sha)樣的(de)(de)上下邊界線，圖(tu)(tu)例(li)中，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固結應力(li)比。

從圖(tu)中可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描述磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)動(dong)應(ying)(ying)力(li)-動(dong)應(ying)(ying)變(bian)試驗(yan)曲線(xian)(xian)，表(biao)明采(cai)用等(deng)價黏彈(dan)(dan)性模(mo)型進行(xing)循環(huan)荷載作用下的(de)(de)(de)分析是可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中干(gan)密度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線(xian)(xian)位(wei)于(yu)干(gan)密度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線(xian)(xian)上方(fang)(fang)，圖(tu)14(b)中則(ze)位(wei)于(yu)下方(fang)(fang)，表(biao)明密度越(yue)大(da)，動(dong)彈(dan)(dan)模(mo)越(yue)大(da)、阻尼(ni)比(bi)越(yue)小(xiao)；③圖(tu)14(a)中，兩種干(gan)密度的(de)(de)(de)擬(ni)合(he)線(xian)(xian)基(ji)本位(wei)于(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)邊界線(xian)(xian)上方(fang)(fang)，而圖(tu)14(b)中則(ze)基(ji)本處于(yu)邊界線(xian)(xian)中間，表(biao)明相(xiang)比(bi)較(jiao)(jiao)砂(sha)樣，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)動(dong)彈(dan)(dan)模(mo)較(jiao)(jiao)大(da)，會導致磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)較(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)阻尼(ni)比(bi)也較(jiao)(jiao)大(da)，這樣又會削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)相(xiang)互影響下，磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)(ying)將不會過于(yu)強烈，這對磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)的(de)(de)(de)抗(kang)震(zhen)穩定(ding)性是有(you)利的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇(ze)兩種平均(jun)干密度為1.12(變化范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變化范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗，破壞標準為總(zong)應變達到10%。

圖15給(gei)出(chu)了動剪應(ying)力(li)比τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)關(guan)系曲線(xian)圖，其中σ0為(wei)振前試(shi)樣(yang)45°面(mian)上的(de)有效法向應(ying)力(li)，表達(da)為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)比。從(cong)試(shi)驗結(jie)果(guo)可以看出(chu)，沉積磷石膏的(de)動強度與其它土(tu)體相(xiang)(xiang)似，表現為(wei)圍壓和固結(jie)應(ying)力(li)比與動剪應(ying)力(li)比呈負相(xiang)(xiang)關(guan)關(guan)系。

為(wei)判(pan)別(bie)沉積磷(lin)石膏的抗液化能力，假定抗震設計烈度(du)為(wei)8度(du)，即等效振次Ⅳ可取(qu)為(wei)30。首先由式(4)

所示的(de)冪(mi)函數關系式得到振次為30時各個(ge)圍壓(ya)和固結(jie)比下的(de)動剪(jian)應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求得(de)動剪應(ying)力(li)比與(yu)圍壓和(he)固結應(ying)力(li)比的關系式：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。

從上述擬合關系式(shi)可見，密實度提(ti)(ti)高后，動剪應力(li)比提(ti)(ti)高，表(biao)明抗液化(hua)能(neng)力(li)也(ye)提(ti)(ti)高。但即(ji)使是在低密度下，其(qi)動剪應力(li)比較之同(tong)類的粉(fen)(fen)土或(huo)粉(fen)(fen)砂(sha)也(ye)大出許多，表(biao)明磷石膏具有較高的抗液化(hua)能(neng)力(li)。

三、結論(lun)

依(yi)托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探(tan)取(qu)樣(yang)工作的基(ji)礎(chu)上，首(shou)先開展了(le)(le)物理(li)性(xing)質試驗(yan)，然后開展了(le)(le)靜(jing)動力(li)(li)力(li)(li)學(xue)特(te)性(xing)試驗(yan)。通過(guo)上述試驗(yan)研究，得(de)出如下結論：

(1)沉(chen)積磷石膏總體上屬于級配不良的粉土，局部屬于粉砂一中砂，無自然分級現象。其干(gan)密度和粒(li)徑(jing)變化(hua)(hua)隨埋深(shen)或距(ju)放漿口距(ju)離的變化(hua)(hua)不明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平(ping)方向的滲透系數大于垂直方向的滲透系數，呈現明(ming)顯的各向異性。

(3)與(yu)土體顆粒不(bu)(bu)可壓縮(suo)(suo)不(bu)(bu)同，磷石膏(gao)的(de)晶(jing)體結構會發生(sheng)壓縮(suo)(suo)破壞，具有較大的(de)壓縮(suo)(suo)性(xing)，其次固結變(bian)形量遠大于主(zhu)固結變(bian)形量。

(4)沉積磷石膏的靜動強度較之同等密(mi)實度下的粉土、粉砂要高。