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

磷石膏是濕法磷酸生產過程中的副產品，2018年，全國磷石膏產生量為7800萬噸，且呈逐年增長的態勢。磷石膏的主要成分是CaO和SO3，但含有一定量的氟化物和其它放射性物質，在中國通常按Ⅱ類一般工業固體廢物處理，鑒于無害化處理成本較高，目前綜合利用率尚不足40%，故大部分磷石膏需要堆存存放。按堆存場地的不同，可分為平地型、傍山型、山谷型和截河型堆場，在中國基本上是山谷型堆場。相比較干法堆存，濕法堆存經濟優勢明顯，因而如地質條件為非碳酸鹽巖地區，一般均采用濕排濕堆方式。隨著中國磷肥工業的快速發展，本世紀初中國相繼建設了幾座濕法堆存的大型磷石膏庫，例如云天化國際化工三環分公司的柳樹箐磷石膏庫堆積壩和富瑞分公司的楊家箐磷石膏庫堆積壩，這兩座壩設計壩高均超過100m、處于8度地震區，其安全性備受關注。

據統計，110多年(1901年一2013年)來，全世界有118座尾礦壩曾發生過破壞或潰壩事故，原因主要有地震、洪水漫頂、滲透破壞和基礎失穩。尾礦庫失事后會造成巨大的生態災難和人員傷亡，近幾十年來，

國內外對金屬尾礦的沉積規律、物理力學特性及其穩定性開展了大量的研究，但對于與金屬尾礦庫相近的磷石膏庫，一般僅限于在可研階段采用人工制備樣進行物理力學性質試驗，并據此進行穩定性分析，尚未有人針對己運行若干年的大型濕法堆存磷石膏堆積壩開展過磷石膏沉積規律及其物理力學特性的專項研究。

本文依托柳樹箐磷石膏堆積壩，首先進行了鉆探取樣，采用原狀樣開展了密度、含水率、滲透、土水特征和顆分等物理性質試驗，在此基礎上有針對性的選擇原狀樣開展了三軸CU、蠕變及動三軸等力學特性試驗。通過上述試驗研究，總結了磷石膏的沉積規律、滲透特性、滲透破壞特性以及靜動力特性，上述研究工作對研究和評估磷石膏庫堆積壩的穩定性提供了基礎數據，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。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石膏堆積壩堆存設計方案

由初期壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采用土料填筑。上游坡面、壩底和下游壩腳設置堆石排水體，三者相連通構成整個堆積壩的主要排滲系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措施

采用上游式筑壩法，共20級子壩，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲管網作為輔助排滲方案，目前己在5級、9級子壩和13級子壩壩前120m范圍內設置了井字形排滲管網。

1.2沉積磷石膏的鉆探取樣

鉆孔平面位置見圖l。2008年6月，堆積至5級子壩時，布設了9個取樣鉆孔，鉆孔編號K1～K9，取原狀樣76件；2013年5月，堆積至13級子壩時，又布設了11個取樣鉆孔，鉆孔編號K10～K20，取原狀樣112件，為比較子壩加高和磷石膏堆積過程中磷石膏物理力學性質的變化，在2，4級子壩K2孔和K6孔附近各布設了一個鉆孔，鉆孔編號分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫2005年開工建設，2006年1月投入運行，截至2013年5月己堆至13級子壩，尚有7級子壩即堆存至設計高程。鑒于磷石膏庫地形、地質條件較好，具備擴容改造的條件，以提高堆存庫容，減少堆存占地，節約土地資源。

本文主要對沉積磷石膏的物理力學特性進行了全面總結，限于篇幅，有關現狀磷石膏庫堆積壩的安全性評價及其加高可行性的研究將另文發表。

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2給出了14個鉆孔的取樣深度和試驗所得干密度的關系，圖中UWL表示水位線上，(系鉆孔期間的初見水位線，下同)，DWL表示水位線下。圖3給出了水位線上下的飽和度分布圖。由于磷石膏中的主要成分為CaSO4·2H2O，不同溫度和烘烤時間對測定結果有一定影響，不能照搬現行的土工試驗規范，本文磷石膏的含水率測定方法為55℃溫度下烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深的關系

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

由圖3，水位線上的磷石膏飽和度平均值為50.4%，處于非飽和狀態，水位線以下的磷石膏飽和度平均值為85.0%，基本處于飽和狀態，由于水位下降后磷石膏來不及排水固結，故而水位線上局部試樣的飽和度較高。

由圖2，水位線以上的干密度在0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水位線以下的干密度在1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可見磷石膏與一般的尾礦有所不同，磷石膏的干密度并不隨埋深的增大而明顯增大，但水位線以下的磷石膏干密度從統計意義上來看仍大于水位線以上的磷石膏干密度，這主要是由于水位線隨庫水位的變化反復升降而使得磷石膏排水固結所致。

室內擊實得到的磷石膏最大干密度一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出，自然沉積的磷石膏最大干密度可達到1.73g/cm3，原因如下：與經典的土骨架不可壓縮的理論不同，石膏本身可壓縮，同時由于顆粒結構不穩定，擊實試驗過程中磷石膏結構被破壞，受夯擊處下陷，四周鼓起，出現了類似于橡皮土的現象。而在現場條件下，石膏骨架被破壞后，會導致顆粒中的結合水滲出至孔隙內，變成孔隙水，排水固結后會使得磷石膏的孔隙比減小，干密度增大。

圖4給出了相鄰鉆孔K2和K17(位于2級子壩河床部位)以及相鄰鉆孔K6和K18(位于4級子壩河床部位)干密度的對比圖。K2鉆孔的干密度在1.12～1.47g/cm3之間，均值為1.30g/cm3，K17鉆孔的干密度在1.2～1.39g/cm3之間，均值為1.32g/cm3；K6鉆孔的干密度在1.13～1.57g/cm3之間，均值為1.36g/cm3，K18鉆孔的干密度在1.14～1.59g/cm3之間，均值為1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來看，磷石膏的干密度也并未隨后續磷石膏的堆積而有較為明顯的增大。

(2)級配分布

顆粒分析試驗采用密度計法，制備懸液時不煮沸，不加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得到的級配包線、平均粒徑d50、不均勻系數(1u和曲率系數Cc的分布圖。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于粉土，但可能由于礦石來源或生產工藝有所不同，局部屬于粉砂～中砂。粒徑分布范圍比Blight和張超等的試驗結果要寬一些。

圖4子壩加高后沉積磷石膏的干密度變化

圖5沉積磷石膏的平均粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向還是垂直向，磷石膏與金屬礦山尾礦的“前粗后細，上粗下細”的自然分級現象不同，也即粗顆粒并不是沿埋深逐步減小或距離放漿口越遠顆粒越細，其原因如下：①磷石膏顆粒粒徑組成較為集中、均勻，主要以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較差；②相比較金屬尾礦，磷石膏的比重較小，磷石膏的比重一般為2.3～2.4，遠小于金屬尾礦的比重，例如鐵尾礦的比重可達2.9；③放漿口隨子壩高度不斷增加而不斷變動并向庫尾延伸，造成沉積磷石膏的粒徑變化不明顯。

從圖5(d)可見，不均勻系數Cu范圍值1.61～21.5，平均值為4.18，曲率系數(1c范圍值0.28～9.78，平均值為1.21，在統計的100多個試樣中，屬于級配不良土的占93%。這種級配特性決定了磷石膏具有較高的壓縮性、滲透破壞型式表現為流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響滲透系數的主要因素是粒徑大小、級配和孔隙比，因而磷石膏的滲透系數與粉土較為接近。由于孔隙比e減小，使得過水通道面積減小，滲透系數k也將減小，k與e呈正相關關系。對砂土，一般認為滲透系數k與e3/(1+e)的線性關系較好，圖6給出了二者間的關系曲線，由于沉積磷石膏的不均勻系數變化較大，使得沉積磷石膏的滲透系數變化范圍較大(平均值為10-4cm/s數量級)，二者問的線性關系較差。

圖6沉積磷石膏滲透系數與孔隙比的關系

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

圖7給出了水平與垂直向滲透系數比值的分布。沉積磷石膏的水平向滲透系數kh一般大于垂直向的滲透系數kv,kh/kv平均值約為2.86，這一點與成層分布的金屬尾礦規律一致。造成沉積磷石膏水平向滲透系數大于垂直向滲透系數的原因是由于磷石膏具有明顯的晶體結構，電鏡掃描顯示多為菱形和棱柱狀形式(見圖8)，在沉積過程中，由于扁平狀磷石膏顆粒多呈水平排列，使得水平方向的透水性大于垂直方向的透水性，從而使磷石膏呈現明顯的各向異性。

另根據中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院在楊家箐磷石膏堆積壩開展的現場滲透試驗，kh/kv的平均值約為1.9。但張超等的室內試驗顯示，kh/kv的平均值約為0.46，也即垂直向滲透系數大于水平向滲透系數，與本文和現場試驗結果恰恰相反。從磷石膏的微觀結構來看，本文試驗結果更為合理。

圖7沉積磷石膏干密度與水平和垂直滲透系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為磷石膏干密度為1.40g/cm3的水力梯度J與流速V的關系曲線，試驗在水平管涌儀中采用水平方向的滲流形式進行。試驗得到的臨界坡降Jc=0.355，破壞坡降Jp=0.375。一般來說，對1，2級工程，滲透安全系數取為2.5，則允許出逸坡降為0.355/2.5=0.142，對3級以下工程，滲透安全系數取2.0，則允許出逸坡降為0.355/2.0=0.178。其允許比降與粉土一粉砂大致相同。但上述滲透變形試驗是采用自來水進行的，自來水對磷石膏具有一定的溶蝕作用，而實際上磷石膏中殘余磷、硫和氟酸，庫水的pH值一般小于3(稱之為酸性水)，在酸性水作用下，磷石膏不會發生破壞，上述試驗結果是偏于保守的，但對非酸性水條件(例如特大暴雨)下的滲透穩定判斷有一定的借鑒意義。

圖9水力梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在5Bar的壓力板儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試驗曲線見圖10所示。

試驗結果表明：①干密度對進氣值沒有明顯的影響，不同干密度的試樣的進氣值大致在10kPa左右；②土樣殘余含水率隨干密度的增加而減少，殘余含水率約為飽和含水率的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

由于沉積磷石膏的密度變化較大，而進行三軸試驗需要若干原狀樣，為使試驗結果具有較好的一致性，有針對性的選擇平均干密度分別為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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干試樣，進行了5組三軸CU試驗。圖11是為干密度為1.2和1.58g/cm3的三軸CU試驗曲線。

從圖11可以看出，磷石膏的應力應變關系曲線在低圍壓下表現為軟化型，在高圍壓下表現為硬化型，與一般土類相似。但與一般粉土一粉砂不同的是，即使在較為疏松的狀態下，磷石膏仍表現了較為強烈的剪脹，隨密實度增大，剪脹作用愈發明顯。

表2給出了不同干密度下的內摩擦角，圖12給出了內摩擦角與干密度的關系曲線。隨干密度的增大，內摩擦角也隨之增大，且可采用冪函數較好地擬合。磷石膏的干密度由1.20g/cm3增加為1.58g/cm3，增加了32%，總應力摩擦角由34.1°增加為37.3°(根據擬合曲線求得)，增幅為9.4%，有效應力摩擦角由37.6°增加為38.8°，增幅為3.2%，由于隨圍壓的增大，孔壓也明顯增大，故有效摩擦角增幅較之總應力摩擦角要小。另外較之于干密度增幅，摩擦角的增幅并不顯著，表明即使較為疏松的磷石膏仍具有較高的強度指標，這也表明磷石膏堆積壩的穩定性較高。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏的蠕變變形試驗在側限壓縮儀中進行，試驗狀態相當于K0固結。試樣直徑61.8mm，高度20mm，試樣干密度為1.30g/cm3，對試樣飽和后分別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試驗，

試驗從2012年8月27日開始，試驗己進行了1年多，試驗結果見圖13所示。

從圖13中可以看出：上覆荷載越大，磷石膏的蠕變變形也越大，荷載施加1年后，磷石膏的蠕變變形仍非常顯著，尚未達到穩定狀態，這也是磷石膏堆積壩后期變形較大的原因，原型觀測資料表明，在5級子壩河床部位的表面沉降量已經達到3.1m，且尚未完全穩定。

按時間對數法，可求得各級荷載下的主次固結變形量如表3所示。試驗結果表明，在100～400kPa上覆荷載作用下，在試驗時間范圍內蠕變(次固結)變形是主固結變形的1.8～3.1倍，當然由于蠕變變形尚未完成，實際的蠕變變形應更大。對土體而言，發生蠕變的原因是由于土體在主固結完成之后，土體中仍有微小的超靜孔隙壓力存在，驅使水在顆粒問流動，一般來講土體的次固結遠小于主固結變形；對磷石膏而言，其滲透系數在10-4cm/s數量級，遠大于黏性土，但其卻發生了極為顯著的次固結變形，其原因在于磷石膏晶體結構發生了壓縮、破壞，接觸點晶格發生歪曲和變形，而破壞后晶格之間的重新排列、調整到最后趨于相對靜止需要相當長的時間才能完成。

2.4動力力學特性

試驗設備采用英國GDS公司進口的電機控制動三軸試驗系統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比

同樣由于自然沉積的磷石膏密度變化較大，為此根據物理性質試驗結果，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變化范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變化范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

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

式中k1為參數，表示動剪切模量的衰減或阻尼比的增長速率；λmax為最大阻尼比；Gmax，γd分別為最大動剪切模量和歸一化的動剪應變，表示為

式中k2,n為參數；σm為球應力；Pa為標準大氣壓；vd為動泊松比；εa為歸一化的動應變，表達為

圖14給出了動剪切模量、阻尼比與歸一化動應變的關系曲線，另外圖中還給出了式(1)的擬合曲線以及Seed等給出的砂樣的上下邊界線，圖例中，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比。

從圖中可以看出：①式(1)可較好地描述磷石膏的動應力-動應變試驗曲線，表明采用等價黏彈性模型進行循環荷載作用下的分析是可行的；②圖14(a)中干密度為1.45g/cm3的擬合線位于干密度為1.34g/cm3的擬合線上方，圖14(b)中則位于下方，表明密度越大，動彈模越大、阻尼比越小；③圖14(a)中，兩種干密度的擬合線基本位于Seed等給出的邊界線上方，而圖14(b)中則基本處于邊界線中間，表明相比較砂樣，磷石膏動彈模較大，會導致磷石膏堆積壩的動力反應較大，但由于阻尼比也較大，這樣又會削弱壩體的動力反應，二者的相互影響下，磷石膏堆積壩壩體的動力反應將不會過于強烈，這對磷石膏堆積壩的抗震穩定性是有利的。

(2)動強度

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

圖15給出了動剪應力比τd/σ0′與破壞振次Nf的關系曲線圖，其中σ0為振前試樣45°面上的有效法向應力，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比。從試驗結果可以看出，沉積磷石膏的動強度與其它土體相似，表現為圍壓和固結應力比與動剪應力比呈負相關關系。

為判別沉積磷石膏的抗液化能力，假定抗震設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由式(4)

所示的冪函數關系式得到振次為30時各個圍壓和固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比與圍壓和固結應力比的關系式：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。

從上述擬合關系式可見，密實度提高后，動剪應力比提高，表明抗液化能力也提高。但即使是在低密度下，其動剪應力比較之同類的粉土或粉砂也大出許多，表明磷石膏具有較高的抗液化能力。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開展了物理性質試驗，然后開展了靜動力力學特性試驗。通過上述試驗研究，得出如下結論：

(1)沉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。其干密度和粒徑變化隨埋深或距放漿口距離的變化不明顯。

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

(3)與土體顆粒不可壓縮不同，磷石膏的晶體結構會發生壓縮破壞，具有較大的壓縮性，其次固結變形量遠大于主固結變形量。

(4)沉積磷石膏的靜動強度較之同等密實度下的粉土、粉砂要高。