沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要：磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)是磷(lin)(lin)(lin)酸生產過程中的副產品，目前的綜合利用率尚(shang)不(bu)足40%，大部分需要堆存存放(fang)。受地形限(xian)制和經濟(ji)效益(yi)考(kao)慮，中國主要為(wei)濕法堆存的山(shan)谷型堆場。依托柳(liu)樹箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩，針對沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)首先開展了密度、含水率、滲透、土水特征和顆分等(deng)物理性(xing)質試(shi)驗(yan)(yan)，然后開展了三軸cu、蠕變及(ji)動三軸等(deng)力學特性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。試(shi)驗(yan)(yan)結果(guo)表明(ming)：①沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的干密度與埋深沒有(you)(you)(you)相(xiang)關關系；②沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不(bu)具有(you)(you)(you)自然分級現象，但(dan)具有(you)(you)(you)明(ming)顯的各向異性(xing)；③沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有(you)(you)(you)較(jiao)高的摩(mo)擦角和抗(kang)液化能力，但(dan)其蠕變變形較(jiao)大、滲透比(bi)降較(jiao)小(xiao)。上述(shu)工(gong)作為(wei)分析磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩的壩體穩(wen)定性(xing)提供了基礎，對現行磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫的運行管理以及(ji)新(xin)建工(gong)程的設計具有(you)(you)(you)重要的借鑒(jian)意義(yi)。

引言

磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)是濕(shi)法磷(lin)酸(suan)生產過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)副產品(pin)，2018年(nian)，全國(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)產生量為7800萬噸(dun)，且呈逐年(nian)增長(chang)的(de)(de)(de)態勢。磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)(yao)成分(fen)是CaO和SO3，但含有(you)一定量的(de)(de)(de)氟化(hua)物和其它放射性(xing)物質(zhi)，在(zai)中(zhong)國(guo)通常(chang)按(an)Ⅱ類一般工業固(gu)體廢物處理，鑒于無害化(hua)處理成本(ben)較(jiao)高，目前綜合利用率尚不足(zu)40%，故大部(bu)分(fen)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)需(xu)要(yao)(yao)堆(dui)(dui)存存放。按(an)堆(dui)(dui)存場(chang)地(di)的(de)(de)(de)不同，可分(fen)為平地(di)型(xing)(xing)、傍(bang)山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)，在(zai)中(zhong)國(guo)基本(ben)上是山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)。相(xiang)比較(jiao)干法堆(dui)(dui)存，濕(shi)法堆(dui)(dui)存經濟(ji)優勢明顯，因而如地(di)質(zhi)條件為非(fei)碳酸(suan)鹽巖地(di)區，一般均采用濕(shi)排(pai)濕(shi)堆(dui)(dui)方式。隨(sui)著(zhu)中(zhong)國(guo)磷(lin)肥工業的(de)(de)(de)快速(su)發展，本(ben)世紀初中(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設(she)(she)了(le)幾(ji)座(zuo)濕(shi)法堆(dui)(dui)存的(de)(de)(de)大型(xing)(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫，例如云天化(hua)國(guo)際化(hua)工三環(huan)分(fen)公司的(de)(de)(de)柳(liu)樹(shu)箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩和富(fu)瑞(rui)分(fen)公司的(de)(de)(de)楊家箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩，這兩座(zuo)壩設(she)(she)計壩高均超過100m、處于8度地(di)震區，其安全性(xing)備受(shou)關注。

據(ju)統計，110多年(1901年一2013年)來，全世界有(you)118座尾礦(kuang)壩(ba)曾(ceng)發生過破壞或潰壩(ba)事故，原(yuan)因主要有(you)地震、洪水漫頂、滲透破壞和(he)基礎失穩。尾礦(kuang)庫失事后(hou)會造成巨大(da)的生態災(zai)難(nan)和(he)人員傷亡，近幾十(shi)年來，

國內外對金屬(shu)尾礦的(de)(de)沉(chen)(chen)積規律、物理(li)(li)(li)力學(xue)特性(xing)及其穩(wen)定(ding)性(xing)開展了大量的(de)(de)研(yan)究，但對于與金屬(shu)尾礦庫(ku)相近(jin)的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，一(yi)般僅限于在可研(yan)階段采用人工制備樣進行(xing)物理(li)(li)(li)力學(xue)性(xing)質試驗，并據此(ci)進行(xing)穩(wen)定(ding)性(xing)分析，尚未有(you)人針(zhen)對己運行(xing)若干年的(de)(de)大型濕法堆(dui)存磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)開展過磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)沉(chen)(chen)積規律及其物理(li)(li)(li)力學(xue)特性(xing)的(de)(de)專項研(yan)究。

本文依托柳樹箐磷石膏(gao)堆積壩(ba)，首(shou)先進行了(le)鉆探取樣，采用原狀樣開(kai)展(zhan)了(le)密度、含水率、滲透、土水特(te)征(zheng)和顆(ke)分等物理性(xing)(xing)(xing)質(zhi)試驗(yan)(yan)，在此基礎(chu)上有針對(dui)性(xing)(xing)(xing)的(de)選擇原狀樣開(kai)展(zhan)了(le)三軸(zhou)CU、蠕變及動(dong)三軸(zhou)等力學特(te)性(xing)(xing)(xing)試驗(yan)(yan)。通過上述試驗(yan)(yan)研究(jiu)，總結了(le)磷石膏(gao)的(de)沉積規律(lv)、滲透特(te)性(xing)(xing)(xing)、滲透破壞特(te)性(xing)(xing)(xing)以(yi)及靜動(dong)力特(te)性(xing)(xing)(xing)，上述研究(jiu)工(gong)作對(dui)研究(jiu)和評估(gu)磷石膏(gao)庫堆積壩(ba)的(de)穩定性(xing)(xing)(xing)提供(gong)了(le)基礎(chu)數據，對(dui)現(xian)行磷石膏(gao)庫的(de)運行管理以(yi)及新建工(gong)程的(de)設(she)計具有重要的(de)借鑒(jian)意義(yi)。

一、依托工程概(gai)況

1.1柳(liu)樹箐磷石膏堆積壩堆存設計方案

由(you)初期壩和堆積壩組成，設計總壩高(gao)約130m。

(1)初期壩

初期(qi)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用土料填筑。上游坡面、壩(ba)(ba)底(di)和下游壩(ba)(ba)腳設置(zhi)堆石排水體，三者相連通構成整個(ge)堆積壩(ba)(ba)的主要排滲系統(tong)。

(2)堆積壩及其輔助排(pai)滲措施(shi)

采(cai)用(yong)上游式筑(zhu)壩法(fa)，共20級(ji)子壩，頂(ding)寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約100m。采(cai)用(yong)排(pai)滲管網(wang)作(zuo)為(wei)輔助(zhu)排(pai)滲方(fang)案，目前己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子壩和13級(ji)子壩壩前120m范圍內設置了井字形排(pai)滲管網(wang)。

1.2沉積磷石膏(gao)的鉆(zhan)探(tan)取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面(mian)位(wei)置見(jian)圖l。2008年6月(yue)，堆積(ji)至5級(ji)子壩(ba)(ba)時(shi)，布(bu)設(she)了(le)9個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號K1～K9，取原狀樣(yang)76件(jian)；2013年5月(yue)，堆積(ji)至13級(ji)子壩(ba)(ba)時(shi)，又布(bu)設(she)了(le)11個取樣(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號K10～K20，取原狀樣(yang)112件(jian)，為比(bi)較子壩(ba)(ba)加高和磷(lin)石(shi)膏堆積(ji)過程中磷(lin)石(shi)膏物理力學性質的變(bian)化，在(zai)2，4級(ji)子壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)設(she)了(le)一個鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號分(fen)別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷(lin)石膏尾礦庫2005年(nian)開(kai)工建設，2006年(nian)1月投入運行，截至2013年(nian)5月己堆至13級子(zi)壩，尚有(you)7級子(zi)壩即堆存至設計高程(cheng)。鑒(jian)于磷(lin)石膏庫地(di)形、地(di)質條件較好，具備(bei)擴容改造的(de)條件，以提(ti)高堆存庫容，減少堆存占地(di)，節約土(tu)地(di)資源。

本(ben)文主要對(dui)沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)物理力學特性(xing)(xing)進行了全面(mian)總(zong)結，限于篇幅，有關現(xian)狀磷(lin)石(shi)膏庫堆積壩的(de)安全性(xing)(xing)評(ping)價(jia)及其加高可行性(xing)(xing)的(de)研究(jiu)將另文發表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理力學特(te)性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給(gei)出(chu)了(le)14個(ge)鉆孔的(de)(de)取樣深度和試驗(yan)(yan)所得干密度的(de)(de)關系(xi)，圖中UWL表示水(shui)(shui)位(wei)線上，(系(xi)鉆孔期間(jian)(jian)的(de)(de)初見水(shui)(shui)位(wei)線，下同(tong)(tong))，DWL表示水(shui)(shui)位(wei)線下。圖3給(gei)出(chu)了(le)水(shui)(shui)位(wei)線上下的(de)(de)飽和度分布圖。由于(yu)磷石膏中的(de)(de)主要成(cheng)分為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同(tong)(tong)溫(wen)度和烘烤時間(jian)(jian)對測(ce)(ce)定結果有一定影響，不(bu)(bu)能(neng)照(zhao)搬現行的(de)(de)土(tu)工試驗(yan)(yan)規(gui)范，本文磷石膏的(de)(de)含水(shui)(shui)率測(ce)(ce)定方法(fa)為(wei)55℃溫(wen)度下烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深的(de)關(guan)系

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

由圖3，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上的磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)飽和(he)度(du)平均(jun)值為50.4%，處于(yu)非飽和(he)狀(zhuang)態，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)飽和(he)度(du)平均(jun)值為85.0%，基本處于(yu)飽和(he)狀(zhuang)態，由于(yu)水(shui)位(wei)(wei)下降后(hou)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)來(lai)不及排水(shui)固結，故而(er)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)上局部(bu)試樣的飽和(he)度(du)較高。

由圖2，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)0.98～1.67g/cm3之間，均值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.15～1.73g/cm3之間，均值為(wei)1.4g/cm3。可(ke)見(jian)磷石(shi)膏(gao)與一般的(de)(de)(de)尾礦(kuang)有所不同，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)干(gan)密度(du)(du)并不隨埋深的(de)(de)(de)增大而明顯增大，但水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)下的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)干(gan)密度(du)(du)從(cong)統計(ji)意義上(shang)來(lai)看(kan)仍(reng)大于水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)干(gan)密度(du)(du)，這主要是由于水(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨庫水(shui)位(wei)(wei)的(de)(de)(de)變(bian)化反復升降(jiang)而使得磷石(shi)膏(gao)排水(shui)固結所致。

室內擊實得(de)到的(de)(de)(de)(de)磷石膏(gao)最(zui)大干密(mi)度(du)一(yi)般在(zai)(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖(tu)2可(ke)以看出，自然沉(chen)積的(de)(de)(de)(de)磷石膏(gao)最(zui)大干密(mi)度(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)(de)(de)(de)土骨架(jia)不(bu)可(ke)壓縮的(de)(de)(de)(de)理論不(bu)同(tong)，石膏(gao)本身可(ke)壓縮，同(tong)時由于顆(ke)粒(li)結構(gou)不(bu)穩定，擊實試驗過程中(zhong)磷石膏(gao)結構(gou)被(bei)破壞，受(shou)夯擊處下(xia)陷(xian)，四周鼓起，出現(xian)了類似于橡皮土的(de)(de)(de)(de)現(xian)象。而在(zai)(zai)現(xian)場條件下(xia)，石膏(gao)骨架(jia)被(bei)破壞后，會導致顆(ke)粒(li)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)結合水滲出至孔隙(xi)內，變成孔隙(xi)水，排(pai)水固結后會使得(de)磷石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)孔隙(xi)比(bi)減(jian)小(xiao)，干密(mi)度(du)增大。

圖(tu)4給出了相鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位于(yu)2級子壩河(he)床部(bu)位)以(yi)及(ji)相鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位于(yu)4級子壩河(he)床部(bu)位)干密度的(de)對比(bi)圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)干密度在1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)干密度在1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)干密度在1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)干密度在1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使(shi)從統計意義(yi)上(shang)來看，磷石(shi)(shi)膏的(de)干密度也并(bing)未(wei)隨后(hou)續(xu)磷石(shi)(shi)膏的(de)堆積而有較為(wei)明(ming)顯(xian)的(de)增(zeng)大(da)。

(2)級配分布

顆粒分(fen)析試驗采用密度計法，制備懸液時(shi)不煮沸，不加六偏磷(lin)酸(suan)鈉。圖(tu)5給出了試驗得到的級配包(bao)線、平均粒徑(jing)d50、不均勻系數(shu)(1u和(he)曲率(lv)系數(shu)Cc的分(fen)布圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見，磷(lin)石(shi)膏的粒徑主要分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體(ti)上(shang)屬于粉土，但可(ke)能由于礦石(shi)來源(yuan)或生(sheng)產工藝(yi)有所(suo)不同，局部屬于粉砂～中砂。粒徑分(fen)布范圍比Blight和(he)張超等的試(shi)驗結果(guo)要寬一些。

圖4子壩(ba)加高后沉積磷(lin)石膏的干密度變(bian)化

圖5沉(chen)積磷石膏的平均粒徑和級配分布

由(you)圖5(b)和5(c)，無論(lun)是水平向(xiang)(xiang)還(huan)是垂直向(xiang)(xiang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗(cu)后細，上粗(cu)下細”的(de)自(zi)然分級(ji)現象(xiang)不同，也即粗(cu)顆(ke)粒并不是沿埋(mai)深逐步減小(xiao)(xiao)或距離放漿(jiang)口(kou)越遠顆(ke)粒越細，其原(yuan)因如下：①磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)顆(ke)粒粒徑組成較為集中、均勻，主要以粉(fen)粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級(ji)配較差；②相比(bi)(bi)較金屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重較小(xiao)(xiao)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重一般為2.3～2.4，遠小(xiao)(xiao)于金屬尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)重，例如鐵尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)重可達2.9；③放漿(jiang)口(kou)隨子壩高度不斷(duan)增加而(er)不斷(duan)變動并向(xiang)(xiang)庫尾(wei)延伸(shen)，造成沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)粒徑變化不明(ming)顯(xian)。

從圖5(d)可見，不(bu)均勻系數Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為(wei)(wei)4.18，曲率系數(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為(wei)(wei)1.21，在統計(ji)的100多個試樣中，屬于級配不(bu)良(liang)土的占93%。這種級配特性(xing)決(jue)定了磷石膏具有較高的壓(ya)縮性(xing)、滲透破(po)壞型式表現(xian)為(wei)(wei)流(liu)土破(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級(ji)配和(he)孔(kong)隙比(bi)，因而磷(lin)石膏的(de)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)與(yu)(yu)粉土(tu)較為接近(jin)。由于孔(kong)隙比(bi)e減小(xiao)，使得過水通(tong)道(dao)面(mian)積(ji)減小(xiao)，滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)(yu)e呈正相關關系(xi)(xi)。對砂土(tu)，一般認為滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)k與(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)線性(xing)關系(xi)(xi)較好，圖(tu)6給出了(le)二者(zhe)(zhe)間的(de)關系(xi)(xi)曲線，由于沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化較大，使得沉積(ji)磷(lin)石膏的(de)滲透系(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化范圍較大(平均值(zhi)為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二者(zhe)(zhe)問的(de)線性(xing)關系(xi)(xi)較差。

圖6沉(chen)積磷(lin)石膏(gao)滲(shen)透系數與孔隙比(bi)的關系

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

圖7給出(chu)了(le)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)與垂(chui)直向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)比值(zhi)的(de)分(fen)布。沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kh一般大(da)于垂(chui)直向(xiang)的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)(ping)均值(zhi)約為(wei)2.86，這(zhe)一點與成層分(fen)布的(de)金屬(shu)尾礦規律一致(zhi)。造(zao)成沉積磷(lin)石膏(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)大(da)于垂(chui)直向(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)數(shu)的(de)原因(yin)是(shi)由于磷(lin)石膏(gao)具有明顯(xian)的(de)晶體結構，電鏡掃描顯(xian)示多為(wei)菱形(xing)和(he)棱柱狀形(xing)式(見圖8)，在(zai)沉積過程(cheng)中，由于扁平(ping)(ping)(ping)(ping)狀磷(lin)石膏(gao)顆粒多呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)排列，使(shi)(shi)得水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)(ping)方向(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)大(da)于垂(chui)直方向(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)，從(cong)而使(shi)(shi)磷(lin)石膏(gao)呈現明顯(xian)的(de)各向(xiang)異性(xing)(xing)。

另(ling)根(gen)據中國有色金屬工(gong)業昆(kun)明(ming)勘察設計研(yan)究院在(zai)楊(yang)家(jia)箐磷(lin)石膏堆積壩開展(zhan)的現場滲透(tou)試(shi)驗，kh/kv的平均(jun)值約為(wei)1.9。但(dan)張超(chao)等(deng)的室內試(shi)驗顯示(shi)，kh/kv的平均(jun)值約為(wei)0.46，也即垂直(zhi)向滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)大于水平向滲透(tou)系(xi)數(shu)(shu)，與本文和現場試(shi)驗結(jie)(jie)果(guo)(guo)恰恰相反。從磷(lin)石膏的微觀結(jie)(jie)構來(lai)看，本文試(shi)驗結(jie)(jie)果(guo)(guo)更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密度(du)與水平和垂直滲(shen)透系(xi)數(shu)比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖9為磷石(shi)膏(gao)干密度為1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯度J與(yu)流(liu)速V的(de)關系曲線(xian)，試(shi)驗(yan)在水(shui)平管(guan)涌(yong)儀中(zhong)(zhong)采用(yong)水(shui)平方向(xiang)的(de)滲流(liu)形式進行。試(shi)驗(yan)得到的(de)臨(lin)界(jie)坡(po)(po)降Jc=0.355，破(po)壞(huai)坡(po)(po)降Jp=0.375。一般(ban)來說(shuo)，對(dui)1，2級工程(cheng)，滲透(tou)安全(quan)系數取(qu)為2.5，則允許(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降為0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以(yi)下工程(cheng)，滲透(tou)安全(quan)系數取(qu)2.0，則允許(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降為0.355/2.0=0.178。其允許(xu)比降與(yu)粉土(tu)一粉砂大致相同。但上述滲透(tou)變(bian)形試(shi)驗(yan)是采用(yong)自來水(shui)進行的(de)，自來水(shui)對(dui)磷石(shi)膏(gao)具有一定的(de)溶蝕作用(yong)，而實際上磷石(shi)膏(gao)中(zhong)(zhong)殘余(yu)磷、硫和氟酸，庫(ku)水(shui)的(de)pH值一般(ban)小于3(稱之(zhi)為酸性(xing)水(shui))，在酸性(xing)水(shui)作用(yong)下，磷石(shi)膏(gao)不會發(fa)生(sheng)破(po)壞(huai)，上述試(shi)驗(yan)結果(guo)是偏于保(bao)守的(de)，但對(dui)非酸性(xing)水(shui)條(tiao)件(例如特大暴(bao)雨)下的(de)滲透(tou)穩(wen)定判斷有一定的(de)借鑒意義。

圖9水力(li)梯度J-流(liu)速v試驗(yan)過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗(yan)在(zai)5Bar的壓力(li)(li)板儀(yi)中進行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力(li)(li)范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試(shi)驗(yan)曲線見(jian)圖(tu)10所示。

試驗結果表明(ming)：①干密度對進(jin)氣值(zhi)沒(mei)有明(ming)顯的影響(xiang)，不同干密度的試樣的進(jin)氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土樣殘(can)余含水(shui)率(lv)(lv)隨(sui)干密度的增加(jia)而(er)減少，殘(can)余含水(shui)率(lv)(lv)約為飽和含水(shui)率(lv)(lv)的10%。上述特性與粉(fen)土一粉(fen)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(gao)的(de)密度(du)變化較大，而進行(xing)三軸試驗(yan)需要若(ruo)干原(yuan)狀樣(yang)，為使(shi)試驗(yan)結果具有較好的(de)一致性，有針對性的(de)選擇平均干密度(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(de)若(ruo)干試樣(yang)，進行(xing)了5組三軸CU試驗(yan)。圖11是為干密度(du)為1.2和1.58g/cm3的(de)三軸CU試驗(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷(lin)石膏(gao)的應(ying)力應(ying)變關系曲線在(zai)低圍(wei)壓(ya)下(xia)表現為(wei)(wei)(wei)軟(ruan)化型，在(zai)高圍(wei)壓(ya)下(xia)表現為(wei)(wei)(wei)硬化型，與一般土(tu)類相(xiang)似。但(dan)與一般粉土(tu)一粉砂不同的是，即使(shi)在(zai)較(jiao)為(wei)(wei)(wei)疏松的狀態下(xia)，磷(lin)石膏(gao)仍(reng)表現了(le)較(jiao)為(wei)(wei)(wei)強烈(lie)的剪脹，隨密實(shi)度增大，剪脹作用(yong)愈(yu)發明顯(xian)。

表(biao)2給出了不同干(gan)(gan)密度(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖(tu)12給出了內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與(yu)干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)關(guan)系曲(qu)線。隨干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較(jiao)好地擬(ni)(ni)合。磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬(ni)(ni)合曲(qu)線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有(you)(you)效應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)于隨圍(wei)壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓也明顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)總(zong)應(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)之(zhi)于干(gan)(gan)密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表(biao)明即(ji)使較(jiao)為(wei)疏松的(de)(de)磷(lin)石膏仍(reng)具有(you)(you)較(jiao)高的(de)(de)強度(du)指(zhi)標，這也表(biao)明磷(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩的(de)(de)穩定性較(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形(xing)試驗(yan)

磷(lin)石膏的(de)蠕變(bian)變(bian)形試驗(yan)在側(ce)限(xian)壓縮儀中進行，試驗(yan)狀(zhuang)態相當于K0固結。試樣(yang)直徑61.8mm，高度(du)(du)20mm，試樣(yang)干(gan)密(mi)度(du)(du)為(wei)(wei)1.30g/cm3，對試樣(yang)飽(bao)和后分別(bie)開展(zhan)了(le)上覆(fu)壓力ρ為(wei)(wei)100，200，400，800kPa的(de)試驗(yan)，

試驗(yan)從(cong)2012年(nian)8月27日開始，試驗(yan)己(ji)進行了(le)1年(nian)多，試驗(yan)結果見圖13所(suo)示。

從圖13中(zhong)可(ke)以看出：上覆(fu)荷載(zai)越(yue)大，磷石膏(gao)的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形也越(yue)大，荷載(zai)施加(jia)1年后，磷石膏(gao)的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形仍非常顯著，尚未(wei)達(da)到穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態，這也是磷石膏(gao)堆積壩后期變(bian)(bian)形較大的(de)(de)原(yuan)因，原(yuan)型觀測資料表明，在5級子壩河(he)床(chuang)部位(wei)的(de)(de)表面(mian)沉(chen)降量已經達(da)到3.1m，且尚未(wei)完全(quan)穩(wen)定(ding)。

按時(shi)間(jian)對(dui)數法(fa)，可(ke)求得各(ge)級荷(he)載下的(de)(de)主次固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量(liang)如(ru)表3所示。試驗結(jie)(jie)果表明，在100～400kPa上覆荷(he)載作用下，在試驗時(shi)間(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(次固(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當然由(you)(you)于(yu)(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未(wei)完成(cheng)(cheng)，實(shi)際(ji)的(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應更大(da)。對(dui)土體而(er)(er)言，發(fa)(fa)(fa)生(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)的(de)(de)原(yuan)因是由(you)(you)于(yu)(yu)(yu)土體在主固(gu)(gu)結(jie)(jie)完成(cheng)(cheng)之(zhi)后，土體中仍有微小(xiao)的(de)(de)超(chao)靜(jing)孔隙壓(ya)力存在，驅使水在顆粒問流動(dong)，一般來講土體的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)(yu)(yu)主固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷石膏(gao)而(er)(er)言，其滲透系數在10-4cm/s數量(liang)級，遠大(da)于(yu)(yu)(yu)黏性土，但其卻發(fa)(fa)(fa)生(sheng)了極為顯著的(de)(de)次固(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其原(yuan)因在于(yu)(yu)(yu)磷石膏(gao)晶(jing)體結(jie)(jie)構發(fa)(fa)(fa)生(sheng)了壓(ya)縮、破(po)壞，接觸點(dian)晶(jing)格發(fa)(fa)(fa)生(sheng)歪曲和(he)變(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而(er)(er)破(po)壞后晶(jing)格之(zhi)間(jian)的(de)(de)重新排列、調整(zheng)到最后趨(qu)于(yu)(yu)(yu)相對(dui)靜(jing)止(zhi)需要相當長(chang)的(de)(de)時(shi)間(jian)才能完成(cheng)(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)驗設備采(cai)用英(ying)國GDS公司進口(kou)的電機控(kong)制(zhi)動三軸試(shi)驗系統，試(shi)樣直(zhi)徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻尼比(bi)

同樣由(you)于自然沉積(ji)的磷石膏(gao)密度變化較大，為此根據物理(li)性質試驗結果，選擇兩種(zhong)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)進行試驗。

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

式中k1為(wei)(wei)參數，表(biao)示動(dong)剪切(qie)模量(liang)的(de)衰減或阻尼比(bi)的(de)增長速率；λmax為(wei)(wei)最大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最大動(dong)剪切(qie)模量(liang)和歸一化的(de)動(dong)剪應變，表(biao)示為(wei)(wei)

式中k2,n為參(can)數(shu)；σm為球應力；Pa為標準大氣(qi)壓(ya)；vd為動泊松比；εa為歸一化(hua)的動應變，表達為

圖(tu)14給(gei)出了動剪切模量、阻尼比與歸一(yi)化動應(ying)變的(de)(de)關系曲(qu)線(xian)，另外圖(tu)中(zhong)還給(gei)出了式(1)的(de)(de)擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給(gei)出的(de)(de)砂樣(yang)的(de)(de)上下邊界線(xian)，圖(tu)例中(zhong)，σ2表示圍壓，Kc表示固結應(ying)力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)好地描述磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)應力(li)-動(dong)應變(bian)試(shi)驗曲(qu)線(xian)，表明采(cai)用(yong)等(deng)價(jia)黏彈(dan)性模型進(jin)行(xing)循環荷載作(zuo)用(yong)下的(de)(de)(de)(de)(de)分析是可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)位于(yu)(yu)(yu)干(gan)密(mi)(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)上(shang)方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位于(yu)(yu)(yu)下方，表明密(mi)(mi)度越大(da)(da)，動(dong)彈(dan)模越大(da)(da)、阻尼(ni)比越小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線(xian)基本位于(yu)(yu)(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)(de)(de)邊界(jie)(jie)線(xian)上(shang)方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基本處(chu)于(yu)(yu)(yu)邊界(jie)(jie)線(xian)中(zhong)(zhong)間，表明相比較(jiao)砂(sha)樣，磷石(shi)膏(gao)動(dong)彈(dan)模較(jiao)大(da)(da)，會導致磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應較(jiao)大(da)(da)，但(dan)由于(yu)(yu)(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)大(da)(da)，這樣又會削(xue)弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應，二者的(de)(de)(de)(de)(de)相互影(ying)響(xiang)下，磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)反應將不會過于(yu)(yu)(yu)強烈，這對磷石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)抗震(zhen)穩定性是有(you)利的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平均干密(mi)度為(wei)1.12(變化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試(shi)驗，破壞標準為(wei)總(zong)應變達到10%。

圖15給出了動(dong)剪應(ying)(ying)力比(bi)τd/σ0′與(yu)(yu)破壞振次Nf的關(guan)系曲線(xian)圖，其(qi)中(zhong)σ0為(wei)振前試(shi)樣45°面上(shang)的有效(xiao)法向應(ying)(ying)力，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結比(bi)。從試(shi)驗結果可(ke)以看出，沉積磷石膏的動(dong)強度與(yu)(yu)其(qi)它土體相(xiang)似(si)，表現為(wei)圍(wei)壓和固結應(ying)(ying)力比(bi)與(yu)(yu)動(dong)剪應(ying)(ying)力比(bi)呈負相(xiang)關(guan)關(guan)系。

為判別(bie)沉積磷石膏的抗(kang)液化能力，假定(ding)抗(kang)震設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可(ke)取(qu)為30。首先由式(4)

所示的冪函數關系式得到振次(ci)為30時各(ge)個圍壓和固結比下的動剪應力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬(ni)合(he)求(qiu)得(de)動剪應力(li)比(bi)與圍壓和(he)固結應力(li)比(bi)的關系(xi)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(ni)合(he)關系式可見，密實(shi)度(du)提(ti)高(gao)(gao)后(hou)，動剪應力(li)比提(ti)高(gao)(gao)，表明抗液(ye)化能力(li)也提(ti)高(gao)(gao)。但即使是在低密度(du)下，其(qi)動剪應力(li)比較之(zhi)同類(lei)的粉(fen)土(tu)或粉(fen)砂也大出許(xu)多，表明磷石膏具有較高(gao)(gao)的抗液(ye)化能力(li)。

三、結論

依托柳(liu)樹(shu)箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎(chu)上(shang)，首先開展了物理(li)性質(zhi)試(shi)驗，然后開展了靜動力力學(xue)特(te)性試(shi)驗。通過上(shang)述(shu)試(shi)驗研(yan)究，得出如下(xia)結論：

(1)沉積(ji)磷石膏總(zong)體上屬于級配(pei)不(bu)良(liang)的粉(fen)土，局(ju)部屬于粉(fen)砂一中砂，無自(zi)然分(fen)級現象。其干(gan)密(mi)度和粒徑(jing)變化(hua)隨(sui)埋深或距(ju)放(fang)漿口距(ju)離的變化(hua)不(bu)明顯(xian)。

(2)沉積磷石膏水平方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)滲透系數大(da)于垂(chui)直方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)滲透系數，呈(cheng)現(xian)明顯的(de)各向(xiang)(xiang)異性。

(3)與土體顆粒不可壓縮不同，磷石(shi)膏的晶體結(jie)(jie)(jie)構會(hui)發生壓縮破壞，具有較大的壓縮性，其(qi)次(ci)固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形量遠大于(yu)主固(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)形量。

(4)沉積磷(lin)石膏(gao)的靜動(dong)強度較(jiao)之同等密實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂(sha)要高(gao)。