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(yin)言

磷(lin)(lin)石(shi)膏是濕法磷(lin)(lin)酸生(sheng)產(chan)過程中的副(fu)產(chan)品，2018年，全國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏產(chan)生(sheng)量為7800萬噸，且(qie)呈逐年增長(chang)的態勢。磷(lin)(lin)石(shi)膏的主要成分是CaO和SO3，但含有(you)一(yi)(yi)定量的氟(fu)化(hua)物(wu)和其它放(fang)射性物(wu)質，在中國(guo)通常按Ⅱ類一(yi)(yi)般工業固體廢物(wu)處理(li)，鑒于(yu)(yu)無(wu)害化(hua)處理(li)成本較高(gao)，目(mu)前綜合利用(yong)率尚不足(zu)40%，故大部(bu)分磷(lin)(lin)石(shi)膏需(xu)要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)場地(di)(di)(di)的不同，可分為平(ping)地(di)(di)(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和截(jie)河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場，在中國(guo)基本上(shang)是山谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)場。相比較干法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，濕法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)經濟優(you)勢明顯，因而(er)如(ru)(ru)地(di)(di)(di)質條件為非碳酸鹽巖地(di)(di)(di)區，一(yi)(yi)般均采用(yong)濕排濕堆(dui)(dui)(dui)方式。隨著中國(guo)磷(lin)(lin)肥工業的快(kuai)速(su)發展(zhan)，本世紀初中國(guo)相繼(ji)建設(she)(she)了幾座濕法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏庫，例如(ru)(ru)云天化(hua)國(guo)際化(hua)工三環(huan)分公司的柳樹(shu)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏庫堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)和富瑞分公司的楊家箐磷(lin)(lin)石(shi)膏庫堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)(ba)，這兩座壩(ba)(ba)設(she)(she)計壩(ba)(ba)高(gao)均超過100m、處于(yu)(yu)8度地(di)(di)(di)震區，其安(an)全性備受關(guan)注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一(yi)2013年(nian))來，全(quan)世界有118座尾(wei)礦壩曾發(fa)生過破壞(huai)(huai)或潰壩事故，原因主要有地震、洪水漫頂、滲透破壞(huai)(huai)和(he)基礎失穩。尾(wei)礦庫失事后會造(zao)成巨大的生態災難(nan)和(he)人員傷(shang)亡，近(jin)幾十(shi)年(nian)來，

國內(nei)外對金屬尾礦的(de)沉積(ji)規律(lv)、物(wu)理(li)力學特性(xing)及其穩(wen)定性(xing)開展(zhan)了大量的(de)研(yan)究，但對于(yu)與金屬尾礦庫(ku)相近的(de)磷(lin)石(shi)膏庫(ku)，一(yi)般僅限于(yu)在(zai)可研(yan)階段采用人工制(zhi)備樣進(jin)行(xing)物(wu)理(li)力學性(xing)質試驗，并(bing)據此進(jin)行(xing)穩(wen)定性(xing)分析(xi)，尚未有人針對己(ji)運(yun)行(xing)若干年的(de)大型濕法(fa)堆(dui)存磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩開展(zhan)過磷(lin)石(shi)膏沉積(ji)規律(lv)及其物(wu)理(li)力學特性(xing)的(de)專項研(yan)究。

本文依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩，首先進行(xing)(xing)了(le)鉆探取(qu)樣，采用(yong)原狀樣開展了(le)密度、含水(shui)率、滲(shen)透、土水(shui)特(te)征(zheng)和顆(ke)分等(deng)物理(li)性(xing)(xing)(xing)質試驗(yan)，在此基礎(chu)上(shang)有(you)針對(dui)(dui)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)選擇原狀樣開展了(le)三軸CU、蠕變及動(dong)三軸等(deng)力(li)學特(te)性(xing)(xing)(xing)試驗(yan)。通(tong)過上(shang)述試驗(yan)研究(jiu)，總結了(le)磷(lin)(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)沉積規律、滲(shen)透特(te)性(xing)(xing)(xing)、滲(shen)透破壞(huai)特(te)性(xing)(xing)(xing)以及靜動(dong)力(li)特(te)性(xing)(xing)(xing)，上(shang)述研究(jiu)工作對(dui)(dui)研究(jiu)和評(ping)估(gu)磷(lin)(lin)石(shi)膏庫堆(dui)積壩的(de)(de)(de)穩定性(xing)(xing)(xing)提供(gong)了(le)基礎(chu)數據，對(dui)(dui)現行(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏庫的(de)(de)(de)運行(xing)(xing)管(guan)理(li)以及新建工程的(de)(de)(de)設計具有(you)重要的(de)(de)(de)借鑒意義。

一、依托工程概況

1.1柳樹(shu)箐磷(lin)石膏堆(dui)積(ji)壩堆(dui)存設計(ji)方案

由初(chu)期壩和(he)堆(dui)積壩組成，設計總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩(ba)

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用(yong)土料(liao)填(tian)筑。上游坡面(mian)、壩(ba)底和下游壩(ba)腳設置堆(dui)石排水體，三者(zhe)相連通構成整個堆(dui)積壩(ba)的主要排滲(shen)系(xi)統。

(2)堆積壩及其輔助(zhu)排滲措施(shi)

采(cai)用(yong)上游式(shi)筑(zhu)壩(ba)法，共20級(ji)(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)用(yong)排滲管網作為(wei)輔助(zhu)排滲方案(an)，目(mu)前己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)和(he)13級(ji)(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置了井字形(xing)排滲管網。

1.2沉積磷石膏的(de)鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)平(ping)面位置(zhi)見圖l。2008年6月，堆積至5級子(zi)壩(ba)(ba)時，布(bu)設(she)了(le)9個取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取(qu)原(yuan)狀樣76件；2013年5月，堆積至13級子(zi)壩(ba)(ba)時，又布(bu)設(she)了(le)11個取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取(qu)原(yuan)狀樣112件，為比(bi)較子(zi)壩(ba)(ba)加高(gao)和(he)(he)磷(lin)石(shi)膏堆積過程中磷(lin)石(shi)膏物(wu)理力學性質的變化，在2，4級子(zi)壩(ba)(ba)K2孔(kong)和(he)(he)K6孔(kong)附近各(ge)布(bu)設(she)了(le)一個鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔(kong)編號分(fen)別為K17和(he)(he)K18。

1.3運行(xing)概(gai)況

柳樹箐磷(lin)石(shi)膏(gao)尾礦庫2005年開(kai)工建設，2006年1月投(tou)入運行，截至(zhi)2013年5月己堆至(zhi)13級子壩，尚有(you)7級子壩即堆存至(zhi)設計高(gao)程。鑒(jian)于磷(lin)石(shi)膏(gao)庫地形(xing)、地質條件(jian)較好，具備擴容改造的條件(jian)，以(yi)提高(gao)堆存庫容，減少(shao)堆存占地，節約(yue)土地資源。

本文主(zhu)要(yao)對沉積磷石膏(gao)(gao)的物(wu)理(li)力學特性進行了全面總結，限于(yu)篇(pian)幅，有(you)關(guan)現狀磷石膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩的安全性評價及(ji)其加高可(ke)行性的研究將(jiang)另文發表。

二(er)、沉積(ji)磷石膏的物理(li)力學(xue)特性

2.1物理特性

(1)干密(mi)度分布

圖(tu)(tu)2給出(chu)了14個鉆孔的(de)(de)取樣深度和(he)試驗(yan)(yan)所得干密度的(de)(de)關(guan)系，圖(tu)(tu)中UWL表示水位(wei)線(xian)上，(系鉆孔期(qi)間的(de)(de)初見水位(wei)線(xian)，下(xia)同)，DWL表示水位(wei)線(xian)下(xia)。圖(tu)(tu)3給出(chu)了水位(wei)線(xian)上下(xia)的(de)(de)飽和(he)度分布圖(tu)(tu)。由于磷石膏中的(de)(de)主要(yao)成(cheng)分為(wei)CaSO4·2H2O，不同溫度和(he)烘烤時間對測定(ding)結果有一定(ding)影響，不能照搬現行的(de)(de)土(tu)工試驗(yan)(yan)規范(fan)，本(ben)文(wen)磷石膏的(de)(de)含水率測定(ding)方法為(wei)55℃溫度下(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深的(de)關系

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

由(you)(you)圖(tu)3，水位(wei)線(xian)上的(de)磷石膏(gao)(gao)飽(bao)和(he)度(du)平(ping)均值為50.4%，處于(yu)非(fei)飽(bao)和(he)狀態(tai)，水位(wei)線(xian)以(yi)下的(de)磷石膏(gao)(gao)飽(bao)和(he)度(du)平(ping)均值為85.0%，基本(ben)處于(yu)飽(bao)和(he)狀態(tai)，由(you)(you)于(yu)水位(wei)下降(jiang)后磷石膏(gao)(gao)來不及排水固結，故而水位(wei)線(xian)上局部試樣的(de)飽(bao)和(he)度(du)較高。

由(you)(you)圖(tu)2，水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以上(shang)的干密(mi)度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以下(xia)的干密(mi)度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)(lin)石膏(gao)與一(yi)般的尾礦有(you)所(suo)不(bu)同，磷(lin)(lin)石膏(gao)的干密(mi)度(du)并(bing)不(bu)隨埋深的增(zeng)大而明顯增(zeng)大，但水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以下(xia)的磷(lin)(lin)石膏(gao)干密(mi)度(du)從統計意(yi)義上(shang)來看仍大于水(shui)(shui)(shui)位線(xian)以上(shang)的磷(lin)(lin)石膏(gao)干密(mi)度(du)，這(zhe)主要是由(you)(you)于水(shui)(shui)(shui)位線(xian)隨庫(ku)水(shui)(shui)(shui)位的變化反復升降而使(shi)得磷(lin)(lin)石膏(gao)排水(shui)(shui)(shui)固結(jie)所(suo)致(zhi)。

室(shi)內(nei)擊實得到(dao)的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干密(mi)度一(yi)般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從(cong)圖(tu)2可(ke)(ke)以(yi)看出，自(zi)然沉(chen)積的磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最大干密(mi)度可(ke)(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的土骨架不(bu)可(ke)(ke)壓縮(suo)的理論(lun)不(bu)同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)本(ben)身可(ke)(ke)壓縮(suo)，同(tong)時由(you)于顆粒結構(gou)不(bu)穩定，擊實試驗過(guo)程中磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)結構(gou)被(bei)破(po)壞，受夯擊處下(xia)陷，四周鼓起(qi)，出現了類似于橡皮(pi)土的現象(xiang)。而在(zai)現場條(tiao)件下(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨架被(bei)破(po)壞后，會(hui)導致(zhi)顆粒中的結合(he)水(shui)滲出至孔隙內(nei)，變成(cheng)孔隙水(shui)，排水(shui)固結后會(hui)使得磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的孔隙比減小，干密(mi)度增大。

圖4給(gei)出(chu)了相鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于2級子(zi)壩河床(chuang)部位(wei)(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于4級子(zi)壩河床(chuang)部位(wei)(wei))干(gan)密(mi)(mi)度(du)的對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使從(cong)統計意義上來看，磷石(shi)膏(gao)(gao)的干(gan)密(mi)(mi)度(du)也(ye)并未隨后續磷石(shi)膏(gao)(gao)的堆積而有較為(wei)(wei)明顯(xian)的增大。

(2)級(ji)配分布(bu)

顆粒分(fen)析(xi)試驗采用密度(du)計(ji)法，制(zhi)備懸液時不煮沸(fei)，不加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了試驗得到的級配(pei)包線、平均(jun)粒徑(jing)d50、不均(jun)勻系數(1u和曲(qu)率系數Cc的分(fen)布圖(tu)。

從(cong)圖5(a)可見，磷石膏的(de)粒(li)徑(jing)主要分布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之間，總體上屬于粉土，但(dan)可能由(you)于礦石來源(yuan)或(huo)生(sheng)產工藝有所(suo)不同，局部屬于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑(jing)分布(bu)范圍(wei)比Blight和張超(chao)等的(de)試驗結果(guo)要寬一些(xie)。

圖4子壩(ba)加高后沉積(ji)磷石膏的(de)干密度(du)變化

圖5沉積(ji)磷(lin)石膏的平均粒徑(jing)和(he)級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是(shi)水(shui)平向還是(shi)垂(chui)直向，磷(lin)石(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)山(shan)尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的(de)“前粗后細，上粗下(xia)細”的(de)自然(ran)分級(ji)現象不同，也即粗顆(ke)粒并不是(shi)沿埋(mai)深逐步減小或距(ju)離放漿口越遠(yuan)顆(ke)粒越細，其原因如下(xia)：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)粒粒徑(jing)組成較(jiao)為(wei)集中、均勻(yun)，主要以粉(fen)粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)配較(jiao)差；②相比(bi)(bi)較(jiao)金屬尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重較(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小于(yu)金屬尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)重，例如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)重可達2.9；③放漿口隨子壩高度不斷增加(jia)而不斷變(bian)動并向庫尾(wei)(wei)延伸，造成沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)粒徑(jing)變(bian)化(hua)不明(ming)顯。

從圖5(d)可(ke)見，不(bu)均勻系(xi)數Cu范(fan)圍值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)為(wei)4.18，曲率(lv)系(xi)數(1c范(fan)圍值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)為(wei)1.21，在(zai)統計的(de)100多(duo)個試樣中，屬于級(ji)配不(bu)良土(tu)的(de)占93%。這(zhe)種(zhong)級(ji)配特性決定(ding)了磷(lin)石膏(gao)具(ju)有(you)較高的(de)壓縮性、滲(shen)透破壞型式表現(xian)為(wei)流土(tu)破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透(tou)系數

影(ying)響滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)主要因(yin)素是粒徑大(da)(da)小、級配和(he)孔隙比，因(yin)而磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)與粉(fen)土(tu)較(jiao)為接近。由于孔隙比e減小，使得(de)過(guo)水通道面(mian)積(ji)減小，滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k也將減小，k與e呈(cheng)正相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土(tu)，一般認為滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)好(hao)，圖6給(gei)出了二者(zhe)間的(de)(de)(de)關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由于沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變(bian)化較(jiao)大(da)(da)，使得(de)沉積(ji)磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)變(bian)化范圍較(jiao)大(da)(da)(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)(shu)量(liang)級)，二者(zhe)問的(de)(de)(de)線(xian)性關(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉(chen)積磷石膏滲透系(xi)數(shu)與孔隙比的(de)關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)平(ping)(ping)與垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數比值的分(fen)布(bu)。沉積磷石(shi)膏的水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數kh一(yi)(yi)般大(da)于(yu)垂直向(xiang)的滲(shen)透(tou)(tou)系數kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約為2.86，這(zhe)一(yi)(yi)點與成層分(fen)布(bu)的金(jin)屬尾礦(kuang)規律一(yi)(yi)致(zhi)。造成沉積磷石(shi)膏水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數大(da)于(yu)垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)(tou)系數的原(yuan)因是由于(yu)磷石(shi)膏具有明顯的晶體(ti)結構，電鏡掃(sao)描顯示多為菱形和(he)棱柱狀形式(見圖8)，在沉積過(guo)程中，由于(yu)扁平(ping)(ping)狀磷石(shi)膏顆粒多呈水(shui)平(ping)(ping)排列，使得水(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)的透(tou)(tou)水(shui)性大(da)于(yu)垂直方(fang)向(xiang)的透(tou)(tou)水(shui)性，從(cong)而使磷石(shi)膏呈現明顯的各向(xiang)異性。

另根據中國(guo)有色金屬工業昆明勘察設計研究院在(zai)楊(yang)家箐磷石膏(gao)堆積壩開展的現場滲透(tou)(tou)試(shi)驗(yan)，kh/kv的平均值約為(wei)1.9。但(dan)張超等(deng)的室內試(shi)驗(yan)顯(xian)示，kh/kv的平均值約為(wei)0.46，也即垂直向滲透(tou)(tou)系數大于水平向滲透(tou)(tou)系數，與本文和現場試(shi)驗(yan)結(jie)果恰(qia)恰(qia)相(xiang)反。從磷石膏(gao)的微觀結(jie)構來(lai)看，本文試(shi)驗(yan)結(jie)果更為(wei)合(he)理。

圖(tu)7沉(chen)積磷石膏干密度與水平和(he)垂直滲透系數(shu)比(bi)值(zhi)的關系

(2)滲(shen)透變形(xing)

圖(tu)9為(wei)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度J與(yu)流(liu)速(su)V的(de)(de)關系曲線，試(shi)驗(yan)(yan)在水(shui)平管涌儀中采(cai)用(yong)(yong)水(shui)平方(fang)向的(de)(de)滲(shen)(shen)流(liu)形(xing)式進行。試(shi)驗(yan)(yan)得到的(de)(de)臨界坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)壞(huai)坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)來(lai)說，對(dui)(dui)1，2級(ji)工程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全系數取為(wei)2.5，則允(yun)(yun)(yun)許出逸坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)(dui)3級(ji)以下(xia)(xia)(xia)工程(cheng)，滲(shen)(shen)透安全系數取2.0，則允(yun)(yun)(yun)許出逸坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)(yun)(yun)許比降(jiang)(jiang)(jiang)與(yu)粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂大致相同。但上(shang)述滲(shen)(shen)透變形(xing)試(shi)驗(yan)(yan)是(shi)采(cai)用(yong)(yong)自(zi)來(lai)水(shui)進行的(de)(de)，自(zi)來(lai)水(shui)對(dui)(dui)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有一(yi)定的(de)(de)溶蝕作用(yong)(yong)，而實際上(shang)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中殘余(yu)磷(lin)(lin)(lin)、硫和(he)氟(fu)酸(suan)，庫水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小于3(稱之為(wei)酸(suan)性(xing)水(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)作用(yong)(yong)下(xia)(xia)(xia)，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不會(hui)發生破(po)壞(huai)，上(shang)述試(shi)驗(yan)(yan)結果是(shi)偏于保守的(de)(de)，但對(dui)(dui)非酸(suan)性(xing)水(shui)條件(例(li)如(ru)特大暴(bao)雨)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)滲(shen)(shen)透穩定判斷有一(yi)定的(de)(de)借鑒意義。

圖9水(shui)力梯度(du)J-流速v試驗(yan)過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試(shi)驗

試驗在5Bar的壓力板儀(yi)中進(jin)行，環刀尺(chi)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(lie)出了含水率(lv)特(te)征值，試驗曲線見圖10所示。

試(shi)驗結果表明：①干密度(du)(du)對進氣(qi)值沒有明顯(xian)的(de)影(ying)響，不同干密度(du)(du)的(de)試(shi)樣的(de)進氣(qi)值大致(zhi)在10kPa左右；②土樣殘余含水(shui)率(lv)隨干密度(du)(du)的(de)增(zeng)加而減少，殘余含水(shui)率(lv)約為(wei)飽(bao)和含水(shui)率(lv)的(de)10%。上述特(te)性與(yu)粉土一粉砂(sha)基本一致(zhi)。

2.3靜(jing)力力學(xue)特性

(1)三(san)軸CU試驗

由于(yu)沉積磷石膏的密(mi)度變化較大，而進行三(san)(san)軸試(shi)驗需要若干(gan)原狀(zhuang)樣(yang)，為使試(shi)驗結果具有(you)較好的一致性(xing)，有(you)針對(dui)性(xing)的選(xuan)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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干(gan)試(shi)樣(yang)，進行了5組三(san)(san)軸CU試(shi)驗。圖11是為干(gan)密(mi)度為1.2和1.58g/cm3的三(san)(san)軸CU試(shi)驗曲線。

從圖11可以看(kan)出(chu)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的應(ying)力應(ying)變關系(xi)曲線在低圍(wei)壓(ya)下(xia)表現(xian)為(wei)軟化型，在高圍(wei)壓(ya)下(xia)表現(xian)為(wei)硬(ying)化型，與一般土(tu)類相似。但與一般粉土(tu)一粉砂不同的是，即使在較為(wei)疏松的狀態下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)仍(reng)表現(xian)了較為(wei)強烈的剪脹，隨密實(shi)度增大(da)，剪脹作用愈發明顯(xian)。

表(biao)(biao)2給(gei)出(chu)了不(bu)同干密度下的(de)內(nei)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了內(nei)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)與干密度的(de)關系(xi)曲(qu)線。隨(sui)干密度的(de)增(zeng)(zeng)大，內(nei)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨(sui)之增(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較好地擬合(he)。磷(lin)石(shi)膏的(de)干密度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了32%，總應(ying)力(li)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根據擬合(he)曲(qu)線求得)，增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)應(ying)力(li)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅為(wei)(wei)3.2%，由于(yu)隨(sui)圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)大，孔壓(ya)也(ye)明顯(xian)增(zeng)(zeng)大，故有效(xiao)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅較之總應(ying)力(li)摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外較之于(yu)干密度增(zeng)(zeng)幅，摩擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅并不(bu)顯(xian)著，表(biao)(biao)明即(ji)使(shi)較為(wei)(wei)疏(shu)松的(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有較高的(de)強度指標，這(zhe)也(ye)表(biao)(biao)明磷(lin)石(shi)膏堆積壩的(de)穩定性(xing)較高。

(2)蠕變(bian)(次固結)變(bian)形(xing)試(shi)驗

磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形試驗(yan)在側(ce)限壓縮儀中進(jin)行(xing)，試驗(yan)狀(zhuang)態相當于(yu)K0固結。試樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試樣(yang)干密(mi)度為(wei)1.30g/cm3，對試樣(yang)飽和后(hou)分別(bie)開展了(le)上(shang)覆(fu)壓力ρ為(wei)100，200，400，800kPa的(de)試驗(yan)，

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

從圖(tu)13中可以看出：上覆荷(he)載越(yue)大，磷(lin)石(shi)膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)也(ye)(ye)越(yue)大，荷(he)載施加1年后(hou)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的蠕變(bian)變(bian)形(xing)仍(reng)非(fei)常顯著，尚(shang)未達到穩定狀(zhuang)態，這也(ye)(ye)是(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩后(hou)期(qi)變(bian)形(xing)較大的原因，原型(xing)觀(guan)測資(zi)料表明，在5級子壩河床部位的表面沉降量(liang)已(yi)經達到3.1m，且尚(shang)未完全穩定。

按時(shi)間對(dui)數(shu)法，可求得各級荷載(zai)下的(de)主(zhu)(zhu)次(ci)固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表(biao)3所示。試(shi)(shi)驗(yan)結果表(biao)明，在(zai)(zai)(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆(fu)荷載(zai)作用下，在(zai)(zai)(zai)(zai)試(shi)(shi)驗(yan)時(shi)間范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)結)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)(zhu)固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，當然由于(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)成(cheng)，實(shi)際的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大(da)。對(dui)土(tu)體(ti)(ti)(ti)而(er)言，發生(sheng)(sheng)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)原因(yin)是由于(yu)(yu)土(tu)體(ti)(ti)(ti)在(zai)(zai)(zai)(zai)主(zhu)(zhu)固(gu)結完(wan)成(cheng)之后，土(tu)體(ti)(ti)(ti)中仍有微(wei)小(xiao)的(de)超靜孔隙壓(ya)力存在(zai)(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)(zai)顆(ke)粒問流動(dong)，一般來講土(tu)體(ti)(ti)(ti)的(de)次(ci)固(gu)結遠小(xiao)于(yu)(yu)主(zhu)(zhu)固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)磷石膏(gao)而(er)言，其滲透系數(shu)在(zai)(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠大(da)于(yu)(yu)黏性土(tu)，但其卻發生(sheng)(sheng)了極為顯(xian)著的(de)次(ci)固(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原因(yin)在(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石膏(gao)晶(jing)體(ti)(ti)(ti)結構發生(sheng)(sheng)了壓(ya)縮(suo)、破壞，接觸點晶(jing)格發生(sheng)(sheng)歪曲(qu)和變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而(er)破壞后晶(jing)格之間的(de)重(zhong)新(xin)排列、調整到最(zui)后趨于(yu)(yu)相對(dui)靜止(zhi)需要相當長的(de)時(shi)間才能完(wan)成(cheng)。

2.4動力力學特性

試(shi)(shi)驗設備采用(yong)英國GDS公司進口的電(dian)機控制動三(san)軸試(shi)(shi)驗系統，試(shi)(shi)樣(yang)直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同樣由于自(zi)然(ran)沉(chen)積的磷石膏密度(du)變(bian)化較大，為此根據物理性(xing)質(zhi)試驗結(jie)果(guo)，選擇兩種平(ping)均干(gan)密度(du)1.34g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)化范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

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

式中k1為參數，表(biao)示(shi)動剪切模(mo)量(liang)的(de)(de)衰減(jian)或阻尼(ni)比的(de)(de)增(zeng)長(chang)速率；λmax為最大(da)阻尼(ni)比；Gmax，γd分別為最大(da)動剪切模(mo)量(liang)和(he)歸一(yi)化的(de)(de)動剪應變(bian)，表(biao)示(shi)為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球(qiu)應力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸一(yi)化的動應變，表達為(wei)

圖(tu)14給(gei)出(chu)了動(dong)剪切模量、阻尼比(bi)與歸一化動(dong)應(ying)變的關系(xi)曲線，另外圖(tu)中還(huan)給(gei)出(chu)了式(shi)(1)的擬(ni)合曲線以及Seed等給(gei)出(chu)的砂樣的上下邊界(jie)線，圖(tu)例(li)中，σ2表(biao)(biao)示圍壓，Kc表(biao)(biao)示固結應(ying)力比(bi)。

從(cong)圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可以看出(chu)：①式(1)可較好地描述磷(lin)石膏(gao)的(de)動(dong)應力-動(dong)應變(bian)試驗曲線，表明采用等(deng)價黏彈性模型(xing)進行循環(huan)荷(he)載作用下(xia)的(de)分析是可行的(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)(gan)密(mi)度(du)為1.45g/cm3的(de)擬(ni)合(he)線位(wei)于(yu)(yu)(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)為1.34g/cm3的(de)擬(ni)合(he)線上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)(ze)位(wei)于(yu)(yu)(yu)下(xia)方，表明密(mi)度(du)越大(da)，動(dong)彈模越大(da)、阻尼(ni)比(bi)越小(xiao)；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)擬(ni)合(he)線基本位(wei)于(yu)(yu)(yu)Seed等(deng)給出(chu)的(de)邊界線上方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)(ze)基本處于(yu)(yu)(yu)邊界線中(zhong)(zhong)間，表明相比(bi)較砂樣，磷(lin)石膏(gao)動(dong)彈模較大(da)，會(hui)導致(zhi)磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)的(de)動(dong)力反應較大(da)，但由于(yu)(yu)(yu)阻尼(ni)比(bi)也(ye)較大(da)，這樣又會(hui)削(xue)弱壩(ba)(ba)體(ti)(ti)的(de)動(dong)力反應，二者(zhe)的(de)相互影響下(xia)，磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體(ti)(ti)的(de)動(dong)力反應將不會(hui)過于(yu)(yu)(yu)強(qiang)烈，這對磷(lin)石膏(gao)堆積(ji)壩(ba)(ba)的(de)抗震穩定性是有(you)利的(de)。

(2)動強度

選擇(ze)兩種平均干密度為(wei)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(wei)總應變達到10%。

圖15給出(chu)了動剪(jian)(jian)應力(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振次Nf的關(guan)(guan)系(xi)曲線圖，其(qi)中σ0為(wei)振前試樣45°面(mian)上的有效(xiao)法向(xiang)應力(li)，表達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)(jie)比(bi)。從試驗(yan)結(jie)(jie)果可以看出(chu)，沉積磷石膏(gao)的動強度(du)與其(qi)它(ta)土(tu)體(ti)相(xiang)似，表現為(wei)圍壓和固結(jie)(jie)應力(li)比(bi)與動剪(jian)(jian)應力(li)比(bi)呈負相(xiang)關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)。

為判別(bie)沉積(ji)磷石膏的(de)抗(kang)液(ye)化能力，假定(ding)抗(kang)震設計烈(lie)度(du)(du)為8度(du)(du)，即(ji)等效振(zhen)次Ⅳ可取為30。首(shou)先(xian)由式(4)

所示的冪函數關系式得到振次為30時各個圍壓和(he)固(gu)結比下的動剪應力(li)比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求(qiu)得動剪應力(li)比與圍壓和固結應力(li)比的關系(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(shang)述(shu)擬合關系(xi)式可(ke)見，密(mi)實度(du)提高后(hou)，動剪(jian)應力比提高，表明(ming)(ming)抗液化能(neng)力也提高。但即使(shi)是在低密(mi)度(du)下(xia)，其動剪(jian)應力比較(jiao)之同類的粉土(tu)或粉砂也大出許(xu)多，表明(ming)(ming)磷(lin)石膏具(ju)有(you)較(jiao)高的抗液化能(neng)力。

三、結論

依托柳(liu)樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先(xian)開展(zhan)了物理(li)性質試驗，然后(hou)開展(zhan)了靜(jing)動力力學(xue)特性試驗。通過上述試驗研究，得出如下結(jie)論：

(1)沉(chen)積(ji)磷石膏總體上屬(shu)于(yu)級配不(bu)良(liang)的(de)粉(fen)土，局部屬(shu)于(yu)粉(fen)砂一中砂，無(wu)自然分級現(xian)象(xiang)。其干密度和粒徑(jing)變(bian)化隨埋深(shen)或距放漿口距離的(de)變(bian)化不(bu)明顯。

(2)沉積(ji)磷(lin)石(shi)膏水平方向的(de)滲透(tou)系數(shu)大于(yu)垂(chui)直方向的(de)滲透(tou)系數(shu)，呈(cheng)現明顯的(de)各向異性。

(3)與(yu)土體顆粒不(bu)可(ke)壓縮(suo)不(bu)同，磷石膏的晶(jing)體結(jie)構會發(fa)生壓縮(suo)破壞(huai)，具有較大(da)的壓縮(suo)性，其次(ci)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)量(liang)遠大(da)于主(zhu)固(gu)結(jie)變(bian)(bian)形(xing)量(liang)。

(4)沉積磷石膏的靜(jing)動強(qiang)度(du)較之同等密實(shi)度(du)下(xia)的粉土、粉砂要(yao)高(gao)。