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(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)是(shi)濕(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)酸(suan)生產過程中(zhong)的(de)(de)(de)副產品，2018年，全(quan)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)產生量為7800萬噸，且呈逐年增長的(de)(de)(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)主(zhu)要成分(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一定量的(de)(de)(de)氟化物和(he)其它(ta)放射(she)性物質，在中(zhong)國(guo)通常(chang)按(an)Ⅱ類一般工(gong)業固體廢物處理(li)，鑒(jian)于無害化處理(li)成本(ben)(ben)較高，目前綜合利用率尚不足40%，故大(da)部分(fen)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)存(cun)場(chang)地(di)(di)的(de)(de)(de)不同，可分(fen)為平(ping)地(di)(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和(he)截(jie)河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)，在中(zhong)國(guo)基本(ben)(ben)上(shang)是(shi)山谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)場(chang)。相比(bi)較干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)經濟優勢(shi)明顯，因(yin)而如地(di)(di)質條(tiao)件為非(fei)碳酸(suan)鹽巖(yan)地(di)(di)區，一般均(jun)采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥(fei)工(gong)業的(de)(de)(de)快速發展，本(ben)(ben)世紀初中(zhong)國(guo)相繼建設(she)了幾座濕(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫，例如云天化國(guo)際化工(gong)三環分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)柳(liu)樹(shu)箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩和(he)富瑞分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)楊家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)庫堆(dui)(dui)積壩，這兩座壩設(she)計壩高均(jun)超過100m、處于8度地(di)(di)震(zhen)區，其安全(quan)性備受關注(zhu)。

據統計，110多(duo)年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世(shi)界有118座尾(wei)礦(kuang)(kuang)壩曾發生(sheng)過破(po)壞或潰壩事故，原因主要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破(po)壞和基礎失穩。尾(wei)礦(kuang)(kuang)庫失事后(hou)會造成巨大(da)的生(sheng)態災難和人員傷亡，近幾十年(nian)來，

國內(nei)外對(dui)金(jin)屬尾礦(kuang)的沉(chen)積規律(lv)、物理力(li)學(xue)特(te)性(xing)及(ji)其(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)開展了大(da)量的研究(jiu)，但(dan)對(dui)于與(yu)金(jin)屬尾礦(kuang)庫(ku)相(xiang)近的磷(lin)石膏庫(ku)，一般僅限于在(zai)可研階段(duan)采用人(ren)工制備樣進行物理力(li)學(xue)性(xing)質試驗，并(bing)據此進行穩(wen)定(ding)性(xing)分(fen)析，尚未有人(ren)針對(dui)己(ji)運行若干年的大(da)型濕(shi)法堆存磷(lin)石膏堆積壩開展過磷(lin)石膏沉(chen)積規律(lv)及(ji)其(qi)物理力(li)學(xue)特(te)性(xing)的專項(xiang)研究(jiu)。

本文依托柳樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩，首先進(jin)行了(le)鉆探(tan)取樣，采用原(yuan)狀樣開(kai)展了(le)密度、含(han)水率、滲透、土水特(te)征和顆分等(deng)(deng)物(wu)理(li)性(xing)質試(shi)驗，在此基(ji)礎上(shang)有針對性(xing)的(de)選擇原(yuan)狀樣開(kai)展了(le)三軸(zhou)CU、蠕變及(ji)動三軸(zhou)等(deng)(deng)力學(xue)特(te)性(xing)試(shi)驗。通過上(shang)述試(shi)驗研究(jiu)，總結了(le)磷石(shi)膏的(de)沉積(ji)規(gui)律(lv)、滲透特(te)性(xing)、滲透破壞特(te)性(xing)以及(ji)靜動力特(te)性(xing)，上(shang)述研究(jiu)工(gong)(gong)作對研究(jiu)和評估磷石(shi)膏庫堆(dui)積(ji)壩的(de)穩定性(xing)提供了(le)基(ji)礎數據，對現行磷石(shi)膏庫的(de)運行管理(li)以及(ji)新(xin)建工(gong)(gong)程(cheng)的(de)設計(ji)具(ju)有重要的(de)借(jie)鑒(jian)意義(yi)。

一、依托工(gong)程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆積壩堆存設計方案(an)

由(you)初期壩(ba)(ba)和堆積(ji)壩(ba)(ba)組成，設計總壩(ba)(ba)高約130m。

(1)初(chu)期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約(yue)30m，采用土料填筑(zhu)。上游坡面、壩(ba)底和下游壩(ba)腳(jiao)設置堆石排(pai)水體，三者相連通構成整個(ge)堆積壩(ba)的主要排(pai)滲系統(tong)。

(2)堆積壩及其輔助排(pai)滲措施(shi)

采用上游式筑壩(ba)(ba)(ba)法，共20級子(zi)壩(ba)(ba)(ba)，頂寬(kuan)6～9m，高(gao)度5m，堆(dui)積高(gao)度約(yue)100m。采用排滲(shen)管網作為輔助排滲(shen)方案，目(mu)前己在5級、9級子(zi)壩(ba)(ba)(ba)和13級子(zi)壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)前120m范圍(wei)內設(she)置了井(jing)字(zi)形(xing)排滲(shen)管網。

1.2沉積磷石膏的鉆(zhan)探取樣

鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔平面位置見(jian)圖l。2008年6月，堆積至5級子(zi)壩時(shi)，布(bu)設(she)了9個取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔編號K1～K9，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)(yang)76件(jian)；2013年5月，堆積至13級子(zi)壩時(shi)，又布(bu)設(she)了11個取(qu)樣(yang)(yang)鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔編號K10～K20，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣(yang)(yang)112件(jian)，為比(bi)較子(zi)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(zi)壩K2孔和K6孔附近各布(bu)設(she)了一個鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔，鉆(zhan)(zhan)(zhan)孔編號分別為K17和K18。

1.3運行(xing)概況

柳樹箐磷石膏尾礦(kuang)庫(ku)2005年(nian)開(kai)工建設，2006年(nian)1月投入運行(xing)，截至2013年(nian)5月己(ji)堆(dui)至13級子壩，尚有(you)7級子壩即堆(dui)存至設計高(gao)程。鑒于磷石膏庫(ku)地(di)(di)形、地(di)(di)質條件較好(hao)，具備擴容(rong)(rong)改造的條件，以提高(gao)堆(dui)存庫(ku)容(rong)(rong)，減少堆(dui)存占(zhan)地(di)(di)，節約土地(di)(di)資源。

本文主(zhu)要對沉積磷石膏的(de)物理力(li)學特性進行了全(quan)面(mian)總結(jie)，限于篇(pian)幅，有(you)關(guan)現狀磷石膏庫堆積壩(ba)的(de)安全(quan)性評價(jia)及其加(jia)高可(ke)行性的(de)研究將另文發表。

二、沉積磷(lin)石膏的物(wu)理(li)力學特(te)性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分(fen)布

圖(tu)2給(gei)出了(le)14個鉆孔的(de)(de)取(qu)樣(yang)深(shen)度(du)(du)和(he)試驗所(suo)得干密度(du)(du)的(de)(de)關系(xi)，圖(tu)中(zhong)UWL表示水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)上(shang)，(系(xi)鉆孔期間的(de)(de)初見水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)，下同(tong))，DWL表示水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)下。圖(tu)3給(gei)出了(le)水(shui)位(wei)(wei)(wei)線(xian)上(shang)下的(de)(de)飽和(he)度(du)(du)分布圖(tu)。由于(yu)磷石膏中(zhong)的(de)(de)主(zhu)要(yao)成(cheng)分為CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫(wen)度(du)(du)和(he)烘烤時(shi)間對測定結果有(you)一定影響，不(bu)能(neng)照搬現行的(de)(de)土工試驗規范(fan)，本文(wen)磷石膏的(de)(de)含水(shui)率(lv)測定方法為55℃溫(wen)度(du)(du)下烘培24h。

圖2沉積(ji)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(shui)位線(xian)上的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)飽和(he)度(du)平(ping)均值為50.4%，處(chu)于非飽和(he)狀態(tai)(tai)，水(shui)位線(xian)以下的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)飽和(he)度(du)平(ping)均值為85.0%，基本(ben)處(chu)于飽和(he)狀態(tai)(tai)，由于水(shui)位下降(jiang)后(hou)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)來不及排水(shui)固(gu)結(jie)，故而(er)水(shui)位線(xian)上局部試樣的(de)(de)飽和(he)度(du)較高。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上的(de)(de)干密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)干密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可見磷(lin)石膏(gao)與一般的(de)(de)尾礦有所不(bu)同，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干密(mi)度并(bing)不(bu)隨(sui)埋深的(de)(de)增大而(er)明(ming)顯(xian)增大，但(dan)水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以下的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)干密(mi)度從統計(ji)意義上來看仍大于水(shui)位(wei)(wei)線(xian)以上的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)干密(mi)度，這主要(yao)是由(you)于水(shui)位(wei)(wei)線(xian)隨(sui)庫(ku)水(shui)位(wei)(wei)的(de)(de)變化(hua)反復(fu)升降而(er)使得磷(lin)石膏(gao)排(pai)水(shui)固結所致。

室(shi)內擊實(shi)得到(dao)的磷石(shi)(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可以看出(chu)，自然沉積的磷石(shi)(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)(mi)度(du)可達到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的土骨架(jia)(jia)不可壓縮的理論不同，石(shi)(shi)膏(gao)本身可壓縮，同時由(you)于(yu)顆粒結(jie)構(gou)不穩定，擊實(shi)試驗(yan)過程中磷石(shi)(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)被(bei)破壞，受(shou)夯(hang)擊處下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)現(xian)(xian)了類似(si)于(yu)橡(xiang)皮(pi)土的現(xian)(xian)象。而在現(xian)(xian)場條件下(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)骨架(jia)(jia)被(bei)破壞后，會導致顆粒中的結(jie)合水(shui)滲(shen)出(chu)至孔(kong)隙(xi)(xi)內，變成孔(kong)隙(xi)(xi)水(shui)，排水(shui)固(gu)結(jie)后會使得磷石(shi)(shi)膏(gao)的孔(kong)隙(xi)(xi)比減(jian)小，干(gan)密(mi)(mi)度(du)增大。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)孔K2和K17(位(wei)(wei)于2級子(zi)壩河(he)床部(bu)位(wei)(wei))以及相鄰鉆(zhan)孔K6和K18(位(wei)(wei)于4級子(zi)壩河(he)床部(bu)位(wei)(wei))干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使從統計意義上來看，磷石膏的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未隨后續磷石膏的(de)堆積而(er)有較為(wei)(wei)(wei)明顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒(li)分析試驗(yan)采用密度計法，制(zhi)備懸液時(shi)不(bu)(bu)煮沸，不(bu)(bu)加六偏磷酸鈉。圖(tu)5給出了試驗(yan)得到的級配包線(xian)、平均粒(li)徑d50、不(bu)(bu)均勻系(xi)數(1u和曲(qu)率系(xi)數Cc的分布圖(tu)。

從圖5(a)可見，磷石(shi)膏(gao)的(de)粒徑(jing)主要分布(bu)在0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬于(yu)粉(fen)土(tu)，但可能由于(yu)礦石(shi)來(lai)源或生(sheng)產(chan)工藝有所不同(tong)，局部屬于(yu)粉(fen)砂(sha)(sha)～中砂(sha)(sha)。粒徑(jing)分布(bu)范圍比Blight和張超等的(de)試驗結(jie)果要寬一(yi)些。

圖4子壩加高后沉積磷石膏的干密(mi)度變化(hua)

圖5沉積磷石膏的平(ping)均粒徑和(he)級配(pei)分(fen)布(bu)

由(you)圖5(b)和5(c)，無論是水(shui)平向還是垂(chui)直向，磷石膏(gao)(gao)(gao)與金(jin)屬(shu)礦山尾(wei)礦的(de)“前粗(cu)(cu)后細(xi)，上粗(cu)(cu)下細(xi)”的(de)自然(ran)分級(ji)現(xian)象(xiang)不(bu)同，也即(ji)粗(cu)(cu)顆粒(li)并不(bu)是沿埋(mai)深逐步減小(xiao)或距(ju)離放(fang)漿口越遠(yuan)顆粒(li)越細(xi)，其原因如(ru)下：①磷石膏(gao)(gao)(gao)顆粒(li)粒(li)徑組成較(jiao)為(wei)集中(zhong)、均勻，主要以粉粒(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級(ji)配較(jiao)差；②相比較(jiao)金(jin)屬(shu)尾(wei)礦，磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)比重較(jiao)小(xiao)，磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)比重一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金(jin)屬(shu)尾(wei)礦的(de)比重，例如(ru)鐵尾(wei)礦的(de)比重可達2.9；③放(fang)漿口隨子壩(ba)高度(du)不(bu)斷(duan)增加而不(bu)斷(duan)變動并向庫尾(wei)延伸(shen)，造成沉(chen)積磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)粒(li)徑變化不(bu)明(ming)顯。

從(cong)圖(tu)5(d)可見，不(bu)均(jun)勻系數(shu)Cu范圍值1.61～21.5，平(ping)均(jun)值為(wei)4.18，曲率系數(shu)(1c范圍值0.28～9.78，平(ping)均(jun)值為(wei)1.21，在(zai)統計的(de)100多個(ge)試樣中，屬于級配不(bu)良土的(de)占(zhan)93%。這種級配特性(xing)決(jue)定了(le)磷石膏具有較高(gao)的(de)壓縮性(xing)、滲透破(po)(po)壞型式表(biao)現為(wei)流土破(po)(po)壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級(ji)配和孔(kong)隙(xi)比，因而磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)與粉土(tu)較(jiao)為接近。由于孔(kong)隙(xi)比e減小(xiao)，使得(de)過水通道(dao)面(mian)積減小(xiao)，滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k也(ye)將減小(xiao)，k與e呈正(zheng)相關(guan)關(guan)系(xi)。對砂(sha)土(tu)，一般(ban)認為滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)(de)(de)(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)好，圖(tu)6給出了二者間的(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)曲線(xian)，由于沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)不均勻(yun)系(xi)數(shu)(shu)變化較(jiao)大，使得(de)沉(chen)積磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)(shu)變化范(fan)圍較(jiao)大(平均值為10-4cm/s數(shu)(shu)量級(ji))，二者問的(de)(de)(de)(de)線(xian)性(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)差。

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

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

圖(tu)7給出了水平與(yu)垂直向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)比值的(de)(de)分(fen)布。沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)水平向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)kh一(yi)般(ban)大(da)(da)于垂直向(xiang)(xiang)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)kv,kh/kv平均(jun)值約為(wei)2.86，這一(yi)點(dian)與(yu)成(cheng)層分(fen)布的(de)(de)金(jin)屬尾礦規(gui)律一(yi)致。造成(cheng)沉積(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏水平向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)大(da)(da)于垂直向(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)原(yuan)因是由于磷(lin)石(shi)(shi)膏具(ju)有明顯(xian)的(de)(de)晶體(ti)結構，電鏡掃描(miao)顯(xian)示多(duo)為(wei)菱形和棱柱狀(zhuang)形式(見圖(tu)8)，在沉積(ji)過程中，由于扁平狀(zhuang)磷(lin)石(shi)(shi)膏顆粒(li)多(duo)呈(cheng)水平排(pai)列，使得水平方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水性(xing)大(da)(da)于垂直方向(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水性(xing)，從而使磷(lin)石(shi)(shi)膏呈(cheng)現明顯(xian)的(de)(de)各(ge)向(xiang)(xiang)異性(xing)。

另根據(ju)中國有(you)色(se)金屬工業昆明(ming)勘察設計研究院(yuan)在楊(yang)家箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積壩開(kai)展的(de)(de)現場(chang)滲透(tou)(tou)(tou)試驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)(de)平均值約為(wei)(wei)1.9。但張超等(deng)的(de)(de)室內試驗(yan)(yan)顯(xian)示，kh/kv的(de)(de)平均值約為(wei)(wei)0.46，也即(ji)垂直向滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)數大于水(shui)平向滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)數，與本文和現場(chang)試驗(yan)(yan)結(jie)果(guo)恰(qia)恰(qia)相(xiang)反。從磷石(shi)膏的(de)(de)微(wei)觀結(jie)構(gou)來看，本文試驗(yan)(yan)結(jie)果(guo)更為(wei)(wei)合(he)理(li)。

圖7沉積(ji)磷石膏干密度與(yu)水平和垂直滲透(tou)系(xi)(xi)數比(bi)值(zhi)的關系(xi)(xi)

(2)滲(shen)透變形(xing)

圖9為(wei)磷石(shi)膏(gao)(gao)干密度(du)(du)為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度(du)(du)J與(yu)流(liu)速V的(de)(de)關系曲線，試(shi)驗在水(shui)平(ping)(ping)管涌儀中(zhong)采(cai)用水(shui)平(ping)(ping)方向的(de)(de)滲(shen)流(liu)形式進行(xing)。試(shi)驗得到的(de)(de)臨界坡降Jc=0.355，破壞坡降Jp=0.375。一(yi)般(ban)來(lai)(lai)說(shuo)，對(dui)1，2級(ji)工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全系數取為(wei)2.5，則(ze)允(yun)許(xu)(xu)出逸坡降為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以(yi)下(xia)(xia)工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全系數取2.0，則(ze)允(yun)許(xu)(xu)出逸坡降為(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)(xu)比降與(yu)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂大(da)致相同。但(dan)上述(shu)滲(shen)透(tou)變(bian)形試(shi)驗是采(cai)用自來(lai)(lai)水(shui)進行(xing)的(de)(de)，自來(lai)(lai)水(shui)對(dui)磷石(shi)膏(gao)(gao)具有一(yi)定(ding)的(de)(de)溶蝕作(zuo)(zuo)用，而實(shi)際上磷石(shi)膏(gao)(gao)中(zhong)殘余磷、硫和氟酸(suan)，庫(ku)水(shui)的(de)(de)pH值(zhi)一(yi)般(ban)小(xiao)于(yu)(yu)3(稱之為(wei)酸(suan)性(xing)水(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)作(zuo)(zuo)用下(xia)(xia)，磷石(shi)膏(gao)(gao)不會(hui)發生(sheng)破壞，上述(shu)試(shi)驗結果(guo)是偏于(yu)(yu)保(bao)守的(de)(de)，但(dan)對(dui)非酸(suan)性(xing)水(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)(xia)的(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定(ding)判斷(duan)有一(yi)定(ding)的(de)(de)借鑒(jian)意義。

圖(tu)9水力梯度J-流(liu)速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在(zai)5Bar的壓力板(ban)儀(yi)中(zhong)進行(xing)，環刀(dao)尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組(zu)，吸力范圍(wei)0～500kPa。表l列出了(le)含水率特(te)征值，試(shi)驗曲線見圖(tu)10所示。

試驗結果(guo)表(biao)明：①干密(mi)度對進氣(qi)值(zhi)沒有明顯的影響(xiang)，不同(tong)干密(mi)度的試樣(yang)(yang)的進氣(qi)值(zhi)大(da)致(zhi)在10kPa左右；②土樣(yang)(yang)殘余(yu)含水(shui)率隨干密(mi)度的增加而減少，殘余(yu)含水(shui)率約為飽和含水(shui)率的10%。上述(shu)特性(xing)與(yu)粉土一粉砂基(ji)本一致(zhi)。

2.3靜力(li)力(li)學特(te)性

(1)三軸(zhou)CU試驗

由于沉積磷石膏的密(mi)度變化(hua)較(jiao)大，而進行(xing)三軸試(shi)驗(yan)需要若干(gan)原狀(zhuang)樣，為(wei)使試(shi)驗(yan)結果具有(you)較(jiao)好的一致性，有(you)針對(dui)性的選擇平均干(gan)密(mi)度分別為(wei)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，進行(xing)了5組三軸CU試(shi)驗(yan)。圖11是為(wei)干(gan)密(mi)度為(wei)1.2和1.58g/cm3的三軸CU試(shi)驗(yan)曲線(xian)。

從圖(tu)11可以(yi)看出，磷石(shi)膏(gao)的(de)應力應變關系曲(qu)線在低圍壓(ya)下表現為(wei)軟化型，在高圍壓(ya)下表現為(wei)硬化型，與(yu)一(yi)般土類相似。但與(yu)一(yi)般粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)不同的(de)是，即使在較為(wei)疏松的(de)狀態(tai)下，磷石(shi)膏(gao)仍表現了(le)較為(wei)強烈的(de)剪脹(zhang)，隨密(mi)實度增大，剪脹(zhang)作用愈發明顯。

表(biao)2給(gei)出了不同(tong)干(gan)密(mi)度下(xia)的(de)(de)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)，圖12給(gei)出了內(nei)摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)與干(gan)密(mi)度的(de)(de)關系曲線。隨干(gan)密(mi)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，內(nei)摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較好地擬合(he)。磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應力摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根(gen)據擬合(he)曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有(you)效應力摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于(yu)隨圍壓的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔(kong)壓也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較之總應力摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)要小。另(ling)外較之于(yu)干(gan)密(mi)度增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯著，表(biao)明即使較為(wei)疏松的(de)(de)磷(lin)石膏(gao)(gao)仍(reng)具(ju)有(you)較高(gao)(gao)的(de)(de)強(qiang)度指標，這(zhe)也(ye)表(biao)明磷(lin)石膏(gao)(gao)堆(dui)積壩的(de)(de)穩(wen)定性較高(gao)(gao)。

(2)蠕變(次固結)變形試驗

磷石膏(gao)的蠕(ru)變變形試(shi)驗(yan)在側(ce)限壓縮儀中進行，試(shi)驗(yan)狀態相當于K0固(gu)結。試(shi)樣(yang)直(zhi)徑61.8mm，高(gao)度(du)20mm，試(shi)樣(yang)干密(mi)度(du)為1.30g/cm3，對試(shi)樣(yang)飽和后(hou)分別開(kai)展(zhan)了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗(yan)，

試(shi)驗從2012年8月(yue)27日開始，試(shi)驗己進行(xing)了1年多，試(shi)驗結果見圖13所示。

從圖13中可以看出：上覆荷載(zai)越大，磷石(shi)膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)也越大，荷載(zai)施加1年后，磷石(shi)膏(gao)的(de)蠕(ru)變(bian)變(bian)形(xing)仍(reng)非常顯著，尚未達(da)到穩定狀態，這也是磷石(shi)膏(gao)堆積壩后期(qi)變(bian)形(xing)較大的(de)原因(yin)，原型觀測(ce)資料表(biao)明，在5級子壩河(he)床(chuang)部位的(de)表(biao)面沉降量已經(jing)達(da)到3.1m，且(qie)尚未完全穩定。

按時間(jian)對(dui)數法，可(ke)求得各級荷載下(xia)的(de)主(zhu)次(ci)(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形量如表(biao)3所示。試驗結(jie)(jie)果表(biao)明(ming)，在(zai)100～400kPa上覆荷載作用下(xia)，在(zai)試驗時間(jian)范圍內(nei)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形是主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形的(de)1.8～3.1倍(bei)，當然由(you)于(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形尚未完成，實際(ji)的(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形應更大。對(dui)土(tu)體而言，發(fa)生蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)原因是由(you)于(yu)(yu)土(tu)體在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)完成之后，土(tu)體中仍有(you)微小的(de)超靜(jing)孔隙壓(ya)力存(cun)在(zai)，驅使(shi)水在(zai)顆粒問流動，一般(ban)來講(jiang)土(tu)體的(de)次(ci)(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)遠(yuan)小于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形；對(dui)磷石膏而言，其(qi)滲透系數在(zai)10-4cm/s數量級，遠(yuan)大于(yu)(yu)黏性土(tu)，但其(qi)卻發(fa)生了極為顯著的(de)次(ci)(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形，其(qi)原因在(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶(jing)體結(jie)(jie)構發(fa)生了壓(ya)縮、破壞，接觸點晶(jing)格發(fa)生歪曲(qu)和變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形，而破壞后晶(jing)格之間(jian)的(de)重新排列、調(diao)整到最(zui)后趨于(yu)(yu)相對(dui)靜(jing)止需要相當長的(de)時間(jian)才能完成。

2.4動力(li)力(li)學特性

試(shi)驗設備采用英(ying)國GDS公司進口(kou)的(de)電機(ji)控制動三軸試(shi)驗系統(tong)，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比

同樣由于自然(ran)沉積的磷(lin)石膏密度變化(hua)較大，為此根據物理性質試驗結(jie)果，選(xuan)擇(ze)兩種平均干密度1.34g/cm3(變化(hua)范(fan)圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變化(hua)范(fan)圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪(jian)切(qie)模量G、阻尼比與剪(jian)應變幅值γd的關系式如下：

式中(zhong)k1為(wei)參數，表示動(dong)剪切模量的(de)衰減或阻尼比(bi)的(de)增長速率(lv)；λmax為(wei)最大(da)(da)阻尼比(bi)；Gmax，γd分別(bie)為(wei)最大(da)(da)動(dong)剪切模量和歸一化的(de)動(dong)剪應變，表示為(wei)

式(shi)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(bo)松(song)比；εa為(wei)歸一化(hua)的(de)動應變，表達為(wei)

圖(tu)14給(gei)(gei)出(chu)了動剪切模(mo)量、阻(zu)尼比(bi)與歸一(yi)化動應(ying)變的(de)關(guan)系曲線，另外(wai)圖(tu)中還給(gei)(gei)出(chu)了式(1)的(de)擬合曲線以(yi)及Seed等給(gei)(gei)出(chu)的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊(bian)界線，圖(tu)例(li)中，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固結應(ying)力比(bi)。

從(cong)圖中可(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)較(jiao)好地描述(shu)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)應力(li)(li)-動(dong)應變試驗曲線(xian)，表明(ming)采用(yong)等(deng)(deng)價黏彈性模(mo)(mo)型進(jin)行(xing)(xing)循環荷載作(zuo)用(yong)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)分析(xi)是可(ke)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)；②圖14(a)中干密度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)位(wei)于(yu)干密度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)上方(fang)，圖14(b)中則位(wei)于(yu)下(xia)(xia)方(fang)，表明(ming)密度越(yue)大，動(dong)彈模(mo)(mo)越(yue)大、阻(zu)尼比越(yue)小；③圖14(a)中，兩種干密度的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)Seed等(deng)(deng)給(gei)出(chu)的(de)(de)(de)(de)邊界(jie)線(xian)上方(fang)，而圖14(b)中則基本(ben)處于(yu)邊界(jie)線(xian)中間(jian)，表明(ming)相比較(jiao)砂(sha)樣，磷(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)彈模(mo)(mo)較(jiao)大，會導(dao)致(zhi)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應較(jiao)大，但由于(yu)阻(zu)尼比也(ye)較(jiao)大，這(zhe)樣又會削弱壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應，二(er)者的(de)(de)(de)(de)相互(hu)影響下(xia)(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)體的(de)(de)(de)(de)動(dong)力(li)(li)反應將不會過(guo)于(yu)強烈(lie)，這(zhe)對(dui)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)(ji)壩(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震穩定(ding)性是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇兩種平(ping)均干密度為1.12(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍(wei)1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試驗，破壞標(biao)準(zhun)為總(zong)應變(bian)達(da)到(dao)10%。

圖(tu)15給出(chu)了動剪(jian)(jian)應(ying)力(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與破壞(huai)振次Nf的關系曲線圖(tu)，其中σ0為(wei)振前(qian)試(shi)樣(yang)45°面(mian)上的有效法向(xiang)應(ying)力(li)，表(biao)(biao)達為(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)固結(jie)比(bi)(bi)。從試(shi)驗結(jie)果可以看出(chu)，沉(chen)積磷石膏的動強度(du)與其它(ta)土體相似，表(biao)(biao)現為(wei)圍壓和(he)固結(jie)應(ying)力(li)比(bi)(bi)與動剪(jian)(jian)應(ying)力(li)比(bi)(bi)呈負相關關系。

為判別(bie)沉積磷石膏的抗液化能力(li)，假(jia)定抗震設計烈度為8度，即等效振(zhen)次Ⅳ可(ke)取(qu)為30。首先由式(4)

所示的冪函(han)數(shu)關系式得到振次(ci)為30時各(ge)個圍壓和固結(jie)比下的動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬(ni)合求得動剪應力比與圍壓和固(gu)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(shu)擬合關系式可(ke)見，密實度(du)(du)提(ti)高后，動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)提(ti)高，表(biao)明抗液化能(neng)力(li)也提(ti)高。但即(ji)使是在(zai)低密度(du)(du)下，其動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)較之同類(lei)的(de)粉(fen)土或粉(fen)砂也大出許多，表(biao)明磷石膏具有(you)較高的(de)抗液化能(neng)力(li)。

三、結(jie)論(lun)

依托(tuo)柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)，在(zai)鉆探取樣工作的基礎(chu)上，首先開(kai)展了物理(li)性質試驗，然后(hou)開(kai)展了靜動力力學特性試驗。通(tong)過上述試驗研究，得出如下結論：

(1)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏總體上屬(shu)于級(ji)(ji)配不(bu)良的(de)粉土(tu)，局(ju)部屬(shu)于粉砂一中砂，無(wu)自(zi)然分級(ji)(ji)現(xian)象。其干密度(du)和粒徑變化隨埋深或(huo)距放(fang)漿口(kou)距離的(de)變化不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏(gao)水(shui)平方(fang)向(xiang)的滲(shen)透系數大于(yu)垂直方(fang)向(xiang)的滲(shen)透系數，呈現(xian)明顯的各向(xiang)異性。

(3)與土(tu)體顆(ke)粒不(bu)可壓(ya)縮不(bu)同，磷石膏的晶體結(jie)(jie)構會發生壓(ya)縮破壞，具有較大的壓(ya)縮性(xing)，其次固(gu)結(jie)(jie)變形量遠(yuan)大于主固(gu)結(jie)(jie)變形量。

(4)沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏的靜(jing)動強度較之同等密(mi)實度下的粉(fen)土、粉(fen)砂(sha)要高。