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)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)是濕(shi)(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)生(sheng)產過程中的(de)副產品，2018年(nian)(nian)，全國磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)產生(sheng)量(liang)為7800萬噸，且呈逐年(nian)(nian)增長(chang)的(de)態勢(shi)。磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)主要成分(fen)(fen)是CaO和SO3，但含有(you)一(yi)定量(liang)的(de)氟(fu)化物和其它放(fang)射性物質，在(zai)中國通常(chang)按(an)Ⅱ類一(yi)般工業固體(ti)廢物處理(li)(li)，鑒(jian)于無害化處理(li)(li)成本較高，目前綜合利用(yong)率尚(shang)不足40%，故(gu)大(da)部分(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)需(xu)要堆存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放(fang)。按(an)堆存(cun)(cun)(cun)場地(di)的(de)不同，可分(fen)(fen)為平(ping)地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆場，在(zai)中國基本上(shang)是山(shan)谷型(xing)(xing)堆場。相(xiang)比(bi)較干(gan)法(fa)堆存(cun)(cun)(cun)，濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆存(cun)(cun)(cun)經濟優勢(shi)明(ming)顯，因而如地(di)質條件為非碳酸(suan)鹽巖地(di)區(qu)，一(yi)般均采(cai)用(yong)濕(shi)(shi)(shi)排濕(shi)(shi)(shi)堆方式。隨著(zhu)中國磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)肥工業的(de)快(kuai)速發展，本世紀初中國相(xiang)繼建設了幾座(zuo)濕(shi)(shi)(shi)法(fa)堆存(cun)(cun)(cun)的(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)，例如云天(tian)化國際化工三環分(fen)(fen)公司的(de)柳樹(shu)箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆積壩(ba)(ba)和富(fu)瑞分(fen)(fen)公司的(de)楊家箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆積壩(ba)(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)(ba)設計壩(ba)(ba)高均超過100m、處于8度地(di)震區(qu)，其安全性備受關注。

據(ju)統(tong)計，110多(duo)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(shi)故，原因主要有地震、洪水漫頂、滲(shen)透破壞和基礎失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事(shi)后會造成巨大(da)的生態災難和人員傷亡(wang)，近幾(ji)十(shi)年來，

國內外對(dui)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)尾礦(kuang)的(de)沉積(ji)規(gui)律、物理(li)力學特性(xing)(xing)及(ji)其穩(wen)定性(xing)(xing)開(kai)展了大量的(de)研究，但(dan)對(dui)于(yu)與金(jin)(jin)屬(shu)(shu)尾礦(kuang)庫(ku)相近的(de)磷石膏(gao)(gao)庫(ku)，一般僅限于(yu)在可(ke)研階段采用人(ren)工制(zhi)備樣進行(xing)(xing)物理(li)力學性(xing)(xing)質試驗，并據此(ci)進行(xing)(xing)穩(wen)定性(xing)(xing)分(fen)析，尚未有人(ren)針對(dui)己運行(xing)(xing)若干年的(de)大型(xing)濕(shi)法堆(dui)存磷石膏(gao)(gao)堆(dui)積(ji)壩(ba)開(kai)展過(guo)磷石膏(gao)(gao)沉積(ji)規(gui)律及(ji)其物理(li)力學特性(xing)(xing)的(de)專項研究。

本文依托柳樹箐(qing)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)，首先進行了鉆探取(qu)樣(yang)，采用(yong)原狀(zhuang)(zhuang)樣(yang)開展了密(mi)度、含水率、滲(shen)(shen)透(tou)、土水特征和(he)顆(ke)分(fen)等物理(li)(li)性(xing)(xing)質試驗，在此(ci)基礎上有針對(dui)(dui)性(xing)(xing)的選(xuan)擇原狀(zhuang)(zhuang)樣(yang)開展了三軸CU、蠕變及動三軸等力學特性(xing)(xing)試驗。通過(guo)上述(shu)試驗研(yan)究，總結了磷(lin)石(shi)膏(gao)的沉積(ji)規律、滲(shen)(shen)透(tou)特性(xing)(xing)、滲(shen)(shen)透(tou)破壞特性(xing)(xing)以及靜動力特性(xing)(xing)，上述(shu)研(yan)究工(gong)作(zuo)對(dui)(dui)研(yan)究和(he)評估磷(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積(ji)壩(ba)的穩定(ding)性(xing)(xing)提供了基礎數據，對(dui)(dui)現(xian)行磷(lin)石(shi)膏(gao)庫的運行管(guan)理(li)(li)以及新(xin)建工(gong)程(cheng)的設計具(ju)有重要的借(jie)鑒意義。

一、依托工程(cheng)概(gai)況

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆(dui)積(ji)壩堆(dui)存(cun)設(she)計方(fang)案

由初期壩(ba)和(he)堆積壩(ba)組成，設計總壩(ba)高(gao)約130m。

(1)初期壩(ba)

初期壩壩高約30m，采用土料填筑。上游坡(po)面(mian)、壩底和下游壩腳設(she)置堆(dui)石排水(shui)體，三(san)者(zhe)相連通構成整(zheng)個(ge)堆(dui)積壩的主要排滲系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措施(shi)

采用上游(you)式筑壩(ba)法(fa)，共20級(ji)(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高(gao)度5m，堆積高(gao)度約100m。采用排滲(shen)管網作為輔助排滲(shen)方(fang)案，目(mu)前己在(zai)5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)和13級(ji)(ji)子壩(ba)壩(ba)前120m范圍內設置了井字形排滲(shen)管網。

1.2沉積磷(lin)石膏(gao)的鉆探取(qu)樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置(zhi)見(jian)圖(tu)l。2008年(nian)6月，堆(dui)積至(zhi)5級子壩(ba)(ba)時(shi)，布(bu)設(she)了(le)9個(ge)取(qu)(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號K1～K9，取(qu)(qu)原(yuan)狀(zhuang)(zhuang)樣76件；2013年(nian)5月，堆(dui)積至(zhi)13級子壩(ba)(ba)時(shi)，又布(bu)設(she)了(le)11個(ge)取(qu)(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號K10～K20，取(qu)(qu)原(yuan)狀(zhuang)(zhuang)樣112件，為(wei)比較子壩(ba)(ba)加高和(he)磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積過程中磷(lin)石(shi)膏物(wu)理力(li)學性質的(de)變(bian)化，在(zai)2，4級子壩(ba)(ba)K2孔(kong)和(he)K6孔(kong)附近各布(bu)設(she)了(le)一個(ge)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號分(fen)別為(wei)K17和(he)K18。

1.3運行概況(kuang)

柳樹(shu)箐磷石膏尾礦庫2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入運行(xing)，截至(zhi)2013年(nian)5月己(ji)堆(dui)至(zhi)13級(ji)子壩，尚有(you)7級(ji)子壩即堆(dui)存(cun)至(zhi)設計高程。鑒(jian)于磷石膏庫地形(xing)、地質條件(jian)較(jiao)好(hao)，具備擴容改造(zao)的條件(jian)，以提高堆(dui)存(cun)庫容，減(jian)少堆(dui)存(cun)占地，節約土地資源(yuan)。

本文主要對沉積(ji)磷石膏的物(wu)理力學特性進(jin)行(xing)了全面總(zong)結，限于篇(pian)幅，有關(guan)現狀(zhuang)磷石膏庫(ku)堆積(ji)壩(ba)的安全性評價及其加高(gao)可(ke)行(xing)性的研究將另文發表。

二、沉積磷(lin)石膏(gao)的物理力學特性

2.1物理(li)特性

(1)干(gan)密度分布

圖2給出了(le)14個鉆孔的取樣深(shen)度(du)和(he)試驗(yan)所得干密(mi)度(du)的關系，圖中(zhong)UWL表示水(shui)位(wei)(wei)線上(shang)，(系鉆孔期間的初(chu)見水(shui)位(wei)(wei)線，下(xia)(xia)同(tong))，DWL表示水(shui)位(wei)(wei)線下(xia)(xia)。圖3給出了(le)水(shui)位(wei)(wei)線上(shang)下(xia)(xia)的飽和(he)度(du)分(fen)布圖。由于磷(lin)石膏(gao)中(zhong)的主要(yao)成(cheng)分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫度(du)和(he)烘(hong)烤時間對測(ce)(ce)定(ding)(ding)結果(guo)有(you)一(yi)定(ding)(ding)影響，不(bu)能照搬現行的土(tu)工試驗(yan)規范，本(ben)文磷(lin)石膏(gao)的含水(shui)率測(ce)(ce)定(ding)(ding)方法為(wei)55℃溫度(du)下(xia)(xia)烘(hong)培24h。

圖2沉積磷(lin)石(shi)膏干密度與埋深的(de)關(guan)系

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

由圖(tu)3，水(shui)(shui)位線(xian)上的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)飽(bao)和度(du)平均值為50.4%，處于非飽(bao)和狀態(tai)，水(shui)(shui)位線(xian)以下的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)飽(bao)和度(du)平均值為85.0%，基本(ben)處于飽(bao)和狀態(tai)，由于水(shui)(shui)位下降后磷(lin)(lin)石膏(gao)來不及排水(shui)(shui)固結，故而水(shui)(shui)位線(xian)上局部(bu)試樣的(de)飽(bao)和度(du)較高。

由圖2，水(shui)位(wei)線以上的(de)干(gan)密(mi)度在0.98～1.67g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線以下(xia)的(de)干(gan)密(mi)度在1.15～1.73g/cm3之間，均(jun)值為(wei)1.4g/cm3。可見磷石(shi)膏(gao)(gao)與一般(ban)的(de)尾礦有所不同，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密(mi)度并不隨埋深的(de)增大而明顯(xian)增大，但(dan)水(shui)位(wei)線以下(xia)的(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度從統(tong)計意義上來看仍大于水(shui)位(wei)線以上的(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)度，這主要是由于水(shui)位(wei)線隨庫水(shui)位(wei)的(de)變(bian)化反復升降而使得磷石(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)固(gu)結所致。

室內擊實得(de)到的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干密度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之間，從圖(tu)2可(ke)以看出(chu)，自然沉積(ji)的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大干密度(du)可(ke)達(da)到1.73g/cm3，原因如下：與經典的(de)土骨(gu)架(jia)不可(ke)壓縮的(de)理論(lun)不同，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)本身可(ke)壓縮，同時由于顆(ke)粒結構不穩定，擊實試驗過(guo)程中(zhong)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)結構被破(po)壞，受夯擊處下陷，四周鼓起，出(chu)現了類(lei)似于橡(xiang)皮土的(de)現象。而在現場條件下，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨(gu)架(jia)被破(po)壞后(hou)，會(hui)導致(zhi)顆(ke)粒中(zhong)的(de)結合水滲出(chu)至孔隙內，變成孔隙水，排水固(gu)結后(hou)會(hui)使得(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)孔隙比(bi)減小，干密度(du)增大。

圖(tu)4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K2和(he)K17(位于2級子壩河(he)床(chuang)部(bu)(bu)位)以(yi)及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)(kong)K6和(he)K18(位于4級子壩河(he)床(chuang)部(bu)(bu)位)干密度(du)(du)(du)的(de)(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干密度(du)(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干密度(du)(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干密度(du)(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)(kong)的(de)(de)干密度(du)(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間(jian)，均值為1.37g/cm3。可見，即使從統計(ji)意(yi)義(yi)上來看，磷石膏的(de)(de)干密度(du)(du)(du)也并(bing)未隨后續磷石膏的(de)(de)堆積(ji)而有較為明顯的(de)(de)增大(da)。

(2)級配(pei)分布

顆粒分析試驗采用(yong)密度(du)計(ji)法，制備懸(xuan)液時不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏磷酸鈉。圖(tu)5給出(chu)了(le)試驗得到的級配包線、平均粒徑d50、不(bu)均勻系(xi)數(shu)(1u和曲率系(xi)數(shu)Cc的分布圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見，磷石(shi)膏(gao)的(de)粒(li)徑主要分布在0.005～0.075mm之間，總(zong)體(ti)上屬(shu)(shu)于粉(fen)土，但可(ke)能由于礦石(shi)來源或生產工(gong)藝(yi)有所不(bu)同，局部屬(shu)(shu)于粉(fen)砂～中砂。粒(li)徑分布范圍比(bi)Blight和(he)張超(chao)等的(de)試驗(yan)結果要寬一些。

圖4子壩加高后沉積(ji)磷石膏的干(gan)密度變化

圖(tu)5沉積磷石(shi)膏的平均粒徑和(he)級配(pei)分布(bu)

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論是水平向還是垂直(zhi)向，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)與金屬礦(kuang)(kuang)(kuang)山(shan)尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)“前粗后細(xi)(xi)，上(shang)粗下細(xi)(xi)”的(de)自然分級現象不(bu)(bu)同，也即粗顆粒(li)(li)并不(bu)(bu)是沿埋(mai)深逐步減小或距離放漿口越遠顆粒(li)(li)越細(xi)(xi)，其原因如下：①磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成較(jiao)(jiao)為集中、均勻(yun)，主(zhu)要以粉粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級配較(jiao)(jiao)差(cha)；②相(xiang)比(bi)(bi)較(jiao)(jiao)金屬尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重較(jiao)(jiao)小，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)比(bi)(bi)重一般為2.3～2.4，遠小于金屬尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)重，例如鐵尾(wei)(wei)(wei)礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)比(bi)(bi)重可達2.9；③放漿口隨子壩(ba)高度不(bu)(bu)斷(duan)增加而不(bu)(bu)斷(duan)變動并向庫尾(wei)(wei)(wei)延伸(shen)，造成沉(chen)積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)粒(li)(li)徑變化不(bu)(bu)明顯。

從圖5(d)可見，不均(jun)勻系數(shu)Cu范圍值1.61～21.5，平均(jun)值為(wei)4.18，曲(qu)率(lv)系數(shu)(1c范圍值0.28～9.78，平均(jun)值為(wei)1.21，在統(tong)計的(de)100多個試樣中，屬于(yu)級配(pei)不良土的(de)占93%。這種級配(pei)特性決(jue)定了磷石膏具有較(jiao)高的(de)壓縮性、滲(shen)透破(po)壞型(xing)式(shi)表現為(wei)流土破(po)壞。

2.2滲(shen)透特性

(1)滲透系(xi)數

影(ying)響滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級(ji)配(pei)和孔隙比，因而磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)與(yu)粉土較(jiao)(jiao)為接近。由(you)于(yu)(yu)孔隙比e減(jian)小(xiao)，使得過水通道(dao)面(mian)積減(jian)小(xiao)，滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k也(ye)將減(jian)小(xiao)，k與(yu)e呈(cheng)正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認為滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)好(hao)，圖6給出(chu)了(le)二者(zhe)(zhe)間的(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)曲線，由(you)于(yu)(yu)沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)不均勻(yun)系(xi)(xi)(xi)數(shu)變化(hua)較(jiao)(jiao)大，使得沉(chen)(chen)積磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)變化(hua)范圍較(jiao)(jiao)大(平(ping)均值為10-4cm/s數(shu)量級(ji))，二者(zhe)(zhe)問的(de)(de)線性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較(jiao)(jiao)差。

圖6沉積(ji)磷石膏滲透系數與(yu)孔隙比的關系

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

圖(tu)7給出(chu)了水(shui)(shui)(shui)平(ping)與垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)比值(zhi)的(de)(de)分布(bu)。沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)kh一(yi)般大于(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)均(jun)值(zhi)約為(wei)2.86，這一(yi)點(dian)與成層分布(bu)的(de)(de)金屬尾礦(kuang)規律一(yi)致。造成沉積磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)大于(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)原因是由(you)(you)于(yu)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏具有明(ming)顯的(de)(de)晶體結(jie)構，電鏡掃(sao)描顯示多為(wei)菱形和棱柱狀(zhuang)形式(shi)(見(jian)圖(tu)8)，在沉積過程中，由(you)(you)于(yu)扁(bian)平(ping)狀(zhuang)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏顆粒(li)多呈水(shui)(shui)(shui)平(ping)排(pai)列，使得(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性大于(yu)垂直(zhi)(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性，從(cong)而使磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏呈現(xian)明(ming)顯的(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根(gen)據中(zhong)國有色金屬工業(ye)昆(kun)明勘察設計研究(jiu)院(yuan)在楊(yang)家(jia)箐磷(lin)石膏堆積壩(ba)開展的(de)現場滲透(tou)試(shi)驗，kh/kv的(de)平(ping)均值約為1.9。但張超等的(de)室內試(shi)驗顯示，kh/kv的(de)平(ping)均值約為0.46，也(ye)即垂直向滲透(tou)系數大于水平(ping)向滲透(tou)系數，與(yu)本文(wen)和現場試(shi)驗結(jie)果恰恰相反。從磷(lin)石膏的(de)微觀結(jie)構來看，本文(wen)試(shi)驗結(jie)果更(geng)為合理。

圖7沉積磷(lin)石膏干(gan)密(mi)度(du)與(yu)水平(ping)和垂(chui)直滲透(tou)系數比值的關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)(wei)(wei)磷石(shi)膏(gao)干密度(du)為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的水(shui)(shui)(shui)力梯度(du)J與流速V的關系(xi)曲線(xian)，試(shi)驗在(zai)水(shui)(shui)(shui)平(ping)管涌(yong)儀中采(cai)用水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向的滲(shen)流形式進行。試(shi)驗得到(dao)的臨界(jie)坡(po)(po)降(jiang)Jc=0.355，破壞(huai)坡(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一般來(lai)說(shuo)，對1，2級工程(cheng)，滲(shen)透安(an)全系(xi)數取為(wei)(wei)(wei)2.5，則(ze)允(yun)許出逸坡(po)(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對3級以下工程(cheng)，滲(shen)透安(an)全系(xi)數取2.0，則(ze)允(yun)許出逸坡(po)(po)降(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)許比(bi)降(jiang)與粉土(tu)一粉砂大(da)致相(xiang)同。但上述滲(shen)透變形試(shi)驗是采(cai)用自來(lai)水(shui)(shui)(shui)進行的，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)對磷石(shi)膏(gao)具有(you)一定的溶蝕(shi)作(zuo)用，而(er)實際上磷石(shi)膏(gao)中殘(can)余磷、硫(liu)和(he)氟(fu)酸，庫水(shui)(shui)(shui)的pH值一般小于3(稱之為(wei)(wei)(wei)酸性(xing)水(shui)(shui)(shui))，在(zai)酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)作(zuo)用下，磷石(shi)膏(gao)不會發(fa)生破壞(huai)，上述試(shi)驗結果是偏于保守(shou)的，但對非酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下的滲(shen)透穩定判(pan)斷(duan)有(you)一定的借鑒(jian)意義。

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

(3)土(tu)水(shui)特征試驗(yan)

試驗(yan)在5Bar的(de)壓力板(ban)儀中進(jin)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(yan)曲(qu)線見圖10所示。

試驗結(jie)果(guo)表明：①干(gan)密(mi)度(du)(du)對進氣(qi)值沒有明顯的(de)(de)(de)影響(xiang)，不(bu)同干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)試樣的(de)(de)(de)進氣(qi)值大(da)致在(zai)10kPa左右；②土(tu)樣殘余(yu)(yu)含(han)(han)水(shui)率(lv)隨干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)增加而減少，殘余(yu)(yu)含(han)(han)水(shui)率(lv)約為飽和含(han)(han)水(shui)率(lv)的(de)(de)(de)10%。上述特(te)性(xing)與粉(fen)(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)(fen)砂基本(ben)一(yi)致。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試驗(yan)

由(you)于沉(chen)積(ji)磷石膏的(de)(de)密度變(bian)化較(jiao)大，而進(jin)行三軸試(shi)驗需要(yao)若干原狀樣，為(wei)使試(shi)驗結果(guo)具有較(jiao)好(hao)的(de)(de)一致性，有針(zhen)對性的(de)(de)選擇平均干密度分別為(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(de)(de)若干試(shi)樣，進(jin)行了5組三軸CU試(shi)驗。圖11是為(wei)干密度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三軸CU試(shi)驗曲(qu)線(xian)。

從圖11可以(yi)看出，磷(lin)石膏的(de)(de)應力應變關系曲線在(zai)低(di)圍壓(ya)下表(biao)現(xian)為軟化型(xing)，在(zai)高(gao)圍壓(ya)下表(biao)現(xian)為硬化型(xing)，與一(yi)般(ban)土類相似。但與一(yi)般(ban)粉土一(yi)粉砂(sha)不同的(de)(de)是，即使在(zai)較為疏松的(de)(de)狀態(tai)下，磷(lin)石膏仍表(biao)現(xian)了較為強烈的(de)(de)剪脹，隨密實(shi)度增(zeng)大(da)，剪脹作用愈發明顯(xian)。

表2給出了(le)不同干(gan)(gan)密(mi)度(du)下的(de)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出了(le)內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)與干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)關系曲線。隨干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內(nei)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函數較(jiao)(jiao)好地擬(ni)合(he)。磷(lin)石膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，總應力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據(ju)擬(ni)合(he)曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有(you)效應力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由于隨圍壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也(ye)明(ming)顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之總應力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)要(yao)小。另外(wai)較(jiao)(jiao)之于干(gan)(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不顯(xian)著，表明(ming)即(ji)使較(jiao)(jiao)為(wei)疏松的(de)磷(lin)石膏仍具有(you)較(jiao)(jiao)高的(de)強(qiang)度(du)指標，這也(ye)表明(ming)磷(lin)石膏堆(dui)積壩的(de)穩定性較(jiao)(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(次固結)變形(xing)試驗

磷(lin)石膏的蠕變變形試(shi)驗在(zai)側(ce)限壓縮儀中進行，試(shi)驗狀態相(xiang)當(dang)于K0固結。試(shi)樣直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)樣干(gan)密度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)樣飽和(he)后分別開展了上覆壓力(li)ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)驗，

試驗(yan)從2012年(nian)8月27日開(kai)始(shi)，試驗(yan)己進行了1年(nian)多，試驗(yan)結(jie)果(guo)見圖13所(suo)示。

從圖13中可以看(kan)出：上(shang)覆荷載(zai)越(yue)大(da)，磷石(shi)膏的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也(ye)越(yue)大(da)，荷載(zai)施加(jia)1年(nian)后，磷石(shi)膏的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍非常顯著，尚(shang)未達到穩定(ding)狀態(tai)，這也(ye)是磷石(shi)膏堆積(ji)壩后期變(bian)(bian)形(xing)較大(da)的(de)原因，原型觀測資料(liao)表(biao)明(ming)，在5級(ji)子壩河床部位的(de)表(biao)面沉降量已經達到3.1m，且(qie)尚(shang)未完全穩定(ding)。

按時間(jian)對(dui)(dui)數法，可求得各級荷載(zai)下的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所示(shi)。試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載(zai)作用下，在(zai)(zai)試(shi)(shi)驗(yan)時間(jian)范圍內蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie))變(bian)(bian)形(xing)(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當然(ran)由于(yu)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成(cheng)，實際(ji)的(de)(de)蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)(xing)應更(geng)大(da)。對(dui)(dui)土(tu)體(ti)(ti)而言，發生蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)的(de)(de)原(yuan)(yuan)因(yin)是(shi)由于(yu)土(tu)體(ti)(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)完成(cheng)之后，土(tu)體(ti)(ti)中仍有微(wei)小的(de)(de)超(chao)靜孔隙壓(ya)力存(cun)在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流動，一(yi)般來講(jiang)土(tu)體(ti)(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)遠(yuan)(yuan)小于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)；對(dui)(dui)磷(lin)石(shi)膏而言，其滲透系(xi)數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級，遠(yuan)(yuan)大(da)于(yu)黏(nian)性土(tu)，但其卻發生了(le)極為(wei)顯著的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，其原(yuan)(yuan)因(yin)在(zai)(zai)于(yu)磷(lin)石(shi)膏晶(jing)體(ti)(ti)結(jie)(jie)構發生了(le)壓(ya)縮、破(po)壞，接觸點(dian)晶(jing)格發生歪曲和變(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破(po)壞后晶(jing)格之間(jian)的(de)(de)重新排(pai)列、調整到最(zui)后趨于(yu)相對(dui)(dui)靜止需要相當長的(de)(de)時間(jian)才能完成(cheng)。

2.4動力力學特(te)性

試驗(yan)設備采用英(ying)國GDS公司進口(kou)的電機(ji)控制(zhi)動三軸試驗(yan)系(xi)統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量(liang)和阻尼比

同樣(yang)由于自然沉積的磷石膏(gao)密(mi)度變化較(jiao)大，為此(ci)根(gen)據物(wu)理(li)性質試驗(yan)(yan)結果(guo)，選擇兩種平均干密(mi)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(yan)(yan)。

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

式中(zhong)k1為參數(shu)，表示動剪切(qie)模量的衰減(jian)或阻尼比的增長速率；λmax為最(zui)大阻尼比；Gmax，γd分(fen)別為最(zui)大動剪切(qie)模量和歸(gui)一化的動剪應變，表示為

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)標準大(da)氣(qi)壓；vd為(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)歸(gui)一化的動(dong)應(ying)變，表達為(wei)

圖14給出了動(dong)剪切模(mo)量、阻尼比(bi)(bi)與歸一化動(dong)應變(bian)的(de)關(guan)系(xi)曲(qu)線(xian)，另外(wai)圖中還給出了式(1)的(de)擬合曲(qu)線(xian)以及Seed等給出的(de)砂樣的(de)上下(xia)邊界(jie)線(xian)，圖例中，σ2表(biao)示(shi)(shi)圍壓，Kc表(biao)示(shi)(shi)固(gu)結應力比(bi)(bi)。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)以看出(chu)(chu)：①式(1)可(ke)較(jiao)好地(di)描述磷(lin)石膏(gao)的(de)動應(ying)力-動應(ying)變試驗曲(qu)線，表明(ming)(ming)采(cai)用等價黏彈性(xing)模(mo)型進行循環荷(he)載作(zuo)用下的(de)分析是可(ke)行的(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)擬合(he)線位于(yu)(yu)干(gan)密(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)擬合(he)線上方，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)位于(yu)(yu)下方，表明(ming)(ming)密(mi)度(du)(du)越大(da)(da)，動彈模(mo)越大(da)(da)、阻尼(ni)比(bi)(bi)越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)擬合(he)線基(ji)本位于(yu)(yu)Seed等給出(chu)(chu)的(de)邊界(jie)線上方，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則(ze)基(ji)本處于(yu)(yu)邊界(jie)線中(zhong)(zhong)間，表明(ming)(ming)相比(bi)(bi)較(jiao)砂樣，磷(lin)石膏(gao)動彈模(mo)較(jiao)大(da)(da)，會導致(zhi)磷(lin)石膏(gao)堆積壩的(de)動力反應(ying)較(jiao)大(da)(da)，但由于(yu)(yu)阻尼(ni)比(bi)(bi)也(ye)較(jiao)大(da)(da)，這樣又(you)會削(xue)弱(ruo)壩體的(de)動力反應(ying)，二者(zhe)的(de)相互影(ying)響(xiang)下，磷(lin)石膏(gao)堆積壩壩體的(de)動力反應(ying)將(jiang)不會過于(yu)(yu)強(qiang)烈，這對磷(lin)石膏(gao)堆積壩的(de)抗震穩(wen)定性(xing)是有利的(de)。

(2)動強度

選擇(ze)兩種(zhong)平均干密度為(wei)1.12(變(bian)化(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行(xing)試(shi)驗，破壞標(biao)準為(wei)總應變(bian)達到10%。

圖(tu)15給(gei)出了(le)動(dong)剪(jian)(jian)應(ying)(ying)力比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振(zhen)次(ci)Nf的關(guan)系曲(qu)線圖(tu)，其中σ0為振(zhen)前(qian)試(shi)樣(yang)45°面上(shang)的有效(xiao)法(fa)向(xiang)應(ying)(ying)力，表(biao)(biao)達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結比(bi)(bi)。從試(shi)驗結果(guo)可以看出，沉積磷(lin)石(shi)膏的動(dong)強度(du)與(yu)其它(ta)土體相似(si)，表(biao)(biao)現(xian)為圍壓和(he)固結應(ying)(ying)力比(bi)(bi)與(yu)動(dong)剪(jian)(jian)應(ying)(ying)力比(bi)(bi)呈負相關(guan)關(guan)系。

為(wei)判別(bie)沉積磷石膏(gao)的抗液化(hua)能力，假定抗震設計(ji)烈(lie)度(du)為(wei)8度(du)，即等效振(zhen)次Ⅳ可取為(wei)30。首(shou)先由式(4)

所示的冪函(han)數關系式得(de)到(dao)振次(ci)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(ni)合求得動剪應力比與圍壓和固(gu)結(jie)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(cong)上述(shu)擬合關(guan)系式可見，密(mi)實度提高后，動剪(jian)應力(li)比提高，表明抗液(ye)化能(neng)力(li)也提高。但即使(shi)是在低密(mi)度下，其動剪(jian)應力(li)比較之同類的(de)粉土或粉砂也大出許(xu)多，表明磷石膏具有(you)較高的(de)抗液(ye)化能(neng)力(li)。

三、結論

依(yi)托柳樹箐(qing)磷石膏堆積壩(ba)，在鉆探(tan)取樣工作(zuo)的基礎上，首(shou)先開展了物理性(xing)(xing)質試驗(yan)，然后開展了靜(jing)動(dong)力(li)力(li)學特(te)性(xing)(xing)試驗(yan)。通過上述(shu)試驗(yan)研究，得出如(ru)下結論：

(1)沉(chen)積磷石膏總(zong)體上屬(shu)于級配(pei)不良的(de)粉土，局部屬(shu)于粉砂一(yi)中(zhong)砂，無自然(ran)分級現象。其干(gan)密度和粒徑變(bian)化隨(sui)埋深或距(ju)放漿口距(ju)離的(de)變(bian)化不明(ming)顯。

(2)沉積磷石膏水平(ping)方向的(de)滲透系(xi)(xi)數大于垂(chui)直(zhi)方向的(de)滲透系(xi)(xi)數，呈現明(ming)顯(xian)的(de)各向異性(xing)。

(3)與土(tu)體顆粒(li)不可(ke)壓縮不同，磷石膏的晶體結構會發(fa)生(sheng)壓縮破(po)壞，具有(you)較大(da)的壓縮性，其次(ci)固結變(bian)形量(liang)遠大(da)于主固結變(bian)形量(liang)。

(4)沉積磷(lin)石膏(gao)的靜動強度較之(zhi)同(tong)等密實(shi)度下的粉(fen)土、粉(fen)砂要高。