沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)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)石膏(gao)是(shi)濕法(fa)磷(lin)酸生(sheng)產過程中(zhong)的(de)副(fu)產品，2018年，全(quan)國(guo)磷(lin)石膏(gao)產生(sheng)量為7800萬噸，且呈逐年增長的(de)態勢(shi)。磷(lin)石膏(gao)的(de)主要(yao)成(cheng)分(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有(you)一定量的(de)氟化(hua)(hua)物和(he)其它(ta)放射性(xing)物質，在中(zhong)國(guo)通常按(an)Ⅱ類一般工(gong)業固體廢物處(chu)理，鑒于無害化(hua)(hua)處(chu)理成(cheng)本較(jiao)高，目前綜合利用率(lv)尚不足(zu)40%，故大部分(fen)磷(lin)石膏(gao)需(xu)要(yao)堆(dui)(dui)存存放。按(an)堆(dui)(dui)存場地(di)的(de)不同，可分(fen)為平地(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和(he)截(jie)河型(xing)堆(dui)(dui)場，在中(zhong)國(guo)基本上是(shi)山(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)場。相比較(jiao)干法(fa)堆(dui)(dui)存，濕法(fa)堆(dui)(dui)存經濟優勢(shi)明顯，因(yin)而如地(di)質條件為非碳酸鹽巖(yan)地(di)區，一般均(jun)采用濕排濕堆(dui)(dui)方(fang)式。隨著中(zhong)國(guo)磷(lin)肥工(gong)業的(de)快速發展，本世紀初中(zhong)國(guo)相繼建設了幾座濕法(fa)堆(dui)(dui)存的(de)大型(xing)磷(lin)石膏(gao)庫(ku)，例(li)如云天化(hua)(hua)國(guo)際化(hua)(hua)工(gong)三(san)環分(fen)公(gong)司的(de)柳樹箐磷(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)和(he)富瑞分(fen)公(gong)司的(de)楊家箐磷(lin)石膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)，這(zhe)兩座壩(ba)設計(ji)壩(ba)高均(jun)超(chao)過100m、處(chu)于8度地(di)震區，其安全(quan)性(xing)備受關(guan)注。

據統(tong)計，110多(duo)年(1901年一2013年)來，全世界有118座尾礦壩曾發生(sheng)過(guo)破壞或(huo)潰壩事故，原因主要有地震(zhen)、洪水漫頂(ding)、滲透破壞和基礎(chu)失(shi)穩。尾礦庫失(shi)事后會(hui)造成巨大的生(sheng)態災難和人(ren)員傷亡，近幾十年來，

國內外對金屬尾(wei)礦(kuang)的沉積(ji)規律(lv)、物理力(li)學特(te)性及其穩(wen)定性開(kai)展了大量的研(yan)(yan)究，但對于與金屬尾(wei)礦(kuang)庫相近的磷石(shi)膏庫，一般僅限于在(zai)可研(yan)(yan)階(jie)段采(cai)用(yong)人工制備(bei)樣進(jin)行物理力(li)學性質試驗，并據此進(jin)行穩(wen)定性分(fen)析，尚(shang)未有人針對己(ji)運行若干年的大型(xing)濕法堆(dui)(dui)存磷石(shi)膏堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)開(kai)展過磷石(shi)膏沉積(ji)規律(lv)及其物理力(li)學特(te)性的專(zhuan)項研(yan)(yan)究。

本文依托柳(liu)樹(shu)箐(qing)磷石膏(gao)堆積壩，首先進行(xing)(xing)了(le)(le)鉆探取樣(yang)(yang)，采用原狀樣(yang)(yang)開展了(le)(le)密度、含(han)水率、滲透、土水特(te)征(zheng)和顆(ke)分等(deng)物理性(xing)質試(shi)驗(yan)，在此(ci)基礎上(shang)有(you)(you)針對(dui)(dui)性(xing)的選擇原狀樣(yang)(yang)開展了(le)(le)三軸(zhou)CU、蠕變(bian)及動三軸(zhou)等(deng)力學特(te)性(xing)試(shi)驗(yan)。通過上(shang)述試(shi)驗(yan)研究，總結了(le)(le)磷石膏(gao)的沉積規律、滲透特(te)性(xing)、滲透破(po)壞特(te)性(xing)以及靜動力特(te)性(xing)，上(shang)述研究工作對(dui)(dui)研究和評估磷石膏(gao)庫(ku)(ku)堆積壩的穩定性(xing)提供了(le)(le)基礎數據，對(dui)(dui)現(xian)行(xing)(xing)磷石膏(gao)庫(ku)(ku)的運行(xing)(xing)管理以及新(xin)建(jian)工程(cheng)的設計具有(you)(you)重要的借鑒意義。

一、依托工程概(gai)況

1.1柳樹箐磷石膏堆(dui)積壩堆(dui)存(cun)設(she)計方案(an)

由初(chu)期壩和堆積壩組成，設計(ji)總壩高約(yue)130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用(yong)土料填筑。上游(you)坡面(mian)、壩(ba)底和下游(you)壩(ba)腳設置堆石排(pai)水體，三者相連通(tong)構成整(zheng)個堆積壩(ba)的主要排(pai)滲(shen)系(xi)統。

(2)堆積壩及其輔助排(pai)滲(shen)措施(shi)

采用上游式筑壩法，共(gong)20級(ji)子壩，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲管(guan)網作(zuo)為輔助排滲方案，目前(qian)己在(zai)5級(ji)、9級(ji)子壩和(he)13級(ji)子壩壩前(qian)120m范圍內設置(zhi)了井字形(xing)排滲管(guan)網。

1.2沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)鉆探取樣(yang)

鉆孔(kong)(kong)平(ping)面(mian)位置見(jian)圖l。2008年6月(yue)，堆積至5級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)(ba)時(shi)，布(bu)設(she)了(le)9個取(qu)樣(yang)(yang)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號(hao)(hao)K1～K9，取(qu)原狀樣(yang)(yang)76件；2013年5月(yue)，堆積至13級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)(ba)時(shi)，又布(bu)設(she)了(le)11個取(qu)樣(yang)(yang)鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號(hao)(hao)K10～K20，取(qu)原狀樣(yang)(yang)112件，為比較子(zi)(zi)壩(ba)(ba)加高和磷石(shi)膏堆積過程中(zhong)磷石(shi)膏物理力學性質的變化，在2，4級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近各布(bu)設(she)了(le)一個鉆孔(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)編號(hao)(hao)分別為K17和K18。

1.3運行概況

柳樹箐(qing)磷(lin)石膏尾(wei)礦庫(ku)2005年開工建設，2006年1月投(tou)入(ru)運(yun)行，截至(zhi)2013年5月己堆(dui)(dui)至(zhi)13級(ji)子壩，尚有7級(ji)子壩即堆(dui)(dui)存至(zhi)設計(ji)高(gao)程。鑒于(yu)磷(lin)石膏庫(ku)地形、地質條件(jian)較好，具備(bei)擴容改(gai)造的(de)條件(jian)，以(yi)提高(gao)堆(dui)(dui)存庫(ku)容，減少堆(dui)(dui)存占地，節約土地資源。

本(ben)文(wen)主要對沉(chen)積(ji)(ji)磷石膏的(de)物理(li)力(li)學特(te)性進行(xing)了全(quan)面總結，限于(yu)篇幅(fu)，有關現(xian)狀(zhuang)磷石膏庫(ku)堆(dui)積(ji)(ji)壩的(de)安全(quan)性評價及其加高可行(xing)性的(de)研究將另文(wen)發表。

二、沉積磷石膏的(de)物(wu)理(li)力學特性

2.1物理特(te)性

(1)干密度分布

圖(tu)(tu)2給出了14個(ge)鉆(zhan)孔的取樣深度(du)和試驗所(suo)得干密度(du)的關系(xi)，圖(tu)(tu)中(zhong)UWL表示水(shui)位(wei)線(xian)(xian)上，(系(xi)鉆(zhan)孔期間(jian)的初見水(shui)位(wei)線(xian)(xian)，下同)，DWL表示水(shui)位(wei)線(xian)(xian)下。圖(tu)(tu)3給出了水(shui)位(wei)線(xian)(xian)上下的飽和度(du)分布圖(tu)(tu)。由(you)于磷石膏中(zhong)的主要(yao)成分為CaSO4·2H2O，不同溫(wen)度(du)和烘烤時間(jian)對測定(ding)(ding)結果有(you)一(yi)定(ding)(ding)影(ying)響，不能照(zhao)搬現行的土工試驗規范，本文磷石膏的含水(shui)率(lv)測定(ding)(ding)方法(fa)為55℃溫(wen)度(du)下烘培24h。

圖(tu)2沉(chen)積磷石膏(gao)干密度(du)與埋深的關系(xi)

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

由圖(tu)3，水位(wei)(wei)線(xian)上的磷石(shi)膏飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平(ping)均值(zhi)為50.4%，處(chu)于(yu)非(fei)飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態(tai)，水位(wei)(wei)線(xian)以下(xia)的磷石(shi)膏飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平(ping)均值(zhi)為85.0%，基本處(chu)于(yu)飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)狀(zhuang)態(tai)，由于(yu)水位(wei)(wei)下(xia)降后磷石(shi)膏來不及排水固(gu)結(jie)，故而水位(wei)(wei)線(xian)上局(ju)部(bu)試(shi)樣的飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)度(du)較高。

由(you)圖2，水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)以(yi)上的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值(zhi)為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)與一(yi)般的(de)(de)尾(wei)礦(kuang)有(you)所不同，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)并(bing)不隨埋深的(de)(de)增大而明(ming)顯增大，但(dan)水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)以(yi)下(xia)的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)從統(tong)計意義上來看仍大于水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)以(yi)上的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)，這主(zhu)要是(shi)由(you)于水(shui)(shui)(shui)位線(xian)(xian)隨庫水(shui)(shui)(shui)位的(de)(de)變(bian)化反復升降而使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)排水(shui)(shui)(shui)固(gu)結(jie)所致(zhi)。

室內擊(ji)(ji)實得(de)到的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大干(gan)密度(du)(du)一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)以看出(chu)，自然沉積(ji)的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)大干(gan)密度(du)(du)可(ke)達到1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)(de)(de)(de)土骨架不可(ke)壓縮的(de)(de)(de)(de)理論不同，石(shi)(shi)膏(gao)本(ben)身(shen)可(ke)壓縮，同時由于(yu)顆粒結(jie)構(gou)不穩定(ding)，擊(ji)(ji)實試驗過程中磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)被破壞(huai)，受夯擊(ji)(ji)處下(xia)陷，四周鼓(gu)起，出(chu)現(xian)了類似于(yu)橡皮土的(de)(de)(de)(de)現(xian)象。而在現(xian)場條件下(xia)，石(shi)(shi)膏(gao)骨架被破壞(huai)后(hou)，會(hui)導致(zhi)顆粒中的(de)(de)(de)(de)結(jie)合(he)水滲出(chu)至(zhi)孔(kong)隙內，變成孔(kong)隙水，排水固結(jie)后(hou)會(hui)使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)孔(kong)隙比減小，干(gan)密度(du)(du)增大。

圖4給出了相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔K2和(he)K17(位(wei)(wei)于2級(ji)子壩(ba)(ba)河床部位(wei)(wei))以及(ji)相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔K6和(he)K18(位(wei)(wei)于4級(ji)子壩(ba)(ba)河床部位(wei)(wei))干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在1.12～1.47g/cm3之間，均值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在1.2～1.39g/cm3之間，均值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在1.13～1.57g/cm3之間，均值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在1.14～1.59g/cm3之間，均值(zhi)為1.37g/cm3。可見，即使從(cong)統計意義(yi)上來看，磷(lin)石膏的(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)也并未隨后續磷(lin)石膏的(de)(de)(de)堆積而(er)有較為明顯的(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆(ke)粒分析試驗采用密度計(ji)法(fa)，制備懸液時不(bu)煮(zhu)沸，不(bu)加六偏磷酸鈉。圖5給出了試驗得到的級配包(bao)線、平均粒徑d50、不(bu)均勻系數(1u和曲(qu)率系數Cc的分布圖。

從(cong)圖5(a)可(ke)見，磷石膏的(de)(de)粒(li)徑(jing)主要(yao)分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于粉土，但可(ke)能由于礦石來源或生產工藝(yi)有所(suo)不同，局部屬(shu)于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)徑(jing)分(fen)布范圍比Blight和張超等的(de)(de)試驗結果要(yao)寬(kuan)一些。

圖4子壩加高(gao)后沉積(ji)磷石(shi)膏的干密度變化

圖5沉積(ji)磷石膏的平(ping)均粒徑和(he)級配分布

由圖5(b)和(he)5(c)，無論是(shi)水平向(xiang)還是(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)石膏與金屬(shu)礦(kuang)山(shan)尾礦(kuang)的(de)“前粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下細(xi)”的(de)自然(ran)分級現象不同，也即粗(cu)顆粒并(bing)不是(shi)沿埋深逐步減小或距(ju)離放(fang)漿(jiang)口(kou)越遠顆粒越細(xi)，其原因(yin)如(ru)下：①磷(lin)石膏顆粒粒徑(jing)組成較(jiao)(jiao)為集中、均勻(yun)，主要(yao)以粉粒組(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配較(jiao)(jiao)差；②相(xiang)比較(jiao)(jiao)金屬(shu)尾礦(kuang)，磷(lin)石膏的(de)比重較(jiao)(jiao)小，磷(lin)石膏的(de)比重一般為2.3～2.4，遠小于金屬(shu)尾礦(kuang)的(de)比重，例如(ru)鐵尾礦(kuang)的(de)比重可達2.9；③放(fang)漿(jiang)口(kou)隨子壩(ba)高(gao)度不斷(duan)增加而不斷(duan)變動并(bing)向(xiang)庫尾延伸，造成沉積磷(lin)石膏的(de)粒徑(jing)變化不明顯(xian)。

從圖5(d)可(ke)見，不均勻系(xi)(xi)數Cu范(fan)圍值(zhi)1.61～21.5，平(ping)(ping)均值(zhi)為(wei)4.18，曲率系(xi)(xi)數(1c范(fan)圍值(zhi)0.28～9.78，平(ping)(ping)均值(zhi)為(wei)1.21，在統計的100多個試樣中，屬于級配不良土的占(zhan)93%。這(zhe)種級配特性決定了(le)磷石(shi)膏具有較高的壓縮性、滲透破壞(huai)型(xing)式表現為(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲(shen)透特性

(1)滲透系數

影響滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數的(de)主(zhu)要因(yin)素是粒徑大小、級配和(he)孔(kong)隙比，因(yin)而(er)磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數與粉土較為接近。由于(yu)孔(kong)隙比e減(jian)小，使(shi)得過水通道面積(ji)減(jian)小，滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數k也將(jiang)減(jian)小，k與e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。對砂(sha)土，一般(ban)認(ren)為滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數k與e3/(1+e)的(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較好(hao)，圖6給出了二者間的(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲線(xian)，由于(yu)沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)不均勻系(xi)(xi)(xi)(xi)數變化較大，使(shi)得沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)滲(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)數變化范圍較大(平均值為10-4cm/s數量級)，二者問的(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)較差。

圖6沉(chen)積(ji)磷(lin)石膏滲(shen)透(tou)系數與孔隙比的關系

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

圖(tu)7給出了水(shui)(shui)平(ping)與(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)比(bi)值的分(fen)布。沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)kh一般(ban)大(da)于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)的滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約(yue)為2.86，這一點與(yu)(yu)成層分(fen)布的金屬尾礦規律一致。造成沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)大(da)于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)(tou)系(xi)數(shu)的原因是由(you)(you)于磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具有明顯(xian)(xian)的晶體結(jie)構，電鏡掃描(miao)顯(xian)(xian)示(shi)多為菱(ling)形(xing)和(he)棱柱狀形(xing)式(見圖(tu)8)，在沉積(ji)過程中，由(you)(you)于扁平(ping)狀磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)顆粒多呈水(shui)(shui)平(ping)排(pai)列(lie)，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)(xiang)的透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性大(da)于垂直(zhi)方向(xiang)(xiang)的透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)性，從而使(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈現明顯(xian)(xian)的各向(xiang)(xiang)異性。

另根據中國有色金屬工業昆(kun)明勘察設計研究院在楊家箐(qing)磷(lin)石膏(gao)堆(dui)積壩(ba)開展的(de)(de)現(xian)場(chang)(chang)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)試驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平均(jun)值約為(wei)1.9。但(dan)張超等的(de)(de)室(shi)內(nei)試驗(yan)顯(xian)示，kh/kv的(de)(de)平均(jun)值約為(wei)0.46，也即垂直向滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數(shu)大于水平向滲(shen)(shen)(shen)透(tou)系數(shu)，與本(ben)(ben)文和現(xian)場(chang)(chang)試驗(yan)結(jie)果恰(qia)恰(qia)相反。從磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)微觀結(jie)構來看，本(ben)(ben)文試驗(yan)結(jie)果更(geng)為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏干密度與水平和垂直滲(shen)透(tou)系數比值(zhi)的關系

(2)滲透變(bian)形

圖9為(wei)(wei)(wei)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)干密度為(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯度J與流速V的(de)關系(xi)曲線，試(shi)驗(yan)在(zai)水(shui)平管涌儀(yi)中(zhong)采用水(shui)平方向的(de)滲流形(xing)式進行(xing)。試(shi)驗(yan)得到的(de)臨界(jie)坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)壞(huai)坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，對(dui)1，2級(ji)工程，滲透安全系(xi)數取為(wei)(wei)(wei)2.5，則允許出逸坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下工程，滲透安全系(xi)數取2.0，則允許出逸坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)為(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比降(jiang)(jiang)(jiang)與粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂大致相同。但(dan)上(shang)述(shu)滲透變形(xing)試(shi)驗(yan)是采用自來(lai)水(shui)進行(xing)的(de)，自來(lai)水(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)具有(you)(you)一(yi)(yi)定(ding)的(de)溶蝕作用，而(er)實(shi)際上(shang)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)中(zhong)殘余(yu)磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)(suan)，庫水(shui)的(de)pH值一(yi)(yi)般(ban)小于(yu)3(稱之為(wei)(wei)(wei)酸(suan)(suan)性水(shui))，在(zai)酸(suan)(suan)性水(shui)作用下，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)不會(hui)發生(sheng)破(po)壞(huai)，上(shang)述(shu)試(shi)驗(yan)結果是偏于(yu)保守的(de)，但(dan)對(dui)非酸(suan)(suan)性水(shui)條件(jian)(例如特(te)大暴雨(yu))下的(de)滲透穩定(ding)判斷有(you)(you)一(yi)(yi)定(ding)的(de)借鑒意義。

圖(tu)9水力梯度(du)J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試驗在(zai)5Bar的壓力(li)板儀中進行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分(fen)1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共(gong)3組，吸力(li)范圍0～500kPa。表l列出(chu)了含水率特征(zheng)值，試驗曲線見(jian)圖10所示(shi)。

試驗結果表明：①干密(mi)度對進氣值沒有明顯的影響(xiang)，不同干密(mi)度的試樣的進氣值大(da)致(zhi)在10kPa左右；②土樣殘余含水率(lv)隨干密(mi)度的增(zeng)加而減少，殘余含水率(lv)約為飽和含水率(lv)的10%。上述特性與粉土一粉砂基本一致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石(shi)膏的密度(du)變化較大，而進(jin)行三(san)軸(zhou)試驗(yan)(yan)需要若干(gan)原狀樣，為(wei)(wei)使試驗(yan)(yan)結果具(ju)有較好的一致(zhi)性，有針(zhen)對(dui)性的選擇(ze)平均干(gan)密度(du)分別為(wei)(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)試樣，進(jin)行了(le)5組(zu)三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)(yan)。圖11是(shi)為(wei)(wei)干(gan)密度(du)為(wei)(wei)1.2和1.58g/cm3的三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)(yan)曲線。

從圖11可以看出，磷石膏(gao)的(de)應力應變關系曲線在低圍(wei)壓下(xia)表現為(wei)軟化(hua)型(xing)，在高圍(wei)壓下(xia)表現為(wei)硬化(hua)型(xing)，與(yu)一般土(tu)類相(xiang)似。但與(yu)一般粉土(tu)一粉砂不同的(de)是，即使在較為(wei)疏松的(de)狀態下(xia)，磷石膏(gao)仍表現了較為(wei)強烈的(de)剪脹，隨密(mi)實度增大(da)，剪脹作用愈發明顯。

表2給(gei)出(chu)了(le)(le)不同干(gan)密度(du)(du)下(xia)的(de)內(nei)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)，圖(tu)12給(gei)出(chu)了(le)(le)內(nei)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)與干(gan)密度(du)(du)的(de)關系曲線。隨干(gan)密度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，內(nei)摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)也(ye)隨之增(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函數較(jiao)好地擬(ni)合。磷石膏(gao)的(de)干(gan)密度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)(le)32%，總應力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)37.3°(根據擬(ni)合曲線求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)9.4%，有效應力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)為(wei)3.2%，由于(yu)隨圍(wei)壓(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔(kong)壓(ya)也(ye)明顯增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)較(jiao)之總應力摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)要(yao)小。另外較(jiao)之于(yu)干(gan)密度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并(bing)不顯著，表明即使較(jiao)為(wei)疏松的(de)磷石膏(gao)仍具(ju)有較(jiao)高的(de)強度(du)(du)指標(biao)，這也(ye)表明磷石膏(gao)堆積(ji)壩的(de)穩定性(xing)較(jiao)高。

(2)蠕變(bian)(次(ci)固結)變(bian)形試(shi)驗(yan)

磷石膏的(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形試(shi)(shi)驗在側限壓縮儀中進行(xing)，試(shi)(shi)驗狀態相當于K0固結。試(shi)(shi)樣(yang)(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣(yang)(yang)干密(mi)度為1.30g/cm3，對試(shi)(shi)樣(yang)(yang)飽和后(hou)分別(bie)開展(zhan)了(le)上覆(fu)壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)試(shi)(shi)驗，

試驗從2012年8月(yue)27日(ri)開始，試驗己進行了(le)1年多，試驗結(jie)果見圖13所示。

從圖(tu)13中可以看出：上覆荷載(zai)越(yue)大，磷石(shi)(shi)膏(gao)的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)也(ye)越(yue)大，荷載(zai)施加1年后，磷石(shi)(shi)膏(gao)的蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形(xing)仍非(fei)常顯著，尚未達(da)到穩(wen)定狀態(tai)，這(zhe)也(ye)是磷石(shi)(shi)膏(gao)堆積壩后期(qi)變(bian)(bian)形(xing)較大的原(yuan)因，原(yuan)型(xing)觀測資料(liao)表明，在5級子壩河床部(bu)位的表面沉降(jiang)量已經達(da)到3.1m，且尚未完全(quan)穩(wen)定。

按(an)時間對數(shu)法，可求得各級荷載(zai)下(xia)的(de)(de)主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表(biao)3所(suo)示。試驗(yan)結(jie)(jie)(jie)果表(biao)明，在(zai)100～400kPa上覆荷載(zai)作用下(xia)，在(zai)試驗(yan)時間范圍內(nei)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)是(shi)(shi)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然由于(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完(wan)成，實際的(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)應更大。對土(tu)(tu)體(ti)而言，發(fa)生(sheng)蠕變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原(yuan)因(yin)(yin)是(shi)(shi)由于(yu)(yu)土(tu)(tu)體(ti)在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完(wan)成之后(hou)(hou)，土(tu)(tu)體(ti)中仍有微小(xiao)的(de)(de)超靜孔隙壓力(li)存在(zai)，驅使水(shui)在(zai)顆粒問流動，一般來講土(tu)(tu)體(ti)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)；對磷(lin)石(shi)膏而言，其(qi)滲透系數(shu)在(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠大于(yu)(yu)黏性土(tu)(tu)，但(dan)其(qi)卻發(fa)生(sheng)了極為顯著(zhu)的(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原(yuan)因(yin)(yin)在(zai)于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏晶(jing)(jing)體(ti)結(jie)(jie)(jie)構發(fa)生(sheng)了壓縮、破壞，接觸點晶(jing)(jing)格發(fa)生(sheng)歪(wai)曲和(he)變(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破壞后(hou)(hou)晶(jing)(jing)格之間的(de)(de)重新排列、調整(zheng)到最(zui)后(hou)(hou)趨于(yu)(yu)相對靜止需要相當(dang)長(chang)的(de)(de)時間才能完(wan)成。

2.4動力(li)力(li)學(xue)特性(xing)

試(shi)驗(yan)設備采用英國GDS公司進(jin)口的電(dian)機(ji)控制動三(san)軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度(du)80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼比(bi)

同樣(yang)由于自然(ran)沉積的磷石膏密(mi)度變(bian)(bian)化(hua)(hua)較大(da)，為此根據物理(li)性質試驗(yan)結果，選擇兩種平均干密(mi)度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化(hua)(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進行試驗(yan)。

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

式(shi)中(zhong)k1為(wei)參(can)數，表示(shi)動剪切模量的衰(shuai)減或阻尼比(bi)的增長速率；λmax為(wei)最(zui)大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最(zui)大動剪切模量和歸一化的動剪應變，表示(shi)為(wei)

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球(qiu)應(ying)力；Pa為(wei)標準大氣壓；vd為(wei)動泊(bo)松比；εa為(wei)歸一化(hua)的(de)動應(ying)變，表達為(wei)

圖(tu)14給出了動剪切模(mo)量(liang)、阻尼比與歸一化動應變的(de)(de)關系(xi)曲線(xian)，另外(wai)圖(tu)中(zhong)還給出了式(1)的(de)(de)擬合曲線(xian)以及Seed等(deng)給出的(de)(de)砂樣(yang)的(de)(de)上下邊界線(xian)，圖(tu)例中(zhong)，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固結應力比。

從圖(tu)(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的動應(ying)力-動應(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表(biao)明(ming)采用(yong)(yong)等(deng)價(jia)黏彈(dan)性模(mo)型(xing)進行(xing)循(xun)環荷載作用(yong)(yong)下的分析是可(ke)行(xing)的；②圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度為1.45g/cm3的擬(ni)合線(xian)(xian)位(wei)于(yu)干密(mi)度為1.34g/cm3的擬(ni)合線(xian)(xian)上方(fang)(fang)，圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位(wei)于(yu)下方(fang)(fang)，表(biao)明(ming)密(mi)度越(yue)大(da)(da)，動彈(dan)模(mo)越(yue)大(da)(da)、阻尼比越(yue)小(xiao)；③圖(tu)(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密(mi)度的擬(ni)合線(xian)(xian)基本位(wei)于(yu)Seed等(deng)給出的邊(bian)界線(xian)(xian)上方(fang)(fang)，而圖(tu)(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本處于(yu)邊(bian)界線(xian)(xian)中(zhong)間，表(biao)明(ming)相(xiang)比較(jiao)(jiao)砂(sha)樣，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)動彈(dan)模(mo)較(jiao)(jiao)大(da)(da)，會(hui)(hui)導(dao)致磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩的動力反(fan)應(ying)較(jiao)(jiao)大(da)(da)，但(dan)由于(yu)阻尼比也較(jiao)(jiao)大(da)(da)，這樣又會(hui)(hui)削弱壩體(ti)的動力反(fan)應(ying)，二者的相(xiang)互(hu)影(ying)響下，磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩壩體(ti)的動力反(fan)應(ying)將不會(hui)(hui)過于(yu)強烈，這對磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)積壩的抗震穩定性是有利的。

(2)動強(qiang)度

選(xuan)擇兩種平均干(gan)密度為1.12(變(bian)(bian)化范(fan)圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)(bian)化范(fan)圍1.29～1.3lg/cm3)進(jin)行試驗，破(po)壞標準為總應(ying)變(bian)(bian)達到10%。

圖(tu)(tu)15給出(chu)(chu)了動(dong)剪應(ying)力(li)(li)比(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次Nf的(de)(de)關(guan)系曲(qu)線圖(tu)(tu)，其(qi)中σ0為振前試樣(yang)45°面(mian)上的(de)(de)有效法(fa)向應(ying)力(li)(li)，表(biao)達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比(bi)。從試驗結(jie)果可以看(kan)出(chu)(chu)，沉積磷石膏的(de)(de)動(dong)強度(du)與(yu)其(qi)它(ta)土體相似，表(biao)現為圍壓和(he)固結(jie)應(ying)力(li)(li)比(bi)與(yu)動(dong)剪應(ying)力(li)(li)比(bi)呈(cheng)負相關(guan)關(guan)系。

為判(pan)別(bie)沉積磷石膏(gao)的(de)抗(kang)液化(hua)能力，假定抗(kang)震(zhen)設計烈度為8度，即等(deng)效(xiao)振(zhen)次Ⅳ可取為30。首先(xian)由式(4)

所示的(de)冪函數關系式(shi)得到(dao)振次為30時各個圍壓(ya)和固結(jie)比(bi)下的(de)動剪應力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可擬合求得動(dong)剪(jian)應力比與圍(wei)壓和固結應力比的關(guan)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(he)關(guan)系式可見(jian)，密(mi)實度提高(gao)(gao)(gao)后，動剪(jian)應力比(bi)提高(gao)(gao)(gao)，表明(ming)抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)(neng)力也(ye)提高(gao)(gao)(gao)。但(dan)即使是在低密(mi)度下，其動剪(jian)應力比(bi)較之同(tong)類的(de)粉(fen)土(tu)或(huo)粉(fen)砂也(ye)大出許多(duo)，表明(ming)磷石膏具有較高(gao)(gao)(gao)的(de)抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)(neng)力。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩(ba)，在鉆探(tan)取樣(yang)工作的基礎上，首先開(kai)展了(le)物(wu)理(li)性質試(shi)驗，然后開(kai)展了(le)靜動力(li)力(li)學特(te)性試(shi)驗。通過上述試(shi)驗研究，得出(chu)如下結論：

(1)沉積磷石膏總體上(shang)屬于級配(pei)不良的(de)粉土，局部屬于粉砂一(yi)中砂，無自然分級現象(xiang)。其干密度和粒徑變(bian)化(hua)隨埋深或距放(fang)漿口距離的(de)變(bian)化(hua)不明顯。

(2)沉積磷石(shi)膏水平(ping)方(fang)向的滲(shen)透系(xi)數大于(yu)垂(chui)直方(fang)向的滲(shen)透系(xi)數，呈現明顯的各向異性。

(3)與土體(ti)顆粒(li)不(bu)可壓縮不(bu)同(tong)，磷石(shi)膏的晶體(ti)結(jie)構(gou)會發生壓縮破壞(huai)，具(ju)有較大的壓縮性，其次(ci)固結(jie)變形量遠大于主固結(jie)變形量。

(4)沉積磷石(shi)膏的(de)靜動(dong)強度(du)較之同等密實度(du)下的(de)粉土、粉砂要高。