沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘要(yao)：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)石(shi)(shi)(shi)膏是(shi)濕(shi)法(fa)(fa)磷(lin)(lin)酸(suan)生產過程中(zhong)的(de)副產品，2018年，全(quan)國(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏產生量為7800萬噸，且呈逐年增長的(de)態勢。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的(de)主要(yao)成(cheng)分是(shi)CaO和(he)(he)(he)SO3，但含(han)有(you)一定量的(de)氟化物和(he)(he)(he)其(qi)它放射(she)性物質，在中(zhong)國(guo)通常(chang)按Ⅱ類一般工(gong)業固體廢物處(chu)理(li)，鑒于(yu)無害化處(chu)理(li)成(cheng)本較高，目前綜合利用(yong)率尚不足40%，故大(da)部分磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏需要(yao)堆(dui)(dui)存存放。按堆(dui)(dui)存場地的(de)不同，可分為平地型、傍(bang)山型、山谷型和(he)(he)(he)截河型堆(dui)(dui)場，在中(zhong)國(guo)基(ji)本上是(shi)山谷型堆(dui)(dui)場。相(xiang)比較干法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存，濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存經(jing)濟優勢明顯，因而如地質條件為非碳酸(suan)鹽巖地區(qu)，一般均采(cai)用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)業的(de)快速發展，本世紀(ji)初中(zhong)國(guo)相(xiang)繼建設了幾(ji)座濕(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存的(de)大(da)型磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)，例(li)如云天化國(guo)際化工(gong)三(san)環分公司(si)的(de)柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩和(he)(he)(he)富(fu)瑞分公司(si)的(de)楊家(jia)箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏庫(ku)(ku)堆(dui)(dui)積(ji)壩，這兩座壩設計壩高均超(chao)過100m、處(chu)于(yu)8度地震區(qu)，其(qi)安全(quan)性備受關注。

據統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來，全(quan)世界有118座尾礦(kuang)壩(ba)曾發生過破壞或潰壩(ba)事故，原因主要有地震(zhen)、洪水漫頂、滲透破壞和基(ji)礎失穩。尾礦(kuang)庫失事后(hou)會造成巨(ju)大(da)的生態災難和人員傷亡，近幾十(shi)年(nian)(nian)來，

國內外對(dui)金屬(shu)尾礦的沉積規(gui)律、物(wu)理(li)力學(xue)特性(xing)及(ji)其穩定性(xing)開展了大量的研究，但對(dui)于與金屬(shu)尾礦庫相近的磷(lin)石(shi)膏庫，一般僅限于在可研階段采(cai)用人(ren)工制備樣進(jin)行物(wu)理(li)力學(xue)性(xing)質試驗，并據(ju)此(ci)進(jin)行穩定性(xing)分析(xi)，尚未(wei)有人(ren)針對(dui)己運(yun)行若干(gan)年的大型(xing)濕法堆(dui)存磷(lin)石(shi)膏堆(dui)積壩開展過(guo)磷(lin)石(shi)膏沉積規(gui)律及(ji)其物(wu)理(li)力學(xue)特性(xing)的專項研究。

本文依托柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)石膏堆積(ji)壩，首先進行了(le)鉆探取樣(yang)(yang)，采用(yong)原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開展了(le)密(mi)度、含水(shui)(shui)率、滲(shen)(shen)透、土(tu)水(shui)(shui)特(te)征(zheng)和(he)顆分等物(wu)理性(xing)質試(shi)驗，在此基(ji)礎上有針對(dui)性(xing)的(de)選擇原狀(zhuang)樣(yang)(yang)開展了(le)三軸CU、蠕變及動三軸等力學特(te)性(xing)試(shi)驗。通過上述(shu)試(shi)驗研(yan)究，總(zong)結了(le)磷(lin)(lin)石膏的(de)沉積(ji)規律(lv)、滲(shen)(shen)透特(te)性(xing)、滲(shen)(shen)透破壞(huai)特(te)性(xing)以(yi)及靜動力特(te)性(xing)，上述(shu)研(yan)究工作(zuo)對(dui)研(yan)究和(he)評估磷(lin)(lin)石膏庫堆積(ji)壩的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)提供了(le)基(ji)礎數據，對(dui)現行磷(lin)(lin)石膏庫的(de)運行管理以(yi)及新建工程(cheng)的(de)設計具有重要的(de)借鑒意義。

一(yi)、依托(tuo)工(gong)程(cheng)概況(kuang)

1.1柳樹(shu)箐磷石膏堆(dui)積壩(ba)堆(dui)存(cun)設計方案(an)

由初期壩和堆積壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩(ba)

初期壩(ba)壩(ba)高約30m，采用土(tu)料(liao)填筑(zhu)。上游坡面(mian)、壩(ba)底(di)和下游壩(ba)腳(jiao)設置堆(dui)石(shi)排水(shui)體，三者相(xiang)連通(tong)構成整個堆(dui)積壩(ba)的主要排滲系(xi)統。

(2)堆(dui)積壩及其輔助排滲措施

采用上游式筑(zhu)壩法，共20級(ji)子(zi)壩，頂(ding)寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采用排滲管網作(zuo)為輔(fu)助排滲方案，目前(qian)己在5級(ji)、9級(ji)子(zi)壩和13級(ji)子(zi)壩壩前(qian)120m范圍內設置了(le)井(jing)字形排滲管網。

1.2沉積磷石(shi)膏的鉆(zhan)探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)平(ping)面位(wei)置(zhi)見圖l。2008年6月，堆(dui)積至5級子壩時(shi)，布設(she)了9個取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)K1～K9，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣76件(jian)；2013年5月，堆(dui)積至13級子壩時(shi)，又布設(she)了11個取(qu)樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)K10～K20，取(qu)原(yuan)狀(zhuang)樣112件(jian)，為(wei)比較子壩加高和(he)磷石膏(gao)(gao)堆(dui)積過程(cheng)中磷石膏(gao)(gao)物(wu)理力(li)學(xue)性質的(de)變(bian)化(hua)，在2，4級子壩K2孔(kong)(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)(kong)附近各(ge)布設(she)了一個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)編號(hao)(hao)分別為(wei)K17和(he)K18。

1.3運行(xing)概況

柳(liu)樹(shu)箐磷石膏(gao)尾(wei)礦庫2005年開工建設(she)，2006年1月(yue)投入運行，截至2013年5月(yue)己堆至13級(ji)子(zi)壩，尚有7級(ji)子(zi)壩即堆存至設(she)計高程。鑒于磷石膏(gao)庫地形、地質條件較(jiao)好，具備擴容改造的條件，以提高堆存庫容，減少堆存占地，節約土地資源。

本文主要對沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏的(de)物理力學(xue)特(te)性(xing)進行了全面總結，限于篇(pian)幅，有關(guan)現狀磷石(shi)膏庫堆積(ji)壩(ba)的(de)安全性(xing)評價及其加(jia)高可行性(xing)的(de)研究將(jiang)另文發表。

二、沉積磷石膏的(de)物理力學特(te)性

2.1物理(li)特性

(1)干密度分布(bu)

圖2給出(chu)了(le)14個(ge)鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)取樣深度(du)和試(shi)驗所(suo)得干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)關系(xi)，圖中UWL表示水(shui)(shui)位線上，(系(xi)鉆(zhan)孔(kong)期間(jian)(jian)的(de)(de)(de)初見水(shui)(shui)位線，下(xia)(xia)同)，DWL表示水(shui)(shui)位線下(xia)(xia)。圖3給出(chu)了(le)水(shui)(shui)位線上下(xia)(xia)的(de)(de)(de)飽和度(du)分布(bu)圖。由于磷石膏(gao)中的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同溫度(du)和烘烤時間(jian)(jian)對測定結果有一定影響，不(bu)能照搬(ban)現行的(de)(de)(de)土工試(shi)驗規范，本文磷石膏(gao)的(de)(de)(de)含水(shui)(shui)率測定方法(fa)為55℃溫度(du)下(xia)(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密(mi)度(du)與埋深的關系

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

由圖3，水(shui)(shui)位線上(shang)的磷石(shi)(shi)膏(gao)飽和度平均值(zhi)為50.4%，處于(yu)非飽和狀(zhuang)態，水(shui)(shui)位線以下(xia)的磷石(shi)(shi)膏(gao)飽和度平均值(zhi)為85.0%，基(ji)本處于(yu)飽和狀(zhuang)態，由于(yu)水(shui)(shui)位下(xia)降后磷石(shi)(shi)膏(gao)來不(bu)及排水(shui)(shui)固結，故而(er)水(shui)(shui)位線上(shang)局部(bu)試樣(yang)的飽和度較高。

由(you)圖2，水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)0.98～1.67g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)干(gan)密(mi)(mi)度在(zai)1.15～1.73g/cm3之間(jian)，均(jun)值(zhi)為(wei)1.4g/cm3。可見磷石膏(gao)(gao)與一般的(de)尾(wei)礦有所(suo)不(bu)同，磷石膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密(mi)(mi)度并不(bu)隨埋深的(de)增(zeng)大而(er)明顯(xian)增(zeng)大，但水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)磷石膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度從(cong)統計意義上來(lai)看仍大于(yu)(yu)水(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上的(de)磷石膏(gao)(gao)干(gan)密(mi)(mi)度，這主要是由(you)于(yu)(yu)水(shui)位(wei)線(xian)(xian)隨庫水(shui)位(wei)的(de)變化反復升(sheng)降而(er)使得磷石膏(gao)(gao)排(pai)水(shui)固結所(suo)致。

室內擊(ji)實得(de)到的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)干(gan)密度(du)(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間(jian)，從圖2可以(yi)看出，自(zi)然沉積的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)最(zui)大(da)干(gan)密度(du)(du)可達到1.73g/cm3，原因如下：與經典的(de)(de)土骨架不可壓(ya)縮的(de)(de)理(li)論不同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)本(ben)身可壓(ya)縮，同(tong)時由(you)于顆粒(li)結(jie)(jie)構不穩定，擊(ji)實試驗過程中磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)結(jie)(jie)構被破壞，受夯擊(ji)處下陷，四周鼓起，出現(xian)(xian)了類(lei)似于橡(xiang)皮土的(de)(de)現(xian)(xian)象。而在(zai)現(xian)(xian)場條(tiao)件(jian)下，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)骨架被破壞后(hou)(hou)，會導致(zhi)顆粒(li)中的(de)(de)結(jie)(jie)合水滲(shen)出至孔隙(xi)(xi)內，變(bian)成孔隙(xi)(xi)水，排水固結(jie)(jie)后(hou)(hou)會使得(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)孔隙(xi)(xi)比減小，干(gan)密度(du)(du)增(zeng)大(da)。

圖4給出了相鄰鉆(zhan)孔K2和K17(位于2級(ji)子壩(ba)河床(chuang)部(bu)位)以及(ji)相鄰鉆(zhan)孔K6和K18(位于4級(ji)子壩(ba)河床(chuang)部(bu)位)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)對(dui)比圖。K2鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)在1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為1.37g/cm3。可見，即使(shi)從統計意義上來看，磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)也(ye)并(bing)未隨后續磷(lin)石膏的(de)(de)堆(dui)積而有(you)較為明顯的(de)(de)增大。

(2)級(ji)配分布

顆粒(li)分析試驗采用密(mi)度計法(fa)，制備懸液(ye)時(shi)不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏(pian)磷(lin)酸鈉(na)。圖(tu)5給出了(le)試驗得到的(de)級(ji)配(pei)包線、平均(jun)粒(li)徑d50、不(bu)均(jun)勻系數(1u和曲率系數Cc的(de)分布(bu)圖(tu)。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏的粒徑(jing)主要分(fen)布在0.005～0.075mm之間，總體上屬(shu)于(yu)(yu)粉土，但可(ke)能(neng)由(you)于(yu)(yu)礦石來源或生產工(gong)藝有所不同(tong)，局(ju)部屬(shu)于(yu)(yu)粉砂～中砂。粒徑(jing)分(fen)布范圍比Blight和張超等的試驗(yan)結果(guo)要寬一些。

圖4子(zi)壩(ba)加高后沉積磷石膏的干密度變化(hua)

圖5沉積磷石膏的平(ping)均粒徑和級配分布

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論是(shi)水平向(xiang)還是(shi)垂(chui)直(zhi)向(xiang)，磷(lin)石(shi)膏與(yu)金屬礦(kuang)山尾礦(kuang)的(de)“前粗后(hou)細(xi)(xi)，上粗下細(xi)(xi)”的(de)自然分(fen)級(ji)現(xian)象不(bu)同，也(ye)即粗顆粒(li)(li)并不(bu)是(shi)沿埋深(shen)逐步減小或距離放漿口越(yue)(yue)遠顆粒(li)(li)越(yue)(yue)細(xi)(xi)，其原(yuan)因(yin)如(ru)下：①磷(lin)石(shi)膏顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組成較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)集(ji)中、均勻，主(zhu)要以粉(fen)粒(li)(li)組(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主(zhu)，級(ji)配(pei)較(jiao)(jiao)(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)金屬尾礦(kuang)，磷(lin)石(shi)膏的(de)比(bi)重較(jiao)(jiao)(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏的(de)比(bi)重一般為(wei)2.3～2.4，遠小于金屬尾礦(kuang)的(de)比(bi)重，例如(ru)鐵尾礦(kuang)的(de)比(bi)重可達2.9；③放漿口隨(sui)子(zi)壩高(gao)度不(bu)斷增(zeng)加(jia)而不(bu)斷變動并向(xiang)庫尾延伸，造(zao)成沉積磷(lin)石(shi)膏的(de)粒(li)(li)徑變化不(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(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，在統計的(de)100多個試樣(yang)中(zhong)，屬于級配不良土的(de)占93%。這種(zhong)級配特性決定了磷石膏具有較(jiao)高的(de)壓縮性、滲(shen)透破壞(huai)型式表現為(wei)流土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)主要因(yin)素(su)是(shi)粒徑大小(xiao)、級配和孔隙比，因(yin)而磷石膏(gao)的(de)滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)與粉土較為(wei)接近。由(you)于(yu)孔隙比e減小(xiao)，使(shi)得過水通道面(mian)積減小(xiao)，滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k也將減小(xiao)，k與e呈正相關(guan)關(guan)系(xi)(xi)(xi)。對砂土，一般認(ren)為(wei)滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)k與e3/(1+e)的(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較好，圖6給出了二者(zhe)間的(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)曲(qu)線(xian)，由(you)于(yu)沉積磷石膏(gao)的(de)不均勻(yun)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化(hua)較大，使(shi)得沉積磷石膏(gao)的(de)滲透系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)變(bian)化(hua)范圍較大(平均值為(wei)10-4cm/s數(shu)(shu)量級)，二者(zhe)問的(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi)(xi)較差(cha)。

圖6沉積磷(lin)石膏(gao)滲透系數與孔隙比的關系

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

圖7給出了水平(ping)(ping)(ping)(ping)與垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數比值(zhi)的(de)(de)(de)分布。沉(chen)積磷石(shi)膏的(de)(de)(de)水平(ping)(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數kh一般(ban)大(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)系數kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)(ping)均值(zhi)約為(wei)2.86，這一點與成(cheng)層分布的(de)(de)(de)金屬尾(wei)礦規律一致。造成(cheng)沉(chen)積磷石(shi)膏水平(ping)(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數大(da)于(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)(shen)透(tou)系數的(de)(de)(de)原因是由(you)于(yu)磷石(shi)膏具有(you)明顯的(de)(de)(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多為(wei)菱形和棱柱(zhu)狀形式(shi)(見圖8)，在沉(chen)積過程中，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)(ping)(ping)狀磷石(shi)膏顆粒多呈水平(ping)(ping)(ping)(ping)排(pai)列(lie)，使(shi)得(de)水平(ping)(ping)(ping)(ping)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水性大(da)于(yu)垂(chui)直方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水性，從而使(shi)磷石(shi)膏呈現(xian)明顯的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異(yi)性。

另根據中國有(you)色金屬工業昆(kun)明勘察設計研(yan)究(jiu)院在楊家箐磷(lin)石膏堆積壩開(kai)展(zhan)的(de)(de)現場滲透試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為(wei)1.9。但張超(chao)等的(de)(de)室(shi)內試(shi)驗(yan)顯示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均值(zhi)約為(wei)0.46，也即垂(chui)直向(xiang)(xiang)滲透系數大于(yu)水平(ping)向(xiang)(xiang)滲透系數，與本文(wen)和(he)現場試(shi)驗(yan)結果恰恰相反(fan)。從磷(lin)石膏的(de)(de)微觀結構來看(kan)，本文(wen)試(shi)驗(yan)結果更為(wei)合理(li)。

圖(tu)7沉積磷石膏干密度與水平和垂(chui)直(zhi)滲透系數比值的(de)關系

(2)滲透變形

圖9為(wei)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)干密(mi)度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力梯度J與(yu)流(liu)速V的(de)(de)關系(xi)曲線，試(shi)(shi)驗(yan)在水(shui)(shui)平管涌儀中采(cai)(cai)用(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)(de)滲(shen)流(liu)形(xing)式進行。試(shi)(shi)驗(yan)得到的(de)(de)臨界坡降(jiang)Jc=0.355，破壞坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)來說，對(dui)1，2級(ji)工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全系(xi)數取(qu)為(wei)2.5，則允(yun)許出逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級(ji)以下(xia)工(gong)程，滲(shen)透(tou)安(an)全系(xi)數取(qu)2.0，則允(yun)許出逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)許比降(jiang)與(yu)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)大(da)致相同。但(dan)上述(shu)滲(shen)透(tou)變形(xing)試(shi)(shi)驗(yan)是(shi)采(cai)(cai)用(yong)自(zi)來水(shui)(shui)進行的(de)(de)，自(zi)來水(shui)(shui)對(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有一(yi)定的(de)(de)溶蝕作(zuo)用(yong)，而實(shi)際上磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中殘(can)余磷(lin)(lin)、硫(liu)和氟(fu)酸(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小于(yu)3(稱之為(wei)酸(suan)性水(shui)(shui))，在酸(suan)性水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不(bu)會發生破壞，上述(shu)試(shi)(shi)驗(yan)結果是(shi)偏(pian)于(yu)保(bao)守的(de)(de)，但(dan)對(dui)非酸(suan)性水(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨)下(xia)的(de)(de)滲(shen)透(tou)穩定判斷(duan)有一(yi)定的(de)(de)借鑒意(yi)義(yi)。

圖9水力梯度J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征(zheng)試驗

試驗(yan)(yan)在5Bar的壓力板儀(yi)中進行(xing)，環刀尺寸6.18cm。干密度分(fen)1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3組，吸力范圍(wei)0～500kPa。表l列(lie)出(chu)了(le)含(han)水率(lv)特征值(zhi)，試驗(yan)(yan)曲線見圖10所(suo)示。

試驗結果表明：①干密度(du)(du)對進氣(qi)值沒有明顯的影響(xiang)，不同干密度(du)(du)的試樣的進氣(qi)值大致在10kPa左(zuo)右；②土(tu)樣殘(can)余含水率(lv)隨干密度(du)(du)的增(zeng)加(jia)而(er)減少(shao)，殘(can)余含水率(lv)約(yue)為飽(bao)和(he)含水率(lv)的10%。上述特性與粉土(tu)一粉砂基(ji)本一致。

2.3靜力力學特(te)性(xing)

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏(gao)的(de)密(mi)度(du)變化較大，而進行三(san)軸(zhou)試驗(yan)需要若干原狀樣，為使(shi)試驗(yan)結果具有較好的(de)一致性，有針(zhen)對性的(de)選(xuan)擇(ze)平均干密(mi)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)若干試樣，進行了5組三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)。圖11是為干密(mi)度(du)為1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸(zhou)CU試驗(yan)曲線。

從圖11可以看(kan)出，磷(lin)石(shi)膏的(de)應力應變關系曲線(xian)在低圍壓下(xia)(xia)表(biao)現(xian)為(wei)(wei)軟化型，在高(gao)圍壓下(xia)(xia)表(biao)現(xian)為(wei)(wei)硬化型，與(yu)一(yi)(yi)般土類相似。但(dan)與(yu)一(yi)(yi)般粉土一(yi)(yi)粉砂不同的(de)是，即使在較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)狀態下(xia)(xia)，磷(lin)石(shi)膏仍表(biao)現(xian)了較(jiao)為(wei)(wei)強烈的(de)剪脹，隨密實度增大，剪脹作用愈發明顯。

表(biao)2給(gei)出(chu)了不(bu)同(tong)干密度(du)下的內摩擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給(gei)出(chu)了內摩擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)與干密度(du)的關(guan)系曲線。隨干密度(du)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內摩擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)也隨之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函(han)數較(jiao)(jiao)好(hao)地擬(ni)合。磷(lin)石(shi)膏(gao)的干密度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，總應力摩擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為37.3°(根據擬(ni)合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為9.4%，有(you)效(xiao)應力摩擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)為38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為3.2%，由(you)于隨圍壓的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔壓也明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故(gu)有(you)效(xiao)摩擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)總應力摩擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外較(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)于干密度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩擦角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不(bu)顯(xian)著，表(biao)明即使較(jiao)(jiao)為疏(shu)松的磷(lin)石(shi)膏(gao)仍具(ju)有(you)較(jiao)(jiao)高(gao)的強(qiang)度(du)指標，這也表(biao)明磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩的穩定性較(jiao)(jiao)高(gao)。

(2)蠕(ru)變(次固結(jie))變形試驗(yan)

磷(lin)石膏的(de)(de)蠕變變形試(shi)(shi)驗在側限壓縮儀中進行，試(shi)(shi)驗狀(zhuang)態相當于K0固(gu)結。試(shi)(shi)樣(yang)直(zhi)徑61.8mm，高度20mm，試(shi)(shi)樣(yang)干密度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)(shi)樣(yang)飽和(he)后分別(bie)開(kai)展了上覆(fu)壓力ρ為100，200，400，800kPa的(de)(de)試(shi)(shi)驗，

試驗從2012年8月27日開始，試驗己進行了(le)1年多，試驗結果見圖13所(suo)示。

從(cong)圖13中可以(yi)看出(chu)：上覆荷載越(yue)大，磷(lin)石膏的(de)蠕變變形(xing)也越(yue)大，荷載施加(jia)1年后，磷(lin)石膏的(de)蠕變變形(xing)仍非常顯著，尚未達到穩定狀態，這也是磷(lin)石膏堆積壩后期變形(xing)較(jiao)大的(de)原(yuan)(yuan)因，原(yuan)(yuan)型觀測資料表明，在5級子(zi)壩河床部(bu)位的(de)表面沉降量已經達到3.1m，且尚未完全(quan)穩定。

按時間對(dui)(dui)數法，可求得各(ge)級荷載(zai)下的(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)次(ci)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形量(liang)(liang)如表(biao)3所示(shi)。試驗(yan)結果(guo)表(biao)明(ming)，在(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆(fu)荷載(zai)作用(yong)下，在(zai)(zai)試驗(yan)時間范(fan)圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)結)變(bian)(bian)(bian)(bian)形是主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當然(ran)由于(yu)(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形尚未完成(cheng)，實際(ji)的(de)(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形應更大。對(dui)(dui)土體而言(yan)，發(fa)生蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因是由于(yu)(yu)土體在(zai)(zai)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)結完成(cheng)之(zhi)后(hou)(hou)，土體中(zhong)仍(reng)有微小的(de)(de)(de)超(chao)靜孔(kong)隙壓力存在(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)顆粒問流動(dong)，一般來講土體的(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結遠(yuan)小于(yu)(yu)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形；對(dui)(dui)磷石膏而言(yan)，其(qi)(qi)滲透(tou)系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量(liang)(liang)級，遠(yuan)大于(yu)(yu)黏性土，但(dan)其(qi)(qi)卻發(fa)生了極(ji)為顯著的(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)結變(bian)(bian)(bian)(bian)形，其(qi)(qi)原因在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷石膏晶體結構發(fa)生了壓縮、破(po)壞，接觸點晶格發(fa)生歪曲和(he)變(bian)(bian)(bian)(bian)形，而破(po)壞后(hou)(hou)晶格之(zhi)間的(de)(de)(de)重新排(pai)列、調(diao)整到最后(hou)(hou)趨于(yu)(yu)相(xiang)對(dui)(dui)靜止需要(yao)相(xiang)當長的(de)(de)(de)時間才能完成(cheng)。

2.4動力力學(xue)特性

試驗設備采用英國GDS公司進(jin)口的電機控制動三軸試驗系統，試樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動模量和阻(zu)尼(ni)比

同樣由于自(zi)然沉積的磷(lin)石膏密度變化較(jiao)大，為此根據物理性質試驗結果，選擇兩種平均干密度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(jin)行(xing)試驗。

Hardin-Dmevich建議的動剪切(qie)模(mo)量G、阻尼比與剪應變幅值γd的關系式如下：

式中k1為(wei)參數(shu)，表示動剪(jian)切(qie)(qie)模量的(de)衰減(jian)或阻尼比(bi)的(de)增長速率；λmax為(wei)最大阻尼比(bi)；Gmax，γd分別為(wei)最大動剪(jian)切(qie)(qie)模量和歸(gui)一(yi)化的(de)動剪(jian)應變，表示為(wei)

式中k2,n為參數；σm為球應(ying)力；Pa為標(biao)準大(da)氣(qi)壓；vd為動泊松比；εa為歸一化的動應(ying)變，表達為

圖(tu)14給(gei)(gei)出了動(dong)剪切(qie)模量、阻尼比與歸一化(hua)動(dong)應變的關(guan)系(xi)曲線(xian)(xian)，另外(wai)圖(tu)中(zhong)還給(gei)(gei)出了式(1)的擬合曲線(xian)(xian)以(yi)及Seed等給(gei)(gei)出的砂樣的上下邊界線(xian)(xian)，圖(tu)例中(zhong)，σ2表示圍壓，Kc表示固結應力比。

從圖(tu)中可以看(kan)出：①式(1)可較(jiao)好地描述(shu)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)動(dong)應(ying)力(li)-動(dong)應(ying)變試驗曲線，表明采用等(deng)價黏彈性(xing)(xing)模型進行循環荷(he)載作用下(xia)的(de)(de)分析是(shi)(shi)可行的(de)(de)；②圖(tu)14(a)中干密(mi)(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)擬合(he)線位(wei)于(yu)干密(mi)(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)擬合(he)線上方(fang)，圖(tu)14(b)中則位(wei)于(yu)下(xia)方(fang)，表明密(mi)(mi)度越大(da)，動(dong)彈模越大(da)、阻尼(ni)比越小；③圖(tu)14(a)中，兩種干密(mi)(mi)度的(de)(de)擬合(he)線基本位(wei)于(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)邊界線上方(fang)，而圖(tu)14(b)中則基本處(chu)于(yu)邊界線中間，表明相比較(jiao)砂樣，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)彈模較(jiao)大(da)，會導致磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)較(jiao)大(da)，但由(you)于(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)大(da)，這(zhe)樣又會削弱壩(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)，二(er)者的(de)(de)相互影響下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)動(dong)力(li)反應(ying)將(jiang)不(bu)會過于(yu)強烈，這(zhe)對磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆積(ji)壩(ba)的(de)(de)抗震穩定性(xing)(xing)是(shi)(shi)有利的(de)(de)。

(2)動強(qiang)度

選擇兩種平(ping)均干密度為1.12(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞(huai)標準為總應(ying)變(bian)達到10%。

圖(tu)15給出了動(dong)剪應力(li)比(bi)(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破(po)壞振次Nf的關系(xi)曲(qu)線圖(tu)，其(qi)中(zhong)σ0為(wei)(wei)振前試樣45°面上的有效法向應力(li)，表達為(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為(wei)(wei)固結(jie)比(bi)(bi)(bi)。從試驗結(jie)果(guo)可以(yi)看出，沉(chen)積磷石膏的動(dong)強度(du)與(yu)其(qi)它(ta)土(tu)體相(xiang)似，表現為(wei)(wei)圍(wei)壓和固結(jie)應力(li)比(bi)(bi)(bi)與(yu)動(dong)剪應力(li)比(bi)(bi)(bi)呈負相(xiang)關關系(xi)。

為判別(bie)沉積磷石膏的(de)抗液化能力(li)，假定抗震(zhen)設計烈(lie)度(du)為8度(du)，即等效振(zhen)次Ⅳ可取為30。首(shou)先由式(4)

所示的(de)冪函(han)數(shu)關系式得到振次為(wei)30時各個圍壓和固(gu)結(jie)比下的(de)動剪應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可擬(ni)合求得動剪應力比與圍壓和固結(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)上述擬合關系式可見(jian)，密(mi)實(shi)度(du)提高(gao)后，動剪應(ying)力(li)比提高(gao)，表明抗液(ye)化能力(li)也提高(gao)。但即使是在低密(mi)度(du)下，其(qi)動剪應(ying)力(li)比較(jiao)之同類的粉(fen)土或粉(fen)砂也大出許多，表明磷石(shi)膏具有較(jiao)高(gao)的抗液(ye)化能力(li)。

三、結論

依托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆探取樣工作的基礎上，首先開展(zhan)了物理性質試驗(yan)，然后(hou)開展(zhan)了靜動(dong)力(li)(li)力(li)(li)學特(te)性試驗(yan)。通過上述試驗(yan)研(yan)究，得出(chu)如下(xia)結論：

(1)沉積磷石膏總體(ti)上屬于(yu)級配不良的粉(fen)土(tu)，局部屬于(yu)粉(fen)砂(sha)一中砂(sha)，無自然分級現象(xiang)。其干密度和粒(li)徑(jing)變化(hua)隨埋深或距(ju)放漿口距(ju)離的變化(hua)不明顯。

(2)沉積磷石膏水平方向(xiang)的滲透系(xi)數(shu)大于垂直方向(xiang)的滲透系(xi)數(shu)，呈(cheng)現明顯的各向(xiang)異(yi)性(xing)。

(3)與土體顆粒不可壓(ya)(ya)縮不同，磷石(shi)膏的晶體結(jie)構會發生壓(ya)(ya)縮破壞，具有較大的壓(ya)(ya)縮性，其(qi)次固(gu)結(jie)變形量(liang)遠大于(yu)主固(gu)結(jie)變形量(liang)。

(4)沉積磷石膏的靜動(dong)強度較(jiao)之同等(deng)密實度下的粉土、粉砂(sha)要高。