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)石膏(gao)(gao)(gao)是濕(shi)法(fa)磷(lin)酸生產(chan)過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)副產(chan)品，2018年，全國(guo)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)產(chan)生量為(wei)(wei)7800萬(wan)噸，且呈逐(zhu)年增長的(de)態(tai)勢。磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)的(de)主要成(cheng)分(fen)是CaO和SO3，但含有(you)一(yi)(yi)定量的(de)氟化(hua)(hua)物(wu)和其(qi)它放射(she)性(xing)物(wu)質，在中(zhong)(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類(lei)一(yi)(yi)般工業固(gu)體(ti)廢物(wu)處理(li)，鑒于無害(hai)化(hua)(hua)處理(li)成(cheng)本(ben)較(jiao)高，目前綜合(he)利用(yong)率尚不足40%，故大部分(fen)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)需(xu)要堆(dui)存存放。按堆(dui)存場地的(de)不同，可分(fen)為(wei)(wei)平地型(xing)(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)場，在中(zhong)(zhong)國(guo)基本(ben)上是山(shan)谷(gu)型(xing)(xing)(xing)堆(dui)場。相(xiang)比較(jiao)干(gan)法(fa)堆(dui)存，濕(shi)法(fa)堆(dui)存經濟優勢明顯，因而如(ru)地質條件(jian)為(wei)(wei)非碳酸鹽巖地區，一(yi)(yi)般均采用(yong)濕(shi)排濕(shi)堆(dui)方式。隨著中(zhong)(zhong)國(guo)磷(lin)肥工業的(de)快速發(fa)展，本(ben)世紀初中(zhong)(zhong)國(guo)相(xiang)繼(ji)建設了(le)幾座(zuo)濕(shi)法(fa)堆(dui)存的(de)大型(xing)(xing)(xing)磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫，例如(ru)云天化(hua)(hua)國(guo)際化(hua)(hua)工三環分(fen)公司的(de)柳樹箐磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)積壩(ba)和富(fu)瑞分(fen)公司的(de)楊家箐磷(lin)石膏(gao)(gao)(gao)庫堆(dui)積壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設計壩(ba)高均超過100m、處于8度地震區，其(qi)安全性(xing)備受關注。

據統計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有118座尾(wei)礦壩曾發(fa)生過(guo)破(po)壞或潰(kui)壩事故，原因主要有地震、洪水漫頂、滲透破(po)壞和基(ji)礎失(shi)穩。尾(wei)礦庫失(shi)事后(hou)會造成巨大的(de)生態(tai)災難和人(ren)員(yuan)傷亡(wang)，近(jin)幾(ji)十年(nian)來，

國內外對(dui)金屬尾(wei)礦的(de)沉積(ji)規(gui)律、物理(li)力學特性(xing)及其穩(wen)定性(xing)開(kai)(kai)展(zhan)了大量的(de)研(yan)究(jiu)，但(dan)對(dui)于(yu)與金屬尾(wei)礦庫相(xiang)近的(de)磷(lin)石(shi)膏庫，一般僅(jin)限于(yu)在可(ke)研(yan)階段采用人工制備樣(yang)進(jin)(jin)行物理(li)力學性(xing)質試(shi)驗，并據此進(jin)(jin)行穩(wen)定性(xing)分(fen)析，尚未有人針對(dui)己(ji)運(yun)行若干年的(de)大型(xing)濕法堆存磷(lin)石(shi)膏堆積(ji)壩開(kai)(kai)展(zhan)過磷(lin)石(shi)膏沉積(ji)規(gui)律及其物理(li)力學特性(xing)的(de)專(zhuan)項研(yan)究(jiu)。

本文依托柳樹(shu)箐磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆積(ji)(ji)壩，首先(xian)進行(xing)了鉆(zhan)探取樣，采用(yong)原狀(zhuang)樣開展了密(mi)度、含水率、滲透(tou)、土水特(te)(te)征(zheng)和顆分等物理性(xing)(xing)質(zhi)試驗，在此基礎上有(you)針對(dui)(dui)性(xing)(xing)的(de)選擇原狀(zhuang)樣開展了三軸CU、蠕變及動三軸等力學特(te)(te)性(xing)(xing)試驗。通(tong)過上述試驗研(yan)(yan)究(jiu)，總結了磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)沉積(ji)(ji)規律、滲透(tou)特(te)(te)性(xing)(xing)、滲透(tou)破壞特(te)(te)性(xing)(xing)以及靜動力特(te)(te)性(xing)(xing)，上述研(yan)(yan)究(jiu)工作對(dui)(dui)研(yan)(yan)究(jiu)和評估磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆積(ji)(ji)壩的(de)穩定性(xing)(xing)提(ti)供了基礎數據(ju)，對(dui)(dui)現行(xing)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)的(de)運行(xing)管理以及新建工程(cheng)的(de)設計(ji)具有(you)重要的(de)借鑒意義。

一、依(yi)托工(gong)程概況

1.1柳樹箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)積壩堆(dui)存設(she)計(ji)方案

由初期壩(ba)和堆積壩(ba)組成，設計(ji)總壩(ba)高約130m。

(1)初期壩

初期壩壩高約30m，采用土料填筑。上游坡面(mian)、壩底和下(xia)游壩腳設置堆石排(pai)水(shui)體，三者相連通構(gou)成整個堆積(ji)壩的(de)主(zhu)要排(pai)滲系統(tong)。

(2)堆積壩(ba)及其輔助排滲措施

采用上游式筑(zhu)壩(ba)(ba)(ba)法，共(gong)20級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)，頂寬6～9m，高(gao)(gao)度5m，堆積高(gao)(gao)度約100m。采用排滲(shen)(shen)管網作為輔助排滲(shen)(shen)方案，目前(qian)己(ji)在5級(ji)、9級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)和13級(ji)子壩(ba)(ba)(ba)壩(ba)(ba)(ba)前(qian)120m范圍內設置(zhi)了井(jing)字形排滲(shen)(shen)管網。

1.2沉積磷(lin)石膏的鉆探取樣

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)平面位置見圖l。2008年6月，堆積(ji)至5級子壩(ba)時，布(bu)(bu)設(she)了(le)9個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號(hao)K1～K9，取(qu)原狀樣(yang)76件；2013年5月，堆積(ji)至13級子壩(ba)時，又布(bu)(bu)設(she)了(le)11個取(qu)樣(yang)鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號(hao)K10～K20，取(qu)原狀樣(yang)112件，為比(bi)較子壩(ba)加高和磷(lin)石(shi)膏堆積(ji)過程中磷(lin)石(shi)膏物理力學性質的變(bian)化(hua)，在(zai)2，4級子壩(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近(jin)各布(bu)(bu)設(she)了(le)一個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)編號(hao)分別(bie)為K17和K18。

1.3運行概(gai)況

柳樹箐磷石膏尾礦(kuang)庫(ku)2005年(nian)(nian)開工建(jian)設，2006年(nian)(nian)1月投入運行(xing)，截至2013年(nian)(nian)5月己堆至13級子壩，尚有7級子壩即堆存至設計(ji)高程。鑒于磷石膏庫(ku)地形、地質條件較(jiao)好，具備擴(kuo)容(rong)(rong)改造的條件，以提高堆存庫(ku)容(rong)(rong)，減少(shao)堆存占地，節約土地資源。

本文(wen)(wen)主要對沉積(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)物理(li)力學特性(xing)進行了全面(mian)總(zong)結，限于篇幅，有關現狀磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)庫堆積(ji)壩的(de)(de)安(an)全性(xing)評價(jia)及其加高(gao)可(ke)行性(xing)的(de)(de)研究(jiu)將另文(wen)(wen)發(fa)表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理力學特(te)性

2.1物(wu)理特性

(1)干密度分(fen)布

圖(tu)2給(gei)出了(le)14個鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)取樣深度(du)和試驗所得干密度(du)的(de)(de)(de)關系(xi)，圖(tu)中(zhong)(zhong)UWL表示水位(wei)線上，(系(xi)鉆(zhan)孔(kong)期間(jian)的(de)(de)(de)初見水位(wei)線，下(xia)同(tong))，DWL表示水位(wei)線下(xia)。圖(tu)3給(gei)出了(le)水位(wei)線上下(xia)的(de)(de)(de)飽和度(du)分布圖(tu)。由(you)于磷石膏中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)主要成分為CaSO4·2H2O，不(bu)同(tong)溫度(du)和烘烤時間(jian)對測(ce)定(ding)(ding)結果(guo)有一(yi)定(ding)(ding)影響(xiang)，不(bu)能照搬(ban)現行的(de)(de)(de)土工(gong)試驗規范，本文磷石膏的(de)(de)(de)含水率測(ce)定(ding)(ding)方法為55℃溫度(du)下(xia)烘培24h。

圖2沉積磷石膏干密度與埋深的關(guan)系

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

由(you)圖(tu)3，水(shui)位線(xian)上(shang)(shang)的磷石(shi)(shi)膏(gao)飽和(he)度(du)平均值為(wei)50.4%，處于非飽和(he)狀(zhuang)態(tai)，水(shui)位線(xian)以下(xia)(xia)的磷石(shi)(shi)膏(gao)飽和(he)度(du)平均值為(wei)85.0%，基(ji)本處于飽和(he)狀(zhuang)態(tai)，由(you)于水(shui)位下(xia)(xia)降后磷石(shi)(shi)膏(gao)來不及排水(shui)固結(jie)，故而水(shui)位線(xian)上(shang)(shang)局(ju)部(bu)試樣的飽和(he)度(du)較(jiao)高。

由圖2，水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上(shang)的(de)干(gan)密度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)干(gan)密度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)(zhi)為(wei)1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)(shi)膏與一般的(de)尾礦有所不同，磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)干(gan)密度(du)并(bing)不隨埋深的(de)增大而明顯增大，但水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)下的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密度(du)從(cong)統計意義(yi)上(shang)來看仍大于水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)以(yi)上(shang)的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏干(gan)密度(du)，這(zhe)主(zhu)要(yao)是由于水(shui)(shui)位(wei)線(xian)(xian)隨庫水(shui)(shui)位(wei)的(de)變化反復升(sheng)降(jiang)而使得磷(lin)石(shi)(shi)膏排水(shui)(shui)固(gu)結所致(zhi)。

室內擊實得到(dao)的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大(da)干密度(du)一(yi)般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖(tu)2可以(yi)看出(chu)，自然沉積(ji)的(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大(da)干密度(du)可達到(dao)1.73g/cm3，原因(yin)如下：與(yu)經典的(de)(de)(de)土骨架(jia)不可壓(ya)縮的(de)(de)(de)理(li)論不同，石(shi)膏(gao)本身可壓(ya)縮，同時(shi)由(you)于顆粒結構不穩定，擊實試(shi)驗過程(cheng)中(zhong)(zhong)磷石(shi)膏(gao)結構被(bei)破壞(huai)，受夯擊處下陷，四(si)周鼓起，出(chu)現(xian)了(le)類似(si)于橡皮土的(de)(de)(de)現(xian)象。而在(zai)現(xian)場條件下，石(shi)膏(gao)骨架(jia)被(bei)破壞(huai)后，會(hui)導致顆粒中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)結合水滲出(chu)至孔隙內，變成(cheng)孔隙水，排水固結后會(hui)使得磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)孔隙比(bi)減小，干密度(du)增大(da)。

圖(tu)4給出了相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔K2和K17(位(wei)(wei)(wei)于2級子壩河床部位(wei)(wei)(wei))以(yi)及相(xiang)鄰(lin)鉆(zhan)孔K6和K18(位(wei)(wei)(wei)于4級子壩河床部位(wei)(wei)(wei))干密(mi)度(du)(du)(du)的(de)對比圖(tu)。K2鉆(zhan)孔的(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔的(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔的(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔的(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)間，均值(zhi)為1.37g/cm3。可(ke)見，即使從(cong)統(tong)計(ji)意義上(shang)來看(kan)，磷石膏的(de)干密(mi)度(du)(du)(du)也并未隨后續磷石膏的(de)堆(dui)積而有較為明(ming)顯的(de)增大。

(2)級配分布

顆粒分(fen)(fen)析試(shi)(shi)驗(yan)采用密(mi)度計法(fa)，制備懸液時不煮沸，不加(jia)六偏磷(lin)酸鈉(na)。圖5給出了試(shi)(shi)驗(yan)得到的(de)級配包線、平(ping)均粒徑(jing)d50、不均勻系數(shu)(1u和曲率系數(shu)Cc的(de)分(fen)(fen)布圖。

從圖5(a)可(ke)見，磷石(shi)膏的粒(li)徑(jing)主(zhu)要分(fen)布在(zai)0.005～0.075mm之間，總體上(shang)屬于粉(fen)土，但可(ke)能由于礦石(shi)來(lai)源或生產工藝有(you)所(suo)不同，局部(bu)屬于粉(fen)砂(sha)(sha)～中(zhong)砂(sha)(sha)。粒(li)徑(jing)分(fen)布范圍比Blight和張超等的試驗結果要寬一(yi)些。

圖4子(zi)壩(ba)加高后沉積磷(lin)石膏(gao)的干密度(du)變(bian)化

圖5沉(chen)積磷石膏的平均(jun)粒徑和級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平(ping)向還是垂直向，磷(lin)石(shi)膏(gao)與金(jin)屬礦(kuang)山尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)“前(qian)粗后(hou)細(xi)，上(shang)粗下(xia)細(xi)”的(de)(de)自然分級(ji)(ji)現象不(bu)同，也即(ji)粗顆(ke)(ke)粒(li)(li)并不(bu)是沿埋深逐步減(jian)小(xiao)或(huo)距離放漿(jiang)口(kou)越遠顆(ke)(ke)粒(li)(li)越細(xi)，其(qi)原因(yin)如下(xia)：①磷(lin)石(shi)膏(gao)顆(ke)(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)徑組(zu)成較(jiao)為集中、均勻(yun)，主(zhu)要以粉粒(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主(zhu)，級(ji)(ji)配較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金(jin)屬尾(wei)(wei)礦(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重較(jiao)小(xiao)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金(jin)屬尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重，例如鐵尾(wei)(wei)礦(kuang)的(de)(de)比(bi)重可達(da)2.9；③放漿(jiang)口(kou)隨子壩高度(du)不(bu)斷增加而不(bu)斷變(bian)動并向庫尾(wei)(wei)延伸，造成沉積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)徑變(bian)化(hua)不(bu)明(ming)顯。

從圖(tu)5(d)可見，不均勻(yun)系數Cu范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)(zhi)為(wei)4.18，曲率(lv)系數(1c范(fan)圍(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)(zhi)為(wei)1.21，在統計(ji)的(de)100多個試樣中，屬于級配不良土的(de)占93%。這種級配特性決定了磷石(shi)膏(gao)具有較高的(de)壓(ya)縮(suo)性、滲透破壞(huai)型式表現為(wei)流(liu)土破壞(huai)。

2.2滲透特性

(1)滲(shen)透系數

影響滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)的(de)(de)(de)主要因素是粒徑大小(xiao)、級配和孔隙比，因而磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)與(yu)粉土(tu)較(jiao)為(wei)接近。由(you)于孔隙比e減小(xiao)，使(shi)得過水(shui)通(tong)道面積(ji)減小(xiao)，滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k也將減小(xiao)，k與(yu)e呈正相關關系(xi)(xi)。對砂(sha)土(tu)，一(yi)般認為(wei)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)k與(yu)e3/(1+e)的(de)(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)較(jiao)好，圖(tu)6給(gei)出了二者間的(de)(de)(de)關系(xi)(xi)曲(qu)線(xian)，由(you)于沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)不均勻系(xi)(xi)數(shu)變化較(jiao)大，使(shi)得沉(chen)積(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)滲透(tou)系(xi)(xi)數(shu)變化范圍較(jiao)大(平均值(zhi)為(wei)10-4cm/s數(shu)量級)，二者問(wen)的(de)(de)(de)線(xian)性關系(xi)(xi)較(jiao)差。

圖6沉積磷石(shi)膏滲(shen)透系(xi)(xi)數與孔隙比(bi)的關系(xi)(xi)

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

圖7給出了(le)水(shui)平(ping)(ping)與垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)比值的(de)分(fen)布(bu)。沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)kh一(yi)般大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值約(yue)為2.86，這(zhe)一(yi)點(dian)與成層分(fen)布(bu)的(de)金(jin)屬尾礦規律一(yi)致。造成沉(chen)積(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲透(tou)(tou)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)的(de)原因是由(you)(you)于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有明顯的(de)晶體結構，電鏡掃描顯示多為菱(ling)形和棱柱狀形式(見圖8)，在沉(chen)積(ji)過程中(zhong)，由(you)(you)于(yu)扁(bian)平(ping)(ping)狀磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒多呈水(shui)平(ping)(ping)排(pai)列，使(shi)得水(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性，從而使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)呈現明顯的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異性。

另根(gen)據中國(guo)有色金屬工業昆(kun)明勘察(cha)設計研究院在楊家(jia)箐磷石膏(gao)(gao)堆(dui)積壩(ba)開(kai)展的(de)現場滲透試(shi)驗(yan)，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為(wei)1.9。但張超等的(de)室內試(shi)驗(yan)顯示(shi)，kh/kv的(de)平(ping)(ping)均值約為(wei)0.46，也即垂直向滲透系數大于(yu)水(shui)平(ping)(ping)向滲透系數，與本文和現場試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)恰恰相反。從磷石膏(gao)(gao)的(de)微(wei)觀結(jie)構來(lai)看，本文試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)更為(wei)合理。

圖7沉積磷石膏(gao)干密度與水(shui)平(ping)和垂直滲(shen)透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲(shen)透變形

圖9為(wei)磷(lin)石(shi)膏干密度為(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)力梯度J與流速V的(de)(de)(de)關系曲(qu)線，試(shi)驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)(shui)(shui)平管(guan)涌儀中采用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)平方向的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)流形(xing)式進行(xing)。試(shi)驗(yan)得到的(de)(de)(de)臨(lin)界(jie)坡降(jiang)Jc=0.355，破(po)壞(huai)坡降(jiang)Jp=0.375。一般(ban)來(lai)說，對(dui)1，2級工(gong)程，滲(shen)(shen)透(tou)安全系數取(qu)為(wei)2.5，則(ze)(ze)允許出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.5=0.142，對(dui)3級以下(xia)工(gong)程，滲(shen)(shen)透(tou)安全系數取(qu)2.0，則(ze)(ze)允許出(chu)逸坡降(jiang)為(wei)0.355/2.0=0.178。其允許比(bi)降(jiang)與粉土一粉砂大致相(xiang)同。但(dan)上述滲(shen)(shen)透(tou)變形(xing)試(shi)驗(yan)是采用(yong)自來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)進行(xing)的(de)(de)(de)，自來(lai)水(shui)(shui)(shui)(shui)對(dui)磷(lin)石(shi)膏具有一定(ding)的(de)(de)(de)溶(rong)蝕作(zuo)用(yong)，而實際上磷(lin)石(shi)膏中殘(can)余磷(lin)、硫和氟酸(suan)，庫水(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一般(ban)小于3(稱(cheng)之為(wei)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下(xia)，磷(lin)石(shi)膏不會發生破(po)壞(huai)，上述試(shi)驗(yan)結果(guo)是偏(pian)于保守(shou)的(de)(de)(de)，但(dan)對(dui)非酸(suan)性水(shui)(shui)(shui)(shui)條件(例如特大暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)滲(shen)(shen)透(tou)穩定(ding)判斷(duan)有一定(ding)的(de)(de)(de)借(jie)鑒意義。

圖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(yan)

試驗在5Bar的壓力(li)板儀(yi)中進行，環(huan)刀(dao)尺寸6.18cm。干密(mi)度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3組，吸力(li)范圍(wei)0～500kPa。表l列出(chu)了(le)含水率特(te)征值，試驗曲線見圖(tu)10所(suo)示。

試驗結果表明：①干(gan)密(mi)度對進(jin)氣值沒有明顯的(de)(de)(de)影響，不(bu)同(tong)干(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)試樣的(de)(de)(de)進(jin)氣值大致(zhi)在10kPa左右；②土樣殘余含(han)(han)水(shui)(shui)率(lv)隨(sui)干(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)增加而減少，殘余含(han)(han)水(shui)(shui)率(lv)約(yue)為(wei)飽和含(han)(han)水(shui)(shui)率(lv)的(de)(de)(de)10%。上述特性(xing)與粉(fen)(fen)土一粉(fen)(fen)砂(sha)基本(ben)一致(zhi)。

2.3靜力力學特(te)性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷石膏(gao)的(de)密度變化(hua)較大，而進行三(san)軸試(shi)驗需要(yao)若干(gan)(gan)(gan)原狀樣(yang)，為使試(shi)驗結果具有較好的(de)一致性，有針對性的(de)選擇平均(jun)干(gan)(gan)(gan)密度分別為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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干(gan)(gan)(gan)試(shi)樣(yang)，進行了(le)5組三(san)軸CU試(shi)驗。圖(tu)11是為干(gan)(gan)(gan)密度為1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試(shi)驗曲線。

從圖(tu)11可以看出(chu)，磷(lin)石膏的應力應變關(guan)系曲線在低(di)圍壓下(xia)表(biao)現為軟(ruan)化型，在高(gao)圍壓下(xia)表(biao)現為硬化型，與一般(ban)土類(lei)相(xiang)似。但與一般(ban)粉土一粉砂不(bu)同的是，即使在較(jiao)為疏松(song)的狀態(tai)下(xia)，磷(lin)石膏仍表(biao)現了(le)較(jiao)為強烈的剪脹，隨密實度(du)增(zeng)大，剪脹作(zuo)用愈發明顯。

表(biao)2給出了不同干(gan)密(mi)(mi)度(du)下(xia)的內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角，圖12給出了內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角與干(gan)密(mi)(mi)度(du)的關系(xi)曲線(xian)。隨干(gan)密(mi)(mi)度(du)的增大(da)，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角也隨之增大(da)，且可采(cai)用(yong)冪函數較(jiao)好(hao)地擬合(he)。磷石(shi)膏的干(gan)密(mi)(mi)度(du)由1.20g/cm3增加為(wei)1.58g/cm3，增加了32%，總(zong)應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角由34.1°增加為(wei)37.3°(根據擬合(he)曲線(xian)求得(de))，增幅為(wei)9.4%，有(you)效應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角由37.6°增加為(wei)38.8°，增幅為(wei)3.2%，由于隨圍壓(ya)(ya)的增大(da)，孔壓(ya)(ya)也明(ming)顯增大(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)角增幅較(jiao)之總(zong)應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角要小。另外較(jiao)之于干(gan)密(mi)(mi)度(du)增幅，摩(mo)(mo)擦(ca)角的增幅并不顯著，表(biao)明(ming)即(ji)使(shi)較(jiao)為(wei)疏松的磷石(shi)膏仍具有(you)較(jiao)高(gao)的強度(du)指標(biao)，這(zhe)也表(biao)明(ming)磷石(shi)膏堆積壩的穩(wen)定性較(jiao)高(gao)。

(2)蠕變(次固結(jie))變形試驗

磷石膏的(de)(de)蠕變(bian)(bian)變(bian)(bian)形試驗在側限壓縮儀中進行，試驗狀(zhuang)態相當于K0固結(jie)。試樣(yang)(yang)直徑(jing)61.8mm，高度(du)20mm，試樣(yang)(yang)干密度(du)為1.30g/cm3，對試樣(yang)(yang)飽和(he)后分別(bie)開展了上覆(fu)壓力(li)ρ為100，200，400，800kPa的(de)(de)試驗，

試(shi)驗(yan)從2012年(nian)8月27日開始(shi)，試(shi)驗(yan)己(ji)進行了1年(nian)多，試(shi)驗(yan)結(jie)果見(jian)圖13所示。

從圖13中可以看(kan)出：上(shang)覆荷(he)載越大，磷石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形也越大，荷(he)載施加1年后，磷石膏的蠕(ru)變(bian)變(bian)形仍非(fei)常顯著，尚未達到(dao)穩定狀態(tai)，這也是(shi)磷石膏堆積壩(ba)(ba)后期變(bian)形較(jiao)大的原因，原型觀測資(zi)料表明，在5級子壩(ba)(ba)河床部(bu)位的表面沉降量已經達到(dao)3.1m，且尚未完全穩定。

按(an)時間(jian)(jian)對數(shu)法(fa)，可求(qiu)得各級荷載下的(de)(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變形量如表3所示(shi)。試驗(yan)結(jie)(jie)果表明，在(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆(fu)荷載作用下，在(zai)(zai)(zai)試驗(yan)時間(jian)(jian)范(fan)圍內蠕變(次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie))變形是(shi)(shi)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變形的(de)(de)(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，當然(ran)由于(yu)蠕變變形尚未(wei)完(wan)成，實際的(de)(de)(de)(de)蠕變變形應(ying)更大(da)。對土(tu)體(ti)而言(yan)，發生蠕變的(de)(de)(de)(de)原(yuan)因是(shi)(shi)由于(yu)土(tu)體(ti)在(zai)(zai)(zai)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)完(wan)成之(zhi)后(hou)，土(tu)體(ti)中(zhong)仍有微小的(de)(de)(de)(de)超靜孔隙壓力存在(zai)(zai)(zai)，驅使水在(zai)(zai)(zai)顆粒問流(liu)動，一般來講土(tu)體(ti)的(de)(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)遠(yuan)小于(yu)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變形；對磷石膏而言(yan)，其(qi)滲透系數(shu)在(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數(shu)量級，遠(yuan)大(da)于(yu)黏性土(tu)，但其(qi)卻發生了極為(wei)顯著(zhu)的(de)(de)(de)(de)次(ci)固(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)變形，其(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)(zai)于(yu)磷石膏晶(jing)體(ti)結(jie)(jie)構發生了壓縮、破(po)壞(huai)，接觸(chu)點晶(jing)格發生歪曲(qu)和變形，而破(po)壞(huai)后(hou)晶(jing)格之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)重新排列、調整到最后(hou)趨于(yu)相對靜止需要相當長的(de)(de)(de)(de)時間(jian)(jian)才能(neng)完(wan)成。

2.4動力力學(xue)特性

試(shi)驗(yan)設備采用(yong)英(ying)國GDS公(gong)司進口(kou)的電機控制動三軸試(shi)驗(yan)系統，試(shi)樣直徑39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和(he)阻尼(ni)比(bi)

同(tong)樣(yang)由于自然沉(chen)積的磷石膏密度變(bian)化(hua)(hua)較大，為(wei)此(ci)根據物(wu)理性質試(shi)(shi)驗結果，選擇(ze)兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(變(bian)化(hua)(hua)范圍1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試(shi)(shi)驗。

Hardin-Dmevich建議(yi)的動剪切模(mo)量G、阻尼比與剪應變(bian)幅值(zhi)γd的關系式如下：

式中(zhong)k1為(wei)(wei)參數，表(biao)(biao)示動(dong)剪切模量的(de)衰減或阻(zu)尼比的(de)增長速率；λmax為(wei)(wei)最(zui)(zui)大阻(zu)尼比；Gmax，γd分別為(wei)(wei)最(zui)(zui)大動(dong)剪切模量和歸(gui)一化(hua)的(de)動(dong)剪應(ying)變，表(biao)(biao)示為(wei)(wei)

式中k2,n為(wei)參數；σm為(wei)球應力；Pa為(wei)標(biao)準(zhun)大氣壓(ya)；vd為(wei)動泊松比；εa為(wei)歸一化的動應變，表達為(wei)

圖(tu)(tu)14給出了(le)(le)動(dong)剪切模(mo)量、阻(zu)尼比與歸(gui)一化動(dong)應變的關系曲線，另(ling)外圖(tu)(tu)中(zhong)還(huan)給出了(le)(le)式(1)的擬合曲線以(yi)及Seed等給出的砂(sha)樣的上下邊界線，圖(tu)(tu)例中(zhong)，σ2表示圍壓(ya)，Kc表示固結(jie)應力比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可較(jiao)好地(di)描述磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)動(dong)應(ying)力(li)-動(dong)應(ying)變試驗曲線(xian)(xian)，表明采用等價黏彈(dan)性(xing)模(mo)型進行循(xun)環荷(he)載作用下(xia)的(de)(de)(de)分析是(shi)可行的(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度為1.45g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)位于干(gan)(gan)密(mi)(mi)度為1.34g/cm3的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)上方(fang)(fang)(fang)，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則位于下(xia)方(fang)(fang)(fang)，表明密(mi)(mi)度越(yue)大，動(dong)彈(dan)模(mo)越(yue)大、阻尼比(bi)(bi)越(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干(gan)(gan)密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)擬(ni)合線(xian)(xian)基本(ben)位于Seed等給(gei)出的(de)(de)(de)邊界(jie)線(xian)(xian)上方(fang)(fang)(fang)，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則基本(ben)處于邊界(jie)線(xian)(xian)中(zhong)間，表明相比(bi)(bi)較(jiao)砂樣(yang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)動(dong)彈(dan)模(mo)較(jiao)大，會(hui)(hui)導(dao)致(zhi)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)較(jiao)大，但由(you)于阻尼比(bi)(bi)也較(jiao)大，這樣(yang)又會(hui)(hui)削弱(ruo)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)，二者的(de)(de)(de)相互影響下(xia)，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)壩(ba)體(ti)的(de)(de)(de)動(dong)力(li)反(fan)(fan)應(ying)將不會(hui)(hui)過于強(qiang)烈，這對磷(lin)石(shi)膏(gao)堆積壩(ba)的(de)(de)(de)抗震(zhen)穩(wen)定性(xing)是(shi)有利(li)的(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇(ze)兩種(zhong)平均干(gan)密度為1.12(變(bian)(bian)化范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)(bian)化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標準為總應變(bian)(bian)達到10%。

圖15給出了動剪應(ying)力(li)(li)比(bi)(bi)τd/σ0′與(yu)破壞振次(ci)Nf的(de)關(guan)系曲線圖，其中σ0為振前試(shi)樣45°面上的(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)(bi)。從試(shi)驗結(jie)果可(ke)以看出，沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)動強度(du)與(yu)其它(ta)土體(ti)相似，表(biao)現為圍壓(ya)和固結(jie)應(ying)力(li)(li)比(bi)(bi)與(yu)動剪應(ying)力(li)(li)比(bi)(bi)呈負(fu)相關(guan)關(guan)系。

為判別(bie)沉積磷石膏的抗液化能力(li)，假定(ding)抗震設(she)計(ji)烈度為8度，即(ji)等效振(zhen)次Ⅳ可取為30。首先由式(shi)(4)

所示的冪函數關系式得到(dao)振次為30時各個(ge)圍壓和固結比下的動剪應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可擬合求得動剪應力(li)比與圍壓和(he)固結(jie)應力(li)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。

從上述擬合關系式(shi)可見，密(mi)實度(du)(du)提(ti)高(gao)(gao)后，動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)提(ti)高(gao)(gao)，表明(ming)抗(kang)液(ye)化能(neng)(neng)力(li)也提(ti)高(gao)(gao)。但(dan)即使是在低密(mi)度(du)(du)下(xia)，其動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)較(jiao)之同類的粉土或(huo)粉砂也大出(chu)許多(duo)，表明(ming)磷石膏具有較(jiao)高(gao)(gao)的抗(kang)液(ye)化能(neng)(neng)力(li)。

三、結論

依托柳樹(shu)箐磷石膏堆積壩(ba)，在鉆探取(qu)樣工(gong)作的(de)基(ji)礎(chu)上，首(shou)先開展了(le)(le)物(wu)理(li)性質試驗，然后(hou)開展了(le)(le)靜動力力學特性試驗。通過上述試驗研(yan)究，得出(chu)如(ru)下(xia)結(jie)論：

(1)沉(chen)積磷石膏總體上屬于(yu)級(ji)配不良的粉土，局部屬于(yu)粉砂(sha)(sha)一中砂(sha)(sha)，無自然(ran)分級(ji)現象。其(qi)干(gan)密度和粒(li)徑變化隨(sui)埋深或(huo)距放漿口距離的變化不明顯。

(2)沉積磷石膏水平方向的(de)滲透系數(shu)大于垂(chui)直(zhi)方向的(de)滲透系數(shu)，呈現明(ming)顯的(de)各向異性。

(3)與土體顆粒(li)不可壓(ya)縮(suo)不同，磷石膏的晶體結(jie)(jie)構(gou)會(hui)發生(sheng)壓(ya)縮(suo)破壞，具有較大的壓(ya)縮(suo)性，其次固(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)量(liang)遠大于主(zhu)固(gu)結(jie)(jie)變(bian)形(xing)量(liang)。

(4)沉積磷石(shi)膏的(de)靜動強度(du)較之同等(deng)密實度(du)下的(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要高(gao)。