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)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)是(shi)濕(shi)法磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)酸生產過程中(zhong)的(de)副產品，2018年(nian)，全國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)產生量為7800萬噸，且(qie)呈逐年(nian)增長的(de)態(tai)勢。磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)主要(yao)成分是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一定量的(de)氟化(hua)物(wu)(wu)和(he)其(qi)它(ta)放(fang)射性物(wu)(wu)質，在中(zhong)國(guo)通常按Ⅱ類一般工業(ye)固體廢物(wu)(wu)處理(li)，鑒(jian)于無害化(hua)處理(li)成本較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)，目(mu)前綜(zong)合利用率(lv)尚不(bu)(bu)足40%，故大(da)部分磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需(xu)要(yao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放(fang)。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)場(chang)(chang)地(di)的(de)不(bu)(bu)同(tong)，可(ke)分為平地(di)型(xing)、傍山(shan)(shan)型(xing)、山(shan)(shan)谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)，在中(zhong)國(guo)基(ji)本上是(shi)山(shan)(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)場(chang)(chang)。相比較(jiao)(jiao)干法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)，濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)經(jing)濟(ji)優勢明(ming)顯，因而(er)如地(di)質條件為非(fei)碳酸鹽巖地(di)區，一般均采用濕(shi)排濕(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。隨著中(zhong)國(guo)磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)肥工業(ye)的(de)快速(su)發(fa)展(zhan)，本世紀(ji)初(chu)中(zhong)國(guo)相繼建設了幾(ji)座(zuo)濕(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)的(de)大(da)型(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)，例(li)如云天化(hua)國(guo)際(ji)化(hua)工三環(huan)分公司(si)的(de)柳樹箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)和(he)富瑞(rui)分公司(si)的(de)楊家(jia)箐(qing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)庫(ku)堆(dui)(dui)(dui)積壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設計壩(ba)高(gao)(gao)均超過100m、處于8度地(di)震(zhen)區，其(qi)安全性備受關注。

據統(tong)計，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))來，全世界有118座尾(wei)礦壩曾(ceng)發生過(guo)破(po)壞或潰壩事故，原因(yin)主要有地震、洪水漫頂(ding)、滲透破(po)壞和基礎失穩。尾(wei)礦庫失事后會造成巨(ju)大的生態災難和人(ren)員傷亡，近幾(ji)十(shi)年(nian)來，

國內外對金(jin)屬尾礦(kuang)的沉積規律、物(wu)理力(li)(li)學特性(xing)及(ji)其穩(wen)定性(xing)開(kai)展了大量的研(yan)究，但對于(yu)與金(jin)屬尾礦(kuang)庫相近(jin)的磷(lin)石膏(gao)庫，一般僅限于(yu)在(zai)可研(yan)階段(duan)采用人工制(zhi)備樣進行(xing)物(wu)理力(li)(li)學性(xing)質試驗，并(bing)據(ju)此進行(xing)穩(wen)定性(xing)分析，尚未有人針對己運行(xing)若干年的大型(xing)濕法堆存磷(lin)石膏(gao)堆積壩開(kai)展過磷(lin)石膏(gao)沉積規律及(ji)其物(wu)理力(li)(li)學特性(xing)的專項研(yan)究。

本文依(yi)托柳樹箐磷(lin)石(shi)(shi)膏堆積(ji)壩(ba)，首先進行了(le)鉆探取樣，采用原狀樣開展(zhan)了(le)密度、含水率、滲透(tou)、土水特征和(he)顆分等物理(li)(li)性(xing)質(zhi)試(shi)驗(yan)(yan)，在此基(ji)礎上(shang)有針對性(xing)的(de)選擇原狀樣開展(zhan)了(le)三軸CU、蠕變及(ji)動(dong)三軸等力學(xue)特性(xing)試(shi)驗(yan)(yan)。通過上(shang)述試(shi)驗(yan)(yan)研究，總結了(le)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)沉積(ji)規律、滲透(tou)特性(xing)、滲透(tou)破壞特性(xing)以(yi)及(ji)靜(jing)動(dong)力特性(xing)，上(shang)述研究工(gong)作(zuo)對研究和(he)評估(gu)磷(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)堆積(ji)壩(ba)的(de)穩定性(xing)提供(gong)了(le)基(ji)礎數據，對現行磷(lin)石(shi)(shi)膏庫(ku)的(de)運行管(guan)理(li)(li)以(yi)及(ji)新(xin)建(jian)工(gong)程的(de)設計具(ju)有重要的(de)借鑒意義。

一、依托工(gong)程概況

1.1柳(liu)樹箐磷(lin)石膏(gao)堆積壩(ba)堆存設計(ji)方案

由初期壩和堆(dui)積(ji)壩組成，設計總壩高約130m。

(1)初期壩

初期壩(ba)(ba)壩(ba)(ba)高約30m，采用土料填筑(zhu)。上游坡面、壩(ba)(ba)底和(he)下游壩(ba)(ba)腳設置堆石排水體，三者(zhe)相連通構成整個堆積壩(ba)(ba)的主要排滲系統。

(2)堆積(ji)壩及其輔助排滲措施

采(cai)用上游(you)式筑壩法(fa)，共20級(ji)(ji)子(zi)壩，頂(ding)寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)用排(pai)滲(shen)管(guan)(guan)網作為(wei)輔助排(pai)滲(shen)方案，目前(qian)己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子(zi)壩和13級(ji)(ji)子(zi)壩壩前(qian)120m范圍內設置(zhi)了井字形排(pai)滲(shen)管(guan)(guan)網。

1.2沉(chen)積磷石(shi)膏的鉆(zhan)探取樣(yang)

鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)平面(mian)位置見圖(tu)l。2008年6月(yue)，堆(dui)積至(zhi)5級(ji)子壩(ba)時，布設了9個取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號K1～K9，取原狀樣76件(jian)；2013年5月(yue)，堆(dui)積至(zhi)13級(ji)子壩(ba)時，又布設了11個取樣鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號K10～K20，取原狀樣112件(jian)，為比較子壩(ba)加高和磷石膏堆(dui)積過程中磷石膏物理力學(xue)性質的變化，在2，4級(ji)子壩(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布設了一(yi)個鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，鉆(zhan)(zhan)孔(kong)(kong)(kong)編號分別為K17和K18。

1.3運行概況(kuang)

柳樹箐(qing)磷(lin)石膏尾礦庫2005年(nian)開工建設，2006年(nian)1月投入運行，截至2013年(nian)5月己堆(dui)(dui)至13級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)，尚有7級(ji)子(zi)(zi)壩(ba)即堆(dui)(dui)存至設計(ji)高程。鑒于(yu)磷(lin)石膏庫地形、地質條(tiao)件(jian)較(jiao)好，具備擴容改造(zao)的條(tiao)件(jian)，以提高堆(dui)(dui)存庫容，減少堆(dui)(dui)存占地，節約土地資源。

本文主要對沉積磷石(shi)膏的物理力學特(te)性(xing)進(jin)行了(le)全(quan)面(mian)總結，限于篇幅，有(you)關現狀磷石(shi)膏庫堆(dui)積壩(ba)的安(an)全(quan)性(xing)評價(jia)及其(qi)加高可(ke)行性(xing)的研究將另(ling)文發表。

二、沉積磷(lin)石膏的物理力學特性

2.1物(wu)理特性

(1)干密度分布

圖(tu)2給(gei)出(chu)了(le)14個鉆(zhan)孔(kong)的取樣深度(du)和(he)試驗(yan)所得干密度(du)的關系(xi)，圖(tu)中(zhong)UWL表示(shi)(shi)水(shui)位線上(shang)，(系(xi)鉆(zhan)孔(kong)期間(jian)的初見水(shui)位線，下(xia)同(tong)(tong))，DWL表示(shi)(shi)水(shui)位線下(xia)。圖(tu)3給(gei)出(chu)了(le)水(shui)位線上(shang)下(xia)的飽和(he)度(du)分(fen)布圖(tu)。由于磷(lin)石膏中(zhong)的主要(yao)成分(fen)為(wei)CaSO4·2H2O，不同(tong)(tong)溫(wen)度(du)和(he)烘烤時間(jian)對(dui)測定(ding)結(jie)果有一(yi)定(ding)影(ying)響，不能照搬現行的土(tu)工(gong)試驗(yan)規(gui)范，本(ben)文磷(lin)石膏的含水(shui)率(lv)測定(ding)方法(fa)為(wei)55℃溫(wen)度(du)下(xia)烘培24h。

圖(tu)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3，水(shui)(shui)位線上的磷石膏飽(bao)和(he)度(du)平均值(zhi)為(wei)50.4%，處(chu)于(yu)非飽(bao)和(he)狀(zhuang)態，水(shui)(shui)位線以下(xia)的磷石膏飽(bao)和(he)度(du)平均值(zhi)為(wei)85.0%，基本(ben)處(chu)于(yu)飽(bao)和(he)狀(zhuang)態，由(you)于(yu)水(shui)(shui)位下(xia)降(jiang)后磷石膏來(lai)不及排水(shui)(shui)固結，故而水(shui)(shui)位線上局部(bu)試樣的飽(bao)和(he)度(du)較高(gao)。

由圖2，水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線以上(shang)(shang)的(de)干(gan)密度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)間，均值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線以下的(de)干(gan)密度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)間，均值為1.4g/cm3。可(ke)見磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)與(yu)一般的(de)尾礦有所(suo)不(bu)同(tong)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)密度(du)(du)并不(bu)隨(sui)埋深的(de)增(zeng)大而(er)明顯增(zeng)大，但水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線以下的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密度(du)(du)從(cong)統(tong)計(ji)意義上(shang)(shang)來看仍大于水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線以上(shang)(shang)的(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)密度(du)(du)，這(zhe)主要是由于水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)線隨(sui)庫水(shui)(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)變化反復(fu)升降(jiang)而(er)使得磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)排(pai)水(shui)(shui)(shui)(shui)固結(jie)所(suo)致(zhi)。

室內(nei)(nei)擊(ji)實得到的(de)磷石(shi)膏(gao)最大(da)干(gan)(gan)密(mi)度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之間，從圖2可(ke)(ke)以看出(chu)，自然(ran)沉積(ji)的(de)磷石(shi)膏(gao)最大(da)干(gan)(gan)密(mi)度可(ke)(ke)達到1.73g/cm3，原因如(ru)下(xia)：與(yu)經典的(de)土骨(gu)架(jia)不可(ke)(ke)壓縮的(de)理論(lun)不同，石(shi)膏(gao)本(ben)身(shen)可(ke)(ke)壓縮，同時由于顆粒(li)結(jie)構(gou)不穩定，擊(ji)實試驗過(guo)程中磷石(shi)膏(gao)結(jie)構(gou)被破(po)壞(huai)，受夯擊(ji)處下(xia)陷，四周鼓起(qi)，出(chu)現了(le)類似(si)于橡皮土的(de)現象。而在(zai)現場條件下(xia)，石(shi)膏(gao)骨(gu)架(jia)被破(po)壞(huai)后(hou)(hou)，會導致顆粒(li)中的(de)結(jie)合水滲(shen)出(chu)至孔隙(xi)內(nei)(nei)，變成孔隙(xi)水，排水固結(jie)后(hou)(hou)會使得磷石(shi)膏(gao)的(de)孔隙(xi)比減小，干(gan)(gan)密(mi)度增大(da)。

圖4給出了相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位于(yu)2級子(zi)壩河床部位)以及相(xiang)鄰鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位于(yu)4級子(zi)壩河床部位)干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)間(jian)，均(jun)(jun)值為(wei)(wei)1.37g/cm3。可見，即使(shi)從統(tong)計意義(yi)上來看，磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)也(ye)并未隨(sui)后續磷(lin)石膏的(de)(de)堆積(ji)而有(you)較為(wei)(wei)明顯的(de)(de)增(zeng)大(da)。

(2)級配分布

顆(ke)粒(li)分(fen)析試(shi)(shi)驗采用密度計(ji)法，制(zhi)備懸液時不(bu)煮沸，不(bu)加六(liu)偏(pian)磷酸鈉。圖(tu)(tu)5給出了試(shi)(shi)驗得到(dao)的級(ji)配包線(xian)、平均粒(li)徑d50、不(bu)均勻系(xi)數(1u和曲(qu)率(lv)系(xi)數Cc的分(fen)布(bu)圖(tu)(tu)。

從圖5(a)可(ke)見，磷石膏(gao)的粒(li)徑主要(yao)分布在0.005～0.075mm之間，總體上屬于(yu)粉土，但可(ke)能由于(yu)礦(kuang)石來源(yuan)或生(sheng)產工藝有所不同，局部屬于(yu)粉砂～中砂。粒(li)徑分布范圍(wei)比(bi)Blight和張超等的試驗結果(guo)要(yao)寬一些。

圖4子壩(ba)加高后沉積磷石膏(gao)的干密(mi)度變化(hua)

圖5沉積磷石膏的(de)平均粒(li)徑和(he)級配分布

由圖5(b)和5(c)，無論是水平向還(huan)是垂直向，磷石(shi)(shi)(shi)膏與(yu)金屬礦(kuang)(kuang)山尾礦(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)“前(qian)粗(cu)后細(xi)，上粗(cu)下細(xi)”的(de)(de)(de)自然分級現(xian)象不(bu)同，也即(ji)粗(cu)顆粒(li)并不(bu)是沿(yan)埋深逐步減(jian)小(xiao)或距離放(fang)漿口越遠(yuan)顆粒(li)越細(xi)，其原(yuan)因如下：①磷石(shi)(shi)(shi)膏顆粒(li)粒(li)徑組(zu)成較(jiao)為(wei)集中(zhong)、均勻(yun)，主要以(yi)粉粒(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為(wei)主，級配(pei)較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金屬尾礦(kuang)(kuang)，磷石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)比(bi)重較(jiao)小(xiao)，磷石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)比(bi)重一般為(wei)2.3～2.4，遠(yuan)小(xiao)于金屬尾礦(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)比(bi)重，例(li)如鐵(tie)尾礦(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)比(bi)重可達2.9；③放(fang)漿口隨子壩高(gao)度不(bu)斷增加(jia)而不(bu)斷變動(dong)并向庫尾延伸(shen)，造成沉積磷石(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)粒(li)徑變化不(bu)明(ming)顯。

從(cong)圖(tu)5(d)可(ke)見，不均勻(yun)系數(shu)Cu范圍值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)為4.18，曲率系數(shu)(1c范圍值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)為1.21，在(zai)統計(ji)的100多(duo)個(ge)試樣中，屬于級配不良土的占93%。這(zhe)種級配特性決定(ding)了磷石膏具有(you)較高的壓(ya)縮性、滲透破(po)壞型式表現為流土破(po)壞。

2.2滲透特(te)性

(1)滲透系數(shu)

影(ying)響滲(shen)透系(xi)數(shu)的(de)主(zhu)要因(yin)素是粒徑大(da)(da)(da)小、級配和孔隙比，因(yin)而磷(lin)石膏(gao)的(de)滲(shen)透系(xi)數(shu)與粉土較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)接近。由于(yu)(yu)孔隙比e減小，使(shi)得過(guo)水通道(dao)面積減小，滲(shen)透系(xi)數(shu)k也將減小，k與e呈正(zheng)相關(guan)關(guan)系(xi)。對砂土，一般認為(wei)滲(shen)透系(xi)數(shu)k與e3/(1+e)的(de)線性(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)好(hao)，圖6給出了二(er)者(zhe)間的(de)關(guan)系(xi)曲線，由于(yu)(yu)沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)不均(jun)勻(yun)系(xi)數(shu)變化較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)(da)，使(shi)得沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)滲(shen)透系(xi)數(shu)變化范圍較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)(da)(平均(jun)值(zhi)為(wei)10-4cm/s數(shu)量(liang)級)，二(er)者(zhe)問的(de)線性(xing)關(guan)系(xi)較(jiao)(jiao)(jiao)差。

圖6沉積(ji)磷石膏滲透系(xi)數與孔(kong)隙比的關系(xi)

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

圖7給出了水(shui)(shui)平(ping)與垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)比值的(de)(de)分布(bu)。沉(chen)(chen)積磷石膏的(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kh一(yi)般大于(yu)垂直向(xiang)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)kv,kh/kv平(ping)均值約為2.86，這一(yi)點與成(cheng)層分布(bu)的(de)(de)金屬(shu)尾(wei)礦規律一(yi)致。造成(cheng)沉(chen)(chen)積磷石膏水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)大于(yu)垂直向(xiang)滲(shen)透(tou)系(xi)數(shu)的(de)(de)原因是由(you)于(yu)磷石膏具有明(ming)顯的(de)(de)晶體結(jie)構(gou)，電(dian)鏡掃描顯示多(duo)為菱形和棱柱狀形式(shi)(見(jian)圖8)，在沉(chen)(chen)積過程中，由(you)于(yu)扁平(ping)狀磷石膏顆粒多(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)排列，使得水(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)大于(yu)垂直方向(xiang)的(de)(de)透(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)，從而使磷石膏呈(cheng)現明(ming)顯的(de)(de)各向(xiang)異(yi)性(xing)(xing)。

另(ling)根據中國有色(se)金屬(shu)工業昆明勘(kan)察設計研究院在楊家(jia)箐磷石(shi)膏(gao)堆(dui)積壩(ba)開展的現(xian)場滲(shen)(shen)透試(shi)驗(yan)，kh/kv的平均值(zhi)約為1.9。但(dan)張超等的室內(nei)試(shi)驗(yan)顯(xian)示，kh/kv的平均值(zhi)約為0.46，也即(ji)垂直(zhi)向滲(shen)(shen)透系(xi)數大于水平向滲(shen)(shen)透系(xi)數，與本文和現(xian)場試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果恰恰相(xiang)反。從磷石(shi)膏(gao)的微觀結(jie)(jie)構來看(kan)，本文試(shi)驗(yan)結(jie)(jie)果更為合理(li)。

圖7沉積磷石(shi)膏干(gan)密度(du)與水平和垂直滲透(tou)系數比值的關系

(2)滲(shen)透變(bian)形

圖9為磷石(shi)(shi)膏干密度(du)為1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)水力梯度(du)J與流(liu)速V的(de)(de)(de)(de)關(guan)系(xi)曲(qu)線，試驗(yan)在(zai)(zai)水平管涌儀中(zhong)采用水平方向(xiang)的(de)(de)(de)(de)滲流(liu)形式進行。試驗(yan)得到(dao)的(de)(de)(de)(de)臨界坡(po)降Jc=0.355，破(po)壞坡(po)降Jp=0.375。一(yi)(yi)般來說，對1，2級(ji)工程，滲透安全系(xi)數(shu)取(qu)為2.5，則允許出(chu)逸坡(po)降為0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以(yi)下工程，滲透安全系(xi)數(shu)取(qu)2.0，則允許出(chu)逸坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其允許比(bi)降與粉(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)砂大致(zhi)相同(tong)。但上述滲透變形試驗(yan)是采用自(zi)來水進行的(de)(de)(de)(de)，自(zi)來水對磷石(shi)(shi)膏具有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)溶蝕作用，而實際(ji)上磷石(shi)(shi)膏中(zhong)殘余磷、硫和(he)氟酸(suan)(suan)，庫水的(de)(de)(de)(de)pH值一(yi)(yi)般小于3(稱(cheng)之為酸(suan)(suan)性水)，在(zai)(zai)酸(suan)(suan)性水作用下，磷石(shi)(shi)膏不會發(fa)生破(po)壞，上述試驗(yan)結果是偏(pian)于保守(shou)的(de)(de)(de)(de)，但對非酸(suan)(suan)性水條件(例如特大暴(bao)雨(yu))下的(de)(de)(de)(de)滲透穩定(ding)判斷有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)借(jie)鑒意義。

圖9水(shui)力(li)梯度J-流速v試驗過程(cheng)線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征試驗

試驗在5Bar的壓力板(ban)儀中進行，環(huan)刀(dao)尺寸6.18cm。干密(mi)度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組，吸力范(fan)圍0～500kPa。表l列出(chu)了含水率特征值，試驗曲線見圖10所示。

試驗結果(guo)表明：①干密度(du)(du)(du)對進氣值(zhi)沒有明顯的(de)(de)影響(xiang)，不同(tong)干密度(du)(du)(du)的(de)(de)試樣的(de)(de)進氣值(zhi)大致在10kPa左右；②土樣殘余含水率(lv)隨干密度(du)(du)(du)的(de)(de)增加而減少，殘余含水率(lv)約為飽和含水率(lv)的(de)(de)10%。上(shang)述特(te)性與粉(fen)土一粉(fen)砂基本一致。

2.3靜力(li)力(li)學特性

(1)三軸CU試驗(yan)

由于沉積(ji)磷石膏(gao)的(de)密(mi)度變(bian)化較大，而進(jin)行三(san)軸試驗(yan)需要若(ruo)干原狀樣，為(wei)使試驗(yan)結果具有(you)較好的(de)一致性，有(you)針(zhen)對性的(de)選擇(ze)平(ping)均干密(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(de)若(ruo)干試樣，進(jin)行了5組三(san)軸CU試驗(yan)。圖11是為(wei)干密(mi)度為(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三(san)軸CU試驗(yan)曲(qu)線。

從圖11可以看出，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)應力應變(bian)關系曲(qu)線在(zai)低圍壓(ya)(ya)下(xia)表(biao)現為(wei)軟化型(xing)，在(zai)高圍壓(ya)(ya)下(xia)表(biao)現為(wei)硬(ying)化型(xing)，與(yu)一般土類相似。但與(yu)一般粉(fen)土一粉(fen)砂不同的(de)是，即使在(zai)較為(wei)疏(shu)松的(de)狀態下(xia)，磷(lin)(lin)石膏(gao)仍(reng)表(biao)現了較為(wei)強烈的(de)剪脹，隨密實(shi)度增(zeng)大，剪脹作用愈發明顯。

表2給出了不(bu)同干(gan)密(mi)度(du)下的(de)(de)(de)(de)內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)，圖12給出了內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)與干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)關系曲線。隨干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，內(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用冪函(han)數(shu)較(jiao)好地擬合。磷石膏的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)37.3°(根(gen)據擬合曲線求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)9.4%，有效應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)(wei)3.2%，由(you)(you)于(yu)隨圍壓(ya)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔(kong)壓(ya)也明顯增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較(jiao)之(zhi)總應力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)要小(xiao)。另(ling)外較(jiao)之(zhi)于(yu)干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不(bu)顯著(zhu)，表明即使較(jiao)為(wei)(wei)疏松的(de)(de)(de)(de)磷石膏仍(reng)具有較(jiao)高的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)指標，這也表明磷石膏堆積壩的(de)(de)(de)(de)穩定(ding)性較(jiao)高。

(2)蠕(ru)變(次固結(jie))變形試(shi)驗

磷石膏的蠕變(bian)變(bian)形試驗在側限(xian)壓縮儀中進行，試驗狀態(tai)相當于K0固結。試樣(yang)直徑61.8mm，高度20mm，試樣(yang)干密度為1.30g/cm3，對(dui)試樣(yang)飽(bao)和后分別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試驗，

試驗從(cong)2012年(nian)(nian)8月27日開(kai)始，試驗己進行(xing)了1年(nian)(nian)多，試驗結果見圖(tu)13所示。

從圖13中(zhong)可以看出：上覆荷載(zai)越大，磷石膏的蠕變(bian)變(bian)形也越大，荷載(zai)施加(jia)1年后，磷石膏的蠕變(bian)變(bian)形仍(reng)非常顯著，尚(shang)未(wei)達到穩(wen)定狀態，這也是磷石膏堆積壩(ba)后期變(bian)形較大的原因，原型觀測資料表明，在5級(ji)子壩(ba)河床部位(wei)的表面(mian)沉降(jiang)量已(yi)經達到3.1m，且(qie)尚(shang)未(wei)完全穩(wen)定。

按時(shi)間(jian)(jian)對(dui)數法，可求得(de)各(ge)級(ji)荷載下的(de)(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)次(ci)固結(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量如(ru)表(biao)3所示。試驗結(jie)果表(biao)明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷載作用下，在(zai)(zai)試驗時(shi)間(jian)(jian)范圍內蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)(次(ci)固結(jie))變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是(shi)主(zhu)(zhu)固結(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)1.8～3.1倍，當然由(you)于(yu)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚(shang)未(wei)完成(cheng)，實際的(de)(de)(de)(de)蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)應更(geng)大。對(dui)土體(ti)而言(yan)，發生蠕(ru)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)原因(yin)是(shi)由(you)于(yu)土體(ti)在(zai)(zai)主(zhu)(zhu)固結(jie)完成(cheng)之后，土體(ti)中仍有(you)微小(xiao)的(de)(de)(de)(de)超靜(jing)孔隙壓力存在(zai)(zai)，驅使(shi)水在(zai)(zai)顆粒問流(liu)動，一般來講土體(ti)的(de)(de)(de)(de)次(ci)固結(jie)遠(yuan)小(xiao)于(yu)主(zhu)(zhu)固結(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；對(dui)磷石膏(gao)而言(yan)，其(qi)滲透系數在(zai)(zai)10-4cm/s數量級(ji)，遠(yuan)大于(yu)黏性土，但其(qi)卻發生了極為顯著(zhu)的(de)(de)(de)(de)次(ci)固結(jie)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其(qi)原因(yin)在(zai)(zai)于(yu)磷石膏(gao)晶(jing)體(ti)結(jie)構發生了壓縮(suo)、破(po)壞(huai)，接觸點晶(jing)格發生歪曲和變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而破(po)壞(huai)后晶(jing)格之間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)重新排列(lie)、調整到最后趨于(yu)相對(dui)靜(jing)止(zhi)需(xu)要(yao)相當長的(de)(de)(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)才能完成(cheng)。

2.4動(dong)力力學特性(xing)

試驗設(she)備采用(yong)英(ying)國GDS公司進口的電機控制動三軸(zhou)試驗系統，試樣直徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼比(bi)

同樣由于自然沉積的磷石(shi)膏密度(du)(du)變化較大，為(wei)此根據物理性(xing)質試(shi)驗(yan)結果，選擇兩種平均干密度(du)(du)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(shi)驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的(de)動剪切(qie)模(mo)量G、阻(zu)尼比與(yu)剪應變(bian)幅值γd的(de)關系式如下：

式中k1為(wei)參(can)數，表(biao)示動(dong)剪切模量的(de)衰減(jian)或阻尼比的(de)增長速(su)率；λmax為(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)最大動(dong)剪切模量和(he)歸一(yi)化的(de)動(dong)剪應變，表(biao)示為(wei)

式中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應力；Pa為(wei)(wei)標準大(da)氣壓；vd為(wei)(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)(wei)歸一化的動(dong)應變，表達為(wei)(wei)

圖(tu)14給(gei)出(chu)(chu)(chu)了(le)動(dong)剪切模(mo)量(liang)、阻尼比與歸一化動(dong)應(ying)變的(de)關系(xi)曲線，另(ling)外圖(tu)中(zhong)還給(gei)出(chu)(chu)(chu)了(le)式(1)的(de)擬合曲線以及Seed等給(gei)出(chu)(chu)(chu)的(de)砂樣(yang)的(de)上下(xia)邊界線，圖(tu)例(li)中(zhong)，σ2表(biao)示圍壓，Kc表(biao)示固結應(ying)力(li)比。

從圖(tu)(tu)中(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可較(jiao)好(hao)地描述磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)應(ying)力-動(dong)應(ying)變試驗曲線，表(biao)(biao)明(ming)采用等價黏彈性模(mo)型進(jin)行循環荷載(zai)作用下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析是可行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)(du)為1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線位于(yu)干密(mi)度(du)(du)為1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線上方，圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)位于(yu)下方，表(biao)(biao)明(ming)密(mi)度(du)(du)越(yue)大(da)(da)，動(dong)彈模(mo)越(yue)大(da)(da)、阻尼(ni)比(bi)(bi)越(yue)小；③圖(tu)(tu)14(a)中(zhong)，兩種干密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擬合(he)(he)線基本(ben)(ben)位于(yu)Seed等給出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)線上方，而圖(tu)(tu)14(b)中(zhong)則(ze)基本(ben)(ben)處于(yu)邊(bian)界(jie)線中(zhong)間，表(biao)(biao)明(ming)相(xiang)比(bi)(bi)較(jiao)砂樣(yang)，磷石(shi)(shi)膏動(dong)彈模(mo)較(jiao)大(da)(da)，會(hui)(hui)導致磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)應(ying)較(jiao)大(da)(da)，但(dan)由于(yu)阻尼(ni)比(bi)(bi)也較(jiao)大(da)(da)，這樣(yang)又會(hui)(hui)削弱壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)應(ying)，二(er)者的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)互影響下，磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)壩(ba)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)力反(fan)應(ying)將不會(hui)(hui)過于(yu)強烈(lie)，這對磷石(shi)(shi)膏堆(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)震穩定(ding)性是有利(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選(xuan)擇兩種(zhong)平均干(gan)密度為(wei)1.12(變(bian)化范圍1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(變(bian)化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破壞標(biao)準為(wei)總應變(bian)達(da)到10%。

圖15給出(chu)了(le)動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)τd/σ0′與破壞振次Nf的(de)關(guan)(guan)系曲線圖，其中σ0為振前(qian)試樣(yang)45°面上的(de)有效法向(xiang)應力(li)(li)，表達為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比(bi)。從(cong)試驗結(jie)果可以看(kan)出(chu)，沉積磷(lin)石膏的(de)動(dong)強度與其它土體(ti)相似(si)，表現(xian)為圍壓和固結(jie)應力(li)(li)比(bi)與動(dong)剪應力(li)(li)比(bi)呈負相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系。

為(wei)(wei)判別(bie)沉(chen)積(ji)磷石膏(gao)的抗(kang)液化能力，假定抗(kang)震設計烈度(du)為(wei)(wei)8度(du)，即等效振次(ci)Ⅳ可取為(wei)(wei)30。首先(xian)由(you)式(4)

所(suo)示的冪函數(shu)關系式得到振次為(wei)30時各個圍壓和固結(jie)比下的動剪(jian)應力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可擬合求得(de)動(dong)剪應力比(bi)與(yu)圍壓和(he)固結(jie)應力比(bi)的(de)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(he)關(guan)系式可見，密實度(du)提(ti)高(gao)(gao)后，動剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)提(ti)高(gao)(gao)，表明抗(kang)液(ye)化(hua)能力(li)也提(ti)高(gao)(gao)。但即使是(shi)在低密度(du)下，其動剪(jian)應(ying)力(li)比(bi)較之同類(lei)的(de)粉土或粉砂也大出許多，表明磷石膏具有較高(gao)(gao)的(de)抗(kang)液(ye)化(hua)能力(li)。

三、結(jie)論

依(yi)托柳樹箐磷石膏堆積壩，在鉆(zhan)探取樣工作的基礎上(shang)，首先開展了物理性質試(shi)驗(yan)，然后開展了靜(jing)動力(li)力(li)學特性試(shi)驗(yan)。通過上(shang)述試(shi)驗(yan)研究(jiu)，得出(chu)如下結論：

(1)沉積(ji)磷石膏(gao)總體上屬(shu)于級配(pei)不(bu)良的粉土，局(ju)部屬(shu)于粉砂一中砂，無自然分級現象(xiang)。其干密(mi)度和(he)粒徑(jing)變化(hua)隨埋深或距放(fang)漿口距離的變化(hua)不(bu)明顯。

(2)沉積磷石膏水(shui)平方(fang)向(xiang)的滲透系數(shu)大于垂直(zhi)方(fang)向(xiang)的滲透系數(shu)，呈現明顯的各向(xiang)異性(xing)。

(3)與(yu)土(tu)體(ti)(ti)顆粒(li)不可(ke)壓縮(suo)不同(tong)，磷石(shi)膏的晶(jing)體(ti)(ti)結(jie)構會發生壓縮(suo)破壞，具有較大(da)的壓縮(suo)性，其次固(gu)結(jie)變(bian)形量遠大(da)于(yu)主固(gu)結(jie)變(bian)形量。

(4)沉積(ji)磷石(shi)膏的靜動強(qiang)度較(jiao)之同等密實度下的粉土、粉砂要(yao)高。