沉積磷石膏的物理力學特性試驗研究

摘(zhai)要：磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)是磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸生產(chan)過程中的(de)(de)(de)(de)(de)副產(chan)品，目(mu)前(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)綜(zong)合利用率(lv)尚不足40%，大部分(fen)(fen)需要堆(dui)(dui)存存放。受地(di)形限制(zhi)和經(jing)濟(ji)效益考慮(lv)，中國主要為濕(shi)法堆(dui)(dui)存的(de)(de)(de)(de)(de)山谷型堆(dui)(dui)場。依托柳樹箐磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)，針(zhen)對(dui)沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)首先開展(zhan)了(le)密(mi)(mi)度、含水率(lv)、滲(shen)透、土水特(te)(te)征和顆分(fen)(fen)等物理(li)性質(zhi)試驗(yan)，然(ran)后(hou)開展(zhan)了(le)三軸(zhou)cu、蠕變(bian)及動三軸(zhou)等力(li)學(xue)特(te)(te)性試驗(yan)。試驗(yan)結(jie)果表(biao)明：①沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)干密(mi)(mi)度與埋(mai)深沒(mei)有相關關系；②沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)不具(ju)有自然(ran)分(fen)(fen)級現(xian)象，但具(ju)有明顯的(de)(de)(de)(de)(de)各(ge)向(xiang)異性；③沉(chen)積(ji)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)具(ju)有較高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)摩(mo)擦角和抗液化能力(li)，但其蠕變(bian)變(bian)形較大、滲(shen)透比(bi)降(jiang)較小。上述工作為分(fen)(fen)析磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)(dui)積(ji)壩(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)壩(ba)體穩定(ding)性提供了(le)基礎，對(dui)現(xian)行(xing)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)的(de)(de)(de)(de)(de)運行(xing)管(guan)理(li)以及新建工程的(de)(de)(de)(de)(de)設計(ji)具(ju)有重要的(de)(de)(de)(de)(de)借鑒意義。

引(yin)言

磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)濕法(fa)磷酸(suan)生產過程中(zhong)(zhong)的(de)副(fu)產品，2018年，全國磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)產生量為(wei)7800萬噸，且呈逐(zhu)年增(zeng)長的(de)態勢。磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)主要成(cheng)分(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一(yi)定量的(de)氟化(hua)物(wu)和(he)其它放射性物(wu)質，在(zai)中(zhong)(zhong)國通常按(an)Ⅱ類一(yi)般(ban)工(gong)業(ye)(ye)固體廢物(wu)處理(li)，鑒于(yu)無害化(hua)處理(li)成(cheng)本(ben)較(jiao)高，目前綜合利(li)用率尚(shang)不足40%，故大(da)部分(fen)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需(xu)要堆(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)存(cun)場(chang)(chang)地(di)(di)的(de)不同，可(ke)分(fen)為(wei)平地(di)(di)型、傍山型、山谷型和(he)截(jie)河型堆(dui)場(chang)(chang)，在(zai)中(zhong)(zhong)國基本(ben)上是(shi)山谷型堆(dui)場(chang)(chang)。相比較(jiao)干法(fa)堆(dui)存(cun)，濕法(fa)堆(dui)存(cun)經濟優勢明顯，因(yin)而如地(di)(di)質條件(jian)為(wei)非碳酸(suan)鹽巖(yan)地(di)(di)區(qu)，一(yi)般(ban)均采用濕排濕堆(dui)方式。隨著中(zhong)(zhong)國磷肥工(gong)業(ye)(ye)的(de)快速(su)發(fa)展，本(ben)世紀初中(zhong)(zhong)國相繼建設(she)了(le)幾座(zuo)濕法(fa)堆(dui)存(cun)的(de)大(da)型磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)，例如云天化(hua)國際化(hua)工(gong)三環分(fen)公(gong)司(si)的(de)柳(liu)樹箐(qing)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)和(he)富瑞(rui)分(fen)公(gong)司(si)的(de)楊家箐(qing)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩(ba)，這兩座(zuo)壩(ba)設(she)計壩(ba)高均超過100m、處于(yu)8度地(di)(di)震區(qu)，其安全性備(bei)受(shou)關注。

據(ju)統計，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))來(lai)，全世界有118座尾(wei)礦壩曾發生過破壞或潰壩事故，原(yuan)因(yin)主(zhu)要有地震、洪水漫頂、滲透破壞和基(ji)礎失穩(wen)。尾(wei)礦庫(ku)失事后會造成(cheng)巨大的生態(tai)災(zai)難和人員傷亡，近(jin)幾十年(nian)(nian)來(lai)，

國內外對金屬尾礦的沉(chen)積(ji)規律、物(wu)理(li)力(li)學特性(xing)及其穩(wen)定(ding)性(xing)開(kai)展(zhan)了大量的研究(jiu)，但對于(yu)與(yu)金屬尾礦庫相近的磷石膏庫，一般僅限(xian)于(yu)在可(ke)研階段采用人工制備(bei)樣進行物(wu)理(li)力(li)學性(xing)質試驗，并(bing)據此進行穩(wen)定(ding)性(xing)分析(xi)，尚未有人針對己運行若(ruo)干年的大型濕(shi)法堆存磷石膏堆積(ji)壩(ba)開(kai)展(zhan)過磷石膏沉(chen)積(ji)規律及其物(wu)理(li)力(li)學特性(xing)的專項研究(jiu)。

本文依托柳樹箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)堆(dui)積壩，首先進(jin)行了(le)鉆(zhan)探取樣，采(cai)用原(yuan)(yuan)狀樣開(kai)展了(le)密度、含水率、滲(shen)透、土水特(te)征和顆分等物(wu)理(li)性(xing)(xing)質試(shi)驗(yan)，在此(ci)基礎上有針對性(xing)(xing)的選擇原(yuan)(yuan)狀樣開(kai)展了(le)三(san)(san)軸(zhou)CU、蠕變及(ji)(ji)動三(san)(san)軸(zhou)等力學(xue)特(te)性(xing)(xing)試(shi)驗(yan)。通過(guo)上述試(shi)驗(yan)研究(jiu)，總結了(le)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的沉積規律、滲(shen)透特(te)性(xing)(xing)、滲(shen)透破壞特(te)性(xing)(xing)以及(ji)(ji)靜動力特(te)性(xing)(xing)，上述研究(jiu)工(gong)作對研究(jiu)和評估磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)堆(dui)積壩的穩(wen)定性(xing)(xing)提供了(le)基礎數據，對現(xian)行磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)庫(ku)的運行管理(li)以及(ji)(ji)新(xin)建工(gong)程(cheng)的設計具(ju)有重(zhong)要的借鑒意義(yi)。

一、依托工程概況

1.1柳樹箐磷石(shi)膏堆積壩堆存設計方案

由(you)初(chu)期壩和(he)堆積壩組成，設計(ji)總(zong)壩高約130m。

(1)初期壩

初(chu)期壩(ba)壩(ba)高(gao)約30m，采(cai)用土料(liao)填筑。上游坡面、壩(ba)底(di)和下游壩(ba)腳設置堆石(shi)排(pai)水體(ti)，三者(zhe)相連(lian)通構成整個堆積壩(ba)的主要排(pai)滲(shen)系統。

(2)堆積壩及其輔助排滲措(cuo)施

采(cai)用(yong)上游式筑壩(ba)法，共20級(ji)(ji)子壩(ba)，頂寬6～9m，高度5m，堆積高度約100m。采(cai)用(yong)排滲管網作(zuo)為輔(fu)助排滲方案，目前(qian)己在5級(ji)(ji)、9級(ji)(ji)子壩(ba)和13級(ji)(ji)子壩(ba)壩(ba)前(qian)120m范(fan)圍內(nei)設置(zhi)了井字形排滲管網。

1.2沉積磷石(shi)膏的鉆探取樣

鉆孔(kong)(kong)(kong)平面位置見圖l。2008年(nian)(nian)6月(yue)，堆(dui)積至5級(ji)(ji)(ji)子壩(ba)(ba)時，布設(she)了9個(ge)取(qu)(qu)樣鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K1～K9，取(qu)(qu)原狀樣76件；2013年(nian)(nian)5月(yue)，堆(dui)積至13級(ji)(ji)(ji)子壩(ba)(ba)時，又布設(she)了11個(ge)取(qu)(qu)樣鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)K10～K20，取(qu)(qu)原狀樣112件，為比較子壩(ba)(ba)加高和(he)磷(lin)石膏堆(dui)積過程中磷(lin)石膏物(wu)理力學性質的變化，在2，4級(ji)(ji)(ji)子壩(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布設(she)了一個(ge)鉆孔(kong)(kong)(kong)，鉆孔(kong)(kong)(kong)編(bian)號(hao)分別為K17和(he)K18。

1.3運行概況

柳(liu)樹箐磷(lin)石膏(gao)尾礦庫2005年(nian)(nian)開工建設，2006年(nian)(nian)1月(yue)投入運(yun)行，截至2013年(nian)(nian)5月(yue)己堆(dui)至13級(ji)(ji)子壩，尚有(you)7級(ji)(ji)子壩即堆(dui)存(cun)至設計高程。鑒(jian)于磷(lin)石膏(gao)庫地(di)形(xing)、地(di)質條件較好，具備擴容(rong)改造的條件，以提高堆(dui)存(cun)庫容(rong)，減少堆(dui)存(cun)占(zhan)地(di)，節約土地(di)資源。

本文(wen)主要對沉積(ji)磷石膏的物理力學特性(xing)進(jin)行(xing)了全面(mian)總結，限于篇幅，有關現狀(zhuang)磷石膏庫堆積(ji)壩的安全性(xing)評(ping)價及其加高(gao)可(ke)行(xing)性(xing)的研究(jiu)將另(ling)文(wen)發表。

二、沉積(ji)磷石膏的物(wu)理力學特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

圖2給出(chu)了(le)(le)14個鉆孔(kong)的取樣深度(du)和(he)(he)試驗所得干(gan)密(mi)度(du)的關系，圖中UWL表示水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上(shang)(shang)，(系鉆孔(kong)期間的初(chu)見水(shui)(shui)位(wei)線(xian)，下(xia)同)，DWL表示水(shui)(shui)位(wei)線(xian)下(xia)。圖3給出(chu)了(le)(le)水(shui)(shui)位(wei)線(xian)上(shang)(shang)下(xia)的飽和(he)(he)度(du)分布(bu)圖。由于(yu)磷(lin)石膏中的主要(yao)成(cheng)分為CaSO4·2H2O，不同溫度(du)和(he)(he)烘烤時間對測(ce)定結果有一定影響(xiang)，不能照(zhao)搬(ban)現(xian)行的土(tu)工試驗規范(fan)，本(ben)文磷(lin)石膏的含水(shui)(shui)率測(ce)定方法(fa)為55℃溫度(du)下(xia)烘培(pei)24h。

圖2沉(chen)積(ji)磷石膏干密度與埋深的(de)關系

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

由(you)圖3，水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)的磷石(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平均值為(wei)50.4%，處于(yu)非飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，水(shui)(shui)位(wei)線以(yi)下的磷石(shi)膏(gao)飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)平均值為(wei)85.0%，基(ji)本處于(yu)飽(bao)(bao)和(he)(he)狀態，由(you)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)下降(jiang)后磷石(shi)膏(gao)來不(bu)及排水(shui)(shui)固結，故而水(shui)(shui)位(wei)線上(shang)局部試樣的飽(bao)(bao)和(he)(he)度(du)較高。

由(you)圖(tu)2，水(shui)(shui)位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之間，均值為1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)線以(yi)下的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之間，均值為1.4g/cm3。可見磷(lin)石(shi)膏與一般(ban)的(de)(de)(de)(de)尾礦有所不同，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)并不隨埋深的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而(er)明顯增(zeng)大，但(dan)水(shui)(shui)位(wei)線以(yi)下的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干(gan)密(mi)(mi)度(du)從統計意義上(shang)來看仍大于水(shui)(shui)位(wei)線以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干(gan)密(mi)(mi)度(du)，這(zhe)主要是由(you)于水(shui)(shui)位(wei)線隨庫水(shui)(shui)位(wei)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)反復(fu)升降而(er)使(shi)得磷(lin)石(shi)膏排水(shui)(shui)固結(jie)所致。

室內(nei)擊實(shi)得(de)到(dao)的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏最大干(gan)密(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之(zhi)間，從圖(tu)2可(ke)(ke)以(yi)看出(chu)(chu)，自然(ran)沉(chen)積的(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏最大干(gan)密(mi)度(du)可(ke)(ke)達到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：與經典的(de)(de)土骨架(jia)不可(ke)(ke)壓縮的(de)(de)理論(lun)不同，石(shi)(shi)膏本身可(ke)(ke)壓縮，同時由于(yu)顆(ke)(ke)粒結構不穩定，擊實(shi)試驗過(guo)程中磷(lin)石(shi)(shi)膏結構被破壞，受(shou)夯擊處下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)(chu)現了類似于(yu)橡皮土的(de)(de)現象(xiang)。而在現場條(tiao)件(jian)下(xia)，石(shi)(shi)膏骨架(jia)被破壞后，會(hui)導致顆(ke)(ke)粒中的(de)(de)結合(he)水滲出(chu)(chu)至孔(kong)隙內(nei)，變成孔(kong)隙水，排水固(gu)結后會(hui)使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)孔(kong)隙比減小(xiao)，干(gan)密(mi)度(du)增大。

圖4給出了相鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)K2和K17(位(wei)于(yu)2級子壩河床部位(wei))以及相鄰(lin)鉆(zhan)孔(kong)K6和K18(位(wei)于(yu)4級子壩河床部位(wei))干(gan)密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)(de)對比圖。K2鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在1.12～1.47g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在1.2～1.39g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在1.13～1.57g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18鉆(zhan)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度在1.14～1.59g/cm3之間(jian)，均值(zhi)為(wei)(wei)(wei)1.37g/cm3。可(ke)見，即使(shi)從統計意義上來看，磷石膏的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度也(ye)并未隨(sui)后續磷石膏的(de)(de)(de)(de)堆積而有較為(wei)(wei)(wei)明顯的(de)(de)(de)(de)增大。

(2)級配分布

顆(ke)粒分析試驗采用密度計(ji)法，制備懸液時不煮沸，不加六(liu)偏(pian)磷酸(suan)鈉。圖5給出了試驗得到的(de)級配包線、平均粒徑d50、不均勻(yun)系數(1u和(he)曲率系數Cc的(de)分布圖。

從圖5(a)可見，磷石膏的粒徑(jing)主要(yao)分布在(zai)0.005～0.075mm之間(jian)，總體上屬于粉土，但可能由(you)于礦(kuang)石來源或(huo)生產(chan)工藝有(you)所不同(tong)，局部屬于粉砂～中砂。粒徑(jing)分布范圍比Blight和張超(chao)等(deng)的試驗結(jie)果(guo)要(yao)寬(kuan)一些。

圖4子(zi)壩加(jia)高后沉積磷石膏的干密(mi)度變(bian)化

圖5沉(chen)積(ji)磷石膏的平均粒徑(jing)和級配(pei)分布

由圖(tu)5(b)和5(c)，無論是水平向還是垂直向，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)與金屬(shu)礦(kuang)(kuang)山尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)“前粗(cu)(cu)后細，上粗(cu)(cu)下細”的(de)自然(ran)分級現(xian)象不同，也即粗(cu)(cu)顆粒(li)(li)并不是沿埋(mai)深逐步減小(xiao)或距離放漿口越遠顆粒(li)(li)越細，其原因如下：①磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)顆粒(li)(li)粒(li)(li)徑組(zu)成較(jiao)為集(ji)中、均(jun)勻，主要(yao)以粉粒(li)(li)組(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)為主，級配(pei)較(jiao)差；②相比(bi)較(jiao)金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)比(bi)重較(jiao)小(xiao)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)比(bi)重一般為2.3～2.4，遠小(xiao)于金屬(shu)尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重，例如鐵(tie)尾(wei)礦(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重可(ke)達(da)2.9；③放漿口隨子壩高(gao)度不斷增(zeng)加而不斷變(bian)動并向庫尾(wei)延伸，造成沉(chen)積磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)的(de)粒(li)(li)徑變(bian)化不明顯。

從(cong)圖5(d)可見，不均(jun)勻系(xi)數Cu范圍(wei)值1.61～21.5，平(ping)均(jun)值為(wei)4.18，曲率系(xi)數(1c范圍(wei)值0.28～9.78，平(ping)均(jun)值為(wei)1.21，在統(tong)計的(de)100多個試樣中，屬(shu)于(yu)級(ji)配不良土的(de)占93%。這種級(ji)配特(te)性決定了磷石膏具有較高的(de)壓縮性、滲透(tou)破壞型式表現為(wei)流土破壞。

2.2滲透特性

(1)滲透系數

影響(xiang)滲(shen)(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)數的(de)主要因素(su)是粒徑大小(xiao)、級(ji)配(pei)和孔隙(xi)比(bi)，因而(er)磷石(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)數與粉土(tu)較為接近(jin)。由于孔隙(xi)比(bi)e減(jian)小(xiao)，使得過(guo)水通道面(mian)積(ji)減(jian)小(xiao)，滲(shen)(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)數k也將(jiang)減(jian)小(xiao)，k與e呈正(zheng)相(xiang)關關系(xi)(xi)(xi)。對砂(sha)土(tu)，一般認為滲(shen)(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)數k與e3/(1+e)的(de)線性(xing)關系(xi)(xi)(xi)較好，圖6給出了二(er)(er)者(zhe)間(jian)的(de)關系(xi)(xi)(xi)曲(qu)線，由于沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)不均(jun)勻系(xi)(xi)(xi)數變(bian)化較大，使得沉積(ji)磷石(shi)膏的(de)滲(shen)(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)數變(bian)化范圍較大(平(ping)均(jun)值(zhi)為10-4cm/s數量級(ji))，二(er)(er)者(zhe)問的(de)線性(xing)關系(xi)(xi)(xi)較差。

圖6沉積磷(lin)石膏滲透系(xi)(xi)數(shu)與孔隙(xi)比的(de)關系(xi)(xi)

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

圖7給出了水平(ping)與垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系數比值的(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)。沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)水平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系數kh一(yi)般大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)滲(shen)透(tou)系數kv,kh/kv平(ping)均(jun)值約(yue)為2.86，這一(yi)點(dian)與成層分(fen)布(bu)(bu)的(de)(de)金(jin)屬尾(wei)礦規律一(yi)致。造成沉(chen)積磷(lin)石(shi)膏(gao)水平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系數大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)滲(shen)透(tou)系數的(de)(de)原因是由于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有(you)明顯(xian)的(de)(de)晶體結構，電鏡掃(sao)描顯(xian)示多為菱形和(he)棱柱(zhu)狀形式(見(jian)圖8)，在(zai)沉(chen)積過程中，由于(yu)扁平(ping)狀磷(lin)石(shi)膏(gao)顆粒多呈水平(ping)排列，使(shi)得水平(ping)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水性(xing)(xing)大于(yu)垂直(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)透(tou)水性(xing)(xing)，從而使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)呈現明顯(xian)的(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)異(yi)性(xing)(xing)。

另根據中國有色(se)金(jin)屬工業(ye)昆(kun)明勘察設(she)計(ji)研究院在楊家箐磷(lin)石(shi)膏堆積壩開展的(de)現場滲透(tou)試(shi)驗(yan)(yan)，kh/kv的(de)平均值約(yue)為(wei)1.9。但張超等(deng)的(de)室內試(shi)驗(yan)(yan)顯示，kh/kv的(de)平均值約(yue)為(wei)0.46，也即(ji)垂直向滲透(tou)系(xi)數(shu)大于水(shui)平向滲透(tou)系(xi)數(shu)，與本(ben)文(wen)和(he)現場試(shi)驗(yan)(yan)結果恰恰相反。從(cong)磷(lin)石(shi)膏的(de)微(wei)觀結構來看(kan)，本(ben)文(wen)試(shi)驗(yan)(yan)結果更為(wei)合理。

圖(tu)7沉積磷石膏干密度與水平和垂直滲透系(xi)數比值的關系(xi)

(2)滲透變形

圖(tu)9為磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)干密度(du)為1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力(li)梯度(du)J與(yu)流速V的(de)(de)關系(xi)曲線，試驗(yan)在(zai)水(shui)(shui)平(ping)管(guan)涌(yong)儀(yi)中采用水(shui)(shui)平(ping)方向的(de)(de)滲(shen)流形(xing)式進行(xing)(xing)。試驗(yan)得到的(de)(de)臨界坡(po)降Jc=0.355，破壞坡(po)降Jp=0.375。一般(ban)來說(shuo)，對1，2級(ji)工程，滲(shen)透安(an)全(quan)(quan)系(xi)數取為2.5，則允(yun)許(xu)(xu)出(chu)逸坡(po)降為0.355/2.5=0.142，對3級(ji)以下工程，滲(shen)透安(an)全(quan)(quan)系(xi)數取2.0，則允(yun)許(xu)(xu)出(chu)逸坡(po)降為0.355/2.0=0.178。其允(yun)許(xu)(xu)比降與(yu)粉土一粉砂大(da)致相同。但(dan)上述滲(shen)透變形(xing)試驗(yan)是采用自來水(shui)(shui)進行(xing)(xing)的(de)(de)，自來水(shui)(shui)對磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)具有一定(ding)的(de)(de)溶蝕(shi)作用，而實際上磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)中殘余磷(lin)(lin)(lin)、硫和(he)氟酸(suan)(suan)(suan)，庫水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一般(ban)小于3(稱之為酸(suan)(suan)(suan)性水(shui)(shui))，在(zai)酸(suan)(suan)(suan)性水(shui)(shui)作用下，磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)不會發生(sheng)破壞，上述試驗(yan)結果是偏于保守的(de)(de)，但(dan)對非酸(suan)(suan)(suan)性水(shui)(shui)條件(例如特大(da)暴雨(yu))下的(de)(de)滲(shen)透穩(wen)定(ding)判(pan)斷有一定(ding)的(de)(de)借(jie)鑒意義(yi)。

圖9水力(li)梯(ti)度(du)J-流速v試驗過程線(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征試驗

試(shi)驗在(zai)5Bar的壓力板(ban)儀中進行，環刀尺寸6.18cm。干(gan)密(mi)度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3組(zu)，吸力范圍0～500kPa。表l列出了含水率特征值，試(shi)驗曲(qu)線見圖(tu)10所示。

試驗結果表明(ming)：①干密度(du)對進(jin)氣值沒(mei)有明(ming)顯的(de)影(ying)響(xiang)，不同(tong)干密度(du)的(de)試樣的(de)進(jin)氣值大致(zhi)在10kPa左(zuo)右；②土樣殘余(yu)含(han)水(shui)率(lv)隨干密度(du)的(de)增(zeng)加而減少，殘余(yu)含(han)水(shui)率(lv)約為飽和(he)含(han)水(shui)率(lv)的(de)10%。上述特(te)性(xing)與粉土一(yi)粉砂基本一(yi)致(zhi)。

2.3靜力力學特性

(1)三軸CU試驗

由于沉積磷(lin)石膏(gao)的(de)密(mi)度變化較大，而進(jin)行三(san)軸試驗(yan)(yan)需要若(ruo)干(gan)原(yuan)狀樣，為(wei)使試驗(yan)(yan)結果具(ju)有較好的(de)一(yi)致性，有針對(dui)性的(de)選擇平均干(gan)密(mi)度分別(bie)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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若(ruo)干(gan)試樣，進(jin)行了(le)5組三(san)軸CU試驗(yan)(yan)。圖11是為(wei)干(gan)密(mi)度為(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三(san)軸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(zai)低圍(wei)壓下表現為(wei)軟(ruan)化型，在(zai)高(gao)圍(wei)壓下表現為(wei)硬化型，與一般(ban)(ban)土類相似。但(dan)與一般(ban)(ban)粉土一粉砂不同的(de)是，即使在(zai)較(jiao)為(wei)疏松(song)的(de)狀(zhuang)態下，磷石膏(gao)仍表現了較(jiao)為(wei)強烈(lie)的(de)剪脹(zhang)，隨密實(shi)度增大，剪脹(zhang)作用愈發明顯(xian)。

表2給出了不(bu)同干(gan)密(mi)(mi)度(du)下的(de)(de)內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，圖12給出了內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)與(yu)干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)關系(xi)曲線。隨干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，內摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可采用冪函(han)數較好地擬合。磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了32%，總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)37.3°(根據擬合曲線求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)9.4%，有效(xiao)應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加為(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)為(wei)3.2%，由(you)(you)于隨圍壓(ya)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔壓(ya)也明顯(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效(xiao)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)較之總應(ying)力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外較之于干(gan)密(mi)(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不(bu)顯(xian)著，表明即(ji)使較為(wei)疏松的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)仍具有較高的(de)(de)強(qiang)度(du)指標，這也表明磷石(shi)膏(gao)堆積壩的(de)(de)穩定(ding)性較高。

(2)蠕變(次固(gu)結)變形(xing)試驗

磷石膏的蠕變變形(xing)試(shi)(shi)驗在側限壓縮儀中進行，試(shi)(shi)驗狀態相當于(yu)K0固結。試(shi)(shi)樣直徑61.8mm，高(gao)度20mm，試(shi)(shi)樣干密(mi)度為1.30g/cm3，對(dui)試(shi)(shi)樣飽和后分別開展了上覆壓力ρ為100，200，400，800kPa的試(shi)(shi)驗，

試驗(yan)(yan)從(cong)2012年8月27日開始，試驗(yan)(yan)己進行了1年多，試驗(yan)(yan)結(jie)果(guo)見圖13所示(shi)。

從圖13中可以看出：上覆荷(he)載越大(da)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)蠕(ru)變變形也越大(da)，荷(he)載施(shi)加1年后，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)蠕(ru)變變形仍非常顯著(zhu)，尚未達到(dao)穩(wen)定狀態(tai)，這也是磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)積壩后期變形較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)原因，原型觀測(ce)資料(liao)表明，在(zai)5級子(zi)壩河床部位的(de)(de)(de)表面(mian)沉降量已經達到(dao)3.1m，且尚未完(wan)全穩(wen)定。

按時間對(dui)(dui)(dui)數法，可求(qiu)得各(ge)級荷載下(xia)的(de)(de)主次(ci)(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)量(liang)(liang)如表(biao)3所示。試驗(yan)結(jie)(jie)(jie)果表(biao)明(ming)，在(zai)(zai)(zai)100～400kPa上(shang)覆荷載作用下(xia)，在(zai)(zai)(zai)試驗(yan)時間范圍(wei)內(nei)蠕變(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie))變(bian)(bian)(bian)形(xing)是主固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，當(dang)然(ran)由于(yu)(yu)(yu)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)尚未完成(cheng)，實際(ji)的(de)(de)蠕變(bian)(bian)(bian)變(bian)(bian)(bian)形(xing)應更(geng)大。對(dui)(dui)(dui)土(tu)體而(er)(er)言(yan)，發(fa)生蠕變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)(yu)(yu)土(tu)體在(zai)(zai)(zai)主固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)完成(cheng)之(zhi)后(hou)，土(tu)體中仍有微小(xiao)的(de)(de)超靜(jing)孔隙壓(ya)力存在(zai)(zai)(zai)，驅使水(shui)在(zai)(zai)(zai)顆粒問(wen)流動，一般來講土(tu)體的(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)遠小(xiao)于(yu)(yu)(yu)主固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)；對(dui)(dui)(dui)磷石(shi)膏而(er)(er)言(yan)，其(qi)滲透系數在(zai)(zai)(zai)10-4cm/s數量(liang)(liang)級，遠大于(yu)(yu)(yu)黏性土(tu)，但其(qi)卻發(fa)生了(le)極為顯著(zhu)的(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)(gu)(gu)(gu)結(jie)(jie)(jie)變(bian)(bian)(bian)形(xing)，其(qi)原(yuan)因在(zai)(zai)(zai)于(yu)(yu)(yu)磷石(shi)膏晶體結(jie)(jie)(jie)構發(fa)生了(le)壓(ya)縮、破壞，接觸(chu)點(dian)晶格(ge)發(fa)生歪曲和變(bian)(bian)(bian)形(xing)，而(er)(er)破壞后(hou)晶格(ge)之(zhi)間的(de)(de)重新(xin)排列、調整到最后(hou)趨于(yu)(yu)(yu)相(xiang)對(dui)(dui)(dui)靜(jing)止(zhi)需要相(xiang)當(dang)長的(de)(de)時間才能完成(cheng)。

2.4動力力學特性

試驗設備采用英國GDS公(gong)司(si)進口的電機控制(zhi)動三軸試驗系統，試樣直(zhi)徑(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)動(dong)模量和阻尼(ni)比

同(tong)樣由于自然(ran)沉(chen)積的(de)磷(lin)石(shi)膏密度變(bian)(bian)化較大，為(wei)此根據(ju)物理性質試驗(yan)結(jie)果，選擇兩種平均干密度1.34g/cm3(變(bian)(bian)化范圍(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(變(bian)(bian)化范圍(wei)1.44～1.46g/cm3)進(jin)行試驗(yan)。

Hardin-Dmevich建議的(de)(de)動(dong)剪切模量G、阻尼(ni)比與剪應變幅值γd的(de)(de)關系式如下：

式中k1為(wei)參數，表示動(dong)(dong)剪(jian)(jian)切模(mo)量(liang)(liang)的(de)衰減或阻尼比的(de)增長(chang)速率(lv)；λmax為(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分別為(wei)最大動(dong)(dong)剪(jian)(jian)切模(mo)量(liang)(liang)和歸(gui)一化的(de)動(dong)(dong)剪(jian)(jian)應變，表示為(wei)

式(shi)中k2,n為(wei)(wei)參數；σm為(wei)(wei)球應(ying)力；Pa為(wei)(wei)標(biao)準大氣壓；vd為(wei)(wei)動(dong)泊松比；εa為(wei)(wei)歸一化的(de)動(dong)應(ying)變，表達為(wei)(wei)

圖14給出了動(dong)剪切模量、阻(zu)尼比(bi)(bi)與歸一化(hua)動(dong)應(ying)(ying)變(bian)的(de)關(guan)系曲線(xian)，另外圖中還(huan)給出了式(1)的(de)擬合曲線(xian)以(yi)及Seed等給出的(de)砂樣的(de)上下邊界線(xian)，圖例(li)中，σ2表示(shi)圍壓，Kc表示(shi)固(gu)結應(ying)(ying)力比(bi)(bi)。

從圖(tu)中(zhong)(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)較(jiao)好(hao)地(di)描述磷石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)應(ying)力(li)-動(dong)(dong)(dong)應(ying)變試(shi)驗(yan)曲線(xian)，表(biao)(biao)明(ming)(ming)采用(yong)等(deng)價黏彈性模(mo)型(xing)進行循環荷(he)載(zai)作用(yong)下的(de)(de)(de)(de)分(fen)析(xi)是(shi)可(ke)行的(de)(de)(de)(de)；②圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)(gan)密(mi)度(du)為(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)位(wei)于(yu)(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)為(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)上(shang)方(fang)(fang)(fang)，圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則位(wei)于(yu)(yu)下方(fang)(fang)(fang)，表(biao)(biao)明(ming)(ming)密(mi)度(du)越大(da)，動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)越大(da)、阻尼(ni)比越小；③圖(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，兩種干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)擬合(he)線(xian)基本位(wei)于(yu)(yu)Seed等(deng)給出的(de)(de)(de)(de)邊界線(xian)上(shang)方(fang)(fang)(fang)，而圖(tu)14(b)中(zhong)(zhong)則基本處(chu)于(yu)(yu)邊界線(xian)中(zhong)(zhong)間，表(biao)(biao)明(ming)(ming)相比較(jiao)砂樣，磷石膏(gao)動(dong)(dong)(dong)彈模(mo)較(jiao)大(da)，會導致(zhi)磷石膏(gao)堆積壩的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)反應(ying)較(jiao)大(da)，但(dan)由于(yu)(yu)阻尼(ni)比也較(jiao)大(da)，這樣又會削(xue)弱壩體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)反應(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相互影響下，磷石膏(gao)堆積壩壩體(ti)的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力(li)反應(ying)將不會過(guo)于(yu)(yu)強烈，這對(dui)磷石膏(gao)堆積壩的(de)(de)(de)(de)抗震穩定性是(shi)有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)動強度

選擇(ze)兩種平均干密度為1.12(變(bian)化范圍1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(變(bian)化范圍1.29～1.3lg/cm3)進行試驗，破(po)壞(huai)標準為總(zong)應變(bian)達到10%。

圖15給出了動剪應(ying)力(li)比(bi)τd/σ0′與破(po)壞振次Nf的關(guan)(guan)系(xi)曲線圖，其中σ0為振前試(shi)樣45°面(mian)上的有(you)效法(fa)向(xiang)應(ying)力(li)，表達(da)為：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc為固結(jie)比(bi)。從試(shi)驗結(jie)果可以看(kan)出，沉(chen)積磷石膏(gao)的動強(qiang)度與其它(ta)土體相似，表現為圍壓和(he)固結(jie)應(ying)力(li)比(bi)與動剪應(ying)力(li)比(bi)呈負相關(guan)(guan)關(guan)(guan)系(xi)。

為判別(bie)沉積(ji)磷石(shi)膏的抗液化(hua)能力(li)，假(jia)定(ding)抗震設計烈度為8度，即等效振次Ⅳ可取為30。首先由(you)式(4)

所示的冪函數關系式得到(dao)振次為30時各(ge)個圍壓(ya)和(he)固結比下的動剪(jian)應(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可(ke)擬合求得動剪應(ying)(ying)力比與圍壓(ya)和固結(jie)應(ying)(ying)力比的(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。

從上述擬合(he)關(guan)系式可見，密實度(du)提(ti)高(gao)后，動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)提(ti)高(gao)，表明抗(kang)液(ye)化能力(li)也提(ti)高(gao)。但(dan)即使是在低密度(du)下，其(qi)動(dong)剪應(ying)力(li)比(bi)較之同類的粉土(tu)或粉砂(sha)也大出許多，表明磷石膏具(ju)有較高(gao)的抗(kang)液(ye)化能力(li)。

三、結(jie)論

依托柳樹(shu)箐磷石(shi)膏(gao)堆積壩，在鉆(zhan)探取(qu)樣工作的基礎上，首先開(kai)展了物(wu)理性質(zhi)試驗，然(ran)后開(kai)展了靜動(dong)力力學(xue)特性試驗。通(tong)過上述(shu)試驗研(yan)究，得出如下結論(lun)：

(1)沉積磷石膏總體(ti)上屬于級(ji)配(pei)不良的粉土，局部屬于粉砂一中砂，無自然分級(ji)現象(xiang)。其干密(mi)度和粒(li)徑(jing)變化(hua)隨(sui)埋(mai)深(shen)或距(ju)放漿口距(ju)離的變化(hua)不明顯。

(2)沉積(ji)磷石膏水平方(fang)向(xiang)的(de)滲透系數(shu)大于(yu)垂直方(fang)向(xiang)的(de)滲透系數(shu)，呈現明(ming)顯的(de)各向(xiang)異(yi)性(xing)。

(3)與土體顆粒不可壓縮(suo)不同，磷石膏的晶體結(jie)構(gou)會發生(sheng)壓縮(suo)破壞，具有較大的壓縮(suo)性，其次固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量遠大于(yu)主固(gu)結(jie)變(bian)形(xing)量。

(4)沉積磷石膏的靜(jing)動(dong)強度較之同(tong)等(deng)密實度下的粉(fen)(fen)土、粉(fen)(fen)砂(sha)要高。