沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘要：磷石膏是磷酸生产过程中的副产品，目前的综合利用率尚不足40%，大部分需要堆存存放。受地形限制和经济效益考虑，中国主要为湿法堆存的山谷型堆场。依托柳树箐磷石膏堆积坝，针对沉积磷石膏首先开展了密度、含水率、渗透、土水特征和颗分等物理性质试验，然后开展了三轴cu、蠕变及动三轴等力学特性试验。试验结果表明：①沉积磷石膏的干密度与埋深没有相关关系；②沉积磷石膏不具有自然分级现象，但具有明显的各向异性；③沉积磷石膏具有较高的摩擦角和抗液化能力，但其蠕变变形较大、渗透比降较小。上述工作为分析磷石膏堆积坝的坝体稳定性提供了基础，对现行磷石膏库的运行管理以及新建工程的设计具有重要的借鉴意义。

引言

磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)是湿(shi)法磷(lin)酸生产过程中(zhong)(zhong)的(de)副产品，2018年，全国(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)产生量为7800万吨，且呈(cheng)逐年增长的(de)态势。磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)主要成分是CaO和SO3，但含有一(yi)(yi)定量的(de)氟化物(wu)和其它放(fang)射(she)性(xing)物(wu)质，在中(zhong)(zhong)国(guo)(guo)(guo)(guo)通常按(an)Ⅱ类一(yi)(yi)般工(gong)业(ye)固体废物(wu)处理，鉴于(yu)无害化处理成本(ben)较高(gao)，目前综合利用(yong)率尚不足40%，故(gu)大(da)部(bu)分磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)需要堆(dui)存存放(fang)。按(an)堆(dui)存场地的(de)不同，可分为平地型(xing)(xing)(xing)、傍山(shan)(shan)型(xing)(xing)(xing)、山(shan)(shan)谷型(xing)(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)场，在中(zhong)(zhong)国(guo)(guo)(guo)(guo)基本(ben)上是山(shan)(shan)谷型(xing)(xing)(xing)堆(dui)场。相比较干法堆(dui)存，湿(shi)法堆(dui)存经济优势明显，因而(er)如地质条(tiao)件为非(fei)碳酸盐岩地区，一(yi)(yi)般均采用(yong)湿(shi)排湿(shi)堆(dui)方式。随着中(zhong)(zhong)国(guo)(guo)(guo)(guo)磷(lin)肥工(gong)业(ye)的(de)快速发展，本(ben)世(shi)纪初(chu)中(zhong)(zhong)国(guo)(guo)(guo)(guo)相继建(jian)设(she)了几座湿(shi)法堆(dui)存的(de)大(da)型(xing)(xing)(xing)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)库(ku)，例(li)如云天化国(guo)(guo)(guo)(guo)际化工(gong)三环(huan)分公司的(de)柳(liu)树(shu)箐(qing)(qing)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)库(ku)堆(dui)积(ji)坝(ba)(ba)和富(fu)瑞分公司的(de)杨家箐(qing)(qing)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)库(ku)堆(dui)积(ji)坝(ba)(ba)，这两座坝(ba)(ba)设(she)计坝(ba)(ba)高(gao)均超过100m、处于(yu)8度地震(zhen)区，其安全性(xing)备受关注。

据(ju)统计(ji)，110多年(1901年一(yi)2013年)来，全世界有118座尾(wei)矿坝曾发(fa)生过破坏(huai)或(huo)溃坝事故，原因(yin)主要有地震、洪(hong)水漫顶、渗透破坏(huai)和基础失稳。尾(wei)矿库失事后(hou)会造成巨大的生态灾(zai)难和人(ren)员(yuan)伤亡，近几十(shi)年来，

国内外对金属尾(wei)矿(kuang)(kuang)的沉积规律、物(wu)理(li)力(li)(li)学(xue)特(te)性(xing)及其稳(wen)定性(xing)开展了(le)大量的研究，但对于(yu)与金属尾(wei)矿(kuang)(kuang)库相近的磷(lin)(lin)石膏(gao)库，一般仅(jin)限于(yu)在(zai)可研阶段(duan)采用人(ren)工制(zhi)备样进行(xing)物(wu)理(li)力(li)(li)学(xue)性(xing)质试(shi)验(yan)，并据此进行(xing)稳(wen)定性(xing)分析，尚未有人(ren)针对己运行(xing)若干年的大型湿法堆存磷(lin)(lin)石膏(gao)堆积坝开展过磷(lin)(lin)石膏(gao)沉积规律及其物(wu)理(li)力(li)(li)学(xue)特(te)性(xing)的专项研究。

本文依托柳(liu)树箐(qing)磷(lin)石膏(gao)(gao)堆积(ji)坝，首先进行(xing)了(le)钻探取样(yang)，采(cai)用原(yuan)状(zhuang)样(yang)开展了(le)密度(du)、含水率、渗(shen)透(tou)、土水特(te)(te)征和(he)颗(ke)分等(deng)物理性(xing)(xing)(xing)质试验(yan)，在此基础(chu)上(shang)有针对(dui)性(xing)(xing)(xing)的选择(ze)原(yuan)状(zhuang)样(yang)开展了(le)三轴CU、蠕(ru)变及动三轴等(deng)力学特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)试验(yan)。通(tong)过上(shang)述试验(yan)研(yan)究，总结(jie)了(le)磷(lin)石膏(gao)(gao)的沉积(ji)规律(lv)、渗(shen)透(tou)特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)、渗(shen)透(tou)破坏特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)以(yi)及静动力特(te)(te)性(xing)(xing)(xing)，上(shang)述研(yan)究工作对(dui)研(yan)究和(he)评估磷(lin)石膏(gao)(gao)库堆积(ji)坝的稳定性(xing)(xing)(xing)提供了(le)基础(chu)数(shu)据(ju)，对(dui)现行(xing)磷(lin)石膏(gao)(gao)库的运行(xing)管理以(yi)及新建(jian)工程的设(she)计具有重要的借鉴意义。

一、依托工程概况

1.1柳树箐(qing)磷石膏堆积坝堆存设计方案(an)

由初期坝(ba)和堆积(ji)坝(ba)组成，设计总坝(ba)高(gao)约(yue)130m。

(1)初期坝

初期坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)高约(yue)30m，采用(yong)土(tu)料填筑。上游(you)坡面、坝(ba)(ba)底和下游(you)坝(ba)(ba)脚设(she)置堆(dui)石排水体，三者相(xiang)连通构成(cheng)整个(ge)堆(dui)积(ji)坝(ba)(ba)的主要排渗(shen)系统。

(2)堆(dui)积坝及其辅助排(pai)渗(shen)措(cuo)施

采(cai)用(yong)上(shang)游式筑坝(ba)法(fa)，共20级子(zi)坝(ba)，顶宽6～9m，高度(du)(du)5m，堆积高度(du)(du)约(yue)100m。采(cai)用(yong)排(pai)渗管网作为辅助排(pai)渗方案，目前(qian)己在(zai)5级、9级子(zi)坝(ba)和(he)13级子(zi)坝(ba)坝(ba)前(qian)120m范围内(nei)设置(zhi)了(le)井字形排(pai)渗管网。

1.2沉积磷(lin)石(shi)膏的钻探(tan)取样

钻孔(kong)平面(mian)位置(zhi)见(jian)图l。2008年(nian)6月，堆(dui)积(ji)(ji)至5级子(zi)(zi)坝时，布(bu)设了(le)9个(ge)取(qu)样(yang)(yang)钻孔(kong)，钻孔(kong)编(bian)号K1～K9，取(qu)原状样(yang)(yang)76件；2013年(nian)5月，堆(dui)积(ji)(ji)至13级子(zi)(zi)坝时，又布(bu)设了(le)11个(ge)取(qu)样(yang)(yang)钻孔(kong)，钻孔(kong)编(bian)号K10～K20，取(qu)原状样(yang)(yang)112件，为比较子(zi)(zi)坝加高和磷(lin)石(shi)膏堆(dui)积(ji)(ji)过(guo)程中(zhong)磷(lin)石(shi)膏物(wu)理力学性质的变化，在(zai)2，4级子(zi)(zi)坝K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布(bu)设了(le)一个(ge)钻孔(kong)，钻孔(kong)编(bian)号分(fen)别为K17和K18。

1.3运行概(gai)况(kuang)

柳(liu)树箐磷(lin)石膏尾矿库2005年(nian)(nian)开工建设(she)，2006年(nian)(nian)1月投入(ru)运行，截至(zhi)(zhi)2013年(nian)(nian)5月己堆至(zhi)(zhi)13级子坝，尚有7级子坝即(ji)堆存至(zhi)(zhi)设(she)计高程。鉴于磷(lin)石膏库地形(xing)、地质条件较(jiao)好，具备扩容(rong)改造的(de)条件，以(yi)提(ti)高堆存库容(rong)，减少堆存占地，节约土地资源。

本文主要对沉积(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)物理(li)力(li)学特性(xing)进行了全(quan)面(mian)总结(jie)，限于篇幅，有(you)关(guan)现状(zhuang)磷(lin)石膏(gao)库堆积(ji)坝的(de)安全(quan)性(xing)评价及其加高可行性(xing)的(de)研究(jiu)将另文发表。

二、沉积磷石膏(gao)的物理(li)力学特性

2.1物(wu)理特性

(1)干(gan)密度分布

图2给(ji)出了14个钻孔(kong)的(de)(de)(de)(de)取样深度(du)和(he)(he)试验所(suo)得干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)(de)关系，图中(zhong)UWL表示水(shui)位(wei)线上(shang)，(系钻孔(kong)期间(jian)的(de)(de)(de)(de)初(chu)见水(shui)位(wei)线，下(xia)同)，DWL表示水(shui)位(wei)线下(xia)。图3给(ji)出了水(shui)位(wei)线上(shang)下(xia)的(de)(de)(de)(de)饱和(he)(he)度(du)分(fen)布图。由于磷石膏(gao)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)主要成(cheng)分(fen)为CaSO4·2H2O，不同温(wen)(wen)度(du)和(he)(he)烘烤时间(jian)对测(ce)定(ding)结果有一定(ding)影响(xiang)，不能(neng)照搬(ban)现行的(de)(de)(de)(de)土工试验规范，本文磷石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)含(han)水(shui)率测(ce)定(ding)方法为55℃温(wen)(wen)度(du)下(xia)烘培24h。

图2沉积磷石(shi)膏干密(mi)度与埋深(shen)的关系

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

由图3，水(shui)位线上的(de)磷石膏(gao)饱(bao)和(he)度(du)平均(jun)值为(wei)(wei)50.4%，处于(yu)非饱(bao)和(he)状态，水(shui)位线以(yi)下(xia)的(de)磷石膏(gao)饱(bao)和(he)度(du)平均(jun)值为(wei)(wei)85.0%，基本处于(yu)饱(bao)和(he)状态，由于(yu)水(shui)位下(xia)降(jiang)后磷石膏(gao)来(lai)不及排水(shui)固结，故而水(shui)位线上局部试样的(de)饱(bao)和(he)度(du)较高。

由图(tu)2，水(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之间，均值(zhi)为(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)干密(mi)度(du)(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之间，均值(zhi)为(wei)1.4g/cm3。可见磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)与(yu)一(yi)般的(de)尾矿有所(suo)不同，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)干密(mi)度(du)(du)(du)并不随埋(mai)深的(de)增(zeng)大而明显(xian)增(zeng)大，但水(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密(mi)度(du)(du)(du)从统(tong)计意义上(shang)来看仍大于水(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)干密(mi)度(du)(du)(du)，这(zhei)主要是由于水(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)随库水(shui)位(wei)(wei)的(de)变化反复升降而使得磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)固结所(suo)致。

室内(nei)(nei)击实得(de)到的(de)磷石膏(gao)(gao)最大(da)干密(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之间，从图2可以看出(chu)，自(zi)然沉(chen)积的(de)磷石膏(gao)(gao)最大(da)干密(mi)度(du)可达到1.73g/cm3，原(yuan)因如下(xia)：与(yu)经典的(de)土骨架不(bu)可压(ya)缩的(de)理论不(bu)同(tong)，石膏(gao)(gao)本身可压(ya)缩，同(tong)时由于(yu)颗粒(li)(li)结构(gou)不(bu)稳定(ding)，击实试验过程中磷石膏(gao)(gao)结构(gou)被破坏，受(shou)夯击处(chu)下(xia)陷，四(si)周鼓起(qi)，出(chu)现了类(lei)似于(yu)橡皮土的(de)现象(xiang)。而(er)在现场条(tiao)件下(xia)，石膏(gao)(gao)骨架被破坏后(hou)，会(hui)导致颗粒(li)(li)中的(de)结合水(shui)(shui)渗出(chu)至孔隙内(nei)(nei)，变成(cheng)孔隙水(shui)(shui)，排水(shui)(shui)固结后(hou)会(hui)使得(de)磷石膏(gao)(gao)的(de)孔隙比减小，干密(mi)度(du)增大(da)。

图(tu)(tu)4给出了相(xiang)邻钻(zuan)孔K2和K17(位(wei)于2级(ji)子(zi)(zi)坝河(he)床部(bu)位(wei))以及相(xiang)邻钻(zuan)孔K6和K18(位(wei)于4级(ji)子(zi)(zi)坝河(he)床部(bu)位(wei))干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)对(dui)比图(tu)(tu)。K2钻(zuan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之间，均(jun)值(zhi)为(wei)(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之间，均(jun)值(zhi)为(wei)(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之间，均(jun)值(zhi)为(wei)(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)孔的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之间，均(jun)值(zhi)为(wei)(wei)1.37g/cm3。可见(jian)，即使(shi)从统计(ji)意义上来(lai)看，磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)也(ye)并(bing)未随后续(xu)磷石膏(gao)的(de)(de)堆积而有较为(wei)(wei)明显的(de)(de)增大。

(2)级配(pei)分布

颗(ke)粒(li)分析试(shi)验采用密(mi)度(du)计法(fa)，制备悬液(ye)时不(bu)煮(zhu)沸，不(bu)加六偏磷酸钠。图5给(ji)出了(le)试(shi)验得到的级(ji)配(pei)包线、平均粒(li)径(jing)d50、不(bu)均匀系数(1u和曲率系数Cc的分布图。

从图5(a)可见，磷石膏(gao)的粒径主要(yao)分(fen)布在0.005～0.075mm之间，总(zong)体上属于(yu)粉土(tu)，但可能由(you)于(yu)矿石来源或生产工艺有所(suo)不同，局部属于(yu)粉砂～中砂。粒径分(fen)布范围(wei)比Blight和张超(chao)等的试验结果要(yao)宽一些。

图4子坝加高后(hou)沉积磷石膏的(de)干密度变化

图5沉积磷石膏的平均(jun)粒径和级配(pei)分布

由图5(b)和5(c)，无论是水平向还是垂直向，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)与(yu)金(jin)属矿山(shan)尾矿的(de)(de)“前粗(cu)(cu)后细，上粗(cu)(cu)下细”的(de)(de)自然分级现象不同，也即粗(cu)(cu)颗(ke)粒并不是沿埋深逐步减小或距(ju)离放(fang)浆口越(yue)远(yuan)颗(ke)粒越(yue)细，其原(yuan)因如下：①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)颗(ke)粒粒径组成较(jiao)(jiao)为集中、均匀，主(zhu)要以(yi)粉(fen)粒组(0.005mm<d≤0.074mm)为主(zhu)，级配较(jiao)(jiao)差；②相比较(jiao)(jiao)金(jin)属尾矿，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比重较(jiao)(jiao)小，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比重一般为2.3～2.4，远(yuan)小于金(jin)属尾矿的(de)(de)比重，例如铁尾矿的(de)(de)比重可达2.9；③放(fang)浆口随子坝高度不断增加(jia)而不断变动并向库尾延伸，造成沉积(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒径变化不明显。

从图5(d)可见，不(bu)均(jun)匀系(xi)数Cu范(fan)围(wei)值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)为4.18，曲率系(xi)数(1c范(fan)围(wei)值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)为1.21，在统计的(de)100多个试样中，属于级配不(bu)良土(tu)的(de)占(zhan)93%。这种级配特性决定了磷石膏(gao)具有较高的(de)压缩性、渗透破(po)坏型式表(biao)现为流土(tu)破(po)坏。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影响(xiang)渗(shen)(shen)(shen)透系数(shu)(shu)(shu)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素是(shi)粒径大(da)小、级(ji)配(pei)和(he)孔(kong)隙比(bi)，因(yin)而磷石(shi)膏的(de)渗(shen)(shen)(shen)透系数(shu)(shu)(shu)与(yu)粉土(tu)较为接(jie)近。由(you)于(yu)孔(kong)隙比(bi)e减(jian)小，使得过(guo)水(shui)通道(dao)面(mian)积减(jian)小，渗(shen)(shen)(shen)透系数(shu)(shu)(shu)k也将减(jian)小，k与(yu)e呈正(zheng)相关(guan)(guan)关(guan)(guan)系。对(dui)砂土(tu)，一(yi)般认(ren)为渗(shen)(shen)(shen)透系数(shu)(shu)(shu)k与(yu)e3/(1+e)的(de)线(xian)(xian)性关(guan)(guan)系较好，图6给(ji)出了二(er)者(zhe)间的(de)关(guan)(guan)系曲线(xian)(xian)，由(you)于(yu)沉积磷石(shi)膏的(de)不均(jun)匀系数(shu)(shu)(shu)变(bian)化较大(da)，使得沉积磷石(shi)膏的(de)渗(shen)(shen)(shen)透系数(shu)(shu)(shu)变(bian)化范围较大(da)(平均(jun)值为10-4cm/s数(shu)(shu)(shu)量级(ji))，二(er)者(zhe)问的(de)线(xian)(xian)性关(guan)(guan)系较差。

图(tu)6沉积磷石膏渗透系(xi)数与孔隙比的关系(xi)

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

图7给出了水(shui)平(ping)与垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)渗(shen)(shen)(shen)透系(xi)数比值的分布。沉(chen)积(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)渗(shen)(shen)(shen)透系(xi)数kh一(yi)般大于垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)的渗(shen)(shen)(shen)透系(xi)数kv,kh/kv平(ping)均值约为2.86，这一(yi)点与成(cheng)层分布的金属尾矿规(gui)律一(yi)致。造成(cheng)沉(chen)积(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)渗(shen)(shen)(shen)透系(xi)数大于垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)渗(shen)(shen)(shen)透系(xi)数的原因是由于磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具有明显(xian)的晶体结构，电镜扫描(miao)显(xian)示(shi)多为菱形和棱柱状(zhuang)形式(见图8)，在沉(chen)积(ji)过(guo)程中，由于扁(bian)平(ping)状(zhuang)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)颗粒多呈(cheng)水(shui)平(ping)排列，使(shi)得水(shui)平(ping)方向(xiang)(xiang)的透水(shui)性大于垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)方向(xiang)(xiang)的透水(shui)性，从而使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈(cheng)现(xian)明显(xian)的各向(xiang)(xiang)异性。

另根据中国有色金(jin)属工业昆明勘(kan)察(cha)设计研究院在杨家(jia)箐磷石膏堆积坝开展的(de)(de)现场渗(shen)透试验，kh/kv的(de)(de)平(ping)(ping)均值(zhi)约为(wei)1.9。但张超等的(de)(de)室(shi)内试验显示(shi)，kh/kv的(de)(de)平(ping)(ping)均值(zhi)约为(wei)0.46，也即垂直(zhi)向渗(shen)透系数大(da)于(yu)水平(ping)(ping)向渗(shen)透系数，与本文和现场试验结果(guo)恰恰相反。从(cong)磷石膏的(de)(de)微(wei)观结构来看，本文试验结果(guo)更为(wei)合理。

图7沉积(ji)磷(lin)石膏干(gan)密度与(yu)水平和垂直渗透(tou)系数比值的关系

(2)渗透变(bian)形

图9为(wei)(wei)(wei)磷(lin)石膏(gao)干密度为(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)力梯度J与(yu)流(liu)速(su)V的(de)(de)(de)关系曲线(xian)，试(shi)(shi)验(yan)在水(shui)(shui)平管涌仪中采(cai)用(yong)水(shui)(shui)平方向(xiang)的(de)(de)(de)渗(shen)流(liu)形(xing)式进(jin)行。试(shi)(shi)验(yan)得到(dao)的(de)(de)(de)临(lin)界坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355，破坏坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)来说(shuo)，对(dui)(dui)1，2级工(gong)程，渗(shen)透安(an)全系数(shu)取为(wei)(wei)(wei)2.5，则(ze)允许(xu)(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)为(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)(dui)3级以下(xia)工(gong)程，渗(shen)透安(an)全系数(shu)取2.0，则(ze)允许(xu)(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)(jiang)为(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允许(xu)(xu)比降(jiang)(jiang)(jiang)与(yu)粉土一(yi)粉砂大致相同。但(dan)上述渗(shen)透变形(xing)试(shi)(shi)验(yan)是采(cai)用(yong)自来水(shui)(shui)进(jin)行的(de)(de)(de)，自来水(shui)(shui)对(dui)(dui)磷(lin)石膏(gao)具有一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)溶蚀作用(yong)，而实际上磷(lin)石膏(gao)中残(can)余磷(lin)、硫和氟酸(suan)，库水(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小于3(称之为(wei)(wei)(wei)酸(suan)性(xing)水(shui)(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)石膏(gao)不会发生破坏，上述试(shi)(shi)验(yan)结果是偏于保守的(de)(de)(de)，但(dan)对(dui)(dui)非(fei)酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)条件(例(li)如特(te)大暴雨(yu))下(xia)的(de)(de)(de)渗(shen)透稳(wen)定(ding)判断有一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)借鉴意义。

图9水力梯(ti)度J-流速v试验过(guo)程线(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试验

试验(yan)在5Bar的压力板仪中进行(xing)，环刀尺(chi)寸(cun)6.18cm。干密度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3组，吸力范(fan)围0～500kPa。表(biao)l列(lie)出了含水率特征值，试验(yan)曲线(xian)见图10所示(shi)。

试验结果表明：①干密度对进气(qi)(qi)值没有明显的(de)(de)影响(xiang)，不同(tong)干密度的(de)(de)试样的(de)(de)进气(qi)(qi)值大(da)致(zhi)在(zai)10kPa左右(you)；②土(tu)样残余含(han)(han)水率随干密度的(de)(de)增加而减少，残余含(han)(han)水率约为(wei)饱(bao)和含(han)(han)水率的(de)(de)10%。上述特性与粉土(tu)一粉砂(sha)基本一致(zhi)。

2.3静力力学(xue)特(te)性

(1)三轴CU试验

由于沉积磷石膏的(de)(de)密(mi)度变化较大，而(er)进(jin)行(xing)(xing)三轴试(shi)验(yan)(yan)(yan)(yan)需要若干(gan)(gan)原状(zhuang)样(yang)，为使试(shi)验(yan)(yan)(yan)(yan)结果具有较好的(de)(de)一致性，有针对性的(de)(de)选(xuan)择平(ping)均干(gan)(gan)密(mi)度分别为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)(de)若干(gan)(gan)试(shi)样(yang)，进(jin)行(xing)(xing)了5组(zu)三轴CU试(shi)验(yan)(yan)(yan)(yan)。图11是为干(gan)(gan)密(mi)度为1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三轴CU试(shi)验(yan)(yan)(yan)(yan)曲线。

从图11可以看出，磷石(shi)膏的应力应变(bian)关系曲线在(zai)低(di)围压下表现(xian)为(wei)软化型，在(zai)高围压下表现(xian)为(wei)硬化型，与(yu)一般土(tu)类(lei)相似。但与(yu)一般粉土(tu)一粉砂不同的是，即使在(zai)较为(wei)疏松的状(zhuang)态下，磷石(shi)膏仍表现(xian)了(le)较为(wei)强(qiang)烈的剪胀(zhang)，随密实(shi)度增大(da)，剪胀(zhang)作用愈(yu)发明显。

表(biao)2给出(chu)了不同(tong)干密(mi)度下(xia)的(de)内摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)，图12给出(chu)了内摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)与干密(mi)度的(de)关系(xi)曲线(xian)。随(sui)干密(mi)度的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，内摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)也(ye)随(sui)之增(zeng)(zeng)大(da)，且可采用幂函数较好地拟合。磷石(shi)膏(gao)的(de)干密(mi)度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了32%，总(zong)应力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)37.3°(根(gen)据拟合曲线(xian)求得)，增(zeng)(zeng)幅为(wei)(wei)9.4%，有(you)效应力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅为(wei)(wei)3.2%，由于(yu)随(sui)围压的(de)增(zeng)(zeng)大(da)，孔(kong)压也(ye)明显增(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅较之总(zong)应力(li)摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)要小。另外较之于(yu)干密(mi)度增(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅并不显著(zhu)，表(biao)明即使较为(wei)(wei)疏松的(de)磷石(shi)膏(gao)仍具有(you)较高的(de)强(qiang)度指(zhi)标，这(zhei)也(ye)表(biao)明磷石(shi)膏(gao)堆积坝的(de)稳定性(xing)较高。

(2)蠕变(次(ci)固结)变形试验(yan)

磷石(shi)膏(gao)的蠕(ru)变变形试(shi)验在(zai)侧限压缩仪中进行，试(shi)验状态相当于K0固结。试(shi)样直径61.8mm，高度20mm，试(shi)样干(gan)密度为(wei)1.30g/cm3，对试(shi)样饱和后分(fen)别开展了上覆压力ρ为(wei)100，200，400，800kPa的试(shi)验，

试验从2012年8月27日开(kai)始(shi)，试验己进行了1年多，试验结果见图13所示(shi)。

从图13中(zhong)可(ke)以看出：上覆(fu)荷载越大，磷(lin)石(shi)膏的(de)蠕(ru)变(bian)变(bian)形(xing)(xing)也越大，荷载施加1年后，磷(lin)石(shi)膏的(de)蠕(ru)变(bian)变(bian)形(xing)(xing)仍(reng)非常(chang)显著，尚未达到稳(wen)定状(zhuang)态，这也是磷(lin)石(shi)膏堆积坝(ba)后期(qi)变(bian)形(xing)(xing)较大的(de)原(yuan)(yuan)因，原(yuan)(yuan)型观(guan)测(ce)资料表明(ming)，在(zai)5级子坝(ba)河床部位(wei)的(de)表面沉降量已经达到3.1m，且尚未完全(quan)稳(wen)定。

按时间对(dui)数(shu)法，可(ke)求得各级(ji)荷载(zai)下(xia)的(de)主(zhu)次固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)如表3所示(shi)。试(shi)验结(jie)(jie)果(guo)表明，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)100～400kPa上覆(fu)荷载(zai)作用下(xia)，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)试(shi)验时间范(fan)围内蠕变(bian)(bian)(次固(gu)结(jie)(jie))变(bian)(bian)形(xing)(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍(bei)，当(dang)然由于(yu)蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成，实际(ji)的(de)蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形(xing)(xing)应更大。对(dui)土(tu)体(ti)而言，发(fa)(fa)生蠕变(bian)(bian)的(de)原因(yin)是(shi)由于(yu)土(tu)体(ti)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)主(zhu)固(gu)结(jie)(jie)完成之(zhi)后，土(tu)体(ti)中仍有微小(xiao)的(de)超静(jing)孔隙压(ya)力存在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)，驱使(shi)水(shui)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)颗(ke)粒(li)问流动，一般来讲土(tu)体(ti)的(de)次固(gu)结(jie)(jie)远小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)形(xing)(xing)；对(dui)磷石(shi)膏(gao)而言，其(qi)渗(shen)透系数(shu)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)10-4cm/s数(shu)量(liang)级(ji)，远大于(yu)黏(nian)性土(tu)，但其(qi)却(que)发(fa)(fa)生了极为显(xian)著的(de)次固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原因(yin)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)于(yu)磷石(shi)膏(gao)晶(jing)体(ti)结(jie)(jie)构(gou)发(fa)(fa)生了压(ya)缩、破坏(huai)，接触点(dian)晶(jing)格发(fa)(fa)生歪曲和变(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破坏(huai)后晶(jing)格之(zhi)间的(de)重新(xin)排列(lie)、调(diao)整到最后趋于(yu)相对(dui)静(jing)止(zhi)需要相当(dang)长(zhang)的(de)时间才能完成。

2.4动力(li)力(li)学特性(xing)

试验设备采用英国GDS公司进(jin)口的电机控(kong)制动三(san)轴试验系统，试样直径39.1mm，高度80mm。

(1)动模量和阻(zu)尼比

同样由于自然(ran)沉(chen)积的(de)磷石膏密度(du)变(bian)化(hua)较大，为此(ci)根据物理(li)性质试验结果，选择(ze)两种平均(jun)干密度(du)1.34g/cm3(变(bian)化(hua)范(fan)围1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(变(bian)化(hua)范(fan)围1.44～1.46g/cm3)进行试验。

Hardin-Dmevich建(jian)议的(de)(de)动剪(jian)切模量G、阻尼比与剪(jian)应变幅值γd的(de)(de)关系式如(ru)下：

式(shi)中k1为(wei)(wei)(wei)参数，表(biao)示动剪切模量(liang)的衰减或阻尼比的增长速率；λmax为(wei)(wei)(wei)最(zui)(zui)大阻尼比；Gmax，γd分别为(wei)(wei)(wei)最(zui)(zui)大动剪切模量(liang)和(he)归一化的动剪应变(bian)，表(biao)示为(wei)(wei)(wei)

式(shi)中k2,n为(wei)(wei)(wei)参数；σm为(wei)(wei)(wei)球应力；Pa为(wei)(wei)(wei)标(biao)准(zhun)大(da)气压；vd为(wei)(wei)(wei)动泊松比；εa为(wei)(wei)(wei)归一化的动应变，表达为(wei)(wei)(wei)

图(tu)14给出了动剪切(qie)模量、阻(zu)尼(ni)比与(yu)归一化动应变的(de)关系曲线，另外图(tu)中(zhong)(zhong)还给出了式(1)的(de)拟合曲线以及Seed等给出的(de)砂样的(de)上下边界线，图(tu)例中(zhong)(zhong)，σ2表示(shi)围压，Kc表示(shi)固结应力比。

从(cong)图中(zhong)可以看(kan)出：①式(1)可较(jiao)好地描述(shu)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)动应(ying)力-动应(ying)变试验(yan)曲线(xian)，表(biao)(biao)明采用(yong)等价黏弹(dan)性(xing)模型进(jin)行(xing)(xing)循环荷载作用(yong)下的(de)(de)(de)(de)分析是可行(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)；②图14(a)中(zhong)干(gan)(gan)密度(du)为1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)位于(yu)干(gan)(gan)密度(du)为1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)上方，图14(b)中(zhong)则位于(yu)下方，表(biao)(biao)明密度(du)越大(da)，动弹(dan)模越大(da)、阻(zu)尼比(bi)(bi)越小；③图14(a)中(zhong)，两种干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)基本位于(yu)Seed等给出的(de)(de)(de)(de)边(bian)界(jie)线(xian)上方，而图14(b)中(zhong)则基本处于(yu)边(bian)界(jie)线(xian)中(zhong)间，表(biao)(biao)明相比(bi)(bi)较(jiao)砂样(yang)，磷(lin)石(shi)膏动弹(dan)模较(jiao)大(da)，会(hui)导致磷(lin)石(shi)膏堆积(ji)坝(ba)的(de)(de)(de)(de)动力反(fan)应(ying)较(jiao)大(da)，但(dan)由于(yu)阻(zu)尼比(bi)(bi)也较(jiao)大(da)，这样(yang)又会(hui)削(xue)弱坝(ba)体的(de)(de)(de)(de)动力反(fan)应(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)相互影(ying)响下，磷(lin)石(shi)膏堆积(ji)坝(ba)坝(ba)体的(de)(de)(de)(de)动力反(fan)应(ying)将不会(hui)过(guo)于(yu)强烈，这对磷(lin)石(shi)膏堆积(ji)坝(ba)的(de)(de)(de)(de)抗震稳定性(xing)是有利的(de)(de)(de)(de)。

(2)动强度

选择(ze)两种平均干密(mi)度(du)为(wei)1.12(变化范围1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(变化范围1.29～1.3lg/cm3)进行试验，破坏(huai)标(biao)准为(wei)总应变达到10%。

图15给出(chu)了动剪(jian)应(ying)力(li)比(bi)τd/σ0′与破坏振次Nf的(de)关(guan)系曲线图，其(qi)中σ0为振前试样45°面上的(de)有效法向应(ying)力(li)，表(biao)达为：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为固结比(bi)。从试验(yan)结果可以看(kan)出(chu)，沉(chen)积(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)动强度与其(qi)它土体(ti)相似，表(biao)现(xian)为围压和(he)固结应(ying)力(li)比(bi)与动剪(jian)应(ying)力(li)比(bi)呈负相关(guan)关(guan)系。

为判别沉积磷(lin)石膏的抗(kang)液化能力(li)，假定(ding)抗(kang)震设计(ji)烈度为8度，即等效振(zhen)次Ⅳ可取为30。首先由(you)式(4)

所示的幂函数关系式得到振次为30时各(ge)个(ge)围(wei)压(ya)和固结比下(xia)的动剪应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合求得动剪(jian)应力比与围压和(he)固(gu)结应力比的关系式：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。

从上述拟合(he)关(guan)系式可见，密实度(du)提高(gao)后，动剪应力(li)(li)(li)比提高(gao)，表明(ming)抗液(ye)化能力(li)(li)(li)也(ye)提高(gao)。但即使是在低密度(du)下，其动剪应力(li)(li)(li)比较之同(tong)类的粉土或粉砂也(ye)大出(chu)许多，表明(ming)磷石(shi)膏具有(you)较高(gao)的抗液(ye)化能力(li)(li)(li)。

三、结论(lun)

依托柳树箐磷石膏堆积坝，在(zai)钻探取样工作的(de)基础上，首先开展了(le)物理性质试验，然后开展了(le)静动力(li)力(li)学特性试验。通过(guo)上述(shu)试验研究，得出如(ru)下结(jie)论：

(1)沉积(ji)磷石(shi)膏总体上属(shu)于(yu)级配(pei)不良的粉土(tu)，局部(bu)属(shu)于(yu)粉砂(sha)一中砂(sha)，无自然(ran)分级现象。其干密度和粒(li)径(jing)变(bian)化随埋深或(huo)距(ju)(ju)放浆口距(ju)(ju)离的变(bian)化不明显。

(2)沉积磷石膏水(shui)平方向的(de)渗(shen)透系(xi)(xi)数大于垂(chui)直方向的(de)渗(shen)透系(xi)(xi)数，呈(cheng)现(xian)明显的(de)各向异性。

(3)与土体(ti)颗粒(li)不可压缩不同，磷石膏(gao)的(de)晶体(ti)结构(gou)会发生压缩破(po)坏(huai)，具有(you)较大的(de)压缩性，其次固结变形(xing)量远大于主固结变形(xing)量。

(4)沉积磷石膏的静动强度(du)(du)较之同等密实度(du)(du)下的粉(fen)土、粉(fen)砂要(yao)高。