沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘(zhai)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

磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)湿(shi)法(fa)(fa)磷酸(suan)生产(chan)(chan)过(guo)程(cheng)中的副产(chan)(chan)品，2018年(nian)，全国(guo)(guo)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)产(chan)(chan)生量为7800万吨(dun)，且(qie)呈逐(zhu)年(nian)增长的态势。磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的主要成分是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一定量的氟化物(wu)和(he)其(qi)它(ta)放(fang)射性物(wu)质(zhi)，在(zai)中国(guo)(guo)通常按Ⅱ类一般(ban)工业固(gu)体废物(wu)处理(li)，鉴于无害化处理(li)成本(ben)较(jiao)(jiao)高，目前综合利(li)用率尚不足40%，故大部(bu)分磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)需(xu)要堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存存放(fang)。按堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存场(chang)(chang)地(di)的不同，可分为平地(di)型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)场(chang)(chang)，在(zai)中国(guo)(guo)基本(ben)上(shang)是(shi)山谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)场(chang)(chang)。相(xiang)比较(jiao)(jiao)干(gan)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存，湿(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存经济优势明显(xian)，因而如(ru)(ru)地(di)质(zhi)条(tiao)件为非碳酸(suan)盐(yan)岩地(di)区，一般(ban)均采用湿(shi)排(pai)湿(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)方式。随着中国(guo)(guo)磷肥(fei)工业的快(kuai)速发展(zhan)，本(ben)世纪初(chu)中国(guo)(guo)相(xiang)继建设了几座(zuo)湿(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)存的大型(xing)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)库，例如(ru)(ru)云(yun)天化国(guo)(guo)际化工三(san)环分公(gong)司的柳树箐(qing)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)库堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)积(ji)坝(ba)和(he)富瑞分公(gong)司的杨家箐(qing)磷石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)库堆(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)(dui)积(ji)坝(ba)，这两(liang)座(zuo)坝(ba)设计(ji)坝(ba)高均超过(guo)100m、处于8度地(di)震区，其(qi)安(an)全性备受关(guan)注。

据统计，110多(duo)年(1901年一2013年)来(lai)，全(quan)世界有(you)118座尾(wei)矿坝(ba)曾(ceng)发生过(guo)破(po)坏(huai)或溃坝(ba)事故，原因主要有(you)地(di)震(zhen)、洪(hong)水漫顶(ding)、渗透破(po)坏(huai)和基础失稳。尾(wei)矿库失事后(hou)会造成巨大的生态灾难(nan)和人员伤亡，近几十年来(lai)，

国内外对(dui)金属(shu)尾矿(kuang)的(de)(de)(de)沉积规律(lv)、物(wu)(wu)理(li)力(li)学特性及其稳(wen)定性开(kai)展了大量(liang)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)，但对(dui)于与金属(shu)尾矿(kuang)库(ku)相近的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏库(ku)，一般仅限于在(zai)可(ke)研(yan)阶段采用(yong)人(ren)工(gong)制(zhi)备样进(jin)行物(wu)(wu)理(li)力(li)学性质(zhi)试验，并据此(ci)进(jin)行稳(wen)定性分析，尚未有人(ren)针对(dui)己运行若干年的(de)(de)(de)大型湿法堆存磷(lin)石(shi)膏堆积坝开(kai)展过磷(lin)石(shi)膏沉积规律(lv)及其物(wu)(wu)理(li)力(li)学特性的(de)(de)(de)专项研(yan)究(jiu)。

本文依托柳(liu)树箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)积坝，首先进行了(le)钻(zuan)探取样，采用原(yuan)状样开展了(le)密度、含水(shui)率、渗透(tou)、土水(shui)特(te)征(zheng)和颗分等(deng)物(wu)理(li)性(xing)质试验，在此基(ji)础上(shang)(shang)有(you)针(zhen)对性(xing)的(de)选择原(yuan)状样开展了(le)三轴(zhou)CU、蠕变(bian)及(ji)动三轴(zhou)等(deng)力学特(te)性(xing)试验。通过上(shang)(shang)述试验研(yan)究，总(zong)结了(le)磷石(shi)膏的(de)沉积规律、渗透(tou)特(te)性(xing)、渗透(tou)破坏特(te)性(xing)以及(ji)静动力特(te)性(xing)，上(shang)(shang)述研(yan)究工作对研(yan)究和评估磷石(shi)膏库堆(dui)积坝的(de)稳定性(xing)提供了(le)基(ji)础数据，对现(xian)行磷石(shi)膏库的(de)运行管理(li)以及(ji)新建工程的(de)设(she)计具有(you)重要的(de)借(jie)鉴意义(yi)。

一、依(yi)托工(gong)程概况

1.1柳树(shu)箐磷石膏堆(dui)积坝堆(dui)存设计方案

由初期坝和堆积坝组成，设计总坝高约130m。

(1)初(chu)期坝

初期坝(ba)坝(ba)高约30m，采用土料填筑。上游坡面、坝(ba)底和下游坝(ba)脚设置堆(dui)石排水体，三者(zhe)相连通构(gou)成整个(ge)堆(dui)积坝(ba)的主要(yao)排渗系统。

(2)堆积(ji)坝(ba)及其辅(fu)助(zhu)排渗措施

采用上游式(shi)筑坝法，共20级子坝，顶宽6～9m，高度5m，堆积高度约100m。采用排(pai)(pai)渗管网作(zuo)为辅助排(pai)(pai)渗方(fang)案(an)，目前己在5级、9级子坝和(he)13级子坝坝前120m范围内设(she)置(zhi)了井字形排(pai)(pai)渗管网。

1.2沉积磷石膏的钻探取样

钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)平面位(wei)置见图(tu)l。2008年6月，堆(dui)积至5级子(zi)坝(ba)(ba)时，布(bu)设(she)了(le)9个取样(yang)(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)编(bian)号(hao)(hao)(hao)K1～K9，取原状样(yang)(yang)76件；2013年5月，堆(dui)积至13级子(zi)坝(ba)(ba)时，又布(bu)设(she)了(le)11个取样(yang)(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)编(bian)号(hao)(hao)(hao)K10～K20，取原状样(yang)(yang)112件，为比较子(zi)坝(ba)(ba)加高和(he)(he)(he)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积过程中磷(lin)石(shi)膏(gao)物理力学(xue)性质的(de)变(bian)化，在2，4级子(zi)坝(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)(he)(he)K6孔(kong)(kong)附近各(ge)布(bu)设(she)了(le)一个钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)编(bian)号(hao)(hao)(hao)分别为K17和(he)(he)(he)K18。

1.3运(yun)行概(gai)况

柳树(shu)箐(qing)磷石膏尾矿(kuang)库2005年开工建设，2006年1月(yue)投(tou)入运行(xing)，截至2013年5月(yue)己堆(dui)(dui)至13级子坝(ba)(ba)，尚(shang)有7级子坝(ba)(ba)即堆(dui)(dui)存(cun)至设计高程。鉴于磷石膏库地(di)形、地(di)质条(tiao)件(jian)较(jiao)好，具备扩容改造的条(tiao)件(jian)，以(yi)提高堆(dui)(dui)存(cun)库容，减少(shao)堆(dui)(dui)存(cun)占地(di)，节约土地(di)资源。

本文主要对(dui)沉积(ji)磷石膏(gao)的(de)(de)物理(li)力学特性(xing)进行了全(quan)面总结，限于篇幅，有关现状磷石膏(gao)库堆积(ji)坝的(de)(de)安全(quan)性(xing)评(ping)价(jia)及其加高(gao)可行性(xing)的(de)(de)研究(jiu)将另文发表。

二、沉积(ji)磷石膏的物(wu)理力学特性

2.1物理特性

(1)干密度(du)分布(bu)

图2给出(chu)了14个钻孔的(de)(de)(de)取样深度(du)(du)(du)和试验所得干密度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)关系(xi)，图中UWL表(biao)示水(shui)位(wei)线(xian)上，(系(xi)钻孔期间的(de)(de)(de)初(chu)见水(shui)位(wei)线(xian)，下(xia)同)，DWL表(biao)示水(shui)位(wei)线(xian)下(xia)。图3给出(chu)了水(shui)位(wei)线(xian)上下(xia)的(de)(de)(de)饱和度(du)(du)(du)分布图。由于磷石膏中的(de)(de)(de)主要成分为CaSO4·2H2O，不同温度(du)(du)(du)和烘烤时间对测(ce)定(ding)结果有一定(ding)影响，不能照搬(ban)现行(xing)的(de)(de)(de)土工试验规范，本文磷石膏的(de)(de)(de)含水(shui)率(lv)测(ce)定(ding)方(fang)法(fa)为55℃温度(du)(du)(du)下(xia)烘培24h。

图2沉(chen)积(ji)磷(lin)石膏干密度与埋深的关系

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

由图3，水(shui)位(wei)线上(shang)的(de)磷石膏饱和度(du)(du)平均(jun)(jun)值(zhi)为50.4%，处于(yu)非饱和状态，水(shui)位(wei)线以下(xia)的(de)磷石膏饱和度(du)(du)平均(jun)(jun)值(zhi)为85.0%，基本处于(yu)饱和状态，由于(yu)水(shui)位(wei)下(xia)降后(hou)磷石膏来不及排水(shui)固结，故而水(shui)位(wei)线上(shang)局部(bu)试样的(de)饱和度(du)(du)较高(gao)。

由(you)图2，水(shui)位(wei)(wei)线以上的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)间，均(jun)值为(wei)(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)线以下(xia)的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)间，均(jun)值为(wei)(wei)1.4g/cm3。可见磷石(shi)(shi)膏与一般(ban)的(de)尾矿有所不同(tong)，磷石(shi)(shi)膏的(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)并不随埋深的(de)增大而明显增大，但(dan)水(shui)位(wei)(wei)线以下(xia)的(de)磷石(shi)(shi)膏干(gan)(gan)密(mi)度(du)从统(tong)计意义上来看仍(reng)大于水(shui)位(wei)(wei)线以上的(de)磷石(shi)(shi)膏干(gan)(gan)密(mi)度(du)，这(zhei)主(zhu)要是(shi)由(you)于水(shui)位(wei)(wei)线随库水(shui)位(wei)(wei)的(de)变化反复升(sheng)降(jiang)而使得磷石(shi)(shi)膏排(pai)水(shui)固结所致。

室内(nei)击实得到的(de)(de)(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大干密度(du)一(yi)般在1.36～1.46g/cm3之间，从图(tu)2可(ke)(ke)以看出，自(zi)然沉积的(de)(de)(de)(de)(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)最大干密度(du)可(ke)(ke)达到1.73g/cm3，原因如下：与经典的(de)(de)(de)(de)(de)土骨架(jia)不(bu)可(ke)(ke)压缩(suo)的(de)(de)(de)(de)(de)理论(lun)不(bu)同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)本身可(ke)(ke)压缩(suo)，同(tong)时由于颗(ke)粒结(jie)(jie)(jie)构不(bu)稳定，击实试验(yan)过程(cheng)中(zhong)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)结(jie)(jie)(jie)构被破(po)坏，受夯击处下陷，四周鼓起，出现了类似于橡皮土的(de)(de)(de)(de)(de)现象。而(er)在现场(chang)条件下，石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)骨架(jia)被破(po)坏后(hou)，会导致颗(ke)粒中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)结(jie)(jie)(jie)合水(shui)渗(shen)出至孔隙内(nei)，变成(cheng)孔隙水(shui)，排水(shui)固结(jie)(jie)(jie)后(hou)会使得磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)孔隙比(bi)减小，干密度(du)增大。

图(tu)4给出了(le)相邻钻(zuan)(zuan)孔K2和(he)K17(位(wei)于2级(ji)子(zi)坝河床部位(wei))以及相邻钻(zuan)(zuan)孔K6和(he)K18(位(wei)于4级(ji)子(zi)坝河床部位(wei))干密度(du)(du)的(de)(de)(de)对(dui)比图(tu)。K2钻(zuan)(zuan)孔的(de)(de)(de)干密度(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)间(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)为(wei)(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)(zuan)孔的(de)(de)(de)干密度(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)间(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)为(wei)(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)(zuan)孔的(de)(de)(de)干密度(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)间(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)为(wei)(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)(zuan)孔的(de)(de)(de)干密度(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)间(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)(zhi)为(wei)(wei)1.37g/cm3。可见，即(ji)使(shi)从统计意义上来看(kan)，磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)干密度(du)(du)也并未随(sui)后续磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)堆积而(er)有较为(wei)(wei)明显的(de)(de)(de)增(zeng)大。

(2)级配分布(bu)

颗粒(li)分析试验采(cai)用密(mi)度计法，制备(bei)悬液时不煮沸(fei)，不加六偏磷酸钠。图5给出了试验得(de)到的(de)级配包线、平均粒(li)径d50、不均匀系(xi)数(1u和曲率系(xi)数Cc的(de)分布(bu)图。

从图5(a)可见，磷石膏(gao)的(de)粒(li)径主要分(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之间，总体上(shang)属于(yu)粉土，但可能由于(yu)矿石来源或生产(chan)工艺有所不同(tong)，局(ju)部属于(yu)粉砂(sha)～中(zhong)砂(sha)。粒(li)径分(fen)布(bu)范围比(bi)Blight和(he)张超等(deng)的(de)试验结(jie)果要宽(kuan)一些。

图4子(zi)坝(ba)加高后沉积磷石膏的干密度变化

图5沉积磷石膏的平(ping)均粒径和级(ji)配分布

由图5(b)和5(c)，无论是水平向(xiang)(xiang)还是垂直向(xiang)(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)与金(jin)属矿(kuang)(kuang)山尾矿(kuang)(kuang)的(de)(de)“前(qian)粗后细(xi)，上(shang)粗下(xia)(xia)细(xi)”的(de)(de)自然分级(ji)现(xian)象不同，也即粗颗(ke)粒(li)并不是沿埋深逐步减小或距离放(fang)浆口(kou)(kou)越(yue)远颗(ke)粒(li)越(yue)细(xi)，其(qi)原因如下(xia)(xia)：①磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)颗(ke)粒(li)粒(li)径组成较为集中、均(jun)匀，主要以粉粒(li)组(0.005mm<d≤0.074mm)为主，级(ji)配较差(cha)；②相(xiang)比较金(jin)属尾矿(kuang)(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比重较小，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)比重一般(ban)为2.3～2.4，远小于金(jin)属尾矿(kuang)(kuang)的(de)(de)比重，例如铁尾矿(kuang)(kuang)的(de)(de)比重可达2.9；③放(fang)浆口(kou)(kou)随子坝高(gao)度不断增加而不断变动(dong)并向(xiang)(xiang)库尾延伸，造成沉积(ji)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)径变化不明显(xian)。

从图5(d)可见，不(bu)均(jun)匀(yun)系数Cu范(fan)围(wei)值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)为(wei)4.18，曲率系数(1c范(fan)围(wei)值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)为(wei)1.21，在(zai)统(tong)计的(de)(de)100多(duo)个(ge)试样中，属于(yu)级(ji)配不(bu)良土(tu)的(de)(de)占93%。这种级(ji)配特性决定(ding)了磷石(shi)膏具有(you)较高(gao)的(de)(de)压缩性、渗(shen)透(tou)破(po)坏型式表现为(wei)流土(tu)破(po)坏。

2.2渗透特性

(1)渗透系(xi)数

影(ying)响渗透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)的(de)主(zhu)要因素是(shi)粒径大(da)小(xiao)、级配(pei)和孔隙比，因而磷(lin)(lin)石膏的(de)渗透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)与粉土(tu)较(jiao)(jiao)为接近。由于(yu)孔隙比e减小(xiao)，使得(de)过水通道面积(ji)减小(xiao)，渗透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)k也将减小(xiao)，k与e呈(cheng)正相关关系(xi)(xi)(xi)(xi)。对砂土(tu)，一般(ban)认为渗透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)k与e3/(1+e)的(de)线性关系(xi)(xi)(xi)(xi)较(jiao)(jiao)好，图6给出(chu)了二者间的(de)关系(xi)(xi)(xi)(xi)曲线，由于(yu)沉(chen)积(ji)磷(lin)(lin)石膏的(de)不均(jun)匀系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)变(bian)化较(jiao)(jiao)大(da)，使得(de)沉(chen)积(ji)磷(lin)(lin)石膏的(de)渗透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)(shu)变(bian)化范围较(jiao)(jiao)大(da)(平均(jun)值为10-4cm/s数(shu)(shu)量级)，二者问的(de)线性关系(xi)(xi)(xi)(xi)较(jiao)(jiao)差。

图(tu)6沉(chen)积(ji)磷石膏渗透系数与孔隙(xi)比的关系

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

图7给出了(le)水(shui)平(ping)(ping)与垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)数比值(zhi)(zhi)的(de)分布。沉积磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)数kh一(yi)(yi)般(ban)大于垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)渗透(tou)(tou)系(xi)数kv,kh/kv平(ping)(ping)均值(zhi)(zhi)约(yue)为(wei)2.86，这一(yi)(yi)点与成(cheng)层分布的(de)金属尾(wei)矿规(gui)律一(yi)(yi)致。造成(cheng)沉积磷石膏(gao)(gao)(gao)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)数大于垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)数的(de)原因是(shi)由于磷石膏(gao)(gao)(gao)具有(you)明显(xian)的(de)晶体结构，电镜扫描(miao)显(xian)示多(duo)为(wei)菱形和棱柱状(zhuang)形式(见图8)，在沉积过程(cheng)中，由于扁平(ping)(ping)状(zhuang)磷石膏(gao)(gao)(gao)颗粒多(duo)呈水(shui)平(ping)(ping)排(pai)列，使(shi)得水(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性大于垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)(tou)水(shui)性，从(cong)而使(shi)磷石膏(gao)(gao)(gao)呈现明显(xian)的(de)各(ge)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)异性。

另根据中国有色金属(shu)工业昆明勘察(cha)设计研究院在杨家(jia)箐磷(lin)石膏堆积坝开展的(de)(de)现场渗透(tou)试(shi)验(yan)(yan)，kh/kv的(de)(de)平均值约为(wei)1.9。但张超等的(de)(de)室内试(shi)验(yan)(yan)显示(shi)，kh/kv的(de)(de)平均值约为(wei)0.46，也即垂直向渗透(tou)系(xi)数大于水平向渗透(tou)系(xi)数，与(yu)本文和现场试(shi)验(yan)(yan)结(jie)果恰(qia)恰(qia)相反。从磷(lin)石膏的(de)(de)微观结(jie)构来(lai)看，本文试(shi)验(yan)(yan)结(jie)果更为(wei)合理。

图(tu)7沉(chen)积磷石膏干密度与水平(ping)和(he)垂直渗(shen)透系(xi)数比值的(de)关系(xi)

(2)渗透变(bian)形

图9为(wei)(wei)磷(lin)(lin)石(shi)膏干密度(du)为(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度(du)J与(yu)流速V的(de)(de)关系曲(qu)线，试(shi)验在水(shui)平(ping)(ping)管涌仪中采(cai)用(yong)水(shui)平(ping)(ping)方向的(de)(de)渗(shen)流形(xing)(xing)式进行。试(shi)验得到(dao)的(de)(de)临界坡降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破坏坡降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般来说(shuo)，对(dui)1，2级(ji)工程，渗(shen)透(tou)安全系数(shu)取(qu)为(wei)(wei)2.5，则允许出逸(yi)坡降(jiang)(jiang)为(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)3级(ji)以下(xia)(xia)工程，渗(shen)透(tou)安全系数(shu)取(qu)2.0，则允许出逸(yi)坡降(jiang)(jiang)为(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允许比降(jiang)(jiang)与(yu)粉土一(yi)粉砂大致相(xiang)同(tong)。但上(shang)述渗(shen)透(tou)变(bian)形(xing)(xing)试(shi)验是采(cai)用(yong)自来水(shui)进行的(de)(de)，自来水(shui)对(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏具有一(yi)定的(de)(de)溶蚀作用(yong)，而(er)实(shi)际上(shang)磷(lin)(lin)石(shi)膏中残(can)余磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)，库水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般小于3(称之为(wei)(wei)酸(suan)性水(shui))，在酸(suan)性水(shui)作用(yong)下(xia)(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏不会发生破坏，上(shang)述试(shi)验结果是偏于保守的(de)(de)，但对(dui)非酸(suan)性水(shui)条件(例如(ru)特大暴雨)下(xia)(xia)的(de)(de)渗(shen)透(tou)稳定判(pan)断(duan)有一(yi)定的(de)(de)借(jie)鉴(jian)意义。

图9水力梯度J-流速(su)v试(shi)验过(guo)程(cheng)线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试验

试验在(zai)5Bar的压力板仪中(zhong)进行，环刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3组，吸力范围0～500kPa。表l列出了含水率特征值，试验曲(qu)线见图10所(suo)示。

试(shi)验结果表明：①干密度对(dui)进(jin)气值没有明显的(de)(de)影响，不同干密度的(de)(de)试(shi)样的(de)(de)进(jin)气值大致(zhi)在10kPa左右(you)；②土样残余(yu)含水率随干密度的(de)(de)增加而减少，残余(yu)含水率约为饱和含水率的(de)(de)10%。上述特性与粉土一粉砂(sha)基本一致(zhi)。

2.3静力(li)力(li)学特性

(1)三轴(zhou)CU试(shi)验

由(you)于沉积磷(lin)石膏的(de)密度(du)变化较大(da)，而进(jin)行三轴试(shi)(shi)验需要若干原(yuan)状样(yang)，为(wei)使试(shi)(shi)验结果(guo)具有(you)较好的(de)一致(zhi)性(xing)，有(you)针(zhen)对性(xing)的(de)选择平均(jun)干密度(du)分别为(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)若干试(shi)(shi)样(yang)，进(jin)行了(le)5组三轴CU试(shi)(shi)验。图11是(shi)为(wei)干密度(du)为(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三轴CU试(shi)(shi)验曲线。

从(cong)图11可以(yi)看出(chu)，磷石膏的(de)应力应变关系(xi)曲线在低围(wei)压(ya)下(xia)(xia)表现为软化型，在高围(wei)压(ya)下(xia)(xia)表现为硬化型，与一般土类相似。但与一般粉土一粉砂(sha)不同的(de)是，即使在较(jiao)为疏松(song)的(de)状态下(xia)(xia)，磷石膏仍表现了较(jiao)为强(qiang)烈(lie)的(de)剪胀(zhang)，随密(mi)实度(du)增大，剪胀(zhang)作用(yong)愈(yu)发明显。

表2给出了(le)不同干密(mi)(mi)度(du)(du)下的(de)内摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)，图12给出了(le)内摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)与(yu)干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)关系曲线(xian)。随(sui)干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，内摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也随(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，且(qie)可采用幂函数较好地拟合(he)。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)干密(mi)(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了(le)32%，总应力(li)(li)(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)37.3°(根据拟合(he)曲线(xian)求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)为(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)应力(li)(li)(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)为(wei)(wei)3.2%，由(you)于随(sui)围压的(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔(kong)压也明(ming)显增(zeng)(zeng)大(da)(da)，故有效(xiao)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)较之(zhi)总应力(li)(li)(li)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要小。另外较之(zhi)于干密(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不显著，表明(ming)即使较为(wei)(wei)疏松(song)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)仍具有较高(gao)的(de)强度(du)(du)指标，这也表明(ming)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆积坝的(de)稳(wen)定(ding)性较高(gao)。

(2)蠕变(bian)(次固结)变(bian)形(xing)试验

磷(lin)石膏的(de)蠕变变形试(shi)验在侧(ce)限(xian)压缩仪中进行，试(shi)验状态相当于K0固结。试(shi)样(yang)直(zhi)径61.8mm，高度20mm，试(shi)样(yang)干(gan)密度为1.30g/cm3，对试(shi)样(yang)饱和后(hou)分别开展了(le)上覆压力ρ为100，200，400，800kPa的(de)试(shi)验，

试验(yan)(yan)从2012年8月27日开(kai)始(shi)，试验(yan)(yan)己进行(xing)了1年多，试验(yan)(yan)结果(guo)见图13所示。

从图(tu)13中可以(yi)看出：上覆荷载越大，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)蠕(ru)变(bian)变(bian)形也(ye)越大，荷载施(shi)加1年后，磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)蠕(ru)变(bian)变(bian)形仍(reng)非常显著，尚未达(da)到(dao)稳(wen)定状(zhuang)态，这也(ye)是(shi)磷石(shi)膏(gao)(gao)堆积坝(ba)后期变(bian)形较大的(de)原因，原型(xing)观测资料(liao)表明，在5级子坝(ba)河床部位的(de)表面沉(chen)降(jiang)量已经(jing)达(da)到(dao)3.1m，且尚未完(wan)全稳(wen)定。

按时(shi)间对(dui)(dui)数(shu)法，可求得各级荷(he)载下(xia)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)次(ci)(ci)固(gu)(gu)结变(bian)(bian)(bian)形(xing)量(liang)(liang)如表3所示(shi)。试验结果(guo)表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷(he)载作用下(xia)，在(zai)(zai)试验时(shi)间范围内(nei)蠕变(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)(gu)结)变(bian)(bian)(bian)形(xing)是主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)结变(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，当然(ran)由于蠕变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形(xing)尚未完成(cheng)(cheng)，实际的(de)(de)(de)(de)蠕变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形(xing)应更大。对(dui)(dui)土(tu)体而言，发(fa)(fa)生(sheng)(sheng)蠕变(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)原因(yin)是由于土(tu)体在(zai)(zai)主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)结完成(cheng)(cheng)之后，土(tu)体中仍有微小(xiao)的(de)(de)(de)(de)超静(jing)(jing)孔隙压力(li)存在(zai)(zai)，驱使水在(zai)(zai)颗(ke)粒问流动(dong)，一(yi)般来讲土(tu)体的(de)(de)(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)(gu)结远小(xiao)于主(zhu)(zhu)固(gu)(gu)结变(bian)(bian)(bian)形(xing)；对(dui)(dui)磷石(shi)膏而言，其(qi)(qi)渗透系数(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s数(shu)量(liang)(liang)级，远大于黏性土(tu)，但其(qi)(qi)却发(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了(le)极为(wei)显著的(de)(de)(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)(gu)结变(bian)(bian)(bian)形(xing)，其(qi)(qi)原因(yin)在(zai)(zai)于磷石(shi)膏晶(jing)体结构发(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了(le)压缩、破坏，接触点(dian)晶(jing)格发(fa)(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和(he)变(bian)(bian)(bian)形(xing)，而破坏后晶(jing)格之间的(de)(de)(de)(de)重新排(pai)列、调(diao)整到(dao)最后趋于相(xiang)对(dui)(dui)静(jing)(jing)止需要相(xiang)当长的(de)(de)(de)(de)时(shi)间才(cai)能完成(cheng)(cheng)。

2.4动力力学特性

试(shi)验设备采用英国GDS公司进口(kou)的电(dian)机控制动三(san)轴试(shi)验系统，试(shi)样直径39.1mm，高度80mm。

(1)动模量和阻尼比

同样由于自然沉积的(de)磷(lin)石(shi)膏密度变化(hua)(hua)(hua)较大，为此根据(ju)物理性质(zhi)试验结果，选择两种平均(jun)干密度1.34g/cm3(变化(hua)(hua)(hua)范(fan)围1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(变化(hua)(hua)(hua)范(fan)围1.44～1.46g/cm3)进行试验。

Hardin-Dmevich建议的(de)动剪切(qie)模量G、阻尼比与剪应变幅值γd的(de)关系式如下：

式中(zhong)k1为参(can)数，表示动(dong)(dong)(dong)剪(jian)切模量(liang)的(de)衰减或阻(zu)尼比(bi)的(de)增(zeng)长速率(lv)；λmax为最(zui)大(da)阻(zu)尼比(bi)；Gmax，γd分别为最(zui)大(da)动(dong)(dong)(dong)剪(jian)切模量(liang)和归一化的(de)动(dong)(dong)(dong)剪(jian)应(ying)变，表示为

式中(zhong)k2,n为参数；σm为球应力；Pa为标准大(da)气压；vd为动泊松比；εa为归(gui)一化的动应变，表达为

图(tu)14给出(chu)了动剪切模(mo)量、阻尼比与(yu)归(gui)一化动应变的(de)关系(xi)曲(qu)线，另外图(tu)中(zhong)还给出(chu)了式(1)的(de)拟合曲(qu)线以(yi)及Seed等给出(chu)的(de)砂样的(de)上(shang)下(xia)边界(jie)线，图(tu)例中(zhong)，σ2表(biao)(biao)示(shi)围压，Kc表(biao)(biao)示(shi)固结(jie)应力比。

从图(tu)中可以看出：①式(1)可较(jiao)(jiao)好地描(miao)述磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)动(dong)(dong)应(ying)力(li)-动(dong)(dong)应(ying)变试验曲线(xian)，表明(ming)采(cai)用(yong)等价黏弹(dan)性模型进行(xing)循环荷载作用(yong)下(xia)的(de)(de)分(fen)析是可行(xing)的(de)(de)；②图(tu)14(a)中干(gan)密度(du)为(wei)1.45g/cm3的(de)(de)拟(ni)(ni)合(he)线(xian)位(wei)于(yu)(yu)干(gan)密度(du)为(wei)1.34g/cm3的(de)(de)拟(ni)(ni)合(he)线(xian)上(shang)方，图(tu)14(b)中则位(wei)于(yu)(yu)下(xia)方，表明(ming)密度(du)越大(da)，动(dong)(dong)弹(dan)模越大(da)、阻(zu)尼比越小；③图(tu)14(a)中，两(liang)种干(gan)密度(du)的(de)(de)拟(ni)(ni)合(he)线(xian)基本(ben)位(wei)于(yu)(yu)Seed等给出的(de)(de)边界线(xian)上(shang)方，而图(tu)14(b)中则基本(ben)处于(yu)(yu)边界线(xian)中间(jian)，表明(ming)相比较(jiao)(jiao)砂(sha)样，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)动(dong)(dong)弹(dan)模较(jiao)(jiao)大(da)，会导致磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆积坝的(de)(de)动(dong)(dong)力(li)反应(ying)较(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)(yu)阻(zu)尼比也较(jiao)(jiao)大(da)，这样又(you)会削(xue)弱坝体的(de)(de)动(dong)(dong)力(li)反应(ying)，二者的(de)(de)相互影响下(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆积坝坝体的(de)(de)动(dong)(dong)力(li)反应(ying)将不会过(guo)于(yu)(yu)强烈，这对磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆积坝的(de)(de)抗震稳定性是有利的(de)(de)。

(2)动强度

选择两种平均(jun)干密(mi)度为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(jin)行试验，破(po)坏(huai)标准为总应变达到(dao)10%。

图(tu)15给出了动(dong)剪应力比(bi)τd/σ0′与破坏(huai)振次(ci)Nf的关(guan)(guan)系曲(qu)线(xian)图(tu)，其中σ0为振前试(shi)样45°面上的有效法向应力，表达为：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为固(gu)结(jie)比(bi)。从试(shi)验结(jie)果可以看出，沉积磷(lin)石膏的动(dong)强度与其它土(tu)体相(xiang)似，表现为围压和固(gu)结(jie)应力比(bi)与动(dong)剪应力比(bi)呈负相(xiang)关(guan)(guan)关(guan)(guan)系。

为(wei)判(pan)别沉积(ji)磷石膏的抗液化能力(li)，假(jia)定抗震设(she)计烈度为(wei)8度，即(ji)等(deng)效振次Ⅳ可取为(wei)30。首先由式(4)

所示的幂(mi)函数(shu)关系(xi)式得到振次为30时各(ge)个(ge)围压和固结比下(xia)的动剪应(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合求得动(dong)剪应力比(bi)与围压和固结应力比(bi)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(cong)上述拟(ni)合关(guan)系式可见，密实度(du)(du)提(ti)高(gao)后，动(dong)剪(jian)应(ying)力(li)比提(ti)高(gao)，表明抗(kang)液化能(neng)力(li)也提(ti)高(gao)。但即使(shi)是(shi)在低(di)密度(du)(du)下(xia)，其动(dong)剪(jian)应(ying)力(li)比较之同(tong)类的粉(fen)土或粉(fen)砂(sha)也大出许多，表明磷石膏具有较高(gao)的抗(kang)液化能(neng)力(li)。

三、结论

依托柳树箐(qing)磷(lin)石(shi)膏堆积(ji)坝，在钻(zuan)探(tan)取样工作的基础上(shang)，首(shou)先开展了(le)物(wu)理(li)性(xing)质试验，然后开展了(le)静动力(li)力(li)学特性(xing)试验。通(tong)过上(shang)述(shu)试验研究，得出如(ru)下结论：

(1)沉(chen)积磷石(shi)膏总体(ti)上属(shu)(shu)于级配不良的粉土，局部属(shu)(shu)于粉砂(sha)一中砂(sha)，无自然分级现象。其干(gan)密度和粒(li)径(jing)变(bian)化随埋深或距放浆口距离的变(bian)化不明显。

(2)沉积磷石膏水平(ping)方(fang)(fang)向的(de)(de)渗透系数(shu)大(da)于垂直(zhi)方(fang)(fang)向的(de)(de)渗透系数(shu)，呈现明显的(de)(de)各向异性。

(3)与土体颗粒不(bu)可压缩(suo)不(bu)同，磷石(shi)膏的晶体结构会发生压缩(suo)破坏，具有较大的压缩(suo)性，其(qi)次固结变(bian)形量(liang)远大于(yu)主固结变(bian)形量(liang)。

(4)沉积磷石(shi)膏的(de)静动(dong)强(qiang)度(du)较之同等密实度(du)下的(de)粉(fen)土(tu)、粉(fen)砂要高。