沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘(zhai)要：磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)是(shi)磷(lin)酸生产过程中的(de)副产品，目前的(de)综合利用(yong)率尚(shang)不足40%，大部(bu)分(fen)需要堆存(cun)存(cun)放。受地形(xing)限制和经济(ji)效益考虑，中国主要为(wei)(wei)湿(shi)法堆存(cun)的(de)山谷型(xing)堆场。依托柳树(shu)箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆积(ji)(ji)坝，针对沉积(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)首先开展了(le)密度(du)、含水率、渗透(tou)、土水特(te)征和颗分(fen)等物(wu)理性(xing)质试验(yan)，然后开展了(le)三(san)轴cu、蠕变(bian)(bian)及动三(san)轴等力(li)学特(te)性(xing)试验(yan)。试验(yan)结果表明：①沉积(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)干密度(du)与埋深没有相关关系；②沉积(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)不具(ju)(ju)有自(zi)然分(fen)级现象(xiang)，但具(ju)(ju)有明显的(de)各向异性(xing)；③沉积(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)具(ju)(ju)有较高的(de)摩擦角和抗液(ye)化能(neng)力(li)，但其蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形(xing)较大、渗透(tou)比降较小。上述(shu)工作(zuo)为(wei)(wei)分(fen)析磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)堆积(ji)(ji)坝的(de)坝体(ti)稳定性(xing)提供了(le)基础，对现行磷(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏(gao)库的(de)运行管理以及新建工程的(de)设(she)计具(ju)(ju)有重要的(de)借鉴意义。

引言(yan)

磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)是湿(shi)法(fa)(fa)磷(lin)酸生(sheng)产(chan)过(guo)程中(zhong)的(de)副产(chan)品，2018年，全(quan)国(guo)(guo)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)产(chan)生(sheng)量为(wei)(wei)7800万(wan)吨，且呈逐年增长的(de)态(tai)势。磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)主要成(cheng)分(fen)是CaO和(he)(he)(he)SO3，但含有一(yi)(yi)定(ding)量的(de)氟化(hua)物和(he)(he)(he)其(qi)它放(fang)射性(xing)物质，在(zai)(zai)中(zhong)国(guo)(guo)通常(chang)按(an)Ⅱ类一(yi)(yi)般(ban)工(gong)业固体废物处理，鉴于无害化(hua)处理成(cheng)本(ben)较(jiao)(jiao)高(gao)，目前综(zong)合(he)利用率尚不(bu)足40%，故大(da)部分(fen)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。按(an)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)场地(di)的(de)不(bu)同，可分(fen)为(wei)(wei)平地(di)型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)和(he)(he)(he)截河型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)场，在(zai)(zai)中(zhong)国(guo)(guo)基本(ben)上是山(shan)谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)场。相比较(jiao)(jiao)干法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)，湿(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)经济优(you)势明(ming)显，因(yin)而如地(di)质条件为(wei)(wei)非(fei)碳酸盐岩地(di)区(qu)(qu)，一(yi)(yi)般(ban)均采用湿(shi)排(pai)湿(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。随(sui)着中(zhong)国(guo)(guo)磷(lin)肥(fei)工(gong)业的(de)快速发展，本(ben)世纪初中(zhong)国(guo)(guo)相继建设了几座湿(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)大(da)型(xing)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)库(ku)，例如云天化(hua)国(guo)(guo)际化(hua)工(gong)三环分(fen)公司的(de)柳树箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)库(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)积坝(ba)和(he)(he)(he)富(fu)瑞(rui)分(fen)公司的(de)杨(yang)家(jia)箐磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)(gao)库(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)积坝(ba)，这两座坝(ba)设计坝(ba)高(gao)均超过(guo)100m、处于8度地(di)震区(qu)(qu)，其(qi)安全(quan)性(xing)备受关注。

据统计，110多年(1901年一2013年)来，全世(shi)界有118座尾矿坝(ba)曾(ceng)发生过破坏(huai)或溃坝(ba)事(shi)故，原因主要有地震(zhen)、洪水漫顶、渗(shen)透破坏(huai)和基础失稳。尾矿库(ku)失事(shi)后(hou)会造成(cheng)巨(ju)大的生态灾(zai)难和人员伤亡(wang)，近几(ji)十年来，

国内外对金属尾(wei)矿的沉积(ji)规(gui)律、物(wu)(wu)理力(li)学(xue)(xue)特(te)性及其稳定(ding)性开展(zhan)了(le)大量的研究(jiu)(jiu)，但对于(yu)与金属尾(wei)矿库(ku)(ku)相近(jin)的磷石(shi)膏库(ku)(ku)，一般仅(jin)限于(yu)在可研阶段采用人工制备样(yang)进(jin)行物(wu)(wu)理力(li)学(xue)(xue)性质试验，并(bing)据此进(jin)行稳定(ding)性分析，尚未有人针对己运行若干年的大型湿法堆存磷石(shi)膏堆积(ji)坝开展(zhan)过磷石(shi)膏沉积(ji)规(gui)律及其物(wu)(wu)理力(li)学(xue)(xue)特(te)性的专(zhuan)项研究(jiu)(jiu)。

本文依托柳树箐磷(lin)石膏(gao)堆积(ji)坝，首(shou)先进行(xing)了(le)钻探取样(yang)，采用原状(zhuang)样(yang)开展(zhan)了(le)密度、含水率、渗(shen)透、土水特(te)(te)征和颗分等物理性(xing)质试验(yan)(yan)，在此基(ji)(ji)础上有针对性(xing)的(de)选择原状(zhuang)样(yang)开展(zhan)了(le)三轴CU、蠕变及动三轴等力(li)学特(te)(te)性(xing)试验(yan)(yan)。通过(guo)上述试验(yan)(yan)研究，总结了(le)磷(lin)石膏(gao)的(de)沉积(ji)规(gui)律(lv)、渗(shen)透特(te)(te)性(xing)、渗(shen)透破(po)坏特(te)(te)性(xing)以及静动力(li)特(te)(te)性(xing)，上述研究工作对研究和评估磷(lin)石膏(gao)库堆积(ji)坝的(de)稳定性(xing)提供了(le)基(ji)(ji)础数据，对现行(xing)磷(lin)石膏(gao)库的(de)运(yun)行(xing)管理以及新建工程的(de)设计(ji)具有重要的(de)借鉴(jian)意义。

一(yi)、依托工程概况

1.1柳树(shu)箐(qing)磷石膏堆(dui)积坝堆(dui)存设计方案

由初期坝(ba)和(he)堆积坝(ba)组成，设计总坝(ba)高约130m。

(1)初期坝

初期(qi)坝坝高(gao)约30m，采用土料(liao)填筑。上游(you)坡面、坝底和下游(you)坝脚(jiao)设(she)置堆(dui)石排(pai)水(shui)体，三者相(xiang)连通构(gou)成整个堆(dui)积坝的主(zhu)要排(pai)渗系统。

(2)堆积坝(ba)及其辅助排(pai)渗措施

采用上游式筑(zhu)坝(ba)法，共20级(ji)(ji)子坝(ba)，顶宽6～9m，高(gao)(gao)度(du)5m，堆积高(gao)(gao)度(du)约(yue)100m。采用排渗(shen)(shen)管(guan)网(wang)作(zuo)为(wei)辅(fu)助(zhu)排渗(shen)(shen)方(fang)案，目前己在5级(ji)(ji)、9级(ji)(ji)子坝(ba)和13级(ji)(ji)子坝(ba)坝(ba)前120m范围内(nei)设置了井字(zi)形排渗(shen)(shen)管(guan)网(wang)。

1.2沉积磷石膏的钻探取样

钻(zuan)孔(kong)平(ping)面位置见图(tu)l。2008年(nian)6月，堆积(ji)(ji)至(zhi)5级(ji)(ji)子(zi)坝(ba)时，布设了(le)9个(ge)取(qu)样(yang)钻(zuan)孔(kong)，钻(zuan)孔(kong)编号K1～K9，取(qu)原(yuan)状样(yang)76件(jian)；2013年(nian)5月，堆积(ji)(ji)至(zhi)13级(ji)(ji)子(zi)坝(ba)时，又布设了(le)11个(ge)取(qu)样(yang)钻(zuan)孔(kong)，钻(zuan)孔(kong)编号K10～K20，取(qu)原(yuan)状样(yang)112件(jian)，为比较子(zi)坝(ba)加高和(he)磷石膏堆积(ji)(ji)过程(cheng)中磷石膏物(wu)理力学性质的变化，在(zai)2，4级(ji)(ji)子(zi)坝(ba)K2孔(kong)和(he)K6孔(kong)附近各布设了(le)一个(ge)钻(zuan)孔(kong)，钻(zuan)孔(kong)编号分别为K17和(he)K18。

1.3运行概况

柳树箐(qing)磷(lin)石膏尾矿库2005年(nian)开工(gong)建设，2006年(nian)1月(yue)投入运行，截至2013年(nian)5月(yue)己堆至13级(ji)子(zi)坝，尚(shang)有7级(ji)子(zi)坝即堆存至设计高程。鉴于磷(lin)石膏库地(di)形、地(di)质条件较好，具备(bei)扩(kuo)容改造的条件，以(yi)提高堆存库容，减少堆存占地(di)，节约土(tu)地(di)资源。

本文(wen)主要对沉(chen)积磷石膏的物理(li)力学特性(xing)进(jin)行(xing)了(le)全面(mian)总结，限(xian)于篇幅，有关现状磷石膏库堆积坝的安全性(xing)评价及(ji)其加(jia)高可行(xing)性(xing)的研究将(jiang)另文(wen)发表。

二、沉积磷石膏的物理力学特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

图(tu)2给出(chu)(chu)了14个钻孔的(de)(de)取样深度和(he)试(shi)验(yan)所(suo)得(de)干密度的(de)(de)关系(xi)，图(tu)中UWL表示(shi)水位(wei)(wei)线(xian)(xian)上，(系(xi)钻孔期间(jian)(jian)的(de)(de)初见水位(wei)(wei)线(xian)(xian)，下(xia)(xia)同)，DWL表示(shi)水位(wei)(wei)线(xian)(xian)下(xia)(xia)。图(tu)3给出(chu)(chu)了水位(wei)(wei)线(xian)(xian)上下(xia)(xia)的(de)(de)饱和(he)度分布图(tu)。由于磷石膏(gao)中的(de)(de)主(zhu)要成(cheng)分为CaSO4·2H2O，不同温度和(he)烘烤(kao)时间(jian)(jian)对测定(ding)结果(guo)有一定(ding)影响，不能照搬现行的(de)(de)土(tu)工试(shi)验(yan)规范，本文磷石膏(gao)的(de)(de)含水率测定(ding)方法为55℃温度下(xia)(xia)烘培24h。

图2沉积磷石膏干密度与埋深的(de)关(guan)系(xi)

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

由图3，水(shui)位线(xian)上(shang)的磷(lin)石膏饱(bao)(bao)和度(du)平(ping)均值为50.4%，处(chu)(chu)于(yu)非饱(bao)(bao)和状(zhuang)态(tai)，水(shui)位线(xian)以下的磷(lin)石膏饱(bao)(bao)和度(du)平(ping)均值为85.0%，基本处(chu)(chu)于(yu)饱(bao)(bao)和状(zhuang)态(tai)，由于(yu)水(shui)位下降后(hou)磷(lin)石膏来不及排水(shui)固结，故而水(shui)位线(xian)上(shang)局部(bu)试样的饱(bao)(bao)和度(du)较高。

由图2，水(shui)(shui)(shui)位线(xian)(xian)以上的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)间(jian)，均值为1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位线(xian)(xian)以下的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)间(jian)，均值为1.4g/cm3。可见磷(lin)石(shi)膏与一(yi)般的(de)(de)尾矿有所不同，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)并不随(sui)埋深的(de)(de)增(zeng)大而明(ming)显增(zeng)大，但水(shui)(shui)(shui)位线(xian)(xian)以下的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干密(mi)(mi)度(du)从统计意义上来(lai)看仍大于水(shui)(shui)(shui)位线(xian)(xian)以上的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏干密(mi)(mi)度(du)，这主要是(shi)由于水(shui)(shui)(shui)位线(xian)(xian)随(sui)库水(shui)(shui)(shui)位的(de)(de)变(bian)化反复升降而使(shi)得磷(lin)石(shi)膏排水(shui)(shui)(shui)固结(jie)所致。

室内击实(shi)得(de)到的(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)最大(da)干(gan)密(mi)度一般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)间，从图2可以看出(chu)，自(zi)然沉(chen)积的(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)最大(da)干(gan)密(mi)度可达(da)到1.73g/cm3，原因如下：与经(jing)典的(de)土骨架(jia)不可压(ya)缩的(de)理论不同，石(shi)膏(gao)(gao)本身可压(ya)缩，同时(shi)由于颗(ke)粒(li)结构(gou)不稳定(ding)，击实(shi)试验过程中磷石(shi)膏(gao)(gao)结构(gou)被破坏，受夯击处(chu)下陷，四(si)周鼓起，出(chu)现(xian)了(le)类似(si)于橡皮(pi)土的(de)现(xian)象。而(er)在(zai)现(xian)场条(tiao)件下，石(shi)膏(gao)(gao)骨架(jia)被破坏后，会(hui)导致颗(ke)粒(li)中的(de)结合水渗(shen)出(chu)至孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)内，变成孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)水，排水固结后会(hui)使(shi)得(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)的(de)孔(kong)(kong)隙(xi)(xi)比减(jian)小，干(gan)密(mi)度增大(da)。

图4给出了相(xiang)邻钻(zuan)(zuan)孔(kong)K2和K17(位(wei)于2级子(zi)坝河床部位(wei))以及相(xiang)邻钻(zuan)(zuan)孔(kong)K6和K18(位(wei)于4级子(zi)坝河床部位(wei))干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)对比图。K2钻(zuan)(zuan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为1.30g/cm3，K17钻(zuan)(zuan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为1.32g/cm3；K6钻(zuan)(zuan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为1.36g/cm3，K18钻(zuan)(zuan)孔(kong)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为1.37g/cm3。可见，即使从统计意义上来看，磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未随后续磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)堆积而(er)有较为明显的(de)(de)增大。

(2)级配分布

颗粒(li)分析试验采用密度计法，制(zhi)备悬液时不煮沸，不加六偏磷酸钠(na)。图5给出了(le)试验得到的级配(pei)包线、平均(jun)粒(li)径d50、不均(jun)匀系(xi)数(1u和曲率(lv)系(xi)数Cc的分布图。

从图5(a)可见，磷石膏(gao)的粒径主要分(fen)布在0.005～0.075mm之间，总体上属于粉土，但(dan)可能由于矿石来源或生产工(gong)艺有所不同，局部(bu)属于粉砂～中砂。粒径分(fen)布范围比Blight和张超等的试验结(jie)果要宽一些。

图4子坝加高后沉积磷石膏(gao)的(de)干(gan)密度变(bian)化

图5沉(chen)积磷(lin)石膏的平均粒(li)径和(he)级配分布

由图5(b)和(he)5(c)，无论是水平向(xiang)还(hai)是垂直向(xiang)，磷石(shi)膏(gao)与金(jin)属矿山尾(wei)(wei)(wei)矿的(de)(de)(de)(de)“前粗后细，上粗下细”的(de)(de)(de)(de)自然(ran)分级现象不(bu)(bu)同，也即粗颗粒并(bing)不(bu)(bu)是沿(yan)埋(mai)深逐步(bu)减小或距离(li)放(fang)(fang)浆(jiang)(jiang)口越(yue)远颗粒越(yue)细，其原(yuan)因如下：①磷石(shi)膏(gao)颗粒粒径(jing)组成较(jiao)为(wei)(wei)集中(zhong)、均匀(yun)，主要以粉粒组(0.005mm<d≤0.074mm)为(wei)(wei)主，级配较(jiao)差；②相比(bi)较(jiao)金(jin)属尾(wei)(wei)(wei)矿，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)较(jiao)小，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)一般为(wei)(wei)2.3～2.4，远小于(yu)金(jin)属尾(wei)(wei)(wei)矿的(de)(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)，例(li)如铁尾(wei)(wei)(wei)矿的(de)(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)可达2.9；③放(fang)(fang)浆(jiang)(jiang)口随子坝高度(du)不(bu)(bu)断(duan)增加而不(bu)(bu)断(duan)变(bian)动(dong)并(bing)向(xiang)库(ku)尾(wei)(wei)(wei)延伸，造(zao)成沉积磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)粒径(jing)变(bian)化(hua)不(bu)(bu)明显。

从图5(d)可见，不均(jun)(jun)匀系数Cu范围值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)为(wei)4.18，曲率(lv)系数(1c范围值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均(jun)(jun)值(zhi)为(wei)1.21，在统计的100多(duo)个试样中，属于级(ji)配(pei)不良(liang)土(tu)的占93%。这种(zhong)级(ji)配(pei)特性决定了磷(lin)石膏具有较(jiao)高的压缩(suo)性、渗透破坏型(xing)式表(biao)现(xian)为(wei)流土(tu)破坏。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影(ying)响(xiang)渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)的主要因素是粒径大小、级配和孔(kong)隙比(bi)，因而磷(lin)石(shi)膏(gao)的渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)与(yu)粉(fen)土(tu)较(jiao)(jiao)(jiao)为接近。由于孔(kong)隙比(bi)e减小，使得过水通道面(mian)积减小，渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)k也将减小，k与(yu)e呈正相关关系(xi)(xi)。对(dui)砂(sha)土(tu)，一般(ban)认为渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)k与(yu)e3/(1+e)的线性(xing)关系(xi)(xi)较(jiao)(jiao)(jiao)好，图6给(ji)出(chu)了二(er)(er)者(zhe)间的关系(xi)(xi)曲线，由于沉积磷(lin)石(shi)膏(gao)的不均匀系(xi)(xi)数(shu)变化较(jiao)(jiao)(jiao)大，使得沉积磷(lin)石(shi)膏(gao)的渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)变化范围(wei)较(jiao)(jiao)(jiao)大(平均值为10-4cm/s数(shu)量级)，二(er)(er)者(zhe)问的线性(xing)关系(xi)(xi)较(jiao)(jiao)(jiao)差。

图6沉积磷石膏渗透系数与孔隙(xi)比(bi)的关系

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

图7给出了水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)与(yu)(yu)垂(chui)直向渗透(tou)(tou)(tou)系数(shu)比值的分布(bu)。沉(chen)积磷(lin)石膏(gao)的水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向渗透(tou)(tou)(tou)系数(shu)kh一般(ban)大于垂(chui)直向的渗透(tou)(tou)(tou)系数(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值约为2.86，这一点与(yu)(yu)成层分布(bu)的金属尾矿规(gui)律一致。造成沉(chen)积磷(lin)石膏(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)向渗透(tou)(tou)(tou)系数(shu)大于垂(chui)直向渗透(tou)(tou)(tou)系数(shu)的原因是由(you)于磷(lin)石膏(gao)具有明显的晶体结(jie)构，电镜扫(sao)描显示多(duo)为菱形和棱柱状形式(见(jian)图8)，在沉(chen)积过程中，由(you)于扁平(ping)(ping)状磷(lin)石膏(gao)颗粒多(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使(shi)得水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)方向的透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性大于垂(chui)直方向的透(tou)(tou)(tou)水(shui)(shui)(shui)性，从而(er)使(shi)磷(lin)石膏(gao)呈(cheng)现(xian)明显的各向异性。

另根据中国(guo)有色金属工业昆明勘察设计研(yan)究(jiu)院在杨家箐磷石膏堆积(ji)坝开展的(de)现场渗透试验，kh/kv的(de)平均值(zhi)约为(wei)1.9。但张超(chao)等的(de)室内试验显示(shi)，kh/kv的(de)平均值(zhi)约为(wei)0.46，也(ye)即垂(chui)直向渗透系(xi)数大于水平向渗透系(xi)数，与本文和现场试验结(jie)果恰(qia)恰(qia)相(xiang)反。从磷石膏的(de)微(wei)观结(jie)构(gou)来看，本文试验结(jie)果更为(wei)合(he)理。

图(tu)7沉(chen)积磷石膏干密度(du)与水平和(he)垂直(zhi)渗透(tou)系(xi)数(shu)比(bi)值的关系(xi)

(2)渗透变形

图(tu)9为(wei)磷(lin)石膏干密(mi)度为(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)(shui)(shui)力梯(ti)度J与流速V的(de)关(guan)系(xi)(xi)曲线，试(shi)验在(zai)水(shui)(shui)(shui)平管涌仪中采用(yong)水(shui)(shui)(shui)平方(fang)向的(de)渗流形(xing)式进行(xing)(xing)。试(shi)验得到的(de)临界坡降(jiang)Jc=0.355，破坏坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)般(ban)来说，对1，2级(ji)工(gong)程(cheng)(cheng)，渗透安全系(xi)(xi)数(shu)取为(wei)2.5，则(ze)允许(xu)出逸(yi)坡降(jiang)为(wei)0.355/2.5=0.142，对3级(ji)以下工(gong)程(cheng)(cheng)，渗透安全系(xi)(xi)数(shu)取2.0，则(ze)允许(xu)出逸(yi)坡降(jiang)为(wei)0.355/2.0=0.178。其允许(xu)比降(jiang)与粉土(tu)一(yi)(yi)(yi)粉砂大致相同。但上(shang)述(shu)渗透变形(xing)试(shi)验是采用(yong)自来水(shui)(shui)(shui)进行(xing)(xing)的(de)，自来水(shui)(shui)(shui)对磷(lin)石膏具有(you)(you)一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)溶蚀作用(yong)，而(er)实际上(shang)磷(lin)石膏中残余磷(lin)、硫(liu)和氟酸，库水(shui)(shui)(shui)的(de)pH值一(yi)(yi)(yi)般(ban)小于3(称之为(wei)酸性(xing)水(shui)(shui)(shui))，在(zai)酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下，磷(lin)石膏不会(hui)发生(sheng)破坏，上(shang)述(shu)试(shi)验结果是偏于保守的(de)，但对非酸性(xing)水(shui)(shui)(shui)条件(jian)(例如特(te)大暴雨)下的(de)渗透稳定(ding)判断有(you)(you)一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)借鉴意义。

图(tu)9水(shui)力梯度J-流速v试验过(guo)程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试验

试验在5Bar的压力(li)(li)板仪中进行，环刀尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3组，吸力(li)(li)范围0～500kPa。表l列出了(le)含水率特征值，试验曲线见图10所示(shi)。

试验(yan)结果(guo)表明(ming)：①干(gan)密(mi)(mi)度对(dui)进气值(zhi)没(mei)有(you)明(ming)显的(de)(de)影(ying)响，不同干(gan)密(mi)(mi)度的(de)(de)试样(yang)的(de)(de)进气值(zhi)大致在10kPa左右；②土样(yang)残余含水率(lv)随干(gan)密(mi)(mi)度的(de)(de)增加而减(jian)少(shao)，残余含水率(lv)约为饱和含水率(lv)的(de)(de)10%。上述特性与粉土一粉砂基本一致。

2.3静力力学特性

(1)三轴CU试验

由(you)于沉积磷石(shi)膏的密(mi)度(du)变化较大，而进(jin)(jin)行三轴试(shi)验需要若(ruo)干(gan)(gan)原状样，为(wei)使(shi)试(shi)验结果具有(you)较好(hao)的一致(zhi)性(xing)，有(you)针对性(xing)的选择平均干(gan)(gan)密(mi)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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若(ruo)干(gan)(gan)试(shi)样，进(jin)(jin)行了5组三轴CU试(shi)验。图11是为(wei)干(gan)(gan)密(mi)度(du)为(wei)1.2和1.58g/cm3的三轴CU试(shi)验曲(qu)线(xian)。

从图11可以看出，磷石(shi)膏(gao)的(de)应力应变(bian)关系曲(qu)线在(zai)低围(wei)压下(xia)表(biao)现为软(ruan)化型(xing)，在(zai)高围(wei)压下(xia)表(biao)现为硬化型(xing)，与(yu)一般土类相似。但与(yu)一般粉(fen)土一粉(fen)砂(sha)不(bu)同的(de)是(shi)，即使在(zai)较(jiao)(jiao)为疏松(song)的(de)状态下(xia)，磷石(shi)膏(gao)仍表(biao)现了较(jiao)(jiao)为强烈的(de)剪(jian)胀，随密实度增大，剪(jian)胀作用愈发明显。

表2给出(chu)了(le)不同干(gan)密度(du)(du)(du)下的(de)(de)内摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)，图12给出(chu)了(le)内摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)与干(gan)密度(du)(du)(du)的(de)(de)关系曲(qu)线。随(sui)(sui)干(gan)密度(du)(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，内摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)也随(sui)(sui)之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且可(ke)采(cai)用幂(mi)函(han)数较(jiao)好地拟合(he)。磷石(shi)膏的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加了(le)32%，总应力摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)37.3°(根据拟合(he)曲(qu)线求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅为(wei)(wei)9.4%，有(you)效应力摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅为(wei)(wei)3.2%，由(you)于(yu)随(sui)(sui)围(wei)压的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔压也明(ming)(ming)显增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅较(jiao)之总应力摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外较(jiao)之于(yu)干(gan)密度(du)(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并不显著，表明(ming)(ming)即使较(jiao)为(wei)(wei)疏松的(de)(de)磷石(shi)膏仍具有(you)较(jiao)高的(de)(de)强度(du)(du)(du)指标，这也表明(ming)(ming)磷石(shi)膏堆积坝(ba)的(de)(de)稳定(ding)性较(jiao)高。

(2)蠕(ru)变(次固结)变形(xing)试(shi)验

磷石膏的(de)蠕变变形试(shi)验在侧限压(ya)(ya)缩仪(yi)中进(jin)行，试(shi)验状态(tai)相(xiang)当于K0固结。试(shi)样(yang)(yang)直径61.8mm，高度20mm，试(shi)样(yang)(yang)干密度为(wei)1.30g/cm3，对试(shi)样(yang)(yang)饱和(he)后(hou)分别开展了上覆压(ya)(ya)力ρ为(wei)100，200，400，800kPa的(de)试(shi)验，

试验(yan)从2012年8月27日开(kai)始(shi)，试验(yan)己进(jin)行了1年多，试验(yan)结果(guo)见图13所(suo)示。

从图13中(zhong)可以看出(chu)：上覆荷载(zai)越(yue)大，磷石膏的(de)蠕变变形也(ye)越(yue)大，荷载(zai)施加(jia)1年(nian)后(hou)，磷石膏的(de)蠕变变形仍非常显著，尚(shang)未达(da)到稳(wen)定状(zhuang)态，这也(ye)是磷石膏堆(dui)积坝后(hou)期(qi)变形较大的(de)原因(yin)，原型观测资(zi)料表明，在(zai)5级子坝河床(chuang)部(bu)位的(de)表面沉降量已经达(da)到3.1m，且尚(shang)未完全稳(wen)定。

按时(shi)(shi)间(jian)对(dui)(dui)(dui)数法，可求(qiu)得各(ge)级荷(he)(he)载下的(de)(de)主次固结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)量如表3所示。试验结(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷(he)(he)载作用下，在(zai)(zai)试验时(shi)(shi)间(jian)范围(wei)内(nei)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(次固结(jie))变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)是(shi)主固结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍，当然由(you)于蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)尚未完(wan)成，实(shi)际(ji)的(de)(de)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)应更大。对(dui)(dui)(dui)土(tu)体(ti)而言(yan)，发(fa)(fa)生(sheng)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因(yin)(yin)是(shi)由(you)于土(tu)体(ti)在(zai)(zai)主固结(jie)完(wan)成之(zhi)(zhi)后，土(tu)体(ti)中仍(reng)有微小的(de)(de)超(chao)静孔隙压力(li)存(cun)在(zai)(zai)，驱使水在(zai)(zai)颗粒问(wen)流动，一般来讲土(tu)体(ti)的(de)(de)次固结(jie)远小于主固结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)；对(dui)(dui)(dui)磷石膏而言(yan)，其(qi)渗透系数在(zai)(zai)10-4cm/s数量级，远大于黏性土(tu)，但其(qi)却发(fa)(fa)生(sheng)了极为显著的(de)(de)次固结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，其(qi)原因(yin)(yin)在(zai)(zai)于磷石膏晶体(ti)结(jie)构发(fa)(fa)生(sheng)了压缩、破坏，接触(chu)点晶格发(fa)(fa)生(sheng)歪曲(qu)和变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)，而破坏后晶格之(zhi)(zhi)间(jian)的(de)(de)重新排列、调(diao)整到最(zui)后趋于相对(dui)(dui)(dui)静止需要(yao)相当长的(de)(de)时(shi)(shi)间(jian)才能完(wan)成。

2.4动力力学特性

试验设备采用英国(guo)GDS公(gong)司(si)进口(kou)的电机控制动三(san)轴试验系统，试样直径39.1mm，高度80mm。

(1)动模量和阻(zu)尼比

同样由于自然沉积的磷石(shi)膏密(mi)度变化(hua)较大，为此根据物理性质试验结果，选(xuan)择两种(zhong)平均干密(mi)度1.34g/cm3(变化(hua)范围(wei)1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(变化(hua)范围(wei)1.44～1.46g/cm3)进行(xing)试验。

Hardin-Dmevich建议的(de)动剪切(qie)模量G、阻(zu)尼比(bi)与剪应变(bian)幅值(zhi)γd的(de)关系式如下：

式(shi)中k1为参(can)数，表示动(dong)剪(jian)切(qie)模量的(de)衰减或阻尼(ni)比的(de)增(zeng)长速率；λmax为最(zui)大阻尼(ni)比；Gmax，γd分别为最(zui)大动(dong)剪(jian)切(qie)模量和归一(yi)化的(de)动(dong)剪(jian)应(ying)变，表示为

式(shi)中(zhong)k2,n为(wei)参数；σm为(wei)球(qiu)应力；Pa为(wei)标准大气(qi)压；vd为(wei)动(dong)泊松(song)比；εa为(wei)归一化的动(dong)应变，表达为(wei)

图(tu)14给出了动剪切(qie)模(mo)量、阻尼比与归一(yi)化动应(ying)变(bian)的(de)关(guan)系曲线(xian)(xian)，另外图(tu)中还给出了式(1)的(de)拟合曲线(xian)(xian)以及Seed等(deng)给出的(de)砂样的(de)上(shang)下边界线(xian)(xian)，图(tu)例中，σ2表(biao)示围压，Kc表(biao)示固结应(ying)力比。

从图(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可以(yi)看出：①式(1)可较好地描述(shu)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)动(dong)应(ying)(ying)力(li)(li)-动(dong)应(ying)(ying)变(bian)试验(yan)曲线(xian)，表(biao)明(ming)采(cai)用(yong)等价黏弹(dan)(dan)性(xing)模型(xing)进行(xing)循(xun)环荷载作用(yong)下的(de)(de)(de)分析是可行(xing)的(de)(de)(de)；②图(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)干(gan)密度(du)为1.45g/cm3的(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)位(wei)于(yu)干(gan)密度(du)为1.34g/cm3的(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)上(shang)方，图(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)则位(wei)于(yu)下方，表(biao)明(ming)密度(du)越(yue)(yue)大(da)(da)，动(dong)弹(dan)(dan)模越(yue)(yue)大(da)(da)、阻尼比(bi)越(yue)(yue)小；③图(tu)(tu)14(a)中(zhong)(zhong)，两种干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)基(ji)本(ben)位(wei)于(yu)Seed等给出的(de)(de)(de)边(bian)界线(xian)上(shang)方，而图(tu)(tu)14(b)中(zhong)(zhong)则基(ji)本(ben)处于(yu)边(bian)界线(xian)中(zhong)(zhong)间，表(biao)明(ming)相比(bi)较砂样，磷(lin)石(shi)膏(gao)动(dong)弹(dan)(dan)模较大(da)(da)，会(hui)导致磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)(ji)坝的(de)(de)(de)动(dong)力(li)(li)反应(ying)(ying)较大(da)(da)，但由于(yu)阻尼比(bi)也(ye)较大(da)(da)，这样又会(hui)削弱(ruo)坝体的(de)(de)(de)动(dong)力(li)(li)反应(ying)(ying)，二者(zhe)的(de)(de)(de)相互影(ying)响下，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)(ji)坝坝体的(de)(de)(de)动(dong)力(li)(li)反应(ying)(ying)将(jiang)不会(hui)过(guo)于(yu)强烈，这对磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)(ji)坝的(de)(de)(de)抗(kang)震稳定性(xing)是有(you)利的(de)(de)(de)。

(2)动强度

选择两种平均干(gan)密(mi)度为1.12(变(bian)化(hua)范围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变(bian)化(hua)范围1.29～1.3lg/cm3)进行试验，破坏标准为总(zong)应(ying)变(bian)达到10%。

图15给出了动(dong)剪(jian)应力(li)比τd/σ0′与破坏振次Nf的关系曲线(xian)图，其(qi)中σ0为振前试(shi)样45°面上的有效(xiao)法向应力(li)，表(biao)达为：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为固(gu)结比。从试(shi)验结果(guo)可以看出，沉(chen)积磷石(shi)膏的动(dong)强度与其(qi)它土(tu)体相似，表(biao)现(xian)为围(wei)压(ya)和固(gu)结应力(li)比与动(dong)剪(jian)应力(li)比呈负相关关系。

为(wei)(wei)判别沉积磷石膏的抗(kang)液化能力，假(jia)定抗(kang)震(zhen)设计烈度为(wei)(wei)8度，即(ji)等效振次Ⅳ可取为(wei)(wei)30。首先由式(4)

所示的幂函数关系式得到振次为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)

然后可拟合求得动剪应力比与围压和固结(jie)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(cong)上述拟(ni)合关系(xi)式可见，密实度提高后，动剪应力比(bi)(bi)提高，表明抗液化能(neng)力也提高。但(dan)即使(shi)是在低(di)密度下，其动剪应力比(bi)(bi)较之(zhi)同类的(de)粉(fen)(fen)土或粉(fen)(fen)砂也大出许多(duo)，表明磷石膏具(ju)有(you)较高的(de)抗液化能(neng)力。

三、结论

依(yi)托柳树箐磷石(shi)膏堆积(ji)坝，在(zai)钻(zuan)探取样工作(zuo)的基础上，首先开(kai)展了物理(li)性(xing)质试(shi)验(yan)，然后(hou)开(kai)展了静动(dong)力力学特性(xing)试(shi)验(yan)。通(tong)过上述(shu)试(shi)验(yan)研究，得出如下结论：

(1)沉积磷石膏总体上属于(yu)级(ji)(ji)配(pei)不良的粉土(tu)，局部(bu)属于(yu)粉砂(sha)(sha)一中砂(sha)(sha)，无自然(ran)分级(ji)(ji)现(xian)象。其干密度和粒径变化随埋深(shen)或距放(fang)浆口距离的变化不明显。

(2)沉积磷石膏水(shui)平方向(xiang)的(de)渗透系数大于垂(chui)直方向(xiang)的(de)渗透系数，呈现(xian)明显的(de)各向(xiang)异性。

(3)与土体颗粒不可(ke)压(ya)缩(suo)不同，磷石膏(gao)的(de)(de)晶体结构(gou)会发(fa)生(sheng)压(ya)缩(suo)破坏，具有较(jiao)大的(de)(de)压(ya)缩(suo)性(xing)，其次固结变形量(liang)远(yuan)大于主固结变形量(liang)。

(4)沉积(ji)磷石(shi)膏的静动(dong)强(qiang)度较之(zhi)同(tong)等(deng)密(mi)实度下的粉(fen)土(tu)、粉(fen)砂要高。