沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘要：磷(lin)石(shi)(shi)膏是磷(lin)酸生产过程中的(de)(de)(de)副产品，目前的(de)(de)(de)综合利用率尚不足40%，大部分(fen)需要(yao)堆(dui)存存放。受(shou)地形(xing)限制(zhi)和(he)经济效益考虑，中国主要(yao)为湿法堆(dui)存的(de)(de)(de)山谷型(xing)堆(dui)场。依托柳树箐磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)积坝(ba)，针对沉积磷(lin)石(shi)(shi)膏首先开展了(le)密(mi)度、含水率、渗(shen)透(tou)、土水特(te)征和(he)颗分(fen)等物理性(xing)质(zhi)试验(yan)(yan)，然后开展了(le)三轴(zhou)cu、蠕变(bian)及(ji)动三轴(zhou)等力(li)学(xue)特(te)性(xing)试验(yan)(yan)。试验(yan)(yan)结果表明：①沉积磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)干密(mi)度与埋深(shen)没有相(xiang)关关系；②沉积磷(lin)石(shi)(shi)膏不具(ju)有自然分(fen)级现象(xiang)，但(dan)(dan)具(ju)有明显的(de)(de)(de)各(ge)向异性(xing)；③沉积磷(lin)石(shi)(shi)膏具(ju)有较(jiao)高的(de)(de)(de)摩擦角和(he)抗(kang)液化能力(li)，但(dan)(dan)其蠕变(bian)变(bian)形(xing)较(jiao)大、渗(shen)透(tou)比(bi)降(jiang)较(jiao)小。上(shang)述工作为分(fen)析磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)积坝(ba)的(de)(de)(de)坝(ba)体稳定性(xing)提供(gong)了(le)基础，对现行磷(lin)石(shi)(shi)膏库的(de)(de)(de)运行管理以及(ji)新(xin)建工程的(de)(de)(de)设计具(ju)有重要(yao)的(de)(de)(de)借鉴意义。

引(yin)言

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)是湿(shi)(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)酸(suan)生产(chan)过程中的(de)(de)副产(chan)品，2018年，全国(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)产(chan)生量(liang)为7800万吨，且呈逐年增长的(de)(de)态势(shi)。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)主要(yao)成分(fen)是CaO和(he)SO3，但含有(you)一定量(liang)的(de)(de)氟化物和(he)其(qi)它放(fang)射性物质，在(zai)中国(guo)通(tong)常按(an)Ⅱ类一般工(gong)业(ye)固体废物处理，鉴于无害化处理成本较高，目前综合利用(yong)率尚(shang)不足40%，故大部分(fen)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)堆(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放(fang)。按(an)堆(dui)存(cun)(cun)场地的(de)(de)不同(tong)，可(ke)分(fen)为平(ping)地型(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)场，在(zai)中国(guo)基本上是山谷型(xing)(xing)(xing)堆(dui)场。相比较干法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)，湿(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)经济优势(shi)明显，因而如(ru)地质条(tiao)件为非碳酸(suan)盐岩地区(qu)，一般均采(cai)用(yong)湿(shi)(shi)排湿(shi)(shi)堆(dui)方式。随着中国(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥工(gong)业(ye)的(de)(de)快速发展，本世纪初中国(guo)相继建设了几座湿(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)大型(xing)(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)库(ku)，例如(ru)云天(tian)化国(guo)际化工(gong)三环分(fen)公司的(de)(de)柳树箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)库(ku)堆(dui)积(ji)坝(ba)(ba)和(he)富(fu)瑞(rui)分(fen)公司的(de)(de)杨家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)库(ku)堆(dui)积(ji)坝(ba)(ba)，这两座坝(ba)(ba)设计(ji)坝(ba)(ba)高均超过100m、处于8度地震区(qu)，其(qi)安全性备受关注。

据统计，110多年(1901年一2013年)来，全世界有118座尾矿(kuang)坝曾发生过破坏或溃坝事故(gu)，原因主要有地震、洪水(shui)漫(man)顶、渗透(tou)破坏和基础失稳(wen)。尾矿(kuang)库失事后会造(zao)成巨大的生态(tai)灾难和人(ren)员(yuan)伤(shang)亡，近几十年来，

国内外对(dui)金(jin)属尾(wei)矿的(de)沉积规律、物理(li)(li)力(li)学(xue)特性(xing)及(ji)其稳(wen)定性(xing)开展了大(da)量(liang)的(de)研究，但对(dui)于与金(jin)属尾(wei)矿库(ku)相近的(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)库(ku)，一(yi)般仅限于在可(ke)研阶(jie)段采用人(ren)工制备样(yang)进行(xing)(xing)物理(li)(li)力(li)学(xue)性(xing)质试验，并据此进行(xing)(xing)稳(wen)定性(xing)分析，尚(shang)未有人(ren)针(zhen)对(dui)己运行(xing)(xing)若干年(nian)的(de)大(da)型湿法堆存磷(lin)(lin)石膏(gao)堆积坝开展过(guo)磷(lin)(lin)石膏(gao)沉积规律及(ji)其物理(li)(li)力(li)学(xue)特性(xing)的(de)专项研究。

本文依托柳树箐磷石膏(gao)堆积坝，首(shou)先进行了钻探取样，采用(yong)原(yuan)状样开展(zhan)了密度、含水率、渗(shen)透、土水特(te)征(zheng)和颗分等物(wu)理(li)性(xing)(xing)质(zhi)试验，在(zai)此基础上(shang)有针对(dui)性(xing)(xing)的(de)(de)选择原(yuan)状样开展(zhan)了三(san)轴CU、蠕变及(ji)(ji)动三(san)轴等力学特(te)性(xing)(xing)试验。通过上(shang)述试验研究(jiu)，总结了磷石膏(gao)的(de)(de)沉积规(gui)律、渗(shen)透特(te)性(xing)(xing)、渗(shen)透破坏特(te)性(xing)(xing)以(yi)及(ji)(ji)静动力特(te)性(xing)(xing)，上(shang)述研究(jiu)工(gong)作对(dui)研究(jiu)和评(ping)估磷石膏(gao)库(ku)堆积坝的(de)(de)稳定性(xing)(xing)提(ti)供了基础数据，对(dui)现行磷石膏(gao)库(ku)的(de)(de)运(yun)行管理(li)以(yi)及(ji)(ji)新建工(gong)程的(de)(de)设计具有重要(yao)的(de)(de)借鉴意义。

一、依(yi)托工程概(gai)况

1.1柳树箐(qing)磷石(shi)膏堆(dui)积坝堆(dui)存设计方(fang)案

由初(chu)期坝和堆积(ji)坝组(zu)成，设计总(zong)坝高约130m。

(1)初期坝

初期坝坝高(gao)约30m，采用土料填筑。上游坡(po)面、坝底和下(xia)游坝脚设置堆(dui)石排水体(ti)，三者相连通(tong)构成(cheng)整个堆(dui)积坝的主(zhu)要(yao)排渗系统。

(2)堆积坝及其辅助排渗(shen)措施(shi)

采(cai)用上游式(shi)筑坝(ba)(ba)(ba)法，共20级(ji)子(zi)坝(ba)(ba)(ba)，顶宽6～9m，高(gao)度5m，堆积高(gao)度约100m。采(cai)用排(pai)渗(shen)管(guan)网作为辅助排(pai)渗(shen)方案，目(mu)前己在5级(ji)、9级(ji)子(zi)坝(ba)(ba)(ba)和13级(ji)子(zi)坝(ba)(ba)(ba)坝(ba)(ba)(ba)前120m范(fan)围(wei)内设(she)置(zhi)了井字(zi)形排(pai)渗(shen)管(guan)网。

1.2沉积磷石(shi)膏(gao)的钻(zuan)探(tan)取样

钻(zuan)(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)平面位置见图(tu)l。2008年(nian)6月(yue)，堆积(ji)(ji)至(zhi)5级子(zi)坝时，布(bu)(bu)设了9个(ge)(ge)取(qu)(qu)样(yang)钻(zuan)(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)编(bian)号K1～K9，取(qu)(qu)原状样(yang)76件；2013年(nian)5月(yue)，堆积(ji)(ji)至(zhi)13级子(zi)坝时，又布(bu)(bu)设了11个(ge)(ge)取(qu)(qu)样(yang)钻(zuan)(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)编(bian)号K10～K20，取(qu)(qu)原状样(yang)112件，为(wei)比较(jiao)子(zi)坝加高(gao)和(he)磷石膏堆积(ji)(ji)过程中磷石膏物理力(li)学性(xing)质的变化，在2，4级子(zi)坝K2孔(kong)(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)(kong)附(fu)近各布(bu)(bu)设了一个(ge)(ge)钻(zuan)(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)编(bian)号分别(bie)为(wei)K17和(he)K18。

1.3运行概况

柳树(shu)箐磷石膏(gao)(gao)尾(wei)矿(kuang)库2005年(nian)(nian)开工建设(she)，2006年(nian)(nian)1月(yue)投(tou)入运行，截至2013年(nian)(nian)5月(yue)己堆(dui)至13级子(zi)坝(ba)，尚有7级子(zi)坝(ba)即堆(dui)存至设(she)计高程。鉴于磷石膏(gao)(gao)库地(di)形、地(di)质条件(jian)较(jiao)好(hao)，具(ju)备(bei)扩容(rong)改造的条件(jian)，以提(ti)高堆(dui)存库容(rong)，减(jian)少堆(dui)存占地(di)，节约土地(di)资源。

本文主(zhu)要(yao)对沉积(ji)磷石(shi)膏的物理(li)力学特性进行了全(quan)面总(zong)结，限于(yu)篇幅，有关现状磷石(shi)膏库堆(dui)积(ji)坝(ba)的安全(quan)性评价(jia)及其加高可行性的研究(jiu)将另文发表。

二(er)、沉(chen)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)(tu)2给(ji)出了14个钻(zuan)孔的取样深(shen)度(du)和(he)试验(yan)所得(de)干密度(du)的关系，图(tu)(tu)中UWL表示(shi)水(shui)位(wei)线(xian)上，(系钻(zuan)孔期(qi)间(jian)的初见水(shui)位(wei)线(xian)，下同)，DWL表示(shi)水(shui)位(wei)线(xian)下。图(tu)(tu)3给(ji)出了水(shui)位(wei)线(xian)上下的饱和(he)度(du)分(fen)布图(tu)(tu)。由于磷(lin)(lin)石(shi)膏中的主要成分(fen)为(wei)CaSO4·2H2O，不(bu)同温度(du)和(he)烘(hong)烤(kao)时间(jian)对(dui)测(ce)定结果有一(yi)定影响，不(bu)能照搬现行(xing)的土工试验(yan)规(gui)范，本(ben)文(wen)磷(lin)(lin)石(shi)膏的含水(shui)率测(ce)定方法为(wei)55℃温度(du)下烘(hong)培(pei)24h。

图2沉积(ji)磷石(shi)膏干密度与(yu)埋深的关(guan)系

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

由图3，水(shui)位线(xian)上(shang)的(de)磷石膏(gao)饱和(he)度平(ping)均值为50.4%，处于非饱和(he)状态(tai)，水(shui)位线(xian)以下的(de)磷石膏(gao)饱和(he)度平(ping)均值为85.0%，基本处于饱和(he)状态(tai)，由于水(shui)位下降后(hou)磷石膏(gao)来不(bu)及(ji)排水(shui)固结，故而(er)水(shui)位线(xian)上(shang)局(ju)部(bu)试(shi)样的(de)饱和(he)度较高。

由图2，水位(wei)(wei)(wei)线以上(shang)的(de)(de)(de)干密(mi)度在(zai)0.98～1.67g/cm3之间，均值为1.30g/cm3；水位(wei)(wei)(wei)线以下的(de)(de)(de)干密(mi)度在(zai)1.15～1.73g/cm3之间，均值为1.4g/cm3。可见磷(lin)石膏(gao)与一般的(de)(de)(de)尾(wei)矿(kuang)有所不(bu)同，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)干密(mi)度并不(bu)随(sui)埋深的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)明(ming)显(xian)增(zeng)大(da)，但(dan)水位(wei)(wei)(wei)线以下的(de)(de)(de)磷(lin)石膏(gao)干密(mi)度从统计意义上(shang)来看仍大(da)于水位(wei)(wei)(wei)线以上(shang)的(de)(de)(de)磷(lin)石膏(gao)干密(mi)度，这主要是由于水位(wei)(wei)(wei)线随(sui)库水位(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)变化反复升降(jiang)而(er)使得磷(lin)石膏(gao)排水固结所致。

室内(nei)击实得(de)到的(de)磷石(shi)膏最(zui)大(da)干密(mi)度一(yi)般在(zai)1.36～1.46g/cm3之间，从图2可以看出(chu)，自然沉(chen)积的(de)磷石(shi)膏最(zui)大(da)干密(mi)度可达到1.73g/cm3，原因如下(xia)：与经典(dian)的(de)土(tu)骨(gu)架(jia)不(bu)可压缩的(de)理论不(bu)同，石(shi)膏本身可压缩，同时由于颗粒结(jie)构不(bu)稳定，击实试验(yan)过程中磷石(shi)膏结(jie)构被破(po)坏(huai)，受夯击处下(xia)陷(xian)，四周(zhou)鼓起，出(chu)现(xian)了类似于橡皮土(tu)的(de)现(xian)象。而在(zai)现(xian)场(chang)条件下(xia)，石(shi)膏骨(gu)架(jia)被破(po)坏(huai)后，会导(dao)致颗粒中的(de)结(jie)合水(shui)渗出(chu)至孔隙内(nei)，变成孔隙水(shui)，排(pai)水(shui)固结(jie)后会使得(de)磷石(shi)膏的(de)孔隙比减小(xiao)，干密(mi)度增(zeng)大(da)。

图(tu)(tu)4给出了(le)相邻钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)K2和K17(位于(yu)(yu)2级子坝(ba)(ba)河床部位)以(yi)及(ji)相邻钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)K6和K18(位于(yu)(yu)4级子坝(ba)(ba)河床部位)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)的(de)对比图(tu)(tu)。K2钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为(wei)1.37g/cm3。可(ke)见，即使(shi)从统计(ji)意义上来看，磷(lin)石膏的(de)干(gan)(gan)(gan)密度(du)(du)也并未随后续磷(lin)石膏的(de)堆(dui)积而有较为(wei)明显的(de)增大。

(2)级配分布

颗粒(li)分(fen)析试(shi)验(yan)采用(yong)密度计法，制备悬液(ye)时不煮沸，不加六偏磷酸钠(na)。图5给(ji)出了试(shi)验(yan)得到的级配包线(xian)、平(ping)均(jun)粒(li)径d50、不均(jun)匀(yun)系数(shu)(1u和(he)曲率系数(shu)Cc的分(fen)布(bu)图。

从图5(a)可(ke)见，磷(lin)石(shi)膏的粒径主要分(fen)布在0.005～0.075mm之间，总体上属(shu)于粉土(tu)，但(dan)可(ke)能由于矿(kuang)石(shi)来源或生产工艺(yi)有(you)所(suo)不同，局部属(shu)于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒径分(fen)布范(fan)围比Blight和张超等(deng)的试验结果要宽一些。

图4子坝(ba)加(jia)高(gao)后沉积磷石(shi)膏的(de)干密度变化

图5沉积磷石膏(gao)的平(ping)均粒径和级(ji)配分布(bu)

由图5(b)和5(c)，无论是水平向(xiang)(xiang)还是垂直(zhi)向(xiang)(xiang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)与金(jin)(jin)属(shu)(shu)矿(kuang)山尾(wei)(wei)矿(kuang)的“前(qian)粗(cu)后(hou)细(xi)，上粗(cu)下细(xi)”的自然分(fen)级(ji)现象(xiang)不(bu)(bu)(bu)同，也即粗(cu)颗(ke)粒(li)并不(bu)(bu)(bu)是沿(yan)埋深(shen)逐(zhu)步减小(xiao)或(huo)距离放浆口越(yue)(yue)远(yuan)颗(ke)粒(li)越(yue)(yue)细(xi)，其原因(yin)如下：①磷(lin)(lin)石膏(gao)颗(ke)粒(li)粒(li)径(jing)组成较(jiao)为集中、均(jun)匀，主要以粉粒(li)组(0.005mm<d≤0.074mm)为主，级(ji)配较(jiao)差；②相比(bi)(bi)较(jiao)金(jin)(jin)属(shu)(shu)尾(wei)(wei)矿(kuang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)的比(bi)(bi)重(zhong)较(jiao)小(xiao)，磷(lin)(lin)石膏(gao)的比(bi)(bi)重(zhong)一般为2.3～2.4，远(yuan)小(xiao)于金(jin)(jin)属(shu)(shu)尾(wei)(wei)矿(kuang)的比(bi)(bi)重(zhong)，例如铁尾(wei)(wei)矿(kuang)的比(bi)(bi)重(zhong)可(ke)达2.9；③放浆口随子坝高度不(bu)(bu)(bu)断增加(jia)而不(bu)(bu)(bu)断变动并向(xiang)(xiang)库尾(wei)(wei)延伸，造成沉积磷(lin)(lin)石膏(gao)的粒(li)径(jing)变化不(bu)(bu)(bu)明(ming)显。

从图5(d)可见，不均匀系(xi)数Cu范围(wei)值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)(zhi)为4.18，曲率系(xi)数(1c范围(wei)值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)(zhi)为1.21，在统计的100多个试(shi)样中，属于级配(pei)不良(liang)土(tu)的占93%。这种(zhong)级配(pei)特(te)性决(jue)定(ding)了磷石膏具(ju)有(you)较(jiao)高的压缩性、渗透破(po)坏型式表现为流(liu)土(tu)破(po)坏。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影响渗(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)的(de)主要因素是粒径大(da)小、级配和孔隙比，因而磷石膏(gao)的(de)渗(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)与(yu)粉土较为(wei)接近。由于孔隙比e减小，使得(de)(de)过水通道面(mian)积减小，渗(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)k也将减小，k与(yu)e呈正相关关系(xi)(xi)(xi)。对砂(sha)土，一般认为(wei)渗(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)k与(yu)e3/(1+e)的(de)线性(xing)关系(xi)(xi)(xi)较好，图6给出了(le)二者间的(de)关系(xi)(xi)(xi)曲线，由于沉(chen)积磷石膏(gao)的(de)不均匀系(xi)(xi)(xi)数(shu)变化较大(da)，使得(de)(de)沉(chen)积磷石膏(gao)的(de)渗(shen)(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)变化范围较大(da)(平均值为(wei)10-4cm/s数(shu)量级)，二者问的(de)线性(xing)关系(xi)(xi)(xi)较差(cha)。

图6沉积磷石膏(gao)渗透系(xi)(xi)数与孔隙(xi)比(bi)的(de)关系(xi)(xi)

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

图(tu)7给(ji)出了水平(ping)(ping)与(yu)垂直(zhi)(zhi)向渗透(tou)系(xi)数(shu)比值的(de)分布。沉(chen)(chen)积磷石(shi)膏(gao)的(de)水平(ping)(ping)向渗透(tou)系(xi)数(shu)kh一般大(da)于垂直(zhi)(zhi)向的(de)渗透(tou)系(xi)数(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均(jun)值约为2.86，这一点与(yu)成层分布的(de)金属(shu)尾矿(kuang)规律一致。造成沉(chen)(chen)积磷石(shi)膏(gao)水平(ping)(ping)向渗透(tou)系(xi)数(shu)大(da)于垂直(zhi)(zhi)向渗透(tou)系(xi)数(shu)的(de)原(yuan)因是由(you)于磷石(shi)膏(gao)具(ju)有明显的(de)晶体结构，电镜扫描显示多(duo)为菱(ling)形和(he)棱(leng)柱状(zhuang)(zhuang)形式(shi)(见图(tu)8)，在沉(chen)(chen)积过程(cheng)中，由(you)于扁平(ping)(ping)状(zhuang)(zhuang)磷石(shi)膏(gao)颗粒多(duo)呈水平(ping)(ping)排列，使得水平(ping)(ping)方向的(de)透(tou)水性大(da)于垂直(zhi)(zhi)方向的(de)透(tou)水性，从而使磷石(shi)膏(gao)呈现明显的(de)各(ge)向异性。

另(ling)根据中(zhong)国有色金属工业昆明勘察设计研究院在杨家箐磷石(shi)膏堆积坝开展的(de)(de)(de)现场(chang)渗(shen)(shen)透试(shi)验(yan)(yan)，kh/kv的(de)(de)(de)平(ping)均(jun)值约(yue)为1.9。但张超等的(de)(de)(de)室(shi)内试(shi)验(yan)(yan)显示，kh/kv的(de)(de)(de)平(ping)均(jun)值约(yue)为0.46，也即(ji)垂直向渗(shen)(shen)透系(xi)数大于水平(ping)向渗(shen)(shen)透系(xi)数，与本文和现场(chang)试(shi)验(yan)(yan)结(jie)果恰(qia)恰(qia)相反。从磷石(shi)膏的(de)(de)(de)微观结(jie)构来看(kan)，本文试(shi)验(yan)(yan)结(jie)果更为合理。

图7沉积磷石膏(gao)干密(mi)度(du)与(yu)水平和垂(chui)直渗透系数比值的关系

(2)渗透变形

图(tu)9为(wei)(wei)(wei)磷(lin)石膏干密度为(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)(shui)力(li)梯度J与流速V的(de)(de)关(guan)系(xi)(xi)曲线，试(shi)验在(zai)水(shui)(shui)平管(guan)涌(yong)仪中采用(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)(de)渗(shen)流形(xing)(xing)式(shi)进行。试(shi)验得到的(de)(de)临界坡(po)降(jiang)(jiang)Jc=0.355，破(po)坏坡(po)降(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)来说，对(dui)(dui)(dui)1，2级工(gong)程，渗(shen)透安(an)全(quan)系(xi)(xi)数取为(wei)(wei)(wei)2.5，则允(yun)(yun)许(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)为(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)(dui)(dui)3级以(yi)下(xia)工(gong)程，渗(shen)透安(an)全(quan)系(xi)(xi)数取2.0，则允(yun)(yun)许(xu)出逸坡(po)降(jiang)(jiang)为(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)(yun)许(xu)比降(jiang)(jiang)与粉土(tu)一(yi)粉砂大致相同(tong)。但上述(shu)渗(shen)透变形(xing)(xing)试(shi)验是采用(yong)自来水(shui)(shui)进行的(de)(de)，自来水(shui)(shui)对(dui)(dui)(dui)磷(lin)石膏具有一(yi)定的(de)(de)溶蚀作用(yong)，而实际上磷(lin)石膏中残余(yu)磷(lin)、硫和氟酸，库水(shui)(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小(xiao)于3(称之(zhi)为(wei)(wei)(wei)酸性水(shui)(shui))，在(zai)酸性水(shui)(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)石膏不会发生破(po)坏，上述(shu)试(shi)验结果是偏于保守的(de)(de)，但对(dui)(dui)(dui)非酸性水(shui)(shui)条(tiao)件(例如特大暴雨(yu))下(xia)的(de)(de)渗(shen)透稳定判断有一(yi)定的(de)(de)借鉴意义。

图9水力梯度(du)J-流速v试(shi)验过程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试验

试(shi)验在5Bar的压力板仪(yi)中进行，环刀尺寸(cun)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(lie)出(chu)了含(han)水(shui)率特征值，试(shi)验曲线见(jian)图10所示。

试(shi)验结果表明(ming)：①干(gan)密(mi)(mi)度对进气值没有(you)明(ming)显的影响，不同干(gan)密(mi)(mi)度的试(shi)样的进气值大致在10kPa左右；②土(tu)样残余(yu)含(han)水(shui)率随干(gan)密(mi)(mi)度的增加而减少，残余(yu)含(han)水(shui)率约为(wei)饱和含(han)水(shui)率的10%。上(shang)述(shu)特性与粉土(tu)一粉砂(sha)基本一致。

2.3静力力学特性

(1)三轴CU试验

由于沉积磷(lin)石膏的(de)(de)密度(du)变化(hua)较大，而进(jin)行三轴试(shi)验(yan)(yan)需要若(ruo)干原(yuan)状样(yang)，为(wei)使试(shi)验(yan)(yan)结果具有(you)较好的(de)(de)一(yi)致(zhi)性，有(you)针对(dui)性的(de)(de)选择平均干密度(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)(de)若(ruo)干试(shi)样(yang)，进(jin)行了5组三轴CU试(shi)验(yan)(yan)。图11是为(wei)干密度(du)为(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三轴CU试(shi)验(yan)(yan)曲线(xian)。

从图11可以(yi)看出(chu)，磷(lin)石(shi)(shi)膏的应(ying)力应(ying)变关系曲(qu)线在低围压(ya)(ya)下表现(xian)为(wei)(wei)软化(hua)型(xing)，在高围压(ya)(ya)下表现(xian)为(wei)(wei)硬化(hua)型(xing)，与一般土(tu)类相似。但与一般粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂不同的是，即使在较为(wei)(wei)疏松的状态下，磷(lin)石(shi)(shi)膏仍(reng)表现(xian)了(le)较为(wei)(wei)强烈的剪胀，随密实度增(zeng)大(da)，剪胀作用愈(yu)发明显。

表(biao)2给(ji)出了不同干(gan)密度下的(de)(de)(de)内(nei)(nei)摩擦角(jiao)(jiao)，图12给(ji)出了内(nei)(nei)摩擦角(jiao)(jiao)与干(gan)密度的(de)(de)(de)关系曲(qu)线。随(sui)干(gan)密度的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，内(nei)(nei)摩擦角(jiao)(jiao)也(ye)(ye)随(sui)之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采用(yong)幂函数较(jiao)(jiao)好地拟合。磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)(de)干(gan)密度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，总应(ying)力(li)(li)摩擦角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)37.3°(根(gen)据(ju)拟合曲(qu)线求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅为(wei)9.4%，有效(xiao)应(ying)力(li)(li)摩擦角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅为(wei)3.2%，由于随(sui)围(wei)压(ya)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔压(ya)也(ye)(ye)明显增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效(xiao)摩擦角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅较(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)总应(ying)力(li)(li)摩擦角(jiao)(jiao)要小。另外较(jiao)(jiao)之(zhi)(zhi)于干(gan)密度增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩擦角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并不显著，表(biao)明即使较(jiao)(jiao)为(wei)疏松(song)的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏仍具有较(jiao)(jiao)高的(de)(de)(de)强度指(zhi)标，这也(ye)(ye)表(biao)明磷(lin)石(shi)膏堆积坝的(de)(de)(de)稳定性较(jiao)(jiao)高。

(2)蠕变(bian)(次固结(jie))变(bian)形试验(yan)

磷石膏(gao)的(de)蠕(ru)变变形试验(yan)在侧(ce)限压缩仪(yi)中进行(xing)，试验(yan)状态相(xiang)当(dang)于K0固结(jie)。试样(yang)直径61.8mm，高度20mm，试样(yang)干密度为(wei)1.30g/cm3，对试样(yang)饱和后分别开展了(le)上覆压力(li)ρ为(wei)100，200，400，800kPa的(de)试验(yan)，

试验(yan)(yan)从(cong)2012年(nian)8月27日开(kai)始，试验(yan)(yan)己进行了1年(nian)多，试验(yan)(yan)结果见图13所示。

从(cong)图(tu)13中(zhong)可以(yi)看出：上(shang)覆荷(he)载(zai)(zai)越(yue)大，磷石膏的蠕变变形(xing)(xing)也(ye)越(yue)大，荷(he)载(zai)(zai)施加1年后，磷石膏的蠕变变形(xing)(xing)仍(reng)非常显著，尚(shang)未(wei)达(da)到(dao)稳(wen)定(ding)(ding)状态，这也(ye)是磷石膏堆积坝后期变形(xing)(xing)较大的原(yuan)因，原(yuan)型(xing)观测(ce)资料表明，在5级子坝河床部位的表面(mian)沉(chen)降量(liang)已(yi)经达(da)到(dao)3.1m，且尚(shang)未(wei)完全稳(wen)定(ding)(ding)。

按时间(jian)(jian)对数(shu)法(fa)，可求得(de)各级荷载(zai)下的(de)主次固(gu)(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)(jie)变(bian)形(xing)(xing)(xing)量(liang)如表(biao)3所示。试验(yan)结(jie)(jie)(jie)(jie)果(guo)表(biao)明，在(zai)100～400kPa上覆荷载(zai)作用下，在(zai)试验(yan)时间(jian)(jian)范(fan)围(wei)内(nei)蠕(ru)变(bian)(次固(gu)(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)(jie))变(bian)形(xing)(xing)(xing)是主固(gu)(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)(jie)变(bian)形(xing)(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，当(dang)然由于(yu)蠕(ru)变(bian)变(bian)形(xing)(xing)(xing)尚(shang)未完成(cheng)，实际的(de)蠕(ru)变(bian)变(bian)形(xing)(xing)(xing)应更大(da)(da)。对土体(ti)而(er)(er)言，发(fa)生蠕(ru)变(bian)的(de)原(yuan)(yuan)因(yin)是由于(yu)土体(ti)在(zai)主固(gu)(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)(jie)完成(cheng)之后(hou)，土体(ti)中仍有微小的(de)超静(jing)孔(kong)隙压力存在(zai)，驱(qu)使(shi)水在(zai)颗(ke)粒问流(liu)动，一(yi)般(ban)来讲土体(ti)的(de)次固(gu)(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)(jie)远小于(yu)主固(gu)(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)(jie)变(bian)形(xing)(xing)(xing)；对磷(lin)石膏(gao)而(er)(er)言，其(qi)(qi)渗透系数(shu)在(zai)10-4cm/s数(shu)量(liang)级，远大(da)(da)于(yu)黏(nian)性土，但其(qi)(qi)却发(fa)生了极为显(xian)著的(de)次固(gu)(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)(jie)变(bian)形(xing)(xing)(xing)，其(qi)(qi)原(yuan)(yuan)因(yin)在(zai)于(yu)磷(lin)石膏(gao)晶(jing)体(ti)结(jie)(jie)(jie)(jie)构(gou)发(fa)生了压缩、破坏，接触(chu)点晶(jing)格(ge)发(fa)生歪曲和变(bian)形(xing)(xing)(xing)，而(er)(er)破坏后(hou)晶(jing)格(ge)之间(jian)(jian)的(de)重新排列、调整到最(zui)后(hou)趋于(yu)相对静(jing)止需要相当(dang)长的(de)时间(jian)(jian)才(cai)能完成(cheng)。

2.4动力力学特性

试验设(she)备采用英(ying)国GDS公司进口的电机控制(zhi)动三轴试验系统，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(ji)的磷石膏密度(du)(du)变化(hua)较大，为此(ci)根据物理性质试验(yan)结(jie)果(guo)，选(xuan)择两(liang)种平均(jun)干密度(du)(du)1.34g/cm3(变化(hua)范围1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(变化(hua)范围1.44～1.46g/cm3)进行试验(yan)。

Hardin-Dmevich建议的(de)动剪切模量G、阻尼比(bi)与剪应变幅值γd的(de)关(guan)系式如下：

式中(zhong)k1为(wei)(wei)参(can)数，表(biao)示动剪切(qie)模(mo)量(liang)的衰减或阻尼比的增(zeng)长速率；λmax为(wei)(wei)最大阻尼比；Gmax，γd分别为(wei)(wei)最大动剪切(qie)模(mo)量(liang)和(he)归(gui)一化(hua)的动剪应变，表(biao)示为(wei)(wei)

式中k2,n为(wei)(wei)参数；σm为(wei)(wei)球应力；Pa为(wei)(wei)标准大气压(ya)；vd为(wei)(wei)动泊(bo)松比；εa为(wei)(wei)归一化的(de)动应变，表(biao)达(da)为(wei)(wei)

图14给出了动剪切模(mo)量(liang)、阻尼比与归一化动应(ying)变的(de)(de)关系曲线，另外图中还给出了式(1)的(de)(de)拟(ni)合曲线以及Seed等给出的(de)(de)砂样的(de)(de)上下边界线，图例中，σ2表示围(wei)压，Kc表示固结应(ying)力(li)比。

从图(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)较(jiao)好(hao)地描述(shu)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)动(dong)应(ying)(ying)力-动(dong)应(ying)(ying)变试验曲线(xian)(xian)(xian)，表(biao)(biao)明(ming)采用等(deng)价黏弹性模(mo)型进(jin)行循环荷载(zai)作用下的(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)；②图(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密度为(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)拟(ni)合(he)线(xian)(xian)(xian)位(wei)于干密度为(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)拟(ni)合(he)线(xian)(xian)(xian)上(shang)方，图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则位(wei)于下方，表(biao)(biao)明(ming)密度越大，动(dong)弹模(mo)越大、阻尼(ni)比越小；③图(tu)(tu)14(a)中(zhong)，两种干密度的(de)(de)(de)拟(ni)合(he)线(xian)(xian)(xian)基(ji)本位(wei)于Seed等(deng)给出的(de)(de)(de)边界线(xian)(xian)(xian)上(shang)方，而图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则基(ji)本处于边界线(xian)(xian)(xian)中(zhong)间，表(biao)(biao)明(ming)相比较(jiao)砂(sha)样(yang)，磷石(shi)膏(gao)动(dong)弹模(mo)较(jiao)大，会导致磷石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)(ji)坝的(de)(de)(de)动(dong)力反(fan)应(ying)(ying)较(jiao)大，但由于阻尼(ni)比也较(jiao)大，这样(yang)又(you)会削弱(ruo)坝体(ti)的(de)(de)(de)动(dong)力反(fan)应(ying)(ying)，二(er)者的(de)(de)(de)相互影响(xiang)下，磷石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)(ji)坝坝体(ti)的(de)(de)(de)动(dong)力反(fan)应(ying)(ying)将不会过(guo)于强烈，这对磷石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)(ji)坝的(de)(de)(de)抗震稳定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)动强度

选择两种(zhong)平均干密度为(wei)1.12(变化范围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变化范围1.29～1.3lg/cm3)进(jin)行(xing)试(shi)验，破坏标准为(wei)总应(ying)变达到(dao)10%。

图15给出(chu)了动(dong)剪应(ying)(ying)(ying)力(li)(li)比(bi)τd/σ0′与(yu)破坏振次Nf的关系(xi)曲线图，其中σ0为(wei)振前试样45°面(mian)上的有效法向应(ying)(ying)(ying)力(li)(li)，表(biao)达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固(gu)(gu)结(jie)比(bi)。从试验结(jie)果(guo)可以看(kan)出(chu)，沉积磷石膏的动(dong)强度(du)与(yu)其它土体(ti)相似，表(biao)现(xian)为(wei)围压和固(gu)(gu)结(jie)应(ying)(ying)(ying)力(li)(li)比(bi)与(yu)动(dong)剪应(ying)(ying)(ying)力(li)(li)比(bi)呈负相关关系(xi)。

为(wei)判别沉积磷石(shi)膏的抗液化能力(li)，假定抗震设计(ji)烈度为(wei)8度，即等(deng)效振(zhen)次Ⅳ可取为(wei)30。首先由式(4)

所(suo)示的(de)幂函数关系式(shi)得到(dao)振次为30时各个(ge)围压和固结比(bi)下的(de)动(dong)剪(jian)应(ying)力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后(hou)可拟合求得动(dong)剪应(ying)力(li)比(bi)与围(wei)压(ya)和固结(jie)应(ying)力(li)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。

从上述拟(ni)合关系式可(ke)见(jian)，密(mi)(mi)实度提(ti)(ti)高(gao)(gao)后，动剪(jian)应力比提(ti)(ti)高(gao)(gao)，表明(ming)抗液(ye)化(hua)能力也(ye)提(ti)(ti)高(gao)(gao)。但即使是在(zai)低密(mi)(mi)度下，其动剪(jian)应力比较(jiao)之同类的粉(fen)(fen)土(tu)或粉(fen)(fen)砂也(ye)大(da)出许多，表明(ming)磷石膏具有(you)较(jiao)高(gao)(gao)的抗液(ye)化(hua)能力。

三、结论

依托柳树(shu)箐磷石膏堆积坝(ba)，在钻探取样(yang)工作(zuo)的基础上，首先开展(zhan)了物理性(xing)质试验，然后开展(zhan)了静(jing)动力力学(xue)特性(xing)试验。通过上述试验研究，得出如(ru)下结(jie)论：

(1)沉(chen)积(ji)磷石膏总体上属于级(ji)配(pei)不良的粉土，局部(bu)属于粉砂(sha)(sha)一(yi)中砂(sha)(sha)，无(wu)自然(ran)分级(ji)现象。其干密(mi)度和(he)粒径(jing)变化(hua)随(sui)埋深或距放浆口(kou)距离的变化(hua)不明显。

(2)沉积磷石膏水平方向(xiang)的渗(shen)(shen)透系数(shu)大(da)于垂直方向(xiang)的渗(shen)(shen)透系数(shu)，呈(cheng)现(xian)明显(xian)的各向(xiang)异性。

(3)与土体颗粒不可(ke)压(ya)缩不同，磷石膏(gao)的(de)(de)晶体结构会发生压(ya)缩破坏，具有较大的(de)(de)压(ya)缩性，其次固结变(bian)形(xing)量远大于(yu)主固结变(bian)形(xing)量。

(4)沉积磷(lin)石膏的静动强度较之同等(deng)密(mi)实(shi)度下的粉土、粉砂要高。