沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘要(yao)：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)膏(gao)是(shi)湿(shi)法磷(lin)酸生(sheng)产(chan)(chan)过(guo)程中(zhong)的(de)(de)副产(chan)(chan)品(pin)，2018年，全国(guo)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)产(chan)(chan)生(sheng)量为7800万吨，且呈逐(zhu)年增长的(de)(de)态(tai)势。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)主要(yao)(yao)成(cheng)(cheng)分(fen)是(shi)CaO和(he)(he)(he)SO3，但含有一(yi)定量的(de)(de)氟(fu)化物(wu)和(he)(he)(he)其(qi)它(ta)放射性(xing)物(wu)质，在(zai)(zai)中(zhong)国(guo)通常按Ⅱ类一(yi)般(ban)工(gong)业固体(ti)废物(wu)处(chu)理，鉴于无害化处(chu)理成(cheng)(cheng)本较(jiao)高(gao)，目前综合利(li)用(yong)率尚不(bu)足40%，故大(da)部分(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)(yao)堆(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)存(cun)场地的(de)(de)不(bu)同，可分(fen)为平地型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)和(he)(he)(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)场，在(zai)(zai)中(zhong)国(guo)基本上是(shi)山(shan)谷型(xing)(xing)堆(dui)场。相比较(jiao)干法堆(dui)存(cun)，湿(shi)法堆(dui)存(cun)经(jing)济(ji)优势明(ming)显，因(yin)而(er)如地质条件为非(fei)碳酸盐岩地区(qu)，一(yi)般(ban)均(jun)采用(yong)湿(shi)排湿(shi)堆(dui)方(fang)式(shi)。随着(zhe)中(zhong)国(guo)磷(lin)肥工(gong)业的(de)(de)快速发(fa)展，本世纪(ji)初中(zhong)国(guo)相继建设(she)了(le)几座湿(shi)法堆(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)库(ku)，例如云天化国(guo)际化工(gong)三环分(fen)公(gong)司的(de)(de)柳树箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)库(ku)堆(dui)积(ji)坝和(he)(he)(he)富瑞分(fen)公(gong)司的(de)(de)杨家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)库(ku)堆(dui)积(ji)坝，这两(liang)座坝设(she)计坝高(gao)均(jun)超过(guo)100m、处(chu)于8度地震区(qu)，其(qi)安全性(xing)备受关注。

据统计，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))来，全世(shi)界有(you)118座(zuo)尾矿坝曾发生过(guo)破坏(huai)或(huo)溃坝事故，原(yuan)因主要有(you)地震(zhen)、洪水(shui)漫(man)顶、渗透(tou)破坏(huai)和基(ji)础失稳。尾矿库失事后会(hui)造成(cheng)巨大的生态(tai)灾难和人员(yuan)伤(shang)亡，近几十(shi)年(nian)(nian)来，

国内外对(dui)金(jin)属尾矿(kuang)的(de)沉积(ji)规律、物理力(li)学(xue)特性及其(qi)稳(wen)定性开展(zhan)了大量的(de)研究(jiu)，但对(dui)于(yu)与金(jin)属尾矿(kuang)库(ku)相近(jin)的(de)磷石膏(gao)库(ku)，一般(ban)仅限于(yu)在可(ke)研阶段采用人工制备样(yang)进(jin)行(xing)物理力(li)学(xue)性质(zhi)试验，并(bing)据(ju)此进(jin)行(xing)稳(wen)定性分析，尚未有人针对(dui)己运(yun)行(xing)若干年的(de)大型湿法堆存磷石膏(gao)堆积(ji)坝开展(zhan)过磷石膏(gao)沉积(ji)规律及其(qi)物理力(li)学(xue)特性的(de)专项研究(jiu)。

本文依托柳树箐磷(lin)石膏堆(dui)积(ji)坝，首先进行了(le)钻探取样，采用原状样开展了(le)密度(du)、含水率、渗(shen)透(tou)、土水特征和颗(ke)分等(deng)物理(li)性(xing)质(zhi)试(shi)验(yan)，在此基础上有针对性(xing)的(de)选择(ze)原状样开展了(le)三(san)轴CU、蠕变及(ji)(ji)动三(san)轴等(deng)力学特性(xing)试(shi)验(yan)。通过上述试(shi)验(yan)研究(jiu)，总结(jie)了(le)磷(lin)石膏的(de)沉(chen)积(ji)规(gui)律、渗(shen)透(tou)特性(xing)、渗(shen)透(tou)破坏特性(xing)以及(ji)(ji)静动力特性(xing)，上述研究(jiu)工(gong)作对研究(jiu)和评估(gu)磷(lin)石膏库堆(dui)积(ji)坝的(de)稳定性(xing)提(ti)供(gong)了(le)基础数据，对现行磷(lin)石膏库的(de)运行管理(li)以及(ji)(ji)新建工(gong)程的(de)设计具有重要(yao)的(de)借鉴意义。

一、依托(tuo)工程概况(kuang)

1.1柳(liu)树箐磷石膏堆积坝堆存设计方案

由初期坝和堆积(ji)坝组成，设计(ji)总(zong)坝高约(yue)130m。

(1)初期坝

初期坝(ba)坝(ba)高约30m，采用土料填筑。上游坡面、坝(ba)底和(he)下游坝(ba)脚设(she)置堆石排(pai)(pai)水体(ti)，三者(zhe)相(xiang)连通构成(cheng)整个(ge)堆积(ji)坝(ba)的主要排(pai)(pai)渗(shen)系统。

(2)堆积坝及其辅助排渗措施

采(cai)用上游式筑坝法，共20级子坝，顶宽6～9m，高度5m，堆积(ji)高度约100m。采(cai)用排渗(shen)管(guan)网作为辅助(zhu)排渗(shen)方案，目前(qian)(qian)己在5级、9级子坝和13级子坝坝前(qian)(qian)120m范(fan)围内设置了井字形排渗(shen)管(guan)网。

1.2沉积磷石膏的钻(zuan)探取样

钻(zuan)孔(kong)(kong)平(ping)面位置见图l。2008年(nian)6月，堆(dui)积至5级子(zi)(zi)(zi)坝(ba)(ba)时，布(bu)设了(le)9个(ge)(ge)取样钻(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)编(bian)(bian)号(hao)K1～K9，取原状样76件；2013年(nian)5月，堆(dui)积至13级子(zi)(zi)(zi)坝(ba)(ba)时，又布(bu)设了(le)11个(ge)(ge)取样钻(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)编(bian)(bian)号(hao)K10～K20，取原状样112件，为比较子(zi)(zi)(zi)坝(ba)(ba)加高和(he)磷石(shi)膏堆(dui)积过程中磷石(shi)膏物理力学性质的变化，在2，4级子(zi)(zi)(zi)坝(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)附(fu)近各布(bu)设了(le)一个(ge)(ge)钻(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)编(bian)(bian)号(hao)分别(bie)为K17和(he)K18。

1.3运行概况

柳树箐(qing)磷石膏尾(wei)矿(kuang)库2005年(nian)开工建设(she)，2006年(nian)1月投入(ru)运行，截至2013年(nian)5月己堆(dui)至13级(ji)子(zi)坝，尚有7级(ji)子(zi)坝即堆(dui)存至设(she)计(ji)高(gao)程。鉴于磷石膏库地形(xing)、地质(zhi)条件(jian)较好，具备扩(kuo)容改(gai)造的(de)条件(jian)，以提高(gao)堆(dui)存库容，减(jian)少堆(dui)存占地，节(jie)约土地资(zi)源。

本(ben)文(wen)(wen)主要对沉积磷石(shi)膏的(de)物理(li)力(li)学特性(xing)进行了全面总结，限于篇(pian)幅，有关现状磷石(shi)膏库堆积坝的(de)安全性(xing)评价及其加高可行性(xing)的(de)研究将另文(wen)(wen)发表。

二、沉积磷石膏的物理力(li)学特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分布

图(tu)2给出(chu)(chu)了(le)14个钻孔(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)取样深度(du)(du)和试(shi)验所(suo)得干密度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)关系，图(tu)中UWL表(biao)示水位线上(shang)(shang)，(系钻孔(kong)期间(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)初见水位线，下同)，DWL表(biao)示水位线下。图(tu)3给出(chu)(chu)了(le)水位线上(shang)(shang)下的(de)(de)(de)(de)(de)饱和度(du)(du)分布图(tu)。由于(yu)磷石膏中的(de)(de)(de)(de)(de)主要成分为CaSO4·2H2O，不同温度(du)(du)和烘(hong)烤时间(jian)对测定(ding)(ding)结果有一定(ding)(ding)影响，不能照搬现行的(de)(de)(de)(de)(de)土工试(shi)验规范(fan)，本(ben)文磷石膏的(de)(de)(de)(de)(de)含水率测定(ding)(ding)方(fang)法为55℃温度(du)(du)下烘(hong)培24h。

图(tu)2沉积(ji)磷石膏干密度与埋深的(de)关系

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

由图3，水(shui)位(wei)(wei)线(xian)上的磷石(shi)膏饱(bao)和(he)(he)度(du)平均值为50.4%，处(chu)于非饱(bao)和(he)(he)状态，水(shui)位(wei)(wei)线(xian)以下的磷石(shi)膏饱(bao)和(he)(he)度(du)平均值为85.0%，基本处(chu)于饱(bao)和(he)(he)状态，由于水(shui)位(wei)(wei)下降后(hou)磷石(shi)膏来不(bu)及排水(shui)固结，故而水(shui)位(wei)(wei)线(xian)上局部试样的饱(bao)和(he)(he)度(du)较高。

由图2，水(shui)(shui)位线以上的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之(zhi)间，均(jun)值(zhi)为1.30g/cm3；水(shui)(shui)位线以下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之(zhi)间，均(jun)值(zhi)为1.4g/cm3。可见磷(lin)(lin)石膏(gao)与一般的(de)(de)(de)(de)尾矿有所(suo)不同，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密(mi)度(du)(du)并不随埋深的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而明显增(zeng)大，但(dan)水(shui)(shui)位线以下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)(du)从(cong)统计意(yi)义(yi)上来看(kan)仍大于水(shui)(shui)位线以上的(de)(de)(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)(du)，这主要是由于水(shui)(shui)位线随库水(shui)(shui)位的(de)(de)(de)(de)变化反(fan)复升降而使(shi)得(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)排水(shui)(shui)固结所(suo)致(zhi)。

室内击(ji)实(shi)得到(dao)的(de)(de)磷石膏(gao)最大(da)干(gan)(gan)(gan)密度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之间，从图2可以看出，自然沉(chen)积(ji)的(de)(de)磷石膏(gao)最大(da)干(gan)(gan)(gan)密度可达到(dao)1.73g/cm3，原因如下(xia)：与经典(dian)的(de)(de)土骨(gu)架(jia)(jia)不(bu)可压缩(suo)的(de)(de)理论不(bu)同，石膏(gao)本身可压缩(suo)，同时由(you)于颗(ke)粒结(jie)构(gou)不(bu)稳定，击(ji)实(shi)试验(yan)过程(cheng)中(zhong)磷石膏(gao)结(jie)构(gou)被(bei)破(po)坏(huai)，受夯击(ji)处(chu)下(xia)陷，四周(zhou)鼓起，出现了类(lei)似于橡(xiang)皮土的(de)(de)现象。而在(zai)现场条件下(xia)，石膏(gao)骨(gu)架(jia)(jia)被(bei)破(po)坏(huai)后，会导致颗(ke)粒中(zhong)的(de)(de)结(jie)合水(shui)渗出至孔(kong)隙内，变成孔(kong)隙水(shui)，排水(shui)固(gu)结(jie)后会使得磷石膏(gao)的(de)(de)孔(kong)隙比减小，干(gan)(gan)(gan)密度增大(da)。

图4给出(chu)了(le)相邻(lin)钻(zuan)孔(kong)K2和K17(位于2级子坝河床部(bu)位)以及(ji)相邻(lin)钻(zuan)孔(kong)K6和K18(位于4级子坝河床部(bu)位)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)对比图。K2钻(zuan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)(zhi)间，均值(zhi)为1.30g/cm3，K17钻(zuan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)(zhi)间，均值(zhi)为1.32g/cm3；K6钻(zuan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)(zhi)间，均值(zhi)为1.36g/cm3，K18钻(zuan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)(zhi)间，均值(zhi)为1.37g/cm3。可见，即(ji)使(shi)从(cong)统(tong)计意义(yi)上来看，磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)干密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)也并未随后续磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)堆积而有较为明显的(de)增大。

(2)级(ji)配(pei)分布

颗粒分(fen)析(xi)试验采(cai)用(yong)密度计(ji)法，制备悬(xuan)液(ye)时不煮沸(fei)，不加六偏磷(lin)酸钠。图(tu)5给(ji)出了试验得到的级(ji)配包线、平均粒径d50、不均匀系数(1u和曲(qu)率系数Cc的分(fen)布图(tu)。

从(cong)图5(a)可见，磷(lin)石膏的粒径主要(yao)分(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之间，总体上属(shu)于(yu)粉土，但可能由(you)于(yu)矿石来(lai)源或(huo)生产工艺有所不同，局(ju)部属(shu)于(yu)粉砂～中(zhong)砂。粒径分(fen)布(bu)范围比Blight和张超等的试验结(jie)果要(yao)宽一些。

图4子(zi)坝加高后沉积磷石(shi)膏的(de)干密度变(bian)化

图5沉(chen)积(ji)磷石(shi)膏的(de)平均(jun)粒径和级配分布

由图5(b)和5(c)，无论是水平向(xiang)(xiang)还(hai)是垂(chui)直向(xiang)(xiang)，磷(lin)石(shi)膏与金(jin)(jin)(jin)属矿(kuang)山(shan)尾(wei)(wei)矿(kuang)的(de)(de)“前粗(cu)后细，上粗(cu)下(xia)细”的(de)(de)自然分级(ji)现象(xiang)不(bu)(bu)同，也即粗(cu)颗(ke)粒(li)并不(bu)(bu)是沿埋深逐(zhu)步减(jian)小或距离放浆(jiang)口(kou)越远颗(ke)粒(li)越细，其原因(yin)如(ru)下(xia)：①磷(lin)石(shi)膏颗(ke)粒(li)粒(li)径组成(cheng)较(jiao)为集中、均匀，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)(jin)属尾(wei)(wei)矿(kuang)，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)比(bi)(bi)重较(jiao)小，磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)比(bi)(bi)重一般(ban)为2.3～2.4，远小于金(jin)(jin)(jin)属尾(wei)(wei)矿(kuang)的(de)(de)比(bi)(bi)重，例如(ru)铁尾(wei)(wei)矿(kuang)的(de)(de)比(bi)(bi)重可达2.9；③放浆(jiang)口(kou)随子(zi)坝(ba)高度不(bu)(bu)断增(zeng)加而(er)不(bu)(bu)断变动并向(xiang)(xiang)库尾(wei)(wei)延伸，造成(cheng)沉积(ji)磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)粒(li)径变化不(bu)(bu)明显。

从图5(d)可(ke)见，不(bu)(bu)均匀系数(shu)Cu范围值(zhi)(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)(zhi)为(wei)4.18，曲率系数(shu)(1c范围值(zhi)(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)(zhi)为(wei)1.21，在统计的100多个试样中(zhong)，属于级配(pei)不(bu)(bu)良土的占93%。这种(zhong)级配(pei)特性(xing)决定了磷(lin)石膏具(ju)有较高的压缩性(xing)、渗透破坏型式表现为(wei)流土破坏。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影(ying)响渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)的(de)主要因(yin)素是粒径大小、级配(pei)和孔隙比，因(yin)而磷石膏(gao)(gao)的(de)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)与粉土(tu)较(jiao)为接近。由于孔隙比e减(jian)小，使得过(guo)水通道面积(ji)减(jian)小，渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)k也将减(jian)小，k与e呈正相关(guan)关(guan)系(xi)。对(dui)砂土(tu)，一(yi)般认为渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)k与e3/(1+e)的(de)线性关(guan)系(xi)较(jiao)好，图6给出了二者(zhe)(zhe)间(jian)的(de)关(guan)系(xi)曲线，由于沉积(ji)磷石膏(gao)(gao)的(de)不均(jun)匀系(xi)数(shu)(shu)变化较(jiao)大，使得沉积(ji)磷石膏(gao)(gao)的(de)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)变化范围较(jiao)大(平均(jun)值为10-4cm/s数(shu)(shu)量级)，二者(zhe)(zhe)问的(de)线性关(guan)系(xi)较(jiao)差。

图6沉(chen)积(ji)磷石膏渗透系(xi)数(shu)与孔隙比(bi)的关(guan)系(xi)

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

图(tu)7给出了水(shui)平(ping)(ping)与(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)比值的(de)(de)(de)分(fen)(fen)布。沉(chen)积磷(lin)石膏的(de)(de)(de)水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)kh一般大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值约为(wei)2.86，这一点(dian)与(yu)(yu)成层分(fen)(fen)布的(de)(de)(de)金属尾矿规(gui)律一致。造成沉(chen)积磷(lin)石膏水(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)的(de)(de)(de)原因是由于(yu)磷(lin)石膏具有明显(xian)的(de)(de)(de)晶(jing)体结构，电镜扫描显(xian)示多(duo)为(wei)菱形和棱柱(zhu)状(zhuang)(zhuang)形式(见图(tu)8)，在沉(chen)积过程中，由于(yu)扁(bian)平(ping)(ping)状(zhuang)(zhuang)磷(lin)石膏颗粒多(duo)呈水(shui)平(ping)(ping)排列，使得水(shui)平(ping)(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水(shui)性(xing)大于(yu)垂直(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)水(shui)性(xing)，从而(er)使磷(lin)石膏呈现明显(xian)的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)异(yi)性(xing)。

另根据中国有色金属工业昆明(ming)勘察(cha)设计研究院在(zai)杨家箐(qing)磷石膏堆(dui)积坝开(kai)展(zhan)的现(xian)场渗(shen)透(tou)试(shi)(shi)验(yan)，kh/kv的平均值约为1.9。但张超等的室内试(shi)(shi)验(yan)显示(shi)，kh/kv的平均值约为0.46，也即垂直向(xiang)渗(shen)透(tou)系数大于(yu)水平向(xiang)渗(shen)透(tou)系数，与本文和现(xian)场试(shi)(shi)验(yan)结果恰(qia)恰(qia)相反。从磷石膏的微观结构来(lai)看(kan)，本文试(shi)(shi)验(yan)结果更为合理。

图(tu)7沉积(ji)磷(lin)石膏干密度与水平(ping)和垂直渗透(tou)系(xi)数比(bi)值的(de)关系(xi)

(2)渗透变形

图9为(wei)磷石膏(gao)干密度为(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯度J与(yu)流速(su)V的(de)关系(xi)(xi)曲线，试(shi)验(yan)(yan)在水(shui)平管(guan)涌仪中采用水(shui)平方(fang)向(xiang)的(de)渗(shen)流形式进行。试(shi)验(yan)(yan)得到的(de)临(lin)界坡降(jiang)Jc=0.355，破坏坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般来(lai)说，对(dui)(dui)1，2级(ji)工(gong)程，渗(shen)透安全系(xi)(xi)数(shu)取为(wei)2.5，则允(yun)许出逸坡降(jiang)为(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)(dui)3级(ji)以(yi)下(xia)工(gong)程，渗(shen)透安全系(xi)(xi)数(shu)取2.0，则允(yun)许出逸坡降(jiang)为(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)许比降(jiang)与(yu)粉土一(yi)粉砂大致(zhi)相同。但上(shang)(shang)述渗(shen)透变形试(shi)验(yan)(yan)是(shi)采用自来(lai)水(shui)进行的(de)，自来(lai)水(shui)对(dui)(dui)磷石膏(gao)具有一(yi)定(ding)(ding)的(de)溶蚀作(zuo)用，而实际上(shang)(shang)磷石膏(gao)中残余磷、硫和氟酸(suan)，库水(shui)的(de)pH值一(yi)般小于3(称之为(wei)酸(suan)性(xing)(xing)水(shui))，在酸(suan)性(xing)(xing)水(shui)作(zuo)用下(xia)，磷石膏(gao)不会发(fa)生破坏，上(shang)(shang)述试(shi)验(yan)(yan)结果是(shi)偏于保守的(de)，但对(dui)(dui)非酸(suan)性(xing)(xing)水(shui)条件(jian)(例如特(te)大暴雨)下(xia)的(de)渗(shen)透稳定(ding)(ding)判断(duan)有一(yi)定(ding)(ding)的(de)借(jie)鉴意(yi)义。

图9水力梯度J-流速v试验过程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水(shui)特征试(shi)验(yan)

试(shi)验在5Bar的压(ya)力板仪中进行，环刀尺寸6.18cm。干(gan)密度分1.1，1.2和(he)1.29g/cm3共3组(zu)，吸力范围0～500kPa。表l列出(chu)了含水率特(te)征(zheng)值，试(shi)验曲线见图(tu)10所示(shi)。

试(shi)验(yan)结果表明(ming)：①干密(mi)度对(dui)进(jin)气值(zhi)没有明(ming)显(xian)的(de)影响，不同干密(mi)度的(de)试(shi)样的(de)进(jin)气值(zhi)大致在10kPa左右(you)；②土(tu)样残余含(han)水率(lv)随干密(mi)度的(de)增加而(er)减少，残余含(han)水率(lv)约为饱(bao)和含(han)水率(lv)的(de)10%。上述特性(xing)与粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂基本一致。

2.3静力力学特性(xing)

(1)三轴CU试验

由于沉积磷石膏的(de)密度变化较(jiao)大，而进行三轴试(shi)验(yan)需要若干(gan)(gan)原状样(yang)(yang)，为(wei)使试(shi)验(yan)结果具有(you)较(jiao)好的(de)一(yi)致性(xing)，有(you)针对性(xing)的(de)选(xuan)择平均干(gan)(gan)密度分别为(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)若干(gan)(gan)试(shi)样(yang)(yang)，进行了5组(zu)三轴CU试(shi)验(yan)。图11是为(wei)干(gan)(gan)密度为(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三轴CU试(shi)验(yan)曲线。

从图11可以看出，磷(lin)石膏的应(ying)(ying)力应(ying)(ying)变关(guan)系(xi)曲线(xian)在低围压下(xia)表(biao)现(xian)为软(ruan)化(hua)型，在高围压下(xia)表(biao)现(xian)为硬化(hua)型，与一(yi)般土类相(xiang)似。但(dan)与一(yi)般粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂不同的是，即使在较(jiao)为疏松的状态(tai)下(xia)，磷(lin)石膏仍表(biao)现(xian)了(le)较(jiao)为强(qiang)烈(lie)的剪胀(zhang)，随密实度(du)增(zeng)大，剪胀(zhang)作用愈发明显。

表(biao)2给出了不同干(gan)密度(du)(du)下的(de)(de)(de)(de)内(nei)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)，图12给出了内(nei)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)与干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)关(guan)系曲线(xian)。随(sui)干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增大(da)(da)，内(nei)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)也(ye)随(sui)之增大(da)(da)，且可采用幂函数较(jiao)好(hao)地拟合。磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增加(jia)为(wei)1.58g/cm3，增加(jia)了32%，总应力(li)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增加(jia)为(wei)37.3°(根据拟合曲线(xian)求得)，增幅为(wei)9.4%，有(you)效应力(li)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增加(jia)为(wei)38.8°，增幅为(wei)3.2%，由(you)于随(sui)围(wei)压(ya)的(de)(de)(de)(de)增大(da)(da)，孔压(ya)也(ye)明(ming)(ming)显增大(da)(da)，故有(you)效摩(mo)擦角(jiao)(jiao)增幅较(jiao)之总应力(li)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)要小。另外较(jiao)之于干(gan)密度(du)(du)增幅，摩(mo)擦角(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)增幅并不显著，表(biao)明(ming)(ming)即使较(jiao)为(wei)疏松的(de)(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)仍具(ju)有(you)较(jiao)高的(de)(de)(de)(de)强度(du)(du)指标，这也(ye)表(biao)明(ming)(ming)磷石(shi)膏(gao)堆积坝的(de)(de)(de)(de)稳定性较(jiao)高。

(2)蠕变(bian)(次固结(jie))变(bian)形试验

磷(lin)石膏(gao)的蠕变变形(xing)试(shi)(shi)验在侧(ce)限压缩(suo)仪中进行，试(shi)(shi)验状态相(xiang)当于K0固结。试(shi)(shi)样直径61.8mm，高度20mm，试(shi)(shi)样干(gan)密度为1.30g/cm3，对(dui)试(shi)(shi)样饱和后分别开展(zhan)了上(shang)覆压力ρ为100，200，400，800kPa的试(shi)(shi)验，

试(shi)验从2012年(nian)8月27日开始，试(shi)验己进(jin)行了(le)1年(nian)多(duo)，试(shi)验结果见(jian)图(tu)13所示。

从图13中可以看(kan)出：上覆(fu)荷载越大(da)，磷石膏(gao)的(de)蠕变(bian)变(bian)形也越大(da)，荷载施加1年(nian)后，磷石膏(gao)的(de)蠕变(bian)变(bian)形仍(reng)非常显著(zhu)，尚(shang)未达到稳定状态，这(zhei)也是磷石膏(gao)堆积(ji)坝(ba)后期变(bian)形较(jiao)大(da)的(de)原因，原型(xing)观测资料表明，在5级子坝(ba)河床(chuang)部位的(de)表面沉降量已(yi)经达到3.1m，且尚(shang)未完全稳定。

按时(shi)间对(dui)数法，可(ke)求得(de)各级荷载(zai)下的(de)(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)次(ci)(ci)固(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形量如(ru)表3所示(shi)。试(shi)验结(jie)果表明，在(zai)100～400kPa上覆(fu)荷载(zai)作用下，在(zai)试(shi)验时(shi)间范围内蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)结(jie))变(bian)(bian)(bian)形是主(zhu)(zhu)固(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，当然(ran)由(you)于(yu)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形尚未完成(cheng)(cheng)，实际(ji)的(de)(de)(de)(de)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形应更大(da)。对(dui)土(tu)体(ti)(ti)而言，发生(sheng)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)是由(you)于(yu)土(tu)体(ti)(ti)在(zai)主(zhu)(zhu)固(gu)结(jie)完成(cheng)(cheng)之后(hou)，土(tu)体(ti)(ti)中仍有微(wei)小的(de)(de)(de)(de)超静(jing)孔隙压力(li)存在(zai)，驱使水在(zai)颗粒问流动，一般来讲土(tu)体(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)结(jie)远小于(yu)主(zhu)(zhu)固(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形；对(dui)磷石膏(gao)而言，其(qi)渗透系数在(zai)10-4cm/s数量级，远大(da)于(yu)黏性(xing)土(tu)，但其(qi)却发生(sheng)了极为显著(zhu)的(de)(de)(de)(de)次(ci)(ci)固(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形，其(qi)原(yuan)因(yin)在(zai)于(yu)磷石膏(gao)晶体(ti)(ti)结(jie)构发生(sheng)了压缩、破(po)坏(huai)，接触点晶格发生(sheng)歪曲和变(bian)(bian)(bian)形，而破(po)坏(huai)后(hou)晶格之间的(de)(de)(de)(de)重新排列、调整到最后(hou)趋于(yu)相对(dui)静(jing)止(zhi)需(xu)要相当长的(de)(de)(de)(de)时(shi)间才能完成(cheng)(cheng)。

2.4动力(li)力(li)学特性

试验(yan)设备采(cai)用(yong)英(ying)国GDS公(gong)司(si)进(jin)口的电机控制动三轴试验(yan)系(xi)统(tong)，试样(yang)直(zhi)径39.1mm，高度80mm。

(1)动(dong)模量和阻(zu)尼比

同样由(you)于自然沉积的磷石膏密度变化较大，为此根据(ju)物(wu)理(li)性质(zhi)试验(yan)结果，选择两(liang)种平均干密度1.34g/cm3(变化范围1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(变化范围1.44～1.46g/cm3)进行试验(yan)。

Hardin-Dmevich建议的动剪(jian)切模量(liang)G、阻尼(ni)比与剪(jian)应变(bian)幅值γd的关系式如下：

式中k1为参数，表(biao)示动剪切(qie)模量的衰减或(huo)阻(zu)尼(ni)比的增长速率；λmax为最大阻(zu)尼(ni)比；Gmax，γd分别为最大动剪切(qie)模量和归一化(hua)的动剪应(ying)变，表(biao)示为

式(shi)中k2,n为参数；σm为球应力；Pa为标准(zhun)大(da)气(qi)压；vd为动泊松比(bi)；εa为归一化的(de)动应变，表达为

图14给(ji)出了动(dong)剪切(qie)模量、阻尼(ni)比(bi)与归一化(hua)动(dong)应(ying)变(bian)的关系曲(qu)线，另外图中还给(ji)出了式(shi)(1)的拟合(he)曲(qu)线以及(ji)Seed等给(ji)出的砂样的上下边界线，图例中，σ2表示围压，Kc表示固(gu)结应(ying)力(li)比(bi)。

从(cong)图(tu)中可以看(kan)出：①式(shi)(1)可较(jiao)(jiao)好地描述磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)动(dong)应(ying)(ying)(ying)力(li)-动(dong)应(ying)(ying)(ying)变试验曲线(xian)，表(biao)明采用等(deng)价黏(nian)弹(dan)性模(mo)型(xing)进行(xing)循(xun)环荷(he)载作用下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析是可行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)；②图(tu)14(a)中干(gan)(gan)密(mi)度为(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)拟(ni)合线(xian)位于(yu)(yu)干(gan)(gan)密(mi)度为(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)拟(ni)合线(xian)上方(fang)，图(tu)14(b)中则(ze)位于(yu)(yu)下(xia)方(fang)，表(biao)明密(mi)度越(yue)大(da)，动(dong)弹(dan)模(mo)越(yue)大(da)、阻(zu)尼(ni)比越(yue)小；③图(tu)14(a)中，两(liang)种干(gan)(gan)密(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)拟(ni)合线(xian)基本位于(yu)(yu)Seed等(deng)给出的(de)(de)(de)(de)(de)边(bian)界(jie)(jie)线(xian)上方(fang)，而图(tu)14(b)中则(ze)基本处于(yu)(yu)边(bian)界(jie)(jie)线(xian)中间，表(biao)明相比较(jiao)(jiao)砂样(yang)，磷石(shi)(shi)膏动(dong)弹(dan)模(mo)较(jiao)(jiao)大(da)，会(hui)导致(zhi)磷石(shi)(shi)膏堆积(ji)坝(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)动(dong)力(li)反(fan)应(ying)(ying)(ying)较(jiao)(jiao)大(da)，但由于(yu)(yu)阻(zu)尼(ni)比也较(jiao)(jiao)大(da)，这(zhei)样(yang)又会(hui)削弱坝(ba)(ba)体的(de)(de)(de)(de)(de)动(dong)力(li)反(fan)应(ying)(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)(de)(de)相互影响下(xia)，磷石(shi)(shi)膏堆积(ji)坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)体的(de)(de)(de)(de)(de)动(dong)力(li)反(fan)应(ying)(ying)(ying)将(jiang)不会(hui)过于(yu)(yu)强烈，这(zhei)对磷石(shi)(shi)膏堆积(ji)坝(ba)(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)抗震(zhen)稳定(ding)性是有利的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)动强度

选(xuan)择(ze)两(liang)种平均干密度为1.12(变化范围(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变化范围(wei)1.29～1.3lg/cm3)进行(xing)试验，破坏标准为总应变达到(dao)10%。

图(tu)(tu)15给出(chu)了动剪应(ying)(ying)力(li)比τd/σ0′与(yu)破坏振(zhen)次Nf的关系曲线图(tu)(tu)，其(qi)(qi)中σ0为(wei)振(zhen)前试样45°面上的有效法向应(ying)(ying)力(li)，表达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固结比。从试验结果(guo)可以看(kan)出(chu)，沉积磷(lin)石膏的动强度与(yu)其(qi)(qi)它土体相似，表现为(wei)围压和固结应(ying)(ying)力(li)比与(yu)动剪应(ying)(ying)力(li)比呈负相关关系。

为判别沉(chen)积磷石膏的抗(kang)(kang)液化能力(li)，假定(ding)抗(kang)(kang)震设计烈度(du)为8度(du)，即(ji)等效振(zhen)次(ci)Ⅳ可(ke)取为30。首先由式(4)

所(suo)示的(de)幂(mi)函数关系式得到振次为30时各个(ge)围压和固结比下(xia)的(de)动剪应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合(he)求得动剪应力比与(yu)围压和(he)固结应力比的关(guan)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(he)关系式可见，密实(shi)度提高(gao)后，动剪应力(li)(li)比(bi)(bi)提高(gao)，表明抗液化能力(li)(li)也(ye)提高(gao)。但即使是在低密度下，其动剪应力(li)(li)比(bi)(bi)较(jiao)之同类(lei)的粉土或粉砂也(ye)大出许(xu)多，表明磷石膏具有较(jiao)高(gao)的抗液化能力(li)(li)。

三(san)、结论

依托(tuo)柳树箐磷(lin)石膏堆积坝(ba)，在钻探取(qu)样工作的基础(chu)上，首(shou)先开(kai)展了物(wu)理性(xing)质试(shi)验(yan)(yan)，然后(hou)开(kai)展了静动力力学(xue)特(te)性(xing)试(shi)验(yan)(yan)。通过上述试(shi)验(yan)(yan)研(yan)究，得出(chu)如下结论：

(1)沉(chen)积磷石膏总体上属(shu)于级配(pei)不良的(de)粉土，局部属(shu)于粉砂一中砂，无自然分级现象。其干(gan)密度(du)和粒径变(bian)化随埋(mai)深或距(ju)放浆口(kou)距(ju)离的(de)变(bian)化不明显。

(2)沉积磷石膏(gao)水(shui)平方向(xiang)的(de)渗(shen)(shen)透系数(shu)大于(yu)垂直方向(xiang)的(de)渗(shen)(shen)透系数(shu)，呈现明显的(de)各向(xiang)异性。

(3)与(yu)土(tu)体颗粒不(bu)可压(ya)缩不(bu)同，磷石膏(gao)的晶体结构会发生压(ya)缩破(po)坏，具有较大的压(ya)缩性，其次固结变形量远(yuan)大于(yu)主(zhu)固结变形量。

(4)沉积(ji)磷石膏的(de)静动强度较之同(tong)等密实度下的(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要高。