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(sheng)产(chan)过程中(zhong)的(de)(de)副产(chan)品，目前的(de)(de)综合(he)利用率尚不足40%，大部分需要堆(dui)存(cun)存(cun)放(fang)。受地形限制和(he)经济效益考虑，中(zhong)国(guo)主要为湿法(fa)堆(dui)存(cun)的(de)(de)山谷型堆(dui)场。依托(tuo)柳树箐磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)积(ji)(ji)坝(ba)，针对(dui)沉积(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏首先开展了密度(du)、含(han)水率、渗透、土水特(te)征和(he)颗分等(deng)物理性(xing)质试(shi)验(yan)，然后开展了三(san)轴cu、蠕变(bian)及(ji)动三(san)轴等(deng)力(li)学特(te)性(xing)试(shi)验(yan)。试(shi)验(yan)结果表明：①沉积(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)干密度(du)与(yu)埋深没有(you)相(xiang)关(guan)关(guan)系；②沉积(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏不具(ju)有(you)自然分级现象(xiang)，但具(ju)有(you)明显的(de)(de)各(ge)向异性(xing)；③沉积(ji)(ji)磷(lin)石(shi)(shi)膏具(ju)有(you)较高的(de)(de)摩擦角和(he)抗(kang)液化能(neng)力(li)，但其蠕变(bian)变(bian)形较大、渗透比降较小(xiao)。上述工作为分析磷(lin)石(shi)(shi)膏堆(dui)积(ji)(ji)坝(ba)的(de)(de)坝(ba)体稳定性(xing)提(ti)供了基(ji)础，对(dui)现行磷(lin)石(shi)(shi)膏库(ku)的(de)(de)运(yun)行管理以(yi)及(ji)新建工程的(de)(de)设(she)计(ji)具(ju)有(you)重要的(de)(de)借鉴意义。

引言(yan)

磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)是(shi)(shi)湿(shi)法磷(lin)(lin)酸(suan)生(sheng)产过(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)的副(fu)产品，2018年，全国(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)产生(sheng)量(liang)为7800万吨，且(qie)呈逐年增长的态势。磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的主要(yao)成(cheng)分(fen)是(shi)(shi)CaO和(he)(he)SO3，但含有一(yi)定量(liang)的氟化(hua)(hua)物和(he)(he)其(qi)它放射性物质，在(zai)中(zhong)(zhong)国(guo)通(tong)常按Ⅱ类一(yi)般(ban)工业固体废(fei)物处理，鉴于(yu)无害化(hua)(hua)处理成(cheng)本(ben)较高，目前综合(he)利用率(lv)尚不(bu)足(zu)40%，故大部分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)(cun)场地(di)的不(bu)同，可分(fen)为平地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷(gu)(gu)型(xing)(xing)和(he)(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)场，在(zai)中(zhong)(zhong)国(guo)基本(ben)上是(shi)(shi)山(shan)谷(gu)(gu)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)场。相比较干法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)，湿(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)经济(ji)优势明(ming)显，因而如地(di)质条(tiao)件为非碳(tan)酸(suan)盐岩地(di)区，一(yi)般(ban)均(jun)采(cai)用湿(shi)排湿(shi)堆(dui)(dui)方式。随着中(zhong)(zhong)国(guo)磷(lin)(lin)肥工业的快速发展(zhan)，本(ben)世纪(ji)初中(zhong)(zhong)国(guo)相继建设(she)(she)了(le)几(ji)座湿(shi)法堆(dui)(dui)存(cun)(cun)的大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库，例如云天化(hua)(hua)国(guo)际化(hua)(hua)工三环分(fen)公司(si)的柳树箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库堆(dui)(dui)积坝(ba)(ba)和(he)(he)富(fu)瑞分(fen)公司(si)的杨家箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库堆(dui)(dui)积坝(ba)(ba)，这两座坝(ba)(ba)设(she)(she)计坝(ba)(ba)高均(jun)超过(guo)(guo)100m、处于(yu)8度(du)地(di)震区，其(qi)安全性备受(shou)关注。

据统计，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))来(lai)，全世界有118座尾矿坝(ba)曾发生过(guo)破坏(huai)或溃坝(ba)事(shi)故，原因主要有地震、洪水漫顶、渗透(tou)破坏(huai)和(he)基础(chu)失(shi)稳。尾矿库失(shi)事(shi)后会造成巨大的生态(tai)灾难(nan)和(he)人(ren)员伤亡，近几十年(nian)来(lai)，

国内外对(dui)金属(shu)尾矿的(de)沉积规(gui)律(lv)、物(wu)理力(li)学特性及其稳定性开展了(le)大量的(de)研究，但对(dui)于(yu)与金属(shu)尾矿库(ku)相近的(de)磷石(shi)膏(gao)库(ku)，一般仅限(xian)于(yu)在可研阶(jie)段采(cai)用人工制备(bei)样进(jin)行(xing)物(wu)理力(li)学性质(zhi)试验(yan)，并据此进(jin)行(xing)稳定性分析，尚未有(you)人针(zhen)对(dui)己运(yun)行(xing)若干(gan)年的(de)大型(xing)湿(shi)法(fa)堆(dui)存磷石(shi)膏(gao)堆(dui)积坝开展过磷石(shi)膏(gao)沉积规(gui)律(lv)及其物(wu)理力(li)学特性的(de)专(zhuan)项研究。

本文依托柳树箐磷(lin)石膏(gao)堆积坝(ba)，首先进(jin)行了(le)钻探(tan)取样，采用原状(zhuang)样开展(zhan)(zhan)了(le)密度、含水率、渗透(tou)、土(tu)水特征和(he)颗(ke)分等(deng)物理(li)性质试验，在此基础(chu)上有针(zhen)对(dui)性的(de)选择原状(zhuang)样开展(zhan)(zhan)了(le)三轴CU、蠕变及(ji)动三轴等(deng)力学特性试验。通过上述试验研究，总结了(le)磷(lin)石膏(gao)的(de)沉积规律、渗透(tou)特性、渗透(tou)破坏特性以(yi)及(ji)静动力特性，上述研究工(gong)作对(dui)研究和(he)评估磷(lin)石膏(gao)库堆积坝(ba)的(de)稳定(ding)性提供了(le)基础(chu)数据，对(dui)现行磷(lin)石膏(gao)库的(de)运行管理(li)以(yi)及(ji)新建工(gong)程(cheng)的(de)设计具(ju)有重要的(de)借鉴意义。

一(yi)、依托(tuo)工(gong)程(cheng)概(gai)况

1.1柳树(shu)箐磷石膏堆积坝堆存(cun)设计方案

由(you)初期坝和(he)堆(dui)积坝组(zu)成，设计总坝高约130m。

(1)初期坝

初期坝(ba)坝(ba)高约30m，采用(yong)土料填筑。上游(you)坡(po)面、坝(ba)底和下(xia)游(you)坝(ba)脚(jiao)设置堆石排(pai)水体，三者相连通构成整(zheng)个(ge)堆积(ji)坝(ba)的主要排(pai)渗系(xi)统。

(2)堆积(ji)坝(ba)及其辅助(zhu)排渗措施

采用上(shang)游式筑坝(ba)法(fa)，共20级(ji)子坝(ba)，顶(ding)宽6～9m，高度5m，堆积高度约100m。采用排(pai)渗管(guan)网作为辅助排(pai)渗方案，目前己(ji)在5级(ji)、9级(ji)子坝(ba)和13级(ji)子坝(ba)坝(ba)前120m范围内设置了(le)井(jing)字(zi)形排(pai)渗管(guan)网。

1.2沉积磷石膏的钻探取样

钻(zuan)孔(kong)(kong)平面位(wei)置见图l。2008年(nian)6月，堆(dui)积至(zhi)(zhi)5级子(zi)坝(ba)(ba)时，布(bu)设了(le)9个取样钻(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)编(bian)号(hao)K1～K9，取原状样76件；2013年(nian)5月，堆(dui)积至(zhi)(zhi)13级子(zi)坝(ba)(ba)时，又布(bu)设了(le)11个取样钻(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)编(bian)号(hao)K10～K20，取原状样112件，为比较子(zi)坝(ba)(ba)加高和(he)磷石(shi)膏堆(dui)积过程中磷石(shi)膏物(wu)理力学(xue)性质的变化，在2，4级子(zi)坝(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)附近各布(bu)设了(le)一(yi)个钻(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)编(bian)号(hao)分(fen)别为K17和(he)K18。

1.3运行概况

柳树箐(qing)磷(lin)石(shi)膏尾矿库2005年(nian)开工建设，2006年(nian)1月投入运(yun)行(xing)，截至2013年(nian)5月己堆(dui)至13级子坝(ba)，尚有7级子坝(ba)即堆(dui)存至设计高程。鉴(jian)于磷(lin)石(shi)膏库地形、地质条件较(jiao)好，具备扩容改造的条件，以提高堆(dui)存库容，减少堆(dui)存占地，节约土地资源。

本文(wen)主要(yao)对沉积磷石膏(gao)的物(wu)理(li)力学特性进行了全面总结，限于篇幅，有(you)关(guan)现状磷石膏(gao)库堆积坝的安(an)全性评价及其(qi)加高可行性的研究将另文(wen)发表。

二、沉积磷石膏的物(wu)理力学特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

图(tu)(tu)2给(ji)出(chu)了(le)14个钻孔的(de)(de)取(qu)样(yang)深(shen)度(du)和试(shi)(shi)验(yan)所得(de)干密度(du)的(de)(de)关系，图(tu)(tu)中UWL表示水位(wei)线上，(系钻孔期间的(de)(de)初见水位(wei)线，下(xia)同(tong))，DWL表示水位(wei)线下(xia)。图(tu)(tu)3给(ji)出(chu)了(le)水位(wei)线上下(xia)的(de)(de)饱(bao)和度(du)分布图(tu)(tu)。由于磷(lin)石膏(gao)中的(de)(de)主要成分为(wei)CaSO4·2H2O，不同(tong)温(wen)度(du)和烘烤时间对测定(ding)结果有一定(ding)影响(xiang)，不能照搬现行的(de)(de)土工(gong)试(shi)(shi)验(yan)规范(fan)，本(ben)文磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)含水率测定(ding)方法为(wei)55℃温(wen)度(du)下(xia)烘培24h。

图2沉积磷石(shi)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(xian)(xian)上的(de)(de)磷(lin)石膏饱和(he)度(du)(du)平(ping)均(jun)值为(wei)50.4%，处(chu)于(yu)非饱和(he)状(zhuang)态，水(shui)位(wei)线(xian)(xian)以下的(de)(de)磷(lin)石膏饱和(he)度(du)(du)平(ping)均(jun)值为(wei)85.0%，基本处(chu)于(yu)饱和(he)状(zhuang)态，由于(yu)水(shui)位(wei)下降(jiang)后磷(lin)石膏来不及排水(shui)固结，故而水(shui)位(wei)线(xian)(xian)上局部试样的(de)(de)饱和(he)度(du)(du)较高。

由图(tu)2，水位(wei)线(xian)以(yi)上的(de)(de)干(gan)密度在0.98～1.67g/cm3之间，均值为1.30g/cm3；水位(wei)线(xian)以(yi)下(xia)(xia)的(de)(de)干(gan)密度在1.15～1.73g/cm3之间，均值为1.4g/cm3。可(ke)见磷石膏(gao)与(yu)一般的(de)(de)尾矿有所不同(tong)，磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密度并不随埋深(shen)的(de)(de)增大(da)(da)而明显(xian)增大(da)(da)，但水位(wei)线(xian)以(yi)下(xia)(xia)的(de)(de)磷石膏(gao)干(gan)密度从(cong)统计意义上来看仍(reng)大(da)(da)于水位(wei)线(xian)以(yi)上的(de)(de)磷石膏(gao)干(gan)密度，这主要是(shi)由于水位(wei)线(xian)随库水位(wei)的(de)(de)变化反复升降而使得(de)磷石膏(gao)排(pai)水固结所致。

室内(nei)击实(shi)得(de)到的磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏最大干密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之间，从图2可(ke)以看出，自然(ran)沉积的磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏最大干密(mi)度可(ke)达到1.73g/cm3，原(yuan)因如下：与(yu)经典的土骨架不(bu)可(ke)压缩的理论不(bu)同(tong)，石(shi)(shi)(shi)膏本身(shen)可(ke)压缩，同(tong)时(shi)由于(yu)颗(ke)粒(li)结(jie)构(gou)不(bu)稳定，击实(shi)试验过程(cheng)中磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏结(jie)构(gou)被破坏，受夯(hang)击处(chu)下陷，四周鼓起，出现了类似于(yu)橡(xiang)皮土的现象。而(er)在现场条(tiao)件下，石(shi)(shi)(shi)膏骨架被破坏后，会(hui)导致颗(ke)粒(li)中的结(jie)合水(shui)渗(shen)出至孔隙(xi)(xi)内(nei)，变成孔隙(xi)(xi)水(shui)，排水(shui)固(gu)结(jie)后会(hui)使得(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏的孔隙(xi)(xi)比减小，干密(mi)度增大。

图4给出了相邻钻(zuan)(zuan)孔K2和(he)K17(位(wei)于2级子坝河床部位(wei))以及(ji)相邻钻(zuan)(zuan)孔K6和(he)K18(位(wei)于4级子坝河床部位(wei))干密(mi)(mi)度的(de)(de)对(dui)比(bi)图。K2钻(zuan)(zuan)孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度在(zai)(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之间，均(jun)值(zhi)为(wei)(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)(zuan)孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度在(zai)(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之间，均(jun)值(zhi)为(wei)(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)(zuan)孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度在(zai)(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之间，均(jun)值(zhi)为(wei)(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)(zuan)孔的(de)(de)干密(mi)(mi)度在(zai)(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之间，均(jun)值(zhi)为(wei)(wei)1.37g/cm3。可(ke)见，即使从统(tong)计意义上来看，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干密(mi)(mi)度也(ye)并未(wei)随后续(xu)磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)堆积而有较(jiao)为(wei)(wei)明显的(de)(de)增大。

(2)级配分布

颗粒分析试验采用密度计法，制备(bei)悬液(ye)时不(bu)(bu)煮沸，不(bu)(bu)加六偏磷(lin)酸(suan)钠。图(tu)5给出(chu)了试验得到的级配包线、平均(jun)粒径d50、不(bu)(bu)均(jun)匀系(xi)数(shu)(1u和曲(qu)率系(xi)数(shu)Cc的分布图(tu)。

从图5(a)可见，磷石膏(gao)的粒(li)径(jing)主要分布在0.005～0.075mm之(zhi)间(jian)，总(zong)体上属于(yu)(yu)粉土(tu)，但可能由于(yu)(yu)矿石来源或生产工艺(yi)有(you)所(suo)不同，局(ju)部属于(yu)(yu)粉砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)径(jing)分布范围比Blight和张超(chao)等的试(shi)验结果要宽一些(xie)。

图(tu)4子坝(ba)加(jia)高后沉积磷(lin)石膏的干密度变化

图(tu)5沉积磷(lin)石膏的平均粒(li)径和级(ji)配分(fen)布

由图5(b)和(he)5(c)，无论是(shi)(shi)水平向(xiang)(xiang)还是(shi)(shi)垂直(zhi)向(xiang)(xiang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)与金属矿(kuang)山(shan)尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)“前粗后细(xi)，上粗下(xia)(xia)细(xi)”的(de)(de)自然分(fen)级(ji)现(xian)象不(bu)(bu)同，也(ye)即粗颗(ke)粒(li)(li)并(bing)不(bu)(bu)是(shi)(shi)沿埋深(shen)逐步减小(xiao)或距离放浆(jiang)口越远颗(ke)粒(li)(li)越细(xi)，其原因如(ru)(ru)下(xia)(xia)：①磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)颗(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)径组(zu)成(cheng)较为(wei)集(ji)中、均(jun)匀(yun)，主(zhu)要以粉粒(li)(li)组(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)为(wei)主(zhu)，级(ji)配较差(cha)；②相比(bi)较金属尾(wei)矿(kuang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)较小(xiao)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)一般(ban)为(wei)2.3～2.4，远小(xiao)于金属尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)，例如(ru)(ru)铁(tie)尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)比(bi)重(zhong)可达(da)2.9；③放浆(jiang)口随(sui)子坝高度不(bu)(bu)断增加而不(bu)(bu)断变(bian)(bian)动并(bing)向(xiang)(xiang)库尾(wei)延伸，造成(cheng)沉积磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)粒(li)(li)径变(bian)(bian)化不(bu)(bu)明显。

从图5(d)可(ke)见，不均(jun)匀系数(shu)Cu范围(wei)(wei)值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均(jun)值(zhi)为(wei)4.18，曲(qu)率系数(shu)(1c范围(wei)(wei)值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均(jun)值(zhi)为(wei)1.21，在统计的(de)100多个(ge)试样中，属于级(ji)配不良土的(de)占(zhan)93%。这种级(ji)配特性(xing)决定了磷石膏具有较高的(de)压缩(suo)性(xing)、渗透破(po)坏(huai)型式(shi)表现为(wei)流土破(po)坏(huai)。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影(ying)响(xiang)渗透系(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)的主要因(yin)素是粒径(jing)大小、级配和(he)孔隙(xi)比，因(yin)而磷(lin)石膏(gao)的渗透系(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)与粉土较(jiao)为(wei)接近。由(you)于孔隙(xi)比e减小，使(shi)得(de)过(guo)水通道面积减小，渗透系(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)k也将(jiang)减小，k与e呈(cheng)正相(xiang)关关系(xi)(xi)。对(dui)砂土，一(yi)般(ban)认为(wei)渗透系(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)k与e3/(1+e)的线(xian)性关系(xi)(xi)较(jiao)好，图6给出(chu)了二者间的关系(xi)(xi)曲线(xian)，由(you)于沉积磷(lin)石膏(gao)的不均(jun)匀系(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)变(bian)化较(jiao)大，使(shi)得(de)沉积磷(lin)石膏(gao)的渗透系(xi)(xi)数(shu)(shu)(shu)变(bian)化范(fan)围(wei)较(jiao)大(平均(jun)值(zhi)为(wei)10-4cm/s数(shu)(shu)(shu)量级)，二者问(wen)的线(xian)性关系(xi)(xi)较(jiao)差。

图6沉积磷石(shi)膏渗透系数与孔隙比的关系

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

图7给(ji)出了水平与垂直(zhi)向(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)数(shu)比值的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布。沉(chen)积磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)水平向(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)数(shu)kh一般大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)渗透(tou)(tou)系(xi)数(shu)kv,kh/kv平均值约为2.86，这一点与成层分(fen)布的(de)(de)(de)(de)(de)金属尾矿规律一致(zhi)。造成沉(chen)积磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)水平向(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)数(shu)大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)数(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)因是由于(yu)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有明(ming)显的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)体结(jie)构，电镜扫描显示多(duo)为菱形和棱柱状(zhuang)(zhuang)形式(见图8)，在沉(chen)积过程中，由于(yu)扁平状(zhuang)(zhuang)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)颗粒多(duo)呈(cheng)水平排(pai)列，使得水平方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)透(tou)(tou)水性大于(yu)垂直(zhi)方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)透(tou)(tou)水性，从而使磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)呈(cheng)现明(ming)显的(de)(de)(de)(de)(de)各向(xiang)异性。

另根据中国有(you)色金属工业昆明勘察设(she)计研究院在杨家箐磷(lin)石膏堆积坝开(kai)展(zhan)的(de)(de)现场(chang)渗(shen)透试(shi)验(yan)(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值约(yue)为1.9。但张(zhang)超等的(de)(de)室内(nei)试(shi)验(yan)(yan)显示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值约(yue)为0.46，也即垂直向渗(shen)透系数(shu)大于水平(ping)向渗(shen)透系数(shu)，与本(ben)文和(he)现场(chang)试(shi)验(yan)(yan)结(jie)果恰(qia)恰(qia)相反(fan)。从(cong)磷(lin)石膏的(de)(de)微观结(jie)构来看，本(ben)文试(shi)验(yan)(yan)结(jie)果更(geng)为合(he)理。

图7沉积磷石膏干密(mi)度与(yu)水平和垂直(zhi)渗透系(xi)数比值的关系(xi)

(2)渗透变形

图9为(wei)磷(lin)石(shi)膏干密度为(wei)1.40g/cm3的(de)(de)水(shui)力梯度J与流速V的(de)(de)关系曲(qu)线，试验(yan)在水(shui)平管(guan)涌(yong)仪中(zhong)采用(yong)水(shui)平方向的(de)(de)渗流形(xing)式进行。试验(yan)得(de)到(dao)的(de)(de)临界坡降Jc=0.355，破(po)坏坡降Jp=0.375。一(yi)般来(lai)说，对(dui)1，2级工(gong)程(cheng)，渗透(tou)(tou)(tou)安全系数(shu)取为(wei)2.5，则允(yun)(yun)许出逸(yi)坡降为(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)3级以下(xia)工(gong)程(cheng)，渗透(tou)(tou)(tou)安全系数(shu)取2.0，则允(yun)(yun)许出逸(yi)坡降为(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)(yun)许比降与粉(fen)(fen)土一(yi)粉(fen)(fen)砂大致相同(tong)。但上(shang)述渗透(tou)(tou)(tou)变形(xing)试验(yan)是采用(yong)自来(lai)水(shui)进行的(de)(de)，自来(lai)水(shui)对(dui)磷(lin)石(shi)膏具有一(yi)定(ding)的(de)(de)溶蚀作用(yong)，而(er)实际上(shang)磷(lin)石(shi)膏中(zhong)残余磷(lin)、硫和氟酸，库水(shui)的(de)(de)pH值一(yi)般小于(yu)3(称之为(wei)酸性(xing)水(shui))，在酸性(xing)水(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)石(shi)膏不(bu)会发生破(po)坏，上(shang)述试验(yan)结果是偏于(yu)保守的(de)(de)，但对(dui)非酸性(xing)水(shui)条件(例如特大暴(bao)雨)下(xia)的(de)(de)渗透(tou)(tou)(tou)稳定(ding)判断有一(yi)定(ding)的(de)(de)借鉴意(yi)义。

图9水力(li)梯度(du)J-流速v试验过(guo)程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试验

试验(yan)在5Bar的压(ya)力(li)板仪中进行，环刀尺(chi)寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3组，吸力(li)范围0～500kPa。表l列出了含水率特征(zheng)值，试验(yan)曲线见图10所示。

试验结果表明：①干(gan)密度(du)(du)对进(jin)气(qi)值没有(you)明显的(de)(de)影响，不(bu)同(tong)干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)试样的(de)(de)进(jin)气(qi)值大致在10kPa左(zuo)右；②土样残余含水(shui)(shui)率随干(gan)密度(du)(du)的(de)(de)增加而减少，残余含水(shui)(shui)率约为饱(bao)和(he)含水(shui)(shui)率的(de)(de)10%。上(shang)述特性与粉土一(yi)粉砂(sha)基本一(yi)致。

2.3静力力学特性

(1)三轴CU试验

由于沉积磷石膏的密度变化较(jiao)(jiao)大，而进行三轴(zhou)试(shi)验需(xu)要(yao)若(ruo)干(gan)原状样，为使试(shi)验结果具有较(jiao)(jiao)好的一致性，有针对(dui)性的选择平均干(gan)密度分别为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)的若(ruo)干(gan)试(shi)样，进行了(le)5组三轴(zhou)CU试(shi)验。图11是(shi)为干(gan)密度为1.2和1.58g/cm3的三轴(zhou)CU试(shi)验曲(qu)线。

从图11可以(yi)看出，磷(lin)石膏的应(ying)(ying)力应(ying)(ying)变(bian)关(guan)系曲线在(zai)(zai)低围压(ya)下(xia)表(biao)现为(wei)软化(hua)型(xing)，在(zai)(zai)高围压(ya)下(xia)表(biao)现为(wei)硬化(hua)型(xing)，与一般土类(lei)相似。但与一般粉(fen)土一粉(fen)砂不同的是，即使在(zai)(zai)较(jiao)为(wei)疏松的状态下(xia)，磷(lin)石膏仍表(biao)现了较(jiao)为(wei)强烈的剪胀，随密实度增大，剪胀作用愈发明显。

表2给出(chu)了不同(tong)干(gan)(gan)密度下的(de)(de)内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)，图(tu)12给出(chu)了内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)与干(gan)(gan)密度的(de)(de)关(guan)系曲线(xian)。随干(gan)(gan)密度的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)也随之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用幂函数较(jiao)好地拟合。磷石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密度由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)为1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)了32%，总应(ying)(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)为37.3°(根据拟合曲线(xian)求得(de))，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅为9.4%，有效应(ying)(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)为38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅为3.2%，由于随围压的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔压也明显增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅较(jiao)之(zhi)总应(ying)(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)要小。另外较(jiao)之(zhi)于干(gan)(gan)密度增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅，摩(mo)(mo)擦(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅并(bing)不显著，表明即使较(jiao)为疏(shu)松的(de)(de)磷石膏仍具有较(jiao)高的(de)(de)强度指标，这(zhei)也表明磷石膏堆积坝的(de)(de)稳定性较(jiao)高。

(2)蠕变(次(ci)固结)变形试验(yan)

磷(lin)石(shi)膏的蠕变变形试(shi)(shi)验在侧(ce)限(xian)压缩仪中进(jin)行，试(shi)(shi)验状态(tai)相当于(yu)K0固结。试(shi)(shi)样(yang)直径61.8mm，高度(du)20mm，试(shi)(shi)样(yang)干(gan)密度(du)为(wei)1.30g/cm3，对试(shi)(shi)样(yang)饱和后分别开展了(le)上覆(fu)压力ρ为(wei)100，200，400，800kPa的试(shi)(shi)验，

试验从(cong)2012年8月27日开始，试验己(ji)进行了1年多(duo)，试验结(jie)果见(jian)图13所示。

从(cong)图13中可以看出：上覆荷载越大(da)(da)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)蠕变变形也(ye)越大(da)(da)，荷载施加1年后，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)蠕变变形仍非常显著，尚未达到稳定状(zhuang)态，这也(ye)是磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)坝后期变形较(jiao)大(da)(da)的(de)原(yuan)因(yin)，原(yuan)型观测资料表明，在5级子坝河床(chuang)部位的(de)表面(mian)沉降(jiang)量已经达到3.1m，且(qie)尚未完全稳定。

按时间对(dui)(dui)数(shu)法，可求得(de)各(ge)级荷载(zai)下(xia)的(de)(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)量(liang)如表(biao)3所示(shi)。试验(yan)结(jie)(jie)(jie)果表(biao)明，在100～400kPa上覆荷载(zai)作(zuo)用(yong)下(xia)，在试验(yan)时间范围内蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(bian)(次固(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie))变(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)是主(zhu)固(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，当然由于(yu)(yu)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)尚未完(wan)成，实际的(de)(de)(de)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)应更大。对(dui)(dui)土(tu)(tu)体而(er)(er)言，发(fa)生(sheng)(sheng)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)因是由于(yu)(yu)土(tu)(tu)体在主(zhu)固(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)完(wan)成之后，土(tu)(tu)体中仍有(you)微小的(de)(de)(de)超静孔隙(xi)压(ya)力存在，驱使水在颗(ke)粒(li)问流动，一般(ban)来讲土(tu)(tu)体的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)远(yuan)小于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)；对(dui)(dui)磷(lin)石(shi)膏而(er)(er)言，其渗(shen)透系(xi)数(shu)在10-4cm/s数(shu)量(liang)级，远(yuan)大于(yu)(yu)黏(nian)性土(tu)(tu)，但其却发(fa)生(sheng)(sheng)了极(ji)为(wei)显(xian)著的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)结(jie)(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，其原(yuan)(yuan)因在于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏晶(jing)体结(jie)(jie)(jie)构发(fa)生(sheng)(sheng)了压(ya)缩、破坏，接触点晶(jing)格发(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和变(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，而(er)(er)破坏后晶(jing)格之间的(de)(de)(de)重新(xin)排(pai)列、调(diao)整(zheng)到最后趋于(yu)(yu)相对(dui)(dui)静止需要(yao)相当长(zhang)的(de)(de)(de)时间才能完(wan)成。

2.4动力力学特性

试(shi)(shi)验设备(bei)采用(yong)英国GDS公(gong)司进口的电机(ji)控制动三(san)轴试(shi)(shi)验系统(tong)，试(shi)(shi)样直径(jing)39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)动模量和阻(zu)尼比

同(tong)样由于(yu)自然(ran)沉积的(de)磷石膏(gao)密(mi)度变化较大(da)，为此根据物理性(xing)质试验结果，选择两种平均干密(mi)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。

Hardin-Dmevich建议的(de)动(dong)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k1为参数，表示动剪(jian)(jian)切(qie)模(mo)量(liang)的衰减或阻尼比的增长速率；λmax为最大(da)阻尼比；Gmax，γd分(fen)别(bie)为最大(da)动剪(jian)(jian)切(qie)模(mo)量(liang)和(he)归一化(hua)的动剪(jian)(jian)应变，表示为

式中(zhong)k2,n为(wei)(wei)参数；σm为(wei)(wei)球应力；Pa为(wei)(wei)标准大气(qi)压；vd为(wei)(wei)动泊(bo)松比；εa为(wei)(wei)归一化的动应变，表达为(wei)(wei)

图14给(ji)出了动剪切模量(liang)、阻尼比(bi)与归一(yi)化(hua)动应(ying)(ying)变的(de)关系曲线(xian)，另外图中(zhong)还(hai)给(ji)出了式(1)的(de)拟合曲线(xian)以及Seed等(deng)给(ji)出的(de)砂(sha)样的(de)上下边界(jie)线(xian)，图例中(zhong)，σ2表(biao)示(shi)围(wei)压，Kc表(biao)示(shi)固结应(ying)(ying)力比(bi)。

从图(tu)(tu)中可(ke)以看(kan)出：①式(1)可(ke)较(jiao)好地描(miao)述磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)动(dong)应(ying)(ying)力(li)-动(dong)应(ying)(ying)变(bian)试验曲线(xian)，表明采用(yong)等(deng)价黏弹(dan)(dan)性模型(xing)进(jin)行循环荷载作用(yong)下的(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)；②图(tu)(tu)14(a)中干(gan)(gan)密(mi)度(du)为(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)拟(ni)合线(xian)位(wei)于干(gan)(gan)密(mi)度(du)为(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)拟(ni)合线(xian)上方(fang)，图(tu)(tu)14(b)中则位(wei)于下方(fang)，表明密(mi)度(du)越大(da)，动(dong)弹(dan)(dan)模越大(da)、阻尼比越小；③图(tu)(tu)14(a)中，两种干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)拟(ni)合线(xian)基本位(wei)于Seed等(deng)给出的(de)(de)(de)边界线(xian)上方(fang)，而图(tu)(tu)14(b)中则基本处(chu)于边界线(xian)中间，表明相比较(jiao)砂(sha)样(yang)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)动(dong)弹(dan)(dan)模较(jiao)大(da)，会导致磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)积坝(ba)的(de)(de)(de)动(dong)力(li)反应(ying)(ying)较(jiao)大(da)，但由于阻尼比也较(jiao)大(da)，这样(yang)又会削(xue)弱坝(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)力(li)反应(ying)(ying)，二者的(de)(de)(de)相互影响下，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)积坝(ba)坝(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)力(li)反应(ying)(ying)将不会过于强烈(lie)，这对磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)积坝(ba)的(de)(de)(de)抗震稳定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)动强度

选择两种平均(jun)干密(mi)度为1.12(变(bian)化范(fan)围1.1～1.14g/cm3)和(he)1.306g/cm3(变(bian)化范(fan)围1.29～1.3lg/cm3)进行(xing)试验，破坏标准为总应变(bian)达(da)到10%。

图(tu)15给(ji)出(chu)了(le)动(dong)剪应(ying)力比(bi)(bi)(bi)τd/σ0′与破坏振次(ci)Nf的关系(xi)曲线图(tu)，其中(zhong)σ0为(wei)振前(qian)试样45°面上(shang)的有效(xiao)法向应(ying)力，表(biao)达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固结比(bi)(bi)(bi)。从试验结果可以看出(chu)，沉积(ji)磷石膏的动(dong)强度与其它土体相似，表(biao)现(xian)为(wei)围压和固结应(ying)力比(bi)(bi)(bi)与动(dong)剪应(ying)力比(bi)(bi)(bi)呈(cheng)负(fu)相关关系(xi)。

为判别沉积磷石膏的(de)抗(kang)液化(hua)能力(li)，假(jia)定(ding)抗(kang)震设计烈度为8度，即等效振次(ci)Ⅳ可(ke)取为30。首先由式(4)

所(suo)示的幂函数(shu)关(guan)系式得到振(zhen)次为(wei)30时各个围压和固结比下(xia)的动剪(jian)应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合(he)求得(de)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。

从上(shang)述(shu)拟合关系式可见，密实(shi)度(du)提(ti)(ti)高(gao)后，动(dong)剪应(ying)力(li)比(bi)提(ti)(ti)高(gao)，表(biao)明(ming)抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力(li)也提(ti)(ti)高(gao)。但即使是在低密度(du)下，其(qi)动(dong)剪应(ying)力(li)比(bi)较之(zhi)同类的(de)粉土(tu)或粉砂(sha)也大出许(xu)多(duo)，表(biao)明(ming)磷石膏具有较高(gao)的(de)抗(kang)液(ye)化(hua)能(neng)力(li)。

三(san)、结论(lun)

依托柳树箐磷石膏(gao)堆积坝，在钻探取样(yang)工作的基(ji)础(chu)上，首先开展了物(wu)理性(xing)质(zhi)试(shi)验(yan)(yan)，然后开展了静动力力学特性(xing)试(shi)验(yan)(yan)。通(tong)过上述试(shi)验(yan)(yan)研(yan)究，得出如(ru)下结论：

(1)沉积磷石膏总体上属(shu)于级配不(bu)良的(de)粉土，局部属(shu)于粉砂一中砂，无(wu)自然(ran)分级现象。其(qi)干密(mi)度(du)和(he)粒径变化(hua)随埋深或距放(fang)浆(jiang)口距离的(de)变化(hua)不(bu)明(ming)显。

(2)沉积磷石(shi)膏水平方(fang)向的(de)(de)渗(shen)透系数(shu)大于垂(chui)直方(fang)向的(de)(de)渗(shen)透系数(shu)，呈现明显(xian)的(de)(de)各(ge)向异(yi)性。

(3)与土体颗粒(li)不可压(ya)缩(suo)不同(tong)，磷(lin)石(shi)膏的(de)晶体结构(gou)会发生压(ya)缩(suo)破坏(huai)，具(ju)有(you)较大(da)的(de)压(ya)缩(suo)性，其次固结变形量远大(da)于(yu)主固结变形量。

(4)沉积磷石膏(gao)的静动强度(du)(du)较之同(tong)等(deng)密实度(du)(du)下(xia)的粉(fen)土、粉(fen)砂(sha)要高。