沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘要：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(yan)

磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)是湿法(fa)磷(lin)(lin)酸生产过(guo)程中(zhong)的(de)副产品，2018年，全(quan)国(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)产生量为7800万吨，且(qie)呈逐年增长的(de)态(tai)势。磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)主要成(cheng)分(fen)是CaO和SO3，但含(han)有一定量的(de)氟化(hua)物和其(qi)它放射性(xing)物质，在(zai)中(zhong)国(guo)通常按(an)Ⅱ类一般工(gong)(gong)业固体废物处(chu)(chu)理，鉴于无害化(hua)处(chu)(chu)理成(cheng)本(ben)较高，目(mu)前综合利(li)用(yong)率尚不足40%，故大(da)部分(fen)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)需要堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)(cun)放。按(an)堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)场(chang)地的(de)不同，可分(fen)为平地型(xing)、傍山型(xing)、山谷型(xing)和截河型(xing)堆(dui)场(chang)，在(zai)中(zhong)国(guo)基本(ben)上是山谷型(xing)堆(dui)场(chang)。相比较干(gan)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)，湿法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)经济(ji)优势明显，因而如(ru)(ru)地质条件为非(fei)碳酸盐岩地区，一般均(jun)采用(yong)湿排湿堆(dui)方式。随着中(zhong)国(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)(gong)业的(de)快速发展，本(ben)世纪初中(zhong)国(guo)相继(ji)建设了(le)几座湿法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)(cun)(cun)的(de)大(da)型(xing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)库(ku)，例如(ru)(ru)云(yun)天化(hua)国(guo)际化(hua)工(gong)(gong)三环分(fen)公司(si)的(de)柳树箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)库(ku)堆(dui)积坝(ba)和富瑞分(fen)公司(si)的(de)杨(yang)家(jia)箐磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)库(ku)堆(dui)积坝(ba)，这两座坝(ba)设计坝(ba)高均(jun)超过(guo)100m、处(chu)(chu)于8度(du)地震(zhen)区，其(qi)安全(quan)性(xing)备(bei)受(shou)关注。

据统(tong)计，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))来，全世界有118座尾矿坝(ba)曾发生过破坏或溃(kui)坝(ba)事故，原因主要(yao)有地震、洪水漫(man)顶(ding)、渗透(tou)破坏和基础失稳。尾矿库(ku)失事后会造成巨大(da)的生态灾难(nan)和人员伤亡，近(jin)几十年(nian)(nian)来，

国内外对金属尾(wei)矿(kuang)的沉(chen)积规律(lv)、物(wu)(wu)理力(li)学特(te)性(xing)及(ji)其(qi)稳定(ding)性(xing)开(kai)展了大(da)量的研究(jiu)，但对于与金属尾(wei)矿(kuang)库相近的磷石膏(gao)库，一(yi)般仅(jin)限于在(zai)可研阶段采用人工(gong)制备样进(jin)行物(wu)(wu)理力(li)学性(xing)质试验，并据此进(jin)行稳定(ding)性(xing)分析，尚(shang)未(wei)有人针对己(ji)运行若干年(nian)的大(da)型湿法堆存(cun)磷石膏(gao)堆积坝开(kai)展过(guo)磷石膏(gao)沉(chen)积规律(lv)及(ji)其(qi)物(wu)(wu)理力(li)学特(te)性(xing)的专项研究(jiu)。

本文依托柳树箐磷石膏(gao)堆积(ji)(ji)坝(ba)(ba)，首先进行(xing)(xing)了钻探取(qu)样(yang)，采用原状样(yang)开(kai)展了密度、含水率、渗(shen)(shen)透(tou)(tou)、土水特(te)征和颗分等物理(li)性(xing)质试(shi)验(yan)，在此基(ji)础(chu)(chu)上(shang)有针对(dui)性(xing)的选择原状样(yang)开(kai)展了三轴CU、蠕变及动(dong)三轴等力(li)学(xue)特(te)性(xing)试(shi)验(yan)。通过上(shang)述试(shi)验(yan)研(yan)究，总结了磷石膏(gao)的沉积(ji)(ji)规律(lv)、渗(shen)(shen)透(tou)(tou)特(te)性(xing)、渗(shen)(shen)透(tou)(tou)破坏特(te)性(xing)以及静动(dong)力(li)特(te)性(xing)，上(shang)述研(yan)究工作对(dui)研(yan)究和评估磷石膏(gao)库堆积(ji)(ji)坝(ba)(ba)的稳定(ding)性(xing)提供了基(ji)础(chu)(chu)数据，对(dui)现(xian)行(xing)(xing)磷石膏(gao)库的运行(xing)(xing)管理(li)以及新建工程的设(she)计(ji)具有重要的借鉴意义。

一、依托工程概况

1.1柳树(shu)箐磷(lin)石膏堆积坝堆存设计方案

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

(1)初(chu)期坝

初期坝(ba)坝(ba)高(gao)约30m，采用(yong)土料填筑(zhu)。上游坡面(mian)、坝(ba)底(di)和下游坝(ba)脚设置堆石排水(shui)体，三者相连(lian)通(tong)构成整个堆积(ji)坝(ba)的主要(yao)排渗(shen)系统。

(2)堆积坝及其辅助排渗措施

采用上游式筑坝(ba)法，共20级(ji)子坝(ba)，顶宽6～9m，高度5m，堆积高度约100m。采用排(pai)渗(shen)(shen)管(guan)网作(zuo)为辅助排(pai)渗(shen)(shen)方案，目前(qian)己(ji)在5级(ji)、9级(ji)子坝(ba)和13级(ji)子坝(ba)坝(ba)前(qian)120m范围内设置了(le)井字形(xing)排(pai)渗(shen)(shen)管(guan)网。

1.2沉积磷石(shi)膏的(de)钻(zuan)探取(qu)样

钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)平面位置见图(tu)l。2008年(nian)6月，堆(dui)积(ji)(ji)至5级(ji)子(zi)坝(ba)时(shi)，布(bu)设(she)了9个取(qu)样钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编号K1～K9，取(qu)原状样76件(jian)；2013年(nian)5月，堆(dui)积(ji)(ji)至13级(ji)子(zi)坝(ba)时(shi)，又布(bu)设(she)了11个取(qu)样钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编号K10～K20，取(qu)原状样112件(jian)，为(wei)比较子(zi)坝(ba)加高(gao)和磷石膏(gao)(gao)堆(dui)积(ji)(ji)过程中(zhong)磷石膏(gao)(gao)物(wu)理(li)力(li)学(xue)性质的变化(hua)，在2，4级(ji)子(zi)坝(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)(kong)附(fu)近各布(bu)设(she)了一个钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编号分别为(wei)K17和K18。

1.3运行概(gai)况(kuang)

柳树箐(qing)磷石(shi)膏(gao)尾(wei)矿(kuang)库(ku)(ku)2005年开(kai)工建设(she)，2006年1月投入运行，截(jie)至(zhi)2013年5月己堆(dui)至(zhi)13级(ji)子坝，尚(shang)有(you)7级(ji)子坝即堆(dui)存(cun)至(zhi)设(she)计高(gao)程(cheng)。鉴(jian)于磷石(shi)膏(gao)库(ku)(ku)地(di)形、地(di)质条件(jian)(jian)较好，具备扩容(rong)改造的条件(jian)(jian)，以提高(gao)堆(dui)存(cun)库(ku)(ku)容(rong)，减(jian)少堆(dui)存(cun)占地(di)，节约土地(di)资源。

本文主(zhu)要对沉积磷石膏的物理力学特性进行(xing)了(le)全面总结，限(xian)于篇幅，有关(guan)现(xian)状磷石膏库堆积坝的安全性评价及其(qi)加高可行(xing)性的研(yan)究将(jiang)另(ling)文发表。

二、沉积磷石膏的物理力学特性(xing)

2.1物(wu)理特(te)性

(1)干密(mi)度分(fen)布

图2给出(chu)了14个(ge)钻(zuan)孔(kong)的(de)(de)取(qu)样深度(du)和(he)试(shi)验所(suo)得干密度(du)的(de)(de)关系，图中(zhong)UWL表示(shi)水位(wei)(wei)线(xian)上，(系钻(zuan)孔(kong)期间(jian)的(de)(de)初见水位(wei)(wei)线(xian)，下(xia)(xia)同)，DWL表示(shi)水位(wei)(wei)线(xian)下(xia)(xia)。图3给出(chu)了水位(wei)(wei)线(xian)上下(xia)(xia)的(de)(de)饱(bao)和(he)度(du)分(fen)布(bu)图。由于磷石膏(gao)中(zhong)的(de)(de)主要(yao)成分(fen)为CaSO4·2H2O，不同温度(du)和(he)烘烤时间(jian)对(dui)测定(ding)结果有一定(ding)影响，不能照搬现行的(de)(de)土(tu)工试(shi)验规范，本文磷石膏(gao)的(de)(de)含水率测定(ding)方(fang)法为55℃温度(du)下(xia)(xia)烘培(pei)24h。

图2沉积磷(lin)石膏(gao)干密(mi)度与埋深的(de)关系

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

由(you)图3，水(shui)位(wei)线(xian)上的磷石膏饱和度平均(jun)值(zhi)为50.4%，处(chu)于(yu)非饱和状态(tai)，水(shui)位(wei)线(xian)以下(xia)的磷石膏饱和度平均(jun)值(zhi)为85.0%，基本(ben)处(chu)于(yu)饱和状态(tai)，由(you)于(yu)水(shui)位(wei)下(xia)降后磷石膏来不及排(pai)水(shui)固结，故(gu)而水(shui)位(wei)线(xian)上局部试样的饱和度较高(gao)。

由(you)图2，水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在0.98～1.67g/cm3之间(jian)(jian)，均值为(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)在1.15～1.73g/cm3之间(jian)(jian)，均值为(wei)1.4g/cm3。可(ke)见磷(lin)石(shi)膏(gao)与(yu)一般(ban)的(de)(de)尾(wei)矿有所不(bu)同，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)(du)并(bing)不(bu)随埋深(shen)的(de)(de)增(zeng)大而明显增(zeng)大，但水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)(gan)密度(du)(du)从统计意义上(shang)来看仍大于(yu)水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)(gan)密度(du)(du)，这主要是由(you)于(yu)水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)随库水(shui)(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)(de)变(bian)化(hua)反复(fu)升降而使(shi)得磷(lin)石(shi)膏(gao)排水(shui)(shui)(shui)固结(jie)所致。

室内(nei)击(ji)实得到的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)最大(da)干(gan)密(mi)度一(yi)般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之间，从图2可以看出(chu)，自(zi)然沉积(ji)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)最大(da)干(gan)密(mi)度可达(da)到1.73g/cm3，原因如下(xia)(xia)：与经典的(de)土骨架不可压(ya)缩(suo)的(de)理论(lun)不同(tong)，石(shi)膏(gao)本身可压(ya)缩(suo)，同(tong)时(shi)由于(yu)颗粒结(jie)(jie)构不稳定，击(ji)实试验过程中磷(lin)石(shi)膏(gao)结(jie)(jie)构被破坏(huai)，受夯(hang)击(ji)处下(xia)(xia)陷，四周鼓起，出(chu)现了类似于(yu)橡皮(pi)土的(de)现象。而(er)在(zai)现场条件下(xia)(xia)，石(shi)膏(gao)骨架被破坏(huai)后，会(hui)导致(zhi)颗粒中的(de)结(jie)(jie)合(he)水(shui)(shui)渗(shen)出(chu)至孔(kong)隙内(nei)，变成孔(kong)隙水(shui)(shui)，排水(shui)(shui)固结(jie)(jie)后会(hui)使得磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)孔(kong)隙比减(jian)小(xiao)，干(gan)密(mi)度增大(da)。

图4给出(chu)了相邻(lin)钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于(yu)2级子(zi)坝河床部位(wei)(wei))以及(ji)相邻(lin)钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于(yu)4级子(zi)坝河床部位(wei)(wei))干密(mi)度(du)的(de)(de)(de)对比图。K2钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)间(jian)，均值(zhi)(zhi)为(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)间(jian)，均值(zhi)(zhi)为(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)间(jian)，均值(zhi)(zhi)为(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)在(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)间(jian)，均值(zhi)(zhi)为(wei)1.37g/cm3。可见，即使从统计(ji)意义(yi)上来看(kan)，磷石膏的(de)(de)(de)干密(mi)度(du)也并未随后续磷石膏的(de)(de)(de)堆积(ji)而有较(jiao)为(wei)明显(xian)的(de)(de)(de)增(zeng)大(da)。

(2)级配分布

颗粒分析试验采用密度计(ji)法，制备悬液(ye)时不煮沸，不加六偏磷(lin)酸钠(na)。图5给出了试验得(de)到(dao)的(de)级(ji)配包线(xian)、平均粒径d50、不均匀系数(1u和曲率系数Cc的(de)分布图。

从图5(a)可见，磷石(shi)膏的粒径主要分布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之间(jian)，总体上属(shu)于(yu)粉(fen)土，但可能由于(yu)矿(kuang)石(shi)来(lai)源或生产工艺有(you)所不同(tong)，局部属(shu)于(yu)粉(fen)砂(sha)(sha)～中砂(sha)(sha)。粒径分布(bu)范围比Blight和张(zhang)超等的试验结果要宽(kuan)一些。

图(tu)4子(zi)坝加高后沉积磷石膏(gao)的干密(mi)度变化

图(tu)5沉(chen)积磷石膏的平均(jun)粒径和(he)级配分布(bu)

由(you)图(tu)5(b)和5(c)，无论是水平向还是垂直向，磷(lin)石膏与金属(shu)矿山尾矿的“前粗(cu)后细(xi)(xi)(xi)，上粗(cu)下(xia)(xia)细(xi)(xi)(xi)”的自(zi)然(ran)分级现象不同，也即粗(cu)颗(ke)粒(li)(li)并不是沿(yan)埋深逐(zhu)步减小(xiao)或距离放浆(jiang)口越远(yuan)颗(ke)粒(li)(li)越细(xi)(xi)(xi)，其原因(yin)如下(xia)(xia)：①磷(lin)石膏颗(ke)粒(li)(li)粒(li)(li)径组成(cheng)较为(wei)集中、均(jun)匀，主要以粉(fen)粒(li)(li)组(0.005mm<d≤0.074mm)为(wei)主，级配(pei)较差；②相(xiang)比(bi)较金属(shu)尾矿，磷(lin)石膏的比(bi)重(zhong)较小(xiao)，磷(lin)石膏的比(bi)重(zhong)一般为(wei)2.3～2.4，远(yuan)小(xiao)于金属(shu)尾矿的比(bi)重(zhong)，例如铁(tie)尾矿的比(bi)重(zhong)可达2.9；③放浆(jiang)口随子(zi)坝(ba)高度(du)不断(duan)增加而(er)不断(duan)变(bian)(bian)动并向库(ku)尾延伸(shen)，造(zao)成(cheng)沉(chen)积磷(lin)石膏的粒(li)(li)径变(bian)(bian)化不明(ming)显。

从图5(d)可见(jian)，不均(jun)匀系(xi)数Cu范围值(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)为4.18，曲率系(xi)数(1c范围值(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)为1.21，在统计的(de)100多(duo)个(ge)试样中(zhong)，属于级配(pei)不良土的(de)占93%。这种级配(pei)特性决定了磷石膏具(ju)有较(jiao)高的(de)压(ya)缩性、渗透破坏型式表现为流土破坏。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影响渗透(tou)系(xi)数(shu)的(de)主要因素是粒径大小、级(ji)配和孔(kong)隙比，因而(er)磷(lin)石膏(gao)的(de)渗透(tou)系(xi)数(shu)与(yu)(yu)粉土(tu)较(jiao)为(wei)(wei)接近。由(you)于孔(kong)隙比e减小，使得(de)过水(shui)通道面积(ji)减小，渗透(tou)系(xi)数(shu)k也将减小，k与(yu)(yu)e呈正相关关系(xi)。对砂(sha)土(tu)，一般认为(wei)(wei)渗透(tou)系(xi)数(shu)k与(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)线(xian)(xian)性关系(xi)较(jiao)好，图6给出了二者(zhe)(zhe)间的(de)关系(xi)曲线(xian)(xian)，由(you)于沉(chen)积(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)不(bu)均匀系(xi)数(shu)变化较(jiao)大，使得(de)沉(chen)积(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)渗透(tou)系(xi)数(shu)变化范(fan)围较(jiao)大(平均值为(wei)(wei)10-4cm/s数(shu)量级(ji))，二者(zhe)(zhe)问的(de)线(xian)(xian)性关系(xi)较(jiao)差。

图6沉积磷(lin)石膏渗透系(xi)数与孔隙比的(de)关系(xi)

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

图7给出了水平(ping)(ping)与垂直(zhi)向(xiang)渗(shen)透(tou)系数(shu)(shu)比值的(de)分布。沉(chen)积(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)水平(ping)(ping)向(xiang)渗(shen)透(tou)系数(shu)(shu)kh一(yi)般大于(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)的(de)渗(shen)透(tou)系数(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均值约为(wei)2.86，这(zhei)一(yi)点与成(cheng)层分布的(de)金(jin)属尾矿规律一(yi)致。造成(cheng)沉(chen)积(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)水平(ping)(ping)向(xiang)渗(shen)透(tou)系数(shu)(shu)大于(yu)(yu)垂直(zhi)向(xiang)渗(shen)透(tou)系数(shu)(shu)的(de)原因是由于(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具有明(ming)显(xian)的(de)晶体结(jie)构，电镜(jing)扫描(miao)显(xian)示多为(wei)菱形和棱柱状(zhuang)(zhuang)形式(shi)(见(jian)图8)，在沉(chen)积(ji)过程中，由于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)状(zhuang)(zhuang)磷(lin)石(shi)膏(gao)颗粒多呈(cheng)水平(ping)(ping)排列(lie)，使(shi)得水平(ping)(ping)方向(xiang)的(de)透(tou)水性(xing)大于(yu)(yu)垂直(zhi)方向(xiang)的(de)透(tou)水性(xing)，从(cong)而(er)使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)呈(cheng)现明(ming)显(xian)的(de)各向(xiang)异性(xing)。

另(ling)根(gen)据中国有色金属工业(ye)昆明(ming)勘(kan)察设计研(yan)究院在杨家(jia)箐磷(lin)石膏(gao)堆积坝开展(zhan)的(de)现场渗(shen)透试(shi)验(yan)(yan)，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值约为1.9。但张超等的(de)室内试(shi)验(yan)(yan)显示，kh/kv的(de)平(ping)均(jun)值约为0.46，也即(ji)垂(chui)直(zhi)向渗(shen)透系数(shu)大于水平(ping)向渗(shen)透系数(shu)，与本文(wen)和现场试(shi)验(yan)(yan)结(jie)(jie)果恰(qia)恰(qia)相(xiang)反(fan)。从磷(lin)石膏(gao)的(de)微观(guan)结(jie)(jie)构来看，本文(wen)试(shi)验(yan)(yan)结(jie)(jie)果更为合理。

图(tu)7沉积(ji)磷石膏干密(mi)度与水平(ping)和垂直渗(shen)透系数比值(zhi)的关系

(2)渗透变形

图9为(wei)(wei)磷(lin)(lin)石膏干密度(du)为(wei)(wei)1.40g/cm3的水(shui)(shui)力梯度(du)J与流速(su)V的关(guan)系曲线，试(shi)(shi)验在水(shui)(shui)平管(guan)涌仪(yi)中(zhong)采(cai)用(yong)(yong)水(shui)(shui)平方(fang)向的渗流形(xing)(xing)式进行(xing)(xing)。试(shi)(shi)验得到的临(lin)界坡(po)(po)降(jiang)Jc=0.355，破坏(huai)坡(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一般来说，对(dui)(dui)1，2级(ji)工程(cheng)，渗透(tou)安全系数取(qu)为(wei)(wei)2.5，则允(yun)许出逸坡(po)(po)降(jiang)为(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)(dui)3级(ji)以下工程(cheng)，渗透(tou)安全系数取(qu)2.0，则允(yun)许出逸坡(po)(po)降(jiang)为(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)许比(bi)降(jiang)与粉土一粉砂大致相同。但(dan)(dan)上(shang)述渗透(tou)变(bian)形(xing)(xing)试(shi)(shi)验是(shi)(shi)采(cai)用(yong)(yong)自来水(shui)(shui)进行(xing)(xing)的，自来水(shui)(shui)对(dui)(dui)磷(lin)(lin)石膏具(ju)有一定(ding)的溶蚀作(zuo)用(yong)(yong)，而(er)实际上(shang)磷(lin)(lin)石膏中(zhong)残余(yu)磷(lin)(lin)、硫和氟(fu)酸(suan)，库水(shui)(shui)的pH值一般小于(yu)3(称之为(wei)(wei)酸(suan)性(xing)水(shui)(shui))，在酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)(yong)下，磷(lin)(lin)石膏不会发生破坏(huai)，上(shang)述试(shi)(shi)验结果是(shi)(shi)偏于(yu)保守的，但(dan)(dan)对(dui)(dui)非酸(suan)性(xing)水(shui)(shui)条(tiao)件(例(li)如特大暴雨)下的渗透(tou)稳定(ding)判(pan)断有一定(ding)的借(jie)鉴意义。

图9水力梯度J-流速v试(shi)验过程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特(te)征(zheng)试验

试验在5Bar的压力板仪中进(jin)行(xing)，环刀(dao)尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3组(zu)，吸力范围(wei)0～500kPa。表l列出了含(han)水率特征值，试验曲线见图(tu)10所(suo)示(shi)。

试验结果表明(ming)：①干(gan)密度对进气(qi)值没有明(ming)显的(de)(de)影响(xiang)，不同干(gan)密度的(de)(de)试样(yang)的(de)(de)进气(qi)值大(da)致在(zai)10kPa左右；②土样(yang)残(can)余(yu)含(han)水率(lv)随(sui)干(gan)密度的(de)(de)增加而减少，残(can)余(yu)含(han)水率(lv)约为饱和(he)含(han)水率(lv)的(de)(de)10%。上述特性与粉土一(yi)粉砂基本(ben)一(yi)致。

2.3静力力学特性(xing)

(1)三(san)轴CU试验

由于沉积磷石膏的(de)密(mi)(mi)度(du)变化较大，而进(jin)行(xing)三轴(zhou)试验(yan)(yan)需要若干(gan)(gan)原状样(yang)，为(wei)使(shi)试验(yan)(yan)结果具(ju)有(you)较好(hao)的(de)一(yi)致性，有(you)针对(dui)性的(de)选(xuan)择(ze)平均干(gan)(gan)密(mi)(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(de)若干(gan)(gan)试样(yang)，进(jin)行(xing)了5组三轴(zhou)CU试验(yan)(yan)。图11是为(wei)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)为(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)三轴(zhou)CU试验(yan)(yan)曲线。

从图(tu)11可以看出，磷(lin)石膏(gao)的应力(li)应变关系(xi)曲线在(zai)(zai)低围压下表(biao)现(xian)为(wei)(wei)软化型(xing)，在(zai)(zai)高围压下表(biao)现(xian)为(wei)(wei)硬化型(xing)，与(yu)一(yi)般土类相(xiang)似。但与(yu)一(yi)般粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂不同(tong)的是，即使在(zai)(zai)较为(wei)(wei)疏松的状态下，磷(lin)石膏(gao)仍表(biao)现(xian)了较为(wei)(wei)强烈的剪胀，随密(mi)实(shi)度增大，剪胀作用愈发明显。

表(biao)2给(ji)出了不同干(gan)密(mi)度下的(de)(de)内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角，图12给(ji)出了内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角与干(gan)密(mi)度的(de)(de)关系曲线。随干(gan)密(mi)度的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角也随之(zhi)增(zeng)(zeng)大，且可采用(yong)幂函(han)数较(jiao)(jiao)好地拟(ni)(ni)合。磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)度由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了32%，总应(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)(wei)(wei)37.3°(根(gen)据拟(ni)(ni)合曲线求得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)(wei)(wei)9.4%，有效(xiao)应(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)(wei)(wei)3.2%，由(you)于随围压(ya)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，孔(kong)压(ya)也明(ming)显(xian)增(zeng)(zeng)大，故有效(xiao)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角增(zeng)(zeng)幅(fu)较(jiao)(jiao)之(zhi)总应(ying)力摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角要小。另外较(jiao)(jiao)之(zhi)于干(gan)密(mi)度增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并(bing)不显(xian)著，表(biao)明(ming)即使较(jiao)(jiao)为(wei)(wei)(wei)疏松的(de)(de)磷石膏(gao)仍具有较(jiao)(jiao)高的(de)(de)强度指标(biao)，这也表(biao)明(ming)磷石膏(gao)堆(dui)积坝的(de)(de)稳定(ding)性(xing)较(jiao)(jiao)高。

(2)蠕(ru)变(次(ci)固(gu)结)变形试(shi)验

磷(lin)石膏的蠕变变形试(shi)(shi)验(yan)在侧(ce)限压缩仪(yi)中(zhong)进行，试(shi)(shi)验(yan)状态相当(dang)于K0固结。试(shi)(shi)样(yang)(yang)直径61.8mm，高度(du)20mm，试(shi)(shi)样(yang)(yang)干密度(du)为(wei)1.30g/cm3，对试(shi)(shi)样(yang)(yang)饱(bao)和后分别开展了上覆压力ρ为(wei)100，200，400，800kPa的试(shi)(shi)验(yan)，

试(shi)验(yan)从(cong)2012年8月(yue)27日开始，试(shi)验(yan)己进行了1年多，试(shi)验(yan)结果见图13所(suo)示。

从图13中可以看出(chu)：上覆(fu)荷(he)载(zai)越(yue)大(da)，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)蠕(ru)(ru)变变形也越(yue)大(da)，荷(he)载(zai)施加1年后，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)蠕(ru)(ru)变变形仍(reng)非常显著，尚未(wei)达(da)到稳定状态，这也是磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆积坝(ba)后期(qi)变形较大(da)的(de)(de)原因，原型观(guan)测资料表(biao)明(ming)，在5级子坝(ba)河床部位的(de)(de)表(biao)面沉降量已经达(da)到3.1m，且尚未(wei)完全(quan)稳定。

按时(shi)(shi)间(jian)(jian)对数(shu)法，可求得各级荷载下的(de)主(zhu)次固(gu)结(jie)变(bian)(bian)形(xing)量(liang)如(ru)表3所(suo)示。试验结(jie)果表明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷载作用下，在(zai)(zai)试验时(shi)(shi)间(jian)(jian)范围内蠕变(bian)(bian)(次固(gu)结(jie))变(bian)(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)结(jie)变(bian)(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，当然由于(yu)(yu)蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形(xing)尚未完成(cheng)，实际的(de)蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形(xing)应更大(da)。对土(tu)体(ti)而言，发生(sheng)蠕变(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是(shi)由于(yu)(yu)土(tu)体(ti)在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)结(jie)完成(cheng)之(zhi)后，土(tu)体(ti)中仍(reng)有微小(xiao)的(de)超静(jing)孔隙压力存在(zai)(zai)，驱使(shi)水(shui)在(zai)(zai)颗粒问流(liu)动，一般来讲(jiang)土(tu)体(ti)的(de)次固(gu)结(jie)远小(xiao)于(yu)(yu)主(zhu)固(gu)结(jie)变(bian)(bian)形(xing)；对磷(lin)石膏而言，其渗(shen)透系(xi)数(shu)在(zai)(zai)10-4cm/s数(shu)量(liang)级，远大(da)于(yu)(yu)黏性土(tu)，但其却发生(sheng)了极(ji)为(wei)显著的(de)次固(gu)结(jie)变(bian)(bian)形(xing)，其原(yuan)因在(zai)(zai)于(yu)(yu)磷(lin)石膏晶体(ti)结(jie)构发生(sheng)了压缩(suo)、破坏，接(jie)触点晶格发生(sheng)歪(wai)曲和变(bian)(bian)形(xing)，而破坏后晶格之(zhi)间(jian)(jian)的(de)重新排列、调整到最后趋于(yu)(yu)相(xiang)对静(jing)止需要相(xiang)当长的(de)时(shi)(shi)间(jian)(jian)才(cai)能完成(cheng)。

2.4动力力学特性

试验设(she)备采用英国GDS公司(si)进(jin)口(kou)的电机控制动三(san)轴(zhou)试验系统，试样(yang)直径39.1mm，高度80mm。

(1)动模量和阻尼比

同样由于自然(ran)沉积的磷石(shi)膏密(mi)度变化较大，为(wei)此根据(ju)物(wu)理性(xing)质试验(yan)结果，选择两(liang)种平均干密(mi)度1.34g/cm3(变化范围(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(变化范围(wei)1.44～1.46g/cm3)进行(xing)试验(yan)。

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

式中k1为参数，表(biao)示(shi)动(dong)剪切(qie)模量的衰减或阻尼(ni)比的增长速率；λmax为最(zui)大阻尼(ni)比；Gmax，γd分别为最(zui)大动(dong)剪切(qie)模量和归(gui)一化的动(dong)剪应变，表(biao)示(shi)为

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

图(tu)14给(ji)出了(le)动剪切(qie)模量、阻尼比与归(gui)一化动应变(bian)的关(guan)系曲(qu)(qu)线(xian)(xian)，另外(wai)图(tu)中还给(ji)出了(le)式(1)的拟合(he)曲(qu)(qu)线(xian)(xian)以及Seed等给(ji)出的砂样的上下边界线(xian)(xian)，图(tu)例中，σ2表(biao)示围压，Kc表(biao)示固结应力比。

从图(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)较(jiao)好地描述磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)动(dong)(dong)应(ying)力-动(dong)(dong)应(ying)变试(shi)验曲线(xian)(xian)，表明(ming)采用(yong)等价黏弹性模(mo)型进行(xing)循环荷载作用(yong)下的(de)(de)(de)分析是可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)；②图(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密度(du)为1.45g/cm3的(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)(xian)位于干(gan)密度(du)为1.34g/cm3的(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)(xian)上方(fang)(fang)，图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则位于下方(fang)(fang)，表明(ming)密度(du)越(yue)大(da)，动(dong)(dong)弹模(mo)越(yue)大(da)、阻尼比越(yue)小；③图(tu)(tu)14(a)中(zhong)，两(liang)种(zhong)干(gan)密度(du)的(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)(xian)基(ji)本位于Seed等给出的(de)(de)(de)边界(jie)线(xian)(xian)上方(fang)(fang)，而图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则基(ji)本处于边界(jie)线(xian)(xian)中(zhong)间，表明(ming)相(xiang)比较(jiao)砂样(yang)，磷石(shi)膏(gao)动(dong)(dong)弹模(mo)较(jiao)大(da)，会导致磷石(shi)膏(gao)堆(dui)积坝(ba)的(de)(de)(de)动(dong)(dong)力反(fan)应(ying)较(jiao)大(da)，但由于阻尼比也(ye)较(jiao)大(da)，这(zhei)样(yang)又(you)会削弱坝(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)(dong)力反(fan)应(ying)，二者的(de)(de)(de)相(xiang)互(hu)影响下，磷石(shi)膏(gao)堆(dui)积坝(ba)坝(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)(dong)力反(fan)应(ying)将不会过于强烈，这(zhei)对磷石(shi)膏(gao)堆(dui)积坝(ba)的(de)(de)(de)抗(kang)震稳定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)动(dong)强度

选择两(liang)种平均干密(mi)度为1.12(变(bian)化(hua)(hua)范(fan)(fan)围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变(bian)化(hua)(hua)范(fan)(fan)围1.29～1.3lg/cm3)进行试验(yan)，破坏标准(zhun)为总(zong)应变(bian)达到10%。

图(tu)15给(ji)出了动剪(jian)应(ying)(ying)(ying)力比(bi)τd/σ0′与(yu)(yu)破坏振次Nf的(de)关系曲线图(tu)，其中σ0为(wei)振前试样45°面上(shang)的(de)有效法向应(ying)(ying)(ying)力，表(biao)达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固结(jie)比(bi)。从试验(yan)结(jie)果可以看出，沉积磷(lin)石膏的(de)动强(qiang)度与(yu)(yu)其它土体相似，表(biao)现(xian)为(wei)围压和固结(jie)应(ying)(ying)(ying)力比(bi)与(yu)(yu)动剪(jian)应(ying)(ying)(ying)力比(bi)呈负(fu)相关关系。

为(wei)判别沉(chen)积磷(lin)石(shi)膏的抗(kang)液(ye)化能力，假定抗(kang)震设计烈度为(wei)8度，即等(deng)效振(zhen)次Ⅳ可取为(wei)30。首先由式(4)

所(suo)示的幂函数关系(xi)式得到振(zhen)次为30时(shi)各个(ge)围压和(he)固(gu)结比下的动剪应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合求得动剪应(ying)力比(bi)与围压和(he)固结应(ying)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(shang)述拟合关系式可见，密(mi)实度(du)提高后，动(dong)(dong)剪(jian)应力比提高，表(biao)(biao)明抗液(ye)化(hua)能力也(ye)提高。但(dan)即(ji)使是在低密(mi)度(du)下，其动(dong)(dong)剪(jian)应力比较(jiao)之(zhi)同(tong)类的粉土或粉砂也(ye)大出许多(duo)，表(biao)(biao)明磷石膏具(ju)有(you)较(jiao)高的抗液(ye)化(hua)能力。

三、结论

依托柳树(shu)箐(qing)磷石膏堆积(ji)坝，在钻(zuan)探取样(yang)工作的基础(chu)上，首先开(kai)展了物(wu)理性(xing)(xing)质(zhi)试验，然后开(kai)展了静动力力学特性(xing)(xing)试验。通过上述试验研究，得出(chu)如下结(jie)论：

(1)沉积磷石膏总体上(shang)属(shu)(shu)于级(ji)配不(bu)良的(de)粉土，局部(bu)属(shu)(shu)于粉砂一中砂，无自(zi)然(ran)分级(ji)现(xian)象。其干(gan)密度和(he)粒径变(bian)化随埋深或距放浆口距离(li)的(de)变(bian)化不(bu)明显。

(2)沉积磷石膏(gao)水(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)的(de)渗透(tou)系数大于垂直方(fang)向(xiang)的(de)渗透(tou)系数，呈现明显(xian)的(de)各(ge)向(xiang)异性。

(3)与土体颗粒不可(ke)压(ya)缩(suo)不同，磷石膏的晶(jing)体结(jie)构(gou)会(hui)发生压(ya)缩(suo)破坏，具有较(jiao)大的压(ya)缩(suo)性，其次固结(jie)变形量远大于(yu)主固结(jie)变形量。

(4)沉积磷石膏的静动强度较(jiao)之同(tong)等密实度下的粉土、粉砂要高。