沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘要：磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是磷酸生产(chan)(chan)过(guo)程(cheng)(cheng)中的副产(chan)(chan)品，目前(qian)的综合利用率尚不足40%，大部分(fen)(fen)需(xu)要(yao)(yao)堆存(cun)存(cun)放。受地形(xing)限制和经济效益考虑，中国主要(yao)(yao)为湿法堆存(cun)的山谷型堆场。依托(tuo)柳(liu)树箐磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆积(ji)(ji)(ji)坝(ba)，针对(dui)(dui)沉积(ji)(ji)(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)首先开展了密(mi)度、含水(shui)率、渗(shen)透、土水(shui)特(te)征和颗分(fen)(fen)等物理性(xing)质(zhi)试(shi)验，然后开展了三轴cu、蠕(ru)变(bian)及(ji)动(dong)三轴等力学特(te)性(xing)试(shi)验。试(shi)验结果表明：①沉积(ji)(ji)(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的干密(mi)度与埋深(shen)没有相关关系；②沉积(ji)(ji)(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)不具有自然分(fen)(fen)级(ji)现象，但具有明显(xian)的各(ge)向异性(xing)；③沉积(ji)(ji)(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有较高(gao)的摩擦(ca)角和抗液化能力，但其(qi)蠕(ru)变(bian)变(bian)形(xing)较大、渗(shen)透比降较小。上(shang)述工作为分(fen)(fen)析磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆积(ji)(ji)(ji)坝(ba)的坝(ba)体稳定性(xing)提供(gong)了基础，对(dui)(dui)现行磷石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库的运行管理以及(ji)新(xin)建工程(cheng)(cheng)的设(she)计具有重要(yao)(yao)的借鉴意义。

引言

磷石(shi)(shi)膏(gao)是(shi)湿(shi)(shi)(shi)法磷酸生产过程(cheng)中的(de)(de)(de)副产品，2018年，全(quan)国磷石(shi)(shi)膏(gao)产生量(liang)为(wei)7800万吨，且呈逐年增长的(de)(de)(de)态(tai)势。磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)主要(yao)成分(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但含有一(yi)(yi)(yi)定量(liang)的(de)(de)(de)氟化(hua)物(wu)(wu)和(he)其它(ta)放射性物(wu)(wu)质，在(zai)中国通常按(an)Ⅱ类一(yi)(yi)(yi)般工(gong)业(ye)固体废(fei)物(wu)(wu)处(chu)(chu)理，鉴于(yu)无害化(hua)处(chu)(chu)理成本(ben)(ben)较(jiao)高，目前(qian)综合(he)利(li)用(yong)率尚不足40%，故大部分(fen)磷石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按(an)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)场地(di)的(de)(de)(de)不同，可分(fen)为(wei)平(ping)地(di)型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和(he)截(jie)河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)场，在(zai)中国基本(ben)(ben)上是(shi)山谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)场。相比较(jiao)干(gan)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，湿(shi)(shi)(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)经(jing)济(ji)优势明显，因而(er)如地(di)质条件(jian)为(wei)非碳酸盐岩地(di)区(qu)，一(yi)(yi)(yi)般均(jun)(jun)采(cai)用(yong)湿(shi)(shi)(shi)排湿(shi)(shi)(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。随着中国磷肥工(gong)业(ye)的(de)(de)(de)快(kuai)速发展(zhan)，本(ben)(ben)世纪初中国相继建设了几座(zuo)湿(shi)(shi)(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)(de)大型(xing)(xing)磷石(shi)(shi)膏(gao)库(ku)(ku)，例如云天化(hua)国际化(hua)工(gong)三(san)环(huan)分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)柳树(shu)箐磷石(shi)(shi)膏(gao)库(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)积(ji)坝和(he)富瑞分(fen)公司(si)的(de)(de)(de)杨家箐磷石(shi)(shi)膏(gao)库(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)积(ji)坝，这(zhei)两座(zuo)坝设计坝高均(jun)(jun)超过100m、处(chu)(chu)于(yu)8度(du)地(di)震区(qu)，其安全(quan)性备受关注。

据统计，110多年(1901年一2013年)来，全(quan)世界(jie)有(you)118座尾矿(kuang)坝曾(ceng)发生过(guo)破坏或溃坝事(shi)故，原因(yin)主(zhu)要有(you)地震、洪水漫(man)顶、渗(shen)透破坏和(he)基础失(shi)稳。尾矿(kuang)库失(shi)事(shi)后会造成巨(ju)大的生态灾难和(he)人员(yuan)伤亡，近几(ji)十年来，

国内(nei)外对金属尾矿的沉积规(gui)律、物(wu)理(li)力(li)学特性(xing)及其稳(wen)定性(xing)开(kai)展了大量(liang)的研究，但对于与金属尾矿库相(xiang)近的磷石膏库，一般(ban)仅(jin)限(xian)于在(zai)可(ke)研阶段(duan)采用(yong)人工制备样(yang)进行物(wu)理(li)力(li)学性(xing)质试验，并据此(ci)进行稳(wen)定性(xing)分析，尚(shang)未(wei)有人针对己运行若干(gan)年的大型湿(shi)法堆存(cun)磷石膏堆积坝开(kai)展过磷石膏沉积规(gui)律及其物(wu)理(li)力(li)学特性(xing)的专(zhuan)项研究。

本(ben)文依托(tuo)柳树箐磷(lin)石膏堆积(ji)(ji)(ji)坝(ba)，首先进行了(le)钻探取样(yang)(yang)，采用原(yuan)状(zhuang)(zhuang)样(yang)(yang)开展了(le)密度(du)、含水率、渗(shen)透(tou)、土水特(te)征和颗分等物理(li)(li)性质试(shi)(shi)(shi)验，在此(ci)基础上有针对(dui)性的(de)选择原(yuan)状(zhuang)(zhuang)样(yang)(yang)开展了(le)三轴(zhou)CU、蠕变(bian)及动三轴(zhou)等力学特(te)性试(shi)(shi)(shi)验。通过上述试(shi)(shi)(shi)验研(yan)究，总结了(le)磷(lin)石膏的(de)沉积(ji)(ji)(ji)规律、渗(shen)透(tou)特(te)性、渗(shen)透(tou)破坏特(te)性以及静动力特(te)性，上述研(yan)究工作对(dui)研(yan)究和评估磷(lin)石膏库(ku)堆积(ji)(ji)(ji)坝(ba)的(de)稳(wen)定性提(ti)供了(le)基础数据，对(dui)现行磷(lin)石膏库(ku)的(de)运行管理(li)(li)以及新建工程的(de)设计具有重要(yao)的(de)借鉴意义。

一、依(yi)托工程概况

1.1柳(liu)树箐磷(lin)石(shi)膏堆(dui)积坝堆(dui)存设计方案(an)

由初期(qi)坝(ba)和堆积坝(ba)组(zu)成，设计总(zong)坝(ba)高约130m。

(1)初期坝

初(chu)期坝坝高(gao)约30m，采用(yong)土(tu)料填筑(zhu)。上游坡面、坝底和(he)下(xia)游坝脚设置堆石排水体(ti)，三者相连通构成整个堆积坝的主要(yao)排渗系统(tong)。

(2)堆(dui)积坝及(ji)其辅助排渗措施

采用(yong)上游式筑坝(ba)(ba)法，共20级(ji)(ji)(ji)(ji)子(zi)(zi)(zi)坝(ba)(ba)，顶宽6～9m，高(gao)度5m，堆积高(gao)度约100m。采用(yong)排(pai)(pai)渗管网(wang)作为辅(fu)助(zhu)排(pai)(pai)渗方案，目前(qian)己在5级(ji)(ji)(ji)(ji)、9级(ji)(ji)(ji)(ji)子(zi)(zi)(zi)坝(ba)(ba)和13级(ji)(ji)(ji)(ji)子(zi)(zi)(zi)坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)前(qian)120m范围内设置了井字形排(pai)(pai)渗管网(wang)。

1.2沉积(ji)磷石膏的钻探(tan)取样

钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)平面位(wei)置见(jian)图l。2008年6月(yue)，堆(dui)积(ji)至5级(ji)子坝(ba)(ba)时，布(bu)设(she)了9个(ge)取(qu)(qu)样(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编(bian)号K1～K9，取(qu)(qu)原状样(yang)76件(jian)；2013年5月(yue)，堆(dui)积(ji)至13级(ji)子坝(ba)(ba)时，又(you)布(bu)设(she)了11个(ge)取(qu)(qu)样(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编(bian)号K10～K20，取(qu)(qu)原状样(yang)112件(jian)，为(wei)比较子坝(ba)(ba)加高和(he)磷石膏(gao)堆(dui)积(ji)过程(cheng)中磷石膏(gao)物理力学性质的变(bian)化(hua)，在2，4级(ji)子坝(ba)(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近(jin)各布(bu)设(she)了一个(ge)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编(bian)号分别(bie)为(wei)K17和(he)K18。

1.3运行概况

柳树箐(qing)磷石(shi)膏(gao)尾矿库(ku)2005年(nian)开工建设(she)，2006年(nian)1月投入运(yun)行，截至2013年(nian)5月己堆(dui)至13级子坝(ba)，尚(shang)有7级子坝(ba)即堆(dui)存(cun)至设(she)计高程(cheng)。鉴于磷石(shi)膏(gao)库(ku)地(di)形、地(di)质(zhi)条(tiao)件较好(hao)，具备扩容改造的(de)条(tiao)件，以提高堆(dui)存(cun)库(ku)容，减少堆(dui)存(cun)占(zhan)地(di)，节约土地(di)资源。

本文主要(yao)对沉积磷(lin)石膏(gao)(gao)的(de)物(wu)理力学特性进(jin)行了(le)全面总(zong)结，限于篇(pian)幅(fu)，有关现(xian)状磷(lin)石膏(gao)(gao)库堆(dui)积坝的(de)安全性评价及其加高(gao)可行性的(de)研究将另文发表。

二、沉(chen)积(ji)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)了14个(ge)钻孔(kong)的取样深度(du)和(he)(he)试(shi)验(yan)所得干密(mi)度(du)的关系(xi)，图(tu)中(zhong)(zhong)UWL表(biao)(biao)示水(shui)位(wei)线(xian)上(shang)(shang)，(系(xi)钻孔(kong)期间(jian)(jian)的初见水(shui)位(wei)线(xian)，下同(tong))，DWL表(biao)(biao)示水(shui)位(wei)线(xian)下。图(tu)3给出(chu)了水(shui)位(wei)线(xian)上(shang)(shang)下的饱和(he)(he)度(du)分布图(tu)。由于磷石(shi)膏(gao)中(zhong)(zhong)的主要成分为CaSO4·2H2O，不同(tong)温(wen)度(du)和(he)(he)烘(hong)烤时间(jian)(jian)对测定(ding)结果(guo)有一定(ding)影响，不能照搬现行的土工试(shi)验(yan)规范，本(ben)文(wen)磷石(shi)膏(gao)的含(han)水(shui)率测定(ding)方法为55℃温(wen)度(du)下烘(hong)培24h。

图2沉积磷(lin)石膏干密度与(yu)埋(mai)深的关系(xi)

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

由图(tu)3，水(shui)(shui)位线(xian)上的磷(lin)石(shi)(shi)膏饱(bao)(bao)和度平均值为(wei)(wei)50.4%，处于(yu)非饱(bao)(bao)和状态，水(shui)(shui)位线(xian)以下的磷(lin)石(shi)(shi)膏饱(bao)(bao)和度平均值为(wei)(wei)85.0%，基本处于(yu)饱(bao)(bao)和状态，由于(yu)水(shui)(shui)位下降后(hou)磷(lin)石(shi)(shi)膏来不及排(pai)水(shui)(shui)固(gu)结，故而水(shui)(shui)位线(xian)上局部试(shi)样(yang)的饱(bao)(bao)和度较高。

由(you)图2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)以上的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)间，均(jun)值为1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)以下(xia)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)间，均(jun)值为1.4g/cm3。可见(jian)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)与(yu)一般的(de)尾矿(kuang)有所不(bu)同(tong)，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)并不(bu)随埋深的(de)增大而(er)明(ming)显增大，但水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)以下(xia)的(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)从统计意义上来看仍大于水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)以上的(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)干(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)，这主要是由(you)于水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)随库水(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)变化反(fan)复升降而(er)使(shi)得(de)磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)(gao)排水(shui)(shui)固结所致(zhi)。

室(shi)内击实得到(dao)的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)最大(da)干密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之间，从图2可(ke)以看出(chu)(chu)，自然沉积的(de)(de)磷(lin)(lin)石膏(gao)最大(da)干密(mi)度可(ke)达到(dao)1.73g/cm3，原因(yin)如(ru)下：与经典的(de)(de)土(tu)骨架(jia)不可(ke)压(ya)缩(suo)的(de)(de)理论不同，石膏(gao)本身可(ke)压(ya)缩(suo)，同时由于(yu)(yu)颗粒结(jie)构(gou)不稳定，击实试验过程中磷(lin)(lin)石膏(gao)结(jie)构(gou)被(bei)破坏(huai)，受(shou)夯击处下陷，四(si)周鼓起，出(chu)(chu)现(xian)了类似于(yu)(yu)橡皮(pi)土(tu)的(de)(de)现(xian)象。而(er)在现(xian)场条件下，石膏(gao)骨架(jia)被(bei)破坏(huai)后(hou)，会(hui)导致颗粒中的(de)(de)结(jie)合水渗出(chu)(chu)至孔(kong)隙(xi)内，变(bian)成孔(kong)隙(xi)水，排水固(gu)结(jie)后(hou)会(hui)使得磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)(de)孔(kong)隙(xi)比减小(xiao)，干密(mi)度增(zeng)大(da)。

图4给(ji)出了相(xiang)邻钻(zuan)孔(kong)(kong)K2和(he)K17(位于2级子坝(ba)河(he)床(chuang)部(bu)位)以及相(xiang)邻钻(zuan)孔(kong)(kong)K6和(he)K18(位于4级子坝(ba)河(he)床(chuang)部(bu)位)干(gan)密(mi)度的(de)对比图。K2钻(zuan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度在1.12～1.47g/cm3之间(jian)(jian)(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)为1.30g/cm3，K17钻(zuan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度在1.2～1.39g/cm3之间(jian)(jian)(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)为1.32g/cm3；K6钻(zuan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度在1.13～1.57g/cm3之间(jian)(jian)(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)为1.36g/cm3，K18钻(zuan)孔(kong)(kong)的(de)干(gan)密(mi)度在1.14～1.59g/cm3之间(jian)(jian)(jian)，均(jun)(jun)值(zhi)为1.37g/cm3。可见，即(ji)使从统计意义(yi)上来看，磷石膏的(de)干(gan)密(mi)度也并未随后续磷石膏的(de)堆(dui)积(ji)而有(you)较为明显的(de)增(zeng)大。

(2)级配分布

颗粒分析试验(yan)采用密度计法，制备(bei)悬液时不煮沸(fei)，不加六(liu)偏磷酸钠(na)。图(tu)5给出了试验(yan)得到的级(ji)配包(bao)线、平均粒径d50、不均匀(yun)系(xi)(xi)数(shu)(1u和曲率系(xi)(xi)数(shu)Cc的分布图(tu)。

从(cong)图5(a)可(ke)见，磷(lin)石(shi)膏的粒径(jing)主要(yao)分布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之(zhi)间，总体上属于粉土，但可(ke)能由于矿石(shi)来源或生产(chan)工艺(yi)有所不同，局部属于粉砂(sha)～中(zhong)砂(sha)。粒径(jing)分布(bu)范(fan)围(wei)比(bi)Blight和张超等的试验结(jie)果(guo)要(yao)宽(kuan)一些。

图4子坝(ba)加高后沉积(ji)磷石膏(gao)的(de)干密度变(bian)化

图(tu)5沉积磷(lin)石膏(gao)的平均粒径和级配分布(bu)

由图5(b)和5(c)，无(wu)论是水平向(xiang)还是垂直向(xiang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)与金属矿(kuang)山尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)(de)“前粗后细，上粗下细”的(de)(de)(de)自(zi)然分级(ji)现象不(bu)同，也即粗颗粒(li)并(bing)(bing)不(bu)是沿埋深逐步减小(xiao)或距离放(fang)浆口(kou)越远颗粒(li)越细，其原(yuan)因(yin)如下：①磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)颗粒(li)粒(li)径(jing)组成(cheng)较(jiao)(jiao)为集中、均匀，主要以(yi)粉(fen)粒(li)组(0.005mm<d≤0.074mm)为主，级(ji)配较(jiao)(jiao)差(cha)；②相比较(jiao)(jiao)金属尾(wei)矿(kuang)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)比重(zhong)(zhong)较(jiao)(jiao)小(xiao)，磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)比重(zhong)(zhong)一般为2.3～2.4，远小(xiao)于(yu)金属尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)(de)比重(zhong)(zhong)，例(li)如铁(tie)尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)(de)比重(zhong)(zhong)可达2.9；③放(fang)浆口(kou)随子坝高(gao)度不(bu)断(duan)增加而(er)不(bu)断(duan)变动并(bing)(bing)向(xiang)库(ku)尾(wei)延(yan)伸，造成(cheng)沉(chen)积磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)粒(li)径(jing)变化不(bu)明(ming)显。

从图5(d)可见，不(bu)均(jun)匀系数Cu范围值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)1.61～21.5，平均(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)为(wei)4.18，曲率(lv)系数(1c范围值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)0.28～9.78，平均(jun)值(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)为(wei)1.21，在统计的(de)100多(duo)个试样中(zhong)，属于级(ji)配(pei)不(bu)良土的(de)占(zhan)93%。这(zhei)种级(ji)配(pei)特性决定(ding)了磷石(shi)膏具(ju)有(you)较高的(de)压缩性、渗(shen)透破坏(huai)型式(shi)表现(xian)为(wei)流土破坏(huai)。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影响渗(shen)透系(xi)(xi)数(shu)的(de)主要因素(su)是粒径大(da)小、级配和孔隙(xi)比(bi)，因而磷(lin)石膏的(de)渗(shen)透系(xi)(xi)数(shu)与(yu)(yu)粉土较(jiao)(jiao)为(wei)接(jie)近。由于(yu)孔隙(xi)比(bi)e减小，使得过水通(tong)道面积减小，渗(shen)透系(xi)(xi)数(shu)k也将减小，k与(yu)(yu)e呈正相关(guan)关(guan)系(xi)(xi)。对砂土，一般认为(wei)渗(shen)透系(xi)(xi)数(shu)k与(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)线性关(guan)系(xi)(xi)较(jiao)(jiao)好，图6给出了二(er)者间的(de)关(guan)系(xi)(xi)曲线，由于(yu)沉积磷(lin)石膏的(de)不均匀系(xi)(xi)数(shu)变(bian)化(hua)(hua)较(jiao)(jiao)大(da)，使得沉积磷(lin)石膏的(de)渗(shen)透系(xi)(xi)数(shu)变(bian)化(hua)(hua)范围较(jiao)(jiao)大(da)(平(ping)均值为(wei)10-4cm/s数(shu)量级)，二(er)者问的(de)线性关(guan)系(xi)(xi)较(jiao)(jiao)差(cha)。

图6沉积磷石膏渗透系数与孔隙比(bi)的关(guan)系

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

图(tu)7给出了(le)水(shui)(shui)平(ping)与垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)渗透系(xi)(xi)(xi)数(shu)比值的(de)分布(bu)。沉(chen)积磷石(shi)膏(gao)的(de)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)渗透系(xi)(xi)(xi)数(shu)kh一(yi)般(ban)大于(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)的(de)渗透系(xi)(xi)(xi)数(shu)kv,kh/kv平(ping)均值约为2.86，这一(yi)点与成(cheng)层分布(bu)的(de)金属尾矿规律一(yi)致。造成(cheng)沉(chen)积磷石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)渗透系(xi)(xi)(xi)数(shu)大于(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)向(xiang)渗透系(xi)(xi)(xi)数(shu)的(de)原因是由(you)于(yu)磷石(shi)膏(gao)具(ju)有(you)明显(xian)的(de)晶体结构(gou)，电镜扫描(miao)显(xian)示多为菱形和(he)棱(leng)柱状形式(见图(tu)8)，在沉(chen)积过程中，由(you)于(yu)扁平(ping)状磷石(shi)膏(gao)颗粒多呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)排列(lie)，使得水(shui)(shui)平(ping)方向(xiang)的(de)透水(shui)(shui)性大于(yu)垂(chui)直(zhi)(zhi)(zhi)方向(xiang)的(de)透水(shui)(shui)性，从而(er)使磷石(shi)膏(gao)呈(cheng)现明显(xian)的(de)各向(xiang)异性。

另根据中国有色金属(shu)工(gong)业(ye)昆明勘察设计(ji)研(yan)究(jiu)院在杨家箐(qing)磷石(shi)(shi)膏堆积坝开展的(de)现(xian)场(chang)渗透试(shi)验(yan)(yan)，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)约(yue)为1.9。但张超等的(de)室内试(shi)验(yan)(yan)显示，kh/kv的(de)平均(jun)值(zhi)约(yue)为0.46，也(ye)即垂直向渗透系数(shu)大于(yu)水(shui)平向渗透系数(shu)，与本文和现(xian)场(chang)试(shi)验(yan)(yan)结果(guo)恰(qia)恰(qia)相反。从磷石(shi)(shi)膏的(de)微观(guan)结构来看(kan)，本文试(shi)验(yan)(yan)结果(guo)更为合理(li)。

图7沉积磷石膏干密度与水平和垂直(zhi)渗透系(xi)数比值的关(guan)系(xi)

(2)渗透变形

图9为(wei)(wei)磷(lin)(lin)石膏(gao)干密度(du)为(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)力梯度(du)J与(yu)流速(su)V的(de)(de)(de)关系(xi)曲线，试(shi)验(yan)在水(shui)平(ping)管涌仪中(zhong)采用(yong)(yong)水(shui)平(ping)方向的(de)(de)(de)渗(shen)流形式进(jin)行。试(shi)验(yan)得(de)到的(de)(de)(de)临界坡降Jc=0.355，破(po)(po)坏坡降Jp=0.375。一(yi)(yi)般来说，对(dui)1，2级工(gong)程(cheng)，渗(shen)透(tou)安全(quan)系(xi)数取为(wei)(wei)2.5，则允(yun)许(xu)出逸坡降为(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)3级以(yi)下工(gong)程(cheng)，渗(shen)透(tou)安全(quan)系(xi)数取2.0，则允(yun)许(xu)出逸坡降为(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)许(xu)比(bi)降与(yu)粉土(tu)一(yi)(yi)粉砂大(da)致(zhi)相同。但上(shang)述(shu)渗(shen)透(tou)变形试(shi)验(yan)是采用(yong)(yong)自来水(shui)进(jin)行的(de)(de)(de)，自来水(shui)对(dui)磷(lin)(lin)石膏(gao)具有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)溶蚀作用(yong)(yong)，而实际上(shang)磷(lin)(lin)石膏(gao)中(zhong)残余磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)，库水(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)(yi)般小于3(称之为(wei)(wei)酸(suan)性水(shui))，在酸(suan)性水(shui)作用(yong)(yong)下，磷(lin)(lin)石膏(gao)不会发(fa)生破(po)(po)坏，上(shang)述(shu)试(shi)验(yan)结(jie)果是偏于保(bao)守的(de)(de)(de)，但对(dui)非酸(suan)性水(shui)条(tiao)件(例如特大(da)暴雨)下的(de)(de)(de)渗(shen)透(tou)稳定判(pan)断有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)借鉴意义。

图9水力梯度J-流速v试(shi)验过程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试验

试(shi)验在5Bar的压(ya)力板仪中(zhong)进行，环(huan)刀尺(chi)寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共3组，吸力范围0～500kPa。表(biao)l列出了(le)含水率特征值，试(shi)验曲(qu)线(xian)见图10所示。

试(shi)验结果表明(ming)：①干密(mi)度对进气(qi)值没有明(ming)显的(de)(de)影(ying)响，不(bu)同干密(mi)度的(de)(de)试(shi)样的(de)(de)进气(qi)值大致在10kPa左右；②土样残余含水率(lv)(lv)随干密(mi)度的(de)(de)增加而(er)减(jian)少，残余含水率(lv)(lv)约为饱和含水率(lv)(lv)的(de)(de)10%。上述特性(xing)与粉土一(yi)粉砂基本一(yi)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(mi)度变化较大，而(er)进(jin)行(xing)三轴试(shi)验(yan)需(xu)要(yao)若干(gan)原状样，为使试(shi)验(yan)结果具(ju)有(you)较好的(de)(de)一致性，有(you)针对性的(de)(de)选(xuan)择(ze)平均干(gan)密(mi)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(he)(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)(de)若干(gan)试(shi)样，进(jin)行(xing)了(le)5组(zu)三轴CU试(shi)验(yan)。图11是为干(gan)密(mi)度为1.2和(he)(he)1.58g/cm3的(de)(de)三轴CU试(shi)验(yan)曲线(xian)。

从图(tu)11可以看出，磷石(shi)膏(gao)的(de)应(ying)力应(ying)变关系曲线(xian)在低围压下表现为(wei)软化(hua)型，在高围压下表现为(wei)硬化(hua)型，与(yu)一般土(tu)类(lei)相似。但与(yu)一般粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂不同的(de)是，即使在较为(wei)疏松的(de)状(zhuang)态下，磷石(shi)膏(gao)仍表现了较为(wei)强烈的(de)剪胀，随密实度增大，剪胀作(zuo)用愈发明(ming)显(xian)。

表2给(ji)出了不同干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)下(xia)的内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，图12给(ji)出了内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)与干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的关系曲(qu)线(xian)。随干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的增(zeng)(zeng)(zeng)大，内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)随之增(zeng)(zeng)(zeng)大，且可(ke)采用(yong)幂函数较好地拟合。磷石膏(gao)的干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，总应(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)37.3°(根据拟合曲(qu)线(xian)求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)为(wei)9.4%，有效应(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)为(wei)3.2%，由于随围压的增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔压也(ye)明(ming)(ming)显(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)较之总应(ying)力(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要(yao)小。另外较之于干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不显(xian)著，表明(ming)(ming)即使较为(wei)疏松的磷石膏(gao)仍(reng)具(ju)有较高的强度(du)(du)指标，这也(ye)表明(ming)(ming)磷石膏(gao)堆积坝的稳定(ding)性较高。

(2)蠕变(次固(gu)结)变形试验

磷石(shi)膏的(de)(de)蠕(ru)变变形试(shi)(shi)验在侧限压缩仪中进行，试(shi)(shi)验状态相当于K0固结。试(shi)(shi)样直径61.8mm，高度(du)20mm，试(shi)(shi)样干密度(du)为1.30g/cm3，对试(shi)(shi)样饱(bao)和后分别(bie)开(kai)展了上覆(fu)压力(li)ρ为100，200，400，800kPa的(de)(de)试(shi)(shi)验，

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

从(cong)图13中可(ke)以(yi)看出：上(shang)覆荷载(zai)越大(da)，磷石(shi)膏(gao)的蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形也越大(da)，荷载(zai)施加1年后(hou)，磷石(shi)膏(gao)的蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形仍非常显(xian)著(zhu)，尚未达到稳定状态，这也是磷石(shi)膏(gao)堆积坝(ba)后(hou)期(qi)变(bian)(bian)形较(jiao)大(da)的原(yuan)因，原(yuan)型观测资料表明，在5级子(zi)坝(ba)河(he)床部位的表面沉降量已(yi)经达到3.1m，且(qie)尚未完(wan)全稳定。

按时(shi)间(jian)(jian)(jian)对数法，可求得各级(ji)荷(he)载下的(de)(de)(de)主(zhu)次固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)形量如表3所示(shi)。试验结(jie)(jie)果(guo)表明(ming)，在(zai)(zai)100～400kPa上覆(fu)荷(he)载作(zuo)用下，在(zai)(zai)试验时(shi)间(jian)(jian)(jian)范围内蠕变(bian)(bian)(bian)(次固(gu)结(jie)(jie))变(bian)(bian)(bian)形是(shi)主(zhu)固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，当然由(you)于(yu)蠕变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形尚未完(wan)成，实(shi)际(ji)的(de)(de)(de)蠕变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形应更大(da)。对土(tu)(tu)(tu)体而言(yan)，发(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)蠕变(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因是(shi)由(you)于(yu)土(tu)(tu)(tu)体在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)结(jie)(jie)完(wan)成之(zhi)后(hou)，土(tu)(tu)(tu)体中(zhong)仍有微小(xiao)的(de)(de)(de)超(chao)静(jing)孔(kong)隙压(ya)力存在(zai)(zai)，驱(qu)使水在(zai)(zai)颗粒问(wen)流动，一般来讲土(tu)(tu)(tu)体的(de)(de)(de)次固(gu)结(jie)(jie)远小(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)形；对磷石膏而言(yan)，其(qi)渗(shen)透系数在(zai)(zai)10-4cm/s数量级(ji)，远大(da)于(yu)黏性土(tu)(tu)(tu)，但其(qi)却(que)发(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了(le)极(ji)为显著的(de)(de)(de)次固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)形，其(qi)原因在(zai)(zai)于(yu)磷石膏晶体结(jie)(jie)构发(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)了(le)压(ya)缩、破(po)坏，接触(chu)点晶格发(fa)(fa)(fa)生(sheng)(sheng)歪曲和变(bian)(bian)(bian)形，而破(po)坏后(hou)晶格之(zhi)间(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)重新排列(lie)、调整到(dao)最后(hou)趋于(yu)相(xiang)对静(jing)止需要相(xiang)当长的(de)(de)(de)时(shi)间(jian)(jian)(jian)才能完(wan)成。

2.4动力力学特性

试(shi)验(yan)设备采用(yong)英国GDS公司进口的电机控制动三轴试(shi)验(yan)系统，试(shi)样直径39.1mm，高度80mm。

(1)动模量和(he)阻尼比

同样由(you)于(yu)自然沉积的磷石膏密度(du)变(bian)化较大，为此根据物理性质试验(yan)结(jie)果，选择两种平(ping)均干密度(du)1.34g/cm3(变(bian)化范围1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(变(bian)化范围1.44～1.46g/cm3)进行试验(yan)。

Hardin-Dmevich建议的动剪(jian)切模量G、阻尼比与剪(jian)应(ying)变幅值γd的关系式(shi)如下：

式中k1为(wei)参数，表示动剪切(qie)模量(liang)的衰(shuai)减或(huo)阻尼比(bi)的增长(zhang)速率；λmax为(wei)最(zui)大阻尼比(bi)；Gmax，γd分(fen)别(bie)为(wei)最(zui)大动剪切(qie)模量(liang)和归一化的动剪应变(bian)，表示为(wei)

式中k2,n为(wei)参数(shu)；σm为(wei)球应(ying)力；Pa为(wei)标准大气(qi)压；vd为(wei)动泊松比；εa为(wei)归一化的动应(ying)变(bian)，表达(da)为(wei)

图14给出了动剪(jian)切模量、阻尼比与归一化动应(ying)(ying)变(bian)的关系曲(qu)(qu)线(xian)(xian)，另外图中还给出了式(1)的拟(ni)合(he)曲(qu)(qu)线(xian)(xian)以(yi)及(ji)Seed等给出的砂样的上(shang)下边(bian)界线(xian)(xian)，图例中，σ2表示围压，Kc表示固(gu)结应(ying)(ying)力比。

从(cong)图(tu)中(zhong)可以看出：①式(shi)(1)可较(jiao)好(hao)地描述磷(lin)(lin)石膏的(de)(de)动(dong)应(ying)(ying)力(li)-动(dong)应(ying)(ying)变试验曲线(xian)(xian)，表(biao)明采(cai)用(yong)等价黏弹(dan)性模型进行(xing)循环(huan)荷载作用(yong)下(xia)的(de)(de)分析是可行(xing)的(de)(de)；②图(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密(mi)度(du)为(wei)1.45g/cm3的(de)(de)拟合(he)(he)线(xian)(xian)位于干(gan)密(mi)度(du)为(wei)1.34g/cm3的(de)(de)拟合(he)(he)线(xian)(xian)上方(fang)，图(tu)14(b)中(zhong)则位于下(xia)方(fang)，表(biao)明密(mi)度(du)越(yue)大，动(dong)弹(dan)模越(yue)大、阻尼比(bi)越(yue)小(xiao)；③图(tu)14(a)中(zhong)，两种干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)拟合(he)(he)线(xian)(xian)基(ji)本(ben)位于Seed等给(ji)出的(de)(de)边(bian)(bian)界线(xian)(xian)上方(fang)，而图(tu)14(b)中(zhong)则基(ji)本(ben)处于边(bian)(bian)界线(xian)(xian)中(zhong)间，表(biao)明相(xiang)比(bi)较(jiao)砂样(yang)，磷(lin)(lin)石膏动(dong)弹(dan)模较(jiao)大，会(hui)导致磷(lin)(lin)石膏堆积坝的(de)(de)动(dong)力(li)反应(ying)(ying)较(jiao)大，但由于阻尼比(bi)也较(jiao)大，这(zhei)样(yang)又(you)会(hui)削(xue)弱(ruo)坝体的(de)(de)动(dong)力(li)反应(ying)(ying)，二者(zhe)的(de)(de)相(xiang)互(hu)影响下(xia)，磷(lin)(lin)石膏堆积坝坝体的(de)(de)动(dong)力(li)反应(ying)(ying)将不会(hui)过于强烈(lie)，这(zhei)对磷(lin)(lin)石膏堆积坝的(de)(de)抗震稳定(ding)性是有利的(de)(de)。

(2)动强度

选择两种(zhong)平均干密度为1.12(变化(hua)(hua)范围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变化(hua)(hua)范围1.29～1.3lg/cm3)进(jin)行试验，破坏标准为总应变达到10%。

图15给出了动剪应力(li)比(bi)(bi)(bi)τd/σ0′与(yu)(yu)破(po)坏振次(ci)Nf的(de)关(guan)(guan)系曲线图，其中(zhong)σ0为(wei)(wei)(wei)振前试样(yang)45°面上的(de)有效法向应力(li)，表达为(wei)(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)(wei)(wei)固(gu)结比(bi)(bi)(bi)。从(cong)试验结果可以看出，沉积磷石膏的(de)动强度与(yu)(yu)其它(ta)土体(ti)相似，表现为(wei)(wei)(wei)围压(ya)和固(gu)结应力(li)比(bi)(bi)(bi)与(yu)(yu)动剪应力(li)比(bi)(bi)(bi)呈负相关(guan)(guan)关(guan)(guan)系。

为判(pan)别沉积磷石膏的(de)抗液化(hua)能力，假定抗震设计烈(lie)度(du)为8度(du)，即等效振(zhen)次Ⅳ可取(qu)为30。首先由式(4)

所示的幂函数关系(xi)式得到振次(ci)为(wei)30时各个围(wei)压和(he)固结比(bi)下的动剪应(ying)力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合(he)求得动剪(jian)应力比与围压(ya)和(he)固结应力比的关系式：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。

从上述拟合关系式可见，密实度提(ti)高(gao)(gao)后，动(dong)(dong)剪应力(li)(li)比提(ti)高(gao)(gao)，表明(ming)抗液化能力(li)(li)也提(ti)高(gao)(gao)。但即使是(shi)在低密度下，其动(dong)(dong)剪应力(li)(li)比较之同类的粉土或粉砂也大出(chu)许(xu)多，表明(ming)磷石膏具有较高(gao)(gao)的抗液化能力(li)(li)。

三、结论

依托柳树箐磷石膏堆积坝，在(zai)钻探取样工作的基础上，首(shou)先(xian)开展了物理性质试验(yan)，然(ran)后开展了静动力力学特性试验(yan)。通过上述(shu)试验(yan)研究，得出如下结论：

(1)沉积磷石膏总(zong)体上属(shu)于级配(pei)不良的(de)粉(fen)土，局部属(shu)于粉(fen)砂一中砂，无(wu)自然分(fen)级现象。其干(gan)密度(du)和粒径变(bian)化随(sui)埋深或距放浆口距离的(de)变(bian)化不明显(xian)。

(2)沉(chen)积磷石膏水平方向(xiang)(xiang)的渗透系数大(da)于垂(chui)直(zhi)方向(xiang)(xiang)的渗透系数，呈现明显的各向(xiang)(xiang)异性(xing)。

(3)与土体颗粒(li)不(bu)可压(ya)缩(suo)不(bu)同，磷石膏的(de)晶体结构会发(fa)生(sheng)压(ya)缩(suo)破坏，具有(you)较大的(de)压(ya)缩(suo)性，其次(ci)固(gu)结变(bian)形(xing)(xing)量远(yuan)大于主(zhu)固(gu)结变(bian)形(xing)(xing)量。

(4)沉(chen)积磷石膏(gao)的静动强度较之同等(deng)密(mi)实度下的粉土、粉砂要高(gao)。