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

磷石膏(gao)是湿(shi)(shi)法(fa)磷酸(suan)生(sheng)产过程中(zhong)的(de)(de)副产品，2018年(nian)(nian)，全国(guo)磷石膏(gao)产生(sheng)量(liang)为7800万吨(dun)，且(qie)呈逐(zhu)年(nian)(nian)增长的(de)(de)态势。磷石膏(gao)的(de)(de)主(zhu)要成分是CaO和SO3，但含有一(yi)定(ding)量(liang)的(de)(de)氟化(hua)物和其它放射性物质，在中(zhong)国(guo)通常按Ⅱ类一(yi)般工(gong)业(ye)固体(ti)废物处理(li)，鉴于无害(hai)化(hua)处理(li)成本较高(gao)，目(mu)前综合利用(yong)率尚不足40%，故大(da)部分磷石膏(gao)需要堆(dui)存(cun)(cun)存(cun)(cun)放。按堆(dui)存(cun)(cun)场(chang)地的(de)(de)不同，可分为平地型(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)场(chang)，在中(zhong)国(guo)基本上(shang)是山谷型(xing)(xing)堆(dui)场(chang)。相比较干法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)，湿(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)经(jing)济优势明(ming)显，因(yin)而如地质条件为非(fei)碳酸(suan)盐岩地区，一(yi)般均采用(yong)湿(shi)(shi)排(pai)湿(shi)(shi)堆(dui)方式。随着中(zhong)国(guo)磷肥工(gong)业(ye)的(de)(de)快速发展，本世纪初中(zhong)国(guo)相继建(jian)设(she)了几座湿(shi)(shi)法(fa)堆(dui)存(cun)(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)(xing)磷石膏(gao)库(ku)，例如云天化(hua)国(guo)际化(hua)工(gong)三(san)环分公司(si)的(de)(de)柳(liu)树箐磷石膏(gao)库(ku)堆(dui)积坝(ba)和富瑞分公司(si)的(de)(de)杨(yang)家箐磷石膏(gao)库(ku)堆(dui)积坝(ba)，这(zhei)两座坝(ba)设(she)计坝(ba)高(gao)均超过100m、处于8度地震区，其安全性备受关注。

据统计，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))来，全世界有118座尾矿(kuang)坝曾发生(sheng)(sheng)过破坏或溃坝事(shi)故，原因主要有地震(zhen)、洪(hong)水漫顶、渗透(tou)破坏和(he)基础失稳(wen)。尾矿(kuang)库失事(shi)后会造成巨(ju)大(da)的生(sheng)(sheng)态灾(zai)难(nan)和(he)人员伤亡，近(jin)几十(shi)年(nian)(nian)来，

国(guo)内外对(dui)金(jin)属(shu)尾矿(kuang)(kuang)的(de)沉积(ji)规(gui)律、物理力(li)学特(te)(te)性及(ji)其(qi)稳定(ding)性开展了大(da)量的(de)研究(jiu)，但(dan)对(dui)于与金(jin)属(shu)尾矿(kuang)(kuang)库相(xiang)近的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库，一般仅限于在可(ke)研阶(jie)段采用人工(gong)制备(bei)样进行物理力(li)学性质(zhi)试验，并据此进行稳定(ding)性分析，尚未有人针对(dui)己运行若干年的(de)大(da)型湿(shi)法堆存磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆积(ji)坝开展过磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)沉积(ji)规(gui)律及(ji)其(qi)物理力(li)学特(te)(te)性的(de)专(zhuan)项研究(jiu)。

本文依(yi)托柳树箐磷石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)坝(ba)，首(shou)先进行(xing)了钻探取样，采用原(yuan)状样开(kai)展了密度(du)、含(han)水率、渗透、土(tu)水特(te)征(zheng)和(he)颗分等物理性(xing)质试(shi)验(yan)，在此(ci)基(ji)(ji)础(chu)上(shang)有针对(dui)性(xing)的(de)(de)选择原(yuan)状样开(kai)展了三(san)轴CU、蠕变(bian)及动三(san)轴等力学特(te)性(xing)试(shi)验(yan)。通过上(shang)述试(shi)验(yan)研(yan)究(jiu)，总(zong)结(jie)了磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)沉积(ji)规律(lv)、渗透特(te)性(xing)、渗透破坏特(te)性(xing)以及静动力特(te)性(xing)，上(shang)述研(yan)究(jiu)工作对(dui)研(yan)究(jiu)和(he)评估磷石(shi)膏(gao)库(ku)堆(dui)积(ji)坝(ba)的(de)(de)稳定性(xing)提供了基(ji)(ji)础(chu)数据，对(dui)现行(xing)磷石(shi)膏(gao)库(ku)的(de)(de)运行(xing)管理以及新建工程的(de)(de)设计具有重要的(de)(de)借鉴意义。

一、依托工程概况

1.1柳树箐(qing)磷(lin)石膏堆积坝堆存设计方案

由初期坝(ba)和堆积坝(ba)组成(cheng)，设计总坝(ba)高(gao)约130m。

(1)初期坝

初(chu)期坝坝高(gao)约30m，采用(yong)土料填筑。上(shang)游坡面(mian)、坝底和下游坝脚(jiao)设置堆(dui)(dui)石排(pai)水体，三者相(xiang)连通构成整个堆(dui)(dui)积坝的主要排(pai)渗(shen)系(xi)统。

(2)堆积坝及其辅(fu)助(zhu)排渗措施(shi)

采(cai)用(yong)上游式筑(zhu)坝法，共20级(ji)子坝，顶宽6～9m，高度5m，堆积高度约100m。采(cai)用(yong)排渗(shen)(shen)管网作(zuo)为(wei)辅助排渗(shen)(shen)方案(an)，目(mu)前己在5级(ji)、9级(ji)子坝和13级(ji)子坝坝前120m范围内(nei)设置了井字形排渗(shen)(shen)管网。

1.2沉积磷石膏的(de)钻探取(qu)样

钻(zuan)(zuan)孔(kong)平面位置见图l。2008年6月，堆积至(zhi)5级(ji)(ji)子(zi)(zi)坝(ba)时，布设(she)了9个(ge)取样(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)编(bian)号K1～K9，取原状(zhuang)样(yang)76件(jian)；2013年5月，堆积至(zhi)13级(ji)(ji)子(zi)(zi)坝(ba)时，又布设(she)了11个(ge)取样(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)编(bian)号K10～K20，取原状(zhuang)样(yang)112件(jian)，为比较子(zi)(zi)坝(ba)加高(gao)和磷(lin)石(shi)膏堆积过程(cheng)中磷(lin)石(shi)膏物(wu)理力学性质的变化，在(zai)2，4级(ji)(ji)子(zi)(zi)坝(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附(fu)近各布设(she)了一个(ge)钻(zuan)(zuan)孔(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)编(bian)号分别为K17和K18。

1.3运行概况(kuang)

柳树箐磷石膏(gao)尾(wei)矿库(ku)2005年(nian)开工建(jian)设，2006年(nian)1月(yue)投入运(yun)行，截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)己堆至(zhi)13级子(zi)坝，尚有7级子(zi)坝即堆存(cun)至(zhi)设计高(gao)程。鉴于磷石膏(gao)库(ku)地形(xing)、地质条件较好，具备扩容(rong)改造的条件，以提(ti)高(gao)堆存(cun)库(ku)容(rong)，减少堆存(cun)占地，节约(yue)土地资源。

本(ben)文(wen)主要对沉(chen)积(ji)磷(lin)石膏(gao)的(de)物理力学(xue)特(te)性进行(xing)了全(quan)面总结，限于篇幅，有关现(xian)状磷(lin)石膏(gao)库堆积(ji)坝(ba)的(de)安(an)全(quan)性评价及其加高(gao)可行(xing)性的(de)研(yan)究将另文(wen)发(fa)表。

二、沉积(ji)磷石膏的物理(li)力学特(te)性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分布

图(tu)2给(ji)出了14个钻(zuan)孔的(de)取(qu)样深度(du)和试(shi)验所得干密度(du)的(de)关(guan)系(xi)，图(tu)中(zhong)UWL表示(shi)水(shui)位线上，(系(xi)钻(zuan)孔期间(jian)的(de)初见水(shui)位线，下(xia)(xia)同)，DWL表示(shi)水(shui)位线下(xia)(xia)。图(tu)3给(ji)出了水(shui)位线上下(xia)(xia)的(de)饱和度(du)分布图(tu)。由于磷石膏中(zhong)的(de)主要成分为CaSO4·2H2O，不(bu)(bu)同温度(du)和烘烤时(shi)间(jian)对测定结果有一(yi)定影(ying)响，不(bu)(bu)能照(zhao)搬现(xian)行的(de)土工试(shi)验规(gui)范，本文磷石膏的(de)含水(shui)率测定方法为55℃温度(du)下(xia)(xia)烘培(pei)24h。

图2沉积磷石(shi)膏干密(mi)度与埋深的关系

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

由图3，水(shui)位线上(shang)的磷石膏(gao)饱和(he)度平均值为50.4%，处于(yu)非饱和(he)状态，水(shui)位线以下的磷石膏(gao)饱和(he)度平均值为85.0%，基(ji)本处于(yu)饱和(he)状态，由于(yu)水(shui)位下降后磷石膏(gao)来不(bu)及排水(shui)固(gu)结，故而水(shui)位线上(shang)局部试(shi)样的饱和(he)度较高(gao)。

由(you)图2，水(shui)(shui)位线(xian)以(yi)上(shang)的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)间(jian)，均值为1.30g/cm3；水(shui)(shui)位线(xian)以(yi)下的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)间(jian)，均值为1.4g/cm3。可见(jian)磷石(shi)膏(gao)与(yu)一般的(de)(de)尾矿有所(suo)(suo)不(bu)同，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)并不(bu)随埋深的(de)(de)增(zeng)(zeng)大而(er)明显增(zeng)(zeng)大，但水(shui)(shui)位线(xian)以(yi)下的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)从统(tong)计意义(yi)上(shang)来看仍大于水(shui)(shui)位线(xian)以(yi)上(shang)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)，这主要是由(you)于水(shui)(shui)位线(xian)随库(ku)水(shui)(shui)位的(de)(de)变化反复升降而(er)使得磷石(shi)膏(gao)排水(shui)(shui)固结所(suo)(suo)致。

室内(nei)(nei)击(ji)实得到(dao)的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏最大干(gan)密度(du)一般(ban)在(zai)1.36～1.46g/cm3之(zhi)间(jian)，从图(tu)2可(ke)(ke)以看出(chu)，自然沉(chen)积的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏最大干(gan)密度(du)可(ke)(ke)达(da)到(dao)1.73g/cm3，原因(yin)如下(xia)：与经典的(de)(de)土(tu)骨架(jia)不(bu)(bu)可(ke)(ke)压缩(suo)的(de)(de)理论(lun)不(bu)(bu)同，石(shi)(shi)膏本身可(ke)(ke)压缩(suo)，同时由于(yu)颗粒(li)结(jie)构不(bu)(bu)稳定(ding)，击(ji)实试验过(guo)程中磷石(shi)(shi)膏结(jie)构被(bei)破坏(huai)，受夯击(ji)处下(xia)陷，四(si)周鼓起，出(chu)现了类似(si)于(yu)橡(xiang)皮土(tu)的(de)(de)现象。而在(zai)现场条(tiao)件下(xia)，石(shi)(shi)膏骨架(jia)被(bei)破坏(huai)后，会导致(zhi)颗粒(li)中的(de)(de)结(jie)合水渗出(chu)至孔隙内(nei)(nei)，变成孔隙水，排水固结(jie)后会使(shi)得磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)孔隙比(bi)减小(xiao)，干(gan)密度(du)增大。

图4给出了(le)相邻钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)K2和K17(位(wei)于2级(ji)子(zi)坝(ba)河床(chuang)部位(wei))以及相邻钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)K6和K18(位(wei)于4级(ji)子(zi)坝(ba)河床(chuang)部位(wei))干密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)的(de)对比图。K2钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之间(jian)(jian)(jian)(jian)，均(jun)值(zhi)为(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之间(jian)(jian)(jian)(jian)，均(jun)值(zhi)为(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之间(jian)(jian)(jian)(jian)，均(jun)值(zhi)为(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)的(de)干密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之间(jian)(jian)(jian)(jian)，均(jun)值(zhi)为(wei)1.37g/cm3。可见，即使从统计(ji)意义上来看，磷石(shi)膏的(de)干密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)也并未随后续磷石(shi)膏的(de)堆积(ji)而有较为(wei)明显(xian)的(de)增大(da)。

(2)级配(pei)分(fen)布

颗粒分(fen)析(xi)试(shi)验(yan)(yan)采用(yong)密(mi)度计(ji)法，制备(bei)悬(xuan)液(ye)时不煮沸，不加六偏磷酸钠。图5给出了试(shi)验(yan)(yan)得到的(de)级配(pei)包线、平均(jun)(jun)粒径(jing)d50、不均(jun)(jun)匀(yun)系数(1u和曲率系数Cc的(de)分(fen)布图。

从(cong)图5(a)可见，磷石膏的粒径主要分布在(zai)0.005～0.075mm之(zhi)间，总体上属于(yu)粉土，但可能由于(yu)矿石来源或(huo)生(sheng)产工艺有所不同，局部属于(yu)粉砂(sha)(sha)～中砂(sha)(sha)。粒径分布范围比Blight和张超等(deng)的试验(yan)结果要宽一些。

图(tu)4子坝加(jia)高后沉积磷石膏的干密度变化

图5沉积磷石膏的平均(jun)粒(li)径和级(ji)配分布

由(you)图5(b)和5(c)，无论是(shi)水平向还是(shi)垂直向，磷石(shi)膏(gao)与金属矿(kuang)山尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)(de)(de)“前粗(cu)后细(xi)，上粗(cu)下细(xi)”的(de)(de)(de)(de)自然分级(ji)现(xian)象不(bu)同，也(ye)即粗(cu)颗(ke)粒(li)(li)(li)并不(bu)是(shi)沿埋深逐步减小(xiao)(xiao)或距离(li)放浆口越远颗(ke)粒(li)(li)(li)越细(xi)，其原因如下：①磷石(shi)膏(gao)颗(ke)粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)径(jing)组成较为(wei)集中、均(jun)匀，主(zhu)要以粉粒(li)(li)(li)组(0.005mm<d≤0.074mm)为(wei)主(zhu)，级(ji)配较差；②相比(bi)较金属尾(wei)矿(kuang)，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)较小(xiao)(xiao)，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)一般(ban)为(wei)2.3～2.4，远小(xiao)(xiao)于金属尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)，例如铁尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)(de)(de)比(bi)重(zhong)可达2.9；③放浆口随子坝高度不(bu)断增加而(er)不(bu)断变(bian)动并向库尾(wei)延伸(shen)，造成沉积磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)粒(li)(li)(li)径(jing)变(bian)化不(bu)明显。

从图(tu)5(d)可见，不均匀系数Cu范围值1.61～21.5，平(ping)均值为(wei)4.18，曲率系数(1c范围值0.28～9.78，平(ping)均值为(wei)1.21，在统计的(de)100多个试样(yang)中，属于级(ji)配(pei)不良(liang)土的(de)占93%。这种级(ji)配(pei)特性(xing)决(jue)定了磷石膏具有较高的(de)压缩性(xing)、渗(shen)透破坏型式表现为(wei)流(liu)土破坏。

2.2渗(shen)透特(te)性

(1)渗透系(xi)数

影响(xiang)渗(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)的主要因素是粒(li)径大(da)小(xiao)、级(ji)配和(he)孔隙比，因而(er)磷石(shi)膏的渗(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)与粉土(tu)较(jiao)为(wei)接(jie)近。由于(yu)孔隙比e减(jian)小(xiao)，使得过(guo)水通道面积(ji)(ji)减(jian)小(xiao)，渗(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)k也将减(jian)小(xiao)，k与e呈正相关(guan)关(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)。对(dui)砂(sha)土(tu)，一(yi)般认为(wei)渗(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)k与e3/(1+e)的线性关(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)较(jiao)好，图6给出了(le)二者间的关(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)曲线，由于(yu)沉积(ji)(ji)磷石(shi)膏的不均(jun)匀(yun)系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)变化(hua)较(jiao)大(da)，使得沉积(ji)(ji)磷石(shi)膏的渗(shen)(shen)透系(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)变化(hua)范围较(jiao)大(da)(平(ping)均(jun)值(zhi)为(wei)10-4cm/s数(shu)量(liang)级(ji))，二者问的线性关(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)较(jiao)差。

图(tu)6沉(chen)积磷(lin)石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给出了水(shui)(shui)(shui)平(ping)与垂(chui)直(zhi)向(xiang)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)比值的(de)分(fen)布。沉积磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)kh一般(ban)大(da)于垂(chui)直(zhi)向(xiang)的(de)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)kv,kh/kv平(ping)均值约为(wei)2.86，这一点与成(cheng)层分(fen)布的(de)金(jin)属(shu)尾矿(kuang)规律(lv)一致。造成(cheng)沉积磷(lin)(lin)石膏(gao)水(shui)(shui)(shui)平(ping)向(xiang)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)大(da)于垂(chui)直(zhi)向(xiang)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)的(de)原因是由于磷(lin)(lin)石膏(gao)具有明显(xian)的(de)晶(jing)体结构，电(dian)镜(jing)扫描显(xian)示多为(wei)菱形和棱柱状(zhuang)形式(见图8)，在沉积过程中，由于扁平(ping)状(zhuang)磷(lin)(lin)石膏(gao)颗粒多呈(cheng)水(shui)(shui)(shui)平(ping)排(pai)列，使(shi)得(de)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性大(da)于垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)(shui)性，从而使(shi)磷(lin)(lin)石膏(gao)呈(cheng)现明显(xian)的(de)各(ge)向(xiang)异性。

另根据中国有(you)色金(jin)属(shu)工业昆明(ming)勘察设计研究(jiu)院在杨家箐磷石(shi)(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)坝开(kai)展(zhan)的(de)现(xian)场(chang)渗(shen)(shen)透(tou)试验，kh/kv的(de)平均值约为(wei)1.9。但张超(chao)等的(de)室内(nei)试验显示，kh/kv的(de)平均值约为(wei)0.46，也(ye)即垂直(zhi)向(xiang)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)大于水平向(xiang)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)数(shu)，与本文(wen)和(he)现(xian)场(chang)试验结果恰恰相(xiang)反。从磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)微(wei)观结构来看，本文(wen)试验结果更为(wei)合理。

图7沉(chen)积磷石膏干密度与(yu)水平和垂(chui)直渗透(tou)系数(shu)比(bi)值的关系

(2)渗(shen)透变形

图(tu)9为(wei)(wei)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)干密度为(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)水(shui)力梯(ti)度J与(yu)流速V的(de)关系(xi)(xi)曲(qu)线，试验(yan)在(zai)水(shui)平管涌仪中采用(yong)水(shui)平方向的(de)渗流形式进(jin)行。试验(yan)得到的(de)临界坡(po)降Jc=0.355，破坏(huai)坡(po)降Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)般来说，对1，2级工程(cheng)(cheng)，渗透安(an)全(quan)(quan)系(xi)(xi)数取(qu)为(wei)(wei)2.5，则允(yun)许(xu)出(chu)逸坡(po)降为(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对3级以下(xia)工程(cheng)(cheng)，渗透安(an)全(quan)(quan)系(xi)(xi)数取(qu)2.0，则允(yun)许(xu)出(chu)逸坡(po)降为(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)许(xu)比降与(yu)粉土一(yi)(yi)(yi)粉砂大致相同。但上(shang)述(shu)渗透变(bian)形试验(yan)是采用(yong)自(zi)来水(shui)进(jin)行的(de)，自(zi)来水(shui)对磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)具有一(yi)(yi)(yi)定的(de)溶蚀作用(yong)，而实际(ji)上(shang)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)中残余磷(lin)(lin)、硫和氟酸(suan)，库水(shui)的(de)pH值一(yi)(yi)(yi)般小于3(称之为(wei)(wei)酸(suan)性水(shui))，在(zai)酸(suan)性水(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)不会发生破坏(huai)，上(shang)述(shu)试验(yan)结果是偏(pian)于保(bao)守(shou)的(de)，但对非(fei)酸(suan)性水(shui)条件(例如特大暴雨)下(xia)的(de)渗透稳定判断有一(yi)(yi)(yi)定的(de)借鉴意义。

图(tu)9水(shui)力梯度J-流(liu)速v试验过程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试验

试验(yan)在(zai)5Bar的(de)压力板仪中(zhong)进(jin)行，环刀尺寸6.18cm。干密度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3组(zu)，吸力范围0～500kPa。表l列(lie)出了含水(shui)率(lv)特(te)征值(zhi)，试验(yan)曲线见图10所(suo)示。

试验结果表明：①干密(mi)度对进气值(zhi)没有(you)明显的影响，不同干密(mi)度的试样的进气值(zhi)大(da)致(zhi)在10kPa左右；②土样残余含(han)水率随干密(mi)度的增加而(er)减少，残余含(han)水率约为饱(bao)和含(han)水率的10%。上述(shu)特性与粉土一(yi)粉砂基(ji)本一(yi)致(zhi)。

2.3静力力学特性

(1)三轴(zhou)CU试验

由于(yu)沉积(ji)磷(lin)石膏的(de)(de)密度变化较大，而(er)进行三(san)轴试(shi)验需要若干(gan)原状样(yang)，为使(shi)试(shi)验结果(guo)具有较好(hao)的(de)(de)一致(zhi)性(xing)，有针对性(xing)的(de)(de)选择平均(jun)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(de)(de)若干(gan)试(shi)样(yang)，进行了(le)5组三(san)轴CU试(shi)验。图11是为干(gan)密度为1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三(san)轴CU试(shi)验曲(qu)线(xian)。

从图11可以看(kan)出(chu)，磷石膏(gao)的(de)应(ying)力(li)应(ying)变关系(xi)曲(qu)线在(zai)低围压下(xia)表(biao)现为软化型(xing)，在(zai)高围压下(xia)表(biao)现为硬化型(xing)，与(yu)一般土(tu)类相似。但与(yu)一般粉土(tu)一粉砂(sha)不同的(de)是，即使在(zai)较为疏松的(de)状态(tai)下(xia)，磷石膏(gao)仍表(biao)现了较为强烈(lie)的(de)剪胀，随密实度增(zeng)大，剪胀作用愈发明显。

表(biao)2给出了不同干(gan)(gan)密(mi)度(du)下的(de)(de)内摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)，图12给出了内摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)与干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)关系曲(qu)线。随干(gan)(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，内摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)也随之增(zeng)(zeng)大(da)(da)，且可采(cai)用(yong)幂函(han)数较(jiao)(jiao)好(hao)地拟(ni)合。磷石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了32%，总应力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)(wei)37.3°(根据拟(ni)合曲(qu)线求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)(wei)(wei)9.4%，有(you)效应力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加为(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)(wei)(wei)3.2%，由(you)于随围压的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔压也明显增(zeng)(zeng)大(da)(da)，故有(you)效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅(fu)较(jiao)(jiao)之总应力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)要小(xiao)。另外较(jiao)(jiao)之于干(gan)(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅(fu)并(bing)不显著(zhu)，表(biao)明即使较(jiao)(jiao)为(wei)(wei)(wei)疏松(song)的(de)(de)磷石膏仍具有(you)较(jiao)(jiao)高的(de)(de)强(qiang)度(du)指标，这也表(biao)明磷石膏堆积坝的(de)(de)稳定性较(jiao)(jiao)高。

(2)蠕变(bian)(bian)(次固结)变(bian)(bian)形试验

磷石膏的蠕(ru)变变形(xing)试(shi)(shi)验(yan)在侧限(xian)压缩仪中(zhong)进(jin)行(xing)，试(shi)(shi)验(yan)状(zhuang)态相当于K0固结。试(shi)(shi)样直径(jing)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)和后分别开展了上(shang)覆压力ρ为100，200，400，800kPa的试(shi)(shi)验(yan)，

试(shi)验从2012年8月27日开始，试(shi)验己(ji)进行了1年多，试(shi)验结果见图13所示(shi)。

从图13中可以看出：上(shang)覆荷载(zai)越(yue)大(da)，磷(lin)石(shi)膏的蠕变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形也越(yue)大(da)，荷载(zai)施加1年(nian)后，磷(lin)石(shi)膏的蠕变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形仍非常显著，尚(shang)未(wei)达到(dao)稳定状(zhuang)态(tai)，这也是磷(lin)石(shi)膏堆积坝后期变(bian)(bian)(bian)形较大(da)的原(yuan)因，原(yuan)型(xing)观测资(zi)料表(biao)明(ming)，在5级子坝河床部位的表(biao)面沉(chen)降量已经达到(dao)3.1m，且尚(shang)未(wei)完全稳定。

按时间(jian)(jian)对数(shu)法，可求得各级(ji)荷(he)载下的(de)(de)主(zhu)次固结(jie)变(bian)(bian)形(xing)(xing)量如表3所(suo)示。试(shi)验(yan)结(jie)果(guo)表明，在(zai)100～400kPa上覆荷(he)载作(zuo)用下，在(zai)试(shi)验(yan)时间(jian)(jian)范(fan)围内蠕(ru)变(bian)(bian)(次固结(jie))变(bian)(bian)形(xing)(xing)是主(zhu)固结(jie)变(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，当然由(you)(you)于(yu)(yu)(yu)蠕(ru)变(bian)(bian)变(bian)(bian)形(xing)(xing)尚未完成(cheng)(cheng)(cheng)，实际的(de)(de)蠕(ru)变(bian)(bian)变(bian)(bian)形(xing)(xing)应更大。对土(tu)体(ti)而言，发(fa)生蠕(ru)变(bian)(bian)的(de)(de)原因(yin)是由(you)(you)于(yu)(yu)(yu)土(tu)体(ti)在(zai)主(zhu)固结(jie)完成(cheng)(cheng)(cheng)之后，土(tu)体(ti)中(zhong)仍有微小(xiao)的(de)(de)超静孔(kong)隙压(ya)力存在(zai)，驱(qu)使水(shui)在(zai)颗粒问流(liu)动，一般来(lai)讲土(tu)体(ti)的(de)(de)次固结(jie)远小(xiao)于(yu)(yu)(yu)主(zhu)固结(jie)变(bian)(bian)形(xing)(xing)；对磷(lin)石(shi)膏而言，其(qi)渗透系数(shu)在(zai)10-4cm/s数(shu)量级(ji)，远大于(yu)(yu)(yu)黏性土(tu)，但其(qi)却发(fa)生了(le)极为显著的(de)(de)次固结(jie)变(bian)(bian)形(xing)(xing)，其(qi)原因(yin)在(zai)于(yu)(yu)(yu)磷(lin)石(shi)膏晶(jing)体(ti)结(jie)构发(fa)生了(le)压(ya)缩、破坏(huai)，接(jie)触点晶(jing)格发(fa)生歪曲(qu)和(he)变(bian)(bian)形(xing)(xing)，而破坏(huai)后晶(jing)格之间(jian)(jian)的(de)(de)重(zhong)新(xin)排列(lie)、调整(zheng)到最后趋于(yu)(yu)(yu)相(xiang)(xiang)对静止需要(yao)相(xiang)(xiang)当长的(de)(de)时间(jian)(jian)才能完成(cheng)(cheng)(cheng)。

2.4动力(li)(li)力(li)(li)学特性

试验设备(bei)采用英国GDS公司进口(kou)的电(dian)机控制动(dong)三轴(zhou)试验系统，试样(yang)直(zhi)径(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)动模量和阻尼(ni)比

同样(yang)由于(yu)自然沉积的磷石膏密度变化(hua)较大，为(wei)此根据物理性质试验结果，选择两种平均干密度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(xing)试验。

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

式中k1为(wei)参数，表示动(dong)剪切模量的(de)衰减或阻(zu)尼(ni)比(bi)的(de)增长速率；λmax为(wei)最(zui)大阻(zu)尼(ni)比(bi)；Gmax，γd分(fen)别为(wei)最(zui)大动(dong)剪切模量和归(gui)一化的(de)动(dong)剪应(ying)变，表示为(wei)

式中k2,n为参数；σm为球(qiu)应力；Pa为标准大气压(ya)；vd为动(dong)泊松比；εa为归一化的动(dong)应变(bian)，表达为

图(tu)14给出(chu)了(le)(le)动剪切模量、阻尼(ni)比(bi)与归一化动应变(bian)的关(guan)系曲线，另外图(tu)中还给出(chu)了(le)(le)式(1)的拟合曲线以及Seed等给出(chu)的砂(sha)样的上(shang)下边界线，图(tu)例中，σ2表(biao)示围压(ya)，Kc表(biao)示固结应力比(bi)。

从图中(zhong)可(ke)以看出：①式(shi)(1)可(ke)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)动(dong)(dong)应(ying)力(li)-动(dong)(dong)应(ying)变试验曲线(xian)，表(biao)(biao)明(ming)采用(yong)(yong)等(deng)价(jia)黏弹性模型进行(xing)(xing)循环荷载作用(yong)(yong)下(xia)的(de)(de)(de)分析是可(ke)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)；②图14(a)中(zhong)干密(mi)度(du)(du)为1.45g/cm3的(de)(de)(de)拟合线(xian)位于(yu)干密(mi)度(du)(du)为1.34g/cm3的(de)(de)(de)拟合线(xian)上(shang)方(fang)，图14(b)中(zhong)则位于(yu)下(xia)方(fang)，表(biao)(biao)明(ming)密(mi)度(du)(du)越大(da)，动(dong)(dong)弹模越大(da)、阻尼比(bi)(bi)越小；③图14(a)中(zhong)，两(liang)种干密(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)拟合线(xian)基本位于(yu)Seed等(deng)给出的(de)(de)(de)边界线(xian)上(shang)方(fang)，而图14(b)中(zhong)则基本处于(yu)边界线(xian)中(zhong)间，表(biao)(biao)明(ming)相(xiang)比(bi)(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)砂样，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)动(dong)(dong)弹模较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，会(hui)导致磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆积坝(ba)(ba)的(de)(de)(de)动(dong)(dong)力(li)反应(ying)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，但(dan)由(you)于(yu)阻尼比(bi)(bi)也较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，这样又(you)会(hui)削弱坝(ba)(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)(dong)力(li)反应(ying)，二(er)者的(de)(de)(de)相(xiang)互影响下(xia)，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆积坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)(dong)力(li)反应(ying)将不会(hui)过于(yu)强(qiang)烈，这对磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)堆积坝(ba)(ba)的(de)(de)(de)抗(kang)震稳定性是有利的(de)(de)(de)。

(2)动强度

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

图(tu)15给出了动(dong)(dong)剪应(ying)力(li)(li)比τd/σ0′与破(po)坏振次(ci)Nf的(de)关系曲线图(tu)，其中σ0为(wei)(wei)振前试样45°面上的(de)有效法向应(ying)力(li)(li)，表达为(wei)(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)(wei)固(gu)结比。从试验(yan)结果(guo)可以看出，沉(chen)积磷(lin)石膏的(de)动(dong)(dong)强度与其它土(tu)体相似(si)，表现为(wei)(wei)围压和(he)固(gu)结应(ying)力(li)(li)比与动(dong)(dong)剪应(ying)力(li)(li)比呈负相关关系。

为判别(bie)沉积磷(lin)石(shi)膏的抗(kang)液化能力(li)，假定抗(kang)震设计(ji)烈度为8度，即等效振次Ⅳ可取为30。首先(xian)由式(shi)(4)

所示的(de)幂函数关系式得到振次为30时(shi)各个围压和固结比下(xia)的(de)动剪应(ying)力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合(he)求得动(dong)剪应力比(bi)与围压和固(gu)结应力比(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。

从上述(shu)拟合关系式可见，密实(shi)度提(ti)高(gao)(gao)(gao)后，动剪(jian)应力(li)比(bi)提(ti)高(gao)(gao)(gao)，表明抗(kang)液化能(neng)力(li)也(ye)提(ti)高(gao)(gao)(gao)。但即使是(shi)在低密度下，其动剪(jian)应力(li)比(bi)较(jiao)之同类的粉土或粉砂也(ye)大出许多(duo)，表明磷石(shi)膏(gao)具有较(jiao)高(gao)(gao)(gao)的抗(kang)液化能(neng)力(li)。

三(san)、结论

依托(tuo)柳树(shu)箐磷石膏堆(dui)积坝，在钻探取(qu)样工(gong)作的基础(chu)上(shang)，首先(xian)开展了物理(li)性质试(shi)验(yan)，然(ran)后开展了静动力力学特性试(shi)验(yan)。通过(guo)上(shang)述试(shi)验(yan)研究，得出如下结论：

(1)沉积磷石膏总体上属于级配不(bu)良的粉土，局部属于粉砂(sha)一(yi)中砂(sha)，无自然分级现象。其干(gan)密度和(he)粒径变化随埋深或距放(fang)浆口距离的变化不(bu)明显。

(2)沉积(ji)磷石膏(gao)水(shui)平方向的渗透系数大(da)于垂(chui)直方向的渗透系数，呈(cheng)现明显的各向异性(xing)。

(3)与土体颗粒不可压缩不同，磷(lin)石膏的晶体结(jie)构会发生压缩破坏(huai)，具有较大的压缩性，其(qi)次固(gu)结(jie)变(bian)形(xing)量远(yuan)大于主(zhu)固(gu)结(jie)变(bian)形(xing)量。

(4)沉积磷石膏的静动强度较之(zhi)同等密实(shi)度下(xia)的粉土、粉砂要(yao)高。