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(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)是(shi)湿法(fa)(fa)磷(lin)(lin)(lin)酸生产(chan)(chan)过程(cheng)中(zhong)的(de)(de)副产(chan)(chan)品(pin)，2018年，全国(guo)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)产(chan)(chan)生量为(wei)7800万吨，且呈逐年增长的(de)(de)态(tai)势。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)主要成分(fen)(fen)是(shi)CaO和(he)SO3，但(dan)含(han)有(you)一(yi)(yi)定(ding)量的(de)(de)氟化(hua)物(wu)和(he)其它放射性物(wu)质(zhi)(zhi)，在中(zhong)国(guo)通常按Ⅱ类一(yi)(yi)般工(gong)业(ye)固(gu)体废(fei)物(wu)处理(li)，鉴于无害化(hua)处理(li)成本(ben)(ben)较高，目(mu)前(qian)综合利用率尚不足40%，故大部(bu)分(fen)(fen)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)场地(di)的(de)(de)不同，可分(fen)(fen)为(wei)平地(di)型(xing)(xing)(xing)、傍(bang)山型(xing)(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)(xing)和(he)截(jie)河型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)场，在中(zhong)国(guo)基本(ben)(ben)上是(shi)山谷型(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)场。相比(bi)较干(gan)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，湿法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)经济优势明(ming)显，因而如地(di)质(zhi)(zhi)条件(jian)为(wei)非碳(tan)酸盐岩地(di)区，一(yi)(yi)般均(jun)采用湿排湿堆(dui)(dui)方式。随着中(zhong)国(guo)磷(lin)(lin)(lin)肥工(gong)业(ye)的(de)(de)快速发展，本(ben)(ben)世纪初中(zhong)国(guo)相继建设了(le)几座湿法(fa)(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大型(xing)(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库，例(li)如云天化(hua)国(guo)际化(hua)工(gong)三环分(fen)(fen)公(gong)(gong)司的(de)(de)柳(liu)树箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库堆(dui)(dui)积坝和(he)富(fu)瑞分(fen)(fen)公(gong)(gong)司的(de)(de)杨家箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库堆(dui)(dui)积坝，这两座坝设计坝高均(jun)超过100m、处于8度地(di)震(zhen)区，其安全性备受关注。

据统计，110多年(1901年一2013年)来，全世界有118座尾(wei)矿(kuang)坝(ba)曾发生过破坏或溃坝(ba)事故，原因(yin)主要有地震(zhen)、洪水漫顶、渗透破坏和(he)基础失(shi)稳。尾(wei)矿(kuang)库失(shi)事后会造成巨大的(de)生态(tai)灾难和(he)人(ren)员伤亡，近几十(shi)年来，

国内外对(dui)金(jin)属(shu)尾矿的(de)沉(chen)积规律、物(wu)理力学(xue)特(te)性(xing)(xing)及(ji)其稳定(ding)性(xing)(xing)开展了大(da)量的(de)研(yan)究，但对(dui)于(yu)与金(jin)属(shu)尾矿库相近的(de)磷石(shi)膏库，一(yi)般仅限于(yu)在可(ke)研(yan)阶段(duan)采用人工制备样(yang)进(jin)行物(wu)理力学(xue)性(xing)(xing)质(zhi)试验(yan)，并据此进(jin)行稳定(ding)性(xing)(xing)分析(xi)，尚未有人针对(dui)己运行若(ruo)干年的(de)大(da)型湿(shi)法(fa)堆存(cun)磷石(shi)膏堆积坝开展过(guo)磷石(shi)膏沉(chen)积规律及(ji)其物(wu)理力学(xue)特(te)性(xing)(xing)的(de)专项研(yan)究。

本文依托柳树(shu)箐磷石膏(gao)堆(dui)(dui)积坝(ba)，首先进行了(le)钻探取样，采用(yong)原(yuan)状(zhuang)样开展了(le)密(mi)度、含水率、渗透、土水特(te)征和颗分等物(wu)理性(xing)质试(shi)验(yan)(yan)，在此(ci)基(ji)(ji)础上有针对性(xing)的(de)选择原(yuan)状(zhuang)样开展了(le)三(san)轴(zhou)CU、蠕变及动三(san)轴(zhou)等力(li)学特(te)性(xing)试(shi)验(yan)(yan)。通过上述试(shi)验(yan)(yan)研(yan)究，总(zong)结了(le)磷石膏(gao)的(de)沉积规(gui)律(lv)、渗透特(te)性(xing)、渗透破(po)坏特(te)性(xing)以及静(jing)动力(li)特(te)性(xing)，上述研(yan)究工作对研(yan)究和评估磷石膏(gao)库堆(dui)(dui)积坝(ba)的(de)稳(wen)定(ding)性(xing)提(ti)供了(le)基(ji)(ji)础数据，对现行磷石膏(gao)库的(de)运(yun)行管理以及新建工程的(de)设计(ji)具有重要的(de)借鉴意义。

一(yi)、依托工程概况

1.1柳树箐磷石膏堆积坝堆存设计方案

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

(1)初期坝

初期坝(ba)坝(ba)高约30m，采用土料填(tian)筑。上游(you)坡(po)面、坝(ba)底和下游(you)坝(ba)脚设置堆(dui)石排(pai)水体，三(san)者相(xiang)连通构成整个(ge)堆(dui)积坝(ba)的主要排(pai)渗系(xi)统。

(2)堆(dui)积坝及其辅助(zhu)排(pai)渗措施(shi)

采(cai)用上游式筑坝法，共20级(ji)(ji)子(zi)(zi)坝，顶(ding)宽6～9m，高(gao)度5m，堆积高(gao)度约100m。采(cai)用排(pai)渗(shen)(shen)管(guan)网作为(wei)辅助排(pai)渗(shen)(shen)方(fang)案，目前己在5级(ji)(ji)、9级(ji)(ji)子(zi)(zi)坝和13级(ji)(ji)子(zi)(zi)坝坝前120m范围内设置了井字形(xing)排(pai)渗(shen)(shen)管(guan)网。

1.2沉积磷石膏的(de)钻探取(qu)样(yang)

钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)平(ping)面位置见图l。2008年6月，堆积至5级(ji)子坝时，布设了9个(ge)取(qu)(qu)样(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编号K1～K9，取(qu)(qu)原状(zhuang)样(yang)76件；2013年5月，堆积至13级(ji)子坝时，又(you)布设了11个(ge)取(qu)(qu)样(yang)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编号K10～K20，取(qu)(qu)原状(zhuang)样(yang)112件，为比较(jiao)子坝加高和(he)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆积过程中(zhong)磷(lin)石(shi)膏(gao)物理力学性质的变化，在2，4级(ji)子坝K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布设了一个(ge)钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编号分别为K17和(he)K18。

1.3运行概(gai)况(kuang)

柳(liu)树箐磷(lin)石膏尾矿库(ku)2005年(nian)开工建设(she)，2006年(nian)1月投入运行(xing)，截至2013年(nian)5月己堆(dui)(dui)至13级(ji)子坝，尚(shang)有7级(ji)子坝即(ji)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)至设(she)计高(gao)程(cheng)。鉴于磷(lin)石膏库(ku)地(di)形、地(di)质条件较好，具备扩(kuo)容改造的条件，以提高(gao)堆(dui)(dui)存(cun)(cun)库(ku)容，减少堆(dui)(dui)存(cun)(cun)占地(di)，节约(yue)土地(di)资源。

本文(wen)主(zhu)要对沉积磷(lin)石膏(gao)的物理力学(xue)特性(xing)(xing)进行(xing)了全(quan)面总结(jie)，限于篇幅(fu)，有关现状磷(lin)石膏(gao)库堆积坝的安全(quan)性(xing)(xing)评价及其加高可行(xing)性(xing)(xing)的研(yan)究将另文(wen)发表。

二、沉积(ji)磷(lin)石膏的物理(li)力学特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密(mi)度分布

图2给(ji)出(chu)了(le)14个钻(zuan)孔的(de)(de)取(qu)样深度和(he)试(shi)验所得干密度的(de)(de)关系，图中UWL表示(shi)(shi)水(shui)(shui)位(wei)线上(shang)，(系钻(zuan)孔期间(jian)的(de)(de)初见水(shui)(shui)位(wei)线，下(xia)同)，DWL表示(shi)(shi)水(shui)(shui)位(wei)线下(xia)。图3给(ji)出(chu)了(le)水(shui)(shui)位(wei)线上(shang)下(xia)的(de)(de)饱和(he)度分布(bu)图。由于磷石(shi)膏中的(de)(de)主要成(cheng)分为CaSO4·2H2O，不同温度和(he)烘烤时(shi)间(jian)对(dui)测(ce)(ce)定结果有一定影响(xiang)，不能照搬现行的(de)(de)土工试(shi)验规范，本文磷石(shi)膏的(de)(de)含水(shui)(shui)率测(ce)(ce)定方法为55℃温度下(xia)烘培(pei)24h。

图2沉(chen)积磷石(shi)膏干密(mi)度(du)与埋深的关系

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

由图3，水(shui)位(wei)线上(shang)的(de)磷石(shi)(shi)膏饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)度平均值(zhi)为50.4%，处于非饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)状态，水(shui)位(wei)线以下的(de)磷石(shi)(shi)膏饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)度平均值(zhi)为85.0%，基本处于饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)状态，由于水(shui)位(wei)下降(jiang)后磷石(shi)(shi)膏来(lai)不及排水(shui)固结，故而水(shui)位(wei)线上(shang)局部试样的(de)饱(bao)(bao)(bao)和(he)(he)度较高。

由(you)图2，水位线(xian)(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)干密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之间(jian)，均(jun)值为1.30g/cm3；水位线(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)干密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之间(jian)，均(jun)值为1.4g/cm3。可见(jian)磷石(shi)(shi)膏与一般的(de)(de)尾矿有所(suo)不(bu)同，磷石(shi)(shi)膏的(de)(de)干密(mi)度(du)并(bing)不(bu)随埋深的(de)(de)增大而明显增大，但水位线(xian)(xian)以(yi)(yi)下的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏干密(mi)度(du)从统计意义上来看仍大于水位线(xian)(xian)以(yi)(yi)上的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏干密(mi)度(du)，这主要是由(you)于水位线(xian)(xian)随库水位的(de)(de)变化反(fan)复升降而使(shi)得磷石(shi)(shi)膏排水固(gu)结所(suo)致。

室内击实得到的磷(lin)石(shi)膏最大干(gan)(gan)密(mi)度(du)一(yi)般在(zai)(zai)1.36～1.46g/cm3之间，从图2可以看出(chu)，自然(ran)沉积的磷(lin)石(shi)膏最大干(gan)(gan)密(mi)度(du)可达到1.73g/cm3，原因如下(xia)(xia)(xia)：与经(jing)典(dian)的土骨(gu)(gu)架(jia)不可压(ya)缩的理论不同，石(shi)膏本(ben)身可压(ya)缩，同时由于(yu)颗(ke)粒(li)结(jie)构不稳定，击实试验(yan)过程中磷(lin)石(shi)膏结(jie)构被(bei)破(po)坏，受夯击处下(xia)(xia)(xia)陷，四(si)周鼓(gu)起，出(chu)现了类(lei)似于(yu)橡皮土的现象。而在(zai)(zai)现场条件下(xia)(xia)(xia)，石(shi)膏骨(gu)(gu)架(jia)被(bei)破(po)坏后，会导致颗(ke)粒(li)中的结(jie)合水(shui)渗(shen)出(chu)至孔隙(xi)(xi)内，变(bian)成孔隙(xi)(xi)水(shui)，排水(shui)固结(jie)后会使得磷(lin)石(shi)膏的孔隙(xi)(xi)比减小，干(gan)(gan)密(mi)度(du)增大。

图4给出了相邻钻孔K2和(he)K17(位(wei)于2级(ji)子坝河床(chuang)部位(wei))以及相邻钻孔K6和(he)K18(位(wei)于4级(ji)子坝河床(chuang)部位(wei))干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)对比图。K2钻孔的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之间(jian)(jian)，均(jun)值为1.30g/cm3，K17钻孔的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之间(jian)(jian)，均(jun)值为1.32g/cm3；K6钻孔的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之间(jian)(jian)，均(jun)值为1.36g/cm3，K18钻孔的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之间(jian)(jian)，均(jun)值为1.37g/cm3。可(ke)见(jian)，即使从统计意义上来(lai)看(kan)，磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密(mi)(mi)度(du)也并未随后续磷石膏(gao)的(de)(de)堆(dui)积而有较为明显的(de)(de)增(zeng)大。

(2)级配分布

颗粒分析(xi)试(shi)(shi)验(yan)采用密度计法，制备(bei)悬液(ye)时不煮沸，不加六(liu)偏磷(lin)酸钠。图5给出了(le)试(shi)(shi)验(yan)得到的级配包线(xian)、平均(jun)粒径d50、不均(jun)匀系(xi)数(1u和曲率(lv)系(xi)数Cc的分布图。

从(cong)图(tu)5(a)可(ke)见，磷石膏的粒(li)径主要(yao)分布在0.005～0.075mm之间，总体上属于(yu)(yu)粉土，但可(ke)能由(you)于(yu)(yu)矿石来源或生产工艺(yi)有(you)所不同，局部属于(yu)(yu)粉砂～中砂。粒(li)径分布范围比Blight和张超等的试验结果(guo)要(yao)宽一些。

图4子(zi)坝加高后沉积磷石膏的干密度变化

图5沉积磷(lin)石膏的平均(jun)粒(li)径和级配分布

由图(tu)5(b)和5(c)，无(wu)论是(shi)水平向(xiang)还是(shi)垂直向(xiang)，磷石(shi)(shi)膏与金属矿(kuang)山尾(wei)矿(kuang)的(de)“前(qian)粗(cu)(cu)后(hou)细，上粗(cu)(cu)下细”的(de)自然(ran)分级现象(xiang)不(bu)同(tong)，也即粗(cu)(cu)颗粒(li)(li)(li)(li)并不(bu)是(shi)沿埋深(shen)逐步减小或距离放(fang)浆(jiang)口(kou)(kou)越远(yuan)颗粒(li)(li)(li)(li)越细，其原因如下：①磷石(shi)(shi)膏颗粒(li)(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)(li)径(jing)组(zu)成(cheng)较为集中、均匀，主(zhu)(zhu)要以粉粒(li)(li)(li)(li)组(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)为主(zhu)(zhu)，级配较差；②相比较金属尾(wei)矿(kuang)，磷石(shi)(shi)膏的(de)比重较小，磷石(shi)(shi)膏的(de)比重一般为2.3～2.4，远(yuan)小于(yu)金属尾(wei)矿(kuang)的(de)比重，例如铁(tie)尾(wei)矿(kuang)的(de)比重可达2.9；③放(fang)浆(jiang)口(kou)(kou)随子坝高度不(bu)断(duan)增加而不(bu)断(duan)变动并向(xiang)库尾(wei)延伸(shen)，造成(cheng)沉积磷石(shi)(shi)膏的(de)粒(li)(li)(li)(li)径(jing)变化不(bu)明显。

从图5(d)可(ke)见，不均(jun)匀(yun)系数Cu范围值1.61～21.5，平均(jun)值为4.18，曲率(lv)系数(1c范围值0.28～9.78，平均(jun)值为1.21，在统(tong)计(ji)的100多个试(shi)样中(zhong)，属(shu)于级配不良土(tu)的占93%。这种级配特性决定了磷石膏具有较(jiao)高的压缩性、渗透破(po)(po)坏(huai)型式表现为流(liu)土(tu)破(po)(po)坏(huai)。

2.2渗(shen)透特性(xing)

(1)渗(shen)透系数(shu)

影(ying)响(xiang)渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数的(de)(de)主要因(yin)素是(shi)粒径(jing)大小(xiao)、级配和(he)孔隙比，因(yin)而磷石膏的(de)(de)渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数与(yu)(yu)粉土较(jiao)(jiao)为接(jie)近。由于孔隙比e减小(xiao)，使得(de)过水通道面积(ji)减小(xiao)，渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数k也将减小(xiao)，k与(yu)(yu)e呈正相关(guan)关(guan)系(xi)(xi)(xi)。对(dui)砂土，一般认为渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数k与(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)(de)线(xian)性(xing)(xing)关(guan)系(xi)(xi)(xi)较(jiao)(jiao)好(hao)，图6给(ji)出了二(er)者间的(de)(de)关(guan)系(xi)(xi)(xi)曲线(xian)，由于沉积(ji)磷石膏的(de)(de)不均(jun)匀系(xi)(xi)(xi)数变(bian)(bian)化较(jiao)(jiao)大，使得(de)沉积(ji)磷石膏的(de)(de)渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数变(bian)(bian)化范围较(jiao)(jiao)大(平均(jun)值(zhi)为10-4cm/s数量级)，二(er)者问的(de)(de)线(xian)性(xing)(xing)关(guan)系(xi)(xi)(xi)较(jiao)(jiao)差。

图6沉积磷(lin)石(shi)膏(gao)渗透系(xi)数与孔隙比的关(guan)系(xi)

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

图7给出了水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)与垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)比值(zhi)的(de)分布。沉积磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)kh一(yi)般(ban)大于(yu)(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均值(zhi)约为2.86，这一(yi)点与成层分布的(de)金属尾矿规律一(yi)致。造成沉积磷石(shi)(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)大于(yu)(yu)垂(chui)直向(xiang)(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)(shu)的(de)原因是由(you)于(yu)(yu)磷石(shi)(shi)膏(gao)具有(you)明显的(de)晶体结构，电镜扫描显示多(duo)为菱形和棱(leng)柱(zhu)状形式(见图8)，在沉积过程中，由(you)于(yu)(yu)扁平(ping)(ping)(ping)状磷石(shi)(shi)膏(gao)颗粒多(duo)呈水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)排列，使得(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性大于(yu)(yu)垂(chui)直方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性，从(cong)而使磷石(shi)(shi)膏(gao)呈现明显的(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)异性。

另(ling)根据中国有色金属工业(ye)昆明勘察设(she)计(ji)研究院在(zai)杨家(jia)箐(qing)磷石(shi)膏堆积坝开展的(de)现场(chang)渗(shen)透(tou)试(shi)验，kh/kv的(de)平均值(zhi)(zhi)约(yue)(yue)为1.9。但(dan)张超等的(de)室内(nei)试(shi)验显示，kh/kv的(de)平均值(zhi)(zhi)约(yue)(yue)为0.46，也即垂直向渗(shen)透(tou)系(xi)数大于水平向渗(shen)透(tou)系(xi)数，与本文和现场(chang)试(shi)验结果恰(qia)恰(qia)相反。从磷石(shi)膏的(de)微(wei)观结构来看，本文试(shi)验结果更为合理。

图7沉积磷石膏干密度与水(shui)平和垂(chui)直渗透系数(shu)比值的关系

(2)渗透变形

图(tu)9为(wei)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)干密度(du)为(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)力梯度(du)J与(yu)流速V的(de)(de)(de)(de)关(guan)系(xi)曲线，试(shi)(shi)验(yan)在水(shui)(shui)平管涌仪(yi)中(zhong)(zhong)采(cai)用(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)(de)(de)(de)渗(shen)流形式进行(xing)。试(shi)(shi)验(yan)得到(dao)的(de)(de)(de)(de)临界坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破坏(huai)坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)般(ban)来(lai)说，对(dui)1，2级工程，渗(shen)透(tou)安(an)全(quan)系(xi)数(shu)取为(wei)2.5，则允许出逸(yi)坡(po)降(jiang)为(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)3级以下(xia)(xia)工程，渗(shen)透(tou)安(an)全(quan)系(xi)数(shu)取2.0，则允许出逸(yi)坡(po)降(jiang)为(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允许比降(jiang)与(yu)粉土一(yi)(yi)粉砂大致相(xiang)同。但上述渗(shen)透(tou)变(bian)形试(shi)(shi)验(yan)是采(cai)用(yong)(yong)(yong)自来(lai)水(shui)(shui)进行(xing)的(de)(de)(de)(de)，自来(lai)水(shui)(shui)对(dui)磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)具有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)溶蚀作(zuo)用(yong)(yong)(yong)，而实际上磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)中(zhong)(zhong)残余磷(lin)(lin)、硫(liu)和氟酸(suan)(suan)(suan)，库水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)pH值一(yi)(yi)般(ban)小于(yu)3(称之(zhi)为(wei)酸(suan)(suan)(suan)性水(shui)(shui))，在酸(suan)(suan)(suan)性水(shui)(shui)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)下(xia)(xia)，磷(lin)(lin)石膏(gao)(gao)不会(hui)发生破坏(huai)，上述试(shi)(shi)验(yan)结果是偏于(yu)保(bao)守的(de)(de)(de)(de)，但对(dui)非(fei)酸(suan)(suan)(suan)性水(shui)(shui)条件(例如(ru)特大暴雨)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)渗(shen)透(tou)稳定(ding)判断有一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)借鉴(jian)意义(yi)。

图9水(shui)力梯度(du)J-流速v试验过程线(ρd=140g/cm3)

(3)土(tu)水特征试验

试(shi)验在5Bar的压力板仪中进行，环刀尺寸6.18cm。干密度分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3组，吸力范围0～500kPa。表(biao)l列出了含水率特征值，试(shi)验曲线见图10所示。

试验结果表明(ming)：①干密度对进(jin)气值没有明(ming)显的影响，不同干密度的试样(yang)的进(jin)气值大(da)致在10kPa左右；②土(tu)样(yang)残(can)余含(han)水(shui)(shui)率随干密度的增加而减少(shao)，残(can)余含(han)水(shui)(shui)率约为饱(bao)和含(han)水(shui)(shui)率的10%。上述特(te)性与粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂(sha)基本一致。

2.3静力力学(xue)特(te)性

(1)三轴CU试验

由于沉积磷石膏(gao)的密度(du)(du)变(bian)化(hua)较(jiao)大(da)，而进(jin)行三轴(zhou)试验(yan)需要(yao)若干(gan)(gan)原状(zhuang)样(yang)，为使试验(yan)结果具有较(jiao)好的一致性，有针对性的选择(ze)平(ping)均干(gan)(gan)密度(du)(du)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)的若干(gan)(gan)试样(yang)，进(jin)行了5组(zu)三轴(zhou)CU试验(yan)。图(tu)11是为干(gan)(gan)密度(du)(du)为1.2和1.58g/cm3的三轴(zhou)CU试验(yan)曲线。

从(cong)图11可(ke)以(yi)看(kan)出，磷石膏的(de)(de)应力应变关系曲(qu)线在低围(wei)压下表(biao)现(xian)(xian)为(wei)软化型，在高围(wei)压下表(biao)现(xian)(xian)为(wei)硬化型，与一(yi)般(ban)土类相似。但(dan)与一(yi)般(ban)粉土一(yi)粉砂不同的(de)(de)是(shi)，即使在较为(wei)疏(shu)松的(de)(de)状态下，磷石膏仍表(biao)现(xian)(xian)了较为(wei)强烈的(de)(de)剪胀，随密(mi)实度增(zeng)大，剪胀作用愈发明显。

表2给出(chu)了不同干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)下的(de)(de)(de)(de)内(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，图(tu)12给出(chu)了内(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)与干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)关系曲(qu)线。随干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，内(nei)摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)随之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，且(qie)可采用幂函数较(jiao)好地拟(ni)(ni)合。磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，总(zong)应力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)(wei)(wei)37.3°(根据(ju)拟(ni)(ni)合曲(qu)线求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)(wei)(wei)9.4%，有效应力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)(wei)(wei)3.2%，由(you)(you)于(yu)随围压的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，孔(kong)压也(ye)明(ming)显(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，故有效摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)较(jiao)之总(zong)应力摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要(yao)小。另外(wai)较(jiao)之于(yu)干(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不显(xian)著(zhu)，表明(ming)即使较(jiao)为(wei)(wei)(wei)疏松(song)的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)仍具(ju)有较(jiao)高的(de)(de)(de)(de)强度(du)(du)指标，这也(ye)表明(ming)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆积坝的(de)(de)(de)(de)稳定性较(jiao)高。

(2)蠕变(bian)(次固结)变(bian)形试验

磷石(shi)膏的(de)蠕(ru)变(bian)变(bian)形试验在侧限压缩仪(yi)中进(jin)行，试验状态相当(dang)于(yu)K0固(gu)结。试样(yang)直(zhi)径61.8mm，高度20mm，试样(yang)干密度为(wei)1.30g/cm3，对试样(yang)饱和后分(fen)别开展了(le)上(shang)覆压力ρ为(wei)100，200，400，800kPa的(de)试验，

试验(yan)从2012年8月27日开始，试验(yan)己(ji)进行了1年多(duo)，试验(yan)结果见图13所示。

从图13中(zhong)可以(yi)看出：上覆荷载越大，磷(lin)石膏(gao)的(de)蠕变变形也(ye)(ye)越大，荷载施加(jia)1年后，磷(lin)石膏(gao)的(de)蠕变变形仍非(fei)常显著，尚(shang)未达到(dao)稳(wen)定(ding)状态，这也(ye)(ye)是磷(lin)石膏(gao)堆积坝后期变形较大的(de)原因，原型(xing)观测(ce)资料(liao)表明，在5级子坝河床部(bu)位(wei)的(de)表面沉降量(liang)已经达到(dao)3.1m，且(qie)尚(shang)未完全稳(wen)定(ding)。

按(an)时(shi)间对数法，可求得各级荷(he)载(zai)下(xia)的(de)主(zhu)次固结变(bian)形(xing)量如表(biao)3所(suo)示。试验结果表(biao)明，在100～400kPa上覆荷(he)载(zai)作用下(xia)，在试验时(shi)间范围内(nei)蠕变(bian)(次固结)变(bian)形(xing)是主(zhu)固结变(bian)形(xing)的(de)1.8～3.1倍，当(dang)然由(you)于蠕变(bian)变(bian)形(xing)尚未完成，实际(ji)的(de)蠕变(bian)变(bian)形(xing)应更大。对土(tu)(tu)体而(er)言，发(fa)生(sheng)蠕变(bian)的(de)原因是由(you)于土(tu)(tu)体在主(zhu)固结完成之后，土(tu)(tu)体中仍有微小(xiao)的(de)超静孔隙(xi)压(ya)力(li)存在，驱(qu)使水在颗粒问(wen)流动，一般来讲土(tu)(tu)体的(de)次固结远小(xiao)于主(zhu)固结变(bian)形(xing)；对磷石膏(gao)而(er)言，其渗透系数在10-4cm/s数量级，远大于黏性土(tu)(tu)，但其却(que)发(fa)生(sheng)了极(ji)为显著的(de)次固结变(bian)形(xing)，其原因在于磷石膏(gao)晶(jing)(jing)体结构发(fa)生(sheng)了压(ya)缩、破坏，接触点(dian)晶(jing)(jing)格(ge)发(fa)生(sheng)歪曲和变(bian)形(xing)，而(er)破坏后晶(jing)(jing)格(ge)之间的(de)重(zhong)新排(pai)列、调整到(dao)最(zui)后趋于相对静止需(xu)要相当(dang)长的(de)时(shi)间才能完成。

2.4动(dong)力力学特(te)性

试验(yan)设备(bei)采用英国(guo)GDS公司进口的(de)电机控制动(dong)三轴试验(yan)系统(tong)，试样(yang)直径(jing)39.1mm，高度(du)80mm。

(1)动模量和阻尼比

同(tong)样(yang)由于自然沉积的磷石(shi)膏密度(du)(du)变(bian)化(hua)较大，为(wei)此根据物理(li)性质(zhi)试验结果，选择两(liang)种(zhong)平均干密度(du)(du)1.34g/cm3(变(bian)化(hua)范围(wei)1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(变(bian)化(hua)范围(wei)1.44～1.46g/cm3)进行试验。

Hardin-Dmevich建议(yi)的动剪切(qie)模量G、阻尼比与剪应变幅值γd的关系(xi)式如下：

式中(zhong)k1为(wei)参数，表示动剪(jian)切模(mo)量(liang)的衰(shuai)减或阻尼(ni)比的增长速率；λmax为(wei)最大(da)阻尼(ni)比；Gmax，γd分别为(wei)最大(da)动剪(jian)切模(mo)量(liang)和(he)归(gui)一(yi)化的动剪(jian)应变，表示为(wei)

式中k2,n为(wei)(wei)参数；σm为(wei)(wei)球应(ying)力；Pa为(wei)(wei)标准大气压(ya)；vd为(wei)(wei)动泊(bo)松(song)比；εa为(wei)(wei)归一化的动应(ying)变，表(biao)达为(wei)(wei)

图14给出了(le)动剪(jian)切模量、阻尼比与归一化动应变(bian)的(de)关系曲(qu)线(xian)(xian)，另外(wai)图中还给出了(le)式(1)的(de)拟合曲(qu)线(xian)(xian)以及(ji)Seed等给出的(de)砂样的(de)上下(xia)边(bian)界线(xian)(xian)，图例中，σ2表示围(wei)压，Kc表示固结应力比。

从图中可以(yi)看出：①式(shi)(1)可较好地描述磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)动应(ying)(ying)(ying)力(li)-动应(ying)(ying)(ying)变试验曲线(xian)(xian)，表明(ming)(ming)(ming)采用等价黏弹(dan)性模型进行(xing)循环荷载(zai)作用下的(de)(de)(de)(de)(de)分析是可行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)；②图14(a)中干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)为(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)(xian)位于(yu)(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)为(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)(xian)上(shang)方(fang)，图14(b)中则位于(yu)(yu)下方(fang)，表明(ming)(ming)(ming)密(mi)度(du)(du)(du)越(yue)大，动弹(dan)模越(yue)大、阻尼比越(yue)小；③图14(a)中，两种干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)拟合(he)线(xian)(xian)基本位于(yu)(yu)Seed等给出的(de)(de)(de)(de)(de)边界线(xian)(xian)上(shang)方(fang)，而(er)图14(b)中则基本处于(yu)(yu)边界线(xian)(xian)中间，表明(ming)(ming)(ming)相比较砂(sha)样，磷(lin)石(shi)膏(gao)动弹(dan)模较大，会导致磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积坝(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)动力(li)反应(ying)(ying)(ying)较大，但由于(yu)(yu)阻尼比也(ye)较大，这样又(you)会削弱坝(ba)体的(de)(de)(de)(de)(de)动力(li)反应(ying)(ying)(ying)，二(er)者的(de)(de)(de)(de)(de)相互影响下，磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积坝(ba)坝(ba)体的(de)(de)(de)(de)(de)动力(li)反应(ying)(ying)(ying)将(jiang)不会过于(yu)(yu)强烈，这对磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积坝(ba)的(de)(de)(de)(de)(de)抗震稳定性是有利的(de)(de)(de)(de)(de)。

(2)动强度

选择两种平均干(gan)密度(du)为1.12(变(bian)化范(fan)(fan)围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变(bian)化范(fan)(fan)围1.29～1.3lg/cm3)进行试(shi)验，破坏标准为总(zong)应变(bian)达到10%。

图(tu)15给(ji)出(chu)了(le)动(dong)剪(jian)应(ying)力(li)比(bi)τd/σ0′与破坏振次Nf的关(guan)系曲线图(tu)，其中σ0为(wei)振前试样45°面(mian)上的有效法(fa)向应(ying)力(li)，表(biao)达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固结比(bi)。从(cong)试验结果可以看(kan)出(chu)，沉积磷(lin)石膏的动(dong)强度与其它(ta)土体(ti)相(xiang)(xiang)似，表(biao)现(xian)为(wei)围(wei)压和固结应(ying)力(li)比(bi)与动(dong)剪(jian)应(ying)力(li)比(bi)呈负相(xiang)(xiang)关(guan)关(guan)系。

为(wei)判别沉积磷石膏的抗液化能力，假(jia)定抗震设计烈度(du)为(wei)8度(du)，即(ji)等效振次Ⅳ可取为(wei)30。首(shou)先由式(4)

所示的幂函数关系式得(de)到振次为30时各个围压(ya)和(he)固(gu)结比下(xia)的动剪应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合求(qiu)得动剪(jian)应(ying)力(li)比(bi)与围压和(he)固结(jie)应(ying)力(li)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。

从上述拟合(he)关系式(shi)可见，密(mi)实度(du)提高(gao)后，动(dong)剪(jian)应(ying)力(li)比(bi)提高(gao)，表明(ming)抗液化(hua)能(neng)力(li)也提高(gao)。但即(ji)使(shi)是在(zai)低密(mi)度(du)下，其动(dong)剪(jian)应(ying)力(li)比(bi)较之同类的粉土或粉砂也大出许(xu)多(duo)，表明(ming)磷(lin)石膏(gao)具(ju)有较高(gao)的抗液化(hua)能(neng)力(li)。

三(san)、结论

依托柳树箐磷(lin)石膏堆积坝，在钻探取样工作的基(ji)础(chu)上(shang)，首先开展(zhan)了(le)物理性质试验，然后(hou)开展(zhan)了(le)静动力力学特性试验。通过上(shang)述(shu)试验研(yan)究(jiu)，得出如下结论：

(1)沉积磷石膏总体上属(shu)于级(ji)配不(bu)良的(de)粉土，局(ju)部属(shu)于粉砂(sha)一中砂(sha)，无自(zi)然分级(ji)现象。其干密度和(he)粒径变化随埋深或距(ju)放浆(jiang)口距(ju)离的(de)变化不(bu)明显。

(2)沉积磷石(shi)膏水平(ping)方向(xiang)的渗透系数(shu)大于垂直方向(xiang)的渗透系数(shu)，呈现明显的各向(xiang)异(yi)性。

(3)与土体颗粒不可压(ya)缩不同，磷石膏的晶体结构会发生压(ya)缩破坏(huai)，具(ju)有较(jiao)大的压(ya)缩性，其次(ci)固结变形量远大于主(zhu)固结变形量。

(4)沉积磷石膏的静动强度较之同等密实度下(xia)的粉土(tu)、粉砂要高。