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(yin)言

磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)是湿(shi)法磷(lin)(lin)酸生(sheng)产(chan)过(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)副产(chan)品，2018年(nian)，全国(guo)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)产(chan)生(sheng)量(liang)为7800万吨，且呈逐年(nian)增长的(de)(de)态(tai)势。磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)主要(yao)(yao)成分是CaO和SO3，但含有一(yi)定量(liang)的(de)(de)氟化(hua)物和其(qi)它放射性(xing)物质，在中(zhong)(zhong)(zhong)国(guo)通常按(an)(an)Ⅱ类一(yi)般工(gong)业(ye)固体废物处理(li)，鉴于无害化(hua)处理(li)成本较高，目前(qian)综合利(li)用率尚不足40%，故大(da)部分磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)需要(yao)(yao)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)存(cun)(cun)(cun)放。按(an)(an)堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)场(chang)地的(de)(de)不同(tong)，可(ke)分为平地型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷型(xing)和截河(he)型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)场(chang)，在中(zhong)(zhong)(zhong)国(guo)基本上是山(shan)谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)(dui)场(chang)。相比较干法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)，湿(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)经济优(you)势明显，因而如(ru)地质条件为非碳酸盐岩地区，一(yi)般均采用湿(shi)排(pai)湿(shi)堆(dui)(dui)(dui)(dui)方式。随着中(zhong)(zhong)(zhong)国(guo)磷(lin)(lin)肥工(gong)业(ye)的(de)(de)快速发(fa)展，本世(shi)纪(ji)初(chu)中(zhong)(zhong)(zhong)国(guo)相继建设了几座湿(shi)法堆(dui)(dui)(dui)(dui)存(cun)(cun)(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)库(ku)(ku)，例如(ru)云天化(hua)国(guo)际化(hua)工(gong)三环(huan)分公(gong)司的(de)(de)柳树(shu)箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)库(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)积坝(ba)和富瑞(rui)分公(gong)司的(de)(de)杨(yang)家(jia)箐磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)库(ku)(ku)堆(dui)(dui)(dui)(dui)积坝(ba)，这两(liang)座坝(ba)设计坝(ba)高均超(chao)过(guo)100m、处于8度地震区，其(qi)安全性(xing)备受关注(zhu)。

据统计(ji)，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一2013年(nian)(nian))来(lai)(lai)，全世界有118座尾矿(kuang)坝曾(ceng)发生过破坏或溃坝事(shi)(shi)故，原因主要有地震、洪水漫顶、渗透破坏和基础失稳。尾矿(kuang)库失事(shi)(shi)后(hou)会造成(cheng)巨大的生态灾难和人员伤亡(wang)，近几十年(nian)(nian)来(lai)(lai)，

国内外(wai)对(dui)金属(shu)(shu)尾矿的(de)沉(chen)(chen)积规律(lv)、物理(li)力学特性(xing)及其稳定(ding)(ding)性(xing)开(kai)展了大量的(de)研究，但对(dui)于与金属(shu)(shu)尾矿库相近的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)库，一般(ban)仅限于在可研阶(jie)段采(cai)用(yong)人工(gong)制备样进行物理(li)力学性(xing)质试(shi)验，并据此进行稳定(ding)(ding)性(xing)分析(xi)，尚(shang)未有人针对(dui)己运行若干年的(de)大型(xing)湿(shi)法堆存(cun)磷石(shi)(shi)膏(gao)堆积坝开(kai)展过磷石(shi)(shi)膏(gao)沉(chen)(chen)积规律(lv)及其物理(li)力学特性(xing)的(de)专项研究。

本文依托(tuo)柳树箐(qing)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)坝，首(shou)先进行了钻(zuan)探取样(yang)，采用原状(zhuang)(zhuang)样(yang)开(kai)展了密(mi)度(du)、含水(shui)率(lv)、渗(shen)透(tou)、土水(shui)特(te)征和颗分等物理(li)性(xing)(xing)质试验(yan)，在(zai)此基(ji)(ji)础上(shang)有针对(dui)性(xing)(xing)的(de)选择原状(zhuang)(zhuang)样(yang)开(kai)展了三(san)轴CU、蠕变及动三(san)轴等力学特(te)性(xing)(xing)试验(yan)。通过(guo)上(shang)述(shu)试验(yan)研(yan)究，总结了磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)沉积(ji)规(gui)律、渗(shen)透(tou)特(te)性(xing)(xing)、渗(shen)透(tou)破坏特(te)性(xing)(xing)以及静动力特(te)性(xing)(xing)，上(shang)述(shu)研(yan)究工作(zuo)对(dui)研(yan)究和评估磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)库(ku)(ku)堆(dui)积(ji)坝的(de)稳定性(xing)(xing)提(ti)供(gong)了基(ji)(ji)础数据，对(dui)现行磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)库(ku)(ku)的(de)运(yun)行管理(li)以及新(xin)建(jian)工程的(de)设计具有重(zhong)要的(de)借鉴(jian)意义。

一、依托工程(cheng)概况

1.1柳(liu)树箐磷(lin)石膏堆(dui)积(ji)坝堆(dui)存(cun)设计方(fang)案

由初(chu)期坝和(he)堆积(ji)坝组(zu)成，设计总坝高约130m。

(1)初期坝

初期坝(ba)坝(ba)高约30m，采用土料填筑。上游(you)坡面、坝(ba)底和(he)下游(you)坝(ba)脚设(she)置(zhi)堆石排(pai)水体，三者(zhe)相连通构成整个堆积坝(ba)的主(zhu)要排(pai)渗系(xi)统。

(2)堆积坝(ba)及其(qi)辅助排渗措施

采用上游式(shi)筑(zhu)坝(ba)法，共20级(ji)子坝(ba)，顶宽6～9m，高(gao)度5m，堆积高(gao)度约100m。采用排渗(shen)管(guan)网(wang)作(zuo)为(wei)辅助排渗(shen)方案(an)，目前(qian)己在5级(ji)、9级(ji)子坝(ba)和(he)13级(ji)子坝(ba)坝(ba)前(qian)120m范围内设(she)置了井字形排渗(shen)管(guan)网(wang)。

1.2沉积磷石(shi)膏的(de)钻探取(qu)样

钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)平(ping)面位置见图l。2008年6月，堆(dui)积至(zhi)5级(ji)(ji)子(zi)坝(ba)时，布设(she)了(le)9个(ge)取样钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编号(hao)K1～K9，取原状样76件(jian)；2013年5月，堆(dui)积至(zhi)13级(ji)(ji)子(zi)坝(ba)时，又布设(she)了(le)11个(ge)取样钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编号(hao)K10～K20，取原状样112件(jian)，为(wei)比较(jiao)子(zi)坝(ba)加高和(he)磷石(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)积过程(cheng)中磷石(shi)膏(gao)(gao)物理力学性质的变化，在2，4级(ji)(ji)子(zi)坝(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布设(she)了(le)一个(ge)钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)编号(hao)分别为(wei)K17和(he)K18。

1.3运行(xing)概况(kuang)

柳树(shu)箐磷(lin)石膏(gao)(gao)尾矿库(ku)2005年开工建(jian)设，2006年1月(yue)投入运行，截至2013年5月(yue)己堆至13级子(zi)坝，尚有7级子(zi)坝即堆存至设计高程。鉴于磷(lin)石膏(gao)(gao)库(ku)地形(xing)、地质条(tiao)件(jian)较好，具备扩容改造的条(tiao)件(jian)，以提高堆存库(ku)容，减少堆存占(zhan)地，节约土地资(zi)源。

本文(wen)(wen)主要对沉积(ji)磷石(shi)膏的物理(li)力学特性(xing)进行(xing)了全面(mian)总(zong)结，限于篇幅，有关现状磷石(shi)膏库堆积(ji)坝的安全性(xing)评价及(ji)其加高可(ke)行(xing)性(xing)的研究将另文(wen)(wen)发表。

二、沉(chen)积磷石膏的物理力学特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度(du)分布(bu)

图(tu)2给出(chu)了(le)14个(ge)钻(zuan)孔的(de)取样深度(du)和试验所(suo)得(de)干(gan)密度(du)的(de)关系(xi)(xi)，图(tu)中(zhong)UWL表示(shi)水(shui)位(wei)(wei)线(xian)上(shang)，(系(xi)(xi)钻(zuan)孔期间的(de)初见水(shui)位(wei)(wei)线(xian)，下同)，DWL表示(shi)水(shui)位(wei)(wei)线(xian)下。图(tu)3给出(chu)了(le)水(shui)位(wei)(wei)线(xian)上(shang)下的(de)饱(bao)和度(du)分(fen)(fen)布图(tu)。由于磷石膏中(zhong)的(de)主要成分(fen)(fen)为CaSO4·2H2O，不同温度(du)和烘(hong)烤时间对测定(ding)结果有一(yi)定(ding)影响，不能照搬现(xian)行(xing)的(de)土工试验规范(fan)，本(ben)文磷石膏的(de)含水(shui)率测定(ding)方法(fa)为55℃温度(du)下烘(hong)培24h。

图2沉积磷(lin)石膏干密(mi)度与埋深的关系

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

由(you)图3，水(shui)(shui)位(wei)线(xian)上的磷(lin)石膏饱(bao)(bao)和(he)(he)度平均值(zhi)为50.4%，处于(yu)非饱(bao)(bao)和(he)(he)状态(tai)，水(shui)(shui)位(wei)线(xian)以下的磷(lin)石膏饱(bao)(bao)和(he)(he)度平均值(zhi)为85.0%，基(ji)本处于(yu)饱(bao)(bao)和(he)(he)状态(tai)，由(you)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)下降后磷(lin)石膏来不及排水(shui)(shui)固结，故而水(shui)(shui)位(wei)线(xian)上局部试样的饱(bao)(bao)和(he)(he)度较高。

由图2，水(shui)位(wei)(wei)线(xian)以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密度在0.98～1.67g/cm3之间，均值为1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)线(xian)以(yi)下的(de)(de)(de)(de)干(gan)密度在1.15～1.73g/cm3之间，均值为1.4g/cm3。可见磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)与一(yi)般的(de)(de)(de)(de)尾矿有所不同，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)密度并不随(sui)(sui)埋深的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而明显增(zeng)大，但水(shui)位(wei)(wei)线(xian)以(yi)下的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)密度从统(tong)计(ji)意(yi)义(yi)上(shang)来看仍(reng)大于(yu)(yu)水(shui)位(wei)(wei)线(xian)以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)密度，这主要(yao)是由于(yu)(yu)水(shui)位(wei)(wei)线(xian)随(sui)(sui)库(ku)水(shui)位(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)变化反复升降而使得磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)(gao)排(pai)水(shui)固结所致。

室(shi)内击(ji)实(shi)得(de)(de)到的(de)(de)磷石膏最大干密度(du)(du)一般在1.36～1.46g/cm3之间，从图(tu)2可(ke)(ke)(ke)以看出(chu)，自(zi)然沉积(ji)的(de)(de)磷石膏最大干密度(du)(du)可(ke)(ke)(ke)达到1.73g/cm3，原(yuan)因如(ru)下(xia)：与经典的(de)(de)土骨架(jia)不(bu)可(ke)(ke)(ke)压(ya)缩的(de)(de)理论(lun)不(bu)同，石膏本(ben)身(shen)可(ke)(ke)(ke)压(ya)缩，同时由于颗粒结构不(bu)稳(wen)定，击(ji)实(shi)试验过(guo)程中磷石膏结构被破坏(huai)，受夯击(ji)处下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)现(xian)了(le)类似于橡皮土的(de)(de)现(xian)象。而在现(xian)场条件下(xia)，石膏骨架(jia)被破坏(huai)后(hou)，会导(dao)致颗粒中的(de)(de)结合水(shui)渗出(chu)至孔隙内，变成孔隙水(shui)，排水(shui)固结后(hou)会使得(de)(de)磷石膏的(de)(de)孔隙比减(jian)小，干密度(du)(du)增大。

图4给出了相邻(lin)钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)K2和K17(位于(yu)2级子(zi)坝河(he)床部位)以及相邻(lin)钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)K6和K18(位于(yu)4级子(zi)坝河(he)床部位)干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)的对比图。K2钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)的干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之(zhi)间(jian)(jian)，均(jun)值为(wei)(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)的干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之(zhi)间(jian)(jian)，均(jun)值为(wei)(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)的干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之(zhi)间(jian)(jian)，均(jun)值为(wei)(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)的干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之(zhi)间(jian)(jian)，均(jun)值为(wei)(wei)1.37g/cm3。可见，即使从统计意义上来看，磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的干(gan)(gan)(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)(du)也并未随后(hou)续磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的堆积而有较为(wei)(wei)明显的增大。

(2)级(ji)配分布

颗粒分析试验采用密度计法(fa)，制(zhi)备悬(xuan)液时不(bu)煮(zhu)沸，不(bu)加六(liu)偏磷酸钠。图5给出了试验得(de)到的级配包(bao)线、平(ping)均(jun)粒径d50、不(bu)均(jun)匀系数(shu)(1u和曲(qu)率系数(shu)Cc的分布图。

从(cong)图5(a)可见，磷石膏(gao)的粒径(jing)主要(yao)分(fen)布(bu)在0.005～0.075mm之(zhi)间，总体(ti)上属于粉土，但可能由于矿石来源或生产工艺有所不同，局部属于粉砂～中砂。粒径(jing)分(fen)布(bu)范围比Blight和张超等(deng)的试验结果要(yao)宽一(yi)些。

图4子坝加(jia)高后沉积磷石(shi)膏的干密度(du)变化

图5沉积磷石膏的(de)平均粒(li)径和级(ji)配分布

由图5(b)和5(c)，无(wu)论(lun)是(shi)水平向还是(shi)垂(chui)直(zhi)向，磷石膏(gao)(gao)(gao)与金属矿山尾矿的(de)“前粗(cu)后细，上粗(cu)下细”的(de)自然分级(ji)现象不(bu)同，也即粗(cu)颗(ke)(ke)粒(li)并不(bu)是(shi)沿埋深逐(zhu)步减小(xiao)或距离放浆口(kou)越(yue)远颗(ke)(ke)粒(li)越(yue)细，其原因如下：①磷石膏(gao)(gao)(gao)颗(ke)(ke)粒(li)粒(li)径(jing)组(zu)(zu)成较(jiao)为集中、均(jun)匀(yun)，主要以粉粒(li)组(zu)(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)为主，级(ji)配(pei)较(jiao)差；②相比(bi)(bi)较(jiao)金属尾矿，磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)重较(jiao)小(xiao)，磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)比(bi)(bi)重一般为2.3～2.4，远小(xiao)于金属尾矿的(de)比(bi)(bi)重，例如铁尾矿的(de)比(bi)(bi)重可(ke)达2.9；③放浆口(kou)随子坝(ba)高度不(bu)断增加(jia)而不(bu)断变(bian)动并向库尾延伸，造(zao)成沉积(ji)磷石膏(gao)(gao)(gao)的(de)粒(li)径(jing)变(bian)化不(bu)明显。

从图5(d)可见，不(bu)均匀系(xi)数Cu范围值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)为4.18，曲(qu)率系(xi)数(1c范围值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)为1.21，在统计的(de)(de)100多个试样中，属于级(ji)配不(bu)良土(tu)的(de)(de)占93%。这种级(ji)配特性(xing)决定了磷(lin)石膏具(ju)有较高(gao)的(de)(de)压缩性(xing)、渗透破坏型式表现为流土(tu)破坏。

2.2渗透特性

(1)渗(shen)透(tou)系数

影响渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)(shu)的(de)主(zhu)要因素是粒(li)径大(da)小、级配和(he)孔隙比(bi)，因而磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)(shu)与(yu)粉土(tu)较(jiao)(jiao)为(wei)接近。由于(yu)(yu)孔隙比(bi)e减小，使得(de)过水通道面积减小，渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)(shu)k也将减小，k与(yu)e呈正相关(guan)(guan)关(guan)(guan)系(xi)(xi)。对砂土(tu)，一般认为(wei)渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)(shu)k与(yu)e3/(1+e)的(de)线性关(guan)(guan)系(xi)(xi)较(jiao)(jiao)好，图(tu)6给出(chu)了二(er)者间的(de)关(guan)(guan)系(xi)(xi)曲线，由于(yu)(yu)沉(chen)积磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)不均匀系(xi)(xi)数(shu)(shu)变化(hua)较(jiao)(jiao)大(da)，使得(de)沉(chen)积磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)渗透(tou)系(xi)(xi)数(shu)(shu)变化(hua)范围较(jiao)(jiao)大(da)(平均值为(wei)10-4cm/s数(shu)(shu)量级)，二(er)者问的(de)线性关(guan)(guan)系(xi)(xi)较(jiao)(jiao)差(cha)。

图6沉积磷石膏(gao)渗透(tou)系数与孔(kong)隙(xi)比的关系

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

图7给出了水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)与垂直(zhi)向(xiang)(xiang)渗透系(xi)(xi)数(shu)比值的(de)(de)(de)(de)分布。沉积(ji)磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)渗透系(xi)(xi)数(shu)kh一般大于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)渗透系(xi)(xi)数(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)(ping)均值约为2.86，这一点与成层(ceng)分布的(de)(de)(de)(de)金属尾矿规律一致。造成沉积(ji)磷石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)向(xiang)(xiang)渗透系(xi)(xi)数(shu)大于垂直(zhi)向(xiang)(xiang)渗透系(xi)(xi)数(shu)的(de)(de)(de)(de)原因是由(you)于磷石(shi)膏(gao)具有明(ming)显(xian)的(de)(de)(de)(de)晶体结构，电镜扫描显(xian)示多为菱形和棱柱状形式(见图8)，在(zai)沉积(ji)过程中，由(you)于扁平(ping)(ping)(ping)状磷石(shi)膏(gao)颗粒多呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)排列，使得水(shui)(shui)平(ping)(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透水(shui)(shui)性(xing)(xing)大于垂直(zhi)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)透水(shui)(shui)性(xing)(xing)，从而使磷石(shi)膏(gao)呈(cheng)现明(ming)显(xian)的(de)(de)(de)(de)各(ge)向(xiang)(xiang)异性(xing)(xing)。

另根据中国有色金属工业(ye)昆明勘察设计研究(jiu)院在杨家箐(qing)磷石膏堆积坝(ba)开展的现场渗(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)试(shi)验，kh/kv的平均值(zhi)约为(wei)1.9。但张超等(deng)的室内试(shi)验显示，kh/kv的平均值(zhi)约为(wei)0.46，也即垂直向(xiang)渗(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系数(shu)大于水平向(xiang)渗(shen)(shen)(shen)透(tou)(tou)系数(shu)，与本(ben)文和现场试(shi)验结果(guo)恰恰相反(fan)。从(cong)磷石膏的微观结构来看，本(ben)文试(shi)验结果(guo)更为(wei)合理。

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

(2)渗透(tou)变形(xing)

图9为(wei)(wei)磷(lin)(lin)石(shi)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(liu)速V的(de)(de)(de)关系曲线，试验(yan)(yan)在水(shui)平管涌仪中(zhong)(zhong)采用(yong)(yong)(yong)水(shui)平方向的(de)(de)(de)渗(shen)(shen)流(liu)形(xing)式进(jin)行(xing)(xing)。试验(yan)(yan)得到(dao)的(de)(de)(de)临界(jie)坡(po)(po)降(jiang)Jc=0.355，破坏坡(po)(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)(yi)(yi)(yi)般来(lai)说，对(dui)1，2级工程(cheng)，渗(shen)(shen)透(tou)安(an)全系数取(qu)为(wei)(wei)2.5，则允(yun)许(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)为(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)3级以(yi)下工程(cheng)，渗(shen)(shen)透(tou)安(an)全系数取(qu)2.0，则允(yun)许(xu)出逸(yi)坡(po)(po)降(jiang)为(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允(yun)许(xu)比(bi)降(jiang)与(yu)粉(fen)土(tu)一(yi)(yi)(yi)(yi)粉(fen)砂大致相同。但上述渗(shen)(shen)透(tou)变形(xing)试验(yan)(yan)是采用(yong)(yong)(yong)自来(lai)水(shui)进(jin)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)，自来(lai)水(shui)对(dui)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)具有一(yi)(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)(de)溶蚀作(zuo)用(yong)(yong)(yong)，而实际上磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)中(zhong)(zhong)残(can)余磷(lin)(lin)、硫和(he)氟酸(suan)，库水(shui)的(de)(de)(de)pH值(zhi)一(yi)(yi)(yi)(yi)般小于(yu)3(称(cheng)之为(wei)(wei)酸(suan)性水(shui))，在酸(suan)性水(shui)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)下，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)不(bu)会(hui)发(fa)生破坏，上述试验(yan)(yan)结果是偏于(yu)保守的(de)(de)(de)，但对(dui)非(fei)酸(suan)性水(shui)条件(例(li)如(ru)特大暴雨(yu))下的(de)(de)(de)渗(shen)(shen)透(tou)稳定判断有一(yi)(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)(de)借(jie)鉴意(yi)义。

图9水力梯度J-流(liu)速v试验过程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征(zheng)试验

试(shi)(shi)验在5Bar的压力板仪(yi)中进行，环刀尺(chi)寸6.18cm。干密(mi)度(du)分1.1，1.2和1.29g/cm3共3组，吸力范围0～500kPa。表l列出了含水率(lv)特征(zheng)值，试(shi)(shi)验曲(qu)线见图10所示(shi)。

试(shi)验(yan)结果表明：①干密度对进气值没(mei)有明显的(de)影响，不(bu)同干密度的(de)试(shi)样(yang)的(de)进气值大(da)致在10kPa左右；②土(tu)样(yang)残余含水率随干密度的(de)增加(jia)而减少，残余含水率约为饱和含水率的(de)10%。上述特(te)性与粉(fen)土(tu)一粉(fen)砂基(ji)本一致。

2.3静力力学特性

(1)三(san)轴CU试验

由于沉(chen)积磷石膏的密(mi)度(du)(du)变化较大(da)，而进行三轴试验需要若干原(yuan)状样，为(wei)使试验结(jie)果具有较好的一致性，有针对(dui)性的选择(ze)平均干密(mi)度(du)(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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若干试样，进行了5组三轴CU试验。图11是为(wei)干密(mi)度(du)(du)为(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的三轴CU试验曲线。

从图(tu)11可(ke)以看出，磷石膏(gao)的应(ying)力应(ying)变(bian)关系曲线在(zai)低围压下表(biao)现为(wei)软化(hua)型，在(zai)高围压下表(biao)现为(wei)硬(ying)化(hua)型，与一(yi)(yi)般土类(lei)相似。但与一(yi)(yi)般粉(fen)(fen)土一(yi)(yi)粉(fen)(fen)砂(sha)不同的是，即(ji)使在(zai)较(jiao)(jiao)为(wei)疏松(song)的状(zhuang)态下，磷石膏(gao)仍表(biao)现了(le)较(jiao)(jiao)为(wei)强烈的剪胀(zhang)，随(sui)密(mi)实度增(zeng)大，剪胀(zhang)作用愈发(fa)明显(xian)。

表2给出(chu)了(le)不同干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)下的(de)(de)内摩擦(ca)角(jiao)，图12给出(chu)了(le)内摩擦(ca)角(jiao)与干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)关(guan)系曲线。随干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，内摩擦(ca)角(jiao)也(ye)随之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)大，且(qie)可采(cai)用幂(mi)函数较(jiao)好地拟合(he)。磷(lin)石膏的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加为(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加了(le)32%，总应(ying)力摩擦(ca)角(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)加为(wei)37.3°(根据拟合(he)曲线求得)，增(zeng)(zeng)幅为(wei)9.4%，有(you)效应(ying)力摩擦(ca)角(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)加为(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)幅为(wei)3.2%，由(you)于(yu)随围压(ya)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大，孔压(ya)也(ye)明显增(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩擦(ca)角(jiao)增(zeng)(zeng)幅较(jiao)之(zhi)(zhi)总应(ying)力摩擦(ca)角(jiao)要小。另外较(jiao)之(zhi)(zhi)于(yu)干(gan)(gan)密(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅，摩擦(ca)角(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅并不显著，表明即使较(jiao)为(wei)疏松的(de)(de)磷(lin)石膏仍具有(you)较(jiao)高的(de)(de)强(qiang)度(du)(du)指标，这也(ye)表明磷(lin)石膏堆积坝的(de)(de)稳定性(xing)较(jiao)高。

(2)蠕变(次固结)变形试验

磷石膏(gao)的(de)蠕变(bian)变(bian)形试(shi)验在侧限压(ya)缩仪中进(jin)行(xing)，试(shi)验状态相当于K0固结。试(shi)样(yang)直径61.8mm，高度20mm，试(shi)样(yang)干密度为1.30g/cm3，对(dui)试(shi)样(yang)饱和后分别开展了上(shang)覆压(ya)力(li)ρ为100，200，400，800kPa的(de)试(shi)验，

试验(yan)从(cong)2012年8月27日开(kai)始，试验(yan)己进行了1年多(duo)，试验(yan)结(jie)果见图13所示。

从图13中可以看出：上覆荷(he)载(zai)(zai)越大(da)，磷(lin)石(shi)膏的蠕变(bian)变(bian)形也越大(da)，荷(he)载(zai)(zai)施加1年后(hou)(hou)，磷(lin)石(shi)膏的蠕变(bian)变(bian)形仍非常显著，尚未达(da)到(dao)稳(wen)定状态(tai)，这(zhei)也是磷(lin)石(shi)膏堆(dui)积坝(ba)后(hou)(hou)期变(bian)形较大(da)的原(yuan)因，原(yuan)型观测(ce)资料(liao)表明(ming)，在(zai)5级子坝(ba)河床部(bu)位的表面沉降量已经达(da)到(dao)3.1m，且尚未完全稳(wen)定。

按时(shi)间对(dui)数法，可求得(de)各级(ji)荷载下的(de)主(zhu)次(ci)(ci)固(gu)结(jie)(jie)(jie)变(bian)(bian)形量如表(biao)(biao)3所(suo)示(shi)。试(shi)验结(jie)(jie)(jie)果表(biao)(biao)明，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷载作用下，在(zai)(zai)试(shi)验时(shi)间范围内(nei)蠕变(bian)(bian)(次(ci)(ci)固(gu)结(jie)(jie)(jie))变(bian)(bian)形是主(zhu)固(gu)结(jie)(jie)(jie)变(bian)(bian)形的(de)1.8～3.1倍，当然由于蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形尚未(wei)完成，实际的(de)蠕变(bian)(bian)变(bian)(bian)形应更(geng)大。对(dui)土(tu)体而言(yan)，发生蠕变(bian)(bian)的(de)原(yuan)因是由于土(tu)体在(zai)(zai)主(zhu)固(gu)结(jie)(jie)(jie)完成之后(hou)，土(tu)体中仍有微小(xiao)的(de)超静孔隙(xi)压力存在(zai)(zai)，驱使水在(zai)(zai)颗粒问流动，一(yi)般来讲土(tu)体的(de)次(ci)(ci)固(gu)结(jie)(jie)(jie)远小(xiao)于主(zhu)固(gu)结(jie)(jie)(jie)变(bian)(bian)形；对(dui)磷(lin)石膏(gao)而言(yan)，其渗(shen)透系数在(zai)(zai)10-4cm/s数量级(ji)，远大于黏性土(tu)，但其却发生了极(ji)为显著的(de)次(ci)(ci)固(gu)结(jie)(jie)(jie)变(bian)(bian)形，其原(yuan)因在(zai)(zai)于磷(lin)石膏(gao)晶(jing)体结(jie)(jie)(jie)构发生了压缩、破坏，接(jie)触点晶(jing)格(ge)发生歪曲和变(bian)(bian)形，而破坏后(hou)晶(jing)格(ge)之间的(de)重(zhong)新(xin)排列、调整到最后(hou)趋于相对(dui)静止需要相当长(zhang)的(de)时(shi)间才能完成。

2.4动力力学(xue)特性(xing)

试(shi)验(yan)(yan)设(she)备(bei)采用英国(guo)GDS公司进口的(de)电机控制(zhi)动(dong)三轴(zhou)试(shi)验(yan)(yan)系(xi)统，试(shi)样直径(jing)39.1mm，高度80mm。

(1)动(dong)模量和(he)阻尼(ni)比

同样由于自(zi)然沉积的磷石膏密(mi)度(du)变(bian)化(hua)较大，为此根据(ju)物理性质试(shi)验结果(guo)，选择两种(zhong)平均干密(mi)度(du)1.34g/cm3(变(bian)化(hua)范围1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(变(bian)化(hua)范围1.44～1.46g/cm3)进行试(shi)验。

Hardin-Dmevich建(jian)议的动剪切模量G、阻尼比与剪应变幅(fu)值γd的关系式(shi)如下(xia)：

式(shi)中k1为(wei)参(can)数(shu)，表示动(dong)(dong)剪(jian)切(qie)(qie)模量的(de)(de)衰减或阻(zu)尼(ni)比的(de)(de)增长速率；λmax为(wei)最(zui)大阻(zu)尼(ni)比；Gmax，γd分别为(wei)最(zui)大动(dong)(dong)剪(jian)切(qie)(qie)模量和归一化的(de)(de)动(dong)(dong)剪(jian)应变，表示为(wei)

式(shi)中k2,n为(wei)参(can)数；σm为(wei)球应力；Pa为(wei)标(biao)准大气压；vd为(wei)动泊(bo)松比(bi)；εa为(wei)归(gui)一化(hua)的动应变，表达为(wei)

图14给出了动剪切模量(liang)、阻尼比(bi)(bi)与(yu)归一化(hua)动应变的(de)关系曲(qu)线(xian)，另(ling)外(wai)图中还给出了式(1)的(de)拟合(he)曲(qu)线(xian)以(yi)及(ji)Seed等(deng)给出的(de)砂(sha)样的(de)上(shang)下边界线(xian)，图例中，σ2表示围压，Kc表示固结(jie)应力比(bi)(bi)。

从图(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)较(jiao)(jiao)(jiao)好(hao)地描述(shu)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)动(dong)(dong)(dong)应(ying)(ying)力-动(dong)(dong)(dong)应(ying)(ying)变试验曲线(xian)(xian)，表明采用等价黏弹(dan)性模型进行循(xun)环荷(he)载作(zuo)用下(xia)的(de)(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)(de)；②图(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密度为1.45g/cm3的(de)(de)(de)拟合线(xian)(xian)位于(yu)干(gan)密度为1.34g/cm3的(de)(de)(de)拟合线(xian)(xian)上方，图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则(ze)位于(yu)下(xia)方，表明密度越(yue)大(da)，动(dong)(dong)(dong)弹(dan)模越(yue)大(da)、阻尼比(bi)越(yue)小；③图(tu)(tu)14(a)中(zhong)，两(liang)种干(gan)密度的(de)(de)(de)拟合线(xian)(xian)基本位于(yu)Seed等给出的(de)(de)(de)边界线(xian)(xian)上方，而(er)图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则(ze)基本处于(yu)边界线(xian)(xian)中(zhong)间(jian)，表明相(xiang)比(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)砂样，磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)动(dong)(dong)(dong)弹(dan)模较(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，会导致磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)堆(dui)积坝(ba)(ba)的(de)(de)(de)动(dong)(dong)(dong)力反(fan)应(ying)(ying)较(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，但(dan)由(you)于(yu)阻尼比(bi)也较(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，这样又会削弱坝(ba)(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)(dong)(dong)力反(fan)应(ying)(ying)，二(er)者(zhe)的(de)(de)(de)相(xiang)互影(ying)响下(xia)，磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)堆(dui)积坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)(dong)(dong)力反(fan)应(ying)(ying)将不会过于(yu)强烈，这对磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)堆(dui)积坝(ba)(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)干密度(du)为1.12(变(bian)化(hua)范(fan)(fan)围(wei)1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变(bian)化(hua)范(fan)(fan)围(wei)1.29～1.3lg/cm3)进(jin)行试验，破坏标准(zhun)为总应变(bian)达到(dao)10%。

图15给出(chu)了动剪应(ying)力(li)比τd/σ0′与破坏振(zhen)次Nf的(de)关系(xi)曲线图，其中σ0为(wei)振(zhen)前试样45°面(mian)上的(de)有效法向应(ying)力(li)，表达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固结比。从试验结果可以看出(chu)，沉积磷石膏的(de)动强(qiang)度(du)与其它土(tu)体(ti)相(xiang)似，表现为(wei)围压和固结应(ying)力(li)比与动剪应(ying)力(li)比呈负相(xiang)关关系(xi)。

为判(pan)别沉积磷石膏的抗(kang)液化能力，假(jia)定(ding)抗(kang)震设计烈度(du)为8度(du)，即等效振次Ⅳ可取为30。首先由式(shi)(4)

所示(shi)的(de)(de)幂函数(shu)关系式得(de)到(dao)振次为30时(shi)各个围压和固结比(bi)下的(de)(de)动(dong)剪(jian)应力比(bi)：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合求(qiu)得动剪(jian)应力比(bi)(bi)与围压和固(gu)结(jie)应力比(bi)(bi)的关(guan)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(guan)系式(shi)可见，密实度提高(gao)(gao)后，动剪应力比提高(gao)(gao)，表明抗液化(hua)能力也(ye)提高(gao)(gao)。但(dan)即使(shi)是在低密度下(xia)，其动剪应力比较之同类的(de)粉(fen)(fen)土或粉(fen)(fen)砂(sha)也(ye)大出(chu)许多(duo)，表明磷石膏(gao)具有较高(gao)(gao)的(de)抗液化(hua)能力。

三、结论

依托柳(liu)树箐(qing)磷石膏(gao)堆(dui)积(ji)坝，在钻探(tan)取样工作的基础(chu)上，首先开展了(le)物理性质试验，然后开展了(le)静动力力学(xue)特(te)性试验。通过上述试验研究，得出如下结论：

(1)沉(chen)积磷石膏(gao)总体(ti)上属于(yu)级配不(bu)良的粉(fen)土，局(ju)部(bu)属于(yu)粉(fen)砂一(yi)中砂，无(wu)自然分(fen)级现象(xiang)。其(qi)干密度和粒径变化随埋(mai)深(shen)或距放浆口距离(li)的变化不(bu)明显。

(2)沉积磷石膏水平方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)渗(shen)透系(xi)数(shu)大于垂直方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)渗(shen)透系(xi)数(shu)，呈现(xian)明显的(de)(de)各向(xiang)(xiang)异性。

(3)与土体颗(ke)粒不可压缩(suo)不同，磷石膏(gao)的晶体结(jie)构(gou)会(hui)发生压缩(suo)破坏，具有较大(da)的压缩(suo)性，其次固(gu)结(jie)变(bian)形量远大(da)于主固(gu)结(jie)变(bian)形量。

(4)沉积磷(lin)石膏(gao)的(de)静动(dong)强度较之同(tong)等密(mi)实度下(xia)的(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要高。