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)石(shi)膏(gao)是(shi)湿(shi)法(fa)磷(lin)酸(suan)生产(chan)(chan)过程中的(de)(de)副产(chan)(chan)品(pin)，2018年，全国(guo)(guo)(guo)磷(lin)石(shi)膏(gao)产(chan)(chan)生量为(wei)7800万吨(dun)，且呈逐年增(zeng)长的(de)(de)态势。磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)主要(yao)成(cheng)分是(shi)CaO和SO3，但含有一定量的(de)(de)氟化(hua)物(wu)和其(qi)它(ta)放射性物(wu)质(zhi)，在中国(guo)(guo)(guo)通常按Ⅱ类一般工(gong)业固体废物(wu)处(chu)理，鉴(jian)于无害化(hua)处(chu)理成(cheng)本(ben)较高(gao)，目前综合(he)利用率尚不足40%，故(gu)大(da)部分磷(lin)石(shi)膏(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)存(cun)场地的(de)(de)不同(tong)，可分为(wei)平地型(xing)、傍山(shan)型(xing)、山(shan)谷(gu)型(xing)和截河型(xing)堆(dui)(dui)场，在中国(guo)(guo)(guo)基本(ben)上(shang)是(shi)山(shan)谷(gu)型(xing)堆(dui)(dui)场。相比较干法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)，湿(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)经济优势明显，因而如地质(zhi)条件为(wei)非碳酸(suan)盐(yan)岩地区，一般均采用湿(shi)排(pai)湿(shi)堆(dui)(dui)方式。随着中国(guo)(guo)(guo)磷(lin)肥(fei)工(gong)业的(de)(de)快(kuai)速发展，本(ben)世(shi)纪初(chu)中国(guo)(guo)(guo)相继(ji)建设了(le)几(ji)座湿(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)磷(lin)石(shi)膏(gao)库，例如云天化(hua)国(guo)(guo)(guo)际化(hua)工(gong)三环分公(gong)司(si)的(de)(de)柳(liu)树箐磷(lin)石(shi)膏(gao)库堆(dui)(dui)积坝(ba)和富瑞分公(gong)司(si)的(de)(de)杨(yang)家(jia)箐磷(lin)石(shi)膏(gao)库堆(dui)(dui)积坝(ba)，这两座坝(ba)设计坝(ba)高(gao)均超过100m、处(chu)于8度地震区，其(qi)安全性备(bei)受关注。

据统计，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一(yi)2013年(nian)(nian))来，全世界有(you)118座尾(wei)矿坝曾发生过(guo)破坏或(huo)溃(kui)坝事故，原因主要有(you)地震、洪水漫顶、渗透破坏和基础失稳。尾(wei)矿库(ku)失事后(hou)会造成巨大的生态灾难和人员(yuan)伤亡，近(jin)几(ji)十年(nian)(nian)来，

国内外对(dui)金(jin)属尾矿的(de)(de)(de)沉积(ji)(ji)规(gui)律、物(wu)理力学特性(xing)(xing)(xing)及其稳定(ding)性(xing)(xing)(xing)开展了(le)大(da)量的(de)(de)(de)研究，但(dan)对(dui)于与金(jin)属尾矿库(ku)相近的(de)(de)(de)磷石(shi)膏库(ku)，一般仅限于在可研阶段采用人工制(zhi)备样进(jin)行(xing)(xing)物(wu)理力学性(xing)(xing)(xing)质(zhi)试验，并据此进(jin)行(xing)(xing)稳定(ding)性(xing)(xing)(xing)分(fen)析，尚(shang)未有人针(zhen)对(dui)己运行(xing)(xing)若干年的(de)(de)(de)大(da)型湿(shi)法(fa)堆(dui)存磷石(shi)膏堆(dui)积(ji)(ji)坝开展过(guo)磷石(shi)膏沉积(ji)(ji)规(gui)律及其物(wu)理力学特性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)专项研究。

本文依托柳树(shu)箐磷石膏(gao)(gao)堆积坝(ba)，首先(xian)进行(xing)了(le)(le)(le)钻探(tan)取样，采用原(yuan)状样开展了(le)(le)(le)密度(du)、含水率、渗透、土水特征和(he)(he)颗分等(deng)(deng)物理性(xing)(xing)质(zhi)试验，在此(ci)基(ji)础(chu)上有针对性(xing)(xing)的(de)选择原(yuan)状样开展了(le)(le)(le)三轴CU、蠕变及动(dong)三轴等(deng)(deng)力学特性(xing)(xing)试验。通过上述(shu)试验研究(jiu)，总(zong)结了(le)(le)(le)磷石膏(gao)(gao)的(de)沉积规律、渗透特性(xing)(xing)、渗透破坏特性(xing)(xing)以(yi)及静动(dong)力特性(xing)(xing)，上述(shu)研究(jiu)工作对研究(jiu)和(he)(he)评估磷石膏(gao)(gao)库堆积坝(ba)的(de)稳定(ding)性(xing)(xing)提供了(le)(le)(le)基(ji)础(chu)数(shu)据，对现行(xing)磷石膏(gao)(gao)库的(de)运(yun)行(xing)管(guan)理以(yi)及新建工程的(de)设计(ji)具有重要的(de)借鉴(jian)意(yi)义。

一、依托工(gong)程(cheng)概(gai)况

1.1柳树箐磷石膏堆积坝堆存设计方(fang)案

由初期坝和堆积(ji)坝组(zu)成，设(she)计总坝高约(yue)130m。

(1)初期坝

初期坝坝高(gao)约(yue)30m，采用(yong)土(tu)料(liao)填筑。上游坡面、坝底和(he)下游坝脚(jiao)设(she)置堆石排(pai)(pai)水体，三者相连通(tong)构(gou)成(cheng)整(zheng)个堆积坝的(de)主要排(pai)(pai)渗系(xi)统。

(2)堆积坝及其辅助(zhu)排渗措施

采用(yong)上游式筑坝(ba)法，共20级子(zi)坝(ba)，顶宽6～9m，高度5m，堆积高度约100m。采用(yong)排渗(shen)管网(wang)作为(wei)辅助排渗(shen)方(fang)案，目前(qian)己在5级、9级子(zi)坝(ba)和(he)13级子(zi)坝(ba)坝(ba)前(qian)120m范围内设置了(le)井字形排渗(shen)管网(wang)。

1.2沉积磷(lin)石膏的钻探取样

钻(zuan)孔(kong)(kong)平面位(wei)置见图l。2008年(nian)6月(yue)，堆积(ji)至5级子坝时(shi)，布设了(le)9个(ge)取样钻(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)编号K1～K9，取原(yuan)状样76件；2013年(nian)5月(yue)，堆积(ji)至13级子坝时(shi)，又布设了(le)11个(ge)取样钻(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)编号K10～K20，取原(yuan)状样112件，为比较子坝加高和磷石(shi)膏堆积(ji)过(guo)程中(zhong)磷石(shi)膏物理力学性质的变化，在(zai)2，4级子坝K2孔(kong)(kong)和K6孔(kong)(kong)附近(jin)各布设了(le)一个(ge)钻(zuan)孔(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)编号分别为K17和K18。

1.3运行(xing)概况

柳树箐(qing)磷石膏尾矿库(ku)2005年(nian)开工建(jian)设，2006年(nian)1月(yue)投入运行(xing)，截至(zhi)2013年(nian)5月(yue)己堆至(zhi)13级子坝(ba)(ba)，尚有7级子坝(ba)(ba)即堆存至(zhi)设计高(gao)程。鉴于磷石膏库(ku)地(di)(di)(di)(di)形、地(di)(di)(di)(di)质条件(jian)较好(hao)，具(ju)备扩容改造的条件(jian)，以提高(gao)堆存库(ku)容，减少堆存占地(di)(di)(di)(di)，节(jie)约(yue)土地(di)(di)(di)(di)资源。

本文主要(yao)对沉积磷石(shi)膏(gao)的物理(li)力(li)学特性进行(xing)了全面总结(jie)，限于篇(pian)幅，有关现状磷石(shi)膏(gao)库堆积坝的安全性评(ping)价(jia)及其加高可行(xing)性的研究将另文发表(biao)。

二、沉积(ji)磷石膏的物(wu)理力(li)学特(te)性

2.1物理(li)特性

(1)干(gan)密度分布(bu)

图2给出了14个钻孔的(de)取样深度(du)和(he)试验(yan)所得干密度(du)的(de)关(guan)系(xi)，图中(zhong)UWL表示水位(wei)线(xian)上，(系(xi)钻孔期间的(de)初见水位(wei)线(xian)，下同(tong)(tong))，DWL表示水位(wei)线(xian)下。图3给出了水位(wei)线(xian)上下的(de)饱(bao)和(he)度(du)分布图。由(you)于磷石(shi)膏(gao)中(zhong)的(de)主(zhu)要成分为CaSO4·2H2O，不同(tong)(tong)温度(du)和(he)烘烤时间对(dui)测(ce)定结(jie)果有一定影响，不能照搬(ban)现行的(de)土工试验(yan)规范，本文磷石(shi)膏(gao)的(de)含水率测(ce)定方法为55℃温度(du)下烘培24h。

图2沉积(ji)磷石膏干(gan)密度(du)与埋深的关系

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

由图3，水位(wei)(wei)线上的磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)饱(bao)(bao)(bao)和(he)度平(ping)(ping)均值(zhi)为(wei)50.4%，处于非饱(bao)(bao)(bao)和(he)状态，水位(wei)(wei)线以下(xia)的磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)饱(bao)(bao)(bao)和(he)度平(ping)(ping)均值(zhi)为(wei)85.0%，基(ji)本(ben)处于饱(bao)(bao)(bao)和(he)状态，由于水位(wei)(wei)下(xia)降后磷(lin)(lin)(lin)石膏(gao)来(lai)不及(ji)排水固结，故而水位(wei)(wei)线上局部试样的饱(bao)(bao)(bao)和(he)度较(jiao)高。

由图(tu)2，水(shui)位(wei)(wei)线以上的(de)干(gan)密(mi)度在(zai)0.98～1.67g/cm3之间(jian)，均(jun)值为(wei)1.30g/cm3；水(shui)位(wei)(wei)线以下(xia)的(de)干(gan)密(mi)度在(zai)1.15～1.73g/cm3之间(jian)，均(jun)值为(wei)1.4g/cm3。可(ke)见磷石膏与一般的(de)尾矿(kuang)有所(suo)(suo)不(bu)同，磷石膏的(de)干(gan)密(mi)度并不(bu)随埋深的(de)增(zeng)大(da)而(er)明显增(zeng)大(da)，但水(shui)位(wei)(wei)线以下(xia)的(de)磷石膏干(gan)密(mi)度从统计(ji)意义上来(lai)看仍大(da)于水(shui)位(wei)(wei)线以上的(de)磷石膏干(gan)密(mi)度，这主要是由于水(shui)位(wei)(wei)线随库水(shui)位(wei)(wei)的(de)变化(hua)反复升降而(er)使得磷石膏排水(shui)固结所(suo)(suo)致。

室内击实得到的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)(zui)大干密度一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之间(jian)，从图2可(ke)以看出(chu)，自然沉积的(de)磷石(shi)(shi)膏(gao)最(zui)(zui)大干密度可(ke)达到1.73g/cm3，原因如下：与经典的(de)土骨架(jia)不可(ke)压缩(suo)的(de)理论不同(tong)，石(shi)(shi)膏(gao)本身(shen)可(ke)压缩(suo)，同(tong)时由于颗粒(li)结(jie)构不稳定(ding)，击实试(shi)验(yan)过程中磷石(shi)(shi)膏(gao)结(jie)构被(bei)破坏，受夯击处下陷，四周鼓起(qi)，出(chu)现(xian)(xian)了类似于橡皮土的(de)现(xian)(xian)象。而在(zai)现(xian)(xian)场条件下，石(shi)(shi)膏(gao)骨架(jia)被(bei)破坏后，会导致颗粒(li)中的(de)结(jie)合水(shui)(shui)渗出(chu)至孔(kong)隙(xi)(xi)内，变成孔(kong)隙(xi)(xi)水(shui)(shui)，排水(shui)(shui)固结(jie)后会使得磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)孔(kong)隙(xi)(xi)比减(jian)小，干密度增(zeng)大。

图(tu)4给出了相邻(lin)钻(zuan)孔K2和K17(位(wei)(wei)(wei)于2级子(zi)坝河床部(bu)位(wei)(wei)(wei))以及相邻(lin)钻(zuan)孔K6和K18(位(wei)(wei)(wei)于4级子(zi)坝河床部(bu)位(wei)(wei)(wei))干(gan)密(mi)度(du)的(de)对比图(tu)。K2钻(zuan)孔的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之间，均(jun)(jun)值为(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)孔的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之间，均(jun)(jun)值为(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)孔的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之间，均(jun)(jun)值为(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)孔的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之间，均(jun)(jun)值为(wei)1.37g/cm3。可见，即使(shi)从(cong)统计意义(yi)上来(lai)看(kan)，磷石膏的(de)干(gan)密(mi)度(du)也并未随后续磷石膏的(de)堆积而有较为(wei)明显的(de)增大。

(2)级配分布(bu)

颗粒分析(xi)试验(yan)采用密度计(ji)法，制备悬液时(shi)不煮沸(fei)，不加六(liu)偏(pian)磷酸钠。图5给出(chu)了试验(yan)得到(dao)的级(ji)配包线(xian)、平(ping)均粒径d50、不均匀系数(shu)(1u和曲率系数(shu)Cc的分布图。

从图5(a)可见，磷石(shi)膏的粒径(jing)主要分(fen)布在0.005～0.075mm之间，总体上属(shu)于粉土，但可能由(you)于矿石(shi)来源或生(sheng)产(chan)工艺有所(suo)不同(tong)，局部(bu)属(shu)于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒径(jing)分(fen)布范围比Blight和张(zhang)超(chao)等的试验结(jie)果要宽一(yi)些。

图4子坝加(jia)高后沉积磷石膏(gao)的干密度(du)变化

图5沉(chen)积磷石膏的平均粒径和级配分布(bu)

由(you)图(tu)5(b)和5(c)，无(wu)论是水平向还是垂直(zhi)向，磷石(shi)(shi)膏与金属矿山(shan)尾(wei)(wei)矿的“前粗后(hou)细，上(shang)粗下(xia)细”的自然分级(ji)现象不(bu)(bu)同，也即粗颗(ke)粒并不(bu)(bu)是沿(yan)埋深逐步减小(xiao)(xiao)或距(ju)离(li)放浆口越远(yuan)颗(ke)粒越细，其原因如(ru)下(xia)：①磷石(shi)(shi)膏颗(ke)粒粒径(jing)组成较(jiao)(jiao)为(wei)集中、均匀，主要以粉(fen)粒组(0.005mm<d≤0.074mm)为(wei)主，级(ji)配较(jiao)(jiao)差；②相比较(jiao)(jiao)金属尾(wei)(wei)矿，磷石(shi)(shi)膏的比重(zhong)较(jiao)(jiao)小(xiao)(xiao)，磷石(shi)(shi)膏的比重(zhong)一般为(wei)2.3～2.4，远(yuan)小(xiao)(xiao)于(yu)金属尾(wei)(wei)矿的比重(zhong)，例如(ru)铁尾(wei)(wei)矿的比重(zhong)可达2.9；③放浆口随子坝高度不(bu)(bu)断增加而不(bu)(bu)断变动并向库(ku)尾(wei)(wei)延伸，造(zao)成沉(chen)积磷石(shi)(shi)膏的粒径(jing)变化不(bu)(bu)明显。

从图5(d)可(ke)见，不(bu)均(jun)匀系数Cu范围值1.61～21.5，平(ping)(ping)均(jun)值为(wei)4.18，曲率系数(1c范围值0.28～9.78，平(ping)(ping)均(jun)值为(wei)1.21，在统计的(de)100多个试样(yang)中，属(shu)于级配不(bu)良土的(de)占93%。这种级配特性(xing)决(jue)定(ding)了磷石膏(gao)具(ju)有较高的(de)压缩(suo)性(xing)、渗透破坏型(xing)式表现(xian)为(wei)流土破坏。

2.2渗透特性(xing)

(1)渗透(tou)系数(shu)

影响渗透系数(shu)(shu)(shu)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素是粒径大小、级配和孔(kong)隙比，因(yin)而磷(lin)石(shi)膏的(de)渗透系数(shu)(shu)(shu)与(yu)粉土较(jiao)(jiao)(jiao)为接近。由于孔(kong)隙比e减(jian)小，使(shi)得过水通(tong)道面(mian)积减(jian)小，渗透系数(shu)(shu)(shu)k也将减(jian)小，k与(yu)e呈(cheng)正相关(guan)关(guan)系。对砂土，一般认(ren)为渗透系数(shu)(shu)(shu)k与(yu)e3/(1+e)的(de)线性关(guan)系较(jiao)(jiao)(jiao)好，图6给出了二者(zhe)(zhe)间的(de)关(guan)系曲线，由于沉(chen)积磷(lin)石(shi)膏的(de)不均(jun)匀系数(shu)(shu)(shu)变化(hua)较(jiao)(jiao)(jiao)大，使(shi)得沉(chen)积磷(lin)石(shi)膏的(de)渗透系数(shu)(shu)(shu)变化(hua)范(fan)围较(jiao)(jiao)(jiao)大(平均(jun)值为10-4cm/s数(shu)(shu)(shu)量(liang)级)，二者(zhe)(zhe)问的(de)线性关(guan)系较(jiao)(jiao)(jiao)差。

图(tu)6沉(chen)积磷石膏渗透(tou)系数与孔隙比的关系

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

图7给(ji)出了水(shui)平与(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)(tou)系(xi)数(shu)比(bi)值的(de)(de)(de)分(fen)布。沉积磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)水(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)(tou)系(xi)数(shu)kh一(yi)般大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)渗(shen)透(tou)(tou)系(xi)数(shu)kv,kh/kv平均值约为2.86，这一(yi)点与(yu)成层分(fen)布的(de)(de)(de)金属尾矿(kuang)规律一(yi)致(zhi)。造成沉积磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水(shui)平向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)(tou)系(xi)数(shu)大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)(tou)系(xi)数(shu)的(de)(de)(de)原因是由于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具有明(ming)(ming)显的(de)(de)(de)晶体(ti)结构(gou)，电镜扫描显示多为菱形和棱柱状形式(见图8)，在沉积过程中，由于(yu)扁(bian)平状磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)颗(ke)粒多呈水(shui)平排(pai)列(lie)，使得水(shui)平方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing)大(da)于(yu)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)水(shui)性(xing)，从而使磷(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈现明(ming)(ming)显的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)异性(xing)。

另(ling)根据中国有(you)色金(jin)属工业(ye)昆明(ming)勘察设(she)计研究院(yuan)在杨家(jia)箐磷石膏堆(dui)积坝(ba)开展的现(xian)场渗(shen)透试(shi)验(yan)(yan)，kh/kv的平(ping)(ping)均值(zhi)约为1.9。但张超等的室内(nei)试(shi)验(yan)(yan)显(xian)示，kh/kv的平(ping)(ping)均值(zhi)约为0.46，也即垂直向(xiang)渗(shen)透系数(shu)大(da)于水平(ping)(ping)向(xiang)渗(shen)透系数(shu)，与(yu)本文和现(xian)场试(shi)验(yan)(yan)结(jie)(jie)果恰(qia)恰(qia)相反。从磷石膏的微观结(jie)(jie)构来看(kan)，本文试(shi)验(yan)(yan)结(jie)(jie)果更为合理。

图7沉(chen)积磷石膏(gao)干密度与(yu)水(shui)平(ping)和垂(chui)直渗透系(xi)数比值的(de)关系(xi)

(2)渗透变(bian)形

图(tu)9为(wei)(wei)磷石膏(gao)干密度为(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)力梯度J与(yu)流速(su)V的(de)(de)(de)(de)(de)关系(xi)曲线，试验在水(shui)(shui)平管涌仪中采用(yong)水(shui)(shui)平方向的(de)(de)(de)(de)(de)渗流形(xing)式进(jin)(jin)行。试验得到的(de)(de)(de)(de)(de)临(lin)界(jie)坡(po)降(jiang)Jc=0.355，破坏(huai)坡(po)降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)来说(shuo)，对1，2级工程，渗透安全(quan)系(xi)数取为(wei)(wei)2.5，则允许出(chu)逸坡(po)降(jiang)为(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对3级以下工程，渗透安全(quan)系(xi)数取2.0，则允许出(chu)逸坡(po)降(jiang)为(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允许比降(jiang)与(yu)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)大(da)致相同。但上(shang)(shang)述渗透变形(xing)试验是采用(yong)自来水(shui)(shui)进(jin)(jin)行的(de)(de)(de)(de)(de)，自来水(shui)(shui)对磷石膏(gao)具有(you)(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)溶蚀作用(yong)，而(er)实际(ji)上(shang)(shang)磷石膏(gao)中残余磷、硫和氟酸(suan)(suan)，库水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小(xiao)于3(称之为(wei)(wei)酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui))，在酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)作用(yong)下，磷石膏(gao)不会发生破坏(huai)，上(shang)(shang)述试验结果是偏(pian)于保守的(de)(de)(de)(de)(de)，但对非酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)条件(例如(ru)特(te)大(da)暴雨)下的(de)(de)(de)(de)(de)渗透稳定(ding)判断有(you)(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)借鉴意义(yi)。

图9水力梯度J-流速v试验(yan)过(guo)程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试(shi)验

试验在5Bar的(de)压力板仪中进行，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(fan)围0～500kPa。表l列出了含水率(lv)特(te)征(zheng)值，试验曲线(xian)见图10所示。

试验结果(guo)表明：①干密(mi)度对进(jin)气值没有明显的(de)影响，不(bu)同干密(mi)度的(de)试样的(de)进(jin)气值大致在10kPa左右；②土样残余含(han)水率随(sui)干密(mi)度的(de)增(zeng)加而减少，残余含(han)水率约(yue)为饱(bao)和含(han)水率的(de)10%。上述(shu)特性与粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂基本一(yi)致。

2.3静力(li)力(li)学特性

(1)三轴CU试(shi)验

由于沉积磷石膏的(de)密度变化较(jiao)大，而进行三轴试(shi)验(yan)需(xu)要(yao)若干原(yuan)状(zhuang)样，为使(shi)试(shi)验(yan)结果(guo)具(ju)有较(jiao)好的(de)一(yi)致性(xing)，有针(zhen)对(dui)性(xing)的(de)选择平均(jun)干密度分别为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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)若干试(shi)样，进行了(le)5组三轴CU试(shi)验(yan)。图(tu)11是为干密度为1.2和(he)1.58g/cm3的(de)三轴CU试(shi)验(yan)曲线。

从图11可以看出(chu)，磷石膏的应(ying)力应(ying)变关系(xi)曲线在低(di)围压下表(biao)现(xian)为软化型，在高(gao)围压下表(biao)现(xian)为硬化型，与(yu)(yu)一(yi)般(ban)土(tu)类相似。但与(yu)(yu)一(yi)般(ban)粉土(tu)一(yi)粉砂不同的是，即使(shi)在较为疏松的状态下，磷石膏仍表(biao)现(xian)了较为强烈的剪胀，随密实度(du)增(zeng)大，剪胀作用愈(yu)发明(ming)显。

表2给出了(le)不同(tong)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)下的(de)(de)内摩(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)，图12给出了(le)内摩(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)与干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)关系曲线。随干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，内摩(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)随之增(zeng)(zeng)大(da)(da)，且可采用幂函数较好地拟合(he)。磷石膏(gao)的(de)(de)干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)由(you)(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)加(jia)为1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，总应力(li)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)34.1°增(zeng)(zeng)加(jia)为37.3°(根(gen)据(ju)拟合(he)曲线求(qiu)得)，增(zeng)(zeng)幅为9.4%，有(you)效应力(li)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)(you)37.6°增(zeng)(zeng)加(jia)为38.8°，增(zeng)(zeng)幅为3.2%，由(you)(you)于随围压的(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，孔(kong)压也(ye)明显(xian)(xian)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，故有(you)效摩(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)幅较之总应力(li)摩(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外较之于干(gan)(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)幅，摩(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)(de)增(zeng)(zeng)幅并不显(xian)(xian)著(zhu)，表明即使较为疏松的(de)(de)磷石膏(gao)仍(reng)具(ju)有(you)较高的(de)(de)强度(du)(du)指标，这也(ye)表明磷石膏(gao)堆(dui)积坝的(de)(de)稳定性较高。

(2)蠕变(次固(gu)结(jie))变形试验

磷石膏的(de)蠕变(bian)变(bian)形试验在侧限压缩仪中进(jin)行(xing)，试验状态相(xiang)当于(yu)K0固结。试样(yang)直径61.8mm，高度(du)20mm，试样(yang)干密(mi)度(du)为(wei)1.30g/cm3，对试样(yang)饱(bao)和(he)后分别开展了(le)上覆压力ρ为(wei)100，200，400，800kPa的(de)试验，

试验从2012年8月(yue)27日开(kai)始，试验己进行了1年多，试验结果(guo)见图13所示。

从图13中可以看出：上覆荷载越大(da)，磷石(shi)(shi)膏的(de)蠕变(bian)变(bian)形也越大(da)，荷载施加1年后，磷石(shi)(shi)膏的(de)蠕变(bian)变(bian)形仍非(fei)常(chang)显著，尚未达(da)到稳(wen)定状态(tai)，这也是(shi)磷石(shi)(shi)膏堆积坝(ba)后期(qi)变(bian)形较大(da)的(de)原因，原型观测资料表明(ming)，在5级子坝(ba)河(he)床部位的(de)表面沉降量(liang)已经(jing)达(da)到3.1m，且(qie)尚未完全稳(wen)定。

按时(shi)(shi)(shi)间对数法，可求(qiu)得(de)各级(ji)(ji)荷载下的主(zhu)次(ci)固(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)量如表(biao)3所示。试(shi)验结(jie)果表(biao)明，在(zai)100～400kPa上覆荷载作(zuo)用(yong)下，在(zai)试(shi)验时(shi)(shi)(shi)间范围内蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)(gu)结(jie))变(bian)(bian)(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)的1.8～3.1倍，当然由于蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形(xing)尚(shang)未完成，实际的蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形(xing)应更大。对土(tu)体而言(yan)，发生蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)的原(yuan)因是(shi)由于土(tu)体在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)结(jie)完成之后(hou)，土(tu)体中仍有微小(xiao)的超静孔隙压力存在(zai)，驱使水(shui)在(zai)颗(ke)粒问流动，一般来讲土(tu)体的次(ci)固(gu)(gu)结(jie)远小(xiao)于主(zhu)固(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)；对磷(lin)石膏而言(yan)，其渗透系数在(zai)10-4cm/s数量级(ji)(ji)，远大于黏性土(tu)，但(dan)其却发生了极(ji)为显(xian)著(zhu)的次(ci)固(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)，其原(yuan)因在(zai)于磷(lin)石膏晶(jing)(jing)体结(jie)构发生了压缩、破坏，接触点晶(jing)(jing)格发生歪曲和变(bian)(bian)(bian)形(xing)，而破坏后(hou)晶(jing)(jing)格之间的重新排列、调整到最后(hou)趋于相对静止需要(yao)相当长的时(shi)(shi)(shi)间才能完成。

2.4动(dong)力力学特性

试验设(she)备(bei)采用英国(guo)GDS公司(si)进口的电机控(kong)制动三(san)轴(zhou)试验系统，试样直径39.1mm，高度80mm。

(1)动模量(liang)和阻尼比

同样由于自然沉(chen)积的磷石膏密(mi)度变化较大(da)，为此根据物理性质试验(yan)结果，选择两种平(ping)均(jun)干(gan)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建议的动剪切模量(liang)G、阻尼比(bi)与剪应变幅值γd的关系式如(ru)下：

式中k1为参数，表示(shi)动剪(jian)切模量的(de)(de)衰减或阻(zu)尼(ni)比的(de)(de)增长速率；λmax为最(zui)大(da)(da)阻(zu)尼(ni)比；Gmax，γd分别(bie)为最(zui)大(da)(da)动剪(jian)切模量和归一化的(de)(de)动剪(jian)应(ying)变(bian)，表示(shi)为

式(shi)中(zhong)k2,n为参数；σm为球应(ying)力；Pa为标准大气(qi)压；vd为动泊松比；εa为归一化的动应(ying)变，表达(da)为

图14给出(chu)了(le)动(dong)剪切模量、阻尼比与(yu)归一化动(dong)应变的关系曲线，另外图中(zhong)还给出(chu)了(le)式(1)的拟(ni)合(he)曲线以及Seed等给出(chu)的砂样的上下边界(jie)线，图例中(zhong)，σ2表(biao)示围压，Kc表(biao)示固结应力比。

从图中可(ke)以看(kan)出(chu)：①式(1)可(ke)较(jiao)好地描述磷石(shi)(shi)膏(gao)的(de)动应(ying)(ying)力(li)-动应(ying)(ying)变试(shi)验(yan)曲线(xian)(xian)，表(biao)明采(cai)用(yong)等价黏(nian)弹(dan)(dan)性模(mo)型进行循环荷载作用(yong)下(xia)(xia)的(de)分析(xi)是可(ke)行的(de)；②图14(a)中干密(mi)度(du)为(wei)1.45g/cm3的(de)拟合(he)线(xian)(xian)位(wei)(wei)于(yu)干密(mi)度(du)为(wei)1.34g/cm3的(de)拟合(he)线(xian)(xian)上方(fang)，图14(b)中则(ze)位(wei)(wei)于(yu)下(xia)(xia)方(fang)，表(biao)明密(mi)度(du)越大(da)，动弹(dan)(dan)模(mo)越大(da)、阻(zu)尼比(bi)(bi)越小；③图14(a)中，两种干密(mi)度(du)的(de)拟合(he)线(xian)(xian)基本位(wei)(wei)于(yu)Seed等给(ji)出(chu)的(de)边界线(xian)(xian)上方(fang)，而图14(b)中则(ze)基本处(chu)于(yu)边界线(xian)(xian)中间，表(biao)明相比(bi)(bi)较(jiao)砂(sha)样，磷石(shi)(shi)膏(gao)动弹(dan)(dan)模(mo)较(jiao)大(da)，会导(dao)致(zhi)磷石(shi)(shi)膏(gao)堆积(ji)(ji)坝(ba)的(de)动力(li)反(fan)应(ying)(ying)较(jiao)大(da)，但由于(yu)阻(zu)尼比(bi)(bi)也(ye)较(jiao)大(da)，这(zhei)(zhei)样又(you)会削弱坝(ba)体的(de)动力(li)反(fan)应(ying)(ying)，二者的(de)相互影(ying)响下(xia)(xia)，磷石(shi)(shi)膏(gao)堆积(ji)(ji)坝(ba)坝(ba)体的(de)动力(li)反(fan)应(ying)(ying)将不会过于(yu)强烈，这(zhei)(zhei)对(dui)磷石(shi)(shi)膏(gao)堆积(ji)(ji)坝(ba)的(de)抗震稳定(ding)性是有利的(de)。

(2)动强度

选择两种(zhong)平均干密度为1.12(变化范(fan)围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变化范(fan)围1.29～1.3lg/cm3)进行试验(yan)，破坏标(biao)准为总应变达到10%。

图15给出了动剪(jian)应(ying)力比(bi)τd/σ0′与(yu)(yu)破坏(huai)振次Nf的(de)关(guan)(guan)系曲线图，其中σ0为(wei)振前试样45°面上的(de)有效法向应(ying)力，表达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固结比(bi)。从试验结果可以看出，沉积磷石膏的(de)动强度与(yu)(yu)其它土体相似，表现为(wei)围(wei)压和(he)固结应(ying)力比(bi)与(yu)(yu)动剪(jian)应(ying)力比(bi)呈负相关(guan)(guan)关(guan)(guan)系。

为(wei)判别(bie)沉积磷石(shi)膏(gao)的抗液化能(neng)力，假定抗震设计烈度(du)为(wei)8度(du)，即等效振次Ⅳ可取为(wei)30。首先由式(4)

所(suo)示的幂函数关系式得到振次为30时各个(ge)围压和固结比下(xia)的动(dong)剪应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可拟合求得动剪应力比与围压和固结(jie)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(he)关系式可见，密实度提高(gao)(gao)后，动(dong)剪应力比提高(gao)(gao)，表(biao)明(ming)抗液(ye)化能力也提高(gao)(gao)。但即使(shi)是在低(di)密度下，其(qi)动(dong)剪应力比较之同(tong)类的粉土(tu)或(huo)粉砂也大出许多，表(biao)明(ming)磷石(shi)膏具有较高(gao)(gao)的抗液(ye)化能力。

三(san)、结论(lun)

依托柳树箐(qing)磷石膏(gao)堆积坝(ba)，在钻探(tan)取样工(gong)作的基础(chu)上(shang)，首(shou)先开展了物理性质试验，然后开展了静动力(li)(li)力(li)(li)学特性试验。通过(guo)上(shang)述试验研(yan)究，得出如下结论：

(1)沉积磷(lin)石膏总(zong)体上属(shu)于(yu)(yu)级配不(bu)良的(de)粉土，局部属(shu)于(yu)(yu)粉砂一中(zhong)砂，无自然分(fen)级现象。其干密度和粒径变化(hua)随埋深或距(ju)放浆口(kou)距(ju)离(li)的(de)变化(hua)不(bu)明显。

(2)沉(chen)积(ji)磷石(shi)膏(gao)水平方向的(de)渗透系数大于(yu)垂直方向的(de)渗透系数，呈现明(ming)显(xian)的(de)各向异性。

(3)与土体(ti)颗粒不(bu)可压缩不(bu)同(tong)，磷石膏的晶体(ti)结构(gou)会发生压缩破坏，具(ju)有较大(da)的压缩性(xing)，其(qi)次固结变形量远大(da)于主固结变形量。

(4)沉积磷(lin)石膏(gao)的(de)静动(dong)强度(du)较之同(tong)等密实度(du)下的(de)粉土、粉砂要高。