沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘要：磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)磷(lin)(lin)(lin)酸生产过程中(zhong)的(de)(de)副产品，目前(qian)的(de)(de)综(zong)合利用率尚不足40%，大部(bu)分需要堆(dui)(dui)(dui)存存放。受地形限制和经济效益考虑，中(zhong)国(guo)主要为湿(shi)法堆(dui)(dui)(dui)存的(de)(de)山谷型(xing)堆(dui)(dui)(dui)场。依托柳树箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)(dui)积坝(ba)(ba)，针对沉(chen)(chen)积磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)首(shou)先开展(zhan)了密度、含(han)水率、渗透、土水特(te)征和颗(ke)分等(deng)(deng)物理(li)性(xing)质(zhi)试验(yan)，然(ran)后开展(zhan)了三轴cu、蠕变(bian)及(ji)动三轴等(deng)(deng)力学特(te)性(xing)试验(yan)。试验(yan)结果表明：①沉(chen)(chen)积磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)干密度与(yu)埋深(shen)没有(you)相关关系；②沉(chen)(chen)积磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)不具有(you)自(zi)然(ran)分级现(xian)象，但具有(you)明显的(de)(de)各向异性(xing)；③沉(chen)(chen)积磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)具有(you)较高的(de)(de)摩擦角和抗液化(hua)能力，但其蠕变(bian)变(bian)形较大、渗透比降较小。上(shang)述工(gong)作为分析磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)(dui)(dui)积坝(ba)(ba)的(de)(de)坝(ba)(ba)体(ti)稳(wen)定(ding)性(xing)提供了基础，对现(xian)行(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库的(de)(de)运行(xing)管理(li)以(yi)及(ji)新(xin)建工(gong)程的(de)(de)设计(ji)具有(you)重要的(de)(de)借鉴意义。

引(yin)言

磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)是(shi)湿(shi)法(fa)磷(lin)(lin)(lin)酸(suan)生(sheng)产过(guo)程中的副产品(pin)，2018年(nian)，全(quan)国磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)产生(sheng)量(liang)为7800万(wan)吨，且呈逐年(nian)增长的态势。磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的主要(yao)成分(fen)是(shi)CaO和SO3，但含有一定量(liang)的氟化(hua)物(wu)和其(qi)它放射性(xing)物(wu)质，在中国通常按Ⅱ类(lei)一般工业固体(ti)废物(wu)处(chu)(chu)理，鉴(jian)于(yu)无害化(hua)处(chu)(chu)理成本(ben)较高(gao)，目前综合利用(yong)(yong)率尚不(bu)足40%，故大部分(fen)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)需要(yao)堆(dui)(dui)存存放。按堆(dui)(dui)存场(chang)地(di)的不(bu)同(tong)，可分(fen)为平(ping)地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)和截河(he)型(xing)(xing)堆(dui)(dui)场(chang)，在中国基本(ben)上是(shi)山(shan)谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)场(chang)。相比较干法(fa)堆(dui)(dui)存，湿(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存经济(ji)优(you)势明显，因(yin)而如地(di)质条件为非碳酸(suan)盐岩地(di)区，一般均(jun)采(cai)用(yong)(yong)湿(shi)排湿(shi)堆(dui)(dui)方式。随(sui)着中国磷(lin)(lin)(lin)肥工业的快速(su)发展，本(ben)世纪初中国相继建设(she)了几座湿(shi)法(fa)堆(dui)(dui)存的大型(xing)(xing)磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库(ku)，例(li)如云天(tian)化(hua)国际化(hua)工三环(huan)分(fen)公(gong)司的柳树箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库(ku)堆(dui)(dui)积坝(ba)和富瑞(rui)分(fen)公(gong)司的杨家(jia)箐磷(lin)(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)库(ku)堆(dui)(dui)积坝(ba)，这(zhei)两座坝(ba)设(she)计坝(ba)高(gao)均(jun)超过(guo)100m、处(chu)(chu)于(yu)8度(du)地(di)震区，其(qi)安全(quan)性(xing)备受关注。

据(ju)统计，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))来，全(quan)世(shi)界有118座尾矿(kuang)坝曾发(fa)生(sheng)过破(po)坏或溃坝事故，原因主要有地(di)震、洪水(shui)漫顶、渗透破(po)坏和基(ji)础失稳。尾矿(kuang)库(ku)失事后会造(zao)成巨大的生(sheng)态灾难和人员(yuan)伤亡，近(jin)几十(shi)年(nian)来，

国内外对金属尾矿(kuang)(kuang)的沉积规(gui)律、物理(li)力(li)学特性(xing)及其(qi)稳(wen)定性(xing)开展(zhan)了(le)大量的研究，但对于与金属尾矿(kuang)(kuang)库(ku)相近的磷石(shi)膏(gao)库(ku)，一般(ban)仅限于在可研阶段采用人工制备(bei)样进(jin)行(xing)物理(li)力(li)学性(xing)质试验，并(bing)据(ju)此进(jin)行(xing)稳(wen)定性(xing)分析(xi)，尚未有人针对己运行(xing)若干年的大型湿法(fa)堆存磷石(shi)膏(gao)堆积坝开展(zhan)过磷石(shi)膏(gao)沉积规(gui)律及其(qi)物理(li)力(li)学特性(xing)的专项研究。

本文依托柳树箐磷(lin)石(shi)膏堆积(ji)坝(ba)，首先(xian)进行了钻探取(qu)样(yang)，采(cai)用原状样(yang)开展(zhan)了密度、含水(shui)率、渗(shen)透、土水(shui)特征(zheng)和(he)颗分等(deng)物理性(xing)质试验(yan)，在此基础上有针对(dui)(dui)(dui)性(xing)的(de)选择原状样(yang)开展(zhan)了三轴(zhou)CU、蠕变及动(dong)三轴(zhou)等(deng)力(li)学特性(xing)试验(yan)。通过(guo)上述试验(yan)研究(jiu)(jiu)(jiu)，总结(jie)了磷(lin)石(shi)膏的(de)沉积(ji)规(gui)律(lv)、渗(shen)透特性(xing)、渗(shen)透破坏特性(xing)以及静动(dong)力(li)特性(xing)，上述研究(jiu)(jiu)(jiu)工(gong)作对(dui)(dui)(dui)研究(jiu)(jiu)(jiu)和(he)评估(gu)磷(lin)石(shi)膏库堆积(ji)坝(ba)的(de)稳(wen)定性(xing)提供(gong)了基础数据，对(dui)(dui)(dui)现(xian)行磷(lin)石(shi)膏库的(de)运行管(guan)理以及新(xin)建工(gong)程的(de)设(she)计具有重要的(de)借鉴意义。

一、依托工程概(gai)况

1.1柳树箐(qing)磷石(shi)膏堆积坝堆存设计(ji)方案

由初期(qi)坝和堆积(ji)坝组成，设(she)计(ji)总坝高约130m。

(1)初期坝

初期(qi)坝坝高约30m，采用土料填筑。上游坡面、坝底和下游坝脚(jiao)设(she)置堆(dui)石排(pai)水体(ti)，三者相连通构成整个(ge)堆(dui)积坝的主(zhu)要(yao)排(pai)渗系统。

(2)堆(dui)积坝及其(qi)辅助排(pai)渗措施

采用(yong)上游式(shi)筑坝(ba)(ba)法，共(gong)20级(ji)(ji)子坝(ba)(ba)，顶宽6～9m，高度5m，堆(dui)积高度约100m。采用(yong)排(pai)渗管(guan)网作为辅助排(pai)渗方案(an)，目前己(ji)在(zai)5级(ji)(ji)、9级(ji)(ji)子坝(ba)(ba)和13级(ji)(ji)子坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)前120m范(fan)围内(nei)设置了井字形排(pai)渗管(guan)网。

1.2沉积磷石膏的钻探取样

钻孔(kong)(kong)(kong)平面位置见(jian)图(tu)l。2008年(nian)6月，堆(dui)积(ji)至5级子坝(ba)时，布(bu)设(she)了(le)9个(ge)(ge)取(qu)样(yang)(yang)(yang)钻孔(kong)(kong)(kong)，钻孔(kong)(kong)(kong)编号K1～K9，取(qu)原(yuan)(yuan)状样(yang)(yang)(yang)76件；2013年(nian)5月，堆(dui)积(ji)至13级子坝(ba)时，又(you)布(bu)设(she)了(le)11个(ge)(ge)取(qu)样(yang)(yang)(yang)钻孔(kong)(kong)(kong)，钻孔(kong)(kong)(kong)编号K10～K20，取(qu)原(yuan)(yuan)状样(yang)(yang)(yang)112件，为(wei)比较子坝(ba)加高和(he)磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积(ji)过程(cheng)中磷(lin)石(shi)膏(gao)物(wu)理力学性质的变(bian)化，在2，4级子坝(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近各布(bu)设(she)了(le)一个(ge)(ge)钻孔(kong)(kong)(kong)，钻孔(kong)(kong)(kong)编号分(fen)别为(wei)K17和(he)K18。

1.3运行概况

柳树箐磷石膏(gao)尾矿库2005年开工建设(she)，2006年1月(yue)(yue)投入运行，截至(zhi)2013年5月(yue)(yue)己(ji)堆(dui)至(zhi)13级子坝，尚有7级子坝即堆(dui)存(cun)(cun)至(zhi)设(she)计高程。鉴于磷石膏(gao)库地(di)形、地(di)质条件较好(hao)，具备扩容改造的条件，以提(ti)高堆(dui)存(cun)(cun)库容，减少堆(dui)存(cun)(cun)占地(di)，节约土地(di)资源。

本(ben)文(wen)主要对沉积磷石(shi)膏(gao)的物理力学(xue)特性(xing)进行(xing)(xing)了全面总结(jie)，限于篇幅(fu)，有关现状磷石(shi)膏(gao)库堆积坝的安全性(xing)评价及(ji)其加高(gao)可行(xing)(xing)性(xing)的研究(jiu)将另文(wen)发表(biao)。

二、沉积磷(lin)石膏的物理(li)力学特性(xing)

2.1物理特性

(1)干密度分布

图(tu)2给出(chu)了14个钻孔(kong)的(de)(de)取样深度和试验所得干(gan)密度的(de)(de)关(guan)系，图(tu)中UWL表示水(shui)(shui)位(wei)线上(shang)(shang)，(系钻孔(kong)期间(jian)(jian)的(de)(de)初见水(shui)(shui)位(wei)线，下同)，DWL表示水(shui)(shui)位(wei)线下。图(tu)3给出(chu)了水(shui)(shui)位(wei)线上(shang)(shang)下的(de)(de)饱和度分布图(tu)。由(you)于磷石膏中的(de)(de)主要成分为(wei)CaSO4·2H2O，不同温(wen)度和烘(hong)(hong)烤时间(jian)(jian)对测定(ding)结果有(you)一定(ding)影(ying)响(xiang)，不能照(zhao)搬现行(xing)的(de)(de)土工试验规(gui)范，本文(wen)磷石膏的(de)(de)含(han)水(shui)(shui)率(lv)测定(ding)方法(fa)为(wei)55℃温(wen)度下烘(hong)(hong)培24h。

图2沉积(ji)磷石膏(gao)干密度与埋深的(de)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(de)(de)磷石膏(gao)饱(bao)和(he)(he)(he)度平均值为50.4%，处于(yu)非饱(bao)和(he)(he)(he)状(zhuang)态，水(shui)(shui)位(wei)线(xian)以下的(de)(de)磷石膏(gao)饱(bao)和(he)(he)(he)度平均值为85.0%，基本处于(yu)饱(bao)和(he)(he)(he)状(zhuang)态，由(you)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)下降(jiang)后磷石膏(gao)来不及(ji)排水(shui)(shui)固结，故(gu)而(er)水(shui)(shui)位(wei)线(xian)上局部试(shi)样的(de)(de)饱(bao)和(he)(he)(he)度较高。

由图2，水位(wei)(wei)线(xian)以上(shang)(shang)的干密度在0.98～1.67g/cm3之(zhi)间(jian)，均值为1.30g/cm3；水位(wei)(wei)线(xian)以下的干密度在1.15～1.73g/cm3之(zhi)间(jian)，均值为1.4g/cm3。可见磷石(shi)膏与一般的尾(wei)矿有所(suo)不(bu)同，磷石(shi)膏的干密度并不(bu)随埋深(shen)的增大而(er)明显增大，但水位(wei)(wei)线(xian)以下的磷石(shi)膏干密度从统计(ji)意义上(shang)(shang)来看仍(reng)大于水位(wei)(wei)线(xian)以上(shang)(shang)的磷石(shi)膏干密度，这主要是由于水位(wei)(wei)线(xian)随库水位(wei)(wei)的变化(hua)反复升降而(er)使得磷石(shi)膏排水固结(jie)所(suo)致。

室内(nei)击(ji)实得到的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏最大干(gan)密度(du)一般在(zai)1.36～1.46g/cm3之间，从图(tu)2可以看出，自(zi)然沉(chen)积的(de)(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏最大干(gan)密度(du)可达到1.73g/cm3，原因如下(xia)：与(yu)经典的(de)(de)土(tu)骨(gu)架不(bu)可压缩的(de)(de)理(li)论(lun)不(bu)同，石(shi)(shi)(shi)(shi)膏本身可压缩，同时由(you)于颗(ke)粒结(jie)构(gou)不(bu)稳定，击(ji)实试验过程中磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏结(jie)构(gou)被破坏(huai)，受夯击(ji)处下(xia)陷，四周鼓起(qi)，出现了类似于橡皮(pi)土(tu)的(de)(de)现象。而在(zai)现场(chang)条件下(xia)，石(shi)(shi)(shi)(shi)膏骨(gu)架被破坏(huai)后，会导致颗(ke)粒中的(de)(de)结(jie)合(he)水渗出至(zhi)孔(kong)(kong)隙(xi)内(nei)，变成孔(kong)(kong)隙(xi)水，排水固结(jie)后会使得磷(lin)(lin)石(shi)(shi)(shi)(shi)膏的(de)(de)孔(kong)(kong)隙(xi)比(bi)减小(xiao)，干(gan)密度(du)增大。

图(tu)4给出了相邻(lin)钻(zuan)孔(kong)K2和(he)K17(位(wei)于2级(ji)子(zi)坝(ba)河床部位(wei))以及相邻(lin)钻(zuan)孔(kong)K6和(he)K18(位(wei)于4级(ji)子(zi)坝(ba)河床部位(wei))干密(mi)(mi)度(du)的(de)对比图(tu)。K2钻(zuan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度(du)在1.12～1.47g/cm3之(zhi)间(jian)(jian)，均值(zhi)为1.30g/cm3，K17钻(zuan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度(du)在1.2～1.39g/cm3之(zhi)间(jian)(jian)，均值(zhi)为1.32g/cm3；K6钻(zuan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度(du)在1.13～1.57g/cm3之(zhi)间(jian)(jian)，均值(zhi)为1.36g/cm3，K18钻(zuan)孔(kong)的(de)干密(mi)(mi)度(du)在1.14～1.59g/cm3之(zhi)间(jian)(jian)，均值(zhi)为1.37g/cm3。可(ke)见，即使从统计意义(yi)上(shang)来(lai)看，磷(lin)石(shi)膏的(de)干密(mi)(mi)度(du)也并(bing)未随后(hou)续磷(lin)石(shi)膏的(de)堆积而有较为明显的(de)增大。

(2)级配分布

颗粒(li)分析试验(yan)采用密度计(ji)法，制备悬液时不煮沸，不加六(liu)偏磷酸钠。图5给出(chu)了试验(yan)得(de)到(dao)的级配包线、平(ping)均(jun)粒(li)径d50、不均(jun)匀系(xi)数(shu)(1u和曲率系(xi)数(shu)Cc的分布图。

从(cong)图5(a)可见(jian)，磷石(shi)膏(gao)的粒(li)径主要(yao)分布在(zai)0.005～0.075mm之间，总体上(shang)属于粉土，但可能(neng)由于矿石(shi)来源或生产工艺(yi)有所不同，局部属于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒(li)径分布范围比Blight和张超等(deng)的试验结果要(yao)宽一些。

图4子坝(ba)加高后(hou)沉积磷石膏(gao)的干密度变化

图5沉(chen)积(ji)磷石膏的平均粒径和级配分布

由图5(b)和5(c)，无论是(shi)水(shui)平向(xiang)还是(shi)垂直(zhi)向(xiang)，磷(lin)石膏(gao)与金(jin)属矿山尾(wei)(wei)(wei)矿的“前(qian)粗(cu)(cu)后细，上粗(cu)(cu)下细”的自(zi)然分(fen)级现象不同，也即(ji)粗(cu)(cu)颗粒(li)(li)并不是(shi)沿埋深逐(zhu)步减(jian)小或(huo)距离放(fang)浆(jiang)口(kou)(kou)越远颗粒(li)(li)越细，其(qi)原因如(ru)下：①磷(lin)石膏(gao)颗粒(li)(li)粒(li)(li)径组(zu)成较为(wei)集中、均(jun)匀，主要(yao)以粉粒(li)(li)组(zu)(0.005mm<d≤0.074mm)为(wei)主，级配较差；②相比(bi)较金(jin)属尾(wei)(wei)(wei)矿，磷(lin)石膏(gao)的比(bi)重(zhong)较小，磷(lin)石膏(gao)的比(bi)重(zhong)一(yi)般为(wei)2.3～2.4，远小于金(jin)属尾(wei)(wei)(wei)矿的比(bi)重(zhong)，例如(ru)铁尾(wei)(wei)(wei)矿的比(bi)重(zhong)可达2.9；③放(fang)浆(jiang)口(kou)(kou)随(sui)子坝(ba)高度不断增加而不断变动并向(xiang)库尾(wei)(wei)(wei)延伸，造成沉积磷(lin)石膏(gao)的粒(li)(li)径变化不明显。

从图5(d)可(ke)见，不(bu)(bu)均匀系数Cu范围值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)为4.18，曲率系数(1c范围值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)为1.21，在(zai)统计(ji)的100多个试样中(zhong)，属于级(ji)配不(bu)(bu)良土的占(zhan)93%。这种级(ji)配特性(xing)决定(ding)了磷石膏具有较高的压缩性(xing)、渗透(tou)破坏型式(shi)表现为流(liu)土破坏。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影响渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)的(de)主要因素(su)是粒径(jing)大小、级配和孔(kong)(kong)隙比，因而(er)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)与粉(fen)土较(jiao)(jiao)为(wei)接近。由于孔(kong)(kong)隙比e减(jian)小，使得(de)过水(shui)通(tong)道面积(ji)减(jian)小，渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)k也将减(jian)小，k与e呈正相关关系(xi)(xi)(xi)。对(dui)砂土，一般认为(wei)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)k与e3/(1+e)的(de)线(xian)性(xing)关系(xi)(xi)(xi)较(jiao)(jiao)好，图6给出了二者(zhe)间的(de)关系(xi)(xi)(xi)曲线(xian)，由于沉积(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)不均匀系(xi)(xi)(xi)数(shu)变(bian)化较(jiao)(jiao)大，使得(de)沉积(ji)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏的(de)渗(shen)(shen)透(tou)系(xi)(xi)(xi)数(shu)变(bian)化范围较(jiao)(jiao)大(平均值(zhi)为(wei)10-4cm/s数(shu)量级)，二者(zhe)问的(de)线(xian)性(xing)关系(xi)(xi)(xi)较(jiao)(jiao)差。

图6沉积(ji)磷(lin)石膏渗透(tou)系(xi)数与孔隙比的关系(xi)

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

图(tu)7给出了(le)水平(ping)(ping)与(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数(shu)比(bi)值的(de)(de)(de)分布。沉积(ji)(ji)磷石(shi)膏的(de)(de)(de)水平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数(shu)kh一(yi)(yi)般大(da)(da)于(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数(shu)kv,kh/kv平(ping)(ping)均(jun)值约为2.86，这一(yi)(yi)点与(yu)成(cheng)层分布的(de)(de)(de)金属尾矿规(gui)律一(yi)(yi)致。造成(cheng)沉积(ji)(ji)磷石(shi)膏水平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数(shu)大(da)(da)于(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)渗(shen)透系(xi)(xi)(xi)数(shu)的(de)(de)(de)原因(yin)是(shi)由(you)于(yu)磷石(shi)膏具(ju)有明显的(de)(de)(de)晶体结构(gou)，电(dian)镜扫描显示(shi)多为菱形和棱(leng)柱状形式(见图(tu)8)，在沉积(ji)(ji)过程中，由(you)于(yu)扁(bian)平(ping)(ping)状磷石(shi)膏颗(ke)粒多呈(cheng)水平(ping)(ping)排列，使(shi)(shi)得水平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透水性大(da)(da)于(yu)垂直(zhi)(zhi)方向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)透水性，从(cong)而(er)使(shi)(shi)磷石(shi)膏呈(cheng)现明显的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)异性。

另(ling)根据中国有色金属工业昆明勘察设(she)计(ji)研究院在(zai)杨(yang)家箐磷(lin)石(shi)膏堆积(ji)坝开展的(de)现场渗(shen)透试(shi)验，kh/kv的(de)平(ping)均值约为(wei)1.9。但张(zhang)超等的(de)室(shi)内试(shi)验显(xian)示，kh/kv的(de)平(ping)均值约为(wei)0.46，也(ye)即(ji)垂直向(xiang)渗(shen)透系(xi)数(shu)大于水平(ping)向(xiang)渗(shen)透系(xi)数(shu)，与本(ben)文(wen)和现场试(shi)验结(jie)果(guo)恰恰相反。从磷(lin)石(shi)膏的(de)微观结(jie)构来看，本(ben)文(wen)试(shi)验结(jie)果(guo)更为(wei)合理。

图7沉积(ji)磷石膏干密度(du)与(yu)水平(ping)和(he)垂直渗透系数比值的关系

(2)渗透变形

图(tu)9为磷石膏干密度为1.40g/cm3的(de)(de)水力梯度J与(yu)流速V的(de)(de)关系曲线，试(shi)验在水平管涌仪中采用(yong)水平方向(xiang)的(de)(de)渗流形(xing)式(shi)进(jin)(jin)行(xing)。试(shi)验得到的(de)(de)临界坡降(jiang)Jc=0.355，破坏(huai)坡降(jiang)Jp=0.375。一(yi)般来(lai)(lai)说，对1，2级工(gong)程，渗透安全系数取为2.5，则允(yun)许出逸坡降(jiang)为0.355/2.5=0.142，对3级以下工(gong)程，渗透安全系数取2.0，则允(yun)许出逸坡降(jiang)为0.355/2.0=0.178。其(qi)允(yun)许比(bi)降(jiang)与(yu)粉土一(yi)粉砂大致(zhi)相同。但上(shang)述渗透变形(xing)试(shi)验是采用(yong)自来(lai)(lai)水进(jin)(jin)行(xing)的(de)(de)，自来(lai)(lai)水对磷石膏具有一(yi)定的(de)(de)溶蚀作(zuo)用(yong)，而实际上(shang)磷石膏中残余磷、硫和氟酸(suan)，库水的(de)(de)pH值一(yi)般小于3(称(cheng)之为酸(suan)性水)，在酸(suan)性水作(zuo)用(yong)下，磷石膏不会发生破坏(huai)，上(shang)述试(shi)验结果是偏于保守的(de)(de)，但对非酸(suan)性水条件(例如特大暴(bao)雨)下的(de)(de)渗透稳定判(pan)断有一(yi)定的(de)(de)借鉴意义。

图9水力梯度(du)J-流速v试验过程(cheng)线(xian)(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试验

试验(yan)在5Bar的压力板仪中(zhong)进行，环刀(dao)尺寸6.18cm。干密度分1.1，1.2和1.29g/cm3共(gong)3组，吸力范围0～500kPa。表l列出了(le)含水率特征值，试验(yan)曲(qu)线见(jian)图(tu)10所示。

试验结果表明：①干密(mi)(mi)度(du)(du)对进气(qi)值没有(you)明显的(de)影响，不(bu)同(tong)干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)试样的(de)进气(qi)值大致在(zai)10kPa左右(you)；②土(tu)样残(can)余含(han)水率随(sui)干密(mi)(mi)度(du)(du)的(de)增加(jia)而减少(shao)，残(can)余含(han)水率约为饱和含(han)水率的(de)10%。上述特性与粉土(tu)一粉砂基本(ben)一致。

2.3静力力学特性

(1)三轴CU试验

由(you)于(yu)沉(chen)积磷石膏的(de)(de)密度(du)(du)变化较大，而进行(xing)三轴(zhou)(zhou)试(shi)验需(xu)要若干(gan)原(yuan)状(zhuang)样，为(wei)使试(shi)验结果具有(you)较好的(de)(de)一致性，有(you)针对性的(de)(de)选(xuan)择平均干(gan)密度(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1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的(de)(de)若干(gan)试(shi)样，进行(xing)了5组三轴(zhou)(zhou)CU试(shi)验。图11是为(wei)干(gan)密度(du)(du)为(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三轴(zhou)(zhou)CU试(shi)验曲线。

从图11可以看(kan)出(chu)，磷石(shi)膏的应力(li)应变关系(xi)曲(qu)线在(zai)低围(wei)压下(xia)表现为(wei)软化(hua)型，在(zai)高围(wei)压下(xia)表现为(wei)硬化(hua)型，与一(yi)般土类相似。但(dan)与一(yi)般粉土一(yi)粉砂(sha)不同(tong)的是，即使在(zai)较(jiao)为(wei)疏松的状态(tai)下(xia)，磷石(shi)膏仍(reng)表现了较(jiao)为(wei)强烈的剪胀(zhang)，随密实度(du)增大，剪胀(zhang)作用愈发(fa)明显。

表(biao)2给(ji)出了(le)不同干密(mi)度(du)(du)下(xia)的内摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，图12给(ji)出了(le)内摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)与干密(mi)度(du)(du)的关系曲(qu)线。随(sui)(sui)干密(mi)度(du)(du)的增(zeng)(zeng)(zeng)大，内摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)随(sui)(sui)之(zhi)(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用(yong)幂(mi)函数较(jiao)好(hao)地(di)拟合(he)(he)。磷石(shi)膏(gao)的干密(mi)度(du)(du)由(you)1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，总(zong)应力(li)摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)(wei)37.3°(根据(ju)拟合(he)(he)曲(qu)线求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)为(wei)(wei)9.4%，有(you)效应力(li)摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由(you)37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)为(wei)(wei)3.2%，由(you)于(yu)随(sui)(sui)围压的增(zeng)(zeng)(zeng)大，孔压也(ye)明显(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)较(jiao)之(zhi)(zhi)总(zong)应力(li)摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要(yao)小。另外较(jiao)之(zhi)(zhi)于(yu)干密(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)，摩擦(ca)(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的增(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)(fu)并不显(xian)著(zhu)，表(biao)明即使(shi)较(jiao)为(wei)(wei)疏松的磷石(shi)膏(gao)仍具有(you)较(jiao)高的强度(du)(du)指标，这也(ye)表(biao)明磷石(shi)膏(gao)堆积坝的稳(wen)定性(xing)较(jiao)高。

(2)蠕变(次固(gu)结)变形试验

磷(lin)石膏的蠕变变形试(shi)验(yan)在侧限压缩仪(yi)中进行，试(shi)验(yan)状态相当于(yu)K0固(gu)结。试(shi)样直径61.8mm，高度(du)(du)20mm，试(shi)样干(gan)密度(du)(du)为(wei)(wei)1.30g/cm3，对试(shi)样饱(bao)和后(hou)分别开(kai)展(zhan)了上(shang)覆压力(li)ρ为(wei)(wei)100，200，400，800kPa的试(shi)验(yan)，

试验(yan)从2012年8月27日开始，试验(yan)己进(jin)行(xing)了1年多，试验(yan)结果见图13所示。

从图13中可以看出：上(shang)覆荷载越大，磷(lin)(lin)石(shi)膏的蠕变(bian)变(bian)形也(ye)越大，荷载施加1年后，磷(lin)(lin)石(shi)膏的蠕变(bian)变(bian)形仍非常显著(zhu)，尚未达到(dao)稳(wen)定(ding)状态，这也(ye)是(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏堆积(ji)坝后期变(bian)形较大的原(yuan)因，原(yuan)型观测资料表明，在5级(ji)子坝河床部位的表面沉降量已经达到(dao)3.1m，且尚未完(wan)全(quan)稳(wen)定(ding)。

按时间(jian)对(dui)数法，可求得各级(ji)荷载(zai)下(xia)的主次(ci)固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)形量如表3所(suo)示。试验结(jie)(jie)果(guo)表明(ming)，在(zai)(zai)100～400kPa上覆荷载(zai)作用下(xia)，在(zai)(zai)试验时间(jian)范围内蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(次(ci)固(gu)结(jie)(jie))变(bian)(bian)(bian)形是主固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)形的1.8～3.1倍，当(dang)然(ran)由于(yu)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形尚未完成(cheng)，实际的蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形应(ying)更大(da)。对(dui)土(tu)(tu)体而言(yan)，发生(sheng)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)的原因(yin)是由于(yu)土(tu)(tu)体在(zai)(zai)主固(gu)结(jie)(jie)完成(cheng)之后，土(tu)(tu)体中仍有(you)微(wei)小的超静(jing)孔隙压力存在(zai)(zai)，驱使水(shui)在(zai)(zai)颗粒问流动，一般来讲土(tu)(tu)体的次(ci)固(gu)结(jie)(jie)远小于(yu)主固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)形；对(dui)磷石膏而言(yan)，其渗透系(xi)数在(zai)(zai)10-4cm/s数量级(ji)，远大(da)于(yu)黏性(xing)土(tu)(tu)，但其却发生(sheng)了极为显著的次(ci)固(gu)结(jie)(jie)变(bian)(bian)(bian)形，其原因(yin)在(zai)(zai)于(yu)磷石膏晶体结(jie)(jie)构发生(sheng)了压缩(suo)、破(po)(po)坏，接触点晶格(ge)发生(sheng)歪(wai)曲和变(bian)(bian)(bian)形，而破(po)(po)坏后晶格(ge)之间(jian)的重新排列、调整到最后趋于(yu)相对(dui)静(jing)止需要相当(dang)长的时间(jian)才(cai)能完成(cheng)。

2.4动力力学特性

试验设备(bei)采(cai)用英国GDS公司进口的电(dian)机控制动三轴试验系统，试样直(zhi)径39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)动模量和(he)阻尼比

同样由于自然沉积的磷石膏(gao)密(mi)度(du)变化较大，为(wei)此根据(ju)物理性质试(shi)验结(jie)果(guo)，选择两种平均(jun)干(gan)密(mi)度(du)1.34g/cm3(变化范围1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(变化范围1.44～1.46g/cm3)进行试(shi)验。

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

式中k1为(wei)参数，表示动剪切(qie)模(mo)量的(de)衰减或阻(zu)尼比的(de)增长(zhang)速率；λmax为(wei)最大(da)阻(zu)尼比；Gmax，γd分别为(wei)最大(da)动剪切(qie)模(mo)量和归一化(hua)的(de)动剪应(ying)变，表示为(wei)

式中(zhong)k2,n为(wei)参数(shu)；σm为(wei)球(qiu)应力；Pa为(wei)标准(zhun)大气压；vd为(wei)动泊松比；εa为(wei)归一(yi)化的动应变，表达(da)为(wei)

图(tu)14给出了动剪切模量、阻尼比与(yu)归一化(hua)动应变(bian)的(de)关系曲线，另外图(tu)中还给出了式(1)的(de)拟合曲线以及(ji)Seed等(deng)给出的(de)砂样的(de)上下边界(jie)线，图(tu)例中，σ2表示(shi)围压(ya)，Kc表示(shi)固结应力(li)比。

从图(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看出(chu)：①式(shi)(1)可(ke)较(jiao)(jiao)好地描述磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)(de)动应力(li)-动应变试验曲线(xian)(xian)，表(biao)明(ming)采用(yong)等(deng)价黏弹(dan)性(xing)模(mo)型(xing)进行(xing)循(xun)环荷载作用(yong)下的(de)(de)(de)分析是(shi)可(ke)行(xing)的(de)(de)(de)；②图(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密(mi)度(du)为1.45g/cm3的(de)(de)(de)拟(ni)合(he)线(xian)(xian)位(wei)于干(gan)密(mi)度(du)为1.34g/cm3的(de)(de)(de)拟(ni)合(he)线(xian)(xian)上(shang)方(fang)(fang)，图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则位(wei)于下方(fang)(fang)，表(biao)明(ming)密(mi)度(du)越大(da)，动弹(dan)模(mo)越大(da)、阻(zu)尼(ni)比越小(xiao)；③图(tu)(tu)14(a)中(zhong)，两种干(gan)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)拟(ni)合(he)线(xian)(xian)基(ji)本(ben)位(wei)于Seed等(deng)给出(chu)的(de)(de)(de)边界线(xian)(xian)上(shang)方(fang)(fang)，而图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则基(ji)本(ben)处于边界线(xian)(xian)中(zhong)间，表(biao)明(ming)相比较(jiao)(jiao)砂样(yang)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)动弹(dan)模(mo)较(jiao)(jiao)大(da)，会(hui)导致磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆积坝的(de)(de)(de)动力(li)反应较(jiao)(jiao)大(da)，但由于阻(zu)尼(ni)比也较(jiao)(jiao)大(da)，这样(yang)又会(hui)削弱坝体的(de)(de)(de)动力(li)反应，二(er)者的(de)(de)(de)相互影响下，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆积坝坝体的(de)(de)(de)动力(li)反应将不会(hui)过于强烈，这对磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)堆积坝的(de)(de)(de)抗震(zhen)稳(wen)定性(xing)是(shi)有(you)利(li)的(de)(de)(de)。

(2)动强度

选择两种(zhong)平均(jun)干密度(du)为1.12(变(bian)化(hua)范围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变(bian)化(hua)范围1.29～1.3lg/cm3)进行试验，破坏标准(zhun)为总应变(bian)达到10%。

图15给(ji)出了(le)动剪应(ying)力比(bi)τd/σ0′与(yu)(yu)破坏振(zhen)次(ci)Nf的关系曲线图，其(qi)中σ0为(wei)振(zhen)前试样45°面上的有效法向应(ying)力，表(biao)达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固结(jie)(jie)比(bi)。从试验结(jie)(jie)果可以看出，沉积磷石膏的动强度(du)与(yu)(yu)其(qi)它土体相似，表(biao)现为(wei)围压和固结(jie)(jie)应(ying)力比(bi)与(yu)(yu)动剪应(ying)力比(bi)呈负相关关系。

为(wei)判别沉(chen)积磷石膏的抗液化能(neng)力，假定(ding)抗震设计(ji)烈(lie)度(du)为(wei)8度(du)，即等效振次Ⅳ可(ke)取为(wei)30。首先由(you)式(shi)(4)

所(suo)示的(de)幂函数(shu)关系式得(de)到(dao)振次(ci)为30时各个(ge)围压和固结比下的(de)动(dong)剪应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合求得动(dong)剪应(ying)力(li)比与围压和固结应(ying)力(li)比的关(guan)系式(shi)：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(cong)上述拟(ni)合关系式可见，密实度提高(gao)(gao)后(hou)，动(dong)剪应力(li)比提高(gao)(gao)，表(biao)(biao)明(ming)抗液化能(neng)(neng)力(li)也提高(gao)(gao)。但即使(shi)是在低密度下，其动(dong)剪应力(li)比较(jiao)之同类的粉土或粉砂也大出许多(duo)，表(biao)(biao)明(ming)磷石膏具有较(jiao)高(gao)(gao)的抗液化能(neng)(neng)力(li)。

三、结论

依(yi)托柳树箐磷石膏堆积坝，在钻探(tan)取(qu)样工(gong)作的基(ji)础上，首先(xian)开(kai)展了物理(li)性(xing)质试(shi)验(yan)，然后(hou)开(kai)展了静动力(li)力(li)学特(te)性(xing)试(shi)验(yan)。通过上述(shu)试(shi)验(yan)研究，得出如下结论：

(1)沉(chen)积磷石膏总(zong)体(ti)上属于(yu)级配不(bu)良的(de)粉土，局(ju)部属于(yu)粉砂(sha)一(yi)中砂(sha)，无(wu)自然分级现(xian)象。其(qi)干密度和粒(li)径变(bian)化随(sui)埋深或距放(fang)浆口距离的(de)变(bian)化不(bu)明显。

(2)沉(chen)积磷(lin)石膏水平(ping)方向的(de)渗(shen)透系(xi)数(shu)大(da)于垂(chui)直方向的(de)渗(shen)透系(xi)数(shu)，呈现(xian)明显的(de)各向异性(xing)。

(3)与(yu)土体(ti)颗粒不可压缩(suo)不同，磷(lin)石膏的晶(jing)体(ti)结构会发(fa)生(sheng)压缩(suo)破坏，具有较大(da)的压缩(suo)性(xing)，其(qi)次固结变形量(liang)远大(da)于(yu)主固结变形量(liang)。

(4)沉积磷石膏的(de)静动强度较之(zhi)同等密实度下的(de)粉土、粉砂要高。