沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘要：磷(lin)石膏(gao)是磷(lin)酸生产(chan)(chan)过程中(zhong)(zhong)的(de)(de)副产(chan)(chan)品，目前的(de)(de)综合利用率尚不足(zu)40%，大部(bu)分(fen)需要堆(dui)存存放。受地形(xing)(xing)限制和经(jing)济效益考(kao)虑(lv)，中(zhong)(zhong)国主要为(wei)湿法堆(dui)存的(de)(de)山谷型堆(dui)场。依托柳树箐磷(lin)石膏(gao)堆(dui)积坝，针对沉(chen)积磷(lin)石膏(gao)首先(xian)开展了(le)密度(du)(du)、含(han)水(shui)率、渗(shen)透、土水(shui)特征和颗分(fen)等(deng)(deng)物理性(xing)(xing)(xing)质试验，然后开展了(le)三轴cu、蠕(ru)变(bian)及动三轴等(deng)(deng)力学特性(xing)(xing)(xing)试验。试验结果(guo)表明：①沉(chen)积磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)干(gan)密度(du)(du)与埋深(shen)没有相(xiang)关关系；②沉(chen)积磷(lin)石膏(gao)不具(ju)有自然分(fen)级现象，但具(ju)有明显(xian)的(de)(de)各向(xiang)异性(xing)(xing)(xing)；③沉(chen)积磷(lin)石膏(gao)具(ju)有较高的(de)(de)摩擦(ca)角和抗(kang)液化能力，但其蠕(ru)变(bian)变(bian)形(xing)(xing)较大、渗(shen)透比(bi)降(jiang)较小。上(shang)述工作(zuo)为(wei)分(fen)析磷(lin)石膏(gao)堆(dui)积坝的(de)(de)坝体稳定性(xing)(xing)(xing)提供了(le)基础，对现行(xing)磷(lin)石膏(gao)库的(de)(de)运行(xing)管理以及新(xin)建工程的(de)(de)设计(ji)具(ju)有重(zhong)要的(de)(de)借鉴意义(yi)。

引言

磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)是(shi)湿(shi)法(fa)(fa)磷(lin)酸生(sheng)产过(guo)程中(zhong)的(de)(de)副产品，2018年，全国磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)产生(sheng)量为7800万吨，且呈逐年增长的(de)(de)态势(shi)。磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)主要成分(fen)(fen)是(shi)CaO和SO3，但含(han)有一定量的(de)(de)氟化(hua)(hua)物(wu)和其它放射(she)性物(wu)质，在中(zhong)国通常按Ⅱ类一般(ban)工业固(gu)体废(fei)物(wu)处(chu)理，鉴于无(wu)害化(hua)(hua)处(chu)理成本较(jiao)高(gao)，目(mu)前综(zong)合利用率尚不足(zu)40%，故大(da)部(bu)分(fen)(fen)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)需要堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)场地(di)的(de)(de)不同，可分(fen)(fen)为平地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)型(xing)(xing)、山(shan)谷型(xing)(xing)和截河型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)场，在中(zhong)国基本上是(shi)山(shan)谷型(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)场。相(xiang)(xiang)比较(jiao)干法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，湿(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)经济优势(shi)明显，因(yin)而如地(di)质条件为非(fei)碳酸盐岩地(di)区，一般(ban)均采(cai)用湿(shi)排湿(shi)堆(dui)(dui)(dui)方式。随(sui)着(zhe)中(zhong)国磷(lin)肥(fei)工业的(de)(de)快速发(fa)展(zhan)，本世纪初(chu)中(zhong)国相(xiang)(xiang)继建设了(le)几座湿(shi)法(fa)(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的(de)(de)大(da)型(xing)(xing)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库，例如云天化(hua)(hua)国际化(hua)(hua)工三(san)环分(fen)(fen)公司的(de)(de)柳树箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库堆(dui)(dui)(dui)积坝(ba)(ba)(ba)和富瑞分(fen)(fen)公司的(de)(de)杨家箐磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)库堆(dui)(dui)(dui)积坝(ba)(ba)(ba)，这两座坝(ba)(ba)(ba)设计(ji)坝(ba)(ba)(ba)高(gao)均超过(guo)100m、处(chu)于8度地(di)震区，其安全性备受关注。

据(ju)统计，110多年(nian)(nian)(1901年(nian)(nian)一(yi)2013年(nian)(nian))来，全世(shi)界有(you)118座尾矿坝曾(ceng)发生(sheng)过破坏(huai)或溃(kui)坝事故，原因主要有(you)地震、洪水漫顶、渗透(tou)破坏(huai)和(he)基础(chu)失(shi)稳(wen)。尾矿库失(shi)事后(hou)会(hui)造成巨大(da)的生(sheng)态灾难和(he)人员伤亡，近几十年(nian)(nian)来，

国内(nei)外对(dui)(dui)金属(shu)尾(wei)矿(kuang)的(de)(de)沉积(ji)规律、物理(li)力(li)(li)学特(te)性(xing)(xing)及(ji)其稳定性(xing)(xing)开(kai)展了大量(liang)的(de)(de)研(yan)究，但对(dui)(dui)于与金属(shu)尾(wei)矿(kuang)库相近的(de)(de)磷石(shi)(shi)膏库，一般仅限于在可(ke)研(yan)阶段采(cai)用(yong)人工制备样进(jin)行(xing)(xing)物理(li)力(li)(li)学性(xing)(xing)质试(shi)验，并据此进(jin)行(xing)(xing)稳定性(xing)(xing)分析，尚未(wei)有(you)人针对(dui)(dui)己运行(xing)(xing)若(ruo)干年的(de)(de)大型湿(shi)法堆存(cun)磷石(shi)(shi)膏堆积(ji)坝开(kai)展过磷石(shi)(shi)膏沉积(ji)规律及(ji)其物理(li)力(li)(li)学特(te)性(xing)(xing)的(de)(de)专项(xiang)研(yan)究。

本文依托柳树(shu)箐磷(lin)(lin)石膏堆积坝(ba)，首(shou)先进行(xing)了(le)钻探(tan)取样，采用原(yuan)状(zhuang)样开展了(le)密度、含水率(lv)、渗(shen)(shen)透、土水特(te)征和颗分等物理性质试验(yan)(yan)，在此基础上有针对性的选择(ze)原(yuan)状(zhuang)样开展了(le)三轴(zhou)(zhou)CU、蠕变及(ji)动三轴(zhou)(zhou)等力学特(te)性试验(yan)(yan)。通过上述试验(yan)(yan)研究(jiu)，总(zong)结了(le)磷(lin)(lin)石膏的沉(chen)积规律、渗(shen)(shen)透特(te)性、渗(shen)(shen)透破坏特(te)性以及(ji)静动力特(te)性，上述研究(jiu)工作对研究(jiu)和评估磷(lin)(lin)石膏库(ku)堆积坝(ba)的稳定(ding)性提(ti)供了(le)基础数据，对现行(xing)磷(lin)(lin)石膏库(ku)的运行(xing)管理以及(ji)新(xin)建工程的设计(ji)具有重要(yao)的借(jie)鉴意义。

一、依托工程概(gai)况

1.1柳树箐磷石膏堆(dui)积坝(ba)堆(dui)存设计(ji)方案

由初期坝和堆(dui)积坝组(zu)成，设计总坝高(gao)约130m。

(1)初期坝

初期坝(ba)坝(ba)高(gao)约30m，采用土料填筑。上游坡(po)面、坝(ba)底(di)和下游坝(ba)脚(jiao)设置(zhi)堆石排(pai)水体，三者(zhe)相连(lian)通构成整个堆积坝(ba)的主(zhu)要排(pai)渗系统(tong)。

(2)堆积坝及其辅助(zhu)排渗措施(shi)

采(cai)用上(shang)游(you)式筑坝法，共20级子(zi)(zi)坝，顶宽(kuan)6～9m，高度(du)5m，堆积(ji)高度(du)约100m。采(cai)用排渗管(guan)网作为辅助排渗方案，目(mu)前(qian)己在5级、9级子(zi)(zi)坝和13级子(zi)(zi)坝坝前(qian)120m范围内(nei)设置了井字形排渗管(guan)网。

1.2沉积(ji)磷石膏的钻探取(qu)样

钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)平面位(wei)置见图(tu)l。2008年6月，堆积(ji)至5级(ji)(ji)子(zi)坝(ba)时，布设了9个(ge)取样(yang)(yang)钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)编(bian)号K1～K9，取原状样(yang)(yang)76件；2013年5月，堆积(ji)至13级(ji)(ji)子(zi)坝(ba)时，又布设了11个(ge)取样(yang)(yang)钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)编(bian)号K10～K20，取原状样(yang)(yang)112件，为比较子(zi)坝(ba)加(jia)高和(he)磷(lin)石膏堆积(ji)过程中磷(lin)石膏物理力学性质的变化，在(zai)2，4级(ji)(ji)子(zi)坝(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)(kong)附近(jin)各布设了一个(ge)钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)，钻(zuan)孔(kong)(kong)(kong)(kong)编(bian)号分(fen)别为K17和(he)K18。

1.3运行概况

柳(liu)树箐磷(lin)石膏(gao)尾矿库(ku)2005年开工建设(she)，2006年1月(yue)投入(ru)运行，截至2013年5月(yue)己堆(dui)(dui)至13级(ji)子坝，尚(shang)有7级(ji)子坝即堆(dui)(dui)存至设(she)计高(gao)程。鉴(jian)于磷(lin)石膏(gao)库(ku)地(di)形、地(di)质条件较好(hao)，具备扩容改造的条件，以(yi)提高(gao)堆(dui)(dui)存库(ku)容，减(jian)少堆(dui)(dui)存占地(di)，节(jie)约土地(di)资(zi)源。

本文主要对沉(chen)积磷石膏的(de)(de)物理(li)力学特性进行(xing)了全面总结(jie)，限(xian)于篇幅，有(you)关现状磷石膏库堆积坝的(de)(de)安全性评(ping)价及(ji)其加高可行(xing)性的(de)(de)研(yan)究将另文发表。

二、沉积磷石膏的物理力(li)学特性

2.1物理特性

(1)干密度分布

图2给出了14个钻孔的取样深度和(he)(he)试验所得(de)干密度的关系，图中UWL表示水(shui)位(wei)线(xian)上，(系钻孔期间的初见水(shui)位(wei)线(xian)，下(xia)同(tong))，DWL表示水(shui)位(wei)线(xian)下(xia)。图3给出了水(shui)位(wei)线(xian)上下(xia)的饱和(he)(he)度分布图。由于磷石(shi)膏(gao)中的主(zhu)要(yao)成分为CaSO4·2H2O，不同(tong)温度和(he)(he)烘烤时间对测定(ding)(ding)结果有一定(ding)(ding)影(ying)响，不能照搬(ban)现(xian)行(xing)的土(tu)工试验规范，本文磷石(shi)膏(gao)的含水(shui)率(lv)测定(ding)(ding)方法为55℃温度下(xia)烘培24h。

图(tu)2沉积(ji)磷石膏(gao)干密度与埋深(shen)的(de)关(guan)系

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

由图3，水位(wei)线(xian)(xian)上的磷(lin)石膏(gao)饱(bao)(bao)和度(du)平均值为50.4%，处于非饱(bao)(bao)和状(zhuang)(zhuang)态，水位(wei)线(xian)(xian)以(yi)下的磷(lin)石膏(gao)饱(bao)(bao)和度(du)平均值为85.0%，基本(ben)处于饱(bao)(bao)和状(zhuang)(zhuang)态，由于水位(wei)下降后(hou)磷(lin)石膏(gao)来(lai)不(bu)及(ji)排(pai)水固(gu)结(jie)，故而水位(wei)线(xian)(xian)上局部(bu)试样的饱(bao)(bao)和度(du)较高。

由图2，水位(wei)(wei)线以上(shang)的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在(zai)0.98～1.67g/cm3之间，均值(zhi)为1.30g/cm3；水位(wei)(wei)线以下的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)在(zai)1.15～1.73g/cm3之间，均值(zhi)为1.4g/cm3。可见(jian)磷(lin)石(shi)膏(gao)与一般(ban)的(de)(de)尾(wei)矿(kuang)有所不同，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)干密(mi)(mi)度(du)并(bing)不随(sui)埋深的(de)(de)增(zeng)大而明显增(zeng)大，但水位(wei)(wei)线以下的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)从统计意义上(shang)来看(kan)仍大于(yu)水位(wei)(wei)线以上(shang)的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干密(mi)(mi)度(du)，这(zhei)主要是(shi)由于(yu)水位(wei)(wei)线随(sui)库水位(wei)(wei)的(de)(de)变化(hua)反复升降而使得(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)排水固结(jie)所致。

室内(nei)击实得到(dao)的(de)(de)(de)磷石膏最大(da)干密(mi)度(du)一般在1.36～1.46g/cm3之间，从图(tu)2可(ke)以看出，自然沉(chen)积的(de)(de)(de)磷石膏最大(da)干密(mi)度(du)可(ke)达到(dao)1.73g/cm3，原因如下：与经典的(de)(de)(de)土骨(gu)架(jia)(jia)不(bu)可(ke)压(ya)缩的(de)(de)(de)理论(lun)不(bu)同(tong)，石膏本(ben)身可(ke)压(ya)缩，同(tong)时由于(yu)颗粒(li)结(jie)构不(bu)稳定，击实试(shi)验过程中磷石膏结(jie)构被(bei)破(po)坏(huai)，受夯击处下陷，四周(zhou)鼓起，出现了类似于(yu)橡皮土的(de)(de)(de)现象。而在现场条件下，石膏骨(gu)架(jia)(jia)被(bei)破(po)坏(huai)后(hou)，会导致(zhi)颗粒(li)中的(de)(de)(de)结(jie)合(he)水(shui)渗出至孔隙(xi)内(nei)，变成孔隙(xi)水(shui)，排水(shui)固结(jie)后(hou)会使(shi)得磷石膏的(de)(de)(de)孔隙(xi)比(bi)减小，干密(mi)度(du)增大(da)。

图4给(ji)出了(le)相(xiang)邻(lin)钻(zuan)孔(kong)K2和(he)K17(位(wei)于(yu)2级子(zi)坝(ba)河床部位(wei))以及相(xiang)邻(lin)钻(zuan)孔(kong)K6和(he)K18(位(wei)于(yu)4级子(zi)坝(ba)河床部位(wei))干(gan)密度(du)(du)的(de)对比(bi)图。K2钻(zuan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.12～1.47g/cm3之间，均(jun)值为(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.2～1.39g/cm3之间，均(jun)值为(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.13～1.57g/cm3之间，均(jun)值为(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)孔(kong)的(de)干(gan)密度(du)(du)在(zai)(zai)1.14～1.59g/cm3之间，均(jun)值为(wei)1.37g/cm3。可见，即使(shi)从统(tong)计意义上(shang)来(lai)看，磷石(shi)膏的(de)干(gan)密度(du)(du)也并(bing)未随后续磷石(shi)膏的(de)堆(dui)积(ji)而(er)有较为(wei)明显的(de)增(zeng)大。

(2)级配分布

颗粒分(fen)析试验(yan)采用密度计法，制备(bei)悬液时不煮沸，不加六偏磷酸(suan)钠。图5给出了试验(yan)得到的级配包线、平均(jun)粒径d50、不均(jun)匀系数(1u和曲率(lv)系数Cc的分(fen)布图。

从图5(a)可(ke)见，磷石(shi)膏的粒径主要(yao)分布(bu)在(zai)0.005～0.075mm之间，总体(ti)上属于粉土，但可(ke)能由于矿石(shi)来源或生产工艺有所不同，局部属于粉砂～中砂。粒径分布(bu)范围比Blight和张超等的试验结果要(yao)宽一些。

图4子(zi)坝(ba)加高后(hou)沉(chen)积磷石膏的干密(mi)度变化

图5沉(chen)积磷石膏的平(ping)均粒径(jing)和级配分(fen)布

由(you)图(tu)5(b)和5(c)，无论是(shi)(shi)水平向(xiang)还是(shi)(shi)垂直向(xiang)，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)与金(jin)属(shu)矿山尾矿的(de)(de)“前粗(cu)后(hou)细，上粗(cu)下(xia)细”的(de)(de)自然分(fen)级现象不同，也(ye)即粗(cu)颗(ke)粒(li)(li)(li)并不是(shi)(shi)沿埋(mai)深(shen)逐步减小或距离(li)放浆口(kou)越远(yuan)颗(ke)粒(li)(li)(li)越细，其原(yuan)因如下(xia)：①磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)颗(ke)粒(li)(li)(li)粒(li)(li)(li)径(jing)组成(cheng)较(jiao)为(wei)(wei)集中(zhong)、均匀，主要以粉粒(li)(li)(li)组(0.005mm<d≤0.074mm)为(wei)(wei)主，级配较(jiao)差；②相比(bi)较(jiao)金(jin)属(shu)尾矿，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)较(jiao)小，磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)比(bi)重(zhong)一般为(wei)(wei)2.3～2.4，远(yuan)小于金(jin)属(shu)尾矿的(de)(de)比(bi)重(zhong)，例如铁(tie)尾矿的(de)(de)比(bi)重(zhong)可(ke)达(da)2.9；③放浆口(kou)随(sui)子坝高度不断增加而不断变(bian)动并向(xiang)库尾延伸，造成(cheng)沉积磷(lin)石(shi)(shi)(shi)膏(gao)的(de)(de)粒(li)(li)(li)径(jing)变(bian)化(hua)不明显。

从图5(d)可见，不均匀系数Cu范围值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)为(wei)4.18，曲率(lv)系数(1c范围值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)为(wei)1.21，在统计的100多个(ge)试样(yang)中，属于级(ji)配不良土的占93%。这种级(ji)配特性决(jue)定了(le)磷石膏具有较高的压缩性、渗透(tou)破坏型(xing)式表现(xian)为(wei)流土破坏。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影(ying)响渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)的(de)主要因素是粒径大(da)小(xiao)、级配和(he)孔(kong)隙比(bi)，因而磷石膏(gao)的(de)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)与(yu)(yu)粉土较为接近。由于孔(kong)隙比(bi)e减(jian)小(xiao)，使(shi)(shi)得(de)过(guo)水通道面积(ji)减(jian)小(xiao)，渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)k也将减(jian)小(xiao)，k与(yu)(yu)e呈(cheng)正相关(guan)(guan)(guan)关(guan)(guan)(guan)系(xi)。对砂土，一(yi)般认(ren)为渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)k与(yu)(yu)e3/(1+e)的(de)线性(xing)关(guan)(guan)(guan)系(xi)较好(hao)，图6给(ji)出了二者间的(de)关(guan)(guan)(guan)系(xi)曲(qu)线，由于沉积(ji)磷石膏(gao)的(de)不均(jun)匀系(xi)数(shu)变化(hua)较大(da)，使(shi)(shi)得(de)沉积(ji)磷石膏(gao)的(de)渗(shen)透(tou)系(xi)数(shu)变化(hua)范围较大(da)(平均(jun)值为10-4cm/s数(shu)量级)，二者问的(de)线性(xing)关(guan)(guan)(guan)系(xi)较差。

图6沉积磷石膏(gao)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(ji)出了水(shui)(shui)平(ping)(ping)与垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)(xi)数比值的(de)分(fen)布。沉(chen)积(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)(xi)数kh一般(ban)大(da)于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)的(de)渗(shen)透(tou)系(xi)(xi)数kv,kh/kv平(ping)(ping)均值约为2.86，这(zhei)一点与成(cheng)(cheng)层分(fen)布的(de)金(jin)属尾矿规(gui)律一致。造成(cheng)(cheng)沉(chen)积(ji)磷(lin)石(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)(ping)向(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)(xi)数大(da)于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)向(xiang)(xiang)渗(shen)透(tou)系(xi)(xi)数的(de)原因是由(you)于(yu)磷(lin)石(shi)膏(gao)具(ju)有明显(xian)(xian)的(de)晶(jing)体结构(gou)，电镜扫描显(xian)(xian)示多(duo)为菱形(xing)和棱柱状形(xing)式(见(jian)图8)，在沉(chen)积(ji)过程中，由(you)于(yu)扁平(ping)(ping)状磷(lin)石(shi)膏(gao)颗粒(li)多(duo)呈(cheng)水(shui)(shui)平(ping)(ping)排列，使(shi)得水(shui)(shui)平(ping)(ping)方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性大(da)于(yu)垂(chui)(chui)直(zhi)方向(xiang)(xiang)的(de)透(tou)水(shui)(shui)性，从而使(shi)磷(lin)石(shi)膏(gao)呈(cheng)现(xian)明显(xian)(xian)的(de)各向(xiang)(xiang)异(yi)性。

另根据中国有(you)色金(jin)属(shu)工业昆明勘察设(she)计研究院在杨家(jia)箐磷石膏堆积坝(ba)开展的(de)(de)(de)现场渗透试(shi)验，kh/kv的(de)(de)(de)平(ping)均值约为1.9。但(dan)张超等的(de)(de)(de)室(shi)内试(shi)验显示，kh/kv的(de)(de)(de)平(ping)均值约为0.46，也即(ji)垂直向渗透系数(shu)大于水(shui)平(ping)向渗透系数(shu)，与本(ben)文和现场试(shi)验结果恰恰相反。从磷石膏的(de)(de)(de)微观结构来看，本(ben)文试(shi)验结果更为合理。

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

(2)渗透变形

图(tu)9为(wei)(wei)(wei)磷(lin)石膏干(gan)密(mi)度为(wei)(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力(li)梯度J与流(liu)速V的(de)(de)(de)关系曲线，试(shi)验(yan)在(zai)水(shui)(shui)(shui)平(ping)管(guan)涌仪中(zhong)采用(yong)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向的(de)(de)(de)渗(shen)流(liu)形(xing)式进(jin)行(xing)(xing)。试(shi)验(yan)得(de)到的(de)(de)(de)临界(jie)坡降(jiang)(jiang)(jiang)Jc=0.355，破坏坡降(jiang)(jiang)(jiang)Jp=0.375。一(yi)般(ban)来说，对1，2级(ji)工程(cheng)，渗(shen)透(tou)安(an)全系数取为(wei)(wei)(wei)2.5，则允许(xu)出(chu)逸坡降(jiang)(jiang)(jiang)为(wei)(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对3级(ji)以下(xia)工程(cheng)，渗(shen)透(tou)安(an)全系数取2.0，则允许(xu)出(chu)逸坡降(jiang)(jiang)(jiang)为(wei)(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其允许(xu)比降(jiang)(jiang)(jiang)与粉(fen)土(tu)一(yi)粉(fen)砂大(da)(da)致相同。但上(shang)述(shu)渗(shen)透(tou)变形(xing)试(shi)验(yan)是(shi)采用(yong)自(zi)来水(shui)(shui)(shui)进(jin)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)，自(zi)来水(shui)(shui)(shui)对磷(lin)石膏具有(you)(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)溶蚀作用(yong)，而实(shi)际上(shang)磷(lin)石膏中(zhong)残(can)余(yu)磷(lin)、硫和(he)氟(fu)酸，库水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)pH值一(yi)般(ban)小于3(称之为(wei)(wei)(wei)酸性水(shui)(shui)(shui))，在(zai)酸性水(shui)(shui)(shui)作用(yong)下(xia)，磷(lin)石膏不会发生破坏，上(shang)述(shu)试(shi)验(yan)结果是(shi)偏于保守的(de)(de)(de)，但对非酸性水(shui)(shui)(shui)条(tiao)件(例如特大(da)(da)暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)渗(shen)透(tou)稳定(ding)判断有(you)(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)借(jie)鉴意义。

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

(3)土水特征试验

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

试验(yan)结果表明：①干密度对(dui)进(jin)气值没有明显的(de)(de)影响(xiang)，不同干密度的(de)(de)试样的(de)(de)进(jin)气值大致在10kPa左(zuo)右(you)；②土(tu)样残余含(han)水率随(sui)干密度的(de)(de)增(zeng)加而(er)减(jian)少(shao)，残余含(han)水率约为(wei)饱和含(han)水率的(de)(de)10%。上述特性与粉土(tu)一(yi)粉砂基本一(yi)致。

2.3静力力学特性

(1)三轴CU试验

由于沉积磷石膏的密度变化较大，而进行(xing)三(san)轴试(shi)验需要若(ruo)干(gan)原状样，为使试(shi)验结(jie)果具有(you)较好(hao)的一致性(xing)，有(you)针(zhen)对性(xing)的选择平均(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(he)1.58g/cm3(1.57～1.6g/cm3)的若(ruo)干(gan)试(shi)样，进行(xing)了(le)5组三(san)轴CU试(shi)验。图11是为干(gan)密度为1.2和(he)1.58g/cm3的三(san)轴CU试(shi)验曲线。

从图11可以看出，磷(lin)石膏(gao)的应力应变关系曲线(xian)在(zai)低围压下(xia)(xia)表(biao)(biao)(biao)现(xian)为软化(hua)型，在(zai)高围压下(xia)(xia)表(biao)(biao)(biao)现(xian)为硬化(hua)型，与一(yi)般(ban)(ban)土类(lei)相似。但与一(yi)般(ban)(ban)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂不(bu)同的是，即使在(zai)较(jiao)为疏(shu)松的状态下(xia)(xia)，磷(lin)石膏(gao)仍(reng)表(biao)(biao)(biao)现(xian)了较(jiao)为强烈的剪胀(zhang)，随密实(shi)度增大，剪胀(zhang)作(zuo)用愈发明显(xian)。

表2给(ji)出了不同干密(mi)度(du)(du)下的(de)内摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)，图12给(ji)出了内摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)与干密(mi)度(du)(du)的(de)关系(xi)曲线(xian)。随干密(mi)度(du)(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，内摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)也(ye)随之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采用幂函数(shu)较(jiao)好地(di)拟(ni)合。磷(lin)石膏的(de)干密(mi)度(du)(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了32%，总应(ying)力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)37.3°(根据拟(ni)合曲线(xian)求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)9.4%，有(you)效应(ying)力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)3.2%，由于(yu)随围压(ya)(ya)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔压(ya)(ya)也(ye)明(ming)(ming)显(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)较(jiao)之总应(ying)力摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外较(jiao)之于(yu)干密(mi)度(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不显(xian)著，表明(ming)(ming)即使较(jiao)为(wei)疏松(song)的(de)磷(lin)石膏仍具有(you)较(jiao)高的(de)强(qiang)度(du)(du)指标，这也(ye)表明(ming)(ming)磷(lin)石膏堆积坝(ba)的(de)稳定性较(jiao)高。

(2)蠕变(次固结)变形试验(yan)

磷石膏(gao)的蠕变(bian)变(bian)形试验(yan)在侧限压(ya)缩仪中进行，试验(yan)状态相当于K0固结。试样(yang)直径61.8mm，高度(du)20mm，试样(yang)干密度(du)为(wei)1.30g/cm3，对试样(yang)饱和后分(fen)别开展了上(shang)覆压(ya)力ρ为(wei)100，200，400，800kPa的试验(yan)，

试验从2012年(nian)8月27日(ri)开始，试验己进行了1年(nian)多(duo)，试验结果见(jian)图13所示。

从图(tu)13中可(ke)以看出：上覆荷载越大，磷石(shi)(shi)膏的(de)蠕(ru)变变形(xing)也越大，荷载施(shi)加1年后，磷石(shi)(shi)膏的(de)蠕(ru)变变形(xing)仍非常显著(zhu)，尚(shang)未达到(dao)稳(wen)(wen)定状态，这也是(shi)磷石(shi)(shi)膏堆积坝后期变形(xing)较大的(de)原因(yin)，原型(xing)观(guan)测资料表(biao)明，在5级子(zi)坝河床部位的(de)表(biao)面沉降(jiang)量已经(jing)达到(dao)3.1m，且尚(shang)未完全稳(wen)(wen)定。

按(an)时间(jian)对(dui)数(shu)法，可(ke)求得各(ge)级(ji)荷载下的(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)量(liang)如表(biao)3所示。试验结(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，在100～400kPa上覆荷载作用下，在试验时间(jian)范围内蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(次固(gu)(gu)结(jie))变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)1.8～3.1倍(bei)，当(dang)(dang)然(ran)由(you)于蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)尚未完(wan)成(cheng)，实际(ji)的(de)(de)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)应更大(da)。对(dui)土(tu)体(ti)(ti)而言(yan)，发(fa)生蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)的(de)(de)原因(yin)(yin)是(shi)由(you)于土(tu)体(ti)(ti)在主(zhu)固(gu)(gu)结(jie)完(wan)成(cheng)之后(hou)(hou)，土(tu)体(ti)(ti)中仍(reng)有微(wei)小的(de)(de)超静孔隙压力存(cun)在，驱使水在颗粒问流动(dong)，一般来讲土(tu)体(ti)(ti)的(de)(de)次固(gu)(gu)结(jie)远(yuan)小于主(zhu)固(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)；对(dui)磷石膏(gao)而言(yan)，其渗透系(xi)数(shu)在10-4cm/s数(shu)量(liang)级(ji)，远(yuan)大(da)于黏(nian)性土(tu)，但(dan)其却(que)发(fa)生了极为显著(zhu)的(de)(de)次固(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，其原因(yin)(yin)在于磷石膏(gao)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)结(jie)构发(fa)生了压缩、破坏，接触点晶(jing)(jing)格发(fa)生歪曲(qu)和变(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)，而破坏后(hou)(hou)晶(jing)(jing)格之间(jian)的(de)(de)重新排(pai)列、调整到最后(hou)(hou)趋于相对(dui)静止需要相当(dang)(dang)长的(de)(de)时间(jian)才能(neng)完(wan)成(cheng)。

2.4动力力学特性

试验(yan)设备采用英国(guo)GDS公司进口的电机控制动三轴试验(yan)系统(tong)，试样直径39.1mm，高(gao)度80mm。

(1)动模量和阻尼比

同样(yang)由于(yu)自然沉积的磷石膏密度变(bian)化(hua)较大，为(wei)此根据物(wu)理性质(zhi)试(shi)验(yan)结果，选择(ze)两(liang)种平均干密度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(jin)行试(shi)验(yan)。

Hardin-Dmevich建议的动剪切模量G、阻尼比与剪应(ying)变(bian)幅值γd的关系式如下(xia)：

式(shi)中(zhong)k1为(wei)参数，表(biao)示(shi)动剪(jian)切模(mo)量的衰减或阻(zu)尼(ni)比的增长速(su)率；λmax为(wei)最大阻(zu)尼(ni)比；Gmax，γd分(fen)别(bie)为(wei)最大动剪(jian)切模(mo)量和归一化的动剪(jian)应变(bian)，表(biao)示(shi)为(wei)

式中k2,n为(wei)(wei)(wei)(wei)参数；σm为(wei)(wei)(wei)(wei)球应力(li)；Pa为(wei)(wei)(wei)(wei)标准大气(qi)压；vd为(wei)(wei)(wei)(wei)动(dong)泊(bo)松比；εa为(wei)(wei)(wei)(wei)归一化的动(dong)应变，表(biao)达(da)为(wei)(wei)(wei)(wei)

图(tu)14给(ji)(ji)出了动剪切模量、阻尼比与(yu)归一化动应变的(de)关(guan)系曲线(xian)(xian)，另外(wai)图(tu)中(zhong)(zhong)还给(ji)(ji)出了式(shi)(1)的(de)拟合曲线(xian)(xian)以及Seed等给(ji)(ji)出的(de)砂样的(de)上下(xia)边界线(xian)(xian)，图(tu)例中(zhong)(zhong)，σ2表示围压，Kc表示固结应力比。

从图(tu)中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)较好地描述(shu)磷石膏(gao)(gao)的(de)(de)动应力-动应变(bian)试(shi)验曲线(xian)，表明采用等价黏弹(dan)性模(mo)(mo)型进行循环荷(he)载作(zuo)用下的(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)；②图(tu)14(a)中(zhong)干密度(du)为1.45g/cm3的(de)(de)拟合线(xian)位于(yu)干密度(du)为1.34g/cm3的(de)(de)拟合线(xian)上方，图(tu)14(b)中(zhong)则(ze)位于(yu)下方，表明密度(du)越大(da)，动弹(dan)模(mo)(mo)越大(da)、阻尼(ni)比(bi)越小；③图(tu)14(a)中(zhong)，两(liang)种(zhong)干密度(du)的(de)(de)拟合线(xian)基本(ben)(ben)位于(yu)Seed等给出的(de)(de)边界(jie)线(xian)上方，而图(tu)14(b)中(zhong)则(ze)基本(ben)(ben)处于(yu)边界(jie)线(xian)中(zhong)间，表明相(xiang)比(bi)较砂样，磷石膏(gao)(gao)动弹(dan)模(mo)(mo)较大(da)，会导(dao)致磷石膏(gao)(gao)堆(dui)积(ji)(ji)坝(ba)(ba)的(de)(de)动力反应较大(da)，但由于(yu)阻尼(ni)比(bi)也较大(da)，这样又会削弱坝(ba)(ba)体的(de)(de)动力反应，二者的(de)(de)相(xiang)互(hu)影响下，磷石膏(gao)(gao)堆(dui)积(ji)(ji)坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)体的(de)(de)动力反应将不会过于(yu)强烈(lie)，这对磷石膏(gao)(gao)堆(dui)积(ji)(ji)坝(ba)(ba)的(de)(de)抗震稳定(ding)性是有(you)利的(de)(de)。

(2)动强度

选择(ze)两种平(ping)均(jun)干密度(du)为(wei)1.12(变化范围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变化范围1.29～1.3lg/cm3)进行试验，破坏标准为(wei)总应(ying)变达到10%。

图15给出了动剪(jian)(jian)应力(li)比(bi)τd/σ0′与破坏振次Nf的(de)(de)关(guan)系(xi)曲线(xian)图，其中σ0为(wei)振前试样45°面(mian)上的(de)(de)有(you)效(xiao)法向应力(li)，表达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固结(jie)比(bi)。从试验(yan)结(jie)果可以看出，沉积磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)动强(qiang)度与其它土体相(xiang)似，表现为(wei)围压和固结(jie)应力(li)比(bi)与动剪(jian)(jian)应力(li)比(bi)呈负相(xiang)关(guan)关(guan)系(xi)。

为(wei)判(pan)别沉积(ji)磷(lin)石膏的(de)抗(kang)液化能力(li)，假定(ding)抗(kang)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(shi)(4)

所(suo)示的幂函数关系式得到(dao)振(zhen)次(ci)为(wei)30时各(ge)个围压和固(gu)结比下的动剪(jian)应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然(ran)后可拟合求得动剪应(ying)力比与围(wei)压和固结(jie)应(ying)力比的(de)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)上述拟合(he)关系(xi)式(shi)可(ke)见(jian)，密实度提(ti)高后，动(dong)剪应(ying)力比(bi)提(ti)高，表明(ming)抗液化能(neng)力也(ye)提(ti)高。但即使(shi)是在低密度下(xia)，其动(dong)剪应(ying)力比(bi)较(jiao)之同类的(de)粉(fen)土(tu)或粉(fen)砂也(ye)大出(chu)许多(duo)，表明(ming)磷石膏具有较(jiao)高的(de)抗液化能(neng)力。

三、结论(lun)

依托柳树箐磷石(shi)膏堆积坝(ba)，在钻探取样工作的(de)基础上，首先开展(zhan)了(le)物(wu)理性质(zhi)试(shi)(shi)验，然后开展(zhan)了(le)静动力力学特性试(shi)(shi)验。通(tong)过上述(shu)试(shi)(shi)验研究，得出(chu)如下(xia)结论：

(1)沉积磷(lin)石膏总体上属(shu)于级配不良的粉土，局部属(shu)于粉砂一中(zhong)砂，无自然分(fen)级现象。其干密(mi)度和(he)粒径变化(hua)随埋深或距(ju)放浆口(kou)距(ju)离的变化(hua)不明显。

(2)沉积磷(lin)石膏(gao)水平方(fang)向的(de)(de)渗透(tou)系数大(da)于(yu)垂直方(fang)向的(de)(de)渗透(tou)系数，呈现明显的(de)(de)各向异性。

(3)与土体颗(ke)粒(li)不可压缩(suo)(suo)不同，磷(lin)石(shi)膏的晶体结构(gou)会发(fa)生压缩(suo)(suo)破(po)坏，具有较(jiao)大(da)的压缩(suo)(suo)性，其(qi)次(ci)固结变形量远大(da)于主固结变形量。

(4)沉积磷石膏的(de)(de)静动强度较之同等(deng)密实度下的(de)(de)粉(fen)土、粉(fen)砂要高。