沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

摘要(yao)：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(yan)

磷石(shi)(shi)(shi)膏是(shi)(shi)湿(shi)法磷酸(suan)生(sheng)产(chan)过程中(zhong)(zhong)(zhong)的副产(chan)品，2018年，全(quan)(quan)国(guo)(guo)磷石(shi)(shi)(shi)膏产(chan)生(sheng)量为(wei)7800万吨(dun)，且呈逐年增长的态势(shi)(shi)。磷石(shi)(shi)(shi)膏的主(zhu)要成(cheng)分(fen)(fen)(fen)是(shi)(shi)CaO和(he)SO3，但(dan)含(han)有一定量的氟化物(wu)和(he)其它放射(she)性物(wu)质，在中(zhong)(zhong)(zhong)国(guo)(guo)通常(chang)按Ⅱ类一般工(gong)业(ye)固体废物(wu)处理，鉴于无(wu)害化处理成(cheng)本(ben)较高，目前综合利(li)用率尚(shang)不(bu)足40%，故(gu)大部分(fen)(fen)(fen)磷石(shi)(shi)(shi)膏需要堆(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)存(cun)场(chang)(chang)地(di)的不(bu)同，可分(fen)(fen)(fen)为(wei)平(ping)地(di)型(xing)(xing)、傍山(shan)(shan)型(xing)(xing)、山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)堆(dui)场(chang)(chang)，在中(zhong)(zhong)(zhong)国(guo)(guo)基本(ben)上是(shi)(shi)山(shan)(shan)谷(gu)型(xing)(xing)堆(dui)场(chang)(chang)。相(xiang)比较干法堆(dui)存(cun)，湿(shi)法堆(dui)存(cun)经济优势(shi)(shi)明显，因而如地(di)质条件(jian)为(wei)非碳酸(suan)盐(yan)岩地(di)区，一般均(jun)采(cai)用湿(shi)排湿(shi)堆(dui)方式。随着中(zhong)(zhong)(zhong)国(guo)(guo)磷肥(fei)工(gong)业(ye)的快速发展，本(ben)世纪初中(zhong)(zhong)(zhong)国(guo)(guo)相(xiang)继建设了几座(zuo)湿(shi)法堆(dui)存(cun)的大型(xing)(xing)磷石(shi)(shi)(shi)膏库，例如云(yun)天化国(guo)(guo)际(ji)化工(gong)三环(huan)分(fen)(fen)(fen)公司的柳树箐磷石(shi)(shi)(shi)膏库堆(dui)积坝和(he)富瑞(rui)分(fen)(fen)(fen)公司的杨家箐磷石(shi)(shi)(shi)膏库堆(dui)积坝，这(zhei)两座(zuo)坝设计(ji)坝高均(jun)超过100m、处于8度地(di)震区，其安全(quan)(quan)性备受关注(zhu)。

据统计，110多年(1901年一2013年)来，全世界有(you)118座尾(wei)矿坝曾(ceng)发生过破坏或(huo)溃(kui)坝事故，原因主要(yao)有(you)地震、洪水漫顶、渗(shen)透破坏和基础失(shi)稳。尾(wei)矿库失(shi)事后会造成巨大的生态灾(zai)难(nan)和人员伤亡(wang)，近几(ji)十(shi)年来，

国内外对(dui)金属尾矿的(de)沉积规律、物(wu)(wu)理(li)(li)力(li)学(xue)(xue)特性(xing)及其稳(wen)定性(xing)开(kai)展(zhan)了大量的(de)研究，但(dan)对(dui)于与金属尾矿库相近的(de)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)库，一般仅限(xian)于在可研阶段采用人工制备样(yang)进行(xing)物(wu)(wu)理(li)(li)力(li)学(xue)(xue)性(xing)质(zhi)试验，并据此进行(xing)稳(wen)定性(xing)分析(xi)，尚未有(you)人针对(dui)己运行(xing)若干年的(de)大型湿法堆(dui)存磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积坝(ba)开(kai)展(zhan)过(guo)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)沉积规律及其物(wu)(wu)理(li)(li)力(li)学(xue)(xue)特性(xing)的(de)专项研究。

本文(wen)依托柳树(shu)箐磷(lin)石(shi)膏堆积(ji)坝，首先进行了(le)(le)钻探(tan)取样，采用原状样开展了(le)(le)密(mi)度、含水(shui)率、渗(shen)透(tou)、土(tu)水(shui)特(te)征和颗分等物理性(xing)(xing)质试(shi)(shi)验，在此基(ji)础上有针对性(xing)(xing)的(de)选(xuan)择原状样开展了(le)(le)三(san)轴CU、蠕变(bian)及(ji)动三(san)轴等力学(xue)特(te)性(xing)(xing)试(shi)(shi)验。通过上述试(shi)(shi)验研究，总结了(le)(le)磷(lin)石(shi)膏的(de)沉(chen)积(ji)规律、渗(shen)透(tou)特(te)性(xing)(xing)、渗(shen)透(tou)破坏(huai)特(te)性(xing)(xing)以及(ji)静动力特(te)性(xing)(xing)，上述研究工作(zuo)对研究和评估(gu)磷(lin)石(shi)膏库(ku)(ku)堆积(ji)坝的(de)稳定性(xing)(xing)提供了(le)(le)基(ji)础数据(ju)，对现行磷(lin)石(shi)膏库(ku)(ku)的(de)运行管理以及(ji)新(xin)建(jian)工程的(de)设(she)计具有重要的(de)借鉴意义。

一、依托工程概况(kuang)

1.1柳(liu)树箐磷石膏堆积坝堆存设计方案(an)

由(you)初期坝和堆(dui)积坝组(zu)成，设计总(zong)坝高(gao)约130m。

(1)初期(qi)坝

初期坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)高(gao)约(yue)30m，采用土料(liao)填(tian)筑。上游坡(po)面、坝(ba)(ba)底(di)和(he)下游坝(ba)(ba)脚设置堆石排水(shui)体，三者相(xiang)连通构(gou)成整个堆积坝(ba)(ba)的主要(yao)排渗(shen)系统。

(2)堆积坝及其辅(fu)助(zhu)排渗措施

采用上(shang)游(you)式筑坝(ba)(ba)(ba)法，共20级(ji)子坝(ba)(ba)(ba)，顶宽6～9m，高(gao)度5m，堆积(ji)高(gao)度约(yue)100m。采用排(pai)渗管网作为(wei)辅助(zhu)排(pai)渗方案(an)，目前己在5级(ji)、9级(ji)子坝(ba)(ba)(ba)和13级(ji)子坝(ba)(ba)(ba)坝(ba)(ba)(ba)前120m范(fan)围内设置(zhi)了井字形排(pai)渗管网。

1.2沉积磷(lin)石膏的钻探取(qu)样

钻孔(kong)(kong)(kong)平面位置见(jian)图l。2008年6月，堆积(ji)(ji)至5级(ji)子(zi)坝(ba)时(shi)，布(bu)(bu)设了(le)9个取样(yang)钻孔(kong)(kong)(kong)，钻孔(kong)(kong)(kong)编号K1～K9，取原状(zhuang)样(yang)76件；2013年5月，堆积(ji)(ji)至13级(ji)子(zi)坝(ba)时(shi)，又布(bu)(bu)设了(le)11个取样(yang)钻孔(kong)(kong)(kong)，钻孔(kong)(kong)(kong)编号K10～K20，取原状(zhuang)样(yang)112件，为比较子(zi)坝(ba)加高和(he)磷石膏堆积(ji)(ji)过程(cheng)中磷石膏物(wu)理力学性质的(de)变化(hua)，在2，4级(ji)子(zi)坝(ba)K2孔(kong)(kong)(kong)和(he)K6孔(kong)(kong)(kong)附近(jin)各布(bu)(bu)设了(le)一个钻孔(kong)(kong)(kong)，钻孔(kong)(kong)(kong)编号分别为K17和(he)K18。

1.3运行概况

柳树(shu)箐磷(lin)石膏(gao)尾(wei)矿库2005年开(kai)工建设，2006年1月投入运行，截至(zhi)2013年5月己堆(dui)至(zhi)13级子坝，尚(shang)有(you)7级子坝即堆(dui)存至(zhi)设计高(gao)程(cheng)。鉴(jian)于磷(lin)石膏(gao)库地(di)形、地(di)质条(tiao)件(jian)较(jiao)好，具备扩容改(gai)造的条(tiao)件(jian)，以提高(gao)堆(dui)存库容，减少(shao)堆(dui)存占地(di)，节约(yue)土(tu)地(di)资(zi)源。

本文主(zhu)要对沉积(ji)磷石膏(gao)(gao)的物(wu)理(li)力学特性(xing)进行了全面总结，限于篇幅，有关现状磷石膏(gao)(gao)库堆积(ji)坝的安全性(xing)评价及其加高可行性(xing)的研究将另文发表。

二、沉积磷石膏(gao)的(de)物理力学特性(xing)

2.1物理(li)特性

(1)干密(mi)度分布

图2给(ji)出了14个钻(zuan)(zuan)孔的(de)取样深(shen)度(du)(du)和(he)试验(yan)所得(de)干密度(du)(du)的(de)关(guan)系(xi)，图中(zhong)UWL表示(shi)水(shui)(shui)位(wei)线(xian)(xian)(xian)上，(系(xi)钻(zuan)(zuan)孔期间(jian)的(de)初(chu)见水(shui)(shui)位(wei)线(xian)(xian)(xian)，下同)，DWL表示(shi)水(shui)(shui)位(wei)线(xian)(xian)(xian)下。图3给(ji)出了水(shui)(shui)位(wei)线(xian)(xian)(xian)上下的(de)饱和(he)度(du)(du)分布图。由(you)于(yu)磷石(shi)膏中(zhong)的(de)主(zhu)要成(cheng)分为CaSO4·2H2O，不同温(wen)度(du)(du)和(he)烘烤时间(jian)对测定结果有一(yi)定影响，不能(neng)照搬现(xian)行的(de)土工试验(yan)规范，本文磷石(shi)膏的(de)含水(shui)(shui)率(lv)测定方法为55℃温(wen)度(du)(du)下烘培24h。

图2沉积磷石(shi)膏干(gan)密(mi)度(du)与(yu)埋深的关系

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

由(you)图3，水位(wei)线(xian)上的磷石膏(gao)饱和度平均值为50.4%，处(chu)于非饱和状(zhuang)态，水位(wei)线(xian)以下(xia)的磷石膏(gao)饱和度平均值为85.0%，基(ji)本处(chu)于饱和状(zhuang)态，由(you)于水位(wei)下(xia)降后磷石膏(gao)来不及排(pai)水固结(jie)，故而水位(wei)线(xian)上局部试样(yang)的饱和度较高。

由图2，水(shui)(shui)位线以上的(de)(de)干(gan)密度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)间，均值(zhi)为(wei)1.30g/cm3；水(shui)(shui)位线以下(xia)的(de)(de)干(gan)密度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)间，均值(zhi)为(wei)1.4g/cm3。可见磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)与一般的(de)(de)尾矿有(you)所不同，磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)的(de)(de)干(gan)密度(du)并不随埋深的(de)(de)增(zeng)大而明显增(zeng)大，但水(shui)(shui)位线以下(xia)的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)密度(du)从统计意义上来看仍大于水(shui)(shui)位线以上的(de)(de)磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)干(gan)密度(du)，这主要是由于水(shui)(shui)位线随库水(shui)(shui)位的(de)(de)变化反复升降而使(shi)得磷石(shi)膏(gao)(gao)(gao)排(pai)水(shui)(shui)固(gu)结所致。

室(shi)内(nei)击实得到(dao)的(de)(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)度一般在1.36～1.46g/cm3之间，从图2可以看出，自然(ran)沉积的(de)(de)(de)(de)磷石(shi)膏(gao)最大干(gan)密(mi)度可达到(dao)1.73g/cm3，原因如下：与经典的(de)(de)(de)(de)土骨架不可压缩(suo)的(de)(de)(de)(de)理论(lun)不同，石(shi)膏(gao)本(ben)身(shen)可压缩(suo)，同时由于(yu)颗粒结(jie)(jie)构(gou)不稳定(ding)，击实试验过程中磷石(shi)膏(gao)结(jie)(jie)构(gou)被破坏，受夯击处下陷(xian)，四周鼓起，出现了类(lei)似于(yu)橡皮土的(de)(de)(de)(de)现象。而(er)在现场条件下，石(shi)膏(gao)骨架被破坏后，会导致(zhi)颗粒中的(de)(de)(de)(de)结(jie)(jie)合水渗出至孔(kong)隙内(nei)，变成孔(kong)隙水，排(pai)水固结(jie)(jie)后会使得磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)孔(kong)隙比减小(xiao)，干(gan)密(mi)度增大。

图(tu)4给(ji)出(chu)了相(xiang)邻钻孔(kong)(kong)K2和K17(位(wei)(wei)于(yu)2级子坝河床(chuang)部位(wei)(wei))以及(ji)相(xiang)邻钻孔(kong)(kong)K6和K18(位(wei)(wei)于(yu)4级子坝河床(chuang)部位(wei)(wei))干(gan)密度的对比图(tu)。K2钻孔(kong)(kong)的干(gan)密度在1.12～1.47g/cm3之(zhi)间(jian)，均(jun)(jun)(jun)值为(wei)1.30g/cm3，K17钻孔(kong)(kong)的干(gan)密度在1.2～1.39g/cm3之(zhi)间(jian)，均(jun)(jun)(jun)值为(wei)1.32g/cm3；K6钻孔(kong)(kong)的干(gan)密度在1.13～1.57g/cm3之(zhi)间(jian)，均(jun)(jun)(jun)值为(wei)1.36g/cm3，K18钻孔(kong)(kong)的干(gan)密度在1.14～1.59g/cm3之(zhi)间(jian)，均(jun)(jun)(jun)值为(wei)1.37g/cm3。可(ke)见(jian)，即(ji)使(shi)从统计意义上来看，磷石(shi)膏(gao)的干(gan)密度也并未随后续磷石(shi)膏(gao)的堆积(ji)而有较为(wei)明显的增大。

(2)级配分布(bu)

颗粒分析试验(yan)采用(yong)密度计法，制备悬液时不(bu)煮沸，不(bu)加六偏磷酸钠(na)。图5给(ji)出了(le)试验(yan)得到的级配包线(xian)、平均粒径d50、不(bu)均匀(yun)系数(shu)(1u和曲率(lv)系数(shu)Cc的分布图。

从图5(a)可见，磷(lin)石膏(gao)的(de)(de)粒径主要分布在0.005～0.075mm之间(jian)，总体上属于粉土，但可能由(you)于矿石来源(yuan)或生产工艺(yi)有所(suo)不同(tong)，局(ju)部属于粉砂(sha)～中砂(sha)。粒径分布范围比(bi)Blight和张超等的(de)(de)试验结果要宽一些。

图4子坝加(jia)高后沉积磷石膏的(de)干密度变化

图5沉积(ji)磷石膏(gao)的(de)平均粒径和(he)级(ji)配分布

由图5(b)和5(c)，无论是(shi)水平向还(hai)是(shi)垂直向，磷(lin)(lin)石膏与金属矿(kuang)(kuang)山尾矿(kuang)(kuang)的(de)“前粗(cu)后细(xi)(xi)，上(shang)粗(cu)下(xia)细(xi)(xi)”的(de)自然分级现象不同，也即(ji)粗(cu)颗(ke)粒并(bing)不是(shi)沿埋深逐(zhu)步减(jian)小(xiao)或距离(li)放(fang)浆(jiang)口越远(yuan)颗(ke)粒越细(xi)(xi)，其原因如(ru)(ru)下(xia)：①磷(lin)(lin)石膏颗(ke)粒粒径组成较(jiao)(jiao)(jiao)为集中、均匀，主(zhu)要以粉粒组(0.005mm<d≤0.074mm)为主(zhu)，级配较(jiao)(jiao)(jiao)差；②相(xiang)比(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)金属尾矿(kuang)(kuang)，磷(lin)(lin)石膏的(de)比(bi)重较(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)，磷(lin)(lin)石膏的(de)比(bi)重一般为2.3～2.4，远(yuan)小(xiao)于金属尾矿(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重，例如(ru)(ru)铁(tie)尾矿(kuang)(kuang)的(de)比(bi)重可(ke)达2.9；③放(fang)浆(jiang)口随(sui)子(zi)坝高(gao)度不断增加(jia)而不断变(bian)动并(bing)向库(ku)尾延伸，造(zao)成沉积磷(lin)(lin)石膏的(de)粒径变(bian)化不明显。

从图5(d)可见，不(bu)(bu)均匀系(xi)数Cu范围值(zhi)1.61～21.5，平均值(zhi)为(wei)(wei)4.18，曲率系(xi)数(1c范围值(zhi)0.28～9.78，平均值(zhi)为(wei)(wei)1.21，在统计的(de)100多个试样中，属于级配(pei)不(bu)(bu)良土(tu)的(de)占93%。这种级配(pei)特性决(jue)定了磷(lin)石(shi)膏具有较高(gao)的(de)压(ya)缩性、渗透破(po)坏(huai)型式表现(xian)为(wei)(wei)流(liu)土(tu)破(po)坏(huai)。

2.2渗透特性

(1)渗透系数

影响渗透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)的(de)主要因(yin)素(su)是粒径大小(xiao)(xiao)、级配(pei)和(he)孔隙比(bi)(bi)，因(yin)而磷(lin)石膏(gao)的(de)渗透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)与粉土较(jiao)为(wei)接近。由于孔隙比(bi)(bi)e减(jian)小(xiao)(xiao)，使得(de)过水通(tong)道面积减(jian)小(xiao)(xiao)，渗透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)k也将减(jian)小(xiao)(xiao)，k与e呈正相(xiang)关(guan)(guan)关(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)。对砂土，一般(ban)认为(wei)渗透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)k与e3/(1+e)的(de)线性关(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)较(jiao)好，图6给出了二(er)者间的(de)关(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)曲线，由于沉积磷(lin)石膏(gao)的(de)不均匀系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)变化较(jiao)大，使得(de)沉积磷(lin)石膏(gao)的(de)渗透(tou)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)数(shu)变化范围(wei)较(jiao)大(平均值(zhi)为(wei)10-4cm/s数(shu)量级)，二(er)者问的(de)线性关(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi)(xi)较(jiao)差。

图(tu)6沉(chen)积(ji)磷石膏渗透系(xi)数(shu)与孔(kong)隙比的关(guan)系(xi)

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

图(tu)7给出了水平与垂直(zhi)向(xiang)渗透(tou)系数比值的(de)分布(bu)。沉(chen)积磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)的(de)水平向(xiang)渗透(tou)系数kh一般大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)的(de)渗透(tou)系数kv,kh/kv平均值约为2.86，这(zhei)一点与成层分布(bu)的(de)金属尾矿规律一致。造成沉(chen)积磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)水平向(xiang)渗透(tou)系数大于(yu)垂直(zhi)向(xiang)渗透(tou)系数的(de)原因是由于(yu)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)具有明(ming)(ming)显(xian)的(de)晶体结构(gou)，电(dian)镜扫(sao)描显(xian)示多为菱(ling)形(xing)和棱柱状形(xing)式(见图(tu)8)，在沉(chen)积过程中，由于(yu)扁平状磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)颗粒多呈水平排列，使(shi)(shi)得水平方向(xiang)的(de)透(tou)水性大于(yu)垂直(zhi)方向(xiang)的(de)透(tou)水性，从而使(shi)(shi)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)(gao)呈现明(ming)(ming)显(xian)的(de)各向(xiang)异性。

另根据中国有色金属工业昆明(ming)勘察设计研究院在(zai)杨(yang)家箐磷(lin)石(shi)膏(gao)堆(dui)积坝开(kai)展的现场渗透(tou)试(shi)验(yan)(yan)，kh/kv的平(ping)均(jun)值约为(wei)1.9。但(dan)张超等(deng)的室内试(shi)验(yan)(yan)显示，kh/kv的平(ping)均(jun)值约为(wei)0.46，也即垂直向渗透(tou)系(xi)数(shu)大于水平(ping)向渗透(tou)系(xi)数(shu)，与本文和现场试(shi)验(yan)(yan)结果(guo)恰恰相反。从(cong)磷(lin)石(shi)膏(gao)的微(wei)观结构来(lai)看，本文试(shi)验(yan)(yan)结果(guo)更为(wei)合理(li)。

图(tu)7沉积磷石膏干密度与(yu)水(shui)平和垂(chui)直渗透系(xi)数比值的关系(xi)

(2)渗(shen)透变形

图(tu)9为(wei)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)干密(mi)度为(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)力(li)梯度J与流(liu)速V的(de)(de)(de)(de)关系曲(qu)线，试(shi)验(yan)在水(shui)(shui)(shui)平(ping)管涌仪中(zhong)(zhong)采(cai)用(yong)水(shui)(shui)(shui)平(ping)方向的(de)(de)(de)(de)渗(shen)流(liu)形(xing)式(shi)进(jin)行。试(shi)验(yan)得到的(de)(de)(de)(de)临界坡降(jiang)Jc=0.355，破坏坡降(jiang)Jp=0.375。一般来说，对(dui)(dui)1，2级工程，渗(shen)透安(an)全系数取为(wei)2.5，则允许(xu)出(chu)(chu)逸(yi)坡降(jiang)为(wei)0.355/2.5=0.142，对(dui)(dui)3级以下工程，渗(shen)透安(an)全系数取2.0，则允许(xu)出(chu)(chu)逸(yi)坡降(jiang)为(wei)0.355/2.0=0.178。其允许(xu)比降(jiang)与粉(fen)土一粉(fen)砂大致相同。但上(shang)(shang)述渗(shen)透变形(xing)试(shi)验(yan)是采(cai)用(yong)自来水(shui)(shui)(shui)进(jin)行的(de)(de)(de)(de)，自来水(shui)(shui)(shui)对(dui)(dui)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)具有一定(ding)的(de)(de)(de)(de)溶蚀(shi)作(zuo)用(yong)，而实(shi)际上(shang)(shang)磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)中(zhong)(zhong)残余磷(lin)(lin)(lin)(lin)、硫和氟(fu)酸(suan)(suan)，库水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)pH值一般小于(yu)3(称之为(wei)酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)(shui))，在酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)(shui)作(zuo)用(yong)下，磷(lin)(lin)(lin)(lin)石膏(gao)(gao)不会发生(sheng)破坏，上(shang)(shang)述试(shi)验(yan)结果是偏于(yu)保(bao)守的(de)(de)(de)(de)，但对(dui)(dui)非酸(suan)(suan)性(xing)水(shui)(shui)(shui)条件(例如特大暴雨)下的(de)(de)(de)(de)渗(shen)透稳定(ding)判断(duan)有一定(ding)的(de)(de)(de)(de)借鉴意义。

图9水力梯度J-流速v试验过程线(ρd=140g/cm3)

(3)土水特征试验

试(shi)验(yan)(yan)在5Bar的(de)压力板仪中进行，环刀尺寸(cun)6.18cm。干密度(du)分(fen)1.1，1.2和1.29g/cm3共3组(zu)，吸力范围0～500kPa。表l列出了含(han)水(shui)率特(te)征值(zhi)，试(shi)验(yan)(yan)曲线(xian)见图10所示。

试(shi)验结果(guo)表明(ming)：①干(gan)密(mi)(mi)度(du)对(dui)进(jin)气值没有明(ming)显(xian)的(de)影响，不同干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)试(shi)样的(de)进(jin)气值大致在(zai)10kPa左右(you)；②土样残余(yu)含(han)水率(lv)随干(gan)密(mi)(mi)度(du)的(de)增加而减少，残余(yu)含(han)水率(lv)约为饱(bao)和(he)含(han)水率(lv)的(de)10%。上述特(te)性与粉土一粉砂基本一致。

2.3静力(li)力(li)学(xue)特性(xing)

(1)三轴CU试(shi)验

由于沉积磷石(shi)膏的(de)(de)密(mi)(mi)度(du)(du)变化(hua)较大，而(er)进(jin)(jin)行三轴(zhou)(zhou)试验需要(yao)若(ruo)干(gan)原状样，为(wei)使试验结果具有较好的(de)(de)一致性(xing)，有针对性(xing)的(de)(de)选择(ze)平(ping)均干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)分(fen)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(ruo)干(gan)试样，进(jin)(jin)行了5组三轴(zhou)(zhou)CU试验。图11是为(wei)干(gan)密(mi)(mi)度(du)(du)为(wei)1.2和1.58g/cm3的(de)(de)三轴(zhou)(zhou)CU试验曲线。

从(cong)图11可以看出，磷(lin)石膏(gao)的(de)应力应变关系(xi)曲线在(zai)低围(wei)(wei)压下表现(xian)为软化(hua)(hua)型，在(zai)高围(wei)(wei)压下表现(xian)为硬化(hua)(hua)型，与(yu)一般土类相似(si)。但与(yu)一般粉土一粉砂不同的(de)是，即使(shi)在(zai)较(jiao)为疏松的(de)状态下，磷(lin)石膏(gao)仍表现(xian)了较(jiao)为强烈的(de)剪胀，随密实度增大，剪胀作用愈发明显。

表(biao)2给出了(le)不同干(gan)密(mi)度(du)下(xia)的(de)内摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)，图12给出了(le)内摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)与干(gan)密(mi)度(du)的(de)关系(xi)曲线(xian)(xian)。随干(gan)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，内摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)也随之增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，且可采(cai)用幂函数(shu)较(jiao)好地拟合(he)。磷石膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)由1.20g/cm3增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)1.58g/cm3，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了(le)32%，总应(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)由34.1°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)37.3°(根据拟合(he)曲线(xian)(xian)求得)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)9.4%，有(you)效应(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)由37.6°增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)为(wei)38.8°，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)为(wei)3.2%，由于随围压的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，孔压也明(ming)(ming)显增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大，故有(you)效摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)较(jiao)之总应(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)要小。另外较(jiao)之于干(gan)密(mi)度(du)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)，摩(mo)(mo)(mo)擦角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)幅(fu)并不显著，表(biao)明(ming)(ming)即(ji)使较(jiao)为(wei)疏松的(de)磷石膏(gao)仍具(ju)有(you)较(jiao)高(gao)的(de)强度(du)指标，这也表(biao)明(ming)(ming)磷石膏(gao)堆积坝的(de)稳定(ding)性较(jiao)高(gao)。

(2)蠕变(bian)(次固结)变(bian)形试验

磷石膏的蠕变(bian)变(bian)形试(shi)验在侧限压缩仪中进行，试(shi)验状态相当(dang)于(yu)K0固结(jie)。试(shi)样直径61.8mm，高度(du)20mm，试(shi)样干密度(du)为1.30g/cm3，对试(shi)样饱和后分别开展(zhan)了上覆压力ρ为100，200，400，800kPa的试(shi)验，

试(shi)验从2012年8月(yue)27日开(kai)始(shi)，试(shi)验己进(jin)行了1年多(duo)，试(shi)验结(jie)果见图13所示。

从图13中可以看(kan)出(chu)：上(shang)覆荷(he)(he)载越大(da)，磷(lin)(lin)石膏(gao)的蠕(ru)变变形也(ye)越大(da)，荷(he)(he)载施加1年后(hou)，磷(lin)(lin)石膏(gao)的蠕(ru)变变形仍非(fei)常显著，尚未达到稳定状(zhuang)态，这也(ye)是磷(lin)(lin)石膏(gao)堆积坝后(hou)期变形较大(da)的原因，原型观测资料表(biao)(biao)明，在5级子坝河床部位的表(biao)(biao)面(mian)沉降量已经达到3.1m，且尚未完(wan)全稳定。

按(an)时间(jian)(jian)对(dui)(dui)数(shu)法，可求(qiu)得(de)各(ge)级荷载下(xia)的(de)主次(ci)(ci)固(gu)结(jie)变形(xing)(xing)量(liang)如表3所示。试验结(jie)果表明，在100～400kPa上覆荷载作用下(xia)，在试验时间(jian)(jian)范围内蠕变(次(ci)(ci)固(gu)结(jie))变形(xing)(xing)是(shi)主固(gu)结(jie)变形(xing)(xing)的(de)1.8～3.1倍，当然由于蠕变变形(xing)(xing)尚未完成，实际(ji)的(de)蠕变变形(xing)(xing)应更大。对(dui)(dui)土(tu)(tu)体而言，发生(sheng)(sheng)(sheng)蠕变的(de)原(yuan)因(yin)是(shi)由于土(tu)(tu)体在主固(gu)结(jie)完成之后，土(tu)(tu)体中(zhong)仍(reng)有微小(xiao)的(de)超静(jing)孔隙(xi)压力存在，驱使水在颗粒问流动，一(yi)般来(lai)讲土(tu)(tu)体的(de)次(ci)(ci)固(gu)结(jie)远小(xiao)于主固(gu)结(jie)变形(xing)(xing)；对(dui)(dui)磷石膏而言，其渗(shen)透系数(shu)在10-4cm/s数(shu)量(liang)级，远大于黏性土(tu)(tu)，但(dan)其却发生(sheng)(sheng)(sheng)了极为(wei)显著(zhu)的(de)次(ci)(ci)固(gu)结(jie)变形(xing)(xing)，其原(yuan)因(yin)在于磷石膏晶体结(jie)构发生(sheng)(sheng)(sheng)了压缩、破坏(huai)，接触点晶格发生(sheng)(sheng)(sheng)歪(wai)曲和变形(xing)(xing)，而破坏(huai)后晶格之间(jian)(jian)的(de)重新排列(lie)、调整(zheng)到最(zui)后趋(qu)于相对(dui)(dui)静(jing)止需(xu)要相当长的(de)时间(jian)(jian)才能(neng)完成。

2.4动(dong)力力学特性

试(shi)验设备(bei)采(cai)用英国GDS公司进口(kou)的电机控(kong)制动三轴试(shi)验系统，试(shi)样(yang)直径39.1mm，高度80mm。

(1)动模量和阻尼(ni)比

同(tong)样由于自(zi)然沉积的磷石膏密度变化(hua)较大，为此根(gen)据物(wu)理性质(zhi)试验结果，选择两种平均干密度1.34g/cm3(变化(hua)范围1.33～1.35g/cm3)和1.45g/cm3(变化(hua)范围1.44～1.46g/cm3)进行试验。

Hardin-Dmevich建议的动剪切模量G、阻尼比(bi)与剪应变幅值γd的关系式(shi)如下(xia)：

式(shi)中(zhong)k1为(wei)参(can)数，表示动剪切模(mo)量的衰减(jian)或(huo)阻(zu)尼比的增长速率；λmax为(wei)最大阻(zu)尼比；Gmax，γd分(fen)别为(wei)最大动剪切模(mo)量和(he)归一化的动剪应变，表示为(wei)

式中k2,n为参数；σm为球应力(li)；Pa为标准大气压；vd为动(dong)泊松(song)比；εa为归一化(hua)的动(dong)应变，表达为

图(tu)14给(ji)出(chu)了动(dong)剪(jian)切模量、阻(zu)尼比与(yu)归一(yi)化(hua)动(dong)应变的关系曲线，另外图(tu)中(zhong)还给(ji)出(chu)了式(1)的拟合曲线以(yi)及Seed等(deng)给(ji)出(chu)的砂(sha)样的上下(xia)边界线，图(tu)例中(zhong)，σ2表示(shi)围压(ya)，Kc表示(shi)固结应力比。

从图(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出(chu)：①式(1)可(ke)较(jiao)(jiao)(jiao)好地描述(shu)磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)动(dong)应力(li)-动(dong)应变试验(yan)曲线(xian)，表(biao)明(ming)采用等价黏弹性(xing)模(mo)型进行循环荷载作用下(xia)的(de)(de)(de)分(fen)析(xi)是可(ke)行的(de)(de)(de)；②图(tu)(tu)14(a)中(zhong)干(gan)密度为(wei)1.45g/cm3的(de)(de)(de)拟合线(xian)位于(yu)干(gan)密度为(wei)1.34g/cm3的(de)(de)(de)拟合线(xian)上方，图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则(ze)位于(yu)下(xia)方，表(biao)明(ming)密度越(yue)(yue)大，动(dong)弹模(mo)越(yue)(yue)大、阻尼比(bi)越(yue)(yue)小；③图(tu)(tu)14(a)中(zhong)，两种(zhong)干(gan)密度的(de)(de)(de)拟合线(xian)基(ji)本位于(yu)Seed等给出(chu)的(de)(de)(de)边界(jie)线(xian)上方，而图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则(ze)基(ji)本处于(yu)边界(jie)线(xian)中(zhong)间(jian)，表(biao)明(ming)相比(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)砂(sha)样，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)动(dong)弹模(mo)较(jiao)(jiao)(jiao)大，会导致磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆积坝(ba)(ba)的(de)(de)(de)动(dong)力(li)反(fan)应较(jiao)(jiao)(jiao)大，但由于(yu)阻尼比(bi)也较(jiao)(jiao)(jiao)大，这样又会削(xue)弱坝(ba)(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)力(li)反(fan)应，二者的(de)(de)(de)相互影(ying)响下(xia)，磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆积坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)体的(de)(de)(de)动(dong)力(li)反(fan)应将(jiang)不会过(guo)于(yu)强烈，这对磷(lin)(lin)石(shi)膏(gao)堆积坝(ba)(ba)的(de)(de)(de)抗(kang)震稳定(ding)性(xing)是有(you)利的(de)(de)(de)。

(2)动强度(du)

选择两种平均干密(mi)度(du)为1.12(变(bian)化范围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变(bian)化范围1.29～1.3lg/cm3)进(jin)行试验，破(po)坏(huai)标准为总应变(bian)达到10%。

图15给出了动(dong)剪(jian)应(ying)力(li)(li)(li)比(bi)(bi)τd/σ0′与破坏(huai)振(zhen)(zhen)次Nf的关系曲线图，其(qi)中(zhong)σ0为(wei)振(zhen)(zhen)前试样45°面上的有效法向应(ying)力(li)(li)(li)，表达为(wei)：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为(wei)固(gu)结比(bi)(bi)。从试验结果可以看出，沉(chen)积磷石(shi)膏(gao)的动(dong)强度(du)与其(qi)它土(tu)体相似，表现为(wei)围压(ya)和固(gu)结应(ying)力(li)(li)(li)比(bi)(bi)与动(dong)剪(jian)应(ying)力(li)(li)(li)比(bi)(bi)呈负相关关系。

为(wei)(wei)判别沉积(ji)磷石膏(gao)的(de)抗液化能力，假定抗震设计(ji)烈(lie)度为(wei)(wei)8度，即(ji)等效(xiao)振次Ⅳ可取为(wei)(wei)30。首(shou)先由式(4)

所示(shi)的幂函数关系式得(de)到振次为(wei)30时各个围压和固结比下的动剪应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟合(he)求得动剪应力(li)比(bi)与围压和固结应力(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(ni)合关系(xi)式可见，密实度提(ti)高(gao)后，动剪应力(li)比提(ti)高(gao)，表明抗液(ye)(ye)化能力(li)也(ye)提(ti)高(gao)。但即使是在低密度下，其动剪应力(li)比较(jiao)(jiao)之同(tong)类的(de)粉土或粉砂也(ye)大出(chu)许多，表明磷石膏具有较(jiao)(jiao)高(gao)的(de)抗液(ye)(ye)化能力(li)。

三、结论

依托柳(liu)树箐磷石膏(gao)堆积坝，在钻探取(qu)样工作(zuo)的基(ji)础(chu)上，首先开(kai)展了物理性质试(shi)(shi)验，然后开(kai)展了静动力力学特性试(shi)(shi)验。通过上述试(shi)(shi)验研究，得出(chu)如下(xia)结论(lun)：

(1)沉(chen)积磷石膏总体(ti)上(shang)属(shu)(shu)于级(ji)配(pei)不良(liang)的粉土，局(ju)部(bu)属(shu)(shu)于粉砂一中砂，无自然分(fen)级(ji)现象。其干密度和粒径变化随埋深或距放(fang)浆口距离的变化不明显(xian)。

(2)沉积磷(lin)石(shi)膏水(shui)平方(fang)向(xiang)的渗透系数大于垂直方(fang)向(xiang)的渗透系数，呈(cheng)现明显的各(ge)向(xiang)异性。

(3)与土体颗粒(li)不可压(ya)缩(suo)不同，磷(lin)石膏的晶体结构会发生(sheng)压(ya)缩(suo)破坏，具有(you)较大的压(ya)缩(suo)性(xing)，其(qi)次固(gu)结变形量远大于主固(gu)结变形量。

(4)沉积磷石膏的静动强度较(jiao)之同等(deng)密实度下的粉土、粉砂要(yao)高。