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

磷石(shi)膏是湿法(fa)磷酸(suan)生产过程中的副产品，2018年，全国(guo)(guo)磷石(shi)膏产生量为7800万吨(dun)，且呈(cheng)逐(zhu)年增(zeng)长的态势。磷石(shi)膏的主要(yao)(yao)成分是CaO和(he)SO3，但含有一定(ding)量的氟化(hua)物(wu)和(he)其(qi)它(ta)放射性物(wu)质，在(zai)中国(guo)(guo)通常(chang)按Ⅱ类一般工(gong)业(ye)固体废物(wu)处(chu)理(li)，鉴(jian)于无害(hai)化(hua)处(chu)理(li)成本(ben)较(jiao)高(gao)，目前(qian)综(zong)合利用率尚不足40%，故大(da)部分磷石(shi)膏需要(yao)(yao)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)存(cun)放。按堆(dui)(dui)(dui)存(cun)场地(di)的不同，可分为平(ping)地(di)型(xing)(xing)(xing)(xing)、傍山型(xing)(xing)(xing)(xing)、山谷型(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)截河型(xing)(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)场，在(zai)中国(guo)(guo)基(ji)本(ben)上是山谷型(xing)(xing)(xing)(xing)堆(dui)(dui)(dui)场。相(xiang)比较(jiao)干(gan)法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)，湿法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)经济优势明显，因(yin)而如地(di)质条(tiao)件为非碳酸(suan)盐(yan)岩地(di)区，一般均采用湿排湿堆(dui)(dui)(dui)方式。随着(zhe)中国(guo)(guo)磷肥工(gong)业(ye)的快速发展，本(ben)世(shi)纪初(chu)中国(guo)(guo)相(xiang)继建设了几座(zuo)湿法(fa)堆(dui)(dui)(dui)存(cun)的大(da)型(xing)(xing)(xing)(xing)磷石(shi)膏库(ku)，例(li)如云天化(hua)国(guo)(guo)际(ji)化(hua)工(gong)三环(huan)分公司(si)的柳树箐(qing)磷石(shi)膏库(ku)堆(dui)(dui)(dui)积坝和(he)富瑞分公司(si)的杨家箐(qing)磷石(shi)膏库(ku)堆(dui)(dui)(dui)积坝，这(zhei)两座(zuo)坝设计坝高(gao)均超过100m、处(chu)于8度地(di)震区，其(qi)安(an)全性备受(shou)关(guan)注(zhu)。

据统计，110多年(nian)(1901年(nian)一2013年(nian))来，全世界有118座尾(wei)矿(kuang)坝(ba)曾(ceng)发生过破(po)坏(huai)或(huo)溃坝(ba)事故(gu)，原因(yin)主要有地震、洪水漫顶、渗透(tou)破(po)坏(huai)和(he)基础失稳。尾(wei)矿(kuang)库失事后会造成巨大的生态(tai)灾难和(he)人员伤亡，近(jin)几十年(nian)来，

国内外对(dui)金(jin)属尾矿的沉积规律、物(wu)理力学特(te)性(xing)(xing)及(ji)其稳定性(xing)(xing)开展了大量的研究(jiu)，但(dan)对(dui)于(yu)与金(jin)属尾矿库相(xiang)近的磷(lin)石(shi)膏库，一般仅限于(yu)在可研阶段采用人工(gong)制备样进行物(wu)理力学性(xing)(xing)质试验，并据此(ci)进行稳定性(xing)(xing)分析，尚(shang)未有人针对(dui)己(ji)运(yun)行若(ruo)干年的大型(xing)湿法堆存磷(lin)石(shi)膏堆积坝开展过磷(lin)石(shi)膏沉积规律及(ji)其物(wu)理力学特(te)性(xing)(xing)的专项研究(jiu)。

本文依托柳树箐磷(lin)(lin)石膏堆积坝，首先(xian)进行了(le)(le)钻探(tan)取样(yang)，采用原状样(yang)开(kai)(kai)展(zhan)(zhan)了(le)(le)密度、含水(shui)率、渗透、土水(shui)特征和颗分(fen)等(deng)物理性(xing)质试(shi)(shi)验，在此基(ji)础上(shang)有(you)针(zhen)对(dui)性(xing)的(de)选择原状样(yang)开(kai)(kai)展(zhan)(zhan)了(le)(le)三(san)轴CU、蠕变及(ji)动三(san)轴等(deng)力(li)学特性(xing)试(shi)(shi)验。通过上(shang)述试(shi)(shi)验研(yan)究，总结了(le)(le)磷(lin)(lin)石膏的(de)沉(chen)积规律、渗透特性(xing)、渗透破坏特性(xing)以及(ji)静动力(li)特性(xing)，上(shang)述研(yan)究工(gong)作(zuo)对(dui)研(yan)究和评(ping)估磷(lin)(lin)石膏库堆积坝的(de)稳定性(xing)提供(gong)了(le)(le)基(ji)础数据，对(dui)现行磷(lin)(lin)石膏库的(de)运行管理以及(ji)新建工(gong)程的(de)设(she)计(ji)具有(you)重(zhong)要的(de)借鉴意义。

一、依托工程概况

1.1柳树箐磷石(shi)膏(gao)堆积坝堆存设计方案

由初期坝(ba)和堆(dui)积坝(ba)组成，设计总坝(ba)高约130m。

(1)初期坝

初期坝(ba)坝(ba)高约30m，采用土料填筑。上游坡面、坝(ba)底和下游坝(ba)脚(jiao)设(she)置堆石排(pai)水体，三者(zhe)相连通构(gou)成整(zheng)个堆积坝(ba)的主要排(pai)渗系统。

(2)堆积坝及其(qi)辅助排渗措施(shi)

采(cai)用(yong)上游式筑坝(ba)法，共20级子(zi)坝(ba)，顶宽6～9m，高(gao)度5m，堆积高(gao)度约(yue)100m。采(cai)用(yong)排渗(shen)管(guan)网(wang)(wang)作为辅助排渗(shen)方案，目(mu)前己在5级、9级子(zi)坝(ba)和13级子(zi)坝(ba)坝(ba)前120m范围内设(she)置了(le)井字形(xing)排渗(shen)管(guan)网(wang)(wang)。

1.2沉积磷石(shi)膏的钻探取(qu)样

钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)平(ping)面位置见图(tu)l。2008年6月，堆(dui)积(ji)至5级(ji)子坝(ba)时(shi)，布设了9个(ge)取(qu)样(yang)钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)，钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)编(bian)号K1～K9，取(qu)原状(zhuang)样(yang)76件；2013年5月，堆(dui)积(ji)至13级(ji)子坝(ba)时(shi)，又布设了11个(ge)取(qu)样(yang)钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)，钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)编(bian)号K10～K20，取(qu)原状(zhuang)样(yang)112件，为(wei)比(bi)较子坝(ba)加高和磷(lin)石(shi)膏堆(dui)积(ji)过程中磷(lin)石(shi)膏物理力学性质的变化，在2，4级(ji)子坝(ba)K2孔(kong)和K6孔(kong)附近各布设了一个(ge)钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)，钻(zuan)(zuan)(zuan)孔(kong)编(bian)号分别为(wei)K17和K18。

1.3运行概况

柳树箐磷石(shi)膏(gao)尾矿库(ku)2005年开工建设(she)，2006年1月投入(ru)运(yun)行，截至2013年5月己(ji)堆(dui)至13级子(zi)坝，尚有7级子(zi)坝即堆(dui)存至设(she)计高(gao)程。鉴于磷石(shi)膏(gao)库(ku)地(di)(di)形、地(di)(di)质条(tiao)件较(jiao)好，具备扩容改造的条(tiao)件，以提高(gao)堆(dui)存库(ku)容，减少堆(dui)存占(zhan)地(di)(di)，节约土地(di)(di)资源(yuan)。

本文主要对沉(chen)积磷(lin)石(shi)膏的(de)物理力学特性进行了全面总结，限于篇幅，有关(guan)现状磷(lin)石(shi)膏库堆积坝的(de)安(an)全性评价及其加高可行性的(de)研究将另文发表。

二、沉积(ji)磷(lin)石(shi)膏的物(wu)理力(li)学特性(xing)

2.1物理特性(xing)

(1)干密(mi)度分布

图(tu)2给出了(le)14个钻(zuan)孔的(de)取样深度和试验所(suo)得干密度的(de)关系，图(tu)中UWL表(biao)示(shi)水(shui)位线上(shang)，(系钻(zuan)孔期间(jian)的(de)初见水(shui)位线，下(xia)(xia)同(tong))，DWL表(biao)示(shi)水(shui)位线下(xia)(xia)。图(tu)3给出了(le)水(shui)位线上(shang)下(xia)(xia)的(de)饱和度分布图(tu)。由于磷石(shi)膏(gao)中的(de)主要成(cheng)分为(wei)CaSO4·2H2O，不同(tong)温度和烘烤时间(jian)对测定(ding)结果有一定(ding)影(ying)响，不能照搬现行的(de)土(tu)工试验规范，本(ben)文磷石(shi)膏(gao)的(de)含水(shui)率测定(ding)方法为(wei)55℃温度下(xia)(xia)烘培24h。

图2沉积磷(lin)石膏干密度与埋深的关系

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

由(you)图3，水(shui)位(wei)线上的(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏饱(bao)和(he)度平均(jun)值(zhi)为50.4%，处于(yu)(yu)非饱(bao)和(he)状态(tai)，水(shui)位(wei)线以下(xia)的(de)磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏饱(bao)和(he)度平均(jun)值(zhi)为85.0%，基本(ben)处于(yu)(yu)饱(bao)和(he)状态(tai)，由(you)于(yu)(yu)水(shui)位(wei)下(xia)降后磷(lin)(lin)石(shi)(shi)膏来不及排水(shui)固结，故(gu)而水(shui)位(wei)线上局部试样的(de)饱(bao)和(he)度较高。

由(you)图2，水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)上的(de)干(gan)密(mi)度(du)在0.98～1.67g/cm3之(zhi)间，均值(zhi)为1.30g/cm3；水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)下(xia)的(de)干(gan)密(mi)度(du)在1.15～1.73g/cm3之(zhi)间，均值(zhi)为1.4g/cm3。可见(jian)磷(lin)石(shi)膏(gao)与一(yi)般的(de)尾(wei)矿(kuang)有所不同(tong)，磷(lin)石(shi)膏(gao)的(de)干(gan)密(mi)度(du)并(bing)不随(sui)埋深的(de)增大(da)而明显增大(da)，但水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)下(xia)的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)从统计意义(yi)上来看(kan)仍(reng)大(da)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)以(yi)(yi)上的(de)磷(lin)石(shi)膏(gao)干(gan)密(mi)度(du)，这主要是由(you)于(yu)水(shui)(shui)位(wei)(wei)线(xian)(xian)随(sui)库水(shui)(shui)位(wei)(wei)的(de)变化(hua)反复升降而使得磷(lin)石(shi)膏(gao)排水(shui)(shui)固(gu)结(jie)所致(zhi)。

室内击(ji)(ji)实(shi)得到的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏最大干密(mi)(mi)度(du)一般(ban)在1.36～1.46g/cm3之间，从图2可以看出(chu)，自(zi)然沉积的(de)(de)磷(lin)石(shi)膏最大干密(mi)(mi)度(du)可达到1.73g/cm3，原因如下(xia)：与经典的(de)(de)土骨架不可压(ya)缩的(de)(de)理论(lun)不同，石(shi)膏本身可压(ya)缩，同时(shi)由于颗粒结(jie)构不稳定，击(ji)(ji)实(shi)试验过(guo)程中磷(lin)石(shi)膏结(jie)构被(bei)破(po)坏，受夯击(ji)(ji)处下(xia)陷，四周鼓起，出(chu)现(xian)了类似于橡皮土的(de)(de)现(xian)象。而在现(xian)场条件下(xia)，石(shi)膏骨架被(bei)破(po)坏后，会导致颗粒中的(de)(de)结(jie)合水渗(shen)出(chu)至孔隙(xi)内，变成(cheng)孔隙(xi)水，排水固结(jie)后会使得磷(lin)石(shi)膏的(de)(de)孔隙(xi)比减小，干密(mi)(mi)度(du)增(zeng)大。

图(tu)4给出(chu)了相邻(lin)钻(zuan)孔(kong)(kong)K2和(he)K17(位(wei)于(yu)2级子(zi)坝河床部位(wei))以及相邻(lin)钻(zuan)孔(kong)(kong)K6和(he)K18(位(wei)于(yu)4级子(zi)坝河床部位(wei))干(gan)(gan)密度(du)的(de)(de)(de)(de)对比图(tu)。K2钻(zuan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在1.12～1.47g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为(wei)(wei)(wei)(wei)1.30g/cm3，K17钻(zuan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在1.2～1.39g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为(wei)(wei)(wei)(wei)1.32g/cm3；K6钻(zuan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在1.13～1.57g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为(wei)(wei)(wei)(wei)1.36g/cm3，K18钻(zuan)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)在1.14～1.59g/cm3之间(jian)，均值(zhi)为(wei)(wei)(wei)(wei)1.37g/cm3。可(ke)见，即使从统计(ji)意义上(shang)来看，磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)干(gan)(gan)密度(du)也并未随后(hou)续磷石(shi)膏(gao)的(de)(de)(de)(de)堆积而(er)有较(jiao)为(wei)(wei)(wei)(wei)明显的(de)(de)(de)(de)增大(da)。

(2)级配(pei)分布(bu)

颗粒(li)分析试验(yan)采用密(mi)度计(ji)法，制备悬液(ye)时不(bu)(bu)煮沸，不(bu)(bu)加(jia)六偏(pian)磷酸钠。图5给出(chu)了(le)试验(yan)得到的级配包(bao)线、平均粒(li)径d50、不(bu)(bu)均匀系数(1u和曲率系数Cc的分布图。

从图(tu)5(a)可(ke)见(jian)，磷石(shi)膏的粒径主要分布在(zai)0.005～0.075mm之间，总(zong)体上属(shu)于(yu)粉土，但可(ke)能由于(yu)矿石(shi)来源或(huo)生产工艺有(you)所(suo)不同，局部属(shu)于(yu)粉砂～中砂。粒径分布范围比Blight和张超等的试验(yan)结果要宽一些。

图4子坝加高后沉积磷石(shi)膏的干(gan)密度变化

图(tu)5沉积磷(lin)石膏(gao)的平均粒径和级配分(fen)布

由图5(b)和5(c)，无论(lun)是(shi)(shi)水平向还是(shi)(shi)垂(chui)直向，磷(lin)(lin)石膏(gao)与金(jin)属矿(kuang)山(shan)尾矿(kuang)的(de)“前(qian)粗(cu)后细，上粗(cu)下细”的(de)自然分级现象不同，也即粗(cu)颗粒并(bing)不是(shi)(shi)沿埋深(shen)逐步(bu)减(jian)小或距离(li)放(fang)浆口(kou)越远颗粒越细，其(qi)原因(yin)如下：①磷(lin)(lin)石膏(gao)颗粒粒径(jing)(jing)组成较(jiao)为集中、均匀，主要(yao)以粉粒组(0.005mm<d≤0.074mm)为主，级配较(jiao)差；②相比较(jiao)金(jin)属尾矿(kuang)，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)比重(zhong)(zhong)较(jiao)小，磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)比重(zhong)(zhong)一(yi)般(ban)为2.3～2.4，远小于金(jin)属尾矿(kuang)的(de)比重(zhong)(zhong)，例如铁尾矿(kuang)的(de)比重(zhong)(zhong)可(ke)达2.9；③放(fang)浆口(kou)随子坝高度不断(duan)增(zeng)加而不断(duan)变(bian)动(dong)并(bing)向库尾延伸，造成沉(chen)积磷(lin)(lin)石膏(gao)的(de)粒径(jing)(jing)变(bian)化不明显。

从图5(d)可见，不均匀系(xi)数(shu)Cu范围(wei)值(zhi)1.61～21.5，平(ping)均值(zhi)为(wei)4.18，曲率系(xi)数(shu)(1c范围(wei)值(zhi)0.28～9.78，平(ping)均值(zhi)为(wei)1.21，在统计(ji)的100多个试样中，属于级配(pei)不良土(tu)的占(zhan)93%。这种级配(pei)特性决定了磷石膏具有较高的压缩性、渗透破(po)坏(huai)型(xing)式表现为(wei)流土(tu)破(po)坏(huai)。

2.2渗透特性

(1)渗(shen)透系数

影响渗(shen)透(tou)(tou)系数(shu)(shu)的(de)(de)(de)主(zhu)要因(yin)素是粒径大小(xiao)、级(ji)配(pei)和孔隙比，因(yin)而磷石(shi)膏的(de)(de)(de)渗(shen)透(tou)(tou)系数(shu)(shu)与粉土较(jiao)为(wei)接(jie)近。由(you)于孔隙比e减小(xiao)，使(shi)得过水(shui)通道(dao)面(mian)积减小(xiao)，渗(shen)透(tou)(tou)系数(shu)(shu)k也将减小(xiao)，k与e呈正相关(guan)(guan)关(guan)(guan)系。对砂(sha)土，一般(ban)认为(wei)渗(shen)透(tou)(tou)系数(shu)(shu)k与e3/(1+e)的(de)(de)(de)线性关(guan)(guan)系较(jiao)好，图6给出了二(er)者间的(de)(de)(de)关(guan)(guan)系曲(qu)线，由(you)于沉(chen)积磷石(shi)膏的(de)(de)(de)不(bu)均匀系数(shu)(shu)变化较(jiao)大，使(shi)得沉(chen)积磷石(shi)膏的(de)(de)(de)渗(shen)透(tou)(tou)系数(shu)(shu)变化范围较(jiao)大(平均值为(wei)10-4cm/s数(shu)(shu)量级(ji))，二(er)者问的(de)(de)(de)线性关(guan)(guan)系较(jiao)差。

图6沉积磷石膏渗透(tou)系(xi)数与(yu)孔隙比的(de)关系(xi)

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

图7给出了水(shui)(shui)平(ping)与垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)数(shu)比值(zhi)的分布。沉积(ji)(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)的水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)数(shu)kh一般大于(yu)(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)的渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)数(shu)kv,kh/kv平(ping)均值(zhi)约为2.86，这一点与成层分布的金属尾矿规律一致。造成沉积(ji)(ji)磷石(shi)(shi)膏(gao)水(shui)(shui)平(ping)向(xiang)(xiang)(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)数(shu)大于(yu)(yu)垂直(zhi)(zhi)向(xiang)(xiang)(xiang)渗透(tou)(tou)系(xi)(xi)数(shu)的原因是(shi)由(you)于(yu)(yu)磷石(shi)(shi)膏(gao)具有(you)明(ming)显的晶体结构(gou)，电镜扫(sao)描显示多为菱形和棱柱状形式(见(jian)图8)，在沉积(ji)(ji)过程中(zhong)，由(you)于(yu)(yu)扁(bian)平(ping)状磷石(shi)(shi)膏(gao)颗(ke)粒多呈水(shui)(shui)平(ping)排列(lie)，使得水(shui)(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)大于(yu)(yu)垂直(zhi)(zhi)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的透(tou)(tou)水(shui)(shui)性(xing)(xing)，从而使磷石(shi)(shi)膏(gao)呈现明(ming)显的各向(xiang)(xiang)(xiang)异性(xing)(xing)。

另根据(ju)中(zhong)国有(you)色金属工业昆明(ming)勘察设计(ji)研(yan)究院在杨家箐磷石(shi)膏堆(dui)积(ji)坝开展(zhan)的(de)(de)现场(chang)渗透试验(yan)，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值约(yue)为1.9。但张超等的(de)(de)室(shi)内试验(yan)显示，kh/kv的(de)(de)平(ping)均(jun)值约(yue)为0.46，也即垂直向渗透系数(shu)(shu)大(da)于水平(ping)向渗透系数(shu)(shu)，与本文(wen)和(he)现场(chang)试验(yan)结(jie)果(guo)恰恰相反。从(cong)磷石(shi)膏的(de)(de)微观结(jie)构来看(kan)，本文(wen)试验(yan)结(jie)果(guo)更(geng)为合理(li)。

图(tu)7沉(chen)积磷石膏干密度与水平和垂直渗透系数比值(zhi)的关系

(2)渗透变(bian)形

图9为(wei)(wei)磷石膏(gao)干(gan)密度为(wei)(wei)1.40g/cm3的(de)(de)(de)水(shui)力梯度J与(yu)流(liu)速V的(de)(de)(de)关系(xi)曲线，试验(yan)在水(shui)平管涌仪中采(cai)用(yong)(yong)水(shui)平方向的(de)(de)(de)渗(shen)流(liu)形(xing)式(shi)进行(xing)。试验(yan)得到的(de)(de)(de)临界坡(po)降Jc=0.355，破坏(huai)坡(po)降Jp=0.375。一般(ban)来说(shuo)，对1，2级(ji)工程(cheng)(cheng)，渗(shen)透安全系(xi)数(shu)(shu)取(qu)为(wei)(wei)2.5，则允许出逸(yi)坡(po)降为(wei)(wei)0.355/2.5=0.142，对3级(ji)以下(xia)工程(cheng)(cheng)，渗(shen)透安全系(xi)数(shu)(shu)取(qu)2.0，则允许出逸(yi)坡(po)降为(wei)(wei)0.355/2.0=0.178。其(qi)允许比降与(yu)粉土(tu)一粉砂(sha)大致相同。但上(shang)述渗(shen)透变形(xing)试验(yan)是采(cai)用(yong)(yong)自来水(shui)进行(xing)的(de)(de)(de)，自来水(shui)对磷石膏(gao)具有(you)一定(ding)的(de)(de)(de)溶蚀作(zuo)用(yong)(yong)，而实际(ji)上(shang)磷石膏(gao)中残余磷、硫(liu)和氟酸(suan)(suan)，库水(shui)的(de)(de)(de)pH值一般(ban)小于3(称之为(wei)(wei)酸(suan)(suan)性(xing)(xing)水(shui))，在酸(suan)(suan)性(xing)(xing)水(shui)作(zuo)用(yong)(yong)下(xia)，磷石膏(gao)不(bu)会发生破坏(huai)，上(shang)述试验(yan)结果是偏于保(bao)守(shou)的(de)(de)(de)，但对非酸(suan)(suan)性(xing)(xing)水(shui)条件(jian)(例如特大暴雨)下(xia)的(de)(de)(de)渗(shen)透稳定(ding)判(pan)断有(you)一定(ding)的(de)(de)(de)借鉴意义。

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

(3)土水特征试验

试(shi)验(yan)在5Bar的(de)压力板仪中进行，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(han)水率特征值(zhi)，试(shi)验(yan)曲线见(jian)图10所示。

试(shi)验(yan)结果表明：①干(gan)密(mi)度(du)(du)对(dui)进(jin)气(qi)值没有明显的(de)影响，不(bu)同干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)试(shi)样(yang)的(de)进(jin)气(qi)值大致(zhi)在10kPa左右(you)；②土样(yang)残余含(han)水(shui)率(lv)随干(gan)密(mi)度(du)(du)的(de)增加而减少，残余含(han)水(shui)率(lv)约(yue)为饱(bao)和含(han)水(shui)率(lv)的(de)10%。上(shang)述特性与(yu)粉(fen)土一(yi)粉(fen)砂(sha)基本一(yi)致(zhi)。

2.3静(jing)力(li)力(li)学特性

(1)三(san)轴CU试验

由于(yu)沉积(ji)磷石膏(gao)的密(mi)度变化较(jiao)大，而进行三轴试验需要若干(gan)原(yuan)状(zhuang)样，为(wei)(wei)使(shi)试验结果具有(you)较(jiao)好的一致(zhi)性(xing)，有(you)针对(dui)性(xing)的选择平均干(gan)密(mi)度分别为(wei)(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(gan)试样，进行了(le)5组(zu)三轴CU试验。图11是为(wei)(wei)干(gan)密(mi)度为(wei)(wei)1.2和(he)1.58g/cm3的三轴CU试验曲线。

从图11可(ke)以(yi)看出，磷石膏(gao)(gao)的应力应变(bian)关系曲线在(zai)低围(wei)压(ya)下表(biao)现为软化(hua)型(xing)(xing)，在(zai)高(gao)围(wei)压(ya)下表(biao)现为硬化(hua)型(xing)(xing)，与一般土(tu)类相(xiang)似。但(dan)与一般粉土(tu)一粉砂不同(tong)的是，即(ji)使在(zai)较(jiao)为疏松的状(zhuang)态(tai)下，磷石膏(gao)(gao)仍表(biao)现了(le)较(jiao)为强烈的剪(jian)胀(zhang)，随密实(shi)度增大，剪(jian)胀(zhang)作用愈发明显。

表(biao)2给出(chu)了(le)不同(tong)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度下的(de)(de)(de)内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)，图(tu)12给出(chu)了(le)内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)与干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度的(de)(de)(de)关系(xi)曲(qu)(qu)线。随(sui)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度的(de)(de)(de)增大(da)，内(nei)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)也随(sui)之增大(da)，且可采(cai)用幂函数(shu)较好地拟合(he)。磷(lin)石(shi)(shi)膏的(de)(de)(de)干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度由(you)(you)1.20g/cm3增加(jia)为(wei)1.58g/cm3，增加(jia)了(le)32%，总应(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)34.1°增加(jia)为(wei)37.3°(根据拟合(he)曲(qu)(qu)线求得)，增幅(fu)(fu)为(wei)9.4%，有效应(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)由(you)(you)37.6°增加(jia)为(wei)38.8°，增幅(fu)(fu)为(wei)3.2%，由(you)(you)于随(sui)围压的(de)(de)(de)增大(da)，孔压也明(ming)显(xian)增大(da)，故有效摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)增幅(fu)(fu)较之总应(ying)力(li)(li)摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)要小。另外较之于干(gan)(gan)(gan)密(mi)(mi)(mi)度增幅(fu)(fu)，摩(mo)(mo)擦(ca)(ca)角(jiao)的(de)(de)(de)增幅(fu)(fu)并不显(xian)著，表(biao)明(ming)即(ji)使(shi)较为(wei)疏松的(de)(de)(de)磷(lin)石(shi)(shi)膏仍(reng)具有较高的(de)(de)(de)强度指标(biao)，这也表(biao)明(ming)磷(lin)石(shi)(shi)膏堆积坝的(de)(de)(de)稳(wen)定性较高。

(2)蠕变(次固结(jie))变形试(shi)验

磷石膏的蠕(ru)变(bian)变(bian)形试(shi)验在侧限(xian)压缩仪中进行，试(shi)验状(zhuang)态相当于K0固结。试(shi)样(yang)直径61.8mm，高度(du)20mm，试(shi)样(yang)干密度(du)为(wei)1.30g/cm3，对试(shi)样(yang)饱(bao)和后分别开展(zhan)了上(shang)覆(fu)压力ρ为(wei)100，200，400，800kPa的试(shi)验，

试验从2012年8月27日开始，试验己进行了1年多，试验结果见(jian)图(tu)13所示。

从图13中可以看出：上覆荷(he)载(zai)越大(da)，磷石(shi)膏(gao)的蠕变变形(xing)(xing)也越大(da)，荷(he)载(zai)施加1年(nian)后，磷石(shi)膏(gao)的蠕变变形(xing)(xing)仍非常显(xian)著，尚未(wei)达到稳定状态，这也是磷石(shi)膏(gao)堆积坝后期变形(xing)(xing)较(jiao)大(da)的原因，原型观测(ce)资料表(biao)明(ming)，在5级子(zi)坝河床部位的表(biao)面沉降量已(yi)经(jing)达到3.1m，且尚未(wei)完全稳定。

按时间(jian)对(dui)数法，可(ke)求得各级(ji)荷载下的(de)(de)(de)主(zhu)次固(gu)(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)量如(ru)表3所示。试验结(jie)果表明，在(zai)100～400kPa上(shang)覆荷载作用下，在(zai)试验时间(jian)范围内蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(次固(gu)(gu)(gu)结(jie))变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)是(shi)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)(de)1.8～3.1倍，当(dang)然由于(yu)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)尚未(wei)完成，实际的(de)(de)(de)蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)应更大。对(dui)土(tu)体(ti)(ti)而言，发(fa)生蠕(ru)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)原因(yin)是(shi)由于(yu)土(tu)体(ti)(ti)在(zai)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)结(jie)完成之后，土(tu)体(ti)(ti)中仍有微小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)超静(jing)孔隙(xi)压(ya)力存(cun)在(zai)，驱使水在(zai)颗粒问(wen)流动，一般来讲(jiang)土(tu)体(ti)(ti)的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)结(jie)远(yuan)(yuan)小(xiao)(xiao)于(yu)主(zhu)固(gu)(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)；对(dui)磷石膏而言，其(qi)(qi)渗透(tou)系数在(zai)10-4cm/s数量级(ji)，远(yuan)(yuan)大于(yu)黏性土(tu)，但其(qi)(qi)却发(fa)生了(le)极为显著(zhu)的(de)(de)(de)次固(gu)(gu)(gu)结(jie)变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，其(qi)(qi)原因(yin)在(zai)于(yu)磷石膏晶体(ti)(ti)结(jie)构发(fa)生了(le)压(ya)缩(suo)、破坏，接触点晶格(ge)发(fa)生歪曲和变(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)，而破坏后晶格(ge)之间(jian)的(de)(de)(de)重新排列(lie)、调(diao)整到最后趋(qu)于(yu)相(xiang)对(dui)静(jing)止需要相(xiang)当(dang)长(zhang)的(de)(de)(de)时间(jian)才能(neng)完成。

2.4动力(li)力(li)学特(te)性

试验设备采用(yong)英国GDS公司(si)进口的(de)电机(ji)控(kong)制动三轴试验系统，试样直径39.1mm，高度80mm。

(1)动模量和阻尼比

同样由(you)于自(zi)然沉积的(de)磷石(shi)膏密度变(bian)化(hua)(hua)较大，为此根据(ju)物理性质试(shi)验结(jie)果，选择两种平均干密度1.34g/cm3(变(bian)化(hua)(hua)范围1.33～1.35g/cm3)和(he)1.45g/cm3(变(bian)化(hua)(hua)范围1.44～1.46g/cm3)进行试(shi)验。

Hardin-Dmevich建(jian)议的(de)动剪切模量G、阻(zu)尼(ni)比与剪应变(bian)幅值γd的(de)关(guan)系(xi)式(shi)如下：

式中k1为(wei)参(can)数，表示动(dong)(dong)剪(jian)切模量的(de)衰减(jian)或阻尼比(bi)的(de)增(zeng)长速率；λmax为(wei)最(zui)大(da)(da)阻尼比(bi)；Gmax，γd分(fen)别为(wei)最(zui)大(da)(da)动(dong)(dong)剪(jian)切模量和归(gui)一(yi)化的(de)动(dong)(dong)剪(jian)应变，表示为(wei)

式中k2,n为(wei)(wei)参数；σm为(wei)(wei)球(qiu)应力；Pa为(wei)(wei)标准大气(qi)压(ya)；vd为(wei)(wei)动泊(bo)松比(bi)；εa为(wei)(wei)归(gui)一化的动应变，表(biao)达为(wei)(wei)

图14给出了动(dong)剪切模量、阻尼比与归一化动(dong)应变的(de)(de)关系曲线(xian)，另外图中(zhong)还给出了式(1)的(de)(de)拟合曲线(xian)以及Seed等给出的(de)(de)砂样(yang)的(de)(de)上下边界线(xian)，图例中(zhong)，σ2表示围压(ya)，Kc表示固结应力比。

从(cong)图(tu)(tu)中(zhong)可(ke)以看出：①式(1)可(ke)较好(hao)地描(miao)述(shu)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)的(de)(de)动(dong)(dong)应(ying)力(li)-动(dong)(dong)应(ying)变(bian)试验(yan)曲线(xian)(xian)，表明采用等价黏(nian)弹(dan)性(xing)模型进(jin)行循(xun)环荷(he)载作用下的(de)(de)分析是可(ke)行的(de)(de)；②图(tu)(tu)14(a)中(zhong)干密(mi)(mi)度为1.45g/cm3的(de)(de)拟合线(xian)(xian)位(wei)(wei)于(yu)(yu)干密(mi)(mi)度为1.34g/cm3的(de)(de)拟合线(xian)(xian)上方，图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则位(wei)(wei)于(yu)(yu)下方，表明密(mi)(mi)度越大(da)(da)，动(dong)(dong)弹(dan)模越大(da)(da)、阻(zu)尼比越小；③图(tu)(tu)14(a)中(zhong)，两种干密(mi)(mi)度的(de)(de)拟合线(xian)(xian)基本位(wei)(wei)于(yu)(yu)Seed等给出的(de)(de)边界线(xian)(xian)上方，而图(tu)(tu)14(b)中(zhong)则基本处(chu)于(yu)(yu)边界线(xian)(xian)中(zhong)间(jian)，表明相比较砂样，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)动(dong)(dong)弹(dan)模较大(da)(da)，会导致(zhi)磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)积坝(ba)(ba)的(de)(de)动(dong)(dong)力(li)反(fan)应(ying)较大(da)(da)，但由于(yu)(yu)阻(zu)尼比也较大(da)(da)，这样又会削弱坝(ba)(ba)体的(de)(de)动(dong)(dong)力(li)反(fan)应(ying)，二者的(de)(de)相互影响下，磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)积坝(ba)(ba)坝(ba)(ba)体的(de)(de)动(dong)(dong)力(li)反(fan)应(ying)将不(bu)会过于(yu)(yu)强烈，这对磷(lin)石(shi)(shi)膏(gao)(gao)堆(dui)积坝(ba)(ba)的(de)(de)抗震稳定性(xing)是有利(li)的(de)(de)。

(2)动强(qiang)度

选择两种平均干密(mi)度为(wei)1.12(变(bian)化(hua)范(fan)围1.1～1.14g/cm3)和1.306g/cm3(变(bian)化(hua)范(fan)围1.29～1.3lg/cm3)进(jin)行(xing)试(shi)验，破坏标准(zhun)为(wei)总应变(bian)达到10%。

图15给出(chu)了动(dong)剪应力比(bi)τd/σ0′与破坏振(zhen)次Nf的关(guan)系(xi)曲线(xian)图，其(qi)中σ0为振(zhen)前试(shi)样45°面上的有效法(fa)向应力，表(biao)达(da)为：σ0=(Kc＋1)σ2′/2，Kc为固结(jie)比(bi)。从(cong)试(shi)验结(jie)果可以看出(chu)，沉(chen)积(ji)磷石膏的动(dong)强度与其(qi)它土(tu)体相(xiang)似，表(biao)现为围压和固结(jie)应力比(bi)与动(dong)剪应力比(bi)呈负相(xiang)关(guan)关(guan)系(xi)。

为判别(bie)沉(chen)积磷石膏的抗液化(hua)能(neng)力，假定(ding)抗震(zhen)设计(ji)烈度(du)为8度(du)，即(ji)等效(xiao)振次Ⅳ可(ke)取为30。首先由式(shi)(4)

所示的幂(mi)函数关系式得到振(zhen)次为30时(shi)各个(ge)围压和固结比下的动剪(jian)应力比：

τd/σ0′=aNr-b(4)

然后可拟(ni)合求得动剪应力比与围压和(he)固结应力比的(de)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(shu)拟合关系式可(ke)见，密(mi)(mi)实度(du)提(ti)高后，动剪应(ying)力比(bi)提(ti)高，表明(ming)抗液化能力也提(ti)高。但即使是在低密(mi)(mi)度(du)下，其动剪应(ying)力比(bi)较(jiao)之(zhi)同(tong)类的粉土或粉砂也大出许多，表明(ming)磷(lin)石膏(gao)具有(you)较(jiao)高的抗液化能力。

三、结(jie)论

依(yi)托柳树箐磷石(shi)膏(gao)堆积坝，在钻探(tan)取(qu)样工(gong)作的基础(chu)上，首(shou)先开展了物理性质(zhi)试(shi)(shi)验，然后开展了静动(dong)力力学特性试(shi)(shi)验。通过上述试(shi)(shi)验研究，得出如下(xia)结(jie)论(lun)：

(1)沉积(ji)磷石膏总体上属(shu)于(yu)(yu)级配不良的粉土，局(ju)部属(shu)于(yu)(yu)粉砂(sha)一中砂(sha)，无自然分(fen)级现象。其(qi)干密度和(he)粒径变化(hua)随(sui)埋深(shen)或距放(fang)浆口距离的变化(hua)不明(ming)显(xian)。

(2)沉积磷石膏水(shui)平方(fang)向的(de)渗(shen)(shen)透系(xi)数大于垂直(zhi)方(fang)向的(de)渗(shen)(shen)透系(xi)数，呈(cheng)现明显的(de)各向异(yi)性。

(3)与土体(ti)颗(ke)粒(li)不(bu)可压缩(suo)不(bu)同(tong)，磷(lin)石膏的晶(jing)体(ti)结构会发生压缩(suo)破(po)坏，具(ju)有(you)较大的压缩(suo)性，其次(ci)固(gu)结变(bian)形(xing)量远大于主固(gu)结变(bian)形(xing)量。

(4)沉积(ji)磷石(shi)膏的静动(dong)强度较之同等密实度下的粉土(tu)、粉砂要高。