磷石膏動(dòng)殘余變形特性試驗(yàn)研究

蔡國軍，蒲 洪，李 林，白 帆，馮偉強(qiáng)，仲 闖

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059;2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，四川 成都 610059)

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加速，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對磷肥的需求日益增長，促進(jìn)了磷肥化工行業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)磷肥的過程中伴有大量化工廢料磷石膏。預(yù)計(jì)到 2022 年我國磷石膏產(chǎn)量約 7 300×104t[1]。近年來，國家推動(dòng)“三廢”資源化利用[2]，生態(tài)環(huán)境保護(hù)深入民心。因此，磷石膏被制成石膏板材和用作水泥緩凝劑等進(jìn)行再生利用。然而，磷石膏含有氟、磷化合物等多種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)嚴(yán)重阻礙了磷石膏的利用[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國磷石膏實(shí)際利用率僅有30%[4]，需要修建更多的尾礦庫來堆存磷石膏。我國運(yùn)行的磷石膏尾礦庫大部分位于西部地震多發(fā)帶，楊家箐磷石膏尾礦堆積壩和柳樹箐磷石膏尾礦堆積壩處于8度地震區(qū)，設(shè)計(jì)壩高均超過100 m[5]，其安全性至關(guān)重要。在地震作用下，壩體產(chǎn)生的縱橫裂縫、沉降、震陷等都與其動(dòng)殘余變形密切相關(guān)。

目前，針對磷石膏的物理力學(xué)性質(zhì)研究和磷石膏庫穩(wěn)定性已有相關(guān)研究。米占寬等[5]通過三軸固結(jié)不排水、動(dòng)三軸試驗(yàn)，得到沉積磷石膏與同密度砂土相比具有較高的抗剪強(qiáng)度和抗液化能力。張超等[6]研究了磷石膏的烘烤最佳溫度、磷石膏的溶解性，通過三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，得到磷石膏具有剪脹性。路停等[7]對磷石膏的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了一系列研究，獲取了磷石膏的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)剪切模量Gd、動(dòng)阻尼比λd和動(dòng)孔隙水壓力μd等動(dòng)力參數(shù)及其變化規(guī)律。張水兵[8]采用MIDAS-GTSNX對云南祥豐金麥化工有限公司高堆磷石膏尾礦庫建立了三維滲流模型，并在考慮流固耦合作用下對尾礦庫擴(kuò)容堆高正常工況三維滲流計(jì)算，發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力分布和剪應(yīng)力分布與實(shí)際工況更接近。凌華等[9]研究了壩料的動(dòng)殘余變形特性，討論了顆粒粒徑對殘余變形的影響。鄒德高等[10]研究了應(yīng)力水平對堆石料動(dòng)殘余變形的影響，并在沈珠江模型基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)模型。然而，鮮有文章對磷石膏堆積體的動(dòng)殘余變形特性進(jìn)行研究。

本文為了研究磷石膏堆積壩在地震荷載作用下的殘余變形，對磷石膏進(jìn)行了動(dòng)殘余變形特性試驗(yàn)，研究應(yīng)力水平對動(dòng)殘余變形的影響。并在沈珠江模型的基礎(chǔ)上提出了適合磷石膏的殘余變形模型，為磷石膏堆積壩在地震作用下的穩(wěn)定性分析提供必要的基本參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料

磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O[11]。一定溫度下，磷石膏會(huì)失去結(jié)晶水。失水狀態(tài)磷石膏遇水會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)。反應(yīng)方程式為[12]：

根據(jù)GB/T 23456—2018《磷石膏》確定磷石膏的烘干溫度為42 ℃[11]，將其放入烘箱烘烤3 d至含水率不再變化。烘干試樣經(jīng)過篩分，再用Malvern激光粒度分析儀分析粒徑小于0.075 mm試樣粒徑組成。試驗(yàn)結(jié)果如圖1和表1所示。結(jié)果表明，該試樣粒徑主要分布在0.005～0.075 mm范圍，級配不良，屬于粉土。

圖1 磷石膏的級配曲線

表1 磷石膏顆粒級配與特征粒徑

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 試樣制備

試樣取自云南某磷石膏庫堆積壩，根據(jù)磷石膏堆積壩的密度分布，確定試樣的干密度為1.46 g/cm3，含水率為14.5%。將磷石膏放入42 ℃恒溫烘箱中烘烤3 d，取出碾散，然后過2 mm土工篩分選。制樣方法采用濕裝夯實(shí)法，按照規(guī)定含水率將試樣制成濕樣，放入密閉塑料袋靜置一晝夜。然后分5層裝入三瓣模內(nèi)，分層擊實(shí)，每層接觸面需要用鏟刀刨毛，避免各層之間的分層現(xiàn)象。試樣的直徑為100 mm，高為200 mm。將制好試樣放入真空飽和器中，經(jīng)過抽真空、真空飽水和浸泡過程使孔壓系數(shù)B值在0.97以上。飽和過程中用磷石膏溶液代替蒸餾水，溶液濃度為3.32 g/L。

2.2 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)采用英國GDS-DYNTTS型微機(jī)控制振動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。進(jìn)行動(dòng)殘余變形試驗(yàn)時(shí)，為了充分考慮應(yīng)力水平的影響，設(shè)置了兩種固結(jié)比。每種固結(jié)比采用 3 種固結(jié)圍壓，即 100 kPa、200 kPa、400 kPa。每個(gè)圍壓施加3種不同動(dòng)應(yīng)力比Rd進(jìn)行動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)。采用激振頻率為0.1 Hz的正弦波。對每個(gè)試樣進(jìn)行30次循環(huán)加載。通過在該密度條件下對磷石膏進(jìn)行動(dòng)殘余應(yīng)變試驗(yàn)，探討其應(yīng)力水平對動(dòng)殘余變形的影響，求取相關(guān)模型參數(shù)。具體試驗(yàn)方案見表2。

表2 土樣動(dòng)力試驗(yàn)內(nèi)容

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 沈珠江殘余變形模型

沈珠江模型[13]研究了殘余剪應(yīng)變，也考慮了殘余體應(yīng)變的影響。其模型函數(shù)為：

其中，εvr為動(dòng)殘余體應(yīng)變、γr為動(dòng)殘余剪應(yīng)變；cvr為 εvr與 lg（1+N）擬合曲線斜率，cdr為 γr與 lg（1+N）擬合曲線斜率；γd為動(dòng)剪應(yīng)變幅值，根據(jù)每次試驗(yàn)第10次循環(huán)動(dòng)應(yīng)變幅值εd確定；應(yīng)力水平S1=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)ult，(σ1-σ3)與 (σ1-σ3)ult分別為偏差應(yīng)力和極限偏差應(yīng)力，kPa；N為振動(dòng)次數(shù)；c1，c2，c3，c4，c5為模型參數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2、圖3分別為磷石膏的動(dòng)殘余體應(yīng)變和動(dòng)殘余剪應(yīng)變與lg(1+N)的變化規(guī)律。如圖所示，同一固結(jié)比，磷石膏的動(dòng)殘余體應(yīng)變和動(dòng)殘余剪應(yīng)變隨著圍壓和動(dòng)應(yīng)力比的增高而增大；隨著固結(jié)比增大，同一圍壓和動(dòng)應(yīng)力比條件下的動(dòng)殘余體應(yīng)變和動(dòng)殘余剪應(yīng)變相應(yīng)減小，究其原因，固結(jié)比越大，試樣越密實(shí)，殘余應(yīng)變越小。當(dāng)圍壓和動(dòng)應(yīng)力比較低時(shí)，磷石膏的動(dòng)殘余體應(yīng)變和動(dòng)殘余剪應(yīng)變與lg(1+N)大致呈線性關(guān)系[13]；當(dāng)圍壓和動(dòng)應(yīng)力水平較高時(shí)，試驗(yàn)開始階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線會(huì)發(fā)生偏差，這與試樣初始階段突然受到?jīng)_擊荷載有關(guān)，但是，隨著振次增加，實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線能較好重合。擬合結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)曲線擬合參數(shù)

圖2 εvr-lg(1+N)關(guān)系曲線

圖3 γr-lg(1+N)關(guān)系曲線

通過圖2、圖3擬合關(guān)系得到斜率cvr和cdr。然后將cvr和cdr/S12分別與γd在雙對數(shù)坐標(biāo)中的擬合結(jié)果繪制在圖4、圖5中。由圖4可以看出，cvr與γd擬合關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)為0.99，說明應(yīng)力水平S1對動(dòng)體應(yīng)變影響很小，所以取c3=0。由圖5可知，cdr/S12與γd在雙對數(shù)坐標(biāo)中的擬合關(guān)系離散性較大，固結(jié)比為1.5的數(shù)據(jù)點(diǎn)在固結(jié)比為2.0數(shù)據(jù)點(diǎn)上方。鄒德高等[10]在堆石料的殘余應(yīng)變特性試驗(yàn)中，建議采用cdr/S1n代替沈珠江模型中的cdr/S12進(jìn)行擬合，并對相關(guān)系數(shù)R與應(yīng)力水平指數(shù)n的變化關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)n=1時(shí)相關(guān)性最好。孔志亮等[14]在堆積體殘余變形試驗(yàn)中，采用cdr/S1n代替沈珠江模型中的cdr/S12進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)n=0.8時(shí)，曲線相關(guān)性最好。

圖4 cvr-γd關(guān)系曲線

圖5 cdr/S12-γd關(guān)系曲線

對于磷石膏這種特殊粉土，本次試驗(yàn)也采用cdr/S1n代替cdr/S12進(jìn)行擬合的方法，并對應(yīng)力水平指數(shù)n的相關(guān)性進(jìn)行了分析。從圖6中可以看出，當(dāng)應(yīng)力水平指數(shù)為0.8時(shí)，相關(guān)系數(shù)最大為0.91，擬合效果最好。因此本文選取n=0.8進(jìn)行擬合，式(6)可改進(jìn)為：

圖6 相關(guān)系數(shù)與應(yīng)力水平指數(shù)的關(guān)系

數(shù)據(jù)擬合曲線如圖7所示。圖中，cdr/S10.8與γd的擬合效果較好。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將改進(jìn)前和改進(jìn)后的模型相關(guān)參數(shù)列于表4中。由表可知，本文改進(jìn)的模型與沈珠江模型相比，c4、c5均有減小。

圖7 cdr/S10.8-γd 關(guān)系曲線

表4 土樣動(dòng)殘余變形參數(shù)

4 結(jié)束語

通過GDS-DYNTTS型微機(jī)控制振動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對磷石膏動(dòng)殘余變形進(jìn)行研究，分析了初始應(yīng)力水平和動(dòng)應(yīng)力水平對磷石膏殘余變形的影響，得到了以下結(jié)論：

1)同一固結(jié)比條件下，當(dāng)圍壓和動(dòng)應(yīng)力水平較低時(shí)，磷石膏殘余剪應(yīng)變?chǔ)胷和殘余體應(yīng)變?chǔ)舦r與lg(1+N)能較好擬合；當(dāng)圍壓和動(dòng)應(yīng)力水平較高時(shí)，試驗(yàn)開始階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線會(huì)產(chǎn)生偏差，但是隨著振次增加，實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線能較好重合。

2)磷石膏殘余體應(yīng)變斜率cvr與剪應(yīng)變?chǔ)胐在雙對數(shù)坐標(biāo)中能較好擬合，而cdr/S12與剪應(yīng)變?chǔ)胐擬合關(guān)系較離散，通過改進(jìn)沈珠江模型，調(diào)整應(yīng)力水平指數(shù)，發(fā)現(xiàn)擬合關(guān)系離散程度大大減小。