磷石膏動殘余變形特性試驗研究

蔡國軍，蒲 洪，李 林，白 帆，馮偉強，仲 闖

(1.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059;2.成都理工大學 地質(zhì)工程國家級實驗教學示范中心，四川 成都 610059)

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程加速，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對磷肥的需求日益增長，促進了磷肥化工行業(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。預計到 2022 年我國磷石膏產(chǎn)量約 7 300×104t[1]。近年來，國家推動“三廢”資源化利用[2]，生態(tài)環(huán)境保護深入民心。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)嚴重阻礙了磷石膏的利用[3]。據(jù)統(tǒng)計，我國磷石膏實際利用率僅有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)，設計壩高均超過100 m[5]，其安全性至關重要。在地震作用下，壩體產(chǎn)生的縱橫裂縫、沉降、震陷等都與其動殘余變形密切相關。

目前，針對磷石膏的物理力學性質(zhì)研究和磷石膏庫穩(wěn)定性已有相關研究。米占寬等[5]通過三軸固結不排水、動三軸試驗，得到沉積磷石膏與同密度砂土相比具有較高的抗剪強度和抗液化能力。張超等[6]研究了磷石膏的烘烤最佳溫度、磷石膏的溶解性，通過三軸固結不排水試驗，得到磷石膏具有剪脹性。路停等[7]對磷石膏的動力學特性進行了一系列研究，獲取了磷石膏的動強度、動剪切模量Gd、動阻尼比λd和動孔隙水壓力μd等動力參數(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容堆高正常工況三維滲流計算，發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力分布和剪應力分布與實際工況更接近。凌華等[9]研究了壩料的動殘余變形特性，討論了顆粒粒徑對殘余變形的影響。鄒德高等[10]研究了應力水平對堆石料動殘余變形的影響，并在沈珠江模型基礎上提出了改進模型。然而，鮮有文章對磷石膏堆積體的動殘余變形特性進行研究。

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，對磷石膏進行了動殘余變形特性試驗，研究應力水平對動殘余變形的影響。并在沈珠江模型的基礎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 試驗材料

磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O[11]。一定溫度下，磷石膏會失去結晶水。失水狀態(tài)磷石膏遇水會發(fā)生水化反應。反應方程式為[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。試驗結果如圖1和表1所示。結果表明，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，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 試驗過程

本次試驗采用英國GDS-DYNTTS型微機控制振動三軸試驗系統(tǒng)。進行動殘余變形試驗時，為了充分考慮應力水平的影響，設置了兩種固結比。每種固結比采用 3 種固結圍壓，即 100 kPa、200 kPa、400 kPa。每個圍壓施加3種不同動應力比Rd進行動循環(huán)試驗。采用激振頻率為0.1 Hz的正弦波。對每個試樣進行30次循環(huán)加載。通過在該密度條件下對磷石膏進行動殘余應變試驗，探討其應力水平對動殘余變形的影響，求取相關模型參數(shù)。具體試驗方案見表2。

表2 土樣動力試驗內(nèi)容

3 試驗結果與分析

3.1 沈珠江殘余變形模型

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

其中，εvr為動殘余體應變、γr為動殘余剪應變；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為動剪應變幅值，根據(jù)每次試驗第10次循環(huán)動應變幅值εd確定；應力水平S1=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)ult，(σ1-σ3)與 (σ1-σ3)ult分別為偏差應力和極限偏差應力，kPa；N為振動次數(shù)；c1，c2，c3，c4，c5為模型參數(shù)。

3.2 試驗結果

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

表3 試驗曲線擬合參數(shù)

圖2 εvr-lg(1+N)關系曲線

圖3 γr-lg(1+N)關系曲線

通過圖2、圖3擬合關系得到斜率cvr和cdr。然后將cvr和cdr/S12分別與γd在雙對數(shù)坐標中的擬合結果繪制在圖4、圖5中。由圖4可以看出，cvr與γd擬合關系較好，相關系數(shù)為0.99，說明應力水平S1對動體應變影響很小，所以取c3=0。由圖5可知，cdr/S12與γd在雙對數(shù)坐標中的擬合關系離散性較大，固結比為1.5的數(shù)據(jù)點在固結比為2.0數(shù)據(jù)點上方。鄒德高等[10]在堆石料的殘余應變特性試驗中，建議采用cdr/S1n代替沈珠江模型中的cdr/S12進行擬合，并對相關系數(shù)R與應力水平指數(shù)n的變化關系進行分析，發(fā)現(xiàn)n=1時相關性最好?？字玖恋萚14]在堆積體殘余變形試驗中，采用cdr/S1n代替沈珠江模型中的cdr/S12進行擬合，發(fā)現(xiàn)n=0.8時，曲線相關性最好。

圖4 cvr-γd關系曲線

圖5 cdr/S12-γd關系曲線

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

圖6 相關系數(shù)與應力水平指數(shù)的關系

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)試驗結果，將改進前和改進后的模型相關參數(shù)列于表4中。由表可知，本文改進的模型與沈珠江模型相比，c4、c5均有減小。

圖7 cdr/S10.8-γd 關系曲線

表4 土樣動殘余變形參數(shù)

4 結束語

通過GDS-DYNTTS型微機控制振動三軸試驗系統(tǒng)對磷石膏動殘余變形進行研究，分析了初始應力水平和動應力水平對磷石膏殘余變形的影響，得到了以下結論：

1)同一固結比條件下，當圍壓和動應力水平較低時，磷石膏殘余剪應變γr和殘余體應變εvr與lg(1+N)能較好擬合；當圍壓和動應力水平較高時，試驗開始階段試驗數(shù)據(jù)與擬合曲線會產(chǎn)生偏差，但是隨著振次增加，實驗曲線與擬合曲線能較好重合。

2)磷石膏殘余體應變斜率cvr與剪應變γd在雙對數(shù)坐標中能較好擬合，而cdr/S12與剪應變γd擬合關系較離散，通過改進沈珠江模型，調(diào)整應力水平指數(shù)，發(fā)現(xiàn)擬合關系離散程度大大減小。