磷石膏的动力学特性试验研究.pdf
振动与冲击 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK 第39卷第14期Vo l . 39 No 14 00 磷石膏的动力学特性试验研究 路 停▽,魏作安▽,王文松▽,杨永浩▽,曹冠森▽,庄孙宁W 1重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044 ; 2.重庆大学资源与安全学院,重庆400044 摘要摘要利用带有弯曲元模块的GDS振动三轴试验仪,对磷石膏的动力学特性进行了系统研究。获得了磷石膏 的动强度、动剪切模量Gd、阻尼比初始动剪切模量Gd。与有效固结围压/呈幂函数关系;采用Da v id e n k o e 模型对动剪切模量比Gd /Gd。进行拟合,不同围压下磷石膏的动剪切模量比归一性较好;随着干密度及围压的增加,磷石膏 的孔压发展曲线由“双S”型向“单S”型变化;以Se e d孔压模型为基础,建立了磷石膏的动孔压模型。 关键词关键词磷石膏;土动力学;动强度;动剪切模量;阻尼比;动孔隙水压力 中图分类号中图分类号TU435 文献标志码文献标志码A DOI 10. 13465. .n k i. .v s. 2020.14. 036 Ex pe r ime r t a l st h d y o n t h e d y n a mic c h a r a c t e r ist ic s o f ph o sh h o g y psh m LU Ting1, 2 , WEI Zuo an1, 2 , WANG Wenso ng17 2 , YANG Yo nghao1 2 , CAO Guansen ,2 , ZHUANG Sunning1, 2 1. St a t e Ke ; La bo r a t o r y o f Co a l Min e Disa st e r Dy n a mic s a n d Co n t r o l, Ch o n g q in g Un iv e r sit y, Ch o n g q in g 400044, Ch in a; 2. Sc h o o l oZ Re so u r c e s a n d Sa f e t y En g in e e r in g, Ch o n g q in g Un iv e r sit y, Ch o n g q in g 400044,Ch in a Abst r a c t Th e GDS d y n a mic t a a x l a t e st sy st e m w it h a be n d in g e l e me n t mo d u l e w a s u se d t o st u d y sy st e ma t ic a lly t h e d y n a mic c h a r a c t e /st ic s o f ph o sph o c y psu m. Th e d y n a mic pa r a me t e r s o f ph o sph o c y psu m a n d t h e ir v e /a t io n w e r e in v e st iy a t e d, su c h a s t h e d y n a mic st r e n g t h, d y n a mic sh e a r mo d u l u s Gd, d a mpin g r a t io 入 a d d y n a mic po r e w a t e r pr e ssu r e Th e r e su l t s sh o w t h a t t h e d y n a mic st r e n g t h c u r v e o f ph o sph o c y psu m is in t h e f o w n o f a po w e r f u n c t io n, a n d it is f o u n d ih e n o a ma l o za io o n o f ih e d y n a mo c Iia e n g ih c u a e e Iu n d e a d ofe a e n ic o n f o n o n g pa eIu a e o ma d e a a ih e a po o a l y .Th e o n o io a l d y n a mic sh e a r mo d u l u s is in a po w e r f u n c t io n r e l a t io n sh ip w it h t h e e f f e c t iv e c o n so l iba t io n c o n f in in g pr e ssu r e /0- Th e Da v ibe n k o v mo d e l w a s u se d t o Ct t h e d y n a mic sh e a r mo d u l u s r a t io G/G/ Gd0, a n d t h e n o w n a l iza t io n o f t h e d y n a mic sh e a r mo d u l u s r a t io o f ph o sph o a y psu m u n d e r d bf e r e n t c o n f in in g pr e ssu r e is f o u n d t o be bf t e r . Wit h t h e in c r e a se o f d / d e n sit y a n d c o n Cn in g pr e ssu r e, t h e po r e pr e ssu r e d e v e l o pme n t c u /e o f ph o sph o a y psu m v e /a s it s f o r m “ d o u bl e S” t o “ sin g l e S”. Ba se d o n t h e Se e d mo d e l, a po r e p/s s u / mo d e l su imbl e f o r t h e d e v e l o pme n t o f d y n a mic po r e p/s s u / o f ph o sph o c y psu m w a s e s ia bl o sh e d . Ke y woUs ph o sph o c y psu m; so il d y n a mic s; d y n a mic st r e n g t h; d y n a mic sh e a r mo d u l u s; d a mpin g r a t io; d y n a mic po r e w a t e r pr e ssu r e 磷石膏是磷酸工业的副产品。随着市场对磷复合 肥需求量的逐年增大,磷石膏的年排放量越来越多⑴国家自然科学基 金资助项目51804051 ;51804178 ;重庆市博士后科研项目特别资 助XmT0l 80l 7 收稿日期2019 -02-26修改稿收到日期2019 -05 -06 第一作者路停男,博士生,1993年生 通信作者魏作安男,教授,博士生导师,1965年生 畴,其坝体一旦失稳,会给库区下游地区带来灾难性后 果[3-4]0磷石膏库是磷矿山和磷化工企业必备的生产 设施,也是最重大的危险源之一⑸②②根据土的典型黏弹性双曲线模型,利用动 剪应力和动应变计算得到初始动剪切模量Gd0 ; 利用剪切波速试验进行计算。本次实验中,采用GDS弯 曲元测试模块测量试样固结后的剪切波速,运用弹性波 动理论公式Gd0 0计算出Gd0,其中p为试样密度 为剪切波速〔川。不同干密度及固结围压下,磷石膏的初 始动剪切模量Gd 0如图4所示。由图4可知,磷石膏的初 始动剪切模量Gd 0与有效固结围压/呈幂函数关系。 第14期路停等磷石膏的动力学特性试验研究26A 与尾粉砂和尾粉土的实验结果基本一致[型。这是因为 随着/的增大,试样被压密,孔隙比减小,剪切波在试样 表表5磷石膏动剪切模量比拟合参数磷石膏动剪切模量比拟合参数 Ta b. 5 Fit t in g pa r a me t e r s o f d y n a mic sSe a r mo d u l u s f o r ph o sph o g y pspm 1.0 干密度0/ / . cm-3 AB 2 1.2750.4610.5291.4 x 10_30.974 1.3501.5420.3421.0 x 10 40.974 0.8 0.6 0.4 □ o △ 久1.275 g /cm3 t0100 kPa pd1. 275 g /cm3 cto15O kPa pd1. 275 g /cm3 ro2OO kPa p 1. 275 g /cm3拟合曲线 pd1. 350 g /cm3 f f 0100 kPa pd1. 350 g /cm3 ao15O kPa pd1. 350 g /cm3 f f o2OO kPa p 1. 350 g /cm3拟合曲线 Fo g .4 Cu a e e so f o n o io a l d y n a mo t sh e a a mo d u l u s Gd0 a n d c o n f in in / pr e ssu r e / 0.2 2动剪切模量Gd 动剪切模量反映土体在动力作用下抵抗剪应变的 能力。根据动三轴试验结果绘制滞回圈,得到动应 力-动应变关系,进而得到磷石膏的动剪切模量。不 同干密度磷石膏试样在不同固结围压作用下的动剪切 模量Gz与动剪应变的关系曲线,如图5所示。从图 5可知,随着干密度和固结围压的增大,动剪切模量逐 渐增大。在干密度及围压相同条件下,Gd随着九增大 而减小。当较小时,曲线较陡,随着增大,曲线逐 渐变缓。 120□ pd1. 275 g /cm3 cto1OO kPa ■ pd1. 350 g /cm3 7*0100 kPa 0 pd1. 275 g /cm3 ao15O kPa pd1. 350 g /cm3 7\150 kPa 100 .△ pd1. 275 g /cm3 cto2OO kPa▲ pd 1. 350 g /cm3 必200 kPa 80 ▲ -0 0 * 60 0 40 ■ 20 7/10-2/ 图5动剪切模量/实验结果 Fo g .5 Eipe a o me n ia l a e su l iso f d y n a mo t sh e a a mo d u l u s Gd 3动剪切模量比///血 为更好反映动剪切模量随动剪应变的变化趋势, 将不同干密度试样的动剪切模量进行归一化处理,按 照Da v id e n k o v模型[23]对试验数据进行拟合,表达 式为 式中A,B,70为拟合参数;拟合结果如表5所示。磷石 膏动剪切模量比G/Gd与动剪应变的关系曲线,如 图6所示。各组试样的动剪切模量比归一性较好。 0-----------1---------1-----------1-----------1-----------1 0 2 4 6 8 10 y /10-2/ 图6动剪切模量比Gz/Gz0与动剪应变关系曲线 Fo g .6 Cu a e e so f d y n a mo t sh e a a mo d u l u sa a io o Gd sGd0 a n d d y n a mic sh e v r st r a in yd 4与粉质黏土对比分析 为分析磷石膏与粉质黏土在动剪切模量方面的异 同,将磷石膏与常规粉质黏土⑦心]及深层海床粉质黏 土沟的动剪切模量试验结果进行对比,结果如图7所 示。从图7可知,磷石膏的动剪切模量变化规律与粉 质黏土存在一定差异。相比粉质黏土,磷石膏动剪切 模量比明显偏小,Gd /Gd 0 - 曲线在小应变时就出现 衰减。磷石膏的动剪切模量更易受变形的影响。 图7磷石膏与粉质黏土的动剪切模量比- 动剪应变关系曲线 Fo g .7 Cu a e e so f d y n a mo t sh e a a mo d u l u sa a io o a n d d y n a mo t sh e a a sia a o n o f ph o sph o g y psu m a n d so l iy t l a y 3.2.2阻尼比特征 1阻尼比在同一固结围压作用下,干密度越大,阻尼比 越大;在相同干密度下,阻尼比随着围压的增大而减 小/为加载频率; 为循环加载 次数。 利用式2 、式3 和式4 对两种干密度磷石 膏在不同固结围压下阻尼比的试验结果进行拟合, 获取试验参数在稳定增长阶段,后者的持续 时间较长,孔压增长幅度较大;在破坏性增长阶段,前 者表现为孔压急速上升,当孔压上升至接近围压时,上 升速率降低,试样进入完全液化阶段;后者孔压则为平 稳上升,曲线斜率较稳定增长阶段略微增加,曲线呈下 凹型,孔压保持一定速率的增长,直至与围压相等,试 样发生液化破坏 oCSR0A9 CSR0.2\ CSR0.23 -CSR0.25 80 100 120 140 振次N b pd1.350 g /c m3 30 40 50 60 70 80 振次N Ca pd 1.275 g /c m3 图11不同CSR条件下孔压发展曲线 Fig . 11 Po r o w a t e r pr e ssu r e c u /c s oZ d if f e r e n t CSR 图12为干密度p 1-275 g /c m“试样在不同围压 条件下的孔压发展曲线。仍呈现出4个阶段。但随着 围压的增大,完全液化阶段的持续时间及速率降低的 图12不同/ /条件下孔压发展曲线 Fig . 12 Po r o w a t e r pr e ssu r e c u /c s oZ d bf e r e n t / / 3.3.2动孔压模型 土体在动荷载作用下孔隙水压力不断上升,颗粒 骨架间有效应力逐渐降低,最后导致土体液化破坏。 分析磷石膏动孔压的增长规律,建立动孔压模型是研 究磷石膏动力学特性的关键环节。 Se e d根据饱和砂土的动三轴试验提出了如式5 的孔压模型。在砂土等粗粒土的动孔压发展规律方面 具有较好适用性。但用于描述磷石膏动孔压变化规律 时,其拟合度较差。Se e d模型无法反映孔压发展曲线 中的“孔压快速增长阶段”。相比砂土,磷石膏的颗粒 更细,渗透系数低,动荷载作用下试件局部的动孔压快 速上升且不易消散,但随着动载荷的持续作用,动孔压 逐渐向其他部位传递,使动孔压增长速率降低。为反 映磷石膏动孔压发展速率“先快后慢”的特点,对Se e d 模型进行修正, 建立能更好描述磷石膏动孔压发展规 律的模型,结果如式“6 /0为有效固结围压;N为振次;N N 为破坏振次;,,3为实验参数。拟合结果及拟合曲线如 表7和图13所示。 表表7磷石膏孔压发展模型拟合参数磷石膏孔压发展模型拟合参数 Ta b ・ 7 Fit t in g pa r a me t e r s o f po r e pussuu d e v e l o pme r t mo d e l f o r ph o sph o g y psu m 干密度p/ y . cm-3 Se e d 模型修正模型 3 3 1 S2750S4370 S9451 S012-0 S2460S973 1 S3500S6390 S9661 S026-0 S1400S984 270振动与冲击2020 年第 39 卷 ;磷石 膏的抗液化性能随围压和干密度的增大而有所提高。 。 3 磷石膏的初始动剪切模量Gm与固结围压呈幂 函数关系; ;干密度相同时, ,磷石膏的动剪切模量比 Gd /Gd 0可采用Da v id e n k o v模型进行拟合, ,且归一性较 好。。磷石膏阻尼比随干密度和围压的增大而减小。 。 4 不同干密度和围压条件下, ,磷石膏的动孔隙水 压力发展存在两种形式 干密度或围压较低时, ,孔压发 展曲线呈“ “双S” ”型; ;随着干密度或围压的增大,“,“双S” ” 型孔压发展曲线中的完全液化阶段逐渐消失, ,转变为 “ “单S” ”型的孔压发展形式。 。 5 以Se e d动孔压模型为基础,建立了能更好描 述磷石膏动孔压发展规律的模型 参考文献参考文献 [1 *叶学东“十二五”期间磷石膏利用现状及当前工作重点 [J].硫酸工业,2017 140 -43. 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