細粒含量對石墨尾礦液化特性的影響

摘要：

尾礦壩是一種高勢能危險源，在地震作用下易發生液化致使壩體失穩潰壩，影響尾礦壩的使用安全。采用動三軸試驗方法，以黑龍江省雞西市石墨尾礦為對象，研究三種循環應力比（CSR）下細粒含量（Fc）對石墨尾礦液化特性的影響規律;應用Ishibashi孔壓模型對孔壓增長過程進行模擬;同時研究固結比、圍壓以及飽和度對石墨尾礦液化特性的影響規律。研究結果表明，隨細粒含量的增加，石墨尾礦的抵抗變形能力提高，孔壓增長速率減慢，抗液化能力增強;隨著CSR的增大，石墨尾礦的抵抗變形能力降低，孔壓增長速率加快，抗液化能力減弱;Ishibashi孔壓模型可以很好地模擬石墨尾礦液化過程中孔壓的發展，對于不同細粒含量下的石墨尾礦非常適用。結果還表明，隨著固結比及圍壓的增加，石墨尾礦的液化將逐漸被抑制，使其抗液化能力增強;隨著飽和度的增加，可促進石墨尾礦的液化，使其抗液化能力減弱；CSR越小，各種因素對液化特性的影響效果越明顯。研究結果可為石墨尾礦壩的液化研究提供科學合理的理論依據。

關鍵詞：

動三軸試驗; 石墨尾礦; 細粒含量; 液化特性; 孔壓模型

中圖分類號： TU435""""" 文獻標志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2025）01-0133-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230615001

Effect of fine content on the liquefaction

characteristics of graphite tailings

ZHAO Haonan， SUN Jing， ZHOU Ting， CHEN Hao， WANG Runze

（Institute of Civil Engineering， Heilongjiang University， Harbin 150080， Heilongjiang， China）

Abstract：

As a high potential energy hazard， tailings dams are prone to liquefaction during earthquakes， resulting in dam instability and failure， compromising the safety of tailings dams. This study conducted dynamic triaxial tests to examine the effect of fine content （Fc） on the liquefaction characteristics of graphite tailings from Jixi City， Heilongjiang Province， under three kinds of cyclic stress ratio （CSR）. The Ishibashi pore-water pressure model was used to simulate the growth of pore-water pressure， and the effects of consolidation ratio， confining pressure， and saturation on the liquefaction characteristics of graphite tailings were also investigated. Results show that as fine content increases， the resistance to deformation increases， the rate of pore-water pressure growth slows down， and the resistance to liquefaction is enhanced. As CSR increases， the resistance to deformation decreases， the growth rate of pore-water pressure accelerates， and the resistance to liquefaction diminishes. The Ishibashi pore-water pressure model effectively simulates the development of pore-water pressure during the liquefaction of graphite tailings with varying fine contents. The results also indicate that an increase in the consolidation ratio and confining pressure inhibits the liquefaction of graphite tailings， enhancing its liquefaction resistance. Conversely， an increase in saturation promotes liquefaction and weakens its resistance. A lower CSR indicates a more evident effect of these factors on the liquefaction characteristics. The research results provide a scientific and reasonable theoretical basis for understanding the liquefaction behavior of graphite tailings dams.

Keywords：

dynamic triaxial test; graphite tailings; fine content; liquefaction characteristics; pore-water pressure model

0 引言

我國尾礦2022年排放量達10.3×108 t，但其綜合利用率僅27.2%，剩余72.8%全部貯存在尾礦庫中并建造尾礦壩［1］。尾礦壩是一種高勢能危險源，一旦發生地震，其潰壩概率是普通水庫的10倍，危害程度被排在世界93個重大事故公害隱患中的第18位。造成尾礦壩潰壩的主要原因是浸潤線過高，浸潤線以下部分的尾礦壩在地震作用下極易發生液化，致使尾礦壩失穩潰壩［2］。雞西市作為石墨之都，石墨尾礦總儲量高達4.0×107 t，其主要處理方式是堆積成尾礦壩，對于如此大規模的工程，應格外重視壩體的抗震系數，減少災害的發生，故對石墨尾礦液化特性的研究是必要的。

各種尾礦料均具有獨特的自身屬性，其抗液化能力受各個因素的影響而效果不同。要提高抗震等級，就必須對各種尾礦料逐一研究，因此部分學者對不同尾礦料的液化特性進行了研究。陳敬松等［3］發現動應力的增加會降低尾礦砂的抗液化強度，圍壓、固結比以及相對密度的增大會提高抗液化強度;孫從露等［4］指出在不同振動頻率條件下，尾礦料受固結比的影響效果不同;李玫等［5］認為圍壓、固結比以及相對密度的增大，均會導致尾礦料抗液化強度的提高;楊東旭等［6］研究在地震荷載作用下，圍壓和震級對尾礦砂液化特性的影響;金曉睸等［7］統計出多個尾礦壩液化應力比與相對密度、固結比、粒徑以及循環周數的關系;陳志斌等［8］給出礦山尾礦砂的分層液化過程中的影響因素及動孔壓的變化規律;李國金［9］ 研究認為，相對密度以及圍壓的增加會導致石墨尾礦抗液化能力提升。

細粒含量（Fc）是影響土體液化特性的重要影響因素之一，不同埋深的土體細粒組成不同，僅研究相同細粒含量的土體，得出的結論不足以代表所有埋深下土體的液化特性，因此國內外部分學者在細粒含量對砂土液化特性的影響方面做了大量研究。Bouckovalas等［10］發現圍壓較小時添加細粒會降低砂土的抗液化能力，圍壓較大時添加細粒會提高砂土的抗液化能力;唐小微等［11］指出在黏粒含量5%時，砂土抗液化能力最低;Amini等［12］認為細粒含量增加可使層狀粉砂以及均勻粉砂的抗液化能力增強;Stamatopoulos［13］認為細粒含量的增加會導致粉砂土的抗液化能力增強。

實際工程中關于抗液化方面的研究，不僅需要合理的理論規律，更要有科學的孔壓模型。部分學者采用多種孔壓模型對不同土體液化過程中的孔壓增長過程進行模擬。代言等［14］分別應用Seed模型、A型曲線模型和冪函數模型對黃土孔壓增長過程進行模擬，并分別得出適用參數;張超等［15］建立飽和尾礦料的動孔壓和應變的關系的模型，并對Seed模型進行了修正;金佳旭等［16］基于FLAC有限差分軟件的方法，通過pl-finn孔壓增長模型，對某尾礦料的孔壓增長規律進行了模擬分析;杜艷強等［17］驗證Bidoseresp函數可以很好地描述尾礦粉土的孔壓增長，并基于該函數提出適用于尾礦粉土的孔壓雙S型模型;張文彬［18］利用Ishibashi 孔壓增長模型，擬合出適用于珊瑚土孔壓增長規律的模型參數;王艷麗等［19］研究了飽和砂土液化過程中孔壓的發展規律，并建立了適用于砂土的孔壓-應變模型和孔壓-應力模型。上述模型都是針對砂土，關于石墨尾礦液化過程中的孔壓增長規律，還缺少相關的孔壓模型。

綜上所述，對石墨尾礦液化特性的研究還存在以下不足：（1）以往的大部分研究都是針對相對密度、圍壓、固結比、粒徑以及循環周數對其他尾礦砂的液化特性影響，對石墨尾礦的液化特性影響研究較少。（2）關于細粒含量對液化特性的影響，大部分都是針對砂土的研究，對尾礦料特別是石墨尾礦的研究較少。（3）目前的孔壓增長模型大都針對其他土體，適用于石墨尾礦的孔壓增長模型還有待研究。

目前，對石墨尾礦壩液化的研究還在初步階段，成果不夠充分和全面。不同地區的石墨尾礦具有獨特的自身屬性，且與砂土和其他尾礦料的物理性質存在明顯差異，受細粒含量的影響效果也存在很大區別。鑒于此，本文采用動三軸試驗方法，以黑龍江省雞西市石墨尾礦為對象，研究三種循環應力比（Cyclic Stress Ratio，CSR）下細粒含量對石墨尾礦液化特性的影響規律，并應用Ishibashi孔壓模型對孔壓增長過程進行模擬，同時研究固結比、圍壓以及飽和度對石墨尾礦液化特性的影響規律。研究結果可為石墨尾礦壩的抗液化設計提供科學合理的理論依據。

1 試驗儀器和材料

1.1 試驗儀器

本文使用的儀器是來自英國進口的GDS動三軸儀，如圖1所示。儀器由試驗系統、控制系統和水浴循環系統3部分組成。其性能指標如下：最大動應力為16 kN，振動頻率范圍為0.1～2.0 Hz，圍壓不超過2 MPa，儀器內標準試樣規格為直徑39.1 mm，高80 mm的圓柱體。

1.2 試驗材料

土樣選自雞西市某尾礦庫的石墨尾礦。其主要礦物成分為SiO2 ，天然含水率為1.34%，最優含水率為11.46%，最大干密度為1.79 g/cm3，不均勻系數Cu為5.60，曲率系數Cc為1.21，屬于級配良好的尾礦砂，級配曲線如圖2所示。

1.3 試驗過程

選取石墨尾礦料200 g，按工況要求配制土料后在三瓣膜內分三次擊實，隨后依次進行試樣的飽和、固結和振動。飽和方式選用真空飽和與反壓飽和相結合的方式;固結方式采用均等固結，有效圍壓設置為100 kPa;振動頻率設置為1 Hz，加載波形選擇正弦波。本文判斷石墨尾礦液化的標準是：當動應變達到5%時，認為試樣液化［20-22］。

1.4 試驗工況

在三組不同CSR條件下，分別設置了三組不同的細粒含量、固結比、圍壓以及飽和度，共計27個獨立工況，具體工況如表1所列。其中，細粒含量表示

粒徑≤0.075 mm的顆粒質量占比;CSR表示循環動應力與2倍有效圍壓的比值;固結比表示軸向固結應力與有效圍壓的比值。JX01—JX09代表細粒含量分別為14%、24%和34%的9種工況;JX01—JX03和JX10—JX15代表固結比分別為1.0、1.5和2.0的9種工況;JX01—JX03和JX16—JX21代表圍壓分別為50 kPa、100 kPa和150 kPa的9種工況;JX01—JX03和JX22—JX27代表飽和度分別為75%、85%和95%的9種工況。

2 細粒含量的試驗結果

2.1 時程曲線

根據試驗結果，繪制CSR為0.167，細粒含量分別為14%、24%和34%時，動應力、動應變以及孔壓比的時程曲線，如圖3所示。其中，孔壓比表示實

測有效孔壓與液化時有效孔壓的比值。

由圖3可知，隨細粒含量的增加，動應力、動應變以及孔壓發展速率逐漸減慢，石墨尾礦的液化受到抑制。孔壓比未達到0.7時，動應力和動應變基本處于穩定循環狀態;當孔壓比達到0.7后，動應力幅值逐漸衰減，動應變幅值逐漸增大;當孔壓比達到1.0左右時，動應力幅值再次趨于穩定，動應變幅值基本不變并整體正向升高。孔壓比初期快速增長，中期發展緩慢，當達到0.7左右時增長速率突然加快，當達到1.0后，再次趨于穩定。其他CSR下時程曲線的影響規律相似，此處不再贅述。

2.2 滯回曲線

孔壓比0.7之前，試樣的振動荷載影響主要表現為顆粒間的錯動，變形不大，滯回曲線的面積增長緩慢，各細粒含量下的發展規律大致相同。當孔壓比達到0.7之后，動應力和動應變發生突變，滯回曲線面積增長較為明顯。根據試驗結果，繪制當CSR為0.167，細粒含量分別為14%、24%和34%時，孔壓比0.7之后的動應力-動應變滯回曲線，如圖4所示。

由圖4可知，隨細粒含量增加，滯回曲線發展速率逐漸減慢，消耗相同能量所需要的振動次數逐漸增多，試樣越難破壞。

隨振動次數的增加，滯回曲線發展速度逐漸提升，面積增大逐漸明顯，且整體逐漸向右傾斜，由“直立”狀態逐漸變為“平躺”狀態［23］。孔壓比達到0.7后，顆粒間結構發生破壞，產生的塑性變形不可恢復，滯回曲線面積增長速率明顯。其他CSR下動應力-動應變滯回曲線的影響規律相似，此處不再贅述。

2.3 殘余應變

根據試驗結果，繪制CSR分別為0.167、0.208和0.250時，細粒含量分別為14%、24%以及34%條件下的殘余應變-振動次數關系，如圖5所示。

由圖5可知，殘余應變隨振動次數的發展大致可分為三個階段。第一階段殘余應變無明顯增長;第二階段增長速度逐漸加快，持續至殘余應變的5%左右;第三階段增長速度很快但速率幾乎不變。試驗前期顆粒間的孔隙較小，試樣抵抗變形能力較強，殘余應變增長緩慢;試驗中期孔壓累計增大，顆粒間有效應力增大，抵抗變形的能力降低，殘余應變增長速率加快;試驗后期，試樣液化，顆粒間有效應力幾乎為0，抵抗變形能力完全喪失，在相同動應力作用下，殘余應變增長速率幾乎相同。

相同CSR下，殘余應變的增長速率隨細粒含量的增加而減慢，抵抗變形的能力提高;相同細粒含量下，殘余應變增長速率隨CSR的增大而加快，抵抗變形的能力降低。細粒主要填充于粗粒間的縫隙，CSR相同時細粒含量越高，顆粒間孔隙越小，抵抗變形的能力就越強。細粒含量相同時，CSR越大，產生的不可恢復變形就越大，抵抗變形的能力越弱。

2.4 孔壓增長曲線

繪制CSR分別為0.167、0.208和0.250，細粒含量分別為14%、24%和34%時的孔壓增長曲線，如圖6所示。

由圖6可知，相同CSR下，隨細粒含量的增加，孔壓增長速率減慢;相同細粒含量下，隨CSR的增大，孔壓增長速率加快。不同CSR和不同細粒含量下的液化振次（Number of liquefaction vibration，NL） 如表2所列。

由表2可知，隨CSR的降低，細粒含量對孔壓增長速率的影響幅度越大。當CSR為0.167時，細粒含量為24%和34%時的液化振次，比細粒含量為14%時，分別增加181.4%和389.5%;當CSR為0.208時，細粒含為量24%和34%時的液化振次，比細粒含量為14%時分別增加135.7%和228.5%;當CSR為0.250時，細粒含量為24%和34%時的液化振次，比細粒含量為14%時分別增加78.5%和100.0%。

細粒含量的增加使顆粒間孔隙變小，不利于孔壓應力的積累;隨著CSR的增大，振動產生的能量增強，顆粒間位移明顯，導致孔隙增大，有利于孔壓的積累。細粒含量較高時，顆粒排布密集，在CSR較小時孔壓很難積累;細粒含量較小時，顆粒排布較為疏松，即使在小CSR下孔壓積累也相對更容易。故CSR越小，細粒含量對孔壓積累速度的影響幅度越大。

2.5 抗液化能力

根據表2的結果，繪出三種不同CSR下液化振次與細粒含量的關系，如圖7所示。

由圖7可知，隨細粒含量的增加，液化振次呈線性增長。將液化振次-細粒含量關系圖按NL=a+bFc進行擬合，得到不同CSR條件下液化振次與細粒含量之間的關系方程，即式（1）～（3）。

CSR=0.167時，NL=16.55Fc-146.00（1）

CSR=0.208時，NL=3.20Fc-14.80（2）

CSR=0.250時，NL=0.70Fc+6.20（3）

由方程可知，CSR從0.167增加到0.208，參數a增加了131.20，參數b降低了13.35;CSR從0.208增加到0.250，參數a增加了21.00，參數b降低了2.50。通過參數b隨CSR增加而減小可知，隨CSR的增加，直線斜率減小，液化振次受細粒含量的影響變小。同時，該方程清楚地描述了不同CSR條件下液化振次與細粒含量之間的關系，并給出參數a與參數b隨CSR變化的規律，可根據抗震等級推測出不同細粒含量下石墨尾礦的抗液化能力，為石墨尾礦壩的抗震設計提供科學的理論依據。

2.6 孔壓模型

根據Ishibashi孔壓模型［24］，對不同細粒含量下的孔壓增長進行模擬，如式（4）和式（5）：

ΔUN（1-UN-1）=·σd，N2σ′N-1α （4）

=p1·NNp2-p3 （5）

式中：ΔUN表示第N次振動后的孔壓比增量;UN-1表示第N-1次振動過程中的孔壓比;表示應力循環次數效應;σd，N表示第N次振動過程中的動應力幅值;2σ′N-1表示N-1次振動后的有效應力;α、p1、p2和p3為模型參數。

依據式（4）可擬合出模型參數α，再依據式（5），可擬合出模型參數p1、p2和p3。不同細粒含量下模型參數，如表3所列。細粒含量-模型參數關系，如圖8所示。

由圖可知，隨細粒含量增加，模型參數α逐漸增大，且增長速率逐漸加快;模型參數p2和p3幾乎保持常量，不受細粒含量影響;模型參數p1隨細粒含量的增加逐漸增大，且細粒含量越高增長速率越慢。

確定不同細粒含量條件下的模型參數，可根據Ishibashi模型公式推測出孔壓增長規律，將預測孔壓增長曲線與實際孔壓增長曲線進行比較，如圖9所示。

由圖9可知，不同細粒含量下預測孔壓增長曲線與實測孔壓增長曲線走勢基本一致，達到液化的時間也大致相同，但仍存在一定誤差。為確定Ishibashi孔壓模型是否適用于不同細粒含量下的石墨尾礦，以孔壓比實測值為橫坐標，縱坐標為孔壓比預測值，對預測孔壓比與實際孔壓比進行歸一化處理，如圖10所示。圖中45°歸一線表示實測孔壓與預測孔壓相等。

由圖10可知，實測孔壓與預測孔壓幾乎圍繞45°歸一線發展，偏差不大，說明實測孔壓與預測孔壓非常接近，進一步證明Ishibashi孔壓模型公式非常適用于不同細粒含量下的石墨尾礦。通過該模型可推測出不同細粒含量下石墨尾礦的孔壓增長趨勢，在石墨尾礦壩抗震工程中，可根據該模型對尾礦壩各個區域給出針對性的抗液化方案。

2.7 與其他成果對比

目前的孔壓增長模型大都針對其他土體，而適用于石墨尾礦的孔壓增長模型很少。Ishibashi等［25］將土壤的實際孔隙比與最小孔隙比的差值定義為體積縮減勢，并指出砂土的孔壓模型參數p2和p3可以近似看為常量，而模型參數α與體積縮減勢之間存在密切的關系。本文石墨尾礦孔壓模型的研究結果與Ishibashi等發現的規律大致相同。

張文彬［18］應用Ishibashi孔壓模型對珊瑚土的孔壓增長規律進行研究，驗證了模型參數p2和p3與體積縮減勢無關的結論，并指出模型參數α隨縮減勢的增大而增大。在相同密度條件下，實際孔隙比不受細粒含量影響，而最小孔隙比隨細粒含量的增加逐漸減小，體積縮減勢增大。本文試驗結果與張文彬指出的模型參數α與體積縮減勢之間的關系規律基本一致，即模型參數α隨體積縮減勢的增加而增大。

3 其他參數對液化特性的影響

3.1 固結比的影響

三個CSR分別為0.167、0.208和0.250，固結比分別為1.0、1.5和2.0時，液化振次與固結比的關系如圖11所示。

由圖11可知，隨著固結比的增大，液化振次逐漸增大，且CSR越小，增長速率越快。說明固結比的增大對石墨尾礦的液化起抑制作用。隨著固結比的增加，抗液化能力增強，且CSR越小，固結比對液化特性的影響效果越明顯。

3.2 圍壓的影響

動應力幅值分別為33.33 kPa、41.67 kPa和50.00 kPa，圍壓分別為50 kPa、100 kPa和150 kPa時，液化振次與圍壓的關系如圖12所示。

由圖12可知，在相同動應力幅值情況下，隨圍壓增加，液化振次逐漸增大，且圍壓越大增長速率越快。說明圍壓的增加對石墨尾礦的液化起到了抑制作用。隨著圍壓增加，石墨尾礦抗液化能力逐漸增強且CSR越小，影響效果越明顯。

3.3 飽和度的影響

CSR分別為0.167、0.208和0.250，飽和度分別為75%、85%和95%時，液化振次與飽和度的關系如圖13所示。

由圖13可知，隨著飽和度的增加，液化振次近似呈線性降低，且CSR越小，斜率越小。說明飽和度對石墨尾礦的液化起促進作用；隨飽和度增加，石墨尾礦抗液化能力減弱，且CSR越小，促進效果越明顯。

4 討論

為驗證本文研究的必要性，將以往有關砂土液化特性的研究結論與本文研究成果進行對比，分析石墨尾礦是否存在獨有的液化特性。

對于細粒含量，周健等［26］研究表明，細粒含量對于砂土液化特性的影響是雙向的。細粒含量較低時，增加細粒會導致砂土抗液化能力降低;細粒含量較高時，增加細粒會導致砂土抗液化能力提高。而細粒含量區間內石墨尾礦液化特性受細粒含量影響是單向的，即細粒含量越高，石墨尾礦抗液化能力越強。

對于固結比，劉雪珠等［27］指出，在偏壓固結條件下，砂土液化時的孔壓僅能達到圍壓的50%～70%，而在固結比為1.5和2.0時，石墨尾礦液化時的孔壓均接近圍壓。

對于圍壓，張蘇等［28］研究表明，在不同圍壓情況下，增加相同圍壓對于砂土抗液化能力的影響幅度相近，而對于石墨尾礦，圍壓越大，增加相同圍壓對抗液化能力的影響幅度就越大。

由此可知，石墨尾礦與砂土的液化特性之間存在很大差異，進一步體現出本文研究石墨尾礦液化特性的必要性。

5 結論

本文以黑龍江省雞西市石墨尾礦為對象，研究三種CSR下細粒含量、固結比、圍壓及飽和度對石墨尾礦液化特性的影響，并應用Ishibashi孔壓模型對孔壓增長過程進行模擬，主要結論如下：

（1） 隨著細粒含量的增加，石墨尾礦抵抗變形的能力提高，孔壓增長速率減慢，抗液化能力增強。細粒含量與液化振次之間的關系可以用線性方程很好地擬合。

（2） 隨著CSR的增加，抵抗變形的能力降低，孔壓增長速率加快，抗液化能力減弱。

（3） Ishibashi孔壓模型可以很好地模擬石墨尾礦液化過程中孔壓的發展，對于不同細粒含量下的石墨尾礦非常適用。

（4） 隨著固結比以及圍壓的增加，可抑制石墨尾礦的液化，使抗液化能力提增強;飽和度的增加，促進石墨尾礦的液化，使抗液化能力減弱。CSR越小，各種因素對液化特性的影響效果越明顯。

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（本文編輯：任 棟）