免責(zé)聲明：本案例研究，僅由 GDS Instruments 對(duì)公開(kāi)可用的技術(shù)報(bào)告進(jìn)行審查和解釋后編寫。本案例研究未經(jīng)第三方審查，不構(gòu)成任何形式的技術(shù)建議。
2018 年 3 月 9 日下午,位于澳大利亞新南威爾士州中西部的卡迪亞河谷項(xiàng)目項(xiàng)目北部尾礦庫(kù)設(shè)施（Cadia Valley Operations (Cadia) Northern Tailings Storage Facility (NTSF)）的南部堤防約 300 m 段發(fā)生了流動(dòng)性坍塌。堤防坍塌導(dǎo)致 NTSF 釋放尾礦，釋放的尾礦在相鄰的南尾礦儲(chǔ)存設(shè)施 (STSF) 內(nèi)被捕獲。Cadia現(xiàn)場(chǎng)人員在當(dāng)天早些時(shí)候觀察到的開(kāi)裂（路堤頂部）和逆沖（路堤坡腳處），使得在塌落發(fā)生之前，能夠及時(shí)疏散工地以及一些下游的住宅。這導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)損失，但沒(méi)有造成明顯的社會(huì)或環(huán)境影響。為此成立了一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)審查委員會(huì)（ITRB），以確定Cadia NTSF路堤坍塌的技術(shù)原因。ITRB在四月十七日2019日（杰夫里等人，2019）報(bào)告了其發(fā)現(xiàn)，得出在坍塌附近先前未識(shí)別的低密度基礎(chǔ)層由于路堤結(jié)構(gòu)施加的荷載而逐漸變形的結(jié)論。
當(dāng)這種變形速率迅速增加時(shí)，儲(chǔ)存在NTSF內(nèi)的尾礦液化，顯著增加了路堤上的荷載。地基已經(jīng)弱化，最終無(wú)法抵抗荷載的增加，導(dǎo)致堤壩坍塌。本案例研究簡(jiǎn)要總結(jié)了ITRB報(bào)告的一些巖土工程發(fā)現(xiàn)。
具體而言，它側(cè)重于調(diào)查期間進(jìn)行的高級(jí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試計(jì)劃的各個(gè)方面，其中使用了由GDS公司設(shè)計(jì)和制造的高級(jí)循環(huán)動(dòng)單剪、三軸、彎曲元系統(tǒng)和恒應(yīng)變速率固結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。我們強(qiáng)烈建議我們的讀者參考紐克雷斯特礦業(yè)有限公司（NML）發(fā)布的公開(kāi)ITRB報(bào)告，以獲取有關(guān)Cadia NTSF路堤坍塌的完整評(píng)論。還可以點(diǎn)擊這里觀看10分鐘的坍落簡(jiǎn)明技術(shù)總結(jié)。
圖 1：截至 2018 年 9 月 13 日的 Cadia NTSF 南部路堤坍塌位置的鳥(niǎo)瞰圖。
來(lái)源：谷歌地球，圖片 © 2021 CNES / Airbus。
卡迪亞北部尾礦儲(chǔ)存設(shè)施堤防和基金會(huì)
NTSF的設(shè)計(jì)和建造是為了封存卡迪亞金礦和銅礦開(kāi)采作業(yè)產(chǎn)生的尾礦。最初的NTSF路堤于1998年完工，包括一個(gè)最大高度為50 m的堆石壩，隨后的路堤凸起打算使用改進(jìn)的中心線施工。
到2016年末，路堤已達(dá)到其初始目標(biāo)最大高度91 m，但最終采用下游、中心線和上游施工相結(jié)合的方式修建路堤。
2017 年初，開(kāi)始使用上游施工進(jìn)行額外的 3 m 加高（第 10 階段），并于 2017 年年中在坍塌位置附近完成加高。
然而，2017年進(jìn)行的錐體貫入試驗(yàn)（CPT）引起了對(duì)路堤穩(wěn)定性的擔(dān)憂，因此建議建造兩個(gè)支墩，以提高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)荷載下的穩(wěn)定性（第1階段和第2階段支墩，如圖2所示）。在坍落位置：
? 第一階段支墩于 2017 年底開(kāi)始施工，并于 2018 年 3 月 5 日完工。
? 2018 年 1 月，從堤壩趾部挖出約 5.5 m 的材料，為第二階段支墩施工準(zhǔn)備基礎(chǔ)。挖掘出的材料包括超過(guò) 4 m 的堆積尾礦以及一些地基材料。
? 第二階段支墩的建設(shè)在坍塌時(shí)尚未開(kāi)始。
圖 2：Cadia NTSF 路堤在第 10 階段的簡(jiǎn)化示意圖。請(qǐng)注意，在坍塌時(shí)，第 2 階段的支墩施工尚未開(kāi)始。
圖 3：路堤坍塌附近地基材料的簡(jiǎn)化剖面。
還注意到堤防在坍塌發(fā)生的前一天（2018 年 3 月 8 日）經(jīng)歷了兩次低級(jí)地震（約 MW3，相隔十秒左右）。
圖 3 顯示了坍落附近地基材料的基礎(chǔ)輪廓。 雖然卡迪亞的地質(zhì)復(fù)雜性超出了本案例研究的范圍，重要的是要注意靠近路堤基礎(chǔ)水平的森林礁火山巖 (FRV) Unit A 層的存在。
因?yàn)檫@種地基材料被確定為導(dǎo)致路堤坍塌的最重要的特征。這是因?yàn)?FRV Unit A 材料密度低（孔隙比約為
0.8 到 1.5），相對(duì)較弱，高度可壓縮，并在荷載作用下顯示應(yīng)變減弱響應(yīng)。值得注意的是，在路堤坍塌發(fā)生之前，F(xiàn)RV Unit A 尚未被識(shí)別。
ITRB 對(duì) CADIA NTSF 堤防坍塌的調(diào)查
ITRB 的任務(wù)是確定路堤坍塌的技術(shù)原因。于是 ITRB 審查了NTSF 建造歷史，并委托進(jìn)行了廣泛的地下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和各種荷載條件下路堤的先進(jìn)數(shù)值分析。還進(jìn)行了水文地質(zhì)和地震學(xué)研究。
由 ITRB 委托進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試計(jì)劃能夠評(píng)估尾礦、路堤和地基材料的加載響應(yīng)，并提供用于高級(jí)數(shù)值分析的材料特性。
雖然作為測(cè)試計(jì)劃的一部分由許多實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了許多不同的測(cè)試，但本案例研究將重點(diǎn)限制在 Golder 的珀斯實(shí)驗(yàn)室 (Golder ;www.golder.com/testing-services/)
進(jìn)行的高級(jí)直剪單剪（DSS）、三軸、彎曲元和恒速應(yīng)變測(cè)試對(duì)尾礦和FRV單元進(jìn)行了基礎(chǔ)材料的研究。請(qǐng)參考ITRB報(bào)告附錄D和附錄E，了解作為ITRB調(diào)查一部分進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的更多詳情。
尾礦和 FRV Unit A 材料的高級(jí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，包括使用 GDS 設(shè)備
a) 單調(diào)和循環(huán)直接簡(jiǎn)單剪切 (DSS) 測(cè)試。
作為高級(jí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試計(jì)劃的一部分，Golder 對(duì)許多尾礦級(jí)配和 FRV Unit A 試樣進(jìn)行了 24 次恒定體積直接簡(jiǎn)單剪切測(cè)試。該測(cè)試是使用 GDS 電機(jī)動(dòng)態(tài)循環(huán)簡(jiǎn)單剪切 (EMDCSS) 設(shè)備進(jìn)行的，該設(shè)備能夠通過(guò)設(shè)計(jì)的低柔順性的 DSS 設(shè)備剪切（單調(diào)和/或循環(huán)）期間保持恒定的試樣體積，主動(dòng)高度控制，以及通過(guò)一堆低摩擦疊環(huán)（或者，也可以使用鋼絲增強(qiáng)橡膠膜）進(jìn)行物理側(cè)向約束。
Golder 在 GDS EMDCSS 設(shè)備內(nèi)測(cè)試的 12 個(gè)重組尾礦試樣標(biāo)稱直徑為 100 毫米，并被固結(jié)到 50 kPa 或 300 kPa 垂直有效應(yīng)力。所有試樣都比固結(jié)后估計(jì)的原位尾礦狀態(tài)稍松。
在循環(huán)剪切的十個(gè)試樣中，八個(gè)在固結(jié)階段施加了初始剪切應(yīng)力偏差（垂直有效固結(jié)應(yīng)力的 5% 或 30%）。對(duì)其中八個(gè)試樣施加頻率為1Hz的正弦循環(huán)荷載，同時(shí)對(duì)兩個(gè)試樣施加自定義循環(huán)荷載，模擬2018年3月8日發(fā)生的兩次低震級(jí)地震的地面運(yùn)動(dòng)。圖5顯示了GDSLab軟件界面，供用戶在GDS EMDCSS內(nèi)執(zhí)行測(cè)試時(shí)定義自定義循環(huán)荷載。
以每小時(shí)約5%的剪切應(yīng)變率對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行單調(diào)剪切。
圖 5：GDSLab 軟件界面，用于在 GDS EMDCSS 內(nèi)執(zhí)行測(cè)試時(shí)定義自定義循環(huán)載荷。
從恒定體積循環(huán) DSS 測(cè)試中獲得的數(shù)據(jù)表明，在路堤坍塌之前的兩次低震級(jí)地震（循環(huán)應(yīng)力比約為 0.05）不會(huì)在尾礦試樣中引起顯著的超孔隙壓力累積或剪切應(yīng)變。具體而言，在施加 5 到 15 個(gè)荷載循環(huán)后觀察到的超孔隙壓力約為初始垂直有效應(yīng)力的 10%
，而不管在固結(jié)期間使用的靜態(tài)偏差。
Golder 在 GDS EMDCSS 設(shè)備內(nèi)測(cè)試的 12 個(gè) FRV 單元 A 樣本標(biāo)稱直徑為 60 毫米，并且施加固結(jié)到 250 kPa 到 1200 kPa 之間的垂直有效應(yīng)力。接著發(fā)現(xiàn)試樣固結(jié)后的干密度范圍為 1.29 至 1.59 t/m3。在這些測(cè)試中固結(jié)階段未施加初始剪應(yīng)力偏差，所有測(cè)試都以每小時(shí)大約 2% 的剪切應(yīng)變率進(jìn)行單調(diào)剪切。其中 9 個(gè)試樣由管狀或塊狀樣品制備，3個(gè)試樣使用內(nèi)部壓實(shí)步驟重塑而成。
對(duì)從管狀或塊狀樣品制備的樣品，進(jìn)行恒定體積的單調(diào) DSS 測(cè)試獲得數(shù)據(jù)峰值不排水強(qiáng)度比（即峰值剪應(yīng)力除以垂直有效固結(jié)應(yīng)力）的估計(jì)0.26 到 0.56 的范圍，取決于固結(jié)應(yīng)力和管或塊采樣位置。重要的是，樣本通常表現(xiàn)出應(yīng)變?nèi)趸袨椋ㄈ?，剪?yīng)力降低）一旦土壤應(yīng)變超過(guò)峰值剪應(yīng)力，突出了 FRV Unit A 材料的脆性響應(yīng)。峰值后平均強(qiáng)度損失約為 25%（強(qiáng)度損失范圍約為 0 至 40%）。
圖 6：FRV Unit A在 GDS EMDCSS 內(nèi)恒定體積條件下進(jìn)行單調(diào) DSS測(cè)試的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
圖 7：在 GDS 辦公室的 GDS 電機(jī)動(dòng)態(tài)循環(huán)動(dòng)單剪 (EMDCSS) 設(shè)備中在恒定體積條件下測(cè)試干凈砂樣的照片。該測(cè)試與 Cadia NTSF 路堤坍塌調(diào)查無(wú)關(guān)，僅用于說(shuō)明目的。
作為高級(jí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試計(jì)劃的一部分，Golder 對(duì)多個(gè)尾礦級(jí)配和 FRV Unit A 樣本進(jìn)行了 41 次三軸 (TX) 測(cè)試。該測(cè)試是使用 GDS 三軸自動(dòng)化系統(tǒng) (GDS TAS) 進(jìn)行的，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的速度控制荷載框架和 GDS 壓力/體積控制器將軸向和徑向應(yīng)力應(yīng)用于三軸測(cè)試試樣。
通過(guò)對(duì)排水（20 次測(cè)試）和不排水條件（12 次測(cè)試）下的各向同性固結(jié)尾礦試樣，應(yīng)用應(yīng)變控制單調(diào)壓縮，總共進(jìn)行了 32 次 TX 測(cè)試，結(jié)果用于確定臨界狀態(tài)線 (CSL)，以及估計(jì)強(qiáng)度參數(shù), 四種不同的尾礦等級(jí)。使用內(nèi)部濕夯法重建測(cè)試樣本，并在每次測(cè)試中施加至少 20% 的軸向應(yīng)變，以達(dá)到臨界狀態(tài)。根據(jù)獲得的TX試驗(yàn)數(shù)據(jù)，尾礦采用的臨界狀態(tài)有效摩擦角等于34度。
另外還進(jìn)行了六次 TX 測(cè)試，以觀察尾礦對(duì)后期路堤階段和第 1 階段支墩施工期間所經(jīng)歷的許多應(yīng)力路徑的響應(yīng)。這些試驗(yàn)首先對(duì)試樣進(jìn)行各向異性固結(jié)，然后在排水或部分不排水條件下加載，幫助 ITRB 了解在堤防施工期間尾礦內(nèi)的某些點(diǎn)是否可能已接近不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，例如少量的快速裝載可能導(dǎo)致尾礦液化。
要進(jìn)行排水測(cè)試，Golder 稱為“恒定剪切排水”測(cè)試（CSD 測(cè)試），所使用的三軸系統(tǒng)必須能夠?qū)y(cè)試試樣施加并保持恒定的偏應(yīng)力。即使試樣正在迅速坍塌狀態(tài)（即，經(jīng)歷快速軸向應(yīng)變）。 Golder 使用了兩種三軸配置來(lái)實(shí)現(xiàn)這一標(biāo)準(zhǔn)：一種是手動(dòng)將荷載放置在裝載架上，另一種是將 GDS DigiRFM 安裝在 GDS TAS 中。
DigiRFM 在三軸荷重傳感器和荷載框架之間引入了快速、直接的反饋回路，使荷載框架能夠以超過(guò) 90 毫米/分鐘的速度軸向壓縮試樣，保持目標(biāo)偏應(yīng)力。有興趣升級(jí)其 GDSTAS 以包含 DigiRFM 的用戶應(yīng)直接聯(lián)系 GDS。
圖 9：安裝在 GDS TAS 中的 GDS DigiRFM。
還對(duì)單個(gè)重塑TX 尾礦樣本進(jìn)行了彎曲元件 (BE) 測(cè)試。這使得剪切波速以及隨后的小應(yīng)變剪切模量能夠在不同水平的有效圍壓下估算，為評(píng)估路堤對(duì)地震震動(dòng)的響應(yīng)提供重要依據(jù)。 BE 測(cè)試在 17 個(gè)不同的平均有效圍壓值（范圍在大約 20 kPa 到 1090 kPa 之間）進(jìn)行，測(cè)試使用 GDS 彎曲元系統(tǒng) (GDSBES) 進(jìn)行。
圖 11：通過(guò)使用 GDSBES 對(duì) GDSTAS 內(nèi)的單個(gè)尾礦 TX 試樣進(jìn)行彎曲元件測(cè)試獲得的剪切波速和小應(yīng)變剪切模量估計(jì)值。還顯示了試樣空隙率和堆積密度估計(jì)值。
通過(guò)在不排水條件下對(duì)各向同性固結(jié)的未擾動(dòng) FRV Unit A 試樣應(yīng)用應(yīng)變控制壓縮來(lái)執(zhí)行三個(gè) TX 測(cè)試。這些測(cè)試再次強(qiáng)調(diào)了 FRV 的應(yīng)變減弱行為Unit A 材料的峰值和殘余有效摩擦角分別估計(jì)為 21.4° 和 16.2°（以及有效內(nèi)聚力值分別等于 58.5 kPa 和 0 kPa）。
圖 12： GDSTAS 內(nèi)不排水單調(diào)應(yīng)變控制壓縮條件下,測(cè)試各向同性固結(jié)后細(xì)粒土試樣的照片。該測(cè)試與 Cadia NTSF 路堤坍塌調(diào)查無(wú)關(guān)，僅用于說(shuō)明目的。
c) 恒速應(yīng)變速率固結(jié)測(cè)試
作為高級(jí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試計(jì)劃的一部分，Golder 對(duì) FRV 單元 A 樣本進(jìn)行了兩次恒定應(yīng)變速率 (CRS) 測(cè)試。該測(cè)試是使用 GDS 恒應(yīng)變速率固結(jié)測(cè)試(GDSCRS) 系統(tǒng)進(jìn)行的，其中使用先進(jìn)的速度控制荷載框架將垂直應(yīng)力施加到側(cè)向限制的反壓試樣。反壓通過(guò) GDS 壓力/體積控制器提供。
在 FRV Unit A 試樣上進(jìn)行的兩個(gè) CRS 測(cè)試使 ITRB 能夠估計(jì)典型固結(jié)參數(shù)的值（例如，固結(jié)系數(shù)、預(yù)固結(jié)壓力），同時(shí)還強(qiáng)調(diào)了約束模量的降低（即，一維剛度）隨著垂直有效應(yīng)力增加超過(guò)大約 1000 – 1500 kPa。有人提出，在較高垂直應(yīng)力水平下,剛度的這種降低是由土壤顆粒壓碎或分解引起的。
來(lái)自高級(jí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試計(jì)劃組的見(jiàn)解
先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試計(jì)劃提供了許多關(guān)于尾礦和 FRV Unit A 基礎(chǔ)材料的加載響應(yīng)的重要見(jiàn)解，幫助 ITRB 了解 Cadia NTSF 路堤在 2018 年 3 月 9 日坍塌的機(jī)制。這些見(jiàn)解包括：
-
GDS EMDCSS 內(nèi) FRV Unit A 試樣的單調(diào)直接簡(jiǎn)單剪切 (DSS) 測(cè)試突出了這種先前未識(shí)別的應(yīng)變減弱響應(yīng)路堤基礎(chǔ)材料。這最終導(dǎo)致 ITRB 得出結(jié)論，在堤防施工期間，這種材料的峰值強(qiáng)度已開(kāi)始被超過(guò)，特別是在堤壩趾部開(kāi)挖材料和第一階段支墩施工后，導(dǎo)致地基逐漸變形。在坍塌發(fā)生之前，變形迅速加快。
-
GDS TAS 內(nèi)重組尾礦樣本的“恒定剪切排水”（CSD）三軸測(cè)試表明，在堤防施工期間尾礦內(nèi)的某些位置已接近不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，并且可能會(huì)觸發(fā)快速坍塌（即可能發(fā)生液化）應(yīng)少量快速加載。路堤基礎(chǔ)內(nèi)的加速變形觸發(fā)了尾礦液化，這反過(guò)來(lái)又顯著增加了路堤和已經(jīng)削弱的地基的負(fù)荷。無(wú)法抵抗這種額外的荷載，導(dǎo)致路堤坍塌。
-
GDS EMDCSS 內(nèi)尾礦試樣的循環(huán) DSS 測(cè)試表明，2018 年 3 月 8 日在卡迪亞工地發(fā)生的兩次低級(jí)地震并未在尾礦中引起顯著的超孔隙水壓力和剪切應(yīng)變。這一發(fā)現(xiàn)很重要，因?yàn)樗_定了低震級(jí)地震不會(huì)導(dǎo)致路堤坍塌。
2018 年 3 月 9 日在 卡迪亞河谷項(xiàng)目項(xiàng)目北部尾礦庫(kù)設(shè)施（Cadia Valley Operations (Cadia) Northern Tailings Storage Facility ）的一段路堤中發(fā)生的移動(dòng)坍塌被確定是由于正在進(jìn)行的路堤施工期間以前身份不明的低密度基礎(chǔ)層的逐漸變形造成的，這最終引發(fā)了存儲(chǔ)尾礦的液化。一旦液化，尾礦就會(huì)顯著增加施加在路堤上的荷載，而這已經(jīng)是脆弱的地基無(wú)法抵抗的。這導(dǎo)致路堤坍塌，但及時(shí)疏散Cadia 人員的工地意味著坍塌沒(méi)有造成明顯的社會(huì)或環(huán)境影響。
上述路堤坍塌的技術(shù)原因是通過(guò)獨(dú)立技術(shù)審查委員會(huì) (ITRB) 的調(diào)查得出的。作為 ITRB 調(diào)查的一部分，委托進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試計(jì)劃，其中Golder 的珀斯實(shí)驗(yàn)室 (Golder) 使用 GDS Instruments (GDS) 生產(chǎn)的許多先進(jìn)測(cè)試設(shè)備來(lái)產(chǎn)生單調(diào)和循環(huán)直接簡(jiǎn)單剪切 (DSS)、三軸、彎曲單元和恒定應(yīng)變速率測(cè)試數(shù)據(jù)。此類測(cè)試為 ITRB 提供了有關(guān)尾礦和地基材料對(duì)載荷的響應(yīng)的重要見(jiàn)解，有助于 ITRB 確定坍落度的技術(shù)機(jī)制。測(cè)試還幫助 ITRB 排除了兩次低震級(jí)地震是尾礦液化的原因。
因此，該案例研究證明了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方案，可以在評(píng)估地基土和蓄積材料在堤防施工施加的荷載和/或地震活動(dòng)如何影響尾礦儲(chǔ)存設(shè)施中的價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
杰弗里斯，M.； Morgenstern, N. R.;范齊爾，D.；沃茨，J.（2019 年）。獨(dú)立技術(shù)審查委員會(huì)關(guān)于 Ashurst Australia 的 NTSF 路堤故障 Cadia Valley 運(yùn)營(yíng)的報(bào)告。 2019 年 4 月 17 日。紐克雷斯特礦業(yè)有限公司。https://www.newcrest。 com/sites/default/files/2019-10/190417_Report%20on%20 NTSF%20Embankment%20Failure%20at%20Cadia%20for%20 Ashurst.pdf。
紐克雷斯特礦業(yè)有限公司。 (2019)?？ǖ蟻?NTSF 路堤坍塌?？稍冢篽ttps://www.youtube.com/ 看？v=DyyxLmPdVaE 。
