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      歐美大地 室內巖土試驗
      室內巖土試驗
      【案例研究】卡迪亞谷北部尾礦儲存設施堤防坍塌
      發布時間:2021-09-29 瀏覽次數:62658 來源:歐美大地


      免責聲明:本案例研究,僅由 GDS Instruments 對公開可用的技術報告進行審查和解釋后編寫。本案例研究未經第三方審查,不構成任何形式的技術建議。



      介紹


      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目項目北部尾礦庫設施(Cadia Valley Operations (Cadia) Northern Tailings Storage Facility (NTSF))的南部堤防約 300 m 段發生了流動性坍塌。堤防坍塌導致 NTSF 釋放尾礦,釋放的尾礦在相鄰的南尾礦儲存設施 (STSF) 內被捕獲。Cadia現場人員在當天早些時候觀察到的開裂(路堤頂部)和逆沖(路堤坡腳處),使得在塌落發生之前,能夠及時疏散工地以及一些下游的住宅。這導致了經濟損失,但沒有造成明顯的社會或環境影響。為此成立了一個獨立的技術審查委員會(ITRB),以確定Cadia NTSF路堤坍塌的技術原因。ITRB在四月十七日2019日(杰夫里等人,2019)報告了其發現,得出在坍塌附近先前未識別的低密度基礎層由于路堤結構施加的荷載而逐漸變形的結論。


      當這種變形速率迅速增加時,儲存在NTSF內的尾礦液化,顯著增加了路堤上的荷載。地基已經弱化,最終無法抵抗荷載的增加,導致堤壩坍塌。本案例研究簡要總結了ITRB報告的一些巖土工程發現。


      具體而言,它側重于調查期間進行的高級實驗室測試計劃的各個方面,其中使用了由GDS公司設計和制造的高級循環動單剪、三軸、彎曲元系統和恒應變速率固結實驗系統。我們強烈建議我們的讀者參考紐克雷斯特礦業有限公司(NML)發布的公開ITRB報告,以獲取有關Cadia NTSF路堤坍塌的完整評論。還可以點擊這里觀看10分鐘的坍落簡明技術總結。



      圖 1:截至 2018 年 9 月 13 日的 Cadia NTSF 南部路堤坍塌位置的鳥瞰圖。

      來源:谷歌地球,圖片 © 2021 CNES / Airbus。





      卡迪亞北部尾礦儲存設施堤防和基金會




      NTSF的設計和建造是為了封存卡迪亞金礦和銅礦開采作業產生的尾礦。最初的NTSF路堤于1998年完工,包括一個最大高度為50 m的堆石壩,隨后的路堤凸起打算使用改進的中心線施工。


      到2016年末,路堤已達到其初始目標最大高度91 m,但最終采用下游、中心線和上游施工相結合的方式修建路堤。


      2017 年初,開始使用上游施工進行額外的 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年進行的錐體貫入試驗(CPT)引起了對路堤穩定性的擔憂,因此建議建造兩個支墩,以提高靜態和動態荷載下的穩定性(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備基礎。挖掘出的材料包括超過 4 m 的堆積尾礦以及一些地基材料。

      ?   第二階段支墩的建設在坍塌時尚未開始。



      圖 2:Cadia NTSF 路堤在第 10 階段的簡化示意圖。請注意,在坍塌時,第 2 階段的支墩施工尚未開始。






      圖 3:路堤坍塌附近地基材料的簡化剖面。

      還注意到堤防在坍塌發生的前一天(2018 年 3 月 8 日)經歷了兩次低級地震(約 MW3,相隔十秒左右)。





      圖 3 顯示了坍落附近地基材料的基礎輪廓。 雖然卡迪亞的地質復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水平的森林礁火山巖 (FRV) Unit A 層的存在。


      因為這種地基材料被確定為導致路堤坍塌的最重要的特征。這是因為 FRV Unit A 材料密度低(孔隙比約為

      0.8 到 1.5),相對較弱,高度可壓縮,并在荷載作用下顯示應變減弱響應。值得注意的是,在路堤坍塌發生之前,FRV Unit A 尚未被識別。





      ITRB 對 CADIA NTSF 堤防坍塌的調查


      ITRB 的任務是確定路堤坍塌的技術原因。于是 ITRB 審查了NTSF 建造歷史,并委托進行了廣泛的地下現場調查、先進的實驗室測試和各種荷載條件下路堤的先進數值分析。還進行了水文地質和地震學研究。


      由 ITRB 委托進行的實驗室測試計劃能夠評估尾礦、路堤和地基材料的加載響應,并提供用于高級數值分析的材料特性。


      雖然作為測試計劃的一部分由許多實驗室進行了許多不同的測試,但本案例研究將重點限制在 Golder 的珀斯實驗室 (Golder ;www.golder.com/testing-services/)


      進行的高級直剪單剪(DSS)、三軸、彎曲元和恒速應變測試對尾礦和FRV單元進行了基礎材料的研究。請參考ITRB報告附錄D和附錄E,了解作為ITRB調查一部分進行的實驗室測試的更多詳情。





      尾礦和 FRV Unit A 材料的高級實驗室測試,包括使用 GDS 設備


      a) 單調和循環直接簡單剪切 (DSS) 測試。


      作為高級實驗室測試計劃的一部分,Golder 對許多尾礦級配和 FRV Unit A 試樣進行了 24 次恒定體積直接簡單剪切測試。該測試是使用 GDS 電機動態循環簡單剪切 (EMDCSS) 設備進行的,該設備能夠通過設計的低柔順性的 DSS 設備剪切(單調和/或循環)期間保持恒定的試樣體積,主動高度控制,以及通過一堆低摩擦疊環(或者,也可以使用鋼絲增強橡膠膜)進行物理側向約束。



      圖 4:GDS 電機動態循環單剪 (EMDCSS) 設備。



      Golder 在 GDS EMDCSS 設備內測試的 12 個重組尾礦試樣標稱直徑為 100 毫米,并被固結到 50 kPa 或 300 kPa 垂直有效應力。所有試樣都比固結后估計的原位尾礦狀態稍松。


      在循環剪切的十個試樣中,八個在固結階段施加了初始剪切應力偏差(垂直有效固結應力的 5% 或 30%)。對其中八個試樣施加頻率為1Hz的正弦循環荷載,同時對兩個試樣施加自定義循環荷載,模擬2018年3月8日發生的兩次低震級地震的地面運動。圖5顯示了GDSLab軟件界面,供用戶在GDS EMDCSS內執行測試時定義自定義循環荷載。


      以每小時約5%的剪切應變率對兩個試樣進行單調剪切。





      圖 5:GDSLab 軟件界面,用于在 GDS EMDCSS 內執行測試時定義自定義循環載荷。




      從恒定體積循環 DSS 測試中獲得的數據表明,在路堤坍塌之前的兩次低震級地震(循環應力比約為 0.05)不會在尾礦試樣中引起顯著的超孔隙壓力累積或剪切應變。具體而言,在施加 5 到 15 個荷載循環后觀察到的超孔隙壓力約為初始垂直有效應力的 10%

      ,而不管在固結期間使用的靜態偏差。


      Golder 在 GDS EMDCSS 設備內測試的 12 個 FRV 單元 A 樣本標稱直徑為 60 毫米,并且施加固結到 250 kPa 到 1200 kPa 之間的垂直有效應力。接著發現試樣固結后的干密度范圍為 1.29 至 1.59 t/m3。在這些測試中固結階段未施加初始剪應力偏差,所有測試都以每小時大約 2% 的剪切應變率進行單調剪切。其中 9 個試樣由管狀或塊狀樣品制備,3個試樣使用內部壓實步驟重塑而成。


      對從管狀或塊狀樣品制備的樣品,進行恒定體積的單調 DSS 測試獲得數據峰值不排水強度比(即峰值剪應力除以垂直有效固結應力)的估計0.26 到 0.56 的范圍,取決于固結應力和管或塊采樣位置。重要的是,樣本通常表現出應變弱化行為(如,剪應力降低)一旦土壤應變超過峰值剪應力,突出了 FRV Unit A 材料的脆性響應。峰值后平均強度損失約為 25%(強度損失范圍約為 0 至 40%)。



      圖 6:FRV Unit A在 GDS EMDCSS 內恒定體積條件下進行單調 DSS測試的試樣的應力-應變曲線。





      圖 7:在 GDS 辦公室的 GDS 電機動態循環動單剪 (EMDCSS) 設備中在恒定體積條件下測試干凈砂樣的照片。該測試與 Cadia NTSF 路堤坍塌調查無關,僅用于說明目的。




      b) 三軸測試


      作為高級實驗室測試計劃的一部分,Golder 對多個尾礦級配和 FRV Unit A 樣本進行了 41 次三軸 (TX) 測試。該測試是使用 GDS 三軸自動化系統 (GDS TAS) 進行的,該系統采用先進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力應用于三軸測試試樣。


      圖 8:GDS 三軸自動化系統 (GDSTAS)。



      通過對排水(20 次測試)和不排水條件(12 次測試)下的各向同性固結尾礦試樣,應用應變控制單調壓縮,總共進行了 32 次 TX 測試,結果用于確定臨界狀態線 (CSL),以及估計強度參數, 四種不同的尾礦等級。使用內部濕夯法重建測試樣本,并在每次測試中施加至少 20% 的軸向應變,以達到臨界狀態。根據獲得的TX試驗數據,尾礦采用的臨界狀態有效摩擦角等于34度。


      另外還進行了六次 TX 測試,以觀察尾礦對后期路堤階段和第 1 階段支墩施工期間所經歷的許多應力路徑的響應。這些試驗首先對試樣進行各向異性固結,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的某些點是否可能已接近不穩定的應力狀態,例如少量的快速裝載可能導致尾礦液化。


      要進行排水測試,Golder 稱為“恒定剪切排水”測試(CSD 測試),所使用的三軸系統必須能夠對測試試樣施加并保持恒定的偏應力。即使試樣正在迅速坍塌狀態(即,經歷快速軸向應變)。 Golder 使用了兩種三軸配置來實現這一標準:一種是手動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 90 毫米/分鐘的速度軸向壓縮試樣,保持目標偏應力。有興趣升級其 GDSTAS 以包含 DigiRFM 的用戶應直接聯系 GDS。



      圖 9:安裝在 GDS TAS 中的 GDS DigiRFM。



      還對單個重塑TX 尾礦樣本進行了彎曲元件 (BE) 測試。這使得剪切波速以及隨后的小應變剪切模量能夠在不同水平的有效圍壓下估算,為評估路堤對地震震動的響應提供重要依據。 BE 測試在 17 個不同的平均有效圍壓值(范圍在大約 20 kPa 到 1090 kPa 之間)進行,測試使用 GDS 彎曲元系統 (GDSBES) 進行。



      圖 10:GDS 彎曲元件系統 (GDSBES)。





      圖 11:通過使用 GDSBES 對 GDSTAS 內的單個尾礦 TX 試樣進行彎曲元件測試獲得的剪切波速和小應變剪切模量估計值。還顯示了試樣空隙率和堆積密度估計值。




      通過在不排水條件下對各向同性固結的未擾動 FRV Unit A 試樣應用應變控制壓縮來執行三個 TX 測試。這些測試再次強調了 FRV 的應變減弱行為Unit A 材料的峰值和殘余有效摩擦角分別估計為 21.4° 和 16.2°(以及有效內聚力值分別等于 58.5 kPa 和 0 kPa)。



      圖 12: GDSTAS 內不排水單調應變控制壓縮條件下,測試各向同性固結后細粒土試樣的照片。該測試與 Cadia NTSF 路堤坍塌調查無關,僅用于說明目的。



      c) 恒速應變速率固結測試


      作為高級實驗室測試計劃的一部分,Golder 對 FRV 單元 A 樣本進行了兩次恒定應變速率 (CRS) 測試。該測試是使用 GDS 恒應變速率固結測試(GDSCRS) 系統進行的,其中使用先進的速度控制荷載框架將垂直應力施加到側向限制的反壓試樣。反壓通過 GDS 壓力/體積控制器提供。



      圖 13:GDS 恒應變速率固結實驗系統 (GDSCRS)。



      在 FRV Unit A 試樣上進行的兩個 CRS 測試使 ITRB 能夠估計典型固結參數的值(例如,固結系數、預固結壓力),同時還強調了約束模量的降低(即,一維剛度)隨著垂直有效應力增加超過大約 1000 – 1500 kPa。有人提出,在較高垂直應力水平下,剛度的這種降低是由土壤顆粒壓碎或分解引起的。




      來自高級實驗室測試計劃組的見解


      先進的實驗室測試計劃提供了許多關于尾礦和 FRV Unit A 基礎材料的加載響應的重要見解,幫助 ITRB 了解 Cadia NTSF 路堤在 2018 年 3 月 9 日坍塌的機制。這些見解包括:

      • GDS EMDCSS 內 FRV Unit A 試樣的單調直接簡單剪切 (DSS) 測試突出了這種先前未識別的應變減弱響應路堤基礎材料。這最終導致 ITRB 得出結論,在堤防施工期間,這種材料的峰值強度已開始被超過,特別是在堤壩趾部開挖材料和第一階段支墩施工后,導致地基逐漸變形。在坍塌發生之前,變形迅速加快。


      • GDS TAS 內重組尾礦樣本的“恒定剪切排水”(CSD)三軸測試表明,在堤防施工期間尾礦內的某些位置已接近不穩定的應力狀態,并且可能會觸發快速坍塌(即可能發生液化)應少量快速加載。路堤基礎內的加速變形觸發了尾礦液化,這反過來又顯著增加了路堤和已經削弱的地基的負荷。無法抵抗這種額外的荷載,導致路堤坍塌。


      • GDS EMDCSS 內尾礦試樣的循環 DSS 測試表明,2018 年 3 月 8 日在卡迪亞工地發生的兩次低級地震并未在尾礦中引起顯著的超孔隙水壓力和剪切應變。這一發現很重要,因為它確定了低震級地震不會導致路堤坍塌。



      總結


      2018 年 3 月 9 日在 卡迪亞河谷項目項目北部尾礦庫設施(Cadia Valley Operations (Cadia) Northern Tailings Storage Facility )的一段路堤中發生的移動坍塌被確定是由于正在進行的路堤施工期間以前身份不明的低密度基礎層的逐漸變形造成的,這最終引發了存儲尾礦的液化。一旦液化,尾礦就會顯著增加施加在路堤上的荷載,而這已經是脆弱的地基無法抵抗的。這導致路堤坍塌,但及時疏散Cadia 人員的工地意味著坍塌沒有造成明顯的社會或環境影響。


      上述路堤坍塌的技術原因是通過獨立技術審查委員會 (ITRB) 的調查得出的。作為 ITRB 調查的一部分,委托進行了一項實驗室測試計劃,其中Golder 的珀斯實驗室 (Golder) 使用 GDS Instruments (GDS) 生產的許多先進測試設備來產生單調和循環直接簡單剪切 (DSS)、三軸、彎曲單元和恒定應變速率測試數據。此類測試為 ITRB 提供了有關尾礦和地基材料對載荷的響應的重要見解,有助于 ITRB 確定坍落度的技術機制。測試還幫助 ITRB 排除了兩次低震級地震是尾礦液化的原因。


      因此,該案例研究證明了先進的實驗室測試方案,可以在評估地基土和蓄積材料在堤防施工施加的荷載和/或地震活動如何影響尾礦儲存設施中的價值。




      參考文獻

      杰弗里斯,M.; Morgenstern, N. R.;范齊爾,D.;沃茨,J.(2019 年)。獨立技術審查委員會關于 Ashurst Australia 的 NTSF 路堤故障 Cadia Valley 運營的報告。 2019 年 4 月 17 日。紐克雷斯特礦業有限公司。https://www.newcrest。 com/sites/default/files/2019-10/190417_Report%20on%20 NTSF%20Embankment%20Failure%20at%20Cadia%20for%20 Ashurst.pdf。

       

      紐克雷斯特礦業有限公司。 (2019)??ǖ蟻?NTSF 路堤坍塌??稍冢篽ttps://www.youtube.com/ 看?v=DyyxLmPdVaE 。





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