GDS动单剪试验系统用于加拿大波利山尾矿库路基溃坝研究的案例

2014年8月4日，位于加拿大不列颠哥伦比亚省的波利山矿尾矿储存设施（TSF）发生了一次路堤崩塌。 该决口导致数百万立方米的尾矿浆和上清水(Brown et al, 2016)从TSF排放到Polley湖、Hazeltine Creek和Quesnel湖，随后由独立专家工程调查和审查小组(专家组)进行了调查。 专家组于2015年1月30日报告了其调查结果(Morgenstern et al .， 2015)，得出结论认为，决口的主要原因是由于路堤施工施加的应力导致路堤基础土在不排水条件下发生破坏。

本研究案例简要总结了专家小组报告的一些岩土工程研究结果。特别的是，它侧重于对调查至关重要的实验室测试方案，该方案使用了由GDS仪器公司设计和制造的先进的直接剪切试验装置。 我们建议读者参考由不列颠哥伦比亚省出版的公开的专家组报告，以了解关于波利山矿TSF路堤缺口的详细情况。

Figure 1:波利山矿尾矿储存设施缺口的照片，朝向上游。

资料来源:Morgenstern等人(2015)。经不列颠哥伦比亚省许可使用。

波利山矿TSF包括三个堤，包括一个主堤，一个南堤，和一个外围堤。这些堤坝的设计是为了储存采矿活动产生的尾矿。2014年8月4日，外围堤防北侧的一段(此处简称堤防)在没有任何预警的情况下发生了崩塌。

路堤设计包括一个防渗核心，核心下游侧有过滤、过渡和堆石区。核心上游有一个由堆石和/或尾矿组成的填充区。路堤最初也设计为使用修改的中心线配置进行施工，但是，许多路堤提升最终使用了上游式施工配置在堤防决口附近，主要地下地层包括冰川沉积土。 具体而言，上冰湖地层单元（上GLU）位于上冰湖地层单元的下方，下冰湖地层单元（包括下冰湖子单元[下GLU]）位于软弱基岩上方。上 GLU 和下 GLU 材料由粉土和粘土组成，通常分类为低塑性至高塑性粘土。然而，整个TSF范围内土壤地层存在变化，这表明该设施是在一个相对复杂的地质环境建造的，其沉积历史也较为复杂。

Figure 2: 故障发生前的路堤部分示意图.

资料来源:Morgenstern等人(2015)。经不列颠哥伦比亚省许可使用。

地表调查提供的直接证据表明，堤防下地基土的剪切破坏是造成堤防决口的主要原因。然后，地下调查推断出剪切破坏区位于上 GLU 单元内，在堤基下约 10 米处。

Figure 3: 从裂口区域内取样的上GLU土壤的照片，显示了扭曲和折叠的叠层。

资料来源:Morgenstern等人(2015)。经不列颠哥伦比亚省许可使用。

评估上 GLU 矿床推断剪切区内土壤的不排水强度是专家小组调查的关键部分。该区域的强度最好采用直接简单剪切（DSS）试验进行评估，因为该试验合理地模拟了推断剪切区内的预期变形模式。

作为专家调查组的一部分，MEG 技术服务公司（MTS）进行了一系列单调恒定体积直接简单剪切试验。测试主要使用两个 GDS 伺服电机控制的动态循环单剪 (EMDCSS) 设备进行，每个设备都能通过低顺应性 DSS 设备设计、主动高度控制和物理侧向约束（金属丝加固膜，或 MTS 使用的低摩擦挡圈）在剪切（单调和/或循环）过程中保持恒定的试样体积。测试按照 ASTM D 6528 测试标准（ASTM，2007 年）进行。

Figure 4: GDS 伺服电机控制的动态循环单剪（EMDCSS）

Figure: 5 弯曲元底座和顶盖

在 GDS EMDCSS 装置内剪切的上部 GLU 试验试样直径为 73 毫米。试样在300 kPa或600 kPa有效垂直应力下固结，在固结阶段施加0%至20%的初始剪应力（即0 kPa至120 kPa剪应力）。这种垂直和剪切应力的组合被应用于在路堤施工的各个阶段的上部GLU内的模型应力状态。

从直接简单剪切试验中获得的数据估计了峰值不排水强度比在0.20至0.28范围内（即峰值剪应力除以垂直有效固结应力），这取决于固结条件。此外，一旦土体的应变超过峰值剪应力，试样通常表现出应变软化行为（即剪应力的降低）。

Figure 6: 在GDS伺服电机控制的动态循环简单剪切（EMDCSS）装置中，在恒定体积条件下测试的上GLU土壤样品的直接简单剪切应变照片

资料来源：摩根斯特恩等人（2015）。附录E：附件。经不列颠哥伦比亚省许可使用的。

Figure 7: GDS 全自动固结仪 (GDSAOS)

Figure 8: GDS 全自动三轴试验系统 (GDSTAS)

先进的实验室测试方案提供了关于上GLU土壤对应用载荷的物理响应的一些重要见解，从而使小组能够确定路堤破裂的具体机制。

• 直接简单剪切试验为专家小组提供了对调查至关重要的上 GLU 土壤的排水强度参数。这些参数随后被用于对堤坝稳定性进行极限平衡和变形分析，有助于专家小组得出结论，即上部 GLU 沉积物的排水破坏是造成堤坝破裂的具体机制。

• 直接简单剪切测试还突出了上GLU土壤的应变软化趋势。这表明土壤对外加荷载的抵抗力会随着剪切变形的加剧而减弱，这也有助于解释为什么堤坝会突然垮塌。

• 固结测试表明，上部GLU土体在路堤施工前超固结，在路堤施工期间变为正常固结。从超固结状态到正常固结状态的转变导致上部GLU土体在施加垂直和剪切荷载下倾向于收缩行为，重要的是，最终观察到对不排水剪切破坏的敏感性。

Figure 9: 专家组进行的2D PLAXIS分析，显示了破坏时估计的路堤变形位置

Source:Morgenstern et al（2015）。经不列颠哥伦比亚省许可使用。

2014年8月4日发生在波利山矿尾矿储存设施的路堤断裂最终被确定是由于位于路堤基础内的冰川水土壤沉积物的未排水破坏造成的。随着路堤施工的进行，矿床从超固结状态转变为正常固结状态，这反过来又产生了土壤对施加载荷的收缩响应的趋势。这导致土壤表现出对不排水的剪切破坏的敏感性。

上述破坏的具体机制是由一个独立的工程专家调查和审查小组得出的，该小组负责检查路堤破裂的原因。一个先进的实验室测试项目是小组调查的一个组成部分，在此期间，MEG技术服务部门使用GDS伺服电机控制的动态循环简单剪切（EMDCSS）设备在临界加载条件下测试关键土壤试样。因此，在描述尾矿储存设施的设计、建造和运行过程中基础土壤的行为时，证明了先进的实验室测试方案所提供的价值。

ASTM. (2007). Standard Test Method for Consolidated Undrained Direct Simple Shear Testing of Cohesive Soils. ASTM D6528-07. ASTM International.

Brown, R.; Roste, G; Baron, J.; Rees, C. (2016). 2016 Technical Report on the Mount Polley Mine. Prepared for Imperial Metals Corporation. https://www.imperialmetals.com/assets/docs/mp- technical-report-may-20-2016.pdf.

Morgenstern, N. R.; Vick, S. G.; Van Zyl, D. (2015). Independent Expert Engineering Investigation and Review Panel, Report on Mount Polley Tailings Storage Facility Breach. Province of British Columbia. https://www.mountpolleyreviewpanel.ca/final-report.

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