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免责申明：本案例钻研，仅由 GDS Instruments 对公开可用的技术汇报进行审查和诠释后编写。本案例钻研未经第三方审查，不组成任何大局的技术建议。

2018 年 3 月 9 日下午,位于澳大利亚新南威尔士州中西部的卡迪亚河谷项目项目北部尾矿库设施（Cadia Valley Operations (Cadia) Northern Tailings Storage Facility (NTSF)）的南部堤防约 300 m 段产生了流动性坍塌。堤防坍塌导致 NTSF 开释尾矿，开释的尾矿在相邻的南尾矿贮存设施 (STSF) 内被捕获。Cadia现场人员在当天早些时辰观察到的开裂（路堤顶部）和逆冲（路堤坡脚处），使得在塌落产生之前，可能实时分散工地以及一些下游的住宅。这导致了经济损失，但没有造成显著的社会或环境影响。为此成立了一个独立的技术审查委员会（ITRB），以确定Cadia NTSF路堤坍塌的技术原因。ITRB在四月十七日2019日（杰夫里等人，2019）汇报了其发现，得出在坍塌左近先前未识此外低密度基础层由于路堤结构施加的荷载而逐步变形的结论。

倒剽种变形速度迅速增长时，贮存在NTSF内的尾矿液化，显著增长了路堤上的荷载。地基已经弱化，最终无法抵抗荷载的增长，导致堤坝坍塌。本案例钻研简要总结了ITRB汇报的一些岩土工程发现。

具体而言，它侧沉于调查期间进行的高级尝试室测试打算的各个方面，其中使用了由GDS公司设计和造作的高级循环动单剪、三轴、弯曲元系统和恒应变速度凝扎尝试系统。我们强烈建议开云kaiyun电竞读者参考纽克雷斯特矿业有限公司（NML）颁布的公开ITRB汇报，以获取有关Cadia NTSF路堤坍塌的齐全评论；鼓芄点击这里旁观10分钟的坍落扼要技术总结。

图 1：截至 2018 年 9 月 13 日的 Cadia NTSF 南部路堤坍塌地位的鸟瞰图。

起源：谷歌地球，图片 © 2021 CNES / Airbus。

NTSF的设计和建造是为了封存卡迪亚金矿和铜矿开采作业产生的尾矿。最初的NTSF路堤于1998年落成，蕴含一个最大高度为50 m的堆石坝，随后的路堤凸起筹算使用改进的中心线施工。

到2016岁暮，路堤已达到其初始指标最大高度91 m，但最终选取下游、中心线和上游施工相结合的方式构筑路堤。

2017 岁首，起头使用上游施工进行额表的 3 m 加高（第 10 阶段），并于 2017 年年中在坍塌地位左近实现加高。

然而，2017年进行的锥体贯入试验（CPT）引起了对路堤不变性的忧郁，因而建议建造两个支墩，以提高静态和动态荷载下的不变性（第1阶段和第2阶段支墩，如图2所示）。在坍落地位：

?   第一阶段支墩于 2017 年底起头施工，并于 2018 年 3 月 5 日落成。

?   2018 年 1 月，从堤坝趾部挖出约 5.5 m 的资料，为第二阶段支墩施工筹备基础。挖掘出的资料蕴含超过 4 m 的堆积尾矿以及一些地基资料。

?   第二阶段支墩的建设在坍塌时尚未起头。

图 2：Cadia NTSF 路堤在第 10 阶段的简化示意图。请把稳，在坍塌时，第 2 阶段的支墩施工尚未起头。

图 3：路堤坍塌左近地基资料的简化剖面。

还把稳到堤防在坍塌产生的前一天（2018 年 3 月 8 日）经历了两次低级地震（约 MW3，相隔十秒左右）。

图 3 显示了坍落左近地基资料的基础概括。 固然卡迪亚的地质复杂性超出了本案例钻研的领域，沉要的是要把稳靠近路堤基础水平的丛林礁火山岩 (FRV) Unit A 层的存在。

由于这种地基资料被确定为导致路堤坍塌的最沉要的特点。这是由于 FRV Unit A 资料密度低（孔隙比约为

0.8 到 1.5），相对较弱，高度可压缩，并在荷载作用下显示应变减弱响应。值妥贴心的是，在路堤坍塌产生之前，FRV Unit A 尚未被鉴别。

ITRB 的工作是确定路堤坍塌的技术原因。因而 ITRB 审查了NTSF 建造汗青，并委托进行了宽泛的地下现场调查、先进的尝试室测试和各类荷载前提下路堤的先进数值分析；菇辛怂牡刂屎偷卣鹧ё暄。

由 ITRB 委托进行的尝试室测试打算可能评估尾矿、路堤和地基资料的加载响应，并提供用于高级数值分析的资料个性。

固然作为测试打算的一部门由很多尝试室进行了很多分歧的测试，但本案例钻研将沉点限度在 Golder 的珀斯尝试室 (Golder ;www.golder.com/testing-services/)

进行的高级直剪单剪（DSS）、三轴、弯曲元和恒速应变测试对尾矿和FRV单元进行了基础资料的钻研。请参考ITRB汇报附录D和附录E，相识作为ITRB调查一部门进行的尝试室测试的更多详情。

a) 单和谐循环直接单一剪切 (DSS) 测试。

作为高级尝试室测试打算的一部门，Golder 对很多尾矿级配和 FRV Unit A 试样进行了 24 次恒定体积直接单一剪切测试。该测试是使用 GDS 电机动态循环单一剪切 (EMDCSS) 设备进行的，该设备可能通过设计的低柔顺性的 DSS 设备剪切（单和谐/或循环）期间维持恒定的试样体积，自动高度节造，以及通过一堆低摩擦叠环（或者，也能够使用钢丝加强橡胶膜）进行物理侧向约束。

图 4：GDS 电机动态循环单剪 (EMDCSS) 设备。

Golder 在 GDS EMDCSS 设备内测试的 12 个沉组尾矿试样标称直径为 100 毫米，并被固结到 50 kPa 或 300 kPa 垂直有效应力。所有试样都比固结后估计的原位尾矿状态稍松。

在循环剪切的十个试样中，八个在固结阶段施加了初始剪切应力误差（垂直有效固结应力的 5% 或 30%）。对其中八个试样施加频率为1Hz的正弦循环荷载，同时对两个试样施加自界说循环荷载，仿照2018年3月8日产生的两次低震级地震的地面活动。图5显示了GDSLab软件界面，供用户在GDS EMDCSS内执行测试时界说自界说循环荷载。

以每幼时约5%的剪切应变率对两个试样进行单调剪切。

图 5：GDSLab 软件界面，用于在 GDS EMDCSS 内执行测试时界说自界说循环载荷。

从恒定体积循环 DSS 测试中获得的数据批注，在路堤坍塌之前的两次低震级地震（循环应力比约为 0.05）不会在尾矿试样中引起显著的超孔隙压力累积或剪切应变。具体而言，在施加 5 到 15 个荷载循环后观察到的超孔隙压力约为初始垂直有效应力的 10%

，而不论在固结期间使用的静态误差。

Golder 在 GDS EMDCSS 设备内测试的 12 个 FRV 单元 A 样本标称直径为 60 毫米，并且施加固结到 250 kPa 到 1200 kPa 之间的垂直有效应力。接着发现试样固结后的干密度领域为 1.29 至 1.59 t/m3。在这些测试中固结阶段未施加初始剪应力误差，所有测试都以每幼时约莫 2% 的剪切应变率进行单调剪切。其中 9 个试样由管状或块状样品造备，3个试样使用内部压实步骤沉塑而成。

对从管状或块状样品造备的样品，进行恒定体积的单调 DSS 测试获得数据峰值不排水强度比（即峰值剪应力除以垂直有效固结应力）的估计0.26 到 0.56 的领域，取决于固结应力和管或块采样地位。沉要的是，样本通常阐发出应变弱化行为（如，剪应力降低）一旦泥土应变超过峰值剪应力，凸起了 FRV Unit A 资料的脆性响应。峰值后均匀强度损失约为 25%（强度损失领域约为 0 至 40%）。

图 6：FRV Unit A在 GDS EMDCSS 内恒定体积前提下进行单调 DSS测试的试样的应力-应变曲线。

图 7：在 GDS 办公室的 GDS 电机动态循环动单剪 (EMDCSS) 设备中在恒定体积前提下测试干净砂样的照片。该测试与 Cadia NTSF 路堤坍塌调查无关，仅用于注明主张。

b) 三轴测试

作为高级尝试室测试打算的一部门，Golder 对多个尾矿级配和 FRV Unit A 样本进行了 41 次三轴 (TX) 测试。该测试是使用 GDS 三轴自动化系统 (GDS TAS) 进行的，该系统选取先进的速度节造荷载框架和 GDS 压力/体积节造器将轴向和径向应力利用于三轴测试试样。

图 8：GDS 三轴自动化系统 (GDSTAS)。

通过对排水（20 次测试）和不排水前提（12 次测试）下的各向同性固结尾矿试样，利用应变节造单调压缩，总共进行了 32 次 TX 测试，了局用于确定临界状态线 (CSL)，以及估计强度参数, 四种分歧的尾矿等级。使用内部湿夯法沉建测试样本，并在每次测试中施加至少 20% 的轴向应变，以达到临界状态。凭据获得的TX试验数据，尾矿选取的临界状态有效摩擦角蹬宗34度。

另表还进行了六次 TX 测试，以观察尾矿对后期路堤阶段和第 1 阶段支墩施工期间所经历的很多应力蹊径的响应。这些试验首先对试样进行各向异性固结，而后在排水或部门不排水前提下加载，援手 ITRB 相识在堤防施工期间尾矿内的某些点是否可能已靠近不不变的应力状态，例如少量的急剧装载可能导致尾矿液化。

要进行排水测试，Golder 称为“恒定剪切排水”测试（CSD 测试），所使用的三轴系统必须可能对测试试样施加并维持恒定的偏应力。即便试样在迅速坍塌状态（即，经历急剧轴向应变）。 Golder 使用了两种三轴配置来实现这一尺度：一种是手动将荷载搁置在装载架上，另一种是将 GDS DigiRFM 装置在 GDS TAS 中。

DigiRFM 在三轴荷沉传感器和荷载框架之间引入了急剧、直接的反馈回路，使荷载框架可能以超过 90 毫米/分钟的速度轴向压缩试样，维持指标偏应力。有兴致升级其 GDSTAS 以蕴含 DigiRFM 的用户应直接联系 GDS。

图 9：装置在 GDS TAS 中的 GDS DigiRFM。

还对单个沉塑TX 尾矿样本进行了弯曲元件 (BE) 测试。这使得剪切波速以及随后的幼应变剪切模量可能在分歧水平的有效围压下估算，为评估路堤对地震震荡的响应提供沉要凭据。 BE 测试在 17 个分歧的均匀有效围压值（领域在约莫 20 kPa 到 1090 kPa 之间）进行，测试使用 GDS 弯曲元系统 (GDSBES) 进行。

图 10：GDS 弯曲元件系统 (GDSBES)。

图 11：通过使用 GDSBES 对 GDSTAS 内的单个尾矿 TX 试样进行弯曲元件测试获得的剪切波速和幼应变剪切模量估计值；瓜允玖耸匝盏芈屎投鸦芏裙兰浦。

通过在不排水前提下对各向同性固结的未扰动 FRV Unit A 试样利用应变节造压缩来执行三个 TX 测试。这些测试再次强调了 FRV 的应变减弱行为Unit A 资料的峰值和残存有效摩擦角别离估计为 21.4° 和 16.2°（以及有效内聚力值别离蹬宗 58.5 kPa 和 0 kPa）。

图 12： GDSTAS 内不排水单调应变节造压缩前提下,测试各向同性固结后细粒土试样的照片。该测试与 Cadia NTSF 路堤坍塌调查无关，仅用于注明主张。

c) 恒速应变速度固结测试

作为高级尝试室测试打算的一部门，Golder 对 FRV 单元 A 样本进行了两次恒定应变速度 (CRS) 测试。该测试是使用 GDS 恒应变速度固结测试(GDSCRS) 系统进行的，其中使用先进的速度节造荷载框架将垂直应力施加到侧向限度的反压试样。反压通过 GDS 压力/体积节造器提供。

图 13：GDS 恒应变速度凝扎尝试系统 (GDSCRS)。

在 FRV Unit A 试样上进行的两个 CRS 测试使 ITRB 可能估计典型固结参数的值（例如，固结系数、预固结压力），同时还强调了约束模量的降低（即，一维刚度）随着垂直有效应力增长超过约莫 1000 – 1500 kPa。有人提出，在较高垂直应力水平下,刚度的这种降低是由泥土颗粒压碎或分化引起的。

先进的尝试室测试打算提供了很多关于尾矿和 FRV Unit A 基础资料的加载响应的沉要见解，援手 ITRB 相识 Cadia NTSF 路堤在 2018 年 3 月 9 日坍塌的机造。这些见解蕴含：

• GDS EMDCSS 内 FRV Unit A 试样的单调直接单一剪切 (DSS) 测试凸起了这种先前未识此外应变减弱响应路堤基础资料。这最终导致 ITRB 得出结论，在堤防施工期间，这种资料的峰值强度已起头被超过，出格是在堤坝趾部开挖资料和第一阶段支墩施工后，导致地基逐步变形。在坍塌产生之前，变形迅速加快。

  
  

• GDS TAS 内沉组尾矿样本的“恒定剪切排水”（CSD）三轴测试批注，在堤防施工期间尾矿内的某些地位已靠近不不变的应力状态，并且可能会触发急剧坍塌（即可能产生液化）应少量急剧加载。路堤基础内的加快变形触发了尾矿液化，这反过来又显著增长了路堤和已经减弱的地基的负荷。无法抵抗这种额表的荷载，导致路堤坍塌。

  
  

• GDS EMDCSS 内尾矿试样的循环 DSS 测试批注，2018 年 3 月 8 日在卡迪亚工地产生的两次低级地震并未在尾矿中引起显著的超孔隙水压力和剪切应变。这一发现很沉要，由于它确定了低震级地震不会导致路堤坍塌。

2018 年 3 月 9 日在 卡迪亚河谷项目项目北部尾矿库设施（Cadia Valley Operations (Cadia) Northern Tailings Storage Facility ）的一段路堤中产生的移动坍塌被确定是由于在进行的路堤施工期间以前身份不明的低密度基础层的逐步变形造成的，这最终引发了存储尾矿的液化。一旦液化，尾矿就会显著增长施加在路堤上的荷载，而这已经是脆弱的地基无法抵抗的。这导致路堤坍塌，但实时分散Cadia 人员的工地意味着坍塌没有造成显著的社会或环境影响。

上述路堤坍塌的技术原因是通过独立技术审查委员会 (ITRB) 的调查得出的。作为 ITRB 调查的一部门，委托进行了一项尝试室测试打算，其中Golder 的珀斯尝试室 (Golder) 使用 GDS Instruments (GDS) 出产的很多先进测试设备来产生单和谐循环直接单一剪切 (DSS)、三轴、弯曲单元和恒定应变速度测试数据。此类测试为 ITRB 提供了有关尾矿和地基资料对载荷的响应的沉要见解，有助于 ITRB 确定坍落度的技术机造。测试还援手 ITRB 排除了两次低震级地震是尾矿液化的原因。

因而，该案例钻研证了然先进的尝试室测试规划，能够在评估地基土和蓄积资料在堤防施工施加的荷载和/或地震活动若何影响尾矿贮存设施中的价值。

参考文件

杰弗里斯，M.； Morgenstern, N. R.;范齐尔，D.；沃茨，J.（2019 年）。独立技术审查委员会关于 Ashurst Australia 的 NTSF 路堤故障 Cadia Valley 运营的汇报。 2019 年 4 月 17 日。纽克雷斯特矿业有限公司。https://www.newcrest。 com/sites/default/files/2019-10/190417_Report%20on%20 NTSF%20Embankment%20Failure%20at%20Cadia%20for%20 Ashurst.pdf。

纽克雷斯特矿业有限公司。 (2019)

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