编者注明：
作为Fund?o矿山尾矿坝溃决高级尝试室试验打算的一部门，KCB温哥华岩土尝试室使用GDS Instruments的EMDCSS设备进行直接单剪试验，以获得：
（1）不排水单剪试验的峰值和大应变抗剪强度 ；
（2）不排水动单剪试验中循环荷载作用下的反映 ；
（3）以及静偏压不排水动单剪试验中循环荷载作用下的反映。
Fund?o矿山尾矿坝溃坝
2020年2月12日，CLAIRE SMITH克莱尔·史女士
詹姆斯·霍普金斯和卡尔·斯内林，英国GDS公司
翻译：陈栋
1.0简介
2015年11月5日下午3时45分，位于巴西东南部米纳斯吉拉斯州（Minas Gerais）的110米高的Fund?o矿山尾矿坝在液化流滑坡中坍塌。这次变乱将约莫4300万立方米的铁矿尾矿排放到环境中，传染了超过600公里的河路（Fonseca do Carmo等人，2017年），并导致19人殒命。
其时，这起事务被以为是巴西最严沉的环境苦难，迄今为止，矿主损失了数十亿美元（Ridley和Lewis，2019年）。
Fund?o尾矿坝审查幼组是在坍塌之后召集起来的，主张是调查和确定Fund?o尾矿坝在液化流动滑坡中失稳的原因。
专家幼组于2016年8月汇报了其调查了局（Morgenstern等人，2016年），得出结论以为，大坝内部产生液化的必要前提在溃决之前就存在（即存在疏松、鼓和的砂尾矿），砂尾矿下方富泥沉积物的侧向挤压触发了液化流滑。
本案例钻研简要总结了专门幼组汇报的很多岩土工程发现。具体地说，它着沉于在调查期间进行先进的尝试室尝试的方方面面，该打算选取了由英国GDS公司设计和造作的先进的循环单剪系统。
建议读者参考由Cleary Gottlieb Steen和Hamilton颁发的公开颁发的专家组汇报，以获取关于Fund?o尾矿坝溃决的具体评论。有关持续环境影响和司法案件的更多信息可在更宽泛的媒体上获得。
图1:Fund?o尾矿坝于2016年7月7日产生故障后约8个月。图片由Ibama提供。
2.0 Fund?o矿山尾矿坝
构筑Fund?o矿山尾矿坝（图1）是为了保留铁矿石选矿产生的砂和矿泥尾矿。砂尾矿以泥浆大局运输，由砂和粉粒大幼的颗粒组成，通常允许在沉积后急剧排水。
然而，由于选取液压方式摆放，砂层通常是疏松和未压实的？竽辔部笠沧魑嘟耸，被归类为低塑性粘土（只管只含有一幼部门粘土矿物），其产生的沉积物比砂土更可压缩且渗入率更低。
由于要保留两种分歧的资料类型，最初的大坝设计选取了“排水立管”理想，如图2示意图所示。这一概想旨在逐步将沙堆积在初期坝后，将淤泥保留在砂堆后面，并选取上游式施工方式将初期坝抬高至砂土顶部。
图2：“排水立管”理论的通用道理示意图
该设计的一个关键前提是在疏松、未压实的砂土中维持足够的排水，以使砂土维持不鼓和状态，不易产生静态液化。这一前提将通过三个成分得到满足：在初期大坝下方构筑一个大容量排水系统 ；在左右坝肩下构筑混凝土廊路（直径2m的导管），以将上游地表水流入大坝下游 ；在尾矿沉积过程中，通过维持距坝顶200m的沙岸宽度，将黏质土与砂子分离，从而不会故障沙子的向下排水。
初期大坝建设，蕴含大容量排水系统和混凝土廊路的施工，已于2008年10月实现。2009年4月起头排放尾矿。然而，在2015年11月溃坝之前，在大坝运行和蓄水过程中遇到了很多问题。其中蕴含：
? 大容量排水系统存在严沉的施工缺点，导致2009年产生内部侵蚀事务。这导致大容量排水系统被封关，并最终执行了订正后的排水设计。沉要的是，大容量排水系统产生故障后，更宽泛的砂本地货生了鼓和。
? 2011年和2012年期间，难以维持200m的设计沙岸宽度，淤泥靠近坝顶60米。沉要的是，这导致矿泥沉积在原来保留来用于砂沉积的区域。
? 左桥台下方混凝土廊路的结构粉碎，导致廊路在2013年被封关。沉要的是，这导致了左坝肩的后续施工转移调整到上游，更靠近（事实上，上面的）沉积了矿泥的区域。
还该把稳到，在溃坝前约90分钟，大坝左近产生了三次1.8至2.6级的低震级地震。
3.0专家幼组调查溃坝
目见者的陈述和物证证实，大坝在液化流滑中坍塌，从左坝肩起头。这一启程点使专家组集中会商了为什么会产生液化流滑，为什么会在左坝肩起头，以及为什么在2015年11月5日产生。
为了回覆这些问题，专家幼组进行了一项系统的调查，必要网络目见者访谈和大坝仪器数据、分析和地震钻研以及对溃决前的大坝结构进行虚构沉建。
对溃坝资料（即砂泥尾砂）溃前工程性质和机能的估计虚构大坝沉建必要的基础化输入。这些估计重要是凭据地下实地调查和尝试室试验数据作出的，后者重要是专家幼组进行的尝试室试验规划中获得的。该规划蕴含对从坝址获取的砂土铲挖表表样本以及从左近Germano尾矿库获得的矿泥中沉建/沉塑的样本进行高级直接单剪（DSS）和三轴（TX）测试。
4.0高级尝试室测试规划
4.1单剪和循环动单剪尝试
Klohn Crippen Berger（KCB）对砂和矿泥样本进行了15次恒定体积的DSS测试，作为专家组高级尝试室测试打算的一部门。本试验选取GDS电机动态循环单剪（EMDCSS）装置（图3）进行，该装置通过低柔度设计的DSS装置，使剪切（单和谐/或循环）过程中维持恒定的试样体积，通过一堆低摩擦叠环（或者，也能够使用钢丝加强型橡胶膜）进行自动高度节造和物理侧向约束。试验依照ASTM D6528试验尺度（ASTM，2007）进行。
在GDS-EMDCSS装置内KCB测试了9个砂样，标称直径为70mm，固结150kPa至600kPa间的垂直有效应力。在五个周期剪切试件中，两个在固结阶段施加了初始剪应力误差（别离为垂直有效固结应力的17.5%和35%）。以0.1Hz的频率施加循环荷载，施加的循环应力比（CSR）由专家幼组凭据现场响应分析进行领导。
KCB在GDS EMDCSS装置内测试的六个矿泥样本标称直径也为70mm，并在一样的垂直有效应力领域内进行固结，这与在砂土测试期间用的一样。在循环剪切的三个试样中，一个试样在固结过程中施加了初始剪应力误差（垂直有效固结应力的17.5%），另一个试样在单调剪切至20%剪切应变后施加循环荷载。
从恒定体积单调DSS试验获得的数据得出了砂土的峰值不排水强度比（即峰值水平剪切应力除以垂直有效固结应力）的估计值，领域为0.12至0.14，泥质土的峰值不排水强度比为0.16至0.17。据估计，砂样估算的先期固结孔隙比在1.04到0.93之间，而泥质土估算的试样的孔隙比在0.99到0.91之间。当泥土的应变超过峰值剪应力时，所有试样都阐发出应变软化行为（即剪切应力的幼幅度或显著降低）。
恒定体积循环DSS试验期间纪录的数据批注，代表溃坝前低震级地震震荡的循环荷载不会产生显著的超孔隙水压力累积或剪切应变。例如，当CSR值为0.01时，在30个荷载循环后，砂土和矿泥质土样本中纪录到0.01%的最大剪切应变，而CSR蹬宗0.004估计代表坝顶以下58m深度处的第84个百分位地震荡（靠近尾矿库底部）。随后，在循环DSS试验期间，使用的CSR会增长，CSR先提高到0.05，而后提高到0.1。
4.2三轴尝试
在高级尝试室试验规划执行期间，KCB对砂样进行了一系列排水和不排水三轴（TX）试验。在排水和不排水前提下，通过对各向同性和各向异性固结试样施加应变节造压缩，共进行了21次试验，了局用于估算强度参数（例如，有效摩擦角为33°），以及临界状态线（CSL）和剪胀参数。这些参数随后成为幼组调查的一部门进行的不变性和变形分析的一个组成部门。
此表，还进行了九个额表的排水TX试验，称为“挤压坍塌”试验，以钻研通过侧向挤压装置在砂土中引发液化的可能性。该装置将在本文件的结论部门进一步描述）。
为了进行这些试验，首先对试样进行各向异性固结，而后进行特殊设计的应力蹊径尝试，在该蹊径中，均匀有效应力（即试样约束）减幼，而偏应力维持恒定或增大。当试样的应力状态靠近CSL时，通 ；峁鄄斓绞匝募本缢。这项测试根基上复造了大坝内砂土的粉碎方式。
值妥贴心的是，用于执杏装挤压塌陷”试验的TX装置是一种改进的TX系统。必要进行批改，以实现产生急剧试样粉碎所需的应力节造。GDS可提供专门配置用于“挤压倒塌”试验的TX装置，其中速度节造的三轴加载架通过数字远程反馈？椋―igiRFM）接管来自三轴荷沉传感器的直接反馈。直接反馈能够显著提高三轴荷载框架的响应能力，使得在排水前提下试样急剧坍塌时可能进行急剧轴向压缩。
对从现场取样获得的矿泥样本也进行了不排水TX试验，但幼组并未使用这些试验的了局。
4.3其他高级尝试室尝试
对砂土试样进行了一次直接剪切试验、一次固结仪试验和两次弯曲元试验，以提供砂土的附加强度、压缩性和渗入性以及幼应变剪切模量估计值。对矿泥样本进行了一次固结仪试验、一次大应变固结试验和一次沉降试验，以提供矿泥的压缩性、固结系数、渗入性和沉降速度估算值。有关这些尝试室测试的进一步详情，请参阅专家组汇报的附录D。
5.0 来自高级尝试室尝试规划的见解
专家组的高级尝试室试验规划提供了大量关于砂和泥质总体个性的沉要见解，以及对根基工程参数的估计，这有助于专家组确定2015年11月5日在左坝肩起头溃坝的原因。
在GDS-EMDCSS装置内对砂土试样进行循环直接单剪试验，了局批注，当施加代表性的低震级地震荷载时，不会产生显著的超孔隙水压力和剪切应变。这使专家幼组得出结论，大坝倒塌之前产生的地震并没有在砂土中诱发液化，排除了潜在的粉碎机造。然而，专家幼组的确把稳到地震可能加快了大坝的粉碎。
砂土样本的排水“挤压-坍塌”三轴试验复造了在溃坝期间观察到的急剧崩塌，援手专家幼组确认侧向挤压机造最终触发了液化流滑。尺度排水和不排水三轴试验还提供了砂土的强度、临界状态和扩容参数估计，用于不变性和变形分析。
泥质试样的固结试验提供了数据，以获知固结和渗入参数，这些参数是专家组仿照大坝左坝肩下淤泥固结个性的一部门。
6.0专家组得出的结论
专家幼组的调查最终得出结论，大坝溃败是由于侧向挤压机造引发了位于左坝肩的疏松鼓和砂土液化。在这种机造中，当在越来越高的大坝的荷载下压缩时，位于砂土（图4）下方的富泥沉积物产生横向变形（即挤压），迫使上面的砂接受水平应力的逐步减。聪薅惹疤岬南骷酰┎⒂行У厮赏。这一过程最终导致砂土达到不不变的应力状态，在这一点上引发液化，大坝决口。专家幼组进行的建模批注，这种不不变状态在2015年11月5日的达到大坝的高度，这有助于诠释为什么大坝在那时产生溃败。
大坝施工、运行和抬高过程中遇到的问题有效地创造了在左坝肩形成侧向挤压机造并引发液化流动滑动的必要前提，具体而言：
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由于排水前提不及，疏松、未压实的砂土因鼓和而易产生液化。若是原来的大容量排水系统在整个大坝运行期间维持运行，则不太可能出现这个问题。
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侧向挤压机造得以发展，由于桥台在上游沉新对齐，随后在富含矿泥的沉积物上建造。若是下伏混凝土廊路未产生结构粉碎，则不太可能必要进行这种沉新定线，并且若是在整个尾矿沉积过程中维持200m的设计海滩宽度，则不太可能在沉新调整的坝基地位出现大量富泥沉积物。
7.0 总结
Fund?o尾矿坝被确定于2015年11月5日在液化流动滑坡中溃坝，该滑坡是由疏松鼓和砂尾矿下面富含矿泥的沉积物侧向挤压引起的。
Fund?o尾矿坝审查幼组在进行了一项系统调查后得出了这一结论，该调查与很多其他分析一样，在GDS机电动态循环单剪装置内对砂土和矿泥样本进行了先进的尝试室测试。
本案例钻研批注，在公开调查期间，先进尝试室尝试规划可能在以下方面提供见解：在查抄尾矿资料的行为和潜在失效机造方面，以及一系列意表事务产生和偏离了原始设计后若何导致大坝结构的苦难性粉碎方面。
免责申明
本案例钻研仅由GDS Instruments在审查和诠释公开提供的技术汇报后编写。本案例钻研未经第三方审查，不组成任何大局的技术建议。
参考
ASTM (2007). Standard Test Method for Consolidated Undrained Direct Simple Shear Testing of Cohesive Soils, ASTM D6528-07 ASTM International
Fonseca do Carmo, Fl; Kamino, L H Y; Tobias Junior, R; Christina de Campos, I; Fonseca do Carmo, Fe; Silvino, G; Xavier de Castro, K J d S; Mauro, M L; Rodrigues, N U A; Miranda, M P d S; Pinto, C E F, (2017). Fund?o tailings dam failures: the environment tragedy of the largest technological disaster of Brazilian mining in global context Perspectives in Ecology and Conservation, 15, p145-151
Morgenstern, N R; Vick, S G; Viotti, C B; Watts, B D, (2016). Fund?o Tailings Dam Review Panel, Report on the Immediate Causes of the Failure of the Fund?o Dam 25 August 2016 Cleary Gottlieb Steen and Hamilton
Ridley, K; Lewis, B, (2019). BHP faces $5bn claim over 2015 Brazil dam failure
原文链接：https://www.geplus.co.uk/features/technical-note-fundao-mine-tailings-dam-failure-12-02-2020/
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