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小序

2015年11月5日下昼3点45分，位于巴西东南部米纳斯吉拉斯州的110米高的Fund?o 尾矿坝在液化流滑坡中坍毁
。这次事故向情形中释放了约莫4300万立方米的铁矿石尾矿，污染了600多公里的水道（Fonseca do Carmo 等, 2017），造成19人殒命
。该事务被以为是巴西最严重的情形灾难，迄今为止已使矿主损失了数十亿美元（Ridley和Lewis, 2019）
。

Fund?o 尾矿坝审查小组（专家组）在坍塌后建设，以视察和确定Fund?o 尾矿坝（大坝）在液化滑坡泥流中失稳的缘故原由
。专家组于2016年8月25日报告了其视察效果（Morgenstern等人，2016年），得出结论以为，坝内爆发液化所必需的物质（即松散、饱和的尾矿）在破损前就已经保存，并且尾矿下富含煤泥沉积物的侧向挤压提供了触发液化滑坡泥流的机制
。

本案例研究简要总结了专家组报告的许多岩土工程研究效果
。详细来说，它着重于在视察时代举行的先进实验室测试项目的各个方面，该项目接纳了由GDS Instruments （GDS）设计和制造的先进循环直接简朴剪切装置
。我们强烈建议读者参考由Cleary Gottlieb Steen & Hamilton LLP出书的果真专家组报告，以获取对Fund?o 尾矿坝事故的详细谈论
。有关正在举行的情形影响和执法案件的更多信息可在更普遍的媒体中获得
。

图 1: 2016年7月7日，Fund?o尾矿坝爆发破损约8个月后
。

泉源： "Mariana, Minas Gerais" by Ibamagov is licensed under CC BY-SA 2.0. https://www.flickr.com/photos/ibamagov/29702341695/in/photo-stream/

FUND?O 矿山尾矿坝

图 2：“排水堆”看法的归纳综合性示意图
。

对大坝失事举行周全视察

凭证眼见者的形貌和实物证据批注，大坝是在液化滑坡泥流中坍塌的，始发于左坝肩
。这一起点导致专家组关注为什么爆发液化滑坡泥流，为什么在左坝肩启动，以及为什么在2015年11月5日失败
。

为了回覆这些问题，专家组举行了系统的视察，其中需要汇编眼见者访谈和大坝仪器数据，举行剖析和地动学研究，并对大坝破损前结构举行模拟重修
。

对溃坝前工程特征和筑坝质料（即砂子和煤泥尾矿）性能的预计是模拟大坝重修的基本输入
。这些预计主要是凭证地下现场视察和实验室测试数据得出的，后者主要是在专家组举行的实验室测试计划中获得的
。该计划包括先进的直接简朴剪切试验（DDS）和三轴试验（TX），对从大坝场址用铲子挖取的表层砂样和从周围的日耳曼尾矿库获得的矿泥样举行重塑
。

图 3：GDS伺服电无邪态循环单剪装置（EMDCSS）

在GDS EMDCSS装置中举行KCB试验的9个砂土试样，其直径为70 mm，固结至150 ~ 600 k Pa竖向有用应力之间
。在5个循环剪切试样中，有2个试样在固结阶段（划分为竖向有用固结应力的17.5 %和35 %）施加了初始剪应力偏压
。循环荷载的施加频率为0.1 Hz，施加的循环应力比（CSR）由Pane举行的现场响应剖析指导
。

在GDS EMDCSS装置中用KCB测试的6个黏土试样的直径也是70 mm，并在砂土测试时施加相同的竖向有用应力规模内固结
。在循环剪切的3个试件中，一个在固结（ 17.5 %的竖向有用固结应力）时施加初始剪应力偏压，而一个在枯燥剪切至20%剪切应变后施加了循环加载
。

从定容枯燥DSS试验中获得的数据，估算出砂土的峰值不排水强度比（即峰值水平剪应力除以竖向有用固结应力）规模在0.12 ~ 0.14之间，黏土的峰值不排水强度比在0.16 ~ 0.17之间
。值得注重的是，砂土试样的固结后孔隙比在1.04 ~ 0.93之间，而黏土试样的固结后孔隙比在0.99 ~ 0.91之间
。当土体应变凌驾峰值剪应力时，所有试样均体现出应变软化特征（也就是说，剪切应力从小到大的减
。
。

在定容循环DSS试验中纪录的数据批注，在大坝破损之前，代表低震级地动震惊的循环荷载不会爆发显著的超孔隙压力积累或剪切应变
。例如，施加的CSR值为0.01时，在30次加载循环后，砂土和黏土试样中纪录到的最大剪应变为0.01 %，而在坝顶（在砂尾砂基部周围）以下58 m深度处，CSR即是0.004被预计为代表第84百分位的地动惊
。在循环DSS测试中，施加的CSR随后增添，其中CSR提高到0.05，然后是0.1
。

为了说明GDS EMDCSS装置的典范循环性能，图4给出了在GDS办公室举行的定容DSS试验中纪录的一个清洁砂土试样的循环响应
。图4所示的试验数据和照片与Fund?o尾矿库溃坝视察无关，仅做说明之用
。

循环直接单剪响应和照片
。该试验与Fund?o矿山尾矿坝失效视察没有任何关系，仅用于说明目的
。

在高级室内试验妄想时代，KCB对砂土试样举行了一系列普遍的排水和不排水三轴(（TX ）试验
。在排水和不排水条件下，对各向同性和各向异性固结试样举行了21次应变控制的压缩试验，其效果用于预计强度参数（例如，有用摩擦角为33 °），以及临界状态线（ CSL ）和剪胀参数
。这些参数随后作为专家组视察的一部分举行稳固和变形剖析
。

别的，还举行了9个排水TX试验，称为“挤压坍塌”试验，以研究砂土中可能通过侧向挤压机制（该机制在本文的“结论”部分做了进一步说明）引发砂土液化的可能性
。为了举行这些试验，首先对试样举行了各向异性固结，然后遵照专门设计的应力路径，其中平均有用应力（即试样约束）降低，而偏应力坚持稳固或增添
。当试件的应力状态靠近CSL时，通；崾硬斓绞约的快速坍塌
。该试验基本上复制了2015年11月5日大坝内砂土破碎的方法
。

需要说明的是，用于举行“挤压塌陷”试验的TX装置是经由刷新的TX系统
。为了实现试样爆发快速破损所需的应力控制，需要对其举行修改
。GDS可以提供专门用于"挤压坍塌"测试的TX装备，其中速率控制的三轴载荷框架通过数字远程反响？椋 DigiRFM ）吸收来自三轴荷载传感器的直接反响
。直接反响可以显著提高三轴载荷框架的响应能力，使快速轴向压缩能够在排水条件下快速启动试样破损
。

还对从实地取样获得的黏土标本举行了不排水TX试验，但专家组没有使用这些试验的效果
。

从高级的实验室检测计划中获得启示

专家组得出的结论

专家小组的视察最终得出结论以为，大坝失稳的缘故原由是侧向挤压机制引发了位于左坝肩的松散饱和砂土液化
。这种机制使位于砂层下方的黏土沉积物在越来越高的大坝荷载作用下压缩时爆发横向变形（即被挤压），迫使上方砂土层履历水平应力的逐渐降低（即限制镌汰）并有用松动
。这一历程最终导致砂土抵达不稳固的应力状态，从而引发液化，导致大坝溃决
。专家组举行的模拟批注，这种不稳固状态预计将在2015年11月5日的大坝高度抵达，这有助于诠释为什么大坝在运行时失稳的缘故原由
。

在大坝施工、运行和抬升历程中遇到的问题，有用地创立了在左坝肩生长侧向挤压机制和启动液化滑坡泥流的须要条件
。详细而言：

图 5: 说明左坝坝肩的上游调解，加上泥质侵蚀原本为砂土保存的区域，可能导致左坝肩建在富含黏土的沉积物之上的概略示意图
。

总结

?ASTM (2007). Standard Test Method for ConsolidatedUndrained Direct Simple Shear Testing of Cohesive Soils. ASTMD6528-07. 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 damfailures: the environment tragedy of the largest technologicaldisaster of Brazilian mining in global context. Perspectives inEcology 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 theImmediate Causes of the Failure of the Fund?o Dam. 25August 2016. Cleary Gottlieb Steen & Hamilton LLP. http://fundaoinvestigation.com/the-panel-report.

?Ridley, K.; Lewis, B. (2019). BHP faces $5 billion claim over2015 Brazil dam failure. Retrieved from https://www.reuters.com/article/us-bhp-brazil-lawsuit/bhp-faces-5-billion-claim-over-2015-brazil-dam-failure-idUSKCN1SD1AK.

本案例研究完全由GDS Instruments凭证我们对果真手艺报告的审查息争释编写
。本案例研究未经第三方审查，不组成任何形式的手艺建议
。