矿物组成对压实过滤铜尾矿不排水单调简单剪切响应的调控机制及临界状态力学分析

本研究针对铜尾矿储存设施(TSFs)因静态液化导致的失稳问题，通过改良简单剪切(SS)装置，首次在平面应变条件下系统探究了矿物组成(以富构造硅酸盐的CoT与富层状硅酸盐的CoP为对比)对尾矿临界状态参数M、v-log p′曲线形态及液化敏感性的影响。研究发现CoT呈现典型砂质弯曲临界状态线(CSL)和应变软化行为，而CoP展现黏土质线性CSL和应变硬化特征，揭示了矿物硬度通过控制颗粒破碎程度决定压缩指数λ和CSL形态的机制，为TSFs安全设计提供了矿物学视角的理论依据。

　　

尾矿储存设施(TSFs)的稳定性一直是矿业工程领域的重大挑战，历史上多起灾难性事故被证实与尾矿材料的静态液化现象相关。这种在单调荷载下因孔隙水压力骤升导致的强度丧失，不同于地震引发的循环液化，却同样致命。尽管传统三轴试验已积累大量数据，但实际TSFs中的应力路径更接近平面应变状态，且尾矿矿物组成的差异对力学行为的影响长期被忽视。这成为当前尾矿坝安全评估中的关键盲区。

针对这一双重挑战，来自巴西的研究团队创新性地采用配备背压系统的简单剪切(SS)装置，首次对两种地质成因迥异的铜尾矿——富构造硅酸盐的CoT（含22%石英和36%长石）与富层状硅酸盐的CoP（含30.7%黑云母）——展开系统研究。通过控制三种压实度(86S/91S/95S)和四种围压(50-400 kPa)，在精确测量水平应力的条件下，揭示了矿物硬度通过颗粒破碎机制调控临界状态特性的规律。论文发表于岩土工程权威期刊《Soils and Foundations》。

研究采用三大关键技术：改良简单剪切装置（可测孔隙压力与水平应力）、动态图像分析（Camsizer XT量化颗粒形态）和Rietveld法矿物定量（XRD/XRF联用）。样本来自巴西两处相距200km的铁矿-铜-金矿床(IOCG)选矿厂。

3.1 压缩响应
一维压缩试验显示，CoP因富含黑云母（莫氏硬度2.5-3）在6,400 kPa下的相对破碎率B_r=0.33显著高于CoT（B_r=0.08），其压缩指数λ=0.12也大于CoT的0.09。粒度-矿物学关联分析证实，CoP中砂粒级（>0.074 mm）的黑云母占比达30.7%，而CoT的同粒级以石英/长石（硬度6-7）为主。

3.2 不排水剪切响应
在相同初始孔隙比(e=1.73)和围压(200 kPa)下，CoT呈现典型液化行为——峰值剪应力15.4 kPa后骤降至14.7 kPa，而CoP始终保持应变硬化。SEM显示CoP的层状硅酸盐颗粒通过片状叠构形成稳定骨架，抑制了孔隙压力发展。

3.3 临界状态特征
平面应变条件下的临界状态线(CSL)形态差异显著：CoT符合幂律方程υ=1.72-0.121(p′/p_ref′)^0.55，而CoP服从线性关系υ=Γ+λlnp′。这种分异首次被证实与矿物硬度直接相关，而非传统认为的粒度分布。相应的临界状态摩擦角?′_cs在CoT达36.1°，高于CoP的34.8°。

3.4 状态边界面
状态参数Ψ分析表明，CoT的边界面存在明显峰值，符合"砂质"特征；而CoP则呈现"黏土质"单调收敛。值得注意的是，两种尾矿在平面应变下均显示唯一CSL，不同于三轴试验中报道的过渡性行为，暗示应力旋转可能破坏初始压实形成的各向异性结构。

该研究开创性地建立了矿物组成-颗粒破碎-临界状态形貌的关联模型，阐明层状硅酸盐通过提高颗粒接触面摩擦和降低破碎倾向，使尾矿表现出类黏土力学行为。这对TSFs的矿物学风险评估具有双重意义：富含构造硅酸盐的尾矿需警惕高围压下的液化风险，而层状硅酸盐尾矿则更易发生渐进式变形。改良SS装置的成功应用，也为岩土工程界提供了更接近实际应力路径的测试范式。研究结果将推动TSFs设计从传统的粒度控制转向"矿物组成-力学响应"协同优化的新范式。