排水简单剪切荷载下砂质粉土金尾矿在扭剪空心圆柱仪中的力学行为研究

推荐：研究人员针对尾矿库边坡稳定性评估中平面应变条件对材料行为影响的关键问题，采用扭剪空心圆柱仪(TSHC)开展砂质粉土金尾矿的排水简单剪切试验。通过模拟边坡下应力路径，揭示了b值(中间主应力比)、α(主应力方向角)和ηc(固结应力比)的演化规律，首次实现CSD(恒定剪应力排水)空心圆柱简单剪切试验，为边坡液化风险数值模型校准提供了关键参数。

　　

尾矿储存设施(TSF)的静态液化失效近年来引发多起灾难性事故，如Fund?o、Cadia和Feij?o等案例。这些事故暴露出当前边坡稳定性分析中存在的关键问题：传统轴对称试验无法准确模拟边坡下复杂的应力状态，特别是中间主应力比b和主应力方向角α的演化规律。数值分析虽被指南(如GISTM 2020)列为必要手段，但受限于缺乏可靠的平面应变试验数据，导致液化风险预测存在显著不确定性。

针对这一难题，研究人员通过扭剪空心圆柱仪(TSHC)系统研究了砂质粉土金尾矿在排水简单剪切条件下的力学响应。研究采用自动化控制程序精确维持平面应变条件(ε_r=ε_??=0)，创新性地实现了包含初始静态剪应力(τ_{z??_c}/σ′_{z_c})的固结过程模拟，以及首例空心圆柱CSD简单剪切试验。论文发表在《Soil and Tillage Research》期刊。

关键技术包括：(1)采用松散湿夯(LMT)和风干块体(AD)两种制样技术构建不同密度试样；(2)通过双闭环控制系统(垂直应力控制环和水平剪切控制环)维持平面应变条件；(3)基于Nova流动规则和Shuttle-Jefferies方法估算临界状态参数；(4)结合非共轴性分析(ξ-α)揭示应变局部化机制。

研究结果揭示：

1. 固结路径特征：当τ_{z??_c}/σ′_{z_c}=0.34时，b和α分别达0.18和30°；K_??(σ′_??/σ′_z)先降至0.54后回升，表明边坡应力历史显著影响材料状态。
2. 剪切行为演化：破坏时b=0.25-0.28，α=45-50°，与砂土数据趋势一致；AD试样虽处于密实状态(e=0.547-0.595)却持续收缩，打破传统认知。
3. 非共轴效应：当ξ-α>10°时触发应变局部化，导致密实试样反常收缩现象，揭示结构失稳新机制。
4. CSD响应：η_IL=0.95时发生排水失稳，对应8m水头上升的临界条件，b和α分别为0.22和32°。

该研究首次系统量化了边坡条件下尾矿材料的b-α-η_c耦合关系，建立的平面应变试验方法克服了传统直剪仪(SGI-DSS)的应力未知缺陷。发现的非共轴诱导局部化机制为解释密实材料反常收缩提供了新视角，而CSD空心圆柱试验数据则为边坡渗流稳定性分析提供了关键参数。这些突破性成果将显著提升尾矿库液化风险预测的可靠性，对GISTM指南要求的"基于可靠试验的数值分析"具有重要实践意义。