Thèse Année : 2017

Mechanical Behavior of Tailings: Laboratory Tests from a Swedish Tailings Dam

Comportement mécanique des résidus : essais en laboratoire dans un barrage à résidus suédois

Riaz Bhanbhro

Résumé

Tailings is leftover material from mining industry and is produced in huge quantities approximately 70-99% of the ore production. Tailings material is stored as impoundments by constructing tailings dams which are often constructed with tailings material itself. Tailings are artificial material and the mechanical behavior of tailings material upon loading is different as compared to natural soil materials. There are number of dam failures reported every year which has severe impact on inhabitants and environment nearby. Considering the failures of tailings dams and consequences there is a need to understand the tailings material in depth for safe existence of these dams. The confident dam design can assure the safe existence of tailings dams for long term as these dams are presumed to function for generations to come. The material properties in tailings dams can change during operation due to raising of new layer. Raised new layer can change stress level, which in turn may change the material properties in terms of strength, pore pressures, grain sizes etc. Today mostly tailings dam are designed by performing analysis for safety for existing and future rasings as well. These analyses are based upon a for certain factor of safety. Not very much can be done with design and analysis for tailings material if the material is not described very well. Understanding of tailings material in depth can provide help for detailed material parameters which later can be used in safety assessment for future raising and changed conditions in dam. This study presents the work carried out on tailings material from a Swedish tailings dam. The study is conducted on undisturbed and disturbed tailings material. The undisturbed tests are carried out to understand material properties as per in-situ conditions. Whereas disturbed materials are used to created different materials with different particles sizes. Initially in this study the basic properties of tailings materials are studied e.g. specific gravity, phase relationships, particle sizes, particle shapes and shear behavior on collected samples at various depths. During direct shear tests, the unexpected vertical height reductions were observed, these results are presented in this study. The comparison of strength parameters by direct shear and triaxial tests on material from various depths is also done and presented. Based on results from direct shear, triaxial and oedometer tests on uniform sized tailings material; the evaluation of primary and secondary deformations and particle breakage and effect of vertical loads is also carried out and presented. The study also includes the comparison of strength parameters for each particles size. The breakage of particles is analyzed by sieving the material after direct shear tests followed by a particle shape study. The effect of deposition on shear strength parameters is also studied by construction of samples with different angle of deposition of material. The strength parameters of uniform sized particles in triaxial tests are also evaluated and discussed.

Les résidus sont des restes de l'industrie minière et sont produits en quantités énormes, soit environ 70 à 99 % de la production de minerai. Les résidus sont stockés sous forme de bassins de retenue en construisant des digues à résidus qui sont souvent construites avec les résidus eux-mêmes. Les résidus sont des matériaux artificiels et leur comportement mécanique lors du chargement est différent de celui des matériaux naturels du sol. De nombreuses ruptures de barrages sont signalées chaque année, ce qui a de graves conséquences sur les habitants et l'environnement à proximité. Compte tenu des défaillances des barrages à résidus et de leurs conséquences, il est nécessaire de comprendre en profondeur les résidus pour assurer la sécurité de ces barrages. La conception fiable des barrages peut garantir l’existence sûre des barrages à résidus à long terme, car ces barrages sont présumés fonctionner pour les générations à venir. Les propriétés des matériaux dans les digues à résidus peuvent changer pendant l'exploitation en raison de la montée d'une nouvelle couche. Une nouvelle couche surélevée peut modifier le niveau de contrainte, ce qui à son tour peut modifier les propriétés du matériau en termes de résistance, de pressions interstitielles, de granulométrie, etc. Aujourd'hui, la plupart des barrages de résidus sont conçus en effectuant également une analyse de sécurité pour les rasages existants et futurs. Ces analyses sont basées sur un certain facteur de sécurité. Il n’est pas possible de faire grand-chose en matière de conception et d’analyse des résidus si ceux-ci ne sont pas très bien décrits. Une compréhension approfondie des matériaux des résidus peut fournir une aide pour les paramètres détaillés des matériaux qui peuvent ensuite être utilisés dans l'évaluation de la sécurité en cas de rehaussement futur et de modifications des conditions du barrage. Cette étude présente les travaux réalisés sur les résidus d'un barrage à résidus suédois. L'étude est menée sur des résidus intacts et perturbés. Les tests non perturbés sont effectués pour comprendre les propriétés des matériaux selon les conditions in situ. Alors que les matériaux perturbés sont utilisés pour créer différents matériaux avec différentes tailles de particules. Initialement, dans cette étude, les propriétés de base des matériaux de résidus sont étudiées, par ex. densité spécifique, relations de phase, tailles de particules, formes de particules et comportement au cisaillement sur des échantillons collectés à différentes profondeurs. Lors d'essais de cisaillement direct, des réductions inattendues de hauteur verticale ont été observées, ces résultats sont présentés dans cette étude. La comparaison des paramètres de résistance par des essais de cisaillement direct et triaxiaux sur des matériaux de différentes profondeurs est également réalisée et présentée. Basé sur les résultats d'essais de cisaillement direct, triaxiaux et œdométriques sur des résidus de taille uniforme ; l'évaluation des déformations primaires et secondaires, de la rupture des particules et de l'effet des charges verticales est également réalisée et présentée. L'étude comprend également la comparaison des paramètres de résistance pour chaque taille de particule. La casse des particules est analysée par tamisage du matériau après des essais de cisaillement direct suivi d'une étude de forme des particules. L'effet du dépôt sur les paramètres de résistance au cisaillement est également étudié par la construction d'échantillons avec différents angles de dépôt du matériau. Les paramètres de résistance des particules de taille uniforme dans les essais triaxiaux sont également évalués et discutés.

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Dates et versions

tel-04568034 , version 1 (03-05-2024)

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Citer

Riaz Bhanbhro. Mechanical Behavior of Tailings: Laboratory Tests from a Swedish Tailings Dam. Civil Engineering. Lulea University of Technology, Sweden, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04568034⟩
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