Experimental assessment of the instability locus in iron ore tailings: Influence of grading and stress paths

Abstract

Ensuring the stability of tailings storage facilities (TSFs) remains one of the major challenges in the mining industry. Static liquefaction has been identified as one of the main mechanisms behind recent tailings dam failures. When the in-situ stress path reaches or exceeds the current undrained strength of the soil, a minor perturbation under undrained conditions may trigger liquefaction, potentially leading to flow failure. This process results in an abrupt loss of strength, rapid strain accumulation, and the generation of positive excess pore pressures. The undrained strength limit at which this onset occurs is referred to as the instability line, typically represented in terms of effective stress in the q-p′ plane. Despite advances in laboratory techniques, the lack of warning preceding recent liquefaction failures highlights important gaps in understanding the factors that govern instability in tailings. This study investigates factors affecting the instability line in iron ore tailings, with a focus on the influence of material grading and complex stress paths. Additionally, it assesses the applicability of shear wave velocity measurements for monitoring purposes and examines the role of the state parameter in controlling shear wave velocity behaviour. A comprehensive laboratory testing programme was conducted, including triaxial compression tests, hollow cylinder tests, bender element tests, and resonant column tests. The experimental results demonstrated that both the critical state line (in the e-p′ and q-p′ planes) and the instability stress ratio are affected by fines content. This behaviour may be attributed to changes in mineralogy and particle shape introduced by the addition of fines in the studied mixtures. Hollow cylinder tests were used to simulate plane strain conditions, which are typical of below-slope stress states. These tests showed that increases in both principal stress rotation (α) and intermediate principal stress ratio (b) lead to a more contractive undrained response compared to standard triaxial compression, resulting in lower instability stress ratios. The magnitude of this effect was found to depend on the initial state parameter (ψ0). Bender element tests performed during the CSD stress path demonstrated that shear wave velocity (V s ) is a reliable indicator of changes in mean effective stress in tailings. Furthermore, the results indicate that V s measurements in dense states exhibit lower stress dependency compared to loose states. The findings provide insights into key factors controlling instability in iron ore tailings and offer experimental evidence that may contribute to the safer and more efficient management of tailings storage facilities.

Garantir a estabilidade de barragens de rejeitos (TSFs) continua sendo um dos principais desafios da indústria da mineração. A liquefação estática tem sido identificada como um dos principais mecanismos por trás das recentes falhas em barragens de rejeitos. Quando a trajetória de tensões in situ atinge ou excede a resistência não drenada do solo, uma perturbação mínima sob condições não drenadas pode desencadear a liquefação, potencialmente levando a uma ruptura por fluxo. Esse processo resulta em perda abrupta de resistência, rápida acumulação de deformações e elevada poro pressão. O limite de resistência não drenada no qual esse processo se inicia é conhecido como linha de instabilidade, tipicamente representada em termos de tensões efetivas no plano q–p′. Apesar dos avanços nas técnicas laboratoriais, a ausência de sinais prévios às falhas recentes por liquefação evidencia lacunas importantes na compreensão dos fatores que governam a instabilidade em rejeitos. Este estudo investiga os fatores que afetam a linha de instabilidade em rejeitos de minério de ferro, com foco na influência da distribuição granulométrica e de trajetória de tensões complexas. Além disso, avalia-se a aplicabilidade de medições de velocidade de onda de cisalhamento (V s ) para fins de monitoramento e o papel do parâmetro de estado em Vs. Um programa abrangente de ensaios laboratoriais foi conduzido, incluindo ensaios triaxiais, ensaios em hollow cylinder, bender elements e de coluna ressonante. Os resultados experimentais mostraram que tanto a linha de estado crítico (nos planos e–p′ e q–p′) quanto a razão de tensões na instabilidade são afetadas pelo teor de finos. Esse comportamento pode ser atribuído a alterações na mineralogia e na forma das partículas introduzidas pela adição de finos nas misturas estudadas. Ensaios no hollow cylinder foram utilizados para simular condições de deformação plana, típicas de estados de tensões abaixo de taludes. Esses ensaios indicaram que o aumento tanto na rotação dos esforços principais (α) quanto na razão de tensões principais intermediária (b) resulta em uma resposta não drenada mais contrátil em comparação ao cisalhamento triaxial convencional, levando a menores razões de tensões na instabilidade. A magnitude desse efeito mostrou-se dependente do parâmetro de estado inicial (ψ0). Os ensaios com bender elements realizados durante o caminho de tensões do tipo CSD demonstraram que a V s é um indicador confiável das variações da tensão efetiva média em rejeitos. Além disso, os resultados indicam que em estados densos, as medições de V s apresentam menor dependência da tensão quando comparadas a estados soltos. As conclusões deste trabalho oferecem subsídios relevantes sobre os principais fatores que controlam a instabilidade em rejeitos de minério de ferro e fornecem evidências experimentais que podem contribuir para uma gestão mais segura e eficiente de barragens de rejeitos.