Bounding Surface Model for the Cyclic Response of Early-Age Cemented Paste Backfill

ABSTRACT: Cemented paste backfill (CPB), a composite of tailings, water, and cementitious binders, is crucial in modern mining for filling voids left by extracted ore, enhancing structural stability, and managing tailings. As a cementitious material, the mechanical behavior and properties of CPB are time-dependent, influenced by the chemical reactions of cement hydration. After being pumped into underground stopes or voids, CPB undergoes a curing phase, during which its properties evolve as cement hydration progresses. In its early curing stages, CPB exhibits incomplete structural cohesion and high water content, making it particularly vulnerable to dynamic loads from cyclic events like earthquakes and rockbursts. Therefore, accurately modeling the dynamic stress-strain relationship and pore water pressure (PWP) development in early-age CPB is crucial for designing safe, cost-effective CPB structures suited to these challenging underground conditions. This study develops an advanced model within a bounding surface plasticity framework, designed to simulate the cyclic behavior of early-age CPB. A key feature of the model is its ability to capture the time-dependent mechanical properties influenced by binder hydration. Additionally, the model incorporates an enhanced flow rule to accurately predict CPB responses under cyclic loading, particularly in replicating the pore water pressure (PWP) patterns commonly observed in laboratory settings. Validated through simulation, the model shows good agreement with experimental data on CPB samples subjected to cyclic loading, underscoring its practical application. This model provides important insights into the behavior of early-age CPB when subjected to seismic or cyclic loadings, supporting the design of cost-effective CPB structures and the evaluation of their liquefaction potential.

RÉSUMÉ: Le remblai en pâte cimentée (RPC), un mélange de résidus miniers, d’eau et de liants cimentaires, joue un rôle clé dans l’exploitation minière moderne pour combler les vides, améliorer la stabilité structurelle et gérer les résidus. En tant que matériau cimentaire, son comportement mécanique évolue au fil du temps sous l’effet de l’hydratation du ciment. Une fois pompé dans les chantiers souterrains, le RPC entre dans une phase de durcissement, pendant laquelle ses propriétés se développent. Aux premiers stades de durcissement, il présente une faible cohésion structurelle et une teneur en eau élevée, le rendant particulièrement vulnérable aux charges dynamiques telles que les séismes et les ruptures rocheuses. Il est donc essentiel de modéliser avec précision la relation contrainte-déformation dynamique et l’évolution de la pression interstitielle (PWP) dans le RPC jeune pour concevoir des structures sûres et économiques. Cette étude propose un modèle avancé basé sur un cadre de plasticité à surface de charge pour simuler le comportement cyclique du RPC jeune. Une caractéristique clé de ce modèle est sa capacité à capturer les propriétés mécaniques dépendantes du temps, influencées par l’hydratation du liant. De plus, il intègre une règle d’écoulement améliorée pour prédire avec précision les réponses du RPC sous chargement cyclique, en particulier les variations de PWP observées en laboratoire. Les simulations valident la robustesse du modèle, montrant une bonne concordance avec les données expérimentales sur des échantillons de RPC soumis à des chargements cycliques. Ce modèle offre ainsi des perspectives précieuses pour évaluer le potentiel de liquéfaction du RPC jeune et optimiser la conception des structures souterraines.