Rock mechanics, failure phenomena with pre-existing cracks and internal fluid flow through cracks

par Mijo Nikolic

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique, génie civil

Sous la direction de Adnan Ibrahimbegovic.

Soutenue le 28-09-2015

à Cachan, Ecole normale supérieure , dans le cadre de École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec Laboratoire de Mécanique et Technologie / LMT (laboratoire) .

Le président du jury était Hermann G. Matthies.

Le jury était composé de Adnan Ibrahimbegovic, Hermann G. Matthies, Bernard A. Schrefler, Ivica Kožar, Predrag Mišcevic.

Les rapporteurs étaient Bernard A. Schrefler, Ivica Kožar.

  • Titre traduit

    Mécanique des roches, phénomènes de rupture avec la prise en compte des fissures existantes et l'écoulement du fluide interne à travers les fissures


  • Résumé

    Cette thèse aborde le problème de la rupture localisée dans les roches, qui caractérise un grand nombre d'applications dans le domaine du génie civil, tels que la rupture du barrage, effondrement des fondations, la stabilité des excavations ou les tunnels, les glissements de terrain et les éboulements. Le risque de rupture localisée devrait être mieux appréhendé pour mieux l'éviter. La rupture localisée dans les roches est généralement caractérisée par une une rupture soudaine et quasi-fragile sans avertissement sous forme de grandes déformations et visibles avant la rupture elle-même. Cela se produit également sous l'influence des hétérogénéités matériels, des fissures existantes et d'autres défauts initiaux.Les trois nouveaux modèles numériques, intégrant les mécanismes de ruptures localisées, l'hétérogénéité de la roche et des fissures existantes et d'autres défauts, sont présentés dans cette thèse. Le premier modèle propose une représentation en 2D de roche composite à deux phases, où la phase solide représente la roche intacte et la faible phase indique les défauts initiaux. Le deuxième modèle représente l'extension du modèle précédent vers un espace 3D, où est considéré un ensemble complet de mécanismes de ruptures en 3D. Les propriétés hétérogènes sont considérées ici par une distribution aléatoire en accord avec la variation statistique de Gausse. Ce modèle est également utilisé pour l'analyse de la roche intacte par spécimens possédant des écarts de formes géométriques qui influencent la résistance à la compression uni-axiale. Le troisième modèle est un modèle en 2D, traitant l’interaction volumétrique entre un fluide et la structure sous l’influence de l’écoulement du fluide à travers le milieu de la roche poreuse.L'approche des lattices discrètes est choisie pour construire un cadre général pour les trois modèles, où les cellules de Voronoï représentent les grains de roche tenus ensemble par les poutres de Timoshenko comme des liens de cohésion. La cinématique améliorée est caractérisée par l'approche intégrée des discontinuités comme un supplément à la cinématique standard de liens cohérents. Cela sert pour la propagation de la macro fissure dans tous les modes de ruptures et de leurs combinaisons, entre les grains de la roche. La formation de la zone du processus de rupture suivie par des microfissures coalescentes, précédant la rupture localisée, est aussi considérée dans les modèles. L’écoulement du fluide est régi par la loi de Darcy, tandis que les conditions de couplage obéissent à la théorie de poroélasticité de Biot.Les résultats des modèles numériques ont été vérifiés par des exemples de la littérature dans le cas des modèles en 2D. Le modèle en 3D a été validé suite aux résultats expérimentaux effectués sur 90 échantillons de roches, où sont considérées de légères déviations géométriques des spécimens.La présentation de ces modèles, ainsi que leurs aspects de mise en œuvre sont présentés en détail. L’approche avec une discontinuité intrinsèque et le caractère local des améliorations nécessaires à la simulation des discontinuités de déplacement orientent vers la condensation statique des degrés de liberté améliorés sont efficacement intégrés dans l’architecture des éléments finis.


  • Résumé

    This thesis deals with the problem of localized failure in rocks, which occurs often in civil engineering practice like in dam failure, foundation collapse, stability of excavaations, slopes and tunnels, landslides and rock falls. The risk of localized failure should be better understood in order to be prevented. The localized failure in rocks is usually characterized by a sudden and brittle failure without warning in a sense of larger and visible deformations prior to failure. This happens also under the strong influence of material heterogeneities, preexisting cracks and other defects.The three novel numerical models, incorporating the localized failure mechanisms, heterogeneity of rock and preexisting cracks and other defects, are presented in this thesis. First model deals with 2D plane strain two-phase rock composite, where stronger phase represents the intact rock and weaker phase initial defects. Second model represents the extension of the previous model towards the 3D space, where full set of 3D failure mechanisms is considered. Heterogeneous properties are taken here through the random distribution and Gauss statistical variation of material properties. The latter model is also used for the analysis of intact rock core specimens geometrical shape deviations influencing the uni-axial compressive strength. Third model is a 2D, dealing with volumetric fluid-structure interaction and localized failure under the influence of fluid flow throughthe porous rock medium.The discrete beam lattice approach is chosen for general framework for three models, where Voronoi cells represent the rock grains kept together by Timoshenko beams as cohesive links. The enhanced kinematics characterized for embedded discontinuity approach is added upon standard kinematics of cohesive links. This serves for the macro crack propagation in all failure modes and their combinations, between the rock grains. The fracture process zone formation followed by micro-cracks coalescence, preceding the localized failure, is considered as well. Fluid flow is governed by a Darcy law, while coupling conditions obey Biot's theory of poroplasticity. The results of the numerical models were verified by the benchmarks available from literature in 2D case. The 3D model was validated against the experimental results conducted on 90 rock specimens, where even slight geometrical deviations of specimens are considered.Presentation of these models, as well as their implementation aspects are given in full detail. Embedded discontinuity concept and the local nature of enhancements required to capture the displacement discontinuities leads to the very efficient approach with static condensation of enhanced degrees of freedom and technique that can be efficiently incorporated into finite element code architecture.


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