Analyse des mécanismes d'interaction entre un bloc rocheux et un versant de propagation : application à l'ingénierie

Analyses of the mechanical interaction between a rock mass and a slope : engineering applications.

• Auteur / Autrice : Bruna Da Silva Garcia
• Direction : Pascal Villard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 19/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : François Nicot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Aurélie Chanut, Pierre Plotto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luuk Dorren, Alfredo Taboada

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glissements de roches

Physique -- Modèles mathématiques

Risques naturels

Mots clés libres

Risques naturels

Modélisation

Éboulements rocheux

Natural hazards

Numerical modeling

Rockfall

Résumé

De nombreuses incertitudes liées aux mécanismes d'interaction entre les blocs rocheux et le versant naturel lors des chutes de blocs persistent ; la prévision de tels événements reste de ce fait encore incertaine. Néanmoins, les outils numériques et la puissance de calcul ne cessent d'évoluer. Si, auparavant, les calculs trajectographiques étaient restreints à des géométries simplifiées et à des mouvements balistiques en deux dimensions, il devient désormais possible d'y intégrer des raffinements tels que la forme complexe des blocs, des modèles numériques tridimensionnels de terrain d’une grande définition ou une prise en compte fine des mécanismes dissipatifs au niveau du point d'impact entre le bloc et le versant de propagation.L’objectif principal de la thèse est d’analyser, avec un code numérique discret en trois dimensions, l’influence des paramètres de forme et d’interaction sur la nature du rebond dans un contexte d’ingénierie. Nous présentons tout d’abord une méthodologie d'identification et d'étude de sensibilité des paramètres de contact, élaborée et validée à partir d’expérimentations de laboratoire. Cette méthodologie a été appliquée par la suite à deux expérimentations de chute de blocs menées sur sites réels à moyenne et à grande échelle.L’étude réalisée à moyenne échelle a permis de confronter le modèle numérique à des données obtenues lors d'une campagne expérimentale sur voies ferroviaires commanditée par la SNCF et menée en collaboration avec IRSTEA. Les analyses qui ont été réalisées ont porté sur les vitesses d’impact des blocs avec le ballast et les distances de propagation.L’étude menée à grande échelle s’appuie sur plusieurs séries de lâchés de blocs réalisées sur le site expérimental de la carrière d'Authume dans le cadre d’un Benchmark proposé dans le cadre du Projet National C2ROP. L’objectif principal du Benchmark est de tester et de comparer entre eux des logiciels trajectographiques, des codes de calculs numériques et les pratiques d’ingénierie pour en définir la pertinence et les domaines de validité. Dans le cadre de la thèse, ce travail a été conduit en plusieurs phases (à l’aveugle puis avec des données partielles mesurées lors de la campagne d'essais) et nous présentons l'évolution de ces analyses à l'issue de chacune des phases. L’étude a porté principalement sur les vitesses, les hauteurs et les énergies de passage des blocs en certains points du profil de propagation, ainsi que sur les positions d’arrêt des blocs. Une étude sur l'influence de la forme des blocs sur les distances de propagations est également présentée.Enfin, un Benchmark interne réalisé au sein de l'entreprise IMSRN montre l’importance, sur les analyses, de l'expertise de l'opérateur, et des conséquences de l'utilisation de différents outils trajectographiques (en 2D et en 3D). Ces travaux mettent en lumière les problématiques actuelles auxquelles sont souvent confrontés les bureaux d'études et les ingénieurs en charge des études de risques.

Numerous uncertainties related to the machanical interaction between rock boulders and the natural slope during block falls persist; and the forecast of such events is therefore still uncertain. Nevertheless, digital tools and computing power are constantly evolving. Previously, trajectory calculations were restricted to simplified geometries and two-dimensional ballistic movements, but it is now possible to incorporate refinements such as the complex shape of the blocks, three-dimensional numerical models of terrain of large sizes, as well as a better accounting of the dissipative mechanisms at the point of impact between the block and the run-out slope.The main objective of this work is to analyze, with a discrete elements code in three dimensions, the influence of the shape and interaction parameters on the nature of the rebound in an engineering context. We first present a methodology for identifying and studying the sensitivity of contact parameters, developed and validated from laboratory experiments. This methodology was subsequently applied to two block fall experiments conducted on medium and large real-scale scenarios.The study conducted on a medium scale allowed the numerical model to be compared with data obtained during an experimental rockfall tests campaign commissioned by the SNCF and conducted in collaboration with IRSTEA in a railway. The analyzes that were carried out mainly focused on the impact velocities of the blocks with ballast and propagation distances.The large-scale study is based on a series of block releases performed at the experimental site (Authume quarry, France) as part of a Benchmark proposed inside the National Project C2ROP. The mainly goal of this Benchmark is to access and compare trajectory softwares, numerical computation codes and engineering practices to define their relevance and validity domains. As part of the thesis, this work was conducted in several phases (blind phase and then conducted taking in account partial data measured during the experimental tests) and we present the evolution of these analyzes at the end of each one of these phases. The study focused on the velocities, heights and energies of the blocks at certain points of the propagation profile, as well as on the stopping positions of the blocks. The influence of block shapes on run-out distances is also presented.Lastly, an internal Benchmark performed within the IMSRN company shows the importance, on the analyzes, of the expertise of the operator, and the consequences derived from the application of different trajectography tools (in 2D and in 3D). This work highlights the current issues that are often faced by engineering offices and engineers in charge of risk quantification.