De la photogrammétrie à la modélisation 3D : évaluation quantitative du risque d'éboulement rocheux

The use of photogrammetry and 3D discrete element models to better assess rock slope stability

• Auteur / Autrice : Viviana Bonilla Sierra
• Direction : Frédéric Victor Donzé, Luc Scholtès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 10/12/2015
• 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, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Guglielmi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Victor Donzé, Luc Scholtès, Pierre Plotto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Farid Laouafa, Frédéric Pellet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glissements de roches

Éboulements

Photogrammétrie

Mots clés libres

Stabilité de falaises rocheuses

Photogrammétrie

Plans de discontinuité non-persistants

Ponts rocheux

Rupture progressive

Modélisation numérique par DFN-DEM

Rock slope stability

Photogrammetry

Non-Persistent discontinuities

Rock bridges

Progressive failure

DFN-DEM numerical modelling

Résumé

Les analyses structurale et mécanique des pentes rocheuses constituent des éléments clés pour l'évaluation de leur stabilité. L'utilisation complémentaire de la photogrammétrie et des modèles numériques qui couplent les réseaux discrets de discontinuités (DFN selon son sigle en anglais) avec la méthode des éléments discrets (DEM selon son sigle en anglais), présente une méthodologie qui peut être utilisée pour évaluer le comportement mécanique des configurations tridimensionnelles de terrain pour lesquelles l'existence de discontinuités non persistantes peut être supposée. La stabilité des masses rocheuses est généralement supposée être contrôlée par la résistance au cisaillement le long des plans de discontinuité. Si les discontinuités sont non persistantes, avec leur continuité interrompue par la présence de ponts rocheux (portions de roche intacte reliant la masse rocheuse au massif), leur résistance apparente augmente considérablement. Dans ce cas, la contribution des ponts rocheux localisés entre ces discontinuités doit être prise en compte dans l'analyse de stabilité. La déstabilisation progressive des massifs rocheux dans lesquels des discontinuités non persistantes sont présentes, peut être étudiée par des simulations numériques réalisées à l'aide de l'approche DEM. La roche intacte est représentée comme un assemblage de particules (ou éléments discrets) liées entre elles par des contacts dont les lois de comportement spécifiques peuvent être calibrées pour représenter correctement le comportement de la roche. L'intérêt de la méthode est qu'elle permet de simuler l'initiation de la rupture et sa propagation à l'intérieur de la matrice rocheuse du fait de la rupture des contacts cohésifs entre les particules. De plus, les discontinuités préexistantes peuvent être prises en compte explicitement dans le modèle en utilisant une loi de contact ad hoc qui assure un comportement mécanique représentatif des plans de discontinuité. Des analyses de stabilité ont été effectuées et ont mis en évidence le rôle des ponts rocheux dans la génération de nouvelles surfaces de rupture qui peuvent se développer à travers des mécanismes de rupture mixte en traction et en cisaillement. On peut considérer la formulation de Jennings comme l'une des premières méthodes d'analyse de la stabilité des pentes rocheuses qui évaluent la résistance au glissement comme une combinaison pondérée des résistances mécaniques des ponts rocheux et des plans de discontinuité. Sa validité a été discutée et systématiquement comparée aux résultats obtenus à partir de simulations numériques. Il a pu être montré que la formulation de Jennings perd sa validité dès que la rupture des ponts rocheux intervient majoritairement par des mécanismes de traction. Une formulation complémentaire a alors été proposée. En ce qui concerne l'étude de la stabilité des massifs rocheux sur site, il a été montré que l'association entre les données issues de la photogrammétrie en haute résolution et l'approche DFN-DEM peut être utilisée pour identifier des scénarios de rupture. L'analyse en retour de cas réels a montré que les surfaces de rupture peuvent être simulées comme le résultat de mécanismes combinant la fracturation des ponts rocheux et le glissement le long des discontinuités préexistantes. La rupture d'un dièdre qui a eu lieu dans une mine de charbon australienne, a été utilisée pour valider cette méthodologie. Des simulations numériques ont été réalisées pour déterminer les scénarios pour lesquels les surfaces de rupture simulées et celles repérées sur le terrain, peuvent être utilisés pour calibrer les paramètres de résistance du modèle numérique. Le travail présenté ici répond à un besoin plus général visant à améliorer la gestion des risques naturels et miniers liés aux masses rocheuses instables. La méthodologie proposée constitue une alternative robuste dédiée à renforcer la fiabilité des analyses de stabilité pour les pentes rocheuses fracturées à structure complexe.

Structural and mechanical analyses of rock mass are key components for rock slope stability assessment. The complementary use of photogrammetric techniques and numerical models coupling discrete fracture networks (DFN) with the discrete element method (DEM) provides a methodology that can be applied to assess the mechanical behaviour of realistic three-dimensional (3D) configurations for which fracture persistence cannot be assumed. The stability of the rock mass is generally assumed to be controlled by the shear strength along discontinuity planes present within the slope. If the discontinuities are non–persistent with their continuity being interrupted by the presence of intact rock bridges, their apparent strength increases considerably. In this case, the contribution of the rock bridges located in-between these discontinuities have to be accounted for in the stability analysis. The progressive failure of rock slope involving non–persistent discontinuities can be numerically investigated based upon simulations performed using a DEM approach. The intact material is represented as an assembly of bonded particles interacting through dedicated contact laws that can be calibrated to properly represent the behaviour of the rock material. The advantage of the method is that it enables to simulate fracture initiation and propagation inside the rock matrix as a result of inter-particle bond breakage. In addition, pre–existing discontinuities can be explicitly included in the model by using a modified contact logic that ensures an explicit and constitutive mechanical behaviour of the discontinuity planes. Stability analyses were carried out with emphasis on the contribution of rock bridges failure through a mixed shear-tensile failure process, leading to the generation of new failure surfaces. Jennings' formulation being considered to be one of the first rock slope stability analysis that evaluates the resistance to sliding as a weighted combination of both, intact rock bridges and discontinuity planes strengths, its validity was discussed and systematically compared to results obtained from numerical simulations. We demonstrate that the validity of Jennings' formulation is limited as soon as tensile failure becomes predominant and an alternative formulation is proposed to assess the resulting equivalent strength. Regarding field slope stability, we show that the combination of high resolution photogrammetric data and DFN-DEM modelling can be used to identify valid model scenarios of unstable wedges and blocks daylighting at the surface of both natural and engineered rock slopes. Back analysis of a real case study confirmed that failure surfaces can be simulated as a result of both fracture propagation across rock bridges and sliding along pre-existing discontinuities. An identified wedge failure that occurred in an Australian coal mine was used to validate the methodology. Numerical simulations were undertaken to determine in what scenarios the measured and predicted failure surfaces can be used to calibrate strength parameters in the model. The work presented here is part of a more global need to improve natural and mining hazards management related to unstable rock masses. We believe that the proposed methodology can strengthen the basis for a more comprehensive stability analysis of complex fractured rock slopes.