Etude expérimentale et modélisation numérique de la rupture et le comportement mécanique des enrochements : influence de la taille des particules

Experimental study and numerical modeling of crushing and mechanical behavior of rockfill materials : influence of particle size

• Auteur / Autrice : Xialong Zhao
• Direction : Jean-Baptiste Colliat, Yun Jia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 09/07/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle - Laboratoire de Mécanique- Multiphysique- Multiéchelle - UMR 9013 / LaMcube
• Jury : Président / Présidente : Yann Malécot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jun-Gao Zhu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ali Daouadji, Zhenyu Yin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Weibull, Loi de

Essais de compression

Méthode des éléments discrets

Rupture

Barrages en enrochement

Propriétés mécaniques

Enrochements

Mots clés libres

Effet de la taille des particules

Rockfill materials

Size effects

Mechanical behavior

Particle breakage

Weibull distribution

Discrete element modeling

Résumé

La rupture et le comportement mécanique sont des mécanismes essentiels à prendre en compte dans la conception et l’étude de la durabilité des barrages poids en enrochement. La thèse est consacrée à l’étude expérimentale et à la modélisation numérique de ces deux mécanismes en mettant l’accent sur l’influence de la taille des particules. Le mémoire est composé de deux parties : une partie sur l’étude expérimentale et une autre partie sur les simulations numériques. Afin d’étudier l’influence de la taille des particules sur la rupture des particules d'enrochement, des essais de broyage avec une seule particule sont effectués sur les enrochements de Shuangjiangkou avec trois tailles différentes. La résistance à l’écrasement des particules diminue avec l'augmentation de la taille et peut être décrite par la loi de Weibull (module de Weibull de 3,29). L'influence de la taille des particules sur les densités sèches minimales et maximales des matériaux est également étudiée. Enfin, le comportement mécanique des enrochements est étudié via une série d'essais en compression triaxiale. Les résultats expérimentaux montrent que les courbes contrainte-déformation dépendent fortement de la taille des particules : contrainte maximale, angle de frottement interne mobilisé et module sécant augmentent avec l’augmentation de la taille maximale des particules dmax. Les résultats expérimentaux montrent que l’influence de la taille des particules est liée à l’effet combinatoire de la granulométrie et de la résistance à écrasement des grains. Les simulations numériques sont effectuées en utilisant un logiciel open-source par la méthode des éléments discrets, Yade. Dans un premier temps, des essais de broyage à une seule particule sont simulés pour comprendre les micro-mécanismes des effets de la taille des particules sur les caractéristiques de la rupture des enrochements. Les résultats numériques montrent que le rapport volumique des défauts est le principal mécanisme qui contrôle les effets de taille sur la résistance des particules. En se basant sur les investigations expérimentales, un nouveau critère de rupture prenant en compte les effets de la taille des particules est proposé. La formulation et la mise en œuvre du modèle proposé et de la méthode numérique sont d'abord présentées et discutées. Son efficacité dans la modélisation de l'influence de la taille des particules sur le comportement mécanique des matériaux d'enrochement est ensuite démontrée. L'accent est mis sur les effets de la taille des particules sur la résistance à l’écrasement des grains et le comportement de déformation. Les résultats numériques et les observations expérimentales sont comparés et analysés.

Crushing and mechanical behavior is one of the most important issues in the design and stability of rockfill constructions. The present thesis is devoted to experimental investigation and numerical modeling of this mechanism by putting the emphasis on the influences of particle size. It is composed of two parts: experimental investigation and numerical simulation. To investigate the particle size effect on the crushing and strength of rockfill particles, single-particle crushing tests are carried out on Shuangjiangkou rockfill materials with three particle sizes. The obtained particle strength decreases with increasing particle size and can be described by the Weibull distribution with the Weibull modulus of 3.29. The influence of particle size on the minimum and maximum dry densities of studied materials is also investigated by using dry density tests. Finally, the mechanical behavior of studied rockfill materials is studied via a series of triaxial compression tests. One observes that the stress-strain curves depend strongly on the particle size, for instance, the peak stress, the mobilized internal friction angle and the secant Young’s modulus increase with increasing maximum particle size dmax. The experimental results exhibit that the effects of particle sizes are related to the combinative effect of gradation and single particle strength. The numerical simulations are performed by using an open-source discrete element software, Yade. Firstly, the single-particle crushing tests are simulated to understand the micro-mechanisms of the particle size effects on breakage characteristics of rockfill materials. Numerical simulation results exhibit that the flaw volume ratio is the key issue of size effects on particle strength. After that, a new breakage criterion considering the effects of particle size is proposed. The formulation and implementation of proposed model and numerical method are first presented and discussed. Its efficiency in modelling the influence of particle size on the mechanical behavior of rockfill materials are then demonstrated. The emphasis is to put on the effects of particle size on the crushing patterns and deformation behavior. Comparisons between numerical results and experimental observations are presented.