Caractérisation expérimentale et numérique du massif rocheux imprimé en 3D pour la modélisation physique à grande échelle

Experimental and Numerical Characterization of 3D-Printing Rock mass for Large-scale Physical Modelling

• Auteur / Autrice : Emilio Abi Aad
• Direction : Olivier Deck, Marianne Conin, Marwan Al-Heib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Génie civil
• Date : Soutenance le 20/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Fanny Descamps
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Deck, Marianne Conin, Marwan Al-Heib, Muriel Gasc-Barbier, Patrick Baud, Ioannis Stefanou
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Muriel Gasc-Barbier, Patrick Baud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Modèles réduits

Modèles mathématiques

Propriétés mécaniques

Sable

Impression 3D

Simulation, Méthodes de

Construction souterraine

Roches, Mécanique des

Mots clés libres

Mécanique des roches

Ouvrages souterrains

Modélisation physique

Modèles réduits d'ouvrages souterrains

Modélisation numérique

Reduced-Scale models of underground structures

Numerical modeling

Rocks mechanics

Underground structures

Physical modeling

Résumé

Cette thèse est une contribution au développement d'un dispositif expérimental de modélisation physique à l'échelle réduite de massifs rocheux fracturés aléatoirement faisant l'objet d'une excavation souterraine (mines, carrières, tunnels, forages). Ce travail consiste à utiliser la technique d'impression 3D combinant du sable et un liant phénolique, pour introduire explicitement des joints rocheux à propriétés mécaniques et morphologie contrôlés. La démarche de la thèse consiste en une caractérisation du comportement mécanique du sable imprimé, une campagne expérimentale de caractérisation du comportement mécanique au cisaillement de discontinuités imprimées et d'éprouvettes cylindriques incluant des discontinuités, le développement d'une stratégie de suivi de l'état de contrainte et de déformation dans le matériau sable imprimé et l'élaboration d'un test préliminaire dans le dispositif final Dimitri. La caractérisation du matériau sable imprimé se révèle être particulièrement intéressant pour étudier des analogues de roches naturels non résistante poreux, anisotrope (orthotrope), et caractérisée par un comportement de transition fragile-ductile. En second partie des essais de cisaillement direct sont réalisé sur des joints rugueux assimilés à un objet fractal imprimé en 3D. Dans un second temps, des éprouvettes cylindriques contenant trois configurations de discontinuités à géométrie réel (rugueuse + ponts rocheux) sont fabriquées et testées sous compression uni-axiale. Il s'agit d'une première tentative d'un modèle réduit explicitement discontinu et contenant des joints ayant un comportement mécanique contrôlé. Les résultats permettent de mettre l'accent sur l'influence des discontinuités sur le comportement global d'un massif rocheux. Cette étude expérimentale est complétée par une étude numérique dans le logiciel UDEC, utilisant la technique de Voronoi tessellation, dans le but de reproduire le comportement du matériau analogue, et de l'utiliser dans la modélisation numérique du prototype modélisé par la modélisation physique.

This thesis contributes to developing an experimental device for physically modeling reduced-scale fractured rock masses subjected to underground excavation (mines, quarries, tunnels, boreholes). The approach uses 3D printing technology to create sand-based specimens with controlled mechanical properties and morphology, explicitly incorporating rock joints. The thesis consists of the mechanical characterization of the printed sand material, an experimental campaign to characterize the shear behavior of printed discontinuities and cylindrical specimens containing discontinuities, the development of a stress and strain monitoring strategy in the printed sand material, and a preliminary test in the final Dimitri device. The characterization of the printed sand material proves particularly valuable for studying non-resistant porous analogues of natural rocks, characterized by anisotropy (orthotropy) and exhibiting a brittle-ductile transition behavior. Direct shear tests are conducted on rough joints modeled as 3D-printed fractal objects in the second part. Subsequently, cylindrical specimens containing three configurations of real geometry discontinuities (rough joints with rock bridges) are manufactured and tested under uniaxial compression. This represents the first attempt at an explicitly discontinuous reduced-scale model containing joints with controlled mechanical behavior. The results highlight the influence of discontinuities on the overall behavior of a rock mass. This experimental study is complemented by a numerical study using the UDEC software, employing Voronoi tessellation to reproduce the behavior of the analogue material and utilize it in the numerical modeling of the prototype modeled by physical modeling.