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Modélisation géotechnique Application au découpage de Vouters 1250
No full textNational audienceLa planification des travaux d'exploitation tient compte de nombreux facteurs liés à l'organisation des chantiers, à la ventilation et aux pressions des terrains. Avec l'approfondissement des exploitations, les pressions de terrains deviennent l'un des principaux critères qu'il convient de maîtriser, particulièrement dans des zones influencées par d'anciennes exploitations (AL Heib, 1993). La réalisation d'un projet d'exploitation nécessite une étude géotechnique des conditions naturelles pour la planification des travau
Modélisation géotechnique Application au découpage de Vouters 1250
No full textNational audienceLa planification des travaux d'exploitation tient compte de nombreux facteurs liés à l'organisation des chantiers, à la ventilation et aux pressions des terrains. Avec l'approfondissement des exploitations, les pressions de terrains deviennent l'un des principaux critères qu'il convient de maîtriser, particulièrement dans des zones influencées par d'anciennes exploitations (AL Heib, 1993). La réalisation d'un projet d'exploitation nécessite une étude géotechnique des conditions naturelles pour la planification des travau
Numerical modelling of masonry joints degradation in built tunnels
No full textInternational audienceOld tunnels are generally supported by masonry structure. Nowadays, these constructions present many instability problems (cracks, collapses, convergence, etc.) due to aging phenomena on both blocks and mortars. After the analysis of blocks mechanical behaviour over time [Idris, J., Verdel, T., Al-Heib, M., 2008a. Numerical modelling and mechanical behaviour analysis of ancient tunnel masonry structures. Tunnelling and Underground Space Technology 23, 251-263.], we try in this paper to simulate the evolution of masonry joints mechanical behaviour in built tunnels and to quantify the influence of their mechanical proprieties on the tunnel behaviour by the help of the experimental design method and distinct elements numerical modellin
Distinct Element Method Applied on Old Masonry Structures
No full textMasonry structures have specific aspects and different numerical approaches are available or studying their behavior. The analysis of masonry constructions is a complex task Lourenco, 2002), especially under special loads and when the soil-structure interaction becomes essential for studying the real behavior
Caractérisation expérimentale et numérique du massif rocheux imprimé en 3D pour la modélisation physique à grande échelle
No full textCette 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
Types de ruptures associés à l'orientation des contraintes principales dans des ouvrages souterrains
No full textNational audienceDans des exploitations minieres, en Australie (Gale et al, 1987), au cours du creusement, des cassures sont apparues au toit et au mur des voies dont la hauteur est egale a 2,5 m. La position et l'importance des cassures dependent de l'orientation de l'axe de la galerie par rapport a la plus grande contrainte horizontale. Ce type d'instabilite est aussi rencontre dans la majorite des bassins houillers aux USA ou la contrainte horizontale naturelle est elevee (Hill et al). Les petroliers se sont apercus (Gough et al, 1982) que les puits de forage montrent des formes de rupture caracteristiques telles l'ovalisation, les hors-profils ("break outs"), qui contiennent toute une information sur le champ des contraintes en place, et l' anisotropie du champ horizontal. Cette methode a ete retenue pour l 'etablissement de la carte mondiale des contraintes (Zoback, 1985) surtout dans des domaines ou les mesures directes sont tres difficiles et tres cheres. On considere que la contrainte axiale (contrainte intermediaire) n'intervient pas dans cette analyse . Nous etudierons ce probleme dans le cas d'une galerie circulaire sur un champ de contraintes anisotrope. Ensuite nous analyserons le cas d'une galerie de forme rectangulaire. Pourpouvoir etudier les contraintes principales induites par l'excavation, il faudra dans ce cas employer des methodes numeriques parce qu'il n'existe pas de solutions analytique
Types de ruptures associés à l'orientation des contraintes principales dans des ouvrages souterrains
No full textNational audienceDans des exploitations minieres, en Australie (Gale et al, 1987), au cours du creusement, des cassures sont apparues au toit et au mur des voies dont la hauteur est egale a 2,5 m. La position et l'importance des cassures dependent de l'orientation de l'axe de la galerie par rapport a la plus grande contrainte horizontale. Ce type d'instabilite est aussi rencontre dans la majorite des bassins houillers aux USA ou la contrainte horizontale naturelle est elevee (Hill et al). Les petroliers se sont apercus (Gough et al, 1982) que les puits de forage montrent des formes de rupture caracteristiques telles l'ovalisation, les hors-profils ("break outs"), qui contiennent toute une information sur le champ des contraintes en place, et l' anisotropie du champ horizontal. Cette methode a ete retenue pour l 'etablissement de la carte mondiale des contraintes (Zoback, 1985) surtout dans des domaines ou les mesures directes sont tres difficiles et tres cheres. On considere que la contrainte axiale (contrainte intermediaire) n'intervient pas dans cette analyse . Nous etudierons ce probleme dans le cas d'une galerie circulaire sur un champ de contraintes anisotrope. Ensuite nous analyserons le cas d'une galerie de forme rectangulaire. Pourpouvoir etudier les contraintes principales induites par l'excavation, il faudra dans ce cas employer des methodes numeriques parce qu'il n'existe pas de solutions analytique
Damage assessment of masonry structures subjected to ground movements by physical modelling
No full textLes structures en maçonnerie représentent une proportion importante des maisons individuelles et sont plus vulnérables notamment lorsqu'elles sont soumises à des mouvements de terrain. Pour faire face aux conséquences de ce problème, une plate-forme d'essais a été développée pour simuler des mouvements de terrain et leur effet sur des modèles de structure en surface. Ce travail de thèse s'appuie sur un modèle physique réduit et développe des méthodes d'évaluation des dommages des structures maçonnées à l'aide de l'expérimentation physique. Dans un premier temps, un modèle physique à échelle réduite sous gravité terrestre (1g) a été conçu pour reproduire ce phénomène. Ce modèle d'interaction sol-fondation-maçonnerie est à l'échelle de 1/40. Le sol analogique est constitué d'un sable de Fontainebleau. La fondation de la structure est fabriquée à partir de silicone liquide, et les murs en maçonnerie sont constitués de petits blocs en bois. Pour mesurer les champs de déplacement du sol et de la structure, une technique de corrélation d'images numériques (DIC) est utilisée. Des discussions à propos de l'usage de cette technique lors de la réalisation d'un essai, notamment la prise en compte des erreurs de mesures, ont été également abordées. Dans un deuxième temps, on évalue les dommages par les méthodes conventionnelles basées sur des indicateurs de dommages et des abaques. Ensuite, des nouveaux outils basés sur la technique DIC sont proposés pour réaliser une évaluation de dommages plus efficace, et plus aisée. Le premier outil se basant sur le modèle d'interaction sol-structure de Winkler permet d'identifier les modes de rupture dans la structure. Pour cela, le problème inverse de l'interaction sol-structure a été résolu et les modes de rupture du mur, basés sur les efforts internes, ont été identifiés. Ensuite, un modèle DIC-M est proposé pour reproduire les fissures dans la maçonnerie. Le point clé de ce modèle concerne les mouvements des blocs qui sont simulés par un système d'éléments distincts. Par ce moyen, la reproduction des fissures, puis l'identification et la quantification des fissures deviennent aisées. Plus précisément, un nouvel indicateur de dommages lié à la longueur des fissures permet de mieux quantifier les dommages et de cartographier les fissures. L'incertitude de mesure est déterminée par une simulation de Monte-Carlo des erreurs de déplacements. Dans un troisième temps, la performance des outils développés est évaluée au travers d'un exemple d'évaluation des dommages potentiels. Une maison individuelle en maçonnerie soumise aux mouvements de terrain a été étudiée à l'aide de l'expérimentation physique. Une campagne d'essais considérant les positions les plus sensibles par rapport à la cuvette d'affaissement est réalisée. L'évaluation du niveau de dommage a été réalisée à l'aide des mesures de déformations et des caractéristiques de fissures observées. La comparaison entre les méthodes conventionnelles et la méthode développée montre la pertinence de l'indicateur longueur des fissures, et cet indicateur peut être considéré comme un nouvel outil lors d'évaluation des dommages dans la pratique. Pour conclure, des recommandations opérationnelles ont été suggérées afin d'obtenir une meilleure estimation du niveau de dommages de la structure.Masonry structures present a significant proportion of individual houses and are especially more vulnerable when subjected to ground movements. To deal with consequences of this problem, a test-platform has been developed in order to simulate ground movements and their effect on structure models on the surface. This thesis is based on a reduced physical model and develops damage assessment methods for masonry structures using physical modelling. Firstly, a small-scaled physical model under Earth's gravity (1g) has been developed to reproduce this phenomenon. This model of soil-foundation-masonry interaction has a scale factor of 1/40. The analogue soil consists of the Fontainebleau sand. The foundation part of the structure is made of liquid silicon and masonry walls are made from small wooden blocks. To measure displacements fields of the soil and the structure, a digital image correlation (DIC) technique is used. Discussions about the use of this technique when performing a test, especially the consideration of measurement errors, are also addressed. Secondly, we first assess the damage through conventional methods based on damage indicators and graphs. Then, new easy to use tools based on the DIC technique are proposed to carry out a more effective damage assessment. The first tool helps identify failure modes in the structure, based on the Winkler soil-structure interaction model. To do this, the inverse problem of soil-structure interaction is resolved, and the failure modes, based on internal forces, are identified. Then, a DIC-M model is proposed to reproduce the crack propagation in the masonry wall. The key point of this model consists in the simulation of the block movements in a discrete element system (DES). Consequently, cracks can appear easily, and then the crack identification and quantification become easier. More precisely, a new damage indicator related to the cumulated length of cracks allows to better quantify the damage and the cartography the cracks. The measurement uncertainty is determined by Monte-Carlo simulation. Thirdly, the performance of proposed tools is discussed through an example of assessing potential damages. An individual house in masonry subjected to ground movements was studied using physical experimentation. A test campaign related to the most sensitive positions of the structure with respect to the subsidence centre is performed. Damage assessment is conducted using deformation measurement and crack characteristics. The comparison between conventional and developed methods shows the relevance of the damage indicator related to the cumulated length of cracks, and this indicator can be considered as a new tool for damage assessment in practice. Finally, operational recommendations are suggested in order to obtain a better estimation of the damage level of the structure
Explicit modeling of initiation and propagation of fractures
No full textL’étude du comportement des roches nécessite de comprendre leur réponse sous diverses sollicitations. L’étude énergétique de l’endommagement des roches est indispensable pour prédire les phénomènes dynamiques. Ces phénomènes sont dus au développement de fissures dans les roches soumises à des fortes contraintes initiales et induites. La fissuration est une forme de dissipation d’énergie qui permet de rétablir l'équilibre du milieu. L’objectif de la thèse est de modéliser la fissuration dans les milieux rocheux dans la perspective d’étudier le comportement des ouvrages souterrains à grande profondeur. Le développement des modèles capables de représenter la fissuration, la coalescence des fissures et leur interaction avec des fractures préexistantes est indispensable. De la littérature, il ressort deux principales approches théoriques et numériques de modélisation de la fissuration : continue et discrète. Une synthèse critique de ces approches nous a conduit à retenir l’approche discrète et plus particulièrement le code Yade dans le cadre de cette thèse. Ce code permet de simuler explicitement la fissuration avec ou sans fractures pré-existantes. Des développements ont été effectués afin de tenir compte des différentes formes d’énergie intervenant dans le comportement des roches soumises à des sollicitations. En particulier une corrélation entre l’énergie de fissuration numérique et l’activité microsismique observée sur des échantillons en laboratoire en compression. Les différentes composantes énergétiques explicitées puis implémentées dans Yade sont : le travail externe, l’énergie potentielle, l'énergie élastique, l’énergie de frottement, l’énergie de fissuration, l'énergie cinétique et l’énergie dissipée en amortissement. La validation de l’approche énergétique a été réalisée grâce à la simulation des essais de laboratoire. L’évolution des différentes composantes énergétiques a permis de vérifier que le bilan des énergies est correctement évalué. Le bilan énergétique a également été vérifié à échelle de structures en simulant l’excavation souterraine d’un Mine-by Experiment (URL Manitoba). L’extension de la zone endommagée induite par l’excavation prédite numériquement a été comparée à celle observée in-situ autour du Mine-by Experiment. Il a été constaté que l’endommagement prédit est similaire à celui observé dans les directions des contraintes initiales mineure et majeure. Par ailleurs la formulation énergétique permet d’étudier numériquement les processus de fissuration des roches. Wassermann (2006) a réalisé des essais de compression uniaxiale et triaxiale sur des échantillons de minerai de fer lorrain. Nous avons modélisé ces essais. La comparaison qualitative des événements acoustiques et des énergies de fissuration issues respectivement des essais et des simulations numériques a montré des tendances similaires. Par contre, la comparaison d’un point de vue quantitatif a montré que le nombre des événements acoustiques numériques est plus important que celui déterminé expérimentalement. L’énergie dissipée par fissuration numérique est également plus importante que celle obtenue sur les essais. Cette différence est expliquée par le fait que les capteurs du dispositif expérimental ne détectent pas tous les événements acoustiques. Les résultats obtenus pourront permettre de mieux comprendre les cinétiques des phénomènes dynamiques dans les ouvrages souterrains profonds. Une autre application a consisté à modéliser un pilier de mine de fer de Joeuf (Lorraine). Le modèle numérique montre deux modes de fissuration dans le pilier : (a) écaillage en peau de pilier, (b) deux bandes de rupture s’initiant du mur et toit du pilier pour se propager vers le cœur du pilier. Ce travail offre de bonnes perspectives pour mieux comprendre la propagation de la fissuration à plus grande échelle mais aussi de progresser dans la recherche de corrélation entre la géomécanique et la géophysiqueThe study of rock mass behavior requires the understanding of their response under various loadings. The study of rock damage from an energetic point of view is essential in order to predict dynamic phenomena. These phenomena are due to the development of cracks in rocks subjected to strong initial and induced stresses. Fracturing is a form of energy dissipation that restores the balance of the involved medium. The aim of the thesis is to model rock cracks and study the behavior of underground structures at great depths. The development of models able to simulate the fracturing, the coalescence of cracks and their interaction with pre-existing fractures is essential. In the literature, there are two main theoretical and numerical approaches for crack modeling: continuous and discrete. A detailed analysis of these approaches has led us to choose the discrete approach and more particularly the code Yade. This code enables to simulate explicitly cracks propagation with or without pre-existing fractures. Developments have been made to evaluate the different forms of energy involved in rock behavior. In particular, a correlation between the cracks energy determined numerically and the microseismic activity observed in laboratory samples has been performed. The various energy components developed and then implemented in Yade are: external work, potential energy, elastic energy, friction energy, cracks energy, kinetic energy and damping energy. Validation of the energy approach was carried out by simulating laboratory tests. The evolution of the various energy components permits to verify that the energy balance is correctly evaluated. The energy balance was also verified at a structure scale by simulating the underground excavation of a Mine-by Experiment (URL Manitoba). The extension of the damaged zone induced by excavation and predicted by numerical simulations was compared with that observed in-situ around the Mine-by Experiment. It has been found that the predicted and the observed damage are similar in the directions of initial minor and major initial stresses. In addition, the energy formulation enables to study numerically the fracturing process of rocks. Wassermann (2006) performed uniaxial and triaxial compression tests on samples of iron ore from Lorraine. We have modeled these tests. The qualitative comparison of acoustic events and cracks energies determined from tests and numerical simulations showed similar trends. On the other hand, the quantitative comparison showed that the number of numerical acoustic events is greater than the number of experimental acoustic events. Also, the energy dissipated by cracks determined numerically is greater than the energy measured in the tests. This difference is explained by sensors accuracy of the experimental device, which are not able to detect all the generated acoustic events. The results obtained will allow us to better understand the dynamic phenomena in the deep underground structures. Another application consisted in modeling an iron ore pillar of Joeuf (Lorraine). The numerical model shows two modes of cracking in the pillar: (a) flaking of pillar wall, (b) two breaking bands initiating from the wall and the roof of the pillar to propagate towards his core. This provides good perspectives for better understanding cracks propagation at a larger scale, also to progress in the understanding of the correlation between geomechanics and geophysic
Development of an analytical model of soil-structure interaction for studying the mechanical behavior of structures due to ground movement : Effect of shear deformations and plasticity
No full textCe travail s'inscrit dans la continuité des travaux de recherche menés au laboratoire Géoressources (Ecole des Mines de Nancy) et à l'INERIS depuis plusieurs années. Il concerne l’évaluation de la vulnérabilité des ouvrages situés dans des zones de mouvement de terrains d’origine naturelle ou anthropique. L’objectif de la thèse est de développer un modèle analytique permettant l’évaluation du tassement différentiel d’un ouvrage soumis à un mouvement de terrain et de calculer le taux de transmission de ces mouvements en fonction de la rigidité relative de l’ouvrage. Le modèle d’interaction sol-structure développé, tient compte de l’influence des contraintes de cisaillement dans le bâti et le terrain et d’un comportement poste-rupture du sol grâce à l’introduction d’une limite de plasticité. Le sol a été modélisé par les éléments de Pasternak afin de prendre en compte l'influence des déformations de cisaillement dans le sol, alors que le bâtiment est modélisé par la poutre d'Euler-Bernoulli et par la poutre de Timoshenko. L’existence potentielle d’un vide (décollement) sous le bâtiment a également été prise en compte dans le modèle analytique développé. Le taux de transmission des mouvements en champ libre du terrain au bâtiment a été calculé et présenté en fonction de la rigidité relative en flexion du bâtiment par rapport au terrain. Pour valider le développement entrepris, les résultats du modèle analytique ont été comparés aux résultats de modèles existants, analytiques, numériques et expérimentaux développés principalement par l'Université de Cambridge. Les résultats obtenus sont très satisfaisants et permettant de confirmer la robustesse du modèle analytique développéThis work is a continuation of the research work conducted in the Géoressources Laboratory and INERIS since several years. It concerns the assessment of the vulnerability of masonry structures influenced by natural or induced ground movements. The origins of the movement are may be, mining subsidence, tunneling, and shrinkage-swelling of clayed ground. The objective of the thesis is to develop an analytical model to evaluate the differential settlement of a structure in relation to the free field ground movement and given a set of phenomena: soil-structure interaction, influence of shear deformations in the structure and the ground, influence of non- linearities induced by the ground yielding. The soil was modeled by Pasternak elements to take into account the influence of shear deformations in the soil, while the building is modeled by the Euler-Bernoulli beam and by the beam of Timoshenko. The possibility of having a gap under the building was also taken into account. The deflection transmission ratio is then calculated and plotted according to are lative stiffness ratio which depend on both the structure and the soil stiffness A numerical model is also developed and results are compared with those of the analytical model. Other results of several numerical and experimental models principally developed at the University of Cambridge are also used for this comparison. Results show significant consistence between all these results. This demonstrates the significance of the analytical soil-structure model developed in this thesi
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