Mechanical behavior of rockfill materials - Application to concrete face rockfill dams

par Cristian, Julian Nieto Gamboa

Thèse de doctorat en Mécanique des sols et modélisation numérique

Soutenue le 28-03-2011

à l'Ecole centrale Paris, dans le cadre de Sciences pour l'ingénieur, en partenariat avec Laboratoire mécanique des sols, structures et matériaux (laboratoire) .

Le président du jury était Bernard Cambou.

Les rapporteurs étaient Christian Mariotti, Ali Daouadji.

  • Titre traduit

    Comportement mécanique des enrochements - Application aux barrages à masque amont en béton.


  • Résumé

    Le barrage poids en enrochement dont l’étanchéité est assurée par un masque en béton sur sa face amont est de plus en plus utilisé aujourd’hui. Son appellation courante est « CFRD1 ». La conception de ce type d’ouvrage est effectuée en suivant des « règles » de conception empiriques. Dans la dernière décennie, plusieurs barrages de type CFRD de grande hauteur ont subi la rupture de leur masque en béton lors de la première mise en eau, montrant ainsi la défaillance de l’approche empirique.Il s’avère alors nécessaire de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu, notamment dans le comportement des enrochements sous fortes contraintes. Ce travail de thèse commence par une recherche bibliographique montrant que les fortes contraintes ont un effet important dans la rupture des particules. Cette rupture est influencée par les caractéristiques des particules, l’assemblage et les conditions mécaniques imposées. Une fois les facteurs influençant la rupture de particules identifiés, on s’intéresse aux modèles de comportement tenant compte de ce phénomène. La plupart des modèles étudiés englobent les différents facteurs d’influence dans un ou plusieurs paramètres difficilement identifiables par les essais mécaniques courants. Un modèle proposé dans le cadre de la thermodynamique prenant en compte la distribution de taille des particules a été retenu pour une analyse plus approfondie. Cette analyse aboutit au besoin d’identifier deux phénomènes importants : i) la distribution de tailles de particules suite à la rupture, et ii) la relation entre la rupture de particules et la dissipation d’énergie par frottement. Concernant le premier phénomène, un modèle probabiliste est proposé. Ce modèle tient compte de l’effet de la taille des particules dans la probabilité de rupture. La comparaison des simulations aux résultats expérimentaux pour un sable montre une bonne approximation de la variation des courbes granulométriques. Concernant la relation entre la rupture de particules et la dissipation d’énergie par frottement, des essais triaxiaux ont été analysés thermodynamiquement sur un plan « énergie reçue/énergie rendue » par le système (l’échantillon de sol). Sur ce plan, on étudie le comportement dissipatif sans rupture qui se traduit par une relation linéaire. Les matériaux présentant une rupture des particules montrent une relation différente. Donc, ce plan permet de mettre en évidence la différence entre l’énergie dissipée par le matériau sans rupture et celui avec rupture de grains. Cette différence est associée au travail mécanique dû à la rupture des particules. Différentes conclusions et perspectives sont proposées à ce point pour le développement de modèles de comportement. Une conséquence directe de la dépendance de la probabilité de rupture avec la taille des particules est l’existence d’un effet d’échelle. Une théorie d’effet d’échelle récemment proposée pour l’enveloppe de rupture a été validée dans le cadre des relations contraintes-déformations. Ceci permet de modéliser la réponse contrainte-déformation d’un matériau contenant des particules de taille significative à partir d’un matériau de granulométrie réduite.Finalement, quelques recommandations de modification aux pratiques existantes dans la conception de barrages à masque amont en béton ont été proposées suite à des analyses de modèles en éléments finis.


  • Résumé

    The concrete face rockfill dam (CFRD) is a type of dam widely constructed nowadays. The design “rules“ for this type of dam have remained totally empirical. During the last decade, several high CFRDs have experienced the cracking of the concrete face during first reservoir impounding. This shows the limitations of the current empirical state of practice. It is important to understand the different physical mechanisms leading to these problems, especially those concerning the mechanical behavior of rockfill materials. Looking for answers to this problem, this thesis starts by a bibliographic research which shows that particles breakage is an important issue on the mechanical behavior of rockfills. The particles breakage phenomenon is affected by the characteristics of individual particles, the packing conditions of the assembly and the imposed mechanical solicitations. Once the factors affecting particles breakage have been identified, we study the constitutive models that have introduced the particles breakage phenomena. Most of them reduce the influence of the different factors to a couple of parameters, which are not easily identifiable through current laboratory tests. One constitutive model proposed on a thermodynamic framework has been retained for a more detailed analysis. This analysis leads to two main topics of interest: i) the description of the grain-size distribution due to particles breakage, and ii) the relationship between dissipation of energy and particles breakage. Concerning the first topic, a probabilistic model is proposed to describe the evolution of particles breakage and the variation of the grain-size distribution curve. This model takes into account the dependency of breakage probability with particles size. The comparison between model response and laboratory experiences shows good agreement for the variation of the grain-size distribution curves.Concerning the relationship between dissipation of energy by friction and particles breakage, several drained triaxial tests have been studied thermodynamically on a plot called “input/output power” of the system (soil sample). On this plot, we study the dissipative behavior without particles breakage, which is characterized by a straight line. Materials experiencing particles breakage show a different form. Therefore this plot allows identifying the difference between the dissipated energy of materials with and without particles breakage. This difference is associated to the particles breakage phenomena. Several conclusions and future works are proposed at this point related to the description of the mechanical behavior of rockfills.A direct consequence of the dependency of particles breakage on the particles size is the existence of a size-scale effect. A theory recently proposed for the shear-strength envelope has been validated for the stress-strain relationships. This allows estimating the stress-strain response of a material with very coarse particles from a material with reduced grain-size distribution.Finally, some recommendations to the current practice of CFRDs design are proposed, based on analyses with finite element models.

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