Modélisation des éboulements rocheux par la méthode des éléments discrets : application aux évènements réels

par Yeison Cuervo

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Pascal Villard.

Le président du jury était Jordi Corominas.

Le jury était composé de Pascal Villard, Marina Pirulli, Eric Dimnet.

Les rapporteurs étaient Luuk Dorren, Alfredo Taboada.


  • Résumé

    La compréhension et la prévision des phénomènes d'éboulements rocheux sont des éléments déterminants pour la gestion des risques dans l'aménagement des zones et des infrastructures de montagnes, qui nécessitent, entre autre, la mise au point d'outils numériques opérationnels permettant d'anticiper la trajectoire des épisodes rocheux et les zones susceptibles d'être impactées. L'approche numérique proposée dans le cadre de la thèse, est basée sur une modélisation numérique discrète qui permet de simuler le comportement collectif de blocs rocheux lors d'un éboulement, en considérant des blocs de géométrie réaliste et une topographie tridimensionnelle du versant de propagation. Pour faciliter son utilisation en bureau d'études, le modèle numérique de contact, qui gère les interaction entre les blocs et entre les blocs et le versant de propagation, fait appel à un nombre restreint de paramètres, pouvant être estimés par des mesures in situ ou par des rétro-analyses de cas existants. Les paramètres les plus influant sur les mécanismes de propagation sont : la géométrie des blocs et la topographie de surface, les paramètres dissipatifs de contact tels que le coefficient de restitution normale qui agit dans la direction normale au contact, le coefficient de frottement qui agit dans la direction tangentielle au plan de contact, et la résistance au roulement entre la pente et les blocs rocheux dans l'hypothèse d'un impact rocheux sur un sol meuble.La thèse présente des nombreuses données de terrain qui ont servies de base à l'analyse des mécanismes de propagation sur d'anciens cas d'éboulements et sur des falaises potentiellement instables. Des méthodes permettant la reconstruction d'un volume instable pour la modélisation de la propagation ont été développées sur la base des modèles tridimensionnels de terrain. Après des tests de validation et de compréhension du modèle numérique, ce dernier a été appliqué à des cas réels. Trois sites, très différents en termes de géométrie, ont été retenus pour tester le modèle numérique. Les paramètres d'études sont suivant les cas, les mécanismes de propagation, les mécanismes de dissipation d'énergie, les zones de dépôt, les forces d'interactions et les énergies d'impact sur des structures de protection.Ce travail a permis d'établir une méthodologie de modélisation des éboulements rocheux adaptée à l'ingénierie. Un protocole spécifique permettant de déterminer ou d'estimer les paramètres a été proposé et des logiciels de pré et post traitements permettant à la fois une analyse pertinente et rapide des résultats ont été développés. La corrélation entre les résultats numériques et les observations de terrain sont satisfaisantes et les résultats en termes de prévision encourageants.

  • Titre traduit

    Discret element modeling of rockfalls and application to real events


  • Résumé

    Understanding and predicting rock avalanches are key elements in risk management when developing mountainous areas. Due to the complexity of the mechanisms involved, developments of numerical and operational tools are useful and necessary to properly estimate block trajectories and define riskiest areas. The numerical approach proposed in this thesis is based in the discrete element method which allows simulating the collective behavior of a group of rocks by using realistic block geometries and three-dimensional slope topographies. The numerical contact model handles interaction between the blocks and between the blocks and the slope by using a limited number of parameters that can be estimated by in situ measurements or feed-back analysis of ancient rockfalls events. The most influential parameters in the propagation phenomena are: the geometry and shape of blocks and topography, the contact parameters such as the normal restitution coefficient which acts in the normal direction to the contact, the friction coefficient acting in the tangential direction to the contact plane and the rolling resistance coefficient of blocks with the slope that somehow accounts of the impact mechanisms in case of soft soil.Various field results of past rockfall events or instable rocky cliffs are presented in the thesis. In addition, different procedures allowing the modeling of the whole unstable volume involved in the propagation motion are presented through real applications by using three-dimensional terrain models as input data. The numerical model was applied to three real rockfalls events, very different in terms of geometry. The parameters analyzed concerned mainly the propagation distances and energy dissipation mechanisms, deposit zones, interaction forces and impact energies on protective structures.A specific protocol for determining and estimating the contact parameters was proposed and some pre and post processing software enabling both relevant and rapid analysis of the results have been developed. The correlation between the numerical results and field observations are satisfactory with very encouraging results in terms of forecasting.


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