Evaluating Hydro-Mechanical Properties of Waste Rocks by Considering Scale Effect

Les roches stériles extraites des mines sont généralement entreposées en surface sous forme de haldes à roches stériles. Elles sont utilisées de plus en plus comme matériaux de construction pour des constructions sur site ou hors site minier. La détermination de leurs propriétés hydromécaniques est cruciale pour assurer une conception et construction économique et stable des infrastructures faites de roches stériles, qui constitue l'objectif final de cette thèse. Il s'agit cependant d'une tâche difficile car les stériles ont généralement une gradation largement étalée avec des particules aussi petites que des silts et aussi grandes que des blocs en mètres. La revue de la littérature montre qu'il existe un grand nombre de publications sur la détermination de la résistance au cisaillement des remblais rocheux, mais très peu sur les stériles. La revue de la littérature montre également que la majorité des travaux publiés sur les stériles ont été réalisés en suivant des méthodes d'essai développées en génie civil. Par conséquent, la norme ASTM D3080/D3080M-11 a été largement utilisée dans les essais de cisaillement direct sur des roches stériles alors que la norme ASTM D2434-19 a été largement utilisée pour les essais de perméabilité à charge hydraulique constante. La première stipule que le ratio de la largeur d'un échantillon (W) par rapport à la taille minimum des particules (dmax) ne doit pas être inférieur à 10, tandis que la seconde exige que le ratio du diamètre d'un échantillon (D) par rapport au rapport à la dmax soit égal ou supérieur à 8 ou 12, dépendamment du pourcentage des particules grossières. Ces exigences peuvent être atteintes facilement pour les matériaux à particules fines. Mais elles constituent des obstacles considérables pour les matériaux granulaires grossiers comme le gravier, les remblais rocheux et les roches stériles lors des essais en laboratoire. Pour surmonter ces difficultés, plusieurs techniques en échelle réduite ont été proposées et largement utilisées en éliminant les particules trop grandes. En plus, le ratio minimum requis de 10 pour le W/dmax donné par l'ASTM D3080/D3080M-11 a été utilisé dans presque tous les essais de cisaillement direct, tandis que le rapport minimum requis de 10 ou de 12 pour le D/dmax stipulé par l'ASTM D2434-19 a été largement utilisé dans les essais de perméabilité à charge hydraulique constante, même si la validité de ces rapports minimum requis n'est jamais clairement démontrée. Le premier objectif spécifique (OS) de cette thèse est d'identifier une fiable technique en échelle réduite qui peut être utilisée pour déterminer correctement la résistance au cisaillement des matériaux à particules grossières, tels que le gravier, les remblais rocheux et les roches stériles. Le deuxième OS est de vérifier la validité du rapport minimum requis de la norme ASTM D2434-19 pour les échantillons et d'identifier un rapport minimum requis suffisamment grand qui peut être utilisé pour obtenir une mesure fiable de la conductivité hydraulique saturée. Pour atteindre ces OSs, une revue de littérature a d'abord été réalisée sur les résultats publiés et obtenus par des essais de cisaillement direct sur des matériaux granulaires grossiers. On a constaté que la méthodologie utilisée antérieurement par les chercheurs pour vérifier la validité ou invalidité des techniques en échelle réduite dans l'estimation de la résistance au cisaillement des matériaux de terrain est inappropriée. La fiabilité de toutes les techniques en échelle réduite reste inconnue, même si la technique en échelle réduite parallèle est la plus populaire et la plus utilisée. En plus, le rapport minimum requis de 10 pour le W/dmax stipulé dans la norme ASTM D3080/D3080M-11 pour les essais de cisaillement direct n'est pas assez grand pour éliminer l'effet de taille d'échantillon (ETE). La fiabilité de tous les résultats publiés précédemment et obtenus en utilisant ce rapport minimum requis devient discutable. Afin de savoir quel est le rapport minimum requis de W/dmax pour éliminer l'ETE, une série d'essais de cisaillement direct a été réalisée en utilisant trois boîtes de cisaillement direct de tailles différentes. De nouveau, les résultats montrent que le rapport minimum requis de 10 pour le W/dmax n'est pas assez grand pour éliminer l'ETE. En revanche, un rapport de W/dmax égal ou supérieur à 60 semble être suffisamment grand pour éviter l'ETE dans les essais de cisaillement direct. Ce rapport a été appliqué ensuite pour évaluer la fiabilité des techniques en échelle réduite par une série d'essais de cisaillement direct réalisés sur des échantillons de « terrain » et des échantillons d'échelle réduite avec différentes dmax, préparés en appliquant les techniques en échelle réduite tronquée et parallèle. Les angles de frottement des échantillons d'échelle réduite ayant des valeurs de dmax inférieures à celles des échantillons de terrain ont été utilisés pour établir des équations prédictives entre l'angle de frottement et la dmax pour chaque technique en échelle réduite. Ces équations ont ensuite été utilisées pour prédire les angles de frottement des échantillons de terrain. Les comparaisons entre les angles de frottement mesurés et prédits des échantillons de terrain indiquent que la technique en échelle réduite tronquée peut être utilisée pour prédire les angles de frottement des échantillons de terrain, et que la technique en échelle réduite parallèle ne permet pas de prédire les angles de frottement des échantillons de terrain. Bien que les résultats précédents montrent un aperçu intéressant de la validité ou de 'invalidité des techniques en échelle réduite, on constate que les échantillons de terrain ont été limités à une valeur de 5 mm pour la dmax afin de respecter le rapport minimum requis de 60 pour le W/dmax avec la grande boîte de cisaillement direct spéciale de 30 cm de largeur. La question qui se pose est comment obtenir l'angle de frottement des échantillons de terrain dont la valeur de dmax est supérieure à 5 mm sans appliquer les techniques en échelle réduite. Pour répondre à cette question, une équation basée sur les résultats expérimentaux disponibles a été proposée entre les angles de frottement normalisés par l'angle de frottement des échantillons suffisamment grands et le ratio de W/dmax. Avec cette équation et l'angle de frottement mesuré avec un échantillon ayant un W/dmax < 60, l'angle de frottement du même échantillon à W/dmax = 60 peut être prédit. Afin de tester la validité de cette méthode proposée, on a profité de théorie selon laquelle l'angle de repos d'un matériau correspond à l'angle de frottement interne du même matériau à l'état le plus lâche. Une série d'essais de cisaillement direct a donc été réalisée en plaçant lentement les matériaux dans des boîtes de cisaillement pour obtenir un échantillon à l'état le plus lâche. Une autre série d'essais en tas a été réalisée pour obtenir l'angle de repos des différents échantillons. Les comparaisons entre les angles de frottement mesurés et prédits indiquent que la méthode proposée peut être utilisée pour prédire les angles de frottement des matériaux granulaires grossiers ayant une valeur dmax supérieure à 5 mm. Tout comme l'analyse des propriétés mécaniques des matériaux granulaires grossiers, une analyse a également été faite sur les mesures existantes de conductivité hydraulique saturée. Presque toutes les études antérieures ont été réalisées en utilisant le rapport minimum requis de 8 ou 12 pour le D/dmax spécifié par l'ASTM D2434-19 pour les essais de perméabilité à charge hydraulique constante des matériaux granulaires, même si la fiabilité du rapport minimum requis de 8 ou 12 pour le D/dmax n'a jamais été testée. Pour étudier si le rapport minimum requis de 8 ou 12 est suffisamment grand pour éviter tout ETE et pour identifier le rapport minimum requis de D/dmax pour éviter tout ETE, des essais de perméabilité à charge constante ont été réalisés en utilisant quatre colonnes de dimensions différentes sur quatre échantillons avec différentes valeurs de dmax. Les rapports de D/dmax des échantillons testés varient entre 13 et 252. Les résultats montrent de nouveau que le rapport minimum requis de 12 est trop petit pour éviter l'ETE dans les essais de perméabilité à charge hydraulique constante. Les résultats expérimentaux montrent plutôt qu'une valeur de D/dmax comprise entre 170 et 252 devrait être suffisamment grande pour éliminer l'ETE.