Analyses numériques du comportement et de la stabilité sismique et post-sismique des parcs à résidus miniers, avec et sans inclusions de roche stérile, pour divers aléas de l'est du Canada

Les ruptures de parc à résidus induites par des séismes peuvent avoir lieu pendant l'événement sismique ou après, principalement en raison des pressions interstitielles en excès générées par le chargement cyclique. Plusieurs travaux de recherche ont porté sur les mécanismes conduisant à la rupture d'un parc à résidus lors d'un tremblement de terre, mais les processus de rupture post-sismiques et les techniques pour obtenir des parcs plus stables n'ont pas été considérés de manière aussi approfondie. Cette thèse porte sur le potentiel de liquéfaction des résidus miniers de roche dure, l'estimation du volume de résidus liquéfiés et la possibilité d'induire une rupture sismique ou post sismique en tenant compte de l'intensité et le contenu fréquentiel de séismes, la géométrie du parc à résidus et le type de fondation. Le travail de thèse étudie aussi l'augmentation potentielle de la stabilité sismique et post sismique avec l'utilisation des techniques de renforcement comme la densification de résidus et avec l'ajout d'inclusions de roches stériles (IRS/WRI) à l'intérieur du parc à résidus. Une série d'analyses numériques a été réalisée afin d'évaluer le comportement de parcs à résidus construits avec des digues rehaussées par la méthode amont, pour des pentes de 13H:1V, 11H:1V, 9H:1V et 6H:1, en utilisant des accélérogrammes de hautes et basses fréquences ajustées à des intensités sismiques caractéristiques de deux régions minières de l'est du Canada. Les simulations ont été réalisées à l'aide du logiciel FLAC en utilisant le modèle constitutif PM4Sand pour modéliser le comportement des résidus et le modèle PM4Silt pour l'argile silteuse de la fondation. Le modèle PM4Sand a été calibré à partir de résultats d'essais menés en laboratoire et sur le terrain qui ont permis de caractériser le comportement des résidus miniers de roche dure. La calibration des paramètres permet de reproduire de manière raisonnable le comportement lors d'un chargement quasi-statique monotone, et elle fournit un excellent ajustement des courbes de résistance cyclique mesurées en laboratoire à différentes pressions de confinement et indices de densité. Les résultats obtenus indiquent que le modèle PM4Sand peut être utilisé sans modification majeure pour simuler le comportement cyclique des résidus de mines en roches dures de faible plasticité. Le modèle PM4Silt a été calibré à partir d'un nombre d'essais de laboratoire plus limité; sa calibration est donc considérée comme moins robuste que celle de PM4Sand pour les résidus miniers. Les résultats obtenus montrent néanmoins que le modèle PM4Silt fournit un ajustement adéquat pour les essais menés sur des argiles à l'état normalement consolidé (NC) et sur-consolidé (OC). Les résultats des simulations du comportement de parcs à résidus montrent que le volume relatif de résidus liquéfiés est lié au volume critique déplacé pour les deux types de fréquences. Les séismes à haute fréquence ont cependant tendance à induire un plus faible volume de résidus liquéfiés et de plus petits déplacements dans le parc que les événements à basse fréquence, pour une intensité Arias (IA) identique. Les analyses post-sismiques indiquent que pour les conditions analysées ici, de nombreux parcs à résidus seraient potentiellement instables, avec des déplacements continus et des vitesses non-nulles au-delà de la durée de l'événement. Les sollicitations de basse fréquence sont plus susceptibles d'induire une instabilité que celles à haute fréquence en raison de la plus grande quantité de résidus liquéfiés et du gros volume critique déplacé. Les résultats des simulations en phase sismique ont été utilisés pour développer des relations pour estimer le volume relatif de résidus liquéfiés en fonction des mesures d'intensité, et les résultats de la phase post-sismique ont été utilisés pour définir un seuil au volume de résidus liquéfiés nécessaire pour déclencher une instabilité. L'évaluation des techniques de renforcement indique que la densification des résidus peut diminuer le volume de résidus liquéfiés et les déplacements pendant la phase sismique, mais cette technique ne réduit pas de manière significative l'incidence de rupture post-sismique. Les inclusions de roche stérile (IRS/WRI) peuvent réduire légèrement ou modérément le volume des résidus liquéfiés, selon l'intensité sismique, alors que le renforcement produit par les IRS peut réduire significativement les déplacements latéraux; les parcs à résidus avec IRS montrent une amélioration des performances encore plus marquées pendant la phase post-sismique. L'utilisation de WRI est considérée comme une bonne approche pour améliorer la stabilité sismique des parcs à résidus et elle peut donc s'avérer très utile pour réduire le risque de rupture induite par les séismes. La comparaison des résultats des simulations effectuées pour deux types de sols de fondation montre que le volume de résidus liquéfiés serait plus grand pour un parc à résidus avec une fondation du till sur le socle rocheux que pour un parc à résidus avec une fondation d'argile silteuse sur du till et le socle rocheux. Les mesures d'intensité des séismes analysées (CAV, AI et PGA) sont amplifiées pour les deux types de fondations (par rapport au roc). Les rapports d'amplification moyens pour la fondation de till sont toutefois plus élevés que pour la fondation d'argile silteuse (sur du till). Les résultats obtenus sur l'influence du matériau de fondation sont cependant spécifiques aux cas particuliers étudiés ici. Les résultats présentés ici devraient s'avérer utiles pour aider à évaluer le comportement et le risque associé aux installations d'entreposage de résidus (existantes ou prévues) pour des mesures d'intensité représentatives. Une telle évaluation peut aider à déterminer l'effet de la technique de renforcement par IRS dans le parc à résidus, ainsi que pour évaluer d'autres approches comme une modification de la méthode de construction des digues. Pour des parcs à résidus existants où une possible rupture est identifiée, la méthodologie permettrait aussi d'estimer le volume critique approximatif de résidus mobilisés. Mots clés : Parc à résidus, liquéfaction, résidus miniers, PM4Sand, liquéfaction, calibration, PM4Silt, stabilité sismique, rupture post sismique

Abstract

Seismically induced ruptures of tailings impoundments can take place during a seismic event or shortly after, primarily due to the excess interstitial pore water pressures generated by cyclic loading. Several studies have focused on the mechanisms leading to failure of an impoundment during an earthquake, but the post-seismic failure processes and techniques to obtain more stable impoundments have not been considered as extensively. This thesis investigates the liquefaction potential of hard rock tailings, the estimation of the volume of liquefied tailings and the possibility to induce seismic or post-seismic failure of an tailings impoundment considering the effect of the intensity, frequency content of the motions, impoundment geometry and type of foundation. The thesis also studies the improvement potential of seismic and post-seismic stability with the use of reinforcement techniques such as the tailings densification and with the addition of waste rock inclusions (WRI) inside of the tailings impoundment. A series of numerical analyses was performed in order to evaluate the behaviour of tailings impoundments build with dikes raised using upstream method, for slopes of 13H:1V, 11H:1V, 9H:1V and 6H:1V, for high and low frequency motions adjusted to characteristics seismic intensities of two mining regions in eastern Canada. The simulations were conducted in FLAC using the PM4Sand constitutive model the behaviour of the tailings and the PM4Silt model for the silty clay of the foundation. The PM4Sand model was calibrated using laboratory and field tests results that characterized the behaviour of hard rock mine tailings. The calibrated model reasonably reproduces the behaviour under monotonic quasi static loading, and provides an excellent fit of the cyclic strength curves measured in the laboratory at different confining pressures and density indices. The results obtained indicate that the PM4Sand model can be used without major modification to simulate the cyclic behavior of low plasticity hard-rock tailings. The PM4Silt model has been calibrated from a more limited number of laboratory tests, its calibration is therefore considered less robust than the PM4Sand calibration for tailings. The results obtained nevertheless show that the PM4Silt model provides an adequate adjustment for the test performed on clays in the normally consolidated (NC) and overconsolidated (OC) state. The results of simulations of the behaviour of tailings impoundment show that the relative liquefied volume is related to the critically displaced volume for both types of motion frequencies. However, high frequency motions tend to induce lower volume of liquefied tailings and smaller displacements on the impoundment than low frequency events, for identical Arias Intensity (AI). Post seismic analyses indicate that for the analyzed conditions, many tailings impoundments would be potentially unstable, with ongoing displacements and non-zero velocities beyond the event duration. Low frequency motions are more likely to induce failure than high frequency motions due to the larger amount of liquefied tailings and large critically volume displaced. The results of the seismic phase simulations were used to develop relationships to estimate the relative volume of liquefied tailings as a function of intensity measures, and the results of the post seismic phase were used to define a threshold of volume of liquefied tailings necessary to trigger an instability. The evaluation of reinforcement techniques indicates that tailings densification can decrease the volume of liquefied tailings and displacements during the seismic phase, but this technique does not significantly reduce the incidence of post-seismic failure. Waste rock inclusions, WRI, can slightly or moderately reduce the volume of liquefied tailings, depending on the seismic intensity, while the reinforcement produced by the WRI can significantly reduce lateral displacements; tailings impoundments with WRI show an even more marked improvement during the post-seismic phase. The use of WRI is considered a good approach to improve the seismic stability of tailings impoundments and can therefore be very useful in reducing the risk of earthquake-induced failure. The comparison of the results of the simulations performed on two different types of foundation soils shows that the volume of liquefied tailings would be greater for a tailings impoundment with a till foundation on bedrock than for a tailings impoundment with a silty clay over till foundation and bedrock. The intensity motion measures analyzed (CAV, AI and PGA) are amplified for the two types of foundations (compared to rock). However, the average amplification ratios for the till foundation are higher than for the silty clay (over till) foundation. The results obtained regarding the influence of the foundation are however specific to the particular cases studied here. The results presented here should prove useful to help assess the behaviour and risk associated with tailings storage facilities (existing or planed) for representative intensity measures. Such evaluation can help to determine the effect of the WRI reinforcement technique in the tailings facility, as well as evaluate other approaches such as a modification of the digues construction method. For existing tailings impoundments where a possible rupture is identified, the methodology would also make it possible to estimate the approximate critical volume of mobilized tailings. Key words: Tailings impoundment, liquefaction, seismic stability, post-seismic failure, PM4Sand, PM4Silt, calibration