Numerical, Analytical and Experimental Studies of the Hydrogeotechnical Behaviors of Slurried Materials

Les mines produisent des minéraux précieux, mais aussi une grande quantité de rejets miniers solides, y compris des résidus miniers et des stériles. Dans la plupart des cas, les résidus sont transportés par des canalisations et confinés dans des parcs à résidus, tandis que les stériles sont entreposés sous forme de haldes à stérile. Ces méthodes traditionnelles de gestion des rejets miniers peuvent poser des problèmes environnementaux et géotechniques. Une autre méthode consiste à utiliser les rejets miniers pour remblayer les chantiers miniers sous terre, ce qui peut améliorer la stabilité du terrain, augmenter la récupération du minerai et réduire le stockage en surface des rejets miniers. Cependant, les digues des parcs à résidus et les barricades dans les chantiers miniers peuvent se rompre. Dans la plupart des cas, les conséquences d'une rupture d'une digue de retenue ou d'une barricade sont très graves et même catastrophiques. Il est donc très important d'évaluer correctement la pression interstitielle lors du remplissage afin de garantir la stabilité des digues de retenue des résidus et des barricades de chantiers remblayés. C'est l'objectif principal de la thèse. Pour le dépôt de matières en suspension (résidus miniers ou boues de dragage), Gibson a proposé un modèle en 1958 pour évaluer la pression interstitielle en excès. Sa solution contient une intégrale qui ne peut être évaluée que numériquement. Des solutions analytiques sont donc proposées dans le cadre de cette thèse basées sur le modèle de Gibson (1958). Les solutions analytiques proposées peuvent être résolues à l'aide d'outils de calcul couramment disponibles (e.g. Excel de Microsoft). Les solutions proposées ont été validées par les résultats numériques obtenus par SIGMA/W. Le bon accord entre les résultats analytiques et numériques indique que les solutions proposées peuvent être un outil utile pour évaluer la pression interstitielle pendant le dépôt de matière en suspension, en particulier au stade préliminaire du projet. Dans le cas d'une opération après la fin du dépôt, Gibson n'a proposé qu'une équation différentielle en 1958. Cette équation différentielle ne peut pas être appliquée directement pour évaluer la pression interstitielle ou l'excès de celle-ci. De nouveaux développements ont été réalisés, menant à une nouvelle solution qui peut être utilisée pour évaluer la pression interstitielle avec des outils de calcul tels que MATLAB. Les solutions proposées ont également été validées par les résultats numériques obtenus par SIGMA/W. Elles peuvent être utilisées pour évaluer la pression interstitielle après le dépôt de matières en suspension (résidus miniers ou boues de dragage) au stade préliminaire d'un projet. Pour la conception de barricade dans les chantiers remblayés, le facteur le plus important à considérer est la contrainte totale exercée sur celle-ci pendant et peu de temps après le dépôt du remblai. Au cours de ce processus, une consolidation du dépôt sous son poids propre peut avoir lieu, accompagnée de la génération d'une contrainte effective et d'un effet d'arche le long des interfaces de contact. Jusqu'à présent, la consolidation sous le poids propre et l'effet d'arche n'avaient jamais été pris en compte simultanément dans l'évaluation des contraintes dans les chantiers remblayés. Dans cette thèse, de nouvelles solutions sont proposées pour évaluer les contraintes totales et effectives des chantiers remblayés en prenant en compte la consolidation sous le poids propre et l'effet d'arche. Pour les remblais à très haute perméabilité, la solution proposée pour le cas de base imperméable peut être réduite à la solution proposée par Li et Aubertin en 2009 pour les chantiers remblayés à pression hydrostatique. Les solutions proposées sont également validées par une modélisation numérique réalisée avec Plaxis2D. Un exemple d'application des solutions proposées montre qu'un coefficient de consolidation élevé et un faible taux de remblayage sont favorables au drainage, ce qui se traduit par une contrainte effective élevée et une contrainte totale faible dans le chantier remblayé. Malgré les nombreuses études sur la pression et les contraintes exercées sur les chantiers remblayés, un dilemme existe. Dans les quelques manuels disponibles sur les remblais miniers, les pressions dans les chantiers remblayés avec du remblai en pâte ont été jugées très faibles. Une légère construction de barricade a été recommandée pour conserver le remblai en pâte dans les chantiers miniers. Cela ne correspond pas aux mesures in situ, qui ont montré que les pressions interstitielles et les contraintes totales au cours de l'opération de remblayage peuvent être aussi élevées que la pression iso-géostatique due au poids des terres. Une révision de la définition du remblai en pâte donnée dans les manuels révèle qu'un remblai en pâte répondant au critère en termes de saignement d'eau peut être très visqueux et probablement non saturé. Lorsque ce remblai est placé dans un chantier, il se produit un effet d'arche associé à la cohésion apparente, ce qui entraîne de faibles contraintes dans les chantiers remblayés. En pratique, l'application d'un tel remblai en pâte peut être très difficile. Il faut ajouter plus d'eau dans le remblai pour réduire la consommation d'énergie nécessaire au pompage et au transport, pour obtenir une surface de remblayage horizontale ou pour assurer des contacts étroits entre le remblai et le plafond du chantier. Lorsque le remblai en pâte est placé dans le chantier sous forme de boue, le remblai n'a aucune résistance effective au cisaillement. Les pressions interstitielles et les contraintes totales peuvent être aussi élevées que la pression iso-géostatique due au poids des terres. Ces deux cas extrêmes indiquent que les pressions et les contraintes dans les chantiers remblayés dépendent de la teneur en eau ou en solides du remblai. Pour étayer cette hypothèse, une série d'essais sur colonne a été réalisée avec un remblai en pâte de différents pourcentages de solides. Les contraintes totales verticales ont été mesurées au centre et près du mur. Les résultats montrent que les contraintes totales verticales dans un chantier diminuent à mesure que le pourcentage de solides augmente. Lorsque le pourcentage de solide du remblai est très élevé, une contrainte totale verticale faible au centre et près du mur a été obtenue. Une légère construction de barricade suffit. Lorsque le pourcentage de solides est faible, les contraintes totales verticales aussi élevées que la pression iso-géostatique ont été obtenues. Une légère construction de barricade peut ne pas suffire. Les principaux résultats de ce projet sont présentés dans sept articles de revue, dont deux publiés et cinq soumis. Les résultats des travaux connexes ont été présentés dans les annexes, incluant notamment les résultats des essais de laboratoire effectués pour mesurer le coefficient de pression des terres dans les chantiers remblayés et ceux sur l'efficacité de la réduction du frottement en utilisant différents matériaux lubrifiants.