Analyse numérique des mécanismes de rupture critiques des semelles en remblai cimenté excavées à la base en plusieurs séquences

L'exploitation minière constitue une source de revenue importante dans de nombreux pays à travers le monde tels que le Canada, l'Australie, la Guinée, etc. La demande en matières premières s'accroit continuellement afin de soutenir le développement de la technologie, la croissance démographique et économique dans les pays en voie de développement. Avec l'épuisement des gisements de surface ou à faibles profondeurs, l'exploitation minière progresse de plus en plus en profondeur dans des conditions géomécaniques plus défavorables et les risques d'instabilité deviennent plus élevés. Le design de chantiers et de structures stables constitue donc un défi majeur auquel sont confrontés les ingénieures en mécanique des roches. L'utilisation du remblai dans ces conditions constitue une solution efficace pour assurer la stabilité du terrain, augmenter la récupération du minerai et réduire la consommation énergétique en ventilation. L'utilisation du remblai dans les mines souterraines s'inscrit également dans le cadre des nouvelles normes environnementales établies dans de nombreux pays afin de réduire l'impact des rejets miniers entreposés en surface. Lorsque les qualités géomécaniques des massifs rocheux sont très mauvaises, l'utilisation du remblai devient une nécessité. Cela permet entre autres de réduire les risques liés aux coups de terrains associés aux contraintes élevées dans les piliers en minerai. Le design des semelles en remblai cimenté se heurte alors à une compréhension peu évoluée et de nombreuses controverses sur les mécanismes de rupture critiques de ces structures. Une avancée majeure a été apportée par Mitchell (1991) avec l'identification de quatre principaux modes de rupture (la flexion, l'effondrement, la rotation et le glissement). Il a également proposé des équations analytiques afin de prédire l'instabilité de la semelle pour chaque mode de rupture. Cependant, ces solutions sont restées peu utilisées dans la pratique compte tenu de nombreuses hypothèses simplificatrices associées à ces travaux. Par exemple, dans le modèle de Mitchell (1991), les épontes rocheuses ont été considérées comme rigides et immobiles. La contrainte verticale exercée sur la semelle a été déduite en appliquant une solution analytique d'effet d'arche en considérant une épaisseur du remblai très grande. En plus, la résistance de cisaillement entre la semelle et les épontes reste inconnue en raison de la non-détermination de la contrainte normale entre la semelle et les épontes rocheuses. Le modèle de Mitchell (1991) a été par la suite révisé par plusieurs chercheurs dont la plupart a reconduit les limitations importantes liées à la convergence latérale des épontes et à l'effet de l'excavation sous-jacente sur la stabilité des semelles. Les travaux de Hughes (2014) et de Pagé et al. (2019) ont permis de mettre en évidence la rupture par écrasement lorsque les contraintes de convergence sont très élevées. Néanmoins, le premier a utilisé des valeurs peu réalistes pour représenter les convergences et le second a surestimé l'effet de la convergence en utilisant des chantiers étroits et en excavant le chantier sous-jacent en une seule couche de hauteur très élevée. Afin d'obtenir une compréhension plus complète sur les mécanismes de ruptures des semelles dans les chantiers souterrains, une série de simulations numériques a été réalisée à l'aide du logiciel RS2 de Rocscience. Les modèles numériques étudiés prennent en compte la variation de plusieurs propriétés géométriques des chantiers et des semelles. L'influence du module de Young du remblai a également été analysée. Les résultats ont montré que l'écrasement est particulièrement plus fréquent dans les chantiers étroits, mais tous les autres modes de rupture peuvent également être observés lorsque la largeur des chantiers devient importante. Un nouveau critère de rupture ou d'instabilité de semelle en remblai cimenté a été établi afin d'identifier d'une façon plus objective l'état critique des semelles soumises à de fortes contraintes latérales et la résistance minimale requise des semelles dans ces conditions. À partir de cette première partie, la flexion a été identifiée comme principal mode de rupture des semelles de grandes portées dans les chantiers verticaux et subverticaux. À la suite de ces résultats, on constate dans un deuxième temps qu'il y a très peu de solutions novatrices disponibles dans la littérature pour améliorer la stabilité des semelles de grandes portées. Dans le cas des semelles de grandes portées, la résistance nécessaire peut être réduite par la réduction des zones en traction parce que les géomatériaux ont souvent une résistance beaucoup plus faible en traction qu'en compression. Dans cette deuxième partie de ce travail, on a investigué une solution novatrice qui consiste à ajuster la géométrie des semelles de grandes portées. La géométrie en archet a été retenue pour cet effet. La stabilité de semelles en forme d'arche a été analysée à l'aide d'une série de simulations numériques. Les résultats ont montré que cette nouvelle géométrie apporte une grande amélioration de la stabilité des semelles, réduit la traction à la base et la résistance minimale requise pour leurs designs. Plus de travaux sont encore nécessaires afin d'optimiser cette géométrie et de mettre à jour de nouvelles géométries plus stables contre les autres modes de ruptures.