Numerical study of the effects of particle's geometric properties on the critical shear strength of granular materials.

« RÉSUMÉ :La transition vers des systèmes énergétiques plus durables et un meilleur stockage de l’énergie est cruciale pour atténuer le changement climatique. Cela nécessite néanmoins une augmentation substantielle et croissante de la production minérale. Par conséquent, l’industrie minière joue un rôle fondamental en fournissant les ressources nécessaires à ces développements technologiques, tout en respectant des exigences de sécurité rigoureuses et en minimisant les impacts environnementaux. Les opérations minières gèrent de grands volumes de roches stériles sans aucune valeur économique qui doivent être excavés pour accéder aux couches riches en minerai. Une fois extraites, les stériles sont stockés dans des haldes, qui comptent parmi les plus grandes structures géotechniques au monde. Les haldes à stériles posent d’importants défis techniques et environnementaux en raison de leur instabilité chimique, hydrogéologique et mécanique. Les matériaux stériles sont souvent constitués de clastes de roches dynamitées à l’état lâche, non compactées et avec une large distribution granulométrique, comprenant de gros fragments de roches angulaires, du gravier, du sable et du silt. Les analyses de stabilité des pentes de ces remblais granulaires lâches sont principalement influencées par l’angle de frottement critique (ϕc), qui est le paramètre du matériau déterminant à mesurer afin de réaliser des designs sûrs. Le surdimensionnement des particules limite les méthodes de caractérisation mécanique des matériaux granulaires grossiers tels que les sols fluviaux graveleux, les enrochements et les roches stériles, car souvent la fraction de matériau la plus grossière ne rentre pas dans les tailles d’échantillons de laboratoire standard. Pour pouvoir caractériser ces matériaux, des techniques à petite échelle, telles que la granulométrie tronquée, scalpée ou parallèle, sont largement appliquées. Ces méthodes modifient la granulométrie afin d’adapter une fraction fine du matériau de terrain dans un appareil de laboratoire standard. La taille maximale des particules (dmax) doit répondre aux normes d’ingénierie internationales, qui spécifient des rapports d’aspect de D/dmax entre 5 et 10 (où D est la dimension caractéristique de l’échantillon), en fonction sur le type d’essai de cisaillement. Cette contrainte limite une compréhension globale du comportement des matériaux grossiers. De plus, de nombreux résultats d’essais à petite échelle sont apparemment contradictoires, à savoir qu’à mesure que dmax du matériau augmente, un certain nombre d’études ont conclu que la résistance au cisaillement augmente, tandis que de nombreuses autres ont indiqué la tendance opposée.»

Abstract

« ABSTRACT : Transitioning to more sustainable energy systems and improved energy storage is crucial for mitigating climate change. Still, it requires a substantial and growing increase in mineral production. Therefore, the mining industry is fundamental in providing the resources for these technology developments, while upholding rigorous safety requirements and minimizing environmental impacts. Mining operations manage large volumes of uneconomic waste rock (WR) that must be excavated to access ore-rich layers. Once extracted, WR is stored in massive waste rock piles (WRPs), which are among the largest geotechnical structures worldwide. WRPs pose significant technical and environmental challenges due to their chemical, hydrogeological and mechanical instability. WR material often consists of loose, uncompacted coarse-blasted rocks with a wide particle size distribution (psd), including large angular rock fragments, gravel, sand and silt. Slope stability analyses of these loose granular fills is mainly influenced by the critical friction angle (ϕc), which is the crucial material parameter to measure in order to perform safe designs. Particle oversizing limits the methods for mechanical characterization of coarse granular material such as gravelly fluvial soils, rockfill and WRs, since often the coarsest material fraction does not fit in standard laboratory sample sizes. To be able to characterize these materials, small-scaling techniques, like truncated, scalping or parallel grading, are widely applied. These methods modify the psd in order to fit a fine fraction of the field material in a standard laboratory device. The maximum particle size (dmax) should meet international engineering standards, which specify aspect ratios of D/dmax between 5 and 10 (where D is the characteristic sample dimension), depending on the type of shear test. This constraint limits a comprehensive understanding of the behavior of coarse materials. Furthermore, many results on small-scaling tests are apparently contradictory, namely, as dmax of the material increases, a number of studies have concluded that the shear strength increases, while many others have indicated the opposite trend.»