Experimental study of small-scaling effects on the mechanical behavior of coarse granular materials

« RÉSUMÉ : Pour effectuer des analyses de stabilité des haldes à stériles miniers, il est essentiel de caractériser la résistance critique au cisaillement des roches stériles. Cependant, la présence de fragments rocheux surdimensionnés limite les essais de cisaillement à de petites éprouvettes, qui doivent être préparés à l’aide de techniques de mise à l’échelle granulométrique. Pour garantir que les éprouvettes testés soient représentatives du matériau original sur le terrain, la réduction de la taille des particules doit être effectué au minimum. Cependant, cela nécessite des appareils d’essai très grands qui sont très rares ou indisponibles. Sinon, on ne peut faire confiance qu’à la fiabilité des techniques de mise à l’échelle reduite. Depuis les travaux pionniers sur les essais triaxiaux à grande échelle menés dans les années 1960 au Mexique, aux États-Unis et en Allemagne, la fiabilité des techniques de mise à petite échelle pour les sols grossiers et les matériaux d’enrochement est restée un sujet de grand intérêt. Au fil des années, de nombreuses méthodes expérimentales ont été proposées et des données significatives ont été compilées. Cependant, les chercheurs ont souvent rapporté des observations expérimentales contradictoires, conduisant à des contradictions apparentes concernant les effets de taille sur le comportement mécanique des matériaux grossiers. Cette étude vise à élucider les facteurs à l’origine des effets de taille. Sur la base d’un vaste programme d’essais à grande échelle en laboratoire et in-situ sur des stériles miniers, des enrochements et des sols graveleux, les effets de plusieurs propriétés des matériaux et conditions d’essai sont systématiquement étudiés. Les essais ont été réalisés dans deux laboratoires et sur un site minier : les laboratoires d’Environnement Minier à Polytechnique Montréal (Canada) et de l’Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik (IBF) (Institut de Mécanique des Sols et de Mécanique des Roches) du Karlsruhe Institute of Technology (Allemagne), ainsi que sur le terrain à la Mine Canadian Malartic (Québec, Canada). Le programme expérimental évalue les effets de l’échelle granulométrique, de la taille de l’éprouvette, du volume élémentaire représentatif (REV), des effets des conditions aux frontières sur le comportement des éprouvettes soumises aux essais de compression triaxiale, et des paramètres d’état. Près de 170 essais triaxiaux de grande taille et une douzaine d’essais de cisaillement direct ont été réalisés, à partir d’éprouvettes triaxiaux de laboratoire de diamètres variés, de 100 à 800 mm, et d’une boîte de cisaillement direct non standard parmi les plus grandes au monde, de dimensions 1200 × 1200 × 380 mm3. La configuration initiale et les formes caractéristiques des particules ont été caractérisées afin d’établir une base de comparaison entre des éprouvettes allant de l’état lâche à dense, et des particules grossières allant de subanguleuses à arrondies. Des niveaux de contrainte de confinement variant de σ′3 = 45 à 600 kPa ont été appliqués. Le changement d’échelle alterne entre les techniques de granulométrie tronquée et de courbes granulométriques parallèles. Les analyses reévaluent les effets d’échelle, de la taille de l’éprouvette et des conditions de bord sur les propriétés mécaniques caractéristiques, notamment la dilatance, le module de déformation, la résistance au cisaillement au pic et les états critiques.»

Abstract

« ABSTRACT : To conduct stability analyses of mine waste rock (WR) piles, it is essential to characterize the critical shear strength of loose WR material. However, the presence of oversized rock clasts limits shear testing to small specimens, which must be prepared using grading scaling techniques. To ensure the tested specimens closely resemble the field material, particle size reduction should be kept to a minimum. However, this requires very large testing devices that are very scarce or unavailable. Otherwise, one can only trust in the reliability of smallscale techniques. Since the pioneering works on large triaxial testing conducted in the 1960s in Mexico, the USA and Germany, the reliability of small-scale techniques for coarse-grained soils and rockfill materials has remained a subject of great interest. Over the years, numerous experimental methods have been proposed and significant data have been compiled. However, researchers have often reported conflicting experimental observations, leading to apparent contradictions regarding size effects on the mechanical behavior of coarse-grained materials. This doctoral project aims to elucidate the factors at the source of size effects. Based on comprehensive large-scale laboratory and in-situ tests on mine waste rock, rockfills and gravelly soils, the effects of several material properties and testing conditions are systematically studied. The tests were carried out at two laboratories and one mine site: the laboratories of Mining Environment at Polytechnique Montreal (Canada) and the Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik (IBF) (Institute of Soil Mechanics and Rock Mechanics) at the Karlsruhe Institute of Technology (Germany), and in the field at the Canadian Malartic Mine (Quebec, Canada). The experimental program assesses the effects of grading scaling, specimen size, representative elementary volume (REV), triaxial specimen boundary effects and state parameters. Nearly 170 large-scale triaxial tests and a dozen large direct shear tests were conducted using laboratory specimens with diameters ranging from 100 to 800 mm. A non-standard direct shear box–among the largest in the world–was also used, with dimensions 1200×1200×380 mm3. The packing properties and characteristic particle shapes of the materials were characterized to establish a comparable basis, ranging from loose to dense specimens and subangular to rounded coarse particles. Mean stress levels used varied from σ′3 = 45−600 kPa. The material scaling methods applied were scalping grading, parallel grading and truncation (replacement) techniques. The analyses revise the effects of scaling, grading and end-restraint on the characteristic mechanical behaviors, including dilatancy, strain moduli, peak shear strength and critical states.»