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.»