Μικρομηχανική συμπεριφορά του πετρώματος γύρω από ανοίγματα

Λοτίδης, Μιχαήλ; Lotidis, Michail

dc.contributor.author	Λοτίδης, Μιχαήλ	el
dc.contributor.author	Lotidis, Michail	en
dc.date.accessioned	2020-03-12T08:40:52Z
dc.date.issued	2020-03-12
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49942
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17640
dc.description.abstract	Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή διερευνάται η μικρορωγμάτωση και η θραύση του πετρώματος γύρω από ανοίγματα που βρίσκονται σε θλιπτικό εντατικό πεδίο. Η εν λόγω διερεύνηση πραγματοποιείται σε δύο κύρια στάδια, ήτοι ένα εργαστηριακό και ένα αριθμητικό. Φυσικά μοντέλα υπογείων ανοιγμάτων σε πετρώματα, έχουν χρησιμοποιηθεί συχνά στο εργαστήριο για την καλύτερη κατανόηση της διαδικασίας της μικρορωγμάτωσης του πετρώματος και των φαινομένων της ρωγμάτωσης γύρω από ανοίγματα. Τέτοιου είδους μελέτες αποσκοπούν στην απόκτηση γνώσης μέσω βασικής έρευνας, και τη μεταφορά της στην κλίμακα του πεδίου για τον ασφαλέστερο σχεδιασμό και κατασκευή βαθιών σηράγγων και μεταλλείων, υπογείων εκσκαφών, βαθιών γεωτρήσεων κ.λπ. Ωστόσο, οι γνώσεις που αποκτώνται μέσω βασικής έρευνας δε δύνανται να μεταφερθούν απευθείας στην κλίμακα του πεδίου, λόγω των πολλών παραμέτρων που πρέπει να ληφθούν υπόψη, συμπεριλαμβανομένης της επίδρασης της κλίμακας (scale effect), της μεταβλητότητας των ιδιοτήτων του υλικού, των διαφορετικών συνοριακών και αρχικών συνθηκών κ.λπ. Από την άποψη αυτή, οι αριθμητικές προσομοιώσεις δύνανται να συνδέσουν τα εργαστηριακά αποτελέσματα με τις παρατηρήσεις στην κλίμακα του πεδίου. Προϋπόθεση αποτελεί η ύπαρξη αξιόπιστων εργαστηριακών δεδομένων, όπως φυσικά μοντέλα σαν τα εξεταζόμενα στην παρούσα διδακτορική διατριβή, για την αρχική βαθμονόμηση του αριθμητικού υλικού. Προηγούμενες εργαστηριακές μελέτες σε υπό θλίψη φυσικά μοντέλα υπογείων ανοιγμάτων σε πετρώματα καταλήγουν στην παρατήρηση τριών κύριων φαινομένων, με ομοιότητες και διαφορές αναλόγως του υλικού, των συνοριακών συνθηκών και της γεωμετρίας του ανοίγματος. Τόσο η εμφάνισή τους όσο και το τελικό μοτίβο της ρωγμάτωσης ποικίλουν από υλικό σε υλικό, με τη σειρά εμφάνισής τους να εξαρτάται από το εφαρμοζόμενο εντατικό πεδίο. Σε συνθήκες μονοαξονικής θλίψης ή χαμηλού πλευρικού περιορισμού, αρχικά αναμένεται η εμφάνιση εφελκυστικών πρωτογενών ρωγμών, που ξεκινούν από τη στέψη και το δάπεδο της οπής λόγω της υψηλής συγκέντρωσης εφελκυστικών τάσεων στις εν λόγω περιοχές, και αναπτύσσονται παράλληλα προς τη διεύθυνση της μέγιστης κύριας τάσης. Στη συνέχεια, παρατηρείται ο σχηματισμός δευτερογενών ρωγμών στις εγγύς περιοχές δεξιά και αριστερά των οπών, οι οποίες επεκτείνονται παρακατακόρυφα προς τις βάσεις των πρισμάτων, και αλληλοεπιδρούν μαζί τους, καθώς και με τις περιοχές υψηλής συγκέντρωσης θλιπτικών τάσεων στην αριστερή και δεξιά παρειά του ανοίγματος. Στις εν λόγω περιοχές απαντάται το τρίτο φαινόμενο, γνωστό στη διεθνή βιβλιογραφία ως «πλευρικές αποφλοιώσεις». Κατά το εργαστηριακό στάδιο της παρούσας διατριβής εξετάζονται έξι (6) διαφορετικά υλικά, εξορυγμένα από λατομεία της ελληνικής επικράτειας. Φυσικά μοντέλα γύψου, δολομιτικού ασβεστόλιθου, ασβεστιτικών και δολομιτικών μαρμάρων με προϋπάρχουσα μονή κυλινδρική οπή διαφόρων διαμέτρων, υποβάλλονται σε μονοαξονική θλίψη. Μελετάται η επίδραση του υλικού και της διαμέτρου της οπής στη διαδικασία της ρωγμάτωσης, και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με εκείνα της διεθνούς βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια εξετάζονται υπό συνθήκες μονοαξονικής θλίψης, τα φαινόμενα της ρωγμάτωσης σε φυσικά μοντέλα δύο διαφορετικών ποικιλιών δολομιτικού μαρμάρου με δύο οριζόντιες παράλληλες προϋπάρχουσες κυλινδρικές οπές διαφόρων διαμέτρων και σχετικής απόστασης, με τους άξονες των κέντρων τους ευθυγραμμισμένους με τις βάσεις του δοκιμίου. Παρουσιάζεται το μοτίβο ρωγμάτωσης κάθε υλικού, καθώς και οι αντίστοιχες διαφορές. Παρόμοια φυσικά μοντέλα μαρμάρου δεν έχουν εξετασθεί και δημοσιευθεί προηγουμένως στη διεθνή βιβλιογραφία. Για την παρακολούθηση της διαδικασίας της ρωγμάτωσης, της έναρξης των κύριων φαινομένων, της αλληλεπίδρασής τους και του τρόπου αστοχίας των φυσικών μοντέλων, χρησιμοποιείται η μέθοδος της συσχέτισης ψηφιακών εικόνων (digital image correlation, DIC) και η ανάλυση της ακουστικής εκπομπής (acoustic emission, AE). Εφαρμόζονται και παρουσιάζονται νέες τεχνικές ακριβείας για τον προσδιορισμό του πραγματικού χρόνου έναρξης των προαναφερθέντων πρωτογενών ρωγμών στη στέψη και το δάπεδο των οπών, καθώς και των πλευρικών αποφλοιώσεων στις παρειές των ανοιγμάτων. Τα φυσικά μοντέλα λεπτόκοκκων ασβεστιτικών και δολομιτικών υλικών της παρούσας διατριβής παρουσιάζουν δύο διαφορετικές συμπεριφορές ρωγμάτωσης. Τα ασβεστιτικά μάρμαρα παρουσιάζουν ένα ιδιαίτερο μοτίβο και τύπο συμπεριφοράς ρωγμάτωσης που διαφέρουν αισθητά από των δολομιτικών πετρωμάτων και των σχετικών παρατηρήσεων της διεθνούς βιβλιογραφίας. Συγκρίνεται και παρουσιάζεται η απαιτούμενη εφαρμοζόμενη αξονική τάση για την έναρξη των πρωτογενών ρωγμών και των πλευρικών αποφλοιώσεων στα υλικά που μελετώνται στην παρούσα διατριβή, καθώς και επιπλέον αποτελεσμάτων δημοσιευμένων στη διεθνή βιβλιογραφία, από όπου προκύπτει μια εκθετική συσχέτιση με τη διάμετρο της οπής. Οι εφαρμοζόμενες τεχνικές που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή για τον προσδιορισμό της έναρξης της ρωγμάτωσης μέσω της μεθόδου συσχέτισης ψηφιακών εικόνων, δύνανται να αξιοποιηθούν και για τον προσδιορισμό της έναρξης της ρωγμάτωσης και σε άλλες εφαρμογές. Η συνδυασμένη εφαρμογή της μεθόδου συσχέτισης ψηφιακών εικόνων και της ανάλυσης της ακουστικής εκπομπής επιτρέπει την αξιόπιστη ποσοτικοποίηση των φαινομένων της ρωγμάτωσης στα εξεταζόμενα λεπτόκοκκα, κρυσταλλικά ή μη, ασβεστιτικά και δολομιτικά υλικά, με παρουσία ταινιώσεων ή χωρίς, που σε διαφορετική περίπτωση η παρατήρησή τους μπορεί να είναι αβέβαιη και ο προσδιορισμός τους αμφισβητήσιμος. Επιπλέον, η κατάλληλη παραμετροποίηση της πειραματικής διαδικασίας και η εξειδικευμένη επεξεργασία των σημάτων ακουστικής εκπομπής μετά την καταγραφή τους, επέτρεψε τον χωρικό προσδιορισμό των πηγών των σημάτων της ακουστικής εκπομπής στις ασβεστιτικές ποικιλίες μαρμάρου. Επίσης, όπου είναι απαραίτητο, χρησιμοποιείται στερεοσκοπικό μικροσκόπιο προκειμένου να αποσαφηνιστεί η κατάσταση της ρωγμάτωσης των φυσικών μοντέλων. Επιβεβαιώνεται ότι η εφαρμογή μιας και μόνο μεθόδου παρακολούθησης δεν αρκεί, τουλάχιστον όχι πάντα, για να περιγράψει ξεκάθαρα μια εξελισσόμενη κατάσταση και ως εκ τούτου θα πρέπει να αξιοποιούνται πάνω από μία προσεγγίσεις για τον πλήρη καθορισμό της. Η μεθοδολογία που ακολουθείται στην παρούσα διατριβή, προτείνεται επίσης να εφαρμοστεί για την παρακολούθηση και άλλων πειραματικών μελετών όπου λαμβάνουν χώρα φαινόμενα εξαρτώμενα από το εντατικό πεδίο και από την επίδραση της κλίμακας. Τα φυσικά μοντέλα της παρούσας διατριβής μπορούν να φανούν χρήσιμα ως σημείο αναφοράς για υλικά με παρόμοιους τύπους συμπεριφοράς, όπως για παράδειγμα τα ασβεστιτικά μάρμαρα. Επιπλέον, παρέχουν μια εικόνα για τη διαδικασία της θραύσης του μαρμάρου γύρω από ανοίγματα, χρήσιμη για την κατανόηση των μηχανισμών που συνδέονται με την υπόγεια εκμετάλλευση μαρμάρου, διευκολύνοντας τη μεταφορά της εργαστηριακής γνώσης στο πεδίο. Στο δεύτερο στάδιο της διατριβής, οι εργαστηριακές δοκιμές στα παραπάνω φυσικά μοντέλα προσομοιώνονται αριθμητικά με το μοντέλο συνδεδεμένων σωματιδίων (bonded particle model, BPM) αξιοποιώντας τη διδιάστατη και τριδιάσταση έκδοση του λογισμικού Particle Flow Code (PFC) της Itasca. Το γραμμικό μοντέλο παράλληλων δεσμών (linear parallel bond model, PB) χρησιμοποιείται για την προσομοίωση του γύψου και το μοντέλο επίπεδων δεσμών (flat-joint, FJ) αντίστοιχα για τα μάρμαρα. Επιπλέον, δημοσιευμένα στη διεθνή βιβλιογραφία εργαστηριακά αποτελέσματα από φυσικά μοντέλα σε γρανίτη, προσομοιώνονται επίσης αριθμητικά χρησιμοποιώντας το μοντέλο FJ. Παρουσιάζονται η διαδικασία και τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης των υλικών στον κώδικα, καθώς και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων των μοντέλων με τα προϋπάρχοντα ανοίγματα. Επιπλέον, παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθείται για τον προσδιορισμό της εμφάνισης των φαινομένων, και συγκρίνεται τόσο η μέγιστη αντοχή και η απαιτούμενη εφαρμοζόμενη αξονική τάση για την έναρξη των δύο κύριων φαινομένων, των πρωτογενών ρωγμών και των πλευρικών αποφλοιώσεων, των αριθμητικών και φυσικών μοντέλων, όσο και η επίδραση της κλίμακας που τα συνοδεύει. Επιπροσθέτως, πραγματοποιείται αριθμητική διερεύνηση και ποσοτικοποίηση των τάσεων και της κατανομής τους, τόσο κατά μήκος όσο και κάθετα της διαδρομής της εφελκυστικής ρωγμής κατά τη διάρκεια της αριθμητικής δοκιμής θλίψης. Η μικρορωγμάτωση, η διαδικασία της θραύσης και η αλληλουχία της εμφάνισης των φαινομένων κατά τη διάρκεια των αριθμητικών δοκιμών βρίσκονται σε καλή συμφωνία με τις εργαστηριακές παρατηρήσεις. Επιπλέον, το μοτίβο της ρωγμάτωσης των αριθμητικών δοκιμίων ομοιάζει με εκείνο των φυσικών μοντέλων, ενώ οι περιοχές νεφώδους μικρορωγμάτωσης στα αριθμητικά μοντέλα ταυτίζονται με τις περιοχές έντονης παραμόρφωσης που παρατηρούνται κατά την ανάλυση DIC στα αντίστοιχα φυσικά μοντέλα. Παρόλο που η βαθμονόμηση αξιόπιστου αριθμητικού υλικού που συμπεριφέρεται ρεαλιστικά τόσο μακρο- όσο και μικροσκοπικά για περισσότερες από μία εργαστηριακές δοκιμές είναι ιδιαιτέρως απαιτητική, το BPM αποδεικνύεται ικανό να αναπαράγει τα περίπλοκα φαινόμενα που παρατηρούνται γύρω από υπό θλίψη κυλινδρικά ανοίγματα, τουλάχιστον για τα εξεταζόμενα υλικά στην παρούσα διατριβή. Τα εν λόγω βαθμονομημένα αριθμητικά υλικά που συμπεριφέρονται για όλες τις προσομοιούμενες δοκιμές παρόμοια με τις εργαστηριακές, ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα της γεωμετρίας των δοκιμίων, δύνανται επιπλέον να αξιοποιηθούν για προσομοιώσεις μεγαλύτερης κλίμακας, τόσο στο εργαστήριο όσο και στο πεδίο, όπως για παράδειγμα για την προσομοίωση ρεαλιστικών δομών στα εξεταζόμενα ή σε παρόμοια υλικά, παρέχοντας ένα ισχυρό εργαλείο στον ερευνητή και στον μηχανικό. Τέλος, αναπτύσσεται αναλυτική σχέση υπολογισμού της απαιτούμενης εφαρμοζόμενης αξονικής τάσης για την έναρξη των πρωτογενών εφελκυστικών ρωγμών στη στέψη ή στο δάπεδο ενός κυλινδρικού ανοίγματος που βρίσκεται εντός θλιπτικού εντατικού πεδίου.	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μηχανική των πετρωμάτων	el
dc.subject	Υπόγεια ανοίγματα	el
dc.subject	Μικρομηχανική συμπεριφορά του πετρώματος	el
dc.subject	Θραύση του πετρώματος	el
dc.subject	Έναρξη πρωτογενούς ρωγμής	el
dc.subject	Πλευρικές αποφλοιώσεις	el
dc.subject	Φυσικά μοντέλα	el
dc.subject	Συσχέτιση ψηφιακών εικόνων	el
dc.subject	DIC	el
dc.subject	Ακουστική εκπομπή	el
dc.subject	ΑΕ	el
dc.subject	DEM	el
dc.subject	Μοντέλο συνδεδεμένων σωματιδίων	el
dc.subject	BPM	el
dc.subject	PFC	el
dc.subject	Αριθμητικά μοντέλα	el
dc.subject	Αναλυτική σχέση	el
dc.subject	Rock mechanics	en
dc.subject	Underground openings	en
dc.subject	Micromechanical rock behaviour	en
dc.subject	Rock fracture	en
dc.subject	Primary fracture initiation	en
dc.subject	Sidewall spalling	en
dc.subject	Physical modelling	en
dc.subject	Digital image correlation	en
dc.subject	DIC	en
dc.subject	Acoustic emission	en
dc.subject	AE	en
dc.subject	DEM	en
dc.subject	Bonded particle model	en
dc.subject	BPM	en
dc.subject	PFC	en
dc.subject	Numerical modelling	en
dc.subject	Formula	en
dc.title	Μικρομηχανική συμπεριφορά του πετρώματος γύρω από ανοίγματα	en
dc.title	Micromechanical Rock Behaviour Around Openings	en
dc.contributor.department	Τομέας Μεταλλευτικής - Εργαστήριο Τεχνολογίας Διάνοιξης Σηράγγων	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Μηχανική των πετρωμάτων	el
heal.classification	Rock mechanics	en
heal.dateAvailable	2021-03-11T22:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-18
heal.abstract	The presented Doctoral Thesis consists of a laboratory and a numerical investigation of the rock’s micro- and macro-fracturing around openings in compression. Physical modelling of underground openings in rock has been commonly used at the laboratory scale to better understand the micro-fracturing process of rock and the cracking phenomena around the opening. Such studies would bring knowledge acquired from basic research on the field scale for the safer design and construction of deep tunnels and mining drifts, extraction sites, deep drilling etc. However, knowledge acquired from basic research cannot be transferred directly on the field scale, due to the many parameters that need to be taken into account, including the scale effect, the material’s variability, the different boundary and initial conditions, etc. To this respect, numerical modelling may be helpful in order to link the laboratory results with the field scale observations, provided that reliable laboratory results (i.e. physical models such as those examined in the current Doctoral Thesis) are available for initial calibration of the numerical material. Previous studies on physical models of hollow rock plates in compression, conclude on the observation of three main phenomena with similarities and differences depending on the material, the boundary conditions and the geometry of the opening. Their appearance as well as their final pattern may vary from material to material, and their sequence strongly depends on the applied stress field. In uniaxial compression or at low confinement, primary fractures initiate at the upper- and lower-hole’s boundary, extending upwards and downwards respectively, due to the high tensile stress concentration at these regions. Then, remote fractures initiate at either sides of the opening, propagating sub-vertically, and interacting with the upper and lower model’s surface and with the regions of high compressive stress concentration at the opening’s sidewalls. At these areas, the third phenomenon occurs, which is commonly referred to in the literature with the conventional term “spalling”. For the laboratory part of the current Doctoral Thesis, six (6) different materials extracted from greek quarries are examined. Hollow plates of plaster, dolomitic limestone, and calcitic and dolomitic marbles with a single pre-existing cylindrical hole of various diameters are subjected in uniaxial compression. The influence of the material and the hole’s diameter on the fracturing process are studied and compared to the literature. Furthermore, the fracturing phenomena on physical models of two different dolomitic marble’s varieties with two horizontal parallel pre-existing cylindrical holes of various diameters and relative distance, with centrelines aligned to the specimen’s bases, are examined under uniaxial compression. The fracture pattern of each material and the respective differences are presented. Such physical models of marble have not been examined and published previously in the literature. Full field digital image correlation and acoustic emission analysis are employed for the monitoring of the fracturing process, the initiation of the main phenomena, their interaction and the failure mode of the physical models. New precise techniques on the determination of the true time of the primary fracture and spalling initiation by digital image correlation are implemented and presented. The physical models of fine grained, crystalline or not, calcitic and dolomitic materials of the current doctoral thesis exhibit two different fracturing behaviours. Calcitic marbles show a newly observed fracture pattern and fracturing behavioural type of the hollow rock plates, compared to the dolomitic varieties and the relevant literature. A comparison between the required applied axial stress for the primary fracture and spalling initiation of the studied materials and the previously published results, is presented, showing an exponential relation to the hole’s diameter. The implemented techniques presented in the current thesis for the determination of the fracturing nucleation by digital image correlation may also be used for the determination of fracture initiation on other applications. The combined application of digital image correlation technique and acoustic emission analysis allows for the reliable quantification of the fracturing phenomena in these fine grained, crystalline or not, calcitic and dolomitic materials, banded or not, that otherwise their observation may be uncertain and their determination questionable. Moreover, by the suitable experimental setup and a specialized post-processing of the acoustic emission signals allowed for the location analysis of the signal’s sources on the calcitic marbles. Also, a stereoscopic microscope is used, where necessary, in order to enlighten the fracturing condition of the plate specimens. In addition, it is confirmed that the implementation of a single monitoring system may not describe clearly a situation, at least not every time, so more than one monitoring approaches should take place to fully define a condition. The followed methodology is also proposed to be implemented for the monitoring in other experimental studies where stress and scale dependent phenomena occur. Physical models such as those presented herein may be useful as reference for materials with behavioural types different from those previously published in the literature, as for example the calcitic marbles. Furthermore, they provide an insight to the marble fracturing process around openings, which is necessary for the understanding of the implications associated with underground marble exploitation, and facilitate the transferring of the laboratory knowledge to the field. For the second part of the current Doctoral Thesis, the laboratory experiments on the aforementioned physical models are simulated numerically with a Bonded Particle Model by employing the two- and the three-dimensional versions of Itasca’s Particle Flow Code. The Linear Parallel Bond model is employed for the plaster’s simulation, and respectively the Flat-Joint model for the marbles. In addition, previously published laboratory physical models on granite are also simulated numerically, employing the Flat-Joint model. The calibration procedure and results are presented, as well as the simulation results of the hollow specimens and the followed methodology for the determination of the phenomena’s onset. A comparison between the peak strength and the required applied axial stress for the primary fracture and spalling initiation of the numerical and the physical models is presented along with the accompanied scale effect. Additional numerical investigation is performed quantifying the stress distribution along and normal to the primary fracture’s path during the numerical compression test. The micro-cracking, the fracturing process and the sequence of their appearance during the numerical tests of the hollow plates are in good agreement with the laboratory tested physical models. The fracture pattern of the numerical specimens is similar to the one of the physical models, while the regions of micro-cracking in the numerical models is quite similar to the regions of intense deformation observed from Digital Image Correlation analysis on the respective physical models. However challenging may be the calibration of a reliable numerical material that behaves realistically both macro- and microscopically for more than a single laboratory test, the Bonded Particle Model is proved to be capable of capturing the complicated phenomena observed around cylindrical cavities in compression, at least for the materials examined herein. These synthetic materials which behave for all the simulated tests similarly to the physical ones, independently of their geometry’s complexity, may now be used also for more advanced simulations and research, both in the laboratory and the field scale, as for example to realistically simulate structures in these or similar materials, providing an innovative insight for the researcher and the engineer. Finally, an analysis is presented and described, which results in a formula that predicts the required applied axial stress for the primary fracture initiation of a single cylindrical opening in compression.	en
heal.abstract	Cette thèse doctorale présente une étude en laboratoire et une étude numérique de la micro- et macro-fracturation de la roche autour d’ouvertures en compression. La modélisation physique des ouvertures souterraines dans les roches est couramment étudiée au niveau du laboratoire pour mieux comprendre le processus de la micro-fracturation des roches et des phénomènes de fissuration autour d’une ouverture. De telles études apporteraient sur le terrain, une connaissance supplémentaire et fondamentale pour une conception et une construction plus sécurisée des tunnels profonds et des mines souterraines, des sites d'extraction, des forages en profondeur, etc. Cependant, les connaissances acquises grâce à la recherche fondamentale ne peuvent pas être transférées directement au niveau du terrain, à cause de la grande quantité des paramètres à prendre en compte, notamment l'effet d'échelle (scale effect), la variabilité du matériau, les conditions initiales et celles aux limites, etc. À cet égard, la modélisation numérique peut être utile pour lier les résultats du laboratoire aux observations à l'échelle du terrain, à condition que les résultats de laboratoire soient fiables (c.-à-d. des modèles physiques tels que ceux examinés dans cette thèse doctorale) soient disponibles pour la calibration initiale du matériel numérique. Des études antérieures sur des modèles physiques de plaques de roche percées en compression concluent à l'observation de trois phénomènes principaux présentant des similitudes et des différences en fonction du matériau, des conditions aux limites et de la géométrie de l'ouverture. Leur apparence ainsi que leur motif final peuvent varier d'un matériau à l'autre et leur séquence dépend fortement du champ de contrainte appliqué. En compression uniaxiale ou à faible confinement, des fractures primaires apparaissent aux frontières supérieure et inférieure du trou, s’étendant respectivement vers le haut et vers le bas, en raison de la concentration élevée de contraintes de traction dans ces régions. Ensuite, des fractures distantes s’initient de part et d’autre de l’ouverture, se propageant quasi-verticale et interagissant avec la surface supérieure et inférieure du modèle et avec les zones de forte concentration de contraintes de compression situées sur les flancs de l’ouverture. Le troisième phénomène se produit dans ces zones, auquel on se réfère couramment dans la littérature avec le terme conventionnel «écaillage». Pendant l’étude en laboratoire de cette thèse doctorale, six (6) matériaux différents sont examinés, extraits de carrières grecques. Des plaques percées en plâtre, en calcaire dolomitique et en marbres calcitiques et dolomitiques avec un seul trou cylindrique préexistant de différents diamètres sont soumises en compression uniaxiale. L’influence du matériau et du diamètre du trou sur le processus de fracturation sont étudiés et comparés à celle de la littérature. De plus, les phénomènes de fracturation sur des modèles physiques de deux variétés différentes de marbre dolomitique avec deux trous préexistants, cylindriques et parallèles, de différents diamètres et distances relatives, avec des lignes médianes alignées sur les bases du modèle, sont examinés sous compression uniaxiale. Le motif de fracture de chaque matériau et les différences respectives sont présentés. De tels modèles physiques sur le marbre n'ont pas été examinés et publiés auparavant dans la littérature. La corrélation d'images numériques (digital image correlation, DIC) en plein champ et l'analyse des émissions acoustiques (acoustic emission, AE) sont utilisées pour surveiller le processus de fracture, l'initiation des principaux phénomènes, leur interaction et le mode de défaillance des modèles physiques. De nouvelles techniques de précision sur la détermination du moment de la fracture primaire et du début de l'écaillage sont faites par corrélation d'images numériques et présentées. Les modèles physiques des matériaux calcitiques et dolomitiques, à grain fin, cristallins ou non, de cette thèse doctorale présentent deux comportements de fracturation différents. Les marbres calcitiques présentent un motif de fracture et un type de comportement de fracture qui diffèrent considérablement des roches dolomitiques et des observations faites dans la littérature. Une étude comparative entre la contrainte axiale appliquée requise pour la fracture primaire et le début de l'écaillage des matériaux étudiés est présentée sur les résultats précédemment publiés, montrant une relation exponentielle avec le diamètre du trou. Les techniques mises en œuvre présentées dans la thèse actuelle pour la détermination de la nucléation de la fracturation par corrélation d'images numériques peuvent également être utilisées pour la détection du démarrage de la fracture dans d'autres applications. L’application combinée à la technique de corrélation d’images numériques et de l’analyse des émissions acoustiques permet de quantifier de manière fiable les phénomènes de fracturation de ces matériaux à grains fins, cristallins ou non, calcitiques et dolomitiques, en bandes ou non, qui autrement leur observation puisse être incertaine et leur détermination douteuse. De plus, le paramétrage expérimental approprié et un post-traitement spécialisé des signaux d’émission acoustique ont permis l’analyse de localisation des sources de signaux sur les marbres calcitiques. Un microscope stéréoscopique est également utilisé pour éclairer les conditions de fracturation des modèles physiques. En outre, il est confirmé que la mise en place d'un système de surveillance unique ne peut pas décrire totalement une situation, du moins pas à chaque fois. Par conséquent, plusieurs approches de surveillance doivent être appliquées pour définir complètement une condition. Il est également proposé de mettre en œuvre la méthodologie présentée pour la surveillance dans d’autres cas d’études expérimentales où se produisent des phénomènes dépendants du champ de contrainte appliqué et de l'échelle. Des modèles physiques tels que ceux présentés ici peuvent être utiles comme référence pour des matériaux ayant des types de comportement différents de ceux publiés antérieurement dans la littérature, comme par exemple les marbres calcitiques. En outre, ils permettent de mieux comprendre le processus de fracturation du marbre autour des ouvertures, ce qui est nécessaire pour comprendre les implications liées à l'exploitation souterraine du marbre et facilite le transfert des connaissances de laboratoire vers le terrain. Pendant la seconde étude de cette thèse doctorale, les expériences en laboratoire sur ces modèles physiques sont simulées numériquement avec un modèle de particules collées (bonded particle model, BPM) en utilisant les versions bidimensionnelle et tridimensionnelle du Particle Flow Code d’Itasca. Le modèle à liaisons linéaires parallèles (linear parallel bond model, PB) est utilisé pour la simulation du plâtre et, respectivement, le modèle à joint plat (flat-joint model, FJ) pour les marbres. En outre, des modèles physiques de laboratoire sur du granit publiés antérieurement sont également simulés numériquement à l'aide du modèle à joint plat. La procédure d'étalonnage et les résultats sont présentés, ainsi que les résultats de la simulation des modèles physiques. La méthodologie suivie pour la détermination de l’initiation de chaque phénomène est également présentée. Une comparaison entre la force maximale et la contrainte axiale appliquée requise pour l’initiation de la fracture principale et celle de l'écaillage des modèles numérique et physique est présentée, ainsi que l'effet d'échelle associé. Une analyse numérique supplémentaire est effectuée pour quantifier la distribution des contraintes le long du trajet de la fracture primaire et perpendiculaire à elle lors de l’expérience de compression numérique. La micro-fissuration, le processus de fracturation et la séquence de leur apparition lors des expériences numériques des modèles percées sont en bon accord avec les modèles physiques testés en laboratoire. Le motif de fractures des modèles numériques est similaire à celui des modèles physiques. En outre, les régions de micro-fissuration dans les modèles numériques sont assez similaires aux régions de déformation intense observées à partir de l'analyse de corrélation d'images numériques sur les modèles physiques respectifs. La calibration fiable d’un matériau numérique qui se comporte de manière réaliste aussi bien au niveau macro- qu’au microscopique pour plusieurs expériences en laboratoire est certes difficile, mais le BPM a prouvé qu'il soit capable de capturer les phénomènes complexes observés autour des cavités cylindriques en compression, au moins pour les matériaux examinés ici. De plus, ces matériaux synthétiques qui se comportent pour toutes les expériences simulées comme aux expériences physiques, indépendamment de la complexité de leur géométrie, peuvent être utilisés dorénavant pour des simulations et des recherches plus avancées, à la fois en laboratoire qu’à l’échelle du terrain, comme par exemple pour simuler de manière réaliste des structures de ces matériaux ou d’autres similaires, fournissant ainsi un outil puissant au chercheur et à l'ingénieur. Enfin, une analyse est présentée, qui aboutit à une formule qui calcule la contrainte axiale requise pour l’initiation de la fracture primaire d’une seule ouverture cylindrique en compression.	fr
heal.sponsor	Χρηματοδότηση με τη μορφή τροφείων από τον Ειδικό Λογαριασμό Κονδυλίων Έρευνας (Ε.Λ.Κ.Ε.) Ε.Μ.Π.	el
heal.sponsor	Financially supported by the Special Account for Research Funds (E.L.K.E.-S.A.R.F.) N.T.U.A.	en
heal.advisorName	Νομικός, Παύλος	el
heal.advisorName	Nomikos, Pavlos	en
heal.committeeMemberName	Νομικός, Παύλος	el
heal.committeeMemberName	Σοφιανός, Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Μπενάρδος, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Παναγιώτου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Καββαδάς, Μιχαήλ	el
heal.committeeMemberName	Μιχαλακόπουλος, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Λουπασάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Nomikos, Pavlos	en
heal.committeeMemberName	Sofianos, Alexandros	en
heal.committeeMemberName	Benardos, Andreas	en
heal.committeeMemberName	Panagiotou, Georgios	en
heal.committeeMemberName	Kavvadas, Michael	en
heal.committeeMemberName	Michalakopoulos, Theodoros	en
heal.committeeMemberName	Loupasakis, Constantinos	en
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	399
heal.fullTextAvailability	true