Dynamic behaviour and fragmentation of quasi-brittle materials: application to rock fragmentation by blasting - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2004

Dynamic behaviour and fragmentation of quasi-brittle materials: application to rock fragmentation by blasting

Comportement et fragmentation dynamique des matériaux quasi-fragiles

Ahmed Rouabhi

Abstract

This thesis seeks to find a computational methodology to simulate both the behaviour and the fragmentation of quasi-brittle materials, such as rocks and concrete, under dynamic loading. Such a methodology will help to a better understanding of the explosive rock breakage mechanisms and, as consequence, will contribute in the optimization of blasting performances. In this study, we consider that the fragmentation process is a natural extension of the fracture process. In order to describe the dynamic fracture process, a suitable phenomenological constitutive model is developed and implemented in a finite element code. As for the dynamic fragmentation, it is treated by a post processing analysis based on the history of the material's thermodynamic state. To reproduce the macroscopic behaviour of quasi-brittle materials including load-induced anisotropy due to cracking, the internal variables method based on continuum thermodynamics is used. A scalar internal variable is introduced to model, at the macroscopic level, the strain softening under compressive loadings. Under tensile loadings, a second-order symetric tensor is used to describe the essential features of the induced anisotropic damage. Under complex loadings, these two models are coupled and the crack closing-reopening effect is also treated. The integration of the developed model in the finite element code VIPLEF3D has led to the development of a relaxation method characterized by an explicit updating of the state variables. Concerning the dynamic fragmentation, from laboratory blastings tests, a general formulation of predicting the fragment size distribution is provided. In this formulation, a mean fragment is linked to mechanical quantity, wich is assumed to be the origin of the fragmentation process, by an intrinsic function wich can be identified by using suitable laboratory fragmentation tests. This mechanical quantity is given by the resolution of the initial boundary-Value Problem where the developed constitutive model is considered. Finally, the complete approach is then applied to the modelling of the fracture and the fragmentation of chamber blasting tests of cylindrical rock materials samples
Le but de cette thèse est de trouver une méthodologie numérique pour simuler le comportement et la fragmentation des matériaux quasi-fragiles, tels que les roches et le béton, sous sollicitations dynamiques. Une telle méthodologie aidera à une meilleure compréhension des mécanismes de fragmentation des roches à l'explosif et, par conséquent, contribuera dans l'optimisation des performances du tir à l'explosif. Dans cette étude, on considère que le processus de fragmentation est une extension naturelle de celui de la rupture. Afin de décrire ce dernier processus, un modèle de comportement phénoménologique adapté aux matériaux considérés est développé et implémenté dans un code de calcul par éléments finis. Quant à la fragmentation dynamique, elle est traitée par une analyse en post-traitement basée sur l'historique de l'état thermodynamique du matériau. Pour reproduire le comportement macroscopique des matériaux quasi-fragiles incluant l'anisotropie induite par le chargement, la méthode des variables internes basée sur la thermodynamique des milieux continus est employée. Une variable interne de type scalaire est introduite pour modéliser, au niveau macroscopique, l'adoucissement du matériau suite à des chargements de compression. Sous des chargements de traction, un tenseur symétrique du second ordre est utilisé pour décrire l'endommagement anisotrope induit. Sous des chargements complexes, ces deux modèles sont couplés et l'effet de fermeture-réouverture des fissures est également traité. L'intégration du modèle développé dans le code éléments finis VIPLEF3D a conduit à l'élaboration d'une méthode de relaxation caractérisée par une actualisation explicite des variables d'état. Concernant la fragmentation dynamique, à partir d'essais de fragmentation au laboratoire, une formulation générale permettant de prédire la distribution des fragments est fournie. Dans cette formulation une taille moyenne de fragments est liée à une grandeur mécanique, supposée être l'origine du processus de fragmentation, par une fonction intrinsèque qui peut être identifiée en utilisant des essais adéquats de fragmentation. Cette grandeur mécanique est donnée par la résolution du problème aux limites où le modèle rhéologique est utilisé. Enfin, l'approche complète est alors appliquée à la modélisation des essais de rupture et de fragmentation en chambre, d'échantillons cylindriques de roches.
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Dates and versions

pastel-00001084 , version 1 (28-02-2005)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00001084 , version 1

Cite

Ahmed Rouabhi. Dynamic behaviour and fragmentation of quasi-brittle materials: application to rock fragmentation by blasting. Sciences of the Universe [physics]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2004. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00001084⟩

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