Article de recherche / Research Article

Essai préliminaire de l’application de l’impression 3D à la modélisation physique des massifs rocheux

Preliminary studies to 3D printing application for physical modeling of fractured rock mass

¹ Université de Lorraine, CNRS, CREGU, laboratoire GeoRessources, École des Mines de Nancy, Campus Artem, CS14234, 54042 Nancy cedex, France
² Andra, Direction Recherche et Développement, Centre de Meuse/Haute-Marne, 55290 Bure, France
³ Institut Jean Lamour, UMR 7198 CNRS, Université de Lorraine, Campus Artem, 54042 Nancy cedex, France

^* Auteur de correspondance : jana.jaber@andra.fr

Résumé

Cet article présente une étude de l’applicabilité de l’impression 3D (3DP) en modélisation physique des massifs rocheux. Le comportement mécanique des massifs rocheux est contrôlé par les propriétés de la roche intacte, et par la présence des discontinuités rocheuses à différentes échelles. Afin de comprendre l’influence de ces discontinuités sur le comportement mécanique des ouvrages exploités dans un massif rocheux, la 3DP est utilisée pour introduire explicitement les discontinuités dans la modélisation physique. Des joints rocheux artificiels sont fabriqués en polyamide 12 par 3DP (technique de frittage laser SLS). Ils sont caractérisés géométriquement (rugosité, ouverture du joint, présence de ponts rocheux) et mécaniquement (raideur normale et tangentielle, cohésion, angle de frottement) pour reproduire le comportement d’un joint rocheux réel. Les résultats des joints rocheux sont représentés à l’échelle du prototype (échelle 1) en appliquant des lois de similitudes et comparés à des propriétés des joints réels. Finalement, une comparaison entre le comportement mécanique d’un massif rocheux discontinu numérique à l’échelle du prototype et celui d’un modèle réduit ayant les propriétés du PA12 obtenues par 3DP permet de valider la capacité de cette technique à reproduire le comportement d’un massif discontinu à une échelle réduite.

Abstract

This paper investigates the 3D printing (3DP) application in physical modeling of rock masses. The mechanical behavior of the rock mass is controlled both by the properties of intact rock, and by the presence of discontinuities at different scales. To understand the influence of these discontinuities on the mechanical behavior of structures exploited within a rock mass, 3DP is used to model explicitly the discontinuities in physical modeling. Artificial rock joints are made of polyamide 12 by 3DP (SLS laser sintering technique). They are characterized geometrically (roughness, joint aperture, presence of rock bridges) and mechanically (normal and shear stiffness, cohesion, friction angle, etc.) to reproduce the behavior of a real rock joint. Then, the experimental results are translated to the prototype scale (scale 1) by applying scale factors and compared to the actual rock joints properties. Finally, numerical model of a rock mass at the prototype scale and at reduced scale with the experimental properties of PA12 are compared. The results validate the ability of this technique to reproduce the behavior of a discontinuous mass on a reduced scale.