Effect of thermal cycles on rock massif stability
Authors:   , Villarraga Díaz Claudia Juliana 
Published: July 2023

The environmental conditions may play a relevant role in the stability of rock slopes. In fact, weathering can contribute to the reduction of strength of the material, while atmospheric actions may increase internal stresses in the rock massif. This Ph.D. thesis deals with the effect of atmospheric thermal cycles in rocks, from both experimental and numerical point of view.
This research is focused on the real case of La Roque Gageac, a small town located in the south-west of France, which experiences rock fall risks. Installed instrumentation evidenced the main role played by thermal variations in rock falls occurrence.
With the aim of isolating the effect of thermal cycles in the La Roque Gageac limestone, an experimental study is performed. Samples were obtained from blocks felt and intact cores drilled from the cliff face. These samples were submitted to thermal cycles between 10ºC and 50ºC, in order to mimic natural variations.
The damage induced in the samples is evaluated through measurements of strains, elastic wave propagation velocities and uniaxial compressive strength. It is observed that samples experience an accumulation in strains and reduction in the elastic wave propagation velocity and material strength during the imposition of thermal cycles. The response depends moreover on the mineralogical composition of the rock, which varies from sample to sample, as the cliff presents a large heterogeneity.
Based on the results obtained in the experimental program, principal characteristics of thermal damage have been evaluated, proposing a constitutive model capable to reproduce the macroscopic mechanical response of the rock under the applied thermal cycles.
With this purpose, a constitutive model based on the concept of composite material defined by Vaunat & Gens (2003) is developed. This model considers the material as composed of two different components endowed with their own behavior and interacting each other. This constitutive model has been implemented in the finite elements code CODE_BRIGHT and validated with the experimental results. It allows a better understanding of the internal stresses developed in the material under thermal loading.

Las condiciones ambientales juegan un papel relevante en la estabilidad de taludes de roca, de hecho, las variaciones climáticas pueden afectar tanto la resistencia del material como el nivel de esfuerzos internos a los que el macizo está sometido. Esta tesis doctoral se enfoca en el efecto de los ciclos térmicos atmosféricos en las rocas, desde un punto de vista experimental y numérico. Esta investigación se centra el caso de La Roque Gageac, un pequeño pueblo localizado en el Sur de Francia, que se ha visto afectado por importantes caídas de rocas, las cuales, de acuerdo con registros de instrumentación parecen estar ligadas a las variaciones de temperatura registradas en el sitio. Con el objetivo de aislar el efecto de los ciclos térmicos en la caliza de la Roque Gageac un estudio experimental es llevado a cabo, para esto se consideran muestras obtenidas de bloques caídos en eventos anteriores y de núcleos intactos obtenidos de la cara del acantilado. Dichas muestras han sido sometidas a ciclos de temperatura entre 10ºC y 50ºC con el fin de imitar las variaciones naturales. El daño inducido en las muestras es evaluado a través de medidas de deformación, velocidad de propagación de ondas elásticas y resistencia a la compresión uniaxial. Se observa una acumulación de deformaciones, así como la reducción en la velocidad de propagación de onda y la resistencia del material con la imposición de los ciclos térmicos. Adicionalmente, la respuesta obtenida depende de la composición mineralógica de la roca que varía entre muestras, debido a la heterogeneidad del acantilado. Con base en los resultados obtenidos en el programa experimental se definen las principales características del fenómeno de daño térmico, con lo cual es posible proponer un modelo numérico capaz de reproducir la respuesta mecánica a nivel macroscópico de la roca cuando es sometida a ciclos térmicos. Para esto se desarrolla un modelo constitutivo basado en el concepto de material compuesto definido por Vaunat & Gens (2003). Dicho modelo considera que el material bajo estudio está compuesto por dos componentes diferentes con comportamientos establecidos para cada uno y que interactúan entre ellos. Este modelo constitutivo es implementado en el código de elementos finitos CODE_BRIGHT y validado con los resultados experimentales, permitiendo un mejor entendimiento de la generación de tensiones internas en la roca cuando esta es sometida a cargas térmicas.

Les conditions environnementales jouent un rôle important dans la stabilité des massifs rocheux. De fait, les variations climatiques peuvent affecter la résistance du matériau et également augmenter les contraintes internes dans le massif. Cette thèse étudie les effets des cycles thermiques atmosphériques sur les roches, dans une approche expérimentale puis numérique.
Cette recherche est centrée sur le cas de la falaise de La Roque Gageac, un village du sudouest de la France, situé au pied d’une falaise qui présente une caverne à mi-hauteur. Cette commune a été affectée par plusieurs éboulements. Les données issues de l’instrumentation du massif montrent que ces instabilités sont liées aux cycles thermiques.
Afin d’isoler l’effet des cycles thermiques dans la roche calcaire de La Roque Gageac, un programme expérimental a été mis en place. Des échantillons ont été prélevés sur deux sites de la falaise (blocs éboulés à l’intérieur de la caverne et carottés dans la face de la falaise). Ces échantillons ont été soumis à des cycles thermiques entre 10ºC et 50ºC afin de simuler les conditions enregistrées sur le site.
L’endommagement de la roche est évalué en laboratoire par le suivi de mesures de déformations, de vitesses de propagation d’ondes élastiques et par l’évolution de la résistance à la compression uniaxial. Une réduction de la vitesse de propagation des ondes élastiques de compression et de cisaillement ainsi que de la résistance à la compression du matériau sont observées. De la même façon, les échantillons enregistrent une accumulation de déformations. De plus, la réponse des échantillons est influencée par la composition minéralogique de la roche. Celle-ci est liée au lieu de prélèvement, le calcaire de la falaise montrant une importante hétérogénéité.
Les résultats du programme expérimental ont permis la détermination des caractéristiques principales du phénomène d’endommagement thermique. Une loi de comportement modélisant l’effet des cycles thermiques sur la roche calcaire de La Roque Gageac d’un point de vue macroscopique a été proposée.
À cette fin, une loi de comportement sur la base de matériau composite présentée par Vaunat & Gens (2003) est suggérée. Ce modèle prend en compte un matériau formé de deux constituants au fonctionnement distinct dont l’interaction décrit le comportement de la roche. Le modèle a été introduit dans le programme aux éléments finis « CODE_BRIGHT » et
est évalué en simulant la réponse observée sur les échantillons pendant le programme expérimental.