The impact and dynamic behavior of falling rock clusters - insights from experimental and numerical investigations

Rock clusters falling down an inclined slope is a problem of growing concern in mountainous regions and poses a significant risk to people, roads, and other infrastructure. Different aspects of the problem have been previously investigated using physical modelling and numerical analysis. However, three dimensional impact force distribution on a barrier wall resulting from rockfall over a rough slope is scarce in the literature. In this study, a series of experiments are conducted to track the movement of granular particles down a slope and measure the impact force imposed by the falling rock clusters on a nearby vertical wall. The rock blocks are released from a container located at the top of the slope and the velocity profiles are recorded using marked pebbles and a high-speed camera. The effect of the rockfall volume, slope angle, and distance to the wall on the velocity profiles and impact forces are investigated. Validated using the experimental results, discrete element simulations are performed using PFC3D to evaluate the effect of particle sizes on the flow characteristics and final impact pressure on the structure. Analysis showed that impact energy is highly affected by the slope inclination, the shape of rock clusters, and runout distance. The research results have been submitted in refereed journals and have been published in conference proceeding amounting to 2 journal papers and 1 conference paper. These papers are compiled to produce 5 chapters in this manuscript-based thesis. The investigation of the effects of sphericity and angularity of particles on the dynamics of rockfall is first conducted using three dimensional distinct element method (DEM) to illustrate the importance of the consideration of sphericity and particle shape in modelling rockfall problems involving movement pattern and impact forces on the rigid barrier structure imposed by the falling rock clusters. The rest of the thesis is devoted to comprehensively analyze the influence of the irregular-shaped particles on the dynamics behavior of rockfall and impact forces exerted on the rigid structure in discrete element method. Replication of the experimental system, the calibration procedure needed to determine the propertiesof the discrete elements is necessary for a reasonable numerical simulation (e.g. restitution coefficient, internal friction angle). By adopting a suitable damping ratio and friction coefficient among the contacts for each distinct element, the numerical accuracy of the falling rock clusters has been maintained. Conclusions and recommendations are made regarding the slope inclination, volume effect on the impact imposed by falling rock clusters on rigid structure.Les amas de roches tombant en pente inclinée constituent un problème de plus en plus préoccupant dans les régions montagneuses et posent un risque important pour les personnes, les routes et les autres infrastructures. Différents aspects du problème ont déjà été étudiés en utilisant la modélisation physique et l'analyse numérique. Cependant, la répartition tridimensionnelle de la force d'impact sur une paroi de barrière résultant d'une chute de pierre sur une pente rugueuse est rare dans la littérature. Dans cette étude, une série d'expériences est menée pour suivre le mouvement des particules granulaires en bas d'une pente et mesurer la force d'impact imposée par la chute des grappes de roche sur une paroi verticale voisine. Les blocs de roches sont libérés à partir d'un conteneur situé en haut de la pente et les profils de vitesse sont enregistrés en utilisant des cailloux marqués et une caméra haute vitesse. L'effet du volume de la chute, de l'angle de pente et de la distance à la paroi sur les profils de vitesse et les forces d'impact sont étudiés. Validées à l'aide des résultats expérimentaux, des simulations d'éléments discrets sont effectuées à l'aide de PFC3D pour évaluer l'effet des granulométries sur les caractéristiques d'écoulement et la pression d'impact finale sur la structure. L'analyse a montré que l'énergie d'impact est fortement affectée par l'inclinaison de la pente, la forme des grappes de roche et la distance d'écoulement. Les résultats de la recherche ont été présentés dans des revues à comité de lecture et ont été publiés dans les actes de la conférence, soit 2 articles de journal et 1 document de conférence. Ces articles sont compilés pour produire 5 chapitres dans cette thèse manuscrite. L'étude des effets de la sphéricité et de l'angularité des particules sur la dynamique de la roche est d'abordeffectuée à l'aide de la méthode des éléments distincts tridimensionnels (DEM) pour illustrer l'importance de la sphéricité et de la forme des particules dans la modélisation des Sur la structure de barrière rigide imposée par la chute des grappes de roche. Le reste de la thèse est consacrée à l'analyse exhaustive de l'influence des particules de forme irrégulière sur le comportement dynamique de la roche et les forces d'impact exercées sur la structure rigide en méthode d'élément discret. Réplication du système expérimental, la procédure d'étalonnage nécessaire pour determiner les propriétés des éléments discrets est nécessaire pour une simulation numérique raisonnable (par exemple, coefficient de restitution, angle de frottement interne). En adoptant un rapport d'amortissement et un coefficient de frottement appropriés parmi les contacts pour chaque élément distinct, la précision numérique des amas de roches en chute a été maintenue. Des conclusions et des recommandations sont faites concernant l'inclinaison de la pente, l'effet de volume sur l'impact imposé par la chute des grappes de roche sur la structure rigide