1 ENS 080312 FR JFM Lecture 2008 Part 1 French

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Rock MechanicsMécanique des roches

Course Lectures 2008

1ère partie – Roches et massifs rocheux

Professeur ZHAO Jian

EPFLENACLMR

Laboratoire de Mécanique des Roches LMR Rock Mechanics



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Enseignant: Prof ZHAO Jian, LMR

Objectifs:(a) Comprendre le comportement mécanique des

roches, des discontinuités et des massifs

rocheux;(b) Être capable d’analyser et de déterminer les

propriétés mécaniques des roches pour desapplications de génie civil.

Évaluation:Examen final écrit + évaluation des exercices


Informations sur le cours



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Qu’est-ce que la mécaniquedes roches?

La mécanique des roches estune discipline qui utilise les

principes de mécanique pourdécrire le comportement desroches.


Introduction



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En quoi la mécanique des roches est-elle spécifique?

La roche à l’échelle d’ingénierie est Discontinue,I nhomogène, Anisotrope, et N on-linéairementE lastique.


Introduction

La mécanique desroches traite ducomportement desroches lorsque lesconditions limites sontmodifiées parl’ingénierie



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Origine des roches

La roche est une substance solide composée deminéraux.

La formation des roches dépend de 3 origines : lesroches ignées du magma, les roches sédimentaires

de la lithifaction des sédiments et les rochesmétamorphiques par métamorphisme, commeillustré par le cycle de la roche.


Formation de la roche



6Laboratoire de Mécanique des Roches LMR Rock Mechanics

Rochemétamorphique Roche ignée

Magma(Lave)

Roche

sédimentaire

Sediment

(Sol)

c r i s t a l l i s a t i o n

lithification

a

l t é r a t i o n

f o n t e

m é t a m o r p h i s m e

altération/transport

métamorphisme

a l t é r a

t i o n / t r a n s p o r t

t r a n s p o r t



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Minéraux

Les roches sont composées de minéraux, principa-lement des silicates. Les silicates importants consti-tuant les roches sont les feldspaths, le quartz,l’olivine, le pyroxène, l’amphibole, le grenat et lemica.Les minéraux ont différentes propriétés ; leurstructure cristalline, leur dureté et leur clivage, quiinfluencent les propriétés de la roche.Dans les roches, les cristaux minéraux sont souventmassifs, granulaires ou compacts, et uniquementvisibles au microscope.






Un cristal de quartz bien développé Quartz dans un granite




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Roches IgnéesLes roches ignées sont formées lorsque la rochefondue (magma) se refroidit et se solidifie, avec ousans cristallisation.Elles peuvent être formées (i) en profondeur commedes roches intrusives (plutoniques), ou (ii) à la sur-face comme des roches extrusives (volcaniques).Les roches intrusives ont généralement un graingrossier et les extrusives un grain fin.

Elles peuvent aussi avoir différentes sortes deminéraux.







Claire FoncéeCouleur

Ca-

Plagioclase

Olivine

Amphibole

PyroxèneMuscovite

Biotite Amphibole

Composition

minéralemineure

Olivine

Pyroxène

Ca-Plagioclase

Pyroxène

Amphibole

Plagioclase

Biotite

Quartz

Orthose

N-Plagioclase

Composition

minérale

principale

<40% desilice

40-50% de silice50-65% desilice

>65% de silicePourcentagede silice

AucuneBasalte AndésiteRhyoliteExtrusive

(grain fin)

PéridotiteGabbroDioriteGraniteIntrusive

(grain grossier)

Ultramafique

(ultrabasique)

Basaltique

(basique)(mafique)

Andésitique

(intermédiaire)

Granitique

(acide)(felsique)







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Roches sédimentaires

Les roches sédimentaires sont formées de troisfaçons principales :

(i) par le dépôt de résidus dû à l’altération d’autresroches (connues sous le nom de roches

sédimentaires « clastiques ») ;(ii)par le dépôt résultant d’une activité biogénique ;

et(iii)par la précipitation d’une solution.

Les roches à sédiments clastiques sont généra-lement classées selon leur granulométrie.







MudstoneSe casse en blocs

SchisteSe sépare en fines couches> 1/16 mm

GrèsQuartz avec d’autres

minéraux

1/16 – 2 mm

BrècheFragments de roche

angulaires

ConglomératFragments de roche arrondis> 2 mm

Nom de larocheCommentairesTaille desparticules





schiste

grès

Conglomerat

Roche avec des sels



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Roches métamorphiques

La roche métamorphique est unenouvelle roche transformée à partird’une roche existante, parmétamorphisme - changements dus à

la chaleur et à la pression.Les roches métamorphiques peuventavoir une structure feuilletée ou non.La foliation est due à une réorientationdes minéraux de mica, créant un plan

de clivage ou un alignement visible desminéraux.







Grès quartzeuxDegré intermédiaire à

élevé

Non-feuilletéeQuartzite

Calcaire, dolomieDegré bas à élevéNon-feuilletéeMarbre

Granit, schiste, andésiteDegré élevéFeuilletéeGneiss

BasalteDegré basFeuilletéeSchiste dechlorite

Schiste argileuxDegré bas à intermédiaireFeuilletéeMicaschiste

Schiste argileuxDegré bas à intermédiaireFeuilletéePhyllite

Schiste argileux(minéraux d'argile)

Degré basFeuilletéeArdoise

Roche parente originaleDegré métamorphiqueTextureRoche





Slate Phyllite Schist Gneiss

Marbre Quartz

État de métamorphismeLow High



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Les textures des roches

Les roches sédimentaires, ignées et métamorphi-ques ont différentes textures dues à leur différentesorigines.Les deux formes principales de texture sont

clastiques et imbriquées.La résistance de la roche est une résistancestructurelle de la composition des minéraux.Cela est régi par :(i) La résistance des minéraux, et

(ii) la liaison entre les minéraux.





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Structure imbriquée d’un granit Structure clastique d’un grès





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Les textures des roches

Les microstructures imbriquées des roches ignéeset métamorphiques mènent généralement à unmatériel rocheux à haute résistance, tandis que lesmicrostructures des roches sédimentaires mènent

souvent à un matériel rocheux à basse résistance,particulièrement lorsque la cimentation est faible.

Toute faiblesse existante dans une matrice dematériel de rocheux (microfissures, pores, grains

faibles et cimentation) affaiblissent aussi le matérielrocheux.





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Les joints des roches

Les joints sont les principales discontinuités desroches. Ils sont normalement disposés ensystèmes parallèles.

Ils sont généralement considérés comme élémentsdu massif rocheux. L’espacement des joints estgénéralement de l’ordre que quelques centimètres àquelques dizaines de centimètres. Pour l’ingénierie,

les joints sont des éléments constants du massifrocheux.


Les discontinuités de la roche







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Les failles

Les failles sont des fractures planes de la roche quimettent en évidence un mouvement relatif. Lesfailles ont différentes échelles, les plus grandessont à la frontière des plaques tectoniques. Les

failles ne consistent généralement pas en unefracture simple et nette, elles forment souvent deszones de failles.

Les failles de grande échelle, zone de failles et de

cisaillement, sont grandes et avec une influencelocalisée. Elles sont souvent traitées séparément dumassif rocheux.








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Les plis

Le pli est le résultat de la flexion d’une straterocheuse sous l’effet d’une force tectonique ou d’unmouvement.

Les plis ne sont généralement pas considéréscommme éléments du massif rocheux. Ils sontsouvent associés à un haut degré de fracturation età des roches relativement faibles et tendres.








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Les plans de stratification

La stratification est l’interface entre les couches deroche sédimentaire.Elles sont une influence géologique isolée des

activités mécaniques. elles créent une interface dedeux matériaux rocheux. Cependant, certains plansde stratification peuvent aussi devenir des zonespotentielles d’altération et de poches d’eausouterraines.








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La roche à l’échelle de l’ingénieur

Pour les travaux de génie civil, p.ex. fondations,glissements de terrain et tunnels, l’échelle desprojets se situe généralement entre quelques

dizaines de mètres et quelques centaines de mètresLa roche à l’échelle de l’ingénierie est généralementune masse en place. Cette masse, que l’on nommesouvent massif rocheux constitue tout le rocher insitu. Il est formé de la roche intacte et desdiscontinuités (joints, failles, etc).


La roche et les massifs rocheux



30

Une pente excavée de carrière d'environ 30 m de haut.

tunnel de 12 m de diamètre.

Forage 10 cm.




31

20 cm




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Composition des massifs rocheux

Un massif rocheux contient (i) du matériau rocheuxsous forme de blocs de roche intacte de taillesvariées, et (ii) des discontinuités qui coupe le massif

sous forme de fractures, joints, failles, plans destratification et dykes.

Massif rocheux = Matrice rocheuse + Discontinuités






Roche

Discontinuités



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Rôle des joints rocheux dans le comportement d’unmassif rocheux• Coupe la roche en plaques, blocs et coins, libres

de tomber et de bouger ;• Agissent comme plan de faiblesse pour le

glissement ;• Facilite l’écoulement d’eau et crée des réseauxd’écoulement;

• Entraîne de grandes déformations;• Change la distribution et l’orientation des

contraintes;Le comportement d’un massif rocheux est

largement régi par la présence de joints.








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Inhomogénéité des roches

L’inhomogénéité représente une propriété variantselon les zones. Beaucoup de matériaux deconstruction ont des degrés d’inhomogénéité

divers. Les roches sont formées par la nature etmontrent de grandes inhomogénéités dues à:

(i)minéraux différents constituant la roche(ii)liaisons différentes entre les minéraux

(iii)L’existence de pores(iv)L’existence de microfissures


Inhomogénéité et anisotropie




Texture de quelques roches communes


Granite Gneiss

Grès



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Inhomogénéité des roches

L’inhomogénéité est la cause de l’initiation de lafissuration menant à la rupture de la matricerocheuse

.Si certains éléments de la matrice rocheuse sonttrès faibles, ils commencent à se rompre plus tôt etentraînent souvent une baisse de la résistancetotale de la roche.





39

L’inhomogénéité des massifs

rocheux

L’inhomogénéité des massifsrocheux est principalementdue à l’existence des

discontinuités.Les massifs rocheux peuventaussi être inhomogènes enraison d’un mélange deplusieurs types de roches,

d’interstatification etd’intrusions





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AnisotropieL’anisotropie est définie commeune propriété différente selon ladirection. L’anisotropie s’obser-ve aussi bien dans les roches

que les massifs rocheux.L’ardoise est une rochefortement anisotrope. Lesphyllithes et les schistesmétamorphiques et les argilites

sédimentaires montrent aussi del’anisotropie





41

Anisotropie

L’anisotropie des massifsrocheux est contrôlée par(i)les joints, et

(ii)les couches sédimentaires.





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Contrainte verticale et couverture

En profondeur, la contrainte dans laroche est la contrainte de couverturede générée par le poids desmatériaux.

Le poids spécifique moyen desroches est de 2.7. La valeur de lacontrainte en profondeur peut doncêtre estimée par

v (MPa) 0.027 z (m)


Contraintes In Situ

z

v

H

h



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Contrainte horizontale et contrainte tectonique

Les contraintes horizontales dans la roche sontprincipalement tectoniques.

Les contraintes horizontales dans les roches sontgénéralement supérieures à la contrainte verticale.La contrainte horizontale maximale a la mêmedirection que le mouvement de convergence desplaques tectoniques. Les contraintes tectoniques

varient fortement en terme d’intensité, et peuventêtre exceptionnellement fortes.


Contraintes In Situ






45

Le champ des contraintes insitu peut aussi être modifiépar des facteurs etprocessus géologiques :

• La surface topographique• L’érosion• Les intrusions• Les failles et la création defailles.


Contraintes In Situ

z

v

H

h



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Mesure des contraintes In Situ

La mesure des contraintes in situ montre que lacontrainte verticale vaut à peu près 0.027z, poids descouches de couverture.

Le rapport entre la contrainte horizontalemoyenne( H+ h)/2 et la contrainte verticale varie de0.5 à 3.0, généralement limitée entre (100/z +0.3) et(1500/z +0.5).

À des profondeurs usuelles pour le génie civil (<1000m), les variations de la contrainte horizontale sontgrandes.


Contraintes In Situ

C t i t I Sit




Contraintes In Situ

C t i t I Sit



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Dans la roche, la contrainte horizontale estnormalement la contrainte principale, alors que lacontrainte verticale ou l’autre contrainte horizontalereprésentent les contraintes principales mineures.

H > h > v ou H > v > h

La contrainte verticale peut être estimée à partir dela couverture. Les contraintes horizontales nedevraient pas être estimées. Si les directions et les

intensités des contraintes horizontales sontnécessaires, des mesures des contraintes doiventêtre effectuées in situ.


Contraintes In Situ

C t i t I Sit



49

Contrainte effectiveDans les roches poreuses, p. ex. : le grès, lacontrainte effective doit être calculée comme lacontrainte totale – la pression des pores


Contraintes In Situ

Porewater

Dans les massifs rocheuxfissurés, la distribution de l’eaun’est plus la même et leschamps de contraintes ne sontplus uniformes. Donc, leprincipe de la contrainteeffective n’est plus applicable.

C t i t I Sit



50

Re-distribution des contraintes

La construction en rocher est une activité quiperturbe le champ de contrainte original, qui estdéjà à l'équilibre.

La mécanique des roches traite de la redistributiondes contraintes et des contraintes redistribuées,ainsi que la réponse à court terme de la rochedurant la redistribution des contraintes et lecomportement à long terme dans le champ decontraintes redistribuées.


Contraintes In Situ



51

VV

VV





Eau souterraine



53

L’écoulement dans les roches

Les plupart des roches ignées et métamorphiquessont très denses et de texture imbriquées. Lesroches ont de ce fait une très faible perméabilité et

porosité.Certaines roches clastiques sédimentaires,typiquement le grès, peuvent être poreuses etperméables.


Eau souterraine

Eau souterraine



54

Ecoulement dans un réseau de fissures

Les massifs rocheux sont fissurés. Les fissuresfournissent les chemins d’écoulement et celui-ci estrégi par les ouvertures.L’écoulement dans une roche fissurée est influencépar la connectivité du système ou réseau defissures. Bien qu’un massif rocheux peut êtrefortement fissuré, seul un faible pourcentage desfissures sont interconnectées. Sur le terrain, onconstate souvent que quelques fissures présententun écoulement d’eau, alors que les autres sontsèches.


Eau souterraine

Eau souterraine




Eau souterraine

Eau souterraine



56

Les effets de l’eau souterraine et des pressions

L’eau souterraine est importante en mécanique desroches:

(i) L’eau souterraine contribue à la modification du

champ de contrainte;(ii) L’eau modifie les paramètres de la roche, p.ex.,le frottement;(iii) Quand l’eau est présente, cela augmente lacomplexité de la construction en rocher, p. ex., il est

plus difficile de percer un tunnel avec desinfiltrations d’eau et une forte pression d’eau.


Eau souterraine

Roches spéciales



57

Altération et roches altérées

Toutes les roches se désagrègent lentement suite à :

(i) Une altération mécanique: destruction de la rocheen particules sans changer la compositionchimique de ses minéraux.

(ii) Une altération chimique: destruction de la rochepar réaction chimique, principalement par l’eau etl’air.


Roches spéciales

Roches spéciales




Roches spéciales

Granite frais

Granite altéré

Roches spéciales



59

Roches altérées

L’érosion est progressive, entre de la roche fraîcheet du matériel totalement altéré (sols), la roche peutêtre légèrement, modérément ou fortement altérée.Ces roches altérées sont encore intactes et ontencore une structure et texture de roche.Cependant, en raison de l’altération, leurspropriétés ont été affectées et altérées.

L’altération réduit sensiblement la résistance de laroche.


Roches spéciales

Roches spéciales



60

Roches molles et sols dursLes roches sédimentaires sont formées desédiments (sols ) au travers d’un long processus decompaction et de cimentation. Le procédé peut êtrearrêté avant que les sédiments aient étécomplètement solidifiés. Les matériaux pourraientêtre alors fortement consolidés, mais pasentièrement solidifiés. Typiquement ces matériauxont une faible résistance et une déformabilité élevée,et lorsqu’ils sont placés en contact avec de l’eau, ilspeuvent être souvent dissous. Une fois secs, ils secomportent comme une roche faible et dans l’eau,ils s’effondrent.


Roches spéciales

Roches spéciales



61

Roches spéciales


Roches spéciales



62

Roche gonflanteCertaines roches ont le pouvoir de gonfler; lorsquela roche est exposée à l’eau (directement en contactavec l’eau ou à l’air), elle gonfle. Cela estprincipalement dû au comportement gonflant desminéraux composant la roche, typiquement leminéral d’argile montmorillonite. Les roches et lessols qui contiennent une forte quantité de minérauxde montmorillonite auront des caractéristiques degonflement et de retrait.


p




Roches spéciales



64

Roches fracturéesLes caractéristiques des roches fracturées etbroyées sont assez différentes de celles de rochesmassives. Elles se comportent comme desmatériaux granulaires ou sous forme de blocs dontles propriétés mécaniques dépendent de leurgéométrie et du frottement. Lorsque de telsmatériaux sont rencontrés en construction, ilsdoivent être considérés séparément.


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Roches spéciales




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