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DIAPOSITIVES ILLUSTRANT LE COURS DE MECANIQUE DES ROCHES D. HANTZ Janvier 2010

DIAPOSITIVES ILLUSTRANT LE COURS DE MECANIQUE DES ROCHES D. HANTZ Janvier 2010 Département Géotechnique DESCRIPTION DU MASSIF ROCHEUX ET DU MATERIAU ROCHEUX MASSIF ROCHEUX Matériau rocheux ou matrice rocheuse Discontinuités ou joints rocheuxEau souterraine(dans les joints ou la matrice) Pétrographie Hydrogéologie Hydraulique souterraine Description et analyse structurale Description structurale des massifs rocheux D. Hantz COMPORTEMENT DU MASSIF ROCHEUX Mécanique et ingénierie des roches Joints de stratification Espacement = épaisseur des strates Fractures dans du granite (Oisans) Joints de stratification Diaclases Faille (Comboire) Joints de schistosité dans des marnes ("Terres noires", Draix) Orgues basaltiques (Islande) : joints de retrait dus au refroidissement de la lave L=… EXTENSION DES DISCONTINUITÉS ? L>… ? ? L>>… Remplissage : argile Joints de stratification Espacement = épaisseur des strates Ouverture PROFILS DE RUGOSITE TYPIQUES POUR DETERMINER LE JRC (Joint Roughness Coefficient) d'après Barton et Choubey (1977) 10 cm PROFILS DE RUGOSITE TYPIQUES POUR DETERMINER LE JRC (Joint Roughness Coefficient) d'après Barton et Choubey (1977) 10 m PROFILS DE RUGOSITE TYPIQUES POUR DETERMINER LE JRC (Joint Roughness Coefficient) d'après Barton et Choubey (1977) 5 m Figure 2 . Principe du scléromètre (ou marteau de Schmidt) Figure 3 . Relation entre l'indice de rebond et la résistance en compression uniaxiale (d'après Deere et Miller, 1966) PENDAGE ET AZIMUT D'UNE DISCONTINUITÉ STRIES SUR UNE FAILLE Fractures dans du granite (Oisans) 4 m 4 m Fréquence et extension d'une famille de joints Dans les deux cas, la fréquence moyenne est de 0,5 m-1, mais les extensions moyennes sont différentes: 4 m et 1 m. Extension moyenne nettement plus petite que la fenêtre d'observation. Lm = Li / (n0 + n1/2) ; avec n0 joints entièrement visibles et n1 partiellement Extension moyenne du même ordre de grandeur que la fenêtre d'observation. Lm = h (2n2 + n1) / (2n0 + n1) avec n2 : nombre de joints ayant 2 extrémités cachées. n1 : 1 seule extrémité cachée. n0 : aucune. h TP DESCRIPTION STRUCTURALE DES MASSIFS ROCHEUX LIEU DE RENDEZ-VOUS Bd Joseph Vallier Rocade Sud Extrait de la carte géologique de la France à 1/50 000, BRGM Extrait de la carte géologique de la France à 1/50 000, BRGM Exemple de relevé de fracturation au front d’un tunnel (TGV Tshwane – Johannesburg) Base de données et synthèse des paramètre géotechnique sur les sections excavées 3. Le travail du géologue dans le cycle d’excavation en « Drill and blast » Sphère de référence O INTERSECTION avec la sphère Demi-droite TRANSLATION O Représentation stéréographique de la demi-droite Foyer PROJECTION Nord Plan de projection Cercle de référence D+ D- Droite Plan de projection Foyer O Intersection avec la sphère Vecteur pendage Horizontale Plan REPRESENTATION STEREOGRAPHIQUE Représentation d'une droite et d'un plan Normale (inférieure) au plan Normale (inférieure) au plan Nord Plan de projection Vecteur pendage Horizontale Plan REPRESENTATION STEREOGRAPHIQUE D'UN PLAN Intersection du plan Q avec la sphère de référence = cercle (C) Projection du cercle (C) sur le plan (π) = représentation stéréographique du plan (Q) LES DEUX PROJECTIONS UTILISEES EN INGENIERIE DES ROCHES Cônes représentant 1% de l'angle solide total Projection équivalente (Schmidt) Projection stéréographique (Wülff) N + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + REPRESENTATION DE PLUSIEURS PLANS PAR LEURS NORMALES INFERIEURES N + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + DETERMINATION DE LA DENSITE DE NORMALES (nombre de normales par unité d'angle solide) Exemple : 4 normales dans 1% de l'angle solide total 10.0 38.0 36.0 34.0 32.0 30.0 28.0 26.0 24.0 22.0 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 Projection: Schmidt (Equal Area) Number of Sample Points: 150 Mean Lineation Azimuth: 274.8 Mean Lineation Plunge: 54.2 Great Circle Azimuth: 218.0 Great Circle Plunge: 58.9 1st Eigenvalue: 0.91 2nd Eigenvalue: 0.056 3rd Eigenvalue: 0.034 LN ( E1 / E2 ): 2.789 LN ( E2 / E3 ): 0.485 (LN(E1/E2)] / (LN(E2/E3)): 5.752 Spherical Variance: 0.0484 Rbar: 0.9516 COURBES D'ISO-DENSITE DE NORMALES POUR DETERMINER LES FAMILLES DE DISCONTINUITES Discontinuités Matériau rocheux Faill e MASSIF ROCHEUX MECANIQUE DES ROCHES Seconde partie : Description et propriétés physiques du matériau rocheux Granite gris du Sidobre (poli). Blancs : feldspaths (microcline 12% et plagioclases 39%) ; gris : quartz 39% ; noir : biotite 10%. Bon exemple de structure holocristalline. Ce granite est en réalité une granodiorite intrusive. 1 cm LE MATERIAU ROCHEUX : UN MILIEU HETEROGENE Granite. Looking at granite between crossed polarisers makes it easier to distinguish the individual crystals. The rock is made up of interlocking rectangular feldspars and irregular clear quartz, all in shades of dark grey through to white. The crystals showing yellow colours are mica (muscovite) and tourmaline. Field of view 8 mm, polarising filters. LE MATERIAU ROCHEUX : UN MILIEU HETEROGENE This sandstone is made of quite well rounded grains of quartz, cemented together by calcium carbonate. Cambrian, NW Scotland. Field of view 3.5 mm, polarising filters. LE MATERIAU ROCHEUX : UN MILIEU HETEROGENE Gabbro : on voit bien les pyroxènes aux teintes vives (fissurés) et les plagioclases en pyjama rayé. LE MATERIAU ROCHEUX : UN MILIEU DISCONTINU Andésite : texture microlithique avec quelques phénocristaux de plagioclases. Les taches noires correspondent à des bulles (pores). LE MATERIAU ROCHEUX : UN MILIEU DISCONTINU Grès des Vosges. Vue au microscope électronique (photothèque IFP) LE MATERIAU ROCHEUX : UN MILIEU DISCONTINU MATERIAU ROCHEUX ANISOTROPE Gneiss du Velay. Orthogneiss provenant du métamorphisme de granites monzonitiques porphyroïdes (528 Ma, Cambrien supérieur). Ils constituent le toit du granite du Velay. Ce sont des gneiss oeillés, foliés à porphyroclastes de feldspath potassique, quartz, biotite, plagioclases, feldspath potassique, sillimanite. Les porphyroclastes sont des phénocristaux magmatiques hérités du granite. De la muscovite tardive apparaît sur les feldspaths potassiques. Amphibolite. This rock was originally a basic igneous rock (basalt or dolerite). When metamorphosed, the heating and compression changed the original minerals to hornblende (green) and feldspar (colourless), and gave the rock a banding of minerals. Field of view 2 mm. MATERIAU ROCHEUX ANISOTROPE Schist (garnet mica schist). In this schist, viewed between crossed polarisers, the parallel mica flakes show up in bright colours, and large rounded garnet crystals appear black. Field of view 6 mm, polarising filters. MATERIAU ROCHEUX ANISOTROPE MODELES STRUCTURAUX DU MATERIAU ROCHEUX (Wittke, 1990) Exemple : ardoise Exemples : granite, calcaire massif Exemples : micaschiste, ardoise, calcschiste Discontinuités Matériau rocheux •continu •homogène •isotrope ou anisotrope Faill e MASSIF ROCHEUX DISCONTINU MODÈLES STRUCTURAUX DE MASSIFS ROCHEUX (Wittke, 1990) MODÈLES STRUCTURAUX DE MASSIFS ROCHEUX (Wittke, 1990) POROSITE DU MATERIAU ROCHEUX t v V V n  Porosité = Volume des vides / Volume total Le volume des vides Vv peut être mesuré directement ou déduit du volume solide Vs : t s t V V V n   •Calcul du volume total par mesure des dimensions ou par la poussée d'Archimède dans le mercure (qui ne mouille pas la roche) •Mesure du volume des vides par saturation sous vide (porosité connectée) ou •Mesure du volume solide au pycnomètre, après broyage (porosité totale) Deux types de porosité : •Porosité de pores (np) •Porosité de fissures (nf) Roche Origine Porosité (%) Craie (Crétacé) Angleterre 30 Grès (Trias) Vosges 20 Calcaire (Urgonien) Vercors 0,6 Granite Bretagne 0,5 Porosité de quelques roches typiques POROSITE DU MATERIAU ROCHEUX VITESSE DES ONDES P Indice de continuité (%) : * 100 P P V V IC  VP : vitesse mesurée dans l’échantillon (entre 2 céramiques piézoélectriques) Exemple d’un granite Feldspaths (vert) : C = 0,44 ; V = 5680 m/s Quartz (bleu) : C = 0,41 ; V = 6050 m/s Mica noir (rouge) : C = 0,15 ; V = 5360 m/s   i Pi i P V C V * 1 VP * : vitesse calculée Ci : concentration volumique en minéral i Vpi : vitesse dans le minéral i t L VP  L : longueur de l’échantillon T : temps de parcours IC = 100 (1 – A np – B nf) •A << B (l’influence des fissures est plus importante) •En général nf << np (n ≈ np) S’il n’y a pas de fissures : IC = 100 (1 – 1,5 n) = ICp S’il y en a : IC < ICp VITESSE DES ONDES P Si les fissures sont saturées en eau, la vitesse des ondes P est plus grande que si elles sont sèches. VITESSE DES ONDES P Matériau Masse volumique (g/cm3) Vitesse (m/s) Quartz 2,65 6 050 Olivine 3,2-3,6 8 770 Amphibole 2,9-3,2 6 800 Orthose 2,5-2,6 5 680 Plagioclase 2,6-2,8 6 220 Muscovite 2,7-3 5 880 Biotite 2,8-3,1 5 360 Calcite 2,7 6 320 Dolomite 2,8-3,1 7 900 Halite 2,1-2,6 4 320 Gypse 2,3-2,4 5 200 Eau 1 1 500 Air 0,001 330 PERMEABILITE DU MATERIAU ROCHEUX Loi de Darcy pour un écoulement d’eau à 20°C (1856) x h k S Q    Q : débit volumique uploads/Geographie/ description-massifs-rocheux.pdf