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Chapitre I: Introduction à la Mécanique des Roches Qu’est-ce que la mécanique d

Chapitre I: Introduction à la Mécanique des Roches Qu’est-ce que la mécanique des roches?  La mécanique des roches est une discipline qui utilise les principes de mécanique pour décrire le comportement des roches.  La mécanique des roches est une discipline à part entière de la mécanique générale. On y retrouve toutes les composantes classiques : mécanique des milieux continus, mécanique des solides (des blocs), cinématique,... Elle se différencie toutefois des autres disciplines par la nécessité de bien connaître la géologie et les techniques de l'ingénieur à laquelle elle se raccroche : travaux souterrains, mines, carrières, stabilité de versant rocheux, enrochements, l’industrie pétrolière ... Introduction Avant Après Catastrophe du barrage de Malpasset Introduction  En quelques secondes, 50 millions de mètres cubes d'eau déferlent dans la vallée.  La vague : 60 mètres de haut, 70 km/heure Naissance d’une nouvelle discipline: mécanique des roches Introduction Introduction Applications de la mécanique des roches La mécanique des roches trouve ses applications dans divers domaines de l’ingénierie et de la recherche : – Géologie – Physique du globe – Mine – Pétrole –Stockages souterrains – Génie Civil Pression de pore le sédiment peut commencer à se compacter, entraînant un affaissement de la surface. affaissement pétroliers Affaissement minier Stabilité des chambres et pilliers Rupture des pilliers Affaissement minier Introduction Roches et sols Il convient de bien différencier ce que nous appelons roches et sols. Voici une définition d'origine mécanique : Roches : géomatériaux possédant une cohésion et une résistance à la compression simple supérieure à 10 Mpa. Sols : géomatériaux pulvérulents ou cohésifs mais ne présentant pas ou pratiquement pas de résistance à la compression simple. La cohésion disparaît par dissolution. La règle plus générale veut que l'on désigne par roches les terrains profonds et par sols les terrains de surface (terrains issus de l'érosion des roches). Certaines roches, telles les marnes à faible pourcentage de CaCO3 ou les granites très fracturés et altérés, sont inclassables. Leur comportement, au cœur de la recherche, n'est ni celui d'un sol ni celui d'une roche classique. La rhéologie d'une roche est fortement liée à son degré de fracturation, ce qui n'est pas le cas d'un sol. Introduction En quoi la mécanique des roches est-elle spécifique?  La roche à l’échelle d’ingénierie est Discontinue, Inhomogène, Anisotrope, et Non- linéairement Elastique.  La mécanique des roches traite du comportement des roches lorsque les conditions limites sont modifiées par l’ingénierie Un massif rocheux est un milieu complexe (figure 1) :  discontinu  hétérogène  anisotrope  bi phasique Introduction Objectifs de la mécanique des roches (a) Comprehension du comportement mécanique des roches, des discontinuités et des massifs rocheux; (b) Analyse et détermination des propriétés mécaniques des roches pour des applications de génie pétrolier. Introduction Formation de la roche Origine des roches La roche est une substance solide composée de minéraux. La formation des roches dépend de 3 origines : les roches ignées du magma, les roches sédimentaires de la lithifaction des sédiments et les roches métamorphiques par métamorphisme, comme illustré par le cycle de la roche. Formation de la roche Minéraux Les roches sont composées de minéraux, principalement des silicates. Les silicates importants constituant les roches sont les feldspaths, le quartz, l’olivine, le pyroxène, l’amphibole, le grenat et le mica. Les minéraux ont différentes propriétés ; leur structure cristalline, leur dureté et leur clivage, qui influencent les propriétés de la roche. Dans les roches, les cristaux minéraux sont souvent massifs, granulaires ou compacts, et uniquement visibles au microscope. Formation de la roche Formation de la roche Roches Ignées Les roches ignées sont formées lorsque la roche fondue (magma) se refroidit et se solidifie, avec ou sans cristallisation. Elles peuvent être formées (i) en profondeur comme des roches intrusives (plutoniques), ou (ii) à la surface comme des roches extrusives (volcaniques). Les roches intrusives ont généralement un grain grossier et les extrusives un grain fin. Elles peuvent aussi avoir différentes sortes de minéraux. Formation de la roche Formation de la roche Formation de la roche Roches sédimentaires Les roches sédimentaires sont formées de trois façons principales : (i) par le dépôt de résidus dû à l’altération d’autres roches (connues sous le nom de roches sédimentaires « clastiques »). (ii) par le dépôt résultant d’une activité biogénique. (iii) par la précipitation d’une solution. Les roches à sédiments clastiques sont généralement classées selon leur granulométrie. Formation de la roche les roches biogéniques, biochimiques ou organiques: elles sont le produit, comme leur nom l'indique, d'une activité organique ou biochimique Formation de la roche Formation de la roche Formation de la roche Roches métamorphiques  La roche métamorphique est une nouvelle roche transformée à partir d’une roche existante, par métamorphisme - changements dus à la chaleur et à la pression.  Les roches métamorphiques peuvent avoir une structure feuilletée ou non. Formation de la roche Formation de la roche Formation de la roche Les textures des roches  Les roches sédimentaires, ignées et métamorphiques ont différentes textures dues à leur différentes origines.  Les deux formes principales de texture sont clastiques et imbriquées.  La résistance de la roche est une résistance structurelle de la composition des minéraux. Formation de la roche Formation de la roche Les textures des roches  Les microstructures imbriquées des roches ignées et métamorphiques mènent généralement à un matériel rocheux à haute résistance, tandis que les microstructures des roches sédimentaires mènent souvent à un matériel rocheux à basse résistance, particulièrement lorsque la cimentation est faible.  Toute faiblesse existante dans une matrice de matériel de rocheux (microfissures, pores, grains faibles et cimentation) affaiblissent aussi le matériel rocheux. Les discontinuités de la roche Les discontinuités de la roche Les joints des roches Les joints sont les principales discontinuités des roches. Ils sont normalement disposés en systèmes parallèles. Ils sont généralement considérés comme éléments du massif rocheux. L’espacement des joints est généralement de l’ordre que quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres. Pour l’ingénierie, les joints sont des éléments constants du massif rocheux. Les discontinuités de la roche Les discontinuités de la roche Les failles  Les failles sont des fractures planes de la roche qui mettent en évidence un mouvement relatif. Les failles ont différentes échelles, les plus grandes sont à la frontière des plaques tectoniques. Les failles ne consistent généralement pas en une fracture simple et nette, elles forment souvent des zones de failles.  Les failles de grande échelle, zone de failles et de cisaillement, sont grandes et avec une influence localisée. Elles sont souvent traitées séparément du massif rocheux. Les discontinuités de la roche Les discontinuités de la roche Les plis  Le pli est le résultat de la flexion d’une strate rocheuse sous l’effet d’une force tectonique ou d’un mouvement.  Les plis ne sont généralement pas considérés comme éléments du massif rocheux. Ils sont souvent associés à un haut degré de fracturation et à des roches relativement faibles et tendres. Les discontinuités de la roche Les discontinuités de la roche Les plans de stratification  La stratification est l’interface entre les couches de roche sédimentaire.  Elles sont une influence géologique isolée des activités mécaniques. elles créent une interface de deux matériaux rocheux. Cependant, certains plans de stratification peuvent aussi devenir des zones potentielles d’altération et de poches d’eau souterraines. Les discontinuités de la roche La roche et les massifs rocheux La roche et les massifs rocheux La roche à l’échelle de l’ingénieur  Pour les travaux de forage , l’échelle des projets se situe généralement à des milliers de mètres .  La roche à l’échelle de l’ingénierie est généralement une masse en place. Cette masse, que l’on nomme souvent massif rocheux constitue tout le rocher in situ. Il est formé de la roche intacte et des discontinuités (joints, failles, etc.). La roche et les massifs rocheux Composition des massifs rocheux Un massif rocheux contient (i) du matériau rocheux sous forme de blocs de roche intacte de tailles variées, et (ii) des discontinuités qui coupe le massif sous forme de fractures, joints, failles, plans de stratification et dykes. Massif rocheux = Matrice rocheuse + Discontinuités La roche et les massifs rocheux La roche et les massifs rocheux Rôle des joints rocheux dans le comportement d’un massif 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 réseaux d’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. Inhomogénéité et anisotropie Inhomogénéité et anisotropie Inhomogénéité des roches L’inhomogénéité représente une propriété variant selon les zones. Beaucoup de matériaux de construction ont des degrés d’inhomogénéité divers. Les roches sont formées par la nature et montrent 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 Inhomogénéité et anisotropie Inhomogénéité des roches  L’inhomogénéité est la cause de uploads/Geographie/ meca-roc-1.pdf