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2017-2018 GEOTECHNIQUE GENIE CIVIL 4ème année Cours d'ingénierie des roches Did

2017-2018 GEOTECHNIQUE GENIE CIVIL 4ème année Cours d'ingénierie des roches Didier Hantz Chapitre 1. Stabilité des massifs fracturés Ingénierie des roches Objectifs, compétences visées A l'issue de ce cours, les élèves doivent maîtriser les principales méthodes d'analyse du comportement mécanique des massifs rocheux, à l'état naturel ou dans un contexte de travaux d'aménagement (mouvements de terrain naturels, déformations tectoniques, ouvrages souterrains, excavations de surface, fondations). Ils doivent être capables d'évaluer la stabilité des excavations ou des fondations et de prévoir leur déformation. Pré-requis Bases de mécanique des roches Plan du cours 1. Stabilité des massifs fracturés 1.1. Méthodes d'équilibre limite (théorie des blocs, stabilité au glissement, stabilité au basculement) 1.2. Méthodes d'éléments discrets 2. Excavations dans un massif continu 2.1. Forages et galeries 2.2. Excavations en surface, rebond élastique 3. Mesures in situ dans les massifs rocheux 3.1. Déformabilité et résistance du massif rocheux 3.2. Variations de contraintes 3.3. Etat de contrainte 4. Dimensionnement des ouvrages, utilisation de l’Eurocode 7 Remarques : le dimensionnement des ouvrages souterrains, le risque rocheux et le renforcement des massifs rocheux sont l’objet de modules de 5ème année ; la modélisation des ouvrages géotechniques par éléments finis est l'objet d'un cours et de TD en 4ème année. Bibliographie CFMR (Comité Français de Mécanique des Roches). Manuel de mécanique des roches, tome 2 : Applications, 460 pages, Les Presses de l'Ecole des Mines, Paris, 2004. FRANKLIN J.A. et DUSSEAULT M.B. Rock Engineering, 600 pages, McGraw-Hill, 1989. GOODMAN R.E. Introduction to Rock Mechanics, 562 pages, Wiley, 1989. HOEK E. et BRAY Rock Slope Engineering. HOEK E. et BROWN, E.T. Underground Excavations in Rock, 527 pages, The Institution of Mining and Metallurgy, Londres, 1980. VULLIET L., LALOUI L., ZHAO J. Mécanique des sols et des roches, 624 pages. Traité de génie civil, volume 18, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 2016. WYLLIE D.C. Rock Slope Engineering, Civil Applications. CRC Press, 2018. A télécharger gratuitement HOEK E. Practical Rock Engineering. http://www.rocscience.com/education/hoeks_corner D. Hantz, Ecole Polytechnique de l'Université Grenoble 1 GEOTECHNIQUE GENIE CIVIL 4ème année Cours d'ingénierie des roches Chapitre 1 Stabilité des massifs fracturés Première partie Méthodes d'équilibre limite (texte et diapositives) 1. Introduction à la théorie des blocs 2. Identification des blocs amovibles 3. Détermination des modes d’instabilité potentiels 4. Stabilité d'un bloc au glissement 5. Stabilité d'un bloc au basculement (renversement) 6. Stabilité d'un ensemble de blocs Deuxième partie Méthodes d'éléments discrets (diapositives) Stabilité des massifs fracturés – Equilibre limite 2 D. Hantz, Ecole Polytechnique de l'Université Grenoble 1 Dans le premier chapitre de ce cours d’ingénierie des roches, on étudie la stabilité des blocs rocheux définis par les discontinuités naturelles du massif. Par la suite, on traitera des instabilités dues à la rupture du matériau rocheux. Il existe deux familles de méthodes pour étudier la stabilité des massifs constitués de blocs : les méthodes d'équilibre limite (MEL) et les méthodes d'éléments discrets (MED). Les premières ont pour but de vérifier si l'équilibre des blocs est réalisé, en utilisant la première loi de Newton (principe fondamental de la statique). Les blocs sont supposés parfaitement rigides et les discontinuités rigides- plastiques (avec des critères de rupture en cisaillement et en traction). Les méthodes d'éléments discrets permettent de calculer les mouvements des blocs en utilisant la seconde loi de Newton (principe fondamental de la dynamique). Les blocs peuvent être rigides ou déformables et les discontinuités ont un comportement élasto-plastique. 1. INTRODUCTION A LA THEORIE DES BLOCS 1.1. OBJECTIF Dans les massifs rocheux fracturés, de nombreuses ruptures complexes sont déclenchées par le mouvement d'un simple bloc (le bloc clé) défini par des discontinuités préexistantes. Dans certains cas, le danger potentiel est représenté par un seul bloc, de taille importante (exemple de Malpasset). Il suffit donc de le stabiliser pour empêcher la rupture. Goodman et Shi ont proposé une théorie permettant de déterminer les blocs clés pour n'importe quel type de surface rocheuse (talus, cavité souterraine, surface naturelle) et pour des forces actives quelconques. Cette théorie du bloc clé est présentée dans ce chapitre, ainsi que la méthode d'analyse de stabilité à l'équilibre limite. De plus, quelques mécanismes de rupture fréquents, faisant intervenir des interactions entre blocs, sont analysés. 1.2. MODELISATION DU MASSIF ROCHEUX Le massif rocheux est délimité par des surfaces libres planes (plans d'excavation) et découpé en blocs par des discontinuités planes fermées (joints) d'extension infinie. Les joints sont répartis en familles de plans parallèles. La situation de ces plans dans l'espace n'est généralement pas connue. Un plan d'excavation délimite 2 demi-espaces : un demi-espace vide et un demi-espace rocheux. Un joint délimite 2 demi-espaces rocheux, notés 0 et 1 (0 pour celui qui est au-dessous, 1 pour celui qui est au- dessus). La matrice rocheuse est supposée suffisamment résistante pour qu'il n'y ait pas de rupture des blocs. 1.3. METHODOLOGIE La méthode proposée peut être décomposée en trois phases (figure 1.1). La première consiste à identifier les blocs amovibles (ou déplaçables), c'est à dire les blocs pouvant être déplacés par rapport au massif. Pour une surface d'excavation donnée (constituée d'un ou plusieurs plans), ces blocs sont définis par rapport aux familles de joints qui les délimitent. Pour cette étape, seules des données géométriques sont nécessaires. La deuxième phase consiste à déterminer les blocs potentiellement instables, c'est à dire ceux qui peuvent géométriquement se déplacer sous l'effet d'une force active donnée, ainsi que les modes d'instabilité correspondant. La connaissance de la résultante des forces actives s'exerçant sur les blocs amovibles est nécessaire. D'autres forces que les poids propres des blocs doivent éventuellement être considérées (forces hydrostatiques notamment). Finalement, l'analyse de stabilité permet de déterminer les blocs effectivement instables. Elle tient compte des résistances au cisaillement des discontinuités sur lesquelles un glissement potentiel a été identifié. Cette analyse permet aussi de calculer la force nécessaire pour stabiliser les blocs instables. Stabilité des massifs fracturés – Equilibre limite 3 D. Hantz, Ecole Polytechnique de l'Université Grenoble 1 1.4. OUTILS DE LA THEORIE DES BLOCS L'identification des blocs amovibles et la détermination de leurs modes d'instabilité nécessite de définir précisément l'ensemble des directions possibles de déplacement d'un bloc. Pour cela, Goodman et Shi ont introduit les notions de pyramide de joints et de pyramide d'excavation (figure 2.1). Ces pyramides (définies dans un espace vectoriel) représentent des ensembles de directions limitées par un ou plusieurs plans. Elles sont obtenues en translatant les plans de joint ou d'excavation pour les faire passer par un même point et peuvent être représentées en projection stéréographique. 1.4.1. Pyramide d’excavation La pyramide d’excavation associée à une surface rocheuse convexe (PE) est l’intersection des demi-espaces rocheux définis par les plans d’excavation (ces derniers sont inclus dans la PE). Elle représente l'ensemble des directions non affleurantes issues d'un point quelconque du massif (c'est à dire l'ensemble des directions qui ne recoupent pas la surface libre). La notion de pyramide d'excavation est illustrée dans un espace à deux dimensions sur la figure 2.1. Remarque : l'origine du repère de l'espace vectoriel ne représente pas une direction et n'appartient donc pas à la pyramide d'excavation. 1.4.2. Pyramide des joints Les familles de discontinuités du massif rocheux définissent, dans l'espace vectoriel, des pyramides appelées pyramides de joints (PJ). Ces pyramides deviennent des dièdres s'il n'y a que deux familles, et des demi- espaces s'il n'y en a qu'une. Pour distinguer les deux demi-espaces définis par une famille non verticale, on notera 0 pour le demi-espace inférieur et 1 pour le demi-espace supérieur (remarque : cette notation est inverse de celle utilisée par Goodman et Shi, mais elle est plus logique car 0 < 1). Les 4 PJ définies par deux familles sont notées 00, 01, 10 et 11. Un bloc correspondant à la PJ 01 est donc limité vers le haut par un joint de la famille n°1 et vers le bas par un joint de la famille n°2. En général, trois familles de joints définissent 8 PJ, notées 000, 001, 010. La pyramide de joints associée à un bloc (PJ) est l’intersection des demi-espaces intérieurs au bloc, définis par les joints délimitant ce bloc (ces derniers sont inclus dans la PJ). Un bloc fini comportant une seule face libre a donc une PJ délimitée par au moins 3 plans. Un bloc comportant 2 faces libres a une PJ délimitée par au moins 2 plans. La PJ d'un bloc représente l'ensemble des directions issues d'un point quelconque du bloc, qui n'intersectent aucun plan de joint. Autrement dit, elle représente l'ensemble des directions de mouvement possibles du bloc, par glissement ou ouverture des joints. 2. IDENTIFICATION DES BLOCS AMOVIBLES 2.1. THEOREME DE SHI Une pyramide de joints (PJ) et une pyramide d'excavation (PE) définissent une famille de blocs, ayant la même forme mais des tailles différentes. Ces blocs sont amovibles si les deux conditions suivantes sont remplies :  PJ  PE =   PJ   La première condition signifie que ces blocs sont finis. En effet, s'il existait une direction issue d'un point quelconque d'un bloc, qui n'intersecte pas les joints (PJ) ni la surface libre (PE), ce bloc serait infini, donc uploads/Ingenierie_Lourd/ ingenierie-des-roches-1 1 .pdf