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Page 1 sur 13 Mécanique des roches Roches et massifs rocheux I. Introduction 1.

Page 1 sur 13 Mécanique des roches Roches et massifs rocheux I. Introduction 1. 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. 2. 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. II. Formation de la roche 1. 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. Page 2 sur 13 2. 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. Un cristal de quartz bien développé Quartz dans un granite a) 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. Page 3 sur 13 b) 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. Page 4 sur 13 c) 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. La foliation est due à une réorientation des minéraux de mica, créant un plan de clivage ou un alignement visible des minéraux. 3. 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. Cela est régi par : (i) La résistance des minéraux. (ii) la liaison entre les minéraux. Page 5 sur 13 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. III. Les discontinuités de la roche 1. 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. 2. 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. Page 6 sur 13 3. 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. 4. 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. IV. La roche et les massifs rocheux 1. La roche à l’échelle de l’ingénieur Pour les travaux de génie civil, p.ex. fondations, glissements de terrain et tunnels, l’échelle des projets se situe généralement entre quelques dizaines de mètres et quelques centaines 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). Page 7 sur 13 2. 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 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. Page 8 sur 13 V. Inhomogénéité et anisotropie 1. 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 L’inhomogénéité est la cause de l’initiation de la fissuration menant à la rupture de la matrice rocheuse. Si certains éléments de la matrice rocheuse sont très faibles, ils commencent à se rompre plus tôt et entraînent souvent une baisse de la résistance totale de la roche. 2. L’inhomogénéité des massifs rocheux L’inhomogénéité des massifs rocheux est principalement due à l’existence des discontinuités. Les massifs rocheux peuvent aussi être inhomogènes en raison d’un mélange de plusieurs types de roches, d’inter-stratification et d’intrusions 3. Anisotropie L’anisotropie est définie comme une propriété différente selon la direction. L’anisotropie s’observe aussi bien dans les roches que les massifs rocheux. L’ardoise est une roche fortement anisotrope. Les phyllithes et les schistes métamorphiques et les argilites sédimentaires montrent aussi de l’anisotropie Page 9 sur 13 4. Anisotropie des massifs rocheux L’anisotropie des massifs rocheux est contrôlée par (i) les joints, et (ii) les couches sédimentaires. VI. Contraintes In Situ 1. Contrainte verticale et couverture En profondeur, la contrainte dans la roche est la contrainte de couverture générée par le poids des matériaux. Le poids spécifique moyen des roches est de 2.7. La valeur de la contrainte en profondeur peut donc être estimée par σv (MPa) ≈ 0.027 z (m) 2. Contrainte horizontale et contrainte tectonique Les contraintes horizontales dans la roche sont principalement tectoniques. Les contraintes horizontales dans les roches sont généralement supérieures à la contrainte verticale. La contrainte horizontale maximale a la même direction que le mouvement de convergence des plaques tectoniques. Les contraintes tectoniques varient fortement en terme d’intensité, et peuvent être exceptionnellement fortes. Page 10 sur 13 Le champ des contraintes in situ peut aussi être modifié par des facteurs et processus géologiques : • La surface topographique • L’érosion • Les intrusions • Les failles et la création de failles. 3. Mesure des contraintes In Situ La mesure des contraintes in situ montre que la contrainte verticale vaut à peu près 0.027z, poids des couches de couverture. Le rapport entre la contrainte horizontale moyenne (σH+σh)/2 et la contrainte verticale varie de 0.5 à 3.0, généralement limitée entre (100/z +0.3) et (1500/z +0.5). À des profondeurs usuelles pour le génie civil (<1000 m), les variations de la contrainte horizontale sont grandes. Dans la roche, la contrainte horizontale est normalement la contrainte principale, alors que la contrainte verticale ou l’autre contrainte horizontale représentent les contraintes principales mineures. σH > σh > σv ou σH > σv > σh La contrainte verticale peut être estimée à partir de la couverture. Les contraintes horizontales ne devraient pas être estimées. Si les directions et les intensités des contraintes horizontales sont nécessaires, des mesures des contraintes doivent être effectuées in situ. 4. Contrainte effective Dans les roches poreuses, p. ex. : le grès, uploads/Ingenierie_Lourd/ mecanique-des-roches.pdf