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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À C

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN SCIENCES DE LA TERRE par Stéphane Poirier ETUDE EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT DE LA PRESSION INTERSTITIELLE ET DE SON INFLUENCE SUR LE COMPORTEMENT PHYSICO- MÉCANIQUE D'UN MATÉRIAU POREUX INTACT OU FRACTURÉ PAR ESSAIS TRIAXIAUX NON-DRAINÉS JUILLET 1996 bibliothèque Paul-Emile-Bouletj UIUQAC Mise en garde/Advice Afin de rendre accessible au plus grand nombre le résultat des travaux de recherche menés par ses étudiants gradués et dans l'esprit des règles qui régissent le dépôt et la diffusion des mémoires et thèses produits dans cette Institution, l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) est fière de rendre accessible une version complète et gratuite de cette œuvre. Motivated by a desire to make the results of its graduate students' research accessible to all, and in accordance with the rules governing the acceptation and diffusion of dissertations and theses in this Institution, the Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) is proud to make a complete version of this work available at no cost to the reader. L'auteur conserve néanmoins la propriété du droit d'auteur qui protège ce mémoire ou cette thèse. Ni le mémoire ou la thèse ni des extraits substantiels de ceux-ci ne peuvent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. The author retains ownership of the copyright of this dissertation or thesis. Neither the dissertation or thesis, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. RESUME Le comportement physique et mécanique des massifs rocheux est grandement influencé par la présence d'eau sous pression à l'intérieur des pores et des discontinuités structurales. Lorsque des changements rapides se produisent dans l'état des contraintes et des déformations du massif ou lorsque l'eau ne peut s'échapper ou entrer dans le massif à cause d'un mauvais drainage, la contractance ou la dilatance du massif saturé produit une augmentation ou une diminution de la pression interstitielle (u) de l'eau. Différentes conditions sont susceptibles d'influencer cette variation de pression interstitielle et c'est dans le but de mieux les identifier que plusieurs séries d'essais triaxiaux non-drainés ont été réalisées sur des échantillons cylindriques de béton, matériau qui simule bien le comportement physico-mécanique de grès poreux. Pour bien distinguer l'influence qu'exerce les pores et les fractures dans cette variation de la pression interstitielle, des essais ont été effectués sur des échantillons intacts ou comportant une fracture inclinée de 30° à 40° par rapport à l'axe de l'échantillon. Les résultats obtenus indiquent que la résistance du matériau intact et celle du matériau fracturé obéissent à la loi des contraintes effectives, a' = a - u. Le critère de rupture de Mohr-Coulomb représente bien le comportement à la rupture du matériau intact alors que le modèle LADAR est le meilleur pour modéliser la résistance au cisaillement des fractures. Dans des conditions non-drainées, la pression u induite à la rupture est positive, produisant une diminution de la résistance de ces fractures comparée à un état drainé. La réponse des déformations du matériau intact à l'application progressive d'un déviateur des contraintes, (c^ - o3), indique que le modèle de fracturation fragile de Bieniawski (1967) s'applique au matériau. En ce sens, l'augmentation de (c^ - c3) produit initialement une diminution du volume (contractance) qui se poursuit jusqu'à l'étape de propagation instable de la fracturation. Dès cet instant, le volume augmente et cette augmentation se poursuit au-delà de la rupture. La réponse de u à l'augmentation de (cjj - a3) suit l'évolution du volume: u augmente de façon non-linéaire jusqu'à la propagation instable de la fracturation et diminue par la suite jusqu'à devenir nulle. Par contre, lorsque or3 est élevée (13.8 MPa), la diminution de u s'arrête avant que u ne soit nulle. Ce phénomène est interprété comme étant causé par la plasticité du matériau. À cause de l'augmentation de la résistance du système à se fissurer, plus (CJ'3)0 est élevé, plus w , max est élevée. Durant la phase de contractance du matériau (u augmente), la valeur de (a'3)0 a une influence directe sur le taux de variation de u à la suite de l'augmentation de (o^ - a3) (paramètre A de Skempton (1954)). Durant cette phase, la valeur de A varie entre 0.015 et 0.42 et est proportionnelle à la valeur de (a'3)0 qui varie entre 0.43 MPa et 5.65 MPa. Par contre, durant la phase de dilatance (u diminue), le comportement du matériau n'est pas influencé par les conditions de confinement car A évolue de la même façon pour tous les essais et elle atteint un plateau à - 0.3. Tout comme les échantillons intacts, les échantillons fracturés ont démontré que le comportement de u est intimement lié à celui du volume. L'application d'un déviateur des contraintes produit initialement une phase d'augmentation de u. Celle-ci se produit dans la phase de mobilisation du frottement. Pour des conditions de contraintes semblables, les échantillons fracturés ont induit une pression u légèrement supérieure à celle des échantillons intacts. Cette différence est causée par la fermeture des épontes de la fracture. À la suite de la mobilisation du frottement, la phase de mobilisation de la rugosité marque le début de la diminution progressive de u. Parfois, u se stabilise vers la fin de la phase de destruction de la rugosité, indiquant que la dilatance diminue progressivement dans cette phase. Tout comme pour les essais intacts, l'augmentation de u est proportionnelle à la valeur de (a'3)0. Par contre, la diminution de u est si variable entre les essais qu'il est impossible d'observer, avec certitude, l'influence qu'exerce (cr'3)0. L'augmentation et la diminution de u est très variable d'une fracture à l'autre, ce qui démontre l'influence qu'exerce la rugosité (différente entre les fractures) sur l'évolution de u. L'évolution du paramètre A d'une fracture est variable. Par contre, la valeur maximale atteinte par le paramètre A se situe entre 0.01 et 0.3 et elle est proportionnelle à la valeur de (cj'3)0 qui varie entre 0.3 MPa et 4.06 MPa. Une conceptualisation de la trajectoire des contraintes des échantillons intacts et fracturés permet de schématiser l'évolution de la trajectoire pour un environnement non- drainé. Pour les échantillons intacts, le facteur dominant l'évolution de la trajectoire des contraintes est l'état de contrainte initial (CTJ et a3). Pour les échantillons fracturés, les facteurs dominant sont la contrainte normale à la fracture et la morphologie, quoique l'influence qu'exerce ce dernier facteur demeure entièrement empirique puisqu'il n'a pu être évalué au cours de cette étude. ABSTRACT The physical and mechanical behavior of a rock mass is radically influenced by pore water pressure inside the pores and structural discontinuities. During rapid changes in the state of stress or deformation of a rock mass or when water cannot flow in or out of the rock mass because of a limited drainage, the contractancy or the dilatancy of the saturated rock mass produces an increase or a decrease of the pore water pressure («). Several factors can influence this pore pressure variation. In order to identify these factors, several series of undrained triaxial tests have been performed on concrete samples, which is a good material to simulate the physico-mechanical behavior of porous sandstones. In order to distinguish the influence exerted by pores and fractures on this variation of pore pressure, series of tests have been performed on intact samples and on samples containing a fracture inclined at 30° to 40° to the sample axis. Results indicate that the strength of the intact or fractured material obeys the effective- stress law, a' = a - u. The Mohr-Coulomb strength criterion is suitable to represent the behavior of the intact material at failure and the LADAR criterion is valid to model the shear strength of fractures. For undrained conditions, there is a positive build up of pore pressure in the fractured samples, decreasing the strength of these fractures compared to drained conditions. The intact material deformation due to a progressive increase of deviatoric stress (cij - a3) indicates that the mechanism of brittle fracture developed by Bieniawski (1967) is valid for this material. An increase in deviatoric stress initially produces a volume decrease (contractancy) until the unstable fracture propagation initiates. At this moment, the volume starts to increase (dilatancy) and this increase continues beyond failure. The response of M to an increase of (GJ - G3) follows the evolution of the volume: u increases non-linearly until the unstable fracture propagates and then decreases until u reaches zero. For high G3 (13,8 MPa), the decrease of u stops before zero. This phenomenon is interpreted to be caused by the material plasticity condition reached at this state of stress. Because of the increase in the resistance to fracturing, higher values of ut max are attained for higher values of (<y'3)0. During the material contraction phase (u increases), the value of (cr'3)0 has a direct influence on the variation rate of u for an increase of (al - a3) (that is the A coefficient of IV Skempton (1954)). During this phase, the value of A varies from 0.015 to 0.42 and uploads/Litterature/ geotech-memoire-2.pdf