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1 Rock Mechanics Mécanique des roches Course Lectures 2008 1ère partie – Roches

1 Rock Mechanics Mécanique des roches Course Lectures 2008 1ère partie – Roches et massifs rocheux Professeur ZHAO Jian EPFL−ENAC−LMR Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics 2 Enseignant: Prof ZHAO Jian, LMR Objectifs: (a) Comprendre le comportement mécanique des roches, des discontinuités et des massifs rocheux; (b) Être capable d’analyser et de déterminer les propriétés mécaniques des roches pour des applications de génie civil. Évaluation: Examen final écrit + évaluation des exercices Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Informations sur le cours 3 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. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Introduction 4 En quoi la mécanique des roches est-elle spécifique? La roche à l’échelle d’ingénierie est Discontinue, Inhomogène, Anisotrope, et Non-linéairement Elastique. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Introduction La mécanique des roches traite du comportement des roches lorsque les conditions limites sont modifiées par l’ingénierie 5 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. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche 6 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Roche métamorphique Roche ignée Magma (Lave) Roche sédimentaire Sediment (Sol) cristallisation lithification altération fonte métamorphisme altération/transport métamorphisme altération/transport transport 7 Minéraux Les roches sont composées de minéraux, principa- lement des silicates. Les silicates importants consti- tuant 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. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche 8 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Un cristal de quartz bien développé Quartz dans un granite Formation de la roche 9 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 sur- face 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. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche 10 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche Claire Foncée Couleur Ca- Plagioclase Olivine Amphibole Pyroxène Muscovite Biotite Amphibole Composition minérale mineure Olivine Pyroxène Ca-Plagioclase Pyroxène Amphibole Plagioclase Biotite Quartz Orthose N-Plagioclase Composition minérale principale <40% de silice 40-50% de silice 50-65% de silice >65% de silice Pourcentage de silice Aucune Basalte Andésite Rhyolite Extrusive (grain fin) Péridotite Gabbro Diorite Granite Intrusive (grain grossier) Ultramafique (ultrabasique) Basaltique (basique)(mafique) Andésitique (intermédiaire) Granitique (acide)(felsique) 11 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche 12 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 ; et (iii)par la précipitation d’une solution. Les roches à sédiments clastiques sont généra- lement classées selon leur granulométrie. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche 13 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche Mudstone Se casse en blocs Schiste Se sépare en fines couches > 1/16 mm Grès Quartz avec d’autres minéraux 1/16 – 2 mm Brèche Fragments de roche angulaires Conglomérat Fragments de roche arrondis > 2 mm Nom de la roche Commentaires Taille des particules 14 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche schiste grès Conglomerat Roche avec des sels 15 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. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche 16 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche Grès quartzeux Degré intermédiaire à élevé Non-feuilletée Quartzite Calcaire, dolomie Degré bas à élevé Non-feuilletée Marbre Granit, schiste, andésite Degré élevé Feuilletée Gneiss Basalte Degré bas Feuilletée Schiste de chlorite Schiste argileux Degré bas à intermédiaire Feuilletée Micaschiste Schiste argileux Degré bas à intermédiaire Feuilletée Phyllite Schiste argileux (minéraux d'argile) Degré bas Feuilletée Ardoise Roche parente originale Degré métamorphique Texture Roche 17 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche Slate Phyllite Schist Gneiss Marbre Quartz État de métamorphisme Low High 18 Les textures des roches Les roches sédimentaires, ignées et métamorphi- ques 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, et (ii) la liaison entre les minéraux. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche 19 Structure imbriquée d’un granit Structure clastique d’un grès Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche 20 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. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Formation de la roche 21 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. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Les discontinuités de la roche 22 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Les discontinuités de la roche 23 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. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Les discontinuités de la roche 24 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics 25 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 commme éléments du massif rocheux. Ils sont souvent associés à un haut degré de fracturation et à des roches relativement faibles et tendres. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Les discontinuités de la roche 26 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics 27 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. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics Les discontinuités de la roche 28 Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics 29 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). Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics La roche et les massifs rocheux 30 Une pente excavée de carrière d'environ 30 m de haut. tunnel de 12 m de diamètre. Forage 10 cm. Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics 31 20 cm Laboratoire de Mécanique des Roches −LMR Rock Mechanics 32 Composition des massifs rocheux Un massif rocheux contient (i) du matériau rocheux sous forme de blocs de roche intacte de uploads/Science et Technologie/ 1-ens-080312-fr-jfm-lecture-2008-part-1-french.pdf