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HAL Id: tel-00584240 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00584240 Submitted on 7 Apr 2011 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Comportement mécanique des roches : du laboratoire à l’ouvrage. Muriel Gasc-Barbier To cite this version: Muriel Gasc-Barbier. Comportement mécanique des roches : du laboratoire à l’ouvrage.. Mécanique [physics.med-ph]. Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2011. tel-00584240 Rapport de synthèse présenté devant l’Université Bordeaux I en vue de l’obtention de l’ Habilitation à Diriger des Recherches Spécialité : Mécanique, Génie mécanique par Muriel Gasc-Barbier Comportement mécanique des roches : du laboratoire à l’ouvrage Présentée le 4 février 2011 devant le jury composé de : M. J. Sulem Directeur de recherche Paris Tech - Navier Président - Rapporteur Mme V. Merrien-Soukatchoff Professeur à l’INPL Rapporteur M. M. Vinches Maître assistant des Écoles des Mines Rapporteur Mme J. Riss Professeur à l’Université de Bordeaux I Examinateur M. J.-L. Durville Membre du Conseil Général de l’Environnement et du développement durable Examinateur Travaux préparés au CETE-SO, Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Toulouse 1/107 Sommaire Avant propos .............................................................................................................................5 Partie 1 : Parcours professionnel 1. Curriculum vitae détaillé...................................................................................................9 1.1. État civil, fonctions, diplôme ....................................................................................9 1.2. Activités d’encadrement de la recherche ................................................................11 1.3. Administration de la recherche ...............................................................................13 1.4. Partenariats..............................................................................................................14 1.5. Activités connexes...................................................................................................16 2. Liste des publications et des travaux...............................................................................17 2.1. En préparation :.......................................................................................................17 2.2. Mémoire de thèse:...................................................................................................17 2.3. Soumis (revues).......................................................................................................17 2.4. Publications (revues / Chapitre d'ouvrages)............................................................18 2.5. Publications (Actes de Congrès) .............................................................................19 2.6. Communications sans publication...........................................................................20 2.7. Liste des rapports ....................................................................................................21 Partie 2 : Présentation des travaux de recherche 1. Introduction.....................................................................................................................25 2. Description du massif rocheux........................................................................................26 2.1. Caractérisation du massif ........................................................................................27 2.1.1. Levé sur lignes de mesure...............................................................................27 2.1.2. Levés sur carottes issues de forage .................................................................30 2.1.3. Levés sur imagerie de paroi ............................................................................32 2.1.4. Travaux réalisés...............................................................................................33 2.2. Répartition géométrique des fractures ....................................................................37 2.3. Représentativité des mesures ..................................................................................38 2.4. Synthèse partielle ....................................................................................................38 3. Caractérisation en laboratoire .........................................................................................39 3.1. Description des dispositifs expérimentaux..............................................................39 3.1.1. Bâti pour la mesure des ondes élastiques :......................................................39 3.1.2. Presse pour les essais mécaniques...................................................................40 3.2. Caractérisation mécanique de la matrice.................................................................42 3.2.1. Endommagement au cours d’essais mécaniques.............................................44 3.2.2. Caractérisation de l’endommagement par méthodes acoustiques...................50 3.2.3. Endommagement au cours de cycles de gel/dégel..........................................53 3.2.4. Synthèse des méthodes de caractérisation de la matrice rocheuse employées58 3.3. Essais sur les discontinuités ....................................................................................58 3.3.1. Mise au point de procédures expérimentales ..................................................58 3.3.2. Cisaillement sous contrainte normale constante (norme XP P94-424)...........60 2/107 3.3.3. Autres trajets de chargement...........................................................................64 3.3.4. Influence de la rugosité des joints...................................................................67 3.4. Synthèse partielle ....................................................................................................70 4. Comportement des ouvrages ...........................................................................................72 4.1. Modélisation............................................................................................................72 4.1.1. Modèle simple : « classification des massifs rocheux » .................................72 4.1.2. Modèle structural : prise en compte de la répartition statistique des fractures74 4.1.3. Modèle géomécanique : milieux discontinus Resoblok..................................75 4.1.4. Modèle géomécanique : milieux discontinus Udec.........................................77 4.1.5. Modèle géomécanique : milieux discontinus LMGC .....................................79 4.1.6. Modèle géomécanique : milieux continus équivalents CESAR-LCPC...............80 4.1.7. Conclusion sur les modèles.............................................................................82 4.2. Instrumentation des ouvrages..................................................................................82 5. Conclusion.......................................................................................................................85 6. Perspectives.....................................................................................................................86 6.1. Description du massif rocheux................................................................................86 6.2. Caractérisation en laboratoire .................................................................................87 6.3. Comportement des ouvrages ...................................................................................87 6.3.1. Modélisation géomécanique............................................................................87 6.3.2. Instrumentation d’ouvrage : suivi du creusement du tunnel de St Béat par interférométrie du champ sismique diffus.......................................................................88 6.4. Autres pistes à explorer...........................................................................................89 6.4.1. Analyse du changement climatique.................................................................90 6.4.2. Projet « terre crue ».........................................................................................90 6.4.3. ANR Flash Haïti..............................................................................................91 7. Bibliographie (autre que citée en 2 )................................................................................ 92 8. glossaire...........................................................................................................................97 Annexes 3/107 Liste des figures Figure 1 : Lignes de mesure réalisées à St Béat......................................................................29 Figure 2 : Coordonnées Aftès, d’après [Aftès, 2003] .............................................................29 Figure 3 : Procédé de levé de fracturation à l'aide d'une mire (Dezayes, 1996) .....................29 Figure 4 : Extrait d’un log résultant de l’imagerie optique –St Béat, forage SCH2 ...............34 Figure 5 : Bâti utilisé pour la mesure des ondes élastiques.....................................................40 Figure 6 : Schéma de la presse en configuration a-uniaxiale et b-cisaillement ......................41 Figure 7 : Systèmes de mesure des déformations a- collier extensométrique b-jauge de déformation collée sur l’éprouvette ........................................................................................41 Figure 8 : Montage pour la mesure des ondes élastiques sous chargement mécanique..........42 Figure 9 : Schéma de la courbe contrainte-déformation d’une roche soumise à une compression (Jaeger et Cook 1979). .......................................................................................43 Figure 10 : Carottes de gneiss de Valabres .............................................................................44 Figure 11 : Vitesses des ondes P en fonction de l’orientation de la foliation de la roche par rapport à l’axe de la carotte.....................................................................................................45 Figure 12 : Courbe contrainte/déformation caractéristique des essais uniaxiaux avec mesures des vitesses..............................................................................................................................46 Figure 13 : Valeurs des modules statiques mesurés à la décharge en GPa.............................47 Figure 14 : Photos de 2 éprouvettes après essais a- R637 préparée perpendiculairement b- R633, carottée parallèlement à la foliation .............................................................................47 Figure 15 : Valeurs des modules dynamiques calculés, en GPa.............................................48 Figure 16. Évolution de la vitesse des ondes P sous 5MPa de confinement...........................49 Figure 17. Évolution de la vitesse des ondes P sous 5MPa de confinement...........................50 Figure 18 : Historiques de chargement (en bleu) et activités acoustiques (en rouge) durant les compressions uniaxiales de deux échantillons (R633, // à gauche et R637 ┴, à droite).........51 Figure 19. Courbes contrainte-déplacement (en bleu) et localisation des hypocentres des événements d’EA durant les compressions uniaxiales, R633 // à gauche et R637 T à droite 51 Figure 20 : Fracturation macroscopique sub-verticale post-rupture de l’échantillon R633 (foliation sub-parallèle à σ1) et localisation des hypocentres.................................................52 Figure 21 : Évolution des vitesses moyennes de propagation des ondes - grès......................54 Figure 22 : Évolution des spectres de fréquence pour la carotte R 748 – grès des Vosges a- Vp, b-Vs1, c- Vs2....................................................................................................................55 Figure 23 : Évolution des énergies en fonction des cycles – Grès des Vosges.......................56 Figure 24. Exemple de joint de calcaire scellé en place, essai réalisé au LRPC de Toulouse a-vue de dessus demi-boite inférieure uniquement, b- vue de côté, joint en place.................59 Figure 25 : Comportement à la compression simple d’une discontinuité naturelle de gneiss 59 Figure 26 : Réponse d’un joint naturel à un essai de cisaillement a- courbe contrainte/déformation, b- courbe de dilatance.......................................................................61 Figure 27 : Proposition d’enveloppe de rupture et résiduelle – gneiss de Valabres ...............62 Figure 28 : Comparaison courbe expérimentale / modèle - courbe contrainte / déplacement [Ar9]........................................................................................................................................63 Figure 29. Influence de la vitesse de cisaillement sur la contrainte au pic.............................63 Figure 30. Évolution de la rigidité tangentielle en fonction de la contrainte normale et de la vitesse de cisaillement.............................................................................................................64 Figure 31 : Exemple de mobilisation de blocs rocheux [Zhao 2008] ; a- les essais CNC représentent bien un glissement sous son propre poids, b- les essais KNC rendant mieux compte de mouvements contraints au sein de roche fissurée..................................................65 Figure 32 : Chargement de l'essai à déplacement normal constant – gneiss de Valabres.......65 4/107 Figure 33 : Essai à rigidité constante pour une contrainte normale initiale imposée de 5 MPa. a- contrainte tangentielle en fonction du déplacement tangentiel, b- Courbe de dilatance ....66 Figure 34 : Essai de cisaillement de type oedométrique – gneiss de Valabres a- Trajet de chargement b-Réponse ............................................................................................................67 Figure 35 : Morphologie de l’éponte inférieure d’un joint de marbre [Ac18]........................68 Figure 36 : Définition des colatitudes 2D et 3D. ....................................................................69 Figure 37 : Localisation des zones de contact (en noir) de joints naturels de marbre de St Béat soumis à un cisaillement sous contraintes normales de 30 kN (a), 20 kN (b) and 10 kN (c) .70 Figure 38. Exemple de calculs Resoblok [Ar8] ......................................................................76 Figure 39. Exemple de calculs Resoblok [Ac9]......................................................................77 Figure 40. Iso-valeurs des déplacements verticaux autour de la pile du viaduc sur le Viaur pour un effort de traction de 63 MPa, calculs UDEC [Ac11].................................................78 Figure 41. Exemple de modèle de terrain réalisé avec Resoblok (vallée du Viaur) ...............78 Figure 42. Coupes Udec (longitudinale et axiale) du massif de St Béat, réalisées à partir de simulations Resoblok ..............................................................................................................79 Figure 43. Modélisation des talus du Pallat réalisée à l’aide de LMGC90 [Rafiee et al. 2009] .................................................................................................................................................79 Figure 44 : Comparaison milieu continu équivalent / milieu discontinu – représentation de la contrainte de cisaillement au niveau d’un des déblais d’Ax-les-thermes ...............................81 Figure 45 : Prise en compte de la topographie du site de St Béat...........................................81 Figure 46 : Implantations GPS des désordres et des cibles sur le MNT du versant ...............83 Figure 47 : Schéma d'implantation des sondes dans la galerie du château - St Béat (Inéris) .89 Figure 48 : Localisation des principaux sites d'étude .............................................................99 Figure 49 : Village de St Béat – positionnement de l’axe du futur tunnel et position actuelle de la route. Photo Vincent Constant ..........................................................................................100 Figure 50 : Tracé du tunnel. ..................................................................................................101 Figure 51 : Carte IGN de la zone des lacets du Pallat...........................................................102 Figure 52 : Photo des lacets du Pallat ...................................................................................103 Figure 53 : déviation d’Ax-les-Thermes...............................................................................104 Figure 54 : uploads/Science et Technologie/ gasc-barbier-hdr.pdf