Propriétés des roches Les propriétés des roches est l’ensemble des caractéristiques qu’on peut donner à une roche dans un moment bien déterminé dans un lieu bien connu et qui peuvent changer selon les conditions in situ. On distingue : les propriétés mécaniques, minéralogiques, hydrauliques etc ...

Composition Les roches sont des matériaux qui constituent l’écorce terrestre. Les liaisons atomiques donnent aux corps solides deux propriétés mécaniques : la cohésion et la rigidité.

La cohésion La cohésion s’oppose à la fragmentation du corps. Elle est définie par la résistance d’une roche à la traction, la perte de cohésion intervient brusquement et la rupture se manifeste. On s’intéresse à la cohésion pour étudier la dureté de la roche, la stabilité du toit et du mur pour choisir le type de soutènement convenable et pour choisir le moyen d’abattage, les engins, les explosifs et pour connaître enfin les pressions des terrains dans un ouvrage souterrain.  

La rigidité La rigidité s’oppose à la déformation plastique du corps. Elle est définie par la résistance au cisaillement. Lorsque les liaisons qui assurent la rigidité sont données par les contraintes de cisaillement, le solide change lentement sa forme, la déformation s’achève par une rupture plastique. Si une roche conserve à la fois sa cohésion et sa rigidité, on parle des déformations élastiques et parfaitement réversibles.

La porosité La porosité des roches est l’ensemble de tous les vides (pores)dans la phase solides(squelette) de roches suivant la genèse. D’après leurs dimensions les pores sont classés en : microcapillaires avec un diamètre inférieur à 0,2µ capillaires avec 0,2 µ< diamètre< 100 µ supercapillaires avec un diamètre >100 µ .  

Les types de porosité selon l’origine de ces vides : porosité de vacuoles, porosité d’interstices, porosité de fissures, porosité d’altération ou de dissolution

La porosité n de la roche est le rapport du volume des vide (volume occupé par l’eau et l’air) au volume total de la roche. L’indice des vides est le rapport du volume des vides au volume des grains solides. On a les deux relations suivantes :

D’après la valeur de la porosité n, on classe la roche en cinq groupes: roche à porosité très faible n < 5% roche à porosité faible 5 % < n < 10% roche à porosité moyenne 10 % < n < 15% roche à porosité grande 15 % < n < 20% roche à porosité très grande n > 20%

Teneur en eau et degré de saturation : Le degré de saturation Sr indique la quantité d’eau que contient le sol. C’est le rapport du volume occupé par l’eau au volume total des vides. Lorsque le terrain est sec Sr = 0 et lorsqu’il est saturé Sr = 1. La teneur en eau w pour un certain volume de sol exprime le rapport du poids de l’eau au poids de la matière sèche. La relation qui lie ces grandeurs est d’ailleurs fort simple :

Nombre de dureté “ Schreiner” a donné une formule de dureté qui dépend considérablement de la quantité de quartz et de feldspath contenue dans la roche en question et qui se calcule selon la relation suivante: avec FB : la force limite contre fracture en KN Ai : la surface d’attaque en mm²

Densité des roches La densité de la roche est le rapport entre unité de masse sur unité de volume. Le tableau ci-joint montre des valeurs de densité pour quelque roches et matériaux:

Propriétés hydrauliques L’eau affaiblie la résistance des roches par différentes actions et modifie leur nature par altération. Les eaux souterrains sont en principe d’origine météoriques et c’est les précipitations qui alimentent le sous-sol. Les précipitations se répartissent en trois fractions inégales : -Débit d’évaporation ( EV ) -Débit d’infiltration ( I ) -Débit de ruissellement ( R )

Notion de potentiel hydraulique et de gradient hydraulique L’énergie potentielle hydraulique (appelée simplement potentiel hydraulique), est habituellement définie par le concept de charge hydraulique h, qui transforme les différentes composantes de l’énergie potentielle en “ hauteurs d’eau équivalente ” (par rapport à une côte de référence choisie) :

z  : profondeur du point considéré par rapport au niveau de référence choisi u : pression de l’eau w : poids volumique de l’eau v  : vitesse globale de l’écoulement g : accélération gravifique

En géotechnique, les écoulement sont lents et le terme d’énergie de vitesse (énergie cinétique) est négligeable. L’équation devient : La représentation de h se fait à l’aide des surfaces ou des lignes équipotentielles, c’est à dire des lieux de h constant. Le gradient i du potentiel hydraulique vaut : Il est dirigé orthogonalement aux équipotentielles et il a pour valeur la variation relative de h suivant cette direction, càd la perte de charge maximum par unité de longueur. Le gradient i peut évidemment être mesuré par la plus grande pente de la surface équipotentielle.

Ecoulement dans les massifs rocheux : Le matériau rocheux peut être considéré comme imperméable vis-à-vis des discontinuités. L’écoulement est donc concentré dans ces discontinuités. Le débit peut être calculé par la formule proposée par Lomize : Qx: débit par unité de largeur de la fissure ((m3/s)/m = m²/s) D*: ouverture de la fissure (m) du/dx: gradient de pression d’eau (Pa/m) h : viscosité dynamique (Pa.s) f: un coefficient tenant compte de la rugosité, 0 < (1/f) < 1

Notion de perméabilité Dans un tube de section globale A, à un débit q, correspond la vitesse conventionnelle : Darcy a remarqué que dans les sables aquifères : v = -k i Le coefficient k est dénommé le coefficient de perméabilité, il a la dimension d’une vitesse

Les matériaux rocheux étant généralement très peu perméables et relativement très résistants, il est nécessaire et possible de leur appliquer des gradients nettement plus élevés que pour les sols, l’entraînement des particules n’étant pas à craindre. Les échantillons sont des cylindres pleins scellés latéralement dans un siège conique, et la perméabilité axiale est mesurée (perméamètre pour matériaux rocheux).

Pour mesurer le coefficient de perméabilité in situ, on réalise l’essai Lugeon. Cet essai consiste à injecter de l’eau sous pression dans la tranche à essayer, au moyen d’un tube débouchant sous un obturateur ou bien entre deux obturateurs qui limitent cette tranche, en haut et en bas. On envoie de l’eau sous pression constante de 10 bars et on mesure le volume d’eau introduite en minutes. Une unité Lugeon correspond à l’absorption de 1 litre par mètre de forage et par minute sous une pression effective d’injection de 10 bars. Elle équivaut à une perméabilité de 10-7 m/s environ.