Groupement de Recherche sur l’Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains ineris-inpl-ensmp Étude du comportement à court et long terme des roches appliquée à la stabilité des ouvrages souterrains Équipe Mécanique des Roches J. ESLAMI - D. HOXHA - J. GRGIC

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 1 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Problématique : Instabilité à long-terme d'ouvrages souterrains Quelques exemples de problématiques: Après-mine Versants rocheux Stockage souterrain 1. Exploitations en chambres et piliers. 2. Arrêt des pompages d ’exhaure. 3.Remontée des eaux et inondation des galeries. 4. Effondrements localisés. 5. Dégâts de surface. couches minéralisées intercalaires marneux 4 à 6 m 50 à 100 m 3 à 4 m fractures liées à l’exploitation: infiltration des eaux karstiques pilier (minerai) chambre (exploitée) eaux d’exhaure pompées

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 2 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Objectif : modélisation du comportement instantané et différé des roches Roche concernée: calcaire d’Euville (+ minerai de fer) Etude des mécanismes de déformation et de rupture: échelle labo. Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Objectifs: Étude des mécanismes de déformation instantané et différée dans les roches poreuses (calcaire oolithique, minerai de fer) Étude de l’influence de l’hygrométrie sur les mécanismes de déformation Paramétrage du modèle de comportement phénoménologique THMC Moyens expérimentaux: Essais de compression uniaxiale multi-paliers: court et long (fluage) terme Contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes US (quantification de l’endommagement) Écoute des Emissions Acoustiques EA avec localisation des évènements

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 3 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Caractérisation du calcaire d’Euville (calcaire oolithique) Microstructure du calcaire oolithique d’Euville (photos MEB) Essai hydrostatique drainé réalisé sur un échantillon de calcaire Nf = 0,07% Module de compressibilité: K = 11200, 13000, 14800 (MPa) Distribution du rayon d’accès des pores Porosité ouverte au mercure nHg (%) Porosité libre nl (%) Porosité piégée np (%) 22,2 7,0 15,2 Porosité ouverte à l’eau  (%) (17 mesures) 22,2 ± 0,7% Perméabilité (m2) 4,5 10-15

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 4 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) Objectifs: Mesurer l’évolution des 5 modules élastiques (isotrope transverse) au cours d’essais mécaniques Quantification de la densité et la distribution des microfissures en fonction du chargement

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 5 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) Dispositif expérimental: Éprouvettes équipées de capteurs US Cale supérieure Capteurs émetteur et récepteur des ondes US Capteur émetteur des ondes US en direction axiale Cale inférieure 5mm 7,5mm P S1 S2 Capteurs US: céramiques piézoélectriques Fréquence de résonance: 150 kHz

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 6 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Déformations Conditions expérimentales état saturé (Hr=100%) cycles relaxation-déchargement (à mi-hauteur)- rechargement tous les 1,5 MPa Seuil dilatance Seuil non-linéarité de déformation latérale Vitesses des ondes

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 7 Étude du comportement HM à court et long terme des roches 1.1: Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Déformations Conditions expérimentales état saturé (hr=85%) cycles relaxation-déchargement (à mi-hauteur)- rechargement tous les 1,5 MPa Vitesses des ondes

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 8 Étude du comportement HM à court et long terme des roches 1.1: Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Modules élastiques dynamiques (hr = 85%)

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 9 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Modules élastiques statiques 1,5 – 2,5 MPa

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 10 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Comparaison des données acoustiques et mécaniques hr = 0 % hr = 85 %

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 11 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Dispositif expérimental pour le fluage Conditions hydriques générateur de pression Cellule à hygrométrie contrôlée 2 cellules reliées en série à un générateur - essai FI : hr = 100 % (pc = 0 MPa) - essai FII : hr = 100 % (pc = 0 MPa) - essai FIII : hr = 85 % (pc = 22 MPa) - essai FIV : hr = 85 % (pc = 22 MPa) - essai FV : hr = 66 % (pc = 56,2 MPa) - essai FVI : hr = 66 % (pc = 56,2 MPa) Paliers de contrainte 8,5 Contrainte (MPa) 7 7 5 3 1 temps

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 12 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) Quelques résultats en US: essai de fluage uniaxial multi-paliers Déformations Vitesses des ondes

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 13 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) Quelques résultats en US: essai de fluage uniaxial multi-paliers Modules élastiques statiques

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 14 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Effet de l’eau sur le comportement mécanique Résultats des essais à court et à long terme Déformations Résultats des essais uniaxiaux à long terme Essais fluages hr (%) Pic (MPa) Seuils de dilatance (MPa) Essai I 100 15 5 Essai II 16,6 10 Essai III 85 17 11,5 Essai VI Essai V 66 17,4 13,5 Essai IV - Résultats des essais uniaxiaux à court terme Essais uniaxiaux hr (%) Pic (MPa) Seuils de non-linéarité axial latéral dilatance Essai I 100 14 9 5,5 Essai II 85 16,5 6,4 11,5 Essai III 66 20,8 18 12 14,5 Essai VI 22,2 11 -

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 15 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Effet de l’eau sur le comportement mécanique Le concept de la contrainte effective expressions de la contrainte effective en partialement saturé Bishop coussy

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 16 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Écoute des Émissions Acoustiques (EA) Dispositif expérimental: Objectifs: Étude des sources des EA dans les roches (fissuration, mvt de dislocations) Méthodes d’analyse des EA: Mécanismes des sources, statistique, fréquentielle et énergétique, vitesses de propagation, tomographie et localisation. Formes d’onde enregistrées Éprouvette équipée de capteurs EA Emplacement d’un capteur acoustique Mécanismes des sources

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 17 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Écoute des Émissions Acoustiques (EA) Quelques résultats en EA: essai de compression uniaxiale à court-terme

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 18 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie Écoute des Émissions Acoustiques (EA) Quelques résultats en EA: essai de compression uniaxiale à court-terme Réseau pour localisation Résultats de localisation

Étude du comportement HM à court et long terme des roches 19 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Conclusions Les propriétés élastiques anisotropes d’un calcaire oolithique ont été déterminées au moyen de mesures des vitesses de propagation des ondes ultrasonores élastiques. La variation des vitesses montre que la création des fissures au cours du chargement est aléatoire et isotrope, sauf que les fissures qui ont été créés dans la direction perpendiculaire à l'axe de la contrainte restent fermées pendant le chargement et s’ouvrent pendant le déchargement. Les émissions acoustiques sont distribuées spatialement de façon plutôt diffuse dans le volume de l’échantillon Cette distribution diffuse des événements acoustiques (localisation) et la distribution isotrope des fissures (détectée par l’évolution des vitesses) peut être due à un endommagement par décohésion des grains dans l’échantillon Influence assez important de l’hygrométrie sur le comportement mécanique de la roche à court et long terme (augmentation de la résistance et le seuil de dilatance à court et long terme) en raison de la grande taille des pores, le durcissement de la pierre calcaire d’Euville ne peut pas être expliqué par le couplage hydro-mécanique