Mécanique des roches: pourquoi?

Mécanique des roches: pourquoi?
La chute de blocs, les glissements de talus rocheux, l’écrasement des excavations souterraines, ont poussé les ingénieurs à étudier plus en détail le comportement des massifs rocheux dans sa globalité. Le développement de la mécanique des roches a donné des réponses au comportement des massifs rocheux, et il a permit de comprendre d’une manière scientifique ces différents aspects. A.LAHMILI - Département Génie Minéral - EMI

Problèmes des mines souterraines.
Problèmes liés au gisement ; Problèmes liés aux eaux souterraines ; Problèmes liés aux matériels. A.LAHMILI - Département Génie Minéral - EMI

Problèmes liés au gisement :
Ce type de problème dépend essentiellement du gisement, par exemple : - Caractéristiques mécaniques du toit ; - Pendage des couches, et variations de leurs épaisseurs ; - Présence de zones calcifiées. A.LAHMILI - Département Génie Minéral - EMI

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Problèmes liés aux eaux souterraines.
Déplacement dans le chantier (boue), Chargement du minerai, Augmente l’humidité La corrosion du matériel, Les risques d’une électrocution. A.LAHMILI - Département Génie Minéral - EMI

Problèmes liés aux matériels.
Ruptures des convoyeurs Blocage du blindé. Éclatement de flexibles, Rupture des chaînes, Défaillances des moteurs et des réducteurs. A.LAHMILI - Département Génie Minéral - EMI

L’objectif de ce cours est de
- Comprendre le comportement des roches et des massifs rocheux A.LAHMILI - Département Génie Minéral - EMI

Comment? Par l’utilisation des différentes théories de la mécanique des roches Contrainte - déformation. Modèle élastique et élastoplastique Critères de rupture Les paramètres géotechniques influençant le comportement mécanique des roches A.LAHMILI - Département Génie Minéral - EMI

Ceci pour: - Comprendre le comportement des discontinuités (les joints) - Déterminer les différentes catégories de roches de point de vue comportement mécanique, - Déterminer les pressions de terrain - Utiliser les méthodes empiriques ou numériques pour le choix de soutènement. A.LAHMILI - Département Génie Minéral - EMI

Caractéristiques Mécaniques des Joints

Caractéristiques Mécaniques des Joints
Introduction Rupture des joints Joint plan lisse Joint Rugueux à indentation régulière Joint rugueux à indentation irrégulière Joint rugueux et adhérant Détermination de la résistance au cisaillement Facteur influençant le glissement des joints

Introduction Les massifs rocheux sont découpés par des joints dont la résistances est inférieurs à celle du matériau rocheux constitutif La résistance d’un massif à la compression ou à la traction dépend de la résistance des joints

Introduction Toute discontinuité dans les massifs rocheux formant une surface de résistance au cisaillement ou à la traction inférieurs à celle du matériau rocheux constitutif Peut être vide ou contenir un matériau de remplissage Lèvres simplement en contact ou cimentées partiellement Présente des irrégularités

Rupture des joints Joint lisse
Caractéristiques mécaniques se déterminent habituellement par essai de cisaillement direct in situ ou au laboratoire:

Joint lisse N constante et t augmente jusqu’à rupture
Le diagramme 1 qui présente  en fonction de h Le diagramme 2 présente la courbe intrinsèque de la résistance du joint dans son plan

Joint lisse Si le joint est placé perpendiculairement au plan de cisaillement imposé, il n’a pas d’influence

Joint lisse Conclusion
la résistance dépend de l’orientation du joint et de l’effort de cisaillement les courbes intrinsèques sont fonction de l’angle d’inclinaison difficulté de tracer une courbe intrinsèque pour un corps contenant de telle discontinuité

Joint rugueux à indentation régulière
soit i1 et i2 les indices des dents  caractéristique de frottement du joint lors d’un simple glissement c et ’ les caractéristiques de résistance de la roche constituant les épontes Supposant que N est faible et constante

l’effort nécessaire au mouvement : T’ = N’ tg Avec N’ = N cos i1 + T sin i1 T’ = -N sin i1 + T cos i1 et sin (a+/-b)=sin(a).cos(b) +/- cos(a).sin(b) cos (a+/-b) = cos(a).cos(b) –/+ sin(a). sin(b)

La courbe intrinsèque: Pour les petite valeurs de N, la courbe intrinsèque correspond à une droite inclinée de +i1 Pour des fortes valeurs de N, pas de glissement suivant la pente i1, le glissement s’effectue suivant le plan moyen de la fissure. La courbe intrinsèque est celle du matériau rocheux Pour des valeurs intermédiaires: glissement suivant i1, puis cisaillement des dents

Conclusion Les surfaces de rupture ne se développent pas librement comme dans un corps continu mais elles sont influencées par la présence des joints Le mode de rupture dépend de l’intensité des contraintes, des indices des dents et de l’ampleur du déplacement.

Joint rugueux à indentation irrégulière
Se sont les joints réellement rencontrés Indentations irrégulières Incidences très variables Ondulations de différentes longueurs et amplitudes Rugosités généralement différentes suivant la direction et le sens de cisaillement

Soit s constante et t croissante, Si t > ou = résistance au cisaillement, alors le demi bloc supérieur se déplace suivant AB, en formant un angle a avec le plan moyen du joint Soit sc la résistance à la compression simple des matériaux des épontes a dépend de s/sc et de t/sc

Ladanyi et Archambault ont proposé un critère de résistance maximum au cisaillement de joint irréguliers en additionnant les effets de frottement de la dilatance et de l’imbrication. Formulation assez compliquée à cause de la complexité du comportement de rupture A = aire total du joint As =somme des aires réellement cisaillées a = angle de dilatance moyen à la rupture fu = angle de frottement des surfaces de contact des aspérités ff = angle de frottement moyen pour un glissement le long des indentations irrégulières st = résistance à la traction simple du matériau rocheux sc = Résistance à la compression simple du matériau rocheux

Les expression empiriques suivantes ont été déduites des résultats expérimentaux st = contrainte de transition pour laquelle le joint ne représente plus une faiblesse (intersection entre critère de rupture de joint et du matériau intact a0 angle de dilatance pour une contrainte normal nulle fr = angle de frottement résiduel du joint Le critère suppose une imbrication initiale complète, dont le cas contraire il propose une correction tenant compte du degré d’imbrication 

Lorsque l’imbrication décroît la résistance tend vers la résistance au cisaillement

Conclusion Pour augmenter la résistance d’un joint rugueux à indentation irrégulière il faut empêcher toute déformation conduisant à la réduction de l’imbrication Pour améliorer la résistance du massif, il faut augmenter les efforts normaux par le blocage des possibilités de dilatance, et ceci soit par : Mise en place des dispositifs raidissant le massif dans les directions orthogonales aux joints Mise en place des barres d’acier traversant les joints scellées dans le rocher

Joint rugueux et adhérent
Joint avec zone adhérentes ou fortement imbriquées, et zones à indentation peu rugueuses. Lors d’un essai de cisaillement: Concentration des contraintes de cisaillement dans les zones continues, et dilatation due à la tendance de glissement le long du joint. La contrainte de cisaillement croît, on assiste: Une amorce de rupture par traction aux extrémités des joints ouverts Ces fissures s’ouvrent et s’alignent sur la direction de l’effort maximal de compression Finalement les différentes fissures et joints se joignent et le glissement se produit

Détermination de la résistance au cisaillement
Introduction Les essais au laboratoire ou in situ sur volumes réduits ne peuvent en aucun cas remplacer les essais en grandeur naturelle avec conditions aux limites réelles Cisaillement direct: l’essai le plus adapté pour la mesure des caractéristiques mécaniques d’un joint. Il peut être in situe ou au laboratoire

Les essais au laboratoire sont les meilleurs, les mesures sont plus précises, mais leurs valeur scientifique dépend de la représentativité des éprouvettes (prélèvement, transport, conservation et la mise en place), surtout si on s’intéresse au cisaillement maximum (au pic). Le découpage d’un bloc (parallélépipède) contenant un joint se fait soit par forage sécants ou par sciage au fil ou au disque diamanté.

La méthode qui donne le meilleur résultat consiste à forer au carottier diamanté quatre trous parallèles le long de quatre arrêtes du prisme à isoler, en suite de scier le fond

On utilise aussi des échantillons carottés, renforcés préalablement par un boulon collé à la résine époxyde. Le carottage longitudinale d’un joint donne de meilleurs résultats que le carottage transversal qui comprime le joint et a tendance à le faire tourner sur lui-même. Une autre méthode plus simple consiste à fabriquer un joint artificiel au laboratoire, mais il est malaisé de recréer les conditions initiales pour le matériau de remplissage.

Cisaillement direct Appareil : 2 demi boîtes dans les quelles on cimente l’échantillon de tel sort que le joint coïncide avec le plan de séparation des demi boîtes

Cisaillement par compression simple L’effort P se décompose en effort normal N et tangentiel T par rapport au joint, ces deux composantes varient proportionnellement, l’indice de proportionnalité dépend de l’inclinaison (i) du joint par rapport à la direction de P, il faut donc varié i pour tracer la courbe intrinsèque.

Essai de cisaillement direct in situ

Essai de cisaillement direct in situ Un bloc prismatique est dégagé au-dessus d’un joint et ensuite emprisonné dans un massif de béton servant d’appui au vérins et répartiteur de contraintes. Un vérin applique uniquement un effort normal, l’autre incliné sur le plan du joint produit l’effort de cisaillement et contribue aussi à l’effort normal. Les axes du vérins concourent au centre du joint à cisailler. Les forces de cisaillement et les forces normales sont données par: N = N1+T1sina T= T1Cosa L’effort de cisaillement peut également être parallèle au plan du joint

Cisaillement par compression triaxial L’éprouvette est placé avec le joint incliné de 30° à 45° sur la direction axial On applique une pression latérale sc puis on augmente F jusqu’à rupture. On peut arrêter le glissement en augmentant la contrainte latérale puis on augmente de nouveau F, en renouvelant le processus on peut tracer la courbe intrinsèque par un seul échantillon. Le frottement entre la base de l’éprouvette et les pièces d’appui doit être négligeable ( < à 1%)

Valeurs de la résistance au cisaillement: Des chercheurs ont trouvé que malgré la grande variété des surfaces des joints: Presque tous les coefficients de frottement résiduels étaient compris entre 0,5 et 0,7 Tous les joints ont une faible cohésion résiduelle d’environ 1,5 MPa et une cohésion maximum pour les joints fortement imbriqués pouvant atteindre 7,5 MPa Le coefficient de frottement pour des grands déplacements (valeur résiduelle) est indépendant de l’état de surface initial

« STICK – SLIP » L’effort de cisaillement lors du glissement des deux lèvres d’un joint est généralement saccadé (varie continuellement) on observe des chutes brusques puis des remontées de cet effort L’ampleur des oscillations dépend de la rigidité de la machine d’essai et particulièrement du dispositif de mesure. Le phénomène est encore mal connu, mais il semble que l’on puisse considérer deux causes: 1- Pour les joints rugueux: cisaillement des aspérités avec modification des surfaces de contact, ce qui provoquerai avec la rigidité de la machine des chutes soudaines de l’effort lors du cisaillement suivies d’augmentations. 2- Pour les joints lisses: la perte de résistance est due à la différence de frottement statique et dynamique qui provoquerait des relaxations périodique suivies d’augmentations dues à des phénomènes d’adhérence et de griffage.

« STICK – SLIP » La première cause disparaît avec le déplacement des deux lèvres, les joints se polissant et atteignant une rugosité caractéristique des grands déplacements. La deuxième se stabilise lorsque la même rugosité est atteinte Le phénomène de STICK-SLIP est très influencé par l’effort normal

Facteurs influençant le glissement des joints
Rugosité: un des facteurs principaux qui influence la résistance au cisaillement qui diminue avec le déplacement pour les joints rugueux alors qu’il augmente pour les joints lisses pour se stabiliser (c’est le pic qui est influencé) Nature de la roche: peu influente sauf pour certaines roches comme les schistes. Mouvements antérieurs: provoquent une diminution de l’imbrication et un polissage réduisant la valeur de la résistance maximum. Effort Normal: la courbe intrinsèque est généralement parabolique, l’angle de frottement interne diminue avec l’effort normal Effet de l’eau: la pression interstitiel réduit la résistance au frottement.

Facteurs influençant le glissement des joints
Matériau de remplissage: phénomène assez complexe, on peut distinguer quatre type de remplissage: Matériaux lâches provenant de broyage sous effort tectoniques Produits de décomposition et d’altération des épontes Produits de précipitation d’eaux calcaires Matériaux de remplissage amené de la surface. Le comportement du joint dépend en outre de l’épaisseur du remplissage et de la rugosité des épontes. Effet de l’échelle: essais au laboratoire réalisés sur des échantillons trop petits pour représenter les irrégularités du premier ordre, souvent on ne tient compte que de celles du 2ème et 3ème ordre. Il faut donc être prudent dans l’emploi des résultats

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