Mécanique des Roches Chapitre 1 PDF

Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux I.1. INTRODUCTION Pendant des siècles, « construire sur le roc » a été considéré comme un gage de stabilité et de longévité pour l’ouvrage, le rocher étant très résistant, p...

Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux I.1. INTRODUCTION Pendant des siècles, « construire sur le roc » a été considéré comme un gage de stabilité et de longévité pour l’ouvrage, le rocher étant très résistant, pratiquement indéformable, et, en rivière, non affouillable, à la différence des terrains meubles, que le géotechnicien appelle sols aujourd’hui. Cette conception de la sécurité a longtemps dispensé les ouvrages fondés au rocher de toute étude approfondie des conditions géotechniques, à laquelle cependant on avait alors recours lorsqu’on construisait sur un terrain non rocheux. Seuls les mineurs avaient affaire au rocher pour extraire des métaux, des minerais, et plus tard des combustibles minéraux. Leur expérience était transmise en vase clos, étroitement dépendante d’ailleurs du site où s’exerçait leur activité. A la surface, le développement massif des infrastructures aux XIX et XXème siècles (routes et voies ferrées, ports et barrages, etc.) s’est traduit par la construction d’ouvrages de génie civil de plus en plus audacieux et quelques accidents dramatiques ont alors révélé les limites de cet optimisme. De même, l’occupation croissante des montagnes (stations touristiques et leurs routes d’accès) a mis en lumière des dangers d’abord sous-estimés, chutes de pierres, érosion par les cours d’eau, glissements de terrain, ceux-ci à toute échelle. Les versants naturels, les excavations pour carrières et tranchées, les tunnels et cavernes des exploitations minières comme ceux du génie civil (ou militaire), tous ces ouvrages posent des problèmes de mécanique des roches (CFMR,2004). I.2. DOMAINES D’APPLICATION DE LA MÉCANIQUE DES ROCHES La mécanique des roches a pour objet la définition du comportement des roches sous l'effet de sollicitations mécaniques. Elle trouve son application dans des ouvrages de génie civil d'importance très variable : de la maison unifamiliale à la centrale nucléaire, en passant par les barrages, tunnels, etc....( SCHROEDER,1975). La mécanique des roches, comme son nom l’indique, revient à étudier les lois et paramètres mécaniques qui permettent de comprendre et de prédire le comportement des massifs rocheux (Muriel & Didier, 2019). Le Comité International des Grands Barrages, créé en 1927, fut le premier à réfléchir sur le problème, et son congrès de 1964 marque le début de ce que l’on appelle la mécanique des roches (François, 2012). Mécanique des Roches Page 1 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux I.2.1.Principaux domaines d’application La mécanique des roches trouve ses applications dans divers domaines de l’ingénierie et de la recherche : Géologie : déformations tectoniques entraînant plissements, diaclases et failles ; Physique du globe : comportement sous haute pression et température, séismes ; Mine : stabilité des excavations, des tailles, galeries et puits ; Pétrole : extraction des fluides en milieu poreux, stabilité des forages profonds ; Stockages souterrains : stabilité, transport des polluants, perméabilité, couplages thermo- mécaniques ; Géothermie : échange de chaleur entre fluides et massif rocheux fracturé, durée de vie d’un pompage ; Génie Civil : Dans les travaux au rocher, l’ingénieur doit répondre à différentes questions : stabilité : par exemple, évaluer le risque de chute de blocs à partir d’un talus ou d’une falaise, ou le facteur de sécurité vis-à-vis de la rupture d’une fondation en bordure de plateau ; déformation : estimer le tassement sous une fondation, ou la convergence d’un tunnel ; extraction (abattage) : définir les conditions d’une utilisation optimale de l’explosif, vis-à- vis du massif resté en place, qu’il faut endommager le moins possible, ou des vibrations causées sur les constructions voisines ; concassage : choisir la technique permettant d’obtenir la granularité souhaitée, pour un coût minimal ; utilisation comme matériau : s’assurer que la roche extraite possède certaines qualités, de résistance et de durabilité par exemple. Les principaux ouvrages et travaux de génie civil au rocher sont les fondations (de barrages, de grands viaducs, de centrales nucléaires), la stabilisation des talus et des falaises naturelles, les terrassements de surface (tranchées routières, carrières et mines à ciel ouvert), les travaux souterrains (tunnels, stockages d’hydrocarbures, carrières), la production d’enrochements pour la protection des ouvrages à la mer (DURVILLE, 1997). Même en génie civil, les spécialistes des routes, des chemins de fer, des égouts, des barrages, etc., ont des spécificités (usure des granulats de chaussées, attrition du ballast des voies ferrées et des enrochements, étanchéité, sous-pressions, etc.), sans oublier celles des ouvrages militaires Mécanique des Roches Page 2 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux (résistance aux impacts). Le concassage et le broyage ont des objectifs différents dans la préparation des minerais, des pierres à ciment, et des granulats pour béton ; les talus des carrières et mines à ciel ouvert ne posent pas les mêmes problèmes de sécurité que les tranchées routières et les pentes naturelles. Tous ces domaines peuvent toutefois s’éclairer les uns les autres (CFMR,2004). I.3. MECANIQUE DES ROCHES ET MECANIQUE DES SOLS La distinction entre roche et sol repose essentiellement sur la cohésion du matériau. Un sable sec et propre ne possède pas de cohésion, une argile ou un sable argileux possède une cohésion faible qui peut être détruite par agitation dans l’eau. Une roche possède une cohésion de cimentation qui lie fortement ses éléments entre eux. La limite entre roche et sol peut aussi être définie conventionnellement par un seuil de résistance en compression uniaxiale : les roches se situeraient au-dessus de 1 MPa environ, les sols en dessous (DURVILLE, 1997 ). Il convient tout d’abord de bien différencier ce que nous appèlerons par la suite roches et sols. Voici une définition d’origine mécanique : – Roches : Géomatériaux possédant une cohésion ( ≠ ) et une résistance à la compression simple supérieure à 10 MPa. – Sols : Géomatériaux pulvérulents ou cohésifs mais ne présentant pas ou pratiquement pas de résistance à la compression simple. La cohésion disparaît par dissolution (MARTIN, 2012). I.4. LES PRINCIPALES CATÉGORIES DE ROCHES Le nom d'une roche est donné en fonction de sa composition minéralogique, de sa texture et de son mode de formation. Ce dernier conduit à distinguer trois grandes familles de roches : sédimentaires, métamorphiques et magmatiques (CFMR,2000). I.4.1. Les roches magmatiques résultent de la solidification de magmas. Ceux qui parviennent directement à la surface forment les roches volcaniques ou effusives, les laves, dans lesquelles on n'observe à l'œil nu que très peu de cristaux (en raison d’un refroidissement rapide). Au contraire la solidification en profondeur donne les roches plutoniques dont la lenteur du refroidissement permet la croissance des cristaux, bien visibles donc à l’œil nu. Les minéraux sont essentiellement des silicates : quartz, feldspaths alcalins et plagioclases, amphiboles, micas etc.. Les roches magmatiques, dont les plus répandues sont les granites, forment l’essentiel de la croûte terrestre continentale, bien qu’elles soient souvent cachées sous les roches sédimentaires. Mécanique des Roches Page 3 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux Roche plutonique → intrusive,, refroidissement à l'intérieur et en profondeuur, dans une chambre magmatique. Roche filonienne → intrusive, refroidissement à l'intérieur des conduits. Roche volcanique → extrusive, refroidissement à la surface. Figure I.1: Le cycle des roches ( les roches changent continuellement au cours du temps géologique). Les flèches indiquent les chemins que les roches peuvent suivre à mesure qu'elles changent (geowiki, Site internet). I.4.2. Les roches sédimentaires sont formées à la surface de la terre sur le sol ou au fond de l'eau. Elles résultent de la désagrégation des roches préexistantes. Leur dépôt en couches initialement proches de l'horizontale résulte : de l'action des agents d'érosion et de transport (eaux, crues, glaciers, vent) qui déposent finalement des roches détritiques ; de l'activité des êtres vivants (roches organogènes) ; de phénomènes physico-chimiques physico (roches hydrochimiques et salines formées essentiellement par précipitation). Mécanique des Roches Page 4 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux Ces actions se combinent souvent et beaucoup de roches sédimentaires sont en fait d'origine mixte. Ces sédiments se consolident et se cimentent lorsqu'ils sont enfouis en profondeur (l’augmentation de la température et de la pression favorisant des réactions entre les minéraux et les fluides interstitiels). Les roches sédimentaires couvrent 75 % de la surface des continents et la quasi totalité des fonds océaniques, mais leur épaisseur est limitée. On se limite à citer les quatre groupes principaux : grès, calcaires, roches argileuses, évaporites, en laissant de côté les roches carbonées (pétroles, charbons et lignites). Les grès sont essentiellement constitués de grains de quartz (99,5 % pour le grès très pur de Fontainebleau), ils contiennent souvent des feldspaths et des micas. conglomérats. Les calcaires sont constitués essentiellement de carbonates de calcium (calcite ou aragonite) et de carbonate de magnésium (dolomie). Leur origine est organique, par accumulation de débris d’organismes marins (craies), ou de précipitation chimique. Les roches argileuses sont composées de minéraux argileux (illite, kaolinite, montmorillonite, interstratifiés), avec éventuellement des grains de petite dimension de quartz et carbonates. Le terme argilite désigne les roches argileuses au sens large. Les shales sont des argilites litées. Les évaporites sont des sels précipités lors de l'évaporation d'un liquide. A partir de l'eau de mer les principaux minéraux précipités sont le gypse, l'anhydrite, le sel gemme sous ses diverses formes dont la halite et la potasse (sylvinite). Grés → essentiellement constitués de grains de quartz. Calcaires → essentiellement constitués de carbonates de calcium. Roches argileuses →composés de minéraux argileux. Évaporites → sels précipités lors de l'évaporation d'un liquide I.4.3. Les roches métamorphiques résultent de la transformation profonde à l'état solide de roches sédimentaires ou magmatiques préexistantes sous l'effet d'une augmentation de la température et/ou de la pression. Il y a recristallisation complète des roches primitives. Les roches formées portent en général la trace de l'anisotropie du tenseur des contraintes sous lequel elles ont cristallisé, ce qui peut se traduire par une schistosité ou une foliation accompagnée de linéation. Les roches les plus communes sont les schistes, les micaschistes et les gneiss, beaucoup plus massifs, mais dans lesquels les minéraux apparaissent nettement orientés. Les marbres et les quartzites sont des roches Mécanique des Roches Page 5 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux massives entièrement recristallisées dans lesquelles l'orientation des minéraux (calcite ou quartz) n'est que rarement visible à l'œil nu. Métamorphisme de contact → zone de contact entre un encaissant et un magma Métamorphisme régional → pendant la formation des montagnes champs de contraintes → températures appliquées à l'échelle régionale Métamorphisme dynamique → zones de faille I.4.4. Description pétrographique La description pétrographique consiste à déterminer la nature des différents minéraux, leur abondance relative, leur degré d’altération, leur taille et leur agencement, ainsi que l’existence éventuelle de pores (DURVILLE , HÉRAUD, 1995). La description d'une roche comprend les observations suivantes, effectuées à l'œil nu ou de préférence à la loupe ou au microscope : identification des minéraux présents, taille, arrangement des minéraux et des vides associés (texture), proportion des différents constituants, vides et défauts : pores et fissures, état d'altération des minéraux. L'analyse minéralogique des constituants contribue à une meilleure description de la roche et permet d'approcher son altérabilité, son potentiel de gonflement, son aptitude au « collage », éventuellement son abrasivité. L'analyse minéralogique s'effectue couramment par diffraction X. Cette analyse conduit à une identification des minéraux présents et après interprétation une composition quantitative peut être obtenue. Pour les roches carbonatées argileuses, le dosage de la teneur en CaCO3 précise l'identification de la roche. (CFMR , 2000). Lorsqu'elle est présente, la fraction argileuse doit être caractérisée à partir des limites d'Atterberg. L'essai d'absorption au bleu de méthylène permet de qualifier l'activité de la fraction argileuse (norme NF P94-068) (AFTES , 2003). Mécanique des Roches Page 6 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux Tableau I.1: DENOMINATIONS RECOMMANDEES DES ROCHES ET DES PRINCIPALES FAMILLES PETROGRAPHIQUES (AFTES , 2003) Granite, granodiorite, syénite, Famille des Granités microgranite, rhyolite, rhyodacite, trachyte, etc ROCHES MAGMATIQUES Diorite, diorite quartzique, microdiorite, Famille des Diorites andésite, dacite, trachyandésite, etc Gabbro, dolérite, péridotite, Famille des Basaltes et Gabbros serpentinite, basalte, pouzzolane, etc. Roches métamorphiques Gneiss, amphibolite, cornéenne, ROCHES massives quartzite, marbre, leptynite, etc. METAMORPHIQUES Roches métamorphiques Schiste, micaschiste, ardoise, schisteuses calcschiste,etc Calcaire, craie, dolomie, cargneule, Roches carbonatées travertin, marne, etc; Grès, arkose, argilite, pélite, Roches détritiques ROCHES SEDIMENTAIRES conglomérat, etc; Sel gemme, gypse, anhydrite, potasse, Roches salines etc. Roches carbonées Charbon, lignite, etc 1.5. PROPRIETES PHYSIQUES DES ROCHES (AFTES , 2003 & CFMR , 2000.) Les propriétés physico-mécaniques et technologiques des roches ont une grande influence sur la stabilité des terrains. Parmi les propriétés physiques, les plus importantes sont : la masse volumique, la porosité et l’humidité. I.5.1. Masses volumiques On définit différentes masses volumiques (dimensions M.L-3) en fonction de l'état du matériau. Masse volumique naturelle C'est le rapport de la masse "humide" ou "naturelle" m au volume total V de l'échantillon, en l'état à réception. = ⁄ Masse volumique sèche C'est le rapport de la masse sèche de l'échantillon, mesurée après passage à l'étuve, au volume V de l'échantillon, y compris l'air qu'il contient = ⁄ Mécanique des Roches Page 7 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux Masse volumique des grains C'est le rapport de la masse sèche des grains d'un échantillon broyé, au volume des grains (mesure au pycnomètre). = ⁄ Cette caractéristique de la phase solide de la matrice dépend directement de la composition minéralogique de la roche. On trouvera en tableau 3, les valeurs correspondant aux minéraux les plus courants. I.5.2. Poids volumiques Les poids volumiques (dimensions M.L-2.T-2) , , correspondants aux masses volumiques précédentes sont obtenus par multiplication par l'accélération de la pesanteur g = 9,81 m/s2 : = × I.5.3. Teneur en eau (norme P 94-410-1) La teneur en eau pondérale w, exprimée en %, est le rapport de la masse de l'eau à la masse du matériau sec : %=( ⁄ )× I.5.4. Porosité (norme P 94-410-3) La porosité n, exprimée en %, est le rapport du volume des vides au volume total V d'un échantillon de roche : %=( ⁄ )× La valeur de la porosité est surtout conditionnée par la présence de vides globuleux (pores), mais assez peu par les fissures (vides très aplatis et fins). Il peut exister des pores inaccessibles à l'eau de saturation (porosité occluse). Les classes de valeur de porosité sont définies dans le tableau I.2. Tableau I.2 : Classes de porosité de la motrice rocheuse CLASSES VALEURS DE LA TERMES DESCRIPTIFS POROSITÉ n DE POROSITE P1 0% < n < 1% Porosité très faible P2 1% < n < 5% Porosité faible P3 5% < n < 15% Porosité moyenne P4 15% < n < 30% Porosité forte P5 n > 30% Porosité très forte Mécanique des Roches Page 8 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux Pour la majorité des roches sédimentaires, la masse volumique sèche de l'ordre de 2,7 t/m3 est un bon indicateur de la porosité. I.5.5. Degré de saturation Le degré de saturation en eau Sr, exprimé en % est le rapport du volume de l'eau contenue dans l'échantillon au volume des vides. C'est le pourcentage de l'espace poreux occupé par l'eau. =( ⁄ )× La roche est dite "sèche", lorsque Sr = 0. Elle est dite "saturée", lorsque Sr = 100% I.5.6. Perméabilité La perméabilité k d'un échantillon de roche est définie par le coefficient liant le débit Q traversant une surface S au gradient de charge hydraulique i (loi de Darcy) : ⁄ = × La dimension de k est celle d'une vitesse (L.T). La perméabilité de la matrice est fortement influencée par la microfissuration (connexion des vides) et par voie de conséquence, varie avec l'état de contrainte. Le choix d'échantillons représentatifs ainsi que leur état initial est particulièrement important. La mesure en laboratoire s'effectue à l'aide de perméamètres spécifiques (longitudinal, radial,...) ou en cellule triaxiale. Une anisotropie de perméabilité peut être observée et des mesures suivant plusieurs directions sont recommandées. La connaissance de la perméabilité de la matrice ne s'avère indispensable que pour certains projets d'ouvrages souterrains (réservoirs, confinement de déchets,...). I.5.7. Vitesses de propagation des ondes ultrasoniques (norme P 94-411) - Indice de continuité Les vitesses de propagation des ondes ultrasoniques renseignent sur l'état d'altération, et/ou la fissuration et la porosité. La mesure des vitesses des ondes dans plusieurs directions peut permettre de mettre en évidence une éventuelle anisotropie, due à une orientation préférentielle des microfissures ou à la structure de la roche. On distingue : les ondes de compression, ou ondes longitudinales, ou ondes P, dont la vitesse est désignée par Vp; Mécanique des Roches Page 9 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux les ondes de cisaillement, ou ondes transversales, ou ondes S, dont la vitesse (plus rarement mesurée) est désignée par Vs Figure I.2 : Mesure des vitesses des ondes ultrasonores L'indice de continuité IC de la roche est défini comme étant le rapport de la vitesse Vp mesurée dans l'échantillon, à la valeur théorique Vp* calculée à partir de la composition minéralogique de l'échantillon : ∗ = ×! "⁄ " $ ∗ " est obtenu en faisant la moyenne harmonique des produits des vitesses des ondes Vpi dans les divers minéraux constitutifs de la roche (Tableau I.3 & I.4) par leur teneur volumique : ∗ =% " " Ci : concentration volumique en minéral i Vpi : vitesse dans le minéral i Mécanique des Roches Page 10 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux VP: vitesse mesurée dans l’échantillon (entre 2 céramiques piézoélectriques) & " = L : longueur de l’échantillon T : temps de parcours Tableau I.3 : MASSE VOLUMIQUE ETVITESSE THEORIQUE VP DES ONDES P DANS LES MINERAU (AFTES , 2003) Minéraux Masse volumique ρs (g/cm3) Vp (m/s)* Amphiboles 2,98 - 3,20 7200 Augite 3,2 - 3,4 7200 Biotite 2,90 5130 Calcite 2,71 6660 Dolomite 2,87 7900 Magnétite 5,17 - 5,18 7410 Muscovite 2,83 5810 Oligoclase 2,64 - 2,67 6260 Olivine 3,25 - 3,40 8400 Orthose 2,57 5690 Quartz 2,65 6050 * d'après la norme NF P18-556 Une approximation, généralement possible, consiste à estimer la vitesse théorique Vp* à partir du tableaux I.3 & 4, qui donne les vitesses maximales théoriques pour les principales roches supposées parfaites, sans pores ni fissures. Tableau I.4: ORDRE DE GRANDEUR DE LA VITESSE THEORIQUE VP* DES ONDES P DANS QUELQUES ROCHES SUPPOSEES SAINES ET NON POREUSES (AFTES , 2003) Roches Vp*(m/s) Granités et rhyolites 6000 Diorites 6500 Gneiss 6000 Amphibolites 6500 Calcaires 6500 Roches siliceuses 6000 * A utiliser au besoin dans la détermination de l'indice de continuité '( Mécanique des Roches Page 11 Chapitre 1 Généralité sur les roches et les massifs rocheux A pétrographie identique, l'indice de continuité diminue avec l'augmentation de la porosité de pores et plus fortement encore, avec celle de la porosité de microfissures. Les classes de continuité en fonction des valeurs de IC sont définies dans le tableau I.5 Tableau I.5: Claosses de continuité de la matrice rocheuse (AFTES , 2003) CLASSES VALEURS DE TERMES DESCRIPTIFS L'INDICE DE DE CONTINUITE IC CONTINUITE IC IC 1 IC > 90% Continuité très forte IC 2 75% < IC < 90% Continuité forte IC 3 50% < IC < 75% Continuité moyenne IC 4 25% < IC < 50% Continuité faible IC 5 IC < 25% Continuité très faible On peut écrire en fonction de la porosité de pores " et de la porosité de fissures ) : = ! −+ " −, )$ -./0 12 + 14 = 156578 /9 12 ≪ 14 Dans le cas des roches exclusivement poreuses ( ; 200 Discontinuités très espacées ES 2 60 à 200 Discontinuités espacées ES 3 20 à 60 Discontinuités moyennement espacées ES 4 6 à 20 Discontinuités rapprochées ES 5