Mecanique Des Roches [PDF]

Zitiervorschau

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

Jean-Pierre Magnan

MÉCANIQUE DES ROCHES

Introduction

Cours de géotechnique 1

Mastère de génie civil européen

• • • • •

Introduction : roches et sols Minéraux – Roches – Massifs rocheux Panorama des problèmes de mécanique des roches Comportement mécanique des roches Description et comportement des massifs rocheux

Sommaire

Orogénèse

Apports magmatiques

Volcanisme

Granite

Roches

-10km

Migmatique

Sédiments

Transport et sédimentation de particules

Diagénèse

Transport en solution et sédimentation

Milieu marin

Roches métamorphiques

Métamorphisme

Roches sédimentaires

Sédimentation en eau douce

Transport par les eaux courantes

Transport par gravité

Glissements

Milieu continental Evolution pédologique Désagrégation mécanique Altération chimique

• Sols et roches : un passage continu

INTRODUCTION

Gneiss

Micaschistes

Schistes

Argile

Densité sèche 0,4 1,3 1,8 1,5 1,8

2,8-2,9 1,5-1,6 2,7 2,2-2,5 2,75 2,5 2,65

2,4-2,5 7,8

Tourbe Argile molle Argile raide Sable lâche Sable dense

Basalte Craie Calcaire dur Grès Marbre Schistes Granite sain

Béton Acier

Matériau

1,9

Densité saturée 1,2 1,6 2,1 1,95 2,1

150-400 2000-3500

1000 50-500 250-1000 300-1000 300 250 1000

Portance (MPa) 0,05 0,1 0,3 0,2 0,4

Déformations Perméabilité (sous 100kPa) en labo (m/s) 40% 10-5 15% 10-9 0,7% 10-11 2% 10-4 0,1% 10-5 1-3.10-6 10-14 14-25.10-6 10-9 1-4.10-6 10-5 -10-15 3-7.10-6 10-5 -10-10 2.10-6 10-10 -10-15 3-7.10-6 10-9 -10-13 0,8-1,2.10-6 10-13 -10-15 10.10-6 0,5.10-6

Propriétés indicatives des principaux types de sols et roches

Tourbe – lignite – charbon Argile - pélite Sable – grès Cailloux et blocs - conglomérats

Résidus d’altération : argile, latérite, bauxite Précipitation de sels dissous : calcaire, dolomie, phosphate Floculation de colloïdes : roches ferriques, siliceuses Évaporation : roches salines

• Roches métamorphiques • Roches magmatiques

– – – –

• Roches d’origine chimique

– – – –

• Sols – roches sédimentaires

Correspondances entre sols et roches

Silicates (SiO2+) Carbonates (CO3+Ca,MG,Fe) Sels divers (SO4,PO4,Cl,F,S) Oxydes

– – – – – –

Solubilité Instabilité Production d’acide sulfurique Faible résistance mécanique Gonflement Réaction avec le ciment

• Problèmes possibles

– – – –

• Minéraux majeurs

Minéraux – roches – massifs rocheux

1. Roches carbonatées 2. Roches magmatiques 3. Roches volcaniques 4. Roches métamorphiques 5. Roches détritiques consolidées

Quelques exemples de roches et de massifs rocheux

Calcaires en bancs massifs > 100m Calcaires en bancs métriques

Calcaires en petits bancs

Les calcaires et les dolomies sont des roches sédimentaires fragiles, souvent très fracturées. Elles sont constituées de bancs d’épaisseurs diverses, souvent séparés par des couches de marne ou d’argile. Les calcaires purs sont très sensibles aux phénomènes de karstification.

Les roches carbonatées : calcaires et dolomies

La roche peut se révéler très hétérogène avec successions de cavités vides ou colmatées d'argile, de brèches argileuses le long des plans de fractures, avec le risque supplémentaire de venues d'eau

Les roches carbonatées

boyau karstique

Les conduits ou cavités karstiques peuvent être vides ou colmatés.

Plis dans la vallée du Buech

Gorges du Verdon

Gorges du Verdon – Entaille de la rivière dans un massif stratifié – Continuité des pentes

Massif calcaire fracturé

Pont de Mirabeau – Vue de face

Calcaires et marnes plus ou moins argileuses

feldspath

Quartz

Macrophotographie - Granite gris breton (Carrière de Lanhélin) Mica noir (biotite)

Le granite

Roche magmatique la plus commune à la surface de la terre. Roche massive, isotrope par constitution ou faiblement anisotrope. Souvent d'énormes surfaces sur de très grandes épaisseurs. Anisotropie structurale due à la fracturation : contemporaine du refroidissement, mais surtout d'origine tectonique. • Altération : sensible au voisinage de la surface ou des grandes failles.

• • • •

Les roches magmatiques : le granite

Massif granitique fracturé

granite sain parcouru de diaclases fines délimitant des blocs anguleux

granite « pourri », en voie de désagrégation, aux diaclases élargies et aux surfaces molles,

arène granitique d’où émergent quelques boules de granite

De gauche à droite, différents stades de l’altération du granite.

L’altération du granite

Andésite de Volvic (lame mince)

Grain beaucoup plus fin que celui du granite. Moins sensibles à l’altération. Roches extrêmement dures, en général. Les roches volcaniques sont souvent riches en discontinuités : fissures de refroidissement, coulées séparées souvent par des scories et des paléosols, diaclases, failles et joints divers dus à la tectonique, intrusions de magma (dykes et sills).

Gabbro d’Afrique du Sud

• • • •

Les roches volcaniques

Coulées de basalte, avec scories et paléosols

Basalte du Puy de Dôme (lame mince)

Les roches volcaniques

Orgues ou colonnes prismatiques de basalte

Falaises de la RN1

Le Port

Le Piton des Neiges

La structure interne d’un massif volcanique

Saint-Denis

La Soufrière

Route des Tamarins

Île de la Réunion – Un volcan émergé il y a 2 millions d’années

RN1 – La Réunion inaugurée en 1976

Coulées massives

Empilement de coulées métriques

Influence de la formation du massif

Île de la Réunion – Route des Tamarins – Déblai 1

Île de la Réunion – Route des Tamarins – Déblai 2

Île de la Réunion – Route des Tamarins – Déblai 2

Île de la Réunion – Route des Tamarins – Déblai 2

• Les gneiss, en dehors d'une anisotropie de constitution plus forte que dans le cas des granites, présentent à peu près les mêmes propriétés. • Dans les micaschistes, le clivage schisteux facilite l'altération en fonction de son orientation par rapport à la surface topographique. L'altération argileuse est plus fréquente le long des plans de discontinuité.

Les roches métamorphiques

Gneiss

Massif gneissique Schiste

Les roches métamorphiques

Photo de lame mince

Lits de micas et argiles (sombres)

Lits de calcite (clairs)

Calcschiste de Mont Cenis (tunnel du Fréjus - Savoie)

Le litage alterné de calcite et de micas détermine un plan de faible cisaillement et une forte anisotropie du comportement de la roche

Calcschiste de Mont Cenis (tunnel du Fréjus - Savoie)

Schistes en cours d’altération

Grès

Poudingue Brèche de Valfleury (42)

• Les roches détritiques comprennent : des roches finement détritiques (grès divers) et des roches grossièrement détritiques (conglomérats et brèches). • Les roches grossièrement détritiques, conglomérats ou brèches, bien cimentées, présentent surtout des difficultés dues à l'hétérogénéité de leurs constituants, dans ce cas on note une forte anisotropie de constitution du matériau : blocs de calcaires, de dolomies, de granite, de quartzite dans une matrice.

Les roches détritiques consolidées

Pélites rouges permiennes

Grès, schistes et charbon

Lit de conglomérats

Quartzites précambriens

Talus rocheux des bords de routes Falaises Fondations sur massifs rocheux Barrages Ouvrages souterrains (tunnels, carrières) Grands glissements/éboulements rocheux Évolution des matériaux rocheux

Panorama des problèmes de mécanique des roches

Glissement banc sur banc

Orientation favorable des bancs

Chutes de pierres

Chutes de pierres : protection par filets (grillage)

Bonifacio (Corse)

Stabilité de falaises

Stabilité de falaises

Stabilité de falaises

Stabilité de falaises

Fondations de ponts sur massifs rocheux

Barrage de Malpasset Rupture 2-12-1959

50Mm3 eau Vague 40m 423morts

Schistes cristallins diaclasés

Barrage de Malpasset (Fréjus)

Galeries souterraines

Tunnel de Vierzy

Carrières souterraines : fontis

Carrière de l’Hautil

Carrières complexes

• Pentes instables • Glissements dans des barrages ou des vallées

Les grands mouvements de terrain rocheux

Barrage du Vaïont (Piave, Italie) 1956 – 1959 – 9/10/1963

Glissement de 260 Mm3 dans le lac – Deux vagues de 25m de haut

La ville de Longarone avant et après

Le barrage du Vaïont dans son état actuel

300m

1200m

Avant

Après

Glissement de Val Pola, Valpeline, Italie (27-7-1987) 30-40Mm3

Glissement de La Clapière (vallée de la Tinée) 500m Mouvement de 100m

Structure schématique

• Éboulement près de Saint-Denis en 1980 • Falaise de 200m de hauteur • Chutes de blocs

RN1 – La Réunion

Glissement de mars 2006

Altération des roches

Altération des roches

– – – – – –

Essais de compression simple Essais triaxiaux à haute pression Essai brésilien Essai Franklin Essai de fragmentation dynamique Essai d’altération

• Appareils d’essais en laboratoire

Comportement mécanique des roches

– – – – – –

Essais de compression simple Essais triaxiaux à haute pression Essai brésilien Essai Franklin Essai de fragmentation dynamique Essai d’altération

• Appareils d’essais en laboratoire

Comportement mécanique des roches

• Importance de la fissuration dans la déformation de la roche intacte

Comportement mécanique des roches

• Effet du confinement latéral sur le comportement

Comportement mécanique des roches

• Effet du confinement latéral

Comportement mécanique des roches

• Anisotropie (déformations, résistance)

Comportement mécanique des roches

• Effet de la température

Comportement mécanique des roches

• • • •

Introduction : les massifs rocheux fracturés Description des discontinuités Comportement mécanique des discontinuités Stabilité des massifs rocheux

Description et comportement des massifs rocheux

Exemples :

• Les discontinuités des massifs rocheux peuvent être très denses ou au contraire plus espacées.

Introduction

1.

S’il y a beaucoup de discontinuités : le comportement du massif tend vers celui d’un sable. Exemple : une pyramide d’Égypte

Quelles conséquences ?

2. S’il y a très peu de discontinuités : le comportement du massif tend vers celui d’un milieu continu. Exemple : Barre rocheuse au bord de l’Elbe

Quelles conséquences ?

• Il faut définir les blocs séparément et analyser leur empilement (mécanique des solides) • Exemples : Mycène, Sardaigne

Dans un milieu formé de gros blocs

• la répartition spatiale des discontinuités (orientation et position par rapport aux surfaces libres), • la nature et l’état de la roche (résistance et déformabilité actuelles et futures), • la nature et le remplissage des discontinuités.

Le comportement d’un massif rocheux dépend donc de

• Discontinuités souvent régulières, à décrire

Les massifs rocheux fracturés

Axes des plis

Rhône

Failles de décrochement

(suite 1) Des fractures à différentes échelles

Lac Léman

Lac de Neuchâtel

La région de Millau (Géoportail)

Le Tarn

Le Cernon

Millau

Image Spot

La Cavalerie

La Dourbie

Analyse structurale de la région de Millau

Moyenne échelle

Petite échelle

(suite 2)

• Joints de refroidissement • Schistosité

Diaclases : sans rejet (métriques)

Failles : rejet latéral ou vertical (m – km)

– Déformations cassantes (failles) – Déformations ductiles (plissements) – Déformations dans la masse (schistosité)

• Joints de stratification des roches sédimentaires • Surfaces de discontinuité d’origine tectonique

Classification des discontinuités

• Diagraphies et géophysique

L=5m

15 8 9 12 6 2 23 8 8 16 11 2 14 22 6 3 16 19 26 4 17 26 4 21 7 7 23 8 21 8 28 24 7 8 31

• Sondages carottés

A. Techniques de reconnaissance • Cartes géologiques, photos aériennes • Relevés de surface

Description des discontinuités

Analyse de la fracturation des carottes

NORD

p

Plan horizontal

Azimut et pendage

n

(H) Ligne horizontale du plan

Haut z

(H) Ligne horizontale du plan

p Vecteur pendage

Angle β1

Angle β2

n Vecteur normal

n Vecteur normal

p Vecteur pendage

Angle α1

Angle α

Direction du Nord

• Orientation des plans de discontinuité en surface

Description des discontinuités (2)

Vecteur de β pendage

Nord

Plan horizontal

Nord

Plan horizontal

β

α=270 degrés

Vecteur de pendage

α = 90 degrés

Projection stéréographique

E F

f

G

g

H

h

B

Ω

Ω'

I

(C)

Projection de l’hémisphère inférieur

Plan (P)

Plan équatorial (E)

D e

d

c b A

Description des discontinuités (3)

N

Ω

O

α

A’

E

(C)

Trace du cercle

β

P

A

Ω'

Projection stéréographique (2)

S

N

Ω

p

(C)

Pôle P

A’

E

Pôle

O

A

Ω'

Description des discontinuités (4)

S

O

S

N

Méridien (longitude)

E

Parallèle (latitude)

Projection stéréographique (3) : canevas de Wulff

Description des discontinuités (5)

Pendage 30 °

Plan P1

B

A

Plan P2

Azimut α : N150°

Pendage 50 °

Azimut α : N20°

O

β = 30 degrés

S

N

E

β = 50 degrés

Projection stéréographique (4) : canevas de Wulff - Exemple

Description des discontinuités (6)

Projection stéréographique (5) : canevas de Schmidt

Description des discontinuités (7)

Pôle

Nombreux facteurs • Géométrie des surfaces en contact (rugosité, irrégularités) • Nature des roches et degré d’altération • Épaisseur et nature du matériau de remplissage • Niveau des contraintes normales • Présence d’eau (discontinuité ou remplissage) • Amplitude du mouvement tangentiel • Mouvements antérieurs éventuels • Orientation du cisaillement

Comportement mécanique des discontinuités

• Irrégularités des surfaces en contact

Comportement mécanique des discontinuités

• Autre exemple : face d’un bloc de granite

Comportement mécanique des discontinuités

Critère de rupture (plan σ - τ)

Déplacement normal δh déplacement δl

Contrainte de cisaillement τ – déplacement δl

Pic

Dilatance

Pic

Résiduel

Résiduel

Essais de cisaillement dans le plan de la discontinuité

Comportement mécanique des discontinuités

0

c

τ

ϕr

ϕr + ψ

ϕr

τ = σ tan ϕr

τ = c + σ tan ϕr

Loi de Coulomb

Critère de rupture (Coulomb)

σ

Comportement mécanique des discontinuités

eau

eau

poids

Équilibres de blocs 2D ou 3D

Stabilité des massifs rocheux

• Bloc 3D

Stabilité des massifs rocheux

Exemple 1 : fondation calculée avec UDEC

Stabilité des massifs rocheux

Ancrage passif (barre ou boulon) – effort tranchant

Ancrages passifs et précontraints

Ancrage précontraint – effort normal / frottement

Stabilité des massifs rocheux

Exemple 2 : fondations du viaduc des Pox et de Rome (A89)

Stabilité des massifs rocheux

– le RMR – les corrélations

• Comment passer de l’échantillon au massif ? • Méthode utilisée

Caractéristiques mécaniques des massifs

Caractéristiques des massifs (d’après Bieniawski)

Valeurs des modules

• Le cours : apprentissage multiforme de connaissances sur la nature et le comportement des sols et des roches, mais aussi sur les méthodes de calcul et sur la réalités des problèmes géotechniques du génie civil et de l’environnement.

• Les problèmes de géotechnique doivent d’abord être compris avant d’être modélisés et résolus ou évités.

En guise de conclusion

Séchilienne

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