Géométrie et mécanique des massifs rocheux

Géométrie et mécanique des massifs rocheux 

Le massif rocheux 

Les massifs rocheux sont constitués d’un assemblage de blocs rocheux de tailles et de dimensions variables séparés par des surfaces de discontinuités. Ces discontinuités sont du point de vue mécanique composées essentiellement de failles, de diaclases, de fissures et de fentes de tension qu’on regroupe sous la terminologie de fractures, en plus des joints stylolithiques et de stratification. Ce chapitre expose l’ensemble de ces discontinuités après avoir donné une définition succincte du massif rocheux. Ensuite, il s’en suit une revue technique de la méthode de relevé des discontinuités dans les massifs rocheux et de leur représentation.

Définition du massif rocheux
Les massifs rocheux sont tout d’abord un assemblage de blocs rocheux de dimensions variables. Ce sont des milieux naturels discontinus compacts, de grandes résistances. Ils sont le plus souvent parcourus par un réseau de fractures (Chalhoub, 2006). Certains massifs ne sont cependant pas fracturés (Fabre et al., 2008). Mais cette exception se limite tout simplement à l’échelle macroscopique car l’observation au microscope montre que la matrice est le plus souvent traversée par des micro-discontinuités qui sont soit liées au processus de formation de la roche soit à leur évolution ultérieure. A l’échelle de l’ingénieur, le massif rocheux est constitué d’une matrice rocheuse et d’un ensemble de discontinuités (Zhao, 2008). En effet, ceci constitue la masse rocheuse. Pour les travaux de Génie Civil, de Génie Géologique et Minier, la connaissance approfondie du massif rocheux, en l’occurrence, l’essentiel de ses propriétés est d’une grande importance. Elle permet de pouvoir prédire son comportement afin d’envisager les ”modes d’attaque” et d’éviter les catastrophes au cours des travaux de construction, de réhabilitation ou de confortement. Leur bonne description permet aussi de pouvoir retracer leur histoire géologique. Dans les massifs, on définit un matériau rocheux sous forme de blocs de roches intactes, de tailles variées traversés par un nombre plus ou moins important de discontinuités. Ces discontinuités sont regroupées en des familles bien distinctes selon leurs orientations.

Les discontinuités dans le massif rocheux
Les éléments constituant le globe terrestre sont le siège d’importants mouvements. Ces mouvements génèrent des contraintes qui agissent aussi bien sur l’élément géologique qui leur a donné naissance que sur les éléments environnants. Suite à l’action de ces contraintes extérieures, un massif rocheux subit des déformations. L’aboutissement de ces déformations est la formation de discontinuités dont les types dépendent de divers paramètres, dont essentiellement, la nature de la roche. Ainsi, sur le plan mécanique et structural, différents types de discontinuités peuvent être étudiés à savoir :

• les failles,
• les diaclases ;
• les joints ;
• les fentes de tensions.

Les failles

Une faille est la fracture d’une roche qui entraîne un déplacement relatif des compartiments le long du plan de faille (figure 1.1.1). Leurs tailles vont de quelques centimètres à des centaines de km. Sur le plan géologique, on distingue les failles normales extensives des failles inverses compressives et des failles cisaillantes (figure 1.1.1.b). Quelque soit le type de faille que nous distinguons, il est caractérisé par des éléments qui définissent sa géométrie , à savoir :
• le rejet,
• le miroir de faille ;
• le toit ;
• le mur ;
• les lèvres ;
• les tectoglyphes.

Les joints 

Le terme de joint peut avoir deux significations différentes selon le mode d’emploi. En effet, le stratigraphe l’emploie pour désigner une couche de faible épaisseur qui sépare deux couches de natures différentes ou identiques. Dans ce cas, on parlera de joints sédimentaires. Ils se forment suite à une venue de faible quantité de matériaux de natures différentes de ceux qui se sont déposés auparavant. Sur le plan géologique, les joints sont définis comme étant des surfaces de discontinuités issues de la dissolution de minéraux de faible résistance. On parle ainsi de joint stylolithique. Ces joints stylolithiques forment des surfaces accidentées et indentées avec des pics appelés pics stylolithiques. Sur le plan mécanique, le terme « joint » désigne l’ensemble des fissures et fractures du massif rocheux (Chalib et al., 2005 ; Zhao, 2008). Leurs intersections constituent les nœuds des discontinuités. En effet, ces discontinuités sont d’espacement allant de l’ordre du millimètre à quelques centimètres et sont, en général, constantes dans les roches (Zhao, 2008).

Les diaclases
Les diaclases apparaissent dans des roches soumises à une contrainte soit cisaillante, soit compressive ou extensive (Saitta et al., 2006) et sans déplacement des compartiments. Priest (1993 in Ben Abdelghani, 2005) définit les diaclases comme des fractures (fissures) dans une roche le long de laquelle le déplacement est faible ou absent. Ces diaclases se forment dans tous les matériaux géologiques par thermo-métamorphisme et induisent ainsi une redistribution complexe du champ de contraintes locales dans la masse rocheuse. Dans la matrice rocheuse macroscopiquement non déformée, on rencontre des microstructures qui sont des défauts qui affectent les atomes des minéraux. Pour cette raison, Fabre et al. (2008) considère le massif rocheux comme étant constitué de microdiscontinuités (visible au microscope) dans la matrice rocheuse et les macrostructures sont visibles sur le site.

Les fentes de tension
Ce sont des structures à épontes jointives (figure 1.1.2) qui apparaissent suite à une contrainte dans un massif rocheux. Cette ouverture montre le plus souvent un remplissage avec des minéraux secondaires en général de nature fibreuse. Leurs épontes indiquent le sens de la contrainte maximale qui est à l’origine de la discontinuité. Ces fentes de tensions peuvent aussi être en échelon dans des plans de fractures conjugués.

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Table des matières

Introduction Générale
PARTIE I : Géométrie et mécanique des massifs rocheux
Chapitre 1. – Le massif rocheux
Introduction
1. – Définition du massif rocheux
2. – Les discontinuités dans le massif rocheux
3. – Orientation des discontinuités
4. – Représentation stéréographique
5. – Paramètres physiques des discontinuités
Conclusion
Chapitre 2. – Les systèmes de classifications des massifs rocheux
Introduction
1. – Le système Q ou « Tunneling Quality Index »
2. – Le Rock Mass Rating (RMR)
3. – Le Geological Strength Index (GSI)
4. – Estimation du module de rigidité du massif rocheux
Conclusion
Chapitre 3. – Le comportement mécanique des roches
Introduction
1. – La matrice rocheuse
2. – Comportement mécanique des discontinuités
3. – L’effet d’échelle
Conclusion
Chapitre 4. – Théorie des fractals et applications
Introduction
1. – Fractals auto-similaires
2. – Fractals auto-affines
3. – La Multifractalité
4. – Génération d’une structure fractale
5. – Modèles corrélés longue portée
6. – Détermination des paramètres des fractals autoaffines
7. – Echelle microscopique et microdiscontinuités
Conclusion
Chapitre 5. – Rugosité des discontinuités
Introduction
1. – Estimation approximative du JRC (Joint Roughness Coefficient)
2. – Détermination expérimentale
Conclusion
Chapitre 6. – Les critères de ruptures
Introduction
1. – Le critère de Mohr-Coulomb
2. – Le critère de Hoek-Brown
3. – Le critère de Griffith
Conclusion
Chapitre 7. – Modélisation et ouvrage au rocher
Introduction
1. – Modélisation des milieux rocheux
2 – Les ouvrages au rocher
3. – Dimensionnement des ouvrages souterrains
Conclusion
PARTIE II. – Investigations de terrains et données de laboratoires
Chapitre 1. – Investigations géomécaniques dans le domaine du socle, la série birrimienne de Mako
Introduction
1. – Contexte de l’étude
2. – Description générale
3. – Etude des variables géomécaniques des basaltes du sud de Mako
4. – Etude de lames minces
Conclusion
Chapitre 2. – Etude géomécanique dans le domaine de la couverture sédimentaire entre Pélél Kindéssa et Ségou
Introduction
1. – Contexte général du bassin de Ségou
2. – Description pétrographique des roches du secteur
3. – Etude de la colline de la frontière Sénégalo-guinéenne
4. – Paramètres mécaniques
5. – Stéréographie des discontinuités
6. – Analyse microscopique des microdiscontinuités
Conclusion
Chapitre 3. – Etudes expérimentales par chargements sous sollicitations uni-axiale et paramètres dérivés
Introduction
1. – Phase de confection des éprouvettes de roches
2. – Dispositif et procédure expérimentale
3. – Résultats expérimentaux des essais de Compression Uni-Axiale (UCT)
4. – Détermination des paramètres mécaniques des massifs rocheux
Conclusion
Chapitre 4. Problématique des ouvrages aux rochers
Introduction
1. – Ouvrages de protection des glissements
2. – Dimensionnement d’ouvrages souterrains
Conclusion
Conclusion générale

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