M1-GEO-Mécanique des Roches- CompotementMecan-Cours1

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
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Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
– ‫ ا ط ھر و ي‬.‫دة – د‬
‫ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ‬
Université Saïda – Dr Tahar Moulay –
Faculté de Technologie
Département de Génie Civil & Hydraulique
Niveau: 1ère année Master Géotechnique
Matière: Mécanique des Roches
Cours n°: 1
Chapitre 2 Comportement mécanique des roches et des massifs rocheux
Présenté par : Mr. HACHEMI HOUARI
2020/2021
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MASSIF ROCHEUX
Afin d’étudier le comportement mécanique ou hydraulique d’un massif rocheux, il
est essentiel de connaître son degré de fracturation ainsi que la répartition des
discontinuités dans l’espace.
L’objectif principal d’une étude géométrique des discontinuités est de déterminer :
• Si elles sont classables en familles (orientations voisines) ;
• Si elles structurent le massif rocheux en blocs (continuité et connectivité
importantes).
Divers auteurs ont essayé de regrouper les structures géométriques des massifs
rocheux dans des catégories bien définies.
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distinguons les massifs à blocs polyédriques, equidimensionnels, prismatiques
ou en colonnes, les massifs à bancs minces dont l’épaisseur est moins épaisse
que la longueur et les massifs comprenant plusieurs familles de fractures.
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Etat d’altération du massif rocheux
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2.Conditions hydrogéologiques
Notion de porosité : rapport du volume de vide Vv au volume total V
w(%)=(Vv/V)*100
Notion de de perméabilité : capacité du matériaux (roche , sol)à laisser
passer un fluide Coefficient K en m/s
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Charge hydraulique
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Porosité
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3.Discontinuités du massif rocheux
• Les types de discontinuités
– les plans de stratification : entre strates dans les massifs sédimentaires. Leur extension
peut être très grande
– les contacts lithologiques :Entre deux matériaux différents.
– les plans de schistosité : Débit des roches en feuillets parallèles. Origine liées aux
contraintes tectoniques. Extension est plus ou moins grande
– les diaclases : discontinuités séparant deux compartiments sans mouvement relatif.
Elles peuvent s’organiser en familles directionnelles
– les failles : mouvement relatif entre les deux compartiments : faille normale, inverse et
de décrochement fonction du champ de contrainte. Leur extension est très variable
(métrique à pluri-kilométrique)
– les couloirs de fracturation : Assemblage de petites discontinuités defaible extension et
d’orientations variées formant une structure continue
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8 paramètres caractérisent les discontinuités
• orientation : Position du plan de la discontinuité dans l’espace. Permet le classement en
familles directionnelles.
• espacement : distance entre deux discontinuités les plus proches d’une même
famille mesurée perpendiculairement à celles-ci.
• extension: L’extension ou taille des discontinuités correspond à la surface totale
de la discontinuité dans l’espace.
• rugosité et ondulation de la surface de discontinuité : A toutes les échelles ces
paramètres contrôlent la résistance au cisaillement de la discontinuité et la mobilisation ou
non du phénomène de dilatance ;
• altération des épontes : Agit sur la déformabilité, sur la possibilité de mobiliser de
la dilatance et donc sur la résistance au cisaillement.
• ouverture : distance entre épontes comptée perpendiculairement au plan de
discontinuité ;
• remplissage
• présence d’eau
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Organisation en familles
Nombre de Familles
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Organisation en familles
Espacement des discontinuités de chaque famille
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Indice globaux de densité de fracturation
ID=intervalle entre discontinuités
L’indice ID est défini comme la moyenne des intervalles découpés par les discontinuités
successives le long d’une ligne de mesure.
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Fréquence des discontinuités
FD = nombre de discontinuité par mètre
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RQD (Rock Quality Designation)
Indice globaux de densité de facturation:
Deere (1964) propose un paramètre évaluant la qualité du roc de la masse rocheuse
selon un index intitulé RQD (Rock Quality Designation). Obtenu à partir de carotte de
forage géologique, cet indice représente l’évaluation du pourcentage des carottes
récupérées sur une longueur de course précise. Basée sur un procédé qualitatif, seule la
somme des longueurs de morceaux de plus de 10 cm (4 pouces) est conservée et cette
somme est divisée par la longueur de course de la carotte de forage. Ce paramètre est
défini comme suit :
Afin de déterminer correctement l’indice RQD, une longueur totale de carottier d’au
plus de 1,5 m doit être utilisée. Cette recommandation est basée sur des observations
sur le terrain où la longueur de forage réel effectué est emboitée selon cette
longueur.La relation entre la valeur du RQD et la qualité du massif peut être établie
selon la proposition de Deere (1968).
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Classes
Valeurs de RQD %
Qualité globale du massif
(D'après D. Deere)
RQD 1
90 à 100
Excellente (excellent)
RQD 2
75 à 90
Bonne (good)
RQD 3
50 à 75
Moyenne (fair)
RQD 4
25 à 50
Mauvaise (poor)
RQD 5
0 à 25
Très mauvaise (very poor)
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Il existe aussi des méthodes alternatives pour estimer l’indice RQD autre que par
l’utilisation de carottes de forage géologique. Priest et Hudson (1976) ont établi une
relation entre l’espacement des joints (λ [joints/mètre]) déterminé à partir de
mesure de surface du massif rocheux exposé et de l’indice RQD :
Lorsqu’aucun forage géologique n’est disponible, cette corrélation s’avère très utile. La
méthode suivante est proposée pour un massif rocheux sans remplissage d’argile. Proposé
par Palmström (1982), l’indice RQD peut être indirectement déterminé par le nombre de
joints/discontinuités par unité de volume pour définir la somme volumétrique des joints
(Jv) caractérisant la surface du massif rocheux :
pour Jv < 4,5 le RQD = 100.
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4. Comportement mécanique des discontinuités
Paramètres essentiels
• Résistance au cisaillement
– Angles de frottement de pic et résiduel
– Cohésion apparente.
• Déformabilité:
Rigidités normales et tangentielles
• Un paramètre "géométrique", la dilatance :Variation de déformation normale qui
accompagne la déformation tangentielle lors d’un cisaillement
• Résistance au cisaillement:
La résistance au cisaillement est fonction, entre autres :
du frottement de épontes,
de la rugosité des épontes,
de leur degré d’imbrication,
et de leur altération.
Discontinuité plane et lisse a un comportement régi par:
le frottement des épontes avec un critère de Coulomb
(où φb est l’angle de frottement de base, fonction :nature minéralogique et du
degré d’altération des épontes)
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Approche empirique de BARTON (1973)
φb : angle de frottement de base, qui diffère de quelques degrés de l’angle de
frottement résiduel φr ((analogue à φµ utilisé par Patton 1966, Ladanyi et Archambault
1969) .
JRC : « Joint Roughness Coefficient » : morphologie du joint le coefficient de rugosité
(0 ≤ JRC ≤ 20) ;
JCS : « Joint Compressive Strength » : résistance en compression simple des épontes ;
elle est souvent estimée
indirectement in situ au moyen
d’un scléromètre.
avec τp la contrainte de cisaillement au pic ; σn la contrainte
normale ; φµ l’angle de frottement entre deux surfaces planes et
non polies du matériau considéré ; φr l’angle de frottement
résiduel ; i l’angle de dilatance ; Ca la cohésion apparente et σT
la contrainte normale de transition entre le mode de glissement
sur des aspérités et leur rupture en cisaillement.
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Figure 3.2 - Profils typiques de
rugosité et valeurs de JRC
correspondantes (Barton et
Choubey 1977)
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5. Système de classification géomécanique des massifs rocheux
La caractérisation du massif rocheux s'effectue habituellement à l'aide de
systèmes de classification géomécanique. Ces derniers sont des méthodes
empiriques qui utilisent différentes propriétés afin d’attribuer au massif rocheux
une valeur de qualité. Les classifications du massif rocheux suivantes sont
généralement utilisées : RMR (Rock Mass Rating) d’après Bieniawski (1989), GSI
(Geological Strength Index) d’après Hoek et al. (2002), NGI (Norwegian
Geotechnical Institute) d’après Barton et al. (1974)
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Système Q (Rock Tunnel Quality Q-System)
Le système Q a été développé comme critère de qualité pour les tunnels en rocher
pour l’Institut norvégien de géotechnique (Norwegian Geotechnical Institute, NGI)
par Barton et al., (1974), se basant sur de nombreuses études de cas de stabilité
d’excavations en souterrain. Le système conduit à évaluer une valeur d’indice, Q,
obtenue par :
Jn le nombre de familles de discontinuités, Jr l’indice de rugosité des
discontinuités, Ja l’indice d’altération des discontinuités (érosion, altération,
remplissage), Jw le facteur lié à la pression hydraulique dans les discontinuités et
SRF le facteur de réduction de contrainte prenant en compte l’influence des
contraintes in situ. La valeur Q de l’équation ci-dessus est le produit de trois
termes représentants :
• la taille des blocs (RQD / Jn) ;
• la résistance au cisaillement entre les blocs (Jr / Ja) ;
• l’influence de l’état de contrainte (Jw / SRF).
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RMR (Rock Mass Rating)
Publié par la CSIR (South African Council of Scientific and Industrial Research),
Bieniawski (1973) présente une classification générale du terrain rocheux
quantifié sur 100 points. La Classification Géomécanique ou Rock Mass Rating
(RMR) est basée sur l’expérience professionnelle de l’auteur dans des tunnels de
faible profondeur pour des massifs sédimentaires.
RMR76
En reprenant la version 1976 du système de classification, l’utilisation du RMR se
repose sur la simplicité à déterminer les différents paramètres suivants et leurs
pondérations
- A1 : Résistance en compression uniaxiale de la roche intacte;
- A2 : Rock Quality Index (RQD);
- A3 : Espacement des diaclases;
- A4 : Condition des joints;
- A5 : L’état d’infiltration d’eau souterraine; et
- A6 : Orientation des discontinuités.
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