Caractérisation géomécanique de roches cataclastiques

ÉCOLE POLY TECHNI QUE
FÉDÉRALE DE LA USANNE
Caractérisation géomécanique de
roches cataclastiques rencontrées
dans des ouvrages souterrains alpins
J. Habimana, V. Labiouse, F. Descoeudres
LMR
LABORATOIRE DE
MÉCANIQUE DES ROCHES
Synthèse des observations et essais
EPFL - LMR
Lot B
Lot C
Verrucano
Failles, zones fracturées et
schisteuses + inclusions de
quartz, argile et graphite
Eboulements
Convergences
Débourrages
Essais triaxiaux
Cisaillement direct
Zones de roches
complètement
broyées
Débourrages,
Décompression
Lot D
F5
Plusieurs
niveaux de
tectonisation
Eboulements
Convergences
Essais triaxiaux sol
Essais triaxiaux
Compression simple
1
Principales difficultés liées aux roches cataclastiques
cas d’excavation au tunnelier
EPFL - LMR
galerie de contournement
Instabilités devant
la machine
Effondrement
Décompression et
blocage par serrage
Phénomènes
de fluage
Formation des roches cataclastiques
EPFL - LMR
Processus de Tectonisation (Bürgi 1999)
(i) Phénomène
de Cataclase
Fracturation
Broyage
Plissement
=>
Transformation
purement
mécanique
+
(ii) recristallisation
dynamique
=> 2 facteurs: (i) Intensité de la cataclase
(ii) Texture originale de la roche
2
Choix de GSI pour quantifier
le degré de tectonisation
Structure
Very poor
Fair
Poor
Very good
La tectonisation agit sur:
Good
Surface conditions
EPFL - LMR
Geological Strength Index
Légèrement
tectonisé
Blocky/disturbed
Disintegrated
Interlocking of rock pieces
70
Very Blocky
Foliated /
laminated/sheard
l’état des joints
Surface quality
80
Blocky
la structure
=> Evolution en diagonale
60
Tectonisé
50
40
30
Très
tectonisé
20
Attention: très qualitatif!
10
N/A
N/A
5
Extrêmement
tectonisé
(σ1 − σ3 )/σ3 [-]
Influence du degré de tectonisation
EPFL - LMR
14
12
10
8
1
1 : Légèrement tectonisé
2 : Tectonisé
3 : Très tectonisé
4 : Extrêmement tectonisé
2
Grès quartzitiques
Mode de rupture
Résistance
6
Déformabilité
4
3
4
2
ε1 [−]
00
0.02
0.04
0.06
0.08
3
Enveloppe de rupture
EPFL - LMR
Grès quartzitiques
extrêmement tectonisés
100
σ1 [MPa]
σ = σ +( m*σ + s*) a
1
80
3
3
a = 0.75
m* = 6.14
s*= 0.31
R = 0.98
60
Un nombre suffisant
d’essais
Bonne corrélation
40
20
0
0
5
10
σ3 [MPa]
15
20
Plusieurs degrés de tectonisation
EPFL - LMR
80
80
σ [MPa]
1
100
σ [MPa]
1
100
60
40
Grès quartzitiques
60
40
σ = σ +( m*σ + s*) a
1
3
σ = σ +( m*σ + s*) a
3
1
a = 0.50
m* = 441.70
s*= 216.69
R = 0.98
20
0
3
Beaucoup d’essais
0
0
5
10
σ3 [MPa]
15
20
0
5
1. Légèrement tectonisé
100
2.
10
σ3 [MPa]
15
20
Bonne corrélation
Tectonisé
100
σ = σ +( m*σ + s*)
1
80
3
σ = σ +( m*σ + s*) a
a
3
60
1
80
a = 0.70
m* = 11.79
s*= 1.32
R = 0.99
σ [MPa]
1
σ [MPa]
1
3
a = 0.61
m* = 91.17
s*= 8.66
R = 0.99
20
60
40
40
20
20
0
3
3
a = 0.75
m* = 6.14
s*= 0.31
R = 0.98
0
0
5
10
σ3 [MPa]
15
3. Très tectonisé
20
0
5
10
σ3 [MPa]
15
20
4. Extrêmement tectonisé
4
Superposition des enveloppes de rupture
EPFL - LMR
100
1 : Légèrement tectonisé
2 : Tectonisé
3 : Très tectonisé
4 : Extrêmement tectonisé
a = 0.5
a = 0.61
80
Grès
quartzitiques
σ1 [MPa]
1
60
2
a = 0.70
a = 0.75
3
40
4
Le paramètre
de courbure a
évolue avec le
degré de
tectonisation
20
0
0
5
10
15
σ3 [MPa]
Superposition des enveloppes de rupture
EPFL - LMR
50
2 : Tectonisé
3 : Très tectonisé
4 : Extrêmement tectonisé
40
a = 0.63
2
Schistes
charbonneux
σ1 [MPa]
3
30
a = 0.79
4
20
a = 0.89
Le paramètre
de courbure a
évolue avec le
degré de
tectonisation
10
0
0
5
10
σ3 [MPa]
15
5
Généralisation du critère de rupture .....
............... et processus de tectonisation
EPFL - LMR
Tectonisation
Roche intacte
σ1 = σ 3 + σci ( m i
Sol
σ3
0.5
+
σ ci 1)
σ1 = k pσ 3 + 2c k p
Hoek & Brown (1980)
Mohr-Coulomb
σ3
a
σ = σ3 + tσci (mb t σ + s )
1
ci
Critère de rupture proposé
σci
mb = mi
a = 0.5
s=1
σc 0
mb = k p - 1
a=1
s-0
tσ ci
mb
a
s
Relations entre les paramètres du
critère de rupture proposé et GSI
EPFL - LMR
Limites
Relations proposées
1⎛
⎛ −GSI ⎞ ⎞
1 + exp
⎝ 20 ⎠ ⎠
2⎝
0.5 ≤ a ≤ 1
a=
(k
⎛ GSI − 100 ⎞
m b = k p − 1 + m i − k p + 1 exp
⎝
⎠
28
p
)
− 1 ≤ mb ≤ mi
(
0 ≤ s≤1
⎛ GSI − 100 ⎞
s = exp
⎝
⎠
9
0 ≤ t ≤1
⎛ GSI ⎞
t =⎝
100 ⎠
)
0.55
6
Améliorations des relations proposées
par rapport à celles de Hoek & Brown
EPFL - LMR
1.0
Comparaison pour le cas des grès quartzitiques
0ù:
σci = 90
mi = 9
φ = 30° => kp = 3
Relation proposée
0.9
a
0.8
Hoek & Brown
0.7
0.6
0.5
20
40
60
80
100
GSI
100
Hoek & Brown
80
σ c [MPa]
mb
0
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Relation proposée
20
40
60
80
Relation proposée
40
20
Hoek & Brown
0
60
100
0
0
GSI
20
40
60
80
100
GSI
Bonne corrélation avec les résultats d’essais
Cas des grès quartzitiques
EPFL - LMR
1.0
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0
20
40
60
80
100
0
20
GSI
40
60
80
100
80
100
GSI
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
20
40
GSI
60
80
100
0
20
40
60
GSI
7
Bonne corrélation avec les résultats d’essais
Cas des schistes charbonneux
EPFL - LMR
8
1.0
0.9
6
0.8
0.7
4
0.6
2
0.5
0
20
40
60
80
100
GSI
0
0
20
40
60
80
100
80
100
GSI
80
1.0
60
0.8
0.6
40
0.4
20
0.2
0
0.0
0
20
40
60
GSI
80
100
0
20
40
GSI
60
Recommandation pratique
EPFL - LMR
Caractériser la roche intacte (σci et mi)
Caractériser le matériau de remplissage (φ)
Estimer le degré de tectonisation (GSI)
Déterminer les paramètres du critère de rupture
par les relations proposées
8
Relation contrainte-déformation
(σ1 − σ3)
(σ1 − σ3)/σ3
EPFL - LMR
1
Ei = f(σ3, DT)
DT
2
Et = f(σ3, DT, ε1)
σ3
Ei
Et
3
4
3
Ei
ε1
ε1
dégré de tectonisation niveau des contriantes
DT
=>
Janbu (1963)
Duncan & Chang (1970)
Kulways (1975)
n
⎛ σ3 ⎞
Ei = Kpa ⎜ ⎟
⎝ pa ⎠
Fragile --> Ductile
Modèles de comportement
EPFL - LMR
60
(σ1 − σ3) [MPa]
[MPa]
8
(σ1 − σ3)
6
1
4
σ3 = 20.9 MPa
(σ 1 − σ 3 ) =
50
40
σ 3 = 10.6 MPa
30
1
+
Ei
ε1
ε1 Rf
⎛
σ
⎞
tσ ci ⎜ mb 3 + s ⎟
tσ ci
⎝
⎠
a
Ei
σ 3 = 5.3 MPa
20
2
10
0
0
0.04
0.08
Elastique parfaitement plastique
0.12
0
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
ε1 [−]
ε1 [−]
⎡
⎤
n
⎥
⎛ σ3 ⎞ ⎢
σ1 − σ 3)
(
Et = Kp a ⎜ ⎟ ⎢1− R f
a⎥
⎝ pa ⎠
⎛
σ
⎞
⎢
t σ ci ⎜ mb 3 + s ⎟ ⎥
⎢⎣
tσ ci
⎝
⎠ ⎥⎦
2
Elastoplastique avec
écrouissage
9