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Étude du comportement à court Étude du comportement à court et long terme des roches et long terme des roches
appliquée à la stabilité des appliquée à la stabilité des
ouvrages souterrainsouvrages souterrains Équipe Mécanique des Roches
J. ESLAMI - D. HOXHA - J. GRGIC
Groupement de Recherche sur l’Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains
ineris-inpl-ensmp
1. Exploitations en chambres et piliers.
2. Arrêt des pompages d ’exhaure.
3.Remontée des eaux et inondation des galeries.
4. Effondrements localisés.
5. Dégâts de surface.
1
Problématique : Instabilité à long-terme d'ouvrages souterrains
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
couchesminéralisées
intercalairesmarneux
4 à 6 m
50 à 100 m
3 à 4 m
fractures liées à l’exploitation:infiltration des
eaux karstiques
pilier(minerai)
chambre(exploitée)
eaux d’exhaurepompées
maison détruite
étendue des désordres en surface (500 m)
50 à
100
m
contraintes
chambre exploitée
1.5 m
rupture des piliers
remontée des eaux
pilier
maison détruite
étendue des désordres en surface (500 m)
50 à
100
m
contraintes
chambre exploitée
1.5 m
rupture des piliers
remontée des eaux
pilier
Quelques exemples de problématiques:
Après-mine Versants rocheux Stockage souterrain
CS GISOS 2009
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
Objectifs:
Étude des mécanismes de déformation instantané et différée dans les roches poreuses (calcaire oolithique, minerai de fer)
Étude de l’influence de l’hygrométrie sur les mécanismes de déformation
Paramétrage du modèle de comportement phénoménologique THMC
Moyens expérimentaux:
Essais de compression uniaxiale multi-paliers: court et long (fluage) terme
Contrôle de l’hygrométrie
Mesure des vitesses des ondes US (quantification de l’endommagement)
Écoute des Emissions Acoustiques EA avec localisation des évènements
2
Etude des mécanismes de déformation et de rupture: échelle labo.
Objectif : modélisation du comportement instantané et différé des roches
Roche concernée: calcaire d’Euville (+ minerai de fer)
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
3
Caractérisation du calcaire d’Euville (calcaire oolithique)
0
1
2
3
4
Rayon (µm)
Fra
ctio
n d
e la
po
rosi
té
tota
le %
0,002280
Distribution du rayon d’accès des pores
0
3
6
9
12
15
0 300 600 900 1200 1500 1800
sc (MPa)
(E-06)
- e33
- e11= - e 22
- ev
Essai hydrostatique drainé réalisé
sur un échantillon de calcaire
Microstructure du calcaire oolithique d’Euville (photos MEB)
Porosité ouverte au mercure nHg (%)
Porosité libre nl (%)
Porosité piégée np (%)
22,2 7,0 15,2Porosité ouverte à l’eau (%)
(17 mesures)
22,2 ± 0,7%
Perméabilité (m2)
4,5 10-15
Module de compressibilité:K = 11200, 13000, 14800 (MPa)
Nf = 0,07%
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US)
Objectifs:
Mesurer l’évolution des 5 modules élastiques (isotrope transverse) au cours d’essais mécaniques
Quantification de la densité et la distribution des microfissures en fonction
du chargement
4
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
29044 SVC
2011 PVC
2066 SHVC
2033 PVC
12
13
23
33
22
11
66
55
44
331313
132212
131211
12
13
23
33
22
11
2
2
2
00000
00000
00000
000
000
000
eeeeee
ssssss
C
C
C
CCC
CCC
CCC
*1cossinsin222sin
1 2244
211
224413 ---
- CCVCC
2
122
442
332 1sincoscos22 --- CCV
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
5
Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US)
Dispositif expérimental:
Éprouvettes équipées de capteurs US
Cale supérieure
Cale inférieure
Capteurs émetteur et récepteur
des ondes US
Capteur émetteur desondes US en direction
axiale
Capteurs US: céramiques piézoélectriques
Fréquence de résonance:150 kHz
5mm
5mm
7,5mm
P
S1
S2
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
6
Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US)
Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-termeDéformations
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
Vitesses des ondes
0
3
6
9
12
15
-1500 -500 500 1500 2500
- s33 (MPa)
(E-06)
- e33
- e11= - e22
- ev
s11=s
22=0
0
3
6
9
12
15
2350 2750 3150 3550
vitesse (m/s)
P(90°)
P(0°)
P(45°)
- s33 (MPa)
0
3
6
9
12
15
1250 1400 1550 1700
vitesse (m/s)
Sh(0°)
Sv(0°)
- s33 (MPa)
Conditions expérimentales
état saturé (Hr=100%)
cycles relaxation-déchargement (à mi-hauteur)- rechargement tous les 1,5 MPa
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
Seuil non-linéarité de déformation latérale
Seuil dilatance
CS GISOS 2009
7
Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US)
Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-termeDéformations
1.1: Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
Vitesses des ondes
0
3
6
9
12
15
18
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500
- s33 (MPa)
(E-06)
- e33
- e11= - e22
- ev
s11= s22 = 0
0
3
6
9
12
15
18
2000 2400 2800 3200
vitesse (m/s)
P(90°)
P(0°)
P(45°)- s33 (MPa)
0
3
6
9
12
15
18
1250 1350 1450 1550 1650 1750
vitesse (m/s)
Sh(0°)
Sv(0°)
- s33 (MPa)
Conditions expérimentales
état saturé (hr=85%)
cycles relaxation-déchargement (à mi-hauteur)- rechargement tous les 1,5 MPa
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
8
Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US)
Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-termeModules élastiques dynamiques (hr = 85%)
1.1: Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
8
12
16
20
24
0 3 6 9 12 15 18
mo
du
le é
las
tiq
ue
dy
na
miq
ue
(G
Pa
)
C11
C33
- s33 (MPa)
3,5
4,5
5,5
6,5
0 3 6 9 12 15 18
mo
du
le é
las
tiq
ue
dy
na
miq
ue
(G
Pa
) (C
44
, C
66
)
0
1,5
3
4,5
6
7,5
9
mo
du
le é
las
tiq
ue
dy
na
miq
ue
(G
Pa
) (C
13
)C44
C66
C13
- s33 (MPa)
8
12
16
20
24
0 3 6 9 12 15 18
mo
du
le d
' Yo
un
g d
yn
am
iqu
e (
GP
a)
E11
E33
- s33 (MPa) 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 3 6 9 12 15 18
Axial stress (MPa)
Dy
na
mic
Po
iss
on
's r
ati
os
v12
v13
v31
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
9
Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US)
Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-termeModules élastiques statiques
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
a
11
14
17
20
23
26
0 5 10 15 20 25
mo
du
le d
e Y
ou
ng
(G
Pa
)
Hr:100%
Hr:85%
Hr:66%
Hr:0%- s33 (MPa)
b
25
40
55
70
85
0 5 10 15 20 25
pe
nte
de
dé
form
ati
on
la
téra
le (
GP
a)
Hr:100%
Hr:85%
Hr:66%
Hr:0%- s33 (MPa)
c
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 5 10 15 20 25
co
eff
icie
nt
de
Po
iss
on
Hr 100%
Hr 85%
Hr 66%
Hr 0%- s33 (MPa)
d
9
11
13
15
17
19
21
0 2 4 6 8 10 12 14
nombre de cycle
mo
du
le d
e Y
ou
ng
(G
pa
)
Hr 85%
Hr 0%
1,5 – 2,5 MPa
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
10
Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US)
Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme
Comparaison des données acoustiques et mécaniques
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
a
9
10
11
12
13
14
15
16
0 2 4 6 8 10 12
nombre de cycle
mo
du
le d
e Y
ou
ng
(G
pa
)
E33 statique
E33 dynamique
E11 dynamique
b
12
14
16
18
20
22
0 2 4 6 8 10 12 14nombre de cycle
mo
du
le d
e Y
ou
ng
(G
pa
)
E33 statique
E33 dynamique
E11 dynamique
hr = 85 % hr = 0 %
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
Conditions hydriques
Paliers de contrainte8,5
775
3
1temps
Contrainte (MPa)
générateur de pression
Cellule à hygrométrie contrôlée
2 cellules reliées en série à un générateur
Dispositif expérimental pour le fluage
11
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
- essai FI : hr = 100 % (pc = 0 MPa) - essai FII : hr = 100 % (pc = 0 MPa) - essai FIII : hr = 85 % (pc = 22 MPa) - essai FIV : hr = 85 % (pc = 22 MPa) - essai FV : hr = 66 % (pc = 56,2 MPa) - essai FVI : hr = 66 % (pc = 56,2 MPa)
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
12
Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US)
Quelques résultats en US: essai de fluage uniaxial multi-paliers
Déformations
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
Vitessesdes ondes -1900
-1600
-1300
-1000
-700
-400
-100
200
500
800
0 40 80 120 160 200
déformation différées
temps (jours)
s3
3 =
3 M
Pa
changement de hygrométrie
Hr = 100 %
Hr = 85 %
COMPRESSION +
DILATATION -
s3
3 =
13
,5 M
Pa
s3
3 =
11
,5 M
Pa
s3
3 =
9,5
MP
a
s3
3 =
1 M
Pa
s3
3 =
7 M
Pa
s3
3 =
5 M
Pa
s3
3 =
15
,5 M
Pa
s3
3 =
7 M
Pa
axiale
volumique
latérale
2300
2500
2700
2900
3100
3300
3500
3700
0 40 80 120 160 200
P(0°)
P(39°)
P(90°) vitesse(m/s)
temps (jours)
s3
3 =
3 M
Pa
s3
3 =
13
,5 M
Pa
s3
3 =
11
,5 M
Pa
s3
3 =
9,5
MP
a
s3
3 =
7 M
Pa
s3
3 =
1 M
Pa
s3
3 =
7 M
Pa
s3
3 =
5 M
Pa
s3
3 =
15
,5 M
Pa
aHr = 100
%
Hr = 85 %
1300
1400
1500
1600
1700
1800
0 40 80 120 160 200
Sh(0°)
Sv(0°)
vitesse(m/s)
temps (jours)
s33
= 1
3,5
MP
a
s33
= 1
1,5
MP
a
s33
= 9
,5 M
Pa
s33
= 7
MP
a
s33
= 1
MP
a
s33
= 7
MP
a
s33
= 5
MP
a
s33
= 3
MP
a
s33
= 1
5,5
MP
a
aHr = 100
%Hr = 85 %
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
13
Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US)
Quelques résultats en US: essai de fluage uniaxial multi-paliers
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
a
10
13
16
19
22
25
0 3 6 9 12 15 18
mo
du
le d
e Y
ou
ng
(G
Pa
)
essai FI (hr:100%)essai FII (hr:100%)essai FIII (hr:85%)essai FVI (hr:85%)essai FV (hr:66%)
- s33 (MPa)
b
20
30
40
50
60
70
80
90
0 3 6 9 12 15 18
pe
nte
de
dé
form
aio
n la
téra
le (
GP
a)
essai FI (hr:100%)essai FII (hr:100%)essai FIII (hr:85%)essai FVI (hr:85%)essai FV (hr:66%) - s
33 (MPa)
c
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 3 6 9 12 15 18
co
eff
icie
nt
de
Po
iss
on
(G
Pa
) essai FI (hr:100%)essai FII (hr:100%)essai FIII (hr:85%)essai FVI (hr:85%)essai FV (hr:66%)
- s33 (MPa)
Modules élastiques statiques
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
14
Effet de l’eau sur le comportement mécanique
Résultats des essais à court et à long termeDéformations
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
0
4
8
12
16
20
24
-1500 -500 500 1500 2500
- s33 (MPa)
(E-06)s11=s22=0 - ev (Hr=100%)
- e 33 Hr=85%
- e 11 (Hr=0%)
- e 11 (Hr=66%)
- e 11 (Hr=100%)
- e 33 Hr=100%
- e 33 Hr=0%
- ev (Hr=85%)
- ev (Hr=0%)
- e 33 Hr=66%
- e 11 (Hr=85%)
- ev (Hr=66%)
Résultats des essais uniaxiaux à court termeEssais
uniaxiaux
hr (%) Pic (MPa)
Seuils de non-linéarité
axial latéral dilatance
Essai I 100 14 9 5,5 9
Essai II 85 16,5 9 6,4 11,5
Essai III 66 20,8 18 12 14,5
Essai VI 0 22,2 11 14,5 -
Résultats des essais uniaxiaux à long terme
Essais fluages
hr (%) Pic (MPa)
Seuils de
dilatance (MPa)
Essai I 100 15 5
Essai II 100 16,6 10
Essai III 85 17 11,5
Essai VI 85 17 11,5
Essai V 66 17,4 13,5
Essai IV 66 17,4 -
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
15
Le concept de la contrainte effective
expressions de la contrainte effective en partialement saturé
Bishop
coussy
Effet de l’eau sur le comportement mécanique
0
5
10
15
20
25
30
35
-17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
OP
failure points - triaxial compression testseffective failure surface
O-P, O-Q: drying - h r = 85, 66 %
O-A: uniaxial loading path for sample A
Q
saturated condition (p c = 0 MPa) :
partially saturated condition : failure points
B: h r = 85 % p c = 22 MPa
C: h r = 66 % p c = 56 MPa
A
B
C
P-B: uniaxial loading path for sample BQ-C: uniaxial loading path for sample C
0
1
2
3
4
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
adsorption pathdesorption path
h r (%)
Sl
(%)
321 224 168 128 97 71 50 31 15 0
p c (MPa)
Ipsss - '
s bp 1' ss b ss bmm '
glqmBishopm pp )1(', ss -
sss bbpdppSb mgcc
p
lqmCOm
c -- )(0
',
3332211 sss
s
m sseq :2
3s 1ms ss -
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
16
Écoute des Émissions Acoustiques (EA)
Dispositif expérimental:
Objectifs:
Étude des sources des EA dans les roches (fissuration, mvt de dislocations)
Méthodes d’analyse des EA: Mécanismes des sources, statistique, fréquentielle et énergétique, vitesses de propagation, tomographie et localisation.
Emplacement d’un capteur acoustique
Formes d’onde enregistrées
Éprouvette équipée de capteurs EA
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
Mécanismes des sources
1 9.5;1.0
2 9.5;1.0
3 9.5;1.0
4 9.5;1.0
5 9.5;1.0
6 9.5;1.0
7 9.5;1.0
8 9.5;1.0
Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches
CS GISOS 2009
17
Écoute des Émissions Acoustiques (EA)
Quelques résultats en EA: essai de compression uniaxiale à court-terme
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
0
3
6
9
12
15
18
-1200 -800 -400 0 400 800 1200 1600 2000
- s33 (MPa)
(E-06)
- e33- e
11= - e22
- ev
s11= s22 = 0
a
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
3
6
9
12
15
18
événement
contrainte
relaxation
- s33 (MPa)
temps (S)
nombre cumulé (événements)
déchargement
rechargement
c
0,E+00
2,E+08
4,E+08
6,E+08
8,E+08
1,E+09
1,E+09
1,E+09
2,E+09
2,E+09
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
3
6
9
12
15
18
énergie cumulé
contrainte
relaxation
temps (S)
énergie cumulé (mV2.S)
déchargementrechargement
e - s33 (MPa)
0,E+00
1,E+07
2,E+07
3,E+07
4,E+07
5,E+07
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
3
6
9
12
15
18
événement
contrainte
relaxation
- s33 (MPa)
temps (S)
énergie (mV2.S)
déchargementrechargement
b
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CS GISOS 2009
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Écoute des Émissions Acoustiques (EA)
Quelques résultats en EA: essai de compression uniaxiale à court-terme
Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie
Réseau pour localisation Résultats de localisation
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Les propriétés élastiques anisotropes d’un calcaire oolithique ont été déterminées au moyen de mesures des vitesses de propagation des ondes ultrasonores élastiques.
La variation des vitesses montre que la création des fissures au cours du chargement est aléatoire et isotrope, sauf que les fissures qui ont été créés dans la direction perpendiculaire à l'axe de la contrainte restent fermées pendant le chargement et s’ouvrent pendant le déchargement.
Les émissions acoustiques sont distribuées spatialement de façon plutôt diffuse dans le volume de l’échantillon
Cette distribution diffuse des événements acoustiques (localisation) et la distribution isotrope des fissures (détectée par l’évolution des vitesses) peut être due à un endommagement par décohésion des grains dans l’échantillon
Influence assez important de l’hygrométrie sur le comportement mécanique de la roche à court et long terme (augmentation de la résistance et le seuil de dilatance à court et long terme)
en raison de la grande taille des pores, le durcissement de la pierre calcaire d’Euville ne
peut pas être expliqué par le couplage hydro-mécanique
Conclusions
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