16Chapitre II Etude bibliographique

II.1/ OBSERVATIONS IN SITU ET EN LABORATOIRE

II.1.1/ RUPTURE ET LOCALISATION DE LA DEFORMATION EN BANDE DE CISAILLEMENT

La rupture des gomatriaux est souvent caractrise par la formation et la propagation de zones de dformation de cisaillement localises. La dformation cesse d'tre homogne ou diffuse, pour voluer plus ou moins brutalement vers des modes de dformations non-homognes. Cette localisation des dformations est considre comme une initialisation de la rupture. Les zones de dformations localises sont des structures de dformation assez gnrales, qu'on observe dans la plupart des matriaux, des mtaux aux milieux granulaires (sables, grs). Les zones de dformations localises sont d'troites zones l'intrieur desquelles se concentrent l'essentiel des gradients de dplacement. Ces zones de dformations localises sont dsignes sous le nom de plans de rupture ou sous le nom plus prcis de bandes de cisaillement.

Dans les milieux cohrents et fragiles comme les roches, les mcanismes physiques responsables de la localisation sont varis. Les phnomnes dinstabilit relis la localisation des dformations rsultent de louverture des micro-fissures, du glissement et de la rotation inter-granulaire, ventuellement de lcrasement des grains et des espaces poreux conduisant la formation dune fracture macroscopique. Une dformation intense sige lintrieur de cette zone troite, alors qu l'extrieur de la zone de localisation, le matriau subit une dcharge lastique. On a alors un mode de dformation localis, qui met en jeu une ou plusieurs bandes de cisaillement et un certain nombre de blocs quasi-rigides. Dans le cas dune unique bande de cisaillement, la rupture met en jeu le glissement relatif de deux blocs quasi-rigides le long d'une surface plane dite surface ou plan de rupture et qui correspond la bande de cisaillement. La localisation de la dformation durant le chargement d'un corps homogne et la formation de bandes de cisaillement est un phnomne considrer ds qu'on s'intresse la rupture, soit pour l'viter (stabilit des trous de forage, des parois de tunnel), soit pour la provoquer (excavation, forage...). Les phnomnes de localisation des dformations peuvent en effet se produire grande chelle. La formation de failles dans un massif rocheux est le rsultat dun mode de localisation en bande de cisaillement. On considre gnralement les failles comme des surfaces de rupture plane, avec mouvement relatif du massif rocheux de part et d'autre du plan. Elles peuvent tre assimiles des plans de rupture en cisaillement. Ce phnomne de rupture est couramment rencontr dans les massifs naturels, en ouvrage de surface ou dans les ouvrages souterrains grande profondeur (tunnels profonds, galeries minires, forages ptroliers). Cest de plus un phnomne commun des disciplines diverses. En effet, les analyses de ruptures et de post-ruptures sont importantes aussi bien pour les problmes d'ingnierie aronautique et civile, d'exploitations minires et ptrolires que pour les problmes de gologie. Dans le domaine du gnie civil et de la gotechnique, une telle perte spontane de l'homognit dans la dformation est un prcurseur typique de leffondrement de structures d'ingnierie. En gologie, les bandes de cisaillement apparaissent comme des structures souvent priodiques qui donnent des indications sur lhistoire des contraintes tectoniques (amplitude, orientation).

II.1.2/ FISSURES, DISCONTINUITES ET BANDES DE CISAILLEMENT

Le terme rupture considre deux types de manifestations, d'une part, l'apparition de discontinuits macroscopiques, d'autre part, le mouvement important le long des discontinuits existantes. En accord avec lexistence de ces discontinuits, les cavits souterraines profondes montrent un comportement qui n'est pas facilement prvisible sur la base de l'lasticit linaire classique (Guenot, 1987). Comme le fait remarquer Desrues (1991), aux chelles de temps et d'espace du gologue, il est clair que le concept de bande de cisaillement est pertinent. Aux chelles de l'ingnieur, on peut penser dans un premier temps que l'application de ce concept de bande de cisaillement aux discontinuits observes dans le matriau est moins vident: la rupture consomme, ce qu'observe l'ingnieur, parat relever plus de la discontinuit matrielle franche (blocs, fragments, cailles). La mcanique de la rupture fragile, qui tudie la propagation d'une fissure unique, macroscopique, dans un milieu par ailleurs sain, semble alors s'appliquer le plus directement. Pourtant, affirme Desrues, tudier la localisation de la dformation dans les roches en supposant que la macrofisssure finale peut avoir, plus tt dans le processus, t induite par l'volution d'une dformation intense apparue comme une bande de cisaillement peut tre intressant.

Figure 2.1.1 : Schma de microfissures, de macrofissures ( droite) et de bande de cisaillement ( gauche). (daprs Desrues, 1991).

II.1.3/ GAUCHISSEMENT ET FLAMBEMENT

Dautres modes de dformations non-homognes autre que le mode de dformation localis en bande de cisaillement peuvent apparatre. Pour le cas par exemple dun puits profond, outre la formation de bandes de cisaillement la paroi, on peut galement observer un gauchissement ou un flambement de la paroi. Le mode de gauchissement conduit des phnomnes dcaillage des parois par activation et propagation instable de fissures prexistantes parallles la paroi. La rupture parat survenir de faon fragile, voire brutale parfois, sous forme de graves instabilits la paroi (Maury, 1987). Cette instabilit se manifeste par une explosion de la roche (rock burst) dans les galeries minires grandes profondeurs (Cook et al., 1966), par une formation et un dtachement intensif de plaques ou d'cailles de roches, l'intrieur de la roche mais aussi prs des surfaces libres, aux parois dun tunnel ou au front dune excavation dans le domaine du gnie civil et ptrolier (Proctor et White, 1946), comme cela a t observ dans des ouvrages souterrains, par exemple pendant le creusement du tunnel du Mont Blanc (Panet, 1969), autour de puits de forages ptroliers profonds (Plumb, 1989) ou sur des parois de cylindres creux dans des essais de laboratoires (Santarelli et Brown, 1989). Sous laction dimportantes forces tectoniques, beaucoup de forages de puits ptroliers profonds, sont soumis des phnomnes dinstabilit de parois, dcaillage, dovalisation, de dtrioration progressive qui peuvent devenir critiques pour la poursuite du forage, engendrant coincements, rupture des tiges de forage, oprations de repchage, perte dune partie ou de la totalit du forage ralis (Guenot, 1987; Guenot, 1988; Maury et Sauzay, 1988; Maury, 1993). L'caillage qui se produit est de type longitudinal ou cylindrique et il est dnomm parfois en pelure d'oignon. (figure 2.1.2).

Figure 2.1.2 : Ecaillage aprs un essai sur un cylindre creux de calcaire (rupture de type symtrique par rapport un plan contenant laxe du trou). Daprs (Guenot, 1989).

Le dveloppement de plis et de joints, observ par exemple en structures priodiques dans les massifs gologiques, sont relis un mode de dformation non-homogne de type flambement.

Les joints, contrairement au failles, sont des fissures ou des fractures dans la roche pour lesquels il n'y a pratiquement pas de mouvement dans la direction parallle au plan de rupture. Ils sont ainsi assimils des plans de rupture en traction. Les joints comme les failles sont frquemment observs dans les massifs rocheux.