Étude du comportement à court et long terme des roches appliquée à la stabilité des ouvrages...

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Étude du comportement à Étude du comportement à court et long terme des court et long terme des roches appliquée à la roches appliquée à la stabilité des ouvrages stabilité des ouvrages souterrains souterrains Équipe Mécanique des Roches J. ESLAMI - D. HOXHA - J. GRGIC Groupement de Recherche sur l’Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterra ineris-inpl-ensm

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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

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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

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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

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3

Caractérisation du calcaire d’Euville (calcaire oolithique)

0

1

2

3

4

Rayon (µm)

Fra

ctio

n d

e la

po

rosi

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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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

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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

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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

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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

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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

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

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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 -

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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

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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

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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

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

Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches

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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

Étude du comportement HM à court et long terme des rochesÉtude du comportement HM à court et long terme des roches