Groupement de Recherche sur l’Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains

1. Groupement de Recherche sur l’Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains ineris-inpl-ensmp Étude du comportement à court et long terme des roches appliquée à la stabilité des ouvrages souterrainsÉquipe Mécanique des RochesJ. ESLAMI - D. HOXHA - J. GRGIC

2. 1 fractures liées à l’exploitation: infiltration des eaux karstiques 50 à 100 m 3 à 4 m couches minéralisées 4 à 6 m intercalaires marneux eaux d’exhaure pompées pilier (minerai) chambre (exploitée) Étude du comportement HM à court et long terme des roches Problématique : Instabilité à long-terme d'ouvrages souterrains Quelques exemples de problématiques: Après-mine Versants rocheux Stockage souterrain • 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.

3. 2 Étude du comportement HM à court et long terme des roches Objectif : modélisation du comportement instantané et différé des roches Roche concernée: calcaire d’Euville (+ minerai de fer) • Etude des mécanismes de déformation et de rupture: échelle labo. • 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

4. 3 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Caractérisation du calcaire d’Euville (calcaire oolithique) Microstructure du calcaire oolithique d’Euville (photos MEB) Essai hydrostatique drainé réalisé sur un échantillon de calcaire Nf = 0,07% Module de compressibilité: K = 11200, 13000, 14800 (MPa) Distribution du rayon d’accès des pores

5. 4 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • 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

6. 5 5mm 5mm S2 7,5mm S1 P Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) • Dispositif expérimental: Éprouvettes équipées de capteurs US Cale supérieure Capteurs émetteur et récepteur des ondes US Capteur émetteur desondes US en directionaxiale Cale inférieure Capteurs US: céramiques piézoélectriques Fréquence de résonance:150 kHz

7. 6 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) • Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Déformations Conditions expérimentales • état saturé (Hr=100%) • cycles relaxation-déchargement (à mi-hauteur)- rechargement tous les 1,5 MPa Seuil dilatance Seuil non-linéarité de déformation latérale Vitesses des ondes

8. 7 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • 1.1: Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) • Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Déformations Conditions expérimentales • état saturé (hr=85%) • cycles relaxation-déchargement (à mi-hauteur)- rechargement tous les 1,5 MPa Vitesses des ondes

9. 8 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • 1.1: Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) • Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Modules élastiques dynamiques (hr = 85%)

10. 9 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) • Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Modules élastiques statiques 1,5 – 2,5 MPa

11. 10 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) • Quelques résultats en US: essai de compression uniaxiale à court-terme Comparaison des données acoustiques et mécaniques hr = 0 % hr = 85 %

12. 11 Cellule à hygrométrie contrôlée générateur de pression 2 cellules reliées en série à un générateur Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Dispositif expérimental pour le fluage • Conditions hydriques - 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) • Paliers de contrainte 8,5 Contrainte (MPa) 7 7 5 3 1 temps

13. 12 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) • Quelques résultats en US: essai de fluage uniaxial multi-paliers Déformations Vitessesdes ondes

14. 13 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Mesure des vitesses des ondes Ultrasonores (US) • Quelques résultats en US: essai de fluage uniaxial multi-paliers Modules élastiques statiques

15. 14 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Effet de l’eau sur le comportement mécanique • Résultats des essais à court et à long terme Déformations Résultats des essais uniaxiaux à long terme Résultats des essais uniaxiaux à court terme

16. 15 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Effet de l’eau sur le comportement mécanique • Le concept de la contrainte effective • expressions de la contrainte effective en partialement saturé • Bishop • coussy

17. 16 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • 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. Formes d’onde enregistrées Éprouvette équipée de capteurs EA Emplacement d’un capteur acoustique Mécanismes des sources

18. 17 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Écoute des Émissions Acoustiques (EA) • Quelques résultats en EA: essai de compression uniaxiale à court-terme

19. 18 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Essais de compression uniaxiale avec mesure des vitesses US, écoute des EA et avec contrôle de l’hygrométrie • Écoute des Émissions Acoustiques (EA) • Quelques résultats en EA: essai de compression uniaxiale à court-terme Réseau pour localisation Résultats de localisation

20. 19 Étude du comportement HM à court et long terme des roches • Conclusions • 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