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8 - GLOSSAIRE

9 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : C350 v2

Propriétés physiques des roches
Mécanique des roches - Caractérisation physique et mécanique des roches

Auteur(s) : Richard GIOT, Stephen HÉDAN, Philippe COSENZA

Date de publication : 10 mai 2023

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RÉSUMÉ

Tout projet concernant le massif rocheux requiert que ce massif rocheux soit reconnu et caractérisé précisément du point de vue géotechnique, ce qui est l’objet de la mécanique des roches. Un massif rocheux est un milieu discontinu composé de blocs de roche plus ou moins intacts, séparés par des discontinuités de différentes natures. Le présent article a pour but de présenter les concepts essentiels de la mécanique des roches et se concentre sur la caractérisation géomécanique des roches constituant la matrice rocheuse du massif. On s’intéresse principalement dans ce document aux propriétés physiques et mécaniques des roches. Des éléments sur les phénomènes de couplages thermo-hydro-mécaniques sont également fournis. La caractérisation des discontinuités et du massif rocheux fait l’objet d’un autre article [C352].

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Auteur(s)

  • Richard GIOT : Professeur des universités - UMR CNRS 7285 IC2MP, ENSI Poitiers, université de Poitiers, Poitiers, France

  • Stephen HÉDAN : Maître de conférences - UMR CNRS 7285 IC2MP, ENSI Poitiers, université de Poitiers, Poitiers, France

  • Philippe COSENZA : Professeur des universités - UMR CNRS 7285 IC2MP, ENSI Poitiers, université de Poitiers, Poitiers, France

INTRODUCTION

La mécanique des roches est une discipline à l’interface de la mécanique et de la géologie. Elle appartient à la fois aux géosciences et aux sciences de l’ingénieur. Son application à des problématiques d’ingénierie constitue une partie de la géotechnique, au même titre que la mécanique des sols. Si de nombreux concepts développés dans le cadre de la mécanique des sols sont applicables à la mécanique des roches, les différences entre ces deux géomatériaux impliquent des différences de comportement mécanique et donc la définition de concepts spécifiques aux roches que cet article, accompagné de l’article [C 352], a pour objectif de mettre en évidence. Quand on s’intéresse à la mécanique des roches, il faut distinguer la roche (qu’on qualifiera également de matrice rocheuse dans cet article) du massif rocheux, ce dernier étant constitué de discontinuités en sus de la matrice rocheuse.

Dans cet article, le point de vue adopté est celui de l’application de la mécanique des roches dans le cadre de projets d’ingénierie, qui en règle générale concerne l’échelle du massif rocheux. La rédaction est donc orientée en ayant à l’esprit l’application des concepts de la mécanique des roches à l’objet d’étude que constitue le massif rocheux. Tout projet concernant le massif rocheux requiert que ce massif rocheux soit reconnu et caractérisé précisément du point de vue géotechnique. Un massif rocheux est un milieu discontinu composé de blocs de roche plus ou moins intacts, séparés par des discontinuités de différentes natures. C’est également un milieu hétérogène, anisotrope et multiphasique, dont le comportement est en outre concerné par un fort effet d’échelle. Le présent article a pour but de présenter les concepts essentiels de la mécanique des roches et se concentre sur les propriétés des roches constitutives des massifs rocheux. La caractérisation des discontinuités et du massif rocheux fait l’objet de l’article [C 352].

L’article est organisé de la manière suivante. Dans un premier temps, une description générale des roches et des concepts de base nécessaires à la compréhension de leur comportement est fournie. Les six sections suivantes ont pour objectif de présenter les grands éléments de la caractérisation de ces roches. Ainsi, la deuxième section est dédiée à la description pétrographique des roches tandis que la troisième section se concentre sur les principales propriétés physiques des roches utiles à la mécanique des roches. La quatrième section est consacrée à la caractérisation géomécanique des roches constituant la matrice rocheuse du massif. Il est présenté dans cette section les principales propriétés mécaniques des roches, notamment la déformabilité et la résistance, ainsi que les critères de rupture adaptés aux roches. Les principaux essais permettant de caractériser ce comportement mécanique sont également abordés. La cinquième section présente les concepts de base nécessaires à la compréhension des phénomènes de couplage thermo-hydro-mécaniques se développant dans les roches et qui ont un fort impact sur leur réponse à diverses sollicitations. Enfin, la sixième section aborde des essais classiques de mécanique des roches visant à déterminer certaines propriétés mécaniques déterminantes dans des projets d’ingénierie géotechniques, vis-à-vis par exemple du choix des méthodes et outils de creusement/forage.

Par ailleurs, pour une vision plus globale de la mécanique des roches et de ces enjeux, le lecteur se reportera à l’article [C 352]qui traite d’une part de la description et de la caractérisation géomécanique des discontinuités, structurant le massif en blocs de roche, et du massif rocheux résultant de l’assemblage roche/discontinuités, et d’autre part d’exemples d’application de la mécanique des roches à l’ingénierie géotechnique.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-c350


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3. Propriétés physiques des roches

Les propriétés physiques d’une roche les plus couramment étudiées sont ses masses volumiques, sa porosité, sa teneur en eau, son degré de saturation, sa perméabilité et sa vitesse de propagation des ondes élastiques, ou ultrasonores, ainsi que ses propriétés thermiques. Ces différentes propriétés sont déterminées au laboratoire par des essais d’identification. Elles exercent une influence sur le comportement mécanique des roches.

La détermination de ces propriétés physiques repose sur une représentation de la matrice rocheuse par un milieu poreux consistant en l’assemblage d’un squelette solide, constitué des différents minéraux de la roche, et de vides, remplis d’air et/ou d’eau (figure 4).

3.1 Porosité

La porosité est la proportion de vides de la matrice rocheuse. Elle est, par définition, le rapport du volume des vides Vv au volume total Vt d’un échantillon. Elle est souvent notée n :

n= V v V t = V t V s V t ( 1 )

La mesure de la porosité nécessite donc la mesure des différents volumes. Le volume total Vt peut être obtenu par mesure directe des dimensions de l’éprouvette ou par le principe de la poussée d’Archimède par plongée dans un fluide non mouillant. Le volume des vides Vv peut être obtenu par absorption d’un fluide mouillant par saturation sous vide. Le volume du solide Vs peut être mesuré au pycnomètre, par la poussée d’Archimède par plongée dans un fluide mouillant ou par adsorption de gaz. Ce sont les vides de type pores, définissant la porosité de pores np , qui participent très majoritairement à la...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - Comité français de mécanique des roches -   Manuel de Mécanique des Roches – Tome 1 Fondements.  -  Presse des Mines (2000).

  • (2) - MATSKOVA (N.) -   Approche multi-échelle pour la caractérisation de l'espace poreux des réservoirs pétroliers argileux non conventionnels.  -  Thèse de l’université de Poitiers, Poitiers (2018).

  • (3) - OUGIER-SIMONIN (A.), RENARD (F.), BOEHM (C.), VIDAL-GILBERT (S.) -   Microfracturing and microporosity in shales.  -  Earth-Science Reviews, 162:198-226 (2016).

  • (4) - FAUCHILLE (A.-L.) -   Déterminismes microstructuraux et minéralogiques de la fissuration induite par dessiccation dans les argilites de Tournemire : apports couplés de la pétrographie quantitative et de la corrélation d'images numériques.  -  Thèse de l’université de Poitiers, Poitiers (2015).

  • (5) - FOSSEN (H.) -   Structural Geology.  -  Cambridge University (2010).

  • ...

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