Contribution à l'étude de l'anisotropie des déformations et de la rupture d'une roche stratifiée PDF Download
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Author: Daniel Allirot
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Author: Daniel Allirot
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Author: Edoardo Trivellato
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L'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) gère un laboratoire souterrain de recherche au Centre de la Meuse/Haute-Marne (CMHM), pour étudier la faisabilité d'un stockage géologique profonde dans l'argilite du Callovo-Oxfordien. Les galeries suivent les deux contraintes horizontales principales majeure et mineure. Tandis que certaines galeries possèdent un état de contraintes presque isotrope dans leur section, les autres montrent une anisotropie plus importante.Ces travaux étudient les phénomènes de rupture et fracturation à court terme, induits par l'excavation autour des ouvrages. L'endommagement fragile est considéré comme mécanisme fondamental de rupture. En effet, on retrouve dans la littérature scientifique une estimation de cette zone à partir d'un post-traitement du champ des contraintes en élasticité ou basée sur un calcul élasto-plastique. Si la première méthode ne considère pas la redistribution des contraintes due aux phénomènes dissipatifs, les approches élasto-plastiques semblent parfois insuffisantes pour expliquer la géométrie de cette zone dans certains cas des excavations en roches quasi-fragiles (Pouya et al 2016). Deux phénomènes sont étudiés, avec des simulations numériques aux Eléments Finis 2d : le développement d'une rupture diffusé, autour de la section des galeries, et l'apparition des fractures le long de l'excavation. Alors qu'une modélisation en déformations planes simule le premier cas, le deuxième est étudié en axisymétrie.Pour la première approche, deux décharges isotropes, en élasto-plasticité ou élasto-endommagement radoucissant, démontrent une instabilité globale liée au premier modèle, alors que des ruptures localisées se produisent avec le deuxième. Ceci, enrichi pour considérer les anisotropies d'élasticité, de résistance et d'endommagement du matériau, permet une bonne estimation de la zone de rupture à court terme, avec des valeurs des convergences conformes aux données, pour une galerie testée comme cas d'étude. Ensuite, la transition de la rupture du matériau de fragile à ductile, avec le confinement, est aussi prise en compte, avec les différentes conditions aux limites d'une deuxième galerie. Les zones endommagées à court terme estiment correctement la forme et l'extension de la rupture et les valeurs des convergences instantanées sont comparables aux mesures (Trivellato et al 2018).Le deuxième axe de recherche concerne la prédiction de la longueur des fractures, simplifiées comme des discontinuités finies et parallèles, ainsi que leur espacement. Numériquement, ces sont assimilées aux éléments joints (Goodman 1976). Le modèle de la fracture cohésive (Pouya et Bemani 2015) a été choisi pour ces éléments. Avec une seule discontinuité, on observe une initiation instable de la fracture, possiblement suivi par une évolution stable, d'une longueur réduite. Plusieurs séquences des joints ont été employés pour calculer la périodicité des fractures. Ces travaux ont permis aussi l'étude de différentes méthodes numériques qui simulent l'avancement d'un front d'excavation. Selon un choix précis des paramètres, on calcule des longueurs de fracturation comparables aux mesures, ainsi que la possibilité d'obtenir l'activation d'une seule fracture parmi plusieurs (Trivellato et al 2018).Ces travaux constituent une nouvelle approche de prédiction des effets du creusement sur l'argilite du Callovo-Oxfordien. Ils étudient une rupture à court terme due au comportement fragile sous faible confinement. Le mécanisme de dissipation en endommagement est intégré par les effets à la fois de l'anisotropie intrinsèque du matériau et de sa transition fragile-ductile. Les résultats obtenus par les deux axes de recherche favorisent l'utilisation de ce modèle comme complément aux études des excavations. En perspective, on peut envisager d'intégrer ces modèles avec les effets de la plasticité/fluage du matériau ainsi qu'avec la poro-élastique en comptant les effets hydrauliques.
Author: Oana Cazacu
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Languages : fr
Pages : 318
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L'anisotropie des roches se traduit par une variation directionnelle des proprietes et caracteristiques macroscopiques. Beaucoup d'ouvrages souterrains sont realises dans des formations anisotropes. Dans la conception et l'analyse de la stabilite de ces ouvrages, il est necessaire d'avoir une bonne connaissance des mecanismes de deformation et de rupture du milieu rocheux. C'est dans ce contexte que se situe cette etude portant sur la formulation d'un modele elasto-viscoplastique pour une roche initialement orthotrope de revolution: l'argilite de tournemire. La reponse elastique de ce materiau est fortement non-lineaire. Nous proposons d'abord un modele elastique non-lineaire et anisotrope en considerant que les modules elastiques sont des fonctions des deux premiers invariants du tenseur de contrainte. Nous formulons les conditions necessaires et suffisantes que doivent satisfaire les lois de variation de ces modules afin que les principes de la thermodynamique soient respectes. L'anisotropie du comportement a la rupture et des deformations irreversibles est ensuite decrite a l'aide d'un tenseur d'ordre quatre constant qui respecte les symetries du milieu. Le critere de rupture est formule dans l'espace d'un tenseur de contrainte transforme. La signification physique des parametres de ce critere est clairement identifiee. En utilisant les resultats de la theorie de representations nous donnons l'ecriture invariante du critere viscoplastique et de la loi d'ecoulement. La procedure de determination des fonctions constitutives a partir des resultats experimentaux est presentee. Une verification du modele developpe est enfin effectuee a travers des essais en compression hydrostatique et triaxiale de revolution
Author: Eric Morel
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Languages : fr
Pages : 127
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UN CODE DE CALCUL MODELISANT LES MILIEUX ANISOTROPES A ETE MIS AU POINT A PARTIR D'UNE METHODE DE DISCONTINUITE DE DEPLACEMENT EXPRIMEE EN CHAMP COMPLEXE ET PAR L'UTILISATION DE L'INTEGRALE DE CAUCHY ET D'UNE TECHNIQUE DE COLLOCATION. LES ESSAIS EN LABORATOIRE ONT ETE EFFECTUES POUR CARACTERISER L'INITIALISATION ET LA PROPAGATION STABLE DE FISSURES DANS UN SCHISTE ARDOISIER. UNE TECHNIQUE ORIGINALE DE DETECTION DE FRONT DE FISSURE PAR FILS DE CARBONE CASSANT A ETE MISE AU POINT. IL A ETE ALORS MIS EN EVIDENCE UNE DIFFERENCE ENTRE L'ANISOTROPIE DUE AUX DISCONTINUITES DU MATERIAU ET L'ANISOTROPIE DUE A LA MATRICE ROCHEUSE
Author: Abdelhamid Haied
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Le mémoire porte sur l'étude expérimentale de la localisation des déformations en bandes de cisaillement dans un grès. Divers chemins de sollicitations, en conditions axisymétriques, ont permis de caractériser le comportement mécanique de ce matériau. Il s'agit d'une roche initialement isotrope, dilatante et susceptible à la microfissuration. Les essais cycliques ont permis de quantifier l'endommagement et la dégradation anisotrope du matériau sous chargement monotone ou répète. La procédure expérimentale mise en oeuvre pour la détection de la localisation consiste à déterminer la perte d'homogénéité des déformations par l'anisotropie de la dilatance. Un dispositif de mesure est mis au point. Le protocole expérimental est appliqué sur des échantillons prismatiques d'abord sans, puis avec une imperfection (petit trou circulaire). Les seuils de localisation en contraintes et en déformations, ainsi que les caractéristiques des bandes de localisation (orientations et épaisseurs) ont été déterminées pour l'ensemble des essais. L'imperfection a permis entre autres des corrélations substantielles, obtenues au moyen de mesures locales. L'influence due à la présence et à la taille de cette imperfection introduite a été étudiée tant sur la localisation que sur son implication dans les mécanismes de la rupture fragile. Dans le même esprit, l'effet de l'épaisseur des plaques rectangulaires, et de la forme géométrique des éprouvettes (cylindre-prisme) ont fait l'objet d'une étude parallèle, détaillée. L'examen visuel et microscopique (M.E.B.) des échantillons déformés, déchargés à des niveaux élevés de la contrainte déviatorique montre que l'interaction entre les fissures orientées parallèlement à l'axe de chargement et la distribution hétérogène des contraintes locales constituent le facteur principal qui contrôle la formation des bandes de localisation dans le grès soumis à l'essai de compression triaxiale.
Author: Fabien Humbert
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Pages : 316
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Analyse pétrophysique et anisotropie des roches détritiques dans des systèmes en compression et sous influence de failles actives : Exemple des prismes de Taiwan et du prisme de Nankai (Japon)L'objectif de cette thèse est l'étude de la déformation enregistrée par des roches d'origine détritique dans des domaines sujets au raccourcissement tectonique sub-horizontal (Layer Parallel Shortening) et à des failles actives. Cette étude est basée sur la caractérisation de diverses propriétés physiques et de leur anisotropie à l'échelle de l'échantillon dans le but de décrire à plus grande échelle la structure d'un prisme d'accrétion. Deux prismes ont ainsi été échantillonnés, le premier est le prisme inactif de Taiwan dans le cadre du projet TCDP et le second considéré comme actif celui de Nankai dans le cadre du projet NanTroSeiZE. La microstructure d'une roche sédimentaire, y compris en l'absence de déformation tectonique, présente toujours une ou plusieurs caractéristique(s) anisotrope(s) liée(s) à la forme, à l'orientation préférentielle ou à l'arrangement de ses éléments constitutifs. De nombreux travaux ont porté sur les conséquences de ces anisotropies sur les propriétés physiques, d'abord dans un but prédictif, puis selon une démarche inverse visant à caractériser, à l'aide de modèles, microstructures et histoire tectonique associée. Dans cette thèse la confrontation des résultats obtenus pour différentes propriétés physiques (principalement vitesses des ondes acoustiques, susceptibilité magnétique et aimantation rémanente) met en évidence des réponses sélectives liées à un fort contrôle de la lithologie.Au niveau de prisme de Taiwan, deux résultats majeurs ont été obtenus. D'une part, la comparaison des anisotropies magnétiques et acoustiques a permis de montrer une évolution différentielle de la déformation entre les roches riches en matrice (siltite) par et celles plus riches en grain sableux (grès). D'autre part, les résultats combinés de l'anisotropie des ondes P, l'étude microstructurale et la minéralogie magnétique, montrent un comportement particulier des échantillons situé dans le mur de la faille FZB1136, considérée comme responsables du séisme de Chi-Chi en 1999. Un réseau de structures dilatantes fortement perméable à permis la circulation de fluides, de néo-cristallisation de calcite et de néoformation de minéraux magnétique. Sur le prisme de Nankai, une estimation de la quantification de la déformation enregistrée par les échantillons du prisme est modélisée en utilisant le modèle de March et les paramètres de susceptibilité magnétique. Les différents travaux réalisés dans cette thèse mettent en évidence un couplage direct de certaines propriétés physiques mesurées avec certains effets de déformation, chaque propriété caractérisant un point précis de la fabrique enregistré dans les roches.Mots-clefs : Anisotropie, susceptibilité magnétique, vitesses d'ondes ultrasoniques, déformation, fabrique, microstructures, faille inverse, TCDP, NanTroSeiZE.
Author: Louis Langevin
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Pages : 702
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Author: Ali Jalbout
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Pages : 374
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La prédiction de la stabilité des ouvrages souterrains est toujours un enjeu économique important, que ce soit dans le domaine du génie civil, du génie minier ou du génie pétrolier. L'analyse de la stabilité de ces ouvrages nécessite une bonne connaissance des mécanismes de déformation et de rupture du milieu rocheux. L'objet de ce travail, est l'étude de l'effet de l'anisotropie induite sur le comportement d'un grès des Vosges. La méthode consiste à créer différentes configurations d'endommagement correspondant à plusieurs états de fissurations, et par la suite, examiner l'évolution de certains paramètres mécaniques. L'étude est réalisée au moyen d'essais conventionnels (compression triaxiale, traction, couplage) sur un matériau présentant une isotropie initiale. L'endommagement du matériau est fait sur des grands blocs après plusieurs essais préliminaires de témoins. Trois configurations de dégradation ont été réalisées. Une étude détaillée est réalisée sur des échantillons carottés dans ces blocs. L'influence de l'anisotropie de l'endommagement induit sur l'évolution des propriétés mécaniques est étudiée. L'analyse des résultats met en évidence l'effet du pré - endommagement sur l'évolution des propriétés mécaniques.
Author: Mohammad Hassan Karami
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Languages : fr
Pages : 344
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La degradation d'un materiau fragile, soumis a une sollicitation mecanique croissante a pour origine l'apparition et le developpement de microfissures. Ce phenomene, dans un materiau poreux fragile, modifie la porosite et par consequent les differentes proprietes du materiau dont la permeabilite et les parametres de l'interaction fluide-squelette. Ainsi, l'objet de cette etude, essentiellement experimentale, est d'explorer l'effet de la microfissuration anisotrope induite sur les parametres de l'interaction fluide-squelette, notamment sur le coefficient des contraintes effectives de biot, dans le cas isotherme, sur un gres des vosges (de porosite 20%) dans lequel le mecanisme principal des deformations irreversibles est le developpement de microfissures. Un dispositif experimental a ete mis au point. A travers des essais de caracterisation de la microfissuration, nous avons montre l'anisotropie induite du comportement mecanique du materiau et le developpement de microfissures comme etant l'origine des deformations irreversibles et de la rupture. Ensuite, nous avons determine des parametres de couplage poroelastique du materiau a partir de differents chemins de compression hydrostatique a differents regimes de drainage. L'influence de l'endommagement induit sur le couplage poromecanique est etudiee par differents chemins triaxiaux deviatoriques egalement a differents regimes de drainage. On montre alors clairement l'anisotropie de l'interaction fluide-squelette due essentiellement a l'anisotropie induite du comportement mecanique du materiau. Enfin les differentes constantes poroelastiques du materiau dans son etat naturel (non endommage) sont determinees. En se basant sur l'hypothese d'une loi poroelastique incrementalement lineaire anisotrope, nous avons montre la variation des parametres de couplage et notamment l'anisotropie induite des composantes du tenseur des contraintes effectives de biot, due au developpement de microfissures orientees.
Author: Philippe Masure
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Languages : fr
Pages : 10
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Book Description
Plusieurs usines projetées par Electricité de France au cours de ces dernières années sont situées dans des sites composés de roches schisteuses ou stratifiées : phyllades de Revin (station de pompage de Revin); marnes calcaires de Sisteron (chute de Sisteron); schistes ardoisiers du Col des Mouilles (aménagement hydro-électrique de Froges); schistes calcaires du Cheylas (aménagement hydro-électrique Arc-Isère). Ces roches ont en commun d'être plus ou moins fortement anisotropes. L'objet de ce travail est donc l'étude mécanique des roches présentant une même structure particulière, définie dans ce qui suit comme anisotropie planaire discontinue. Si la plupart des roches étudiées présentent une famille de discontinuités, l'une d'entre elles est cependant caractérisée par deux familles de discontinuités. Le chapitre I décrit les roches étudiées et définit leur structure. Le chapitre II observe les phénomènes qui précèdent la rupture de ces matériaux lorsque l'on fait varier la nature du tenseur contraintes et son orientation par rapport aux discontinuités. Dans le cas des petites déformations, il précise les coefficients de la loi élastique anisotrope pour les phyllades de Revin, de symétrie orthorhombique. Le chapitre III observe et définit les divers types de ruptures présentées par les roches à anisotrope planaire discontinue, et amène à considérer trois critères de rupture distincts, dépendant du tenseur contraintes et de son orientation par rapport à la structure. Des considérations plus pratiques amènent à comparer les résultats de l'essai de double cisaillement de type Lundborg, avec ceux d'un essai plus rigoureux, l'essai triaxial. Les mesures en places effectuées par le Service Géologique et Géotechnique d'Electricité de France nous ont permis de comparer, dans le chapitre IV, les résultats de mesures effectuées au Laboratoire, avec celles qui sont déterminées in situ. Enfin, le chapitre V rappelle les calculs des ouvrages souterrains dans l'hypothèse élastique et montre comment on peut tirer parti des résultats expérimentaux pour le projet et l'exécution des ouvrages.
