Altération par le gel des massifs rocheux : étude expérimentale et modélisation des mécanismes de génération des contraintes dans les fissures

par Marion Bost

Thèse de doctorat en Géologie de l'ingénieur

Sous la direction de Ahmad Pouya.

Soutenue en 2008

à Paris Est .


  • Résumé

    Les chutes de pierres et de blocs posent des problèmes de gestion du territoire dans les zones montagneuses. Or la caractérisation temporelle du risque de rupture dans les massifs rocheux passe par la description de la cinétique des phénomènes d’altération. Dans le cas des falaises de calcaire en région montagneuse, on peut estimer que le processus prépondérant d’altération est la propagation de la fissuration sous l’effet des cycles de gel-dégel. Ce mécanisme de rupture par le gel a été reproduit en laboratoire sur des éprouvettes entaillées. Les différentes expérimentations ont permis d’établir un modèle de la contrainte générée par le gel. L’allure de la contrainte, le long de la paroi d’une fissure, présente un maximum qui, avec le temps, se propage en profondeur jusqu’à une valeur-limite apparemment intrinsèquement liée au matériau. En fait la contrainte générée est le résultat de l’équilibre entre la pression de confinement induite par la progression du front de glace en profondeur dans la fissure et les pertes d’eau dans le réseau poreux de la roche environnante. Elle est donc fortement dépendante de la géométrie de la fissure et des caractéristiques du réseau poreux de la roche. Le facteur d’intensité de contrainte en fond de fissure correspondant au modèle de contraintes établi a été analytiquement estimé. Il est conforme à la possibilité d’initiation de la rupture selon le principe de la mécanique de la rupture. Des observations microscopiques effectuées au cours des cycles de gel-dégel ont mis en évidence une rupture progressive et hétérogène des calcaires. La propagation des fissures observée a fait l’objet d’une simulation numérique aux résultats encourageants. Cette étude a permis de donner des éléments-clé pouvant servir à l’élaboration d’une méthode de prévision de détachement d’un bloc rocheux soumis à l’alternance de périodes de gel et de dégel.

  • Titre traduit

    Rock mass weathering by freezing-thawing : Experimental study and modeling of the stress generation processes in cracks


  • Résumé

    Stone and rock falls bring about problems related to land management in mountainous areas. Yet, the temporal assessment of the risk of rupture in blocks requires a kinetic description of weathering phenomenon. In the case of limestone cliffs in mountainous areas, it can be estimated that the dominant weathering process lies in cracks propagation due to freezingthawing cycles. This freezing-thawing mechanism within a rock matrix was reproduced in laboratory experiments with notched specimens. Experimental results allowed us to establish a model for the stresses due to frost. This stress model, along a crack inner wall, exhibits a maximum, which spreads more and more deeply along with spending time, until a limit, which is intrinsic to the material. Actually, the generated stress results as a balance between the confining pressure induced by the ice front spreading deeply in the crack and the water leakage in the porosity network in the vicinity of the crack. It is thus strongly dependent on the crack geometry and on the porous network features of the rock. An analytical assessment of the stress intensity factor at the crack bottom, by using the model established for the stress, was carried out. It matches the possibility to initiate a rupture according to linear failure mechanics laws. Microscopic observations of the crack evolution throughout the freezingthawing cycles show a progressive and heterogeneous rupture of the limestone. The crack propagation was simulated numerically. This simulation gave encouraging results, as it brought up to light key-elements which could be used to establish a predictive model for the failure of a rock mass subject to freezing-thawing cycles.

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  • Détails : 1 vol. (281 p.)
  • Annexes : Bibliographie 183 réf.

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