Contribution à l'étude expérimentale de l'endommagement mécanique et thermique de roches cristallines

par Mohammad Keshavarz Bakhshaiesh

Thèse de doctorat en Terre solide

Sous la direction de Frédéric Pellet et de Benjamin Loret.

Soutenue en 2009

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .


  • Résumé

    Le principal objectif de ce travail est l'étude de l'endommagement et de la propagation de la fissuration dans des roches pour prédire leur rupture en utilisant les paramètres d'émission acoustique (EA). Nous avons étudié l'endommagement mécanique et thermique sur des roches de type gabbro et granite, soumises à des contraintes uniaxiales, afin d'identifier un modèle de variation de l'EA avant rupture qui pourrait être corrélé aux mesures faites avant un tremblement de terre. Afin de comparer l'effet de la température et l'effet d'un chargement me��canique sur les paramètres de l'EA, des essais de compression simple ont été réalisés sur des échantillons endommagés thermiquement et des échantillons endommagés mécaniquement sous fort confinement. Nous avons effectué lors de ces essais des mesures d'EA, des mesures de vitesse des ondes élastiques et une étude microscopique post mortem sur les éprouvettes. Par ailleurs, afin de comparer les paramètres de l'EA sous chargement de compression uniaxiale et sous chargement de traction indirecte, quelques essais brésiliens ont été effectués. L'analyse du nombre d'évènements acoustiques et de l'accumulation d'énergie en fonction du temps, montre que le paramètre d'énergie est plus efficace pour caractériser la propagation des fissures et pour prédire la rupture. Sur la base du paramètre d'énergie, au moins trois étapes de forte activité acoustique sont distinguées : la première se situe à environ 25% de la contrainte maximum admissible et la seconde apparaît à 60 %. La dernière étape apparaît vers 95% de la contrainte maximum. Les étapes observées sont analogues aux seuils de contrainte-déformation présentés par Martin (1993) à savoir: l'initiation de la fissuration (σci), la propagation d'endommagement (σcd) et la contrainte maximum dans la roche (σucs). Durant un essai Brésilien trois étapes sont aussi clairement enregistrées. La comparaison des données sur les émissions acoustiques entre des échantillons intacts et des échantillons endommagés en température, montre une différence considérable du nombre des événements acoustiques. Les résultats d'EA des échantillons intacts et traités thermiquement en dessous de 600°C sont comparables. Par contre, il existe une différence significative entre les mesures de l'EA faites sur les échantillons chauffés à plus de 600°C et celles faites sur un échantillon non chauffé. Sur la base de tous les paramètres que nous avons étudiés, nous avons constaté que 600°C est une température critique qui engendre des dégradations physiques et mécaniques (résistance et module d'élasticité), dues au chargement thermique, sur ce type de gabbro. Enfin, nous avons observé que l'endommagement dû à un chargement triaxial sous fortes contraintes de confinement (650 MPa) avait moins d'effet que l'endommagement induit par un chargement thermique.


  • Résumé

    The main objective of this work is to investigate crack propagation and damage evolution using acoustic emission (AE) to predict failure of rock during loading. In this research we recorded AE parameters in granite and gabbro rocks under stress, to establish a pattern of AE variation before failure that can be used in earthquake prediction. In order to investigate the effect of thermal and stress induced damages on AE parameters, a few tests were also conducted using pre-damaged specimens. AE monitoring, mechanical tests, elastic wave velocity measurements and microscopic investigations were used for these purposes. In order to compare the AE records in pure uniaxial compression (UC) and indirect tensile tests, a few Brazilian tests were carried out using AE monitoring. Plotting of the accumulated hits and the accumulated energy AE parameters versus time shows that the AE energy parameter is a more effective way to monitor crack propagation and to predict the failure of specimens than the conventional AE hits. According to AE records from granite and gabbro under UC test, three sharp steps of dramatic AE activity were distinguishable. The first one occurred at about 25 % and the second one at 60% of stress. The last step occurred when the stress level reached 90 to 95% of the ultimate strength of the rock. These steps are comparable to crack initiation (σci), crack damage (σcd) thresholds and uniaxial compression strength (σucs) in the stress-strain diagram presented by Martin (1993). The same steps were detectable during the Brazilian tests. Comparing the acoustic emissions data for intact and thermally treated samples showed a considerable difference in the number and steps of acceleration of AE activity. It appears that microcrack evolution due to thermal damage plays a key role in the reduction of the number of AE hits during uniaxial tests on pre-heated specimens. The AE records of intact and thermally treated specimens of gabbro below 600°C are comparable. However, there is a significant difference between the records of specimens heated to more than 600°C and unheated gabbro. A drastic decrease in the uniaxial strength and elastic wave velocity was also evident in specimens that had been heated to above 600°C. Based on all the investigated parameters, we found that 600°C is a critical temperature that causes physical and mechanical (strength and elasticity modulus) degradation to the gabbro rock subjected to thermal treatment. On the other hand, it was observed that the damage due to ultra high stresses was less than that due to thermal effects, especially in the mechanical parameters. However, AE parameters were more affected by stress damage than thermal heating.

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  • Détails : 1 vol. (214 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 115 réf.

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