Comportement hydromécanique des joints rocheux : expérimentations et modélisation constitutive

par Iraj Rahmani

Thèse de doctorat en Génie civil. Géomécanique

Sous la direction de Marc Boulon.

Soutenue en 2006

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) .

mots clés

• Joint rocheux
• Comportement hydromécanique
• Modélisation constitutive
• Compression simple
• Modéle incrémental non linéaire
• Éléments finis, Méthode des
• Sciences -- Expériences

Résumé

De nombreuses applications en génie civil dans les massifs rocheux fracturés exigent des études de faisabilité précises. Ces massifs peuvent présenter des défauts de différentes tailles. Ils peuvent contenir d'une part des micro fissures induites par la perturbation du champ de contraintes due à la construction d'un l'ouvrage, et d'autre part des fractures naturelles de plusieurs mètres voire plus. Notre travail est d'apporter des informations supplémentaires nouvelles sur le comportement hydromécanique des joints rocheux naturels et sur la modélisation constitutive de leur comportement hydromécanique. L'étude expérimentale a consisté en une série d'essais hydromécaniques de compression simple avec la machine BCR-3D du laboratoire 3S de Grenoble. Nous avons présenté un modèle hydromécanique constitutif original, qui peut être un moyen efficace pour modéliser le comportement hydromécanique des joints rocheux en compression et en cisaillement, en échelle méso sans prendre en compte l'effet d'échelle. La Boîte de Cisaillement direct pour Roches à 3 Dimensions, appelée BCR3D, a servi à la réalisation de nos essais mécaniques et hydromécaniques sur les interfaces entre géomatériaux. Cette boîte de cisaillement direct particulière a un système d'injection hydraulique afin d'étudier le comportement hydromécanique des joints rocheux et aussi de mesurer l'anisotropie hydraulique des écoulements. A l'aide du modèle de Divoux modifié et de l'approche de Darcy sous forme incrémentale, nous avons détaillé un modèle hydromécanique incrémentaI non linéaire original. Nous avons mis au point la formulation de transmissivité hydraulique des joints rocheux selon deux chemins: tout d'abord, l'évolution de transmissivité en fonction de la contrainte normale (et de l'énergie spécifique normale), et ensuite les changements de transmissivité en fonction du chemin de cisaillement (et de l'énergie spécifique tangentielle). La performance du modèle est discutée à travers la comparaison entre des résultats expérimentaux et les modélisations constitutives. Le modèle hydromécanique incrémentaI non linéaire (LHMIN) pour l'interface, permet d'évaluer soit le débit, soit la transmissivité fonction du niveau de contrainte normale, de l'énergie normale, du niveau de contrainte de cisaillement et de l'énergie de cisaillement imposés au joint rocheux. Nous avons vu qu'il est possible de comparer schématiquement par simulation, le débit percolant entre divers géomatériaux au débit percolant à travers la masse de ces géomatériaux s'agissant d'un bouchon de galerie, nous avons présenté l'évolution de la transmissivité en cas de cisaillement pour quatre valeurs différentes de retrait du béton de scellement. Dans ce cas proche de la réalité, l'évolution mécanique à l'interface roche béton a été calculée grâce au code de calcul PLAXIS.

Titre traduit

Hydromechanical behavior of the rock joints : experimentation and constitutive modeling

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Résumé

Many applications in civil engineering involving fractured rock masses require precise feasibility studies. These rock masses can exhibit fracturing ofvarious scales. They can contain on the one hand microscopic fractures induced by the disturbance of the stress field due to the construction work, and on the other hand natural fractures of several meters or more. Our aim is to provide additional new information on the hydromechanical behavior of the natural rock joints and on the constitutive modeling of their hydromechanical behavior. The experimental study consisted of a series of hydromechanical simple compression tests with the BCR-3D machine of laboratory 3S in Grenoble We have presented an original constitutive hydromechanical model, which can be an effective mean to model the hydromechanical behavior of the rock joints in compression and shear loading, at the meso-scale, without taking into account the scale effect. The direct Shear Box for Rocks with 3 Dimensions, called BCR3D, was used for the realization of our mechanical and hydromechanica tests on interfaces between geomaterials. This direct shear box has a hydraulic injection system that allows the hydraulic behavior of the rock joints to be studied and also the measurement of hydraulil anisotropy ofthe flows. Using the modified Divoux model and the approach of Darcy in incrementa form, we developed an original hydromechanical nonlinear incremental model. We have presentee the formulation of hydraulic transmissivity of the rock joints corresponding to two paths: first of al1 evolution ofhydraulic transmissivity as function ofto the normal stress (and normal specifie energy) and then changes of hydraulic transmissivity relating to the shearing path (and tangential specifil energy). The performance of the model is discussed through the comparison between experimenta results and constitutive modelling. The hydromechanical nonlinear incremental model (LHMIN) fo the interface makes it possible to evaluate either the flow, or the hydraulic transmissivity as : function of the level of normal stress, normal energy, the level of shear stress and the energy 0 shearing imposed on the rock joint. We saw that it is possible to compare schematically bj simulation, the flow between various geomaterials with the flow through the mass of thesl geomaterials acting as a plug to a gallery, we presented the evolution of the hydraulic transmissivitJ in the event of shearing for four different values of shrinking of the sealing concrete. Ln this close-to reality case, the mechanical evolution for the interface of rock and concrete was calculated with thl computer code PLAXIS.