Effect of thermal cycles on rock massif stability

• Auteur / Autrice : Claudia Juliana Villarraga Diaz
• Direction : José Darrozes, Jean Vaunat, Muriel Gasc-Barbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et des planètes solides
• Date : Soutenance le 28/02/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Temps (météorologie)

Calcaire

Roches -- Déformation

Mots clés libres

Cycles thermiques atmosphériques

Instabilités rocheuses

Calcaire

Endommagement thermique

Résumé

Les conditions environnementales jouent un rôle important dans la stabilité des massifs rocheux. De fait, les variations climatiques peuvent affecter la résistance du matériau et également augmenter les contraintes internes dans le massif. Cette thèse étudie les effets des cycles thermiques atmosphériques sur les roches, dans une approche expérimentale puis numérique. Cette recherche est centrée sur le cas de la falaise de La Roque Gageac, un village du sud-ouest de la France, situé au pied d'une falaise qui présente une caverne à mi-hauteur. Cette commune a été affectée par plusieurs éboulements. Les données issues de l'instrumentation du massif montrent que ces instabilités sont liées aux cycles thermiques. Afin d'isoler l'effet des cycles thermiques dans la roche calcaire de La Roque Gageac, un programme expérimental a été mis en place. Des échantillons ont été prélevés sur deux sites de la falaise (blocs éboulés à l'intérieur de la caverne et carottés dans la face de la falaise). Ces échantillons ont été soumis à des cycles thermiques entre 10ºC et 50ºC afin de simuler les conditions enregistrées sur le site. L'endommagement de la roche est évalué en laboratoire par le suivi de mesures de déformations, de vitesses de propagation d'ondes élastiques et par l'évolution de la résistance à la compression uniaxial. Une réduction de la vitesse de propagation des ondes élastiques de compression et de cisaillement ainsi que de la résistance à la compression du matériau sont observées. De la même façon, les échantillons enregistrent une accumulation de déformations. De plus, la réponse des échantillons est influencée par la composition minéralogique de la roche. Celle-ci est liée au lieu de prélèvement, le calcaire de la falaise montrant une importante hétérogénéité. Les résultats du programme expérimental ont permis la détermination des caractéristiques principales du phénomène d'endommagement thermique. Une loi de comportement modélisant l'effet des cycles thermiques sur la roche calcaire de La Roque Gageac d'un point de vue macroscopique a été proposée. À cette fin, une loi de comportement a été développée. Elle considère la roche comme un matériau composite constitué par de deux composantes, chacune dotée de sa propre loi de comportement thermo-mécanique. Le modèle a été ensuite implémenté dans le code Éléments Finis Code_bright et utilisé pour simuler les essais de laboratoire. Les résultats fournissent, d'une part, une validation du modèle par les mesures expérimentales et, d'autre part, des éléments pour une meilleure compréhension du développement des contraintes internes et de l'endommagement des échantillons pendant les cycles thermiques.

The environmental conditions may play a relevant role in the stability of rock slopes. In fact, weathering can contribute to the reduction of strength of the material, while hydro-mechanical loading actions may induce and eventually concentrate internal stresses in the rock massif. This Ph.D. thesis deals with the effect of atmospheric thermal cycles in rocks, from both experimental and numerical point of view. This research is focused on the real case of La Roque Gageac, a small town located in the south-west of France, which experiences rock fall risk. Installed instrumentation evidenced the main role played by thermal variations in rock falls occurrence. With the aim of isolating the effect of thermal cycles in the La Roque Gageac limestone, an experimental study is performed. Samples were obtained from blocks felt and intact cores drilled from the cliff face. These samples were submitted to thermal cycles between 10ºC and 50ºC, in order to mimic natural variations. The damage induced in the samples is evaluated through measurements of strains, elastic wave propagation velocities and uniaxial compressive strength. It is observed that samples experience an accumulation in strains and a reduction in the elastic wave propagation velocity and material strength during the imposition of thermal cycles. The response depends moreover on the mineralogical composition of the rock, which varies from sample to sample, as the cliff presents a large heterogeneity. Based on the results obtained in the experimental program, principal characteristics of thermal damage have been evaluated, proposing a constitutive model capable to reproduce the macroscopic mechanical response of the rock under the applied thermal cycles. With this purpose, a constitutive model has been developed. It considers the rock as a composite material made of two components endowed each with its own thermo-mechanical behavior. The model has been further implemented in the Finite element Code_Bright and used to model laboratory tests. Results provide, on the one hand, a validation of the model by the measurements and, on the other hand, insights into a better understanding of the development of internal stress and damage inside the samples during thermal cycles