Caractérisation des discontinuités dans le massif rocheux par combinaison de mesures de diagraphies soniques et électriques

Characterization of discontinuities in the rock mass by combining sonic and electrical logging measurements

• Auteur / Autrice : Nourhan Tartoussi
• Direction : Jean-François Lataste, Patrice Rivard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 24/05/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Nuth
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolás D. Barbosa, Frederik Bugarel, Marwan Sadek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Dupuis, Mai-Linh Doan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sondes électroniques

Modélisation comportementale (électronique)

Diagraphies

Milieux rupicoles

Mots clés libres

Discontinuité

Massif rocheux

Diagraphies

Sonde électrique normale

Sonde Fullwave

Modélisation numérique

Mesure sur site

Combinaison de données

Discontinuity

Rock mass

Borehole logging

Normal electrical probe

Fullwave sonic probe

Numerical modelling

Site measurement

Data combination

Résumé

La présence de discontinuités dans un massif rocheux a un impact significatif sur la stabilité et la résistance mécanique de ce dernier, ainsi que sur la sécurité et la conception de projets impliquant la roche. Dans cette thèse, nous chercherons à caractériser les propriétés discontinuités, directement dans le massif, par l’utilisation de mesures diagraphiques classiques, avec les sondes Fullwave (FW) et sonde électrique normale (DN). Dans le but ultime de mieux comprendre leur impact sur le comportement du massif et de prendre des décisions éclairées en matière de construction, d'exploitation minière et de gestion des risques géologiques.Dans cette optique, cette thèse propose une nouvelle méthodologie de caractérisation des propriétés géométriques (ouverture, longueur) et physiques (vitesse de compression, vitesse de cisaillement, densité, résistivité) des discontinuités en combinant les réponses de deux techniques. Les deux outils ont montré leur potentiel de détecter les discontinuités, ainsi que leurs limites à caractériser ces propriétés. La complémentarité des données électriques (DN) et acoustiques (FW) est exploitée pour surmonter les limites de chaque méthode et bénéficier de leurs caractéristiques distinctes en termes de volume d'investigation, de propriétés détectées et de résolution, Pour cela, les réponses des deux outils sont combinées dans le but de caractériser les propriétés des discontinuités de manière non destructive.Cette thèse repose sur une première approche numérique qui consiste à modéliser la réponse de deux outils de diagraphie (FW et DN) face à la présence d'une discontinuité idéale et isolée dans un massif rocheux. Sur la base de l’étude de sensibilité réalisée, cette approche a permis de définir des facteurs de perte acoustique (liés à l'atténuation et au retard des ondes de compression et de cisaillement) et électrique (liés à la diminution de la résistivité). Une base de données numériques de 880 cas issue de l’étude paramétrique, est construite. Des techniques de régressions multiples non linéaires et de réseaux de neurones ont été comparées pour créer des modèles prédictifs visant à diagnostiquer les différentes propriétés de la discontinuité. Les résultats sont ensuite confrontés à une validation expérimentale sur des données réelles réalisées sur un site de calibration à Bells Corners (Ottawa, Ontario, Canada). Les résultats attestent du potentiel de l’approche pour évaluer l’ouverture de la discontinuité à un niveau de précision d’ordre centimétrique.

The presence of discontinuities in a rock mass has a significant impact on its stability, mechanical resistance, as well as stability of structures laid on hard rock. The purpose of this research is to investigate these discontinuities with borehole logging techniques in an attempt to better understand their impact on the behavior of the rock mass and to propose an appropriate guideline for construction, mining operations, and geological risk management.In this regard, the thesis proposed a new methodology for characterizing the geometric (opening, length) and physical (compression velocity, shear velocity, density, resistivity) properties of discontinuities by combining the responses of two drilling logging techniques, namely the Fullwave Sonic (FW) and Normal Electrical (DN) probes. These two tools have shown potential in detecting discontinuities, as well as their limitations in characterizing these properties. Therefore, the objective is to combine the response of both tools to overcome the limitations of each method and benefit from their distinct characteristics in terms of investigation volume, detected properties, and resolution, to accurately characterize the properties of discontinuities.The thesis is based on a numerical approach that modeled the response of two logging tools (FW and DN) in the presence of an ideal and isolated discontinuity in a rock mass. This approach defines acoustic loss factors (related to the attenuation and delay of compression and shear waves) and electrical loss factors (related to the decrease in resistivity) and evaluates their sensitivity to the geometric, mechanical, and electrical properties of a filled discontinuity. By conducting a parametric study, a numerical database of 880 cases was built, and techniques such as multiple nonlinear regression and neural networks were used to create predictive models aimed to characterize various properties of the discontinuity. Real FW and DN log measurements from the Bells Corners calibration site (in Ottawa, Ontario, Canada) were used to validate the developed method. These promising results demonstrate a high potential for identifying discontinuity aperture with centimeter precision.