Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η διερεύνηση των μηχανικών παραμέτρων του βραχώδους υλικού και η εφαρμογή αυτών στην εκτίμηση της αντοχής και παραμορφωσιμότητας της βραχομάζας. Προς την κατεύθυνση αυτή, έγινε οριοθέτηση της μηχανικής συμπεριφοράς του βραχώδους υλικού, διατύπωση συσχετίσεων μεταξύ των φυσικών και μηχανικών παραμέτρων του καθώς και ημιποσοτική εκτίμηση της επίδρασης της ορυκτολογικής σύστασης στη διαφοροποίηση της συμπεριφοράς τους. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων της έρευνας έγινε μέσω ενός «Σχεσιακού Συστήματος Διαχείρισης Φυσικών και Μηχανικών Παραμέτρων Γεωλογικών Υλικών» που σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε στα πλαίσια της Διατριβής. Η έρευνα εστιάστηκε σε ιζηματογενή πετρώματα, χημικά (ασβεστόλιθους) και κλαστικά (ψαμμίτες και ιλυόλιθοι του φλύσχη) που συναντώνται εκτεταμένα στη Δυτική Ελλάδα καθώς επίσης και σε μεταμορφωμένα πετρώματα (μάρμαρα). Η δειγματοληψία των ιζηματογενών πετρωμάτων επικεντρώθηκε στους σχηματισμούς που απαρτίζουν τις γεωτεκτονικές ζώνες των Εξωτερικών Ελληνίδων, οι οποίες καλύπτουν το δυτικό ήμισυ του Ελλαδικού χώρου και φιλοξενούν πλήθος τεχνικών έργων. Για τα μεταμορφωμένα, δείγματα μαρμάρων λήφθηκαν από λατομεία της Βόρειας Ελλάδας που περιλαμβάνονται στις ζώνες των Εσωτερικών Ελληνίδων. Συνολικά, στα πλαίσια της έρευνας λήφθηκαν βραχώδη τεμάχη από 62 θέσεις δειγματοληψίας από τα οποία διαμορφώθηκαν και εξετάστηκαν ως προς τις φυσικές, δυναμικές και μηχανικές τους ιδιότητες 519 δείγματα βραχώδους υλικού. Ειδικότερα πρόκειται για 33 θέσεις δειγματοληψίας σε ασβεστολιθικούς σχηματισμούς (271 δοκίμια), 22 θέσεις σε σχηματισμούς του φλύσχη (152 δοκίμια ψαμμίτη και 24 δοκίμια ιλυόλιθου) και 7 θέσεις σε μάρμαρα (72 δοκίμια). Για κάθε θέση δειγματοληψίας διαμορφώθηκαν, με εργαστηριακό αδαμαντοτρύπανο, αδαμαντοτροχό και συσκευή λείανσης, έξι δοκίμια για τον εργαστηριακό προσδιορισμό των φυσικών, των δυναμικών και των μηχανικών παραμέτρων του βραχώδους υλικού. Οι εργαστηριακές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τις προδιαγραφές της ISRM (1981), του ΥΠΕΧΩΔΕ (Ε102-84) καθώς και της ASTM (D 2664 – 86, D 2938 – 86, D 2845 – 90, D 3967 – 92, D 3148 – 93). Έτσι, συνολικά εκτελέστηκαν: • 476 δοκιμές προσδιορισμού του πορώδους n (%), ξηρής πυκνότητας ρd (kN/m3), κορεσμένης πυκνότητας ρsat (kN/m3), λόγου κενών e και δείκτη κενών Iv (%). • 249 δοκιμές προσδιορισμού της ταχύτητας διάδοσης των υπερήχων Vp και Vs (m/sec). • 336 δοκιμές προσδιορισμού της σκληρότητας SHV. • 120 δοκιμές προσδιορισμού του δείκτη σημειακής φόρτισης Is(50) (MPa). • 67 δοκιμές προσδιορισμού της αντοχής σε μοναξονική θλίψη σc (MPa) από τις οποίες οι 58 έγιναν με σύγχρονη μέτρηση των αξονικών και πλευρικών παραμορφώσεων για τον προσδιορισμό του μέτρου ελαστικότητας Ε και του λόγου Poisson ν. • 75 δοκιμές προσδιορισμού της αντοχής σε εφελκυσμό σt (MPa). • 62 τριαξονικές δοκιμές. Κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των εργαστηριακών δοκιμών κρίθηκε σκόπιμη η προετοιμασία και παρατήρηση στο μικροσκόπιο 20 λεπτών τομών που προήλθαν από διαφορετικά δείγματα με σκοπό την καλύτερη πληροφόρηση σχετικά με την ορυκτολογική σύσταση και τη δομή των βραχωδών υλικών που εξετάστηκαν. Μετά το πέρας των εργαστηριακών δοκιμών τα αποτελέσματα αυτών συγκεντρώθηκαν και αξιολογήθηκαν. Ακολούθησε στατιστική επεξεργασία από την οποία προέκυψαν ιστογράμματα διακύμανσης των τιμών της κάθε παραμέτρου και οριοθετήθηκε η συμπεριφορά των βραχωδών υλικών που εξετάστηκαν. Επιπλέον, μεταξύ των διαφόρων παραμέτρων του βραχώδους υλικού σχεδιάστηκαν τα αντίστοιχα διαγράμματα συσχέτισης και προτάθηκαν εμπειρικές σχέσεις που συνδέουν αυτές. Επίσης, πολύ σημαντικές ποιοτικές και ημιποσοτικές εκτιμήσεις προέκυψαν από τη συσχέτιση των παραμέτρων αντοχής με την ορυκτολογική σύσταση των βραχωδών υλικών. Μετά την ολοκλήρωση των εργαστηριακών δοκιμών στα πλαίσια της παρούσας διατριβής οι παράμετροι αντοχής (αντοχή σε μοναξονική θλίψη και σταθερά mi) που υπολογίστηκαν για το βραχώδες υλικό χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση κυρίως της αντοχής της βραχομάζας. Για το σκοπό αυτό εκτιμήθηκε ο Γεωλογικός δείκτης Αντοχής, GSI, σε 32 συνολικά θέσεις και προσδιορίστηκαν με τη χρήση του προγράμματος Roclab οι παράμετροι αντοχής της βραχομάζας για τις θέσεις αυτές. Στη συνέχεια και για να διερευνηθεί η επίδραση της διακύμανσης των παραμέτρων του βραχώδους υλικού στη συμπεριφορά της βραχομάζας υπολογίστηκαν οι παράμετροι αντοχής και παραμορφωσιμότητάς της με βάση τις προτεινόμενες από τη βιβλιογραφία τιμές του mi και όχι αυτές που υπολογίστηκαν εργαστηριακά. Από τη σύγκριση των δύο αποτελεσμάτων προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη σημασία των εργαστηριακών δοκιμών αλλά και τη σημαντική επίδραση που έχουν οι ακριβείς τιμές των παραμέτρων του βραχώδους υλικού στην εκτίμηση της αντοχής της βραχομάζας. / The aim of this thesis is the determination of the mechanical properties of intact rock and their application to the estimation of the strength and deformability of the rock mass. There has been made an attempt to set up the boundaries in rock material behavior and to formulate empirical correlations between rock material parameters. In the frame of the current research a data base has been developed in order to file all laboratory testing results that had been conducted before in Greece by the Laboratory of Engineering Geology in University of Patras as well as the Central Public Works Laboratory. There has been recorded a total number of 5885 entries which correspond to an equal amount of rock specimens subjected to laboratory tests of their physical and/or mechanical properties. The research was focused on triaxial tests of clastic and chemical sedimentary rock specimens as well as marble rock specimens. Clastic and chemical sedimentary rocks are known to be the most widespread rock formations in Western Greece and a lot of major constructions have been made on or within these formations. Block samples were collected from 62 different sites in Greece, in order to be investigated through laboratory testing procedures. After the cutting of the samples laboratory tests were conducted in 519 cylindrical specimens. From these sites 33 were in limestones (271 specimens), 22 in flysch formations (152 sandstone specimens and 24 siltstone specimens) and 7 in marbles (72 specimens). Laboratory core drill and saw machines were used to cut the samples and end faces were ground in order to provide cylindrical specimens in size, shape and ends geometries according to testing requirements. The execution of laboratory tests was in accordance with ISRM suggested methods (1981, 1986) and ASTM standards (D 2664 – 86, D 2938 – 86, D 2845 – 90, D 3967 – 92, D 3148 – 93). More specifically the following laboratory tests were conducted: • 476 tests for porosity n (%), ρd (kN/m3), ρsat (kN/m3), e and Iv. • 249 tests for sound velocities (Vp and Vs). • 336 SHV tests. • 120 point load tests. • 67 uniaxial compressive tests with determination of modulus of deformation E and Poisson ratio, ν (in 58 UCS tests). • 75 brazilian tests. • 62 triaxial tests for rock material constant mi determination. During the evaluation of the results of laboratory testing, 20 thin sections have been made corresponding to different samples, in order to provide all the information as far as the mineralogy and structure of the samples are concerned. Statistical analyses were used in order to evaluate the test results. The strength and deformability of the rock mass corresponding to 32 selected sites were estimated. The Geological Strength Index, GSI and the Disturbance Factor, D were estimated in each site and used as input parameters. The values of mi, also used as input parameters, were those estimated by triaxial testing in the laboratory. Additionally, in order to evaluate the impact of the mechanical parameters of intact rock to the estimation of the strength and deformability of the rock mass, rock mass parameters were estimated using the mi values proposed by relevant bibliographical references. As a result of the comparison between the two methods,the remarkable usefulness of the laboratory testing, as a means of preliminary design as well as the considerable impact of the mechanical parameters of the rock material to the strength and deformability of the rock mass have been pointed out.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει σαν αντικείμενο μελέτης την αποτίμηση των φυσικών και μηχανικών παραμέτρων των μαλακών βράχων σκληρών εδαφών. Η περιοχή μελέτης τοποθετείται στο βορειοδυτικό τμήμα της Πελοποννήσου και συγκεκριμένα στο Νομό Αχαΐας. Οι ιδιαιτερότητες των φυσικών χαρακτηριστικών των σχηματισμών αυτών απαιτούν τη συστηματική τους διερεύνηση. Για το λόγο αυτό η μελέτη τους αποκτά μεγάλο ενδιαφέρον. Η εργασία περιλαμβάνει τα παρακάτω στάδια: -Περιγραφή των γεωλογικών συνθηκών σε ευρεία κλίμακα και συγκέντρωση τεκτονικών και σεισμικών στοιχείων της ευρύτερης περιοχής μελέτης. -Λεπτομερής εξέταση, διαχωρισμός και ακριβής προσδιορισμός των θέσεων δειγματοληψίας της περιοχής μελέτης. -Δειγματοληψία από τους σχηματισμούς που απαντώνται στην περιοχή και εκτέλεση εργαστηριακών δοκιμών -Προσδιορισμός των φυσικών παραμέτρων των υπό εξέταση υλικών -Στατιστική επεξεργασία των τιμών των εργαστηριακών δοκιμών με σκοπό την εξαγωγή διαφόρων συμπερασμάτων για τη μηχανική συμπεριφορά των μαλακών βράχων. / The aim of this thesis is the study of natural and mechanical parameters of soft rocks – hard soil. The region of study is placed in the north-western department of Peloponnese and concretely in the Prefecture Achaia. The particularities of natural characteristics of this shapings require their systematic investigation. For this reason their study acquires big interest. The work includes the following stages: - Description of geological conditions in wide scale and concentration of tectonic and seismic elements of the wider region of study. - Examination and precise determination of places of sampling of region of study. - Sampling from the shapings in the region and implementation of laboratorial trials - Determination of natural parameters of materials under review - Statistical analysis of prices of laboratorial trials in order to export various conclusions on the mechanic behavior of soft rocks.

Σκοπός της παρούσας Διατριβής Ειδίκευσης είναι η ανάλυση, η παρουσίαση και η αξιολόγηση των τεχνικογεωλογικών – γεωτεχνικών συνθηκών των οικισμών Καρυάς και Ν. Σουλίου του Δήμου Πατρέων, σε σχέση με την ευστάθεια των φυσικών πρανών και τις συνθήκες γεωλογικής καταλληλότητας για τις προς δόμηση περιοχές. Η εν λόγω περιοχή παρουσιάζει αξιόλογο ενδιαφέρον, λόγω των ιδιαίτερων και σύνθετων γεωλογικών συνθηκών, των συχνών και σημαντικών κατολισθητικών φαινομένων των τελευταίων ετών που προκάλεσαν σημαντικές καταστροφές σε τεχνικά έργα και ανθρώπινες περιουσίες, αλλά και λόγω της ραγδαίας οικιστικής ανάπτυξης που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια στα περίχωρα της πόλης της Πάτρας. Στα πλαίσια της Διατριβής και της παράλληλης Έρευνας του Εργαστηρίου Τεχνικής Γεωλογίας στην περιοχή ενδιαφέροντος πραγματοποιήθηκε κατά τα τη χρονική περίοδο 2003-2005 λεπτομερής γεωτεχνική έρευνα που περιελάμβανε ανόρυξη δειγματοληπτικών γεωτρήσεων σε επιλεγμένες θέσεις με ταυτόχρονη τοποθέτηση αποκλισιομέτρων, συστηματική λήψη αποκλισιομετρικών μετρήσεων, σειρά εργαστηριακών και επί τόπου δοκιμών σε κατάλληλα διαμορφωμένα δείγματα, λεπτομερή καταγραφή των τεχνικογεωλογικών συνθηκών της περιοχής με βάση κυρίως τη σύσταση, τη δομή των γεωλογικών σχηματισμών και τη γενικότερη φυσική τους κατάσταση και συμπεριφορά, αλλά και σε φαινόμενα ευστάθειας των φυσικών πρανών, ιδιαιτέρως λόγω του σημαντικού ιστορικού κατολισθητικών κινήσεων στην περιοχή της Καρυάς τα τελευταία χρόνια. Μέσω της κατασκευής αντιπροσωπευτικών εδαφικών προσομοιωμάτων έγινε διάκριση των σχηματισμών της περιοχής έρευνας σε επιμέρους Γεωτεχνικές Ενότητες και σχεδιάστηκαν αντιπροσωπευτικές γεωτεχνικές – τεχνικογεωλογικές διατομές με σκοπό τη σύνθεση και ερμηνεία του γεωτεχνικού περιβάλλοντος της περιοχής. Παράλληλα πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις ευστάθειας πρανών με χρήση εξειδικευμένου λογισμικού σε επιλεγμένες διατομές κατά μήκος των γεωτρήσεων, τόσο στην κατολισθαίνουσα ζώνη της Καρυάς, όσο και στην οικιστική ζώνη. Η σύνθεση των αποτελεσμάτων της γεωλογικής και γεωτεχνικής έρευνας οδήγησε στον προκαταρκτικό διαχωρισμό της περιοχής σε ζώνες κατάλληλες, ακατάλληλες ή κατάλληλες για δόμηση υπό προϋποθέσεις με σκοπό τη διασφάλιση του δομημένου περιβάλλοντος από φυσικούς κινδύνους ή κινδύνους προερχόμενους από ανθρώπινες επεμβάσεις και δραστηριότητες. / The aim of this ΜSc. Project is the presentation, the analysis and assessment of the geological and geotechnical conditions of the sub-urban regions of N. Souli – Karya, Patras, Western Greece. The study area is an area with complex geological conditions and is well known especially for the important and large-scale landslide phenomena which have taken place during the last years near Karya village. This project was done along with survey of the Laboratory of Engineering Geology, Geology Department, University of Patras. The full survey program included geological mapping focused on the engineering properties of the soil and rock formations, fifteen (15) sampling boreholes, inclinometer installation and measurement and laboratory tests. Through laboratory testing and detailed description of soil and rock samples the formations were classified in several units and several geotechnical cross-sections were constructed to make a general geological-geotechnical model of the study area. The geological and geotechnical data were used to perform Limit Equilibrium Slope Stability analysis. The survey results were used to divide the regions of Karya and N. Souli in some zones according to soil suitability for construction purposes.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η παρουσίαση και μελέτη των τεχνικογεωλογικών συνθηκών κατά την διάνοιξη των σηράγγων Πλάτανου και Τράπεζας της Σ.Γ.Υ.Τ. Κιάτου – Αίγιου. Στην παρούσα εργασία θα γίνει η χρήση αναλυτικών μεθόδων και συγκεκριμένα της μεθόδου ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων του κώδικα Plaxis για τον προσδιορισμό της αλληλεπίδρασης μέτρων αντιστήριξης και περιβάλλουσας βραχομάζας. Αυτό θα γίνει μελετώντας τις μετρημένες κατά την διάνοιξη σύγκλισης και σύγκριση τους με τις υπολογισμένες από την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχειών. / In this dissertation are presented and examined the geotechnical conditions during the excavation of two tunnels at Platanos and Trapeza of the Kiato - Egio railroad. Using analytical methods namely finite element method (FEM) and the code Plaxis for determining the interaction between primary support and surrounding rock mass. There examined the real displacement measured during the excavation in contrast with the calculated displacement by FEM. Also, there are correlated vertical displacements at the roof of the tunnel with overburden height.

La perméabilité des roches est fortement influencée par la présence de fractures car ces dernières constituent un chemin préférentiel pour l’écoulement des fluides. Ainsi la présence de fractures naturelles est un facteur déterminant pour la productivité d’un réservoir. Dans le cas de roches à faible conductivité, des techniques de stimulation telle que la fracturation hydraulique sont utilisées pour en augmenter la perméabilité et rendre le réservoir exploitable d’un point de vue économique. A l’inverse, dans le cas du stockage géologique, la présence de fractures dans la roche représente un danger dans la mesure où elle facilite le transport et la migration des espèces disséminées dans la roche. Pour le stockage de CO2, les fuites par les fractures présentes dans les couvertures du réservoir et la réactivation des failles constituent un risque majeur. Et en ce qui concerne le stockage géologique de déchets radioactifs, la circulation de fluide dans des réseaux de fractures nouvelles ou réactivées au voisinage de la zone de stockage peut aboutir à la migration de matériaux nocifs. Il est donc important de prévoir les effets de la présence de fractures dans un réservoir. Le but de cette thèse est le développement d’un outil numérique pour la simulation d’un réseau de fractures et de son évolution sous sollicitation hydro-mécanique. Grâce à sa commodité, la méthode des éléments finis étendue (XFEM) sera retenue et associée à un modèle de zone cohésive. La méthode XFEM permet en effet l’introduction de fissures dans le modèle sans nécessairement remailler en cas de propagation des fissures. L’écoulement du fluide dans la fissure et les échanges de fluide entre la fissure et le milieu poreux seront pris en compte via un couplage hydro-mécanique. Le modèle est validé avec une solution analytique asymptotique pour la propagation d’une fracture hydraulique plane dans un milieu poroélastique en 2D comme en 3D. Puis, nous étudions la propagation de fractures hydrauliques sur trajets inconnus. Les fissures sont initialement introduites comme des surfaces de fissuration potentielles étendues. Le modèle de zone cohésive sépare naturellement les domaines adhérents et ouverts. Les surfaces potentielles de fissuration sont alors actualisées de manière implicite par un post-traitement de l’état cohésif. Divers exemples de réorientation de fissures hydrauliques et de compétition entre fissures voisines sont analysés. Enfin, nous présentons l’extension du modèle aux jonctions de fractures hydrauliques / The permeability of rocks is widely affected by the presence of fractures as it establishes prevailing paths for the fluid flow. Natural cracks are then a critical factor for a reservoir productiveness. For low permeability rocks, stimulation techniques such as hydrofracturing have been experienced to enhance the permeability, so that the reservoir becomes profitable. In the opposite, when it comes to geological storage, the presence of cracks constitutes a major issue since it encourages the leak and migration of the material spread in the rock. In the case of CO2 storage, the scenario of leakage across the reservoir seal through cracks or revived faults is a matter of great concern. And as for nuclear waste storage, the fluid circulation in a fracture network around the storage cavity can obviously lead to the migration of toxic materials. It is then crucial to predict the effects of the presence of cracks in a reservoir. The main purpose of this work is the design of a numerical tool to simulate a crack network and its evolution under hydromechanical loading. To achieve this goal we chose the eXtended Finite Element Method (XFEM) for its convenience, and a cohesive zone model to handle the crack tip area. The XFEM is a meshfree method that allows us to introduce cracks in the model without necessarily remeshing in case of crack propagation. The fluid flow in the crack as well as the exchanges between the porous rock and the crack are accounted for through an hydro-mechanical coupling. The model is validated with an analytical asymptotic solution for the propagation of a plane hydraulic fracture in a poroelastic media, in 2D as well as in 3D. Then we study the propagation of hydraulic fractures on non predefined paths. The cracks are initially introduced as large potential crack surfaces so that the cohesive law will naturally separate adherent and debonding zones. The potential crack surfaces are then updated based on a directional criterion appealing to cohesive integrals only. Several examples of crack reorientation and competition between nearby cracks are presented. Finally, we extend our model to account for the presence of fracture junctions

Le phénomène de coup de terrain est une explosion violente de roche qui peut se produire dans les mines souterraines. Dans la présente recherche, nous avons essayé de démontrer les causes qui peuvent influer sur la prédisposition aux coups de terrain en utilisant la modélisation numérique. Cependant, avant tout, l'état de contrainte avant l'exploitation minière et les contraintes induites par les excavations environnantes doivent être étudiés avec précision. La mine de charbon de Provence, qui a subi un phénomène de coup de terrain au niveau de son puits vertical entouré de nombreux panneaux de longue taille, a été choisie comme cas d’étude. Un modèle numérique 3D à grande échelle a été construit pour inclure la zone du puits vertical avec ses piliers et galeries à petite échelle et les panneaux de longue taille à grande échelle avec leurs zones de foudroyage associées. Plusieurs problèmes ont été rencontrés lors du développement de ce modèle numérique à grande échelle. Le premier porte sur l'initialisation de l'état de contrainte à grande échelle, où les contraintes verticales mesurées divergent avec le poids des déblais et les contraintes in situ sont très anisotropes. Le deuxième porte sur la simulation de la zone de foudroyage associée aux panneaux de longue taille. Le troisième concerne l'évaluation de l’instabilité du pilier en fonction de son ratio résistance/contrainte moyenne et de son volume. Le quatrième concerne l'évaluation de la prédisposition aux coups de terrain au niveau du puits vertical en fonction de différents critères. Cinq méthodes ont été développées pour initialiser l’état de contrainte hétérogène dans le modèle numérique à grande échelle avant l’exploitation minière. Elles sont basées sur la méthode de corrélation Simplex, qui consiste à optimiser la différence entre les valeurs de contrainte mesurées in-situ et les valeurs numériques. Le but est de développer des gradients qui soient capables d'exprimer l'hétérogénéité de la contrainte et qui soient compatibles avec les mesures in-situ. La méthode basée sur l’initialisation de l'état de contrainte avec des gradients 3D s’est avérée plus efficace que celle traditionnelle basée sur les ratios de contrainte horizontale à verticale. Concernant la simulation du foudroyage, trois modèles ont été développés et intégrés dans le modèle numérique pour exprimer le comportement mécanique dans la zone de foudroyage au-dessus des panneaux de longue taille. Deux d’entre eux sont basés sur un comportement élastique alors que le troisième est basé sur un comportement elasto-plastique avec écrouissage un phénomène de consolidation. Il a été constaté que la zone de foudroyage au-dessus des panneaux de longue taille peut atteindre 32 fois l'épaisseur de la couche exploitée et que le module d'élasticité de la partie la plus endommagée de la zone foudroyée ne doit pas excéder 220 MPa pour satisfaire la convergence toit-mur. Mais, avec l'avancée de l'exploitation, ce matériau souple se compacte sous la pression des couches supérieures. Dans le cas d'une largeur critique et super-critique, la contrainte verticale dans la zone de foudroyage pourrait dépasser le poids des déblais et pourrait augmenter jusqu'à 4 fois ce poids sur les bords. La contrainte verticale a augmenté dans les piliers au niveau du puit vertical suite à l'exploitation des panneaux de longue taille à proximité. Il a été constaté que le volume du pilier joue un rôle important dans sa stabilité. Le rapport contrainte/résistance a été jugé insuffisant pour expliquer un coup de terrain. Plusieurs critères ont été intégrés au modèle numérique pour évaluer la prédisposition aux coups de terrain. Il a été constaté que les critères basés sur les contraintes et les déformations sont capables d'évaluer la prédisposition aux coups de terrain / Rockburst is a violent explosion of rock that can occur in underground mines. In the current research, the main objective is to demonstrate the causes that may influence the rockburst proneness by using the numerical modeling tool. However, firstly, the pre-mining stress state and the induced stresses due to surrounding excavations have to be studied precisely. The Provence coal mine, where a rockburst took place in its shaft station that is surrounded by many longwall caving panels, has been chosen as a case study. A large-scale 3D numerical model has been constructed to include the shaft station area with its small-scale pillars and galleries, and the large-scale longwall panels with their accompanying goaf area. Many problems appeared while developing such large-scale numerical model, the first problem was the initialization of stress state at a large-scale, where the measured vertical stresses are in disagreement with the overburden weight, and the in-situ stresses are highly anisotropic. The second problem was the simulation of the goaf area accompanying longwall panels. The third problem was the assessment of pillars instability in terms of its strength/average stress ratio, and its volume. The Fourth problem was the assessment of rockburst proneness in the shaft station based on different rockburst criteria. Five methods were developed to initialize the heterogeneous pre-mining stress in the large-scale numerical model. These methods are based on the Simplex Method, which is mainly based on optimizing the difference between the in-situ measured stress values and the numerical stress values to develop stress gradients able to express the stress heterogeneity and compatible with the in-situ measurements. The method that is based on initiating the stress state with 3D stress gradients was found to be more efficient than the traditional method that is based on the horizontal-to-vertical stress ratios. Regarding the goaf simulation, three models were developed and implemented in the numerical model to express the mechanical behavior within the goaf area above longwall panels. Two of these models are based on an elastic behavior, and the third one is based on the strain-hardening elasto-plastic behavior that takes the consolidation phenomenon into consideration. It was found that the goaf area above longwall panels could reach up to 32 times the seam thickness, and the elastic modulus of caved area (the first few meters in the goaf area) did not exceed 220 MPa to fulfill the roof-floor convergence. But, with advance of the exploitation, this soft material consolidated under the pressure of the overlying strata. In case of critical and super-critical width, the vertical stress in the goaf area exceeded the overburden weight, and it increased up to 4 times the overburden weight on the rib-sides. The vertical stress increased in the shaft station pillars as a result of exploiting the nearby longwall panels. It was found that the pillar volume plays an important role in its stability. And, the strength/stress ratio was found to be insufficient to quantify the rockburst proneness in underground mines. Many rockburst criteria were implemented in the numerical model to assess the rockburst proneness. It was found that the criteria that are based on stress and strain changes were able to assess the rockburst proneness

En France métropolitaine, les projets de géothermie haute température pour la production d’électricité sont principalement localisés dans le socle des fossés d’effondrement liés à la mise en place du Rift Ouest Européen. Le socle de ces fossés a été étudié sur deux analogues à l’affleurement sur les épaules du rift : les Vosges du Nord pour le fossé Rhénan et la bordure Est du Massif central pour la fosse de Valence. Cette étude a permis de montrer que le réseau de failles s’organise selon trois ordres de grandeurs de longueurs et d’espacements caractéristiques qui individualisent des blocs structuraux. Les orientations et l’espacement des failles formant ces blocs et la présence ou l’absence de certains ordres de grandeurs sont le résultat de l’héritage anté-rift du socle, ainsi que du mécanisme d’ouverture du bassin. Le potentiel réservoir des formations de socle et de la couverture surincombante a été analysé au regard de ces zones de failles et de l’altération supergène qui affecte le toit du socle. Ainsi, les lithologies potentiellement rencontrées en base des fossés ont pu être classées en fonction du potentiel de développement de porosité et de perméabilité matricielle dans les cœurs de failles, les zones endommagées et le réseau pervasif de fractures dans le protolithe. L’évolution de la fracturation dans les zones de failles a également pu être appréhendé, et une méthodologie de modélisation double milieu a été élaborée pour caractériser la porosité et la perméabilité de fractures et modéliser le fonctionnement d’un doublet géothermique dans une faille synthéthique équivalente aux cibles des projets géothermiques / High temperature geothermal projects for electricity production are in France mostly localized in the basement of basins linked to the West European Rifting event. The basement of theses basins have been studied on two outcrop analogues at the shoulders of the rift: the Northern Vosges mountains for the Upper Rhine Graben and the Eastern border of the Massif central for the Valence Graben. This study has shown that the fault network is organized in three orders of size with characteristic length and spacing, and that form characteristic structural blocks. The orientation and spacing of these faults and the presence or absence of some size orders are the result of structural inheritance of the basement and the mechanism of the basin opening. The reservoir potential of the basement rocks and the surrounding sedimentary cover has been analysed in light of the fault zones structure and the weathered layer at the top of the basement. Thus, the basement rocks of the basins has been classified in light of the potential of matrix porosity and permeability development in the fault core, the damaged zone and the fractured protolith. The evolution of the fracture network in the fault zone has been studied too, with the development of a double-porosity model in order to characterize the fracture porosity and permeability, and therefore simulate the working of a geothermal doublet in a synthethic fault zone analogue of the geothermal drilling targets

La restauration structurale a pour objectifs de déterminer la géométrie passée des roches et de valider les interprétations structurales. Les méthodes classiques sont basées sur des hypothèses géométriques et/ou cinématiques, et imposent un style de déformation. Les méthodes géomécaniques, en intégrant le comportement élastique des roches et les lois fondamentales de conservation mécanique, visent à résoudre les problèmes des méthodes classiques. Toutefois, il y a des incertitudes sur le choix des paramètres élastiques, et les contraintes de maillage rendent difficile l’utilisation de cette méthode comme un outil de validation des interprétations structurales. Le choix d’une méthode de restauration en particulier est rendu difficile par le fait qu’il y ait plusieurs approches de restauration géomécanique, en plus des nombreuses méthodes géométriques et cinématiques. Cette thèse présente en premier lieu une revue des différentes méthodes géomécaniques 3D visant à déplisser et annuler l’action des failles dans un modèle géologique. L’objectif de cette revue est de présenter les forces ainsi que les limites, théoriques et pratiques, de chaque méthode. Dans un second temps, à travers la restauration d’un modèle analogique (sandbox), nous présentons nos travaux sur le choix de conditions aux limites appropriées pour obtenir un modèle restauré cohérent. Ce modèle structural expérimental a été déformé en laboratoire et présente plusieurs analogies avec des structures extensives postérieures à une base salifère. Grâce à l’observation de l’évolution temporelle de la géométrie du modèle analogique sur une coupe, nous montrons qu’une condition aux limites correspondant à un raccourcissement latéral est nécessaire. Ce raccourcissement peut être estimé par la méthode de la surface transférée. De plus, nous définissons de nouvelles conditions aux limites de contacts de failles pour restaurer correctement le réseau de failles complexe du modèle analogique. Ces nouvelles conditions lient les bords internes des surfaces de failles et connectent les composantes connexes des failles coupées et déplacées par des failles plus récentes. Troisièmement, le test de différents paramètres élastiques indique que le module de Young, défini homogène au sein d’un modèle géologique, n’a quasiment pas d’effet sur le champ de déplacement. Toutefois, le coefficient de Poisson a un impact significatif sur la dilatation volumique. Dans un dernier temps, nous comparons la restauration géomécanique avec une méthode géométrique qui repose sur un modèle chronostratigraphique (GeoChron) qui fait une bijection de chaque point du sous-sol avec son équivalent dans l’espace de dépôt (Wheeler). Nous montrons que les deux approches de restauration fournissent des modèles restaurés du modèle analogique qui sont similaires géométriquement. La méthode géométrique a de nombreux avantages pour obtenir rapidement et avec précision le modèle restauré, mais elle manque de flexibilité sur le choix des contraintes de la déformation. La force de la méthode géomécanique est de pouvoir définir des conditions aux limites personnalisées et des comportements mécaniques spécifiques pour gérer les contextes mécaniquement complexes / Structural restoration aims to recover rock paleo-geometries and to validate structural interpretations. The classical methods are based on geometric/kinematic assumptions and impose a style of deformation. Geomechanical methods, by integrating rock elastic behavior and fundamental mechanical conservation laws, aim to solve issues of classical methods. However several studies show that the geomechanical restoration lacks physical consistency in particular because of the boundary conditions. There are uncertainties on the choice of the elastic properties, and the meshing constraints limit this method to be used as a validation tool of structural interpretations. The choice of a specific restoration method is difficult because there are many geomechanical restoration approaches, in addition to the numerous geometric/kinematic methods. Firstly, this thesis presents a review of the various 3D geomechanical methods to unfold and unfault a 3D geological model. The objective is to present their, theoretical and practical, strengths and limits. Secondly, through the restoration of a structural sandbox model, we worked on the choice of adequate boundary conditions to get a proper restored model. This structural sandbox model was deformed in laboratory and presents several analogies with supra-salt extensional structures. Thanks to the observation of the analog model geometry through time on a cross section, we show that a lateral shortening boundary condition is necessary. We show that this shortening can be estimated by the area-depth method. Moreover we define new fault contact conditions to handle complex fault networks. These novel conditions tie internal fault borders and join parts of offset faults. Thirdly, the test of several elastic parameters shows that Young’s modulus, homogeneous within a geological model, has almost no effect on the restoration displacement field. However, Poisson’s ratio has a significant impact on the volume dilatation. Finally, we compare the mechanics-based restoration method with a geometric-based method relying on a chronostratigraphic model (GeoChron) mapping any point of the subsurface to its image in depositional (Wheeler) space. We show that both methods provide a geometrically similar restored state for the analog model. The geometric method has numerous advantages to quickly and accurately get a restored model, but it lacks flexibility on the choice of the deformation constraints. The geomechanical restoration method force is to define custom boundary conditions and specific mechanical behaviors to handle complex contexts

L’étude du comportement des roches nécessite de comprendre leur réponse sous diverses sollicitations. L’étude énergétique de l’endommagement des roches est indispensable pour prédire les phénomènes dynamiques. Ces phénomènes sont dus au développement de fissures dans les roches soumises à des fortes contraintes initiales et induites. La fissuration est une forme de dissipation d’énergie qui permet de rétablir l'équilibre du milieu. L’objectif de la thèse est de modéliser la fissuration dans les milieux rocheux dans la perspective d’étudier le comportement des ouvrages souterrains à grande profondeur. Le développement des modèles capables de représenter la fissuration, la coalescence des fissures et leur interaction avec des fractures préexistantes est indispensable. De la littérature, il ressort deux principales approches théoriques et numériques de modélisation de la fissuration : continue et discrète. Une synthèse critique de ces approches nous a conduit à retenir l’approche discrète et plus particulièrement le code Yade dans le cadre de cette thèse. Ce code permet de simuler explicitement la fissuration avec ou sans fractures pré-existantes. Des développements ont été effectués afin de tenir compte des différentes formes d’énergie intervenant dans le comportement des roches soumises à des sollicitations. En particulier une corrélation entre l’énergie de fissuration numérique et l’activité microsismique observée sur des échantillons en laboratoire en compression. Les différentes composantes énergétiques explicitées puis implémentées dans Yade sont : le travail externe, l’énergie potentielle, l'énergie élastique, l’énergie de frottement, l’énergie de fissuration, l'énergie cinétique et l’énergie dissipée en amortissement. La validation de l’approche énergétique a été réalisée grâce à la simulation des essais de laboratoire. L’évolution des différentes composantes énergétiques a permis de vérifier que le bilan des énergies est correctement évalué. Le bilan énergétique a également été vérifié à échelle de structures en simulant l’excavation souterraine d’un Mine-by Experiment (URL Manitoba). L’extension de la zone endommagée induite par l’excavation prédite numériquement a été comparée à celle observée in-situ autour du Mine-by Experiment. Il a été constaté que l’endommagement prédit est similaire à celui observé dans les directions des contraintes initiales mineure et majeure. Par ailleurs la formulation énergétique permet d’étudier numériquement les processus de fissuration des roches. Wassermann (2006) a réalisé des essais de compression uniaxiale et triaxiale sur des échantillons de minerai de fer lorrain. Nous avons modélisé ces essais. La comparaison qualitative des événements acoustiques et des énergies de fissuration issues respectivement des essais et des simulations numériques a montré des tendances similaires. Par contre, la comparaison d’un point de vue quantitatif a montré que le nombre des événements acoustiques numériques est plus important que celui déterminé expérimentalement. L’énergie dissipée par fissuration numérique est également plus importante que celle obtenue sur les essais. Cette différence est expliquée par le fait que les capteurs du dispositif expérimental ne détectent pas tous les événements acoustiques. Les résultats obtenus pourront permettre de mieux comprendre les cinétiques des phénomènes dynamiques dans les ouvrages souterrains profonds. Une autre application a consisté à modéliser un pilier de mine de fer de Joeuf (Lorraine). Le modèle numérique montre deux modes de fissuration dans le pilier : (a) écaillage en peau de pilier, (b) deux bandes de rupture s’initiant du mur et toit du pilier pour se propager vers le cœur du pilier. Ce travail offre de bonnes perspectives pour mieux comprendre la propagation de la fissuration à plus grande échelle mais aussi de progresser dans la recherche de corrélation entre la géomécanique et la géophysique / The study of rock mass behavior requires the understanding of their response under various loadings. The study of rock damage from an energetic point of view is essential in order to predict dynamic phenomena. These phenomena are due to the development of cracks in rocks subjected to strong initial and induced stresses. Fracturing is a form of energy dissipation that restores the balance of the involved medium. The aim of the thesis is to model rock cracks and study the behavior of underground structures at great depths. The development of models able to simulate the fracturing, the coalescence of cracks and their interaction with pre-existing fractures is essential. In the literature, there are two main theoretical and numerical approaches for crack modeling: continuous and discrete. A detailed analysis of these approaches has led us to choose the discrete approach and more particularly the code Yade. This code enables to simulate explicitly cracks propagation with or without pre-existing fractures. Developments have been made to evaluate the different forms of energy involved in rock behavior. In particular, a correlation between the cracks energy determined numerically and the microseismic activity observed in laboratory samples has been performed. The various energy components developed and then implemented in Yade are: external work, potential energy, elastic energy, friction energy, cracks energy, kinetic energy and damping energy. Validation of the energy approach was carried out by simulating laboratory tests. The evolution of the various energy components permits to verify that the energy balance is correctly evaluated. The energy balance was also verified at a structure scale by simulating the underground excavation of a Mine-by Experiment (URL Manitoba). The extension of the damaged zone induced by excavation and predicted by numerical simulations was compared with that observed in-situ around the Mine-by Experiment. It has been found that the predicted and the observed damage are similar in the directions of initial minor and major initial stresses. In addition, the energy formulation enables to study numerically the fracturing process of rocks. Wassermann (2006) performed uniaxial and triaxial compression tests on samples of iron ore from Lorraine. We have modeled these tests. The qualitative comparison of acoustic events and cracks energies determined from tests and numerical simulations showed similar trends. On the other hand, the quantitative comparison showed that the number of numerical acoustic events is greater than the number of experimental acoustic events. Also, the energy dissipated by cracks determined numerically is greater than the energy measured in the tests. This difference is explained by sensors accuracy of the experimental device, which are not able to detect all the generated acoustic events. The results obtained will allow us to better understand the dynamic phenomena in the deep underground structures. Another application consisted in modeling an iron ore pillar of Joeuf (Lorraine). The numerical model shows two modes of cracking in the pillar: (a) flaking of pillar wall, (b) two breaking bands initiating from the wall and the roof of the pillar to propagate towards his core. This provides good perspectives for better understanding cracks propagation at a larger scale, also to progress in the understanding of the correlation between geomechanics and geophysics

La consolidation des sols argileux est un enjeu majeur dans le domaine de la géotechnique pour la conception des ouvrages. Ceci est notamment le cas lorsque les sols argileux peuvent être exposés à des cycles thermiques, comme dans le cas des géostructures géothermiques, dépôts de stockage des déchets nucléaires, stockage de chaleur dans les remblais, etc. Ces changements de température pourraient avoir une incidence sur le comportement de consolidation des sols, tant du point de vue de la consolidation primaire que du fluage. Dans ce contexte, cette étude a examiné l'impact de la température sur le comportement de consolidation et du fluage d’argiles compactées saturées. L’impact de la nature du sol et de son histoire mécanique a été considéré. Une cellule œdométrique à température contrôlée a été utilisée pour effectuer des essais à vitesse de déformation constante (CRS) pour différentes vitesses de déformation (0,002% / min à 0,02% / min) dans une gamme de température comprise entre 5 ° C et 70 ° C. Deux argiles compactées, avec différentes histoires de chargement mécanique, ont été utilisés. Les résultats indiquent que les indices de compression et de gonflement pour les deux matériaux ne sont que légèrement modifiés par une augmentation de la température allant de 5 à 70°C. En revanche, la pression de préconsolidation des deux argiles diminue à mesure que la température augmente, cet effet étant cependant fonction de la nature du sol considéré. Le coefficient de consolidation augmente lorsque la température augmente pour les deux matériaux, ainsi que la conductivité hydraulique. La perméabilité intrinsèque reste stable en fonction de la température. L'indice de fluage augmente lorsque la température augmente pour les deux argiles. En outre, l'histoire des chargementsmodifie l’impact de la température sur le comportement mécanique. Ainsi, les résultats montrent une dilatation thermique pour les sols fortement surconsolidées et une contraction thermique des échantillons faibles et normalement consolidés. Cette étude a ainsi permis de mettre en évidence l’impact relatif d’un certain nombre de paramètres sur l’évolution du comportement des argiles compactées avec la température / Consolidation of clay soils is one of the main challenges in engineering design and construction. Clayey soils could be exposed to thermal cycles in some engineering applications such as geothermal piles, nuclear waste storages, heat storage in embankments, etc. These temperature changes could affect the primary consolidation as well as the creep behaviour of the soils. In this context, this study investigated the impact of temperature on consolidation behaviour and creep behaviour of saturated compacted clays. In addition, the impact of stress history and clay nature on the temperature dependent mechanical and hydraulic behaviours was also considered. Temperature controlled oedometric cells were employed to perform constant rate of strain (CRS) consolidation tests for different strain rates (0.002%/min to 0.02%/min) within a temperature range of 5° C to 70o C. Two different compacted saturated clays with different stress histories were used in these CRS tests (clay A: PI=31%, clay B: PI=23.8%). The results showed that the compression and swelling indices for both materials changed slightly with temperature and strain rate alteration. The preconsolidation pressure of both clays decreased as the temperature increased, but less in the case of clay B, while it decreased as the strain rate decreased for both materials. The hydraulic conductivity increased with temperature while the intrinsic permeability remained unchanged in the investigated range of temperature. The creep index increased as the temperature increased for both clays. In addition, the stress history has an impact on the temperature dependent mechanical and hydraulic behaviour of clay soils. Results showed a thermal dilation for highly overconsolidated soils and a thermal contraction for low and normally consolidated samples. The relative impact of several parameters on the modification of the behaviour of compacted clays with temperature was also assessed.