L'emploi du boulonnage comme soutènement ou renforcement des galeries dans les mines souterraines est une méthode qui ne cesse pas de se développer . Avec l'introduction de techniquesnouvelles, son éventail d'application s'élargît de plus en plus. Ce mémoire est le fruit d'une étude, entreprise à la mine de La Mure des Houillères du Bassin du Dauphiné, concernant le boulonnage comme méthode de soutènement. En effet, le boulonnage implanté définitivement dans cette mine depuis 1977, est appelé à soutenir, dans un avenir prochain, 70 % des voies au rocher. Afin d'aboutir à un modèle mathématique rendant compte des déplacements survenus dans ces voies et la façon de les contrôler par le biais du boulonnage, nous avons suivi les étapes suivantes: 1. Une étude bibliographique sur la géologie et la tectonique de la région, complétée par un aperçu de l'état actuel de la mine: ses méthodes d'exploitation et les problèmes les plus souvent rencontrés. 2. Une caractérisation mécanique, en laboratoire, des roches constituant le massif dans lequel les voies ont été creusées. 3. La poursuite, in situ, des déformations suivies par ces voies. 4. Une analyse des essais de traction effectués Sur les boulons mis en place. Ces étapes, surmontées, nous avons modélisé notre voie. 5. La modélisation a porté sur un massif à comportement élastique, orthotrope et hétérogène contenant la voie, par application du programme ELFI 3F. Les résultats de la modélisation sont ensuite comparés à ceux trouvés in situ.

Dans les massifs rocheux fissurés, il est très difficile de réaliser des ouvrages sans avoir fait, au préalable, une étude de sa fracturation et de son comportement mécanique et hydraulique. L'étude d'un massif rocheux fissuré doit comporter les étapes suivantes : - Relevé systématique des discontinuités du massif, - Étude statistique de ses discontinuités pour identifier les différentes familles qui découpent le massif, - Étude du comportement mécanique des discontinuités, - Étude générale de stabilité, - Étude hydraulique. Notre recherche est relative à l'étude générale de stabilité. Les méthodes classiques de calcul de stabilité, basées sur l'analyse des forces en situation d'équilibre limite et ne prenant pas en compte la déformabilité du massif et la répartition des contraintes existantes dans celui-ci, ne donnent pas entière satisfaction. La méthode que nous avons développée est une méthode dite par "éléments distincts". Elle permet de modéliser les massifs rocheux fissurés par un assemblage de blocs définis par le système de discontinuités et de calculer leurs interactions réciproques. L'interaction entre les blocs se transmet à travers leurs contacts (ou joints) suivant les lois de comportement mécanique de ces derniers. On peut exprimer les contraintes au niveau des joints en fonction de leurs rigidités et des déplacements des blocs. La minimisation de l'énergie potentielle totale de la structure étudiée permet de produire un système d'équations où sont exprimés les forces exercées sur le système et les déplacements des blocs par l'intermédiaire d'une matrice de rigidité. Il est souvent nécessaire de considérer des lois de comportement mécanique des joints non-linéaires, ce qui conduit à un système d'équations non-linéaires dont la résolution se fait d'une manière incrémentale itérative. Par cette méthode, on peut alors étudier les déformations causées par la réalisation d'une excavation dans le massif, rendre compte des ruptures locales qui peuvent évoluer suivant des mécanismes de ruptures progressives. Dans cette recherche, nous avons également modélisé les systèmes d'ancrages par boulons ou tirants actifs et par armatures passives scellées dans le massif. Le comportement mécanique des ancrages est considéré comme élasto-plastique avec écrouissage cinématique.

L'objectif de ce travail est de modéliser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés. Ceci concerne précisément l'amélioration et l'extension d'un modèle par éléments discrets appelé BRIG3D. Ce modèle assimile un massif rocheux fissuré à un assemblage de blocs rigides qui interagissent au niveau de leurs interfaces. La déformation de ces interfaces est reliée aux déplacements relatifs des blocs. Sous l'effet des sollicitations du massif, chaque bloc, en interaction avec d'autres, se déplace vers une position d'équilibre. Les améliorations concernent la reformulation mécanique de BRIG3D. De nouvelles descriptions concernant le mouvement d'un corps rigide, la position des interfaces et le champ des contraintes sont introduites. Ce travail de recherche concerne également l'introduction d'un modèle par éléments frontières décrivant un écoulement laminaire, permanent et plan aux interfaces des blocs. Le couplage de ces deux modèles à permis d'analyser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés soumis à diverses sollicitations. Une étude particulière a été consacrée à l'analyse du comportement d'une fondation de barrage.

L'influence des effets de site sur la réponse sismique des barrages-voûtes a été étudiée récemment par différents auteurs. Dans les travaux effectués jusqu'à présent l'excitation sismique est utilisée de différentes façons, mais toujours en se limitant à quelques angles d'incidence d'ondes sismiques, définis à l'avance. Les réponses des barrages-voûtes dans ces conditions ne représentent que des cas particuliers sur lesquels sont basées les conclusions. La méthode des surfaces d'énergie présentée dans ce travail, représente une méthode générale (et en même temps économique) qui se sert du balayage tridimensionnel fin sur tous les angles d'incidence dans l'espace, pour différents types d'ondes sismiques et leurs différentes célérités de propagation. L'excitation sismique est représentée par les ondes P, SV, SH et ondes de Rayleigh. Leurs expressions ont été développées en séries limitées et remplacées par différentes combinaisons de fonctions de forme dont les coefficients sont les fonctions d'angles d'incidence et de direction. Cette méthode nous permet de définir les intervalles d'angles d'incidence les plus dangereux et ceux les moins dangereux pour un barrage ainsi que l'influence et l'importance des effets de site sur la réponse sismique des barrages-voûtes. Dans les conditions générales d'angles d'incidence, plusieurs paramètres ont été variés et analysés à l'aide de 12 différents modèles qui représentent des systèmes complexes du barrage-voûte avec son réservoir et la masse rocheuse qui les entoure. Ces paramètres sont : les angles d'incidence , la position du noeud dans le barrage, les célérités de propagation d'ondes du champ proche dans la roche, les célérités de propagation d'ondes du champ lointain, les effets de site, les types d'ondes, la compressibilité de l'eau, la présence de la retenue pleine, le changement de la taille et de la forme du réservoir, la direction de la vallée, des petites modifications de la forme de la frontière du modèle numérique, l'utilisation des éléments fluides pour modéliser le réservoir. La méthode d'énergie maximale traite le problème extrémal de l'énergie dans le barrage sur l'espace des fonctions de forme. L'excitation sismique est représentée par un signal plus complexe que celui obtenu par des ondes P, S V, SH et ondes de Rayleigh. Dans les analyses sismiques sur les effets maxima on détermine également des mouvements "éventuels" de la roche qui donnent l'énergie maximale dans le barrage. Les conclusions donnent un apport théorique basé sur les analyses paramétriques effectuées dans ces conditions générales d'angles d'incidence, ainsi qu'un apport pratique qui montre le moyen de détermination de la position du barrage la plus favorable par rapport aux intervalles d'angles prédominants de séismes (en remplissant en même temps les autres conditions nécessaires: statiques, géologiques etc.). Dans le domaine théorique cette thèse élargit et classifie nos connaissances sur les phénomènes des effets de site, en premier lieu l'influence sur le barrage (structure étendue) du massif rocheux, dont les propriétés mécaniques sont exprimées par la célérité de propagation d'ondes sismiques et de l'interaction barrage-fluide du lac de retenue. La méthode présentée dans ce travail ainsi que le logiciel entièrement créé pour le même travail peuvent être applicables, avec peu de modifications, sur d'autres structures étendues dont le comportement sismique est décrit dans le domaine linéaire de façon suffisamment correcte.

Les problèmes étudiés dans cette thèse relèvent du cadre général de la modélisation des tunnels profonds. Ce travail traite essentiellement de l'interaction complexe entre massif et soutènement. Initialement, on réalise une approche expérimentale portant sur l'optimisation du dimensionnement des soutènements des galeries dans des roches viscoplastiques. Une modélisation numérique fine de ce problème d'interaction massif viscoplastique-soutènement plastique est mise en oeuvre et permet de bien interpréter le comportement de la galerie expérimentale de Mol (Belgique). Ensuite, on s'intéresse à l'aspect 3D du creusement des tunnels a l'aide de la méthode numérique d'activation/désactivation des éléments en axisymétrie. On montre, par la réalisation d'abaques, que l'équilibre des tunnels dans les milieux viscoplastiques dépend largement de la rigidité et de la distance de pose du revêtement ainsi que de la vitesse de creusement de l'ouvrage. Dans la dernière partie, on compare les résultats donnés par notre méthode numérique d'une part, et par la méthode cv-cf d'autre part: on met en évidence les imprécisions de la méthode approchée cv-cf sous sa forme actuelle. Finalement, on propose une nouvelle méthode approchée en élasticité, qui conserve le formalisme de la méthode cv-cf, mais permet de mieux prendre en compte l'effet de la rigidité du soutènement sur la valeur de la convergence avant pose. Cette nouvelle méthode approchée conduit à des résultats tout a fait acceptables.

Le présent travail est consacré aux problèmes de l'altération de roches basiques et ultrabasiques sous des conditions climatiques différentes et à l'influence de ces processus sur la stabilité à long terme des talus de mines à ciel ouvert. Les roches font partie d'anciens profils d'altération et, mises à jour par l'exploitation, subissent des altérations météoriques modernes qui changent les paramètres pétrographiques et géotechniques les caractérisant, ceci au niveau de la matrice rocheuse et du massif rocheux. Deux objets ont été étudiés au cours de ce travail : la mine de chromite de Bemanevika (Madagascar) où les métabasites et méta-ultrabasites sont très intensivement altérées sous conditions climatiques tropicales et la mine d'amiante de Bagenovskoe (Oural Central, Russie), où des roches de même type sont exposées à l'altération sous conditions tempérées continentales. La prévision de la stabilité des talus à long terme, en tenant compte du développement de l'altération dans les massifs, y a été analysée. Nous avons également procédé à des simulations en laboratoire de l'altération et de l'évolution de l'altérabilité de diverses roches. Deux types de simulation ont été réalisés : l'altération physique par cycles de gel-dégel intensif et l'altération chimique par cycles de lessivage en eau chaude en extracteur Soxhlet. L'analyse et la comparaison des résultats en laboratoire et in situ permettent de quantifier les processus d'altération et, enfin, d'établir les schémas de développement à long terme d'instabilités dans différents massifs rocheux sous diverses conditions climatiques.