Pour étudier le comportement mécanique des massifs rocheux, en prenant en compte le réseau des discontinuités au sein de la roche intacte, cette recherche a pour objectif la représentation du massif par des modèles géométriques basés sur des relevés de terrain et l'analyse de ces modèles par l'utilisation d'outils informatiques adaptés pour les milieux granulaires. Le premier chapitre fait l'état de l'art des roches fracturées, des méthodes numériques de la mécanique des roches et des approches du calcul de structure d'un tunnel. Ces études conduisent à la proposition d'une méthodologie depuis les recherches in situ jusqu'à la modélisation et l'analyse mécanique, présentée dans le deuxième chapitre. Le massif rocheux est d'abord représenté géométriquement par la distribution de ses discontinuités, et l'utilisation du logiciel RESOBLOK basé sur la méthode du Réseau de Fractures Discrètes. Les modèles mécaniques de massifs rocheux sont ensuite présentés à partir des données sur les études de l'histoire du massif, et des mesures faites sur site et en laboratoire. Les modèles numériques en 3D sont analysés par l'utilisation du logiciel LMGC90 basé sur la méthode de la Dynamique des Contacts Non Réguliers. Les premières applications de la méthodologie sont exposées : la création d'une roche numérique pour simuler un essai de compression triaxiale, et la simulation d'une excavation multi phases d'un tunnel au rocher. La méthodologie proposée a été appliquée sur le marbre blanc de Saint Béat (Haute Garonne, France) et les résultats préliminaires sont donnés dans le chapitre trois. Les réponses mécaniques de la roche numérique sont analysées et son comportement est caractérisé. / Aimed at studying the mechanical behaviour of rock mass and considering the presence of the discontinuity network in the intact rock, this research concentrates on how the rock can be represented in suitable geometrical models, on the basis of site measurements, and then appropriately analysed using computer tools developed for the study of granular media. The first chapter deals with a bibliographical study on fractured rock and tunnel engineering. Different computational methods of rock mechanics are introduced. Simultaneously, three principal approaches for tunnel structural design are recalled. These studies lead to the proposition of a methodology from the in situ investigation to in-door modelling and mechanical analysis, presented in the second chapters. The rock mass is first geometrically represented through the distribution of discontinuities in the rock mass and the use of the RESOBLOK code based on the Discrete Fracture Network method. Mechanical models of rock mass are then presented from the data of historical studies on the rock mass and from laboratory and in situ measurements. The 3D computational models are analysed using the LMGC90 based on the Non Smooth Contact Dynamics method. The first two applications of the methodology are introduced: the generation of the numerical rock for the simulation of the triaxial compression test, and the simulation of multi-phase excavation of rock tunnel. The proposed methodology has been applied on the white marble of Saint Béat (Haute Garonne, France) and the initial results are given in the third chapter. The mechanical responses of the numerical rock mass are analysed and the bulk behaviour of the rock is evaluated.

Cette thèse aborde à la fois des aspects comportementaux et numériques de la réponse mécanique du massif rocheux au creusement d'un tunnel. La comparaison de critères existants a mis l'accent sur quelques points clefs, comme la dépendance du critère à la contrainte moyenne et le ratio d'extension. Une fonction de charge, aisément identifiable à partir des essais, au caractère régulier et convexe, capable de tenir compte de la forme de l'enveloppe de Mohr du critère, ainsi que du ratio d'extension, a été proposée : on peut ainsi réaliser des formes régularisées des critères de Mohr-Coulomb et de Hœk-Brown. Le développement de ce nouveau critère a été complété par la proposition d'une méthode d'abaques numériques, accélérant grandement la résolution. Pour le critère proposé, le problème physique est équivalent à un problème purement géométrique, en coordonnées polaires dans le plan. On peut ainsi constituer des abaques numériques qui permettent d'obtenir directement la valeur des déformations plastiques, ce qui diminue drastiquement le temps de calcul Les méthodes de calcul des tunnels ont fait l'objet d'une synthèse biblio- graphique, précisant les domaines et les limites d'emploi des méthodes utilisées par les ingénieurs pour dimensionner les tunnels. La modélisation du creusement des tunnels a été réalisée à l'aide de l'algorithme stationnaire, conçu pour calculer le comportement de systèmes soumis à des chargements mobiles. Cet algorithme a été programmé pour intégrer le nouveau critère et la méthode des abaques numériques. Les outils ainsi développés ont pu être confrontés à un cas d'étude réel, à partir de données fournies par l'Agence Nationale de Gestion des Déchets Radioactifs (ANDRA) au titre du projet européen MODEX-REP (projet s'insérant dans le cadre du 5e plan EURATOM de la commission européenne). L'étude de ces données a permis de définir une variable de dégradation de la roche, aisément identifiable et permettant de paramétrer le critère pour la roche endommagée.

Les phénomènes d'émission d'ondes acoustiques générées par les mécanismes de fissuration des échantillons de roche sous contrainte, sont étudiés expérimentalement, et les résultats interprétés comparativement avec les phénomènes sismiques de l'écorce terrestre. On s'intéresse ici, dans une analyse de type statistique, à l'influence des conditions de sollicitations et celle des matériaux étudiés sur les caractéristiques diverses des événements microsismiques enregistrés. On a pu ainsi mettre en évidence les influences du facteur temps et de l'histoire de la sollicitation sur la taille des microséismes et leur répartition spatiotemporelle, les processus invoqués semblant présenter des analogies avec les phénomènes de terrain. Les fréquences dominantes des spectres expérimentaux semblent correspondre à des tailles moyennes de source assez proches de la dimension des grains de la roche considérée. Une évolution du contenu spectral des signaux avec la contrainte appliquée (pouvant être éventuellement utilisée comme moyen de prédiction d'un phénomène majeur " in situ") a pu être observée et interprétée en termes de mécanismes à la source.

Le massif de marbres de Saint-Béat se situe dans la Zone Interne Métamorphique des Pyrénées centrales françaises. Il est formé de sédiments mésozoïques métamorphisés lors de l'événement métamorphique extensif Haute température - Basse pression classiquement décrit dans les Pyrénées. L'objet de cette thèse est de caractériser la déformation ductile et la fracturation qui affectent ce massif, et de déterminer dans quelle mesure les processus responsables de la fracturation peuvent être influencés par l'état de déformation. Les caractéristiques de la déformation des marbres et de ses roches encaissantes seront déterminées essentiellement grâce aux orientations préférentielles des axes de la calcite (marbre) et du quartz (socle paléozoïque), déterminées à l'aide de mesures à l'EBSD. L'observation en lame mince des textures de la calcite permet de quantifier les taux de déformation et d'estimer la température de cette déformation. Combinés aux observations de terrain, ces résultats permettent de proposer un modèle structural retraçant l'évolution du bassin depuis l'extension aptio-albienne jusqu'à son état actuel. La fracturation du massif est ensuite regardée à différentes échelles, depuis la photo aérienne jusqu'à l'affleurement. Quatre zones seront étudiées en détail afin de classifier les fractures par familles de mêmes caractéristiques et de reconstituer localement les paléo-régimes de contraintes. On comparera les tenseurs obtenus avec les régimes tectoniques décrits dans la littérature. Trois faciès légèrement différents de marbre servent de base à une étude visant à discuter de l'état d'anisotropie de la roche. Ainsi, des essais en compression simple, en traction indirecte et des mesures de vitesses acoustiques sont pratiqués sur des carottes orientées réalisées dans ces trois faciès ; leurs résultats donnent accès aux caractéristiques internes de la roche. On comparera et discutera les résultats d'un faciès à l'autre, et au sein du même faciès, d'une orientation à l'autre. Les résultats obtenus sur la fracturation servent de guide à la classification des fractures observées sur les fronts de tirs, lors du creusement du tunnel routier de Saint-Béat, recoupant le massif sur plus d'un kilomètre du Nord au Sud. / The Saint-Béat massif, composed of different marble facies, is part of the Internal Metamorphic Zone of the French Central Pyrenees. It is formed by Mesozoic sediments metamorphosed by the High Temperature – Low Pressure extensional event, classically described in the Pyrenees. The aim of this work is to characterize the deformation and fractured state of the massif, and to understand how the former can constrain the latter. The ductile deformation state is recorded in calcite grains for Mesozoic rocks, or in quartz grains for Paleozoic rocks. Their preferential lattice orientations have been measured with the EBSD method. Calcite texture observations give indications about deformation rates and temperatures. These results, in addition with field observations, allow us to rebuild the structural evolution of the massif, from the Albian extension. Fracturing along the massif is described at different scales. Four outcrops are selected in order to characterize and to classify fractures, and locally reconstruct the paleo stress tensor. The obtained tensors are presented and compared to those already published. Three slightly different marble facies are used to discuss the degree of anisotropy of the rock. Mechanical experiments such as compression tests, tensile tests and velocity measurements of elastic waves are carried out on oriented cores within these three facies. These results provide internal rock characteristics which are discussed and compared for the three facies, and for different orientations of the cores.

L'érosion fluviatile par abrasion joue un rôle prépondérant dans l'évolution du paysage, notamment en contexte orogénique dans les rivières à fond rocheux. Le but de cette thèse est de démontrer qu'une étude intégrée des processus d'abrasion (petite échelle et courte période se temps) est possible sur le terrain à condition de bien contraindre « l'environnement érosif », c'est-à-dire : (1) les caractéristiques des flux d'eau (fréquence des crues, modélisation des écoulement dans le chenal) et des flux de sédiment (volume de sédiments transporté, granulométrie) ; (2) la résistance mécanique à l'érosion des roches du substrat. L'autre point essentiel est naturellement la mesure de l'érosion in situ qui nécessite la conception d'outils originaux. <br />Au travers des plis de l'avant pays himalayen que nous avons choisis comme « laboratoire naturel », dans les Siwaliks du Népal Central, l'abrasion fluviatile annuelle a atteint localement plusieurs millimètres voire dizaines de millimètres en 2006. Nous proposons un modèle simple intégrant les caractéristiques des flux et les l'érodabilités des roches permettant de reproduire assez fidèlement les valeurs d'érosion mesurées sur le terrain (à l'échelle d'une section de chenal). Ce mémoire est également l'occasion d'avancées méthodologiques, notamment sur la mesure indirecte de la charge de fond (granulométrie sur image des séries conglomératiques, désagrégation des grès) et sur la mesure de « l'érodabilité » des roches directement sur le terrain grâce au rebond du marteau de Schmidt. Nous présentons enfin de nouveaux dispositifs autonomes de mesure en continu dont un « capteur d'érosion » très prometteur.

La fracturation fragile des roches soumises à des cisaillements sous<br />fortes pressions de confinement présente des traits communs avec une transition de phase thermodynamique: la déformation se localise rapidement à l'échelle des grains dès la sortie du régime élastique réversible, tout en restant d'abord homogène aux grandes échelles. Alors que les microfractures individuelles croissent encore de façon stable, apparaissent autour de la contrainte pic des structures de grande échelle (bandes de cisaillement) qui brisent spontanément les symétries translationnelle et rotationnelle du problème.<br /><br />Analysant des données déformation/contrainte obtenues sur diverses<br />roches et conditions de charge, on montre que celles-ci présentent<br />un haut degré d'universalité, à savoir que la pente de charge est une loi de puissance de l'écart à la contrainte pic, avec un exposant identique dans les différentes experiences à la résolution expérimentale près. Cette loi est vérifiée pratiquement de la sortie du régime élastique, à la contrainte pic.<br /><br />Le fait que cet exposant semble indépendant de la roche, conjoint aux brisures de symétries et à l'émergence d'une structuration macroscopique, est typique d'un point critique. En conséquence, on développe à partir d'un simple postulat de maximisation d'entropie un formalisme de physique statistique adapté à ce problème. On obtient ainsi une distribution de probabilité sur les configurations de microfractures, en fonction de l'énergie nécessaire à leur formation. partir d'un modèle pour ces énergies basé sur des interactions élastiques, on obtient un système présentant deux transitions de phase: la première correspond à l'initiation de l'activité des microfractures, la seconde à la localisation macroscopique.<br />Ce modèle prédit à l'approche de la seconde transition le comportement quadratique observé dans les données, alors que le module d'Young effectif du matériau reste fini.

L’influence de l’eau sur les propriétés mécaniques des roches a fait l’objet de peu d’études jusqu’à présent. Or dans de nombreuses situations, la différence entre le comportement mécanique de la roche sèche et saturée en eau peut être appréciable. De nouveaux champs d’application, tels que l’analyse des risques liés à l’après-mine ou les problématiques relatives au stockage souterrain des déchets nucléaires, requièrent actuellement une connaissance plus approfondie de ces aspects.<p><p>Cette étude expérimentale se propose donc de contribuer à une meilleure compréhension du comportement hydromécanique de matériaux rocheux partiellement saturés. Pour ce faire, la démarche suivie a consisté à se baser sur des techniques et outils bien établis pour les sols (meubles), et à les adapter aux matériaux rocheux. Dans ce contexte, une première étude a été menée sur un matériau rocheux argileux, le schiste de Beringen, et a permis d’évaluer l’influence de la succion pour les états de compression simple. <p><p>Suite à cette première étude, d’autres états de contrainte ont été envisagés, principalement au moyen de l’essai triaxial. Le contrôle de la succion en cours d’essai a demandé d’importantes transformations au système triaxial déjà disponible au laboratoire. En parallèle, un nouvel équipement, comprenant notamment un contrôle de la succion par la méthode de translation d’axes, a été conçu et mis en service. La suite du programme expérimental a été réalisée sur une roche poreuse et très homogène :le calcaire de Sorcy.<p><p>A l’état sec, les résultats d’essais triaxiaux et polyaxiaux ont permis la construction de surfaces de charge tridimensionnelles. En plan méridien, comme pour d’autres roches poreuses, la résistance augmente avec la pression de confinement lorsque celle-ci reste assez faible (inférieure à 15 MPa environ) ;le comportement est fragile. Aux confinements plus élevés, le comportement devient ductile. En plan octaédrique, la forme de la surface évolue depuis le triangle jusqu’au cercle dans la partie fragile, puis continue à évoluer vers un triangle (inversé par rapport au premier) dans le domaine ductile.<p><p>En conditions saturées, un ensemble cohérent de paramètres poroélastiques a été mesuré, parmi lesquels le coefficient de Biot (qui a été évalué à environ 0.85). La variabilité de ces paramètres entre échantillons et en fonction de l’état de contrainte a été examinée. Dans le domaine poroplastique, c’est la contrainte effective de Terzaghi qui se révèle contrôler le comportement mécanique, malgré que le coefficient de Biot soit inférieur à 1. En plan méridien, l’enveloppe obtenue pour le matériau saturé se rapproche de celle du matériau sec, moyennant une normalisation par rapport à sa longueur horizontale. Ceci suggère que la prise en compte des conditions non saturées pourrait se faire, comme souvent pour les sols, par l’ajout d’un axe supplémentaire :la succion.<p><p>En conditions non saturées, les essais réalisés en conditions isotropes à succion contrôlée montrent une forte augmentation du module d’incompressibilité drainé avec la pression de confinement et une faible augmentation avec la succion. Ceci tend à conforter les hypothèses adoptées.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Étant donné que le stockage de gaz naturel ou d’air comprimé dans des niveaux souterrains constitués de sel joue un rôle essentiel pour assurer l'approvisionnement en énergie sur le long terme, le gouvernement chinois a construit de nombreux lieu de stockage dans ces niveaux géologiques ces dernières années. En raison des variations saisonnières de la pression gaz / air, les entrepôts subissent des chargements cycliques qui provoquent la fatigue des roches et conduisent à des risques de rupture qu’il faut maîtriser pour des raisons liées à la sécurité et à l'environnement. La compréhension des processus de fatigue discontinue du sel sous chargement cyclique est donc très importante et fait l'objet de cette étude, qui se concentre sur des recherches expérimentales et le développement de modèles constitutifs décrivant la déformation sous fatigue. Cette thèse s’articule suivant la méthodologie suivante : ① des essais de chargement cyclique classique pour étudier les propriétés basiques de la fatigue dans le sel. ② des tests de charge cyclique discontinu pour explorer les processus de fatigue discontinue. ③ l’instrumentation pour détecter les émissions acoustiques afin de suivre l'évolution des dommages causés par la fatigue dans le sel. ④ Le développement à la base des résultats expérimentaux obtenus de modèle constitutif pour la fatigue discontinue. / Since the salt cavern storage of natural gas and compressed air plays a critical role in ensuring the energy supply and adjusting the seasonal imbalance of power, China government has been constructing numerous new storages in recent years. Because of the seasonal of the seasonal variations of the gas/air pressure, the storages undergo cyclic loading, which causes rock fatigue and induces the associated safety and environmental hazards. The investigation of the discontinuous fatigue of salt under cyclic loading is therefore very important and is the subject of this study, which focuses on the experimental investigations and the development of the constitutive models describing the fatigue deformation. This thesis includes the following principal parts: ① Conventional cyclic loading testing to investigate the basic properties of fatigue in salt. ② Discontinuous cyclic loading tests testing to investigate the discontinuous fatigue. ③ Acoustic emission detecting experimentation to track the evolution of the fatigue damage in the salt. ④ Development of the fatigue life model and constitutive model for the discontinuous fatigue, based on the obtained experimental results.

La modélisation de bassin est couramment utilisée pour décrire l’évolution des bassins sédimentaires à partir d’une reconstitution de leur histoire. Durant la modélisation des processus géologiques, les propriétés de transfert des sédiments peuvent changer significativement à cause de leur fracturation naturelle. La présence de ces fractures dans le bassin peut constituer des chemins préférentiels d’écoulement ou des barrières qui contrôlent les niveaux de surpressions, l’accumulation et la migration des hydrocarbures dans le milieu ainsi que la perméabilité du milieu. Dans l’industrie pétrolière et en particulier durant l’exploration, la connaissance de l’historique des processus de fracturation naturelle permet d’améliorer la prédiction des positions de réservoirs d’hydrocarbures dans le milieu ainsi que leurs propriétés. En profondeur les fractures s’amorcent dans les roches aux niveaux des discontinuités géométriques. Cependant, les chargements à l’origine de l’initiation de ces fractures restent mal connus. Dans les bassins sédimentaires, les propriétés mécaniques et géométriques de ces fractures sont directement reliées aux processus inhérents à leur formation. Elles peuvent dériver de certains processus comme par exemple le dépôt des sédiments, les chargements tectoniques ou le processus d’érosion. Le but de cette thèse est de fournir une amélioration de la caractérisation de l’amorçage des fractures dans la modélisation de bassin à partir d’un outil numérique de simulation de réseaux de fractures et de son évolution sous chargement hydromécanique. Au cours de la sédimentation, les matériaux enfouis subissent une augmentation de la contrainte verticale. Cette augmentation de la contrainte par sédimentation entraîne une compaction mécanique et une diminution de la porosité. La compaction mécanique qui dépend du taux de sédimentation et de la perméabilité des matériaux enfouis peut générer des surpressions importantes dans le bassin. Dès lors une compétition s’établie entre la dissipation de la surpression des fluides et la vitesse de sédimentation et peut conduire à l’amorçage de fractures. Ainsi, pour étudier analytiquement l’amorçage des fractures dans le bassin, un modèle synthétique géologique est proposé. La solution analytique de l’évolution de la pression et des contraintes dans ce contexte est obtenu en superposant deux problèmes de poroélasticités. L’analyse de la solution et d’un critère de fracturation serviront de base pour prédire l’amorçage et la propagation des fractures. Pour simuler la propagation et l’évolution des fractures, un modèle numérique comportant des chemins potentiels de fracturation uniformément repartis est mis au point dans le code de calcul par éléments finis Porofis. Les fractures sont modélisées par un modèle de joints cohésifs avec endommagement et l’écoulement est décrit à partir de loi de Poiseuille. Les effets du couplage hydromécanique dans les fractures et dans la matrice poreuse sur l’évolution dynamique de l’espacement des fractures pour des cas synthétiques typiques de la modélisation de bassin sont également étudiés / Basin modeling is commonly used to describe basin's evolution from a reconstruction of its history. During the geological processes modeling, the transfer properties of sediments can change significantly due to natural fracturing and therefore may constitute preferential flow paths or barrier that control hydrocarbons migration and accumulation. In petroleum industry, and especially for exploration, the knowledge of natural fracturing processes and history enhances the prediction of overpressures, potential location of hydrocarbon storage and matrix equivalent permeability. At significant depth, nucleation of fractures and initiation are triggered at existing defects, but the loads behind its initiation are unknown or poorly characterized. In sedimentary basin, fracture mechanical and geometrical properties are directly related to the processes from which it comes. Fracture initiation at depth can arise from by many processes such as deposition, tectonic and erosion processes. The aim of the thesis is to provide an improvement in the characterization of fracture initiation in basin modeling by using a numerical modeling of fracture network and its evolution under hydro mechanical loading. During sedimentation, buried rocks are subjected to an increase in vertical stress. This increase leads to a decrease of porosity that is commonly called mechanical compaction. Indeed, the mechanical compaction depending on its rate and on the permeability of the burden rocks, can induce significant overpressures. Thus, a competition is initiated between the dissipation of fluid overpressure and sedimentation rate, and may result in fracture initiation. For analytical study of fracture initiation, a synthetic geologic structure is used. The analytical solution analytical solution of the pressure and stresses in a sealing formation is proposed under sedimentation by superposing two problems of poroelasticity. This analytical solution and a fracturing criterion are used to predict the initiation and propagation of the fracture. The fracture propagation and growth are studied by numerical simulations based on a finite element code dedicated to fractured porous media called Porofis. The numerical model contains defects initially closed and homogeneously distributed. The fractures are modeled with a constitutive model undergoing damage and the flow is described by Poiseuille’s law. The effect of hydromechanical coupling on dynamicevolution of fracture spacing using synthetic geological structure for basin modeling are also studied

Ce travail détermine l'influence du milieu (en terme de géologie et de mécanique) sur les paramètres à )a source de séismes induits par l'exploitation d'un gisement d'hydrocarbures. Tout d'abord, un rappel des études antérieures est proposé: la relocalisation par inversion des séismes et la bonne connaissance du site (70 forages) ont permis d'attribuer à chaque événement une appartenance géologique. D'autre part, des essais de mécanique des roches ont été effectués sur les niveaux les plus sismiques. Une chaîne de numérisation a été mise au point afin d'obtenir des signaux digitaux. Ces signaux sont ensuite traités avec une méthode classique d'analyse spectrale. On remonte alors aux paramètres des sources à l'aide d'un modèle dynamique de faille plane circulaire. Ces paramètres sont : le moment sismique, le rayon de la source, la chute de contrainte, la dislocation et l'énergie sismique libérée. Tous les facteurs intervenant dans le calcul sont évalués afin de réduire au maximum les incertitudes sur les mesures. L'interprétation des résultats est divisée en 2 parties. La première, dite classique, montre des anomalies dans les distributions temporelle et en profondeur des différents paramètres; mais ces répartitions ne peuvent être expliquées. C'est pourquoi la deuxième partie intègre la connaissance du site. Une analyse par niveau des paramètres est détaillée. On observe une grande dépendance des rayons avec l'épaisseur des bancs et/ou la préfracturation du milieu. Les chutes de contrainte sont elles influencées par le comportement mécanique du milieu. Plus le milieu sera compétent, plus les chutes de contrainte maximales seront élevées. De plus, le réservoir, compacté par drainage, présente des chutes de contrainte minimales plus élevées que celles de toutes les autres couches. Ces résultats démontrent l'importance du milieu sur les lois d'échelle en particulier. L'analyse de l'énergie sismique libérée en fonction de la production du gisement semble montrer une corrélation qui augmente avec le temps, mais cette tendance demande à être confirmée par une période d'étude plus large.