Étude du comportement d'un milieu rocheux fracturé : application à la réalisation du tunnel de St Béat (France 31), Behaviour of a fractured rock mass : application to the realization of St Béat tunnel (France 31)

Thi Thanh Nhan Hoang

Description

Sous la direction de Jean Sulem
Thèse soutenue le 08 décembre 2010: Paris Est
La conception des ouvrages de génie civil dans les massifs rocheux fracturés nécessite une connaissance de leur comportement lors des travaux. Les ma ssifs fracturés sont généralement très complexes et représentés par des matrices et des discontinuités rocheuses. Cette thèse a pour objectif d'étudier le comportement mécanique du massif du futur tunnel de St Béat. La thèse est divisée en trois parties. Nous étudions tout d'abord les phénomènes prépondérants et les facteurs agissant sur le comportement mécanique des massifs rocheux. Dans la seconde partie, nous effectuons séparément des études expérimentales sur le comportement mécanique de la matrice et des discontinuités rocheuses. Enfin, dans la dernière partie, nous présentons une modélisation en 2D du comportement du massif fracturé lors du creusement du tunnel. L'étude expérimentale s'appuie sur des marbres rencontrés sur le site du tunnel. Le comportement de la matrice rocheuse est étudié à partir des essais de compression triaxiale sur des échantillons de roche saine. L'évolution de l'endommagement est caractérisée à l'aide des mesures de vitesses de propagation des ondes élastiques. Une enveloppe de rupture selon le critère linéaire de Mohr-Coulomb est proposée pour la matrice rocheuse. Le comportement au cisaillement des discontinuités naturelles est ensuite étudié sous différentes conditions de chargement (contrainte normale constante et rigidité normale imposée). La mesure de topographie des surfaces des discontinuités avant et après chaque essai mécanique permet de déterminer les paramètres statistiques de la rugosité. L'influence de la contrainte normale, la rigidité normale imposée, la rugosité initiale et la vitesse de cisaillement sur le comportement des discontinuités est mise en évidence. Des lois de comportement pertin entes sont proposées pour chaque type d'essais.Les caractéristiques mécaniques obtenues sont alors introduites dans le code de calcul UDEC afin de modéliser le comportement du massif en présence du tunnel, sous différentes conditions aux limites. La réponse en terme de déformations et de contraintes induites autour du tunnel est analysée
-Matrice rocheuse
-Discontinuités
-Essai triaxial
-Essai de cisaillement
-Morphologie de surface
-Enveloppe de rupture
The design of civil engineering structures in fractured rock masses requires knowledge of their mechanical behavior. The fractured rock masses are usually very complex and separated in matrix and rock discontinuities. This thesis aims to study the mechanical behavior of St Beat tunnel rock mass. The thesis is divided into three parts. We study first the predominant phenomena and factors affecting the mechanical behavior of rock masses. In the second part, we perform separately experimental studies on the mechanical behavior of matrix and rock discontinuities. Finally, in the last section, we present a 2D model of the fractured rock mass behavior during the digging of the tunnel. The experimental study is based on the marbles encountered on the future tunnel site. The rock matrix behavior is studied using triaxial compression tests on intact rock samples. The damage evolution is characterized using propagation velocities measurements of elastic waves. A failure envelope by Mohr-Coulomb linear criterion is proposed for the rock matrix. The shear behavior of natural discontinuities is investigated under different loading conditions (normal stress or constant normal stiffness imposed). The discontinuities surfaces topography is measured before and after each mechanical test to determine the roughness statistical parameters. The influence of the normal stress, the normal stiffness, the initial roughness and the shear rate on the discontinuities behavior is demonstrated. A behavior law is proposed for each type of test.The mechanical properties obtained are introduced into the code UDEC to model the rock mass behavior with the presence of the tunnel, under different boundary conditions. The response in terms of deformations and stresses induced around the tunnel is analyzed
-Rock mass
-Discontinuities
-Triaxial test
-Shear test
-Surface mophology
-Failure envelope
Source: http://www.theses.fr/2010PEST1066/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 247
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 26 Mo

Extrait

THÈSE
présentée pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’ÉCOLE DES PONTS PARISTECH
Spécialité : Géotechnique
préparée au Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Toulouse



par
HOANG Thi Thanh Nhan




Sujet de la thèse :
ÉTUDE DU COMPORTEMENT
D’UN MILIEU ROCHEUX FRACTURÉ :
Application à la réalisation du tunnel de St Béat





soutenue à Champs sur Marne le 8 décembre 2010 devant le jury composé de :

M. Frédéric PELLET Président du jury
Mme. Joëlle RISS Rapporteur
Mme. Véronique MERRIEN-SOUKATCHOFF Rapporteur
M. Ahmad POUYA Examinateur
M. Jean SULEM Directeur de thèse
Mme. Muriel GASC Conseiller d’étude

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KÏnh tÃng Bâ MÂ



A mes parents
et
¡ mon Òpoux Quang TuÇn,
pour votre soutien et votre amour.
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Résumé
La conception des ouvrages de génie civil dans les massifs rocheux fracturés
nécessite une étude de comportement lors des travaux. Les massifs fracturés sont
généralement très complexes et représentés par les caractéristiques de la matrice et des
discontinuités de leurs différents faciès.
Cette thèse a pour objectif d'étudier le comportement mécanique du massif du
futur tunnel de St Béat. La thèse est divisée en trois parties. Nous étudions tout
d'abord les phénomènes prépondérants et les facteurs agissant sur le comportement
mécanique des massifs rocheux. Dans la seconde partie, nous effectuons séparément des
études expérimentales sur le comportement mécanique de la matrice et des
discontinuités rocheuses. Enfin, dans la dernière partie, nous présentons une
modélisation en 2D du comportement du massif fracturé lors du creusement du tunnel.
L'étude expérimentale s'appuie sur des marbres rencontrés sur le site du tunnel. Le
comportement de la matrice rocheuse est étudié à partir des essais de compression
triaxiale sur des échantillons de roche saine. L’évolution de l’endommagement est
caractérisée à l’aide des mesures de vitesses de propagation des ondes élastiques. Une
enveloppe de rupture selon le critère linéaire de Mohr-Coulomb est proposée pour la
matrice rocheuse. Le comportement en cisaillement des discontinuités naturelles est
ensuite étudié sous différentes conditions de chargement (contrainte normale constante
et rigidité normale imposée). La mesure de topographie des surfaces des discontinuités
avant et après chaque essai mécanique permet de déterminer les paramètres statistiques
de la rugosité. L'influence de la contrainte normale, de la rigidité normale imposée, de
la rugosité initiale et de la vitesse de cisaillement sur le comportement des
discontinuités est mise en évidence. Des lois de comportement pertinentes sont
proposées pour chaque type d'essais.
Les caractéristiques mécaniques obtenues sont alors introduites dans le code de
calcul UDEC afin de modéliser le comportement du massif en présence du tunnel, sous
i
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différentes conditions aux limites. La réponse en terme de déformations et de
contraintes induites autour du tunnel est analysée.

Mots clés : Matrice rocheuse, discontinuités, essai triaxial, essai de cisaillement,
enveloppe de rupture, analyse morphologique, paramètres statistiques de rugosité,
modélisation de massif fracturé.

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Abstract
The design of civil engineering structures in fractured rock masses requires
knowledge of their mechanical behavior. The fractured rock masses are usually very
complex and separated in matrix and rock discontinuities.
This thesis aims to study the mechanical behavior of St Beat tunnel rock mass.
The thesis is divided into three parts. We study first the predominant phenomena and
factors affecting the mechanical behavior of rock masses. In the second part, we
perform separately experimental studies on the mechanical behavior of matrix and rock
discontinuities. Finally, in the last section, we present a 2D model of the fractured rock
mass behavior during the digging of the tunnel.
The experimental study is based on the marbles encountered on the future tunnel
site. The rock matrix behavior is studied using triaxial compression tests on intact rock
samples. The damage evolution is characterized using propagation velocities
measurements of elastic waves. A failure envelope by Mohr-Coulomb linear criterion is
proposed for the rock matrix. The shear behavior of natural discontinuities is
investigated under different loading conditions (normal stress or constant normal
stiffness imposed). The discontinuities surfaces topography is measured before and after
each mechanical test to determine the roughness statistical parameters. The influence
of the normal stress, the normal stiffness, the initial roughness and the shear rate on
the discontinuities behavior is demonstrated. A behavior law is proposed for each type
of test.
The mechanical properties obtained are introduced into the code UDEC to model
the rock mass behavior with the presence of the tunnel, under different boundary
conditions. The response in terms of deformations and stresses induced around the
tunnel is analyzed.

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Keywords : Rock mass, discontinuities, triaxial test, shear test, failure envelope,
morphology analysis, roughness statistical parameters, modeling of fractured rock mass.


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Remerciements
Je tiens à remercier tout d’abord mon Directeur de thèse Jean Sulem pour m’avoir
toujours suivi à distance pendant ces trois années, pour m’avoir donné mes premières
notions de la Mécaniques des roches et pour m’avoir guidé par ses conseils scientifiques
enrichissants pendant toute la période de la thèse.
Je voudrais également exprimer toutes mes gratitudes à Muriel Gasc, qui m’a
encadré durant ces trois années au Laboratoire des Ponts et Chaussées de Toulouse. Je
lui suis très reconnaissant de m’avoir à la fois laissé une grande latitude dans le travail
et en même temps d’avoir toujours été disponible pour nos nombreuses discussions
lorsque j’avais des difficultés ou des "pannes" dans le travail. J’exprime mes sincères
remerciements pour sa patience pour la lecture et la correction des différentes versions
du manuscrit du mémoire de thèse. Je lui remercie également pour ses aides et son
soutien dans ma vie quotidienne lors de mes séjours à Toulouse.
J’adresse également tous mes remerciements aux personnels du LR Toulouse,
surtout aux membres des unités GERM et ERAG, pour leur accueil chaleureux et leur
extrême gentillesse. Merci en particulier à Didier Virely, le chef de l’unité, qui m’a
donné tous les moyens nécessaires pour effectuer les essais expérimentaux dans les
conditions optimales avec son "Monica". Je n’oublie jamais ton humour et des choses en
français que tu m’as appris… Un très grand merci à Jérôme Guittard pour sa
compétence en expérimentation de la Mécanique des roches, pour sa parfaite patience
et son effort lors de nos nombreux problèmes. Sans lui, les travaux expérimentaux de
cette thèse n’auraient pas pu aboutir. Merci également à Virginie Gendre pour sa
gentillesse, sa disponibilité et ses aides dès mes premiers jours au labo. Avec Jérôme,
nous avons formé une équipe "inséparable" pour achever tous les essais demandés. Aussi
un grand merci à Bernard Batlle pour ses aides lors de la préparation des éprouvettes.
Je n’oublie pas de remercier toutes les personnes qui nous avons donné volontairement
un coup de main lors de la préparation, le montage ou démontage des essais : Mathieu,
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Gérard, Jean-Claude, Yahya… Je pense également à Christian, Fabrice, Corinne,
Emmanuel, Michel, Stéphane, Philippe, Pierre et tous les autres qui m’ont donné
toujours une ambiance chaleureuse et d’amitié.
J’aimerais remercier le Directeur du laboratoire LR Toulouse, M. Didier
Treinsoutrot pour m’avoir donné des meilleures conditions de travail au sein du labo.
Je remercie aussi nos charmantes secrétaires