Etude expérimentale de l'endommagement des roches par des méthodes acoustiques, Experimental study on rocks damaging from acoustic methods

Jérôme Wassermann

Description

Sous la direction de Françoise Homand, Gloria Senfaute, Davide Amitrano
Thèse soutenue le 05 septembre 2006: INPL
Afin de mieux comprendre les processus d’endommagement des roches sollicitées mécaniquement, nous avons mené une étude « micro-macro » de l’endommagement au sens où nous avons réalisé des mesures microscopiques et macroscopiques de son évolution durant un essai mécanique. Cette étude a ainsi comporté : - des mesures de modules élastiques avant la rupture macroscopique ; - des mesures de vitesses de propagation des ondes élastiques et d’atténuation ; - des mesures d’activité acoustique (événements d’EA). De cette étude expérimentale, se dégagent les résultats suivants : - Il existe une remarquable cohérence entre les trois types de mesures effectuées. - L’endommagement de roches aux comportements macroscopiques différents découle de micromécanismes eux aussi différents. Pour des roches dilatantes, on observe des micromécanismes en extension (Mode I). L’endommagement de roches non-dilatantes résulte de micromécanismes en cisaillement. - Une corrélation entre le contenu fréquentiel des événements d’EA et le type de micromécanismes est observée. Les micromécanismes en extension (Mode I) ont le contenu fréquentiel le plus élevé. Les micromécanismes en compression (fermeture de microfissures, de vides inter-granulaires) ont un contenu fréquentiel basse fréquence. Les micromécanismes de cisaillement ont un contenu fréquentiel intermédiaire aux deux précédents.
-Endommagement
-Émissions acoustiques
-Propriétés élastiques
-Vitesse des ondes P
-Essai mécanique
-Minerai de fer
Our aim is here a better understanding of damage process of stressed rocks. We have therefore conducted a “micro-macro” study of the rock damage in the sense that we have realized microscopic and macroscopic measurements of its evolution during mechanical tests. This study has consisted of : - measurements of elastic modulus before the macroscopic rupture ; - measurements of the velocity of elastic waves and attenuation ; - measurements of acoustic activity (AE events). This study led to the following results : - Results from the three types of measurements are consistent. - Damage of rocks which have different macroscopic behaviours follows from micro-mechanisms which are also different. For dilative rocks, we observe tensile micro-mechanisms (Mode I). For not dilative rocks, damage results from shear microscopic process. - A correlation between micro-mechanisms type (compressive, tensile, shear) and the frequency of AE events is observed. Compressive microscopic process such as microcrack closure ar low frequency. Tensile AE sources are high frequency. Shear micromechanisms are characterized by intermédiate frequency
Source: http://www.theses.fr/2006INPL035N/document

Sujets

• Endommagement
• Essai mécanique
• Minerai de fer

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 72
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
École Nationale Supérieure de Géologie de Nancy
Laboratoire Environnement, Géomécanique & Ouvrages
École Doctorale RP2E


THÈSE

Présentée en vue de l’obtention du grade de :
DOCTEUR DE L’I.N.P.L.
Spécialité :
Génie civil – Hydrosystèmes – Géotechnique

Par :
Jérôme WASSERMANN


Etude expérimentale de l’endommagement des
roches par des méthodes acoustiques


Soutenue publiquement le 05 septembre 2006
devant la Commission d’Examen


Membres du jury :

Président M. Jean SCHMITTBUHL

Rapporteurs Mme Maria ZAMORA
M. Jean SCHMITTBUHL

Examinateur M. Patrick LEBON

Directeur de thèse Mme Françoise HOMAND

Co-directeurs de thèse Mme Gloria SENFAUTE
M. Davide AMITRANO


INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
École Nationale Supérieure de Géologie de Nancy
Laboratoire Environnement, Géomécanique & Ouvrages
École Doctorale RP2E


THÈSE

Présentée en vue de l’obtention du grade de :
DOCTEUR DE L’I.N.P.L.
Spécialité :
Génie civil – Hydrosystèmes – Géotechnique

Par :
Jérôme WASSERMANN


Etude expérimentale de l’endommagement des
roches par des méthodes acoustiques


Soutenue publiquement le 05 septembre 2006
devant la Commission d’Examen


Membres du jury :

Président M. Jean SCHMITTBUHL

Rapporteurs Mme Maria ZAMORA
M. Jean SCHMITTBUHL

Examinateur M. Patrick LEBON

Directeur de thèse Mme Françoise HOMAND

Co-directeurs de thèse Mme Gloria SENFAUTE
M. Davide AMITRANO

RESUME
Afin de mieux comprendre les processus d’endommagement des roches sollicitées
mécaniquement, nous avons mené une étude « micro-macro » de l’endommagement au sens
où nous avons réalisé des mesures microscopiques et macroscopiques de son évolution durant
un essai mécanique. Cette étude a ainsi comporté :
- des mesures de modules élastiques avant la rupture macroscopique ;
- esures de vitesses de propagation des ondes élastiques et d’atténuation ;
- des mesures d’activité acoustique (événements d’EA).
De cette étude expérimentale, se dégagent les résultats suivants :
- Il existe une remarquable cohérence entre les trois types de mesures effectuées.
- L’endommagement de roches aux comportements macroscopiques différents découle
de micromécanismes eux aussi différents. Pour des roches dilatantes, on observe des
micromécanismes en extension (Mode I). L’endommagement de roches non-dilatantes
résulte de micromécanismes en cisaillement.
- Une corrélation entre le contenu fréquentiel des événements d’EA et le type de
micromécanismes est observée. Les micromécanismes en extension (Mode I) ont le
contenu fréquentiel le plus élevé. Les micromes en compression (fermeture de
microfissures, de vides inter-granulaires) ont un contenu fréquentiel basse fréquence.
Les micromécanismes de cisaillement ont un contenu fréquentiel intermédiaire aux
deux précédents.

ABSTRACT
Our aim is here a better understanding of damage process of stressed rocks. We have
therefore conducted a “micro-macro” study of the rock damage in the sense that we have
realized microscopic and macroscopic measurements of its evolution during mechanical tests.
This study has consisted of :
- measurements of elastic modulus before the macroscopic rupture ;
- measurements of the velocity of elastic waves and attenuation ;
- ments of acoustic activity (AE events).
This study led to the following results :
- Results from the three types of measurements are consistent.
- Damage of rocks which have different macroscopic behaviours follows from micro-
mechanisms which are also different. For dilative rocks, we observe tensile micro-
mechanisms (Mode I). For not dilative rocks, damage results from shear microscopic
process.
- A correlation between micro-mechanisms type (compressive, tensile, shear) and the
frequency of AE events is observed. Compressive microscopic process such as
microcrack closure ar low frequency. Tensile AE sources are high frequency. Shear
micromechanisms are characterized by intermédiate frequency.


Mots-clés : endommagement, émissions acoustiques, propriétés élastiques, vitesse des ondes
P, atténuation, essai mécanique, minerai de fer.

Key words : damage, acoustic emission, elastic modulus, P-wave velocity, attenuation,
mechanical test, iron ore. AVANT PROPOS


Cette thèse a été effectuée à l’Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL) au sein du
Laboratoire Environnement Géomécanique et Ouvrages (LAEGO).

Je remercie Madame Françoise Homand, professeur à l’Ecole Nationale Supérieure de
Géologie, de m’avoir accueilli au sein du LAEGO, de m’avoir encadré et d’avoir mis à ma
disposition son expérience, ses conseils, ainsi que tous les outils nécessaires à la réalisation
des expérimentations.

Je remercie Madame Gloria Senfaute, chargée de mission recherche à l’INERIS, et Monsieur
Davide Amitrano, maître de conférence à l’Université Joseph Fourier de Grenoble, pour leur
encadrement, leurs conseils et leur soutien tout au long de ce travail.

Je remercie Monsieur Patrick Gaire, technicien au LAEGO, pour son aide précieuse dans la
réalisation des essais mécaniques de compression triaxiale.

Je remercie toutes les personnes ayant concouru de près ou de loin à l’élaboration de cette
recherche :

Monsieur Marwan Al Heib, ingénieur à l’INERIS.
Monsieur Radwan Farhoud, technicien à l’INERIS.
Monsieur Franz Lahaie, ingénieur à l’INERIS.
Monsieur Armand Lizeur, informaticien à l’INERIS.
Madame Sophie Mazières, ingénieur à l’INERIS.
Monsieur Régis Pacot, technicien à l’INERIS.
Madame Christine Schenck, bibliothécaire à l’INERIS.
Monsieur Laurent Schoumacker, technicien au LAEGO.
Monsieur Mountaka Souley, ingénieur à l’INERIS.
Monsieur Alain Thoraval, ingénieur à l’INERIS.

Je remercie également toutes les personnes qui m’ont tenu compagnie durant cette thèse à
Nancy.
SOMMAIRE


Introduction générale 1


1. Méthodes de mesures de l’endommagement des roches au laboratoire 3

1.1 Introduction 3

1.2 Endommagement : théorie et mesures 3

1.2.1 Approche mécanique de l’endommagement 3

1.2.2 Contrainte effective et principe d’équivalence en déformation 5

1.2.3 Mesures de l’endommagement 6
a) Introduction 6
b) Mesures de modules élastiques 8
c) Mesures de vitesses de propagation des ondes et d’atténuation 9
d) Les émissions acoustiques (EA) : une mesure microscopique 11
indirecte de l’endommagement
e) Conclusion 12

1.3 Etude de l’endommagement des roches par des méthodes acoustiques : état 13
de l’art
1.3.1 Activité acoustique durant un essai mécanique 13

1.3.2 Méthodes d’analyse des émissions acoustiques et des mesures de 16
vitesses de propagation des ondes élastiques
a) Analyse fréquentielle et analyse énergétique 16
b) Analyse des vitesses de propagation, tomographie et 18
localisation
c) Analyses statistiques 22
d) Mécanismes des sources 28

1.3.3 Les paramètres acoustiques pertinents 32
1.4 Conclusion 33

2. Procédures expérimentales 35

2.1 Introduction 35

2.2 Roches étudiées et préparation des échantillons 36

2.3 Trois types de mesures 38
2.3.1 Instrumentation et mesures mécaniques 39

2.3.2 Instrumentation et mesures acoustiques 41

2.3.3 Instrumentation, mesures de vitesse de propagation des ondes 45
élastiques, mesures d’atténuation

2.4 Mise en oeuvre et déroulement des essais mécaniques 47

2.4.1 Préparation des essais en compression uniaxiale 48

2.4.2 Mise en oeuvre des essais en compression triaxiale 52

2.4.3 Déroulement des essais 56

2.5 Conclusions et perspectives expérimentales 58


3. Résultats expérimentaux de l’étude au laboratoire de l’endommagement des 61
roches

3.1 Introduction 61