Influence des discontinuités des massifs rocheux et l’effet du tir sur la stabilité des talus

Structure d’un massif rocheux

Une des caractéristiques fondamentales des roches et des massifs est qu’à différentes échelles, du « micro » au « macro », par leur nature et leur histoire géologique et tectonique, les massifs rocheux contiennent des plans de discontinuité. Selon l’échelle d’observation, on peut traiter de discontinuités de différentes tailles dont :
les fissures (englobant micro-fissures et méso-fissures) de la taille d’un à quelques diamètres de grains, typiquement entre 1 et 104 microns , les fractures de quelques millimètres à un décimètre de longueur, les joints (de stratification et tectoniques) et les failles qui sont de beaucoup plus grande dimension avec une longueur de l’ordre de quelques décimètres à plusieurs kilomètres. En règle générale, on considère les successions suivantes : Minéraux, considérés comme éléments de base, postulés non-affectés de discontinuités ; Matériaux rocheux constitués de minéraux séparés par des micros discontinuités ; Massifs rocheux constitués de matériaux rocheux séparés par les macros discontinuités.
Les caractéristiques d’un matériau à une échelle donnée dépendent de celles des constituants et de celles des discontinuités .

Description des massifs rocheux fracturés

La description et la caractérisation de la géométrie d’un massif fracturé conduit à poser deux questions essentielles : quels sont les paramètres à utiliser ? comment les acquérir sur le terrain ? Du point de vue pratique, l’acquisition des données relatives à la fracturation du massif pose de nombreux problèmes. Ces problèmes sont différents selon les cas étudiés. Dans le cas d’excavation de surface, les observations se font généralement sur des affleurements relativement étendus. Dans le cas des mines souterraines, les dimensions et les orientations des galeries déterminent des troncatures particulières des données. Enfin, dans certains cas, seules des informations obtenues par sondage sont disponibles.
Description des discontinuités : Le terme de discontinuité désigne toute interruption physique de la roche qui résulte de la genèse et de l’histoire géologique du massif rocheux. Elle peut être donc d’origine sédimentaire, magmatique ou métamorphique : plans de stratification, diaclases, plans de foliation, ou d’origine tectonique : fractures, failles, schistosité.
Ces éléments confèrent une structure au massif rocheux qu’on peut décrire par différents termes comme : stratifié, schistosé, fracturé ou massif en fonction de leur densité.
L’étude géométrique des discontinuités visera à déterminer : Si elles sont classables en familles (orientations voisines), Si elles structurent le massif rocheux en blocs (continuité et connectivité importantes).
Il est important de distinguer entre les discontinuités naturelles, qui ont une origine géologique et les discontinuités artificielles qui sont créées par des activités humaines comme l’excavation d’un massif rocheux. Bien que les discontinuités aient souvent une géométrie irrégulière ou ondulée, il y a généralement une échelle à laquelle la surface totale ou une partie de cette surface est suffisamment plane pour qu’elle soit représentée par une seule valeur d’orientation .

Les propriétés de résistance de la roche comme indice de tirabilité

L’abattage de roche est commandé par l’utilisation de caractérisation d’explosif et de roche pour excaver ou enlever la roche. Un certain nombre de chercheurs ont été longtemps étudiés au sujet de l’influence des propriétés de la masse de roche sur des opérations de tir et la stabilité.
L’importance de la résistance à la traction comme paramètre déterminant la résistance des roches au tir, joue un rôle important dans la recherche concernant l’amélioration de tir. Dans une tentative de classifier préalablement la résistance de tir Zhang a suggéré l’utilisation d’un « coefficient de tirabilité » défini comme le rapport entre la résistance à la compression et celle de traction. Un tel indice mesure le degré de tirabilité d’une roche. Il serait beaucoup plus avantageux pour l’indice de tirabilité défini avant le tir d’obtenir la conception de tir la plus précise possible. De plus, cet indice est utilisé pour assurer l’efficacité du tir et il est directement lié à la fragmentation de la roche. Il a également une relation avec le facteur de poudre qui est défini comme le rapport entre le poids de l’explosif et les tonnes de matériau abattu.
Malgré l’importance de la résistance à la traction dans les contrôle de nombreux processus de rupture, la détermination de la résistance à la traction est souvent négligé dans l’ingénierie pratique en raison de difficultés à obtenir des faibles résultats, par conséquent la résistance à la traction est un aspect important de la résistance à la rupture d’une roche ou de la masse rocheuse, Zou a déclaré que la résistance à la traction est une propriété de contrôle important dans la stabilité de la pente critique des ouvertures souterraines et ciel ouvert.

Méthodes de mesure des discontinuités

Lorsque l’on s’intéresse en particulier à la reconnaissance des familles de discontinuités on est amené à travailler à deux échelles différentes : d’une part l’analyse des linéaments (échelle régionale) et d’autre part l’analyse des discontinuités à proprement parler (échelle locale). Les méthodes de reconnaissance utilisées doivent être en rapport avec l’échelle d’étude. Pour une analyse régionale des linéaments on utilisera essentiellement des photos satellites, photos aériennes, et les cartes or hydrographiques. L’ensemble de ces techniques ne donne finalement qu’une idée de l’orientation des principaux linéaments, et ne permet, ni d’avoir une idée quantitative précise de ceux-ci, ni d’avoir des informations sur le pendage des fractures identifiées. Ceci dit, cette étape est importante puisqu’elle permet d’identifier non seulement les grandes tendances mais aussi les zones à étudier plus précisément et les « marques » à rechercher dans l’analyse géologique locale. Cette analyse permet donc de recouper les différentes informations disponibles sur un site.
Si on se place maintenant à l’échelle locale, celle de l’ouvrage, les discontinuités peuvent être mesurées directement : sur affleurement ; sur front de taille ; en galerie ; sur carottes issues de forage ; à partir d’imagerie de paroi (diagraphie) ; à partir de méthodes géophysiques.
Ces différentes techniques sont complémentaires et ne doivent pas être exclusives les unes des autres.

Recherche des familles de fissures

Les discontinuités d’un massif rocheux ne sont pas distribuées de manière aléatoire, mais se groupent en générale en un nombre restreint de familles résultantes sont l’histoire géologique du massif. Parmi celles-ci, les plus importantes sont les failles et les diaclases ; pour les formations d’origine sédimentaire, il y a lieu d’ajouter les joints de stratification.
La méthode la plus couramment utilisée pour représenter les orientations des discontinuités est la projection stéréographique qui permet de représenter dans le cercle équatorial un plan par un point appelé projection du pole. Deux types de projection sont utilisés : la projection de Wulff et la projection de Schmidt. La première, conservant les angles, permet d’étudier les relations entre les positions dans l’espace des différentes familles de discontinuités. La seconde, conservant les surfaces, permet d’évaluer la densité de ces discontinuités en fonction de leur répartition. Elle consiste à reporter sur une sphère le pendage et la direction de pendage des différentes discontinuités d’un massif ; afin d’avoir l’orientation de la famille principale. En conséquence la sphère est graduée de 0 à 360° dans le sens horaire (direction de pendage) à partir du Nord. Les méridiens doivent être gradués de 0 à 90° à partir de la circonférence d’intersection (pendage). Ces techniques d’analyses sont maintenant facilitées par l’usage des micros ordinateurs.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I. SYSTEMES DE CARACTERISATION DES MASSIF ROCHEUX
I.1. Généralités
I.2. Structure d’un massif rocheux
I.3. Description des massifs rocheux fracturés
I.3.1. Description des discontinuités
I.3.1.1. Origines de discontinuités
A. Discontinuités d’origine sédimentaire
B. Discontinuités d’origine métamorphique
C. Discontinuités d’origine thermique
D. Discontinuités d’origine mécanique
I.3.1.2. Type de discontinuités
a) Joints de stratification
b) Failles (fractures)
c) Les diaclases
d) La schistosité
e) Les fentes ou fractures d’extension
f) Fractures, fissure et d’autres défauts structuraux
I.3.1.3. Propriétés géométriques des discontinuités
1) Orientation
2) Extension ou l’Etendue
3) La continuité ou persistance
4) L’espacement des joints
5) La fréquence des discontinuités
6) La surface spécifique des discontinuités
7) La densité de discontinuités
I.3.1.4. Caractéristiques mécaniques d’une discontinuité
I.3.1.4.1. Propriétés de surface
A. La rugosité
B. L’ouverture et matériaux du remplissage des discontinuités
C. Les infiltrations
I.3.1.4.2. Propriétés mécanique
I.3.1.4.3. La déformation des joints
A. La déformation normale
B. La déformation tangentielle
C. La dilatance
I.3.1.4.4. La rupture des joints
A. L’angle de frottement
B. La cohésion
C. Les critères de ruptures en traction
D. Les critères de ruptures en cisaillement
I.3.1.5. Formules numériques de calculs
I.3.2. Les propriétés de résistance de la roche comme indice de tirabilité
I.3.2.1.La résistance à la traction des roches
I.3.2.2. L’essai Brésilien
I.3.2.3 L’essai direct de résistance à la traction
I.3.3. Méthodes de mesure des discontinuités
I.3.3.1. Méthode directe
I.3.3.2. Mesures à partir de sondages
I.3.3.3. Méthodes géophysiques de surface
I.3.3.4. Méthodes imagerie de paroi
I.3.3.5. Mode de représentation des mesures
I.3.4. Analyse des mesures
I.3.4.1. Recherche des familles de fissures
I.3.4.2. La projection stéréographique sur canevas de Schmidt
I.3.4.3. Principe de la projection stéréographique
I.3.4.4. Application de la projection stéréographique aux structures tectoniques
I.3.4.5. Caractéristiques et propriétés du canevas de Schmidt
I.4. Classifications geo-mecaniques des massifs rocheux
I.4.1. Généralité
I.4.2. Classification de Bienawski (Rock Mass Rating, RMR)
I.4.3. Classification SMR (Slope Mass Rating)
I.4.3.1. SMR Discontinues (Romana 1993)
I.4.3.2. SMR CONTINU (Tomás et al 2007)
I.4.4. Chinese Slope Mass Rating (CSMR)
I.5. Conclusion
CHAPITE II. INSTABILITÉ DES MASSIFS ROCHEUX
II.1. Généralité
II.2. Les types d’instabilité dans les massifs rocheux fracturés
A. Glissement circulaire
B. Glissement plans
C. Glissement de coin (dièdre)
D. Toppling
II.3. Les instabilités structurales
II.4. Les instabilités par excès de contraintes
II.5. Les instabilités mixtes
II.6. La prévision des instabilités structurales à l’aide de la projection stéréographique
II.6.1. Généralité
II.6.2. Définition de la prévision
II.6.3. Période de la prévision
II.6.4. Les excavations à découvert
II.6.5. Les excavations souterraines
II.7. Les autres méthodes de prévision des instabilités structurales
II.7.1. Les méthodes à formulation mathématique complète
II.7.2. Les méthodes à formulation mathématique incomplète
II.7.3. Les méthodes faisant intervenir la programmation mathématique
II.8. Analyse de stabilité de pentes rocheuses
II.8.1. Généralité
II.8.2. Les méthodes d’analyse de stabilité des talus rocheux
II.8.2.1. Les méthodes empiriques (Empirical Methods)
II.8.2.2. La méthode d’équilibre limite (Limit Equilibrium Methods)
II.8.2.2.1. Cas d’une rupture plane de longueur infinie
II.8.2.2.2. Cas de rupture de pente de longueur finie
II.8.2.2.3. Cas d’une rupture circulaire
 Méthode de Fellenius (1927)
 Méthode de Bishop simplifiée (1955)
 Méthode de Morgenstern et Price (1965)
 Méthode de Spencer (1967)
 Méthode de Janbu simplifiée
II.8.2.2.4. Les inconvénients de la méthode d’équilibre limite
II.8.2.3. La méthode des éléments finis
II.8.2.4. La méthode des différences finies
II.8.2.5. La méthode des éléments distincts
II.8.2.6. La Méthode cinématique
II.8.2.6.1. Introduction
II.8.2.6.2. Détection du risque de rupture
II.8.2.6.3. Mécanismes de ruptures
II.9. Calcul du coefficient de sécurité (Fs)
II.10. Conclusion
CHAPIRE III. CARACTERISATION DES MASSIFS DU SITE DE CHOUF-AMMAR
III.1.Généralités sur la région d’étude
III.1.1. Historique
III.1.2. Gisement de calcaire de Chouf Ammar
III.1.3. La situation géographique et administrative du périmètre d’étude
III.1.4. Litho stratigraphie du Site
III.1.5. Litho stratigraphie du gisement de calcaire de Chouf-Ammar
III.1.6. Géologie du gisement
a) Hydrographie
b) Hydrogéologie
c) Structure et tectonique du gisement
III.2. Méthodologie et volume des travaux
III.3. Calcul des réserves
III.3.1. Réserves nécessaires
III.3.2. Méthodes et paramètres de calcul des réserves
III.3.3. Réserves estimées
III.4. Caractérisation et traitement des données structurales du massif de la carrière de Chouf-Ammar
III.4.1. Introduction
III.4.2. Essais physico–mécaniques
A. La marne
B. Calcaire
III.4.3. La vitesse maximale de déplacement des ondes
III.5. Collecte et traitement des données structurales
III.5.1. Familles de discontinuités de la carrière de Chouf-Ammar
III.5.2. Les résultats de calculs des paramètres géométriques
III.6. Les résultats des essais de résistance à la traction
III.7. Discussion des résultats
III.7.1. Discussion des résultats de calculs des paramètres géométriques
III.7.2. Discussion des résultats des essais de résistance à la traction
III.7. Conclusion
CHAPITRE IV. DELIMITATION DES ZONES D’INSTABILITE ET DE RUPTURE DANS LA CARRIERE DE CHOUF-AMMAR
IV.1. Introduction
IV.2. Classification SMR et CSMR du massif rocheux de la carrière de Chouf-Ammar
IV.3. Analyse de stabilité par projection stéréographique
IV.4. Discussion des résultats
IV.5. Conclusion
CHAPITRE V. ANALYSE DE STABILITE PAR LA METHODE D’EQUILIBRE LIMITE ET VALIDATION NUMERIQUE DES RESULTATS
V.1. Introduction
V.2. Méthodes d’équilibre limite par SLIDE
V.2.1. Présentation du logiciel Slide
V.2.2. Les caractéristiques de modélisation par Slide
V.2.3. Les étapes de modélisation par Slide
V.3. Préparation de modèle
V.4. Les phases de calcul
V.4.1. Cas Statique
V.4.2. Cas Dynamique
V.5. Discussions des résultats de logiciel Slide
V.6. La méthode basée sur les éléments finis
V.6.1. Introduction
V.6.2. Les phases de calcule
V.6.3. Discussions des résultats de logiciel Phase2 (les éléments finis)
V.6.4. Cinétique du mécanisme de glissement (distribution des vecteurs de déplacement
V.7. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1. CALCULS DES PARAMETRES GEOMETRIQUES
ANNEXE 2. CALCULE AUTOMATIQUEMENT DES ANGLES AUXILIAIRES PAR SMRTOOL
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES