Manuel de Mécanique des Roches
Tome 2
Les Applications
Pierre Duffaut
Jean-Louis Durville
Jack-Pierre Piguet
Jean-Paul Sarda
Ecole des mines de Paris Les Presses
Avant proposXV
Liste des symboles, unités et abréviationsXVII
Liste de normes et recommandationsXX
Publications du Comité de Mécanique des roches
XXI
Le projet en mécanique des roches
Chapitre 12 · La mécanique des roches pour l'ingénieur
3
12.1 Introduction
3
12.2 Domaines d'application de la mécanique des roches, cultures et vocabulaires (pétrole, mines, génie civil)
5
12.2.1 Généralités5
12.2.2 Panorama des problèmes
6
12.3 Rappel de quelques chapitres précédents
6
12.3.1 Déformabilité et rupture6
12.3.2 L'eau6
12.3.3 Les contraintes
8
12.4 Connaissance du terrain
8
12.4.1 La «peau» du terrain, formations superficielles, altérations, décompression8
12.4.2 Principales propriétés des roches, qualités et défauts9
12.4.3 Les massifs rocheux13
12.4.4 Rappel des principales hétérogénéités des massifs rocheux
15
12.5 Du terrain à l'ouvrage, les normes et règlements
15
12.6 Du terrain à l'ouvrage, montage et gestion du projet
16
12.6.1 Les étapes du projet16
12.6.2 Les incertitudes
17
12.7 De l'ouvrage au terrain, la méthode observationnelle
19
12.8 Présentation du tome 2
19
Chapitre 13 - Reconnaissance et auscultation des massifs rocheux
23
13.1 Introduction: objectifs et définitions
23
13.2 Phasage des reconnaissances
25
13.2.1 Établissement d'un modèle géologique25
13.2.2 Modèles mécanique et hydraulique
26
13.3 Méthodes directes
27
13.3.1 En surface27
13.3.2 En forages27
13.3.3 Les essais d'eau
29
13.4 Méthodes indirectes: la reconnaissance géophysique
32
13.4.1 Sismique-réfraction33
13.4.2 Sismique réflexion35
13.4.3 Prospection électrique36
13.4.4 Gravimétrie36
13.4.5 Diagraphies
37
13.5 Essais mécaniques sur les massifs rocheux
38
13.5.1 Généralités38
13.5.2 L'essai au vérin39
13.5.3 Dilatomètre en forage41
13.5.4 Comparaison42
13.5.5 Essais à plus grande échelle43
13.5.6 Mesures de contraintes in-situ43
13.5.7 Essais de rupture in-situ, compression, traction, cisaillement
44
13.6 Auscultation
45
13.6.1 Les méthodes de mesures directes45
13.6.2 Les méthodes de mesure indirectes46
13.6.3 Stratégie de l'auscultation47
13.6.4 L'interprétation
48
13.7 Les classifications des massifs rocheux
48
Actions sur le massif rocheux
Chapitre 14 · Abattage
55
14.1 Introduction générale
55
Première section - L'abattage mécanique
57
14.2 Introduction à l'abattage mécanique
57
14.2.1 Les systèmes d'abattage57
14.2.2 Considérations énergétiques sur l'abattage des roches59
14.2.3 Limite d'emploi de l'abattage mécanique
60
14.3 Les outils de la coupe mécanique
61
14.3.1 Introduction61
14.3.2 Les pics62
14.3.3 Les molettes
64
14.4 Processus de coupe mécanique des roches
65
14.4.1 Cycle et efforts de coupe65
14.4.2 Modes de creusement des outils de coupe68
14.4.3 Mécanisme de rupture des roches par les outils68
14.4.4 Caractérisation de l'abattabilité mécanique des roches
70
14.5 Processus d'usure des outils de coupe
72
14.5.1 Mécanisme de l'usure73
14.5.2 Mécanisme d'arrosage des outils apport d'un jet refroidissant75
14.5.3 Caractérisation de l'abrasivité des roches
76
14.6 Abattabilité du massif rocheux
77
14.7 Synthèse
78
14.7.1 Présentation des machines d'abattage78
14.7.2 Synthèse et conclusions
79
Deuxième section - L'abattage à l'explosif
81
14.8 L'abattage à l'explosif
81
14.8.1 Généralités81
14.8.2 Rappel historique83
14.8.3 Les effets arrière85
14.8.4 Le découpage à l'explosif86
14.8.5 Particularités de l'abattage en tunnel89
14.8.6 Explosions contenues
89
Troisième section - Comminution et façonnage
91
14.9 La comminution
91
14.9.1 Introduction91
14.9.2 Concassage et broyage92
14.9.3 Pétardage et démolition92
14.9.4 Procédés «exotiques»
93
14.10 Le façonnage
93
Chapitre 15 · Fracturation hydraulique
95
15.1 Généralités
95
15.2 Le procédé de fracturation hydraulique
96
15.3 Pression en cours de fracturation hydraulique
97
15.3.1 Hauteur de fracture97
15.3.2 Longueur, épaisseur et pression dans une fracture de hauteur fixée: le modèle PKN98
15.3.3 La pression de propagation comme témoin de l'extension de fracture100
15.3.4 Fractures de grande hauteur101
15.3.5 Injection et fracturation: le rôle des contraintes thermique
102
Chapitre 16 · Renforcement par injections
105
16.1 Généralités
105
16.2 Propriétés physico-chimiques et rhéologie des coulis
106
16.2.1 Les matériaux injectés
106
16.3 Mécanique de l'injection
109
16.3.1 Remplissage des vides109
16.3.2 Injection en milieu poreux109
16.3.3 Injection en milieu fissuré
109
16.4 Déroulement de l'injection et procédures
111
16.4.1 Définition des paramètres de l'injection111
16.4.2 Procédures d'injection112
16.4.3 Enregistrements des paramètres d'injection contrôlés
112
16.5 Matériels
113
16.6 Développements récents
113
16.7 Drainage associé à l'injection
114
Chapitre 17 · Renforcement par boulons et ancrages
117
17.1 Introduction
117
17.2. Matériel de boulonnage
118
17.2.1 Généralités118
17.2.2 Boulons à ancrage ponctuel119
17.2.3 Boulons à ancrage réparti par scellement sur toute leur longueur120
17.2.4 Boulons à friction (ou frottants)120
17.2.5 Câbles scellés sur une partie de leur longueur
121
17.3 Modes de fonctionnement du boulonnage
121
17.3.1 Approche théorique et expérimentale du boulon121
17.3.2 Rôles pratiques du boulonnage
123
17.4 Performances des systèmes de boulonnage
124
17.4.1 Comportement à l'arrachement124
17.4.2 Comportement au cisaillement126
17.4.3 Conclusion
126
17.5 Dimensionnement d'un schéma de boulonnage
127
17.5.1 Approches de type «milieu discontinu»127
17.5.2 Approches du type milieu continu129
17.5.3 Exemple: comportement élastique d'un talus cloué131
17.5.4 Applications du modèle au cas de la galerie
135
Ouvrages souterrains
Chapitre 18 · Puits et forages
143
18.1 Introduction
143
18.2 L'équilibre du puits en phase de forage
144
18.3 Contraintes en paroi et modes de rupture
145
18.3.1 Essais spécifiques en laboratoire146
18.3.2 Observations sur puits
147
18.4 Diagramme de stabilité
149
18.4.1 Écailles prismatiques verticales (mode A)149
18.4.2 Écailles toroïdales (mode B)149
18.4.3 Écailles prismatiques horizontales (mode C)150
18.4.4 Fracturation hydraulique verticale (mode D)
150
18.5 Stabilité des forages déviés
151
18.6 Pression de pore et stabilité du sondage
153
18.7 Forage en roches fissurées et fracturées
153
18.8 Température et stabilité du sondage
155
Chapitre 19 · Tunnels
157
19.1 Introduction
157
19.2 Théorie du trou et approche du soutènement
158
19.2.1 Théorie du trou circulaire en élasticité158
19.2.2 Extension aux sections non circulaires et a la plasticité161
19.2.3 Maîtrise des contraintes par les déformations164
19.2.4 Théorie du soutènement
164
19.3 Pratique du soutènement
166
19.3.1 Panorama des méthodes de soutènement166
19.3.2 NATM, la «nouvelle méthode autrichienne»
169
19.4 Méthode convergence-confinement
172
19.4.1 Principe172
19.4.2 Représentation graphique de la méthode convergence confinement174
19.4.3 Détermination de la convergence à l'instant de pose (ou du taux de déconfinement)174
19.4.4 Extension a trois dimensions de la méthode convergence-confinement
176
19.5 Le problème du front, la nouvelle méthode italienne
177
19.5.1 Maîtrise du front177
19.5.2 Principes de la nouvelle méthode italienne178
19.5.3 Pratique de la nouvelle méthode italienne
179
19.6 Les tunnels superficiels
179
19.7 Tunnels en présence d'eau
180
19.8 Conclusions
182
Chapitre 20 · Cavernes
187
20.1 Introduction, définitions
187
20.2 Leçons tirées de l'étude des grottes
190
20.3 Leçons tirées des mines
191
20.4 Choix des formes de cavernes artificielles
191
20.4.1 Généralités191
20.4.2 Formes d'ensemble, caverne unique195
20.4.3 Formes de détail197
20.4.4 Cavernes multiples
198
20.5 Modélisation
202
20.6 Conclusions
203
Chapitre 21 · Stockage souterrain
205
21.1 Panorama du stockage souterrain
205
21.2 Stockages d'hydrocarbures en cavités minées
207
21.2.1 Rappel historique des cavités minées207
21.2.2 Disposition et dimensionnement207
21.2.3 Étanchéïté des cavités
209
21.3 Cavités lessivées
209
21.3.1 Avantages209
21.3.2 Méthode de lessivage210
21.3.3 Règles de dimensionnement211
21.3.4 Comportement du sel212
21.3.5. Critères de conception
213
21.4 Stockages de déchets
216
21.4.1 Historique du stockage souterrain des déchets216
21.4.2 Les ouvrages de stockage souterrain existants216
21.4.3 Spécifications techniques et réglementaires217
21.3.4 Exemples d'ouvrages en exploitation
219
21.5 Stockages cryogéniques
220
21.5.1 Introduction220
21.5.2 Aspects thermo-hydro-mécaniques221
21.5.3 Variation des paramètres thermo-mécaniques avec la température224
21.5.4 La glace et le cryopompage225
21.5.5 Le taux d'évaporation226
21.5.6 Les différents concepts de stockage souterrain cryogénique227
21.5.7 Conclusion
228
Chapitre 22 · Stockage des déchets radioactifs
231
22.1 Introduction
231
22.1.1 Notions sur les déchets radioactifs231
22.1.2 Sciences de la terre et déchets radioactifs: le concept de stockage multi-barrières232
22.1.3 Gestion et stockage des déchets radioactifs
233
22.2. Exemples de stockages souterrains existants pour déchets radioactifs (de faible et moyenne activité), et travaux de mécanique des roches associés
234
22.2.1 Stockages en roches dures (granite)234
22.2.2 Stockages dans le sel
236
22.3. Les travaux concernant le stockage des déchets exothermiques
237
22.3.1 Le courant de recherches international237
22.3.2 Les problèmes étudiés à propos du stockage souterrain en profondeur: exemple des thèmes de recherche de l'ANDRA en France237
22.3.3 Exemples de recherches concernant le stockage des déchets de haute activité
244
22.4. La validation des prévisions à long terme en matière de géomécanique
254
22.4.1 Le problème254
22.4.2 Les exercices d'intercomparaison («benchmarks») pour codes de calcul géomécaniques255
22.4.3 Quelques exemples de systèmes géologiques naturels susceptibles d'étayer les prédictions en matière d'effets thermo-mécaniques
256
Chapitre 23 · Travaux miniers
259
23.1 Introduction
259
23.2 Méthodes d'exploitation souterraine
259
23.2.1 Méthodes d'exploitation partielle260
23.2.2 Méthodes d'exploitation totale
262
23.3 Les phénomènes mécaniques élémentaires et leurs conséquences
264
23.4 Comportement des chantiers dans les exploitations partielles
265
23.4.1 Sollicitations sur les piliers266
23.4.2 Défaillance des piliers267
23.4.3 Défaillance du mur ou du toit268
23.4.4 Cas des exploitations multicouches, stabilité des intercalaires270
23.4.5 Stabilité des grandes chambres
271
23.5 Comportement des chantiers dans les exploitations totales
271
23.5.1 Les chantiers de type taille272
23.5.2 Les voies d'accompagnement des tailles274
23.5.3 Les infrastructures environnantes275
23.5.4 Intéractions dans les exploitations multicouches
275
23.6 Conclusion
276
Chapitre 24 · Mécanique des roches en production pétrolière
279
24.1 Introduction
279
24.2 Diffusivité hydraulique des roches compressibles, l'approximation oedométrique
280
24.2.1 Roches élastiques
281
24.3 Influence de la compressibilité des roches sur la récupération primaire et les phénomènes associés (compaction, subsidence)
282
24.3.1 Récupération des hydrocarbures283
24.3.2 Compaction des couches productrices283
24.3.3 Subsidence
284
24.4 Récupération des hydrocarbures par balayage: effets thermo-mécaniques et physico-mécaniques
285
24.4.1 Balayage à l'eau et fracturation thermique285
24.4.2 Balayage à l'eau dans les réservoirs faiblement consolidés286
24.4.3 Balayage à la vapeur dans les gisements d'huile lourde
287
24.5 Stabilité de la paroi de puits en production
288
24.5.1 Mécanismes des venues de solide288
24.4.2 Modélisation des venues de sable288
24.4.3 Les «Wormholes»
290
Chapitre 25 · Géothermie
293
25.1 Introduction
293
25.2 Données générales sur l'état thermique du globe et les propriétés thermiques des terrains
294
25.2.1 Etat thermique de la croute terrestre294
25.2.2 Propriétés thermiques des terrains295
25.2.3 Propriétés thermomécaniques des terrains, la dilatation thermique
295
25.3 Introduction au concept de roches chaudes sèches
296
25.4 Historique des essais et enseignements généraux
297
25.4.1 Concept de base297
25.4.2 Stimulation en vue de la création de l'échangeur thermique297
25.4.3 Circulation entre puits
299
25.5 Le site français de Soultz-Sous-Forêts
300
25.5.1 Présentation générale300
25.5.2 État de contrainte
302
25.6 Interprétation des mécanismes de stimulation en termes de mécanique des roches
307
25.7 Tests de circulation
309
25.8 Résumé des résultats
312
25.9 Conclusion générale
313
Chapitre 26 · Affaissements
319
26.1 Introduction
319
26.2 Affaissements naturels
320
26.2.1 Compaction des sédiments321
26.2.2 Rupture du toit des galeries et salles
322
26.3 Affaissements dus à l'exploitation de fluides
323
26.3.1 Les pompages d'eau323
26.3.2 Exploitation d'hydrocarbures
324
26.4 Affaissements miniers
326
26.4.1 Généralités326
26.4.2 Foudroyage329
26.4.3 Remblayage329
26.4.4 Chambres et piliers329
26.4.5 Cas des vieux travaux330
26.4.6 Autres cas: dissolution du sel gemme
331
26.5 Tassements dus aux tunnels de génie civil
332
26.5.1 Tassements332
26.5.2 Fontis
333
26.6 Impacts, surveillance et maîtrise des affaissements
333
26.6.1 Panorama des impacts333
26.6.2 Mesure et surveillance des affaissements
334
26.7 Désordres aux bâtiments et structures
335
26.8 Synthèse et conclusions
336
Chapitre 27 · Stabilité des versants
341
27.1 Introduction
341
27.2 Diversité des versants naturels et des reliefs
343
27.2.1 Versants construits ou creusés343
27.2.2 Formes d'ensemble du relief et du versant345
27.2.3 Versants baignés par l'eau
346
27.3 Distribution des contraintes et leur évolution au fur et à mesure des déformations
348
27.3.1 Rappels348
27.3.2 Les pentes creusées, agents et modalités de l'ablation349
27.3.3 Décompression et altération superficielles350
27.3.4 Le fauchage350
27.3.5 Le tassement des versants351
27.3.6 La reprise de mouvements anciens352
27.3.7 Les pentes des volcans, construites par accrétion
352
27.4 Mécanismes des ruptures de versants
353
27.4.1 Les types d'instabilités locales353
27.4.2 Les instabilités d'ensemble
356
27.5 Propagation des éboulements
356
27.5.1 Complexité des mécanismes356
27.5.2 Modes de propagation358
27.5.3 Modélisation
360
27.6 Surveillance et auscultation
361
27.6.1 Surveillance361
27.6.2 Auscultation361
27.6.3 Les limites de la prévision statistique
363
27.7 Interventions
364
27.8 Sécurité publique et zonage
365
Chapitre 28 · Déblais rocheux et mines à ciel ouvert
375
28.1 Introduction: panorama des grandes excavations
375
28.1.1 Excavations à flanc de coteau et grandes tranchées377
28.1.2 Les carrières et les mines à ciel ouvert
378
28.2 Phénomènes affectant les talus
379
28.2.1 Stabilité des gradins379
28.2.2 Déformations dues à la décompression380
28.2.3 Mécanismes de rupture380
28.2.4 Dynamique de la rupture
380
28.3 Identification des mécanismes de rupture potentiels
380
28.3.1 Glissements translationnel381
28.3.2 Autres mécanismes
381
28.4 Méthodes d'analyse de la stabilité
382
28.5 Conception des talus
383
28.5.1 Exemple de mine à ciel ouvert, Carmaux
383
28.6 Exemple de tranchée: écluse du barrage des Trois Gorges, Chine
387
28.6.1 Le cadre géologique388
28.6.2 Analyse de la stabilité et évaluation de la déformabilité à long terme des parois de l'écluse
388
Chapitre 29 · Fondations des grands ouvrages
395
29.1 Introduction
395
29.1.1 Fondations sur massifs discontinus395
29.1.2 Adaptation des reconnaissances suivant le type de roche396
29.1.3 Hydrogéologie397
29.1.4 Utilisation des essais mécaniques
398
29.2 Choix du type de fondation
398
29.2.1 Fondations des centrales nucléaires398
29.2.2 Fondations d'ouvrages élancés399
29.2.3 Fondations sur versant400
29.2.4 Présence de vides sous la fondation401
29.2.5 Fondation sur rocher altéré
401
29.3 Mécanismes de rupture et étude de la stabilité
402
29.3.1 Mécanismes à un bloc402
29.3.2 Poinçonnement de la roche sous fondation superficielle
404
29.4 Fondations en traction
405
29.5 Évaluation des déplacements et des raideurs
405
29.6 Calcul des fondations sur puits
406
29.6.1 Puits soumis à un effort axial de compression406
29.6.2 Puits chargé latéralement407
29.6.3 Note sur les coefficients de sécurité à prendre en compte
407
29.7 Le fluage
408
29.8 Exemple: les fondations du viaduc de Millau
408
29.8.1 Introduction408
29.8.2 Géologie et géotechnique409
29.8.3 Choix du mode de fondation410
29.8.4 Consistance des reconnaissances géologiques410
29.8.5 Dimensionnement des fondations411
29.8.6 Mesures en cours de chantier
412
Chapitre 30 · Barrages
417
30.1 Introduction
417
30.1.1 La mécanique des roches et les barrages417
30.1.2 Panorama des principaux types de barrages418
30.1.3 Ouvrages annexes des barrages420
30.1.4 Introduction à la mécanique des fondations de barrages
421
30.2 La fondation: un appui et un barrage souterrain
422
30.2.1 La fondation reçoit les forces d'appui du barrage422
30.2.2 La fondation est soumise à la poussée directe du réservoir423
30.2.3 La pression d'eau réduit la résistance des barrages et de leur fondation
424
30.3 Déformation des appuis rocheux
425
30.3.1 Les modules de déformation425
30.3.2 Conséquence du déplacement du barrage vers l'aval
427
30.4 Résistance des appuis rocheux
427
30.5 Traitements des fondations rocheuses
428
30.6 Auscultation des fondations rocheuses
429
30.6.2 Compléments sur l'auscultation des barrages
430
Chapitre 31 · La mécanique des roches et le développement durable
439
31.1 Introduction
439
31.2 Mécanique des roches et protection du milieu naturel
440
31.2.1 Utilisation et aménagement de l'espace souterrain440
31.2.2 L'exploitation des matières premières minérales442
31.2.3 La régulation des flux de produits énergétiques442
31.2.4 Le contrôle des pollutions442
31.2.5 Le stockage souterrain des déchets
443
31.3 Mécanique des roches et protection des établissements humains fragiles contre les catastrophes naturelles
444
31.3.1 Les tremblements de terre et l'aménagement des zones sismiques444
31.3.2 Les éruptions volcaniques445
31.3.3 Les instabilités de versants rocheux445
31.3.4 Les inondations, crues d'orage
445
31.4 Conclusion: pour le développement durable de la mécanique des roches
446
Chapitre 32 · Retour sur le métier d'ingénieur
449
32.1 Introduction
449
32.2 Normes et réglementation
450
32.3 Attention à l'emploi des statistiques
451
32.3.1 Généralités451
32.3.2 Exemples d'usage abusif des probabilités
452
32.4 Les corrélations, statistiques à plusieurs dimensions
452
32.5 Danger des modèles prétendus complets
453
32.6 Attention à l'emploi de formules empiriques
453
32.7 Attention à l'emploi des coefficients de sécurité
454
32.8 Confiance excessive en l'assurance qualité
455
32.9 La querelle sur la NATM
455
32.10 Conclusions
456