Rupture de pentes rocheuses - LMR - EPFL

Fondations en rocherLa technologie des fondations implique la conception etl’analyse du type, des charges supportées et dutassement des fondations, ainsi que leur construction.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Fondations en rocherTypes de fondations en rocherSemelles: Pied en contact direct avecsurface de roche adéquate. La fondationest soutenue par la portance de la roche.Pieux colonnes: Forés ou enfoncés dansune couche rocheuse adéquate. Lafondation est soutenue par la résistancedu frottement latéral et la résistance depointe.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Fondations en rocherRupture des fondations en rocher(a) Cisaillement de massifs rocheuxfracturés ou de faible résistance.Les massifs rocheux fortementfracturés ou de faible résistanceconduisent àune rupture en coinsous la fondation.(b) Compression de jointsPour des joints ouverts, la rupture seproduit par compression.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Fondations en rocherRupture des fondations en rocher(c) Ruptures par poinçonnement ouflexionSouvent le cas d’une couche rigidereposant sur un matériau tendre.(d) Rupture de pinnaclesSouvent pour des surfaces de rochealtérée.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Fondations en rocherRupture de fondationsen rocher(e) Effondrementd’excavations peuprofondes et de cavités.(f) Rupture de pentesous l’effet de chargede la fondation ouglissement de blocs.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Fondations en rocherRupture de fondations en rocher(g) Glissement latéral et forttassement des pieux.(h) Rupture par fluage sous fort étatde contrainte. Le fluage peut aussirésulter de la dégradation de la rochesoumise àl’altération.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Influence des paramètres géologiques sur les fondationsParamètresType derocheStratigraphiePlisFaillesJointsAltérationKarstEffet sur la fondationCaractéristiques de résistance et déformation –capacité portante et tassements.Roche fluante –fluage et rupture différée.Structure en couches – poinçonnement ou cisaillement d’une couche rocheuse rigidereposant sur une couche tendre.Surface rocheuse inclinée par plissement –surface portante peut être inclinée.Contour du rocher –changement drastique de la surface rocheuse et du type deroche.Faille ouverte –rupture de la pente sous l’effet de la fondation.Plissement du rocher –changement drastique du type de roche.Faille avec remplissage –déplacement dû àla compression du matériau deremplissageJoints ouverts –rupture par compression.Joints finement espacés –rupture générale en coin.Familles de joints entrecroisés –formation de coins et cisaillement le long des joints.Joint ouvert –glissement de blocs rocheux.Cavités altérées –Poinçonnement des couches fines en calotte.Altération de la roche –peut causer des ruptures par fluage.Surface karstique –flambage et endommagement du pied de pieu, rupture depinnacles.Cavités solubles –Poinçonnement des couches fines en calotte.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Paramètres pour la conception desfondations en rocherRésistance du massif rocheux in situRésistance du massif selon le critère Hoek-Brownσ 1 = σ 3 + (m b σ 3 σ ci + s σ ci2 ) am b = m i exp [(GSI–100)/28]Pour GSI > 25, c.-à-d massif rocheux de qualitémoyenne,s = exp [(GSI–100)/9], a = 0.5Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Paramètres pour la conception desfondations en rocherRésistance du massif rocheux in situRésistance du massif selon le critère Hoek-Brownσ 1 = σ 3 + (m b σ 3 σ ci + s σ ci2 ) am b = m i exp [(GSI–100)/28]Pour GSI < 25, c.-à-d massif rocheux de trèsmauvaise qualité,s = 0, a = 0.65 – GSI/200Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Paramètres pour la conception desfondations en rocherCohésion et frottement in situ du massif rocheux(a) Valeurs in situ de c et φ du massif rocheuxestimées àpartir du RMR (Rock Mass Quality)RMR < 20 c < 100 φ < 15°RMR = 21~40 c = 100~200 φ = 15~25°RMR = 41~60 c = 200~300 φ = 25~35°RMR = 61~80 c = 300~400 φ = 35~45°RMR = 81~100 c > 400 φ > 45°(b) Utilisation du critère Hoek-Brown et dessin descercles de Mohr, pour obtenir c et φ.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Paramètres pour la conception desfondations en rocherModule de déformation in situ du massif rocheuxModule de déformation in situ du massif rocheuxàpartir du RMRE m = 25 logQ for Q > 1E m = 10 (Q σ ci /100) 1/3E m = 2 RMR – 100 for RMR > 50E m = 10 (RMR–10)/40 for 20 < RMR < 85E m = 10(15 logQ+40)/40Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Paramètres pour la conception desfondations en rocherCapacité portante du massif rocheuxsous la fondationσ 1Le massif rocheux sous la fondationest en état de compression triaxiale,àpartir de l’équation de Hoek-Brownσ cmσ 1 = σ 3 + (m b σ 3 σ ci + s σ ci2 ) aσ 3 est la résistance du bloc adjacent,c-à-d. la résistance uniaxiale dumassif rocheux σ cm .Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Paramètres pour la conception desfondations en rocherCapacité portante du massifrocheux sous la fondationσ 1σ 1 = σ cm + (m b σ cm σ ci + s σ ci2 ) aσ cmσ cm = s a σ ciLaboratoire de Mécanique des Roches − LMR Rock MechanicsDonc, σ 1 = s a σ ci + (m b s a σ ci2 + s σ ci2 ) aLa capacité portante admissible de la fondation et lecalcul des tassements seront présentés dans lecours Foundation Engineering en 3ème année.

Paramètres pour la conception desfondations en rocherFrottement latéral et résistance de pointe des pieuxLes pieux sont soutenus par la résistance de pointeet le frottement latéral.Résistance de pointe: estimée àpartir de larésistance du massif rocheux.Frottement latéral: nécessaire pour évaluer c and φdes parois du pieu (interface béton-roche/sol).Les détails seront présentés dans le coursFoundation Engineering en 3ème année.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

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Pentes rocheusesL’ingénierie des pentes comprend le projet, l’analysede l’excavation, le soutènement et la construction.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Pentes rocheusesLes pentes peuvent être subdivisées en pentesnaturelles et pentes excavées.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Pentes rocheusesRupture des pentes rocheuses(a) Rupture circulaireSe produit généralement dansles déblais rocheux, les rochersfortement fracturés ou demauvaise qualitésans structureidentifiable.(b) Rupture sur un planSe produit dans des rochersavec discontinuités planes,p. ex. plans de la stratification.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Pentes rocheusesRupture de pentes rocheuses(c) Rupture en coinSe produit dans des rochers avecdes discontinuités entrecroiséesformant des coins.(d) Rupture par fauchageSe produit dans des rochersmontrant une structure encolonnes ou blocs séparés pardes discontinuités àfort pendage.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Pentes rocheusesRupture de pentesrocheusesNoter le glissementvers l’aval du blocformé par l’intersectionde deux discontinuités.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheuses(a) Rupture circulaireMassifs rocheux broyés oufortement fracturés. Dans le cas oùune structure nettement marquée n’existe plus, lasurface de rupture est libre de trouver une ligne demoindre résistance dans la pente.On considère que les massifs rocheux broyés oufortement fracturés sont homogènes et que larésistance au cisaillement est contrôlée par lacohésion et le frottement.Analyse de la rupture circulaire :• Méthode analytique comme en mécanique des sols.• Noter que c et φ sont les valeurs du massif rocheux.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheuses(b) Rupture sur un planL’orientation du plan de glissement doit être plus oumoins parallèle (±20°) à la pente.Le plan de glissement doit apparaître dans le plan dela pente, c-à-d. pendage du plan de glissement angle defrottement du plan de glissement.La résistance latérale au glissement est négligée.Analyse de la rupture sur un plan:• Méthode de la projectionhémisphérique• Méthode analytiqueapparitionLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheuses(c) Rupture en coinDeux plans de discontinuité et le plan de la pentecoupent la roche pour former un coin qui apparaîtdans la face de la pente, c-à-d. plongement de laligne d’intersection des plans de glissement angle de frottement des deuxplans de glissement.Analyse rupture en coin:• Méthode projectionhémisphérique• Méthode analytiquePenteLigne d’intersectionφApparitionLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheuses(d) Rupture par fauchageMassif rocheux formé de blocs séparés par desdiscontinuités àfort pendage. Rapport largeur /hauteur du bloc < pente du plan de fauchage.Si pendage du plan de fauchage < angle defrottement de ce plan, fauchage seul.Si pendage du plan de fauchage > angle defrottement de ce planfauchage avec glissement.Analyse de la rupture par fauchage:• Méthode projection hémisphérique• Méthode analytique• Méthode graphiquePlans defauchageLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheusesDétermination de larupture par fauchageou glissementhW cosΨWbφW sinΨΨRapport largeur/hauteur, b/h43210Bloc stableΨ < φb/h > tanΨFauchage seulΨ < φb/h < tanΨΨ=φGlissement seulΨ > φb/h > tanΨGlissement & FauchageΨ > φb/h < tanΨ0 10 20 30 40 50 60 70 80Angle du plan de base Ψ, degrésLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheusesAnalyse de la pente par projectionPour les pentes rocheuses, l’analyse de la stabilitérelative à la rupture sur un plan ou en coin, peut êtreeffectuée àl’aide de la méthode de la projection. Larupture d’un coin ou d’un bloc se produit le long dediscontinuités existantes et elle est contrôlée parl’orientation de ces discontinuités et l’angle defrottement. Les orientations et l’angle de frottementpeuvent être exprimés par projection et l’analysepeut être effectuée.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheusesAnalyse de la pente àl’aide de la projectionAngle de frottementLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheusesEvaluation de la rupture de la pente àl’aide du RMR(Rock Mass Rating)La stabilité de la pente est fonction de la qualité dumassif rocheux. Le système RMR permet d’évaluerle classement du massif rocheux dans le cas despentes. Toutefois, un ajustement DOIT être appliquépour l’orientation des joints.Ajustement RMR = (A x B x C) + DRMR(s) = RMR + [(A x B x C) + D]Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheusesAjustement RMR = (A x B x C) + DAjustement Très favorable Favorable Moyen Défavorable Très défavorablePendage du joint −>30 30~20 20~10 10~5 10 10~0 0 0~-10

Analyse des pentes rocheusesRMR(s) = RMR + [(A x B x C) + D]RMR(s) Classe Description Stabilité Rupture Soutènement81~100 I Très bon Totalement stable Aucun Aucun61~80 II Bon Stable Quelques blocs Ponctuel41~60 III Moyen Partiellement stable Quelques joints ounombreux coins21~40 IV Faible Instable Plane ou grandscoins0~20 V Très faible Totalement instable Grands coins ourupture ciculaireSystématiqueImportant /CorrectifRe-excavationLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Analyse des pentes rocheusesL’ingénierie des pentesrocheuses, comprenantle projet et les méthodesd’excavation, l’analysede stabilité des pentes,le projet et les méthodesde soutènement, lesmesures de protection,sera étudiée l’anprochain.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocherLa construction des tunnels comprend le projet etl’analyse de l’excavation et du soutènement dutunnel, ainsi que sa construction.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocherLe tunnel est un terme général. Il inclut les tunnels,cavernes et puits, pour diverses applications.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocherTypes de TunnelsTunnelPuitsCaverneLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –Modes de ruptureRupture des tunnels en rocherSols de couverture et rocher fortement altéré:terrain poussant et fluant, tenue àcourt terme.Blocs jointifs et rocher partiellement altéré:chutes de blocs par gravité issus de la calotte oudes piedroits.Rocher massif avec quelques joints nonaltérés: pas de problèmes sérieux de stabilité.Rocher massif à grande profondeur: ruptureinduite par état des contraintes, écaillage etéclatement avec possible rockburst(Bergschlag).Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –Modes de ruptureRupture dans les sols de couvertureA faible profondeur dans des sols decouverture ou des roches demauvaise qualité fortement altérées,les problèmes d’excavation sontgénéralement liés àdes terrainspoussants ou fluants et des temps detenue très courts. On utilisera lestechniques de construction, soit desdes terrains tendres, soit le “cut andcover”. On posera un soutènementadéquat immédiatement derrière lefront d’attaque.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –Modes de ruptureRupture dans des massifs discontinus àfaible profondeurLes problèmes de stabilité dans desmassifs discontinus sont généralementliés àla chute par gravité ou auglissement de blocs issus de la calotteet des piedroits. L’état des contraintes àfaible profondeur, généralement faible,n’influence pas le mode de rupture.La rupture peut être analysée par la méthode de laprojection. Une orientation optimum et la forme del’excavation devraient conduire au plus faiblevolume possible de coins potentiellement instables.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –Modes de ruptureRupture en rocher àmoyenneprofondeurL’excavation dans un massifrocheux non altéré avec quelquesjoints ne rencontre généralementpas de problèmes sérieux destabilité, lorsque les contraintesrégnant dans le massif encaissantl’excavation sont inférieures àenviron 1/5 de la résistance à lacompression uniaxiale de la roche.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –Modes de ruptureRupture à grande profondeurEn profondeur, les contraintes durocher augmentent jusqu’à un niveauoù la rupture se produit dans la rocheencaissant l’excavation.Cette rupture induite par la contraintepeut aller du simple éclat ou écaillageàd’importants rockbursts.La forme de l’excavation peut êtreoptimisée afin de minimiser lepotentiel de ruptures induites parl’état des contraintes.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –Modes de ruptureMécanismes de ruptureLa chute ou le glissementde coins ou de blocslibérés par l’intersectiondes discontinuités.Ce type de rupture,contrôlé par la structure dumassif, se produit engénéral dans les rochesdures àrelativement faibleprofondeur.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

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Tunnels en rocher –Modes de ruptureMécanisme de ruptureEcaillage, éclatement etrockbursts de la rochesont le résultat decontraintes in situ élevées.Ce type de rupture, induitepar l’état des contraintes,se produit dans les rochesfragiles sous fortescontraintes.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

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Tunnels en rocher –Modes de ruptureMécanismes de ruptureLe rocher poussant(“squeezing”) correspondàde grandes déformationsrésultant de la ruptureplastique de rochersrelativement ductiles,lorsque le rapportrésistance du rocher/contraintes in situ tombeen-dessous de 30%.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

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Tunnels en rocher –SoutènementBases du soutènementLa roche sert de matériau porteur, c-à-d, les massifsrocheux ne sont souvent pas soutenus, maissimplement renforcés.La conception du soutènement dépend de la qualitédu massif rocheux et des méthodes empiriques, avecla déformation comme critère de contrôle du projet.Les méthodes numériques servent àprévoir les zonesproblématiques et à extrapoler l’expérience.L’auscultation sert àvérifier et éventuellementmodifier le soutènement.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementRenforcement et mécanismes de soutènementLe rocher encaissant l’excavation est renforcé ousoutenu pour stabiliser l’excavation:Stabilisation de la chute ou glissement des blocs.Renforcement de la roche dans les zonessurcontraintes.Formation d’un arc en calotteLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Soutènement de blocs isolésCréation de dalle et colonneLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Limitation de lazone plastiqueCréation d’un arc ou d’un anneauControlling yieldingLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementSoutènement basé sur les classifications du massifrocheuxSoutènement et renforcement sont définis sur labase des classifications des massifs rocheux (à lafois Q et RMR) avant la construction.(a) Le renforcement provisoire (souvent bétonprojeté pour les tunnels en roche dure) est appliquéimmédiatement après l’excavation. Il sert aussi derenforcement permanent.(b) Le renforcement permanent supplémentaire estmis en place plus tard (boulons et béton projeté).(c) L’auscultation est effectuée pour vérifier leprojet.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Design of Rock Support241Q = 1.33, tunnel span 20 m3

Tunnels en rocher –SoutènementSoutènement basé sur le contrôle des déformationsLe soutènement est conçu àpartir de l’observationdes déplacements et le contrôle des déformations.(a) Le soutènement (souvent boulons et bétonprojeté) est appliqué selon évaluation préliminaire.(b) Les déplacements du terrain sont contrôlés enfonction du temps. Avec un soutènement adéquat,le déplacement doit se stabiliser.(c) Si le soutènement est insuffisant, le déplacementse poursuit. Un soutènement additionnel est alorsmis en place pour stabiliser le déplacement.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementInteraction rochesoutènementL’interaction rochesoutènementillustrel’interaction entre le massifrocheux encaissant et lesoutènement.Elle est caractérisée par lacourbe charge-déformationdu tunnel et la courbecaractéristique dusoutènement.Déplacement radial dumassif rocheux encaissantPression dusoutènementLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementCourbe charge-déformationLe tunnel se déforme aprèsexcavation, àdifférentesvitesses pour différentesqualités du massif rocheux.La pression de soutènementrequise pour limiter ladéformation change avec ladéformation; élevée audébut, elle décroit ensuiteavec la déformation. Lacourbe charge-déformationpeut être établie pour untunnel particulier.Pression requise pour limiter déplacement, PElastiqueRocher mauvaisBon rocherdéplacementpressionDéplacement, δLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementCourbe de pression dusoutènementdéplacementpressionLa courbe de soutènementest une courbe chargedéformationdu matériauconstituant le soutènement.C’est une propriété durenforcement ou dumatériau de soutènement,par ex. acier et béton. Engénéral, l’acier se déformeélastiquement puis plastiquementaprès écoulement.Pression du soutènement disponible, PAcierBoulonsBéton projetéDéplacement, δLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementAction du soutènementLes courbes de chargedéformationet de pressiondu soutènement sontanalysées ensemble. Lapression de soutènementrequise pour limiter ladéformation doit être fourniepar un soutènementsuffisant pour soutenir laroche et atteindre l’équilibre.Soutènement (a) rigide; (b) moyen(c) déformable; (d) souple; (e)insuffisantPression requise pour limiter déplcement, P(a)(b)(c)déplacementpression(d)(e)Déplacement, δLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementSoutènement idéalUne bonne pratique deconstruction doit permettreles déformations, maiscontrôler les déplacementssupplémentaires au-delà dunécessaire.Un soutènement idéal doitatteindre la courbe chargedéformationde la rocheavec la pression donnée parle soutènement.Pression requise pour limiter déplacement, PX(a)(b)̌(c)̌̌̌̌déplacementpression(d)(e)XDéplacement, δLaboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementMéthodes analytiques et numériques en projetLes méthodes analytiques et numériques dans laconstruction des tunnels peuvent être subdiviséesen deux classes:(a) Les méthodes de l’équilibre limite pour des blocsdiscrets et des coins.(b) Les méthodes analytiques statistiques, par ex.l’analyse des blocs-clé.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementMéthodes analytiques et numériques en projet(c) Méthodes numériques continues, e.g., méthodesaux éléments finis et éléments frontières.(d) Méthodes numériques discontinues, méthodeaux eléments distincts et analyse des déformationsdiscontinues.Les modèles numériques sont utilisés pourextrapoler et contrôler les projets et les méthodesempiriques. De tels modèles peuvent accroître laconfiance dans le projet et l’interprétation desmesures d’auscultation.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics

Tunnels en rocher –SoutènementModélisation FEM (Finite elementmethod) des séquences d’excavationet du soutènement dans un massifde mauvaise qualité.Modélisation DEM (Discrete elementmethod) de la stabilité et dusoutènement pour une grande caverne.Laboratoire de Mécanique des Roches − LMRRock Mechanics