Les dispositifs d’essais en compression

Deux types de presse permettent d’appliquer des efforts compressifs sur une seule ou toutes les surfaces d’un ´echantillon de roche : la presse axisym´etrique et la presse polyaxiale.

La presse conventionnelle triaxiale ou presse axisym´etrique (Fig.II.1.1c, d, e) Ce type de presse effectue la majorit´e des essais en compression, dit aussi essai triaxiaux. Une presse triaxiale, la plus simple, de type Hoek (Hoek and Franklin, 1968), est repr´esent´ee sur la figure II.1.2b. La disposition des ´equipements de mesures de d´eformation dans cette presse est montr´ee sur la figure II.1.2a.

L’essai de compression triaxiale consiste `a soumettre une ´eprouvette cylindrique, `a un champ de contrainte uniforme qui a pour composantes (1) une pression hydraulique, σ3 = σ2, appliqu´ee par l’interm´ediaire d’un fluide remplissant la cellule et (2) une contrainte axiale appliqu´ee par l’interm´ediaire d’un piston vertical (Vutukuri et al., 1974; Paterson, 1978). Les essais peuvent ˆetre drain´es ou non. Seuls les r´esultats des essais drain´es seront pr´esent´es.

Figure II.1.2 –_{a) Sch´ema de la cellule d’essai triaxiale de type Hoek et d’un ´echantillon ´equip´e de} jauges de d´eformation. b) Photographie de la cellule (El Bied, 2000). Sa hauteur est de 35 cm.

Quelques prototypes de presses ont ´et´e d´evelopp´es sur la base la presse de type Hoek (FIG. II.1.2b). Alsayed (2002) utilise des ´echantillons cylindriques ´evid´es (tubes) `a l’int´erieur desquels est appliqu´ee une pression hydraulique pi diff´erente de la pression de confinement po exerc´ee `a l’ext´erieur du tube (Fig.II.1.3a). Les contraintes principales, σr (radiale), σθ (tangentielle) et σz (verticale) sont calcul´ees `a partir des valeurs de Pi et Po `a partir de la th´eorie de l’´elasticit´e.

Le dispositif d´evelopp´e par Crawford et al. (1995) et Smart et al. (1999) permet d’appliquer des contraintes radiales diff´erentes sur la surface courbe d’un ´echantillon cylindrique plein

(Fig. II.1.3b). L’´echantillon est envelopp´e dans une gaine en nitrile sur laquelle sont coll´es 24 tuyaux d´eformables en PVC parall`eles `a l’axe du cylindre. L’ensemble est confin´e dans une cellule ind´eformable cylindrique et plac´e sous le piston vertical de la presse axisym´etrique. Au cours de l’essai, des pressions hydrauliques diff´erentes sont appliqu´ees `a l’int´erieur des tuyaux par couple ou groupes de six cr´eant ainsi une anisotropie des contraintes horizontales.

Figure II.1.3 – _{Adaptations de Hoek en presse poly-3D. a) Illustration en coupe de l’´echan-} tillon creux pr´epar´e et ´equip´e pour la presse de Alsayed (2002) ;b) Vue en coupe transversale du mod`ele ´equip´e des tuyaux de chargement (Smart et al., 1999).

Les dispositifs de Crawford et al. (1995) et Alsayed (2002) ont l’avantage de pouvoir utiliser des formes d’´echantillons cylindrique, c’est-`a-dire de pouvoir utiliser des tron¸cons de carottes. Cependant la distribution des contraintes compressives au sein de l’´echantillon est complexe et h´et´erog`ene.

Un champ de contraintes compressives homog`ene dans l’´echantillon peut ˆetre obtenu avec une autre forme d’´echantillon et un autre type de presse : la presse polyaxiale.

La presse polyaxiale (FIG. II.1.1f et g)

Ce type de presse, aussi d´enomm´ee presse poly-3D ou triaxiale vraie (true triaxial ), a ´et´e initialement d´evelopp´e pour l’´etude des sols. A la diff´erence de la presse axisym´etrique (FIG.II.1.2), cette presse permet d’appliquer des contraintes principales diff´erentes et ind´e- pendantes, sur des ´echantillons de forme cubique ou parall´el´epip´edique. On dispose donc avec ce type de presse d’une palette de conditions d’essais plus ´etendue et r´ealiste g´eologi- quement.

rigides, soit par l’interm´ediaire de fluide sous pression soit par une combinaison de ces deux techniques.

Le chargement par pistons rigides

Les d´eformations de l’´echantillon sont g´en´er´es par les d´eplacements des plateaux engendrant, a priori, des contraintes principales dans l’´echantillon (FIG. II.1.4). Pour que les contraintes principales soient orient´ees parall`element `a la direction de raccourcissement, il est imp´eratif qu’il n’existe pas de contraintes tangentielles (friction) sur les faces de l’´echantillon, qui perturbent le champ des contraintes dans l’´echantillon. La r´eduction de la friction repr´esente un probl`eme difficile, surtout pendant des essais sur roche dures. Dans le chapitre I.3, nous allons revenir `a ce probl`eme en pr´esentant les solutions adopt´ees dans notre presse.

Figure II.1.4 – _{Dispositif polyaxial, ´equip´e de trois paires de pistons rigides, d´evelopp´e par Rao} and Ramana (1994).

Le chargement par parois souples

Les contraintes sont ici directement appliqu´ees dans les trois directions par l’interm´ediaire d’une pression de fluide (air ou huile) `a l’aide de plateaux souples (poches). Ce type d’´equi- pement a pour avantage de pouvoir suivre de mani`ere pr´ecises les chemins des contraintes impos´ees, d’assurer une bonne uniformit´e du champ des contraintes, surtout dans les petites d´eformations (Yamada and Ishiara, 1979).

N´eanmoins l’utilisation de plateaux, souples ou rigides, gˆene significativement l’´equipe- ment de l’´echantillon en dispositifs de suivi de d´eformation en contact direct, avec un risque de d´et´erioration de ces dispositifs.

Le chargement mixte

Mogi (1971) d´eveloppe une des premi`eres presses polyaxiales combinant les chargements ri- gide et fluide pour l’´etude de la fracturation des roches. La pression de fluide est ici fournie par une cellule de type triaxiale, agissant uniquement sur deux surfaces oppos´ees, parall`eles, de l’´echantillon. Elle g´en`ere en g´en´eral la contrainte principale mineure σ3. Deux paires de

pistons rigides, immerg´es dans la cellule, assure la d´eformation de l’´echantillon dans les deux autres directions de l’espace. Les surfaces en regard avec le fluide de confinement peuvent ainsi ˆetre instrument´ees. L’autre avantage de cette presse est de n’avoir se pr´eoccuper de la friction que sur quatre des surfaces de l’´echantillon. Ce type de presse polyaxiale est relativement r´epandue, `a l’´etat de prototype souvent unique, et fait l’objet de nombreuses adaptations selon les besoins des exp´erimentateurs (Handin et al., 1967; Mogi, 1971; Haim- son and Chang, 2005; Pettitt and King, 2004; King et al., 1995; King, 2002; Tiwari and Rao, 2004; Alexeev et al., 2004; Chang and Haimson, 2005).

Les chemins de chargements

Le chargement d’un ´echantillon commence par la mise en pression hydrostatique jusqu’`a la valeur choisie comme ´etant celle de la contrainte principale minimale σ3 pendant le test. Ensuite, selon l’objectif de l’essai, les chemins de chargement peuvent ˆetre tr`es vari´es. Les deux autres contraintes peuvent ´evoluer soit ind´ependamment, soit simultan´ement, jusqu’`a la rupture de l’´echantillon. A la fin de l’essai les trois contraintes sont ramen´ees au niveau de la valeur de la pression de confinement et l’ensemble est d´echarg´e de mani`ere hydrostatique.