Méthodes expérimentales de caractérisation de l’endommagement des

l’endommagement des roches

Dans cette section, nous présentons les méthodes expérimentales qui nous

permettent de caractériser la fissuration dans les roches à l’aide de la mesure de la

ténacité et des événements acoustiques.

4.1.Mesure de la ténacité

Les facteurs d’intensité critique des matériaux sont déterminés en fonction du

mode de fissuration. Pour le mode I, le facteur A

_BD

est déterminé à l’aide d’essais

de flexion 3 points, en mode II le facteur A

_BBD

est déterminé avec des essais de

cisaillement et en mode III, A

_BBBD

est déterminé à l’aide des essais de torsion.

L’essai de flexion 3 points est réalisé sur une éprouvette pré-fissurée (c’est-à-dire

avec une entaille rectangulaire ou triangulaire) en appliquant un effort croissant

jusqu’à la rupture au niveau de l’entaille (Figure 16). L’effort à la rupture et les

caractéristiques géométriques de l’éprouvette et de l’entaille permettent de

déterminer la valeur critique de la ténacité en mode I.

22

Figure 16 : (a) Présentation de l’essaie de flexion 3 points d’une éprouvette pré-fissurée d’une fissure de longueur a (Grange 2007) ; (b) courbe typique de force-déplacement de l’essai de flexion 3 points (Lim et

al. 1994).

A titre d’exemple, si G

_D

représente l’effort à la rupture de la poutre, les relations

de Srawley (1974) permettent de calculer le facteur d’intensité de contrainte

critique A

_BD

telle que :

A

_BD

=

^˜™d

š›^œW

•(ž) (9)

avec ž =

_›^s

, Ÿ = 4 , •(ž) =

^>₄

_√ž

^{@,¡¡b¢(@b¢)(4,@<b>,¡>¢j4,£¢}_{(@j4¢)(@b¢)œ/W} ^W)

et ¤ la largeur de

l’éprouvette.

L’essai de cisaillement (Figure 17) est réalisé sur une éprouvette soumise à une

contrainte normale constante. Une contrainte tangentielle est appliquée sur

l’éprouvette afin de la cisailler. La valeur critique de ténacité en mode 2 est

déterminée à l’aide de la relation ci-dessous (Jaeger et al. 2007) :

A

_BBD

= Œ

_–sy

√]L (10)

avec Œ

_–sy

la contrainte tangentielle maximale et L la longueur initiale de la

fissure.

Figure 17 : Schématisation de l’essai de cisaillement : N chargement normal et S chargement tangentiel (Brady et Brown 2006).

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Pour déterminer le facteur d’intensité des contraintes critique A

_BBBD

, on utilise

l’essai de torsion (Figure 18). En effet, l’éprouvette est fixée au centre de la

presse de torsion. On exerce un moment de force F^{¥¥¦ sur la première extrémité et}

un moment de force −F^¥¥¦ sur la deuxième extrémité. La valeur critique de la

ténacité en mode 3 est calculée comme suit d’après Jaeger et al. 2007 :

A

_BBBD

= Œ

_yg,–sy

√]L (11)

Figure 18 : Présentation de l’essai de torsion (Paterson et Olgaard 2000 modifié).

4.2.Détection de la propagation des fissures et mesure de l’énergie

dissipée par fissuration par mesures acoustiques

Afin de calculer l’énergie dissipée par fissuration, un réseau de capteurs est

souvent disposé autour de l’échantillon à l’échelle de laboratoire et dans des

forages dans le cas des expérimentations à grande échelle. Les capteurs

acoustiques sont utilisés pour mesurer la microsismicité et la vitesse de

propagation des ondes P. Le réseau est constitué par des émetteurs d’ondes et des

récepteurs. La Figure 19 illustre le réseau de capteurs acoustiques à l’échelle de

laboratoire établi pour un essai de compression (Wassermann 2006).

L’activité acoustique détectée par les récepteurs est associée à la fissuration du

milieu rocheux étudié. La détection d’évènement acoustique permet de détecter

l’initiation et/ou la propagation des fissures.

Dans ce cadre, l’énergie dissipée par fissuration est calculée à l’aide des énergies

des signaux enregistrés par les récepteurs.

En effet, d’après la théorie des signaux, l’énergie totale d’un signal #(J) est

calculée comme suit :

Y

_y

= f |#(J)|

_b¨^j¨ 4

iJ (10)

L’énergie dissipée par fissuration est calculée via l’intégrale discrète suivante

(Wassermann 2006) :

Y

_©

=

_ª«^@

∑ ‰∑ -

^ª« _{® ®¯}4

. ∆JŠ

¯±@

⁽¹¹⁾

24

avec ²

_¯

le nombre de récepteurs, -

_®¯

l’amplitude de l’onde P à chaque pas

d’échantillonnage et ∆J le pas d’échantillonnage.

Il faut noter qu’il existe un seuil à partir duquel les amplitudes sont prises en

compte dans le calcul de l’énergie. Ce seuil est défini par l’expérimentateur. La

Figure 20 présente un exemple pour lequel le seuil utilisé pour sélectionner les

amplitudes à partir desquels l’énergie dissipée par fissuration est calculée.

Figure 19 : Réseau de capteurs acoustiques utilisé pour un essai de compression (Wassermann 2006).

Figure 20 : Impact du seuil de détection sur le comptage des événements acoustiques (Moradian et al. 2016).

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A l’échelle des structures minières, les techniques de surveillance micro-sismique

sont utilisés pour détecter la propagation des fissures. Dans le cadre du tunnel

Mine-by Test, un réseau d’accéléromètres micro-sismiques triaxial a été mis en

place afin de surveiller la propagation des fissures. Il faut noter que

l’accéléromètre micro-sismique triaxiale mesure l’accélération de l’onde dans les

trois directions. Les capteurs ont été placés autour du tunnel comme illustré sur la

Figure 21.

Figure 21 : Localisation des accéléromètres micro-sismiques triaxiales autour du tunnel Mine-by Test (Martin 1997).

Grâce à la surveillance micro-sismique, la propagation des fissures est détectée et

localisée.

Un cluster d’événements micro-sismiques a été détecté au toit et au plancher du

tunnel correspondant à des zones d’endommagement en forme V. La Figure 22

montre les événements micro-sismiques détectés au 17

ème

tour d’excavation qui a

été surveillé pendant 19 jours.

La caractérisation expérimentale des roches nous permet de déterminer les

caractéristiques intrinsèques et d’étudier la propagation des fissures via l’énergie

dissipée. Les caractéristiques des roches étudiées sont utilisées afin de simuler

numériquement les différentes problématiques liées à la fissuration dans les mines

souterraines.

Dans la section suivante, les différentes méthodes numériques utilisées dans les

problématiques liées à la fissuration sont présentées. Les avantages et les

inconvénients de chaque méthode sont également détaillés.

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Figure 22. Localisation des événements micro-sismiques pour le 17ème tour de l’excavation, les

événements micro-sismiques forment des zones d’endommagement en forme V (Martin 1997).

Dans le document Modélisation explicite de l’initiation et la propagation de fractures (Page 42-47)