Méthodes de mesure de la rugosité

Pour l’étude de la topographie des surfaces, il est nécessaire de déterminer l’élévation des aspérités par rapport à un plan de référence. Il existe deux approches pour mesurer la rugosité des surfaces de discontinuités (en général des profils en 2D) : par mesure au contact ou par non-contact. Elles peuvent utiliser des méthodes manuelles simples, des méthodes mécano-électriques (techniques en contact) et de photogrammétrie ainsi que des méthodes optiques automatiques (techniques non- contact). De nombreux auteurs ont utilisé et développé ces techniques pour caractériser quantitativement les surfaces des fractures : ISRM (1978), Weissbach (1978), Maerz et al. (1990), Feng et al. (2003), Jing et Hudson (2004).

3.2.2.1Méthodes par contact

L'approche de mesure par contact se base sur l'utilisation d'un instrument se déplaçant physiquement au contact de la surface rugueuse pour enregistrer des mesures selon des profils choisis ou sur une surface définie. Il y a plusieurs méthodes de mesure de la rugosité basées sur cette technique, par exemple :

− compas et disc-clinomètre ; − règle plate graduée ; − profilomètre mécanique ;

La méthode "compas et disc-clinomètre" est utilisée sur les surfaces de facture accessibles à la mesure afin de déterminer la direction de glissement potentiel. Elle consiste à mesurer l'angle d'inclinaison i des rugosités à différentes échelles. Des disques circulaires plats de diamètre 5, 10, 20 et 40 cm sont positionnés sur la surface pour mesurer le pendage et la direction de pendage (figure 3.5).

Figure 3.5 - Méthode d'enregistrement de la rugosité des surfaces de fracture basée sur l'utilisation des disques fixés sur un compas et un clinomètre (ISRM 1978).

L'utilisation de la règle plate (longueur d’ordre 1 m) est une méthode de profilage linéaire pour mesurer l'ondulation (grande échelle) de la surface de discontinuité. L'ondulation de la surface est définie par une amplitude maximum qui peut être déterminée en utilisant une règle plate placée sur la surface rugueuse. L'orientation de la règle et la valeur de l'amplitude maximum sont enregistrées. Une ondulation simplifiée peut être calculée par le rapport entre l'amplitude maximum et la longueur mesurée du joint. Cette méthode de mesure est rapide et applicable pour les grandes surfaces de quelques mètres.

Les profilomètres mécaniques sont basés sur l'utilisation d'un stylet se déplaçant physiquement au contact de la surface de l'éponte. Le principe est alors de mesurer le déplacement vertical du stylet le long des profils choisis. Le déplacement du stylet est assuré par un chariot mobile, qui peut se déplacer par incrément dans deux directions perpendiculaires (figure 3.6). Il est possible d'identifier deux types différents de profilomètre mécanique suivant la forme du stylet : les profilomètres utilisant un stylet de pointe à bille qui peut glisser en continu sur la surface du joint et les profilomètres utilisant un stylet de pointe aiguë qui effectue des mesures à des points discrets de la surface. Pour les deux types, le niveau de la base de la pointe est enregistré en fonction de la position du stylet sur la surface du joint. Un transducteur transforme en une tension proportionnelle la composante verticale des mouvements sur la surface rugueuse du stylet. La performance du profilomètre mécanique dépend donc fortement de son transducteur. Il existe plusieurs types de transducteur comme par exemple les jauges, les capteurs piézoélectriques et les LVDT qui sont actuellement largement utilisés. Pour ce système de mesure, la résolution dépend de la dimension du stylet. Le profil enregistré est celui qui est tracé par la pointe du stylet. Si on suppose que le point de contact est sphérique, l'erreur du profil mesuré est liée au diamètre de la pointe (figure 3.7). La courbure d'un pic d'aspérité peut être exagérée tandis qu'une vallée peut être représentée par un point de déviation. D'après Thomas (1999), si le profil contient plusieurs pics et vallées de courbure plus petite que celle de la pointe, la mesure par stylet n'est pas bien adaptée. L'auteur a également cité une autre source d'erreur de la mesure. Bien que la masse du stylet (y compris celle du fléau sur qui le stylet est fixé) soit très petite, l'aire de contact du stylet et la surface mesurée est aussi très petite. Ainsi, la pression locale au point de contact peut être suffisamment élevée pour produire une déformation voire une rupture indésirable de la surface. Cette méthode a

Figure 3.6 - Mesure de la rugosité des surfaces de fracture par rugosimètre (d'après Flamand 2000).

Figure 3.7 - Erreurs de la mesure dues à l'effet de taille du stylet (exagérées) d'un profilomètre mécanique (Thomas 1999).

3.2.2.2Méthodes sans contact

Les méthodes "sans contact" utilisent une technique de mesure qui permet de ne pas toucher physiquement la surface de fracture, et ainsi d'éviter des endommagements de la surface et d'augmenter la vitesse de mesure. On reconnaît :

− photogrammétrie ; − interférométrie ; − profilométrie laser.

La photogrammétrie est utilisée pour obtenir les coordonnées des points numérisés sur la surface des discontinuités. A partir de ces données, il est possible de tracer une carte en courbes de niveau ou des profils de la surface rugueuse (Riss et al. 1998).

L'interférométrie se base sur l'observation des franges d'interférences résultant de la réflexion d'un faisceau monochromatique et d'un faisceau laser entre la surface rugueuse mesurée et une surface étalon plane. Des franges apparaissent autour des points rugueux. Cette méthode d'observation optique est facile à utiliser pour les surfaces quasiment planes et relativement moins coûteuse que les autres techniques ; par contre, elle ne donne pas directement de valeurs chiffrées. Il faut comparer les contrastes avec ceux obtenus avec des étalons de rugosité.

Le principe des profilomètres laser est d’émettre un faisceau laser sur la surface à mesurer et puis de détecter la réflexion grâce à un capteur laser. La tension sortie du capteur est directement liée à la distance mesurée et enregistrée en fonction de la position du faisceau laser. Les données mesurées sont présentées sous la forme de coordonnées des points en 3D. Une source d’erreur importante de cette méthode est liée à la réfraction de surface qui dépend de la présence des cristaux de quartz. Ainsi, cette méthode de mesure n’est pas appropriée des roches composées de cristaux de quartz (granite, gneiss, etc.).