Résultats de l’analyse d’image

Nous avons réalisé une série de photographies au MEB des zones de cisaillement formées dans les échantillons de grès de Fontainebleau en compression triaxiale en conditions drainées et non drainées (voir chapitre II).

Quelques exemples de photographies de chaque série d’observation, sont présentés ici (figures IV.3-5 (a) –(c)). A partir de ces observations quelques remarques importantes peuvent être formulées :

• La structure des bandes de cisaillement dans les échantillons testés sous 7 et 14 MPa de confinement, dans le cas d’essais drainés ou non-drainés, est tout à fait semblable. Elle a un aspect lâche. A l’intérieur des bandes les grains sont fragmentés, il y a peu de broyage. Ce broyage est plutôt localisé et on l’observe surtout dans les échantillons testés à 14 MPa. La taille des fragments varie entre quelques microns et la taille du grain sain (200 à 250 µm) (figures IV.3-5 (a)).

L’épaisseur de la bande, à ces niveaux de pression de confinement, est comprise entre 200 et 500µm, soit la taille moyenne de un à deux grains sains.

• Pour les échantillons testés sous 28, 40 et 50 MPa de pression de confinement :

- Dans le cas d’essais drainés, on observe à l’intérieur de la bande une structure plutôt dense. Les grains sont fortement broyés. La taille moyenne des fragments est très variable, elle va du grain fortement fissuré à des fragments de l’ordre du micron. Les fragments sont compactés ce qui donne à la structure un aspect de farine (figure IV.3-5 (b)).

- Dans le cas des essais non drainés (figure IV.3-5 (c)), on observe deux types de structure, soit lâche et soit dense. Cette hétérogénéité de la structure à l’intérieur de la bande peut être attribuée à la surpression interstitielle générée lors du chargement. Cette hétérogénéité tend à montrer que la distribution de la pression interstitielle à l’intérieur de la bande n’est pas homogène, que le comportement local n’est pas totalement non drainé et qu’il existe un drainage partiel à l’échelle microscopique. On peut penser que la structure plus lâche à certains endroits de la bande est due à une forte surpression interstitielle localisée dans ces zones, qui empêche la compaction des grains par la diminution de la contrainte effective. On observe aussi dans certaine partie compacte de la bande une discontinuité traversant la partie centrale. On a pensé tout d’abord que cette discontinuité, qui a la forme de canal d’une dizaine de microns de large avec un dépôt de particules très fines sur les bords, s’est formée lors de l’injection de ces échantillons en résine par aspiration sous une cloche à vide. Cette aspiration qui se fait à faible pression (≤ à 1 bar), peut être la cause de la fracturation observée dans ces zones de forte densité. Cependant, ce phénomène n’a pas été observé dans le cas d’échantillons drainés testés sous les mêmes pressions de confinement et injectés de résine suivant la même procédure. Cela nous amène à écarter l’hypothèse que ces discontinuités sont dues à la procédure de préparation des échantillons. Nous proposons donc une autre interprétation à la formation de ces discontinuités dans cette partie de la bande, celle d’un transfert de fluide à échelle microstructurale due à l’hétérogénéité de la distribution de la pression interstitielle. Ces mouvements sont mis en évidence à l’intérieur de cette partie de la bande compacte par la formation de capillaire, par le transport des particules fines et par la précipitation de ces fines sur la surface libre des grains ou des fragments de cette même partie de la bande. Cette interprétation reste cependant à vérifier par des études microscopiques complémentaires.

Concernant l’épaisseur de la bande, sous ces niveaux de confinement, elle varie de 200 et 1000µm. Elle est donc un peu plus large que les bandes observées à plus faible confinement.

• La transition entre les différentes bandes observées et la partie de l’échantillon non fissuré « zone intacte » se fait par une zone endommagée qui a l’épaisseur de un à deux grains. Ces grains présentent des fissures intragranulaires qui sont en grande majorité quasi- parallèles à la bande, ce qui met en évidence le phénomène de cisaillement. On observe aussi des fissures orientées subaxialement, c’est à dire proche de la direction de contrainte majeure.

• La porosité surfacique dans les bandes de cisaillement des échantillons testés sous pression de confinement de 7 et 14 MPa, déterminée au moyen du logiciel d’analyse

d’image, est plus forte que la porosité moyenne d’un échantillon intact qui est pour ce bloc de grès égale à 21%. Tandis que pour les échantillons testés sous les pressions de confinement de 28, 40 et 50 MPa la porosité de la bande est plus faible que la porosité moyenne. Elle est d’autant plus faible que le confinement est plus élevé (voir figure IV.2- 6). Dans le premier cas la bande de cisaillement correspond localement à une augmentation de volume, elle est donc dilatante. Dans le deuxième cas elle est contractante.

Nous avons tracé des profils de variation de la porosité pour les différents types d’essais (figures IV.2-7 (a) et (b)). Les profils sont perpendiculaires à l’axe de la contrainte majeure. Les bandes de cisaillement sont marquées dans les différents profils représentés soit par une forte porosité, dans le cas d’essais testés sous pression de confinement de 7 et 14 MPa, et par une faible porosité dans le cas d’essais testés à plus forte pression de confinement. Par contre, autour et loin des bandes, la porosité oscille autour de la valeur moyenne de la porosité avant essai.

Nous avons également analysé l’évolution de la surface spécifique à l’intérieur des bandes de cisaillements. Ce paramètre est très important pour l’estimation de la perméabilité présentée dans le paragraphe suivant.

Figure IV.3-5 (a) : Exemple d’images de microstructure de bandes de cisaillements d’échantillons testés à faible pression de confinement (7 MPa et 14 MPa) – essais drainés et non drainés - « Bandes dilatantes » (1)

(2)

(3)

(1) :vue d’ensemble

(2),(3) et (4) :détails à un plus fort grossissement

(4)

7 MPa non drainé

200 µm

200 µm 200 µm

(1) (2) (3) (4) (1) :vue d’ensemble

(2),(3) et (4) :détails à un plus fort grossissement

14 MPa drainé

200 µm

200 µm 200 µm

Figures IV.3-5 (b) : Exemple d’image de microstructure de bandes de cisaillements d’échantillons testés à forte pression de confinement (28 Mpa, 40 MPa et 50 MPa) – Essais drainés - « Bandes contractantes »

(1) (2)

(3)

(4)

(1) :vue d’ensemble

(2),(3) et (4) :détails à un plus fort grossissement

28 MPa drainé

200 µm

200 µm

(1) (2) (3) (4) (1) :vue d’ensemble

(2),(3) et (4) :détails à un plus fort grossissement

50 MPa drainé

100 µm

100 µm

Exemple d’image de microstructure de bandes de cisaillements d’échantillons testés à forte pression de confinement (28 Mpa, 40 MPa et 50 MPa) – Essais non drainés - « Bandes contractantes »

200 µm

200 µm

Figure IV.3-6 : variation de la porosité moyenne à l’intérieur de la bande avec la pression de confinement

(a)

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Pression de confinement (MPa) 8 12 16 20 24 28 Po ros it é m o ye nn e d e l a b a n d e (% )

essais non drainés essais drainés -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 Distance (µm) 0 10 20 30 40 P o ro sité ( % )

Variation de la porosité suivant un profil perpendiculaire à l'axe de la contrainte majeur "cas d'éssais drainés"

50 MPa 40 MPa 28 MPa 14 MPa 7 MPa

(b)

Figures IV.3-7 : variation de la porosité suivant le profil perpendiculaire à l’axe de la contrainte majeure (a) essais drainés – (b) essais non drainés

-15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 Distance (µm) 0 10 20 30 40 Po ro si té ( % )

Variation de la porosité suivant un profil perpendiculaire à l'axe de la contrainte majeur "cas d'éssais non drainés"

50 MPa 14 MPa 7 MPa