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4.1- Contraintes initiales

La figure 19 présente la répartition des contraintes initiales (avant excavation) autour de la

future reculée de vallée et ceci pour les trois composantes à 10 m de profondeur (JCB) dans le

modèle. Nous avons décidé de suivre, et ceci pour toutes les représentations des isovaleurs,

les composantes σ

xx

, σ

yy

et σ

zz

du tenseur des contraintes afin de pouvoir comparer facilement

les résultats issus des simulations numériques avec ceux issus des solutions analytiques.

JCB JCB

(a) Future reculée de vallée (b)

Future reculée de vallée

JCB

Future reculée de vallée

(c)

Figure 19 : Contraintes initiales à une profondeur de 10 m (a) σ

xx

, (b) σ

yy

et (c) σ

zz

Afin de faciliter la visibilité des isovaleurs de contraintes dans le massif, nous avons choisi de

ne pas représenter la répartition des contraintes au niveau de la future partie excavée. De plus

ceci nous permettra par la suite de pouvoir comparer plus facilement les contraintes avant et

après excavation.

Sur la figure 19, nous pouvons voir que les contraintes horizontales σ

xx

et σ

yy

sont égales (de

part les conditions de chargement) et sont comprises globalement entre 0,14 MPa et 0,28 MPa.

La contrainte verticale σ

zz est, quant à elle, plus faible présentant des valeurs de contrainte

comprises entre 0,1 MPa et 0,15 MPa. Nous n’exposerons pas d’autres coupes pour le reste

du modèle à la phase initiale. La seule information à retenir est que l’intensité des contraintes

augmente naturellement avec la profondeur pour atteindre une valeur maximale de 54 MPa à la

base du modèle à 2200 m de profondeur.

4.2- Contraintes à la fin de la phase d’excavation

4.2.1- Coupes à 10 m de profondeur

La figure 20 présente la répartition des contraintes à la fin de la formation de la reculée de

vallée à 10 m de profondeur.

JCB JCB

(b)

(a)

JCB

(c)

Figure 20 : Contraintes finales à une profondeur de 10 m (a) σ

xx

, (b) σ

yy

et (c) σ

zz

Autour de la reculée de vallée et pour la contrainte horizontale σ

xx, on note la présence de

contraintes relativement élevées, de l’ordre de 0,37 MPa par rapport aux valeurs initiales

(environ 0,20 MPa).

La deuxième composante horizontale σ

yy est, elle, plus importante (0,36 MPa) uniquement au

niveau de l’avancée du massif à gauche. Partout ailleurs, elles sont globalement équivalentes

aux contraintes initiales. Concernant la contrainte verticale σ

zz

, celle-ci est égale aux contraintes

avant excavation hormis en bordure de reculée de vallée où elles subissent une détente (0,9

MPa).

Afin d’avoir une représentation plus explicite de la présence de zones en surcontrainte ou en

sous-contrainte et de pouvoir comparer l’étendue de ces zones par rapport aux solutions

analytiques, nous décidons de présenter sur la figure 21, le rapport des contraintes finales sur

les contraintes initiales.

JCB JCB

(b)

(a)

JCB

(c)

Figure 21 : Rapport des contraintes finales sur initiales à une profondeur de 10 m (a) σ

xx

, (b) σ

yy

et (c) σ

zz

La figure 21a montre clairement une zone en surcontrainte autour de l’extrémité de la reculée

de vallée et qui atteint localement un rapport de 1,5. La contrainte horizontale σ

yy (fig.21b)

présente une même zone en surcontrainte (rapport de 1,2 au maximum) mais au niveau de

l’avancée de la reculée. Au contraire de la composante σ

xx, les contraintes subissent une

détente à l’extrémité de la reculée pour atteindre un rapport minimal de 0,8. Enfin la contrainte

verticale, comme nous l’avons vu ci-dessus, indique une détente à l’approche de la reculée

(rapport de 0,6). Partout ailleurs, elles restent inchangées.

Si l’on se réfère aux figures 6 et 7, les solutions analytiques prédisent une zone en surcontrainte

de 120 m de large sur 280 m de long pour un rapport de 1,4 dans le cas de la contrainte σ

xx

tandis que la contrainte σ

yy ne développe pas de surcontrainte. L’examen de la figure 20a

montre effectivement que la composante horizontale σ

xx

présente une zone en surcontrainte et

qu’elle est globalement, au niveau des dimensions, dans les mêmes ordres de grandeurs (une

zone perturbée mesurant au maximum de 100 m de large sur 250 m de long). La deuxième

composante horizontale σ

yy ne présente pas, au niveau du sommet, une accumulation de

contraintes mais plutôt une zone détendue de par l’appel au vide créé par la formation de la

reculée de vallée. A cette profondeur et dans le cas de cette modalité, nous sommes

globalement cohérents avec les résultats issus du calcul analytique (fig.22).

280 m

100 m

250 m

1,4

120 m

(a) (b)

Pas de zones en

surcontraintes Pas de zones en surcontraintes

(c) (d)

Figure 22 : Estimation de la zone d’influence de la reculée de vallée pour la composante σ

xx

(a) issue des

modélisations et (b) des solutions analytiques et pour la composante σ

yy

(c) issue des modélisations et

(d) des solutions analytiques

Revenons sur le cas de la contrainte σ

yy. La zone (à gauche du sommet de la reculée)

présentant un rapport de contrainte supérieure à 1 peut être apparentée à une situation de

promontoire (avancée dans le massif).

La situation de promontoire s’interprète comme le carrefour de deux vallées. Le promontoire est

donc sujet à une double fracturation verticale provenant de la présence des deux vallées. A

partir de ces remarques, il semble donc cohérent qu’une situation de promontoire ne présente

pas de zone en surcontrainte mais plutôt des zones en détente. Bien évidemment dans le cas

de notre modèle, aucune fracturation verticale n’est prise en compte. La présence de cette

zone en surcontrainte peut s‘expliquer d’une part par un effet purement géométrique dû à la

3D, et d’autre part par l’hétérogénéité mécanique verticale due à une succession de couches

alternativement raides et moins raides. En somme, elle n’est pas inhérente à la présence de la

reculée de vallée mais plutôt à la définition du modèle lui-même.

4.2.2- Evolution du rapport de contrainte σ

xx/

σ

0

xx suivant la profondeur

La figure 23 présente l’évolution du rapport σ

xx/

σ

0xx pour différentes profondeurs (15 m, 20 m,

50 m et 70 m).

PCGC PCGC

JCB

JCB

(b)

(a)

PCEAM PCB

(d)

(c)

Figure 23 : Rapport σ

xx

0

xx

à une profondeur de (a) 15 m, (b) 20 m, (c) 50 m et (d) 70 m

La zone en surcontrainte est toujours présente dans le calcaire de Jaumont (JCB) à 15 m de

profondeur. A partir de 20 m (dans les calcaires à polypiers PCGC), cette zone en surcontrainte

disparaît à l’extrémité de la reculée de vallée. Le rapport relevé est de l’ordre de 0,8 et diminue

au fur et à mesure, synonyme d’une détente des contraintes à l’approche du bord de la reculée

de vallée. Plus en profondeur, dans les calcaires à polypiers tendres (PCEAM – 50 m) ou raides

(PCB – 70 m), les surcontraintes ont complètement disparu pour laisser place à des contraintes

en détente. Loin de la zone d’influence de la reculée de vallée, les contraintes finales ne sont

pas perturbées et restent égales aux contraintes initiales (rapport de 1).

Nous voyons donc clairement que l’influence de la reculée de vallée s’exerce, pour les

contraintes horizontales σ

xx, uniquement de manière superficielle, c'est-à-dire sur les 20

premiers mètres de profondeur, dans le calcaire de Jaumont (JCB). Au-delà de cette limite, les

contraintes subissent une détente à l’approche du bord de vallée.

4.2.3- Evolution du rapport de contrainte σ

yy/

σ

0

yy suivant la profondeur

La figure 24 expose l’évolution du rapport σ

yy/

σ

0yy pour les mêmes profondeurs qu’auparavant

(15 m, 20 m, 50 m et 70 m).

PCGC PCGC

JCB

JCB

(b)

(a)

PCEAM PCB

(d)

(c)

Figure 24 : Rapport σ

yy

0

yy

à une profondeur de (a) 15 m, (b) 20 m, (c) 50 m et (d) 70 m

La deuxième composante σ

yy subit un régime en surcontrainte, de part et d’autre de la reculée,

jusqu’à 20 m de profondeur et ceci dans les calcaires de Jaumont (JCB) raides. Rappelons

que la présence de ces contraintes élevées est uniquement due à la définition propre du

problème (§ 5.2.1).

Au-delà de cette profondeur, les zones en surcontraintes disparaissent et seules des

sous-contraintes subsistent, synonyme d’une détente de la couverture plus en profondeur.

4.2.4- Evolution du rapport de contrainte σ

zz

/σ

0

zz

suivant la profondeur

La figure 25 montre l’évolution du rapport σ

zz

0

zz

pour des profondeurs de 15 m, 20 m, 50 m et

70 m.

PCGC PCGC

JCB

JCB

(b)

(a)

PCEAM PCB

(d)

(c)

Figure 25 : Rapport σ

zz

0

zz

à une profondeur de (a) 15 m, (b) 20 m, (c) 50 m et (d) 70 m

Au contraire des contraintes horizontales, et comme vu au paragraphe 5.2.1, la contrainte

verticale n’implique pas de zones en surcontrainte et ceci pour toutes les profondeurs. Elle

subit uniquement une détente à l’approche de la reculée de vallée.

4.2.5- Remarque

Comme il a été suggéré lors du conseil scientifique du GISOS, le 18 novembre 2006, proche de

la reculée de vallée, les contraintes σ

xx,

σ

yy et

σ

zz ne sont pas des contraintes principales. En

effet la présence de la reculée entraîne une rotation du tenseur des contraintes, avec au final

des contraintes principales qui sont parallèles et normales à la surface extérieure. Loin de la

reculée de vallée, c'est-à-dire éloigné du champ de perturbation, les contraintes σ

xx

, σ

yy

et σ

zz

sont évidemment des contraintes principales. Néanmoins, les isovaleurs des rapports de

contrainte ont été présentées en fonction des contraintes σ

xx,

σ

yy et

σ

zz. Comme il a été

mentionné au tout début du paragraphe 4.1, ce choix découle directement de la représentation

des solutions analytiques, exprimées en contrainte σ

xx

et σ

yy

, et qui nous permet de les

comparer facilement avec les résultats des simulations numériques.

4.3- Déplacements

La figure 26 présente les déplacements induits suite à l’excavation de la reculée de vallée.

Les isovaleurs des trois déplacements montrent clairement que les mouvements les plus

importants, induits par la formation de la reculée de vallée, sont les déplacements verticaux. En

effet, on peut relever sur la figure 26c des déplacements de l’ordre de 7 cm au centre de la

reculée. Les composantes horizontales du déplacement sont, quant à elles, plus faibles. Dans

la première direction horizontale (Ox, fig.26a), on note un déplacement senestre, de l’ordre de

4,5 cm, au niveau du flanc de la reculée. Un autre déplacement dextre d’environ 3 cm apparaît

sur le haut de la vallée. Enfin dans la deuxième direction horizontale (Oy, fig.26b), des

déplacements opposés sont présents de part et d’autre de la reculée de l’ordre de 1,5 cm.

Bien évidemment, au regard de l’échelle du modèle (kilométrique), ces déplacements sont

relativement faibles voire négligeables (centimétriques). Leur projection a pour seul but de

mettre en évidence les mécanismes opérés suite à la formation de la reculée de vallée.

(a) (b)

(c)

Figure 26 : Déplacements induits par l’excavation de la reculée de vallée dans la direction (a) Ox, (b) Oy

et (c) Oz

4.4- Points plastiques

La figure 27 présente l’état plastique des zones proches de la reculée de vallée et pour

différentes profondeurs.

L’ensemble des points plastiques apparaît naturellement aux bords de la reculée de vallée.

L’essentiel de ces ruptures correspond à des ruptures en cisaillement. Ces ruptures s’initient

lorsque le critère de rupture de Mohr-Coulomb est atteint. Suite à la formation de la reculée, les

contraintes horizontales sont bloquées (elles ont atteint la limite du critère de rupture en

cisaillement) entraînant alors des déplacements et des déformations importantes.

(b)

(a)

(c) (d)

Figure 27 : Points plastiques induits par l’excavation de la reculée de vallée à (a) 15 m, (b) 20 m, (c) 50 m

et (d) 70 m de profondeur