1 Chapitre II Etude bibliographique II.2/ MECANISMES DE ...

II.2/ MECANISMES DE FISSURATION ET DE RUPTURE DANS LES ESSAIS ELEMENTAIRES
II.2.1/ DESCRIPTION DES DIFFERENTES PHASES DE FISSURATION II.2.1.1/ MICROMECANISMES DE FISSURATION ET DE RUPTURE
L'échantillon de roche naturelle a de toute évidence un comportement et une
structure très complexes par rapport à la plupart des matériaux utilisés
par l'ingénieur. L'analyse concernant la déformabilité et la rupture met
l'accent sur le rôle essentiel joué pour ce type de matériau par la
fissuration induite par le chargement. Pour modéliser convenablement le
comportement des roches au voisinage de la rupture, il est important de
tenir compte des changements de la structure de la roche engendrés par le
chargement. La formation des surfaces de rupture résulte d'un endommagement
progressif de la microstructure. La microstructure conditionne largement
les propriétés mécaniques globales. Une littérature abondante a permis de
comprendre l'évolution du développement progressif de la microfissuration
et son rôle déterminant sur le comportement fragile d'une roche.
L'hypothèse de Griffith selon laquelle une unique fissure préexistante
conduirait à la formation d'une rupture macroscopique a été
systématiquement rejetée (Wawersik et Fairhurst, 1970 ; Wawersik et Brace,
1971 ; Kranz, 1979, 1983). Le comportement d'une éprouvette de roche en
compression et plus précisément les mécanismes de propagation de fissures
menant à une rupture fragile macroscopique localisée en bande de
cisaillement de la roche ont été analysés en premier par Brace (1964) puis
élaborés par Thill (1973) ; Friedman (1975) ; Pérami (1965), cités par
Paterson (1978) ; Brace et al. (1966) ; Brace (1971) ; Bieniawski (1967) ;
Brady (1970). Paterson (1978) et Kranz (1983) ont donné un résumé de ces
observations. Pour l'étude des micromécanismes de la rupture, des
observations expérimentales ont permis de décrire de façon détaillée la
microstructure endommagée à divers niveaux de la contrainte déviatorique,
assorties de microphotographies, ce qui a permis de décrire entièrement les
phénomènes physiques qui conduisent à la rupture d'une roche (Menendez et
al., 1996 ; Raynaud, 1995, cités par Bésuelle, 1999 ; Dunn et al., 1973 ;
Wong, 1982). Comme l'a fait remarquer Haïed (1995), ces observations ont
été effectuées sur le granite (Peng et Johnson, 1972 ; Sprunt et Brace,
1974 ; Mosher et al., 1975 ; Tapponnier et Brace, 1976 ; Hadley, 1976 ;
Kranz, 1979ab, 1980 ; Wong, 1982ab), mais également sur le quartz
(Hallbauer et al., 1973), sur le grès (Shanga et al., 1994), sur le
calcaire (Olsson, 1974), sur le marbre (Nolen et Gordon, 1987), sur le sel
(Lajtai et al., 1994), sur le béton (Bascoul et al., 1993), sur l'argile
(Hicher et al., 1994) et sur la marne (Raynaud, 1992). Notons que les
facteurs physiques externes susceptibles de causer et d'accroître la
fissuration des roches sont principalement de natures mécanique et
thermique (Bombolakis, 1968, cité par Bésuelle, 1999 ; Paterson, 1978 ;
Bauer et Johnson, 1979 ; Kranz, 1983 ; Tapponnier et Brace, 1976 ; Horii et
Nemar-Nasser, 1985 ; Hallam et Ashby, 1990). A partir d'examens au
microscope électronique à balayage (MEB) de lames minces prélevées dans des
cylindres de roches déformés à l'appareil triaxial, ces chercheurs ont
essayé de caractériser la distribution et l'organisation des divers
micromécanismes de rupture identifiables. Les principaux mécanismes menant
à la rupture fragile des roches sous compression qu'ils ont mis en évidence
sont décrits ci-dessous. On distingue plusieurs phases principales dans le
processus de rupture tout au long de la courbe contrainte-déformation
(figure 2.2.1). Notons que ce processus peut différer légèrement suivant la
nature de la roche. Figure 2.2.1: Phases principales du processus de rupture dans l'essai de
compression uniaxiale et triaxiale monotone (d'après Haïed, 1995)
II.2.1.2/ PHASE 1 : phase de serrage
Cette phase se situe à un niveau de contrainte très faible. Les courbes
contraintes axiales/déformations axiales ont une portion de courbe
initialement concave avant d'être linéaire, du fait de l'augmentation
progressive de la rigidité. Cette phase s'accompagne d'une compaction de
l'échantillon. La déformation volumique de l'échantillon est contractante.
Cette phase est dite de serrage car elle correspond à une fermeture
initiale élastique ou inélastique des pores et microfissures préexistantes
du matériau, ce dernier devenant de plus en plus rigide quand les lèvres
des fissures viennent en contact mutuellement. Notons que les roches
contiennent initialement un réseau de fissures orientées de façon
aléatoire. Cette portion initiale de la courbe peut également être associée
aux défauts de rectification. En effet, l'expérience montre que cette
portion de courbe peut être considérablement réduite en accordant une
attention particulière à la planéité et au parallélisme des extrémités de
l'échantillon. Les analyses des différentes manières par lesquelles une
mauvaise préparation des extrémités influencent la réponse observée de
l'échantillon a été présentée par Hawkes et Mellor (1970). Notons que cette
fermeture, qui se traduit par la concavité orientée vers le haut de la
courbe contrainte-déformation, tend à disparaître lorsqu'on applique une
pression de confinement à l'éprouvette. En effet, cette phase est très
importante dans l'essai uniaxial mais est très réduite ou quasi-inexistante
dans les essais triaxiaux. Cette phase peut être observée dans les tests
triaxiaux si la pression de confinement n'est pas très grande, ce qui
suggère que des fissures restent ouvertes à la fin de la phase de
chargement isotrope.
II.2.1.3/ PHASE 2 : phase linéaire
La pression dans cette phase est supérieure à la pression de fermeture des
fissures. Cette phase dépasse rarement 40 % de la résistance à la rupture.
Cette phase correspond à la phase linéaire de la courbe effort-déformation.
Pendant cette phase, la déformation volumique est contractante. Aucune
présence de discontinuités mécaniquement induites, aucune fissure
transgranulaire n'est détectée. L'activité de microfissuration est
négligeable. Les fissures susceptibles de se fermer le sont déjà et les
concentrations de contraintes à l'échelle microscopique ne sont pas
suffisantes pour générer de nouvelles fissures. Le comportement de
l'échantillon testé est encore celui d'une roche vierge. Paterson (1978)
conclut que la majeure partie du processus de déformation dans la partie
linéaire de la courbe contrainte-déformation est due à la déformation
élastique des grains et des pores.
Le comportement de l'échantillon est principalement élastique et linéaire,
bien que des déformations non élastiques soient parfois observées. Paterson
(1978) pense que cela est dû au glissement le long de fissures
préexistantes. Par ailleurs, Walsh (1965, cité au 8iéme symposium de
mécanique des roches, 1966) a montré que deux phénomènes indépendants se
produisent. D'une part, les grains minéraux se déforment élastiquement.
D'autre part, les grains ou des parties de grains se déplacent légèrement
sous la contrainte appliquée et glissent relativement les uns par rapport
au autres. Ceci conduit à un effet d'hystéresis lors de cycles de charge -
décharge (Cook et Hodgson, 1965 ; Walsh et Brace, 1972, cité par Paterson,
1978) mettant en évidence une dissipation d'énergie due au glissement
intergranulaire (Goodman, 1989). La courbe effort-déformation est linéaire,
mais il serait incorrect de conclure de cette linéarité et de cette
élasticité que la roche est un matériau linéaire élastique (c'est-à-dire
que les déformations sont des fonctions linéaires des contraintes au sens
mathématique). En effet, de nombreux auteurs ont montré que la rigidité de
la roche est affectée par la valeur de la pression de confinement. La pente
de la courbe effort-déformation ou la valeur du module de Young s'accroît
lorsqu'on augmente la pression de confinement (Wilhelmi et Sommerton,
1967 ; King, 1969 ; Kulhawy, 1975 ; cités par Santarelli, 1987,1988). En
fait, 83 des 106 roches étudiées par Kulhawy (1975) ont montré une telle
augmentation. Le comportement n'est donc pas élastique linéaire, puisque la
rigidité dépend de la pression. Ce phénomène expérimentalement bien
documenté peut être expliqué si la roche est considérée comme une matrice
élastique avec des pores et des fissures (Walsh, 1965). Quand aucune
pression de confinement n'est appliquée, les pores sont ouverts et quand
une contrainte déviatorique est appliquée, cela déforme en partie la
matrice et en partie les pores. D'un autre côté, si une très grande
pression de confinement est appliquée, tous les pores et fissures sont
fermés et une contrainte déviatorique déformera seulement la matrice. La
déformation dans ce second cas sera évidemment moins grande que dans le
premier cas et la rigidité mesurée sera plus grande. C'est confirmé par
Kulhawy (1975), qui remarqua que les roches poreuses tendent à montrer de
plus grandes variations des modules de déformation que les roches moins
poreuses. Des aspects théoriques du problème sont étudiés par Jaeger et
Cook (1979).
II.2.1.4/ PHASE 3 : seuil de microfissuration
Le niveau de contrainte correspondant à cette phase se situe généralement
entre 30 et 60 % de la résistance à la rupture. On note l'apparition à ce
stade des premières microfissures mécaniques