Effet des cycles thermiques sur la stabilité des massifs rocheux

The environmental conditions may play a relevant role in the stability of rock slopes. In fact, weathering can contribute either to the reduction of strength of the material or to the increasing of internal stresses in the rock massif. This Ph.D. thesis deals with the effect of atmospheric thermal cycles in rocks, from both experimental and numerical point of view. This research is focused on the rock obtained from the cliff from La Roque Gageac, a small town located in the south-west of France, placed above a rock cliff that has a cavern at middle high. This village has been affected by several rock falls, which, based on instrumentation data, are linked to the in situ thermal variations. With the aim of isolating the effect of thermal cycles in the La Roque Gageac limestone, an experimental study is performed. Samples obtained from two different locations in the cliff are considered (blocks felt inside the cavern and samples drilled from the face of the cliff). These samples are submitted to thermal cycles between 10ºC and 50ºC, with the aim of imitating the range of temperatures registered on the site. The damage induced in the samples is evaluated through measurements of strains, elastic wave propagation velocities and uniaxial compressive strength. It is observed that samples experience a reduction in the elastic wave propagation velocity and material strength through the imposition of thermal cycles. In the same way, a strains accumulation is also registered. Moreover, the response obtained depends on the mineralogical composition of the rock, which is linked to the extraction point of the sample, as the cliff presents a large heterogeneity. Based on the results obtained in the experimental program the principal characteristics of the thermal damage phenomenon are defined, proposing a constitutive model capable to reproduce the effect of thermal cycles in the La Roque Gageac limestone from a macroscopical point of view that is the effect in the mechanical response of the rock. With this purpose, a modification on the composed material constitutive model defined by Vaunat & Gens (2003) is performed, in order to include the characteristics of the material under study. This model considers the material as composed by two different components with an established behavior for each; the response of the composite material will be defined by the interaction between those components. This constitutive model is implemented in the finite elements code CODE_BRIGHT and evaluated with the simulation of the response of the samples observed during the experimental program.Les conditions environnementales jouent un rôle important dans la stabilité des massifs rocheux. De fait, les variations climatiques peuvent affecter la résistance du matériau et également augmenter les contraintes internes dans le massif. Cette thèse étudie les effets des cycles thermiques atmosphériques sur les roches, dans une approche expérimentale puis numérique.Cette recherche est centrée sur le cas de la falaise de La Roque Gageac, un village du sudouest de la France, situé au pied d’une falaise qui présente une caverne à mi-hauteur. Cette commune a été affectée par plusieurs éboulements. Les données issues de l’instrumentation du massif montrent que ces instabilités sont liées aux cycles thermiques. Afin d’isoler l’effet des cycles thermiques dans la roche calcaire de La Roque Gageac, un programme expérimental a été mis en place. Des échantillons ont été prélevés sur deux sites de la falaise (blocs éboulés à l’intérieur de la caverne et carottés dans la face de la falaise). Ces échantillons ont été soumis à des cycles thermiques entre 10ºC et 50ºC afin de simuler les conditions enregistrées sur le site.L’endommagement de la roche est évalué en laboratoire par le suivi de mesures de déformations, de vitesses de propagation d’ondes élastiques et par l’évolution de la résistance à la compression uniaxial. Une réduction de la vitesse de propagation des ondes élastiques de compression et de cisaillement ainsi que de la résistance à la compression du matériau sont observées. De la même façon, les échantillons enregistrent une accumulation de déformations. De plus, la réponse des échantillons est influencée par la composition minéralogique de la roche. Celle-ci est liée au lieu de prélèvement, le calcaire de la falaise montrant une importante hétérogénéité.Les résultats du programme expérimental ont permis la détermination des caractéristiques principales du phénomène d’endommagement thermique. Une loi de comportement modélisant l’effet des cycles thermiques sur la roche calcaire de La Roque Gageac d’un point de vue macroscopique a été proposée. À cette fin, une modification de la loi de comportement pour matériau composite présentée par Vaunat & Gens (2003) est suggérée, afin d’inclure les caractéristiques propres de la roche étudiée. Ce modèle prend en compte un matériau formé de deux constituants au fonctionnement distinct dont l’interaction décrit le comportement de la roche. Le modèle a été introduit dans le programme aux éléments finis « CODE_BRIGHT » et est évalué en simulant la réponse observée sur les échantillons pendant le programme expérimenta