Behaviour of a fractured rock mass : application to the realization of St Béat tunnel (France 31)

La conception des ouvrages de génie civil dans les massifs rocheux fracturés nécessite une connaissance de leur comportement lors des travaux. Les ma ssifs fracturés sont généralement très complexes et représentés par des matrices et des discontinuités rocheuses. Cette thèse a pour objectif d'étudier le comportement mécanique du massif du futur tunnel de St Béat. La thèse est divisée en trois parties. Nous étudions tout d'abord les phénomènes prépondérants et les facteurs agissant sur le comportement mécanique des massifs rocheux. Dans la seconde partie, nous effectuons séparément des études expérimentales sur le comportement mécanique de la matrice et des discontinuités rocheuses. Enfin, dans la dernière partie, nous présentons une modélisation en 2D du comportement du massif fracturé lors du creusement du tunnel. L'étude expérimentale s'appuie sur des marbres rencontrés sur le site du tunnel. Le comportement de la matrice rocheuse est étudié à partir des essais de compression triaxiale sur des échantillons de roche saine. L'évolution de l'endommagement est caractérisée à l'aide des mesures de vitesses de propagation des ondes élastiques. Une enveloppe de rupture selon le critère linéaire de Mohr-Coulomb est proposée pour la matrice rocheuse. Le comportement au cisaillement des discontinuités naturelles est ensuite étudié sous différentes conditions de chargement (contrainte normale constante et rigidité normale imposée). La mesure de topographie des surfaces des discontinuités avant et après chaque essai mécanique permet de déterminer les paramètres statistiques de la rugosité. L'influence de la contrainte normale, la rigidité normale imposée, la rugosité initiale et la vitesse de cisaillement sur le comportement des discontinuités est mise en évidence. Des lois de comportement pertin entes sont proposées pour chaque type d'essais.Les caractéristiques mécaniques obtenues sont alors introduites dans le code de calcul UDEC afin de modéliser le comportement du massif en présence du tunnel, sous différentes conditions aux limites. La réponse en terme de déformations et de contraintes induites autour du tunnel est analyséeThe design of civil engineering structures in fractured rock masses requires knowledge of their mechanical behavior. The fractured rock masses are usually very complex and separated in matrix and rock discontinuities. This thesis aims to study the mechanical behavior of St Beat tunnel rock mass. The thesis is divided into three parts. We study first the predominant phenomena and factors affecting the mechanical behavior of rock masses. In the second part, we perform separately experimental studies on the mechanical behavior of matrix and rock discontinuities. Finally, in the last section, we present a 2D model of the fractured rock mass behavior during the digging of the tunnel. The experimental study is based on the marbles encountered on the future tunnel site. The rock matrix behavior is studied using triaxial compression tests on intact rock samples. The damage evolution is characterized using propagation velocities measurements of elastic waves. A failure envelope by Mohr-Coulomb linear criterion is proposed for the rock matrix. The shear behavior of natural discontinuities is investigated under different loading conditions (normal stress or constant normal stiffness imposed). The discontinuities surfaces topography is measured before and after each mechanical test to determine the roughness statistical parameters. The influence of the normal stress, the normal stiffness, the initial roughness and the shear rate on the discontinuities behavior is demonstrated. A behavior law is proposed for each type of test.The mechanical properties obtained are introduced into the code UDEC to model the rock mass behavior with the presence of the tunnel, under different boundary conditions. The response in terms of deformations and stresses induced around the tunnel is analyze