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Prévoir le comportement mécanique de la roche

Estimer les contraintes in situ


Prédire le comportement d’un massif rocheux sous une sollicitation mécanique suppose de connaitre au préalable son état de contraintes initiales. Il conditionne grandement sa réponse mécanique. Comme pour tout matériau soumis à une sollicitation, de façon simplifiée, ce comportement pourra être réversible (élastique) ou irréversible (plastique, viscoplastique).

Néanmoins, la quantification précise des contraintes in situ reste encore actuellement assez délicate, en particulier pour les roches argileuses. Il n’est bien souvent possible que d’en obtenir une estimation. La station expérimentale de Tournemire, qui présente de nombreuses analogies avec la formation argileuse du site de Meuse/Haute-Marne, a permis de tester plusieurs méthodes de mesure : la fracturation hydraulique et le sur-carottage. Ces mêmes méthodes ont été utilisées par l’Andra pour déterminer l’état de contrainte d’un stockage profond de déchets radioactifs.


Par fracturation hydraulique

Les essais de fracturation hydraulique, méthode de mesure classique, consistent à injecter de l’eau sous pression dans un trou isolé pour fracturer localement la roche et en déduire les contraintes mécaniques du massif en suivant l’évolution de la pression d’eau et l’orientation des fractures induites.

Deux campagnes d’essais ont été réalisées, à plusieurs dizaines de mètres des ouvrages existants, dans des zones non impactées par ces ouvrages :
   une première campagne (Antéa, 1996), avec la méthode de fracturation hydraulique dite classique, a fourni un état de contraintes in situ initiales quasi isotrope (comparable dans toutes les directions) ;
   une seconde campagne (Cornet, 2000, Rejeb 2003) réalisée avec la méthode HTPF (Hydraulic fracTuring on Pre-existing Fracture) a permis de préciser ces résultats (en dépit d’incertitudes de mesure non négligeables) tant en terme d’amplitude que d’orientation, en révélant cette fois un caractère anisotrope des contraintes in situ initiales.

Face à ces résultats contradictoires, une autre méthode a été mise en œuvre : le sur-carottage.


Par sur-carottage

Les essais de sur-carottage (voir schémas) sont réalisés à l’aide d’un dispositif (ici des cellules CSIRO HI) équipé de jauges de déformation introduit dans un petit forage (trou pilote d’environ 4 cm de diamètre), puis extrait avec une partie du massif rocheux qui l’entoure : en appliquant au laboratoire des contraintes à cette carotte (d’environ 15 cm de diamètre sur 1 mètre de long) et en mesurant les déformations produites, on peut en déduire les propriétés mécaniques de la roche, et moyennant quelques hypothèses, remonter in fine à l’état de contrainte initial.

Trois campagnes d’essais (Ben Ouanas, 2011) de sur-carottage ont été menées (en 2005-06, 2008 et 2011) ainsi que des essais biaxiaux, les résultats étant interprétés au moyen d’une méthode numérique d’inversion.

Les difficultés expérimentales rencontrées, une mauvaise prise de la résine époxy (Lahaie et al., 2010) et un défaut d’adhérence de la résine dans le trou pilote n’ont au final pas permis d’obtenir une estimation des contraintes in situ plus fiable que celle déjà déterminée au moyen de la méthode HTPF, qui reste actuellement la mesure la plus représentative pour le site de Tournemire.

Dans le cadre de l’expertise, les essais réalisés ont ainsi permis de juger les limites de la méthode du sur-carottage, dont la mise en œuvre par l’Andra sur le site de Bure n’a pas non plus apporté d’éléments probants quant à l’estimation des contraintes in situ.

Figure 1 

Figure 1 : Détail d’une cellule CSIRO HI (12 jauges de déformation).

 Figure 2

Figure 2 : Schéma de principe des étapes d’une mesure de contrainte par sur-carottage.

Collaborations scientifiques

Antea, GeoStress, IPGP, INERIS, INPL