Mesures de contraintes primaires - Geotechnisches Ingenieurbüro
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1. Comme son nom l indique le stressm tre de fil vibrant d apr s HAWKES utilise la relation entre la fr quence d oscillations d un fil et sa tension comme principe de mesure L l ment de mesure se compose d un tube d acier durci paroi paisse dans lequel un fil d acier d une paisseur de 0 23 mm est band verticalement laxe de tube Direc tement c t de ce fil se trouve une bobine lectro magn tique qui sert aussi bien exciter l oscillation du fil par impulsion de courant qu enregistrer la fr quence d oscillations Le corps de mesure est aplani un point de sa paroi ext rieure pour po ser une plaque de pression adapt e au rayon du forage et un coin d acier A l aide d un dispositif de placement hydraulique sp cialement d velopp il est possible d ins rer et coincer le transducteur dans un forage d un diam tre de 38 mm Des changements de contraintes dans les environs du forage provoquent une d formation du corps de tube et ainsi un changement de la tension du fil Le changement de la fr quence d oscillations du fil y r sultant peut tre lu une bo te de mesure qui est raccord e au transducteur par c ble Pour corriger l erreur attribu e la temp rature le corps de me sure est quip d une sonde de temp rature lectrique dont le signal est aussi transmis par c ble Les pi ces lectriques sont scell es et rendent l l ment de mesure large ment insensible l eau Des plaques2. Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 GILLE Mesures de contraintes primaires Chapitre 13 1 i P No avec la cellule triaxiale age o Num ro des Pages 7 valeurs mesur es restantes Au maximum trois it rations sont possibles parce qu au minimum six valeurs de d formations doivent tre valu es En outre il est possible d assurer la qualit d un article au moyen des valeurs caract ristiques statistiques qui sont calcul es du programme d ordinateur Mais on devrait consid rer que la calculation multiple de r gression contient certaines supposition en ce qui concerne les donn es et qu elle donne une solution strictement optimis e au point de vue statistique Par cons quent on devrait continuer faire un jugement d finitif de l importance de valeurs mesur es individuelles partir de valeurs empiriques c t des valeurs caract ristiques statistiques les facteurs r sultant des conditions individuelles pendant le test jouent un r le important L tat de contrainte dans la roche est calcul l aide du programme STRESS 91 un programme qui a t d velopp par MILLER 1983 en Australie et qui utilise la m thode d it ration d crite ci dessus Dans chaque pas d it ration la valeur de d formation avec la d viation la plus grande est limin e pour obt
3. G I F Chapitre 13 i i P No 1 Mesures de contraintes primaires Dji Num ro des Pages 5 D apr s l tat de la technique d aujourd hui les m thodes de mesures de contraintes dans les roches peuvent tre class es dans les quatre groupes suivants M thodes de d charge M thodes de compensation M thodes d apr s la th orie d inclusion dure M thodes de la g n ration de fissures dans les roches Les m thodes de d charge profitent du fait qu un corps charg est d form quand il est d charg En connaissant pr alablement le coefficient d lasticit et la constante de Poisson de la roche il est possible de calculer les contraintes des d formations La m thode de d charge la plus connue est la m thode doorstopper stoppeur de porte Ce stoppeur de porte est un l ment de support quip d une rosette de jauge de d formation Il est coll en une direction sp cifi e sur le fond adouci d un forage l aide d un dispositif de placement sp cial guid par tiges Apr s avoir fait une lecture initiale la surface de mesure c est dire le fond du forage est surcarott e et les d for mations de d charge dans la face de la carotte d charg e ainsi form e sont d termi n es par une deuxi me mesure Aujourd hui il est possible d utiliser cette m thode avec succ s dans des forages jusqu une profondeur d env 30 m Les tests de d charge de surcarottage av
4. l injection subs quente Fig 1 Transducteur de pression avec trois v rins plats 1 V rins plats 2 Conduite d injection 3 Cellules 4 Raccordement carr de 5 C bles de raccordement tiges La pression dans les v rins est mesur e soit hydrauliquement par des cellules du sys t me Gl tzl soit lectriquement par des capteurs de pression La contrainte dans les v rins peut tre lue directement sur l instrument en bars Les conduites d injection haute pression perfor es plac es autour du bord des v rins sont ferm es avec une bande adh sive pour emp cher l infiltration du mortier pendant l installation Une fois le mat riau de remplissage durci des r sines synth tiques ou des mat riaux semblables peuvent tre inject s par ces conduites pour pr contraindre le mat riau de remplissage et les capteurs de contrainte y ins r s Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 s F Mesures de Contraintes Primaires eP N avec Sonde d Entaille de Forage Page Nas Borehole Slotter Num ro des Pages 5 La d charge d entaille avec la sonde d entaille de forage Borehole Slotter est une m thode de mesure de contraintes primaires deux dimensions Elle se fonde sur le principe de d charge de contraintes locales dans un forage A l aide d une scie dia mant pneumatiquement command e des entailles de
5. rents Les directions et les inclinaisons des forages qui doivent tre si proche que possible sont mesurer exactement car ces valeurs entrent dans le calcul du tenseur de contrainte Comme forages des carottages sont n cessaires car le coefficient d lasticit et la constante de Poisson de la roche doivent tre d termin s par essais de laboratoire chaque point de mesure pour valuer l tat de contrainte Date 14 05 2009 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 GIITF Mesures de Contraintes Primaires Ghapitre avec Sonde d Entaille de Forage Page Nox Borehole Slotter Num ro des Pages 5 Caract ristiques Techniques Conditions d application L exploration des forages g ologiques est possible jusqu une profondeur maximale de 30 m La m thode n est pas applicable sous l eau il est donc recommand que les fora ges sont orient s l g rement vers le haut ou vertical Une orientation typique des forages pour d terminer l tat de contrainte trois dimensions serait Forage 1 Sous horizontal env 5 vers le haut rectangulaire au forage 2 si pos sible Forage 2 Sous horizontal env 5 vers le haut rectangulaire au forage 1 si pos sible Forage 3 Vertical vers le haut Diam tre de forage des carottages 96 103 mm Le forage doit tre for avec une couronne de fleuret diamant En mes
6. 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 Fy Chapitre 13 2 GIIII Mesures de contraintes primaires ds l 5 r P No 3 d apr s la m thode de compensation Dji Num ro des Pages 4 A condition que des capteurs de d placement soient install s dans les v rins ou que le volume du liquide hydraulique inject pour gonfler le v rin puisse tre mesur une pr cision de 1 cm les tests de compensation peuvent tre utilis s aussi pour d termi ner le module de d formation de la roche Mais pour se conformer aux recommanda tions no 7 du groupe de travail 19 technologie d essais de la roche de la Deutsche Gesellschaft f r Erd und Grundbau e V 1984 et Suggested Method for Deformability Determination using a Large Flat Jack Technique de ISRM 1986 il est normalement n cessaire en ce cas d utiliser des grandes entailles avec des v rins d env 1000 x 1000 mm LFJ D apr s la th orie lasticit pour un espace semi infini homo g ne isotrope sujet une charge uniform ment r partie l quation suivante est vala ble E q1 v2 ap v Constante de Poisson K Coefficient de forme avec la dimension d une longueur p Pression d huile dans le v rin s D placement A cause de cela il est possible de d terminer le module de d formation de la roche si le coefficient K est connu Fig 2 montre les valeurs K pour des v rins d une largeur de 1000 mm et d une longueur total
7. A 90 1 2 3 4 5 135 6 B 180 0 7 Co 830 8 Co 60 0 90 9 Cas 60 0 45 Fig 3 Disposition des rosettes de d formation dans la cellule HI Pour injecter la cellule HI dans le forage on la remplit avec une colle deux compo sants qui est press e hors des trous l aide d un coulisseau cylindrique pour remplir compl tement la cavit entre la cellule et le flanc du forage L paisseur du remplissage est normalement de 1 5 mm mais le mieux est de la mesurer en ouvrant la section sur carott e par sciage parce que cette valeur intervient par la calculation du tenseur de contraintes Le coulisseau peut tre op r soit par d placement de la cellule vers le fond du trou soit par un d clencheur c ble Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 titit PARP Chapitre 13 1 GLI Mesures de contraintes primaires ds E z P No 4 avec la cellule triaxiale age o Num ro des Pages 7 L utilisation de cette m thode de mesure est limit e une profondeur de forage de 150 m Il est vrai qu en principe des profondeurs plus grandes sont possibles mais nous les d conseillons cause de la grande difficult propos de l installation et les limites donn es la transmission des valeurs mesur es En utilisant un ordinateur de forage fix directement au dessus de la cell
8. de pression de diff rentes tailles sont disponibles pour s adapter aux r sistances de la roche variables Un transducteur d velopp de ROBERTS et al se fonde sur la photo lasticit II se com pose d un cylindre en verre qui est illumin par une petite ampoule qui luit par un pola ro d et une plaque de 1 4 Si le transducteur est coll dans le forage les changements de contraintes dans la roche sont transf r s lui Si on observe le cylindre en verre par un deuxi me polaro d on voit une image isochromatique dont on peut d river l tat de contrainte dans le verre et par cons quent celui dans la roche environnante La stabilit de longue dur e est tr s bonne en raison des propri t s du verre En com binaison de sondes optiques ou de cam ras de forage le transducteur peut aussi tre utilis dans des forages plus profonds Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 G I F Chapitre 13 i x i P No 5 Mesures de contraintes primaires Dji Num ro des Pages 5 Parfois l installation des transducteurs de ce genre s est cependant trouv e tre criti que car des images isochromatiques exactes sont seulement garanties quand le col lage est constant et sans contraintes Jusqu pr sent on utilise seulement une m thode pour mesurer les contraintes abso lues dans des forages d
9. mesurer les chan gements de contraintes et moins convenables pour d terminer les valeurs absolues Cette m thode utilise des transducteurs avec un coefficient d lasticit beaucoup plus haut que celui de la roche au point de mesure La proc dure se fonde sur les relations th oriques suivantes Si un transducteur d un coefficient d lasticit Eu est install par adh rence dans une structure de roche charg e lastiquement d un coefficient d lasticit Es lt Em la contrainte dans le transducteur se distinguera de celle ci dans la roche environnante il y aura des concentrations de contraintes dans le transducteur Si la relation entre les coefficients Eu Ec est connue on peut corriger les contraintes mesur es dans le trans ducteur Car il est difficile d installer le transducteur par adh rence tr s pais la roche dans la plupart des cas on mesure seulement les changements de contraintes avec ces trans ducteurs Si un tel transducteur est utilis dans des roches visqueuses ou plastique ment charg es il y a aussi la chance de mesurer les contraintes primaires Dans ce cas on peut s attendre que le transducteur va cro tre dans la roche par fluage de la roche i e que les contraintes dans la roche se constituent peu peu dans le transducteur aussi En raison du fluage de la roche on peut aussi s attendre un tat de contrainte hydrostatique marqu Aujourd hui on conna t beaucoup de m thodes et d instrume
10. Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 y F PARP Chapitre 13 1 GIIII Mesures de contraintes primaires ds E i P No 5 avec la cellule triaxiale age o Num ro des Pages 7 Des applications sous marines de la cellule triaxiale sont possible car l injection plasti que utilis e peut aussi durcir en pr sence de l eau Pour recevoir des r sultats satisfai sants l espacement des joints au point de mesure doit tre plus grand que 250 mm et la cellule de mesure doit tre dans un bloc l mentaire plus grand Les param tres lastiques de la roche doivent tre connus pour calculer l tat des contraintes primaires Ceux ci sont convenablement d termin s directement la sec tion surcarott e par un test biaxe La section surcarott e avec la cellule triaxiale coll e dans la chambre biaxe est radialement charg e et les d formations qui s y produisent sont mesur es A l aide d une pompe hydraulique la pression est mise sur la carotte envelopp e de n opr ne Le protocole des d formations mesur es se fait aux tapes de 0 25 0 5 MPa Dans les valeurs de mesure on peut conclure la qualit du collage de la cellule triaxiale Les param tres d entr e suivants doivent tre connus pour calculer le tenseur de contraintes complet dans les r sultats de mesure de la cellule CSIRO Magnitudes de d formation de la cellule par suite
11. ammes de temp rature de la roche de 4 10 C 10 18 C 18 25 C 25 32 C 32 45 C 45 60 C indiquez s v p Dispositif de placement et de centrage pour forages de test d un diam tre de 146 mm et de forages pilotes d un diam tre de 39 mm version horizontale ou verticale Tige de placement en aluminium avec des dispositifs d accouplement rigides la torsion en acier inoxydable longueur 2 m Ordinateur de forage pour enregistrer les d for mations pendant le surcarottage wireless version avec sonde de boussole et inclinom tre pour d terminer la direction d installation de la cellule triaxiale Chambre biaxe pour d terminer les valeurs caract ristiques des mati res la section surcarott e avec pompe manuelle et manom tre de pr cision pour un diam tre de la carotte de 101 2 mm autres diam tres sur demande Manuel d installation CSIRO Programme d valuation STRESS 91 Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 y F PARP Chapitre 13 2 GLI Mesures de contraintes primaires ds z r P No 1 d apr s la m thode de compensation nn Num ro des Pages 4 Cette m thode est fond e sur une d charge artificielle de la roche avec une entaille r alis e la scie diamant en mesurant en m me temps la d formation s y
12. d charge sont sci es parall le l axe de forage Fig 1 Les entailles sont d une largeur d env 1 mm et d une profondeur jusqu 20 mm Fig 1 Sonde d entaille de forage borehole slotter la t te du forage A proximit directe de l entaille un capteur d allongement de contact sp cialement d velopp est press contre le flanc du forage avec une force sp cifi e pendant l entail lage Fig 2 Sa fonction est de mesurer l allongement tangentiel du flanc du forage pendant l entaillage Dans le sch ma de la Fig 3 il y a une d charge de la contrainte locale compl te le long de l entaille dans le flanc du forage suivie d un allongement pro portionellement tangentiel Normalement les forages sont d abord examin s avec une cam ra pour liminer des sections de forage inadapt es Date 14 05 2009 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 G I F Mesures de Contraintes Primaires avec Sonde d Entaille de Forage Borehole Slotter Au point de mesure s lectionn des entailles sont sci es l une apr s l autre aux diff rentes directions Au moins trois entailles plac es alternativement 120 permettent la d termination de l tat de contrainte deux dimensions Mais normalement pour une mesure de contrainte trois essais d entaille additionnels sont encore ex cut s dans un endroit de forage 10 cm plus bas ou pl
13. de la d charge de la roche Orientation trois dimensions de la cellule Propri t s lastiques de la roche Les jauges de d formation de la cellule CSIRO sont s par es de la paroi du forage EX par un interstice d env 1 5 mm rempli d araldite Par cons quent les d formations me sur es en direction annulaire et en directions 45 et 135 se distinguent des valeurs actuelles A cause de cela WOROTNICKI et WALTON 1976 ont d termin quatre coeffi cients de correction qui peut tre utilis s pour calculer les d formations qui se produi sent la paroi du forage dans les valeurs mesur es Ces coefficients de correction sont consid r s dans le programme d valuation Des formules convenables calculer l tat de contrainte en raison des d formations de la paroi du forage mesur es par suite de surcarottage ont t publi es par LEEMANN 1971 En g n ral six mesures de d forma tion mutuellement ind pendantes sont n cessaires pour d terminer le tenseur de contraintes complet La cellule CSIRO toutefois donne neuf valeurs de d formation en huit diff rentes directions Avec cette redondance des valeurs mesur es il est possible de s lectionner les r sultats l aide d une calculation de r gression d apr s le principe des carr s les plus petits Dans le premier pas la valeur de d formation en saillie du profil total est d termin e et limin e Un autre pas d it ration peut tre fait avec les huit
14. duire une lecture l action de fonctionnement de la cellule est ainsi tr s dure Le stressm tre d apr s POTTS se compose de deux pi ces de noyau form es identi quement oblongues d acier r sistance lev e l une plac e sur l autre qu un corps de rotation conique se forme Des rainures peu profondes sont frais es dans les surfaces de contact produisant un interstice troit entre les deux moiti s qui est rempli d une mulsion d huile d eau Cette pi ce de noyau est press e dans un manchon fissur d une forme conique dans l int rieur aussi Les deux segments de manchon sont car t s et serr s contre le flanc du forage avec pr contrainte d finie Une t te de mesure viss e sur une extr mit de la pi ce de noyau transforme la pression dans l interstice de noyau un signal lectrique par une membrane quip e de jauges de d formation La pi ce centrale conique est serr e dans le manchon l aide d une petite presse hy draulique construite sp cialement pour ce but Ainsi le transducteur peut tre install dans le forage avec une pr contrainte d finie et on peut enregistrer des contraintes aussi bien augmentantes que diminuantes Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 G F Chapitre 13 i i P No 4 Mesures de contraintes primaires Dji Num ro des Pages 5
15. e de 1250 mm Nous voulons attirer votre attention sur les publications de LOUREIRO PINTO 1981 mentionnant d autres possibilit s pour cal culer des valeurs K Configuration des v rins plats Position K cm Position K cem ps AB A B 131 CD C D 136 RMC A BJEF A F 150 C Il 160 C DIGI B E 191 D G 215 T SE A L 155 D M 231 A BJE F J L B J 202 EF 216 CDIGIIMN C N 167 6 1 249 DR D D A P 157 EL 223 kpe 1 alz C DIGTIMNIQR DQ 237 LM 267 Fig 2 Valeurs K pour diff rentes combinaisons de v rins plats de DGEG 1984 Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 titit PARP Chapitre 13 2 GLI Mesures de contraintes primaires ds z r P No 4 d apr s la m thode de compensation Dji Num ro des Pages 4 25 37 5 37 5 125 50 100 cm 1 Entr e d huile 2 Raccords pour jauges de d formation 3 Deformetres Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 y F PARP Chapitre 13 3 GLI Mesures de contraintes primaires ds r F r P No 1 d apr s la m thode d inclusion dure nn Num ro des Pages 2 Avec la m thode d inclusion dure des capteurs de contraintes en g n ral haute r
16. e pas la connaissance des caract ristiques de d formation de la ro che les grandes dimensions de test minimalisent l importance des manques d homog n it de la roche Mais cette m thode ne fonctionne pas si elle est confront e avec des contraintes ce qui se produit tr s rarement en pratique Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 titit PARP Chapitre 13 2 GLI Mesures de contraintes primaires Gi z r P No 2 d apr s la m thode de compensation Dji Num ro des Pages 4 A a Ug M B UE Uk Fig 1 M thode de compensation A projection B coupe transversale UE d formations de d charge Uk compensation de les d formations de d charge PK pression de compensation L valuation des r sultats de test obtenus par la m thode de compensation se fonde sur l quation suivante o p K k p Pression d huile dans le v rin compensation compl te K Constante de forme du v rin utilis K Rapport entre surface du v rin et surface de coupe Les contraintes d termin es avec cette quation correspondent aux contraintes tan gentielles une distance de 5 cm du bord ext rieur de la surface rocheuse Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983
17. ec la cellule triaxiale suivent une proc dure similaire Des jauges de d formation ou des palpeurs de mesure m caniques sont utili s s pour mesurer la d formation du flanc du forage quand il est surcarott Aujourd hui cette m thode est utilis e jusqu une profondeur de 150 m Les m thodes de d charge sont id ales pour d terminer la valeur absolue des contraintes mais elles sont moins convenables pour observer les changements des contraintes de la roche Contrairement aux m thodes de d charge les m thodes de compensation ne deman dent pas la connaissance des constantes lastiques de la roche au point de mesure Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 G I F Chapitre 13 i i P No 2 Mesures de contraintes primaires Dji Num ro des Pages 5 Avec la m thode de compensation les d formations qui se produisent pendant une d charge artificielle de la roche sont annul es par une pression de compensation qui est appliqu e laide d un dispositif de charge ad quat Les contraintes n cessaires correspondent usuellement aux contraintes originales Cette m thode est surtout utili s e dans des cavit s souterraines o la d charge est normalement induite par une en taille r alis e la scie diamant Les m thodes d apr s la th orie d inclusion dure sont id ales pour
18. enir la solution du carr le plus petit L op rateur peut aussi extraire des valeurs mesur es individuelles si elles semblent tre inutilisables pour n importe quelle raison Le programme a besoin des donn es d entr e suivantes Informations g n rales pour identifier le test Orientation du forage Coefficient d lasticit et constante de Poisson de la roche Valeurs de d formation et position spatiale des jauges de d formation La sortie du programme voir exemple d valuation suivant se compose de trois directions principales et magnitudes de contrainte de trois composants orthogonaux et trois composants de cisaillement rela tifs au syst me de r f rence de valeurs caract ristiques statistiques pour valuer la fiabilit des r sultats de mesure Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 GII Mesures de contraintes primaires avec la cellule triaxiale Chapitre 13 1 Page No 7 Num ro des Pages 7 Informations Commerciales 13 1 1 13 1 2 13 1 3 13 1 4 13 1 5 13 1 6 13 1 7 13 1 8 Cellule triaxiale CSIRO HI mod le modifi syst me GIF avec 9 points de mesure et thermistance int gr e pour mesurer la temp rature Epoxy r sine pour sceller la cellule triaxiale CSIRO HI quantit adapt e une cellule pour g
19. ge de mesure avec une couronne de carottage Pendant ce processus il faut faire attention que le noyau creux surcarott soit prot g de d s int gration mesurable et d sagr gation de la structure de la roche et par cons quent de changements du volume in lastiques Forer le trou de grand 4 diam tre Surcarotter la Forer le trou cellule de mesure Placer la Carotte d charg e cellule Fig 1 Principe de la m thode de d charge de surcarottage Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 GI F Mesures de contraintes primaires Chapitre 13 1 i P No avec la cellule triaxiale age o Num ro des Pages 7 Depuis 1972 on a d velopp des cellules de mesure dans plusieurs laboratoires de re cherches pour mesurer l tat de contrainte trois dimensions dans la roche d apr s la m thode de d charge de surcarottage Une de ces cellules la Hollow Inclusion Stress Cell du Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation CSIRO est incluse dans notre gamme de produits Cette cellule triaxiale brevet australien no 496712 est produite sous licence de l entreprise Environmental Systems amp Servi ces Pty Ltde Victoria Australia et utilis e en Allemagne par nous La cellule HI se compose d un tube plastique avec neuf jauges de d formation
20. igi dit sont plac s dans un forage pour enregistrer des changements de contraintes Cette m thode utilise des transducteurs avec un coefficient d lasticit plus haut que celui de la roche au point de mesure La proc dure se fonde sur les relations th oriques sui vantes Si un transducteur d un coefficient d lasticit Eu est install par adh rence dans une structure de roche charg e lastiquement d un coefficient d lasticit Ec lt Eu la contrainte dans le transducteur se distinguera de celle ci dans la roche environnante il y aura des concentrations de contraintes dans le transducteur Si la relation entre les coefficients EwEc est connue on peut corriger les contraintes mesur es dans le trans ducteur Il est possible de distinguer entre plusieurs m thodes selon leur principe de conversion de valeurs mesur es ou de transmission de valeurs mesur es Principe de mesure hydraulique Principe de mesure lectrique Principe de mesure m canique Principe de mesure optique Des v rins plats d une rigidit standard ont particuli rement fait leurs preuves comme capteurs de contraintes Les transducteurs de pression fig 1 sont install s nettement orient s dans les forages de mesure Les composants de contraintes sont mesur s en direction orthogonale aux v rins Pour produire la connexion par adh rence entre les v rins et la roche les forages sont remplis d un mortier convenant aux caract ris
21. ionnels aux carottes prises du forage pneumatic fixation jack disc saw diamond blade with strain sensor strain gage joint turbine slot in the E strain sensors jack borehole wall cable and supply pipes ININ Ea hydraulic and pneumatic control unit for pressure probe fixation vessel Data logger strain sensor Saw Fig 3 Sch ma d un quipement d entaillage Borehole Slotter Date 14 05 2009 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 s F Mesures de Contraintes Primaires ee avec Sonde d Entaille de Forage Page NE Borehole Slotter Num ro des Pages 5 La pr cision de la mesure de contraintes primaires avec la sonde d entaille d pend du coefficient de roche et de la sensibilit du capteur d allongement Pour une roche d un coefficient d lasticit de 40 GPa la pr cision est env 0 5 Mpa la r solution du capteur est env 1 microstrain BOREHOLE DEPTH BOREHOLE DEPTH 89 M 90M gt z G z gt n D 150 z n D z gt 270 1 2 48 2 ES TIME MIN TIME MIN Fig 4 Diagramme temps allongement de 6 tests d entaille ensemble r sultant dans une seule mesure de contraintes deux dimensions redondante Pour d terminer l tat de contrainte trois dimensions dans la roche la proc dure doit tre ex cut e dans trois forages aux azimuts et aux angles d incidence diff
22. nts de mesure se fondant sur la th orie d inclusion dure mais beaucoup de ces m thodes ne se distinguent gu re On peut les classer dans des groupes diff rents caract ristiques qui se distin guent d apr s le principe de conversion de valeurs mesur es ou de transmission de valeurs mesur es Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 G I F Chapitre 13 i x i P No 3 Mesures de contraintes primaires Dji Num ro des Pages 5 Principe de mesure hydraulique v rin plat cellule de pression Principe de mesure lectrique jauges de d formation capteurs inductifs Principe de mesure m canique corde vibrante montre compteurs Principe de mesure optique mati res photo lastiques Avec les cellules de pression hydrauliques GL TZL la pression dans le v rin agit sur une membrane et la serre contre une plaque avec deux trous ainsi la membrane les ferme Une contre pression appliqu e par l un des trous est augment e jusqu ce que la membrane se l ve de la plaque En ce cas les deux trous sont en contact lun avec l autre Le levage de la membrane est accompagn d un coulement du milieu de pres sion au deuxi me trou La contre pression n cessaire pour cela correspond la pres sion dans la cellule Des mouvements l gers de la membrane sont suffisants pour pro
23. produisant Cette d formation est annul e par une pression de compensation qui est charg e avec des installations convenables Usuellement les contraintes n cessaires pour ce proces sus correspondent aux contraintes originales Contrairement aux m thodes fond es sur une d charge cette m thode ne demande pas la connaissance des constantes lasti ques de la roche au point de mesure La m thode de compensation a t utilis e la premi re fois par MAYER et al 1951 et simplifi e et am lior e plus tard par ROCHA et al 1966 Son principe et les op rations sont illustr es dans la fig 1 Comme premi re op ration des boulons de mesure sont scell s la surface du composant dans un arrangement convenable aux deux cot s de l entaille projet e Les distances entre les boulons sont enregistr es par des capteurs lectriques de d placement ou par des extensom tres pr cision de lecture 1 um Comme suite la lecture initiale une entaille usuellement 400 mm de large et 5 mm de haut est sci e avec une scie diamant Un v rin plat en forme de demi lune est plac exactement dans l entaille et reli avec une pompe hydraulique pourvue d un manom tre de haute pr cision de la cat gorie 1 0 Finalement le v rin plat est charg jusqu ce que les d formations de d charge soient compens es La m thode poss de beaucoup d avantages elle ne pr sume pas de roche d une lasticit lin aire elle ne demand
24. s et de l orientation de la crevasse indi qu e par des impressions dans le caoutchouc on peut d river la taille et la direction des contraintes principales On a prouv que cette m thode peut aussi tre utilis e dans des roches non lastiques et fissur es BAUMG RTNER et RUMMEL 1989 et que le forage ne doit pas tre parall le une des directions de contrainte principale Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 titit PARP Chapitre 13 1 GLI Mesures de contraintes primaires ds E z P No 1 avec la cellule triaxiale age o Num ro des Pages 7 Si un forage est fait dans une structure de la roche non charg e et si on la charge en suite le forage va changer sa forme Initialement orbiculaire il va devenir plus petit et en outre il va prendre une section elliptique sous l influence de diff rentes pressions lat rales Le changement du diam tre est une fonction entre autres des contraintes du coeffi cient lasticit et de la constante de Poisson La m me chose s applique l inverse Si un forage est fait dans une structure de la roche charg e et si on la d charge en suite la section du forage va changer sa forme aussi mais en direction renvers e Un d chargement complet des environs d un forage peut tre simplement atteint par un surcarottage coaxiale du fora
25. s ins r es voir fig 2 Elle est ins r e dans un forage EX d 39 mm 600 700 mm env dans une injection plastique Apr s le durcissement de l injection la cellule est surca rott e avec une couronne de surcarottage d 146 mm Les changements du diam tre de forage sont mesur s continuellement avant pendant et apr s l op ration de forage 1 Pointe de centrage 1 2 Coulisseau 3 Garnitur en caoutchouc 4 D bouch d injection Piston Ecarteur 7 Jauge de d formation Tube plastique 9 Garniture en Sn Si caoutchouc Fig 2 Cellule triaxiale HI pour mesurer les contraintes primaires d apr s la m thode de d charge de surcarottage Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 GII F Mesures de contraintes primaires Chapitre 13 1 i P No avec la cellule triaxiale age o Num ro des Pages Dans la cellule HI les trois rosettes de d formation 45 90 sont plac es exactement 120 l une lautre ainsi que trois jauges se trouvent en direction annulaire deux en direction axiale et quatre 45 de laxe de forage voir fig 3 Chaque jauge a une longueur de 10 mm pour tre relativement grande compar e la granulation de la ro che La disposition et la taille garantissent une mesure r aliste du tenseur de contrain tes complet
26. tiques de la roche Une pr contrainte par injection haute pression d poxy r sines peut avoir lieu une fois le mortier durci Cette m thode convient aussi mesurer les changements de contraintes relativement petits Dans des zones de la roche visqueuses ou plastiquement charg es on peut s attendre ce que le transducteur va cro tre dans la roche par fluage de la roche c est dire que les contraintes dans la roche se constituent aussi peu peu dans le transducteur Dans ces conditions de roche et avec le mortier de remplissage bien Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben 9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 x PARP Chapitre 13 3 GIIIE Mesures de contraintes primaires re r F r P No 2 d apr s la m thode d inclusion dure Dji Num ro des Pages 2 choisi il est aussi possible de d terminer les magnitudes actuelles des composants de contraintes orthogonales additionnellement aux changements de contraintes Le capteur standard de contraintes de la roche se compose de Trois v rins plats d acier orient s directionnellement avec trois cellules type BB 10 20 KF 50 chacune tourn e de 120 Capacit de charge 0 50 bars si n ces saire aussi plus haute Conduite d injection autour des v rins et raccordement carr de tiges C bles de raccordement pour la mesure des cellules et conduites d injection pour
27. ule on a r ussi ces derniers temps r soudre le probl me de transmission mais la dur e de fluidit de la colle plastique est toujours une limite pour la profondeur d installation En outre une mesure continue des d formations pendant le surcarottage est facilement possible l aide de l ordinateur de forage Jusqu pr sent des mesures continues taient seule ment possibles par c ble et en utilisant un foret canon avec tube carottier simple La profondeur tait limit e env 30 m et l entrepreneur de forage a eu beaucoup de tra vaux suppl mentaires Par cons quent dans la plupart des cas on n a fait qu une me sure de d charge apr s avoir enlev la carotte L ordinateur de forage permet des me sures continues pendant le surcarottage jusqu une profondeur maximale de 150 m o on peut travailler avec un tube carottier double et des quipements de forage standards modernes sans emp cher les travaux de forage Fig 4 montre un exemple de mesure de la d formation en fonction du progr s de forage D formation rel um m Temp de la cellule C Val de r f val de start 400 500 800 Pos de la jauge de d f 1100 9 0 Progr s de forage m C45 a C90 C0 B90 B135 m B45 A45 4 A90 AO Temp Fig 4 Signaux pendant le surcarottage Date 23 07 2004 Geotechnisches Ingenieurb ro
28. une profondeur sup rieure 200 m la m thode de la g n ra tion de fissures dans les roches connue sous le nom Hydraulic Fracturing De ce fait elle tait d j utilis e jusqu des profondeurs de 4000 m et plus Sous r serve que certaines conditions secondaires soient remplies la d termination compl te du tenseur de contrainte est possible L utilisation de la technique Hydraulic Fracturing se fonde sur la th orie classique que la roche au point de mesure est lastique isotrope et pas fissur e et qu une des trois contraintes principales est approximativement verticale Un forage est creus dans cette direction jusqu la profondeur d sir e et ensuite la zone de mesure est tanch i fi e par un manchon en caoutchouc gonflable sa limite haute et un manchon sa li mite basse Maintenant un liquide eau huile est pomp dans cette section du forage isol e et sa pression est augment e peu peu jusqu ce qu une perte de liquide soudaine et une chute de pression se produisent attribu es une crevasse de tension dans la paroi du forage Apr s avoir fini de pomper la crevasse cesse de s tendre apr s un certain temps et un niveau de pression se r gle juste pour maintenir la crevasse Apr s un d chargement de pression complet de la section de test la pression n ces saire pour ouvrir la crevasse auparavant produite dans la paroi du forage est d termi n e dans un deuxi me essai De ces pression
29. urant en bas d un tunnel ou d une galerie les mesures doivent seulement tre ex cut es partir d une profondeur de 1 5 2 fois du diam tre de la cavit Le forage doit tre toujours au minimum 1m plus profond que la plus grande profondeur de mesure d sir e Le plan de travail devant le forage doit tre au moins 2 x 2 m cause des tiges de pouss e Dimensions Sonde d entaille Borehole Slotter L 1300 mm dia 90 mm Tiges de pouss e LxIxH 1500x20x20 mm Dispositif de commande hydraulique pneumatique LxIxH 660x390x650 Poids Sonde d entaille Borehole Slotter 13 5 kg Tiges de pouss e 1 0 kg coup Dispositif de commande hydraulique pneumatique 28 0 kg Date 14 05 2009 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97
30. us haut Fig 4 pour v rifier les r sultats par di mensionnement redondant Fig 2 Capteur d allongement c t de la lame de scie diamant La redondance r sultante des donn es de mesure permet une quantification de la qua lit des donn es p ex sous forme d un coefficient de corr lation Cette possibilit du contr le interne des donn es de mesure s est produit comme extr mement avanta geuse en ex cutant et interpr tant les essais d entaille de forage Si p ex la consis tance interne des r sultats de mesure se pr sente insuffisamment basse pendart l ex cution de l essai on peut directement scier des entailles additionnelles jusqu ce qu une tendance suffisamment constante se produit Date 14 05 2009 Geotechnisches Ingenieurb ro Prof Fecker amp Partner GmbH Am Reutgraben9 T l 7243 5983 7 D 76275 Ettlingen Fax 7243 5983 97 GILF Mesures de Contraintes Primaires R Page No avec Sonde d Entaille de Forage Num ro des Pages 5 Borehole Slotter Pour l valuation la zone d essai est suppos e comme lin aire lastique homog ne et isotrope A l aide du mod le de disque perfor l tat de contrainte primaire est recalcul avec les quations de KIRSCH de la d charge de l tat de contrainte secondaire pendant l entaillage dans le forage Comme valeurs d entr e le coefficient d lasticit et la cons tante de Poisson doivent tre d termin s par des tests de pression unidimens
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