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Détermination des propriétés de résistance d'un grès naturel
0 Elsevier, Paris PropriMs de rbsistance
d’un grbs nature1
DIhYERMINATION
Ann. Chim. Sci. Mat, 2000,25,
pp. 225-230
DES PROPRIhTtiS DE RtiSISTANCE D’UN GR&S NATUREL
K TALHF’, E.R. HANNACHIa, E. HADJAJ-AOULa, S. CHABOURb a
Institut b Institut
des Mines, Uuiversit6 d’ Annaba. BP 12. El-Hac-ijar, Algkie. de M6tallurgie et Ghie des Mathiaux, UniversitB d’ Armaba, BP12, El-Hadjar,
Alghie.
Abstact - Strength Properties of a Natural Sandstone. Using a servo - controlled testing machine, stress - strain curves were obtained for specimens of sandstone taken from site investigation. The uniaxial compressive strength, Young’s modulus, Poisson’s ratio and the britlleness index were measured in order to evaluate the influence of water absorption phenomena such as are likely to occur on site on the mechanical properties. R&urn6 - Les essais effect&s sur des eprouvettes de gks prkledes in-situ, avec une machine asservie, ont permis d’obtenir les courbes de contrainte - dkformation. De ces courbes la rksistance g la compression uniaxiale, le module de Young, le coefficient de Poisson, et l’indice de fiagiliti sont directement dCtermin6s. Les rksultats obtenus renseignent sur l’kvolution de ces propriCtCs mktniques lors des variations en absorption d’eau telles qu’on les rencontre dans la nature.
1. INTRODUCTION Pour une bonne makise des probkmes de stabilitt5, la connaissance du comportement mknique du terrain est dkterminante [ 11; dans ce sens la rksistance B la compression uniaxiale est largement utiliske. Dans cette Etude relative B du grks, en utilisant une machine d’essai servo - contrWe, la variation de cette rkistance a &:tBCtudiCe en btablissant des CorrClations avec d’autres types de propriCtCs. La rupture de l’kprouvette Ctant contrWe, une fois que la charge maximale est atteinte, la fragilite de ce mat&au a pu &e &dike a park de la relation contrainte-dhformation.
2. MODE OPERATOIRE Les Cprouvettes de 38 mm de diametre, destinkes aux essais, ont et6 prkparkes selon un rapport hauteur / diam&re de 2,5 : 1, avec une precision de + 0,Ol mm. Elles ont 6t6 fa$onnCes & Tirks %part : K. TALHI, 52 Rue Bicha Youcef, Oued Forcha, 23000, Annaba, Algkie
K. Talhi et al.
226
partir d’echantillons intacts preleves in-situ. Trois cas ont etC examines : - dans le premier les eprouvettes Ctaient saturees par immersion dans l’eau dans un dessiccateur, sous vide avoisinant 68 KPa, - dans le deuxieme elles Ctaient immergees dans l’eau, - et dans le demier elles Ctaient soumises a un sechage a l’air. Dans chaque cas le poids de l’eprouvette avant ct apres sechage a Cti:releve.
3. DISPOSITTF EXPERIMENTAL Sur l’eprouvette d’essai des jaugcs de deformation (type N22-FA-5-120-H) ont i-t& collces, deux sont orientees lateralement et deux disposccs axialement. PlacCcsainsi, deux a deux, au milieu de l’eprouvette, elles sont ensuite connect&es a un dispositif de mesure (pont de Wheastonc). Ainsi au tours de l’essai, toute deformation provoque une variation de tension. Les essais de compression ont ete realiscs sur uric machine programmable h rcponse rapide et boucle - fennec [2], assurant a chaque instant une vitesse de deplacement constante; ceci permet tout en maintenant la charge maximalc de controler la rupture. Lafigwe I prcsentc le principe du servo - controle. Le signal “Y correspondant a tout deplacemcnt axial des extremites de l’eprouvette, ct reprcsentant la variable expkimentale, est
Pressure adjustment via servo valve
Error signal (ei e=k(f-p)
r
Feedback
X - Y Recorder
Comparison of feedback signal
Programmel
Figure 1. Dispositif du systeme de controle 1 boucle fermee [2].
Pmpti6t6s
de r&sistance
227
d’un gr&3 nature1
continuellement compare avec un signal “p” de r&f&ewe. Tout Ccart “e” important entre la variable d’essai et la variable referentielle met en action le servo - valve pour un ajustement dans les ‘limites programmees [3,4].
4. FWWLTATS La vitesse de deplacement Cgale a 2.10m3mm/s correspond 5 un taux de deplacement axial relatif de 3.10” .s-‘. La variable ind6pendante est le deplacement et la variable dependante est la force. A chaque essaiest obtenu une courbe de charge - deplacement @g-we 2). La valeur de la compression uniaxiale (Co) correspond a l’ordonnee du sommet de la courbe. L’indice de fiagilite B est d&ermint a partir des aires sous-tendues par la courbe , en utilisant I’expression [2] : B=AE/(AE+AP)
(1)
avec : An - Aire sous Lacourbe avant le pit, AP - Aire sous la courbe apres le pit.
Ddfomlation
,%
Figure 2. Courbe contrainte-dkformation obtenue au cows d’un essai.
K. Talhi et al.
228
Lafigure 3 presente l’evolution de la deformation verticale (courbe 1) et de la deformation horizontale (cow-be 2) enregistrees dans le m&e temps que l’evolution de la charge et du -dkplacement . De la cow-be notee 1 on peut estimer le module de Young, et de celle notee 2 le coefficient de Poisson.
IXfomation,
Figure
%
3. Evolution des courbes au tours d’un essai. 1. Deformation verticale 2. Deformation horizontale.
Le tableau 1 presente les resultats obtenus pour les Cprouvettes saturees, sechees a l’air, et immergees dans l’eau. Tableau
I. PropriCtCsde resistance du g&s. PropriCtGs
Nombre d’essais
Resistancea la Compression Uniaxiale (Co ) , MPa Module deYouna ( E ),CPa Rapport de Poisson (v ) Indice de fragilite
30 30 30 15
15 15
(RI
15
Absorption en o/o
20 20 1.5 30
Masse volumique dcrn L’effet de l’absorption respectivement sur lesjigures
1
Conditions
S&h&es InunergCesdam I’eau Saturkes SBchCes Sechees Stchkes Saturees Conditions de labo. Imrnergtes Saturkes Stchtes
Moyenne
36,s 30,o 29,7
164 0,25
0,65 0,68 0,02 4,57 6,90 2,19
1 Ecart-type 2,6 3,8 4 ,7 2,0 0,05 0,09 0,08 0,Ol 0,82 0,55 0.05
sur la resistance a la compression et la fiagilite est montrt 4 et 5.
PmprW,tc
de rbistance
d’un gri% nature1
0
2
8
6
Absor$ion ,%
Figure 4. Effet de I’absorption d’eau sur la r&istance $ la compression uniaxiale.
032 0,80 0,78 0,76 0,74 ~2 0,72 3, 0,70 2 0,68 .+zj 0,66 8 0,64 G 0,62 E 0,60 0,58 0,56 0,54
-
Ccieibxnl
de
corrtilntion r =-- 0.67 b 13
4,5
5,5
735
635 Absorption,
1
%
Figure 5. Effet de l’absorption d’eau sur l’indince de tiagilitk.
8.,5
230
K. Talhi et al.
5. DISCUSSION ET CONCLUSIONS Les valeurs moyennes de la resistance a la compression uniaxiale montrent que l’etat secht possede une resistance de 36,8 MPa (tableau I), allant jusqu’a 30 MPa pour les Cchantillons a l’etat immerge, et 29,7 MPa pour les Cprouvettes saturtes. Un tel comportement est different de celui observe pour la craie marneuse BtudiCepar Hudson et Morgan [2] oti, si l’etat s&he ol%e une resistance du m&me ox&e que celle du ges, cette propriete dans l’kat sature est reduite a 2 MPa. Comme l’indice de fragilite du gres est legerement inferieur a celui de la craie sus-cite (de l’ordre de 0,83 P 0,85) par consequent on ne peut pas deduire que le degre de saturation a une influence significative sur le comportement mecanique du gres examine. Les figures 4 et 5 montrent que malgrt? la dispersion des points due certainement a l’inhomogeneite de ces matcriaux, l’augmentation du taux d’absorption provoque la diminution de la resistance h la compression et de l’indice de fragilite. Pour ce demier, la pente de la droite est plus accude. Cependant la correlation entre ces parametres n’est pas bonne, en mecanique des materiaux rocheux la valeur du coefficient de correlation r0 0,6 sert d’indication [5]. Le module de Young ( E ) et le coefficient de Poisson (v) varient respectivement autour de 16,4 GPa et 0,25 pour le materiau &die dans l’ttat sec.
L’auteur tient Q remercier Messieurs les Professeurs G.M. Maxwell, B.G.D. Smart et les Docteurs D.O. Davies, J. Sommerville, de 1’Universiti de Strathclyde pour leurs suggestions.
6. REFERENCES [l] [2] [3] [4] [S]
R.K. Bhasim and E. Grinstad, The use of stress-strain relationships in the assessment of tunnel stability. Tunnelling and Underground Space Technology, 11 (1996) 93-98. J.A. Hudson, J.M. Morgan, Compressive failure of chalk, Department of the environment, TRRL Report LR68 1, Crowthome, (Transport and Road Research laboratory) (1975). J.A. Hudson, S.L. Crouch, C. Fairhurst, Soft, stiff and servo - controlled testing machines : a review with reference to rock failure of chalk. Eng Geol., 6 (1972) 155- 189. S. Okubu, K. Fukui, Y. Nishimatsu, Control performance of servo-controlled machines in compression and creep test. Int.J.Rock Mech. Sci & Geomech. Abstr, 30, (1993) 247-255. W.R. Judd, Strain distribution around underground openings. Technical Report N”6. Statistical relationships for certain rocks properties. USA, (Advanced Research Projects Agency, Departement of Defence) (197 1).
(Article recu le 10/05/99, sous forme definitive le 04/l l/99)
d’un grbs nature1
DIhYERMINATION
Ann. Chim. Sci. Mat, 2000,25,
pp. 225-230
DES PROPRIhTtiS DE RtiSISTANCE D’UN GR&S NATUREL
K TALHF’, E.R. HANNACHIa, E. HADJAJ-AOULa, S. CHABOURb a
Institut b Institut
des Mines, Uuiversit6 d’ Annaba. BP 12. El-Hac-ijar, Algkie. de M6tallurgie et Ghie des Mathiaux, UniversitB d’ Armaba, BP12, El-Hadjar,
Alghie.
Abstact - Strength Properties of a Natural Sandstone. Using a servo - controlled testing machine, stress - strain curves were obtained for specimens of sandstone taken from site investigation. The uniaxial compressive strength, Young’s modulus, Poisson’s ratio and the britlleness index were measured in order to evaluate the influence of water absorption phenomena such as are likely to occur on site on the mechanical properties. R&urn6 - Les essais effect&s sur des eprouvettes de gks prkledes in-situ, avec une machine asservie, ont permis d’obtenir les courbes de contrainte - dkformation. De ces courbes la rksistance g la compression uniaxiale, le module de Young, le coefficient de Poisson, et l’indice de fiagiliti sont directement dCtermin6s. Les rksultats obtenus renseignent sur l’kvolution de ces propriCtCs mktniques lors des variations en absorption d’eau telles qu’on les rencontre dans la nature.
1. INTRODUCTION Pour une bonne makise des probkmes de stabilitt5, la connaissance du comportement mknique du terrain est dkterminante [ 11; dans ce sens la rksistance B la compression uniaxiale est largement utiliske. Dans cette Etude relative B du grks, en utilisant une machine d’essai servo - contrWe, la variation de cette rkistance a &:tBCtudiCe en btablissant des CorrClations avec d’autres types de propriCtCs. La rupture de l’kprouvette Ctant contrWe, une fois que la charge maximale est atteinte, la fragilite de ce mat&au a pu &e &dike a park de la relation contrainte-dhformation.
2. MODE OPERATOIRE Les Cprouvettes de 38 mm de diametre, destinkes aux essais, ont et6 prkparkes selon un rapport hauteur / diam&re de 2,5 : 1, avec une precision de + 0,Ol mm. Elles ont 6t6 fa$onnCes & Tirks %part : K. TALHI, 52 Rue Bicha Youcef, Oued Forcha, 23000, Annaba, Algkie
K. Talhi et al.
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partir d’echantillons intacts preleves in-situ. Trois cas ont etC examines : - dans le premier les eprouvettes Ctaient saturees par immersion dans l’eau dans un dessiccateur, sous vide avoisinant 68 KPa, - dans le deuxieme elles Ctaient immergees dans l’eau, - et dans le demier elles Ctaient soumises a un sechage a l’air. Dans chaque cas le poids de l’eprouvette avant ct apres sechage a Cti:releve.
3. DISPOSITTF EXPERIMENTAL Sur l’eprouvette d’essai des jaugcs de deformation (type N22-FA-5-120-H) ont i-t& collces, deux sont orientees lateralement et deux disposccs axialement. PlacCcsainsi, deux a deux, au milieu de l’eprouvette, elles sont ensuite connect&es a un dispositif de mesure (pont de Wheastonc). Ainsi au tours de l’essai, toute deformation provoque une variation de tension. Les essais de compression ont ete realiscs sur uric machine programmable h rcponse rapide et boucle - fennec [2], assurant a chaque instant une vitesse de deplacement constante; ceci permet tout en maintenant la charge maximalc de controler la rupture. Lafigwe I prcsentc le principe du servo - controle. Le signal “Y correspondant a tout deplacemcnt axial des extremites de l’eprouvette, ct reprcsentant la variable expkimentale, est
Pressure adjustment via servo valve
Error signal (ei e=k(f-p)
r
Feedback
X - Y Recorder
Comparison of feedback signal
Programmel
Figure 1. Dispositif du systeme de controle 1 boucle fermee [2].
Pmpti6t6s
de r&sistance
227
d’un gr&3 nature1
continuellement compare avec un signal “p” de r&f&ewe. Tout Ccart “e” important entre la variable d’essai et la variable referentielle met en action le servo - valve pour un ajustement dans les ‘limites programmees [3,4].
4. FWWLTATS La vitesse de deplacement Cgale a 2.10m3mm/s correspond 5 un taux de deplacement axial relatif de 3.10” .s-‘. La variable ind6pendante est le deplacement et la variable dependante est la force. A chaque essaiest obtenu une courbe de charge - deplacement @g-we 2). La valeur de la compression uniaxiale (Co) correspond a l’ordonnee du sommet de la courbe. L’indice de fiagilite B est d&ermint a partir des aires sous-tendues par la courbe , en utilisant I’expression [2] : B=AE/(AE+AP)
(1)
avec : An - Aire sous Lacourbe avant le pit, AP - Aire sous la courbe apres le pit.
Ddfomlation
,%
Figure 2. Courbe contrainte-dkformation obtenue au cows d’un essai.
K. Talhi et al.
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Lafigure 3 presente l’evolution de la deformation verticale (courbe 1) et de la deformation horizontale (cow-be 2) enregistrees dans le m&e temps que l’evolution de la charge et du -dkplacement . De la cow-be notee 1 on peut estimer le module de Young, et de celle notee 2 le coefficient de Poisson.
IXfomation,
Figure
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3. Evolution des courbes au tours d’un essai. 1. Deformation verticale 2. Deformation horizontale.
Le tableau 1 presente les resultats obtenus pour les Cprouvettes saturees, sechees a l’air, et immergees dans l’eau. Tableau
I. PropriCtCsde resistance du g&s. PropriCtGs
Nombre d’essais
Resistancea la Compression Uniaxiale (Co ) , MPa Module deYouna ( E ),CPa Rapport de Poisson (v ) Indice de fragilite
30 30 30 15
15 15
(RI
15
Absorption en o/o
20 20 1.5 30
Masse volumique dcrn L’effet de l’absorption respectivement sur lesjigures
1
Conditions
S&h&es InunergCesdam I’eau Saturkes SBchCes Sechees Stchkes Saturees Conditions de labo. Imrnergtes Saturkes Stchtes
Moyenne
36,s 30,o 29,7
164 0,25
0,65 0,68 0,02 4,57 6,90 2,19
1 Ecart-type 2,6 3,8 4 ,7 2,0 0,05 0,09 0,08 0,Ol 0,82 0,55 0.05
sur la resistance a la compression et la fiagilite est montrt 4 et 5.
PmprW,tc
de rbistance
d’un gri% nature1
0
2
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6
Absor$ion ,%
Figure 4. Effet de I’absorption d’eau sur la r&istance $ la compression uniaxiale.
032 0,80 0,78 0,76 0,74 ~2 0,72 3, 0,70 2 0,68 .+zj 0,66 8 0,64 G 0,62 E 0,60 0,58 0,56 0,54
-
Ccieibxnl
de
corrtilntion r =-- 0.67 b 13
4,5
5,5
735
635 Absorption,
1
%
Figure 5. Effet de l’absorption d’eau sur l’indince de tiagilitk.
8.,5
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K. Talhi et al.
5. DISCUSSION ET CONCLUSIONS Les valeurs moyennes de la resistance a la compression uniaxiale montrent que l’etat secht possede une resistance de 36,8 MPa (tableau I), allant jusqu’a 30 MPa pour les Cchantillons a l’etat immerge, et 29,7 MPa pour les Cprouvettes saturtes. Un tel comportement est different de celui observe pour la craie marneuse BtudiCepar Hudson et Morgan [2] oti, si l’etat s&he ol%e une resistance du m&me ox&e que celle du ges, cette propriete dans l’kat sature est reduite a 2 MPa. Comme l’indice de fragilite du gres est legerement inferieur a celui de la craie sus-cite (de l’ordre de 0,83 P 0,85) par consequent on ne peut pas deduire que le degre de saturation a une influence significative sur le comportement mecanique du gres examine. Les figures 4 et 5 montrent que malgrt? la dispersion des points due certainement a l’inhomogeneite de ces matcriaux, l’augmentation du taux d’absorption provoque la diminution de la resistance h la compression et de l’indice de fragilite. Pour ce demier, la pente de la droite est plus accude. Cependant la correlation entre ces parametres n’est pas bonne, en mecanique des materiaux rocheux la valeur du coefficient de correlation r0 0,6 sert d’indication [5]. Le module de Young ( E ) et le coefficient de Poisson (v) varient respectivement autour de 16,4 GPa et 0,25 pour le materiau &die dans l’ttat sec.
L’auteur tient Q remercier Messieurs les Professeurs G.M. Maxwell, B.G.D. Smart et les Docteurs D.O. Davies, J. Sommerville, de 1’Universiti de Strathclyde pour leurs suggestions.
6. REFERENCES [l] [2] [3] [4] [S]
R.K. Bhasim and E. Grinstad, The use of stress-strain relationships in the assessment of tunnel stability. Tunnelling and Underground Space Technology, 11 (1996) 93-98. J.A. Hudson, J.M. Morgan, Compressive failure of chalk, Department of the environment, TRRL Report LR68 1, Crowthome, (Transport and Road Research laboratory) (1975). J.A. Hudson, S.L. Crouch, C. Fairhurst, Soft, stiff and servo - controlled testing machines : a review with reference to rock failure of chalk. Eng Geol., 6 (1972) 155- 189. S. Okubu, K. Fukui, Y. Nishimatsu, Control performance of servo-controlled machines in compression and creep test. Int.J.Rock Mech. Sci & Geomech. Abstr, 30, (1993) 247-255. W.R. Judd, Strain distribution around underground openings. Technical Report N”6. Statistical relationships for certain rocks properties. USA, (Advanced Research Projects Agency, Departement of Defence) (197 1).
(Article recu le 10/05/99, sous forme definitive le 04/l l/99)