Structure géométrique des massifs rocheux 

Les massifs rocheux, structures très complexes, sont formés d’une juxtaposition de matériaux hétérogènes. Ils sont assimilés à un assemblage de blocs appelés matrice rocheuse qui sont délimités par des discontinuités constituées de fissures, de fractures ou de failles ou encore de limites stratigraphiques .

Le comportement mécanique des massifs rocheux est un facteur essentiel dans le dimensionnement des ouvrages qui y sont exécutés. Afin de comprendre, expliquer et modéliser ce comportement, il est nécessaire de connaître la structure géométrique ou plus précisément le modèle de distribution géométrique des fractures, ainsi que les propriétés mécaniques de chacune des composantes que sont la matrice rocheuse et les discontinuités.

Aspect géologique 

Pour étudier le comportement mécanique ou hydraulique d’un massif rocheux, il est essentiel de connaître son degré de fracturation ainsi que la répartition des discontinuités dans l’espace. Des mesures in-situ permettent de définir les diverses familles de discontinuités et leurs paramètres de façon statistique.

L’ensemble des discontinuités dans un massif rocheux est le résultat de la superposition de différentes familles. Chaque famille peut avoir des lois de distribution et des caractères statistiques différents. Donc, pour ajuster les lois de distribution d’une famille, il faut distinguer cette famille dans l’ensemble des discontinuités. La méthode classique de classification est celle de la projection stéréographique.

L’objectif principal d’une étude géométrique des discontinuités est de déterminer :
• Si elles sont classables en familles (orientations voisines)
• Si elles structurent le massif rocheux en blocs (continuité et connectivité importantes).

Le premier classement des discontinuités observées sur le terrain consiste à les grouper en populations homogènes du point de vue structural ; il faut donc préciser la nature géologique et tectonique de tous les éléments structuraux relevés. Divers auteurs ont essayé de regrouper les structures géométriques des massifs rocheux dans des catégories bien définies.

Paramètres géométriques des discontinuités 

La modélisation de la distribution spatiale et de l’emplacement des familles de fractures dans un massif rocheux fracturé est fondée principalement sur la connaissance des paramètres géométriques des discontinuités. Chacun de ces derniers est associé à une variable aléatoire dont les lois de distribution sont déduites des données acquises sur le terrain. Dans ce qui suit nous définissons sommairement chacun de ces paramètres.

Orientation
Les orientations des discontinuités déterminent la forme de blocs individuels existant dans un massif rocheux et par suite elles sont responsables de leur anisotropie qui gouverne leur comportement hydraulique et mécanique. Une première hypothèse simplificatrice sur la géométrie des discontinuités consiste à supposer que ces surfaces sont des plans. La représentation d’un plan dans l’espace peut se faire de diverses manières à partir du vecteur pendage ou de la normale orientée . Le pendage est l’angle que fait la ligne de plus grande pente avec l’horizontale. La direction, ou azimut, est l’angle que fait l’horizontale du plan de la discontinuité avec le Nord magnétique.

La distribution de l’orientation et du pendage est souvent représentée par une loi hémisphérique, normale ou log-normale.

Extension
La taille des fractures conditionne, avec leur orientation et leur espacement, leur probabilité d’intersection. Par conséquent, elle joue un rôle essentiel dans la connectivité des blocs. Une fracture est souvent assimilée à une forme géométrique simple dont une dimension particulière définit son extension (exemple : diamètre d’un disque dans l’espace, longueur d’un segment dans un plan). Cette dimension n’est pas accessible directement ; il faut la déduire de la continuité des traces observées sur l’affleurement. Les diamètres peuvent suivre une loi exponentielle décroissante ou log-normale.

Espacement
C’est la distance moyenne qui sépare deux intersections successives d’une ligne droite, appelée également ligne d’échantillonnage, avec les traces de fractures d’un affleurement. Cette grandeur dépend de la ligne de levé et de l’extension des discontinuités. En effet, pour un nombre constant de traces sur une surface, les traces longues ont plus de chances d’être intersectées par la ligne de levé et paraissent plus rapprochées.

Densité
Cette grandeur est en relation directe avec l’espacement. Les modèles géométriques des discontinuités décrivent leur position dans l’espace en précisant la localisation d’un point représentatif, par exemple, le centre d’un disque ou d’un segment qui est souvent ajusté par une loi uniforme. Le nombre de centres considérés dans un volume ou sur une surface définit, respectivement, la densité volumique et la densité surfacique des fractures. Quant à la densité linéique, elle est définie comme étant l’inverse de l’espacement ou le nombre d’intersections entre les discontinuités et la ligne d’échantillonnage.

Ouverture
Ce paramètre affecte largement la perméabilité des discontinuités et par suite leur comportement hydraulique. Il est défini comme étant la distance entre les deux épontes d’une discontinuité mesurée perpendiculairement à son plan moyen et il suit généralement une loi exponentielle décroissante ou log-normale. La détermination de l’ouverture est limitée souvent aux relevés examinés directement sur un affleurement ou sur des carottes de sondages.