Etude du rôle des hétérogénéités structurales et de l'altération sur la déstabilisation des massifs rocheux par une approche couplée. Les résultats ont montré, en appliquant la méthode couplée de modélisation physique et numérique (en deux et trois dimensions) que les failles et fractures affectant un massif rocheux (et héritées de son histoire géologique) sont des structures qui renforcent la cinématique de déstabilisation gravitaire influencée, notamment par les paramètres spécifiques de ces structures (géométrie, persistance et densité).
Introduction_______________________________________________________________ 78 3.2 Article 1: Influence of major inherited faults zones on gravitational slope deformation: a
Article 3: Influence of structural heterogeneities and of large scale topography on
Synthèse des résultats ______________________________________________________ 176 .1 Influence des paramètres propres au(x) réseau(x) de fractures____________________________ 176
3D Physical Modeling of DeepSeated Landslides: new technique and first results ____________________________________________________________________________ 208
Cette section est partiellement basée sur les travaux de Froitzheim et al. 1997), présentant les principales structures géologiques selon Agliardi et al., (2009).
Figure 2-11: Schéma de la préparation d’un contre-moule avant de pouvoir réaliser des
Figure 3-6: Case 4, slope cut by 6 normal listric faults with an inflexion at shallow depth
Introduction
D'une manière générale, les mouvements les plus importants mobilisent l'ensemble du massif et sont généralement les mouvements les plus lents à des rythmes de l'ordre de quelques millimètres par an (Terzaghi, 1962 ; Cruden, 1976 ; Agliardi et al. Enfin, les mouvements les plus superficiels sont des éboulements ou des éboulements. qui sont des phénomènes généralement très rapides avec des vitesses de déplacement pouvant varier de mètres par heure à plusieurs centaines de mètres par seconde.
Les mouvements gravitaires en milieux rocheux
- Les Deep Seated Gravitational Slope Deformation (DSGSD)
- Les Deep Seated Landslides
- Les chutes de bloc et écroulements rocheux
- Bilan sur la rupture des versants
De manière générale, la forme d'un glissement de terrain résulte de la combinaison de ces deux cinématiques. Ce qui la distingue, c'est essentiellement la cinématique de la fracture (réalisée en trois phases successives comme indiqué I, II et III sur la figure 1-5) et la rapidité des mouvements.
Les méthodes d’investigation
- Les études de terrain
- Les études a posteriori : équilibre limite, cinématiques et simulations numériques d’écroulements
- Les études de modélisation mécanique tenant compte de la déformabilité des matériaux
- Les modèles numériques
- Les modèles physiques
La structure hétérogène du massif (présence de fractures et fissures, variabilité de la lithologie) n'est donc pas présente, ou bien elle est très difficile (via des éléments intermédiaires) à prendre en compte. Ce type de code permet de modéliser le comportement de la matrice rocheuse et les fractures.
Protocoles expérimentaux
Introduction
Dans un premier temps, il s’agit de modèles physiques présentant une topographie simple en deux dimensions. La deuxième partie s'attachera à présenter la méthode de réalisation de modèles numériques en deux et trois dimensions.
Modélisation physique .1 Généralités
- Failles et fractures
- Topographie
Cette abrasion reste cependant inférieure à l'épaisseur de la couche de polymère (0,5 millimètres) dans tout le contre-moule (même si on enlève plus de matière des parties saillantes que des évidements de la pièce). L'écart entre la surface topographique « réelle » (ligne noire) et la surface topographique du moule opposé est de la taille de la moitié de la couche de polymère (0,25 mm).
Modélisation numérique
Nous avons décidé de maintenir une faible valeur de frottement interne et une valeur de frottement interne élevée. Nous avons choisi 10° de frottement comme valeur pour les expériences avec un faible frottement interne et 30° pour celles avec une valeur de frottement interne plus élevée. Il est par exemple possible de simuler un déconfinement progressif du massif rocheux (méthode souvent utilisée pour reproduire la fonte des glaciers) (Figure 2-14).
En effet, la réduction de charge provoquée par les blocs rouges n'est pas fonction de l'état de contrainte ou de déformation, mais de nombreuses itérations, le déconfinement du modèle se faisant par rafales plutôt que de manière continue et progressive. Une autre méthode consiste à augmenter progressivement la valeur de la gravité imposée au modèle, tandis que les autres paramètres du modèle (cohésion, frottement interne, etc.) restent constants jusqu'à la rupture (Bachmann et al., 2009). L'augmentation progressive de la gravité imposée au modèle permet un chargement progressif et continu de ce dernier, plutôt que par étapes comme dans le cas précédent.
En effet, cette méthode nous semble importante pour simuler l’évolution physico-chimique de la matrice rocheuse.
Résultats expérimentaux
Introduction
Il s'agit du glissement de La Clapière (Alpes-Maritimes, France) et de l'effondrement de Randa (Canton du Valais, Suisse). Le premier article est consacré à l'étude de l'influence de la géométrie des hétérogénéités structurales héritées sur la déstabilisation des massifs rocheux. Des modèles physiques ont été produits en utilisant la pente de Clapière comme analogue de terrain.
Ces résultats confirment donc l’influence des réseaux de fractures dans la déstabilisation des pentes rocheuses, mais montrent également le rôle principal de la topographie tridimensionnelle à grande échelle. L'étude est réalisée à travers un modèle numérique bidimensionnel basé là encore sur une section NW-SE du versant de La Clapière. Ce résultat montre une fois de plus l'influence de la topographie sur la répartition des contraintes.
Les résultats ont confirmé l'influence exercée par l'altération physico-chimique de la matrice rocheuse sur la déstabilisation des versants.
Article 1: Influence of major inherited faults zones on gravitational slope deformation: a two-dimensional physical modelling of the La Clapière
- Abstract
- Introduction
- Field data
- Experimental Setup and Procedure
- Results
- Progressive failure analysis
- Displacement analysis
- Discussion
- Comparison between models and the Argentera- Mercantour massif
- Sensitivity of rock slope gravitational deformation to large pre-existing fault
- Conclusion
In this configuration, the bending of the faults is about 1000 m deeper than in case 2 (Figure 3-5a). At the initial stage of deformation, all pre-existing faults were activated and accommodated most of the inelastic deformation (Figure 3-6b). The size of the displacements (Di) was normalized using equation (2), to compare the different cases studied.
In the middle part of the model, faults F5 to F1 are much more active than on the topographic surface. The vertical gray lines correspond to the initial position of the pre-existing normal faults. There are many similarities between the models and the example of the La Clapière landslide.
Second, the depth of bending of pre-existing normal faults has a strong control on surface deformation (Figure 3-10).
Acknowledgments
Analysis of massif fracturing during deep-seated gravity slope deformation through physical and numerical modeling, Geomorphology, (2009). Chiriotti, Insights into behavior of the large deep-seated gravity slope deformation of Rosone, in the Piedmont region (Italy), Felsbau. Follacci, "Les mouvements du versant de la Clapière à Saint-Etienne-de-Tinée (Alpes-Maritimes)." Bull.
Binet, Lier hydrogéologie et déformation des pentes rocheuses montagneuses : aperçus de la région de La Clapière (Alpes du Sud, France). Laumonier, origine tectonique du pli supportant le glissement de Clapière (nord-ouest du massif de l'Argentera – Mercantour, Alpes du Sud, France) d'après analyse de failles. El Bedoui, Enquête géophysique pour estimer la surface de glissement 3D et l'évolution 4D de la pression de l'eau sur une partie d'un glissement de terrain profond, Terra Nova.
Corazzato, a gigantic, deep-seated slope deformation in the Italian Alps, studied with paleoseismological and morphometric techniques.
Article 2: Influence of tectonic fractures zones on gravitational rock slope failures: New insights from 2-D physical modeling
- Abstract
- Introduction
- Geological setting
- Experimental Setup and Procedure
- Results
- Discussion
- Conclusion
- References
In the third set of experiments, the length of the faults coincident with the contour of the rockslide events of 1991 was extended. A full description of the method used to create the model is given in Bachmann et al. The location and shape of the faults are controlled by the two deepest discontinuous horizontal faults (H2 and H3).
The location and geometry of the resulting mobilized block corresponds well with the first Randa landslide of 1991. The location of the second mobilized block again corresponds well with the second failure of 1991 at Randa. For a homogeneous model, the effective compressive strength of the rock mass at the mountain scale was σco = 11 MPa.
The latter corresponds to the location of the two main faults (Figure 3-12b) and to the zones of high shear intensity, as shown in numerical models [Eberhardt et al., 2004].
Article 3: Influence of structural heterogeneities and of large scale topography on gravitational rock slope failures: New insights from 3-D
- Abstract
- Introduction
- Geological setting
- Experimental Setup
- Results
- Experiment 1 (Figure 3-21a and Figure 3-21a’)
- Experiment 2 (Figure 3-22a and 3-22a’): Model with 2 sets of same length factures
- Experiment 3(Figure 3-23a and 3-23a’): Model with 5 sets of same length factures
- Discussion and conclusion
- References
In this study, we constructed scale models of the Randa area using a 3-D physical modeling approach (Chemenda et al., 2005; Bois et al., 2008). To create the fractures, a series of openings are cut on two opposite sides of the model box using taught cords (Figure 3-19b). Each experiment was performed at least 5 times to ensure the validity of the result.
Each experiment was performed at least 5 times to ensure the validity of the result. In the first phase of rupture, a DSGSD complex, composed in the Grossgufer area of four units, covers the entire massif (Figure 3-22b). In the intermediate phase of deformation, some of the pre-existing faults propagate, bounding small blocks which slide down the valley coherently (Figures 3-22c and 22c').
The main implication of this study is provided by the comparison of the first experiment (homogeneous case) with the two others (fractured).
Article 4: Numerical modelling of the gravity-induced destabilization of a slope: The example of the La Clapière landslide, southern France
- Abstract
- Introduction
- Geological framework
- Numerical modelling
- Setup of numerical simulation and the constitutive model
- Results
- Discussion and conclusions
- References
The La Clapière slope (Figure 3-24 and Figure 3-25a) is located in the Tinée valley, which represents the northwestern margin of the Argentera–Mercantour metamorphic unit (southern French Alps). Since it is infinitely thick, its resistance to horizontal movement of the model is small. For the La Clapière slope topography, the most realistic results correspond to an internal friction angle φ of approx.
For this value, the maximum depth of the shallow fault/slip surface in the model (Figure 3-27) is approximately the same as in nature (Figure 3-25b) of approx. This value can be taken as the minimal effective cohesion of the rocks in the La Clapière site. The model also reproduces the overturning of the foliation associated with the landslides in different regions (Hoek and Bray, 1991), including that of La Clapière.
The rate of subsidence (of the displacement along the deep normal faults) in the numerical models is much less (more than one to two orders of magnitude) than that of shallow landslide.
Modèles Numériques 3-D du secteur de Randa (Valais, Suisse)
Dans le cas d'un modèle à faible frottement interne (Figure 3-31a), on peut voir apparaître une faille profonde qui se propage de la base du modèle jusqu'à la surface et arrête assez tôt son évolution, ainsi que deux failles avec pendage opposé de chaque côté de la vallée. C'est sur ces deux dernières erreurs que se localise l'essentiel de la distorsion jusqu'à ce que le code de calcul ne puisse plus continuer. Ensuite, une faille profonde est créée directement au-dessus de la crête topographique du modèle (20 000 cycles) comme un DSGSD (Bachmann et al., 2009).
Finalement, par 50 000 cycles, l'essentiel de la déformation n'est plus localisé sur ces deux plans de failles profondes, mais sur la pente au niveau de la roche Grossgufer. Une coupe perpendiculaire à la vallée et passant par le milieu du rocher Grossgufer a été réalisée pour le dernier cycle de calcul possible (Figure 3-33). Ces résultats tendent d'une part à confirmer ceux obtenus grâce aux modèles bidimensionnels du versant de La Clapière.
Ce changement dans les paramètres de cohésion et de frottement interne est fonction de la déformation plastique cumulée (Figure 3-35).
Discussion et perspectives
- Synthèse des résultats
- Influence des paramètres propres au(x) réseau(x) de fractures
- Influence de la topographie
- Influence de l’altération
- Conclusion partielle
- Perspectives
- Amélioration des outils de modélisation
- Amélioration des connaissances sur l’altération
- Prise en compte de grandes échelles de temps dans les modèles
En effet, les résultats obtenus grâce aux modèles physiques bidimensionnels du versant de la Clapière ont montré une grande sensibilité à ce paramètre. Pour simuler l’action du changement physico-chimique, une réduction de cohésion a été appliquée indépendamment de la profondeur. Or, l’évolution physico-chimique d’un massif rocheux est un paramètre logiquement dépendant de la profondeur.
Il en résulte donc que la cinématique de la masse déstabilisée est fortement influencée par la géométrie des déplacements en profondeur. En effet, des modèles numériques (en deux et trois dimensions) ont montré que la diminution progressive de la résistance d'une masse homogène (c'est-à-dire sa cohésion) conduit à la fracture profonde (DSGSD). Apport de la modélisation numérique 2D à la compréhension du comportement hydro-mécanique d'un grand talus rocheux instable.
Apports de l'analyse de fracture et de la modélisation numérique à l'étude du versant instable de La Clapière (Saint-Etienne-de-Tinée, Alpes Maritimes).
