Détermination fiable du paramètre Mi de Hoek–Brown dans les roches fragiles en utilisant le critère du module sécant maximal lors d’un essai triaxial multi‑étagé

Pourquoi tester les roches est important pour la vie quotidienne

Des tunnels de métro et des autoroutes de montagne aux barrages et centrales souterraines, de nombreuses infrastructures dont nous dépendons sont taillées dans la roche. Les ingénieurs doivent savoir comment cette roche se comporte en profondeur, où elle est comprimée de toutes parts. Cet article propose une manière plus intelligente de tester les roches carbonatées fragiles, comme certains calcaires et dolomies, afin que les concepteurs puissent mieux prévoir le risque de fissuration et d’effondrement tout en restant dans les capacités des laboratoires courants.

Des roches qui se fissurent sans prévenir

Les roches fragiles se rompent brusquement plutôt que de se déformer progressivement, ce qui rend leur comportement particulièrement difficile à maîtriser en construction souterraine. Un paramètre clé utilisé par les ingénieurs pour décrire ce comportement est le « mi » du modèle de rupture de Hoek–Brown largement employé. En termes simples, mi indique à quel point une roche gagne en résistance lorsqu’elle est confinée uniformément, comme autour d’un tunnel. Une erreur, même faible, dans l’estimation de mi peut conduire à des conceptions non sûres ou au contraire excessivement prudentes et coûteuses. Or les méthodes d’essai traditionnelles exigent de nombreux échantillons presque identiques et des équipements sophistiqués, qui ne sont pas toujours disponibles, en particulier lorsque les carottes proviennent de grandes profondeurs ou de formations complexes.

Une façon plus efficace de comprimer la roche

Pour répondre à ce problème, les auteurs ont développé une version optimisée de l’essai triaxial de compression multi‑étagé. Au lieu de charger de nombreux spécimens séparés jusqu’à rupture une seule fois, un seul échantillon cylindrique est soumis à plusieurs étapes de chargement sous pression de confinement progressivement plus élevée. L’innovation consiste à utiliser le « module sécant maximal » comme critère d’arrêt pour chaque étape — c’est‑à‑dire interrompre et réinitialiser l’essai au point où la roche est la plus raide, juste avant qu’elle ne commence à s’assouplir et à accumuler des dommages permanents importants. Ce critère peut être suivi en temps réel via une interface informatique simple et ne nécessite pas d’instruments exotiques ni de systèmes de contrôle entièrement automatisés. Deux variantes ont été testées : un chargement continu et une procédure avec déchargement entre les étapes pour limiter les dommages.

Mise à l’épreuve de la méthode

Les chercheurs ont appliqué leur méthode à du calcaire dolomitique de l’ouest de l’Iran, un type de roche fréquent dans de nombreux projets d’ingénierie. Ils ont d’abord mesuré des propriétés de base telles que la résistance à la compression, la résistance à la traction, la raideur et plusieurs indices de fragilité, confirmant que le matériau a tendance à se rompre de manière fragile. Ils ont ensuite réalisé neuf essais triaxiaux traditionnels monocellulaires et sept essais multi‑étagés selon les deux schémas (continu et chargement‑déchargement). Les essais multi‑étagés se sont révélés particulièrement riches en données : à partir de seulement sept spécimens, ils ont fourni 49 conditions de contrainte distinctes, contre seulement neuf à partir de neuf spécimens avec la méthode conventionnelle. Cette densité de données supérieure a permis un ajustement plus fiable du modèle Hoek–Brown et une estimation plus précise de mi pour la même roche.

Ce que la roche a révélé sous chargements répétés

Les résultats montrent une différence systématique entre les deux approches. Les essais multi‑étagés ont fourni des valeurs de mi plus élevées — en moyenne d’environ 9,7, proches ou supérieures à la gamme recommandée pour des roches similaires — tandis que les essais monocellulaires ont donné une valeur inférieure de 6,8. Parce que les essais multi‑étagés suivent un réseau de fissures évoluant dans un seul spécimen, ils atténuent une grande part de la variabilité naturelle d’un échantillon à l’autre et captent mieux la façon dont la résistance de la roche augmente avec le confinement. En revanche, les chargements répétés entraînent l’accumulation de microfissures, si bien que la résistance uniaxiale apparente mesurée par la méthode multi‑étagée était légèrement inférieure à celle observée dans les essais monocellulaires. Une analyse statistique a confirmé que la différence de mi entre les méthodes n’est pas un simple bruit aléatoire mais un effet réel.

Des chiffres de laboratoire à la sécurité des tunnels

Pour évaluer la portée pratique de ces différences, les auteurs ont construit un modèle numérique d’un tunnel circulaire dans du calcaire dolomitique intact et ont réalisé des simulations en utilisant les paramètres issus de chaque méthode d’essai. En employant les valeurs dérivées des essais multi‑étagés, le modèle a prédit une zone de déformation inélastique plus étendue autour du tunnel et un affaissement de la voûte plus important. En termes d’ingénierie, il s’agit d’une prédiction plus conservatrice et, on peut soutenir, plus sûre : elle incite les concepteurs à s’attendre à davantage de relâchement et de déformation rocheuse que ne le suggéreraient les données monocellulaires. Les auteurs soutiennent qu’un tel conservatisme est souhaitable lors de travaux avec des roches fragiles susceptibles de se rompre sans avertissement.

Ce que cela signifie pour les projets réels

Pour les non‑spécialistes, le message clé est que la manière dont nous testons la roche en laboratoire influence fortement l’évaluation de la sécurité de nos tunnels, cavernes et fondations. Cette étude montre qu’un essai multi‑étagé soigneusement contrôlé — utilisant une règle simple basée sur la raideur pour décider quand faire une pause et recharger — peut extraire beaucoup plus d’information à partir d’un nombre limité d’échantillons et fournir des paramètres de roche qui penchent du côté de la prudence. Bien que la méthode nécessite toujours des opérateurs qualifiés et n’ait été démontrée que sur un type de roche, elle offre une voie pratique et peu coûteuse pour de nombreux laboratoires souhaitant améliorer leurs estimations de la résistance des roches, notamment lorsque seules quelques carottes précieuses sont disponibles.

Citation: Kordloo, V., Talkhablou, M. & Sheikhani, F.A. Reliable determination of the Hoek brown Mi parameter in brittle rocks using the maximum secant modulus criterion in multistage triaxial test. Sci Rep 16, 7575 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38702-5

Mots-clés: roches fragiles, essais triaxiaux, paramètre Hoek–Brown, stabilité des tunnels, calcaire dolomitique