Comportement mécanique dépendant du temps et calendrier d’appui du massif rocheux gouvernés par le taux de fermeture des fissures

Pourquoi le lent mouvement des roches compte en souterrain

Les centrales et tunnels profonds sont creusés dans des roches qui continuent de bouger longtemps après les tirs. Ce mouvement lent et de fluage peut d’abord refermer de petites fissures, mais sur des mois ou des années il peut aussi les rouvrir et fragiliser la roche autour d’une excavation. Cet article examine comment et quand ces dommages silencieux s’accumulent dans un granite dur sur un grand site hydroélectrique en Chine, et propose une nouvelle méthode pour déterminer précisément quand les ingénieurs doivent installer des soutènements afin que la roche contribue à se soutenir elle-même plutôt que de céder brutalement.

Observer le lent affaiblissement du granite

Les chercheurs ont travaillé sur des échantillons de granite prélevés à la centrale souterraine de Shuangjiangkou, un grand projet hydroélectrique enfoui à plusieurs centaines de mètres à l’intérieur d’une montagne. En laboratoire, des échantillons cylindriques ont été comprimés dans des conditions visant à reproduire les différentes contraintes ressenties en profondeur. Plutôt que de les charger une fois jusqu’à la rupture, l’équipe a réalisé des essais de fluage : la contrainte était augmentée par paliers puis maintenue pendant de nombreuses heures pendant que de minuscules variations de longueur et de diamètre étaient enregistrées. Cela leur a permis de voir comment la roche se déforme d’abord rapidement, puis se stabilise dans une évolution lente et quasi-stationnaire, avant d’accélérer finalement vers la rupture à mesure que les fissures se relient à l’intérieur.

Une nouvelle façon d’interpréter les fissures cachées de la roche

Les modèles traditionnels supposent que le premier saut de déformation lors de l’application d’une charge est purement élastique — comme un ressort qui revient en place lorsqu’on le décharge. Mais la roche dure contient d’innombrables microfissures préexistantes qui se ferment, se déplacent et se rouvrent, rendant cette hypothèse trop simpliste. Les auteurs ont introduit un « taux de fermeture des fissures », un nombre décrivant jusqu’où ces petites fissures sont passées de complètement fermées à largement ouvertes. En combinant ce ratio avec les mesures standards contrainte–déformation, ils ont séparé le comportement de la roche en deux composantes : la déformation ordinaire et récupérable, et la déformation supplémentaire due à la croissance des fissures. Ils ont aussi suivi ces effets dans deux directions : selon l’axe de chargement et radialement, vers l’extérieur depuis les parois d’un futur tunnel ou d’une caverne.

Pourquoi les fissures latérales contrôlent la résistance à long terme

Les essais ont montré que la résistance à long terme de la roche n’est pas la même dans toutes les directions. Lorsque l’équipe a comparé la contrainte à laquelle le fluage stable basculait soudainement en déformation incontrôlée, elle a constaté que les fissures croissant radialement — vers l’extérieur depuis une ouverture souterraine — atteignaient cet état critique à une contrainte plus faible que celles le long de la direction principale de chargement. Autrement dit, la roche devient dangereusement faible latéralement avant de l’être verticalement. En définissant des valeurs seuils du taux de fermeture des fissures liées à cette transition, les auteurs ont construit un modèle dépendant du temps capable de prédire quand et à quelle vitesse les fissures vont s’étendre sous différentes conditions de contrainte, en particulier dans la direction radiale qui contrôle le plus fortement la rupture autour des excavations.

Transformer l’analyse de laboratoire en sécurité sur site

Pour vérifier la robustesse de leur approche sur le terrain, les chercheurs ont intégré leur modèle de fluage fondé sur les fissures dans des simulations numériques de l’excavation de la centrale de Shuangjiangkou. Ils ont subdivisé le massif rocheux environnant en zones basées sur les contraintes in situ et ont utilisé le modèle pour suivre la propagation des dommages au fil du temps après chaque étape d’excavation. Les simulations ont produit des schémas de déplacements et de fissuration qui correspondaient étroitement aux données de surveillance et aux dommages visibles tels que la déformation des poutres et l’apparition de nouvelles fissures. En utilisant le taux de fermeture des fissures radial, ils ont ensuite classé la roche autour de la caverne en cinq zones, de intacte à totalement effondrée, et rattaché chaque zone à une plage de valeurs du taux de fermeture pouvant être estimées a priori à partir d’essais de laboratoire.

Choisir le bon moment pour soutenir la roche

Pour les ingénieurs, le résultat le plus pratique est un calendrier de soutènement. L’étude identifie une valeur critique du taux de fermeture des fissures qui marque la limite entre une roche encore largement autoportante et une roche ayant perdu la majeure partie de sa résistance. En calculant quand différents emplacements autour de la caverne sont susceptibles de franchir cette limite, les auteurs proposent des catégories de soutènement étagées : un soutènement immédiat là où la rupture commence quasiment tout de suite, plusieurs niveaux de soutènement retardé là où les dommages s’accumulent plus lentement, et un soutènement de « stabilisation » final après que la majeure partie des mouvements se soit apaisée. Cette approche permet aux concepteurs de planifier les soutènements de façon à laisser la roche porter autant que possible son propre poids — économisant matériaux et coûts — tout en évitant des effondrements soudains provoqués par la croissance lente dépendante du temps des fissures.

Citation: Qian, L., Yao, T., Liu, E. et al. Time-dependent mechanical behavior and support timing of surrounding rock governed by crack closure ratio. Sci Rep 16, 9696 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39707-w

Mots-clés: fluage des roches, salles souterraines, microfissures, conception de soutien, stabilité du granite