Pourquoi une cavité souterraine ne s'écroule pas

[Karzaba]

Bonjour à tous,

Alors ma question va probablement paraître con pour certains, triviale pour d'autres mais bon je me lance quand même car ça me turlupine...

Quand on creuse une galerie souterraine (tunnel, mines, pyramide en Egypte etc..., même les grottes), qu'est ce qui explique que physiquement, les charges au dessus de l'ouverture (des milliers de tonnes de pierre par exemple) ne tombent pas et soient donc "maintenues" au dessus de l'ouverture ?

Parce que que quand je fais une analogie (sûrement très très mauvaise) avec un linteau qu'on poserait au dessus d'une fenêtre, ce linteau ne pourrait pas supporter des charges infinies et il se briserait à un moment donné.

Je ne sais pas si j'ai été claire 😅 mais vos lumières m'aideront sûrement à comprendre pourquoi une cavité souterraine ne s'écroule pas 😁

Merci aux bonnes âmes
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[XK150]

Salut ,

Réponse courte : cela dépend du terrain .

- Dans roches dures , percer un tunnel revient à faire un trou de 10 mm dans un bloc de bois , la matière se tient en un bloc .
- Roches friables : méfiance , on va doucement , et l'on étaie derrière soi d'une façon ou d'un autre ( le " boisage " dans les mines ) .
- Sable : impossible , creuser une galerie , passer un conduit résistant et recouvrir ...

[SULREN]

Bonjour,

une analogie (sûrement très très mauvaise) avec un linteau qu'on poserait au dessus d'une fenêtre

Dans le cas d'une galerie il faut plutôt faire l'analogie avec l'effet de voute.

[Karzaba]

Merci pour ces premiers éléments de réponse...

Pour illustrer hein... si demain je fais un mur en parpaing admettons de 100m de haut, 50m de large et 50m de long et que je décide d'ouvrir ce mur de bout en bout avec une certaine portée. Mon mur s'écroulera t'il ou tiendra t'il ? Y a t'il des calculs hyper complexes pour déterminer quel sera la largeur max de l'ouverture ?

Pour les cavités souterraines (tunnel, grotte, mines, pyramides etc..), ce n'est que parce que la matière tient en un seul bloc que ça ne s'écroule pas ou bien physiquement il y autre chose ?

Car je ne comprends pas trop physiquement comment des milliers de tonnes qui se trouvent au dessus de l'ouverture ne s'écroulent pas 😅

[A voir en vidéo sur Futura]

[SULREN]

Re,

Mon mur s'écroulera t'il ou tiendra t'il ?

On parle bien sûr d'un mur en parpaings secs, posés les uns sur les autres sans mortier entre eux.
Je dis qu'il tiendra, mais il faut faire un dessin des déformations et des transferts de force pour démontrer pourquoi il tiendra.

[XK150]

Pour les cavités souterraines (tunnel, grotte, mines, pyramides etc..), ce n'est que parce que la matière tient en un seul bloc que ça ne s'écroule pas ou bien physiquement il y autre chose ?

Ajouter un éventuel effet de voûte , dépendant de la tenue des arcs au sol .

[Karzaba]

Quand vous dîtes transfert de force, peut-on considérer que dans une cavité type grotte ou autre, le poids des charges situé au dessus est "dévié" sur les côtés.

Ça me fait un peu penser à la balance magique où l'on verse des cailloux dans un tube qui ne touche pas la balance. Au bout d'un moment, le poids se stabilise malgré l'ajout de pierre supplémentaires.

[Appex]

En fait votre interrogation est assez basique lorsqu'il s'agit de terre mais peut devenir plus complexe lorsqu'on a affaire à une granulométrie plus grande comme des briques.
Concernant une terre bien tassée (puisque sous pression...) le poids qui se situe au dessus ne produit pas d’effondrement puisque la pression se répartie uniformément dans toutes les directions (vers le bas comme sur les côtés) et qu'on a donc affaire à une terre bien tassée.
Ce qui fait qu'une cavité de ce type peut s'écrouler ce n'est pas la pression qui vient du dessus -il n'y a pas de pression assez puissante pour faire coulisser l'ensemble des grains imaginez la force qu'il faudrait...- mais que la terre du plafond peut se désolidariser (normalement elle est collée à la terre plus haut) et tomber sous le simple effet de la gravité.
Et ainsi de suite provoquant un effondrement en chaine.
Vous pouvez par exemple essayer de "faire coulisser" (produire un cisaillement) de la terre et même du sable dans son même milieu.
Prenez un seau de sable et tentez de faire pénétrer un bâton assez large (genre 5cm de diamètre) dans ce sable en poussant (sans secousses ni vibrations).
Vous pouvez y poser un camion si vous voulez ça s’enfonce un peu au début et après c'est figé.
Ces forces (van der Walls il me semble) dépendent de la granulométrie (taille/forme des grains et homogénéité)

[SULREN]

Re,

Ça me fait un peu penser à la balance magique où l'on verse des cailloux dans un tube qui ne touche pas la balance. Au bout d'un moment, le poids se stabilise malgré l'ajout de pierre supplémentaires.

C'est bien illustré ici:
https://docplayer.fr/29695303-Effets...anulaires.html

[antek]

. . . je fais un mur en parpaing admettons de 100m de haut, 50m de large et 50m de long et que je décide d'ouvrir ce mur de bout en bout avec une certaine portée. Mon mur s'écroulera t'il ou tiendra t'il ?

Le plafond de la partie ouverte va commencer à s'écrouler, jusqu'à ce qu'un triangle approximatif se forme, faisant fonction de voûte. C'est un schéma général.
C'est ce qui arrive avec un mur en pierres, mais je suppose que le parpaing est là pour illustration.

[Karzaba]

Merci.

Donc par le simple fait que la pression se répartisse uniformément dans tous les côtés, ça ne s'effondre pas ?

Mais qd même, si je prends un tunnel que je creuserais sous la montagne, le poids au dessus de l'ouverture serait considérable, c'est en milliers/millions de tonnes mais ça ne s'ecroule pas, pourquoi ?
Physiquement, au niveau des transferts de charge, comment ça se passe ?

[Appex]

On reprend.
Imaginez qu'au lieu d'avoir de la terre ou du sable vous aviez du marbre.
Vous faites une cavité à 10km de profondeur dans ce marbre.
Le marbre ne se casse pas (il faudrait une force de cisaillement gigantesque pour casser juste au niveau d'une fissure et ensuite la cassure peut éventuellement se déplacer).
Donc c'est stable.
Et pourtant il y a bien une pression interne.

Maintenant avec du sable.
Pareil vous faites une cavité.
Elle s’effondre évidement mais pas du fait de la pression qui viendrait du haut mais parce que le sable peut s'écouler du plafond lentement sans aucune pression simplement du fait de la gravité.
De la même manière la caverne ne va pas s'écraser comme une bulle d'air dans de l'eau...

Pourquoi ?
Parce que cet effondrement demande un DEPLACEMENT de la matière (les nombreux mètres de sable autour de la caverne)
Or ce déplacement nécessite comme plus haut avec l'exemple du bâton qui devrait pousser le sable une énergie gigantesque.
Il faut moins d'énergie pour casser le marbre puis sur cette fissure contrebalancer les frottements de cette fissure lors du déplacement que pour déplacer du sable DANS du sable.
Les frottements du sable sur du sable sont ENORMES.

Intuitivement vous pensez bien que la caverne dans le marbre va tenir.
Donc une caverne dans du sable c'est encore plus stable... si on consolide la paroi pour éviter son écoulement.

[Appex]

La morale de cette histoire.

On n'étaie pas les galeries dans les mines avec quelques planches et rondins de bois pour soutenir les centaines de mètres de terre au dessus mais pour éviter que le plafond ne s’effrite par gravité.

[Appex]

Une autre manière de voir.
Pourquoi un tas de sable ne termine-t-il pas sous la forme d'une flaque ?

[Karzaba]

Merci pour ces réponses constructives. Je pense y voir un peu plus clair même si des zones d'ombre subsistent dans mon raisonnement.

En fait, ma compréhension est erronée/biaisé car je pense faire une très mauvaise analogie avec une ouverture d'un mur porteur et pose d'un linteau pour supporter les charges au dessus de ce linteau. Cette ouverture dans ce mur porteur je la comparais un peu à un tunnel qu'on commencerait
Et je me suis dit que si on devait calculer les charges au dessus d'un linteau pour savoir s'il résiste, pourquoi ne devrait t'on pas faire pareil quand on creuse un tunnel pour voir si la paroi supérieure de celui-ci supporterait les charges au dessus d'elle.

Mais en fait de ce que je comprends, il faut considérer les parois du tunnel non pas comme des murs porteurs et linteau pour la partie supérieure mais simplement comme un gros bloc unique de matière que l'on "percerait".

Après cependant, il y a certainement des limites notamment pour la largeur du tunnel. À partir d'une certaine largeur de tunnel, il faut qd même considérer qu'est ce qu'il reste comme appui pour supporter toute la matière au dessus.

[Tawahi-Kiwi]

Salut,

En fait, ma compréhension est erronée/biaisé car je pense faire une très mauvaise analogie avec une ouverture d'un mur porteur et pose d'un linteau pour supporter les charges au dessus de ce linteau.

C'est un peu ca, mais pour une roche coherente, le linteau, c'est l'epaisseur de roche situe au dessus.

Mais en fait de ce que je comprends, il faut considérer les parois du tunnel non pas comme des murs porteurs et linteau pour la partie supérieure mais simplement comme un gros bloc unique de matière que l'on "percerait".

C'est ca. Ce qui compte, c'est la friction entre les grains formant la roche (le coullisage mentionne plus haut) qui s'etablit assez facilement, et pour des roches coherentes homogenes et isotropes, est souvent un probleme non significatif. Le truc le plus critique, ce sont les heterogeneites (fractures, changements de lithologie, porosite, saturation en eau, etc.) et l'anisotropie (schistosite, litage, shear zones, etc.)

T-K