Mécanique des roches appliquée aux ouvrages souterrains Méthode de classification des terrains et utilisation dans la conception des projets ENPC - COTUN Intervenants : Hervé LE BISSONNAIS, Fabien BINET, Julian MARLINGE (BE TERRASOL, groupe SETEC) 2017 - 2018 2017 - 2018 p.1 Classifications AFTES p.2 La classification de BARTON (« Q System ») p.3 La Classification de BIENIAWSKI (RMR) ENPC - COTUN 2> Objectif : évaluer les facteurs nécessaires pour établir un projet d’ouvrage souterrain. Moyens : reconnaissances géologiques, géométriques, puis géotechniques des terrains. Finalité : définir des zones homogènes pour le dimensionnement du projet. 2017 - 2018 ENPC - COTUN 3> Utilisées essentiellement en études préliminaires (faisabilité, APS). Méthodes simples et rapides 2017 - 2018 ENPC - COTUN 4> Exemple de profil géologique avec classes AFTES des terrains 2017 - 2018 ENPC - COTUN 5> Exemple de profil géologique avec classes AFTES des terrains 2017 - 2018 ENPC - COTUN 6> 1\ \ Méthode AFTES • Basée sur les recommandations du groupe de travail N°1 « caractérisation des massifs rocheux utile à l’étude et à la réalisation des ouvrages souterrains (juin 2003) • Paramètres utiles à la description du massif : 1. Conditions géologiques générales 2017 - 2018 Conditions hydrogéologiques : charge hydraulique, perméabilité Discontinuités du massif rocheux : densité de fracturation, orientation, organisation en familles, comportement mécanique Caractéristiques mécaniques des terrains : Identification, Résistance, Gonflement, Altérabilité. Les contraintes naturelles La déformabilité du massif ENPC - COTUN 7> 1\ Méthode AFTES \ 1.1 – Conditions géologiques générales Les études géologiques concernant le projet doivent comprendre : carte des affleurements, carte des formations rencontrées et phénomènes superficiels (fontis, glissements, …) description des couches rencontrées (importance du contexte régional) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 8> 1\ Méthode AFTES \ 1.1 – Conditions géologiques générales 2017 - 2018 ENPC - COTUN 9> 1\ Méthode AFTES \ 1.1 – Conditions géologiques générales Etat d’altération du massif rocheux. 2017 - 2018 ENPC - COTUN 10 > 1\ Méthode AFTES \ 1.2 – Conditions hydrogéologiques Charge hydraulique 2017 - 2018 ENPC - COTUN 11 > 1\ Méthode AFTES \ 1.2 – Conditions hydrogéologiques Perméabilité 2017 - 2018 ENPC - COTUN 12 > 1\ Méthode AFTES \ 1.3 – Discontinuités du massif rocheux Orientation des discontinuités 2017 - 2018 ENPC - COTUN 13 > 1\ Méthode AFTES \ 1.3 – Discontinuités du massif rocheux RQD 16/12/2016 ESTP – Option IRTS – UE-CS-1 – Module CS-1-2 14 > 1\ Méthode AFTES \ 1.3 – Discontinuités du massif rocheux Indice de discontinuité ID 16/12/2016 ESTP – Option IRTS – UE-CS-1 – Module CS-1-2 15 > 1\ Méthode AFTES \ 1.3 – Discontinuités du massif rocheux Organisation en familles Nombre de famille 16/12/2016 ESTP – Option IRTS – UE-CS-1 – Module CS-1-2 16 > 1\ Méthode AFTES \ 1.3 – Discontinuités du massif rocheux Organisation en familles Espacement des discontinuités de chaque famille 16/12/2016 ESTP – Option IRTS – UE-CS-1 – Module CS-1-2 17 > 1\ Méthode AFTES \ 1.3 – Discontinuités du massif rocheux Comportement mécanique des discontinuités 16/12/2016 ESTP – Option IRTS – UE-CS-1 – Module CS-1-2 18 > 1\ Méthode AFTES \ 1.4 – Caractéristiques mécaniques des roches Indice de continuité de la roche : calcul de la vitesse théorique Vp* de propagation des ondes 16/12/2016 ESTP – Option IRTS – UE-CS-1 – Module CS-1-2 19 > 1\ Méthode AFTES \ 1.4 – Caractéristiques mécaniques des roches Identification : indice de continuité de la roche A partir des vitesses de propagation des ondes : théorique Vp* en fonction de la minéralogie et mesuré sur échantillon Vp 2017 - 2018 ENPC - COTUN 20 > 1\ Méthode AFTES \ 1.4 – Caractéristiques mécaniques des roches Résistance de la roche 2017 - 2018 ENPC - COTUN 21 > 1\ Méthode AFTES \ 1.4 – Caractéristiques mécaniques des roches Résistance de la roche Autre classification issue de la recommandation du GT7 « soutènement et revêtement » 2017 - 2018 ENPC - COTUN 22 > 1\ Méthode AFTES \ 1.4 – Caractéristiques mécaniques des roches Gonflement : rechercher la présence de minéraux gonflants (argiles, hydroxydes, sulfates, anhydrite …). Altérabilité : rechercher la présence de minéraux sensibles : à l’eau (feldspaths, micas, gypse), au gel, aux variations de contraintes (essais spécifiques à réaliser) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 23 > 1\ Méthode AFTES \ 1.5 – Contraintes naturelles Profondeur de l’excavation Caractérisée par le rapport entre la résistance σc et la contrainte initiale σ° (↔ rester dans le domaine élastique ou non) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 24 > 1\ Méthode AFTES \ 1.6 – Déformabilité du massif Attention à bien distinguer les paramètres du massif (échelle décamétrique) …. Classe DM : modules de déformation déterminés à partir d’essais en place pour tenir compte de l’influence de la fracturation 2017 - 2018 ENPC - COTUN 25 > 1\ Méthode AFTES \ 1.6 – Déformabilité du massif … des paramètres de la matrice (échelle décimétrique) Classe DE : modules de déformation déterminés à partir d’essais sur échantillons 2017 - 2018 ENPC - COTUN 26 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Utilisation de cette classification AFTES dans le choix d’un soutènement (GT7, juillet 1982) Critères à prendre en considération pour orienter le choix d’un type de soutènement MAIS 2017 - 2018 Ne permet pas le dimensionnement de ce soutènement ENPC - COTUN 27 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Différents tableaux correspondants aux différents critères importants, et précisant si tel type de soutènement est plus ou moins bien adapté vis-à-vis de ce critère + superposition des critères 2017 - 2018 ENPC - COTUN 28 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Critère : Comportement mécanique 2017 - 2018 ENPC - COTUN 29 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Critère : Discontinuités Explosif avec pré découpage 2017 - 2018 ENPC - COTUN 30 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Critère : Discontinuités Explosif sans pré découpage 2017 - 2018 ENPC - COTUN 31 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Critère : Discontinuités Excavation mécanique (hors explosif) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 32 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Critère : Altérabilité – gonflement 2017 - 2018 ENPC - COTUN 33 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Critère : Hydrogéologie 2017 - 2018 ENPC - COTUN 34 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Critère : Couverture 2017 - 2018 ENPC - COTUN 35 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Critère : Dimensions de la galerie et environnement 2017 - 2018 ENPC - COTUN 36 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Exemple 1 : tunnel de 12 m de diamètre dans des schistes fracturés sous forte couverture (σc σ0 < 2) et hors d’eau Conclusion : boulons à ancrage ponctuel ou réparti avec grillage ou béton projeté + cintres coulissants 2017 - 2018 ENPC - COTUN 37 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Exemple 2 : tunnel de 6m de diamètre dans des argiles gypseuses sous 10 m de couverture dont 8 m sous la nappe et en agglomération Conclusion : soit cintres lourds actifs + blindage, soit plaques métalliques assemblées + enfilage, soit voussoirs préfabriqués mis en place dans un bouclier 2017 - 2018 ENPC - COTUN 38 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Exemple 3 : tunnel de 11 m de diamètre dans les argiles plastiques sous 50 m de couverture ; pas de nappe ; milieu urbain 2017 - 2018 ENPC - COTUN 39 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Exemple 3 : Paris - A86 Ouest - Profil géologique 2017 - 2018 ENPC - COTUN 40 > 1\ Méthode AFTES \ 1.7 – Utilisation de la classification AFTES Exemple 3 : SOCATOP Argile Plastique : Rc = 0,4 MPa Pas de discontinuité Risque de gonflement Hydrologie : perméabilité très faible (k<10-8 m/s) Couverture : 50 m Dimension : 11 m de diamètre 2017 - 2018 ENPC - COTUN 41 > 1\ Méthode AFTES \ 1.8 – Conclusions sur la méthode AFTES Pas de dimensionnement du soutènement Orientation pour le choix du type de soutènement En milieu rocheux : importance de la fracturation relativement limitée 2017 - 2018 ENPC - COTUN 45 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Jw RQD J r Q= . . J n J a S .R.F . 2017 - 2018 ENPC - COTUN 46 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) RQD/Jn : caractérise la taille des blocs rocheux Jr/Ja : caractérise la résistance au cisaillement entre blocs Jw/SRF : Contrainte / force active SPAN : largeur, diamètre ou hauteur ESR : coefficient correcteur de dimension SPAN/ESR = diamètre équivalent 2017 - 2018 ENPC - COTUN 47 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Importance du terme RQD : Attention au travers de la mesure (qualité du sondage , diamètre de la carotte, orientation du forage, etc) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 48 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) RQD Jn 2017 - 2018 ENPC - COTUN 49 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Jr 2017 - 2018 ENPC - COTUN 50 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Ja 2017 - 2018 ENPC - COTUN 51 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Ja Jw 2017 - 2018 ENPC - COTUN 52 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) SRF : Facteur de contrainte σc/σ1 σt/σ1 SRF Ouvrage souterrains rencontrant des zones altérées susceptibles d’induire des instabilités de masses rocheuses lors de l’excavation Stress Reduction Factor (état tectonique du massif) Roches compétentes – Etat de contrainte 2017 - 2018 ENPC - COTUN 53 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) SRF σc/σ1 Facteur de contrainte σt/σ1 SRF Roches poussantes, déformation importantes Roches gonflantes 2017 - 2018 ENPC - COTUN 54 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) ESR (Equivalent Support Ratio) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 55 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Choix des soutènements 2017 - 2018 ENPC - COTUN 56 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Choix des soutènements 2017 - 2018 ENPC - COTUN 57 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Choix des soutènements 2017 - 2018 ENPC - COTUN 58 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Choix des soutènements 2017 - 2018 ENPC - COTUN 59 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 60 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Choix des soutènements 2017 - 2018 ENPC - COTUN 61 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Choix des soutènements Exemple classe 21 2017 - 2018 ENPC - COTUN 62 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Choix des soutènements Autre présentation (plus synthétique) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 63 > 2 \ Classification de BARTON (Q system) Commentaires sur la méthode de Barton basée sur plus de 200 cavités existantes (Europe et Scandinavie), essentiellement en terrain rocheux, recommandations pour le choix du soutènement à utiliser avec prudence (aboutit souvent à un surdimensionnement) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 64 > 3 \ Classification de BIENIAWSKI RMR (Rock Mass Rating) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 65 > 3 \ Classification de BIENIAWSKI 5 Critères principaux Résistance de la roche (Rc ou essai Franklin) Fracturation : RQD Espacement des joints (tous types de discontinuités : stratification, schistosité, fractures, diaclases) Nature des joints Venues d’eau 2017 - 2018 ENPC - COTUN 66 > 3 \ Classification de BIENIAWSKI Chaque paramètre reçoit une note RMR = somme des notes Ajustement pour tenir compte de l’orientation de la fracturation 5 classes (roche très mauvaise pour RMR<20 à très bonne roche pour RMR>80) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 67 > 3 \ Classification de BIENIAWSKI Attribution des notes 2017 - 2018 ENPC - COTUN 68 > 3 \ Classification de BIENIAWSKI Attribution des notes (suite) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 69 > 3 \ Classification de BIENIAWSKI Attribution des notes (suite) Classification Caractéristiques moyennes des massifs 2017 - 2018 ENPC - COTUN 70 > 3 \ Classification de BIENIAWSKI Choix du type de soutènement 2017 - 2018 ENPC - COTUN 71 > 4 \ Exercice Tunnel de Bocognano (Corse) – diamètre 10.5 m Granite altéré Poids volumique : γ = 24,8 kN:m3 Vitesse des ondes longitudinales Vp = 2500 m/s Résistance en compression Rc = 10 MPa Couverture / clé de voûte = 50 m Module de déformation de la matrice E = 3700 MPa Module de déformation du Massif Em = 1000 MPa RQD = 20% Nombre de familles de discontinuité : 2 Discontinuité diffuse : Oui Joints rugueux et altérés Espacement : 30 cm Orientation : angle de 20° entre le pendage et l’axe d’avancement Pendage de 45° Massif très altéré Charge hydraulique : 30 m ; perméabilité : 5.10-6 m/s 2017 - 2018 ENPC - COTUN 72 > 4 \ Exercice : Tunnel de Bocognano (Corse) Classe AFTES Identification (classe IC) Caractéristiques mécaniques (classe RC) Contraintes naturelles (classe CN) Déformabilité (classes DE et DM) Discontinuité du massif (classes RQD, N, ES, OR) Altération du massif (classe AM) Conditions hydrogéologiques (classe H et K) RMR (Bieniawski) Nombre Q (Barton) 2017 - 2018 ENPC - COTUN 73 > 4 \ Exercice : Tunnel de Bocognano (Corse) Classe AFTES : Tunnel de Bocognano Granite altéré RC5 Résistance faible Caractéristiques mécaniques IC4 Continuité faible Contrainte naturelles CN1 Etat de contraintes naturelles faible Déformabilité DE4 Matrice moyennement raide RQD5 Densité de fracturation très forte N3b Deux familles principales et des discontinuités diffuses ES3 Discontinuités moyennement espacées Discontinuité du massif OR2 Etat d'altération Conditions hydrogéologiques 2017 - 2018 AM4 Rocher très altéré H3 Charge forte K3 Perméabilité forte ENPC - COTUN 74 > 4 \ Exercice : Tunnel de Bocognano (Corse) Classification RMR Valeurs des Paramètres Résistance Rc (MPa) RQD Espacement des joints Coefficient (note) 10 Résistance Rc (MPa) RQD (%) 20 RQD R 3 E (cm) 30 Espacement des joints E 10 Ji 10 Nature des joints Ji 10 Nature des joints Venues d'eau Charge/radier H (m) 30 Perméabilité K (m/s) 5.00E-06 Débit sur 10 m de longueur (l/min) 100 Rapport pression eau / σ° 2 Venues d'eau 4 Ajustement orientation des joints -5 0.2 Hydrogéologie Conditions générales Note Orientation des joints Note finale 4 Classe de rocher RMR 24 IV Moyen Note 2017 - 2018 pression modérée -5 ENPC - COTUN Description rocher médiocre 75 > 4 \ Exercice : Tunnel de Bocognano (Corse) DETERMINATION DE L'INDICE DE QUALITE Q DU ROCHER (Méthode de BARTON) RDQ RQD 20% Famille de joints Jn 6 Rugosité des joints Jr 3 Altération des joints Ja 2 Venue d'eau en forage Jw 0.66 SRF 2 RDQ/Jn 3.3 Jr/Ja 1.5 Jw/SRF 0.33 Q 2 Zone de faiblesse Qualité du massif rocheux 2017 - 2018 Deux familles principales et des discontinuités diffuses médiocre ESR 1 De 10.5 catégorie soutènement 23 ENPC - COTUN 76 > - Fin du support - 2017 - 2018 ENPC - COTUN 77 >
