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ENPC COTUN Classifications 2017 10 26

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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 >
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