appliquée au BTP
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appliquée au BTP Géologie appliquée au BTP Géotechnique appliquée au BTP PierreMartin Martin Pierre © Groupe Eyrolles, 2010, ISBN : 978-2-212-12770-6 17/01/08 16/06/1015:35:31 11:08 PDT_12270.indd 1 16/06/10 12:43 MartinTDM.fm Page V Mardi, 15. juin 2010 3:35 15 Table des matières Préface ...................................................................................................... 1 Introduction ............................................................................................. 3 1 ÉLÉMENTS DE GÉOLOGIE ........................................................... 5 1.1 Minéraux, roches et formations .............................................................. 1.1.1 Vocabulaire.................................................................................. 1.1.2 Les minéraux ............................................................................... 1.1.2.1 Les silicates ............................................................... 5 5 7 8 1.1.2.1.1 Le quartz .............................................................. 1.1.2.1.2 Les feldspaths ...................................................... 1.1.2.1.3 Les micas et les argiles ........................................ 1.1.2.1.4 Les silicates ferro-magnésiens ............................. 9 10 10 11 1.1.2.2 Les sels minéraux ...................................................... 1.1.2.3 Les oxydes ................................................................. 1.1.2.4 Évolution des minéraux............................................. 1.1.3 Roches et formations rocheuses .................................................. 1.1.3.1 Les roches magmatiques............................................ 12 13 13 13 15 1.1.3.1.1 Les roches plutoniques ........................................ 1.1.3.1.2 Les roches volcaniques ........................................ 16 16 1.1.3.2 Les roches sédimentaires........................................... 16 1.1.3.2.1 Les roches résiduelles .......................................... 1.1.3.2.2 Les roches détritiques .......................................... 1.1.3.2.3 Les roches carbonatées ........................................ 1.1.3.2.4 Les roches salines ................................................ 17 17 20 21 1.1.3.3 Les roches métamorphiques ...................................... 1.1.3.4 Évolution des roches.................................................. 1.2 Géologie structurale ................................................................................ 1.2.1 Stratigraphie................................................................................. 1.2.2 Tectonique ................................................................................... 1.2.2.1 Pendage...................................................................... 1.2.2.2 La fissuration des roches ........................................... 22 23 24 25 29 30 31 1.2.2.2.1 Les joints de stratification ................................... 1.2.2.2.2 Les diaclases ........................................................ 1.2.2.2.3 Le clivage schisteux ............................................ 32 33 34 MartinTDM.fm Page VI Mardi, 15. juin 2010 3:35 15 VI 1.2.2.2.4 Autres fissures de roches .................................... 34 1.2.2.3 Les failles................................................................... 1.2.2.4 Les plis....................................................................... 1.2.2.5 Groupements de structures ........................................ 34 38 40 1.2.2.5.1 Les plates-formes ................................................ 1.2.2.5.2 Les massifs anciens ............................................. 1.2.2.5.3 Les bassins .......................................................... 1.2.2.5.4 Les chaînes .......................................................... 41 41 42 43 1.3 Géomorphologie...................................................................................... 1.3.1 Le relief........................................................................................ 1.3.1.1 Selon les roches ......................................................... 1.3.1.2 Selon la structure ....................................................... 1.3.2 Les modelés ................................................................................. 1.3.2.1 Les modelés de cours d’eau....................................... 1.3.2.2 Les modelés glaciaires............................................... 1.3.2.3 Les modelés littoraux................................................. 1.3.2.4 Les modelés éoliens................................................... 1.3.3 Les pièges morphologiques ......................................................... 1.4 Hydrogéologie......................................................................................... 1.4.1 Le cycle de l’eau .......................................................................... 1.4.2 L’eau souterraine ......................................................................... 1.4.2.1 Les formes de l’eau souterraine................................. 1.4.2.2 Les mouvements de l’eau souterraine ....................... 1.4.3 Les roches aquifères .................................................................... 1.4.3.1 Les vides des roches .................................................. 1.4.3.2 Argiles et sols argileux .............................................. 1.4.3.3 Roches perméables en petit ....................................... 1.4.3.4 Roches perméables en grand ..................................... 1.4.4 Les réseaux aquifères................................................................... 1.4.4.1 Les nappes ................................................................. 1.4.4.2 Les failles................................................................... 1.4.4.3 Les réseaux karstiques ............................................... 1.4.5 Physico-chimie des eaux souterraines ......................................... 1.5 Géodynamique ........................................................................................ 1.5.1 Les phénomènes naturels ............................................................. 1.5.2 Le cycle géologique ..................................................................... 1.5.3 Les phénomènes internes ............................................................. 1.5.3.1 Les éruptions volcaniques ......................................... 1.5.3.2 Les séismes ................................................................ 1.5.4 Les phénomènes externes ............................................................ 1.5.4.1 L’érosion.................................................................... 45 47 47 48 50 50 54 56 59 60 61 62 62 63 64 66 66 67 69 71 71 72 75 76 77 78 79 81 82 84 86 88 88 1.5.4.1.1 L’altération .......................................................... 89 MartinTDM.fm Page VII Mardi, 15. juin 2010 3:35 15 Table des matières 2 1.5.4.1.2 L’ablation ............................................................ 92 1.5.4.2 Le transport................................................................ 109 1.5.4.2.1 Les crues .............................................................. 110 1.5.4.3 La sédimentation ....................................................... 1.6 Esquisse géologique de la France ........................................................... 1.6.1 Les phénomènes naturels dangereux ........................................... 1.6.2 Les massifs anciens et leurs annexes ........................................... 1.6.2.1 L’Ardenne et le Nord................................................. 1.6.2.2 Les Vosges et l’Alsace .............................................. 1.6.2.3 Le Massif armoricain................................................. 1.6.2.4 Le Massif central et les Causses................................ 1.6.2.5 Les autres massifs anciens......................................... 1.6.3 Les chaînes « alpines » ................................................................ 1.6.3.1 Le Jura ....................................................................... 1.6.3.2 Les Pyrénées et le Roussillon .................................... 1.6.3.3 Les Alpes ................................................................... 1.6.3.4 Le bas Languedoc et la Provence .............................. 1.6.3.5 La Corse..................................................................... 1.6.4 Les bassins................................................................................... 1.6.4.1 Le Bassin parisien...................................................... 1.6.4.2 Le Couloir rhodanien................................................. 1.6.4.3 Le bassin d’Aquitaine................................................ 1.6.4.4 Autres bassins............................................................ 1.6.5 L’outre-mer.................................................................................. 113 114 117 118 119 120 121 123 126 126 127 128 131 141 147 148 148 154 156 159 160 ÉLÉMENTS DE GÉOMÉCANIQUE............................................... 163 2.1 Les théories ............................................................................................. 2.1.1 Théorie de l’élasticité .................................................................. 2.1.2 Théorie de la plasticité et de la rupture........................................ 2.1.3 Théorie de la consolidation.......................................................... 2.1.4 Théorie de l’hydraulique souterraine........................................... 2.2 Les méthodes de calcul ........................................................................... 2.2.1 L’équilibre élastique .................................................................... 2.2.2 L’équilibre plastique.................................................................... 2.2.3 L’écoulement de l’eau dans un milieu perméable ....................... 2.3 Les applications ...................................................................................... 2.3.1 Stabilité des murs de soutènement et des talus............................ 2.3.1.1 Stabilité des murs de soutènement ............................ 2.3.1.2 Stabilité des talus....................................................... 166 167 168 170 173 174 175 176 178 181 181 182 183 2.3.1.2.1 Méthode de la hauteur critique du talus .............. 184 VII MartinTDM.fm Page VIII Mardi, 15. juin 2010 3:35 15 VIII 3 2.3.1.2.2 Méthode du coefficient de sécurité au glissement ..... 2.3.1.2.3 Stabilité des massifs aquifères ................................. 185 187 2.3.2 Fondations.................................................................................... 2.3.2.1 Tassements................................................................. 189 190 2.3.2.1.1 Méthode de Boussinesq ...................................... 2.3.2.1.2 Méthode œdométrique ........................................ 2.3.2.1.3 Méthode pressiométrique .................................... 191 191 192 2.3.2.2 Rupture ...................................................................... 192 2.3.2.2.1 Formule de Terzaghi ........................................... 2.3.2.2.2 Méthode pressiométrique .................................... 193 194 2.3.3 Extraction de l’eau souterraine .................................................... 2.4 Qualité des résultats géomécaniques....................................................... 194 196 GÉOLOGIE DU BTP........................................................................ 199 AMÉNAGEMENTS, OUVRAGES, TRAVAUX 3.1 Le site géotechnique................................................................................ 3.1.1 Dimensions .................................................................................. 3.1.1.1 Par rapport au temps .................................................. 3.1.1.2 Par rapport à l’ouvrage .............................................. 3.1.1.3 Par rapport à la structure géologique......................... 3.1.1.4 Par rapport aux phénomènes...................................... 3.1.1.5 Par rapport à l’échelle d’observation......................... 3.1.2 Modélisation ................................................................................ 3.1.2.1 Modélisation géométrique ......................................... 3.1.2.2 Modélisation du comportement ................................. 3.2 L’étude géologique de BTP .................................................................... 3.2.1 Cadre général de l’étude (faisabilité)........................................... 3.2.2 Étude générale du site (APS) ....................................................... 3.2.3 Étude détaillée du site (APD) ...................................................... 3.3 Les moyens de la géologie du BTP......................................................... 3.3.1 La documentation ........................................................................ 3.3.1.1 Cartes et plans topographiques .................................. 3.3.1.2 Cartes géologiques..................................................... 3.3.1.3 Autres documents ...................................................... 3.3.2 La télédétection............................................................................ 3.3.3 La géologie de terrain .................................................................. 3.3.4 La géophysique appliquée à la géologie du BTP......................... 3.3.4.1 La résistivité électrique.............................................. 201 201 202 202 202 202 203 204 204 205 207 208 213 215 216 217 218 219 221 222 223 226 227 3.3.4.1.1 Le traîné électrique ............................................. 3.3.4.1.2 Le sondage électrique ......................................... 3.3.4.1.3 Autres techniques électriques ............................. 229 230 231 MartinTDM.fm Page IX Mardi, 15. juin 2010 3:35 15 Table des matières 3.3.4.2 La sismique réfraction ............................................... 3.3.4.3 Autres techniques sismiques...................................... 3.3.5 Les sondages................................................................................ 3.3.6 L’instrumentation permanente..................................................... 3.3.6.1 Les piézomètres ......................................................... 3.3.6.2 Les appareils optiques, géométriques et mécaniques 3.3.7 Les documents produits ............................................................... 3.4 Les aménagements .................................................................................. 3.4.1 Les zones urbaines et périphériques ............................................ 3.4.1.1 Les aménagements de surface ................................... 3.4.1.2 Les souterrains........................................................... 3.4.2 Les aérodromes............................................................................ 3.4.3 Les aménagements « linéaires » .................................................. 3.4.3.1 Les canalisations enterrées ........................................ 3.4.3.2 Les routes................................................................... 3.4.3.3 Les voies ferrées ........................................................ 3.4.3.4 Les canaux ................................................................. 3.4.3.5 Les cours d’eau.......................................................... 3.4.3.6 Les rivages marins..................................................... 3.5 Les ouvrages ........................................................................................... 3.5.1 Ponts et viaducs ........................................................................... 3.5.1.1 Les ponts terrestres courants ..................................... 3.5.1.2 Les viaducs ................................................................ 231 234 235 238 238 238 239 239 240 240 243 243 244 245 246 251 254 255 259 263 268 271 272 3.5.1.2.1 Le pont de Tancarville ......................................... 3.5.1.2.2 Le pont de Normandie ......................................... 3.5.1.2.3 Le viaduc de Millau ............................................. 273 274 275 3.5.2 Galeries et autres ouvrages souterrains ....................................... 3.5.2.1 Les grands tunnels alpins........................................... 276 281 3.5.2.1.1 Les tunnels du Saint-Gothard .............................. 3.5.2.1.2 Les tunnels du Löetschberg et du Simplon .......... 3.5.2.1.3 Le tunnel du Grand Saint-Bernard ...................... 3.5.2.1.4 Le tunnel du Mont-Blanc ..................................... 3.5.2.1.5 Les tunnels du Mont-Cenis (Fréjus et Ambin) .... 3.5.2.1.6 Les tunnels de Tende ........................................... 283 284 286 286 286 288 3.5.2.2 Le tunnel sous la Manche .......................................... 3.5.2.3 Tunnels de ville ......................................................... 289 290 3.5.2.3.1 Paris ..................................................................... 3.5.2.3.2 Lyon ..................................................................... 3.5.2.3.3 Marseille .............................................................. 290 290 291 3.5.2.4 Accidents de tunnel ................................................... 294 3.5.2.4.1 Le tunnel de faîte du Löetschberg ....................... 3.5.2.4.2 Le tunnel de Toulon ............................................. 3.5.2.4.3 Le tunnel de Vierzy ............................................. 294 294 296 IX MartinTDM.fm Page X Mardi, 15. juin 2010 3:35 15 X 3.5.3 Barrages ....................................................................................... 3.5.3.1 Le barrage .................................................................. 296 298 3.5.3.1.1 Emplacement ...................................................... 3.5.3.1.2 Choix du type ...................................................... 3.5.3.1.3 Fondations ........................................................... 3.5.3.1.4 Étanchéité ............................................................ 298 299 299 299 3.5.3.2 La retenue .................................................................. 3.5.3.3 L’évacuateur de crues................................................ 3.5.3.4 Les types de barrages................................................. 300 301 302 3.5.3.4.1 Les barrages-digues en remblais ......................... 3.5.3.4.2 Les barrages-murs en béton coulé ...................... 303 304 3.5.3.5 Surveillance et entretien des barrages ....................... 3.5.3.6 Le lac Noir et Serre-Ponçon ...................................... 307 307 3.5.3.6.1 Le tube à manchettes ........................................... 3.5.3.6.2 Le barrage du lac Noir ........................................ 3.5.3.6.3 Serre-Ponçon ....................................................... 307 308 309 3.5.3.7 Accidents de barrage et/ou de retenue ....................... 311 3.5.3.7.1 Bouzey – Vosges ................................................ 3.5.3.7.2 Malpasset – Var .................................................. 3.5.3.7.3 Vajont – Vénétie ................................................. 311 311 314 3.5.4 Les ouvrages de soutènement ...................................................... 3.5.5 Ouvrages aquatiques .................................................................... 3.6 Les travaux .............................................................................................. 3.6.1 Les terrassements......................................................................... 3.6.1.1 Les excavations.......................................................... 3.6.1.2 Les remblais............................................................... 3.6.2 Drainage – Assèchement des fouilles non blindées..................... 3.6.2.1 Drainage..................................................................... 3.6.2.2 Assèchement des fouilles non blindées ..................... 3.6.2.3 Perturbations des nappes dues aux travaux du BTP....................................................................... 3.6.2.4 Pompage permanent sous les radiers de sous-sols étanches ou non ......................................................... 3.6.2.5 Étanchéisation des formations aquifères ................... 3.6.3 Fondations.................................................................................... 3.6.4 Effets pervers des aménagements, des ouvrages et des travaux ............................................................................... 3.6.5 Dommages et accidents de chantiers et aux ouvrages ................. 3.7 Eaux souterraines et pollutions ............................................................... 3.7.1 Les captages d’eau souterraine .................................................... 3.7.2 La pollution des eaux souterraines .............................................. 3.7.3 La réhabilitation des sites pollués................................................ 317 319 320 321 321 326 329 330 332 333 334 334 335 342 343 344 344 347 350 MartinTDM.fm Page XI Mardi, 15. juin 2010 3:35 15 Table des matières 3.7.4 Le stockage des déchets............................................................... 3.7.4.1 Déchets non radioactifs ............................................. 3.7.4.2 Déchets radioactifs .................................................... 3.8 Du bon usage de la géologie dans le BTP............................................... 351 352 352 353 Bibliothèque de base ........................................................................... 357 XI 01-Chap 1.fm Page 24 Mardi, 15. juin 2010 11:38 11 24 1.2 Géologie structurale La géologie structurale est la discipline qui étudie la disposition des formations rocheuses telles qu’on les observe en subsurface et/ou qu’on les imagine au bureau. En géotechnique, on peut le plus souvent la limiter à la description de leur faciès et de leur géométrie ; leur datation précise n’est éventuellement nécessaire que lors d’études de grands ouvrages souterrains, galeries, forages… traversant de nombreuses formations dont on veut préciser la structure. L’élément de base de la géologie structurale est le faciès d’une formation rocheuse : à l’origine, le mot désignait l’ensemble des caractères lithologiques, paléontologiques et génétiques propres d’une formation sédimentaire, son aspect particulier résultant des conditions de son élaboration et de son état (paléogéographie, sédimentation, diagenèse…), indépendamment de son âge : • des roches de même faciès peuvent avoir des âges différents – le calcaire de faciès urgonien est d’âge barrémien en Savoie, aptien en Provence et dans les Pyrénées, albien dans la cordillère Cantabrique ; • des roches de même âge peuvent avoir des faciès différents – calcaire et gypse d’âge ludien de la vallée de la Marne ; • une même formation peut présenter des faciès plus ou moins différents selon l’endroit – marne crayeuse, craie grise, craie noduleuse, craie glauconieuse, craie blanche avec et sans silex… du Bassin parisien. La notion de faciès a ensuite été appliquée sous la forme de lithofaciès, sans caractère paléontologique, aux formations métamorphiques ; elle peut aussi s’étendre, sans caractère génétique, aux formations magmatiques. C’est cette notion étendue qui permet, à une échelle d’observation donnée, de caractériser des formations de même aspect général, sans entrer dans des détails secondaires qui compliqueraient inutilement la modélisation de leur structure : les cartes et coupes géologiques, modèles géométriques du sous-sol d’un site (voir 3.3 et Fig. 1) sont en grande partie établies à partir d’observations de faciès à l’affleurement, en groupant ainsi des échantillons qui, sans être identiques, ont à peu près le même aspect et donc appartiennent en principe à la même formation. La structure primaire d’une formation est celle issue de son élaboration par sédimentation et diagenèse (roches sédimentaires), intrusion (roches plutoniques) ou effusion (roches volcaniques) ; sa structure secondaire est celle acquise ensuite, par déformation tectonique (failles et plis). Ces deux types de structures sont généralement superposés, mais on peut pratiquement toujours les distinguer, comme les strates (structure primaire) d’une formation sédimentaire fracturée et/ou plissée (structure secondaire) ; par contre, après une transformation métamorphique, si les structures des formations métamorphisées ont pratiquement disparu, les structures des formations métamorphiques qui en sont issues peuvent paraître primaires. Il est rare qu’une structure primaire soit intégralement conservée. 01-Chap 1.fm Page 25 Mardi, 15. juin 2010 11:38 11 1.2 – Géologie structurale Figure 1.2 – Superpositions de structures Primaires ou secondaires, on observe des structures analogues à toutes les échelles, de l’échantillon à la région : une faille peut avoir un rejet de quelques centimètres à plus de mille mètres ; un pli peut avoir un rayon de courbure de quelques millimètres à plus de 10 km… Mais sur le terrain, en dehors de certaines zones désertiques sans végétation, vous ne verrez de loin en loin que quelques pans de miroirs de failles, de charnières ou flancs de plis…, jamais continus et réguliers : les figures suivantes sont des modèles analogiques très schématiques d’objets réels infiniment plus complexes. En géotechnique, l’identification, l’implantation et la modélisation correctes de la structure géologique d’un site que l’on aménage sont nécessaires à la conception du projet, à la préparation, à l’exécution et au suivi des travaux ; ce sont les opérations de base de toute étude géotechnique, quelles que soient la nature et les dimensions de l’ouvrage. 1.2.1 Stratigraphie La stratigraphie est la discipline qui étudie dans l’espace et dans le temps les formations sédimentaires généralement plus ou moins arrangées en couches ou strates subhorizontales superposées dans l’ordre normal de leur dépôt, avant leurs déformations et/ou leurs transformations. En géotechnique, on peut la limiter à leur étude lithologique, géométrique et relationnelle dans l’espace. À toutes les échelles d’observation, la détermination de l’ordre de superposition d’une formation par rapport à une autre ou de la continuité d’une formation dont le faciès est plus ou moins variable, est particulièrement importante, car elle permet d’établir des modèles géométriques cohérents du sous-sol d’un site. Cette détermination spécifique par celle de l’âge d’une formation selon l’échelle stratigraphique générale (…Crétacé inférieur : …Barrémien, Aptien, Albien…) est une affaire de spécialistes que l’on n’aborde qu’en cas de doute sur l’ordre de superposition dans certaines structures tectoniques. Plus couramment, on 25 01-Chap 1.fm Page 26 Mardi, 15. juin 2010 11:38 11 26 peut substituer le niveau lithostratigraphique d’une formation à son âge pour distinguer des faciès différents de même niveau ou des mêmes faciès de niveaux différents, afin de préciser les relations spatiales de formations en contact, aussi bien sédimentaires que magmatiques ou métamorphiques. Figure 1.2.1.a – Ordres de superpositions (lithostratigraphie) On peut donc étendre la notion de stratigraphie descriptive spatiale à toutes les formations rocheuses : il y a un ordre de superposition normal des formations métamorphiques (granite, gneiss, micaschiste, schistes), des produits d’évolution superficielle de toutes les roches (roche mère, roche altérée, altérite…) ; il y a aussi des alternances répétées un grand nombre de fois de couches plus ou moins épaisses de tuf et lave volcaniques, de calcaire et marne, de grès et argilite… Figure 1.2.1.b – Stratification sédimentaire La strate est la plus petite unité d’une formation sédimentaire ; selon le type de roche, elle est épaisse de quelques centimètres à quelques décimètres et dépasse rarement le mètre, mais des strates de même roche peuvent être empilées sur de grandes épaisseurs – une formation de strates analogues à toutes les échelles d’observation est dite compréhensive. Par définition, une strate, ou plus généralement une formation compréhensive, présente des caractères lithologiques, structuraux et/ou paléontologiques propres plus ou moins apparents qui permettent de la distinguer de celle qu’elle surmonte et de celle qui la surmonte, dont elle est séparée par des surfaces de contact plus ou moins planes, des plans ou joints de stratification. La stratification peut être parallèle, oblique, lenticulaire… 02-Chap 2.fm Page 190 Mardi, 15. juin 2010 12:18 12 190 géotechnique à la fois géologique et géomécanique. Les mouvements susceptibles d’affecter des fondations sont les tassements élastiques ou de consolidation, les gonflements, les ruptures plastiques (basculements, poinçonnements ou glissements). On doit s’accommoder des tassements ; on peut éviter les gonflements ; il est indispensable d’éviter les ruptures. Ces phénomènes sont évidemment étroitement liés en pratique, mais la géomécanique ne sait les traiter qu’indépendamment. Le cas des fondations superficielles est le plus courant en pratique : à partir des essais de laboratoire, les calculs de rupture reposent sur des extensions de la théorie de Coulomb et les paramètres mesurés à la boîte de Casagrande ou au triaxial ; ceux de tassements reposent sur la théorie de Terzaghi et les paramètres mesurés à l’œdomètre ; à partir de l’essai pressiométrique, la rupture se calcule selon la pression limite et les tassements selon le module pressiométrique. La répartition des contraintes dans le géomatériau sous une charge de fondation n’est évidemment pas uniforme ; elle dépend de la distance du point considéré à la surface d’application de la charge et théoriquement des hypothèses relatives à la rigidité de cette surface, au comportement du matériau et aux conditions aux limites du problème. Pour l’établir, la méthode la plus utilisée est celle de Boussinesq en élasticité linéaire, généralement en intégrant sa solution de base de la charge verticale ponctuelle dans diverses conditions aux limites figurant des cas particuliers, au moyen soit de tables et/ou d’abaques de facteurs d’influence, soit par une simplification graphique, par le procédé de Newmark ou par un procédé numérique (Fig. 2.2.1). Les calculs de tassement et de gonflement utilisent simultanément soit les méthodes de Boussinesq, de Terzaghi et de Coulomb, et les mesures de laboratoire, soit la méthode et les mesures pressiométriques. Les calculs de rupture utilisent soit la méthode de Coulomb adaptée par Terzaghi et d’autres, et les mesures de laboratoire, soit la méthode et les mesures pressiométriques. Les mesures au pénétromètre statique permettent des estimations de rupture, mais pas de tassement ; celles au pénétromètre dynamique ne permettent pas grandchose de fiable, sauf étalonnage spécifique local très rigoureux. 2.3.2.1 Tassements Si la pression de contact est nettement plus faible que celle de rupture, ce qui est en principe toujours le cas en pratique puisque le coefficient de sécurité à la rupture est de 1/3, on considère que les tassements soit sont élastoplastiques et ressortissent à la théorie de Terzaghi pour les matériaux peu cohérents, soit sont élastiques et ressortissent à la méthode de Boussinesq pour les matériaux cohérents. On admet néanmoins dans les deux cas que la répartition des contraintes dans le géomatériau est élastique. Mais comme le module d’un matériau donné dépend de la pression et que le sous-sol d’un site n’est jamais homogène, on est obligé de pondérer sur une même verticale, et a fortiori d’une verticale à une autre, l’influence de plusieurs valeurs de modules ; on peut alors écrire que localement, le tassement est proportionnel à la pression, ce qui se manipule bien en calcul numérique ; pour traiter le géomatériau comme un élément de structure, 02-Chap 2.fm Page 191 Lundi, 21. juin 2010 2:23 14 2.3 – Les applications on peut lui attribuer un coefficient de raideur, ce qui conduit à de classiques équations homogènes relatives à un ensemble élastique continu structure/assise. Les calculs de tassement doivent éventuellement être effectués à deux échelles, celle de l’emprise de l’ouvrage que l’on considère comme une surface souple ou rigide et, si les appuis sont isolés, à celle de chaque appui, semelle, pieu ou groupe de pieux que l’on considère comme des surfaces rigides. Dans le cas de tassement de consolidation, on calcule le tassement final qui n’est obtenu qu’au bout d’un laps de temps plus ou moins long ; il faut donc calculer aussi son évolution dans le temps. Les autres méthodes donnent en principe le tassement final et ne permettent pas de calculer son évolution. Quelle que soit la méthode utilisée, il serait très imprudent de considérer les résultats des calculs de tassement comme autre chose que des ordres de grandeur, car dans tous les cas, ils sont obtenus au moyen de nombreuses hypothèses, de conditions aux limites schématiques et de données peu nombreuses et imprécises. Toutes choses égales par ailleurs, le rapport des résultats de méthodes différentes peut être supérieur à 3 ; il n’est donc pas nécessaire de recourir à des calculs trop compliqués, mais il est utile de calculer successivement selon plusieurs méthodes, en variant les hypothèses et les données éventuellement estimés, puis de pondérer les résultats en critiquant les bases de chacun. Soulignons enfin que chaque méthode définit son propre module et que leurs valeurs pour un même matériau se corrèlent mal et ne sont évidemment pas interchangeables. 2.3.2.1.1 Méthode de Boussinesq L’intégration de la formule de Boussinesq dans le cas d’une fondation plane superficielle de forme quelconque, reposant sur un milieu homogène semi-infini de module de Young EY, donne ∆h Cf*P*R*(1 – ν2)/EY, avec Cf coefficient fourni par une table ou un abaque, qui dépend de la position, de la forme et de la raideur de la fondation, et R une dimension caractéristique (rayon, demi-côté, demi-largeur…) de la fondation uniformément chargée à la pression P. Dans le cas d’un rectangle souple, on peut ainsi calculer les déformations moyenne, centrale, à chaque coin, à chaque demi-côté ; en superposant par sommes et/ou différences les déformations de coins de rectangles contigus, on calcule la déformation d’un point quelconque d’une surface quelconque. Cela permet de calculer les déformations de l’assise d’un ouvrage et ainsi d’estimer les contraintes que sa structure subira si elle est plus ou moins rigide. 2.3.2.1.2 Méthode œdométrique Le modèle de calcul de tassement est une coupe verticale sur laquelle figure les valeurs des paramètres œdométriques en fonction de la profondeur, en regard de laquelle on figure la courbe de répartition des contraintes sous la charge P. Pour chaque tranche de hauteur H correspondant soit à une couche réelle, soit à une épaisseur régulière arbitraire (ce qui n’est pas très conforme au modèle œdométrique), on calcule le tassement correspondant, ∆h h*(∆e/(1 + e0)), ∆h h*(∆σ’/E’) ou ∆h h*(Cc/(1 + e0)*∆log σ’), puis on somme l’ensemble 191 02-Chap 2.fm Page 192 Lundi, 21. juin 2010 2:26 14 192 sur la hauteur de la coupe. Les déformations de l’assise de l’ouvrage s’obtiennent en calculant ainsi les déformations sur plusieurs coupes. Il est rare que l’on dispose d’un nombre suffisant de valeurs œdométriques pour calculer ainsi et l’on se contente généralement d’un calcul global sur la hauteur de la coupe. Une tranche compressible d’épaisseur 2 h, située entre deux couches drainantes est plus conforme au modèle œdométrique ; son degré de tassement U % en fonction du temps s’exprime au moyen du facteur de temps, Tv t*Cv/h2 : U % f(Tv), que l’on obtient par une table ou un abaque ; inversement, on obtient le laps de temps au bout duquel on atteindra un certain degré de tassement. En principe, on peut utiliser les mêmes méthodes de calcul pour les gonflements. 2.3.2.1.3 Méthode pressiométrique Pour calculer les tassements, la théorie pressiométrique a produit une formule très compliquée qui utilise des facteurs empiriques obtenus par des tables ou des abaques, dépendant du géomatériau, α, et des dimensions de la fondation, λ et λ’, ainsi que deux modules calculés à partir de celui issu de l’essai. Une forme simplifiée de la formule complète est largement suffisante en pratique : par exemple, avec une semelle carrée de côté 2R sur un matériau élastique, on obtient ∆Hp 0,6 P*R/EM ; dans les mêmes conditions, on obtient ∆HY 2 P*R/EY par la méthode de Boussinesq ; il faut évidemment se garder d’en déduire que EM 3 EY. Figure 2.3.2 – Stabilité d’une semelle filante – tassement – rupture 2.3.2.2 Rupture L’étude à la rupture d’une fondation superficielle est fondée sur l’application de la théorie de Coulomb pour définir sa charge ultime. Cette charge dépend des caractéristiques mécaniques du géomatériau d’assise, de la forme, de la surface et de la profondeur de la fondation. Selon la méthode de Rankine/Prandtl, si cette charge est dépassée, le massif qui la supporte rompt par glissement, même 03-Chap 3.fm Page 201 Mardi, 15. juin 2010 3:18 15 3.1 – Le site géotechnique En exagérant à peine, on pourrait donc considérer que la géotechnique est la géologie du BTP complétée par de la géomécanique pratique ; ainsi dans cet essai, géologie du BTP et géotechnique sont des termes à peu près synonymes ; le passage progressif de la géologie à la géotechnique stricto sensu se fait d’une étape d’étude à la suivante. Dans cet essai, j’utilise l’expression géologie du BTP plus compréhensible pour des non-spécialistes que celle de géologie de l’ingénieur qu’utilisent les spécialistes (engineering geology, Ingenieurgeologie, Comité français de géologie de l’ingénieur…). 3.1 Le site géotechnique Objet spécifique de la géotechnique, le site est un ensemble évolutif indissociablement constitué d’un massif de géomatériau, infime portion de la subsurface terrestre siège de phénomènes naturels, et d’un ouvrage induisant dans ce massif des actions spécifiques qui modifient plus ou moins le cours des phénomènes naturels, certaines caractéristiques du géomatériau et plus ou moins l’état initial, naturel ou déjà modifié du massif, en particulier sa stabilité. Dans un laps de temps plus ou moins long, le massif va s’auto-organiser (Fig. 1.5.4.c) pour acquérir une stabilité plus ou moins différente de celle de son état initial ; c’est ce qui se passe lors d’un glissement de talus de déblais, quand le sous-sol tasse sous un immeuble, quand une digue de cours d’eau rompt… Un site de risque « naturel » est appelé bassin de risque. Tant pour des raisons techniques qu’économiques, le site de n’importe quel ouvrage doit être décrit, étudié et modélisé spécifiquement d’abord géologiquement, ensuite géomécaniquement en respectant les données géologiques. 3.1.1 Dimensions Les dimensions temporelles et géométriques d’un site géotechnique ne peuvent pas être définies a priori, en particulier en ne considérant que l’emplacement de l’ouvrage comme on le fait généralement. Elles dépendent évidemment de la nature, des dimensions et la durée de vie attendue de l’ouvrage, mais aussi de la nature et de la structure du site, de la façon spécifique dont il réagira sous son influence et de l’intensité à partir de laquelle on pourra considérer que ses réactions ne seront plus sensibles ou mesurables. En fait, on se limite aux phénomènes et à l’intensité de leurs effets susceptibles d’influencer directement le fonctionnement de l’ouvrage durant sa vie ; le site d’un immeuble est son emplacement et ses environs immédiats ; celui d’un barrage est la région aux limites de laquelle des fuites inévitables et incontrôlables, suffisamment importantes pour altérer le bon fonctionnement de la retenue sont susceptibles de se produire ; celui d’un site inondable est tout le bassin amont du cours d’eau ; celui d’un glissement est tout le versant qu’il affecte… 201 03-Chap 3.fm Page 202 Mardi, 15. juin 2010 3:18 15 202 3.1.1.1 Par rapport au temps Les phénomènes naturels qui se produisent dans un site y ont éventuellement des effets dommageables dont il importe d’estimer le temps de retour, comme ceux d’une crue pour un site inondable ; l’ouvrage y a des effets spécifiques plus ou moins durables comme le rabattement d’une nappe alluviale par un pompage d’assèchement de fouille ou d’exploitation d’eau, le tassement d’un immeuble… : le temps est donc une dimension intrinsèque du site, généralement négligée par la géomécanique. 3.1.1.2 Par rapport à l’ouvrage Les dimensions géométriques d’un site dépendent des dimensions de l’ouvrage ; celles du site d’une section d’autoroute en rase campagne sont très supérieures à celles du site d’un immeuble urbain. Elles dépendent également du type de l’ouvrage ; dans une même plaine alluviale, le site d’un puits exploitant de l’eau souterraine, défini par son domaine d’influence sur le niveau de la nappe, qui peut s’étendre très loin de cet ouvrage de petites dimensions, est beaucoup plus grand que celui d’un immeuble dont la construction n’influence pratiquement que la portion du sous-sol immédiatement située sous lui… 3.1.1.3 Par rapport à la structure géologique Les dimensions d’un site dépendent aussi de la structure géologique de la région dans laquelle est implanté l’ouvrage. Un site couvre en général des formations organisées à l’échelle d’une unité structurale et la région lui sert alors de cadre ; mais il y a des sites à l’échelle d’une formation dont le cadre est alors l’unité structurale, et des sites à l’échelle d’une région dont le cadre est une ou plusieurs provinces géologiques. Cela n’implique pas qu’il y ait forcément une relation entre cette échelle structurale et l’échelle de dimensions de l’ouvrage. Dans une région structurale simple comme un bassin sédimentaire, le site d’un grand ouvrage peut n’être qu’une seule formation plus ou moins homogène. Par contre, dans une région de structure complexe comme une chaîne de montagnes, le site d’un petit ouvrage peut couvrir plusieurs unités ou formations dont on ne pourra établir les corrélations qu’en s’intéressant à la structure d’ensemble de la région. Ces différences structurales sont particulièrement évidentes quand on cherche à apprécier les risques de fuites d’une retenue de barrage : dans une région granitique homogène, peu favorable aux infiltrations et aux circulations profondes et lointaines d’eaux souterraines, le site est limité aux abords de l’ouvrage et de la retenue, alors que dans une région sédimentaire fracturée, où l’on trouve des formations calcaires propices aux infiltrations abondantes et aux circulations karstiques lointaines, le site peut s’étendre très loin de l’ouvrage. 3.1.1.4 Par rapport aux phénomènes Les dimensions d’un site dépendent encore de la nature des phénomènes induits envisagés, de l’intensité à partir de laquelle on considère que leurs effets ne sont 03-Chap 3.fm Page 203 Mardi, 15. juin 2010 3:18 15 3.1 – Le site géotechnique plus observables, soit par les sens, soit par les instruments et enfin, de celle au dessous de laquelle ils n’ont plus d’effets éventuellement nuisibles sur le comportement de l’ouvrage ou sur celui d’ouvrages voisins : la décompression des roches autour d’une galerie a des effets dommageables sur l’ouvrage lui-même comme les coups de toit, les foisonnements de planchers ou les déformations de pieds-droits. Ils peuvent aussi en avoir en surface comme les affaissements parfois importants qui affectent le sol des bassins miniers où ils endommagent de nombreux édifices. Ils y sont plus généralement peu sensibles mais mesurables au moyen d’un réseau de repères de tassement tels qu’on en établit dans les villes, pour l’étude des tracés d’égouts ou de métropolitains, afin d’éviter que les bâtiments sus-jacents subissent des dommages importants. 3.1.1.5 Par rapport à l’échelle d’observation Pour assurer l’alimentation en eau d’une agglomération, le site hydrogéologique est d’abord un ou plusieurs bassins versants afin d’y caractériser un endroit particulièrement aquifère comme une plaine alluviale ; cette plaine et ses abords deviennent le site hydrogéologique dans lequel on choisit une zone favorable à l’implantation d’un champ de captage ; c’est cette zone qui constituera enfin le site hydraulique du captage. Il en va de même pour une grande voie nouvelle (autoroute ou TGV) ; on passe progressivement de la recherche du tracé dans un large fuseau à l’échelle de la région, aux terrassements du tracé retenu et aux fondations d’un ouvrage courant, à l’échelle de quelques centaines de mètres carrés. Les dimensions temporelles et géométriques d’un site géotechnique dépendent donc aussi de l’échelle d’observation : la démarche géotechnique procède par paliers, au moyen de changements d’échelles d’espace et de temps, et de progrès de conception ; elle consiste à extrapoler les résultats d’observations de terrain et d’expériences à l’échelle de l’échantillon, pour prévoir le comportement d’un ensemble site/ouvrage à l’échelle de l’ouvrage. Ce changement d’échelle en cours d’étude impose que l’on adopte un point de vue probabiliste d’indétermination : à une échelle différente de celle à laquelle on les utilise, nos méthodes et nos moyens d’observation et de mesure habituels introduisent des erreurs systématiques irréductibles, de sorte qu’une observation ou un fait expérimental à une échelle donnée ne peuvent être que plus ou moins indéterminés à une échelle différente tant d’ordre supérieur qu’inférieur. La démarche géologique consiste d’abord à dénommer, classer et cataloguer les phénomènes, ensuite à en retracer le cours s’ils sont durables, continus et indivisibles (érosion…), ou à les ranger et répertorier en catégories génériques s’ils sont brefs et faciles à distinguer clairement et définitivement (mouvements de pente…). Elle les réduit ensuite à des systèmes complexes, c’est-à-dire composés d’éléments schématiques plus ou moins liés, tels que si l’un manque ou est altéré, l’ensemble est dénaturé (glissements…). Enfin, la géomécanique transforme souvent certains d’entre eux en modèles apparemment simples, mais dont l’élaboration a été en fait très compliquée, pour ne pas dire confuse, embrouillée, difficile à comprendre, généralement afin de leur faire subir un traitement mathématique qui exige qu’on les schématise à l’excès (glissement « rotationnel »…) ; le milieu 203
