Géologie appliquée au BTP

Pierre Martin

16/06/10 11:08

appliq

uée

au B

TP

Géotechnique appliquée au BTP

Pierre Martin

23,3 mm

La géotechnique tient une place importante parmi les sciences et techniques du BTP. Elle permet l’adaptation des aménagements et ouvrages aux sites de construction pour en optimiser la sécurité et l’économie.

Fruit de l’expérience, affranchi d’un formalisme mathématique dont il tient néanmoins rigoureusement compte, cet essai présente les principes, les théories, la méthode et les usages techniques, commerciaux, administratifs et juridiques de la géotechnique actuelle.

Cet ouvrage s’adresse aux géotechniciens, étudiants, enseignants, praticiens et aux acteurs du BTP, décideurs, maîtres d’ouvrage, maîtres d’œuvre, ingénieurs, entrepreneurs, experts et juristes.

SommaireLa géotechnique 1Les principes 1Les théories 1Les objets 1L’étude géotechnique 1L’économie géotechnique 1La responsabilité du géotechnicien 1

Pierre MARTIN, ingénieur ENS Géologie, docteur ès sciences, a créé le Bureau d’Études Géotechniques et l’a dirigé durant plus de quarante ans ; il consacre encore une partie de son temps au conseil et à l’expertise judiciaire et est l’auteur de plusieurs ouvrages dans ce domaine.

G é o t e c h n i q u e

Géotechnique appliquée au BTP

Code

édite

ur : G

1227

1 • IS

BN : 9

78-2

-212

-122

71-8

45 €

barb

ary-

cour

te.c

om

12271_geotech_233.indd 1 17/01/08 15:35:31

PDT_12270.indd 1 16/06/10 12:43

© Groupe Eyrolles, 2010, ISBN : 978-2-212-12 70-6

16/06/10 12:43

7

Table des matières

Préface ...................................................................................................... 1

Introduction ............................................................................................. 3

1 ÉLÉMENTS DE GÉOLOGIE ........................................................... 51.1 Minéraux, roches et formations .............................................................. 5

1.1.1 Vocabulaire.................................................................................. 51.1.2 Les minéraux ............................................................................... 7

1.1.2.1 Les silicates ............................................................... 81.1.2.1.1 Le quartz .............................................................. 91.1.2.1.2 Les feldspaths ...................................................... 101.1.2.1.3 Les micas et les argiles ........................................ 101.1.2.1.4 Les silicates ferro-magnésiens ............................. 11

1.1.2.2 Les sels minéraux ...................................................... 121.1.2.3 Les oxydes ................................................................. 131.1.2.4 Évolution des minéraux............................................. 13

1.1.3 Roches et formations rocheuses .................................................. 131.1.3.1 Les roches magmatiques............................................ 15

1.1.3.1.1 Les roches plutoniques ........................................ 161.1.3.1.2 Les roches volcaniques ........................................ 16

1.1.3.2 Les roches sédimentaires........................................... 161.1.3.2.1 Les roches résiduelles .......................................... 171.1.3.2.2 Les roches détritiques .......................................... 171.1.3.2.3 Les roches carbonatées ........................................ 201.1.3.2.4 Les roches salines ................................................ 21

1.1.3.3 Les roches métamorphiques ...................................... 221.1.3.4 Évolution des roches.................................................. 23

1.2 Géologie structurale ................................................................................ 241.2.1 Stratigraphie................................................................................. 251.2.2 Tectonique ................................................................................... 29

1.2.2.1 Pendage...................................................................... 301.2.2.2 La fissuration des roches ........................................... 31

1.2.2.2.1 Les joints de stratification ................................... 321.2.2.2.2 Les diaclases ........................................................ 331.2.2.2.3 Le clivage schisteux ............................................ 34

MartinTDM.fm Page V Mardi, 15. juin 2010 3:35 15

VI

1.2.2.2.4 Autres fissures de roches .................................... 34

1.2.2.3 Les failles................................................................... 341.2.2.4 Les plis....................................................................... 381.2.2.5 Groupements de structures ........................................ 40

1.2.2.5.1 Les plates-formes ................................................ 411.2.2.5.2 Les massifs anciens ............................................. 411.2.2.5.3 Les bassins .......................................................... 421.2.2.5.4 Les chaînes .......................................................... 43

1.3 Géomorphologie...................................................................................... 451.3.1 Le relief........................................................................................ 47

1.3.1.1 Selon les roches ......................................................... 471.3.1.2 Selon la structure ....................................................... 48

1.3.2 Les modelés ................................................................................. 501.3.2.1 Les modelés de cours d’eau....................................... 501.3.2.2 Les modelés glaciaires............................................... 541.3.2.3 Les modelés littoraux................................................. 561.3.2.4 Les modelés éoliens................................................... 59

1.3.3 Les pièges morphologiques ......................................................... 60

1.4 Hydrogéologie......................................................................................... 611.4.1 Le cycle de l’eau.......................................................................... 621.4.2 L’eau souterraine ......................................................................... 62

1.4.2.1 Les formes de l’eau souterraine................................. 631.4.2.2 Les mouvements de l’eau souterraine ....................... 64

1.4.3 Les roches aquifères .................................................................... 661.4.3.1 Les vides des roches .................................................. 661.4.3.2 Argiles et sols argileux .............................................. 671.4.3.3 Roches perméables en petit ....................................... 691.4.3.4 Roches perméables en grand ..................................... 71

1.4.4 Les réseaux aquifères................................................................... 711.4.4.1 Les nappes ................................................................. 721.4.4.2 Les failles................................................................... 751.4.4.3 Les réseaux karstiques ............................................... 76

1.4.5 Physico-chimie des eaux souterraines ......................................... 77

1.5 Géodynamique ........................................................................................ 781.5.1 Les phénomènes naturels ............................................................. 791.5.2 Le cycle géologique..................................................................... 811.5.3 Les phénomènes internes ............................................................. 82

1.5.3.1 Les éruptions volcaniques ......................................... 841.5.3.2 Les séismes ................................................................ 86

1.5.4 Les phénomènes externes ............................................................ 881.5.4.1 L’érosion.................................................................... 88

1.5.4.1.1 L’altération .......................................................... 89

MartinTDM.fm Page VI Mardi, 15. juin 2010 3:35 15

Table des matières VII

1.5.4.1.2 L’ablation ............................................................ 92

1.5.4.2 Le transport................................................................ 1091.5.4.2.1 Les crues .............................................................. 110

1.5.4.3 La sédimentation ....................................................... 113

1.6 Esquisse géologique de la France ........................................................... 1141.6.1 Les phénomènes naturels dangereux ........................................... 1171.6.2 Les massifs anciens et leurs annexes........................................... 118

1.6.2.1 L’Ardenne et le Nord................................................. 1191.6.2.2 Les Vosges et l’Alsace .............................................. 1201.6.2.3 Le Massif armoricain................................................. 1211.6.2.4 Le Massif central et les Causses................................ 1231.6.2.5 Les autres massifs anciens......................................... 126

1.6.3 Les chaînes « alpines » ................................................................ 1261.6.3.1 Le Jura ....................................................................... 1271.6.3.2 Les Pyrénées et le Roussillon .................................... 1281.6.3.3 Les Alpes ................................................................... 1311.6.3.4 Le bas Languedoc et la Provence .............................. 1411.6.3.5 La Corse..................................................................... 147

1.6.4 Les bassins................................................................................... 1481.6.4.1 Le Bassin parisien...................................................... 1481.6.4.2 Le Couloir rhodanien................................................. 1541.6.4.3 Le bassin d’Aquitaine................................................ 1561.6.4.4 Autres bassins............................................................ 159

1.6.5 L’outre-mer.................................................................................. 160

2 ÉLÉMENTS DE GÉOMÉCANIQUE............................................... 1632.1 Les théories ............................................................................................. 166

2.1.1 Théorie de l’élasticité .................................................................. 1672.1.2 Théorie de la plasticité et de la rupture........................................ 1682.1.3 Théorie de la consolidation.......................................................... 1702.1.4 Théorie de l’hydraulique souterraine........................................... 173

2.2 Les méthodes de calcul ........................................................................... 1742.2.1 L’équilibre élastique .................................................................... 1752.2.2 L’équilibre plastique.................................................................... 1762.2.3 L’écoulement de l’eau dans un milieu perméable ....................... 178

2.3 Les applications ...................................................................................... 1812.3.1 Stabilité des murs de soutènement et des talus............................ 181

2.3.1.1 Stabilité des murs de soutènement ............................ 1822.3.1.2 Stabilité des talus....................................................... 183

2.3.1.2.1 Méthode de la hauteur critique du talus .............. 184

MartinTDM.fm Page VII Mardi, 15. juin 2010 3:35 15

VIII

2.3.1.2.2 Méthode du coefficient de sécurité au glissement ..... 1852.3.1.2.3 Stabilité des massifs aquifères ................................. 187

2.3.2 Fondations.................................................................................... 1892.3.2.1 Tassements................................................................. 190

2.3.2.1.1 Méthode de Boussinesq ...................................... 1912.3.2.1.2 Méthode œdométrique ........................................ 1912.3.2.1.3 Méthode pressiométrique .................................... 192

2.3.2.2 Rupture ...................................................................... 1922.3.2.2.1 Formule de Terzaghi ........................................... 1932.3.2.2.2 Méthode pressiométrique .................................... 194

2.3.3 Extraction de l’eau souterraine .................................................... 194

2.4 Qualité des résultats géomécaniques....................................................... 196

3 GÉOLOGIE DU BTP........................................................................ 199AMÉNAGEMENTS, OUVRAGES, TRAVAUX3.1 Le site géotechnique................................................................................ 201

3.1.1 Dimensions .................................................................................. 2013.1.1.1 Par rapport au temps .................................................. 2023.1.1.2 Par rapport à l’ouvrage .............................................. 2023.1.1.3 Par rapport à la structure géologique......................... 2023.1.1.4 Par rapport aux phénomènes...................................... 2023.1.1.5 Par rapport à l’échelle d’observation......................... 203

3.1.2 Modélisation ................................................................................ 2043.1.2.1 Modélisation géométrique ......................................... 2043.1.2.2 Modélisation du comportement ................................. 205

3.2 L’étude géologique de BTP .................................................................... 2073.2.1 Cadre général de l’étude (faisabilité)........................................... 2083.2.2 Étude générale du site (APS) ....................................................... 2133.2.3 Étude détaillée du site (APD) ...................................................... 215

3.3 Les moyens de la géologie du BTP......................................................... 2163.3.1 La documentation ........................................................................ 217

3.3.1.1 Cartes et plans topographiques .................................. 2183.3.1.2 Cartes géologiques..................................................... 2193.3.1.3 Autres documents ...................................................... 221

3.3.2 La télédétection............................................................................ 2223.3.3 La géologie de terrain .................................................................. 2233.3.4 La géophysique appliquée à la géologie du BTP......................... 226

3.3.4.1 La résistivité électrique.............................................. 2273.3.4.1.1 Le traîné électrique ............................................. 2293.3.4.1.2 Le sondage électrique ......................................... 2303.3.4.1.3 Autres techniques électriques ............................. 231

MartinTDM.fm Page VIII Mardi, 15. juin 2010 3:35 15

Table des matières IX

3.3.4.2 La sismique réfraction ............................................... 2313.3.4.3 Autres techniques sismiques...................................... 234

3.3.5 Les sondages................................................................................ 2353.3.6 L’instrumentation permanente..................................................... 238

3.3.6.1 Les piézomètres ......................................................... 2383.3.6.2 Les appareils optiques, géométriques et mécaniques 238

3.3.7 Les documents produits ............................................................... 239

3.4 Les aménagements .................................................................................. 2393.4.1 Les zones urbaines et périphériques ............................................ 240

3.4.1.1 Les aménagements de surface ................................... 2403.4.1.2 Les souterrains........................................................... 243

3.4.2 Les aérodromes............................................................................ 2433.4.3 Les aménagements « linéaires » .................................................. 244

3.4.3.1 Les canalisations enterrées ........................................ 2453.4.3.2 Les routes................................................................... 2463.4.3.3 Les voies ferrées ........................................................ 2513.4.3.4 Les canaux ................................................................. 2543.4.3.5 Les cours d’eau.......................................................... 2553.4.3.6 Les rivages marins..................................................... 259

3.5 Les ouvrages ........................................................................................... 2633.5.1 Ponts et viaducs ........................................................................... 268

3.5.1.1 Les ponts terrestres courants ..................................... 2713.5.1.2 Les viaducs ................................................................ 272

3.5.1.2.1 Le pont de Tancarville ......................................... 2733.5.1.2.2 Le pont de Normandie ......................................... 2743.5.1.2.3 Le viaduc de Millau ............................................. 275

3.5.2 Galeries et autres ouvrages souterrains ....................................... 2763.5.2.1 Les grands tunnels alpins........................................... 281

3.5.2.1.1 Les tunnels du Saint-Gothard .............................. 2833.5.2.1.2 Les tunnels du Löetschberg et du Simplon .......... 2843.5.2.1.3 Le tunnel du Grand Saint-Bernard ...................... 2863.5.2.1.4 Le tunnel du Mont-Blanc ..................................... 2863.5.2.1.5 Les tunnels du Mont-Cenis (Fréjus et Ambin) .... 2863.5.2.1.6 Les tunnels de Tende ........................................... 288

3.5.2.2 Le tunnel sous la Manche .......................................... 2893.5.2.3 Tunnels de ville ......................................................... 290

3.5.2.3.1 Paris ..................................................................... 2903.5.2.3.2 Lyon ..................................................................... 2903.5.2.3.3 Marseille .............................................................. 291

3.5.2.4 Accidents de tunnel ................................................... 2943.5.2.4.1 Le tunnel de faîte du Löetschberg ....................... 2943.5.2.4.2 Le tunnel de Toulon ............................................. 2943.5.2.4.3 Le tunnel de Vierzy ............................................. 296

MartinTDM.fm Page IX Mardi, 15. juin 2010 3:35 15

X

3.5.3 Barrages ....................................................................................... 2963.5.3.1 Le barrage .................................................................. 298

3.5.3.1.1 Emplacement ...................................................... 2983.5.3.1.2 Choix du type ...................................................... 2993.5.3.1.3 Fondations ........................................................... 2993.5.3.1.4 Étanchéité ............................................................ 299

3.5.3.2 La retenue .................................................................. 3003.5.3.3 L’évacuateur de crues................................................ 3013.5.3.4 Les types de barrages................................................. 302

3.5.3.4.1 Les barrages-digues en remblais ......................... 3033.5.3.4.2 Les barrages-murs en béton coulé ...................... 304

3.5.3.5 Surveillance et entretien des barrages ....................... 3073.5.3.6 Le lac Noir et Serre-Ponçon ...................................... 307

3.5.3.6.1 Le tube à manchettes ........................................... 3073.5.3.6.2 Le barrage du lac Noir ........................................ 3083.5.3.6.3 Serre-Ponçon ....................................................... 309

3.5.3.7 Accidents de barrage et/ou de retenue....................... 3113.5.3.7.1 Bouzey – Vosges ................................................ 3113.5.3.7.2 Malpasset – Var .................................................. 3113.5.3.7.3 Vajont – Vénétie ................................................. 314

3.5.4 Les ouvrages de soutènement ...................................................... 3173.5.5 Ouvrages aquatiques .................................................................... 319

3.6 Les travaux.............................................................................................. 3203.6.1 Les terrassements......................................................................... 321

3.6.1.1 Les excavations.......................................................... 3213.6.1.2 Les remblais............................................................... 326

3.6.2 Drainage – Assèchement des fouilles non blindées..................... 3293.6.2.1 Drainage..................................................................... 3303.6.2.2 Assèchement des fouilles non blindées ..................... 3323.6.2.3 Perturbations des nappes dues aux travaux

du BTP....................................................................... 3333.6.2.4 Pompage permanent sous les radiers de sous-sols

étanches ou non ......................................................... 3343.6.2.5 Étanchéisation des formations aquifères ................... 334

3.6.3 Fondations.................................................................................... 3353.6.4 Effets pervers des aménagements, des ouvrages

et des travaux ............................................................................... 3423.6.5 Dommages et accidents de chantiers et aux ouvrages ................. 343

3.7 Eaux souterraines et pollutions ............................................................... 3443.7.1 Les captages d’eau souterraine .................................................... 3443.7.2 La pollution des eaux souterraines .............................................. 3473.7.3 La réhabilitation des sites pollués................................................ 350

MartinTDM.fm Page X Mardi, 15. juin 2010 3:35 15

Table des matières XI

3.7.4 Le stockage des déchets............................................................... 3513.7.4.1 Déchets non radioactifs ............................................. 3523.7.4.2 Déchets radioactifs .................................................... 352

3.8 Du bon usage de la géologie dans le BTP............................................... 353

Bibliothèque de base ........................................................................... 357

MartinTDM.fm Page XI Mardi, 15. juin 2010 3:35 15

24

1.2 Géologie structurale

La géologie structurale est la discipline qui étudie la disposition des formationsrocheuses telles qu’on les observe en subsurface et/ou qu’on les imagine aubureau. En géotechnique, on peut le plus souvent la limiter à la description deleur faciès et de leur géométrie ; leur datation précise n’est éventuellementnécessaire 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 formationrocheuse : à l’origine, le mot désignait l’ensemble des caractères lithologiques,paléontologiques et génétiques propres d’une formation sédimentaire, sonaspect 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 defaciès urgonien est d’âge barrémien en Savoie, aptien en Provence et dans lesPyrénées, albien dans la cordillère Cantabrique ;

• des roches de même âge peuvent avoir des faciès différents – calcaire et gypsed’âge ludien de la vallée de la Marne ;

• une même formation peut présenter des faciès plus ou moins différents selonl’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, sanscaractère paléontologique, aux formations métamorphiques ; elle peut aussis’étendre, sans caractère génétique, aux formations magmatiques. C’est cettenotion étendue qui permet, à une échelle d’observation donnée, de caractériserdes formations de même aspect général, sans entrer dans des détails secondairesqui compliqueraient inutilement la modélisation de leur structure : les cartes etcoupes géologiques, modèles géométriques du sous-sol d’un site (voir 3.3 etFig. 1) sont en grande partie établies à partir d’observations de faciès à l’affleu-rement, en groupant ainsi des échantillons qui, sans être identiques, ont à peuprès le même aspect et donc appartiennent en principe à la même formation.

La structure primaire d’une formation est celle issue de son élaboration parsédimentation et diagenèse (roches sédimentaires), intrusion (roches plutoni-ques) ou effusion (roches volcaniques) ; sa structure secondaire est celle acquiseensuite, par déformation tectonique (failles et plis). Ces deux types de structuressont généralement superposés, mais on peut pratiquement toujours les distin-guer, comme les strates (structure primaire) d’une formation sédimentaire frac-turée et/ou plissée (structure secondaire) ; par contre, après une transformationmétamorphique, si les structures des formations métamorphisées ont pratique-ment disparu, les structures des formations métamorphiques qui en sont issuespeuvent paraître primaires. Il est rare qu’une structure primaire soit intégrale-ment conservée.

01-Chap 1.fm Page 24 Mardi, 15. juin 2010 11:38 11

1.2 – Géologie structurale 25

Figure 1.2 – Superpositions de structures

Primaires ou secondaires, on observe des structures analogues à toutes leséchelles, de l’échantillon à la région : une faille peut avoir un rejet de quelquescentimètres à plus de mille mètres ; un pli peut avoir un rayon de courbure dequelques millimètres à plus de 10 km… Mais sur le terrain, en dehors de certai-nes zones désertiques sans végétation, vous ne verrez de loin en loin que quel-ques pans de miroirs de failles, de charnières ou flancs de plis…, jamaiscontinus et réguliers : les figures suivantes sont des modèles analogiques trèsschématiques d’objets réels infiniment plus complexes.

En géotechnique, l’identification, l’implantation et la modélisation correctes dela structure géologique d’un site que l’on aménage sont nécessaires à la concep-tion du projet, à la préparation, à l’exécution et au suivi des travaux ; ce sont lesopérations de base de toute étude géotechnique, quelles que soient la nature etles dimensions de l’ouvrage.

1.2.1 Stratigraphie

La stratigraphie est la discipline qui étudie dans l’espace et dans le temps lesformations sédimentaires généralement plus ou moins arrangées en couches oustrates subhorizontales superposées dans l’ordre normal de leur dépôt, avantleurs déformations et/ou leurs transformations. En géotechnique, on peut lalimiter à leur étude lithologique, géométrique et relationnelle dans l’espace.

À toutes les échelles d’observation, la détermination de l’ordre de superpositiond’une formation par rapport à une autre ou de la continuité d’une formation dontle faciès est plus ou moins variable, est particulièrement importante, car ellepermet 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’échellestratigraphique générale (…Crétacé inférieur : …Barrémien, Aptien, Albien…)est une affaire de spécialistes que l’on n’aborde qu’en cas de doute sur l’ordrede superposition dans certaines structures tectoniques. Plus couramment, on

01-Chap 1.fm Page 25 Mardi, 15. juin 2010 11:38 11

26

peut substituer le niveau lithostratigraphique d’une formation à son âge pourdistinguer des faciès différents de même niveau ou des mêmes faciès de niveauxdifférents, afin de préciser les relations spatiales de formations en contact, aussibien 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 lesformations rocheuses : il y a un ordre de superposition normal des formationsmétamorphiques (granite, gneiss, micaschiste, schistes), des produits d’évolu-tion superficielle de toutes les roches (roche mère, roche altérée, altérite…) ;il y a aussi des alternances répétées un grand nombre de fois de couches plusou moins épaisses de tuf et lave volcaniques, de calcaire et marne, de grès etargilite…

Figure 1.2.1.b – Stratification sédimentaire

La strate est la plus petite unité d’une formation sédimentaire ; selon le type deroche, elle est épaisse de quelques centimètres à quelques décimètres et dépasserarement le mètre, mais des strates de même roche peuvent être empilées sur degrandes épaisseurs – une formation de strates analogues à toutes les échellesd’observation est dite compréhensive. Par définition, une strate, ou plus généra-lement une formation compréhensive, présente des caractères lithologiques,structuraux et/ou paléontologiques propres plus ou moins apparents qui permet-tent de la distinguer de celle qu’elle surmonte et de celle qui la surmonte, dontelle est séparée par des surfaces de contact plus ou moins planes, des plansou joints de stratification. La stratification peut être parallèle, oblique,lenticulaire…

01-Chap 1.fm Page 26 Mardi, 15. juin 2010 11:38 11

190

géotechnique à la fois géologique et géomécanique. Les mouvements suscep-tibles d’affecter des fondations sont les tassements élastiques ou de consolida-tion, les gonflements, les ruptures plastiques (basculements, poinçonnements ouglissements). On doit s’accommoder des tassements ; on peut éviter lesgonflements ; il est indispensable d’éviter les ruptures. Ces phénomènes sontévidemment étroitement liés en pratique, mais la géomécanique ne sait les trai-ter qu’indépendamment. Le cas des fondations superficielles est le plus couranten pratique : à partir des essais de laboratoire, les calculs de rupture reposent surdes extensions de la théorie de Coulomb et les paramètres mesurés à la boîtede Casagrande ou au triaxial ; ceux de tassements reposent sur la théorie deTerzaghi et les paramètres mesurés à l’œdomètre ; à partir de l’essai pressio-métrique, la rupture se calcule selon la pression limite et les tassements selon lemodule pressiométrique.

La répartition des contraintes dans le géomatériau sous une charge de fondationn’est évidemment pas uniforme ; elle dépend de la distance du point considéré àla surface d’application de la charge et théoriquement des hypothèses relatives àla rigidité de cette surface, au comportement du matériau et aux conditions auxlimites du problème. Pour l’établir, la méthode la plus utilisée est celle deBoussinesq en élasticité linéaire, généralement en intégrant sa solution de basede la charge verticale ponctuelle dans diverses conditions aux limites figurantdes cas particuliers, au moyen soit de tables et/ou d’abaques de facteursd’influence, soit par une simplification graphique, par le procédé de Newmarkou par un procédé numérique (Fig. 2.2.1).

Les calculs de tassement et de gonflement utilisent simultanément soit lesméthodes de Boussinesq, de Terzaghi et de Coulomb, et les mesures de labora-toire, soit la méthode et les mesures pressiométriques. Les calculs de ruptureutilisent soit la méthode de Coulomb adaptée par Terzaghi et d’autres, et lesmesures de laboratoire, soit la méthode et les mesures pressiométriques. Lesmesures au pénétromètre statique permettent des estimations de rupture, maispas de tassement ; celles au pénétromètre dynamique ne permettent pas grand-chose 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 esten principe toujours le cas en pratique puisque le coefficient de sécurité à la rup-ture est de 1/3, on considère que les tassements soit sont élastoplastiques et res-sortissent à la théorie de Terzaghi pour les matériaux peu cohérents, soit sontélastiques et ressortissent à la méthode de Boussinesq pour les matériaux cohé-rents. On admet néanmoins dans les deux cas que la répartition des contraintesdans le géomatériau est élastique. Mais comme le module d’un matériau donnédépend de la pression et que le sous-sol d’un site n’est jamais homogène, on estobligé de pondérer sur une même verticale, et a fortiori d’une verticale à uneautre, l’influence de plusieurs valeurs de modules ; on peut alors écrire que loca-lement, le tassement est proportionnel à la pression, ce qui se manipule bien encalcul numérique ; pour traiter le géomatériau comme un élément de structure,

02-Chap 2.fm Page 190 Mardi, 15. juin 2010 12:18 12

2.3 – Les applications 191

on peut lui attribuer un coefficient de raideur, ce qui conduit à de classiqueséquations 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 ourigide et, si les appuis sont isolés, à celle de chaque appui, semelle, pieu ougroupe de pieux que l’on considère comme des surfaces rigides. Dans le cas detassement de consolidation, on calcule le tassement final qui n’est obtenu qu’aubout d’un laps de temps plus ou moins long ; il faut donc calculer aussi son évo-lution dans le temps. Les autres méthodes donnent en principe le tassement finalet ne permettent pas de calculer son évolution.

Quelle que soit la méthode utilisée, il serait très imprudent de considérer les résul-tats des calculs de tassement comme autre chose que des ordres de grandeur, cardans tous les cas, ils sont obtenus au moyen de nombreuses hypothèses, de condi-tions aux limites schématiques et de données peu nombreuses et imprécises. Tou-tes choses égales par ailleurs, le rapport des résultats de méthodes différentes peutêtre supérieur à 3 ; il n’est donc pas nécessaire de recourir à des calculs trop com-pliqués, mais il est utile de calculer successivement selon plusieurs méthodes, envariant les hypothèses et les données éventuellement estimés, puis de pondérer lesrésultats en critiquant les bases de chacun.

Soulignons enfin que chaque méthode définit son propre module et que leursvaleurs pour un même matériau se corrèlent mal et ne sont évidemment pasinterchangeables.

2.3.2.1.1 Méthode de Boussinesq

L’intégration de la formule de Boussinesq dans le cas d’une fondation planesuperficielle de forme quelconque, reposant sur un milieu homogène semi-infinide module de Young EY, donne ∆h � Cf*P*R*(1 – ν2)/EY, avec Cf coefficientfourni par une table ou un abaque, qui dépend de la position, de la forme et de laraideur de la fondation, et R une dimension caractéristique (rayon, demi-côté,demi-largeur…) de la fondation uniformément chargée à la pression P. Dans lecas d’un rectangle souple, on peut ainsi calculer les déformations moyenne,centrale, à chaque coin, à chaque demi-côté ; en superposant par sommes et/oudifférences les déformations de coins de rectangles contigus, on calcule ladéformation d’un point quelconque d’une surface quelconque. Cela permet decalculer les déformations de l’assise d’un ouvrage et ainsi d’estimer les con-traintes 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 lesvaleurs des paramètres œdométriques en fonction de la profondeur, en regard delaquelle on figure la courbe de répartition des contraintes sous la charge P. Pourchaque tranche de hauteur H correspondant soit à une couche réelle, soit à uneépaisseur régulière arbitraire (ce qui n’est pas très conforme au modèle œdo-métrique), 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

02-Chap 2.fm Page 191 Lundi, 21. juin 2010 2:23 14

192

sur la hauteur de la coupe. Les déformations de l’assise de l’ouvrage s’obtien-nent en calculant ainsi les déformations sur plusieurs coupes. Il est rare que l’ondispose d’un nombre suffisant de valeurs œdométriques pour calculer ainsi etl’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 estplus conforme au modèle œdométrique ; son degré de tassement U % en fonctiondu 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 detemps 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 formuletrès compliquée qui utilise des facteurs empiriques obtenus par des tables ou desabaques, dépendant du géomatériau, α, et des dimensions de la fondation, λ etλ’, ainsi que deux modules calculés à partir de celui issu de l’essai. Une formesimplifiée de la formule complète est largement suffisante en pratique : parexemple, 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 garderd’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 dela théorie de Coulomb pour définir sa charge ultime. Cette charge dépend descaractéristiques mécaniques du géomatériau d’assise, de la forme, de la surfaceet de la profondeur de la fondation. Selon la méthode de Rankine/Prandtl, sicette charge est dépassée, le massif qui la supporte rompt par glissement, même

02-Chap 2.fm Page 192 Lundi, 21. juin 2010 2:26 14

3.1 – Le site géotechnique 201

En exagérant à peine, on pourrait donc considérer que la géotechnique est lagéologie du BTP complétée par de la géomécanique pratique ; ainsi dans cetessai, 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’uneétape d’étude à la suivante.

Dans cet essai, j’utilise l’expression géologie du BTP plus compréhensible pourdes non-spécialistes que celle de géologie de l’ingénieur qu’utilisent les spécia-listes (engineering geology, Ingenieurgeologie, Comité français de géologie del’ingénieur…).

3.1 Le site géotechniqueObjet spécifique de la géotechnique, le site est un ensemble évolutif indissocia-blement constitué d’un massif de géomatériau, infime portion de la subsurfaceterrestre siège de phénomènes naturels, et d’un ouvrage induisant dans ce mas-sif des actions spécifiques qui modifient plus ou moins le cours des phénomènesnaturels, certaines caractéristiques du géomatériau et plus ou moins l’état initial,naturel ou déjà modifié du massif, en particulier sa stabilité. Dans un laps detemps plus ou moins long, le massif va s’auto-organiser (Fig. 1.5.4.c) pouracquérir une stabilité plus ou moins différente de celle de son état initial ; c’estce qui se passe lors d’un glissement de talus de déblais, quand le sous-sol tassesous 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 quelouvrage doit être décrit, étudié et modélisé spécifiquement d’abord géologique-ment, ensuite géomécaniquement en respectant les données géologiques.

3.1.1 Dimensions

Les dimensions temporelles et géométriques d’un site géotechnique ne peuventpas être définies a priori, en particulier en ne considérant que l’emplacement del’ouvrage comme on le fait généralement. Elles dépendent évidemment de lanature, des dimensions et la durée de vie attendue de l’ouvrage, mais aussi de lanature et de la structure du site, de la façon spécifique dont il réagira sous soninfluence et de l’intensité à partir de laquelle on pourra considérer que ses réac-tions ne seront plus sensibles ou mesurables. En fait, on se limite aux phéno-mènes et à l’intensité de leurs effets susceptibles d’influencer directement lefonctionnement de l’ouvrage durant sa vie ; le site d’un immeuble est sonemplacement et ses environs immédiats ; celui d’un barrage est la région auxlimites de laquelle des fuites inévitables et incontrôlables, suffisamment impor-tantes pour altérer le bon fonctionnement de la retenue sont susceptibles de seproduire ; 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…

03-Chap 3.fm Page 201 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 deseffets dommageables dont il importe d’estimer le temps de retour, comme ceux d’unecrue pour un site inondable ; l’ouvrage y a des effets spécifiques plus ou moins dura-bles comme le rabattement d’une nappe alluviale par un pompage d’assèchement defouille ou d’exploitation d’eau, le tassement d’un immeuble… : le temps est doncune 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 del’ouvrage ; celles du site d’une section d’autoroute en rase campagne sont trèssupérieures à celles du site d’un immeuble urbain. Elles dépendent égalementdu type de l’ouvrage ; dans une même plaine alluviale, le site d’un puits exploi-tant de l’eau souterraine, défini par son domaine d’influence sur le niveau de lanappe, qui peut s’étendre très loin de cet ouvrage de petites dimensions, estbeaucoup plus grand que celui d’un immeuble dont la construction n’influencepratiquement 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 régiondans laquelle est implanté l’ouvrage. Un site couvre en général des formationsorganisées 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’unitéstructurale, et des sites à l’échelle d’une région dont le cadre est une ou plu-sieurs provinces géologiques. Cela n’implique pas qu’il y ait forcément unerelation entre cette échelle structurale et l’échelle de dimensions de l’ouvrage.

Dans une région structurale simple comme un bassin sédimentaire, le site d’ungrand ouvrage peut n’être qu’une seule formation plus ou moins homogène. Parcontre, dans une région de structure complexe comme une chaîne de montagnes, lesite d’un petit ouvrage peut couvrir plusieurs unités ou formations dont on ne pourraétablir les corrélations qu’en s’intéressant à la structure d’ensemble de la région.

Ces différences structurales sont particulièrement évidentes quand on cherche àapprécier les risques de fuites d’une retenue de barrage : dans une région grani-tique homogène, peu favorable aux infiltrations et aux circulations profondes etlointaines d’eaux souterraines, le site est limité aux abords de l’ouvrage et de laretenue, alors que dans une région sédimentaire fracturée, où l’on trouve desformations calcaires propices aux infiltrations abondantes et aux circulationskarstiques 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 induitsenvisagés, de l’intensité à partir de laquelle on considère que leurs effets ne sont

03-Chap 3.fm Page 202 Mardi, 15. juin 2010 3:18 15

3.1 – Le site géotechnique 203

plus observables, soit par les sens, soit par les instruments et enfin, de celle audessous de laquelle ils n’ont plus d’effets éventuellement nuisibles sur le com-portement de l’ouvrage ou sur celui d’ouvrages voisins : la décompression desroches autour d’une galerie a des effets dommageables sur l’ouvrage lui-mêmecomme les coups de toit, les foisonnements de planchers ou les déformations depieds-droits. Ils peuvent aussi en avoir en surface comme les affaissements par-fois importants qui affectent le sol des bassins miniers où ils endommagent denombreux édifices. Ils y sont plus généralement peu sensibles mais mesurablesau moyen d’un réseau de repères de tassement tels qu’on en établit dans lesvilles, pour l’étude des tracés d’égouts ou de métropolitains, afin d’éviter queles 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 hydrogéologiqueest d’abord un ou plusieurs bassins versants afin d’y caractériser un endroit par-ticulièrement aquifère comme une plaine alluviale ; cette plaine et ses abordsdeviennent le site hydrogéologique dans lequel on choisit une zone favorable àl’implantation d’un champ de captage ; c’est cette zone qui constituera enfin lesite 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 unlarge fuseau à l’échelle de la région, aux terrassements du tracé retenu et auxfondations d’un ouvrage courant, à l’échelle de quelques centaines de mètrescarrés.

Les dimensions temporelles et géométriques d’un site géotechnique dépendentdonc aussi de l’échelle d’observation : la démarche géotechnique procède parpaliers, au moyen de changements d’échelles d’espace et de temps, et de pro-grès de conception ; elle consiste à extrapoler les résultats d’observations de ter-rain et d’expériences à l’échelle de l’échantillon, pour prévoir le comportementd’un ensemble site/ouvrage à l’échelle de l’ouvrage. Ce changement d’échelleen cours d’étude impose que l’on adopte un point de vue probabilisted’indétermination : à une échelle différente de celle à laquelle on les utilise, nosméthodes et nos moyens d’observation et de mesure habituels introduisent deserreurs systématiques irréductibles, de sorte qu’une observation ou un fait expé-rimental à une échelle donnée ne peuvent être que plus ou moins indéterminés àune échelle différente tant d’ordre supérieur qu’inférieur.

La démarche géologique consiste d’abord à dénommer, classer et cataloguer lesphénomènes, ensuite à en retracer le cours s’ils sont durables, continus et indivisi-bles (érosion…), ou à les ranger et répertorier en catégories génériques s’ils sontbrefs et faciles à distinguer clairement et définitivement (mouvements de pente…).Elle les réduit ensuite à des systèmes complexes, c’est-à-dire composés d’élé-ments schématiques plus ou moins liés, tels que si l’un manque ou est altéré,l’ensemble est dénaturé (glissements…). Enfin, la géomécanique transforme sou-vent certains d’entre eux en modèles apparemment simples, mais dont l’élabora-tion a été en fait très compliquée, pour ne pas dire confuse, embrouillée, difficile àcomprendre, généralement afin de leur faire subir un traitement mathématique quiexige qu’on les schématise à l’excès (glissement « rotationnel »…) ; le milieu

03-Chap 3.fm Page 203 Mardi, 15. juin 2010 3:18 15