UTILISATION DES PARAMETRES COMBINES DANS DES ETUDES GEOTECHNIQUES A VITRY SUR SEINE (F) ET CHARLEROI (B)

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1 UTILISATION DES PARAMETRES COMBINES DANS DES ETUDES GEOTECHNIQUES A VITRY SUR SEINE (F) ET CHARLEROI (B) USE OF COMBINED PARAMETERS IN GEOTECHNICAL STUDIES IN VITRY SUR SEINE (F) AND CHARLEROI (B). Matthieu HAMEL 1, Jean-Michel VAILLANT 2 1 FONDASOL, Agence Ile-de-France Est, matthieu.hamel@fondasol.fr 2 FONDASOL, Agence de Belgique, jean-michel.vaillant@fondasol.be RÉSUMÉ Dans la définition d une campagne d investigation géotechnique, les sondages destructifs avec enregistrement des paramètres de forage constituent une solution intéressante s offrant à l ingénieur pour obtenir une quantité importante d informations à un coût modéré. A travers 2 cas d études géotechniques, l article présente comment l exploitation composée des paramètres de forage a permis de préciser la position des interfaces géologiques, d identifier les anomalies mais aussi de définir des zones d homogénéité mécanique et de caractériser géologiquement un substratum rocheux. ABSTRACT In the definition of a geotechnical investigation programme, drilling parameters measurement is an alternative solution to have a large amount of informations with a moderate cost. Through two geotechnical cases, this paper presents how drilling parameters recording has clarified the location of geological interfaces, identified anomalies or mechanical homogeneity areas and characterized an geological bedrock. 1. Introduction Dans le cadre des campagnes d investigations géotechniques, les diagraphies instantanées - ou enregistrement des paramètres de forage - permettent d obtenir des informations continues, en grande quantité et à un cout modéré. Dans la présente publication, nous présentons 2 cas où l ingénieur a pris le parti d exploiter les diagraphies instantanées pour définir un modèle géotechnique préliminaire ou pour préciser des hypothèses considérées en première approche. Dans un premier temps, nous rappellerons sommairement quels sont les paramètres enregistrés et combinés dont dispose l ingénieur puis nous présenterons les cas retenus, enfin nous discuterons les résultats obtenus pour conclure sur la pertinence de l utilisation des paramètres combinés pour les études géotechniques courantes. 2. Présentation des paramètres simples et combinés Les paramètres de forage classiquement enregistrés sur les sondeuses hydrauliques sont d une part les paramètres fixés par l opérateur (principalement la pression sur

2 l outil ) et d autre part les paramètres qui traduisent la réponse du terrain (la vitesse d avancement, la pression d injection, et le couple de rotation ). En combinant ces paramètres, la réponse du terrain peut être quantifiée, quasiindépendamment des conditions de réalisation du forage et notamment des variations de la poussée sur l outil. Les paramètres composés présentés ci-dessous sont facilement utilisables par le géotechnicien. Il s agit de : L indice d altération : A = 1 + [( / ) - ( / )] sans unité avec et valeurs maximales de et sur l ensemble du chantier (Benoit et al ; Reiffsteck et al, 2012). La relation de Sommerton modifié : Sd = / en kpa.(m/s)-1/2 (Somerton 1959 ; Cassan et Gambin 1999 ; Reiffsteck et al, 2012). La résistance à la pénétration qui représente la durée en seconde nécessaire à forer 20 cm de terrain : Rp=(t)dz=0.2 m en s (Reiffsteck et al, 2012). Ce dernier paramètre n est pas à proprement parler un paramètre composé puisque seule la vitesse d avancement est prise en compte. Toutefois lorsque la pression sur l outil est maintenue à peu près constante, il permet d obtenir un paramètre proche de la résistance obtenue avec le pénétromètre dynamique. 3. Premier cas : Centre aquatique de Vitry-sur-Seine (94) 3.1. Présentation du projet et du contexte géologique Vitry-sur Seine se situe immédiatement au sud-est de Paris. Le projet consiste à aménager un centre aquatique comprenant tribunes, bassins et fosses de plongée sur un terrain de 5000 m2 actuellement occupé par un parking à ciel ouvert. Le contexte géologique est celui de la vallée alluviale de la Seine. Sous des formations quaternaires (colluvions limono-sableuses et alluvions sablograveleuses), le substratum est constitué par le Calcaire de Saint-Ouen et par les Sables de Beauchamp d âge Eocène. Deux aléas géotechniques majeurs ont été identifiés au stade de l enquête bibliographique et de la mission d avant-projet : Des surépaisseurs de remblais liés au comblement d anciennes exploitations de sables. Le site est en effet répertorié sur le plan des carrières du département du Val-de-Marne (partie ouest) comme étant dans le périmètre d une ancienne exploitation de sable à ciel ouvert remblayée et les campagnes de photographies aériennes de 1926 à 1983 montrent que le terrain a été partiellement exploité.

3 Des anomalies (affaiblissements importants) liées à des dissolutions de gypse dans les Calcaires de Saint-Ouen (Pasquet et al, 1967) et que d anciennes campagnes de sondages avaient mises en évidence vers 13/15 m de profondeur (cote 24,5 à 20,5 NGF). Figures 1 et 2 : Localisation et carte géologique du site Campagnes d investigations géotechniques Méthodologie La campagne d investigations a été réalisée en deux phases successives : Première phase de reconnaissance préliminaire : 1 sondage carotté a été descendu à 17 m de profondeur afin de préciser la lithologie du site et de servir de référence pour l interprétation des sondages destructifs. Puis 33 sondages destructifs en diamètre 64 mm ont été répartis selon un maillage de 15 m 15 m dont 24 et 9 sondages respectivement réalisés à 17 et 30 m de profondeur. Ils avaient pour objectif : D établir un modèle géotechnique préliminaire en identifiant les zones qui présentent des caractéristiques mécaniques homogènes. De relever la position des anomalies dans les marno-calcaires de Saint-Ouen. De déterminer l extension des sablières. Deuxième phase de reconnaissance approfondie : 1 sondage carotté réalisé au niveau de l anomalie la plus significative 5 sondages destructifs, avec des essais pressiométriques réalisés pour partie dans les anomalies et pour le reste au niveau des zones jugées représentatives d un point de vue mécanique des différentes formations identifiées.

4 Côte NGF Côte NGF Côte NGF Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2014 Beauvais 8-10 juillet 2014 Pour les deux phases de reconnaissance, les sondages destructifs ont été réalisés avec une machine Socomafor 50, un taillant de 64 mm de diamètre et de l eau pour fluide de forage Première phase : exploitation des enregistrements des paramètres Choix des paramètres Les 3 paramètres composés du paragraphe 1 ont été calculés pour chaque sondage destructif. Le cas du sondage SD04-30 est présenté ci-dessous : Figure 3. Paramètres de forage cas du sondage SD A = 1+P/Pmax-V/Vmax Résistance à la pénétration (secondes) P/V^0.5 (courbe lissée) Anomalies Paramètre A Résistance à la pénétration (seconde) Indice P/V^0.5 Figures 4,5 et 6 : Exploitation des paramètres composés cas du sondage SD La résistance à la pénétration (Rd) et l indice de Sommerton modifié ont été retenus.

5 L indice A n a pas été exploité pour ce chantier car il présente des contrastes plus faibles que les deux indices précédent et est donc moins précis pour caractériser les changements de formations géologiques. Définition d un modèle géotechnique préliminaire Les sondages destructifs ont été réalisés en gardant une pression sur l outil à peu près constante. L analyse des variations de la résistance à la pénétration est donc pertinente dans ce cas et a permis d établir de façon assez précise les limites entre les formations identifiées par le sondage carotté : L interface entre les remblais (1) et les colluvions sableuses (2) est caractérisée par une augmentation de Rd qui est systématiquement supérieure à 10 secondes. L interface entre les alluvions sablo-graveleuses (3) et le substratum (4) est très marquée avec au niveau du toit des Calcaires de Saint-Ouen (cote 28 à 25 NGF) des valeurs de Rd supérieures à 20 ou 30 secondes sur 2 à 4 m d épaisseur souvent suivi par une chute de la résistance à la pénétration (inférieure à 5 secondes) traduisant la présence d anomalies. Une chute de la valeur de Rd est également observée systématiquement entre la cote 13 et 11 NGF et correspond à la tête de l horizon sableux des sables de Beauchamp (5). L interface entre les colluvions sableuses (2) et les alluvions sablo-graveleuses (3) se caractérise souvent par une baisse de la valeur de la résistance à la pénétration (5 à 10 secondes) qui n est pas en rapport avec la compacité des terrains. Elle n a pas été systématiquement mise en évidence. L analyse de la pression d injection qui traduit le contraste de perméabilité entre ces deux formations a parfois pu aider à préciser la position de cette interface. Position et caractérisation des anomalies La résistance à la pénétration a permis de positionner sans ambigüité les anomalies. Toutefois, pour les caractériser et pour pouvoir les comparer entre elles, l indice de Sommerton modifié a été jugé plus approprié puisque la pression sur l outil qui a tendance à chuter dans les passages mous (lorsque le sondeur active la pression de retenue) est prise en compte. Les anomalies significatives sont celles pour lesquelles la valeur de Sd se rapproche de celle observée sur le sondage d étalonnage réalisé à vide (Sd= 2 à 3). Sur les 33 sondages réalisés, 8 anomalies significatives ont été mises en évidence (cf. figures 5 et 6). Une seule anomalie significative présente une taille proche de 2 m. Trois anomalies ont une taille comprises entre 0.5 et 1 m. Les cinq autres anomalies significatives ont une taille inférieure à 0.5 m.

6 Extension des anciennes exploitations de sables L identification des remblais de comblement et donc de l extension des anciennes sablières se base également sur l analyse du paramètre Rd. En effet la formation (2) présente systématiquement un indice de pénétration homogène et largement supérieur à 10 secondes. Lorsqu elle est présente, elle se situe entre les cotes 35/33 NGF et les cotes 32/30 NGF. C est donc l absence de cet horizon sablo-limoneux qui marque la présence de remblais de comblement des anciennes carrières Deuxième phase : Reconnaissance approfondie Sur la base du modèle géotechnique préliminaire, du positionnement des anomalies et de l extension des zones présumées remblayées, les investigations complémentaires ont été réalisées. Elles avaient pour objectif de : Définir les caractéristiques géomécaniques des formations identifiées en première phase en positionnant les essais pressiométriques dans les zones jugées les plus représentatives. Caractériser les anomalies : Un sondage carotté, implanté au droit d une anomalie significative, a permis de relever la présence d une couche d argile molle gris foncé à noire au sein du calcaire de Saint-Ouen. Puis pour caractériser mécaniquement cet horizon altéré, des essais pressiométriques ont été réalisés dans 3 sondages destructifs (les pressions limites nettes sont comprises entre 0.4 et 0.8 MPa). Figure 7. Passage d argile gris foncé dans le Calcaire de Saint-Ouen entre 12.5 et 14 m de profondeur. Vérifier l extension de la carrière établie en première phase en réalisant une campagne de fouilles à la pelle mécanique.

7 4. Deuxième cas : Centre Commercial à CHARLEROI (Province du Hainaut, Région Wallonne) 4.1. Présentation du projet et du contexte géologique Le projet consiste en la construction d un bâtiment R+3 à R+5 sur 3 niveaux de soussols à -14 m pour 900 m de paroi périphérique. Figures 8 et 9 : Localisation et carte géologique du site. La carte géologique de FONTAINE L EVEQUE CHARLEROI au 1/25000ème ainsi que le site geologie.wallonie.be dénotent des horizons alluvionnaires de la vallée de la Sambre d âge Quaternaire reposant ensuite sur le Substrat Schisteux du Westphalien d âge Primaire et pouvant présenter ponctuellement des bancs gréseux, ainsi que la présence d une faille se trouvant dans le quart Nord-est du site. Le site geologie.wallonie.be nous permet également de nous assurer que le site n est pas concerné par des cavités souterraines ou par un périmètre de risque karstique ainsi que par les éboulements de parois et puits de mines repérés dans la commune mais en dehors de l emprise du projet. Le site est concerné par d anciennes douves remblayées, par des anciens remparts démantelés des fortifications Vauban et également par l ancien lit de la Sambre aujourd hui remblayé Des investigations antérieures réalisées par une autre société avaient mis en évidence la succession lithologique : des remblais et alluvions modernes jusqu à une profondeur de l ordre de 0,0 à 5,0 m (cote 97), puis des alluvions anciennes graveleuses jusqu à une profondeur de l ordre de 3,0 à 7,0 m (cote 95), enfin le substrat schisteux relativement tendre avec des passages de grès beaucoup plus indurés représentant 15% du socle.

8 4.2. Campagne d investigation géotechnique Méthodologie 11 forages destructifs en diamètre 120 mm ont été réalisés jusqu à une profondeur de 15,00 m sous le niveau du terrain actuel. Ils avaient pour objectif, d une part, de définir la position du socle rocheux et, d autre part, de mettre en évidence les variations des caractéristiques mécaniques de ce dernier. Les enregistrements ont été suivis en continu et ont permis de définir les passages représentatifs à carotter au carottier rotatif 116 mm au sein du socle rocheux en vue de la réalisation d essais en laboratoire. Les sondages ont été réalisés avec une machine GEO205, un taillant de 120 mm de diamètre et de l eau pour fluide de forage Choix des paramètres Les 3 paramètres composés du paragraphe 1 ont été calculés pour chaque sondage destructif. Le cas du sondage SD11 est présenté ci-dessous : Figure 10. Paramètres de forage cas du sondage SD11.

9 Côte NGF Côte NGF Côte NGF Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2014 Beauvais 8-10 juillet A = 1+P/Pmax-V/Vmax 100 Résistance à la pénétration (secondes) 100 P/V^0.5 (courbe lissée) Paramètre A Résistance à la pénétration (seconde) Indice P/V^0.5 Figures 11,12 et 13. Exploitation des paramètres composés cas du sondage SD Position et caractérisation du socle rocheux Sur ce chantier, le socle rocheux est caractérisé par des valeurs de A de l ordre de 1,6 à 1,8 pour les 11 forages réalisés. Pour 2 des forages diagraphiques, nous avons mis en évidence sur une hauteur de l ordre de 1 m, des valeurs de A de 1,9 pouvant correspondre à des bancs de grès au sein du substrat schisteux (3). L évolution de l indice de Somerton modifié (Sd) permet de conforter la rencontre du socle rocheux (2) vers 3 à 7 m de profondeur pour l ensemble des forages réalisés. De même, en référence aux essais en laboratoire, les paramètres Sd semblent diminuer lors de la rencontre de schistes houillés tels que relevés au droit d un quart de nos forages avec des valeurs de l ordre de 5. A l inverse, lorsque les valeurs de Sd tendent vers 15/20, nous sommes en présence de passages très indurés tels que déjà visibles avec l indice d altération A. Dans notre cas, l évolution des deux paramètres nous a permis de détecter potentiellement les passées très indurées au sein du socle rocheux (bancs de grès possibles) ainsi que les affaiblissements localisés (passages houillés au sein du socle schisteux) Caractérisation des remblais Ceci nous a également permis de mettre en évidence des valeurs de A pouvant être également très élevées dans les remblais dénotant alors des remblais fortement indurés pour la moitié des forages réalisés. 5. Conclusion Le traitement des diagraphies de forage, en utilisant les paramètres combinés, a permis dans les deux cas analysés d obtenir les informations recherchées par

10 l ingénieur, à savoir : définition des zones d homogénéité mécaniques, caractérisation des affaiblissements ou au contraire des bancs indurés dans un substratum rocheux Pour ces études, dans le cas de sols meubles, où il est aisé pour l opérateur de conserver une pression sur l outil à peu près constante l utilisation du paramètre de résistance à la pénétration s est révélée très pertinente. Elle permet de distinguer de manière assez fine les limites entre différentes formations et de définir des zones mécaniquement homogènes. En revanche, lorsqu il s est agi de caractériser des formations rocheuses où de faibles variations de la vitesse d avancement et de la pression sur l outil doivent être perçues, l indice de Sommerton modifié ou le paramètre A se sont révélés plus adaptés. Ainsi dans l étude de cas de Vitry-sur-Seine, l indice de Sommerton modifié a permis de caractériser finement les affaiblissements au sein des marno-calcaires de Saint- Ouen et de pouvoir ainsi compléter les investigations en ciblant les essais au droit des plus significatifs d entre eux. L indice d altération (A) et l indice de Sommerton modifié se sont révélés très adaptés au contexte rocheux de Charleroi en permettant de distinguer sans ambigüité le toit du substratum schisteux et de positionner les veines de grès indurés au sein de cette formation. Remerciements Les auteurs remercient l entreprise Demathieu et Bard et la société Saint Lambert Promotion pour lesquelles nous avons réalisé les sondages. Références bibliographiques Benoît J., Bothner W., Escamilla-Casas J. (2002). «Charactérization of Fractured-Rock Aquifers Using Drilling Parameters. Proceedings of the Fractured-Rock Aquifers 2002, Denver. Cassan M., Gambin M. (1999). L enregistrement des paramètres de forage sur la nouvelle ligne TGV Méditerrannée, 12ème ECSMFE, Amsterdam, 6 pages. Pasquet A. et al (1967).Le Calcaire de Saint-Ouen - Essai d'étude régionale de géologie appliquée au Génie Civil. Compte-rendu des journées d études du 5 et 6 octobre Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. 124 pages Reiffsteck P., Lossy D., Benoît J. (2012). Forages, sondages et essais in situ géotechniques Les outils pour la reconnaissance des sols et des roches, Presse des Ponts, 796 pages.