2- Les reconnaissances de sols V4 FRED PORTET OLIVIER NOËL, ENSEIGNANTS À L'ENTE D'AIX-EN-PROVENCE SYLVIE NICAISE, LABORATOIRE DU CETE MÉDITERRANÉE CAROLE PORTILLO ET MATHIEU VERMEULEN, ECOLE DES MINES DE DOUAI ET Paternité - Pas d'utilisation Commerciale : http://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/fr/ 18 juillet 2011
Table des matières Objectifs 5 I - Introduction aux reconnaissances des sols 7 A. Principe retenu...7 B. Méthodologie d'une étude géotechnique routière...8 II - 11 A. Analyse de la géologie...11 B. La géophysique...17 C. Sondages...25 D. Reconnaissance de tracés...27 III - Quiz 29 3
Objectifs Ce module va vous permettre : de traduire la démarche d'investigation d'expliciter les étapes clés des reconnaissances géologiques de percevoir l'intérêt : - du repérage de la nature géologique et des caractéristiques des terrains - de la localisation éventuelle des risques d'énumérer les méthodes d'investigation couramment utilisées de connaître la pertinence de chacune des méthodes par rapport au contexte. Remerciements : V. Ferber, Y. Deniaud, R. Bocciardi, E Manier, D. Criado pour les crédits photos Autoroute du Sud de la France (ASF), Réseau Ferré de France (RFF), Direction Départementale de l'equipement de Guyanne (DDE 973) pour les crédits vidéos 5
Introduction aux reconnaissances des sols I- I Principe retenu 7 Méthodologie d'une étude géotechnique routière 8 A. Principe retenu Enjeux des reconnaissances Pour le Maître de l'ouvrage : apprécier le coût de son ouvrage éléments pour être convaincu de la maîtrise du projet (qualité d'usage coût délai) apprécier les risque pris et leurs impacts Pour le Maître d'œuvre étude (projeteur) : définition du projet en fonction des contraintes géotechniques calage du tracé et du profil en long esquisses du mouvement des terres choix de la couche de forme estimation du projet rédaction du marché Pour le Maître d'œuvre du chantier : mise en exergue des points délicats suivi renforcé mise en place d'indicateurs solutions de replis éléments pour s'adapter aux imprévus (évènements à probabilité d'occurrence faible) organisation générale du suivi et contrôles du chantier Pour l'entrepreneur : stratégies d'exécution en fonction : de la nature des sols des hypothèses météo du potentiel disponible 7
Introduction aux reconnaissances des sols chiffrer la soumission analyse de risque Démarche d'étude Avant la réalisation d'une route, tous les maîtres d'ouvrage doivent respecter des procédures d' études spécifiques, qu'il s'agisse de projets autoroutiers, de routes nationales, de routes départementales ou communales. La nomenclature et le déroulement des procédures fluctuent suivant les maîtres d'ouvrages et suivant l'importance du projet. Cependant, on distingue généralement trois grandes étapes : 1. les études d'opportunités (ou étude préliminaire) 2. les études d'avant projet 3. les études de projet 1- Les études d'opportunités (ou études préliminaires) L'objectif d'une étude d'opportunité est de définir une bande d'étude de 1000 mètres au minimum, de définir le parti d'aménagement et les fonctions que devra assurer l'infrastructure projetée et de s'assurer de la faisabilité technique, environnementale et financière du projet. 2- Les études d'avant projet Les études d'avant projet consisteront à caler un ou plusieurs tracés correspondant à une bande de 300 mètres incluse dans le fuseau des 1000 mètres de l'étude d'opportunité. Il y a lieu de rechercher dans ces études, en premier lieu, les secteurs sensibles susceptibles de remettre en cause le projet(zones compressibles, karstiques, l'instabilité d'ensemble,etc) et en second lieu, l'équilibre des grandes masses en matière de déblais et de remblais(étude du profil en long). 3- Les études de projet Les études de projet ont pour objet de dimensionner toutes les caractéristiques géométriques et techniques de tous les ouvrages. Des sondages complémentaires seront souvent nécessaires pour parfaire les études géotechniques en matière de matériaux réutilisables et d' études de stabilité. La recherche de toutes les solutions tendant à l'équilibre des terres doit être une priorité absolue La prise en compte des conditions météo les plus plausibles lors de la réalisation des travaux de terrassement devra s'effectuer au niveau du rapport géotechnique. Pour en savoir plus, consultez la Circulaire du 7 janvier 2008 (cf. Circulaire du 7 janvier 2008 (Direction Générale des Routes)) fixant les modalités d'élaboration, d'instruction, d'approbation et d'évaluation des opérations d'investissement sur le réseau routier national. B. Méthodologie d'une étude géotechnique routière Méthodologie 8
Introduction aux reconnaissances des sols En géotechnique routière, la méthodologie utilisée s'apparente à la démarche employée pour les routes. Elle se décompose en 3 phases principales décrites dans le guide Technique du LCPC. les études préliminaires : Phase 0 -> Mettre en évidence les éventuels points sensibles (points durs) les études d'avant Projet : Phase 1 -> Chiffrer / Pré-dimensionner (précèdent l'enquête d'utilité Guide Technique LCPC publique) les études de projet : Phase 2 -> Dimensionner / Écrire les pièces du marché Phases Phase 0 : études préliminaires Moyens Phase 1 : avant-projet Phase 2 : projet lever de terrain visites sur site analyse de documents (cartes géologiques, existants, constructions voisines,...) photo interprétation sondages sondages destructif sondages carrotés géophysique pénétromètres suivis piézométriques sondages carrotés suivis piézométriques essais de laboratoire mesure in-situ des caractéristiques des sols (sondages pressiométriques, pénétrométriques et scissométriques) Tableau 1 Moyens utilisés pour chaque phase d'étude Aux différentes phases d'élaboration d'un projet routier, correspondent des missions types d'ingénierie géotechnique. Pour en savoir plus sur ces missions, consultez l'extrait de la norme NF P 94-500 (cf. Extrait de la norme NF P 94-500 (Afnor)). 9
Moyens de reconnaissances géotechniques II - II Analyse de la géologie 11 La géophysique 17 Sondages 25 Reconnaissance de tracés 27 Les moyens utilisés pour les reconnaissances géotechniques de tracé sont adaptés aux différentes phases d'étude. Il s'agit : de l'analyse de la géologie (reconnaissances terrain, analyse des documents existants) de la géophysique des sondages A. Analyse de la géologie L'analyse de la géologie débute par une reconnaissance terrain et se poursuit par l'analyse de documents existants (cartes géologiques, sondages, photos aériennes,...). Elle permet ainsi de définir : 1. les étages géologiques : classification du sous sol en fonction de son origine et de son age 2. la lithologie description en fonction de la nature du terrain 3. la tectonique présence de plissements, failles, érosions Soit la géomorphologie : relation entre les formes du relief et la géologie Reconnaissances terrain par l'observation visuelle : Première étape de l'analyse géologique, les reconnaissances visuelles permettent les premières identifications du terrain qui devront être confirmées avec l'examen des cartes géologiques. 11
Visite terrain par des géologues BRGM (photo ministère développement durable Laurent Mignaux) Analyse des cartes géologiques : L'exploitation des cartes géologiques du BRGM (1:50 000) => description des terrains (lithologie) contexte général (organisation spatiale, tectonique, accidents) (échelle de travail le kilomètre) Cartes géologiques BRGM Photo interprétation : L'examen stéréoscopique des photos aériennes => 12
fracturation, zones humides ou déprimées, morphologie des terrains (moutonnements, replats,..) (échelle de travail : le km à 100 m) Photointerprétation d'après les photos aériennes Nécessité d'un contrôle et d'une validation sur le terrain Cartographie de terrain : Réalisation de relevés in-situ et report sur fonds cartographiques précis (1:5 000 à 1:100) : nature des terrains, observation des affleurements, état d'altération ou de fracturation, orientation des structures (échelle de travail : de 100 m à 10 m) Reconnaissances visuelles 13
Utilisation de cartes IGN Données d'archive En début de projet, l'analyse de données d'archives apporte des informations sur le contexte prévisible, notamment : les sondages archivés au BRGM (code minier : BSS) => origines et fiabilité des informations très diverses dans les services de l'etat (CETE, DDT, DREAL, DIR, etc..) dans les services des collectivités territoriales (Conseils Généraux,...) 14
Lithologie les études et reconnaissances antérieures provenant d'autres projets, mêmes très anciens des phases antérieures du projet 15
Toute anomalie doit conduire à se poser des questions : fiabilité des données? fiabilité du modèle géologique et géotechnique? B. La géophysique Quelle méthode? La méthode doit être adaptée au problème et au site. L'Association pour la qualité en Géophysique Appliquée (AGAP) et l'union Française des Géologues (UFG) proposent un code de bonne pratique de la géophysique appliquée Principes d'usage des méthodes de surface non destructives (Sources INSA) Il convient donc, avant de retenir une méthode, de : Préciser la géologie : position d'interfaces nature des terrains Caractériser des terrains : quantifier un comportement quantifier la variabilité Rechercher une cible Méthodes de Surface 1. Sismiques 2. Électriques 3. Électromagnétiques Sismique La sismique étudie les variations de la vitesse sismique du sous-sol, variations qui sont en relation avec la dureté, le degré de consolidation et la saturation. Avec cette méthode on peut distinguer la roche compacte du terrain meuble, la roche 16
compacte et la roche altérée, les zones fracturées dans une roche saine, le niveau de la nappe phréatique. Parmi les méthodes géophysiques la sismique est de loin la méthode la plus importante tant du point de vue de l'argent dépensé que du point de vue des géophysiciens employés. En recherche pétrolière il s'agit essentiellement de sismique réflexion alors que dans les travaux relevant de la géologie de l'ingénieur (construction de routes, barrages, tunnels, hydrogéologie,...), il s'agit le plus souvent de sismique réfraction. (source université de Lausanne) Ondes sismiques : réflexion et réfraction (source INSA) 17
Principe de la sismique réflexion (source : wikipedia) Électrique La prospection électrique implique la détection en surface d'effets produits lorsqu'un courant électrique traverse le sous-sol. Il existe une grande variété de techniques utilisant les méthodes électriques, on peut mesurer par exemple : une chute de potentiel un courant un champ électromagnétique Par ailleurs, dans un domaine envisagé, il existe de nombreuses techniques de mesure. Les méthodes fondées sur la mesure du paramètre "résistivité" sont actuellement les plus répandues, les plus développées et les plus diversifiées (Elles ont été imaginées en 1912 par les frères Schlumberger). (source université de Lausanne) 18
Sondages électriques (source INSA) Sondages électriques Méthodes électromagnétiques Ce type de méthode exploite le principe d'induction électromagnétique dans les matériaux conducteurs. Cette méthode est dite "active" car on émet artificiellement un champ magnétique primaire, qui est conduit par le sous-sol, et dont les modifications mesurées en surface nous renseignent sur les propriétés du terrain. 19
Mesures électromagnétiques dispositif EM31 : stage de Géophysique de Polytech'Paris-UPMC à l'inapg Grignon (2006) Diagraphie en sondage 1. 2. 3. 4. RAN microsismiques nucléaires (YY et NN) imagerie de paroi Diagraphie de radioactivité naturelle (RAN) Les diagraphies font un usage intensif de la mesure de la radioactivité dans les forages. Les logs nucléaires ont en effet un grand avantage, ils peuvent être enregistrés en trous ouverts ou tubés, vides ou remplis de n'importe quel type de fluide. Les plus couramment utilisés sont : le gamma ray, qui est une mesure de la radioactivité naturelle, le log gamma-gamma ou log densité et le log neutronneutron qui sont des mesures de radioactivité provoquée. (source université de Lausanne) 20
Principe de la sonde gamma ray, radioactivité naturelle (Source : Université de Lausanne) 21
Résultat diagraphie gamma ray, radioactivité naturelle Diagraphie microsismique Cette technique consiste à mesurer les temps de propagation des ondes de 22
compression à la périphérie d'une paroi de forage au moyen d'une sonde descendue dans un forage. Cette sonde comporte : un émetteur de chocs constitué par un mini marteau pneumatique deux capteurs de vibrations Les 2 mesures de temps, T1 et T2, seront réalisées entre l'émetteur de chocs et les 2 capteurs distants de l'émetteur. La sonde est déplacée et mise en station à raison de 3 stations par mètre dans les cas les plus courants. Diagraphie nucléaires Gamma-Gamma (YY) ou neutron-neutron (NN) Les diagraphies de cette nature sont toutes basées sur le principe de l'interaction entre une radioactivité incidente et les composants de la formation soumis au bombardement radioactif. On bombarde la formation par un faisceau de rayons gamma d'énergie constante (0,1 à 1 MeV). Ces photons gammas entrent en collision avec les électrons de la matière. A chaque collision, l'énergie du faisceau incident est atténuée, cette atténuation peut se faire de trois façons : 1. effet photoélectrique ; 2. effet Compton ; 3. effet de production de paire. Interaction corpusculaire (source : Université de Lausanne) Lorsque l'on soumet une formation à un bombardement de neutrons rapides, plusieurs types d'interactions neutrons noyaux peuvent prendre naissance. L'évaluation qualitative de ces phénomènes peut renseigner sur le contenu atomique de la formation. 23
Schéma de principe de la sonde neutron (source : Université de Lausanne) Diagraphie par imagerie de parois Réalisation d'images depuis la sonde descendue dans le forage. Pour en savoir plus... Université de Lausanne1 : cours online de géophysique du Pr D. Chapellier, Pr JeanLuc Mari C. Sondages Différents moyens de sondages 1. pelle mécanique : échantillons remaniés à faible profondeur (3 à 4m), très rapides, très peu chers 2. sondages tarières : échantillons remaniés à grande profondeur et terrains meubles ou tendres, rapides, peu chers en petit diamètre 3. sondages destructifs : échantillons remaniés à grande profondeur et terrains durs, rapides, peu chers 4. sondages carottés : échantillons non remaniés à toutes profondeurs et toute dureté, lents, chers 5. sondages avec hydrogéologie : essais lefranc (sol) ou lugeons (roche), tubes piézométriques 6. sondages avec essais mécaniques : pressiométriques, pénétrométriques, 1 - http://www-ig.unil.ch/cours/ 24
scissométriques, inclinométriques Sondages à la tarière (source E. Manier) Sondages carottés (source E. Manier) 25
Sondages destructifs (source E. Manier) D. Reconnaissance de tracés Imbrication des méthodes Les 3 méthodes de reconnaissances (géologique -> géophysique -> sondages) s'imbriquent avec une adaptation de l'échelle (étendue pour la géologie et localisée pour les sondages). Modèle géotechnique répartition dans l'espace (3D) des terrains géométrie traduisant l'histoire géologique du site et notamment son évolution au Quaternaire (4 millions d'années) regroupés par nature et état (altération, fracturation,..) circulations d'eau et nappes : position, fluctuations, débits Modèle conceptuel du comportement prévisible des sols Concevoir un programme de reconnaissances : 26 limiter les incertitudes en fonction de la phase d'étude adapter la campagne de sondage aux enjeux adapter les moyens aux objectifs techniques
III - Quiz III Exercice 1 : Enjeux des reconnaissances de sols Déplacez (glissez-déposez) les enjeux ci-dessous dans la colonne "acteurs" correspondante : quels sont les acteurs concernés par ces enjeux? 1 - Esquisse du mouvement des terres 2 - Chiffrer le coût du projet 3 - Estimation du coût du projet 4 - Choix de la couche de forme 5 - Apprécier les risques 6 - Apprécier le montant de l'opération 7 - Stratégie d'exécution Maître d'ouvrage Maître d'œuvre Entrepreneur Exercice 2 Classer les différentes étapes d'une démarche d'étude routière. 1. Etude d'avant projet 2. Etude de projet 3. Etude d'opportunité Réponse : Exercice 3 : Les moyens utilisés pour les reconnaissances géotechniques Déplacez (glissez-déposez) les moyens ci-dessous dans les catégories correspondantes : à quelles catégories appartiennent ces moyens d'investigation? 1 - pelle mécanique 2 - forages déstructifs 3 - cartographie de terrain 4 - carrotage 5 - sismique 6 - électrique 7 - photo interprétation 8 - observation visuelle 9 - électromagnétique Géologie Géophysique Sondages 27
Quiz Exercice 4 Un modèle géotechnique est : une méthodologie pour la conduite des reconnaissances géotechniques un étalon présentant des grandeurs géotechniques de références pour les techniques d'auscultation comparatives une représentation synthétique et simplifiée de la réalité 28