ÉTUDE GÉOTECHNIQUE ET RECONNAISSANCE DES SOLS ET DES ROCS Par: Mohammad Hosseini, ing., Ph.D., Dr. 1
Points divers Horaires du cours: 8h30 16 h 30 Deux poses, vers 10h00 et 15h00 Dîner entre 12h00 et 13h00 à l EPM Notes de cours Certificat de participation Formulaire d évaluation à la fin du cours 2
Table des matières 0. Introduction et importance d étude de sol 1. Les sols du Québec et leur importance 2. Description et classification des sols et du roc 3. Préparation des travaux de sondage 4. Spécification pour les travaux de forage 5. Techniques courantes de forages et sondages 6. Étude et reconnaissance des sols pour la construction des routes 7. Échantillonnage des sols et du roc 8. Manutention, transport et entreposage des échantillons 9. Piézomètres et son installation 10. Quelques essais de laboratoire et in-situ 11. Reconnaissance des rocs 12. Techniques d amélioration at o des sols s de fondation o 13. Piézocône 14. Évaluation de potentiel de liquéfaction d un site 3
Les fondations de tout bâtiment, même le plus modeste, doivent satisfaire les trois conditions suivantes : 1) La capacité portante du sol de fondation doit être calculée avec un facteur de sécurité acceptable pour assurer la sécurité des fondations ; 2) Les tassements totaux et différentiels doivent être acceptables afin d assurer que le bâtiment ne sera pas endommagé par des mouvements des sols de fondation ; 3) Les effets de la construction projetés sur les structures existantes doivent être évalués et les mesures appropriées doivent être proposées en conséquence. 4) Les fondations doivent être conçues en tennant compte du niveau de la nappe phréatique. Afin d atteindre ces objectifs, les services d un ingénieur géotechnicien sont requis à trois niveaux pour réaliser les études suivantes : A) Étude de faisabilité pour un projet de construction projeté sur un site donné ; B) Déterminer les propriétés physiques et mécaniques et la stratigraphie des sols afin d évaluer le comportement des sols de fondation sous les charges projetées en interprétant les données géotechniques disponibles ; C) Déterminer le niveau de la nappe phréatique ; D) Suivi des travaux de construction pour s assurer que les travaux de construction des fondations respectent les exigences de l étude géotechnique et du devis de projet ; pour que les travaux en cours n affectent pas les constructions existantes et dapporter d apporter des modifications et de correction en fonction des conditions du site. 4
Les conditions de sol d un site pour un projet de construction doivent être étudiées avant que la construction ne commence et avant l obtention du permis de construction. Les objectifs d une étude géotechnique sont : 1) Fournir des informations géotechniques sur les conditions des sols au propriétaire ou acheteur afin d assurer la sécurité structurale de la construction projetée ainsi que la sécurité financière du projet ; 2) Fournir des données géotechniques pour la conception des fondations et des excavations; 3) Fournir des informations afin d assurer les autorités publiques de la sécurité du publique et des constructions avoisinantes au site ; 4) Fournir des informations aux autorités financières pour la faisabilité économique et la gestion de risque du projet ; 5)Fournir des informations aux entrepreneurs pour la soumission et la construction. 5
Les facteurs géotechniques et géologiques ont souvent étés la cause principale i de perte de temps et perte économique pour certains projets de construction donnant lieux à des litiges devant les tribunaux. L approche traditionnelle de gestion de risque géotechnique a été de réaliser une étude géotechnique exhaustive avec un personnel compétent pour adapter le projet aux conditions prévisibles du site. Cependant, on plaint souvent, à cause de la forte compétition, que le coût des études géotechniques n est pas assez élevé é pour permettre une étude suffisante des conditions géotechniques d un site donné. Par ailleurs, avec le progrès technique et l application des normes de construction et d essai, on est obligé à réaliser des études géotechniques de plus en plus exigent. De plus, avec l augmentation de plus en plus accrue des développements urbains, on est à amener à construire sur des sols de qualité médiocre, ce qui augmente le risque géotechnique. Compte tenu de ces circonstance, des nouvelles approches d étude de risque géotechnique sont proposées. 6
Une étude géotechnique peut se faire en quatre étapes comme suit : 1)Étude géotechnique préliminaire incluant les données existantes et publiées sur le site et les données de sondages et essais de laboratoire ou in-situ réalisés ; 2) Étude géotechnique complémentaire afin d obtenir des informations géotechniques additionnelles en fonction des exigences de concepteur ou pour la préparation des documents de soumission ; 3) Vérification géotechnique durant la construction pour s ajuster aux nouvelles données du site ou du projet; 4) Suivi géotechnique à long terme du comportement des fondations et de la construction. 7
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Risques géotechniques Définition de risque : Petit Robert : Danger éventuel plus ou moins prévisible : danger, hasard, péril, inconvénient. S exposer à un danger. Le risque résulte de la combinaison de danger et des conditions vulnérables : a) )D Danger : Ce qui menace ou compromet tl la sûreté, l existence de qqn ou de qqc, b) Vulnérabilité : Qui peut être blessé, frappé par un mal, fragile, sensible. Risques dans la construction (la construction est un domaine risqué, aucun projet n est sans risque) : 1. Risque à la santé et à la sécurité (glissement de terrain, maison humide, liquéfaction, perte de capacité portante, etc.); 2. Risque d infiltration d eau au sous-sol sol et du colmatage des drains; 3. Risque à l environnement (nappe et sol contaminés); 4. Risque à la qualité; 5. Risque d incompétence; 6. Risque de programme (délai de construction); 7. Risque financier (imprévus, augmentation de coût). Les risques peut être gérés, minimisés, partagés, transférés ou acceptés. Cependant, ils ne peuvent pas être ignorés, sinon, on les transfert à quelqu un d autre. Les sols présentent toujours un risque pour tout projet de construction, d où une étude géotechnique avec interprétation des sondages. 10
Exemples de risque Possibilité que les fondations d un ouvrage subisseent des déformations suite à la présence d un sol mou; Sol hétérogène; Possibilité de dommage à la propriété suite à un glissement de terrain; Construction construite dans la nappe phréatique; Attaque de béton des murs de fondation et de la dalle sur sol par les sufpates présentes dans le sol ou la nappe phréatique; Défectuosité du système de drainage d un bâtiment avec un ou plusieurs sous-sol à cause de colmatage par silt; Possibilité que le temps de construction soit allongé, causant un délai de livraison, à cause d un imprévu de sol Instabilité de site (glissement de terrain); Potentiel de liquéfaction de site 11
Nouvelle stratégie de gestion de risque géotechnique Accepter la variabilité, l hétérogénéité et l incertitude des sols; Introduire des paramètres géotechniques dans l analyse de risque (carte de zone de risque pour les assureurs,...); Identifier d avance les risques géotechniques; Choix d une étude géotechnique sommaire ou détaillée selon les informations disponibles; Conception des ouvrages en fonction des données géotechniques disponibles; Établir un plan de gestion de risque par un groupe d experts; Établir une banque de données sur les conditions du site. 12
Approche nouvelle de gestion de risque géotechnique : a) Accepter que les conditions de sol sont toujours variables et incertaines ; b) Introduire les facteurs de risque géotechniques dans le système de gestion de risque c) Identifier les risques géotechniques dans l étape initiale de projet ; d) Décider de la pertinence d une étude géotechnique sophistiquée ; e) Mettre en place un système de conception approprié en fonction des données géotechnique ; f) Accepter des programmes d études géotechniques en plusieurs phases. Objectifs d une étude géotechnique : Déterminer les propriétés physiques, mécaniques et hydrauliques (compressibilité, résistance et perméabilité) des sols et du roc en place ainsi que le niveau de la nappe phréatique pour les constructions projetées. 13
Obstruction Contamination 11% 10% 9% Nappe d eau 13% 20% Nappe Propriétés de sol Limite de propriété Autre Étude de sol déficient i Propriété de sol Détail de design Services Services (6%) 6% 22% Détail de design (5% Limite de propriété Autres (4%) Étude de sol déficient Obstruction Contamination Statistiques sur la cause des dommages géotechnqiues en Angleterre 14
Influence du coût de l étude géotechnique sur l augmentation du coût de projet Augmen tation total du coût de projet (%) 100 90 80 70 60 Line 1 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 Coût de l étude géotechnique/ coût de soumission pour le projet (%) 15
Actions pour diminuer le risque Éviter le site ou modifier le concept de projet; Prévention. Mettre en place des dispositifs pour diminuer le risque (drainage, fondations plus larges, etc...); Mitigation. Réduire l impact des risques en choisissant i une structure t plus souple ou plus armée par exemple; Transférer les risques à une autre partie qui peut gérer plus efficacement les risques. 16
Particularité de sol comme matériau de construction Tout ouvrage construit par l homme est fondé sur le sol ou le roc ou construit à partir de sol ou de roc (figure); Le sol est un matériau naturel, tri-phasique, ses propriétés varient d un point à l autre, contrairement aux matériaux fabriqués par l homme, et dans le temps. L homme ne contrôle pas les propriétés des sols, il faut donc adapter la construction aux sols et non pas l inverse; Les propriétés des sols sont prédéterminées par la géologie du site et elles sont hors de contrôle de l homme; Les propriétés des sols et de la nappe peuvent être très différentes d un point à l autre; La construction des fondations est la première étape. En cas de problèmes, retard de tout le projet; Le coût des travaux imprévus dus aux sols est très important. Les imprévus peuvent mettre en péril un projet. 17
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Étude de sol par différentes disciplines Le sol peut être étudié sous différents angles par différentes disciplines: 1. Mécanique des sols et géotechnique : étudier les propriétés physico-mécaniques des sols et de roc pour des projets de construction. Approche quantitative de génie civil, on ne s intéresse qu aux minéraux des sols, on oublie l aspect biologique; 2. Pédologie est l étude des sols, leurs caractéristiques chimiques, physiques et biologiques et leur évolution; 3. Géologie qui étudie de façon descriptive les sols. Il a pour objectif de reconstituer l histoire de la croûte terrestre et d expliquer les transformations subies par la terre; 4. Hydrogéologie: Étude des eaux souterraines. 19
Différentes approches d étude de sol Approche 1: Aucune reconnaissance de sol, mais étude par des cartes de sol (risque très élevé); Approche 2: Trous de sondages sans forages et essais géotechniques (coefficient de sécurité très élevé); Approche 3: Réalisation de forages et essais de laboratoire en se basant sur des données moyennes (coefficient de sécurité moyen); Approche 4: Étude géotechnique détaillée (coefficient de sécurité minimum); Le coefficient de sécurité choisi dans une étude de sol; représente le degré d ignorance et d incertitude sur les propriétés des sols Une étude géotechnique adéquate est toujours économique pour un projet. Elle permet de réduire les imprévus et d éviter le surdimensionnement des fondations. 20
D.E. Daniel (1993) Site d enfouissement riche en Benzène 1 600 m 60 m 1 000 m Eau souterraine contaminée Couche de faible perméabilité Aquifère 1) Construction du bassin de décanatation en 1960; 2) Réalisation de vingt (20) forages de 15 m de profondeur avant construction; 3) Essais de laboratoire, k = 10-10 m/s; 4) Nouvelle réglementation en 1980, des essais in-situ. K = 10-6 m/s; 21 5) Travaux de décontamination du site, coût élevé, erreur d interprétation de K.
Holtz (1973) Dommages causés par le mouvement des sols aux U.S.A Type de structure Dommage annuel millions de U.S.$ Maison unifamiliale 300 Bâtiment commercial 360 Bâtiment de plusieurs étages 80 Trottoirs, stationnement 110 Autoroutes et routes 1 140 Services utilitaires souterrains 100 Installation d aéroport 40 Glissement de terrain en zone urbaine 25 Autres 100 Total du coût annuel des dommages 2 255 000 000,00 U.S. $ Environ 55 % des dommages sont attribuables aux routes. 22
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Basé sur des données publiées, Schuster (1978) a estimé que les pertes totales directes ou indirectes dues aux glissements de terrain dépassent 1 milliard par année aux U.S.A. En 1986, Schuster et Fleming ont estimé à $1,5 milliards (soit $1,8 milliards pour 1990) les pertes aux U.S.A. Ce qui permet d affirmer une perte d environ $2 milliards par années aux U.S.A. dans les années 1990. Les dommages reliés aux problèmes de sol ont tendance à augmenter pour les raisons suivantes, surtout pour les glissements de terrain : 1. Ub Urbanisation dans des secteurs problématiques et zones de contrainte; 2. Déforestation des zones propices aux glissements de terrains; 3. Changement climatique et augmentation de précipitation régionale; 4. Rareté de bons terrains et recours aux terrains de qualité médiocre; 5. Urbanisation des secteurs remblayés, sols de faible C.P, nappe élevée, 24
Coût relatif d une étude de sol La compétition et d autres facteurs ont fait en sorte que l étude de sol se résume en la réalisation de quelques trous à meilleur prix possible. La qualité d une étude de sol est fonction du coût alloué à l étude et de la compétence du responsable d étude de sol. Ce qui différencie une bonne étude géotechnique d une étude déficiente i est l interprétation ti des données géotechniques obtenues. Aucune étude géotechnique ne peut être considérée comme complète; En 1965, 80 % des dépassements de devis étaient t reliés aux imprévues en fondation; En 1979 en Angleterre, le coût d étude de sol représentait 0,75% du coût de construction; ction Le nombre de sinistres en fondation augmente et ce, malgré le progrès technique; Plus ça change, plus c est pareil. 25
Coût relatif d une étude géotechnique (Rowe, 1972) Selon Harding (1949), le coût d une étude géotechnique moyenne était d environ 1 à 2 % du coût du projet. Le tableau suivant montre qu il y a une tendance à la diminution du coût avec le temps. Type de projet Barrages en terre Remblai Quai Ponts Bâtiments Routes Chemins de fer Moyen global % de coût global % du coût des fondations 0,89-3,3 0,12-0,190,19 023-0 0,23 05 0,5 0,12-0,50,5 0,05-0,220,22 020-1 0,20 155 1,55 0,6-2,0 0,7 1,14-5,20 0,16-0,200,20 042-1 0,42 167 1,67 0,26-1,30 0,50-2,0 16-5 1,6 567 5,67 3,5 1,5 26
Contribution des différentes disciplines à l étude d un site Urbaniste, Géographe Architecte Géotechnique Pédologie Archéologie Étude de sol Biologiste Photointerprétation Hydrologie Chimiste Corrosion Géophysique Géologie 27
Utilité d une étude de sol Litige en construction Bâtimentst Routes et Chemin de fer Liquéfaction Durabilité des matériaux Barrages et lignes électriques Travaux municipaux et drainage Achat de terrain Étude de sol Glissement de terrain Géo- environnement Site d enfouissement Excavation et tunnels 28
Influence de certains facteurs sur le type de sol Milieu de formation (lac, mer,...) Structure Type de roc Végétation Véhicule de transport (glacier, eau, vent) Granulométrie Type de sol Temps et histoire géologique Activité bactérienne Climat (altération) Eau Influence humaine Topographie 29
Sols du Québec (Robitaille et Allard) La plus grande partie du territoire a été recouverte de glaciers; Dépôts jeunes, post-glaciaires; Dépôts sableux (vallées de plusieurs rivières, Région de Sorel- Tracy, Joliette, Terrebonne, etc...); Dépôts graveleux (Laurentides et le Nord); Dépôts d argile (Mer Champlain 70 % de la partie habitée, Mer Laflamme, Lac Barlow-Ojibway, Mers de Tyrell et d Iberville); Dépôts glaciaires sans morphologie particuliaire (till de fond et till d ablation); Dépôts glaciaires caractérisés par leur morphologie (moraine désigne donc une forme de terrain et non un type de matériau; Dépôts fluvioglaciaires déposés par l eau de fonte glaciaire. On distingue les dépôts juxtaglaciaires (mis en place par l eau de fonte en marge de glacier en retrait) et les dépôts proglaciaires (mis en place par les eaux de fonte de glacier le long des cours d eau fluvioglaciaire). 30
Problèmes engendrés par les sols ou le roc Capacité portante (propriétés mécaniques); Glissements de terrain (Québec sur une peau de Banane, Bellefeuille, 1977); Tassements à court et à long terme (propriétés mécaniques); Niveau de la nappe phréatique et sa variation saisonnière (propriété hydrogéologique); Remontée capillaire (humidité dans les sous-sols); sols); Agressivité des sols (propriétés chimiques) Corrosion des structures enfouies dans les sols et perte économique (conduites d eau, etc...); Corrosion bactériologique téi i des matériaux; téi Gel de sol et perte économique; Gonflement et retrait de sol (assèchement des sols argileux); Gonflement de roc (shale); Construction près des rivières et la politique de protection; Granulat et la durabilité de béton; Pyrite; Sulfatation de béton; Ressources en matériaux naturels non-renouvelables et problèmes Env.; Problèmes de chaussées. 31
Problèmes engendrés par les sols ou le roc (suite) Compressibilité et tassement (analyse granulométrie et consolidation); Drainage des sols (analyse granulométrique); Érosion des sols (analyse granulométrique); Compactage (analyse granulométrique); Injection des sols (analyse granulométrique); Perméabilité des sols (analyse granulométrique); Niveau de la nappe phréatique; Chimie i de la nappe phréatique; Profil et stratigraphie des sols (pas de carte de sol); Couleur de sol; Structure de sol; Environnement de site (marécage, ruisseau, boisé, végétation,...); Agressivité (corrosivité) électrochimique ou bactériologique des sols. 32
Problèmes engendrés par les sols ou le roc (construction en milieu urbain) Interaction des nouvelles construction avec les constructions existantes (battage, compactage dynamique, excavation, etc..); Présence de remblai; Niveau de la nappe phréatique; Interaction des excavations avec conduites souterraines existantes; Présence de construction anciennes et leur visite pré- construction; Influence d une nouvelle construction profonde sur les bâtiments existants; Influence de drainage à court et à long terme sur les bâtiments existants; Construction sur du shale; 33
Défis géotechniques à cause des sols du Québec Construction des routes et voies de communications sur les sols argileux, gel-dégel et drainage des routes (drainage, drainage, drainage); Développement urbain, rareté de bons sols et recours aux mauvais sols pour constructions résidentielles (remblai, sable et silt lâche, argile molle, terrain en pente, etc...); Changement climatique et ses effets (glissements de terrain, sol gelé, précipitation, etc...); Construction en bordure des rivières (politique) et code d excavation et construction; Construction sur des terrains en pente (code de construction et d excavation); Travaux d excavation de faible et moyenne profondeur (2-3 décés/an). 34
Particularités du Québec Les glissements de terrain s expliquent par la géologie du Québec (Bellefeuille, 1997); Les coulées d argile au Québec; Argile sensible au Québec et en Scandinavie seulement; 70 % de la partie habitée du Québec est recouverte d argile (habiter sur l argile); largile); Sol post glaciaire; Sols fins; Silt; Conditions climatiques (gel, niveau d eau, ); Expérience des Américains en Norvège pour la recherche de bon sol (Bjerrum Bjerrum). Les Américains ont dû faire ce que nous avons été forcés de faire: nous devons vivre avec de l argile molle, construire nos industries et à apprendre à résoudre les problèmes qu elle pose. S il y a un endroit dans le monde où MDS a produits des miracles, cela doit être en Norvège; Expérience des étrangers avec les argiles du Québec. 35
Sols problématiques Sols organiques (tourbes, silts et argiles organiques lacustres); Argiles normalement consolidées de consistance molle ou varvées, non-recommandées pour supporter des fondations (CNBC); Argiles sensibles de la mer Champlain (W >W L ); Argiles très molles (ne doit pas supporter des fondations, CNBC), ex.; Sols lâches et uniformes (sable, silt) tassement suite aux vibrations; Sols très lâches et uniformes, silts; sols sujets à la liquéfaction, ne doit jamais supporter des fondations (Supplément de CNBC), exemple; Remblai; Shale altéré. 36
Règles de constructions Romaines 1. Pour les pierres de construction, il faut les tirer de la carrière en été et non pas en hiver et les exposer à l air en un lieu découvert pendant deux (2) ans avant de les mettre en œuvre, ce qui permet de diminuer l humidité des roches et d éliminer les pierres qui ne résistent pas aux intempéries; 2. Matériau régional, si non importé; 3. Recherche de bon sol était le premier souci de constructeur. Il fallait creuser jusqu au solide, si l on peut l atteindre, et dans le solide autant qu il est nécessaire selon l importance de l ouvrage, parfois jusqu à 5 m; 4. Largeur de fondation supérieure à la largeur du mur; 5. Enrobage de goujons métalliques dans du plomb; 6. Pose de pierres dures à la base des murs pour couper la remontée capillaire; 7. Béton Romain; 8. Voies Romaines. 37
Étude de cas Exemple d un glissement survenu avec un rapport géotechnique réalisé avant les travaux de construction Réaction de MTQ suite à la conférence Géorisque (2008) concernant le calcul de stabilité de pente des rapports géotechniques 38
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