12-09-2013
Keynote lecture: Développements récents dans la reconnaissance géotechnique
Gauthier Van Alboom afdeling Geotechniek MOW Vlaamse overheid
But de la reconnaissance géotechnique: gestion des risques géotechniques
du projet
Risques
Instabilité de talus
Tassements et déformations du sous-sol
Effondrements (cavités dans le sous-sol)
L’eau dans le sol
…
Causes d’instabilités géotechniques
Conditions géotechniques imprévisibles
Reconnaissance géotechnique insuffisante ou inapte
Erreurs dans le calcul géotechnique
Souvent une combinaison de plusieurs causes
Instabilité géotechnique: combinaison de plusieurs causes …
La reconnaissance géotechnique est nécessaire pour un dimensionnement
économique et durable, et pour éviter les risques (dommages et
augmentation du coût du projet)
Coefficient de sécurité: 1.430
TXTest
extension
DSS of
Dir schuifproef
TXTest
Compression
Défi: prédiction adéquate du comportement du sol sur base de la
reconnaissance géotechnique
Développements récents dans la reconnaissance géotechnique
Sources d’information digitales accessibles par l’internet
Normalisation européenne
Documents Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique GBMS
Cahier de charges type SB 260 Chapitre 22 reconnaissance géotechnique
Développements récents dans les méthodes d’essai Essais in situ (CPT avec capteurs additionnels)
Essais en laboratoire
Surveillance géotechnique
6
Nationaal Geografisch Instituut / Institut Géographique National http://www.ngi.be
Belgische Geologische Dienst / Service Géologique Belge http://www.natuurwetenschappen.be/geology
Databank Ondergrond Vlaanderen (DOV) http://dov.vlaanderen.be
Les thématiques du sous-sol Wallon http://carto1.wallonie.be/soussol
Sources d’information par l’internet…
Sources d’information
Databank Ondergrond Vlaanderen
http://dov.vlaanderen.be
DOV – cartes géologiques
Aalter – jonction E40
Données historiques: CPT et forages
1938: fondations des ponts E40
1956: construction nouvelle route
1986 en 1987: fondation bâtiment lelong E40
Harde laag op diepte 6 à 7m profondeur (+10mTAW)
DOV – résultats d’essais
Aalter – jonction E40
DOV – autres données
Voorbeelden dienstverlening Geotechniek
Geotechnische proeven
DOV: glissements: Missing link N60 - Ronse
-> sols hétérogènes, sensibles aux glissements, sources
-> reconnaissance géotechnique: important pour établir les conditions géotechniques (viaducs
- tunnels - remblais)
DOV – cartes géotechniques
Les thématiques du sous-sol Wallon
14
http://carto1.wallonie.be/soussol
Cartographie des « Thématiques Sous-sol
Affleurements et sondages décrits (>150.000 fiches + 250.000 SGB)
Atlas du Karst wallon
Zones de glissement de terrain (données DGATLPE)
Concessions minières (355)
Puits de mines (7.000/15.000 déjà faits)
Carrières souterraines (4.900 parcelles)
Gîtes de minerai de fer exploités (3.300 occurrences)
Gîtes de mines métalliques (1.200 occurrences)
Terrils houillers (900 recensés)
Zones déhouillées (en cours, sur base de coupes N-S tous les 100m)
Inventaire géochimique des cours d’eau
Divers (subvention ISSeP « Après-mines »)
Radon (en cours)
Zones sismiques (en projet), etc.
Thématiques du sous-sol
Atlas du karst
16
Thématiques du sous-sol
Puits et issues de mines
17
Liège, rue Chauve-Souris
http://belgica.kbr.be/nl/coll/cp/cpFerraris_nl.html
Sources d’information
Cartes Ferraris (1777)
Contexte de la normalisation européenne Eurocode 7 “Calcul géotechnique” comprend 2 parties:
Partie 1 (EN 1997-1): "Règles générales", où quelques chapitres (3.2 à 3.4) sont
consacrés au "Planning of ground investigations"
Partie 2 “Reconnaissance des terrains et essais” (EN1997-2) décrit le calcul
géotechnique reposant sur des essais en laboratoire ou in situ
19
EC7: “Un système d'assurance qualité approprié doit être mis en place
dans le laboratoire de l'organisme qui intervient sur le terrain et dans le
bureau d'études, et le contrôle qualité doit être exercé avec compétence
lors de toutes les phases de reconnaissance et de leur évaluation. »
système d'assurance qualité du laboratoire même
Accréditation Belac ISO 17025
Assurance qualité pour laboratoires d’essais EC7
20
Normalisation européenne: normes européennes récentes
21
Catégories d’application
CPT électriques
22
Catégories d’application
CPT mécaniques
23
Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique
Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique: dispositions générales
Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique: essais de pénétration
Planification, exécution et consignation des résultats
Interprétations, avis et calculs
Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique: forages et prise
d’échantillons
Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique: essais en laboratoire
24
Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique GBMS
Directives rabattements
Conception et exécution de rabattements
26
Cahiers de charge type 250 + 260 pour ouvrages d’art et génie hydraulique
+ cahier de charge type 260 avec chapitre 22 entièrement dédié à la reconnaissance géotechnique
27
Développements récents essais in situ
Évolution technologique de l’équipement CPT: du cône mécanique M4 au
cône digital
Cônes électriques de diamètre 25mm (5cm²) à 50mm (20cm²) sont admis par la norme -
cônes standard sont 10cm² / 15cm²
29
CPT électriques au cône 15cm²
Capteurs additionnels pour cônes électriques
Pression interstitielle → essai au piézocône
Géophones → CPT sismique
Mesure du champ magnétique → CPT magnétométrique
Pressiomètre → CPT pressiométrique
Mesure de resistivité → CPT resistivité
Caméra
Température
pH
Redox
Fluorescence
…..
30
CPTU
Essai au piézocône
31
32
Essai au piézocône: détermination du coefficient de consolidation par l’essai de
dissipation
Principe: cône munis de 1 ou 2 géophones est poussé dans le sol; on
mesure la vitesse d’onde d’un impact à la surface du sol
Résultat variation Vs ( G0)
avec la profondeur
CPT Sismique
33
CPT magnétométrique
Localisation d’objets dans le sol, perturbant le champ
magnétique de la terre, au moyen d’un capteur
magnétométrique sensible
Profondeur de pieux tubulaires.
Localisations d’ancrages.
Localisation de câbles et conduites de distribution
souterrains (ainsi que des forages directionnels),
consistant pour une grande partie d’acier ou étant sous
tension
Logiciels spécifiques pour modélisation et interprétation
34
Contrôle de compactage par pénétromètre dynamique - DPT
Sonde Panda
36
Développements récents essais en laboratoire
37
granulométrie – diffraction laser
tamisage + sédimentation
diffraction laser
source
lentille
détecteurs
cellul
e
granulométrie 2 mm – 0,04 µm
Préparation éventuelle: enlèvement de matières organiques
et calcaires
Principe: par absorption, réfraction et diffraction d’un
faisceau laser éclairant une particule on peut observer des
franges de diffraction
L’intensité du rayonnement diffracté est mesurée et analysée
au moyen d’un modèle optique.
Les modèles optiques considèrent des particules sphériques
Grandes particules
diffractent la lumière sous
un angle plus petit
granulométrie – diffraction laser
essai oedomètre => essai CRS
verplaatsingsmeter
Last
Monster in cel
verplaatsingsmeter
Last
Monster in cel
Caractéristiques de déformation et de consolidation
Caractéristiques de déformation et de consolidation: essai CRS
Principe:
Échantillon placé dans une enceinte rigide
Effort vertical continu et déformation continue
État saturé (échantillon submergé + pression intérieure=BP)
avantages
Durée de l’essai
Déformation contrôlée
Mesure des pressions interstitielles
Essai Bender
Détermination du module de déformation maximale G0 et E0
Principe: mesure du temps de propagation entre émission et réception du signal émis
Essai Bender
Modules de déformation: G0 en E0
gzx
tz
x
TravelTime
hVVelocity c
s
2
sO VG
)(1 2GE
Onde S Onde P
Essai triaxial cyclique pour la construction de routes
Détermination en laboratoire des propriétés mécaniques des matériaux granulaires non liés
utilisés en fondations ou sous-fondations routières
➙ Déformations réversibles pour définir le module résilient de déformation (dimensionnement)
➙ Déformations permanentes pour définir le comportement à long terme des matériaux (risque
d’orniérage)
Essai triaxial cyclique: Principe de l’essai
Eprouvette cylindrique placée dans une
cellule, soumise à une pression de
confinement s3 et une contrainte axiale
s1=s3+q.
Essai CCP: contrainte axiale cyclique -
pression de confinement constante (air)
Essai VCP: contrainte axiale et pression
de confinement sont cycliques et en phase
(eau désaérée)
s3
q
q
s3
Essai triaxial cyclique: exemples de résultats
Méthode B (CCP)
Matériaux: Calcaire, granulats de débris de béton, scories d’aciérie
Etude des déformations réversibles: résultats à wOPM et OPM
0 300 400 500 600 7000
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Vertical stress (kPa)
Res
ilien
t mod
ulus
(MP
a)
200
100
200100
Limestone
Trendline
Crushed concrete aggregate
Trendline
Slag
Trendline
y = 19.19x0.62
R = 0.942
y = 5.09x0.79
R = 0.932
y = 9.86x0.64
CRR-OCW 21765
46
Développements récents: surveillance géotechnique
Mesure discontinue au moyen d’un ruban de mesure
Mesure continue au moyen d’un enrégistreur piézométrique
Mesure du niveau d’eau
Geotechnische metingen
Avantages mesures continues:
fluctuations saisonnières
suivi de rabattements de nappe
Connaissance du niveau d’eau exact est nécessaire pour éviter le
soulèvement de sections de tunnel
Soulèvement section de tunnel de 15cm
Apport d’un contrepoids Pieux de traction
Mesure de la succion dans les sols non saturés
Mesures: Tensiomètres, Watermarks
Mis en place dans un forage
Mesures ponctuelles
Mesures automatisées
Premiers résultats après ~24H
Projet de recherche CSTC
« Stabilité des fouilles –
influence de la non saturation du
sol »
51
Mesure de la succion dans les sols non saturés
Pourquoi?
Il sort de la théorie qu’en absence de pressions d’eau et pour sols pulvérulents la pente maximale de
talus as est égale à l’angle de frottement du sol. La pratique démontre cependant que l’on peut
réaliser des pentes beaucoup plus fortes
Il existe dans les sols partiellement saturés une cohésion fictive
provenant de la présence de lentilles d’eau entre les grains; ces
lentilles provoquent une attraction entre les grains.
Cet effet dépend de la nature du sol et du degré de saturation.
La cohésion fictive provient de l’augmentation des pressions
effectives par les pressions interstitielles négatives.
52
Sols non saturés – Approche théoretique
La loi de Coulomb (résistance au cisaillement) est adaptée et
)'tan()(' st wn uc
)tan()()'tan()(' b
waan uuuc st
avec
ua : pression en phase gazeuse
uw: pression en phase aqueuse
ua-uw: « matric suction »
Φb: cet angle détermine l’augmentation de la résistance au cisaillement provenant du matrix suction.
Lien entre « succion » et « cohésion »
Correlations empiriques entre b en ’:
tan b = ½ tan ’... tan ’
Essais labo sur échantillons remaniés/non-remaniés
estimations (avec SWCC, compacité…)
Bases de données
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50succion [kPa]
"cm
atric
ielle
" [k
Pa]
53
Sols non saturés: talus à Gasthuisberg (Leuven)
Sable argileux (Formation de Sint Huibrechts Hern)
Fi=34° déterminé par une analyse effectuée par "VO-MOW Afdeling geotechniek" à base
de résultats d’essais triaxiaux pour cette formation géologique, dans les environs du
chantier
54
0123456789
10111213141516
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Prof
onde
ur [m
]
Résistance au cône qc [MPa]
0123456789
10111213141516
0 2 4 6 8 10 12
Prof
onde
ur [m
]
Coefficient de frottement Rf = (fs/qc)*100 [%]
55
Tableau 1. Pentes maximales obtenues par calcul pour un facteur de sécurité = 1 et .
Hauteur h 5m 7m 10m 15m
L(*)
[m] L [m] L [m] L [m]
Sans prise en compte de succion : ca=0kPa
34 7.4 34 10.4 34 14.8 34 22.2
Avec prise en compte de succion ca=6.7kPa
65 2.3 60 4 50 8.5 45 15
* L’angle et la distace L sont définis à la Figure 9
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
01/12/09 05/01/10 09/02/10 16/03/10 20/04/10
Zu
igin
g (
ua-u
w)
[k
Pa
] 1m60 diepte 2m10 diepte 3m20 diepte 4m diepte
Sols non saturés: talus à Gasthuisberg (Leuven)
Sols non saturés: parois berlinoises à Wetteren
56
0123456789
10111213141516171819
0 10 20 30
Prof
onde
ur [
m]
Résistance au cône qc
Résistance totale au frottement Qst
0 10 20 30
0 25 50 75
qc [MPa]
Qst [kN]
57
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Pro
fon
deu
r [m
]
Moment [kNm]
mesure
calcul sans cohesion apparente
calcul avec cohesion apparente
surface
niveau de l'excavation
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 1 2 3 4 5
Pro
fon
de
ur
[m]
Cohesion apparente [kPa]
Nappe phréatique (NP)
Sols non saturés: parois berlinoises à Wetteren
Comment intégrer l’effet des pressions de succion dans la pratique
Mesures au moyen de tensiomètres/Watermark avant l’excavation afin d’avoir une idée
de la succion
Première estimation de la cohésion
Essais de compression simple et/ou courbes de rétention
Meilleure estimation: coefficient d’insécurité réduit
Précautions pour maintenir la succion en fonction des:
Conditions sur le site
(eau: protection, système de drainage, …)
Période de l’année
Type de sol (perméabilité & courbe de rétention)
Contrôle: mesures continues de la succion/teneur en eau
58
59
Mesures de déformation
Inclinomètre → SAAF
VERTICALEMENT
HORIZONTALEMENT
a
a
Point fixe
Point fixe
α max = +/- 45 °
Mesures de déformation
SAAF
Fibres
optiques
incorporés
dans
géotextile
FBG
horizontalement
SAAF
“FBG
extensomètre”
Fibres optiques pour la mesure de contraintes
Fibres optiques: divers types
exemples BOTDA (Brillouin)
Brillouin shift is temperature and strain
sensitive
Use of pulsed light enables localization
Spectral analysis of the scattered light provides
the Temp. and strain information
Équipement innovatif
pour suivi en ligne
Contraintes et moments dans les profilés
HEB
64
Instrumentation sous la voie ferrée:
Inclinomètre horizontal continue (SAAF)
Inclinomètre horizontal traditionnel
09/11/11
20u
14/12/11
13u45
08/12/11
7u
17/01/12
11u
18/01/12
17u
17/02
13u 20/02
12u 21/02
16u
25/02
3u
09/03/12
10u
09/03
17u
12/03
7u
15/03/12
6u
Équipement innovatif
pour suivi en ligne
65
Equipement innovatif pour suivi en ligne: info
Conclusions
Les informations géologiques et géotechniques disponibles sur l’internet permettent
d’obtenir un premier aperçu des conditions du sol.
Des documents pour l’application des normes européennes sont disponibles ou en
préparation
Les développements récents dans les essais géotechniques permettent d’une part une
détermination plus précise des paramèters géotechniques, et d’autre part la
détermination de paramètres à introduire dans des calculs avancés.
Les techniques récentes de surveillance géotechnique ouvrent de nouvelles
perspectives pour le suivi continu et/ou en ligne des projets.
En résumant on peut conclure qu’il est possible de mieux gérer les risques géotechniques
par une reconnaissance qualitaive et quanttative.
66