Auteur moral

France. Service d'études sur les transports, les routes et leurs aménagements ;Laboratoire central des ponts et chaussées (France) ;Centre d'études techniques de l'équipement de Lyon ;Laboratoire régional des ponts et chaussées (Lyon) ;Egis ;Laboratoire régional des ponts et chaussées (St-Brieuc) ;Laboratoire régional de l'Est parisien ;France. Conseil général des ponts et chaussées ;Laboratoire régional des ponts et chaussées (Clermont-Ferrand) ;Laboratoire régional des ponts et chaussées (Toulouse)

Auteur secondaire

Résumé

Ce document est un guide pour l'étude des fondations d'ouvrages d'art au rocher qui s'adresse à tous les intervenants dans les différentes étapes de la conception et de la construction de fondations d'ouvrages en milieu rocheux, et principalement aux maîtres d'oeuvre, aux bureaux d'études et aux géotechniciens. Il a pour but de les sensibiliser aux problèmes particuliers posés par les fondations au rocher et les méthodes d'étude de celles-ci, qui constituent un domaine encore très peu codifié pour lequel les méthodes usuelles de la mécanique des sols, souvent encore employées, sont généralement inadaptées. Après l'évocation des spécificités des massifs rocheux, ce guide traite de la reconnaissance de ces massifs, et en particulier des objectifs et des moyens à mettre en oeuvre aux différentes étapes de celle-ci, de la conception des fondations au rocher, puis du dimensionnement de ces fondations en distinguant notamment les méthodes employées pour les cas simples et celles mises en oeuvre pour les cas plus complexes. Il évoque également le suivi des terrassements et des appuis de l'ouvrage durant sa construction et en service.

Editeur

SETRA

Descripteur Urbamet

massif montagneux ;roche ;opération de construction ;méthode ;sondage ;eau ;hydraulique ;fondations ;conception ;analyse de l'architecture ;géologie ;norme ;ouvrage d'art ;BTP (secteur)

Descripteur écoplanete

piézométrie ;diagraphie ;explosif ;risque

Thème

Infrastructures - Ouvrages d'art

Texte intégral

Sétra Service d'études sur les transports, les routes et leurs aménagements octobre 2009 Fondations au rocher Reconnaissance des massifs rocheux, conception et dimensionnement des fondations Guide technique Fondations au rocher Reconnaissance des massifs rocheux, conception et dimensionnement des fondations Éditions Sétra Ce document a été rédigé par : ·V.Darras(Sétra) ·J-L.Durville(LcpcpuisCetedeLyon) ·B.Gaudin(Egis) ·G.Haiun(Sétra) ·J-F.Jezequel(LrpcStBrieuc) ·D.Lefaucheur(Sétra) ·C.Maurel(SétrapuisLrep) ·M.Rat(LcpcpuisCgpc) ·J.Renault(SétrapuisLrep) ·J.Restituito(LrpcClermont-Ferrand) ·L.Rochet(LrpcdeLyonpuisR&RConsultant) ·D.Virely(LrpcToulouse) Fondations au rocher Sommaire Avant-propos Chapitre 1 - Objet du document - Domaine d'application Chapitre - Spécificités du milieu rocheux .1 - Mécanique des roches - Mécanique des sols . - Les « défauts » du massif rocheux .3 - Effet d'échelle 2.3.1-Effetsurladispersion 2.3.2-Effetsurlavaleurmoyenne 6 7 9 10 10 11 11 12 .4 - Modélisation 1 Chapitre 3 - La reconnaissance des massifs rocheux 3.1 - Organisation 3.1.1-Objectif 3.1.2-Intervenants 3.1.3-Coordinationentrelareconnaissanceetlesétudesdel'ouvrage 3.1.4-Principauxélémentsàfournirauchargéd'étudespourlareconnaissance 13 14 14 14 14 15 3. - La reconnaissance générale 3.2.1-Phasepréliminaire 3.2.2-Lareconnaissancegénéraleproprementdite 16 16 17 3.3 - La reconnaissance détaillée 3.3.1- Lesméthodesdereconnaissance 3.3.2-Lerapportfinal 6 27 29 Chapitre 4 - Principes de conception 4.1 - Principes généraux 4. - Principaux cas de fondations au rocher 4.2.1-Ouvragesdegrandeportéesurmassifrocheuxaffleurantousub-affleurant, avecproximitéd'unversant 4.2.2-Fondationsurunniveaurocheuxsituésousunezonesuperficielleinstable 4.2.3-Fondationensiteaquatiqueetsurmassifrocheuxaffleurant,oufondation surmassifrocheuxsituésousunecouchedesolsdefaiblescaractéristiques 31 3 3 33 34 35 4.3 - Problèmes de réalisation 4.3.1-Pistes,plates-formes 4.3.2-Emploidesexplosifs 36 36 37 3 4.4 - Typologie des fondations au rocher 4.4.1-Fondationsuperficielle 4.4.2-Fondationsmassives(ousemi-profondes)surpuitsunique 4.4.3-Fondationssurpieuxoupuitsmultiplesdegrosdiamètre 4.4.4-Fondations(superficielles)reposantsurunmassifrocheuxrenforcé parancragespassifs,micropieux,etc. 4.4.5-Utilisationdesancragesprécontraints 4.4.6-Quelquesprincipesgénérauxdeconception 38 38 39 40 42 43 44 4.5 - Cas particulier des fondations sur site rocheux avec présence de cavités naturelles (karsts, dissolutions) ou anthropiques (carrières) 4.5.1-Problématiquedesreconnaissancesetévaluationdurisque 46 46 Chapitre 5 - Dimensionnement 5.1 - Paramètres influant sur la complexité du dimensionnement 5. - Différents mécanismes de rupture 5.2.1-Lesmécanismesoùlemassifpeutêtrehomogénéisé 5.2.2-Lesmécanismesdiscontinussimples 5.2.3-Lesmécanismesdiscontinuscomplexes 49 51 5 52 53 55 5.3 - Choix des caractéristiques mécaniques de calcul 5.3.1-Méthodesd'homogénéisation 5.3.2-Représentationdumassifparunmilieudiscontinuàblocs 57 57 63 5.4 - Étude d'une fondation dans les cas homogénéisés 5.4.1-Généralités 5.4.2-Fondationsuperficielle 5.4.3-Fondationsemi-profonde 5.4.4-Fondationprofonde 65 65 66 70 75 5.5 - Étude d'une fondation dans les cas discontinus simples 5.5.1-Généralités 5.5.2-Terrainàstratificationhorizontale 5.5.3-Mécanismedeglissementplan 5.5.4-Mécanismeàdeuxblocs(2D) 5.5.5-Mécanismedeglissementdedièdre 76 76 77 78 80 81 5.6 - Étude d'une fondation dans les cas discontinus complexes 5.6.1-Généralités 5.6.2-Méthodesdecalcul 5.6.3-Exemples 81 81 82 82 Chapitre 6 - Suivi géologique et instrumentation 6.1 - Suivi des terrassements par un géologue 6.1.1-Principes 6.1.2-Casdesfondationssuperficielles 6.1.3-Casdesfondationsprofondes 87 88 88 89 90 6. - Suivi instrumental de l'ouvrage pendant les travaux et en service ­ Exemples 6.2.1-Casdupontsurl'Elorn 6.2.2-CasduviaducdeMillau 9 92 93 4 Fondations au rocher Annexes 1 - Listes des normes et procédures d'essais existantes pour les roches - Quelques spécifications particulières pour les sondages carottés dans le rocher 1-Exécutiondessondagescarottés 2-Exploitationdessondagescarottés 95 96 98 98 98 3 - Représentation en diagrammes stéréographiques : principe, exemple 100 4 - Spécifications pour l'utilisation d'explosifs pour les travaux de terrassement de fouilles de fondations d'ouvrages d'art 101 5 - Classification Rmr des massifs rocheux de Z.T. Bieniawski 6 - Critère de Hoek et Brown et linéarisation 10 104 Références bibliographiques 107 Sommaire 5 Avant-propos Nota Ce guide technique présente un caractère provisoire reflétant l'état actuel des connaissances et le degré encore peu avancé de leur formalisation. Le Sétra sera heureux de recevoir toute remarque permettantdecompléteretd'améliorerlarédaction. Lesméthodesspécifiquesdereconnaissanceetd'études dessitesrocheuxsontenrèglegénéraleméconnuesdes Maîtresd'oeuvreetdeschefsdeprojetsquisouvent ne prévoient pas suffisamment tôt dans le phasage desétudesl'interventiondegéologuesspécialisteset demécaniciensdesroches.Unetellesituationn'est pasraredanslamesureoùletermerocherestsouvent troprapidementassociéàbonnerésistanceduterrain defondation;ellepeutconduiretoutefoisàlamise encausesérieusedupartiadoptépourlesfondations et/oudel'implantationdesappuisdel'ouvrage,avec des conséquences en termes de coûts, à un stade déjà trop avancé du projet, si ce n'est à la mise en causedelaconceptionmêmedel'ouvrageoudeson implantation. Parailleurs,iln'existepasenFranceàl'heureactuelle de texte réglementaire ou normatif, voire de guide, traitantdelaconceptionetducalculdesfondations d'ouvragesensiterocheux. L'objetdeceguideestdoncavanttoutdesensibiliser lesprincipauxintervenantsauxproblèmesparticuliers posésparlesfondationsaurocheretleursméthodes d'étude.Ilprésenteuncaractèreprovisoirequireflète l'étatactueldenosconnaissancesetledegréencore peuavancédeleurformalisation,notammentpource quiconcernelesrèglesdedimensionnement. C'est d'ailleurs cette dernière situation qui a rendu difficilel'élaborationdeceguideetqui,probablement, rendranécessaireunemiseàjouraprèsunepériodede pratique.C'estlaraisonpourlaquelleilestdemandé auxutilisateursdeceguidedebienvouloirnousfaire part de leurs observations éventuelles et de toute informationsusceptibledelecompléterutilement. 6 Fondations au rocher Chapitre 1 Objet du document - Domaine d'application 7 Dans le domaine des fondations d'ouvrages d'art en site rocheux, en l'absence de texte à caractère réglementaire ou officiel, il est courant que les spécificitésdesmassifsrocheuxsoientmalprisesen compteetquelesméthodesd'étudedelamécanique dessolssoientutiliséesdemanièreabusive. Enparticulier,lefascicule62titreVduCctgcouvrant lecalculdesfondationsd'ouvragesd'artdanslessols estutilisétrèssouventpourdesfondationsaurocher, horsdesondomained'application. L'eurocode7(EN1997:calculgéotechnique)donne, dans sa partie 1, des règles générales applicables au dimensionnement des fondations. Si les principes généraux sont parfaitement utilisables pour les fondationsaurocher,iln'endemeurepasmoinsquele texteestconçuenmajeurepartiepourlesfondations en terrain meuble et qu'il ne mentionne que marginalementlesparticularitésdessitesrocheux. Deplus,lesméthodesspécifiquesdereconnaissance dessitesrocheuxsontsouventméconnuesdesmaîtres d'oeuvre et des chefs de projet qui ne prévoient pas suffisamment tôt dans le phasage des études l'interventiondumécaniciendesroches. Iladoncparunécessaired'éditerunguidetechnique dontlebutestdesensibiliserlesdifférentsintervenants auxproblèmesparticuliersposésparlesfondationsau rocheretleursméthodesd'étude,etcecimêmesila formalisationdespratiqueséprouvéesenmatièrede fondationaurocherestencorepeuavancée. L'objectifestnotammentdepréciserlesspécificités: · delareconnaissanceenmilieurocheux(intervention despécialistesgéologuestrèsenamontetintégrésà laconception); · des méthodes d'étude de fondations en milieu rocheux (milieu de résistance élevée, influence de l'aspect structural et de l'effet d'échelle, rôle des discontinuités). Ceguides'adresseàtouslesacteursdelaconstruction enmilieurocheuxpourprendreencomptel'interaction entrelesfondationsetlastructure:lemaîtred'oeuvre, lesbureauxd'étudeetlesgéotechniciens: · le maître d'oeuvre et les bureaux d'études, pour leurpréciserlesprincipauxélémentsspécifiquesaux fondationsaurocherpermettantd'estimeretd'orienter judicieusement les études, en terme de phasage des reconnaissances,notammentgéologiques; · legéotechnicien,enchargedesétudesdefondations, pour lui fournir, dans les cas simples, des éléments pourlaconceptionetlecalculdesfondationsensite rocheux.Àcetégard,cedocumentpourraconstituer un complément (sans le caractère réglementaire toutefois)aufascicule62titreV.Toutefois,compte tenudelacomplexitégéologiquedecertainssites,il nesauraitêtrequestiondesesubstituerauxspécialistes demécaniquedesroches:leguidepermetd'identifier les cas plus complexes, pour lesquels il présente les méthodesd'étudespossibles,àconfieràunmécanicien desroches. Ce guide technique pour les fondations au rocher s'articuleautourdesprincipauxpointssuivants,après unrappeldesspécificitésdesmilieuxrocheux: · lesspécificitésdesreconnaissancesenterrainrocheux par rapport à celles des sols, avec en particulier les différences entre les caractéristiques mesurées sur échantillons et les caractéristiques du massif, l'importancedeslevésdeterrain; · lescritèresdeconceptiondesfondationsenmilieu rocheuxauxdifférentsstadesd'uneétude,enfonction deladéfinitiondel'ouvrageetdelaconnaissancedes terrainsdefondations; · uneclassificationdesproblèmesdefondationensite rocheux,endistinguantlescassimples,pourlesquels une méthode de dimensionnement est indiquée, et lescascomplexesoùl'interventiond'unmécanicien des roches est nécessaire pour la justification du dimensionnement; · les principales dispositions à prévoir pour le suivi des fondations pendant les travaux et en phase d'exploitation. Enpratique,leprésentdocuments'applique: · auxproblèmesdefondation,d'unefaçongénérale, pourlesquelslesméthodesusuellesdelamécaniquedes sols,notammentcellesquis'appuientsurl'emploidu pressiomètreoudupénétromètrestatique(fascicule62 titreV)sontinadaptées; · aux ouvrages de grande portée avec des piles de grande hauteur exerçant de fortes charges sur les fondations. Les contraintes apportées et les déformationsprévisiblesdoiventêtredanstouslescas justifiéescomptetenudelaqualitédumassifrocheux etdelasensibilitédel'ouvrageauxdéformations; · auxouvragesplusmodestesquipeuventnécessiter des études approfondies compte tenu du site, notammentlorsqu'ils'agitdefondationssurversants, dontlastabilitévis-à-visdesdiscontinuitésdurocher est à étudier dans tous les cas et peut nécessiter un renforcementspécifique. 8 Fondations au rocher Chapitre Spécificités du milieu rocheux 9 .1 - Mécanique des roches Mécanique des sols Ladistinctionentrerocheetsolreposeessentiellement surlacohésiondumatériau.Unsablesecetpropre ne possède pas de cohésion, une argile ou un sable argileuxpossèdeunecohésionapparentequidisparaît lorsd'uneagitationdansl'eau.Unerochepossèdeune cohésion vraie, quilie mécaniquementses éléments entreeux.Lalimiteentrerocheetsolpeutaussiêtre définieconventionnellementparunseuilderésistance encompressionuniaxiale:lesrochessesitueraientaudessusde1MPaenviron,lessolsendessous. En fait, un continuum existe entre roche et sol, comme le montre un profil d'altération de granite par exemple : on passe graduellement de la roche saineenprofondeuràunearènegranitiqueensurface (sableargileux).Lesmatériauxintermédiaires,roches tendres(craie,marnes,etc.)ousolsraides,posentdes problèmesparticulierspourlesquels,dansl'étatactuel des connaissances, les approches de la mécanique dessolsetdelamécaniquedesrochessontsouvent employéesenparallèle. Àl'échelledel'ouvrage,lesdiscontinuitésdumassif rocheux jouent un rôle fondamental, à la fois mécaniqueethydraulique;cesontdeslacunesdans lacontinuitédumassif,liéesàl'histoiregéologiquedu massif,depuissaformation(dépôtdessédimentsou refroidissementd'unmagma,parexemple)jusqu'aux époquesrécentes(rôledesglaciationsetérosionsdu Quaternairedansledéveloppementetl'ouverturede discontinuités,parexemple).Ondistinguelesjoints sédimentaires,lesdiaclases,lesfailles,laschistosité, etc., dont la description constitue une partie importantedel'étudegéotechnique.Lesdiscontinuités ne sont pas distribuées au hasard, puisqu'elles sont liées à certains événements géologiques (les failles sontorientéesenfonctiondescontraintesprincipales, etc.);ellesconfèrentaumassifuncaractèrestructuré, souvent anisotrope. Ces discontinuités sont peu marquées,voireinexistantes,danslesmassifsdesols meubles, en raison de la déformabilité de ceux-ci, qui les oppose aux roches rigides à comportement plutôtfragile. Aussi le massif rocheux, considéré à l'échelle de l'ouvrage (dimension décamétrique au moins), peut-ilêtreconsidérécommeforméd'unerocheou matricerocheuse,traverséeparplusieursfamillesde discontinuités(cf.figure2.1). . - Les « défauts » du massif rocheux Larocheestunmatériaurésistant,quigénéralementne posepasensoideproblèmemajeur(exceptécertains cas particuliers comme les roches solubles). Mais le massifrocheuxcontienttoujoursdes« défauts »qui ontpourconséquencedediminuersesperformances parrapportàcellesquel'onpourraitestimeràpartir d'essaisdelaboratoire: · discontinuités,présentesdanstouslesmassifsavec desdensitésvariables, · cavitésdedissolutionkarstique,danslesmassifsde calcaireoudegypse(cf.figure2.2), · zones d'altération localisée, en général situées au voisinage de la surface, mais parfois descendant profondément, en relation avec une faille, un filon, etc., · hétérogénéitésdiverses. Figure 2.1 : un massif rocheux ­ Source : Cete de Lyon Figure 2.2 : cavité de dissolution karstique dans la craie (avec remplissage argileux) ­ Source : Lcpc 10 Fondations au rocher Ces«défauts»dumassifpossèdentdescaractéristiques mécaniques et hydrauliques bien souvent très différentes de celles de la roche, et donc influent notablement sur les propriétés d'ensemble. Le cas des discontinuités est patent : ce sont, par rapport à la roche qui les entoure, des lieux de circulation d'eau préférentielle, de forte déformabilité et de trèsfaiblerésistanceàlatractionetaucisaillement; en particulier, les ruptures du massif se localisent essentiellementlelongdesdiscontinuités. .3.1 - Effet sur la dispersion Danstoutmilieuhétérogène,ladispersiondesvaleurs d'unepropriétéP(modulededéformation,vitessedu son, perméabilité) est forte lorsque les échantillons testéssontdepetitetaille,dufaitdelaprésenced'un nombre plus ou moins grand de discontinuités (ou de défauts); la dispersion diminue lorsque la taille de l'échantillon augmente, pour se stabiliser à une valeur moyenne au-delà d'un volume qui contient « statistiquement » un nombre à peu près constant de discontinuités (cf. figure 2.4). Cependant cette stabilisationn'estpasassuréeapriori,ellepeutêtre mise en défaut par exemple si plusieurs échelles de fracturationsontprésentes. Enconséquence,lerésultatd'unpetitnombred'essais delaboratoirenefournitengénéralqu'uneestimation trèsapprochéedelapropriétérecherchéeàl'échelle del'ouvrage. .3 - Effet d'échelle Leséchantillonssoumisauxessaisdelaboratoiresont dedimensiondécimétrique,lesessaisin situauscultent un volume qui n'est guère supérieur à 1m 3. Une desdifficultésmajeuresenmécaniquedesrochesest d'estimerlespropriétésdumassifrocheuxàl'échelle de l'ouvrage, du fait de l'existence fréquente d'un effetd'échelledûàlastructuredumassifrocheux(cf. figure2.3). Figure 2.3 : rapport de dimension entre ouvrage et espacement moyen de discontinuités ­ Source : Lcpc Mesure Fuseaudedispersion Dimension Figure 2.4 : influence de la dimension auscultée sur la dispersion des résultats de mesure ­ Source : Lcpc Spécificités du milieu rocheux 11 .3. - Effet sur la valeur moyenne Donnonsdeuxexemplesdanslesquelslarésistancese modifieaveclatailledel'échantillontesté: · larésistanceaucisaillementd'unediscontinuitéest liéeauxcaractéristiquesdefrottementdumatériauet auxaspéritésdesépontes(cesaspéritésengendrentle phénomènededilatance).Laprésenced'aspérités,de longueurd'ondemétriqueparexemple,peutapporter une résistance in situ supplémentaire par rapport à cellemesuréeenlaboratoiresuréchantillonde5ou 10cmdelong; · du fait de la présence des discontinuités dans le massif,onpeutdireschématiquementquelesgrands volumesdemassifsontmoinsrésistantsquelespetits volumes.Eneffet,lespremierscontiennentengénéral plusdediscontinuitésquelesseconds,etcelles-cisont dessurfacesdefaiblessedumassif;ilpeutsuffired'une discontinuitémalorientéepourquelarésistancede l'ensemblechuteconsidérablement.Ceciestanalogue à ce que l'on observe en laboratoire : la résistance en compression simple d'une éprouvette diminue en moyenne lorsque la dimension de l'éprouvette augmente. En définitive, l'extrapolation d'un résultat de laboratoire à l'échelle de l'ouvrage est toujours une opérationdélicate. .4 - Modélisation Lecaractèrediscontinudesmassifsrocheuxconduit à construire des modèles contenant explicitement desplansdediscontinuitécorrespondantauxfailles, diaclases,etc.,considéréscommelespluspertinentsvisà-visduproblèmeposé.Engénéral,l'étudestructurale metenévidencequelquesfamillesdediscontinuités, définies chacune par leur orientation; la position précise (dans l'espace) des plans de discontinuité étantrarementconnue,onpeutsoitincorporerune distributionstatistiquementreprésentativedeplans, soitconsidérerlarépartitionlaplusdéfavorablepour obtenirundimensionnementducôtédelasécurité. Toutefois, il est parfois possible de remplacer un milieudiscontinuparunmilieucontinuéquivalent,en généralbienplussimpleàexploiter(cf.figure2.5).On évaluealorsdescaractéristiquesglobalesdumassif; celasupposeenparticulierquel'espacementmoyen desdiscontinuitéssoitpetitdevantladimensionde l'ouvrage. La perméabilité ou la déformabilité sont souventestiméesdecettefaçon,maisl'analysedela rupturedesmassifsrocheux,principalementlocalisée lelongdesdiscontinuités,seprêteplusdifficilementà cetteapprochehomogénéisée(cf.chapitre5). ? = E, Figure 2.5 : peut-on assimiler la déformabilité du massif fracturé à celle d'un milieu continu élastique isotrope ? ­ Source : Lcpc 1 Fondations au rocher Chapitre 3 La reconnaissance des massifs rocheux 13 3.1 - Organisation 3.1.1 - Objectif L'objectif de la reconnaissance géotechnique est de manière générale la meilleure connaissance possible desterrainsconcernésparleprojet,notamment:leurs caractéristiquesdescriptives(géométrie,homogénéité, nature,faciès,classification)etleurscaractéristiques mécaniquespropres(résistanceetdéformabilité),ainsi quel'ensembledesdonnéeshydrogéologiques(niveaux desnappes,perméabilités). Dans le cas particulier des sites rocheux, on devra s'intéresser de plus aux particularités du massif: fréquence et orientation de la fracturation, caractéristiquesdesdiscontinuités,présencedevides, hétérogénéitésdiverses. La reconnaissance devra également porter sur les terrainsconcernésparlesouvragesprovisoiresetsur lesproblèmesd'exécution(soutènementsprovisoires, pistes d'accès, conditions de terrassement dans le cas des sites montagneux, possibilité de battage des palplanchesensiteaquatique...). L'objet du présent document étant essentiellement de traiter des fondations au rocher, on détaille plus particulièrementdanscequisuitlesmoyensàmettre enoeuvrepourlareconnaissanceenmilieurocheux; pourl'étudedessolsdecouverture,ilconvientdese reporterauxdocumentsconcernantlareconnaissance dessolsmeubles(1). Le document décrit l'ensemble des méthodes de reconnaissance préconisées pour les milieux rocheux:celles-cinesontpastoutesmisesenoeuvre systématiquement, le programme de reconnaissance devraêtreadaptéàl'importancedel'ouvrageetàla complexitédusite. L'exécution des sondages, comme de certaines investigations spécifiques ou de certains essais particuliers, peut être confiée à des prestataires extérieurs. Desoncôté,lechefdeprojetfournitauchargéd'études lesmoyenslogistiquesnécessairesaubondéroulement decesopérationsdeterrain,etluitransmettoutesles donnéesrelativesàl'ouvragedèslespremièresphases afinquelechargéd'étudespuisseentenircomptepour établirleprogrammedereconnaissance. Lateneurdesmissionsàconfierauchargéd'études seraconformeàlanormeNFP94500définissantles missionsgéotechniques. 3.1.3 - Coordination entre la reconnaissance et les études de l'ouvrage Lareconnaissancegéotechniquedoitêtrecoordonnée àtoutmomentaveclesétudestechniquesgénérales del'ouvragepourpouvoirprendreencompteleplus tôt possible toute anomalie géologique qui aurait des conséquences sur l'implantation ou le type de l'ouvrage. Decefait,lareconnaissancedoitsuivrelesdifférentes étapes d'étude du projet et être menée de manière progressive: · les premières investigations doivent intéresser une large zone qui s'étend au-delà du site strictement réservéàl'ouvrageetcecid'autantplusquelagéologie et/oulatopographiesontplustourmentées; · les investigations complémentaires doivent être conduites de manière à résoudre les problèmes spécifiques, qui le cas échéant, ont pu être mis en évidencelorsdecespremièresinvestigations. Lesmoyensàmettreenoeuvredoiventêtreadaptésau degréd'avancementdelareconnaissance:ilconvient enpremièrephasedeprivilégierlesétudesgéologiques et hydrogéologiques, l'aspect mesure des propriétés mécaniques des terrains étant plutôt réservé aux investigationscomplémentaires. Cette progressivité des reconnaissances est propre à touteslesétudesgéologiques:onétablitenpremière phaseunmodèlegéologiquepardesreconnaissances globalesmoinsonéreuses,puisensecondephaseon calelemodèleproposépardessondagesponctuels,de coûtplusélevéetdereprésentativitépluslimitée. Cetteméthodologie,quipermetdemanièregénérale une optimisation économique des reconnaissances, est d'autant plus recommandée en site montagneux oùlecoûtdessondagesestplusélevé,etlemodèle géologiqueplusdifficileàétablir. 3.1. - Intervenants Les études sont confiées par le chef de projet à un ingénieur géotechnicien appelé dans ce qui suit «chargé d'études». Il est recommandé que celui-ci soit intégré à l'équipe de projet, dès les premières phasesd'étude etjusqu'à l'exécution de l'ouvragesi nécessaire. Le chargé d'études, aidé pour certaines étapes par un ou des spécialistes (géologue, hydrogéologue, mécaniciendessolsoudesroches...),alaresponsabilité d'établir les programmes d'investigation, de suivre etd'interpréterlesreconnaissances,etderédigerles rapportsdesynthèseetleursconclusions. (1) Voir liste de références en annexe 14 Fondations au rocher Chaque étape de l'étude doit être conclue par un rapportdesynthèsequidécritlesmoyensutilisés,les résultatsdesobservationsetlesmesureseffectuées.Ce rapportdoitcomporterunesynthèsedesinformations recueilliesdepuisl'origine,ainsiquedespropositions pourl'étapeultérieuredesreconnaissances. Ilestnécessairequelechargéd'étudessuiveauplus près les reconnaissances et fournisse à l'équipe de projetdesrésultatspartiels,pourpouvoir,encasde découvertes d'anomalies géologiques (karsts, venues d'eau,failles...)déciderleplustôtpossibledemodifier oud'adapterleprogrammedereconnaissanceinitial, voiremêmededéplaceroumodifierl'ouvrage. Il appartient au chef de projet d'assurer la bonne circulation des informations ainsi collectées au fur et à mesure de l'avancement des études et des reconnaissances. 3.1.4 - Principaux éléments à fournir au chargé d'études pour la reconnaissance · bornage et levé topographique de la zone d'étude - fourniture de fonds topographiques à une échelle adaptée; · autorisations d'accès - préparation des accès aux pointsdesondage:débroussaillage,créationdepistes, fournituredesupportflottantpoursiteaquatique; · d o n n é e s g é n é r a l e s r e l a t i v e s à l ' o u v r a g e : administratives, fonctionnelles, architecturales, d'environnement,d'exploitationetéconomiques; · donnéestechniquesrelativesàl'ouvrage:descentes de charges, méthodes de construction envisagées, ouvragesannexes. Phase de : · la reconnaissance selon NFP 94500 · l'étude Reconnaissance générale selonNFP94500: missionG11+G12 +investigations géotechniques(Ig) Objectifs Moyens Résultats produits ApsouEpoa ·validerlapositiondel'ouvrage ·donnerunavissurlapositiondes appuis ·choisirlestypesdefondations ·mettreenévidencelesspécificités géologiquesdusitepouvantinfluersur l'ouvrageoulesouvragesannexes ·fournirdesélémentssuffisantspour estimerleprojetetcomparerungrand nombredesolutions Phase préliminaire : (missionG11+Ig éventuellement) ·collecte/exploitationdes documentsexistants ·visited'ungéologuesurlesite Phase de reconnaissance : (missionG12+Ig) ·levésgéologiques/étude structuraleetpétrographique ·géophysiquedesurface ·sondagescarottésetdestructifs ·exploitationdestrousdeforages ·hydrogéologie Reconnaissances ponctuelles : ·carottages ·géophysique ·essaisenlaboratoire ·essaisin situ ·hydrogéologie Noticeinterprétativeetprogramme delareconnaissancegénérale Rapportdesynthèse etdéfinitiondelacampagnede reconnaissancedétaillée Reconnaissance détaillée selonNFP94500: missionG2 +investigations géotechniques(Ig) projetouPoa/Dce ·dimensionnerlesfondationsde l'ouvrage ·définirlesméthodesd'exécution ·dimensionnerlesouvragesprovisoires ·lecaséchéant,fournirdeséléments techniquesnécessairesàlaconsultation desentreprises Rapport final ·vuesenplan(1/1000eet1/200e pourlesappuis) ·sondages,essais,diagrammes stéréo ·synthèse Phasage des études et des reconnaissances en site rocheux La reconnaissance des massifs rocheux 15 3. - La reconnaissance générale Elle correspond en général à l'étape d'avancement du projetde l'avant-projet sommaire ou de l'étude préliminaired'ouvraged'art. Elledoitpermettrede: · validerlapositiondel'ouvrage; · donner un avis sur le positionnement des appuis proposéparleprojeteur; · choisirleprincipedesfondations; · mettreenévidencelesproblèmesliésàlagéologie dusitequipeuventavoiruneincidencedirectesurles étudesultérieuresousurvenirlorsdestravaux,etdont ondonneci-dessousunelistenonexhaustive: - les problèmes susceptibles de compromettre directement le projet ou d'entraîner sa profonde modification: - présencedecavitésdansleterrain(karst,ouvrages souterrainsanciens,tunnelsdelavedanscertaines formationséruptives), - instabilitédeversant, - présencedanslemassifrocheuxdediscontinuités aupendagedéfavorable, - présence de zones de roches faillées, altérées, broyées, - risquedechutedeblocssurlespiles, - risquesd'affouillement, - lesproblèmessusceptiblesd'entraînerdesdifficultés lors de la réalisation d'ouvrages annexes (talus) ou d'ouvrages provisoires (batardeaux, pistes de chantier): - terrassement (notamment à l'intérieur des batardeaux), - tenuedespentesdetalus, - tenuedesparoisetassèchementdesfouilles, - battagedepalplanches, - injectiondesterrains, - altérationougonflementdesroches, - le mouvement des couches superficielles du versant. La reconnaissance générale doit nécessairement être réaliséeendeuxphases: · la phase préliminaire d'étude géologique sans interventionlourdesurleterrainquipermetdedéfinir leprogrammedesreconnaissancessurlesite; · la phase de reconnaissance proprement dite, où l'on peut également échelonner les interventions (positionnement des sondages mécaniques après analysedesrésultatsdelagéophysiquedesurface)sila complexitédusiteetl'importancedelareconnaissance lejustifient. 3..1 - Phase préliminaire Elle comprend la collecte et l'étude des documents existantsainsiqu'uneoudesvisitessursite. L'inter vention d'un géologue est à ce stade indispensable. L'exploitation des documents existants Enplusdesdocumentsnécessairesàlacompréhension du projet dans son état actuel, il convient que les documentssuivantssoientregroupésetcorrectement exploités: · lescartestopographiques(etbathymétriques,lecas échéant)dusiteàuneéchelleconvenable(1/1000e parexemple)surlesquellescf.figurentlapositionde l'ouvrage à construire et les repères de nivellement, dûment cotés (cotes N.G.F. et/ou cotes marines), indiquésparlechefdeprojet; · les coupes du projet envisagées par le chef de projet; · lacartegéologique; · lesphotographiesaériennes; · lesétudesgéotechniquesouautres,effectuéesdans levoisinage; · desextraitsdesdossiersd'ouvragesconstruitsdans levoisinage,notammentdécrivantleurssystèmesde fondationsetlesouvragesprovisoiresquiontpuêtre réaliséslorsdeleurconstruction. La ou les visites sur le site La première visite sur site doit être effectuée par le chargéd'étudesencompagnieduchefdeprojet.Elle suffitgénéralementàmettreenévidencelesdifficultés principalesduprojetetàorienterjudicieusementles méthodesàmettreenoeuvreàcestade. La visite du géologue sur le site doit permettre de localiser les affleurements, d'identifier rapidement lanaturepétrographiquedesrochesetleurstructure (pendages,directionsstructurales). Plusieursvisitesdugéologuepeuventêtrenécessaires selon les difficultés d'accès, l'importance des affleurementsetlacomplexitédesstructuresdusecteur visité(pluslargequelaseulezoneduprojet). 16 Fondations au rocher La notice interprétative Elledoitfournirauminimum: · unecoupegéologiquelongitudinale, · unecartegéologiquesimplifiéeaveclesaffleurements, lesdirectionsstructurales(cf.figure3.1), · unenoticedécrivantlesterrainsdusite, · un premier avis sur l'implantation de l'ouvrage et lesdifficultésprévisibles, · leprogrammedelareconnaissancegénéraledéduit de cette analyse en explicitant l'implantation et la profondeurdessondages. Nota Les échelles des cartes et coupes seront en général celles des documents fournis par le chef de projet. Les levés de terrain Danslecasd'unmassifrocheuxaffleurant,ilconvient d'entreprendrerapidementsonétudestructuraleetde procéderàquelquesprélèvementsenvuedel'analyse pétrographiquedelaroche(cf.figure3.2). Silemassifestsub-affleurant,lacouverturepourraêtre décapéeàceteffet(tranchéeexécutéeàlapelle). Cesdeuxaspectsserontaffinésàpartirdesinformations quiserontrecueilliesparlasuite,notammentàpartir desprélèvementsparsondagescarottés. La nature pétrographique de la roche Il s'agit de déterminer la nature des minéraux qui composentlaroche(présenceéventuelledeminéraux trèsaltérables...)ainsiqueleurétatd'altérationetla structuredecetteroche(granularité,litage,répartition préférentielledecertainsminéraux...).Uneattention particulièreseraportéeàlaprésenceetàladescription desrochestendres(marnes,gypse,craie,etc.). L'examenmacroscopiquepeutêtreutilementcomplété parunexamenenlamesmincesenlaboratoireàpartir deprélèvementsdeblocsreprésentatifs. À ce stade, on peut également effectuer des essais d'identification (masse volumique (1) , porosité (1) , vitesseduson(1))etdesessaismécaniques[écrasement sur éprouvettes(1) ou sur blocs rocheux à la presse Franklin(1),essaisdefragmentabilité(1),d'altérabilité(1) (àl'eauoxygénéeouautre)etdedégradabilité(1)(cycles d'imbibitionetdeséchage)]. (1) Liste des normes et procédures d'essai en Annexe 1 3.. - La reconnaissance générale proprement dite E l l e e s t s t r u c t u r é e p a r d e u x g r a n d s t y p e s d'investigations: les levés de terrain réalisés par un géologue,etlesreconnaissancesparsondagesetpar géophysique. L'intervention systématique d'un géologue sur le terrain est une des spécificités des reconnaissances pourlesfondationsensiterocheuxqu'ilseraimpératif derespecter. En règle générale, les opérations de terrain doivent être surveillées en permanence par une personne compétente,mandatéeparlechefdeprojetouparle chargéd'études.Ilestsouhaitablequelesurveillant appose régulièrement son visa sur les feuilles de chantierrempliesparlesopérateurs. Figure 3.1 : site du viaduc de Terènez : carte géologique simplifiée Source : Sétra Figure 3.2 : affleurement de quartzite fracturé (viaduc de l'Ante) Source - Lcpc La reconnaissance des massifs rocheux 17 La structure du massif rocheux Lastructuredumassifrocheuxdoitêtreétudiéeàdeux échellesdifférentes:àl'échellerégionaleetàl'échelle localecorrespondantàl'ouvrage. Àl'échellerégionale,onétudielamorphologieetles caractéristiquesdelaformationgéologiqueconcernée parl'ouvrage(vallées,lignesdecrêtes,tracédescours d'eau,végétation,découpagedurivagemarin,présence probableouavéréedecavitéssouterraines...)ainsique le régime hydraulique (répartition des points d'eau naturelsouartificiels). Cette étude peut être utilement faite à partir de l'interprétation des photos aériennes (cf. figure 3.3) et d'un parcours rapide sur le terrain, complétée, le cas échéant, par des analyses géomorphologiques du modèle numérique de terrain (Mnt) avec les divers traitements associés (carte de pentes, carte de courbures, etc.), moyens permettant d'aider le géologuedansletravailderechercheetdedétection d'accidentset/oud'anomalies. À l'échelle locale, on étudie les horizons qui seront sollicités par l'ouvrage lui-même ainsi que par les ouvragesprovisoires. On s'assure que le matériau rencontré est bien en accordaveccequel'onpeutattendredesconclusions de l'étude régionale, c'est-à-dire que le projet ne se situe pas sur un accident géologique (faille, cavité, altérationplusmarquée,conditionshydrauliquesou facièsparticuliers). Onprocèdeensuite: · àl'examendelarocheetdesonaltération(examen visuel,notammentparlacouleur,étatd'agrégationdes minéraux,réponseauxchocsdumarteau); · au relevé des discontinuités (quelques dizaines au moins, direction et pendage, remplissage, morphologie des épontes, etc.) afin d'en obtenir une représentation synoptique par une méthode de projection stéréographique; cette représentation CouplestéréoscopiquedusecteurdeChirac(Lozère) MissionIgnde1977à1/20000e. Quelques panneaux de la falaise aaléno-bajocienne, découpéepardesaccidentsN.20°EetN.150°E,fluent surlesmarnesduToarcienetglissentenpieddepente. Figure 3.3 : photo aérienne ­ Source : Lcpc 18 Fondations au rocher permetd'étudierl'organisationdecesdiscontinuités quipeuventêtre,soitgroupéesenfamilles,soitplus rarementdiffuses(cf.figure3.4). Ilestconseillédeseréférerauxclassesproposéespar l'Aftes (2003) pour la présentation des principales caractéristiques. Même si une fondation dans le rocher sous-jacent estprobable,lescaractéristiquesmécaniquesdecette couverture doivent être correctement appréciées en raison,enparticulier,deleurincidencesurlafaisabilité etledimensionnementdesouvragesprovisoires. Lesprincipalesméthodesdereconnaissancesont: · lessondagesàlapellelorsquelacouverturemeuble estpeuépaisse,quipermettentd'examinerletoitdu rocher, · lespuitsdereconnaissance, · lesméthodesgéophysiques, · lessondagesetleurexploitation. La reconnaissance doit inclure également s'il y a lieu, le suivi des déplacements du versant (repères topographiques,inclinomètres). Les méthodes de reconnaissance Lechoixd'uneméthodedereconnaissancedépenddu degrédeconnaissancequel'onadusiteàceniveau de l'étude et de la nature et profondeur probables des différentes formations susceptibles d'intéresser l'ouvrage. Onrappellequelacouverturedesolmeubledoitêtre étudiéeparlesmoyensusuelsdelamécaniquedessols (essaisin-situ,prélèvementsintactsouremaniésenvue d'identificationetd'essaismécaniquesenlaboratoire). SondageSC4­Plans,famillesetalertespénalisantes­Talus:N45,60NW-angledefrottement30 Figure 3.4 : diagramme stéréo ­ Source : Lrpc d'Aix La reconnaissance des massifs rocheux 19 La géophysique de surface Les méthodes de prospection géophysiques (voir «Géophysiqueappliquée:guidedebonnepratique», 1992(1))sontbienadaptéesàlareconnaissancegénérale dessites,notammentdanslecasd'unmassifrocheux nonaffleurant(ensiteaquatiqueousousunecouche de sols de faibles caractéristiques) pour déterminer l'épaisseuretlarépartitiondessolssuperficiels,etpar suitelamorphologiedutoitdusubstratum.Demême, cesméthodespermettentdeconnaîtrel'épaisseurde lafrangealtéréeoutrèsfracturéed'unmassifrocheux, affleurantounon.Cependant,ellesdoiventtoujours êtrecaléesparunouplusieurssondagesmécaniques. Acestadedelareconnaissance,lesdeuxméthodeslesplus utiliséessontlasismique-réfractionetlaprospectionpar courantélectrique.Lasismiqueréfractionaétéparfois utilisée pour détecter une interface caractéristique (cf.figure3.5). (1) Voir Références. La sismique-réfraction (voir «Guide Sismique Réfraction, 2005(2)) consiste à mesurer, à partir de lasurfaceduterrain,letempsdepropagationd'une ondesismiquedecompressionaprèssaréfractionsur lesdifférentsdioptresqueconstituelasuperposition descouchesdeterrain.Cetteméthoden'estopérante que si les couches rencontrées sont de compacité croissante avec la profondeur. Elle s'applique en particulier à la détermination de l'interface entre le solmeubledesurfaceetlesubstratrocheux.C'estune méthoded'utilisationcouranteensiteterrestre;elle estégalementutilisableensiteaquatique. Lesméthodesélectriques,quisontpourl'essentielle traînéélectriqueetlepanneauélectrique,donnentdes plans-coupesderésistivitéquifournissentuneimage des hétérogénéités telles que cavités, filons, zones failléesoutrèsaltérées.Letraînéélectriquepeutêtre utilisésousl'eausaufsicelle-ciprésentedesvariations rapidesdesalinité(conductivité)commec'estlecas dansl'embouchuredesfleuves. (2) Voir Références. LigneboomerOYA5 Affleurementdusubstratumrocheuxetcouverturededédimentsmeubles(niveauxdesablesetvases) Figure 3.5 : exemple d'utilisation de la sismique réflexion pour déterminer le toit du rocher sous sédiments meubles et en site aquatique (Guyane, Franchissement de la rivière Oyapock, 2003) 0 Fondations au rocher Les sondages carottés et destructifs Les sondages ont pour but principal de confirmer etdevaliderlemodèlegéologique;àcestadedela reconnaissancegénérale,leurnombre,leurprofondeur et leur implantation sont plutôt liés aux conditions géologiquesqu'auxappuisdel'ouvrage.Cessondages permettentaussid'avoirunepremièreidentification mécaniquedesterrains. Lessondagessontleplussouventverticaux.Toutefois onpeutaussiréaliserdessondagesobliques,soitpour êtremieuxorientéparrapportàunefamillemajeure dediscontinuités,soitparcequelevolumedeterrain concernéparlafondationetàexplorern'estaccessible quelatéralement(cf.figure3.6). Dessondagescarottéssonttoujoursnécessaires,eux seuls permettant de reconnaître en profondeur le rocherenl'absenced'affleurementetavecleminimum deremaniement.Ontrouveraenannexe2quelques spécifications particulières concernant ce type de sondagesdanslerocher. Dans le cas d'un recouvrement général du massif rocheuxpardesformationssuperficielles,ilconviendra deprévoirdessondagespénétrantsuffisammentdansle rocherpourdétermineravecprécisionlamorphologie du toit du substratum, et s'affranchir d'erreurs possibles (cas de gros blocs noyés dans les terrains meublesetisolésdumassif,notamment);l'épaisseur d'altérationausommetdusubstratumseraégalement évaluée.Lagéophysiquedesurfaceestdanscecasun bonmoyendedéterminerl'épaisseurdurecouvrement d'unsondageàl'autre. Figure 3.6 : reconnaissance par sondages obliques (viaduc de la Ravine Fontaine, La Réunion) La reconnaissance des massifs rocheux 1 Unsondagedequalitédoitêtreexigé,avecuntaux de récupération supérieur à 90%. L'exploitation d'unsondagecarottéreposeenpremierlieusurune bonnedescriptiondescarottesetdesdiscontinuités. Lescarottessontdécritesparlegéologuesurleplan pétrographique et quant à leur état de fracturation et d'altération; un échantillonnage est pratiqué si nécessairepouruneanalysepétrographiqueoupour desessaisd'identification(massevolumique,porosité, vitesseduson,etc.).Ladescriptiondesdiscontinuités inclutcelledeleurinclinaisonparrapportausondage (à défaut d'une orientation absolue), de la rugosité des surfaces, du remplissage, de l'état d'altération desépontes,etc.Lesprincipauxindicesquantitatifs fournis par ces sondages et utiles pour caractériser mécaniquement le massif rocheux sont le Rqd (Rock Quality Designation), l'Id (Intervalle de Discontinuité),laFd(FréquencedeDiscontinuité), évalués par portion homogène de sondage (voir les Recommandations Aftes 2003 (1) ainsi que les cf. figures3.7et3.8). Les sondages destructifs, moins onéreux que les sondages carottés, peuvent permettre, dans certains cas, de multiplier les points de calage du modèle, à la condition de les étalonner avec des sondages carottés. Ilssonteffectuéssoitautrépanrotatifsoitaumarteau fonddetrou.Desméthodesdeforationparticulières (type O.D.E.X) peuvent s'avérer nécessaires si la couverture de sol meuble est constituée par des matériauxgrossiersébouleux. Les sondages destructifs doivent être effectués avec enregistrement des paramètres de foration (mesure delavitessed'avancement,delapousséeetducouple derotation). Enplusdesinformationsdonnéesparl'enregistrement desparamètres,cesforagespermettentd'apprécierla naturedesterrainstraversésparexamendesparticules (forageàl'eauouàlaboue)oudeséclatsquiremontent àlasurface(forageàl'aircomprimé). Pouréviterleserreursd'interprétation,ilestessentiel de ne jamais travailler en aveugle mais de toujours établirunecoupelithologiqueduforageàpartirde l'examendescuttingsousédiments. (1) Voir Références Figure 3.7 : photo d'un sondage carotté ­ Source : Sétra L'exploitation des « trous » de forage Lestrousdeforagepeuventêtreutiliséspourréaliser certainesobservationsoumesures,parapplicationde méthodesquisont,pourcertaines,tributairesdel'état du trou : tubé (tubage plastique ou métal) ou non tubé, rempli d'eau claire ou d'eau chargée, de boue bentonitiqueouautre. Parmi les investigations les plus courantes, on peut citer: · les mesures piézométriques, indispensables pour caractériserl'hydrogéologiedusite; Fondations au rocher Figure 3.8 : coupe d'un sondage avec Rqd ­ Source : Lrep Clermont-Ferrand · l'essaiLugeon(1):c'estunessaid'eauderéalisation relativementsimplequipermetd'évaluerledegréde fracturationdelarocheenplaceetdontlaréalisation s'imposedanslaplupartdescas(cf.figure3.9); · la diagraphie microsismique qui renseigne sur le degrédefracturationdelarocheenplace; · ladiagraphiederadioactiviténaturelle(ougammaraynaturel)quipermetenparticulierdecorrélerles différentshorizonsenraisonduniveauderadioactivité qu'ilsmanifestent(utilisationcourante). (1) Liste des normes et procédures d'essai en Annexe 1 Pressiondanslacavité(MPa) 2 1,5 1 0,5 0 0 5 10 15 20 Débitinjecté(litre/min) 25 Figure 3.9 : exemple de courbe d'essai Lugeon : le débit d'eau est injecté en fond de forage avec un obturateur limitant la hauteur d'injection, sous différentes pressions, croissantes puis décroissantes ; le résultat de l'essai est exprimé en unités-lugeon : débit en litres par minute, ramené à une hauteur d'injection de 1 m et pour une pression de 1 MPa ­ Source : Lrpc Clermont-Ferrand La reconnaissance des massifs rocheux 3 Ilenexisteaussi,d'usageplusspécifique: · l'imagerie ou la fausse imagerie de paroi qui permettentdevisualiseretd'orienterlesdiscontinuités desparoisdestrous(cf.figure3.10); · lasismiquecross-holeoulatomographiesismique quipermettentlamesuredesvitessesdepropagation entredeuxforages; · leradargéologiquedeforagequipermetdedétecter laprésencedefractures,dezonesaltéréesoudecavités auvoisinagedestrousdeforage; · lesdiagraphiesnucléaires(cf.figure3.11): - ladiagraphiegamma-gammaquidonneencontinu enfonctiondelaprofondeurlamassevolumique humideduterrain; - la diagraphie neutron-neutron qui donne en continuenfonctiondelaprofondeurlateneuren eauvolumiqueenplace. Les essais in situ Onpeutavoirrecoursauxessaispressiométriqueset auxessaisdedilatomètreaurocheretàlaplaque,qui permettentlamesureenplacedescaractéristiquesde résistanceet/oudedéformationduterrain. Ilfauttoutefoissoulignerquecesessaismécaniques in situ en forage, par principe, ne traduisent qu'imparfaitement le comportement mécanique du massifenraisondufaiblevolumeausculté(aumieux 1 m 3) en regard du massif et de l'espacement des discontinuités. Il n'existe pas d'essai in situ ponctuel «idéal» pour caractériser le comportement global d'un massif rocheuxdiscontinu. Figure 3.10 : exemple de résultats d'imagerie de paroi (viaduc de l'Ante)­ Source : Lrpc de Rouen 4 Fondations au rocher L'essai pressiométrique(1) L'essaipressiométriqueestbienadaptépourcaractériser lesterrainsmeublesdecouverture. Enraisondelacompressibilitépropredel'appareilet delalimitationdecapacitédessondesclassiquesautour de5MPa,cetessaiconçupourlessolsnepermetpas d'évaluer correctement les propriétés mécaniques élevéesdesmilieuxrocheux:sous-estimationàlafois delarésistancelimiteetdumodulededéformation, mauvaisepriseencompted'unefracturationserrée. Par contre, il est assez bien adapté à l'étude des terrainsintermédiairestelsquelesrochestrèsaltérées, les marnes et argilites indurées, ainsi que les roches tendrestellesquelacraie. (1) Liste des normes et procédures d'essai en Annexe 1 Actuellement,l'utilisationdesondesàhautepression (jusqu'à 10-12 MPa) permet d'étendre le domaine d'utilisation de cet essai à des roches un peu plus «résistantes». Le pressiomètre est souvent utilisé pour étudier dans un forage la progression sol/rocher très altéré/ rocher altéré/rocher sain (cas des granites, gneiss, micaschistes,parexemple). L'essai au dilatomètre de rocher et les essais à la plaque sont des essais lourds et relativement délicats à réaliser et à interpréter Ils sont plutôt réservés aux phases ultérieures de reconnaissance(cf.§3.3.1,lesessaisin situ). Figure 3.11 : exemple de diagraphie de radioactivité naturelle ­ Source : Lrep La reconnaissance des massifs rocheux 5 Le rapport de synthèse Unrapportdesynthèsedoitêtrerédigéparlechargé d'études tenant compte de l'ensemble des données relevées au cours de cette phase de reconnaissance générale,enyincluantlesélémentsrecueillislorsde laphasepréliminaire. Ilcomporte: · lesvuesenplansàuneéchelleconvenableoùsont repéréslesdifférentspointsdesondagesetlesautres typesd'investigation, · lescoupesgéologiqueslongitudinalesettransversales (cf.figure3.12), · unrecueildetouslesrésultatsdescoupesdeterrains, diagraphiesetessais,photo-interprétationéventuelle dusite, · lesniveauxd'eausurl'ensembledusite, · lerapportproprementdit. Celui-cidoitindiquersil'implantationprévuepour l'ouvrageetsesappuisestjudicieuseousiuneautre implantationsemblerecommandée. Il fournit également des indications sur le type de fondationsàreteniretleursniveauxprévisibles(avec prédimensionnement). Les méthodes d'exécution des fondations et des ouvrages annexes sont évoquées, avec les difficultés prévisibles. Siunecampagnedereconnaissancecomplémentaire s'avèrenécessaire,cequiseralecasgénéralpourles ouvrages d'une certaine importance, le rapport en définitlaconsistance. 3.3 - La reconnaissance détaillée Elle correspond à l'étape d'avancement du projet d'ouvrage d'art (Poa) et du dossier de consultation desentreprises(Dce). Sonobjetestdecompléterlesinformationsrecueillies lors de l'étape précédente afin de pouvoir procéder au dimensionnement des fondations de l'ouvrage principaletdesesouvragesannexes,dimensionnement quinécessitelaconnaissance,d'unepart,delanature etdespropriétésmécaniquesdelamatricerocheuse et, d'autre part, de l'intensité et de l'orientation des discontinuités ainsi que de leurs propriétés de frottement. Cette reconnaissance doit en outre permettre de définir les valeurs des paramètres mécaniques et de perméabilité des terrains qui seront nécessaires à la conception et au dimensionnement des ouvrages provisoireséventuels. Figure 3.12 : profil en long géologique illustrant la reconnaissance en rive gauche du nouveau pont de Terenez (Longueurs verticales = 2 x longueurs horizontales) ­ Source : Sétra 6 Fondations au rocher Contrairementauxinterventionsdelareconnaissance générale, les nouvelles investigations se concentrent surl'emplacementretenupourlesappuis. Les méthodes de reconnaissance sont donc, généralement,desméthodesplusponctuellesqueles précédentes. Comme pour les investigations antérieures, les opérations de terrain menées dans le cadre de cette reconnaissance, et notamment les opérations de carottage ou les essais mécaniques in situ, doivent être surveillées en permanence par une personne compétente. Les enregistrements de paramètres fournissent également des indications précieuses sur l'état d'altérationdurocher. Lesspécificationsderéalisationsontlesmêmesque celles qui ont été décrites ci-dessus (cf. § 3.2.2, les méthodesdereconnaissance). Les piézomètres et les essais d'eau Acestadedel'étude,ilestindispensabledeprévoir desforagesdédiésàlaréalisationdepiézomètresqui devront être conservés et relevés jusqu'à la date de réalisation des travaux, pour suivre l'évolution des niveauxd'eausurlesite. Si les conditions hydrogéologiques sont homogènes surlesite,ilestpréférablederéalisercespiézomètres àl'extérieurdelazonedesappuis,pourqu'ilspuissent êtreconservéspendantlestravaux. De plus, il est très fréquent que les méthodes d'exécutiondesfondationsoudesouvragesannexes nécessitent la connaissance des caractéristiques de perméabilitédesterrains. Ilestdoncrecommandédeprévoirsystématiquement desessaisdeperméabilitéenforage:essaisLefranc(1). sans oublier que les hypothèses sur lesquelles reposentl'interprétationdecetessai(milieuporeux, homogène et isotrope) ne sont pas nécessairement cellesrencontréesdanslesmilieuxrocheuxfracturés (perméabilitédefissures). Cependant, le rayon d'action d'un tel essai est en général faible en regard de l'espacement des discontinuités du massif, pour une meilleure caractérisationdelaperméabilité,onestalorsamené àprévoirdesessaisdepompagedansdesforagesde grosdiamètre,plusreprésentatifs. L'essaiLugeon(2)estplusutilisépourcaractériserl'état de fracturation et l'injectabilité du massif que pour desmesuresdeperméabilité,néanmoinsilpermetune évaluationapprochéedelaperméabilitéd'unmilieu poreuxéquivalent(1'unitéLugeon10-7m/s). (1) Liste des normes et procédures d'essai en Annexe 1 (2) Liste des normes et procédures d'essai en Annexe 1 3.3.1 -Les méthodes de reconnaissance Onprésenteci-dessouslesméthodesplusspécifiquement utilisées dans cette phase de reconnaissance, en complément de celles présentées au paragraphe précédent. Les sondages carottés et destructifs Larèglegénéraleestque,pourunpont,ilconvient d'effectueraumoinsunsondagecarottécontinupar appui,lesondageétantpoursuivisurplusieursmètres au-dessous de la cote présumée de la fondation, à uneprofondeurégaleaumoinsàunefoislalargeur delafondationcomptéeàpartirdelacoteprésumée de celle-ci, pour en reconnaître sa zone d'influence immédiate.Cetteprofondeurdoitêtreaugmentéesi descavités,naturellesouartificielles,sontàredouter (surprofondeurde7pourunpuitsdediamètre, parexemple). L'objectifdessondagescarottésestde: · vérifier la conformité des terrains au modèle géologiqueetl'absenced'anomalie, · préciserlaprofondeurdelazonealtéréedurocher, · préleverdeséchantillonsquiserontutiliséspourles essaisdelaboratoire. Lesrecommandationsrelativesàcescarottagessont les mêmes que celles qui ont été décrites ci-dessus (cf.§ 3.2.2, les méthodes de reconnaissance) et les parois des forages peuvent également être étudiées suivantlesmêmesméthodes. Les sondages destructifs peuvent compléter les sondagescarottéspourcalerdesépaisseurs,àcondition delesétalonnersouschaqueappuiavecunsondage carotté.Comptetenudeleurmoindrecoût,ilspeuvent être employés en grand nombre pour reconnaître l'ensemble de la surface de la fondation, en cas de risquedecavitésnotamment. La reconnaissance des massifs rocheux 7 La géophysique et les diagraphies de forage En plus des méthodes usuelles d'exploitation des trousdeforageexposéesprécédemment,desméthodes géophysiques particulières de forage peuvent être recommandéesnotammentsideforteshétérogénéités et/ou la présence de cavités sont à craindre sous les appuis:méthodesélectriquesàpartird'unouplusieurs forages,radargéologique. La mesure de la vitesse des ondes sismiques de compressionetdecisaillemententreplusieursforages (essai Crosshole) ou dans un même forage (essais Downhole/Uphole) est également assez courante : on en déduit les modules dynamiques des diverses couches(1) Ontrouveralaprésentationdesdifférentesméthodes géophysiquesdansle«Codedebonnepratiquedela géophysiqueappliquée»(1). Les essais de laboratoire Cesessaisontpourobjetdemesurersurdeséchantillons représentatifsdelamatricerocheuselescaractéristiques physiquesetmécaniques(déformabilitéetrupture). Les essais les plus couramment pratiqués sont la détermination de la résistance à la compression uniaxiale(1),delamassevolumique(1)),etlesessaisde tractionparfendage(essaisbrésiliens(1)).Larésistance encompressionuniaxialeestmesuréeparécrasement sous presse ; un grand nombre d'essais doit être prévu compte tenu de la dispersion généralement importante. Dans certains cas, ces essais de base peuvent être approfondis pour obtenir des mesures plus précises (mesure du module d'Young (1), du coefficient de Poisson(1),essaistriaxiaux(1)). Unessaiderésistanceplus« grossier »peutégalement être réalisé sur des blocs si l'on ne dispose pas de carottes:essaiàlapresseFranklin(1)(écrasementde blocsderocheentredeuxpointes). Lesessaisd'identification(porosité(1),vitesseduson(1)) doiventêtreprévusdanstouslescassurunnombre d'échantillonssuffisant. Desessaisspécifiquespeuventêtreréaliséspourdes problèmes particuliers : essais d'altérabilité (1), de dégradabilité(1) , de fragmentabilité(1), de résistance augeletd'abrasivité. En outre, les caractéristiques mécaniques des discontinuités (frottement, dilatance) peuvent être quantifiéespardesessaisàlaboîtedecisaillement(1). (1) Voir Références Figure 3.13 : essai de compression uniaxiale - Carotte de diamètre 50 mm - Marbre de Saint Béat ­ Source : Lrpc Toulouse Figure 3.14 : essai de cisaillement sur discontinuité rocheuse ­ Source : Lrpc Lyon Figure 3.15 : essai brésilien ­ Source : Lrpc Toulouse 8 Fondations au rocher Les essais in situ Des forages spécifiques doivent être réalisés pour réaliserlesessaismécaniques(essaiaudilatomètre(1) et/ ouessaipressiométrique(1)s'ilestadaptéauterrain). Cesforagesdoiventêtreimplantéssouslesappuis,leur nombreetleurprofondeurdépendantdeleurvalidité danslesterrainsdusite:nécessairespourcaractériser mécaniquement les sols de couverture et la frange altérée du rocher, ils ne doivent pas être prolongés au-delàdequelquesmètresdanslerochersain. L'essaiaudilatomètrederocher(1),relativementdélicat, permetdemesurerlemoduledecisaillementdurocher autour de la sonde, notamment sous chargement cyclique,à condition quele milieu ne soitpas trop fracturé. Dans les cas les plus complexes (ouvrages très importantset/ouconfigurationdesiteoudeterrain particulière),laréalisationdepuitsdereconnaissance peut s'imposer. Elle permet l'examen en place du rocher et des discontinuités, ainsi que la réalisation d'essaisdechargementdumassifàlaplaqueenvue dedéterminerunmodulededéformation. 3.3. - Le rapport final Les résultats de l'ensemble de la reconnaissance doiventcf.figurerdansunrapportrédigéparlechargé d'études,onytrouvelesinformationssuivantes: · en introduction, le rappel de la mission précise confiée au chargé d'études, la chronologie des différentesétapesdelareconnaissanceetlesmoyens misenoeuvre; · dansunepremièrepartie,lasynthèsegéotechnique d'ensemble, avec différents documents (cf. § 3.3.2 ci-après) et les résultats des sondages et essais effectués; · dans une deuxième partie, l'application au projet en ce qui concerne les fondations (positionnement, type, niveaux, dimensionnement, méthodes de construction)etlesouvragesprovisoires. Onnotequecerapportfinalnemetpasuntermeau travailduchargéd'études.Ilesttrèssouhaitablequece derniersoitintégréàl'équipeprojetetquelaréception des fouilles lui soit confiée : lors de l'ouverture de cesfouilles,ilseralemieuxplacépours'assurerque lesconclusionsdel'étudesontbienconfirméeset,le caséchéant,pourvérifierlebienfondéd'adaptations consécutives à la découverte d'anomalies. Ce suivi peutêtreformaliséparunmissionG4selonlanorme NFP94500. (1) Liste des normes et procédures d'essai en Annexe 1 Figure 3.16 : sonde dilatométrique ­ Source : © Afnor - Xp p94-443-1 de février 2002 (seule la version Afnor dans son intégralité fait foi - pour se la procurer www.boutique-normes.afnor.org) La reconnaissance des massifs rocheux 9 Les documents relatifs à l'étude Cesdocumentssont: · la localisation du projet : extraits de la carte Ign (échelle1/25000eparexemple)etdelacartegéologique dusitesurlesquelsonaurasituéleprojet; · les vues en plan à une échelle convenable (par exemple 1/1 000 e pour l'ensemble et 1/200 e pour les appuis) avec le fond topographique (cf.figure3.17); · lescoupesgéologiquesetgéotechniquesincluantles coupesdeforagesetlesdiversplans-coupes(avecreport descampagnesdesondagesetdegéophysique; · lesdocumentsphotographiquesinterprétés; · lesrésultatsinterprétésdesessaisetdesmesuresin situetenlaboratoire; · lesstéréogrammesdel'étudestructuraledumassif (représentation conventionnelle des discontinuités dumassif ). Onutiliseraavantageusementlesclassesproposéespar l'Aftes(2003)(1)pourlaprésentationdesprincipales caractéristiques,notamment: · porosité,indicedecontinuité,dureté,abrasivitéde laroche, · résistanceencompressionuniaxialedelaroche, · étatd'altérationdumassif, · continuitédumassif, · caractéristiques des discontinuités (espacement, fréquence,Rqd,Id,nombredefamilles), · perméabilitédumassif, · déformabilitédumassif. Onpourraégalementemployerune«notation»des massifsrocheuxtellequeleRmr(rockmassrating)(2), mais on gardera à l'esprit le caractère simplificateur decesnotations. Le choix et la justification des fondations de l'ouvrage C'estàpartirdesélémentsprécédentsquelechargé d'étudesetl'équipedeprojetpourrontentamerl'étude desfondationsproprementdite: · choixdestypesdefondation,desniveaux, · valeurs des paramètres de calcul à prendre en compte, · dimensionnementdesfondations, · définitiondesméthodesd'exécution, · étudedestravauxannexes(injections,pompages): choix,spécifications,estimationdesquantités, · éléments techniques pour la consultation des entreprises, · dimensionnementdesouvragesprovisoires, · propositions d'instrumentation et de suivi de l'ouvrage, · examendessolutionsvariantespossibles. (1) Voir Références (2) Voir Annexe 6 La synthèse et l'exploitation des résultats Lerapportfinaldoitfairelasynthèsedel'ensemble des reconnaissances pour proposer une description des roches et du massif rocheux du site, c'est-àdire un modèle géomécanique du site: définition, répartition spatiale et description des formations ou sous-ensembles qui ont été distingués in fine, caractéristiquesmécaniquesproposées(enfourchettes), principales incertitudes subsistantes à lever lors des fouilles,etc. Les types de modélisation du massif rocheux sont détailléesau§5.2etlechoixdescaractéristiquesau §5.3. Figure 3.17 : plan d'implantation des reconnaissances (les différentes phases de la reconnaissance par sondages sont notées par des numéros encerclés) 30 Fondations au rocher Chapitre 4 Principes de conception 31 Danscechapitre,noussupposeronsleplussouvent quel'implantationdesappuisaétédécidéeàl'issuedes étudespréliminaires(choixd'unevarianted'ouvrage enadéquationaveclecontextegéotechniquegénéral, lesreconnaissancespréliminaires,lepartiarchitectural, les diverses contraintes du projet, fonctionnelles, environnementales,etc.).Pourchaqueappui,ils'agit alorsdedéfinirdefaçonapprochéelafondation,qui devra faire l'objet ensuite d'un dimensionnement détaillé. 4.1 - Principes généraux Par définition, les fondations doivent garantir la stabilité de l'ouvrage dans toutes les situations susceptiblesd'êtrerencontréesauxdifférentesétapes delaviedel'ouvrage. Ladémarchequiaboutitauchoixdutypedefondation etàsondimensionnementnécessiteenconséquence l'étude: · des mécanismes possibles d'instabilité. Ceux-ci peuvent préexister ou être induits par l'ouvrage, à une échelle locale ou plus générale. Ces problèmes concernent tout particulièrement le cas des appuis sur versant. Suivant les conditions topographiques etstructuralesdusite,cetteanalysedoitêtrefaiteà l'échelledechacundesappuisouàuneéchelleplus largepouvantengloberplusieursappuis; · de la charge limite que peut supporter le massif rocheuxsouslafondation,quidoitêtrecomparéeavec lachargeréelleapportéeparl'ouvrage,pourchaque cas de charge étudié. Cette charge limite dépend directementdelarésistancedumassifrocheuxmais aussidelagéométriedelafondation.Elledoitêtre déterminéeàpartirdesschémasderupturelesplus pertinentsentenantcomptedesdonnéesstructurales dumassifrocheux:suivantlescas,lemilieupourra être considéré comme continu ou discontinu (cf.chapitre5); · des déformations induites par le chargement : tassements, et surtout rotations. Les rotations qui peuventrésulterdesmomentsappliquésauniveaude lafondationet/oudel'anisotropieetdel'hétérogénéité dumassifrocheux,sontparticulièrementimportantes à vérifier pour les piles de grande hauteur dans la mesure où elles peuvent provoquer des effets de secondordrenonnégligeablesetinadmissiblespour lastructure; · des problèmes d'exécution des fondations : terrassements nécessaires pour les plates-formes, les pistes et les fondations, blindages ou soutènements des excavations, stabilité des talus, épuisements des fouilles, traitements des terrains, etc. L'expérience montrequelesproblèmesd'exécutionrelatifsàlapartie « fondations » des travaux de construction d'un ouvrage,parfoisetàtortconsidéréscomme« annexes », peuvent avoir une incidence forte sur le choix et l'optimisationdutypedefondation.Dansunversant escarpé, il s'agira principalement des instabilités induites par les terrassements et nécessitant la disposition de soutènements en conséquence. Pour unsiteaquatique,ils'agira,entreautresproblèmes, delamaîtrisedesarrivéesd'eauetdelaprévisiondes moyensadaptéspourassurerl'épuisementdesfouilles. Ces problèmes doivent être pris en considération suffisammenttôtparl'interventiond'ungéotechnicien dansl'étudegénéraledel'ouvrage,sil'onveutéviter desadaptationscoûteuses«dedernièreheure». 4. - Principaux cas de fondations au rocher Dansunetrèsgrandemajoritédecas,enparticulier quand il s'agit d'ouvrages courants avec des conditions géologiques simples, les caractéristiques desmassifsrocheuxsouslesfondationssontlargement surabondantes,euégardauxchargesapportées,que ce soit en terme de portance, de tassements ou de stabilité. Ce n'est pas sans raison que dans les analyses et conceptscourantsdelagéotechnique,le«bed-rock» estsouventconsidérécommeunefrontièreendessous delaquelle,lescaractéristiquesmécaniqueschangeant d'ordredegrandeurparrapportàcellesdesterrains derecouvrement,l'analysed'unminimumdedonnées (identification/état/structure) est suffisante pour garantirlasurabondancedecapacitédumassifrocheux vis-à-visdeschargesapportées. Enrevanche,desproblèmesdefondationsaurocher nécessitant des études et analyses beaucoup plus poussées peuvent apparaître dès que l'ouvrage sort ducadrecourantouquelesconditionsgéotechniques (géologiques,structurales,etmécaniques)deviennent pluscomplexes. Danstouslescasilappartientauchefdeprojet,assisté d'un chargé d'études géologue, de juger du niveau des reconnaissances et études spécifiques du massif rocheux qui devront être effectuées, en fonction du caractèredel'ouvrageetdesconditionsgéotechniques dusite. Quelques-uns des principaux cas particuliers qui demandent des études plus spécifiques du massif rocheux,enraisondecertainscaractèresdel'ouvrage ou de conditions géotechniques influant fortement surlechoixdutypedefondation,sontévoquésdans lesparagraphesquisuivent. Toutefoisladiversitédesconditionspossiblesnepeut 3 Fondations au rocher êtrerésuméeenunnombreréduitd'exemplestypeset, naturellement,d'autrescasplusoumoinscomplexes combinantdesélémentscaractéristiquesdescastypes évoquésci-aprèsseprésenteront. Dès les phases préliminaires d'études, il est très important de disposer de données géologiques et géotechniques suffisamment précises et fiables pour que l'ouvrage projeté soit bien adapté au contexte dusite. Enfonctiondesdonnéestopographiquesetgéologiques/ géotechniques,ilpeutapparaîtreeneffetquecertaines zoness'avèrentinadaptéespouryimplanterdesappuis (failles), d'autres zones étant par contre beaucoup plus favorables. Pour ces raisons, certains partis ou types d'ouvrages envisageables d'un point de vue architectural et/ou d'insertion dans un site peuvent êtreinterditsoubiens'avérertrèscoûteuxenraison delalocalisationetdelanaturedeleursappuis. Parmi les données indispensables, il faut souligner l'importancededisposerpourchaqueappuidefonds topographiques précis à une échelle suffisamment grande(1/200e),venantcompléterleplangénéraldu sitedel'ouvrageà1/1000e.Cesdocumentsdoivent êtredisponiblestrèstôtdanslesétudesetilsdoivent débordersuffisammentdeszonesd'appuispressenties pour servir de support aux études structurales détailléesd'unepart,etpourpermettredesadaptations d'implantationdesappuisd'autrepart.Aprèsanalyse de ces documents une visite minutieuse du site s'impose. Un autre trait particulier de la conception des fondations au rocher, qui doit chercher à utiliser au mieux les propriétés mécaniques naturelles du massifrocheux,tientauxspécificitésdecedernier: dansunmassifrocheux,onobservegénéralementun contrasteélevédepropriétésmécaniquesentrematrice et discontinuités, dont découlent un effet d'échelle plus ou moins marqué et l'existence de surfaces de faiblessemécaniqueprédéterminantlagéométriedes surfacesderuptures. Parprincipeilfaudrachercher: · à éviter les travaux susceptibles de perturber et dégrader l'état naturel, notamment en limitant les grandsterrassements,tropsouventaccompagnésd'une fracturationparasiteinduiteparl'usageexcessifetsans précautiondesexplosifs; · à renforcer le massif rocheux, si nécessaire, pour garantirlapermanencedesespropriétésnaturelles. Un massif rocheux naturel, moyennant au besoin des renforcements limités, pourra souvent avoirdes propriétés mécaniques comparables ou supérieures à celles d'un massif équivalent de béton armé ; c'est pourquoi il faudra toujours bien analyser les justifications des solutions comportant des terrassementsimportants. 4..1 - Ouvrages de grande portée sur massif rocheux affleurant ou sub-affleurant, avec proximité d'un versant Danslecasdesitesaureliefmarquéimpliquantde facto laprésencedeformationsrocheuses,lefranchissement de brèches importantes peut conduire à concevoir des ouvrages exceptionnels se caractérisant par des travéesdegrandesportées(jusqu'àplusieurscentaines demètres)etdeshauteursdepilesélevées.Dansces conditions,leseffortsréduitsM,N,Tauniveaudes fondationssonttoujourstrèsimportantsetdépassent trèssensiblementlesgammesdevaleursrencontrées surlesouvrageshabituels(cf.figure4.1ci-après). Les efforts transversaux dus en particulier à l'effet duvent,desséismes,ouàdessituationsencoursde construction, peuvent entraîner des moments très élevésauniveaudesfondationsenraisondelagrande hauteurdespiles. Pourcesouvragesàcaractèreexceptionnel,bienplus encorequepourdesouvragespluscourants,lechoix dutypedefondationsnedoitpasêtredissociédela conceptionmêmedel'ouvrage. ç å 8à10m 100à150m å Pile d'un PS routier courant N8à10MN(800tà1000t) Mlong1,5à2MN.m(150à200t.m) ç Pile d'un grand viaduc N100à200MN(10000tà20000t) Mtr Mlong500à1000MN.m(50000à100000t.m) Figure 4.1 : différences d'ordre de grandeur des efforts entre un ouvrage courant et un ouvrage exceptionnel ­ Source : G. Gaudin (Egis) Principes de conception 33 4.. - Fondation sur un niveau rocheux situé sous une zone superficielle instable Ce cas de figure est probablement l'un des plus complexesàanalyser. Avantd'envisagerl'implantationd'unefondation,il estindispensabled'effectuerundiagnosticpréalable relatif aux mécanismes potentiels d'instabilité et à leurimportance. De tels diagnostics peuvent nécessiter des moyens et des délais qui risquent de s'avérer difficilement compatiblesavecledéroulementnormalduprojet,si leproblèmen'estpasmisenévidencesuffisamment tôt. En effet, pour permettre un diagnostic fiable, notammentsurlavitessed'évolutiondesphénomènes, lesobservationsetmesuresdoiventêtreétaléessurune périodesuffisante,trèsgénéralementpluriannuelle. Parailleurs,danscescasd'espèce,lemassifrocheux n'étant pas directement accessible à l'oeil de l'observateur, sa reconnaissance et sa caractérisation n'en sont que plus difficiles. Quand les moyens classiques par sondages, avec essais et diagraphies associés, ne permettent pas de lever toutes les indéterminations,ilyalieuderecouriraucreusement de puits de reconnaissance avec essais in situ ; ce moyen de reconnaissance, parfois un peu délaissé dans les programmes d'investigations, permet en findecompted'établirundiagnosticplusfiabledes caractéristiquesgéotechniquesdumassifrocheux;il estàrecommanderpourlesgrandsouvrages. Enfin,dansdetelscasdefondationsaurochernon courantes(grandsouvrages,siteinstable),ilconvient de prévoir, dès la phase du projet, des dispositions particulières de surveillance des déformations du terrainoudelafondation(cf.guidetechniqueLcpc « Surveillancedespentesinstables »(1)). Lecasd'unecouchesuperficielleconstituéedesolsou d'éboulis en état d'instabilité avérée, mais reposant surunmassifrocheuxstable,estrelativementsimple àtraiterdansleprincipe,mêmequandcetteépaisseur estrelativementimportante. Dans le cas où la couche est d'épaisseur modérée (inférieureà6-10menviron),ilpeutêtreenvisagé de faire reprendre les efforts induits par d'éventuels mouvementsparlafondationelle-mêmeenadaptant au mieux sa conception (barrettes ou pieux dans le sens de la pente) et/ou en prévoyant par exemple l'utilisationdetirantsd'ancrageprécontraints. Dans le cas où l'épaisseur de la couche est plus importante,lasolutionconsistegénéralementàopérer une désolidarisation entre la structure de fondation reposantsurlemassifrocheuxstableetleséléments desoutènementdelacoucheinstable. Danstoutlescas,cesdispositionspeuventêtreassociées à un drainage, destiné à ralentir les mouvement du versant. Suivant le diagnostic, le soutènement pourra être conçu, soit comme un moyen de stabilisation de la couche instable, soit comme un moyen plus limité assurant la reprise des efforts parasites générés par le glissement et accompagnant celui-ci dans ses déplacements. Cederniercasestlecastypedesfondationsisoléesde lacoucheinstableparuneenceintedesoutènement conçue pour se déplacer avec la couche de surface (cf.figure4.3ci-après).Laduréedeviedel'ouvrage estalorsconditionnéeparlavitessededéplacement (1) Voir références Réservations pourtirants additionnels Enceinte Co uch st e in abl e Vide Massifrocheuxstable Figure 4.2 : viaduc du Charmaix ­ Source : Sétra Figure 4.3 : principe de fondation au rocher avec désolidarisation dans la couche superficielle de sols instables ­ Source : G. Gaudin (Egis) 34 Fondations au rocher delacouchesuperficielle;lesincertitudes,pouvant subsistersurlafiabilitédesprévisionsàmoyenoulong terme,conduisentengénéralàprévoirdesdispositions constructivespermettantderenforcerlastructurede soutènement (réservations pour tirants additionnels parexemple)ouplusexceptionnellement,des'adapter auxmouvementsdelapenteenréservantlapossibilité de faire glisser la pile sur la fondation (exemple : réparationduViaducduCharmaix,cf.figure4.2) Dans tous les cas, un suivi des mouvements de la penteetdelafondations'imposetoutaulongdela viedel'ouvrage. Un cas beaucoup plus délicat à analyser est celui des versants rocheux affectés par les mécanismes de fauchage, qui se manifestent par un basculement des couches structurales initialement très redressées (pendageversl'amontousub-vertical)desversants. Ces phénomènes, dont l'initialisation est souvent attribuée au retrait des glaciers après les dernières grandesglaciations,sonttrèsfréquentsdanscertaines formations rocheuses foliées (gneiss, schistes, etc.). Dans ces configurations (cf. figure 4.4) sous des formationsd'éboulissuperficielles,onrencontredes niveauxrocheuxplusstructurésmaiscorrespondantà descouchesfauchées,donctrèsfracturées,présentant souvent des fractures ouvertes, et il sera toujours délicatdelocaliseraveccertitudeleniveaudumassif rocheux stable à partir duquel on pourra envisager d'établir une fondation. Sur certains versants les niveaux fauchés sont en effet très épais et on devra s'interroger sur le risque d'instabilité des couches fauchéesetsurlapossibilitééventuelled'yfairereposer unefondation. Onpourrautilementsereporteraurecueildel'Afpc(1) qui donne de nombreuses références d'exemples de réalisation se rapportant aux différentes situations rencontrées. (1) Voir références : Conception d'ouvrages d'art en site instable, Guide Afpc 4..3 - Fondation en site aquatique et sur massif rocheux affleurant, ou fondation sur massif rocheux situé sous une couche de sols de faibles caractéristiques Uneautreconfigurationtypedefondationaurocher correspondaucasoùlemassifrocheuxestsituésous l'eau ou sous une couche de sols peu consistants et de caractéristiques mécaniques très faibles, avec un niveaudenappeélevé,voireunehauteurd'eaulibre plus ou moins importante (cas des sites maritimes parexemple). L'inaptitudetotaledessolsderecouvrementàsupporter deschargesconcentréesentraîneautomatiquementla nécessitédepositionnerl'assisedesfondationsdansle massifrocheuxsous-jacent. Le massif rocheux n'étant pas accessible à l'examen direct, la détermination précise de la morphologie du toit de celui-ci peut s'avérer délicate (cf. figure 4.5),particulièrementsil'ondoitcraindrelaprésence «d'encorbellements»danslesubstratum.Lesrègles en usage prescrivant de reconnaître un volume de massif rocheux à l'échelle de la zone d'influence de lafondation,mêmedanslecasdepieuxfaiblement encastrés, prennent ici un sens tout particulier et il faut souligner le risque encouru si on limite les reconnaissances à la frange superficielle du massif rocheuxetàlastrictesurfacedelafondation. Outre ces problèmes de reconnaissance et de qualification géotechnique, ce sont principalement des problèmes de conception et réalisation qui se posentalors. ? ? ? ? Niveaudefondation? Figure 4.4 : incertitudes sur la localisation du niveau de fondation dans un versant rocheux affecté par des phénomènes de fauchage Source : G. Gaudin (Egis) Sédiments meubles Substratumrocheux ? Figure 4.5 : importance de la morphologie du substratum caché par les alluvions ­ Source : Sétra Principes de conception 35 Pourdesappuisdegrandesurface,telsquedessemelles, il est nécessaire d'ouvrir des fouilles importantes à l'abrid'écransquidoiventassurerundoublerôle,de soutènement des sols superficiels et de barrière aux écoulements(cf.figure4.6). L'impossibilitéd'assurerlapénétration,depalplanches parexemple,dansunmassifrocheuxaveclesmoyens courantshabituels(refusdebattageautoitdurocher) et les difficultés pour réaliser les encastrements nécessaires pour assurer l'équilibre et la stabilité des rideaux rendent problématique la réalisation de ces écrans de soutènement. On doit alors recourir à d'autres solutions d'écrans faisant appel à des techniquespluslourdesàmettreenoeuvre:berlinoises (hors d'eau), rideau de pieux forés sécants ou de colonnesdejetgrouting,paroismoulées,palplanches scelléesdansdestranchéesforées,etc. Laprévisionetlamaîtrisedescirculationsd'eaus'avère toutaussiincertaine.Lorsdesterrassementsàl'intérieur del'enceintedesoutènement,cescirculationspeuvent serévélertrèsconséquentesauniveaudelabasedes écransquandceux-cisontfaiblementoumalencastrés dans le rocher. Les circulations d'eau peuvent par ailleurssetrouverrelayéesparlafracturationdumassif rocheuxetsortirdirectementdufonddefouille. Des contraintes de cette nature peuvent conduire à revoirlaconceptiondelafondation(enpassantàune conceptiondefondationsurpieuxparexemple)ouà recouriràdessolutionstrèslourdestelleslescaissons préfabriqués havés sous air comprimé, voire dans certainscasextrêmeslaconstitutiond'endiguements provisoires. Il convient aussi de signaler la pose de caissons préfabriqués sur une assise de ballast (pont de la Enceinte-batardeau confédérationauCanada)ousurungrosbétoncoulé sous l'eau après purge des sols recouvrant le rocher (paléesprovisoiresdel'arcsurlaRance). Pourdesappuisponctuelsdutypepieux,ladifficulté depénétrationdanslerocherpeutconduireàexclure dessolutionsdebattage(caissonsdepalplanchespar exemple) si les pieux doivent être encastrés dans le rocher, ce qui ne pourra pas être garanti par cette méthode.Celaconcerneplusparticulièrementlespieux susceptibles d'être soumis à des cas de chargement en traction, de reprise d'efforts horizontaux ou de momentsimportants. Il est alors le plus souvent nécessaire de recourir à des solutions de pieux forés qui seules permettent d'assurerlaréalisationdel'encastrementrequisdans le rocher et d'éviter de s'appuyer sur un bloc isolé. L'entreprise devra alors choisir des moyens adaptés à la résistance du rocher et suffisamment puissants. Lorsquelerocherestparticulièrementdurl'entreprise doitpouvoirréaliseràlabasedelafouillesinécessaire, untroupourcontrôlerquel'onnes'arrêtepassurun blocisolé,ainsiquedesavant-trouspourpermettre d'atteindreleniveausouhaité 4.3 - Problèmes de réalisation 4.3.1 - Pistes, plates-formes Pour chaque appui, outre les critères de portance, tassement, stabilité, il est indispensable de prendre en considération les modes de construction les plusadaptésquidevrontêtremisenoeuvrepourle réaliser. Alluvions Refusde pénétration Défautsd'étanchement Massifrocheux Figure 4.6 : difficultés de réalisation des fondations au rocher non affleurant en site aquatique (fermeture, stabilité et étanchement des enceintes) ­ Source : G. Gaudin (Egis) Figure 4.7 : déstabilisation de versant du fait de terrassements en déblais intempestifs : pour implanter la grue de service du chantier, des terrassements non prévus initialement sont réalisés au pied d'un versant conforme à l'une des directions structurales principales du massif sur lequel sont implantés les appuis ­ Source : G. Gaudin (Egis) 36 Fondations au rocher Cetaspectconcernetoutspécialementlesproblèmes d'accès aux sites des appuis et de réalisation de pistes et plates-formes de travail à partir desquelles seront construites les fondations et les piles, cela mêmeindépendammentduterrassementstrictement nécessaireàlafondationproprementdite. Quand ces dispositions constructives (parfois considérées à tort comme secondaires) n'ont pas été suffisamment prises en compte au niveau des projets, elles peuvent être à la source de difficultés dont la solution en cours de chantier n'est jamais totalementsatisfaisanteetsetraduittoujoursparun renchérissementsubstantieldel'ouvrage. Lespistes,àcaractèregénéralementprovisoire,mais parfois aussi définitif quand elles constituent des accèspourlesmoyensdevisited'ouvragesenservice, doiventfairel'objetd'étudesetêtreprisesencompte dèslesphasesamonts,aumêmetitrequelesappuis.En effet,ellespeuventavoiruneincidencesurlastabilité localeouplusgénéraledesversantsetpeuventaussi interférer avec les zones d'influence des fondations. Par ailleurs les impératifs relatifs à l'intégration de l'ouvrage dans le site et à la protection du milieu naturel peuvent contribuer à exclure certains types desolutionsd'accès. Cesdiversesconsidérationsconduisentengénéralà écarterlessolutionsàbasedeterrassementsimportants pouvant apparaître a priori moins onéreuses au profitdesolutionspluscomplexes,déblais/remblais, permettantdeminimiserlesterrassementsmoyennant, sibesoinest,lamiseenoeuvredediversestechniques de renforcement de talus : clouage, micropieux, colonnesdejet-grouting... Dansdescasextrêmes,onpeutmêmeêtreconduità sepasserdepistesmoyennantunaccès« parlehaut» avecutilisationd'unegruedeservice,d'unblondin, voired'unhélicoptère. 4.3. - Emploi des explosifs Lesterrassementsrocheuxnécessairespourréaliserles déblaisdesplates-formesdetravailetlesfouillesdes fondations(semelles,massifsoupuits)nécessitenten générall'utilisationdel'explosif.Cemoyend'abattage estcertainementlemieuxadaptéetlepluséconomique sous réserve d'être correctement mis en oeuvre. Toutefois,lebrise-rochehydrauliquepeutaussiêtre employépourdesterrassementsdefaibleampleur. Dès le stade de définition du projet, lors de la définition des géométries des fouilles, il conviendra d'analyser les conditions d'exécution et les moyens techniquesauxquelsl'entrepreneurdevrarecourirpour réalisercesterrassements. On se trouve dans la situation apparemment paradoxale où l'on doit «détruire et construire» simultanément: · détruire la cohésion de la masse de roche à terrasser; · construire des talus, parois et fonds de fouilles stablessansentraînerdedégradationsdespropriétés mécaniquesdelapartiedumassifrocheuxlaisséeen place(minimisationdes«effetsarrière»liésautir). Les moyens et méthodes à mettre en oeuvre pour obtenir des résultats satisfaisants dans ce domaine existentetontdéjàfaitleurspreuvessurdenombreux chantierscorrectementconduits. Lestirspourlaréalisationdefouillespourfondations sonttrèsparticuliersdansleurconceptiondufaitdes dimensionsetdesconfigurationsimposéespources excavations.Iln'existepasdedocumentspécifiquede recommandationspourcetypedetirs.Ontrouvera en annexe 4 des spécifications particulières et les références bibliographiques de quelques documents récentstraitantdetravauxàl'explosif,quipourront être consultés utilement pour la conception et l'optimisationdecesplansdetirs. Figure 4.8 : soutènement provisoire par clouage pour construction d'une pile (viaduc de la Sioule) ­ Source : D. Criado (Sétra) Principes de conception 37 4.4 - Typologie des fondations au rocher Les différentes fondations au rocher peuvent être regroupéessuivantlatypologiesuivante: · fondationsuperficielle, · fondationmassive(ousemi-profonde), · fondation sur plusieurs pieux ou puits de gros diamètre, · fondation (superficielle) reposant sur un massif rocheux renforcé (par inclusions, ancrages passif, micropieux,etc.). 4.4.1 - Fondation superficielle C'estletypedefondationsleplussimpleauquelon chercheradoncàrecourirenpriorité. C'est« lasolutiontriviale»quandleniveaudurocher sain,reconnuapteàsupporterlafondation,setrouve assezprochedelasurface. Lesfondationssuperficiellestrouventleurslimites: · quandlesfondationssontsoumisesàdesmoments importants: - lesdimensionsdelasemelledoiventpermettrede respecterlesrèglesgénéralesdejustificationdece type de fondations (cf. chapitre 5) qui imposent entreautresquelemassifd'appuirestecomprimé sous celle-ci, y compris sous combinaisons fréquentes; - dans le cas de moments très importants, ce qui se produit généralement avec des piles de grande hauteur,lerespectdecesrèglespeutconduireàdes surfacesd'appuitropimportantesetnécessitantdes terrassementsrédhibitoires.Onestalorsconduità recouriràdessolutionsdevenantprogressivement plus« enterrées»:massifsdebéton,barrettes,puits, avecdesmodesdefonctionnementsplusspécifiques àl'uneoul'autresolution; · quandlapenteduterrainnaturelnécessitedetrop grandsterrassementsamontpourréaliseruneplateforme suffisamment encastrée dans le massif pour assurerdesconditionshomogènesderigidité. Toutefois,mêmedanscecas,etsousréservequeles conditions structurales s'y prêtent, on peut essayer de conserver la solution superficielle, moyennant la réalisation d'une semelle à niveaux décalés ou comportantdesredanspours'adapteràlatopographie naturelle(cf.figures4-10a,etb). Figure 4.9 : fondation superficielle (tranchée couverte Agos Vidalos RN20) ­ Source : Sétra a b c Figure 4.10 : fondations superficielles : adaptations à la topographie ­ Source : G. Gaudin (Egis) Figure 4.11 : fondation de la pile P2 du viaduc de Roquebilière (déviation RN20 à Cahors) - fouille à redans permettant d'adapter l'appui à la forte pente du toit des formations calcaires du Kimméridgien sous les éboulis ­ Source : Egis 38 Fondations au rocher Cettesolutionestégalementbienadaptéedanslecas d'unpontenarc(photodecouvertureSallanches). Ilestégalementpossible,dansl'unoul'autredeces deuxcasd'utiliserdesancragespassifspoursolidariser lasemelleaumassifrocheux(cf.figure4.10c);ilest danscecasrecommandé: · qu'ilssoientsollicitésessentiellemententraction; · que leur rôle soit limité à certaines situations provisoiresouexceptionnelles(cf.§4.4.4); · quelemassifd'appuiresteentièrementcomprimé souslafondationsouscombinaisonsfréquentes. Pour assurer un meilleur « encastrement », le bétonnageàpleinefouilleestrecommandé. les faces du massif de fondation. Celles-ci peuvent reprendredeseffortsdebutéefrontale(facesavantou arrière)oudecisaillement(faceslatérales). Larépartitiondescontraintessouslemassifetsurces faces latérales (diagramme linéaire) assure la reprise desmoments. · Ledimensionnementpeutêtreenpartieconditionné par la butée limite mobilisable, notamment sur la faceavantsituéeducotéduversant(cf.figure4.12). Ladéterminationdeceparamètre,ainsiquelaloide comportementrégissantlaréaction,dépendentassez directementdelastructurecontinueoudiscontinue dumassifrocheuxàl'échelledelafondationetdes hypothèses retenues pour le modéliser (chapitre5). La proximité d'un versant en pente diminue sensiblementlabutéemobilisable,enparticuliers'il existe des familles de discontinuités d'orientations défavorables.Onpeutêtrealorsconduitd'unepartà neutraliserunetrancheplusoumoinsimportantedu massifrocheuxsituéeprèsdelasurface,d'autrepart àestimerlabutéelimiteàpartirdelarésistanceau cisaillementdevolumesdemassifsrocheuxdécoupés parlesdiscontinuitésenavantdumassifdefondation. Il n'existe pas de règle générale sur la hauteur neutralisée : celle-ci doit être appréciée par un mécanicien des roches en fonction des données géométriques (pente du versant), géologiques et géotechniques(parexempledeprésenced'unecouche superficielledemassifrocheuxaltéré). · Lorsquelabasedelapileestinscritedanslediamètre dupuits,iln'yapaslieudeprévoirunesemelle;il suffitdeprévoirunereprisedebétonnageà1,50m ou2mdusommetpourassurer lerecouvrementdes aciers. 4.4. - Fondations massives (ou semi-profondes) sur puits unique Entrentdanscettecatégorielesfondationssurpuits cylindrique unique (généralement circulaire ou elliptique)lesfondationssurmassifparallélépipédique ousurbarrettedegrandesdimensions.Cellescisont le plus souvent réalisées par la technique du puits marocain. Cettesolutionpermetdediminuerl'empriseausolpar rapportàcelledelasemellesuperficielle.Lerecours àcetypedefondationsestjustifiédavantageencore quandlerocherportantestàunecertaineprofondeur (encasd'altération). Latransmissiondeseffortsdelastructureaumassif rocheux s'opère par les réactions sur la base et sur N T Zonedeneutralisationde laréactiondebutée N M T Alluvions Zone affouillable Figure 4.12 : fondation sur massif (exemple de fonctionnement) Source : G. Gaudin (Egis) Figure 4.13 : fondation sur puit unique de gros diamètre Source : G. Gaudin (Egis) Principes de conception 39 · Unementionparticulièredoitêtrefaiteducasdes fondations sur un puits unique pour certaines piles d'ouvrages implantés en fond de vallées dans des litsderivièresaffouillables(cf.figure4.13).Pource modedefondation,ladifficultéessentiellerésidedans l'appréciationdesmoyensàmettreenoeuvrepourla réalisationdel'encastrementdanslemassifrocheux, nécessaire pour assurer la reprise des moments. En effet,siletravaild'excavationenfonddepuit creusé àsecendescendant(puitsmarocain)nesoulèvepas généralement de difficultés particulières, il n'en va plusdemêmesicetravaildoitêtreopérésousl'eau. Ladésagrégationouletrépannagedumassifrocheux dansdesdiamètresgénéralementsupérieursà2,5mà 3,5m,nécessitedesmoyensmatérielstrèsimportants etbienadaptésàlanaturepétrographiquedelaroche. Detelsmoyenspeuventêtrerentabiliséssilenombre d'appuisàréaliserestsuffisant.Celan'estpluslecas si,dansunprojet,lenombredesappuisdecettesorte selimiteàuneouquelquesunités. 4.4.3 - Fondations sur pieux ou puits multiples de gros diamètre a-plancoupe Dès lors qu'un massif de fondation doit avoir une certaine profondeur d'encastrement pour assurer les conditions générales de stabilité, les volumes de terrassementsdesfouillesetdebétonarmédeviennent trèsimportants. Ilestalorsplusrationneletéconomiquederecourirà unefondationconstituéed'unesemelle(ouunchevêtre) peuencastréedansleterrainnaturelquitransmetles effortsaumassifrocheuxparl'intermédiairedepuits b-vueenplan Figure 4.14 : viaduc de la Colagne (RN88) : pile circulaire sur un seul puit (Ø = 7,3 m) ­ Source : Sétra Figure 4.15 : fondations sur puits multiples ­ Source : G. Gaudin (Egis) 40 Fondations au rocher (ou pieux creusés mécaniquement) généralement au nombre de 2 ou 4 (en fonction du rapport des moments), disposés auxsommetsd'unrectangle ou d'unlosangeinscritdanslasemelle. Pourréduirelevolumedelasemelle,sasurfacemais aussi son épaisseur, les puits sont si possible situés sous les efforts de compression et de traction pour minimiser les efforts de flexion dans la semelle. Les entraxesdepuitssontengénéralfaibles,del'ordrede deuxdiamètres,voirelégèrementmoinspourlestrès grosdiamètres;unespaceminimumentrelespuits est cependant nécessaire (4 à 5 m) pour permettre le creusement des puits à l'explosif . Lorsque la disposition est favorable l'épaisseur de la semelle peutêtreréduiteàenviron½diamètre.Onnoteque la rigidité du puits est alors supérieure à celle de la semelleetquelabasedupuitsparticipeàlareprise des efforts de flexion, une modélisation adaptée est nécessaire. En principe, pour les cas de charges correspondant àdesétatslimitesdeservice,ilconvientdes'assurer que les puits restent comprimés, ou au minimum soumisàunetractionentêtecompenséeparlepoids dupuits. Pour les cas de charges correspondants à des états limites ultimes, il est possible d'admettre le travail en traction d'un ou de plusieurs puits, sous réserve naturellement que l'équilibre du volume de massif rocheuxsollicitéparlecisaillementaucontactpuits/ massifsoitassuré.Ilconvientenparticulierdevérifier quelepoidsdu« cône»demassifrocheuxdécoupépar lesdiscontinuitésetmobiliséparlepuitsentraction estsuffisantpour compenser l'efforttransmis par le puits. Onpeutàceteffetrenforcerlemassifrocheuxautour dupuits(scellementdebarrespassives)pourgarantir lasolidarisationavecuncônedevolumesuffisant. Danslecasoùlespuitsdoiventtraverserunecouche superficielle instable, il peut être envisagé de les désolidariserdecelles-cisuivantlesprincipesévoqués au§4.2.2-etcela,enrèglegénérale,dèsquelahauteur delacoucheinstabledépassequelquesmètres. a-plancoupe b-vueenplan Figure 4.16 : pile P3 du viaduc de la Colagne (RN88), 2 puits de 7 m de diamètre/espace de 5 m entre les puits/semelle de 19,60 m x 7,60 m et d'épaisseur 3 m (débord de 0,30 m par rapport aux puits) Source : Sétra Figure 4.17 : fondation sur puits multiples de la pile P1 du viaduc du Milliau ­ Source : Sétra Principes de conception 41 4.4.4 - Fondations (superficielles) reposant sur un massif rocheux renforcé par ancrages passifs, micropieux, etc. L'utilisation d'ancrages passifs intégrés à un massif rocheux sous une fondation vise principalement à pérenniser,sinonaméliorer,larésistanceintrinsèque decelui-ci.Ilspeuventaussiêtreutiliséspourrépondre à une sollicitation particulière lors d'une phase provisoiredelaconstruction. D'unemanièregénérale,lesmassifsrocheuxseprêtent particulièrementbienaurenforcementparancrages passifs. En effet les ruptures qui s'y développent résultent généralement d'un défaut de résistance au cisaillement le long de surfaces de discontinuité préexistantesetquelquefoisd'undéfautderésistance àlatractionsuivantdessurfacesparticulières.C'est la raison pour laquelle le renforcement des massifs rocheuxparancragespassifssollicitésentractionet/ou cisaillementauniveaudesdiscontinuitésinterceptées estgénéralementtrèsefficace.Danscesconditions,lors delaconceptiond'unefondation,silarecherchede conditionsassurantlastabilitéconduitàapprofondir le niveau de fondation dans le massif rocheux, il sera toujours opportun d'examiner la possibilité de conserverunefondationplussuperficiellemoyennant lerenforcementdumassifrocheuxsousl'appui. Il convient de ne pas confondre ce renforcement du massif sous la fondation superficielle avec un « épinglage »delafondationaumassif(cf.§4.4.1) qui doit être réservé à des cas exceptionnels et des situationsprovisoiresouaccidentelles. La conception du renforcement du massif rocheux dans la zone d'influence de la fondation peut être abordéesuivantdeuxobjectifs: · prévention vis-à-vis de ruptures par cisaillement suivantdessurfacesdediscontinuité: Ilestrecommandédanscecasdelimiterl'utilisation desancragesauxseulessituationsprovisoires(durant laconstructionnotamment),ensollicitantlesbarres essentiellemententraction.Enphased'exploitationde l'ouvrage,lasécuriténedoitpasreposersurlesseuls ancrages(cf.§5.5.3).Ilestégalementnécessairede s'assurer que les déplacements occasionnés lors des phasesdeconstruction(lamobilisationdesancrages passifssupposeuncertainmouvementlelongdela discontinuité renforcée) ne sont pas incompatibles aveclaphasedéfinitive Nota Les conditions autorisant la sommation des efforts élémentaires mobilisables sur chaque ancrage sont souvent ignorées alors que dans la réalité les ancrages ne sont pas nécessairement tous soumis simultanément au même mode de fonctionnement, avec le même niveau de sollicitation. Mur 2,0 4 Ø32 0 3,50 TN 1,00 30° 7,9 0 n lté n sai r a h e ré c h e r l i a t i o c o Ro a c t u e r o F fr it Lim et ré A 26° Axe Autoroute 31 ° 36 ° 41 ° Pe n da ge ° 45 51° 5° 5 A CoupesuivantA-A 1,00 2,00 20° 22,5 L = 22, ° L = 12 m 30 5° L 13 m ° = L = 12 m 13 m 4lignesde8ancragesØ40 Figure 4.18 : autoroute A9 le Boulou/le Perthus - Viaduc des Pox fondations superficielles des piles 6 et 7 sur massif de gneiss, renforcées par ancrages passifs (Scetauroute/Coyne et Bellier - 1977) Source : association amicale des anciens élèves ingénieurs de l'école nationle des Ponts et Chaussées 4 Fondations au rocher · «homogénéisation» (voire «augmentation», sous certaines conditions) du module de déformation et amélioration de la diffusion des efforts au sein du massifrocheux,parexemplelorsquecelui-ciesttrès fracturé:danscecas,l'utilisationd'ancragespassifs (voiredemicro-pieux)estbienadaptéepourobtenir unmassifde« rochearmée » ;contrairementaucas précédent,ils'agitd'unrôlepermanentdansl'ouvrage enservice(cf.figure4.19). Danstouslescasdeconceptiondefondationsavec ancragesdéfinitifs,ilestindispensabledeprendreen compteladurabilitédecesderniers: Lesarmaturesdesancragespassifssontenacierductile demêmequalitéquelesaciersutilisésenbétonarmé. Cesancragesnepeuventêtreutilisésiciàtitredéfinitif que dans un environnement reconnu peu corrosif vis-à-visdel'acier(ausensdelanormeA05-251),en réservantdanscecasuneépaisseurminimaled'acier sacrifiée à la corrosion de 2 à 4 mm sur le rayon, et en utilisant systématiquement une protection étanchedel'armaturedansunenvironnementmême moyennementcorrosif;onpourraseréférerutilement àlanormeNFP94240relativeaurenforcementdes solsparclouage,ensachanttoutefoisquelesancrages dans le rocher ne font pas partie de son domaine d'application.L'utilisationd'ancragespassifsdéfinitifs dansunmilieureconnucorrosifoufortementcorrosif esttotalementdéconseillée.Entoutétatdecause,il est recommandé d'employer des armatures de fort diamètre(diamètreminimalde32mm),etdeprévoir des dispositions pour assurer un suivi de l'état des armatures des ancrages si ces derniers ont un rôle dansl'ouvrageenservice(typetémoinsdedurabilité notamment). SemelleB.A BarresØ50mm longueur8m Grès-quartzites fracturés Figure 4.19 : RN 158 - schéma de principe des fondations des béquilles du viaduc sur l'Ante (Calvados). Les barres occupent un cône de demi angle au sommet égal à 35° ­ Source : Lcpc 4.4.5 - Utilisation des ancrages précontraints Lesancragesprécontraintsquipermettentd'appliquer des forces de grandeur et de direction connues ont principalement deux applications dans le domaine desfondationsaurocher: · soitcommeélémentsparticipantàl'équilibreetàla stabilitédesoutènementsgénéralementconçuspour resterdésolidarisésdelafondationproprementdite (cf.§4.2.2); · soitcommeélémentsapportantuneffortadditionnel permettantd'assurerlastabilitédelafondationpour descasdechargeparticuliersetexceptionnels,pouvant correspondreàcertainesphasesdeconstruction(effort depoussageparexemple)oubienàdescasdecharge accidentels(chutedevoussoirparexemple,séismes, etc.). Figure 4.20 : passerelle de Bercy « Simone de Beauvoir » (2006) : implantation des tirants rive gauche ­ Source : Sétra Sur le plan des principes il n'est pas impossible de recourir à l'emploi des ancrages précontraints pour assurer la stabilité d'une fondation.Toutefois, dans les faits, on observe que leur utilisation reste très marginale. Pour des cas de chargement correspondantauxétatslimitesdeservice,l'utilisation d'ancrages précontraints est exceptionnelle et réservéeàquelquesouvragestrèsspéciaux(exemple: passerelledeBercyTolbiac/SimonedeBeauvoiràParis (cf.figure4.20)). Principes de conception 43 Le choix du type de fondation dépendra bien évidemmentduchargementapportéparl'ouvragetout autantquedescaractéristiquesdesmassifsetdecelle descavités.Étantdonnéeladiversitédessituations, il n'est pas possible de donner de règles générales, mais seulement quelques orientations (cf. § 4.5.2). Chaque cas est un cas particulier dont la solution nepeutêtreoptimiséequ'àl'issuedescampagnesde reconnaissances spécifiques, reconnaissances dont le contenuetlevolumesontdifficilesàfixerapriorimais doiventpouvoirêtreadaptésenfonctiondesdonnées progressivementacquises(cf.figure4.21). Il convient de noter par ailleurs que les problèmes liés à la karstification peuvent présenter certaines spécificités suivant qu'il s'agira de calcaires ou de gypses,spécificitésdontilfaudratenircomptepour lechoixdessolutions. Par exemple, en ce qui concerne l'évolution des dissolutions,lefacteurtempsn'intervientpasavecla mêmeéchelledanslesdeuxmilieux:lesévolutions pardissolutionpeuventêtretrèsrapides,rapportées àladuréedeviedesouvrages,danslesgypses,sile massif est soumis à des circulations d'eau agressives (c'est-à-direnonsaturées). Danslecasdekarstsenmilieuxcalcaires,l'évolution par dissolution de la roche mère est par contre beaucoup plus lente. Le risque de formation de vides nouveaux sera plutôt le résultat du lessivage ou de l'entraînement des matériaux de remplissage decavitésanciennesparlescirculations.Cetypede désordren'estpasexceptionneldanslecasdefortes fluctuationsdeniveauxpiézométriquesavecmisesen chargeépisodiquesdesréseauxkarstiques.Lorsqueles terrains de recouvrement de la formation karstifiée sont constitués par des sols ou des formations peu résistantes(argiles,marnes),le«vidage»d'unkarst peutalorsentraînerlaformationd'unfontisremontant parrégressionjusqu'auterrainnaturel. 4.4.6 - Quelques principes généraux de conception Ledéveloppementdelakarstificationdansunniveau donnéestsusceptibledemettreencauselastabilitédu massifquilesurmonte(affaissements,fontis),surtout silekarstestactif: · si le massif surmontant présente une épaisseur et des caractéristiques mécaniques suffisantes pour quelerisqued'instabilitéensurfacesoitmineur,on chercheranaturellementàtirerpartiaumieuxdece niveauenyappuyantlafondationetenménageant lagardemaximaleentrecelle-cietlesniveauxaltérés. Cettesolutiondefondationssuperficiellespeutêtre satisfaisantepourdesouvragescourantsn'apportant pasdesurchargeimportantesurlemassif,lesdiffusions des contraintes dans le massif se faisant alors bien au-dessus du niveau karstifié et n'interagissant pas aveccelui-ci; Figure 4.21 : viaducs de l'autoroute A86 au sud de Paris : horizons de gypse dans les Marnes et caillasses et dans le calcaire de Saint-Ouen Source : article Blpc n° 135 - Sétra 44 Fondations au rocher · lorsqu'il s'agit d'ouvrages dont les appuis doivent supporterdeschargestrèslourdesouquisontsoumisà deslimitationsrigoureusesdestassements,leprincipe est alors de recourir à des fondations profondes reportantleschargesaudelàdesniveauxkarstifiés,ce quipeutconduireàdesprofondeursimportanteset desprocédésassezcomplexesd'exécution,parexemple danslecasdeforagesdepieux,afind'éviterlespertes brutalesdebouesetleséboulementsdeforageslors delarencontredekarsts. Malgré son apparente fiabilité, cette solution de fondation profonde ne constitue toutefois pas toujours une garantie absolue de stabilité dans le cas d'un karst actif qui peut provoquer des efforts parasitesimportantssurlesstructuresenterrées(pieux, puits) en cas de réajustements du massif rocheux. C'estpourquoi,enfonctiondel'évaluationfaitedu niveau de risque et de l'importance de l'ouvrage, des dispositions supplémentaires de traitement par remplissageetinjectiondesniveauxkarstifiés(injection de coulis, injection solide) peuvent être mises en oeuvre, à titre de précautions, afin de réduire l'aléa. Cestraitementsdeterrainpeuventêtreconçusavec unobjectifrelativementlimitédesimpleremplissage devidesparunmatériaucohérent.Ilspeuventaussi avoirunobjectifplusambitieuxdeconsolidationen améliorant les propriétés mécaniques d'un volume de massif rocheux conséquent (zone d'influence de la fondation). La même démarche s'applique à la traversée de carrières souterraines abandonnées, les puits de fondation devant être dimensionnés pour résister à des effondrements partiels et les vides au moinslocalementcomblés. Lorsquelesniveauxsusceptiblesd'êtrekarstifiéssont tropprofonds,iln'estpasenvisageabledereporterles chargesendessous:onpeutalorsenvisagerderéaliser par diverses techniques de renforcement un massif defondation« consolidé »,suffisammentrigidepour reprendre les charges appliquées, y compris au sein d'unmilieukarstifié(cf.figure4.22). Lestechniquesderenforcementlespluscouramment utilisées sont les injections sous pression, réalisées depuislasurfaceoulabasedelafondationenuneou plusieursphasesetquiassurentplusieursfonctions: amélioration de la connaissance des terrains et de leurs hétérogénéités grâce aux forages, remplissage des cavités, amélioration mécanique des zones décomprimées(injections,jetgrouting),réductionde laperméabilité(etdoncdescirculationsd'eau). Plantypedusystèmedefondations Coupetypedusystèmedefondations Massif de jet grouting en cours de recépage avec ses mini-piles Figures 4.22 - 4.24 : autoroute A20 - fondations des appuis du viaduc sur la Dordogne(1) ­ Source : « Le viaduc de la Dordogne sur l'autoroute A20 Brive/Montauban : des fondations très spéciales » O. Bonifazi-Grenouilleau, Y. Guerpillon, D. Thiriat, E. Coppi, R. Massonnet - Travaux N775 - Mai 2001 (crédit Travaux-ESI) (1) Voir référence : « le viaduc de la Dordogne sur l'autoroute A20 Brive/Montauban : des fondations très spéciales » Principes de conception 45 Indépendamment des aspects économiques, cette pratique s'explique par les réticences des ingénieurs àutiliser,pourdessollicitationscorrespondantàdes étatslimitesdeservice,unetechniquecontraignante pourdifférentsaspects: · essais systématiques à prévoir, même pour un faible nombre de tirants (cf. normes P 94 321 et P94153), · dispositions de protection contre la corrosion généralementsévères, · surveillance particulière obligatoire pendant toute laduréedeservice, · dispositions(réservations,renforcements)àprévoir danslafondationpourpallierladéfaillanced'unou plusieurstirants, · s'ilyalieu,justificationencasdedéfaillanced'un ouplusieurstirants. Ilconvientdementionnertoutefoisquel'onestassez souventconduitàrecourirauxancragesprécontraints pourrenforcerdesouvragesenservice(cf.figure4.25) car il s'agit dans bien des cas de la seule solution techniquementenvisageable. Les tirants précontraints ont aussi été utilisés pour provoquer, en phase de construction, la fermeture des fractures d'un massif avant chargement par un appuisensibleauxdéformations(béquillesduviaduc delaTruyère). 4.5 - Cas particulier des fondations sur site rocheux avec présence de cavités naturelles (karsts, dissolutions) ou anthropiques (carrières) 4.5.1 - Problématique des reconnaissances et évaluation du risque Dans le domaine des fondations au rocher, les problèmes posés par les fondations d'ouvrages dans les massifs rocheux affectés par la présence de vides souterrains et notamment de karstification (1), que ce soit dans les roches calcaires ou dans les roches évaporitiques, sont probablement les plus délicats à résoudre.Onpeutégalementciterlecasdes tunnels delave. Eneffet,lesméthodesd'étudeetd'analysedesmassifs rocheux usuels (matrice + discontinuités) postulent que le massif rocheux est un milieux structuré, obéissant à une certaine logique d'organisation, notammentpourtoutcequiconcernelafracturation, etqu'ilestpossibled'enétablirunmodèlepertinent pourunvolumedéfini(zoned'influenced'unappui parexemple)àpartird'unnombrerelativementlimité dedonnées. (1) Voir références: Lgv Rhin-Rhône Figure 4.25 : stabilisation par tirants précontraints des déplacements de la culée du viaduc de Garavan sur l'autoroute A8 ­ Source : Association amicale des anciens élèves ingénieurs de l'École nationle des ponts et chaussées 46 Fondations au rocher À partir du moment où ce même massif est affecté parunréseaudecavitésdegéométriealéatoire,dont le module de déformation et la résistance sont nuls outrèsfaibles,lemodèlepertinentdumassifdevient beaucoupplusproblématiqueàdéfiniretétablir. Laprincipaledifficultérésidedansladétermination précise de la géométrie et de l'extension des vides souterrains: Pourlescavitésnaturelles,laprobabilitédeprésencede karstsaffectantcertainsniveauxgéologiquesidentifiés ainsi que l'organisation générale du développement desréseauxkarstiquespeutêtreappréciéedemanière relativement satisfaisante à partir de l'histoire géologique et de la fracturation régionale. Pour ces analyses,ilestnaturellementtrèsutilederechercher lescontributionsquepeuventapporterdesgéologues régionauxspécialisésdansledomaine(1). Parcontre,lecaractèrepartropaléatoiredelagenèse etdel'organisationdesréseauxkarstiquesàunniveau local, rend toute prévision précise quasi impossible à l'échelle détaillée d'un projet, sauf à effectuer des reconnaissances très détaillées des zones intéressées, en faisant appel aux diverses techniques de la géophysiqueetdessondages.Maismêmeenymettant tous les moyens adéquats (sondages, gravimétrie, sismique,radar,etc.)(2),l'expériencemontrequeces (1) Voir www.karstologie.com : Site de base à consulter, offrant de nombreuses références et/ou liens ou avec les sites français et étrangers s'intéressant aux karsts et à la spéléologie (2) Voir référence : guide méthodologique de détection des cavités souterraines par méthodes géophysiques (Lcpc) reconnaissancesnepermettentpastoujoursd'obtenir touteslesinformationssurlalocalisationetl'extension deszoneskarstifiéesaveclaprécisionsouhaitée. À défaut d'avoir une définition parfaite du réseau karstique,ilesttrèsimportantpourunprojet: · desavoirsilekarstestactifous'ilestfossileetplus oumoinscolmaté; · deconnaîtreletypedemorphologiedukarstprésent surlesite: - il peut s'agir de chenaux bien délimitées en extensionhorizontaleet/ouverticaledansunmassif parailleurssain; - ilpeuts'agird'unekarstificationplusgénéraliséedu massifconstituéalorsdequelquesmassesrocheuses résiduelles « emballées » dans les produits de dissolutionetd'effondrements; - il peut s'agir de toutes les formes intermédiaires entrecesdeuxextrêmes. Pour les carrières en revanche, on peut espérer déterminerlagéométriedesvidessoitparl'exploitation decartesexistantes,soitpardesvisites.Lecasdepetites carrièressouterraines« nondéclarées »etdifficilement visitablesrestetoutefoisproblématique. L'organisation logique des galeries de carrières souterraines est cependant un point favorable pour la détermination de leur géométrie, sous réserve de confiercetyped'étudeàunspécialisterégional. c-carrièredegypse ludien(Gagny93) a - Carrière de tuffeau duValdeLoire b-exploitationparpetits piliers et piliers rideaux (régiondeCaen) Figure 4.26 : différentes géométries d'exploitations souterraines ­ Source : Lcpc d-exploitationpar catiches de la craie lilloise Principes de conception 47 Le risque d'effondrement brutal avec apparition de fontisremontantjusqu'auniveauduterrainnaturel est bien entendu celui qui est le plus redouté des concepteurs. Les reconnaissances correctement conduitespermettentdel'apprécieretlecaséchéant deconcevoirlesfondations,avecdestraitementsde terrainéventuels,afindes'enprémunir. Parcontrelerisquequeseproduiseuntassementd'appui consécutif à des dissolutions et des réajustements au sein du massif sans qu'il y ait nécessairement d'effondrement(casdesaffaissementsminiers)estplus insidieuxetplusdifficileàapprécier.C'estpourquoi, lorsque les reconnaissances et les études préalables peuvent faire craindre ce type de situations, il conviendrad'orienterleconcepteurversdesstructures d'ouvragesmoinssensiblesauxtassementsd'appui,et comportant des dispositifs éventuels de recalage de tabliers. Ainsi lorsqu'un affaissement anormal d'un appui est constaté sur un ouvrage en service, il est alorspossiblederenforcerlemassifrocheuxsousla fondationparuntraitementappropriépourstopper l'évolutionduphénomèneetprocéderéventuellement aurecalagedutablierpourrétablirsescaractéristiques d'usage. 48 Fondations au rocher Chapitre 5 Dimensionnement 49 Ledimensionnementdesfondationsd'unouvrageen terrainrocheuxpourrasuivreunedémarched'étude différente selon les situations rencontrées et le type de rupture envisagé pour la justification. Selon les paramètres principaux rappelés ci-dessous et avec l'appui d'un spécialiste en mécanique des roches, on pourra distinguer deux familles de mécanismes de rupture pour les fondations au sein du massif rocheux: · lesmécanismederuptureoùlemassifsecomporte comme un milieu continu (homogénéisation) et où les surfaces de rupture ne sont en majorité pas prédéterminéesparlesdiscontinuitésdumassif; · lesmécanismesderuptureoùlesdiscontinuitésdu massifjouentunrôlemajeuretprédéterminentdans leurmajoritélessurfacesderupture. Les différentes justifications à mener vis-à-vis de la rupture pour les fondations devront être conduites vis-à-vis d'un ou plusieurs mécanismes appartenant à l'une ou l'autre de ces deux familles. En effet, pour une même fondation les différentes justifications à conduire pourront se référer à ces deuxdifférentsmécanismesderupture:parexemple, une fondation pourra être justifiée vis-à-vis du poinçonnement selon un mécanisme de rupture en massifhomogénéisé,etvis-à-visdelastabilitéglobale selonunmécanismederupturedéterminéparcertains plansdediscontinuité. Sil'onfournitci-aprèsquelquesélémentsdeméthode de dimensionnement, les mécanismes de rupture faisant appel aux discontinuités sont très souvent complexes,dufaitdel'interactionentrelesdifférentes famillesdediscontinuités:ilsdoiventêtretraitéspar desétudesspécifiquesconfiéesàdesspécialistesetne sontdécritsiciquelesprincipesdecesétudes. Les justifications vis-à-vis des déformations de la fondation sont également à mener, notamment vis-à-visdesétatslimitesdeservice;ellessontleplus souvent menées en homogénéisant le massif sous la fondation. Pour les justifications des fondations il est fait référence notamment d'une part, à l'Eurocode 7 partie1 (EN1997-1) et son annexe nationale ainsi qu'aux normes d'application à paraître qui vont s'y référer,etd'autrepartaufascicule62titreVduCctg relatifauxrèglesdejustificationdesfondations. Les règles du fascicule 62 titre V du Cctg ont été conçues pour une application aux fondations sur sols meubles, mais les principes généraux restent applicables aux fondations sur massifs rocheux : on ne reprendra donc pas dans le présent document l'ensemble des règles concernant la définition des actions, leurs combinaisons et les valeurs des coefficients de pondération et de sécurité partiels à appliquer ; on se limitera à préciser les éventuelles différencesàprendreencomptedanslecasdesmassifs rocheux. 50 Fondations au rocher 5.1 - Paramètres influant sur la complexité du dimensionnement Les situations rencontrées lors de l'étude des fondationsd'unouvrageenterrainrocheuxpeuvent être très diverses selon la nature et l'importance de l'ouvrage,lesdifficultésdelatopographieetlanature desterrains. Leniveaudecomplexitédesétudesestvariablesuivant lescas,selonlesparamètresprincipauxsuivants(voir aussilechapitre4): · l'importancedel'ouvrage Ilestcommodededistinguerlesouvragesditscourants caractérisésparunniveaudesollicitationrelativement modesteparrapportauxcaractéristiquesderésistance et de déformation du rocher de fondation, et les ouvragesimportantsougrandsouvragespourlesquels lesfondationssontsoumisesàdesdescentesdecharges importantes mobilisant fortement la capacité de résistanceoudedéformationdumassifrocheux. Àtitred'exemplelaplupartdesPS,lespetitsouvrages d'art, les murs de soutènement, les contreforts et autres ouvrages de confortement fondés au rocher peuventêtreconsidéréscommedesouvragescourants. À l'inverse les grands ouvrages (viaducs de grande hauteur, ouvrages de grandes portées) ou sollicitant demanièreparticulièreleursappuis(pontsàbéquilles, pontsenarcs)entrentdanslacatégoriedesouvrages noncourants. · lasituationtopographique Les ouvrages fondés au rocher sont fréquemment implantés dans des zones de relief difficile. On distingueratroissituationstopographiquestypes: - lesfondationssurunmassifrocheuxhorizontalou subhorizontal(penteinférieureà10%).Lasurface à considérer est celle du substratum rocheux qui peutêtredifférentedecelleduterrainnatureldu plantopographique; - les fondations sur pente : c'est le cas général des appuisd'ouvragesimplantéssurunversant.Selon l'épaisseurdesterrainsdecouvertureetlesconditions topographiques locales, la fondation pourra être réaliséesurlerocheraffleurant(naturellementou parterrassementdelacouverture)ouenprofondeur àtraverslesformationsdesurface; - les fondations en crête de talus ou de falaise : c'est le cas général pour les culées d'ouvrages d'art en site rocheux, mais cette disposition peut égalementêtrerencontréedansd'autressituations, etnotammentpourdespilesderivesoudesappuis intermédiaires. · letypedefondation Misàpartlescastrèsspécifiques(fondationsancrées, etc.),troistypesprincipauxdefondationsrocheuses sontàconsidérer(cf.chapitre4): - les fondations superficielles sur semelle : ce type defondationestd'applicationtrèsgénéralesursol horizontalouàfaiblepente; - les fondations massives ou semi-profondes : entrentdanscettecatégorielesfondationsmassives encastréesdanslerocher,constituéesparunpuits bétonné,pardesbarrettesoupardespieuxcourts de gros diamètre solidarisés par un chevêtre ou une dalle de liaison. Ce type de fondation est généralement bien adapté aux appuis sur versant pour lesquels les contraintes d'implantation et de stabilité sont souvent incompatibles avec l'importancedesterrassementsnécessairespourune semellesuperficielle; - lesfondationsprofondessurpieuxdegrosdiamètre oupuitsmultiples,solidarisésparunchevêtreou unesemelleentête. · lagéologiedusite Parcommodité,onregrouperasouscetteappellation générale quatre types de données essentielles qui constituent les composantes du modèle géologique représentatifpourleprojet: - lalithologie:celle-cicaractériselanaturegéologique et l'organisation des différentes formations constitutivesdusiteconcernéparl'ouvrageetdes zonesintéresséesparlesappuis; - la structure : la structure d'un massif rocheux joue un rôle essentiel dans les mécanismes de déformation et de rupture. Selon qu'elle est plus oumoinsmarquéeouplusoumoinscomplexe,le niveaudedifficultédesétudesdedimensionnement pourraêtrelargementvariable; - les caractéristiques géomécaniques : celles-ci concernentàlafoislesdifférentstypeslithologiques et les différents faciès intéressés par le projet, et égalementlessystèmesprincipauxdediscontinuité sollicités ou concernés par celui-ci (stabilité générale,stabilitélocale,déformation); - l' h y d r o g é o l o g i e : l e s d o n n é e s re l a t i v e s à l'hydrogéologie du site et des zones d'appui en particulier doivent être prises en compte pour la définitiondeshypothèsesdecalculconcernantla stabilitédesfondationsetlastabilitégénéraledes appuis. · l'environnement Entrentnotammentdanscettecatégorielesconditions particulièresliéesauxouvragesmaritimes.Ceséléments doivent être pris en compte dans la conception, le dimensionnementetlaréalisationdesfondationsde cesouvrages. Dimensionnement 51 5. - Différents mécanismes de rupture L'identification du ou des mécanismes de rupture susceptiblesdesedévelopperdanslemassifrocheux de fondation d'un ouvrage est essentielle pour la justificationdecelle-ci. Schématiquement,ondistingueradeuxcas: · casoùlesdiscontinuitésjouentunrôlemineurdans larupture:massifpeufracturéouconfinéouéloigné d'unesurfacelibre(nommésici:casoùlemassifpeut êtrehomogénéisé); · casoùlesdiscontinuitésjouentunrôledéterminant dans le mécanisme de rupture et peuvent subir de grandsdéplacements(nommésici:casdiscontinus). rocheux peut être considéré comme homogène et assimilableàunmilieucontinuauregarddescharges transmisesparlafondationetdelafaibleinfluence desdiscontinuités. Deuxcritèressontàconsidérer: · l'importance et le type de l'ouvrage : les petits ouvrages ou les ouvrages courants apportent des sollicitations généralement faibles par rapport aux caractéristiques de résistance mobilisables dans un massifrocheuxsain; · lescaractéristiquesdumassifrocheux:lesconditions de structure et de géométrie interne du massif sont telles qu'elles n'influent pas sur les mécanismes de rupture ; le massif peut être considéré comme homogène à l'échelle de la fondation et de sa zone d'influence. L'hypothèse d'un milieu homogène et continu peut généralement être faite dans les cas principaux suivants(cf.figures5.1et5.2): 5..1 - Les mécanismes où le massif peut être homogénéisé Entrent dans cette catégorie les cas pour lesquels, dans la zone d'influence de la fondation, le massif M V M V H H Figure 5.1 ­ Source : Sétra Figure 5.2 ­ Source : Sétra Massif sain ou peu altéré, sans discontinuités marquées (discontinuitésdiffuses,fermées,defaibleextension).Le massifpeutêtreconstituéderochesderésistanceélevéeou faible,decaractéristiquesglobalementhomogènes. Uncasparticulieroùlemassifpeutêtrehomogénéiséest celui des massifs de roches «tendres», dans lesquels la rupturesedéveloppeprincipalementauseindelamatrice rocheuse. Massif densément fracturé constitué de roches dures peu altérées, recoupé par de nombreuses discontinuités d'orientationdispersée.Àl'échelledelafondationlemassif apparaîtglobalementhomogèneetisotrope,sansdirection defaiblessedominante. Massifrocheuxaltéré,intensémentfissurésanssurfacesde discontinuitémajeureslocalisées. 5 Fondations au rocher Lesmécanismesderuptureàprendreencomptedans cescashomogénéisésnesontpasdéterminésparles discontinuités;ilssontanaloguesàceuxd'unmilieu continudecaractéristiquesmécaniqueséquivalentes: poinçonnementsymétriqueoudissymétriquepourun massifhorizontal,cisaillementgénéralisésousl'appui etglissementd'ensemblepourunefondationsurpente ouencrêtedetalus. Dans le cas des ouvrages courants fondés sur un massif sain peu fracturé, les caractéristiques de résistancedecederniersontgénéralementlargement surabondantes vis-à-vis des mécanismes de rupture parpoinçonnement. Néanmoinsdanstouslescas,lajustificationvis-à-vis delastabilitélocaleaupoinçonnement,auglissement etàlanon-décompressionsouslafondationestmenée àpartirdel'estimationdescaractéristiquesderupture homogénéiséesdumassif(cf.§5.3.1«Caractéristiques de rupture»), et par les méthodes classiques de dimensionnement en appliquant les dispositions de l'EN 1997-1, du fascicule 62 titre V relatif aux fondations,éventuellementmodifiéescommeindiqué ci-après(cf.§5.4«Cashomogénéisés»). 5.. - Les mécanismes discontinus simples Ils'agitdescaspourlesquelsl'hypothèsed'unmilieu continu, homogène et isotrope ne peut plus être appliquée du fait des caractéristiques lithologiques, structuralesoudefracturationdumassif,maispour lesquelslemassifestsainetpossèdeunpetitnombre de familles de discontinuités bien marquées qui permettent d'identifier clairement des mécanismes de rupture simples. La construction du modèle géomécanique représentatif du site repose sur le choixderetenircertainesdiscontinuitésmajeureset denégligerd'autresdiscontinuités(faibleextension, faiblepersistance,orientationnondéfavorable). Làencoredeuxcritèressontàconsidérer: · l'importance et le type de l'ouvrage : les cas dits discontinus simples sont limités aux ouvrages pour lesquels les sollicitations apportées par la fondation sontpeuimportantesparrapportauxcaractéristiques derésistancedelamatricerocheusesaine; · lescaractéristiqueslithologiquesetstructuralesdu massif:lesnotionsdestructureetdegéométrieinterne dumassifdeviennentprédominantes;lesmécanismes derupturesontprincipalementdéterminésetguidés parl'existence,ladistributionetl'orientationd'unou deuxsystèmesdediscontinuitédumassif. L'hypothèsed'unmilieudiscontinusimpleestadaptée notammentdanslescasprésentéssurlesfigures5.4 à5.8. M V H Figure 5.3 : schéma de rupture sur terrain horizontal (analogie avec un milieu continu) ­ Source : Sétra Figure 5.4 ­ Source : Sétra Massifsainoupeualtérécomportantunsystèmemajeur de discontinuités subhorizontales ou à pendage aval débouchantsurunversant,recoupéparunouplusieurs systèmesdefracturesd'extensionimportante(aumoins comparableàladimensiondelafondation). Lemécanismederuptureestliéaudéveloppementd'une ruptureparcisaillementetparglissementsuivantleplan de discontinuité majeur (glissement d'un coin sous la fondation). Dimensionnement 53 M V H Figure 5.5 ­ Source : Sétra Figure 5.7 ­ Source : Sétra Massif rocheux sain ou peu altéré comportant deux systèmes majeurs de discontinuité sécants associés à un ouplusieurssystèmessecondairesdefractures. Lemécanismederuptureestliéaudéveloppementd'une rupture par cisaillement et glissement suivant les deux plansdediscontinuitéprincipaux(dièdrederupturesous lafondation). M V H Figure 5.8 ­ Source : Sétra Massifrocheuxsainoupeualtéréhorizontalàstratification subhorizontalerecoupéeparunouplusieurssystèmesde fracturationsubverticaux. Lesmécanismesderupturesontdanscecasdedeuxtypes principaux(figures5.7,5.8): -ruptureparpoinçonnementàtraverslastratificationdue àunexcèsdechargeverticale.Larupturematriciellede larochen'estpossiblequepourdesrochesderésistance faibleoutrèsaltérées.Lajustificationpeutêtreeffectuée commepourlescashomogénéisés; -ruptureparcisaillementetglissementsurlastratification, dueàuneinsuffisancederésistanceaucisaillementsous lafondationetàundéfautdebutéehorizontaleenavant de celle-ci. À l'exception des cas particuliers d'ouvrages exerçantdeseffortshorizontauximportantsauniveaude leurfondation(appuisdevoûtes,bajoyers,contreforts,...), laplupartdesouvragessollicitentpeuleursappuisdans cettedirectionetlastabilitéauglissementestgénéralement vérifiéedemanièresurabondante. Figure 5.6 ­ Source : Sétra Massif rocheux comportant plusieurs systèmes de discontinuitésdontcertainsplansdefaiblerésistanceau cisaillementdébouchantsurunesurfacelibre(surfacedu massifouversant). Les mécanismes de rupture sont liés au développement d'uneruptureparcisaillementetglissementsuivantdes plans de discontinuité majeurs localisés individualisant uneouplusieursmassesrocheusessupportantlafondation. Ici,lemécanismenemobilisepluslecisaillementd'une seuledirectiondediscontinuitésuivantunecinématique simple (glissement d'ensemble) mais le cisaillement de plusieurs plans principaux associés dans un mécanisme et une cinématique plus complexes (coin de rupture souslafondationassociéàuncoindebutéeenavantde celle-ci). Nota Ce cas se situe à la limite des cas complexes, évoqués ci-après. 54 Fondations au rocher La justification de la fondation doit être effectuée dans chaque cas en prenant en compte pour les différents systèmes de discontinuité concernés des caractéristiques de cisaillement convenablement représentativesàl'échelledesmécanismesderupture (cf. § 5.3.2, «Caractéristiques de rupture des discontinuités»). L'étudedelastabilitéesteffectuéeessentiellementau moyend'unemodélisationdetypemilieudiscontinu àblocs,généralementdansl'hypothèsedeblocsrigides (cf.§5.5).Lastabilitélocaleaupoinçonnementsousla fondationdevientsecondairemaisdoitêtrevérifiéeà partirdescaractéristiquesmatriciellesetdesméthodes du§5.4«Cashomogénéisés». L'hypothèsed'unmilieudiscontinucomplexes'impose dans les cas principaux suivants(cf. figures 5.9 à 5.12): 5..3 - Les mécanismes discontinus complexes Sont à considérer en première analyse comme complexes,lescaspourlesquelsnil'hypothèsed'un milieu homogène, ni celle d'un milieu discontinu où les mécanismes de rupture sont facilement identifiablesnepeuventplusêtreappliquéesdufait des caractéristiques lithologiques, structurales, de fracturation ou d'altération du massif. Dans ce cas, une étude spécifique de mécanique des roches et une justification particulière seront généralement nécessaires. Làencoredeuxcritèressontàconsidérer: · l'importance et le type de l'ouvrage : pour les ouvrages non courants et notamment pour les grands ouvrages, les charges généralement élevées transmisesaurocherdefondationpeuventsolliciter demanièreimportantelastructuredumassifrocheux et déterminer le développement de mécanismes de ruptureparticulierspolarisésparcelle-ci; · lescaractéristiqueslithologiquesetstructuralesdu massif:lesnotionsdestructureetdegéométrieinterne dumassifdeviennentprédominantes.Lesmécanismes derupturesontprincipalementdéterminésetguidés par l'existence, la distribution et l'orientation des principaux systèmes de discontinuités du massif. Les plans de discontinuité (stratification, foliation, schistosité,fractures,failles)constituentdesplansde faiblesse par lesquels sont induits et se développent lesmécanismesderupture. Figure 5.9 ­ Source : Sétra Massifsainoupeualtérécomportantplusieurssystèmes majeursdediscontinuitéinclinésdébouchantensurface, recoupépardessystèmesdefracturessécantsd'extension importante. Ici, le mécanisme ne mobilise plus le cisaillement d'une ou deux directions de discontinuité suivant une cinématique simple mais le cisaillement de plusieurs systèmesprincipauxassociésdansunmécanismeetune cinématiquepluscomplexes(plusieurscoinsderupture sous la fondation, plastification locale ou généralisée suivantlesdirectionsmajeuresdediscontinuité) Figure 5.10 ­ Source : Sétra Fauchage:lemassifestdécoupéenlanièresàfortpendage rentrantdanslapente;ceslanièressubissentsousl'effet delapesanteurunbasculementversl'avalaggravéparle chargement Dimensionnement 55 Lajustificationdelafondationdoitêtreeffectuéepour lesmécanismesderupturelespluscritiquesvis-à-vis descasdechargesdimensionnants.Ellenécessitedans chaquecaslaconstitutiondemodèlesgéométriques et géomécaniques prenant en compte pour les différents systèmes de discontinuité concernés, des caractéristiques de cisaillement convenablement représentativesàl'échelledesmécanismesderupture (cf. § 5.3.2, «Caractéristiques de rupture des discontinuités»).L'étudedelastabilitéesteffectuée essentiellement au moyen d'une modélisation de type milieu discontinu à blocs, généralement dans l'hypothèsedeblocsrigides,plusrarementdéformables (cf.§5.5). Pourtouscescascomplexes,l'étudedoitnécessairement être effectuée par un spécialiste de mécanique des roches. Figure 5.11 ­ Source : Sétra Massifhétérogèneconstituéd'alternancederochersainet derochestendresoualtéréespourlequellesmécanismes derupturepeuventimpliqueràlafoislesdiscontinuités etlamatrice(flyschs,marno-calcaires). Figure 5.12 : coupe longitudinale de la culée ouest du viaduc sur la Tardoire ­ Source : Sétra Massif rocheux très hétérogène, structures complexes, présence d'accidents géologiques, karsts, vides ou zones de dissolution. 56 Fondations au rocher 5.3 - Choix des caractéristiques mécaniques de calcul Lacaractérisationgéomécaniquedumassifconsisteà déterminerlesélémentsconstitutifsdelamodélisation delafondationrocheusedechaqueappuidel'ouvrage. Elledoitêtremenéeavecl'aided'unmécaniciendes roches.Trois familles d'éléments sont à prendre en compteetàévaluer: - l e s d o n n é e s g é o m é t r i q u e s e t s t r u c t u r a l e s représentatives du massif et de l'appui, qui interviennentpourlecomportementdelafondation (stabilitéetdéformation); - le ou les mécanismes de rupture à considérer pour chaque appui, en fonction des données topographiques,géologiquesetdesconditionsde chargement; - les caractéristiques mécaniques associées aux mécanismes de rupture et de déformation considérés,représentativesdumassifàl'échellede lafondation. Là encore, on distingue deux cas de figure selon le mécanismederupture:modélisationparunmilieu continuéquivalent(homogénéisation)etmodélisation parunmilieudiscontinuàblocs. 1995 et utilisé dans certaines méthodes empiriques dedimensionnement,oul'indiceQdeBartonutilisé uniquementpourlestunnels. La classification de Bieniawski (annexe 5) prend en compte un certain nombre de caractéristiques principales géologiques et géotechniques pour déterminerunindiceglobalattribuéaumassif(indice Rmr);chaqueparamètrereçoitunenoteselonlagrille d'évaluationdéfiniedanslaclassification: · caractérisationdelamatricerocheuse: - résistance en compression uniaxiale de la roche (noteA1), · caractérisationdesdiscontinuitésdumassif: - indicedefracturationRqd(noteA2), - espacementdesdiscontinuités(noteA3), - état d'altération et de rugosité des épontes (noteA4), · caractérisationhydrogéologiquedumassif: - étathydrique, - conditionshydrauliques(noteA5), · il est également défini une note d'ajustement (noteB)dépendantdel'orientationdesdiscontinuités (azimutetpendage). L'indice Rmr du massif ou de la partie du massif considéréeestdéfinicommelanoteglobaleobtenue par sommation des notes partielles (A1 à A5) et de la note d'ajustement B ; compte tenu de la nature empirique de cet indice, on donnera toujours une fourchettedevaleurs. Cetteestimationdevraêtrefaitesouslecontrôled'un spécialistedemécaniquedesroches. Dans le cas de l'utilisation de l'indice Rmr pour le dimensionnement de fondations, on se limitera en généralauxnotesA1àA5définiesci-dessus.Lanote d'ajustement(tableauB)pourraêtrepriseencompte pourl'évaluationdumodulededéformationdumassif dans certains cas particuliers, par exemple pour le tassementd'unefondation:l'orientationpénalisante estcelleoùlesjointssontorthogonauxàladirection deseffortsappliqués. Des versions successives de la classification de Bieniawskiontétépubliéesparl'auteur.Cesdifférentes versionsprésententquelquesdifférencesdanslagrille d'évaluation.Enconséquence,ilestconvenuderetenir commeréférencedansleprésentdocumentlaversion publiée en 1989(2) et qui a été reprise par l'Aftes en 2003 dans les «Recommandations relatives à la caractérisationdesmassifsrocheuxutileàl'étudeetà laréalisationdesouvragessouterrains»(3);cetindice estnotéci-aprèsRmr89. (2) Voir référence : Z. T. Bieniawski 1989 et Annexe 5 (3) Voir référence : Aftes 2003 Recommandations relatives à la caractérisation des massifs rocheux... 5.3.1 - Méthodes d'homogénéisation Ce type de modélisation est applicable aux cas pour lesquels le massif peut être considéré comme globalement ou statistiquement homogène, sans éléments structuraux dominants dans la zone d'influencedel'appui. Le massif est alors caractérisé par les paramètres d'un milieu continu équivalent pour permettre l'applicationdeméthodesdelamécaniquedessolsou delamécaniquedesroches,éventuellementadaptées (cf.§5.4). Caractéristiques descriptives - Classifications Les reconnaissances géologiques et géotechniques permettentdedéterminerl'ensembledescaractéristiques descriptivesprincipalesdumassifrocheuxetd'utiliser différentesclassificationsdemécaniquedesroches. Les principales sont : la classification Aftes(1), très précise pour la description des massifs mais qui n'est pas utilisée pour des dimensionnements, et la classificationdeBieniawski(désignéeégalementsous le terme de classification Rmr : Rock Mass Rating) décrite ci-après. On peut citer également le Gsi (Geological Strength Index) introduit par Hoek en (1) Voir référence : Aftes 2003 Recommandations relatives à la caractérisation des massifs rocheux... Dimensionnement 57 On définit aussi pour l'application de certaines méthodes empiriques Rmr'89 comme l'indice Rmr89 calculésanslanoteBetavecunenoteeau(A5)égale à15. LeGsiouGeologicalStrengthIndexpeutsedéduire del'indiceRmr'89. PourlesvaleursdeRmr'89>23,Gsi=Rmr'89-5. On peut également déterminer le Gsi à partir de la description géologique du massif (tableau en annexe6). Remarque:pourdesvaleursdeGsi<25(massiftrès fracturéetaltéré,decaractéristiquestrèsmédiocres), le critère de Hoek et Brown s'exprime sous une forme sensiblement différente. Ces cas particuliers justifient de faire appel à un mécanicien des roches expérimenté. Lesvaleursdembetspeuventêtreestiméesàpartir de l'indice Rmr, de l'index Gsi du massif et de la naturepétrographiquedelaroche(voirannexe6).Le paramètrembpourlemassifestdéduitduparamètre mi,liéàlafragilitédelaroche(cedernierestvoisin durapportc/t,oùtestlarésistanceentractionde laroche);leparamètre«s»quiestplusspécialement liéàlafracturationestcomprisentre1(milieusans discontinuité) et 0 (milieu extrêmement fracturé, réduitàl'étatgranulaire). 1(MPa) 20 16 12 8 4 0 0 4 3(MPa) RMR'89=65;mi=10;sci=20Mpa RMR'89=45;mi=5;sci=8Mpa 1 2 3 Caractéristiques de rupture Demanièregénéraledanscechapitre,ondistinguera lesnotationsdescaractéristiquesmécaniquesdumassif rocheux(sansindice)decellesdelamatricerocheuse (affectéesd'unindicei). Ces caractéristiques doivent être déterminées pour chaquezonehomogènedumassifd'appui,notamment pour chaque formation géologique et géotechnique différenciéeetpourchaqueappui. Pour les roches tendres, on pourra retenir les caractéristiquesderupturemesuréesdirectementpar essais de laboratoire sur échantillons (valeurs basses delafourchettedesrésultats,comptetenudel'effet d'échelle). Dans les autres cas, avec l'approche homogénéisée du massif rocheux, les caractéristiques de rupture dumassifpeuventêtrereprésentéesparuncritèrede typeparabolique.LeplusutiliséestlecritèredeHoek & Brown (fig. 5.13), qui est défini par la relation empiriquesuivante(quines'appliquepasaucasdes massifstrèsaltérés): Figure 5.13 : critère de Hoek & Brown - points verts : massif peu fracturé - points rouges : massif très fracturé DesversionssuccessivesducritèredeHoek&Brown ont été publiées par les auteurs. La plus récente propose un critère de rupture généralisé (Hoek & Brown,2002)(1)qui,paruneapprocheplusanalytique, peuts'appliqueràtouslescasdemassifs. Pour ne pas perdre de vue le caractère empirique decetteméthode,ilasemblépréférabledeprendre commeréférencedansleprésentdocumentlecritère de rupture plus simpleindiquéci-dessus [publié en 1997dansInternationalJournalOfRockMechanics andMiningSciences(vol.34,n°8)(1)].Ledétaildela méthodeaveclestableauxcorrespondantsfournissant lesvaleursdembetsestprésentéenannexe6. Cetteapprochenécessiteunecompétenceenmécanique desrochespourchoisirdansquellesclassesrattacher lemassif;encasdedifficultédeclassification,ilest vivementrecommandédetravailler«enfourchette» entredeuxclasses. (1) Voir références danslaquelle: · 1 e t 3 s o n t l e s c o n t r a i n t e s p r i n c i p a l e s respectivement majeure et mineure (compressions notéespositivement), · ciestlarésistanceencompressionuniaxialedela matricerocheuse,mesuréeenlaboratoire, · mbetssontdesparamètrescaractérisantlarocheet lafracturationdumassif. L'annexe6détaillelesmodalitésd'applicationdecette méthode. Onnotequela«résistanceencompressionuniaxiale dumassifrocheux»cestégaleà . 58 Fondations au rocher Uncritèrederupturevoisindit«critèreparabolique» ou en paraboloïde a été implanté dans le logiciel Cesar-Lcpc.Sil'onpose: I1=1+2+3 MohrCoulomb Hoek&Brown C Cecritères'exprimesouslaformesuivante(cett sontrespectivementlarésistanceencompressioneten tractionuniaxiales,àl'échelledumassif,toutesdeux comptéespositivement): 3=0 1=cis 3=cis Figure 5.14 : linéarisation du critère de Hoek et Brown par une droite de Mohr Coulomb Si 2 = 3 = 0, on retrouve bien les deux solutions pour1:cet-t. Remarquons pour terminer, que ces critères de rupturesontisotropes:ilssontdoncàmanieravec discernementlorsqu'unefamilledediscontinuitésest prépondérante et confère au massif une anisotropie marquée. LinéarisationducritèredeHoek&Brown: Ilestpossibled'approcherlecritèredeHoek&Brown parunedroitedeMohrCoulombetdedéterminerdes caractéristiquesc,dumassif(homogénéisé). En raison de l'allure parabolique de la courbe traduisant le critère de Hoek & Brown, une bonne approximation linéaire de celle-ci nécessite de connaîtrel'étatdecontraintedumassifsollicitépar lafondation.Enfait,lacohésionapparenteaugmente aveclacontraintedeconfinement3,tandisquel'angle defrottementdiminue.Ilconviendradoncd'êtretrès prudentdanscettedémarchedelinéarisationducritère paraboliquedeHoek&Brown,etdeconsidérerque cettelinéarisationn'estvalablequesielleestfaitedans une plage de contraintes correspondant à l'état de contraintedanslemassifsollicitéparlafondation. Une hypothèse simplificatrice habituellement utilisée consiste à considérer pour l'évaluation des caractéristiquescet,undomainedecontraintesde référence défini par le cercle de Mohr de résistance encompressionuniaxialedumassifc(c=ci.s.; 3=0)etlecerclederupturesouscontraintetriaxiale associée à une contrainte de confinement 3 = c (fig. 5.14). Les valeurs des paramètres c' et ' sont définiesparladroitedeMohr-Coulombtangenteà cesdeuxcercles.Ellessontdonnéesparlesexpressions suivantes: Il existe également des corrélations sommaires entre l'indice Rmr et les paramètres c et (voir annexe5): c(kPa)5xRmr (°)5+½Rmr L'usage de ces corrélations forfaitaires, et donc très grossières, doit être limité à une description globale préliminaire et ne peut déboucher sur un dimensionnement. Elles peuvent néanmoins être utiles à titre de comparaison avec une linéarisation automatique du critère parabolique que proposent certainslogiciels. Danstouslescasuneanalysecritiquedescaractéristiques obtenuesestindispensable.(1) Note Il convient de signaler l'existence du logiciel RocLab (1), téléchargeable sur le site internet de l'auteur, qui permet de calculer automatiquement les paramètres du critère de Hoek et Brown pour un massif rocheux à partir des données de la roche intacte et de son indice Gsi. Il faut toutefois souligner la prudence dont il convient de faire preuve dans son usage comme dans les applications que l'on peut en faire. Caractéristiques en déformation La déformabilité du massif, en général caractérisée àl'aided'unmoduled'Youngetd'uncoefficientde Poisson,résulte: · deladéformabilitédelamatricerocheuse,telleque l'onpeutlamesurerenlaboratoire; · de la déformabilité des discontinuités, rarement m e s u r é e , g é n é r a l e m e n t p l u s é l e v é e q u e l a précédente. (1) www.roscience.com (on y trouve aussi plusieurs articles récents sur l'utilisation du critère de H & B ainsi que sur les nombreuses corrélations proposées par divers auteurs pour évaluer les modules de déformations des massifs rocheux). Dimensionnement 59 Nota - compte tenu de la non-linéarité du comportement des discontinuités, liée à leur fermeture progressive sous l'effet des contraintes normales appliquées, on constate très généralement que la déformabilité résultante du massif n'est pas constante et diminue au fur et à mesure du chargement ; - les déformations différées peuvent le plus souvent être négligées dans un massif rocheux sain ; dans certains cas particuliers en revanche (massif de « roches tendres » - craie, schistes altérés, marnes, gypse - ou discontinuités avec remplissage argileux, par exemple), une évaluation, en général forfaitaire et empirique, doit en être faite. Lafigure5.15fournitunexempledetellecorrélation entre l'indice RMR (cf. § 5.3.2, «Caractéristique géométriquedesmodèles»)etladéformabilitéEdu massif: enGPa(SerafimetPereira1983,pour 25<RMR<85) RMR>50) en GPa (Bieniawski 1978, pour Si pour des petits ouvrages ou ouvrages courants fondéssurdurochersain,lestassementsprévisibles sont très faibles et ne justifient pas un calcul, pour desouvragesapportantdeschargesimportantesaux fondationsetsensiblesauxtassementsdeleursappuis, l'estimationdeladéformabilitéduterrainsupportest nécessaire. Sil'espacementdesdiscontinuitésestfaibledevantla largeurdelafondation,onpourraengénéralraisonner parhomogénéisationetassimilerleterrainàunmilieu continu. Estimation empirique de la déformabilité du massif Celle-ci est possible à partir des classifications de massifs rocheux, grâce à des corrélations proposées pardifférentsauteurs(1);l'usagedetellescorrélations doitcependantêtrefaitavecprudence. (1) Voir références Estimation du module du massif E d'après les mesures sur échantillons LemoduledeYoungEietlecoefficientdePoissonde la matrice peuvent être déterminés sur échantillons delaboratoire(normeNFP94-425).Dansunmassif hétérogène, par exemple formé d'une alternance de bancscalcairesetdebancsplusmarneux,onprendra une valeur moyenne pondérée des modules des différentsfaciès. Pour certaines roches sujettes au fluage (craie par exemple),lemoduleàlongtermeEestsensiblement plusfaiblequelemodulemesurédansl'essainormalisé (typiquement,lamoitiépourlacraie). Lesvaleursdemodulesainsiobtenuessonttoujours plus élevées que les valeurs réellement applicables à l'échelle de l'ouvrage, dans un rapport qui peut atteindre10(effetd'échelle). Le rapport entre le module du massif E et celui de la matrice rocheuse mesuré en laboratoire E i peut être relié de manière grossière aux paramètres caractéristiquesdelafracturation:RQD,RMR(voir figure 5.16). La corrélation suivante a été proposée parDeereen1969: Modulededéformationdumassif 90 70 50 30 10 10 EM=10(RMR-10) 40 (applicablepourRQD>60) EM=2RMR-100 Onpeutégalementestimerlemoduledumassifrocheux parcorrélationaveclarésistanceencompressionetle RMR. 70 90 30 50 NoteRMR Dans tous les cas, l'usage de telles corrélations doit êtrefaitavecprudence. ExempledelacorrélationdueàHoek(1996) (enGPa)ci<100MPa Figure 5.15 : estimation du module du massif 60 Fondations au rocher  E=E m/E r(%) Évaluation in situ du module du massif E Lesessaisdedéformabilitéin situ(essaiaudilatomètre, essai à la plaque) permettent de dépasser l'échelle de l'éprouvette de laboratoire, mais ils n'auscultent cependant qu'un volume de l'ordre du mètre cube, faibledevantlevolumeconcernéparunefondation, etleursrésultatsnesontengénéralutilisablesqu'après correctiondel'effetd'échelle. Les essais de géophysique entre forages de type cross-holepeuventégalementfourniruneévaluation du module du massif sur une échelle un peu plus représentative (distance entre forages jusqu'à 8m); le principe de cette mesure est présenté sur la figure5.17;lamesuredesvitessesdepropagationdes ondessismiquesdecompressionVpetdecisaillement Vspeutpermettredecalculerlesmodulesdynamiques E et G (correspondant à de faibles déformations, environ10-6),sil'ondisposedelamassevolumiquedu rocher(entre2000et3000kg/m3suivantlanature deroche);ilfautnotercependantquelamesurede Vsestdélicate. Rappelonslesformulesdel'élasticité: 100 80 60 40 20 20 40 60 RQD% 80 100 Figure 5.16 : relation entre le rapport des modules E / Ei et la valeur du Rqd ­ Source : Sétra. (Pour plus de précisions on pourra se reporter au tableau 5 p 340 de l'article : « Using RQD to estimate the deformation modulus of rock masses » Lianyang Zhang and H. H. Einstein, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences Volume 41, Issue 2, February 2004, Pages 337-341) Letypedesollicitationetledomainededéformation sont très différents de ceux du chargement statique considérépourlastabilitédelafondation.Lesvaleurs du module dynamique sont supérieures aux valeurs souschargestatiquedansunrapportpouvantatteindre de2àplusde10enfonctiondel'étatdumassif. UP-HOLE Marteau coulissant Enclume Tubelanterné misenpression Géophone d'émission Émetteur CROSS-HOLE Réception UP-HOLE tridirectionnel Tubelanterné missouspression Géophonede réception tridirectionnel Récepteur Figure 5.17 : essai Cross-hole principe ­ Source : Sétra Le mode opératoire consiste à exécuter des mesures de vitesses entre deux ou plusieurs forages. On émet un signal (ébranlementsismique)àunniveaudéterminédansunforageetonréceptionnecesignalaumêmeniveaudansunou plusieursforagesvoisins.Lessignauxàl'émissionetàlaréceptionsontenregistréssimultanément.Ladétermination destempsdepropagationdesondesPetSentrel'émissionetlaoulesréceptionspermetdecalculerlesvitessesdes ondesPetS,connaissantlesdistancesséparantlespointsd'émissionetderéception. Dimensionnement 61 Évaluation analytique du module du massif E Enprésenced'unefamillemajeuredediscontinuités, on peut, comme le décrit la figure 5.18, évaluer analytiquementlemoduleEdumassif,enfonction descaractéristiquesmécaniquesdelamatriceetdes caractéristiques des discontinuités, principalement raideurnormaleKn.Celle-cis'exprimeengénéralen MPa/mm:elleestcompriseenpratiqueentre0,5et 10MPa/mm.Elleaugmenteaveclacontrainte(effet delafermeturedesdiscontinuités):lafaibleraideur dumassifconstatéelorsducoulagedelasemelleetde labasedelapilefaitplaceàuneraideurplusélevée lorsquel'ouvrageestterminé,dufaitdelafermeture progressivedesdiscontinuitésàfaiblependagesituées souslafondation. Différentsfacteursviennentlimiterlavaliditédece typedeméthodesimplifiée,enparticulier: · la difficulté d'apprécier la raideur normale K n des plans de discontinuité dominants caractérisant la structure, ne peut guère être appréciée dans la pratique que par des essais de déformabilité in situ àuneéchellereprésentative.Cettefacultérestedonc trèsthéorique; · l'anisotropie du milieu équivalent (dans la figure précédenteparexemple,lemodulesouschargement horizontalestplusélevéquesouschargementvertical, puisquevoisindumoduledelamatrice);l'utilisation d'uneméthodenumériquedetypeélémentsfinispeut permettred'évaluerladéformabilitésouschargement complexe; · la présence de discontinuités au voisinage de la fondation, d'orientation proche de la verticale, qui limitent la diffusion latérale des contraintes et augmenteipso factolachargesupportéeparlacolonne de terrain située sous la semelle, et donc aussi le tassement;uneméthodenumériquedetypeéléments distinctspeutserévélerutilepourévaluerceteffet. Conclusion En définitive, la question de l'estimation des propriétésdedéformabilitéàl'échelledumassifest toujours délicate, et il est fortement recommandé depratiquerplusieursapproches;ladétermination d'unmoduleà50%prèsestengénéralconsidérée commesatisfaisante. Il est recommandé de procéder à des mesures de déformation en cours de travaux pour apporter la validation nécessaire. La spécificité des massifs rocheuxtrèspeudéformablesnécessiterad'employer des moyens adaptés à la mesure de très faibles déformations(cf.chapitre6). S S S S S S Déformationdurocher = S Er Fermeturedeladiscotinuité n= Kn Déformationverticaletotale: S+ = S E Er Kn Figure 5.18 : évaluation analytique du module E du massif 6 Fondations au rocher 5.3. - Représentation du massif par un milieu discontinu à blocs Cetypedereprésentationdoitêtreappliquélorsque les données structurales du massif rocheux sont prédominantesetinduisentdesmécanismesderupture polarisésliésàl'orientationetàlapositiondesplans dediscontinuitédumassif.Danscecas,uneapproche homogénéiséen'estpasapplicableetilestnécessaire de prendre en compte la structure du massif et la géométrieduchargementparrapportàcelle-ci. Le niveau de complexité des modèles peut être largement variable en fonction des caractéristiques structuralesdumassifetdesconditionsdechargement del'appui.Pourlesouvragesimportantsetlesdonnées structuralesdéfavorablesoucomplexes,l'étudedela fondation devra être effectuée par un spécialiste de mécanique des roches: elle consistera à définir les caractéristiques des discontinuités et à identifier les mécanismesderupturelespluspertinents. L'étudedevraintégrerl'influencedesincertitudessur la définition des caractéristiques géométriques des modèles: · surlesdonnéestopométriquesdéfinissantlemodèle de terrain. Il est indispensable de disposer d'un modèledeterrainfiable,représentatifetàuneéchelle adaptée de la topographie du massif influencé par l'implantationdel'appui; · surlesdonnéesstructurales,concernantlapositiondes plansdediscontinuitéprincipauxetlareprésentation de la géométrie interne du massif, notamment la localisationdesdifférentsplansderupturepossibles. Les incertitudes sur les données géométriques et notammentsurlaconfigurationetlalocalisationdes surfaces de rupture possibles peuvent imposer une approcheparamétriquepréalabledeladétermination de la géométrie des modèles de calcul, permettant d'identifierlesconfigurationscritiquesàprendreen compte. Caractéristiques géométriques des modèles Lapremièreétapeconsisteàdéterminerlagéométriedes modèlesdecalculsynthétisantlesdonnéesessentielles topographiques,géométriquesetstructuralesdumassif rocheuxetdelafondation dans lazoned'influence decelle-ci. Figure 5.19 : stéréogramme illustrant la complexité du choix des plans de discontinuité principaux et de leur position ­ Source : Cete Méditerranée Dimensionnement 63 Caractéristiques de rupture des discontinuités Le développement des mécanismes de rupture dépenddessollicitationsappliquéesaumassifparla fondationetdescaractéristiquesderupturedesplans dediscontinuitémobilisés. On considérera généralement, dans le sens de la sécurité,leshypothèsessuivantes: - absencederésistanceàlatractiondesdiscontinuités sollicitéesenextension; - caractéristiques de rupture des discontinuités sollicitées en cisaillement, définies par un critère deMohrCoulomb(c,): - c=0(absencedecohésion;hypothèseconservatrice conseillée,saufsilapersistanceestmanifestement faible c'est à dire si les ponts rocheux sont nombreux) - =a=r+(comportementdilatant) avec: a:angledefrottementapparentpourledomainede déplacementconsidéré; r:angledefrottementrésiduel;l'anglerestvoisin de l'angle de frottement entre deux surfaces planes et régulières (bonne surface sciée, par exemple) de larocheconsidérée;ilsesitueleplussouvententre 25°et35°. Nota la présence de remplissage argileux peut affecter l'angle de frottement, qui peut alors se limiter à 10 - 15°. observe est liée aux aspérités de petite longueur d'onde;aucontraire,surunelongueurL,àl'échellede lapartiedumassifsollicitéeparlafondationapparaît une dilatance liée à des ondulations de plus grande longueur, et d'une manière plus générale liée à la géométriedessurfaceslelongdesquellessedéveloppe larupture. Dans le cas des discontinuités avec remplissage d'altération, les caractéristiques peuvent tendre vers celles du matériau de remplissage correspondant si l'épaisseurdujointestimportante. Insistons en conclusion sur le fait que le choix de l'anglededilatanceàprendreencomptenepeutse fairequ'aprèsobservationdétailléedelamorphologie des épontes. A défaut d'un choix mieux justifié, on peut proposer l'estimation suivante, pour des contraintesnormalesfaibles: =0,8max oùmaxestl'anglecorrespondantàlapentemaximale desaspéritésouondulationsdedimensionpertinente (longueurd'ondereprésentant5à10%delalongueur deruptureconsidérée).Sousdefortescontraintes(en gros,n>0,5c),ladilatancediminuenotablement. Dans la pratique, on n'emploiera pas de valeurs de supérieuresà10°. Cescaractéristiquesderupturedoiventêtredéterminées pourchaquesystèmeouplandediscontinuitéimpliqué dansunmécanismederupture,àl'échellegéométrique etauniveaudecontraintecorrespondants. : angle de dilatance mobilisable ; il est en général comprisentre0et10°. Ladéterminationdel'anglededilatancemobilisable estdélicate.Elledoittenircompte: · de la nature, de la rugosité, de l'imbrication, de l'altérationdesépontesetdelaprésenceounond'un matériauderemplissage; · duniveaudecontraintenormale(décroîtlorsque croît)etdudomainededéplacementconsidéré(le maximum de la dilatance n'intervient qu'après un déplacement tangentiel qui peut être jugé excessif vis-à-visdel'ouvrage); · de l'échelle géométrique (en général, décroît lorsque L croît) et de l'extension des discontinuités mobiliséesparlemécanismederupture,notamment l'existence fréquente de relais de fractures associant plusieursplansdediscontinuitéhomologues. Lescaractéristiquesdites«locales»sontdéterminées pardesessaissuréchantillons(voirlanormeP94-424 etlafigure3.14)ouévaluéesparcomparaisonavecdes échantillonsanalogues.Pourpasserdecettedimension décimétriqueàcelledel'ouvrage,ilfauttenircompte del'effetd'échelle(cf.figure5.20).Surunéchantillon de laboratoire, de longueur l, la dilatance que l'on Caractéristiques matricielles Danslamesureoùlesdiscontinuitéssontdeszones de faiblesse marquée du massif, la prise en compte explicite de caractéristiques matricielles dans la modélisation en milieu discontinu à blocs est peu fréquente et correspond à des cas particuliers, notamment: · fondation sur un massif de roches de résistance faibleetàstructuretrèsmarquéesusceptibled'induire concurremmentdesmécanismesderupturematricielle detypemilieucontinuetdesmécanismesderupture par blocs suivant des plans de discontinuité du massif; · fondationfortementsollicitéemobilisantlocalement l L Figure 5.20 : effet d'échelle sur la dilatance ­ Source : Sétra 64 Fondations au rocher de manière significative au niveau de certains blocs les caractéristiques matricielles de résistance et de déformabilitédelarocheàl'échelledelafondation. Les caractéristiques matricielles doivent être déterminéesentenantcomptedel'échelleàlaquelle ellessontsollicitéesparlesmécanismesderupture. sols meubles et ne sont pas directement applicables sansdiscernementauxfondationsdites«aurocher». Cela est d'ailleurs assez clairement exprimé dans le commentaire de l'article A.2.2 de ce fascicule du Cctg. Toutefoisilestcourammentadmisenpratique,dès lors que l'on est dans le cadre d'application d'un modèle homogénéisé pour un massif rocheux, de seréférerauxmodèlesdecalculetauxméthodesde justification applicables aux sols et définies dans ce fascicule du Cctg, en retenant donc également, en règlegénérale,lesvaleursdescoefficientsdesécurité quiysontdéfiniespourlessolsmeubles. Onnereprendradoncpasdansleprésentdocument l'ensemble des règles concernant la définition des actions, leurs combinaisons et les valeurs des coefficients de pondération et de sécurité partiels à appliquer ; on se limitera à préciser les éventuelles différencesàprendreencomptedanslecasdesmassifs rocheux. Il faut également signaler que les règles définies ici couvrent le même domaine d'application que le fascicule62titreVduCctg,àsavoirlesfondations d'ouvragesd'artet,commecedernier,nes'appliquent pasauxouvragesdesoutènement. 5.4 - Étude d'une fondation dans les cas homogénéisés 5.4.1 - Généralités Méthode de référence Comme on l'a vu précédemment, les cas les plus simples sont ceux pour lesquels le mécanisme de rupture et les caractéristiques du massif rocheux permettentdes'enteniràdesméthodesdejustification ne nécessitant pas une spécialisation poussée en mécaniquedesroches.Enparticulier,lorsquelemassif peut être homogénéisé, on applique généralement, mutatis mutandis,lesméthodesclassiquesemployées enmécaniquedessols. Le recours au mécanicien des roches s'imposera toutefoispourvaliderl'approchehomogénéiséeetles estimationsdescaractéristiquesàprendreencompte danslescalculs. Pourlesouvragesimportantsavecfortedescentede charge,ilyauralieud'étudieretd'apprécierdifférentes approches de calcul, avec l'aide du mécanicien des roches.Deplus,pourcetyped'ouvrage,lerecoursà unsuividesterrassementsetdesconstatationsparun géologue/mécaniciendesrocheslorsdestravauxest indispensablepourconfronterlamodélisationretenue pourlecalcul,àlastructuregéologiqueobservéesur leterrain(voirchapitre6). Lesdispositionsdufascicule62titreVduCctg(«règles techniquesdeconceptionetdecalculdesfondations des ouvrages de génie civil») sont globalement en accord avec celles de l'Eurocode 7 partie 1 relatif au calcul géotechnique - règles générales (norme P 94-251-1) et à son annexe nationale (norme P 94-251-1/NA) qui a retenu l'approche 2 pour la justification des fondations. Dans l'attente de la parution des normes nationales complémentaires relatives au calcul des fondations (en cours d'élaboration) on se référera donc ci-après au fascicule62titreVduCctg. D'une manière générale, les règles de justification des fondations des ouvrages de génie civil qui sont définies dans ce fascicule du Cctg concernent les Actions Lesjustificationsdesfondationssontàfaireselonles principesdecalculsauxétats-limites(deserviceEls et ultimes Elu), avec pondérations des charges et coefficientsdesécuritépartielssurlesrésistances. Les actions sont prises en compte dans les mêmes conditionsquedanslefascicule62titreVduCctg en distinguant les actions provenant de la structure généralementfourniesparlechefdeprojetetcelles liéesaumassif. Dans le cas des fondations rocheuses, les actions de poussée ou les actions dues à un déplacement d'ensembledusolconcernentessentiellement,s'ilya lieu,lesformationsdesurfacerecouvrantlesubstratum rocheux.Néanmoinsdanscertainscas,enfonctiondes donnéesgéologiquesetstructurales,delatopographie etdelagéométriedesappuis,ilpourraêtrenécessaire deconsidérerdesactionsanaloguesauseindumassif rocheux, notamment dans le cas des fondations sur versant. Il est à noter également que la détermination des valeursreprésentativesliéesauxpressionshydrauliques internes est généralement délicate en raison de l'incertitude sur les conditions hydrogéologiques et hydrauliques susceptibles de se développer dans un massifrocheuxfracturé,enparticulierdansleszones deversant. Dimensionnement 65 Évaluation de la sécurité En ce qui concerne le massif rocheux, la méthode d'homogénéisationbaséesurl'utilisationdel'indice Rmr et du critère de Hoek & Brown permet de déterminerdesvaleursderéférencedescaractéristiques derupturedumassif. Cette détermination est entachée d'incertitude en raison de l'hétérogénéité des caractéristiques du massif,deshypothèsesnécessairementréductricesdu modèle,desonincertitudepropreliéeàsonajustement empirique,etdel'incertitudesurlechoixdecertains paramètres (notamment le choix du paramètre mi associéàlanaturepétrographiquedesroches,ainsique l'appréciationdel'étatd'endommagementdumassif induitparlesterrassements). Uneanalysecritiqueparlespécialisteenmécanique desrochesdesvaleursderéférenceainsidéterminées estnécessairepourdéfinirdesvaleurscaractéristiques ausensdelathéoriedesétatslimites. Cette analyse pourra s'appuyer sur une étude de sensibilité aux incertitudes sur les paramètres de détermination, ainsi que sur une vérification de la compatibilitédesvaleursobtenuesaveclesconditions d'équilibrenatureléventuellementobservablessurle site. Nota Dans l'attente de la parution des normes complémentaires à l'Eurocode 7 relatives aux fondations et de leur adaptation éventuelle aux massifs rocheux, on recommande de retenir comme valeurs des coefficients de sécurité celles définies pour les sols meubles dans le fascicule 62 titre V du Cctg. cette vérification de stabilité d'ensemble selon les méthodesdéveloppéesauparagraphecorrespondant des cas discontinus simples (cf. § 5.5.3), pour lesquelslessurfacesdeglissementsontidentifiéeset correspondentàdesplansdediscontinuités(coinou dièdre). 5.4. - Fondation superficielle Dansl'attentedenouveauxdocumentsderéférence, comme on l'a vu ci-dessus (cf. § 5.4.1, «Méthode de référence»), la justification d'une fondation superficielle dans un cas homogénéisé est faite en se référant aux dispositions du fascicule 62 titreV du Cctg, en les adaptant si nécessaire lorsque des paramètres de résistance et/ou de déformation différentssontutilisés. Enparticulier,lajustificationvis-à-visdesétatslimites demobilisationdusolestmenéeaveclescoefficients desécuritéq=3auxElset2auxElu(cf.articleB.3.1 du fascicule 62 titreV du Cctg) et les adaptations proposées ci-après pour les autres paramètres du calcul: contrainte de rupture, prise en compte de l'excentrement, de l'inclinaison et de la proximité d'untalus. La justification vis à vis de l'état limite ultime de glissementestmenéeaveclescoefficientsdesécurité g1=1,2etg2=1,5auxElu.Danscertainscas,sila fondation est coulée à pleine fouille, il est possible de prendre en compte une butée (estimée avec prudence). Contrainte de rupture sous charge verticale centrée Cas d'une fondation sur versant : Stabilité d'ensemble Silafondationestimplantéesurunversant,ilfaut procéderàunevérificationdelastabilitéd'ensemble delafondation,c'est-à-diredelastabilitéduvolume deterrainsollicitéparlafondation(1). Silemassifconsidérépeutêtreassimiléàunmilieu continuhomogèneisotropeetqu'iln'existepasdeplan privilégiéderupture,cettevérificationpourraêtrefaite aveclesméthodesdelamécaniquedessolsàpartirdes caractéristiqueshomogénéiséescet. Mais,selonlaposition,lanatureetlescaractéristiques desdiscontinuités,ilpourraêtrenécessaire,ycompris danslecasd'unmassifhomogénéisé,deprocéderà (1) À différencier de la stabilité générale, qui est celle de l'ensemble du versant Pourdesrochestendres,sidesessaispressiométriques (voirepénétrométriques)ontétéréalisés,lesméthodes de calcul de la contrainte de rupture basées sur l'interprétationdesrésultatsdecesessais,tellesque décritesauxannexesB1etB2dufascicule62titreV duCctg,pourrontêtreutilisées. Mais le plus souvent, pour les massifs rocheux «homogénéisés», ces essais ne sont pas adaptés et l'on est donc conduit à utiliser d'autres méthodes d'évaluationdelacontraintederupturequ,notamment celle issue du critère empirique de Hoek & Brown (cf.§5.3.1,«Caractéristiquesderupture»). Ainsi,danslecasd'unesollicitationverticaleexercée 66 Fondations au rocher Type de fondation Cf Rectangulaire (L/B > 6) 1 Rectangulaire (L/B = 5) 1,05 Rectangulaire (L/B = 2) 1,12 Circulaire 1,2 Carrée 1,25 Tableau 5.1 : valeur du facteur de forme Cf en fonction de la forme de la fondation. Foundations on Rock (D.C. Wyllie) parunefondationsuperficielle,onpeutadmettreque lacontraintederupturequestcelleobtenueàpartir d'unessaitriaxialdanslequellacontraintelatérale3 estégaleàlarésistanceencompressionuniaxialedu massif(figure5.21),soit aveclecritèredeHoek &Brown,cequidonne: Une autre approche qui n'est pas comparable, notammentenraisondescritèresderésistanceetdu oudesmodesderuptureconsidérés,consisteàutiliser uneméthodeanalytiquebaséesurlesparamètresde cisaillementcettelsqu'ilspeuventêtredéterminés àpartirdelaméthodedeHoek&Brownparexemple (cf.§5.3.1,«Caractéristiquesderupture»),maisil conviendrad'êtretrèsprudentdanscetyped'approche utilisantdescorrélationsenchaîne. Cetteapprocheanalytiquequin'estpasprésentéedans lefascicule62titreVestévoquéeetdéveloppéedans l'annexeinformativeDdel'Eurocode7partie1. Dans le cas d'une charge verticale sur une semelle horizontaledansdesconditionsdrainées,lacontrainte deruptures'écritsouslaformesuivante: oùCfestunfacteurdeformeassociéàcetteméthode (tableau5.1). Exemples:(1) Pourm=10ets=0,1 qu=2,1Cf ci Pourm=2ets=0,001 qu=0,29Cf ci Q=1A 3b 1b 3a CoinB 1B 3B B 3B=surcharged'encastrementsurledessin=0 1A=surchargeliéeàlafondationQ Ona3A=1B Figure 5.21 : principe de l'estimation de la capacité portante d'une fondation superficielle ­ Source : Sétra avec: A'=B'L'valeurdecalculdelasurfaceeffectivedela fondation(cf.§5.4.2,«Chargesinclinéesouexcentrées» ci-aprèspourladéfinitiondeB'etL'), N(termedesurface),Nc(termedecohésion)etNq (termedeprofondeur)sontdesfacteursdeportance etleursvaleursdépendentdirectementdel'anglede frottementinternedumilieu, sc,sqetssontlesfacteursdeformedelafondation, q'estlacontrainteverticaleeffectivedueaupoidsdes terresauniveaudelabasedelafondation. Lesformulespermettantlecalculdecesdifférentstermes sontdonnéesdansl'annexeDdel'Eurocode7. CoinA 1A 3B 3A A 3A (1) Voir références Dimensionnement 67 Remarques Pourlespetitsouvragescourants,onpourrautiliser desméthodesplussimplestellesque: · l'Eurocode 7 (abaques de l'annexe informative G, figures5.22aetb)quifournissentpourdesfondations isoléesdeformecarréedesestimationsdelapression de contact présumée (= contrainte de service pour limiter les tassements à 0,5% de la largeur de la fondation).Lesvaleurssontdonnéesforfaitairement pour différents types de roches en fonction de leur résistance en compression et de l'espacement des discontinuités; · la formule du manuel Canadien (1) qui permet d'évaluer directement la contrainte dite admissible (soussollicitationsdeservice): a XXX(mm) b c d e 3 1,0m h 6 10 M oùKspestuncoefficientréducteurfonctiondeS/Bet e/S,toujoursinférieurà0,5(B=largeurdelafondation, Sete=respectivementespacementetouverturedes discontinuités): · les estimations de la capacité portante admissible données dans le tableau 5.2 (d'après la norme britanniqueBS8004:1986(1)): L'emploidetellesestimationsforfaitairesdelacapacité portanteestréservéeauxétudespréliminaires;ellepeut avoirunintérêtpourcomparaisonaveclesrésultats fournisparl'applicationdedifférentesméthodes. (1) Voir références 600mm 5 M 2,5 Pa/m a/m 1 MP Pa/m MPa 0,5 200mm 60mm 50 100 XXX(MPa) f 1,25 5 12,5 Capacité portante (MPa) Rocher sain Roches éruptives ou gneissiques Calcaires en gros bancs, grès durs Schistes et ardoises Schistes argileux durs, grès tendres Schistes très argileux Craie dure 10 4 3 2 1 0,6 Rocher fracturé 4-6 2-3 1-2 0,8-1,2 0,4-0,7 0,3-0,4 a b c d e f g h Rochetrèstendre Rochetendre Rochemodérémenttendre Rochemodérémentdure Rochedure Discontinuitésrapprochées Discontinuitésmoyennementespacées Discontinuitéstrèsespacées Tableau 5.2 : estimation de la capacité portante en fonction de la nature du rocher rencontré Figures 5.22 a et b : exemple d'un abaque de l'annexe G de l'Eurocode 7, abaque donné pour la catégorie de sol 3 : calcaire très marneux, grès faiblement cimentés, ardoise et schistes (clivage et foliation inclinés) ­ Source : © Afnor - nf en 1997-1 de juin 2005 (seule la version Afnor dans son intégralité fait foi - pour se la procurer www.boutique-normes.afnor.org) 68 Fondations au rocher g 0,2 2 a/m MP 2 Pa/m 2 /m 5 M 2 2 2 Charges inclinées ou excentrées Commepour lesfondations enterrains meubles,la priseencomptedel'incidencedel'inclinaisondela chargeappliquéeàlafondationsefaitgénéralement en appliquant un coefficient minorateur i dans l'expression générale de la contrainte de rupture calculéesouschargeverticalecentrée. Lorsque la contrainte de rupture est déterminée à partird'essaisaupressiomètre(ouéventuellementau pénétromètre),voireparapplicationducritèredeHoek et Brown (cf. § 5.4.2, «Contrainte de rupture sous chargeverticalecentrée»),lecoefficientminorateur ipourunechargecentréeinclinéepourraêtrecalculé commecelaestindiquépourlesterrainsmeublesau paragraphe2del'annexeF1dufascicule62titreV duCctg. Lorsque la contrainte de rupture est calculée par la méthode analytique, il y a lieu d'appliquer cette méthode dans sa globalité c'est-à-dire notamment d'appliquerlesrèglespréconiséesdansl'EC7(Annexe D), qui diffèrent assez peu de celles couramment employéesenFrancedanscecas(cf.travauxdeObin, GiroudetTrân-Vô-Nhiêm(1)).Souschargeexcentrée, ilestfaitréférenceenrèglegénéraleauxdispositions préconiséesdanslefascicule62titreVduCctg,et plus particulièrement au calcul d'une contrainte de référence par l'application du modèle de Meyerhof quiconsisteàadmettrequelescontraintesnormales sont uniformes sur un rectangle de surface réduite (A'=B'.L'avec:B'=B-2.eetL'=L-2.e'). Par ailleurs, les dispositions prévues vis-à-vis de la décompressiondusolsouslafondationsontégalement applicablespourlesfondationsaurocher: · surfacecompriméeminimalede10%delasurface delasemelleauxElu(cf.articleB.3.2dufascicule62 titreVduCctg), · aucunedécompressionsoussollicitationdeservice souscombinaisonfréquente, · surfacecompriméeminimalede75%delasurface delasemelleauxElsrares(cf.articleB.3.3). minorateuripourunechargeverticalecentréepourra êtrecalculécommecelaestindiquépourlesterrains meublesauparagraphe3del'annexeF1dufascicule62 titre V du Cctg. Pour une charge inclinée il est proposéici,pourcumulerlesdeuxeffets(inclinaison et proximité de talus) de multiplier directement les deux coefficients minorateurs i et i ainsi calculés. Cettedispositionestquelquepeudifférentedecelle proposée dans le Fascicule 62 TitreV du Cctg et conduit généralement à une réduction légèrement moins importante de la contrainte de rupture du terraindefondation.Onnoteraquecetteméthode, caléesurdesessaisréelsouencentrifugeuse(pourdes solsfrottantsuniquement)nes'appliquequ'àdestalus naturellementstablesdepenteinférieureà1/1.Ellene dispensepasdeprocéderparailleursàdesvérifications complémentairesetnotammentàlavérificationdela stabilitéd'ensembledelafondation(cf.§5.4.6). · Lorsquelacontraintederuptureestcalculéeparla méthodeanalytique,etparcohérenceaveccequiest suggéréci-dessuspourleschargesinclinées,ilyalieu d'appliquerlescoefficientsattachésàcetteméthode telsqu'ilssontdéfinisparexempledanslestravauxde GiroudetTrân-Vô-Nhiêm(1)(l'EC7nefournitpasde règlespourcecas). Ces méthodes de calcul, qu'elles soient analytiques ou semi-empiriques et calées sur des essais en vraie grandeur ou sur modèles réduits en centrifugeuse (pourdessolsfrottantsuniquement),ontétéétablies pour des talus de terrains meubles naturellement stablesdepenteinférieureà1/1.Pouruntalusde pentesupérieureà1/1,etàdéfautderéférences,on pourra adopter une disposition «sécuritaire» qui consiste à l'assimiler à un talus vertical : la charge verticale de rupture, déterminée avec le critère de Hoek&Brownensupprimanttoutconfinement,est alorségaleàlarésistanceencompressionuniaxialedu massif,soit .Onpourraégalementexaminers'il yalieu(selonladistanceduborddutalus,lapente) ce que donne l'application de la méthode avec une simpleréductionduconfinement. Parailleurs,etcommecelaaétéindiquéprécédemment, ces méthodes ne dispensent pas de procéder à la vérificationdelastabilitéd'ensembledelafondation. Onveilleranotammentàrepéreretcaractériseravec soin les discontinuités (géométrie, remplissage) dans les massifs rocheux présentant un talus, et ce, même dans ce cas où une homogénéisation a été jugéepossiblepourl'étudedelastabilitélocaledela fondation. Dans le cas d'un seul plan de glissement (coin), le volumedesolconcernéparcettevérificationestlimité pardesplansverticauxparallèlesàl'ouvrage(donton négligegénéralementlarésistanceaucisaillementpar sécurité) espacés de la largeur de la semelle (pas de diffusion,cf.§5.5.2). Fondation à proximité d'un talus Comme pour les fondations en terrains meubles, la prise en compte de l'incidence de la proximité d'un talus se fait généralement en appliquant un coefficientminorateuridansl'expressiongénéralede lacontraintederupturesur«terrainhorizontal». · Lorsque la contrainte de rupture est déterminée à partir d'essais au pressiomètre (ou éventuellement aupénétromètre),voireparapplicationducritèrede HoeketBrown(cf.§5.4.2,«Contraintederupture souschargeverticalecentrée»ci-dessus),lecoefficient (1) Voir références Dimensionnement 69 Tassements Lestassementsd'unmassifrocheuxsousunefondation ne peuvent pas être calculés par les méthodes oedométriqueetpressiométriqueauxquellesilestfait référencedanslefascicule62titreV. Pour l'évaluation du tassement, on pourra donc en généralretenirunmodèleélastiqueisotropesimplifié, notamment pour les massifs sains présentant peu de discontinuités (cas des massifs homogénéisés). Il convient toutefois lors de la détermination des paramètres E et de tenir compte de la présence de celles-ci (cf. § 5.3.1, «Caractéristiques en déformation»). Pour une fondation superficielle, on pourra donc appliquer la formule classique suivante, exprimant le tassement «s» sous une fondation de largeur B (diamètrepourunefondationcirculaireetpetitcôté pour une fondation rectangulaire) chargée par une pressionuniformeq: Dans le cas des roches tendres pouvant également donnerlieuàhomogénéisation,ilserapossibledechoisir entreplusieursméthodesd'évaluationdutassement: méthode élastique, méthode pressiométrique si des essaisdecetypeontpuêtreréalisés. Encequiconcernelarotationd'unesemellesurterrain horizontal, soumise à un moment de renversement M,lescalculsdel'élasticitéisotropefournissentune évaluationdel'anglederotation(casoùlasemelle resteentièrementencontactaveclesol,c'est-à-dire lorsquel'excentrementedelachargen'excèdepasle quartdelalargeurBdelafondation): aveclesvaleurssuivantesducoefficientIf(3): L/B If 0,5 3,54 0,75 3,94 1 4,17 1,5 4,44 2 4,59 Cercle 5,53 Tableau 5.4 : valeur du coefficient If en fonction de la géométrie de la semelle de fondation · lemodulededéformationEàprendreencompte est évidemment un module évalué à l'échelle de la fondation; · la valeur du facteur Cd(1) est donnée d'après D.C Wyllie(2)dansletableausuivantpourunefondation rigide,enfonctiondelaformedecelle-ci. Forme de la fondation Circulaire Carrée Rectangulaire 1 1,5 2 3 5 L/B Valeurs de Cd 0,79 0.99 1,15 1,30 1,52 1,83 Dansdescasdegéométriescomplexes,onpourraavoir recours à la modélisation numérique, en général la méthodedesélémentsfinis. Remarque Certaines roches peuvent présenter des tassements différés sous une charge permanente, dus à des matériaux de remplissage argileux ou à la nature de la roche elle-même (sel, gypse...) ; l'évaluation des tassements demande alors des essais et des études spécifiques qui sortent du cadre de ce guide. 5.4.3 - Fondation semi-profonde Ce cas est assez fréquent pour les ouvrages en site rocheux.Ilconcerneleplussouventdesfondations massivesisoléesdontlalargeurpeutatteindreplusieurs mètres(cf.chapitre4). Dans la pratique du dimensionnement, on fait peu de distinction entre fondations profondes et semiprofondes;onexposeradansceparagraphetoutce qui concerne les fondations semi-profondes et les points particuliers aux fondations profondes seront présentésau§5.4.4. Si l'on se réfère au fascicule 62 titre V du Cctg applicable aux sols meubles, les fondations semiprofondes sont les fondations dont la profondeur «d'encastrement équivalente» D e est comprise entre1,5et5foislalargeurB(oulediamètre)dela fondation. Pour les fondations au rocher, la limite à retenir entre les fondations profondes et semiprofondesseraitplutôtde2,5foisB. (3) Voir références : Manuel de mécanique des roches Tome 2 Tableau 5.3 : valeur du facteur Cd en fonction de la forme de la fondation LemoduledeYoungàprendreencompteestévalué àl'échelledelafondation. Ce calcul élastique peut permettre également de prendre en compte différentes situations, comme cellesdes«bicouches»;ilconvienttoutefoisdene pasperdredevuequeleparamètreprépondérantest le module de déformation du massif qui est évalué de manière peu précise, et donc que des méthodes sophistiquéesn'ontqu'unintérêtlimité. (1) Il est à noter que les valeurs de Cd sont proches de celles données pour Cf dans le FOND 72 chapitre 5.2 p 59 (2) Voir références 70 Fondations au rocher De plus, la notion de profondeur d'encastrement équivalenteDenepeutavoirlamêmedéfinitionqu'en terrain meuble en raison même de la connaissance plus «qualitative» que l'on a du massif rocheux de fondationconcerné.Pourlesmassifrocheux,celle-ci seradoncàapprécierparlespécialisteenconsidérant plusdirectementlaprofondeurréelled'encastrement delafondationdanslemassifrocheuxconcerné,en tenantcompteéventuellementdeshorizonssus-jacents dequalitéssensiblementéquivalentesetennégligeant, s'il y a lieu, les terrains meubles de couverture de qualitésmanifestementmédiocresauregarddecelles deshorizonsrocheux. En règle générale, pour le calcul de ce type de fondationsemi-profonde,onadoptelesdispositions dufascicule62titreVduCctg(AnnexeD),enles adaptant au contexte particulier des fondations au rocher(voirci-après). Ainsi,lemodèledecomportementretenusupposeque leterrains'opposeauxmouvementsdelafondation par: · uneréactionsouslabasecomposée: - decontraintesverticalesnormalesàlabase, - defrottementshorizontauxtangentsàlabase; · uneréactionsurlefûtcomposée: - defrottementslatérauxverticaux, - depressionsfrontaleshorizontales, - s'il y a lieu des frottements latéraux s'exerçant sur les parties du périmètre parallèles au sens du déplacement. Laréactionduterrainsurlefûtnepeutêtrepriseen compteques'ilestjustifiéqu'ellepeutêtreréellement mobilisable (cf. fascicule 62 titre, V Annexe D, article2). D'unemanièregénérale,lesmodèlesdecomportement nefontpasladistinctionentrelapartdemobilisation delapointeetdufrottementlatéral;enconséquence, la charge de rupture globale de la fondation est la sommedelachargederupturesouslabaseetdela chargelimitemobilisableparfrottementlatéral. Pour des ouvrages complexes, une modélisation plus fine est possible pour prendre en compte les mobilisations relatives de la base et du frottement latéral. Enl'absencededonnéesparticulières,danslecasoù existe une formation meuble au-dessus du rocher, on ne tient pas compte du frottement latéral dans celle-ci. conformera aux règles du fascicule 62 titre V du Cctg. Lorsque la méthode pressiométrique n'est pas applicable,onévaluehabituellementlacontraintede ruptureàpartird'uneméthodeanalytique(critèrec et)enfonctiondelarésistanceencompressionde lamatriceci. Toutefois,unerelationlinéaireentrelacontraintede ruptureàlabaseetc,quiestparfoispréconisée,ne semble pas validée par les essais de chargement (la figure 5.23 illustre un exemple de la dispersion de résultatsd'essaisdechargement)etilestrecommandé d'utiliser la formule de A.Soriano (1), plus réaliste. Celle-ci est préconisée dans les recommandations espagnolespourlesfondationsd'ouvragesd'art(Guía decimentacionesenobrasdecarretera(2)). avec: · quetcienMPa, · :coefficientquivariede2(Rqdvoisinde100%) à0,12(Rqdinférieurà10%), · D e la profondeur d'encastrement dans le massif rocheux. 100 q p (ult), MPa 10 1 0,1 1 10 100 ci(intactrock),MPa 1000 Figure 5. 23 : résultats d'essais de chargement de pieux dans le rocher Source : A. Soriano Cettevaleurdequesttoutefoisbornéeparlarésistance àlacompressiondubétondupuits.Ilestrecommandé parailleursderespecterunencastrementdelabasede lafondationdanslemassifrocheuxégalauminimum àundiamètre. L'effortlimitemobilisablesouslapointedelafondation profondedeSectionSestalorsdonnépar: Contrainte de rupture sous la base Pour les massifs de roches tendres dans lesquels la méthode pressiométrique est applicable, on se (1) Voir références (2) Voir références Dimensionnement 71 Frottements latéraux verticaux Lefascicule62titreVduCctgprévoitdenetenircompte detelsfrottementsqu'àpartird'uneprofondeurégaleà 1,5foislalargeurdelafondation. Dans le cas des fondations massives de grandes dimensionsensiterocheux,commecelaestsouvent lecaspourdegrandsouvragesd'art,cettedisposition peuts'avérerparfoistroppénalisanteetpeujustifiée. La profondeur sur laquelle on pourra négliger le frottement est à fixer pour chaque cas, en fonction notammentdesqualitésrelativesdesterrainsconcernés (enrèglegénéraleonnégligeralesterrainsmeublesde surface),delaméthodedecreusementdelafondation etdeladistancehorizontaleavecuntaluséventuel. Onadmetengénéralquelarésistanceaucisaillement ultimeàl'interfacebéton/rocher(=frottementlatéral unitairelimiteqs)estdonnéeparl'expression: (enMPa) avec: · comprisentre0,15et0,25,selonla«rugosité» desparoisdupuits, · c*estlaplusfaibledesrésistancesencompression durocheroudubétondupieu, c*=Min(c,rocher,c,béton). Le frottement latéral peut donc apporter une contributionmaximaledonnéepar: r=p.B pmax.B Kf y Figure 5.24 : loi d'interaction frontale élasto-plastique ­ Source : Sétra Pressions frontales horizontales et frottements horizontaux Pourlesmassifsrocheux«homogénéisés»,lecalcul des fondations profondes soumises à des efforts horizontauxetmomentsentêtepeutêtrefaitpardes méthodestoutàfaitanaloguesàcellesprésentéesdans lefascicule62titreVduCctg(AnnexeC.5),àpartir d'uneloid'interactionfrontaleélasto-plastiquereliant lapressionpaudéplacementy(figure5.24): · poury<ymax: · poury>ymax: où: · Bestlalargeurdelafondation, · Kfestlemodulederéactionfrontaledépendantde lalargeurBdel'élémentdefondationetdelaraideur duterrain, · p max la pression limite que peut supporter le terrain. Lorsquel'onnepeutpasutiliserlaméthodepréconisée danslefascicule62titreVpourobtenirlesparamètres pmaxetKfdecetteloideréaction(pasd'essaisdetype pressiométriqueparexemple),onpourrautiliser: · pour déterminer p max, ce qui est préconisé dans l'Annexe D du fascicule 62 titre V, c'est à dire la composante horizontale de la résistance de butée limiteduterrain,déterminéeàpartirdesparamètres derésistancedumassifrocheuxcmetm(casoùle massif peut être homogénéisé). La relation suivante propose,deplus,uneaugmentationdelabutéelimite pour tenir compte d'un certain épanouissement du coindebutéedevantlafondation: pmax=Cpp avecici,p=valeurissuedelathéoriedeRankine ms'exprimantendegré · pour déterminer Kf, à défaut de formule pour les fondationssemi-profondes,onpeututiliserlaformule générale de Vesic, préconisée pour les fondations profondesetrappeléeauparagraphe5.4.4,«Pressions frontales horizontales et frottements horizontaux». Pour tenir compte de la proximité de la surface, et à défaut de règle connue on pourra se référer aux dispositions préconisées pour les sols meubles (cf.fascicule62titreV),parexempleenfaisantvarier linéairement ce module K f de 0 à 100 % entre la surfaceet2,5B. 7 Fondations au rocher r=p.B rs Ks y Figure 5.25 : loi de comportement pour la prise en compte éventuelle des frottements latéraux horizontaux. Avec Ks = Kf et rs = 2 Ls qs où Ls est la longueur où s'applique le frottement latéral et qs le frottement latéral unitaire limite tel qu'il est défini pour la justification des charges axiales ­ Source : Sétra Figure 5.26 : schéma représentant le volume de sol situé devant la fondation et pris en compte dans le calcul de la butée (vue de dessus) Source : Sétra Dans certains cas (barrettes de fondation, massifs parallélépipédiques) et comme pour les terrains meubles il peut être tenu compte également des frottements latéraux horizontaux en se référant par exempleauxdispositionsdufascicule62titreV. La loi de comportement à prendre en compte pourraêtredumêmetypequecelledufascicule62 annexe C5, même si l'on ne dispose pas d'essais pressiométriques. Il faudra dans tous les cas s'assurer de façon très rigoureuse qu'aucune discontinuité à orientation défavorablen'estprésentesurlesite. Danslecasd'unplandeglissementidentifié(coin), la butée prise en compte pour la justification est de plus limitée par le volume de sol situé devant la fondation.Généralementcelui-ciseralimitépardes plansverticauxparallèlesàl'ouvrage(pasdediffusion) pourlesquelsonnégligeralarésistanceaucisaillement par sécurité. Toutefois, dans des cas particuliers et selonladistancedespuitsautalus,cettedisposition peutêtretrèspénalisante;onpourra,enl'absencede fracturationverticaled'orientationplusdéfavorable, prendreencompteunediffusionenconsidérantces plansinclinésselonunanglede25°auplusàpartirde lagénératricedechaquepuits(cf.figure5.26). Fondation à proximité d'un talus Lajustificationd'unefondationsemi-profondedans ce cas pourra se faire selon le fascicule 62 titre V aveclesadaptationsmentionnéesprécédemment,et notamment: · danslecasd'unetechniqued'exécutionassimilable aux fondations superficielles, l'application d'un coefficient minorateur i pour la contrainte limite souslabase(cf.§5.4.2,«Fondationàproximitéd'un talus»); · pourlesréactionslatéralessurlesfacessiellessont priseencompte,l'applicationd'uneminorationàla courbe de réaction en terrain horizontal définie ci dessus(cf.§5.4.3,«Pressionsfrontaleshorizontales etfrottementshorizontaux»),cetteminorationpourra être déterminée selon la méthode du fascicule 62 titreVannexeC.5. Dimensionnement 73 Tassements L'évaluationdutassementd'unefondationsurpuits est fonction du mode de reprise de la charge : par frottementlatéral,parlabase,ouparunecombinaison desdeux.Lesformulesquisuiventsupposentquele bétonetlemassifontuncomportementélastiqueet qu'iln'yapasglissementàl'interface. · Dans le cas d'un puits pour lequel la charge est principalementrepriseparlesparoislatérales(rocher latéral raide : en général, l'encastrement est justifié parunereprised'effortshorizontauxoudemoments), letassement sousunechargeverticaleQpeutêtre évalué par excès au moyen de la formule simplifiée suivante(Wyllie,chapitre8(1)): Exemple:puitscirculairesduviaducdeVerrières: B=6m,Q=103MN.E=10GPa,Eb=30GPa Onobtient:1,1mm. · Dans le cas d'un puits pour lequel la charge est principalement reprise à la base, le tassement résultant à la fois de la compressibilité du béton (moduleEb)etdeladéformabilitédumassif(E,) peutêtreévaluéparlaformulesuivante(D.C.Wyllie, chapitre8(1)): où: · B=diamètredupuits, · E=moduledumassif, · Rf=facteurderéduction,voisinde0,8(cefacteur prend en compte une annulation de la raideur tangentielleensurface,suruneépaisseurégaleàB), · I = facteur d'influence. Il traduit l'effet de la compressibilité (relative) du béton, qui s'ajoute à l'effetd'interfacebéton/rocher;ilestdonnédansle tableau5.4: Eb / E I 0,5 1,5 1 1 2 0,8 10 0,5 où: · B=diamètredupuits, · D=profondeurdupuits, · C d = c o e f f i c i e n t d e f o r m e , c f . § 5 . 4 . 2 , «Tassements», · R' f = facteur de réduction (par rapport à une fondationsuperficielle),donnéparletableau5.5: OnnoteraquelemoduleEestengénéralplusélevé àlabasedupuitsqu'ensurface. · Danslescasoùletassementdupuitsmobiliseàla foislefrottementlatéraletl'effetdepointe,onpourra faireuneinterpolationentrelesdeuxvaleurscalculées commeindiquéci-dessus. Eb / E <50 D/B R'f 0,7 0,7 0,6 0,5 Tableau 5.5 : évaluation du facteur I en fonction du rapport Eb / E Remarque Les situations où Eb / E > 10 sont en fait assez rares : l'influence des parois latérales est alors négligeable, sauf dans le cas où un matériau de mauvaise qualité se trouverait en pointe, ce que l'on évite le plus souvent. 2 >50 4 6 Tableau 5.6 : évaluation du coefficient Rf en fonction des rapports Eb / E et D / B (1) Voir références 74 Fondations au rocher 5.4.4 - Fondation profonde Comme indiqué au paragraphe 5.4.3, pour les massifs rocheux, on considèrera comme fondations profondescellesdontlaprofondeur«d'encastrement équivalente»Deestsupérieureà2,5foislalargeurB (oulediamètre). Pourcelles-ci,lajustificationdansunmassifrocheux «homogénéisé» se traite suivant les dispositions présentées au paragraphe 5.4.3 pour les fondations semi-profondesetentenantcomptedesparticularités présentéesci-après. Frottements latéraux verticaux La méthode d'évaluation des frottements latéraux à prendreencompteestlamêmequepourlesfondations semi-profondes (cf. § 5.4.3, «Frottements latéraux verticaux»).LahauteurHàprendreencompteestà apprécierparleprojeteur:engénéral,ennégligeant lesterrainsmeublesdesurface,onpourraprendreen comptelahauteurtotaledelafondationtraversantle massifrocheux(voirintroductiondu§5.4.3). Pressions frontales horizontales et frottements horizontaux Lesdispositionsproposéespourlesfondationssemiprofondessontdemanièregénéraleapplicablesici. Pour la détermination de la valeur de palier du moduleKf(engénéralaudelàdoncd'uneprofondeur de2,5B),onpourrautiliserlaformulegénéralede Vesicquifaitintervenirlesparamètresélastiquesdu massifrocheuxEet,etl'inertieIpetlemoduleEp delafondation: Contrainte de rupture sous la base De même que pour les fondations semi-profondes, ondistingueralecasdesrochestendresdesautrescas, lorsque la méthode pressiométrique du fascicule 62 titreVduCctgpeuts'appliquer. Pour ces derniers, on se réfère généralement à la formule de Soriano présentée au paragraphe 5.4.3, «Contrainte de rupture sous la base» pour les fondationssemi-profondes,(avecDe>2,5B): oùvariede2(Rqdvoisinde100%)à0,12(Rqd inférieurà10%).(1) qp(ult),MPa 1000 File 100 Soils 10 Rock L 40MPa Fondation à proximité d'un talus Lesdispositionsproposéespourlesfondationssemiprofondes peuvent être appliquées également aux fondationsprofondes. q p = 4 c 10 1 q p = 0,24 c 10 0,1 0,1 1 10 100 1000 ci(intactrock),MPa Figure 5.27 : résistance de pointe en fonction de ci (L/D >=2,5) d'après A. Soriano(1) (1) Voir références Dimensionnement 75 5.5 - Étude d'une fondation dans les cas discontinus simples 5.5.1 - Généralités Actions Lesjustificationsdesfondationssontàfaireselonles principesdecalculsauxétats-limites(ElsetElu). Les observations formulées pour l'approche par homogénéisation sont également applicables à la modélisationparunmilieudiscontinuàblocs.Toutefois dans ce cas,l'extension de la zoned'influence de la fondationetdeséventuels«ouvragesgéotechniques» quiluisontassociés(notammentdestalusdedéblai pour les appuis sur pente) peut être beaucoup plus importantequedanslecasd'unmilieucontinu,du fait du rôle dominant de la structure du massif, de l'influence de la topographie et de leur disposition relative. inclut pour chaque configuration des modèles une variationdeleursparamètresgéométriquesprincipaux (par exemple, les angles définissant les orientations sontprisesencompteavecunevariationde±5°). La section 11 de l'Eurocode 7 (stabilité générale) qui traite notamment des problèmes de stabilité des massifs rocheux, indique également qu'il convient d'éviter l'occurrence des états limites de service (déformations excessives, dont la prévision reste généralement peu fiable) notamment en limitantlarésistanceaucisaillementmobilisée(voir clause11.6(1)).Cettedispositionjustifielemaintiende larègledevérificationcourammentutiliséeévoquée précédemment,mêmesicelle-cinedispensepas,s'ily alieu,d'uneprévisiondesdéplacements,voired'une justificationdelastabilitédelafondationrocheuseà l'étatlimiteultime. Iln'existepasactuellementderèglesconcernantcette justification de la stabilité de la fondation à l'état limiteultime.Dansl'attentedelaparutiondesnormes complémentairesàl'EC7relativesauxfondationset de leur adaptation éventuelle aux massifs rocheux, onpourraadopterunelégèrevariantedel'approche de calcul 3 qui consiste d'une part, à pondérer les actions(coefficientspartielsde1,35pourlesactions permanentesdéfavorables,ycomprispourlesactions géotechniquess'ilyalieu,etpourleschargesvariables routières)etd'autrepart,àréduirelesparamètresde résistanceaucisaillementdesdiscontinuités(c'et') par un coefficient partiel dont la valeur pourra être priseégaleà1,25. Lescasdelafigure5.28sontgénéralementconsidérés commedescas«simples». Évaluation de la sécurité La justification des fondations rocheuses, dans les casdiscontinussimplesoucomplexes,nerelèvepas directement de l'application du fascicule 62 titreV duCctg(voircommentairesdel'articleA.2.1),pas plusd'ailleursdecelledel'Eurocode7partie1(norme NFEN1997-1)oudesonAnnexeNationale(norme NFEN1997-1/NA)quinevisentpasexplicitement cesfondations. Enrèglegénérale,lavérificationdelastabilitédela fondation rocheuse telle qu'elle est habituellement pratiquée dans ces cas consiste à s'assurer que la résistance au cisaillement mobilisée le long des discontinuités en contact (non décollement), sous sollicitations non pondérées (de type Els rares), n'excède pas une fraction de la résistance limite mobilisable(résistancerésiduelleourésistancedepic, lorsqu'ilyalieu).Enpratiqueonadoptegénéralement uncoefficientdesécuritéFde1,5surlarésistanceau cisaillementdesdiscontinuités. Lorsqu'il y a lieu, et en particulier dans les cas discontinus complexes, la vérification de la stabilité delafondationrocheuses'appuieparailleurssurune analyse préalable de sensibilité de l'état limite aux variationsdesparamètresgéométriquesetmécaniques des discontinuités. Cette étude paramétrique est effectuéepourlessituationslesplusdéfavorables,et (1) Voir références 76 Fondations au rocher Cas du massif discontinu à stratification å horizontale, Cas d'un versant avec possibilité de glissement ç plansurunediscontinuitéàpendageaval, Cas d'unversantavecpossibilitédedéstabilisation é d'undièdrelimitépardeuxdiscontinuités, Cas d'un versant avec possibilité de rupture è impliquantdeuxblocs. é å ç è Figure 5.28 : les cas discontinus simples ­ Source : J.L. Durville 5.5. - Terrain à stratification horizontale Silescouchessonttoutesdemêmenature,onpourra assimilerlemassifàunmilieucontinuhomogène. Des mécanismes de rupture particuliers peuvent apparaîtresilacouchesuperficielleestsensiblement plusrigidequelescouchessituéesendessous.Ilpeut alorsêtrenécessaire,pourunefondationsuperficielle, devérifierlastabilitévis-à-visdupoinçonnementde lacouchesous-jacente. Si la résistance au cisaillement de la couche rigide sous-jacente (éventuellement minorée si une fracturationverticaleexiste),esonépaisseur,etple périmètredelafondation,unevaleurprudentedela chargeultimepeutdoncêtreobtenueparlarelation suivante, en négligeant la réaction de la couche inférieure: Qu=.e.p Q e Figure 5.29 : modélisation et paramètre pour un terrain stratifié simple ­ Source : JL. Durville Dimensionnement 77 5.5.3 - Mécanisme de glissement plan Dans cette configuration, il existe un plan de discontinuitédedirectionparallèleàcelleduversant, àpendageaval(angle). Sur le schéma de la figure 30, la charge apportée parlafondationestuneforceQinclinéedel'angle surl'horizontale.Onsupposequelarésistanceau cisaillementdeladiscontinuitéestcaractériséeparc et,respectivementcohésion(parexempleapportée pardespontsrocheux,dontl'influenceestassimilée à une cohésion répartie sur la longueur L de la discontinuité)etangledefrottement,déterminésselon lesdispositionsduparagraphe5.3.2«Caractéristiques derupturedesdiscontinuités».Danscesconditions, l'équilibre d'une tranche limitée par deux plans latérauxsubverticaux(dontonnégligegénéralement larésistance,parsécurité)s'écrit: Q W T N Figure 5.30 : modélisation et paramètre pour un mécanisme de glissement simple ­ Source : Sétra avec W, poids de la masse rocheuse (en situation d'absenced'eau). Lecoefficientglobaldesécuritéauglissementadonc pour expression, S étant l'aire de la discontinuité concernée: delasécurité)detraiterunproblèmedestabilitéde dièdres. Casparticulier:alternancedeformationsrocheuses etmeubles. Dans l'exemple de la figure 5.31, la stabilité au glissementd'ensembledelafondationsuperficielleest considéréecommeassuréedanslamesureoù: · sur un plan oblique émergeant à la base du talus, la résistance au cisaillement est très élevée, puisque ce plan traverse la matrice rocheuse sur une grande longueur, · unesurfacederuptureenescalier,obliquedansles couchesmeublesetempruntantlesdiaclasesverticales descouléesbasaltiques,etquioffriraitunerésistance bienmoindre,nedébouchepasàl'airlibre. Lescaslesplusdéfavorablessontceuxpourlesquels > /2 (c'est-à-dire lorsque la force Q est inclinée versl'aval)etl'effetdelachargeQestalorsengénéral déstabilisateur(danslescascourants,Qestcependant relativementpetitparrapportàW).Ilestrecommandé d'effectuer une étude paramétrique pour évaluer l'influencerespectivedescaractéristiquesgéométriques et mécaniques, et de la nappe le cas échéant. On cherchera à obtenir F = 1,5 sous sollicitations non pondérées (Els) en tenant compte s'il y a lieu d'ancrages par exemple. Rappelons toutefois qu'en casdeprésenced'ancrages,ilestconseilléd'avoirde plusF>1soussollicitationspondérées(combinaisons d'actions de type Elu), sans tenir compte de la présencedesancrages.(cf.§5.5.1). Siunepressiond'eaudansladiscontinuitédoitêtre priseencompte,sarésultantedoitêtredéduitedela composantenormaledupoidsW.cos. L'encart page 79 présente un cas d'une fondation dont l'assise n'est pas directement menacée par les instabilités,maisquipourraitàtermeêtredéchaussée par régression de la paroi rocheuse proche. On remarquera qu'un calcul de glissement plan 2D a été effectué, manière simplifiée (et située du côté 8à10m Basalte Scories Basalte Scories Basalte Scories 35° Figure 5.31 : alternance de formations rocheuses et meubles Source : B. Gaudin (Egis) 78 Fondations au rocher Fondation des culées du pont de Crozat (Savoie) en bordure d'escarpements rocheux · Reconnaissance: - levégéostructural:quatrefamillesdediscontinuités (schistositéS,F1,F2,F3). - quinze sondages destructifs (réalisés en deux phases) avec enregistrement de paramètres, à partirdelaplate-formeactuelle:ilsfournissent laprofondeurdurochersainetdoncduniveau defondation. · CuléecôtéBonneval: - mécanismespossibles(figure1): - dièdres F2/F3 : glissement sur les deux plans àlafois, - dièdresS/F2:glissementsurF2. C'estlepremiermécanismequiestleplusdéfavorable. L'arêtecommuneàF2/F3aunpendageavalde55°. Lafigure2(profiln°1)montrequeladéstabilisation n'atteintpaslabasedelafondation,maispourrait venirladégarnirlatéralement. Un confortement par ancrages passifs est donc nécessaire. Le calcul est fait en 2D, sur un plan plongeantà55°,avecunangledefrottementestimé de35°,etuncoefficientdesécuritérecherchédansle casprésentde1,2.17ancragesØ40mmscellésau mortierdeciment,de4,5à6mdelongueur,sont répartissurquatreprofilsverticaux. · CuléecôtéCelliers: - mécanismes possibles (figure 1) : dièdres S/F1, avecglissementsurlesdeuxplansàlafois; - l'arête commune à S/F1 a un pendage aval de 53°. La figure 3 (profil n° 7) montre que la déstabilisationpeutatteindreleborddelabase delafondation,etmettrealorscelle-cienléger surplomb; - une confortement par ancrages passifs est donc nécessaire. Le calcul est fait avec les mêmes hypothèses que précédemment. Onze ancrages Ø40mmscellésaumortierdeciment,de4,5à 6,5mdelongueur,sontrépartissurdeuxprofils verticaux. Nord Falaisecôté Bonneval F3 F2 O S F1 Falaisecôté Celliers Sud Hémisphèresupérieur Figure 1 : diagramme de Wülff ­ Source : Cete de Lyon 1011,1 Éboulis Rocher fracturé Ancrages passifs 5,5 m 1003,3 Niveaudefondation 5 m 4,5 m 55° Profil n°1 Figure 2 ­ Source : Cete de Lyon 10m Niveaudefondation 6,5 6 m Ancrages passifs m 6 m 5 m 4,5 m 53° Figure 3 ­ Source : Cete de Lyon Profil n°7 Dimensionnement 79 5.5.4 - Mécanisme à deux blocs (D) Ce cas peut être considéré comme simple dans des situationsassezparticulières(pasdecohésion,absence d'eau,configurationgéométriquesimple...),maisen règlegénérale,ilrelèvedescascomplexes,d'autantplus queceproblèmeestrarementbi-dimensionnel. Onconsidèrelafondationsuperficiellereprésentéesur lafigure5.32,soumiseàuneffortverticalQv,située enbordured'unepentefaible(angle). Troisdiscontinuitésdécoupentunbloc«moteur»1 etunbloc«résistant»2:lemécanismederupture consisteenunglissementdubloc1surladiscontinuité 1àpendageaval1,lequelbloc«pousse»lebloc2qui glissesurladiscontinuité2(pendage2).Onnotera queladiscontinuité1nedébouchepasdansletalus, etn'estdoncpassusceptibledecréeràelleseuleun mécanismed'instabilité. L'écriture de l'équilibre des deux blocs (nullité de la résultante des forces) permet de déterminer sans difficultélachargelimite. Pour simplifier, on suppose dans l'exemple ci-après queladiscontinuitémédianeestverticale.Lesangles defrottementsont1pourladiscontinuitéoblique du bloc 1, 2 pour celle du bloc 2, et 12 pour la discontinuitéentrelesdeuxblocs;lescohésionssont négligéesici. Ona,siestlepoidsvolumiquedurocheretpour un mètre linéaire de fondation (Wi est le poids du bloci): Onécritl'équilibrelimitedechaquebloc,soitquatre équations(onnégligel'équilibredesmoments).Lessix composantesdesréactionsinconnuesvérifientenoutre lesconditionsdeCoulombsurlestroisdiscontinuités. La charge limite Q u par unité de longueur de la fondationestalorsdonnéeparl'expression: La figure 5.33 représente, dans cet exemple, pour 1=45°et1=2=12==25°,cettechargelimite rendueadimensionnelle: Dans le cas du terrain horizontal ( =0° voir notations),onobservequelacharge-limiteatteintun minimumpour2voisinde15à20°:si2estplus faible,leblocrésistantdevienttrèsgrand;si2estplus élevé,l'éjectionverslehautdubloc2devientdifficile (ilyad'ailleursunangle2maximum,au-delàduquel laruptureestimpossible). Notons enfin que, pour des valeurs d'angle de frottement courantes (30° à 35° par exemple), la charge verticale limite est très élevée, de telle sorte quecemécanismenepeutserencontrerenpratique quepourdesouvragesd'artexceptionnelsinduisant desdescentesdechargestrèsélevées.Celapeutneplus êtrelecas,naturellement,lorsquelapentedevient significative, avec 2 faible (voire négatif ), ou si la charge exercée par la fondation a une composante horizontalesignificativeversl'aval. Z* 90 70 50 30 10 0 =45° =5° =10° Qv 1 h W1 W2 2 1=45° 0 10 20 30 40 Angle2endegrés Figure 5.32 : modélisation et paramètre pour un mécanisme à deux blocs ­ Source : J.L. Durville Figure 5.33 : évolution de la charge limite adimensionnelle avec en fonction de 2 ­ Source : J.L. Durville 80 Fondations au rocher Le mécanisme à deux blocs du type précédent peut bienentendusedévelopperavecdesgéométriesvariées (figure 5.34) : le dimensionnement et la sécurité (cf.chapitre5.5.1)setraitentdelamêmefaçonque précédemment. 5.6 - Étude d'une fondation dans les cas discontinus complexes Commeilaétéditplushaut,dansceGuideiln'est pastraitéexplicitementdesfondationssurdesmassifs rocheuxqualifiésde«discontinuscomplexes»dansla mesureoùleproblèmedoitêtretraitéaucasparcas, le recours à un mécanicien des roches expérimenté est (étant par ailleurs) alors indispensable. En effet, danscescontextes,lagrandediversitédessituations géologiques et des conditions géotechniques des massifs rocheux ainsi que la spécificité de chaque ouvrage interdisent d'établir une grille exhaustive decastypesàlaquelleilseraitpossibledeseréférer. C'est pourquoi, après quelques considérations générales, seuls quelques exemples sont présentés à titreindicatif. 5.5.5 - Mécanisme de glissement de dièdre La stabilité d'un dièdre limité par deux plans de discontinuités et soumis à la charge extérieure apportée par une fondation s'étudie en deux temps (figure5.35): · analyse cinématique, permettant de déterminer le mécanisme d'instabilité pertinent: glissement sur une seule face, avec décollement de l'autre face, ou glissementsurlesdeuxfacesàlafois,parallèlementà l'arêtecommune; · analysemécaniqueselonlemodederuptureretenu, compte tenu de la résistance au cisaillement des discontinuités. Danslecasdumécanismedeglissementsurlesdeux faces à la fois, ayant pour cohésions respectivement c1etc2,etpouranglesdefrottementrespectivement 1et2,lachargelimiteverticaletotaleQuestdu typesuivant: 5.6.1 - Généralités Actions Commedanslecasduparagraphe5.5,lesjustifications desfondationssontconduitesselonlesprincipesde calculsauxétats-limites(ElsetElu). Les observations formulées pour l'approche par homogénéisation sont également applicables à la modélisation par un milieu discontinu à blocs. Toutefoisdanscecas,l'extensiondelazoned'influence delafondationetdeséventuelsouvragesgéotechniques quiluisontassociés(notammentdestalusdedéblai pour les appuis sur pente) peut être beaucoup plus Q avec: · :poidsvolumiquedurocher · H:dimensioncaractéristiquedutalus Z H Figure 5.35 : mécanisme de glissement dièdre ­ Source : J.L. Durville Figure 5.34 ­ Source : J.L. Durville Dimensionnement 81 importantequedanslecasd'unmilieucontinu,du fait du rôle dominant de la structure du massif, de l'influence de la topographie et de leur disposition relative. Évaluation de la sécurité - Analyse de sensibilité En raison du rôle déterminant des systèmes de discontinuités dans les mécanismes de rupture, la vérification de la stabilité de la fondation rocheuse s'appuiesuruneanalysedesensibilitédel'étatlimite aux variations de leurs paramètres géométriques et mécaniques(cf.§5.5.1).Cetteétudeparamétriquedoit êtreeffectuéepourlessituationslesplusdéfavorables, etinclutpourchaqueconfigurationdesmodèlesune variationdeleursparamètresgéométriquesprincipaux (par exemple, les angles définissant les orientations sontprisencompteavecunevariationde±5°). Ilestgénéralementpossiblededissocier,souscertaines réserves, l'analyse de sensibilité des paramètres mécaniques de celle de l'influence des paramètres géométriquesenprocédantendeuxétapes: · étudeparamétriquegéométriqueenconsidérantdes valeurs de référence constantes des caractéristiques mécaniques(enprincipelesvaleurscaractéristiques), permettantdedétermineruneouplusieursgéométries deréférence; · étudeparamétriquemécaniquepourlesgéométries deréférenceprécédemmentdéterminées,conduisantà l'analysedesensibilitéauxvaleursdescaractéristiques mécaniques. Cesméthodespermettentdoncdeconstruireunmodèle demassifrocheuxcomprenantungrandnombrede discontinuités. Même si des outils numériques 3D existent,lesseulsquisoientcourammentutiliséssont 2D,cequiposetoujoursunproblèmeenmécanique desroches,dufaitducaractèretrèsgénéralementtridimensionnelduréseaudesdiscontinuités. Méthodes analytiques Danscertainscas,unemodélisationadaptéepermet d'effectuer une étude analytique. Ce type de modélisation peut s'avérer très utile notamment lorsquel'étudeimpliqueunevariationdesparamètres géométriquesdumodèle.Ilestrecommandéd'ailleurs, même lorsqu'un logiciel d'éléments distincts est employé, de vérifier les ordres de grandeur obtenus surunmodèleanalytique,mêmetrèssimplifié. 5.6.3 - Exemples Exemple de calcul analytique : effort-limite de renversement d'un puits de fondation On suppose le massif stratifié horizontalement et traversé par des diaclases verticales. Le problème poséestceluidelastabilitéd'unpuitsdefondation sous l'effet d'un effort horizontal appliqué en tête (figure5.36).OncherchelavaleurlimiteTudelaforce horizontaleappliquéeentêtedepuitsetdirigéevers l'extérieurdutalus. 5.6. - Méthodes de calcul Méthodes numériques Ilexisteuncertainnombredeméthodesnumériques dites par «éléments distincts» qui modélisent le massif rocheux par un ensemble de blocs, rigides ou déformables, séparés par des joints déformables (compression,séparation,glissement).Cesméthodes ontétédéveloppéesspécifiquementpourlamécanique desmassifsrocheuxdiscontinus.Deslogicielsdecalcul fondéssurcetypedeméthodessontdisponiblessur lemarché. Lesdonnéesd'entréedetelscalculssontdonc: · lagéométriedesdiscontinuités,fixéeaudéparten cesensquecelles-cinesepropagentpasdanslaroche (pasde«mécaniquedelarupture»incorporée); · lescaractéristiquesmécaniquesdesblocs,engénéral infinimentrigidesouélastiquesisotropes; · les caractéristiques mécaniques des joints, le plus souvent de type élasto-plastique parfait en mode tangentiel, et linéaire avec décollement possible en modenormal. T Figure 5.36 : modélisation de l'exemple ­ Source : J.L. Durville · Casdutalusvertical Onsupposeque,sousl'effetdelaforceT,lepuitssubit unerotationautourdesabase,enfaisantglisserles unessurlesautreslesncouchesd'épaisseure,séparées pardesjointsd'angledefrottement.Lesglissements seproduisentsurdessurfacestriangulaires,d'aireA, limitéespardeuxdiaclasesverticales.Enécrivantque letravailvirtueldeTdansunerotationdupieu,est 8 Fondations au rocher égalautravaildesforcesdefrottement,onobtient: où P est le poids du prisme Pourn>5,avecuneapproximationquinousplacedu côtédelasécurité,nouspouvonsécrire: rocheuxsollicité - pour un cas courant où n > 5, on prendra l'approximationsécuritaire: soitlamoitiédelavaleurquel'onobtiendraitsil'on supposaitsimplementqueleprismerocheuxglissait enmassesursabase. · Cas2Davectalusoblique O n s u p p o s e q u e d e u x d i a c l a s e s v e r t i c a l e s , perpendiculaires au talus, et une diaclase verticale arrièredélimitentuneportiondemassifdelargeurl, susceptibledeglissersousl'effetdelaforceT.Comme précédemment,lebasculementdupuitsdefondation entraînedesglissementsdescoucheslesunessurles autres;onnégligelefrottementlatéralsurlesdiaclases verticales. Commeprécédemment,l'applicationduprincipedes travauxvirtuelsausystème(pieu+prismerocheux), donne,si,L0estlalongueur(surlavueencoupe)de couche supérieure mobilisable et e l'épaisseur des couches. Parexemple,pouruntalusvertical,avecL0=Ln,on retrouvelaformuleduparagrapheprécédent: où P est le poids du prisme rocheux sollicité. Exemple de calcul de tassement Lesappuisdesbéquillesdudoublementduviaducde l'AnteàFalaiseontnécessitél'évaluationdutassement dansunmassifrocheuxdontlecomportementestnon linéaireethétérogène. Les fondations des béquilles du viaduc se situent dans la formation des «grès armoricains»; il s'agit de quartzites très fracturés, présentant localement desdiscontinuitésouvertes.Cettefracturationaété observée à l'affleurement au voisinage immédiat du T siteetdanslesfouillesréaliséespourlesquatreappuis desbéquilles;elleestaussimiseenévidenceparles l faibles vitesses des diagraphies sismiques, par les essaisdilatométriquesetparlesdiagraphiesdevitesse d'avancementdesforages. T Lo T l h 1 2 k n Ln Figure 5.37 : vue de dessus ­ Source : J.L. Durville Figure 5.38 : vue en coupe ­ Source : J.L. Durville Lk T Lo 1 2 h k n Ln Lk Dimensionnement 83 Le comportement que l'on peut attendre du massif rocheux est donc un comportement non linéaire, avec une importante phase de serrage en début de chargement. Compte tenu du type de structure (pontàbéquille),conduisantàunchargementquasiinstantanédesfondations,ilimportedevérifierque les tassements restent admissibles, c'est-à-dire ici inférieursà10mm. Laméthodeutiliséereposesurunehomogénéisation dumassifdontlecomportementestsupposéélastique non-linéaire. Les principales hypothèses sont les suivantes: - c h a r g e m e n t p e r p e n d i c u l a i r e a u t e r r a i n N=24,2MN(inclinaisonde45°), - interfacebéton/rocherassimilableàunrectangle 5x4=20m², - diffusiondescontraintessuivantuncôneà35°sur l'axedechargement, - le tassement s'effectue dans un pseudo-tronc de cônede10mdehauteur(cf.figure5.39et5.40). · Approximationdecontraintesuniaxiales Contraintesouslasemelle:=1,21MPa Contrainte à la base du cône de diffusion : =0,08MPa · Comportement non linéaire du massif rocheux: E()=Eo+K · Considérons une tranche de terrain située à la profondeur z, donc soumise initialement à une contrainte axiale que nous supposons égale à o = z ( poids spécifique du terrain: 24 kN/m 3). Elle est soumise après chargement à la contrainte (z)=o+(z).Ladéformationdecettetranchede terrain,souslasurcharge(z),estdonnéepar: 5m A A 5m 4m 4m 7m 7m A' A' Figure 5.39 : vue de dessus du rectangle d'appui en surface et de la zone d'influence à 10 m de profondeur ­ Source : J.L. Durville z z 35° 35° r(z) r(z) Figure 5.40 : coupe AA' ­ Source : J.L. Durville N(MN) Le tassement total est obtenu en sommant les tassements élémentaires sur toute la hauteur du cône: 25 20 15 La courbe reliant l'effort normal N appliqué et le tassementwestdonnéeci-dessouspourchacundes appuis(casduviaducouest): - appuinord:Eo=30MPaetK=80MPa/MPa - appuisud:Eo=100MPaetK=180MPa/MPa Les tassements estimés sous la charge de 24,2 MN sontlessuivants(figure5.41): - pourl'appuinord:w=62mm - pourl'appuisud:w=22mm L'exigencedetassementinférieurà10mmaconduità proposerd'augmenterlaraideurdumassifàl'aidede barresd'acierscelléesdansdesforages(cf.figure4.19 del'exemple§4.4.4). 10 5 0 Côténord Côtésud 0 20 40 60 80 w(mm) Figure 5.41 : courbes effort/tassement pour les appuis nord et sud (massif rocheux non renforcé) ­ Source : J.L. Durville 84 Fondations au rocher Exemple de modélisation numérique par la méthode des éléments distincts Dansl'exemplesuivant,analogueàceluiduparagraphe 5.6.3«Exempledecalculanalytique:effort-limitede renversementd'unpuitsdefondation»,lafondation delapileP9duviaducdeRogervilleestétudiéeen2D parlaméthodedesélémentsdistincts(codeUdec). Le puits marocain est creusé dans la craie stratifiée horizontalementettraverséedenombreusesdiaclases quasi-verticales ; il est profond de 10 m, pour un diamètrede5m. Le massif rocheux est représenté par un assemblage de blocs déformables de comportement élastique (E=3GPa).Lesdiaclasesontdespendagesvariant légèrementetaléatoirementautourdelaverticale. Lesjointsrocheuxontpourcaractéristiques: - raideurnormale:1MPa/mm, - raideurtangentielle:0,5MPa/mm, - frottement:25°, - cohésionnulle. L'interface rocher/béton est plus frottant (40°) et possèdeunedilatanceinitialede7°. La pile est d'abord chargée verticalement (effort N3D =32,9 MN), ensuite l'effort horizontalT3D est appliqué progressivement sur la pile, à une hauteur de20mau-dessusdusol. Pour un puits de section circulaire, il n'y a pas de solution très satisfaisante pour déterminer le coefficientdepassage3D/2D,lecalcul2Détantfait en déformation plane, sur une tranche de 1 m de large. Concernant l'effort vertical, on peut faire en sortequelacontrainteàlabasesoitidentiquedans lesdeuxcas,cequidonneuneffortdecalculentre1/4 et1/7deN3D,suivantl'importancequel'ondonne auxréactionslatérales.Quantàl'efforthorizontalde calcul,ilpeutêtrepriségalà1/5deT3D,lediamètre dupuitsétantde5m. Lafigure5.42présentel'alluredeladéforméepour T=1,2MN;lestraitsgrasreprésententlesparties dejointsenglissement. L'intérêt du modèle numérique est d'une part de fournir une courbe effort/déplacement et d'autre part de permettre aisément une étude de sensibilité en fonction de différents paramètres : angle de frottement des discontinuités (figure 5.43), raideur des joints, ouverture initiale des diaclases (cette questionétaitimportanteàRogerville,comptetenu delaconstatationdel'ouvertureobservéedecertaines diaclases). Figure 5.42 : pile P9 du viaduc de Rogerville. Étude de la déformation du massif sous l'effet d'un chargement incliné en tête de pile Source : J.L. Durville T(MN) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 =25° =39° 2 1 20 40 60 80 100 X(mm) Figure 5.43 : pile P9 du viaduc de Rogerville. Courbes effort / déplacement pour deux valeurs de l'angle de frottement des discontinuités. Les raideurs initiales sont très voisines, de même que les déplacements à la rupture (50 mm environ). Les efforts ultimes sont de 2,4 et 1,2 MN ­ Source : J.L. Durville Dimensionnement 85 86 Fondations au rocher Chapitre 6 Suivi géologique et instrumentation 87 6.1 - Suivi des terrassements par un géologue 6.1.1 - Principes Buts du suivi géologique Leséchantillonssoumisàessaisaulaboratoiresontde dimensionsdécimétriques.Danslecasdesessaisen place,lesvolumesauscultésnedépassentguère1m3. Les propriétés du massif rocheux sont estimées lors des études à partir de ces essais et sur la base d'un modèlegéologique.L'effetd'échelledûàlastructure dumassifrocheuxrendindispensable,lorsdestravaux des terrassements des fondations, la vérification du modèlegéologique. Le suivi géologique des terrassements d'un appui d'ouvrageestabsolumentnécessaire.Ildoitpermettre de confirmer les données géologiques retenues lors des études, de vérifier si les conditions trouvées correspondent aux hypothèses faites, c'est-à-dire au modèle géologique et le cas échéant, de proposer des mesures correctives qui peuvent être définies soit empiriquement au vu des fouilles (purge d'une zone argilisée ou approfondissement de la fouille parexemple),soitparnouveaucalculparleBureau d'études. Lespointssuivantsdoiventêtreconsidérés: · portance,chargelimite, · déformabilité,tassements, · stabilitédel'appui(ouvragesurpente), · stabilité des talus créés autour de l'appui (le cas échéant). Les rapports et relevés du Géologue doivent être conservés dans le dossier final constitutif de l'ouvrage. · zonesd'altérationavecleurlocalisation, · identificationetlocalisationdesaccidentsgéologiques éventuels(zonesdefaillesnotamment), · discontinuités = description géométrique et morphologique précise et complète des systèmes de fracturation,selonlesRecommandationsdel'Aftes(1) (Caractérisationdesmassifsrocheuxutileàl'étudeet àlaréalisationdesouvragessouterrains­2002): - relevés géométriques en azimut et pendage des principalesdiscontinuités, - espacement moyen entre discontinuités d'une mêmefamille, - distancesentrelesépontes(ouvertures), - descriptionduremplissageentrelesépontes, - étendueoupersistancedesdiscontinuités, - morphologiedesépontes, - venuesd'eau. Ces éléments sont à comparer aux données du projet et notamment aux sondages. En cas d'écart, des vérifications peuvent être à entreprendre pour confirmerlesnouvellesdonnées. Legéologueconsigneparécritsesobservations(avec schémasetphotographies)etsonrapportestconservé dansledossierd'ouvrage. Chargés d'affaire Cesuividoitêtreeffectuéparungéologueexpérimenté ayantunecompétencedansledomainedelamécanique desrochesetdelagéologiedel'ingénieur. Organisation L'examen peut être réalisé en une fois et en fond de fouille notamment dans le cas de fondations superficielles.LacoteNgfd'assisedoitêtreconnue etl'ensembleobservédoitêtreparfaitementdégagéde matériauxencoursdeterrassementetcomplètement nettoyé. Ceci est impératif. En aucun cas, il ne faut se contenter de témoignages divers relatant des observations directes ou indirectes sur des secteursmasqués.Sinécessaire,ilfautdemanderun complémentdenettoyageetprévoirunenouvellevisite (cf.figures6.1et6.2). Une attention particulière est à porter sur les discontinuitéscolmatéespardesproduitsfinsassociés àdesvenuesd'eau(cf.figures6.3). Danslecasdefondationsprofondes,plusieursvisites sont à envisager en fonction de l'avancement des travauxdecreusement. L'utilisationdesexplosifsdoitaussiêtremaîtrisée.Le butestdeconstruireuneassiserocheusestableetde limiteraumaximumtousleseffetsarrièreliésauxtirs. (1) Voir référence Méthode Le suivi géologique est basé sur l'observation des talus,paroisetfondsdefouille.Saufcasparticuliers (ex. préciser les limites d'extension d'une cavité, localisationprécised'unefaille),iln'estpasfaitappel auxsondagesmécaniques,géophysiquesetauxessais delaboratoireouinsitu(notammentàcausedesdélais deréponse),maisilpeutêtreutiledefaireprocéderà desfouillescomplémentairesàlapellehydraulique. Les observations doivent porter sur les principaux aspectssuivants: · naturelithologiquedesmatériaux,étatd'altération d'ensemble, · cavitéséventuelles, 88 Fondations au rocher Ceci implique un suivi particulier du minage (avis surplansdetir,instrumentationavecenregistrement des vibrations). Il peut être préférable de terminer les terrassements et de régler l'assise au brise-roche hydraulique. 6.1. - Cas des fondations superficielles Lesparamètresàconsidérerenprioritésurunefouille terrassée à la cote prévue au projet sont la capacité portante,lastabilitéetladéformabilité. Capacité portante Larésistancedelamatricerocheuseestappréciéesur le fond de la fouille, parfaitement nettoyé, à partir d'observations visuelles et aussi de sollicitations au pic(marteaudegéologue). Ilfaudratenircomptedel'étatd'altérationet/oude la compacité globale et aussi de l'homogénéité. En casd'insuffisancesnettesunapprofondissementd'une partiedelafouillepourraêtreenvisagé(inversement, ilestinutilederemplacerdubonrocherpardubéton parfoismédiocre). Si un doute subsiste un sondage peut être exécuté avecunepellehydrauliquetoujoursdisponiblesurce typedechantier. Les venues d'eau sont aussi à noter et à traiter par drainage si nécessaire, en cas de débits significatifs (plusieursl/mnparexemple). Figure 6.2 (a) et (b) : contournement de Brive-la-Gaillarde (Corrèze) - Vue générale du versant Ouest avec les fouilles des appuis C0 et P1(a) et terrassement pour la semelle de l'appui C0 du viaduc de Cluzan(b) Source : Lrpc de Clermont-Ferrand Figure 6.1 : terrassement d'une fouille pour un appui sur semelle. Un complément de nettoyage a été nécessaire avant réception de l'assise Source : Lrpc de Clermont-Ferrand Figure 6.3 : pont du Pertuiset (appuis rive droite) sur la retenue de Grangent à Unieux (Loire) ­ Source : Lrpc de Lyon Suivi géologique et instrumentation 89 Stabilité L'appréciationdelastabilitédanslecasd'unappuisur versantnécessitel'étudedelafracturationdumassif. Sur le fond de la fouille et son pourtour un relevé géométrique des discontinuités qui affectent le rocher devra être fait pour compléter les données obtenues lors de l'étude du projet. Une analyse de stabilité et des mécanismes de rupture permettra alorsdeconclure.Dèsquelesconditionsdestabilité sontgéométriquementdouteuses,ilfautenvisagerle traitementdurochercequipeutimpliquerlamiseen oeuvredemoyenstelsque:ancrages,bétonprojeté, contreforts,drainssubhorizontaux,... Unapprofondissementdelafouillepourraaussiêtre proposé(cf.figure6.4). Axe P z=333,1 P 1 m 4 ° m Profildécaléde 3mcotéNord P 6.1.3 - Cas des fondations profondes Outrelacapacitéportante,etlastabilité,ilfaudraaussi pour ce cas de fondation être plus particulièrement attentif à la déformabilité du massif rocheux. Les relevés seront à faire en plusieurs étapes au fur et à mesuredelaprogressiondesfouilles. Àchaqueétapeilfaudraétablirunrelevédétailléde laparoi(développédelaparoisur360°sousforme de croquis et de photographies) avec les éléments suivants(cf.figure6.5): · lithologie,altérationdesfaciès, · fracturation: - géométrie, - espacement, · caractéristiquesdesdiscontinuités, Figure 6.4 : après débroussaillage et décapage de la zone, un risque de basculement de tête de panneau rocheux pouvant solliciter le bord aval de l'appuis C0 a été mis en évidence; notamment par l'aspect morphologique local de la pente. Dans ce cas, il a été proposée un approfondissement de l'appuis de 2 m de profondeur (ouvrage de franchissement de la Creuse près de Guéret) Source : Lrpc de Clermont-Ferrand · cavitéséventuelles, · venuesd'eau. OnpourrautiliserlaformuleempiriqueduRockMass Rating(Rmr)deBieniawski. À partir de ce Rmr une estimation du module de déformationéquivalentdumassifrocheuxestpossible (cf.figure6.6).Différentesformulesontétéproposées (cf.§5.3.1,«Estimationempiriquedeladéformabilité dumassif»). Filondequartz (20cm) Axe N Gneiss Diaclase Diaclase 4m Graniteclair grainmoyen peufracturé Granite trèsfracturé Faille Zone+ou-broyée etargilifiée(20-30cm) Azimut32à47° Pendage68à78° versleNord Gneissgrismassif peufracturé,sain Faille Gneiss Graniteclair trèsfracturé Graniteclair,grainmoyen, peufracturé Enduitmarronsurgrandesdiaclases Est-Ouest 10cmdematériaux argilifiés Venuesd'eau1-21mm Figure 6.5 : relevé de la paroi d'un puits marocain pour le viaduc de la Truyère sur l'autoroute A75 en développé de la paroi cylindrique (hauteur = 4 m) ­ Source : Lrpc de Clermont-Ferrand 90 Fondations au rocher Estimation du module du massif : Ilfautdistinguerdeuxzones: · la zone non affectée par les discontinuités à remplissage argileux (2/3 de la paroi côté Nord et Est); · la zone affectée par les discontinuités argileuses (1/3côtéOuest). Zone affectée Rmr=17 Emassif=1495MPaarrondià1500MPa Zone non affectée Rmr=35 Emassif=4216MPaarrondià4200MPa Lignon ectée par ne aff Zo ntinuités argileu le ses co dis Zo e ne n on alaffecté N Figure 6.6 : détermination du Rmr pour un puits marocain de l'ouvrage de franchissement du Lignon par la RN88 (Haute-Loire) - Appui P3, ouvrage amont.(vue en plan du fond de fouille) ­ Source : Lrpc de Clermont-Ferrand Figure 6.7 : synthèse du relevé géologique d'un puits de la pile P4 ­ Source : autoroute A75 viaduc de Millau. Relevé d'un puits de la fondation de la pile P4 d'après F. Schlosser et al. (Géoline 2005). Lafigure6.7présenteunrelevégéologiquelorsdel'excavationd'unpuitsdelafondationdelapileP4duviaduc deMillau.Onaconstatéquedanscettezonedefailles,lescalcairesduCarixienétaientcomplètementdisloqués etcomportaientdenombreuxkarsts.Ceciaconduitàremplacerpardubétonlazonedekarstremplid'argile. Suivi géologique et instrumentation 91 Làencore,sinécessairedessondagescomplémentaires peuvent être exécutés notamment pour les puits marocains de grand diamètre. Ceci a été fait pour leviaducduLignon(RN88)pourlequeldanslecas d'unappui,l'extensionversl'intérieurdumassifd'une zonebroyéeargiliséeaétérecherchée(cf.figures6.6 et6.8). Le traitement et le renforcement du massif en cas d'anomaliespourrontêtrebaséssurdesancragesdans les parois, des purges, un approfondissement de la fouille mais aussi par la prise en compte des pertes de module du rocher dans le dimensionnement des armatures. 6. - Suivi instrumental de l'ouvrage pendant les travaux et en service ­ Exemples Danslecasd'ouvragesexceptionnels,oudanslecas de grands ouvrages en site difficile (en pente, avec rochesaltéréesoufracturées,etc.),ilestrecommandé d'effectuer un suivi des tassements de la fondation pendantlestravauxetpendantlespremièresannées d'exploitation. Pendant la phase de chantier, les mesures obtenues peuvent conduire à réaliser des renforcementsdurocherparexemple(cf.laméthode observationnelle). Dans certains cas, un suivi instrumentalaprèsmiseenserviceestindispensable: cela sera souvent le cas par exemple pour une fondationsurpenteavecformationinstableensurface (cf.chapitre4.2.2). L'instrumentationpeutcomprendredesmesures: · sur la semelle ou la base des piles : tassement ou rotation ; ce sont les mesures les plus couramment pratiquées, · danslespuitsbétonnés:extensométrie, · dans le terrain, à la périphérie de la fondation ou souscelle-ci:inclinométrie,extensométrie,jaugesde déformationsurdesbarresderenforcement,etc. Compte tenu de la précision recherchée ­ quelques millimètres en tassement ­ un grand soin doit être apporté aux mesures, notamment dans les sites où lespointsfixessontdifficilesàtrouveràproximité: versant en mouvement lent, pile en rivière, par exemple. 1 2 462 Puitsmarocain P3 Arèneset granitealteré Granitefracturéavec quelquespassagesargilisés Granitegrisclair saincompact Fonddepuits au13/01/92 453 Fonddepuits au20/01/92 6..1 - Cas du pont sur l'Elorn La figure 6.9 présente les mesures de tassement effectuées,pendantprèsdetroisans,parnivellementen quatrepointsdelabasedelapileP3dunouveaupontsur l'Elorn.Cettepileestfondéesurunesemellecirculaire de 16 m de diamètre faiblement encastrée dans Figure 6.8 : vue en coupe de sondages destructifs complémentaires réalisés lors du creusement d'un puit marocain (RN88 viaduc de Lignon, appui P3, ouvrage amont) ­ Source : Lrpc de Clermont-Ferrand 9 Fondations au rocher des schistes très fracturés. On distingue la phase de construction avec augmentation progressive du tassement sous la charge croissante et une phase de légerfluageunefoisl'ouvrageterminé.Cesmesures, outreleurrôledesurveillanceducomportementdela fondation,ontpermisderecaleraposteriorilavaleur dumoduledurocher:unepremièrepériodeavecE autourde2GPaet,aprèsfermetureprogressivedes joints,unevaleurprochede10GPa;lorsdesétudes, il avait été proposé une fourchette de 8 à 20 GPa. L'instrumentation comprend aussi un extensomètre placé dans un forage vertical à côté de chacune des semellesdeP3etP4(mesureentrelasurfaceet24m de profondeur) ; ces extensomètres ont été suivis pendantneufans. TassementdeP3(mm) 1 0 -1 -2 -3 -4 0 5000 Nord Est 10000 15000 ChargeN(tonnes) Sud Ouest 6.. - Cas du viaduc de Millau DanslecasduviaducdeMillau,pendantlestravaux, l'instrumentationmiseenplacepourl'utilisationdela méthodeobservationnelleaconsistéprincipalementà équiperlesquatrecoinsdechaquesemelle(quiassure laliaisonentrelesquatrepuitsdefondation),despits permettantdesmesurestopographiquesdeprécision ainsi que des mesures par nivelles (en raison de la grandedimensiondessemelles,20sur30mpourles piles2et3,onnepeutpascomptersurl'homogénéité duterrain). Les mesures sont réalisées tous les mois pendant la constructionduviaduc.Deuxtypesdeseuilsontété définis: · un seuil de vigilance au-delà duquel les mesures doivent être rapprochées dans le temps afin de confirmerl'évolutiondesdéplacements; · unseuild'alertepourlamiseenoeuvrededispositions confortativespréalablementdéfinies(cf.tableau6.1). Ilaétédistinguéunseuilsurletassementmoyende lasemelleetunseuilsursarotation. En ce qui concerne le seuil de vigilance pour les rotationsdessemelles,ilaétéconvenudefixerune limitecorrespondantàundéplacementtrèssécuritaire pourlastructureauniveaudutablier. Figure 6.9 : tassement de la pile P3 du nouveau pont sur l'Elorn Source : Sétra Tassement s (mm) Seuil de vigilance Seuil d'alerte Source : Schlosser et al., 2005 Rotation 5.10-4rad Courbeprévisionnelle dubureaud'études Confirmationdudépassement duseuildevigilance Tableau 6.1 : définition des seuils de vigilance et d'alerte Suivi géologique et instrumentation 93 Le seuil d'alerte correspond à la confirmation du dépassement du seuil de vigilance sur une période de plusieurs mesures très rapprochées (1 à 2 mois). Aucoursdecettepériode,ilestprévudeprocéderà desreconnaissancesspécifiquesàl'emplacementdela fondationdelapileafind'identifierlephénomèneet d'adapteraumieuxlestravauxconfortatifs.Ceux-ci sontfonctiondel'anomalierencontrée:clouagelocal, micropieux,drainage,terrassement,butée,etc. Les figures 6.10 et 6.11 donnent pour les piles P2 (fondationdanslescalcaires)etP6(fondationdans lesmarnes)lacomparaisondesmesuresdetassement, enfonctiondutempsetdelamassedebéton,avec lesvaleursthéoriques.Onconstatequelestassements mesurés dans les calcaires présentent de brusques variationssuiviesdepaliers,alorsquelestassements mesurés dans les marnes sont plus continus. Il est probable que ce phénomène soit lié d'une part à la fracturation naturelle et importante des calcaires, d'autrepartàladéstructurationcrééeparl'excavation des puits à l'explosif. Par ailleurs, les pentes des courbes moyennes des tassements sont globalement inférieuresauseuildevigilance.Lesrotations,quant àellessontrestéestrèsfaiblesettoujourstrèsendeçà duseuildevigilance,cequiestunrésultatessentiel pourl'ouvrage. Figure 6.10 : comparaison entre les calculs et les observations : tassement total aux quatre angles de la semelle de la pile P2 du viaduc de Millau Source : Schlosser et al., 2005 Figure 6.11 : comparaison entre les calculs et les observations : tassement total aux quatre angles de la semelle de la pile P6 du viaduc de Millau Source : Schlosser et al., 2005 94 Fondations au rocher Annexes 95 1 - Listes des normes et procédures d'essais existantes pour les roches Miseàjourjanvier2008 Normes : Référence Afnor Date Titre Glossaire ­ Classification XPP94-402 04/02 Roches : Glossaire.Définitions-Notations-Symboles 15 24 NFENISO14689-1 Recherche et essais géotechniques:Dénomination,etclassificationdesroches. 09/04 Partie1­Dénominationetdescription (P94-401-1) Prélèvements de sols et de roches XPP94-202 12/95 Sols:ReconnaissanceetEssais-Prélèvement des sols et des roches- Méthodologieetprocédures. Essais de laboratoire sur les roches NFP94-066 NFP94-067 NFP94-410-1 NFP94-410-2 NFP94-410-3 NFP94-411 XPP94-412 NFP94-420 NFP94-422 NFP94-423 XPP94-424 NFP94-425 XPP94-429 NFP94-430-1 NFP94-430-2 12/92 12/92 05/01 Sols:ReconnaissanceetEssais­Coefficientdefragmentabilitédesmatériaux rocheux. Sols:ReconnaissanceetEssais­Coefficientdedégradabilitédesmatériaux rocheux. Roches:Essaispourdéterminerlespropriétésphysiquesdesroches. Partie1­Déterminationdelateneur en eau pondérale.Méthodeparétuvage. 7 7 6 7 11 7 7 7 7 9 12 15 9 7 7 42 Pages Roches:Essaispourdéterminerlespropriétésphysiquesdesroches. 05/01 Partie2­Déterminationdelamasse volumique­Méthodesgéométriqueset parimmersiondansl'eau. 05/01 04/02 Roches:Essaispourdéterminerlespropriétésphysiquesdesroches. Partie3­Déterminationdelaporosité. Roches:Déterminationdelavitesse de propagation des ondes ultrasonores ­Méthodepartransparence 04/01 Roches:Déterminationdel'indicederésistance à la pénétration par un foret. 12/00 Roches:Déterminationdelarésistanceàlacompression uniaxiale. 01/01 Roches:Déterminationdelarésistanceàlatraction­Méthodeindirecte ­Essai brésilien. Roches:Cisaillement direct selon une discontinuitéderoche.Essaisousun effortconstant,normalàlasurfacedediscontinuité 03/02 Roches:Déterminationdelarésistanceàlacompression triaxiale. 03/03 04/02 Roches:Déterminationdumodule de Young et du coefficient de Poisson 12/02 Roches:Résistancesouschargeponctuelle.Essai Franklin 10/00 10/00 Roches:Déterminationdupouvoir abrasifd'uneroche. Partie1­Essaiderayureavecunepointe Roches:Déterminationdupouvoir abrasifd'uneroche. Partie2­Essaiavecunoutilenrotation 96 Fondations au rocher Référence Afnor Date Titre Pages Essais en place sur les sols (naturels ou compactés) et les roches Sols:ReconnaissanceetEssais­Essai pressiométrique Ménard. Partie1­Essaisanscycle. 01/2000 NB:LanormeNFP94-110-1annuleetremplaceau1erjanvier2001la normeNFP94-110dejuillet1991.LaversiondelanormeNFP94-110-1en vigueurestnotée:2etirage2000-05.F(le2etirageportaitsurdescorrections éditoriales) 12/99 09/99 02/02 02/02 Sols:ReconnaissanceetEssais­Essai pressiométrique Ménard. Partie2­Essaiavecuncycle. Sols:ReconnaissanceetEssais-Diagraphie dans les sondages - Méthode de la sonde à neutrons. Roches:Déformabilité-Essai dilatométrique en forage. Partie1­Essai avec cycles Roches:Déformabilité-Essai dilatométrique en forage Partie2­Essai de fluage après le premier cycle Essais d'eau (en place) ­ Prélèvement d'eau - Piézomètres NFP94-130 NFP94-131 NFP94-132 NFP94-157-1 NFP94-157-2 04/00 Sols:ReconnaissanceetEssais-Essai de pompage. 09/94 Sols:ReconnaissanceetEssais-Essai d'eau Lugeon. 10/00 Sols:ReconnaissanceetEssais-Essai d'eau Lefranc. 03/96 03/96 Sols:ReconnaissanceetEssais-Mesures piézométriques Partie1­Tube ouvert. Sols:ReconnaissanceetEssais-Mesures piézométriques Partie2­Sonde de mesure de pression interstitielle. Essais d'éléments de structures XPP94-444 12/02 Roches:Essai statique d'arrachement,sousuneffortaxialdetraction,d'un ancragescellédansunmassifrocheux.Essaiparpaliers. 10 18 13 18 10 14 NFP94-110-1 42 XPP94-110-2 XPP94-123 XPP94-443-1 XPP94-443-2 9 11 16 7 Annexes 97  - Quelques spécifications particulières pour les sondages carottés dans le rocher 1 - Exécution des sondages carottés Ilexisteunenormepourlaréalisationdessondagescarottés:NFXP94-202,Sols­Prélèvementdessolsetdes roches:méthodologieetprocédures(décembre1995). Rappelonsenparticulierque: · lesondeurdoitnotertouslesincidentsdeforation,quidevrontensuiteêtrereportésdanslelogdusondage: pertesdefluidedeforation,arrivéesd'eau,chutesd'outil,etc.; · leprélèvementdoitsefaire,dansdurocherdebonnequalité,aucarottierdoubleenveloppe; · àl'issuedusondage,lescarottessontplacéesdansdescaissesdûmentrépertoriéesetentreposéesàl'abri(il seraitsouhaitablequeleforeurfasseclairementapparaîtrelescarottesquiontétévolontairementcasséespour leconditionnementdanslescaisses). Lecompte-rendudesondageétabliparlesondeurdoitcomporternotamment: · repéragedusondage:numérotation,implantation(coordonnéesx,y,zdelatêtedesondage), · encasdeforagenonvertical:inclinaisonetazimut, · datededébutetdefindusondage, · laoulesméthode(s)deforation(avecleursprofondeurs),lanaturedel'outilutilisé,l'indicationdufluidede forage, · lediamètredeforage, · lestubagesavecprofondeursetdiamètres, · lesparamètresdeforation,s'ilsontétéenregistrés, · unecoupedesondagesommaire, · lepourcentagederécupérationoutauxdecarottage, · leniveaud'eauenfindesondage. - Exploitation des sondages carottés Nousprésentonsci-dessousl'exploitationquel'onpeutfairedescarottes,sansévoquerl'exploitationdutrou deforage(caméra,diagraphie,etc.). .1 - Log de sondage Ilesteffectuéparungéologue,depréférenceaufaitdelagéologierégionale. Lacoupegéologiquedoitêtreeffectuéeleplustôtpossible,enparticulierdanslecasderochesévolutives(argilites, marnes,schistes,évaporites,etc.).Ellementionne: · la description détaillée des terrains rencontrés (nature, état, litage, fissuration, pendage, couleur, etc.); en particulier,insistersurladescriptiondesdiscontinuités; · lesformationsgéologiquesauxquellesserattachentlesterrains. . - Photographie des carottes Les carottes sont rangées dans les caisses prévues à cet effet, convenablement identifiées et repérées, puis photographiéesdanscetteposition.Ilestrecommandéd'effectueruneprisedevueverticaleencouleurs(mettre sipossibleenregardunechartedecouleurs). 98 Fondations au rocher .3 - Évaluation de la fracturation (voir Recommandations Aftes, 003) Mentionnonsdeuxindicesquipermettentdequantifierlafracturationdansunsondagecarotté(maisquiréduisent évidemmentl'informationparrapportàdesdonnéesstatistiquespluscomplètes). Rqd IntroduitauxÉtats-Unisen1963,lerockqualitydesignationestdéfinicommelepourcentagedelalongueur cumuléedesélémentsdecarottedelongueurunitairesupérieureà10cmparrapportàunelongueurdeforage de1m(lalongueurestmesuréeauniveaudel'axedescarottes). Il peut être intéressant d'évaluer aussi le Rqd sur des longueurs plus grandes, de façon glissante ou en correspondanceaveclesunitéslithologiquesidentifiéesparlegéologue. Id et Fd PréconiséenFranceparl'Aftes,l'intervalleentrediscontinuitésestdéfinicommelamoyennedesintervalles découpésparlesdiscontinuitéssuccessiveslelongdusondage.Soninverseestappeléfréquencedediscontinuités (Fd=1/Id). Cesindicessontcalculéssurdeslongueursfixes,defaçonglissante,ousurchaqueunitélithologiquedansson ensemble. Nota pour obtenir des valeurs représentatives, il faut veiller : - aux biais liés à l'orientation du sondage par rapport aux principales familles de discontinuités, - à la qualité du sondage : diamètre supérieur à 50 mm, voire à 80 mm dans les terrains difficiles ; taux de carottage supérieur à 90 %. Annexes 99 3 - Représentation en diagrammes stéréographiques : principe, exemple Lareprésentationsurunplandel'orientationdesdiscontinuitésdusiteconstitueunephaseessentielledela description des massifs rocheux. Elle s'effectue à l'aide de la projection stéréographique qui a l'avantage de conserverlesangles(figuresA3.1):lesélémentsstructurauxtelsqueladroiteDetleplanP,supposéspasserpar lecentreOdelasphère,coupentl'hémisphèresupérieurrespectivementsuivantunpointouunarcdegrand cercle,quel'onprojettesurleplanhorizontaldeprojection(lepointdestdonclaprojectiondeladroiteD). Unplanestdoncreprésentéparunarcdecercle(représentationcyclographique),maisonpeutaussitracerson pôlequiestlaprojectiondeladirectiondedroitenormaleauplan(représentationpolaire):figureA3.2.Le reportdesrelevésdeterrainpeutêtrefaitmanuellement,àl'aideducanevasdeWulffgraduéde2en2degrés, ouautomatiquementavecdeslogicielsappropriés. Les discontinuités repérées sur le terrain sont souvent regroupées en familles; on définit pour chacune une directiondeplanmoyenne. Pourl'étudestatistiquedesdirections,onutiliselareprésentationpolairedesplans,dansuneprojectionqui conservelesaires(figureA3.3a).SurlafigureA3.3bonareprésentéparprojectionstéréographiquelesplans moyensdetroisfamillesmajeuresidentifiéessurlafigureA3.3aainsiquelepland'untalus(directionN-S): l'analysedesintersectionsdecesplansentreeuxpermetdemettreenévidencelapossibilitéd'undièdrelimité parlesplans1et3. Figure A3.1 : principe de la projection stéréographique, à partir du pôle inférieur Figure A3.2 : projection stéréographique d'un plan (hémisphère supérieur) : représentation polaire et cyclographique Famille Å Famille Ç Famille É Direction 99,0 178,3 44,6 Pendage 67,1S 67,0W 52,6W Talus 16 42,0W Figure A3.3 : exemple de relevé structural : représentation polaire des plans repérés avec identification de trois familles principales et représentation cyclographique des plans moyens des trois familles ainsi que du plan d'un talus 100 Fondations au rocher 4 - Spécifications pour l'utilisation d'explosifs pour les travaux de terrassement de fouilles de fondations d'ouvrages d'art Les terrassements rocheux nécessaires pour réaliser les déblais des plates-formes de travail et les fouilles des fondations(semelles,massifsoupuits)nécessitentengénérall'utilisationdel'explosif. Onsetrouvedanslasituationapparemmentparadoxaleoùl'ondoitsimultanément: · détruirelacohésiondelamassederocheàterrasser; · construiredestalus,paroisetfondsdefouillesstablessansentraînerdedégradationsdespropriétésmécaniques delapartiedumassifrocheuxlaisséeenplace(minimisationdeseffetsarrièreliésautir). Dèslestadededéfinitionduprojet,lorsdeladéfinitiondesgéométriesdesfouilles,ilconviendrad'analyser les conditions d'exécution et les moyens techniques auxquels l'entrepreneur devra recourir pour réaliser ces terrassements. Pourl'essentiel,laréussiteencedomainepasseparlaconceptiondesplansdetirs,conceptionqui,audemeurant, faitappelàdesnotionsclassiques: · Plan de foration: - adaptationdesmaillesdeforationetdesprofondeursàlagéométriedelafouilleàréaliser; - choixd'undiamètredeforationcompatibleavecleschargesspécifiques,lesvolumesdemaillesetlahauteur debourrageindispensableentêtedeforage; - plandeforationspécifiquepourprédécoupageéventueloupostdécoupage; - soinparticulieràapporteràl'exécutiondesforages(implantation,inclinaison,profondeur,etc.). · Plan de chargement: - utilisationdesmoyenstechniquesetpyrotechniquesdisponiblespouréchelonnerdansletempslesdétonations desdifférentstrousdelavolée:détonateurspyrotechniquesélectriquesounonélectriques,exploseurséquentiel, détonateursélectroniques; - définitiondeséquencesd'amorçageoptimisantl'utilisationdessurfaceslibrespréexistantes(surfacelatéraleou surfacesupérieure)etleréseaudefracturationscrééparladétonationdechaquetrou,encherchantàlimiter aumaximumlafracturationaudelàdesparoisdelafouillepareffetsarrière; - séquencesd'amorçagespécifiquespourlestrousdedécoupagedestalusouparois; - adaptationéventuelledesplansdetirsenfonctiondesmesuresetanalysesdesvibrationsémisesdanslemassif (vitessesparticulaires)àproximitédelazonedeterrassements. Mêmesileposterelatifàl'utilisationdesexplosifsnereprésentequ'unepartminimedumontanttotalducoût deconstructiondel'ouvrage,desprescriptionsstrictesetsuffisammentdétailléesdoiventêtreimposéesdansles piècestechniquesdesDossiersdeConsultationsdesEntreprisesetdesmarchés,etêtreévidemmentappliquées lors des travaux, compte tenu des conséquences désastreuses qui peuvent découler d'un emploi des explosifs sansprécautions. Ilconvientd'êtreparticulièrementvigilantdanslecasdesous-traitancesduminageparl'entreprisetitulairedu marchédeconstructiondel'ouvrage,ens'assurantquelecontratdesous-traitanceénonceclairementetdefaçon exhaustivetouteslesprescriptionsfigurantdanslespiècesdumarchéprincipal. Desdifficultésnemanquerontpasdesurgirsilesous-traitantchargéduminageestinsuffisammentprévenude cescontraintes. Références bibliographiques sur l'utilisation des explosifs pour les travaux de terrassements LesTechniquesdel'IndustrieMinérale: Sociétédel'IndustrieMinérale­17,rueSaintSéverin­75005Paris­Tél.:0153101470 Tirs:ThéoriesettechnologieN°13(mars2002) Tirs:ApplicationsetImplicationsN°14(juin2002) LesTravauxàl'explosif(5fascicules)-P.Allard-ConservatoireNationaldesArtsetMétiers­2,CoursdesArts etMétiers­13617Aix-en-Provence Terrassementàl'explosifdanslestravauxroutiers-guidetechnique-Cftr-2002,disponibleauSétra­Réf. :D0126,prix:18euros Annexes 101 10 Fondations au rocher A - Paramètres de classification et notation correspondantes Plagesdevaleurs >10MPa >250MPa 100-250MPa 50-100MPa 25-50MPa 4-10MPa 2-4MPa 1-2MPa PourlesfaiblesvaleursdeIs utiliserc 5-25MPa 1-5MPa <1MPa 2 0 15 90%-100% 20 >2m 20 12 75%-90% 17 0,6m-2m 15 7 50%-75% 13 200mm-600mm 10 1 >25% 3 >60mm 5 4 25%-50% 8 60mm-200mm 8 Surfaceslustrées Surfaceslégèrement Surfaceslégèrement Surfacestrès ou rugueuses rugueuses rugueusesnon Remplissage<5mm Epaisseur<1mm Epaisseur<1mm continues ou Epontesencontact Epontesfaiblement Epontesfortement Epaisseurde1à5mm Epontesnonaltérées altérées altérées Jointdiscontinu 30 25 20 10 Aucun 0 <0,1 <10l/min 10à25l/min 0,1-0,2 25à125l/min 0,2-0,5 Suintant 4 Remplissagemou>5mm ou Epaisseur>5mm Jointcontinu 0 >125l/min >0.5 Débitant 0 Complètementsec Humide Mouillé 15 10 7 Rmr=sommedesnotationsdesparamètres1à5 B - Ajustement de la valeur de Rmr en fonction de l'orientation des discontinuités Trèsfavorable Favorable Moyen Défavorable 0 -2 -5 -10 0 -2 -7 -15 0 -5 -25 -50 Trèsdéfavorable -12 -25 -60 5 - Classification Rmr des massifs rocheux de Z.T. Bieniawski Paramètres Résistancedela 1 roche(matrice) IndiceFranklinIs Résistancecompressionuniaxialec 2 3 Notation Rqd Notation Espacementdesdiscontinuités Notation 4 Naturedesdiscontinuités(voirE) 5 Eau Notation Débitsur10mdelongueur detunnel(l/min) Ratio: pressioneau/contrainteprincipale1 Conditionsgénérales Notation Directionetpendage Tunnels Fondations Notation Talus C - Classes de massif rocheux determinées par le Rmr 80fl61 II <21 V 60fl41 III 40fl21 IV ValeurduRMR Classe 100fl80 I Classes 20anspouruneportée de15m >400kPa >45° E - Indication pour la notation « nature des discontinuités » <1m de1à3m de3à10m 6 4 2 Aucune <0,1mm de0,1à1mm 6 5 4 Trèsrugueuse 6 Nonaltéré 6 Aucun 5 Remplissagedur <5mm 5 Légèrementaltéré Rugueuse Légèrementrugueuse 3 Moyennementaltéré 3 Remplissagedur >5mm 35°à45° 25°à35° 300à400kPa 200à300kPa 1anpouruneportéede 10m 1semainepourune portéede5m D - Propriétés globales attribuées au massif en fonction des classes I II III IV V Tempsdetenuesans soutènement 10hpouruneportéede 30mnpouruneportée de1m 2,5m 100à200kPa 15°à25° <100kPa <15° Cohésiondumassifrocheux (kPa) Angledefrottementdumassif rocheux(°) de10à20m 1 de1à5mm 1 Lisse 1 Trèsaltéré 1 Remplissagemou <5mm >20m 0 >5mm 0 Lustrée 0 Décomposé 0 Remplissagemou >5mm Longueurdesdiscontinuités Notation Ouverturedesdiscontinuités Notation Rugositédesépontesdes discontinuités Notation Altérationdesépontes Notation Matériauderemplissagedes discontinuités Notation 6 4 2 2 0 Nota : certaines conditions sont mutuellement exclusives. Par exemple, si du matériau de remplissage est présent, il n'est plus pertinent de considérer de la rugosité dans la mesure où son effet sera effacé par celui du remplissage. Dans ce cas utiliser directement la notation du tableau A 4 Annexes 103 6 - Critère de Hoek et Brown et linéarisation LecritèredeHoeketBrowndanssapublicationde1997(1)s'écrit: danslaquelle: · 1 et 3 sont les contraintes principales respectivement majeure et mineure (compressions notées positivement), · ciestlarésistanceencompressionuniaxialedelamatricerocheuse,mesuréeenlaboratoire;onremarqueque la«résistanceencompressionuniaxialedumassifrocheux»cestégaleà , · mb et s sont des paramètres caractérisant le massif et sa fracturation. L'évaluation de mb fait intervenir un paramètremiquicaractériselaroche(cf.ci-après). Leparamètremi,estliéàlafragilitédelamatricerocheuse(ilestvoisindurapport ,oùtiestlarésistance entractiondelaroche);ils'évalueengénéralenfonctiondelanaturedelarocheetdesatextureàpartirdu tableaufourniparHoek(2)etjointci-après.Ilpourraitégalementêtreévaluéàpartird'essaisdelaboratoire. Leparamètresquiestplusspécialementliéàlafracturationestcomprisentre1(milieusansdiscontinuité)et0 (milieuextrêmementfracturé,réduitàl'étatgranulaire). Lesparamètresmbetss'évaluentàpartirduGsicaractérisantl'étatde«perturbation»dumassif. Celui-cisecalculeàpartirduRmr'89(cf.ci-après)maisonpeututilementseréféreraussiautableausynthétique fourniparHoek(3)etjointci-aprèsquiassociedesélémentsdescriptifsdelastructure,delafracturationetde l'étatdesdiscontinuitésaudomainedevariationdel'indiceGsi.Cetableauconstitueunguidetrèsutilepour apprécierlapertinencedesvaleurscalculéesàpartirduRmr'89. Remarque:Pourunessaienlaboratoireencompressiontriaxialesurlamatricerocheuse: mb=miets=1(Gsi=100) mbetss'évaluentàpartirduGsipar: et avec: Gsi=Rmr'899-5(pourRmr'89>23) etRmr'89=indiceRmr89calculésanslanoteBetavecunenoteeau(A5)égaleà15. Cette méthode empirique s'applique à un massif supposé à peu près isotrope, de Gsi > 25. Il faut de plus remarquerqu'ellecumulelessourcesd'incertitude:évaluationduRmr+évaluationdemi+corrélationpour obtenirleGsi+corrélationspourobtenirmbets. Remarques: - lesvaleursduGsi-100sonttoujoursnégatives,cequisetraduitparmbmiets1, - pourdesvaleursdeGsis<25(massiftrèsfracturéetaltéré,decaractéristiquestrèsmédiocres),lecritèredeHoek etBrowns'exprimesousuneformesensiblementdifférente.Cescasparticuliersnesontpastraitésici. (1) cf. Références (2) cf. Références (3) cf. Références 104 Fondations au rocher Valeursduparamètremipourlamatricerocheusepargroupederoches Nota Les valeurs entre parenthèses sont estimées Type de roche Classe Groupe Texture Grossière Conglomérat *** Moyenne Grès 17±4 Greywacke 18±3* Fine Siltite 7±2 Très fine Argilite 4±2 Schisre 6±2 Marne 7±2* Craie 7±2 Charbon 8-21* Calcaire Sparitique 10±2* Gypse 8±2 Marbre 9±3 Migmatite 29±3* Cornéenne 19±4* Amphibolite 26±6 Schistes 12±3 Granite 32±3 Granodiorite Gabro 27±3 Norite 20±5 Porphyrie 20±5* Rhyolite 25±3* Andésite 25±5 Brèche 19±5* Diorite 25±5 Détritique Brèche *** Sédimentaire Organique Non détritique Calcaire cristallin 12±3* Carbonatée Chimique Calcaire micritique 9±2 Anhydrite 12±2 Quartzite 20±3 Gneiss 28±5* Phyllites 7±3* Calcaire dolomite 9±3 Sansfoliation Métamorphique Légèrefoliation Foliationnette** Ardoise 7±4 Obsidiène 19* Claire Plutonique Foncée Magmatique Dolérite 16±5* Diabase 15±5* Dacite 25±5* Basalte 25±5* Tuf 13±5* Péridotite 25±5* Hypabyssale Lave Volcanique Pyroclastique Agglomérat 19±3* * Ces valeurs sont estimées. ** Ces valeurs sont données pour des échantillons de roche sollicités perpendiculairement aux plans de foliation. la valeur de mi sera très différent si la rupture se produit le long d'un plan de faiblesse. *** Conglomérats et brèches peuvent présenter un large éventail de valeurs de mi en fonction de la nature du matériau de cimentation et le degré de cimentation, de sorte qu'ils peuvent avoir des valeurs similaires au grès, jusqu'à des valeurs utilisées pour les sédiments à grains fins (même de moins de 10) Annexes 105 Nota Le tableau-abaque présenté ci-après propose une traduction de « Table 5 » tiré de l'article de Hoek, E. and Marinos, P. - 2000 Predicting tunnel squeezing. Tunnels and tunnelling international. Part1 ­ November, 2000, Part2 ­ December, 2002. Downloaded form : http://www.rocscience. com/hoek/references/Published-Papers.htm. Plutôt qu'une traduction littérale (difficulté des trouver les termes équivalents correspondant en français), on a privilégié l'esprit des annotations figurant dans le tableau-abaque en cherchant à en conserver le sens. EstimationdelavaleurduGsi(GeologicalStrenghtIndex)àpartirdelacaractérisationgéologiquedescriptive dumassifrocheux. Mauvais - Épontesdesurfacesdeglissement, très altérées, avec tapissages de matériaux compacts ou rem p l i s s ages d e d éb r i s anguleux N/A 80 70 60 50 40 30 20 Passable - Épontes lisses, modérément altéréesouabrasées Bon - Rugosité forte, épontes légèrement altérées,àsurfacesoxydées Qualification de l'état de surface des épontes des discontinuités Gsi « Geological Strenght Index » Lalithologie,lastructureetlesconditionsdesurfacedes discontinuitépermettentd'évaluerunevaleurmoyenne duGsi.Notezqueletableaunes'appliquepasauxfissures structurellementcontrôlés.Làoùdesjointsdestructure planes faibles sont présents dans une orientation défavorable à l'égard de la face d'excavation, ceux-ci dominent le comportement des massifs rocheux. la résistanceaucisaillementdessurfacesdesrochesquisont prédisposésàdesdétériorationsdufaitdel'évolutionde lateneureneauseraréduitesil'eauestprésente.Lorsque l'ontravailleavecdemauvaisescatégoriesstructurelles derochers,undécalageversladroitepeuêtreeffectué pourdesconditionshumides.Lapression,del'eauest traitéparuneanalyseencontrainteseffectives Structuration du massif rocheux Rocher intact ou massif Échantillonderocheintactourochein situmassiveavec peudediscontinuitéslargementespacées Massif rocheux à très forte imbrication nonperturbée, constituédeblocscubiquesdécoupéspartroisfamilles dediscontinuitésorthogonales Massif rocheux à forte imbrication partiellement p e r t u r b é e , c o n s t i t u é d e b l o c s p o l y é d r i q u e s anguleux découpés par quatre (ou plus) familles de discontinuités Massif rocheux à imbrication perturbée, plissé et/ ou faillé, constitué de blocs anguleux découpés par l'intersectiondenombreuxréseauxdediscontinuités Massif rocheux déstructuré, très fortement fracturé, constitué d'un mélange de blocs anguleux et de blocs arrondis,avecunetrèsfaibleimbrication Massif stratifié/cisaillé Absencedecaractèrerocheuxdueaufaibleespacement desschistositésoudesplansdecisaillement Très mauvais - Épontes de surfaces de glissement, très altérées avec tapissages ou remplissagesargileux N/A 10 N/A N/A Très Bon - Rugositétrèsforte,épontessaines etnonaltérées Qualité décroissante de l'état de surface des épontes des discontinuités 90 Ë Nota Il conviendra de ne pas chercher à être trop précis dans l'évaluation de Gsi à partir de cet abaque, ainsi sera-t-il plus réaliste d'énoncer « Gsi se situe dans une fourchette de 36 à 42 » plutôt que « Gsi = 38 » 106 Fondations au rocher Imbrication décroissante des blocs rocheux Á Références bibliographiques Giroud,ObinTrân-Vô-Nhiêm­1973­Tablespourlecalculdesfondations:forceportante­Dunod,Paris Gigan J.P., Poupelloz B. ­ 1985 ­ Les fondations des ouvrages de l'autoroute A86 au sud de Paris ­ Bllpc n°135 HéraudH.,PougetP.,MoitryJ.P.­1985­Exempled'instabilitédesfondationsd'ouvraged'artensiterocheux ­Bllpcn°135 Z.T.Bieniawski­1989­Engineeringrockmassclassifications­JohnWiley&Sons E.Hoek­1990­Technicalnote:EstimatingMohr-CoulombfrictionandcohesionvaluesfromtheHoek-Brown failurecriterion­Int.J.RockMech.Min.Sc.27 D.C.Wyllie­1992­Foundationsonrock­Ed.Chapman&Hall USArmyCorpsofEngineers­1994­Rockfoundations-Technicalengineeringanddesignguidesasadapted fromtheUSArmyCorpsofEngineers­Asce DurvilleJ.-L.,HéraudH.­1995­Descriptiondesrochesetdesmassifsrocheux.­Techniquesdel'Ingénieur, chapitreC352,12p. A.Serrano,C.Ollala­1996­Allowablebearingcapacityofrockfoundationsusinganon-linearfailurecriterion ­IntJRockMech.Min.Sc.33 E.Hoek,E.T.Brown­1997­PracticalestimatesofRockMassStrength­Int.J.RockMech;Min.Sci.-Vol34, N°8,pp1165-1186 RachezX.­1997­Lesfondationsaurocherdegrandsviaducs:l'apportdelaméthodedesélémentsdistincts. ­ThèseLcpc A.Serrano,C.Ollala­1998­UltimateBearingCapacityofananisotropicdiscontinuousrockmass.PartI:Basis ModesofFailure.­IntJRockMech.Min.Sc.35 AlfonsiP.,DurvilleJ.-L.,RachezX.­1999­Modélisationnumériqued'unefondationsurversantrocheux parlaméthodedesélémentsdistincts:comparaison2D/3D.­C.R.du9eCongrèsint.demécan.desroches, Paris,vol.1 S.Sharma,T.Raghuvansdhi,A.Sahai­1999­AnengineeringgeologicalappraisaloftheLakhwarDam,Garhwal Himalaya,India­Engineeringgeology53 Hudson A., Harrison J.P. ­ 2000 ­ Engineering rock mechanics ­ An introduction to the principles ­Pergamon CFMR­2000­Manueldemécaniquedesroches-Tome1­Lesfondements­Pressesdel'ÉcoledesMines deParis O.Bonifazi,Y.Guerpillon,D.Thiriat,E.Coppi,R.Massonnnet­Mai2001­LeviaducdelaDordognesur l'autorouteA20Brive/Montauban­Desfondations«trèsspéciales»­RevueTravaux­N°775 L.Chantron,V.Zumbo­2002­Formalisationdescritèresdescriptifsd'unmassifrocheux-Miseaupointd'une feuilledesaisiedesdiscontinuités­Jngg2002Nancy Y.Kazan­2002­Mécanismederupturedûàunproblèmed'interfacesdanslesformationsrocheusesstratifiées ­Jngg2002Nancy A.Ozsan,M.Akin­2002­EngineeringgeologicalassessmentoftheproposedUrusDam,Turkey.­Engineering geology66 E.Hoek,C.Carranza-Torres,B.Corkum­2002­Hoek-Brownfailurecriterion-2002édition­Proc.NARMSTACConference,Toronto(disponiblesurinternet) Annexes 107 O.Fouché,P.Alfonsi,L.Chantron,J-L,Durville­2003­Desforagesàlasimulationmécaniquedesmassifs rocheux,l'apportd'uneapprocheprobabiliste3Ddesréseauxdediscontinuités­Jngg2002Nancy A.Soriano­2003­Pointresistanceofpilesinrock­XIIIcongrèsEcsmgePrague,vol.3 Cfmr­2003­Manueldemécaniquedesroches-Tome2­Lesapplications­Pressesdel'ÉcoledesMinesde Paris MinisteriodeFomento­2003­Guiadecimentacionesenobrasdecarreteras­Spain Aftes­2003­Caractérisationdesmassifsrocheuxutileàl'étudeetàlaréalisationdesouvragessouterrains ­RecommandationsduGT1­TOSn°177 CyrilleFauchard,PierrePothérat,PhilippeCôte,MarcelMudet­2004­GuideméthodologiqueduLcpc: détectiondescavitéssouterrainesparméthodesgéophysiques SchlosserF.,BergèreA.,DellaLongaY.­2005­LesfondationsduviaducdeMillau:méthodeobservationnelle etcontrôledurisque­Geoline2005,Lyon GrangeS.,CurtilS.,ParneixL.­2007­DeuxviaducsjumeauxsurlarivièreAnte:fondationssuperficielles surmassifrocheuxrenforcé­Travauxn°844 Waltham­BritishStandards S.Curtil,P.Legrand­18-20juin2008­LgvRhin-Rhône:intégrationdurisquekarstiquedanslaconceptiondes fondationsduviaducduPertuis­ActesdesJournéesnationalesdeGéotechniqueetdeGéologiedel'Ingénieur, Jngg'08,Nantes,pp669-676 B.Gaudin, O. Magnin, O.Abraham ­ 7-8 novembre 2008 ­ Contribution de la tomographie sismique à la conceptionetàl'optimisationdesfondationsd'unouvrageexceptionnelensitedifficile:lepontsurleBrasde laPlaine(îledelaRéunion)­JournéeAgapQualité,Nantes Terrassementàl'explosifdanslestravauxroutiers-guidetechnique­Sétra­2002 Hoek, E. and Marinos, P. ­ 2000 Predicting tunnel squeezing.Tunnels and tunnelling international. Part1 ­ November, 2000, Part2 ­ December, 2002. Downloaded form : http://www.rocscience.com/hoek/references/ Published-Papers.htm Lianyang Zhang and H. H. Einstein ­ Using Rqd to estimate the deformation modulus of rock masses ­ International Journal of Rock Mechanics and Mining SciencesVolume 41, Issue 2, February 2004, Pages 337-341) 108 Fondations au rocher Ce document est un guide pour l'étude des fondations d'ouvrages d'art au rocher qui s'adresse à tous les intervenants dans les différentes étapes de la conception et de la construction de fondations d'ouvrages en milieu rocheux, et principalement aux maîtres d'oeuvres, aux bureaux d'études et aux géotechniciens. Il a pour but de les sensibiliser aux problèmes particuliers posés par les fondations au rocher et les méthodes d'étude de celles-ci, qui constituent un domaine encore très peu codifié pour lequel les méthodes usuelles de la mécanique des sols, souvent encore employées, sont généralement inadaptées. Après l'évocation des spécificités des massifs rocheux, ce guide traite de la reconnaissance de ces massifs, et en particulier des objectifs et des moyens à mettre en oeuvre aux différentes étapes de celle-ci, de la conception des fondations au rocher, puis du dimensionnement de ces fondations en distinguant notamment les méthodes employées pour les cas simples et celles mises en oeuvre pour les cas les plus complexes. Il évoque également le suivi des terrassements et des appuis de l'ouvrage durant sa construction et en service. Service d'études sur les transports, les routes et leurs aménagements 46 avenue Aristide Briand BP 100 - 92225 Bagneux Cedex - France tél : 33 (0)1 46 11 31 31 fax : 33 (0)1 46 11 31 69 Document disponible au bureau de vente du Sétra 46 avenue Aristide Briand - BP 100 - 92225 Bagneux Cedex - France téléphone : 33 (0)1 46 11 31 53 - télécopie : 33 (0)1 46 11 33 55 Référence : 0947 - Prix de vente : 21 Crédit photos : Rst Conception graphique - mise en page : Eric Rillardon (Sétra) Impression : Caractère - 2, rue Monge - BP 224 - 15002 Aurillac Cedex L'autorisation du Sétra est indispensable pour la reproduction, même partielle, de ce document © 2009 Sétra - Dépôt légal : 4e trimestre 2009 - ISBN : 978-2-11-095822-7 Ce document participe à la protection de l'environnement. Il est imprimé avec des encres à base végétale sur du papier écolabélisé PEFC. CTBA/06-00743 PEFC/10-31-945 Le Sétra appartient au Réseau Scientifique et Technique du Meeddm www.setra.developpement-durable.gouv.fr  (ATTENTION: OPTION sdepieux,afind'éviterlespertes brutalesdebouesetleséboulementsdeforageslors delarencontredekarsts. Malgré son apparente fiabilité, cette solution de fondation profonde ne constitue toutefois pas toujours une garantie absolue de stabilité dans le cas d'un karst actif qui peut provoquer des efforts parasitesimportantssurlesstructuresenterrées(pieux, puits) en cas de réajustements du massif rocheux. C'estpourquoi,enfonctiondel'évaluationfaitedu niveau de risque et de l'importance de l'ouvrage, des dispositions supplémentaires de traitement par remplissageetinjectiondesniveauxkarstifiés(injection de coulis, injection solide) peuvent être mises en oeuvre, à titre de précautions, afin de réduire l'aléa. Cestraitementsdeterrainpeuventêtreconçusavec unobjectifrelativementlimitédesimpleremplissage devidesparunmatériaucohérent.Ilspeuventaussi avoirunobjectifplusambitieuxdeconsolidationen améliorant les propriétés mécaniques d'un volume de massif rocheux conséquent (zone d'influence de la fondation). La même démarche s'applique à la traversée de carrières souterraines abandonnées, les puits de fondation devant être dimensionnés pour résister à des effondrements partiels et les vides au moinslocalementcomblés. Lorsquelesniveauxsusceptiblesd'êtrekarstifiéssont tropprofonds,iln'estpasenvisageabledereporterles chargesendessous:onpeutalorsenvisagerderéaliser par diverses techniques de renforcement un massif defondation« consolidé »,suffisammentrigidepour reprendre les charges appliquées, y compris au sein d'unmilieukarstifié(cf.figure4.22). Lestechniquesderenforcementlespluscouramment utilisées sont les injections sous pression, réalisées depuislasurfaceoulabasedelafondationenuneou plusieursphasesetquiassurentplusieursfonctions: amélioration de la connaissance des terrains et de leurs hétérogénéités grâce aux forages, remplissage des cavités, amélioration mécanique des zones décomprimées(injections,jetgrouting),réductionde laperméabilité(etdoncdescirculationsd'eau). Plantypedusystèmedefondations Coupetypedusystèmedefondations Massif de jet grouting en cours de recépage avec ses mini-piles Figures 4.22 - 4.24 : autoroute A20 - fondations des appuis du viaduc sur la Dordogne(1) ­ Source : « Le viaduc de la Dordogne sur l'autoroute A20 Brive/Montauban : des fondations très spéciales » O. Bonifazi-Grenouilleau, Y. Guerpillon, D. Thiriat, E. Coppi, R. Massonnet - Travaux N775 - Mai 2001 (crédit Travaux-ESI) (1) Voir référence : « le viaduc de la Dordogne sur l'autoroute A20 Brive/Montauban : des fondations très spéciales » Principes de conception 45 Indépendamment des aspects économiques, cette pratique s'explique par les réticences des ingénieurs àutiliser,pourdessollicitationscorrespondantàdes étatslimitesdeservice,unetechniquecontraignante pourdifférentsaspects: · essais systématiques à prévoir, même pour un faible nombre de tirants (cf. normes P 94 321 et P94153), · dispositions de protection contre la corrosion généralementsévères, · surveillance particulière obligatoire pendant toute laduréedeservice, · dispositions(réservations,renforcements)àprévoir danslafondationpourpallierladéfaillanced'unou plusieurstirants, · s'ilyalieu,justificationencasdedéfaillanced'un ouplusieurstirants. Ilconvientdementionnertoutefoisquel'onestassez souventconduitàrecourirauxancragesprécontraints pourrenforcerdesouvragesenservice(cf.figure4.25) car il s'agit dans bien des cas de la seule solution techniquementenvisageable. Les tirants précontraints ont aussi été utilisés pour provoquer, en phase de construction, la fermeture des fractures d'un massif avant chargement par un appuisensibleauxdéformations(béquillesduviaduc delaTruyère). 4.5 - Cas particulier des fondations sur site rocheux avec présence de cavités naturelles (karsts, dissolutions) ou anthropiques (carrières) 4.5.1 - Problématique des reconnaissances et évaluation du risque Dans le domaine des fondations au rocher, les problèmes posés par les fondations d'ouvrages dans les massifs rocheux affectés par la présence de vides souterrains et notamment de karstification (1), que ce soit dans les roches calcaires ou dans les roches évaporitiques, sont probablement les plus délicats à résoudre.Onpeutégalementciterlecasdes tunnels delave. Eneffet,lesméthodesd'étudeetd'analysedesmassifs rocheux usuels (matrice + discontinuités) postulent que le massif rocheux est un milieux structuré, obéissant à une certaine logique d'organisation, notammentpourtoutcequiconcernelafracturation, etqu'ilestpossibled'enétablirunmodèlepertinent pourunvolumedéfini(zoned'influenced'unappui parexemple)àpartird'unnombrerelativementlimité dedonnées. (1) Voir références: Lgv Rhin-Rhône Figure 4.25 : stabilisation par tirants précontraints des déplacements de la culée du viaduc de Garavan sur l'autoroute A8 ­ Source : Association amicale des anciens élèves ingénieurs de l'École nationle des ponts et chaussées 46 Fondations au rocher À partir du moment où ce même massif est affecté parunréseaudecavitésdegéométriealéatoire,dont le module de déformation et la résistance sont nuls outrèsfaibles,lemodèlepertinentdumassifdevient beaucoupplusproblématiqueàdéfiniretétablir. Laprincipaledifficultérésidedansladétermination précise de la géométrie et de l'extension des vides souterrains: Pourlescavitésnaturelles,laprobabilitédeprésencede karstsaffectantcertainsniveauxgéologiquesidentifiés ainsi que l'organisation générale du développement desréseauxkarstiquespeutêtreappréciéedemanière relativement satisfaisante à partir de l'histoire géologique et de la fracturation régionale. Pour ces analyses,ilestnaturellementtrèsutilederechercher lescontributionsquepeuventapporterdesgéologues régionauxspécialisésdansledomaine(1). Parcontre,lecaractèrepartropaléatoiredelagenèse etdel'organisationdesréseauxkarstiquesàunniveau local, rend toute prévision précise quasi impossible à l'échelle détaillée d'un projet, sauf à effectuer des reconnaissances très détaillées des zones intéressées, en faisant appel aux diverses techniques de la géophysiqueetdessondages.Maismêmeenymettant tous les moyens adéquats (sondages, gravimétrie, sismique,radar,etc.)(2),l'expériencemontrequeces (1) Voir www.karstologie.com : Site de base à consulter, offrant de nombreuses références et/ou liens ou avec les sites français et étrangers s'intéressant aux karsts et à la spéléologie (2) Voir référence : guide méthodologique de détection des cavités souterraines par méthodes géophysiques (Lcpc) reconnaissancesnepermettentpastoujoursd'obtenir touteslesinformationssurlalocalisationetl'extension deszoneskarstifiéesaveclaprécisionsouhaitée. À défaut d'avoir une définition parfaite du réseau karstique,ilesttrèsimportantpourunprojet: · desavoirsilekarstestactifous'ilestfossileetplus oumoinscolmaté; · deconnaîtreletypedemorphologiedukarstprésent surlesite: - il peut s'agir de chenaux bien délimitées en extensionhorizontaleet/ouverticaledansunmassif parailleurssain; - ilpeuts'agird'unekarstificationplusgénéraliséedu massifconstituéalorsdequelquesmassesrocheuses résiduelles « emballées » dans les produits de dissolutionetd'effondrements; - il peut s'agir de toutes les formes intermédiaires entrecesdeuxextrêmes. Pour les carrières en revanche, on peut espérer déterminerlagéométriedesvidessoitparl'exploitation decartesexistantes,soitpardesvisites.Lecasdepetites carrièressouterraines« nondéclarées »etdifficilement visitablesrestetoutefoisproblématique. L'organisation logique des galeries de carrières souterraines est cependant un point favorable pour la détermination de leur géométrie, sous réserve de confiercetyped'étudeàunspécialisterégional. c-carrièredegypse ludien(Gagny93) a - Carrière de tuffeau duValdeLoire b-exploitationparpetits piliers et piliers rideaux (régiondeCaen) Figure 4.26 : différentes géométries d'exploitations souterraines ­ Source : Lcpc d-exploitationpar catiches de la craie lilloise Principes de conception 47 Le risque d'effondrement brutal avec apparition de fontisremontantjusqu'auniveauduterrainnaturel est bien entendu celui qui est le plus redouté des concepteurs. Les reconnaissances correctement conduitespermettentdel'apprécieretlecaséchéant deconcevoirlesfondations,avecdestraitementsde terrainéventuels,afindes'enprémunir. Parcontrelerisquequeseproduiseuntassementd'appui consécutif à des dissolutions et des réajustements au sein du massif sans qu'il y ait nécessairement d'effondrement(casdesaffaissementsminiers)estplus insidieuxetplusdifficileàapprécier.C'estpourquoi, lorsque les reconnaissances et les études préalables peuvent faire craindre ce type de situations, il conviendrad'orienterleconcepteurversdesstructures d'ouvragesmoinssensiblesauxtassementsd'appui,et comportant des dispositifs éventuels de recalage de tabliers. Ainsi lorsqu'un affaissement anormal d'un appui est constaté sur un ouvrage en service, il est alorspossiblederenforcerlemassifrocheuxsousla fondationparuntraitementappropriépourstopper l'évolutionduphénomèneetprocéderéventuellement aurecalagedutablierpourrétablirsescaractéristiques d'usage. 48 Fondations au rocher Chapitre 5 Dimensionnement 49 Ledimensionnementdesfondationsd'unouvrageen terrainrocheuxpourrasuivreunedémarched'étude différente selon les situations rencontrées et le type de rupture envisagé pour la justification. Selon les paramètres principaux rappelés ci-dessous et avec l'appui d'un spécialiste en mécanique des roches, on pourra distinguer deux familles de mécanismes de rupture pour les fondations au sein du massif rocheux: · lesmécanismederuptureoùlemassifsecomporte comme un milieu continu (homogénéisation) et où les surfaces de rupture ne sont en majorité pas prédéterminéesparlesdiscontinuitésdumassif; · lesmécanismesderuptureoùlesdiscontinuitésdu massifjouentunrôlemajeuretprédéterminentdans leurmajoritélessurfacesderupture. Les différentes justifications à mener vis-à-vis de la rupture pour les fondations devront être conduites vis-à-vis d'un ou plusieurs mécanismes appartenant à l'une ou l'autre de ces deux familles. En effet, pour une même fondation les différentes justifications à conduire pourront se référer à ces deuxdifférentsmécanismesderupture:parexemple, une fondation pourra être justifiée vis-à-vis du poinçonnement selon un mécanisme de rupture en massifhomogénéisé,etvis-à-visdelastabilitéglobale selonunmécanismederupturedéterminéparcertains plansdediscontinuité. Sil'onfournitci-aprèsquelquesélémentsdeméthode de dimensionnement, les mécanismes de rupture faisant appel aux discontinuités sont très souvent complexes,dufaitdel'interactionentrelesdifférentes famillesdediscontinuités:ilsdoiventêtretraitéspar desétudesspécifiquesconfiéesàdesspécialistesetne sontdécritsiciquelesprincipesdecesétudes. Les justifications vis-à-vis des déformations de la fondation sont également à mener, notamment vis-à-visdesétatslimitesdeservice;ellessontleplus souvent menées en homogénéisant le massif sous la fondation. Pour les justifications des fondations il est fait référence notamment d'une part, à l'Eurocode 7 partie1 (EN1997-1) et son annexe nationale ainsi qu'aux normes d'application à paraître qui vont s'y référer,etd'autrepartaufascicule62titreVduCctg relatifauxrèglesdejustificationdesfondations. Les règles du fascicule 62 titre V du Cctg ont été conçues pour une application aux fondations sur sols meubles, mais les principes généraux restent applicables aux fondations sur massifs rocheux : on ne reprendra donc pas dans le présent document l'ensemble des règles concernant la définition des actions, leurs combinaisons et les valeurs des coefficients de pondération et de sécurité partiels à appliquer ; on se limitera à préciser les éventuelles différencesàprendreencomptedanslecasdesmassifs rocheux. 50 Fondations au rocher 5.1 - Paramètres influant sur la complexité du dimensionnement Les situations rencontrées lors de l'étude des fondationsd'unouvrageenterrainrocheuxpeuvent être très diverses selon la nature et l'importance de l'ouvrage,lesdifficultésdelatopographieetlanature desterrains. Leniveaudecomplexitédesétudesestvariablesuivant lescas,selonlesparamètresprincipauxsuivants(voir aussilechapitre4): · l'importancedel'ouvrage Ilestcommodededistinguerlesouvragesditscourants caractérisésparunniveaudesollicitationrelativement modesteparrapportauxcaractéristiquesderésistance et de déformation du rocher de fondation, et les ouvragesimportantsougrandsouvragespourlesquels lesfondationssontsoumisesàdesdescentesdecharges importantes mobilisant fortement la capacité de résistanceoudedéformationdumassifrocheux. Àtitred'exemplelaplupartdesPS,lespetitsouvrages d'art, les murs de soutènement, les contreforts et autres ouvrages de confortement fondés au rocher peuventêtreconsidéréscommedesouvragescourants. À l'inverse les grands ouvrages (viaducs de grande hauteur, ouvrages de grandes portées) ou sollicitant demanièreparticulièreleursappuis(pontsàbéquilles, pontsenarcs)entrentdanslacatégoriedesouvrages noncourants. · lasituationtopographique Les ouvrages fondés au rocher sont fréquemment implantés dans des zones de relief difficile. On distingueratroissituationstopographiquestypes: - lesfondationssurunmassifrocheuxhorizontalou subhorizontal(penteinférieureà10%).Lasurface à considérer est celle du substratum rocheux qui peutêtredifférentedecelleduterrainnatureldu plantopographique; - les fondations sur pente : c'est le cas général des appuisd'ouvragesimplantéssurunversant.Selon l'épaisseurdesterrainsdecouvertureetlesconditions topographiques locales, la fondation pourra être réaliséesurlerocheraffleurant(naturellementou parterrassementdelacouverture)ouenprofondeur àtraverslesformationsdesurface; - les fondations en crête de talus ou de falaise : c'est le cas général pour les culées d'ouvrages d'art en site rocheux, mais cette disposition peut égalementêtrerencontréedansd'autressituations, etnotammentpourdespilesderivesoudesappuis intermédiaires. · letypedefondation Misàpartlescastrèsspécifiques(fondationsancrées, etc.),troistypesprincipauxdefondationsrocheuses sontàconsidérer(cf.chapitre4): - les fondations superficielles sur semelle : ce type defondationestd'applicationtrèsgénéralesursol horizontalouàfaiblepente; - les fondations massives ou semi-profondes : entrentdanscettecatégorielesfondationsmassives encastréesdanslerocher,constituéesparunpuits bétonné,pardesbarrettesoupardespieuxcourts de gros diamètre solidarisés par un chevêtre ou une dalle de liaison. Ce type de fondation est généralement bien adapté aux appuis sur versant pour lesquels les contraintes d'implantation et de stabilité sont souvent incompatibles avec l'importancedesterrassementsnécessairespourune semellesuperficielle; - lesfondationsprofondessurpieuxdegrosdiamètre oupuitsmultiples,solidarisésparunchevêtreou unesemelleentête. · lagéologiedusite Parcommodité,onregrouperasouscetteappellation générale quatre types de données essentielles qui constituent les composantes du modèle géologique représentatifpourleprojet: - lalithologie:celle-cicaractériselanaturegéologique et l'organisation des différentes formations constitutivesdusiteconcernéparl'ouvrageetdes zonesintéresséesparlesappuis; - la structure : la structure d'un massif rocheux joue un rôle essentiel dans les mécanismes de déformation et de rupture. Selon qu'elle est plus oumoinsmarquéeouplusoumoinscomplexe,le niveaudedifficultédesétudesdedimensionnement pourraêtrelargementvariable; - les caractéristiques géomécaniques : celles-ci concernentàlafoislesdifférentstypeslithologiques et les différents faciès intéressés par le projet, et égalementlessystèmesprincipauxdediscontinuité sollicités ou concernés par celui-ci (stabilité générale,stabilitélocale,déformation); - l' h y d r o g é o l o g i e : l e s d o n n é e s re l a t i v e s à l'hydrogéologie du site et des zones d'appui en particulier doivent être prises en compte pour la définitiondeshypothèsesdecalculconcernantla stabilitédesfondationsetlastabilitégénéraledes appuis. · l'environnement Entrentnotammentdanscettecatégorielesconditions particulièresliéesauxouvragesmaritimes.Ceséléments doivent être pris en compte dans la conception, le dimensionnementetlaréalisationdesfondationsde cesouvrages. Dimensionnement 51 5. - Différents mécanismes de rupture L'identification du ou des mécanismes de rupture susceptiblesdesedévelopperdanslemassifrocheux de fondation d'un ouvrage est essentielle pour la justificationdecelle-ci. Schématiquement,ondistingueradeuxcas: · casoùlesdiscontinuitésjouentunrôlemineurdans larupture:massifpeufracturéouconfinéouéloigné d'unesurfacelibre(nommésici:casoùlemassifpeut êtrehomogénéisé); · casoùlesdiscontinuitésjouentunrôledéterminant dans le mécanisme de rupture et peuvent subir de grandsdéplacements(nommésici:casdiscontinus). rocheux peut être considéré comme homogène et assimilableàunmilieucontinuauregarddescharges transmisesparlafondationetdelafaibleinfluence desdiscontinuités. Deuxcritèressontàconsidérer: · l'importance et le type de l'ouvrage : les petits ouvrages ou les ouvrages courants apportent des sollicitations généralement faibles par rapport aux caractéristiques de résistance mobilisables dans un massifrocheuxsain; · lescaractéristiquesdumassifrocheux:lesconditions de structure et de géométrie interne du massif sont telles qu'elles n'influent pas sur les mécanismes de rupture ; le massif peut être considéré comme homogène à l'échelle de la fondation et de sa zone d'influence. L'hypothèse d'un milieu homogène et continu peut généralement être faite dans les cas principaux suivants(cf.figures5.1et5.2): 5..1 - Les mécanismes où le massif peut être homogénéisé Entrent dans cette catégorie les cas pour lesquels, dans la zone d'influence de la fondation, le massif M V M V H H Figure 5.1 ­ Source : Sétra Figure 5.2 ­ Source : Sétra Massif sain ou peu altéré, sans discontinuités marquées (discontinuitésdiffuses,fermées,defaibleextension).Le massifpeutêtreconstituéderochesderésistanceélevéeou faible,decaractéristiquesglobalementhomogènes. Uncasparticulieroùlemassifpeutêtrehomogénéiséest celui des massifs de roches «tendres», dans lesquels la rupturesedéveloppeprincipalementauseindelamatrice rocheuse. Massif densément fracturé constitué de roches dures peu altérées, recoupé par de nombreuses discontinuités d'orientationdispersée.Àl'échelledelafondationlemassif apparaîtglobalementhomogèneetisotrope,sansdirection defaiblessedominante. Massifrocheuxaltéré,intensémentfissurésanssurfacesde discontinuitémajeureslocalisées. 5 Fondations au rocher Lesmécanismesderuptureàprendreencomptedans cescashomogénéisésnesontpasdéterminésparles discontinuités;ilssontanaloguesàceuxd'unmilieu continudecaractéristiquesmécaniqueséquivalentes: poinçonnementsymétriqueoudissymétriquepourun massifhorizontal,cisaillementgénéralisésousl'appui etglissementd'ensemblepourunefondationsurpente ouencrêtedetalus. Dans le cas des ouvrages courants fondés sur un massif sain peu fracturé, les caractéristiques de résistancedecederniersontgénéralementlargement surabondantes vis-à-vis des mécanismes de rupture parpoinçonnement. Néanmoinsdanstouslescas,lajustificationvis-à-vis delastabilitélocaleaupoinçonnement,auglissement etàlanon-décompressionsouslafondationestmenée àpartirdel'estimationdescaractéristiquesderupture homogénéiséesdumassif(cf.§5.3.1«Caractéristiques de rupture»), et par les méthodes classiques de dimensionnement en appliquant les dispositions de l'EN 1997-1, du fascicule 62 titre V relatif aux fondations,éventuellementmodifiéescommeindiqué ci-après(cf.§5.4«Cashomogénéisés»). 5.. - Les mécanismes discontinus simples Ils'agitdescaspourlesquelsl'hypothèsed'unmilieu continu, homogène et isotrope ne peut plus être appliquée du fait des caractéristiques lithologiques, structuralesoudefracturationdumassif,maispour lesquelslemassifestsainetpossèdeunpetitnombre de familles de discontinuités bien marquées qui permettent d'identifier clairement des mécanismes de rupture simples. La construction du modèle géomécanique représentatif du site repose sur le choixderetenircertainesdiscontinuitésmajeureset denégligerd'autresdiscontinuités(faibleextension, faiblepersistance,orientationnondéfavorable). Làencoredeuxcritèressontàconsidérer: · l'importance et le type de l'ouvrage : les cas dits discontinus simples sont limités aux ouvrages pour lesquels les sollicitations apportées par la fondation sontpeuimportantesparrapportauxcaractéristiques derésistancedelamatricerocheusesaine; · lescaractéristiqueslithologiquesetstructuralesdu massif:lesnotionsdestructureetdegéométrieinterne dumassifdeviennentprédominantes;lesmécanismes derupturesontprincipalementdéterminésetguidés parl'existence,ladistributionetl'orientationd'unou deuxsystèmesdediscontinuitédumassif. L'hypothèsed'unmilieudiscontinusimpleestadaptée notammentdanslescasprésentéssurlesfigures5.4 à5.8. M V H Figure 5.3 : schéma de rupture sur terrain horizontal (analogie avec un milieu continu) ­ Source : Sétra Figure 5.4 ­ Source : Sétra Massifsainoupeualtérécomportantunsystèmemajeur de discontinuités subhorizontales ou à pendage aval débouchantsurunversant,recoupéparunouplusieurs systèmesdefracturesd'extensionimportante(aumoins comparableàladimensiondelafondation). Lemécanismederuptureestliéaudéveloppementd'une ruptureparcisaillementetparglissementsuivantleplan de discontinuité majeur (glissement d'un coin sous la fondation). Dimensionnement 53 M V H Figure 5.5 ­ Source : Sétra Figure 5.7 ­ Source : Sétra Massif rocheux sain ou peu altéré comportant deux systèmes majeurs de discontinuité sécants associés à un ouplusieurssystèmessecondairesdefractures. Lemécanismederuptureestliéaudéveloppementd'une rupture par cisaillement et glissement suivant les deux plansdediscontinuitéprincipaux(dièdrederupturesous lafondation). M V H Figure 5.8 ­ Source : Sétra Massifrocheuxsainoupeualtéréhorizontalàstratification subhorizontalerecoupéeparunouplusieurssystèmesde fracturationsubverticaux. Lesmécanismesderupturesontdanscecasdedeuxtypes principaux(figures5.7,5.8): -ruptureparpoinçonnementàtraverslastratificationdue àunexcèsdechargeverticale.Larupturematriciellede larochen'estpossiblequepourdesrochesderésistance faibleoutrèsaltérées.Lajustificationpeutêtreeffectuée commepourlescashomogénéisés; -ruptureparcisaillementetglissementsurlastratification, dueàuneinsuffisancederésistanceaucisaillementsous lafondationetàundéfautdebutéehorizontaleenavant de celle-ci. À l'exception des cas particuliers d'ouvrages exerçantdeseffortshorizontauximportantsauniveaude leurfondation(appuisdevoûtes,bajoyers,contreforts,...), laplupartdesouvragessollicitentpeuleursappuisdans cettedirectionetlastabilitéauglissementestgénéralement vérifiéedemanièresurabondante. Figure 5.6 ­ Source : Sétra Massif rocheux comportant plusieurs systèmes de discontinuitésdontcertainsplansdefaiblerésistanceau cisaillementdébouchantsurunesurfacelibre(surfacedu massifouversant). Les mécanismes de rupture sont liés au développement d'uneruptureparcisaillementetglissementsuivantdes plans de discontinuité majeurs localisés individualisant uneouplusieursmassesrocheusessupportantlafondation. Ici,lemécanismenemobilisepluslecisaillementd'une seuledirectiondediscontinuitésuivantunecinématique simple (glissement d'ensemble) mais le cisaillement de plusieurs plans principaux associés dans un mécanisme et une cinématique plus complexes (coin de rupture souslafondationassociéàuncoindebutéeenavantde celle-ci). Nota Ce cas se situe à la limite des cas complexes, évoqués ci-après. 54 Fondations au rocher La justification de la fondation doit être effectuée dans chaque cas en prenant en compte pour les différents systèmes de discontinuité concernés des caractéristiques de cisaillement convenablement représentativesàl'échelledesmécanismesderupture (cf. § 5.3.2, «Caractéristiques de rupture des discontinuités»). L'étudedelastabilitéesteffectuéeessentiellementau moyend'unemodélisationdetypemilieudiscontinu àblocs,généralementdansl'hypothèsedeblocsrigides (cf.§5.5).Lastabilitélocaleaupoinçonnementsousla fondationdevientsecondairemaisdoitêtrevérifiéeà partirdescaractéristiquesmatriciellesetdesméthodes du§5.4«Cashomogénéisés». L'hypothèsed'unmilieudiscontinucomplexes'impose dans les cas principaux suivants(cf. figures 5.9 à 5.12): 5..3 - Les mécanismes discontinus complexes Sont à considérer en première analyse comme complexes,lescaspourlesquelsnil'hypothèsed'un milieu homogène, ni celle d'un milieu discontinu où les mécanismes de rupture sont facilement identifiablesnepeuventplusêtreappliquéesdufait des caractéristiques lithologiques, structurales, de fracturation ou d'altération du massif. Dans ce cas, une étude spécifique de mécanique des roches et une justification particulière seront généralement nécessaires. Làencoredeuxcritèressontàconsidérer: · l'importance et le type de l'ouvrage : pour les ouvrages non courants et notamment pour les grands ouvrages, les charges généralement élevées transmisesaurocherdefondationpeuventsolliciter demanièreimportantelastructuredumassifrocheux et déterminer le développement de mécanismes de ruptureparticulierspolarisésparcelle-ci; · lescaractéristiqueslithologiquesetstructuralesdu massif:lesnotionsdestructureetdegéométrieinterne dumassifdeviennentprédominantes.Lesmécanismes derupturesontprincipalementdéterminésetguidés par l'existence, la distribution et l'orientation des principaux systèmes de discontinuités du massif. Les plans de discontinuité (stratification, foliation, schistosité,fractures,failles)constituentdesplansde faiblesse par lesquels sont induits et se développent lesmécanismesderupture. Figure 5.9 ­ Source : Sétra Massifsainoupeualtérécomportantplusieurssystèmes majeursdediscontinuitéinclinésdébouchantensurface, recoupépardessystèmesdefracturessécantsd'extension importante. Ici, le mécanisme ne mobilise plus le cisaillement d'une ou deux directions de discontinuité suivant une cinématique simple mais le cisaillement de plusieurs systèmesprincipauxassociésdansunmécanismeetune cinématiquepluscomplexes(plusieurscoinsderupture sous la fondation, plastification locale ou généralisée suivantlesdirectionsmajeuresdediscontinuité) Figure 5.10 ­ Source : Sétra Fauchage:lemassifestdécoupéenlanièresàfortpendage rentrantdanslapente;ceslanièressubissentsousl'effet delapesanteurunbasculementversl'avalaggravéparle chargement Dimensionnement 55 Lajustificationdelafondationdoitêtreeffectuéepour lesmécanismesderupturelespluscritiquesvis-à-vis descasdechargesdimensionnants.Ellenécessitedans chaquecaslaconstitutiondemodèlesgéométriques et géomécaniques prenant en compte pour les différents systèmes de discontinuité concernés, des caractéristiques de cisaillement convenablement représentativesàl'échelledesmécanismesderupture (cf. § 5.3.2, «Caractéristiques de rupture des discontinuités»).L'étudedelastabilitéesteffectuée essentiellement au moyen d'une modélisation de type milieu discontinu à blocs, généralement dans l'hypothèsedeblocsrigides,plusrarementdéformables (cf.§5.5). Pourtouscescascomplexes,l'étudedoitnécessairement être effectuée par un spécialiste de mécanique des roches. Figure 5.11 ­ Source : Sétra Massifhétérogèneconstituéd'alternancederochersainet derochestendresoualtéréespourlequellesmécanismes derupturepeuventimpliqueràlafoislesdiscontinuités etlamatrice(flyschs,marno-calcaires). Figure 5.12 : coupe longitudinale de la culée ouest du viaduc sur la Tardoire ­ Source : Sétra Massif rocheux très hétérogène, structures complexes, présence d'accidents géologiques, karsts, vides ou zones de dissolution. 56 Fondations au rocher 5.3 - Choix des caractéristiques mécaniques de calcul Lacaractérisationgéomécaniquedumassifconsisteà déterminerlesélémentsconstitutifsdelamodélisation delafondationrocheusedechaqueappuidel'ouvrage. Elledoitêtremenéeavecl'aided'unmécaniciendes roches.Trois familles d'éléments sont à prendre en compteetàévaluer: - l e s d o n n é e s g é o m é t r i q u e s e t s t r u c t u r a l e s représentatives du massif et de l'appui, qui interviennentpourlecomportementdelafondation (stabilitéetdéformation); - le ou les mécanismes de rupture à considérer pour chaque appui, en fonction des données topographiques,géologiquesetdesconditionsde chargement; - les caractéristiques mécaniques associées aux mécanismes de rupture et de déformation considérés,représentativesdumassifàl'échellede lafondation. Là encore, on distingue deux cas de figure selon le mécanismederupture:modélisationparunmilieu continuéquivalent(homogénéisation)etmodélisation parunmilieudiscontinuàblocs. 1995 et utilisé dans certaines méthodes empiriques dedimensionnement,oul'indiceQdeBartonutilisé uniquementpourlestunnels. La classification de Bieniawski (annexe 5) prend en compte un certain nombre de caractéristiques principales géologiques et géotechniques pour déterminerunindiceglobalattribuéaumassif(indice Rmr);chaqueparamètrereçoitunenoteselonlagrille d'évaluationdéfiniedanslaclassification: · caractérisationdelamatricerocheuse: - résistance en compression uniaxiale de la roche (noteA1), · caractérisationdesdiscontinuitésdumassif: - indicedefracturationRqd(noteA2), - espacementdesdiscontinuités(noteA3), - état d'altération et de rugosité des épontes (noteA4), · caractérisationhydrogéologiquedumassif: - étathydrique, - conditionshydrauliques(noteA5), · il est également défini une note d'ajustement (noteB)dépendantdel'orientationdesdiscontinuités (azimutetpendage). L'indice Rmr du massif ou de la partie du massif considéréeestdéfinicommelanoteglobaleobtenue par sommation des notes partielles (A1 à A5) et de la note d'ajustement B ; compte tenu de la nature empirique de cet indice, on donnera toujours une fourchettedevaleurs. Cetteestimationdevraêtrefaitesouslecontrôled'un spécialistedemécaniquedesroches. Dans le cas de l'utilisation de l'indice Rmr pour le dimensionnement de fondations, on se limitera en généralauxnotesA1àA5définiesci-dessus.Lanote d'ajustement(tableauB)pourraêtrepriseencompte pourl'évaluationdumodulededéformationdumassif dans certains cas particuliers, par exemple pour le tassementd'unefondation:l'orientationpénalisante estcelleoùlesjointssontorthogonauxàladirection deseffortsappliqués. Des versions successives de la classification de Bieniawskiontétépubliéesparl'auteur.Cesdifférentes versionsprésententquelquesdifférencesdanslagrille d'évaluation.Enconséquence,ilestconvenuderetenir commeréférencedansleprésentdocumentlaversion publiée en 1989(2) et qui a été reprise par l'Aftes en 2003 dans les «Recommandations relatives à la caractérisationdesmassifsrocheuxutileàl'étudeetà laréalisationdesouvragessouterrains»(3);cetindice estnotéci-aprèsRmr89. (2) Voir référence : Z. T. Bieniawski 1989 et Annexe 5 (3) Voir référence : Aftes 2003 Recommandations relatives à la caractérisation des massifs rocheux... 5.3.1 - Méthodes d'homogénéisation Ce type de modélisation est applicable aux cas pour lesquels le massif peut être considéré comme globalement ou statistiquement homogène, sans éléments structuraux dominants dans la zone d'influencedel'appui. Le massif est alors caractérisé par les paramètres d'un milieu continu équivalent pour permettre l'applicationdeméthodesdelamécaniquedessolsou delamécaniquedesroches,éventuellementadaptées (cf.§5.4). Caractéristiques descriptives - Classifications Les reconnaissances géologiques et géotechniques permettentdedéterminerl'ensembledescaractéristiques descriptivesprincipalesdumassifrocheuxetd'utiliser différentesclassificationsdemécaniquedesroches. Les principales sont : la classification Aftes(1), très précise pour la description des massifs mais qui n'est pas utilisée pour des dimensionnements, et la classificationdeBieniawski(désignéeégalementsous le terme de classification Rmr : Rock Mass Rating) décrite ci-après. On peut citer également le Gsi (Geological Strength Index) introduit par Hoek en (1) Voir référence : Aftes 2003 Recommandations relatives à la caractérisation des massifs rocheux... Dimensionnement 57 On définit aussi pour l'application de certaines méthodes empiriques Rmr'89 comme l'indice Rmr89 calculésanslanoteBetavecunenoteeau(A5)égale à15. LeGsiouGeologicalStrengthIndexpeutsedéduire del'indiceRmr'89. PourlesvaleursdeRmr'89>23,Gsi=Rmr'89-5. On peut également déterminer le Gsi à partir de la description géologique du massif (tableau en annexe6). Remarque:pourdesvaleursdeGsi<25(massiftrès fracturéetaltéré,decaractéristiquestrèsmédiocres), le critère de Hoek et Brown s'exprime sous une forme sensiblement différente. Ces cas particuliers justifient de faire appel à un mécanicien des roches expérimenté. Lesvaleursdembetspeuventêtreestiméesàpartir de l'indice Rmr, de l'index Gsi du massif et de la naturepétrographiquedelaroche(voirannexe6).Le paramètrembpourlemassifestdéduitduparamètre mi,liéàlafragilitédelaroche(cedernierestvoisin durapportc/t,oùtestlarésistanceentractionde laroche);leparamètre«s»quiestplusspécialement liéàlafracturationestcomprisentre1(milieusans discontinuité) et 0 (milieu extrêmement fracturé, réduitàl'étatgranulaire). 1(MPa) 20 16 12 8 4 0 0 4 3(MPa) RMR'89=65;mi=10;sci=20Mpa RMR'89=45;mi=5;sci=8Mpa 1 2 3 Caractéristiques de rupture Demanièregénéraledanscechapitre,ondistinguera lesnotationsdescaractéristiquesmécaniquesdumassif rocheux(sansindice)decellesdelamatricerocheuse (affectéesd'unindicei). Ces caractéristiques doivent être déterminées pour chaquezonehomogènedumassifd'appui,notamment pour chaque formation géologique et géotechnique différenciéeetpourchaqueappui. Pour les roches tendres, on pourra retenir les caractéristiquesderupturemesuréesdirectementpar essais de laboratoire sur échantillons (valeurs basses delafourchettedesrésultats,comptetenudel'effet d'échelle). Dans les autres cas, avec l'approche homogénéisée du massif rocheux, les caractéristiques de rupture dumassifpeuventêtrereprésentéesparuncritèrede typeparabolique.LeplusutiliséestlecritèredeHoek & Brown (fig. 5.13), qui est défini par la relation empiriquesuivante(quines'appliquepasaucasdes massifstrèsaltérés): Figure 5.13 : critère de Hoek & Brown - points verts : massif peu fracturé - points rouges : massif très fracturé DesversionssuccessivesducritèredeHoek&Brown ont été publiées par les auteurs. La plus récente propose un critère de rupture généralisé (Hoek & Brown,2002)(1)qui,paruneapprocheplusanalytique, peuts'appliqueràtouslescasdemassifs. Pour ne pas perdre de vue le caractère empirique decetteméthode,ilasemblépréférabledeprendre commeréférencedansleprésentdocumentlecritère de rupture plus simpleindiquéci-dessus [publié en 1997dansInternationalJournalOfRockMechanics andMiningSciences(vol.34,n°8)(1)].Ledétaildela méthodeaveclestableauxcorrespondantsfournissant lesvaleursdembetsestprésentéenannexe6. Cetteapprochenécessiteunecompétenceenmécanique desrochespourchoisirdansquellesclassesrattacher lemassif;encasdedifficultédeclassification,ilest vivementrecommandédetravailler«enfourchette» entredeuxclasses. (1) Voir références danslaquelle: · 1 e t 3 s o n t l e s c o n t r a i n t e s p r i n c i p a l e s respectivement majeure et mineure (compressions notéespositivement), · ciestlarésistanceencompressionuniaxialedela matricerocheuse,mesuréeenlaboratoire, · mbetssontdesparamètrescaractérisantlarocheet lafracturationdumassif. L'annexe6détaillelesmodalitésd'applicationdecette méthode. Onnotequela«résistanceencompressionuniaxiale dumassifrocheux»cestégaleà . 58 Fondations au rocher Uncritèrederupturevoisindit«critèreparabolique» ou en paraboloïde a été implanté dans le logiciel Cesar-Lcpc.Sil'onpose: I1=1+2+3 MohrCoulomb Hoek&Brown C Cecritères'exprimesouslaformesuivante(cett sontrespectivementlarésistanceencompressioneten tractionuniaxiales,àl'échelledumassif,toutesdeux comptéespositivement): 3=0 1=cis 3=cis Figure 5.14 : linéarisation du critère de Hoek et Brown par une droite de Mohr Coulomb Si 2 = 3 = 0, on retrouve bien les deux solutions pour1:cet-t. Remarquons pour terminer, que ces critères de rupturesontisotropes:ilssontdoncàmanieravec discernementlorsqu'unefamilledediscontinuitésest prépondérante et confère au massif une anisotropie marquée. LinéarisationducritèredeHoek&Brown: Ilestpossibled'approcherlecritèredeHoek&Brown parunedroitedeMohrCoulombetdedéterminerdes caractéristiquesc,dumassif(homogénéisé). En raison de l'allure parabolique de la courbe traduisant le critère de Hoek & Brown, une bonne approximation linéaire de celle-ci nécessite de connaîtrel'étatdecontraintedumassifsollicitépar lafondation.Enfait,lacohésionapparenteaugmente aveclacontraintedeconfinement3,tandisquel'angle defrottementdiminue.Ilconviendradoncd'êtretrès prudentdanscettedémarchedelinéarisationducritère paraboliquedeHoek&Brown,etdeconsidérerque cettelinéarisationn'estvalablequesielleestfaitedans une plage de contraintes correspondant à l'état de contraintedanslemassifsollicitéparlafondation. Une hypothèse simplificatrice habituellement utilisée consiste à considérer pour l'évaluation des caractéristiquescet,undomainedecontraintesde référence défini par le cercle de Mohr de résistance encompressionuniaxialedumassifc(c=ci.s.; 3=0)etlecerclederupturesouscontraintetriaxiale associée à une contrainte de confinement 3 = c (fig. 5.14). Les valeurs des paramètres c' et ' sont définiesparladroitedeMohr-Coulombtangenteà cesdeuxcercles.Ellessontdonnéesparlesexpressions suivantes: Il existe également des corrélations sommaires entre l'indice Rmr et les paramètres c et (voir annexe5): c(kPa)5xRmr (°)5+½Rmr L'usage de ces corrélations forfaitaires, et donc très grossières, doit être limité à une description globale préliminaire et ne peut déboucher sur un dimensionnement. Elles peuvent néanmoins être utiles à titre de comparaison avec une linéarisation automatique du critère parabolique que proposent certainslogiciels. Danstouslescasuneanalysecritiquedescaractéristiques obtenuesestindispensable.(1) Note Il convient de signaler l'existence du logiciel RocLab (1), téléchargeable sur le site internet de l'auteur, qui permet de calculer automatiquement les paramètres du critère de Hoek et Brown pour un massif rocheux à partir des données de la roche intacte et de son indice Gsi. Il faut toutefois souligner la prudence dont il convient de faire preuve dans son usage comme dans les applications que l'on peut en faire. Caractéristiques en déformation La déformabilité du massif, en général caractérisée àl'aided'unmoduled'Youngetd'uncoefficientde Poisson,résulte: · deladéformabilitédelamatricerocheuse,telleque l'onpeutlamesurerenlaboratoire; · de la déformabilité des discontinuités, rarement m e s u r é e , g é n é r a l e m e n t p l u s é l e v é e q u e l a précédente. (1) www.roscience.com (on y trouve aussi plusieurs articles récents sur l'utilisation du critère de H & B ainsi que sur les nombreuses corrélations proposées par divers auteurs pour évaluer les modules de déformations des massifs rocheux). Dimensionnement 59 Nota - compte tenu de la non-linéarité du comportement des discontinuités, liée à leur fermeture progressive sous l'effet des contraintes normales appliquées, on constate très généralement que la déformabilité résultante du massif n'est pas constante et diminue au fur et à mesure du chargement ; - les déformations différées peuvent le plus souvent être négligées dans un massif rocheux sain ; dans certains cas particuliers en revanche (massif de « roches tendres » - craie, schistes altérés, marnes, gypse - ou discontinuités avec remplissage argileux, par exemple), une évaluation, en général forfaitaire et empirique, doit en être faite. Lafigure5.15fournitunexempledetellecorrélation entre l'indice RMR (cf. § 5.3.2, «Caractéristique géométriquedesmodèles»)etladéformabilitéEdu massif: enGPa(SerafimetPereira1983,pour 25<RMR<85) RMR>50) en GPa (Bieniawski 1978, pour Si pour des petits ouvrages ou ouvrages courants fondéssurdurochersain,lestassementsprévisibles sont très faibles et ne justifient pas un calcul, pour desouvragesapportantdeschargesimportantesaux fondationsetsensiblesauxtassementsdeleursappuis, l'estimationdeladéformabilitéduterrainsupportest nécessaire. Sil'espacementdesdiscontinuitésestfaibledevantla largeurdelafondation,onpourraengénéralraisonner parhomogénéisationetassimilerleterrainàunmilieu continu. Estimation empirique de la déformabilité du massif Celle-ci est possible à partir des classifications de massifs rocheux, grâce à des corrélations proposées pardifférentsauteurs(1);l'usagedetellescorrélations doitcependantêtrefaitavecprudence. (1) Voir références Estimation du module du massif E d'après les mesures sur échantillons LemoduledeYoungEietlecoefficientdePoissonde la matrice peuvent être déterminés sur échantillons delaboratoire(normeNFP94-425).Dansunmassif hétérogène, par exemple formé d'une alternance de bancscalcairesetdebancsplusmarneux,onprendra une valeur moyenne pondérée des modules des différentsfaciès. Pour certaines roches sujettes au fluage (craie par exemple),lemoduleàlongtermeEestsensiblement plusfaiblequelemodulemesurédansl'essainormalisé (typiquement,lamoitiépourlacraie). Lesvaleursdemodulesainsiobtenuessonttoujours plus élevées que les valeurs réellement applicables à l'échelle de l'ouvrage, dans un rapport qui peut atteindre10(effetd'échelle). Le rapport entre le module du massif E et celui de la matrice rocheuse mesuré en laboratoire E i peut être relié de manière grossière aux paramètres caractéristiquesdelafracturation:RQD,RMR(voir figure 5.16). La corrélation suivante a été proposée parDeereen1969: Modulededéformationdumassif 90 70 50 30 10 10 EM=10(RMR-10) 40 (applicablepourRQD>60) EM=2RMR-100 Onpeutégalementestimerlemoduledumassifrocheux parcorrélationaveclarésistanceencompressionetle RMR. 70 90 30 50 NoteRMR Dans tous les cas, l'usage de telles corrélations doit êtrefaitavecprudence. ExempledelacorrélationdueàHoek(1996) (enGPa)ci<100MPa Figure 5.15 : estimation du module du massif 60 Fondations au rocher  E=E m/E r(%) Évaluation in situ du module du massif E Lesessaisdedéformabilitéin situ(essaiaudilatomètre, essai à la plaque) permettent de dépasser l'échelle de l'éprouvette de laboratoire, mais ils n'auscultent cependant qu'un volume de l'ordre du mètre cube, faibledevantlevolumeconcernéparunefondation, etleursrésultatsnesontengénéralutilisablesqu'après correctiondel'effetd'échelle. Les essais de géophysique entre forages de type cross-holepeuventégalementfourniruneévaluation du module du massif sur une échelle un peu plus représentative (distance entre forages jusqu'à 8m); le principe de cette mesure est présenté sur la figure5.17;lamesuredesvitessesdepropagationdes ondessismiquesdecompressionVpetdecisaillement Vspeutpermettredecalculerlesmodulesdynamiques E et G (correspondant à de faibles déformations, environ10-6),sil'ondisposedelamassevolumiquedu rocher(entre2000et3000kg/m3suivantlanature deroche);ilfautnotercependantquelamesurede Vsestdélicate. Rappelonslesformulesdel'élasticité: 100 80 60 40 20 20 40 60 RQD% 80 100 Figure 5.16 : relation entre le rapport des modules E / Ei et la valeur du Rqd ­ Source : Sétra. (Pour plus de précisions on pourra se reporter au tableau 5 p 340 de l'article : « Using RQD to estimate the deformation modulus of rock masses » Lianyang Zhang and H. H. Einstein, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences Volume 41, Issue 2, February 2004, Pages 337-341) Letypedesollicitationetledomainededéformation sont très différents de ceux du chargement statique considérépourlastabilitédelafondation.Lesvaleurs du module dynamique sont supérieures aux valeurs souschargestatiquedansunrapportpouvantatteindre de2àplusde10enfonctiondel'étatdumassif. UP-HOLE Marteau coulissant Enclume Tubelanterné misenpression Géophone d'émission Émetteur CROSS-HOLE Réception UP-HOLE tridirectionnel Tubelanterné missouspression Géophonede réception tridirectionnel Récepteur Figure 5.17 : essai Cross-hole principe ­ Source : Sétra Le mode opératoire consiste à exécuter des mesures de vitesses entre deux ou plusieurs forages. On émet un signal (ébranlementsismique)àunniveaudéterminédansunforageetonréceptionnecesignalaumêmeniveaudansunou plusieursforagesvoisins.Lessignauxàl'émissionetàlaréceptionsontenregistréssimultanément.Ladétermination destempsdepropagationdesondesPetSentrel'émissionetlaoulesréceptionspermetdecalculerlesvitessesdes ondesPetS,connaissantlesdistancesséparantlespointsd'émissionetderéception. Dimensionnement 61 Évaluation analytique du module du massif E Enprésenced'unefamillemajeuredediscontinuités, on peut, comme le décrit la figure 5.18, évaluer analytiquementlemoduleEdumassif,enfonction descaractéristiquesmécaniquesdelamatriceetdes caractéristiques des discontinuités, principalement raideurnormaleKn.Celle-cis'exprimeengénéralen MPa/mm:elleestcompriseenpratiqueentre0,5et 10MPa/mm.Elleaugmenteaveclacontrainte(effet delafermeturedesdiscontinuités):lafaibleraideur dumassifconstatéelorsducoulagedelasemelleetde labasedelapilefaitplaceàuneraideurplusélevée lorsquel'ouvrageestterminé,dufaitdelafermeture progressivedesdiscontinuitésàfaiblependagesituées souslafondation. Différentsfacteursviennentlimiterlavaliditédece typedeméthodesimplifiée,enparticulier: · la difficulté d'apprécier la raideur normale K n des plans de discontinuité dominants caractérisant la structure, ne peut guère être appréciée dans la pratique que par des essais de déformabilité in situ àuneéchellereprésentative.Cettefacultérestedonc trèsthéorique; · l'anisotropie du milieu équivalent (dans la figure précédenteparexemple,lemodulesouschargement horizontalestplusélevéquesouschargementvertical, puisquevoisindumoduledelamatrice);l'utilisation d'uneméthodenumériquedetypeélémentsfinispeut permettred'évaluerladéformabilitésouschargement complexe; · la présence de discontinuités au voisinage de la fondation, d'orientation proche de la verticale, qui limitent la diffusion latérale des contraintes et augmenteipso factolachargesupportéeparlacolonne de terrain située sous la semelle, et donc aussi le tassement;uneméthodenumériquedetypeéléments distinctspeutserévélerutilepourévaluerceteffet. Conclusion En définitive, la question de l'estimation des propriétésdedéformabilitéàl'échelledumassifest toujours délicate, et il est fortement recommandé depratiquerplusieursapproches;ladétermination d'unmoduleà50%prèsestengénéralconsidérée commesatisfaisante. Il est recommandé de procéder à des mesures de déformation en cours de travaux pour apporter la validation nécessaire. La spécificité des massifs rocheuxtrèspeudéformablesnécessiterad'employer des moyens adaptés à la mesure de très faibles déformations(cf.chapitre6). S S S S S S Déformationdurocher = S Er Fermeturedeladiscotinuité n= Kn Déformationverticaletotale: S+ = S E Er Kn Figure 5.18 : évaluation analytique du module E du massif 6 Fondations au rocher 5.3. - Représentation du massif par un milieu discontinu à blocs Cetypedereprésentationdoitêtreappliquélorsque les données structurales du massif rocheux sont prédominantesetinduisentdesmécanismesderupture polarisésliésàl'orientationetàlapositiondesplans dediscontinuitédumassif.Danscecas,uneapproche homogénéiséen'estpasapplicableetilestnécessaire de prendre en compte la structure du massif et la géométrieduchargementparrapportàcelle-ci. Le niveau de complexité des modèles peut être largement variable en fonction des caractéristiques structuralesdumassifetdesconditionsdechargement del'appui.Pourlesouvragesimportantsetlesdonnées structuralesdéfavorablesoucomplexes,l'étudedela fondation devra être effectuée par un spécialiste de mécanique des roches: elle consistera à définir les caractéristiques des discontinuités et à identifier les mécanismesderupturelespluspertinents. L'étudedevraintégrerl'influencedesincertitudessur la définition des caractéristiques géométriques des modèles: · surlesdonnéestopométriquesdéfinissantlemodèle de terrain. Il est indispensable de disposer d'un modèledeterrainfiable,représentatifetàuneéchelle adaptée de la topographie du massif influencé par l'implantationdel'appui; · surlesdonnéesstructurales,concernantlapositiondes plansdediscontinuitéprincipauxetlareprésentation de la géométrie interne du massif, notamment la localisationdesdifférentsplansderupturepossibles. Les incertitudes sur les données géométriques et notammentsurlaconfigurationetlalocalisationdes surfaces de rupture possibles peuvent imposer une approcheparamétriquepréalabledeladétermination de la géométrie des modèles de calcul, permettant d'identifierlesconfigurationscritiquesàprendreen compte. Caractéristiques géométriques des modèles Lapremièreétapeconsisteàdéterminerlagéométriedes modèlesdecalculsynthétisantlesdonnéesessentielles topographiques,géométriquesetstructuralesdumassif rocheuxetdelafondation dans lazoned'influence decelle-ci. Figure 5.19 : stéréogramme illustrant la complexité du choix des plans de discontinuité principaux et de leur position ­ Source : Cete Méditerranée Dimensionnement 63 Caractéristiques de rupture des discontinuités Le développement des mécanismes de rupture dépenddessollicitationsappliquéesaumassifparla fondationetdescaractéristiquesderupturedesplans dediscontinuitémobilisés. On considérera généralement, dans le sens de la sécurité,leshypothèsessuivantes: - absencederésistanceàlatractiondesdiscontinuités sollicitéesenextension; - caractéristiques de rupture des discontinuités sollicitées en cisaillement, définies par un critère deMohrCoulomb(c,): - c=0(absencedecohésion;hypothèseconservatrice conseillée,saufsilapersistanceestmanifestement faible c'est à dire si les ponts rocheux sont nombreux) - =a=r+(comportementdilatant) avec: a:angledefrottementapparentpourledomainede déplacementconsidéré; r:angledefrottementrésiduel;l'anglerestvoisin de l'angle de frottement entre deux surfaces planes et régulières (bonne surface sciée, par exemple) de larocheconsidérée;ilsesitueleplussouvententre 25°et35°. Nota la présence de remplissage argileux peut affecter l'angle de frottement, qui peut alors se limiter à 10 - 15°. observe est liée aux aspérités de petite longueur d'onde;aucontraire,surunelongueurL,àl'échellede lapartiedumassifsollicitéeparlafondationapparaît une dilatance liée à des ondulations de plus grande longueur, et d'une manière plus générale liée à la géométriedessurfaceslelongdesquellessedéveloppe larupture. Dans le cas des discontinuités avec remplissage d'altération, les caractéristiques peuvent tendre vers celles du matériau de remplissage correspondant si l'épaisseurdujointestimportante. Insistons en conclusion sur le fait que le choix de l'anglededilatanceàprendreencomptenepeutse fairequ'aprèsobservationdétailléedelamorphologie des épontes. A défaut d'un choix mieux justifié, on peut proposer l'estimation suivante, pour des contraintesnormalesfaibles: =0,8max oùmaxestl'anglecorrespondantàlapentemaximale desaspéritésouondulationsdedimensionpertinente (longueurd'ondereprésentant5à10%delalongueur deruptureconsidérée).Sousdefortescontraintes(en gros,n>0,5c),ladilatancediminuenotablement. Dans la pratique, on n'emploiera pas de valeurs de supérieuresà10°. Cescaractéristiquesderupturedoiventêtredéterminées pourchaquesystèmeouplandediscontinuitéimpliqué dansunmécanismederupture,àl'échellegéométrique etauniveaudecontraintecorrespondants. : angle de dilatance mobilisable ; il est en général comprisentre0et10°. Ladéterminationdel'anglededilatancemobilisable estdélicate.Elledoittenircompte: · de la nature, de la rugosité, de l'imbrication, de l'altérationdesépontesetdelaprésenceounond'un matériauderemplissage; · duniveaudecontraintenormale(décroîtlorsque croît)etdudomainededéplacementconsidéré(le maximum de la dilatance n'intervient qu'après un déplacement tangentiel qui peut être jugé excessif vis-à-visdel'ouvrage); · de l'échelle géométrique (en général, décroît lorsque L croît) et de l'extension des discontinuités mobiliséesparlemécanismederupture,notamment l'existence fréquente de relais de fractures associant plusieursplansdediscontinuitéhomologues. Lescaractéristiquesdites«locales»sontdéterminées pardesessaissuréchantillons(voirlanormeP94-424 etlafigure3.14)ouévaluéesparcomparaisonavecdes échantillonsanalogues.Pourpasserdecettedimension décimétriqueàcelledel'ouvrage,ilfauttenircompte del'effetd'échelle(cf.figure5.20).Surunéchantillon de laboratoire, de longueur l, la dilatance que l'on Caractéristiques matricielles Danslamesureoùlesdiscontinuitéssontdeszones de faiblesse marquée du massif, la prise en compte explicite de caractéristiques matricielles dans la modélisation en milieu discontinu à blocs est peu fréquente et correspond à des cas particuliers, notamment: · fondation sur un massif de roches de résistance faibleetàstructuretrèsmarquéesusceptibled'induire concurremmentdesmécanismesderupturematricielle detypemilieucontinuetdesmécanismesderupture par blocs suivant des plans de discontinuité du massif; · fondationfortementsollicitéemobilisantlocalement l L Figure 5.20 : effet d'échelle sur la dilatance ­ Source : Sétra 64 Fondations au rocher de manière significative au niveau de certains blocs les caractéristiques matricielles de résistance et de déformabilitédelarocheàl'échelledelafondation. Les caractéristiques matricielles doivent être déterminéesentenantcomptedel'échelleàlaquelle ellessontsollicitéesparlesmécanismesderupture. sols meubles et ne sont pas directement applicables sansdiscernementauxfondationsdites«aurocher». Cela est d'ailleurs assez clairement exprimé dans le commentaire de l'article A.2.2 de ce fascicule du Cctg. Toutefoisilestcourammentadmisenpratique,dès lors que l'on est dans le cadre d'application d'un modèle homogénéisé pour un massif rocheux, de seréférerauxmodèlesdecalculetauxméthodesde justification applicables aux sols et définies dans ce fascicule du Cctg, en retenant donc également, en règlegénérale,lesvaleursdescoefficientsdesécurité quiysontdéfiniespourlessolsmeubles. Onnereprendradoncpasdansleprésentdocument l'ensemble des règles concernant la définition des actions, leurs combinaisons et les valeurs des coefficients de pondération et de sécurité partiels à appliquer ; on se limitera à préciser les éventuelles différencesàprendreencomptedanslecasdesmassifs rocheux. Il faut également signaler que les règles définies ici couvrent le même domaine d'application que le fascicule62titreVduCctg,àsavoirlesfondations d'ouvragesd'artet,commecedernier,nes'appliquent pasauxouvragesdesoutènement. 5.4 - Étude d'une fondation dans les cas homogénéisés 5.4.1 - Généralités Méthode de référence Comme on l'a vu précédemment, les cas les plus simples sont ceux pour lesquels le mécanisme de rupture et les caractéristiques du massif rocheux permettentdes'enteniràdesméthodesdejustification ne nécessitant pas une spécialisation poussée en mécaniquedesroches.Enparticulier,lorsquelemassif peut être homogénéisé, on applique généralement, mutatis mutandis,lesméthodesclassiquesemployées enmécaniquedessols. Le recours au mécanicien des roches s'imposera toutefoispourvaliderl'approchehomogénéiséeetles estimationsdescaractéristiquesàprendreencompte danslescalculs. Pourlesouvragesimportantsavecfortedescentede charge,ilyauralieud'étudieretd'apprécierdifférentes approches de calcul, avec l'aide du mécanicien des roches.Deplus,pourcetyped'ouvrage,lerecoursà unsuividesterrassementsetdesconstatationsparun géologue/mécaniciendesrocheslorsdestravauxest indispensablepourconfronterlamodélisationretenue pourlecalcul,àlastructuregéologiqueobservéesur leterrain(voirchapitre6). Lesdispositionsdufascicule62titreVduCctg(«règles techniquesdeconceptionetdecalculdesfondations des ouvrages de génie civil») sont globalement en accord avec celles de l'Eurocode 7 partie 1 relatif au calcul géotechnique - règles générales (norme P 94-251-1) et à son annexe nationale (norme P 94-251-1/NA) qui a retenu l'approche 2 pour la justification des fondations. Dans l'attente de la parution des normes nationales complémentaires relatives au calcul des fondations (en cours d'élaboration) on se référera donc ci-après au fascicule62titreVduCctg. D'une manière générale, les règles de justification des fondations des ouvrages de génie civil qui sont définies dans ce fascicule du Cctg concernent les Actions Lesjustificationsdesfondationssontàfaireselonles principesdecalculsauxétats-limites(deserviceEls et ultimes Elu), avec pondérations des charges et coefficientsdesécuritépartielssurlesrésistances. Les actions sont prises en compte dans les mêmes conditionsquedanslefascicule62titreVduCctg en distinguant les actions provenant de la structure généralementfourniesparlechefdeprojetetcelles liéesaumassif. Dans le cas des fondations rocheuses, les actions de poussée ou les actions dues à un déplacement d'ensembledusolconcernentessentiellement,s'ilya lieu,lesformationsdesurfacerecouvrantlesubstratum rocheux.Néanmoinsdanscertainscas,enfonctiondes donnéesgéologiquesetstructurales,delatopographie etdelagéométriedesappuis,ilpourraêtrenécessaire deconsidérerdesactionsanaloguesauseindumassif rocheux, notamment dans le cas des fondations sur versant. Il est à noter également que la détermination des valeursreprésentativesliéesauxpressionshydrauliques internes est généralement délicate en raison de l'incertitude sur les conditions hydrogéologiques et hydrauliques susceptibles de se développer dans un massifrocheuxfracturé,enparticulierdansleszones deversant. Dimensionnement 65 Évaluation de la sécurité En ce qui concerne le massif rocheux, la méthode d'homogénéisationbaséesurl'utilisationdel'indice Rmr et du critère de Hoek & Brown permet de déterminerdesvaleursderéférencedescaractéristiques derupturedumassif. Cette détermination est entachée d'incertitude en raison de l'hétérogénéité des caractéristiques du massif,deshypothèsesnécessairementréductricesdu modèle,desonincertitudepropreliéeàsonajustement empirique,etdel'incertitudesurlechoixdecertains paramètres (notamment le choix du paramètre mi associéàlanaturepétrographiquedesroches,ainsique l'appréciationdel'étatd'endommagementdumassif induitparlesterrassements). Uneanalysecritiqueparlespécialisteenmécanique desrochesdesvaleursderéférenceainsidéterminées estnécessairepourdéfinirdesvaleurscaractéristiques ausensdelathéoriedesétatslimites. Cette analyse pourra s'appuyer sur une étude de sensibilité aux incertitudes sur les paramètres de détermination, ainsi que sur une vérification de la compatibilitédesvaleursobtenuesaveclesconditions d'équilibrenatureléventuellementobservablessurle site. Nota Dans l'attente de la parution des normes complémentaires à l'Eurocode 7 relatives aux fondations et de leur adaptation éventuelle aux massifs rocheux, on recommande de retenir comme valeurs des coefficients de sécurité celles définies pour les sols meubles dans le fascicule 62 titre V du Cctg. cette vérification de stabilité d'ensemble selon les méthodesdéveloppéesauparagraphecorrespondant des cas discontinus simples (cf. § 5.5.3), pour lesquelslessurfacesdeglissementsontidentifiéeset correspondentàdesplansdediscontinuités(coinou dièdre). 5.4. - Fondation superficielle Dansl'attentedenouveauxdocumentsderéférence, comme on l'a vu ci-dessus (cf. § 5.4.1, «Méthode de référence»), la justification d'une fondation superficielle dans un cas homogénéisé est faite en se référant aux dispositions du fascicule 62 titreV du Cctg, en les adaptant si nécessaire lorsque des paramètres de résistance et/ou de déformation différentssontutilisés. Enparticulier,lajustificationvis-à-visdesétatslimites demobilisationdusolestmenéeaveclescoefficients desécuritéq=3auxElset2auxElu(cf.articleB.3.1 du fascicule 62 titreV du Cctg) et les adaptations proposées ci-après pour les autres paramètres du calcul: contrainte de rupture, prise en compte de l'excentrement, de l'inclinaison et de la proximité d'untalus. La justification vis à vis de l'état limite ultime de glissementestmenéeaveclescoefficientsdesécurité g1=1,2etg2=1,5auxElu.Danscertainscas,sila fondation est coulée à pleine fouille, il est possible de prendre en compte une butée (estimée avec prudence). Contrainte de rupture sous charge verticale centrée Cas d'une fondation sur versant : Stabilité d'ensemble Silafondationestimplantéesurunversant,ilfaut procéderàunevérificationdelastabilitéd'ensemble delafondation,c'est-à-diredelastabilitéduvolume deterrainsollicitéparlafondation(1). Silemassifconsidérépeutêtreassimiléàunmilieu continuhomogèneisotropeetqu'iln'existepasdeplan privilégiéderupture,cettevérificationpourraêtrefaite aveclesméthodesdelamécaniquedessolsàpartirdes caractéristiqueshomogénéiséescet. Mais,selonlaposition,lanatureetlescaractéristiques desdiscontinuités,ilpourraêtrenécessaire,ycompris danslecasd'unmassifhomogénéisé,deprocéderà (1) À différencier de la stabilité générale, qui est celle de l'ensemble du versant Pourdesrochestendres,sidesessaispressiométriques (voirepénétrométriques)ontétéréalisés,lesméthodes de calcul de la contrainte de rupture basées sur l'interprétationdesrésultatsdecesessais,tellesque décritesauxannexesB1etB2dufascicule62titreV duCctg,pourrontêtreutilisées. Mais le plus souvent, pour les massifs rocheux «homogénéisés», ces essais ne sont pas adaptés et l'on est donc conduit à utiliser d'autres méthodes d'évaluationdelacontraintederupturequ,notamment celle issue du critère empirique de Hoek & Brown (cf.§5.3.1,«Caractéristiquesderupture»). Ainsi,danslecasd'unesollicitationverticaleexercée 66 Fondations au rocher Type de fondation Cf Rectangulaire (L/B > 6) 1 Rectangulaire (L/B = 5) 1,05 Rectangulaire (L/B = 2) 1,12 Circulaire 1,2 Carrée 1,25 Tableau 5.1 : valeur du facteur de forme Cf en fonction de la forme de la fondation. Foundations on Rock (D.C. Wyllie) parunefondationsuperficielle,onpeutadmettreque lacontraintederupturequestcelleobtenueàpartir d'unessaitriaxialdanslequellacontraintelatérale3 estégaleàlarésistanceencompressionuniaxialedu massif(figure5.21),soit aveclecritèredeHoek &Brown,cequidonne: Une autre approche qui n'est pas comparable, notammentenraisondescritèresderésistanceetdu oudesmodesderuptureconsidérés,consisteàutiliser uneméthodeanalytiquebaséesurlesparamètresde cisaillementcettelsqu'ilspeuventêtredéterminés àpartirdelaméthodedeHoek&Brownparexemple (cf.§5.3.1,«Caractéristiquesderupture»),maisil conviendrad'êtretrèsprudentdanscetyped'approche utilisantdescorrélationsenchaîne. Cetteapprocheanalytiquequin'estpasprésentéedans lefascicule62titreVestévoquéeetdéveloppéedans l'annexeinformativeDdel'Eurocode7partie1. Dans le cas d'une charge verticale sur une semelle horizontaledansdesconditionsdrainées,lacontrainte deruptures'écritsouslaformesuivante: oùCfestunfacteurdeformeassociéàcetteméthode (tableau5.1). Exemples:(1) Pourm=10ets=0,1 qu=2,1Cf ci Pourm=2ets=0,001 qu=0,29Cf ci Q=1A 3b 1b 3a CoinB 1B 3B B 3B=surcharged'encastrementsurledessin=0 1A=surchargeliéeàlafondationQ Ona3A=1B Figure 5.21 : principe de l'estimation de la capacité portante d'une fondation superficielle ­ Source : Sétra avec: A'=B'L'valeurdecalculdelasurfaceeffectivedela fondation(cf.§5.4.2,«Chargesinclinéesouexcentrées» ci-aprèspourladéfinitiondeB'etL'), N(termedesurface),Nc(termedecohésion)etNq (termedeprofondeur)sontdesfacteursdeportance etleursvaleursdépendentdirectementdel'anglede frottementinternedumilieu, sc,sqetssontlesfacteursdeformedelafondation, q'estlacontrainteverticaleeffectivedueaupoidsdes terresauniveaudelabasedelafondation. Lesformulespermettantlecalculdecesdifférentstermes sontdonnéesdansl'annexeDdel'Eurocode7. CoinA 1A 3B 3A A 3A (1) Voir références Dimensionnement 67 Remarques Pourlespetitsouvragescourants,onpourrautiliser desméthodesplussimplestellesque: · l'Eurocode 7 (abaques de l'annexe informative G, figures5.22aetb)quifournissentpourdesfondations isoléesdeformecarréedesestimationsdelapression de contact présumée (= contrainte de service pour limiter les tassements à 0,5% de la largeur de la fondation).Lesvaleurssontdonnéesforfaitairement pour différents types de roches en fonction de leur résistance en compression et de l'espacement des discontinuités; · la formule du manuel Canadien (1) qui permet d'évaluer directement la contrainte dite admissible (soussollicitationsdeservice): a XXX(mm) b c d e 3 1,0m h 6 10 M oùKspestuncoefficientréducteurfonctiondeS/Bet e/S,toujoursinférieurà0,5(B=largeurdelafondation, Sete=respectivementespacementetouverturedes discontinuités): · les estimations de la capacité portante admissible données dans le tableau 5.2 (d'après la norme britanniqueBS8004:1986(1)): L'emploidetellesestimationsforfaitairesdelacapacité portanteestréservéeauxétudespréliminaires;ellepeut avoirunintérêtpourcomparaisonaveclesrésultats fournisparl'applicationdedifférentesméthodes. (1) Voir références 600mm 5 M 2,5 Pa/m a/m 1 MP Pa/m MPa 0,5 200mm 60mm 50 100 XXX(MPa) f 1,25 5 12,5 Capacité portante (MPa) Rocher sain Roches éruptives ou gneissiques Calcaires en gros bancs, grès durs Schistes et ardoises Schistes argileux durs, grès tendres Schistes très argileux Craie dure 10 4 3 2 1 0,6 Rocher fracturé 4-6 2-3 1-2 0,8-1,2 0,4-0,7 0,3-0,4 a b c d e f g h Rochetrèstendre Rochetendre Rochemodérémenttendre Rochemodérémentdure Rochedure Discontinuitésrapprochées Discontinuitésmoyennementespacées Discontinuitéstrèsespacées Tableau 5.2 : estimation de la capacité portante en fonction de la nature du rocher rencontré Figures 5.22 a et b : exemple d'un abaque de l'annexe G de l'Eurocode 7, abaque donné pour la catégorie de sol 3 : calcaire très marneux, grès faiblement cimentés, ardoise et schistes (clivage et foliation inclinés) ­ Source : © Afnor - nf en 1997-1 de juin 2005 (seule la version Afnor dans son intégralité fait foi - pour se la procurer www.boutique-normes.afnor.org) 68 Fondations au rocher g 0,2 2 a/m MP 2 Pa/m 2 /m 5 M 2 2 2 Charges inclinées ou excentrées Commepour lesfondations enterrains meubles,la priseencomptedel'incidencedel'inclinaisondela chargeappliquéeàlafondationsefaitgénéralement en appliquant un coefficient minorateur i dans l'expression générale de la contrainte de rupture calculéesouschargeverticalecentrée. Lorsque la contrainte de rupture est déterminée à partird'essaisaupressiomètre(ouéventuellementau pénétromètre),voireparapplicationducritèredeHoek et Brown (cf. § 5.4.2, «Contrainte de rupture sous chargeverticalecentrée»),lecoefficientminorateur ipourunechargecentréeinclinéepourraêtrecalculé commecelaestindiquépourlesterrainsmeublesau paragraphe2del'annexeF1dufascicule62titreV duCctg. Lorsque la contrainte de rupture est calculée par la méthode analytique, il y a lieu d'appliquer cette méthode dans sa globalité c'est-à-dire notamment d'appliquerlesrèglespréconiséesdansl'EC7(Annexe D), qui diffèrent assez peu de celles couramment employéesenFrancedanscecas(cf.travauxdeObin, GiroudetTrân-Vô-Nhiêm(1)).Souschargeexcentrée, ilestfaitréférenceenrèglegénéraleauxdispositions préconiséesdanslefascicule62titreVduCctg,et plus particulièrement au calcul d'une contrainte de référence par l'application du modèle de Meyerhof quiconsisteàadmettrequelescontraintesnormales sont uniformes sur un rectangle de surface réduite (A'=B'.L'avec:B'=B-2.eetL'=L-2.e'). Par ailleurs, les dispositions prévues vis-à-vis de la décompressiondusolsouslafondationsontégalement applicablespourlesfondationsaurocher: · surfacecompriméeminimalede10%delasurface delasemelleauxElu(cf.articleB.3.2dufascicule62 titreVduCctg), · aucunedécompressionsoussollicitationdeservice souscombinaisonfréquente, · surfacecompriméeminimalede75%delasurface delasemelleauxElsrares(cf.articleB.3.3). minorateuripourunechargeverticalecentréepourra êtrecalculécommecelaestindiquépourlesterrains meublesauparagraphe3del'annexeF1dufascicule62 titre V du Cctg. Pour une charge inclinée il est proposéici,pourcumulerlesdeuxeffets(inclinaison et proximité de talus) de multiplier directement les deux coefficients minorateurs i et i ainsi calculés. Cettedispositionestquelquepeudifférentedecelle proposée dans le Fascicule 62 TitreV du Cctg et conduit généralement à une réduction légèrement moins importante de la contrainte de rupture du terraindefondation.Onnoteraquecetteméthode, caléesurdesessaisréelsouencentrifugeuse(pourdes solsfrottantsuniquement)nes'appliquequ'àdestalus naturellementstablesdepenteinférieureà1/1.Ellene dispensepasdeprocéderparailleursàdesvérifications complémentairesetnotammentàlavérificationdela stabilitéd'ensembledelafondation(cf.§5.4.6). · Lorsquelacontraintederuptureestcalculéeparla méthodeanalytique,etparcohérenceaveccequiest suggéréci-dessuspourleschargesinclinées,ilyalieu d'appliquerlescoefficientsattachésàcetteméthode telsqu'ilssontdéfinisparexempledanslestravauxde GiroudetTrân-Vô-Nhiêm(1)(l'EC7nefournitpasde règlespourcecas). Ces méthodes de calcul, qu'elles soient analytiques ou semi-empiriques et calées sur des essais en vraie grandeur ou sur modèles réduits en centrifugeuse (pourdessolsfrottantsuniquement),ontétéétablies pour des talus de terrains meubles naturellement stablesdepenteinférieureà1/1.Pouruntalusde pentesupérieureà1/1,etàdéfautderéférences,on pourra adopter une disposition «sécuritaire» qui consiste à l'assimiler à un talus vertical : la charge verticale de rupture, déterminée avec le critère de Hoek&Brownensupprimanttoutconfinement,est alorségaleàlarésistanceencompressionuniaxialedu massif,soit .Onpourraégalementexaminers'il yalieu(selonladistanceduborddutalus,lapente) ce que donne l'application de la méthode avec une simpleréductionduconfinement. Parailleurs,etcommecelaaétéindiquéprécédemment, ces méthodes ne dispensent pas de procéder à la vérificationdelastabilitéd'ensembledelafondation. Onveilleranotammentàrepéreretcaractériseravec soin les discontinuités (géométrie, remplissage) dans les massifs rocheux présentant un talus, et ce, même dans ce cas où une homogénéisation a été jugéepossiblepourl'étudedelastabilitélocaledela fondation. Dans le cas d'un seul plan de glissement (coin), le volumedesolconcernéparcettevérificationestlimité pardesplansverticauxparallèlesàl'ouvrage(donton négligegénéralementlarésistanceaucisaillementpar sécurité) espacés de la largeur de la semelle (pas de diffusion,cf.§5.5.2). Fondation à proximité d'un talus Comme pour les fondations en terrains meubles, la prise en compte de l'incidence de la proximité d'un talus se fait généralement en appliquant un coefficientminorateuridansl'expressiongénéralede lacontraintederupturesur«terrainhorizontal». · Lorsque la contrainte de rupture est déterminée à partir d'essais au pressiomètre (ou éventuellement aupénétromètre),voireparapplicationducritèrede HoeketBrown(cf.§5.4.2,«Contraintederupture souschargeverticalecentrée»ci-dessus),lecoefficient (1) Voir références Dimensionnement 69 Tassements Lestassementsd'unmassifrocheuxsousunefondation ne peuvent pas être calculés par les méthodes oedométriqueetpressiométriqueauxquellesilestfait référencedanslefascicule62titreV. Pour l'évaluation du tassement, on pourra donc en généralretenirunmodèleélastiqueisotropesimplifié, notamment pour les massifs sains présentant peu de discontinuités (cas des massifs homogénéisés). Il convient toutefois lors de la détermination des paramètres E et de tenir compte de la présence de celles-ci (cf. § 5.3.1, «Caractéristiques en déformation»). Pour une fondation superficielle, on pourra donc appliquer la formule classique suivante, exprimant le tassement «s» sous une fondation de largeur B (diamètrepourunefondationcirculaireetpetitcôté pour une fondation rectangulaire) chargée par une pressionuniformeq: Dans le cas des roches tendres pouvant également donnerlieuàhomogénéisation,ilserapossibledechoisir entreplusieursméthodesd'évaluationdutassement: méthode élastique, méthode pressiométrique si des essaisdecetypeontpuêtreréalisés. Encequiconcernelarotationd'unesemellesurterrain horizontal, soumise à un moment de renversement M,lescalculsdel'élasticitéisotropefournissentune évaluationdel'anglederotation(casoùlasemelle resteentièrementencontactaveclesol,c'est-à-dire lorsquel'excentrementedelachargen'excèdepasle quartdelalargeurBdelafondation): aveclesvaleurssuivantesducoefficientIf(3): L/B If 0,5 3,54 0,75 3,94 1 4,17 1,5 4,44 2 4,59 Cercle 5,53 Tableau 5.4 : valeur du coefficient If en fonction de la géométrie de la semelle de fondation · lemodulededéformationEàprendreencompte est évidemment un module évalué à l'échelle de la fondation; · la valeur du facteur Cd(1) est donnée d'après D.C Wyllie(2)dansletableausuivantpourunefondation rigide,enfonctiondelaformedecelle-ci. Forme de la fondation Circulaire Carrée Rectangulaire 1 1,5 2 3 5 L/B Valeurs de Cd 0,79 0.99 1,15 1,30 1,52 1,83 Dansdescasdegéométriescomplexes,onpourraavoir recours à la modélisation numérique, en général la méthodedesélémentsfinis. Remarque Certaines roches peuvent présenter des tassements différés sous une charge permanente, dus à des matériaux de remplissage argileux ou à la nature de la roche elle-même (sel, gypse...) ; l'évaluation des tassements demande alors des essais et des études spécifiques qui sortent du cadre de ce guide. 5.4.3 - Fondation semi-profonde Ce cas est assez fréquent pour les ouvrages en site rocheux.Ilconcerneleplussouventdesfondations massivesisoléesdontlalargeurpeutatteindreplusieurs mètres(cf.chapitre4). Dans la pratique du dimensionnement, on fait peu de distinction entre fondations profondes et semiprofondes;onexposeradansceparagraphetoutce qui concerne les fondations semi-profondes et les points particuliers aux fondations profondes seront présentésau§5.4.4. Si l'on se réfère au fascicule 62 titre V du Cctg applicable aux sols meubles, les fondations semiprofondes sont les fondations dont la profondeur «d'encastrement équivalente» D e est comprise entre1,5et5foislalargeurB(oulediamètre)dela fondation. Pour les fondations au rocher, la limite à retenir entre les fondations profondes et semiprofondesseraitplutôtde2,5foisB. (3) Voir références : Manuel de mécanique des roches Tome 2 Tableau 5.3 : valeur du facteur Cd en fonction de la forme de la fondation LemoduledeYoungàprendreencompteestévalué àl'échelledelafondation. Ce calcul élastique peut permettre également de prendre en compte différentes situations, comme cellesdes«bicouches»;ilconvienttoutefoisdene pasperdredevuequeleparamètreprépondérantest le module de déformation du massif qui est évalué de manière peu précise, et donc que des méthodes sophistiquéesn'ontqu'unintérêtlimité. (1) Il est à noter que les valeurs de Cd sont proches de celles données pour Cf dans le FOND 72 chapitre 5.2 p 59 (2) Voir références 70 Fondations au rocher De plus, la notion de profondeur d'encastrement équivalenteDenepeutavoirlamêmedéfinitionqu'en terrain meuble en raison même de la connaissance plus «qualitative» que l'on a du massif rocheux de fondationconcerné.Pourlesmassifrocheux,celle-ci seradoncàapprécierparlespécialisteenconsidérant plusdirectementlaprofondeurréelled'encastrement delafondationdanslemassifrocheuxconcerné,en tenantcompteéventuellementdeshorizonssus-jacents dequalitéssensiblementéquivalentesetennégligeant, s'il y a lieu, les terrains meubles de couverture de qualitésmanifestementmédiocresauregarddecelles deshorizonsrocheux. En règle générale, pour le calcul de ce type de fondationsemi-profonde,onadoptelesdispositions dufascicule62titreVduCctg(AnnexeD),enles adaptant au contexte particulier des fondations au rocher(voirci-après). Ainsi,lemodèledecomportementretenusupposeque leterrains'opposeauxmouvementsdelafondation par: · uneréactionsouslabasecomposée: - decontraintesverticalesnormalesàlabase, - defrottementshorizontauxtangentsàlabase; · uneréactionsurlefûtcomposée: - defrottementslatérauxverticaux, - depressionsfrontaleshorizontales, - s'il y a lieu des frottements latéraux s'exerçant sur les parties du périmètre parallèles au sens du déplacement. Laréactionduterrainsurlefûtnepeutêtrepriseen compteques'ilestjustifiéqu'ellepeutêtreréellement mobilisable (cf. fascicule 62 titre, V Annexe D, article2). D'unemanièregénérale,lesmodèlesdecomportement nefontpasladistinctionentrelapartdemobilisation delapointeetdufrottementlatéral;enconséquence, la charge de rupture globale de la fondation est la sommedelachargederupturesouslabaseetdela chargelimitemobilisableparfrottementlatéral. Pour des ouvrages complexes, une modélisation plus fine est possible pour prendre en compte les mobilisations relatives de la base et du frottement latéral. Enl'absencededonnéesparticulières,danslecasoù existe une formation meuble au-dessus du rocher, on ne tient pas compte du frottement latéral dans celle-ci. conformera aux règles du fascicule 62 titre V du Cctg. Lorsque la méthode pressiométrique n'est pas applicable,onévaluehabituellementlacontraintede ruptureàpartird'uneméthodeanalytique(critèrec et)enfonctiondelarésistanceencompressionde lamatriceci. Toutefois,unerelationlinéaireentrelacontraintede ruptureàlabaseetc,quiestparfoispréconisée,ne semble pas validée par les essais de chargement (la figure 5.23 illustre un exemple de la dispersion de résultatsd'essaisdechargement)etilestrecommandé d'utiliser la formule de A.Soriano (1), plus réaliste. Celle-ci est préconisée dans les recommandations espagnolespourlesfondationsd'ouvragesd'art(Guía decimentacionesenobrasdecarretera(2)). avec: · quetcienMPa, · :coefficientquivariede2(Rqdvoisinde100%) à0,12(Rqdinférieurà10%), · D e la profondeur d'encastrement dans le massif rocheux. 100 q p (ult), MPa 10 1 0,1 1 10 100 ci(intactrock),MPa 1000 Figure 5. 23 : résultats d'essais de chargement de pieux dans le rocher Source : A. Soriano Cettevaleurdequesttoutefoisbornéeparlarésistance àlacompressiondubétondupuits.Ilestrecommandé parailleursderespecterunencastrementdelabasede lafondationdanslemassifrocheuxégalauminimum àundiamètre. L'effortlimitemobilisablesouslapointedelafondation profondedeSectionSestalorsdonnépar: Contrainte de rupture sous la base Pour les massifs de roches tendres dans lesquels la méthode pressiométrique est applicable, on se (1) Voir références (2) Voir références Dimensionnement 71 Frottements latéraux verticaux Lefascicule62titreVduCctgprévoitdenetenircompte detelsfrottementsqu'àpartird'uneprofondeurégaleà 1,5foislalargeurdelafondation. Dans le cas des fondations massives de grandes dimensionsensiterocheux,commecelaestsouvent lecaspourdegrandsouvragesd'art,cettedisposition peuts'avérerparfoistroppénalisanteetpeujustifiée. La profondeur sur laquelle on pourra négliger le frottement est à fixer pour chaque cas, en fonction notammentdesqualitésrelativesdesterrainsconcernés (enrèglegénéraleonnégligeralesterrainsmeublesde surface),delaméthodedecreusementdelafondation etdeladistancehorizontaleavecuntaluséventuel. Onadmetengénéralquelarésistanceaucisaillement ultimeàl'interfacebéton/rocher(=frottementlatéral unitairelimiteqs)estdonnéeparl'expression: (enMPa) avec: · comprisentre0,15et0,25,selonla«rugosité» desparoisdupuits, · c*estlaplusfaibledesrésistancesencompression durocheroudubétondupieu, c*=Min(c,rocher,c,béton). Le frottement latéral peut donc apporter une contributionmaximaledonnéepar: r=p.B pmax.B Kf y Figure 5.24 : loi d'interaction frontale élasto-plastique ­ Source : Sétra Pressions frontales horizontales et frottements horizontaux Pourlesmassifsrocheux«homogénéisés»,lecalcul des fondations profondes soumises à des efforts horizontauxetmomentsentêtepeutêtrefaitpardes méthodestoutàfaitanaloguesàcellesprésentéesdans lefascicule62titreVduCctg(AnnexeC.5),àpartir d'uneloid'interactionfrontaleélasto-plastiquereliant lapressionpaudéplacementy(figure5.24): · poury<ymax: · poury>ymax: où: · Bestlalargeurdelafondation, · Kfestlemodulederéactionfrontaledépendantde lalargeurBdel'élémentdefondationetdelaraideur duterrain, · p max la pression limite que peut supporter le terrain. Lorsquel'onnepeutpasutiliserlaméthodepréconisée danslefascicule62titreVpourobtenirlesparamètres pmaxetKfdecetteloideréaction(pasd'essaisdetype pressiométriqueparexemple),onpourrautiliser: · pour déterminer p max, ce qui est préconisé dans l'Annexe D du fascicule 62 titre V, c'est à dire la composante horizontale de la résistance de butée limiteduterrain,déterminéeàpartirdesparamètres derésistancedumassifrocheuxcmetm(casoùle massif peut être homogénéisé). La relation suivante propose,deplus,uneaugmentationdelabutéelimite pour tenir compte d'un certain épanouissement du coindebutéedevantlafondation: pmax=Cpp avecici,p=valeurissuedelathéoriedeRankine ms'exprimantendegré · pour déterminer Kf, à défaut de formule pour les fondationssemi-profondes,onpeututiliserlaformule générale de Vesic, préconisée pour les fondations profondesetrappeléeauparagraphe5.4.4,«Pressions frontales horizontales et frottements horizontaux». Pour tenir compte de la proximité de la surface, et à défaut de règle connue on pourra se référer aux dispositions préconisées pour les sols meubles (cf.fascicule62titreV),parexempleenfaisantvarier linéairement ce module K f de 0 à 100 % entre la surfaceet2,5B. 7 Fondations au rocher r=p.B rs Ks y Figure 5.25 : loi de comportement pour la prise en compte éventuelle des frottements latéraux horizontaux. Avec Ks = Kf et rs = 2 Ls qs où Ls est la longueur où s'applique le frottement latéral et qs le frottement latéral unitaire limite tel qu'il est défini pour la justification des charges axiales ­ Source : Sétra Figure 5.26 : schéma représentant le volume de sol situé devant la fondation et pris en compte dans le calcul de la butée (vue de dessus) Source : Sétra Dans certains cas (barrettes de fondation, massifs parallélépipédiques) et comme pour les terrains meubles il peut être tenu compte également des frottements latéraux horizontaux en se référant par exempleauxdispositionsdufascicule62titreV. La loi de comportement à prendre en compte pourraêtredumêmetypequecelledufascicule62 annexe C5, même si l'on ne dispose pas d'essais pressiométriques. Il faudra dans tous les cas s'assurer de façon très rigoureuse qu'aucune discontinuité à orientation défavorablen'estprésentesurlesite. Danslecasd'unplandeglissementidentifié(coin), la butée prise en compte pour la justification est de plus limitée par le volume de sol situé devant la fondation.Généralementcelui-ciseralimitépardes plansverticauxparallèlesàl'ouvrage(pasdediffusion) pourlesquelsonnégligeralarésistanceaucisaillement par sécurité. Toutefois, dans des cas particuliers et selonladistancedespuitsautalus,cettedisposition peutêtretrèspénalisante;onpourra,enl'absencede fracturationverticaled'orientationplusdéfavorable, prendreencompteunediffusionenconsidérantces plansinclinésselonunanglede25°auplusàpartirde lagénératricedechaquepuits(cf.figure5.26). Fondation à proximité d'un talus Lajustificationd'unefondationsemi-profondedans ce cas pourra se faire selon le fascicule 62 titre V aveclesadaptationsmentionnéesprécédemment,et notamment: · danslecasd'unetechniqued'exécutionassimilable aux fondations superficielles, l'application d'un coefficient minorateur i pour la contrainte limite souslabase(cf.§5.4.2,«Fondationàproximitéd'un talus»); · pourlesréactionslatéralessurlesfacessiellessont priseencompte,l'applicationd'uneminorationàla courbe de réaction en terrain horizontal définie ci dessus(cf.§5.4.3,«Pressionsfrontaleshorizontales etfrottementshorizontaux»),cetteminorationpourra être déterminée selon la méthode du fascicule 62 titreVannexeC.5. Dimensionnement 73 Tassements L'évaluationdutassementd'unefondationsurpuits est fonction du mode de reprise de la charge : par frottementlatéral,parlabase,ouparunecombinaison desdeux.Lesformulesquisuiventsupposentquele bétonetlemassifontuncomportementélastiqueet qu'iln'yapasglissementàl'interface. · Dans le cas d'un puits pour lequel la charge est principalementrepriseparlesparoislatérales(rocher latéral raide : en général, l'encastrement est justifié parunereprised'effortshorizontauxoudemoments), letassement sousunechargeverticaleQpeutêtre évalué par excès au moyen de la formule simplifiée suivante(Wyllie,chapitre8(1)): Exemple:puitscirculairesduviaducdeVerrières: B=6m,Q=103MN.E=10GPa,Eb=30GPa Onobtient:1,1mm. · Dans le cas d'un puits pour lequel la charge est principalement reprise à la base, le tassement résultant à la fois de la compressibilité du béton (moduleEb)etdeladéformabilitédumassif(E,) peutêtreévaluéparlaformulesuivante(D.C.Wyllie, chapitre8(1)): où: · B=diamètredupuits, · E=moduledumassif, · Rf=facteurderéduction,voisinde0,8(cefacteur prend en compte une annulation de la raideur tangentielleensurface,suruneépaisseurégaleàB), · I = facteur d'influence. Il traduit l'effet de la compressibilité (relative) du béton, qui s'ajoute à l'effetd'interfacebéton/rocher;ilestdonnédansle tableau5.4: Eb / E I 0,5 1,5 1 1 2 0,8 10 0,5 où: · B=diamètredupuits, · D=profondeurdupuits, · C d = c o e f f i c i e n t d e f o r m e , c f . § 5 . 4 . 2 , «Tassements», · R' f = facteur de réduction (par rapport à une fondationsuperficielle),donnéparletableau5.5: OnnoteraquelemoduleEestengénéralplusélevé àlabasedupuitsqu'ensurface. · Danslescasoùletassementdupuitsmobiliseàla foislefrottementlatéraletl'effetdepointe,onpourra faireuneinterpolationentrelesdeuxvaleurscalculées commeindiquéci-dessus. Eb / E <50 D/B R'f 0,7 0,7 0,6 0,5 Tableau 5.5 : évaluation du facteur I en fonction du rapport Eb / E Remarque Les situations où Eb / E > 10 sont en fait assez rares : l'influence des parois latérales est alors négligeable, sauf dans le cas où un matériau de mauvaise qualité se trouverait en pointe, ce que l'on évite le plus souvent. 2 >50 4 6 Tableau 5.6 : évaluation du coefficient Rf en fonction des rapports Eb / E et D / B (1) Voir références 74 Fondations au rocher 5.4.4 - Fondation profonde Comme indiqué au paragraphe 5.4.3, pour les massifs rocheux, on considèrera comme fondations profondescellesdontlaprofondeur«d'encastrement équivalente»Deestsupérieureà2,5foislalargeurB (oulediamètre). Pourcelles-ci,lajustificationdansunmassifrocheux «homogénéisé» se traite suivant les dispositions présentées au paragraphe 5.4.3 pour les fondations semi-profondesetentenantcomptedesparticularités présentéesci-après. Frottements latéraux verticaux La méthode d'évaluation des frottements latéraux à prendreencompteestlamêmequepourlesfondations semi-profondes (cf. § 5.4.3, «Frottements latéraux verticaux»).LahauteurHàprendreencompteestà apprécierparleprojeteur:engénéral,ennégligeant lesterrainsmeublesdesurface,onpourraprendreen comptelahauteurtotaledelafondationtraversantle massifrocheux(voirintroductiondu§5.4.3). Pressions frontales horizontales et frottements horizontaux Lesdispositionsproposéespourlesfondationssemiprofondessontdemanièregénéraleapplicablesici. Pour la détermination de la valeur de palier du moduleKf(engénéralaudelàdoncd'uneprofondeur de2,5B),onpourrautiliserlaformulegénéralede Vesicquifaitintervenirlesparamètresélastiquesdu massifrocheuxEet,etl'inertieIpetlemoduleEp delafondation: Contrainte de rupture sous la base De même que pour les fondations semi-profondes, ondistingueralecasdesrochestendresdesautrescas, lorsque la méthode pressiométrique du fascicule 62 titreVduCctgpeuts'appliquer. Pour ces derniers, on se réfère généralement à la formule de Soriano présentée au paragraphe 5.4.3, «Contrainte de rupture sous la base» pour les fondationssemi-profondes,(avecDe>2,5B): oùvariede2(Rqdvoisinde100%)à0,12(Rqd inférieurà10%).(1) qp(ult),MPa 1000 File 100 Soils 10 Rock L 40MPa Fondation à proximité d'un talus Lesdispositionsproposéespourlesfondationssemiprofondes peuvent être appliquées également aux fondationsprofondes. q p = 4 c 10 1 q p = 0,24 c 10 0,1 0,1 1 10 100 1000 ci(intactrock),MPa Figure 5.27 : résistance de pointe en fonction de ci (L/D >=2,5) d'après A. Soriano(1) (1) Voir références Dimensionnement 75 5.5 - Étude d'une fondation dans les cas discontinus simples 5.5.1 - Généralités Actions Lesjustificationsdesfondationssontàfaireselonles principesdecalculsauxétats-limites(ElsetElu). Les observations formulées pour l'approche par homogénéisation sont également applicables à la modélisationparunmilieudiscontinuàblocs.Toutefois dans ce cas,l'extension de la zoned'influence de la fondationetdeséventuels«ouvragesgéotechniques» quiluisontassociés(notammentdestalusdedéblai pour les appuis sur pente) peut être beaucoup plus importantequedanslecasd'unmilieucontinu,du fait du rôle dominant de la structure du massif, de l'influence de la topographie et de leur disposition relative. inclut pour chaque configuration des modèles une variationdeleursparamètresgéométriquesprincipaux (par exemple, les angles définissant les orientations sontprisesencompteavecunevariationde±5°). La section 11 de l'Eurocode 7 (stabilité générale) qui traite notamment des problèmes de stabilité des massifs rocheux, indique également qu'il convient d'éviter l'occurrence des états limites de service (déformations excessives, dont la prévision reste généralement peu fiable) notamment en limitantlarésistanceaucisaillementmobilisée(voir clause11.6(1)).Cettedispositionjustifielemaintiende larègledevérificationcourammentutiliséeévoquée précédemment,mêmesicelle-cinedispensepas,s'ily alieu,d'uneprévisiondesdéplacements,voired'une justificationdelastabilitédelafondationrocheuseà l'étatlimiteultime. Iln'existepasactuellementderèglesconcernantcette justification de la stabilité de la fondation à l'état limiteultime.Dansl'attentedelaparutiondesnormes complémentairesàl'EC7relativesauxfondationset de leur adaptation éventuelle aux massifs rocheux, onpourraadopterunelégèrevariantedel'approche de calcul 3 qui consiste d'une part, à pondérer les actions(coefficientspartielsde1,35pourlesactions permanentesdéfavorables,ycomprispourlesactions géotechniquess'ilyalieu,etpourleschargesvariables routières)etd'autrepart,àréduirelesparamètresde résistanceaucisaillementdesdiscontinuités(c'et') par un coefficient partiel dont la valeur pourra être priseégaleà1,25. Lescasdelafigure5.28sontgénéralementconsidérés commedescas«simples». Évaluation de la sécurité La justification des fondations rocheuses, dans les casdiscontinussimplesoucomplexes,nerelèvepas directement de l'application du fascicule 62 titreV duCctg(voircommentairesdel'articleA.2.1),pas plusd'ailleursdecelledel'Eurocode7partie1(norme NFEN1997-1)oudesonAnnexeNationale(norme NFEN1997-1/NA)quinevisentpasexplicitement cesfondations. Enrèglegénérale,lavérificationdelastabilitédela fondation rocheuse telle qu'elle est habituellement pratiquée dans ces cas consiste à s'assurer que la résistance au cisaillement mobilisée le long des discontinuités en contact (non décollement), sous sollicitations non pondérées (de type Els rares), n'excède pas une fraction de la résistance limite mobilisable(résistancerésiduelleourésistancedepic, lorsqu'ilyalieu).Enpratiqueonadoptegénéralement uncoefficientdesécuritéFde1,5surlarésistanceau cisaillementdesdiscontinuités. Lorsqu'il y a lieu, et en particulier dans les cas discontinus complexes, la vérification de la stabilité delafondationrocheuses'appuieparailleurssurune analyse préalable de sensibilité de l'état limite aux variationsdesparamètresgéométriquesetmécaniques des discontinuités. Cette étude paramétrique est effectuéepourlessituationslesplusdéfavorables,et (1) Voir références 76 Fondations au rocher Cas du massif discontinu à stratification å horizontale, Cas d'un versant avec possibilité de glissement ç plansurunediscontinuitéàpendageaval, Cas d'unversantavecpossibilitédedéstabilisation é d'undièdrelimitépardeuxdiscontinuités, Cas d'un versant avec possibilité de rupture è impliquantdeuxblocs. é å ç è Figure 5.28 : les cas discontinus simples ­ Source : J.L. Durville 5.5. - Terrain à stratification horizontale Silescouchessonttoutesdemêmenature,onpourra assimilerlemassifàunmilieucontinuhomogène. Des mécanismes de rupture particuliers peuvent apparaîtresilacouchesuperficielleestsensiblement plusrigidequelescouchessituéesendessous.Ilpeut alorsêtrenécessaire,pourunefondationsuperficielle, devérifierlastabilitévis-à-visdupoinçonnementde lacouchesous-jacente. Si la résistance au cisaillement de la couche rigide sous-jacente (éventuellement minorée si une fracturationverticaleexiste),esonépaisseur,etple périmètredelafondation,unevaleurprudentedela chargeultimepeutdoncêtreobtenueparlarelation suivante, en négligeant la réaction de la couche inférieure: Qu=.e.p Q e Figure 5.29 : modélisation et paramètre pour un terrain stratifié simple ­ Source : JL. Durville Dimensionnement 77 5.5.3 - Mécanisme de glissement plan Dans cette configuration, il existe un plan de discontinuitédedirectionparallèleàcelleduversant, àpendageaval(angle). Sur le schéma de la figure 30, la charge apportée parlafondationestuneforceQinclinéedel'angle surl'horizontale.Onsupposequelarésistanceau cisaillementdeladiscontinuitéestcaractériséeparc et,respectivementcohésion(parexempleapportée pardespontsrocheux,dontl'influenceestassimilée à une cohésion répartie sur la longueur L de la discontinuité)etangledefrottement,déterminésselon lesdispositionsduparagraphe5.3.2«Caractéristiques derupturedesdiscontinuités».Danscesconditions, l'équilibre d'une tranche limitée par deux plans latérauxsubverticaux(dontonnégligegénéralement larésistance,parsécurité)s'écrit: Q W T N Figure 5.30 : modélisation et paramètre pour un mécanisme de glissement simple ­ Source : Sétra avec W, poids de la masse rocheuse (en situation d'absenced'eau). Lecoefficientglobaldesécuritéauglissementadonc pour expression, S étant l'aire de la discontinuité concernée: delasécurité)detraiterunproblèmedestabilitéde dièdres. Casparticulier:alternancedeformationsrocheuses etmeubles. Dans l'exemple de la figure 5.31, la stabilité au glissementd'ensembledelafondationsuperficielleest considéréecommeassuréedanslamesureoù: · sur un plan oblique émergeant à la base du talus, la résistance au cisaillement est très élevée, puisque ce plan traverse la matrice rocheuse sur une grande longueur, · unesurfacederuptureenescalier,obliquedansles couchesmeublesetempruntantlesdiaclasesverticales descouléesbasaltiques,etquioffriraitunerésistance bienmoindre,nedébouchepasàl'airlibre. Lescaslesplusdéfavorablessontceuxpourlesquels > /2 (c'est-à-dire lorsque la force Q est inclinée versl'aval)etl'effetdelachargeQestalorsengénéral déstabilisateur(danslescascourants,Qestcependant relativementpetitparrapportàW).Ilestrecommandé d'effectuer une étude paramétrique pour évaluer l'influencerespectivedescaractéristiquesgéométriques et mécaniques, et de la nappe le cas échéant. On cherchera à obtenir F = 1,5 sous sollicitations non pondérées (Els) en tenant compte s'il y a lieu d'ancrages par exemple. Rappelons toutefois qu'en casdeprésenced'ancrages,ilestconseilléd'avoirde plusF>1soussollicitationspondérées(combinaisons d'actions de type Elu), sans tenir compte de la présencedesancrages.(cf.§5.5.1). Siunepressiond'eaudansladiscontinuitédoitêtre priseencompte,sarésultantedoitêtredéduitedela composantenormaledupoidsW.cos. L'encart page 79 présente un cas d'une fondation dont l'assise n'est pas directement menacée par les instabilités,maisquipourraitàtermeêtredéchaussée par régression de la paroi rocheuse proche. On remarquera qu'un calcul de glissement plan 2D a été effectué, manière simplifiée (et située du côté 8à10m Basalte Scories Basalte Scories Basalte Scories 35° Figure 5.31 : alternance de formations rocheuses et meubles Source : B. Gaudin (Egis) 78 Fondations au rocher Fondation des culées du pont de Crozat (Savoie) en bordure d'escarpements rocheux · Reconnaissance: - levégéostructural:quatrefamillesdediscontinuités (schistositéS,F1,F2,F3). - quinze sondages destructifs (réalisés en deux phases) avec enregistrement de paramètres, à partirdelaplate-formeactuelle:ilsfournissent laprofondeurdurochersainetdoncduniveau defondation. · CuléecôtéBonneval: - mécanismespossibles(figure1): - dièdres F2/F3 : glissement sur les deux plans àlafois, - dièdresS/F2:glissementsurF2. C'estlepremiermécanismequiestleplusdéfavorable. L'arêtecommuneàF2/F3aunpendageavalde55°. Lafigure2(profiln°1)montrequeladéstabilisation n'atteintpaslabasedelafondation,maispourrait venirladégarnirlatéralement. Un confortement par ancrages passifs est donc nécessaire. Le calcul est fait en 2D, sur un plan plongeantà55°,avecunangledefrottementestimé de35°,etuncoefficientdesécuritérecherchédansle casprésentde1,2.17ancragesØ40mmscellésau mortierdeciment,de4,5à6mdelongueur,sont répartissurquatreprofilsverticaux. · CuléecôtéCelliers: - mécanismes possibles (figure 1) : dièdres S/F1, avecglissementsurlesdeuxplansàlafois; - l'arête commune à S/F1 a un pendage aval de 53°. La figure 3 (profil n° 7) montre que la déstabilisationpeutatteindreleborddelabase delafondation,etmettrealorscelle-cienléger surplomb; - une confortement par ancrages passifs est donc nécessaire. Le calcul est fait avec les mêmes hypothèses que précédemment. Onze ancrages Ø40mmscellésaumortierdeciment,de4,5à 6,5mdelongueur,sontrépartissurdeuxprofils verticaux. Nord Falaisecôté Bonneval F3 F2 O S F1 Falaisecôté Celliers Sud Hémisphèresupérieur Figure 1 : diagramme de Wülff ­ Source : Cete de Lyon 1011,1 Éboulis Rocher fracturé Ancrages passifs 5,5 m 1003,3 Niveaudefondation 5 m 4,5 m 55° Profil n°1 Figure 2 ­ Source : Cete de Lyon 10m Niveaudefondation 6,5 6 m Ancrages passifs m 6 m 5 m 4,5 m 53° Figure 3 ­ Source : Cete de Lyon Profil n°7 Dimensionnement 79 5.5.4 - Mécanisme à deux blocs (D) Ce cas peut être considéré comme simple dans des situationsassezparticulières(pasdecohésion,absence d'eau,configurationgéométriquesimple...),maisen règlegénérale,ilrelèvedescascomplexes,d'autantplus queceproblèmeestrarementbi-dimensionnel. Onconsidèrelafondationsuperficiellereprésentéesur lafigure5.32,soumiseàuneffortverticalQv,située enbordured'unepentefaible(angle). Troisdiscontinuitésdécoupentunbloc«moteur»1 etunbloc«résistant»2:lemécanismederupture consisteenunglissementdubloc1surladiscontinuité 1àpendageaval1,lequelbloc«pousse»lebloc2qui glissesurladiscontinuité2(pendage2).Onnotera queladiscontinuité1nedébouchepasdansletalus, etn'estdoncpassusceptibledecréeràelleseuleun mécanismed'instabilité. L'écriture de l'équilibre des deux blocs (nullité de la résultante des forces) permet de déterminer sans difficultélachargelimite. Pour simplifier, on suppose dans l'exemple ci-après queladiscontinuitémédianeestverticale.Lesangles defrottementsont1pourladiscontinuitéoblique du bloc 1, 2 pour celle du bloc 2, et 12 pour la discontinuitéentrelesdeuxblocs;lescohésionssont négligéesici. Ona,siestlepoidsvolumiquedurocheretpour un mètre linéaire de fondation (Wi est le poids du bloci): Onécritl'équilibrelimitedechaquebloc,soitquatre équations(onnégligel'équilibredesmoments).Lessix composantesdesréactionsinconnuesvérifientenoutre lesconditionsdeCoulombsurlestroisdiscontinuités. La charge limite Q u par unité de longueur de la fondationestalorsdonnéeparl'expression: La figure 5.33 représente, dans cet exemple, pour 1=45°et1=2=12==25°,cettechargelimite rendueadimensionnelle: Dans le cas du terrain horizontal ( =0° voir notations),onobservequelacharge-limiteatteintun minimumpour2voisinde15à20°:si2estplus faible,leblocrésistantdevienttrèsgrand;si2estplus élevé,l'éjectionverslehautdubloc2devientdifficile (ilyad'ailleursunangle2maximum,au-delàduquel laruptureestimpossible). Notons enfin que, pour des valeurs d'angle de frottement courantes (30° à 35° par exemple), la charge verticale limite est très élevée, de telle sorte quecemécanismenepeutserencontrerenpratique quepourdesouvragesd'artexceptionnelsinduisant desdescentesdechargestrèsélevées.Celapeutneplus êtrelecas,naturellement,lorsquelapentedevient significative, avec 2 faible (voire négatif ), ou si la charge exercée par la fondation a une composante horizontalesignificativeversl'aval. Z* 90 70 50 30 10 0 =45° =5° =10° Qv 1 h W1 W2 2 1=45° 0 10 20 30 40 Angle2endegrés Figure 5.32 : modélisation et paramètre pour un mécanisme à deux blocs ­ Source : J.L. Durville Figure 5.33 : évolution de la charge limite adimensionnelle avec en fonction de 2 ­ Source : J.L. Durville 80 Fondations au rocher Le mécanisme à deux blocs du type précédent peut bienentendusedévelopperavecdesgéométriesvariées (figure 5.34) : le dimensionnement et la sécurité (cf.chapitre5.5.1)setraitentdelamêmefaçonque précédemment. 5.6 - Étude d'une fondation dans les cas discontinus complexes Commeilaétéditplushaut,dansceGuideiln'est pastraitéexplicitementdesfondationssurdesmassifs rocheuxqualifiésde«discontinuscomplexes»dansla mesureoùleproblèmedoitêtretraitéaucasparcas, le recours à un mécanicien des roches expérimenté est (étant par ailleurs) alors indispensable. En effet, danscescontextes,lagrandediversitédessituations géologiques et des conditions géotechniques des massifs rocheux ainsi que la spécificité de chaque ouvrage interdisent d'établir une grille exhaustive decastypesàlaquelleilseraitpossibledeseréférer. C'est pourquoi, après quelques considérations générales, seuls quelques exemples sont présentés à titreindicatif. 5.5.5 - Mécanisme de glissement de dièdre La stabilité d'un dièdre limité par deux plans de discontinuités et soumis à la charge extérieure apportée par une fondation s'étudie en deux temps (figure5.35): · analyse cinématique, permettant de déterminer le mécanisme d'instabilité pertinent: glissement sur une seule face, avec décollement de l'autre face, ou glissementsurlesdeuxfacesàlafois,parallèlementà l'arêtecommune; · analysemécaniqueselonlemodederuptureretenu, compte tenu de la résistance au cisaillement des discontinuités. Danslecasdumécanismedeglissementsurlesdeux faces à la fois, ayant pour cohésions respectivement c1etc2,etpouranglesdefrottementrespectivement 1et2,lachargelimiteverticaletotaleQuestdu typesuivant: 5.6.1 - Généralités Actions Commedanslecasduparagraphe5.5,lesjustifications desfondationssontconduitesselonlesprincipesde calculsauxétats-limites(ElsetElu). Les observations formulées pour l'approche par homogénéisation sont également applicables à la modélisation par un milieu discontinu à blocs. Toutefoisdanscecas,l'extensiondelazoned'influence delafondationetdeséventuelsouvragesgéotechniques quiluisontassociés(notammentdestalusdedéblai pour les appuis sur pente) peut être beaucoup plus Q avec: · :poidsvolumiquedurocher · H:dimensioncaractéristiquedutalus Z H Figure 5.35 : mécanisme de glissement dièdre ­ Source : J.L. Durville Figure 5.34 ­ Source : J.L. Durville Dimensionnement 81 importantequedanslecasd'unmilieucontinu,du fait du rôle dominant de la structure du massif, de l'influence de la topographie et de leur disposition relative. Évaluation de la sécurité - Analyse de sensibilité En raison du rôle déterminant des systèmes de discontinuités dans les mécanismes de rupture, la vérification de la stabilité de la fondation rocheuse s'appuiesuruneanalysedesensibilitédel'étatlimite aux variations de leurs paramètres géométriques et mécaniques(cf.§5.5.1).Cetteétudeparamétriquedoit êtreeffectuéepourlessituationslesplusdéfavorables, etinclutpourchaqueconfigurationdesmodèlesune variationdeleursparamètresgéométriquesprincipaux (par exemple, les angles définissant les orientations sontprisencompteavecunevariationde±5°). Ilestgénéralementpossiblededissocier,souscertaines réserves, l'analyse de sensibilité des paramètres mécaniques de celle de l'influence des paramètres géométriquesenprocédantendeuxétapes: · étudeparamétriquegéométriqueenconsidérantdes valeurs de référence constantes des caractéristiques mécaniques(enprincipelesvaleurscaractéristiques), permettantdedétermineruneouplusieursgéométries deréférence; · étudeparamétriquemécaniquepourlesgéométries deréférenceprécédemmentdéterminées,conduisantà l'analysedesensibilitéauxvaleursdescaractéristiques mécaniques. Cesméthodespermettentdoncdeconstruireunmodèle demassifrocheuxcomprenantungrandnombrede discontinuités. Même si des outils numériques 3D existent,lesseulsquisoientcourammentutiliséssont 2D,cequiposetoujoursunproblèmeenmécanique desroches,dufaitducaractèretrèsgénéralementtridimensionnelduréseaudesdiscontinuités. Méthodes analytiques Danscertainscas,unemodélisationadaptéepermet d'effectuer une étude analytique. Ce type de modélisation peut s'avérer très utile notamment lorsquel'étudeimpliqueunevariationdesparamètres géométriquesdumodèle.Ilestrecommandéd'ailleurs, même lorsqu'un logiciel d'éléments distincts est employé, de vérifier les ordres de grandeur obtenus surunmodèleanalytique,mêmetrèssimplifié. 5.6.3 - Exemples Exemple de calcul analytique : effort-limite de renversement d'un puits de fondation On suppose le massif stratifié horizontalement et traversé par des diaclases verticales. Le problème poséestceluidelastabilitéd'unpuitsdefondation sous l'effet d'un effort horizontal appliqué en tête (figure5.36).OncherchelavaleurlimiteTudelaforce horizontaleappliquéeentêtedepuitsetdirigéevers l'extérieurdutalus. 5.6. - Méthodes de calcul Méthodes numériques Ilexisteuncertainnombredeméthodesnumériques dites par «éléments distincts» qui modélisent le massif rocheux par un ensemble de blocs, rigides ou déformables, séparés par des joints déformables (compression,séparation,glissement).Cesméthodes ontétédéveloppéesspécifiquementpourlamécanique desmassifsrocheuxdiscontinus.Deslogicielsdecalcul fondéssurcetypedeméthodessontdisponiblessur lemarché. Lesdonnéesd'entréedetelscalculssontdonc: · lagéométriedesdiscontinuités,fixéeaudéparten cesensquecelles-cinesepropagentpasdanslaroche (pasde«mécaniquedelarupture»incorporée); · lescaractéristiquesmécaniquesdesblocs,engénéral infinimentrigidesouélastiquesisotropes; · les caractéristiques mécaniques des joints, le plus souvent de type élasto-plastique parfait en mode tangentiel, et linéaire avec décollement possible en modenormal. T Figure 5.36 : modélisation de l'exemple ­ Source : J.L. Durville · Casdutalusvertical Onsupposeque,sousl'effetdelaforceT,lepuitssubit unerotationautourdesabase,enfaisantglisserles unessurlesautreslesncouchesd'épaisseure,séparées pardesjointsd'angledefrottement.Lesglissements seproduisentsurdessurfacestriangulaires,d'aireA, limitéespardeuxdiaclasesverticales.Enécrivantque letravailvirtueldeTdansunerotationdupieu,est 8 Fondations au rocher égalautravaildesforcesdefrottement,onobtient: où P est le poids du prisme Pourn>5,avecuneapproximationquinousplacedu côtédelasécurité,nouspouvonsécrire: rocheuxsollicité - pour un cas courant où n > 5, on prendra l'approximationsécuritaire: soitlamoitiédelavaleurquel'onobtiendraitsil'on supposaitsimplementqueleprismerocheuxglissait enmassesursabase. · Cas2Davectalusoblique O n s u p p o s e q u e d e u x d i a c l a s e s v e r t i c a l e s , perpendiculaires au talus, et une diaclase verticale arrièredélimitentuneportiondemassifdelargeurl, susceptibledeglissersousl'effetdelaforceT.Comme précédemment,lebasculementdupuitsdefondation entraînedesglissementsdescoucheslesunessurles autres;onnégligelefrottementlatéralsurlesdiaclases verticales. Commeprécédemment,l'applicationduprincipedes travauxvirtuelsausystème(pieu+prismerocheux), donne,si,L0estlalongueur(surlavueencoupe)de couche supérieure mobilisable et e l'épaisseur des couches. Parexemple,pouruntalusvertical,avecL0=Ln,on retrouvelaformuleduparagrapheprécédent: où P est le poids du prisme rocheux sollicité. Exemple de calcul de tassement Lesappuisdesbéquillesdudoublementduviaducde l'AnteàFalaiseontnécessitél'évaluationdutassement dansunmassifrocheuxdontlecomportementestnon linéaireethétérogène. Les fondations des béquilles du viaduc se situent dans la formation des «grès armoricains»; il s'agit de quartzites très fracturés, présentant localement desdiscontinuitésouvertes.Cettefracturationaété observée à l'affleurement au voisinage immédiat du T siteetdanslesfouillesréaliséespourlesquatreappuis desbéquilles;elleestaussimiseenévidenceparles l faibles vitesses des diagraphies sismiques, par les essaisdilatométriquesetparlesdiagraphiesdevitesse d'avancementdesforages. T Lo T l h 1 2 k n Ln Figure 5.37 : vue de dessus ­ Source : J.L. Durville Figure 5.38 : vue en coupe ­ Source : J.L. Durville Lk T Lo 1 2 h k n Ln Lk Dimensionnement 83 Le comportement que l'on peut attendre du massif rocheux est donc un comportement non linéaire, avec une importante phase de serrage en début de chargement. Compte tenu du type de structure (pontàbéquille),conduisantàunchargementquasiinstantanédesfondations,ilimportedevérifierque les tassements restent admissibles, c'est-à-dire ici inférieursà10mm. Laméthodeutiliséereposesurunehomogénéisation dumassifdontlecomportementestsupposéélastique non-linéaire. Les principales hypothèses sont les suivantes: - c h a r g e m e n t p e r p e n d i c u l a i r e a u t e r r a i n N=24,2MN(inclinaisonde45°), - interfacebéton/rocherassimilableàunrectangle 5x4=20m², - diffusiondescontraintessuivantuncôneà35°sur l'axedechargement, - le tassement s'effectue dans un pseudo-tronc de cônede10mdehauteur(cf.figure5.39et5.40). · Approximationdecontraintesuniaxiales Contraintesouslasemelle:=1,21MPa Contrainte à la base du cône de diffusion : =0,08MPa · Comportement non linéaire du massif rocheux: E()=Eo+K · Considérons une tranche de terrain située à la profondeur z, donc soumise initialement à une contrainte axiale que nous supposons égale à o = z ( poids spécifique du terrain: 24 kN/m 3). Elle est soumise après chargement à la contrainte (z)=o+(z).Ladéformationdecettetranchede terrain,souslasurcharge(z),estdonnéepar: 5m A A 5m 4m 4m 7m 7m A' A' Figure 5.39 : vue de dessus du rectangle d'appui en surface et de la zone d'influence à 10 m de profondeur ­ Source : J.L. Durville z z 35° 35° r(z) r(z) Figure 5.40 : coupe AA' ­ Source : J.L. Durville N(MN) Le tassement total est obtenu en sommant les tassements élémentaires sur toute la hauteur du cône: 25 20 15 La courbe reliant l'effort normal N appliqué et le tassementwestdonnéeci-dessouspourchacundes appuis(casduviaducouest): - appuinord:Eo=30MPaetK=80MPa/MPa - appuisud:Eo=100MPaetK=180MPa/MPa Les tassements estimés sous la charge de 24,2 MN sontlessuivants(figure5.41): - pourl'appuinord:w=62mm - pourl'appuisud:w=22mm L'exigencedetassementinférieurà10mmaconduità proposerd'augmenterlaraideurdumassifàl'aidede barresd'acierscelléesdansdesforages(cf.figure4.19 del'exemple§4.4.4). 10 5 0 Côténord Côtésud 0 20 40 60 80 w(mm) Figure 5.41 : courbes effort/tassement pour les appuis nord et sud (massif rocheux non renforcé) ­ Source : J.L. Durville 84 Fondations au rocher Exemple de modélisation numérique par la méthode des éléments distincts Dansl'exemplesuivant,analogueàceluiduparagraphe 5.6.3«Exempledecalculanalytique:effort-limitede renversementd'unpuitsdefondation»,lafondation delapileP9duviaducdeRogervilleestétudiéeen2D parlaméthodedesélémentsdistincts(codeUdec). Le puits marocain est creusé dans la craie stratifiée horizontalementettraverséedenombreusesdiaclases quasi-verticales ; il est profond de 10 m, pour un diamètrede5m. Le massif rocheux est représenté par un assemblage de blocs déformables de comportement élastique (E=3GPa).Lesdiaclasesontdespendagesvariant légèrementetaléatoirementautourdelaverticale. Lesjointsrocheuxontpourcaractéristiques: - raideurnormale:1MPa/mm, - raideurtangentielle:0,5MPa/mm, - frottement:25°, - cohésionnulle. L'interface rocher/béton est plus frottant (40°) et possèdeunedilatanceinitialede7°. La pile est d'abord chargée verticalement (effort N3D =32,9 MN), ensuite l'effort horizontalT3D est appliqué progressivement sur la pile, à une hauteur de20mau-dessusdusol. Pour un puits de section circulaire, il n'y a pas de solution très satisfaisante pour déterminer le coefficientdepassage3D/2D,lecalcul2Détantfait en déformation plane, sur une tranche de 1 m de large. Concernant l'effort vertical, on peut faire en sortequelacontrainteàlabasesoitidentiquedans lesdeuxcas,cequidonneuneffortdecalculentre1/4 et1/7deN3D,suivantl'importancequel'ondonne auxréactionslatérales.Quantàl'efforthorizontalde calcul,ilpeutêtrepriségalà1/5deT3D,lediamètre dupuitsétantde5m. Lafigure5.42présentel'alluredeladéforméepour T=1,2MN;lestraitsgrasreprésententlesparties dejointsenglissement. L'intérêt du modèle numérique est d'une part de fournir une courbe effort/déplacement et d'autre part de permettre aisément une étude de sensibilité en fonction de différents paramètres : angle de frottement des discontinuités (figure 5.43), raideur des joints, ouverture initiale des diaclases (cette questionétaitimportanteàRogerville,comptetenu delaconstatationdel'ouvertureobservéedecertaines diaclases). Figure 5.42 : pile P9 du viaduc de Rogerville. Étude de la déformation du massif sous l'effet d'un chargement incliné en tête de pile Source : J.L. Durville T(MN) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 =25° =39° 2 1 20 40 60 80 100 X(mm) Figure 5.43 : pile P9 du viaduc de Rogerville. Courbes effort / déplacement pour deux valeurs de l'angle de frottement des discontinuités. Les raideurs initiales sont très voisines, de même que les déplacements à la rupture (50 mm environ). Les efforts ultimes sont de 2,4 et 1,2 MN ­ Source : J.L. Durville Dimensionnement 85 86 Fondations au rocher Chapitre 6 Suivi géologique et instrumentation 87 6.1 - Suivi des terrassements par un géologue 6.1.1 - Principes Buts du suivi géologique Leséchantillonssoumisàessaisaulaboratoiresontde dimensionsdécimétriques.Danslecasdesessaisen place,lesvolumesauscultésnedépassentguère1m3. Les propriétés du massif rocheux sont estimées lors des études à partir de ces essais et sur la base d'un modèlegéologique.L'effetd'échelledûàlastructure dumassifrocheuxrendindispensable,lorsdestravaux des terrassements des fondations, la vérification du modèlegéologique. Le suivi géologique des terrassements d'un appui d'ouvrageestabsolumentnécessaire.Ildoitpermettre de confirmer les données géologiques retenues lors des études, de vérifier si les conditions trouvées correspondent aux hypothèses faites, c'est-à-dire au modèle géologique et le cas échéant, de proposer des mesures correctives qui peuvent être définies soit empiriquement au vu des fouilles (purge d'une zone argilisée ou approfondissement de la fouille parexemple),soitparnouveaucalculparleBureau d'études. Lespointssuivantsdoiventêtreconsidérés: · portance,chargelimite, · déformabilité,tassements, · stabilitédel'appui(ouvragesurpente), · stabilité des talus créés autour de l'appui (le cas échéant). Les rapports et relevés du Géologue doivent être conservés dans le dossier final constitutif de l'ouvrage. · zonesd'altérationavecleurlocalisation, · identificationetlocalisationdesaccidentsgéologiques éventuels(zonesdefaillesnotamment), · discontinuités = description géométrique et morphologique précise et complète des systèmes de fracturation,selonlesRecommandationsdel'Aftes(1) (Caractérisationdesmassifsrocheuxutileàl'étudeet àlaréalisationdesouvragessouterrains­2002): - relevés géométriques en azimut et pendage des principalesdiscontinuités, - espacement moyen entre discontinuités d'une mêmefamille, - distancesentrelesépontes(ouvertures), - descriptionduremplissageentrelesépontes, - étendueoupersistancedesdiscontinuités, - morphologiedesépontes, - venuesd'eau. Ces éléments sont à comparer aux données du projet et notamment aux sondages. En cas d'écart, des vérifications peuvent être à entreprendre pour confirmerlesnouvellesdonnées. Legéologueconsigneparécritsesobservations(avec schémasetphotographies)etsonrapportestconservé dansledossierd'ouvrage. Chargés d'affaire Cesuividoitêtreeffectuéparungéologueexpérimenté ayantunecompétencedansledomainedelamécanique desrochesetdelagéologiedel'ingénieur. Organisation L'examen peut être réalisé en une fois et en fond de fouille notamment dans le cas de fondations superficielles.LacoteNgfd'assisedoitêtreconnue etl'ensembleobservédoitêtreparfaitementdégagéde matériauxencoursdeterrassementetcomplètement nettoyé. Ceci est impératif. En aucun cas, il ne faut se contenter de témoignages divers relatant des observations directes ou indirectes sur des secteursmasqués.Sinécessaire,ilfautdemanderun complémentdenettoyageetprévoirunenouvellevisite (cf.figures6.1et6.2). Une attention particulière est à porter sur les discontinuitéscolmatéespardesproduitsfinsassociés àdesvenuesd'eau(cf.figures6.3). Danslecasdefondationsprofondes,plusieursvisites sont à envisager en fonction de l'avancement des travauxdecreusement. L'utilisationdesexplosifsdoitaussiêtremaîtrisée.Le butestdeconstruireuneassiserocheusestableetde limiteraumaximumtousleseffetsarrièreliésauxtirs. (1) Voir référence Méthode Le suivi géologique est basé sur l'observation des talus,paroisetfondsdefouille.Saufcasparticuliers (ex. préciser les limites d'extension d'une cavité, localisationprécised'unefaille),iln'estpasfaitappel auxsondagesmécaniques,géophysiquesetauxessais delaboratoireouinsitu(notammentàcausedesdélais deréponse),maisilpeutêtreutiledefaireprocéderà desfouillescomplémentairesàlapellehydraulique. Les observations doivent porter sur les principaux aspectssuivants: · naturelithologiquedesmatériaux,étatd'altération d'ensemble, · cavitéséventuelles, 88 Fondations au rocher Ceci implique un suivi particulier du minage (avis surplansdetir,instrumentationavecenregistrement des vibrations). Il peut être préférable de terminer les terrassements et de régler l'assise au brise-roche hydraulique. 6.1. - Cas des fondations superficielles Lesparamètresàconsidérerenprioritésurunefouille terrassée à la cote prévue au projet sont la capacité portante,lastabilitéetladéformabilité. Capacité portante Larésistancedelamatricerocheuseestappréciéesur le fond de la fouille, parfaitement nettoyé, à partir d'observations visuelles et aussi de sollicitations au pic(marteaudegéologue). Ilfaudratenircomptedel'étatd'altérationet/oude la compacité globale et aussi de l'homogénéité. En casd'insuffisancesnettesunapprofondissementd'une partiedelafouillepourraêtreenvisagé(inversement, ilestinutilederemplacerdubonrocherpardubéton parfoismédiocre). Si un doute subsiste un sondage peut être exécuté avecunepellehydrauliquetoujoursdisponiblesurce typedechantier. Les venues d'eau sont aussi à noter et à traiter par drainage si nécessaire, en cas de débits significatifs (plusieursl/mnparexemple). Figure 6.2 (a) et (b) : contournement de Brive-la-Gaillarde (Corrèze) - Vue générale du versant Ouest avec les fouilles des appuis C0 et P1(a) et terrassement pour la semelle de l'appui C0 du viaduc de Cluzan(b) Source : Lrpc de Clermont-Ferrand Figure 6.1 : terrassement d'une fouille pour un appui sur semelle. Un complément de nettoyage a été nécessaire avant réception de l'assise Source : Lrpc de Clermont-Ferrand Figure 6.3 : pont du Pertuiset (appuis rive droite) sur la retenue de Grangent à Unieux (Loire) ­ Source : Lrpc de Lyon Suivi géologique et instrumentation 89 Stabilité L'appréciationdelastabilitédanslecasd'unappuisur versantnécessitel'étudedelafracturationdumassif. Sur le fond de la fouille et son pourtour un relevé géométrique des discontinuités qui affectent le rocher devra être fait pour compléter les données obtenues lors de l'étude du projet. Une analyse de stabilité et des mécanismes de rupture permettra alorsdeconclure.Dèsquelesconditionsdestabilité sontgéométriquementdouteuses,ilfautenvisagerle traitementdurochercequipeutimpliquerlamiseen oeuvredemoyenstelsque:ancrages,bétonprojeté, contreforts,drainssubhorizontaux,... Unapprofondissementdelafouillepourraaussiêtre proposé(cf.figure6.4). Axe P z=333,1 P 1 m 4 ° m Profildécaléde 3mcotéNord P 6.1.3 - Cas des fondations profondes Outrelacapacitéportante,etlastabilité,ilfaudraaussi pour ce cas de fondation être plus particulièrement attentif à la déformabilité du massif rocheux. Les relevés seront à faire en plusieurs étapes au fur et à mesuredelaprogressiondesfouilles. Àchaqueétapeilfaudraétablirunrelevédétailléde laparoi(développédelaparoisur360°sousforme de croquis et de photographies) avec les éléments suivants(cf.figure6.5): · lithologie,altérationdesfaciès, · fracturation: - géométrie, - espacement, · caractéristiquesdesdiscontinuités, Figure 6.4 : après débroussaillage et décapage de la zone, un risque de basculement de tête de panneau rocheux pouvant solliciter le bord aval de l'appuis C0 a été mis en évidence; notamment par l'aspect morphologique local de la pente. Dans ce cas, il a été proposée un approfondissement de l'appuis de 2 m de profondeur (ouvrage de franchissement de la Creuse près de Guéret) Source : Lrpc de Clermont-Ferrand · cavitéséventuelles, · venuesd'eau. OnpourrautiliserlaformuleempiriqueduRockMass Rating(Rmr)deBieniawski. À partir de ce Rmr une estimation du module de déformationéquivalentdumassifrocheuxestpossible (cf.figure6.6).Différentesformulesontétéproposées (cf.§5.3.1,«Estimationempiriquedeladéformabilité dumassif»). Filondequartz (20cm) Axe N Gneiss Diaclase Diaclase 4m Graniteclair grainmoyen peufracturé Granite trèsfracturé Faille Zone+ou-broyée etargilifiée(20-30cm) Azimut32à47° Pendage68à78° versleNord Gneissgrismassif peufracturé,sain Faille Gneiss Graniteclair trèsfracturé Graniteclair,grainmoyen, peufracturé Enduitmarronsurgrandesdiaclases Est-Ouest 10cmdematériaux argilifiés Venuesd'eau1-21mm Figure 6.5 : relevé de la paroi d'un puits marocain pour le viaduc de la Truyère sur l'autoroute A75 en développé de la paroi cylindrique (hauteur = 4 m) ­ Source : Lrpc de Clermont-Ferrand 90 Fondations au rocher Estimation du module du massif : Ilfautdistinguerdeuxzones: · la zone non affectée par les discontinuités à remplissage argileux (2/3 de la paroi côté Nord et Est); · la zone affectée par les discontinuités argileuses (1/3côtéOuest). Zone affectée Rmr=17 Emassif=1495MPaarrondià1500MPa Zone non affectée Rmr=35 Emassif=4216MPaarrondià4200MPa Lignon ectée par ne aff Zo ntinuités argileu le ses co dis Zo e ne n on alaffecté N Figure 6.6 : détermination du Rmr pour un puits marocain de l'ouvrage de franchissement du Lignon par la RN88 (Haute-Loire) - Appui P3, ouvrage amont.(vue en plan du fond de fouille) ­ Source : Lrpc de Clermont-Ferrand Figure 6.7 : synthèse du relevé géologique d'un puits de la pile P4 ­ Source : autoroute A75 viaduc de Millau. Relevé d'un puits de la fondation de la pile P4 d'après F. Schlosser et al. (Géoline 2005). Lafigure6.7présenteunrelevégéologiquelorsdel'excavationd'unpuitsdelafondationdelapileP4duviaduc deMillau.Onaconstatéquedanscettezonedefailles,lescalcairesduCarixienétaientcomplètementdisloqués etcomportaientdenombreuxkarsts.Ceciaconduitàremplacerpardubétonlazonedekarstremplid'argile. Suivi géologique et instrumentation 91 Làencore,sinécessairedessondagescomplémentaires peuvent être exécutés notamment pour les puits marocains de grand diamètre. Ceci a été fait pour leviaducduLignon(RN88)pourlequeldanslecas d'unappui,l'extensionversl'intérieurdumassifd'une zonebroyéeargiliséeaétérecherchée(cf.figures6.6 et6.8). Le traitement et le renforcement du massif en cas d'anomaliespourrontêtrebaséssurdesancragesdans les parois, des purges, un approfondissement de la fouille mais aussi par la prise en compte des pertes de module du rocher dans le dimensionnement des armatures. 6. - Suivi instrumental de l'ouvrage pendant les travaux et en service ­ Exemples Danslecasd'ouvragesexceptionnels,oudanslecas de grands ouvrages en site difficile (en pente, avec rochesaltéréesoufracturées,etc.),ilestrecommandé d'effectuer un suivi des tassements de la fondation pendantlestravauxetpendantlespremièresannées d'exploitation. Pendant la phase de chantier, les mesures obtenues peuvent conduire à réaliser des renforcementsdurocherparexemple(cf.laméthode observationnelle). Dans certains cas, un suivi instrumentalaprèsmiseenserviceestindispensable: cela sera souvent le cas par exemple pour une fondationsurpenteavecformationinstableensurface (cf.chapitre4.2.2). L'instrumentationpeutcomprendredesmesures: · sur la semelle ou la base des piles : tassement ou rotation ; ce sont les mesures les plus couramment pratiquées, · danslespuitsbétonnés:extensométrie, · dans le terrain, à la périphérie de la fondation ou souscelle-ci:inclinométrie,extensométrie,jaugesde déformationsurdesbarresderenforcement,etc. Compte tenu de la précision recherchée ­ quelques millimètres en tassement ­ un grand soin doit être apporté aux mesures, notamment dans les sites où lespointsfixessontdifficilesàtrouveràproximité: versant en mouvement lent, pile en rivière, par exemple. 1 2 462 Puitsmarocain P3 Arèneset granitealteré Granitefracturéavec quelquespassagesargilisés Granitegrisclair saincompact Fonddepuits au13/01/92 453 Fonddepuits au20/01/92 6..1 - Cas du pont sur l'Elorn La figure 6.9 présente les mesures de tassement effectuées,pendantprèsdetroisans,parnivellementen quatrepointsdelabasedelapileP3dunouveaupontsur l'Elorn.Cettepileestfondéesurunesemellecirculaire de 16 m de diamètre faiblement encastrée dans Figure 6.8 : vue en coupe de sondages destructifs complémentaires réalisés lors du creusement d'un puit marocain (RN88 viaduc de Lignon, appui P3, ouvrage amont) ­ Source : Lrpc de Clermont-Ferrand 9 Fondations au rocher des schistes très fracturés. On distingue la phase de construction avec augmentation progressive du tassement sous la charge croissante et une phase de légerfluageunefoisl'ouvrageterminé.Cesmesures, outreleurrôledesurveillanceducomportementdela fondation,ontpermisderecaleraposteriorilavaleur dumoduledurocher:unepremièrepériodeavecE autourde2GPaet,aprèsfermetureprogressivedes joints,unevaleurprochede10GPa;lorsdesétudes, il avait été proposé une fourchette de 8 à 20 GPa. L'instrumentation comprend aussi un extensomètre placé dans un forage vertical à côté de chacune des semellesdeP3etP4(mesureentrelasurfaceet24m de profondeur) ; ces extensomètres ont été suivis pendantneufans. TassementdeP3(mm) 1 0 -1 -2 -3 -4 0 5000 Nord Est 10000 15000 ChargeN(tonnes) Sud Ouest 6.. - Cas du viaduc de Millau DanslecasduviaducdeMillau,pendantlestravaux, l'instrumentationmiseenplacepourl'utilisationdela méthodeobservationnelleaconsistéprincipalementà équiperlesquatrecoinsdechaquesemelle(quiassure laliaisonentrelesquatrepuitsdefondation),despits permettantdesmesurestopographiquesdeprécision ainsi que des mesures par nivelles (en raison de la grandedimensiondessemelles,20sur30mpourles piles2et3,onnepeutpascomptersurl'homogénéité duterrain). Les mesures sont réalisées tous les mois pendant la constructionduviaduc.Deuxtypesdeseuilsontété définis: · un seuil de vigilance au-delà duquel les mesures doivent être rapprochées dans le temps afin de confirmerl'évolutiondesdéplacements; · unseuild'alertepourlamiseenoeuvrededispositions confortativespréalablementdéfinies(cf.tableau6.1). Ilaétédistinguéunseuilsurletassementmoyende lasemelleetunseuilsursarotation. En ce qui concerne le seuil de vigilance pour les rotationsdessemelles,ilaétéconvenudefixerune limitecorrespondantàundéplacementtrèssécuritaire pourlastructureauniveaudutablier. Figure 6.9 : tassement de la pile P3 du nouveau pont sur l'Elorn Source : Sétra Tassement s (mm) Seuil de vigilance Seuil d'alerte Source : Schlosser et al., 2005 Rotation 5.10-4rad Courbeprévisionnelle dubureaud'études Confirmationdudépassement duseuildevigilance Tableau 6.1 : définition des seuils de vigilance et d'alerte Suivi géologique et instrumentation 93 Le seuil d'alerte correspond à la confirmation du dépassement du seuil de vigilance sur une période de plusieurs mesures très rapprochées (1 à 2 mois). Aucoursdecettepériode,ilestprévudeprocéderà desreconnaissancesspécifiquesàl'emplacementdela fondationdelapileafind'identifierlephénomèneet d'adapteraumieuxlestravauxconfortatifs.Ceux-ci sontfonctiondel'anomalierencontrée:clouagelocal, micropieux,drainage,terrassement,butée,etc. Les figures 6.10 et 6.11 donnent pour les piles P2 (fondationdanslescalcaires)etP6(fondationdans lesmarnes)lacomparaisondesmesuresdetassement, enfonctiondutempsetdelamassedebéton,avec lesvaleursthéoriques.Onconstatequelestassements mesurés dans les calcaires présentent de brusques variationssuiviesdepaliers,alorsquelestassements mesurés dans les marnes sont plus continus. Il est probable que ce phénomène soit lié d'une part à la fracturation naturelle et importante des calcaires, d'autrepartàladéstructurationcrééeparl'excavation des puits à l'explosif. Par ailleurs, les pentes des courbes moyennes des tassements sont globalement inférieuresauseuildevigilance.Lesrotations,quant àellessontrestéestrèsfaiblesettoujourstrèsendeçà duseuildevigilance,cequiestunrésultatessentiel pourl'ouvrage. Figure 6.10 : comparaison entre les calculs et les observations : tassement total aux quatre angles de la semelle de la pile P2 du viaduc de Millau Source : Schlosser et al., 2005 Figure 6.11 : comparaison entre les calculs et les observations : tassement total aux quatre angles de la semelle de la pile P6 du viaduc de Millau Source : Schlosser et al., 2005 94 Fondations au rocher Annexes 95 1 - Listes des normes et procédures d'essais existantes pour les roches Miseàjourjanvier2008 Normes : Référence Afnor Date Titre Glossaire ­ Classification XPP94-402 04/02 Roches : Glossaire.Définitions-Notations-Symboles 15 24 NFENISO14689-1 Recherche et essais géotechniques:Dénomination,etclassificationdesroches. 09/04 Partie1­Dénominationetdescription (P94-401-1) Prélèvements de sols et de roches XPP94-202 12/95 Sols:ReconnaissanceetEssais-Prélèvement des sols et des roches- Méthodologieetprocédures. Essais de laboratoire sur les roches NFP94-066 NFP94-067 NFP94-410-1 NFP94-410-2 NFP94-410-3 NFP94-411 XPP94-412 NFP94-420 NFP94-422 NFP94-423 XPP94-424 NFP94-425 XPP94-429 NFP94-430-1 NFP94-430-2 12/92 12/92 05/01 Sols:ReconnaissanceetEssais­Coefficientdefragmentabilitédesmatériaux rocheux. Sols:ReconnaissanceetEssais­Coefficientdedégradabilitédesmatériaux rocheux. Roches:Essaispourdéterminerlespropriétésphysiquesdesroches. Partie1­Déterminationdelateneur en eau pondérale.Méthodeparétuvage. 7 7 6 7 11 7 7 7 7 9 12 15 9 7 7 42 Pages Roches:Essaispourdéterminerlespropriétésphysiquesdesroches. 05/01 Partie2­Déterminationdelamasse volumique­Méthodesgéométriqueset parimmersiondansl'eau. 05/01 04/02 Roches:Essaispourdéterminerlespropriétésphysiquesdesroches. Partie3­Déterminationdelaporosité. Roches:Déterminationdelavitesse de propagation des ondes ultrasonores ­Méthodepartransparence 04/01 Roches:Déterminationdel'indicederésistance à la pénétration par un foret. 12/00 Roches:Déterminationdelarésistanceàlacompression uniaxiale. 01/01 Roches:Déterminationdelarésistanceàlatraction­Méthodeindirecte ­Essai brésilien. Roches:Cisaillement direct selon une discontinuitéderoche.Essaisousun effortconstant,normalàlasurfacedediscontinuité 03/02 Roches:Déterminationdelarésistanceàlacompression triaxiale. 03/03 04/02 Roches:Déterminationdumodule de Young et du coefficient de Poisson 12/02 Roches:Résistancesouschargeponctuelle.Essai Franklin 10/00 10/00 Roches:Déterminationdupouvoir abrasifd'uneroche. Partie1­Essaiderayureavecunepointe Roches:Déterminationdupouvoir abrasifd'uneroche. Partie2­Essaiavecunoutilenrotation 96 Fondations au rocher Référence Afnor Date Titre Pages Essais en place sur les sols (naturels ou compactés) et les roches Sols:ReconnaissanceetEssais­Essai pressiométrique Ménard. Partie1­Essaisanscycle. 01/2000 NB:LanormeNFP94-110-1annuleetremplaceau1erjanvier2001la normeNFP94-110dejuillet1991.LaversiondelanormeNFP94-110-1en vigueurestnotée:2etirage2000-05.F(le2etirageportaitsurdescorrections éditoriales) 12/99 09/99 02/02 02/02 Sols:ReconnaissanceetEssais­Essai pressiométrique Ménard. Partie2­Essaiavecuncycle. Sols:ReconnaissanceetEssais-Diagraphie dans les sondages - Méthode de la sonde à neutrons. Roches:Déformabilité-Essai dilatométrique en forage. Partie1­Essai avec cycles Roches:Déformabilité-Essai dilatométrique en forage Partie2­Essai de fluage après le premier cycle Essais d'eau (en place) ­ Prélèvement d'eau - Piézomètres NFP94-130 NFP94-131 NFP94-132 NFP94-157-1 NFP94-157-2 04/00 Sols:ReconnaissanceetEssais-Essai de pompage. 09/94 Sols:ReconnaissanceetEssais-Essai d'eau Lugeon. 10/00 Sols:ReconnaissanceetEssais-Essai d'eau Lefranc. 03/96 03/96 Sols:ReconnaissanceetEssais-Mesures piézométriques Partie1­Tube ouvert. Sols:ReconnaissanceetEssais-Mesures piézométriques Partie2­Sonde de mesure de pression interstitielle. Essais d'éléments de structures XPP94-444 12/02 Roches:Essai statique d'arrachement,sousuneffortaxialdetraction,d'un ancragescellédansunmassifrocheux.Essaiparpaliers. 10 18 13 18 10 14 NFP94-110-1 42 XPP94-110-2 XPP94-123 XPP94-443-1 XPP94-443-2 9 11 16 7 Annexes 97  - Quelques spécifications particulières pour les sondages carottés dans le rocher 1 - Exécution des sondages carottés Ilexisteunenormepourlaréalisationdessondagescarottés:NFXP94-202,Sols­Prélèvementdessolsetdes roches:méthodologieetprocédures(décembre1995). Rappelonsenparticulierque: · lesondeurdoitnotertouslesincidentsdeforation,quidevrontensuiteêtrereportésdanslelogdusondage: pertesdefluidedeforation,arrivéesd'eau,chutesd'outil,etc.; · leprélèvementdoitsefaire,dansdurocherdebonnequalité,aucarottierdoubleenveloppe; · àl'issuedusondage,lescarottessontplacéesdansdescaissesdûmentrépertoriéesetentreposéesàl'abri(il seraitsouhaitablequeleforeurfasseclairementapparaîtrelescarottesquiontétévolontairementcasséespour leconditionnementdanslescaisses). Lecompte-rendudesondageétabliparlesondeurdoitcomporternotamment: · repéragedusondage:numérotation,implantation(coordonnéesx,y,zdelatêtedesondage), · encasdeforagenonvertical:inclinaisonetazimut, · datededébutetdefindusondage, · laoulesméthode(s)deforation(avecleursprofondeurs),lanaturedel'outilutilisé,l'indicationdufluidede forage, · lediamètredeforage, · lestubagesavecprofondeursetdiamètres, · lesparamètresdeforation,s'ilsontétéenregistrés, · unecoupedesondagesommaire, · lepourcentagederécupérationoutauxdecarottage, · leniveaud'eauenfindesondage. - Exploitation des sondages carottés Nousprésentonsci-dessousl'exploitationquel'onpeutfairedescarottes,sansévoquerl'exploitationdutrou deforage(caméra,diagraphie,etc.). .1 - Log de sondage Ilesteffectuéparungéologue,depréférenceaufaitdelagéologierégionale. Lacoupegéologiquedoitêtreeffectuéeleplustôtpossible,enparticulierdanslecasderochesévolutives(argilites, marnes,schistes,évaporites,etc.).Ellementionne: · la description détaillée des terrains rencontrés (nature, état, litage, fissuration, pendage, couleur, etc.); en particulier,insistersurladescriptiondesdiscontinuités; · lesformationsgéologiquesauxquellesserattachentlesterrains. . - Photographie des carottes Les carottes sont rangées dans les caisses prévues à cet effet, convenablement identifiées et repérées, puis photographiéesdanscetteposition.Ilestrecommandéd'effectueruneprisedevueverticaleencouleurs(mettre sipossibleenregardunechartedecouleurs). 98 Fondations au rocher .3 - Évaluation de la fracturation (voir Recommandations Aftes, 003) Mentionnonsdeuxindicesquipermettentdequantifierlafracturationdansunsondagecarotté(maisquiréduisent évidemmentl'informationparrapportàdesdonnéesstatistiquespluscomplètes). Rqd IntroduitauxÉtats-Unisen1963,lerockqualitydesignationestdéfinicommelepourcentagedelalongueur cumuléedesélémentsdecarottedelongueurunitairesupérieureà10cmparrapportàunelongueurdeforage de1m(lalongueurestmesuréeauniveaudel'axedescarottes). Il peut être intéressant d'évaluer aussi le Rqd sur des longueurs plus grandes, de façon glissante ou en correspondanceaveclesunitéslithologiquesidentifiéesparlegéologue. Id et Fd PréconiséenFranceparl'Aftes,l'intervalleentrediscontinuitésestdéfinicommelamoyennedesintervalles découpésparlesdiscontinuitéssuccessiveslelongdusondage.Soninverseestappeléfréquencedediscontinuités (Fd=1/Id). Cesindicessontcalculéssurdeslongueursfixes,defaçonglissante,ousurchaqueunitélithologiquedansson ensemble. Nota pour obtenir des valeurs représentatives, il faut veiller : - aux biais liés à l'orientation du sondage par rapport aux principales familles de discontinuités, - à la qualité du sondage : diamètre supérieur à 50 mm, voire à 80 mm dans les terrains difficiles ; taux de carottage supérieur à 90 %. Annexes 99 3 - Représentation en diagrammes stéréographiques : principe, exemple Lareprésentationsurunplandel'orientationdesdiscontinuitésdusiteconstitueunephaseessentielledela description des massifs rocheux. Elle s'effectue à l'aide de la projection stéréographique qui a l'avantage de conserverlesangles(figuresA3.1):lesélémentsstructurauxtelsqueladroiteDetleplanP,supposéspasserpar lecentreOdelasphère,coupentl'hémisphèresupérieurrespectivementsuivantunpointouunarcdegrand cercle,quel'onprojettesurleplanhorizontaldeprojection(lepointdestdonclaprojectiondeladroiteD). Unplanestdoncreprésentéparunarcdecercle(représentationcyclographique),maisonpeutaussitracerson pôlequiestlaprojectiondeladirectiondedroitenormaleauplan(représentationpolaire):figureA3.2.Le reportdesrelevésdeterrainpeutêtrefaitmanuellement,àl'aideducanevasdeWulffgraduéde2en2degrés, ouautomatiquementavecdeslogicielsappropriés. Les discontinuités repérées sur le terrain sont souvent regroupées en familles; on définit pour chacune une directiondeplanmoyenne. Pourl'étudestatistiquedesdirections,onutiliselareprésentationpolairedesplans,dansuneprojectionqui conservelesaires(figureA3.3a).SurlafigureA3.3bonareprésentéparprojectionstéréographiquelesplans moyensdetroisfamillesmajeuresidentifiéessurlafigureA3.3aainsiquelepland'untalus(directionN-S): l'analysedesintersectionsdecesplansentreeuxpermetdemettreenévidencelapossibilitéd'undièdrelimité parlesplans1et3. Figure A3.1 : principe de la projection stéréographique, à partir du pôle inférieur Figure A3.2 : projection stéréographique d'un plan (hémisphère supérieur) : représentation polaire et cyclographique Famille Å Famille Ç Famille É Direction 99,0 178,3 44,6 Pendage 67,1S 67,0W 52,6W Talus 16 42,0W Figure A3.3 : exemple de relevé structural : représentation polaire des plans repérés avec identification de trois familles principales et représentation cyclographique des plans moyens des trois familles ainsi que du plan d'un talus 100 Fondations au rocher 4 - Spécifications pour l'utilisation d'explosifs pour les travaux de terrassement de fouilles de fondations d'ouvrages d'art Les terrassements rocheux nécessaires pour réaliser les déblais des plates-formes de travail et les fouilles des fondations(semelles,massifsoupuits)nécessitentengénérall'utilisationdel'explosif. Onsetrouvedanslasituationapparemmentparadoxaleoùl'ondoitsimultanément: · détruirelacohésiondelamassederocheàterrasser; · construiredestalus,paroisetfondsdefouillesstablessansentraînerdedégradationsdespropriétésmécaniques delapartiedumassifrocheuxlaisséeenplace(minimisationdeseffetsarrièreliésautir). Dèslestadededéfinitionduprojet,lorsdeladéfinitiondesgéométriesdesfouilles,ilconviendrad'analyser les conditions d'exécution et les moyens techniques auxquels l'entrepreneur devra recourir pour réaliser ces terrassements. Pourl'essentiel,laréussiteencedomainepasseparlaconceptiondesplansdetirs,conceptionqui,audemeurant, faitappelàdesnotionsclassiques: · Plan de foration: - adaptationdesmaillesdeforationetdesprofondeursàlagéométriedelafouilleàréaliser; - choixd'undiamètredeforationcompatibleavecleschargesspécifiques,lesvolumesdemaillesetlahauteur debourrageindispensableentêtedeforage; - plandeforationspécifiquepourprédécoupageéventueloupostdécoupage; - soinparticulieràapporteràl'exécutiondesforages(implantation,inclinaison,profondeur,etc.). · Plan de chargement: - utilisationdesmoyenstechniquesetpyrotechniquesdisponiblespouréchelonnerdansletempslesdétonations desdifférentstrousdelavolée:détonateurspyrotechniquesélectriquesounonélectriques,exploseurséquentiel, détonateursélectroniques; - définitiondeséquencesd'amorçageoptimisantl'utilisationdessurfaceslibrespréexistantes(surfacelatéraleou surfacesupérieure)etleréseaudefracturationscrééparladétonationdechaquetrou,encherchantàlimiter aumaximumlafracturationaudelàdesparoisdelafouillepareffetsarrière; - séquencesd'amorçagespécifiquespourlestrousdedécoupagedestalusouparois; - adaptationéventuelledesplansdetirsenfonctiondesmesuresetanalysesdesvibrationsémisesdanslemassif (vitessesparticulaires)àproximitédelazonedeterrassements. Mêmesileposterelatifàl'utilisationdesexplosifsnereprésentequ'unepartminimedumontanttotalducoût deconstructiondel'ouvrage,desprescriptionsstrictesetsuffisammentdétailléesdoiventêtreimposéesdansles piècestechniquesdesDossiersdeConsultationsdesEntreprisesetdesmarchés,etêtreévidemmentappliquées lors des travaux, compte tenu des conséquences désastreuses qui peuvent découler d'un emploi des explosifs sansprécautions. Ilconvientd'êtreparticulièrementvigilantdanslecasdesous-traitancesduminageparl'entreprisetitulairedu marchédeconstructiondel'ouvrage,ens'assurantquelecontratdesous-traitanceénonceclairementetdefaçon exhaustivetouteslesprescriptionsfigurantdanslespiècesdumarchéprincipal. Desdifficultésnemanquerontpasdesurgirsilesous-traitantchargéduminageestinsuffisammentprévenude cescontraintes. Références bibliographiques sur l'utilisation des explosifs pour les travaux de terrassements LesTechniquesdel'IndustrieMinérale: Sociétédel'IndustrieMinérale­17,rueSaintSéverin­75005Paris­Tél.:0153101470 Tirs:ThéoriesettechnologieN°13(mars2002) Tirs:ApplicationsetImplicationsN°14(juin2002) LesTravauxàl'explosif(5fascicules)-P.Allard-ConservatoireNationaldesArtsetMétiers­2,CoursdesArts etMétiers­13617Aix-en-Provence Terrassementàl'explosifdanslestravauxroutiers-guidetechnique-Cftr-2002,disponibleauSétra­Réf. :D0126,prix:18euros Annexes 101 10 Fondations au rocher A - Paramètres de classification et notation correspondantes Plagesdevaleurs >10MPa >250MPa 100-250MPa 50-100MPa 25-50MPa 4-10MPa 2-4MPa 1-2MPa PourlesfaiblesvaleursdeIs utiliserc 5-25MPa 1-5MPa <1MPa 2 0 15 90%-100% 20 >2m 20 12 75%-90% 17 0,6m-2m 15 7 50%-75% 13 200mm-600mm 10 1 >25% 3 >60mm 5 4 25%-50% 8 60mm-200mm 8 Surfaceslustrées Surfaceslégèrement Surfaceslégèrement Surfacestrès ou rugueuses rugueuses rugueusesnon Remplissage<5mm Epaisseur<1mm Epaisseur<1mm continues ou Epontesencontact Epontesfaiblement Epontesfortement Epaisseurde1à5mm Epontesnonaltérées altérées altérées Jointdiscontinu 30 25 20 10 Aucun 0 <0,1 <10l/min 10à25l/min 0,1-0,2 25à125l/min 0,2-0,5 Suintant 4 Remplissagemou>5mm ou Epaisseur>5mm Jointcontinu 0 >125l/min >0.5 Débitant 0 Complètementsec Humide Mouillé 15 10 7 Rmr=sommedesnotationsdesparamètres1à5 B - Ajustement de la valeur de Rmr en fonction de l'orientation des discontinuités Trèsfavorable Favorable Moyen Défavorable 0 -2 -5 -10 0 -2 -7 -15 0 -5 -25 -50 Trèsdéfavorable -12 -25 -60 5 - Classification Rmr des massifs rocheux de Z.T. Bieniawski Paramètres Résistancedela 1 roche(matrice) IndiceFranklinIs Résistancecompressionuniaxialec 2 3 Notation Rqd Notation Espacementdesdiscontinuités Notation 4 Naturedesdiscontinuités(voirE) 5 Eau Notation Débitsur10mdelongueur detunnel(l/min) Ratio: pressioneau/contrainteprincipale1 Conditionsgénérales Notation Directionetpendage Tunnels Fondations Notation Talus C - Classes de massif rocheux determinées par le Rmr 80fl61 II <21 V 60fl41 III 40fl21 IV ValeurduRMR Classe 100fl80 I Classes 20anspouruneportée de15m >400kPa >45° E - Indication pour la notation « nature des discontinuités » <1m de1à3m de3à10m 6 4 2 Aucune <0,1mm de0,1à1mm 6 5 4 Trèsrugueuse 6 Nonaltéré 6 Aucun 5 Remplissagedur <5mm 5 Légèrementaltéré Rugueuse Légèrementrugueuse 3 Moyennementaltéré 3 Remplissagedur >5mm 35°à45° 25°à35° 300à400kPa 200à300kPa 1anpouruneportéede 10m 1semainepourune portéede5m D - Propriétés globales attribuées au massif en fonction des classes I II III IV V Tempsdetenuesans soutènement 10hpouruneportéede 30mnpouruneportée de1m 2,5m 100à200kPa 15°à25° <100kPa <15° Cohésiondumassifrocheux (kPa) Angledefrottementdumassif rocheux(°) de10à20m 1 de1à5mm 1 Lisse 1 Trèsaltéré 1 Remplissagemou <5mm >20m 0 >5mm 0 Lustrée 0 Décomposé 0 Remplissagemou >5mm Longueurdesdiscontinuités Notation Ouverturedesdiscontinuités Notation Rugositédesépontesdes discontinuités Notation Altérationdesépontes Notation Matériauderemplissagedes discontinuités Notation 6 4 2 2 0 Nota : certaines conditions sont mutuellement exclusives. Par exemple, si du matériau de remplissage est présent, il n'est plus pertinent de considérer de la rugosité dans la mesure où son effet sera effacé par celui du remplissage. Dans ce cas utiliser directement la notation du tableau A 4 Annexes 103 6 - Critère de Hoek et Brown et linéarisation LecritèredeHoeketBrowndanssapublicationde1997(1)s'écrit: danslaquelle: · 1 et 3 sont les contraintes principales respectivement majeure et mineure (compressions notées positivement), · ciestlarésistanceencompressionuniaxialedelamatricerocheuse,mesuréeenlaboratoire;onremarqueque la«résistanceencompressionuniaxialedumassifrocheux»cestégaleà , · mb et s sont des paramètres caractérisant le massif et sa fracturation. L'évaluation de mb fait intervenir un paramètremiquicaractériselaroche(cf.ci-après). Leparamètremi,estliéàlafragilitédelamatricerocheuse(ilestvoisindurapport ,oùtiestlarésistance entractiondelaroche);ils'évalueengénéralenfonctiondelanaturedelarocheetdesatextureàpartirdu tableaufourniparHoek(2)etjointci-après.Ilpourraitégalementêtreévaluéàpartird'essaisdelaboratoire. Leparamètresquiestplusspécialementliéàlafracturationestcomprisentre1(milieusansdiscontinuité)et0 (milieuextrêmementfracturé,réduitàl'étatgranulaire). Lesparamètresmbetss'évaluentàpartirduGsicaractérisantl'étatde«perturbation»dumassif. Celui-cisecalculeàpartirduRmr'89(cf.ci-après)maisonpeututilementseréféreraussiautableausynthétique fourniparHoek(3)etjointci-aprèsquiassociedesélémentsdescriptifsdelastructure,delafracturationetde l'étatdesdiscontinuitésaudomainedevariationdel'indiceGsi.Cetableauconstitueunguidetrèsutilepour apprécierlapertinencedesvaleurscalculéesàpartirduRmr'89. Remarque:Pourunessaienlaboratoireencompressiontriaxialesurlamatricerocheuse: mb=miets=1(Gsi=100) mbetss'évaluentàpartirduGsipar: et avec: Gsi=Rmr'899-5(pourRmr'89>23) etRmr'89=indiceRmr89calculésanslanoteBetavecunenoteeau(A5)égaleà15. Cette méthode empirique s'applique à un massif supposé à peu près isotrope, de Gsi > 25. Il faut de plus remarquerqu'ellecumulelessourcesd'incertitude:évaluationduRmr+évaluationdemi+corrélationpour obtenirleGsi+corrélationspourobtenirmbets. Remarques: - lesvaleursduGsi-100sonttoujoursnégatives,cequisetraduitparmbmiets1, - pourdesvaleursdeGsis<25(massiftrèsfracturéetaltéré,decaractéristiquestrèsmédiocres),lecritèredeHoek etBrowns'exprimesousuneformesensiblementdifférente.Cescasparticuliersnesontpastraitésici. (1) cf. Références (2) cf. Références (3) cf. Références 104 Fondations au rocher Valeursduparamètremipourlamatricerocheusepargroupederoches Nota Les valeurs entre parenthèses sont estimées Type de roche Classe Groupe Texture Grossière Conglomérat *** Moyenne Grès 17±4 Greywacke 18±3* Fine Siltite 7±2 Très fine Argilite 4±2 Schisre 6±2 Marne 7±2* Craie 7±2 Charbon 8-21* Calcaire Sparitique 10±2* Gypse 8±2 Marbre 9±3 Migmatite 29±3* Cornéenne 19±4* Amphibolite 26±6 Schistes 12±3 Granite 32±3 Granodiorite Gabro 27±3 Norite 20±5 Porphyrie 20±5* Rhyolite 25±3* Andésite 25±5 Brèche 19±5* Diorite 25±5 Détritique Brèche *** Sédimentaire Organique Non détritique Calcaire cristallin 12±3* Carbonatée Chimique Calcaire micritique 9±2 Anhydrite 12±2 Quartzite 20±3 Gneiss 28±5* Phyllites 7±3* Calcaire dolomite 9±3 Sansfoliation Métamorphique Légèrefoliation Foliationnette** Ardoise 7±4 Obsidiène 19* Claire Plutonique Foncée Magmatique Dolérite 16±5* Diabase 15±5* Dacite 25±5* Basalte 25±5* Tuf 13±5* Péridotite 25±5* Hypabyssale Lave Volcanique Pyroclastique Agglomérat 19±3* * Ces valeurs sont estimées. ** Ces valeurs sont données pour des échantillons de roche sollicités perpendiculairement aux plans de foliation. la valeur de mi sera très différent si la rupture se produit le long d'un plan de faiblesse. *** Conglomérats et brèches peuvent présenter un large éventail de valeurs de mi en fonction de la nature du matériau de cimentation et le degré de cimentation, de sorte qu'ils peuvent avoir des valeurs similaires au grès, jusqu'à des valeurs utilisées pour les sédiments à grains fins (même de moins de 10) Annexes 105 Nota Le tableau-abaque présenté ci-après propose une traduction de « Table 5 » tiré de l'article de Hoek, E. and Marinos, P. - 2000 Predicting tunnel squeezing. Tunnels and tunnelling international. Part1 ­ November, 2000, Part2 ­ December, 2002. Downloaded form : http://www.rocscience. com/hoek/references/Published-Papers.htm. Plutôt qu'une traduction littérale (difficulté des trouver les termes équivalents correspondant en français), on a privilégié l'esprit des annotations figurant dans le tableau-abaque en cherchant à en conserver le sens. EstimationdelavaleurduGsi(GeologicalStrenghtIndex)àpartirdelacaractérisationgéologiquedescriptive dumassifrocheux. Mauvais - Épontesdesurfacesdeglissement, très altérées, avec tapissages de matériaux compacts ou rem p l i s s ages d e d éb r i s anguleux N/A 80 70 60 50 40 30 20 Passable - Épontes lisses, modérément altéréesouabrasées Bon - Rugosité forte, épontes légèrement altérées,àsurfacesoxydées Qualification de l'état de surface des épontes des discontinuités Gsi « Geological Strenght Index » Lalithologie,lastructureetlesconditionsdesurfacedes discontinuitépermettentd'évaluerunevaleurmoyenne duGsi.Notezqueletableaunes'appliquepasauxfissures structurellementcontrôlés.Làoùdesjointsdestructure planes faibles sont présents dans une orientation défavorable à l'égard de la face d'excavation, ceux-ci dominent le comportement des massifs rocheux. la résistanceaucisaillementdessurfacesdesrochesquisont prédisposésàdesdétériorationsdufaitdel'évolutionde lateneureneauseraréduitesil'eauestprésente.Lorsque l'ontravailleavecdemauvaisescatégoriesstructurelles derochers,undécalageversladroitepeuêtreeffectué pourdesconditionshumides.Lapression,del'eauest traitéparuneanalyseencontrainteseffectives Structuration du massif rocheux Rocher intact ou massif Échantillonderocheintactourochein situmassiveavec peudediscontinuitéslargementespacées Massif rocheux à très forte imbrication nonperturbée, constituédeblocscubiquesdécoupéspartroisfamilles dediscontinuitésorthogonales Massif rocheux à forte imbrication partiellement p e r t u r b é e , c o n s t i t u é d e b l o c s p o l y é d r i q u e s anguleux découpés par quatre (ou plus) familles de discontinuités Massif rocheux à imbrication perturbée, plissé et/ ou faillé, constitué de blocs anguleux découpés par l'intersectiondenombreuxréseauxdediscontinuités Massif rocheux déstructuré, très fortement fracturé, constitué d'un mélange de blocs anguleux et de blocs arrondis,avecunetrèsfaibleimbrication Massif stratifié/cisaillé Absencedecaractèrerocheuxdueaufaibleespacement desschistositésoudesplansdecisaillement Très mauvais - Épontes de surfaces de glissement, très altérées avec tapissages ou remplissagesargileux N/A 10 N/A N/A Très Bon - Rugositétrèsforte,épontessaines etnonaltérées Qualité décroissante de l'état de surface des épontes des discontinuités 90 Ë Nota Il conviendra de ne pas chercher à être trop précis dans l'évaluation de Gsi à partir de cet abaque, ainsi sera-t-il plus réaliste d'énoncer « Gsi se situe dans une fourchette de 36 à 42 » plutôt que « Gsi = 38 » 106 Fondations au rocher Imbrication décroissante des blocs rocheux Á Références bibliographiques Giroud,ObinTrân-Vô-Nhiêm­1973­Tablespourlecalculdesfondations:forceportante­Dunod,Paris Gigan J.P., Poupelloz B. ­ 1985 ­ Les fondations des ouvrages de l'autoroute A86 au sud de Paris ­ Bllpc n°135 HéraudH.,PougetP.,MoitryJ.P.­1985­Exempled'instabilitédesfondationsd'ouvraged'artensiterocheux ­Bllpcn°135 Z.T.Bieniawski­1989­Engineeringrockmassclassifications­JohnWiley&Sons E.Hoek­1990­Technicalnote:EstimatingMohr-CoulombfrictionandcohesionvaluesfromtheHoek-Brown failurecriterion­Int.J.RockMech.Min.Sc.27 D.C.Wyllie­1992­Foundationsonrock­Ed.Chapman&Hall USArmyCorpsofEngineers­1994­Rockfoundations-Technicalengineeringanddesignguidesasadapted fromtheUSArmyCorpsofEngineers­Asce DurvilleJ.-L.,HéraudH.­1995­Descriptiondesrochesetdesmassifsrocheux.­Techniquesdel'Ingénieur, chapitreC352,12p. A.Serrano,C.Ollala­1996­Allowablebearingcapacityofrockfoundationsusinganon-linearfailurecriterion ­IntJRockMech.Min.Sc.33 E.Hoek,E.T.Brown­1997­PracticalestimatesofRockMassStrength­Int.J.RockMech;Min.Sci.-Vol34, N°8,pp1165-1186 RachezX.­1997­Lesfondationsaurocherdegrandsviaducs:l'apportdelaméthodedesélémentsdistincts. ­ThèseLcpc A.Serrano,C.Ollala­1998­UltimateBearingCapacityofananisotropicdiscontinuousrockmass.PartI:Basis ModesofFailure.­IntJRockMech.Min.Sc.35 AlfonsiP.,DurvilleJ.-L.,RachezX.­1999­Modélisationnumériqued'unefondationsurversantrocheux parlaméthodedesélémentsdistincts:comparaison2D/3D.­C.R.du9eCongrèsint.demécan.desroches, Paris,vol.1 S.Sharma,T.Raghuvansdhi,A.Sahai­1999­AnengineeringgeologicalappraisaloftheLakhwarDam,Garhwal Himalaya,India­Engineeringgeology53 Hudson A., Harrison J.P. ­ 2000 ­ Engineering rock mechanics ­ An introduction to the principles ­Pergamon CFMR­2000­Manueldemécaniquedesroches-Tome1­Lesfondements­Pressesdel'ÉcoledesMines deParis O.Bonifazi,Y.Guerpillon,D.Thiriat,E.Coppi,R.Massonnnet­Mai2001­LeviaducdelaDordognesur l'autorouteA20Brive/Montauban­Desfondations«trèsspéciales»­RevueTravaux­N°775 L.Chantron,V.Zumbo­2002­Formalisationdescritèresdescriptifsd'unmassifrocheux-Miseaupointd'une feuilledesaisiedesdiscontinuités­Jngg2002Nancy Y.Kazan­2002­Mécanismederupturedûàunproblèmed'interfacesdanslesformationsrocheusesstratifiées ­Jngg2002Nancy A.Ozsan,M.Akin­2002­EngineeringgeologicalassessmentoftheproposedUrusDam,Turkey.­Engineering geology66 E.Hoek,C.Carranza-Torres,B.Corkum­2002­Hoek-Brownfailurecriterion-2002édition­Proc.NARMSTACConference,Toronto(disponiblesurinternet) Annexes 107 O.Fouché,P.Alfonsi,L.Chantron,J-L,Durville­2003­Desforagesàlasimulationmécaniquedesmassifs rocheux,l'apportd'uneapprocheprobabiliste3Ddesréseauxdediscontinuités­Jngg2002Nancy A.Soriano­2003­Pointresistanceofpilesinrock­XIIIcongrèsEcsmgePrague,vol.3 Cfmr­2003­Manueldemécaniquedesroches-Tome2­Lesapplications­Pressesdel'ÉcoledesMinesde Paris MinisteriodeFomento­2003­Guiadecimentacionesenobrasdecarreteras­Spain Aftes­2003­Caractérisationdesmassifsrocheuxutileàl'étudeetàlaréalisationdesouvragessouterrains ­RecommandationsduGT1­TOSn°177 CyrilleFauchard,PierrePothérat,PhilippeCôte,MarcelMudet­2004­GuideméthodologiqueduLcpc: détectiondescavitéssouterrainesparméthodesgéophysiques SchlosserF.,BergèreA.,DellaLongaY.­2005­LesfondationsduviaducdeMillau:méthodeobservationnelle etcontrôledurisque­Geoline2005,Lyon GrangeS.,CurtilS.,ParneixL.­2007­DeuxviaducsjumeauxsurlarivièreAnte:fondationssuperficielles surmassifrocheuxrenforcé­Travauxn°844 Waltham­BritishStandards S.Curtil,P.Legrand­18-20juin2008­LgvRhin-Rhône:intégrationdurisquekarstiquedanslaconceptiondes fondationsduviaducduPertuis­ActesdesJournéesnationalesdeGéotechniqueetdeGéologiedel'Ingénieur, Jngg'08,Nantes,pp669-676 B.Gaudin, O. Magnin, O.Abraham ­ 7-8 novembre 2008 ­ Contribution de la tomographie sismique à la conceptionetàl'optimisationdesfondationsd'unouvrageexceptionnelensitedifficile:lepontsurleBrasde laPlaine(îledelaRéunion)­JournéeAgapQualité,Nantes Terrassementàl'explosifdanslestravauxroutiers-guidetechnique­Sétra­2002 Hoek, E. and Marinos, P. ­ 2000 Predicting tunnel squeezing.Tunnels and tunnelling international. Part1 ­ November, 2000, Part2 ­ December, 2002. Downloaded form : http://www.rocscience.com/hoek/references/ Published-Papers.htm Lianyang Zhang and H. H. Einstein ­ Using Rqd to estimate the deformation modulus of rock masses ­ International Journal of Rock Mechanics and Mining SciencesVolume 41, Issue 2, February 2004, Pages 337-341) 108 Fondations au rocher Ce document est un guide pour l'étude des fondations d'ouvrages d'art au rocher qui s'adresse à tous les intervenants dans les différentes étapes de la conception et de la construction de fondations d'ouvrages en milieu rocheux, et principalement aux maîtres d'oeuvres, aux bureaux d'études et aux géotechniciens. Il a pour but de les sensibiliser aux problèmes particuliers posés par les fondations au rocher et les méthodes d'étude de celles-ci, qui constituent un domaine encore très peu codifié pour lequel les méthodes usuelles de la mécanique des sols, souvent encore employées, sont généralement inadaptées. Après l'évocation des spécificités des massifs rocheux, ce guide traite de la reconnaissance de ces massifs, et en particulier des objectifs et des moyens à mettre en oeuvre aux différentes étapes de celle-ci, de la conception des fondations au rocher, puis du dimensionnement de ces fondations en distinguant notamment les méthodes employées pour les cas simples et celles mises en oeuvre pour les cas les plus complexes. Il évoque également le suivi des terrassements et des appuis de l'ouvrage durant sa construction et en service. Service d'études sur les transports, les routes et leurs aménagements 46 avenue Aristide Briand BP 100 - 92225 Bagneux Cedex - France tél : 33 (0)1 46 11 31 31 fax : 33 (0)1 46 11 31 69 Document disponible au bureau de vente du Sétra 46 avenue Aristide Briand - BP 100 - 92225 Bagneux Cedex - France téléphone : 33 (0)1 46 11 31 53 - télécopie : 33 (0)1 46 11 33 55 Référence : 0947 - Prix de vente : 21 Crédit photos : Rst Conception graphique - mise en page : Eric Rillardon (Sétra) Impression : Caractère - 2, rue Monge - BP 224 - 15002 Aurillac Cedex L'autorisation du Sétra est indispensable pour la reproduction, même partielle, de ce document © 2009 Sétra - Dépôt légal : 4e trimestre 2009 - ISBN : 978-2-11-095822-7 Ce document participe à la protection de l'environnement. Il est imprimé avec des encres à base végétale sur du papier écolabélisé PEFC. CTBA/06-00743 PEFC/10-31-945 Le Sétra appartient au Réseau Scientifique et Technique du Meeddm www.setra.developpement-durable.gouv.fr  INVALIDE) (ATTENTION: OPTION oujours une garantie absolue de stabilité dans le cas d'un karst actif qui peut provoquer des efforts parasitesimportantssurlesstructuresenterrées(pieux, puits) en cas de réajustements du massif rocheux. C'estpourquoi,enfonctiondel'évaluationfaitedu niveau de risque et de l'importance de l'ouvrage, des dispositions supplémentaires de traitement par remplissageetinjectiondesniveauxkarstifiés(injection de coulis, injection solide) peuvent être mises en oeuvre, à titre de précautions, afin de réduire l'aléa. Cestraitementsdeterrainpeuventêtreconçusavec unobjectifrelativementlimitédesimpleremplissage devidesparunmatériaucohérent.Ilspeuventaussi avoirunobjectifplusambitieuxdeconsolidationen améliorant les propriétés mécaniques d'un volume de massif rocheux conséquent (zone d'influence de la fondation). La même démarche s'applique à la traversée de carrières souterraines abandonnées, les puits de fondation devant être dimensionnés pour résister à des effondrements partiels et les vides au moinslocalementcomblés. Lorsquelesniveauxsusceptiblesd'êtrekarstifiéssont tropprofonds,iln'estpasenvisageabledereporterles chargesendessous:onpeutalorsenvisagerderéaliser par diverses techniques de renforcement un massif defondation« consolidé »,suffisammentrigidepour reprendre les charges appliquées, y compris au sein d'unmilieukarstifié(cf.figure4.22). Lestechniquesderenforcementlespluscouramment utilisées sont les injections sous pression, réalisées depuislasurfaceoulabasedelafondationenuneou plusieursphasesetquiassurentplusieursfonctions: amélioration de la connaissance des terrains et de leurs hétérogénéités grâce aux forages, remplissage des cavités, amélioration mécanique des zones décomprimées(injections,jetgrouting),réductionde laperméabilité(etdoncdescirculationsd'eau). Plantypedusystèmedefondations Coupetypedusystèmedefondations Massif de jet grouting en cours de recépage avec ses mini-piles Figures 4.22 - 4.24 : autoroute A20 - fondations des appuis du viaduc sur la Dordogne(1) ­ Source : « Le viaduc de la Dordogne sur l'autoroute A20 Brive/Montauban : des fondations très spéciales » O. Bonifazi-Grenouilleau, Y. Guerpillon, D. Thiriat, E. Coppi, R. Massonnet - Travaux N775 - Mai 2001 (crédit Travaux-ESI) (1) Voir référence : « le viaduc de la Dordogne sur l'autoroute A20 Brive/Montauban : des fondations très spéciales » Principes de conception 45 Indépendamment des aspects économiques, cette pratique s'explique par les réticences des ingénieurs àutiliser,pourdessollicitationscorrespondantàdes étatslimitesdeservice,unetechniquecontraignante pourdifférentsaspects: · essais systématiques à prévoir, même pour un faible nombre de tirants (cf. normes P 94 321 et P94153), · dispositions de protection contre la corrosion généralementsévères, · surveillance particulière obligatoire pendant toute laduréedeservice, · dispositions(réservations,renforcements)àprévoir danslafondationpourpallierladéfaillanced'unou plusieurstirants, · s'ilyalieu,justificationencasdedéfaillanced'un ouplusieurstirants. Ilconvientdementionnertoutefoisquel'onestassez souventconduitàrecourirauxancragesprécontraints pourrenforcerdesouvragesenservice(cf.figure4.25) car il s'agit dans bien des cas de la seule solution techniquementenvisageable. Les tirants précontraints ont aussi été utilisés pour provoquer, en phase de construction, la fermeture des fractures d'un massif avant chargement par un appuisensibleauxdéformations(béquillesduviaduc delaTruyère). 4.5 - Cas particulier des fondations sur site rocheux avec présence de cavités naturelles (karsts, dissolutions) ou anthropiques (carrières) 4.5.1 - Problématique des reconnaissances et évaluation du risque Dans le domaine des fondations au rocher, les problèmes posés par les fondations d'ouvrages dans les massifs rocheux affectés par la présence de vides souterrains et notamment de karstification (1), que ce soit dans les roches calcaires ou dans les roches évaporitiques, sont probablement les plus délicats à résoudre.Onpeutégalementciterlecasdes tunnels delave. Eneffet,lesméthodesd'étudeetd'analysedesmassifs rocheux usuels (matrice + discontinuités) postulent que le massif rocheux est un milieux structuré, obéissant à une certaine logique d'organisation, notammentpourtoutcequiconcernelafracturation, etqu'ilestpossibled'enétablirunmodèlepertinent pourunvolumedéfini(zoned'influenced'unappui parexemple)àpartird'unnombrerelativementlimité dedonnées. (1) Voir références: Lgv Rhin-Rhône Figure 4.25 : stabilisation par tirants précontraints des déplacements de la culée du viaduc de Garavan sur l'autoroute A8 ­ Source : Association amicale des anciens élèves ingénieurs de l'École nationle des ponts et chaussées 46 Fondations au rocher À partir du moment où ce même massif est affecté parunréseaudecavitésdegéométriealéatoire,dont le module de déformation et la résistance sont nuls outrèsfaibles,lemodèlepertinentdumassifdevient beaucoupplusproblématiqueàdéfiniretétablir. Laprincipaledifficultérésidedansladétermination précise de la géométrie et de l'extension des vides souterrains: Pourlescavitésnaturelles,laprobabilitédeprésencede karstsaffectantcertainsniveauxgéologiquesidentifiés ainsi que l'organisation générale du développement desréseauxkarstiquespeutêtreappréciéedemanière relativement satisfaisante à partir de l'histoire géologique et de la fracturation régionale. Pour ces analyses,ilestnaturellementtrèsutilederechercher lescontributionsquepeuventapporterdesgéologues régionauxspécialisésdansledomaine(1). Parcontre,lecaractèrepartropaléatoiredelagenèse etdel'organisationdesréseauxkarstiquesàunniveau local, rend toute prévision précise quasi impossible à l'échelle détaillée d'un projet, sauf à effectuer des reconnaissances très détaillées des zones intéressées, en faisant appel aux diverses techniques de la géophysiqueetdessondages.Maismêmeenymettant tous les moyens adéquats (sondages, gravimétrie, sismique,radar,etc.)(2),l'expériencemontrequeces (1) Voir www.karstologie.com : Site de base à consulter, offrant de nombreuses références et/ou liens ou avec les sites français et étrangers s'intéressant aux karsts et à la spéléologie (2) Voir référence : guide méthodologique de détection des cavités souterraines par méthodes géophysiques (Lcpc) reconnaissancesnepermettentpastoujoursd'obtenir touteslesinformationssurlalocalisationetl'extension deszoneskarstifiéesaveclaprécisionsouhaitée. À défaut d'avoir une définition parfaite du réseau karstique,ilesttrèsimportantpourunprojet: · desavoirsilekarstestactifous'ilestfossileetplus oumoinscolmaté; · deconnaîtreletypedemorphologiedukarstprésent surlesite: - il peut s'agir de chenaux bien délimitées en extensionhorizontaleet/ouverticaledansunmassif parailleurssain; - ilpeuts'agird'unekarstificationplusgénéraliséedu massifconstituéalorsdequelquesmassesrocheuses résiduelles « emballées » dans les produits de dissolutionetd'effondrements; - il peut s'agir de toutes les formes intermédiaires entrecesdeuxextrêmes. Pour les carrières en revanche, on peut espérer déterminerlagéométriedesvidessoitparl'exploitation decartesexistantes,soitpardesvisites.Lecasdepetites carrièressouterraines« nondéclarées »etdifficilement visitablesrestetoutefoisproblématique. L'organisation logique des galeries de carrières souterraines est cependant un point favorable pour la détermination de leur géométrie, sous réserve de confiercetyped'étudeàunspécialisterégional. c-carrièredegypse ludien(Gagny93) a - Carrière de tuffeau duValdeLoire b-exploitationparpetits piliers et piliers rideaux (régiondeCaen) Figure 4.26 : différentes géométries d'exploitations souterraines ­ Source : Lcpc d-exploitationpar catiches de la craie lilloise Principes de conception 47 Le risque d'effondrement brutal avec apparition de fontisremontantjusqu'auniveauduterrainnaturel est bien entendu celui qui est le plus redouté des concepteurs. Les reconnaissances correctement conduitespermettentdel'apprécieretlecaséchéant deconcevoirlesfondations,avecdestraitementsde terrainéventuels,afindes'enprémunir. Parcontrelerisquequeseproduiseuntassementd'appui consécutif à des dissolutions et des réajustements au sein du massif sans qu'il y ait nécessairement d'effondrement(casdesaffaissementsminiers)estplus insidieuxetplusdifficileàapprécier.C'estpourquoi, lorsque les reconnaissances et les études préalables peuvent faire craindre ce type de situations, il conviendrad'orienterleconcepteurversdesstructures d'ouvragesmoinssensiblesauxtassementsd'appui,et comportant des dispositifs éventuels de recalage de tabliers. Ainsi lorsqu'un affaissement anormal d'un appui est constaté sur un ouvrage en service, il est alorspossiblederenforcerlemassifrocheuxsousla fondationparuntraitementappropriépourstopper l'évolutionduphénomèneetprocéderéventuellement aurecalagedutablierpourrétablirsescaractéristiques d'usage. 48 Fondations au rocher Chapitre 5 Dimensionnement 49 Ledimensionnementdesfondationsd'unouvrageen terrainrocheuxpourrasuivreunedémarched'étude différente selon les situations rencontrées et le type de rupture envisagé pour la justification. Selon les paramètres principaux rappelés ci-dessous et avec l'appui d'un spécialiste en mécanique des roches, on pourra distinguer deux familles de mécanismes de rupture pour les fondations au sein du massif rocheux: · lesmécanismederuptureoùlemassifsecomporte comme un milieu continu (homogénéisation) et où les surfaces de rupture ne sont en majorité pas prédéterminéesparlesdiscontinuitésdumassif; · lesmécanismesderuptureoùlesdiscontinuitésdu massifjouentunrôlemajeuretprédéterminentdans leurmajoritélessurfacesderupture. Les différentes justifications à mener vis-à-vis de la rupture pour les fondations devront être conduites vis-à-vis d'un ou plusieurs mécanismes appartenant à l'une ou l'autre de ces deux familles. En effet, pour une même fondation les différentes justifications à conduire pourront se référer à ces deuxdifférentsmécanismesderupture:parexemple, une fondation pourra être justifiée vis-à-vis du poinçonnement selon un mécanisme de rupture en massifhomogénéisé,etvis-à-visdelastabilitéglobale selonunmécanismederupturedéterminéparcertains plansdediscontinuité. Sil'onfournitci-aprèsquelquesélémentsdeméthode de dimensionnement, les mécanismes de rupture faisant appel aux discontinuités sont très souvent complexes,dufaitdel'interactionentrelesdifférentes famillesdediscontinuités:ilsdoiventêtretraitéspar desétudesspécifiquesconfiéesàdesspécialistesetne sontdécritsiciquelesprincipesdecesétudes. Les justifications vis-à-vis des déformations de la fondation sont également à mener, notamment vis-à-visdesétatslimitesdeservice;ellessontleplus souvent menées en homogénéisant le massif sous la fondation. Pour les justifications des fondations il est fait référence notamment d'une part, à l'Eurocode 7 partie1 (EN1997-1) et son annexe nationale ainsi qu'aux normes d'application à paraître qui vont s'y référer,etd'autrepartaufascicule62titreVduCctg relatifauxrèglesdejustificationdesfondations. Les règles du fascicule 62 titre V du Cctg ont été conçues pour une application aux fondations sur sols meubles, mais les principes généraux restent applicables aux fondations sur massifs rocheux : on ne reprendra donc pas dans le présent document l'ensemble des règles concernant la définition des actions, leurs combinaisons et les valeurs des coefficients de pondération et de sécurité partiels à appliquer ; on se limitera à préciser les éventuelles différencesàprendreencomptedanslecasdesmassifs rocheux. 50 Fondations au rocher 5.1 - Paramètres influant sur la complexité du dimensionnement Les situations rencontrées lors de l'étude des fondationsd'unouvrageenterrainrocheuxpeuvent être très diverses selon la nature et l'importance de l'ouvrage,lesdifficultésdelatopographieetlanature desterrains. Leniveaudecomplexitédesétudesestvariablesuivant lescas,selonlesparamètresprincipauxsuivants(voir aussilechapitre4): · l'importancedel'ouvrage Ilestcommodededistinguerlesouvragesditscourants caractérisésparunniveaudesollicitationrelativement modesteparrapportauxcaractéristiquesderésistance et de déformation du rocher de fondation, et les ouvragesimportantsougrandsouvragespourlesquels lesfondationssontsoumisesàdesdescentesdecharges importantes mobilisant fortement la capacité de résistanceoudedéformationdumassifrocheux. Àtitred'exemplelaplupartdesPS,lespetitsouvrages d'art, les murs de soutènement, les contreforts et autres ouvrages de confortement fondés au rocher peuventêtreconsidéréscommedesouvragescourants. À l'inverse les grands ouvrages (viaducs de grande hauteur, ouvrages de grandes portées) ou sollicitant demanièreparticulièreleursappuis(pontsàbéquilles, pontsenarcs)entrentdanslacatégoriedesouvrages noncourants. · lasituationtopographique Les ouvrages fondés au rocher sont fréquemment implantés dans des zones de relief difficile. On distingueratroissituationstopographiquestypes: - lesfondationssurunmassifrocheuxhorizontalou subhorizontal(penteinférieureà10%).Lasurface à considérer est celle du substratum rocheux qui peutêtredifférentedecelleduterrainnatureldu plantopographique; - les fondations sur pente : c'est le cas général des appuisd'ouvragesimplantéssurunversant.Selon l'épaisseurdesterrainsdecouvertureetlesconditions topographiques locales, la fondation pourra être réaliséesurlerocheraffleurant(naturellementou parterrassementdelacouverture)ouenprofondeur àtraverslesformationsdesurface; - les fondations en crête de talus ou de falaise : c'est le cas général pour les culées d'ouvrages d'art en site rocheux, mais cette disposition peut égalementêtrerencontréedansd'autressituations, etnotammentpourdespilesderivesoudesappuis intermédiaires. · letypedefondation Misàpartlescastrèsspécifiques(fondationsancrées, etc.),troistypesprincipauxdefondationsrocheuses sontàconsidérer(cf.chapitre4): - les fondations superficielles sur semelle : ce type defondationestd'applicationtrèsgénéralesursol horizontalouàfaiblepente; - les fondations massives ou semi-profondes : entrentdanscettecatégorielesfondationsmassives encastréesdanslerocher,constituéesparunpuits bétonné,pardesbarrettesoupardespieuxcourts de gros diamètre solidarisés par un chevêtre ou une dalle de liaison. Ce type de fondation est généralement bien adapté aux appuis sur versant pour lesquels les contraintes d'implantation et de stabilité sont souvent incompatibles avec l'importancedesterrassementsnécessairespourune semellesuperficielle; - lesfondationsprofondessurpieuxdegrosdiamètre oupuitsmultiples,solidarisésparunchevêtreou unesemelleentête. · lagéologiedusite Parcommodité,onregrouperasouscetteappellation générale quatre types de données essentielles qui constituent les composantes du modèle géologique représentatifpourleprojet: - lalithologie:celle-cicaractériselanaturegéologique et l'organisation des différentes formations constitutivesdusiteconcernéparl'ouvrageetdes zonesintéresséesparlesappuis; - la structure : la structure d'un massif rocheux joue un rôle essentiel dans les mécanismes de déformation et de rupture. Selon qu'elle est plus oumoinsmarquéeouplusoumoinscomplexe,le niveaudedifficultédesétudesdedimensionnement pourraêtrelargementvariable; - les caractéristiques géomécaniques : celles-ci concernentàlafoislesdifférentstypeslithologiques et les différents faciès intéressés par le projet, et égalementlessystèmesprincipauxdediscontinuité sollicités ou concernés par celui-ci (stabilité générale,stabilitélocale,déformation); - l' h y d r o g é o l o g i e : l e s d o n n é e s re l a t i v e s à l'hydrogéologie du site et des zones d'appui en particulier doivent être prises en compte pour la définitiondeshypothèsesdecalculconcernantla stabilitédesfondationsetlastabilitégénéraledes appuis. · l'environnement Entrentnotammentdanscettecatégorielesconditions particulièresliéesauxouvragesmaritimes.Ceséléments doivent être pris en compte dans la conception, le dimensionnementetlaréalisationdesfondationsde cesouvrages. Dimensionnement 51 5. - Différents mécanismes de rupture L'identification du ou des mécanismes de rupture susceptiblesdesedévelopperdanslemassifrocheux de fondation d'un ouvrage est essentielle pour la justificationdecelle-ci. Schématiquement,ondistingueradeuxcas: · casoùlesdiscontinuitésjouentunrôlemineurdans larupture:massifpeufracturéouconfinéouéloigné d'unesurfacelibre(nommésici:casoùlemassifpeut êtrehomogénéisé); · casoùlesdiscontinuitésjouentunrôledéterminant dans le mécanisme de rupture et peuvent subir de grandsdéplacements(nommésici:casdiscontinus). rocheux peut être considéré comme homogène et assimilableàunmilieucontinuauregarddescharges transmisesparlafondationetdelafaibleinfluence desdiscontinuités. Deuxcritèressontàconsidérer: · l'importance et le type de l'ouvrage : les petits ouvrages ou les ouvrages courants apportent des sollicitations généralement faibles par rapport aux caractéristiques de résistance mobilisables dans un massifrocheuxsain; · lescaractéristiquesdumassifrocheux:lesconditions de structure et de géométrie interne du massif sont telles qu'elles n'influent pas sur les mécanismes de rupture ; le massif peut être considéré comme homogène à l'échelle de la fondation et de sa zone d'influence. L'hypothèse d'un milieu homogène et continu peut généralement être faite dans les cas principaux suivants(cf.figures5.1et5.2): 5..1 - Les mécanismes où le massif peut être homogénéisé Entrent dans cette catégorie les cas pour lesquels, dans la zone d'influence de la fondation, le massif M V M V H H Figure 5.1 ­ Source : Sétra Figure 5.2 ­ Source : Sétra Massif sain ou peu altéré, sans discontinuités marquées (discontinuitésdiffuses,fermées,defaibleextension).Le massifpeutêtreconstituéderochesderésistanceélevéeou faible,decaractéristiquesglobalementhomogènes. Uncasparticulieroùlemassifpeutêtrehomogénéiséest celui des massifs de roches «tendres», dans lesquels la rupturesedéveloppeprincipalementauseindelamatrice rocheuse. Massif densément fracturé constitué de roches dures peu altérées, recoupé par de nombreuses discontinuités d'orientationdispersée.Àl'échelledelafondationlemassif apparaîtglobalementhomogèneetisotrope,sansdirection defaiblessedominante. Massifrocheuxaltéré,intensémentfissurésanssurfacesde discontinuitémajeureslocalisées. 5 Fondations au rocher Lesmécanismesderuptureàprendreencomptedans cescashomogénéisésnesontpasdéterminésparles discontinuités;ilssontanaloguesàceuxd'unmilieu continudecaractéristiquesmécaniqueséquivalentes: poinçonnementsymétriqueoudissymétriquepourun massifhorizontal,cisaillementgénéralisésousl'appui etglissementd'ensemblepourunefondationsurpente ouencrêtedetalus. Dans le cas des ouvrages courants fondés sur un massif sain peu fracturé, les caractéristiques de résistancedecederniersontgénéralementlargement surabondantes vis-à-vis des mécanismes de rupture parpoinçonnement. Néanmoinsdanstouslescas,lajustificationvis-à-vis delastabilitélocaleaupoinçonnement,auglissement etàlanon-décompressionsouslafondationestmenée àpartirdel'estimationdescaractéristiquesderupture homogénéiséesdumassif(cf.§5.3.1«Caractéristiques de rupture»), et par les méthodes classiques de dimensionnement en appliquant les dispositions de l'EN 1997-1, du fascicule 62 titre V relatif aux fondations,éventuellementmodifiéescommeindiqué ci-après(cf.§5.4«Cashomogénéisés»). 5.. - Les mécanismes discontinus simples Ils'agitdescaspourlesquelsl'hypothèsed'unmilieu continu, homogène et isotrope ne peut plus être appliquée du fait des caractéristiques lithologiques, structuralesoudefracturationdumassif,maispour lesquelslemassifestsainetpossèdeunpetitnombre de familles de discontinuités bien marquées qui permettent d'identifier clairement des mécanismes de rupture simples. La construction du modèle géomécanique représentatif du site repose sur le choixderetenircertainesdiscontinuitésmajeureset denégligerd'autresdiscontinuités(faibleextension, faiblepersistance,orientationnondéfavorable). Làencoredeuxcritèressontàconsidérer: · l'importance et le type de l'ouvrage : les cas dits discontinus simples sont limités aux ouvrages pour lesquels les sollicitations apportées par la fondation sontpeuimportantesparrapportauxcaractéristiques derésistancedelamatricerocheusesaine; · lescaractéristiqueslithologiquesetstructuralesdu massif:lesnotionsdestructureetdegéométrieinterne dumassifdeviennentprédominantes;lesmécanismes derupturesontprincipalementdéterminésetguidés parl'existence,ladistributionetl'orientationd'unou deuxsystèmesdediscontinuitédumassif. L'hypothèsed'unmilieudiscontinusimpleestadaptée notammentdanslescasprésentéssurlesfigures5.4 à5.8. M V H Figure 5.3 : schéma de rupture sur terrain horizontal (analogie avec un milieu continu) ­ Source : Sétra Figure 5.4 ­ Source : Sétra Massifsainoupeualtérécomportantunsystèmemajeur de discontinuités subhorizontales ou à pendage aval débouchantsurunversant,recoupéparunouplusieurs systèmesdefracturesd'extensionimportante(aumoins comparableàladimensiondelafondation). Lemécanismederuptureestliéaudéveloppementd'une ruptureparcisaillementetparglissementsuivantleplan de discontinuité majeur (glissement d'un coin sous la fondation). Dimensionnement 53 M V H Figure 5.5 ­ Source : Sétra Figure 5.7 ­ Source : Sétra Massif rocheux sain ou peu altéré comportant deux systèmes majeurs de discontinuité sécants associés à un ouplusieurssystèmessecondairesdefractures. Lemécanismederuptureestliéaudéveloppementd'une rupture par cisaillement et glissement suivant les deux plansdediscontinuitéprincipaux(dièdrederupturesous lafondation). M V H Figure 5.8 ­ Source : Sétra Massifrocheuxsainoupeualtéréhorizontalàstratification subhorizontalerecoupéeparunouplusieurssystèmesde fracturationsubverticaux. Lesmécanismesderupturesontdanscecasdedeuxtypes principaux(figures5.7,5.8): -ruptureparpoinçonnementàtraverslastratificationdue àunexcèsdechargeverticale.Larupturematriciellede larochen'estpossiblequepourdesrochesderésistance faibleoutrèsaltérées.Lajustificationpeutêtreeffectuée commepourlescashomogénéisés; -ruptureparcisaillementetglissementsurlastratification, dueàuneinsuffisancederésistanceaucisaillementsous lafondationetàundéfautdebutéehorizontaleenavant de celle-ci. À l'exception des cas particuliers d'ouvrages exerçantdeseffortshorizontauximportantsauniveaude leurfondation(appuisdevoûtes,bajoyers,contreforts,...), laplupartdesouvragessollicitentpeuleursappuisdans cettedirectionetlastabilitéauglissementestgénéralement vérifiéedemanièresurabondante. Figure 5.6 ­ Source : Sétra Massif rocheux comportant plusieurs systèmes de discontinuitésdontcertainsplansdefaiblerésistanceau cisaillementdébouchantsurunesurfacelibre(surfacedu massifouversant). Les mécanismes de rupture sont liés au développement d'uneruptureparcisaillementetglissementsuivantdes plans de discontinuité majeurs localisés individualisant uneouplusieursmassesrocheusessupportantlafondation. Ici,lemécanismenemobilisepluslecisaillementd'une seuledirectiondediscontinuitésuivantunecinématique simple (glissement d'ensemble) mais le cisaillement de plusieurs plans principaux associés dans un mécanisme et une cinématique plus complexes (coin de rupture souslafondationassociéàuncoindebutéeenavantde celle-ci). Nota Ce cas se situe à la limite des cas complexes, évoqués ci-après. 54 Fondations au rocher La justification de la fondation doit être effectuée dans chaque cas en prenant en compte pour les différents systèmes de discontinuité concernés des caractéristiques de cisaillement convenablement représentativesàl'échelledesmécanismesderupture (cf. § 5.3.2, «Caractéristiques de rupture des discontinuités»). L'étudedelastabilitéesteffectuéeessentiellementau moyend'unemodélisationdetypemilieudiscontinu àblocs,généralementdansl'hypothèsedeblocsrigides (cf.§5.5).Lastabilitélocaleaupoinçonnementsousla fondationdevientsecondairemaisdoitêtrevérifiéeà partirdescaractéristiquesmatriciellesetdesméthodes du§5.4«Cashomogénéisés». L'hypothèsed'unmilieudiscontinucomplexes'impose dans les cas principaux suivants(cf. figures 5.9 à 5.12): 5..3 - Les mécanismes discontinus complexes Sont à considérer en première analyse comme complexes,lescaspourlesquelsnil'hypothèsed'un milieu homogène, ni celle d'un milieu discontinu où les mécanismes de rupture sont facilement identifiablesnepeuventplusêtreappliquéesdufait des caractéristiques lithologiques, structurales, de fracturation ou d'altération du massif. Dans ce cas, une étude spécifique de mécanique des roches et une justification particulière seront généralement nécessaires. Làencoredeuxcritèressontàconsidérer: · l'importance et le type de l'ouvrage : pour les ouvrages non courants et notamment pour les grands ouvrages, les charges généralement élevées transmisesaurocherdefondationpeuventsolliciter demanièreimportantelastructuredumassifrocheux et déterminer le développement de mécanismes de ruptureparticulierspolarisésparcelle-ci; · lescaractéristiqueslithologiquesetstructuralesdu massif:lesnotionsdestructureetdegéométrieinterne dumassifdeviennentprédominantes.Lesmécanismes derupturesontprincipalementdéterminésetguidés par l'existence, la distribution et l'orientation des principaux systèmes de discontinuités du massif. Les plans de discontinuité (stratification, foliation, schistosité,fractures,failles)constituentdesplansde faiblesse par lesquels sont induits et se développent lesmécanismesderupture. Figure 5.9 ­ Source : Sétra Massifsainoupeualtérécomportantplusieurssystèmes majeursdediscontinuitéinclinésdébouchantensurface, recoupépardessystèmesdefracturessécantsd'extension importante. Ici, le mécanisme ne mobilise plus le cisaillement d'une ou deux directions de discontinuité suivant une cinématique simple mais le cisaillement de plusieurs systèmesprincipauxassociésdansunmécanismeetune cinématiquepluscomplexes(plusieurscoinsderupture sous la fondation, plastification locale ou généralisée suivantlesdirectionsmajeuresdediscontinuité) Figure 5.10 ­ Source : Sétra Fauchage:lemassifestdécoupéenlanièresàfortpendage rentrantdanslapente;ceslanièressubissentsousl'effet delapesanteurunbasculementversl'avalaggravéparle chargement Dimensionnement 55 Lajustificationdelafondationdoitêtreeffectuéepour lesmécanismesderupturelespluscritiquesvis-à-vis descasdechargesdimensionnants.Ellenécessitedans chaquecaslaconstitutiondemodèlesgéométriques et géomécaniques prenant en compte pour les différents systèmes de discontinuité concernés, des caractéristiques de cisaillement convenablement représentativesàl'échelledesmécanismesderupture (cf. § 5.3.2, «Caractéristiques de rupture des discontinuités»).L'étudedelastabilitéesteffectuée essentiellement au moyen d'une modélisation de type milieu discontinu à blocs, généralement dans l'hypothèsedeblocsrigides,plusrarementdéformables (cf.§5.5). Pourtouscescascomplexes,l'étudedoitnécessairement être effectuée par un spécialiste de mécanique des roches. Figure 5.11 ­ Source : Sétra Massifhétérogèneconstituéd'alternancederochersainet derochestendresoualtéréespourlequellesmécanismes derupturepeuventimpliqueràlafoislesdiscontinuités etlamatrice(flyschs,marno-calcaires). Figure 5.12 : coupe longitudinale de la culée ouest du viaduc sur la Tardoire ­ Source : Sétra Massif rocheux très hétérogène, structures complexes, présence d'accidents géologiques, karsts, vides ou zones de dissolution. 56 Fondations au rocher 5.3 - Choix des caractéristiques mécaniques de calcul Lacaractérisationgéomécaniquedumassifconsisteà déterminerlesélémentsconstitutifsdelamodélisation delafondationrocheusedechaqueappuidel'ouvrage. Elledoitêtremenéeavecl'aided'unmécaniciendes roches.Trois familles d'éléments sont à prendre en compteetàévaluer: - l e s d o n n é e s g é o m é t r i q u e s e t s t r u c t u r a l e s représentatives du massif et de l'appui, qui interviennentpourlecomportementdelafondation (stabilitéetdéformation); - le ou les mécanismes de rupture à considérer pour chaque appui, en fonction des données topographiques,géologiquesetdesconditionsde chargement; - les caractéristiques mécaniques associées aux mécanismes de rupture et de déformation considérés,représentativesdumassifàl'échellede lafondation. Là encore, on distingue deux cas de figure selon le mécanismederupture:modélisationparunmilieu continuéquivalent(homogénéisation)etmodélisation parunmilieudiscontinuàblocs. 1995 et utilisé dans certaines méthodes empiriques dedimensionnement,oul'indiceQdeBartonutilisé uniquementpourlestunnels. La classification de Bieniawski (annexe 5) prend en compte un certain nombre de caractéristiques principales géologiques et géotechniques pour déterminerunindiceglobalattribuéaumassif(indice Rmr);chaqueparamètrereçoitunenoteselonlagrille d'évaluationdéfiniedanslaclassification: · caractérisationdelamatricerocheuse: - résistance en compression uniaxiale de la roche (noteA1), · caractérisationdesdiscontinuitésdumassif: - indicedefracturationRqd(noteA2), - espacementdesdiscontinuités(noteA3), - état d'altération et de rugosité des épontes (noteA4), · caractérisationhydrogéologiquedumassif: - étathydrique, - conditionshydrauliques(noteA5), · il est également défini une note d'ajustement (noteB)dépendantdel'orientationdesdiscontinuités (azimutetpendage). L'indice Rmr du massif ou de la partie du massif considéréeestdéfinicommelanoteglobaleobtenue par sommation des notes partielles (A1 à A5) et de la note d'ajustement B ; compte tenu de la nature empirique de cet indice, on donnera toujours une fourchettedevaleurs. Cetteestimationdevraêtrefaitesouslecontrôled'un spécialistedemécaniquedesroches. Dans le cas de l'utilisation de l'indice Rmr pour le dimensionnement de fondations, on se limitera en généralauxnotesA1àA5définiesci-dessus.Lanote d'ajustement(tableauB)pourraêtrepriseencompte pourl'évaluationdumodulededéformationdumassif dans certains cas particuliers, par exemple pour le tassementd'unefondation:l'orientationpénalisante estcelleoùlesjointssontorthogonauxàladirection deseffortsappliqués. Des versions successives de la classification de Bieniawskiontétépubliéesparl'auteur.Cesdifférentes versionsprésententquelquesdifférencesdanslagrille d'évaluation.Enconséquence,ilestconvenuderetenir commeréférencedansleprésentdocumentlaversion publiée en 1989(2) et qui a été reprise par l'Aftes en 2003 dans les «Recommandations relatives à la caractérisationdesmassifsrocheuxutileàl'étudeetà laréalisationdesouvragessouterrains»(3);cetindice estnotéci-aprèsRmr89. (2) Voir référence : Z. T. Bieniawski 1989 et Annexe 5 (3) Voir référence : Aftes 2003 Recommandations relatives à la caractérisation des massifs rocheux... 5.3.1 - Méthodes d'homogénéisation Ce type de modélisation est applicable aux cas pour lesquels le massif peut être considéré comme globalement ou statistiquement homogène, sans éléments structuraux dominants dans la zone d'influencedel'appui. Le massif est alors caractérisé par les paramètres d'un milieu continu équivalent pour permettre l'applicationdeméthodesdelamécaniquedessolsou delamécaniquedesroches,éventuellementadaptées (cf.§5.4). Caractéristiques descriptives - Classifications Les reconnaissances géologiques et géotechniques permettentdedéterminerl'ensembledescaractéristiques descriptivesprincipalesdumassifrocheuxetd'utiliser différentesclassificationsdemécaniquedesroches. Les principales sont : la classification Aftes(1), très précise pour la description des massifs mais qui n'est pas utilisée pour des dimensionnements, et la classificationdeBieniawski(désignéeégalementsous le terme de classification Rmr : Rock Mass Rating) décrite ci-après. On peut citer également le Gsi (Geological Strength Index) introduit par Hoek en (1) Voir référence : Aftes 2003 Recommandations relatives à la caractérisation des massifs rocheux... Dimensionnement 57 On définit aussi pour l'application de certaines méthodes empiriques Rmr'89 comme l'indice Rmr89 calculésanslanoteBetavecunenoteeau(A5)égale à15. LeGsiouGeologicalStrengthIndexpeutsedéduire del'indiceRmr'89. PourlesvaleursdeRmr'89>23,Gsi=Rmr'89-5. On peut également déterminer le Gsi à partir de la description géologique du massif (tableau en annexe6). Remarque:pourdesvaleursdeGsi<25(massiftrès fracturéetaltéré,decaractéristiquestrèsmédiocres), le critère de Hoek et Brown s'exprime sous une forme sensiblement différente. Ces cas particuliers justifient de faire appel à un mécanicien des roches expérimenté. Lesvaleursdembetspeuventêtreestiméesàpartir de l'indice Rmr, de l'index Gsi du massif et de la naturepétrographiquedelaroche(voirannexe6).Le paramètrembpourlemassifestdéduitduparamètre mi,liéàlafragilitédelaroche(cedernierestvoisin durapportc/t,oùtestlarésistanceentractionde laroche);leparamètre«s»quiestplusspécialement liéàlafracturationestcomprisentre1(milieusans discontinuité) et 0 (milieu extrêmement fracturé, réduitàl'étatgranulaire). 1(MPa) 20 16 12 8 4 0 0 4 3(MPa) RMR'89=65;mi=10;sci=20Mpa RMR'89=45;mi=5;sci=8Mpa 1 2 3 Caractéristiques de rupture Demanièregénéraledanscechapitre,ondistinguera lesnotationsdescaractéristiquesmécaniquesdumassif rocheux(sansindice)decellesdelamatricerocheuse (affectéesd'unindicei). Ces caractéristiques doivent être déterminées pour chaquezonehomogènedumassifd'appui,notamment pour chaque formation géologique et géotechnique différenciéeetpourchaqueappui. Pour les roches tendres, on pourra retenir les caractéristiquesderupturemesuréesdirectementpar essais de laboratoire sur échantillons (valeurs basses delafourchettedesrésultats,comptetenudel'effet d'échelle). Dans les autres cas, avec l'approche homogénéisée du massif rocheux, les caractéristiques de rupture dumassifpeuventêtrereprésentéesparuncritèrede typeparabolique.LeplusutiliséestlecritèredeHoek & Brown (fig. 5.13), qui est défini par la relation empiriquesuivante(quines'appliquepasaucasdes massifstrèsaltérés): Figure 5.13 : critère de Hoek & Brown - points verts : massif peu fracturé - points rouges : massif très fracturé DesversionssuccessivesducritèredeHoek&Brown ont été publiées par les auteurs. La plus récente propose un critère de rupture généralisé (Hoek & Brown,2002)(1)qui,paruneapprocheplusanalytique, peuts'appliqueràtouslescasdemassifs. Pour ne pas perdre de vue le caractère empirique decetteméthode,ilasemblépréférabledeprendre commeréférencedansleprésentdocumentlecritère de rupture plus simpleindiquéci-dessus [publié en 1997dansInternationalJournalOfRockMechanics andMiningSciences(vol.34,n°8)(1)].Ledétaildela méthodeaveclestableauxcorrespondantsfournissant lesvaleursdembetsestprésentéenannexe6. Cetteapprochenécessiteunecompétenceenmécanique desrochespourchoisirdansquellesclassesrattacher lemassif;encasdedifficultédeclassification,ilest vivementrecommandédetravailler«enfourchette» entredeuxclasses. (1) Voir références danslaquelle: · 1 e t 3 s o n t l e s c o n t r a i n t e s p r i n c i p a l e s respectivement majeure et mineure (compressions notéespositivement), · ciestlarésistanceencompressionuniaxialedela matricerocheuse,mesuréeenlaboratoire, · mbetssontdesparamètrescaractérisantlarocheet lafracturationdumassif. L'annexe6détaillelesmodalitésd'applicationdecette méthode. Onnotequela«résistanceencompressionuniaxiale dumassifrocheux»cestégaleà . 58 Fondations au rocher Uncritèrederupturevoisindit«critèreparabolique» ou en paraboloïde a été implanté dans le logiciel Cesar-Lcpc.Sil'onpose: I1=1+2+3 MohrCoulomb Hoek&Brown C Cecritères'exprimesouslaformesuivante(cett sontrespectivementlarésistanceencompressioneten tractionuniaxiales,àl'échelledumassif,toutesdeux comptéespositivement): 3=0 1=cis 3=cis Figure 5.14 : linéarisation du critère de Hoek et Brown par une droite de Mohr Coulomb Si 2 = 3 = 0, on retrouve bien les deux solutions pour1:cet-t. Remarquons pour terminer, que ces critères de rupturesontisotropes:ilssontdoncàmanieravec discernementlorsqu'unefamilledediscontinuitésest prépondérante et confère au massif une anisotropie marquée. LinéarisationducritèredeHoek&Brown: Ilestpossibled'approcherlecritèredeHoek&Brown parunedroitedeMohrCoulombetdedéterminerdes caractéristiquesc,dumassif(homogénéisé). En raison de l'allure parabolique de la courbe traduisant le critère de Hoek & Brown, une bonne approximation linéaire de celle-ci nécessite de connaîtrel'étatdecontraintedumassifsollicitépar lafondation.Enfait,lacohésionapparenteaugmente aveclacontraintedeconfinement3,tandisquel'angle defrottementdiminue.Ilconviendradoncd'êtretrès prudentdanscettedémarchedelinéarisationducritère paraboliquedeHoek&Brown,etdeconsidérerque cettelinéarisationn'estvalablequesielleestfaitedans une plage de contraintes correspondant à l'état de contraintedanslemassifsollicitéparlafondation. Une hypothèse simplificatrice habituellement utilisée consiste à considérer pour l'évaluation des caractéristiquescet,undomainedecontraintesde référence défini par le cercle de Mohr de résistance encompressionuniaxialedumassifc(c=ci.s.; 3=0)etlecerclederupturesouscontraintetriaxiale associée à une contrainte de confinement 3 = c (fig. 5.14). Les valeurs des paramètres c' et ' sont définiesparladroitedeMohr-Coulombtangenteà cesdeuxcercles.Ellessontdonnéesparlesexpressions suivantes: Il existe également des corrélations sommaires entre l'indice Rmr et les paramètres c et (voir annexe5): c(kPa)5xRmr (°)5+½Rmr L'usage de ces corrélations forfaitaires, et donc très grossières, doit être limité à une description globale préliminaire et ne peut déboucher sur un dimensionnement. Elles peuvent néanmoins être utiles à titre de comparaison avec une linéarisation automatique du critère parabolique que proposent certainslogiciels. Danstouslescasuneanalysecritiquedescaractéristiques obtenuesestindispensable.(1) Note Il convient de signaler l'existence du logiciel RocLab (1), téléchargeable sur le site internet de l'auteur, qui permet de calculer automatiquement les paramètres du critère de Hoek et Brown pour un massif rocheux à partir des données de la roche intacte et de son indice Gsi. Il faut toutefois souligner la prudence dont il convient de faire preuve dans son usage comme dans les applications que l'on peut en faire. Caractéristiques en déformation La déformabilité du massif, en général caractérisée àl'aided'unmoduled'Youngetd'uncoefficientde Poisson,résulte: · deladéformabilitédelamatricerocheuse,telleque l'onpeutlamesurerenlaboratoire; · de la déformabilité des discontinuités, rarement m e s u r é e , g é n é r a l e m e n t p l u s é l e v é e q u e l a précédente. (1) www.roscience.com (on y trouve aussi plusieurs articles récents sur l'utilisation du critère de H & B ainsi que sur les nombreuses corrélations proposées par divers auteurs pour évaluer les modules de déformations des massifs rocheux). Dimensionnement 59 Nota - compte tenu de la non-linéarité du comportement des discontinuités, liée à leur fermeture progressive sous l'effet des contraintes normales appliquées, on constate très généralement que la déformabilité résultante du massif n'est pas constante et diminue au fur et à mesure du chargement ; - les déformations différées peuvent le plus souvent être négligées dans un massif rocheux sain ; dans certains cas particuliers en revanche (massif de « roches tendres » - craie, schistes altérés, marnes, gypse - ou discontinuités avec remplissage argileux, par exemple), une évaluation, en général forfaitaire et empirique, doit en être faite. Lafigure5.15fournitunexempledetellecorrélation entre l'indice RMR (cf. § 5.3.2, «Caractéristique géométriquedesmodèles»)etladéformabilitéEdu massif: enGPa(SerafimetPereira1983,pour 25<RMR<85) RMR>50) en GPa (Bieniawski 1978, pour Si pour des petits ouvrages ou ouvrages courants fondéssurdurochersain,lestassementsprévisibles sont très faibles et ne justifient pas un calcul, pour desouvragesapportantdeschargesimportantesaux fondationsetsensiblesauxtassementsdeleursappuis, l'estimationdeladéformabilitéduterrainsupportest nécessaire. Sil'espacementdesdiscontinuitésestfaibledevantla largeurdelafondation,onpourraengénéralraisonner parhomogénéisationetassimilerleterrainàunmilieu continu. Estimation empirique de la déformabilité du massif Celle-ci est possible à partir des classifications de massifs rocheux, grâce à des corrélations proposées pardifférentsauteurs(1);l'usagedetellescorrélations doitcependantêtrefaitavecprudence. (1) Voir références Estimation du module du massif E d'après les mesures sur échantillons LemoduledeYoungEietlecoefficientdePoissonde la matrice peuvent être déterminés sur échantillons delaboratoire(normeNFP94-425).Dansunmassif hétérogène, par exemple formé d'une alternance de bancscalcairesetdebancsplusmarneux,onprendra une valeur moyenne pondérée des modules des différentsfaciès. Pour certaines roches sujettes au fluage (craie par exemple),lemoduleàlongtermeEestsensiblement plusfaiblequelemodulemesurédansl'essainormalisé (typiquement,lamoitiépourlacraie). Lesvaleursdemodulesainsiobtenuessonttoujours plus élevées que les valeurs réellement applicables à l'échelle de l'ouvrage, dans un rapport qui peut atteindre10(effetd'échelle). Le rapport entre le module du massif E et celui de la matrice rocheuse mesuré en laboratoire E i peut être relié de manière grossière aux paramètres caractéristiquesdelafracturation:RQD,RMR(voir figure 5.16). La corrélation suivante a été proposée parDeereen1969: Modulededéformationdumassif 90 70 50 30 10 10 EM=10(RMR-10) 40 (applicablepourRQD>60) EM=2RMR-100 Onpeutégalementestimerlemoduledumassifrocheux parcorrélationaveclarésistanceencompressionetle RMR. 70 90 30 50 NoteRMR Dans tous les cas, l'usage de telles corrélations doit êtrefaitavecprudence. ExempledelacorrélationdueàHoek(1996) (enGPa)ci<100MPa Figure 5.15 : estimation du module du massif 60 Fondations au rocher  E=E m/E r(%) Évaluation in situ du module du massif E Lesessaisdedéformabilitéin situ(essaiaudilatomètre, essai à la plaque) permettent de dépasser l'échelle de l'éprouvette de laboratoire, mais ils n'auscultent cependant qu'un volume de l'ordre du mètre cube, faibledevantlevolumeconcernéparunefondation, etleursrésultatsnesontengénéralutilisablesqu'après correctiondel'effetd'échelle. Les essais de géophysique entre forages de type cross-holepeuventégalementfourniruneévaluation du module du massif sur une échelle un peu plus représentative (distance entre forages jusqu'à 8m); le principe de cette mesure est présenté sur la figure5.17;lamesuredesvitessesdepropagationdes ondessismiquesdecompressionVpetdecisaillement Vspeutpermettredecalculerlesmodulesdynamiques E et G (correspondant à de faibles déformations, environ10-6),sil'ondisposedelamassevolumiquedu rocher(entre2000et3000kg/m3suivantlanature deroche);ilfautnotercependantquelamesurede Vsestdélicate. Rappelonslesformulesdel'élasticité: 100 80 60 40 20 20 40 60 RQD% 80 100 Figure 5.16 : relation entre le rapport des modules E / Ei et la valeur du Rqd ­ Source : Sétra. (Pour plus de précisions on pourra se reporter au tableau 5 p 340 de l'article : « Using RQD to estimate the deformation modulus of rock masses » Lianyang Zhang and H. H. Einstein, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences Volume 41, Issue 2, February 2004, Pages 337-341) Letypedesollicitationetledomainededéformation sont très différents de ceux du chargement statique considérépourlastabilitédelafondation.Lesvaleurs du module dynamique sont supérieures aux valeurs souschargestatiquedansunrapportpouvantatteindre de2àplusde10enfonctiondel'étatdumassif. UP-HOLE Marteau coulissant Enclume Tubelanterné misenpression Géophone d'émission Émetteur CROSS-HOLE Réception UP-HOLE tridirectionnel Tubelanterné missouspression Géophonede réception tridirectionnel Récepteur Figure 5.17 : essai Cross-hole principe ­ Source : Sétra Le mode opératoire consiste à exécuter des mesures de vitesses entre deux ou plusieurs forages. On émet un signal (ébranlementsismique)àunniveaudéterminédansunforageetonréceptionnecesignalaumêmeniveaudansunou plusieursforagesvoisins.Lessignauxàl'émissionetàlaréceptionsontenregistréssimultanément.Ladétermination destempsdepropagationdesondesPetSentrel'émissionetlaoulesréceptionspermetdecalculerlesvitessesdes ondesPetS,connaissantlesdistancesséparantlespointsd'émissionetderéception. Dimensionnement 61 Évaluation analytique du module du massif E Enprésenced'unefamillemajeuredediscontinuités, on peut, comme le décrit la figure 5.18, évaluer analytiquementlemoduleEdumassif,enfonction descaractéristiquesmécaniquesdelamatriceetdes caractéristiques des discontinuités, principalement raideurnormaleKn.Celle-cis'exprimeengénéralen MPa/mm:elleestcompriseenpratiqueentre0,5et 10MPa/mm.Elleaugmenteaveclacontrainte(effet delafermeturedesdiscontinuités):lafaibleraideur dumassifconstatéelorsducoulagedelasemelleetde labasedelapilefaitplaceàuneraideurplusélevée lorsquel'ouvrageestterminé,dufaitdelafermeture progressivedesdiscontinuitésàfaiblependagesituées souslafondation. Différentsfacteursviennentlimiterlavaliditédece typedeméthodesimplifiée,enparticulier: · la difficulté d'apprécier la raideur normale K n des plans de discontinuité dominants caractérisant la structure, ne peut guère être appréciée dans la pratique que par des essais de déformabilité in situ àuneéchellereprésentative.Cettefacultérestedonc trèsthéorique; · l'anisotropie du milieu équivalent (dans la figure précédenteparexemple,lemodulesouschargement horizontalestplusélevéquesouschargementvertical, puisquevoisindumoduledelamatrice);l'utilisation d'uneméthodenumériquedetypeélémentsfinispeut permettred'évaluerladéformabilitésouschargement complexe; · la présence de discontinuités au voisinage de la fondation, d'orientation proche de la verticale, qui limitent la diffusion latérale des contraintes et augmenteipso factolachargesupportéeparlacolonne de terrain située sous la semelle, et donc aussi le tassement;uneméthodenumériquedetypeéléments distinctspeutserévélerutilepourévaluerceteffet. Conclusion En définitive, la question de l'estimation des propriétésdedéformabilitéàl'échelledumassifest toujours délicate, et il est fortement recommandé depratiquerplusieursapproches;ladétermination d'unmoduleà50%prèsestengénéralconsidérée commesatisfaisante. Il est recommandé de procéder à des mesures de déformation en cours de travaux pour apporter la validation nécessaire. La spécificité des massifs rocheuxtrèspeudéformablesnécessiterad'employer des moyens adaptés à la mesure de très faibles déformations(cf.chapitre6). S S S S S S Déformationdurocher = S Er Fermeturedeladiscotinuité n= Kn Déformationverticaletotale: S+ = S E Er Kn Figure 5.18 : évaluation analytique du module E du massif 6 Fondations au rocher 5.3. - Représentation du massif par un milieu discontinu à blocs Cetypedereprésentationdoitêtreappliquélorsque les données structurales du massif rocheux sont prédominantesetinduisentdesmécanismesderupture polarisésliésàl'orientationetàlapositiondesplans dediscontinuitédumassif.Danscecas,uneapproche homogénéiséen'estpasapplicableetilestnécessaire de prendre en compte la structure du massif et la géométrieduchargementparrapportàcelle-ci. Le niveau de complexité des modèles peut être largement variable en fonction des caractéristiques structuralesdumassifetdesconditionsdechargement del'appui.Pourlesouvragesimportantsetlesdonnées structuralesdéfavorablesoucomplexes,l'étudedela fondation devra être effectuée par un spécialiste de mécanique des roches: elle consistera à définir les caractéristiques des discontinuités et à identifier les mécanismesderupturelespluspertinents. L'étudedevraintégrerl'influencedesincertitudessur la définition des caractéristiques géométriques des modèles: · surlesdonnéestopométriquesdéfinissantlemodèle de terrain. Il est indispensable de disposer d'un modèledeterrainfiable,représentatifetàuneéchelle adaptée de la topographie du massif influencé par l'implantationdel'appui; · surlesdonnéesstructurales,concernantlapositiondes plansdediscontinuitéprincipauxetlareprésentation de la géométrie interne du massif, notamment la localisationdesdifférentsplansderupturepossibles. Les incertitudes sur les données géométriques et notammentsurlaconfigurationetlalocalisationdes surfaces de rupture possibles peuvent imposer une approcheparamétriquepréalabledeladétermination de la géométrie des modèles de calcul, permettant d'identifierlesconfigurationscritiquesàprendreen compte. Caractéristiques géométriques des modèles Lapremièreétapeconsisteàdéterminerlagéométriedes modèlesdecalculsynthétisantlesdonnéesessentielles topographiques,géométriquesetstructuralesdumassif rocheuxetdelafondation dans lazoned'influence decelle-ci. Figure 5.19 : stéréogramme illustrant la complexité du choix des plans de discontinuité principaux et de leur position ­ Source : Cete Méditerranée Dimensionnement 63 Caractéristiques de rupture des discontinuités Le développement des mécanismes de rupture dépenddessollicitationsappliquéesaumassifparla fondationetdescaractéristiquesderupturedesplans dediscontinuitémobilisés. On considérera généralement, dans le sens de la sécurité,leshypothèsessuivantes: - absencederésistanceàlatractiondesdiscontinuités sollicitéesenextension; - caractéristiques de rupture des discontinuités sollicitées en cisaillement, définies par un critère deMohrCoulomb(c,): - c=0(absencedecohésion;hypothèseconservatrice conseillée,saufsilapersistanceestmanifestement faible c'est à dire si les ponts rocheux sont nombreux) - =a=r+(comportementdilatant) avec: a:angledefrottementapparentpourledomainede déplacementconsidéré; r:angledefrottementrésiduel;l'anglerestvoisin de l'angle de frottement entre deux surfaces planes et régulières (bonne surface sciée, par exemple) de larocheconsidérée;ilsesitueleplussouvententre 25°et35°. Nota la présence de remplissage argileux peut affecter l'angle de frottement, qui peut alors se limiter à 10 - 15°. observe est liée aux aspérités de petite longueur d'onde;aucontraire,surunelongueurL,àl'échellede lapartiedumassifsollicitéeparlafondationapparaît une dilatance liée à des ondulations de plus grande longueur, et d'une manière plus générale liée à la géométriedessurfaceslelongdesquellessedéveloppe larupture. Dans le cas des discontinuités avec remplissage d'altération, les caractéristiques peuvent tendre vers celles du matériau de remplissage correspondant si l'épaisseurdujointestimportante. Insistons en conclusion sur le fait que le choix de l'anglededilatanceàprendreencomptenepeutse fairequ'aprèsobservationdétailléedelamorphologie des épontes. A défaut d'un choix mieux justifié, on peut proposer l'estimation suivante, pour des contraintesnormalesfaibles: =0,8max oùmaxestl'anglecorrespondantàlapentemaximale desaspéritésouondulationsdedimensionpertinente (longueurd'ondereprésentant5à10%delalongueur deruptureconsidérée).Sousdefortescontraintes(en gros,n>0,5c),ladilatancediminuenotablement. Dans la pratique, on n'emploiera pas de valeurs de supérieuresà10°. Cescaractéristiquesderupturedoiventêtredéterminées pourchaquesystèmeouplandediscontinuitéimpliqué dansunmécanismederupture,àl'échellegéométrique etauniveaudecontraintecorrespondants. : angle de dilatance mobilisable ; il est en général comprisentre0et10°. Ladéterminationdel'anglededilatancemobilisable estdélicate.Elledoittenircompte: · de la nature, de la rugosité, de l'imbrication, de l'altérationdesépontesetdelaprésenceounond'un matériauderemplissage; · duniveaudecontraintenormale(décroîtlorsque croît)etdudomainededéplacementconsidéré(le maximum de la dilatance n'intervient qu'après un déplacement tangentiel qui peut être jugé excessif vis-à-visdel'ouvrage); · de l'échelle géométrique (en général, décroît lorsque L croît) et de l'extension des discontinuités mobiliséesparlemécanismederupture,notamment l'existence fréquente de relais de fractures associant plusieursplansdediscontinuitéhomologues. Lescaractéristiquesdites«locales»sontdéterminées pardesessaissuréchantillons(voirlanormeP94-424 etlafigure3.14)ouévaluéesparcomparaisonavecdes échantillonsanalogues.Pourpasserdecettedimension décimétriqueàcelledel'ouvrage,ilfauttenircompte del'effetd'échelle(cf.figure5.20).Surunéchantillon de laboratoire, de longueur l, la dilatance que l'on Caractéristiques matricielles Danslamesureoùlesdiscontinuitéssontdeszones de faiblesse marquée du massif, la prise en compte explicite de caractéristiques matricielles dans la modélisation en milieu discontinu à blocs est peu fréquente et correspond à des cas particuliers, notamment: · fondation sur un massif de roches de résistance faibleetàstructuretrèsmarquéesusceptibled'induire concurremmentdesmécanismesderupturematricielle detypemilieucontinuetdesmécanismesderupture par blocs suivant des plans de discontinuité du massif; · fondationfortementsollicitéemobilisantlocalement l L Figure 5.20 : effet d'échelle sur la dilatance ­ Source : Sétra 64 Fondations au rocher de manière significative au niveau de certains blocs les caractéristiques matricielles de résistance et de déformabilitédelarocheàl'échelledelafondation. Les caractéristiques matricielles doivent être déterminéesentenantcomptedel'échelleàlaquelle ellessontsollicitéesparlesmécanismesderupture. sols meubles et ne sont pas directement applicables sansdiscernementauxfondationsdites«aurocher». Cela est d'ailleurs assez clairement exprimé dans le commentaire de l'article A.2.2 de ce fascicule du Cctg. Toutefoisilestcourammentadmisenpratique,dès lors que l'on est dans le cadre d'application d'un modèle homogénéisé pour un massif rocheux, de seréférerauxmodèlesdecalculetauxméthodesde justification applicables aux sols et définies dans ce fascicule du Cctg, en retenant donc également, en règlegénérale,lesvaleursdescoefficientsdesécurité quiysontdéfiniespourlessolsmeubles. Onnereprendradoncpasdansleprésentdocument l'ensemble des règles concernant la définition des actions, leurs combinaisons et les valeurs des coefficients de pondération et de sécurité partiels à appliquer ; on se limitera à préciser les éventuelles différencesàprendreencomptedanslecasdesmassifs rocheux. Il faut également signaler que les règles définies ici couvrent le même domaine d'application que le fascicule62titreVduCctg,àsavoirlesfondations d'ouvragesd'artet,commecedernier,nes'appliquent pasauxouvragesdesoutènement. 5.4 - Étude d'une fondation dans les cas homogénéisés 5.4.1 - Généralités Méthode de référence Comme on l'a vu précédemment, les cas les plus simples sont ceux pour lesquels le mécanisme de rupture et les caractéristiques du massif rocheux permettentdes'enteniràdesméthodesdejustification ne nécessitant pas une spécialisation poussée en mécaniquedesroches.Enparticulier,lorsquelemassif peut être homogénéisé, on applique généralement, mutatis mutandis,lesméthodesclassiquesemployées enmécaniquedessols. Le recours au mécanicien des roches s'imposera toutefoispourvaliderl'approchehomogénéiséeetles estimationsdescaractéristiquesàprendreencompte danslescalculs. Pourlesouvragesimportantsavecfortedescentede charge,ilyauralieud'étudieretd'apprécierdifférentes approches de calcul, avec l'aide du mécanicien des roches.Deplus,pourcetyped'ouvrage,lerecoursà unsuividesterrassementsetdesconstatationsparun géologue/mécaniciendesrocheslorsdestravauxest indispensablepourconfronterlamodélisationretenue pourlecalcul,àlastructuregéologiqueobservéesur leterrain(voirchapitre6). Lesdispositionsdufascicule62titreVduCctg(«règles techniquesdeconceptionetdecalculdesfondations des ouvrages de génie civil») sont globalement en accord avec celles de l'Eurocode 7 partie 1 relatif au calcul géotechnique - règles générales (norme P 94-251-1) et à son annexe nationale (norme P 94-251-1/NA) qui a retenu l'approche 2 pour la justification des fondations. Dans l'attente de la parution des normes nationales complémentaires relatives au calcul des fondations (en cours d'élaboration) on se référera donc ci-après au fascicule62titreVduCctg. D'une manière générale, les règles de justification des fondations des ouvrages de génie civil qui sont définies dans ce fascicule du Cctg concernent les Actions Lesjustificationsdesfondationssontàfaireselonles principesdecalculsauxétats-limites(deserviceEls et ultimes Elu), avec pondérations des charges et coefficientsdesécuritépartielssurlesrésistances. Les actions sont prises en compte dans les mêmes conditionsquedanslefascicule62titreVduCctg en distinguant les actions provenant de la structure généralementfourniesparlechefdeprojetetcelles liéesaumassif. Dans le cas des fondations rocheuses, les actions de poussée ou les actions dues à un déplacement d'ensembledusolconcernentessentiellement,s'ilya lieu,lesformationsdesurfacerecouvrantlesubstratum rocheux.Néanmoinsdanscertainscas,enfonctiondes donnéesgéologiquesetstructurales,delatopographie etdelagéométriedesappuis,ilpourraêtrenécessaire deconsidérerdesactionsanaloguesauseindumassif rocheux, notamment dans le cas des fondations sur versant. Il est à noter également que la détermination des valeursreprésentativesliéesauxpressionshydrauliques internes est généralement délicate en raison de l'incertitude sur les conditions hydrogéologiques et hydrauliques susceptibles de se développer dans un massifrocheuxfracturé,enparticulierdansleszones deversant. Dimensionnement 65 Évaluation de la sécurité En ce qui concerne le massif rocheux, la méthode d'homogénéisationbaséesurl'utilisationdel'indice Rmr et du critère de Hoek & Brown permet de déterminerdesvaleursderéférencedescaractéristiques derupturedumassif. Cette détermination est entachée d'incertitude en raison de l'hétérogénéité des caractéristiques du massif,deshypothèsesnécessairementréductricesdu modèle,desonincertitudepropreliéeàsonajustement empirique,etdel'incertitudesurlechoixdecertains paramètres (notamment le choix du paramètre mi associéàlanaturepétrographiquedesroches,ainsique l'appréciationdel'étatd'endommagementdumassif induitparlesterrassements). Uneanalysecritiqueparlespécialisteenmécanique desrochesdesvaleursderéférenceainsidéterminées estnécessairepourdéfinirdesvaleurscaractéristiques ausensdelathéoriedesétatslimites. Cette analyse pourra s'appuyer sur une étude de sensibilité aux incertitudes sur les paramètres de détermination, ainsi que sur une vérification de la compatibilitédesvaleursobtenuesaveclesconditions d'équilibrenatureléventuellementobservablessurle site. Nota Dans l'attente de la parution des normes complémentaires à l'Eurocode 7 relatives aux fondations et de leur adaptation éventuelle aux massifs rocheux, on recommande de retenir comme valeurs des coefficients de sécurité celles définies pour les sols meubles dans le fascicule 62 titre V du Cctg. cette vérification de stabilité d'ensemble selon les méthodesdéveloppéesauparagraphecorrespondant des cas discontinus simples (cf. § 5.5.3), pour lesquelslessurfacesdeglissementsontidentifiéeset correspondentàdesplansdediscontinuités(coinou dièdre). 5.4. - Fondation superficielle Dansl'attentedenouveauxdocumentsderéférence, comme on l'a vu ci-dessus (cf. § 5.4.1, «Méthode de référence»), la justification d'une fondation superficielle dans un cas homogénéisé est faite en se référant aux dispositions du fascicule 62 titreV du Cctg, en les adaptant si nécessaire lorsque des paramètres de résistance et/ou de déformation différentssontutilisés. Enparticulier,lajustificationvis-à-visdesétatslimites demobilisationdusolestmenéeaveclescoefficients desécuritéq=3auxElset2auxElu(cf.articleB.3.1 du fascicule 62 titreV du Cctg) et les adaptations proposées ci-après pour les autres paramètres du calcul: contrainte de rupture, prise en compte de l'excentrement, de l'inclinaison et de la proximité d'untalus. La justification vis à vis de l'état limite ultime de glissementestmenéeaveclescoefficientsdesécurité g1=1,2etg2=1,5auxElu.Danscertainscas,sila fondation est coulée à pleine fouille, il est possible de prendre en compte une butée (estimée avec prudence). Contrainte de rupture sous charge verticale centrée Cas d'une fondation sur versant : Stabilité d'ensemble Silafondationestimplantéesurunversant,ilfaut procéderàunevérificationdelastabilitéd'ensemble delafondation,c'est-à-diredelastabilitéduvolume deterrainsollicitéparlafondation(1). Silemassifconsidérépeutêtreassimiléàunmilieu continuhomogèneisotropeetqu'iln'existepasdeplan privilégiéderupture,cettevérificationpourraêtrefaite aveclesméthodesdelamécaniquedessolsàpartirdes caractéristiqueshomogénéiséescet. Mais,selonlaposition,lanatureetlescaractéristiques desdiscontinuités,ilpourraêtrenécessaire,ycompris danslecasd'unmassifhomogénéisé,deprocéderà (1) À différencier de la stabilité générale, qui est celle de l'ensemble du versant Pourdesrochestendres,sidesessaispressiométriques (voirepénétrométriques)ontétéréalisés,lesméthodes de calcul de la contrainte de rupture basées sur l'interprétationdesrésultatsdecesessais,tellesque décritesauxannexesB1etB2dufascicule62titreV duCctg,pourrontêtreutilisées. Mais le plus souvent, pour les massifs rocheux «homogénéisés», ces essais ne sont pas adaptés et l'on est donc conduit à utiliser d'autres méthodes d'évaluationdelacontraintederupturequ,notamment celle issue du critère empirique de Hoek & Brown (cf.§5.3.1,«Caractéristiquesderupture»). Ainsi,danslecasd'unesollicitationverticaleexercée 66 Fondations au rocher Type de fondation Cf Rectangulaire (L/B > 6) 1 Rectangulaire (L/B = 5) 1,05 Rectangulaire (L/B = 2) 1,12 Circulaire 1,2 Carrée 1,25 Tableau 5.1 : valeur du facteur de forme Cf en fonction de la forme de la fondation. Foundations on Rock (D.C. Wyllie) parunefondationsuperficielle,onpeutadmettreque lacontraintederupturequestcelleobtenueàpartir d'unessaitriaxialdanslequellacontraintelatérale3 estégaleàlarésistanceencompressionuniaxialedu massif(figure5.21),soit aveclecritèredeHoek &Brown,cequidonne: Une autre approche qui n'est pas comparable, notammentenraisondescritèresderésistanceetdu oudesmodesderuptureconsidérés,consisteàutiliser uneméthodeanalytiquebaséesurlesparamètresde cisaillementcettelsqu'ilspeuventêtredéterminés àpartirdelaméthodedeHoek&Brownparexemple (cf.§5.3.1,«Caractéristiquesderupture»),maisil conviendrad'êtretrèsprudentdanscetyped'approche utilisantdescorrélationsenchaîne. Cetteapprocheanalytiquequin'estpasprésentéedans lefascicule62titreVestévoquéeetdéveloppéedans l'annexeinformativeDdel'Eurocode7partie1. Dans le cas d'une charge verticale sur une semelle horizontaledansdesconditionsdrainées,lacontrainte deruptures'écritsouslaformesuivante: oùCfestunfacteurdeformeassociéàcetteméthode (tableau5.1). Exemples:(1) Pourm=10ets=0,1 qu=2,1Cf ci Pourm=2ets=0,001 qu=0,29Cf ci Q=1A 3b 1b 3a CoinB 1B 3B B 3B=surcharged'encastrementsurledessin=0 1A=surchargeliéeàlafondationQ Ona3A=1B Figure 5.21 : principe de l'estimation de la capacité portante d'une fondation superficielle ­ Source : Sétra avec: A'=B'L'valeurdecalculdelasurfaceeffectivedela fondation(cf.§5.4.2,«Chargesinclinéesouexcentrées» ci-aprèspourladéfinitiondeB'etL'), N(termedesurface),Nc(termedecohésion)etNq (termedeprofondeur)sontdesfacteursdeportance etleursvaleursdépendentdirectementdel'anglede frottementinternedumilieu, sc,sqetssontlesfacteursdeformedelafondation, q'estlacontrainteverticaleeffectivedueaupoidsdes terresauniveaudelabasedelafondation. Lesformulespermettantlecalculdecesdifférentstermes sontdonnéesdansl'annexeDdel'Eurocode7. CoinA 1A 3B 3A A 3A (1) Voir références Dimensionnement 67 Remarques Pourlespetitsouvragescourants,onpourrautiliser desméthodesplussimplestellesque: · l'Eurocode 7 (abaques de l'annexe informative G, figures5.22aetb)quifournissentpourdesfondations isoléesdeformecarréedesestimationsdelapression de contact présumée (= contrainte de service pour limiter les tassements à 0,5% de la largeur de la fondation).Lesvaleurssontdonnéesforfaitairement pour différents types de roches en fonction de leur résistance en compression et de l'espacement des discontinuités; · la formule du manuel Canadien (1) qui permet d'évaluer directement la contrainte dite admissible (soussollicitationsdeservice): a XXX(mm) b c d e 3 1,0m h 6 10 M oùKspestuncoefficientréducteurfonctiondeS/Bet e/S,toujoursinférieurà0,5(B=largeurdelafondation, Sete=respectivementespacementetouverturedes discontinuités): · les estimations de la capacité portante admissible données dans le tableau 5.2 (d'après la norme britanniqueBS8004:1986(1)): L'emploidetellesestimationsforfaitairesdelacapacité portanteestréservéeauxétudespréliminaires;ellepeut avoirunintérêtpourcomparaisonaveclesrésultats fournisparl'applicationdedifférentesméthodes. (1) Voir références 600mm 5 M 2,5 Pa/m a/m 1 MP Pa/m MPa 0,5 200mm 60mm 50 100 XXX(MPa) f 1,25 5 12,5 Capacité portante (MPa) Rocher sain Roches éruptives ou gneissiques Calcaires en gros bancs, grès durs Schistes et ardoises Schistes argileux durs, grès tendres Schistes très argileux Craie dure 10 4 3 2 1 0,6 Rocher fracturé 4-6 2-3 1-2 0,8-1,2 0,4-0,7 0,3-0,4 a b c d e f g h Rochetrèstendre Rochetendre Rochemodérémenttendre Rochemodérémentdure Rochedure Discontinuitésrapprochées Discontinuitésmoyennementespacées Discontinuitéstrèsespacées Tableau 5.2 : estimation de la capacité portante en fonction de la nature du rocher rencontré Figures 5.22 a et b : exemple d'un abaque de l'annexe G de l'Eurocode 7, abaque donné pour la catégorie de sol 3 : calcaire très marneux, grès faiblement cimentés, ardoise et schistes (clivage et foliation inclinés) ­ Source : © Afnor - nf en 1997-1 de juin 2005 (seule la version Afnor dans son intégralité fait foi - pour se la procurer www.boutique-normes.afnor.org) 68 Fondations au rocher g 0,2 2 a/m MP 2 Pa/m 2 /m 5 M 2 2 2 Charges inclinées ou excentrées Commepour lesfondations enterrains meubles,la priseencomptedel'incidencedel'inclinaisondela chargeappliquéeàlafondationsefaitgénéralement en appliquant un coefficient minorateur i dans l'expression générale de la contrainte de rupture calculéesouschargeverticalecentrée. Lorsque la contrainte de rupture est déterminée à partird'essaisaupressiomètre(ouéventuellementau pénétromètre),voireparapplicationducritèredeHoek et Brown (cf. § 5.4.2, «Contrainte de rupture sous chargeverticalecentrée»),lecoefficientminorateur ipourunechargecentréeinclinéepourraêtrecalculé commecelaestindiquépourlesterrainsmeublesau paragraphe2del'annexeF1dufascicule62titreV duCctg. Lorsque la contrainte de rupture est calculée par la méthode analytique, il y a lieu d'appliquer cette méthode dans sa globalité c'est-à-dire notamment d'appliquerlesrèglespréconiséesdansl'EC7(Annexe D), qui diffèrent assez peu de celles couramment employéesenFrancedanscecas(cf.travauxdeObin, GiroudetTrân-Vô-Nhiêm(1)).Souschargeexcentrée, ilestfaitréférenceenrèglegénéraleauxdispositions préconiséesdanslefascicule62titreVduCctg,et plus particulièrement au calcul d'une contrainte de référence par l'application du modèle de Meyerhof quiconsisteàadmettrequelescontraintesnormales sont uniformes sur un rectangle de surface réduite (A'=B'.L'avec:B'=B-2.eetL'=L-2.e'). Par ailleurs, les dispositions prévues vis-à-vis de la décompressiondusolsouslafondationsontégalement applicablespourlesfondationsaurocher: · surfacecompriméeminimalede10%delasurface delasemelleauxElu(cf.articleB.3.2dufascicule62 titreVduCctg), · aucunedécompressionsoussollicitationdeservice souscombinaisonfréquente, · surfacecompriméeminimalede75%delasurface delasemelleauxElsrares(cf.articleB.3.3). minorateuripourunechargeverticalecentréepourra êtrecalculécommecelaestindiquépourlesterrains meublesauparagraphe3del'annexeF1dufascicule62 titre V du Cctg. Pour une charge inclinée il est proposéici,pourcumulerlesdeuxeffets(inclinaison et proximité de talus) de multiplier directement les deux coefficients minorateurs i et i ainsi calculés. Cettedispositionestquelquepeudifférentedecelle proposée dans le Fascicule 62 TitreV du Cctg et conduit généralement à une réduction légèrement moins importante de la contrainte de rupture du terraindefondation.Onnoteraquecetteméthode, caléesurdesessaisréelsouencentrifugeuse(pourdes solsfrottantsuniquement)nes'appliquequ'àdestalus naturellementstablesdepenteinférieureà1/1.Ellene dispensepasdeprocéderparailleursàdesvérifications complémentairesetnotammentàlavérificationdela stabilitéd'ensembledelafondation(cf.§5.4.6). · Lorsquelacontraintederuptureestcalculéeparla méthodeanalytique,etparcohérenceaveccequiest suggéréci-dessuspourleschargesinclinées,ilyalieu d'appliquerlescoefficientsattachésàcetteméthode telsqu'ilssontdéfinisparexempledanslestravauxde GiroudetTrân-Vô-Nhiêm(1)(l'EC7nefournitpasde règlespourcecas). Ces méthodes de calcul, qu'elles soient analytiques ou semi-empiriques et calées sur des essais en vraie grandeur ou sur modèles réduits en centrifugeuse (pourdessolsfrottantsuniquement),ontétéétablies pour des talus de terrains meubles naturellement stablesdepenteinférieureà1/1.Pouruntalusde pentesupérieureà1/1,etàdéfautderéférences,on pourra adopter une disposition «sécuritaire» qui consiste à l'assimiler à un talus vertical : la charge verticale de rupture, déterminée avec le critère de Hoek&Brownensupprimanttoutconfinement,est alorségaleàlarésistanceencompressionuniaxialedu massif,soit .Onpourraégalementexaminers'il yalieu(selonladistanceduborddutalus,lapente) ce que donne l'application de la méthode avec une simpleréductionduconfinement. Parailleurs,etcommecelaaétéindiquéprécédemment, ces méthodes ne dispensent pas de procéder à la vérificationdelastabilitéd'ensembledelafondation. Onveilleranotammentàrepéreretcaractériseravec soin les discontinuités (géométrie, remplissage) dans les massifs rocheux présentant un talus, et ce, même dans ce cas où une homogénéisation a été jugéepossiblepourl'étudedelastabilitélocaledela fondation. Dans le cas d'un seul plan de glissement (coin), le volumedesolconcernéparcettevérificationestlimité pardesplansverticauxparallèlesàl'ouvrage(donton négligegénéralementlarésistanceaucisaillementpar sécurité) espacés de la largeur de la semelle (pas de diffusion,cf.§5.5.2). Fondation à proximité d'un talus Comme pour les fondations en terrains meubles, la prise en compte de l'incidence de la proximité d'un talus se fait généralement en appliquant un coefficientminorateuridansl'expressiongénéralede lacontraintederupturesur«terrainhorizontal». · Lorsque la contrainte de rupture est déterminée à partir d'essais au pressiomètre (ou éventuellement aupénétromètre),voireparapplicationducritèrede HoeketBrown(cf.§5.4.2,«Contraintederupture souschargeverticalecentrée»ci-dessus),lecoefficient (1) Voir références Dimensionnement 69 Tassements Lestassementsd'unmassifrocheuxsousunefondation ne peuvent pas être calculés par les méthodes oedométriqueetpressiométriqueauxquellesilestfait référencedanslefascicule62titreV. Pour l'évaluation du tassement, on pourra donc en généralretenirunmodèleélastiqueisotropesimplifié, notamment pour les massifs sains présentant peu de discontinuités (cas des massifs homogénéisés). Il convient toutefois lors de la détermination des paramètres E et de tenir compte de la présence de celles-ci (cf. § 5.3.1, «Caractéristiques en déformation»). Pour une fondation superficielle, on pourra donc appliquer la formule classique suivante, exprimant le tassement «s» sous une fondation de largeur B (diamètrepourunefondationcirculaireetpetitcôté pour une fondation rectangulaire) chargée par une pressionuniformeq: Dans le cas des roches tendres pouvant également donnerlieuàhomogénéisation,ilserapossibledechoisir entreplusieursméthodesd'évaluationdutassement: méthode élastique, méthode pressiométrique si des essaisdecetypeontpuêtreréalisés. Encequiconcernelarotationd'unesemellesurterrain horizontal, soumise à un moment de renversement M,lescalculsdel'élasticitéisotropefournissentune évaluationdel'anglederotation(casoùlasemelle resteentièrementencontactaveclesol,c'est-à-dire lorsquel'excentrementedelachargen'excèdepasle quartdelalargeurBdelafondation): aveclesvaleurssuivantesducoefficientIf(3): L/B If 0,5 3,54 0,75 3,94 1 4,17 1,5 4,44 2 4,59 Cercle 5,53 Tableau 5.4 : valeur du coefficient If en fonction de la géométrie de la semelle de fondation · lemodulededéformationEàprendreencompte est évidemment un module évalué à l'échelle de la fondation; · la valeur du facteur Cd(1) est donnée d'après D.C Wyllie(2)dansletableausuivantpourunefondation rigide,enfonctiondelaformedecelle-ci. Forme de la fondation Circulaire Carrée Rectangulaire 1 1,5 2 3 5 L/B Valeurs de Cd 0,79 0.99 1,15 1,30 1,52 1,83 Dansdescasdegéométriescomplexes,onpourraavoir recours à la modélisation numérique, en général la méthodedesélémentsfinis. Remarque Certaines roches peuvent présenter des tassements différés sous une charge permanente, dus à des matériaux de remplissage argileux ou à la nature de la roche elle-même (sel, gypse...) ; l'évaluation des tassements demande alors des essais et des études spécifiques qui sortent du cadre de ce guide. 5.4.3 - Fondation semi-profonde Ce cas est assez fréquent pour les ouvrages en site rocheux.Ilconcerneleplussouventdesfondations massivesisoléesdontlalargeurpeutatteindreplusieurs mètres(cf.chapitre4). Dans la pratique du dimensionnement, on fait peu de distinction entre fondations profondes et semiprofondes;onexposeradansceparagraphetoutce qui concerne les fondations semi-profondes et les points particuliers aux fondations profondes seront présentésau§5.4.4. Si l'on se réfère au fascicule 62 titre V du Cctg applicable aux sols meubles, les fondations semiprofondes sont les fondations dont la profondeur «d'encastrement équivalente» D e est comprise entre1,5et5foislalargeurB(oulediamètre)dela fondation. Pour les fondations au rocher, la limite à retenir entre les fondations profondes et semiprofondesseraitplutôtde2,5foisB. (3) Voir références : Manuel de mécanique des roches Tome 2 Tableau 5.3 : valeur du facteur Cd en fonction de la forme de la fondation LemoduledeYoungàprendreencompteestévalué àl'échelledelafondation. Ce calcul élastique peut permettre également de prendre en compte différentes situations, comme cellesdes«bicouches»;ilconvienttoutefoisdene pasperdredevuequeleparamètreprépondérantest le module de déformation du massif qui est évalué de manière peu précise, et donc que des méthodes sophistiquéesn'ontqu'unintérêtlimité. (1) Il est à noter que les valeurs de Cd sont proches de celles données pour Cf dans le FOND 72 chapitre 5.2 p 59 (2) Voir références 70 Fondations au rocher De plus, la notion de profondeur d'encastrement équivalenteDenepeutavoirlamêmedéfinitionqu'en terrain meuble en raison même de la connaissance plus «qualitative» que l'on a du massif rocheux de fondationconcerné.Pourlesmassifrocheux,celle-ci seradoncàapprécierparlespécialisteenconsidérant plusdirectementlaprofondeurréelled'encastrement delafondationdanslemassifrocheuxconcerné,en tenantcompteéventuellementdeshorizonssus-jacents dequalitéssensiblementéquivalentesetennégligeant, s'il y a lieu, les terrains meubles de couverture de qualitésmanifestementmédiocresauregarddecelles deshorizonsrocheux. En règle générale, pour le calcul de ce type de fondationsemi-profonde,onadoptelesdispositions dufascicule62titreVduCctg(AnnexeD),enles adaptant au contexte particulier des fondations au rocher(voirci-après). Ainsi,lemodèledecomportementretenusupposeque leterrains'opposeauxmouvementsdelafondation par: · uneréactionsouslabasecomposée: - decontraintesverticalesnormalesàlabase, - defrottementshorizontauxtangentsàlabase; · uneréactionsurlefûtcomposée: - defrottementslatérauxverticaux, - depressionsfrontaleshorizontales, - s'il y a lieu des frottements latéraux s'exerçant sur les parties du périmètre parallèles au sens du déplacement. Laréactionduterrainsurlefûtnepeutêtrepriseen compteques'ilestjustifiéqu'ellepeutêtreréellement mobilisable (cf. fascicule 62 titre, V Annexe D, article2). D'unemanièregénérale,lesmodèlesdecomportement nefontpasladistinctionentrelapartdemobilisation delapointeetdufrottementlatéral;enconséquence, la charge de rupture globale de la fondation est la sommedelachargederupturesouslabaseetdela chargelimitemobilisableparfrottementlatéral. Pour des ouvrages complexes, une modélisation plus fine est possible pour prendre en compte les mobilisations relatives de la base et du frottement latéral. Enl'absencededonnéesparticulières,danslecasoù existe une formation meuble au-dessus du rocher, on ne tient pas compte du frottement latéral dans celle-ci. conformera aux règles du fascicule 62 titre V du Cctg. Lorsque la méthode pressiométrique n'est pas applicable,onévaluehabituellementlacontraintede ruptureàpartird'uneméthodeanalytique(critèrec et)enfonctiondelarésistanceencompressionde lamatriceci. Toutefois,unerelationlinéaireentrelacontraintede ruptureàlabaseetc,quiestparfoispréconisée,ne semble pas validée par les essais de chargement (la figure 5.23 illustre un exemple de la dispersion de résultatsd'essaisdechargement)etilestrecommandé d'utiliser la formule de A.Soriano (1), plus réaliste. Celle-ci est préconisée dans les recommandations espagnolespourlesfondationsd'ouvragesd'art(Guía decimentacionesenobrasdecarretera(2)). avec: · quetcienMPa, · :coefficientquivariede2(Rqdvoisinde100%) à0,12(Rqdinférieurà10%), · D e la profondeur d'encastrement dans le massif rocheux. 100 q p (ult), MPa 10 1 0,1 1 10 100 ci(intactrock),MPa 1000 Figure 5. 23 : résultats d'essais de chargement de pieux dans le rocher Source : A. Soriano Cettevaleurdequesttoutefoisbornéeparlarésistance àlacompressiondubétondupuits.Ilestrecommandé parailleursderespecterunencastrementdelabasede lafondationdanslemassifrocheuxégalauminimum àundiamètre. L'effortlimitemobilisablesouslapointedelafondation profondedeSectionSestalorsdonnépar: Contrainte de rupture sous la base Pour les massifs de roches tendres dans lesquels la méthode pressiométrique est applicable, on se (1) Voir références (2) Voir références Dimensionnement 71 Frottements latéraux verticaux Lefascicule62titreVduCctgprévoitdenetenircompte detelsfrottementsqu'àpartird'uneprofondeurégaleà 1,5foislalargeurdelafondation. Dans le cas des fondations massives de grandes dimensionsensiterocheux,commecelaestsouvent lecaspourdegrandsouvragesd'art,cettedisposition peuts'avérerparfoistroppénalisanteetpeujustifiée. La profondeur sur laquelle on pourra négliger le frottement est à fixer pour chaque cas, en fonction notammentdesqualitésrelativesdesterrainsconcernés (enrèglegénéraleonnégligeralesterrainsmeublesde surface),delaméthodedecreusementdelafondation etdeladistancehorizontaleavecuntaluséventuel. Onadmetengénéralquelarésistanceaucisaillement ultimeàl'interfacebéton/rocher(=frottementlatéral unitairelimiteqs)estdonnéeparl'expression: (enMPa) avec: · comprisentre0,15et0,25,selonla«rugosité» desparoisdupuits, · c*estlaplusfaibledesrésistancesencompression durocheroudubétondupieu, c*=Min(c,rocher,c,béton). Le frottement latéral peut donc apporter une contributionmaximaledonnéepar: r=p.B pmax.B Kf y Figure 5.24 : loi d'interaction frontale élasto-plastique ­ Source : Sétra Pressions frontales horizontales et frottements horizontaux Pourlesmassifsrocheux«homogénéisés»,lecalcul des fondations profondes soumises à des efforts horizontauxetmomentsentêtepeutêtrefaitpardes méthodestoutàfaitanaloguesàcellesprésentéesdans lefascicule62titreVduCctg(AnnexeC.5),àpartir d'uneloid'interactionfrontaleélasto-plastiquereliant lapressionpaudéplacementy(figure5.24): · poury<ymax: · poury>ymax: où: · Bestlalargeurdelafondation, · Kfestlemodulederéactionfrontaledépendantde lalargeurBdel'élémentdefondationetdelaraideur duterrain, · p max la pression limite que peut supporter le terrain. Lorsquel'onnepeutpasutiliserlaméthodepréconisée danslefascicule62titreVpourobtenirlesparamètres pmaxetKfdecetteloideréaction(pasd'essaisdetype pressiométriqueparexemple),onpourrautiliser: · pour déterminer p max, ce qui est préconisé dans l'Annexe D du fascicule 62 titre V, c'est à dire la composante horizontale de la résistance de butée limiteduterrain,déterminéeàpartirdesparamètres derésistancedumassifrocheuxcmetm(casoùle massif peut être homogénéisé). La relation suivante propose,deplus,uneaugmentationdelabutéelimite pour tenir compte d'un certain épanouissement du coindebutéedevantlafondation: pmax=Cpp avecici,p=valeurissuedelathéoriedeRankine ms'exprimantendegré · pour déterminer Kf, à défaut de formule pour les fondationssemi-profondes,onpeututiliserlaformule générale de Vesic, préconisée pour les fondations profondesetrappeléeauparagraphe5.4.4,«Pressions frontales horizontales et frottements horizontaux». Pour tenir compte de la proximité de la surface, et à défaut de règle connue on pourra se référer aux dispositions préconisées pour les sols meubles (cf.fascicule62titreV),parexempleenfaisantvarier linéairement ce module K f de 0 à 100 % entre la surfaceet2,5B. 7 Fondations au rocher r=p.B rs Ks y Figure 5.25 : loi de comportement pour la prise en compte éventuelle des frottements latéraux horizontaux. Avec Ks = Kf et rs = 2 Ls qs où Ls est la longueur où s'applique le frottement latéral et qs le frottement latéral unitaire limite tel qu'il est défini pour la justification des charges axiales ­ Source : Sétra Figure 5.26 : schéma représentant le volume de sol situé devant la fondation et pris en compte dans le calcul de la butée (vue de dessus) Source : Sétra Dans certains cas (barrettes de fondation, massifs parallélépipédiques) et comme pour les terrains meubles il peut être tenu compte également des frottements latéraux horizontaux en se référant par exempleauxdispositionsdufascicule62titreV. La loi de comportement à prendre en compte pourraêtredumêmetypequecelledufascicule62 annexe C5, même si l'on ne dispose pas d'essais pressiométriques. Il faudra dans tous les cas s'assurer de façon très rigoureuse qu'aucune discontinuité à orientation défavorablen'estprésentesurlesite. Danslecasd'unplandeglissementidentifié(coin), la butée prise en compte pour la justification est de plus limitée par le volume de sol situé devant la fondation.Généralementcelui-ciseralimitépardes plansverticauxparallèlesàl'ouvrage(pasdediffusion) pourlesquelsonnégligeralarésistanceaucisaillement par sécurité. Toutefois, dans des cas particuliers et selonladistancedespuitsautalus,cettedisposition peutêtretrèspénalisante;onpourra,enl'absencede fracturationverticaled'orientationplusdéfavorable, prendreencompteunediffusionenconsidérantces plansinclinésselonunanglede25°auplusàpartirde lagénératricedechaquepuits(cf.figure5.26). Fondation à proximité d'un talus Lajustificationd'unefondationsemi-profondedans ce cas pourra se faire selon le fascicule 62 titre V aveclesadaptationsmentionnéesprécédemment,et notamment: · danslecasd'unetechniqued'exécutionassimilable aux fondations superficielles, l'application d'un coefficient minorateur i pour la contrainte limite souslabase(cf.§5.4.2,«Fondationàproximitéd'un talus»); · pourlesréactionslatéralessurlesfacessiellessont priseencompte,l'applicationd'uneminorationàla courbe de réaction en terrain horizontal définie ci dessus(cf.§5.4.3,«Pressionsfrontaleshorizontales etfrottementshorizontaux»),cetteminorationpourra être déterminée selon la méthode du fascicule 62 titreVannexeC.5. Dimensionnement 73 Tassements L'évaluationdutassementd'unefondationsurpuits est fonction du mode de reprise de la charge : par frottementlatéral,parlabase,ouparunecombinaison desdeux.Lesformulesquisuiventsupposentquele bétonetlemassifontuncomportementélastiqueet qu'iln'yapasglissementàl'interface. · Dans le cas d'un puits pour lequel la charge est principalementrepriseparlesparoislatérales(rocher latéral raide : en général, l'encastrement est justifié parunereprised'effortshorizontauxoudemoments), letassement sousunechargeverticaleQpeutêtre évalué par excès au moyen de la formule simplifiée suivante(Wyllie,chapitre8(1)): Exemple:puitscirculairesduviaducdeVerrières: B=6m,Q=103MN.E=10GPa,Eb=30GPa Onobtient:1,1mm. · Dans le cas d'un puits pour lequel la charge est principalement reprise à la base, le tassement résultant à la fois de la compressibilité du béton (moduleEb)etdeladéformabilitédumassif(E,) peutêtreévaluéparlaformulesuivante(D.C.Wyllie, chapitre8(1)): où: · B=diamètredupuits, · E=moduledumassif, · Rf=facteurderéduction,voisinde0,8(cefacteur prend en compte une annulation de la raideur tangentielleensurface,suruneépaisseurégaleàB), · I = facteur d'influence. Il traduit l'effet de la compressibilité (relative) du béton, qui s'ajoute à l'effetd'interfacebéton/rocher;ilestdonnédansle tableau5.4: Eb / E I 0,5 1,5 1 1 2 0,8 10 0,5 où: · B=diamètredupuits, · D=profondeurdupuits, · C d = c o e f f i c i e n t d e f o r m e , c f . § 5 . 4 . 2 , «Tassements», · R' f = facteur de réduction (par rapport à une fondationsuperficielle),donnéparletableau5.5: OnnoteraquelemoduleEestengénéralplusélevé àlabasedupuitsqu'ensurface. · Danslescasoùletassementdupuitsmobiliseàla foislefrottementlatéraletl'effetdepointe,onpourra faireuneinterpolationentrelesdeuxvaleurscalculées commeindiquéci-dessus. Eb / E <50 D/B R'f 0,7 0,7 0,6 0,5 Tableau 5.5 : évaluation du facteur I en fonction du rapport Eb / E Remarque Les situations où Eb / E > 10 sont en fait assez rares : l'influence des parois latérales est alors négligeable, sauf dans le cas où un matériau de mauvaise qualité se trouverait en pointe, ce que l'on évite le plus souvent. 2 >50 4 6 Tableau 5.6 : évaluation du coefficient Rf en fonction des rapports Eb / E et D / B (1) Voir références 74 Fondations au rocher 5.4.4 - Fondation profonde Comme indiqué au paragraphe 5.4.3, pour les massifs rocheux, on considèrera comme fondations profondescellesdontlaprofondeur«d'encastrement équivalente»Deestsupérieureà2,5foislalargeurB (oulediamètre). Pourcelles-ci,lajustificationdansunmassifrocheux «homogénéisé» se traite suivant les dispositions présentées au paragraphe 5.4.3 pour les fondations semi-profondesetentenantcomptedesparticularités présentéesci-après. Frottements latéraux verticaux La méthode d'évaluation des frottements latéraux à prendreencompteestlamêmequepourlesfondations semi-profondes (cf. § 5.4.3, «Frottements latéraux verticaux»).LahauteurHàprendreencompteestà apprécierparleprojeteur:engénéral,ennégligeant lesterrainsmeublesdesurface,onpourraprendreen comptelahauteurtotaledelafondationtraversantle massifrocheux(voirintroductiondu§5.4.3). Pressions frontales horizontales et frottements horizontaux Lesdispositionsproposéespourlesfondationssemiprofondessontdemanièregénéraleapplicablesici. Pour la détermination de la valeur de palier du moduleKf(engénéralaudelàdoncd'uneprofondeur de2,5B),onpourrautiliserlaformulegénéralede Vesicquifaitintervenirlesparamètresélastiquesdu massifrocheuxEet,etl'inertieIpetlemoduleEp delafondation: Contrainte de rupture sous la base De même que pour les fondations semi-profondes, ondistingueralecasdesrochestendresdesautrescas, lorsque la méthode pressiométrique du fascicule 62 titreVduCctgpeuts'appliquer. Pour ces derniers, on se réfère généralement à la formule de Soriano présentée au paragraphe 5.4.3, «Contrainte de rupture sous la base» pour les fondationssemi-profondes,(avecDe>2,5B): oùvariede2(Rqdvoisinde100%)à0,12(Rqd inférieurà10%).(1) qp(ult),MPa 1000 File 100 Soils 10 Rock L 40MPa Fondation à proximité d'un talus Lesdispositionsproposéespourlesfondationssemiprofondes peuvent être appliquées également aux fondationsprofondes. q p = 4 c 10 1 q p = 0,24 c 10 0,1 0,1 1 10 100 1000 ci(intactrock),MPa Figure 5.27 : résistance de pointe en fonction de ci (L/D >=2,5) d'après A. Soriano(1) (1) Voir références Dimensionnement 75 5.5 - Étude d'une fondation dans les cas discontinus simples 5.5.1 - Généralités Actions Lesjustificationsdesfondationssontàfaireselonles principesdecalculsauxétats-limites(ElsetElu). Les observations formulées pour l'approche par homogénéisation sont également applicables à la modélisationparunmilieudiscontinuàblocs.Toutefois dans ce cas,l'extension de la zoned'influence de la fondationetdeséventuels«ouvragesgéotechniques» quiluisontassociés(notammentdestalusdedéblai pour les appuis sur pente) peut être beaucoup plus importantequedanslecasd'unmilieucontinu,du fait du rôle dominant de la structure du massif, de l'influence de la topographie et de leur disposition relative. inclut pour chaque configuration des modèles une variationdeleursparamètresgéométriquesprincipaux (par exemple, les angles définissant les orientations sontprisesencompteavecunevariationde±5°). La section 11 de l'Eurocode 7 (stabilité générale) qui traite notamment des problèmes de stabilité des massifs rocheux, indique également qu'il convient d'éviter l'occurrence des états limites de service (déformations excessives, dont la prévision reste généralement peu fiable) notamment en limitantlarésistanceaucisaillementmobilisée(voir clause11.6(1)).Cettedispositionjustifielemaintiende larègledevérificationcourammentutiliséeévoquée précédemment,mêmesicelle-cinedispensepas,s'ily alieu,d'uneprévisiondesdéplacements,voired'une justificationdelastabilitédelafondationrocheuseà l'étatlimiteultime. Iln'existepasactuellementderèglesconcernantcette justification de la stabilité de la fondation à l'état limiteultime.Dansl'attentedelaparutiondesnormes complémentairesàl'EC7relativesauxfondationset de leur adaptation éventuelle aux massifs rocheux, onpourraadopterunelégèrevariantedel'approche de calcul 3 qui consiste d'une part, à pondérer les actions(coefficientspartielsde1,35pourlesactions permanentesdéfavorables,ycomprispourlesactions géotechniquess'ilyalieu,etpourleschargesvariables routières)etd'autrepart,àréduirelesparamètresde résistanceaucisaillementdesdiscontinuités(c'et') par un coefficient partiel dont la valeur pourra être priseégaleà1,25. Lescasdelafigure5.28sontgénéralementconsidérés commedescas«simples». Évaluation de la sécurité La justification des fondations rocheuses, dans les casdiscontinussimplesoucomplexes,nerelèvepas directement de l'application du fascicule 62 titreV duCctg(voircommentairesdel'articleA.2.1),pas plusd'ailleursdecelledel'Eurocode7partie1(norme NFEN1997-1)oudesonAnnexeNationale(norme NFEN1997-1/NA)quinevisentpasexplicitement cesfondations. Enrèglegénérale,lavérificationdelastabilitédela fondation rocheuse telle qu'elle est habituellement pratiquée dans ces cas consiste à s'assurer que la résistance au cisaillement mobilisée le long des discontinuités en contact (non décollement), sous sollicitations non pondérées (de type Els rares), n'excède pas une fraction de la résistance limite mobilisable(résistancerésiduelleourésistancedepic, lorsqu'ilyalieu).Enpratiqueonadoptegénéralement uncoefficientdesécuritéFde1,5surlarésistanceau cisaillementdesdiscontinuités. Lorsqu'il y a lieu, et en particulier dans les cas discontinus complexes, la vérification de la stabilité delafondationrocheuses'appuieparailleurssurune analyse préalable de sensibilité de l'état limite aux variationsdesparamètresgéométriquesetmécaniques des discontinuités. Cette étude paramétrique est effectuéepourlessituationslesplusdéfavorables,et (1) Voir références 76 Fondations au rocher Cas du massif discontinu à stratification å horizontale, Cas d'un versant avec possibilité de glissement ç plansurunediscontinuitéàpendageaval, Cas d'unversantavecpossibilitédedéstabilisation é d'undièdrelimitépardeuxdiscontinuités, Cas d'un versant avec possibilité de rupture è impliquantdeuxblocs. é å ç è Figure 5.28 : les cas discontinus simples ­ Source : J.L. Durville 5.5. - Terrain à stratification horizontale Silescouchessonttoutesdemêmenature,onpourra assimilerlemassifàunmilieucontinuhomogène. Des mécanismes de rupture particuliers peuvent apparaîtresilacouchesuperficielleestsensiblement plusrigidequelescouchessituéesendessous.Ilpeut alorsêtrenécessaire,pourunefondationsuperficielle, devérifierlastabilitévis-à-visdupoinçonnementde lacouchesous-jacente. Si la résistance au cisaillement de la couche rigide sous-jacente (éventuellement minorée si une fracturationverticaleexiste),esonépaisseur,etple périmètredelafondation,unevaleurprudentedela chargeultimepeutdoncêtreobtenueparlarelation suivante, en négligeant la réaction de la couche inférieure: Qu=.e.p Q e Figure 5.29 : modélisation et paramètre pour un terrain stratifié simple ­ Source : JL. Durville Dimensionnement 77 5.5.3 - Mécanisme de glissement plan Dans cette configuration, il existe un plan de discontinuitédedirectionparallèleàcelleduversant, àpendageaval(angle). Sur le schéma de la figure 30, la charge apportée parlafondationestuneforceQinclinéedel'angle surl'horizontale.Onsupposequelarésistanceau cisaillementdeladiscontinuitéestcaractériséeparc et,respectivementcohésion(parexempleapportée pardespontsrocheux,dontl'influenceestassimilée à une cohésion répartie sur la longueur L de la discontinuité)etangledefrottement,déterminésselon lesdispositionsduparagraphe5.3.2«Caractéristiques derupturedesdiscontinuités».Danscesconditions, l'équilibre d'une tranche limitée par deux plans latérauxsubverticaux(dontonnégligegénéralement larésistance,parsécurité)s'écrit: Q W T N Figure 5.30 : modélisation et paramètre pour un mécanisme de glissement simple ­ Source : Sétra avec W, poids de la masse rocheuse (en situation d'absenced'eau). Lecoefficientglobaldesécuritéauglissementadonc pour expression, S étant l'aire de la discontinuité concernée: delasécurité)detraiterunproblèmedestabilitéde dièdres. Casparticulier:alternancedeformationsrocheuses etmeubles. Dans l'exemple de la figure 5.31, la stabilité au glissementd'ensembledelafondationsuperficielleest considéréecommeassuréedanslamesureoù: · sur un plan oblique émergeant à la base du talus, la résistance au cisaillement est très élevée, puisque ce plan traverse la matrice rocheuse sur une grande longueur, · unesurfacederuptureenescalier,obliquedansles couchesmeublesetempruntantlesdiaclasesverticales descouléesbasaltiques,etquioffriraitunerésistance bienmoindre,nedébouchepasàl'airlibre. Lescaslesplusdéfavorablessontceuxpourlesquels > /2 (c'est-à-dire lorsque la force Q est inclinée versl'aval)etl'effetdelachargeQestalorsengénéral déstabilisateur(danslescascourants,Qestcependant relativementpetitparrapportàW).Ilestrecommandé d'effectuer une étude paramétrique pour évaluer l'influencerespectivedescaractéristiquesgéométriques et mécaniques, et de la nappe le cas échéant. On cherchera à obtenir F = 1,5 sous sollicitations non pondérées (Els) en tenant compte s'il y a lieu d'ancrages par exemple. Rappelons toutefois qu'en casdeprésenced'ancrages,ilestconseilléd'avoirde plusF>1soussollicitationspondérées(combinaisons d'actions de type Elu), sans tenir compte de la présencedesancrages.(cf.§5.5.1). Siunepressiond'eaudansladiscontinuitédoitêtre priseencompte,sarésultantedoitêtredéduitedela composantenormaledupoidsW.cos. L'encart page 79 présente un cas d'une fondation dont l'assise n'est pas directement menacée par les instabilités,maisquipourraitàtermeêtredéchaussée par régression de la paroi rocheuse proche. On remarquera qu'un calcul de glissement plan 2D a été effectué, manière simplifiée (et située du côté 8à10m Basalte Scories Basalte Scories Basalte Scories 35° Figure 5.31 : alternance de formations rocheuses et meubles Source : B. Gaudin (Egis) 78 Fondations au rocher Fondation des culées du pont de Crozat (Savoie) en bordure d'escarpements rocheux · Reconnaissance: - levégéostructural:quatrefamillesdediscontinuités (schistositéS,F1,F2,F3). - quinze sondages destructifs (réalisés en deux phases) avec enregistrement de paramètres, à partirdelaplate-formeactuelle:ilsfournissent laprofondeurdurochersainetdoncduniveau defondation. · CuléecôtéBonneval: - mécanismespossibles(figure1): - dièdres F2/F3 : glissement sur les deux plans àlafois, - dièdresS/F2:glissementsurF2. C'estlepremiermécanismequiestleplusdéfavorable. L'arêtecommuneàF2/F3aunpendageavalde55°. Lafigure2(profiln°1)montrequeladéstabilisation n'atteintpaslabasedelafondation,maispourrait venirladégarnirlatéralement. Un confortement par ancrages passifs est donc nécessaire. Le calcul est fait en 2D, sur un plan plongeantà55°,avecunangledefrottementestimé de35°,etuncoefficientdesécuritérecherchédansle casprésentde1,2.17ancragesØ40mmscellésau mortierdeciment,de4,5à6mdelongueur,sont répartissurquatreprofilsverticaux. · CuléecôtéCelliers: - mécanismes possibles (figure 1) : dièdres S/F1, avecglissementsurlesdeuxplansàlafois; - l'arête commune à S/F1 a un pendage aval de 53°. La figure 3 (profil n° 7) montre que la déstabilisationpeutatteindreleborddelabase delafondation,etmettrealorscelle-cienléger surplomb; - une confortement par ancrages passifs est donc nécessaire. Le calcul est fait avec les mêmes hypothèses que précédemment. Onze ancrages Ø40mmscellésaumortierdeciment,de4,5à 6,5mdelongueur,sontrépartissurdeuxprofils verticaux. Nord Falaisecôté Bonneval F3 F2 O S F1 Falaisecôté Celliers Sud Hémisphèresupérieur Figure 1 : diagramme de Wülff ­ Source : Cete de Lyon 1011,1 Éboulis Rocher fracturé Ancrages passifs 5,5 m 1003,3 Niveaudefondation 5 m 4,5 m 55° Profil n°1 Figure 2 ­ Source : Cete de Lyon 10m Niveaudefondation 6,5 6 m Ancrages passifs m 6 m 5 m 4,5 m 53° Figure 3 ­ Source : Cete de Lyon Profil n°7 Dimensionnement 79 5.5.4 - Mécanisme à deux blocs (D) Ce cas peut être considéré comme simple dans des situationsassezparticulières(pasdecohésion,absence d'eau,configurationgéométriquesimple...),maisen règlegénérale,ilrelèvedescascomplexes,d'autantplus queceproblèmeestrarementbi-dimensionnel. Onconsidèrelafondationsuperficiellereprésentéesur lafigure5.32,soumiseàuneffortverticalQv,située enbordured'unepentefaible(angle). Troisdiscontinuitésdécoupentunbloc«moteur»1 etunbloc«résistant»2:lemécanismederupture consisteenunglissementdubloc1surladiscontinuité 1àpendageaval1,lequelbloc«pousse»lebloc2qui glissesurladiscontinuité2(pendage2).Onnotera queladiscontinuité1nedébouchepasdansletalus, etn'estdoncpassusceptibledecréeràelleseuleun mécanismed'instabilité. L'écriture de l'équilibre des deux blocs (nullité de la résultante des forces) permet de déterminer sans difficultélachargelimite. Pour simplifier, on suppose dans l'exemple ci-après queladiscontinuitémédianeestverticale.Lesangles defrottementsont1pourladiscontinuitéoblique du bloc 1, 2 pour celle du bloc 2, et 12 pour la discontinuitéentrelesdeuxblocs;lescohésionssont négligéesici. Ona,siestlepoidsvolumiquedurocheretpour un mètre linéaire de fondation (Wi est le poids du bloci): Onécritl'équilibrelimitedechaquebloc,soitquatre équations(onnégligel'équilibredesmoments).Lessix composantesdesréactionsinconnuesvérifientenoutre lesconditionsdeCoulombsurlestroisdiscontinuités. La charge limite Q u par unité de longueur de la fondationestalorsdonnéeparl'expression: La figure 5.33 représente, dans cet exemple, pour 1=45°et1=2=12==25°,cettechargelimite rendueadimensionnelle: Dans le cas du terrain horizontal ( =0° voir notations),onobservequelacharge-limiteatteintun minimumpour2voisinde15à20°:si2estplus faible,leblocrésistantdevienttrèsgrand;si2estplus élevé,l'éjectionverslehautdubloc2devientdifficile (ilyad'ailleursunangle2maximum,au-delàduquel laruptureestimpossible). Notons enfin que, pour des valeurs d'angle de frottement courantes (30° à 35° par exemple), la charge verticale limite est très élevée, de telle sorte quecemécanismenepeutserencontrerenpratique quepourdesouvragesd'artexceptionnelsinduisant desdescentesdechargestrèsélevées.Celapeutneplus êtrelecas,naturellement,lorsquelapentedevient significative, avec 2 faible (voire négatif ), ou si la charge exercée par la fondation a une composante horizontalesignificativeversl'aval. Z* 90 70 50 30 10 0 =45° =5° =10° Qv 1 h W1 W2 2 1=45° 0 10 20 30 40 Angle2endegrés Figure 5.32 : modélisation et paramètre pour un mécanisme à deux blocs ­ Source : J.L. Durville Figure 5.33 : évolution de la charge limite adimensionnelle avec en fonction de 2 ­ Source : J.L. Durville 80 Fondations au rocher Le mécanisme à deux blocs du type précédent peut bienentendusedévelopperavecdesgéométriesvariées (figure 5.34) : le dimensionnement et la sécurité (cf.chapitre5.5.1)setraitentdelamêmefaçonque précédemment. 5.6 - Étude d'une fondation dans les cas discontinus complexes Commeilaétéditplushaut,dansceGuideiln'est pastraitéexplicitementdesfondationssurdesmassifs rocheuxqualifiésde«discontinuscomplexes»dansla mesureoùleproblèmedoitêtretraitéaucasparcas, le recours à un mécanicien des roches expérimenté est (étant par ailleurs) alors indispensable. En effet, danscescontextes,lagrandediversitédessituations géologiques et des conditions géotechniques des massifs rocheux ainsi que la spécificité de chaque ouvrage interdisent d'établir une grille exhaustive decastypesàlaquelleilseraitpossibledeseréférer. C'est pourquoi, après quelques considérations générales, seuls quelques exemples sont présentés à titreindicatif. 5.5.5 - Mécanisme de glissement de dièdre La stabilité d'un dièdre limité par deux plans de discontinuités et soumis à la charge extérieure apportée par une fondation s'étudie en deux temps (figure5.35): · analyse cinématique, permettant de déterminer le mécanisme d'instabilité pertinent: glissement sur une seule face, avec décollement de l'autre face, ou glissementsurlesdeuxfacesàlafois,parallèlementà l'arêtecommune; · analysemécaniqueselonlemodederuptureretenu, compte tenu de la résistance au cisaillement des discontinuités. Danslecasdumécanismedeglissementsurlesdeux faces à la fois, ayant pour cohésions respectivement c1etc2,etpouranglesdefrottementrespectivement 1et2,lachargelimiteverticaletotaleQuestdu typesuivant: 5.6.1 - Généralités Actions Commedanslecasduparagraphe5.5,lesjustifications desfondationssontconduitesselonlesprincipesde calculsauxétats-limites(ElsetElu). Les observations formulées pour l'approche par homogénéisation sont également applicables à la modélisation par un milieu discontinu à blocs. Toutefoisdanscecas,l'extensiondelazoned'influence delafondationetdeséventuelsouvragesgéotechniques quiluisontassociés(notammentdestalusdedéblai pour les appuis sur pente) peut être beaucoup plus Q avec: · :poidsvolumiquedurocher · H:dimensioncaractéristiquedutalus Z H Figure 5.35 : mécanisme de glissement dièdre ­ Source : J.L. Durville Figure 5.34 ­ Source : J.L. Durville Dimensionnement 81 importantequedanslecasd'unmilieucontinu,du fait du rôle dominant de la structure du massif, de l'influence de la topographie et de leur disposition relative. Évaluation de la sécurité - Analyse de sensibilité En raison du rôle déterminant des systèmes de discontinuités dans les mécanismes de rupture, la vérification de la stabilité de la fondation rocheuse s'appuiesuruneanalysedesensibilitédel'étatlimite aux variations de leurs paramètres géométriques et mécaniques(cf.§5.5.1).Cetteétudeparamétriquedoit êtreeffectuéepourlessituationslesplusdéfavorables, etinclutpourchaqueconfigurationdesmodèlesune variationdeleursparamètresgéométriquesprincipaux (par exemple, les angles définissant les orientations sontprisencompteavecunevariationde±5°). Ilestgénéralementpossiblededissocier,souscertaines réserves, l'analyse de sensibilité des paramètres mécaniques de celle de l'influence des paramètres géométriquesenprocédantendeuxétapes: · étudeparamétriquegéométriqueenconsidérantdes valeurs de référence constantes des caractéristiques mécaniques(enprincipelesvaleurscaractéristiques), permettantdedétermineruneouplusieursgéométries deréférence; · étudeparamétriquemécaniquepourlesgéométries deréférenceprécédemmentdéterminées,conduisantà l'analysedesensibilitéauxvaleursdescaractéristiques mécaniques. Cesméthodespermettentdoncdeconstruireunmodèle demassifrocheuxcomprenantungrandnombrede discontinuités. Même si des outils numériques 3D existent,lesseulsquisoientcourammentutiliséssont 2D,cequiposetoujoursunproblèmeenmécanique desroches,dufaitducaractèretrèsgénéralementtridimensionnelduréseaudesdiscontinuités. Méthodes analytiques Danscertainscas,unemodélisationadaptéepermet d'effectuer une étude analytique. Ce type de modélisation peut s'avérer très utile notamment lorsquel'étudeimpliqueunevariationdesparamètres géométriquesdumodèle.Ilestrecommandéd'ailleurs, même lorsqu'un logiciel d'éléments distincts est employé, de vérifier les ordres de grandeur obtenus surunmodèleanalytique,mêmetrèssimplifié. 5.6.3 - Exemples Exemple de calcul analytique : effort-limite de renversement d'un puits de fondation On suppose le massif stratifié horizontalement et traversé par des diaclases verticales. Le problème poséestceluidelastabilitéd'unpuitsdefondation sous l'effet d'un effort horizontal appliqué en tête (figure5.36).OncherchelavaleurlimiteTudelaforce horizontaleappliquéeentêtedepuitsetdirigéevers l'extérieurdutalus. 5.6. - Méthodes de calcul Méthodes numériques Ilexisteuncertainnombredeméthodesnumériques dites par «éléments distincts» qui modélisent le massif rocheux par un ensemble de blocs, rigides ou déformables, séparés par des joints déformables (compression,séparation,glissement).Cesméthodes ontétédéveloppéesspécifiquementpourlamécanique desmassifsrocheuxdiscontinus.Deslogicielsdecalcul fondéssurcetypedeméthodessontdisponiblessur lemarché. Lesdonnéesd'entréedetelscalculssontdonc: · lagéométriedesdiscontinuités,fixéeaudéparten cesensquecelles-cinesepropagentpasdanslaroche (pasde«mécaniquedelarupture»incorporée); · lescaractéristiquesmécaniquesdesblocs,engénéral infinimentrigidesouélastiquesisotropes; · les caractéristiques mécaniques des joints, le plus souvent de type élasto-plastique parfait en mode tangentiel, et linéaire avec décollement possible en modenormal. T Figure 5.36 : modélisation de l'exemple ­ Source : J.L. Durville · Casdutalusvertical Onsupposeque,sousl'effetdelaforceT,lepuitssubit unerotationautourdesabase,enfaisantglisserles unessurlesautreslesncouchesd'épaisseure,séparées pardesjointsd'angledefrottement.Lesglissements seproduisentsurdessurfacestriangulaires,d'aireA, limitéespardeuxdiaclasesverticales.Enécrivantque letravailvirtueldeTdansunerotationdupieu,est 8 Fondations au rocher égalautravaildesforcesdefrottement,onobtient: où P est le poids du prisme Pourn>5,avecuneapproximationquinousplacedu côtédelasécurité,nouspouvonsécrire: rocheuxsollicité - pour un cas courant où n > 5, on prendra l'approximationsécuritaire: soitlamoitiédelavaleurquel'onobtiendraitsil'on supposaitsimplementqueleprismerocheuxglissait enmassesursabase. · Cas2Davectalusoblique O n s u p p o s e q u e d e u x d i a c l a s e s v e r t i c a l e s , perpendiculaires au talus, et une diaclase verticale arrièredélimitentuneportiondemassifdelargeurl, susceptibledeglissersousl'effetdelaforceT.Comme précédemment,lebasculementdupuitsdefondation entraînedesglissementsdescoucheslesunessurles autres;onnégligelefrottementlatéralsurlesdiaclases verticales. Commeprécédemment,l'applicationduprincipedes travauxvirtuelsausystème(pieu+prismerocheux), donne,si,L0estlalongueur(surlavueencoupe)de couche supérieure mobilisable et e l'épaisseur des couches. Parexemple,pouruntalusvertical,avecL0=Ln,on retrouvelaformuleduparagrapheprécédent: où P est le poids du prisme rocheux sollicité. Exemple de calcul de tassement Lesappuisdesbéquillesdudoublementduviaducde l'AnteàFalaiseontnécessitél'évaluationdutassement dansunmassifrocheuxdontlecomportementestnon linéaireethétérogène. Les fondations des béquilles du viaduc se situent dans la formation des «grès armoricains»; il s'agit de quartzites très fracturés, présentant localement desdiscontinuitésouvertes.Cettefracturationaété observée à l'affleurement au voisinage immédiat du T siteetdanslesfouillesréaliséespourlesquatreappuis desbéquilles;elleestaussimiseenévidenceparles l faibles vitesses des diagraphies sismiques, par les essaisdilatométriquesetparlesdiagraphiesdevitesse d'avancementdesforages. T Lo T l h 1 2 k n Ln Figure 5.37 : vue de dessus ­ Source : J.L. Durville Figure 5.38 : vue en coupe ­ Source : J.L. Durville Lk T Lo 1 2 h k n Ln Lk Dimensionnement 83 Le comportement que l'on peut attendre du massif rocheux est donc un comportement non linéaire, avec une importante phase de serrage en début de chargement. Compte tenu du type de structure (pontàbéquille),conduisantàunchargementquasiinstantanédesfondations,ilimportedevérifierque les tassements restent admissibles, c'est-à-dire ici inférieursà10mm. Laméthodeutiliséereposesurunehomogénéisation dumassifdontlecomportementestsupposéélastique non-linéaire. Les principales hypothèses sont les suivantes: - c h a r g e m e n t p e r p e n d i c u l a i r e a u t e r r a i n N=24,2MN(inclinaisonde45°), - interfacebéton/rocherassimilableàunrectangle 5x4=20m², - diffusiondescontraintessuivantuncôneà35°sur l'axedechargement, - le tassement s'effectue dans un pseudo-tronc de cônede10mdehauteur(cf.figure5.39et5.40). · Approximationdecontraintesuniaxiales Contraintesouslasemelle:=1,21MPa Contrainte à la base du cône de diffusion : =0,08MPa · Comportement non linéaire du massif rocheux: E()=Eo+K · Considérons une tranche de terrain située à la profondeur z, donc soumise initialement à une contrainte axiale que nous supposons égale à o = z ( poids spécifique du terrain: 24 kN/m 3). Elle est soumise après chargement à la contrainte (z)=o+(z).Ladéformationdecettetranchede terrain,souslasurcharge(z),estdonnéepar: 5m A A 5m 4m 4m 7m 7m A' A' Figure 5.39 : vue de dessus du rectangle d'appui en surface et de la zone d'influence à 10 m de profondeur ­ Source : J.L. Durville z z 35° 35° r(z) r(z) Figure 5.40 : coupe AA' ­ Source : J.L. Durville N(MN) Le tassement total est obtenu en sommant les tassements élémentaires sur toute la hauteur du cône: 25 20 15 La courbe reliant l'effort normal N appliqué et le tassementwestdonnéeci-dessouspourchacundes appuis(casduviaducouest): - appuinord:Eo=30MPaetK=80MPa/MPa - appuisud:Eo=100MPaetK=180MPa/MPa Les tassements estimés sous la charge de 24,2 MN sontlessuivants(figure5.41): - pourl'appuinord:w=62mm - pourl'appuisud:w=22mm L'exigencedetassementinférieurà10mmaconduità proposerd'augmenterlaraideurdumassifàl'aidede barresd'acierscelléesdansdesforages(cf.figure4.19 del'exemple§4.4.4). 10 5 0 Côténord Côtésud 0 20 40 60 80 w(mm) Figure 5.41 : courbes effort/tassement pour les appuis nord et sud (massif rocheux non renforcé) ­ Source : J.L. Durville 84 Fondations au rocher Exemple de modélisation numérique par la méthode des éléments distincts Dansl'exemplesuivant,analogueàceluiduparagraphe 5.6.3«Exempledecalculanalytique:effort-limitede renversementd'unpuitsdefondation»,lafondation delapileP9duviaducdeRogervilleestétudiéeen2D parlaméthodedesélémentsdistincts(codeUdec). Le puits marocain est creusé dans la craie stratifiée horizontalementettraverséedenombreusesdiaclases quasi-verticales ; il est profond de 10 m, pour un diamètrede5m. Le massif rocheux est représenté par un assemblage de blocs déformables de comportement élastique (E=3GPa).Lesdiaclasesontdespendagesvariant légèrementetaléatoirementautourdelaverticale. Lesjointsrocheuxontpourcaractéristiques: - raideurnormale:1MPa/mm, - raideurtangentielle:0,5MPa/mm, - frottement:25°, - cohésionnulle. L'interface rocher/béton est plus frottant (40°) et possèdeunedilatanceinitialede7°. La pile est d'abord chargée verticalement (effort N3D =32,9 MN), ensuite l'effort horizontalT3D est appliqué progressivement sur la pile, à une hauteur de20mau-dessusdusol. Pour un puits de section circulaire, il n'y a pas de solution très satisfaisante pour déterminer le coefficientdepassage3D/2D,lecalcul2Détantfait en déformation plane, sur une tranche de 1 m de large. Concernant l'effort vertical, on peut faire en sortequelacontrainteàlabasesoitidentiquedans lesdeuxcas,cequidonneuneffortdecalculentre1/4 et1/7deN3D,suivantl'importancequel'ondonne auxréactionslatérales.Quantàl'efforthorizontalde calcul,ilpeutêtrepriségalà1/5deT3D,lediamètre dupuitsétantde5m. Lafigure5.42présentel'alluredeladéforméepour T=1,2MN;lestraitsgrasreprésententlesparties dejointsenglissement. L'intérêt du modèle numérique est d'une part de fournir une courbe effort/déplacement et d'autre part de permettre aisément une étude de sensibilité en fonction de différents paramètres : angle de frottement des discontinuités (figure 5.43), raideur des joints, ouverture initiale des diaclases (cette questionétaitimportanteàRogerville,comptetenu delaconstatationdel'ouvertureobservéedecertaines diaclases). Figure 5.42 : pile P9 du viaduc de Rogerville. Étude de la déformation du massif sous l'effet d'un chargement incliné en tête de pile Source : J.L. Durville T(MN) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 =25° =39° 2 1 20 40 60 80 100 X(mm) Figure 5.43 : pile P9 du viaduc de Rogerville. Courbes effort / déplacement pour deux valeurs de l'angle de frottement des discontinuités. Les raideurs initiales sont très voisines, de même que les déplacements à la rupture (50 mm environ). Les efforts ultimes sont de 2,4 et 1,2 MN ­ Source : J.L. Durville Dimensionnement 85 86 Fondations au rocher Chapitre 6 Suivi géologique et instrumentation 87 6.1 - Suivi des terrassements par un géologue 6.1.1 - Principes Buts du suivi géologique Leséchantillonssoumisàessaisaulaboratoiresontde dimensionsdécimétriques.Danslecasdesessaisen place,lesvolumesauscultésnedépassentguère1m3. Les propriétés du massif rocheux sont estimées lors des études à partir de ces essais et sur la base d'un modèlegéologique.L'effetd'échelledûàlastructure dumassifrocheuxrendindispensable,lorsdestravaux des terrassements des fondations, la vérification du modèlegéologique. Le suivi géologique des terrassements d'un appui d'ouvrageestabsolumentnécessaire.Ildoitpermettre de confirmer les données géologiques retenues lors des études, de vérifier si les conditions trouvées correspondent aux hypothèses faites, c'est-à-dire au modèle géologique et le cas échéant, de proposer des mesures correctives qui peuvent être définies soit empiriquement au vu des fouilles (purge d'une zone argilisée ou approfondissement de la fouille parexemple),soitparnouveaucalculparleBureau d'études. Lespointssuivantsdoiventêtreconsidérés: · portance,chargelimite, · déformabilité,tassements, · stabilitédel'appui(ouvragesurpente), · stabilité des talus créés autour de l'appui (le cas échéant). Les rapports et relevés du Géologue doivent être conservés dans le dossier final constitutif de l'ouvrage. · zonesd'altérationavecleurlocalisation, · identificationetlocalisationdesaccidentsgéologiques éventuels(zonesdefaillesnotamment), · discontinuités = description géométrique et morphologique précise et complète des systèmes de fracturation,selonlesRecommandationsdel'Aftes(1) (Caractérisationdesmassifsrocheuxutileàl'étudeet àlaréalisationdesouvragessouterrains­2002): - relevés géométriques en azimut et pendage des principalesdiscontinuités, - espacement moyen entre discontinuités d'une mêmefamille, - distancesentrelesépontes(ouvertures), - descriptionduremplissageentrelesépontes, - étendueoupersistancedesdiscontinuités, - morphologiedesépontes, - venuesd'eau. Ces éléments sont à comparer aux données du projet et notamment aux sondages. En cas d'écart, des vérifications peuvent être à entreprendre pour confirmerlesnouvellesdonnées. Legéologueconsigneparécritsesobservations(avec schémasetphotographies)etsonrapportestconservé dansledossierd'ouvrage. Chargés d'affaire Cesuividoitêtreeffectuéparungéologueexpérimenté ayantunecompétencedansledomainedelamécanique desrochesetdelagéologiedel'ingénieur. Organisation L'examen peut être réalisé en une fois et en fond de fouille notamment dans le cas de fondations superficielles.LacoteNgfd'assisedoitêtreconnue etl'ensembleobservédoitêtreparfaitementdégagéde matériauxencoursdeterrassementetcomplètement nettoyé. Ceci est impératif. En aucun cas, il ne faut se contenter de témoignages divers relatant des observations directes ou indirectes sur des secteursmasqués.Sinécessaire,ilfautdemanderun complémentdenettoyageetprévoirunenouvellevisite (cf.figures6.1et6.2). Une attention particulière est à porter sur les discontinuitéscolmatéespardesproduitsfinsassociés àdesvenuesd'eau(cf.figures6.3). Danslecasdefondationsprofondes,plusieursvisites sont à envisager en fonction de l'avancement des travauxdecreusement. L'utilisationdesexplosifsdoitaussiêtremaîtrisée.Le butestdeconstruireuneassiserocheusestableetde limiteraumaximumtousleseffetsarrièreliésauxtirs. (1) Voir référence Méthode Le suivi géologique est basé sur l'observation des talus,paroisetfondsdefouille.Saufcasparticuliers (ex. préciser les limites d'extension d'une cavité, localisationprécised'unefaille),iln'estpasfaitappel auxsondagesmécaniques,géophysiquesetauxessais delaboratoireouinsitu(notammentàcausedesdélais deréponse),maisilpeutêtreutiledefaireprocéderà desfouillescomplémentairesàlapellehydraulique. Les observations doivent porter sur les principaux aspectssuivants: · naturelithologiquedesmatériaux,étatd'altération d'ensemble, · cavitéséventuelles, 88 Fondations au rocher Ceci implique un suivi particulier du minage (avis surplansdetir,instrumentationavecenregistrement des vibrations). Il peut être préférable de terminer les terrassements et de régler l'assise au brise-roche hydraulique. 6.1. - Cas des fondations superficielles Lesparamètresàconsidérerenprioritésurunefouille terrassée à la cote prévue au projet sont la capacité portante,lastabilitéetladéformabilité. Capacité portante Larésistancedelamatricerocheuseestappréciéesur le fond de la fouille, parfaitement nettoyé, à partir d'observations visuelles et aussi de sollicitations au pic(marteaudegéologue). Ilfaudratenircomptedel'étatd'altérationet/oude la compacité globale et aussi de l'homogénéité. En casd'insuffisancesnettesunapprofondissementd'une partiedelafouillepourraêtreenvisagé(inversement, ilestinutilederemplacerdubonrocherpardubéton parfoismédiocre). Si un doute subsiste un sondage peut être exécuté avecunepellehydrauliquetoujoursdisponiblesurce typedechantier. Les venues d'eau sont aussi à noter et à traiter par drainage si nécessaire, en cas de débits significatifs (plusieursl/mnparexemple). Figure 6.2 (a) et (b) : contournement de Brive-la-Gaillarde (Corrèze) - Vue générale du versant Ouest avec les fouilles des appuis C0 et P1(a) et terrassement pour la semelle de l'appui C0 du viaduc de Cluzan(b) Source : Lrpc de Clermont-Ferrand Figure 6.1 : terrassement d'une fouille pour un appui sur semelle. Un complément de nettoyage a été nécessaire avant réception de l'assise Source : Lrpc de Clermont-Ferrand Figure 6.3 : pont du Pertuiset (appuis rive droite) sur la retenue de Grangent à Unieux (Loire) ­ Source : Lrpc de Lyon Suivi géologique et instrumentation 89 Stabilité L'appréciationdelastabilitédanslecasd'unappuisur versantnécessitel'étudedelafracturationdumassif. Sur le fond de la fouille et son pourtour un relevé géométrique des discontinuités qui affectent le rocher devra être fait pour compléter les données obtenues lors de l'étude du projet. Une analyse de stabilité et des mécanismes de rupture permettra alorsdeconclure.Dèsquelesconditionsdestabilité sontgéométriquementdouteuses,ilfautenvisagerle traitementdurochercequipeutimpliquerlamiseen oeuvredemoyenstelsque:ancrages,bétonprojeté, contreforts,drainssubhorizontaux,... Unapprofondissementdelafouillepourraaussiêtre proposé(cf.figure6.4). Axe P z=333,1 P 1 m 4 ° m Profildécaléde 3mcotéNord P 6.1.3 - Cas des fondations profondes Outrelacapacitéportante,etlastabilité,ilfaudraaussi pour ce cas de fondation être plus particulièrement attentif à la déformabilité du massif rocheux. Les relevés seront à faire en plusieurs étapes au fur et à mesuredelaprogressiondesfouilles. Àchaqueétapeilfaudraétablirunrelevédétailléde laparoi(développédelaparoisur360°sousforme de croquis et de photographies) avec les éléments suivants(cf.figure6.5): · lithologie,altérationdesfaciès, · fracturation: - géométrie, - espacement, · caractéristiquesdesdiscontinuités, Figure 6.4 : après débroussaillage et décapage de la zone, un risque de basculement de tête de panneau rocheux pouvant solliciter le bord aval de l'appuis C0 a été mis en évidence; notamment par l'aspect morphologique local de la pente. Dans ce cas, il a été proposée un approfondissement de l'appuis de 2 m de profondeur (ouvrage de franchissement de la Creuse près de Guéret) Source : Lrpc de Clermont-Ferrand · cavitéséventuelles, · venuesd'eau. OnpourrautiliserlaformuleempiriqueduRockMass Rating(Rmr)deBieniawski. À partir de ce Rmr une estimation du module de déformationéquivalentdumassifrocheuxestpossible (cf.figure6.6).Différentesformulesontétéproposées (cf.§5.3.1,«Estimationempiriquedeladéformabilité dumassif»). Filondequartz (20cm) Axe N Gneiss Diaclase Diaclase 4m Graniteclair grainmoyen peufracturé Granite trèsfracturé Faille Zone+ou-broyée etargilifiée(20-30cm) Azimut32à47° Pendage68à78° versleNord Gneissgrismassif peufracturé,sain Faille Gneiss Graniteclair trèsfracturé Graniteclair,grainmoyen, peufracturé Enduitmarronsurgrandesdiaclases Est-Ouest 10cmdematériaux argilifiés Venuesd'eau1-21mm Figure 6.5 : relevé de la paroi d'un puits marocain pour le viaduc de la Truyère sur l'autoroute A75 en développé de la paroi cylindrique (hauteur = 4 m) ­ Source : Lrpc de Clermont-Ferrand 90 Fondations au rocher Estimation du module du massif : Ilfautdistinguerdeuxzones: · la zone non affectée par les discontinuités à remplissage argileux (2/3 de la paroi côté Nord et Est); · la zone affectée par les discontinuités argileuses (1/3côtéOuest). Zone affectée Rmr=17 Emassif=1495MPaarrondià1500MPa Zone non affectée Rmr=35 Emassif=4216MPaarrondià4200MPa Lignon ectée par ne aff Zo ntinuités argileu le ses co dis Zo e ne n on alaffecté N Figure 6.6 : détermination du Rmr pour un puits marocain de l'ouvrage de franchissement du Lignon par la RN88 (Haute-Loire) - Appui P3, ouvrage amont.(vue en plan du fond de fouille) ­ Source : Lrpc de Clermont-Ferrand Figure 6.7 : synthèse du relevé géologique d'un puits de la pile P4 ­ Source : autoroute A75 viaduc de Millau. Relevé d'un puits de la fondation de la pile P4 d'après F. Schlosser et al. (Géoline 2005). Lafigure6.7présenteunrelevégéologiquelorsdel'excavationd'unpuitsdelafondationdelapileP4duviaduc deMillau.Onaconstatéquedanscettezonedefailles,lescalcairesduCarixienétaientcomplètementdisloqués etcomportaientdenombreuxkarsts.Ceciaconduitàremplacerpardubétonlazonedekarstremplid'argile. Suivi géologique et instrumentation 91 Làencore,sinécessairedessondagescomplémentaires peuvent être exécutés notamment pour les puits marocains de grand diamètre. Ceci a été fait pour leviaducduLignon(RN88)pourlequeldanslecas d'unappui,l'extensionversl'intérieurdumassifd'une zonebroyéeargiliséeaétérecherchée(cf.figures6.6 et6.8). Le traitement et le renforcement du massif en cas d'anomaliespourrontêtrebaséssurdesancragesdans les parois, des purges, un approfondissement de la fouille mais aussi par la prise en compte des pertes de module du rocher dans le dimensionnement des armatures. 6. - Suivi instrumental de l'ouvrage pendant les travaux et en service ­ Exemples Danslecasd'ouvragesexceptionnels,oudanslecas de grands ouvrages en site difficile (en pente, avec rochesaltéréesoufracturées,etc.),ilestrecommandé d'effectuer un suivi des tassements de la fondation pendantlestravauxetpendantlespremièresannées d'exploitation. Pendant la phase de chantier, les mesures obtenues peuvent conduire à réaliser des renforcementsdurocherparexemple(cf.laméthode observationnelle). Dans certains cas, un suivi instrumentalaprèsmiseenserviceestindispensable: cela sera souvent le cas par exemple pour une fondationsurpenteavecformationinstableensurface (cf.chapitre4.2.2). L'instrumentationpeutcomprendredesmesures: · sur la semelle ou la base des piles : tassement ou rotation ; ce sont les mesures les plus couramment pratiquées, · danslespuitsbétonnés:extensométrie, · dans le terrain, à la périphérie de la fondation ou souscelle-ci:inclinométrie,extensométrie,jaugesde déformationsurdesbarresderenforcement,etc. Compte tenu de la précision recherchée ­ quelques millimètres en tassement ­ un grand soin doit être apporté aux mesures, notamment dans les sites où lespointsfixessontdifficilesàtrouveràproximité: versant en mouvement lent, pile en rivière, par exemple. 1 2 462 Puitsmarocain P3 Arèneset granitealteré Granitefracturéavec quelquespassagesargilisés Granitegrisclair saincompact Fonddepuits au13/01/92 453 Fonddepuits au20/01/92 6..1 - Cas du pont sur l'Elorn La figure 6.9 présente les mesures de tassement effectuées,pendantprèsdetroisans,parnivellementen quatrepointsdelabasedelapileP3dunouveaupontsur l'Elorn.Cettepileestfondéesurunesemellecirculaire de 16 m de diamètre faiblement encastrée dans Figure 6.8 : vue en coupe de sondages destructifs complémentaires réalisés lors du creusement d'un puit marocain (RN88 viaduc de Lignon, appui P3, ouvrage amont) ­ Source : Lrpc de Clermont-Ferrand 9 Fondations au rocher des schistes très fracturés. On distingue la phase de construction avec augmentation progressive du tassement sous la charge croissante et une phase de légerfluageunefoisl'ouvrageterminé.Cesmesures, outreleurrôledesurveillanceducomportementdela fondation,ontpermisderecaleraposteriorilavaleur dumoduledurocher:unepremièrepériodeavecE autourde2GPaet,aprèsfermetureprogressivedes joints,unevaleurprochede10GPa;lorsdesétudes, il avait été proposé une fourchette de 8 à 20 GPa. L'instrumentation comprend aussi un extensomètre placé dans un forage vertical à côté de chacune des semellesdeP3etP4(mesureentrelasurfaceet24m de profondeur) ; ces extensomètres ont été suivis pendantneufans. TassementdeP3(mm) 1 0 -1 -2 -3 -4 0 5000 Nord Est 10000 15000 ChargeN(tonnes) Sud Ouest 6.. - Cas du viaduc de Millau DanslecasduviaducdeMillau,pendantlestravaux, l'instrumentationmiseenplacepourl'utilisationdela méthodeobservationnelleaconsistéprincipalementà équiperlesquatrecoinsdechaquesemelle(quiassure laliaisonentrelesquatrepuitsdefondation),despits permettantdesmesurestopographiquesdeprécision ainsi que des mesures par nivelles (en raison de la grandedimensiondessemelles,20sur30mpourles piles2et3,onnepeutpascomptersurl'homogénéité duterrain). Les mesures sont réalisées tous les mois pendant la constructionduviaduc.Deuxtypesdeseuilsontété définis: · un seuil de vigilance au-delà duquel les mesures doivent être rapprochées dans le temps afin de confirmerl'évolutiondesdéplacements; · unseuild'alertepourlamiseenoeuvrededispositions confortativespréalablementdéfinies(cf.tableau6.1). Ilaétédistinguéunseuilsurletassementmoyende lasemelleetunseuilsursarotation. En ce qui concerne le seuil de vigilance pour les rotationsdessemelles,ilaétéconvenudefixerune limitecorrespondantàundéplacementtrèssécuritaire pourlastructureauniveaudutablier. Figure 6.9 : tassement de la pile P3 du nouveau pont sur l'Elorn Source : Sétra Tassement s (mm) Seuil de vigilance Seuil d'alerte Source : Schlosser et al., 2005 Rotation 5.10-4rad Courbeprévisionnelle dubureaud'études Confirmationdudépassement duseuildevigilance Tableau 6.1 : définition des seuils de vigilance et d'alerte Suivi géologique et instrumentation 93 Le seuil d'alerte correspond à la confirmation du dépassement du seuil de vigilance sur une période de plusieurs mesures très rapprochées (1 à 2 mois). Aucoursdecettepériode,ilestprévudeprocéderà desreconnaissancesspécifiquesàl'emplacementdela fondationdelapileafind'identifierlephénomèneet d'adapteraumieuxlestravauxconfortatifs.Ceux-ci sontfonctiondel'anomalierencontrée:clouagelocal, micropieux,drainage,terrassement,butée,etc. Les figures 6.10 et 6.11 donnent pour les piles P2 (fondationdanslescalcaires)etP6(fondationdans lesmarnes)lacomparaisondesmesuresdetassement, enfonctiondutempsetdelamassedebéton,avec lesvaleursthéoriques.Onconstatequelestassements mesurés dans les calcaires présentent de brusques variationssuiviesdepaliers,alorsquelestassements mesurés dans les marnes sont plus continus. Il est probable que ce phénomène soit lié d'une part à la fracturation naturelle et importante des calcaires, d'autrepartàladéstructurationcrééeparl'excavation des puits à l'explosif. Par ailleurs, les pentes des courbes moyennes des tassements sont globalement inférieuresauseuildevigilance.Lesrotations,quant àellessontrestéestrèsfaiblesettoujourstrèsendeçà duseuildevigilance,cequiestunrésultatessentiel pourl'ouvrage. Figure 6.10 : comparaison entre les calculs et les observations : tassement total aux quatre angles de la semelle de la pile P2 du viaduc de Millau Source : Schlosser et al., 2005 Figure 6.11 : comparaison entre les calculs et les observations : tassement total aux quatre angles de la semelle de la pile P6 du viaduc de Millau Source : Schlosser et al., 2005 94 Fondations au rocher Annexes 95 1 - Listes des normes et procédures d'essais existantes pour les roches Miseàjourjanvier2008 Normes : Référence Afnor Date Titre Glossaire ­ Classification XPP94-402 04/02 Roches : Glossaire.Définitions-Notations-Symboles 15 24 NFENISO14689-1 Recherche et essais géotechniques:Dénomination,etclassificationdesroches. 09/04 Partie1­Dénominationetdescription (P94-401-1) Prélèvements de sols et de roches XPP94-202 12/95 Sols:ReconnaissanceetEssais-Prélèvement des sols et des roches- Méthodologieetprocédures. Essais de laboratoire sur les roches NFP94-066 NFP94-067 NFP94-410-1 NFP94-410-2 NFP94-410-3 NFP94-411 XPP94-412 NFP94-420 NFP94-422 NFP94-423 XPP94-424 NFP94-425 XPP94-429 NFP94-430-1 NFP94-430-2 12/92 12/92 05/01 Sols:ReconnaissanceetEssais­Coefficientdefragmentabilitédesmatériaux rocheux. Sols:ReconnaissanceetEssais­Coefficientdedégradabilitédesmatériaux rocheux. Roches:Essaispourdéterminerlespropriétésphysiquesdesroches. Partie1­Déterminationdelateneur en eau pondérale.Méthodeparétuvage. 7 7 6 7 11 7 7 7 7 9 12 15 9 7 7 42 Pages Roches:Essaispourdéterminerlespropriétésphysiquesdesroches. 05/01 Partie2­Déterminationdelamasse volumique­Méthodesgéométriqueset parimmersiondansl'eau. 05/01 04/02 Roches:Essaispourdéterminerlespropriétésphysiquesdesroches. Partie3­Déterminationdelaporosité. Roches:Déterminationdelavitesse de propagation des ondes ultrasonores ­Méthodepartransparence 04/01 Roches:Déterminationdel'indicederésistance à la pénétration par un foret. 12/00 Roches:Déterminationdelarésistanceàlacompression uniaxiale. 01/01 Roches:Déterminationdelarésistanceàlatraction­Méthodeindirecte ­Essai brésilien. Roches:Cisaillement direct selon une discontinuitéderoche.Essaisousun effortconstant,normalàlasurfacedediscontinuité 03/02 Roches:Déterminationdelarésistanceàlacompression triaxiale. 03/03 04/02 Roches:Déterminationdumodule de Young et du coefficient de Poisson 12/02 Roches:Résistancesouschargeponctuelle.Essai Franklin 10/00 10/00 Roches:Déterminationdupouvoir abrasifd'uneroche. Partie1­Essaiderayureavecunepointe Roches:Déterminationdupouvoir abrasifd'uneroche. Partie2­Essaiavecunoutilenrotation 96 Fondations au rocher Référence Afnor Date Titre Pages Essais en place sur les sols (naturels ou compactés) et les roches Sols:ReconnaissanceetEssais­Essai pressiométrique Ménard. Partie1­Essaisanscycle. 01/2000 NB:LanormeNFP94-110-1annuleetremplaceau1erjanvier2001la normeNFP94-110dejuillet1991.LaversiondelanormeNFP94-110-1en vigueurestnotée:2etirage2000-05.F(le2etirageportaitsurdescorrections éditoriales) 12/99 09/99 02/02 02/02 Sols:ReconnaissanceetEssais­Essai pressiométrique Ménard. Partie2­Essaiavecuncycle. Sols:ReconnaissanceetEssais-Diagraphie dans les sondages - Méthode de la sonde à neutrons. Roches:Déformabilité-Essai dilatométrique en forage. Partie1­Essai avec cycles Roches:Déformabilité-Essai dilatométrique en forage Partie2­Essai de fluage après le premier cycle Essais d'eau (en place) ­ Prélèvement d'eau - Piézomètres NFP94-130 NFP94-131 NFP94-132 NFP94-157-1 NFP94-157-2 04/00 Sols:ReconnaissanceetEssais-Essai de pompage. 09/94 Sols:ReconnaissanceetEssais-Essai d'eau Lugeon. 10/00 Sols:ReconnaissanceetEssais-Essai d'eau Lefranc. 03/96 03/96 Sols:ReconnaissanceetEssais-Mesures piézométriques Partie1­Tube ouvert. Sols:ReconnaissanceetEssais-Mesures piézométriques Partie2­Sonde de mesure de pression interstitielle. Essais d'éléments de structures XPP94-444 12/02 Roches:Essai statique d'arrachement,sousuneffortaxialdetraction,d'un ancragescellédansunmassifrocheux.Essaiparpaliers. 10 18 13 18 10 14 NFP94-110-1 42 XPP94-110-2 XPP94-123 XPP94-443-1 XPP94-443-2 9 11 16 7 Annexes 97  - Quelques spécifications particulières pour les sondages carottés dans le rocher 1 - Exécution des sondages carottés Ilexisteunenormepourlaréalisationdessondagescarottés:NFXP94-202,Sols­Prélèvementdessolsetdes roches:méthodologieetprocédures(décembre1995). Rappelonsenparticulierque: · lesondeurdoitnotertouslesincidentsdeforation,quidevrontensuiteêtrereportésdanslelogdusondage: pertesdefluidedeforation,arrivéesd'eau,chutesd'outil,etc.; · leprélèvementdoitsefaire,dansdurocherdebonnequalité,aucarottierdoubleenveloppe; · àl'issuedusondage,lescarottessontplacéesdansdescaissesdûmentrépertoriéesetentreposéesàl'abri(il seraitsouhaitablequeleforeurfasseclairementapparaîtrelescarottesquiontétévolontairementcasséespour leconditionnementdanslescaisses). Lecompte-rendudesondageétabliparlesondeurdoitcomporternotamment: · repéragedusondage:numérotation,implantation(coordonnéesx,y,zdelatêtedesondage), · encasdeforagenonvertical:inclinaisonetazimut, · datededébutetdefindusondage, · laoulesméthode(s)deforation(avecleursprofondeurs),lanaturedel'outilutilisé,l'indicationdufluidede forage, · lediamètredeforage, · lestubagesavecprofondeursetdiamètres, · lesparamètresdeforation,s'ilsontétéenregistrés, · unecoupedesondagesommaire, · lepourcentagederécupérationoutauxdecarottage, · leniveaud'eauenfindesondage. - Exploitation des sondages carottés Nousprésentonsci-dessousl'exploitationquel'onpeutfairedescarottes,sansévoquerl'exploitationdutrou deforage(caméra,diagraphie,etc.). .1 - Log de sondage Ilesteffectuéparungéologue,depréférenceaufaitdelagéologierégionale. Lacoupegéologiquedoitêtreeffectuéeleplustôtpossible,enparticulierdanslecasderochesévolutives(argilites, marnes,schistes,évaporites,etc.).Ellementionne: · la description détaillée des terrains rencontrés (nature, état, litage, fissuration, pendage, couleur, etc.); en particulier,insistersurladescriptiondesdiscontinuités; · lesformationsgéologiquesauxquellesserattachentlesterrains. . - Photographie des carottes Les carottes sont rangées dans les caisses prévues à cet effet, convenablement identifiées et repérées, puis photographiéesdanscetteposition.Ilestrecommandéd'effectueruneprisedevueverticaleencouleurs(mettre sipossibleenregardunechartedecouleurs). 98 Fondations au rocher .3 - Évaluation de la fracturation (voir Recommandations Aftes, 003) Mentionnonsdeuxindicesquipermettentdequantifierlafracturationdansunsondagecarotté(maisquiréduisent évidemmentl'informationparrapportàdesdonnéesstatistiquespluscomplètes). Rqd IntroduitauxÉtats-Unisen1963,lerockqualitydesignationestdéfinicommelepourcentagedelalongueur cumuléedesélémentsdecarottedelongueurunitairesupérieureà10cmparrapportàunelongueurdeforage de1m(lalongueurestmesuréeauniveaudel'axedescarottes). Il peut être intéressant d'évaluer aussi le Rqd sur des longueurs plus grandes, de façon glissante ou en correspondanceaveclesunitéslithologiquesidentifiéesparlegéologue. Id et Fd PréconiséenFranceparl'Aftes,l'intervalleentrediscontinuitésestdéfinicommelamoyennedesintervalles découpésparlesdiscontinuitéssuccessiveslelongdusondage.Soninverseestappeléfréquencedediscontinuités (Fd=1/Id). Cesindicessontcalculéssurdeslongueursfixes,defaçonglissante,ousurchaqueunitélithologiquedansson ensemble. Nota pour obtenir des valeurs représentatives, il faut veiller : - aux biais liés à l'orientation du sondage par rapport aux principales familles de discontinuités, - à la qualité du sondage : diamètre supérieur à 50 mm, voire à 80 mm dans les terrains difficiles ; taux de carottage supérieur à 90 %. Annexes 99 3 - Représentation en diagrammes stéréographiques : principe, exemple Lareprésentationsurunplandel'orientationdesdiscontinuitésdusiteconstitueunephaseessentielledela description des massifs rocheux. Elle s'effectue à l'aide de la projection stéréographique qui a l'avantage de conserverlesangles(figuresA3.1):lesélémentsstructurauxtelsqueladroiteDetleplanP,supposéspasserpar lecentreOdelasphère,coupentl'hémisphèresupérieurrespectivementsuivantunpointouunarcdegrand cercle,quel'onprojettesurleplanhorizontaldeprojection(lepointdestdonclaprojectiondeladroiteD). Unplanestdoncreprésentéparunarcdecercle(représentationcyclographique),maisonpeutaussitracerson pôlequiestlaprojectiondeladirectiondedroitenormaleauplan(représentationpolaire):figureA3.2.Le reportdesrelevésdeterrainpeutêtrefaitmanuellement,àl'aideducanevasdeWulffgraduéde2en2degrés, ouautomatiquementavecdeslogicielsappropriés. Les discontinuités repérées sur le terrain sont souvent regroupées en familles; on définit pour chacune une directiondeplanmoyenne. Pourl'étudestatistiquedesdirections,onutiliselareprésentationpolairedesplans,dansuneprojectionqui conservelesaires(figureA3.3a).SurlafigureA3.3bonareprésentéparprojectionstéréographiquelesplans moyensdetroisfamillesmajeuresidentifiéessurlafigureA3.3aainsiquelepland'untalus(directionN-S): l'analysedesintersectionsdecesplansentreeuxpermetdemettreenévidencelapossibilitéd'undièdrelimité parlesplans1et3. Figure A3.1 : principe de la projection stéréographique, à partir du pôle inférieur Figure A3.2 : projection stéréographique d'un plan (hémisphère supérieur) : représentation polaire et cyclographique Famille Å Famille Ç Famille É Direction 99,0 178,3 44,6 Pendage 67,1S 67,0W 52,6W Talus 16 42,0W Figure A3.3 : exemple de relevé structural : représentation polaire des plans repérés avec identification de trois familles principales et représentation cyclographique des plans moyens des trois familles ainsi que du plan d'un talus 100 Fondations au rocher 4 - Spécifications pour l'utilisation d'explosifs pour les travaux de terrassement de fouilles de fondations d'ouvrages d'art Les terrassements rocheux nécessaires pour réaliser les déblais des plates-formes de travail et les fouilles des fondations(semelles,massifsoupuits)nécessitentengénérall'utilisationdel'explosif. Onsetrouvedanslasituationapparemmentparadoxaleoùl'ondoitsimultanément: · détruirelacohésiondelamassederocheàterrasser; · construiredestalus,paroisetfondsdefouillesstablessansentraînerdedégradationsdespropriétésmécaniques delapartiedumassifrocheuxlaisséeenplace(minimisationdeseffetsarrièreliésautir). Dèslestadededéfinitionduprojet,lorsdeladéfinitiondesgéométriesdesfouilles,ilconviendrad'analyser les conditions d'exécution et les moyens techniques auxquels l'entrepreneur devra recourir pour réaliser ces terrassements. Pourl'essentiel,laréussiteencedomainepasseparlaconceptiondesplansdetirs,conceptionqui,audemeurant, faitappelàdesnotionsclassiques: · Plan de foration: - adaptationdesmaillesdeforationetdesprofondeursàlagéométriedelafouilleàréaliser; - choixd'undiamètredeforationcompatibleavecleschargesspécifiques,lesvolumesdemaillesetlahauteur debourrageindispensableentêtedeforage; - plandeforationspécifiquepourprédécoupageéventueloupostdécoupage; - soinparticulieràapporteràl'exécutiondesforages(implantation,inclinaison,profondeur,etc.). · Plan de chargement: - utilisationdesmoyenstechniquesetpyrotechniquesdisponiblespouréchelonnerdansletempslesdétonations desdifférentstrousdelavolée:détonateurspyrotechniquesélectriquesounonélectriques,exploseurséquentiel, détonateursélectroniques; - définitiondeséquencesd'amorçageoptimisantl'utilisationdessurfaceslibrespréexistantes(surfacelatéraleou surfacesupérieure)etleréseaudefracturationscrééparladétonationdechaquetrou,encherchantàlimiter aumaximumlafracturationaudelàdesparoisdelafouillepareffetsarrière; - séquencesd'amorçagespécifiquespourlestrousdedécoupagedestalusouparois; - adaptationéventuelledesplansdetirsenfonctiondesmesuresetanalysesdesvibrationsémisesdanslemassif (vitessesparticulaires)àproximitédelazonedeterrassements. Mêmesileposterelatifàl'utilisationdesexplosifsnereprésentequ'unepartminimedumontanttotalducoût deconstructiondel'ouvrage,desprescriptionsstrictesetsuffisammentdétailléesdoiventêtreimposéesdansles piècestechniquesdesDossiersdeConsultationsdesEntreprisesetdesmarchés,etêtreévidemmentappliquées lors des travaux, compte tenu des conséquences désastreuses qui peuvent découler d'un emploi des explosifs sansprécautions. Ilconvientd'êtreparticulièrementvigilantdanslecasdesous-traitancesduminageparl'entreprisetitulairedu marchédeconstructiondel'ouvrage,ens'assurantquelecontratdesous-traitanceénonceclairementetdefaçon exhaustivetouteslesprescriptionsfigurantdanslespiècesdumarchéprincipal. Desdifficultésnemanquerontpasdesurgirsilesous-traitantchargéduminageestinsuffisammentprévenude cescontraintes. Références bibliographiques sur l'utilisation des explosifs pour les travaux de terrassements LesTechniquesdel'IndustrieMinérale: Sociétédel'IndustrieMinérale­17,rueSaintSéverin­75005Paris­Tél.:0153101470 Tirs:ThéoriesettechnologieN°13(mars2002) Tirs:ApplicationsetImplicationsN°14(juin2002) LesTravauxàl'explosif(5fascicules)-P.Allard-ConservatoireNationaldesArtsetMétiers­2,CoursdesArts etMétiers­13617Aix-en-Provence Terrassementàl'explosifdanslestravauxroutiers-guidetechnique-Cftr-2002,disponibleauSétra­Réf. :D0126,prix:18euros Annexes 101 10 Fondations au rocher A - Paramètres de classification et notation correspondantes Plagesdevaleurs >10MPa >250MPa 100-250MPa 50-100MPa 25-50MPa 4-10MPa 2-4MPa 1-2MPa PourlesfaiblesvaleursdeIs utiliserc 5-25MPa 1-5MPa <1MPa 2 0 15 90%-100% 20 >2m 20 12 75%-90% 17 0,6m-2m 15 7 50%-75% 13 200mm-600mm 10 1 >25% 3 >60mm 5 4 25%-50% 8 60mm-200mm 8 Surfaceslustrées Surfaceslégèrement Surfaceslégèrement Surfacestrès ou rugueuses rugueuses rugueusesnon Remplissage<5mm Epaisseur<1mm Epaisseur<1mm continues ou Epontesencontact Epontesfaiblement Epontesfortement Epaisseurde1à5mm Epontesnonaltérées altérées altérées Jointdiscontinu 30 25 20 10 Aucun 0 <0,1 <10l/min 10à25l/min 0,1-0,2 25à125l/min 0,2-0,5 Suintant 4 Remplissagemou>5mm ou Epaisseur>5mm Jointcontinu 0 >125l/min >0.5 Débitant 0 Complètementsec Humide Mouillé 15 10 7 Rmr=sommedesnotationsdesparamètres1à5 B - Ajustement de la valeur de Rmr en fonction de l'orientation des discontinuités Trèsfavorable Favorable Moyen Défavorable 0 -2 -5 -10 0 -2 -7 -15 0 -5 -25 -50 Trèsdéfavorable -12 -25 -60 5 - Classification Rmr des massifs rocheux de Z.T. Bieniawski Paramètres Résistancedela 1 roche(matrice) IndiceFranklinIs Résistancecompressionuniaxialec 2 3 Notation Rqd Notation Espacementdesdiscontinuités Notation 4 Naturedesdiscontinuités(voirE) 5 Eau Notation Débitsur10mdelongueur detunnel(l/min) Ratio: pressioneau/contrainteprincipale1 Conditionsgénérales Notation Directionetpendage Tunnels Fondations Notation Talus C - Classes de massif rocheux determinées par le Rmr 80fl61 II <21 V 60fl41 III 40fl21 IV ValeurduRMR Classe 100fl80 I Classes 20anspouruneportée de15m >400kPa >45° E - Indication pour la notation « nature des discontinuités » <1m de1à3m de3à10m 6 4 2 Aucune <0,1mm de0,1à1mm 6 5 4 Trèsrugueuse 6 Nonaltéré 6 Aucun 5 Remplissagedur <5mm 5 Légèrementaltéré Rugueuse Légèrementrugueuse 3 Moyennementaltéré 3 Remplissagedur >5mm 35°à45° 25°à35° 300à400kPa 200à300kPa 1anpouruneportéede 10m 1semainepourune portéede5m D - Propriétés globales attribuées au massif en fonction des classes I II III IV V Tempsdetenuesans soutènement 10hpouruneportéede 30mnpouruneportée de1m 2,5m 100à200kPa 15°à25° <100kPa <15° Cohésiondumassifrocheux (kPa) Angledefrottementdumassif rocheux(°) de10à20m 1 de1à5mm 1 Lisse 1 Trèsaltéré 1 Remplissagemou <5mm >20m 0 >5mm 0 Lustrée 0 Décomposé 0 Remplissagemou >5mm Longueurdesdiscontinuités Notation Ouverturedesdiscontinuités Notation Rugositédesépontesdes discontinuités Notation Altérationdesépontes Notation Matériauderemplissagedes discontinuités Notation 6 4 2 2 0 Nota : certaines conditions sont mutuellement exclusives. Par exemple, si du matériau de remplissage est présent, il n'est plus pertinent de considérer de la rugosité dans la mesure où son effet sera effacé par celui du remplissage. Dans ce cas utiliser directement la notation du tableau A 4 Annexes 103 6 - Critère de Hoek et Brown et linéarisation LecritèredeHoeketBrowndanssapublicationde1997(1)s'écrit: danslaquelle: · 1 et 3 sont les contraintes principales respectivement majeure et mineure (compressions notées positivement), · ciestlarésistanceencompressionuniaxialedelamatricerocheuse,mesuréeenlaboratoire;onremarqueque la«résistanceencompressionuniaxialedumassifrocheux»cestégaleà , · mb et s sont des paramètres caractérisant le massif et sa fracturation. L'évaluation de mb fait intervenir un paramètremiquicaractériselaroche(cf.ci-après). Leparamètremi,estliéàlafragilitédelamatricerocheuse(ilestvoisindurapport ,oùtiestlarésistance entractiondelaroche);ils'évalueengénéralenfonctiondelanaturedelarocheetdesatextureàpartirdu tableaufourniparHoek(2)etjointci-après.Ilpourraitégalementêtreévaluéàpartird'essaisdelaboratoire. Leparamètresquiestplusspécialementliéàlafracturationestcomprisentre1(milieusansdiscontinuité)et0 (milieuextrêmementfracturé,réduitàl'étatgranulaire). Lesparamètresmbetss'évaluentàpartirduGsicaractérisantl'étatde«perturbation»dumassif. Celui-cisecalculeàpartirduRmr'89(cf.ci-après)maisonpeututilementseréféreraussiautableausynthétique fourniparHoek(3)etjointci-aprèsquiassociedesélémentsdescriptifsdelastructure,delafracturationetde l'étatdesdiscontinuitésaudomainedevariationdel'indiceGsi.Cetableauconstitueunguidetrèsutilepour apprécierlapertinencedesvaleurscalculéesàpartirduRmr'89. Remarque:Pourunessaienlaboratoireencompressiontriaxialesurlamatricerocheuse: mb=miets=1(Gsi=100) mbetss'évaluentàpartirduGsipar: et avec: Gsi=Rmr'899-5(pourRmr'89>23) etRmr'89=indiceRmr89calculésanslanoteBetavecunenoteeau(A5)égaleà15. Cette méthode empirique s'applique à un massif supposé à peu près isotrope, de Gsi > 25. Il faut de plus remarquerqu'ellecumulelessourcesd'incertitude:évaluationduRmr+évaluationdemi+corrélationpour obtenirleGsi+corrélationspourobtenirmbets. Remarques: - lesvaleursduGsi-100sonttoujoursnégatives,cequisetraduitparmbmiets1, - pourdesvaleursdeGsis<25(massiftrèsfracturéetaltéré,decaractéristiquestrèsmédiocres),lecritèredeHoek etBrowns'exprimesousuneformesensiblementdifférente.Cescasparticuliersnesontpastraitésici. (1) cf. Références (2) cf. Références (3) cf. Références 104 Fondations au rocher Valeursduparamètremipourlamatricerocheusepargroupederoches Nota Les valeurs entre parenthèses sont estimées Type de roche Classe Groupe Texture Grossière Conglomérat *** Moyenne Grès 17±4 Greywacke 18±3* Fine Siltite 7±2 Très fine Argilite 4±2 Schisre 6±2 Marne 7±2* Craie 7±2 Charbon 8-21* Calcaire Sparitique 10±2* Gypse 8±2 Marbre 9±3 Migmatite 29±3* Cornéenne 19±4* Amphibolite 26±6 Schistes 12±3 Granite 32±3 Granodiorite Gabro 27±3 Norite 20±5 Porphyrie 20±5* Rhyolite 25±3* Andésite 25±5 Brèche 19±5* Diorite 25±5 Détritique Brèche *** Sédimentaire Organique Non détritique Calcaire cristallin 12±3* Carbonatée Chimique Calcaire micritique 9±2 Anhydrite 12±2 Quartzite 20±3 Gneiss 28±5* Phyllites 7±3* Calcaire dolomite 9±3 Sansfoliation Métamorphique Légèrefoliation Foliationnette** Ardoise 7±4 Obsidiène 19* Claire Plutonique Foncée Magmatique Dolérite 16±5* Diabase 15±5* Dacite 25±5* Basalte 25±5* Tuf 13±5* Péridotite 25±5* Hypabyssale Lave Volcanique Pyroclastique Agglomérat 19±3* * Ces valeurs sont estimées. ** Ces valeurs sont données pour des échantillons de roche sollicités perpendiculairement aux plans de foliation. la valeur de mi sera très différent si la rupture se produit le long d'un plan de faiblesse. *** Conglomérats et brèches peuvent présenter un large éventail de valeurs de mi en fonction de la nature du matériau de cimentation et le degré de cimentation, de sorte qu'ils peuvent avoir des valeurs similaires au grès, jusqu'à des valeurs utilisées pour les sédiments à grains fins (même de moins de 10) Annexes 105 Nota Le tableau-abaque présenté ci-après propose une traduction de « Table 5 » tiré de l'article de Hoek, E. and Marinos, P. - 2000 Predicting tunnel squeezing. Tunnels and tunnelling international. Part1 ­ November, 2000, Part2 ­ December, 2002. Downloaded form : http://www.rocscience. com/hoek/references/Published-Papers.htm. Plutôt qu'une traduction littérale (difficulté des trouver les termes équivalents correspondant en français), on a privilégié l'esprit des annotations figurant dans le tableau-abaque en cherchant à en conserver le sens. EstimationdelavaleurduGsi(GeologicalStrenghtIndex)àpartirdelacaractérisationgéologiquedescriptive dumassifrocheux. Mauvais - Épontesdesurfacesdeglissement, très altérées, avec tapissages de matériaux compacts ou rem p l i s s ages d e d éb r i s anguleux N/A 80 70 60 50 40 30 20 Passable - Épontes lisses, modérément altéréesouabrasées Bon - Rugosité forte, épontes légèrement altérées,àsurfacesoxydées Qualification de l'état de surface des épontes des discontinuités Gsi « Geological Strenght Index » Lalithologie,lastructureetlesconditionsdesurfacedes discontinuitépermettentd'évaluerunevaleurmoyenne duGsi.Notezqueletableaunes'appliquepasauxfissures structurellementcontrôlés.Làoùdesjointsdestructure planes faibles sont présents dans une orientation défavorable à l'égard de la face d'excavation, ceux-ci dominent le comportement des massifs rocheux. la résistanceaucisaillementdessurfacesdesrochesquisont prédisposésàdesdétériorationsdufaitdel'évolutionde lateneureneauseraréduitesil'eauestprésente.Lorsque l'ontravailleavecdemauvaisescatégoriesstructurelles derochers,undécalageversladroitepeuêtreeffectué pourdesconditionshumides.Lapression,del'eauest traitéparuneanalyseencontrainteseffectives Structuration du massif rocheux Rocher intact ou massif Échantillonderocheintactourochein situmassiveavec peudediscontinuitéslargementespacées Massif rocheux à très forte imbrication nonperturbée, constituédeblocscubiquesdécoupéspartroisfamilles dediscontinuitésorthogonales Massif rocheux à forte imbrication partiellement p e r t u r b é e , c o n s t i t u é d e b l o c s p o l y é d r i q u e s anguleux découpés par quatre (ou plus) familles de discontinuités Massif rocheux à imbrication perturbée, plissé et/ ou faillé, constitué de blocs anguleux découpés par l'intersectiondenombreuxréseauxdediscontinuités Massif rocheux déstructuré, très fortement fracturé, constitué d'un mélange de blocs anguleux et de blocs arrondis,avecunetrèsfaibleimbrication Massif stratifié/cisaillé Absencedecaractèrerocheuxdueaufaibleespacement desschistositésoudesplansdecisaillement Très mauvais - Épontes de surfaces de glissement, très altérées avec tapissages ou remplissagesargileux N/A 10 N/A N/A Très Bon - Rugositétrèsforte,épontessaines etnonaltérées Qualité décroissante de l'état de surface des épontes des discontinuités 90 Ë Nota Il conviendra de ne pas chercher à être trop précis dans l'évaluation de Gsi à partir de cet abaque, ainsi sera-t-il plus réaliste d'énoncer « Gsi se situe dans une fourchette de 36 à 42 » plutôt que « Gsi = 38 » 106 Fondations au rocher Imbrication décroissante des blocs rocheux Á Références bibliographiques Giroud,ObinTrân-Vô-Nhiêm­1973­Tablespourlecalculdesfondations:forceportante­Dunod,Paris Gigan J.P., Poupelloz B. ­ 1985 ­ Les fondations des ouvrages de l'autoroute A86 au sud de Paris ­ Bllpc n°135 HéraudH.,PougetP.,MoitryJ.P.­1985­Exempled'instabilitédesfondationsd'ouvraged'artensiterocheux ­Bllpcn°135 Z.T.Bieniawski­1989­Engineeringrockmassclassifications­JohnWiley&Sons E.Hoek­1990­Technicalnote:EstimatingMohr-CoulombfrictionandcohesionvaluesfromtheHoek-Brown failurecriterion­Int.J.RockMech.Min.Sc.27 D.C.Wyllie­1992­Foundationsonrock­Ed.Chapman&Hall USArmyCorpsofEngineers­1994­Rockfoundations-Technicalengineeringanddesignguidesasadapted fromtheUSArmyCorpsofEngineers­Asce DurvilleJ.-L.,HéraudH.­1995­Descriptiondesrochesetdesmassifsrocheux.­Techniquesdel'Ingénieur, chapitreC352,12p. A.Serrano,C.Ollala­1996­Allowablebearingcapacityofrockfoundationsusinganon-linearfailurecriterion ­IntJRockMech.Min.Sc.33 E.Hoek,E.T.Brown­1997­PracticalestimatesofRockMassStrength­Int.J.RockMech;Min.Sci.-Vol34, N°8,pp1165-1186 RachezX.­1997­Lesfondationsaurocherdegrandsviaducs:l'apportdelaméthodedesélémentsdistincts. ­ThèseLcpc A.Serrano,C.Ollala­1998­UltimateBearingCapacityofananisotropicdiscontinuousrockmass.PartI:Basis ModesofFailure.­IntJRockMech.Min.Sc.35 AlfonsiP.,DurvilleJ.-L.,RachezX.­1999­Modélisationnumériqued'unefondationsurversantrocheux parlaméthodedesélémentsdistincts:comparaison2D/3D.­C.R.du9eCongrèsint.demécan.desroches, Paris,vol.1 S.Sharma,T.Raghuvansdhi,A.Sahai­1999­AnengineeringgeologicalappraisaloftheLakhwarDam,Garhwal Himalaya,India­Engineeringgeology53 Hudson A., Harrison J.P. ­ 2000 ­ Engineering rock mechanics ­ An introduction to the principles ­Pergamon CFMR­2000­Manueldemécaniquedesroches-Tome1­Lesfondements­Pressesdel'ÉcoledesMines deParis O.Bonifazi,Y.Guerpillon,D.Thiriat,E.Coppi,R.Massonnnet­Mai2001­LeviaducdelaDordognesur l'autorouteA20Brive/Montauban­Desfondations«trèsspéciales»­RevueTravaux­N°775 L.Chantron,V.Zumbo­2002­Formalisationdescritèresdescriptifsd'unmassifrocheux-Miseaupointd'une feuilledesaisiedesdiscontinuités­Jngg2002Nancy Y.Kazan­2002­Mécanismederupturedûàunproblèmed'interfacesdanslesformationsrocheusesstratifiées ­Jngg2002Nancy A.Ozsan,M.Akin­2002­EngineeringgeologicalassessmentoftheproposedUrusDam,Turkey.­Engineering geology66 E.Hoek,C.Carranza-Torres,B.Corkum­2002­Hoek-Brownfailurecriterion-2002édition­Proc.NARMSTACConference,Toronto(disponiblesurinternet) Annexes 107 O.Fouché,P.Alfonsi,L.Chantron,J-L,Durville­2003­Desforagesàlasimulationmécaniquedesmassifs rocheux,l'apportd'uneapprocheprobabiliste3Ddesréseauxdediscontinuités­Jngg2002Nancy A.Soriano­2003­Pointresistanceofpilesinrock­XIIIcongrèsEcsmgePrague,vol.3 Cfmr­2003­Manueldemécaniquedesroches-Tome2­Lesapplications­Pressesdel'ÉcoledesMinesde Paris MinisteriodeFomento­2003­Guiadecimentacionesenobrasdecarreteras­Spain Aftes­2003­Caractérisationdesmassifsrocheuxutileàl'étudeetàlaréalisationdesouvragessouterrains ­RecommandationsduGT1­TOSn°177 CyrilleFauchard,PierrePothérat,PhilippeCôte,MarcelMudet­2004­GuideméthodologiqueduLcpc: détectiondescavitéssouterrainesparméthodesgéophysiques SchlosserF.,BergèreA.,DellaLongaY.­2005­LesfondationsduviaducdeMillau:méthodeobservationnelle etcontrôledurisque­Geoline2005,Lyon GrangeS.,CurtilS.,ParneixL.­2007­DeuxviaducsjumeauxsurlarivièreAnte:fondationssuperficielles surmassifrocheuxrenforcé­Travauxn°844 Waltham­BritishStandards S.Curtil,P.Legrand­18-20juin2008­LgvRhin-Rhône:intégrationdurisquekarstiquedanslaconceptiondes fondationsduviaducduPertuis­ActesdesJournéesnationalesdeGéotechniqueetdeGéologiedel'Ingénieur, Jngg'08,Nantes,pp669-676 B.Gaudin, O. Magnin, O.Abraham ­ 7-8 novembre 2008 ­ Contribution de la tomographie sismique à la conceptionetàl'optimisationdesfondationsd'unouvrageexceptionnelensitedifficile:lepontsurleBrasde laPlaine(îledelaRéunion)­JournéeAgapQualité,Nantes Terrassementàl'explosifdanslestravauxroutiers-guidetechnique­Sétra­2002 Hoek, E. and Marinos, P. ­ 2000 Predicting tunnel squeezing.Tunnels and tunnelling international. Part1 ­ November, 2000, Part2 ­ December, 2002. Downloaded form : http://www.rocscience.com/hoek/references/ Published-Papers.htm Lianyang Zhang and H. H. Einstein ­ Using Rqd to estimate the deformation modulus of rock masses ­ International Journal of Rock Mechanics and Mining SciencesVolume 41, Issue 2, February 2004, Pages 337-341) 108 Fondations au rocher Ce document est un guide pour l'étude des fondations d'ouvrages d'art au rocher qui s'adresse à tous les intervenants dans les différentes étapes de la conception et de la construction de fondations d'ouvrages en milieu rocheux, et principalement aux maîtres d'oeuvres, aux bureaux d'études et aux géotechniciens. Il a pour but de les sensibiliser aux problèmes particuliers posés par les fondations au rocher et les méthodes d'étude de celles-ci, qui constituent un domaine encore très peu codifié pour lequel les méthodes usuelles de la mécanique des sols, souvent encore employées, sont généralement inadaptées. Après l'évocation des spécificités des massifs rocheux, ce guide traite de la reconnaissance de ces massifs, et en particulier des objectifs et des moyens à mettre en oeuvre aux différentes étapes de celle-ci, de la conception des fondations au rocher, puis du dimensionnement de ces fondations en distinguant notamment les méthodes employées pour les cas simples et celles mises en oeuvre pour les cas les plus complexes. Il évoque également le suivi des terrassements et des appuis de l'ouvrage durant sa construction et en service. Service d'études sur les transports, les routes et leurs aménagements 46 avenue Aristide Briand BP 100 - 92225 Bagneux Cedex - France tél : 33 (0)1 46 11 31 31 fax : 33 (0)1 46 11 31 69 Document disponible au bureau de vente du Sétra 46 avenue Aristide Briand - BP 100 - 92225 Bagneux Cedex - France téléphone : 33 (0)1 46 11 31 53 - télécopie : 33 (0)1 46 11 33 55 Référence : 0947 - Prix de vente : 21 Crédit photos : Rst Conception graphique - mise en page : Eric Rillardon (Sétra) Impression : Caractère - 2, rue Monge - BP 224 - 15002 Aurillac Cedex L'autorisation du Sétra est indispensable pour la reproduction, même partielle, de ce document © 2009 Sétra - Dépôt légal : 4e trimestre 2009 - ISBN : 978-2-11-095822-7 Ce document participe à la protection de l'environnement. Il est imprimé avec des encres à base végétale sur du papier écolabélisé PEFC. CTBA/06-00743 PEFC/10-31-945 Le Sétra appartient au Réseau Scientifique et Technique du Meeddm www.setra.developpement-durable.gouv.fr  INVALIDE)