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22/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour Toute reproduction sans autori

22/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur C 5 360 − 1 Propriétés des matériaux naturels par Pierre ROSSI Docteur en géologie. Responsable géotechnique de l’unité « Grands Travaux de Terrassement (Razel) » Ludovic GAVOIS Directeur du service géotechnique (GTM Terrassement) et Guy RAOUL Ingénieur de l’École spéciale des travaux publics Ancien Directeur de GTM Construction a conception et la réalisation d’ouvrages en terre impliquent la connaissance des propriétés des matériaux naturels qui relèvent de la mécanique des roches et de la mécanique des sols. C’est l’objet des exposés paragraphes 1 et 2 qui présentent l’essentiel des bases théoriques et/ou empiriques ainsi que des règles de référence permettant d’appréhender les propriétés des matériaux et leur comportement sous l’inﬂuence de différents facteurs. Dans le troisième paragraphe sont abordées, en complément à ces bases, les propriétés caractéristiques des sols sous l’angle de la géotechnique adaptée aux travaux de terrassement. Des paramètres résultant de la méthodologie appli- quée sur le terrain sont introduits dans l’étude des sols. Cette approche constitue le vecteur le plus important pour l’activité du terras- sement. Elle permettra de classer les matériaux en fonction de leurs possibilités d’utilisation dans les ouvrages en terre. Ces notions sont décisives au stade de la conception comme au stade de la réalisation. 1. Propriétés relevant de la mécanique des roches ............................ C 5 360 — 2 1.1 Propriétés des roches.................................................................................. — 2 1.1.1 Identiﬁcation ....................................................................................... — 2 1.1.2 Résistance mécanique des roches .................................................... — 3 1.2 Propriétés des massifs rocheux.................................................................. — 4 1.2.1 État de fracturation d’un massif rocheux.......................................... — 4 1.2.2 État d’altération d’un massif rocheux ............................................... — 4 1.2.3 Abrasivité ............................................................................................ — 5 1.3 Prévision des conditions d’extraction des massifs rocheux .................... — 5 2. Propriétés relevant de la mécanique des sols ................................. — 5 2.1 Courbe intrinsèque...................................................................................... — 5 2.2 Dilatance....................................................................................................... — 6 3. Propriétés géotechniques applicables au terrassement ............... — 6 3.1 Paramètres de nature .................................................................................. — 7 3.1.1 Paramètres de nature retenus dans le GTR...................................... — 7 3.1.2 Autres paramètres de nature............................................................. — 8 3.2 Paramètres d’état......................................................................................... — 8 3.2.1 Schématisation et déﬁnition des paramètres d’état ........................ — 8 3.2.2 Paramètres d’état retenus dans le GTR ............................................ — 8 3.3 Paramètres de comportement mécanique ................................................ — 9 3.3.1 Paramètres de comportement mécanique d’un sol......................... — 9 3.3.2 Paramètres de comportement mécanique d’une roche .................. — 14 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. C 5 360 L 22/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX NATURELS ___________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. C 5 360 − 2 © Techniques de l’Ingénieur Dans le cas d’ouvrages comme les barrages en terre, les canaux, les digues ﬂu- viales ou portuaires..., des guides ou des prescriptions techniques sont le plus souvent élaborés ou adaptés au cas par cas par les maîtres d’œuvre concernés. Pour ce qui concerne les infrastructures routières et ferroviaires (par extension et dans certaines conditions), on utilise le guide technique GTR « Réalisation des remblais et des couches de forme ». Il répertorie les différents paramètres qui interviendront dans le classement normalisé des sols. C’est le guide auquel nous nous référerons dans le paragraphe 3. Les essais qui concernent les propriétés et les paramètres sont cités et décrits dans ce dossier. Les propriétés à étudier étant très diverses, les méthodes à mettre en œuvre pour les repérer sont, de ce fait, très variées. On se reportera dans les paragraphes qui suivent à différents dossiers d’autres rubriques cités et parus dans les Techniques de l’Ingénieur et, plus particulièrement pour ce qui concerne le paragraphe 1.1, au guide technique « Terrassements à l’explosif dans les travaux routiers » (TETR) édité par le Comité français pour les techniques routières (CFTR). 1. Propriétés relevant de la mécanique des roches Dans le domaine des roches, il est désormais classique de consi- dérer deux échelles différentes : — celle de la roche, correspondant à quelques décimètres cubes ; c’est l’échelle de l’échantillon et de l’éprouvette soumise aux essais de laboratoire ; — celle du massif rocheux, qui correspond à quelques dizaines de mètres cubes ; c’est l’échelle des travaux de terrassements et des fondations d’ouvrages. 1.1 Propriétés des roches On se reportera pour plus de détails aux références [1] [2] dans les Techniques de l’Ingénieur. 1.1.1 Identiﬁcation La pétrographie classe les roches en trois grands groupes en se fondant essentiellement sur des critères génétiques (tableau 1) : — les roches éruptives proviennent de la solidification du magma ; — les roches sédimentaires sont formées à partir de dépôts d’élé- ments détritiques chimiques ou biochimiques ; — les roches métamorphiques résultent des modifications subies par les roches éruptives ou sédimentaires lorsqu’elles sont soumi- ses au métamorphisme. Du point de vue mécanique, c’est la distinction entre les forma- tions meubles, les sols et les formations cohérentes, les roches, qui nous intéresse. Nous ne parlerons dans ce paragraphe que de ces dernières. Cependant, dans tous les cas, il convient de désigner une roche d’après la classiﬁcation pétrographique. Les roches cohérentes sont des solides particulièrement comple- xes du fait de l’hétérogénéité des constituants et des défauts de structure. (0) Tableau 1 – Famille des roches (1) ROCHES MAGMATIQUES (plutoniques ou volcaniques) Famille des roches acides Granite, granodiorite, syénite, microgranite, rhyolite, trachyte Famille des roches intermédiaires Diorite, microdiorite, andésite, trachy-andésite Famille des roches basiques Gabbro, dolérite, ophite, basalte, péridotite ROCHES MÉTAMORPHIQUES Roches massives Quartzite, cornéenne, migmatite, marbre Roches foliées Gneiss, amphibolite, leptynite, micaschiste, schiste, ardoise ROCHES SÉDIMENTAIRES Famille des roches carbonatées Calcaire, craie, dolomie, travertin, cargneule Famille des roches à dominante siliceuse Grès, arkose, argilite, meulière, silex, radiolarite Famille des roches silico-carbonatées Marne, molasse Famille des roches évaporitiques Gypse, anhydrite, sel gemme Famille des roches carbonées Charbon, lignite (1) Extrait du guide TETR édité par le CFTR (cf. [Doc. C 5 360]). 22/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour __________________________________________________________________________________________________ PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX NATURELS Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur C 5 360 − 3 Ce sont des solides polycristallins hétérogènes formés, le plus généralement, de grains appartenant à plusieurs espèces minérales. Les cristaux d’un même minéral peuvent eux-mêmes se différencier par leur état d’altération. Les roches sont également des milieux discontinus ; il existe des vides intergranulaires nommés pores, des défauts planaires soit intracristallins, soit intercristallins appelés ﬁssures. La ﬁssuration, qui joue un rôle considérable dans le comportement mécanique des roches, est la conséquence de l’hétérogénéité de comportement des différents constituants d’une roche. Le volume des vides contenu dans une roche est exprimé par la porosité n : avec Vv volume des vides, V volume total. La porosité des roches est très variable ; elle peut atteindre 20 %, voire même 40 %, pour certaines roches sédimentaires comme la craie, alors que, pour les roches éruptives ou métamorphiques non altérées, exception faite de quelques laves, la porosité est inférieure à 1 %. La porosité exprime mal l’état de ﬁssuration d’une roche, car le volume de vides lié aux ﬁssures est très faible. Aussi, il est apparu nécessaire de quantiﬁer, autrement que par la porosité, la densité de discontinuités présentes dans un échantillon de roche. La théorie, comme les mesures expérimentales, montre que la vitesse de pro- pagation des ondes dans un solide est très inﬂuencée par la pré- sence de discontinuités. C’est la raison pour laquelle on utilise l’indice de continuité Ic : avec VL vitesse de propagation des ondes longitudinales dans une roche, vitesse théorique correspondante pour un milieu parfait, de même composition minéralogique que la roche, mais ne présentant pas de discontinuité. Le guide technique TETR reprend ces notions et fait état de la rela- tion établie de manière expérimentale représentée sur le graphique de la ﬁgure 1. La connaissance de l’indice de continuité et de la porosité d’une roche permet donc de caractériser son état de ﬁssuration. Les roches sont souvent anisotropes : l’anisotropie peut être due à des orientations préférentielles de certaines espèces minérales ou de ﬁssures. La mesure de la vitesse de propagation des ondes dans différentes directions permet également de caractériser l’anisotro- pie d’une roche. 1.1.2 Résistance mécanique des roches Dans le domaine des contraintes usuelles, les roches ont un com- portement fragile. C’est seulement dans des conditions de tempéra- ture et de pression élevées que les roches peuvent montrer une certaine ductilité. Depuis les travaux de Grifﬁth, il est bien établi que la rupture fra- gile est l’aboutissement du développement de ﬁssures dans le solide. Il dépend des conditions opératoires que la propagation de la ﬁssure puisse être ou non contrôlée. Le plus souvent, la résistance d’une roche est donnée par la résistance maximale obtenue dans un essai de traction ou dans un essai de compression simple. ■La résistance en traction des roches est beaucoup plus faible que la résistance en compression ; cette propriété est mise à proﬁt dans toutes les opérations de cassage et de fragmentation des roches. L ’essai uploads/Ingenierie_Lourd/ c-5360.pdf