Description Des Roches Et Des Massifs Rocheux

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c352

Description des roches et des massifsrocheux

Date de publication : 10/11/1995

Jean-Louis DURVILLEIngnieur en Chef des Ponts et Chausses, Chef de la Division Mcanique des Sols et Gologie de l'Ingnieurau Laboratoire Central des Ponts et Chausses

Hubert HRAUDIngnieur Gologue, Chef du Groupe Sols-Roches au Centre d'tudes Techniques de l'quipement,Laboratoire Rgional de Clermont-Ferrand

GotechniqueRglementation. Ingnierie. Gotechnique

Construction

21/09/2013

7200092269 - cerist // 193.194.76.5


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Description des rocheset des massifs rocheux

par Jean-Louis DURVILLEIngnieur en Chef des Ponts et ChaussesChef de la Division Mcanique des Solset Gologie de lIngnieur au Laboratoire Central des Ponts et Chausses

et Hubert HRAUDIngnieur GologueChef du Groupe Sols-Roches au Centre dtudes Techniques de lquipement,Laboratoire Rgional de Clermont-Ferrand

a description prcise du massif rocheux celle des roches qui en constituentla matrice et celle des discontinuits qui le traversent est une phase indis-

pensable de ltude gomcanique dun site, que le but soit la fondation dunbarrage, le percement dun tunnel, le creusement dun dblai, ou tout autreouvrage en milieu rocheux. Cette description se fait sur le terrain et au laboratoire, laide dobservations et de mesures diverses.

1. Gnralits................................................................................................. C 352 - 21.1 Classification des roches............................................................................. 21.2 Caractres gnraux du massif rocheux ................................................... 2

2. Description et caractrisation de la matrice rocheuse................. 22.1 Description ptrographique........................................................................ 22.2 Essais didentification.................................................................................. 22.3 Proprits mcaniques................................................................................ 42.4 Proprits diverses...................................................................................... 5

3. Description et proprits des discontinuits .................................. 63.1 Description dune discontinuit.................................................................. 63.2 tude structurale.......................................................................................... 7

3.3 Proprits mcaniques................................................................................ 73.4 Leau dans le massif.................................................................................... 7

4. Mthodes de reconnaissance des massifs rocheux....................... 84.1 Lev gologique de dtail........................................................................... 84.2 Photo-interprtation.................................................................................... 94.3 Sondages carotts....................................................................................... 104.4 Enregistrement des paramtres de foration ............................................. 104.5 Diagraphie microsismique.......................................................................... 114.6 Diagraphie de radioactivit naturelle......................................................... 114.7 Mthodes gophysiques............................................................................. 114.8 Essais mcaniques in situ........................................................................... 124.9 Essai Lugeon................................................................................................ 12

5. Conclusions ............................................................................................... 12

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. C 352

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DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX _______________________________________________________________________________________

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1. Gnralits

Un massif rocheux tel que nous lobservons aujourdhui rsultedune longue histoire gologique, souvent complexe, qui comprend

une phase de formation du matriau (dpt et consolidation dans lecas dune roche sdimentaire, cristallisation dans le cas dune rochemagmatique, etc.), une ou plusieurs phases de dformations tecto-niques (avec formation de plis et de failles) et de transformationsmtamorphiques (foliation, recristallisation), et enfin une priodedaltration mtorique pour les parties proches de la surface.

Deux chelles dtude sont adoptes : celle de la roche (chantillonde laboratoire ou affleurement ponctuel) et celle du massif rocheuxqui est aussi celle de louvrage.

1.1 Classification des roches

Une roche est un assemblage de minraux, cest--dire de cristaux(sauf quelques rares cas o existe une phase vitreuse). Le mcanicien

des roches insistera sur la prsence de dfauts dans lassemblage,pores ou fissures, qui influent fortement sur les proprits dumatriau.

Les gologues distinguent trois grandes catgories de roches enfonction de leur origine :

les roches magmatiques (ou ruptives) rsultent du refroi-dissement de magmas en fusion ;

les roches sdimentaires se sont dposes dans les mers oules lacs et sont formes par accumulation de particules dtritiques(rsultant de la dsagrgation des roches par lrosion) ou biognes(formes grce lactivit dorganismes) ;

les roches mtamorphiques sont le produit de la transfor-mation ltat solide dune roche prexistante, avec modificationsstructurales et en gnral apparition de nouveaux minraux, souslinfluence de la pression et de la temprature.

La trs grande varit des espces minralogiques et des roches

a conduit les gologues diverses classifications, faisant appel de nombreux termes ptrographiques [1]. Une classification ptro-graphique simplifie est prsente dans le tableau 1.

1.2 Caractres gnrauxdu massif rocheux

Un massif rocheux est un milieu complexe (figure 1) : discontinu : le massif est compos de blocs plus ou moins

monolithiques, spars par des discontinuits qui constituent dessites de faiblesse mcanique et des lieux privilgis de circulationdeau ;

htrogne : des htrognits existent diffrentes

chelles, comme par exemple : alternance de bancs durs et debancs tendres, contacts tectoniques anormaux mettant en pr-sence des formations trs diffrentes, zones de dissolutionkarstique ou daltration locale ;

anisotrope : lanisotropie peut apparatre ds la formation dela roche (disposition stratifie des roches sdimentaires) ou enliaison avec le mtamorphisme (foliation des gneiss et mica-schistes), ou lors de la fracturation subie lors dun pisode tecto-nique, etc. ;

biphasique puisque contenant de leau au sein des pores dela matrice rocheuse ou dans les discontinuits ; cette eau peutmodifier notablement les proprits de la roche comme celles desdiscontinuits, donc aussi le comportement du massif rocheux.

(0)

2. Descriptionet caractrisationde la matrice rocheuse

La description de la matrice rocheuse fait appel des identifica-tions et des essais de laboratoire, dont les principaux sont dcritsci-aprs.

2.1 Description ptrographique

La description ptrographique consiste dterminer la nature desdiffrents minraux, leur abondance relative, leur degr daltration,leur taille et leur agencement, ainsi que lexistence ventuelle depores. La figure 2prsente un exemple de roche observe en lamemince au microscope optique.

Le tableau 2 prsente les caractristiques de quelques minrauxcourants.

2.2 Essais didentification

Il sagit dessais simples, rapides, couramment pratiqus, et quidonnent, allis la description ptrographique, une image assezprcise du matriau. Le tableau3 prsente quelques valeurs

typiques de proprits des roches les plus courantes.

2.2.1 Masse volumique relle

Cest la masse volumique de la roche sche, quotient de lamasse de lchantillon par son volume (enveloppe extrieure,incluant les pores intrieurs). Elle sexprime en kg/m3 ou en t/m3.Il ne faut pas la confondre avec la masse volumique absolue a ,qui est la masse volumique de la matire minrale .

(0)

Figure 1 Front de taille dcoup au fil : le massif rocheux,milieu htrogne, discontinu et anisotrope

r

r a( )



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(0)

Tableau 1 Classification ptrographique simplifie

Famille Teinte Minraux constitutifs Principaux termes Autres termes

Rochesmagmatiques

volcaniques

claire quartz trachyte, rhyolite

feldspaths andsiteamphibolespyroxne basalte dolrite

sombre olivine

plutoniques

claire quartz granite microgranite

feldspaths diorite microdioriteamphiboles monzonite

sombre pyroxne gabbro pridotite

Rochesmtamorphiques

folies

claire quartz gneiss, micaschiste leptynite

micas

sombre amphibole amphibolite

non folies marbre, cornenne

Rochessdimentaires

dtritiques

sombre argiles plites argilites

calcite marnes

claire quartz grs

biognes et /ou carbonates,sulfates, etc.

calcaires, craie,dolomies, gypse

meulire,chimiques charbon

Tableau 2 Quelques proprits des minraux courants

Minraux Masse volumique Duret VickersVitesse des ondes

longitudinalesObservations

(t/m3) (HV) (m/s)

Silicates

Quartz ......................... 2,65 1 250 1 400 6 050 inaltrableFeldspaths.................. 2,55 2,75 650 800 5 800 6 200

Mica blanc.................. 2,8 2,9 70 85 5 800 trs anisotropeMica noir .................... 2,8 3,3 90 5 100 trs anisotropeAmphiboles................ 3 3,4 730 7 200 anisotropeOlivine ........................ 3,2 3,6 820 8 400

AutresCalcite......................... 2,71 110 120 6 650 un peu soluble dans leauDolomite..................... 2,85 2,9 250 400 7 500Gypse ......................... 2,3 2,4 50 70 5 200 soluble dans leau

Tableau 3 Quelques valeurs typiques des caractristiques des roches les plus courantes (roches saines)

Rocher n Rc LA MDE ABR

(t/m3) (%) (m/s) (MPa)

Granites........... 2,6 2,7 1 4 500 6 000 170 260 15 25 6 13 900 1 500Microgranites.. 2,6 < 1 4 500 6 000 200 350 10 18 5 10 1 500 2 000Basaltes ........... 2,8 3,0 0 2 5 500 7 000 200 400 11 17 5 10 500 2 000Calcaires.......... 2,6 2,7 0 5 5 600 6 500 80 260 18 40 14 40 10 50

2,3 2,6 5 15 4 000 5 800 35 150 25 65 25 60 0 201,8 2,3 15 35 2 000 4 300 8 80 30 100 40 100 0

Grs ................. 2,5 2,6 0 5 3 000 5 500 40 250 12 25 3 30 600 2 2002,2 2,5 5 20 2 500 5 000 20 200 25 80 20 100 100 600

Cornennes..... 2,6 2,7 1 5 000 6 500 160 200 10 16 5 15 800 900Gneiss.............. 2,6 2,7 2 4 000 5 500 140 250 12 28 5 14 1 000 1 800Amphibolites .. 2,8 3,0 1 5 500 6 000 160 250 8 20 5 22 900 1 500

v



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2.2.2 Porosit n

Cest le rapport du volume de lespace poreux, cest--dire desvides inclus dans la roche, au volume de lprouvette (enveloppeextrieure) :

avec Vv volume des vides,

V volume de lchantillon.

La porosit sexprime le plus souvent en pour-cent.

2.2.3 Degr de saturation Sr

Cest le pourcentage de lespace poreux qui est occup par leau,dans ltat considr. En profondeur, ltat naturel, le degr desaturation est de 100 %.

2.2.4 Vitesse du son et indice de continuit

La vitesse de propagation des ondes longitudinales est calcule partir de la mesure du temps de propagation des ondes traversune prouvette. Cette quantit est sensible la porosit et surtout la microfissuration de la roche : la vitesse du son dun granite sain(6 000 m/s environ) chute moins de 3 000 m/s dans un granite trsaltr. Le calcul de lindice de continuit IC , rapport de la vitesse

mesure la vitesse thorique (moyenne pondre des vitesses desminraux constitutifs), permet ainsi dapprhender la qualit dela roche [2]. laide de la porosit n, on peut aussi quantifier le degrde fissuration en calculant lindice Df (figure 3) :

Df= 100 1,5 n IC

net IC tant exprims en pour-cent.

En mesurant la vitesse dans diffrentes directions, on peutaussi apprcier lanisotropie dune roche. On dfinit lindice dani-sotropie par :

qui vaut 1 pour une roche isotrope et atteint environ 2 dans certainesardoises.

2.3 Proprits mcaniques

On se reportera au tableau 3 pour des exemples de rsultatsdessais mcaniques.

2.3.1 Rsistance en compression

Lessai mcanique le plus courant est lessai de rsistance encompression uniaxiale (Rc). Celle-ci est mesure sur prouvettecylindrique, de diamtre 40 50 mm en gnral. On fait crotre leffortaxial fourni par la presse, avec une vitesse correspondant environ0,5 MPa/s, jusqu la rupture de lprouvette. Si Fest leffort maximalet R le rayon de lprouvette, on a :

La rsistance en compression simple est une proprit assezdisperse ; on ralise en gnral cinq crasements pour obtenir unevaleur reprsentative. Le tableau 4fournit une chelle de rsistancecouramment employe. (0)

Certaines roches, comme les calcaires tendres, sont sensiblementmoins rsistantes ltat satur qu ltat sec : la perte de rsistancepeut atteindre 50 %.

Figure 2 Photographie de lame mince de basalte au microscopepolarisant. On observe les grands cristaux dolivine (le plus grand fait environ1 mm de longueur), les nombreuses paillettes de feldspath et une pte sombre

amorphe

nVv

V------- 1

ra------= =

v

IC

v

v

IA

vmax

vmin

---------------=

Figure 3 Indice de continuit et degr de fissuration

Tableau 4 Classes de rsistanceen compression uniaxiale (daprs [3])

Classe Rsistance Rc(MPa)

Description

R1 > 200 Rsistance trs leve

R2 200 60 Rsistance leveR3 60 20 Rsistance moyenne

R4 20 6 Rsistance faible

R5 < 6 Rsistance trs faible

RcF

R2

-----------=



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2.3.2 Rsistance la traction

La rsistance la traction directe est obtenue par tractionjusqu la rupture dune prouvette cylindrique dont les extrmitsont t colles sur des ttes mtalliques. En moyenne, elle est voisinede Rc/10.

Lessai de rsistance la traction indirecte, dit aussi essaibrsilien, est ralis en comprimant entre les plateaux de la presseune prouvette cylindrique le long de deux gnratrices opposes(figure 4) : la rupture est obtenue par traction au centre de lprou-vette. On vite ainsi les difficults de collage des ttes et la dispersiondes valeurs est moins grande que dans lessai direct. Si Pest leffortfourni par la presse au moment de la rupture, Rle rayon de lprou-vette et Hsa hauteur, la rsistance la traction indirecte est donnepar :

Lessai Franklin est un essai de rupture par traction sous chargeponctuelle, simple raliser mais assez dispers [3].

2.3.3 Paramtres de dformabilitLa mesure des dformations lors dune compression uniaxiale

permet de dterminer les paramtres lastiques de dformabilit dela roche (figure 5) : module dYoung (pente de la courbe de dfor-mation longitudinale) et coefficient de Poisson (rapport de la dfor-mation transversale la dformation longitudinale). Le moduledYoung est typiquement compris entre 8 et 80 GPa. Le coefficientde Poisson se situe entre 0,1 et 0,4.

2.4 Proprits diverses

Des essais, en gnral de nature empirique, permettent de quan-tifier certaines proprits des matriaux rocheux utiliss en gniecivil. Le tableau3 prsente des valeurs de rsultats dessais.

2.4.1 Essai Los Angeles

Cet essai a pour but dvaluer la rsistance la fragmentation parchocs. Les gravillons tests sont en gnral de granularit 6-10, 10-14ou 25-50 mm. Un broyeur cylindrique boulets (figure 6) fragmenteles gravillons, pendant 500 ou 1 000 rvolutions suivant la granu-larit, puis on tamise 1,6 mm. Le coefficient Los Angeles est dfinipar :

avec m (g) masse du passant au tamis de 1,6 mm,

M(g) masse initiale de granulats.

2.4.2 Essais Deval et micro-Deval

La production de fines par frottement des granulats entre eux ouau contact doutils mtalliques est lie aux proprits dusure oudattrition de la roche. On distingue en gnral lessai sec et lessaien prsence deau, ce qui permet de mettre en vidence les rochessensibles leau.

Lessai Deval porte sur 7 kg de granulats 25-50 mm. Il estaujourdhui souvent remplac par lessai micro-Deval dcrit sommai-rement ci-aprs.

RtbP

RH--------------=

LA 100= mM-------

Figure 4 Essai de traction indirecte (brsilien)

Figure 5 Essai de compression uniaxiale sur un gneiss :dformation longitudinale , transversaleet volumique (

V

/

V

)

Figure 6 Machine Los Angeles

(le diamtre du tambour est denviron 71 cm)

1 1( ) 3 3( )



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Le principe est analogue celui de lessai Los Angeles, avec unecharge plus lgre (billes) et une dure de rotation plus longue : ilny a pas de fragmentation, mais seulement une usure. Le coefficient

M

DE

(essai micro-Deval effectu en prsence deau) est dfini par :

avec

m

(g) masse du passant au tamis de 1,6 mm,

M

(g) masse initiale de granulats.

2.4.3 Abrasivit

Labrasivit caractrise la capacit dune roche provoquer lusuredun outil tel que pice de concasseur, taillant de forage (tableau 5

),molette ou pic de machine foreuse ; cette proprit est importantepour les travaux dexploitation des matriaux rocheux, en souterraincomme ciel ouvert. Elle dpend la fois de la teneur en minrauxdurs (quartz notamment) et de la rsistance de lassemblage desgrains (cohsion de la roche). (0)

Pour estimer labrasivit dun matriau, on peut utiliser labrasi-mtre LCPC, constitu dun pot mtallique que lon remplit degranulats 4/6,3 mm, et dans lequel tourne grande vitesse unepalette mtallique (figure 7

). La perte de poids subie par la paletteaprs 5 min de rotation, exprime en mg dacier, est divise par lamasse en kg de granulats traits : on obtient ainsi lindice A

BR

dela roche. On estime en gnral que des valeurs suprieures 1 500peuvent conduire de fortes usures doutils.

2.4.4 Forabilit

La forabilit dune roche exprime la facilit avec laquelle un outilde forage pntre dans la roche. Elle dpend dun certain nombrede paramtres, en particulier de la rsistance, duret et texture dela matrice rocheuse, et de son abrasivit.

Certains essais, gnralement utiliss dans les pays anglo-saxons,ont pour but de quantifier la forabilit. Il ne faut pas perdre de vuetoutefois que la forabilit in situ

dpend aussi de la densit dediscontinuits.

2.4.5 Altrabilit

On appelle altrabilit la sensibilit dune roche aux modificationsdu milieu environnant. La sensibilit au gel peut tre value parmesure de lvolution de la rsistance la fragmentation (LosAngeles) dun matriau soumis des cycles de gel-dgel. Laltrationphysico-chimique traduit la capacit de gonflement, de dlitage oude dissolution dune roche.

Divers essais existent pour quantifier laltrabilit dune roche ;aucun cependant ne sest vritablement impos.

En France, pour la rutilisation en terrassement des matriauxrocheux, a t dfini un coefficient de dgradabilit, fond surlvolution granulomtrique de granulats aprs des cyclesdimmersion-schage conventionnels : lessai met bien en vi-dence le caractre volutif des roches marneuses ou schisteuses.

3. Description et propritsdes discontinuits

Les discontinuits ont diffrentes origines gologiques : jointssdimentaires, foliations, diaclases, failles, schistosit. Les premierssont lis des interruptions de sdimentation (minces lits argileuxentre deux bancs, par exemple) ; la foliation est due la dispositionen lits de minraux micacs dans les roches mtamorphiques ; lesautres discontinuits correspondent des ruptures mcaniques.

3.1 Description dune discontinuit

Une discontinuit est, au moins localement, assimilable une por-

tion de plan. Il faut dabord noter ses caractristiques gomtriques :orientation, extension spatiale dans son plan, existence ou non deponts rocheux. Ces deux dernires caractristiques ne sont en

gnral accessibles quindirectement, daprs la trace de la discon-tinuit visible laffleurement ou sur un talus.

Les diffrentes conventions de mesure de lorientation dun planreviennent toutes la mesure dun azimut et dun pendage (figure 8

),effectue sur le terrain la boussole. On utilise soit la direction (angle

) et le pendage (

), soit le vecteur-pendage caractris par sonazimut ( 90

o

de langle

) et son pendage

.

La description de la discontinuit comporte galement des indi-cations sur le remplissage (continu, argileux, humide, par exemple)et sur les pontes (cest--dire les parois) avec leur degr daltration,la hauteur et la longueur donde des asprits, leur degr dimbri-cation, etc. Toutes ces caractristiques ont une grande influence surles proprits mcaniques et hydrauliques de la discontinuit.

Tableau 5 Dure de vie (mesure en mtrage for)dun taillant de forage, pour des rochespeu abrasives et abrasives

Taillant de forage

Longueur fore (m)

Roche abrasiveRoche peuabrasive

Taillant filet picotsou taillant fond

de trou picots.... .. ... ... ... .. .. ... .. 400 1 000 1 200 2 500

Taillant filet plaquettes ...... 200 400 800 1 000

Fleuret monobloc. ................... 150 200 600 800

MDE 100mM-------=

64mm

Figure 7 Abrasimtre LCPC : palette mtallique (aprs essai)et pot de granulats

P



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3.2 tude structurale

La reprsentation sur un plan de lorientation des discontinuitsdu site constitue une phase essentielle de la description des massifsrocheux. Elle seffectue laide de la projection strographique qui

a lavantage de conserver les angles (figure 9) : les lments struc-turaux tels que la droite D et le plan P, supposs passer par le centreO de la sphre, coupent lhmisphre suprieur respectivementsuivant un point ou un arc de grand cercle, que lon projette sur leplan horizontal de projection (le point d est donc la projection dela droite D). Un plan est donc reprsent par un arc de cercle (repr-sentation cyclographique), mais on peut aussi tracer son ple quiest la projection de la direction de droite normale au plan (repr-sentation polaire) : figure 10. Le report des relevs de terrain peuttre fait manuellement, laide du canevas de Wulff gradu de 2en 2 degrs, ou automatiquement avec des logiciels appropris.

Les discontinuits repres sur le terrain sont souvent regroupesen familles ; on dfinit pour chacune une direction de plan moyenne.Pour ltude statistique des directions, on utilise la reprsentationpolaire des plans, dans une projection qui conserve les aires(figure 11

a

). Sur la figure 11

b

, on a reprsent par projectionstrographique les plans moyens des trois familles majeures iden-tifies sur la figure 11

a

, ainsi que le plan dun talus (direction N-S) :lanalyse des intersections de ces plans entre eux permet de mettreen vidence la possibilit dinstabilit dun didre limit par lesplans 1 et 3.

Lestimation de lespacement moyen et de la dimensionmoyenne des discontinuits dune famille contribue lapprcia-tion de la densit de discontinuits. Celle-ci est aussi estime defaon globale, toutes familles confondues, par lvaluation delintervalle de discontinuits mesur selon une ligne (cf. 4.3).

3.3 Proprits mcaniques

3.3.1 Action normale

Sous un effort de compression, une discontinuit a tendance se refermer ; on observe que sa raideur (donne par la pente de lacourbe) augmente avec la contrainte (figure 12

). Un dchargementlaisse apparatre en gnral un dplacement rsiduel.

La rsistance en traction dune discontinuit doit en gnral treconsidre comme quasi nulle.

3.3.2 Action tangentielle

Le cisaillement dune discontinuit sous contrainte normaleconstante, tel que pratiqu dans une bote de cisaillement, permetde dfinir les caractristiques de rsistance de pic : cohsion et

frottement. Un angle de frottement rsiduel, aprs grand dplace-ment, peut aussi tre dfini ; il est le plus souvent compris entre 25et 35

o

(discontinuit sans remplissage). Par ailleurs, le cisaillementsaccompagne dune ouverture de la discontinuit, appele dila-tance

(figure 13

), du fait des asprits des pontes.

3.4 Leau dans le massif

La permabilit des roches tant en gnral trs faible, les circu-lations deau dans le massif se font en majeure partie par lesdiscontinuits : cest ce quon appelle la permabilit en grand des massifs rocheux, oppose la permabilit en petit des sols.Si le rgime de lcoulement dans la discontinuit est laminaire, onpeut admettre que la vitesse dcoulement v

est donne par :

v

= k

i

o i

est le gradient hydraulique. Le coefficient k

est appel conduc-tivit hydraulique de la discontinuit et sexprime en m/s.

Figure 8 Dfinition de la direction , du pendage

et du vecteur-pendage dun plan

P

Figure 9 Principe de la projection strographique, partir du ple infrieur

Figure 10 Projection strographique dun plan :reprsentation polaire et cyclographique



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4. Mthodes

de reconnaissancedes massifs rocheux

La reconnaissance des massifs rocheux a pour but didentifier lesmatriaux prsents, den prlever des chantillons pour tude enlaboratoire, et de reprer les variations et anomalies locales tellesque zones broyes, karsts, etc. Il est particulirement important deconnatre, soit par observation directe lorsque cela est possible, soitpar des procds dauscultation indirecte, la rpartition des discon-tinuits dans lespace, leurs caractristiques et leur densit. Enfin,ltude de terrain peut tre complte par des essais in situ

permettant dvaluer certaines proprits mcaniques ou hydrau-liques du massif.

4.1 Lev gologique de dtail

Un lev gologique est effectu une chelle comprise entre1/1 000 et 1/100, afin de localiser les principaux affleurements et lesobservations qui sy rapportent.

Lobservation directe dun affleurement rocheux montre gnra-lement une matrice rocheuse affecte de discontinuits organisesen familles. Le relev de ces discontinuits peut tre intgral (parexemple en galerie, sur un plan de la vote et des piedroits rabattus)ou chantillonn selon une ou plusieurs lignes droites. On estimequil faut effectuer 200 300 mesures de pendage pour une tudestructurale de difficult moyenne.

Figure 11 Exemple de relev structural : reprsentation polairedes plans reprs avec identification de trois familles principales (

a

)et reprsentation cyclographique des plans moyens des trois famillesainsi que du plan dun talus (

b

)

Figure 12 Comportement dune discontinuit sous contrainte normale

Figure 13 Essai de cisaillement dune discontinuit



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Le gologue structural doit viter certains piges tels que ceux-ci : dans lobservation dune paroi de falaise, la reprsentation des

discontinuits de direction parallle cette paroi est trs rduite etlchantillonnage est donc biais ;

dans un versant, le fauchage des terrains peut modifier leurpendage sur des paisseurs dpassant parfois la dizaine de mtres.

Le recours la tranche dessai, outre le fait de crer un nouveaupoint dobservation, peut apporter des prcisions sur certains l-ments : possibilit dextraction, possibilit de fragmentation au tir,vibrations transmises lors des tirs, coefficient de foisonnement,stabilit des talus, etc.

4.2 Photo-interprtation

Ltude dun site rocheux devrait toujours inclure lobservation desphotographies ariennes qui permettent de sloigner et de prendredu recul par rapport laffleurement. Lexamen stroscopique des

photographies ariennes, avec diffrents types dmulsion, diff-rentes dates et diffrentes chelles, peut ainsi fournir des lmentsprcis sur les directions gnrales de fracturation, sur la prsencede zones failles ou altres, de venues deau, danciens karsts, etc.(figure 14

).

Figure 14 Exemple de photo-interprtation(document communiqu par P. Pothrat) :recherche de dissolutions du gypsepouvant entraner des effondrementsdans la rgion de Bargemon (Var)



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4.3 Sondages carotts

La ralisation de sondages carotts reste la mthode la plus clas-sique, en labsence daffleurements significatifs, pour obtenir desinformations sur le matriau rocheux, son tat daltration, ses ht-

rognits, etc. Il sagit toujours dune opration longue, dlicate etcoteuse. On a donc intrt valoriser au maximum les renseigne-ments fournis par cette investigation. Limplantation et lorientationdun sondage carott doivent tenir compte des investigations ant-rieures et des observations de surface. Dans le cas de structure trsredresse ou verticale, le sondage sera inclin de manire recouperle maximum de discontinuits.

Aprs ralisation du sondage, les caisses de carottes sont rper-tories, numrotes et photographies (figure 15

). Des chantillonssont ensuite soumis aux essais dcrits au paragraphe 2.

La densit de fracturation

du massif peut tre value partirde nombreux paramtres, parmi lesquels on peut citer :

le RQD

(

Rock Quality Designation

), paramtre de qualit de laroche, qui est dfini comme suit :

Les lments de longueur infrieure 10 cm ne sont pas pris encompte car considrs comme lis aux discontinuits elles-mmes ;

lintervalle entre discontinuits I

D

qui est la distance moyennesparant deux discontinuits successives le long dune ligne demesure (tableau 6

) ; dans un sondage carott, cest la longueurmoyenne des carottes : plusieurs valeurs peuvent tre fournies,relatives diffrentes profondeurs du sondage. (0)

Linformation la plus complte est donne par lhistogramme deslongueurs de carottes (figure 16

).

Si ncessaire, on peut faire orienter les carottes lors du prlve-ment, ce qui permet destimer non seulement le pendage mais aussila direction des discontinuits ; on peut citer les techniques sui-vantes : prise dempreinte de la paroi du forage par application dun

film dformable [4], auscultation des parois du forage par camravido ou par mthodes lectromagntiques ou acoustiques [5],coulage de pltre au fond du forage et orientation avant chaquepasse, etc.

4.4 Enregistrement des paramtresde foration

Les forages destructifs, moins coteux et plus rapides que lessondages carotts, peuvent tre valoriss par lenregistrement desparamtres de foration. La plupart des foreuses peuvent tre

quipes denregistreurs permettant danalyser la vitesse davan-cement instantane, le couple de rotation, la pousse sur loutil, lapression du fluide de perforation, la vitesse de rotation, etc.

Tableau 6 Classes de densit de discontinuitsmesure selon une ligne, daprs lintervalle

entre discontinuitsI

D

[3]

Classe Intervalle

(cm)

Description

I

D

1 > 200 Densit trs faible

I

D

2 200 60 Densit faible

I

D

3 60 20 Densit moyenne

I

D

4 20 6 Densit forte

I

D

5 < 6 Densit trs forte

RQ D

(longueurs de carottes >10cm )

longueur de sondage considr

---------------------------------------------------------------------------------------------------=

100

Figure 15 Sondage carott : photographie de caisse de carottes

Figure 16 Histogrammes de longueurs de carottes dans deuxsondages dorientations diffrentes, compars un histogrammedes intervalles entre discontinuits mesurs sur affleurement



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Le choix des paramtres enregistrs dpend du problme tudier. La mthode est bien adapte la reconnaissance de lalt-ration et des htrognits des massifs rocheux telles que failles,discontinuits ouvertes, cavits karstiques [6].

4.5 Diagraphie microsismique

Le lecteur pourra se reporter la rfrence [7]

Elle consiste mesurer, laide dune sonde plaque sur la paroidun forage, le temps de trajet dune onde mcanique sur unparcours de longueur fixe. La sonde (figure 17

) comporte un met-teur, constitu dun petit marteau pneumatique, et un ou deuxrcepteur(s) ; elle est dplace lintrieur du forage selon un pasrgulier (33 ou 50 cm en gnral).

La mthode peut tre mise en uvre dans les forages destructifsou carotts, verticaux ou inclins, avec ou sans eau. Elle permetnotamment de reprer le rocher compact, les htrognits, leszones fissures ou dcomprimes, etc. (figure 18

).

4.6 Diagraphie de radioactivit naturelle


Une sonde descendue dans un forage est sensible la prsence,en quantits infimes, dlments radioactifs. La mthode est bienadapte la reconnaissance des terrains sdimentaires o lesniveaux argileux constituent dexcellents repres.

4.7 Mthodes gophysiques

Diffrentes mthodes gophysiques, de type sismique, gravim-

trique ou lectromagntique, peuvent tre utilises pour ltude desmassifs rocheux [7]. Elles doivent faire lobjet dun talonnage surle site, par exemple avec un sondage carott.

4.7.1 Sismique-rfraction

Les ondes sismiques mises en surface se propagent dans le sol des vitesses qui vont de moins de 1 000 m/s pour les terrainscompltement altrs prs de 6 000 m/s pour certains massifscompacts. Lappareillage comprend un metteur (marteau ou chargeexplosive), un rcepteur constitu par un ou plusieurs gophonesdistants de quelques mtres ou dcamtres de lmetteur et unamplificateur permettant soit lenregistrement du signal, soit larrtdun chronomtre lectronique. La mthode permet de dfinirdiffrentes couches caractrises par leur vitesse de propagation quidpend de ltat de compacit, de fracturation et daltration dumatriau ; elle est classiquement utilise pour prvoir les modes deterrassement des dblais rocheux.

4.7.2 Tomographie sismique


La mthode permet de raliser une coupe du massif entre deuxforages, fournissant la rpartition des vitesses sismiques dans le plande coupe. Plusieurs capteurs sont disposs dans un forage, et lmet-teur est dplac dans lautre forage : la surface ausculte est ainsiparcourue par un grand nombre de rais sismiques dont on mesurele temps de propagation, et la rsolution du problme inverse permetdobtenir une image du panneau en vitesse (figure 19

).

Figure 17 Principe de la diagraphie microsismique

Figure 18 Exemple de diagraphie microsismiquedans un massif granitique



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La mthode est bien adapte au reprage des vides, karsts ou car-rires souterraines, ltude de la fissuration et de son volution(analyse des phnomnes de dcompression lis aux terrassements,par exemple) ou au contrle dinjections.

4.7.3 Radar gologique

La profondeur de pntration variant en sens inverse de laconductivit lectrique de terrain, le radar est bien adapt lauscultation de terrains de forte rsistivit, donc hors nappe etpeu argileux, massifs calcaires par exemple : recherche dhtrog-nits, de failles, etc.

4.8 Essais mcaniques in situ

4.8.1 Mesures de dformabilit

Les essais de dformabilit in situ

permettent dausculter unvolume de terrain plus important que les essais de laboratoire, maisce volume (quelques mtres cubes au maximum) reste limit parrapport celui concern par louvrage : ces essais ne mettent pascompltement labri dun effet dchelle li aux discontinuits [2].

On peut citer les essais de chargement la plaque, raliss en surfaceou en galerie, et les essais au dilatomtre en forage [9].

4.8.2 Mesures de contraintes

Ltat de contrainte naturel du massif conditionne le dimension-nement des ouvrages souterrains ; pour les ouvrages de surface, cettat nest pas sans influence, puisque les fractures perpendiculaires la direction de compression majeure sont en gnral fermes, alorsque celles qui lui sont parallles sont plutt ouvertes, ce qui engendreune anisotropie mcanique et hydraulique du massif. Les principalestechniques de mesure utilises en gnie civil sont celle du vrin platet du surcarottage [10].

4.9 Essai Lugeon

Lessai Lugeon donne une indication sur ltat de fracturation dunmassif rocheux et permet dvaluer un ordre de grandeur de sapermabilit. Il est souvent pratiqu pour prvoir des quantitsdinjection. Lessai consiste injecter de leau dans un forage souscharge constante et mesurer le dbit, lopration tant rpte divers paliers de charge. Lunit Lugeon correspond un dbit de1 L/min inject sous une charge de 1 MPa ; lunit Lugeon peut trecorrle avec la permabilit du massif. Si la courbe charge-dbitest linaire, on peut galement estimer ltat de fracturation (ouver-ture moyenne des fractures).

5. Conclusions

On peut signaler, pour clore cet article consacr la descriptiondes massifs rocheux, que plusieurs classifications de ces massifs ontt mises au point : la plus rpandue, en particulier dans le monde

anglo-saxon, est la classification RMR (

Rock Mass Rating

), quiattribue un massif rocheux une note comprise entre 0 et 100, partir de cinq composantes : rsistance en compression simple dela roche, valeur du RQD

, espacement moyen des discontinuits dansla famille principale, tat des discontinuits (rugosit, ouverture,remplissage) et conditions hydrauliques [11]. Si ces mthodespeuvent permettre dlaborer une premire bauche de solutiontechnique (fondation, mthode dabattage, soutnement de tunnel,etc.), elles ne dispensent pas toutefois lingnieur dune analyseapprofondie du problme ; en particulier, les discontinuitsmajeures, qui peuvent constituer des sources dinstabilit, sont malprises en compte dans ces classifications caractre global.

Figure 19 Principe de la tomographie sismique entre forages



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par Jean-Louis DURVILLEIngnieur en Chef des Ponts et ChaussesChef de la Division Mcanique des Solset Gologie de lIngnieur au Laboratoire Central des Ponts et Chausses

et Hubert HRAUDIngnieur GologueChef du Groupe Sols-Roches au Centre dtudes Techniques de lquipement,Laboratoire Rgional de Clermont-Ferrand.

BibliographieRfrences1] FOUCAULT (A.) et RAOULT (J.-F.). Diction-

naire de gologie. 3e dition, Masson, 351 p.(1988).

2] DURVILLE (J.-L.). Mcanique des roches :gnralits.C 350, Techniques de lIngnieur,trait Construction.

3] AFTES. Description des massifs rocheuxutile ltude de stabilit.Tunnels et OuvragesSouterrains, supplment au no 117, 223 p.(1993).

4] HRAUD (H.) et LIVET (M). Reconnaissancedes massifs rocheux. Prise dempreinte dansun forage. Bulletin Liaison Laboratoires Pontset Chausses no 128, p. 128-131, nov.-dc.1983.

5] BRETON (J.-P.). Lorientation des carottes desondages miniers. Mthodes et appareillages.Chronique Recherche Minire no 470, p. 65-68(1983).

6] CAILLEUX (J.-B.). tude des diagraphiesinstantanes en forage. Rapport des Labora-toires des Ponts et Chausses, GT 12, 96 p.(1986).

[7] RAT (M.) et al. Note dinformationtechnique : Reconnaissance gotechniquedes tracs de routes et autoroutes. AnnexesIII (Gophysique de surface) et V (Diagra-phies). Laboratoire Central des Ponts etChausses, Paris, 111 p. (1982).

[8] COFFEC (O.), COTE (Ph.), LAFONT (R.) etPIQUARD (R.). Mesures sismiques destinesaux tomographies. Bulletin Liaison Labo-ratoires Ponts et Chausses no 152, p. 55-60,nov.-dc. 1987.

[9] ANDR (D.) et PARADIS (P.). Essais dedformabilit la plaque et au dilatomtre.Tunnels et Ouvrages Souterrains, no 123,p. 146-148, mai-juin 1994.

[10] BRIGLIA (P.), BURLET (D.) et PIRAUD (J.). La

mesure des contraintes naturelles appliqueau gnie civil. Tunnels et Ouvrages Souter-rains, no 123, p. 149-152, mai-juin 1994.

[11] HUDSON (J.A.). Rock mechanics principlesin engineering practice. Butterworths,Londres, 72 p. (1989).

On consultera galementARQUI (G.) et TOURENQ (C.). Granulats. Presses

de lcole Nationale des Ponts et Chausses,Paris, 718 p. (1990).

PANET (M.). La mcanique des roches appliqueaux ouvrages de gnie civil.Association Amicaledes Ingnieurs Anciens lves de lENPC, 235 p.(1976).

Guide technique SETRA-LCPC. Le droctage lexplosif dans les travaux routiers. Servicedtudes Techniques des Routes et Autoroutes,69 p. (1988).

Projet de mthode dessai no 33 : Roches et granu-lats. Essai de rsistance en compressionuniaxiale. Laboratoire Central des Ponts etChausses (1988).

Projet de mthode dessai no 6 : Roches et granu-lats. Essai de traction par fendage. LaboratoireCentral des Ponts et Chausses (1985).

Suggested methods for... Mthodes dessaisrdiges par la Socit Internationale deMcanique des Roches, et publies par la revue :The International Journal of Rock Mechanics andMining Sciences, Pergamon Press.

Normalisation

Association Franaise de Normalisation (AFNOR)P 18-556 9.90 Granulats. Dtermination de lindice de continuit.

P 18-572 12.90 Granulats. Essai dusure micro-Deval.

P 18-573 12.90 Granulats. Essai Los AngelesP 18-579 12.90 Granulats. Essai dabrasivit et de broyabilit.

P 18-593 12.90 Granulats. Sensibilit au gel.

NF P 94-067 12.92 Sols : reconnaissance et essais. Coefficient de dgrada-bilit des matriaux rocheux.



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Bibliographie

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des tracs de routes et autoroutes.Annexes III (Gophysique de surface) et V(Diagraphies). Laboratoire central des pontset chausses (1982).

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de lcole nationale des ponts et chausses(1990).

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Projet de mthode dessai no 33 : Roches et granu-lats. Essai de rsistance en compressionuniaxiale. Laboratoire central des ponts etchausses (1988).

Projet de mthode dessai no 6 : Roches et granu-lats. Essai de traction par fendage. Laboratoirecentral des ponts et chausses (1985).

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Thses

Le catalogue du systme universitaire de documentation peut tre consulten ligne :http://www.sudoc.abes.fr

POLLET (N.). Mouvements gravitaires rapides de grandes masses rocheuses.cole nationale des ponts et chausses (2004).

AMMIAR (B.). Microstructure et effet dchelle dans les essais demicro-indentation sur les roches. cole nationale des ponts et chausses(2003).

WRIGHT (H.). Rle de la minralogie, de la texture et de la structure dans ladformation et la rupture des argilits de lEst. cole nationale des pontset chausses (2001).

Normalisation

Association franaise de normalisation (Afnor)http://www.afnor.fr

P18-556 9-1990 Granulats. Dtermination de lindice de continuit.

P18-572 12-1990 Granulats. Essai dusure micro-Deval.

P18-573 12-1990 Granulats. Essai Los Angeles.

P18-579 12-1990 Granulats. Essai dabrasivit et de broyabilit.

P18-593 12-1990 Granulats. Sensibilit au gel.

NF P94-067 12-1992 Sols : reconnaissance et essais. Coefficient de dgrada-bilit des matriaux rocheux.

ur le compte de 7200092269 - cerist // 193.194.76.5
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Description Des Roches Et Des Massifs Rocheux