12-09-2013

Keynote lecture: Développements récents dans la reconnaissance géotechnique

Gauthier Van Alboom afdeling Geotechniek MOW Vlaamse overheid

But de la reconnaissance géotechnique: gestion des risques géotechniques

du projet

Risques

Instabilité de talus

Tassements et déformations du sous-sol

Effondrements (cavités dans le sous-sol)

L’eau dans le sol

…

Causes d’instabilités géotechniques

Conditions géotechniques imprévisibles

Reconnaissance géotechnique insuffisante ou inapte

Erreurs dans le calcul géotechnique

Souvent une combinaison de plusieurs causes

Instabilité géotechnique: combinaison de plusieurs causes …

La reconnaissance géotechnique est nécessaire pour un dimensionnement

économique et durable, et pour éviter les risques (dommages et

augmentation du coût du projet)

Coefficient de sécurité: 1.430

TXTest

extension

DSS of

Dir schuifproef

TXTest

Compression

Défi: prédiction adéquate du comportement du sol sur base de la

reconnaissance géotechnique

Développements récents dans la reconnaissance géotechnique

Sources d’information digitales accessibles par l’internet

Normalisation européenne

Documents Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique GBMS

Cahier de charges type SB 260 Chapitre 22 reconnaissance géotechnique

Développements récents dans les méthodes d’essai Essais in situ (CPT avec capteurs additionnels)

Essais en laboratoire

Surveillance géotechnique

6

Nationaal Geografisch Instituut / Institut Géographique National http://www.ngi.be

Belgische Geologische Dienst / Service Géologique Belge http://www.natuurwetenschappen.be/geology

Databank Ondergrond Vlaanderen (DOV) http://dov.vlaanderen.be

Les thématiques du sous-sol Wallon http://carto1.wallonie.be/soussol

Sources d’information par l’internet…

Sources d’information

Databank Ondergrond Vlaanderen

http://dov.vlaanderen.be

DOV – cartes géologiques

Aalter – jonction E40

Données historiques: CPT et forages

1938: fondations des ponts E40

1956: construction nouvelle route

1986 en 1987: fondation bâtiment lelong E40

Harde laag op diepte 6 à 7m profondeur (+10mTAW)

DOV – résultats d’essais

Aalter – jonction E40

DOV – autres données

Voorbeelden dienstverlening Geotechniek

Geotechnische proeven

DOV: glissements: Missing link N60 - Ronse

-> sols hétérogènes, sensibles aux glissements, sources

-> reconnaissance géotechnique: important pour établir les conditions géotechniques (viaducs

- tunnels - remblais)

DOV – cartes géotechniques

Les thématiques du sous-sol Wallon

14

http://carto1.wallonie.be/soussol

Cartographie des « Thématiques Sous-sol

Affleurements et sondages décrits (>150.000 fiches + 250.000 SGB)

Atlas du Karst wallon

Zones de glissement de terrain (données DGATLPE)

Concessions minières (355)

Puits de mines (7.000/15.000 déjà faits)

Carrières souterraines (4.900 parcelles)

Gîtes de minerai de fer exploités (3.300 occurrences)

Gîtes de mines métalliques (1.200 occurrences)

Terrils houillers (900 recensés)

Zones déhouillées (en cours, sur base de coupes N-S tous les 100m)

Inventaire géochimique des cours d’eau

Divers (subvention ISSeP « Après-mines »)

Radon (en cours)

Zones sismiques (en projet), etc.

Thématiques du sous-sol

Atlas du karst

16

Thématiques du sous-sol

Puits et issues de mines

17

Liège, rue Chauve-Souris

http://belgica.kbr.be/nl/coll/cp/cpFerraris_nl.html

Sources d’information

Cartes Ferraris (1777)

Contexte de la normalisation européenne Eurocode 7 “Calcul géotechnique” comprend 2 parties:

Partie 1 (EN 1997-1): "Règles générales", où quelques chapitres (3.2 à 3.4) sont

consacrés au "Planning of ground investigations"

Partie 2 “Reconnaissance des terrains et essais” (EN1997-2) décrit le calcul

géotechnique reposant sur des essais en laboratoire ou in situ

19

EC7: “Un système d'assurance qualité approprié doit être mis en place

dans le laboratoire de l'organisme qui intervient sur le terrain et dans le

bureau d'études, et le contrôle qualité doit être exercé avec compétence

lors de toutes les phases de reconnaissance et de leur évaluation. »

système d'assurance qualité du laboratoire même

Accréditation Belac ISO 17025

Assurance qualité pour laboratoires d’essais EC7

20

Normalisation européenne: normes européennes récentes

21

Catégories d’application

CPT électriques

22

Catégories d’application

CPT mécaniques

23

Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique

Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique: dispositions générales

Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique: essais de pénétration

Planification, exécution et consignation des résultats

Interprétations, avis et calculs

Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique: forages et prise

d’échantillons

Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique: essais en laboratoire

24

Procédures standard pour la reconnaissance géotechnique GBMS

Directives rabattements

Conception et exécution de rabattements

26

Cahiers de charge type 250 + 260 pour ouvrages d’art et génie hydraulique

+ cahier de charge type 260 avec chapitre 22 entièrement dédié à la reconnaissance géotechnique

27

Développements récents essais in situ

Évolution technologique de l’équipement CPT: du cône mécanique M4 au

cône digital

Cônes électriques de diamètre 25mm (5cm²) à 50mm (20cm²) sont admis par la norme -

cônes standard sont 10cm² / 15cm²

29

CPT électriques au cône 15cm²

Capteurs additionnels pour cônes électriques

Pression interstitielle → essai au piézocône

Géophones → CPT sismique

Mesure du champ magnétique → CPT magnétométrique

Pressiomètre → CPT pressiométrique

Mesure de resistivité → CPT resistivité

Caméra

Température

pH

Redox

Fluorescence

…..

30

CPTU

Essai au piézocône

31

32

Essai au piézocône: détermination du coefficient de consolidation par l’essai de

dissipation

Principe: cône munis de 1 ou 2 géophones est poussé dans le sol; on

mesure la vitesse d’onde d’un impact à la surface du sol

Résultat variation Vs ( G0)

avec la profondeur

CPT Sismique

33

CPT magnétométrique

Localisation d’objets dans le sol, perturbant le champ

magnétique de la terre, au moyen d’un capteur

magnétométrique sensible

Profondeur de pieux tubulaires.

Localisations d’ancrages.

Localisation de câbles et conduites de distribution

souterrains (ainsi que des forages directionnels),

consistant pour une grande partie d’acier ou étant sous

tension

Logiciels spécifiques pour modélisation et interprétation

34

Contrôle de compactage par pénétromètre dynamique - DPT

Sonde Panda

36

Développements récents essais en laboratoire

37

granulométrie – diffraction laser

tamisage + sédimentation

diffraction laser

source

lentille

détecteurs

cellul

e

granulométrie 2 mm – 0,04 µm

Préparation éventuelle: enlèvement de matières organiques

et calcaires

Principe: par absorption, réfraction et diffraction d’un

faisceau laser éclairant une particule on peut observer des

franges de diffraction

L’intensité du rayonnement diffracté est mesurée et analysée

au moyen d’un modèle optique.

Les modèles optiques considèrent des particules sphériques

Grandes particules

diffractent la lumière sous

un angle plus petit

granulométrie – diffraction laser

essai oedomètre => essai CRS

verplaatsingsmeter

Last

Monster in cel

verplaatsingsmeter

Last

Monster in cel

Caractéristiques de déformation et de consolidation

Caractéristiques de déformation et de consolidation: essai CRS

Principe:

Échantillon placé dans une enceinte rigide

Effort vertical continu et déformation continue

État saturé (échantillon submergé + pression intérieure=BP)

avantages

Durée de l’essai

Déformation contrôlée

Mesure des pressions interstitielles

Essai Bender

Détermination du module de déformation maximale G0 et E0

Principe: mesure du temps de propagation entre émission et réception du signal émis

Essai Bender

Modules de déformation: G0 en E0

gzx

tz

x

TravelTime

hVVelocity c

s

2

sO VG

)(1 2GE

Onde S Onde P

Essai triaxial cyclique pour la construction de routes

Détermination en laboratoire des propriétés mécaniques des matériaux granulaires non liés

utilisés en fondations ou sous-fondations routières

➙ Déformations réversibles pour définir le module résilient de déformation (dimensionnement)

➙ Déformations permanentes pour définir le comportement à long terme des matériaux (risque

d’orniérage)

Essai triaxial cyclique: Principe de l’essai

Eprouvette cylindrique placée dans une

cellule, soumise à une pression de

confinement s3 et une contrainte axiale

s1=s3+q.

Essai CCP: contrainte axiale cyclique -

pression de confinement constante (air)

Essai VCP: contrainte axiale et pression

de confinement sont cycliques et en phase

(eau désaérée)

s3

q

q

s3

Essai triaxial cyclique: exemples de résultats

Méthode B (CCP)

Matériaux: Calcaire, granulats de débris de béton, scories d’aciérie

Etude des déformations réversibles: résultats à wOPM et OPM

0 300 400 500 600 7000

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Vertical stress (kPa)

Res

ilien

t mod

ulus

(MP

a)

200

100

200100

Limestone

Trendline

Crushed concrete aggregate

Trendline

Slag

Trendline

y = 19.19x0.62

R = 0.942

y = 5.09x0.79

R = 0.932

y = 9.86x0.64

CRR-OCW 21765

46

Développements récents: surveillance géotechnique

Mesure discontinue au moyen d’un ruban de mesure

Mesure continue au moyen d’un enrégistreur piézométrique

Mesure du niveau d’eau

Geotechnische metingen

Avantages mesures continues:

fluctuations saisonnières

suivi de rabattements de nappe

Connaissance du niveau d’eau exact est nécessaire pour éviter le

soulèvement de sections de tunnel

Soulèvement section de tunnel de 15cm

Apport d’un contrepoids Pieux de traction

Mesure de la succion dans les sols non saturés

Mesures: Tensiomètres, Watermarks

Mis en place dans un forage

Mesures ponctuelles

Mesures automatisées

Premiers résultats après ~24H

Projet de recherche CSTC

« Stabilité des fouilles –

influence de la non saturation du

sol »

51

Mesure de la succion dans les sols non saturés

Pourquoi?

Il sort de la théorie qu’en absence de pressions d’eau et pour sols pulvérulents la pente maximale de

talus as est égale à l’angle de frottement du sol. La pratique démontre cependant que l’on peut

réaliser des pentes beaucoup plus fortes

Il existe dans les sols partiellement saturés une cohésion fictive

provenant de la présence de lentilles d’eau entre les grains; ces

lentilles provoquent une attraction entre les grains.

Cet effet dépend de la nature du sol et du degré de saturation.

La cohésion fictive provient de l’augmentation des pressions

effectives par les pressions interstitielles négatives.

52

Sols non saturés – Approche théoretique

La loi de Coulomb (résistance au cisaillement) est adaptée et

)'tan()(' st wn uc

)tan()()'tan()(' b

waan uuuc st

avec

ua : pression en phase gazeuse

uw: pression en phase aqueuse

ua-uw: « matric suction »

Φb: cet angle détermine l’augmentation de la résistance au cisaillement provenant du matrix suction.

Lien entre « succion » et « cohésion »

Correlations empiriques entre b en ’:

tan b = ½ tan ’... tan ’

Essais labo sur échantillons remaniés/non-remaniés

estimations (avec SWCC, compacité…)

Bases de données

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50succion [kPa]

"cm

atric

ielle

" [k

Pa]

53

Sols non saturés: talus à Gasthuisberg (Leuven)

Sable argileux (Formation de Sint Huibrechts Hern)

Fi=34° déterminé par une analyse effectuée par "VO-MOW Afdeling geotechniek" à base

de résultats d’essais triaxiaux pour cette formation géologique, dans les environs du

chantier

54

0123456789

10111213141516

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Prof

onde

ur [m

]

Résistance au cône qc [MPa]

0123456789

10111213141516

0 2 4 6 8 10 12

Prof

onde

ur [m

]

Coefficient de frottement Rf = (fs/qc)*100 [%]

55

Tableau 1. Pentes maximales obtenues par calcul pour un facteur de sécurité = 1 et .

Hauteur h 5m 7m 10m 15m

L(*)

[m] L [m] L [m] L [m]

Sans prise en compte de succion : ca=0kPa

34 7.4 34 10.4 34 14.8 34 22.2

Avec prise en compte de succion ca=6.7kPa

65 2.3 60 4 50 8.5 45 15

* L’angle et la distace L sont définis à la Figure 9

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

01/12/09 05/01/10 09/02/10 16/03/10 20/04/10

Zu

igin

g (

ua-u

w)

[k

Pa

] 1m60 diepte 2m10 diepte 3m20 diepte 4m diepte

Sols non saturés: talus à Gasthuisberg (Leuven)

Sols non saturés: parois berlinoises à Wetteren

56

0123456789

10111213141516171819

0 10 20 30

Prof

onde

ur [

m]

Résistance au cône qc

Résistance totale au frottement Qst

0 10 20 30

0 25 50 75

qc [MPa]

Qst [kN]

57

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Pro

fon

deu

r [m

]

Moment [kNm]

mesure

calcul sans cohesion apparente

calcul avec cohesion apparente

surface

niveau de l'excavation

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 1 2 3 4 5

Pro

fon

de

ur

[m]

Cohesion apparente [kPa]

Nappe phréatique (NP)

Sols non saturés: parois berlinoises à Wetteren

Comment intégrer l’effet des pressions de succion dans la pratique

Mesures au moyen de tensiomètres/Watermark avant l’excavation afin d’avoir une idée

de la succion

Première estimation de la cohésion

Essais de compression simple et/ou courbes de rétention

Meilleure estimation: coefficient d’insécurité réduit

Précautions pour maintenir la succion en fonction des:

Conditions sur le site

(eau: protection, système de drainage, …)

Période de l’année

Type de sol (perméabilité & courbe de rétention)

Contrôle: mesures continues de la succion/teneur en eau

58

59

Mesures de déformation

Inclinomètre → SAAF

VERTICALEMENT

HORIZONTALEMENT

a

a

Point fixe

Point fixe

α max = +/- 45 °

Mesures de déformation

SAAF

Fibres

optiques

incorporés

dans

géotextile

FBG

horizontalement

SAAF

“FBG

extensomètre”

Fibres optiques pour la mesure de contraintes

Fibres optiques: divers types

exemples BOTDA (Brillouin)

Brillouin shift is temperature and strain

sensitive

Use of pulsed light enables localization

Spectral analysis of the scattered light provides

the Temp. and strain information

Équipement innovatif

pour suivi en ligne

Contraintes et moments dans les profilés

HEB

64

Instrumentation sous la voie ferrée:

Inclinomètre horizontal continue (SAAF)

Inclinomètre horizontal traditionnel

09/11/11

20u

14/12/11

13u45

08/12/11

7u

17/01/12

11u

18/01/12

17u

17/02

13u 20/02

12u 21/02

16u

25/02

3u

09/03/12

10u

09/03

17u

12/03

7u

15/03/12

6u

Équipement innovatif

pour suivi en ligne

65

Equipement innovatif pour suivi en ligne: info

Conclusions

Les informations géologiques et géotechniques disponibles sur l’internet permettent

d’obtenir un premier aperçu des conditions du sol.

Des documents pour l’application des normes européennes sont disponibles ou en

préparation

Les développements récents dans les essais géotechniques permettent d’une part une

détermination plus précise des paramèters géotechniques, et d’autre part la

détermination de paramètres à introduire dans des calculs avancés.

Les techniques récentes de surveillance géotechnique ouvrent de nouvelles

perspectives pour le suivi continu et/ou en ligne des projets.

En résumant on peut conclure qu’il est possible de mieux gérer les risques géotechniques

par une reconnaissance qualitaive et quanttative.

66