Mémoire de fin d'étude " Caractérisation et classification géomécanique du massif rocheux d’Aokas Bejaia "

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique

Universit Abderrahmane Mira de Bejaia

Facult de Technologie

Dpartement des Mines et gologie

Thme

Caractrisation et classification gomcaniquedu massif rocheux dAokas Bejaia

Soutenu le 28 / 06 /2016 devant le jury compos de:

Prsident: Mr. Maza Mustapha Professeur U.A.M.BPromoteur: Mr. Boukarm Riadh M.A.B U.A.M.BExaminateur: Mr. Fredj Mohamed M.A.A U.A.M.B

Anne Universitaire: 2015-2016

En vue de lobtention du Diplme de Master en Mines

Option : Exploitation Minire

Prsent par :

Chekir Mohammed

Mani Nidal

Au terme de notre travail nous tenons exprimer toute notre reconnaissance dieu

qui nous a donn la force, la volont et le courage pour accomplir ce modeste travail.

On tient tout dabord exprimer toute notre gratitude et tout le respect notre

promoteur Monsieur Boukarm Riadh pour sa bienveillance, son soutien et ses

encouragements, sans lui, ce travail n'aurait pu tre accompli. On remercie aussi

Madame Kicher pour son soutien et ses conseils durant notre priode de stage.

On remercie aussi les membres de jury monsieur Maza Mustapha et monsieur Fredj

Mohamed qui ont accept dvaluer notre travail.

Je remercie mes trs chers parents qui mont guid durant les moments les plus

pnibles de ce long chemin, Ma mre qui m'a donn l'espoir d'exceller dans mes

tudes, et mon pre qui a sacrifi toute sa vie afin de me voir devenir ce que je suis, Je

remercie ma sur Meryem qui na cesser de mencourager durant toute mes annes

dtudes, toute ma famille, mes surs et mes amis qui mont encourag raliser ce

travail.

Mohammed

Je remercie toute ma famille en particulier ma trs chre mre et mon cher pre et mes

chers surs qui mont encourag tout le long de mes annes dtudes, ainsi qu tous

mes amis et mes proches.

Nidal

On remercie tout responsables de luniversit et les enseignants du dpartement des

Mines et gologie.

On remercie Monsieur Bouabid Nacer chef de chantier lentreprise CAN Algrie qui

nous a vraiment aids raliser ce travail ainsi que tous les personnels de cette

entreprise.

On remercie en particulier Monsieur Hellal Nassim chercheur lUSTHB qui nous a

beaucoup aids avec ces rapports sur le massif dAokas.

tous ceux qui ont contribu de prt ou de loin mener terme ce travail.

Je ddie ce modeste travail :

A Ma chre mre Naima et mon cher pre Mustapha.

A Mes chres surs : Meryem, Zineb, Lisa et Anfel.

Aux Familles : Chekir, Slimoune.

A Mes chers(e) amis(e) en particulier : Yasser, Minou, Sofiane, Nassim, Noro, Brahim,

Hamza, Bachir, ainsi qua tout mes amis de C112 Aamriw, mes copains de R.U.17

octobre 1967 .

A Tous ceux qui de loin ou de prs nont cess de mapporter leur soutien pendant mes

annes dtudes

A Tous les tudiants(e) en master 2 Mines et gologie.

Mohammed

Je ddie ce modeste travail :

A ma chre mre Karima et mon cher pre Essaid

A Mes chres surs : Ines, Ahlam et Chorouk.

A toute ma Famille.

A Mes chers(e) amis(e) en particulier :Nassim, Imad, Mohamed, Salah, Lamin, Saci,

mounir, Massi, Koceila, Anis, Zino, Oussama, Chouib et tout mes copains de

chambre I214.

A Tous ceux qui de loin ou de prs nont cess de mapporter leur soutien pendant mes

annes dtudes.

Nidal

Sommaire

Liste dAbrviations

Liste de figures

Liste de tableaux

Introduction gnrale.................................................................................................................. 1

Chapitre I : Les massifs rocheux : structure et comportement mcanique.... 3

I.1- Introduction ............................................................................................................................... 3

I.2- Structure gomtrique des massifs rocheux ................................................................. 3

I.2.1- Aspect gologique..................................................................................................................... 4

I.2.2- Paramtre gomtrique des discontinuits ........................................................................ 7

I.2.3- Modle gomtrique des discontinuits ............................................................................. 8

I.3- La matrice rocheuse..................................................................................................... 10

I.3.1- Classification gologique des roches ........................................................................... 10

I.3.2- Comportement mcanique des roches ....................................................................... 11

I.3.2.1- Rsistance en compression........................................................................................ 11

I.3.2.2- Rsistance la traction ......................................................................................... 12

I.3.2.3- Critre de rupture ..................................................................................................... 13

I.4- Les discontinuits ......................................................................................................... 13

I.4.1- Morphologie dune discontinuit ............................................................................... 14

I.4.2- Comportement mcanique dune discontinuit ........................................................ 15

I.4.2.1- Rsistance au cisaillement ........................................................................................ 15

I.4.2.2- Critre de rupture dune discontinuit .................................................................. 16

I.5- Conclusion...................................................................................................................... 17

Chapitre II : Mthodes de classification des massifs rocheux........................... 18

II.1- Introduction ................................................................................................................ 18

II.2- Les classifications gomcaniques........................................................................... 18

II.2.1- Types et buts des systmes de classification ............................................................ 18

II.2.2- Rock Quality Designation (RQD) .............................................................................. 20

II.2.3- Rock Mass Rating (RMR) .......................................................................................... 22

II.2.4- Le Q Systme ............................................................................................................ 24

II.2.5-Le Gological Strenght Index (GSI) ........................................................................... 27

II.3- Slope Mass Raiting (SMR) ............................................................................................ 28

II.4- Commentaire sur les systmes de classification................................................... 32

II.5- Conclusion .................................................................................................................... 32

Chapitre III : Les mouvements de terrain ............................................................... 34

III.1-Introduction ............................................................................................................... 34

III.2-Type de mouvement de terrain ............................................................................... 34

III.2.1-Les mouvements rapides et discontinus ................................................................... 34

III.2.1.1-Les croulements ..................................................................................................... 35

III.2.1.2- Les chute de blocs .................................................................................................. 35

III.2.1.3- Lboulement .......................................................................................................... 36

III.2.2- Les mouvements lents et continus............................................................................ 37

III.2.2.1- Les glissements........................................................................................................ 37

III.2.2.2- Laffaissement ........................................................................................................ 39

III.2.2.3- Le Fluage ................................................................................................................ 39

III.2.2.4- Le tassement............................................................................................................ 40

III.2.2.5- Solifluxion ............................................................................................................... 40

III.3-Conclusion ..................................................................................................................... 41

Chapitre IV : Prsentation du site dtude Cap Aokas ....................................... 42

IV.1-Introduction ................................................................................................................ 42

IV.2-Situation Gographique ............................................................................................ 42

IV.3-Cadre gologique rgional ....................................................................................... 43

IV.3.1-Un domaine septentrional ou Babors sensu stricto (s.s) ........................................ 43

IV.3.2-Un domaine mridional ou subbaborien .................................................................. 43

IV.4-Place du secteur dtude dans lunit du Barbacha .......................................... 43

IV.5-Tectonique .................................................................................................................... 44

IV.6-Sismicit ........................................................................................................................ 44

IV.7-Gomorphologie de la zone dtude ...................................................................... 45

IV.8- Gologie Locale........................................................................................................... 46

IV.8.1- Les calcaires dolomitiques du jurassique infrieur ................................................ 46

IV.8.2-Les calcaires brchiques intra-formationnels ......................................................... 47

IV.8.3-Les marno-calcaire plitiques dge crtac infrieur ............................................ 47

IV.8.4-Les colluvions grossires quaternaires ..................................................................... 47

IV.8.5-Les terrasses graveleuses marines ............................................................................ 48

Chapitre V : Problmes engendrs par ce massif rocheux ............................... 49

V.1-Historiques des mouvements gravitaires falaise de Cap Aokas ....................... 49

V.1.1-Eboulement de Cap Aokas en 2005 ............................................................................ 49

V.1.2-Eboulement davril 2014 ............................................................................................. 49

V.1.3-Eboulement de fvrier 2015 ....................................................................................... 50

V.2-Causes possibles ........................................................................................................... 50

V.2.1-Analyse de la fracturation de la zone dtude .......................................................... 50

V.2.2-Les joints de stratification .......................................................................................... 50

V.2.3-Les discontinuits lies la tectonique ...................................................................... 51

V.2.4-Karstification ................................................................................................................ 52

V.2.5-Hydro-climatologie et Hydrogologie ........................................................................ 52

V.3-Conclusion ..................................................................................................................... 53

Chapitre VI : Etude de confortement contre les boulements de la falaise

Cap Aokas ............................................................................................................................ 55

VI.1-Introduction ................................................................................................................. 55

VI.2-Nature et position des ouvrages de protection .................................................... 55

VI.3-Donnes topographiques ........................................................................................... 58

VI.4-Calculs de trajectographie ...................................................................................... 59

VI.4.1-Hypothse de base ...................................................................................................... 59

VI.4.2-Ala de propagation .................................................................................................. 60

VI.4.3-Nature des sols ........................................................................................................... 61

VI.4.4-Gomtrie du merlon ................................................................................................ 62

VI.4.5-Points de dpart des trajectoires .............................................................................. 63

VI.4.6- Zones de mesures ...................................................................................................... 64

VI.5-Rsultats ...................................................................................................................... 65

VI.5.1-Ala de propagation avant travaux .......................................................................... 65

VI.5.2-Dtermination de lala de propagation rsiduel ................................................... 65

VI.5.3-Cas de blocs de 40 m.................................................................................................. 68

VI.6-conclusion .................................................................................................................... 70

Chapitre VII : Caractrisation et classification du massif dAokas ............... 71

VII.1-Introduction .............................................................................................................. 71

VII.2-Etude des discontinuits ......................................................................................... 71

VII.2.1-Description des discontinuits et des affleurements ............................................. 71

VII.2.1.1- information en en-tte .......................................................................................... 72

VII.2.1.2- caractristiques rocheuse .................................................................................... 72

VII.2.2-Mesure de lorientation des discontinuits ............................................................ 74

VII.2.2.1-Mesure de lespacement ....................................................................................... 74

VII.2.2.2-Persistance ............................................................................................................. 75

VII.2.2.3-La forme ................................................................................................................. 75

VII.2.2.4-Rugosit .................................................................................................................. 75

VII.3-La prsentation des donnes et des mesures ..................................................... 76

VII.3.1-Le premier affleurement ......................................................................................... 76

VII.3.1.1-La projection strographique ............................................................................. 78

VII.3.2-Le deuxime affleurement ....................................................................................... 80

VII.3.2.1-La projection strographique ............................................................................. 83

VII.4-Caractrisation du massif ....................................................................................... 83

VII.4.1-Calcul du RQD ......................................................................................................... 83

VII.4.2-Calcul du RMR ........................................................................................................ 85

VII.5-Calcul du SMR ......................................................................................................... 87

VII.6-Conclusion ................................................................................................................. 88

Conclusion gnrale.......................................................................................................... 89

Rfrences bibliographiques ......................................................................................... 90

Annexes

Liste dAbrviations

UCS : La rsistance en compression uniaxiale.

E : Le module de Young.

: Le coefficient de Poisson.

t: rsistance la traction.

P: charge la rupture.

D: diamtre de l'prouvette.

L: longueur de l'prouvette.

: contrainte de cisaillement

c: cohsion

: contrainte normale

: angle de frottement interne

p : la rsistance au pic.

c: la cohsion sur la discontinuit.

n : la contrainte normale.

p : langle de friction de la discontinuit.

r: la rsistance rsiduelle.

: la contrainte normale.

r : langle de friction rsiduel

: la rsistance au cisaillement.

: la contrainte normale.

r: langle de friction rsiduel de la discontinuit.

JRC (Joint Roughness Coefficient): le coefficient de rugosit, qui peut tre estim partir des

profils de joints.

JCS (Joint Compressive Strength): le coefficient qui reprsente la rsistance la compression

du joint.

RQD: Rock Quality Designation.

RMR: Rock Mass Rating.

A1 : Rsistance en compression uniaxiale de la roche intacte;

A2: Rock Quality Index (RQD);

A3 : Espacement des diaclases;

A4 : Condition des joints;

A5 : Ltat dinfiltration deau souterraine; et

A6 : Orientation des discontinuits.

Q Systme: Mass Quality ou Tunnelling Quality Index

JN: Nombre de familles de joints.

JR: Indice de rugosit des joints.

JA: Indice de laltration des joints.

JW: Facteur de rduction pour la prsence deau.

SRF: Facteur de rduction pour les contraintes in situ.

SMR: Slope Mass Raiting

F1, F2, F3: Sont des facteurs d'ajustement lis joint orientation par rapport l'orientation des

pentes.

F4 : facteur de correction.

A : dsigne l'angle entre les frappes de la face de la pente (p) et celle des articulations (Aj),

soit (comme j).

j : angle dinclinaison de discontinuit.

KJ : kilos jouls

Liste de figures

Chapitre I:

Fig I.1: Structure gomtrique du massif rocheux de calcaire la falaise dAokas (Bejaia) .. 4

Fig I.2 : Diffrentes structures gomtriques des massifs rocheux fracturs ............................. 5

Fig I.3: Types de structures des massifs rocheux avec les reprsentations statistiques

correspondantes ................................................................................................................................... 6

Fig I.4 : Mesures de lorientation du plan de discontinuit, diffrents types de reprage ....... 7

Fig I.5: Modles gomtriques des discontinuits ......................................................................... 9

Fig I.6: Schma de principe dun essai de compression uniaxiale ............................................ 11

Fig I.7: Schma de principe dun essai de compression triaxiale .............................................. 12

Fig 1.8: Dispositif pour un essai brsilien .................................................................................... 13

Fig 1.9 : Caractristiques des discontinuits dans un massif rocheux ...................................... 15

Fig I.10: Schma de principe dun essai de cisaillement ............................................................ 16

Fig I.11: Rsistance de cisaillement dun joint ............................................................................ 17

Chapitre II:

Fig II.1: Illustration graphique des paramtres de caractrisation du RMR ........................... 22

Fig II.2 : orientation dune pente de type plane ........................................................................... 29

Chapitre III :

Fig III.1 : Chute de bloc au Cap Aokas en fvrier 2015 ............................................................ 36

Fig III.2 : Eboulement rocheux ...................................................................................................... 36

Fig III.3: Schma des deux types de glissement ......................................................................... 38

Fig III.4 : Affaissement sur la route nationale N24, reliant Bejaia Tizi-Ouzou par Azzefoun

.............................................................................................................................................................. 39

Fig III.5 : Exemple dun fluage ..................................................................................................... 39

Fig III.6 : Le tassement ................................................................................................................... 40

Fig III.7: Schma du mcanisme de solifluxion .......................................................................... 41

Chapitre IV :

Fig IV.1 : extrait de la carte topographique de Bejaia .................................................................. 42

Fig IV.2 : La carte gologique du massif Aokas ......................................................................... 46

Chapitre V :

Fig V.1 : Ecroulement de la falaise rocheuse en 2005 ................................................................ 49

Fig V.2 : Dgts causs par lboulement de fvrier 2015 ......................................................... 50

Fig V.3 : Plan de stratification lancienne route RN9 .............................................................. 51

Fig V.4 : Karstification prs de la route RN9 (Partie Est du massif) ........................................ 52

Chapitre VI :

Fig VI.1 : positionnement des ouvrages de protection ................................................................ 56

Fig VI.2 : Localisation des crans EC1 EC4 et du merlon ...................................................... 56

Fig VI.3 : cran EC2 et EC3 respectivement ............................................................................... 57

Fig VI.4 : positionnement des crans EC1 EC2 EC3 .................................................................. 57

Fig VI.5: positionnement de lcran EC4 ..................................................................................... 58

Fig VI.6 : (a) courbe de niveau tous les 0.5m (b) modlisation de la falaise (MNT) (c) Leica

Scan station P20 scanner laser Ultra-rapide .................................................................................. 59

Fig VI.7 : Nature des sols ............................................................................................................... 62

Fig VI.8 : Gomtrie du merlon cot Aokas ................................................................................ 63

Fig VI.9 : Gomtrie du merlon cot Bejaia ................................................................................ 63

Fig VI.10 : Les zones de dpart de trajectoire ............................................................................. 64

Fig VI.11 : Les zones de mesures .................................................................................................. 65

Fig VI.12 : Reprsentation d'une slection de 1000 trajectoires avec le dispositif d'crans en

place et le merlon .............................................................................................................................. 66

Fig VI.13 : Les points darrt des trajectoires pour 100 000 trajectoires modlises ............. 67

Fig VI.14 : un cas de franchissement du merlon ......................................................................... 67

Fig VI.15 : Rpartition cumule des nergies maximums observes lors de la chute de

100000 blocs sur une vue en plan. La ligne reprsentant la position du parement amont du

merlon n'est pas sollicite au del de 25 000 Kj ........................................................................... 69

Chapitre VII :

Fig VII.1: conseil pour lorientation des ensembles de discontinuits ..................................... 74

Fig VII.2 : plan dun affleurement avec deux ensembles de discontinuits ............................ 75

Fig VII.3: profils de rfrence et chiffres-cls pour la dtermination du coefficient de rugosit

du joint (JRC) .................................................................................................................................... 76

Fig VII.4 : des photos du premier affleurement ........................................................................... 78

Fig VII.5: Projection strographique des discontinuits du premier affleurement ............... 80

Fig VII.6: laffleurement du deuxime site .................................................................................. 82

Fig VII.7 : projection strographique des discontinuits du deuxime affleurement ........... 83

Fig VII.8 : des photos de fentres ralises pour estimer le nombre de joints par m ............ 84

Liste de tableaux

Chapitre II :

Tableau II.1: Systmes de classification du massif rocheux ..................................................... 19

Tableau II.2 : corrlation entre lindice RQD et la qualit du massif rocheux....................... 21

Tableau II.3 : Classification du massif rocheux selon le RMR; traduit de Bieniawski ......... 24

Tableau II.4: Paramtres de la classification du systme Q ...................................................... 25

Tableau II.5 : valuation de la cote Q et de la qualit du massif ............................................. 27

Tableau II.6 : le Tableau de classification de Romana (Annexe 1) [26] .................................. 30

Tableau II.7 : Les diffrentes classes de stabilit par la valeur du SMR ................................. 31

Tableau II.8: les suggestions de soutnement selon la classe du SMR ................................... 31

Chapitre VI :

Tableau VI.1 : les alas de propagation par trajectographie ..................................................... 61

Tableau VI.2 : Les rsultats obtenus par comptage .................................................................... 68

Chapitre III :

Tableau III.1 : Principales classes et types de dstabilisation sur les versants en fonction des

terrains concerns (daprs Campy M, Macaire J.J. 2003) .......................................................... 37

Chapitre VII :

Tableau VII.1: Critre destimation de la rsistance de la roche ............................................. 72

Tableau VII.2 : degrs daltration de la roche .......................................................................... 73

Tableau VII.3 : Rsultats des essais gomcaniques au laboratoire, moyennes rgionales . 85

Tableau VII.4 : les valeurs du RMR et ces paramtres dans des diffrentes valeurs ............ 85

Tableau VII.5 : les valeurs du SMR ............................................................................................. 87

Introduction gnrale

1

Introduction gnrale :

Un massif rocheux sur lequel ou dans lequel on va faire une caractrisation est, a priori, un

objet parfaitement dfini. Ses caractristiques lithologiques, structurales, gomcaniques sont

des donnes dont les variations dans le temps et lespace obissent des lois objectives

accessibles lobservation et la mesure. Toutefois, en pratique, cette connaissance est

toujours trs imparfaite. Elle rsulte de linterprtation et de la synthse dun ensemble de

donnes rsultant :

De la connaissance de lhistoire gologique du site,

De lexamen des affleurements,

Des reconnaissances par mthodes gophysiques,

Des donnes de sondages,

Des rsultats dessais de laboratoire et dessais in situ.

Les roches et les massifs rocheux sont la fois complexes et opaques. Mme les plus simples

en apparence peuvent rserver des surprises. Pour connaitre leurs composants, leurs

structures, et ce qui sy passe, lingnieur dispose de mthode de reconnaissance et

dauscultation, depuis les mthodes de la gologie > avec le marteau et la

boussole, jusqu des technologies et mtrologies de pointe, en passant par des techniques

classiques (forage, prlvement dchantillons, essais de laboratoire et in situ, mthodes

gophysiques, etc.), toutes mthodes qui font des progrs plus ou moins rapides. On

sattachera surtout ici aux aspects qui concernent le comportement mcaniques [7].

Les trois premiers chapitres tant caractre bibliographique.

Nous prsenterons, dans le chapitre 1, une tude bibliographique concernant la structure

gomtrique des discontinuits et leur comportement mcanique, ainsi que celui de la matrice

rocheuse.

Le chapitre 2 est en rapport avec les mthodes de classification des massifs rocheux.

Nous exposerons, en premier lieu, les classifications gomcaniques les plus utilises

(RQD, RMR, Q-system, GSI et SMR). Puis, nous prsenterons leurs avantages, les

diffrentes corrlations existant entre leurs indices et les paramtres mcaniques des

massifs rocheux.

Le chapitre 3 on parlera des mouvements de terrain qui ont des caractristiques tre

difficilement prvisible et constituent un danger pour la vie humaine, en raison de son

intensit, de la soudainet et du caractre dynamique de son dclenchement. Qui a un

rapport avec les la structure du massif rocheux.

Introduction gnrale

2

Les chapitres 4 et 5, on fera une prsentation du site dtude Cap Aokas sa situation

gographique ainsi que son cadre gologique et bien sur la gologie locale et les

problmes engendrs par ce massif, lhistorique des accidents survenus les dgts et

les causes possibles de ces accidents qui sont en relation avec le comportement

mcanique de ce massif

Le chapitre 6 on prsentera ltude de confortement ralise par IMSRN (Algrie)

(Ingnierie des mouvements des sols et des risques naturels) et les diffrents ouvrages

de protection et leur positionnement ainsi que ltude trajectographique des chutes des

blocs.

Le chapitre 7 on applique les calculs mesurs sur site pour calculer le RMR afin de

dfinir la qualit de la roche du massif pour le classifier, et lutiliser pour calculer le

SMR ce dernier nous qualifie la nature de la pente de la falaise et nous permet davoir

des recommandations de stabilisation et soutnement.

Chapitre I : les massifs rocheux : structure et comportement mcanique

3

Chapitre I : Les massifs rocheux : structure et comportement mcanique

I.1- Introduction :

Dans ce chapitre nous prsentons une tude bibliographique sur les constituants dun massif

rocheux. Elle concerne la structure gomtrique des discontinuits, leur comportement

mcanique ainsi que celui de la matrice rocheuse. Ce chapitre prsente une matire

bibliographique bien utile pour la dfinition :

Des familles de fractures pour lesquelles lapplication de la mthode de classification

est pertinente.

Des proprits lastoplastiques dfinissant les lois de comportement dune matrice

rocheuse ainsi que de leur ordre de grandeur pour diffrents types de roche.

Des caractristiques gomtriques des fractures ainsi que de leur plage de variation.

Des paramtres caractrisant le comportement lastoplastique des discontinuits ainsi

que de leur ordre de grandeur.

Une analyse des diffrents sujets cits ci-dessus est tablie. Nous nous servons de cette

analyse pour appuyer le choix des divers paramtres gomtriques et mcaniques de la roche

et des discontinuits que nous ferons au un autre chapitre pour tablir la base de donnes de

notre classification numrique.

I.2- Structure gomtrique des massifs rocheux :

Les massifs rocheux, structures trs complexes, sont forms dune juxtaposition de matriaux

htrognes. Ils sont assimils un assemblage de blocs appels matrice rocheuse qui sont

dlimits par des discontinuits constitues de fissures, de fractures ou de failles ou encore de

limites stratigraphiques (Fig I.1).


4

Fig I.1: Structure gomtrique du massif rocheux de calcaire la falaise dAokas (Bejaia).

Le comportement mcanique des massifs rocheux est un facteur essentiel dans le

dimensionnement des ouvrages qui y sont excuts. Afin de comprendre, expliquer et

modliser ce comportement, il est ncessaire de connatre la structure gomtrique ou plus

prcisment le modle de distribution gomtrique des fractures, ainsi que les proprits

mcaniques de chacune des composantes que sont la matrice rocheuse et les discontinuits.

I.2.1- Aspect gologique :

Pour tudier le comportement mcanique ou hydraulique dun massif rocheux, il est essentiel

de connatre son degr de fracturation ainsi que la rpartition des discontinuits dans lespace.

Des mesures in-situ permettent de dfinir les diverses familles de discontinuits et leurs

paramtres de faon statistique.

Lensemble des discontinuits dans un massif rocheux est le rsultat de la superposition de

diffrentes familles. Chaque famille peut avoir des lois de distribution et des caractres

statistiques diffrents. Donc, pour ajuster les lois de distribution dune famille, il faut

distinguer cette famille dans lensemble des discontinuits. La mthode classique de

classification est celle de la projection strographique.


5

Lobjectif principal dune tude gomtrique des discontinuits est de dterminer :

Si elles sont classables en familles (orientations voisines)

Si elles structurent le massif rocheux en blocs (continuit et connectivit importantes).

Le premier classement des discontinuits observes sur le terrain consiste les grouper en

populations homognes du point de vue structural ; il faut donc prciser la nature gologique

et tectonique de tous les lments structuraux relevs.

Divers auteurs ont essay de regrouper les structures gomtriques des massifs rocheux dans

des catgories bien dfinies. La figure 1.2 illustre une srie de massifs rocheux cite par

Palmstrm [1995]. Nous distinguons les massifs blocs polydriques, equidimensionnels,

prismatiques ou en colonnes, les massifs bancs minces dont lpaisseur est moins paisse

que leur longueur et les massifs comprenant plusieurs familles de fractures.

Fig I.2 : Diffrentes structures gomtriques des massifs rocheux fracturs. [1]

Le Manuel de Mcanique de Roche (CFMR-MMR [2000]) vient appuyer dans ce sens la

dfinition des divers types dj cits ci-dessous. Parmi plusieurs variantes plus complexes

mais moins significatives, trois modles gomtriques principaux sont illustrs dans (Fig I.3)

Forms de blocs paralllpipdiques (Fig I.3-a), beaucoup de granites et de calcaires

massifs montrent trois familles de fractures trirectangulaires. Tous les joints sont

continus. Afin de calculer les proprits mcaniques dun tel massif, des solutions

analytiques sont possibles. Toutefois il faut noter que cette forme gomtrique parat

trs idalise.


6

Le schma de la figure (I.3-b) reprsente un massif caractre sdimentaire dont lune

des directions prend davantage dimportance et les diaclases perpendiculaires sont

moins continues. Cette dfinition peut correspondre des calcaires bancs minces,

des alternances de marnes et de calcaires, de grs et de marnes des formations

appeles flyschs ou des roches schisteuses. Les observations montrent que

lespacement entre les bandes est souvent quivalent la taille des diaclases ou sa

moiti. Ces types de massifs sont trs courants mais non accessibles des traitements

analytiques simples; le recours des mthodes dhomognisation numriques nous

semble trs pertinent. Du point de vue gomtrique, la structure de ces massifs est

dfinie par un nombre limit de paramtres que nous prciserons dans le paragraphe

suivant.

Souvent situes dans des zones tectonises, les roches crases comme les schistes et

les brches de faille prsentent une direction danisotropie largement disperse. Dans

un tel type de massif (Fig I.3-c), la prcision dun nombre bien dfini de familles de

fractures nest pas vidente. Toutefois, des mthodes empiriques approximatives

permettent le calcul de leurs proprits mcaniques. [2]

a- Roche massive trois familles grossirement quivalentes

b- Massif rocheux stratifi ou schisteux une famille prpondrante

c- Roche crase ou schiste froiss o la famille prpondrante est largement disperse

Fig I.3: Types de structures des massifs rocheux avec les reprsentations statistiques

correspondantes. [3]


7

I.2.2- Paramtre gomtrique des discontinuits :

La modlisation de la distribution spatiale et de lemplacement des familles de fractures dans

un massif rocheux fractur est fonde principalement sur la connaissance des paramtres

gomtriques des discontinuits. Chacun de ces derniers est associ une variable alatoire

dont les lois de distribution sont dduites des donnes acquises sur le terrain. Dans ce qui suit

nous dfinissons sommairement chacun de ces paramtres. Cette dfinition est un pralable

ncessaire ltablissement de notre classification numrique.

A- Orientation :

Les orientations des discontinuits dterminent la forme de blocs individuels existant dans un

massif rocheux et par suite elles sont responsables de leur anisotropie qui gouverne leur

comportement hydraulique et mcanique.

Une premire hypothse simplificatrice sur la gomtrie des discontinuits consiste

supposer que ces surfaces sont des plans. La reprsentation dun plan dans lespace peut se

faire de diverses manires partir du vecteur pendage ou de la normale oriente.

Le pendage est langle que fait la ligne de plus grande pente avec lhorizontale. La direction,

ou azimut, est langle que fait lhorizontale du plan de la discontinuit avec le Nord

magntique.

La distribution de lorientation et du pendage est souvent reprsente par une loi

hmisphrique, normale ou log-normale. [2]

Fig I.4 : Mesures de lorientation du plan de discontinuit, diffrents types de reprage [38]


8

B- Extension :

La taille des fractures conditionne, avec leur orientation et leur espacement, leur probabilit

dintersection. Par consquent, elle joue un rle essentiel dans la connectivit des blocs. Une

fracture est souvent assimile une forme gomtrique simple dont une dimension

particulire dfinit son extension (exemple : diamtre dun disque dans lespace, longueur

dun segment dans un plan). Cette dimension nest pas accessible directement ; il faut la

dduire de la continuit des traces observes sur laffleurement. Les diamtres peuvent suivre

une loi exponentielle dcroissante ou log-normale. [2]

C- Espacement :

Cest la distance moyenne qui spare deux intersections successives d'une ligne droite,

appele galement ligne dchantillonnage, avec les traces de fractures dun affleurement.

Cette grandeur dpend de la ligne de lev et de lextension des discontinuits. En effet, pour

un nombre constant de traces sur une surface, les traces longues ont plus de chances dtre

intersectes par la ligne de lev et paraissent plus rapproches. [2]

D- Densit :

Cette grandeur est en relation directe avec lespacement. Les modles gomtriques des

discontinuits dcrivent leur position dans lespace en prcisant la localisation dun point

reprsentatif, par exemple, le centre dun disque ou dun segment qui est souvent ajust par

une loi uniforme. Le nombre de centres considrs dans un volume ou sur une surface dfinit,

respectivement, la densit volumique et la densit surfacique des fractures. Quant la densit

linique, elle est dfinie comme tant linverse de lespacement ou le nombre dintersections

entre les discontinuits et la ligne dchantillonnage. [2]

E- Ouverture :

Ce paramtre affecte largement la permabilit des discontinuits et par suite leur

comportement hydraulique. Il est dfini comme tant la distance entre les deux pontes dune

discontinuit mesure perpendiculairement son plan moyen et il suit gnralement une loi

exponentielle dcroissante ou log-normale. La dtermination de louverture est limite

souvent aux relevs examins directement sur un affleurement ou sur des carottes de

sondages. [2]

I.2.3- Modle gomtrique des discontinuits :

Les lois caractrisant le processus de rpartition des fractures dans lespace et les paramtres

gomtriques des fractures sont estimes partir du traitement statistique ou gostatistique

des discontinuits. Ces lois sont introduites dans des modles gomtriques de simulation qui

gnrent les fractures dans un espace tridimensionnel.


9

Plusieurs modles gomtriques existent dans la littrature. A savoir, les plans poissonniers de

Dershowitz [1984] (Fig I.5-a) et les disques de Baecher et al. [1977] (Fig I.5-b) qui sont les

plus utiliss grce leur traitement mathmatique simple. Ce modle prsente un intrt qui

rside dans la possibilit destimer la loi de distribution des diamtres des disques partir de

la longueur des traces.

Le processus de gnration des familles seffectue suivant des mthodes diverses. Nous

distinguons, parmi les plus employs, le processus de Poisson densit constante v dans

lequel les centres de disques sont gnrs dans un volume V en tirant au hasard leur nombre N

suivant une loi de Poisson de densit vV. Ensuite les coordonns des centres sont rpartis

suivant une loi uniforme. Cette phase est suivie par une gnration de lorientation, du

diamtre et de louverture de chaque discontinuit dune manire indpendante par tirage au

hasard dans la distribution correspondante.

Le modle des salves est plus complexe que celui de Poisson densit uniforme. Il a t

utilis par plusieurs auteurs pour simuler des rseaux de fractures (Massoud [1987] et Billaux

[1990]). Dans ce modle, la densit des fractures nest pas constante et les fractures sont

rgionalises dans lespace (Fig I.5-c).

(a) modle de disque. [4] (b) modle polygonal. [5]

(c) modle de salves. [6]

Fig I.5: Modles gomtriques des discontinuits.


10

Afin de gnrer les familles de fractures de notre classification numrique, le modle des

disques a t utilis. Les centres de ces derniers ont t distribus dans lespace suivant un

processus de Poisson densit uniforme.

I.3- La matrice rocheuse :

I.3.1- Classification gologique des roches :

Le Comit Franais de Mcanique des Roches (CFMR-MMR [2000]) dfinit la roche comme

tant un assemblage de minraux qui ont acquis des liaisons plus ou moins fortes au cours

de leur histoire gologique . [2]

Trois catgories principales sont lorigine de la classification des roches :

a- les roches magmatiques : Les roches magmatiques sont issues de la solidification de

magmas siliceux, liquides aux hautes tempratures et pressions qui rgnent au contact du

manteau et de la lithosphre ; les magmas trs siliceux ( 75 % ), trs visqueux, de type

granitique se solidifient lentement en profondeur pour produire les roches plutoniques ; les

magmas moins siliceux ( 50%), assez fluides, de type basaltique, se solidifient rapidement

en surface pour produire les roches volcaniques. Entre ces deux ples, on pourrait en fait

caractriser une varit continue de magmas, diversifis selon leur teneur relative en silice et

silicates ferro-magnsiens, et donc de roches magmatiques.

b- Les roches sdimentaires : elles rsultent de la dcomposition des roches dorigine

magmatiques ou mtamorphiques et couvrent plus de trois quarts de la surface des continents

et presque la totalit des fonds des ocans. Elles sont caractrises par leur paisseur limite

(calcaires, grs, roches argileuses).

c- Les roches mtamorphiques : les roches mtamorphiques sont issues de roches

magmatiques et /ou sdimentaires retournes en profondeur par leffet de la tectonique de

plaques, recristallises sans fusion selon la temprature et /ou la pression atteintes et revenues

la surface par rosion. Leur minraux principaux sont les mme que ceux des roches

magmatiques, mais le plus souvent ce ne sont plus ceux des roches transformes. Il en va de

mme pour leurs structures et leurs textures ; la plupart ont une structure schisteuse et une

texture folies en raison de lorientation commune des minraux qui les composent et de leur

rpartition en lits. [7]

I.3.2- Comportement mcanique des roches :

Le comportement d'un massif rocheux est complexe, car il dpend des proprits mcaniques

des roches et des discontinuits ainsi que de leurs interactions. Le roc intact est dfini en

termes dingnierie comme tant de la roche ne contenant aucune cassure significative. En

mcanique des roches, le comportement des roches est caractris par les essais suivants :


11

Lessai de la rsistance en compression uniaxiale (NF P 94-420);

Lessai de la rsistance en compression triaxiale (NF P 94-423);

Lessai de la rsistance en tension;

Lessai du double poinonnement.

I.3.2.1- Rsistance en compression :

La rsistance en compression est la rsistance quoppose une roche la rupture lorsquelle est

soumise une sollicitation de compression. Elle est dfinie par la rsistance en compression

qui correspond la contrainte normale maximale supporte par la roche, le module de Young

ou module dlasticit qui correspond la rigidit de la roche et le coefficient de Poisson qui

reflte llasticit de la roche. Ces paramtres sont obtenus grce lessai de compression

uniaxiale dcrit ci-dessous.

a- Essai de compression uniaxiale (NF P 94-420):

Le principe du test consiste appliquer d'une manire croissante une force de compression sur

une carotte de roc intact selon son axe longitudinal (Fig I.6).

Fig I.6: Schma de principe dun essai de compression uniaxiale. [8]

= / (I.1)

P : La pression

F : La force

S : La surface

Les paramtres dterminer au cours de cet essai sont :

La rsistance en compression uniaxiale (UCS) de la roche qui correspond la

contrainte normale au moment de la rupture de la roche;

Le module de Young (E) qui correspond la pente de la zone lastique de la courbe

contrainte dformation axiale de lchantillon;


12

Le coefficient de Poisson () qui correspond la pente de la courbe dformation

latrale - dformation axiale de lchantillon.

b- Essai de compression triaxiale (NF P 94-423):

L'essai de compression triaxiale est destin mesurer la rsistance d'chantillons cylindriques

de roche soumis un tat de compression triaxiale (Fig I.7). Il permet d'obtenir les valeurs

ncessaires la dtermination de l'enveloppe de rupture ainsi que les valeurs d'angle de

frottement interne et de cohsion apparente.

Fig I.7: Schma de principe dun essai de compression triaxiale [8].

I.3.2.2- Rsistance la traction (NF P 94-422) :

La rsistance la traction est la rsistance quoppose une roche la rupture lorsquelle est

soumise une sollicitation de tension. L'essai brsilien permet de mesurer de faon indirecte

la rsistance la traction de la roche. Son principe est de mettre sous contrainte de tension une

carotte de roche par application d'une force de compression suivant son diamtre. La figure

1.7 prsente un dispositif pour un essai brsilien.

La rsistance la traction de la roche teste se calcule comme suit [9]:

t = (2P) / (DL) (I.2)

t: rsistance la traction; P: charge la rupture; D: diamtre de l'prouvette; L: longueur de

l'prouvette.


13

Fig 1.8: Dispositif pour un essai brsilien [9]

I.3.2.3- Critre de rupture :

Un critre de rupture est une relation thorique ou empirique qui caractrise la rupture dune

roche. Il permet de dfinir par une courbe, les zones de stabilit et dinstabilit de la roche

soumise des sollicitations (compression avec ou sans confinement, traction). Les principaux

critres de rupture du roc intact sont le critre de Mohr-Coulomb et le critre de Hoek-Brown.

Ce dernier sera dvelopp la section 2.4. Le critre de Mohr-Coulomb sexprime sous la

forme :

= c + tg (I.3)

: contrainte de cisaillement

c: cohsion

: contrainte normale

: angle de frottement interne

I.4- Les discontinuits :

Une discontinuit est dfinie comme tant toute cassure mcanique ou fracture ayant une

rsistance en tension ngligeable dans une roche (Priest, 1993). Il est important de distinguer

entre les discontinuits naturelles, qui ont une origine gologique et les discontinuits

artificielles qui sont cres par des activits humaines comme lexcavation dun massif

rocheux. Bien que les discontinuits aient souvent une gomtrie irrgulire ou ondule, il y a


14

gnralement une chelle laquelle la surface totale ou une partie de cette surface est

suffisamment plane pour quelle soit reprsente par une seule valeur dorientation [10].

I.4.1- Morphologie dune discontinuit :

Plusieurs paramtres caractrisent la morphologie dune discontinuit. Nous prsentons leur

dfinition de la faon suivante [11] :

Type de roche : Le type de roche est dfini par son origine qui peut tre sdimentaire,

igne ou mtamorphique.

Type de discontinuit : Les types de discontinuit stendent des joints de tension de

longueur limite des failles pouvant atteindre plusieurs kilomtres.

Persistance : Cest la mesure de la longueur continue ou de la surface dune

discontinuit. La longueur des traces des discontinuits est la seule quantification

possible de la dimension des discontinuits sur le terrain.

Rugosit : La rugosit d'une surface de discontinuit est souvent un lment important

en matire de rsistance au cisaillement, en particulier l o la discontinuit est sans

dplacement et imbrique. La rugosit devient moins importante lorsque la

discontinuit est remplie.

Rsistance des pontes : La rsistance de la roche formant les parois des discontinuits

influence la rsistance au cisaillement des surfaces rugueuses. Lorsque des contraintes

leves, par rapport la rsistance des pontes, sont gnres des points de contact

locaux durant le cisaillement, les asprits seront broyes ou cisailles et conduiront

une rduction de la composante relative la rugosit de l'angle de frottement.

Dsagrgation : La dsagrgation contribue la rduction de la rsistance de

cisaillement des discontinuits et du massif rocheux.

Ouverture : Cest la distance perpendiculaire sparant deux pontes adjacentes dune

discontinuit ouverte.

Type de remplissage : Cest le matriau sparant les pontes adjacentes dune

discontinuit.

coulement : L'emplacement de l'infiltration de discontinuits fournit des informations

sur l'ouverture parce que le dbit des eaux souterraines se concentre

presquentirement dans les discontinuits (permabilit secondaire).


15

Fig 1.9 : Caractristiques des discontinuits dans un massif rocheux [11].

I.4.2- Comportement mcanique dune discontinuit :

En vue de dterminer les paramtres affectant leurs proprits mcaniques et sous lhypothse

dune rsistance ngligeable la traction, il est ncessaire de soumettre une discontinuit un

essai de cisaillement et un essai de compression, ces essais permettent de mesurer certains

paramtres utiles pour la caractrisation du comportement mcanique des discontinuits in-

situ.

I.4.2.1- Rsistance au cisaillement (XP P 94-424) :

La rsistance au cisaillement dune discontinuit est la contrainte tangentielle maximale

atteinte lors dun dplacement tangentiel relatif des pontes dune discontinuit. La rsistance

au pic et la rsistance rsiduelle sont dtermines au moyen dun essai de cisaillement tel que

dcrit ci-dessous.

Lessai de cisaillement consiste induire un dplacement relatif des deux pontes dune

discontinuit en maintenant la vitesse constante (Fig I.10). Une contrainte normale est

applique et maintenue constante pendant toute la dure de lessai. Au cours de cet essai, la


16

contrainte tangentielle sur le joint augmente progressivement avec le dplacement tangentiel

jusqu atteindre un maximum qui correspond la rsistance au pic de la discontinuit. Au-

del de cette rsistance, la contrainte tangentielle dcroit plus ou moins fortement pour

atteindre un palier caractrisant la rsistance rsiduelle.

Fig I.10: Schma de principe dun essai de cisaillement; [11]

Un aspect important du comportement mcanique des discontinuits est leur dformabilit.

Cette dernire peut tre mieux explique par les courbes contrainte-dplacement. Sur ces

courbes, la raideur normale de discontinuit est dcrite comme le taux de variation de la

contrainte normale par rapport aux dplacements normaux. La raideur tangentielle est dfinie

par le taux de variation de la contrainte tangentielle par rapport aux dplacements tangentiels

[9].

I.4.2.2- Critre de rupture dune discontinuit :

Un critre de rupture dune discontinuit est une relation thorique ou empirique qui

caractrise la rupture dune discontinuit soumise une sollicitation de cisaillement. Il permet

de dfinir par une courbe, les zones de stabilit et dinstabilit de la discontinuit soumise

des sollicitations de cisaillement. La rsistance au cisaillement dune discontinuit est

gnralement dcrite par le critre de rupture de Mohr-Coulomb dfini par une cohsion et un

angle de frottement. La figure I.11 illustre la dfinition de la rsistance rsiduelle et au pic

dune discontinuit. Cet essai seffectue en laboratoire sur des petits chantillons rendant ainsi

difficile lextrapolation des rsultats lchelle du massif rocheux. En effet, au fur et mesure

que le volume du massif rocheux pris en compte augmente, le nombre de fractures devient

important et leffet dchelle et lanisotropie du massif rocheux doivent tre considrs.


17

Fig I.11: Rsistance de cisaillement dun joint; [11].

La rsistance au pic en cisaillement dune discontinuit sexprime par :

p = c + n tan p (I.4)

p : la rsistance au pic; c : la cohsion sur la discontinuit; n : la contrainte normale; p :

langle de friction de la discontinuit.

La rsistance rsiduelle en cisaillement dune discontinuit sexprime par :

r = tan r (I.5)

r: la rsistance rsiduelle; : la contrainte normale; r : langle de friction rsiduel

Barton a propos un critre de rupture de nature semi-empirique dans lequel la rsistance au

cisaillement dpend de la rugosit des pontes. Ce critre sexprime par la relation suivante

[12]:

= tan [r+JRC log (JCS /)] (I.6)

O apparat : la rsistance au cisaillement; : la contrainte normale; r : langle de friction

rsiduel de la discontinuit; JRC (Joint Roughness Coefficient) : le coefficient de rugosit, qui

peut tre estim partir des profils de joints; JCS (Joint Compressive Strength) : le coefficient

qui reprsente la rsistance la compression du joint.

I.5- Conclusion

Nous avons prsent dans ce chapitre le comportement mcanique et une description de la

structure gomtrique des massifs rocheux caractrise par la prsence des discontinuits.

Nous avons montr la varit et la diversit des cas qui se prsentent pour un massif rocheux.

Parmi les types de massifs prciss par le CFMR-MMR [2000], certains peuvent se prter

des calculs analytiques. Dautres, prsentant des proprits varies et extrmement

complexes, excluent la possibilit dtre facilement homognisable et imposent le recours

des mthodes empiriques approches. Ces mthodes, ainsi que les mthodes analytiques,

feront lobjet du chapitre suivant.

Chapitre II : Mthodes de classification des massifs rocheux

18


II.1- Introduction :

Dans ce chapitre, nous abordons le sujet des mthodes de classification gomcaniques des

massifs rocheux.

En premier lieu, nous prsentons les types de classification existante, puis nous exposons

quatre classifications gomcaniques largement utilises dans le domaine de la Mcanique des

Roches (RQD, RMR, Qsystme, GSI) ainsi que les SMR qui dtermine la stabilit des pentes

et suggre des soutnements selon leurs classes, Les avantages et les limitations de chacune

de ces dernires sont ensuite dtaills.

Nous prsentons ce chapitre dans lobjectif de faire apparatre les avantages que peuvent

apporter les mthodes dhomognisation numriques par rapport aux mthodes

didentification des paramtres mcaniques que nous avons dj mentionnes.

II.2- Les classifications gomcaniques :

II.2.1- Types et buts des systmes de classification :

Les classifications des massifs rocheux fracturs continuent voluer depuis plus dun sicle.

Leur utilisation a un intrt considrable lors de ltude de faisabilit et de dimensionnement

prliminaire dun projet, surtout quand les informations mcaniques, hydrologiques et ltat

de contrainte in-situ du massif rocheux ne sont pas disponibles.

Les systmes de classification prennent en considration plusieurs facteurs affectant la

stabilit des massifs rocheux. Ces facteurs sont relis notamment la rsistance de la matrice

rocheuse, la prsence de leau et la description des discontinuits (nombre de familles,

espacement, rugosit, altration des pontes, matriau de remplissage). Nous nous

intressons, dans ce qui suit, aux systmes de classifications quantitatives, nomms galement

classifications gomcaniques.

Les buts principaux de ces classifications se rsument comme suit :

Estimer indirectement les proprits mcaniques grande chelle dun massif fractur,

en particulier son module de dformation, sa rsistance la compression simple, sa

cohsion et son angle de frottement interne.

Estimer le temps durant lequel le massif rocheux peut tenir sans soutnement (stand-

up time). Cest un indice trs essentiel dans la dtermination de la porte dexcavation.

Donner des recommandations de soutnement des ouvrages.

Daprs Singh et Goel [1999], la popularit des classifications quantitatives drivent de

plusieurs facteurs :


19

Elles reprsentent un langage commun entre les gologues, les ingnieurs, les

concepteurs et les entrepreneurs.

Moyennant ces classifications, lobservation, lexprience et le jugement des

ingnieurs sont mieux corrls.

Les ingnieurs prfrent les nombres aux descriptions. [13]

Ces systmes de classification ont t dvelopps une poque o la plupart des ouvrages

dexcavation sont raliss par technique dessai-erreur. De nos jours, lutilit de ces systmes

nest plus recommande et des prcautions doivent tre appliques lorsque ces documents

sont consults, car ces systmes sont dvelopps pour des conditions dutilisation particulire

ou bien calibrs daprs un nombre trs limit dtudes de cas documents. Actuellement, il

existe plusieurs systmes de classification modernes dans la littrature. Le Tableau 1 numre

ceux-ci, ainsi que les systmes plus anciens.

Tableau II.1: Systmes de classification du massif rocheux [14] ; [1].

Systme de

classification

Rfrence Pays

d'origine

Applications

Rock Loads Terzaghi, 1946 .-U.A Tunnels avec

support en acier

Stand-up time Lauffer, 1958 Autriche Tunnels

New Austrian

tunnelling method

(NATM)

Rabcewicz, 1964/1965, 1975 Autriche Tunnels

Rock Quality

Designation

Deere, 1968 .-U.A. Carottes de forage,

tunnels

Rock Strength

Rating (RSR)

Wickham et al. 1972 .-U.A. Tunnels

Rock Mass Rating

(RMR)

Bieniawski, 1973,1974,

1976,1979 Bieniawski, 1989

Afrique du

Sud

.-U.A.

Tunnels, mines,

SLOPES, fondations


20

Extensions du

systme RMR

Laubscher 1977 ; 1984

Ghose and Raju, 1981

Kendorski et al. 1983

Serafim and Pereira, 1983

Gonzales de Vallejo, 1983

Unal, 1983

Romana, 1985

Newman et Bieniawski, 1985

Norvge Mines

Mines de charbon

Mines en roche dure

Fondations

Tunnels

Support du

toit/charbon

Stabilit des pentes

Mines de charbon

Rock Mass Quality Barton et al. 1974 Canada Tunnels, chambres

Strength-Size Franklin, 1975 - Tunnels

Basic geotechnical

description

ISRM, 1981a Canada Communication

gnrale

Geological strength

index (GSI)

Hoek et al. 1995 Mines

Les systmes le plus utiliss sont sans doute le "Rock Quality Designation" (RQD), "Rock

Mass Rating" (RMR) et "Rock Mass Quality" (systme Q), ainsi que le GSI. Fonds sur des

philosophies diffrentes, ces systmes caractrisent la masse rocheuse de manire distincte

lune de lautre. Essentiellement, ils caractrisent diffrents paramtres relis au comportent

mcanique du massif rocheux. Avant lutilisation dun systme de classification particulier, il

est primordial de bien saisir les subtilits que prsente chacun afin dassurer la compatibilit

avec le massif rocheux tudi.

II.2.2- Rock Quality Designation (RQD):

Deere (1964) propose un paramtre valuant la qualit du roc de la masse rocheuse selon un

index intitul RQD (Rock Quality Designation). Obtenu partir de carotte de forage

gologique, cet indice reprsente lvaluation du pourcentage des carottes rcupres sur une

longueur de course prcise. Base sur un procd qualitatif, seule la somme des longueurs de

morceaux de plus de 10 Cm est conserve et cette somme est divise par la longueur de

course de la carotte de forage. Ce paramtre est dfini comme suit [15] :

RQD(%)=

100 (II.1)


21

Deere et al. (1967) affirment que le RQD savre utile pour dterminer le facteur de rduction

du module de dformation de la roche intacte la masse rocheuse. [16]

La relation entre la valeur du RQD et la qualit du massif peut tre tablie selon la proposition

de Deere (1968) et elle est prsente au Tableau II.2 ci-dessous.

Tableau II.2: Corrlation entre l'indice RQD et la qualit du massif rocheux [17]

Il existe aussi des mthodes alternatives pour estimer lindice RQD autre que par lutilisation

de carottes de forage gologique. Priest et Hudson (1976) ont tabli une relation entre

lespacement des joints ([joints/mtre]) dtermin partir de mesure de surface du massif

rocheux expos et de lindice RQD [18] :

RQD=100. (0.1 + 1) (II.2)

Lorsquaucun forage gologique nest disponible, cette corrlation savre trs utile [19].

La mthode suivante est propose pour un massif rocheux sans remplissage dargile. Propos

par Palmstrm (1982), lindice RQD peut tre indirectement dtermin par le nombre de

joints/discontinuits par unit de volume pour dfinir la somme volumtrique des joints (Jv)

caractrisant la surface du massif rocheux [20]:

RQD=115-3,3Jv (II.3)

Pour Jv < 4,5 le RQD = 100.

Le systme de classification RQD se base sur des forages gologiques standard et sa plus

grande force retombe sur sa simplicit, la vitesse dacquisition et aussi quil est peu coteux.

Le RQD doit tre interprt comme un indice de qualit du massif lorsque la roche prsente

des caractristiques problmatiques comme un haut degr de dtrioration et se prsente par

un comportement ductile, une zone de cisaillement ou un massif fractur (Deere et Deere,

RQD (%) Qualit du massif rocheux


22

1988). Ceci signifie que lindice RQD est seulement capable dvaluer la partie intacte du

massif rocheux.

II.2.3- Rock Mass Rating (RMR):

Cette classification a t dveloppe par Bieniawski [1973] au South African Council of

Scientific and Industrial Reasearch (SACSIR). Elle est base sur ltude de quelques centaines

de tunnels creuss principalement dans des roches sdimentaires profondeur modre [21].

Lutilisation de cette classification ncessite de diviser au pralable le site en rgions

homognes dun point de vue de structures gologiques. Chaque rgion est classifie

sparment. Le RMR rsulte de la somme de cinq notes de caractrisation (de A1 A5) et

dune note dajustement. Ces paramtres sont illustrs sur la figure 2.1.

Fig II.1: Illustration graphique des paramtres de caractrisation du RMR [21].

La somme de ces notes attribue une valeur comprise entre 0 et 100 au massif. Cette valeur

utilise plus de 70% la fracturation et elle accorde 15% dinfluence aux proprits de la

matrice rocheuse et 15% la prsence deau [22].

La signification des indices du RMR sont dfinis comme suit :

A1 (Strength of intact rock material) : la rsistance la compression simple de la

matrice rocheuse est obtenue, soit par procdure dcrasement dun chantillon, soit

par procdure de chargement ponctuel (note : de 0 15).


23

A2 (Rock Quality Designation RQD, Deer [1964]): il caractrise la qualit des carottes

de sondage en calculant le rapport entre la longueur cumule des carottes suprieures

dix centimtres et la longueur totale considre (note : de 3 20).

A3 (Spacing of discontinuities) : dans le cas de plusieurs familles de fractures le

minimum des notes attribues lespacement des fractures est considr (note : de 5

20).

A4 (Conditions of discontinuities) : cet indice caractrise lextension, louverture, la

rugosit, le matriau de remplissage et laltration des pontes des discontinuits (note

: de 0 30).

A5 (Groundwater conditions) : Il est en rapport avec les conditions hydrogologiques

et consiste raliser des mesures de flux deau ou de pressions interstitielles des joints

(note : de 0 15).

B (Adjustement for joint orientation) : cest un facteur correctif qui est en rapport

avec leffet de lazimut et du pendage des familles de discontinuits sur la stabilit de

louvrage (note : de 12 12 pour les tunnels, de 25 0 pour les fondations et de 60

0 pour les talus).

Les sommes des cinq premiers indices caractrisent le RMR de base. Quand aux travaux

souterrains, il faut ajouter leffet du facteur correctif [23]. Le scrit alors :

= 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + (II.4)

Cette classification ne prend pas en considration ltat de contrainte in-situ ni la rugosit des

fractures et langle de frottement du matriau de remplissage ; les roches gonflantes ny sont

pas non plus traites. Lapplication de cette classification est limite aux cas de massifs dont

la matrice a une bonne rsistance et dont le comportement est rgi par les discontinuits.

La version 1976 du systme de classification () lutilisation du RMR se repose sur la

simplicit dterminer les diffrents paramtres suivants et leurs pondrations.

A1 : Rsistance en compression uniaxiale de la roche intacte.

A2: Rock Quality Index (RQD).

A3 : Espacement des diaclases.

A4 : Condition des joints.

A5 : Ltat dinfiltration deau souterraine.

A6 : Orientation des discontinuits.


24

= 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 (II.5)

Tableau II.3: Classification du massif rocheux selon le RMR; traduit de Bieniawski [23]

Classe du massif RMR Qualification

I 81-100 Excellente

II 61-80 Bonne

III 41-60 Moyenne

IV 21- 40 Faible

V < 20 Trs faible

II.2.4- Le Q Systme :

Barton et al. (1974) ont introduit le systme Q, un indice permettant de dcrire la qualit de la

masse rocheuse pour lexcavation de tunnels. Le systme de classification se nomme Rock

Mass Quality ou Tunnelling Quality Index (systme Q) ou tout simplement systme du NGI

en hommage de lInstitution Gotechnique Norvgienne [24].

Le systme Q juge important dvaluer, en tant que paramtres de classification, six

caractristiques particulires du massif rocheux, soit:

Indice RQD (Deere, 1964);

Nombre de familles de joints (JN);

Indice de rugosit des joints (JR), celle du plus faible plan de fissuration;

Indice de laltration des joints (JA), caractristiques de ce dont les fissures sont

remplies;

Facteur de rduction pour la prsence deau (JW);

Facteur de rduction pour les contraintes in situ (SRF).

La valeur des diffrents paramtres de cette classification, ainsi que des notes explicatives

supplmentaires permettant dvaluer ceux-ci plus adquatement, sont donns au Tableau II.4.


25

Tableau II.4: Paramtres de la classification du systme Q [24].

Nombre de famille de diaclases Jn

Massif, peu ou pas de diaclases 0,5-1

Une famille de diaclases 2

Une famille et diaclases alatoires 3

Deux familles de diaclases 4

Deux familles et diaclases alatoires 6

Trois familles de diaclases 9 1. Pour une intersection,

utilisez 3 x Jn

Trois familles et diaclases alatoires 12

Quatre familles et plus, diaclases alatoires trs nombreuses 15 2. Pour un portail,

utilisez 2 x Jn

Roche concasse, semblable un sol 20

Rugosit des diaclases Jr

parois en contact

Diaclases discontinues 4

Rugueuses, irrgulires, ondules 3

Lisses, ondules 2

Trs lisses, ondules 1,5 1. Ajoutez 1,0 si

l'espacement moyen

de la famille

dominante > 3m

Rugueuses ou irrgulires, planaires 1,5

Lisses, planaires 1

Trs lisses, planaires 0,5

parois spares lorsque cisaill Jr

Zones avec remplissage de minraux

argileux assez pais pour empcher le 1

contact des parois

Zones sableuses, de gravier ou concasse

assez paisse pour empcher le contact 1

des parois


26

Altration des diaclases Ja

parois en contact

Dure, lastique, remplissage impermable 0,75

Non altres, salissage de surface seulement 1

Lgrement altres, minraux non

dformables, particules sableuses etc. 2

Remplissage silteux, sableux, avec 3

une faible fraction d'argile

Matriaux dformables, i.e kaolinite, 4

mica etc. paisseur < 1-2 mm

Infiltration d'eau Jw Pression d'eau (kgf/cm2)

Sec ou infiltration mineure < 5 l/m 1 < 1,0

Infiltration moyenne, lessivage

Occasionnel 0,66 1,0-2,5

Infiltration importante, roc comptant

sans remplissage 0,5 2,5-10

Infiltration importante 0,33 2,5-10

Infiltration exceptionnellement

importante aprs sautage, rduction

dans le temps 0,2-0,1 > 10

Infiltration exceptionnellement

Importante 0,1-0,05 > 10

Le calcul de la cote Q se fait comme suit et varie sur une chelle logarithmique de 0,001

1000 [24] :

Q=

(II.6)

Les trois quotients de la formule reprsentent des caractristiques particulires du massif

rocheux, linterprtation est la suivante :

RQD/JN reprsente la structure globale du massif, ce qui constitue une mesure

approximative de la taille des blocs rocheux (lments dissemblables);


27

JR/JA reprsente la rsistance au cisaillement des discontinuits (les plus dfavorables

ou argileuses) sparant les blocs rocheux;

JW/SRF consiste le paramtre de rduction due la prsence deau JW qui a un effet

nfaste sur la rsistance au cisaillement et indirectement quant lvaluation de ltat

gnral des contraintesSRF.

La cote Q permet dvaluer qualitativement la masse rocheuse selon neuf catgories de qualit

pour la construction de tunnels. Le Tableau II.5 prsente cette qualification:

Tableau II.5: valuation de la cote Q et de la qualit du massif [24]

Indice Q Qualit de la masse rocheuse

0,001 - 0,01 Exceptionnellement pauvre

0,01 - 0,1 Extrmement pauvre

0,1 1 Trs pauvre

1 4 Pauvre

4 10 Moyenne

10 40 Bonne

40 100 Trs bonne

100 400 Extrmement bonne

400 1 Exceptionnellement bonne

Bieniawski [1976] a t le premier proposer des corrlations empiriques entre le RMR et le

Q-system.:

= 9 + 44 (II.7)

Le RMR et le Q-system ne prennent pas en considration les mmes paramtres et donc, elles

ne sont pas quivalentes.

II.2.5-Le Gological Strenght Index (GSI) :

Introduit par Hoek et al. [1995] puis amlior par Hoek et Brown [1997], le Geological

Strength Index ne prsente pas une classification gomcanique en soi. Cependant, il

constitue un lien entre le RMR (Q-system) et la dtermination des paramtres de

dformabilit et de rsistance des massifs rocheux.


28

Afin destimer le GSI, il est ncessaire de calculer le RMR de base et le Q qui sont des

valeurs modifies de RMR et de Q. Le RMR de base est calcul en retenant une valeur 15

pour le coefficient relatif leau (A5) et une valeur nulle pour le coefficient de correction

relatif lorientation des discontinuits (B).

= A1+A2+A3+A4+15 (II.8)

De mme, Q se calcule en ne tenant pas compte de ltat initial du massif par rapport leau

et aux contraintes (Jw/SRF).

=

(II.9)

Ayant calcul RMR et Q le GSI se dtermine comme suit :

GSI= 5 Si > 23

GSI=9(log Q'+44) Si 23

Lestimation du GSI sappuie sur une observation directe de la structure du massif rocheux

partir dun examen de la qualit de la masse rocheuse in situ. Cet indice varie entre 5 et 85.

Par dfinition, les valeurs proches de 5 correspondent des matriaux de trs mauvaise

qualit, tandis que les valeurs proches de 85 dcrivent des matriaux dexcellente qualit. [25]

II.3- Slope Mass Raiting (SMR):

Pour valuer la stabilit des pentes rocheuses, Romana (1985) a propos une classification

systme appele le systme Slope Mass Raiting (SMR). SMR est obtenu partir de

Bieniawski (RMR) en soustrayant les facteurs d'ajustement de la relation joint- pente et l'ajout

dun facteur selon la mthode dexcavation.

SMR= 1)+ 2 (3 + 4 (II.10)

O RMR de base est value selon Bieniawski (1979, 1989) en ajoutant les valuations de

quatre paramtres. F1, F2, F3 sont des facteurs d'ajustement lis lorientation des joints par

rapport l'orientation des pentes, et F4 est le facteur de correction.

Chapitre II : Mthodes de classification des m

F1 dpend de paralllisme entre le

est de 0,15 lorsque l'angle entre le plan de joint critique et la face de la pente

30, et la probabilit de dfaillance est trs faible ; il est de 1,0 lorsque l

proximit parallles.

La valeur de F1 a d'abord t tablie empiriquement. Par la suite, il a t constat

correspond approximativement l

O A dsigne l'angle entre les frappes de la face de la pente (p) et celle des articulations

soit (comme j).

F2 se rfre angle d'inclinaison commune

valeurs varient galement de

critique est infrieur 20 degrs et 1,0 pour

Pour le mode renversement de dfaillance, F2 reste

Fig II.2 : orientation dune pente de type plan

F3 se rfre la relation entre la face de pente et trempettes conjointes. En cas d

plane, F3 se rfre une probabi

appeles juste lorsque la face de pente et les joints sont p

10 degrs de plus que les articulations, la condition est appele trs

thodes de classification des massifs rocheux

29

F1 dpend de paralllisme entre les articulations et la face de la pente. Il va de

est de 0,15 lorsque l'angle entre le plan de joint critique et la face de la pente

30, et la probabilit de dfaillance est trs faible ; il est de 1,0 lorsque l

La valeur de F1 a d'abord t tablie empiriquement. Par la suite, il a t constat

approximativement la relation suivante :

F1=(1- (II.11)

O A dsigne l'angle entre les frappes de la face de la pente (p) et celle des articulations

F2 se rfre angle d'inclinaison commune (j) dans le mode de dfaillance

valeurs varient galement de 0, 15 1,0. Il est de 0,15 lorsque le pendage de l'articulation

20 degrs et 1,0 pour des joints avec un creux suprieur 45 degrs.

Pour le mode renversement de dfaillance, F2 reste gal 1.

(II.12)

: orientation dune pente de type plane. [13]

F3 se rfre la relation entre la face de pente et trempettes conjointes. En cas d

, F3 se rfre une probabilit de joints dans la face de pente. Les

appeles juste lorsque la face de pente et les joints sont parallles Si la pente

10 degrs de plus que les articulations, la condition est appele trs

pente. Il va de 0,15 1,0. Il

est de 0,15 lorsque l'angle entre le plan de joint critique et la face de la pente est suprieure

30, et la probabilit de dfaillance est trs faible ; il est de 1,0 lorsque les deux sont

La valeur de F1 a d'abord t tablie empiriquement. Par la suite, il a t constat quil

O A dsigne l'angle entre les frappes de la face de la pente (p) et celle des articulations (Aj),

dans le mode de dfaillance plane. Ses

Il est de 0,15 lorsque le pendage de l'articulation

creux suprieur 45 degrs.

F3 se rfre la relation entre la face de pente et trempettes conjointes. En cas d'insuffisance

la face de pente. Les conditions sont

Si la pente de pendage est

10 degrs de plus que les articulations, la condition est appele trs dfavorable.Pour

Chapitre II : Mthodes de classification des m

l'chec renversement, les conditions dfav

articulations et le j pente

diffrentes orientations communes sont

F4 se rapporte l'adaptation de la mthode de lexcavation.

la pente de coupe creuse par pr

dynamitage et d'excavation mcanique.

Les pentes naturelles sont plus stables, en raison de l'rosion de longue date et une

protection intgre mcanismes (vgtation, crote dessiccation)

grenaillage normal appliqu aux mthodes

conditions : F4= 0

Dficient ou dommages la stabilit des

excavation mcanique des pentes,

fracture est souvent combin

est difficile terminer. La mthode ne augmente ni ne diminue la pente

Tableau II.6:

Selon les valeurs SMR, Romana

dans le tableau II.7. Il a dduit du tableau que les pentes avec une valeur infrie

peuvent chouer trs rapidement. Aucune

en dessous de 10, parce que cette pente

thodes de classification des massifs rocheux

30

l'chec renversement, les conditions dfavorables dpendent de la somme d

j pente bs. Les valeurs des facteurs d'ajustement F1, F2 et F3 pour

ons communes sont donns dans la fig II.3.

F4 se rapporte l'adaptation de la mthode de lexcavation. Il comprend la pente

pente de coupe creuse par pr-fendage, grenaillage lisse, grenaillage normal, pauvre

on mcanique.


on intgre mcanismes (vgtation, crote dessiccation) F4 =15

mal appliqu aux mthodes ne change pas la stabilit des pentes

dommages la stabilit des pentes, F4 = -8

excavation mcanique des pentes, gnralement en cas de dchirure,

est souvent combine avec des explosifs prliminaires. Le plan

est difficile terminer. La mthode ne augmente ni ne diminue la pente

Tableau II.6: le Tableau de classification de Romana (Annexe 1) [26]

, Romana (1985) a dfini cinq classes de stabilit. Ceux

dduit du tableau que les pentes avec une valeur infrie

pidement. Aucune pente na t enregistre avec une valeur de SMR

parce que cette pente ne pourrait exister physiquement [26].

pendent de la somme des creux des

Les valeurs des facteurs d'ajustement F1, F2 et F3 pour

Il comprend la pente naturelle, ou

, grenaillage lisse, grenaillage normal, pauvre


F4 =15

ne change pas la stabilit des pentes

gnralement en cas de dchirure, la roche trs

iminaires. Le plan de la pente

est difficile terminer. La mthode ne augmente ni ne diminue la pente de F4 = 0

classification de Romana (Annexe 1) [26]

ses de stabilit. Ceux-ci sont dcrits

dduit du tableau que les pentes avec une valeur infrieure 20 SMR

avec une valeur de SMR

[26].


31

Tableau II.7 : Les diffrentes classes de stabilit par la valeur du SMR

Classe V IV III II I

SMR 0-20 21-40 41-60 61-80 81-100

Description Trs mauvaise Mauvaise Normal Bonne Trs bonne

Stabilit Compltement

instable

Instable Partiellement

stable

Stable Compltement

stable

Chute Grand plan,

sol ou

circulaire

Plane Grand plan Chute de

blocs

Pas de chute

Probabilit

de chute

0.9 0.6 0.4 0.2 0

De nombreuses mesures correctives peuvent tre prises pour soutenir une pente. Ltude

dtaille de l'ingnierie est ncessaire pour stabiliser une pente. Les systmes de classification

peuvent nous donner les techniques habituelles pour chaque classe diffrente des supports

comme indiqu dans le Tableau suivant :

Tableau II.8: les suggestions de soutnement selon la classe du SMR

Classe de SMR Valeur de SMR Suggestion de soutnement

Ia 91-100 Aucun

Ib 81-90 Scaling

IIa 71-80 Boulonnage

IIb 61-70 Systme de boulonnage

IIIa 51-60 Boulonnage systmatique et bton projet

IIIb 41-50 Boulonnage systmatique, ancrage, bton projet et

mur de soutnement

IVa 31-40 Bton projet renforc, mur de soutnement ou

excavation et drainage

IVb 21-30 Bton projet renforc, mur de soutnement ou

excavation et drainage profond

V 11-20 Mur ancr, excavation


32

II.4- Commentaire sur les systmes de classification :

Les classifications quantitatives des massifs rocheux fracturs sont utilises depuis plusieurs

dizaines dannes pour la conception et la construction des ouvrages raliss dans les massifs

rocheux. Elles sont bases sur la connaissance des paramtres dcrivant la qualit du massif

rocheux et font la combinaison des diffrents paramtres mesurs sur le site pour arriver

mettre une note concernant la qualit du massif rocheux.

Ces mthodes sont facilement utilises au stade de lavant-projet. Cependant elles prsentent

certaines limites que nous rsumons ci-dessous :

Les paramtres de classification sont utiliss universellement sur tous les types de

massifs rocheux, sans tenir compte de leurs caractristiques spcifiques et du projet

considr.

Les proprits complexes du massif rocheux, en particulier son anisotropie et son

comportement diffr (dpendant du temps) ne sont pas pris en compte. Les

paramtres de dformabilit et de rsistance qui en rsultent sont relatifs un milieu

isotrope.

La notion du Volume Elmentaire Reprsentatif (VER) ne figure pas dans ces

classifications.

En gnral, ces mthodes empiriques simplifies ne prennent pas en compte le

mcanisme de rupture, de dformation et de linteraction du support avec la roche.

Le RMR et le Q-system ne sont pas adapts au cas de roches tendres.

II.5- Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons prsent plusieurs mthodes de classification semi-empiriques

des massifs rocheux. Nous retenons quelques remarques essentielles : Vu leur simplicit, les

systmes de classification empiriques (RQD, RMR, Qsysteme, GSI) sont frquemment

utiliss dans le calcul des ouvrages souterrains. Toutefois, leur emploi nest pas suffisant pour

la dtermination ou le dimensionnement des soutnements et lvaluation de la dformabilit

et la stabilit des ouvrages. Le recours ce type de classification doit tre limit la phase

prliminaire de lavant-projet (conception, tude de faisabilit).

Lorsquune ou deux directions prfrentielles de la fracturation sont considres et le massif

prsente une structure quasi priodique, certaines proprits mcaniques peuvent tre

calcules rigoureusement par des voies analytiques. Si la structure gomtrique des fractures

est complexe (plusieurs familles, extension finie, orientation quelconque), alors ces

mthodes trouvent

Engineering

Mémoire de fin d'étude " Caractérisation et classification géomécanique du massif rocheux d’Aokas Bejaia "