Propriétés des matériaux naturels

Propriétés des matériaux naturels

 

 

 

 

 1. Propriétés relevant de la mécanique des roches ............................
1.1 Propriétés des roches......................................................................
1.1.1 Identification ................................................................................
1.1.2 Résistance mécanique des roches .............................................
1.2 Propriétés des massifs rocheux.....................................................
1.2.1 État de fracturation d’un massif rocheux.....................................
1.2.2 État d’altération d’un massif rocheux ...........................................
1.2.3 Abrasivité ......................................................................................
1.3 Prévision des conditions d’extraction des massifs rocheux ............
2. Propriétés relevant de la mécanique des sols .................................
2.1 Courbe intrinsèque..........................................................................
2.2 Dilatance.........................................................................................
3. Propriétés géotechniques applicables au terrassement ...............
3.1 Paramètres de nature .....................................................................
3.1.1 Paramètres de nature retenus dans le GTR...................................
3.1.2 Autres paramètres de nature........................................................
3.2 Paramètres d’état.............................................................................
3.2.1 Schématisation et définition des paramètres d’état ....................
3.2.2 Paramètres d’état retenus dans le GTR ......................................
3.3 Paramètres de comportement mécanique .....................................
3.3.1 Paramètres de comportement mécanique d’un sol.....................
3.3.2 Paramètres de comportement mécanique d’une roche .............

La conception et la réalisation d’ouvrages en terre impliquent la connaissance
des propriétés des matériaux naturels qui relèvent de la mécanique des
roches et de la mécanique des sols. C’est l’objet des exposés paragraphes 1 et 2
qui présentent l’essentiel des bases théoriques et/ou empiriques ainsi que des
règles de référence permettant d’appréhender les propriétés des matériaux et
leur comportement sous l’influence de différents facteurs.
Dans le troisième paragraphe sont abordées, en complément à ces bases, les
propriétés caractéristiques des sols sous l’angle de la géotechnique adaptée aux
travaux de terrassement. Des paramètres résultant de la méthodologie appliquée
sur le terrain sont introduits dans l’étude des sols.
Cette approche constitue le vecteur le plus important pour l’activité du terrassement.
Elle permettra de classer les matériaux en fonction de leurs possibilités
d’utilisation dans les ouvrages en terre. Ces notions sont décisives au stade de
la conception comme au stade de la réalisation.


Dans le cas d’ouvrages comme les barrages en terre, les canaux, les digues fluviales
ou portuaires..., des guides ou des prescriptions techniques sont le plus
souvent élaborés ou adaptés au cas par cas par les maîtres d’oeuvre concernés.
Pour ce qui concerne les infrastructures routières et ferroviaires (par extension
et dans certaines conditions), on utilise le guide technique GTR « Réalisation des
remblais et des couches de forme ». Il répertorie les différents paramètres qui
interviendront dans le classement normalisé des sols.
C’est le guide auquel nous nous référerons dans le paragraphe 3.
Les essais qui concernent les propriétés et les paramètres sont cités et décrits
dans ce dossier.
Les propriétés à étudier étant très diverses, les méthodes à mettre en oeuvre pour les repérer
sont, de ce fait, très variées.
On se reportera dans les paragraphes qui suivent à différents dossiers d’autres rubriques
cités et parus dans les Techniques de l’Ingénieur et, plus particulièrement pour ce qui concerne
le paragraphe 

1.1, au guide technique « Terrassements à l’explosif dans les travaux routiers »

(TETR) édité par le Comité français pour les techniques routières (CFTR).

1. Propriétés relevant

de la mécanique des roches
Dans le domaine des roches, il est désormais classique de considérer
deux échelles différentes :
— celle de la roche, correspondant à quelques décimètres cubes ;
c’est l’échelle de l’échantillon et de l’éprouvette soumise aux essais
de laboratoire ;
— celle du massif rocheux, qui correspond à quelques dizaines
de mètres cubes ; c’est l’échelle des travaux de terrassements et des
fondations d’ouvrages.

1.1 Propriétés des roches

On se reportera pour plus de détails aux références [1] [2] dans les
Techniques de l’Ingénieur.

 1.1.1 Identification

La pétrographie classe les roches en trois grands groupes en se
fondant essentiellement sur des critères génétiques (tableau 1) :
— les roches éruptives proviennent de la solidification du
magma ;
— les roches sédimentaires sont formées à partir de dépôts d’éléments
détritiques chimiques ou biochimiques ;
— les roches métamorphiques résultent des modifications subies
par les roches éruptives ou sédimentaires lorsqu’elles sont soumises
au métamorphisme.
Du point de vue mécanique, c’est la distinction entre les formations
meubles, les sols et les formations cohérentes, les roches, qui
nous intéresse. Nous ne parlerons dans ce paragraphe que de ces
dernières. Cependant, dans tous les cas, il convient de désigner une
roche d’après la classification pétrographique.
Les roches cohérentes sont des solides particulièrement complexes
du fait de l’hétérogénéité des constituants et des défauts de
structure.




 Ce sont des solides polycristallins hétérogènes formés, le plus
généralement, de grains appartenant à plusieurs espèces minérales.
Les cristaux d’un même minéral peuvent eux-mêmes se différencier
par leur état d’altération.
Les roches sont également des milieux discontinus ; il existe des
vides intergranulaires nommés pores, des défauts planaires soit
intracristallins, soit intercristallins appelés fissures. La fissuration,
qui joue un rôle considérable dans le comportement mécanique des
roches, est la conséquence de l’hétérogénéité de comportement des
différents constituants d’une roche.
Le volume des vides contenu dans une roche est exprimé par la
porosité n :
          



La porosité des roches est très variable ; elle peut atteindre 20 %,
voire même 40 %, pour certaines roches sédimentaires comme la
craie, alors que, pour les roches éruptives ou métamorphiques non
altérées, exception faite de quelques laves, la porosité est inférieure
à 1 %.
La porosité exprime mal l’état de fissuration d’une roche, car le
volume de vides lié aux fissures est très faible. Aussi, il est apparu
nécessaire de quantifier, autrement que par la porosité, la densité de
discontinuités présentes dans un échantillon de roche. La théorie,
comme les mesures expérimentales, montre que la vitesse de propagation
des ondes dans un solide est très influencée par la présence
de discontinuités. C’est la raison pour laquelle on utilise
l’indice de continuité Ic :



Le guide technique TETR reprend ces notions et fait état de la relation
établie de manière expérimentale représentée sur le graphique
de la figure 1.
La connaissance de l’indice de continuité et de la porosité d’une
roche permet donc de caractériser son état de fissuration.




Les roches sont souvent anisotropes : l’anisotropie peut être due
à des orientations préférentielles de certaines espèces minérales ou
de fissures. La mesure de la vitesse de propagation des ondes dans
différentes directions permet également de caractériser l’anisotropie
d’une roche.
1.1.2 Résistance mécanique des roches
Dans le domaine des contraintes usuelles, les roches ont un comportement
fragile. C’est seulement dans des conditions de température
et de pression élevées que les roches peuvent montrer une
certaine ductilité.
Depuis les travaux de Griffith, il est bien établi que la rupture fragile
est l’aboutissement du développement de fissures dans le
solide. Il dépend des conditions opératoires que la propagation de la
fissure puisse être ou non contrôlée. Le plus souvent, la résistance
d’une roche est donnée par la résistance maximale obtenue dans un
essai de traction ou dans un essai de compression simple.
■ La résistance en traction des roches est beaucoup plus faible que
la résistance en compression ; cette propriété est mise à profit dans
toutes les opérations de cassage et de fragmentation des roches.
L’essai de traction le plus couramment utilisé est un essai indirect,
l’essai brésilien. Le plan de rupture sur lequel s’exercent les contraintes
de traction est le plan diamétral de l’éprouvette.
Nous donnons ci-après quelques fourchettes de résistance en
traction σt de roches, mesurée par l’essai brésilien :
• Calcaires.........................................................................1 à 15 MPa
• Granites........................................................................10 à 20 MPa
• Basaltes........................................................................15 à 35 MPa
On peut établir un classement des roches suivant leur résistance
en traction comme suit :
• σt > 30 MPa .................................Résistance en traction très forte
• 10 MPa < σt < 30 MPa........................ Résistance en traction forte
• 5 MPa < σt < 10 MPa.................. Résistance en traction moyenne
• 2 MPa < σt < 5 MPa.......................... Résistance en traction faible
• σt < 2 MPa .................................. Résistance en traction très faible
Sur le chantier, il est possible de caractériser la roche par un essai
très rapide pouvant s’effectuer sur des carottes ou, même, sur des
morceaux irréguliers. C’est l’essai sous charge ponctuelle.
■ Mais la caractéristique mécanique la plus universellement utilisée
pour les roches est la résistance en compression simple σ. Elle
se mesure sur une éprouvette cylindrique d’élancement 2. La résistance
en compression simple est le paramètre de base de la plupart
des classifications proposées en mécanique des roches. Les intervalles
et les termes utilisés dans la classification de base de la
Société internationale de Mécanique des roches sont donnés dans
le tableau 2 et repris dans le guide TETR avec l’indication des classes
de résistances proposées par l’AFTES (Association française des
travaux en souterrain).

1.2 Propriétés des massifs rocheux
On se rapportera aux dossiers [1] [2] [3] des Techniques de l’Ingénieur.
Les caractéristiques mécaniques des roches mesurées sur échantillons
sont généralement élevées, et très supérieures à celles des
massifs rocheux. Cette différence s’explique par la présence de surfaces
de discontinuités.
Le terme général de discontinuité recouvre des surfaces d’origines
très diverses :
— les plans de stratification des formations sédimentaires (calcaires,
grès, marnes, pélites, etc.), qui ont une grande continuité
spatiale ;
— les plans de schistosité de certaines roches métamorphiques
(schistes, ardoises) ;
— les failles qui résultent d’une rupture par cisaillement avec
déplacement relatif des épontes ;
— les diaclases dont l’origine est plus controversée, mais qui
sont présentes dans pratiquement toutes les masses rocheuses ;
— les joints de retrait dus à un refroidissement rapide de laves ;
on peut particulièrement les observer dans les coulées basaltiques.
L’étude structurale d’un massif rocheux consiste à hiérarchiser
entre elles ces différentes familles, en distinguant les accidents
majeurs isolés (failles) d’éléments répétitifs (plan de stratification,
diaclases).
Pour chaque famille on s’efforce d’indiquer :
— l’orientation des surfaces (en indiquant l’azimuth et le
pendage) ;
— leur extension ;
— l’état des épontes (planéité, rugosité, imbrication) ;
— l’existence et la nature du remplissage (remplissage bréchique,
calciteux, argileux, etc.).
L’orientation des différentes surfaces de discontinuités est représentée
sur un diagramme polaire en faisant une projection stéréographique.
On peut classer les massifs rocheux suivant le nombre de familles
de discontinuités :
— massif avec très peu de discontinuités aléatoirement
réparties ;
— massif avec une famille de discontinuités, avec ou sans discontinuités
aléatoires (massif stratifié par exemple) ;
— massif avec deux familles de discontinuités, avec ou sans discontinuités
aléatoires ;
— massif avec trois familles de discontinuités ;
— massif très fracturé avec de nombreuses discontinuités plus
ou moins groupées en plus de trois familles.
1.2.1 État de fracturation d’un massif rocheux
L’étude complète de la structure d’un massif rocheux est souvent
très longue et très difficile ; aussi utilise-t-on fréquemment des indices
que l’on peut déterminer à partir de forages ou sur affleurements,
et qui permettent de caractériser l’état de fracturation d’un
massif.
■ L’indice le plus répandu actuellement est le RQD (Rock Quality
Designation). Il se détermine par la longueur cumulée des éléments
de carottes supérieurs à 10 cm de long par rapport à la
longueur L de sondage considérée. Il est exprimé en pour cent :


À partir de ce seul indice, Don Deere propose la classification
suivante :
• RQD > 90 %................... État de fracturation du massif très faible
• 75 % < RQD < 90 % .............État de fracturation du massif faible
• 50 % < RQD < 75 % .......... État de fracturation du massif moyen
• 25 % < RQD < 50 % ................ État de fracturation du massif fort
• RQD < 25 %...................... État de fracturation du massif très fort
L’indice RQD apparaît souvent insuffisant, aussi la Société internationale
de Mécanique des roches recommande-t-elle l’utilisation de
l’espacement moyen des discontinuités. Le guide technique
« Terrassements à l’explosif dans les travaux routiers » utilise la
notion de densité.
■ La densité de discontinuités dans le massif est souvent quantifiée
par l’intervalle de discontinuités ID mesuré suivant une ligne
(un sondage carotté, une ficelle tendue sur une paroi rocheuse...) et
défini comme l’intervalle moyen entre deux discontinuités successives.
Il est calculé sur une base glissante L (plusieurs mètres en général),
ou pour chaque unité homogène reconnue. Il est conseillé
d’utiliser les classes suivantes de l’intervalle ID, proposées par
l’AFTES (tableau 3).



1.2.2 État d’altération d’un massif rocheux
Les processus d’altération des roches sont extrêmement divers.
Suivant leur intensité, la roche peut présenter tous les états intermédiaires
entre une roche saine et un sol résiduel, par exemple les arènes
granitiques. Le plus souvent, l’altération progresse par les
surfaces de discontinuités. La description de l’état d’altération peut
se faire à partir de la classification donnée dans le tableau 4.




1.2.3 Abrasivité
L’essai selon la norme XP P 18-579, qui se pratique sur un granulat
de 4 à 6,3 mm, permet de quantifier la capacité d’une roche à user
les pièces métalliques : cette caractéristique est donc importante
pour les phases de foration et de reprise des matériaux abattus
après le tir.
Selon cet essai, les calcaires purs ont une abrasivité voisine de 0
(la calcite n’est pas un minéral abrasif) ; à l’opposé, les roches siliceuses
compactes telles que les quartzites ont une abrasivité qui
peut dépasser 2 000 (tableau 5


1.3 Prévision des conditions d’extraction
des massifs rocheux
Il est important, pour les travaux de terrassement, de prévoir les
conditions d’excavation des déblais. Nous y reviendrons de façon
détaillée dans la sous-rubrique
« Matériel et Exécution »
. Rappelons
à ce stade que les principales méthodes d’extraction sont :
— l’utilisation d’explosifs avec la foration de trous de mines ;
— le défoncement avec des tracteurs puissants ; les plus puissants
dépassent 500 ch (
≈
370 kW) ;
— l’utilisation de pelles.
Ces deux dernières méthodes ne peuvent être utilisées que si les
roches ne sont pas trop dures et le massif trop compact.
La prévision des conditions d’extraction des massifs rocheux est
généralement faite par l’une ou la combinaison des méthodes
suivantes :
— mesure de la vitesse de propagation des ondes longitudinales
dans le massif ;
— indications sur les caractéristiques de la roche (indice de continuité)
et sur l’état de fracturation du massif ;
— sondages carottés (onéreux) ;
— sondages destructifs dans lesquels on fait des diagraphies des
vitesses sismiques ;
— carottages soniques.
En conclusion, nous donnons simplement dans le tableau 6

les indications sur les prévisions d’extraction fournies par les vitesses
de propagation des ondes longitudinales obtenues par des essais
de diagraphies sismiques.
La figure 2 représente une allure de l’accroiss ement de difficulté
en fonction de la vitesse du son, suivant la puissance du tracteur qui
porte la dent de rippage.