PROPOSITION D UNE METHODE DE … · Classification et pénétromètre statique (CPT ) Succédant à...

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur – Nancy 2016

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PROPOSITION D’UNE METHODE DE CLASSIFICATION BASEE SUR LES PARAMETRES DE FORAGE

APPLICATION AND VALIDATION OF SOIL BEHAVIOR CLASSIFICATION CHART BASED ON DRILLING PARAMETER RECORDING

Philippe REIFFSTECK1, Jean BENOIT2, Matthieu HAMEL3, Jean-Michel VAILLANT4 1 IFSTTAR, Marne la Vallée, France 2 University of New Hampshire, Durham, États-Unis d’Amérique 3 Fondasol, Cesson, France 4 Fondasol, Enghien, Belgique

RÉSUMÉ – Cette communication présente une démarche d’élaboration d’une classification des sols basée sur les paramètres de forages. Une version sous forme d’abaque, tenant compte de l’état initial du sol, dont on sait l’importance est également soumise à validation. La validation par comparaison à une base de données comportant ces différents essais permet de conclure sur la fidélité de cet abaque et propose quelques conseils pour son utilisation pratique.

ABSTRACT – This paper presents an approach for developing a soil classification based on drilling parameters. Validation by comparison with a database of these tests leads to the conclusion on the reliability of the abacus and proposes some advices for its practical use. A newer version taking into account initial state of the ground is also tested.

1. Introduction

Il a toujours été utile de corréler les résultats des essais réalisés en place avec ceux obtenus sur les éprouvettes taillées dans les carottes prélevées sur site. Cependant, il serait fallacieux d'affirmer que les valeurs dérivées des essais en place peuvent se substituer à la réalisation des essais de laboratoire. Ces corrélations ont en effet beaucoup de difficulté à intégrer certains aspects du comportement des sols comme la surconsolidation et l'activité de la fraction fine. Toutefois, il s’agit d’un outil important pour le praticien pour vérifier la cohérence des résultats.

Récemment les normes d’application nationales pour le dimensionnement des fondations superficielles et profondes de l’Eurocode 7, proposent d’utiliser un abaque de classification basé sur les résultats des essais pressiométriques : pression limite et module Ménard. A l’instar de la classification des sols développée par Robertson à partir des résultats des essais de pénétration statique, cet outil définit des classes de sol dans un plan construit à partir de la pression limite normalisée et du rapport module sur pression limite. Dans l’étude présentée, les différents paramètres de forage combinés sont normalisés pour définir des axes similaires à ceux proposés par Robertson (1990).

1.1. Classification et pénétromètre statique (CPT)

Succédant à Schmertmann (1978), Douglas et Olsen (1981) et Parez et Fauriel (1988), Robertson a proposé en 1990, un abaque basé sur la résistance de pénétration au cône, qt, et le rapport de frottement. Ces abaques ont été adoptés par les praticiens car ils fournissent une classification des sols « fiable » en utilisant le CPT et « sans nécessiter »

746


2

d'échantillonnage. Les graphiques incluent des limites de zones qui permettent la classification des sols en fonction de leur classe de taille des particules. Ces zones fournissent un passage progressif d'un comportement de sol fin à celle d'un sol grossier. Ces deux paramètres sont en fait des paramètres composés spécifiques à la pénétration au cône.

En 1990, Robertson propose un raffinement de l'abaque initial, traçant une "résistance au cône normalisée", Qt, en fonction d’un "rapport de frottement normalisé", Fr.

𝑄𝑡 =

𝑞𝑡−𝜎𝑣

𝜎′𝑣 (1)

𝐹𝑟 = 𝑓𝑠

𝑞𝑡−𝜎𝑣 . 100% (2)

On rappelle que 𝑞𝑡

= 𝑞𝑐

+ (1 − 𝑎). 𝑢2

a b Figure 1. Abaques de classification (d’après Robertson, 1990 et 2009) et abaque basé pour le pressiomètre proposé avec les jeux de données des sites Avec 1. sols granulaires fins sensibles ; 2. sol organique et tourbe ; 3. argile [argile limoneuse à argile] ; 4. limon hétérogène [argile limoneuse à limon argileux] ; 5. sable hétérogène [limon sableux et sable limoneux] ;

6. sable [sable limoneux à sable propre] ; 7. sable à sable graveleux ; 8. sable à sable argileux à sable « très raide » ; 9. sol granulaire fin très raide, sol cimenté ou surconsolidé.

En 2009, Robertson intègre à son abaque l'indice Ic proposé par Jefferies et Been

(2006), permettant d'approcher les frontières des zones par des arcs de cercle (traits épais sur la Figure 1a). La frontière séparant le comportement argileux du comportement sableux est ainsi donnée pour Ic =2,60.

𝐼𝑐 = 3,47 + 𝑙𝑜𝑔 𝑄𝑡 2

+ 1,22 − 𝑙𝑜𝑔 𝐹𝑟 2

0,5

(3)

Sur la figure 1a, un jeu de données de sites expérimentaux dont les essais d’expansion

PMT, de pénétration de cône CPT, ou de carottier SPT et de cisaillement FVT, au sens de l’Eurocode 7, sont de qualité mais ne présentant pas tous une unité de situation

Ic= 1,31

Ic= 1,31

Ic= 2,05

Ic= 2,05

Ic= 2,6

Ic= 2,6

Ic= 2,95

Ic= 2,95

Ic= 3,6

Ic= 3,6

1

10

100

1000

0,1 1 10

Résis

tan

ce a

u c

on

e n

orm

ali

sée Q

t

Rapport de frottement normalisé Fr

sols organiques sols argileux sols limoneux

sols sableux sols graveleux sols surconsolidés, indurés

7

6

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9

3

2

1

4

10

3,3

3,3

3

3

2,6

2,6

2,3

2,3

2

2

1,6

100

100

1000

1000

1000

3,6

3,6

1

10

100

1000

0,11

p*LM/p0

a

argile sable limon craie grave

Sableset

graves

Marne etcalcaire marneux

Rocheraltéré et

fragmenté

Argileset

limons

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3

géographique, de profondeur et de formation géologique sont ajoutés. Leur classification a été réalisée à partir des descriptions des sols prélevés par carottage et par essais de laboratoire.

1.2. Classification et pressiomètre Ménard (PMT) A l’instar de la classification des sols développée à partir des résultats des essais de pénétration statique, on peut imaginer construire un outil définissant des classes de sol dans un plan construit à partir de la pression limite normalisée et du rapport module sur pression limite. Le diagramme bi-logarithmique présentant la pression limite normalisée

p*LM/p0 en fonction du coefficient rhéologique a, proposé par Baud (2005) et Baud et Gambin (2011, 2012) semble prometteur bien que la comparaison des différentes classifications ne permette pas de délimiter des zones uniques disjointes évidentes (Reiffsteck et al., 2013).

Ces mêmes auteurs proposent une version plus élaborée tenant compte de l’état initial du sol, dont on sait l’importance, sans toutefois résoudre les problèmes de discrimination insuffisante inhérent à cet abaque. La figure 1b, à comparer à la figure 1a, montre un discernement moyen des cinq classes de sol de la base de données des sites expérimentaux. Les sols fins se localisent en bas à gauche du graphique et les sols granulaires en haut à droite, avec les sols intermédiaires en position centrale.

De ce fait, l’utilisation de courbes fonctions des coordonnées et définissant un indice de classification Ic semble adaptée pour délimiter des zones. Cet indice pourrait avoir la même valeur seuil de 2,6, séparant les comportements frottant et cohérent, que celle proposée par Jefferies et Been (2006), avec toutefois une évolution en sens inverse (1,3 pour les argiles et 3,6 pour les graves).

𝐼𝑐 𝑃𝑀𝑇 = 1 + 𝑙𝑜𝑔 𝑝𝐿𝑀∗

𝑝𝑜

2

+ 1− 𝑙𝑜𝑔 𝛼 2

0,5

(4)

Cet abaque s’avère apte à classifier les sols dans les cas où les sols sont fermes (sols

raides, roches tendres) et quand on dispose d’essais avec un module Ménard mesuré avec le moins de remaniement possible et non borné artificiellement par la limite de l’essai normalisé à 5 MPa.

2. Classification et paramètre de forage (MWD)

Réaliser une classification du sol foré à partir de paramètres enregistrés (VA : vitesse

d’avance ; PE : poussée nette ; Pi : pression d’injection ; Qi : débit de fluide de forage ; Cr : couple de rotation ; Vr : vitesse de rotation – en italique ceux qui ne sont généralement pas mesurés) a été tenté par de nombreux auteurs (Girard, 1985, Bourget et Rat, 1995 ; Ferry, 1996 ; Colosimo, 1998 ; Gui et al., 1999 ; Moussoutheguy, 2002). Toutefois, la combinaison de plusieurs paramètres composés avec des méthodes de pondération et des seuils n’a pas permis d’aboutir à une méthode de discrétisation des couches fiable à 100%. Nous utiliserons ici la résistance à la pénétration Rp et l’indice de Somerton modifié Sd (Reiffsteck et al., 2010).

𝑅𝑝 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑒𝑛 𝑠

0,2 𝑚 et 𝑆𝑑 =𝑃𝐸

𝑉𝐴 (bar/(m/h)-0.5)

(5)

748


4

On observe sur la Figure 2 que l’état de compacité des argiles ou des marnes donne des plages de valeurs très importantes de résistance à la pénétration ne permettant pas de trancher sur leur nature si aucune identification des cuttings n’est réalisée. La distinction entre les argiles et les marnes se fait principalement sur la base de la teneur en CaCO3.

Figure 2. Relation entre la classification et la résistance à la pénétration ou l’indice Somerton modifié (argile=1, limon=2, sable=3, grave=4, craie=5, marne=6, roche=7)

a) b)

c) d)

Figure 3. Relation et histogrammes des relations entre la pression limite pressiométrique et différents paramètres composés

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

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0 1 2 3 4 5 6 7

sol

s/0

,2m

0

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0 1 2 3 4 5 6 7

PE

/√ (

VA

)sol

0

1

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3

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9

1 10 100 1000 10000 100000

s/0,2m

pl (M

Pa)

argile

limon

sable

grave

craie

marne

roche

0

2

4

6

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10

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0 92 184

276

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460

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644

736

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920

rapport (s/0,2m)/pl

Fré

quence

argile

limon

sable

grave

craie

marne

roche

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 10 20 30 40

PE/racine (VA)

pl (M

Pa)

argile

limon

sable

grave

craie

marne

roche

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

rapport 10,pl/(PE/√Va)

Fré

quence

argile

limon

sable

grave

craie

marne

roche

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5

La norme française NF P94-261 dans son annexe A propose quelques éléments de classement des sols qui peuvent donc en première approche être complétés par les plages de variations des indicateurs les plus robustes utilisés pour les paramètres de forage, la résistance à la pénétration Rp et l’indice de Somerton modifié Sd (figure 3).

Tableau 1 — Classement des sols selon différents critères et selon Rp et Sd

Classes de sol Ic pl* (MPa) qc (MPa) (N1,60) cu (kPa) Rp Sd

Argiles et limons

Très mous à mous

0,0 – 0,50 < 0,4 < 1,0 < 75 < 45 < 2,5

Fermes 0,50 – 0,75 0,4 à 1,2 1,0 à 2,5 75 à 150 45 à 138 2,5 à 8

Raides 0,75 – 1,00 1,2 à 2 2,5 à 4,0 150 à 300 138 à 230 8 à 13

Très raides > 1,00 ≥ 2 ≥ 4,0 ≥ 300 ≥ 230 ≥ 13

Sols intermédiaires

(sable limoneux, sable argileux,

argile sableuse)

Classement à réaliser selon les indications des

figures 1

Sables et graves

Très lâches < 0,2 < 1,5 < 3 < 27 < 1,3

Lâches 0,2 à 0,5 1,5 à 4 3 à 8 27 à 70 1,3 à 3,3

Moyennement denses

0,5 à 1 4 à 10 8 à 25 70 à 140 3,3 à 6,6

Denses 1 à 2 10 à 20 25 à 42 140 à 277 6,6 à 13

Très denses > 2 > 20 42 à 58 > 277 > 13

Craies

Molles < 0,7 < 5 < 64 < 7

Altérées 0,7 à 3 5 à 15 64 à 272 7 à 30

Saines ≥ 3 ≥15 > 272 > 30

Marne et calcaire marneux

Tendres < 1 < 5 < 1100 < 6

Raides 1 à 4 5 à 15 1100 à 4400 6 à 26

Très raides > 4 >15 > 4400 >26

Rocher Altéré 2,5 à 4 4750-7600 50-80

Fragmenté > 4 >7600 >80

Des relations similaires à celles proposées par Robertson (1990) peuvent être

proposées pour la caractérisation des sols et des roches à partir des informations obtenues lors de la pénétration d'un outil de forage (Reiffsteck et al., 2010). Toutefois, afin de normaliser la pression de poussée nette, il est nécessaire de la diviser par le taux de pénétration (vitesse) de sorte qu'il soit constant comme pour la pénétration lors de l’essai CPT. Les unités ont également été mises en mètres par seconde pour le taux de pénétration et la vitesse de rotation.

𝑄𝑡 𝑀𝑊𝐷 = 𝑃𝐸−𝜎𝑣 𝑉𝐴

𝜎′𝑣 (6)

𝐹𝑟 𝑀𝑊𝐷 = 𝐶𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒 𝑣𝑖𝑡𝑒𝑠𝑠𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

𝑃𝐸−𝜎𝑣 𝑉𝐴 . 100% =

𝐶𝑅 𝑉𝑅

𝑃𝐸−𝜎𝑣 𝑉𝐴 . 100% (7)

Pour utiliser cette expression, la pression de rotation doit être transformée en couple. Ce qui nécessite de connaître la cylindrée du moteur de rotation de la machine (en cm3/tr).

𝐶𝑅 =𝑃𝐶𝑅 ∙ 𝑐𝑦𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑒𝑒

2 ∙ 𝜋 (8)

De même la vitesse de rotation qui est une vitesse angulaire doit être exprimée en vitesse linéaire en périphérie de l’outil (de rayon r).

750


6

𝑉𝑅 = 𝜔 ∙ 𝑟 ∙ 𝜋 30 (9)

Un premier calage a été réalisé sur la base de données IFSTTAR qui malheureusement ne recouvre pas totalement les sites expérimentaux utilisée sur les deux graphiques de la figure 1 (figure 4).

Figure 4. Abaque de classification basé sur les paramètres de forage proposé avec le jeu de données des sites (base de données IFSTTAR)

On observe un positionnement des sols les plus raides et des roches dans la partie

droite inférieure, les sols granulaires se placent en position centrale et les sols argileux se répartissent sur l’ensemble de la plage. Malheureusement, l’influence de la surconsolidation ou de la cimentation des argiles n’ont pas été renseignées. De même les sols classés argileux ou sableux sont le plus souvent des sols intermédiaires dont la seconde classification (au sens de norme NF EN ISO 14688-2) n’est pas définie.

Une tentative de calage d’un indice de classification montre la possibilité de réutiliser cet outil sous réserve de mieux localiser les zones. Ces arcs de cercles ont été figurés sur les graphiques des figures 4 et 5.

𝐼𝑐 𝑀𝑊𝐷 = 3,47− 𝑙𝑜𝑔 𝑄𝑡 𝑀𝑊𝐷 2

+ 1,22 + 𝑙𝑜𝑔 𝐹𝑟 𝑀𝑊𝐷 2

0,5

(10)

Cet abaque a été testé avec une base de données collectée dans les dossiers d’étude

de la société Fondasol (Hamel et Vaillant, 2014). Elle comporte 18 chantiers principalement en région parisienne et environs 100 forages de 15 à 30 m de profondeur, soit 121730 valeurs (figure 5).

On observe, au-delà de la dispersion liée à la variabilité inhérente aux horizons testés et à la technique d’essai et des erreurs ou approximations de classement potentielles des logs de forage, un positionnement assez clair des classes plutôt sur des axes parallèles à (1 ; 10) vers (1000 ; 0,01). On retrouve les matériaux argileux plutôt sur la zone Fr MWD = 10 et Qt MWD variant entre 0,1 et 1. Les argiles marneuses étant plus proches de sols indurés comme les marno-calcaires. On est ici à la limite de la classification à partir des cuttings voire sur carotte. Le pourcentage de calcaire n’est en effet pas vraiment défini (Ic

MWD >5). Les matériaux granulaires se placent sur des valeurs élevées de Fr MWD pour un Qt MWD proche de l’unité. Une partie du limon est également localisée sur cette partie du

diagramme (Ic MWD 5). Les matériaux indurés comme les calcaires, marno-calcaires et marnes se positionnent sur deux lignes : une ligne haute ((1 ; 10), (1000 ; 0,01)) et une ligne basse ((1 ; 0,02), (100 ; 0,001)). Les nuages de point pour les marno-calcaires, les

1,31

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2,05

2,05

2,6

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rapport de frottement normalisé Fr

sols argileux

sols limoneux

sols sableux

sols graveleux

sols crayeux

sols marneux

roches

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argiles marneuses en partie et le calcaire se placent dans une zone Fr MWD =1 et Qt MWD variant entre 1 et 10 (Ic MWD < 3,5).

Figure 5. Abaque de classification basé sur les paramètres de forage proposé avec le jeu de données chantiers (base de données Fondasol)

4. Conclusions

Les enregistrements de paramètres de forages ou diagraphies instantanées offrent la possibilité de valoriser le comportement de la machine de forage en cours d’exécution d’un sondage. Cette communication a présenté une piste d’utilisation sous forme d’abaque de classification. Toutefois, les résultats obtenus ne sont pas utilisables en l’état pour les raisons suivantes :

- plages de variation des données plus importantes que pour le CPT et le pressiomètre,

- hétérogénéité du parc de machines de forage de la base de données, - possible interdépendance des différents paramètres et des facteurs influençant la

réponse diagraphique L'identification et la classification des sols et des roches relèvent normalement d’une part des normes NF EN ISO 14688-1 et NF EN 14688-2 et d’autre part de la norme NF EN 14689-1. L’idée est d’exploiter de façon combinée les informations issues de ces techniques de mesure en forage avec celles des identifications et classifications issues des reconnaissances classiques (par prélèvements, essais de pénétration ou d’expansion), afin d'améliorer l'image du sous-sol et mieux maîtriser le risque global en générant une image du site plus riche qualitativement et quantitativement. 5. Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier P. Sauvage et B. Tcherniawski pour les informations

qu’ils ont pu leur fournir sur les machines.

1,31

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2,05

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argile

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argile marneuse

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calcaire

marno calcaire

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tio

n n

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alis

ée Q

t


sable

sable limon

grave

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6. Références bibliographiques

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