Domaine orogénique du Nord de l'Algérie

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Méthode de Z. Bieniawski :

Pour caractériser le massif rocheux, l’évaluation de la masse rocheuse (RMR), également appelée classification géomécaniques, a été utilisée pour classer les masses rocheuses le long du tunnel. RMR est un système de classification des roches contrôlé, détaillé et publié par Bieniawski en 1973.
Le système RMR repose principalement sur six paramètres de masse rocheuse à savoir : la résistance à la compression uniaxiale du matériau rocheux, le RQD, l’espacement des discontinuités, l’état des discontinuités, les conditions des eaux souterraines et l’orientation des discontinuités. Les évaluations des paramètres individuels sont additionnées pour donner une valeur RMR finale. La valeur RMR finale varie de 0 à 100.
L’évaluation totale est ensuite utilisée pour classer la masse rocheuse en classes. Le système comprend cinq classes de masse rocheuse ; I, II, III, IV et V. En termes de qualité de masse rocheuse, elle passe de la classe I à la classe V, la classe V étant la masse rocheuse la moins qualifiée.
Dans le creusement des tunnels, ces groupes de masse rocheuse sont utilisés pour déterminer le système de soutènement nécessaire pour stabiliser les parois du tunnel.
Z.Bieniawski (1973-1983) a développé cette classification dont les paramètres sont :
1) La résistance de la matrice rocheuse: Z.Bieniawski (1973-1983) propose l’évaluation de la résistance par le test de la charge ponctuelle dans lequel une carotte est chargé suivant un diamètre par deux pointes en acier . On en déduit le Is (appelé Indice Franklin).
Thèse de doctorat : Etude de la stabilité du tunnel Draa El Mizane (Tizi Ouzou) par approche géotechnique.
Is= P/D2
σc = (14 + 0,175D) Is
Avec : P : la charge pour rompre l’échantillon de roche.
D : le diamètre de la carotte (en mm).
σc : la résistance à la compression uniaxiale
2) La Qualité de la roche via RQD de Deere.
3) L’espacement des discontinuités de la roche :
Le terme discontinuités reprend ici les joints, failles, stratifications et autres plans de faiblesse.
4) Les conditions hydrologiques :
Des tentatives de prise en considération de l’influence de l’eau souterraine sur la stabilité des excavations, sont présentées sous formes :
– Une mesure du débit d’eau entrant dans l’ouvrage.
– Le rapport entre la pression d’eau dans les joints et la contrainte principale maximale.
– Une observation qualitative des venues d’eau.
5) La qualité des discontinuités de la roche : Ce paramètre prend en considération l’ouverture des joints, leur continuité, leur rugosité et la présence éventuelle de matériaux de remplissage.
6) Orientation des discontinuités : l’influence de l’orientation des joints se marque
différemment suivant le type d’application ; à savoir les tunnels, les talus ou les
fondations.
Remarquons que la valeur prise par cette note d’ajustement est le fruit d’une estimation
qualitative.
Chaque paramètre reçoit une note. Pour aboutir par addition à une note globale caractérisant la
qualité de la roche.
En fonction de la valeur du RMR, Z. BIENIAWSKI, a classifié les rochers en 05 catégories tout en estimant le temps moyen de tenue sans soutènement pour chaque catégorie.
Le RMR résulte de la somme de cinq notes de caractérisation (d’A1 à A5) et d’une note D’ajustement).
Le système RMR a été affiné par différents chercheurs après l’introduction de la version RMR89. Geocontrol (2012) a modifié le RMR de base (RMRb) en introduisant la fréquence de fracture définie comme le nombre de joints par mètre dans le front d’excavation pour remplacer le RQD et l’espacement des discontinuités. Ces changements ont éliminé la difficulté de déterminer le RQD à partir les fronts d’excavation et d’obtenir une bonne évaluation de l’état des discontinuités dans le massif rocheux. Celada et al (2014) ont mis à jour la version RMR89 après son existence pendant 25 ans et l’ont nommée RMR14 pour la distinguer des versions antérieures. La révision comprend l’ajout de nouveaux paramètres, une note révisée et une structure finale. Les trois nouveaux paramètres comprennent : altérabilité de la roche intacte due à l’eau (gonflement), un facteur d’ajustement pour la méthode d’excavation (Fe) et un facteur d’ajustement lié au comportement contrainte-déformation du front du tunnel.

Limites d’usage du RMR :

Le système RMR ne prend pas en considération l’état de contrainte in-situ ni la rugosité des fractures et l’angle de frottement du matériau de remplissage ; les roches gonflantes n’y sont pas non plus traitées. L’application de cette classification est limitée aux cas de massifs dont la matrice a une bonne résistance et dont le comportement est régi par les discontinuités.
En ce qui concerne les contraintes dans le massif, le système de classification de Bieniawski (1973) les néglige. Ce système devient adéquat pour des contraintes allant jusqu’à 25 MPa (courant dans les projets de génie civil), pourtant dans le domaine minier, les contraintes vont bien au-delà de cette valeur ; Néanmoins nous pouvons retenir que lorsqu’il est employé convenablement, le RMR, reste un système très efficace pour la classification des massifs rocheux. Dans ce sens on retrouve ses extensions dans des différents domaines comme l’exploitation minière sous l’appellation de MRMR (Mining Rock Mass Rating) Laubcsher et Jakubec [2000].
On retrouve aussi des modifications du RMR adaptées aux barrages sous le nom de DMR (Dam Mass Rating-(voir dans Romana,[2003]) et également aux pentes sous l’appellation de SMR (Slope Mass Rating) (voir dans Romana et al, [2003]).

La classification de N. Barton : Q-system

A partir des analyses de plus de 200 cas d’excavations souterraines en Suède et en Norvège, Barton et al ont établi en 1974, un système de classification des massifs rocheux à travers un indice de qualité Q de la masse rocheuse. Cet indice qui représentera la masse rocheuse est calculé à partir de 6 paramètres géotechniques portant sur les conditions hydrauliques de la masse rocheuse, l’état des discontinuités et la nature de la masse rocheuse (résistance et états de contraintes).

Méthode de l’indice de résistance géologique : GSI (Geological Strength Index) :

Introduit par Hoek et al. [1995] puis amélioré par Hoek et Brown [1997], le Geological Strength Index ne présente pas une classification géomécanique en soi. Cependant, il constitue un lien entre le RMR (Q-system) et la détermination des paramètres de déformabilité et de résistance des massifs rocheux.
La valeur GSI est un paramètre d’entrée le plus populaire pour le critère de Hoek-Brown pour estimer le module de résistance et de déformation des massifs rocheux fracturés.
Le GSI est un nombre sans dimension, déterminé empiriquement, qui varie entre 5 et 85, et qui peut être estimé à partir d’un examen de la qualité de la masse rocheuse in situ.
La méthode GSI s’appuie donc sur une observation directe de la structure du massif rocheux.
GSI tenant en compte aussi un paramètre qui représente la réduction de la résistance du massif rocheux suivant les conditions géologiques.

Recommandations de l’AFTES (Association Française des Travaux et de l’Espace Souterrain) :

L’AFTES a établi des recommandations pour une description des massifs rocheux qui s’inspire des définitions proposées par la SIMR (Société Internationale de Mécanique des Roches).
Cette association consiste à diffuser des recommandations relatives au choix du type de soutènement.
Une des caractéristiques principales des massifs rocheux est qu’à différentes échelles, du « micro » au « macro », ils sont constitués de matériaux « intacts », séparés par des discontinuités.
En règle générale, on considère la succession :
– minéraux, considérés comme éléments de base, postulés non affectés de discontinuités
– matériaux rocheux constitués de minéraux séparés par des micros-discontinuités
– massifs rocheux constitués de matériaux rocheux séparés par les macro-discontinuités.
Les caractéristiques d’un matériau à une échelle donnée dépendent de celles des constituants et de celles des discontinuités (à cette échelle).
Parmi les paramètres retenus comme pertinents par le groupe de travail de l’AFTES, on peut citer :
– la résistance de la roche ;
– l’indice de continuité de la roche ;
– l’état d’altération ;
– l’indice global de densité de discontinuité ;
– le nombre de familles de discontinuités ;
– l’espacement des discontinuités de chaque famille ;
– l’orientation des discontinuités ;
– la charge hydraulique ;
– la perméabilité du massif ;
– l’état des contraintes naturelles.
En plus de ces critères relatifs au massif rocheux, l’AFTES prend en considération :
A. Des critères relatifs à l’ouvrage et à son mode d’exécution :
– Les dimensions et la forme de la cavité.
– Le procédé d’excavation, qui peut être soit à l’explosif en utilisant ou non la technique du prédécoupage, soit purement mécanique.
B. Des critères relatifs à l’environnement :
– La sensibilité de l’environnement aux tassements.
– Les effets d’une modification de l’équilibre hydrologique.

La limite des systèmes de classification :

Les systèmes de classification sont également issus d’une expérience locale et présentent un biais lié aux cas d’études et aux pratiques ayant servi à les étalonner, qui ne peuvent couvrir tous les conditions géotechniques présentes sur les différents projets souterrains.
On notera en particulier que les critères intervenant dans le calcul des coefficients RMR ou Q montrent clairement qu’il s’agit de classifications initialement destinées aux contextes rocheux durs et fracturés. Le domaine d’emploi de ces classifications correspond essentiellement aux cas où les instabilités structurales et les effets gravitaires sont prépondérants, et prennent imparfaitement en compte le confinement apporté par le soutènement dans les terrains ou les critères de déformabilité jouent un rôle majeur.
D’une part, l’extension de ces classifications à des contextes complexes, dont les mécanismes de déformation et de rupture peuvent différer sensiblement de ceux des massifs en roche dure, est susceptible d’introduire des erreurs significatives dans l’appréciation de la tenue des terrains, et apparaît peu recommandable (Habimana (1999)).
D’autre part, la classification AFTES, du fait de l’absence de notation, présente une plus grande souplesse et peut être utilisée pour les sols indurés et les roches tendres. Toutefois, elle n’apporte aucun élément de pré dimensionnement, et le nombre de techniques d’excavation et de soutènement considérées reste modéré.
Concernant le creusement d’un tunnel dans un contexte complexes tel que une zone de faille, les méthodes empiriques usuelles basées sur une classification des massifs rocheux restent donc peu utilisables et aussi comme guide pour la description générale des caractéristiques du massif ou éventuellement pour l’évaluation de certaines propriétés mécaniques (GSI). Le développement de méthodes analytiques et numériques revêt donc une importance particulière pour accompagner le raisonnement de l’expert et s’assurer que le soutènement envisagé convient.

Une méthode analytique : méthode convergence-confinement :

La méthode de Convergence-Confinement est un outil d’analyse utile pour l’estimation préliminaire des capacités d’appui de l’étendue des zones plastiques et des déformations autour d’une excavation. La méthode a été mise en oeuvre en deux étapes. Cette méthode est basée sur le critère de plasticité du massif Hoek-Brown et suppose un tunnel cylindrique de rayon R, exposé à une contrainte de champ lointain uniforme (σ0) et une pression interne σR.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Étude bibliographique
I. Construction des tunnels
I-1 Introduction
I.2 Méthodes de creusement
I.2.1 Méthode traditionnelle à l’explosif
I.2.2 Méthode d’excavation mécanique
I.3. Classification du massif rocheux
I.3.1. Méthode de K. Terzaghi
I.3.2 Le Rock Quality Designation (R.Q.D)
I.3.3. Méthode de Z. Bieniawski
I.3.4. La classification de N. Barton : Q-system
I.3.5. Méthode de l’indice de résistance géologique
I.3.6. Recommandations de l’AFTES (Association Française des Travaux et de l’Espace Souterrain)
I.3.7 Les limites des systèmes de classification
I.4. Une méthode analytique : méthode convergence-confinement
I.4.1. Principe de la méthode convergence-confinement
I.5. Les méthodes numériques
I.5.1 Les méthodes numériques discontinues
I.6. Causes d’incertitude liée aux caractérisations
I.7. Méthode observationnelle
I.7.1 Techniques d’optimisation en méthode observationnelle
I.7.1.1 Réseaux de neurones artificiels RNA
I.7.1.2 Vue générale sur les réseaux de neurones artificiels
I.7.1.3 Modèles de neurones et architectures
I.7.1.4 Apprentissage
I.8 Conclusion
Chapitre 1 : II. Contexte du tunnel Draa-El Mizane Tizi Ouzou
II.1. Introduction
II.2. Présentation de la pénétrante de Tizi Ouzou
II.2.1. Consistance physique de la penetrante
II.2.1.1. Description géométrique du tunnel T2
II.2.1.2. le tracé en plan de tunnel t2
II.3. Contexte géologiques
II.3.1. Géologie régionale
II.3.1.1. Le Tell
II.3.2 Géologie structurale
II.3.2.1 Domaine cratonique
II.3.2.2 Le bouclier Reguibat
II.3.2.3 Le bouclier Targui
II.3.2.4 La plate-forme saharienne
II.3.3 Domaine orogénique du Nord de l’Algérie
II.3.3.1 L’orogène du Nord de l’Algérie comprend deux sous-domaines
II.3.3.2 Le sous-domaine atlasique
II.3.4 Bref aperçu sur la chaîne des Maghrébides
II.3.4.1 Les zones internes
II.3.4.2 La zone des flyschs
II.3.4.3 Les zones externes
II.3.5. Sismicité et sismotectonique
II.3.6. Géologie locale
II.4. Hydrogéologie
II.4.1. L’étude des caractéristiques du massif rocheux et résultats des investigations.
II.4.1.1 Investigation sismique
II.4.1.2. Les reconnaissances in situ
II.5.Conclusion
Chapitre : III. Modélisation numérique en élément finis
III.1. Introduction
III.2. Choix du modèle de comportement
III.3. Caractérisation et section critique en analyse
III.3.1. Modèle de comportement adopté
III.4. Système de soutènement adopté
III.4.1 Le soutènement agissant par confinement
III.4.2 Le soutènement agissant à la fois par confinement et comme armatures
III.4.3 Le soutènement agissant comme supports
III.3. Etapes de modélisation et choix d’une configuration-type
III.3.1 Les paramètres utilisés dans le modèle informatique
III.4. Interprétation des résultats d’analyse numériques par phase 2
III.6. Conclusion
Chapitre 4 : Instrumentation et approche observationnelle
IV.1. Introduction
IV.2 Approche observationnelle
IV.3 Instrumentation
VI.4 Fréquence des lectures de l’instrumentation
IV.5 Discussion des résultats
IV.6 Méthodologie d’optimisations
IV.7 L’échantillonnage pour l’optimisation
IV.8 Interprétation des résultats
IV.9 Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographique