Reconnaissance géotechnique · Mécanique des sols

Objectifs du chapitre

À la fin de ce chapitre, vous serez capable de:

décrire les phases d'une reconnaissance géotechnique et les documents à consulter avant toute investigation de terrain;
planifier une campagne de sondages (nombre, espacement, profondeur) en fonction de l'ouvrage projeté, selon SIA 267 et SN EN 1997-2;
choisir les méthodes de sondage, d'échantillonnage et d'essais in situ adaptées à chaque type de sol;
interpréter les résultats des essais SPT, CPT/CPTu, pressiométriques et scissométriques pour en déduire des paramètres de résistance;
comprendre le contenu d'un rapport géotechnique, la notion de valeur caractéristique et la place de la méthode observationnelle.

Pourquoi et comment reconnaître le terrain

Contrairement à l'acier ou au béton, le sol n'est pas choisi par l'ingénieur: il est donné par le site, hétérogène et invisible depuis la surface. La reconnaissance géotechnique a pour but de transformer cette inconnue en un modèle géotechnique, c'est-à-dire une représentation simplifiée du sous-sol (couches, nappe, paramètres) suffisante pour concevoir et dimensionner l'ouvrage. Les statistiques sur les sinistres de construction sont éloquentes: une part importante des dommages et des dépassements de coûts trouve son origine dans une connaissance insuffisante du terrain, alors que la reconnaissance représente typiquement moins de 1 % du coût d'un projet.

Les phases d'une étude

La norme SIA 267 et la SN EN 1997-2 organisent la reconnaissance en phases successives, dont l'ampleur croît avec l'avancement du projet.

Étude préliminaire (documentaire). Avant tout sondage, on rassemble les informations existantes: cartes géologiques de swisstopo (Atlas géologique de la Suisse au 1:25 000 et carte géotechnique), cartes des dangers naturels cantonales, cadastre des sites pollués (obligatoire selon l'OSites), archives des sondages voisins (cadastres géologiques cantonaux, par exemple à Genève, Vaud ou Zurich), anciens plans (remblais, caves, canalisations), photos aériennes, connaissances locales. Une visite du site complète cette phase: topographie, indices d'instabilité, venues d'eau, état des constructions voisines.
Reconnaissance de terrain (principale). Sondages, essais in situ, pose de piézomètres, prélèvement d'échantillons et essais de laboratoire. Elle fournit les données du projet de l'ouvrage.
Reconnaissance complémentaire. Ciblée sur les points restés incertains ou sur les variantes retenues (par exemple sondages supplémentaires à l'emplacement définitif des pieux, essais de chargement).
Suivi pendant l'exécution. Contrôle des hypothèses lors des terrassements (levé des fouilles, contrôle du fond de fouille, mesures de nappe), et le cas échéant méthode observationnelle.

Exercice

Remettez dans l'ordre chronologique les étapes d'une étude géotechnique.

Glissez les éléments pour les mettre dans le bon ordre

Établissement du modèle géotechnique et rédaction du rapport

Consultation des cartes géologiques, du cadastre des sites pollués et des archives de sondages

Visite du site et repérage des indices (venues d'eau, instabilités, constructions voisines)

Campagne principale: sondages, essais in situ, piézomètres, échantillonnage

Reconnaissance complémentaire ciblée et suivi pendant l'exécution

Essais de laboratoire sur les échantillons prélevés

Planification de la campagne

Zone d'influence et profondeur des sondages

La reconnaissance doit couvrir la zone d'influence de l'ouvrage: le volume de sol dans lequel les contraintes induites, les déformations ou les modifications hydrauliques sont significatives. Pour une fondation superficielle de largeur $B$ , l'accroissement de contrainte à une profondeur de $1, 5$ à $2 B$ sous la base n'est plus que de 10 % environ de la pression appliquée (chapitre 5): c'est de là que vient la règle usuelle

z_{so n d a g e} \geq D + (1, 5 \overset{a}{ˋ} 2) B (8.1)

où $D$ est la profondeur d'encastrement. Cette profondeur doit en outre traverser toute couche compressible dont le tassement pourrait être significatif et atteindre un horizon porteur reconnu sur une épaisseur suffisante.

SN EN 1997-2 (annexe B) et SIA 267 – Espacement et profondeur des sondages

L'annexe B.3 de la SN EN 1997-2 donne des valeurs indicatives, à adapter aux conditions géologiques:

Espacement: 15 à 40 m pour les bâtiments et ouvrages d'art; 20 à 200 m pour les ouvrages linéaires (routes, voies ferrées, canalisations); 25 à 75 m pour les grands ouvrages en surface (halles, parkings); en général au moins trois points pour définir l'inclinaison des couches.
Profondeur sous la base de la fondation: semelles isolées ou filantes $z_{a} \geq 3 b_{F}$ ( $b_{F}$ : petite dimension de la semelle) et $z_{a} \geq 6$ m; radiers $z_{a} \geq 1, 5 b_{B}$ ( $b_{B}$ : petite dimension du radier); pieux: $z_{a} \geq 5$ m, $z_{a} \geq 3 D_{F}$ et $z_{a} \geq b_{g}$ (largeur du groupe) sous la pointe.
Si un horizon rocheux ou très compact est atteint, les sondages y pénètrent d'au moins 2 à 5 m pour s'assurer qu'il ne s'agit pas d'un bloc isolé (fréquent dans les moraines).

La SIA 267 exige que l'ampleur de la reconnaissance soit fixée par l'ingénieur géotechnicien en fonction de la classe géotechnique (importance de l'ouvrage, complexité du terrain, risques).

Figure 8.1. Implantation des sondages sous un bâtiment de 30 × 20 m (a) et règle de profondeur pour une semelle de largeur B (b). Deux sondages carottés équipés en piézomètres sont complétés par trois essais CPTu; la profondeur de reconnaissance dépasse le bulbe des contraintes.

Nombre et disposition

Le nombre de points de reconnaissance dépend de la surface de l'ouvrage, de la variabilité attendue du terrain et des enjeux. Une pratique courante pour un bâtiment est de combiner:

un ou deux sondages carottés (description précise des couches, échantillons intacts, équipement en piézomètre), placés aux angles ou aux points singuliers;
plusieurs essais de pénétration (CPT/CPTu, pénétromètre dynamique), rapides et économiques, pour interpoler entre les carottages et détecter les variations latérales;
si nécessaire, des fouilles à la pelle pour observer les premiers mètres (remblais, couche végétale, fondations existantes).

Les sondages sont implantés hors de l'emprise exacte des futurs pieux ou semelles, mais à proximité, et leur position est levée par un géomètre avec l'altitude de la tête (référence pour tous les niveaux).

Exemple 8.1 · Profondeur de reconnaissance pour un bâtiment sur semelles

Un immeuble de logements à Bulle est fondé sur des semelles carrées de $B = 2, 5$ m à $D = 1, 5$ m de profondeur, dans une moraine graveleuse. Quelle profondeur minimale prévoir pour les sondages?

Règle usuelle (8.1). $z \geq D + 2 B = 1, 5 + 5, 0 = 6, 5$ m sous le terrain naturel.

SN EN 1997-2. $z_{a} \geq 3 b_{F} = 7, 5$ m sous la base, soit 9,0 m sous le terrain, et $z_{a} \geq 6$ m.

On retient donc des sondages d'environ 9 à 10 m, avec la consigne pour le sondeur de prolonger le carottage si un sol mou est rencontré à la profondeur prévue. Dans une moraine, il faut aussi s'assurer qu'un refus à faible profondeur n'est pas dû à un bloc erratique: le pénétromètre dynamique est alors doublé d'un sondage destructif avec enregistrement des paramètres.

Exercice

Une semelle filante de largeur $B = 2, 5$ m est fondée à $D = 1, 5$ m. En appliquant la règle usuelle $z \geq D + 2 B$ , quelle profondeur minimale (en m sous le terrain naturel) faut-il donner aux sondages?

Méthodes de sondage et d'échantillonnage

Fouilles à la pelle

La fouille à la pelle mécanique (2 à 4 m de profondeur) est la méthode la plus simple et la plus parlante: elle permet d'observer directement la succession des couches, de prélever des échantillons en vrac ou en blocs, et de repérer les venues d'eau. Elle convient aux remblais, aux couches superficielles et aux graves; elle est limitée par la nappe et par la stabilité des parois (blindage obligatoire au-delà de 1,5 m selon les prescriptions SUVA si une personne y descend).

Sondages carottés

Le sondage carotté extrait une carotte continue de sol ou de roche à l'aide d'un carottier tournant. Le carottier simple convient aux roches et aux sols cohérents raides; le carottier double (tube intérieur fixe qui protège la carotte du fluide de forage) ou triple est indispensable pour les sols meubles et les argiles molles. Les diamètres usuels vont de 101 à 146 mm. Les carottes sont rangées dans des caisses, photographiées et décrites selon SN 670 004-2 par un géologue (figure 8.2).

Figure 8.2. Extrait d'une coupe de sondage carotté à Yverdon-les-Bains: colonne lithologique avec symboles, niveau de la nappe, échantillons intacts et remaniés, valeurs SPT. La succession remblai – grave – argile lacustre – moraine est typique du Plateau.

SN EN ISO 22475-1 – Classes de qualité des échantillons

La norme distingue cinq classes de qualité selon les propriétés que l'échantillon conserve:

Classe	Propriétés conservées	Essais possibles
1	granulométrie, $w$ , $γ$ , $e$ , compressibilité, résistance	tous les essais (œdomètre, triaxial, cisaillement)
2	granulométrie, $w$ , $γ$ , $e$	poids volumique, perméabilité, limites
3	granulométrie, $w$	teneur en eau, limites d'Atterberg
4	granulométrie	identification, granulométrie
5	succession des couches seulement	description

Les échantillons de classe 1 et 2 sont dits intacts (prélevés au tube à paroi mince ou au carottier à piston dans les argiles, au carottier double avec liner dans les sols raides); les classes 3 à 5 sont remaniées (cuttings de sondage destructif, échantillons de pelle, carottier fendu du SPT). Un essai œdométrique ou triaxial sur un échantillon remanié n'a aucune valeur pour le dimensionnement.

Sondages destructifs avec enregistrement des paramètres

Le sondage destructif (tricône, marteau fond de trou) broie le sol sans le récupérer; il est rapide et peu coûteux. Couplé à l'enregistrement des paramètres de forage (vitesse d'avancement, pression sur l'outil, couple, pression du fluide), il donne un profil qualitatif utile pour repérer les interfaces et les cavités. En Suisse, il est très utilisé dans les moraines à blocs et pour reconnaître le toit de la molasse ou du rocher. Il ne fournit que des échantillons remaniés (classe 4–5).

Exercice

Un bureau souhaite réaliser des essais œdométriques sur une argile lacustre pour calculer les tassements d'un immeuble. Quelle classe de qualité d'échantillon est requise et par quelle méthode l'obtenir?

Essais in situ

Les essais in situ mesurent le comportement du sol en place, sans les perturbations du prélèvement. Ils sont particulièrement précieux dans les sols difficiles à échantillonner (sables, graves, argiles molles) et donnent des profils continus. Leur interprétation repose sur des corrélations empiriques qu'il faut utiliser avec discernement.

Pénétromètres dynamiques (DPH, DPSH)

Une pointe conique est battue par un mouton tombant d'une hauteur fixe; on compte le nombre de coups $N_{10}$ pour un enfoncement de 10 cm (SN EN ISO 22476-2). Les types lourd (DPH, mouton de 50 kg) et super-lourd (DPSH, 63,5 kg) sont les plus courants en Suisse. L'essai est rapide et bon marché, mais sensible au frottement latéral sur les tiges et aux blocs; il sert surtout à contrôler la compacité des remblais et des graves et à détecter le toit d'un horizon compact.

Essai de pénétration au carottier (SPT)

Le SPT (Standard Penetration Test, SN EN ISO 22476-3) est réalisé au fond d'un forage: un carottier fendu de 51 mm est battu par un mouton de 63,5 kg tombant de 760 mm. On note le nombre de coups $N_{S P T}$ nécessaires pour enfoncer le carottier de 300 mm, après un enfoncement d'amorce de 150 mm. L'essai fournit en prime un échantillon remanié (classe 3–4).

La valeur brute doit être corrigée:

de l'énergie réellement transmise par le dispositif de battage (rapport d'énergie $E R$ ), ramenée à la référence de 60 %: $N_{60} = N_{S P T} E R /60$ ;
de la contrainte effective verticale, pour les sols grenus, car $N$ croît avec la profondeur à densité égale:

(N_{1})_{60} = C_{N} N_{60}, C_{N} = \frac{100 kPa}{σ _{v 0}^{'}} \leq 1, 7. (8.2)

Des corrections secondaires (diamètre du forage, longueur des tiges, liner) s'ajoutent le cas échéant. La valeur $(N_{1})_{60}$ est corrélée à la densité relative et à l'angle de frottement des sables:

D_{r} \approx \frac{( N _{1} ) _{60}}{60}, φ^{'} \approx 27, 1 + 0, 3 (N_{1})_{60} - 0, 00054 (N_{1})_{60}^{2} (8.3)

(Skempton 1986; Peck, Hanson & Thornburn 1974). Le tableau suivant, issu de Terzaghi et Peck, reste la référence pour un premier jugement.

$(N_{1})_{60}$	Compacité	$D_{r}$ (%)	$φ^{'}$ (°)
0 – 4	très lâche	< 15	< 30
4 – 10	lâche	15 – 35	30 – 32
10 – 30	moyennement dense	35 – 65	32 – 36
30 – 50	dense	65 – 85	36 – 40
> 50	très dense	> 85	> 40

Dans les argiles, $N_{S P T}$ n'est qu'un indicateur grossier de la consistance ( $c_{u} \approx 5$ à $6 N_{S P T}$ kPa); on lui préfère le CPTu ou le scissomètre.

Exemple 8.2 · Correction d'une valeur SPT dans un sable

Dans un forage à Aigle, un essai SPT réalisé à 6 m de profondeur dans un sable alluvial donne $N_{S P T} = 12$ . Le dispositif de battage automatique a un rapport d'énergie $E R = 70 %$ . Le sable a $γ = 19$ kN/m³ au-dessus de la nappe (à 2 m) et $γ_{s a t} = 20$ kN/m³ en dessous. Déterminer $(N_{1})_{60}$ , la densité relative et l'angle de frottement.

Contrainte effective. $σ_{v 0} = 2 \times 19 + 4 \times 20 = 118$ kPa, $u = 4 \times 9, 81 = 39, 2$ kPa, d'où $σ_{v 0}^{'} = 78, 8$ kPa.

Corrections. $N_{60} = 12 \times 70/60 = 14, 0$ ; $C_{N} = 100/78, 8 = 1, 127$ ; $(N_{1})_{60} = 1, 127 \times 14, 0 = 15, 8$ .

Interprétation. $D_{r} \approx 15, 8/60 = 0, 51$ , soit un sable moyennement dense ( $D_{r} \approx 50 %$ ). Par (8.3), $φ^{'} \approx 27, 1 + 0, 3 \times 15, 8 - 0, 00054 \times 15, 8^{2} = 31, 7°$ , cohérent avec la fourchette 32–36° du tableau. On retiendra prudemment $φ^{'} = 32°$ pour le dimensionnement, à confirmer par d'autres essais.

Exercice

Un SPT à 8 m de profondeur donne $N_{S P T} = 18$ avec un rapport d'énergie $E R = 65 %$ . La contrainte effective verticale vaut $σ_{v 0}^{'} = 120$ kPa. Calculez $(N_{1})_{60}$ .

Pénétromètre statique CPT et piézocône CPTu

Le CPT (SN EN ISO 22476-1) enfonce à vitesse constante (2 cm/s) une pointe conique de 10 cm² d'apex 60° et mesure en continu la résistance de pointe $q_{c}$ et le frottement latéral $f_{s}$ sur un manchon situé juste derrière la pointe. Le piézocône CPTu mesure en plus la pression interstitielle $u_{2}$ à la base du cône. Le CPT est l'essai in situ le plus riche: profil continu tous les centimètres, répétabilité excellente, corrélations bien établies. Il est limité par les blocs et les graves grossières (refus ou déviation) et nécessite une machine de réaction (camion lesté ou ancrages).

Figure 8.3. Profil CPT synthétique sur 15 m: résistance de pointe q_c, frottement latéral f_s et rapport de frottement R_f. Le remblai et la grave alluviale se distinguent de l'argile lacustre par un q_c élevé et un R_f faible; la moraine sous-jacente est reconnue par la remontée de q_c.

La classification de Robertson situe le sol dans un abaque ( $q_{t}$ normalisé, $R_{f}$ ou $B_{q}$ ). Sa version simplifiée suffit pour un premier diagnostic: un $q_{c}$ élevé avec $R_{f}$ faible signale un sol grenu, un $q_{c}$ faible avec $R_{f}$ élevé une argile; les silts et sols intermédiaires occupent le milieu de l'abaque.

Dans les sols fins, la résistance non drainée s'obtient par

c_{u} = \frac{q _{t} - σ _{v 0}}{N _{k t}}, N_{k t} \approx 10 \overset{a}{ˋ} 20 (souvent 14 \overset{a}{ˋ} 16) (8.5)

où $N_{k t}$ est un facteur de cône à calibrer localement, idéalement sur des essais scissométriques ou triaxiaux du même site. Dans les sols grenus, l'angle de frottement est estimé par la corrélation de Robertson et Campanella (1983):

φ^{'} = arctan [0, 1 + 0, 38 lo g_{10} (\frac{q _{c}}{σ _{v 0}^{'}})] (8.6)

et le module de déformation par $E^{'} \approx α q_{c}$ avec $α = 2$ à $4$ pour les sables normalement consolidés.

Exemple 8.3 · Interprétation d'un CPTu dans une argile lacustre

Sur le profil de la figure 8.3, à 8 m de profondeur dans l'argile lacustre, on lit $q_{c} = 0, 80$ MPa, $f_{s} = 30$ kPa et $u_{2} = 250$ kPa. La pointe a un rapport de surfaces $a = 0, 80$ . La stratigraphie est: remblai 0–1,5 m ( $γ = 19$ kN/m³), grave 1,5–4 m ( $γ = 21$ kN/m³), argile ( $γ = 19$ kN/m³). Estimer le type de sol et $c_{u}$ .

Classification. $R_{f} = 30/800 = 3, 75 %$ avec $q_{c} < 1$ MPa: argile molle à ferme, ce que confirme la forte pression $u_{2}$ (comportement non drainé).

Résistance de pointe corrigée. $q_{t} = 800 + (1 - 0, 80) \times 250 = 850$ kPa.

Contrainte totale. $σ_{v 0} = 1, 5 \times 19 + 2, 5 \times 21 + 4, 0 \times 19 = 157$ kPa.

Résistance non drainée. Avec $N_{k t} = 15$ : $c_{u} = (850 - 157) /15 = 46$ kPa. La fourchette $N_{k t} = 12$ à $20$ donnerait 35 à 58 kPa, ce qui illustre l'importance de calibrer $N_{k t}$ : un essai scissométrique à la même profondeur permettrait de lever l'ambiguïté.

Explorateur d'interprétation CPTu

Déplacez le curseur de profondeur sur le profil synthétique: le type de sol (classification de Robertson simplifiée) et le paramètre de résistance associé sont recalculés. Le facteur N_kt n'intervient que dans les sols fins.

q_c

0,68MPa

f_s

20kPa

R_f = f_s/q_c

2,95%

Sol interprété

Argile silteuse / silt argileux

σ_v0 / σ′_v0

138 / 84kPa

c_u = (q_t − σ_v0)/N_kt

39,1kPa

Profondeur z7,0m

Facteur de cône N_kt15

Exercice

Un CPTu donne $q_{t} = 1, 10$ MPa à une profondeur où la contrainte verticale totale vaut $σ_{v 0} = 190$ kPa. Avec $N_{k t} = 15$ , calculez $c_{u}$ en kPa.

Pressiomètre Ménard

Le pressiomètre (SN EN ISO 22476-4) gonfle une sonde cylindrique dans un forage calibré et mesure la variation de volume en fonction de la pression appliquée. La courbe pressiométrique fournit le module pressiométrique $E_{M}$ (pente de la phase pseudo-élastique) et la pression limite $p_{l}$ (pression pour laquelle le volume de la cavité a doublé). Ces deux paramètres alimentent des méthodes de calcul directes de la portance et du tassement (fascicule 62, Eurocode 7 annexe E), très utilisées en France et dans l'Arc lémanique. Le rapport $E_{M} / p_{l}$ renseigne sur la nature et l'état du sol: 8 à 12 pour une argile normalement consolidée, 12 à 30 pour un sol surconsolidé ou un sable dense. L'essai est réalisable dans presque tous les sols, y compris les moraines et la molasse altérée, ce qui en fait un complément précieux du CPT en Suisse.

Scissomètre de chantier

Le scissomètre (SN EN ISO 22476-9) est un moulinet à quatre pales enfoncé dans un sol fin puis mis en rotation; le couple maximal $T_{ma x}$ donne directement la résistance non drainée:

c_{u} = \frac{T _{ma x}}{π D ^{2} ( H /2 + D /6 )} (8.7)

pour un moulinet de hauteur $H$ et de diamètre $D$ (rapport usuel $H / D = 2$ ). En poursuivant la rotation, on mesure la résistance remaniée et donc la sensibilité $S_{t} = c_{u} / c_{u, r e m}$ . La valeur mesurée doit être corrigée par le facteur de Bjerrum $μ$ (0,6 à 1,0, fonction de $I_{P}$ ) avant usage dans un calcul de stabilité. C'est l'essai de référence pour les argiles lacustres molles du Plateau et pour calibrer $N_{k t}$ .

Essai de plaque, essais de perméabilité et piézomètres

L'essai de chargement à la plaque (SN 670 317) mesure le module $M_{E}$ d'une couche de forme ou d'un fond de fouille; il n'intéresse que les premiers décimètres et sert surtout au contrôle des remblais routiers (chapitre 3).

Les essais de perméabilité in situ (Lefranc dans les sols, Lugeon dans le rocher, essais de pompage) donnent le coefficient $k$ à l'échelle du massif, souvent très différent de celui mesuré en laboratoire à cause des hétérogénéités (chapitre 4). Un essai de pompage avec piézomètres d'observation est indispensable pour dimensionner le rabattement d'une fouille.

Les piézomètres (tube crépiné installé dans un sondage) permettent de suivre le niveau de la nappe dans le temps. Une mesure unique lors du sondage n'a que peu de valeur: la nappe des graves alluviales du Rhône ou de l'Aar varie de plusieurs mètres entre l'étiage hivernal et les hautes eaux d'été (fonte des neiges), et celle des nappes perchées du Plateau réagit aux pluies. Le rapport géotechnique doit indiquer le niveau de dimensionnement (par exemple la nappe centennale) et non le niveau mesuré un jour donné.

Exercice

Quel essai in situ convient le mieux pour obtenir un profil de résistance non drainée dans une argile lacustre molle à Yverdon?

Exercice

Une reconnaissance doit traverser 15 m de moraine à blocs pour atteindre la molasse à Fribourg. Quelle méthode est la mieux adaptée?

Géophysique

Les méthodes géophysiques mesurent depuis la surface une propriété physique du sous-sol et en déduisent sa structure. Elles couvrent de grandes surfaces à faible coût mais exigent d'être calées sur des sondages. Les plus utilisées en géotechnique sont:

la sismique réfraction (et la mesure des ondes de surface MASW), qui donne la vitesse des ondes P et S, donc la profondeur du rocher, le degré d'altération et le module dynamique $G_{0} = ρ V_{s}^{2}$ ; elle est très utilisée pour les tracés routiers et ferroviaires en zone alpine, où les sondages sont difficiles d'accès;
le géoradar, pour les premiers mètres (canalisations, cavités, structure des remblais, épaisseur des chaussées);
la tomographie de résistivité électrique, sensible à l'eau et à l'argile, précieuse pour délimiter des glissements de terrain ou des zones karstiques dans le Jura.

Essais de laboratoire

Les échantillons prélevés sont soumis aux essais décrits dans les chapitres précédents. Le tableau ci-dessous récapitule les essais courants, la classe d'échantillon requise et les normes applicables.

Essai	Paramètres	Classe requise	Norme
Teneur en eau, poids volumiques	$w$ , $γ$ , $γ_{d}$ , $G_{s}$	1 – 3	SN 670 340, SN EN ISO 17892-1 à 3
Granulométrie, limites d'Atterberg	$C_{u}$ , $C_{c}$ , $w_{L}$ , $I_{P}$	3 – 4	SN 670 810, SN 670 345, SN EN ISO 17892-4 et 12
Proctor, CBR	$ρ_{d, ma x}$ , $w_{o pt}$	4	SN 670 330
Perméabilité	$k$	1 – 2	SN EN ISO 17892-11
Œdomètre	$C_{c}$ , $C_{s}$ , $σ_{p}^{'}$ , $c_{v}$	1	SN EN ISO 17892-5
Cisaillement direct	$φ^{'}$ , $c^{'}$	1 – 2	SN EN ISO 17892-10
Triaxial CU, CD, UU	$φ^{'}$ , $c^{'}$ , $c_{u}$ , $E$	1	SN EN ISO 17892-8 et 9
Teneur en matière organique, carbonates	$C_{or g}$ , CaCO₃	3 – 4	analyses chimiques en laboratoire accrédité

Le programme d'essais doit être fixé en fonction des questions à résoudre: on ne réalise pas d'œdomètre dans une grave ni de triaxial sur un remblai routier. Un nombre suffisant d'essais par couche (au minimum trois) est nécessaire pour estimer une valeur caractéristique.

Modèle géotechnique et rapport

Le modèle géotechnique

Le modèle est toujours une interprétation: entre deux sondages distants de 25 m, la géométrie des couches est interpolée. Une bonne pratique est de dessiner les profils avec les sondages réels et de distinguer graphiquement ce qui est observé de ce qui est déduit. Les incertitudes résiduelles (par exemple la présence de blocs dans la moraine, ou d'un chenal graveleux dans les dépôts lacustres) doivent être explicitées.

SIA 267 – Contenu du rapport géotechnique

La norme SIA 267 distingue le rapport géotechnique (données et interprétation) du rapport de dimensionnement géotechnique (calculs et justifications). Le rapport géotechnique contient au minimum:

la description de l'ouvrage projeté et des bases de l'étude (documents consultés, méthodes, normes);
la situation géologique, hydrogéologique et environnementale (sites pollués) du site;
les procès-verbaux des sondages, essais in situ et essais de laboratoire, avec plan d'implantation et profils;
le modèle géotechnique et les valeurs caractéristiques des paramètres par couche;
les recommandations pour la conception (type de fondation, niveau de nappe de dimensionnement, terrassements, drainage, mesures d'auscultation) et les points nécessitant une reconnaissance complémentaire.

Valeurs caractéristiques

Lorsque le mécanisme mobilise un grand volume de sol (fondation superficielle, glissement), les variations locales se compensent et $X_{k}$ est proche d'une estimation prudente de la moyenne. Lorsqu'il ne concerne qu'une zone réduite (pointe de pieu, couche mince), $X_{k}$ doit être proche d'une valeur basse de la distribution. En pratique, deux approches coexistent:

l'approche par jugement: on retient une valeur légèrement inférieure à la moyenne des essais jugés fiables, en s'appuyant sur l'expérience régionale et sur les corrélations;
l'approche statistique: pour $n$ essais de moyenne $m$ et d'écart-type $s$ , l'estimation prudente de la moyenne au niveau de confiance de 95 % est

X_{k} = m - t_{n - 1} \frac{s}{n} (8.8)

avec $t_{n - 1}$ le quantile de Student (1,9 pour $n = 8$ , 1,8 pour $n = 10$ , 1,7 pour $n = 30$ ). Une règle simplifiée fréquemment employée est $X_{k} \approx m - 0, 5 s$ .

Incertitudes et méthode observationnelle

Même une reconnaissance soignée laisse subsister des incertitudes. La SIA 267 et l'Eurocode 7 admettent, lorsque le comportement de l'ouvrage est difficile à prédire, de recourir à la méthode observationnelle proposée par Peck (1969): le projet est établi sur la base des hypothèses les plus probables, des valeurs limites de comportement sont fixées (déplacements, pressions, débits), un dispositif d'auscultation mesure le comportement réel pendant l'exécution, et des mesures correctives préparées à l'avance sont déclenchées si les limites sont approchées. Cette démarche est courante pour les grandes fouilles urbaines (Genève, Zurich, Lausanne) et les tunnels, mais elle exige que l'ouvrage puisse être adapté en cours de travaux, ce qui exclut les ruptures fragiles.

Trois contextes suisses

Argiles lacustres genevoises. Les dépôts glacio-lacustres et lacustres du bassin genevois (limons argileux gris, molles, avec lits silteux) atteignent plusieurs dizaines de mètres d'épaisseur. La reconnaissance repose sur des carottages à piston, des CPTu serrés et des scissomètres; les essais œdométriques sont indispensables, et le suivi des nappes (souvent artésiennes dans les niveaux graveleux intercalés) est critique pour les fouilles.

Moraines à blocs. Sur le Plateau et dans les Préalpes, la moraine de fond est compacte mais contient des blocs erratiques métriques. Les pénétromètres et CPT refusent sur les blocs, ce qui peut faire croire à tort à un horizon rocheux; il faut recouper les résultats par des sondages destructifs avec enregistrement des paramètres et, pour les pieux, prévoir des outils capables de traverser les blocs.

Karst jurassien. Les calcaires du Jura sont karstifiés: cavités, poches de remplissage argileux, toit du rocher très irrégulier. Les sondages ponctuels peuvent manquer une cavité. La géophysique (résistivité, microgravimétrie), les sondages destructifs à maille serrée et, lors de l'exécution, le contrôle systématique des fonds de fouille et des pieux sont nécessaires.

Synthèse

La reconnaissance se déroule par phases: étude documentaire (cartes swisstopo, cadastre des sites pollués, archives), reconnaissance principale, reconnaissance complémentaire, suivi en cours d'exécution.
Les sondages doivent couvrir la zone d'influence de l'ouvrage: espacement de 15 à 40 m pour un bâtiment, profondeur $z \geq D + (1, 5$ à $2) B$ et au moins 6 m sous une semelle, $1, 5 b_{B}$ sous un radier (SN EN 1997-2).
Seuls les échantillons de classe 1 (SN EN ISO 22475-1) conviennent aux essais de compressibilité et de résistance; les sondages destructifs et le SPT ne donnent que des échantillons remaniés.
Le SPT se corrige par $(N_{1})_{60} = C_{N} N_{60}$ ; le CPTu fournit $q_{t}$ , $R_{f}$ et $u_{2}$ , d'où le type de sol, $c_{u} = (q_{t} - σ_{v 0}) / N_{k t}$ dans les sols fins et $φ^{'}$ dans les sols grenus; le pressiomètre donne $E_{M}$ et $p_{l}$ ; le scissomètre mesure $c_{u}$ dans les argiles molles.
Le rapport géotechnique (SIA 267) présente les données, le modèle géotechnique et les valeurs caractéristiques, estimations prudentes tenant compte de la variabilité et du volume de sol mobilisé.
La méthode observationnelle permet de gérer les incertitudes résiduelles par l'auscultation et des mesures correctives prédéfinies.

Série d'exercices du chapitre 8

Exercice 1 sur 5

Exercice

Quel document permet, avant tout sondage, de savoir si un terrain à Carouge a accueilli une ancienne décharge ou une aire d'exploitation industrielle?

Problème guidé

Planifier la reconnaissance d'un immeuble à Yverdon

Un immeuble de 30 × 20 m en plan (rez + 5 étages, un sous-sol) doit être construit à Yverdon-les-Bains. L'Atlas géologique indique des dépôts lacustres sur plus de 20 m (limons argileux mous) reposant sur une moraine. On envisage un radier à 3 m de profondeur ou, selon les résultats, des pieux. Proposez la campagne de reconnaissance puis interprétez une mesure CPTu.

1
Nombre et type de sondages
L'espacement recommandé pour un bâtiment est de 15 à 40 m et il faut au moins trois points pour définir la géométrie des couches; un sol mou et compressible justifie de se situer dans le bas de la fourchette.
Exercice
Quelle campagne est la plus judicieuse pour cet immeuble?
Profondeur des sondages
Essais à prévoir
Interprétation d'un CPTu

Exercices

Vous pouvez afficher le corrigé directement sous chaque énoncé après avoir cherché la solution.

Exercice 8.1 · Planification d'une campagne

Une halle industrielle de 60 × 40 m doit être construite à Bussigny sur des graves alluviales surmontées de 1 à 2 m de remblais anciens. Les poteaux reposent sur des semelles carrées de 2,0 m à 1,2 m de profondeur. Le site figure au cadastre des sites pollués (ancienne aire d'exploitation). Proposer un programme de reconnaissance: documents à consulter, nombre et type de sondages, profondeur, essais in situ et de laboratoire, mesures particulières. Justifier chaque choix.

Solution

Étude documentaire. Atlas géologique 1:25 000 (feuille de Lausanne–Morges: graves alluviales de la Venoge et moraine), carte géotechnique, cadastre des sites pollués du canton de Vaud (fiche du site: nature de l'activité, polluants suspectés), archives de sondages voisins (carte géologique cantonale), anciens plans de l'usine (caves, cuves enterrées, canalisations), photos aériennes historiques. Visite du site avec relevé des accès, des constructions voisines et des indices de remblais.

Sondages. Surface 2400 m²; pour une halle, la SN EN 1997-2 suggère un espacement de 25 à 75 m, et il faut au moins trois points pour définir la pente des couches. On propose:

3 sondages carottés de 10 m environ (deux angles opposés et un point médian), équipés de piézomètres, avec échantillonnage intact dans les graves (classe 2, carottier double avec liner) et remanié dans le remblai;
4 à 6 essais au pénétromètre dynamique DPH ou CPT (si la grave le permet) répartis sur l'emprise pour vérifier l'homogénéité de la compacité de la grave sous chaque zone de poteaux;
3 à 4 fouilles à la pelle de 2 à 3 m pour reconnaître l'épaisseur et la nature des remblais (déchets, fondations anciennes) et prélever des échantillons pour analyses chimiques.

Profondeur. Règle usuelle: $z \geq D + 2 B = 1, 2 + 2 \times 2, 0 = 5, 2$ m. SN EN 1997-2: $z_{a} \geq 3 b_{F} = 6$ m sous la base et $\geq 6$ m, soit $1, 2 + 6, 0 = 7, 2$ m sous le terrain. On retient 8 à 10 m pour les carottages (avec prolongation si une couche molle apparaît), 6 m pour les pénétromètres.

Essais. In situ: DPH/CPT (compacité), essais de plaque sur le fond de fouille au moment des travaux, suivi de la nappe sur au moins une saison. Laboratoire: identification (granulométrie, $w$ , limites pour la matrice), poids volumique, éventuellement cisaillement direct sur la grave reconstituée à la densité in situ; analyses chimiques (hydrocarbures, métaux lourds) sur les remblais selon l'OLED pour le plan de gestion des matériaux.

Mesures particulières. Protocole de protection du personnel de sondage (site pollué), stockage séparé des cuttings, coordination avec le service cantonal de l'environnement, plan d'évacuation des matériaux pollués (leur coût peut dominer celui des fondations). Vérifier que les remblais sont entièrement traversés par les semelles (ou substitués), sinon prévoir un rabaissement du niveau de fondation.

Exercice 8.2 · Profil SPT dans un sable

Dans un forage réalisé dans les alluvions sableuses de la plaine de l'Orbe, des essais SPT ( $E R = 60 %$ ) donnent $N_{S P T} = 9$ , 14, 19 et 25 respectivement à 3, 6, 9 et 12 m de profondeur. La nappe est à 2,0 m; $γ = 18, 5$ kN/m³ au-dessus et $γ_{s a t} = 20, 5$ kN/m³ en dessous. Calculer pour chaque profondeur $σ_{v 0}^{'}$ , $C_{N}$ , $(N_{1})_{60}$ , la densité relative et l'angle de frottement estimés. Commenter l'évolution de la compacité avec la profondeur et proposer une valeur caractéristique de $φ^{'}$ pour une semelle fondée à 3 m.

Solution

Nappe à 2,0 m: $σ_{v 0}^{'} (z) = 2, 0 \times 18, 5 + (z - 2, 0) (20, 5 - 9, 81)$ . Avec $E R = 60 %$ , $N_{60} = N_{S P T}$ .

$z$ (m)	$N_{S P T}$	$σ_{v 0}^{'}$ (kPa)	$C_{N}$	$(N_{1})_{60}$	$D_{r}$ (%)	$φ^{'}$ (8.3)
3	9	47,7	1,448	13,0	47	30,9°
6	14	79,8	1,120	15,7	51	31,7°
9	19	111,8	0,946	18,0	55	32,3°
12	25	143,9	0,834	20,8	59	33,1°

Exemple de calcul à 3 m: $σ_{v 0}^{'} = 37, 0 + 1, 0 \times 10, 69 = 47, 7$ kPa; $C_{N} = 100/47, 7 = 1, 448$ ; $(N_{1})_{60} = 1, 448 \times 9 = 13, 0$ ; $D_{r} = 13, 0/60 = 0, 47$ ; $φ^{'} = 27, 1 + 0, 3 \times 13, 0 - 0, 00054 \times 13, 0^{2} = 30, 9°$ .

Commentaire. Les valeurs brutes $N_{S P T}$ augmentent fortement avec la profondeur (9 à 25), mais une fois corrigées de la contrainte effective, $(N_{1})_{60}$ ne passe que de 13 à 21: le sable est moyennement dense sur toute la hauteur ( $D_{r}$ de 47 à 59 %) et sa compacité croît modérément avec la profondeur. La croissance apparente de $N$ est due pour l'essentiel à l'augmentation du confinement.

Valeur caractéristique. Pour une semelle à 3 m, la zone d'influence s'étend jusqu'à environ 6 à 9 m. Les valeurs de $(N_{1})_{60}$ correspondantes (13 à 18) donnent $φ^{'} \approx 31$ à $32°$ par (8.3) et 32 à 34° selon le tableau de Terzaghi et Peck. Une estimation prudente est $φ_{k}^{'} = 31°$ à $32°$ ; on retiendra $φ_{k}^{'} = 31°$ en l'absence d'essais de laboratoire.

Exercice 8.3 · CPTu dans une argile lacustre

Un CPTu ( $a = 0, 80$ ) traverse 1,5 m de remblai ( $γ = 19$ kN/m³) puis une argile lacustre ( $γ = 18$ kN/m³). On relève:

$z$ (m)	$q_{c}$ (kPa)	$f_{s}$ (kPa)	$u_{2}$ (kPa)
6	650	22	180
9	720	28	260
12	800	30	330

Calculer à chaque profondeur $q_{t}$ , $R_{f}$ et $c_{u}$ avec $N_{k t} = 15$ . Un essai scissométrique à 9 m a donné $c_{u} = 38$ kPa: quel $N_{k t}$ en déduit-on et faut-il corriger les autres valeurs? Commenter l'évolution de $c_{u}$ avec la profondeur.

Solution

Contrainte totale: $σ_{v 0} = 1, 5 \times 19 + (z - 1, 5) \times 18$ . Résistance corrigée: $q_{t} = q_{c} + 0, 20 u_{2}$ .

$z$ (m)	$q_{t}$ (kPa)	$σ_{v 0}$ (kPa)	$R_{f}$ (%)	$c_{u}$ ( $N_{k t} = 15$ )
6	686	109,5	3,38	38,4 kPa
9	772	163,5	3,89	40,6 kPa
12	866	217,5	3,75	43,2 kPa

Exemple à 9 m: $q_{t} = 720 + 0, 2 \times 260 = 772$ kPa; $σ_{v 0} = 28, 5 + 7, 5 \times 18 = 163, 5$ kPa; $c_{u} = (772 - 163, 5) /15 = 40, 6$ kPa; $R_{f} = 28/720 = 3, 9 %$ .

Calibration. À 9 m, le scissomètre donne $c_{u} = 38$ kPa, d'où $N_{k t} = (772 - 163, 5) /38 = 16, 0$ . Cette valeur est proche de celle admise (15); on recalcule les autres profondeurs avec $N_{k t} = 16$ : $c_{u} = 36, 0$ kPa à 6 m et $40, 5$ kPa à 12 m. La correction est de l'ordre de 6 %, du même ordre que l'incertitude de la mesure scissométrique elle-même (facteur de Bjerrum); elle est néanmoins à appliquer, la valeur mesurée directement primant sur la corrélation.

Commentaire. Les rapports de frottement (3,4 à 3,9 %) et les pressions $u_{2}$ élevées confirment une argile en comportement non drainé. La résistance non drainée croît lentement et régulièrement avec la profondeur (environ 0,8 kPa/m), ce qui est caractéristique d'une argile normalement consolidée à légèrement surconsolidée; le rapport $c_{u} / σ_{v 0}^{'}$ ne peut être calculé précisément qu'une fois le niveau de la nappe connu par les piézomètres. C'est un sol mou: la portance à court terme et les tassements de consolidation gouverneront le projet.

Exercice 8.4 · Valeur caractéristique de la résistance

Dix essais triaxiaux CD sur les sables limoneux d'un site à Payerne donnent $φ^{'} = 28, 30, 27, 31, 29, 30, 26, 29, 32, 28°$ . Calculer la moyenne, l'écart-type et le coefficient de variation. Déterminer la valeur caractéristique par la formule (8.8) ( $t_{9} = 1, 83$ ) et par la règle simplifiée $m - 0, 5 s$ . Quelle valeur retenir pour un pieu isolé dont la pointe se trouve dans cette couche, et pourquoi diffère-t-elle du choix pour un radier?

Solution

Statistiques. $n = 10$ , $m = 29, 0°$ , écart-type $s = 1, 83°$ , coefficient de variation $V = 6, 3 %$ .

Formule (8.8). $φ_{k}^{'} = m - t_{9} s / n = 29, 0 - 1, 83 \times 1, 83/ 10 = 29, 0 - 1, 06 = 27, 9°$ .

Règle simplifiée. $φ_{k}^{'} = 29, 0 - 0, 5 \times 1, 83 = 28, 1°$ .

Les deux approches convergent vers $φ_{k}^{'} \approx 28°$ pour un mécanisme mobilisant un grand volume de sol (radier, semelle large): la moyenne gouverne, et son estimation prudente ne s'écarte que d'un degré de la valeur moyenne.

Pieu isolé. La rupture de pointe d'un pieu ne mobilise qu'un petit volume de sol (quelques diamètres). Une valeur locale faible n'est alors pas compensée par les valeurs voisines: la valeur caractéristique doit se rapprocher d'une valeur basse de la distribution, par exemple le fractile à 5 % $m - 1, 64 s \approx 26°$ , ou la valeur minimale mesurée (26°). On retiendrait $φ_{k}^{'} = 26°$ à $27°$ pour la pointe du pieu, contre 28° pour le radier. La différence traduit le rôle du volume de sol mobilisé dans la définition SIA 267 / Eurocode 7 de la valeur caractéristique.

Références

SIA 267, Géotechnique, Société suisse des ingénieurs et des architectes, Zurich, 2013.
SN EN 1997-2, Eurocode 7: Calcul géotechnique – Partie 2: Reconnaissance des terrains et essais, avec annexe nationale suisse.
SN EN ISO 22475-1, Reconnaissance et essais géotechniques – Méthodes de prélèvement et mesurages piézométriques; SN EN ISO 22476-1 à 12 (CPT, DP, SPT, pressiomètre, scissomètre).
Recordon, E., Mécanique des sols, cours EPFL, Presses polytechniques et universitaires romandes.
Lang, H.-J., Huder, J., Amann, P., Puzrin, A. M., Bodenmechanik und Grundbau, Springer, Berlin.
Terzaghi, K., Peck, R. B., Mesri, G., Soil Mechanics in Engineering Practice, 3e éd., Wiley, New York; Peck, R. B., «Advantages and limitations of the observational method in applied soil mechanics», Géotechnique 19(2), 1969.

Objectifs du chapitre

Pourquoi et comment reconnaître le terrain

Les phases d'une étude

Planification de la campagne

Zone d'influence et profondeur des sondages

Nombre et disposition

Méthodes de sondage et d'échantillonnage

Fouilles à la pelle

Sondages carottés

Sondages destructifs avec enregistrement des paramètres

Essais in situ

Pénétromètres dynamiques (DPH, DPSH)

Essai de pénétration au carottier (SPT)

Pénétromètre statique CPT et piézocône CPTu

Explorateur d'interprétation CPTu

Pressiomètre Ménard

Scissomètre de chantier

Essai de plaque, essais de perméabilité et piézomètres

Géophysique

Essais de laboratoire

Modèle géotechnique et rapport

Le modèle géotechnique

Valeurs caractéristiques

Incertitudes et méthode observationnelle

Trois contextes suisses

Synthèse

Série d'exercices du chapitre 8

Planifier la reconnaissance d'un immeuble à Yverdon

Nombre et type de sondages

Profondeur des sondages

Essais à prévoir

Interprétation d'un CPTu

Exercices

Références