[PDF] Le phénomène deffondrement dans les roches volcaniques à forte

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le phénomène d'effondrement dans les roches volcaniques à forte porosité par

Santiago Uriel Romero

Chef du Département de Géotechnique Laboratorio de Carreteras y Geotecnia "José Luis Escario», Madrid Vice-président pour l'Europe Société Internationale de Mécanique des roches

Introduction

On dit qu'il y a " effondrement » d'un sol ou d'une roche quand la modification d'une condition externe quelconque produit un changement substantiel dans

sa structure, avec une réduction de volume plus ou moins importante.

Diverses conditions externes provoquent ces changements. Dans le cas du sable lâche, un effort dynamique peut provoquer l'effondrement d'une structure très peu stable. Parfois ce sont les changements de teneur en eau qui sont à l'origine de cette réduction de volume, particulièrement dans les argiles gypsifères, les loess ou les sols semi-saturés mal compactés. La troisième cause d'effondrement tient aux seules contraintes

statiques, indépendamment de variations de teneur en eau du matériau. Dans ce cas se trouvent quelques limons gypsifères. certains sols sensibles cimentés, et les roches à forte porosité. Celles-ci sont le sujet des études exposées ci-dessous. Parmi toutes les roches poreuses, ce sont sans doute celles d'origine volcanique qui présentent le plus clairement le phénomène d'effondrement. Il est évident que le degré d'effondrement général dépend de la facilité qu'a la structure naturelle de la roche de devenir plus compacte, et c'est pour cela que le phénomène se manifeste de plus en plus nettement lorsque la densité de la roche diminue. Dans les roches compactes, le phénomène d'effondrement ne peut se manifester que d'une manière limitée. Les roches volcaniques formées par l'agglomération de cendres et de pyroclastes émis par des volcans et sédimentés à l'air ont une structure et une composition très différentes selon le matériau émis et selon le degré de cimentation entre les fragments, cendres ou pyroclastes, en fonction de la température et des conditions de contraintes pendant la soudure.

Le sujet est subdivisé en cinq parties :

- un rappel de la composition minéralogique et de la

structure de ces roches; - leur comportement mécanique déduit des essais in situ et au laboratoire; - la formulation d'une théorie qui explique le phénomène d'effondrement à partir de l'expérimentation précédente; - un résumé des propriétés géotechniques les plus importantes, pour juger de leur aptitude à supporter des fondations; - enfin quelques exemples d'ouvrages et de problè

mes posés dans ce type de roches volcaniques.

1 Nature et structure des roches volcaniques

Les résultats présentés correspondent à des étudesréalisées pour quatre ouvrages importants dans les IlesCanaries :a) Fondation du pont " Cuesta de Silva ». La roche est un agglomérat très hétérométrique, avec d'abondants xénolithes de phonolithe englobés dans une matrice micro-agglomératique (un tuf) de couleur crème, bistre, ou occasionnellement grise. Ce matériau n'a pas de stratification apparente, il se

présente en forme de masses chaotiques, avec un degré de lithification variable. b) Barrage de " Los Campitos ». L'agglomérat de Los Campitos est constitué dans sa majorité par des tufs hybrides altérés de lapilli et de cinérites, avec une matrice sablo-argileuse, le matériau pyroclasti- que est du type basalte spongieux. Dans la fraction argileuse, il y a abondance de minéraux mai cristallisés, généralement du type kaolin, principa lement des halloysites, avec un peu de montmoril- lonite. c) Barrage " Arinez ». L'agglomérat d'Arinez est cons titué par des fragments de téphrite inclus dans une importante masse de microcristaux de pyroxènes, plagioclases et feldspaths, avec un ciment de métahalloysite et montmorillonite. ainsi que d'autres minéraux argileux en proportion inférieure

à 4 %.

REVUE FRANÇAISE DE GEOTECHNIQUE NUMERO 20 65

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par tout effort concentré. Leur structure naturelle s'effondre sous des efforts de compression relativement modestes qui dépendent naturellement de leur densité. Elles sont faciles à excaver par tout procédé manuel ou mécanisé.

Généralement, et sauf dans le cas où l'altération postgénétique a été importante, leur structure se conserve sans dégradation apparente lorsqu'elles sont immergées dans l'eau. La facilité de taille à la main des variétés les plus légères a permis, dans certaines zones de l'île de Ténériffe, la construction de canaux de petites dimensions faits en éléments assemblés.

Leur sUIH2QGAVAF2 en masse est basse et généralement les quelques fissures existantes sont peu importantes. Cela est dû probablement au module de déformation relativement bas de ces roches qui permet l'accommodation à n'importe quelle déformation postérieure à leur formation.

C'est seulement dans les plans de liaison des dépôts successifs que la structure du contact peut être perméable. Sauf dans ce dernier cas, un massif de roche volcanique de ce type n'est pas exclu pour la construction de barrages et de retenues. Comme elles ne s'affaissent pas au contact de l'eau et que, sauf cas exceptionnels, leur perméabilité intrinsèque est modérée, il existe des réservoirs souterrains d'eau potable creusés dans ces formations dans certaines zones de l'île de Grande Canarie.

La figure 7 montre le déblai d'une route sur sept mètres de hauteur environ. On remarque quelques strates plus dures en porte-à-faux au-dessus de strates plus sensibles à l'érosion. On voit aussi la trace des dents de la pelle mécanique utilisée pour l'excavation. La figure 8 montre diverses strates de cendres situées en discordance sur une grande masse uniforme de ponces. La figure 9 montre clairement l'érosion différentielle de type éolien. Les strates plus dures dépassent en porte-à-faux, protégeant ainsi les plus tendres de l'érosion.

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Dans les diverses roches citées ci-dessus, le comportement générique est très similaire. Les essais réalisés visent à fixer les conditions de contrainte dans lesquelles se produit la destruction ou la dégradation de la structure naturelle, c'est-à-dire le phénomène d'effondrement.aAir 7 UF , lQISA0 OU FIQN).2U0 ISEFAfIU0 OQN0 V`VU OU '2N2IAggUm ISEFU OU àQNFQ dIEp Ç VxQ2ISsSIF

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Les U00QA0 OU VQGSIQFSAIU ont consisté principalement en des essais triaxiaux lents, de manière que les conditions d'humidité aient une faible influence sur les résultats. Deux types d'essais de base ont été effectués.a) Une compression isotrope croissante.b) Une consolidation sous pression latérale fixe, suivie d'un accroissement du déviateur.

REVUE FRANÇAISE DE GEOTECHNIQUE NUMERO 20 67

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Structure vacuolaire uniforme

Structure réticulaire équivalente

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Afin d interpréter théoriquement les comportements observés, il faut inévitablement schématiser les structures réelles qui sont trop complexes. Une structure vacuolaire uniforme peut être schématisée de la façon indiquée sur la figure 13. Le matériau qui englobe les vides peut être assimilé à un nid d'abeilles irrégulier, dans lequel le matériau solide forme une sorte de structure réticulaire. Il y a quelquefois de grands vides dans cette structure uniforme. S'il s'agit de particules indépendantes, unies par des liaisons plus ou moins longues, la structure peut être assimilée au schéma de la figure 14 qui comporte aussi des grands vides et des petits.

La théorie exposée ci-dessous représente au moins de manière qualitative les comportements obtenus expérimentalement. Elle s'applique à une structure avec des vides de taille uniforme et comporte les hypothèses suivantes :a) le sol s'effondre quand les liaisons sont détruites;b) la roche intacte est élastique jusqu'à l'effondrement, avec un module élastique E et un coefficient de Poisson µ;c) les liaisons ont les dimensions moyennes suivantes : largeur I, longueur L;d) si la roche intacte est soumise à des contraintes principales σ1σ3 et si les déformations sont ε1ε3, chacune des extrémités des liaisons se déforme de Kε1Kε3, le coefficient K représentant la rigidité relative des particules et des liaisons, sans rotation relative des noeuds;ε) Les liaisons sont constituées d'un matériau rocheux de module Em dont les résistances à la compression et la traction simples sont σc et σT.

REVUE FRANÇAISE DE GEOTECHNIQUE NUMERO 20 69

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REVUE FRANÇAISE DE GEOTECHNIQUE NUMERO 20 72

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REVUE FRANÇAISE DE GEOTECHNIQUE NUMERO 20 7 5

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aAir ve :AQOE) OU dS0FQ OU àAVqQdegré d'effondrement de l'agglomérat. Théoriquement,

on pourrait admettre des contraintes supérieures à celles qui provoquent l'effondrement sous la semelle, tant que les tassements finaux restent dans la limite des tassements admissibles pour les structures à construire. Ceci peut être le cas d'ouvrages peu importants.

Par contre pour des ouvrages exigeant un haut niveau de sécurité, il faut se situer du côté de la sécurité par rapport au phénomène d'effondrement. Si celui-ci se produit lors des étapes finales de la construction, quand les contraintes sur le terrain sont importantes, les tassements peuvent affecter l'ensemble de l'ouvrage et produire, suivant le type de barrage, soit des fissures dans le couronnement des barrages en terre, soit des mouvements entre les plots des barrages poids. Par conséquent les critères appliqués jusqu'à maintenant sont du côté de la sécurité, et on tend à spécifier que la pression maximale du barrage sur un agglomérat susceptible d'effondrement doit être inférieure, avec un coefficient de sécurité de 5, à celle qui provoquerait le début de l'effondrement.C'est le cas pour le barrage d'Arinez, sur son appui rive droite. Il s'agit d'un barrage à contreforts, dont la partie centrale et la culée gauche sont fondées sur des formations volcaniques typiques de l'île de Grande Canarie, appelée " Roque Nublo ». Mais dans l'appui droit, il y a des agglomérats effondrables qui ont fait l'objet d'essais exhaustifs (et dont les résultats ont été exposés ci-dessus). Dans la partie haute de l'appui, la roche présente des densités faibles, de l'ordre de 1,2 t/m3, qui augmentent progressivement avec la profondeur jusqu'à atteindre 1,6 t/m3.

Les contraintes critiques d'effondrement varient entre 25 et 35 kg/cm2 (2,5 et 3,5 MPa). Il a fallu spécifier que le versant devrait être excavé jusqu'à ce que la densité minimum de la roche d'appui dépasse 1,4, et que la contrainte maximale exercée par le barrage ne dépasse pas 7 kg/cm2 (d'après le critère déjà exposé).

Sur la figure 27, on remarque le profil adopté pour le

barrage pour remplir cette condition (le barrage achevé sur la figure 28). On peut noter un accroissement de l'excavation dans l'appui rive droite pour satisfaire aux conditions indiquées. Cet ouvrage est probablement un record mondial par la densité de la roche de fondation d'un barrage (1,4 kg/cm3). Sa retenue est remplie et son comportement est normal.

Pour le barrage de Los Campitos (fig. 29) de hauteur 60 m, la décision a été différente. Sur l'appui rive droite où se trouvent les agglomérats susceptibles d'effondrement, les pressions exercées par l'ouvrage, bien qu'insuffisantes pour provoquer l'effondrement, ne laissaient pas un coefficient de sécurité suffisant. C'est pourquoi une partie de l'appui a été excavée et remplacée par des enrochements (fig. 30). La retenue n'a pas pu être remplie à cause d'importantes fuites au large du barrage. Il n'est par conséquent pas possible pour le moment de juger le comportement global de l'ouvrage lui-même. Il ne devrait pas exister d'importants problèmes liés à l'effondrement du terrain.

La figure 31 montre le pont de Costa de Silva, fondé sur les agglomérats décrits antérieurement. Les piles sont fondées sur des puits de diamètre 1,5 m et de profondeur environ 15 m, creusés à la main.

Enfin si l'épaisseur de roche effondrable est grande, une solution du problème pourrait consister à provoquer l'effondrement par impact avant de construire l'ouvrage. La consolidation dynamique (Ménard) serait une solution bien qu'il n'y ait aucune référence comparable.

REVUE FRANÇAISE DE GEOTECHNIQUE NUMERO 20 76

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