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Wikigeotech:Les Modèles géotechniques

De Wikibardig

Sommaire

À quoi sert un modèle géotechnique ?

La conception du modèle géotechnique (synthèse du modèle géologique et des données géotechniques collectées lors des campagnes d'essais : modèle géomécanique et hydrologique) est une étape indispensable et cruciale dans la réalisation des études géotechniques d'un ouvrage. Ce modèle synthétise la représentation que se fait le géotechnicien des familles de matériaux géologiques, de leurs agencements géométriques et de leurs propriétés mécaniques.

Des erreurs ou des insuffisances (voir article sur les risques en géotechnique) dans un modèle peuvent conduire :

  • à des dépassements au niveau du chantier (surcoûts, allongements de délais) ;
  • à des désordres sur les ouvrages proches ;
  • à des risques de désordres ultérieurs importants.

L'expérience montre, que ce sont généralement les erreurs faites au niveau du modèle de référence qui induisent les désordres les plus importants. On peut citer à titre d'exemple, le retour d'expérience sur le chantier du premier tube du tunnel de Toulon (Rat et Serratrice, 2004) pour lequel les pathologies constatées en cours d'exécution tirent leurs origines de modèles géotechniques inaboutis. De tels chantiers ont clairement mis en évidence que l'ignorance de l'évolution géomorphologique du site dans le modèle géotechnique peut amener à des erreurs de conception, puis des désordres très graves.

L'insuffisance actuelle des modèles de sols notamment en milieu complexe (milieu urbain par exemple) conduit au développement de méthodes de pilotage de l'exécution des travaux en fonction des mesures faites en continu (méthode observationnelle). La valorisation et la capitalisation de ces méthodes nécessitent la possibilité de disposer d'un modèle préalable de référence capable de s'enrichir des informations acquises et d'affiner les prévisions. Les enrichissements chantier après chantier doivent permettre progressivement une amélioration sensible de la qualité des modèles prévisionnels pour les ouvrages et les sols.

Les Modeles geotechniques.jpg

L'appréhension, par le concepteur, des sites et des ouvrages géotechniques est une phase primordiale de l'étude géotechnique. Que ce site soit dans un contexte largement modifié par la main de l'homme ou dans un contexte naturel, le concepteur et le client ont besoin d'avoir une image claire de l'organisation spatiale des matériaux constituant le sous-sol, de leurs interactions et de leurs caractéristiques. Ce que l'on désigne alors sous le vocable « modèle géotechnique » est initié par la reconnaissance en place et au laboratoire et trouve son application dans le « modèle de calcul ».
Il s'agit donc d'un maillon essentiel dont la qualité est souvent liée à l'expertise de l'équipe projet. Seule une bonne connaissance de ce modèle géotechnique permet l'élaboration avec un risque maîtrisé de modèles simplifiés : géométrie, conditions aux limites, comportement mécanique et hydraulique, état initial et chargements, dans les modèles numériques ou les modèles physiques. A ce moment, le concepteur peut prendre du recul sur l'analyse de ses calculs d'ouvrages pour les confronter au modèle géotechnique.

Comment est conçu un modèle géotechnique ?

Un modèle n'est qu'une représentation partielle de la réalité dont le contenu est théorique (géométrie, nature, caractéristiques). Il s'appuie sur l'analyse et l'interprétation de données ponctuelles. Durant cette analyse, il s'agit de sélectionner et trier les données pour aboutir à un modèle qui réponde à un objectif précis : rechercher des unités homogènes caractérisées par des attributs spécifiques et représentatifs adaptés au problème posé. C'est le fruit d'un compromis entre une précision imposée par son utilisation et une réalité complexe difficile à cerner. Il se concrétise notamment par des documents graphiques, une base de données et des synthèses textuelles.

Le modèle géotechnique est à l'intersection de trois éléments constitutifs :

  • la nature (composition) des matériaux
  • les propriétés (physique, chimique, mécanique, d'état) des matériaux
  • les limites et la géométrie (agencement et relations volumiques et spatiales) des matériaux
Conception des modeles geotechniques.jpg

La première étape est dépendante de la qualité des informations capitalisées par sondages, reconnaissance de site, essais in situ et essais de laboratoire.

L'élaboration du modèle nécessite ensuite l'utilisation d'outils de collecte, d'analyse et d'interprétation des données, puis de synthèse et de représentation. Les outils à disposition sont souvent issus des métiers miniers ou pétroliers ou cartographiques/topographiques, voire du bâtiment. Il est donc important de choisir un outil ayant suffisamment de souplesse et de potentiel pour pouvoir l'adapter à l'emploi visé. Les outils de visualisation ou représentation (dessin, SIG...), d'analyse spatiale ou statistique (visualiseur 3D, outils d'interpolation, outils géostatistique...) sont les plus fréquemment utilisés.

Afin de préciser le vocabulaire, on appelle « maquette numérique » l'ensemble des outils utilisés agrégeant les données et « modèle géotechnique », le résultat de la synthèse et de la mise en cohérence de ces données. Insistons sur la nécessaire progressivité des modèles au cours de la vie du projet. Chaque nouvel apport de données entraîne une révision et une évolution du modèle. Le choix des méthodes de reconnaissances dépend beaucoup du problème posé (de la nature de l'ouvrage et du site) et du degré d'avancement de l'étude. Il n'est pas possible d'entrer ici dans tous les cas de figure qui peuvent se présenter mais le tableau représente la chonologie attendue dans la connaissance du modèle depuis le niveau 0 jusqu'au niveau 2.

En quoi consiste un modèle géotechnique ?

L'approche des ingénieurs de maîtrise d'œuvre géotechnique est à l'heure actuelle plutôt personnelle et est le fruit de leur formation et de leurs acquis. Le besoin d'avoir une approche commune rend nécessaire la proposition d'une méthodologie de conception de modèles géotechniques dont l'ambition est d'assister dans sa démarche l'ingénieur en charge des aspects géotechniques d'un projet d'ouvrage, d'être un référentiel.
Pour cela, il est proposé au géotechnicien de restituer le site de l'étude et le développement du projet d'ouvrage au sein de logiciels disponibles dans le commerce. Le site est restitué sous la forme d'une carte 2D ou 3D (topographie et bâti) tandis que le projet d'ouvrage est représenté sous la forme du phasage des études et des esquisses résultantes successives. Les principales composantes de cette analyse sont les suivantes :

  • description statique des modèles géologiques : nature des matériaux ainsi que leur organisation spatiale (couches) ;
  • description statique des données géotechniques : sondages, prélèvements et essais in situ et en laboratoire, détermination des propriétés des matériaux ; la classification des matériaux (voir article description et classification) est souvent utilisée pour simplifier les éléments descriptifs
  • réflexion sur les outils utilisés au cours des processus de modélisation géotechnique (techniques et connaissances) ; description de certains de ces outils ;
  • description des relations existant entre le processus de modélisation géotechnique et le processus de projet (organisation par phases, notamment, en relation avec les phases de développement des projets).
Description dun modele geotechnique.jpg
Description dun modele geotechnique 2.jpg

Les deux premiers points sont très dépendants de la qualité de la reconnaissance. Le modèle consiste principalement en des représentations graphiques et une notice explicative appelée « mémoire de synthèse géotechnique ».

la notion de couche en géologie (photo ci-dessous) est très différente de celle en géotechnique

Elaboration du modele geotechnique.jpg


On note qu'il est difficile de trouver des outils simples couplant géotechnique (comportement mécanique) et hydraulique souterraine (pour modéliser le comportement des nappes). On doit, au cas par cas, s'interroger sur la pertinence d'intégrer dans un modèle, les surfaces des nappes mesurées localement (piézomètres) ou d'envisager l'utilisation d'un modèle permettant d'intégrer des résultats de calculs faits avec des logiciels spécifiques.

A chaque stade ultérieur du projet, le modèle déjà établi devra être confronté à l'apport de nouvelles données dans un processus itératif de reconstruction permettant de modifier, d'ajuster, ou de valider les analyses et interprétations précédentes. Il peut ainsi permettre d'identifier les lacunes de connaissances et orienter les reconnaissances à mener, mais en aucun cas il ne peut se substituer à l'acquisition de connaissance et à la réalisation d'investigations de toutes natures (sondages, essais, mesures géophysiques...).

Classiquement, la construction d'un tel modèle sera réalisé en partant d'une vision d'ensemble générale pour aller vers une vision détaillée essentiellement locale permettant la résolution d'un problème spécifique. Il s'agit ainsi de passer progressivement d'un modèle géologique (d'échelle régionale) à un modèle géotechnique (échelle de l'infrastructure) puis à un modèle géomécanique (échelle locale). La cohérence, c'est à dire la compatibilité entre elles des différentes données existantes, devra être vérifiée à toute les échelles de représentation et entre les différentes échelles.
L'expérience montre que ce sont les erreurs faites au niveau du modèle de référence qui induisent les désordres et les surcoûts les plus importants.

Seule une bonne connaissance des modèles de différentes échelles (géologique, géotechnique et géomécanique) permet l'élaboration avec un risque maîtrisé de modèles de calculs : géométrie, conditions aux limites, comportement mécaniques et hydraulique, état initial et chargements, dans les modèles numériques ou les modèles physiques.


Construction du modèle

La construction du modèle conduit à trier et sélectionner, parmi les informations disponibles, celles considérées comme les plus représentatives ou pertinentes pour l'analyse à mener du site. La constitution du modèle géotechnique répond à des objectifs descriptifs plutôt statiques et à une logique dynamique de confrontation des données entre elles et d'agrégation de la connaissance.

Les objectifs généraux d'un modèle comprennent :

  • la définition de la nature des unités homogènes
  • la définition des propriétés des unités homogènes
  • la définition de la géométrie des unités homogènes
  • la représentation et la visualisation simplifiée des unités homogènes dans le cadre du projet
Construction du modele.jpg


Les unités homogènes à définir seront fonction de l'échelle de représentation et des objectifs spécifiques des études pour lesquels un modèle particulier doit être défini :

  • reconnaissance générale d'échelle régionale (modèle géologique)
  • reconnaissance d'échelle locale (modèle géotechnique)
  • reconnaissance spécifique (modèle géomécanique)

Chaque modèle répond aux besoins spécifique de l'étude : terrassements, massif rocheux, stabilité de déblai ou de remblai, fondation d'ouvrage... depuis le stade géologique jusqu'au stade géomécanique, les enchaînement devant être cohérents et compatibles entre chacun des modèles. On parle de reconnaissances itératives, où l'on enrichit à chaque étape les connaissances élémentaires par de nouvelles informations.

illustration de la complexité de définir les ensembles homogènes depuis la géologie jusqu'au modèle géotechnique et géomécanique (Photo Arcadis)

illustration de la complexité de définir les ensembles homogènes depuis la géologie jusqu'au modèle géotechnique et géomécanique (Photo Arcadis)
La démarche de conception d'un modèle comprend :

  • la visualisation des données (informations littérales, valeurs d'essais, valeurs dérivées)
  • l'analyse et la confrontation des même type de données entre elles
  • l'analyse et la confrontation des différents types de données entre eux
  • la sélection de valeurs ou d'information caractéristiques à représenter
  • la construction d'une représentation simplifiée propre à répondre aux attentes de l'étude.

La partie graphique s'accompagne d'un cartouche permettant de synthétiser les informations et de comprendre la représentation graphique.

Niveau 0 Niveau 1 Niveau 2
Objectifs Définition des points durs Définition des zones homogènes Dimensionnement des ouvrages
Dénomination Modèle géologique Modèle géotechnique Modèle géomécanique
Moyens Recherche documentaire - visite de terrain Reconnaissance générale Reconnaissance spécifique
Méthodes Analyse bibliographique, observations de terrain - SIG Investigations de terrain - SIG - CAO/DAO Investigations de terrain - SIG - CAO/DAO - Modèles numériques
Échelle travail/restitution Régionale Tracé Locale
Livrables Coupe géologique régionale - Carte régionale - Recueil des informations disponibles - Grands ensembles géologiques et hydrogéologiques Coupes géotechniques - Cartes - 2D/3D - valeurs brutes et élaborées par zones homogènes - détermination et descriptions des formations / zones homogènes - description des aquifères - incertitudes Coupes géotechniques - Cartes - 2D/3D - valeurs caractéristiques / formations - paramètres hydrauliques - valeurs de calcul / formations - incertitudes
Attendus Définition des points durs - Définition de la campagne de reconnaissance Définitions des principes des solutions - Définitions des reconnaissances complémentaires Dimensionnement des ouvrages
Outils personnels