Etude de la structure d'un massif rocheux

étude de la structure d'un massif rocheux
par M. PANET
Chef de Section - Adjoint
de la Section de Mécanique des Roches
du Département des Sols
du Laboratoire Central
RÉSUMÉ A L'INTENTION DES PRATICIENS
La résistance mécanique des roches que
l'on détermine sur des éprouvettes au laboratoire,
dépasse en général largement les
concentrations de contraintes créées par les
ouvrages du Génie Civil (tunnels, grands déblais,
ouvrages d'art). Mais les failles, les diaclases,
les plans de stratification, la schistosité,
tous les types de fractures interrompent
la continuité des massifs rocheux. Aussi la
Mécanique des Roches ne peut être assimilée
à une mécanique des milieux continus sans
de graves mécomptes.
La structure des massifs rocheux est donc
un paramètre important ; l'article présente les
méthodes et les techniques de description de
cette structure. Les discontinuités d'un massif
rocheux ne sont pas distribuées de manière
aléatoire mais se groupent en général en un
nombre restreint de familles ; elles résultent
de l'histoire géologique du massif rocheux. La
tectonique et l'évolution de la morphologie y
jouent un grand rôle. Pour chaque surface de
discontinuité, il faut déterminer un certain
nombre de paramètres permettant de la localiser,
de. connaître son extension, d'apprécier
la résistance mécanique entre les lèvres de
la discontinuité. Ce sont des observations de
nature géologique, c'est-à-dire qu'à partir d'un
nombre forcément limité d'éléments fournis par
les affleurements, les sondages, les tranchées,
certaines méthodes géophysiques, il faut essayer
de définir la structure interne du massif,
avec toutes les difficultés et les aléas que
cela comporte.
La mécanique des milieux fissurés est un
domaine difficile, qui est actuellement l'objet
de nombreuses recherches ; mais il faut
reconnaître que, jusqu'à ce jour, les résultats
obtenus ne nous permettent pas de résoudre
quantitativement les problèmes fondamentaux
tels que la distribution des contraintes autour
d'une excavation ou la rupture des milieux
fissurés. Cependant, une description soignée
de la structure d'un massif rocheux peut donner
à l'ingénieur des informations précieuses.
Prenons quelques exemples susceptibles de
montrer l'intérêt de telles études :
— La stabilité profonde des déblais rocheux
dépend essentiellement de la structure du
massif. Le cas d'un pendage défavorable des
massifs stratifiés est le plus simple au point
de vue mécanique ; mais un groupe de fractures
peut délimiter des masses rocheuses
rendues instables par l'excavation du déblai ;
l'équilibre des masses qui reposent sur plusieurs
surfaces est difficile à analyser mécaniquement
; cependant l'étude des dispositions
relatives des plans de discontinuité, en utilisant
la projection stéréographique par exemple,
permet de déterminer les ruptures cinématiquement
possibles et de mieux en apprécier
les risques. On peut alors, soit adapter le
profil de manière à rendre la rupture impossible,
soit prendre d'autres dispositions. Le
problème des chutes de bloc dans un massif
régulièrement diaclasé se pose de manière
analogue.
— Les discontinuités d'un massif rocheux
sont les voies de circulation des eaux souterraines
; l'eau peut parfois se mettre en charge
dans les fissures ; il est souvent nécessaire
de faire un drainage, et les drains' doivent être
orientés de manière à recouper le plus grand
nombre de fissures. La description de la structure
du massif est alors l'élément fondamental.
Il en est de même pour l'orientation des forages
d'injection.
2-1
Bull. Liaison Labo. Routiers P. et Ch. n« 28 - Nov.-Déc. 1967 - Réf. 391

— Les techniques de boulonnage, d'ancrage
précontraint ou non, sont de plus en plus
employées. Il convient de les orienter correctement,
en fonction de la structure. Par exemple,
lorsqu'on utilise la précontrainte, il faut
que l'effort soit dirigé de façon à rester dans
le cône de frottement des différentes surfaces
de rupture possibles.
— L'implantation idéale d'une galerie consisterait
à recouper normalement le plan des cassures,
mais elle est en général imposée par
le projet ; la connaissance de la distribution
des discontinuités permet de prévoir les zones
de hors profil et les instabilités, ce qui peut
avoir une influence sur la méthode de creusement.
— De nombreux progrès restent à faire
dans le domaine des terrassements au rocher.
Dans la prévision des méthodes de terrassement
(explosif ou ripper), la description de la
fissuration devrait permettre de mieux interpréter
les reconnaissances par méthode sismique.
Lorsqu'on emploie l'explosif, l'empirisme
le plus complet préside à la détermination des
plans de tir ; les données sur la fissuration
devraient permettre une meilleure adaptation
des tirs au terrain et de prévoir, dans une
certaine mesure, la granularité du matériau
obtenu, au moins la dimension maximale des
blocs, ce qui est important pour le réemploi
du matériau. Ce n'est cependant qu'une voie
de recherche sur laquelle pourraient se pencher
certains géologues des laboratoires régionaux.
I N T R O D U C T I O N
par J. BERTHIER
Chef de la Section de Mécanique des Roches
du Département des Sols
du Laboratoire Central
Dans l'article qui suit, M. PANET fait, d'une façon très complète, le point de nos
connaissances sur la description des milieux fissurés.
Bien que Von ne sache guère pour l'instant tirer parti de cette description pour prévoir
le comportement des massifs, elle nous paraît constituer un premier pas vers la solution
de ce problème.
Une des seules voies possibles pour progresser dans ce domaine est en effet l'observation
du comportement des ouvrages construits dans le rocher (talus, barrages, tunnels, etc.). Comme
dans tous les domaines des sciences de FIngénieur, cette observation ne peut être fructueuse
que si elle est chiffrée, tant pour ce qui concerne l'évolution de l'ouvrage que pour la description
du massif rocheux qu'il sollicite.
Si le problème général du comportement des milieux fissurés n'a pas été résolu, une
bonne description de ce milieu peut, d'autre part, attirer l'attention de l'Ingénieur sur des
risques qui, s'ils ne sont pas souvent chiffrables, sont souvent évidents. La présence dans
un talus d'un réseau de fractures ayant un pendage défavorable est, par exemple, un point
auquel on devra prendre garde.
Bien que pour l'instant le bénéfice quils en tireront ne soit pas assuré, nous souhaiterions
vivement que les maîtres d'oeuvre demandent aux Laboratoires Régionaux d'appliquer
à Vétude des problèmes qu'ils leur confieront les méthodes préconisées par M. PANET.
Nous invitons les Laboratoires Régionaux desservant des régions montagneuses à réfléchir
à l'utilisation de ces méthodes et à spécialiser dans leur application un de leurs géologues.
Ils recevront du Laboratoire Central et en particulier de M. CHAMPETIER DE RIBES,
Chef de la Section de Géologie et de M. PANET, Chef de Section - adjoint de la Section de
Mécanique des Roches, toute l'aide et les conseils que nous sommes capables de leur apporter.
2-2

L'étude du comportement mécanique de tels milieux
discontinus est un problème théorique difficile.
De nombreux chercheurs en Mécanique des Roches
se sont engagés dans des recherches fondamentales
sur la mécanique des milieux fissurés.
Cependant, les progrès dans le domaine théorique
n'auront d'intérêt pour l'ingénieur que s'il dispose
d'une description appropriée de la structure du
massif rocheux. Il est donc nécessaire de pouvoir
fournir des données sur les caractéristiques physiques
et mécaniques de ces discontinuités.
ECHELLE DE L'ETUDE STRUCTURALE
D'UN MASSIF ROCHEUX
On ne peut donner de règles générales pour
définir à quelle échelle il faut faire l'étude de la
structure d'un massif rocheux. Elle dépend à la fois
de l'ouvrage et du site particulier ; prenons deux
exemples :
Fig. 1 - Diaclases parallèles à la valléei du Teigelbach dans
les « couches intermédiaires » des grès triasiques (canal
amont du plan incliné d'Arzviller, Vosges).
Plusieurs catastrophes récentes dues à des ruptures
de massifs rocheux ont fait connaître à la
Mécanique des Roches dans le domaine du Génie
Civil un développement mis en évidence par le
Premier Congrès International de Mécanique des
Roches, qui s'est tenu à Lisbonne du 25 septembre
au 1" octobre 1966.
Les résistances que l'on peut mesurer sur des
échantillons de roches sont en général élevées et
de tels matériaux, s'ils étaient continus, pourraient
supporter des efforts beaucoup plus Importants que
ceux qui sont transmis par les ouvrages superficiels
du Génie Civil. C'est seulement dans le cas de
travaux souterrains sous forte couverture que les
concentrations de contrainte créées par l'intervention
de l'homme peuvent dépasser la résistance à la
rupture de la roche (mines d'or d'Afrique du Sud,
tunnel du Mont-Blanc).
Mais un massif rocheux ne peut presque jamais
être considéré comme un milieu homogène et
continu ; il est parcouru par un ensemble de surfaces
de discontinuité qui diminuent sa résistance
dans de grandes proportions pour certaines directions
d'efforts.
L'étude de la culée d'un pont sur un rocher
fissuré doit être minutieuse. Il faut relever chaque
diaclase avec son orientation ; le remplissage des
fissures est aussi un paramètre important : une
rupture par glissement sur un délit argileux d'épaisseur
très faible peut provoquer la ruine de l'ouvrage.
• La reconnaissance géologique d'un tunnel
creusé sous un fort recouvrement ne demande certainement
pas une analyse détailllée, au point de
vue structural, des affleurements de surface. Le
relevé de la fracturation superficiellle n'aurait aucune
signification pour déterminer les conditions
qui prévalent au niveau du tunnel. L'étude structurologlque
s'attachera alors aux failles et aux
grandes directions de cassures régionales. C'est
ainsi que les grandes fractures alpines orientées
N.E.-S.O. dans le Massif du Mont-Blanc ont été
recoupées constamment lors du creusement du
tunnel (Feugueur 1964).
Cependant, quelle que soit l'échelle du problème,
il est souvent utile de replacer les observations
dans leur cadre régional grâce à la morphologie et
à la tectonique.
La morphologie illustre souvent de façon frappante
certaines directions privilégiées de fracturation.
Les accidents géologiques se traduisent presque
toujours dans la topographie ; ils sont décelables
même lorsqu'ils ont été recouverts par des formations
meubles. Les formes du relief en montagne
sont souvent dues à des directions de cassures.
Elles modèlent par exemple les Aiguilles du Massif
du Mont Blanc. La fissuration, parallèle aux vallées,
des formations rocheuses, est un autre exemple de
la relation entre fractures et morphologie. On peut
l'observer, par exemple, le long des déblais du
canal amont du plan incliné d'Arzvilller qui est terrassé
en profil mixte à flanc de coteau, dans le grès
des Vosges, le long de la vallée du Teigelbach dans
les Vosges (fig. i). Cette fissuration constante dans
2-3

C T ¡ > 0 - 3
Fig. 2 - Schéma des ruptures liées à des efforts tectoniques
horizontaux.
Sy neh n al du
Dj . Dy r
Les poussées tectoniques, en soumettant les formations
rocheuses à des efforts importants, ont
souvent créé des surfaces de rupture orientées par
rapport à ces efforts. Si on considère un banc
rocheux sollicité par les efforts tectoniques horizontaux
représentés par les contraintes principales
o-i et o-3 (fig. 2) où en est la plus grande des contraintes
principales, trois directions de rupture peuvent
apparaître suivant les caractéristiques de rupture
de la roche (fragile ou plastique) : une direction
parallèle à 0-1 et deux directions symétriques
par rapport à ax et faisant avec 0-1 un angle inférieur
à —. Si, sous l'action de ces efforts tectoni-
4
ques, le banc a été plissé en un anticlinal, la
flexion du banc fera apparaître d'autres cassures,
d'autant plus facilement que le banc est plus rigide.
Ce seront des ruptures par traction parallèles à o-3,
des ruptures par cisaillement faisant avec c3 un
angle inférieur à—. La figure 3 montre les fractures
4
liées à un plissement dans le Sud-Est Algérien.
Même pour des levers très détaillés à petite
échelle, il est important de distinguer les surfaces
de discontinuité qui ont une signification à l'échelle
régionale et celles qui sont locales et distribuées au
hasard. Par une meilleure connaissance de l'origine
des fissures, il est plus facile, à partir des observations
de surface, d'extrapoler les conditions au
cœur du massif.
Calcaire I" 1*1 Eocene
Marnes I Danien Maestnchien
Calcaire EH C am pa n ren
Marnes ~ì Santoni en Coniaci en
Calcaire EEE3 Turonien
Inversement, les orientations mises en évidence
par les études structurologiques des pétrographes
peuvent être mises en relation avec la tectonique,
donc avec la fracturation. Dans le cas de la protogyne
qui forme l'Aiguille du Midi dans le Massif
du Mont Blanc, l'orientation des chlorites et des
grands cristaux de feldspath correspond à une des
directions de diaclase (fig. 4).
Des renseignements utiles peuvent être fournis
aussi bien par l'étude minutieuse d'échantillons que
par un relevé géologique à grande échelle qui déborde
largement les limites géographiques du site à
étudier.
Fig. 3 - Fractures liées à un plissement dans le Sud-Est
algérien, relevées à partir de photos aériennes (d'après
De Sitter).
les différentes formations gréseuses rencontrées,
oblige à prendre certaines précautions pour la stabilité
des déblais. De même la fracturation du banc
de calcaire grossier en bordure du versant de la
colline de Saint-Cloud a causé de nombreux ennuis
lors du creusement du tunnel de l'Autoroute de
l'Ouest, à Paris. J.-B. Bergin [1]*, grâce à des
mesures sismiques, a mis en évidence le même
phénomène pour la falaise des Laris à Pontoise
appartenant à la même formation de calcaire grossier
du Lutétien.
LES SURFACES DE DISCONTINUITE
D'UN MASSIF ROCHEUX
Lorsque nous employons le terme « roche », il
désigne un corps continu limité par des macrofractures.
C'est ainsi que, lorsqu'on parle des propriétés
mécaniques de la roche, il s'agit pratiquement des
résultats d'essais sur échantillons.
* Les chiffres entre crochets renvoient aux références
bibliographiques en fin d'article.
2-4

i
Les roches peuvent présenter des hétérogénéités
ou des anisotropies de structure dont le géomécanicien
doit tenir compte. Celles-ci sont mises en
évidence par les études pétrographiques ; elles ont
pour conséquence des anisotropies de comportement
mécanique que l'on peut connaître par des essais
simples de laboratoire. L'exemple le plus typique est
celui des roches métamorphiques qui présentent des
surfaces de foliation avec ou sans direction de
linéation. Le clivage des schistes ardoisiers par
exemple tantôt concordant, tantôt discordant à la
stratification de la roche sédimentaire originelle,
présente une linéation qui est le longrain des carriers.
Ces directions qui correspondent à des orientations
de minéraux micacés disposés à plat sont
des plans de moindre résistance. Ces roches ont
une résistance à la traction très faible dans la direction
perpendiculaire au plan de foliation ; par contre
elles peuvent présenter une résistance au cisaillement
encore notable dans le plan de schistosité.
Mais en général les discontinuités les plus importantes
sont celles qui intéressent le massif rocheux.
Ces surfaces peuvent être continues et découpent
alors le massif en blocs séparés les uns des autres.
De tels massifs sont alors assimilés, dans les modèles
géomécaniques, à des empilements semblables
aux maçonneries en briques (fig. 5). Si la densité
des surfaces est très grande, et si elles n'ont pas
d'orientation préférentielle, le massif peut, à la
limite, être traité comme un milieu pulvérulent. Dans
d'autres cas les surfaces sont discontinues et les
éléments ne sont pas disjoints.
Les caractéristiques mécaniques des surfaces de
discontinuités sont difficiles à connaître. Des essais
gigantesques in situ sont effectués de temps à autre
à l'occasion de grands projets. Des essais de cisaillement
ont intéressé des surfaces de 16 m 2 par
exemple. A cause de leurs dimensions, ces essais
sont très rares et difficilement reproductibles ; le
mécanicien des roches se retrouve un peu dans la
même situation qu'un mécanicien des sols qui ne
disposerait que d'un seul échantillon pour déterminer
la résistance au cisaillement à la boîte de Casagrande.
Fig. 4 - Aiguille du Midi (Massif du Mont Blanc).
Fig. 5 - Rupture en compression simple d'un massif stratifié
et régulièrement diaclasé, représenté par un modèle
en briques.
Les surfaces de discontinuité des massifs rocheux
sont les failles, les diaclases, les zones de fracturation.
Pour les formations d'origine sédimentaire,
il y a lieu d'ajouter les joints de stratification:
Les failles sont des surfaces de rupture dont les
deux lèvres ont glissé l'une par rapport à l'autre ;
elles présentent donc un rejet. On admet qu'elles
résultent d'une rupture par cisaillement ; les surfaces
de glissement présentent souvent un aspect particulier,
connu sous le nom de miroir de faille ; un
examen soigneux des stries qui apparaissent peut
indiquer le sens du mouvement. Les lèvres peuvent
être rapprochées, ou recimentées, mais elles sont
souvent remplies de matériaux détritiques. Les failles
correspondent fréquemment à une zone broyée.
Dans toute étude géologique, même lorsqu'on ne
s'attache pas particulièrement à l'aspect structural,
les failles importantes peuvent être reconnues et
doivent l'être car elles perturbent la continuité de
2-5
T

Les massifs rocheux sont parfois affectés de
zones de fracturation correspondant à un réseau très
dense de fissures plus ou moins sinueuses, qui se
recoupent et se ramifient. Ces zones sont à étudier
avec attention, mais le relevé de toutes les fissures
devient impossible et est généralement dépourvu
d'intérêt. La fracturation est parfois si intense que
toute la zone a été broyée ou mylonitisée (sensu
lato).
Dans les formations sédimentaires, les joints de
stratification sont aussi des hétérogénéités mécaniques
très marquées. Ils correspondent à un changement
dans les conditions de dépôt. Leur continuité
les rendent souvent plus dangereuses que les diaclases,
dans les problèmes de stabilité de masse [3].
On rencontre très souvent des bancs calcaires ou
gréseux séparés par des délits argileux d'épaisseurs
très faibles qui conditionnent la stabilité du massif
(fig. 8 et ç). On a tendance à l'heure actuelle de
traiter les massifs stratifiés comme des milieux
orthotropes, l'axe de symétrie étant perpendiculaire
au plan de stratification.
DESCRIPTION DE LA STRUCTURE
D'UN MASSIF ROCHEUX
Fig. 6 - Diaclases (mamo-calcaires) du Crétacé supérieur
(Gorbio, A.M.).
la stratigraphie et des affleurements. Elles apparaissent
alors nettement dans la topographie. Cependant
certaines failles, qui ont un faible rejet, peuvent
passer inaperçues ; leur continuité à travers le
massif rocheux, leur faible résistance au cisaillement
due au fait que les lèvres ont déjà subi un
déplacement relatif, contribuent à en faire des surfaces
potentielles de glissement particulièrement
dangereuses.
La description structurale d'un massif rocheux doit
donner tous les éléments qui permettent d'extrapoler
raisonnablement la distribution spatiale des surfaces
de discontinuité au cœur du massif et d'estimer les
sollicitations qui provoqueraient des ruptures suivant
ces surfaces de discontinuité.
Fig. 7 - Diaclases (Diorite de La Meilleraie) - (La Meilleraie,
Vendée).
Les diaclases sont des surfaces de rupture de
type fragile qui parcourent le massif rocheux ; leur
origine peut parfois être mise en relation avec la
tectonique, mais elle n'est pas toujours clairement
établie. Elles affectent tous les types de roches.
Elles se groupent souvent en un nombre limité de
systèmes qui découpent le massif rocheux en blocs
parallélépipédiques (fig. 6 et 7). Ces fissures peuvent
être ouvertes, fermées, ou recimentées, continues
ou discontinues. Jusqu'à présent, du moins en
France, des relevés systématiques des diaclases
n'ont été faits que très rarement [2]. Au point de
vue fondamental, de telles études peuvent fournir
au tectonicien des éléments intéressants. Mais elles
jouent surtout un grand rôle dans la résistance
mécanique d'un massif rocheux : elles permettent
la circulation des eaux souterraines, donc des agents
d'altération ; de plus, l'eau en se mettant en charge
dans les fissures peut développer des pressions
interstitielles très fortes. Elites sont là plupart du
temps responsables des chutes de blocs ; l'observation
des débris au pied des affleurements donne
souvent une excellente idée de la position relative
des diaclases.
2-6

Orientation et pendage
Pour repérer la direction d'un plan dans l'espace,
les géologues utilisent divers systèmes ; il n'y a
pas de risque de confusion en considérant dans le
plan la ligne de plus grande pente orientée vers le
bas ; on désigne alors par « l'angle que fait avec
le Nord magnétique la projection horizontale orientée
de cette droite orientée ; on peut compter indifféremment
a entre 0° et 360° dans le sens des aiguilles
d'une montre, ou entre 0° et 180° en indiquant selon
le cas Est ou Ouest ; le pendage P est donné par
l'angle compris entre 0° et 90° que fait la ligne de
plus grande pente avec le plan horizontal. Le plan P
ainsi repéré est désigné P («, P).
Diagrammes polaires
Pour un massif donné, il est commode de rassembler
les directions de tous les plans de discontinuité
sur des diagrammes polaires.
Fig. 8 - Série de marno-calcaires du Crétacé supérieur
(Gorbio, A.M.). Les bancs calcaires sont séparés par des
intercalations marneuses d'épaisseur variable.
Considérons une sphère de référence S, de
centre O ; le plan P («, P) sera représenté par son
pôle p, intersection du diamètre de S perpendiculaire
à P («, P) avec l'hémisphère inférieur de S. Les
diagrammes polaires consistent à représenter tous
les plans P par la projection stéréographique p'
et p sur plan horizontal à partir de A le point le
plus haut de S (fig. IO).
On utilise communément :
a) des canevas sur lesquels sont tracées les projections
stéréographiques des méridiens passant par
le diamètre vertical gradués en et des parallèles
horizontaux gradués en P (fig. u) ;
Fig. 9 - Grès vosgiens: Cette formation est
parfois finement litée avec des délits argileux
très minces (Arzviller).
H
Fig. 10 - Principe de la représentation d'un plan P (a, ß)
par la projection stéréographique p' de son pôle p.

C a n e v a s
(a)
Cette projection est particulièrement utile pour
résoudre les problèmes d'intersection.
Le canevas de Schmidt se présente comme le
canevas de Wulf, mais est une adaptation de la
projection stéréographique ; c'est une projection
équiaréale conservant les surfaces et non les angles
(fig. 12 b).
Lorsqu'on établit les diagrammes polaires, il y a
lieu, d'une part, de distinguer suivant leur nature
les différentes surfaces de discontinuité et, d'autre
part, de ne pas mélanger sur un même diagramme
les observations détaillées que l'on peut relever
sur un affleurement, avec les observations plus éparses,
recueillies par d'autres moyens moins systématiques.
C'est seulement à la fin de l'étude que l'on
tentera de faire un diagramme synthétique.
Lorsque les pôles ont été portés sur un diagramme
donné, il peut être utile de tracer les courbes
d'égale densité de points pour faire apparaître les
orientations caractéristiques. De nombreuses méthodes
sont utilisées ; elles consistent toutes à
déplacer sur un diagramme dont la surface est A,
A
un élément de surface — et à compter pour cha-
100
que position de celui-ci les pôles situés à l'intérieur
ou sur la limite de cet élément ; on affecte ce
nombre au point du canevas correspondant au centre
de l'élément.
o'
Fig. 12 a) - Projection stéréographique. Canevas de Wûlf
(Conserve les angles).
C an eva s ( b ) ( wulf )
Fig. 11 - Principe de construction des canevas utilisés pour
la projection stéréographique d'un point P de la sphère S'.
Fig. 12 b) - Projection équiaréale. Canevas de Schmidt
(Conserve les aires).
b) le canevas de Wulf sur lequel sont tracées les
projections stéréographiques des méridiens passant
par un diamètre horizontal et des parallèles verticaux
perpendiculaires à ce diamètre (fig. n et
12 a).
La projection stéréographique présente les propriétés
suivantes :
1° Elle conserve les angles ;
2° Un petit cercle de la surface sphérique se
projette suivant un petit cercle (mais le centre ne se
conserve pas).
2-8

La méthode la plus rigoureuse consisterait à faire
le décompte sur la sphère de référence et non sur
le cercle de projection : Noble et Eberley (1964)
ont établi un programme pour calculateur électronique
pour faire cette opération.
Lorsqu'on utilise un diagramme de Wulf, une
méthode consiste à prendre un cercle ayant une aire
A
égale à —; toutefois suivant sa position sur le dia-
100
gramme il ne représente pas le même angle solide.
C'est la raison pour laquelle il est préférable d'utiliser
le canevas de Schmidt ; mais dans ce cas un
cercle tracé sur la sphère S ne se projette en général
plus suivant un cercle ; on peut alors utiliser
un canevas tout préparé, le canevas de Dimitrijevic.
A partir d'un diagramme de Schmidt, une méthode
plus sommaire mais rapide consiste à utiliser une
grille carrée ; on considère le carré inscrit dans le
cercle et on obtient la grille en divisant chaque côté
du carré en huit segments égaux ; chaque petit carré
élémentaire a alors une surface très voisine de •
100 '
on fait coïncider le centre de la grille avec le centre
du diagramme ; pour plus de précision on peut
recommencer en faisant coïncider le centre d'un
carré de la grille avec le centre du diagramme. Le
principal défaut de cette méthode est de manquer
de précision à la périphérie du diagramme (fig. 13).
Fig. 13 - Utilisation d'une grille carrée pour tracer les courbes
d'égale densité de points.
De fortes concentrations de pôles apparaissent en
général pour les études de structure des massifs
rocheux. Si ce n'est pas le cas, on peut alors avoir
recours à l'analyse statistique. On trouve dans la
littérature spécialisée de nombreux tests permettant
de déterminer si les diagrammes obtenus diffèrent
de façon significative d'un diagramme pour lequel
la distribution des pôles est aléatoire : Test du X 2
proposé par Winchell 1937, méthode du coefficient
de corrélation de Chayes 1949, Test de Pincpus.
Mais de nombreux diagrammes contiennent trop peu
de points pour être l'objet d'une analyse statistique.
Il faut être prudent avant de conclure qu'une orientation
mise en évidence par la statistique est significative
au point de vue géologique, car l'échantillonnage
qui est accessible au géologue a des
caractères très particuliers.
Fréquence des surfaces de discontinuité
d'un système donné P (« $)
Le système des plans P (a, P) est caractérisé par
l'inverse de l'espacement moyen entre deux plans
consécutifs d («, P). On exprime d en mètres :
k = («, P) =
d [a, P)
k («, P) représente la fréquence du système P
(«, jS) c'est-à-dire le nombre de surfaces P («, B)
par mètre dans la direction perpendiculaire.
Les distances que l'on peut mesurer sur les affleurements
ne sont égales à d («, /?) que dans le cas
I N
A
A \
/ \
/
\
\ /
V
s
s \
Utilisation dune grille carrée pour tracer
les courbes d'égale densité' de points .
V
Fig. 14 - Exemple de détermination de k (a, ß) connaisa
b
sant' a'p'. Un massif rocheux est découpé par un système
de fractures régulièrement espacées ayant un pendage de
40° vers le N. 130° O. On les observe en affleurement sur
un plan qui pend de 30° vers le N 60° O. La distance
moyenne entre les intersections des plans de fracture et
de la surface de l'affleurement est de 80 cm.
I \\ = 0,8 m d a ß = £°L|£ = o,80 x 0,6
«• P- P- cos 26°

très rare où les plans P (a, P) sont perpendiculaires
au plan d'affleurement. Sinon le plus simple est de
mesurer la distance qui sépare les intersections de
deux plans consécutifs P (a, P) avec le plan d'afa
b
fleurement P (a, b). Soit 1 ^ cette distance ; la
projection stéréographique permet de calculer facilement
d («, P), comme il est indiqué sur l'exemple
(fiff- H)-
La détermination des orientations des systèmes
de plan P («, P) et des fréquences k («, ¡3) correspondantes,
permet de dessiner le bloc unitaire,
c'est-à-dire le bloc moyen qui ne serait traversé
par aucune fissure si les plans P («, B) étaient
continus et régulièrement répartis avec la fréquence
k (a, P) (fig. 15). Cette notion de bloc unitaire peut
être intéressante pour les problèmes de stabilité de
blocs sur les déblais.
Etude bidimensionnelle des plans de discontinuités.
Fig. 15 - Construction de la projection stéréographique du
bloc unitaire limité par les systèmes de plans P1, P2, P3.
P ( d 1,Q50

En plus de ces données purement géométriques,
le géologue doit évaluer un certain nombre de paramètres
qui permettront d'estimer la résistance mécanique
du plan considéré. Ce sont :
Ouverture des fissures
Les fissures peuvent être ouvertes ou fermées ;
on exprime l'ouverture des fissures en millimètres.
Là encore, il s'agit d'un paramètre souvent difficile
à apprécier, mais qui joue un grand rôle dans les
problèmes de circulation des eaux. Les fissures sont
souvent ouvertes en affleurement par l'action de
l'érosion et se referment dans le cœur du massif.
Inversement, pour un massif calcaire par exemple,
une fissure fermée peut s'élargir brusquement en
un large cheminement karstique (fig. 17).
Remplissage des failles et des diaclases (fig. 18)
Des matériaux broyés viennent souvent combler
les vides entre les lèvres d'une fracture. Ces matériaux
peuvent être recimentés et donner une brèche
(brèche de faille).
Fig. 17 - Elargissement brusque d'une faille dans un massif
calcaire dû à un écoulement karstique (Noblay, Côte-d'Or).
Fig. 18 - Diaclase dans les grès vosgiens à remplissage
argileux (Arzviller).
D'autre part, les fractures sont des voies de circulation
privilégiées pour les eaux souterraines qui
laissent des dépôts. Il peut y avoir recimentation des
fractures et formation d'un filon qui peut être plus
résistant que la roche elle-même et apparaître en
relief ; dans ce cas il n'y a plus de discontinuité
mécanique. Mais dans d'autres cas II y a dépôt de
matériaux argileux dont il importe de connaître la
nature. Bjerrum et coll. [4] signalent que de nombreux
incidents, au cours de travaux souterrains dans
les roches du Paleozoïque et du Précambrien en Norvège,
sont liés à la présence de montmorillonite
dans les remplissages des fractures.
Nature des lèvres
Lorsque les lèvres sont en contact, on peut distinguer
si elles sont lisses, rugueuses, planes, ondulées.
Dans le cas des failles, l'étude minutieuse
des miroirs de faille peut être instructive.
Nature des joints de stratification
Les différents bancs d'un même ensemble lithologique
peuvent être séparés par de minces lits
argileux ou schisteux ayant de très faibles caractéristiques
mécaniques. Il est évident que ces lits
jouent un très grand rôle dans les problèmes des
stabilités.
Dans d'autres cas les ban.cs reposeront les uns
sur les autres et la nature des aspérités définira
l'angle de frottement à prendre en compte entre les
bancs.
METHODES ET MOYENS D'ETUDE
DE LA STRUCTURE D'UN MASSIF ROCHEUX
Nous nous proposons de passer sommairement
en revue les moyens dont dispose le géologue pour
étudier la structure d'un massif rocheux.
2-11

La méthode la plus traditionnelle, mais qui reste
sans aucun doute la plus efficace, est l'étude de
terrain. Il s'agit de faire, à l'aide de la boussole et
d'un décamètre, un relevé précis des surfaces de
discontinuité visibles en affleurement. Il y a de
nombreuses difficultés pratiques ; pour décrire une
structure à trois dimensions, le géologue doit en
général se contenter de l'observation d'une surface
d'affleurement, parfois deux, rarement trois ; il lui
faut ensuite extrapoler ces observations superficielles
à l'intérieur du massif. D'autre part, il ne faut
pas perdre de vue que les affleurements ne sont pas
des surfaces d'intersection quelconques du massif
rocheux ; ils sont souvent eux-mêmes une ancienne
surface de discontinuité ; de plus, les affleurements
subissent l'action des agents d'altération météoriques
et sont soumis aux phénomènes de décompression
superficielle ; aussi l'aspect des lithoclases en affleurement
est souvent radicalement différent de
celui qu'elles ont à l'intérieur du massif. Le fauchage
des couches par exemple, si fréquent le long des
versants montagneux, masque le véritable pendage
des couches. Pour les ouvrages importants et en
particulier pour les travaux souterrains, les galeries
de reconnaissance sont un moyen irremplaçable pour
la connaissance de la structure d'une masse rocheuse.
Les sondages qui complètent maintenant de façon
quasi générale les reconnaissances géologiques en
matière de Génie Civil, peuvent aussi fournir des
éléments sur la structure des massifs rocheux. On
peut mesurer la fréquence et le pendage des différentes
fractures observées sur les carottes ; la détermination
de leur direction n'est en général pas
possible, car il faut théoriquement disposer de trois
sondages orientés différemment. Cependant ces données
permettent de se recouper avec le relevé de
surface. Les méthodes de diagraphie des trous de
sondage sont aussi susceptibles d'apporter des
informations ; la sonde rayons y naturels par exemple,
peut mettre en évidence la présence d'argile
dans les fissures : les variations du log sonique
dans une même formation sont liées à la fissuration.
Les carottages électriques dans des trous voisins
permettent d'établir des corrélations stratigraphiques,
donc de déterminer la présence d'une faille. La
pendagemétrie soit mécanique, soit électrique, donne
le pendage des strates. On peut, dans certains cas,
descendre dans le trou de sondage un appareil
photographique ou une caméra de télévision dont
on peut contrôler la direction de l'axe optique ; on
obtient alors une image de la fissuration.
La photographie aérienne peut, elle aussi, apporter
une aide précieuse. Elle est particulièrement utile
pour les sites difficiles d'accès et pour les études
à grande échelle. Les failles et les grandes cassures
apparaissent nettement, même lorsque la roche est
surmontée d'une couverture détritique ou végétale.
Les intersections avec la surface topographique
donnent souvent des zones humides marquées par
des alignements de végétation, ou suivies par les
cours d'eau. Lorsque la roche affleure, on peut, à
partir des photographies aériennes, obtenir des
données plus précises. C'est ainsi qu'en Scandinavie,
les diaclases les plus fines d'un substratum
granitique, mis à nu par l'érosion glaciaire, ont pu
être observées d'après les photos aériennes ; on en
a fait un relevé statistique sur une grande étendue.
Les méthodes géophysiques de surface intègrent
trop de paramètres pour être utilisées pour un relevé
précis des discontinuités d'un massif. Cependant les
vitesses de propagation sismique sont très sensibles
à la fissuration perpendiculaire à leurs vibrations et
leur mesure dans différentes directions peut permettre
de déterminer les orientations principales de
la fissuration.
En conclusion, pour un problème donné, il est
impossible de disposer de tous les éléments nécessaires
à la description exhaustive de la structure
d'un massif rocheux. A l'exception des observations
sur les affleurements naturels ou artificiels, les méthodes
dont on dispose pour ausculter le massif
donnent, pour la plupart, des renseignements surtout
qualitatifs. Il y a donc toujours une large part laissée
à l'interprétation du géologue. C'est pourquoi, au
stade de l'exploitation de l'étude géologique, une
étroite collaboration entre le géomécanicien et le
géologue est nécessaire. Afin d'introduire du « quantitatif
» le premier a tendance à schématiser outrageusement
; le second doit s'assurer que le modèle
proposé garde quelque rapport avec le massif rocheux
qu'il a étudié.
BIBLIOGRAPHIE
* [1] J.B. BERCIN, « Etude de la rippabilité du calcaire
grossier de la région parisienne par sismique réfraction
». Bulletin de Liaison des Laboratoires Routiers
n° 21, Sept.-Oct. 1966, page 4-1.
[2] H. DE GIZANCOURT, « Etude de 200 diaclases dans les
Pyrénées ». Revue Institut Français du Pétrole, Vol. II,
n° 12-3-5 (1947).
* [3] J. BERTHIER, « Stabilité des talus dans les roches stratifiées
». Bulletin de Liaison des Laboratoires Routiers
n° 10, Nov.-Déc. 1964, page 1-1.
[4] L. BJERRUM, T.L. BREKKE, J. MOUM, R. SELMER-OLSEN,
« Somme Norwegian Studies and Experiences with
Swelling Materials in Rock gouges ». Felsmechanik
und Ingénieur géologie, Vol. 5/1 • Wien 1963.
* Nous rappelons que les articles publiés dans le Bulletin
de Liaison, auxquels nous faisons référence, sont disponibles
en tirés à part et que nous nous tenons à la disposition
des lecteurs intéressés pour leur en faire l'envoi.
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