a

Thème lll

mouvements de terrains induitsd'origine anthropique

I'exclusion de leur seule détection

Dans leur ensemble, ces vides souterrains représententun danger à cause des risques d'instabilité des terrainsenvironnants qu'ils peuvent provoquer. Dans des .casextrêmes, cette instabilité peut entraîner des catastro-phes comme celle de Clamart en 1961 , mais ce seraitune erreur grave d'associer systématiquement I'exis-tence de ces vides avec l'éventualité d'une tellecatastrophe, ne serait-ce que parce que, en dehors dela région parisienne, les anciennes carrières reconnuessont souvent situées sous des terrains agricoles.

ll est vrai que souvent ces vides souterrains sont situésau voisinage d'agglomérations importantes (Lille,Caen, ...) dont ils gènent I'extension. Mais, même dansces'cas, le comblement aveugle et systématique de cesvides n'est pas forcément la meilleure solution, d'abordparce qu'il n'est pas forcément réalisable immédiate-ment, en raison des volumes considérables impliqués(de l'ordre du million de m3 pour les grandes carrièresdu Nord par exemple), ensuite parce qu'il ne garantitpas nécessairement qu'il n'y ait plus de tassement de lasurface, et enfin parce que si ces vides s'avéraientstables, ils pourraient constituer, moyennant desaménagements, des volumes utilisables à des fins destockage, de culture, d'abris; etc.

Dans la suite de ce rapport, nous examinerons ies troisquestions de fond que posent ainsi ces videssouterrains. à savoir :

- "orn."nt en évaluer la stabilité à un moment donné

et préciser les éventuels risques d'instabilité;

- comment contrôler l'évolution de cette stabilité;

- enfin. comment stabiliser les terrains.

1 Comment évaluer la stabilité des anciennesexploatations souterraines à un momentdonné

Ce problème a fait I'objet de nombreux travaux, enparticulier par le Cerchar, et M. Schwartzmann pré-sente dans sa publication un ensemble complet demoyens d'étude in situ et une méthode de travail quisont maintenant tout à fait opérationnels.

Bertrand et al., dans leur étude de stabilité d'unecarrière soumise à I'influence du trafic routier lourd,utilisent la même méthode de travail.

Dans son principe, cette étude de stabilité consiste à

évaluer d'une part la sollicitation tolérable pour lematériau, et d'autre part la charge qui lui est imposéeafin de comparer ces deux termes.

La difficulté du problème réside dans la déterminationde ces deux grandeurs.

En effet, les sollicitations régnant dans le massif sontvariables parce que les dimensions des chambres etpiliers sont elles-mêmes variables et parce que lesdiscontinuités et hétérogénéités des terrains provo-quent parfois des concentrations d'efforts danscertaines zones et des détentes en d'autres points. Lafigure 2 illustre ce dernier point en montrant lesrépartitions de contraintes verticales qui peuvent êtreobtenues sur un pilier selon les caractéristiques defracturation du toit (Bonvallet [1]). Ces sollicitationsrégnant dans le matériau peuvent être évaluées soit aumoyen de modèles (aire tributaire, poutre, plaque'modèles de blocs, etc.) ou mesurées in situ par lesméthodes du vérin plat ou de surcarottage présentéesdans la communication de R. Schwartzmann. Danstous les cas, cette évaluation doit reposer sur un grandnombre de mesures pour être crédible.

REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIOUE NUMERO 17

La sollicitation tolérable dans le matériau est difficile à

déterminer; en outre c'est une grandeur dispersée.

Ainsi, pour un matériau et un ouvrage donnés, ilimporte de préciser laquelle des grandeurs mécani-ques suivantes sera prise en compte dans le calcul :

la limite de fluage, ou résistance ultime,

la limite élastique,

la résistance instantanée.

Suivant le type d'exploitation et la nature du matériau,les conceptions varient avec les auteurS. ll s'agit là d'unsu jet d'étude certaiRement à développer, car, si le

choix de la résistance instantanée conduit à desrésultats optimistes, la prise en compte de la limite dufluage peut être critiquée d'un double point de vue :

d'une part Sa détermination expérimentale pose desproblèmes en raison de I'absence de normalisation, dela durée toujours courte des essais et de la taille faibledes échantillons vis-à-vis des durées et grandeursréelles des piliers; d'autre part, of constate quecertaines exploitations de craie, à fort taux dedéfruitement, où règnent des contraintes qui ont étémesurées in situ et qui sont largement supérieures à lalimite de fluage, sont stables depuis plusieurs siècles.

La dispersion de ces grandeurs de résistance a étéétudiée par de nombreux auteu rs (Coates l2l parexemple) et son étude a fait I'objet d'autres iournéesgéotechniques.

La comparaison de la résistance du matériau et de lasollicitation qui lui est imposée est un problème simplepour les statisticiens, et Bonvallet et Chambon [3] ontproposé de construire I'histogramme de tous lesrapports possibles entre les résistances mesurées etles valeurs des sollicitations calculées ou mesurées.Sur un tel histogramffie, comme sur la figure 3, on peutdéterminer le plus petit coefficient de sécurité, en luiattachant, en outre, une probabilité de mise en défaut.

Chronologiquement, une étude de stabilité peut êtredécoupée en quatre phases faisant intervenir lesmoyens d'étude de plus en plus performants au fur et àmesure qu'on cherche à affiner le diagnostic final. Le

schéma de principe en est le suivant, tel que proposépar Bonvallet t1l (fig. a).

Étape 1 .' connaissance du problème posé par la

carrière.

C'est une phase d'enquête, de visites du fond etd'information sur I'environnement.

Étape 2 : estimation grossière de la stabilité.

Après la mesure des caractéristiques géomécaniquesdu rnatériau, l'évaluation de sa continuité à différenteséchelles, et le report sur plan de la géométrie généralede I'exploitatioD, un calcul utilisant des modèlessimples, permet de déterminer un coefficient desécurité global pour I'exploitation. Les mesures decontraintes in situ sont souhaitables pour contrôler lavalidité de ces modèles.

Étape 3: détermination de coefficients de sécuritélocaux.

Dans cette étape, on cherche à prendre en compte lessingularités des travaux, après avoir identifié les zonesà caractéristiques homogènes. Pour mener à bien cettepartie de l'étude, de nombreuses mesures de caractéri-sation du matériau, et de nombreuses mesures in situsont nécessaires.

48

ru Toi t

Hur

n

Toit honogène

U ne diaclase verticale fermee

Une d iaclase verticale ouverte

4 diaclases paî pilierNiveau mofen des contraintes

ln 2n

Fig. 2 Distribution de o rau sein d'un pilier suivant différentes hypothèses (T: 90 %)

8 10t2 20 22 24 26 26 a) Distribution expérimentale de F - R/S dans la zone pilote

b) Distribution théorique de F - R/S dans la zone pilote

o@o@

o

0

0rI

0

t0

24 26 28

c) Distribution théorique de F - R/S pour l'ensemblede la carrière (CO 146)

Fig. 3 Détermination de F : R/S

49

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.P

\ \ "\.

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f (F) "t"

REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNTOUE NUMERO 17

Etape'l Poser le problème de la carrièreConnaître I'environnementConnaître l'histoire de snn exploitation

Etape 2 - Estination grossière de la stabilité

Stratigraphie.Lit holog iepitioiirini'Tectonique

Caractérisation physique et géomécanique ----------+Continuité du matériau à différentes êchelles -4Calcul du t,aux de défruitement etdu volu me ex cave au mètre carré

Connaissancedu

mat ériau

Conna issancede la

géomètrie

lnterprétation grlssière de la stabilite globalea l'aide d'un modèle simple

Aire tributaire Modèle de * re

-

3ql'I-h-l Rt

Modèle monolithiw

-

B rylo,t' h2 t

ol' I Rc| -r I

Etape 3 - Estination locale du coefficient de sécurité

- Affiner la connaissance du natêriau et du milieu

- Rechercher les zlnes homogènes dans la catière

- Localiser les singularitês et Ies caractériser

- Qualifier les conditions aux limites

"Coefficient " de sécurité loca l

Modèle de comportement

\..

'/a

Vérifier les résultatsobtenus par le calcul

Affiner le modèle par desmesures in situ ( contraintes )

Etape 4 - Cotiger le diagnostic en fonction du temps

Etude _de l'influence des surcharges dynamiques et statiques( nodèle et in situ )

- Analyser les processus de dégradation t diagnostic corrigé

. nontées de voute

. fissuration des piliersêvolution des défornations

Carte géotech niquelnterventions nécessaires

Fig. 4 Méthodologie d'étude des carrières souterraines

REVUE FRANçA|SE DE GEOTECHNTOUE NUMERO 17 50

Jnh-ffi

EnresistreurJEÏF

-L=l \-rrl

iiî.il';ilÏ..:':+ffi \ Cffi Cîff

f{ffiî \ ffi \ C\ capteurs /

er

| 800

Fig. 5 Principe de la mesure des surcontraintes

e1 = Diformotion longitudinolc

eg = D6formotion tronsversole

Pr6chorge 2,64 MPoE=2200 MPo

150 c 670 c 760 c _ __1 100 cvcles

€'1

Rupturc:W = 18'/"

366OOs TenPs7 20Os2h

6 Essai de fatigue sous sollicitation cyclique sur éprouvette cylindrique

't4 800sth

21 600 s6â

28 800s6h

Pr6chorgeE=2460 h

v= 0,216

Pricho rqe 1,8 MPo

)r6chorq:- =241Ô

,l = 0,25(r'6humidi

2,1MPO4Po

I

ù

e 2A MPo

)

ficot ion

II

.1, r.-'r'{---| -------

E=2610 M Po

rv= 0,191

2MP" 22e---

.Æffi0,266

I

0,25129rc0,256

[, 0,252

REVUE FRANçA|SE DE GEOTECHNTOUE NUMERO 17

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np a^elô ouupd alnol no'suorleruJolgp sap uoll-nlo^a,l supp a^lleclllu0rs orleuoue alnol 'onbtleuolneenbluoqdgl?l Jnesoduoc un red e;duuaxe red 'oouplstpp ra;euôrs ap selqedec luos la 'anblpolrgd uatlaJluaun,nb olcoJrp ouleunq uorluonJolut orlne suBS acJotu-tuoc np sJnoleu!pJo-orc[rJ op op!e,l P ]uauuot]cuo]!nb '1urod np lueuoluleLrt luos suorlpruJolgp sap acuel-llarunsglgl op lo ornsouglgl ap sloldruoc sau?lsÂs saq

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Lt ou3nnN fnotNHcfro3g 30 tstvôNVUJ lnnfu

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sanôuo; ep orooua alrgru xnelnrq sluaualpuollasap lefns êl srel4 'lueualureu.r rauluexa suolle snouenb sails sap ocuellraruns el : aasodo.rd lso uorlnlosarlne êun 'slrol sap aôeurerp el auuoo 'sanrluangrdsarnsau sap rasodold augu 1a sanbsrl sel lanle^glned uo [S] OZOI ue tuney1 red ta [t] 296! ua urlacurllBd sgsodo.rd xnec rar;ncryed ua 'sluauraJpuollêsac ap srnalerlrur .resoddns lned uo,; anb saursruecgusap uorlcuo, u3 '9ue1uods luor.uêJpuolle,p anbst.tnp rnlac lsa,o 'gurruexa êllg pop aulQlqord a:1ne u61

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3 Comment stabiliser les terrains

En pratique, il est nécessaire de stabiliser les terrainslorsque:

les résultats de l'étude de stabilité ou la surveillanceprécédente ne permettent pas de garantir la stabilité,

l'utilisation des sols que I'on envisage exige unestabilité totale du sous-sol. ll est utile de signaler à cesujet que la construction sur pieux chemisés pour êtreprotégés contre les frottements négatifs, comme ceuxprésentés sur la figure 8, permet l'édification debâtiments importants sur des terrains imparfaiternentconsolidés, voire sur des vides, à condition de prendretoute précaution pour parer à l'éventualité d'unedestruction par cisaillement.

Fig. 8 Exemple de pieux chemises dans une carrière sou-terraine (Nord de la France)

Cette stabilisation des terrains peut être envisagée detrois manières :

par confortement direct, c'est-à-dire par substitu-tion du matériau;

par confortement indirect, c'est-à-dire par renforce-ment des structures portantes existantes (renforce-ment des piliers et du toit);

enfin, par effondrement contrôlé.

3.1 Confortement direct

Lastabilisation des terrains par confortement direct,c'est-à-dire par mise en place d'un matériau desubstitution est une solution définitive, mais trèsonéreuse*. Une application est présentée dans lacommunication de Dufour, sur le cas de la collined'lssy-les-Moulineaux, où il est montré qu'elle était laseule possible. Le principe de cette méthode consiste àréaliser, en général par injection, des piliers artificiels,de position et de dimensions contrôlées, ou bien unrembfai portant. Cette notion de portance du remblaiest importante, car seul un remblai injecté permet deréaliser u n tel confortement, par opposition à 'u nremblai pneumatique par exemple qui, n'étant pasprécontraint, tolérera des tassements avant d'exercerune réaction directement portante sur les terrains.

* (:100 F/m3.)

REVUE F RANÇAISE DE GEOTECHN tOUE N UME RO 1 7

Par ailleurs, on peut, par des méthodes d'injectiondans les terrains déconsolidés au toit des cavités, oudans f es éboulis mal consolidés de foudroyage, réaliserdes confortements directs qu i empêcheront touttassement ultérieur. Le problème maieur qui se posealors est celu i de I'identif ication des vides et desconsolidations. ll semble que les techniques dediagraphies employées par Erling en particulier soientbien au point et tout à fait efficaces. Dufour a réalisédes contrôles semblables par des essais de perméabi-lité. ll serait intéressant de comparer les résu ltatsobtenus par les deux techniques.

3.2 Confortement indirect

L'idée de base du confortement indirect est derenforcer les structures portantes existantes, c'est-à-dire les piliers et les bords fermes, d'une part, et le toitd'autre part pour garantir leur stabilité. Cela peut êtrefait soit par du remblayage simple, qui, à défaut desoutenir activement le toit, réalise un confinement trèseff icace des piliers, et en garantit sû rement lapéren nité.

Ce mode de traitement coûte ce que coûte toutremblayage, c'est-à-dire fort cher en général (plus de50 F/m"), à I'exception de certaines régions (comme larég ion parisien ne) où des matériaux de remblayagecomme les cendres volantes sont disponibles enquantité suffisante à très bas prix.

Mais le confortement des piliers peut être réalisé pardes moyens moins radicaux que le remblayage, par ducerclage, du boulonnage (figure 9) ou des construc-tions de renfort. Ces derniers confortements permet-tent une utilisation industrielle des vides, moyennantcertains aménagements. Toutes les techniques quipermettent une réutilisation des vides nous paraissentdes moyens de stabilisation à encou rager, car enmême temps qu'ils peuvent permettre de restituer desterrains de surface utilisables, ils procurent desespaces qui autrement auraient été irrémédiablementperd us.

a) Boulonnage pdr tirants

c) Boulonnage simpleGrillage

Eoulons d'cncraoc à ta râsin

Fig. 9 Renforcement des piliers

3.3 Effondrement du vide souterrain

Enfin les terrains peuvent être stabilisés en supprimantle vide, c'est-à-dire en provoquant un foudroyagecontrôlé. L'idée n'est certes pas nouvelle, puisqu'entre1780 et 1840 on a torpillé à la poudre les piliers desanciennes carrières de gypse de Montmartre, deMénilmontant et des Buttes-Chaumont. Mais peut-êtremal conduites, ces opérations se sont traduites par deseffondrements irréguliers et parfois très largementdifférés. Beaucoup plus récemment une méthode defoudroyage en masse a été mise au point et utiliséeavec succès dans les exploitations de gypse dePort-Maron situées à I'aplomb de la forêt de I'Hautil,dans les Yvelines, comme le rapporte Vidal t6].

Ce foudroyage en masse est intéressant dans lamesure où il permet de livrer, après coup, des terrainsen bon état et assez rapidement disponibles pour laconstruction. Cela exige en particulier :

que la surface des travaux torpillés en une fois soitla plus grande possible, de façon à obtenir unedescente d'un seul bloc des terrains sus-jacents;

que le torpillage des piliers ne laisse subsisteraucun " point du r ,,. Cela implique u ne réalisationextrêmement soigneuse du tir;

que les tassements différentiels soient réduits auminimum.

Mais la plus grande prudence est nécessaire sur cesujet. En effet, les techniques du foudroyage ont biendonné les résultats attendus lorsque celui-ci étaitréalisé sur une exploitation prévue à cet effet (exemplede Port-Maron), mais avant d'être appliquée àn'importe quel vide, I'ensemble des opérations doitfaire I'objet de mises au point et de contrôles trèssoignés portant en particulier :

sur le tir lui-même en raison de la précision desrésultats attendus;

sur la délimitation des zones foudroyées lorsqueI'ensemble du vide n'est pas traité en une fois, pourpouvoir continuer I'opération dans de bonnes condi-tions;

sur le tassement des terrains, dont la réutilisationdépend de la vitesse à laquelle ils se stabilisent. A cesujet, il est intéressant de noter qu'à Port-Maron onn'observait plus d'affaissement notable après un anenviron. Ce rnode de traitement est en pleine évolution,et nul doute que des progrès considérables dans lesréductions des nuisances qu'il provoque conduiront àson développement.

3 Conclusion

Le problème majeur que pose la présence d'exploita-tions souterraines abandonnées est bien celui de leurstabilité et, de manière plus immédiate, celui deI'utilisation des sols au-dessus de ces vides. Dessolutions peuvent lui être apportées dans de bonnesconditions techniques en faisant appel aux moyens

modernes de stabilisation qui ont été décrits. Mais cesmoyens doivent être choisis au vu de leur coÛt, enfonction des problèmes posés dans chaque cas.

Ainsi, dans les zones urbaines, la mise en place d'unmatériau de substitution (remblai cimenté et clavé)permet de rendre utilisables des sols qui auparavantn'avaient aucune valeur. La valeur prise par les terrainsainsi récupérés doit permettre en général de payer letraitement qui est nécessaire.

En dehors des zones u rbaines, le problème estdifférent et il est nécessaire de se demander si unesolution acceptable pour I'utilisation des sols ne peutpas être obtenue par une étude de stabilité et lasurveillance de l'évolution de cette stabilité. Parailleurs, des moyens financiers supplémentaires pourstabiliser ces vides peuvent être procurés par la valeurqu'ils acquièrent s'ils peuvent être utilisés. Cettesolution pose de nombreux problèmes techniques etiuridiques, mais elle mérite d'être encouragée. Enfin, sila stabilité des vides apparaît comme menacée, leurfoudroyage par torpillage des piliers pourrait devenir,moyennant la mise au point de contrôles au moment desa mise en æuvre, une selution intéressante.

Mais d'une manière générale, lorsque I'on constate ladifficulté des problèmes posés par les vides incontrô-lés, on se dit que le mieux est certainement de ne pasen créer, c'est-à-dire, plus simplement, de les traiter aumoment de leur creusement par un foudroyage partielou total lorsque cela est possible.

Références bibliographiques

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l2l D. F. Coates

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t4l E. Tincelin et P. Sinou

" Effondrements brutaux et généralisés, coups detoit.' Revue de l'lndustrie Minérale, avril 1962.

t5l V. Maury

" Effondrements spontanés. Synthèse d'observationset possibilité de mécanisme initiateur par mise encharge hydraulique. ', Revue de l'lndustrie Minérale,octobre 1979.

t6l V. Vidal.. Foudroyage dans I'exploitation de gypse de Port-Maron. " Revue de l'lndustrie Minérale, 9/1970.

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