La revue de littérature conduit à considérer des paramètres géométriques et des paramètres mécaniques qui caractérisent un impact sur une couche de sol protectrice. Concernant la couche de sol, les paramètres ayant une influence significative sont la nature du sol (caractérisée par sa granulométrie), ses propriétés mécaniques (usuellement reliées à la densité sèche ou à la densité relative) et l’épaisseur de la couche. Concernant l’impact, les paramètres identifiés concernent l’impacteur et l’énergie de translation à l’impact. Pour le bloc impacteur, sa géométrie (dimension et forme côté pénétration dans le sol) et sa masse (ou, connaissant sa géométrie, sa densité) ; pour l’énergie, connaissant la masse de l’impacteur, la vitesse d’impact (ou la hauteur de chute).
Selon la littérature, l’angle d’incidence de l’impacteur ne semble pas avoir une influence majeure sur les efforts normaux transmis à la structure sous la couche de sol, même si les efforts transversaux seront à considérer pour le dimensionnement des structures de protection. De même pour l’énergie rotationnelle de l’impacteur qui, bien qu’ayant une influence forte sur la trajectoire du bloc lors d’un impact, ne semble pas produire d’effort significatif dans le massif, par frottement au contact entre le bloc impacteur et le sol purement frottant constituant la couche protectrice.
Dans cette étude, un seul type de sol a été considéré, un sable fin relativement propre, pour garantir l’absence de cohésion et maximiser la dissipation d’énergie par frottement entre les grains. Pour chaque essai, ce sable a été mis en œuvre par couches successives compactées, de manière à
nature du sol et sa densité étant fixés, l’épaisseur de la couche de sable est le seul paramètre variable de l’étude paramétrique caractérisant la protection de la structure.
Concernant l’impacteur, dans l’objectif de traiter de manière approfondie la question de la protection contre les chutes de blocs rocheux, leur densité a été choisie de l’ordre de 2.5 (poids volumique voisin de 25 kN/m3). Concernant leur géométrie, la forme de l’impacteur a une influence sur la pénétration dans la couche de sol. Néanmoins, en première approximation, l’impacteur a été considéré quasi-sphérique, défini par un diamètre équivalent. Cette caractéristique dimensionnelle de l’impacteur a une influence significative sur la mobilisation des mécanismes de dissipation de l’énergie dans la couche de sol, par compression ou par cisaillement.
Une définition plus précise de la géométrie d’un bloc rocheux introduirait un grand nombre de paramètres supplémentaires, y compris angulaires. En pratique, dans la plupart des cas, la taille équivalente d’un bloc rocheux peut être estimée. Dans le cas contraire, où la dimension dans une direction devient prépondérante par rapport aux autres directions, le géotechnicien est en mesure d’estimer que le bloc n’est plus assimilable à une sphère pour l’application considérée. L’étude paramétrique réalisée ici devra alors être étendue pour traiter des conditions d’impact a priori plus défavorables, par exemple lorsque le diamètre équivalent de la section d’impact est significativement plus petit que la dimension du bloc dans la direction d’impact au moyen de nouveaux essais.
Les caractéristiques de l’impacteur étant fixées (densité et diamètre équivalent, donc masse), la sollicitation d’impact dépend alors de la vitesse à l’impact (Vi), ou d’une hauteur de chute libre (H). Dans cette étude paramétrique expérimentale, la hauteur de chute est préférée car imposée de manière directe dans le dispositif d’essai. Bien entendu, la vitesse d’impact, souvent donnée par les études trajectographiques de chutes de blocs rocheux, est en relation bijective avec la hauteur de chute libre des essais (Vi=√2gH, où g représente l’accélération de la pesanteur terrestre).
L’énergie d’impact est également déterminée connaissant la masse du bloc et sa vitesse à l’impact. Toutefois, il est important de souligner qu’une énergie ne peut pas à elle seule caractériser un impact, car elle combine deux grandeurs de dimensions différentes, a priori indépendantes, une masse et une vitesse (longueur et temps). Vitesse et dimension (ou masse) du bloc sont nécessaires.
En résumé, les facteurs qui caractérisent l’impact d’un bloc sur une couche de sol protégeant une structure sont rappelés dans le Tableau 3.1. Pour chaque facteur, la seconde colonne indique si ce facteur a été choisi fixe ou variable dans cette étude paramétrique expérimentale. Pour une nature de sol donnée, il a été considéré que trois paramètres avaient une influence majeure sur les efforts transmis au sommet de la structure, au travers de la couche de sol : l’épaisseur de la couche protectrice (D), le diamètre équivalent de l’impacteur (B) et la hauteur de chute (H).
Il a été noté que la densité sèche de la couche de sol avait également une influence significative sur la transmission des efforts. Ce paramètre sera néanmoins pris constant dans l’étude paramétrique expérimentale. Cependant, lors de la mise au point du protocole d’essai, fixant notamment les modalités de mise en œuvre contrôlée de la couche de sol protectrice par passes compactées, quelques essais seront réalisés pour différentes énergies de compactage, conduisant à différentes densités sèches du sol. Ces essais permettront d’estimer l’importance de ce paramètre.
Dans l’étude paramétrique expérimentale réalisée, le choix a donc été fait de faire varier systématiquement trois facteurs : épaisseur de la couche protectrice (D), diamètre équivalent de l’impacteur (B) et hauteur de chute (H). Au vu de la littérature, il est important de souligner que les expressions trouvées sur la base de ces essais auront été établies pour une nature de sol protecteur compacté à une densité sèche donnée. Des conclusions générales ne pourront donc pas être tirées de l’analyse des résultats d’essais, notamment concernant la distribution de pression en surface de la structure transmise au cours du temps pendant l’impact. Toutefois, pour un autre matériau ou une autre densité sèche, les expressions quantitatives dont la forme aura été établie sur la base des phénomènes observés devront être calées par quelques essais complémentaires.
Tableau 3.1. Paramètres considérés dans l’étude paramétrique expérimentale d’impact sur couche de sol protectrice d’une structure
Paramètre Fixe ou variable Commentaire
Rigidité de la structure Fixe Rigidité considérée très grande, maximisant les efforts transmis Nature du sol (granulométrie) Fixe Un sable fin propre, purement frottant
Déformabilité et résistance Fixe/variable Quelques essais préliminaires à différentes densités sèches Epaisseur de sol protecteur (D) Variable -
Densité du bloc impacteur Fixe Voisine de la densité de la roche Taille du bloc impacteur (B) Variable Caractérisée par un diamètre équivalent Forme de la surface impactant Fixe Sphérique ou assimilable à une sphère Vitesse d’impact Variable Différentes hauteurs de chute libre (H)
Angle d’incidence Fixe Perpendiculaire à la surface du sol. A priori, peu d’influence. Vitesse de rotation du bloc Fixe Nulle. Probablement peu d’influence pour un sol grenu.
Dans le programme d’essais en vraie grandeur, trois épaisseurs de couche de sol protectrice ont été considérées, 1 m, 1.5 m et 2 m. Il a été considéré qu’au-delà de 2 m d’épaisseur, la protection de la structure (par exemple tête de tunnel ou galerie) contre la chute de blocs rocheux devenait non courante. Quatre diamètres équivalents de blocs impacteurs ont été considérées, 0.42 m, 0.73 m, 1.58 m et 1.79 m, correspondant à des masses comprises entre 117 et 7399 kg. Cinq hauteurs de chute libre ont été utilisées, 1, 5, 10, 20 et 33 m, soit des vitesses d’impact jusqu’à 25 m/s (90 km/h), valeur extrême observée lors de chutes de blocs rocheux.
Enfin, toutes les couches de sol protectrices ont été construites par sous-couches épaisses de 40 cm, chacune étant compactées par trois passes de plaque vibrante de type PQ1. Toutefois, pour investiguer l’influence de la densité sèche du sable, deux essais ont été réalisés en compactant chaque sous-couche par deux passes (sable plus lâche) ou six passes (sable plus dense).
Chaque essai sera identifié par quatre couples composés chacun d’une lettre et d’un chiffre, la lettre désignant un paramètre (D, B, H ou C, pour compactage) et le chiffre étant un indice repérant la valeur du paramètre. Le Tableau 3.2 donne le référencement de ces indices par rapport aux valeurs du paramètre. Par exemple, D2B3H1C2 est un essai sur une couche épaisse de 1.5 m, mise en œuvre par passes compactées chacune par 3 passes de plaque vibrante, avec un impacteur de diamètre équivalent 1.58 m largué d’une hauteur de 1 m au-dessus du sommet de la couche.
colonnes 2 à 5 contiennent la valeur de chacun des quatre paramètres, D, B, H et C, permettant avec le Tableau 3.2 de référencement des indices de connaître les conditions de l’essai.
Le dispositif d’essai, l’instrumentation et le calage du protocole d’essai sont présentés plus en détail dans les sections suivantes de ce chapitre.
Tableau 3.2 : Référencement des indices d’essais
Indice Epaisseur de couche D (m)
Diamètre impacteur B (m)
Hauteur de chute H (m)
Nombre de passes de plaque vibrante par couche, C (-)
1 1 0.42 1 2
2 1.5 0.73 5 3
3 2 1.58 10 6
4 1.79 20
5 33
Tableau 3.3 : Programme d’essais de la campagne principale
- Suite du tableau Essai no. D (m) B (m) H (m) C (nb de passes) Essai D (m) B (m) H (m) C (nb de passes) 1 1 0.42 5 3 23 1.5 1.58 1 2 2 1 0.42 10 3 24 1.5 1.58 5 2 3 1 0.42 10 3 25 1 1.58 1 2 4 1 0.42 20 3 26 1.5 1.58 10 2 5 1 0.42 1 3 27 1.5 1.58 20 2 6 1 0.42 20 3 28 1.5 1.79 1 2 7 1 0.73 1 3 29 1.5 1.79 5 2 8 1 0.73 5 3 30 1.5 1.79 20 2 9 1 0.73 10 3 31 1.5 1.79 10 2 10 1 0.73 20 3 32 1.5 1.79 10 1 11 1 0.73 1 3 33 1.5 1.79 10 3 12 1 0.73 5 3 34 2 1.79 20 2 13 1 0.73 10 3 35 2 1.79 10 2 14 1 0.73 20 3 36 2 0.42 1 2 15 1.5 0.42 1 3 37 2 0.42 5 2 16 1.5 0.42 5 3 38 2 0.42 10 2 17 1.5 0.42 10 3 39 2 0.42 20 2 18 1.5 0.42 20 3 40 2 0.73 1 2 19 1.5 0.73 1 3 41 2 0.73 5 2 20 1.5 0.73 5 3 42 2 1.79 33 2 21 1.5 0.73 20 3 43 2 1.58 10 2 22 1.5 0.73 10 3