C. ARCHIMBAUD C h e f d e la S e c t i o n " C a r r i è r e s "

L a b o r a t o i r e R é g i o n a l d ' A u t u n

étude de la f racturation et de la pollution d'un massif calcaire

P R E S E N T A T I O N A. DUCLOUX

D i r e c t e u r d u L a b o r a t o i r e R é g i o n a l d ' A u t u n

L'autoroute A . 6, Paris-Lyon, dans sa section « Déviation Mâcon », traverse en tranchée d'une vingtaine de mètres la butte rocheuse de La Grisière (fig. 1 ) . L'idée directrice du projet était d'utiliser ce déblai rocheux pour approvisionner en matériau de chaussée une partie de l'au­toroute en Saône-et-Loire, ce gisement étant relayé au nord par une butte non moins impor­tante : le Bois Mouron, situé près de Tournus.

L a présente étude tend à résumer toutes les tentatives faites à L a Grisière pour estimer le degré de pollution et de fracturation des bancs calcaires, qui reste l 'un des problèmes cru­ciaux posés lors de l'ouverture d'une carrière dans les calcaires du Bajocien de notre région.

B u l l . L i a i s o n L a b o . R o u t i e r s P. e t C h . no 3 5 - Dec . 1 9 6 8 - R é f . 5 6 9

Vue aérienne du plateau de la Grisière avec position de la tranchée.

GENERALITES SUR LA STRUCTURE GEOLOGIQUE DE LA GRISIERE

Dans le contexte géologique régional, La Grisière fait partie d'un vaste entablement calcaire faille d'âge jurassique, découpé en compartiments descen­dant en marches d'escalier vers la Saône, avec des pendages de 10° à 30°. La structure du massif se trouve perturbée par un grand nombre d'accidents tectoniques locaux (failles et changements de pen-dage).

Stratigraphie

Le schéma stratigraphique général est le suivant de haut en bas, p désignant l'épaisseur de l'étage (fig- 2).

Rauracien (J3) : Calcaire sublithographique — p : non précisée.

Bajocien moyen : couche A : calcaire marneux — p > 15 m couche B : calcaire à polypiers — p = 32 m

Bajocien inférieur : couche C : calcaire à entroques « supérieur »

— p = 10 m couche D : calcaire marneux — p = 12 m

Aalénien supérieur : couche E : calcaire à entroques « inférieur »

- p = ?

Tectonique

L'étude géologique a porté plus particulièrement sur la bande de terrains situés en limite d'emprise. On a pu ainsi mettre en évidence trois accidents tecto­niques :

— Deux failles F± et F 2, en direction de N-S, d'im-

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portance inégale. La faille F.,, dont le rejet est diffi­cilement appréciable, met en contact des terrains appartenant à des étages géologiques très éloignés (Rauracien avec Aalénien supérieur). La faille F t

n'entraîne qu'un redoublement en affleurement des couches C et D par suite d'un rejet de 9 m.

Fig. 2 —• Coupe Est-Ouest du massif de la Grisière, mon­trant la stratigraphie et la tectonique.

— Un changement de pendage P, d'orientation N-S, affectant les terrains situés sur le flanc Est de La Grisière. Le pendage des bancs calcaires passe brusquement à ce niveau de 20° à 35° environ.

BILAN DES ETUDES EFFECTUEES

Les études effectuées par le Laboratoire Régional d'Autun sont les suivantes, dans l'ordre chronolo­gique.

Etude géologique préliminaire

Le premier lever de carte géologique du massif fut effectué à l'échelle du 1/5 000. Dans le cadre de l'étude de la tranchée proprement dite, les rensei­gnements recueillis furent reportés sur un document au 1/2 000.

Campagne préliminaire par sondages carottés

Pour compléter les premiers renseignements géolo­giques et préciser les qualités géotechniques des divers calcaires rencontrés, une dizaine de sondages carottés furent exécutés en gros d i a m è t r e (0 131 mm). Les conclusions de la campagne de sondages et d'essais sont les suivantes :

• Seule la couche B présente des qualités géotech­niques suffisantes en tant que matériau de chaussée.

• Les accidents tectoniques sont plus nombreux que prévus lors de l'étude géologique préliminaire. La faille F 2 et le changement du pendage P, sont en particulier mis en évidence.

• Les calcaires semblent particulièrement fracturés et pollués sans que l'on puisse toutefois en estimer l' importance quantitativement.

Etude géophysique par résistivité

Cette étude fut entreprise dans le but, d'une part de vérifier l'existence d'une poche de dissolution située à la sortie Sud de la tranchée et d'apprécier, d'autre part, l'intérêt de l'utilisation de la résistivité quant à l'estimation de la pollution et de la f a c t u ­ration des calcaires.

Les résultats furent très décevants et confirmèrent les difficultés d'interprétation déjà rencontrées lors des études précédemment faites sur le Bajocien du Mont Télégraphe en Côte-d'Or.

Etudes complémentaires

Un certain nombre de sondages furent effectués dans le but de préciser certains détails tectoniques et de prélever plus d'échantil lons pour les essais géotechniques.

Ils furent complétés par quelques décapages super­ficiels au bulldozer, uniquement dans les limites de la tranchée, afin de niveler avec précision les limites d'affleurement des divers bancs.

Dans le même temps s'effectuait un essai d'abattage de la couche B dans un ancien front de carrière (fig- 3)-

Les tirs réalisés ont confirmé : — la fracturation des bancs calcaires, — la pollution par poches et fissures argileuses obliques, — que les sondages carottés ne donnent pas une représentation très valable de la pollution et de la fracturation, les renseignements qu'ils procurent étant très ponctuels ou déformés par la circulation de l'eau de forage.

A la suite de l'abattage, des essais de concassage furent effectués sur les matériaux extraits, et les résultats obtenus furent moins défavorables que prévus à la suite des abattages. Grâce à un pré­criblage, il semble possible d'util iser la couche B en tant que matériau de chaussée.

Toutefois, il ne fallait pas rejeter la possibil ité qu'il pouvait exister dans la tranchée ou hors de l'em­prise des zones de calcaire nettement moins frac­turé.

ETUDE DE LA FRACTURATION ET DE LA POLLU­TION DE LA COUCHE B PAR LA METHODE DE SISMIQUE REFRACTION

Il fut donc envisagé d'étudier la fracturation de la cûuche B à l'aide de sondages sismiques, bien qu'au départ nous ayons émis des réserves sur la qualité des mesures et l ' interprétation des résultats.

Méthode

Les premiers essais furent toutefois suffisamment prometteurs pour que l'étude soit poursuivie suivant

75

Fig. 3 — La Grisière. Tranchée d'essais. Abattage.

Fronts latéraux

Fracturation en petits blocs Fissures argileuses

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des profils en travers séparés de 30 mètres, avec des sondages sismiques tous les 25 mètres.

Résultats obtenus

Après interprétation des mesures, il a été tiré les conclusions et formulé les hypothèses suivantes : — le rocher de surface est très fracturé et présente des célérités comprises entre 300 m/s et 1 500 m/s, — le calcaire situé en profondeur présente des célérités comprises entre 1 800 m/s et 3 500 m/s.

Nous avons alors pris les options suivantes :

Célérités 1 800 m/s à 2 800 m/s : calcaire fracturé et fissuré analogue à celui de la carrière où s'est effectué l'abattage (des essais d'étalonnage avalent donné des célérités comprises ' entre ces deux valeurs).

Célérités > 2 800 m/s : calcaire compact en blocs de volume Important, séparés par des zones plus fracturées.

En partant de ces bases, sur la carte géologique (fig. 4) il fut délimité deux zones présentant des calcaires de célérité > 2 800 m/s à une certaine profondeur.

Pour vérif ier ces résultats, il a été proposé le perce­ment de trois puits de reconnaissance, situés res­pectivement :

— dans la tranchée : Puits C : célérités des calcaires : # 2 000 m/s. Puits B : célérités des calcaires : > 2 800 m/s.

•— hors de l'emprise : Puits A : célérités > 2 800 m/s.

Remarques sur les mesures sismiques

Il a fallu constater, comme lors d'études dans des terrains analogues, que la réception des ondes et l ' interprétation ont été toujours délicates. En partant d'exemples basés sur des dromochronlques types (fig-5) nous pouvons faire les remarques suivantes :

Dromochroniques G 1 bis et I 7

Les mesures montrent que le calcaire est très fis­suré : l 'éparpillement des arrivées d'onde (aussi bien dans les premières que dans les secondes) provient du fait que, lors de son parcours, l'onde traverse des zones de calcaire de compacité très différente. Le trajet suivi se traduit alors par une

Fig 4 — Carte sur laquelle figurent la position des puits et, en hachuré, les zones de calcaire compact d'après les mesures sismiques.

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série de paliers et le calcul ne permet de donner que la célérité moyenne des terrains traversés. La célérité vraie de chaque bloc correspond à celle donnée par chaque palier et le rapport des deux vitesses peut donner une idée de la fracturation. Il n'est donc plus possible de définir dans ce cas des vitesses exactes, donc de calculer avec précision la cote de changement de compacité des bancs.

Dromochroniques J7

Ces mesures ont été effectuées dans une zone plus

homogène présentant des bancs de calcaire ayant une compacité nettement plus différenciée, ce qui permet de définir trois sortes de terrains.

Dromochroniques l l t >

L'examen de ce cas montre que, souvent, l'emploi du marteau était nettement insuffisant. Au bout de quelques mesures on ne capte plus que les secondes arrivées, les premières étant amorties. L'emploi de l'explosif permet alors d'obtenir ces premières arrivées.

5 0 E m p l a c e m e n t G l b i s

C ] = 6 5 0 m / j C 2 = I B O O m / s

« ' 2 = 1,00 r

2 4 6 8 1 0 12 l i 16 1 8 2 0 3 0 4 0 5 0

D i s l a n c e s e n m è t r e s

50 E m p l a c e m e n t 1 7

? 30 ai E

, t/

E 2 0

10

L ] = 1 u a u m / 5

y

<

^ ^ 1 S . r i * d e p a l i e r s r i * d e p a l i e r s

v a l e u r m o y e n n e : 1 6 5 0

- —

»-•

3 0 4 0 5 0

D i s t a n c e s en m e t r e s

70

*»

§ «0 U i> <A 4 ' 50

E m p l a c e m e n t I 10 E m p l a c e m e n t J 7

C t = 3 0 0 m / s C 2 = 4 0 0 0 m / s

e 1 2 = 1,00 m.

4 0

' 3 0

20

10

2 4 6 8 m 12 14 16 16 3 0 4 0 5 0 D i s t a n c e s e n m e t r e s

£ 5 0

; 4 0

3 0

2 0

10

2 4 6 8 1 0 12 14 16 18 2 0

C i = 2 6 0 m / s C 2 = 1 3 5 0 m / s

e I j = 1,00 m f ! j : 5,SO m

C 3 = 3 5 0 0 m / s

t ! -4 —

t- d t

1 •* y * f i -~~

• 1 <* t

fi 1 1 r

30 4 0 5 0 D i s l a n c e s e n m è t r e s

Fig. 5 •— Tableau des dromochroniques types.

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J.

PERCEMENT DE PUITS DE RECONNAISSANCE DANS LA COUCHE B

Dans la couche B, des puits furent forés dans le but de vérifier et de compléter les résultats obtenus par méthode sismique, quant au degré de fractura-tion ou de pollution des bancs calcaires. Les travaux ont été confiés à une entreprise locale pour le per­cement de trois puits de section carrée de 1,50 m de côté. Les puits B et C (dans les limites de l'em­prise) étaient prévus à 15 m et le puits A (hors emprise) à 20 m ; les profondeurs prévues corres­pondaient à un changement de couche.

Matériel utilisé

Pour le forage des trous de mine : — marteau perforateur, — aspirateur dépoussiéreur, — compresseur.

Pour l'évacuation des déblais : — grue avec flèche de 4 m et charge de 150 kg, •—• cuffas de 50 et 75 I, — camion 5 t, — citerne 600 I.

Principe et technique de forage

— Forage de 21 trous de mine en 32 ou 34 mm. — Forage de 1,10 m de long, sauf au départ (2,50 m). — Cartouche de 100 g, de diamètre 25 mm et lon­gueur 14 cm.

Bouchon pyramidal

Forage du trou d'axe MR1 : longueur 80 cm - charge 100, puis 200 g.

Forage de 4 trous inclinés : longueur 1,10 m - charge 350 à 400 g.

Pourtour du puits_

Forage de 16 trous : longueur 1,10 m - charge 350 à 400 g, dont : •— 4 R1 verticaux, — 8 R2 + 4 R3 inclinés vers la paroi pour éviter un rétrécissement du puits.

Ordre de tir

(fig- à)

Destruction du bouchon pyramidal :

4 Ro (retard n° 0 instantané) pour faire sauter le bouchon.

1 M R 1 (microretard n° 21 : 25 m/s pour détruire le bouchon).

Destruction du pourtour du puits :

4 R Ï (retard no 1 : 0,5 s). 8 R 2 (retard n° 2 : 1 s). 4 R s (retard n° 3 : 1,5 s).

Le pourtour du puits saute progressivement.

Matériel de tir L'explosif utilisé fut la gomme BAM présentant une excellente vitesse de détonation et un dégagement de gaz nocifs peu abondants.

L'amorçage électrique s'opéra par la première car­touche au fond du trou.

Le cordon détonant utilisé dans les 12 trous de

Plan de tir utilisé

X O — 2 o—- o—

CCÔ R j

O

R, Rn R|

b <f—Ç

^ - . ^ f U R Q

010 R2

R 2 Ô - O

*1 R 2 < X O

0 m. 80

R 3 _ ^ J«2 " 3

b 1 m . 5 0

Coupe du bouchon pyramidal

Fig. 6

Charge des trous dans le puits A

Charge des trous dans les puits B et C

^ / Cordon d é t o n n a n t /A f i x é à i a c a r t o u c h e / / t d ' a m o r ç a g e . -

1/2 c a r t o u c h e 1 5 0 g )

3 c a r t o u c h e s 1 / 2 ( 3 5 0 g )

Fig. 7

79

pourtour des puits B et C, ne le fut pas pour le puits A, la roche étant au départ trop fissurée (effet canon) et les bancs trop durs en profondeur (la demi-cartouche n'explosait pas), d'où des résultats de tir peu satisfaisants (peu de dégagement de matériaux et pourtour irrégulier) (fig. 7).

Les tirs successifs ont donné :

J'uits C : 15,50 m 18 volées 126,100 kg 8,135 kg/m (nombreux tirs ratés)

Puits B : 15,40 m 14 volées 89,800 kg 5,831 kg/m

(4 volées faibles par suite de poches d'argile)

Puits A : (résultats portant sur 12 m)

10 volées 99,500 kg 8,432 kg/m volées de 12 kg à partir de 11 m (bancs durs)

Déroulement et durée des opérations lors d'un tir

Durée totale : 10 h environ.

Perforation

Emploi de deux hommes pour forer des trous de mine de 1,10 m et utiliser le dépoussiéreur.

Durée : 3 h 30 en roche saine et 5 h autrement.

Mise en place des charges

Emploi d'un contremaître.

Durée : 45 mn.

Travaux après explosion

Ventilation

0 à 10 m : ventilation naturelle : 30 mn 10 m : air comprimé + aspersion d'eau pour

rabattre les fines + dépoussiéreur.

Purge des parois pour éviter l'éboulement.

Durée : 60 à 90 mn.

Evacuation des déblais dans les euffas.

Durée : 5 h.

Boisage des 3 premiers mètres (section carrée de

2,20 m de côté), pose d'échelles, pose de demi-plates-formes, clôture du périmètre. Durée : quelques jours.

Rendement et coût de l'opération

Compte tenu d'un travail de 10 h pour six hommes (deux hommes à la perforation et quatre hommes à l'évacuation des déblais) et en ne tablant que sur la seule durée des forages, on arrive à peine à un rendement de 1 m par jour.

Durée des opérations

Puits C (15,50 m) : 38 jours de travail - 18 volées (quelques tirs ratés).

Puits B (15,40 m) : 46 jours de travail - 14 volées

Puits A (20 m) : 30 jours de travail - 12 volées (résultats sur 12 m).

Coût des opérations

Puits C (15,50 m)

Puits B (15,40 m)

Puits A (20 m) (estimation)

Forage : 950 F/m Boisage : 260 F/m Echelles : 65 F/m

14 725 F (2,80 m) 728 F (17 m) 1 105 F

14 630 F (3,10 m) 806 F (16 m) 1 040 F

19 000 F (2,70 m) 702 F (25 m) 1 625 F

TOTAL : 16 558 F 16 476 F 29 327 F (prévisionnel)

Ramené au mètre : 1 068,26 F/m 1 069,87 F/m 1 066,35 F/m

Coût total 54 361 F

Moyenne 1 068 F/m

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RESULTATS OBTENUS - CONCLUSIONS Appréciation de la fracturation et de la pollution

Résultats au niveau des trois puits

Les résultats obtenus peuvent se résumer ainsi au niveau de chaque puits :

PUITS C

Situé dans l'emprise de l'autoroute, ce puits corres­pondait à une zone où les calcaires présentaient des célérités voisines de celles obtenues généralement sur la couche B soit 2 000 m/s. Les calcaires sont, à ce niveau, identiques à ceux de la carrière expéri­mentale, comme le laissent penser les déblais pol­lués retirés et les parois d'aspect très fracturé du puits.

PUITS B

De même que le puits C, le puits B était situé dans l'emprise de l'autoroute, mais dans une zone où les bancs étaient estimés plus compacts à une certaine profondeur. Les mesures sismlques avaient donné 7 à 8 m de matériau fracturé ; en réalité les bancs deviennent plus compacts (aspect de la paroi) et moins pollués vers 10 rn (remplacement des fines argileuses brunes par des fines blanchâtres de cal­caire).

PUITS A

Situé en dehors des emprises, ce puits a été réalisé dans le but de préciser une zone favorable pouvant éventuellement devenir une carrière supplémentaire pour matériau de chaussée. Les mesures sismiques donnaient le rocher compact vers 3 à 4 m. En réalité, les bancs compacts apparaissent dès la surface (1 m) et les déblais ne présentent pas de pollutions par des fines argileuses. La compacité des bancs augmente sensiblement vers 11 m où il a été néces­saire d'augmenter la charge générale de 8 kg à 12 kg.

Apport à la connaissance de la couche B par les trois puits

Cadrage des valeurs sismiques

L'utilisation des puits pour vérif ier la correspon­dance entre les valeurs sismiques et la compacité des bancs peut être considérée comme satisfaisante si l'on s'en tient uniquement à la définition de zones fracturées et de zones plus saines. Par contre, l'ap­préciation par sismique de la puissance des niveaux peu compacts est peu précise. Cette imprécision des mesures doit être recherchée dans les difficul­tés de réception des ondes et de leur interprétation, le tout étant à relier à la structure même du massif (blocs compacts entourés de zones plus fracturées).

L'examen des parois des puits a permis de se ren­dre compte de l'état des bancs calcaires. Au puits C, l'ensemble traversé est très fracturé : petits blocs encastrés les uns dans les autres. Au puits B, on voit apparaître en profondeur des parois plus nettes montrant des bancs compacts. Cet aspect se retrouve dans le puits A à partir de 1 à 2 m.

Toutefois, il est à regretter que l'examen de la pollu­tion ait été gêné par le dépôt de fines calcaires le long des parois. Afin d'assurer la ventilation du puits après explosion, il fut nécessaire de l'asperger d'eau pour rabattre les fines. Les parois se sont alors recouvertes d'une couche poussiéreuse très collante, camouflant les fissures d'argile présentes le long des parois. Le seul moyen de repérer les traces d'argile était de gratter les parois. Il a donc été difficile d'estimer le degré de pollution le long des parois, en particulier dans les bancs fracturés.

L'examen des déblais des puits a permis, par contre, de pallier en partie cet inconvénient. Dans le puits C, les matériaux extraits étaient fortement pol­lués par de l'argile brune ; dans le puits B, la pollu­tion argileuse diminuait très fortement vers 10 à 11 m et était pratiquement inexistante au-delà de 2 m dans le puits A.

Comparaison des résultats obtenus par sondages carottés, puits, tranchée d'essai

Sondages carottés - Puits

Le prix moyen au mètre linéaire de puits est, à la Grisière, de 1 068 F, ce qui représente 7 à 8 m de sondages carottés en gros diamètre. Ceci amène donc à situer la place de ces deux moyens d'inves­tigation dans une méthode d'étude :

• La recherche d'une structure géologique est du domaine du sondage carotté. A la Grisière, il a été effectué 38 sondages, soit 670 m. Si l'étude était à reprendre, il nous semble qu'il faudrait après quelques sondages de reconnaissance, développer les petites tranchées au bull qui permettent, en raclant le recouvrement argileux, de mettre à nu les limites d'affleurements. Il est de ce fait possible de diminuer très fortement le nombre de sondages carottés.

Il faut signaler que des essais effectués récemment dans des massifs calcaires à l'aide de méthodes diagraphiques (enregistrement des rayons gamma naturels) rendent possible une telle limitation des sondages carottés pour la recherche des structures géologiques (failles, pendage, etc.). L'association de sondages rapides (wagon drill par exemple) peu coûteux, avec des diagraphies elles-mêmes peu coû­teuses, permettent d'établir des corrélations strati-graphiques très précises.

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• L'estimation de la fracturation et de la pollution ne peut se faire d'une manière satisfaisante à l'aide des sondages carottés. L'emploi de puits permet à la fois d'étalonner les résultats sismiques et de mieux estimer la fracturation et le degré de pollu­tion des bancs calcaires. Le point délicat reste toutefois l'élimination des fines qui viennent se déposer le long des parois.

Puits - Tranchée d'essais

A partir du moment où l'on considère les puits com­me un élément de reconnaissance à un stade avan­cé des études, il y a lieu de se demander si une tranchée d'essai ne permet pas d'obtenir des résul­tats plus intéressants. Prenons, à titre d'exemple, les tranchées effectuées au Bois Mouron sur la sec­tion Chalon-Tournus qui, malgré un coût quatre fois supérieur à celui des puits, ont permis par contre :

— d'avoir un front d'exploitation conséquent, met­tant en relief l'aspect des bancs, leur fracturation et leur pollution, — de faire des essais de rippabilité sur le maté­riau, — d'obtenir du matériau en quantité suffisante pour effectuer des essais de concassage et de précri­blage, — dans la recherche du talutage en rocher, d'effec­tuer des essais de prédécoupage permettant de tailler des parois ayant une esthétique et une tenue satisfaisantes.

Compte tenu de l'utilisation des matériaux extraits tant à la Grisière qu'au Bois Mouron (couche de fondation et de base), il semble qu'il soit plus « payant » d'effectuer des tranchées d'essais per­mettant une série d'études annexes qui ne peuvent s'envisager avec des puits.

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