CONSTRUCTION D'UN MODÈLE DE SOL : EXEMPLE DE LA LIGNE 17 NORD DU GRAND PARIS EXPRESS

De l’idée initiale imaginée par le maître d’ouvrage jusqu’à la fin des études puis la consultation des entreprises, il existe de nombreuses étapes d’acquisition, d’interprétation, de validation qui mènent aux choix que chacun pourra voir. La géologie, l’hydrogéologie et la géotechnique ne dérogent pas à ce
principe, bien au contraire, puisque la conception géotechnique est guidée par l’enchaînement des missions géotechniques actées dans la norme NF P94-500.
Ainsi le modèle géologique, hydrogéologique et géotechnique évolue en intégrant les diffé-
rentes reconnaissances : G1, G2AVP, G2PRO. Discrétisé par secteur ou lot, le modèle régional initial se scinde en plusieurs modèles locaux qui s’affinent, de même que les contours géométriques des ouvrages et leur phasage d’exécution se précisent au fur à mesure de l’avancement du projet.

Au terme de deux années de travail collaboratif au sein du groupement pluridisciplinaire de maîtrise
d’oeuvre HUB17, il devient intéressant de partager le retour d’expérience, en ciblant notamment
la démarche qui a permis de construire les modèles de sols, et de caractériser les aléas géologiques.
C’est cette démarche qui sera présentée dans la suite de cet article.

CONTEXTE RÉGIONAL ET IDENTIFICATION DES ALÉAS GÉOLOGIQUES

La synthèse géologique régionale est basée sur la bibliographie – notamment La Pratique des sols et
fondations de la région parisienne de Georges Fillia, ainsi que sur les données d’entrée mises à disposition par le maître d’ouvrage – en particulier les investigations de la phase G1 – constituent le point de départ de l’étude.
L’analyse de cette base documentaire a permis d’appréhender le contexte géologique du tracé,
la description des formations géologiques et leur mode de dépôt, pour ensuite cibler les investigations
complémentaires, relatives à la phase G2AVP.
On notera en particulier qu’au droit du tracé, deux cycles de sédimentation ont marqué les formations
interceptées par les ouvrages : le Lutétien et le Bartonien. C’est au cours de ces deux cycles de
sédimentation que se sont formés les dépôts, allant du Calcaire Grossier aux marno-calcaires de
Saint-Ouen.

IDENTIFICATION DES ALÉAS GÉOLOGIQUES : VARIATIONS DE FACIÈS

Au cours des épisodes lutétien, auversien et marinésien, outre l’enchevêtrement des dépôts détritiques et fins lié à des cycles de transgression-régression marins, une sédimentation chimique et évaporitique de type laguno-lacustre a apporté des inclusions de gypse, sous différentes formes. Sous son allure simpliste « couche sur couche » dépourvue de toute complexité tectonique, la géologie du projet cache ainsi une forte hétérogénéité, source d’aléas. La caractérisation de ces aléas géologiques se superpose donc à celle des formations qui les enveloppent.

• Faciès indurés et évolutifs

La présence de faciès indurés intercalés dans les formations meubles de type sableux, argileux et marneux est potentiellement pourvoyeur de sujétions d’exécution lors des excavations, notamment
des réductions de cadences.
L’attention s’est portée principalement sur les formations gypsifères, évolutives par nature. Les sols évolutifs sont susceptibles de laisser place aléatoirement à des poches décomprimées, caractérisées par des dépôts argilo-marneux à fort indice des vides.

• Exemple des sables de Beauchamp

Les sables de Beauchamp sont représentés par des sables quartzeux assez fins, vert foncé, grisâtres, bleuâtres ou jaunâtres, renfermant des passages argileux et gréseux.
Un horizon argileux à tendance plastique est fréquemment rencontré en partie intermédiaire de la
formation. Ce « médian argileux » contient parfois du gypse sous différentes formes : finement cristallisé, en fer de lance ou fibreux.
Cependant, au fur et à mesure de l’avancement des investigations, il a été noté une discontinuité marquée du « médian argileux ». Ce constat a amené à resserrer, tant que faire se peut, le maillage des reconnaissances afin de déterminer, à l’échelle d’un ouvrage, la présence ou non de cet horizon
argileux.

Une telle variation latérale de faciès peut donc conduire à des incohérences entre le début et la fin de la conception : la présence bibliographique du « médian argileux », prise en compte comme hypothèse de travail en avantprojet, peut être contredite dans la phase suivante par les informations recueillies à l’issue des investigations, pour un ou plusieurs ouvrages donnés.

INTÉGRATION PHASÉE DES DONNÉES GÉOTECHNIQUES

En environnement urbain, compte tenu des difficultés d’accès aux parcelles privatives d’une part, et
de la présence de réseaux enterrés d’autre part, il n’est généralement pas aisé de respecter une interdistance régulière entre les forages successifs. La représentativité des observations est donc à modérer, notamment dans les zones dites « blanches » où aucun sondage n’a pu être réalisé.
Concernant la ligne 17 nord, le ratio moyen entre le nombre total de sondages réalisés et le linéaire
total du tracé conduit in fine à un sondage tous les 80 m environ. Des données tierces ont également
alimenté l’analyse au droit de parcelles inaccessibles pour des raisons de maintien d’exploitation.
L’intégration des résultats des investigations géotechniques est ensuite réalisée en cohérence avec l’enchaînement des missions géotechniques de la norme NF P 94500.

• Phase G1

Cette phase a été anticipée par l’équipe d’assistants à la maîtrise d’ouvrage avant la désignation du maître d’oeuvre. Elle a ainsi permis de produire les premières hypothèses régionales, à partir des
données bibliographiques et d’une première série de sondages in situ. Puis de lister les besoins en matière d’investigations géotechniques de phase G2AVP.

• Phase G2AVP

Durant cette phase, les données géotechniques ont été compilées pour affiner le modèle régional et
le décliner en plusieurs modèles locaux relatifs à chaque ouvrage isolé. Ces hypothèses ont permis
d’ajuster le dimensionnement des ouvrages et de sélectionner certaines techniques constructives
au détriment d’autres, devenues incompatibles eu égard au contexte géotechnique local.
Par ailleurs, l’interprétation détaillée des résultats des investigations de la phase G2AVP a permis de
mieux retraduire les variations latérales et verticales de faciès en distinguant les caractéristiques de la matrice prédominante du sol des singularités locales dont les contours sont souvent difficiles à cerner. Les aléas géologiques majeurs ont ensuite été intégrés dans le registre de management des risques techniques.

• Phase G2PRO

En phase G2PRO, le flux des données géotechniques issues des investigations s’est renforcé. Leur
compilation a permis d’ajuster les modèles de sol par ouvrage et par lot, et de souligner les différences
locales. Certaines optimisations dimensionnelles ont été effectuées. Les incertitudes géologiques
résiduelles ont à leur tour été traitées pour déduire une évaluation du surcoût qu’elles peuvent véhiculer.

APPROCHE MÉTHODOLOGIQUE

• Couplage géologie/géotechnique

L’usage veut que le géotechnicien base ses calculs justificatifs sur des hypothèses géotechniques qui correspondent à chaque formation géologique « homogénéisée », avec des conditions aux limites précisément définies (épaisseur, niveau de nappe…).
Ce travail est nécessairement précédé par la description détaillée, par le géologue, des formations
dans toutes leurs nuances et particularités : singularités anarchiques (poches décomprimées, intercalations lenticulaires…), variations latérale et verticale de faciès…

• Exemple des Marnes et Caillasses

À titre d’exemple, au droit d’un ouvrage donné, ce couplage permet d’écrire la formation des Marnes et Caillasses sous le double prisme géologie/géotechnique.

• À travers le prisme de la géologie

En partie sommitale, elles sont constituées essentiellement de marnes beigeâtres, avec quelques nuances argileuses et sableuses, et renfermant des graves calcaires. Le niveau d’induration du faciès marneux est variable : tendre à assez induré. Des intercalations de bancs calcaires et joints d’argiles brunes y sont présentes. Dans la partie basale, la part calcaire devient localement majoritaire.
Des caillasses calcaires y sont également présentes par endroits. Le faciès calcaire dur n’a pas été
observé de manière continue. On observe en réalité un calcaire gris, beige à blanchâtre, compact,
fracturé à très fracturé, avec des passages argilo-marneux décimétriques. Cette zone peut donc
n’être localement composée que de faciès marneux ou marno- calcaire avec un état apparent
assez déstructuré. On imagine donc bien un sol multicouche comportant des intercalations calcaires de nature rocheuse entre les masses marneuses. La photographie d’une carotte issue des Marnes et Caillasses illustre cette description.

• Prisme de la géotechnique

Il s’agit de retenir un jeu de paramètres de calculs qui puisse caractériser du mieux possible la formation précédemment décrite. Ces critères physiques et mécaniques sont consignés dans un tableau de synthèse tel que ci-dessus.

• Fuseau d’incertitude

Dans l’exemple cité, on notera que l’analyse statistique des essais pressiométriques conduit à une valeur moyenne de module EM de 350 MPa (écart-type de 250), et une pression limite moyenne Pl* de 7 MPa (écart-type de 0.5). Cette variabilité des valeurs est cohérente avec la complexité géologique de la formation examinée, laissant une forte marge de manoeuvre au géotechnicien dans le choix des valeurs caractéristiques. D’autres approches, complémentaires, sont donc nécessaires pour guider le choix du praticien. Elles sont abordées ci-après.

• Corrélations

Les corrélations sont une pratique courante en géotechnique. Elles servent à créer des passerelles entre différents types d’essais, in situ et/ou en laboratoire, selon diverses relations empiriques ou théoriques (Baguelin & Jezequel, Cassan…). In fine, la décision du géotechnicien porte sur la pertinence de la valeur retenue qui se doit d’être prudente.

• Extrapolation

La démarche d’extrapolation a servi notamment à améliorer la représentativité de certains résultats, et à pallier les insuffisances de données dans les zones déficitaires en sondages. Cette démarche a concerné en particulier les essais de cisaillement triaxial et les formations granulaires pour lesquelles le prélèvement d’échantillons non remaniés s’est avéré hasardeux.
À titre d’exemple, on citera la formation des sables verts. Absente sur un lot de sondages, elle apparaît sous forme d’une couche au moins métrique sur d’autres sondages. Même constat quant à sa nature géologique : purement sableuse à un endroit, la formation peut devenir argilo-sableuse ailleurs. Cette variabilité a posé des difficultés de prélèvement : le faciès à dominante sableuse étant naturellement plus difficile à mettre sous gaine de carottier que son équivalent argileux. Il en résulte que la caractérisation de cette formation a été aléatoire dans l’espace, ne laissant pas d’autre choix au géotechnicien que de compiler tous les résultats disponibles à l’échelle du tracé, puis d’adapter les paramètres retenus aux enjeux d’un ouvrage étudié (en l’occurrence un talus).

• Analyse statistique modulo retour d’expérience

L’analyse statistique est une étape incontournable dans un projet de grande envergure, compte tenu du volume de données disponible.

En prenant l’exemple des essais pressiométriques, cette démarche permet notamment d’effectuer les analyses suivantes :
• distribution des valeurs pour chaque paramètre visé sous forme d’histogrammes ;
• calcul de valeurs moyennes arithmétiques et de l’écart-type ;
• détermination du type de loi statistique le cas échéant (loi normale ou log-normale) ;
• calcul des valeurs basses, des valeurs moyennes basses, puis des valeurs caractéristiques selon la méthodologie la plus courante établie par Baguelin et Kovarik.
Dans le cas du projet de la ligne 17 nord, cette approche a permis d’établir des valeurs moyennes par formation pour chacun des lots du tracé. Autant on peut admettre d’appliquer ces valeurs moyennes aux ouvrages linéaires (tunnel, galerie), autant il paraît nécessaire de les adapter aux ouvrages isolés (gare, puits). Pour ce dernier cas, la démarche suivante a été adoptée :
• synthèse des résultats de sondages et essais au droit ou au voisinage de l’ouvrage considéré ;
• calcul des moyennes et écarts-types pour les paramètres pressiométriques EM et Pl* ;
• prise en compte du contexte environnant de l’ouvrage (cadre bâti, réseaux enterrés…) ;
• prise en compte du contexte hydrogéologique de la zone (battement de nappe, écoulements, perméabilités…) ;

• prise en compte des aléas géologiques du secteur (poches décomprimées, présence de sols évolutifs…) ;
• confrontation des valeurs sélectionnées aux valeurs retenues à l’échelle du lot ;
• concertation entre praticiens (géotechnicien/ingénieur structure, géotechnicien/géologue, géotechnicien/hydrogéologue, géotechnicien/ingénieur en charge du registre de management des risques techniques résiduels…).
C’est au terme de cet enchaînement que la prise de décision a lieu pour acter les valeurs caractéristiques, au sens de l’Eurocode 7 notamment, lesquelles valeurs sont parfois révisées le lendemain, pour respecter l’adage selon lequel « La nuit porte conseil » !

CONSTRUCTION DES MODÈLES DE SOLS

À l’échelle du tracé, le volume de données acquises sert notamment à :
• élaborer un modèle géotechnique global (caractéristiques physiques et mécaniques « homogénéisées » par formation) ;
• dresser un profil en long géologique interprétatif (limites stratigraphiques, découpage en faciès) ;

• conduire une analyse des principaux aléas géologiques (zonage, caractérisation mécanique).
Cette approche est représentative de la phase d’avant-projet où les choix constructifs sont encore larges, et leur justification géotechnique relève du prédimensionnement.
À cette étape, le volume de données doit néanmoins permettre de lister les aléas géologiques majeurs, puis de quantifier leur niveau relatif. Ces aléas alimentent le registre de management des risques techniques du projet dans sa spécificité. Ainsi, une évaluation de l’impact de ces aléas peut être conduite en termes de coût et de délai.

• Modèle local

À l’échelle de l’ouvrage isolé, puits de ventilation ou gare de voyageurs, selon l’emprise au sol et la profondeur du plancher bas, les investigations géotechniques, combinant les essais et prélèvements in situ aux analyses en laboratoire, permettent de :
• fixer des hypothèses géomécaniques par formation au droit de la parcelle considérée ;
• souligner les éventuelles singularités locales ayant conduit à dégrader ou à améliorer un ou plusieurs paramètres ;
• dimensionner les ouvrages en interface avec le sol encaissant ;
• dicter des dispositions constructives particulières eu égard aux suspicions d’aléas géologiques.
Cette approche est plutôt représentative de la phase projet où les choix constructifs sont ciblés selon un critère de viabilité technico-économique en réponse notamment aux exigences de performance liées à l’ouvrage. À ce stade, les aléas géologiques sont retraduits en risques résiduels selon les enjeux liés à chaque type d’ouvrage ; l’évaluation de leur impact en termes de coût et de délai est affinée. Ainsi, les incertitudes géotechniques résiduelles qui en découlent peuvent être intégrées dans les pièces de consultation des entreprises.

• Impact du décalage temporel

Outre le facteur d’échelle évoqué plus haut, il convient de souligner également le décalage temporel qui caractérise la chaîne d’acquisition et de diffusion des informations géotechniques qui sous-tendent les pièces écrites et graphiques.
Dans le contexte du projet considéré, la séquence des tâches liées à une campagne d’investigations géotechniques est la suivante :
• définition de la campagne d’investigation par phase (G2AVP, par exemple) ;
• diffusion du programme au maître d’ouvrage et à ses assistants désignés (AMO géotechnique en particulier) pour validation ;

• lancement de la campagne par ordre de service SGP à son prestataire de sondages ;
• démarchage pour obtention des autorisations d’accès aux parcelles par le MOA ;
• pilotage et supervision de la campagne par l’AMO géotechnique ;
• réception et contrôle des résultats par l’AMO géotechnique via la plateforme SONGE dédiée à la gestion électronique des données (GED) ;
• diffusion progressive des résultats validés sans observation (VSO) au géotechnicien du maître d’oeuvre, via la plateforme d’échange dédiée LASCOM.
Ainsi, depuis l’expression du besoin jusqu’à la réception des premières séries de résultats, un délai incompressible de 3 mois est constaté ; on comprendra aisément que pour certains sondages, ce délai puisse être largement dépassé, en raison notamment des difficultés d’accès aux parcelles visées.
À réception des résultats de sondages, une nouvelle séquence de tâches démarre chez le maître d’oeuvre :
• saisie des résultats des sondages et essais dans une base de données ;
• intégration des sondages carottés dans le profil en long géologique interprétatif ;
• analyse statistique des paramètres géotechniques ;
• analyse des aléas géologiques ;
• définition des jeux de paramètres géotechniques valant hypothèses de dimensionnement ;
• calculs de justification géotechnique des ouvrages ;
• rédaction des pièces écrites, en particulier le mémoire de synthèse géologique, hydrogéologique et géotechnique pour la phase considérée.
On constate donc que la chaîne d’acquisition et de diffusion des résultats des investigations géotechniques ne peut être totalement synchronisée avec le planning d’étude du maître d’oeuvre dont la durée moyenne par phase n’est que de 6 mois. Aussi, des adaptations sont nécessaires :

• en phase d’avant-projet, les hypothèses de travail issues du modèle régional ou global servent à produire des prédimensionnements et à évaluer le coût prévisionnel des ouvrages. Parallèlement, le mémoire de synthèse géologique, hydrogéologique et géotechnique est rédigé sur la base de la totalité des données disponibles à « M-2 » (2 mois avant la fin de la phase concernée) ;
• en phase projet, les hypothèses de dimensionnement sont issues du ou des modèles de sol produits en phase d’avant-projet, à partir desquels les choix constructifs se figent. Parallèlement, le mémoire
précité est réalisé selon le principe précité.
Dans un tel contexte, la seule approche analytique ne suffit pas à choisir les valeurs caractéristiques qui constituent les hypothèses géotechniques relatives à chaque ouvrage. Le retour d’expérience du géotechnicien, basé sur sa pratique de la géologie du Bassin parisien entre en ligne de compte, pour décider, malgré des incertitudes résiduelles, des valeurs caractéristiques qui seront consignées dans les pièces écrites.

BILAN

Cet article visait à apporter un éclairage sur la démarche qui est suivie pour bâtir les hypothèses géotechniques à partir des résultats bruts des investigations réalisées.
Le focus est placé sur l’importance d’une description géologique exhaustive pour chaque formation, afin d’en déduire les principales caractéristiques, puis de déceler les particularités majeures susceptibles d’être retraduites en aléas géologiques.
Ensuite, l’approche méthodologique qui conduit le géotechnicien aux choix ou aux décisions des hypothèses de calcul est soulignée : de l’interprétation des résultats des sondages aux valeurs statistiques caractérisant chaque formation ou faciès, la démarche laisse une place notable à la valorisation du retour d’expérience du praticien.
Pour compléter l’approche décrite, il convient d’ajouter que la pratique du management des risques partagés est nécessaire dans un environnement contractuel où les intérêts des acteurs économiques sont divergents. La pratique de la géotechnique couplée à une approche de management des risques permet ainsi de retracer les choix et les décisions de chaque partie, en quantifiant chaque risque, qui sera ensuite relativisé par analyse comparative des enjeux relatifs à chaque ouvrage.

Thomas Rousseau, ingénieur
géologue-géotechnicien,
Ginger CEBTP, conception et
projets géotechniques