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Wikigeotech:Grès Vosgiens

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Version du 17 janvier 2020 à 16:17 par Yasmina Boussafir (discuter | contributions)

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Le grès rose des Vosges est rattaché à une formation géologique précise, celle du Bundsandstein, une époque qui remonte au début du Secondaire. Cette roche, qui a servi à bâtir la cathédrale de Strasbourg est toujours exploitée, principalement comme pierre ornementale. Nous exposons ici l'expérience du terrassement dans les grès vosgiens, leurs caractéristiques et les matériaux extraits.

Sommaire

ORIGINE, FORMATION GÉOLOGIQUE ET ÉLABORATION

Origine et formation

Les grès des Vosges constituent les principaux faciès du Buntsandstein, dans l'étage du Trias. Selon la Synthèse géologique du Bassin de Paris[1], le Trias englobe les trois formations classiques du faciès germanique : le Buntsandstein, le Muschelkalk et le Keuper.

Stratigraphiquement, le Buntsandstein constitue la limite inférieur du Trias avec le Permien (Primaire) et constitue ainsi le début du Secondaire. Dans le Bassin de Paris, le passage Permien-Trias semble marqué par une interruption de sédimentation et l’absence de faune marine. Cette limite est particulièrement bien marquée dans le Nord de l’Allemagne. Ailleurs, la démarcation est difficile à faire.

Une des difficultés d’étude du Buntsandstein est le caractère diachrone des formations, et que la chronologie retenue dans le tableau ci-dessus est basée sur les usages en Lorraine. On peut ainsi distinguer plusieurs origines et datations aux grès des Vosges.

Le Buntsandstein débute dans les Vosges par les Grès d’Annweiler et les Grès de Senones. Au Buntsandstein moyen, la série est constituée de ce qui était auparavant considéré comme les Grès vosgiens, mais qui a été à partir de 1963, subdivisée en plusieurs formations distinctes : le Conglomérat inférieur, les Grès vosgiens sensu stricto, le Conglomérat principal, et la Zone-limite violette. Le Buntsandstein supérieur débute par les Couches intermédiaires et termine avec les Grès à Voltzia. Le Muschelkalk continue ensuite la série avec les Grès coquilliers. Bien que d’âge distinct, les Grès à Voltzia et les Grès coquilliers constitue l’ancienne formation des Grès bigarrés (voir tableau 1)

super groupe groupe formation “ étage ” (1879-1883)
MUSCHELKALK MUSCHELKALK INF. Grès coquillier Grès bigarré
BUNTSANDSTEIN BUNTSANDSTEIN SUP. Grès à Voltzia
Couches intermédiaires Grès vosgien
BUNTSANDSTEIN MOY. Zone-limite violette Grès vosgien
Conglomérat principal
Grès vosgien
Conglomérat inférieur
BUNTSANDSTEIN INF. Grès d’Annweiler ou Grès de Senones
PERMIEN Grès permien

Tableau 1 : nomenclature adoptée dans la synthèse BRGM n°101 de 1980


Processus d’élaboration, d'extraction du matériau

Les grès sont aujourd'hui essentiellement exploités pour de la roche ornementale, comprenant essentiellement du sciage pour la finition. Les terrassements nécessaires à la réalisation des grands axes routiers traversant les Vosges ont nécessité des moyens d'extraction variables.
Les méthodes le plus fréquentes à l'époque, ont fait appel à de l'extraction à l'explosif, avec des résultats plus ou moins heureux sur la blocométrie après extraction et sur la forme des talus.


CARACTÉRISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES

Deux types de grès peuvent être distingués : un grès dur et un grès tendre.
Dans les grès durs, le ciment analysé par rayon X est composé d’hématite, de goethite, de muscovite ou d’illite et de quartz. Ce quartz, bien que faiblement présent, est secondaire et nourrit les grains de sable pour former des ponts ou des voiles siliceux, assurant une liaison interparticulaire plus ou moins forte selon le degré de lithification.

Dans les grès tendres, le ciment est franchement ferrugineux (hématite et goethite) et argileux (kaolinite), ce qui donne des liaisons intergranulaires beaucoup plus faibles, se brisant facilement sous l’effet des agents météoriques pour évoluer vers un sable.

CARACTÉRISTIQUES GÉOTECHNIQUES

La formation principale des Grès Vosgiens est celle du Buntsandstein avec pour les plus petites formations, des développement de 80 mètres de puissance et pour les plus importantes, près de 350 mètres de matériaux sédimentés. Les séries sont relativement monotones et constitués de dépôts sableux plus ou moins indurés à stratification entrecroisée et litage oblique, à passées conglomératiques généralement en base de chenaux, et à quelques lits argileux. Un des traits caractéristique de cette formation est de changer rapidement de faciès et donc de propriété physique tant verticalement que horizontalement, soit en liaison avec des conditions de genèses différentes soit par le biais d’une altération différentielle.

Produits brut

Du point de vue de la caractérisation géotechnique, deux types de grès peuvent être distingués : un grès dur et un grès tendre se transformant facilement en sable. Cette différence semble être liée à la nature du ciment.
Du point de vue de la classification utilisée en terrassement (NF P11-300[2]) le matériau en place est classé R4, soit une roche siliceuse comprenant les grès, les poudingues et les brèches. En référence au GTR[3], la résistance plus ou moins grande de la cimentation des grains de sables et galets, confère à ces matériaux des comportements variables (risques de réarrangements après mise en œuvre lorsqu'ils ne sont pas suffisamment compactés, en particulier).
Si ces roches sont très fragmentables, leur évolution ultime s'arrête aux grains élémentaires cimentés. Certaines d'entre elles contiennent également une fraction argileuse suffisante pour leur conférer un comportement voisin des matériaux de la classe R34.
La sous-classification prend donc en compte la fragmentabilité (FR), la résistance aux chocs (LA ou essai Los Angelès) et la résistance à l'usure en présence d'eau (MDE ou essai Micro-Deval en présence d'Eau).

  • R43 : roche siliceuse fragmentable avec FR > 7 ;
  • R42 : roche siliceuse de dureté moyenne avec FR ≤ 7 - LA > 45 ou MDE > 45 ;
  • R43 : roche siliceuse dure avec LA ≤ 45 et MDE ≤ 45.

Pour évaluer correctement la classification du matériau après extraction, on peut se baser sur les reconnaissances géophysiques par sismique réfraction, les carottages et les essais sur matériaux intacts.

Géophysique

La sismique réfraction est la meilleure méthode pour évaluer la difficulté d'extraction et approcher au mieux la caractérisation du matériau avant extraction.
Cette méthode a cependant quelques limites car les vitesses peuvent être très variables en fonction de la profondeur dans ces formations : il n'est pas rare de trouver des grès tendres sous des grès durs.
Dans ces situations, la sismique réfraction ne permet pas de détecter les vitesses plus faibles qui pourraient exister sous des couches de forte vitesse sismique. Il convient donc d'être particulièrement vigilant lors de la campagne de reconnaissance dans le choix des essais à mettre en oeuvre. Pour remédier à ces situations, il convient de proposer quelques compléments de mesures par diagraphie dans des sondages verticaux ou des mesures sur carottes.

Les vitesses sismiques répertoriées lors des études menées au LRPC de Nancy ont permis de distinguer les formations suivantes :

  • dans les grès friables : V < 800 m/s ;
  • dans les grès moyennement durs ou très fortement fracturés facilement extractibles (déblais de 1ère catégorie) V = 800 à 1500 m/s ;
  • dans les grès compacts (2ème catégorie) V = 1200-1500 à 2500 m/s.

les diagraphies adaptées à la reconnaissance des formations gréseuses

  • Pour compléter les reconnaissances par sismique réfraction il est souvent utile de compléter l'approche avec des mesures de vitesse sonique réalisées verticalement dans des forages ou des sondages carottés.
  • La réalisation de diagraphie de type Gamma-Ray, permet quelque fois de distinguer les formations plus argileuses (souvent plus tendres) des formations moins argileuses. L'exploitation de la diagraphie suppose une bonne connaissance des formations géologiques
  • L'imagerie de paroi est une technique particulièrement adaptée pour distinguer les horizons à galets et les fractures.

Essais de laboratoire sur roche

Les essais de laboratoire peuvent être réalisés sur des échantillons obtenus par carottage. Il est quelque fois difficile d'obtenir des échantillons de bonne qualité dans les grès friables ou dans les grès contenant de forte proportions de galets.
Avant de réaliser des essais, la description du log de la carotte est un préalable indispensable. La description comprend :

  • la description pétrographique des matériaux,
  • l'évaluation du RQD;
  • la description des discontinuités (fractures, joints, nature du remplissage ...)

Les essais sont ensuite classiquement réalisés sur des prélèvements obtenus à partir des carottes par sciage. Les tronçons de carottes sont choisis pour obtenir des cylindres d'élancement 2 en général.

  • Résistance à la compression simple : La présence de minéraux argileux ainsi qu’une micro-fissuration importante peuvent faire chuter très rapidement les valeurs de résistance en compression simple après saturation de l’éprouvette.
    • Sur les grès indurés, les résistances à la compression simples mesurées vont de Rc = 11 à 80 MPa.
    • Pour les grès friables, les Rc chutent après saturation, de 10 MPa à 0 – 5 MPa.
    • Pour les grès durs, les Rc chutent après saturation, de 80 à 30 – 50 MPa.
  • Mesures de densités : Les valeurs de densités sèches ρd semblent en relation avec le degré de lithification de la roche
    • Pour les grès tendres : ρd varie de 1.80 à 2.05 t/m3 (moyenne = 1.90);
    • Pour les grès moyennement compacts : ρd varie de 1.83 à 2.40 t/m3 (moyenne = 2.10);
    • Pour les grès compacts : ρd est supérieur à 2.30 t/m3 .
  • Les valeurs de teneurs en eau : elles varient selon les formations
    • pour les grès tendres : elles sont comprises entre 8 et 17 % ;
    • pour les grès compacts : les teneurs en eau diminuent de 2.5 à 12 %.
  • Gélifraction : Le grès est complètement gélif dans les formations tendres, et non gélif dans les formations compactes.

Produit élaboré

Après extraction, le matériau peut évoluer vers des sables ou des graves sableuses, avec plus ou moins de fines et des blocs de taille variable.
Cela peut donc nécessiter selon les cas des compléments de réduction de taille pour les très gros blocs.

granulométrie

Les teneurs en fines (passant au tamis de 80µm) varient de 6 à 30 % pour les faciès sains, avec des valeurs faibles pour les grès durs et des valeurs plus fortes pour les grès tendres. Ces teneurs peuvent augmenter jusqu’à 70 % pour les faciès altérés de surface.
Les sols résultant de l’extraction sont classés en B1 - B5 – B6 – voire A2, allant à des C1 (ou des C2) en fonction de l’induration des grès (selon la norme NF P11-300[2]). Les passants à 2 mm sont souvent aux alentours de 93 %. Le diamètre maximum est rarement supérieur à 20 mm, bien que des galets de quartz peuvent se retrouver assez fréquemment dans les passées conglomératiques. Les équivalents de sable E.S. peuvent varier fortement de 10 à 20 % pour les faciès les plus propres et sont supérieurs à 35 % pour les faciès les plus argileux. Sur la fraction argileuse la limite de liquidité est de wl = 34 – 41 %, l’indice de plasticité IP = 17 – 23.

UTILISATION DANS LES INFRASTRUCTURES ROUTIERES

En remblai

pentes de talus de remblai

Les grès argileux seront utilisé en remblai avec des pentes de H1/V2 et de H2/V3 pour les grès propres (possibilité à H1/V1)

En déblai

Une des difficultés des déblais est de définir la pente la plus stable.

L’évolution naturelle de ce matériau conduit souvent à la formation de pentes naturelles et des corniches plus ou moins stables en fonction de l’érosion des bancs plus tendre. Dans les grès durs les talus subverticaux ne posent aucun problème. Dans les grès tendres au contraire, sous l’effet du gel, du ruissellement et de l’écaillage, la pente stable à l’état naturel est inférieure à 1/1 et se rapproche plutôt de 2/3 (2 de haut pour 3 de base). Certains cas exceptionnels (répertoriés en Allemagne) tendent vers des pentes à 1/3.

Dans le choix des pentes de déblais à fixer, il ne faut pas négliger l’altération différentielle du grès : des surplombs dangereux peuvent se former par simple ravinement et altération de couches meubles sous des couches plus dures. De même, la fracturation des bancs peut créer des dièdres instables. Une pente de 2/3, adaptée à tous les cas satisferait à la fois les exigences de stabilité et d’entretien. Dans les grès durs, des talus subverticaux avec piège à cailloux peuvent être préconisés.


En couche de forme

En assise de chaussée

Autres techniques ou réemploi

LOCALISATION SUR LE TERRITOIRE

Les affleurements du Buntsandstein sont essentiellement présents à l’Ouest et au Nord du massif vosgien. Plus au Sud, les dépôts disparaissent sous la couverture jurassique ou ne subsistent que sur de faibles surfaces.

EMPLOIS RÉPERTORIES

RÉFÉRENCES

  1. Mégnien C. et F. 1980. Synthèse Géologique du Bassin de Paris. Mémoires du BRGM n°101.
  2. 2,0 et 2,1 AFNOR. 1992. NF P11-300. Classification des sols et des roches pour un emploi en remblai et en couche de forme.
  3. LCPC-Sétra. 1992. Réalisation des remblais et des couches de formes. Guide technique. Fascicule I et II.
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