© CFMS-CFGI-CFMR-CFG, 2022

1 Introduction

Les travaux récents dans l’agglomération rennaise, notamment les excavations pour la ligne 2 du métro ont permis d’acquérir des connaissances sur les caractéristiques des formations rencontrées dans cette région.

Les schistes briovériens sont les principaux terrains rencontrés dans le bassin rennais. Ils sont fracturés et présentent des degrés d’altération variables. Les matériaux qui les composent ont de faibles résistances et un comportement intermédiaire entre un sol et une roche qui les classe en SIRT (Sols indurés et roches tendres). Ils ont également des caractéristiques variables, du fait de leur histoire géologique et tectonique. Les propriétés des terrains impactent le comportement des ouvrages. Ce papier se propose essentiellement de faire la synthèse des essais de laboratoire réalisés sur les matériaux du sous-sol rennais, le comportement à l’échelle de l’ouvrage est plus spécifiquement abordé dans Le Cor et al. (2014b).

La première partie résume l’histoire géologique de la région rennaise, puis quelques indications sont données sur la minéralogie avant d’aborder les propriétés mécaniques des terrains (matrice, discontinuités). En dernière partie, l’impact à l’échelle du massif rocheux est abordé.

2 Géologie de l’agglomération rennaise

Les terrains du bassin rennais (Fig. 1) se sont principalement déposés à la findel’orogénèse cadomienne, pendant la période appelée Briovérien. Ils ont ensuite été affectés (plissement et faible métamorphisme) par l’orogénèse hercynienne, puis altérés. Ci-dessous, nous détaillons leur histoire et précisons les autres formations également rencontrées à l’affleurement (cf. Fig. 2) : formations superficielles et intrusions magmatiques.

Fig. 1 Carte géologique Massif armoricain (1996, modifiéd’après Debelmas, 1974). Geological map of the Armorican Massif (1996, modified after Debelmas, 1974).

Fig. 2 Carte géologique de l’agglomération rennaise (extrait de la carte imprimée au 1/50 000, disponible sur https://infoterre.brgm.fr/) échelle donnée par la barre 1 km. Les intrusions magmatiques sont cerclées de jaune, tandis que les cercles rouges indiquent les formations superficielles. Geological map of the Rennes conurbation (extract from the 1/50 000 printed map, available on https://infoterre.brgm.fr/) scale given by the 1 km bar. Magmatic intrusions are circled in yellow, while red circles indicate superficial geology.

2.1 Mode de mise en place des sédiments du briovérien

Les sédiments briovériens de la région rennaise se sont déposés à la fin du Précambrien entre –610 et –530 Ma. La formation est composée de sédiments initiaux détritiques terrigènes, volcano-détritiques, mais aussi de carbonates. La mise en place des sédiments s’est faite en environnement marin (Dabard, 1990) lors de cycles de transgression et de régression. La formation est composée de séquences sédimentaires caractéristiques des variations du niveau marin avec des périodes de progradation (régression marine ou dépôt de delta) et des périodes de rétrogradation (transgressions marines). Les périodes de progradation génèrent des sédiments de plus en plus grossiers et des couches d’épaisseur métrique, tandis que les périodes de rétrogradation donnent des sédiments de plus en plus fins, déposés en couches centimétriques (Fig. 3). Dans le Briovérien rennais, les périodes de rétrogradation se terminent souvent par une fine couche de « schistes graphiteux ». Formellement, comme pour les autres formations, le dépôt a été de la siltite contenant de la matière organique, qui après métamorphisme se présente maintenant sous la forme de schistes graphiteux (Fig. 5). Cette couche peu épaisse, mais de faible qualité mécanique, comme montré dans les paragraphes ultérieurs, peut être préjudiciable à la stabilité d’excavations à ciel ouvert ou souterraines si son pendage est orienté vers l’excavation.

L’évolution séquentielle conduit à des variations de granulométrie, encore visibles actuellement dans les terrains, et qui se retrouvent à différentes échelles (Fig. 4). Bien que toutes ces formations soient aujourd’hui dénommées « schistes » au niveau centimétrique des alternances silto-gréseuses sont observées et, sur quelques mètres, des variations entre des grès grossiers (avec des particules de l’ordrede2mm) aux argilites (avec des particules de quelques µm) sont également identifiées (Fig. 5). Localement on peut également trouver des microconglomérats, principalement à l’Est de Rennes.

L’hétérogénéité granulométrique à différentes échelles est un problème pour la caractérisation mécanique des matériaux.

Lors de prélèvements ponctuels sur site, il est difficile d’identifier la position de l’échantillon dans la séquence sédimentaire. Les matériaux ont donc été différenciés selon leur granulométrie en quatre catégories : siltites, grès gris, grès verdâtres et microconglomérats.

Fig. 3 Évolution de la lithologie en fonction des évolutions des avancées marines. Les triangles sur la gauche indiquent la variation de taille des particules : la pointe des triangles indique des sédiments fins alors que la base correspond aux sédiments grossiers. Evolution of lithology according to the evolution of marine advances. The triangles, on the left, indicate the variation in particle size: the tip of the triangles indicates fine sediment while the base corresponds to coarse sediment.

Fig. 4 Variations lithologiques à l’échelle centimétrique (a) et métrique (b). Lithological variations on the centimetre (a) and metric (b) scale.

Fig. 5 Présence de schistes graphiteux au sein d’alternance silto-gréseuses. Existence of graphite schists within the silto-sandstone alternation.

2.2 Plissement et métamorphisme

Lors de l’orogénèse hercynienne (entre 300 et 400 Ma) les sédiments initialement en couches horizontales (stratification S₀), ont été plissés, fracturés et faiblement métamorphisés (300 °C < T < 500 °C et 0,1 GPa < P < 1 GPa). Le plissement a généré une schistosité S₁ de plan axial subverticale (cf Fig. 6b), plus pénétrative dans les terrains silteux que les terrains gréseux (Fig. 7). La schistosité peut donc avoir une obliquité variable par rapport à la stratification S₀ (cf Fig. 6b) mais a toujours un fort pendage. La stratification elle-même est souvent subverticale, ce qui rend la différenciation in situ entre les deux orientations S₀ et S₁ difficile, notamment en l’absence de géologues sur le terrain.

Outre la stratification S₀ et la schistosité S₁ le massif est traversé de fractures (dénommées Fi dans la suite) conséquences des états de contraintes successifs.

Fig. 6 Évolution des terrains briovériens : (a) dépôt (S0 : stratigraphie) ; (b) plissement et métamorphisme (S1 : schistosité) ; (c) altération et érosion. Evolution of Brioverian formations: (a) deposition (S0: stratigraphy); (b) folding and metamorphism (S1: schistosity); (c) weathering and erosion.

Fig. 7 Stratigraphie et schistosité. Stratigraphy and schistosity.

Fig. 8 Rôle des bancs gréseux d’orientation S0 dans la circulation de l’eau et dans l’altération. Role of sandstone bedding layers, S0 oriented, in water circulation and weathering.

2.3 Altération, érosion

Depuis l’Hercynien, les terrains briovériens ont subi une forte altération notamment sous climat tropical il y a 40 Ma. Ils ont également été affectés par l’érosion en surface. L’altération s’est développée à partir de la surface, mais également en profondeur. En effet les couches gréseuses, plus perméables favorisent la circulation d’eau (Fig. 8) et ont permis le développement d’une altération « latérale » à partir de ces faciès. De ce fait, dans un sondage vertical et dans des fouilles, des formations fortement altérées peuvent se trouver sous des formations beaucoup plus saines. Les forages d’investigationne doivent donc pas s’arrêter dès que des terrains résistants sont rencontrés.

2.4 Filons magmatiques

Outre les terrains briovériens, on retrouve à l’affleurement et en profondeur lors de travaux d’excavation des intrusions magmatiques sous forme de filons de roches magmatiques plutoniques (granodiorite et diorite), voire des roches volcaniques (Fig. 9). Les filons se sont souvent injectés dans des discontinuités existantes (stratigraphie ou schistosité) et peuvent être peu épais. Lors de forages, les filons peuvent être rencontrés sur quelques mètres, mais laisser place en dessous à des terrains briovériens. Cette possibilité demande également de la vigilance lors de l’établissement du modèle géologique d’une zone de travaux.

Fig. 9 Mise en place de roches magmatiques dans l’encaissant briovérien (d’après Dabard, 2015). Setting up of magmatic rocks in the Brioverian country formation (according to Dabard, 2015).

2.5 Formations superficielles

Pour compléter la description des terrains rencontrés dans l’agglomération rennaise, comme montré dans la figure 2, des formations superficielles composées d’altérites, de sables, de lœss récents et d’alluvions de L’Ille et de la Vilaine peuvent recouvrir localement les terrains plus anciens.

2.6 Exemple d’observations de terrain

Pour illustrer les hétérogénéités observables, sur des distances décamétriques lors de travaux, la figure 10 affiche le plan d’une station de la ligne b du métro de Rennes en cours d’excavation. La fouille étant très encombrée, seules quelques zones (matérialisées par des ovales sur la Fig. 10) ont permis d’observer l’affleurement et d’identifier différents faciès.

Dans la zone 1, des grès très altérés ont été identifiés. La ligne rouge matérialise un contact, visible sur la photo de la figure 11, entre ces grès et des siltites. La zone 2 permet de voir des alternances silto-gréseuses avec des schistes graphiteux caractéristiques de la find’une période de rétrogradation déjà présentées à la figure 5. Bien que la couche soit centimétrique, elle joue un rôle important dans le comportement du massif et peut être très défavorable selon son orientation. Enfin des siltites grises occupent une surface importante dans la zone 3 (Fig. 12). Sur quelques mètres des faciès très différents sont donc rencontrés dans cette station. Au Nord (zone 1) des faciès de progradation en couches relativement épaisses sont identifiés, au Sud des faciès de rétrogradation affleurent et entre les deux, dans la zone 2, les faciès caractéristiques de la fin de la rétrogradation en couches fines sont observés

L’histoire géologique explique donc la multiplicité des matériaux rencontrée dans l’agglomération rennaise lors de travaux de génie civil et concernant les matériaux briovériens, leur hétérogénéité et leur anisotropie.

Cependant, la compréhension des séquences sédimentaires du Briovérien a permis de classer les échantillons collectés en différents faciès pour analyser leurs propriétés mécaniques.

Avant de détailler les essais mécaniques réalisés sur les échantillons de l’agglomération rennaise, le paragraphe suivant donne quelques éléments sur les caractéristiques minéralogiques des matériaux briovériens.

Fig. 10 Vue en plan de la station de métro en cours d’excavation – Les flèches indiquent la direction des prises de vue. Metro station during excavation – The arrows indicate the direction of the photographic shot.

Fig. 11 Contact grès altéré (a)/siltite (b) entre la zone 1 et le Sud de la station présentée dans la figure 10 en cours d’excavation. Altered sandstone (a)/siltstone (b) contact between zone 1 and the south of metro station in Figure 10 during excavation.

Fig. 12 Siltite fine grise zone 3b (a) et zone 3c (b). Fine grey siltite 3b zone (a) and 3c zone (b).

3 Minéralogie des matériaux

Des caractérisations minéralogiques ont été réalisées via deux méthodes : diffraction X et observations au microscope électronique à balayage (MEB). La diffraction des rayons X, menée sur des échantillons de schistes réduits en poudre, a permis de mettre en évidence la présence systématique de certains minéraux : quartz et argiles (kaolinite, chlorite, illite et parfois de la smectite), mais en proportion variable suivant les échantillons (Le Cor et al., 2012b).

Des observations faites au MEB ont permis de différencier les schistes argileux (plaquettes visibles sur la Fig. 13a) des schistes gréseux (structure plus granulaire sur la Fig. 13b); elles sont donc en accord avec les différences visuelles observées.

Nous ne détaillons pas plus ici cette minéralogie, mais elle sera précisée quand elle exerce une influence sur les propriétés mécaniques (cf. paragraphes suivants).

Fig. 13 Schiste argileux (a) et schiste gréseux (b). Clayey shale (a) and sandstone shale (b).

4 Propriétés des terrains de l’agglomération rennaise

Les propriétés du massif rocheux rennais résultent des propriétés de la matrice et des discontinuités, elles-mêmes conditionnées par leur état hydrique et leur degré d’altération. La matrice est composée de faciès variables, comme évoqué dans les paragraphes précédents et les terrains briovériens sont traversés par trois types de discontinuités, la stratification S₀,la schistosité S₁ et des fractures F_i. Dans les paragraphes suivants, les propriétés des différents faciès de matrice rocheuse sont présentées, ainsi que des essais réalisés sur certains types de discontinuités. Ces essais ont été réalisés à l’INSA de Rennes au cours une dizaine d’années et des résultats partiels ont déjà été présentés (Le Cor et al., 2012a, b, 2013a, b, 2014a, b, c, 2015 ; Le Cor, 2014 ; Guiheneuf et al., 2018a, b).

4.1 Propriétés de la matrice

Plusieurs types d’essais ont été réalisés afin de caractériser la matrice rocheuse selon la résistance, l’anisotropie, et l’altération. La résistance a été mesurée de manière classique à partir d’essais de compression uniaxiale. L’anisotropie a été évaluée à partir d’une méthode non destructive par mesure de la vitesse des ondes. Enfin, pour appréhender l’état d’altération de la matrice, des essais spécifiques d’altération ont été développés et réalisés sur les matériaux du briovérien. La majorité des échantillons proviennent du Briovérien, mais nous avons également conservé dans cet inventaire les essais réalisés sur les roches magmatiques. Les échantillons ont été classés en 6 groupes :

• siltite,

• grès gris,

• grès verdâtre,

• microconglomérat,

• granodiorite,

• microgranite.

Les premiers faciès correspondent à des terrains du Briovérien et outre le classement en fonction la granulométrie, les grès ont été différenciés en fonction de leur couleur. La variation de couleur à l’affleurement suggérait en effet une différence de degré d’altération. Les deux derniers faciès, présentant moins d’échantillons, sont relatifs aux roches magmatiques filoniennes.

4.1.1 Résistance et déformabilité en compression simple

Les essais de compression simple peuvent apparaître comme très banals, mais ils ont posé des difficultés dans ces matériaux qui n’ont pas pu être caractérisés de manière normalisée : pas de possibilité de prélèvement par carottage sur site et taillage imprécis au laboratoire. Après de nombreuses tentatives, nous avons opté pour des essais sur des éprouvettes parallélépipédiques, taillées à la scie diamantée, en visant un élancement le plus proche de 2. Nous n’avons pas choisi la dimension des éprouvettes qui a été guidée par la présence de discontinuités qui s’ouvraient lors du taillage.

Compte tenu de ces éléments, nous avons cherché à tester le plus possible d’échantillons par faciès, même si l’essai ne pouvait pas se faire dans des conditions normalisées.

Macroscopiquement, différents modes de rupture sont observés (Fig. 14) suivant l’état hydrique et les discontinuités traversant l’échantillon.

Pour les siltites, les contraintes de taillage conduisent souvent à obtenir une schistosité parallèle à la grande dimension de l’éprouvette. À l’état humide, la rupture est obtenue dans ce cas par ouverture des plans de schistosité (photo a), et le comportement est plutôt ductile.

Dans certains cas, à l’état sec, la rupture est fragile et obtenue par ouverture de plusieurs plans de discontinuités (photo b). Lorsque l’éprouvette ne contient pas de discontinuité, la rupture est fragile et se localise sur un ou deux plans (photo c). Enfin, pour les microconglomérats, la rupture fragile conduit à un éclatement de l’échantillon (photo d).

Pour évaluer l’influence de l’état hydrique des matériaux, des essais ont été réalisés sur éprouvettes à différentes conditions d’humidité. Des essais ont été réalisés sur éprouvettes dites sèches (w < 1 %) et sur éprouvettes dites « saturées » (éprouvettes immergées pendant 48 h avant réalisation des essais).

La résistance ainsi que le comportement (fragile ou ductile) sont très variables (Fig. 15a), mais la ductilité augmente avec la teneur en eau pour les siltites. Les éprouvettes de siltites présentent, après immersion, les variations de teneur en eau par rapport à l’état sec les plus fortes (Fig. 15b).

Tous faciès confondus, la teneur en eau influence fortement la résistance et la déformabilité (Fig. 16). Cette influence est donc plus importante pour les siltites qui présentent une plus forte amplitude de variation de teneur en eau comme montré par la figure 15b.

La représentation de l’évolution de la résistance et de la déformabilité en fonction de la masse volumique sèche (Fig. 17) montre que celle-ci peut être un indicateur simple pour évaluer la résistance des matériaux, même si la dispersion autour de la valeur moyenne est assez importante.

Finalement, la discrimination en faciès et le rôle du degré de saturation sont montrés dans la figure 18. Cette figure synthétise plus de 4000 essais de compression, seules les moyennes par site de prélèvement (un site de prélèvement correspond à un chantier d’excavation) sont représentées. L’état apparent correspond à la teneur en eau lors du prélèvement. Cette figure montre la décroissance de la résistance avec la saturation sur un même site et une variabilité intersite pour un même faciès. Cette variabilité est en grande partie imputable à l’état d’altération du matériau prélevé et à sa teneur en eau (Fig. 16). La plupart des échantillons ont des résistances qui les classent en SIRT (Sols indurés et Roches tendres).

Compte tenu des difficultés d’échantillonnage, le rôle de l’anisotropie n’a pu être testé que sur quelques rares échantillons.

En revanche, les mesures de vitesse d’onde décrites dans le paragraphe ci-dessous permettent de quantifier l’anisotropie de la matrice.

Fig. 14 Différents modes de rupture des éprouvettes (Plus grande dimension L ≈ 10 cm). Different modes of failure of specimens.

Fig. 15 Essais de compression simple. (a) Courbe contrainte-déformation montrant différents types de comportements. (b) Variation de la teneur en eau entre l’état « sec » et « saturé » en fonction de la masse volumique sèche. Unconfirmed Compressive Strength (UCS). (a) Stress-strain curve displaying different types of behaviour. (b) Variation of density with water content.

Fig. 16 Variation de la résistance à la compression (a) et du module d’Young (b) avec la teneur en eau. UCS (a) and Young’s modulus (b) versus water content.

Fig. 17 Variation de la résistance à la compression (a) et du module d’Young (b) avec la masse volumique sèche. UCS (a) and Young s modulus (b) versus dry density.

Fig. 18 Résistance à la compression en fonction des différents faciès et du degré de saturation (l’échelle horizontale correspond aux sites de prélèvement). Chaque point est une moyenne par site. Plus de 4000 essais de compression sont synthétisés dans ce graphique. UCS according to the different facies and the degree of saturation (the horizontal scale corresponds to the sampling sites). Each point is an average per site. More than 4000 tests are summarised in this graph.

4.1.2 Caractérisation de l’anisotropie par mesure de vitesse d’onde

Pour quantifier l’anisotropie, des mesures de vitesses d’ondes P ont été réalisées dans la direction perpendiculaire à la structure visible (stratification ou schistosité), quand cette dernière est identifiable, et dans les 2 directions perpendiculaires. Les 3 vitesses mesurées minimale (V_min), maximale (V_max) et intermédiaire (V_inter) permettent de représenter 2 ratios d’anisotropie reportés sur la figure 19. Cette figure représente la synthèse de plus de 1500 mesures. Chaque point est la moyenne des mesures réalisées par faciès et par site.

Lorsque les trois mesures (V_max,V_min,V_inter) sont proches, la matrice est isotrope. C’est le cas des roches magmatiques (Fig. 19).

Quand le matériau n’est pas isotrope, une seule direction préférentielle planaire est généralement identifiable à l’œil. La mesure d’une vitesse intermédiaire V_inter différente de V_max permet de différencier des cas d’isotropie transverse, de cas anisotropes.

Quand deux des vitesses mesurées sont proches et différentes de celle mesurée dans la troisième direction, la matrice est isotrope transverse et cela laisse penser que schistosité et stratification sont confondues (Fig. 20a). Dans ce cas V_min correspond à la direction perpendiculaire au plan isotrope et les rapports V_max/V_int sont proches de 1.

Dans le cas anisotrope, stratification et schistosité ont probablement une orientation différente comme illustré par la figure 20b.

Globalement les rapports d’anisotropie sont très variables au sein d’un même faciès et les ratios V_max/V_min varient de 1 à 3,6. Les matériaux magmatiques sont isotropes et l’anisotropie augmente quand on passe des microconglomérats aux grès puis aux siltites.

Les résultats détaillés de ces mesures sont présentés dans Le Cor et al. (2013a, 2014a).

Fig. 19 Rapport d’anisotropie par mesure de vitesse d’onde. Anisotropy ratio from wave velocity measurements.

Fig. 20 Orientation relative de la stratification et la schistosité. Relative orientation of stratification and schistosity.

4.1.3 Caractérisation de l’altération

L’AFTES (2003) propose de classer l’état d’altération du massif rocheux en six catégories allant du rocher sain AM1a au rocher complètement décomposé AM6. Quasiment tous les terrains briovériens et plus généralement de l’agglomération rennaise sont classés en AM4 ou AM5, c’est-à-dire dans les catégories « rocher très altéré à complètement altéré », ce qui est peu discriminant. Macroscopiquement une variabilité et une différence de comportement in situ sont observées, voire « subies » par les entreprises lors de travaux, ce qui a conduit à chercher des indicateurs permettant une caractérisation complémentaire de la matrice rocheuse, vis-à-vis de son état d’altération.

Des essais d’abrasivité normalisés, rayure avec une pointe (Abrasivité « Cerchar », NF P94-430-1) ou par outil en rotation (Abrasivité LCPC, NF P94-430-2) ont été mis en œuvre. L’essai Cerchar (ASTM, 2010; AFNOR, 2000) consiste à pratiquer une rayure sur un échantillon de roche au moyen d’une pointe en acier et à mesurer la longueur usée de la pointe d. L’indice d’abrasivité au pic, CAI estdirectementlié àlalongueur du méplat formé. Cet essai n’est pas du tout discriminant (Fig. 21) sur les faciès du Briovérien. L’essai Abrasivité LCPC (Fig. 22) est habituellement réservé à la caractérisation de granulats, et consiste à entraîner en rotation une plaquette en acier de dimension et de nuance définies dans une masse de la fraction 4/6,3 mm du matériau. Dans notre cas, la roche est préalablementbroyée, puis lafraction4/6,3 mmestsélectionnée pour l’essai. Ainsi, les parties de la roche les plus fines et friables sont exclues à l’étape de préparation.

L’essai appliqué aux matériaux du Briovérien, ne semble pas discriminant pour les siltites, même s’il l’est partiellement pour les grès. Outre l’abrasivité cet essai permet de déterminer la broyabilité. Cette dernière est définie comme le pourcentage d’éléments inférieurs à 1,6 mm produits par la sollicitation (Fig. 23).

Ces essais ont été dimensionnés pour avoir une sollicitation permettant de discriminer les roches pour l’un, et les granulats destinés à la construction pour l’autre. L’énergie normalisée de ces essais est donc importante lorsque l’on cherche à caractériser un matériau de plus faibles caractéristiques, comme ceux du briovérien rennais, et plus généralement pour les SIRT. Nous avons adapté les protocoles afin de différencier de manière plus sélective l’état d’altération des matériaux.

L’essai de broyabilité a été adapté en mesurant le pourcentage de fines produites en fonction du temps : mesures échelonnées entre 0 et 150 s (Fig. 24). La mesure de la broyabilité à 30 s semble permettre une meilleure discrimination des matériaux entre eux (Le Cor et al., 2013b).

Le deuxième essai développé est une adaptation de l’essai micro-Deval pour quantifier la résistance à l’attrition. Un échantillon grossièrement parallélépipédique est mis en rotation dans une jarre micro-Deval, sans eau, avec les charges abrasives (billes d’acier) et la perte de masse, normalisée par la surface offerte à l’abrasion, est mesurée en fonction du temps (Fig. 25). Pendant la première phase, la perte de masse est importante du fait de la rupture des arêtes du bloc parallélépipédique, puis la perte de masse évolue linéairement en fonction du temps. La vitesse de perte de masse de cette deuxième phase est caractérisée par un coefficient d’usure, noté Cuh.

Le Cor (2014) a proposé une subdivision aux classes d’altérations du massif pour les terrains du Briovérien rennais en se basant sur ces essais (Tab. 1). Les limites retenues (Cuh à 5,5 %/m²/min et de IB30 à 40%) ont permis à Le Cor de séparer des échantillons de résistances très variables de ceux dont la résistance est toujours inférieure à 20 MPa (Le Cor et al., 2013b).

Fig. 21 Index d’abrasivité Cerchar (CAI) en fonction des faciès. Cerchar abrasivity Index (CAI) as a function of the matrix facies.

Fig. 22 Abrasivité LCPC en fonction du faciès. LCPC Index (ABR) as a function of the matrix facies.

Fig. 23 Broyabilité LCPC en fonction du faciès. LCPC Grindability index (BR) as a function of the matrix facies.

Fig. 24 Essai de broyabilité. (a) schématisation de l’essai. (b) broyabilité en fonction du temps pour différents sites d’étude. Grindability test. (a) schematisation of the test. (b) grindability as a function of time for different sites.

Fig. 25 Essai micro-Deval fractionné. (a) courbe de la perte de masse en fonction du temps. (b) relation entre le coefficient d’usure et l’usure finale. Fractionated micro-Deval test. (a) curve of the loss of mass as a function of time. (b) relation between the wear coefficient and the final wear.

4.2 Propriétés des discontinuités des terrains briovériens

Comme pour la matrice rocheuse, effectuer des essais normalisés de mécanique des Roches sur les discontinuités du Briovérien pose des problèmes de prélèvement et de taillage. Par ailleurs il n’y a pas de machine de cisaillement de mécanique des roches à Rennes.

Comme la résistance des discontinuités est faible et pour pouvoir effectuer plusieurs échantillons par discontinuités nous avons choisi de faire des essais sur des petites surfaces et une boîte de cisaillement de mécanique des sols a été adaptée pour ces essais.

De nombreuses discontinuités ouvertes ont été prélevées sur les sites d’excavation. Elles correspondaient principalement à de la schistosité.

Pour chaque site et chaque type de lithologie, plusieurs éprouvettes ont été confectionnées à partir d’une même discontinuité prélevée (Fig. 26). Après scellement dans du ciment, chaque éprouvette est cisaillée avec plusieurs cycles (4 à 5) à des contraintes normales croissantes (Fig. 27) comme proposé dans les travaux de Jafari et al. (2004). Les cisaillements maximaux pour chaque contrainte normale et chaque éprouvette sont présentés dans un plan de Mohr (Fig. 28) et compte tenu du bon ajustement linéaire un critère de Mohr–Coulomb a été ajusté. Les résultats détaillés de certains de ces essais ont été présentés dans Guiheneuf et al. (2018a, b). Nous ne mentionnons ici que les moyennes par faciès et par site.

Comme les discontinuités testées sont ouvertes, seuls les angles de frottement sont représentés en fonction du faciès des figures 29–31. Les schistes graphiteux sont rencontrés moins souvent que d’autres faciès, car ils ne sont présents qu’en couches fines, au maximum quelques centimètres d’épaisseur, ils présentent un aspect très lustré et leur angle de frottement est faible à très faible (Fig. 29), toujours inférieur à 20°. Les siltites (Fig. 30) ont deux types de comportements, des siltites ayant un angle de frottement autour de 20°–25° sur les sites 4 et 7 et d’autres siltites ayant des angles de frottementplus élevés. Celles dont les discontinuités présentent un angle de frottement faible sont des siltites pour lesquelles de la smectite a été identifiée dans les produits d’altération le long des discontinuités. L’angle de frottement des grès est influencé par la granulométrie (Fig. 31). La figure 32 montre que dans l’ensemble l’angle de frottement augmente avec la granulométrie. Cette figure montre également la diminution de l’angle de frottement pour les essais effectués après immersion des éprouvettes (figuré «Wet»). Cet effet est particulièrement notable pour les schistes graphiteux où cet angle chute à moins de 10°, alors que la teneur en eau n’a pratiquement aucun effet sur les discontinuités gréseuses.

Fig. 26 Protocole de caractérisation : un site, une lithologie, une discontinuité. Characterization protocol: a site, a lithology, a discontinuity.

Fig. 27 Exemple d’essai de cisaillement comportant 5 cycles à contrainte normale croissante. Example of a shear test with 5 cycles at increasing normal stress.

Fig. 28 Représentation dans le plan de Mohr de l’ensemble des éprouvettes d’un site. Display in the Mohr plane of all the tested specimens of a site.

Fig. 29 Angle de frottement (a) des discontinuités de schistes graphiteux (b). Au centre position dans la séquence stratigraphique. Friction angle (a) of discontinuities of graphite schists (b). In the centre position in the stratigraphic sequence.

Fig. 30 Angle de frottement (a) des siltites (b). Au centre position dans la séquence stratigraphique. Friction angle (a) of discontinuities in fine shales siltstone (b). In the centre position in the stratigraphic sequence.

Fig. 31 Angle de frottement (a) des discontinuités des grès (b). Au centre position dans la séquence stratigraphique. Friction angle (a) of discontinuities of sandstone (b). In the centre position in the stratigraphic sequence.

Fig. 32 Synthèse des angles de frottement des discontinuités en fonction de la granulométrie. Summary of the friction angles of the discontinuities as a function of the grain size.

4.3 Massif rocheux et excavations

Les propriétés de la matrice et des discontinuités, mais également les orientations des discontinuités, leur densité et persistance contribuent aux propriétés du massif rocheux. Sur la figure 33, une succession de séquences stratigraphiques est représentée. Les périodes de progradation et rétrogradation sont figurées, en haut des dessins, par des polygones jaunes et bleus. L’orientation des excavations par rapport aux couches de faibles propriétés mécaniques, par exemple les schistes graphiteux et les discontinuités dans ces schistes, peuvent être préjudiciables à la stabilité de l’excavation, comme figuré par les traits en pointillé rouge. Outre la stratification et la schistosité, d’autres discontinuités tectoniques défavorables peuvent être présentes.

Fig. 33 Impact du contexte géologique sur les propriétés du massif et les ouvrages. Les polygones jaunes et bleus figurent les séquences stratigraphiques. Impact of the geological context on the properties of the rock-mass and the structures. The yellow and blue polygons represent the stratigraphic sequences.

5 Conclusions

Les terrains de l’agglomération rennaise sont variés. Les travaux de génie civil excavent principalement des matériaux du Briovérien dont la faible résistance les classe en SIRT (Sols indurés et roches tendres). Leur histoire géologique : dépôt suivi d’une phase de déformation avec un faible métamorphisme, puis d’une altération tropicale « récente » et finalement d’une érosion explique leur hétérogénéité et leur anisotropie. Elle permet également de comprendre les fortes variations latérales de propriétés mécaniques, parfois sur des distances décimétriques, en revanche cela rend difficile la prédictibilité de la qualité mécanique des terrains que l’on va rencontrer dans un nouveau chantier.

Les difficultés d’échantillonnage des SIRT nous ont conduits à développer des essais spécifiques pour qualifier la matrice rocheuse et les discontinuités. Les essais de compression ont montré des variations fonction du faciès, mais aussi une forte influence de l’altération et de la teneur en eau. Globalement, leur résistance et leur déformabilité sont fonction de la masse volumique du matériau qui est un indicateur simple à mesurer. Les matériaux du Briovérien rennais sont anisotropes, avec une anisotropie croissante depuis les grès vers les siltites.

Mis à part la masse volumique, il est difficile de trouver d’autres indicateurs quantitatifs, simples et pertinents, permettant d’apprécier rapidement les caractéristiques mécaniques à partir des échantillons extraits des campagnes d’investigations géotechniques. Il est donc important de bien identifier visuellement les matériaux (siltite, schistes graphiteux, schistes gréseux, grès, etc.) et de les situer, si possible, dans la séquence sédimentaire.

La synthèse des propriétés de matrice et des discontinuités proposées ci-dessus contribue à apprécier la qualité du massif rocheux, mais cette dernière nécessite également de bien connaître la répartition des différents faciès dans les travaux. L’anisotropie du massif rocheux peut dans certains cas conditionner le comportement d’ouvrages. Cette anisotropie peut être due à l’anisotropie de la matrice rocheuse ou être une anisotropie structurale liée aux variations de propriété des matériaux constituant les différentes couches ou encore aux discontinuités, et notamment à la schistosité.

Les variations de faciès étant changeantes d’un site à l’autre et, sur un même site, très rapprochées, il est important d’effectuer pour chaque chantier de bonnes observations géologiques pour identifier les faciès présents.

6 Hommage à Marie-Pierre Dabard

Les auteurs tiennent à rendre hommage à la mémoire de Marie-Pierre Dabard, Maître de Conférences à Géosciences Rennes qui a largement contribué à l’analyse et la compréhension de la géologie du Briovérien du bassin rennais pendant une dizaine d’années de collaboration fructueuse et amicale.

Références

Liste des tableaux

Liste des figures

	Fig. 1 Carte géologique Massif armoricain (1996, modifiéd’après Debelmas, 1974). Geological map of the Armorican Massif (1996, modified after Debelmas, 1974).
Dans le texte

Fig. 2 Carte géologique de l’agglomération rennaise (extrait de la carte imprimée au 1/50 000, disponible sur https://infoterre.brgm.fr/) échelle donnée par la barre 1 km. Les intrusions magmatiques sont cerclées de jaune, tandis que les cercles rouges indiquent les formations superficielles. Geological map of the Rennes conurbation (extract from the 1/50 000 printed map, available on https://infoterre.brgm.fr/) scale given by the 1 km bar. Magmatic intrusions are circled in yellow, while red circles indicate superficial geology.

Dans le texte

Fig. 3 Évolution de la lithologie en fonction des évolutions des avancées marines. Les triangles sur la gauche indiquent la variation de taille des particules : la pointe des triangles indique des sédiments fins alors que la base correspond aux sédiments grossiers. Evolution of lithology according to the evolution of marine advances. The triangles, on the left, indicate the variation in particle size: the tip of the triangles indicates fine sediment while the base corresponds to coarse sediment.

Dans le texte

	Fig. 4 Variations lithologiques à l’échelle centimétrique (a) et métrique (b). Lithological variations on the centimetre (a) and metric (b) scale.
Dans le texte

	Fig. 5 Présence de schistes graphiteux au sein d’alternance silto-gréseuses. Existence of graphite schists within the silto-sandstone alternation.
Dans le texte

	Fig. 6 Évolution des terrains briovériens : (a) dépôt (S0 : stratigraphie) ; (b) plissement et métamorphisme (S1 : schistosité) ; (c) altération et érosion. Evolution of Brioverian formations: (a) deposition (S0: stratigraphy); (b) folding and metamorphism (S1: schistosity); (c) weathering and erosion.
Dans le texte

	Fig. 7 Stratigraphie et schistosité. Stratigraphy and schistosity.
Dans le texte

	Fig. 8 Rôle des bancs gréseux d’orientation S0 dans la circulation de l’eau et dans l’altération. Role of sandstone bedding layers, S0 oriented, in water circulation and weathering.
Dans le texte

	Fig. 9 Mise en place de roches magmatiques dans l’encaissant briovérien (d’après Dabard, 2015). Setting up of magmatic rocks in the Brioverian country formation (according to Dabard, 2015).
Dans le texte

	Fig. 10 Vue en plan de la station de métro en cours d’excavation – Les flèches indiquent la direction des prises de vue. Metro station during excavation – The arrows indicate the direction of the photographic shot.
Dans le texte

	Fig. 11 Contact grès altéré (a)/siltite (b) entre la zone 1 et le Sud de la station présentée dans la figure 10 en cours d’excavation. Altered sandstone (a)/siltstone (b) contact between zone 1 and the south of metro station in Figure 10 during excavation.
Dans le texte

	Fig. 12 Siltite fine grise zone 3b (a) et zone 3c (b). Fine grey siltite 3b zone (a) and 3c zone (b).
Dans le texte

	Fig. 13 Schiste argileux (a) et schiste gréseux (b). Clayey shale (a) and sandstone shale (b).
Dans le texte

	Fig. 14 Différents modes de rupture des éprouvettes (Plus grande dimension L ≈ 10 cm). Different modes of failure of specimens.
Dans le texte

	Fig. 15 Essais de compression simple. (a) Courbe contrainte-déformation montrant différents types de comportements. (b) Variation de la teneur en eau entre l’état « sec » et « saturé » en fonction de la masse volumique sèche. Unconfirmed Compressive Strength (UCS). (a) Stress-strain curve displaying different types of behaviour. (b) Variation of density with water content.
Dans le texte

	Fig. 16 Variation de la résistance à la compression (a) et du module d’Young (b) avec la teneur en eau. UCS (a) and Young’s modulus (b) versus water content.
Dans le texte

	Fig. 17 Variation de la résistance à la compression (a) et du module d’Young (b) avec la masse volumique sèche. UCS (a) and Young s modulus (b) versus dry density.
Dans le texte

Fig. 18 Résistance à la compression en fonction des différents faciès et du degré de saturation (l’échelle horizontale correspond aux sites de prélèvement). Chaque point est une moyenne par site. Plus de 4000 essais de compression sont synthétisés dans ce graphique. UCS according to the different facies and the degree of saturation (the horizontal scale corresponds to the sampling sites). Each point is an average per site. More than 4000 tests are summarised in this graph.

Dans le texte

	Fig. 19 Rapport d’anisotropie par mesure de vitesse d’onde. Anisotropy ratio from wave velocity measurements.
Dans le texte

	Fig. 20 Orientation relative de la stratification et la schistosité. Relative orientation of stratification and schistosity.
Dans le texte

	Fig. 21 Index d’abrasivité Cerchar (CAI) en fonction des faciès. Cerchar abrasivity Index (CAI) as a function of the matrix facies.
Dans le texte

	Fig. 22 Abrasivité LCPC en fonction du faciès. LCPC Index (ABR) as a function of the matrix facies.
Dans le texte

	Fig. 23 Broyabilité LCPC en fonction du faciès. LCPC Grindability index (BR) as a function of the matrix facies.
Dans le texte

	Fig. 24 Essai de broyabilité. (a) schématisation de l’essai. (b) broyabilité en fonction du temps pour différents sites d’étude. Grindability test. (a) schematisation of the test. (b) grindability as a function of time for different sites.
Dans le texte

	Fig. 25 Essai micro-Deval fractionné. (a) courbe de la perte de masse en fonction du temps. (b) relation entre le coefficient d’usure et l’usure finale. Fractionated micro-Deval test. (a) curve of the loss of mass as a function of time. (b) relation between the wear coefficient and the final wear.
Dans le texte

	Fig. 26 Protocole de caractérisation : un site, une lithologie, une discontinuité. Characterization protocol: a site, a lithology, a discontinuity.
Dans le texte

	Fig. 27 Exemple d’essai de cisaillement comportant 5 cycles à contrainte normale croissante. Example of a shear test with 5 cycles at increasing normal stress.
Dans le texte

	Fig. 28 Représentation dans le plan de Mohr de l’ensemble des éprouvettes d’un site. Display in the Mohr plane of all the tested specimens of a site.
Dans le texte

	Fig. 29 Angle de frottement (a) des discontinuités de schistes graphiteux (b). Au centre position dans la séquence stratigraphique. Friction angle (a) of discontinuities of graphite schists (b). In the centre position in the stratigraphic sequence.
Dans le texte

	Fig. 30 Angle de frottement (a) des siltites (b). Au centre position dans la séquence stratigraphique. Friction angle (a) of discontinuities in fine shales siltstone (b). In the centre position in the stratigraphic sequence.
Dans le texte

	Fig. 31 Angle de frottement (a) des discontinuités des grès (b). Au centre position dans la séquence stratigraphique. Friction angle (a) of discontinuities of sandstone (b). In the centre position in the stratigraphic sequence.
Dans le texte

	Fig. 32 Synthèse des angles de frottement des discontinuités en fonction de la granulométrie. Summary of the friction angles of the discontinuities as a function of the grain size.
Dans le texte

	Fig. 33 Impact du contexte géologique sur les propriétés du massif et les ouvrages. Les polygones jaunes et bleus figurent les séquences stratigraphiques. Impact of the geological context on the properties of the rock-mass and the structures. The yellow and blue polygons represent the stratigraphic sequences.
Dans le texte