Terrassement en Terrain Rocheux

Contexte : Le Terrassement RocheuxEnsemble des opérations d'excavation et de gestion des matériaux rocheux (déblais/remblais) sur un chantier..

L'excavation en terrain rocheux est l'une des opérations les plus complexes et coûteuses en terrassement. Contrairement aux sols meubles, la roche nécessite des techniques spécifiques de fragmentation avant son extraction. Le choix de la méthode (ripage mécanique, abattage à l'explosif) est crucial et dépend directement des caractéristiques géotechniques de la roche.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à évaluer les défis du terrassement rocheux, à calculer les volumes de matériaux (en place et foisonnés) et à sélectionner les méthodes d'excavation (ripage, minage) en fonction des caractéristiques du terrain.

Objectifs Pédagogiques

Comprendre les concepts de volume en place, foisonnement et rippabilité.
Calculer un volume de déblai rocheux foisonné.
Analyser la rippabilité d'un terrain à l'aide de la vitesse sismique.
Dimensionner sommairement une flotte de transport pour l'évacuation des déblais.

Données de l'étude

Une entreprise de BTP doit excaver une tranchée pour le passage d'une conduite forcée dans un col de montagne. Le levé géotechnique a identifié une zone homogène de calcaire compact sur une grande partie du tracé.

Fiche Technique

Caractéristique	Valeur
Type de Roche	Calcaire compact
Vitesse sismique (Vs) moyenne	2 200 m/s
Coefficient de Foisonnement estimé	1.65

Profil en Travers de la Tranchée

Nom du Paramètre	Description ou Formule	Symbole	Valeur	Unité
Longueur de la tranchée	Distance totale à excaver	L	400	m
Section moyenne	(14m + 20m)/2 * 10m	S_deblai	250	m²
Coefficient de Foisonnement	Augmentation de volume après excavation	C_f	1.65	sans
Vitesse Sismique	Indicateur de dureté	V_s	2200	m/s

Questions à traiter

Calculer le volume de déblai en place (volume géométrique).
Calculer le volume de déblai foisonné total à évacuer.
Analyser la rippabilité du terrain : quelle catégorie d'engin (bouteur) serait capable de ripper ce terrain ? (Voir section 'Bases').
Si le ripage est jugé non rentable, quelle est l'alternative principale d'excavation ?
On doit évacuer le volume foisonné en 5 jours ouvrés (8h/jour). Un camion a une capacité de 18 m³ et peut faire 12 rotations par jour. Combien de camions faut-il allouer au minimum ?

Les bases du Terrassement Rocheux

Le terrassement en terrain rocheux impose des méthodes spécifiques. Le choix entre le ripage (extraction mécanique) et le minage (explosifs) est crucial et impacte directement le coût et le planning du chantier.

1. Foisonnement
Lorsqu'on excave la roche, elle se fragmente. Les vides créés entre les blocs augmentent son volume apparent. C'est le foisonnement. Un volume de 1 m³ en place occupera plus de 1 m³ dans la benne du camion. \[ V_{\text{foisonné}} = V_{\text{en place}} \times C_f \] Où \(C_f\) est le coefficient de foisonnement (toujours > 1).

2. Rippabilité
La rippabilité est la capacité d'un terrain à être fragmenté par un bouteur (bulldozer) équipé d'une dent (ripper). Elle dépend de la dureté, de la fracturation et de la vitesse sismique (V_s). Plus V_s est élevée, plus la roche est dure et difficile à ripper. Les constructeurs (ex: Caterpillar) fournissent des abaques :

V_s < 1500 m/s : Rippable (ex: D8, D9)
1500 < V_s < 2300 m/s : Marginalement rippable (ex: D9, D10)
2300 < V_s < 3000 m/s : Très difficilement rippable (ex: D11)
V_s > 3000 m/s : Non rippable (minage requis)

Correction : Terrassement en Terrain Rocheux

Question 1 : Calculer le volume de déblai en place (volume géométrique).

Principe

Le volume en place (ou volume "bancaire") est le volume géométrique de la roche telle qu'elle est dans le sol, avant toute intervention. C'est ce volume qui sert de base aux métrés du projet.

Mini-Cours

En terrassement, le calcul des "métrés" (quantités) est la base de tout. Le volume en place est un "déblai", et il est calculé en multipliant une surface (la section de la tranchée) par une longueur. C'est le volume que l'on "doit" extraire du massif.

Remarque Pédagogique

La stratégie est simple : ne vous laissez pas perturber par les autres données (foisonnement, vitesse sismique). La question 1 ne concerne que la géométrie pure. C'est le "volume dans le sol", le volume de l'excavation.

Normes

Le calcul des métrés est souvent encadré. En France, la norme NF P 03-001 fixe les règles générales pour les métrés de BTP. Pour les terrassements, on se réfère aussi au fascicule 2 du CCTG (Cahier des Clauses Techniques Générales).

Formule(s)

Pour un volume linéaire avec une section constante, la formule est :

V_{\text{en place}} = S_{\text{deblai}} \times L

Hypothèses

On suppose que la section moyenne de déblai de 250 m² est constante sur toute la longueur L de 400 m.

Donnée(s)

Nous utilisons les données de l'énoncé :

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Section moyenne de déblai	S_deblai	250	m²
Longueur	L	400	m

Astuces

Vérifiez toujours la cohérence des unités avant de multiplier : [m²] × [m] donne bien des [m³].

Schéma (Avant les calculs)

Visualisation du prisme de terre (ou roche) à excaver. C'est un simple calcul de volume prismatique.

Volume = Section x Longueur

Calcul(s)

Nous appliquons la formule :

Étape 1 : Application de la formule du volume

\begin{aligned} V_{\text{en place}} &= S_{\text{deblai}} \times L \\ &= 250 \text{ m}^2 \times 400 \text{ m} \\ \Rightarrow V_{\text{en place}} &= 100\,000 \text{ m}^3 \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Le résultat est une valeur numérique unique, il n'y a pas de diagramme de résultat pour ce calcul simple.

Réflexions

Ce volume de 100 000 m³ représente la quantité de roche que l'entreprise doit extraire du massif. C'est sur cette base qu'elle sera payée pour l'extraction.

Points de vigilance

Ne pas confondre avec le volume foisonné. Le volume en place est toujours le plus petit volume (sauf en cas de compactage, ce qui est l'inverse).

Points à retenir

Le volume en place est le volume géométrique avant travaux.
Formule : \(V = S \times L\).

Le saviez-vous ?

Aujourd'hui, ces volumes sont calculés de manière très précise par des logiciels de topographie (type MENSURA ou COVADIS) à partir de levés Lidar par drones, qui comparent le modèle 3D du terrain "avant" et "après" projet.

FAQ

Questions fréquentes pour cette étape.

Résultat Final

Le volume de déblai en place est de 100 000 m³.

A vous de jouer

Si la longueur de la tranchée était de 650 m (avec la même section), quel serait le volume en place ?

Mini Fiche Mémo

Synthèse de la Question 1 :

Concept Clé : Volume en place (bancaire).
Formule Essentielle : \(V_{\text{en place}} = \text{Section} \times \text{Longueur}\).
Vigilance : C'est le volume GÉOMÉTRIQUE, pas le volume transporté.

Question 2 : Calculer le volume de déblai foisonné total à évacuer.

Principe

Le volume foisonné est le volume que la roche occupe *après* avoir été extraite et fragmentée. C'est ce volume qui doit être chargé et transporté par les camions. Il est supérieur au volume en place.

Mini-Cours

Le coefficient de foisonnement \(C_f\) est une propriété intrinsèque du matériau. Il représente le ratio entre le volume final (après excavation) et le volume initial (en place). Il dépend de la nature de la roche, de sa fragmentation et de la manière dont elle est stockée. Pour les roches, il est souvent élevé (1.4 à 1.7).

Remarque Pédagogique

Considérez le \(C_f\) comme votre "multiplicateur de coût" pour le transport. Un C_f de 1.65 signifie 65% de volume en plus à transporter par rapport au volume que vous avez facturé pour l'extraction.

Normes

Le coefficient de foisonnement est une donnée géotechnique. Il est défini par des essais en laboratoire ou tiré des retours d'expérience (par exemple, dans le guide GTR - Guide des Terrassements Routiers).

Formule(s)

Volume foisonné

V_{\text{foisonné}} = V_{\text{en place}} \times C_f

Hypothèses

On suppose que le coefficient de foisonnement de 1.65 est une moyenne fiable pour l'ensemble du calcaire compact excavé sur le site.

Donnée(s)

Nous utilisons le résultat de la Q1 et les données de l'énoncé :

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Volume en place (de Q1)	V_en place	100 000	m³
Coefficient de Foisonnement	C_f	1.65	sans

Astuces

Un C_f de 1.65 (soit +65%) est très élevé. C'est typique des roches très dures et massives (comme le calcaire compact ou le granit) qui se fragmentent en gros blocs anguleux, laissant beaucoup de vide entre eux.

Schéma (Avant les calculs)

Visualisation du concept de foisonnement.

Concept de Foisonnement

Calcul(s)

Étape 1 : Calcul du volume foisonné

\begin{aligned} V_{\text{foisonné}} &= 100\,000 \text{ m}^3 \times 1.65 \\ \Rightarrow V_{\text{foisonné}} &= 165\,000 \text{ m}^3 \end{aligned}

Schéma (Après les calculs)

Le résultat est une valeur numérique unique.

Réflexions

L'excavation des 100 000 m³ de roche va générer 165 000 m³ de matériaux à évacuer. Cela représente une augmentation de volume de 65% ! La gestion des transports doit être basée sur ce volume foisonné.

Points de vigilance

Ne jamais utiliser le volume en place pour calculer le nombre de camions. L'erreur (ici, 65 000 m³) serait considérable et arrêterait le chantier.

Points à retenir

Le volume transporté (foisonné) est TOUJOURS supérieur au volume extrait (en place) pour les roches.
Formule : \(V_{\text{foisonné}} = V_{\text{en place}} \times C_f\).

Le saviez-vous ?

Le "foisonnement négatif" (ou "retrait") existe aussi. C'est le compactage. Lorsqu'on met en remblai des terres meubles et qu'on les compacte, 1 m³ de déblai foisonné peut n'occuper que 0.8 m³ une fois compacté.

FAQ

Questions fréquentes pour cette étape.

Résultat Final

Le volume de déblai foisonné à évacuer est de 165 000 m³.

A vous de jouer

Si la roche était un schiste moins compact avec un C_f de 1.40, quel serait le volume foisonné ?

Mini Fiche Mémo

Synthèse de la Question 2 :

Concept Clé : Foisonnement (augmentation de volume).
Formule : \(V_{\text{foisonné}} = V_{\text{en place}} \times C_f\).
Vigilance : C'est le volume à TRANSPORTER.

Question 3 : Analyser la rippabilité du terrain (V_s = 2200 m/s).

Principe

La vitesse sismique (V_s) est un excellent indicateur de la dureté de la roche et de sa rippabilité. On compare la valeur mesurée (2200 m/s) aux abaques des constructeurs d'engins (ex: Caterpillar) pour déterminer la faisabilité du ripage.

Donnée(s)

V_s = 2200 m/s.

Schéma (Avant les calculs)

On utilise un abaque de rippabilité simplifié (basé sur les données Caterpillar).

Abaque de Rippabilité (Exemple)

Réflexions

La vitesse sismique de 2200 m/s place le terrain dans la catégorie "marginalement rippable" à "très difficilement rippable". L'utilisation d'un bouteur D8 ou D9 est exclue. Un D10 serait à sa limite absolue, et un D11 (le plus puissant) pourrait le faire, mais avec un rendement faible et une usure très rapide de la dent.

Points de vigilance

La vitesse sismique n'est pas le seul critère. Une roche très fracturée peut être rippable même si sa V_s est élevée. Inversement, une roche massive (sans fractures) sera très difficile à ripper.

Résultat Final

Le terrain est "marginalement rippable". Seul un bouteur de très forte puissance (type D10 ou D11) pourrait l'extraire, avec un rendement faible et un coût d'usure élevé.

A vous de jouer

Le coût du ripage au D11 est estimé à 18 €/m³ (en place). Le minage coûte 25 €/m³. Pour les 100 000 m³, quelle est l'économie réalisée en choisissant le minage par rapport au ripage (si le ripage était impossible et coûtait 30€/m³) ? (Donner le coût du minage)

Question 4 : Si le ripage est jugé non rentable, quelle est l'alternative principale d'excavation ?

Principe

Lorsque l'extraction mécanique (ripage) n'est pas techniquement ou économiquement viable (roche trop dure, V_s trop élevée), il faut employer une méthode de fragmentation plus puissante.

Réflexions

L'alternative principale et la plus courante pour les grands volumes de roche dure est l'abattage à l'explosif (ou minage). Cette technique consiste à forer la roche, à placer des charges explosives dans les trous, et à déclencher une explosion contrôlée pour fragmenter le massif. La roche fragmentée peut ensuite être chargée facilement par des pelles mécaniques.

Points à retenir

Alternative principale au ripage : Minage (abattage à l'explosif).
Pour de très petits volumes ou en zone urbaine sensible (où les vibrations sont interdites), on peut utiliser un Brise-Roche Hydraulique (BRH) monté sur une pelle, mais c'est beaucoup plus lent et coûteux pour les grands volumes.

Le saviez-vous ?

Le minage est une science complexe. L'espacement des trous (le "plan de tir"), le type d'explosif et la séquence de détonation (micro-retards) sont calculés précisément pour optimiser la fragmentation, contrôler les vibrations et éviter les projections de blocs.

Résultat Final

L'alternative principale est l'abattage à l'explosif (minage).

A vous de jouer

Le minage coûte 22 €/m³ (en place). Quel est le coût total pour abattre les 100 000 m³ de roche ?

Question 5 : Combien de camions faut-il allouer au minimum (évacuation en 5 jours) ?

Principe

Il faut d'abord calculer le volume total à évacuer par jour. Ensuite, on calcule la capacité d'évacuation d'un seul camion par jour. Enfin, on divise le besoin journalier par la capacité d'un camion pour trouver le nombre de camions.

Mini-Cours

C'est un calcul de "production" ou de "rendement d'atelier". Un "atelier de transport" est composé de plusieurs unités (camions). On dimensionne l'atelier pour qu'il absorbe la production de l'atelier de chargement (la pelle) et respecte le délai imposé (ici, 5 jours).

Remarque Pédagogique

La clé est de raisonner en "flux" (m³/jour).

Quel est le flux total nécessaire ? (Besoin)
Quel est le flux que peut gérer 1 camion ? (Capacité)
Combien de camions faut-il pour couvrir le besoin ? (Besoin / Capacité)

Normes

Il n'y a pas de "norme" pour ce calcul, c'est de l'organisation de chantier pure. Les seules normes qui s'appliquent concernent le respect des temps de conduite des chauffeurs et le Poids Total en Charge Autorisé (PTAC) des camions.

Formule(s)

Besoin journalier

V_{\text{jour}} = \frac{V_{\text{foisonné total}}}{Nb_{\text{jours}}}

Capacité d'un camion

\text{Cap}_{\text{camion/jour}} = \text{Capacité unitaire} \times \text{Nb. Rotations/Jour}

Nombre de camions

\text{Nb. Camions} = \frac{V_{\text{jour}}}{\text{Cap}_{\text{camion/jour}}}

Hypothèses

On suppose que les 12 rotations par jour sont fiables (le temps de cycle total : chargement, trajet aller, vidage, trajet retour, attente est constant). On suppose aussi que l'atelier de chargement (la pelle) peut charger à une cadence suffisante pour alimenter tous ces camions.

Donnée(s)

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Volume foisonné total (de Q2)	V_foisonné	165 000	m³
Délai	T	5	jours
Capacité unitaire camion	C_unit	18	m³
Rotations par camion	R_jour	12	rotations/jour

Astuces

Attention au "goulot d'étranglement". Si la pelle ne peut charger que 10 000 m³/jour, il est inutile d'allouer 153 camions. Le rendement de l'atelier de transport doit être en adéquation avec celui de l'atelier de chargement.

Schéma (Avant les calculs)

Schéma du flux de calcul.

Dimensionnement de la Flotte

Calcul(s)

Étape 1 : Calcul du volume journalier à évacuer

V_{\text{jour}} = \frac{165\,000 \text{ m}^3}{5 \text{ jours}} = 33\,000 \text{ m}^3/\text{jour}

Étape 2 : Calcul de la capacité d'un camion par jour

\text{Cap}_{\text{camion/jour}} = 18 \text{ m}^3/\text{rotation} \times 12 \text{ rotations/jour} \] \[ = 216 \text{ m}^3/\text{jour}

Étape 3 : Calcul du nombre de camions

\text{Nb. Camions} = \frac{33\,000 \text{ m}^3/\text{jour}}{216 \text{ m}^3/\text{jour}} \approx 152.77

Schéma (Après les calculs)

Le résultat est une valeur numérique unique.

Réflexions

Le calcul donne 152.77 camions. Il est impossible d'avoir 0.77 camion. Pour atteindre l'objectif de 33 000 m³/jour, il faut *toujours* arrondir à l'entier supérieur.

Points de vigilance

Arrondir au supérieur est crucial. Si l'on n'alloue que 152 camions, l'objectif ne sera pas atteint et le chantier prendra du retard. Il faut donc 153 camions.

Points à retenir

Le rendement d'un atelier se calcule en (m³/jour).
Le dimensionnement se fait en divisant le Besoin (m³/jour) par la Capacité unitaire (m³/jour/engin).
Toujours arrondir le nombre d'engins à l'entier supérieur.

Le saviez-vous ?

Les grands chantiers de terrassement utilisent des systèmes de gestion de flotte par GPS (type "Fleet Management"). Ils suivent en temps réel la position de chaque camion, le temps de chargement, et le temps de cycle pour optimiser les files d'attente et maximiser le rendement global.

FAQ

Questions fréquentes pour cette étape.

Résultat Final

Il faut allouer un minimum de 153 camions.

A vous de jouer

Si l'entreprise ne peut allouer que 100 camions, combien de jours faudra-t-il (arrondi au jour supérieur) ?

Mini Fiche Mémo

Synthèse de la Question 5 :

Objectif : Nb Camions = Besoin Total / Capacité Unitaire.
Attention : Toujours utiliser le volume FOISONNÉ pour le transport.
Règle : Toujours arrondir le nombre d'engins à l'entier supérieur.

Outil Interactif : Simulateur Coût Ripage vs Minage

Cet outil compare le coût total estimé du ripage (si possible) et du minage pour un volume donné. Le coût du ripage augmente fortement avec la dureté (V_s).

Paramètres d'Entrée

Volume en place (m³) 100 000 m³

Vitesse Sismique (m/s) 2 200 m/s

Résultats Clés (Coût Total Estimé)

Coût Total Ripage Estimé (€) -

Coût Total Minage Estimé (€) -

Glossaire

Foisonnement (C_f): Coefficient (toujours > 1) qui représente l'augmentation de volume d'un matériau (roche, terre) après son extraction, due à la création de vides.
Rippabilité: Capacité d'une roche à être fragmentée et extraite par un engin mécanique (bouteur équipé d'une dent de ripper) sans usage d'explosif.
Vitesse Sismique (V_s): Vitesse à laquelle les ondes sismiques (sonores) se propagent dans la roche. C'est un indicateur clé de sa compacité et de sa dureté.
Minage (Abattage à l'explosif): Technique de fragmentation de la roche dure à l'aide d'explosifs placés dans des trous de forage (foration).
Volume en place (ou bancaire): Le volume de matériau tel qu'il est dans le sol avant toute excavation. C'est le volume de base pour les métrés.