thumb|alt= id PB géomec|Les problèmes géomécaniques
La géomécanique est l’outil mathématique de la géotechnique ; elle synthétise la mécanique des sols, la mécanique des roches, l’hydraulique souterraine et une partie de la sismiquegéomécanique, sur le site cnrtl.fr.
Lors d’études géotechniques pour aménager et/ou exploiter la subsurface terrestre : projeter, construire et entretenir un ouvrage ; assurer la stabilité d’un talus de remblais ou de déblais, d’une excavation souterraine, d’un soutènement, estimer celle d’un versant naturel ; éviter la rupture et limiter le tassement d’une fondation d’ouvrage ; estimer le débit d’un puits, d’un drain, d’une fouille à épuiser... on doit poser des problèmes de géomécanique et les résoudre par le calcul ; ils concernent la déformation ou le déplacement du géomatériau, sol, roche et/ou eau, sous l’action de la gravité à laquelle peuvent s’associer des efforts spécifiques, induits par un événement naturel ou par la mise en œuvre du sous-sol d'un site de construction ; ce sont généralement des charges de remblais ou de fondations, des décharges de galeries ou de déblais, des pressions hydrostatiques ou de courant…
Définition La géomécanique que l’on confond généralement avec la géotechnique, est son outil mathématique, nécessaire mais insuffisant ; la géologie - géologie structurale, géomorphologie, géodynamique - et la géophysique – électrique, sismique - doivent en effet lui fournir les modèles de formes, d'états et de comportements des massifs de géomatériaux réels étudiés, dont elle a besoin pour fixer les conditions initiales - les états - et aux limites - les formes - de ses calculs analytiques ou numériques de comportements schématiques et figés de milieux virtuels, applications de théories fondées sur des « lois » linéaires, déterministes - Hooke, Coulomb, Terzaghi, Darcy.
En pratique géotechnique, la géomécanique, la géologie et la géophysique sont indissociables, interdépendantes et complémentaires. Les moyens de prospection géophysiques permettent une "visualisation" du sous-sol qui précisent les coupes géologiques - morphologie et structure : les modèles de forme obtenus par sondages et tomographies sismiques sont indispensables à la géomécanique pour valider ses modèles spécifiques de calculs.
Les milieux Pour le géomécanicien, un sol est un géomatériau meuble dont les paramètres mécaniques ont des valeurs faibles ; ce peut être une grave alluviale aussi bien qu’un granite arénisé... Il donne par contre au mot roche un sens beaucoup plus proche du sens commun en appelant roche un géomatériau compact et dur, dont les paramètres ont des valeurs élevées. L’état et le comportement mécanique d'un sol dépendent essentiellement de sa teneur en eau ; ceux d’une roche, de son degré d’altération, de fissuration et de fracturation.
Les milieux virtuels que manipule la géomécanique sont continus, immuables, homogènes, isotropes, libres, parfois non pesants (sans contrainte) ; ce sont les modèles de géomatériaux naturels, tangibles, discontinus, variables, hétérogènes, anisotropes, contraints, pesants..., réduits à quelques paramètres caractéristiques utilisés dans les calculs. On peut retenir : Sols : géomatériaux meubles, plus ou moins frottants et/ou plastiques dont la cohésion est faible. Elle diminue jusqu’à disparaître (liquéfaction) par accroissement de la teneur en eau. Paramètres caractéristiques : densité, teneur en eau, angle de frottement, cohésion... Roches : géomatériaux compacts et durs dont la résistance à la compression simple est supérieure à quelques MPa. Elle diminue et/ou disparaît par altération physique (hydratation), chimique (dissolution) et/ou mécanique (fragmentation). Paramètres caractéristiques : vitesse sismique, module d’élasticité, résistances à la compression, à la traction, au cisaillement...
Les disciplines géomécaniques L’étude du comportement mécanique des formations meubles de couverture, les sols, ressortit à la mécanique des sols, la plus ancienne, la plus connue et la plus pratiquée de ces disciplines parce que la plupart des problèmes géotechniques se posent pour la mise en œuvre de ces formations lors de la construction de la plupart des ouvrages de subsurface ; la mécanique des roches en est l’adaptation aux études du comportement mécanique des formations dures plus ou moins profondes. La distinction de la mécanique des sols et de la mécanique des roches qui manipulent les mêmes théories selon des démarches analogues est historique et pratique : depuis le : mécanique des sols aux terrassements et au bâtiment ; depuis le milieu du : mécanique des roches aux grands ouvrages - barrages, galeries…. L’étude de l’écoulement de l’eau dans le sous-sol perméable sous l’effet de la gravité et/ou par pompage ressortit à l’hydraulique souterraine. thumb|alt= Moyens géomécanique| Les moyens de recueil des données de la géomécanique
Ces trois disciplines ont pratiquement les mêmes moyens de recueil des données de terrain – sondages, essais in situ (pénétromètre, pressiomètre...) et de laboratoire (œdomètre, triaxial...), les mêmes modèles de formes géométriques ou numériques, très schématiques - deux dimensions, droites, cercles…, construits sur des données locales, peu nombreuses et peu précises - valeurs de quelques paramètres censés caractériser le milieu virtuel représentant le géomatériau (densité, angle de frottement, cohésion, perméabilité…) -, les mêmes méthodes de calcul - intégration d’équations de champs très complexes dont, au mieux, on ne connaît que les équipotentielles de surface. Cela impose des conditions initiales et aux limites simplistes à des calculs plus ou moins compliqués, réduits in fine à des formules biunivoques - à une seule et même cause (effort, pression, contrainte…) correspond toujours strictement un seul et même effet (déplacement, déformation, écoulement…) -, dont les résultats ne sont que des ordres de grandeur. Depuis le , ces résultats ont été successivement obtenus par des méthodes de calcul graphiques, puis trigonométriques, analytiques et enfin numériques que, maintenant, on utilise plus ou moins conjointement.
Démarche de la géomécanique En pratique, selon la nature et la structure du sous-sol du site étudié et à partir de données obtenues sur le terrain et/ou au laboratoire par la géologie, la sismique, les sondages et les essais, la démarche de la géomécanique consiste à bâtir un modèle de forme géométrique ou numérique, à imposer au milieu virtuel dont il est constitué le modèle de comportement correspondant au problème géotechnique posé, puis à appliquer la méthode de calcul adéquate pour obtenir le résultat attendu.
Le modèle de forme doit être assez simple pour que sa manipulation mathématique soit commode et efficace : l’espace est à deux dimensions dans le plan des contraintes principales ; les figures sont les coupes perpendiculaires selon l’axe de la contrainte moyenne ; les limites sont généralement des segments de droite et des arcs de cercle, plus rarement des arcs d’ellipse, de spirale logarithmique, de cycloïde... ; l’extension des parties non limitées des figures est infinie. Le milieu virtuel est continu, homogène, isotrope, libre de contraintes, confiné, immuable, réduit à des paramètres de résistance, perméabilité, compressibilité… mesurés au moyen d’essais plus ou moins normalisés in situ ou sur échantillons. Le géomatériau est constitué entre autres de matière minérale et d’eau ; si on néglige l’eau dans son comportement, le milieu est monophasique ; si on ne la néglige pas, il est biphasique.
Son modèle de comportement est généralement une relation cause-effet déterministe : une action mécanique extérieure – force, pression – produit une réaction du modèle – déplacement, déformation – et/ou du milieu – contrainte, rupture, écoulement… Dans la plupart des cas, on calcule la grandeur de l’effet selon l’"intensité" de la cause par une formule biunivoque issue d’un calcul d’intégration théorique : on obtient l’état statique final que le modèle de forme atteint instantanément à partir de son état statique initial. Ainsi, un événement géomécanique est l’effet instantané d’une action isolée intemporelle ; il est déterminé par une "loi" qui contraint l’action ; théoriquement, on peut le reproduire à l’identique n’importe où et n’importe quand ; le milieu virtuel dans lequel il se manifeste est transformé instantanément ; il n’évolue pas.
Les milieux, les modèles de forme et de comportement de la géomécanique doivent être compatibles avec ceux de la géologie, mais ils ne peuvent manifestement pas l’être : la lithologie indique que les roches sont bien plus diverses et variées que les milieux de la géomécanique, réduits à trois "sols" types, des sols meubles – sable (frottant) et argile (plastique) éventuellement mêlés en quantités variables – et des roches dures – quelle qu’en soit la nature (élastique ?) ; la géologie structurale et la géomorphologie indiquent que les formes naturelles des formations rocheuses ne peuvent jamais être réduites à des formes géométriques simples : aucun géomatériau n’est homogène et isotrope, indéfiniment identique à lui-même vers la profondeur et latéralement ; la surface du sol, d’une strate, d’une faille n’est jamais plane et ne fait jamais un angle constant par rapport à un repère horizontal ou vertical ; aucun pli n’est cylindrique… ; la géodynamique indique que le géomatériau altérable n’est pas immuable, qu’il ne réagit pas instantanément et de façon convenue aux diverses actions auxquelles il peut être soumis…
Ainsi, la démarche géomécanique strictement déterministe conduit bien à un résultat mathématique précis, mais pour l’obtenir, il a fallu schématiser la réalité géologique de sorte qu’il n’a qu’une valeur pratique d’ordre de grandeur ; on le minore donc au moyen d’un coefficient de sécurité afin que l’ouvrage projeté et construit sur sa base soit solide, propre à sa destination et le reste sans subir de dommage ; pour ne pas surdimensionner l’ouvrage, ce coefficient doit être aussi petit que possible, mais on ne sait pas comment y parvenir par le calcul ; il reste donc toujours ce que Verdeyen appelait une poudre de perlimpimpin.
Les théories Au moyen de courbes graphiques temps-effort-déformations, l’analyse qualitative de ce comportement complexe est possible mais insuffisante pour obtenir un résultat particulier ; pour le faire mathématiquement, il faut analyser chaque étape du comportement – élasticité, plasticité, rupture - au moyen d’une théorie trop spécifique d’un problème type pour être généralisée sans devoir recourir à des développements compliqués et mal fondés ; ainsi, dans l’état actuel de nos connaissances mais sans doute par essence, une théorie unitaire de la géomécanique ne peut pas être formulée : c’est ce que pensent la plupart des praticiens (Collin, Fellenius, Terzaghi…), mais pas toujours les théoriciens (Poncelet, Boussinesq, Caquot…) qui s’efforcaient d’y parvenir, vainement jusqu’à présent, sauf peut-être Ménard avec la théorie du pressiomètre qui ne s’applique en fait qu’à l’usage de cet appareil et à la méthode de calculs correspondante.