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# Géotechnique et Monuments Historiques

Thierry Verdel

► To cite this version:

Thierry Verdel. Géotechnique et Monuments Historiques: Aspect méthodologiques. Ecole des Mines de Nancy; Université de lorraine. 1990, pp.158. hal-04336425

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Submitted on 13 Dec 2023

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Géotechnique
et
Monuments Historiques

aspects méthodologiques

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Thierry VERDEL
Géotechnique
et
Monuments Historiques

aspects méthodologiques

Diplôme d'Etudes Approfondies
en
Génie Civil et Minier

Septembre 1990

En couverture :
Ensemble de la
Cathédrale de Pise,
XII ième siècle

Thierry VERDEL

<figure><img src="image_3.png" /></figure>
□ “ Plusieurs adjonctions ou des modifications apportées au monument primitif en ont changé, soit les conditions de stabilité, soit la forme, soit les combinaisons premières de l’écoulement des eaux, des poussées, des résistances ; le constructeur archéologique ne doit pas se borner, dans ce cas, à constater le mal, il doit en rechercher l’origine, il doit soumettre les restaurations qu’il propose, non plus à un principe absolu, mais à une foule de considérations basées sur la variété des moyens employés par les constructeurs qui ont continué l’oeuvre en dehors des conditions premières dans lesquelles le monument a été élevé. Son but doit être de conserver à chaque partie du monument son caractère propre et cependant de faire que toutes ces parties réunies ne se nuisent pas entre elles, mais soient maintenues ensemble dans un état de conservation durable et simple. Une semblable tâche est difficile, elle devient épineuse dans un édifice de la dimension de la cathédrale d’Amiens où tant, et de si inintelligentes restaurations ont déjà été exécutées depuis plusieurs siècles. Il y a là un égal danger à faire trop ou trop peu ...”

Viollet le Duc, le 24 septembre 1845 [17]
# Sommaire

## Introduction 1

## 1. Les Monuments et les Sites Historiques : définitions 3

### 1.1 Les Monuments historiques 4

### 1.2 Classement et inscription 5

### 1.3 Les Sites 6

### 1.4 Les objets mobiliers 7

### 1.5 Conclusion, exemples 7

## 2. Nature des problèmes affectant les monuments et les sites historiques 9

### 2.1 Action destructrice de la nature 10

#### 2.1.1 Les radiations solaires 11

#### 2.1.2 La température et la dilatation thermique 11

#### 2.1.3 L'humidité 14

#### 2.1.4 La pluie 16

#### 2.1.5 Le vent 16

#### 2.1.6 La foudre 16

#### 2.1.7 Les désastres naturels 17

#### 2.1.8 Les êtres vivants - la biodégradation 21

#### 2.1.9 Conclusions 22

### 2.2 Action destructrice de l'homme 23

#### 2.2.1 Les ravages dus aux guerres 23

#### 2.2.2 Les destructions volontaires 24

#### 2.2.3 L'usure par contact 25

#### 2.2.4 La respiration-transpiration de l'homme 26

#### 2.2.5 L'entretien négligé - les restaurations mal concues 26

#### 2.2.6 La pollution atmosphérique 28

#### 2.2.7 Les mutations d'activités humaines 30

#### 2.2.8 Les travaux proches - la circulation 31

### 2.3 Action du temps 34

#### 2.3.1 L'action du temps sur l'édifice lui-même 34

#### 2.3.2 L'action du temps sur l'environnement d'un édifice historique (ou sur un site historique) 36

##### 2.3.2.1 Instabilités de falaises et de pentes 38

##### 2.3.2.2 Affaissements 42

##### 2.3.2.3 Ouvrages historiques souterrains 46

### 2.4 Conclusion 49
# 3. Les méthodes et les Techniques de Diagnostic 50

## 3.1 L'état de conservation 52

### 3.1.1 La géométrie 52

### 3.1.2 La géologie 53

### 3.1.3 Caractérisation des sols, des roches ou des pierres 54

### 3.1.4 Evènements structuraux 55

### 3.1.5 L'eau 56

### 3.1.6 Conclusion 56

## 3.2 L'état de stabilité 58

### 3.2.1 Les mesures in situ 58

### 3.2.2 Les calculs simples 60

### 3.2.3 Les calculs numériques - la modélisation 73

## 3.3 L'évolution possible 80

### 3.3.1 Nature et but de la surveillance 80

### 3.3.2 Techniques instrumentales de surveillance 81

### 3.3.3 Surveillance des structures 84

### 3.3.4 Surveillance des sols de fondation 86

### 3.3.5 Surveillance des sols et massif rocheux environnants 88

### 3.3.6 Interprétation des mesures 90

### 3.3.7 Exemples 92

## 3.4 Les risques 97

### 3.4.1 Définition 97

### 3.4.2 Quantifier le risque 98

## 3.5 Les marges de sécurité 102

## 3.6 Précautions à prendre 103

### 3.6.1 Conservation et restauration 103

### 3.6.2 Conservation et géotechnique 103

## 3.7 Remèdes possibles 105

### 3.7.1 Le soutènement porteur 105

### 3.7.2 Béton projeté et maçonnerie 106

### 3.7.3 Les ancrages 108

### 3.7.4 Techniques de consolidation de terrain 110

# 4. Cas d'application : la carrière des Combarelles 116

## 4.1 Introduction 116

## 4.2 La carrière des Combarelles 116

### 4.2.1 Signes d'instabilité 116

### 4.2.2 Travaux de reconnaissance 118

### 4.2.3 Premiers résultats 118

### 4.2.4 Premières conclusions 119

### 4.2.5 Premières hypothèses 119

### 4.2.6 Premières recommandations 120

## 4.3 Modélisation : première approche 120

### 4.3.1 Introduction 120

### 4.3.2 La méthode des éléments finis 121
4.3.3 Le logiciel - les données générales 121

4.3.4 Les différents modèles 123

4.3.5 Interprétation des résultats 124

4.3.6 Conclusion de cette première approche 131

4.4 Modélisation : deuxième approche 133

4.4.1 Introduction 133

4.4.2 Fluage et tassement du sous-sol 133

4.4.3 Poussée et tassement du sous-sol 136

4.5 Conclusion globale sur cette étude 137

Conclusion 139

Bibliographie 141

Annexes 146

A.1. Charte Internationale sur la Conservation et la Restauration des Monuments et des Sites, (ICOMOS-VENISE-1966) 147

A.2. Les Organismes, les Services et les Centres de Documentation 151
Introduction

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# Introduction

Ce mémoire constitue principalement un travail de recherche documentaire qui se place à l'interface des préoccupations de l'architecte et de celles du géotechnicien en matière de conservation et de restauration des monuments et des sites historiques.

Il se présente sous la forme d'une revue générale des problèmes affectant les monuments et les sites historiques en trois parties, suivie d'une proposition de méthodologie à appliquer en vue d'établir un diagnostic "géotechnique" sur l'état de stabilité d'un monument ou d'un site historique. Vient ensuite une application de cette méthodologie dans le cas de la carrière des Combarelles (Dordogne, France) qui n'est pas à proprement parler un site historique mais, à défaut de disposer d'un tel site, celui-là y ressemble.

La revue générale des problèmes est présentée comme un inventaire organisé de façon à faire ressortir l'origine de ces problèmes : action de la nature, action de l'homme, action du temps. Si ce choix présente des inconvénients par rapport à un classement phénoménologique car il est parfois difficile de séparer l'action de l'un et l'autre de ces facteurs, il a le mérite de répondre à une exigence actuelle en matière de restauration que Mr Jean Taralon (inspecteur général des monuments historiques) a très clairement exprimée de la façon suivante : "... en bref, intervenir seulement sur les effets du mal et non sur ses causes, est une conception qu'on doit tenir à l'heure actuelle pour périmée."[3].

D'autre part, un tel classement met plutôt en exergue les disciplines ou les métiers qui participent à l'étude et à la restauration des monuments comme la géographie, la climatologie, la pétrographie, la politique, le génie civil, la géotechnique, etc, alors qu'une présentation phénoménologique met plutôt en avant les sciences telles que la chimie, la physique et la biologie. Evidemment on gardera à l'esprit le rôle primordial tenu par les architectes, les archéologues et les historiens dans toute étude concernant un monument ou un site historique.

Les méthodes et techniques de diagnostic retenues dans ce travail ont été principalement empruntées à la discipline géotechnique car on se bornera ici à chercher à évaluer l'état de stabilité **global** d'un monument ou d'un site, et non l'état de conservation de ses éléments constitutifs (les pierres, ...).

Enfin, on tentera avant tout de donner une définition aussi simple et aussi "officiellement" reconnue que possible des monuments et des sites dits historiques.
Première partie

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LES MONUMENTS ET
LES SITES HISTORIQUES :
DEFINITIONS
# 1. Les Monuments et les Sites Historiques : définitions

La définition des monuments historiques a évolué au fil des lois et selon les pays. C'est la Charte de Venise<fnref n="1" /> (1964) qui a approfondi la notion de monument historique au niveau international. Selon elle, il s'agit de "toute création architecturale, isolée ou groupée, qui porte témoignage d'une civilisation particulière, d'une évolution significative ou d'un évènement historique". La notion de site historique est, par contre, plus difficile à définir. La Charte de Venise l'évoque en indiquant que "la conservation d'un monument implique celle d'un cadre à son échelle". Un site historique pourrait donc s'identifier à ce cadre. Néanmoins, comme nous allons le voir avec la réglementation française, il n'est pas simple de s'arrêter à des définitions précises et sans équivoque.

## 1.1 Les Monuments historiques [1]

Les peuples ont pris tardivement conscience des valeurs qu'il convient de protéger contre les initiatives du progrès. En France, cette notion est née au XVIIIème siècle. Elle s'est développée au XIXème siècle quand les romantiques notamment ont réclamé de façon virulente qu'une réglementation permette de sauver ce qui méritait d'être transmis aux générations futures. C'est l'époque où Victor Hugo écrit "Notre Dame de Paris" (1830) ainsi que celle où Mérimée, l'auteur de "Carmen", est nommé Inspecteur Général des Monuments Historiques (1834), Viollet le Duc, précurseur dans la restauration des monuments historiques, se fait connaître à cette époque également. La première loi concernant ce sujet fut votée en 1887 mais c'est surtout au XXème siècle qu'un pas décisif fut franchi avec la loi du 31 décembre 1913, qui est toujours appliquée aujourd'hui.

Les principes essentiels de cette loi, complétée et amendée à plusieurs reprises depuis 1913, sont les suivants :

- pour être **classé** ou **inscrit** un immeuble doit présenter un intérêt historique ou artistique que seules l'autorité ministérielle et l'autorité régionale compétente sont en droit de juger<fnref n="2" /> en s'appuyant sur un service spécialisé appelé Service des Monuments Historiques.

- tous les biens immeubles (ou meubles) peuvent devenir des monuments historiques, **quel qu'en soit le propriétaire**.

- les biens immeubles (ou meubles) de toutes les époques sont concernées par cette loi, dans la mesure où ils présentent un intérêt historique **ou** artistique. Seules les oeuvres dont l'auteur est vivant ne peuvent être ni classées, ni inscrites.

- pour être protégé par la législation, le bien doit être une oeuvre **humaine** (les grottes préhistoriques qui ne sont pas ornées échappent donc à ce critère). De la même façon, les réalisations de la nature, si rares et harmonieuses qu'elles puissent être ne peuvent être protégées au titre de la loi du 31 décembre 1913. (Il faut noter que les fouilles et les sites

<footnote n="1">¹ voir annexe 1</footnote>

<footnote n="2">² La loi du 15 novembre 1984 intégrée dans la loi de 1913 donne au commissaire de la République de région le pouvoir d'**inscrire** sur l'inventaire supplémentaire les immeubles répondant aux critères de la loi de 1913. Pour le classement, seul le ministre a autorité [4]</footnote>
naturels sont soumis à d'autres législations, voir sites).

- le ministre (de la Culture) peut **tout** protéger au titre de la loi à condition de respecter une certaine procédure qui a pour but d'éviter les erreurs et les abus. La Commission Supérieure des Monuments Historiques doit notamment être consultée (sans que son avis soit forcément pris en compte) et l'accord du propriétaire ou de l'affectataire de l'immeuble doit être recueilli. En cas de désaccord ou de litige entre les parties concernées, le classement peut être arrêté en Conseil d'Etat.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Viollet le Duc en 1878</figcaption></figure>

## 1.2 Classement et inscription [1]

Les deux premiers articles de la loi du 31 décembre 1913 définissent deux mesures administratives destinées à assurer la protection des immeubles concernés par ces mesures : le **classement** sur l'inventaire général et l'**inscription** sur l'inventaire supplémentaire des monuments historiques.

La première requiert la signature du ministre, la seconde, celle du commissaire de la République de région. Ces deux mesures différent par les raisons suivantes :

- **l'inscription** ne fait peser que peu d'obligations sur le propriétaire, elle l'oblige simplement à ne rien faire sur l'immeuble (ou partie de l'immeuble) inscrit sans aviser le ministre quatre mois au préalable. Le ministre ne pourra néanmoins s'opposer aux travaux envisagés qu'en engageant la procédure de classement.

- **l'immeuble classé** ne peut être détruit ou déplacé même en partie, ni être l'objet d'un travail de restauration, de réparation ou de modifications quelconques si le ministre n'y a donné son consentement (article 9 de la loi du 31.12.1913).

De même, un monument classé est imprescriptible, c'est-à-dire qu'il ne peut s'acquérir par prescription. Aucune servitude ne peut être établie sur un immeuble classé sauf agrément du ministre (ex : une servitude d'alignement). Un immeuble classé est cessible (donné ou vendu) à condition que le ministre en soit informé.

On notera que les 87 cathédrales de France qui appartiennent d'ailleurs à l'Etat sont classées en totalité parmi les monuments historiques ([26]p12).
## 1.3 Les sites

La notion de site est plus difficile à cerner du point de vue de la législation. En effet, pas moins de quatre lois concernent leur protection<fnref n="3" />. Néanmoins, la tendance actuelle recommandée par les ministères chargés de l'urbanisme et des affaires culturelles, est la création des Z.P.P.A.U. (Zones de Protection du Patrimoine Architectural et Urbain), portant sur un périmètre précisément délimité autour des monuments historiques et dans les quartiers et sites à protéger ou à mettre en valeur, dès lors que des raisons d'ordre esthétique, historique ou plus généralement des raisons d'ordre scientifique, légendaire ou pittoresque peuvent être évoquées<fnref n="4" />.

La création d'une Z.P.P.A.U. relève de la loi du 7 janvier 1983, le commissaire de la République de région arrête la décision de création tandis que les effets de cette création sont similaires aux effets du classement d'un monument historique<fnref n="5" />.

Les abords des monuments historiques (classés ou inscrits) peuvent par ailleurs être contrôlés par la loi du 31 décembre 1913 qui définit un périmètre de 500 m de rayon autour du monument à l'intérieur duquel tout immeuble nu ou bâti, visible du monument ou en même temps que lui ne peut faire l'objet d'aucune transformation sans autorisation préalable [1], mais la Z.P.P.A.U. tend à se substituer à cette mesure pour éviter les ambiguïtés.

D'autre part, la protection des monuments naturels et des sites peut relever de la loi du 2 mai 1930. Les dispositions de cette loi sont proches de celle de 1913 et on y retrouve les notions de **sites classés ou inscrits**. Le ministre des affaires culturelles a autorité pour arrêter l'inscription ou le classement tandis que c'est la commission départementale (ou supérieure) des sites, perspectives et paysages qui examine les dossiers. Le préfet joue ici un rôle d'interlocuteur entre les parties concernées.

Dans le cadre de cette loi, une zone de protection spéciale peut être établie autour des monuments naturels ou des sites inscrits ou classés par arrêté du Conseil d'Etat. Dans ce cas, le site est déclaré d'intérêt général et devient un **site protégé**. Dès lors, tous les travaux de quelque nature qu'ils soient et intéressant cette zone doivent être soumis pour avis au ministre des affaires culturelles [4].

Enfin, d'après le code de l'Urbanisme, des secteurs dits **"secteurs sauvegardés"** peuvent être créés et délimités quand ils présentent un caractère historique, esthétique ou de nature à justifier la conservation, la restauration et la mise en valeur. Cette procédure est arrêtée par une décision conjointe du ministre chargé de l'urbanisme et du ministre chargé de l'architecture ou en Conseil d'Etat en cas de problèmes. Un plan de sauvegarde et de mise en valeur est alors établi tandis qu'une autorisation préalable est requise pour tous les travaux affectant ces secteurs. Le quartier du Marais à Paris, le secteur de la Balance à Avignon ainsi qu'un secteur de 150 hectares à Nancy comprenant notamment le cours Léopold, la place Carrière, la place Stanislas, la Pépinière, l'ensemble de la vieille ville, etc, constituent des secteurs sauvegardés [25].

<footnote n="3">³ lois du 31 décembre 1913, du 2 mai 1930, du 7 janvier 1983 et code de l'urbanisme [4].</footnote>

<footnote n="4">⁴ circulaire n° 85-45 du 1 juillet 1985 [4]</footnote>

<footnote n="5">⁵ l'autorisation des travaux peut être donnée par le commissaire de la République de région après avis de l'architecte des bâtiments de France qui joue un rôle prépondérant de contrôle, ou par le ministre de l'urbanisme si c'est lui qui a créé la Z.P.P.A.U.</footnote>
Finalement, quand une Z.P.P.A.U. englobe un site classé ou inscrit ou un monument historique classé ou inscrit, les effets de la création de la Z.P.P.A.U. prévallent sur ceux prévus par la loi de 1930 (sites inscrits ou classés) et sur les règles attachées aux abords des monuments historiques. Par contre, la loi de 1913 (monuments historiques) a priorité en ce qui concerne la protection des monuments historiques eux-mêmes.

Un site protégé (loi de 1930) ou un secteur sauvegardé (code de l'urbanisme) ne peut coexister avec une Z.P.P.A.U.. Mais un site protégé peut devenir une Z.P.P.A.U. ou un site classé en tout ou partie.

## 1.4 Les objets mobiliers

Peuvent être classés ou inscrits au titre de la loi du 31 décembre 1913, les objets mobiliers, soit meubles proprement dits, soit immeubles par destination qui présentent un intérêt historique, artistique, scientifique ou technique. Les immeubles par destination classés redeviennent alors des meubles proprements dits [4]. Parmi les objets immeubles par destination, on compte les vitraux, les orgues, les fresques murales, ...

## 1.5 Conclusion, exemples

Le terme "monuments historiques" évoque donc la notion de patrimoine architectural, mais juridiquement, il recouvre moins un domaine qu'une technique de protection visant les objets les plus divers [2].

En plus des édifices protégés pour des raisons historiques ou artistiques, il y a les **objets mobiliers** parmi lesquels des immeubles par destination ou par fixation à perpétuelle demeure (vitraux, fresques, orgues...).

La notion d'immeuble couvre également les monuments mégalithiques et les terrains qui renferment des stations ou gisements préhistoriques [2].

Dans la suite nous entendrons par monuments historiques, tout immeuble (ou meuble) classé ou inscrit comme il a été défini par la loi du 31 décembre 1913.

Parmi ces immeubles (ou meubles), les catégories suivantes seront différenciées :

- les **édifices** (ou constructions bâties) telles que les cathédrales, les châteaux, les pyramides ou les monuments mégalithiques...

- les **ouvrages souterrains**, creusés ou façonnés par l'homme comme les tombes souterraines, les habitations, les grottes ornées (donc façonnées par l'homme)...

- les **objets mobiliers** comme des fresques murales, des vitraux, des orgues etc...

Enfin, nous entendrons par **site historique**, une zone (au sens de Zone de Protection du Patrimoine Architectural et Urbain) renfermant ou non un monument historique dont la protection présente au point de vue historique, artistique, architectural, patrimonial ou paysager, un intérêt public et reconnu comme tel. Ce terme conviendrait donc à une cité historique (le Mont St Michel), à un quartier historique à l'intérieur d'une ville, à un temple aux multiples
constructions, à un lieu (un plateau, une vallée, une falaise, ...) renfermant un ou plusieurs monuments historiques, à un espace paysager lié à un ensemble bâti ou façonné comme un canal ou un ouvrage d'art, à un village ancien, à une station balnéaire du début du siècle ...
Deuxième partie

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

NATURE DES PROBLEMES
AFFECTANT LES MONUMENTS
ET LES SITES HISTORIQUES
## 2. Nature des problèmes affectant les Monuments et les Sites historiques

Parmi les causes de détérioration des monuments et des sites historiques, la plus uniforme et universelle est la gravité qui s'exerce inlassablement sur les structures d'un monument et sur son environnement. Grâce au temps qui passe et par phénomène entropique, la gravité contribue à détruire les oeuvres humaines.

L'étude de cette cause qui entre dans ce que l'on appelera l'action du temps, relève principalement du génie civil et de la géotechnique.

Vient ensuite l'action de l'homme qui par le développement de ses activités ou de façon plus directe, engendre une altération souvent très rapide de son environnement et de son patrimoine architectural. L'étude de ces altérations peut relever de plusieurs sciences conjointement dont principalement la chimie, la géologie, la physique mécaniste ou la biologie.

Enfin, l'action de la nature, ou plus précisément les conditions climatiques et environnementales participent aux phénomènes de détérioration des monuments et des sites historiques de façon variable selon les régions du monde. Comprendre cette action, c'est faire conjointement ou séparément de la géographie au sens large, de la géologie, de la chimie, de la biologie, éventuellement de la sismologie ou du génie civil.

En fait, cette classification peut paraître arbitraire car les différents processus se combinent généralement de telle manière qu'il devient difficile d'étudier séparément les trois types d'actions relevés ci-dessus. Malgré tout, ces actions seront présentées séparément par souci de simplicité et le chapitre "l'action du temps" comprendra une partie consacrée aux phénomènes strictement géotechniques.

### 2.1 Action destructrice de la nature

L'action de la nature sur la dégradation des monuments et des sites historiques intervient sous différentes formes : celles plus ou moins dépendantes du climat, l'action des êtres vivants ou la biodégradation et les désastres naturels. Le climat, dans tous ses aspects, est une des causes principales de la dégradation des monuments historiques dans la mesure où il touche les matériaux de construction ou de façonnage de ces monuments et par suite, leur structure. Par exemple, un mur de briques séchées résistera plusieurs milliers d'années en milieu désertique très aride (ex : certains mastabas égyptiens datant de 4000 A.C.) alors qu'en milieu humide, 10 années suffiront à le détruire entièrement. La résistance des matériaux aux agents climatiques décroît donc avec le temps et avec l'exposition à ces agents qui sont principalement les radiations solaires, les variations de température, l'humidité de l'air ou du sol, la pluie, le vent, la foudre...

Des effets microclimatiques peuvent s'ajouter à ces agents principaux quand on note par exemple la présence voisine de la mer, d'un lac gelé, quand on se situe à l'ombre d'une montagne, etc... Les ravages produits par les désastres naturels seront évoqués aussi à la fin de cette partie.
### 2.1.1 Les radiations solaires

Les radiations solaires déterminent principalement les conditions climatiques d'une région. De longueur d'onde variant de 0,2 µm (ultraviolet) à 8 µm (infrarouge), ces radiations sont plus ou moins absorbées par les matériaux, leur fournissant ainsi une énergie qui peut participer à leur détérioration. Les radiations les plus énergétiques sont celles qui ont la plus petite longueur d'onde (la plus grande fréquence : $E = h\nu)^{1}$, c'est-à-dire, ici, les rayons ultraviolets. Ce sont eux qui sont les plus nocifs, particulièrement pour les matières organiques tels que le bois, les textiles et les pigments et ils peuvent entrainer un changement de couleur, un effritement, une perte de substance de ces matériaux et activer des réactions de vieillissement. Par exemple, une pièce de bois non protégée peut s'éroder à une vitesse de 5 à 6 mm tous les 100 ans par l'influence combinée des ultraviolets et des variations rapides d'humidité, [6]-p.94.

Sur les roches ou les pierres, l'influence de ces radiations et notamment des infrarouges, est moindre mais elles contribuent à augmenter leur température superficiellement, ce qui est à l'origine d'un gradient de température et a d'autres effets.

### 2.1.2 La température et la dilatation thermique

Les variations de température proviennent essentiellement de la chaleur fournie par le rayonnement solaire durant le jour (de l'ultraviolet à l'infrarouge) et de la perte de chaleur par rayonnement infrarouge (la terre rayonne en infrarouge) et phénomène de convection durant la nuit. Les roches et les matériaux de construction se réchauffent par rayonnement solaire de trois façons : directement en recevant les rayons du soleil, indirectement par effet de serre à travers un vitrage et indirectement via l'air ambiant dont la température augmente par le rayonnement solaire. Les zones ombragées subissent moins ces variations journalières de la température, et restent simplement affectées par les variations saisonnières.

Un matériau se dilate quand sa température augmente et se contracte dans le cas contraire ce qui est une cause importante de la dégradation de certains édifices. De plus, la couleur des roches ou des pierres influence ce processus de dilatation-contraction, une roche sombre et mate absorbant plus de chaleur qu'une roche claire et réfléchissante. L'amplitude de ce phénomène dépend bien sûr des variations de température externe (figure 1 et 2), mais aussi de l'épaisseur du matériau (quand c'est une pierre taillée ou un banc rocheux), de ses caractéristiques thermiques (Tableau 1) et mécaniques ainsi que de l'hétérogénéité plus ou moins grande de sa composition (les grains minéraux différents pouvant se dilater différemment).

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 1 : Comparaison théorique de la température moyenne de l'air ambiant (a) et de celle de la surface d'un large mur de maçonnerie (b), [6]-p.98.</figcaption></figure>

<footnote n="1">¹ ν : fréquence du photon ; h : constante de Planck = 6,62 · 10⁻²⁷.</footnote>
<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 2 : Répartition théorique de la température à l'intérieur d'un large mur de maçonnerie, [6]-p.98.</figcaption></figure>

Il n'est pas rare qu'une pierre de construction ait une température nettement supérieure à l'air ambiant (ex : 40° C pour l'air ambiant et 70° à 80°C pour la surface des grès, en Haute Egypte, [9]-p.826). Evidemment, les variations journalières de température dépendent du climat. Elles sont faibles dans les régions tropicales ou équatoriales humides, moyennes dans un climat océanique tempéré, importantes dans les régions désertiques extrêmement arides. A titre d'exemples, les variations de température mesurées à la surface de pierres peuvent atteindre les valeurs maximales suivantes ([6]-p.95) :

- 5°C/h à Borobudur (Indonésie) (de 25 à 45°C en 4 heures)

- 3,25°C/h à Abu-Simbel (Egypte) (de 15 à 41° C en 8 heures)

- 16°C/(demi-heure) à Persepolis (Iran) (de 2 à 34°C en 6 heures).

Ces variations de température portent leurs effets sur les couches externes des roches et des pierres car on peut considérer qu'au delà de 50 mm de la surface, la température de celles-ci ne subit pas de variations journalières [6].

D'un point de vue mécanique, ces variations de température induisent des contraintes dites contraintes thermiques dont les valeurs dépendent de cinq facteurs principaux.

- l'écart de température $\Delta T (°C)$

- le coefficient de dilatation thermique $\lambda (°C^{-1})$

- le module d'élasticité du matériau E (Pa)

- le confinement de la roche ou de la pierre

- la présence d'eau, d'humidité.
<table><caption>Tableau 1 : Coefficients de dilatation thermique linéaire de matériaux utilisés en construction, [6]-p.94.</caption><thead><tr><th>Matériaux</th><th>Coefficient de dilatation thermique linéaire x 10<sup>-6</sup> (m/m)°C<sup>-1</sup></th></tr></thead><tbody><tr><td>Béton</td><td>10</td></tr><tr><td>Calcaire</td><td>7</td></tr><tr><td>Brique</td><td>5</td></tr><tr><td>Granite</td><td>8</td></tr><tr><td>Fer</td><td>11</td></tr><tr><td>Acier</td><td>10 à 14</td></tr><tr><td>Cuivre</td><td>16,8</td></tr><tr><td>Plomb</td><td>29,4</td></tr><tr><td>Pin (direction des fibres)</td><td>5,4 (direction perpendiculaire : 34,1)</td></tr><tr><td>Chêne (direction des fibres)</td><td>3,4 (direction perpendiculaire : 28,4)</td></tr><tr><td>Résines époxy</td><td>60</td></tr></tbody></table>

En effet, en absence d'eau par exemple, la contrainte qui se développe dans un objet en pierre s'écrit de façon simplifiée :

$$ \sigma = E\varepsilon = E\frac{\Delta l}{l} $$

Δl : déformation longitudinale parallèle à la direction de contrainte.

l : longueur de l'objet

or :

$$ \lambda = \frac{\Delta l}{l} \times \frac{1}{\Delta T} $$

d'où :

$$ \sigma = E \lambda \Delta T $$

Pour un calcaire soumis à une variation thermique de 40°C et ayant les caractéristiques suivantes :

$$ \lambda = 7 \times 10^{-6} \left( \frac{m}{m} \times \frac{1}{^{\circ}\text{C}} \right) $$ $$ E = 1,2 \times 10^{10} \text{ Pa} (120 000 \text{ bars}) $$

On obtient $\sigma = 3,36 \times 10^6 \text{ Pa} = 33,6 \text{ bars}$ ce qui peut être supérieur à la résistance à la traction du calcaire. Cette dilatation (puis contraction) a peu d'effet si l'objet est libre de se dilater, mais elle peut engendrer des désordres si l'objet est bloqué de façon rigide [7]. Par
exemple, des objets de faible épaisseur comme les dalles peuvent subir des flexions déformantes qui se traduisent par des incurvations et des bombements caractéristiques.

On mesure alors l'importance qu'il y a dans un édifice à utiliser des pierres de caractéristiques thermiques uniformes pour éviter des déformations différentielles dans la structure de l'édifice et aussi à utiliser, entre les pierres, des joints d'expansion correctement dimensionnés pour éviter aux efforts de se propager d'une pierre à l'autre.

De plus, si l'eau est présente dans une pierre réchauffée par le soleil, deux phénomènes apparaissent qu'il ne faut pas négliger dans l'étude des mécanismes possibles de dégradation :

- une évaporation de l'eau présente dans les capillaires superficiels du matériau avec un mouvement consécutif du liquide de l'intérieur vers l'extérieur. Environ 70 % de la totalité de l'eau peut ainsi être mobilisée, exerçant des pressions lors de l'évaporation sur les couches les plus externes de la pierre qui peuvent conduire à l'apparition d'exfoliations [7].

- une dilatation de l'eau présente sous forme de couche monomoléculaire dans la pierre.

### 2.1.3 L'humidité

La présence d'eau sous toutes ses formes peut causer ou accélérer l'altération d'une pierre ou d'une roche. Cette eau peut provenir de la pluie par contact direct avec la pierre ou la roche puis par absorption. Elle peut également provenir d'un mouvement capillaire de l'eau contenue dans le sol ou dans une nappe souterraine, l'amplitude de ce phénomène dépendant en grande partie de la taille des pores et de leur distribution ainsi que de la quantité d'eau évaporée à la surface de pierre (figure 3). La montée capillaire de l'eau dans un édifice en pierre peut atteindre 8 à 10 m de hauteur et très couramment 4 à 5 m ([6]-p.99). C'est cette eau qui est souvent la plus destructrice pour la pierre car elle transporte généralement des sels en provenance du sol qui, quand l'eau s'évapore, cristallisent et exercent ainsi des efforts à l'intérieur de la pierre (figure 4).

Enfin, l'eau peut pénétrer dans la pierre ou la roche simplement par contact avec une atmosphère humide et ceci par condensation (air chaud contre pierre froide) ou par contact avec de l'eau en suspension dans l'air comme le brouillard...

L'influence combinée de la présence d'eau et de la température joue un rôle prépondérant dans la dégradation possible des pierres et des roches. Cette dégradation peut se produire par l'action répétée d'un réchauffement et d'un refroidissement, la dilatation et la contraction des molécules d'eau pouvant alors représenter un agent disruptif, particulièrement dans les roches de faible résistance. Par exemple, quand la température de l'eau passe de 0°C à 60°C, cette dernière se dilate de 1,5 % exerçant une pression pouvant atteindre localement 52 MPa (520 bars). D'après Winkler (1973) une variation de température de 40°C pendant une journée peut produire des pressions locales de l'ordre de 26 MPa.

Winkler a aussi montré que la dilatation et la contraction de l'eau (pure) dans les capillaires peut localement détruire certains types de grés en une seule année ([8] ou [9]-p.709).
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 3 : Capillarité.
La montée capillaire augmente quand la taille du passage diminue, [6]-p.99.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 4 : L'humidité dans un mur.
(a) : différence entre les zones d'évaporation en été et en hiver. La détérioration due à la cristallisation est critique à cet endroit.
(b) : la pierre ou la brique est considérée comme sèche pour une teneur en eau inférieure à 3% du volume ou 5% de la masse.
(c) : évaporation constante à la surface seulement.
(d) : l'humidité vient d'une nappe ou de l'humidité du sol. [6]-p.100.</figcaption></figure>

Comme nous l'avons fait remarquer précédemment, la présence de sels solubles dans l'eau provient du sol, d'une atmosphère saline (en bordure de mer par exemple) ou polluée ou plus simplement du sel qu'on dépose sur les routes enneigées. En cristallisant sous l'effet de la température, ils peuvent causer des efflorescences à la surface de la pierre. La résistance de la roche à la cristallisation des sels dépend de sa structure interne et décroît quand la proportion des petites pores augmente, [8] ou [9]-p.710, d'après Anon (1976).

Les pressions exercées par la cristallisation de sels dans les pores de la roche peuvent atteindre 100 MPa pour le gypse ($CaSO_4 + nH_2O$), 120 MPa pour l'anhydrite ($CaSO_4$), 100 MPa pour la kiesérite ($MgSO_4 + nH_2O$) et 200 MPa pour la halite (NaCl), [8] ou [9]-p.710. Ces pressions sont suffisantes pour détériorer localement la roche.

Une fois cristallisés, ces sels peuvent encore se dilater ou se contracter sous l'influence de variations de température, la halite, par exemple, se dilate de 0,5 % quand la température passe de 0°C à 60°C, ce qui peut contribuer à l'altération des pierres, [8] ou [9]-p.710.

Un autre effet possible de la combinaison "eau-variation de température" est l'existence, dans les régions froides ou tempérées, de cycles gel-dégel. Les mécanismes de détérioration des pierres et des roches par cette action sont encore mal expliqués mais on sait que parmi les facteurs les plus importants de ces mécanismes on trouve : la porosité, la distribution volumique des pores, les propriétés lithologiques, la perméabilité et la position de la pierre dans l'édifice ou de la roche dans son environnement.
### 2.1.4 La pluie

L'action de la pluie rejoint évidemment celle de l'humidité. En frappant la surface des pierres, elle les imprègne d'eau ou les détériore par le choc des gouttes d'eau. En s'infiltrant dans le sol, elle permet la remontée capillaire d'eau dans les roches et les pierres, ou change le niveau des nappes entrainant les conséquences mentionnées plus haut.

Mais la pluie, en transportant aussi des gaz dissous provenant de la pollution atmosphérique (particulièrement en zone urbaine), peut entraîner, dans les régions concernées par ce problème, une altération chimique dont il sera question au chapitre 2.2.6. Ces pluies, plus connues sous le nom de pluies acides, représentent une cause majeure de l'altération de monuments ou de sites historiques en milieu urbain ou industriel.

### 2.1.5 Le vent

Evidemment, un édifice doit être capable de résister aux pressions exercées directement par le vent et au phénomène d'aspiration associé, du côté abrité de l'édifice. Et même si d'anciens monuments ont résisté aux vents jusqu'à nos jours, il n'est pas sûr qu'ils le fassent toujours, surtout si d'autres facteurs contribuent à affaiblir leur structure. On sait que le sommet de la Tour Eiffel a pu se déplacer horizontalement d'environ 2 mètres, la cathédrale de Norwich en Angleterre a déjà vu sa flèche se déplacer de 76 mm en avant et en arrière à causes de vents forts, [6]-p.107.

Certaines régions côtières subissent régulièrement des vents ayant des vitesses moyennes de l'ordre de 100 km/h avec des maxima à 160 km/h (sur la côte ouest de l'Ecosse par exemple).

Les vents forts ont pu être aussi la cause de la destruction complète d'édifices ou d'ouvrages d'art comme ce fut le cas du fameux pont suspendu de Tacoma (USA) qui se mit à vibrer par un phénomène de résonance dû aux vents et qui fut complètement détruit en 1940.

Sans compter aussi les dommages causés aux toits des édifices qui sont fréquents, le vent participe évidemment à l'érosion des roches, dans les sites et des pierres, sur les monuments. Ceci vient principalement du fait que le vent peut transporter d'énormes quantités de particules solides comme le sable, la poussière, etc... C'est la raison pour laquelle la façade du temple d'Abu-Simbel (Egypte) fut sérieusement endommagée à la suite d'une violente tempête.

Le vent peut aussi contribuer à l'évaporation rapide de l'eau des roches et des pierres conduisant à la cristallisation de sels, non plus en surface, mais en profondeur.

Enfin, quand le vent se conjugue avec de fortes pluies, leurs effets respectifs s'ajoutent et amplifient les mécanismes de dégradation.

### 2.1.6 La foudre

La foudre est peut être la cause naturelle la plus fréquente de dégâts violents sur les monuments et les sites historiques. Elle se produit pour équilibrer les potentiels électriques de la terre et de l'atmosphère, en donnant naissance à une décharge électrique pouvant atteindre 160000 ampères en une fraction de seconde, [6]. Cette décharge prend généralement la forme de deux éclairs, l'un de l'atmosphère vers la terre dissipant 60 % de l'énergie de cette décharge,
l'autre en sens contraire qui libère les 40 % restant, [6]. Il est bien connu que cette foudre touche généralement le sommet d'objets pointus (les bâtiments, les arbres...). Si la décharge électrique se propageant de la pointe en question jusqu'au sol est opposée à une résistance substancielle (résistance électrique), des dégâts peuvent se produire. C'est la loi d'Ohm, qui veut que l'énergie se dissipe dans une résistance quand un courant électrique la traverse. Dans le cas de la foudre, la puissance mise en jeu peut atteindre plusieurs milliers de méga watts, [6]. Cette énergie se dissipe sous forme de chaleur, si bien que l'humidité présente dans les matériaux est échauffée de manière explosive, d'où le déchirement des arbres et le fracassement des pierres pouvant endommager sérieusement certains édifices.

Une autre conséquence de la foudre réside dans la possibilité qu'elle a d'enflammer le bois, c'est-à-dire essentiellement les poutres et autres éléments boisés de structure ou de charpente des édifices, quand un objet, un conduit métallique, un fil ou un appareil électrique fond par induction sous l'effet de la décharge... On aura compris alors l'intérêt d'installer des paratonnerres ou des systèmes équivalents pour réduire au maximum ces désagréments.

### 2.1.7 Les désastres naturels

Parmi les facteurs naturels de dégradation, il y en a qui provoquent une destruction rapide et souvent complète des monuments ou des sites historiques, sans compter les pertes de vies humaines et les souffrances qu'ils entraînent.

Ces facteurs sont les catastrophes dont l'origine peut être tellurique (tremblements de terre, glissements de terrain, éruptions volcaniques, tsunamis), météorologique (cyclones, tornades) ou hydrologique (inondations, raz de marée, avalanches, etc...), [10]. Ces phénomènes sont encore souvent imprévisibles et causent d'énormes dommages sur les monuments historiques qui n'ont jamais été conçus de manière à supporter leurs effets.

Pour ne citer que quelques exemples, on notera les tremblements de terre de 1950 et 1971 au Pérou qui ont sérieusement endommagé les villes historiques de Cuzco et Trujillo respectivement, celui de 1975 en Birmanie qui a dévasté Pagan, la ville historique aux 2000 pagodes bouddhistes. Ceux de 1976 en Italie, de 1979 dans la République du Monténégro, de 1980 en Algérie ou de 1983 en Colombie ont détruit en partie ou complètement des sites historiques ou archéologiques, [10] (figure 5).

Des inondations et des affaissements de terrains ont endommagé Venise (Italie) et les célèbres crues du Nil ont régulièrement inondé, par le passé, le pied de nombreux monuments pharaoniques.

Ce sont les séismes qui se sont avérés les plus destructeurs, les plus meurtriers et les plus fréquents. Dans un tel cas, les monuments bâtis sont brusquement soumis à une accélération erratique transmise par le sol dont l'intensité et le signe changent plusieurs fois par seconde, [10]. Les composantes horizontales de cette accélération sont les plus dangereuses car elles soumettent la structure à des efforts horizontaux en vue desquels elle n'a pas été conçue, [10]. Ces efforts engendrent alors des tractions auxquelles les maçonneries ne peuvent résister. De plus, les composantes verticales de l'accélération réduisent ou annulent par instant l'action de la pesanteur et donc l'effort de compression qui assurait la cohésion de la maçonnerie et lui aurait permis de mieux résister aux accélérations horizontales, [10].

Les influences cumulées de ces mécanismes conduisent alors à l'apparition de fissures, plus
ou moins larges et plus ou moins profondes dans l'édifice, sa structure se démantèle jusqu'à l'écroulement partiel ou complet (figures 6 à 15).

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 5 : Zones séismiques du globe, cités et monuments historiques, [10]-p.33</figcaption></figure>

Les schémas suivants (figures 6 à 15) issus du rapport de l'UNESCO sur les séismes ([10]) illustrent les effets pouvant affecter les différents éléments d'un monument bâti :

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 6 : Effets d'un séisme sur un mur de maçonnerie. Cas d'une accélération horizontale maximale dans le sens transversal, [10]-p.11.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_14.png" /></figure>

Figure 7 : Effets d'un séisme sur un mur de maçonnerie. Cas d'une accélération horizontale maximale dans le sens longitudinal qui fait vibrer le mur comme un tout, [10]-p.12.

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

Figure 8 : Effets d'un séisme sur un mur de maçonnerie. Cas d'une accélération horizontale maximale dans le sens longitudinal qui fait se fractionner le mur en morceaux qui vont répondre chacun de façon distincte et indépendante à la vibration séismique induite par le sol, [10]-p.12.

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

Figure 9 : Effets d'un séisme sur un mur de maçonnerie. Un mur est rarement homogène et isolé. Les baies sont des points faibles, et les fissures, qui suivent les lignes de moindres résistances vont généralement se concentrer vers les portes et les fenêtres, [10]-p.13.
<figure><img src="image_17.png" /></figure>

**Figure 10 :** Effets d'un séisme sur les voûtes. Pendant les vibrations, chaque mur porteur a tendance à vibrer indépendamment. Les phases d'écartement annulent les forces de compression qui maintenaient ensemble les éléments de la voûte, d'où l'apparition de fissures longitudinales, la déformation de la voûte puis son écoulement, [10]-p.13.

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

**Figure 11 :** Effets d'un séisme sur les planchers. Lorsque les poutres et les solives des planchers ne sont pas engagées profondément ni ancrées dans les murs, l'écartement temporaire des murs pendant certaines phases de vibration peut provoquer l'effondrement des planchers, [10]-p.14.

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

**Figure 12 :** Effets d'un séisme sur un bâtiment simple. Selon la qualité des liaisons structurales, le comportement des bâtiments et de chaque élément de structure sera différent. Mais on peut observer la tendance de chaque mur à réagir selon ses propres caractéristiques dynamiques, et par conséquent, à se séparer des autres éléments par dislocation, [10]-p.14.

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

**Figure 13 :** Effets d'un séisme sur des fondations. Les dommages se manfestent en particulier par l'inclinaison d'ensemble, dès la base, d'éléments structuraux (murs, piliers) qui implique soit un écrasement localisé de la fondation ou des premières assises, soit un tassement du sol, sous les fondations, [10]-p.14.
<figure><img src="image_21.png" /></figure>

**Figure 14 :** Effets d'un séisme sur des fondations. Les désordres en fondation se reconnaissent encore à la fissuration ou la déformation des sols de rez-de-chaussée, en particulier s'il existe une différence de niveau entre les deux côtés de la fissure (vue de gauche) ou une inclinaison notable du sol (vue de droite), [10]-p.16.

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

**Figure 15 :** Effets d'un séisme sur un monument. Le comportement est plus complexe, mais, dans le principe on retrouve les caractéristiques suivantes : sous de faibles accélérations, la structure vibre d'ensemble. Quand l'accélération devient trop forte, chaque élément vibre indépendamment, [10]-p.17.

### 2.1.8 Les êtres vivants - la biodégradation

En plus des effets climatiques qui se portent en général sur une grande partie ou sur l'ensemble d'un monument ou d'un site historique, l'importance de la biodégradation, dont les formes dépendent aussi du climat, n'est pas à négliger même si elle ne touche que très localement le monument ou le site. Il n'existe pas, en effet, de matériau rocheux ou végétal qui ne soit pas contaminé par un quelconque agent biologique, [7]. Dans des conditions de pollution de l'air et dans des régions pluvieuses et froides, donc principalement en Europe, les dommages d'origine biologique sont certainement mineurs par rapport aux problèmes que posent les mécanismes physiques tels que le gel-dégel ou la cristallisation des sels. Au contraire, dans les climats chauds et humides, où le développement industriel n'a pas encore trop affecté la qualité de l'air, les formes d'altération (des pierres notamment) qui sont les plus fréquentes ou visibles sont liées à la présence d'agents biologiques.

La biodégradation comprend les dommages provoqués par les organismes microscopiques mais aussi ceux engendrés par les insectes et les mammifères (les chauves-souris par exemple), par la croissance des plantes et par les oiseaux.

Pour simplifier, on notera que les organismes biologiques d'altération les plus souvent rencontrés sur les pierres sont les algues microscopiques. Souvent, elles s'installent à la surface des matériaux très poreux et déjà abîmés et pénètrent entre les microfractures ou sur des fragments déjà partiellement dégradés, [7]. Leur croissance peut détacher ces fragments ou disloquer localement, et plus en profondeur, la structure de la pierre.

Les lichens sont également des agents très répandus, leurs effets ne sont pas parfaitement identifiés et on les considère parfois comme protecteurs des surfaces sur lesquelles ils se développent. Dans certains cas cependant, on a observé une action corrosive produite par leur action métabolique acide, surtout vis-à-vis des matériaux calcaires, [7]. Dans d'autres cas, ces lichens peuvent détériorer la pierre par une action mécanique due à leur contraction ou leur expansion quand ils sont alternativement humidifiés et séchés ([11]-p.198, d'après E.J. Fry, 1924), voir figure 16.
<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Figure 16 : Processus possible d'altération des pierres par les lichens.</figcaption></figure>

(a) : conditions humides ; (b) et (c) : phases d'assèchement, [11]-p.198.

Le rôle des bactéries de la chimiosynthèse, des champignons (actinomycètes en particulier) et des bactéries hétérotrophes, est encore mal connu, [7].

Parmi les organismes macroscopiques, les plantes, qui enfoncent leur racines dans les fissures des bâtiments, les joints de la pierre, dans le sol sur lequel est bâti l'édifice ou dans les fractures qui se développent au sommet des falaises proches d'un monument, exercent par leur croissance, des pressions qui tendent à agrandir ses fissures, pouvant mettre en péril certains éléments de ces monuments.

En plus du dommage mécanique, des échanges entre les ions H⁺ des racines et les cations alcalins et alcalino-terreux des minéraux constituant les pierres ou les roches, provoquent une lente transformation de leur matière qui peut nuire à leur tenue et à leur résistance.

Une autre forme de biodégradation qui atteint parfois des degrés de gravité importants est celle que causent les oiseaux et en particulier les pigeons (France, Italie,...). En dehors de l'action chimique possible des excréments sur les pierres et de l'action mécanique provoquée par les griffes et les becs (qui ne fait que s'ajouter, bien souvent, à d'autres formes de dégradation), les oiseaux provoquent surtout un dommage esthétique par l'amoncellement de leurs excréments dont le nettoyage peut être difficile et coûteux (pour des raisons d'accès) [7].

### 2.1.9 Conclusions

Comme on vient de le voir dans cette partie, la nature pose des problèmes aux personnes chargées de la conservation des monuments et des sites. L'étude de ces problèmes nécessite la mise en oeuvre de nombreux spécialistes d'horizons divers. Certains aspects de l'altération "naturelle" des monuments et des sites historiques restent obscurs et demanderaient que des recherches soient lancées. De plus, on ne dispose pas toujours des données dont on aurait besoin comme les variations de température, le niveau des pluies, des nappes, le degré d'hygrométrie, etc., à des échelles suffisamment locales pour être exploitables. Enfin, étant donné qu'il est impossible de s'opposer aux forces de la nature, il serait avantageux de trouver des solutions techniques de prévention ou d'accomodation de ces forces en particulier en matière de séismes.

Malheureusement, la nature n'est pas la seule responsable des maux de nos monuments, l'homme contribue souvent à les nourrir ou à en créer, comme nous allons le voir maintenant.
## 2.2 Action destructrice de l'homme

Mises à part les nécessaires transformations du milieu de vie, de travail, de loisir, plus ou moins judicieusement réalisées, l'homme a exercé, et exerce toujours, une action destructrice directe. Il s'agit notamment des ravages dus aux guerres, des destructions et dégradations volontaires mais aussi des problèmes d'usure par contact plus ou moins volontaires de la main ou du pied de l'homme, des problèmes liés à la respiration-transpiration de l'homme dans des sites ou monuments clos ou mal ventilés et des problèmes dus à des restaurations mal conçues ou un entretien négligé.

D'autre part, à cause d'une activité industrielle croissante, la pollution atmosphérique affecte l'état de conservation de sites et de monuments historiques, de même, l'influence de travaux proches de ces derniers peut se manifester par des vibrations, des éboulements ou des affaissements de terrain au niveau de ces monuments et sites, tout comme les mutations d'activité humaine peuvent modifier rapidement leur environnement immédiat. Ces effets sont indirectement produits par l'homme et peuvent néanmoins avoir des conséquences rapides et destructrices sur les monuments et les sites historiques.

### - Causes directes -

#### 2.2.1 Les ravages dus aux guerres

Les guerres civiles ou étrangères ont toujours présenté une menace directe essentielle pour les ensembles monumentaux. Il n'est qu'à faire le bilan des pillages de villes, de monuments, de châteaux, des remparts rasés tout au long de l'histoire de chaque pays. D'autre part, avec la montée en puissance des moyens de guerre modernes, les ravages occasionnés ont pris une ampleur considérable d'autant plus que les édifices civils et les agglomérations urbaines ont été souvent choisis pour cible.

Les deux dernières guerres mondiales ont causés d'énormes dommages, que ce soit en Allemagne, en U.R.S.S., en Italie, en Pologne, en Hollande, en Yougoslavie ou en France. Dans bien des cas, des monuments et des quartiers anciens ont été tellement touchés que leur restauration équivaut à une reconstruction, [5]. En France, des dizaines de monuments ont ainsi été endommagés ou en partie détruits comme l'Eglise abbatiale de Lessay, située au centre des combats du débarquement en Normandie, qui fut presque perdue ; l'église de Valognes fut ravagée avec tout le centre de la cité ; Notre Dame de Saint Lô, en Normandie également, perdit une tour et toutes les voûtes de sa nef en 1944, [3] ; la cathédrale de Reims fut tellement touchée pendant la première guerre mondiale qu'on songea un moment la conserver en l'état (c'est-à-dire ruinée) pour porter le témoignage de la guerre aux générations futures.

Pour ne citer qu'un autre exemple plus récent, il y a aussi les temples d'Angkor qui furent saccagés, pillés et rougis par les pluies et la végétation pendant 15 années de guerre au Cambodge depuis 1972. Les statues ont servi de cible aux soldats ; quand les idéologues de Pol Pot ont pris le pays en main, les miliciens ont rassemblé des statues de bouddhas et d'orants pour les détruire et les marteler. Les douves protectrices des temples ont été asséchées pour servir de rizières. Des têtes de statues ont aussi été arrachées pour être revendues à bon prix.
(L'Express-29 septembre 1989). De nombreux exemples pourraient être également cités de toutes les régions du monde et de toutes les époques.

### 2.2.2 Les destructions volontaires

Ces destructions de monuments ou de sites historiques sont plus complexes et des occasions diversent ont poussé et poussent encore les hommes à saccager. Tout d'abord, l'homme détruit par ignorance ; il ne connait pas, ou sous-estime, la valeur du patrimoine. C'est pour cette raison notamment, que des monuments de pierre ont été en partie démolis quand l'homme les a utilisés comme des carrières de pierres existantes. On a vu, par exemple, des mosquées égyptiennes bâties avec les pierres des temples et des pyramides d'époque pharaonique. De la même façon, l'Abbaye de Cluny en Saône et Loire (France) qui fut la plus grande église de la chrétienneté jusqu'à la construction de Saint-Pierre de Rome au début du XVIe siècle, fut démantelée pendant et après la Révolution. Bien souvent, l'intolérance religieuse, voire le racisme d'un peuple envers une minorité entraîna à chaque fois, dés intérêt, négligence et malveillance à l'égard des témoins artistiques du peuple méprisé ; c'est le cas de la Turquie et de la Grèce envers l'art byzantin pour les uns, turc pour les autres, [5].

En plus des destructions "par ignorance" ou par "malveillance" on trouve également les destructions par "idéologie" dont font partie les effets de l'intolérance religieuse déjà cités. L'un des exemples les plus marquant de cette fin de siècle est sans conteste le cas de la Roumanie. Bucarest par exemple, détient probablement le record absolu de démolitions en temps de paix, [12]. Sous la pulsion du dictateur Ceausescu, la guerre fut menée contre les traces de l'histoire du peuple roumain. La capitale tout comme le reste du pays commencèrent à ressentir les effets de sa politique dans les années 1970 avec des actes de vandalisme exercés contre la résidence de Gheorghiu-Dej, le prédécesseur de Ceausescu. Le tremblement de terre de 1977 aggrava les visions du dictateur qui voulu faire émerger des ruines une ville nouvelle. L'équivalent de deux arrondissements parisiens (6 km carrés) fut rasé en plein coeur de Bucarest, puis les démolitions d'églises et de monastères se succédèrent dont le fameux monastère de Vacaresti en 1985, [12]. D'autre part, "le plan de systématisation des villages" déjà très avancé au moment de son abrogation au début de 1990 par le nouveau gouvernement roumain, menaçait l'existence de nombreux sites et villages porteurs d'un patrimoine architectural extrêmement riche.

Dans une moindre mesure, la "perte de fonction" d'un bâtiment ou d'un ouvrage souterrain entraine souvent sa dégradation rapide. C'est surtout sensible pour les monuments et ouvrages religieux dont un grand nombre est actuellement désaffecté, étant donné le dépérissement de la pratique cultuelle, [5]. L'inutilité économique rend le monument beaucoup plus vulnérable : il n'est plus entretenu donc il se détériore rapidement, [5]. Puis très vite il devient gênant et on l'abat au nom du progrès et de l'avenir. Les mutations des civilisations ont contribué directement, de cette manière, à la perte totale ou partielle de nombreux éléments du patrimoine architectural. Pour ne citer qu'un exemple, la disparition de la civilisation pharaonique a entrainer la dégradation ou la destruction de nombreux temples égyptiens qui avaient pourtant été longtemps entretenus, restaurés et utilisés pendant des centaines d'années, bien avant la naissance du Christ.

Enfin, quotidiennement encore aujourd'hui, des édifices historiques subissent des dégradations volontaires par "vandalisme" de la part de personnes isolées qui n'hésitent pas à
marteler, à peinturer des oeuvres passées dont la restauration conduit à chaque fois à les fragiliser ou à leur faire perdre, petit à petit, leur identité historique. Enfin, les vols de statues ou de bas-reliefs (Egypte par exemple) sont à l'origine de dégradations possibles de certains éléments d'édifices ou d'ouvrages souterrains.

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

"Latone" vandalisée en 1980 (Parc de Versailles): bombage au minium et bris de détails (nez). "Monuments Historiques n°138".

### 2.2.3 L'usure par contact

Qui n'a pas eu l'envie de toucher des statues, des bas-reliefs, des inscriptions hiéroglyphiques pour ressentir la finesse d'exécution de ceux-ci et avoir la sensation, par on ne sait quel mécanisme tactilo-nerveux, de replonger des siècles, voir des millénaires en arrière et admirer quelques instants la grandeur des civilisations anciennes.

Ainsi, ce sont des centaines de mains qui caressent chaque jour les rondeurs adoucies des bas-reliefs trois fois millénaires que l'on trouve dans les temples et les tombes égyptiennes.

Bien entendu, certains d'entre eux ont perdu totalement leur couleur après quelques années d'exposition aux visiteurs mais, en plus, ils perdent leur forme originale, en subissant chaque jour les effets d'une érosion mécanique provoquée par le contact des doigts.

De la même façon, mais à qui le reprocher, l'usure des marches, qui mènent aux lieux les plus chargés d'histoire, se fait sentir d'autant plus fortement que la fréquentation du lieu est importante. Même si la marche en question n'est qu'un élément mineur de l'ensemble architectural ancien, il n'est pas moins vrai qu'elle fut foulée autrefois par des personnages illustres, posée à son endroit avec la plus délicate attention et contribue très souvent à l'harmonie de l'ensemble. C'est pourquoi sa conservation est à considérer au même titre que le reste de l'ensemble architectural.
### 2.2.4 La respiration-transpiration de l'homme

L'effet de la respiration et de la transpiration de l'homme se manifeste essentiellement à l'intérieur des monuments clos ou dans les ouvrages souterrains historiques de deux façons : elles contribuent d'une part, à modifier le degré hygrométrique (ou taux d'humidité) et d'autre part, la respiration produit du gaz carbonique ($CO_2$) qui peut être néfaste pour la pierre ou toute décoration murale.

Une personne peut, en effet, dégager plusieurs centaines de grammes d'eau par heure selon l'effort exercé et la température ambiante. A Lascaux, ce dégagement est en moyenne de 40 g par personne et par heure, [13]-p.42, mais on peut facilement imaginer une valeur de l'ordre de 200 g par personne et par heure dans un endroit tel que la pyramide de Khéops. Dans ce dernier cas, une fréquentation du lieu correspondant à la présence constante de 100 personnes pendant 5 heures (de 9 h à 16 h par exemple) produit un total de 100 litres d'eau par jour. Or, sachant qu'à 15°C, 12,5 g d'eau contenus dans un $m^3$ entrainent un taux d'humidité<fnref n="1" /> (ou degré hygrométrique) de 100 %, [13]-p.63, à cette même température, il suffit de 1,8 litre d'eau pour donner un taux d'humidité de 100 % dans une salle de 150 $m^3$. Si 100 litres d'eau sont produits chaque jour dans une telle pièce, cette eau se condense donc sur les parois plus froides avec les conséquences que cela peut entrainer comme on l'a vu au chapitre 2.1.3.

D'autre part, le gaz carbonique dégagé par la respiration peut se dissoudre en présence de gouttelettes d'eau de condensation. Ces gouttes, riches en acide carbonique, deviennent agressives et attaquent le calcaire, [13]-p.36, ou généralement le carbonate de calcium des roches carbonatées. L'explication chimique en est la suivante : le $CO_2$, dissous dans l'eau ($H_2O$), produit les ions $H^+$, $HCO_3^-$ et $CO_3^{2-}$ qui se combinent généralement avec l'eau pour donner l'acide carbonique ($H_2CO_3$). Cet acide réagit alors avec le carbonate de calcium de la roche ($CaCO_3$) pour donner le $Ca(HCO_3)_2$ soluble, qui est éliminé ensuite par un ruissellement d'eau par exemple, [9]-p.272. La roche s'en trouve alors altérée.

Ce problème de la transpiration-respiration de l'homme s'est notamment posé gravement dans de nombreuses grottes ornées dont celle de Lascaux (France) et se pose en général dans tous les sites très fréquentés (le couloir d'accès à la chambre du roi dans la pyramide de Khéops en Egypte, a dû subir un nettoyage à cause des cristaux de gypse qui s'étaient formés à la surface des pierres et dont l'origine provient en grande partie de l'humidité dégagée par les visiteurs).

### 2.2.5 L'entretien négligé - les restaurations mal conçues

Parmi les causes directes de dégradations des monuments, provoquées par l'homme, se trouvent celles dues à un entretien ou une maintenance négligés ou inadaptés ainsi que celles qui résultent de restaurations mal conçues.

On l'a vu, la perte de fonction d'un bâtiment ou d'un ouvrage conduit bien souvent à sa dégradation rapide par déficience ou manque total de maintenance. Néanmoins, quand un bâtiment ou un site est entretenu du fait de son utilisation courante comme lieu de concerts ou de spectacles (certaines cathédrales par exemple) ou plus simplement comme résidence privée ou

<footnote n="1">¹ Le taux d'humidité ou humidité relative correspond au rapport, exprimé en pourcentage, entre la quantité d'eau contenue dans l'air et celle qui s'y trouverait à la même température si l'air était saturé (100 % d'humidité).</footnote>
publique (ministères, organisations gouvernementales, délégations régionales, associations, lycées, ...), il subit généralement quelques transformations nécessaires au confort moderne. Or, l'apport ou la présence de confort représente parfois un danger pour la bonne conservation de certaines parties, [3]-p.67. La chaleur sèche du chauffage central ou à air pulsé provoque des désordres sur les matériaux sensibles aux variations thermiques et hygrométriques, d'autant plus fréquents que le chauffage est intermittent, [3].

Par contre, le chauffage au gaz élève généralement le taux d'humidité d'une pièce avec les conséquences que l'on sait. D'autre part, le chauffage intérieur peut transformer certaines maçonneries fondées sur un sol humide comme de véritables drains de l'eau souterraine, [3], faisant apparaitre sur les murs des "taches d'humidité" (notamment en hiver, comme beaucoup de personnes ont pu le constater dans leur foyer).

A Lascaux, par exemple, on imagina en 1958 une machinerie servant à renouveler l'air pollué par les visiteurs, or ce renouvellement de l'atmosphère intérieur de la grotte conduisit dès 1960, à la prolifération de colonies algales sur les peintures, [14]-p.5.

L'éclairage électrique peut parfois porter atteinte aux pigmentations colorées de certains décors, [3].

De plus, les exigences de la lutte contre l'incendie et les risques de panique, tout comme les nécessités d'aménagements sanitaires, la construction de parcs de stationnement, etc, contribuent toujours à endommager sinon la structure, du moins l'apparence et le caractère historique d'un monument ou d'un site.

Les restaurations entreprises ont souvent posé des problèmes d'éthique aux spécialistes. Il y a, par exemple, les restaurations qui ne respectent pas tout à fait l'histoire d'un monument, comme c'est le cas pour le dégagement du fossé situé face à la "colonnade" du Louvre et effectué sous l'initiative de Malraux. Ces travaux ont entraîné la construction d'un mur de contrescarpe à balustrade et d'un pont dormant central alors que, ni l'un, ni l'autre n'avait jamais existé, [3]-p.27. De même, Viollet le Duc, qui fut le précurseur principal de la restauration des monuments historiques (XIXème siècle) écrivit pourtant, dans son *Dictionnaire de l'Architecture* (1854-1868), que "restaurer un édifice, ce n'est pas l'entretenir, le réparer ou le refaire, c'est le rétablir dans un état complet qui peut n'avoir jamais existé à un moment donné".

Mais ce qui nous intéresse ici, ce sont moins les problèmes de doctrine, que les dégâts physiques ou chimiques qui furent et sont encore réellement causés par des restaurations inadéquates. C'est particulièrement vrai pour les travaux de ravalement : joints au cordeau, creux ou saillants, moulures refaites dans la pierre de taille à plusieurs centimètres de profondeur pour retrouver l'éclat du neuf ou supprimées dans les façades de plâtre, modification des lucarnes, etc..., ou pour des raisons d'esthétisme en vogue : suppression des enduits, moellonage dégagé, joints creux pour faire saillir les pierres de taille, insertion de linteaux en chêne au-dessus des portes, des fenêtres, des boutiques...

Puis il y a toutes les restaurations qui se sont faites, notamment par le passé, sans que soient vraiment prises en compte toutes les données des problèmes, ni connues toutes les causes de dégradation. Des monuments restaurés au XIXième siècle sont à leur tour victime d'altérations : Saint-Sernin de Toulouse, en France, la cathédrale de Lausanne, en Suisse, menaçaient ruine en 1980 justement dans les parties qui datent de Viollet-le-Duc parce que les pierres de remplacement utilisées étaient trop poreuses, [15]-p.6 et 13. Plus récemment, des produits injectés dans les pierres ont été utilisés sans succès, pour tenter de les solidifier et de les
imperméabiliser, ce qui a souvent contribué à accélérer leur ruine.

D'autre part, se pose aussi, actuellement, le problème de la dérestauration des monuments dont la restauration n'avait pas respecté l'histoire ni les règles de l'Art, ou quand ses effets ont pu être ressentis comme étant nuisibles à la bonne conservation de ces monuments. Avoir recours à cette pratique (de la dérestauration), c'est aussi, d'une manière ou d'une autre, altérer un monument ou un site. C'est pour cette raison notamment que les spécialistes tiennent au principe de la réversibilité des restaurations qui veut que toute intervention sur un monument ou un site puissent être remplacée par une autre qui serait plus sûre ou plus efficace, et cela, sans aggraver la situation du dit monument ou site.

## - Causes indirectes -

### 2.2.6 La pollution atmosphérique

Ce que l'on peut appeler la pollution atmosphérique est doté de deux types de composants :

- les agents naturels neutralisés par des processus naturels.

- les agents artificiels d'origine humaine pour lesquels il n'existe pas à l'état naturel de processus d'épuration [13]-p.85.

Parmi les agents naturels sur lesquels on ne reviendra pas, car ils ont déjà été évoqués, on trouve :

- les aérosols naturels qui sont de petites particules solides en suspension dans l'air comme par exemple la poudre de quartz restant en suspension dans l'air après les périodes de vent de sable (Algérie, Egypte, etc...).

- l'acide carbonique dont l'origine remonte à la respiration des êtres humains dans les cavités, à la dégradation de matières organiques dans les sols, aux rejets volcaniques.

La pollution atmosphérique d'origine humaine provient principalement des rejets industriels qui touchent malheureusement toute la planète dans la mesure où les gaz polluants rejetés peuvent se déplacer sur des distances très grandes. La plus grande part de cette pollution provient de la combustion des fuels dans les centrales thermiques, les industries sidérurgiques ainsi que des moyens de chauffage domestiques et les moteurs. [6]-p.160.

Il y a trois types principaux de polluants :

- les particules solides rejetées par les usines ;

- les fumées ou très petites particules qui peuvent se condenser pour former de la suie ;

- les gaz dont les plus importants sont le dioxyde de carbone $CO_2$, le dioxyde de soufre $SO_2$ et le dioxyde d'azote $NO_2$.

Transportées par le vent, les particules solides ont une action physique sur les pierres et les roches en les érodant.
Les fumées se condensent sur les pierres pour former généralement des croûtes noires dans les zones abritées de la pluie. Ces croûtes noires sont attribuées à l'action du dioxyde de soufre qui réagit avec le carbonate de calcium ($CaCO_3$) des roches carbonatées (calcaires et marbres principalement) pour former une couche mince de cristaux de gypse ($CaSO_4$). Dans cette couche, la poussière et la suie s'installent pour former finalement les croûtes noires. Sous ces croûtes, l'altération progresse généralement [8], figure 18.

Les gaz sont nocifs, surtout quand ils sont dissous par la pluie. Ils donnent ainsi naissance à des acides qui peuvent endommager sérieusement les pierres en commençant par leur surface, le schéma de ce type d'attaque chimique est présenté en figure 17.

<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>Figure 17 : Schéma de l'altération chimique provoquée par le dioxyde de soufre des régions polluées. (S.I. Sherwood & M.M. Reddy dans [9]-p.918)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>Figure 18 : Processus d'altération physico-chimique de pierre de calcaire en atmosphère polluée.</figcaption></figure>

(a) : formation de cristaux de gypse à la surface

(b) : formation de gypse, à l'intérieur de la roche, autour des grains de quartz, dans les grains de glauconite, dans des vides et, localement, dans la matrice calcite

(c) : concentration de gypse croissante, la roche devient friable

Les fameuses pluies acides proviennent de cette dissolution des gaz polluants et dans les régions industrialisées, on peut voir tomber de la pluie ayant un pH de 4 contre 7 pour une pluie
Les fumées se condensent sur les pierres pour former généralement des croûtes noires dans les zones abritées de la pluie. Ces croûtes noires sont attribuées à l'action du dioxyde de soufre qui réagit avec le carbonate de calcium ($CaCO_3$) des roches carbonatées (calcaires et marbres principalement) pour former une couche mince de cristaux de gypse ($CaSO_4$). Dans cette couche, la poussière et la suie s'installent pour former finalement les croûtes noires. Sous ces croûtes, l'altération progresse généralement [8], figure 18.

Les gaz sont nocifs, surtout quand ils sont dissous par la pluie. Ils donnent ainsi naissance à des acides qui peuvent endommager sérieusement les pierres en commençant par leur surface, le schéma de ce type d'attaque chimique est présenté en figure 17.

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 17 : Schéma de l'altération chimique provoquée par le dioxyde de soufre des régions polluées.</figcaption></figure>

(S.I. Sherwood & M.M. Reddy dans [9]-p.918)

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>Figure 18 : Processus d'altération physico-chimique de pierre de calcaire en atmosphère polluée.</figcaption></figure>

(a) : formation de cristaux de gypse à la surface

(b) : formation de gypse, à l'intérieur de la roche, autour des grains de quartz, dans les grains de glauconite, dans des vides et, localement, dans la matrice calcite

(c) : concentration de gypse croissante, la roche devient friable

Les fameuses pluies acides proviennent de cette dissolution des gaz polluants et dans les régions industrialisées, on peut voir tomber de la pluie ayant un pH de 4 contre 7 pour une pluie
naturelle neutre, [6]-p.160, voir figure 19.

L'ampleur de ces attaques a pu être mesurée sur certains monuments. Elle a été évaluée à 3 - 4 mm tous les 100 ans à la cathédrale de Norwich (Angleterre, XI siècle). Cette érosion a atteint 22 mm en 45 ans sur des vases sculptés de la cathédrale de St. Paul (Londres, XVIIème siècle), [6].

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>Figure 19 : L'acidité des pluies aux USA, en 1966, exprimée en pH, [6]-p.161.</figcaption></figure>

### 2.2.7 Les mutations d'activités humaines

A l'origine de certaines dégradations des monuments et des sites, le développement de l'industrie depuis un siècle, l'apparition de moyens de transports rapides, la mécanisation de l'agriculture et l'essor démographique mondial ont entraîné la mutation rapide des sociétés qui se concrétise notamment par une consommation de l'espace bien supérieure à celle du début du siècle, [6]-p.23.

Les conséquences sont multiples :

- en ville, les quartiers historiques subissent des aménagements pour être adaptés aux conditions de vie moderne, des immeubles anciens sont détruits parce qu'ils ne sont pas rentables, et remplacés par des constructions modernes souvent plus imposantes, ce qui a pour effet de dénaturer les ensembles historiques. Certaines démolitions sont justifiées pour l'élargissement des voies de circulation toujours plus fréquentées, pour la construction des parkings, etc... Il s'en suit une pollution accrue, mais aussi des trépidations et ébranlements des maisons et des monuments...

- en banlieue, contrairement à la ville, le centre historique n'est pas porteur d'une activité touristique et commerciale, les quartiers anciens tendent alors à dépérir car ils ne sont pas utilisés.

- à la campagne, le dépérissement des monuments est de rigueur étant donné leur inutilisation et le peu de moyens dont disposent les communes pour leur restauration. Mais
notamment le tremblement des fenêtres d'une maison que chacun a pu expérimenter chez soi). Un bruit de 100 dB par exemple équivaut à une pression de 2 Pa, [6]-p.154.

A court terme, c'est le plâtrage des plafonds qui est le plus vulnérable à ces vibrations. A Rome, par exemple, des fresques se sont détachées à cause de ce type de vibration, [6]. Ces vibrations peuvent aussi initialiser des fissures dans des matériaux déjà soumis à des changements de température et d'humidité et de toute façon, elles contribuent à la fatigue de ces matériaux. Dans des cas extrêmes, ces vibrations peuvent endommager des vitres ou des parements fragiles.

De même, des vibrations peuvent réduire la résistance des fondations d'un édifice en se propageant dans le sous-sol. Dans des sols sans cohésion comme les sables, les effets à long terme des vibrations se manifestent par un compactage de ce sol. Dans certains sols cohérents comme des vases, les effets peuvent être destructifs en termes de capacité portante, [6].

Le battage de pieux ou de palplanche (pile or sheet driving) est la cause la plus fréquente et la plus importante des dégâts produits par vibration sur les monuments historiques. Les pieux installés dans des trous forés causent peu de dégâts, les pieux battus peuvent être dangereux selon les conditions du sous-sol tandis que les pieux "à base expansive in situ" sont reputés être la cause possible de détériorations, [6]. En effet, les ondes de chocs de ce type de pieux sont assez fortes pour fissurer 300 mm de béton armé, [6]. A l'église de St John, à Ousegate en Angleterre, on a ainsi relevé des détériorations dues à l'emploi de pieux battus pour un édifice voisin : le sol s'est élevé, des fissures se sont ouvertes ou fermées et du plâtrage a été endommagé à la suite de ces travaux, [6].

Des affaissements de terrain peuvent se produire également lors de la construction d'un ouvrage souterrain (tunnel, canalisation...). La construction d'un métro sous la ville de Milan a nécessité par exemple l'installation d'un système de contrôle de nivellement et de stabilité des bâtiments sus-jacents. Un système de même type a été mis en place à Venise, pour suivre le comportement des édifices pendant des travaux de consolidation. Si l'ouvrage souterrain est bien conçu, on peut s'attendre, au pire, à un léger affaissement en surface. Dans le cas d'un ouvrage souterrain ancien, sa dégradation avec le temps peut avoir des répercussions en surface, sur les bâtiments. Ce problème sera abordé dans la partie suivante. D'autre part, la construction de ces tunnels et autres ouvrages souterrains nécessite l'emploi de machines de creusement dont les vibrations ont des effets signalés plus haut.

Enfin, concernant les travaux proches d'un monument, on peut citer le cas des pompages d'eau. En effet, l'extraction d'eau près d'un monument peut avoir aussi bien des macro- que des micro-effets. A l'échelle macroscopique, le pompage de l'eau à des fins industrielles a causé, par exemple, l'enfoncement de la ville de Venise la rendant ainsi plus vulnérable aux inondations, [5]. La ville de Londres s'est également enfoncée de 20 cm à cause de travaux de drainage, [6]. En général, il semble que les édifices lourds s'enfoncent plus facilement que les structures légères et quand ces constructions comportent des chargements différentiels, il peut s'en suivre des tassements différentiels, [6]. Le cas de Mexico est l'exemple le plus fameux dans le monde de "subsidence" liée au pompage des eaux souterraines. Dans certains quartiers, depuis le début du siècle, les tassements ont dépassé 8 m. Les édifices anciens, comme l'église
N.Sra la Guadelupe, ont relativement bien supporté de tels mouvements du fait de la grande déformabilité de leurs structures (maçonnerie à la chaux). Ces tassements importants sont dûs aux argiles gonflantes sur lesquelles repose, en grande partie, la ville, c'est pourquoi il a été mis en oeuvre une méthode originale consistant à injecter sous forte pression de faibles quantités d'eau pour compenser ainsi les effets "dégonflants" du retrait d'eau provoqué par le pompage, [16].

La Cathédrale de York Minster (Angletrre), a vu ses piliers se fissurer et s'enfoncer en même temps que l'abaissement du niveau de la nappe souterraine, [6]. La Cathédrale de Milan a aussi souffert plusieurs fois du pompage de l'eau souterraine et des travaux ont du être entrepris pour restaurer certains piliers fissurés ainsi que la superstructure de l'édifice qui a été soumise à des tassements différentiels de 25 mm dans sa longueur et 9 mm dans sa largeur, [6].

D'autre part, quand le niveau d'une nappe d'eau souterraine est abaissé, la capacité portante du sous-sol peut être modifiée, ce qui a pour effet d'induire des tassements différentiels. En plus, si un édifice repose sur des pieux de bois, l'abaissement de la nappe peut les exposer davantage aux différentes formes d'altération et entrainer leur pourrissement.

La construction d'un tunnel peut aussi perturber le niveau d'une nappe et produire les effets décrits ci-dessus. De même, la construction de nouveaux édifices proches d'un monument et ayant des fondations assez profondes, peut modifier l'écoulement d'une nappe, son niveau étant abaissé en aval et augmenté en amont.

Enfin, des travaux miniers souterrains peuvent avoir des répercussions en surface sous la forme d'affaissement des terrains parfois très graves comme ce fut le cas, quelquefois en France, avec la destruction d'habitations ou d'ouvrages routiers. Ces phénomènes seront évoqués plus en détail, dans le chapitre suivant.
## 2.3 Action du temps

"Les monuments sont mortels". En effet, il doit être clair pour tout le monde que tout monument s'écroulera un jour si des travaux d'entretien ou de restauration n'y sont pas effectués. Lesquels travaux ne font d'ailleurs que prolonger leur durée de vie sans jamais espérer les sauver d'une ruine qu'ils atteindront sûrement. Cette mortalité commune à toute chose sur terre, résulte d'une loi de la nature qui veut que toute chose tend à conformer sa structure interne à celle de son environnement en libérant de l'énergie, [9]-p.756, de telle sorte que cette chose et son environnement atteignent globalement un état d'énergie minimale.

Ce processus de minimisation de l'énergie est activé par toutes les forces qui agissent sur les choses dont la plus uniforme et la plus universelle sur terre est la force de gravité, dirigée vers le centre de la terre... A cette force principale s'ajoutent évidemment toutes les forces dont l'origine est naturelle ou humaine et dont les effets ont été décrits dans les deux chapitres précédents, comme les forces de dilatation thermique, les forces de cristallisation, les forces de pression de fluide ou de gaz (eau, vent, etc...), les forces d'origine tectonique, les forces d'impact (érosion, marteau, obus), etc... La force de gravité qui s'exerce depuis l'aube des temps traduit donc principalement l'action du temps, d'où le titre de ce chapitre. Il convient néanmoins de préciser que le temps intervient également de manière déterminante dans les phénomènes naturels et dans les causes de dégradations d'origine humaine, aspect que nous ne développerons pas ici.

Pour ce qui nous concerne, l'action du temps se manifeste donc sous deux formes :

- l'édifice historique subit l'action de la gravité (ou du temps) qui s'exerce sur lui-même.

- l'édifice ou l'ouvrage souterrain historique subit l'action de la gravité (ou du temps) qui s'exerce sur son environnement proche (cet environnement pouvant d'ailleurs être lui-même considéré comme historique sous l'appellation "site historique").

### 2.3.1 L'action du temps sur l'édifice lui-même

La structure d'un bâtiment est généralement conçue de manière à résister de façon acceptable à toutes les forces ou contraintes qu'elle est destinée à supporter. Elle doit se supporter elle-même (forces internes) mais elle doit aussi, autant que possible, supporter des forces extérieures (vents, séismes, vibrations, etc...). C'est la raison pour laquelle tous les éléments et les interconnexions d'un édifice doivent posséder une certaine "réserve de résistance" pour s'opposer aux forces occasionnelles qui peuvent s'ajouter à l'action de la gravité.

Quand chaque élément d'un édifice est "chargé" ou soumis à des contraintes (ou des forces), il se déforme légèrement de façon à développer une résistance à ces forces, traduite par des forces de réaction. Dans un mur de pierres, une pierre développe (si elle en est capable) une force de réaction qui s'oppose à la force exercée par la masse des pierres qui la surmontent, et elle le fait en se déformant.

Résultant de la gravité qui s'exerce sur chacun des éléments d'un édifice, les forces internes qui se développent dans un quelconque de ces éléments, peuvent être des forces de compression (dans les murs), de traction, de flexion (dans les plafonds), de torsion ou de cisaillement. Si ces forces dépassent des valeurs limites, la déformation de l'élément considéré
peut aller jusqu'à sa rupture, sa désintégration ou sa perte totale de cohésion. Les forces mises en jeu se reportent alors sur les éléments voisins en accroissant leur déformation. Si les éléments voisins offrent une assez grande résistance, l'édifice reste stable bien que légèrement endommagé, sinon, ce processus peut conduire à la ruine de l'édifice...

Evidemment, l'amplitude de ces forces dépend de la géométrie de la structure, de la résistance et de la raideur des éléments individuels et de leurs joints, [6]-p.25, figure 20.

En général, les constructions historiques ont tendance à être massives car elles ont été construites avec des matériaux de relativement faible résistance. Celles qui sont parvenues jusqu'à nous sont celles qui, en plus, avaient été largement surdimensionnées. La raison en est que leurs bâtisseurs n'avaient pas de notions très développées en calculs de structure et, en surdimensionnant, ils s'assuraient contre les désordres possibles, qu'on ne savait pas toujours prévoir, ni en identifier l'origine. L'ouvrage s'accommodait ainsi des phénomènes susceptibles de le détruire, parce qu'il offrait une "réserve de résistance" ou une "marge de sécurité" suffisante, pour de longues années. Après quelques siècles d'existence, la marge de sécurité étant en grande partie consommée à force d'accommodations successives, l'ouvrage commençait à présenter des signes importants de dégradation voire des menaces de ruine, tellement la pesanteur terrestre s'efforçait depuis longtemps, de mettre "à plat" ces élévations de pierres, de bois ou de métal.

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>Figure 20 : Comparaison des résistances (a), densités (b) et raideur (c) de matériaux de construction traditionnels et contemporains, [6]-p.33.</figcaption></figure>
En fait, la dégradation d'un édifice historique est toujours due à l'action de la gravité, plus ou moins facilitée par les autres actions d'origine naturelle ou humaine. Les murs se fissurent parce qu'ils ont perdu une partie de leur résistance interne par l'action de facteurs externes, si bien qu'ils ne peuvent plus s'opposer à la force de gravité qu'en se rompant.

La Tour de Pise penche d'un côté parce que le sol sur lequel elle repose, de ce côté, ne peut résister à l'action de la gravité (qui rend la tour si "lourde") qu'en s'affaissant et en se compressant petit à petit, figure 21.

L'étude des effets de la gravité sur les édifices historiques et notamment sur leur structure relève principalement du génie civil (résistance des matériaux, calculs de structure) et de la géotechnique.

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Figure 21 : Affaissement d'une tour ([6]-p.78)</figcaption></figure>

(a) : Le poids de la tour passe par le centre de gravité

(b) : Les forces du vent accentue la tendance au basculement

(c) : La pression s'exerçant au pied (à droite sur la figure) de la tour augmente avec le basculement

(d) : Il y a un danger de soulèvement du sol à cet endroit

### 2.3.2 L'action du temps sur l'environnement d'un édifice historique (ou sur un site historique)

Cette partie relève essentiellement de la discipline géotechnique. Comme nous venons de le voir avec la Tour de Pise, le poids de l'édifice, entraine une déformation exagérée du sous-sol, d'un côté de l'édifice. Cet exemple fait l'interface entre l'action de la gravité sur l'édifice et l'action de la gravité sur son environnement. En effet, dans cet exemple, les forces de gravité qui s'exercent sur l'édifice (dont la somme est son poids) se transmettent dans le sol qui se déforme, pour réagir à la somme de ces forces. Ainsi, on peut parler ici de l'action "indirecte" de la gravité sur l'environnement immédiat de l'édifice dont les effets (la déformation du sol) se répercutent sur l'édifice lui-même en le destabilisant.

Les autres types de problèmes que rencontrent les monuments et les sites historiques et qui résultent de l'action de la gravité (donc du temps) sur l'environnement peuvent être classés en 6 configurations possibles illustrées par la figure 22.
Le premier cas est celui d'un monument bâti situé au sommet d'un talus ou d'une falaise (figure 22 (a)), le deuxième cas est celui où cet édifice est construit au pied d'un talus ou d'une falaise (b), le troisième est celui d'un monument à la pointe d'un pic rocheux (c). Dans le quatrième cas, le monument se trouve à l'aplomb de cavités souterraines (ou de terrains facilement déformables) (d). Le cinquième cas regroupe les cavités et autres grottes à flanc de falaise (e). Enfin, le sixième cas regroupe les ouvrages historiques souterrains (f).

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>Figure 22 : Différentes configurations de construction d'un monument historique.</figcaption></figure>
### 2.3.2.1 Instabilités de falaises et de pentes

Les cas (a), (b) et (e) entrent dans la catégorie des problèmes d'instabilité de falaises ou de pentes : dès lors, plusieurs cas de figures peuvent se présenter :

#### a. plaque dure reposant sur un substratum mou

De nombreux ouvrages anciens sont bâtis sur des sols durs qui reposent, eux, sur un substratum mou (sableaux ou argileux) ou bien ils peuvent avoir été érigés au chevauchement de ces deux types de sols. On rencontre cette configuration pour la ville de San Leo en Italie pour laquelle le déplacement de la plaque supérieure provoque des écoulements de rochers à la limite de cette plaque (figure 23).

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>Figure 23 : Profil géologique simplifié de la région de San Leo, Italie
(R. Ribachi & P. Tommasi dans [18]-p.58)</figcaption></figure>

C'est aussi le cas de l'Acropole d'Athènes, de la ville de KORONI ou des monastères de Dimiova et d'Agio Triada en Grèce ([16] et [18]).

Les problèmes rencontrés sont liés à trois types de phénomènes illustrés par la figure 24. On peut assister, aux limites de la plaque supérieure, à un glissement par translation de colonnes rocheuses (a), à un glissement par rotation au niveau du substratum mou (b) ou à un basculement des colonnes rocheuses.

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Figure 24 : Mouvements possibles des bords d'une plaque dure reposant sur un substratum mou,
J. Silberbauer, R. Poisel & W. Eppensteiner, [18]-p.126</figcaption></figure>

Evidemment ces processus résultent principalement de l'action de la gravité sur des blocs ou colonnes rocheux détachés de la plaque, la plaque supérieure s'étant fracturée verticalement par ce que l'on a coutume de nommer "l'appel au vide" (fractures d'extension) et par des
mouvements relatifs entre la plaque supérieure et le substratum. Le premier type de phénomène (a) peut être initialisé par exemple, par une infiltration d'eau jusqu'au substratum qui altère l'assise rocheuse ; sous le poids de la colonne, cette assise s'affaisse localement et le bloc supérieur glisse verticalement (Ville de Segovia, Espagne, figure 25 (a)).

Dans le deuxième type (b), on peut assister à une rupture circulaire du substratum, entrainant avec elle un bloc rocheux qui aura été détaché de la plaque auparavant ou par son effet. Ce type de rupture est fréquemment rencontré dans des talus sableux ou argileux et il est ici amplifié par le poids du bloc sus-jacent. (Ville de Segovia, Espagne, figure 25 (b)).

Le troisième type résulte souvent de l'action simultanée de la pression de l'eau qui s'est infiltrée dans les fractures de la plaque rocheuse et de la rupture locale du substratum sous l'effet de surcontraintes engendrées par le poids du bloc qui bascule (ex : ville de Escalona, Espagne, figure 25 (c)).

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>Figure 25 : Phénomènes rencontrés dans les villes de Segovia (a et b) et Escalona (c) en Espagne.
(J.M. Rodriguez Ortiz, [18]-p.3)</figcaption></figure>

Les conséquences de ces mouvements sont généralement les suivantes :

- des éboulements de roches au pied de la falaise qui peuvent endommager les édifices qui s'y trouveraient (ex : Temple d'Hatchepsout, site de Deir-El-Bahary, Egypte).

- la fracturation de la plaque rocheuse et, a fortiori, la fracturation de l'ouvrage bâti sur celle-ci qui peut être complètement catastrophique.

Dans le cas des falaises sous-minées, les ouvrages peuvent subir des dommages surtout à cause de la fracturation de la plaque rocheuse et le détachement complet éventuel d'une colonne.

## b. Instabilité de pentes

Dans ce cas, il peut se produire une rupture de type circulaire dans le massif pouvant avoir des conséquences dramatiques sur les monuments situés au pied ou au sommet de ces talus comme l'illustre la figure 26.

Le monastère de Loutloumousi, en Grèce est un exemple de site historique construit sur une pente argilo-schisto-sableuse reposant sur un lit schisteux. L'existence de zones fracturées contribue au glissement progressif de la couverture sur laquelle repose le monastère, ce qui a entraîné la fracturation de certains murs de ce monastère, [18]-p.183.
<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>Figure 26 : Types de phénomènes pouvant altérer un monument placé aux abords d'un talus en glissement.
(R. Lippmann, [18]-p.244)</figcaption></figure>

L'exemple de l'église du Carmo de Olinda, Brésil, relève également de ce schéma. Le talus au sommet duquel elle repose a été plusieurs fois entaillé à cause de l'expansion urbaine voisine. Ainsi destabilisé, le talus subit un déplacement lent vers l'aval qui fait apparaître, dans l'édifice religieux, des fissures et une légère rotation de son portail. Ces mouvements sont par ailleurs dépendant des cycles pluvieux (figure 27).

<figure><img src="image_37.png" /><figcaption>Figure 27 : Dégâts survenus à l'église du Carmo, Olinda, Brésil
(J. de A. G. Filho, J.M.J. da Silva & J.F.T. Juca)</figcaption></figure>

### c. Instabilité de falaises ou pics rocheux

Les ouvrages historiques dont l'étude de stabilité relève de cette configuration sont nombreux. En effet, à des fins stratégiques, beaucoup d'édifices ont été construits au sommet de tels falaises ou pics comme les châteaux forts (figure 28). Le château de Neuschwanstein dans le sud de l'Allemagne est un exemple illustre de construction au sommet d'un pic. De même le château de Devin en Tchécoslovaquie est, en partie (la Tour Virgine), construit au sommet d'un pic rocheux (figure 29). D'autre part, des instabilités de falaises ont porté leurs effets sur les grottes à caractère troglodytique des côteaux du Val de Loire par exemple.
<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>Figure 28 : Vue schématique de la forteresse de Forte Mare, en Yougoslavie
(I. Jasarevic, M. Srkoc & N. Matasovic, [18]-p.130)</figcaption></figure>

En général, les phénomènes de dégradation relevant de ce groupe sont dus, d'une part à la fracturation importante de la roche, d'autre part, à l'existence de surfaces de glissement. La roche étant fracturée (souvent par "l'appel au vide"), le massif est découpé en un très grand nombre de blocs de taille variable dont la stabilité ne tient, bien souvent, qu'aux caractéristiques des joints qui les séparent. Si ces joints sont altérés par divers facteurs extérieurs dont la présence d'eau est probablement le plus important, l'ensemble des blocs peut se désolidariser et conduire à des effondrements parfois très volumineux. Ce phénomène a été rencontré sur le coteau saumurois où l'existence de surplombs a pu provoquer des écoulements assez massifs favorisés d'ailleurs par l'existence de vides dans la falaise (habitations troglodytiques), [18] p.18, figure 30.

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>Figure 29 : Mesures de protection envisagées pour la sauvegarde de la Tour Virgine du château de Devin en Tchécoslovaquie.
(J. Malgot, F. Baliak & J. Sikora, [18]-p.84).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>Figure 30 : Les constructions troglodytiques telles qu'on les trouve en Val de Loire.
(R. Schwartzmann, J.P. Josien & F. Homand-Etienne, [18]-p.15).</figcaption></figure>
Il existe d'autre part, au coeur des falaises, d'énormes surfaces de glissement qui séparent des blocs sur lesquels un monument historique peut reposer entièrement. Si un glissement se produit effectivement le long de ces surfaces, la vie d'un monument peut être compromise. Dans le cas de la Tour de Virgine du château de Devin (Tchécoslovaquie), le pic rocheux est traversé de part en part par quelques discontinuités dont l'une est très dangereuse (figure 29) étant données ses caractéristiques [18]-p.84-85.

### 2.3.2.2 Affaissements

C'est le cas (d) (figure 22-p.37) qui est représentatif de ce problème. On le rencontre surtout quand un édifice historique est bâti à la verticale de travaux miniers ou de génie civil souterrains ou à la verticale de cavités souterraines naturelles. Les mouvements à la surface, conséquences d'une exploitation minière ou de travaux de génie civil (canalisations, tunnels ...) sous-jacents, se présentent généralement de deux façons selon la nature du terrain à l'affleurement :

- des mouvements continus : affaissements, pente, déformation

- des mouvements discontinus : marches, fissures.

Ces mouvements, et spécialement les mouvements discontinus occasionnent en surface des dégâts sur les édifices, [19]-p.39. Les phénomènes rencontrés peuvent être globaux ou ponctuels.

#### a. Les phénomènes globaux

La formation d'une cuvette d'affaissement en surface peut, globalement, modifier l'aspect d'un site (figure 31).

<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>Figure 31 : Influence d'une exploitation minière sur les monuments qui la surplombent. (Théorie de l'influence dite "verticale") ([19]-p.2).</figcaption></figure>
L'affaissement proprement dit peut engendrer des problèmes d'écoulement sur des structures longues comme un canal, une rivière, un égoût, ... avec les effets que l'on imagine aisément sur les monuments. Dans le cas de nappes aquifères à faible profondeur, l'affaissement peut faire remonter le niveau de la nappe créant ainsi des zones plus ou moins inondées ; pour les constructions, des tassements importants peuvent alors se produire par le simple changement de la teneur en eau des sols de fondations, [19]. En effet, une remontée de nappe phréatique peut rendre plus mou des sols cohérents qui passent ainsi de l'état non saturé à l'état saturé d'eau. Certains types de sols comme les loess<fnref n="1" /> subissent alors des tassements, [20]-p.28.

Si une nappe baisse par suite de travaux souterrains, une couche de sol perd son eau (la pression intersticielle diminue), ce qui se traduit, pour des sols cohérents, par une réduction de volume (due à l'augmentation de la contrainte effective) qui peut avoir des conséquences en surface, surtout sur des constructions à fondations peu profondes, [20], figure 32.

<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>Figure 32 : Influence d'une exploitation minière sur le château de Herten, dont les fondations sur pieux ont été endommagées, [20].</figcaption></figure>

<footnote n="1">¹ loess : limon calcaire, très fin, probablement d'origine édienne</footnote>
b. Les phénomènes ponctuels

Les phénomènes ponctuels sont nombreux. Ils résultent généralement des effets de mouvements différentiels qui produisent des compressions, des extensions ou des courbures (figure 33). Pour ces différents cas, la structure de l'édifice historique peut réagir de deux façons : par déformation plastique (pliure, torsion) ou par rupture, les ruptures étant localisées sur les points de faiblesse des bâtiments, c'est-à-dire principalement aux bords des portes et des fenêtres ou près d'un renforcement important, [19]-p.40. Les dégâts par extension ou compression peuvent être graves s'ils touchent :

- des cables électriques enterrés qui, après pliure, peuvent se casser et ne plus être isolés

- des colonnes enterrées de liquides polluants

- des colonnes de gaz

- des rails de voies ferrées

- des ponts.

<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>Figure 33 : Causes des dégâts affectant les constructions et résultants de l'influence d'exploitations minières ou de travaux souterrains, [19]-p.39, d'après Kratsch.</figcaption></figure>
En ce qui concerne les bâtiments, outre la fissuration des murs autour des portes et des fenêtres, on peut redouter les effets sur son alimentation en eau, gaz et électricité déjà mentionnés, [19].

Les ruptures par traction sont rapides et se développent au cours des travaux souterrains alors que les compressions sont généralement assez bien admises par les constructions mais se manifestent sous forme de pliure. Au-delà d'une certaine limite de compression, les dégâts peuvent être très importants. D'autre part, des compressions peuvent induire des tractions sur d'autres parties d'un édifice, c'est le cas, par exemple, de bâtiments à fort renforcement aux extrémités pour lesquels, les longines et les murs peuvent être localement en traction alors que la structure est globalement en compression (figure 34), [19].

<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>Figure 34 : Réaction d'un bâtiment à une compression, [19]-p.40.</figcaption></figure>

Les pentes et les courbures causent en général des problèmes aux constructions importantes. La pente est préjudiciable aux bâtiments longs (30 m minimum) sans joints de dilatation. Une pente de 5 mm/m donne 25 cm de dénivellé entre les extrémités d'une construction de 50 m de longueur, ce qui peut entrainer des nuisances et même l'abandon du bâtiment. Les joints de dilatation permettent aux bâtiments de se déplacer par blocs avec la pente, chaque unité est ainsi moins sollicitée, [19].

La courbure, directement liée à la pente peut entrainer des modifications importantes sur les bâtiments hauts (figure 35), [19].

En règle générale, plus un bâtiment est important, plus il est susceptible de présenter des dégâts car chacun des types de problèmes (déformations, pente, courbure) est fonction des dimensions du bâtiment, [19]. De plus, ces types de problèmes sont cumulatifs. D'autre part, la
position du bâtiment par rapport à la situation des travaux souterrains (miniers ou de génie civil) détermine en général le type de problème rencontré. Ainsi, un bâtiment ne peut réellement subir l'effet de la pente que s'il se situe au voisinage du bord de la cuvette d'affaissement créée par une exploitation minière sous-jacente, [19].

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>Figure 35 : Influence de l'exploitation des mines sur la maison Heisingen à Essen qui se traduit par une courbure concave au niveau du sol de fondation et qui produit des dégâts importants schématisés ici, [20].</figcaption></figure>

Ces problèmes d'affaissements (au sens général) résultent, bien sûr, de l'activité humaine et se manifestent généralement au moment des travaux souterrains, aussi, on devrait les classer parmi les effets de l'action de l'homme. Néanmoins, à l'occasion des travaux effectués à notre époque, des mesures sont prises pour éviter les dommages à la surface (consolidation des terrains, etc...). Aussi, ce qui nous préoccupe le plus ici, est le cas de monuments reposant au voisinage de travaux souterrains anciens. En effet, le monument a pu être construit après l'existence de ces travaux et les excavations souterraines se dégradant avec le temps, sous l'effet de la gravité, peuvent en retour, endommager le monument qui se trouve à la surface. D'autre part, des cavités naturelles peuvent exister sous le monument ou le site historique (cavités karstiques par exemple) et, leur stabilité peut évoluer avec le temps entrainant des modifications en surface du même type que celles décrites précédemment.

### 2.3.2.3 Ouvrages historiques souterrains

La figure 22 (f)-p.37 illustre ce cas. On le rencontre très fréquemment dans le monde entier puisque cette rubrique regroupe entre autres, les grottes ornées, les souterrains historiques et les tombes. La dégradation de ces ouvrages vient principalement du fait que, construits sous la terre, ils sont soumis à des contraintes induites par le poids des terrains qui les surmontent. En règle générale, plus ces ouvrages sont profonds, plus les contraintes sont importantes. D'autre part, le creusement de telles cavités souterraines entraine une modification de la distribution des contraintes au voisinage de l'ouvrage de telle sorte que des zones de surcontraintes apparaissent
aux limites de l'ouvrage (surcontraintes verticales aux parois verticales, surcontraintes horizontales au plafond et au plancher (au toit et au mur en langage minier)). Avec le temps et les modifications de l'environnement d'ordre tectonique, hydrogéologique, etc..., avec les modifications des conditions de charge (construction d'un building en surface, etc...), la stabilité des ouvrages souterrains peut être mise en cause, et c'est l'action de la gravité qui en est toujours la principale responsable (chutes de blocs,...).

La géométrie d'un ouvrage est toujours un facteur déterminant pour sa stabilité. Dans le cas d'une galerie ou d'une excavation simple, un plafond trop large sera plus facilement sujet à des fissurations qui pourraient conduire à des effondrements volumineux (figure 36) ; dans le cas de cavités souterraines excavées sous le modèle "chambres et piliers", la dimension des piliers est prépondérante pour qu'ils puissent soutenir longtemps le plafond...

D'un point de vue phénoménologique, les problèmes rencontrés dans les ouvrages souterrains et qui résultent de l'action du temps (ou de la gravité) plus ou moins directement, peuvent être répartis en deux catégories (d'après Piguet, Helal, Iman, [18]-p.153).

### a. Les ouvrages en contact avec des terrains tendres

La stabilité semble, dans ces cas, liée étroitement :

- aux propriétés intrinsèques des terrains

- à la largeur ouverte des cavités

- à l'action des argiles gonflantes quand il y en a.

Le cas des tombes du site d' EL KAB (sud de Louxor, Egypte) illustre bien l'importance de la nature du terrain : les tombes entièrement creusées dans le calcaire sont stables alors que celles dont la couronne empiète dans les bancs argileux sus-jacents présentent des chutes de toit (plafond).

Les galeries plus étroites se comportent mieux, en général, que les passages ou cavités plus larges ou que les croisements de galeries.

En ce qui concerne l'action des argiles gonflantes, elles peuvent se manifester différemment selon les sites mais en sait que lorsque leur gonflement est contrarié par une construction (mur en maçonnerie par exemple), cette dernière est fortement sollicitée sous leur poussée et peut même se rompre. Dans plusieurs secteurs du Serapeum (Saqqarah, Egypte), des arches maçonnées ont été construites afin d'assurer la stabilité des galeries et des cavités. Or les piedroits et les épaulements de ces arches ont été fissurés par l'action supposée des argiles gonflantes, [18]-p.155.

### b. Les ouvrages localisés dans des roches dures naturellement fracturées (calcaires, grès, marnes ou argiles indurées)

Les exemples caractéristiques sont nombreux comme dans la nécropole de Saqqarah (Egypte). La donnée géotechnique fondamentale pour la stabilité est alors la structure du massif rocheux (fracturation naturelle). Le toit immédiat de ces ouvrages souterrains peut alors être découpé en blocs plus ou moins volumineux qui peuvent présenter avec le temps des signes de déplacements relatifs les uns par rapport aux autres. Si les terrains sont stratifiés
horizontalement, certains lits sensibles à l'altération et susceptibles de favoriser des décollements peuvent provoquer la chute de dalles rocheuses de plusieurs m², ce qui présente un danger pour la sécurité des visiteurs et pour la conservation de l'ouvrage dans son état primitif (figure 36). Les cavités de ce type ont parfois des dimensions importantes et, quand leur largeur est grande, des piliers de roche peuvent avoir été laissés en place lors de l'excavation. Le comportement de ces piliers devient alors un élément essentiel pour la stabilité du toit. Si ces piliers sont trop dégradés, soit par excès de chargement de la part des terrains sus-jacents, soit par altération due à l'environnement (eau, séismes...), la stabilité de ces ouvrages historiques peut être compromise, [18]-p.155.

<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>Figure 36 : Processus simplifié de la dégradation des cavités souterraines situées dans des roches dures naturellement fracturées.</figcaption></figure>
## 2.4 Conclusion

Le panorama des problèmes rencontrés sur les monuments et les sites historiques montre la diversité des points sur lesquels doit se porter l'attention des restaurateurs. En les classant selon leur origine, l'accent est mis sur des principes de base de la restauration qui veulent que :

- on ne s'oppose pas à l'action de la nature, on ne peut que s'en protéger (la pluie...) ou en diminuer les effets (mesures contre les séismes...).

- on peut supprimer à terme, l'action néfaste de l'homme en prenant des mesures législatives destinées à régulariser les interventions humaines sur, ou au voisinage des monuments (en prenant des mesures contre la pollution par exemple).

- on ne peut supprimer l'action du temps, mais on peut ralentir ses effets (consolidation des pierres, des sols, etc...).

D'autre part, ce panorama montre également à quel point la protection des monuments et des sites historiques est un domaine d'études et de recherches multidisciplinaire, ce qui fait mentir Viollet-le-Duc qui disait en 1856 : "L'administration des cultes dispose d'architectes capables de combiner un système de reconstruction léger, solide, élégant, sans qu'il soit besoin d'avoir recours à des personnes étrangères à l'art de bâtir". La charte de Venise insiste d'ailleurs sur ce point, à l'article 2 : "La conservation et la restauration des monuments constituent une discipline qui fait appel à toutes les sciences et à toutes les techniques qui peuvent contribuer à l'étude et à la sauvegarde du patrimoine monumental" (voir annexe 1).

Les problèmes spécifiquement géotechniques semblent toutefois encore ne pas faire l'objet d'une attention systématique lors des visites techniques que peuvent effectuer les architectes des monuments historiques notamment. Quand leur importance est flagrante, une étude est proposée à un laboratoire de recherche quelconque spécialisé dans ce domaine. Pourtant, le comportement du sol au contact duquel repose un monument (ou qui constitue lui-même un site historique) est très souvent le premier responsable des problèmes de stabilité d'ensemble ou de structure des édifices ou des ouvrages souterrains.

Dans la suite, nous allons présenter les techniques et méthodes visant à faire le diagnostic ou l'état de stabilité global d'un monument ou d'un site historique, ces techniques et méthodes étant principalement importées de la discipline géotechnique.
Troisième partie

<figure><img src="image_47.png" /></figure>

LES METHODES
ET LES TECHNIQUES
DE DIAGNOSTIC
## 3. Les Méthodes et les Techniques de Diagnostic

Dans cette partie, l'aspect géotechnique des problèmes est principalement abordé, cela veut dire que nous nous attachons à étudier le comportement global d'un site ou d'un monument.

S'il s'agit d'un édifice, la stabilité de la structure, l'intéraction édifice-sol sont nos préoccupations ; s'il s'agit d'un ouvrage souterrain, nous nous intéressons à sa stabilité globale ; si un édifice repose au pied ou au sommet d'un talus ou d'une falaise, c'est la stabilité de ce talus ou de cette falaise qui attire principalement notre attention.

A partir de l'étude du monument et de son environnement, il s'agit donc d'établir un diagnostic. Pour cela, il faut tenter de répondre aux questions suivantes :

- dans quel état de conservation se trouve le monument ou le site ?

- quel est son état de stabilité ?

- quel est son évolution possible ?

- quels sont les risques, pour la conservation du monument, du site et pour les visiteurs ?

- quelles agressions peut-il encore supporter (déformations, mouvements, vibrations, eau...) ?

- quelles sont les précautions à prendre ?

- quels sont les remèdes possibles ?

En essayant de répondre à ces sept questions, nous allons parcourir les différentes étapes d'une méthodologie d'étude devenue classique en géotechnique et qui est schématisée par la figure 37.

<figure><img src="image_48.png" /><figcaption>Figure 37 : Vue schématique de la méthodologie des études en géotechnique</figcaption></figure>
## 3.1 L'état de conservation

C'est la phase descriptive de la méthodologie. Elle est le point de départ de toutes les autres phases, celle sur laquelle s'appuient les calculs, les raisonnements et les conclusions qui suivront.

Elle consiste à relever la géométrie du monument et de son environnement, à repérer la géologie (types des pierres de construction, des roches et des sols encaissants, stratigraphie,...) à caractériser les pierres, les roches, les terrains par des tests simples ou des essais de laboratoire (module d'Young, cohésion, angle de frottement, résistance à la compression et à la traction, perméabilité, ...), à noter les évènements structuraux (discontinuités naturelles ou mécaniques, fissures, éboulements...) ainsi que la présence ou non d'eau dans un voisinage proche du monument ou dans le site.

### 3.1.1 La géométrie

La géométrie d'un édifice, d'une excavation, d'un site est l'un des facteurs déterminants pour leur stabilité. Les techniques utilisées pour relever cette géométrie sont très diverses et peuvent être très simples ou très compliquées. On peut noter, sans entrer dans les détails, l'utilisation :

- d'un mètre à ruban et d'un crayon ;

- d'un télémètre à main (à ultrasons par exemple) et d'un crayon ;

- d'un appareil photo avec analyse ou traitement des photographies ;

- d'un théodolite ou plus généralement des instruments de la géodésie ;

- d'un système de télémétrie (Laser,...) ;

- d'un système complet de photogrammétrie (figure 38).

Selon les configurations rencontrées diverses représentations doivent figurer sur les plans :

- une vue de dessus (édifices, excavations) ;

- des coupes verticales (édifices, excavations, sites) sur lesquelles, l'environnement immédiat sera repéré (le relief des abords d'un édifice, le niveau de la surface pour les ouvrages souterrains, la totalité d'une falaise ou d'un talus...);

- éventuellement des coupes horizontales pour les monuments ou les sites à géométrie complexe.

Indiquer la géométrie des fondations est fondamental également. A ce stade, l'échelle et la direction du nord doivent figurer.
<figure><img src="image_49.png" /><figcaption>Figure 38 : Exemple de relevé photogrammétrique, face postérieure de la Villa Médicis à Rome
(La Recherche au Ministère de la Culture, 1982-1983)</figcaption></figure>

### 3.1.2 La géologie

Sur les coupes, devraient apparaître plusieurs relevés stratigraphiques (abords d'un édifice, ouvrages souterrains, talus, falaises, ...) quand ceux-ci sont réalisables, chacun des niveaux étant désignés par un nom (figure 39).

Les méthodes de reconnaissance des terrains du point de vue de la nature et de la géométrie des différents horizons lithologiques, qui sont les plus efficaces sont les suivantes, [22]-p.143 :

- les méthodes directes telles que sondages, puits, tranchées et galeries ;

- les méthodes mécaniques dont principalement les pénétromètres dynamique et statique ;

- quelques méthodes géophysiques comme la sismique réflexion ou les sondages électriques.

On notera qu'il peut être nécessaire de reconnaître les terrains à une profondeur très grande pour trouver l'origine d'un problème de surface. L'existence d'une couche d'argile molle à 35 m de profondeur par exemple, peut entraîner des tassements à la surface si les terrains intermédiaires ne sont pas assez rigides.
<figure><img src="image_50.png" /><figcaption>Figure 39 : Exemples de relevés stratigraphiques.
(Sur une coupe ou en colonne) (le choix de représentation des roches ne correspond pas aux normes en vigueur)</figcaption></figure>

### 3.1.3 Caractérisation des sols, des roches ou des pierres

Peuvent figurer également sur le plan, ou sur un rapport annexe, des tableaux résumant les différentes caractéristiques des matériaux rencontrés (Tableau 2). On retiendra comme données primordiales :

- le module d'élasticité E

- la résistance à la compression Rc

- la résistance à la traction Rt

- le coefficient de poisson v

- la densité d

- la cohésion C

- l'angle de frottement φ

Si d'autres données sont possibles, il est utile de les mesurer. Il peut être intéressant également de localiser sur le plan l'endroit où ont été prélevés des échantillons ou l'endroit où ont été effectuées certaines de ces mesures. S'il est impossible d'obtenir ces résultats, des ordres de grandeur estimés pourraient figurer. Les données serviront notamment aux calculs de stabilité qui pourrait être faits.

<table><caption>Tableau 2 : Exemple de tableau résumant les caractéristiques principales de roches, [21], (des fourchettes de valeurs sont néanmoins préférables).</caption><thead><tr><th></th><th>E<br>bar</th><th>Rc<br>bar</th><th>Rt<br>bar</th><th>√</th><th>d<br>g/cm³</th><th>c<br>bar</th><th>Φ<br>°</th></tr></thead><tbody><tr><td>Calcaire</td><td>120,000</td><td>128</td><td>28</td><td>0.21</td><td>2.4</td><td>30</td><td>40</td></tr><tr><td>Marne</td><td>80,000</td><td>84</td><td>23</td><td>0.24</td><td>2.3</td><td>22</td><td>35</td></tr><tr><td>Argile schisteuse</td><td>60-40,000</td><td>63</td><td>21</td><td>0.27</td><td>2.2</td><td>18</td><td>30</td></tr><tr><td>Recouvrement</td><td>90,000</td><td>88</td><td>24</td><td>0.24</td><td>2.3</td><td>23</td><td>35</td></tr></tbody></table>
### 3.1.4 Évènements structuraux

Les contraintes qui s'exercent dans les roches ou les pierres sont souvent reliées aux forces qui causent fracturations, fissurations ou plissements. Un plan sur lequelle figureraient les fissures, les fractures, les joints, les failles ainsi que les signes de détérioration ou d'instabilité tels que les chutes de blocs, les montées en voute, les fontis, les zones très fracturées, les zones d'affaissement, les zones de gonflement ou de flambement, pourrait donner une idée des directions possibles de contraintes ainsi que de leur amplitude. Des symboles peuvent servir à identifier ces différents types d'événements structuraux. Pour les fissures, fractures, joints et failles, il serait bon d'indiquer symboliquement ou numériquement leur direction et leur pendage (flèches, projections stéréographiques). Pour les zones dégradées, on pourra également constituer des classes selon la gravité des problèmes (volumes de blocs éboulés, densité de fracturation, etc...) (figure 40).

Le RQD (Rock Quality Designation) est souvent utilisé comme indicateur de la densité de fracturation. Il est défini comme le rapport de la somme des longueurs des morceaux d'une carotte (il s'agit du terme désignant le résultat d'un sondage non destructif) supérieures à 100 mm, sur la longueur totale de la carotte. Ce RQD peut néanmoins être calculé, sans sondage, sur une face exposée :

$$ \text{RQD (\%)} = 100 \times (\text{longueur de la carotte en morceaux} / \text{longueur du trou de sondage}). $$

Néanmoins, on pourra lui préférer, actuellement, les grandeurs caractéristiques de la distribution des fractures (moyenne, médiane, écart-type, quantiles, etc ...) dont la détermination n'est pas plus difficile que celle du RQD et qui sont plus riches d'enseignements.

<figure><img src="image_51.png" /><figcaption>Figure 40 : Exemple de représentation des évènements structuraux (d'après R. Schwartzmann, J.P. Josien & F. Homand-Etienne, [18] p.14).</figcaption></figure>
### 3.1.5 L'eau

L'influence de l'eau, on l'a vu, est considérable en regard de la stabilité des édifices ou des sites. Elle peut transporter des sels, se dilater dans les pierres, faire gonfler des argiles, etc... Il sera bon, quand cela est possible, de placer sur une coupe verticale, le niveau d'une nappe aquifère (obtenu par sondage, puits, tranchée ou mesures piézométriques) ainsi que toutes les zones sujettes à des écoulements d'eau (figure 41).

<figure><img src="image_52.png" /><figcaption>Figure 41 : Exemple de représentation du niveau de plusieurs tombes de Saqqarah (Egypte) par rapport à la surface du sol et au niveau de la nappe d'eau souterraine, [21].</figcaption></figure>

### 3.1.6 Conclusion

De tels plans permettent aux responsables de localiser des zones a priori dangereuses ou des zones d'intérêt pour une étude plus poussée... Ils constituent un premier bilan uniquement "visuel" qui permet d'envisager des hypothèses (ex : tassements différentiels dus à des terrains de fondation hétérogènes), de lancer des investigations sur les phénomènes rencontrés afin de guider les études et recherches ultérieures.

D'autre part, ces plans peuvent déjà fournir des données chiffrées approximatives sur des coûts de réparations ou de maintenance (remplacer tel élément, échafauder telle zone, protéger telle partie,...).

Enfin, ces plans constituent une photographie "structurale" d'un monument ou d'un site historique à un moment précis. Ils peuvent ainsi servir de référence à d'autres plans qui seraient réalisés après et peuvent ainsi fournir des indications qualitatives sur l'évolution d'un monument ou d'un site. Des photographies accompagneront toujours favorablement une carte
"géotechnique" réalisées selon les dispositions décrites auparavant (figure 42).

D'autre part, ainsi exécutés, ces plans répondent aux objectifs généraux énoncés par le guide de l'UNESCO relatif à la cartographie géotechnique qui suivent, [22]-p.147 :

- rassembler et représenter l'information objective nécessaire pour évaluer les caractéristiques géotechniques dont la connaissance est indispensable dans le triple domaine de l'aménagement régional, de la construction et de l'exploitation minière.

- permettre la prévision des modifications des conditions géologiques que risquent d'entraîner les travaux et suggérer les mesures préventives nécessaires (voir plus loin).

- présenter l'information géologique et géotechnique d'une façon accessible aux professionnels qui l'utilisent et qui ne sont pas forcément géologues.

<figure><img src="image_53.png" /><figcaption>Figure 42 : Exemple de carte géotechnique globale représentant la tombe des Babouins à Saqqarah, en Egypte, [31].</figcaption></figure>
## 3.2 L'état de stabilité

Caractériser l'état de stabilité d'un monument ou d'un site, c'est faire une première interprétation des observations rassemblées sur la carte géotechnique préalablement constituée et des éventuels essais ou expérimentations qui peuvent être menés à ce stade.

En général, cette caractérisation est présentée sous la forme de résultats chiffrés qui peuvent être obtenus par des mesures in-situ, des calculs simples ou des modélisations de comportement sur ordinateur.

### 3.2.1 Les mesures in-situ

#### a. Cas d'un édifice ou d'un ouvrage souterrain

En dehors des prélèvements d'échantillons qui peuvent avoir été déjà faits pour caractériser les roches et éventuellement leur degré d'altération (par la connaissance de Rc, Rt par exemple).

Il est possible de mesurer, sur place :

- la profondeur des fissures, l'état des fondations par examen endoscopique;

- l'absorptivité en eau des pierres avec l'utilisation du tube de Karsten par exemple (figure 43) qui mesure la vitesse de pénétration de l'eau dans les pierres, ou l'absorptivité des sols encaissants (pour évaluer l'influence de l'eau de pluie);

- la perméabilité des pierres, mesurée à l'aide du perméamètre à gaz de Ruska par exemple, qui est relative aux flux et à l'expansion de la vapeur d'eau dans les pierres;

- la résistance d'une pierre par une méthode de rebond élastique comme celle qu'utilise le marteau de Schmidt (figure 44). Cette donnée peut mettre en évidence localement des éléments faiblement résistants de la structure;

- l'intégrité d'une pierre par une méthode ultrasonique qui permet de détecter des fissures et de donner une approximation de la résistance de la roche (des mesures faites sur la pyramide de Meidum en Egypte ont montré qu'en certains endroits de la couverture de cette pyramide, on trouve des pierres de calcaire très fiable puisque des vitesses de transmission de vibrations à travers ces pierres de 2700 m/sec ont été mesurées, au lieu de 5000 à 6000 m/sec pour des calcaires moyens, ce qui a permis de localiser des zones d'instabilité potentielle [23]-p.21.);

- l'état de contraintes dans une pierre avec une méthode du genre vérin-plat si cela est possible car cette méthode est légèrement destructrice (figure 45).
<figure><img src="image_54.png" /><figcaption>Figure 43 : Principe du tube de Karsten</figcaption></figure>

<figure><img src="image_55.png" /><figcaption>Figure 44 : Principe du marteau de Schmidt (linéaire ou rotatif).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_56.png" /><figcaption>Figure 45 : Schéma de principe de la méthode de mesures de contraintes au vérin plat (une formulation mathématique permet d'obtenir les contraintes à partir de la pression du fluide injecté pour rétablir l'écartement initial entre les plots)</figcaption></figure>

b. Cas d'une falaise, d'un talus et éventuellement d'un ouvrage souterrain

Les mesures possibles sur les édifices ou les ouvrages souterrains se révèlent généralement inutiles ou irréalisables dans le cas d'un talus ou d'une falaise. On pourra néanmoins effectuer dans ce cas :

- des mesures de contraintes par vérin plat ou cellule pressiométrique

- des examens endoscopiques de fractures pour évaluer leur étendue
- des essais de résistance de joints à partir de blocs fissurés

- des sondages ou des mesures géophysiques pour repérer éventuellement dans le talus ou la falaise des cavités invisibles de l'extérieur (karsts, ...) ou des "défauts" structuraux du point de vue géologique et qui pourraient avoir une influence sur le comportement du talus, de la falaise ou de l'ouvrage souterrain.

### 3.2.2 Les calculs simples

#### a. Cadre théorique des calculs proposés. Cercle de Mohr

Les calculs simples qui vont être proposés succintement par la suite reposent essentiellement sur l'étude des contraintes en un point "névralgique" d'un édifice, de son sol de fondation ou de ses terrains encaissants, comparée à un critère de rupture. On dispose, pour faire cette comparaison, d'un outil de base qui peut être utilisé simplement et qui est le Cercle de Mohr. Pour ce faire, on est conduit à déterminer la valeur et la direction des contraintes dites "principales". En nous plaçant dans l'hypothèse d'un milieu à deux dimensions (hypothèse des contraintes planes), cette détermination est possible à condition de connaître trois données qui sont généralement :

- soit $\sigma_x$, $\sigma_y$ et $\tau_{xy}$, contraintes normales et de cisaillement exercées sur deux facettes "théoriques" perpendiculaires entre elles et passant par le point étudié (figure 46).

- soit $\sigma_a$, $\sigma_b$ et $\sigma_c$, contraintes normales exercées sur 3 facettes d'orientations différentes mais connues et passant également par le point étudié (figure 46).

<figure><img src="image_57.png" /><figcaption>Figure 46 : Contraintes normales et de cisaillement</figcaption></figure>

Ces données peuvent être obtenues par des éléments de théorie (élasticité, plasticité, ...) ou par des mesures de contraintes in situ (le principe de la technique du vérin plat repose sur la détermination des contraintes du type $\sigma_a$, $\sigma_b$ et $\sigma_c$).

Connaissant les trois données du type $\sigma_x$, $\sigma_y$ et $\tau_{xy}$, le cercle de Mohr se construit de la façon illustrée par la figure 47.
<figure><img src="image_58.png" /><figcaption>Figure 47 : Construction du cercle de Mohr.</figcaption></figure>

Sur cette figure, $\sigma_1$ et $\sigma_2$ sont les contraintes principales, elles sont perpendiculaires entre elles. $\sigma_1$ est le contrainte dite majeure et $\sigma_2$ est la contrainte dite mineure.

Il découle de la construction précédente les formules suivantes :

$$ \sigma = \frac{\sigma_1 + \sigma_2}{2} - \frac{\sigma_1 - \sigma_2}{2} \cos 2\theta $$

$$ \tau = \frac{\sigma_1 - \sigma_2}{2} \sin 2\theta $$

où $\sigma$ et $\tau$ sont les contraintes normales et de cisaillement qui s'exercent sur une facette (passant par le point d'étude) faisant un angle $\theta$ avec la direction de $\sigma_1$.

Dès lors, connaissant $\sigma_x$, $\sigma_y$ et $\tau_{xy}$, on établit un système de 3 équations à 3 inconnues $\sigma_1$, $\sigma_2$ et $\theta$ issu des 2 équations précédentes et que l'on résoud facilement.

A partir des trois données du type $\sigma_a$, $\sigma_b$ et $\sigma_c$, on peut, de la même façon, constituer un sytème de 3 équations à 3 inconnues $\sigma_1$, $\sigma_2$ et $\theta$.

Il reste alors à comparer l'état de contraintes obtenu, avec la courbe intrinsèque (de type Mohr-Coulomb) du matériau dont on étudie le comportement (cette courbe intrinsèque est obtenue à partir d'essais de laboratoire). Cette comparaison peut s'effectuer graphiquement comme cela est illustré par la figure 48.

Si le grand cercle (déterminé par les valeurs de $\sigma_1$ et $\sigma_2$) rencontre la courbe intrinsèque du matériau, il peut se produire une rupture du matériau selon un plan faisant un angle $\theta$ avec la direction de $\sigma_1$ (cet état correspond en fait au dépassement de la limite élastique du matériau, ce qui est considéré comme un signe précurseur de rupture).
<figure><img src="image_59.png" /><figcaption>Figure 48 : Comparaison du cercle de Mohr avec la courbe intrinsèque.</figcaption></figure>

On peut faire remarquer ici que :

- la courbe intrinsèque des roches a globalement la forme d'une parabole,

- celle des sols est considérée comme étant une droite d'équation "$τ = c + σ \tan \phi$" dans le repère $(σ, τ)$ du plan de Mohr (c est la cohésion et $φ$ est l'angle de frottement interne).

## b. Cas d'un édifice.

Avant d'entamer une étude de stabilité par des méthodes numériques par exemple, il est bon de vérifier au préalable, par des calculs simples, les charges exercées par un édifice sur le sol ou les charges exercées sur certains éléments de l'édifice par les autres qui le constituent. Ces calculs simples permettent ainsi de vérifier rapidement si certains édifices ont été mal dimensionnés dès leur construction ou si, à la suite des dégradations qu'ils ont subies, ils sont encore capable de se supporter ou d'être supportés par le sol.

Les calculs qui sont possibles manuellement ne concernent que des structures simples. On peut, par exemple, vérifier facilement la tenue des poutres (figure 49).

On peut également calculer la charge exercée par un mur de fondation sur le sol en utilisant des résultats simples issus de la théorie de l'élasticité pour un milieu homogène semi-infini. Plaçons nous dans l'hypothèse des contraintes planes, ce problème revient à déterminer les contraintes induites dans le sol de fondation par une ligne de chargement transversale considérée en 2 dimensions comme ponctuelle : P (figure 50).
<table><caption>Figure 49 : Contraintes maximales de cisaillement et de traction pour différents types de poutres ou plaques rectangulaires soumises à un chargement vertical uniforme, [24]-p.152.</caption><thead><tr><th>type</th><th>τmax</th><th>σmax</th><th>note</th></tr></thead><tbody><tr><td>cantilever</td><td>3 WL / (2 t)</td><td>3 WL<sup>2</sup> / (t<sup>2</sup>)</td><td>W = charge / unité de long. d'ouverture = γt<br/>t = épaisseur<br/>b = largeur = unité = 1<br/>L = longueur d'ouverture<br/>γ = poids volumique de la poutre</td></tr><tr><td>simple</td><td>3 WL / (2 t)<br/>(aux extrémités)</td><td>3 WL<sup>2</sup> / (4 t<sup>2</sup>)<br/>(au centre)</td><td>plaque encastrée telle que L&lt;2<br/>σmax = 0,45 WL<sup>2</sup> / (t<sup>2</sup>) (b/L = 1,5)<br/>(au centre)</td></tr><tr><td>encastrée</td><td>3 WL / (4 t)<br/>(aux extrémités)</td><td>1 WL<sup>2</sup> / (2 t<sup>2</sup>)<br/>(aux extrémités)</td><td></td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_60.png" /><figcaption>Figure 50 : Force exercée par un mur.</figcaption></figure>

Dans le cas d'un mur (figure 50), l'état de contraintes peut être obtenu par le calcul suivant ([28]-p.302) illustré par la figure 51.

$$\sigma_r = \frac{2P \cos \theta}{\pi r}$$

$$\sigma_{\theta} = 0$$

$$\tau_{r\theta} = 0$$

<figure><img src="image_61.png" /><figcaption>Figure 51 : Contraintes induites par une charge verticale</figcaption></figure>
D'autre part, les courbes "$σ_r$ = constante" sont des cercles tangents à la surface au point d'action de P (figure 51).

Si la ligne de chargement agit en cisaillement on trouve les résultats suivant, [28]-p.303, illustrés par la figure 52 :

<figure><img src="image_62.png" /><figcaption>Figure 52 : Contraintes induites par une force de cisaillement.</figcaption></figure>

Si la ligne de chargement est oblique par rapport à la surface du sol on trouve les résultats suivants, figure 53 :

<figure><img src="image_63.png" /><figcaption>Figure 53 : Contraintes induites par un chargement oblique.</figcaption></figure>

Ayant ainsi calculé les contraintes dans le sol de fondation, on peut alors les confronter au critère de rupture grâce à la construction du cercle de Mohr.

En ce qui concerne les fondations des édifices, il faut vérifier que les contraintes dues aux surcharges qui apparaîssent dans les terrains sont admissibles (on vient d'évoquer cet aspect), mais il faut aussi vérifier que ces contraintes créent, à la base de l'ouvrage, des tassements également admissibles pour la sauvegarde de celui-ci. C'est pourquoi on peut mentionner également un calcul de tassement qu'il est bien utile de réaliser. Ce calcul donne la valeur du tassement "w" au centre d'une fondation circulaire de rayon "R", chargée par une pression P, figure 54, [29]-p.199.
$$w = 2 \frac{PR}{E} (1 - v^2)$$

$$w = 1,57 \frac{PR}{E} (1 - v^2)$$

E : module d'élasticité du sol

u : coefficient de Poisson du sol

<figure><img src="image_64.png" /><figcaption>Figure 54 : Réaction du sol face aux fondations.</figcaption></figure>

D'autres calculs, plus simples encore, peuvent également nous permettre d'estimer les efforts transmis par un édifice sur le sol.

Une estimation rapide des masses mises en jeu a permis, par exemple, de chiffrer à 70000 tonnes environ la charge transmise par le dôme de la cathédrale St Paul (le plus large du monde) sur le sol argileux de Londres. Bien qu'énorme, cette masse uniformément répartie sur les huit piliers et bastions a entraîné l'enfoncement de l'édifice de 16 cm sans que la stabilité de l'ensemble ne soit compromise, [23]-p.53.

De même, la masse de la pyramide de Chéops, qui vaut environ 5 millions de tonnes, correspond à une masse par mètre de périmètre de 6500 tonnes alors que cette donnée vaut 300 à 900 tonnes/m pour une centrale nucléaire et 400 à 500 tonnes/m pour un immeuble de 50 étages, [23]-p.17. Un autre calcul donne une contrainte verticale moyenne exercée par la pyramide sur le sol de 9,5 bars (0,95 MPa) avec une valeur maximale au centre beaucoup plus grande. Un troisième calcul permet de donner un ordre de grandeur de cette contrainte au centre en supposant qu'elle est due à une colonne de pierre faisant 147 mètres de haut (hauteur de la pyramide) et ayant une densité de 2,5 tonnes/m³ (densité moyenne des blocs de la pyramide). En considérant une colonne de 1 m² de base, cela fait une contrainte verticale au sol de 36,7 bars (3,67 MPa) à comparer avec les capacités portantes des sols telles qu'on les trouve typiquement dans les règles pratiques de génie civil (tableau 3, d'après [28]-p.297).
<table><caption>Tableau 3 : Capacité portante de différents types de roches intactes, [28]-p.297.</caption><thead><tr><th>Type de roche</th><th>Région d'occurence</th><th>Contrainte admissible (MPa)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Calcaire massif stratifié</td><td>U.K.</td><td>3,8</td></tr><tr><td>Dolomite</td><td>Chicago</td><td>4,8</td></tr><tr><td>Dolomite</td><td>Detroit</td><td>1,0 - 9,6</td></tr><tr><td>Calcaire</td><td>Kansas City</td><td>0,5 - 5,8</td></tr><tr><td>Calcaire</td><td>St. Louis</td><td>2,4 - 4,8</td></tr><tr><td>Micaschiste</td><td>Washington</td><td>0,5 - 1,9</td></tr><tr><td>Micaschiste</td><td>Philadelphie</td><td>2,9 - 3,8</td></tr><tr><td>Schiste de Manhattan</td><td>New York</td><td>5,8</td></tr><tr><td>Gneiss de Fordham</td><td>New York</td><td>5,8</td></tr><tr><td>Schiste et ardoise</td><td>U.K.</td><td>0,5 - 1,2</td></tr><tr><td>Argilitte</td><td>Cambridge, MA</td><td>0,5 - 1,2</td></tr><tr><td>Schiste argileux de Newark</td><td>Philadelphie</td><td>0,5 - 1,2</td></tr><tr><td>Schiste argileux dur et cémenté</td><td>U.K.</td><td>1,9</td></tr><tr><td>Schiste argileux de Eagleford</td><td>Dallas</td><td>0,6 - 1,9</td></tr><tr><td>Argile schisteuse</td><td>U.K.</td><td>1</td></tr><tr><td>Grès de Fox Hills</td><td>Denver</td><td>1,0 - 2,9</td></tr><tr><td>Craie solide</td><td>U.K.</td><td>0,6</td></tr><tr><td>Craie de Austin</td><td>Dallas</td><td>1,4 - 4,8</td></tr><tr><td>Grès friable</td><td>Los Angeles</td><td>0,5 - 1,0</td></tr></tbody></table>

### c. Cas des ouvrages souterrains

Les ouvrages souterrains se présentent généralement sous la forme d'une excavation simple, comme un tunnel ou une chambre (galerie d'accès non comprise) ou sous la forme d'excavations multiples, comme des chambres superposées, des chambres adjacentes ou des chambres avec piliers.

Les contraintes qui existent en un point situé à une profondeur donnée d'un massif rocheux résultent du poids et de l'histoire géologique des terrains qui surmontent ce point. La création d'une excavation souterraine modifie la distribution des contraintes initiale de telle façon que la limite de résistance des roches peut être dépassée en certains points.

A ce stade de l'élaboration du diagnostic, il est possible de réaliser quelques calculs dans le but de vérifier notamment le bon ou le mauvais dimensionnement des ouvrages souterrains selon leur configuration ou de détecter des zones susceptibles de présenter des signes d'instabilité autour de ces ouvrages.
Excavations simples.

Le cas de la galerie ciculaire dans un milieu intact et élastique a été résolu dès 1898 par Kirsch. Les résultats qu'il a obtenus peuvent être utilisés pour évaluer l'état de contraintes autour d'une excavation circulaire ou même d'une excavation à section quelconque pourvu que l'on recherche simplement un ordre de grandeur des contraintes.

La formulation des solutions de Kirsch que l'on trouve dans tous les manuels de mécanique des roches est la suivante (illustrée par la figure 55) :

$$ \sigma_{\theta} = \frac{1}{2} p_z \left\{ \left(1 + k\right) \left(1 + \frac{a^2}{r^2}\right) - \left(1 - k\right) \left(1 + \frac{3a^4}{r^4}\right) \cos 2\theta \right\} $$

$$ \tau_{r\theta} = \frac{1}{2} p_z \left\{ -(1-k) \left(1 + \frac{2a^2}{r^2} - \frac{3a^4}{r^4}\right) \sin 2\theta \right\} $$

$$ \sigma_1 = \frac{1}{2}(\sigma_r + \sigma_{\theta}) + \left( \frac{1}{4}(\sigma_r - \sigma_{\theta})^2 + \tau_{r\theta}^2 \right)^{\frac{1}{2}} $$

$$ \sigma_2 = \frac{1}{2}(\sigma_r + \sigma_{\theta}) - \left( \frac{1}{4}(\sigma_r - \sigma_{\theta})^2 + \tau_{r\theta}^2 \right)^{\frac{1}{2}} $$

$$ \text{Tan } (2\alpha) = \frac{2\tau_{r\theta}}{(\sigma_{\theta} - \sigma_{r})} $$

<figure><img src="image_65.png" /><figcaption>Figure 55 : Schéma de chargement autour d'une galerie circulaire</figcaption></figure>
Aux limites de l'excavation, la formulation est réduite à :

$$ \sigma_{\theta} = p_z (3k - 1) \text{ pour } \theta = 0 \text{ et } 180^{\circ} $$

$$ \sigma_{\theta} = p_z (3 - k) \text{ pour } \theta = 90 \text{ et } 270^{\circ} $$

La valeur de $p_z$ peut être obtenue par des mesures de contraintes in situ ou simplement par la formule $"p_z = \gamma z"$ où $\gamma$ est le poids volumique des terrains sus-jacents et $z$ la profondeur.

La valeur de $k$ peut varier considérablement selon l'histoire géologique des terrains. A faible profondeur (ce qui est le cas des ouvrages souterrains historiques) on peut trouver des valeurs de $k$ variant de 0 à 3,5 environ, [27]-p.100. Pour $k = 0$, on peut ainsi voir apparaître des tractions au toit et au sol de l'excavation valant $-p_z$, ce qui peut expliquer certains signes de rupture. D'autre part, sur les murs de l'excavation ($\theta = 90$ ou $270^{\circ}$), des compressions excessives peuvent également apparaître et entraîner la rupture des roches ($\sigma_{\theta} = 3p_z$).

Si l'excavation est elliptique (ou à "tendance elliptique"), les contraintes au mur et au toit s'obtiennent par les formules suivantes, illustrée par la figure 56, [27]-p.110 :

<figure><img src="image_66.png" /><figcaption>Figure 56 : Chargement autour d'une galerie elliptique.</figcaption></figure>

$$ \text{Si } k = 0 \text{ et } W = 2H \text{ on a alors } \sigma_A = 5p_z \text{ et } \sigma_C = -p_z. $$

Les solutions de Kirsch permettent également de calculer l'influence potentielle de joints si le milieu est fracturé. En supposant qu'un joint d'orientation et de position données ne change pas la distribution des contraintes autour de l'excavation, on peut comparer les contraintes normales et de cisaillement le long de ce joint avec les valeurs limites qu'il peut supporter sans glisser. On détermine ainsi une région autour de l'excavation dans laquelle l'influence du joint peut se faire sentir, [27]-p.27.

Le cas des excavations simples situées dans un milieu stratifié horizontalement peut être traité par la théorie des poutres. En effet, quand le toit d'une excavation est composé de bancs horizontaux, les bancs minces les plus proches de l'excavation peuvent se désolidariser et se comporter alors comme des poutres encastrées. Si les contraintes dans ces poutres dépassent des valeurs limites, les bancs peuvent se fracturer successivement et donner maissance à des éboulements. Le phénomène peut alors se stabiliser par report des contraintes autour de l'excavation dont la géométrie aura été considérablement modifiée.
En supposant que le toit se comporte comme une poutre encastrée, la contrainte de traction maximale se produit à la surface supérieure du banc, près des extrémités (zone (a), figure 57) et vaut ([28]-p.223) :

$$
\sigma_{am} = \frac{\gamma L^2}{2t} - \sigma_h
$$
$$
\begin{array}{ll}
\text{avec} & \\
\sigma h: \text{contrainte horizontale} & \\
L: \text{largeur de l'excavation} & \\
t: \text{épaisseur du banc} & \\
\gamma: \text{poids volumique du banc} &
\end{array}
$$

<figure><img src="image_67.png" /><figcaption>Figure 57 : Emplacement des premières fissures affectant
le premier banc, au toit d'une galerie rectangulaire</figcaption></figure>

La contrainte de traction dans la zone (b) (figure 57) vaut quant à elle la moitié de σ<sub>amax</sub>
([28]-p.223) :

$$
\sigma_{bm} = \frac{1}{2} \left( \frac{\gamma L^2}{2t} - \sigma_h \right)
$$

Pour les calculs, on pourra supposer que σh = 0 (c'est une hypothèse conservatrice). Il
reste ainsi à comparer les résultats de ces calculs avec les valeurs de résistance à la traction de la
roche.

Excavations multiples.

Entrent dans cette catégorie, les excavations en chambres et piliers ainsi que les excavations
adjacentes ou les tunnels parallèles. Dans tous ces cas, une partie de rocher laissée en place joue
un rôle de soutènement et, pour cette raison, est soumis à des surcontraintes par rapport à son
état primitif. La contrainte en tout point du pilier dépend essentiellement de sa géométrie par
rapport à celle de la partie excavée, ainsi que de la répartition de ces piliers dans l'espace.

Pour un calcul élémentaire des contraintes transmises par un pilier, la théorie de l'aire
tributaire nous propose une formulation simple. Cette théorie est basée sur le principe selon
lequel un pilier partage avec les autres les terrains à soutenir, de façon à ce que chacun en
supporte un même volume. Dans le cas général (figure 58), la contrainte moyenne transmise par
le pilier s'écrit ainsi :

$$
\sigma_p = \frac{\gamma z \times \text{aire de la colonne de terrains à porter}}{\text{aire du pilier}}
$$
<figure><img src="image_68.png" /><figcaption>Figure 58 : Schéma illustrant le rôle d'un pilier (vue de dessus)</figcaption></figure>

La figure 59 illustre les calculs de $\sigma_p$ pour des géométries spécifiques.

<table><caption>Figure 59 : Schémas et calculs de la contrainte verticale moyenne transmise par un pilier, [27]-p.114</caption><thead><tr><th></th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>piliers carrés<br>$\sigma_p = \gamma z \left(1 + \frac{Lo}{Lp}\right)^2$</td><td></td></tr><tr><td>piliers rectangles<br>$\sigma_p = \gamma z \left(1 + \frac{Lo}{Lp}\right) \left(1 + \frac{Ao}{Ap}\right)$</td><td></td></tr><tr><td>piliers longs<br>$\sigma_p = \gamma z \left(1 + \frac{Lo}{Lp}\right)$</td><td></td></tr></tbody></table>
Dans le cas où l'on disposerait de mesures de contraintes au vérin plat par exemple, il faudrait faire un calcul de valeur et direction des contraintes principales dans le pilier avec les moyens exposés au "a." pour les confronter ensuite à un critère de rupture du type Mohr-Coulomb.

### d. Cas des talus et falaises

Comme nous l'avons évoqué dans la deuxième partie de ce travail, les monuments qui se trouvent à la base, au sommet, sur ou dans un talus ou une falaise sont soumis aux perturbations propres à ce talus ou cette falaise.

On peut classer ces perturbations en quatre catégories ([30]-p.169 à 204) :

- les chutes de blocs, éboulements et écoulements (typiques des falaises rocheuses en surplomb sur des couches de terrains érodables ou mous);

- les écoulements lents (écoulements des sols, solifluxion, écoulement des talus d'éboulis, des glaciers rocheux, fauchage des têtes de bancs de roches schisteuses ou stratifiées, fluage de roches plastiques, ...);

- les glissements de terrains (glissements plans, rotationnels, ...);

- les coulées boueuses.

Les calculs manuels possibles pour caractériser la stabilité d'un talus ou d'une falaise ne sont guère nombreux.

Dans le cas des talus, on leur préfère, en première analyse, l'utilisation d'abaques qui fournissent la valeur d'un coefficient de sécurité pour différentes configurations de talus. Néanmoins, on peut noter ici, le calcul suivant, illustré par la figure 60 :

<figure><img src="image_69.png" /><figcaption>Figure 60 : Principe des méthodes de calcul à la rupture, pour étudier la stabilité des talus.</figcaption></figure>

On considère donc un talus de pente $\beta$, infiniment long. Le talus atteint son équilibre limite si une ligne de glissement du type ABC se produit. Considérons la tranche de talus EFGH dont la base FH est centrée au point de tangence de la courbe ABC avec la droite IJ parallèle au talus.
L'analyse de l'équilibre de cette tranche conduit aux équations suivantes (se référer à la figure pour les notations) :

$\sigma_n = \gamma h \cos \beta$ contrainte normale à la facette FH (due au poids de la tranche)

$\tau = \gamma h \sin \beta$ contrainte tangentielle à la facette FH (due au poids de la tranche)

Si le talus est en équilibre limite, la facette FH est en glissement et le critère de rupture de Coulomb est vérifié :

$$ \tau = C + \sigma_n \tan \phi \quad (C : \text{cohésion}, \phi : \text{angle de frottement interne}) $$

On aboutit donc à l'équation :

$$ \gamma h \sin \beta = C + \gamma h \cos \beta \tan \phi $$

et par suite :

$$ h = \frac{C}{\gamma} \times \frac{\cos \phi}{\sin (\beta - \phi)} $$

L'interprétation vient ensuite, selon 3 cas de figures :

- si $\beta < \phi$ : $h < 0$, ce qui est impossible, le talus est donc stable (en théorie) et le coefficient de sécurité vaut, par définition : $F = (\tan \phi / \tan \beta)$.

- si $\beta = \phi$ : h est infini, le talus est alors en état d'équilibre limite et $F = (\tan \phi / \tan \beta) = 1$

- si $\beta > \phi$ : le talus est instable ($F < 1$) et l'équation définissant h permet d'estimer la profondeur maximale prise par la ligne de glissement.

$$ h_{\max} = \frac{C}{\gamma} \times \frac{\cos \phi}{\sin (\beta - \phi)} $$

Un raisonnement analogue pour un talus vertical (ou une falaise) donne les résultats suivants (voir aussi figure 61) :

<figure><img src="image_70.png" /><figcaption>Figure 61 : Schéma de principe pour le calcul de stabilité d'un talus vertical.</figcaption></figure>
La courbe “h” en fonction de “α” montre un minimum “h_c” pour $α = (φ + π/2) / 2$

$$h_c = \frac{4C}{\gamma} \times \tan \left( \frac{\pi}{4} + \frac{\phi}{2} \right)$$

D'où les conditions suivantes :

- si $h < h_c$ : α n'existe pas, il n'y a donc pas de glissement possible et le coefficient de sécurité vaut : $F = h_c / h > 1$ ;

- si $h = h_c$ : le talus est dans un état d'équilibre limite, $F = 1$ ;

- si $h > h_c$ : le talus est instable ($F<1$).

En fait, ces résultats découlent d'hypothèses très simplificatrices, mais ils peuvent permettre d'attirer l'attention sur un type de problème. D'autre part, ces résultats sont à la base de méthodes de calcul plus complexes mises en oeuvre sur ordinateur.

Dans le cas des talus rocheux ou des falaises (les résultats précédents concernaient plutôt les sols ou terrains peu indurés), hormis le calcul de masses rocheuses mobilisées dans un surplomb, l'analyse première de stabilité se basera plutôt sur l'interprétation graphique des diagrammes de Schmidt (ou de Wulff) qui permet de localiser des blocs rocheux sujets à des signes de glissement. On se réfèrera, pour comprendre ce type d'analyse, à un ouvrage de mécanique des roches tels que *Introduction to Rock Mechanics* de Richard E. Goodman.

### 3.2.3 Les calculs numériques - la modélisation

En raison de la complexité géométrique, physique ou géologique des structures, des ouvrages souterrains ou des roches et sols qui les environnent, du fait également des problèmes de résolution mathématique que posent les théories de comportement proposées pour l'étude de ses structures, ouvrages, sols et massifs rocheux, leur état de stabilité ne peut être assez correctement estimé que par la pratique d'outils logiciels devenus courante avec le développement de l'informatique.

En ce qui concerne strictement notre sujet d'études, on dispose actuellement de logiciels qui fonctionnent selon trois méthodes principales :

- les méthodes de calcul à la rupture qui donnent, par le biais d'un coefficient de sécurité F, une idée de l'état d'équilibre d'un massif par rapport à l'équilibre limite caractérisé par $F=1$ (ex : méthodes de tranches de Bishop, Fellenius, etc ...). L'étude de la stabilité des talus se trouve facilitée par l'utilisation des logiciels qui relèvent de ces méthodes. Mais celles-ci ne prennent pas en compte la loi de comportement des sols où sont localisés ces talus (loi qui relie les contraintes aux déformations) mais fournissent néanmoins des résultats très intéressants dans leur domaine d'application.

- les méthodes de modélisation des milieux continus parmi lesquelles on trouve essentiellement la méthode des éléments finis. Ces méthodes permettent de simuler le comportement d'un milieu continu (ou pseudo-continu) soumis à des sollicitations externes
connues et/ou à l'action de la gravité. Par leur principe, elles utilisent des modèles rhéologiques (élasticité, plasticité, élastoplasticité, viscoplasticité, ...) qui relient les contraintes aux déformations, ce qui fait leur intérêt. Elles permettent notamment d'étudier le comportement des structures (utile en génie civil), les phénomènes d'intéraction entre les terrains et les structures ainsi que les déformations et contraintes induites par les excavations, cela, quelle que soit (en principe) la complexité géométrique du milieu étudié. L'étude des talus en sols meubles ou peu indurés s'avère néanmoins malaisée par ces méthodes. Enfin, elles nécessitent la calage des modèles réalisés avec des mesures in situ pour les valider, ce qui n'est pas toujours possible, surtout sur les monuments historiques.

- les méthodes de modélisation des milieux discontinus. Elles sont plus récentes et permettent essentiellement l'étude du comportement des massifs rocheux fracturés. Leur utilisation dans le cadre des monuments historiques peut s'avérer utile dans le cas de cavités souterraines en milieu rocheux fracturés (tombes, grottes ornées, ...) ou des falaises rocheuses fracturées. Elles fonctionnent selon le principe d'un assemblage de blocs qui se meuvent ou se stabilisent par l'action des forces de contact exercées entre eux, auxquelles on ajoute éventuellement le poids et des sollicitations externes ; les déplacements de ces blocs sont régis par des lois de comportement qui les relient aux forces en jeu.

Le champ d'application des méthodes de calcul à la rupture étant limité, ici, à la seule étude de la stabilité des pentes, nous n'évoquerons dans la suite que les méthodes par éléments finis ou par éléments distincts.

L'emploi des méthodes de modélisation que nous venons de décrire succintement, s'avère fournir de riches renseignements susceptibles de caractériser l'état de stabilité d'un édifice, d'un ouvrage souterrain ou d'un site. Si leur mise en oeuvre peut être assez longue et nécessiter en général un spécialiste, on tirera souvent un bénéfice en faisant appel à ces outils.

L'intérêt de ces méthodes de modélisation pour caractériser l'état de stabilité réside dans la possibilité de visualiser sur ordinateur leur comportement global et local de façon réaliste (ou supposée telle). Dans une méthode par éléments finis, on localisera ainsi aisément les zones soumises à de fortes contraintes, les zones soumises à des fortes déformations, éventuellement les zones en rupture. Dans une méthode par éléments distincts, on visualisera plutôt le comportement d'une structure après rupture pour déterminer si elle se stabilise ou si elle évolue vers la ruine. Evidemment, ces modèles restent théoriques et découlent de nombreuses simplifications, c'est pourquoi ils ne sont vraiment utiles que pour comprendre les phénomènes qui sont à l'origine du comportement des milieux ainsi étudiés. On pourra ainsi être convaincu que l'instabilité de telle ou telle structure est liée à son dimensionnement inadéquat, à la faible résistance de certains de ces éléments ou à des sollicitations externes dont les effets seraient difficilement prévisibles par d'autres moyens (forces du vent, secousses sismiques, vibrations, ...).

Les exemples qui suivent montrent les résultats auxquels on peut aboutir par ces méthodes, dans le domaine qui nous intéresse ici.
a. Comportement des sols de fondations.

La figure 62 illustre les phases successives de réaction d'un milieu élastoplastique, sous une charge dont l'intensité est croissante (construction d'un mur de fondation par exemple). La première phase est une phase élastique pendant laquelle le mouvement du sol est descendant (figure 62 a)), cette phase se termine par l'apparition locale de déformations plastiques, là où le milieu est le plus sollicité. Puis cette phase se développe jusqu'à ce que la zone plastique ne soit plus contenue en quelques points mais couvre toute une partie des terrains (figure 63 b)). Le mouvement du sol, à tendance horizontale, traduit l'épanouissement de la zone plastique. Enfin, alors que la charge s'accroît encore un peu, la zone plastique atteint sa taille maximum et le milieu proche du poinçon a tendance à se soulever, on atteint ainsi la charge de ruine de la fondation, [29]-p.223.

<figure><img src="image_71.png" /><figcaption>Figure 62 : Phases successives de réaction d'un milieu élastoplastique sous l'action d'une charge verticale croissante, [29]-p.223.</figcaption></figure>

Cette analyse correspond au comportement d'un sol moyennement dense sous l'effet d'une charge superficielle que peut être une fondation. Pour un sol très dense ou une roche, la rupture est très franche et se matérialise par un cratère net dans le sol. Pour un sol moyennement dense, la rupture est plus progressive et produit ou non un cratère. Enfin, pour un sol lâche, il n'y a pas de rupture mais un enfoncement illimité de la fondation sans soulèvement latéral, figure 63, [29]-p.222 et 224.

<figure><img src="image_72.png" /><figcaption>Figure 63 : Comportement d'un milieu élastoplastique sous charge, en fonction de sa compacité, [29]-p.224</figcaption></figure>
b. Comportement des ouvrages souterrains en milieu rocheux fracturé.

On citera ici un extrait d'une étude menée sur la tombe des babouins à Saqqarah, en Egypte ([21] et [31]).

La tombe des baboins, qui appartient au riche patrimoine culturel de l'Egypte, a été excavée sous forme d'un réseau de galeries à deux niveaux (superposés localement) (figure 42-p.57), dans des marnes et des calcaires fracturés. Or, elle présente, depuis sa découverte en 1965, des signes d'instabilité aggravants puisque des chutes de blocs assez volumineux s'y sont même produites. Pour étudier le comportement de cette tombe, il a été fait appel à des outils de modélisation par éléments finis et par éléments distincts.

L'utilisation de la méthode des éléments finis a permis de constater que le comportement instable de la tombe ne pouvait pas être expliqué par la charge des terrains sus-jacents, cette tombe étant d'ailleurs située à faible profondeur. Les figures 64 et 65 donnent la répartition simplifiée des contraintes principales maximales (figure 64) et minimales (figure 65) dans le cas d'une galerie tel que cela se présente dans la tombe.

<figure><img src="image_73.png" /><figcaption>Figure 64 : Distribution des contraintes principales majeures (modèle élastique) autour de la tombe des Babouins, Saqqarah, Egypte, [31] et [21].</figcaption></figure>

Le milieu étant fracturé naturellement et le toit des galeries étant ainsi découpé en blocs, l'utilisation d'un code de calcul par éléments distincts s'est avérée plus adaptée à l'étude des mécanismes d'instabilité. De l'analyse des modèles ainsi réalisés, on a pu mettre en évidence l'influence des caractéristiques de joints. En effet, comme le montre la figure 66, au delà d'une certaine réduction des caractéristiques de joints (qui pourrait être due à leur altération), l'assemblage de blocs, tel qu'on le rencontre dans la tombe des Baboins, peut se déstabiliser et conduire à la chute de ceux-ci (vue de droite sur la figure 66). Evidemment, cette analyse repose
sur des hypothèses, notamment en ce qui concerne les propriétés des joints qui n'ont pu être mesurés en laboratoire, mais elle permet de souligner le rôle primordial tenu par ces propriétés et l'attention que l'on doit leur porter pour des dispositions de surveillance, de soutènement ou d'études approfondies.

<figure><img src="image_74.png" /><figcaption>Figure 65 : Distribution des contraintes principales mineures autour de la tombe des babouins (modèle élastique), Saqqarah, Egypte, [21] et [31].</figcaption></figure>

<figure><img src="image_75.png" /><figcaption>Figure 66 : Tombe des Babouins vue par la modélisation par éléments distincts, la vue de droite montre un déplacement des blocs après que les caractéristiques de joints aient été diminuées, [31].</figcaption></figure>
### c. Comportement des falaises fracturées et sous-minées.

L'exemple présenté maintenant provient d'une étude menée conjointement par le CERCHAR<fnref n="1" /> et le Laboratoire de Géomécanique de l'Ecole de Géologie de Nancy. Cette étude a porté sur la stabilité des falaises sous-minées par des habitations troglodytiques et des carrières qui bordent la vallée de la Loire dans la région de Saumur.

Les falaises étudiées ont une hauteur de 10 à 30 mètres et montrent deux types d'instabilité :

- des écroulements de pans entiers de falaise de fort cubage ;

- des effondrements liés aux exploitations souterraines.

Ces mouvements de terrains, dus à la fracturation et à la présence d'excavations, sont par ailleurs liés à des précipitations exceptionnelles, des périodes de gel et des modifications d'activités humaines portant leurs effets sur l'environnement du site (végétation malade, travaux pour la viticulture, ...).

La reconnaissance géométrique des lieux et la mesure des propriétés des roches et des joints effectuée en laboratoire ont permis de mener des calculs de modélisation par éléments distincts. L'histoire du massif rocheux a pu ainsi être reconstituée jusqu'à ce que des instabilités locales, au toit des excavations, se produisent (figure 67 et 68).

L'observation des désordres effectivement rencontrés et des mesures de contraintes réalisées in situ a conduit à valider le mécanisme d'instabilité proposé par la simulation informatique et à retenir ainsi le rôle essentiel joué par l'altération des joints, la déformabilité des matériaux et la décompression des terrains résultant du creusement des galeries. D'autre part, ainsi validés, ces simulations peuvent être poursuivies (dans le temps) pour tenter de prévoir l'évolution future des instabilités et répondre ainsi à un autre de nos soucis : quel est l'évolution possible ou probable du monument ou du site ?

<figure><img src="image_76.png" /><figcaption>Figure 67 : Reconstitution de l'histoire géologique des falaises sous-minées dans la région de Saumur.
(a) : état initial ; (b) : creusement de la vallée ; (c) : dégagement de la falaise ; (d) : excavation de la galerie, [32].</figcaption></figure>

<footnote n="1">¹ Centre d'Etudes et de Recherches de Charbonnage de France, Verneuil en Halatte, France</footnote>
<figure><img src="image_77.png" /><figcaption>Figure 68 : Différents types d'instabilités selon les caractéristiques données aux joints (zoom sur la falaise), [32].</figcaption></figure>
## 3.3 L'évolution possible

L'élaboration du diagnostic de stabilité d'un site ou d'un monument historique ne peut pas être terminée au stade des calculs analytiques ou numériques. En effet, l'état de conservation et l'état de stabilité tels que nous en avons décrits succinctement les moyens de caractérisation ne fournissent qu'un bilan provisoire, souvent hypothétique des conditions de conservation et de stabilité dans lesquelles se trouvent, à un moment donné, une structure, un ouvrage souterrain ou un site historique. Pour pallier les déficiences des observations et des calculs, pour les confirmer ou les affiner, pour éviter les incertitudes de diagnostic, prévoir le comportement futur du monument ou du site et se prémunir contre des risques hypothétiques, il faut avoir recours à des méthodes et techniques de surveillance.

Dans notre cas, la surveillance des monuments et des sites historiques est d'autant plus importante que l'on tient à assurer leur pérennité pour une période très longue, ce qui rend les méthodes de calculs de stabilité décrits auparavant, inaptes à rendre compte de leur comportement à long terme.

### 3.3.1 Nature et but de la surveillance.

La surveillance d'un monument ou d'un site historique peut être faite visuellement ou à l'aide d'instruments.

La surveillance visuelle consiste à visiter le site ou le monument à intervalles réguliers et à faire, à chaque fois, un nouveau bilan de l'état de conservation, voire, par suite, de l'état de stabilité, de la façon décrite auparavant. C'est une méthode peu sûre car elle repose sur des observations qualitatives et subjectives, souvent superficielles (fissuration, éboulements). Néanmoins, cette méthode a l'avantage d'être économique et suffisante quand la pérennité de l'ouvrage semble être assurée pour une longue période. Si cette surveillance est effectuée de façon méthodique, une aggravation de l'état du monument ou du site peut être détectée et une surveillance plus sophistiquée peut alors être envisagée.

La surveillance instrumentale consiste à placer sur ou dans le monument ou le site, un certain nombre de repères ou d'appareils judicieusement choisis de façon à pouvoir suivre, continuement ou régulièrement, de manière quantitative, le comportement du site ou monument. Ce type de surveillance peut être nécessaire quand le comportement de l'ouvrage est visiblement en cours d'évolution, quand les causes d'instabilité potentielle n'ont pu être déterminées par les calculs et les observations visuelles, quand des modifications environnementales sont susceptibles d'apparaître (travaux proches, niveau de nappe d'eau variable, ...). Il est aussi requis pour des raisons d'accés dangeureux ou impossible au site ou au monument (surveillance des falaises sous-minées d'accès difficile, des cathédrales dont l'accès aux niveaux supérieurs peut être malaisé et dangereux, ...).
La surveillance d'un monument ou d'un site historique peut être menée avec quatre objectifs principaux (d'après Brady & Brown, [33]-p.459) :

- enregistrer les valeurs et variations de paramètres "environnementaux" utiles pour la reconnaissance d'un site (niveau des pluies, température, humidité, niveau d'une nappe d'eau, niveau du sol, évènements sismiques, ...);

- contrôler l'état de stabilité en prévenant le développement excessif de déformations du sol ou d'une structure, de pressions d'eau dans le sol, de surcharge dans les éléments structuraux d'un édifice, de l'ouverture de fissures, etc;

- vérifier la validité des hypothèses de comportement, des mesures des propriétés des pierres, des roches et des sols, des modèles mécanistes réalisés sur ordinateur, etc;

- contrôler l'adéquation des mesures de restauration, de protection, de renforcement ou de soutènement qui pourraient avoir été mises en place sur et autour du monument ou du site historique.

D'une manière générale, la surveillance du comportement d'un monument ou d'un site historique passe par la mesure des paramètres suivants (d'après Brady & Brown, [33]-p.459) :

- mouvements tangentiels ou perpendiculaires d'une fracture ou d'un joint;

- déplacements relatifs ou convergence de 2 points appartenant à l'édifice ou à l'ouvrage historique;

- déplacements se produisant à l'intérieur du sol ou d'un massif rocheux environnant le monument ou constituant le site historique;

- déplacements de la surface du sol (affaissement, subsidence);

- variations d'inclinaison le long d'un trou de sondage;

- niveaux d'eau souterraine, pressions et débits (ainsi que leurs variations);

- variations de contrainte normale en un point du sol ou du massif environnant;

- variations de charge dans des éléments structuraux (arches, cables, poutres, ...);

- émissions sismiques et microsismiques;

- vitesses de propagation d'onde.

### 3.3.2 Techniques instrumentales de surveillance

En règle générale, un système de surveillance est constitué de trois composants :

- un capteur ou un témoin attaché à la variable à mesurer;

- un système de transmission des mesures pour permettre leur lecture;

- un système de lecture, d'enregistrement et/ou d'interprétation des mesures.

D'autre part, trois exigences techniques sont à respecter ([34]) :

- la précision des mesures est impérative, compte tenu de l'ancienneté généralement très grande des monuments et des sites à ausculter, qui se traduit par une vitesse de déformation souvent très faible (quelques centièmes de millimètres par an);
- la prise en compte des effets thermiques ou saisonniers constitue un corollaire de l'impératif précédent. Les appareils peuvent être sensibles à des variations de température et d'humidité et des appareils témoins peuvent être requis pour quantifier ces influences ;

- la fiabilité mécanique du matériel sur de longues périodes est indispensable, notamment s'il doit fonctionner dans un milieu agressif (atmosphère saturée, ruissellements d'eaux, vandalisme, ...).

Le mode de fonctionnement ou de mise en oeuvre d'un système de surveillance repose généralement sur l'une des quatre techniques suivantes ([33]-p.461 à 464) :

- les techniques mécaniques constituent souvent les plus simples, les plus économiques et les plus efficaces méthodes de détection, de transmission et de lecture. Les capteurs mécaniques de déplacement utilisent un fil (invar), une bande ou une barre d'acier fixé en un point et lié à un système de mesure fixé en un autre point. C'est le principe des mesures de convergence illustré par la figure 69, des fissuromètres mécaniques ou encore des pendules.

<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>Figure 69 : Le distomètre ISET.H, un système mécanique très précis de mesure de convergence, [33]-p.464</figcaption></figure>

- les techniques optiques sont utilisées dans les méthodes de surveillance de type microgéodésique ou photogrammétrique visant à déterminer des profils d'excavation, à mesurer les mouvements d'un édifice, d'un site ou à évaluer les affaissements de surface. Parmi ces techniques, on peut citer l'emploi du théodolite associé à des cibles (plutôt adapté à la surveillance des sites), du telluromètre qui mesure le temps de parcours d'une onde pour aller d'un point émetteur à un point récepteur, tous deux solidaires de l'édifice, de l'ouvrage ou du site à étudier ([35]), du géodimètre constitué d'un point émetteur-récepteur et d'un point réflecteur dont on cherche à mesurer l'écartement, au moyen d'une source de lumière monochromatique (laser). La précision du géodimètre est supérieure à celle du telluromètre, elle est de l'ordre de 1 à 2 cm pour des distances variant entre quelques centaines de mètres et une quinzaine de kilomètres ([35]).

- les techniques hydrauliques ou pneumatiques sont utilisées pour mesurer des pressions d'eau, des charges transmises à un soutènement ou à des cables, des composantes normales de contrainte et des tassements. Dans tous ces cas, le mode opératoire consiste à mesurer la pression d'un fluide qui s'exerce à l'intérieur d'un diaphragme métallique, plastique ou en caoutchouc, installé dans le milieu à étudier. Le fluide est injecté dans la cellule jusqu'à ce que la pression soit suffisante pour contrebalancer la pression à mesurer. C'est le principe du vérin plat dont le fonctionnement a été décrit par la figure 45-p.59.
- les techniques électriques sont probablement les plus utilisées actuellement car elles permettent notamment l'enregistrement facile des données. On en trouve trois types principaux :

- les *jauges de déformations électriques* fonctionnement sur le principe selon lequel la résistance électrique d'un fil change avec sa déformation. Les jauges de déformation électriques sont alors installées de façon à être solidaires de la roche, l'acier ou la pierre dont on cherche à mesurer la déformation. Néanmoins, ce type de jauge présente des inconvénients dans la mesure où il est difficile d'assurer un bon contact entre la jauge et le matériau à étudier, les déformations ne peuvent être mesurées que sur des longueurs faibles et où les effets de la température ne se font pas sentir ;

- les *capteurs à corde vibrante*, probablement les plus utilisés et utilisables dans l'étude des déformations des édifices et des cavités souterraines, fonctionnent selon le fait que la fréquence de vibration d'un fil tendu dépend de la contrainte de tension du fil. Ainsi, ces capteurs relient généralement deux points dont on cherche à mesurer la variation d'écartement, et un système électromagnétique fait vibrer le fil tendu entre ces deux points. On mesure alors la fréquence de vibration du fil. De nombreux appareils fonctionnent selon ce schéma comme des piézomètres, des cellules de pression du sol, des cellules de mesure de charge, des fissuromètres, des extensomètres, etc ... Ce type de capteurs a été utilisé notamment pour contrôler la déformation de la pyramide du Louvre ;

- les *instruments à courant induit (self-inductance)* mesurent le déplacement relatif d'un solénoïde lié à un point dans un autre solénoïde relié à un autre point. Ce déplacement provoque un changement de fréquence du courant induit par ces deux solénoïdes coaxiaux. Certains extensomètres et inclinomètres fonctionnement selon ce principe. Ces appareils peuvent effectuer des mesures multipoints (voir figure 70) sur des distances allant au delà de 30 mètres avec une précision de l'ordre de 0,01 mm. En principe, l'un des solénoïdes est attaché au massif dont on mesure la déformation et l'autre à un autre point du massif ou à un point de surface (ou de référence) par l'intermédiaire d'une canne à laquelle il est fixé. Le déplacement relatif de ces deux points est alors mesurable (figure 70).

<figure><img src="image_79.png" /><figcaption>Figure 70 : Extensomètre multipoints fonctionnant selon le principe du courant induit (self-inductance), [33]-p.466 (d'après Londe 1982).</figcaption></figure>
Dans le domaine des monuments et des sites historiques, les techniques précédemment décrites sont plus ou moins applicables pour le contrôle des structures, des sols de fondations et des mouvements du sol ou du massif rocheux environnant le monument ou constituant le site historique lui-même.

### 3.3.3 Surveillance des structures

Sans entrer dans les détails, on peut citer l'utilisation

- des repères protégés et fixés sur les murs entre lesquels on cherche à faire des mesures d'écartement avec fil invar, que l'on peut viser avec un appareil optique tel que le théodolite ou que l'on peut localiser sur des vues photogrammétriques<fnref n="1" /> de façon à mesurer leur écartement à chaque relevé.

- des pendules directes ou inversées pour mesurer l'inclinaison d'une structure (figure 71). Les pendules peuvent être très précis (0,5 mm), ils sont utilisables à long terme et leur lecture peut-être automatisée, [36]-p.279.

<figure><img src="image_80.png" /><figcaption>Figure 71 : Pendule inversée (à gauche) et pendule directe (à droite) de "Soil Instruments Ltd.", [36]-p.278</figcaption></figure>

- des extensomètres de surface reliant des points fixés à la structure. Ils permettent de mesurer le déplacement relatif de ces points, la déformation d'une structure (ex : Pyramide du Louvre).

<footnote n="1">¹ l'utilisation de la photogrammétrie, relativement chère et longue, est plutôt destinée, actuellement, à la constitution de plans précis pour les architectes ainsi que pour alimenter les archives nationales.</footnote>
- des micromètres, des extensomètres ou inclinomètres portables pour mesurer le mouvement de deux blocs d'une structure de part et d'autre d'une fissure (figure 72 et 73).

<figure><img src="image_81.png" /><figcaption>Figure 72 : Micromètre portatif
(existe aussi en version extensométrique), [36]-p.302</figcaption></figure>

<figure><img src="image_82.png" /><figcaption>Figure 73 : Clinomètre portatif, [36]-p.303</figcaption></figure>

- des systèmes vernier placés entre des fissures pour mesurer manuellement leur écartement (figure 74)

<figure><img src="image_83.png" /><figcaption>Figure 74 : Systèmes de mesure d'ecartement de type "Vernier", [36]-p.311</figcaption></figure>
### 3.3.4 Surveillance des sols de fondation.

La surveillance des sols de fondations consiste essentiellement à mesurer leur enfoncement, leur affaissement ou leur élévation. Pour ce faire, on a recours à quelques instruments dont :

- des repères de nivellements constitués d'une tête ancrée dans le sol ou à la base d'un édifice et dont on mesure les déplacements verticaux relatifs par des moyens optiques (figures 75 et 76);

<figure><img src="image_84.png" /><figcaption>Figure 75 : Repère de nivellement pour des mesures d'enfoncement de fondations, [36]-p.264</figcaption></figure>

<figure><img src="image_85.png" /><figcaption>Figure 76 : Repère de nivellement utilisé pour le contrôle des routes ou des surfaces pavées, [36]-p.266.</figcaption></figure>

- des repères de nivellement ancrés assez profondément dans un sous-sol supposé immobile et mesurant le déplacement vertical relatif entre la surface et le sous-sol "immobile", ou la déformation verticale du substratum dur (figure 77), indépendamment de la surface.

<figure><img src="image_86.png" /><figcaption>Figure 77 : Appareil mesurant le nivellement d'un substratum dur (bedrock), [36]-p.269</figcaption></figure>
- des systèmes de nivellements hydrauliques basés sur le principe des vases communicants et mesurant le déplacement vertical relatif entre des points de la surface du sol.

- des extensomètres multipoints implantés plus ou moins profondément dans le sol et avec lesquels on mesure les déplacements verticaux relatifs de plusieurs points situés sur une même verticale, figure 78.

<figure><img src="image_87.png" /><figcaption>Figure 78 : Extensomètre multipoints, [36]-p.306</figcaption></figure>

- des systèmes de nivellement électriques basés sur le principe du niveau à bulle du maçon, la bulle baignant dans un électrolyte, figure 79.

<figure><img src="image_88.png" /><figcaption>Figure 79 : Système de mesure d'enfoncement d'une fondation, [36]-p.317 (Sherwood & Currey, 1974).</figcaption></figure>
### 3.3.5 Surveillance des sols et massif rocheux environnants.

Autour des excavations souterraines, on retiendra, hormis les fissuromètres et convergencemètres destinés à mesurer des déplacements relatifs entre deux points de la surface de l'excavation ou deux points de part et d'autre d'une fissure, l'utilisation des extensomètres multipoints pour mesurer la déformation du massif rocheux sur une grande distance autour de l'excavation et dans toutes les directions, figure 80.

<figure><img src="image_89.png" /><figcaption>Figure 80 : Installation d'extensomètres multipoints avec mesure de convergence entre les têtes de ces extensomètres, [33]-p.465.</figcaption></figure>

On pourra utiliser aussi des cellules pressiométriques pour calculer les contraintes in-situ, ou les pressions exercées sur les parois ou sur les structures qui soutiennent l'excavation.

En ce qui concerne la surveillance des pentes et talus, les méthodes géodésiques sont les plus courantes et sont satisfaisantes pour détecter des mouvements de terrains de l'ordre de 5 mm par an : sur la surface d'un talus, un réseau de points de mesure est installé (cibles optiques) (figure 81), on mesure alors, à intervalles réguliers, le déplacement de ces points à partir de points de référence présumés stables et installés sur les abords du talus. Le géodimètre peut être un appareil efficace pour ce genre de surveillance selon la disposition du réseau. Les méthodes optiques par triangulation peuvent par contre être laborieuse et coûteuses.

Comme le montre la figure 82, d'autres méthodes de contrôle peuvent être ajoutées à la surveillance géodésique dont l'emploi d'extensomètres, de sondages test pour indiquer une surface de rupture par cisaillement potentielle, ainsi que des inclinomètres, des piézomètres et des stations de nivellement.
<figure><img src="image_90.png" /><figcaption>Figure 81 : Schéma de contrôle géodésique du glissement de terrain de "Recice", [37]-p.159.</figcaption></figure>

1) limite de l'ancien glissement de terrain ;

2) délimitation de la zone de glissement potentielle ;

3) réservoir de "Sance" sur la rivière "Ostravice" ;

4) repères sur le talus stable

5) points de contrôle

<figure><img src="image_91.png" /><figcaption>Figure 82 : Section du glissement de terrain près de "Nechranice", [37]-p.160</figcaption></figure>

1) argiles fissurées du Miocène

2) gravier sableux

3) masse en mouvement

4) sol de fabrication humaine

a) extensomètre à fil

b) sondage test avec indicateur de plan de cisaillement

c) trou de sondage avec instrument de mesure de pression intersticielle
### 3.3.6 Interprétation des mesures

Dans le cas des monuments et des sites historiques, après l'installation des instruments de surveillance, une interprétation satisfaisante des mesures consiste à pouvoir détecter, rapidement et sans ambiguïtés, toute évolution alarmante du comportement du monument ou du site. Les techniques d'interprétation sur lesquelles sont basées les méthodes de surveillance peuvent être classées en deux catégories [38] :

- les techniques liées à une surveillance déjà longue et ancienne dont la méthode du seuil et la méthode de la vitesse. La méthode du seuil consiste à déterminer une valeur de déformation (en général) à partir de laquelle le danger de rupture ou d'instabilité devient très probable à court terme. Malheureusement, en ce qui concerne les monuments et les sites historiques, nous ne connaissons généralement pas suffisamment leur passé pour estimer l'importance des déformations déjà accumulées et pouvoir en déduire une valeur limite. La méthode de la vitesse consiste, quant à elle, à relier la valeur moyenne de la vitesse de déformation à la probabilité d'évolution. Mais, dans ce cas encore, la vitesse moyenne de déformation ne peut être calculée qu'après plusieurs années de mesures, notamment pour éviter les fluctuations saisonnières ;

- les techniques d'analyse en continu, dont principalement la méthode du gradient. En effet, la méthode du gradient permet de détecter, dès que possible, une accélération des mouvements, ce qui est considéré, en général, comme un signe précurseur de dommages importants. Cette méthode est basée sur l'analyse en temps réel des mesures collectées et elle est adaptée à une surveillance automatique. Pour cette méthode, deux type d'analyses existent :

- la première consiste à ajuster linéairement les mesures en fonction du temps pendant une période donnée et à comparer la pente de cet ajustement avec la pente moyenne obtenue pour une période de temps précédente et dite de référence. Ainsi, quand un point est placé loin de l'ajustement linéaire des points précédents, une alarme peut être déclenchée, figure 83.

- la deuxième analyse consiste à rechercher un ajustement parabolique des points déjà obtenus plutôt qu'un ajustement linéaire : $y = f(t) = at^2 + bt + c$. Ainsi, quand la valeur calculée de 'a' (relative à une accélération) est supérieure à un seuil $a_0$, l'alarme est donnée, figure 84.

<figure><img src="image_92.png" /><figcaption>Figure 83 : Méthode d'alarme par ajustement linéaire, [38]</figcaption></figure>
<figure><img src="image_93.png" /><figcaption>Figure 84 : Méthode d'alarme par ajustement parabolique, [38].</figcaption></figure>

On peut résumer l'évolution possible d'un monument ou d'un site par l'observation des trois courbes suivantes (figure 85), qui sont typiques (mais schématisées) de trois diagnostic portés sur l'évolution :

- stabilisation prévisible.

- ambiguïté.

- ruine prévisible.

<figure><img src="image_94.png" /><figcaption>Figure 85 : Types de courbes de déformations en fonction du temps, d'après Josien, CERCHAR.
à gauche, évolution prévisible vers la stabilité
au milieu, ambiguïté sur l'évolution
à droite évolution prévisible vers la ruine.</figcaption></figure>
### 3.3.7 Exemples.

Les exemples qui suivent présentent des systèmes de surveillance et/ou l'interprétation de leurs résultats selon différentes configurations rencontrées dans le domaine des monuments ou des sites historiques.

#### a. Surveillance de l'église de Verneuil en Halatte (Oise, France)

Cette opération a fait l'objet d'un article de R. Schwartzmann, J.P. Josien et F. Homand-Etienne publié au Symposium International d'Athènes en 1988 ([18]-p.11). Les grandes lignes en sont les suivantes :

L'église de Verneuil en Halatte, construite et aménagée du XIIIème au XVIème siècle, a montré, vers 1975, des signes de dégradation importante dont la fissuration d'un pilier sur plusieurs mètres de hauteur. La surveillance de ce pilier a donc été envisagée dès que ces fissures ont paru s'élargir.

Le système de surveillance mis en place a été choisi dans un souci de précision et de discrétion étant donné que l'église est classée parmi les monuments historiques. Six bases de mesure par extensométrie ont donc été installées selon le schéma de la figure 86. Chacune de ces bases est constituée d'une paire de plots scellés dans le pilier de part et d'autre de la fissure, une septième base, installée en milieu sain, sert de témoin. L'écartement de ces plots, de 100 mm au départ, est mesuré avec un extensomètre portatif donnant des résultats de lecture au micron.

<figure><img src="image_95.png" /><figcaption>Figure 86 : Instrumentation d'un pilier de l'église de Verneuil, [18]-p.12</figcaption></figure>

L'interprétation des mesures a été menée en utilisant la méthode d'analyse en continu dite "du gradient". Dans ce type de traitement, les courbes d'évolution des déformations sont découpées en tronçons correspondant chacun à deux mois de mesure environ. Les caractéristiques statistiques de chaque tranche (moyenne, pente, dispersion des points, ordonnée à l'origine) sont comparées à une droite de référence, établie à partir d'un ou plusieurs tronçons précédents selon l'homogénéité de l'évolution des mesures antérieures. Un diagnostic "pas à pas" est établi tous les deux mois (figure 87). La figure 88 donne l'évolution des mesures sur les bases 3 et 4, un point tous les 25 jours étant indiqué pour des raisons de
commodité de lecture, alors que les mesures avaient été plus fréquentes, surtout au début de l'installation.

<figure><img src="image_96.png" /><figcaption>Figure 87 : Evolution des ouvertures de fissures (pilier de l'église de Verneuil), [18]-p.13.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_97.png" /><figcaption>Figure 88 : Suivi des ouvertures de fissures (pilier de l'église de Verneuil), [18]-p.13</figcaption></figure>

Après deux années de mesures, l'ensemble des résultats a mis en évidence d'une part, une excellente homogénéité des mesures afférents à une même fissure et d'autre part l'existence d'un cycle de variation annuel, lié aux fluctuations de température et d'humidité et se superposant à une évolution sensiblement linéaire. Sur le plan quantitatif, les vitesses moyennes d'ouverture des fissures ont été de 3 à 8 microns par mois selon les fissures. 8 microns par mois représentant environ 1 cm par siècle, et les causes de dégradation observées (vétusté de l'édifice, importance de la circulation sur la route toute proche) ne pouvant que s'accroître avec le temps, il a été décidé par les autorités locales et la Direction des Monuments Historiques que le pilier soit remplacé à l'identique. La chose fut faite un an plus tard.

## b. Surveillance des mouvements de terrains environnant l'Abbaye du Thoronet (Var, France)

Cette étude a fait l'objet d'une publication au symposium d'Athènes par MM Griveaux, Dinkel et Tilmant ([18]-p.21).

L'Abbaye du Thoronet fut fondée par des moines cisterciens dès le XIIème siècle. Classée parmi les monuments historiques depuis 1840, ce monument accueille près de 80000 visiteurs
par an depuis 1975. Située à 180 m d'altitude, l'Abbaye est au pied d'une colline qui culmine à 350 m (figure 89). L'influence cumulée de la géologie du mileu et de l'exploitation de bauxite dans les environs semble être à l'origine des mouvements de terrains qui se sont produits dans la région depuis 1979 quand un énorme panneau s'est progressivement effondré parallèlement au front de taille de l'exploitation minière. Mettant ainsi en péril l'avenir du monument, il a été proposé un programme de confortation, de travaux de restauration et d'amélioration de l'accueil du public portant sur 25 millions de Francs.

<figure><img src="image_98.png" /><figcaption>Figure 89 : Coupe transversale simplifiée de la colline culminant l'Abbaye du Thoronet, [18]-p.22.</figcaption></figure>

D'autre part, dès 1984, un dispositif de surveillance a été mis en oeuvre de façon à contrôler les mouvements de terrains ainsi que les vibrations engendrées par l'exploitation à l'explosif de la bauxite. La surveillance des mouvements a été menée par des mesures précises de distances entre les structures de l'église de l'Abbaye et la chaussée départementale voisine a été contrôlée au moyen de 26 repères. D'autre part, 30 repères topographiques, suivis mensuellement, ont été placés de part et d'autre de la colline dès 1987. Enfin, des mesures inclinométriques ont été faites en 1987 dans des sondages proches de l'Abbaye et de la chaussée départementale. La surveillance piézométrique, destinée à contrôler la nappe karstique susceptible de noyer des surfaces profondes de glissement près de l'Abbaye, ainsi qu'à surveiller, près de l'Abbaye également, le niveau des nappes complexes, a été conduite au moyen d'une trentaine de piézomètres. Les données ainsi recueillies ont été confrontées, par ailleurs, avec la pluviométrie locale. La surveillance des vibrations a été mis en place en 1986, de façon à vérifier que le seuil conseillé de 1 mm/s de vitesse de vibration des fondations ne soit pas dépassé. Quatre capteurs à géophones tridirectionnels ont donc été installés dans ce but. Les mesures recueillies ont montré que le seuil n'a jamais été dépassé près de l'Abbaye, mais les vibrations ont atteint 10 mm/s à 125 m de là, du côté de l'exploitation minière.

Le suivi de toutes ces données a conduit à la construction de courbes comme celle de la figure 90, qui montre, comme il est classique en pareil cas, que la vitesse de certains repères est accélérée lors de fortes pluies.

A la lecture de ces données, il a été permis de vérifier l'effet stabilisant des mesures de confortation qui avaient été entreprises (forages drainants) mais également leur insuffisance pour s'assurer de la stabilisation de la masse de terrain proche de l'Abbaye (la vitesse de déplacement d'une partie de l'édifice est passée de 20 mm/an à 1 mm/an environ).

Un nouveau programme de confortement par drainage a donc été retenu.
<figure><img src="image_99.png" /><figcaption>Figure 90 : Comparaison mouvements-pluviométrie, près de l'Abbaye du Thoronet, [18]-p.25</figcaption></figure>

### c. Contrôle des tassements dans la ville de Bologne [39]-p.2007.

Publié conjointement par A.Capra, G.Folloni, P. Russo et L. Tomassini à l'occasion du Symposium d'Athènes ([39] p 2007), l'article, dont il est fait référence ici, traite de l'installation d'un réseau de levés pour le contrôle des tassement et de leur influence sur les bâtiments de la ville de Bologne parmi lesquels on compte de nombreux monuments historiques.

Il se trouve que la ville de Bologne se situe dans une région soumise à des phénomènes de subsidence dont l'intensité varie de 1 cm/an à plus de 10 cm/an, verticalement. Les effets de ces mouvements verticaux ont notamment affecté des bâtiments situés dans le quartier historique de la ville, causant de sérieux dommages. L'ampleur des mesures de surveillance qui ont été entreprises est considérable puisque 460 km² couvrant la ville et ses environs ont pu être surveillés par un réseau de 475 repères de nivellement très précis, en 1983 et en 1987. Sans entrer dans les détails sur l'origine de ces phénomènes, il convient de préciser que des mesures de surveillance ont régulièrement été menées depuis 1897 et notamment pendant les périodes 1897-1903, 1943-1950, 1970-1973 et 1974-1981. Les valeurs enregistrées alors furent en moyenne de 2 à 4 mm/an pour les deux premières périodes, elles furent encore inférieures pendant la troisième période. Néanmoins, dans certaines zones comprenant notamment une partie du centre historique, des valeurs de plusieurs dizaines de cm par an furent relevées pendant la deuxième et la troisième période. Les mesures obtenues lors de la dernière campagne de surveillance confirment globalement la tendance relevée par les campagnes précédentes. L'importance du phénomène de subsidence rencontré à Bologne est tel, que la stabilité de certains monuments du centre historique est remise en question. De tels mouvements peuvent produire différents dommages liés soit à la valeur absolue du déplacement, soit à des tassements différentiels. Pour évaluer plus précisément l'influence de ces derniers, une surveillance a été mise en place, à titre expérimental, sur une tour de la ville, haute de 97 m et datant du XIIème siècle. Des repères de nivellement ainsi qu'un pendule y ont été installés dès 1972, et leurs
indications ont été relevées tous les trois mois. L'analyse de ces résultats a montré que la structure de l'édifice subissait un mouvement rotationnel dont l'amplitude variait de façon linéaire avec le temps.

Bien que ne présentant pas de signes accélérateurs pouvant être dangereux, les dégâts rencontrés localement laissent à penser, qu'en certains points, la limite de tassement de certains édifices est atteinte.

La figure 91 montre le schéma d'un réseau de contrôle de nivellement près de l'université tandis que la figure 92 indique des lignes de valeurs de nivellement de façon à localiser des zones sensibles, ce qui peut orienter les recherches de phénomènes dans le but de remédier aux problèmes.

<figure><img src="image_100.png" /><figcaption>Figure 91 : Réseau de contrôle de nivellement dans le secteur de l'université de Bologne, [39]-p.2011.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_101.png" /><figcaption>Figure 92 : Lignes de contour des déplacements verticaux pour la période de Août à Décembre 1987, [39]-p.2013.</figcaption></figure>
## 3.4 Les risques

### 3.4.1 Définition

La définition courante du terme de risque associe l'idée de péril à l'effet du hasard, elle implique donc :

- la réalisation d'un évènement lié à une "force majeure" (d'origine dynamique ou géodynamique), ou "aléa" de cette évènement;

- la définition du "risque" qui prend en compte les conséquences de cet évènement sur l'homme menacé dans ses biens ou sa personne.

On entend généralement par **risque déclaré**, toute manifestation dynamique ou géodynamique en cours d'évolution (glissement actif d'un talus par exemple) ou dont la périodicité de reproduction est reconnue (chutes de blocs, avalanches, ...) et qui affecte une zone donnée, aisément reconnaissable.

A l'inverse, la notion de **risque potentiel** s'applique à toute situation statique présentant les caractères apparents d'un équilibre ou d'une absence de danger, mais dont l'analyse conduit à penser qu'elle peut n'être que transitoire, [22]-p.156.

Parmi les risques déclarés, on compte l'apparition de fissures, la rupture d'éléments de structure (poutres, cables dans un édifice, etc ...), l'existence de tassements différentiels, d'affaissements, de chutes de blocs (dans une excavation souterraine, près d'une falaise ou sur un talus rocheux), ou, plus impressionnants, l'apparition de fontis, les avalanches, les crues, les glissements de terrains ... En général, les risques déclarés sont identifiés dès que le bilan de conservation du monument ou du site est effectué.

Parmi les risques potentiels, on trouve les possibilités d'apparition des risques déclarés dont il vient d'être question, mais sans qu'ils aient été repérés sur le monument ou le site. Ces risques potentiels, qui mettent en cause la résistance de certains éléments ou de certaines zones du monument ou du site (éléments proches d'un état de rupture, poutre trop fléchie, joints altérés, zone soumise à des sollicitations dynamiques contre lesquelles elle n'a pas été conçue, talus présentant un facteur de sécurité proche de 1, ou encore possibilités d'influence d'intempéries diluviennes, d'avalanches, etc ...), peuvent être déterminés après l'installation d'un réseau de surveillance et la réalisation de calculs de stabilité.

L'évaluation des risques encourus par le monument ou par les visiteurs du monument n'est pas chose aisée. D'une manière générale, elle peut être entreprise à ce stade, c'est à dire après une investigation poussée du monument, de son environnement ou du site, suivie, si possible, d'une surveillance. La notion de risque renvoyant à la notion de prévision, deux cas peuvent se présenter :

- aucun élément des études entreprises et visant à établir un diagnostic de stabilité sur le monument ou le site n'a pu mettre en avant un ou plusieurs facteurs évolutifs susceptibles de perturber la stabilité globale du monument ou du site. C'est le cas où, par l'étude, les causes des dégradations ont été parfaitement identifiées, où l'on a remédié (s'il y avait lieu de le faire)
aux problèmes et où aucun nouveau signe dangereux n'a fait son apparition. Le monument est présumé stable ou stabilisé, les risques sont quasi-inexistants à court ou moyen terme. Néanmoins, dans ce cas, pour éviter les erreurs de diagnostic, un système de surveillance minimal peut être envisagé afin de se prémunir contre les incertitudes que renferme l'adverbe "quasi" et tenir compte d'un changement de conditions environnementales exceptionnel.

- les études, jusque là entreprises, mettent l'accent sur un ou plusieurs facteurs dont l'évolution est susceptible de mettre en cause la stabilité d'un monument ou d'un site à plus ou moins long terme et contre lesquels il est impossible de lutter pour des raisons techniques et/ou économiques. Dans ce cas, un système de surveillance est requis pour tenter de suivre l'évolution de ces facteurs et prévoir, dès que possible, toute aggravation dangereuse pour le monument et la sécurité des personnes. Le risque encouru peut alors varier considérablement et son évaluation peut être plus ou moins imparfaite.

### 3.4.2 Quantifier le risque

Quantifier le risque est une lourde responsabilité pour la ou les personnes qui en sont chargées. Les moyens dont elles disposent pour le faire peuvent relever de considérations qualitatives et superficielles, de mesures et de calculs, ou de relevés et données susceptibles d'être interprétées statistiquement. Dès lors, plusieurs systèmes de quantification du risque sont possibles et nous retiendrons les 3 suivants.

#### a. La carte de risque.

La carte de risque peut être réalisée dès que le bilan de conservation du monument ou du site est dressé. Néanmoins, elle peut être affinée après l'examen de la stabilité et mise à jour à l'aide des données d'une surveillance. Elle consiste à tracer sur une carte, les limites des zones présumées dangereuses, soit que des risques déclarés y aient été repérés, soit que des risques potentiels y soient localisés.

Les risques déclarés peuvent être indiqués sur la carte en fonction de leur origine, et, à l'intérieur de chaque catégorie d'origine, des classes d'intensité basées sur la valeur d'un paramètre significatif peuvent être utilisées (la valeur d'un RQD peut permettre, par exemple, d'identifier des zones plus ou moins fracturées, donc plus ou moins dangereuses a priori, dans une excavation souterraine), voir figure 40-p.55.

De la même façon, il est possible de repérer, approximativement, les zones de risques potentiels selon leurs conséquences présumées, des classes de danger indiquant qualitativement l'ampleur des conséquences possibles (si les risques se déclaraient) en remplacement des classes d'intensité utilisables pour les risques déclarés.

Le tableau ci dessous (tableau 4) montre la légende des cartes de risques naturels du département de l'Isère (France).

Ce type de cartes est mis à la disposition des administrations concernées ou des collectivités locales pour servir de référence à certains actes administratifs comme la délivrance des permis de construire, [22]-p.158. Complétée par des représentations de risques plus locaux comme les fissures, etc, ainsi que d'une représentation de la gradation du risque (intensité ou danger), ce type de carte permettrait sûrement d'avoir une vue schématique rapide des risques encourus par