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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
PREVENTION DES RISQUES NATURELS LIES AU RETRAIT-GONFLEMENT DES ARGILES EN GIRONDE : ETUDE DE FACTEURS D’AGGRAVATION
PREVENTION OF SHRINKING-SWELLING OF CLAY IN GIRONDE: STUDY OF AGGRAVATING FACTORS
Marion FERNANDES1,2, Richard FABRE1, Alain DENIS1, David MATTON3, Jean-
François LATASTE1
1 Université Bordeaux - I2M GCE, Talence, France 2 B.E. ALIOS Ingénierie, Canéjan, France 3 CETE Normandie-Centre, Blois, France
RÉSUMÉ — L'objectif de cette étude est de développer la compréhension du
phénomène de retrait-gonflement des sols argileux soumis à des facteurs
d'aggravation liés à l'hétérogénéité lithologique et à la végétation. Dans cet article
deux sites d’étude situés à Pessac et Roaillan (Gironde) sont présentés. Les
résultats obtenus sur le site expérimental de Pessac sont exposés sur 5 cycles de
sécheresse / réhumidification et donnent un comportement de référence des argiles,
sans influence de facteurs aggravants. Sur le même site les mesures réalisées sur la
maison expérimentale construite à l’interface entre deux types de sols sont mises en
évidence. L'influence de la végétation est caractérisée par les données acquises sur
le site de Roaillan. Les mesures effectuées sont partiellement abordées et devront
être poursuivies afin de développer la caractérisation du phénomène de retrait –
gonflement in situ ainsi que son influence sur la structure.
ABSTRACT — This study aims to develop the understanding of the swelling-
shrinkage phenomenon of clayey soils especially when factors as vegetation or
lithologic heterogeneity increase it. In this paper two sites located in Pessac and
Roaillan (Gironde) are studied. Along the last three years, results in Pessac show the
referential clay behavior with an accumulative shrinking in 3 cycles of
drought/humidification, marked by stabilization in the two last cycles. The soil
heterogeneity factor is studied from an experimental house built on the same site. It
is located at the interface between two different types of soils (clay and sand). On the
second site, the influence of the vegetation on clay soil is described from data
acquired on the Roaillan district. Results will be partially analyzed on this paper since
their acquisitions have to be pursued to develop the characterization of swelling-
shrinkage phenomenon and its influence on the structure.
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
1. Introduction
Suite aux nombreuses sécheresses de ces dix dernières années de nombreux
sinistres sur maisons individuelles, dus au retrait-gonflement des sols argileux, ont
été répertoriés en France (Andrieu C. et al., 2012).
Afin de comprendre les mécanismes dus au phénomène de retrait-gonflement des
argiles nous réalisons le suivi de deux sites expérimentaux. Cette étude in situ a pour
principal objectif de mener un suivi en vraie grandeur du comportement des argiles
afin de caractériser les relations entre les déplacements et la teneur en eau du sol.
Les caractéristiques de chacun des sites d'étude nous permettent également de
montrer l'importance des facteurs aggravants tels que la végétation ou les
hétérogénéités lithologiques à travers la présence de grands chênes sur le site de
Roaillan ainsi que par les variations latérales de faciès (argiles et sables) à l'échelle
de la parcelle mises en évidence par Chrétien (2010) sur le site de Pessac.
2. Hétérogénéité lithologique : une maison expérimentale à Pessac
L'objectif à travers le site d'étude situé à Pessac est de caractériser avec des
mesures in-situ, le comportement des argiles et d'une construction lorsque cette
dernière est construite sur une parcelle où des variations lithologiques en surface
sont avérées (hétérogénéité lithologique du site).
2.1. Présentation du site
La commune de Pessac se situe à la limite de deux domaines : à l’Est les terrasses
alluviales quaternaires de la Garonne et à l’Ouest les dépôts deltaïques landais du
Pléistocène (Formation de Brach et Formation de Belin, Figure 1).
Figure 1 : Extrait de la carte géologique (feuille de PESSAC, à gauche) établie par le
BRGM et de la carte d’aléa retrait-gonflement des argiles du quartier de Cap de Bos
(Platel et al., 2004, à droite).
La formation de Brach est essentiellement formée de sols argileux toutefois on
observe des hétérogénéités lithologiques aussi bien à l’échelle de la parcelle qu’à
l’échelle texturale. Elle se manifeste par un grand nombre de faciès argileux qui
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possèdent des caractéristiques intrinsèques et mécaniques très différentes (Chrétien,
2010) ainsi que par la présence de sables et sables argileux. La caractérisation des
argiles ainsi que des hétérogénéités de la formation à travers un site d’étude de
référence nous a permis d’implanter une maison expérimentale située à la limite
entre deux lithologies, l’une composée d’argiles sensibles et l’autre de sables.
2.1.1. Le site expérimental
Le site d’étude de référence mis en place en 2008 (Chrétien, 2010) permet
d’enregistrer en continu les données de déformations des sols et de teneurs en eau
volumique grâce à:
- Deux systèmes d’extensomètres de forage permettant d'enregistrer toutes les 4
heures les déplacements verticaux du sol. Les capteurs de déplacements sont situés
à 0,50 m, 1,0 m, 2,0 m et 3,0 m avec des ancrages supposés fixes à 10,0 m ou 15,0
m de profondeur;
- Deux types d’humidimètres permettent de réaliser des profils hydriques jusqu’à 3 m
de profondeur. Pour la méthode "Time Domain Reflectometry" (TDR) les mesures
sont réalisées manuellement tous les 10 cm à l’aide d’une sonde placées dans le
tube de mesure. Les sondes Thetaprobes placées à 0,50 m, 1 m, 2 m et 3 m
enregistrent les données toutes les 3 heures.
Des électrodes installées à demeure permettent également un suivi géophysique
temporel de la résistivité du sol (Chrétien, 2014). Ces résultats ne seront pas
abordés dans cet article. Une station météo enregistre les conditions climatiques du
site.
2.1.2. La maison expérimentale
L’assise de fondation de la moitié Sud de la maison correspond à des sables
graveleux à argilo-graveleux et celle de l’autre moitié à des argiles (Figure 2). La
situation de la maison choisie à la limite entre les deux formations aux
comportements géotechniques différents a pour objectif de favoriser la rupture de la
construction et d'en fixer les conditions limites (Andrieux C. et al., 2012). Depuis
2011, nous réalisons un suivi de cette maison à l’aide de :
- Trois extensomètres de forage côté Nord dans la zone argileuse. Les capteurs sont
ancrés à des profondeurs de 0.5 m, 1.1 m, 2.1 m et 5.0 m de profondeur.
- Six points de mesures des teneurs en eau (tubes d’accès TDR - Time Domaine
Reflectometry) ont été placés tout autour de la maison ainsi qu’au centre du dallage.
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Figure 2. Schéma vue en coupe de l’hétérogénéité lithologique sous la maison
expérimentale avec localisation du capteur de déplacement situé à l’angle Nord-Est
et des tubes TDR situés à l'Est.
2.2. Présentation des résultats
2.2.1. Suivi des déplacements
Nous présentons ici les résultats des déplacements mesurés sur le site expérimental
ainsi que la courbe représentant les conditions optimales d'hydratation du sol
obtenues par le cumul depuis le début des mesures (mars 2008) des pluies efficaces
(figure 3). Les pluies efficaces représentent par jour les pluies brutes mesurées par la
station météo auxquelles on soustrait l’évapotranspiration potentielle (ETP) calculées
par Météo-France sur un site à Mérignac, proche du site d’étude. Les déplacements
sont ceux obtenus à l’aide de l’extensomètre GLOTZL sur une période allant d’août
2008 à octobre 2013 et couvrent ainsi 5 saisons estivales.
On observe, sur la figure 3, une période de tassement cumulatif du sol argileux de
6,5 mm d’amplitude sur 3 cycles de sécheresse, le déficit hydrique associé pour
chacun de ces cycles est de l’ordre de -530 à -650 mm sur la période 2008-2011. La
période de gonflement qui s’amorce en novembre 2011 trouve son maximum au
printemps 2012 et contrairement aux trois cycles précédents elle permet au sol de
revenir à un état similaire à celui du printemps 2011. D’un point de vue hydrique, les
périodes de sécheresse de 2012 et 2013 sont de courte durée (100 à 150 jours) et
de faible intensité (-300 à -500 mm). Les retraits résultants de ces périodes de déficit
hydrique sont de l’ordre de 3,7 mm contre 4,0 à 4,4 mm pour les cycles précédents.
Le sol ne subit plus de retrait cumulatif depuis décembre 2011, mais on observe
maintenant une tendance à un gonflement cumulatif.
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Figure 3. Evolution des déplacements du sous-sol argileux du site expérimental entre
3 m et 1 m de profondeur et visualisation du cumul des pluies efficaces calculées
depuis mars 2008.
Les mesures de déplacements réalisées à l’aide d’un extensomètre TELEMAC sur la
maison expérimentale sont présentées ci-dessous (Figure 4). Les résultats dévoilent
un cycle saisonnier allant d’octobre 2012 à novembre 2013 pour l’extensomètre situé
à l’angle Nord-Ouest. On associe à ces résultats les données de pluviométrie du site
de référence.
Sur la figure 4, on note un fort bruit de mesure lié à la sensibilité de l’appareil.
Toutefois les mesures traduisent de façon cohérente le phénomène de retrait-
gonflement du sous-sol argileux. En effet, on remarque que l’amplitude des
déplacements du sol argileux au droit de l’angle Nord-Ouest de la construction, pour
une couche de sol entre 5 m et 0,5 m de profondeur, est de 1,5 mm. On observe une
période de gonflement d’octobre 2012 à février 2013 suivi du retrait des argiles
jusque fin septembre 2013, date à laquelle s’amorce une nouvelle période de
gonflement. On note que les épisodes pluvieux ou de déficit hydrique provoquent
une réponse rapide du sol en gonflement et en retrait. Cette observation avait
également été réalisée par Andrieux et al., 2012 sur les mesures du site
expérimental de Pessac. Le capteur à 0,5 m étant ancré dans la fondation, on
constate que celle-ci subi peu de déformation malgré les déplacements observés
dans le sol au-dessous.
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Figure 4. Evolution des déplacements du sous-sol argileux à l’angle Nord-Ouest de la
maison expérimentale entre 5 m et 0,5 m de profondeur, entre 0 et 0,5m et des
pluies efficaces.
2.2.2. Suivi des teneurs en eau
Le suivi des teneurs en eau volumiques depuis juin 2008 à l’aide de deux tubes TDR
(Time Domain Reflectometry) implantés sur le site expérimental de Pessac jusqu’à
3,0 m nous permettent d’obtenir des profils hydriques de 0,3 m à 3,0 m de
profondeur pour chaque date de mesure.
Figure 5. Evolution des teneurs en eau volumiques sur le site expérimental de 0,3 m
à 3,0 m de profondeur sur une année (sept. 2010 à sept. 2011).
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La figure 5 présente les profils hydriques obtenus de septembre 2010 à septembre
2011. Ce profil est représentatif des mesures obtenues chaque année. Andrieux et
al., 2012 ont pu mettre en évidence une déshydratation – réhydratation différentielle
provenant de la surface mais également des lentilles sableuses présentes dans la
formation. Les teneurs en eau les plus basses indiquent que ces argiles en
profondeur n’ont pas atteint leur limite de retrait (entre 15,5 % et 19 %) et ont donc
encore un fort potentiel de retrait.
La maison expérimentale quant à elle est équipée de six tubes TDR. Les profils
obtenus dans la partie argileuse indiquent un comportement similaire au profil du site
expérimental. Nous nous intéresserons ici aux variations obtenues sous le dallage de
la maison.
Le profil hydrique obtenu sur la période de septembre 2012 à septembre 2013 sous
le dallage au centre de la maison expérimentale varie peu (Figure 6). En effet, celui-
ci a été coulé dans le courant du mois de septembre 2011 durant lequel les teneurs
en eau sont faibles en surface d’après le profil de référence obtenu sur le site
expérimental. On observe ici, un état hydrique figé sur les valeurs estivales. Les
teneurs en eau volumiques sont faibles en surface et augmentent avec la
profondeur. On note des variations saisonnières de l’ordre de 5 à 10 % avec un
maximum de 15% à 2.5 m de profondeur.
Figure 6. Evolution des teneurs en eau volumiques sous le dallage de la maison
expérimentale de 0,3 m à 3,0 m de profondeur sur une année (septembre 12 à
septembre 13).
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3. Le rôle de la végétation : un sinistre expérimental à Roaillan
Le site de Roaillan a été mis en place suite à la déclaration de sinistre faite par les
propriétaires pour la sécheresse de 2011. L’objectif est de créer, à travers ce sinistre
avéré, un site d’étude qui a pour objectif de mesurer l’influence de la végétation sur
les argiles sensibles puis de vérifier l’efficacité d’un écran anti-racine.
3.1. Présentation du site
Le site expérimental est situé sur la commune de Roaillan (33). Il s’agit d’une maison
individuelle située sur les formations géologiques de versant du Pléistocène
inférieur moyen. Ces formations sont constituées de limons et argiles sableuses
formant une couverture discontinue d’épaisseur inférieure à 2 m. Elles surmontent
des sables argileux et graviers. Le site est répertorié comme zone à risque « faible »
d’après la carte d’aléa retrait gonflement éditée par le BRGM (Platel et al., 2004).
3.1.1. Sinistre et dispositifs expérimentaux
Le pavillon d’habitation a été construit en 2005 sur un terrain arboré avec plusieurs
chênes centenaire de grande envergure. Des fissures sont apparues au cours de
l’été 2009 avec une aggravation lors de l'été 2010. Trois zones de dommages ont pu
être identifiées (figure 7). La première a été résolue suite à l’abattage des arbres
située à proximité. Les zones 2 et 3 ont été instrumentées par plusieurs organismes
dont le CETE, I2M-GCE et le BRGM. On réalise dans ces zones des mesures de :
- Teneur en eau à l’aide de 7 Sondes TDR allant jusqu’à 3,0 m de profondeur ainsi
que 7 Sondes Thetaprobe avec des mesures fixes à 1, 3 et 5,0 m de profondeur;
- Succion avec 28 sondes tensiométriques implantées jusqu’à 5,0 m de profondeur;
- Déplacement du sol jusqu’à 5,0 m par la mise en place d’un extensomètre;
- Déplacement des fissures grâce à 6 fissuromètres;
- Déplacement du dallage à travers des relevés topographiques réguliers.
Figure 7. Plan d’implantation de l’instrumentation avec la localisation de la végétation
et des zones endommagées (Site de Roaillan).
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3.2. Présentation des résultats
L’instrumentation du site a été réalisée en 2011 et une partie a été rajoutée début
2014, les données sont donc en cours d’acquisition. Dans cet article nous
présenteront uniquement les données de succion acquise par les capteurs placés en
2011. Ces données montrent en période estivale des résultats traduisant l’influence
de la végétation. Les sondes de succion sont situées à l’angle Nord-Ouest de la
maison. Dans cette zone entre la maison et le chêne un écran anti-racines sera mis
en place, c’est pourquoi 7 sondes sont situées côté maison et 7 côté chêne.
Les mesures présentées ci-dessous (figure 8) concernent une journée d'acquisition
en période sèche, le 09 septembre 2011. On note de fortes valeurs de tension en
surface et jusqu’à 1,2 m de profondeur coté chêne. Cela est révélateur d'une zone de
faibles teneurs en eau. Une seconde zone de fortes tensions est reconnue à partir de
2,5 m de profondeur. Ces résultats pourraient s’expliquer par l’influence des racines
présentes à ces profondeurs. En effet, Drénou (2006) a mis en évidence deux types
d’architectures racinaires. L’architecture en surface avec, pour le chêne, les
charpentières avec fourches investigant en moyenne les 60 à 90 premiers
centimètres du sol. On a également une architecture en profondeur composée de
racines obliques et verticales qui peuvent prospecter un volume de sol de 70 à
750 m3. Ces dernières se développent selon les contraintes du terrain.
Figure 8. Mesures de succion au 09 septembre 2011 pour 14 sondes entre le chêne
et la maison (angle Nord-Ouest) à Roaillan. Interpolation par splines linéaires sous
ARCGIS©.
4. Conclusions et perspectives
Les sinistres sur les maisons individuelles fondées superficiellement peuvent être liés
à des tassements différentiels (Chrétien, 2010). Dans notre étude, le facteur de
prédisposition des déplacements est la présence d'argile sous les fondations. Dans
ce contexte, les observations en cours sur les sites d'études de Pessac et Roaillan
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montrent que les tassements différentiels peuvent être aggravés voire déclenchés
par des facteurs tels que l'hétérogénéité lithologique ou l'influence de la végétation.
Les mesures obtenues sur le site de Pessac à travers le site expérimental de
référence ont permis de corréler les déplacements en retrait-gonflement du sous-sol
argileux avec le déficit hydrique. Les observations faites pour la maison
expérimentale mettent en évidence le cycle saisonnier de retrait-gonflement avec un
ordre de grandeur des déplacements cohérents avec les résultats du site de
référence. On note des déplacements quasi nuls pour le capteur positionné dans la
fondation (-0,5 m) malgré les déplacements observés en-dessous jusqu’à 5,0 m de
profondeur. Après un cycle saisonnier, l'hétérogénéité lithologique n'engendre pas de
sinistre sur la structure. Les teneurs en eau du site de référence montrent que la
dessiccation des sols se fait principalement jusqu’à 1,0 m. Toutefois des variations
même faible (5 à 10%) sont observées jusqu’à 3,0 m de profondeur. En outre, on
constate un état stationnaire des teneurs en eau sous le dallage, avec une variation
de l'ordre de 5% au cours des cycles saisonniers. Les sols d’assises du dallage sont
a priori protégés des variations hydriques dans les conditions climatiques observées
jusqu’à présent.
Le site de Roaillan montre l'influence de la végétation sur les sols en profondeur. Les
variations hydriques de ces sols ont accentué le phénomène de retrait-gonflement
des argiles. Les déplacements induits pourront être mesurés puis corrélés avec les
teneurs en eau après une période d’acquisition suffisante. Les observations faites à
travers les mesures de succions vont permettre d’orienter les paramètres de mis en
œuvre de l’écran anti racine, notamment sa profondeur. L’emplacement des
différents capteurs permettra par la suite de caractériser la réaction du sol ainsi que
l’efficacité de l’écran anti racine.
Références bibliographiques
Andrieux C., Fabre R., Lataste J-F., Denis A. (2012). Suivi géotechnique in situ et étude géophysique
d’une formation argileuse. Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur
JNGG, Bordeaux, 8 pp.
Chretien M., (2010). Compréhension des mécanismes de retrait-gonflement des sols argileux :
approche sur site expérimental et analyse de sinistres sur constructions individuelles. Thèse de
doctorat, Université de Bordeaux.
Chretien M., Lataste J-F., Denis A., Fabre R. (2014). Electrical resistivity tomography to understand
clay behavior during seasonal water content variations. Engineering Geology 169,
pp. 112-123.
Drenou (2006). Les Racines, Face cachée des arbres. Institut pour le développement Forestier,
335 pp.
Platel J.P., avec la collaboration de Esteve A. et de Tomera L. (2004). Cartographie de l’aléa retrait-
gonflement des argiles dans le département de la Gironde. Rapport BRGM/RP-53382-FR. 223 p.,
46 ill., 6 annexes, 3 cartes h.-t.