ETUDE D UN GLISSEMENT DE TERRAIN PAR DES METHODES DE PROSPECTION GEOPHYSIQUE

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1 ETUDE D UN GLISSEMENT DE TERRAIN PAR DES METHODES DE PROSPECTION GEOPHYSIQUE INVESTIGATION OF A LANDSLIDE USING GEOPHYSICAL TECHNIQUES Mathieu FEREGOTTO 1, Grégory BIEVRE 2, Stéphane GARAMBOIS 3, Jérôme BARNIER 4 1 Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Lyon, Lyon, France 2 Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées d Autun, Autun, France 3 Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique, Grenoble, France 4 AREA Autoroutes Rhône-Alpes RÉSUMÉ Cinq techniques de prospection géophysique ont été appliquées dans le contexte d un glissement de terrain argileux impactant un viaduc. Les modèles et les profils obtenus ont été croisés avec l étude géotechnique de l ouvrage d art. Une interprétation combinée a permis de proposer une description géologique et géométrique du site, ainsi qu une estimation de l intensité du cisaillement. ABSTRACT Five geophysical techniques have been used to characterize a clayey landslide affecting a viaduct. Resulting profiles and models have been crossed with geotechnical data from the study of the viaduct. Combined interpretation enables a geological and geometrical site description, along with shearing intensity estimation. 1. Introduction L exemple tristement célèbre de la Salle en Beaumont rappelle que les glissements de terrain sont régulièrement la cause de gros dégâts en France, avec parfois des conséquences dramatiques. Des indices visuels tels que des niches d arrachement, des déformations de la chaussée ou des fissures dans les bâtiments permettent de détecter la présence de ces mouvements. Mais pour en connaître la nature, la géométrie et l évolution dans le temps, il est nécessaire d étudier le site. Des relevés topographiques, des études en laboratoire sur les propriétés du matériau et la mise en place d inclinomètres sont les techniques généralement retenues pour localiser la ou les surfaces de cisaillement et suivre l intensité et l évolution du mouvement dans le temps. Cette solution présente l inconvénient de nécessiter des moyens importants. Or dans son mouvement, un glissement altère le terrain et modifie ses propriétés géomécaniques, tel que son indice des vides. Le contraste qui apparaît alors est susceptible d être détecté par les méthodes classiques de prospection géophysique. Ces techniques, en plus du fait d être non destructives, présentent les avantages d être relativement faciles à mettre en place tout en ne nécessitant pas des moyens matériels et humains importants. Elles permettent donc théoriquement de caractériser un glissement et éventuellement de réduire l utilisation de moyens plus lourds et plus coûteux. De fait, de plus en plus d études sur les glissements de terrain font appel à ces techniques (Grandjean et al., 2006 ; Renalier et al., 2007). 89

2 2. Présentation du glissement de terrain de Monestier de Clermont Le site étudié se trouve dans le Trièves, au sud de Grenoble. Cette région est couverte par 300 km² d argiles litées connues pour leur instabilité (Antoine et al., 1981). Le glissement étudié est localisé au fond d'un large thalweg d'origine glaciaire, avec à l est des roches calcaires argileuses et à l ouest des roches calcaires marneuses. Il se situe près de la commune de Monestier de Clermont, qui a donné son nom au viaduc de 860 m qui permet à l autoroute A51 Marseille- Grenoble de franchir la vallée à l aplomb du glissement. Cet ouvrage se caractérise par un ingénieux système de piles, qui permet de ne pas transmettre à la structure du viaduc les efforts dus aux mouvements de terrain (Figure 1). Ce mouvement est un glissement lent (jusqu à quelques centimètres par an), que l on repère via des niches d arrachement et des moutonnements. Il mobilise une masse estimée à 1 million de m 3 environ, dans une pente relativement faible (5-10, localement plus de 30 au niveau d'un talus). Sa longueur est de 620 mètres, sa largeur varie de 150 à 335 mètres. Les études géotechniques réalisées pour concevoir et dimensionner les piles du viaduc ont mis en évidence la présence d'argiles litées pouvant dépasser les 80 mètres d épaisseur. Ces argiles reposent sur une couche alluvionnaire interglaciaire avec peu ou pas de matrice argileuse dont l épaisseur est très variable, reposant elle-même sur le bedrock calcaire. Une couche de matériaux morainiques due à la progression du glacier à l époque du Würm peut s'intercaler par endroits au sein des argiles litées. La géométrie et la cinématique du glissement ont été modélisés à partir des données inclinométriques (Figure 2a). Elles mettent en évidence l existence probable de plusieurs glissements emboîtés, caractérisés par des vitesses variant de 0,35 à 5,3 cm/an, avec plans de rupture dans les argiles (Marty, 2007). Figure 1. Photographies du viaduc de Monestier de Clermont et du principe de conception d une pile spéciale. Une enceinte de confinement circulaire isole la pile de la couche d argile en mouvement. La semelle et l enceinte de protection sont séparées d un vide de 1 m sur P6 et 1,5 m sur P5. L enceinte va donc pouvoir se déplacer avec la couche de sol alors que la semelle va rester fixe. 3. Campagne de prospection géophysique Cinq différentes techniques ont été expérimentées, afin de déterminer les paramètres géophysiques des formations rencontrées et d évaluer l efficacité de ces méthodes sur ce type de glissement : - La tomographie électrique permet d obtenir une cartographie des résistivités apparentes dans le terrain ; 90

3 - Les tomographies sismiques, en ondes P et en ondes S, aboutissent à des modèles de terrain en vitesse de propagation des ondes ; - La mesure du bruit de fond permet, à partir du rapport entre les amplitudes spectrales des composantes horizontales et de la composante verticale (appelée méthode H/V), de calculer la profondeur H d une interface associée à un pic de fréquence f 0, par la relation H= V s /4f 0, où Vs est la vitesse moyenne des ondes S sur toute la hauteur H du terrain. - L inversion des ondes de surface, basée sur un modèle à 2 couches, conduit à un ensemble de distributions de vitesse, chacune de ces distributions étant associée à sa RMSD (Root Mean Square Deviation). Le site a été partagé en deux zones d étude : - un premier secteur localisé le long du viaduc afin de pouvoir étalonner nos résultats géophysiques à partir des données des inclinomètres et des forages. - un second secteur correspondant à la région la plus chahutée du glissement, où très peu de renseignements géotechniques étaient disponibles. Dans le premier secteur, un profil électrique de 126 m (PE 1) et deux profils sismiques de 46 m (PS 1) et 69 m (PS 2) prospectent sur une même section de 120 mètres de long, établie à cheval entre une partie en mouvement (autour de la pile P5) et une partie stable (autour de la pile P4). Dans le second secteur, un profil électrique de 315 m (PE 2) et deux profils sismiques de 115 m (PS3 et PS4) couvrent la partie la plus chahutée du glissement. Un troisième profil électrique PE 3, long de 315 m, fait le lien entre les deux secteurs. D autre part, une quinzaine de mesures du bruit de fond sismique ont été réalisées de façon à quadriller l ensemble du site de la façon la plus régulière possible, tout en prenant soin d éviter au maximum les éléments perturbateurs (trop grande proximité des piles du viaduc, ou mauvais couplage sol-capteur par exemple). Figure 2. a) Synthèse du suivi inclinométrique et b) Localisation des profils électriques et sismiques, et des mesures du bruit de fond sismique. Le profil de la coupe géologique est tracé en blanc. 91

4 4. Interprétation des résultats La première partie de cette analyse consiste à corréler d une part les paramètres géophysiques obtenus avec d autre part la synthèse des données géotechniques concernant la géologie du terrain, la localisation des surfaces de glissement et les vitesses de déplacements. Dans un second temps, ces corrélations sont appliquées à l interprétation des modèles géophysiques obtenus dans la zone la plus active, qui a été peu étudiée jusque-là Sous le viaduc D après les études géotechniques réalisées lors du projet de viaduc, la zone étudiée est caractérisée par : - des graves fluvio-glaciaires sur les premiers mètres du terrain, qui reposent sur des argiles litées peu compactes ; - la présence du toit de la nappe à hauteur de la rivière Fanjaret qui coule à l ouest, quelques mètres en contrebas ; - une zone stable à l est de la voie communale 5 qui passe entre la pile spéciale P5 et la pile P4, et une zone en glissement à l ouest, se déplaçant dans la direction nord-ouest. Deux surfaces de cisaillement sont détectées à 13,5 et 16,5 m de profondeur. A partir des modèles géophysiques obtenus sur cette même zone, les corrélations suivantes ont été établies : - les graves sont associées aux fortes résistivités (>40 Ωm) lues sur les tomographies électriques, et aux faibles vitesses de propagation des ondes sismiques de compression (Vp) et de cisaillement (Vs) lues sur les tomographies sismiques en ondes P et S ; - l existence d une interface notable avec Vp proche de 1500 m/s (vitesse de propagation des ondes de compression dans l eau) sur les tomographies en ondes P permet d identifier le toit de la nappe ; - les vitesses de propagation des ondes S, obtenues par tomographie et par inversion des ondes de surface, sont les plus à même de donner des informations sur le glissement. Les faibles valeurs mesurées en surface caractérisent un matériau sensiblement remanié. De plus, le contraste latéral visible sur le profil localisé dans la partie en mouvement (PS1) montre une surface de cisaillement s approfondissant en direction de l ouest, ce qui coïncide avec la direction des déplacements mesurés par les inclinomètres. - L inversion des ondes de Rayleigh, basée sur un modèle à 2 couches, indique la présence d une interface à 14 m de profondeur sur le profil PS1 localisé dans la zone en glissement. Cette technique semble donc en mesure de détecter le contraste de vitesse créé par le mouvement de terrain. 92

5 Figure 3. Bilan des résultats géotechniques et géophysiques obtenus sous le viaduc 4.2. Dans la zone la plus active L ensemble des paramètres géophysiques de cette zone est rassemblé sur la Figure 4. A partir des connaissances acquises sur la géologie du site et des corrélations établies, nous pouvons interpréter ces résultats : - La profondeur de pénétration des profils électriques est suffisante pour détecter le substratum rocheux (zones de forte résistivité à l ouest des profils). Il correspond au prolongement de l éperon qui borde le site à l ouest et plonge en profondeur en direction de l est. - A partir des mesures de bruit de fond réalisées à l endroit où la profondeur du bedrock est à présent connue, la vitesse moyenne V s utilisée dans la méthode H/V a pu être ajustée. - Les résultats des tomographies sismiques et électriques montrent une remarquable homogénéité du sous-sol dans cette zone : les dépôts glaciaires et fluvio-glaciaires sont moins présents qu au niveau du viaduc. Nous sommes en présence d une épaisse couche d argiles litées du Trièves, présentant des vitesses et des résistivités faibles. Ces argiles sont sensiblement déstructurées, le matériau étant progressivement remanié par le glissement. - L exploitation des mesures de bruit de fond réalisées à l ouest de la voie communale indique la présence du bedrock à plus de 80 m de profondeur 93

6 dans cette zone. Cela se traduit à l échelle de la vallée par une épaisseur d argiles litées approchant probablement la centaine de mètres par endroit, voire plus. - Les modèles obtenus par inversion des ondes de Rayleigh montrent qu une interface avec un contraste de Vs marqué traverse ces argiles vers 15 m de profondeur. Ce résultat, corroboré par une tomographie en ondes S, suggère la présence d une surface de glissement, avec un remaniement plus important que celui constaté sous le viaduc. Ces résultats confirment les mesures inclinométriques réalisées dans cette zone, qui signalent la présence d au moins une surface de cisaillement entre 13,5 et 16,5 m, avec des vitesses de déplacement de 4,1 à 5,3 cm/an. Figure 4. Bilan des résultats géophysiques dans la partie du glissement la plus active. 5. Discussion et conclusions 5.1. Proposition d une structure pour le glissement de Monestier de Clermont Les argiles litées peu compactes qui remplissent la vallée atteignent probablement plus de 100 mètres de profondeur. Elles semblent parcourues par une surface de glissement présente sur l ensemble des résultats, vers mètres de profondeur. A la vue de nos résultats et du moutonnement important observable en surface, nous pouvons émettre l hypothèse de l existence d un glissement se formant à l Est du site et s écoulant en direction de l Ouest à des vitesses variables (moins 94

7 d 1 cm/an au niveau du viaduc, plus de 5 cm/an dans la partie la plus chahutée). Une partie a été stabilisée au niveau du talus à l est de la VC5. Plusieurs indices indiquent qu il existe peut-être d autres surfaces de glissement localisées plus profondément dans les argiles, car l hypothèse d une seule zone de cisaillement se heurte : - à la valeur des contrastes de vitesse de part et d autre de la surface de glissement rencontrée vers mètres. Ce contraste est trop faible pour expliquer à lui seul l amplitude conséquente des déformations constatées en surface et leur vitesse mesurée par inclinométrie. - à la valeur des mesures de Vs dans les argiles localisées sous la surface de glissement. Supposer que ces argiles sont saines aboutit à une importante sous-estimation de la profondeur du bedrock par la méthode H/V. Seul un modèle de terrain avec des Vs dans les argiles sensiblement plus rapides en profondeur permet d aboutir à un résultat satisfaisant. Le matériau rencontré sous la surface de cisaillement est donc probablement remanié par un glissement plus profond. Cependant nos méthodes de prospection ne permettent pas de déceler ces éventuels glissements, soit par manque de pénétration (méthodes sismiques), soit parce que la méthode ne permet pas d imager l interface dans notre contexte (méthodes électriques) Apport de la géophysique à l étude d un glissement de terrain Cette campagne de prospection par des méthodes non intrusives, réalisées en complément d une étude géotechnique, a apporté des informations nouvelles et utiles dans le cadre d une caractérisation et d un suivi du site. Trois paramètres géophysiques (résistivité, Vp, Vs), une fois étalonnés à partir de données géotechniques adéquates (Figure 5), ont permis d obtenir des informations sur la géométrie et la géologie du site. La résistivité s est avérée être un paramètre efficace pour évaluer l homogénéité du terrain, avec des profondeurs de pénétration de l ordre d une cinquantaine de mètres. Les vitesses de propagation des ondes P (tomographie) et des ondes S (tomographie et inversion des ondes de surface) renseignent sur les propriétés mécaniques des matériaux du terrain. En particulier, les ondes S se sont avérées être les plus à même d imager les zones de cisaillement typiques des surfaces de glissement. En parallèle, l application de la méthode H/V en une quinzaine de points répartis sur le site a permis de cartographier le bedrock et d estimer l évolution des Vs audelà de la profondeur de pénétration des tomographies sismiques. La prospection géophysique peut donc constituer une approche efficace pour caractériser un glissement, tout en réduisant l utilisation de moyens plus lourds et coûteux. Nous n avons cependant pas pu lever certaines interrogations concernant l existence de surfaces de glissement à des profondeurs de plusieurs dizaines de mètres. Il serait donc intéressant dans l avenir d utiliser des dispositifs suffisamment énergétiques pour être utilisés sur des profils en ondes de cisaillement de plusieurs centaines de mètres. Il serait également intéressant de réaliser régulièrement de 95

8 nouvelles campagnes de tirs en ondes S sur les mêmes profils, afin de déterminer si la sensibilité à la fracturation des ondes S est suffisante pour permettre un suivi de l activité d un glissement uniquement par des méthodes non intrusives. Figure 5. Ensemble des paramètres géophysiques mesurés dans les formations rencontrés sur le site de Monestier de Clermont. 6. Références bibliographiques Antoine P. et al. (1981) Les argiles litées du Trièves (Isère) ; conditions de gisement et exemples de propriétés géotechniques. Bull. Soc. Géol. France, t. XXIII, No 2, Grandjean G. et al. (2006) Apport de la géophysique à l étude des glissements de terrain: exemple des glissements de Super-Sauze (04) et Ballandaz (73). Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur, Lyon, France Marty F. (2007) A51-viaduc de Monestier de Clermont ; synthèse géologique et géotechnique sur les données du glissement. Note géologique et géotechnique rédigée pour le Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Lyon Renalier F.et al. (2007) Characterisation of a landslide in clay deposits using Vs measurements. 13th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, Istanbul, Turquie 96