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 FERNANDES 1,2, Richard FABRE 1, Alain DENIS 1, David MATTON 3, Jean- François LATASTE 1 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 swellingshrinkage 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 swellingshrinkage phenomenon and its influence on the structure.
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
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.
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.
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 retraitgonflement 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.
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).
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, celuici 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).
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).
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 m 3. 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
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 retraitgonflement des argiles dans le département de la Gironde. Rapport BRGM/RP-53382-FR. 223 p., 46 ill., 6 annexes, 3 cartes h.-t.