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.

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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 :

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doctorat, Université de Bordeaux.

Chretien M., Lataste J-F., Denis A., Fabre R. (2014). Electrical resistivity tomography to understand

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Drenou (2006). Les Racines, Face cachée des arbres. Institut pour le développement Forestier,

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Platel J.P., avec la collaboration de Esteve A. et de Tomera L. (2004). Cartographie de l’aléa retrait-

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46 ill., 6 annexes, 3 cartes h.-t.