genie civil et geotechnique

*Introduction :

    Les problèmes de stabilité de pentes se rencontrent fréquemment dans la construction des routes, des canaux, des digues et des barrages. En outre certaines pentes naturelles sont ou peuvent devenir instables. Une rupture d’un talus peut être catastrophique et provoquer des pertes en vies humaines ainsi que des dégâts naturelles considérables.
    L’estimation de la sécurité réelle vis-à-vis du risque de rupture est une question complexe surtout dans le domaine des données limitées ou peu connues.
    L’étude d’un talus comporte, outre la reconnaissance du site et le choix des caractéristiques mécaniques des sols, un calcul de stabilité pour déterminer d’une part la courbe de rupture le long de laquelle le risque de glissement est le plus élevé, d’autre part la valeur correspondante du coefficient de sécurité.
    Cependant une longue expérience a été acquise tant que les méthodes de calcul que dans les techniques de construction, de telle sorte que les problèmes de stabilité de pentes peuvent maintenant être résolus avec une assez bonne fiabilité.

Définition :

*les mouvements de terrain

    Les mouvements de terrain regroupent un ensemble de déplacements, plus ou moins brutaux, du sol ou du sous-sol, d'origine naturelle ou anthropique. Les volumes en jeu sont compris entre quelques mètres cubes et quelques millions de mètres cubes. Les déplacements peuvent être lents (quelques millimètres par an) ou très rapides (quelques centaines de mètres par jour).

On distingue :

1/Les mouvements lents et continus :

*les tassements et les affaissements de sols.

*les glissements de terrain le long d’une pente.

*Le glissement à surface de rupture circulaire : se produit généralement dans des matériaux homogènes

2/Les mouvements rapides et discontinus :

*l'effondrement du toit des cavités souterraines :

    L'évolution des cavités souterraines naturelles (dissolution de gypse) ou artificielles (carrières et ouvrages souterrains marnières) peut entraîner l'effondrement du toit de la cavité et provoquer en surface une dépression généralement de forme circulaire

*les écroulements et les chutes de blocs :

 Les éboulis en pied de versants rocheux sont le fruit des chutes de blocs.

*les glissements de terrain

*Les coulées boueuses et torrentielles.

*le retrait-gonflement des argiles :

   Les variations de la quantité d'eau dans certains terrains argileux produisent des gonflements (période humide) et des tassements (périodes sèches) et peuvent avoir des conséquences importantes sur les bâtiments à fondations superficielles.

*Définition des glissements de terrain :

    L'expression "glissement de terrain" désigne des mouvements d’une masse de roche, de débris, le long d’une pente vers le bas et vers l'extérieur des matériaux de cette pente composés de sols naturels ou rapportés. La (Figure 1) indique les caractéristiques principales d'un glissement de terrain; on peut observer sur le diagramme une surface de rupture très nette le long de laquelle les matériaux impliqués dans le glissement de terrain se déplacent au-dessus de matériaux que le phénomène n'affecte pas. Le diagramme montre également que la surface de rupture s'étend sur une profondeur considérable de sorte qu'un glissement de terrain ne saurait être considéré comme un phénomène superficiel.

Figure 1.  Illustration d'un glissement de terrain.

   Les facteurs les plus importants qui influent sur la stabilité d'une pente sont l'inclinaison, la hauteur hors tout, le matériau du sol, la position de la nappe aquifère, et la structure géologique (succession des couches, pentes des lits, failles ou imperfections).

   Les glissements se font rarement sur un plan car il faut un plan de glissement préexistant: stratification, natures de matériaux différentes, revêtement de talus rapporté... Le plus souvent la surface de rupture d'une pente est courbe et ressemble à une section de cylindre. L'eau joue un rôle important sur la stabilité d'une pente par la pression hydrostatique développée par une nappe ou les forces dues à l'écoulement: l'eau s'écoule dans le sol selon la ligne de pente et ajoute son action à la gravité. La stabilité d'un sable sur un talus est réduite de moitié si le sable est traversé par un écoulement d'eau. Les terrains contenant des corps plastiques comme les argiles gorgées d'eau seront instables sur des pentes même faibles (une pente de 1% suffit à une coulée de boue). La végétation en revanche en consolidant le sol et limitant les infiltrations et le ravinement superficiel stabilise le sol.

Classification :

   La plupart des classifications récentes restent fondées sur ces deux facteurs – type de mouvement et type de matériaux – auxquels s’ajoutent le type et la quantité de fluide agissant dans le déplacement, c’est-à-dire l’air, et, surtout, l’eau.

   Les types de mouvement constituant les landslides sont les suivants : chute ou éboulement (fall), basculement (topple), glissement (slide), déplacement latéral (spread), coulées (flow)

Les facteurs d’influence sur le glissement de terrain : d’autre part sont les causes des glissements du terrain

La géologie : les caractéristiques mécaniques d'un matériau, sa perméabilité, son état d'altération sont autant de paramètres conditionnant la pente limite d'équilibre et l'occurrence du mouvement.

La géomorphologie : l'importance de la pente de terrain va permettre le développement de certains types de glissement. Une pente faible sera suffisante pour le déclenchement de phénomènes de solifluxion ou de fluage. La couverture végétale joue également un rôle dans la stabilité, la propagation et le déclenchement des glissements de terrain. Ce rôle peut être bénéfique ou néfaste selon le cas. Ainsi, les racines des végétaux renforcent la cohésion des sols, mais en cas de vent, l'effet de levier peut déraciner les arbres, ouvrant ainsi des brèches dans le sol et favorisant les infiltrations d'eau.

L'hydrogéologie : outre les phénomènes d'infiltration, les circulations d'eau en surface contribuent aux instabilités des masses de sol, par un phénomène d'entraînement des matériaux.

Les séismes : là encore, c'est la mise en vibration des éléments du sol et la modification des conditions de pesanteur qui peuvent être à l'origine de la déstabilisation des masses en place.

Les facteurs  anthropiques :

La modification de l'hydrologie : de la même manière que pour les phénomènes d'éboulements, la modification de l'hydrologie par une activité humaine peut créer des zones à risques nouvelles.

La modification du relief : lors des chantiers de construction, les opérations de terrassement peuvent entraîner la suppression d'une butée de pied stabilisatrice d'une masse de terrain, ou bien -augmenter la pente d'un versant composé de matériaux pas assez cohérents pour cette nouvelle topographie. Le remblaiement engendre une surcharge pouvant déclencher ou aggraver un glissement. De même il entraîne un tassement du sol et ainsi une diminution de la perméabilité, amplifiant l'instabilité.

    Les glissements de terrain surviennent sur des pentes rendues trop abruptes par l'érosion due aux ruissellements ou aux vagues ou du fait des aménagements exécutés par l'homme sur les pentes. Il existe de nombreux exemples de pentes trop abruptes subsistant dans un état de stabilité apparente jusqu'au moment où des niveaux anormalement élevés de nappes aquifères réduisent la résistance au cisaillement et déclenchent des glissements de terrain. C'est ainsi que l'hiver de 1970-71 a provoqué dans la vallée du St-Laurent une chute de neige record; la fusion printannière ne s'est, d'autre part, produite que lentement. L'infiltration d'eau dans le sol atteint, dans ces conditions, une valeur maximale. Lorsqu'une pente située sur sol sensitif est devenue abrupte du fait Je l'érosion s'exerçant à sa base ou de travaux d'excavation, et que le niveau de la nappe aquifère est élevé, les conditions de production d'un glissement de terrain sont réalisées. Peut-être sera-t-il peu important et affectera-t-il seulement quelques dizaines de verges cubes de matériaux de sorte qu'il passera inaperçu; il peut aussi être assez sérieux pour endiguer ou dévier temporairement un cours d'eau. Très rarement, et lorsque des conditions spéciales seront réunies, des glissements de terrain très importants ou des écroulements de terres des types cités dans l'introduction pourront prendre naissance.

*Analyse de la stabilité :

    Au début du dix-neuvième siècle, un ingénieur français, Alexandre Collin, qui travaillait à la construction de canaux, remarqua que les surfaces de cassure formées par les glissements de terrains survenant dans l'argile le long des berges d'un canal adoptaient une forme incurvée semblable à celle qui est illustrée Figure 1. Il publia en 1846 un mémoire dans lequel il suggérait une méthode statique d'analyse basée sur une surface courbe et mesurait la résistance des sols au cisaillement. On a, depuis cette époque, proposé diverses méthodes d'analyse. Elles ont conduit à la méthode du cercle de glissement, mise au point par des ingénieurs suédois spécialisés dans les ports et sur laquelle reposent les techniques actuellement utilisées. La Figure 2 représente les caractéristiques essentielles de la méthode. On y suppose que la surface de rupture affecte la forme d'un arc de cercle. Grâce à la comparaison des forces perturbatrices et des forces de résistance, on obtient, pour chaque surface probable de rupture, un coefficient de sécurité. Il est nécessaire d'affectuer plusieurs essais avant de pouvoir déterminer, pour une pente donnée, le cercle le plus dangereux. Les calculatrices digitales, qui sont particulièrement commodes pour l'exécution de ces recherches, sont très largement utilisées dans ce but. La géologie structurale exige, dans certains cas, une analyse de stabilité basée sur une combinaison de surfaces de défaillance courbes et plantes. On peut classer les informations nécessaires à l'exécution des analyses de stabilité suivant les trois rubriques ci-après :

Géométrie de la pente,

Des eaux superficielles et souterraines,

 Résistance de la masse du sol.

Figure 2.  Analyse de stabilité des pentes.

    Sur ces trois éléments, seule la géométrie de la pente peut être déterminée entre des limites étroites à partir de relevés du sol ou à l'aide de cartes établies en utilisant les techniques de photogrammétrie aérienne.

    C'est par forages et explorations d'essai qu'on peut déterminer les situations des eaux superficielles et souterraines. Il est nécessaire de procéder à l'identification de toutes les couches du sol et de déterminer leur résistance en utilisant les procédés d'essai du sol. Il importe de prêter une grande attention aux couches inclinées, aux fissures, et à toutes les caractéristiques structurales susceptibles d'influer sur la stabilité. On déterminera également la position de la nappe aquifère et on recherchera toutes les informations renseignant sur son niveau maximal au cours de l'année.

    L'analyse de stabilité d'une pente donnée ne saurait être précise. Lorsqu'on applique la méthode, on utilise, en effet, concernant le comportement des masses naturelles au cisaillement, certaines hypothèses qui sont rarement vérifiées dans la nature. La valeur principale d'une analyse de stabilité réside dans le fait qu'elle procure une méthode rationnelle permettant de juger des mesures à prendre pour réduire le risque d'une défaillance de pente.

*Importance du drainage :

L'eau s'écoule librement à partir des sols à gros grains tels que graviers et roches écrasées. Aussi ce type de matériau peut-il se maintenir sur des pentes égales à sa pente d'éboulement. D'un autre côté, les sois à grains fins ne se drainent pas facilement et l'eau exerce une forte influence sur leur résistance et leur comportement. À cause de leur faible perméabilité, le courant d'eau qui les traverse est réduit et la pression de l'eau des pores peut varier largement lorsque les conditions de la nappe aquifère subissent des changements. À l'état sec, ces sols ne s'écroulent pas immédiatement même si leurs pentes sont extrêmement raides; leur stabilité décroît cependant avec le temps. Pour que la pente reste stable, les efforts de cisaillement qui s'exercent à l'intérieur d'une pente doivent être neutralisées par la résistance au cisaillement. La pression de l'eau des pores, déterminée par la position de la nappe aquifère, exerce une influence directe sur la résistance apparente au cisaillement acquise par le soi; plus la pression de l'eau des pores est élevée, plus la résistance au cisaillement est faible. En fait, si le drainage naturel est interdit par des conditions telles que le gel d'une face du sol, la pression de l'eau pourrait, même dans le cas des sols granulaires, s'élever au point d'engendrer une situation instable. Le drainage ou la position de la nappe aquifère exercent ainsi une influence directe sur la stabilité de la pente.

*Conditions du sol :

    Deux remarques relatives aux conditions du sol s'imposent. Les problèmes les plus critiques de stabilité des pentes se présentent d'ordinaire, en premier lieu, sur les sols à grains fins et particulièrement sur les argiles. Ceci résulte en partie de ce qu'il est difficile de les drainer et de ce que, sur ce genre de sol, les processus d'érosion par ruissellement et vagues amènent de nombreuses pentes au point de rupture.

    Le second point concerne le comportement des sols à grain fin impliqués dans un déplacement des terres. En acquérant par moulage une autre forme, ils peuvent perdre une fraction notable de leur résistance. On désigne l'importance de cette perte sous le nom de sensibilité. Les hautes sensibilités correspondent aux grandes pertes de résistance. Il se peut, comme l'indique la Figure 1, que les débris d'un glissement de terrain sur sols à haute sensibilité ne séjournent pas au pied de la pente, mais se dispersent et s'en éloignent. À St-Jean Vianney, le sol extrêmement sensitif s'est complètement liquéfié et plus de six millions de verges cubes se sont écroulés en suivant le cours d'un torrent descendant vers la rivière Saguenay. Il ressort de ce qui précède que les sols à grain fin sensibles au changement de forme exigent une attention spéciale sous le rapport de la stabilité des pentes.

Types de rupture :

    Dans leur construction et leur fonctionnement, les talus subissent des conditions de chargement variées. Nous pouvons classer les types de rupture liés aux mouvements de terrains, en deux groupes; ceux associés aux pentes naturelles et ceux des talus artificiels.
  Pentes naturelles

    Il s’agit des talus existants, peu homogènes et présentant des variations géologiques et éventuellement des discontinuités. Les accidents observés dans ce cas montrent qu’il est possible de classer les instabilités de terrain en trois grandes familles :

-Les glissements qui se caractérisent par l’apparition de surfaces de cisaillement relativement bien définies à l’intérieur du milieu. La formedes surfaces de rupture observées permet de classer ces glissements en trois catégories : plane, circulaire et quelconque.
-Les écoulements et les coulées boueuses qui se caractérisent par une déformation et un écoulement de type visco-plastique ou fluide.
-Les éboulements (par perte de la cohésion, fluage).

    La majorité des glissements observés se rattache assez correctement à l’une des familles précédentes, la première étant la plus répandue.

Talus artificiels
    Les talus artificiels sont essentiellement affectés par des glissements et parfois par des phénomènes de fluage. On peut les classer en fonction des types d’ouvrages :
-talus en déblai ;
-talus en remblai sur sol non compressible ;
-talus en remblai sur sol compressible ;
-digues et barrages en terre.

   Pour chaque type, on peut identifier certains modes de rupture, ils sont distingués ci-dessous :
Talus en déblais et talus en remblais sur sols non compressibles :
   Les ruptures ont, d’une façon générale, l’allure de glissements rotationnels circulaires. On distingue:

-les cercles de talus se produisent généralement dans les sols hétérogènes, la base du cercle correspondant à une couche plus résistante ;
-les cercles de pied (sont les plus courants dans ce type d’ouvrages) ;
-les cercles profonds ne se produisent que dans le cas où le sol situé sous le niveau du pied du talus est de mauvaise qualité.

Talus en remblais sur sols compressibles :

   La rupture constatée dans des remblais en sol compacté (remblai routier par exemple) repose sur une couche d’argile molle, de vase ou de tourbe souvent profonde. Les cercles de rupture sont tangents à la base de la couche molle lorsque celle-ci est relativement peu épaisse.

   Si le facteur de sécurité vis-à-vis de la rupture est peu élevé tout en étant supérieur à 1, il peut se produire un fluage du sol de fondation entraînant un tassement anormal du remblai latéral de la couche molle et une perte de résistance du remblai ou de la fondation ou les deux
 Digues et barrages en terre :

   L’étude de la stabilité des talus amont et aval est la partie essentielle de la conception des barrages en terre. Différents cas doivent être étudiés en tenant compte de l’état des pressions interstitielles à l’intérieur de la digue.

   Pratiquement, on calculera le facteur de sécurité FS le long des cercles de glissement supposés :

-pendant la construction et peu après la construction ;
-lorsque le barrage vient d’être rempli (avec percolation permanente) ;
-lors d’une vidange rapide.

*Les techniques de protection contre les glissements

   Dans le cas des glissements de terrain, les techniques actives sont privilégiées aux méthodes passives. En effet, une fois qu'un glissement de terrain mettant en jeu de grandes quantités de matériaux est amorcé, il est difficile d'en maîtriser les conséquences.

   La réalisation d'un système de drainage (tranchée drainante, éperon drainant, masque drainant ou drains ponctuels subhorizontaux) est une technique couramment utilisée pour limiter les infiltrations d'eau.

Tranchée drainant

      Les murs de soutènement en pied de glissement limitent également leur développement.

Murs de soutènement

   Dans le cas des coulées boueuses, la végétalisation des versants permet de réduire la quantité de matériaux mobilisables, et donc l'intensité du phénomène. L'utilisation de végétaux dans le cas des autres types de glissements est à préconiser avec prudence, ceux-ci pouvant également avoir un rôle

   D’autres techniques sont mise en place :

   On peut augmenter la stabilité des pentes existantes en suivant trois méthodes principales: contrôle de la nappe aquifère, aplanissement général de la pente, et suppression de l'érosion au pied de cette dernière.

   L'amélioration du drainage donnera de bons résultats. On construira des fossés et des drains souterrains destinés à empêcher l'accumulation d'eau de surface au-dessus de la partie supérieure de la pente. On prendra les mesures nécessaires pour que ce genre de fossés n'engendre aucune érosion.

   S'il s'avère nécessaire d'exécuter des travaux à proximité d'une pente, on devra toujours, organiser les opérations de manière à améliorer les moments de stabilité. Les poids ajoutés au pied de la pente, de même que les matériaux enlevés de la crête, augmentent les forces stabilisantes. Lorsqu'on a à faire à un banc naturel, il importe particulièrement de ne pas extraire de matériaux du pied de la pente; lorsqu'on y installera des remblais ou bermes, on utilisera des matériaux auto-draineurs de manière à ne pas élever le niveau de la nappe aquifère.

   La lutte contre l'érosion constitue un moyen très efficace de soutenir des pentes qui comportent à leur pied des ruissellements ou des masses d'eau engendrant une notable action de vague. On peut lutter contre ce type d'érosion en utilisant un perré, une berme rocheuse, ou un petit mur de revêtement construit le long du pied de la pente.

*Conclusion :

   Les pentes naturelles qui sont restées stables pendant des siècles s'écroulent parfois à la suite d'une lente modification de l'environnement en entraînant des conséquences catastrophiques. Il arrive que des travaux de construction accélèrent les changements. Les pentes raides peuvent rester stables pendant quelques années mais s'écroulent soudainement lors d'un changement des conditions existantes.

   Il est impossible de prédire avec précision la stabilité d'une pente. Un ingénieur géotechnicien expérimenté peut cependant établir une évaluation raisonnable d'un secteur en se basant sur une investigation complète des lieux. Ce genre de recherche exige une analyse des conditions du sol et de la nappe aquifère associée à une étude de la géologie locale; on examinera en particulier les pentes stables et instables existantes.

    Toutes les fois qu'elles envisagent le développement d'un secteur, les autorités municipales locales devraient s'assurer qu'il n'existe aucune possibilité de glissements de terrain. Elles devraient examiner sous le rapport de la stabilité les bancs naturels d'argile de l'ordre de 20 pieds dont l'inclinaison n'excède pas 1 à 4. Il importe de s'assurer, dans tous les cas, la collaboration d'experts de manière à pouvoir prendre, dès les premiers stades de l'étude, les mesures de planification, de zonage et de correction qui pourraient s'imposer.