Soutenance mémoire
Critère de rupture active du sol
La gestion du territoire constitue un défi important pour les ingénieurs au sein des sociétés modernes à travers le monde. L’approvisionnement en eau potable, la conception des réseaux autoroutiers et ferroviaires ainsi que la gestion des risques naturels en sont de bons exemples. L’est du Canada n’y fait pas exception. Cette région dispose de sols propices au développement de grands glissements de terrain, qui peuvent dévaster une importante superficie de territoire, comme le démontre le glissement de la vallée de Quyon, situé au sud-ouest de la province de Québec, dont la superficie de la cicatrice est estimée à 19 km² (Brooks 2015). Ce type de sol, provenant des dépôts de la mer de Champlain, se retrouve majoritairement dans la région de l’Outaouais et la Vallée du Saint-Laurent (figure 1-1). Le Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des Transports du Québec (MTMDET) estimait en 2014 que 89 % de la population québécoise était établie sur ce type de dépôt dont l’épaisseur peut atteindre 80 m par endroits et dont une partie peut présenter un danger de glissement de terrain (Demers et al. 2014). Le risque associé aux glissements de terrain est donc très élevé pour ces régions. Il est donc primordial de bien comprendre les mécanismes de rupture associés aux différents types de glissement de terrain afin de mieux définir les zones à risque du territoire, et ainsi, minimiser les risques associés pour la population.
Les dépôts de l’est du Canada ce sont formés dans un contexte géologique particulier, il y a plusieurs milliers d’années. Il y a un peu plus de 12 mille ans, la calotte glaciaire qui recouvrait une bonne partie du Québec et de l’Ontario entamait son recul de façon significative, pour finalement complètement disparaître d’Amérique du Nord il y a environ 6000 ans (Lefebvre 1986). Ces glaciers ont fortement érodé la roche en place et ont façonné le paysage québécois. Les sédiments résultant de ce processus ont formé une farine de roche, majoritairement composée de plagioclase et de quartz, de dimension inférieure à 2 m (Locat et al. 1984). Le retrait des glaciers a permis à une invasion marine de s’effectuer dans la dépression formée. Les conditions de déposition de ces sédiments étaient celles d’une mer, et donc, un milieu à forte teneur en sel. Ces conditions favorisent le rapprochement des feuillets d’argiles qui adsorbent de l’eau ionisée, ce qui diminue les forces de répulsion auxquelles elles sont initialement soumises. Ce processus, appelé floculation, est responsable de la microstructure en nid d’abeille caractéristique des argiles marines. La figure 1-2 illustre cette microstructure, observée à l’aide d’un microscope à balayage électronique (MEB), sur un échantillon d’argile de la mer de Champlain prélevée sur le site du glissement de Casselman (1971).
Dû à la remontée isostatique de la croûte terrestre qui s’est effectuée plus rapidement que la remontrée du niveau moyen des mers, les dépôts ont été soumis progressivement à l’érosion faite par l’eau douce des rivières, qui ont entaillé ces épais dépôts d’argiles, créant des pentes abruptes. L’infiltration des eaux de ruissellements non salée a eu pour effet de lessiver l’argile en place. La perte d’ions de l’eau interstitielle cause une diminution des forces d’attraction entre les différents feuillets d’argiles, ce qui réduit la résistance au cisaillement non-drainé de l’argile remaniée. Il s’ensuit que la sensibilité augmente (La Rochelle et al. 1970). Cette sensibilité est responsable des grands glissements de terrain dans les argiles de l’est du Canada.
Les glissements «fortement rétrogressifs» sont de grands glissements de terrain ayant une superficie généralement supérieure à 1 ha. Telle qu’illustrée à la figure 1-3, la distance de rétrogression se définit comme la distance entre le sommet de talus initial et la crête finale du glissement de terrain. Un glissement de terrain est qualifié de «fortement rétrogressif», lorsque la distance de rétrogression est supérieure à deux fois la hauteur du talus initial ou supérieure à 40 m (Demers 2014). Deux types de grands glissements de terrain sont majoritairement répertoriés par le MTMDET dans les argiles de la mer de Champlain, soit les coulées et les étalements. Ces derniers représenteraient une proportion de 37 % des glissements fortement rétrogressifs à survenir sur le territoire québécois (Demers et al. 2014).
Les coulées argileuses ont fait l’objet de nombreuses recherches dans les années 1970 à la suite du célèbre glissement de Saint-Jean-Vianney qui a causé la mort de 31 personnes et privé de foyers des centaines d’autres (Tavenas et al. 1971). Ces recherches ont permis de bien comprendre le mécanisme de rupture de ce type de glissement de terrain (Lebuis et al. 1983 et Tavenas 1984). Dans la majorité des cas, un premier glissement en pied de talus se produit, remanie le sol en place qui s’écoule hors de la cicatrice, laissant un escarpement arrière qui peut être instable. Un autre glissement peut alors se produire et le processus de rupture circulaire peut progresser jusqu’à l’obtention d’une stabilité suffisante à l’intérieur de la pente. Cette stabilité peut être obtenue lorsque l’énergie potentielle n’est plus suffisamment importante pour remanier le sol ou que les propriétés de ce même sol changent.
Les étalements quant à eux, sont caractérisés par la propagation quasi-horizontale d’une surface de rupture à partir du pied du talus et d’une dislocation du sol sus-jacent en horsts et grabens (Locat et al. 2011a). Les débris restent essentiellement à l’intérieur de l’amphithéâtre du glissement (Grondin et Demers 1996; Demers et al. 2000; Ouehb 2007; Locat et al. 2011b; Fortin-Rhéaume 2013; Locat et al. 2015; Locat et al. 2016b). Les mécanismes de rupture associés à ce type de glissement sont peu compris. De plus, les analyses réalisées à rebours sur des cas de rupture par étalement à l’aide de méthode à l’équilibre limite donnent des coefficients de sécurité élevés et ne permettent pas d’expliquer la rupture, ce qui rend la problématique d’autant plus préoccupante. Les études de Carson (1977) ont tenté d’expliquer la dislocation du sol en horsts et grabens, sans être en mesure d’expliquer la propagation quasi-horizontale de la surface de rupture sous les horsts et grabens. Les travaux de Ouehb et al. (2006), et plus récemment de Locat (2012), ont mis de l’avant la possibilité que la rupture progressive joue un rôle important dans ce type de glissement. Les étalements de Sainte-Monique en 1994 (Locat et al. 2015) ainsi que celui de Saint-Barnabé (Locat et al. 2016b) ont fait l’objet d’étude numérique afin de tenter d’expliquer la dislocation du sol et la propagation quasi-horizontale de la surface de rupture. Davantage d’études sont nécessaires afin de mieux comprendre le mode de rupture des étalements et de pouvoir prédire les distances de rétrogression observées.
Le glissement de 1971 à Casselman, Ontario :
Dans la nuit du 16 au 17 mai 1971, un grand glissement de terrain s’est produit le long de la rivière de la Nation Sud, à environ 6 km au nord du village de Casselman dans la province de l’Ontario, au Canada (figure 2-1). Impliquant environ 28 ha de terres agricoles et mobilisant plus de 6x106m3 de débris, ce glissement est l’un des plus importants à survenir le long de cette rivière jusqu’à ce jour. Le lit de la rivière a été comblé par 9 m de débris qui se sont écoulés sur une distance supérieure à 2 km vers l’aval, causant une inondation temporaire en amont (Eden et al. 1971). Aucun blessé n’a été répertorié par les autorités suite aux évènements. Aucune évidence d’une première rupture en pied de talus n’a été signalée, mais quelques heures avant les évènements, les fermiers du coin ont remarqué que leurs animaux de ferme étaient agités et leur bétail a refusé de se rendre au pâturage qui a par la suite été partiellement emporté lors du glissement (Mitchell 1978).
À la figure 2-2, prise sur le terrain quelques jours après le glissement, il est possible de remarquer une succession de bandes de terrain, encore recouverte d’herbe, relativement intactes appelées grabens. Les formes de sol triangulaire s’élevant au-dessus de ces grabens se nomment horsts. L’angle que fait la pointe du horst présenté à la figure 2-2 est d’environ 60°, correspondant approximativement à l’angle des ruptures actives des sols argileux de l’est du Canada (Locat et al. 2011a). Ces structures morphologiques sont grandement affectées par les agents extérieurs comme le vent, le soleil et la pluie. Il devient alors très difficile de les observer sur le terrain après quelque temps (FortinRhéaume 2013). Les horsts et grabens sont des structures morphologiques typiques des étalements, un des deux types de glissement de terrain fortement rétrogressifs qui sont majoritairement répertoriés dans les argiles sensibles de l’est du Canada (Cruden et Varnes 1996 et Demers et al. 2014). Contrairement aux coulées, le mécanisme de rupture par étalement résulte essentiellement d’un mouvement de translation le long d’une surface de rupture horizontale (Grondin et Demers 1996; Locat et al. 2008 et Locat et al. 2011a). Le décès tragique en 2010 de quatre membres d’une même famille lors de l’étalement latéral de Saint-Jude met en évidence tout le danger relié à ce type de glissement de terrain (Locat et al. 2011b).
C’est dans l’optique de mieux comprendre les mécanismes associés à la rupture par étalement que le Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des Transports du Québec (MTMDET) et l’Université Laval ont collaboré à la réalisation d’une nouvelle investigation géotechnique du glissement de terrain de 1971 près du village de Casselman en Ontario. Ce glissement a déjà fait l’objet d’une étude dans les années 1970 et les principales conclusions se trouvent dans le rapport de Mitchell (1978). À cette époque, aucune investigation n’avait toutefois été réalisée afin de déterminer la position de la surface de rupture du glissement et certains résultats d’essais réalisés en laboratoire montraient des incohérences avec les valeurs attendues pour ce type de glissement de terrain, notamment des d’indices de liquidité sous l’unité.
Tous les sondages et les forages ont été réalisés sous la responsabilité et la coordination du MTMDET en septembre 2014 ainsi qu’en janvier et février 2015. Les sondages au piézocône ont été réalisés par un mandataire du MTMDET, soit la firme Inspec-Sol (maintenant GHD). Les forages, l’échantillonnage des sols et la pose des piézomètres Casagrande ont été réalisés par la même firme. L’installation des piézomètres électriques a été supervisée par le personnel technique du MTMDET. Une partie des essais en laboratoire ont été réalisés par un mandataire du MTMDET, soit la firme LVM-Technisol (maintenant Englobe). Une autre partie a été réalisée au laboratoire de l’Université Laval, et certains essais ont été réalisés au laboratoire géotechnique du MTMDET. L’implantation des travaux d’investigation a été effectuée par le personnel du MTMDET ainsi que celui de GHD. Les autorités des Comtés Unis de Prescott et Russel ont aussi contribuées en produisant gracieusement le chemin d’accès pour accéder à la cicatrice du glissement à partir de l’escarpement arrière.
Les prochaines sections du présent mémoire présentent les résultats de l’investigation géotechnique réalisée en 2014-2015. Les résultats des observations par photo-interprétation, des essais in situ, des essais en laboratoire ainsi que leurs méthodologies respectives sont aussi présentés. La modélisation de la stabilité initiale du talus à partir des conditions hydrogéologiques obtenues lors de l’investigation sera aussi présentée.
Situation antérieure au glissement :
La topographie du site avant le glissement de 1971 a été établie par stéréoscopie, à partir de photographies aériennes à l’échelle du 1/15 000 datant de 1969 (A30178, 40 et 41). La figure 2-3 présente le modèle ombragé du terrain ainsi que les courbes de niveau au mètre, lesquelles ont permis de reconstituer la géométrie avant glissement des pentes du talus près de la rivière. Selon ce modèle, le sommet du talus était à une élévation d’environ 68 m, valeur assez uniforme sur l’ensemble du site à l’étude, à l’exception d’un ravin situé environ au centre de la présente cicatrice (voir figure 2-3). Selon l’axe de la coupe AA’, présenté la figure 2-3, le talus, à partir du niveau d’eau moyen, avait une hauteur de 24 m. Près de la rivière, les 8 premiers mètres avaient un angle moyen de 19°. Par la suite, le talus avait une hauteur de 16 m avec un angle moyen de 16°. Un plateau de 15 m de largeur séparait les deux segments du talus. Toutefois, cette valeur était graduellement réduite à zéro pour la portion plus au sud de la cicatrice. À cet endroit, le talus était continu jusqu’à la rivière, avec un angle moyen de 20°, sur une distance d’environ 80 m parallèlement à la rivière (voir figure 2-3) Le niveau du lit de la rivière a été déterminé à partir des plans de bathymétrie du pont enjambant la rivière de la Nation Sud, à 5 km au nord du glissement de 1971 (pont Albert Bélanger situé sur la route 8). L’élévation du lit de la rivière en 1971 se situait donc pas plus profondément qu’à 39,5 m d’élévation selon cette approximation. La hauteur d’eau moyenne au centre de la rivière est estimée au maximum à 4,5 m, correspondant à une élévation moyenne du niveau d’eau de 44 m. Des données géotechniques régionales, provenant principalement d’études géotechniques réalisées pour la Conservation de la Nation Sud entre les années 1975 et 1990, en plus de l’étude géotechnique réalisée par Mitchell (1971) sur le site du glissement de Casselman ont aussi été consultées afin d’établir les propriétés des sols le long de la rivière de la Nation Sud.
Investigation géotechnique 2014-2015 :
La campagne d’investigation géotechnique réalisée conjointement par le MTMDET et l’Université Laval s’est déroulée en deux phases : l’une à l’automne 2014 et l’autre à l’hiver 2015. La figure 2-4 présente le modèle ombragé du terrain après le glissement, créé à partir du levé Lidar (light detection and ranging) réalisé en 2014, ainsi que la position des divers sondages réalisés pour la présente investigation (voir l’annexe A pour les tableaux de localisation des sondages réalisés ainsi que les profils des sondages au piézocône réalisés).
Sondages à l’extérieur de la cicatrice
La première phase de l’investigation s’est concentrée sur les sols n’ayant pas été mobilisés lors du glissement. Afin de caractériser les sols intacts ayant été impliqués dans le glissement de terrain. Dans cette optique, cinq piézocônes (01, 02, 03, 04 et 13 sur la figure 2-4) ont été réalisés, afin d’obtenir la stratigraphie générale du site, et trois profils d’essais au scissomètre (01, 03 et 13 sur la figure 2-4) ont permis de déterminer les valeurs de résistances au cisaillement intactes. Ces essais ont aussi permis d’identifier le coefficient Nkt régional qui relie la résistance à l’enfoncement de la pointe du piézocône (qt) à la résistance au cisaillement intact de l’argile (Su). Deux nids de piézomètre (01 et 13 sur la figure 2-4) ainsi que plusieurs essais de dissipations réalisés lors des sondages au piézocône ont permis d’évaluer les pressions interstitielles dans le massif de sol à différentes profondeurs. Par la suite, deux forages (01 et 13 sur la figure 2-4) ont permis de prélever 47 tubes à paroi mince Shelby de 70 mm de diamètre et de 651 cm de longueur pour réaliser des essais en laboratoire. Afin de mieux caractériser les dépôts meubles présents sur le site du glissement de 1971, 20 cuillères fendues ont aussi été prélevées pour la portion de sols plus raides en surface ainsi qu’à la base des sols argileux en profondeur (voir l’annexe B pour les tableaux récapitulatifs des essais au scissomètre, des piézomètres ainsi que les profondeurs des échantillons prélevés sur les différents sites de forage).
Sondages à l’intérieur de la cicatrice
La deuxième phase s’est essentiellement concentrée sur la caractérisation des débris ainsi que l’identification et la caractérisation de la surface de rupture du glissement. Pour ce faire, 11 piézocônes (02 à 12 et 14 à 16 sur la figure 2-4) ont été réalisés afin de caractériser les débris et les sols intacts situés sous la surface de rupture du glissement. Des essais de dissipation ont aussi été réalisés dans les couches de plus forte perméabilité et au refus des sondages. Deux forages avec échantillonnage de tubes à paroi mince Shelby de 70 mm de diamètre (06 et 08 sur la figure 2-4) ont permis de prélever 18 tubes de sol. Deux cuillères fendues ont aussi été prélevées à partir du forage 06 .
Conclusion
Ce projet de maîtrise a été réalisé dans le cadre d’un vaste projet d’étude des étalements dans les argiles sensibles de l’est du Canada. L’objectif premier était d’obtenir des informations sur la géomorphologie, les propriétés géotechniques des sols, l’élévation de la surface de rupture et les conditions hydrogéologiques du site. Pour ce faire, une investigation géotechnique du glissement de Casselman (1971) a été réalisée conjointement par l’Université Laval et le MTMDET.
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Table des matières
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Mise en contexte
1.2 Objectif de l’étude
1.3 Organisation du mémoire
Partie 1 : Caractérisation d’un cas d’étalement dans les argiles sensibles : Le
glissement de terrain de Casselman, 1971
Chapitre 2 – Le glissement de 1971 à Casselman, Ontario
2.1 Mise en contexte
2.2 Situation antérieure au glissement
2.3 Investigation géotechnique 2014-2015
2.3.1 Sondages à l’extérieur de la cicatrice
2.3.2 Sondages à l’intérieur de la cicatrice
2.3.3 Essais en laboratoire
2.4 Propriétés géotechniques des sols
2.4.1 Site du forage 13
2.4.1.1 Unité 1
2.4.1.2 Unité 2
2.4.1.3 Unité 3
2.4.1.4 Unité 4
2.4.2 Site du forage 01
2.4.3 Remarques générales sur les sols intacts.
2.4.4 Résultats des essais de cisaillement
2.4.4.1 Cisaillement simple
2.4.4.2 Essais triaxiaux
2.5 Morphologie du glissement
2.6 Localisation de la surface de rupture
2.7 Hydrogéologie du site
2.8 Stabilité initiale du talus
2.9 Discussion
2.9.1 Géomorphologie des débris
2.9.2 Mécanisme et profondeur de la rupture
2.10 Conclusion
Partie 2 : Application de la méthode numérique à des cas réels d’étalements
Chapitre 3 – Modélisation numérique de la rupture progressive
3.1 Rupture progressive
3.2 Modélisation dans PLAXIS
3.3 Modélisation dans BIFURC
3.3.1 Le modèle de sol
3.3.2 Les paramètres utilisés
3.3.3 L’analyse numérique
Chapitre 4 – Application de la rupture progressive au glissement de 1971 à Casselman
4.1 Modélisation dans PLAXIS
4.1.1 Géométrie et paramètres de sol
4.1.2 Conditions limites
4.1.3 Résultats
4.2 Modélisation dans BIFURC
4.2.1 Géométrie, maillage et conditions limites du modèle
4.2.2 Comportement du sol
4.2.2.1 Éléments fermes
4.2.2.2 Éléments interfaces
4.2.2.3 Critère de rupture active du sol
4.2.3 Résultats de l’analyse paramétrique
4.2.3.1 Influence de l’épaisseur de la bande de cisaillement
4.2.3.2 Influence de la résistance à grande déformation.
4.2.4 Analyse pour la rétrogression observée
4.2.4.1 Une épaisseur de bande de cisaillement de 0,1 m.
4.2.4.2 Pour une épaisseur de bande de cisaillement de 0,5 m.
4.3 Conclusion
Chapitre 5 – Application de la rupture progressive au glissement de 1986 à Saint-Lucde Vincennes
5.1 Introduction
5.1.1 Description du glissement
5.1.2 Investigation géotechnique
5.1.3 Conditions antérieures au glissement
5.1.4 Contexte stratigraphique du site
5.1.5 Propriétés géotechniques du sol impliqué
5.2 Analyse de stabilité initiale
5.3 Modélisation dans PLAXIS
5.3.1 Géométrie et paramètres de sol
5.3.2 Conditions limites
5.3.3 Résultats
5.4 Modélisation dans BIFURC
5.4.1 Géométrie, maillage et conditions limites du modèle
5.4.2 Comportement du sol
5.4.2.1 Éléments fermes
5.4.2.2 Éléments interfaces
5.4.2.3 Critère de rupture active du sol
5.4.3 Résultats de l’analyse paramétrique
5.4.3.1 L’influence de l’épaisseur de la bande de cisaillement
5.4.3.2 L’influence de la résistance à grande déformation
5.4.4 Analyse pour la rétrogression observée
5.4.4.1 Pour une épaisseur de bande de cisaillement de 0,1 m
5.4.4.2 Pour une épaisseur de bande de cisaillement de 0,5 m
Chapitre 6 – Discussion sur l’application de la rupture progressive aux étalements
Chapitre 7 – Conclusion
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