Soutenance mémoire
LA PREVENTION DU RISQUE DE RETRAIT GONFLEMENT EN FRANCE : GENERALITE
En France métropolitaine, la vulnérabilité des constructions individuelles sur certains sols argileux a été mise en évidence à l’occasion de la sécheresse exceptionnelle de l’été 1976 et a pris une réelle ampleur lors des périodes sèches des années 1989-1991 et 1996-1997, puis dernièrement au cours de l’été 2003 (figure I-1). C’est ce que l’on appelle le phénomène de retrait-gonflement des argiles. Le risque associé est devenu en France, dans le cadre du régime des catastrophes naturelles, la deuxième cause d’indemnisation via les assurances, par les montants engagés.
La nécessité du développement de nouveaux outils pour la prévention de ce risque est liée à la limite des outils actuels vis-à-vis du caractère diffus de ce risque. En effet, c’est sur les habitations individuelles que les effets du retrait et gonflement de certaines formations géologiques argileuses affleurantes sont les plus évidents. Ils se traduisent par des tassements différentiels du sol et par la perte de contact entre les fondations et le terrain d’assise ce qui provoquent des désordres au niveau des constructions tels que, la fissuration des structures enterrées ou aériennes, la distorsion des ouvertures, le décollement des éléments composites ou l’étirement des canalisations (figure II-2). Dans la région Midi-Pyrénées, l’importante croissance démographique de la région observée depuis le milieu des années 90, s’accompagne d’une expansion géographique des villes importantes et de l’apparition d’une urbanisation diffuse sur l’ensemble du territoire (figure I-3) et plus particulièrement le long des axes Toulouse- Cahors et Toulouse- Albi.
Ce type d’urbanisation est d’autant plus sensible aux phénomènes de retrait-gonflement qu’il est souvent localisé sur les coteaux molassiques qui sont généralement des sols potentiellement « à risque » (zone d’aléa moyen, figure I-4). D’autre part les études préalables à ce type d’habitats sont limitées par l’application de l’article L. 231-2 du Code de la construction et de l’habitation (CCH), qui n’impose pas au constructeur de procéder systématiquement à des études de sols préalables à la signature des contrats de construction.
Bien que ce ne soit pas le seul facteur expliquant l’apparition de ce phénomène, il existe une corrélation étroite entre la répartition des sinistres et la nature géologique des formations superficielles qui a amené le BRGM, dés le milieu des années 1990 (Chassagneux D. 1995) , à élaborer des développements méthodologiques en vue de cartographier l’aléa retrait-gonflement des argiles, d’abord à l’échelle communal, puis à l’échelle départementale laquelle s’est révélée plus adaptée pour établir de manière relativement rapide et homogène, les documents de base nécessaires à l’élaboration d’une véritable politique de prévention de ce risque naturel.
La cartographie actuelle des risques de retrait-gonflement des sols vise à délimiter les zones pouvant être exposées à ce risque naturel, puis à édicter des mesures de protection vis-à-vis de ce risque. Elle se caractérise par deux étapes majeures :
– La première constitue la phase technique permettant d’estimer la probabilité de survenance du phénomène donné en un endroit donné, probabilité appelée aléa ;
– La deuxième, qui constitue la phase réglementaire qui se pose plus en termes d’aménagement, détermine quelles sont les meilleures réponses à apporter aux problèmes mis en évidence par la première phase. Ces cartes doivent être précises. Elles constituent des documents d’aide à la décision et servent de base à l’élaboration de documents à valeur juridique tels que les Plan de Prévention des Risques institués par la loi Barnier du 2 février 1995, et qui ont pour vocation de réduire les dommages lors de catastrophes naturelles en maîtrisant l’aménagement du territoire dans les zones exposées à un risque (Summers, Lewis et al. 2009).
La phase technique de réalisation de la carte d’aléa se base principalement sur les cartes géologiques et sur les observations de terrain des géologues. La démarche consiste tout d’abord à établir une cartographie départementale des formations argileuses et marneuses affleurantes et sub-affleurantes, à partir de la synthèse des cartes géologiques du département au 1/50 000. Les formations ainsi identifiées, font ensuite l’objet d’une hiérarchisation quant à leur susceptibilité vis-à-vis du phénomène de retrait-gonflement. Cette caractérisation est établie sur la base de trois critères principaux: la caractérisation lithologique de la formation, la composition minéralogique de sa phase argileuse, et son comportement géotechnique, ce qui conduit à l’établissement d’une carte départementale de susceptibilité au retrait gonflement. La carte d’aléa (figure I4) est alors établie à partir de cette carte synthétique des formations argileuses et marneuses, en tenant compte de la susceptibilité des formations identifiées ainsi que de la probabilité d’occurrence du phénomène en relation avec la localisation des sinistres recensés sur les différentes communes. Ainsi, l’élaboration de la carte de susceptibilité reposent pour une grande part sur l’étude de documents existants, qu’il s’agisse de travaux réalisées par le BRGM ou des rapports d’expertise disponibles dans les archives des bureaux d’études, de la banque de données des sous-sols ou des organismes d’assurances. L’autre part des données consiste en des expertises géotechniques ponctuelles permettant d’actualiser l’information géologique acquise sur le terrain. Durant cette phase de travail, des échantillons sont prélevés sur les différentes formations argileuses. Les analyses géotechniques et diffractométriques de ces échantillons apportent un complément d’information indispensable aux données déjà récoltées, en particulier pour les formations argileuses pour lesquelles n’existe aucune information.
L’inconvénient majeur de la méthode mise en œuvre pour définir les zones sujettes aux effets de retrait-gonflement, réside dans le fait que les cartes géologiques sont rarement optimales pour caractériser et délimiter de manière précise les contours des affleurements de matériaux argileux. En outre, les formations superficielles n’y font pas souvent l’objet d’une description détaillée. Il en résulte une certaine imprécision qui apparaît clairement dans le cas des molasses, dont la lithologie séquentielle implique de nombreuses variations latérales de faciès, que les cartes géologiques au 1 / 50 000 ne peuvent pas traduire dans le détail.
De plus, les campagnes de terrain visant à compléter l’information des cartes géologiques sont souvent confrontées à des problèmes logistiques et techniques. Elles fournissent des échantillons sur lesquels sont réalisées des analyses géotechniques et de diffraction des rayons X (DRX) qui complètent l’analyse minéralogique ainsi que la détermination du potentiel de gonflement des sols. Ces prélèvements sont ponctuels. Ils constituent des points de contrôle qui créent une information de terrain hétérogène et discontinue. Enfin, la précision de la carte d’aléa qui, partant d’une information valide à l’échelle 1/ 50 000, aboutit à un document à une échelle entre 1/50000 et 1/100 000. Cependant l’utilisation future de la carte sera l’élaboration de cartes de risques par découpage communal, soit à une échelle bien supérieure de celle de validité des données. Aussi, ces cartes sont peu adéquates pour la prévention du risque de retrait et de gonflement des sols.
PROBLEMATIQUE
De nombreux facteurs de prédisposition tels que la géomorphologie, le contexte hydrogéologique, la végétation, les actions anthropiques ou les défauts de construction permettent de caractériser la susceptibilité du milieu vis-à-vis de l’aléa retrait-gonflement des sols, sa répartition spatiale et donc l’occurrence de ce phénomène. Cependant, comme le montre le descriptif de la procédure d’établissement des cartes de susceptibilité au retrait-gonflement présenté précédemment, ces différents facteurs ne sont généralement pris en compte que ponctuellement. En effet, leur influence à l’échelle départementale est souvent difficile à mettre en évidence ou bien jugée non discriminante. Ainsi, la nature des formations argileuses du département ou de la région reste donc le critère le plus utilisé pour la cartographie du risque de retrait et de gonflement des argiles. D’autre part, dans le cadre du projet ARGIC (Analyse du Retrait-Gonflement et de ses Incidences sur les Constructions : ANR-05-PRGCU-005 ; (Vincent M. 2009)), une étude comparative a permis d’évaluer la pertinence des différentes techniques classiquement utilisées pour la caractérisation de la susceptibilité d’un sol au retrait gonflement . Il a été défini qu’en matière de prévention du phénomène de retrait gonflement des argiles, les études géotechniques préalables doivent s’intéresser à :
– reconnaître et identifier les sols présents au droit de la construction,
– caractériser leur répartition spatiale et repérer d’éventuelles hétérogénéités verticales et horizontales,
– identifier la présence éventuelle d’argiles gonflantes et en déterminer le potentiel de retrait-gonflement en cas de variation des conditions hydriques,
– repérer l’existence d’éventuels facteurs d’aggravation susceptibles de modifier localement la teneur en eau dans le sol sur la parcelle.
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Table des matières
INTRODUCTION
I. CHAPITRE 1 : INTRODUCTION ET CONTEXTE D’ETUDE
I.1. LA PREVENTION DU RISQUE DE RETRAIT GONFLEMENT EN FRANCE : GENERALITE
I.2. PROBLEMATIQUE
I.3. CONTEXTE GEOLOGIQUE ET GEOMORPHOLOGIQUE
I.3.1 L’HISTOIRE DU BASSIN CENTRAL AQUITAIN ET DE SES FORMATIONS MOLASSIQUES
I.3.1.1 L’extension Mésozoïque
I.3.1.2 Tectonique Campano‐Oligocène
I.3.1.3 Rifting Oligo‐Miocène
I.3.2 LES FORMATIONS QUATERNAIRES
I.4. DEVELOPPEMENT METHODOLOGIQUE
II. CHAPITRE 2. LA SPECTROSCOPIE INFRAROUGE : CARACTERISATION ET BASE DE DONNEES
II.1. THEORIE DU RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE
II.1.1 ORIGINES DES BANDES D’ABSORPTION
II.1.2 INTERPRETATION DES SPECTRES
II.1.2.1 Dans le moyen infrarouge
II.1.2.2 Dans le proche infrarouge
II.1.3 LES PERTURBATIONS ENGENDREES PAR L’ATMOSPHERE SUR LE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE
II.2. INSTRUMENTS DE MESURE UTILISES EN SPECTROSCOPIE
II.2.1 LA SPECTROSCOPIE INFRAROUGE A TRANSFORMEE DE FOURIER
II.2.1.1 Principe
II.2.1.2 Dans le domaine de l’infrarouge moyen (4000 ‐ 400 cm‐1) : la transmission/ absorption
II.2.1.3 Dans le domaine du proche infrarouge (9000 – 4000 cm‐1) : la réflexion diffuse
II.2.2 SPECTROMÈTRE ASD FIELD SPEC FR® (ROY, 2007)
II.2.3 CAPTEUR MULTISPECTRAL ASTER
II.3. MOYENS DE VALIDATION DES DONNEES ACQUISES
II.3.1 LA DIFFRACTION DES RAYONS X
II.3.2 ANALYSES GEOTECHNIQUES
II.3.3 CHIMIE DES ELEMENTS MAJEURS
II.4. BASE DE DONNEES
II.4.1 LES MINERAUX ARGILEUX
II.4.1.1 Structure des minéraux argileux
II.4.1.2 Classification des minéraux argileux les plus fréquents dans les sols de l’étude
II.4.2 LES COLLECTIONS
II.4.2.1 Les minéraux argileux de référence
II.4.2.2 Les mélanges synthétiques
II.4.2.3 Les sols
III. CHAPITRE 3 : TRAITEMENT DES DONNEES
III.1. APPROCHES STATISTIQUES
III.1.1 L’ANALYSE EN COMPOSANTES PRINCIPALES
III.1.1.1 Démarche générale
III.1.1.2 Résultats
III.1.1.3 Discussion, conclusion
III.1.2 LA REGRESSION PAR MOINDRES CARRES PARTIELS (PLSR : PARTIAL LEAST SQUARES REGRESSION)
III.1.2.1 Démarche générale
III.1.2.2 Démarche sur les échantillons de l’étude
III.1.2.3 Résultats
III.1.2.4 Discussion, conclusion
III.2. APPROCHE BASEE SUR LA FORME DES ABSORPTIONS CARACTERISTIQUES DES MINERAUX ARGILEUX
III.2.1 PUBLICATION 1: CLAY MINERALOGY OF MIDI‐PYRÉNÉES AREA (FRANCE) BY INFRARED SPECTROSCOPY: DISAPPOINTED RESULTS (SOUMIS À CLAY MINERALS)
III.2.1.1 Résumé en Français
III.2.1.2 Abstract
III.2.2 INTRODUCTION
III.2.3 GEOLOGICAL SETTING
III.2.4 MATERIALS AND METHODS
III.2.4.1 Sampling
III.2.4.2 XRD measurements
III.2.4.3 Estimation of the soil mineralogy
III.2.4.4 Infrared laboratory and field measurements
III.2.4.5 Spectral data analysis
III.2.5 RESULTS
III.2.5.1 Reference and soil sample composition
III.2.5.2 Synthetic mixtures in the MIR range with FTIR spectrometer
III.2.5.3 Synthetic mixtures in the NIR range with FTIR spectrometer
III.2.5.4 Synthetic mixtures with ASD spectrometer
III.2.5.5 Soils under laboratory conditions with ASD spectrometer
III.2.5.6 Soils analyses under natural conditions with ASD spectrometer
III.2.6 DISCUSSION AND CONCLUSIONS
III.2.7 ACKNOWLEDGEMENTS
III.2.8 REFERENCES
III.3. CONCLUSION
CONCLUSION
