1.4 Le phénomène d’effondrement
1.4.1 L’effondrement lié aux caractéristiques spéciales des dépôts lœssiques naturels
Des problèmes d’instabilité des dépôts lœssiques ont été observés par divers auteurs dans différentes parties du monde (Li 1995, Huang 2008, Meier 2008, Nouaouria et al. 2008, Punrattanasin 2008, Whalthall et Duffy 2008, Yuan et Wang 2009). L’effondrement des dépôts lœssiques est principalement dû à l’humidification des dépôts et la chute correspondante de la succion, mais on cite également divers phénomènes tels que les mouvements sismiques (Yuan et Wang 2009), le chargement statique dû aux constructions (Meier 2008), le chargement dynamique dû au passage des trains (Cui et al. 1995, Karam 2006) et la décongélation des dépôts lœssiques (Huang 2008) localisés en zones de pergélisols.
La difficulté de prévoir l’effondrement est liée principalement à la connaissance insuffisante des propriétés du lœss dans l’état naturel. Dans la plupart des cas, le lœss a une très faible
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résistance associée à une structure métastable (Yuan et Wang 2009). Il y a aussi une faible connaissance de la relation entre les variations de la teneur en eau et le comportement mécanique.
Houston (1995) a observé de nombreuses causes d’humidification telles que, la rupture des conductions de réseaux résidentiels, canaux ou systèmes d’arrosage (Walsh et al. 1993), l’écoulement superficiel et les systèmes déficients de drainage (Walsh et al. 1993), les recharges de l’eau intentionnelles ou non (Shmuelyan 1995), l’ascension du niveau de la nappe phréatique (El Nimr et al. 1995), l’endiguement de l’eau dû aux chantiers de constructions (Kropp et al. 1994, Noorany et Stanley 1990), et les processus de transfert d’eau dus à la capillarité ou aux isolations thermiques (Jimenez-Salas 1995). Li (1995) a observé des phénomènes d’effondrement sur des dépôts lœssiques en Chine lors du remplissage des retenues d’eau.
D’après plusieurs auteurs, le risque d’effondrement du lœss est lié aux conditions suivantes : - les propriétés de base, y compris la minéralogie, la teneur en argile, la forme et la
distribution des pores dans le sol, la cimentation intergranulaire et les propriétés électromagnétiques de l’argile (Cui et al. 2004) ;
- un indice de plasticité faible (Delage et al. 2005) ;
- une porosité importante qui correspond à une structure ouverte (Barden et al. 1973) ; - une condition non saturée liée à une valeur élevée de succion (Barden et al. 1973) ;
- une structure spéciale susceptible de se dégrader (Shao et al. 2007), caractérisée par une densité faible et une cimentation peu importante entre grains limoneux (Barden et al. 1973, Pereira et al. 2008) ;
- une sensibilité à l’humidification : dès qu’un dépôt de lœss est sec, sa résistance est plus importante, mais suite à une saturation subite sous charge, le sol peut perdre sa stabilité et s’effondrer (Mitchell et Soga 2005, Hormdee 2008).
Différents auteurs ont proposé des études expérimentales afin d’analyser l’effondrement des dépôts lœssiques dans de nombreux sites dans le monde par le biais d’essais d’effondrement à l’oedomètre (Jennings et Knight 1957, Cui et Marcial 2003, Nouaouria 2008, Whalthall et Duffy 2008), de tests de caractérisation du risque d’effondrement (Hormdee 2008, Meier 2008, Punrattanasin 2008, Whalthall et Duffy 2008), de la caractérisation microscopique (Cui
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et Marcial 2003, Meier 2008) et d’essais plus sophistiqués comme l’essai triaxial statique (Shao et al. 2007) ou des essais triaxiaux cycliques (Karam 2006).
Karam (2006) a effectué des essais de chargement triaxial cyclique sur un profil de lœss prélevé à quatre profondeurs différentes (1,2 m ; 2,2 m ; 3,5 m et 4,9 m) dans un site proche de la ligne nord du TGV à Beugnâtre, en France. Il a observé le phénomène de liquéfaction dû au chargement cyclique sur des échantillons saturés, provenant de toutes les profondeurs étudiées. De plus, il a observé que le sol à 2,20 m a le taux de résistance cyclique (τcyc/σ’c) le
plus faible, de l’ordre de 0,3, qui est inférieur au taux de chargement cyclique appliqué par le train, qui est de 0,4, ce qui signifie que si le sol à 2,20 m se trouve dans un état saturé, la fréquence de circulation normale du TGV nord suffit pour le liquéfier. Mitchell et Soga (2005) ont remarqué la possibilité de liquéfaction des dépôts saturés de lœss pendant des tremblements de terre.
Jennings et Knight (1957) ont proposé le "test du double oedomètre" pour étudier le risque d’effondrement des sols non saturés. Celui-ci est basé sur deux types d’essais oedométriques. Le premier test est réalisé à la teneur en eau initiale en condition non saturée. Pour le deuxième, on humidifie l’échantillon sous une charge fixe et on suit le chargement en condition saturée. Dans certains cas, l’humidification du sol produit des changements importants du volume total. Ce processus implique une perte de la résistance du sol, car pour la plupart des sols non saturés, la résistance augmente lorsque le niveau de saturation diminue et la valeur de succion augmente. Matyas et Radhakrisna (1968) ont élargi les essais à différents niveaux de succion en observant des comportements similaires sur des échantillons de limon compacté.
Knight (1963) a proposé une méthode pour analyser le risque d’effondrement basée sur l’humidification sous une contrainte verticale de 200 kPa d’un échantillon de sol préalablement chargé à sa teneur en eau naturelle. Le critère est basé sur le pourcentage de déformation verticale obtenu. La susceptibilité à l’effondrement est présentée dans le Tableau 1-4.
D’autres méthodes pour analyser la susceptibilité à l’effondrement ont été développées par divers auteurs à partir des propriétés géotechniques de base. Gibbs et Bara (1962) ont proposé un critère basé sur les valeurs de la masse volumique sèche ρd et de la limite de liquidité wL.
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susceptibles de s’effondrer. Ce concept est présenté dans la Figure 1-18. Huergo et al. (1989) ont présenté divers critères d’évaluation de l’effondrement. Ils sont décrits dans le Tableau 1-5. Déformation d’effondrement (%) sous σv = 200 kPa Risque 0 – 1 Non Effondrable 1 – 5 Légèrement Effondrable 5 – 10 Effondrable 10 – 20 Très Effondrable Tableau 1-4. Critère de Knight (1963)
Figure 1-18. Critère d’évaluation du risque d’effondrement proposée par Gibbs et Bara (1962)
Auteur Critère Expression
Denisov (1951) Ke<0,75 ( ) nat w e e e K = L Priklonskij (1952) wP−wnat<0 Feda (1966) KL > 0,85 et Sr(nat) > 0,6
(
)
P p nat r nat L I w S w K = ( ) − Stephanokk et Kremakova (1960) Estimation quantitative de l’effondrement(
n)(
wnat)
K − − = 40 30 δ , où : K= 0,08 pour lœss argileux ;K= 0,05 pour lœss avec une faible fraction d’argile
( )wL
e : indice des vides correspondant à la limite de liquidité ; enat : indice naturel des vides ; P
w : limite de plasticité ; wnat : teneur naturelle en eau ; Sr(nat) : degré naturel de saturation ;
P
I : indice de plasticité ; n : porosité
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