Caractérisation géotechnique et géophysique des argiles sensibles de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud, Québec

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© Sandra Veillette, 2020

Caractérisation géotechnique et géophysique des

argiles sensibles de

Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud, Québec

Mémoire

Sandra Veillette

Maîtrise en génie civil - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

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Caractérisation géotechnique et géophysique

des argiles sensibles

de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud, Québec

Mémoire

Sandra Veillette

Sous la direction de:

Ariane Locat, directrice de recherche

Richard Fortier, codirecteur de recherche

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Résumé

Plusieurs cicatrices de coulée argileuse dans un dépôt d’argile ont été cartographiées le long des berges de la rivière du Sud dans la région de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud près de Montmagny, Québec, Canada. Dans le cadre d’une collaboration entre le Ministère de la Sécurité publique, le Ministère des Transports du Québec et l’Université Laval, des travaux d’investigation géotechnique et géophysique ont été réalisés pour caractériser les propriétés géotechniques et électriques de ce dépôt d’argile afin d’évaluer si la tomographie de résistivité électrique est une méthode géophysique adéquate de cartographie des zones potentiellement exposées aux glissements de terrain fortement rétrogressifs. Une tomographie de résistivité électrique a été réalisée sur une longueur de 1435 m dans le site d’étude. Au total, sept essais de pénétration au piézocône et un autre avec un module de résistivité électrique ainsi que trois forages ont été réalisés le long de cette ligne de levé. Des essais géotechniques de base ont aussi été effectués sur les échantillons du dépôt d’argile. Selon les résultats obtenus de cette investigation, quatre unités distinctes d’argile ont été identifiées dans le site d’étude et des corrélations entre les différentes propriétés géotechniques, la salinité de l’eau interstitielle et la résistivité électrique ont été déterminées. Pour l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud, tous les échantillons qui ont les propriétés géotechniques caractéristiques de dépôts d’argile vulnérables aux glissements fortement rétrogressifs, soit une résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié inférieure à 1 kPa et un indice de liquidité supérieur à 1,2 selon les critères utilisés par le Ministère des Transports, ont une salinité inférieure à 2,8 g/l. Selon la relation entre la salinité et la résistivité établie dans le cadre de ce projet, cette salinité correspond à une résistivité de 12 m. Certains échantillons plus silteux ont une résistivité supérieure à 12 Ω-m sans être vulnérables aux grands glisseΩ-ments.

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Abstract

Several flowslide scars are found in a deposit of clay along the banks of the du Sud River in the area of Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud located near Montmagny, Québec, Canada. In collaboration with the Ministère de la Sécurité publique, the Ministère des Transports du Québec and Université Laval, a geotechnical and geophysical investigation was undertaken to characterize the geotechnical and electrical properties of this clay deposit and assess the suitability of carrying out electrical resistivity tomography to map the areas prone to large retrogressive landslides. An electrical resistivity tomography was carried out along a survey line of 1435 m long at this study site. In total, seven piezocone penetration tests and another one with measurements of electrical resistivity were performed along this survey line. Basic geotechnical tests were also performed on samples from three boreholes located close to the piezocone penetration tests. Based on the results, the studied clay deposit is made of four distinctive layers of clay and correlations were found between the geotechnical properties, porewater salinity, and electrical resistivity. For the clay at Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud, all the samples with geotechnical properties specific to clay deposit prone to large retrogressive landslides, which are remoulded shear strength below 1 kPa and liquidity index higher than 1.2 according to the criterion used by the Ministère des Transports du Québec, have also porewater salinity lower than 2.8 g/l. From the correlation found between the electrical resistivity and porewater salinity in this study, an electrical resistivity higher than 12 Ω-m is associated with a porewater salinity lower than 2.8 g/l. Some samples have electrical resistivity higher than 12 Ω-m without being prone to large retrogressive landslides. Theses samples were found in a unit made of silty soil at this study site.

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Table des matières

Résumé ... ii

Abstract ... iii

Table des matières ... iv

Liste des tableaux ... vii

Liste des figures ... viii

Liste des symboles ... xii

Liste des abréviations ... xiii

Remerciements ... xiv

Introduction... 1

Contexte... 1

Objectifs ... 2

Structure ... 3

Chapitre 1 Les argiles sensibles ... 4

1.1 Lessivage et formation de l’argile sensible au remaniement ... 5

1.2 Désensibilisation de l’argile par sur-lessivage ... 6

1.3 Chimie de l’eau interstitielle ... 6

1.4 Variation des propriétés géotechniques ... 6

1.5 Résistivité électrique ... 8

1.6 Utilisation de la tomographie de résistivité électrique pour la cartographie ... 11

1.7 Les limites de la tomographie de résistivité électrique ... 14

Chapitre 2 Site d’étude et travaux antérieurs... 18

Chapitre 3 Méthodologie ... 22

3.1 Investigation géophysique du site d’étude ... 22

3.1.1 Tomographie de résistivité électrique ... 22

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3.2 Investigation géotechnique ... 29

3.3 Travaux de laboratoire ... 30

3.3.1 Tomodensitométrie ... 30

3.3.2 Essais géotechniques de base ... 30

3.3.3 Mesure de la résistivité électrique en laboratoire ... 31

3.3.4 Mesure de la salinité et de la conductivité électrique de l’eau interstitielle ... 32

3.3.5 Analyses chimiques de l’eau interstitielle ... 34

3.3.6 Analyse par diffraction des rayons X (DRX) ... 36

3.3.7 Analyse au microscope électronique à balayage (MEB) ... 37

Chapitre 4 Résultats des investigations géophysique et géotechnique ... 38

4.1 Investigation géophysique ... 38

4.1.1 Résistivité électrique mesurée lors de l’essai de pénétration au piézocône muni d’un module de résistivité électrique ... 38

4.1.2 Résistivité électrique mesurée par tomographie de résistivité électrique ... 38

4.2 Profils géotechniques ... 45

4.3 Unités du site d’étude ... 51

4.3.1 Unité A ... 51

4.3.2 Unité B ... 56

4.3.3 Unité C ... 60

4.3.4 Unité D ... 65

4.3.5 Synthèse des propriétés géotechniques principales des 4 unités ... 70

Chapitre 5 Analyse des résultats ... 72

5.1 Comparaison entre les méthodes géophysiques ... 72

5.2 Corrélations entre les propriétés géotechniques, la salinité de l’eau interstitielle et la résistivité électrique de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud ... 74

5.2.1 Corrélation entre l’indice de plasticité et le contenu en argile (activité de l’argile) ... 75

5.2.2 Corrélation entre la limite de liquidité et l’indice de plasticité (plasticité de l’argile) ... 76

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5.2.4 Corrélation entre la salinité de l’eau interstitielle, la résistance au cisaillement non drainé à l’état

remanié et l’indice de liquidité. ... 78

5.2.5 Corrélation entre la résistivité électrique, la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié et l’indice de liquidité. ... 80

5.2.6 Corrélation entre la résistivité électrique et la salinité de l’eau interstitielle... 83

5.3 Coupes stratigraphiques de synthèse du site d’étude ... 86

5.4 Limites de l’étude et comparaison avec autres études ... 91

Conclusion ... 92

Recommandations ... 96

Bibliographie ... 97

Annexe 1 Paramètres d’inversion utilisés ... 101

Annexe 2 Séquence d’échantillonnage des forages ... 106

Annexe 3 Correction de l’effet de pile sur la mesure de la résistivité électrique du testeur SCIP ... 108

Annexe 4 Étalonnage du conductivitémètre pour les mesures de conductivité électrique de l’eau interstitielle ... 113

Annexe 5 Analyses chimiques de l’eau interstitielle ... 115

Annexe 6 Résultats des mesures de microvibration ... 127

Annexe 7 Effet de l’absence ou de la présence de contraintes lors de l’inversion des données sur les modèles de résistivité électrique ... 130

Annexe 8 Modèles de résolution des tomographies de résistivité électrique ... 133

Annexe 9 Comparaison des modèles de résistivité électrique des levés S1 et S2 ... 135

Annexe 10 Profils des essais de pénétration au piézocône ... 137

Annexe 11 Tomodensitométrie ... 146

Annexe 12 Données de l’essai au SCIP avant et après la correction de l’effet de pile ... 150

Annexe 13 Note explicative sur les rapports de sondage et profils des propriétés géotechniques ... 157

Annexe 14 Autres corrélations ... 159

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Liste des tableaux

Tableau 1.1: Compilation des études récentes sur les plages de variation de résistivité électrique et de

salinité de l’eau interstitielle de différents dépôts d’argile au Canada et dans les pays scandinaves. ... 10

Tableau 3.1: Paramètres utilisés lors du filtrage automatique dans Prosys II. ... 28

Tableau 3.2: Essais géotechniques réalisés et leurs normes associées. ... 31

Tableau 4.1: Résultats des analyses chimiques de l’eau interstitielle d’un l’échantillon de l’unité A. ... 52

Tableau 4.2: Résultat des analyses chimiques de l’eau interstitielle d’un échantillon représentatif de l’unité C. ... 62

Tableau A1.1: Paramètres d’inversion utilisés dans le logiciel RES2DINV. ... 102

Tableau A2.1: Séquence d’échantillonnage du forage 60044. ... 107

Tableau A3.1: Résistivités électriques de l’échantillon PS-1 du forage 60071 mesurées avec le SCIP pour des longueurs d’échantillon de plus en plus courtes. ... 110

Tableau A3.2: Résultats du premier type de correction de la résistivité électrique mesurée sur l’échantillon PS-1 du forage 60071. ... 111

Tableau A3.3: Résultat du deuxième type de correction de la résistivité électrique mesurée. ... 112

Tableau A5.1: Tableaux des dilutions analysées par absorption atomique. ... 116

Tableau A5.2: Résultats bruts de l’analyse de spectrométrie d’absorption atomique. ... 117

Tableau A5.3: Tableaux de calcul des concentrations pour les résultats de l’analyse par absorption atomique. ... 117

Tableau A5.4: Tableau de concentration de la solution standard pour la chromatographie ionique. ... 119

Tableau A5.5: Tableau des dilutions analysées par chromatographie. ... 119

Tableau A5.6: Tableau de calculs des concentrations pour les résultats d’analyse par chromatographie de l’eau interstitielle de l’échantillon PS-1. ... 123

Tableau A5.7: Tableau de calculs des concentrations pour les résultats d’analyse par chromatographie de l’eau interstitielle de l’échantillon PS-12. ... 126

Tableau A6.1 : Résultats des mesures de microvibration. L'écart type de la fréquence de résonnance (f0) obtenue lors de l'essai permet d'obtenir l'erreur sur l'estimation de la profondeur du roc. La colonne « delta » du tableau représente la différence entre les valeurs minimums et maximums calculées pour la profondeur de roc. ... 128

Tableau A12.1: Résultats de l’essai au SCIP avant la correction de l’effet de pile des échantillons du forage 60044. ... 151

Tableau A12.2: Résultat de l’essai au SCIP après la correction de l’effet de pile pour les échantillons du forage 60044. ... 151

Tableau A12.3: Résultats de l’essai au SCIP avant la correction de l’effet de pile pour les échantillons du forage 60065. ... 152

Tableau A12.4: Résultats des essais au SCIP après la correction de l’effet de pile pour les échantillons du forage 60065. ... 153

Tableau A12.5: Résultats des essais au SCIP avant la correction de l’effet de pile pour les échantillons du forage 60071. ... 155

Tableau A12.6: Résultats des essais au SCIP après la correction de l’effet de pile pour les échantillons du forage 60071. ... 156

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Liste des figures

Figure 1.1 : Résistivité électrique caractéristiques de différents types de roche, sol et minerai (Telford et coll., 1990). 16

Figure 2.1: Carte de localisation générale de la municipalité de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud. Le pointeur rouge indique la position du site d’étude. ... 18 Figure.2.2: Remontée du socle rocheux (surfaces rose) en crêtes visibles sur le modèle numérique de terrain en relief ombragé par rapport à la position du site d’étude (pointillé rouge). ... 19 Figure.2.3: Localisation de l’essai de pénétration au piézocône et du forage 60009 réalisés en 2014 par le MTQ près du site d’étude (pointillé rouge)... 20 Figure.2.4: Profils de l’essai de pénétration au piézocône et du forage 60009 réalisés en 2014 par le MTQ combiné aux résultats des essais géotechniques de base. ... 21 Figure.3.1: Plan de localisation des tomographies de résistivité électrique, des essais de pénétration au piézocône et des forages réalisés dans le site d’étude. ... 23 Figure 3.2: Résistivité-mètre Syscal Pro utilisé pour réaliser les tomographies de résistivité électrique. ... 24 Figure 3.3: Schémas de déploiement du résistivimètre Syscal Pro... 24 Figure 3.4: Position des électrodes de courant et de potentiel et position des quadripôles lors d’une tomographie de résistivité électrique avec une configuration de type Wenner. (Modifié de Loke, 2004). ... 25 Figure 3.5: Résistivité électrique apparente mesurée au niveau des quadripôles à 5.2 m de profondeur lors de la tomographie de résistivité électrique S1. Le bruit cyclique qui revient à chaque « roll-along » est indicateur d’un problème de câbles défectueux... 27 Figure 3.6: Sismomètre triaxial de marque Tromino utilisé pour les mesures de microvibration... 29 Figure 3.7: Appareil SCIP (gauche) et ordinateur de poche Archer 2 (droite) utilisés pour la mesure de la résistivité électrique sur les échantillons d’argile. ... 32 Figure 3.8: Système d’extraction de l’eau interstitielle des échantillons d’argile. ... 33 Figure 3.9: Conductivitémètre utilisé pour déterminer la salinité de l’eau interstitielle. ... 34 Figure 4.1: Profil de résistivité électrique obtenu lors de l’essai de pénétration au piézocône muni d’un module de résistivité électrique au droit du site 60065 (voir la figure.3.1 pour la localisation de ce site)... 39 Figure 4.2: Modèle de résistivité électrique obtenu de la tomographie de résistivité électrique le long de la ligne de levé géophysique S1 avec et sans exagération verticale (modèles du haut et du bas respectivement). L’axe verticale de la profondeur est une élévation par rapport au niveau moyen de la mer. ... 40 Figure 4.3: Modèle de résistivité électrique obtenu de la tomographie de résistivité électrique le long de la ligne de levé géophysique S2 avec et sans exagération verticale (modèles du haut et du bas respectivement). Les différents profils de résistivité électrique ainsi que des résultats des mesures de microvibration sont superposés à ce modèle. L’axe verticale de la profondeur est une élévation par rapport au niveau moyen de la

mer. 41

Figure 4.4: Modèles de résistivité électrique au droit des 3 forages le long de la ligne de la ligne de levé géophysique S2. Les profils de résistivité électrique au droit de chaque forage extraits de ces modèles sont superposés à ces modèles. Les tomographies de résistivité électrique ont été réalisées avec un espacement inter-électrodes de 1 m. ... 44 Figure 4.5: Comparaison des profils de résistivité électrique au droit des forages 60044, 60065 et 60071 extraits des modèles de résistivité électrique obtenus de l’inversion les tomographies de résistivité électrique avec des espacements inter-électrodes de 1 et 5 m. Le profil de résistivité électrique mesuré lors de l’essai de pénétration au piézocône apparaît aussi pour le forage 60065. ... 45

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Figure 4.6: Profils de résistance à la pointe (qt) et de pression interstitielle (u) obtenus des essais de pénétration au cône aux sites de sondage 60009, 60071, 60069, 60067, 60065, 60049, 60047 et 60044. La croûte argileuse superficielle et les unités stratigraphiques A, B, C et D sont identifiées sur les profils de résistance à la pointe (qt) et de pression interstitielle (u). La profondeur du roc calculée à partir des mesures de

microvibration le long de la ligne de levé géophysique S2 est aussi identifiée dans ce graphique. ... 47

Figure 4.7: Profil géotechnique du forage 60044. ... 48

Figure 4.10: Image tomodensitométrique d’un tube d’argile (image du haut) et photographies de deux sections d’un échantillon d’argile de l’unité A (photographies du bas). ... 51

Figure 4.11: Résultat de l’analyse totale au DRX d’un échantillon représentatif de l’unité A (Forage 60065, profondeur de 6.27 m). ... 54

Figure 4.12: Résultat de l’analyse sur lame orientée au DRX d’un échantillon représentatif de l’unité A (Forage 60065, profondeur de 6.27 m). ... 55

Figure 4.13: Photographies d’une vue en coupe stratigraphique prises au microscope électronique à balayage d’un échantillon représentatif de l’unité A (Forage 60065, profondeur de 6.27 m). ... 56

Figure 4.14: Image tomodensitométrique d’un tube d’argile (image du haut) et photographies de sections d’un échantillon d’argile représentatif de l’unité B (photographies du bas). ... 57

Figure 4.15: Résultat de l’analyse au DRX d’un échantillon représentatif de l’unité B (Forage 60065, profondeur de 15 m). ... 58

Figure 4.16: Résultat de l’analyse sur lame orientée au DRX d’un échantillon représentatif de l’unité B (Forage 60065, profondeur de 15 m). ... 59

Figure 4.17: Photographies d’une vue en coupe stratigraphique prises au microscope électronique à balayage d’un échantillon représentatif de l’unité B (Forage 60065, profondeur de 15 m). ... 60

Figure 4.18: Image tomodensitométrique d’un tube d’argile (image du haut) et photographies de sections d’un échantillon d’argile représentatif de l’unité C (photographies du bas). ... 61

Figure 4.19: Résultat de l’analyse au DRX d’un échantillon représentatif de l’unité C (Forage 60065, profondeur de 34 m). ... 63

Figure 4.20: Résultat de l’analyse sur lame orientée au DRX d’un échantillon représentatif de l’unité C (Forage 60065, profondeur de 34 m). ... 64

Figure 4.21: Photographies d’une vue en coupe stratigraphique prises au microscope électronique à balayage d’un échantillon représentatif de l’unité B (Forage 60065, profondeur de 34 m). ... 65

Figure 4.22: Image tomodensitométrique d’un tube d’argile (image du haut) et photographies de sections d’un échantillon d’argile représentatif de l’unité C (photographies du bas). ... 66

Figure 4.23: Résultat de l’analyse au DRX d’un échantillon représentatif de l’unité D (Forage 60065, profondeur de 46 m). ... 68

Figure 4.24: Résultat de l’analyse sur lame orientée au DRX d’un échantillon représentatif de l’unité D (Forage 60065, profondeur de 46 m). ... 69

Figure 4.25: Photographies d’une vue en coupe stratigraphique prises au microscope électronique à balayage d’un échantillon représentatif de l’unité D (Forage 60065, profondeur de 46 m). ... 70

Figure 4.26 : Synthèse de certaines propriétés géotechniques pour chacune des unités rencontrées au site d’étude afin de mieux visualiser les différences entre les différentes unités. ... 71

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Figure 5.1: Comparaison des résistivités électriques au droit des forages 60044, 60065 et 60071 extraites des modèles de résistivité électrique obtenues de l’inversion des tomographies de résistivité électrique avec des espacements inter-électrodes de 1 et 5 m... 73 Figure 5.2: Comparaison entre les résistivités électriques des échantillons obtenues lors des essais SCIP et celles extraites du modèle de résistivité électrique S2 au droit de ces échantillons. ... 74 Figure 5.3: Graphique de l’indice de plasticité en fonction du contenu en agile pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud. Les deux droites d’activité de l’argile (Ac) de 0.25 et 0.75 correspondent aux limites de la plage de valeurs observées par Leroueil et coll. (1983) pour les argiles de l’est du Canada. 75 Figure 5.4: Abaque de plasticité de Casagrande de l’indice de plasticité en fonction de la limite de liquidité pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud. ... 76 Figure 5.5: Graphique de l’indice de liquidité (IL) en fonction de la résistance au cisaillement non drainé de l’argile à l’état remanié (Sur) pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud. La relation proposée par Leroueil et coll. (1983) de la résistance au cisaillement non drainé de l’argile à l’état remanié (Sur) des argiles de l’est du Canada en fonction de leur indice de liquidité (IL) apparaît sous la forme de la courbe en violet. 77

Figure 5.6: Graphique de la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié en fonction de la salinité de l’eau interstitielle pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud. ... 79 Figure 5.7: Graphique de l’indice de liquidité en fonction de la salinité de l’eau interstitielle pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud. ... 80 Figure 5.8: Graphique de la résistivité électrique en fonction de la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud. ... 81 Figure 5.9: Graphique de la résistivité électrique en fonction de l’indice de liquidité pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud. ... 82 Figure 5.10: Résistivité électrique en fonction de la salinité de l’eau interstitielle pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud. ... 83 Figure 5.11: Résistivité électrique en fonction de la salinité de l’eau interstitielle pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud sans ceux de l’unité B. ... 84 Figure 5.12: Conductivité électrique en fonction de la salinité de l’eau interstitielle pour les échantillons de l’argile de Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud sans ceux de l’unité B. ... 86 Figure 5.13: Coupe stratigraphique de synthèse du site d’étude à Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud le long de la ligne de levé géophysique S2 et modèle de résistivité électrique reproduit de la figure 4.3 pour des fins de comparaison avec la coupe stratigraphique de synthèse. ... 87 Figure 5.14: Coupe stratigraphique de synthèse du site d’étude à Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud le long de la ligne de levé géophysique S2. La zone d’argile saline dont la résistivité électrique est inférieure à 12 Ω-m est identifiée en bleu foncé dans cette coupe de synthèse. ... 90 Figure A3.1: Résistivité électrique mesurée en fonction de la longueur de l’échantillon PS-1 du forage 60071. ... 110 Figure A3.2: Voltage primaire mesuré en fonction de la longueur des sections d’échantillons soumis à l’essai. ... 111 Figure A4.1: Courbe d’étalonnage du conductivitémètre. ... 114 Figure A5.1: Résultats de l’étalonnage de l’appareil de chromatographie ionique avec la solution standard. 118 Figure A5.2: Résultats de l’analyse de la première dilution pour l’échantillon PS-1. ... 120 Figure A5.3: Résultats de l’analyse 1 de la deuxième dilution pour l’échantillon PS-1. ... 121 Figure A5.4: Résultats de l’analyse 2 de la deuxième dilution pour l’échantillon PS-1. ... 122

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Figure A5.5: Résultats de l’analyse de la deuxième dilution pour l’échantillon PS-12. ... 124

Figure A5.6: Résultats de l’analyse de la première dilution pour l’échantillon PS-12. ... 125

Figure A6.1 : Graphique de l'effet de l'écart type de la fréquence f0 obtenue des mesures de microvibration sur la profondeur du roc calculée ... 129

Figure A7.1 : Modèle de résistivité électrique sans étirement vers le bas et sans prise en compte des mesures de microvibration. Les courbes de résistivité électrique extraites du modèle s’écartent significativement avec les résultats des essais de laboratoire et de la stratigraphie interprétée des essais de pénétration au piézocône. ... 131

Figure 7.2 : Modèle de résistivité électrique avec étirement vers le bas sans prise en compte des mesures de microvibration. Les courbes de résistivité électrique extraites du modèle concordent avec des résultats des essais de laboratoire et la stratigraphie interprétée des essais de pénétration au piézocônes. L’augmentation graduelle des valeurs de résistivité électrique pour passer de l’argile saline au substratum rocheux au centre du levé s’étend sur une distance verticale d’environ 10 m. ... 132

Figure A8.1: Modèles de résolution par unité d’aire des tomographies de résistivité électrique S1 (haut) et S2 (bas). 134 Figure A9.1: Comparaison des modèles de résistivité électrique S1 et S2 par opération de soustraction entre la grille de données du levé S2 et la grille de données du levé S1. Les axes sur le graphique sont arbitraires et sans unité. 136 Figure A10.1: Profils de résistance à la pointe et de pression d’eau interstitielle de l’essai de pénétration au piézocône C60009. ... 138

Figure A10.2: Profils de résistance à la pointe et de pression d’eau interstitielle de l’essai de pénétration au piézocône C60044. ... 139

Figure A10.6: Profils de résistance à la pointe et de pression d’eau interstitielle de l’essai de pénétration au piézocône C60067. Le manque de données entre 9 et 13 m de profondeur est dû à un problème technique et à la présence d’un caillou à cet endroit. Un forage destructif a été réalisé à partir de 9 m jusqu’à 13 m de profondeur où l’essai de pénétration au piézocône a pu être continué. ... 143

Figure A10.8: Profils de résistance à la pointe et de pression d’eau interstitielle de l’essai de pénétration au piézocône C60071. Le manque de données entre 23 et 25 m de profondeur est dû à un problème technique. Un forage destructif a été réalisé à partir de 9 m jusqu’à 13 m de profondeur où l’essai de pénétration au piézocône a pu être continué... 145

Figure A11.1: Images tomodensitométriques des tubes extraits du forage 60044. ... 147

Figure A13.1: Note explicative sur les rapports de sondage et profil des propriétés géotechniques du MTQ. 158 Figure A14.1: Graphique de la résistivité électrique en fonction du contenu en silt. ... 160

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Liste des symboles

a Espacement entre les électrodes (m) C Électrode de courant

f0 fréquence fondamentale du sol (Hz) IL Indice de liquidité

IP Indice de plasticité Mv Masse volumique (g/m3₎ qT Résistance à la pointe (kPa)

Su Résistance au cisaillement non drainé de l’argile à l’état intacte (kPa) Sur Résistance au cisaillement non drainé de l’argile à l’état remanié (kPa) T0 Période fondamentale du sol

V Volt

Vp Potentielle électrique (mV) wn Teneur en eau naturelle (%) wL Limite de liquidité (%) wP Limite de plasticité (%)

wSur Teneur en eau de l’essai au cône pour déterminer le Sur (%)

Ω ohm

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Liste des abréviations

Ca Calcium

Cl Chlore

CO3 Carbonates

ERT Electrical resistivity tomography (tomographie de résistivité électrique)

F Fluor

INRS-ETE Institut national de la recherche scientifique – Eau, Terre et Environnement

K Potassium

MEB Microscope électronique à balayage MER Ministère Énergie Ressources

MERN Ministère de l’énergie et des ressources naturelles

Mg Magnésium

MSP Ministère de la sécurité publique MTQ Ministère des transports du Québec

Na Sodium

RCPTu Resistivity cone penetration test (essai de pénétration au piézocône avec mesure de la

résistivité électrique)

RPM Rotation per minute (tour par minute)

SCIP Sample core induced polarization (mesure de polarisation provoquée sur un échantillon

cylindrique)

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xiv

Remerciements

Je tiens à remercier le MSP et le Fonds Vert du gouvernement du Québec qui ont appuyé financièrement ce projet à travers le Plan d’action 2013-2020 sur les changements climatiques (PACC 2013-2020). Je tiens également à remercier le MTQ et plus particulièrement l’équipe de la section des mouvements de terrain qui a été grandement impliquée dans la réalisation de l’investigation géotechnique du site d’étude.

Je souhaite aussi remercier M. Jean, propriétaire du champ agricole où toutes les investigations ont eu lieu, pour nous avoir accordé la permission de réaliser les essais nécessaires au projet dans son champ.

Je remercie également l’INRS-ETE de nous avoir prêté le système de tomographie de résistivité électrique utilisé pour la réalisation de l’investigation géophysique. Un merci spécial au professeur Erwan Gloagen de l’INRS-ÉTÉ pour avoir pris le temps de m’expliquer le fonctionnement de ce système et d’avoir été disponible pour répondre à mes questions lors du traitement des données de résistivité électrique.

Il m’aurait été impossible de réaliser ce projet sans l’encadrement de ma directrice Ariane Locat et de mon co-directeur Richard Fortier. J’ai été chanceuse d’être supervisée par des professeurs aussi passionnés et disponibles. Merci Ariane pour ta grande écoute et ta confiance en moi, et merci Richard pour ta rigueur et le temps que tu as pris pour t’assurer que j’obtienne des données fiables.

Je tiens à remercier Christian Juneau, qui était toujours souriant et prêt à me donner un coup de main lors de mes nombreux essais de laboratoire. Je tiens également à remercier le professeur Christian Dupuis pour son soutien lorsque le système de tomographie de résistivité électrique a rencontré des problèmes électriques. Merci à mes collègues du LERN et plus particulièrement à Kevin Hébert qui m’a accompagné tout le long des étapes les plus pénibles de mon projet et à Frédérique Tremblay-Auger qui a été une voisine de bureau extraordinaire pendant toute la durée de mon séjour au LERN.

Merci également à mes collègues du MTQ et plus particulièrement à Karine Bélanger et Julie Therrien qui trouvent toujours les bons mots pour m’encourager. Un merci spécial à Denis Demers, chef d’équipe de la section des mouvements de terrain, qui, malgré son horaire très chargé, a toujours su prendre le temps de répondre à mes questions et à me guider de façon efficace dans mes recherches.

Merci à mon ami Frédéric Lessard qui m’a soutenu dans toutes les sphères de ma vie dans les dernières années. Merci également à mon ami et collègue de travail, Jonathan Fortin, qui m’a encouragé notamment durant la rédaction de mon mémoire qui a pris beaucoup plus de temps que prévu.

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xv

Finalement, je tiens à remercier ma famille et plus particulièrement mon fils Warren qui a démontré une patience et une compréhension extraordinaire face au fait qu’il devait partager mon attention avec ce mémoire. Un énorme merci également à ma mère, Étiennette Thériault et mon père, Serge Veillette, qui sont des exemples de persévérance et qui ont toujours cru en moi.

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1

Introduction

Contexte

Les dépôts quaternaires dans la vallée du St-Laurent sont majoritairement composés d’argiles qui se sont déposées dans un environnement salin lors de la transgression marine de la mer de Champlain (Parent et Occhietti, 1988). La présence d’ions de sel en solution dans l’eau interstitielle a permis aux particules d’argile de former des liaisons ioniques et de floculer durant la déposition. À la suite du rebond isostatique, ces dépôts d’argile ont émergé et ils ont été sujets à l’infiltration de l’eau douce. La structure floculée de l’argile est restée la même mais les liaisons ioniques sont disparues dû au lessivage des ions en solution. Dans de telles conditions, l’argile peut devenir sensible au remaniement. C’est-à-dire que lorsque l’argile est remaniée, la structure de l’argile sensible au remaniement s’effondre et la résistance au cisaillement non drainé résultante est grandement réduite. Le comportement de cette argile peut s’apparenter à celui d’un liquide lorsqu’elle est remaniée. Par conséquent, les dépôts d’argile sensible au remaniement sont susceptibles aux glissements de terrain fortement rétrogressifs. Il s’agit d’un risque majeur pour la population et les infrastructures civiles (Tavenas 1984, Potvin et coll., 2014).

La majeure partie de la population et des infrastructures civiles du Québec se trouvent le long de la vallée du St-Laurent à l’intérieur des limites marines de la mer de Champlain où la majorité des glissements de terrain dans les argiles sensibles au remaniement ont été inventoriés. Les méthodes de cartographie actuellement utilisées par la Section des Mouvements de terrain du Ministère des transports du Québec (MTQ) pour évaluer la vulnérabilité d’un dépôt argileux aux glissements de terrain reposent non seulement sur l’interprétation des photographies aériennes en identifiant les cicatrices de glissements de terrain mais aussi sur les données géotechniques obtenues lors de campagnes de sondages et de forages. Ces dernières sont très dispendieuses et elles procurent des données très localisées et difficiles à relier les unes aux autres.

Dans les pays scandinaves, plusieurs études (Solberg et coll., 2008, 2012, 2014, Lundström et coll., 2009, Long et coll., 2012, Dahlin et coll., 2013, Pfaffhuber et coll., 2013) ont été réalisées sur l’utilisation de différentes méthodes géophysiques pour délimiter les zones potentiellement vulnérables aux glissements de terrain fortement rétrogressifs. Une de ces méthodes qui présente un bon potentiel pour atteindre cet objectif est la tomographie de résistivité électrique (Electrical Resistivity Tomography ou ERT). En effet, cette méthode fournit une grande densité de mesures de résistivité électrique des dépôts d’argile investigués, est moins coûteuse que les sondages et forages usuels, et offre aussi l’avantage d’être non destructive. La tomographie de résistivité électrique permet dont d’obtenir un modèle 2D de la zone d’étude en peu de temps, ce qui apporte un avantage considérable dans le cadre d’une cartographie régionale des zones potentiellement vulnérables aux glissements

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de terrain fortement rétrogressifs. Plusieurs corrélations entre la résistivité électrique et les propriétés géotechniques des dépôts d’argile investigués ont aussi été obtenues lors de ces études.

Dans l’est du Canada, quelques études ont été réalisées récemment (Bélanger 2016, Crow 2017) mais l’expertise dans ce domaine demeure embryonnaire pour l’instant. C’est donc dans l’optique d’acquérir plus d’expérience quant à l’utilisation de la tomographie de résistivité électrique, notamment pour l’investigation des dépôts d’argile de l’est du Canada, que l’Université Laval, le Ministère de la Sécurité Publique et le Ministère des Transports du Québec collaborent ensemble sur des projets afin d’évaluer le potentiel de la tomographie de résistivité électrique pour délimiter les zones potentiellement exposées aux glissements de terrain fortement rétrogressifs.

Objectifs

L’objectif principal de ce projet de recherche est d’établir des corrélations entre la résistivité électrique des argiles du site d’étude à Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud près de Montmagny, Québec, Canada, et leurs propriétés géotechniques indicatrices de leur sensibilité au remaniement. En posant l’hypothèse que la tomographie de résistivité électrique permet d’obtenir un modèle de résistivité électrique représentatif de la réalité au site étudié, comme second objectif, il est possible d’évaluer si cette méthode géophysique peut être utilisée pour identifier et délimiter les zones d’argile saline ainsi que les zones d’argile sensible dans un dépôt d’argile en utilisant une valeur limite de résistivité électrique, et ainsi permettre d’optimiser une campagne de forage pour cibler plus précisément une zone à investiguer.

Pour atteindre ces objectifs, la caractérisation du dépôt d’argile du site d’étude a été faite lors d’une investigation géophysique couplée à une investigation géotechnique. L’investigation géophysique réalisée au site d’étude comprenait la mesure de la résistivité électrique du dépôt d’argile lors d’une tomographie de résistivité électrique qui s’applique sur l’ensemble du dépôt et lors d’un essai de pénétration au piézocône muni d’un module de résistivité électrique. Des levés sismiques passifs avec un système Tromino ont aussi été effectués pour déterminer l’épaisseur du dépôt d’argile et la profondeur du contact au roc. L’investigation géotechnique a consisté en la réalisation d’essais de pénétration au piézocône et de forages pour l’échantillonnage du dépôt d’argile. Une série d’essais géotechniques ont été réalisés en laboratoire pour mesurer différentes propriétés géotechniques ainsi que la salinité de l’eau interstitielle dans l’argile. Une autre méthode de mesure de la résistivité électrique a aussi été utilisée en laboratoire directement sur les échantillons d’argile récupérés. Les données obtenues de ces investigations ont ensuite été analysées pour évaluer si des corrélations existent entre les différents paramètres mesurés.

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3

Structure

Le présent mémoire de maîtrise débute par une revue de littérature au chapitre 1 sur les argiles sensibles et l’utilisation de la tomographie de résistivité électrique afin de délimiter les zones d’argile lessivée. Ensuite, le site d’étude à Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud près de Montmagny, Québec, Canada, est décrit brièvement au chapitre 2. La méthodologie utilisée dans le cadre du projet est détaillée au chapitre 3 alors que les résultats obtenus sont présentés au chapitre 4. L’analyse des résultats est effectuée au chapitre 5. Et, finalement, la conclusion et les recommandations complètent ce mémoire de maîtrise.

Ce mémoire de maîtrise comprend aussi plusieurs annexes pour compléter l’information ou fournir plus de détails sur certains points spécifiques. Un article scientifique tiré des travaux de recherche réalisés dans le cadre de ce mémoire de maîtrise, qui a été publié dans les comptes-rendus de la 71ième_{Conférence canadienne de} géotechnique (GeoEdmonton 2018), est présenté à la toute fin de ce document.

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Chapitre 1 Les argiles sensibles

Tel que mentionné précédemment, la majorité de la population et des infrastructures civiles du Québec se trouvent le long de la vallée du St-Laurent à l’intérieur des limites marines de la mer de Champlain où la majorité des glissements de terrain dans les argiles sensibles ont été inventoriés. Il est donc important de bien caractériser les dépôts d’argile afin d’identifier les zones où ces dépôts sont composés d’argile susceptible à la formation de glissements de terrain fortement rétrogressifs. Ce type d’argile peut avoir une consistance raide à l’état intact mais se comporter comme un liquide lorsque remanié. Dans l’est du Canada, pour être considérée comme susceptible aux glissements de terrain fortement rétrogressifs comme des coulées argileuses, l’argile doit avoir une résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié de moins de 1 kPa et un indice de liquidité de plus de 1.2 (Tavenas, 1984). Dans le but d’alléger le texte de ce mémoire, l’expression argile sensible au remaniement sera utilisée pour indiquer une argile susceptible aux grands glissements de terrain. Dans les pays scandinaves, le terme « quick clay », ou argile extra-sensible, est souvent utilisé pour désigner le degré de sensibilité d’une argile. Toutefois, les propriétés requises pour que l’argile soit désignée ainsi sont différentes d’un pays scandinave à un autre. En effet, en Suède, l’argile extra-sensible doit avoir une résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié de 0,4 kPa et moins et une sensibilité (ratio de la résistance au cisaillement non drainé à l’état intact sur la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié) de plus de 50 (Dahlin et coll., 2005; Dahlin et coll., 2013; Dahlin et coll., 2014; Löfroth et coll., 2012; Lundstrom et coll., 2009; Rankka et coll., 2004). En Norvège, l’argile extra-sensible est caractérisée par une résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié inférieure ou égale à 0,5 kPa et une sensibilité de 30 et plus (Donohue et coll., 2012; Lundstrom et coll., 2009; Solberg et coll., 2012).

Plusieurs facteurs peuvent faire varier les propriétés géotechniques de l’argile et ceci influencera le comportement de celle-ci à l’état remanié. Le premier facteur qui est considéré est le processus du lessivage des ions en solution dans l’eau interstitielle dans le dépôt d’argile dont les caractéristiques peuvent favoriser ou non le lessivage. Ensuite, l’influence de la chimie de l’eau interstitielle sur le comportement de l’argile ainsi que sur les variations des propriétés géotechniques est brièvement abordée. À cet effet, le lecteur est référé à l’article de Torrance (1975) et au mémoire de maîtrise de Bélanger (2017) qui discutent plus en détails des variations des propriétés géotechniques par rapport à la salinité de l’eau interstitielle, et sur les conditions de formation de l’argile sensible au remaniement tant au niveau physique que chimique. Dans le présent mémoire, l’emphase est mise sur la corrélation de certaines propriétés physiques de l’argile telles que la résistivité électrique et la salinité de l’eau interstitielle ainsi que certaines propriétés géotechniques en regroupant les différents travaux effectués jusqu’à présent sur ce sujet. De plus, l’utilisation de la tomographie de résistivité électrique pour la cartographie des dépôts d’argile sensible est aussi brièvement traitée et comparée avec l’utilisation de l’essai

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de pénétration au piézocône muni d’un module de résistivité électrique. Les limitations de la tomographie de résistivité électrique sont aussi abordées en guise de conclusion au présent chapitre.

1.1 Lessivage et formation de l’argile sensible au remaniement

Le lessivage d’un dépôt d’argile peut se produire selon trois processus: 1), par diffusion, 2) par advection et 3) par infiltration. L’infiltration peut se faire vers le bas par gravité ou vers le haut par pression artésienne (Donohue et coll., 2012; Carson 1981; Lundstrom et coll., 2009). Selon certaines études (Aylsworth et Hunter, 2004; Crow et coll., 2017), la salinité de l’eau interstitielle augmente avec la profondeur dans un dépôt d’argile. En effet, il peut y avoir une augmentation de la teneur en ions en solution dans l’eau interstitielle par la circulation de l’eau vers le bas (Solberg et coll., 2016). Toutefois, dans l’étude de Medioli et coll. (2012), le profil de conductivité électrique de l’eau interstitielle témoigne d’une diminution marquée de la salinité avec la profondeur. Ils ont toutefois remarqué la présence de pressions artésiennes favorisant la circulation de l’eau vers le haut au sein du dépôt étudié. Bjerrum et coll. (1969) mentionnent que le lessivage est plus important là où le dépôt est moins épais. Selon Lundstrom et coll. (2009), l’argile sensible au remaniement se trouve dans les dépôts moyennement épais puisque les processus d’infiltration sont lents étant donné que l’argile est imperméable. Dans les dépôts épais, l’argile sensible au remaniement est retrouvée en surface (Solberg et coll., 2008). Il y aurait donc une corrélation entre l’épaisseur du dépôt et la salinité de l’eau interstitielle. Néanmoins, la présence de petites couches drainantes dans le dépôt d’argile peut aussi favoriser le lessivage au sein de celui-ci (Solberg et coll., 2012). La présence d’une couche de till sous l’argile peut aussi entraîner le lessivage de l’argile puisque cette couche est plus perméable (Sauvin et coll., 2014). Solberg et coll. (2008) ont observé que le lessivage a un ratio plus élevé près du roc puisque celui-ci influence le drainage local. Le lessivage dépend de la profondeur du roc et de sa topographie (Solberg et coll., 2016). Carson (1981) a observé que l’épaisseur du dépôt où la salinité était plus faible était d’un maximum de 25 m et que le dépôt reposait sur des sols plus perméables. La présence d’un aquifère dans la zone où des glissements de terrain se sont produits a aussi pu favoriser le lessivage. Selon leurs observations, aux endroits où il n’y a pas de cicatrice de glissement de terrain, le dépôt d’argile est plus épais. Ils ont aussi montré qu’aux endroits où il n’y avait pas de cicatrice de glissement de terrain, la salinité de l’eau interstitielle est plus grande que 5 g/l alors qu’aux endroits où il y avait des cicatrices de glissement de terrain, la salinité était plus faible. Une faible salinité est donc un prérequis pour qu’un dépôt d’argile soit susceptible aux glissements de terrain. Bjerrum (1955) et Rosenqvist (1953) ont en effet remarqué que, pour avoir une argile avec une très faible résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié, il faut qu’il y ait eu un lessivage des ions en solution dans l’eau interstitielle. En termes quantitatifs, Bjerrum (1954) a remarqué que les argiles considérées extra-sensibles en Norvège ont une salinité inférieure ou égale à 5 g/l. Torrance (1974 et 1975) a aussi fait des études sur la salinité de l’eau interstitielle des argiles norvégiennes mais avec un autre type d’essai géotechnique et il a trouvé des valeurs plus près de 2 g/l et moins pour une

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argile extra-sensible. En Suède, Andersson-Sköld et coll. (2005) ont réalisé des essais sur des argiles et ils ont observé que les argiles qui peuvent être désignées comme extra-sensibles ont une salinité généralement inférieure à 2 g/l. Toutefois, ils ont caractérisé un échantillon d’argile extra-sensible dont la salinité a atteint 5,6 g/l. Au Canada, Carson (1981) a remarqué que la sensibilité au remaniement d’une argile est plus faible lorsque la salinité de l’eau interstitielle est supérieure à 2,5 g/l. Les échantillons d’argile dont la salinité est inférieure à cette valeur peuvent être très sensibles au remaniement.

1.2 Désensibilisation de l’argile par sur-lessivage

La salinité de l’eau interstitielle ne peut donc pas être le seul indice utilisé pour déterminer le comportement d’une argile lors de son remaniement. D’autant plus qu’il a été remarqué qu’une désensibilisation de l’argile peut se produire lorsque les processus de lessivage se poursuivent (Bazin et Pfaffhuber, 2013; Donohue et coll., 2012; Long et coll., 2012 et 2018; Pfaffhuber et coll., 2014; Rømoen et coll., 2010). En effet, la désensibilisation peut survenir quand des ions plus stabilisants remplacent ceux qui étaient présents entre les particules d’argile au départ. Dans ce cas, la salinité mesurée reste faible mais le comportement de l’argile à l’état remanié est différent (Solberg et coll., 2008). Le terme « argile sur-lessivée » est utilisé dans le présent document pour qualifier une telle argile.

1.3 Chimie de l’eau interstitielle

La chimie de l’eau interstitielle a une grande influence dans la formation de l’argile extra-sensible (Dahlin et coll., 2013). En effet, le comportement de l’argile lorsque remaniée dépend de la chimie de l’eau interstitielle (Skempton et Northey, 1952; Rosenqvist, 1953 et 1966; Bjerrum, 1954; Torrance, 1974; Long et coll., 2012 et 2018; Helle et coll., 2014) puisque les propriétés géotechniques sont gouvernées par elle (Helle et coll., 2014). Selon Löfroth et coll. (2012), les argiles lessivées ont plus de carbonates de sodium NaCO3 et de magnésium MgCO3 puisque le chlore Cl est emporté lors du lessivage. Le sodium Na et le magnésium Mg seraient associés à la surface des particules d’argile. De plus, ils ont remarqué que la concentration en magnésium Mg est plus élevée dans l’eau interstitielle de l’argile lessivée non sensible que dans celle de l’argile lessivée extra-sensible.

1.4 Variation des propriétés géotechniques

Le lessivage des ions en solution dans l’eau interstitielle engendre un changement ou une variation dans les propriétés géotechniques de l’argile au sein d’un même dépôt (Bjerrum, 1954). Une des principales propriétés à considérer dans l’évaluation de la susceptibilité d’un dépôt d’argile aux glissements de terrain fortement rétrogressifs est la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié (Sur). En effet, le lien entre la salinité

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de l’eau interstitielle et la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié est connu depuis longtemps (Bjerrum, 1954; Rosenqvist, 1953). Dans les pays scandinaves, la sensibilité (St) est aussi considérée. Il s’agit du rapport de la résistance au cisaillement non drainé à l’état intact (Su) sur la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié (Sur):

𝑆𝑡 = 𝑆𝑢

𝑆𝑢𝑟 [1.1]

La sensibilité est donc inversement proportionnelle à la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié. Une diminution de la salinité a donc tendance à faire augmenter la sensibilité de l’argile puisque la résistance au cisaillement non drainé à l’état intact est moins influencée par une variation de la salinité que la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié (Skempton et Northey, 1952; Rosenqvist, 1953 et 1966).

Selon Leroueil et coll. (1983), la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié (Sur) est aussi exprimée en fonction de l’indice de liquidité (IL) selon la relation suivante:

𝑆𝑢𝑟 = 1

(𝐼𝐿−0.21)2 [1.2]

Lorsque la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié diminue, ceci indique que l’indice de liquidité augmente. Une diminution de la salinité a donc tendance à faire augmenter l’indice de liquidité.

L’indice de liquidité est aussi fonction des limites de liquidité (wL) et de plasticité (wP), ainsi que de la teneur en eau naturelle du sol (wn). Il est calculé à l’aide de la façon suivante:

𝐼𝐿 = 𝑤𝑛−𝑤𝑝

𝑤𝐿−𝑤𝑃 [1.3]

Pour que l’indice de liquidité augmente, il faut qu’il y ait une diminution de la limite de liquidité si la teneur en eau naturelle reste constante. Si la limite de liquidité diminue, l’indice de plasticité diminue aussi puisque ce dernier est calculé à l’aide de l’équation suivante:

𝐼𝑃 = 𝑤𝐿− 𝑤𝑃 [1.4]

L’argile à l’état remanié a donc un comportement qui s’apparente à un liquide à une teneur en eau de plus en plus faible à mesure que la salinité diminue puisque l’étendu du domaine plastique diminue du même ordre. En effet, la diminution de la salinité entraîne une grande diminution de la limite de liquidité mais affecte peu ou pas la limite de plasticité (Skempton et Northey, 1952; Rosenqvist, 1953; Bjerrum, 1954; Torrance, 1974).

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Une autre propriété qui est affectée par la salinité de l’eau interstitielle est l’activité de l’argile. En effet, cette dernière est obtenue de la façon suivante:

𝐴 = 𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑡é (𝐼𝑃)

𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑟𝑔𝑖𝑙𝑒𝑢𝑠𝑒 [1.5]

Il est donc possible de constater que l’activité de l’argile est proportionnelle à la plasticité de celle-ci. L’activité de l’argile diminue donc aussi avec une baisse de la salinité de l’eau interstitielle. L’activité est également liée à la présence de minéraux gonflants au sein de l’argile. En effet, plus la quantité de minéraux gonflants est élevée, plus l’activité est élevée (Skempton, 1984). Selon Donohue et coll., (2012), l’argile extra-sensible est reconnue comme riche en minéraux non gonflants.

La salinité de l’eau interstitielle influence donc grandement les propriétés géotechniques de l’argile et elle est un facteur déterminant lorsqu’il est question du comportement de l’argile une fois remaniée. Toutefois, une faible salinité ne confirme pas avec certitude qu’un dépôt d’argile est susceptible à de grands glissements de terrain mais plutôt que les conditions pour une telle susceptibilité sont en partie réunies (Söderblom, 1969). Une faible salinité est donc un prérequis pour avoir une argile sensible au remaniement mais n’indique pas obligatoirement la présence d’argile qui se comporte comme un liquide lorsque remaniée.

1.5 Résistivité électrique

Le lessivage des ions en solution dans l’eau interstitielle de l’argile a aussi un effet sur la résistivité électrique de cette argile. En effet, le courant électrique circule dans le sol grâce à la conduction électrolytique (Dahlin et coll., 2014) et, par conséquent, il dépend de la conductivité électrique de l’eau dans les pores puisque la matrice des sols est généralement considérée comme résistive (Long et coll., 2018). La résistivité électrique est donc fortement contrôlée par la concentration des ions en solution dans l’eau interstitielle de l’argile (Long et coll., 2012 et 2018; Pfaffhuber et coll., 2014; Solberg et coll., 2016). Elle sera donc aussi influencée par le lessivage des ions dissous dans l’eau interstitielle dans un dépôt d’argile qui est favorisé par la présence de couches plus perméables dans ce dépôt. Shan et coll. (2014) ont en effet remarqué que la résistivité électrique est plus élevée lorsque l’argile repose sur une couche de sol plus grossier.

La résistivité électrique est également contrôlée par d’autres facteurs tels que la granulométrie, la teneur en eau, le degré de saturation, la chimie de l’eau interstitielle, la mobilité des ions en solution dans l’eau interstitielle, la température et la présence de minéraux conducteurs au sein du dépôt (Rømoen et coll., 2010). Même si la résistivité électrique est fortement liée à la salinité de l’eau interstitielle, elle peut aussi varier en fonction des propriétés géotechniques telles que le contenu en argile (proportion des particules dont le diamètre est inférieur à 2 µm) et l’indice de plasticité. Par exemple, la résistivité électrique diminue lorsque l’indice de plasticité

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augmente et lorsque le contenu en argile augmente (Long et coll., 2012 et 2018). Toutefois, selon Long et coll., (2012), la corrélation entre la résistivité électrique et l’indice de plasticité est complexe car cet indice varie non seulement avec la teneur en argile mais aussi avec la granulométrie du sol et l’intensité du lessivage. De plus, la résistivité électrique est également liée à la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié (Pfaffhuber et coll., 2014; Solberg et coll., 2016). En effet, la résistivité électrique tend à diminuer avec l’augmentation de la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié mais elle serait plutôt constante lorsque la résistance au cisaillement non drainé à l’état remanié se trouve au-dessus de 4 kPa (Long et coll., 2018).

Plusieurs études ont été réalisées afin d’établir le lien entre la résistivité électrique et la susceptibilité de l’argile aux grands glissements fortement rétrogressifs. Par exemple, Aylsworth et Hunter (2004) ont remarqué que, dans la région d’Ottawa, la résistivité électrique est plus élevée là où il y a des traces de paléoglissements que dans les secteurs où il n’y en a pas.

Toutefois, ce lien n’est pas simple car, encore une fois, plusieurs facteurs (densité, teneur en eau, fraction de silt, structure du sol, chimie de l’eau interstitielle, minéralogie des particules, …) contrôlent non seulement la sensibilité au remaniement d’un dépôt d’argile mais aussi sa résistivité électrique (Long et coll., 2012). De plus, la texture et le degré de cimentation du dépôt jouent aussi un rôle important. La relation entre la résistivité électrique et la susceptibilité de l’argile aux grands glissements de terrain est donc propre à chaque échantillon (Torrance, 1975). Selon certaines études (Crow et coll., 2014; Long et coll., 2012; Solberg et coll., 2012), la résistivité électrique d’un échantillon d’argile remanié est plus faible que celle du même échantillon à l’état intact alors que, selon Löfroth et coll. (2012), l’argile remaniée et l’argile intacte ont des valeurs de résistivité électrique semblables.

Finalement, les paramètres qui influencent le plus la résistivité électrique sont la salinité de l’eau interstitielle (Pfaffhuber et coll., 2014; Solberg et coll., 2016), la teneur en argile (diamètre < 2 µm), l’indice de plasticité (Long et coll., 2012) et la porosité (Long et coll., 2018).

Le lien entre la résistivité électrique, la salinité et la sensibilité au remaniement d’un dépôt d’argile peut être utilisé pour permettre de mieux identifier et délimiter les zones d’un dépôt d’argile sensible au remaniement en utilisant la tomographie de résistivité électrique. Plusieurs études ont porté sur la recherche de corrélations entre la résistivité électrique et les propriétés des argiles sensibles au remaniement afin de localiser les zones susceptibles aux glissements de terrain fortement rétrogressifs. La concentration des ions en solution dans l’eau interstitielle a aussi souvent été comparée avec les valeurs de résistivité électrique mesurées pour un même site d’étude dans le but de définir une plage de valeur de résistivité électrique qui serait associée à la présence d’argile sensible au remaniement. Il a cependant été observé que les plages de variation de la salinité et de la résistivité électrique associées à l’argile sensible au remaniement n’étaient pas tout à fait semblables d’une

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région à l’autre. Une compilation des différentes études sur la salinité de l’eau interstitielle et la résistivité électrique de dépôts d’argile au Canada et dans les pays scandinaves est présentée au tableau 1.1. Dans ce tableau, ces études ont été classées par ordre chronologique pour chacun des pays des sites d’étude.

Tableau 1.1: Compilation des études récentes sur les plages de variation de résistivité électrique et de salinité de l’eau interstitielle de différents dépôts d’argile au Canada et dans les pays scandinaves.

Argile sensible au

remaniement Argile saline Argile sensible au remaniement Argile saline Crow et coll. (2014) Canada > 10 Ω-m < 4 Ω-m < 2 g/l

Bélanger et coll. (2017) Canada > 2,8 Ω-m < 2,5 g/l (Sur < 0,5 kPa)

< 6,2 g/l (Sur < 1 kPa) > 6,2 g/l Crow et coll. (2017) Canada < 5 Ω-m

Solberg et coll. (2008) Norvège 10 - 80 Ω-m 1-10 Ω-m <5 g/l

Donohue et coll. (2009) Norvège 10 - 80 Ω-m

-Rømoen et coll. (2010) Norvège >5 Ω-m < 5 Ω-m Donohue et coll. (2012) Norvège 10 - 80 Ω-m

Long et coll. (2012) Norvège 10 - 100 Ω-m < 5 g/l Solberg et coll. (2012) Norvege 10 - 100 Ω-m 1-10 Ω-m

Bazin et Pfaffhuber (2013) Norvège >5 Ω-m

Sandven et Solberg (2014) Norvège 10 - 200 Ω-m < 10 Ω-m Solberg et coll. (2014) Norvège 10 - 100 Ω-m < 10 Ω-m

Solberg et coll. (2016) Norvège 10 - 100 Ω-m < 10 Ω-m < 2 g/l Long et coll. (2018) Norvège > 10 Ω-m < 10 Ω-m

Rannka et coll. (2004) Suède > 5 Ω-m Dahlin et coll. (2005) Suède > 10 Ω-m

Andersson-Sköld et coll. (2005) Suède 2 g/l

un échantillon à 5,6 g/l

Löfroth et coll. (2012) Suède > 6 Ω-m

-Lundstrom et coll. (2009) Suède > 6.3 Ω-m < 5 Ω-m 0.20% Dahlin et coll. (2013) Suède > 6 Ω-m

Dahlin et coll. (2014) Suède > 6 Ω-m Shan et coll. (2014) Suède 10 - 80 Ω-m

Auteurs Site d'étude

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Plus de vingt études ont été réalisées lors des dernières années afin de trouver une valeur limite de résistivité électrique qui pourrait différencier les argiles salines de celles suffisamment lessivées pour être sensible au remaniement. Ces études ont été réalisées en Norvège et en Suède où plusieurs plages de variation de résistivité électrique ont été trouvées pour différents dépôts d’argile. En Norvège, pour la majorité des études, une valeur de résistivité électrique de 10 Ω-m représente la limite inférieure de la plage des valeurs associées aux argiles extra-sensibles. Toutefois, selon deux études (Rømoen et coll., 2010; Bazin et Pfaffhuber, 2013), une valeur de 5 Ω-m pourrait être plus appropriée. Du côté de la Suède, une valeur de résistivité électrique de l’ordre de 6 Ω-m correspond à la limite inférieure de la plage des valeurs associées aux argiles extra-sensibles. Dans l’étude de Rankka et coll. (2004), une valeur un peu plus faible de 5 Ω-m est identifiée alors que, dans les études de Dahlin et coll. (2005) et de Shan et coll. (2014), une valeur de 10 Ω-m qui se rapproche de celle des études norvégiennes est mentionnée. Au Canada, peu d’études ont été réalisées. Crow et coll. (2014) proposent une valeur de 10 Ω-m, alors que le jeu de données des investigations de Crow et coll. (2017), pointe vers une valeur d’environ 5 Ω-m. L’étude de Bélanger et coll. (2017) pointe vers une valeur beaucoup plus faible à 2.8 Ω-m. Dans la grande majorité des études, les auteurs mentionnent que les argiles sensibles au remaniement ont une plage de valeurs de résistivité électrique qui chevauche celle d’autres matériaux géologiques et qu’il est important d’en tenir compte lors de l’interprétation des tomographies de résistivité électrique pour délimiter les zones d’argile sensible au remaniement. En termes de salinité de l’eau interstitielle, selon plusieurs études telle que celle de Torrance (1974), une limite de 2 g/l permet de différencier les argiles susceptibles aux grands glissements de terrain de celles qui ne sont pas susceptibles à cet aléas. Toutefois, certains auteurs ont observé des salinités qui peuvent atteindre 5 voire même 6 g/l dans des échantillons d’argile sensible au remaniement.

1.6 Utilisation de la tomographie de résistivité électrique pour la

cartographie

La principale raison pour déterminer une valeur de résistivité électrique qui pourrait différencier une argile sensible au remaniement d’une l’argile saline est l’identification et la délimitation des secteurs potentiellement vulnérables aux glissements de terrain fortement rétrogressifs avec la tomographie de résistivité électrique. En effet, Carson (1981) a mentionné que la cartographie des zones où pourraient survenir des glissements de terrain nécessite de mesurer la salinité de l’eau interstitielle. Solberg et coll. (2008) ont déterminé que la salinité d’une argile qui se comporte comme un liquide lorsqu’elle est remaniée est plus faible que celle d’une argile non lessivée. Puisque la résistivité électrique dépend de la salinité, la mesure de la résistivité électrique présente un bon potentiel pour la cartographie des zones vulnérables aux glissements de terrain fortement rétrogressifs (Rankka et coll., 2004; Lundstrom et coll., 2009).

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Par conséquent, la tomographie de résistivité électrique présente un bon potentiel pour identifier et délimiter des secteurs vulnérables aux grands glissements de terrain fortement rétrogressifs. Les méthodes usuelles de cartographie des argiles sensibles au remaniement consistent à récupérer des échantillons d’argile qui sont ensuite soumis à plusieurs essais en laboratoire pour déterminer leurs propriétés géotechniques (Löfroth et coll., 2012; Potvin et coll., 2014; Sandven et Solberg, 2014). Cette méthodologie est dispendieuse et une campagne d’essais de pénétration au piézocône et de forages est aussi très longue à réaliser. Bien que les données obtenues soient très précises, elles demeurent très localisées (Shan et coll., 2014; Solberg et coll., 2008) et elles sont souvent très distancées les unes des autres. Il est donc plus ardu d’interpoler les données entre des essais de pénétration au piézocône ou des forages. La tomographie de résistivité électrique permet d’obtenir des modèles de résistivité électrique qui sont des vues en coupe du sous-sol qui présentent les variations spatiales de résistivité électrique desquelles les zones de différentes résistivités électriques peuvent être délimitées dont notamment les zones d’argile sensible au remaniement. En outre, ces modèles de résistivité électrique peuvent être corrélés à des essais de pénétration au piézocône et/ou des forages réalisés le long de la tomographie de résistivité électrique afin de suivre des contacts stratigraphiques identifiés lors de ces essais et/ou de ces forages ce qui évite les erreurs d’interpolation entre des essais et/ou des forages (Bazin et Pfaffhuber, 2013; Dahlin et coll., 2005; Sandven et Solberg, 2014; Sauvin et coll., 2014). Elle permet aussi de mettre en évidence des barrières naturelles géologiques aux glissements de terrain comme des zones d’argile non sensible ou une couche de matériaux plus grossiers entre des essais et/ou des forages (Solberg et coll., 2008; 2014) et de mieux cibler les endroits où il est nécessaire d’investiguer davantage des cibles anomales de résistivité électrique identifiées dans les modèles de résistivité électrique (Dahlin et coll., 2013; Löfroth et coll., 2012; Long et coll., 2012; Sandven et coll., 2016; Sauvin et coll., 2014; Solberg et coll., 2008; 2012). La tomographie de résistivité électrique peut également aider à mieux comprendre les processus de lessivage à un site donné comme, par exemple, trouver les endroits où les gradients hydrauliques vont vers le haut (Solberg et coll., 2008).

Toutes ces caractéristiques permettent de mieux affiner la cartographie les dépôts d’argile sensible au remaniement (Bazin et Pfaffhuber, 2013; Donohue et coll., 2014) voire même de diminuer les zones considérées à risque de glissements de terrain (Rømoen et colll., 2010).

La collecte de données pour obtenir un modèle de résistivité électrique est relativement simple. Des électrodes sont foncées à la surface du sol avec une espacement inter-électrodes prédéfini et généralement constant tout le long de la ligne de levé géophysique. Par la suite, les électrodes sont branchées à des câbles électriques jusqu’à un système d’acquisition de données qui contrôle l’injection d’un courant électrique et la mesure des potentiels électriques induits par la circulation de ce courant électrique dans le sous-sol entre différentes paires d’électrodes de courant et de potentiel. Ces valeurs de courant électrique et de potentiel électrique sont ensuite