© Julie Therrien, 2020
Étalements dans les argiles marines du Québec -
Analyse et compilation de 14 cas
Mémoire
Julie Therrien
Maîtrise en génie civil - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Étalements dans les argiles marines du Québec
Analyse et compilation de 14 cas
Mémoire
Julie Therrien
Sous la direction de :
Ariane Locat, directrice de recherche Serge Leroueil, codirecteur de recherche
iii
Résumé
Le présent mémoire est produit dans le cadre d’un projet de synthèse sur les étalements. Ces glissements de terrain ont grandement été étudiés depuis le début des années 2000 sous forme d’études de cas et par la modélisation numérique de l’initiation et de la propagation de la rupture en termes de rupture progressive. Une synthèse des caractéristiques de ces glissements est maintenant nécessaire pour mieux comprendre leur développement. Une compilation de 14 cas d’étalement dans les argiles sensibles a été réalisée sous forme de synthèse qui comprend l’analyse des caractéristiques de la pré-rupture, de la rupture et de la post-rupture. Les données analysées sont principalement géométriques, géomorphologiques et géotechniques.
Une méthodologie de la compilation des paramètres étudiés a été développée pour assurer la répétabilité des mesures. Deux cas d’étalements sont présentés et ils viennent appuyer la méthodologie.
L’analyse des caractéristiques de la pré-rupture de talus où des étalements sont survenus fait ressortir des plages de valeurs de hauteurs et d’inclinaisons des talus assez faibles. L’analyse des données géotechniques montre que les étalements surviennent dans tous les types de sols argileux provenant des anciennes mers postglaciaires.
L’analyse des caractéristiques de la post-rupture est principalement axée sur la géomorphologie des débris. Les horsts présentent des angles en pointes approchant 60°, ce qui indique une rupture active du dépôt d’argile. Cette étude démontre une possible relation entre le nombre de horsts et la hauteur du talus avant la rupture. Des relations avec d’autres paramètres morphologiques ont aussi été explorées. Cette synthèse met en évidence la complexité d’identifier des conditions particulières prédisposant aux étalements et les aspects restant à approfondir.
iv
Abstract
This thesis is produced as part of a project focusing on spreads. These landslides have been extensively studied since the early 2000s with case studies and by numerical modeling of the initiation and propagation of failure in terms of progressive failure. A synthesis of the characteristics of these landslides is now necessary to better understand their development. A compilation of 14 cases of spreads in sensitive clays was carried out in the form of a synthesis which includes the analysis of the characteristics of the pre-rupture, the rupture and the post-rupture. The analyzed data are mainly geometrical, geomorphological and geotechnical.
The compiled parameters follow a methodology to ensure the repeatability of the measurements. Two cases are also presented which support the methodology.
The analysis of the characteristics of the pre-failure of the slope where spreads have occurred shows that ranges of values of heights and inclinations are quite low. Analysis of geotechnical data shows that spreads occur in all types of clay soils from former postglacial seas.
The analysis of post-rupture characteristics is mainly focused on the geomorphology of debris. The horsts have tip angles around 60 °, which indicate active failure. This study seems to show a relationship between the number of horsts and height of the slope before the failure. Relationships with other morphological parameters have also been explored. This synthesis highlights the complexity of identifying particular conditions predisposing to spread and several aspects remaining to be explored.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... viii
Liste des figures ... ix
Liste des symboles ... xiii
Liste des abréviations ... xiv
Remerciements ... xv
Introduction ... 1
Contexte de l’étude ... 1
Objectifs de l’étude ... 1
Structure du mémoire ... 2
Problématique des glissements de terrain par étalements au Québec ... 3
Chapitre 1. 1.1 Contexte géologique du Québec ... 3
1.2 Types de glissement de terrain au Québec ... 4
1.2.1 Coulées argileuses... 4
1.2.2 Étalements ... 5
1.2.3 Glissements translationnels ... 6
1.3 Connaissances actuelles sur les étalements ... 6
1.4 Conclusion ... 9
Méthodologie ... 15
Chapitre 2. 2.1 Mise en contexte ... 15
2.2 Caractéristiques pré-rupture ... 16
2.2.1 Topographie du terrain avant le glissement ... 16
2.3 Caractéristiques de la rupture ... 20
2.4 Données météorologiques ... 20
2.5 Caractéristiques post-rupture ... 21
2.5.1 Surface de rupture ... 21
2.5.2 Dimensions du glissement ... 22
2.5.3 Dimensions des horsts et des grabens ... 23
2.6 Propriétés géotechniques des sols ... 24
Glissement de Saint-Ambroise-de-Kildare, 1975 ... 29
Chapitre 3. 3.1 Introduction ... 29
vi
3.3 Méthodes d’investigation ... 30
3.4 Caractéristique du site et des sols ... 32
3.4.1 Sable silteux ... 32
3.4.2 Silt argileux avec traces de sable ... 33
3.4.3 Silt et argile avec traces de sable ... 34
3.4.4 Silt argileux stratifié avec lit de sable ... 35
3.4.5 Généralités ... 35 3.4.6 Conditions hydrauliques ... 36 3.5 Données météorologiques ... 36 3.6 Morphologie du glissement ... 37 3.7 Analyse de stabilité ... 38 3.8 Discussion et conclusion ... 39 Résultats ... 63 Chapitre 4. 4.1 Caractéristiques pré-rupture ... 63 4.2 Caractéristiques de la rupture ... 65 4.3 Conditions météorologiques ... 67 4.4 Caractéristique post-rupture... 68
4.5 Caractéristiques géotechniques des sols ... 71
Analyse et discussion ... 90
Chapitre 5. 5.1 Conditions pré-rupture ... 90
5.1.1 Géométrie initiale de la pente ... 90
5.1.2 Caractéristiques géotechniques ... 92
5.1.3 Données météorologiques ... 96
5.1.4 Données piézométriques ... 98
5.1.5 Analyses de stabilité ... 99
5.2 Caractéristiques de la rupture et son initiation ... 101
5.2.1 Position de la surface de rupture par rapport au lit du cours d’eau et le nombre de surfaces de rupture ... 102
5.2.2 Le rapport de surconsolidation (OCR) et l’indice de liquidité ... 103
5.2.3 Nombre de stabilité (Ns) ... 104
5.2.4 Durée des événements ... 105
5.3 Caractéristiques post-rupture ... 106
5.3.1 Forme des étalements ... 106
5.3.2 Aire dans la vallée ... 107
5.3.3 Épaisseur de débris demeurés dans la cicatrice ... 107
vii 5.3.5 Horsts et grabens ... 109 5.4 Conclusion de l’analyse ... 112 Conclusion et recommandations ... 144 Bibliographie ... 148 ANNEXE A. SAINT-JUDE 2010 ... 152
ANNEXE B. SAINT-BARNABÉ NORD ... 184
ANNEXE C. SAINT-BONIFACE ... 219
ANNEXE D. SAINTE-MONIQUE-DE-NICOLET ... 258
ANNEXE E. SAINT-LIGUORI ... 289
ANNEXE F. BROWNSBURG 1988 ... 317
ANNEXE G. SAINT-LUC DE VINCENNES ... 344
ANNEXE H. HAVRE-SAINT-PIERRE ... 367 ANNEXE I. RIGAUD ... 386 ANNEXE J. SAINT-AMBROISE-DE-KILDARE ... 410 ANNEXE K. CASSELMAN ... 444 ANNEXE L. SAINT-LOUIS-DE-BONSECOURS ... 469 ANNEXE M. SAINT-JUDE 1925-1930 ... 482 ANNEXE N. POUPORE ... 496
viii
Liste des tableaux
Tableau 2.1 : Abréviation des sites... 26
Tableau 3.1: Photographies aériennes consultées. ... 41
Tableau 3.2: Paramètres géotechniques pour les sols de l’analyse de stabilité. ... 41
Tableau 4.1: Caractéristiques pré-rupture (*valeurs estimées). ... 73
Tableau 4.2 : Caractéristiques pré-rupture (*valeurs estimées). ... 74
Tableau 4.3 : Caractéristiques pré-rupture. ... 75
Tableau 4.4 : Caractéristiques pré-rupture. ... 76
Tableau 4.5 : Caractéristiques pré-rupture (* présumée avec les conditions adjacentes). ... 77
Tableau 4.6 : Caractéristiques de la rupture. ... 78
Tableau 4.7 : Résumé des facteurs aggravants et déclencheurs. ... 79
Tableau 4.8 : Conditions météorologiques. ... 80
Tableau 4.9 : Liste des stations météorologique et leur distance avec les sites... 81
Tableau 4.10 : Caractéristiques post-rupture. ... 82
Tableau 4.11 : Caractéristiques post-rupture (*valeur estimée) ... 83
Tableau 4.12 : Caractéristiques post-rupture (~valeur approximative). ... 84
Tableau 4.13 : Caractéristiques post-rupture (**valeur minimale). ... 85
Tableau 4.14 : Caractéristiques post-rupture (~valeur approximative) ... 86
Tableau 4.15 : Caractéristiques géotechniques des sols au-dessus de la surface de rupture et sous la croûte ou les couches de sable sus-jacentes. (*valeurs estimées de la relation qui relie IL et Sur). ... 87
Tableau 4.16 : Caractéristiques géotechniques des sols au niveau de la surface de rupture (* valeurs estimées avec relation qui relie IL et Sur). ... 88
Tableau 4.17 : Nombre de stabilité au niveau de la surface de rupture. ... 89
Tableau 5.1 : Paramètres analysés en fonction de l’indice de plasticité (IP), l’indice de liquidité (IL) et la distance de rétrogression. ... 115
Tableau 5.2 : Degré de confiance et incertitude des données utilisées pour déterminer l’inclinaison moyenne des talus qui prévalaient avant les glissements. La hauteur des talus est indiquée. ... 116
Tableau 5.3 : Valeurs des coefficients de sécurité et méthode de calcul utilisée. ... 117
Tableau 5.4 : Dimensions des glissements, hauteur des talus et différents rapports. ... 117
Tableau 5.5 : Données géotechniques initiales au niveau et au-dessus de la surface de rupture. ... 118
ix
Liste des figures
Figure 1.1 : Localisation des dépôts marins d’eaux profondes (gris foncé), des aériennes mers postglaciaires ainsi que des cicatrices de grands glissements de terrain (point noir). La représentation graphique de la densité de la population y est aussi indiquée par les couleurs verte, jaune, orange et rouge. Modifiée de Demers et coll. (2014). ... 11 Figure 1.2 : Relation proposée par Leroueil et coll. 1996 à partir duquel une coulée argileuse pourrait se développer. ... 12 Figure 1.3 : Stratigraphie typique dans les anciennes mers et lacs préglaciaires. Source : Ministère des Transports du Québec. ... 12 Figure 1.4 : Croquis des caractéristiques des coulées argileuses et des étalements. Modifiée de Locat et coll. (2011a). ... 13 Figure 1.5 : Vue de horsts et d’un graben dans les débris de l’étalement de Saint-Luc-de-Vincennes (1986). Source : Ministère des Transports du Québec. ... 13 Figure 1.6 : Vue d’une image lidar du glissement translationnel survenu à Bristol. Tiré de Demers et coll. (2014). ... 13 Figure 1.7 : Distance de rétrogression en fonction du nombre de stabilité, tirée de Demers et coll. (2014). Les cercles représentent les coulées argileuses et les losanges, les étalements. ... 14 Figure 2.1: Localisation des 14 cas d’étalement analysés (points rouges), modifiée de Locat et coll. (2016). Voir le Tableau 2.1 pour la liste des acronymes. ... 27 Figure 2.2: a) Vue en coupe montrant les diverses mesures pour caractériser les conditions pré-rupture et post-rupture. b) Mesures prises afin de caractériser les horsts et les grabens. ... 27 Figure 2.3 : Définition du sommet du talus. Source : Ministère des Transports du Québec. ... 28 Figure 2.4 : Localisation de la surface de rupture. Tirée de Locat et coll. (2013a). ... 28 Figure 3.1: Localisation du glissement de terrain de Saint-Ambroise-de-Kildare survenu le long de la rivière Blanche le 19 avril 1975. Le modèle de topographie ombragé a été obtenu avec les données lidar de 2008 du ministère des Transports du Québec. ... 42 Figure 3.2: Vue de la cicatrice de l’étalement de Saint-Ambroise-de-Kildare de 1975 (ligne rose avec barbules) et l’inondation en amont sur une photographie aérienne de 1975. Localisation des différents sondages réalisés par le ministère des Transports du Québec et l’Université de Sherbrooke. Source de l’image: Aérophoto inc. 43 Figure 3.3: Localisation de l’étalement de Saint-Ambroise-de-Kildare (ligne rose avec des barbules) et de plusieurs autres cicatrices le long de la rivière Blanche (lignes vertes avec des barbules). ... 44 Figure 3.4a et b: Localisation de la position du sommet (ligne tireté noire et rouge) et du pied de talus (ligne pleine noire et rouge) avant (1964) (a) et après le glissement de terrain de 1975 (b). La position des mesures de largeur (ligne verte) et de rétrogression (ligne jaune) est également illustrée (b). Source des images : a) Gouvernement du Québec b) Aérophoto inc. ... 45 Figure 3.5: Profil géotechnique du forage F3 réalisé par l’Université de Sherbrooke (Grondin, 1978). La position de la surface de rupture est indiquée par la ligne en tiretée rouge. Localisation du sondage à la Figure 3.2... 46 Figure 3.6: Profil géotechnique du forage FS23011 réalisé par le ministère des Transports du Québec en 2004. La position de la surface de rupture est indiquée par la ligne en tiretée rouge. Localisation du sondage à la Figure 3.2. ... 47
x
Figure 3.7: Profil géotechnique du forage F23410 réalisé par le ministère des Transports du Québec en 2004. La position de la surface de rupture est indiquée par la ligne en tiretée rouge. Localisation du sondage à la Figure 3.2. ... 48 Figure 3.8: Profil géotechnique du forage FS23362 réalisé par le ministère des Transports du Québec en 2017. La position de la surface de rupture est indiquée par la ligne en tiretée rouge. Localisation du sondage à la Figure 3.2. ... 49 Figure 3.9: Lectures du nid de piézomètres Z23067 situé en pied de talus, les symboles triangulaires représentent les lectures et la ligne rouge la date des conditions d’eau retenues pour l’analyse. ... 50 Figure 3.10: Lectures du nid de piézomètres Z23067 situé au pied du talus, les symboles triangulaires représentent les lectures et la ligne rouge la date des conditions d’eau retenues pour l’analyse de stabilité. . 51 Figure 3.11: Section AA’ montrant la topographie de la surface du sol en 1964 et en 1975, le profil des essais au piézocône, et la stratigraphie des dépôts. La position de la surface de rupture du glissement de 1975 est également représentée. ... 52 Figure 3.12 : Résistance au cisaillement (Sur) en fonction l’indice de liquidité (IL) obtenus avec les essais de laboratoires réalisés pour l’ensemble des forages au site de Saint-Ambroise-de-Kildare. ... 53 Figure 3.13 : Valeurs de l’indice de liquidité pour l’ensemble des essais réalisés sur les échantillons prélevés dans les sondages. ... 54 Figure 3.14: Coupe située dans le glissement qui montre les conditions d’eau au site en date du 23 janvier 2007 pour le sondage Z23067. Les dissipations ont été réalisées lors des essais au piézocône en 2004. ... 55 Figure 3.15: Le graphique du haut présente la quantité de pluie par jour (barre rouge) et l’accumulation de pluie (ligne bleue) au cours des 30 jours précédant le glissement de terrain. Le graphique du bas présente la neige au sol. La ligne verte correspond à la date de l’événement. Source : Environnement Canada Station de Saint-Jacques située à 16 km du glissement. ... 56 Figure 3.16: Le graphique du haut présente la quantité de pluie par jour (barre rouge) et l’accumulation de pluie (ligne bleue) les 30 jours précédant le glissement de terrain. Le graphique du bas présente la neige au sol. La ligne verte correspond à la date de l’événement. Les données sont étalées sur une période d’un mois. Source : Environnement Canada Station de Joliette située à 15 km du glissement. ... 57 Figure 3.17: Vue d’horsts (parties triangulaires) dans le glissement avec sa stratification horizontale (Lebuis, 1977). ... 58 Figure 3.18 : Vue des tranches de l’arête 3 (Lebuis, 1977). ... 58 Figure 3.19: Croquis réalisé par Carson (1979) montrant les structures dans le glissement de terrain. ... 59 Figure 3.20: Coupe réalisée dans le glissement de terrain. La position de la pointe des horsts réalisée par l’auteur est illustrée sur la vue en coupe et reportée sur la vue en plan. ... 60 Figure 3.21: Essais au piézocône réalisés au site montrant la différence de résistance en pointe nette (qt-v) qui indique la position de la surface de rupture. ... 61 Figure 3.22: Coefficient de sécurité minimum en condition drainée pour une rupture circulaire obtenue à partir du talus avant le glissement provenant de la photorestitution de 1964. ... 62 Figure 5.1 : Hauteur du talus et inclinaison moyenne des talus pour chaque cas d’étalement. ... 119 Figure 5.2 : Proportion du dépôt argileux par rapport à la hauteur du talus pour chaque étalement. La ligne en pointillés indique la proportion la plus faible obtenue. ... 120 Figure 5.3 : Plages de valeurs des indices de plasticité pour les sols situés au-dessus et au niveau de la surface de rupture. La valeur maximale est identifiée par la ligne en pointillés noirs. ... 121
xi
Figure 5.4: Valeurs de l’indice de liquidité pour les différents étalements. La ligne en pointillés indique la valeur minimale. La ligne pleine mauve identifie la valeur de 1,2... 122 Figure 5.5 : Sensibilité de l’argile des cas étudiés. Les valeurs au niveau de la surface de rupture et au-dessus de la surface de rupture sont présentées. ... 123 Figure 5.6: Rapport de la surconsolidation (OCR) représenté par un point noir pour les valeurs au niveau de la surface de rupture et par une ligne pour la plage de valeurs au-dessus de la surface de rupture. ... 124 Figure 5.7 : Résistance au cisaillement au niveau du pied du talus (et non au niveau de la surface de rupture) en fonction de la hauteur du talus initiale. Les trames grises indiquent des inclinaisons de 10, 20 et 30 . L’inclinaison du talus pour chaque cas est affichée sous les points. Les lignes et les trames sont de Locat et coll. (2013b). ... 125 Figure 5.8 : a) Quantité de pluie tombée durant le mois précédant l’événement représenté par les bandes noire en fonction du mois du glissement dans l’année. Les moyennes ou normales sont représentées par les formes triangulaires bleues. Le graphique b) indique le nombre de glissements durant le mois de l’année (inspiré de Demers et coll. 2014). ... 126 Figure 5.9 : Pression d’eau à la base de la couche d’argile en relation avec la contrainte totale du sol au-dessus. ... 127 Figure 5.10 : Vue en coupe qui explique la position des hauteurs mesurées pour la Figure 5.9. ... 127 Figure 5.11 : Exemple d’extrapolation des données de pression d’eau jusqu’au niveau du till pour cas de Saint-Barnabé par la ligne pointillée rouge. Les points noirs représentent l’élévation des pointes sur l’axe y. La ligne pointillée noire est l’élévation du dessus de la couche de till. ... 128 Figure 5.12 : Lit de la rivière Rouge à Saint-Liguori soulevé lors du glissement de terrain et observé sur la rive opposée (photo ministère des Transports du Québec)... 129 Figure 5.13 : Profondeur de la surface de rupture normalisée avec la hauteur du talus. La position de la surface de rupture par rapport au lit du cours d’eau est inscrite sous les points. ... 129 Figure 5.14 : Distance de rétrogression à partir du pied du talus en fonction d’OCR à la surface de rupture. Le nombre de surfaces de rupture détectées est indiqué par un symbole. ... 130 Figure 5.15 : Distance de rétrogression à partir du pied du talus de la première surface de rupture en fonction d’OCR à la surface de rupture. L’indice de liquidité a été mis sous les points. ... 131 Figure 5.16 : Distance de rétrogression en fonction de l’indice de liquidité au niveau de la surface de rupture. ... 132 Figure 5.17 : Nombre de stabilité (Ns) en fonction de la distance de rétrogression (modifiée de Demers et coll., 2014). ... 133 Figure 5.18 : Nombre de stabilité en fonction de l’indice de plasticité. La ligne en pointillé est tirée de Leroueil et coll. (1996) pour des coulées... 134 Figure 5.19 : Distance de rétrogression en fonction de la largeur du glissement. Modifiée de Demers et coll. (2014). ... 135 Figure 5.20 : Distance de rétrogression en fonction de l’aire de la vallée. ... 136 Figure 5.21 : Rétrogression au sommet du talus en fonction de largeur de la vallée au sommet du talus. .... 137 Figure 5.22 : Épaisseur de débris dans la cicatrice normalisée par la hauteur du talus pour chaque cas d’étalement. ... 138 Figure 5.23 : Épaisseur de débris dans la cicatrice normalisée par la hauteur du talus pour chaque cas d’étalement en fonction de l’aire dans la vallée. ... 139
xii
Figure 5.24 : Distance de propagation des débris en fonction de l’indice de liquidité. ... 140
Figure 5.25 : Vue d’un horst à Saint-Jude (2010) avec un angle en pointe de 52°. ... 141
Figure 5.26 : Croquis montrant la méthode de mesure et la position des mesures et des éléments. ... 141
Figure 5.27 : Croquis montrant le mouvement et la séquence des horsts et grabens dans la cicatrice. ... 141
Figure 5.28 : Distance de rétrogression sur le nombre de horsts (+1) en fonction de la profondeur de rupture sans la couche de surface. Les chiffres sous les points indiquent le nombre de horsts. (* Sba : les horsts ont été estimés entre les grabens). ... 142
Figure 5.29 : Explication des résultats des Figure 5.28 et Figure 5.30. ... 142
Figure 5.30 : Largeur moyenne des grabens en fonction de la profondeur de la surface de rupture sans la couche de surface. ... 143
xiii
Liste des symboles
c’ Cohésion effective
’ Angle de frottement
Poids volumique saturé moyen du sol IL Indice de liquidité
IP Indice de plasticité
K0 Coefficient de pression des terres au repos
w Poids volumique de l’eau
s Poids volumique du sol
Hr Hauteur d’eau dans le cours d’eau Hs Hauteur du sol au-dessus du till
Nkt Indice qui relie la résistance corrigée au piézocône, la contrainte totale verticale et la résistance au cisaillement intacte du sol
Ns Nombre de stabilité
Nt Coefficient du piézocône qui lie la résistance en pointe à la contrainte de préconsolidation
OCR Rapport de surconsolidation
qt Résistance en pointe du piézocône corrigée pour les pressions interstitielles qN Résistance en pointe du piézocône normalisée avec la contrainte verticale ST Sensibilité du sol
Suc Résistance au cisaillement non drainée du sol intact mesurée au cône suédois
Suv Résistance au cisaillement non drainée du sol intact obtenue au scissomètre de chantier Nilcon Sur Résistance au cisaillement non drainée du sol remanié mesurée au cône suédois
u Pression interstitielle w ou wnaturelle Teneur en eau wL Limite de liquidité wP Limite de plasticité
σ’p Contrainte de préconsolidation
σ’vo Contrainte effective verticale due au poids des terres σv Contrainte totale verticale due au poids des terres
xiv
Liste des abréviations
C Essai au piézocône
CGC Commission géologique du Canada CPTU Essai au piézocône
CS Coefficient de sécurité
F Forage
Lidar Light detection and ranging
MER Ministère de l’Énergie et des Ressources
MERN Ministère de l’Énergie et des Ressources naturelles MTQ Ministère des Transports du Québec
OCR Rapport de surconsolidation [R] Refus à la pénétration (piézocône) S Scissomètre de chantier Nilcon Z Nid de piézomètre
xv
Remerciements
Ce travail a été appuyé par le Plan d’Action 2013-2020 sur les changements climatiques (PACC 2013-2020) et du Fonds vert du gouvernement du Québec.
Je tiens à remercier en premier le ministère des Transports du Québec pour m’avoir permis de réaliser cette maîtrise, particulièrement mon ancienne directrice, Sophie Rainville, et mon chef d’équipe, Denis Demers. Je tiens aussi à remercier ce dernier pour le temps qu’il m’a accordé à répondre à mes milliers de questions. Je remercie Ariane Locat, ma directrice, et Serge Leroueil, mon codirecteur, d’avoir cru en moi bien que je travaillais à temps plein et que j’avais une charge de travail assez considérable par moments. Merci grandement d’avoir été là pour moi et de m’avoir permis de réaliser ce projet.
Mes collègues de travail ont également été des atouts pour me soutenir lors de ce cheminement, particulièrement Karine Bélanger pour sa grande disponibilité à répondre à mes interrogations, et aussi Pascal Locat, Thomas Fournier et Rémi Mompin.
Mon court passage au LERN m’a permis d’échanger avec les autres étudiants gradués, mais également d’obtenir de précieux conseils et un coup de main lors des essais de laboratoire. Un gros merci à Sandra Veillette et Frédérique Tremblay-Auger. J’aimerais également remercier Christian Juneau pour avoir pris le temps de me montrer l’essai triaxial et m’avoir guidé durant cet essai.
Je tiens à remercier mon conjoint Martin Simard pour sa patience et son soutien moral, il a toujours les bons mots.
1
Introduction
Contexte de l’étude
Le sud du Québec a été envahi par trois mers postglaciaires à différents moments après la fonte des glaciers qui recouvraient le Canada et une partie du nord des États-Unis. Des dépôts fins ont sédimentés dans le fond de ces mers sur différentes épaisseurs. À la suite du relèvement isostatique, les mers se sont drainées et les sédiments marins ont remonté au-dessus du niveau de la mer. Durant ce processus, une partie des argiles formées de farine de roche ont été lessivées à différents degrés, les rendant sensibles au remaniement (Torrance, 1975). Ces sols argileux forment une portion du territoire québécois et, dans certains contextes, ils peuvent engendrer d’immenses glissements de terrain, comme la coulée argileuse survenue à Saint-Jean-Vianney en 1971 (Tavenas et coll. 1971). Ce type de glissement a fait l’objet de plusieurs études et articles et les conditions qui mènent à leur déclenchement sont assez bien définies (Tavenas, 1984 et Lefebvre, 1996). Les coulées argileuses sont déclenchées par un premier glissement rotationnel caractérisé par les débris qui se vident du cratère. Les étalements constituent un deuxième type de grand glissement de terrain que l’on retrouve dans les argiles sensibles. Ils sont grandement étudiés depuis 2004, mais les conditions spécifiques permettant d’identifier les zones où ces glissements sont susceptibles de se développer sont incomplètes (Demers et coll. 2014). Par conséquent, ce sont les paramètres géotechniques des coulées argileuses défini par Tavenas (1984) qui sont généralement utilisés pour identifier les sites propices aux développements de glissement par étalement. Pour l’instant, la seule différence entre ces deux types de glissement de terrain concernant les critères d’initiation a été proposée par Demers et coll. (2014) avec l’indice de liquidité (IL) qui peut être inférieur à 1,2 dans le cas des étalements. Locat et coll. (2016) ont réalisé une première synthèse de 12 cas d’étalements. Cet article a mis en contexte l’importance de faire une analyse de plusieurs cas d’étalements afin de mieux comprendre ce type de glissement.
Objectifs de l’étude
Le principal objectif du projet de recherche est d’établir un premier portrait détaillé des étalements dans les argiles sensibles de l’est du Canada. Le but est d’éventuellement mieux identifier les zones potentiellement exposées à cet aléa. Pour réaliser cet objectif, une compilation de 14 cas d’étalements bien documentés a été réalisée (ANNEXE A à N). L’hypothèse de ce travail consiste à analyser les données géotechniques et morphologiques compilées en vue de déterminer des conditions spécifiques menant au développement des étalements.
2
Il est important de noter que les résultats et conclusions de l’étude présentée ici proviennent d’un travail de recherche et ne doivent pas être utilisées qu’à des fins académiques.
Structure du mémoire
Le mémoire est divisé en 6 chapitres. Le premier chapitre expose le contexte géologique des Basses-Terres du Saint-Laurent en lien avec la problématique. Les types de glissements de terrain rencontrés au Québec dans les sols argileux sont également définis pour introduire les travaux sur les étalements présentés dans ce mémoire. La méthodologie constitue le Chapitre 2 et elle est divisée en 5 parties. Un cas de glissement de terrain par étalement est décrit au Chapitre 3 pour démontrer l’application de la méthodologie. L’étalement présenté est celui survenu à Saint-Ambroise-de-Kildare en 1975 puisqu’il s’agit d’un cas caricatural par sa géomorphologie bien défini. Le Chapitre 4 est une compilation des données des différents glissements obtenus avec la méthodologie. Le dernier chapitre, le Chapitre 5, constitue l’analyse et la discussion du portrait obtenu des différents sites étudiés. Les 14 cas historiques qui ont été compilés sont détaillés dans les ANNEXE A à N.
3
Problématique des glissements de terrain par
Chapitre 1.
étalements au Québec
1.1 Contexte géologique du Québec
La province du Québec a connu une période de glaciation entre -80 Ka et -10 Ka (Wisconsinien) (Pagé, 2009). Durant cet épisode, la glace recouvrait le Québec, ainsi qu’une grande partie du Canada et du nord des États-Unis. Après le retrait progressif de ces glaciers, d’une épaisseur qui pouvait atteindre 5000 m (Baie d’Hudson), des mers et des lacs postglaciaires se sont formés avec les eaux de fontes permettant la déposition de sédiments marins ou lacustres d’eaux profondes (Figure 1.1). Cette farine de roche a été déposée en milieu marin calme. Elle est considérée comme une argile par sa granulométrie. Une fois les terres soulagées du poids des glaces, le phénomène isostasie a été amorcé et a permis, avec le temps, d’exposer une grande partie des fonds marins au-dessus du niveau de la mer. Ce soulèvement à différentes vitesses se poursuit dans certaines régions (Lefebvre, 1996). Ces sols argileux ont probablement été lessivés (Pagé, 1999). Le paysage du Québec est marqué par ces sédiments qui forment les berges du fleuve et du golfe du Saint-Laurent correspondant à l’ancienne mer de Goldthwait, dans les bases terres du Saint-Laurent jusqu’en bordure des rives de la rivière des Outaouais (mer de Champlain) et dans la région du Saguenay-Lac-Saint-Jean avec l’ancienne mer Laflamme (Figure 1.1). Des cours d’eau se sont creusés au travers de ces dépôts (rivières, ruisseaux, ravins, etc.) et plusieurs d’entre eux sont toujours en processus d’érosion.
Le lessivage des sols argileux s’est effectué à différents degrés. Certaines argiles sont caractérisées comme étant sensibles au remaniement avec des indices de liquidité supérieures à 1,2 (sensibilité extrêmement élevée) et qui peuvent être le siège de glissements de terrain de grandes superficies, tel que celui survenu à Saint-Jean-Vianney en 1971 (Tavenas et coll. 1971). Leroueil et coll. (1983) ont étudié les propriétés caractéristiques des argiles de l’est du Canada et ont noté certaines plages de valeurs. Les indices de liquidité peuvent être aussi faibles que 0,6 et atteindre 5 par endroits. Ils ont constaté des variations importantes de sensibilité avec des valeurs de 15 à plus de 1000. Lefebvre (1996) présente une stratigraphie simplifiée typique des sols dans les secteurs où des dépôts marins se trouvent (Figure 1.3). Celle-ci se résume à partir de la surface à une couche superficielle de sable, silt ou croûte argileuse, suivie d’une couche d’argile intacte qui repose sur une unité de till. Sous cette stratigraphie se trouve le roc en place (Figure 1.3). L’épaisseur des différentes couches varie d’un secteur à l’autre.
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1.2 Types de glissement de terrain au Québec
Les dépôts marins très lessivés ont la caractéristique d’être propices au développement de grands glissements de terrain d’une superficie de plus de 1 ha. Demers et coll. (2014) rapportent que des milliers de cicatrices de grands glissements de terrain ont été identifiées à l’intérieur des limites marines laissées par les mers postglaciaires au Québec, où près de 89 % de la population résident (Figure 1.1). Ces cicatrices sont associées à des coulées argileuses, des étalements ou des glissements translationnels. Ce dernier type de glissement de terrain a seulement été observé dans l’ouest de la province de Québec, soit dans la région de l’Outaouais, comme à Mulgrave et Derry en 2010 (Perret et coll., 2017). Lorsque ces glissements se produisent en zone habitée, ils peuvent engendrer des pertes de vies humaines et des dommages considérables à des infrastructures.
1.2.1 Coulées argileuses
Les coulées argileuses ont été grandement étudiées au Québec, surtout depuis celle qui est survenue à Saint-Jean-Vianney en 1971 et qui a causé le décès de 31 personnes et le déménagement de plus de 200 maisons (Tavenas et coll. 1971). Les différents témoignages recueillis ont permis de confirmer que ce type de glissement est initié par un premier glissement rotationnel profond dans les argiles extrêmement sensibles (IL > 1,2 et Sur < 1 kPa) suivi de ruptures en conditions non drainées (Tavenas, 1984, Lefebvre, 1996 et Demers et coll. 2014). La rupture subséquente peut survenir quelques heures à quelques jours après le premier glissement rotationnel profond. La position de la surface de rupture qui suit le premier glissement rotationnel profond se trouve généralement perché dans le talus (Demers et coll., 2014). La proportion de débris qui demeurent dans la cicatrice se situe autour de 0,18 fois la hauteur initiale du talus (Demers et coll., 2014). Les caractéristiques au développement d’une coulée sont la géométrie du talus défavorable (érosion, déblai à la base) et un indice de liquidité supérieur à 1,5 (Lefebvre, 1996 et Demers et coll., 2014). Une étude de Mitchell et Markell (1974) avec plus de 41 coulées argileuses mentionne que ces glissements ne peuvent se développer si le nombre de stabilité, Ns, défini par l’équation 1.1, est inférieur à 6.
[1.1] Ns = Hc/Su
où est le poids volumique du sol, Hc est la hauteur du talus avant le glissement et Su est la résistance au cisaillement au niveau de la surface de rupture.
Lefebvre (1996) et Leroueil et coll. (1996) expliquent que l’énergie potentielle normalisée par rapport à la résistance du sol, qualifiée par le nombre de stabilité (Ns), doit être suffisante pour remanier l’argile sensible afin que le processus de rétrogression s’opère dans le contexte d’une coulée argileuse. Le nombre de
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stabilité est en fait une indication du rapport de l’énergie potentielle disponible au moment du glissement par rapport à l’énergie qui est nécessaire pour remanier les argiles de l’est du Canada, qui est proportionnelle à Su. Leroueil et coll. (1996) proposent, à partir des données de Mitchell et Markell (1974), une relation avec laquelle les coulées argileuses peuvent se développer. Cette relation passe par un Ns de 4 avec un indice de plasticité (IP) de 10 % et un Ns de 7 ou 8 avec un indice de plasticité (IP) de 40 % (Figure 1.2). Selon ces auteurs, au-dessus de cette limite, le site est propice aux grands glissements de terrain puisque l’énergie potentielle disponible est suffisante pour remanier l’argile. Fortin-Rhéaume (2013) a analysé les coulées et les étalements le long du ruisseau des Vases dans la municipalité de Brownsburg. Elle mentionne que l’utilisation du Ns déterminé avec la relation proposée par Leroueil et coll. (1996) n’est pas suffisamment sécuritaire pour déterminer si un site est propice aux coulées argileuses (IL >1,2). Locat (2019) a analysé les Ns en termes de moyenne en fonction de l’indice de plasticité pour un indice de liquidité (IL) supérieur à 1,2. Ce dernier a noté que les coulées argileuses semblaient se développer pour des valeurs supérieures à 19 fois la valeur de l’indice de plasticité (IP) avec un Ns supérieure à 2,8. Exemple, un indice de plasticité (IP) de 20 % donne un Ns de 3,8 et un indice de plasticité (IP) de 42 % donne un Ns de 8.
Au Québec, le Ns varie entre 3 et 8 et il se définit régionalement à l’aide des cicatrices existantes. Le Ns est calculé au niveau de la surface de rupture avec l’essai réalisé à l’extérieur. La surface de rupture a été préalable déterminée à l’aide d’un essai au piézocône réalisé à l’intérieur de la cicatrice. Cette méthode est utilisée au ministère des Transports du Québec (MTQ) pour déterminer la susceptibilité aux grands glissements de terrain par région combiné avec un indice de liquidité suffisamment élevé et une hauteur de talus critique (Tavenas, 1984 et Fortin-Rhéaume, 2013).
1.2.2 Étalements
Les étalements sont de grands glissements de terrain qui surviennent dans les argiles sensibles de l’est du Canada. Ils représentent 42 % de ces glissements (Demers et coll. 2014). Les étalements ont été classifiés par Cruden et Varnes (1996) par leur débris qui se disloquent en horsts (prismes triangulaires) et en grabens (en tranches de sols relativement intacts) (Figure 1.4 et Figure 1.5). Le mode de rupture a été considéré comme étant une rupture progressive vers l’amont (section 1.3) (Locat et coll. 2011a). Ce mécanisme de rupture a été étudié par plusieurs auteurs dont Terzaghi et Peck (1948), Skempton (1964) et Bjerrum (1967). Locat (2007, 2012a), Ouehb (2007), Quinn et coll. (2011 et 2012), Leroueil et coll. (2012) et Locat et coll. (2013b) et Durand (2016) ont analysé la rupture progressive vers l’amont comme mode de rupture pour les étalements.
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1.2.3 Glissements translationnels
Les glissements translationnels (flakeslide) consistent au mouvement d’une grandes plaques de sols qui glissements le long d’une surface de rupture, comme le cas de Bristol situé à 60 km au Nord-ouest d’Ottawa (Figure 1.6) (Demers et coll. 2017). Sur la Figure 1.6, Demers et coll., (2017) ont constaté un large graben dans la partie arrière du glissement (G), un bombement au front de la masse (B) et qu’à l’exception du secteur H, la masse de sols est pratiquement intact. Ces types de glissement ont été peu étudiés au Québec jusqu’à présent et seulement quelques cicatrices ont été observées avec les modèles lidar (Demers et coll., 2017).
1.3 Connaissances actuelles sur les étalements
Depuis plusieurs années, la rupture progressive a fait l’objet de plusieurs recherches et pour n’en nommer que quelques-unes : Terzaghi et Peck, (1948), Kjellman, (1955), Skempton, (1964), Bjerrum, (1967), Skempton, (1970) et Lo, (1972). Le concept de rupture progressive a été modélisé, selon des principes fondamentaux déterminés par Bernander (2000), dans le contexte d’un étalement par Locat (2012a), Locat et coll. (2016) et Durand (2016).
Selon Leroueil et coll. (2001), quatre conditions sont nécessaires pour qu’une rupture progressive se développe. Locat (2007) les résume ainsi : « 1) le sol doit être fragile (comportement de type anti- écrouissage qui contrôle la distribution des contraintes et des déformations); 2) la distribution des contraintes de cisaillement dans le talus ne doit pas être uniforme; 3) les contraintes de cisaillement doivent dépasser localement la résistance au cisaillement en pic; et 4) la présence de conditions aux frontières qui entraînent des déformations permettant la formation d’une surface de glissement». Locat (2007) ajoute que le phénomène de fatigue, introduit par Demers et coll. (1999) et Leroueil (2001), «peut donc amener progressivement une rupture locale dans le talus, engendrant la rupture globale de celui-ci». Ces dernières années, Bernander (2011), Locat (2012a) et Locat et coll. (2013a), Locat et coll. (2013b) et Durand (2016) ont poussé davantage l’étude de la rupture progressive par la modélisation numérique. Le mode de rupture pour un étalement est initié par un déchargement à la base du talus par l’érosion ou par un petit glissement qui entraîne la diminution de la contrainte de cisaillement horizontale afin d’atteindre la résistance au cisaillement du sol en place et que la rupture progressive s’enclenche. La réduction de la contrainte horizontale des sols au-dessus de la surface de rupture qui s’ensuit peut alors entraîner la rupture active. Quatre étalements ont été modélisés selon cette approche. Le premier a été le glissement de Sainte-Monique (1994) par Locat (2012a). Les deux autres (Saint-Luc-de-Vincennes, 1986 et Casselman, 1971) ont été modélisés par Durand (2016). Le dernier est celui qui s’est produit à Saint-Barnabé en 2005 et qui a été modélisé par Locat et coll. (2019). Locat (2012a) ajoute que le processus d’érosion graduelle au pied de
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la pente peut générer de la contrainte de cisaillement additionnelle avec une diminution de la force horizontale pour déclencher le mouvement progressif. Les horsts qui sont semblables à des prismes triangulaires qui pointent vers le haut auraient des angles en pointe correspondant à 45°+’/2, résultant de la rupture active, ce qui correspond à l’inclinaison de la surface de rupture qui est observée lors des essais triaxiaux sur les argiles intactes (Locat, 2012a).
Quinn et coll. (2011 et 2012) ont aussi analysé la rupture progressive pour les grands glissements de terrain. Ils font l’hypothèse que la rupture complète se développe avant l’apparition du mouvement principal. «Cette surface de rupture se développerait progressivement par une propagation en rupture fragile (anti-écrouissage). Cette rupture peut survenir lentement (temps géologique) en raison des fluctuations saisonnières du chargement au pied du talus (érosion, fluctuation du niveau d’eau et rabattement rapide) augmentant d’un petit incrément vers la rupture chaque année». Ces auteurs mentionnent aussi que «la rupture peut-être rapide due à la liquéfaction d’une couche de silt ou de sable due à un tremblement de terre, un fonçage de pieux, un sautage ou tout autre choc soudain». Une fois que la surface de rupture s’est développée, la stabilité du talus est marginale et une petite perturbation peut initier la rupture complète. Une de leurs conclusions soutient que les grands glissements seraient plus fréquents le long des rivières ayant des marques d’érosion sévères. Ces grands glissements devraient aussi « survenir soudainement sans déclencheur évident, résultant d’une accumulation de petits cycles de charge annuels dus principalement à l'érosion».
Locat (2012a) a aussi réalisé une étude numérique et paramétrique qui montre l’effet de l’inclinaison d’un talus sur la distance de propagation avec différentes valeurs de pressions des terres au repos (Ko). Cet auteur a analysé la contrainte de cisaillement nécessaire le long d’un plan horizontal pour initier une rupture progressive avec différentes hauteurs et inclinaison du talus. Ces résultats montrent que plus un talus est haut et fortement incliné, une diminution moins significative de la contrainte de cisaillement est nécessaire pour initier une rupture progressive, car la résistance au cisaillement du sol est élevée. Ainsi, dans ces talus, un déchargement plus faible entraîne la rupture progressive.
Bjerrum (1967) a montré l’influence de l’OCR sur la rupture progressive et conclut :«All available evidence seems to prove beyond any doubt that slope failures in overconsolidated plastic clays and clay-shales are preceded by the development of a continuous sliding surface by a mechanism of progressive failure, whereby the shear strength is progressively reduced from the peak to the residual value».
Plusieurs étalements ont été étudiés ces dernières années (Grondin et Demers, 1996; Demers et coll., 2000; Ouehb, 2007; Locat et coll., 2008; Locat et coll., 2011a; Locat et coll., 2011b; Fortin-Rhéaume, 2013;
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Locat et coll., 2013a, Locat et coll., 2013b et Durand, 2016 et Locat et coll., 2017a). Ces auteurs ont étudié la géométrie d’un étalement, la géomorphologie des débris, le mécanisme de la rupture progressive vers l’amont, les caractéristiques géotechniques des sols impliqués ainsi que les caractéristiques des surfaces de rupture. La plupart d’entre eux ont aussi réalisé des analyses de stabilité avec la méthode d’équilibre limite selon les paramètres établis par Lefebvre (1981).
Demers et coll. (2014) ont compilé des données géotechniques et géomorphologiques pour 108 cas historiques de glissements de terrain dont 40 d’entre eux sont des étalements. Leur analyse a consisté à comparer plusieurs données géomorphologiques ainsi que quelques propriétés géotechniques entre elles. Cette analyse a été effectuée avec les données disponibles et aucune analyse spécifique de chaque glissement n’a été réalisée. Les auteurs ont pu déterminer des plages de valeurs générales de propriétés géotechniques et quelques caractéristiques géomorphologiques. Ils ont également indiqué les distances de rétrogression en fonction de la largeur des glissements. Cette étude a permis de confirmer qu’en général, la distance de rétrogression des étalements est plus petite que la largeur, et que l’inverse est généralement vrai pour les coulées argileuses. Ces auteurs ont aussi mis en graphique le nombre de stabilité (Ns) de plusieurs cas en fonction de la distance de rétrogression (Figure 1.7). Les relations de Mitchell et Markell (1974) et Mitchell (1978) ont aussi été reportées sur la Figure 1.7. Demers et coll. (2014) ont constaté que les résultats ne montrent pas de relation claire entre le Ns et la distance de rétrogression pour les étalements. La présente étude reprend quelques cas analysés par Demers et coll. (2014), toutefois l’analyse des cas étudiés pour ce mémoire a été grandement approfondie et les données géotechniques et géomorphologiques ont aussi analysé plus en détail.
Au niveau des caractéristiques géomorphologiques, il a été constaté que la surface de rupture d’un glissement par étalement se situe généralement au niveau du lit du cours d’eau contrairement aux coulées argileuses dont la surface de rupture est plutôt perchée (Locat, 2007 et Demers et coll., 2014). Également, une plus faible proportion de débris, en termes d’épaisseur, demeure dans la cicatrice de coulées argileuses que dans les étalements. Demers et coll. (2014) ont déterminé des plages de valeurs pour les sols situés au-dessus de la surface de rupture ainsi que certains rapports entre la largeur et la distance de rétrogression d’un glissement et la hauteur du talus.
Locat et coll. (2016) brossent un portrait préliminaire de 12 glissements par étalement dans les argiles sensibles. Ils décrivent la morphologie des glissements, les caractéristiques de la surface de rupture et les propriétés géotechniques à partir des données de Demers et coll. (2014). Ils mentionnent d’ailleurs que la stratification horizontale observée dans les horsts est comme celle de la zone de départ indiquant un mouvement translationnel de la masse de débris. Ils discutent aussi du mode de rupture par la rupture
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progressive qui est initiée par l’érosion au pied du talus et modélisée par un déchargement. La rupture de ces glissements semble très rapide. Ces auteurs ajoutent avec le cas de Saint-Liguori que les étalements se produiraient en un seul mouvement continu. Locat et coll. (2016) mentionnent dans leur conclusion que les étalements surviennent dans des argiles qui ne sont pas aussi sensibles que ceux qui sont à l’origine des coulées argileuses, tout comme constaté par Demers et coll. (2014). Ils concluent aussi que « l’application de la rupture progressive pour deux cas d’étalements montre l’importance de la sensibilité et de la fragilité du sol dans l’explication de l’étendue de la rupture ». Finalement, ces auteurs mentionnent que « ces analyses indiquent que les étalements sont des glissements complexes et une investigation détaillée est nécessaire afin d’améliorer notre compréhension du mécanisme impliqué durant la rupture et de trouver des éléments clés permettant de la prévention et l’atténuation de ce type de grand glissement de terrain ».
Afin de démystifier les étalements, il est nécessaire de faire le point sur cet aléa en procédant à une synthèse des travaux réalisés jusqu’à présent sur les étalements, en analysant des cas d’étalement en détail selon une méthodologie rigoureuse et bien définie et en examinant certains aspects qui ont été moins étudiés, comme la caractérisation des débris d’étalements. Ces connaissances permettront ultérieurement de mieux comprendre quels éléments prédisposent et déclenchent ce type de glissement de terrain.
1.4 Conclusion
Les glissements par étalement engendrent des pertes de terres agricoles, des dommages à des infrastructures ainsi que des pertes de vie humaine. Étant donné que la majorité de la population réside sur les sols argileux au Québec, la compréhension des paramètres qui engendrent les différents glissements de grandes superficies est d’une grande importance (Demers et coll. 2014).
Les paramètres d’initiation des coulées argileuses sont bien connus contrairement aux glissements par étalement. Par conséquent, ce mémoire fait la synthèse de plusieurs cas d’étalements bien détaillés afin de définir le portrait de ce types de glissement de terrain particulier et, si possible, d’identifier empiriquement des critères d’initiation. Cette étude permettra aussi de mieux orienter la modélisation de ces glissements. Dans le cadre de la présente étude, 14 cas d’étalements survenus dans l’est du Canada, particulièrement dans les dépôts laissés par l’ancienne mer de Champlain, ont été sélectionnés et analysés en détail. L’étalement de Havre-Saint-Pierre est le seul cas, parmi ceux étudiés, qui est situé dans la mer de Goldthwait.
Certains cas ont été étudiés par Demers et coll. (2014). Par contre, l’analyse présentée ici est plus approfondie que la compilation effectuée par Demers et coll. (2014), puisque l’ensemble des données
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géotechniques et géomorphologiques ont été revisités, validés et analysés selon la méthodologie décrite au chapitre suivant. Les annexes permettent d’apprécier le travail considérable réalisé dans ce mémoire. D’ailleurs, plusieurs cas de glissements par étalements présentés en annexe ont été peu à pas étudiés auparavant. Le cas de Poupore a complétement été analysés dans le cadre de ce mémoire (ANNEXE N). De plus, des forages et sondages ont été ajoutés au site de sept des étalements étudiés afin de compléter les données géotechniques manquantes ou aberrantes.
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Figure 1.1 : Localisation des dépôts marins d’eaux profondes (gris foncé), des aériennes mers postglaciaires ainsi que des cicatrices de grands glissements de terrain (point noir). La représentation graphique de la densité de la population y est aussi indiquée par les couleurs verte, jaune, orange et rouge. Modifiée de Demers et coll. (2014).
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Figure 1.2 : Relation proposée par Leroueil et coll. 1996 à partir duquel une coulée argileuse pourrait se développer.
Figure 1.3 : Stratigraphie typique dans les anciennes mers et lacs préglaciaires. Source : Ministère des Transports du Québec.
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Figure 1.4 : Croquis des caractéristiques des coulées argileuses et des étalements. Modifiée de Locat et coll. (2011a).
Figure 1.5 : Vue de horsts et d’un graben dans les débris de l’étalement de Saint-Luc-de-Vincennes (1986). Source : Ministère des Transports du Québec.
Figure 1.6 : Vue d’une image lidar du glissement translationnel survenu à Bristol. Tiré de Demers et coll. (2014).
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Figure 1.7 : Distance de rétrogression en fonction du nombre de stabilité, tirée de Demers et coll. (2014). Les cercles représentent les coulées argileuses et les losanges, les étalements.
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Méthodologie
Chapitre 2.
2.1 Mise en contexte
La compilation et la synthèse des données géomorphologiques et géotechniques de 14 cas historiques d’étalements ont été réalisées (Figure 2.1). La sélection de ces cas est basée sur la quantité d’information disponible à leur sujet afin d’en faire une synthèse. La documentation disponible, qui provient principalement de la base de données du MTQ, est constituée de données de forages et sondages, de photographies aériennes prises peu de temps avant le glissement (à l’exception de 3 cas) et après l’événement, de témoignages, de profils de la morphologie des débris peu de temps après le glissement, etc. La quantité d’information diffère entre les cas; certains sont plus documentés que d’autres. Six cas sélectionnés ont été étudiés en détail dans le cadre de maîtrises et d’un doctorat (Ouehb, 2007, Locat, 2008, Locat, 2012a, Fortin-Rhéaume, 2013 et Durand, 2016). La majorité des données présentées dans ce mémoire étaient sous forme brute et a dû être compilés, valider et analyser par l’auteure du mémoire afin d’être utilisée. Dans certains cas, des travaux de terrain ont été réalisée afin de compléter l’information manquant sur certains sites.
Afin de réaliser la synthèse des cas sélectionnés, une méthodologie a été définie et est présentée ici. Cette méthodologie a été divisée en cinq sections : les caractéristiques pré-rupture, les conditions météorologiques, les caractéristiques de la rupture et de la post-rupture et les données géotechniques des sols. Pour chacun des cas analysés, la méthodologie a été appliquée rigoureusement. La Figure 2.2 présente la position des mesures qui ont été utilisées lors de la caractérisation des sites. Chaque cas a fait l’objet d’une synthèse qui est résumé sous forme d’annexe à ce mémoire (ANNEXE A à N). La compilation des 14 cas dans ces annexes suit l’ordre du plus récent au plus ancien; les cas étudiés sont donc : Saint-Jude (2010), Saint-Barnabé (2005), Saint-Boniface (1996), Sainte-Monique (1994), Saint-Liguori (1989), Brownsburg (1988), Luc-de-Vincennes (1986), Havre-Pierre (1981), Rigaud (1978), Saint-Ambroise-de-Kildare (1975), Casselman (1971), Saint-Louis-de-Bonsecours (1964), Saint-Jude (1925) et Poupore (1903).
Les étalements étudiés se sont produits dans les 50 dernières années, à l’exception de deux cas qui sont survenus au début du 20e siècle (Saint-Jude, 1925 et Poupore, 1903). Ces derniers ont été considérés dans cette analyse puisqu’ils sont suffisamment documentés pour en tirer certaines conclusions. Le cas de Saint-Ambroise-de-Kildare (1975) est présenté plus en détail au Chapitre 3 du présent mémoire afin de démontrer
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l’application de la méthodologie. Ce cas a été choisi car la géomorphologie du site est bien définie, égale et qu’il n’a pas été étudié en détail.
Les cas de Saint-Boniface (1996), Rigaud (1978), Saint-Ambroise-de-Kildare (1975), Saint-Louis-de-Bonsecours (1964), Saint-Jude (1925) et Poupore (1903), sont peu détaillés dans la littérature et peu ou pas de publication existe pour ces étalements. Des forages et sondages et des données de bathymétrie ont été ajoutés à plusieurs de ces sites. Ils ont donc été complétement analysés pour le présent travail de recherche. Pour les autres sites d’étalement, dont plus de littérature existe à leur sujet, l’ensemble des données géomorphologie et géotechniques ont été analysées et validées. À Brownsburg, Casselman, Sainte-Monique, Saint-Luc-de-Vincennes, certaines données géomorphologiques n’avaient jamais été analysées. De plus, des études de stabilité ont été réalisées dans le cadre de ce mémoire au site de Saint-Boniface, Rigaud, Saint-Ambroise-de-Kildare et Poupore.
2.2 Caractéristiques pré-rupture
Les caractéristiques pré-rupture compilées pour chaque événement sont : les caractéristiques de la topographie du terrain avant le glissement, l’ampleur de l’érosion, la largeur de la vallée entre les pieds et les sommets de talus situés de part et d’autre du cours d’eau, les gradients hydraulique, la stratigraphie des sols intacts, le coefficient de sécurité obtenu de l’analyse de stabilité pour une rupture circulaire.
2.2.1 Topographie du terrain avant le glissement
La détermination de la topographie du terrain naturel pré-rupture a été effectuée par stéréorestitution des photographies aériennes disponibles avant le glissement de terrain (photogrammétrie). La précision des données de topographie obtenues de cette méthode varie selon l’interprète, l’échelle de la photographie et la densité de la végétation. Un modèle numérique du terrain a été réalisé après les années 2005 par le MTQ à l’aide du système lidar aéroporté pour chaque site étudié. Ces modèles numériques servent à valider les mesures d’élévation déterminées avec les modèles topographiques issus de la photogrammétrie, à l’exception des cas de Saint-Barnabé et de Saint-Jude (2010), dont les modèles topographiques obtenus du système lidar aéroporté ont servi à définir la topographie après le glissement.
Les différentes mesures de hauteur, la position du sommet et du pied du talus ont été déterminées selon une méthode existante au MTQ. Cette dernière est utilisée dans la cadre de la cartographie des zones potentiellement exposées aux glissements de terrain (ZPEGT). Le sommet du talus a été établi à l’endroit où un segment de pente a une inclinaison inférieure à 8 sur une distance horizontale égale ou supérieure à 15 m. Comme illustré à la Figure 2.3, le sommet se situe à la jonction du 15 et 7°.
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Le pied du talus est soit positionné à l’élévation du niveau d’eau du cours d’eau ou du lit du cours d’eau. Toutefois, si la largeur du cours d‘eau est inférieure 10 m, le pied du talus est positionné à son centre. Le talus est localisé entre le sommet et son pied. Sa hauteur est mesurée avec le niveau du lit du cours d’eau jusqu’au sommet préalablement défini.
L’élévation du lit du cours d’eau et du niveau d’eau ont été mesurées à l’aide d’une canne à pêche avec un fil gradué muni d’un poids ou, dans de très rares cas, par de la bathymétrie. Les mesures ont été prises avec la canne à pêche en aval et en amont des cicatrices de glissement de terrain. L’acquisition des coordonnées x, y et z a été réalisée avec un GPS de précision. Le niveau du lit des cours d’eau était sec lors de la prise des données lidar aéroporté pour les cas de Saint-Luc-de-Vincennes, Saint-Jude (2010) et Saint-Barnabé. L’élévation du niveau du lit des cours d’eau, dans ces cas, a été évaluée directement à partir de ces levés. Durand (2016) a déterminé la position du niveau du lit du cours d’eau au site de Casselman en utilisant les données de bathymétrie près d’un pont à proximité du site. Le lit de la rivière du Lièvre à Poupore a été positionné en combinant l’information dans la littérature et la bathymétrie réalisée en 2018. Aux autres sites d’étalements, le niveau du lit du cours d’eau a été positionné avec les différents levés topographiques disponibles. Dans certains cas, un niveau approximatif a été estimé selon les informations du secteur.
Une description du talus (hauteur et inclinaison moyennes) affectée par le glissement de terrain est présentée pour chaque cas. La section de la pente jugée la plus critique impliquée dans le glissement de terrain est positionnée où l’inclinaison moyenne du talus est la plus abrupte. Elle est aussi déterminée dans la mesure du possible à un endroit peu boisé afin d’assurer la précision des données topographiques. La section où l’inclinaison est la plus abrupte a été déterminée après l’analyse de plusieurs profils du talus. La pente retenue doit être d’une largeur d’au moins 1,5 fois la hauteur du talus, qui est calculée avec la différence entre l’élévation au pied du talus ou au niveau du lit du cours d’eau avec le sommet du talus. Cette section est considérée comme le point d’amorce du glissement.
L’ampleur de l’érosion 2.2.1.1
Le niveau d’érosion est qualifié au pied du talus le long de la zone emportée par l’étalement. Les différentes photographies aériennes disponibles avant le glissement de terrain sont analysées et particulièrement, celles dont l’année est la plus près de la date du mouvement. L’érosion est qualifiée en fonction du pourcentage de talus dénudé longitudinalement au cours d’eau et si des marques sont présentes sur plusieurs séries de photographies d’années différentes pour un même site.
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Si le talus est affecté par des glissements ou dénudé sur une superficie supérieure à 75 % de la zone emportée par le glissement, l’érosion est qualifiée de sévère. Entre 50 et 75 % du talus dénudé ou affecté par les glissements, l’érosion est moyenne. Entre 25 et 50 %, elle est peu sévère. À moins de 25 %, le talus est considéré comme peu à pas sujet à l’érosion.
Largeur et aire de la vallée 2.2.1.2
La détermination de la largeur de la vallée est réalisée au droit du glissement de terrain. Elle est mesurée entre les sommets de talus et entre les pieds de talus, qui ont été déterminés avant la rupture, de chaque côté du cours d’eau selon un axe perpendiculaire à ce dernier (Figure 2.2). Plusieurs largeurs sont mesurées et ce sont les plus représentatives du secteur qui sont considérées. Il est à noter que lorsque le pied du talus a été positionné au centre du cours d’eau, la largeur est de 0 m. Ces mesures sont utilisées dans le calcul de l’aire de la vallée du cours d’eau qui a la forme d’un triangle ou d’un trapèze.
Niveaux piézométriques 2.2.1.3
Les conditions d’eau considérées les plus critiques à chaque site ont été déterminées avec le nid de piézomètres situé au pied du talus et avec les pointes de piézomètres qui sont situées le plus près de la surface. C’est le nid de piézomètres situé au sommet qui est considéré quand aucun nid n’a été installé au pied du talus. Les données piézométriques des piézomètres de type Casagrande et pneumatique sont généralement lues une fois par mois, or les conditions les plus critiques n’ont pas nécessairement été observées. Les données lues pendant le mois suivant l’installation de ces types de piézomètres ne sont pas utilisées car les niveaux d’eau peuvent être encore en train de s’ajuster. Les données provenant des piézomètres à corde vibrante, quand il y en a, sont enregistrées automatiquement deux fois par jour. Les niveaux d’eau dans ces nids de piézomètres s’ajustent en moins d’une semaine. Par conséquent, les données qui ont été acquises durant la semaine suivant l’installation de ce type de piézomètre ne sont pas considérées.
Les lectures de niveau d’eau de chaque nid de piézomètres à un site sont présentées graphiquement en fonction des dates de lectures. La date des conditions d’eau les plus critiques lues est présentée sur ce même graphique par une droite verticale. Cette date correspond au moment où le niveau d’eau dans le nid de piézomètres au pied du talus est le plus haut. Le gradient hydraulique est calculé à cette date dans ce nid. L’élévation du niveau d’eau du cours d’eau est évaluée avec le nid de piézomètres localisé au pied du talus. Cette mesure est validée avec les données des différents modèles topographiques du site. L’élévation des niveaux d’eau dans les nids de piézomètres ainsi que les gradients hydrauliques calculés dans ces nids entre les piézomètres sont présentés le long d’une coupe dans un graphique. Cette représentation permet de montrer le réseau d’écoulement dans le talus à la date considérée critique pour
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tous les sites analysés. Si des dissipations ont été réalisées lors des essais au piézocône, et qu’elles se sont stabilisées, elles sont ajoutées sur ce même graphique. Ces conditions d’eau sont utilisées lors des analyses de stabilité réalisées par l’auteur de ce mémoire (section 2.2.1.5), à l’exception des cas où la lecture des nids de piézomètres s’est continuée après la réalisation de l’analyse. Dans ces situations, des conditions jugées les plus critiques peuvent avoir été enregistrées après la réalisation de cette analyse. Les gradients hydrauliques présentant les valeurs les plus ascendantes au pied de talus sont également compilés.
Stratigraphie des sols intacts 2.2.1.4
La stratigraphie complète des différents sondages est présentée à chaque annexe. Le forage réalisé le plus près du glissement et du sommet de talus est utilisé pour la description stratigraphique qui a parfois déjà été effectuée par d’autres auteurs. L’épaisseur de la couche de surface (sable ou croûte argileuse), du massif argileux et de la profondeur du refus, qui a été obtenue de l’essai au piézocône, par rapport à la hauteur du talus sont compilées (Figure 2.2a). La profondeur du refus est considérée comme la base de la couche d’argile. Les profils des essais au piézocône sont particulièrement intéressants pour déterminer l’épaisseur des différentes couches en les corrélant avec les profils géotechniques.
La proportion de sols argileux présent dans le talus est calculée par rapport à son épaisseur sur la hauteur du talus jusqu’au niveau du lit du cours d’eau ou du pied du talus. La couche de surface est considérée dans ce calcul. Tandis que la proportion de sols au-dessus du refus est calculée en divisant la hauteur du talus avec la profondeur du refus.
Analyses de stabilité 2.2.1.5
Les auteurs qui ont décrit les cas de Rigaud (Chagnon et coll., 1979), Liguori (Ouehb, 2007), Saint-Jude 2010 (Locat et coll. 2011b), Sainte-Monique-de-Nicolet (Locat, 2013b), Saint-Barnabé (Locat, 2007 et Locat et coll., 2019), Casselman (Durand, 2016), Brownsburg (Fortin-Rhéaume, 2013). Saint-Luc-de-Vincennes (Durand, 2016) et Havre-Saint-Pierre (Locat, 2019) ont réalisé des analyses de stabilité avec la méthode à l’équilibre limite en condition drainée (Bishop simplifié (Bishop, 1955) ou Morgenstern-Price (Morgenstern et Price, 1965). Les différentes méthodes et les paramètres utilisés sont décrits dans les annexes qui se réfèrent à ces cas. Les conditions d’eau souterraine utilisées par les différents auteurs sont celles au moment où la nappe d’eau est la plus haute au sommet du talus. Les paramètres géotechniques ont été déterminés avec les contraintes de préconsolidation à partir de la relation établie par Lefebvre (1981). L’analyse de stabilité a été réalisée en condition drainée à l’aide du logiciel GeoSlope. SEEP/W a
