© Sarah Bouchard, 2020
Utilisation d'explosifs à proximité de pentes dans les
argiles sensibles
Thèse
Sarah Bouchard
Doctorat en génie civil
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Utilisation d’explosifs à proximité de pentes dans les
argiles sensibles
Thèse de doctorat
Sarah Bouchard
Sous la direction de :
Serge Leroueil, directeur de recherche
Denis LeBoeuf, codirecteur de recherche
Résumé
Un cas de glissement de terrain est survenu dans des matériaux d’argiles sensibles au village de La Romaine suite à des activités de sautage dans le roc. L’étude de ce cas de glissement a entraîné plusieurs questionnements, surtout à savoir si les vibrations de sautage peuvent être un élément déclencheur de glissement de terrain dans les argiles sensibles. Ce projet de doctorat a donc débuté ainsi, et avait pour but de répondre à la question, qu’est-ce qui a causé la rupture au site de La Romaine? Pour ce faire, le site a d’abord été investigué par des essais in situ ainsi que des essais de laboratoire. Une première campagne d’investigation a été réalisée en 2009. Les matériaux et la surface de rupture ont été bien caractérisés lors de cette campagne. Des analyses à l’équilibre limite ont été réalisées avec le logiciel Slope/W, et les coefficients de sécurité (C.S.) obtenus étaient supérieurs à l’unité avant les événements de sautage, ce qui signifie que la pente était stable avant le sautage. Une seconde campagne d’investigation comprenant de l’échantillonnage grand diamètre et du piézocône sismique a été réalisée en 2012. Des essais de laboratoire ont été réalisés (essai triaxial, DSS monotone et cyclique, essais à la colonne de résonnance) afin de caractériser les propriétés dynamiques du dépôt, dans l’objectif de faire des analyses dynamiques avec un logiciel de différences finies. Une méthode de simulation de sautage a été développée afin de simuler le sautage multi-trous, et cette méthode a été validée par un second cas d’étude, Eastmain-1. Les résultats obtenus de cette simulation sont cohérents avec les données recueillies sur le terrain. L’analyse dynamique du cas de La Romaine ont montré que les vibrations estimées survenues lors du sautage sont importantes (environ 500 mm/s), ce qui a entraîné des déformations de cisaillement entre 1 et 2% dans le dépôt argileux et certainement sa rupture. La surface de rupture observée dans l’analyse dynamique est représentative de la surface de rupture réelle. Des recommandations générales suite à l’étude de ce cas et aussi de 12 autres cas de rupture survenus suite à des travaux de sautage sont présentées dans la conclusion de cette thèse.
iv
Abstract
A landslide occurred in sensitive clay materials at the village of La Romaine following rock blasting activities. The study of this sliding case has led to several questions, especially whether blasting vibrations can be a trigger for landslides in sensitive clays. This doctoral project began like this, and was intended to answer the question, what caused the rupture at La Romaine site? The site was first investigated by in situ tests as well as laboratory tests. A first investigation campaign was carried out in 2009. The materials and the surface rupture were well characterized during this campaign. Limit equilibrium analyzes were performed with the Slope/W software, and the security coefficients (S.C.) obtained were greater than unity prior to the blasting events, which means that the slope was stable before blasting. A second investigation campaign involving large diameter sampling and seismic piezocone was carried out in 2012. Laboratory tests were carried out (triaxial test, monotonic and cyclic DSS, resonance column tests) to characterize dynamic properties of the deposit, with the aim of dynamic analysis with a finite difference software. A blasting simulation method has been developed to simulate multi-hole blasting, and this method has been validated by a second case study, Eastmain-1. The results obtained from this simulation are consistent with the data collected in the field. The dynamic analysis of La Romaine case showed that the estimated vibrations that occurred during the blasting are important (about 500 mm/s), which led to shear deformations between 1 and 2% in the clay deposit. The failure surface observed in the dynamic analysis is representative of the actual failure surface. General recommendations following the study of this case and also 12 other cases of rupture that occurred after blasting work are presented in the conclusion of this thesis.
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des figures ... xiii
Liste des tableaux ... xxvi
Liste des abréviations, sigles, acronymes ... xxx
Remerciements ... xxxiv
Introduction ... 1
Problématique et contexte de la recherche ... 1
Objectifs du projet ... 1
Méthodologie ... 2
Organisation de la thèse ... 3
Chapitre 1 Revue de littérature ... 5
1.1 Argiles sensibles ... 5
1.1.1 Propriétés caractéristiques des argiles sensibles ... 5
1.1.2 Effet de la fréquence de chargement sur la résistance cyclique des argiles sensibles 8 1.2 Types de glissements dans les argiles sensibles ... 10
1.2.1 La rupture progressive ... 14
1.3 Glissements de terrain dans les argiles sensibles associés à du sautage ... 15
1.3.1 Introduction ... 15
1.3.2 Inventaire des glissements de terrain ... 16
1.3.3 Description de quatre cas ... 21
vi
1.3.3.2 Toulnustouc (1962) ... 22
1.3.3.3 Finneidfjord (1996) ... 24
1.3.3.4 Kattmarka (2009) ... 25
1.3.4 Discussion et conclusion partielle ... 27
1.4 Chargement par sautage ... 30
1.4.1 Introduction ... 30
1.4.2 Explosion : ondes de choc et théorie de la détonation ... 30
1.4.2.1 Sautage dans le roc ... 30
1.4.2.2 Pression de détonation ... 31
1.4.3 Terminologie ... 32
1.4.4 Types d’ondes et propagation ... 34
1.4.5 Exemples de spectre de Fourier de signaux de sautage de type multi-trous 37 1.4.6 Estimation de la vitesse en pointe des particules ... 40
1.4.7 Les effets des sautages dans les sols ... 43
1.4.8 En pratique ... 43
1.4.8.1 Domaine minier au Québec ... 44
1.4.8.2 Domaine routier et barrages au Québec ... 45
1.4.9 Modélisation numérique en éléments finis ou différences finies de sautage près de pentes ... 46
1.4.10 Conclusion ... 50
Chapitre 2 Description du glissement de terrain de La Romaine, des investigations réalisées et des analyses de stabilité ... 52
2.1 Introduction générale ... 52
2.2 Description du glissement de La Romaine ... 52
2.2.1 Géomorphologie du site ... 55
2.3.1 Campagne d’investigation 2009 ... 57
2.3.2 Campagne d’investigation 2012 ... 60
2.4 Caractérisation géotechnique en laboratoire ... 67
2.4.1 Matrice d’essais suite à la campagne de 2012 ... 67
2.5 Caractérisation hydrogéologique du site ... 68
2.6 Stratigraphie et propriétés géotechniques ... 69
2.6.1 Essais de caractérisation ... 69 2.6.2 Profil géotechnique ... 69 2.6.3 Tourbe ... 72 2.6.4 Croûte ... 72 2.6.5 Argile sensible ... 72 2.6.6 Till ... 73 2.6.7 Roc ... 73
2.7 Informations sur le sautage ... 73
2.8 Zone d’impact ... 76
2.9 Identification de la surface de rupture ... 77
2.10 Déplacements verticaux ... 83
2.11 Analyses de stabilité dans Slope/W avant sautage ... 84
2.11.1 Analyse de stabilité en contraintes effectives ... 84
2.11.2 Paramètres utilisés ... 84
2.11.3 Pressions interstitielles ... 85
2.11.4 Résultats des analyses de stabilité en contraintes effectives ... 86
2.12 Analyse de stabilité en contraintes totales ... 87
2.12.1 Paramètres utilisés ... 87
viii
2.13 Synthèse des analyses de stabilité ... 91
2.14 Conclusion ... 91
Chapitre 3 Étude en laboratoire de l’argile de La Romaine et caractérisation des propriétés dynamiques du site ... 93
3.1 Introduction générale ... 93
3.2 Programme d’essais de laboratoire effectués à l’Université Laval ... 95
3.3 Essais œdométriques ... 95
3.3.1 Analyse des essais œdométriques ... 98
3.4 Essais triaxiaux ... 99
3.4.1 Essais triaxiaux dans le domaine surconsolidé ... 99
3.4.2 Essais triaxiaux dans le domaine normalement consolidé... 99
3.4.3 Résultats des essais triaxiaux ... 100
3.5 Essais de cisaillement simple ... 104
3.5.1 Essais de cisaillement simple monotones ... 104
3.5.2 Essais de cisaillement simple cycliques ... 108
3.5.3 Présentation des résultats des essais de cisaillement simple cycliques ... 109
3.5.4 Discussion sur les essais de cisaillement simple cycliques ... 112
3.6 Programme d’essais de laboratoire réalisés à l’Université de Waterloo... 115
3.6.1 Essais à la colonne de résonance ... 115
3.6.2 Résultats des essais à la colonne de résonnance et languettes piézoélectriques ... 116
3.7 vs in situ ... 121
3.8 Conclusion ... 126
Chapitre 4 Description du site de l’aménagement du canal de fuite à Eastmain-1 ... 128
4.1 Introduction ... 128
4.3 Stratigraphie et propriétés géotechniques des matériaux ... 131
4.3.1 Mort-terrain ... 131
4.3.2 Roc ... 132
4.4 Mesure des vibrations de sautage ... 132
4.5 Choix de la section d’étude ... 136
4.5.1 Sautage CF-B1M07 ... 136
4.5.2 Instrumentation ... 137
4.5.3 Stratigraphie ... 139
4.6 Mesure des vibrations du sautage CF-B1M07 ... 140
4.6.1 Paramètres descriptifs des enregistrements ... 142
4.6.2 Durée des vibrations ... 142
4.6.3 Vitesse en pointe des particules (vpp) ... 142
4.6.4 Fréquence dominante ... 144
4.7 Conclusion ... 145
Chapitre 5 Simulation numérique du sautage avec FLAC ... 148
5.1 Introduction ... 148
5.2 Modélisation analytique et numérique du sautage multi-trous ... 148
5.2.1 Choix du logiciel FLAC 8.0 ... 148
5.2.2 Choix du modèle ... 149
5.2.3 Géométrie et maillage ... 150
5.2.4 Propriétés du roc ... 152
5.2.5 Amortissement ... 153
5.2.6 Conditions aux frontières ... 154
5.3 Chargement dynamique par sautage ... 154
x
5.3.2 Application du signal d’entrée dans le modèle ... 159
5.4 Résultats ... 159
5.5 Vérification ... 161
5.6 Conclusion ... 164
Chapitre 6 Application du modèle numérique au cas de Eastmain-1... 166
6.1 Introduction ... 166
6.2 Modélisation du site de Eastmain-1 ... 166
6.2.1 Géométrie, maillage et conditions aux frontières ... 166
6.2.2 Propriétés des matériaux utilisés ... 167
6.2.3 Vérification des conditions initiales ... 167
6.3 Chargement dynamique par sautage ... 168
6.3.1 Modification des propriétés des matériaux ... 168
6.4 Amortissement ... 169
6.4.1 Simulation du sautage ... 169
6.5 Résultats ... 171
6.5.1 Déformations maximales de cisaillement dans la couche d’argile ... 171
6.5.2 Vitesses particulaires vpp ... 172
6.6 Conclusion ... 173
Chapitre 7 Analyse dynamique du sautage à La Romaine et causes de la rupture ... 174
7.1 Introduction ... 174
7.2 Influence des débris ... 175
7.3 Modélisation du cas de La Romaine et simulation numérique du sautage ... 176
7.3.1 Conditions initiales ... 176
7.3.1.1 Géométrie, maillage et conditions aux frontières de l’état initial... 176
7.3.2 Paramètres dynamiques ... 179
7.3.3 Loi constitutive non linéaire ... 180
7.3.3.1 Résistance au cisaillement cyclique (critère de rupture) ... 182
7.3.4 Simulation du sautage ... 187
7.4 Résultats ... 189
7.4.1 Déformations maximales de cisaillement dans la couche d’argile ... 189
7.4.2 Vitesses en pointe des particules ... 193
7.5 Analyse générale du cas de La Romaine ... 196
7.5.1 Vitesses en pointe des particules ... 196
7.5.2 Mécanisme de rupture du glissement de La Romaine ... 198
7.6 Conclusion ... 200
Conclusion et recommandations ... 201
Retour sur le contexte de la recherche ... 201
Objectifs du projet ... 201
Contributions de la recherche ... 204
Principales limitations du projet ... 205
Recommandations pour la recherche ... 207
Recommandations pour la pratique ... 208
Conclusion ... 210
Bibliographie ... 211
Photographies du site de La Romaine ... 218
Annexe A Rapport de forages de la campagne d’investigation 2012 ... 227
Annexe B Sondages au piézocône (CPTu) effectués en 2009 ... 248
Annexe C Essais au scissomètre effectués en 2009 ... 264
Annexe D Échantillons prélevés en 2009 et 2012 et essais de caractérisation réalisés .... 274 Annexe E
-xii
Essais de consolidation œdométrique et DSS cycliques ... 288 Annexe F
Piézomètres ... 307 Annexe G
Article de conférence: Analysis of a blast loading near sensitive clay slope in Annexe H
-La Romaine village, Quebec, GéoQuébec 2015... 314 Mesures de vibrations ambiantes ... 323 Annexe I
-Liste des figures
Figure 0.1: Localisation des sites Eastmain-1 et le village de la Romaine ... 2
Figure 0.2: Schéma de la méthodologie employée ... 3
Figure 1.1: Dépôts d’argile sensible au Québec (Lefebvre, 2017) ... 6
Figure 1.2: Exemple de comportement contrainte-déformation de l’argile de St-Louis de Bonsecours, Lefebvre (1970) ... 7
Figure 1.3 : Nombre de cycles à la rupture par rapport au ratio de la contrainte cyclique sur la résistance au cisaillement non drainé pour des essais triaxiaux cycliques réalisés sur différentes argiles sensibles de la Suède. (modifiée de Ahnberg et Larsson, 2012) ... 9
Figure 1.4 : Détermination du ratio cyclique sur la résistance au cisaillement non drainé pour 100 cycles pour des fréquences de sollicitation de 0,01 Hz et 1 Hz. ... 10
Figure 1.5: Schéma de glissement superficiel (MTQ, 2016) ... 11
Figure 1.6: Exemple d’un glissement superficiel (MTQ, 2016) ... 11
Figure 1.7: Schéma d’un glissement rotationnel (MTQ, 2016) ... 12
Figure 1.8: Exemple d’un glissement rotationnel (MTQ, 2016) ... 12
Figure 1.9: Exemple de coulée argileuse (MTQ, 2016) ... 13
Figure 1.10: Exemple d’étalement (MTQ, 2016) ... 14
Figure 1.11: Phénomène de rupture progressive le long d’une surface de rupture circulaire (Leroueil et al., 2012) ... 15
Figure 1.12: Glissements de terrain induits par sautage dans les argiles sensibles au Québec. ... 18
Figure 1.13: Glissements de terrain induits par sautage dans les argiles sensibles en Scandinavie ... 18
Figure 1.14: Vue aérienne du glissement de terrain survenu à Hawkesbury, modifié de Eden (1956) ... 22
Figure 1.15: Coupe dans le glissement de Toulnustouc, modifiée de Conlon (1966) ... 23
Figure 1.16: Coupe dans le glissement de Finneidfjord (1996), note : cette figure n’est pas à l’échelle et est modifiée de L’Heureux et al. (2012) ... 25
Figure 1.17: Vue en coupe de la zone de l’initiation du glissement de Kattmarka (2009), la zone où le roc a poussé l’argile est présentée par la flèche noire (modifiée à partir de NTNU, 2009) ... 26
xiv
Figure 1.18: Forme d'onde pression – temps (tirée de Ngo et al., 2007) ... 31 Figure 1.19: Schéma géométrique de sautage (modifié de Formation Orica 2014) ... 33 Figure 1.20 : Exemple de vibration de sautage avec vpp tirée de (Siskind et al., 1989). Les
vpp sont indiquées par les tirets horizontaux, les unités ips correspondent à des pouces par
seconde (inch per second). ... 34 Figure 1.21: Types d'ondes et mouvements des particules, a : onde de compression P, b : onde de cisaillement S, c : onde de Rayleigh R (Dowding, 2000) ... 35 Figure 1.22: Formes idéalisées des ondes (b) selon leur distance au sautage (a) (tirée de Dowding (2000)) ... 36 Figure 1.23: Spectres de Fourier pour un tir unique comparés à ceux provenant des sautage de type multi-trous (Li et Silva-Castro, 2019) ... 38 Figure 1.24: Spectre de Fourier pour un sautage multi-trous (Dowding, 2000) ... 38 Figure 1.25: Spectres de Fourier pour un sautage multi-trous avec des délais de 25 ms, Aldas, 2005 ... 39 Figure 1.26: Spectres de Fourier pour un sautage multi-trous avec des délais de 25 ms, Aldas, 2005 ... 40 Figure 1.27: Lois d’atténuation de type racine carrée de la vpp pour différents types de
matériaux (modifiée de Bouchard et al., 2015) ... 42 Figure 1.28: Lois d’atténuation de type racine cubique de la vpp pour différents types de
matériaux (modifiée de Bouchard et al. 2015) ... 42 Figure 1.29: Présentation de différentes approches d’analyse de cas de sautage par modélisation numérique ... 47 Figure 1.30: Onde de choc pression ou vitesse en fonction du temps, a) Ritika et al. (2011), b) Olofsson et al. (1999) et c) Castro, J. S. et al (2011) ... 49 Figure 1.31: Déformations maximales de cisaillement près de l'interface roc-argile. L'explosion est localisée à gauche et est identifié par la ligne rouge. (Johansson et al., 2013) ... 50 Figure 2.1: Figure de localisation du glissement de terrain et du village de la Romaine au Québec (modifiée de Locat et coll., 2010) ... 53 Figure 2.2: Vue aérienne du glissement de terrain, avec identification de la zone de sautage, de la zone de retombée des débris et de la route en construction ... 54
Figure 2.3 : Vue en plan avant (a) et après (b) glissement ... 55
Figure 2.4 : Coupe transversale AA’ ... 55
Figure 2.5 : Localisation des sondages de la campagne d’investigation 2009 ... 58
Figure 2.6 : Localisation des sondages de la campagne 2012 ... 62
Figure 2.7 : Échantillonneur Laval au site de La Romaine ... 65
Figure 2.8 : Détubage et paraffinage sur place des échantillons grand diamètre ... 65
Figure 2.9 : Entreposage des échantillons grand diamètre dans des boîtes en bois confectionnées spécialement pour le transport. Du papier bulle a été ajouté pour empêcher les échantillons de se déplacer. ... 66
Figure 2.10 : Profil géotechnique du dépôt de La Romaine (forages 93030 et 93041)... 71
Figure 2.11: Patron de sautage incluant les temps de délai entre chacun des trous et la séquence de détonation ... 74
Figure 2.12 : Vue du patron du sautage modélisé dans I-Blast (Bouchard et al., 2015) ... 76
Figure 2.13 : Vue à l’intérieur du glissement vers l’ouest, la zone de dynamitage est identifiée ainsi que la zone des blocs dynamités ... 77
Figure 2.14 : Identification de la surface de rupture par la comparaison d’un profil de piézocône dans les matériaux intacts C93030, en noir avec un profil de piézocône à l’intérieur du glissement C93022, en mauve ... 78
Figure 2.15 : Localisation des coupes 1, 3 et 7 réalisées par le MTQ et utilisées pour présenter la surface de rupture. La coupe A-A’ de la figure 1.3 est également présentée à titre indicatif. (Voir Figure 2.5 pour la localisation) ... 79
Figure 2.16 : Localisation de la surface de rupture pour la coupe 1 ... 80
Figure 2.17: Localisation de la surface de rupture pour la coupe 3 ... 81
Figure 2.18 : Localisation de la surface de rupture pour la coupe 7 ... 82
Figure 2.19 : Déplacements verticaux calculés (Locat et al, 2010) ... 83
Figure 2.20 : Modélisation du talus avant les évènements de sautage ... 85
Figure 2.21: Résultat de l’analyse de stabilité à long terme en utilisant les paramètres de Lefebvre (1981) pour l’argile pour une première rupture possible ... 86
Figure 2.22: Résultat de l'analyse à long terme avec les paramètres de Lefebvre pour la surface de rupture réelle ... 87
xvi
Figure 2.23 : Modèle de terrain et paramètres de résistance utilisés pour l’analyse en
conditions non drainés ... 88
Figure 2.24 : Résultat de l’analyse en contraintes totales incluant la surcharge qui représente les débris de sautage sur la surface de rupture réelle ... 89
Figure 2.25: Résultat de l’analyse paramétrique pour trouver le poids des débris qui entraînerait la rupture de la pente. Ici, pour une hauteur de remblai de 10 m. ... 89
Figure 2.26 : Résultat de l’analyse de stabilité considérant la force d’impact des matériaux rocheux sur le dépôt d’argile ... 90
Figure 3.1 : Essai de consolidation œdométrique TM2B (17,8 m à 17,94 m) ... 96
Figure 3.2 : Essai de consolidation œdométrique TM3B (18,44 m à 18,58 m) ... 97
Figure 3.3: Essai de consolidation œdométrique TM5B (20,24 m à 20,38 m) ... 97
Figure 3.4 : Essai de consolidation œdométrique TM7B (22,22 m à 22,32 m) ... 98
Figure 3.5: Comportement en contrainte-déformation des essais CAU dans le domaine surconsolidé ... 101
Figure 3.6: Comportement des pressions interstitielles vs les déformations pour les essais CAU dans le domaine surconsolidé ... 102
Figure 3.7: Comportement contrainte-déformation des essais CIU dans le domaine normalement consolidé ... 102
Figure 3.8 : Comportement pressions interstitielles-déformations des essais CIU dans le domaine normalement consolidé ... 103
Figure 3.9: Cheminements de contraintes des essais triaxiaux présentés dans le diagramme de Cambridge ... 103
Figure 3.10: Courbes contrainte-déformation et cheminement des contraintes pour les essais de cisaillement simple monotones ... 105
Figure 3.11 : Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3C-3C ... 110
Figure 3.12 : Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles de l’essai TM3C-3C ... 110
Figure 3.13 : Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3A-6C ... 111
Figure 3.14 : Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la rupture
de l’essai TM3A-6C ... 111 Figure 3.15: Nombre de cycles à la rupture en fonction du ratio de contrainte cyclique sur la résistance au cisaillement (tous les essais) ... 112 Figure 3.16: Nombre de cycles à la rupture en fonction du ratio de contrainte cyclique sur la résistance au cisaillement (essais conservés)... 113 Figure 3.17 : Courbe du module à petite déformation en fonction de la déformation de cisaillement à la colonne de résonnance de l’échantillon TM2-C ... 118 Figure 3.18 : Courbe du module à petite déformation en fonction de la déformation de cisaillement à la colonne de résonnance de l’échantillon TM5-A... 119 Figure 3.19 : Courbe du module à petite déformation en fonction de la déformation de cisaillement à la colonne de résonnance de l’échantillon TM7-A1... 119 Figure 3.20 : Courbe du module à petite déformation en fonction de la déformation de cisaillement à la colonne de résonnance de l’échantillon TM7-A2... 120 Figure 3.21 : Comparaison des essais à la colonne de résonnance réalisés sur les argiles sensibles de La Romaine avec les courbes de Dobry et Vucetic (1991) ... 120 Figure 3.22 : Résultats d’amortissement obtenus à la colonne de résonnance et comparés avec les courbes génériques de Dobry et Vucetic (1991) ... 121 Figure 3.23 : Vue aérienne du glissement de La Romaine et localisation des essais de terrain. La ligne bleue représente la section présentée à la Figure 1.36 (modifiée de Bouchard et al., 2017)... 122 Figure 3.24 : Stratigraphie générale du site (section AA’ de la Figure 3.23) (modifiée de Bouchard et al., 2017)... 122 Figure 3.25 : Spectre de Fourier pour les trois composantes au site 93042 ... 124 Figure 3.26: Rapport spectral moyen H/V déterminé par analyse du bruit ambiant selon la méthode de Nakamura au site 93042 ... 124 Figure 3.27 : a) vs à partir du SCPTu, b) vs obtenue à la colonne de résonnance et avec les
languettes piézoélectriques, c) valeurs de vs de la colonne de résonnance corrigées aux
contraintes in situ, vs à partir du SCPTu, vs moyen du SCPTu extrapolée à 48 m et vs à
xviii
Figure 4.1 : Projections longitudinales des talus gauche et droit montrant la stratigraphie du mort-terrain (RSW, 2007)... 130 Figure 4.2 : Positionnement des géophones et des piézomètres pour un sautage typique – Coupe transversale typique (RSW, 2007) ... 134 Figure 4.3 : Localisation des sautages, des géophones et des piézomètres entre les PM 1690 et 1480 (rive gauche) ... 135 Figure 4.4 : Localisation des sautages, des géophones et des piézomètres entre les PM 1690 et 1480 (rive droite) (tiré de RSW, 2007) ... 135 Figure 4.5 : Vue en plan du canal de fuite et emplacement du sautage CF-B1M07 et des géophones dans les talus, les coupes A-A’ et B-B’ sont indiquées. Note : le GP-3 a été localisé par l’auteure de cette thèse selon les informations disponibles (modifiée de RSW, 2007). ... 138 Figure 4.6 : Croquis du sautage CF-B1M07 ... 139 Figure 4.7 : Coupe stratigraphique au PM 1580 avec localisation des géophones ... 139 Figure 4.8 : Enregistrement des vibrations au roc (GP-3) du sautage CF-B1M07 dans la direction longitudinale en fonction du temps et le spectre de Fourier ... 140 Figure 4.9 : Enregistrement des vibrations au roc (GP-3) du sautage CF-B1M07 dans la direction transversale en fonction du temps et le spectre de Fourier ... 141 Figure 4.10 : Enregistrement des vibrations dans le talus rive droite (GP-13) du sautage CF-B1M07 dans la direction longitudinale en fonction du temps et le spectre de Fourier ... 141 Figure 4.11 : Enregistrement des vibrations dans le talus rive droite (GP-13) du sautage CF-B1M07 dans la direction transversale en fonction du temps et le spectre de Fourier ... 141 Figure 4.12 : Vitesse en pointe des particules en fonction de la distance des géophones par rapport au sautage ... 144 Figure 4.13 : Fréquence dominante en fonction de la distance des géophones par rapport au sautage ... 145 Figure 5.1 : Dimension du domaine, dimension des éléments et conditions aux frontières initiales ... 151 Figure 5.2 : Méthodologie schématique du développement de la fonction P(t) servant à simuler le sautage ... 157
Figure 5.3 : Signal au roc à 22 m filtré à 100 Hz, corrigé pour la ligne de conduite, vpp=20
mm/s ... 158
Figure 5.4: Signal au roc corrigé pour R=1 m. Signal d’entrée dans la modélisation vpp=3 800 mm/s ... 158
Figure 5.5: Modèle numérique utilisé pour le développement de la fonction de charges. La zone de sautage est agrandie dans la section gauche de la figure... 159
Figure 5.6 : Pression normale (P(t) en fonction du temps à 1,5 m du bord de l’excavation (P1 à la figure 1.5) ... 160
Figure 5.7 : Variation de la pression en fonction du temps selon la norme TM5-855-1 (1986) pour une seule explosion ... 160
Figure 5.8 : Représentation schématique d’un chargement dynamique de sautage pour une seule explosion (Ritika et al., 2011) ... 161
Figure 5.9 : Modèle utilisé pour simuler une explosion unique (Silva-Castro et al., 2011) ... 161
Figure 5.10 : Approximation de la fonction pression calculée par FLAC par fonction cosinusoïdale ... 163
Figure 6.1 : Modèle numérique de terrain du site Eastmain-1 ... 166
Figure 6.2 : Modèle de terrain avec localisation du sautage et du GP-13 ... 170
Figure 6.3 : Contour des déformations de cisaillement lors du sautage ... 172
Figure 7.1 : Schéma de la durée des chargements survenus au site de La Romaine ... 175
Figure 7.2 : Définition simplifiée du domaine géométrique et conditions aux frontières appliquées lors de l’étape d’initialisation des contraintes ... 178
Figure 7.3 : Modèle stratigraphique utilisé dans FLAC ... 179
Figure 7.4 : Profil de vs utilisé dans FLAC à partir de l’essai au piézocône sismique ... 180
Figure 7.5 : Courbe de réduction du module de l’argile de La Romaine avec le modèle sig3 avec données de laboratoire des essais obtenus à la colonne de résonnance, ainsi que les courbes d’amortissement des données de Seed et Idriss et Seed et Sun (fournit dans le manuel de FLAC) ... 182
Figure 7.6 : Figure semi-schématique pour la détermination de la résistance au cisaillement à utiliser dans la modélisation de La Romaine ... 184
xx
Figure 7.7 : Profil des résistances au cisaillement mesuré au scissomètre et piézocône et multiplié par un facteur de 1.3 ... 185 Figure 7.8 : Modèle simplifié de terrain général et localisation du 2ième sautage dans le modèle (pas à l’échelle). Noter que la géométrie de ce modèle simplifié ne correspond pas à la géométrie considérée lors des simulations numériques (Figures 7.10 et 7.11) ... 187 Figure 7.9 : Forme de l’impulsion (fonction de charge) utilisée pour la simulation du sautage réalisée à La Romaine... 189 Figure 7.10 : Déformations de cisaillement maximales dans la couche d’argile après le sautage (2 sec après le début du sautage) ... 191 Figure 7.11 : Superposition des déformations dans l’argile avec les élévations de la surface de rupture déduites à partir des essais au piézocône ... 192 Figure 7.12: Localisation des points de mesure des vitesses ... 194 Figure 7.13: Vitesses en pointe des particules calculées dans FLAC selon leur emplacement ... 195 Figure 7.14 : Vitesses en pointe des particules mesurées à différentes distances du sautage ... 195
Figure Annexe A-1: Photographie aérienne du glissement de La Romaine prise le 2009-08-21. Vue vers le nord. ... 219 Figure Annexe A-2: Escarpement arrière du glissement et fissure à l’intérieur du glissement (2009-08-12). Délimitation entre la couche de tourbe et la couche d’argile, vue vers le nord-ouest. ... 219 Figure Annexe A-3: Photographie aérienne de l’escarpement arrière du glissement et de la fissure à l’intérieur du glissement (2009-08-12). Délimitation entre la couche de tourbe et la couche d’argile, vue vers le nord-ouest. ... 220 Figure Annexe A-4: Conifères inclinés à cause du mouvement de la masse de sol, photographie prise le 2009-08-12, vue vers le sud. ... 220 Figure Annexe A-5: Photographie de la zone de sautage et une partie des fragments rocheux ayant tombés sur le sol. Photographie prise le 2009-08-12, vue vers le sud-ouest. ... 221
Figure Annexe A-6: Zone de retombée des débris, photographie prise le 2009-08-12, vue vers l'est à partir de la zone de sautage. ... 221 Figure Annexe A-7: Photographie des débris rocheux ayant été projetés sur la tourbe, prise le 2009-08-12, vue vers l’est. ... 222 Figure Annexe A-8: Tourbières, vue vers l'ouest de l’éperon rocheux. Photographie prise le 2012-11-18 ... 222 Figure Annexe A-9: Zone de sautage et des débris rocheux, photographie prise le 2012-11-18. Vue vers l'ouest. ... 223 Figure Annexe A-10: Fissure dans le glissement de terrain, photographie prise le 2012-11-18. Vue vers le nord. ... 223 Figure Annexe A-11: Éclaboussure de tourbe suite à la retombée de fragments rocheux. Photographie prise le 2012-11-18. ... 224 Figure Annexe A-12: Escarpement arrière, photographie prise le 2012-11-18, vue vers l’ouest. ... 224 Figure Annexe A-13: Escarpement arrière, photographie prise le 2012-11-18. Vue vers le nord. ... 225 Figure Annexe A-14: Zone de retombée des débris et accumulation d’eau suite au glissement, photographie prise le 2012-11-18. Vue vers l’est. ... 225 Figure Annexe A-15: Fissure longitudinale dans le glissement de terrain, photographie prise le 2012-11-18. Vue vers l’est. ... 226 Figure Annexe A-16: Paroi verticale laissée libre suite au 2ième sautage, photographie prise le 2012-11-18. Vue vers le nord. ... 226 Figure Annexe C-1: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93020... 249 Figure Annexe C-2: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93021... 250 Figure Annexe C-3: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93022... 251 Figure Annexe C-4: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93024... 252
xxii
Figure Annexe C-5: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93025... 253 Figure Annexe C-6: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93027... 254 Figure Annexe C-7: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93028... 255 Figure Annexe C-8: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93029... 256 Figure Annexe C-9: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93030... 257 Figure Annexe C-10: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93031 ... 258 Figure Annexe C-11: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93032 ... 259 Figure Annexe C-12: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93035 ... 260 Figure Annexe C-13: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93037 ... 261 Figure Annexe C-14: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93039 ... 262 Figure Annexe C-15: Profil de résistance et des pressions interstitielles générées pour l’essai au piézocône C93040 ... 263 Figure Annexe D-1: Profil de résistance au cisaillement obtenu avec le scissomètre de chantier, sondage no S93020 ... 265 Figure Annexe D-2: Profil de résistance au cisaillement obtenu avec le scissomètre de chantier, sondage no S93029 ... 266 Figure Annexe D-3: Profil de résistance au cisaillement obtenu avec le scissomètre de chantier, sondage no S93030 ... 267 Figure Annexe D-4: Profil de résistance au cisaillement obtenu avec le scissomètre de chantier, sondage no S93032 ... 268
Figure Annexe D-5: Profil de résistance au cisaillement obtenu avec le scissomètre de chantier, sondage no S93033 ... 269 Figure Annexe D-6: Profil de résistance au cisaillement obtenu avec le scissomètre de chantier, sondage no S93034 ... 270 Figure Annexe D-7: Profil de résistance au cisaillement obtenu avec le scissomètre de chantier, sondage no S93035 ... 271 Figure Annexe D-8: Profil de résistance au cisaillement obtenu avec le scissomètre de chantier, sondage no S93038 ... 272 Figure Annexe D-9: Profil de résistance au cisaillement obtenu avec le scissomètre de chantier, sondage no S93039 ... 273 Figure Annexe F-1: Essai de consolidation œdométrique de l’échantillon T-111 du forage F93024 ... 289 Figure Annexe F-2: Essai de consolidation œdométrique de l’échantillon T-112 du forage F93024 ... 290 Figure Annexe F-3: Essai de consolidation œdométrique de l’échantillon T-115 du forage F93024 ... 291 Figure Annexe F-4: Lectures de l’essai de consolidation œdométrique de l’échantillon TM-3 du forage F9TM-30TM-3TM-3 ... 292 Figure Annexe F-5: Essai de consolidation œdométrique de l’échantillon TM-3 du forage F93033 ... 293 Figure Annexe F-6: Lectures de l’essai de consolidation œdométrique de l’échantillon TM-4 du forage F93033 ... 29TM-4 Figure Annexe F-7: Essai de consolidation œdométrique de l’échantillon TM-4 du forage F93033 ... 295 Figure Annexe F-8: Lectures de l’essai de consolidation œdométrique de l’échantillon TM-8 du forage F93033 ... 296 Figure Annexe F-9: Essai de consolidation œdométrique de l’échantillon TM-8 du forage F93033 ... 297 Figure Annexe F-10: Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3A-7C ... 298
xxiv
Figure Annexe F-11: Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la
rupture de l’essai TM3A-7C ... 298 Figure Annexe F-12: Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3A-8C ... 299 Figure Annexe F-13: Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la
rupture de l’essai TM3A-8C ... 299 Figure Annexe F-14: Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3A-5C ... 300 Figure Annexe F-15: Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la
rupture de l’essai TM3A-5C ... 300 Figure Annexe F-16: Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3A-4C ... 301 Figure Annexe F-17:Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la
rupture de l’essai TM3A-4C ... 301 Figure Annexe F-18: Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3A-3C ... 302 Figure Annexe F-19: Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la
rupture de l’essai TM3A-3C ... 302 Figure Annexe F-20: Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3A-2C ... 303 Figure Annexe F-21: Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la
rupture de l’essai TM3A-2C ... 303 Figure Annexe F-22: Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3C-1C ... 304 Figure Annexe F-23: Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la
rupture de l’essai TM3C-1 ... 304 Figure Annexe F-24: Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3C-2C(2) ... 305 Figure Annexe F-25: Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la
Figure Annexe F-26: Contrainte de cisaillement cyclique et déformation angulaire de l’essai TM3C-1C ... 306 Figure Annexe F-27: Déformation angulaire, ru et u en fonction du nombre de cycles à la
rupture de l’essai TM3C-2C ... 306 Figure Annexe I-1: Rapport spectral moyen H/V déterminé par analyse du bruit ambiant selon la méthode de Nakamura au site 93024 ... 324 Figure Annexe I-2: Spectre de Fourier pour les trois composantes au site 93024 ... 324 Figure Annexe I-3: Rapport spectral moyen H/V déterminé par analyse du bruit ambiant selon la méthode de Nakamura au site 93041 ... 324 Figure Annexe I-4: Spectre de Fourier pour les trois composantes au site 93041 ... 325 Figure Annexe I-5: Rapport spectral moyen H/V déterminé par analyse du bruit ambiant selon la méthode de Nakamura au site 93042 ... 325 Figure Annexe I-6: Spectre de Fourier pour les trois composantes au site 93042 ... 325
xxvi
Liste des tableaux
Tableau 1.1: Les différents cas de glissements et leurs principales caractéristiques. ... 17 Tableau 1.2: Géométrie des glissements de terrain dans les argiles sensibles provoqués par sautage ... 19 Tableau 1.3: Stratigraphie et propriétés des argiles impliquées. ... 20 Tableau 1.4: Vitesses maximales permises en fonction des fréquences de vibrations au sol (Directive 019) ... 44 Tableau 1.5: Vitesses maximales permises en fonction des fréquences de vibrations au sol (Directive 019) ... 45 Tableau 1.6: Limites de vibrations pour des sols en particulier selon différentes références ... 46 Tableau 2.1: Description générale des sondages réalisés lors de la campagne 2012 ... 59 Tableau 2.2 : Description générale des sondages réalisés lors de la campagne 2012 ... 63 Tableau 2.3 : Installation de piézomètres ... 69 Tableau 2.4 : Informations relatives au patron de sautage dans I-Blast ... 75 Tableau 2.5 : Paramètres de résistance utilisés pour l'analyse de stabilité à long terme en contraintes effectives (paramètres de Lefebvre (1981) pour l'argile) ... 85 Tableau 2.6 : Paramètres utilisés pour l’analyse en contraintes totales avec le poids des fragments rocheux sur la pente ... 88 Tableau 2.7 : Résumé des résultats des analyses de stabilité réalisés pour La Romaine avec
Slope/W ... 91
Tableau 3.1 : Nature et profondeur des essais réalisés sur le Forage GD93041 ... 94 Tableau 3.2: Résultats des essais œdométriques pour l’argile de La Romaine (forage F-1) 96 Tableau 3.3: Résultats des essais triaxiaux CAU et CIU pour les argiles de La Romaine (forage F-1) ... 101 Tableau 3.4 : Caractéristiques et résultats des essais de cisaillement simple monotones pour les argiles de La Romaine (forage F-1) ... 104 Tableau 3.5 : Comparaison des valeurs de résistance pour les argiles de La Romaine... 107 Tableau 3.6 : Programme des essais de cisaillement simple cycliques ... 108 Tableau 3.7: Résultats des essais de cisaillement simple cycliques ... 109 Tableau 3.8 : Description des échantillons pour les essais à la colonne de résonnance ... 116
Tableau 3.9 : Résultats obtenus à la colonne de résonnance et aux languettes piézoélectriques ... 117 Tableau 3.10 : Résultats des vs in situ ... 124
Tableau 4.1 : Caractéristiques géotechniques du dépôt argileux (Note de conception, RSW 2007) ... 131 Tableau 4.2 : Caractéristiques mécaniques et physiques du roc (modifié de RSW, 2007) 132 Tableau 4.3 : Informations générales du sautage CF-B1M07 ... 136 Tableau 4.4 : Position des géophones installés dans les talus ayant enregistrés les vibrations du sautage CF-B1M07 ... 137 Tableau 4.5 : Tableau résumé des éléments étudiés des enregistrements disponibles pour le sautage CF-B1M07 ... 147 Tableau 5.1 : Résumé des caractéristiques générales du modèle ... 151 Tableau 5.2 : Propriétés du roc ... 152 Tableau 6.1: Résumé des différentes caractéristiques du modèle géométrique dans FLAC ... 167 Tableau 6.2 : Propriétés des matériaux utilisées dans FLAC en conditions drainées pour modéliser l’état initial ... 167 Tableau 6.3 : Propriétés des matériaux utilisées dans FLAC en conditions non drainées lors de la modélisation du sautage ... 169 Tableau 6.4 : Vitesses calculées par le modèle numérique FLAC et sur le terrain GP-13. 172 Tableau 7.1 : Caractéristiques générales de la modélisation numérique du talus de La Romaine. ... 177 Tableau 7.2 : Propriétés des matériaux utilisées pour les conditions initiales (conditions drainées). Note : les propriétés de l’argile sont indiquées en fonction de l’élévation FLAC ... 178 Tableau 7.3 : Paramètres utilisés pour la formulation de l’amortissement hystérétique du modèle sig3 pour la Romaine et pour les données de Seed et Sun ainsi que Seed et Idriss ... 182 Tableau 7.4 : Paramètres géotechniques utilisés pour l’analyse numérique du site de La Romaine dans FLAC ... 186
xxviii
Tableau 7.5 : Paramètres utilisés pour le calcul de la pression maximale du sautage de La Romaine ... 188 Tableau 7.6 : Comparaison des vitesses en pointe des particules calculées dans FLAC, estimées par la méthode semi-empirique et mesurées sur le terrain... 197
Tableau Annexe E-1: Profondeur et élévation des échantillons du forage F93024 ... 275 Tableau Annexe E-2: Profondeur et élévation des échantillons du forage F93030 ... 275 Tableau Annexe E-3: Profondeurs et élévation des échantillons du forage F93033 ... 276 Tableau Annexe E-4: Profondeur et élévation des échantillons du forage F93038 ... 276 Tableau Annexe E-5: Profondeur et élévation des échantillons du forage F-93041 ... 277 Tableau Annexe E-6: Profondeur et élévation des échantillons du forage GD93041 ... 278 Tableau Annexe E-7: Nature et profondeur des essais effectués au forage F93024 ... 279 Tableau Annexe E-8: Nature et profondeur des essais du forage F93030 ... 280 Tableau Annexe E-9: Nature et profondeur des essais du forage F93033 ... 281 Tableau Annexe E-10: Nature et profondeur des essais du forage F93038 ... 281 Tableau Annexe E-11: Nature et profondeur des essais pour le forage F93041 ... 282 Tableau Annexe E-12: Nature et profondeur des essais pour le forage GD93041 ... 282 Tableau Annexe E-13: Résultats des essais de caractérisation réalisés sur les échantillons du forage F93024 ... 283 Tableau Annexe E-14: Résultats des essais œdométriques réalisés sur les échantillons du forage F93024 ... 284 Tableau Annexe E-15: Résultats des essais de caractérisation réalisés sur les échantillons du forage F93030 ... 284 Tableau Annexe E-16: Résultats des essais de caractérisation réalisés sur les échantillons du forage F93033 ... 285 Tableau Annexe E-17: Résultats des essais de consolidation œdométrique réalisés sur les échantillons du forage F93033 ... 285 Tableau Annexe E-18: Résultats des essais de caractérisation réalisés sur les échantillons du forage F93038 ... 286 Tableau Annexe E-19: Résultats des essais de caractérisation réalisés sur les échantillons du forage F93041 ... 286
Tableau Annexe E-20: Résultats des essais de caractérisation réalisés sur les échantillons du forage GD93041 ... 287 Tableau Annexe G-1: Lectures piézométriques du piézomètre F93024 ... 308 Tableau Annexe G-2: Lectures piézométriques du piézomètre 93030... 309 Tableau Annexe G-3: Lectures piézométriques du piézomètre 93031... 310 Tableau Annexe G-4: Lectures piézométriques du piézomètre 93033... 311 Tableau Annexe G-5: Lectures piézométriques du piézomètre 93038... 312
xxx
Liste des abréviations, sigles, acronymes
c’ : cohésion
Cc : indice de compression
CAU : essai de cisaillement triaxial à consolidation anisotrope non drainé CIU : essai de cisaillement triaxial à consolidation isotrope non drainé C.S. : coefficient de sécurité
Dmoy : Dimension moyenne
picdéformation au pic
e : indice des vides
eo : indice des vides initial
Emax : module de Young maximal
f : fréquence
Fo : fréquence dominante
Gmax : module de cisaillement maximal
: poids volumique
: déformation de cisaillement H : hauteur de l’échantillon
I: moment d’inertie polaire massique (mass polar moment of inertia)
Io: moment d’inertie polaire massique du système d’entrainement (mass polar moment of
the driving system)
IL : indice de liquidité
IP : indice de plasticité
Jp : moment d’inertie d’aire polaire
K : constante de site pour le calcul de la vpp
K0 : coefficient de pression des terres au repos
: longueur d’onde
Mt : module tangent
Ms : module sécant
NC : normalement consolidé N (cycle) : Nombre de cycles
Nkt : indice reliant la résistance corrigée au piézocône, la contrainte totale verticale et la
résistance au cisaillement intacte du sol
Nt : indice reliant la résistance corrigée au piézocône, la contrainte totale verticale et la
pression de préconsolidation du sol ru : rapport de pression interstitielle
OCR : rapport de surconsolidation OC : surconsolidé
’ : contrainte effective moyenne
'c : pression de confinement
'p : pression de préconsolidation
1, '1 : contraintes totale et effective majeures
3, '3 : contraintes totale et effective mineures
t : demi déviateur (Lambe)
q’ : contrainte moyenne de Cambridge P50 : pression maximale
P0 : pression ambiante
p : contrainte déviatorique de Cambridge
':angle de frottement
qt : résistance en pointe au piézocône
: masse volumique
R : distance d’un point par rapport au sautage Ru : rapport de pression interstitielle
s’ : contrainte effective moyenne (Lambe) St : sensibilité
xxxii Su : résistance au cisaillement non drainée
Sur : résistance au cisaillement non drainée remaniée
Sum : résistance au cisaillement non drainée évaluée au DSS monotone
Suv : résistance au cisaillement non drainée évaluée au scissomètre
Suc : résistance au cisaillement non drainée évaluée au cône suédois
ta : temps où la pression maximale d’un sautage est atteinte
td : durée de la phase positive d’une fonction de pression
td- : durée de la phase négative d’une fonction de pression
contrainte de cisaillement
cyc : contrainte de cisaillement cyclique
To : période dominante
u : pression interstitielle
: coefficient de poisson
vpp : vitesse en pointe des particules
vs : vitesse de propagation des ondes de cisaillement
W : charge par délai w : teneur en eau wL : limite de liquidité
wP : limite de plasticité
xxxiv
Remerciements
Cette section est écrite depuis longtemps, il faut croire que j’ai toujours eu de l’inspiration pour cette partie.
Merci d’abord à mon directeur de recherche, Serge Leroueil, dont j’ai eu la chance d’être la dernière étudiante au doctorat. Votre rigueur, votre passion pour la recherche et votre sagesse ont su m’inspirer durant ces dernières années. Ce fut un énorme plaisir de vous côtoyer et de travailler à vos côtés. Vous avez été un excellent guide et vous m’avez fait (beaucoup) réfléchir. Je souhaite que votre influence continue de me guider durant ma carrière et je vous remercie d’avoir cru en mon potentiel.
Je remercie mon codirecteur, Denis LeBoeuf, pour ses conseils constructifs et nos discussions intéressantes sur la dynamique et la mécanique des sols. Merci pour votre disponibilité et vos éclaircissements. Je me considère très choyée d’avoir travaillé à vos côtés. Je vais toujours me souvenir à quel point vous pouvez citer les références avec une mémoire incomparable!
Je remercie infiniment mon conjoint Charles, qui contribue énormément à mon développement personnel et professionnel. Merci d’embellir mes journées et surtout de me faire rire. Bien sûr que je les trouve encore drôles tes blagues (public no 1 depuis 2008). Je suis très chanceuse de t’avoir à mes côtés et la fondation de notre famille demeure la réalisation qui m’apporte le plus de fierté.
Je tiens à remercier mes deux premiers enseignants: mes deux parents. Ils ont su me transmettre des valeurs et des outils qui m’ont servie à maintes reprises. Merci à ma mère Esther pour être simplement ce qu’elle est. Toujours prête pour un FaceTime, une visite à Québec, en Norvège ou à Naples… Elle a été d’un support remarquable et sa présence est importante pour moi. Merci à mon père Régis, qui m’a épaulée durant ces nombreuses années d’étude. Il a toujours été présent pour des révisions de demande de bourse ou de présentations orales. Tout cela en plus de me donner l’exemple d’un géotechnicien d’expérience. C’est une chance de partager le même domaine que lui.
Je remercie les professeurs du département de génie civil et génie géologique et autres associés, particulièrement: Jacques Locat, Ariane Locat, Jean-Marie Konrad et Didier Perret. Vous m’avez tous fait réfléchir à votre façon, en posant de bonnes questions et en soulignant des points importants pendant les différentes étapes du projet. Merci pour vos discussions et surtout votre intérêt pour la recherche. Votre présence a été importante dans mon cheminement. Merci à Didier Perret qui nous a prêté l’appareil sismomètre triaxial pour les mesures de période fondamentale du dépôt au site de La Romaine.
Un énorme merci à Christian Juneau qui m’a aidée dans les essais de laboratoire, qui a réparé le DSS je ne sais plus combien de fois, merci pour sa patience, ses conseils et surtout son expérience grandement appréciée. Merci aussi à François Gilbert qui m’a aidée avec le DSS. Nous sommes très chanceux de vous avoir au département.
Je remercie la Direction de la géotechnique et de géologie du ministère des Transports qui m’a influencée et appuyée dans le choix de faire des études supérieures lors de mes stages effectués au baccalauréat. Merci également de m’avoir fait confiance pour relever les défis associés à ce projet. Je remercie particulièrement Marie-Christine Delisle, Denis Demers, Janelle Potvin, Pascal Locat, Pierre Dorval, François Bossé et Pierre-Luc Deschênes.
Je tiens à remercier mes amies Jessie et Maxine avec qui ce fut si agréable de faire les cours et les travaux de maîtrise ensemble. Nous avons su joindre le travail et le plaisir et c’est ce qui fait que les années passées en votre compagnie ont passé si vite. Je remercie également les étudiants côtoyés à la maîtrise et au doctorat du département de génie civil et de génie des eaux pour la belle ambiance et l’esprit de collaboration.
I thank the very nice collaboration with NGI colleagues. Jean-Sébastien L’Heureux and Jörgen Johansson, thank you so much to have welcomed me at NGI in Oslo during the 2015 autumn. It was such a great experience to work with you.
Thanks to Professor Giovanni Cascante and Hassan Ali to have welcomed me at Waterloo University to perform resonant column tests in the 2015 summer.
xxxvi
Un merci spécial aux collègues du LERN au 5ième étage du pavillon Pouliot : François Noël, Dominique Turmel, Catherine Cloutier, Kevin Hébert, Sandra Veillette, Frédérique Tremblay-Auger, Jonathan Leblanc, Alain Durand, Mélanie Mayers, Karine Bélanger, et d’autres. Ce fut un réel plaisir de vous côtoyer et de travailler à vos côtés.
Je remercie Paméla Chamberland, Vincent Castonguay et Soufiane Mouhoute pour leur aide lors de la finalisation de ce travail.
Finalement, je remercie les organismes qui ont supporté financièrement ce projet de recherche : le ministère de la Sécurité Publique (MSP), le ministère des Transports (MTQ) et le Centre de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG). Hydro-Québec, SNC-Lavalin (bureau de Saguenay) et la Société d’énergie de la Baie-James (SEBJ) sont également remerciés pour la collaboration à ce projet.
J’ai eu la chance d’être bien entourée pendant les études supérieures; j’ai eu d’excellents conseillers, des amis/famille/belle-famille de qualité, des professeurs intéressants qui ont suscité l’intérêt de la recherche et des collègues/collaborateurs agréables et qualifiés. À toutes ces personnes qui ont contribué à ce projet de doctorat, mais aussi à ceux qui m’ont appuyée personnellement et m’ont fait grandir, je vous remercie.
Introduction
Problématique et contexte de la recherche
Le 1er août 2009, un important glissement de terrain est survenu dans l’argile au village de La Romaine pendant la construction de la route 138, qui suit la rive nord du St-Laurent (Figure 0.1). Des travaux de sautage avaient lieu dans le but d’excaver une partie d’un affleurement rocheux localisé sur le tracé de la route. Le glissement de terrain serait survenu à la suite d’un deuxième sautage. Lors des travaux, les fragments rocheux issus de la fragmentation du roc excavé ont été projetés sur les sols à proximité et le glissement s’est alors produit. Les travaux de construction ont été suspendus et une équipe du ministère des Transports (MTQ) s’est déplacée sur le site. Par la suite, une campagne d’investigation et des travaux de laboratoire ont été réalisés pour étudier le glissement. Les principaux résultats obtenus ont été publiés dans l’article de Locat et al. 2010. Toutefois, suite à cette première investigation, des interrogations subsistaient, en particulier concernant le mécanisme de rupture. De plus, il n’y a pas eu d’enregistrement des vibrations pendant les opérations de sautage, ce qui représente une problématique en soi pour l’analyse de ce cas. L’étude du glissement de La Romaine a entraîné de nombreux questionnements, notamment sur les effets de sautage à proximité de talus naturels et particulièrement dans les dépôts d’argile sensible que l’on retrouve particulièrement dans l’Est du Canada et en Scandinavie. L’étude du cas de La Romaine s’est poursuivie dans ce projet de doctorat afin de comprendre la raison de la rupture et d’améliorer nos connaissances dans le domaine. De plus, une problématique plus générale a été remarquée. En effet, un premier regard sur les recherches effectuées dans le domaine du sautage et de ses effets a mis en évidence l’absence de méthode d’évaluation de la stabilité des pentes soumises à des vibrations provenant de sautage dans le roc.
Objectifs du projet
Trois objectifs principaux ont été identifiés pour ce projet de recherche. Le premier et le plus important est de comprendre le glissement de terrain de La Romaine et le mécanisme de rupture survenu. Le second est de développer et de mettre en œuvre une méthode d’analyse pour évaluer les effets des sautages sur la stabilité de pentes. Le troisième
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objectif est de tirer des conclusions de ce travail et de proposer des recommandations pratiques.
Figure 0.1: Localisation des sites Eastmain-1 et le village de La Romaine
Méthodologie
Pour atteindre les objectifs de ce projet de recherche, les étapes de la méthodologie ont été définies :
1) Recenser et synthétiser les différents cas de glissements de terrain dans les argiles sensibles qui ont été provoqués par ou qui ont suivi des travaux de sautage ;
2) Procéder à un état des connaissances dans le domaine du sautage ainsi que ses effets sur les sols, revue des normes et des limites de vibrations recommandées pour les différents types de sol ;
3) Caractériser les sols et le glissement de La Romaine grâce à des essais in situ et en laboratoire afin de définir les matériaux et les propriétés dynamiques de ceux-ci pour permettre la réalisation des analyses de stabilité ;
4) Développer un modèle numérique pour simuler un chargement par sautage puisqu’il n’existe pas actuellement de méthodes pour évaluer la stabilité d’un talus soumis à des vibrations provenant de sautage. Un modèle numérique a été développé dans le logiciel FLAC. Une fois, le modèle développé, l’utiliser sur un cas avec des données d’enregistrement des vibrations disponibles (cas de Eastmain-1) (Figue 0.1) ;
5) Utiliser le modèle développé au point 4 pour l’analyse du cas de La Romaine (Figure 0.1) ;
6) Considérer la problématique de manière générale et proposer des recommandations relatives aux sautages dans le roc à proximité de talus dans des argiles sensibles.
La méthodologie générale est schématisée à la Figure 0.2.
Figure 0.2: Schéma de la méthodologie employée
Organisation de la thèse
D’abord, une revue de littérature est présentée au chapitre 1. Cet état des connaissances se divise en deux parties. La première partie est une revue de cas de glissements de terrain dans des dépôts d’argile sensible qui ont pu être causés par des travaux de sautage à proximité. La seconde partie aborde le thème du sautage en général, de la théorie jusqu’à la
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simulation numérique dans le contexte de stabilité des pentes. Le chapitre 2 présente les travaux de terrain qui ont permis de caractériser le site d’étude de La Romaine ainsi que les analyses de stabilité conventionnelles. Le chapitre 3 présente l’étude en laboratoire des propriétés dynamiques de l’argile de La Romaine. Le chapitre 4 présente un second site d’étude avec des enregistrements disponibles de vibrations de sautage ; le cas utilisé est un cas d’aménagement d’un canal de fuite pour un barrage dans le nord du Québec, Eastmain-1. Le chapitre 5 est l’étude paramétrique qui a permis de développer et de valider le modèle numérique. Le chapitre 6 est l’application du modèle développé au chapitre 5 au cas d’Eastmain-1. Le chapitre 7 est l’analyse dynamique avec FLAC appliquée au cas de La Romaine. Dans ce chapitre, une analyse générale sera formulée permettant de comprendre ce qui s’est passé à La Romaine. La thèse se termine par des conclusions et recommandations générales concernant les sautages à proximité de talus d’argile sensible.
Chapitre 1 Revue de littérature
Avant-propos
Ce chapitre présente l’état des connaissances sur des thèmes reliés aux argiles sensibles, aux glissements de terrain et aux sautages. D’abord, certaines notions de base sur les argiles sensibles et sur les glissements de terrain seront exposées. Ensuite, l’inventaire des glissements de terrain qui sont survenus suite à des activités de sautage est détaillé à la section 1.3. La section 1.4 traite de différents aspects théoriques et pratiques des sautages.
1.1 Argiles sensibles
1.1.1 Propriétés caractéristiques des argiles sensibles
Les argiles sensibles sont des matériaux à grains fins, structurés et anisotropes. En raison de leur sensibilité, ces matériaux sont souvent le siège de glissements de terrain (Leroueil et al., 1983).
Dans l’Est du Canada, les dépôts argileux se sont déposés dans des mers ou des lacs formés par le retrait de la calotte glaciaire du Wisconsin (il y a de cela 6 000 à 18 000 ans). La Figure 1.1 présente les endroits où il y a présence de dépôts d’argile sensible.
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Figure 1.1: Dépôts d’argile sensible au Québec (Lefebvre, 2017)
Les argiles sensibles sont des argiles marines qui ont été lessivées après leur déposition. Elles sont caractérisées par leur perte de résistance lorsqu’elles sont remaniées. En effet, certaines argiles peuvent s’écouler comme un fluide lorsqu’elles subissent du remaniement. La sensibilité (St) d’une argile se calcule par le rapport de la résistance au cisaillement non
drainée (Su) sur la résistance au cisaillement non drainée remaniée (Sur) mesurées au cône
suédois ou avec le scissomètre de chantier. Il existe différentes échelles de sensibilité selon les normes et les pays (Thakur et al., 2017). La résistance au cisaillement non drainé remaniée peut également être calculée à partir de l’équation suivante tirée de Leroueil et al., 1983 :
Sur=
1 (ILc-0,21)2
[1.1]
Une autre caractéristique des argiles sensibles est le comportement anti-écrouissage observé en contrainte-déformation. La Figure 1.2 présente deux résultats d’essais triaxiaux sur une argile de l’Est du Canada. Les deux essais comparent le même type de sol, mais prélevé avec deux échantillonneurs différents : l’un en bloc (meilleure qualité) et le second avec un tube de 5 cm de diamètre. Sur cette figure, on peut voir la résistance au cisaillement maximale atteinte à 1% de déformation pour les deux échantillons. À noter que la résistance au cisaillement est plus forte pour l’échantillon de meilleure qualité, ce qui est logique, puisque ce dernier a subi moins de remaniements. Une fois la résistance maximale atteinte lors de l’essai, la résistance diminue.
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1.1.2 Effet de la fréquence de chargement sur la résistance cyclique des argiles sensibles
Cette section traite de l’effet de la fréquence sur la résistance cyclique des argiles sensibles, car celle-ci dépend en grande partie de la fréquence du chargement qui la sollicite. Le type de chargement par sautage se caractérise par une fréquence et un nombre de cycles qui dépendent du patron de sautage.
Durant les dernières décennies, plusieurs recherches ont étudié la résistance cyclique des argiles sensibles (LeBoeuf, 2016, Duguay-Blanchette, 2015). La résistance cyclique peut être évaluée par des essais triaxiaux cycliques ou DSS cycliques, en faisant varier le rapport cyc/Su et en calculant le nombre de cycles jusqu’à la rupture. La résistance
au cisaillement non drainé Su doit avoir été mesurée préalablement sur un échantillon
similaire et consolidé à la même contrainte effective. Il a été montré que la résistance cyclique des argiles sensibles dépend de la fréquence à laquelle l’échantillon subit les cycles de chargement. Cette relation a été bien présentée dans l’étude réalisée par Anhberg et Larsson (2012) sur des argiles sensibles provenant de trois sites différents, soit Torpa, Asperod et Munkedal en Suède. Dans ce rapport, on y présente des résultats d’essais triaxiaux cycliques qui ont été réalisés aux fréquences de 0,01 Hz, 0,1 Hz et 1 Hz. Les principaux résultats de cette recherche montrent bien l’effet de la fréquence sur la résistance cyclique de ces argiles. Les courbes de la résistance cyclique en fonction du nombre de cycles sont présentées à la Figure 1.3.
Figure 1.3 : Nombre de cycles à la rupture par rapport au ratio de la contrainte cyclique sur la résistance au cisaillement non drainé pour des essais triaxiaux cycliques réalisés sur différentes argiles sensibles de la Suède. (modifiée de Ahnberg et Larsson, 2012)
La Figure 1.4 présente le ratio cyc/Su pour les courbes de 0,01 Hz et 1 Hz. Les valeurs
obtenues pour N=100 pour une fréquence de 0,01 Hz est de 1,025, et est de 1,26 pour les essais réalisés à 1 Hz. Il est possible de conclure que la résistance augmente de 10% par cycle logarithmique, ce qui est cohérent avec d’autres résultats provenant de la littérature (Wichtmann et al, 2013).
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Figure 1.4 : Détermination du ratio cyclique sur la résistance au cisaillement non drainé pour 100 cycles pour des fréquences de sollicitation de 0,01 Hz et 1 Hz.
Parallèlement, il est observé que la résistance cyclique des argiles sensibles diminue avec le nombre de cycles. Le phénomène expliquant cette diminution est le ramollissement cyclique. Par exemple, pour le sol de Munkedal à une profondeur de 5 m, sollicité à une fréquence de 1 Hz et à un rapport cyc/Su de 1,53, la rupture survient après 10 cycles de
chargement. Pour un échantillon de la même provenance et à la même profondeur mais à un ratio cyc/Su de 1,2, la rupture survient à 400 cycles.
1.2 Types de glissements dans les argiles sensibles
Il existe plusieurs types de glissements de terrain pouvant survenir dans les sols. Au Québec, on remarque deux grandes catégories de glissements de terrain : les glissements faiblement rétrogressifs et les glissements rétrogressifs (MTQ, 2016). Les glissements faiblement rétrogressifs se caractérisent par leur rétrogression qui sont de moins de deux fois la hauteur du talus ou moins de 40 m. Dans cette catégorie de glissements de terrain, on retrouve deux types de glissements : les glissements superficiels (Figure 1.5 et Figure 1.6)
et les glissements rotationnels (Figure 1.7 et Figure 1.8). Les glissements rotationnels se distinguent par la forme de la surface de rupture qui est plus ou moins circulaire.
Figure 1.5: Schéma de glissement superficiel (MTQ, 2016)
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Figure 1.7: Schéma d’un glissement rotationnel (MTQ, 2016)
Figure 1.8: Exemple d’un glissement rotationnel (MTQ, 2016)
Dans la catégorie des glissements de terrain fortement rétrogressifs, on retrouve deux types de glissements de terrain : les coulées argileuses et les étalements (Figure 1.9 et Figure 1.10 respectivement). Ces glissements sont considérés rétrogressifs puisque leur rétrogression est de plus de deux fois la hauteur du talus ou plus de 40 m. Les coulées argileuses surviennent spécifiquement dans les matériaux d’argile sensible. Ces glissements surviennent sous forme de successions de glissements dans lesquels l’argile se remanie et
