Corrélation entre la résistivité électrique et certaines
propriétés géotechniques : Caractérisation des argiles
sensibles de Louiseville, Québec
Mémoire
Thomas Caron
Maîtrise en génie civil - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Corrélation entre la résistivité électrique et certaines
propriétés géotechniques
Caractérisation des argiles sensibles de Louiseville, Québec
Mémoire
Thomas Caron
Sous la direction de :
Ariane Locat, directrice de recherche
Richard Fortier, codirecteur de recherche
Résumé
Des glissements de terrain rétrogressifs se produisent régulièrement dans les argiles sensibles dans l’est du Canada. Ces dépôts d’argile se sont mis en place dans les fonds marins des Mers de Champlain, de Laflamme et de Goldthwait suite à la dernière déglaciation. Lorsque ces dépôts ont progressivement émergés, les argiles ont été lessivées par l’infiltration d’eau douce en surface. La diminution de la salinité de l’eau interstitielle dans ces argiles augmente leur sensibilité et des glissements de terrain majeurs peuvent survenir sous de telles conditions. La tomographie de résistivité électrique est une méthode géophysique qui présente un bon potentiel pour identifier et délimiter les zones d’argile sensible qui sont à risque de glissement de terrain. En effet, la résistivité électrique d’une argile est directement liée à la salinité de l’eau interstitielle. Afin de vérifier ce potentiel, une campagne d’investigation géotechnique et géophysique a été effectuée sur un dépôt d’argile de plus de 50 m d’épaisseur situé dans le secteur de la rivière Chacoura, à Louiseville, Québec. Deux tomographies de résistivité électrique, sept essais de pénétration au piézocône dont six avec mesure de la résistivité électrique et quatre forages avec échantillonnage ont été réalisés. Des corrélations entre la résistivité électrique, la salinité et les propriétés géotechniques de l’argile de Louiseville ont été établies. Les résultats de la tomographie de résistivité électrique sont cohérents avec ceux des forages et des essais de pénétration au piézocône, et indiquent que cette méthode géophysique est applicable à la délimitation des zones d’argile sensible. Pour l’argile de Louiseville, une résistivité électrique de 10 Ω-m ou plus indique que l’argile est suffisamment sensible et propice aux glissements de terrain rétrogressifs. Un horizon d’épaisseur variable d’argile sensible a été identifié à Louiseville.
Abstract
Sensitive clays in eastern Canada are prone to large landslides. These clays deposited on the Champlain, Laflamme and Goldthwait Sea floors following the last deglaciation. As these deposits gradually emerged, the clays were leached by the infiltration of fresh water from the surface. The decrease in salinity of the pore water in these clays increases their sensitivity and major landslides can occur in such conditions. Since the electrical resistivity of clay is directly related to the salinity of the pore water, electrical resistivity tomography is a geophysical method having a good potential for the identification and delineation of sensitive clay deposits vulnerable to landslides. With the objective to assess this potential, a geotechnical and geophysical investigation was carried out on a clay deposit of 50 m thick located in the Chacoura River area of Louiseville, Québec. Two electrical resistivity tomographies, seven cone penetration tests, six of those with electrical resistivity measurements, and four bore holes with sampling were carried out. This clay deposit is very uniform and its geotechnical properties vary progressively with depth. Correlations between electrical resistivity, salinity and geotechnical properties of this clay deposit were established. The results of electrical resistivity tomographies are consistent with those of the bore holes and cone penetration tests, and indicate that this geophysical method is applicable to the delineation of sensitive clay zones. For the Louiseville clay, a resistivity of 10 Ω-m or higher indicates that the clay is sensitive enough to be prone to large landslides. A sensitive clay horizon of variable thickness was delineated in the study site.
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... vii
Liste des figures ... viii
Liste des symboles ... xi
Liste des abréviations ... xii
Remerciements ... xiii
Introduction ... 1
Les argiles sensibles: Origine et mécanisme ... 1
Contexte de l’étude ... 3
Objectifs de l’étude ... 4
Structure du mémoire ... 5
Chapitre 1 Propriétés physiques des argiles sensibles ... 6
1.1 Corrélation entre la salinité de l’eau interstitielle et les propriétés géotechniques des argiles ... 6
1.2 Corrélations entre la résistivité électrique et les propriétés géotechniques des argiles ... 8
Chapitre 2 Description du site d’étude ... 17
2.1 Localisation ... 17
2.2 Historique géotechnique de Louiseville ... 19
2.3 Investigation antérieure du site d’étude ... 20
Chapitre 3 Méthodologie ... 27
3.1 Tomographies de résistivité électrique ... 27
3.1.1 Localisation des levés ... 27
3.1.2 Équipement utilisé ... 29
3.1.3 Conditions lors des levés ... 29
3.1.4 Configuration des électrodes ... 31
3.1.5 Traitement des données ... 33
3.2 Essais géotechniques in situ ... 33
3.3 Forages et échantillonnage ... 35
3.4 Caractérisation géotechnique en laboratoire ... 36
3.4.1 Essais de base ... 36
3.4.2 Extraction de l’eau interstitielle ... 37
3.4.3 Conductivité électrique ... 37
Chapitre 4 Résultats ... 39
4.1 Tomographies de résistivité électrique ... 39
4.1.1 Modèle ERT-A ... 39
4.1.2 Modèle ERT-B ... 44
4.2 Essais de pénétration au piézocône ... 47
4.2.1 Essais de pénétration au piézocône C30063 et CR30063 ... 47
4.2.2 Essais de pénétration au piézocône CR30064 à CR30066 ... 53
4.2.3 Essais de pénétration au piézocône CR30067 et CR30068 ... 58
4.3.1 Forage F30063 ... 62
4.3.2 Forage F30064 ... 64
4.3.3 Forage F30066 ... 65
4.3.4 Forage F30067 ... 66
4.4 Tomodensitométries ... 73
Chapitre 5 Analyse des résultats ... 76
5.1 Résistivité électrique de l’argile de Louiseville ... 76
5.2 Relations entre les données géotechniques ... 82
5.2.1 Abaque de plasticité de Casagrande ... 82
5.2.2 Relation entre l’indice de liquidité et la résistance au cisaillement du sol à l’état remanié ... 83
5.3 Relations avec la salinité de l’eau interstitielle ... 85
5.4 Relations avec la résistivité électrique ... 87
5.4.1 Relation entre la résistivité électrique et la salinité de l’eau interstitielle ... 87
5.4.2 Relation entre la résistivité électrique et les propriétés géotechniques ... 92
5.5 Coupe stratigraphique interprétative ... 99
5.6 Comparaison avec d’autres études ... 103
Conclusions ... 105
Recommandations ... 110
Liste des références ... 112
Annexe 1. Étalonnage du conductimètre portable en laboratoire ... 117
Annexe 2. Pseudo-sections et modèle de résistivité électrique de la tomographie électrique ERT-A ... 119
Annexe 3. Pseudo-sections et modèle de résistivité électrique de la tomographie électrique ERT-B ... 121
Annexe 4. Comparaison de la résistivité électrique de l’eau saline mesurée avec le pénétromètre de l’Université Laval et un conductimètre portable en laboratoire ... 123
Liste des tableaux
Tableau 1.1: Synthèse des limites de salinité et de résistivité électrique pour déterminer la sensibilité de l’argile trouvées dans la littérature. ... 16
Liste des figures
Figure 1.1: Corrélation entre la salinité et la résistivité électrique. Tirée de Long et coll. (2017). ... 13 Figure 1.2: Corrélation entre la résistance au cisaillement à l’état remanié
et la résistivité électrique pour des données à plus de 7.5 m de profondeur, sans échantillons silteux. Tirée de Long et coll. (2017). ... 13 Figure 2.1: Carte de localisation du site d’étude dans la municipalité de
Louiseville, Québec. ... 17 Figure 2.2: Vue vers le sud du glissement de terrain entre la rivière
Chacoura et la route 349. ... 18 Figure 2.3: Rivière Chacoura en période automnale. ... 18 Figure 2.4: Propriétés géotechniques du dépôt d’argile de Louiseville.
(Leroueil et coll., 2003). ... 20 Figure 2.5: Modèle numérique d’élévation obtenu d’un levé LiDAR
aéroporté. Localisation du site d’étude et des essais géotechniques CR30051, CR30052, F30052 et S30052. Les cicatrices de grands glissements sont identifiées par des lignes en mauve. ... 21 Figure 2.6: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30052. ... 23 Figure 2.7: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30051. ... 24 Figure 2.8: Profil géotechnique du forage F30052 avec résultats des essais
au scissomètre S30052 et de l’essai de pénétration au piézocône CR30052. ... 26 Figure 3.1: Carte de localisation des tomographies de résistivité électrique,
des forages, des essais de pénétration au piézocône et des essais au scissomètre réalisés dans le cadre de la présente étude. ... 28 Figure 3.2: État du champ à la partie ouest de la tomographie de résistivité
électrique ERT-A. ... 30 Figure 3.3: État du champ lors de la tomographie de résistivité électrique
ERT-B. ... 31 Figure 3.4: Prise de mesure en deux dimensions pour la configuration
d’électrodes de Wenner. Modifiée de Loke et Barker (1996). ... 32 Figure 3.5: Pénétromètre VERTEK (Laval 2226.002) avec un module de
résistivité électrique utilisé pour effectuer les essais de pénétration au cône à Louiseville. ... 34 Figure 3.6: Système d’extraction d’eau interstitielle par compression du
laboratoire de géotechnique du département de génie civil de l’Université Laval. ... 38 Figure 4.1: Modèle de résistivité électrique obtenu de la tomographie de
résistivité électrique ERT-A. La profondeur atteinte par les forages est tracée en noir alors que celle atteinte par les essais de pénétration au piézocône avec mesure de la résistivité est en blanc. ... 43
Figure 4.2: Modèle de résistivité électrique obtenu de la tomographie de résistivité électrique ERT-B. La profondeur atteinte par le forage F30067 et l’essai de pénétration au piézocône avec mesure de la résistivité CR30067 sont identifiés respectivement par des
lignes noire et blanche. ... 46
Figure 4.3: Vue en coupe du terrain le long de la ligne de levé AA’ des résultats des essais de pénétration au piézocône C30063, CR30064, CR30065 et CR30066. Les profils de la résistance à la pointe corrigée (qt) et de pression interstitielle (u) pour chaque essai apparaissent par paires de couleur noir et bleu respectivement. ... 49
Figure 4.4: Vue en coupe du terrain au sud de la ligne de levé AA’ des résultats des essais de pénétration au piézocône CR30067 et CR30068. Les profils de la résistance à la pointe corrigée (qt) et de pression interstitielle (u) pour chaque essai apparaissent par paires de couleur noir et bleu respectivement. ... 50
Figure 4.5: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône C30063. ... 51
Figure 4.6: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30063. ... 52
Figure 4.7: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30064. ... 55
Figure 4.8: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30065. ... 56
Figure 4.9: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30066. ... 57
Figure 4.10: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30067. ... 60
Figure 4.11: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30068. ... 61
Figure 4.12: Profils géotechniques du forage F30063 avec les profils de résistance au cisaillement obtenus des essais au scissomètre S30063 et l’essai de pénétration au piézocône C30063 ainsi que les profils de résistivité électrique obtenus par la tomographie de résistivité électrique ERT-A et l’essai de pénétration au piézocône CR30063. ... 69
Figure 4.13: Profils géotechniques du forage F30064 avec les profils de résistivité électrique obtenus de la tomographie de résistivité électrique ERT-A et de l’essai de pénétration au piézocône CR30064. ... 70
Figure 4.14: Profils géotechniques du forage F30066 avec les profils de résistivité électrique obtenus de la tomographie de résistivité électrique ERT-A et de l’essai de pénétration au piézocône CR30066. ... 71
Figure 4.15: Profils géotechniques du forage F30067 avec les profils de résistivité électrique obtenus de la tomographie de résistivité électrique ERT-B et de l’essai de pénétration au piézocône CR30067. ... 72
Figure 4.16: Images coronales des tubes d’échantillonnages PS-1 à PS-9 du forage F30063. ... 74
Figure 4.17: Images coronales des tubes d’échantillonnages PS-10 à TM-17 du forage F30063. ... 75
Figure 5.1: Comparaison entre les profils de résistivité électrique mesurés par tomographie de résistivité électrique et les profils de résistivité électrique mesurés au RCPTU. ... 78 Figure 5.2: Comparaison graphique de la résistivité électrique mesurée par
tomographie de résistivité électrique et de celle mesurée lors des essais de pénétration au piézocône avec mesure de la résistivité électrique. ... 80 Figure 5.3: Limites de consistance de l’argile de Louiseville reportées dans
l’abaque de plasticité de Casagrande. ... 82 Figure 5.4: Corrélation entre l’indice de liquidité et la résistance au
cisaillement à l’état remanié des argiles de Louiseville. ... 84 Figure 5.5: Corrélation entre la résistance au cisaillement à l’état remanié
et la salinité de l’eau interstitielle des argiles de Louiseville. ... 86 Figure 5.6: Corrélation entre l’indice de liquidité et la salinité de l’eau
interstitielle des argiles de Louiseville. ... 87 Figure 5.7: Corrélation entre la résistivité électrique du modèle de résistivité
électrique ERT-A et la salinité de l’eau interstitielle de l’argile de Louiseville. ... 90 Figure 5.8: Corrélation entre la résistivité électrique mesurée lors des
essais de pénétration au piézocône et la salinité de l’eau interstitielle de l’argile de Louiseville. ... 91 Figure 5.9: Corrélation entre la résistance au cisaillement de l’argile à l’état
remanié avec la résistivité électrique du modèle de résistivité électrique ERT-A dans les argiles de Louiseville. ... 94 Figure 5.10: Corrélation entre la résistance au cisaillement de l’argile à l’état
remanié avec la résistivité électrique mesurée lors des essais de pénétration au piézocône dans les argiles de Louiseville. ... 95 Figure 5.11: Corrélation entre la résistivité électrique du modèle de résistivité
électrique ERT-A et l’indice de liquidité dans les argiles de Louiseville. ... 97 Figure 5.12: Corrélation entre la résistivité électrique mesurée lors des
essais de pénétration au piézocône et l’indice de liquidité dans les argiles de Louiseville. ... 98 Figure 5.13: Coupe stratigraphique interprétative le long de la ligne de levé
AA’ du modèle de résistivité électrique ERT-A et des forages. Différentes isolignes de résistivité électrique du modèle de résistivité électrique ERT-A ainsi que la résistance au cisaillement de l’argile à l’état remaniée des échantillons prélevés dans les forages sont identifiées dans cette coupe. ... 102
Liste des symboles
a C IL IP n Nkt P qt S St Su Sur u w wL wP σ σv ρEspacement entre les électrodes Électrode de courant
Indice de liquidité Indice de plasticité Nombre de dipôles
Indice qui relie la résistance à la pointe corrigée, la contrainte totale verticale et la résistance au cisaillement non drainé
Électrode de potentiel
Résistance à la pointe corrigée Salinité de l’eau interstitielle Sensibilité
Résistance au cisaillement non drainé du sol à l’état intact Résistance au cisaillement non drainé du sol à l’état remanié Pression interstitielle
Teneur en eau Limite de liquidité Limite de plasticité
Conductivité électrique Contrainte verticale totale Résistivité électrique
Liste des abréviations
AEM BH C00000 CPTU CR00000 ERT EM F00000 LERN LiDAR MTQ PACC PP RCPTU S00000 SCIPLevé électromagnétique aéroporté (Airbome ElectroMagnetics) Trou de forage (BoreHole)
Numérotation des essais de pénétration au piézocône standard Essai de pénétration au piézocône
Numérotation des essais de pénétration au piézocône avec mesure de la résistivité électrique
Tomographie de résistivité électrique (Electrical Resistivity Tomography)
Levé électromagnétique Numérotation de forage
Laboratoire d’étude sur les risques naturels (Université Laval) Light detection and ranging
Ministère des transports du Québec (anciennement MTMDET) Plan d’action 2013-2020 sur les changements climatiques Levé de polarisation provoquée
Essai de pénétration au piézocône avec mesure de la résistivité électrique
Numérotation des essais au scissomètre de chantier Sample core induced polarization
Remerciements
J’exprime toute ma gratitude à tous ceux qui ont contribué, de près ou de loin, à l’accomplissement de mon projet de maîtrise. Il a été un plaisir de vous côtoyer et de travailler avec vous. La première personne que je tiens à remercier est ma directrice, Ariane Locat, qui m’a fait confiance pour mener à bien ce projet de recherche tout en y gardant un œil critique et bien avisé. Je tiens également à remercier mon co-directeur, Richard Fortier, pour sa franchise et l’aide qu’il m’a apporté tout au long de mes travaux. La disponibilité et le support que m’ont apporté Ariane et Richard ont sûrement été la clé de la réussite de ce travail.
Je tiens à remercier mes collègues de l’Université Laval et du LERN pour leur accueil et l’aide qu’ils m’ont apportés tout au long de mon séjour avec eux. Une mention spéciale à Kevin Hébert pour son énorme contribution aux travaux de terrain et aux travaux en laboratoire. Je remercie également Alexandra Germain, Frédérique Tremblay-Auger, Léa Bussière, Marie Genest et Weibo Liu pour leur participation aux levés de tomographie de résistivité électrique.
Je remercie également mes collègues du Ministère des Transport du Québec et plus particulièrement Sandra Veillette et Karine Bélanger dont les travaux m’ont guidé dans l’accomplissement de ma maîtrise et pour leur générosité lorsque j’avais besoin de leur aide. Je remercie également Denis Demers, Jonathan Fortin et Raphaël Vincent pour leur contribution à ce projet. Sur le terrain, la réalisation d’essais de pénétration au piézôcone avec l’équipe du MTQ a été une expérience très enrichissante pour moi.
Un remerciement spécial à monsieur Daniel Frigon qui nous a permis de réaliser nos travaux de terrain sur sa propriété. Le bon déroulement de ce projet n’aurait pas été possible sans sa générosité et son indulgence.
Je tiens à souligner la contribution financière du Plan d’action 2013-2020 sur les changements climatiques (PACC 2013-2020) et du Fond vert du gouvernement du Québec pour réaliser mon projet de recherche.
Introduction
Les argiles sensibles: Origine et mécanisme
Une argile sensible est caractérisée par l’ampleur de la diminution de sa résistance au cisaillement après remaniement. Cette baisse de résistance au cisaillement peut être si grande que, dans certains cas, le remaniement du sol résulte en un matériau peu visqueux dont le comportement est proche de celui d’un liquide. Ce type de sol est la cause d’importants glissements de terrain qui se sont produits dans l’est du Canada et d’autres pays dont notamment la Norvège et la Suède. Au Canada, ces argiles se sont déposées en milieux salins dans les Mers de Champlain, de Laflamme et de Goldthwait lors de la dernière glaciation. Suite à leur exondation, l’eau s’infiltre dans ces dépôts et affecte la composition ionique de leur eau interstitielle. Il se produit ainsi un lessivage des minéraux dissous dans l’eau interstitielle de ces argiles. Le rôle de ce lessivage dans la sensibilité des argiles a été proposé par Rosenqvist (1946) après une campagne d’investigation sur les argiles marines en Norvège. En effet, la salinité de l’eau interstitielle était l’unique différence notable entre les différents échantillons d’argile sensible ou non. Cela indique un lien de causalité entre la salinité et le comportement mécanique après remaniement. La salinité de leur eau interstitielle des argiles sensibles (sensibilité supérieure à 1) est généralement inférieure à celles des argiles non sensibles et à l’eau du milieu marin où elles se sont déposées. Cette diminution de la salinité est causée par le lessivage. Ce constat de Rosenqvist (1946) est supporté par une évidence supplémentaire, soit que l’ajout de sel dans une argile sensible augmente sa résistance au cisaillement à l’état remanié.
La salinité est donc un élément crucial de la sensibilité des argiles marines. La présence de cations améliore la force de liaison entre les particules de minéraux argileux qui sont chargées négativement. Cela s’accompagne également d’une plus grande capacité de rétention d’eau. Pusch (1970) a démontré que l’argile formée à de plus grandes concentrations en cations contient des agrégats plus
larges et plus denses que ceux retrouvés dans des argiles formées en eau douce. Quand ces larges agrégats sédimentent, ils s’arrangent de façon aléatoire, cela résulte en une structure floculée avec un grand indice des vides. Dans un milieu de sédimentation faible en cations tel une eau saumâtre ou une eau douce, les agrégats sont formés de seulement quelques particules et peuvent ensuite sédimenter en une structure plus dense et uniforme. Une fois émergés, le lessivage dans les dépôts argileux affecte les forces entre les particules d’argile mais cela ne modifie pas leur structure floculée (Brenner et coll., 1981). Étant donné que les particules et les agrégats d’une argile lessivée ne sont plus reliés par des forces électriques, cela diminue sa capacité de floculation et sa limite de liquidité. Si l’indice des vides et la teneur en eau de cette argile lessivée sont élevés en fonction des conditions lors de la formation du dépôt, le remaniement de cette argile résulte en un matériau peu visqueux qui a la propriété de s’écouler facilement, tel un liquide. Cette propriété est l’une des conditions pour qu’un glissement de terrain fortement rétrogressif se produise. Au Canada, cette condition est remplie dès qu’une argile a une résistance au cisaillement à l’état remaniée inférieure à 1 kPa ou un indice de liquidité supérieur à 1.2 (Lebuis et coll., 1982). Demers et coll. (2014) ont publié un inventaire des grands glissements de terrain au Québec où une résistance au cisaillement à l’état remanié inférieure à 0.8 kPa et un indice de liquidité supérieur à 1.5 ont été mesurés dans les argiles de soixante-trois coulées argileuses. Même si les argiles du Canada, de la Norvège et de la Suède ont des similarités, elles demeurent malgré tout différentes en raison de leurs origines. Cela implique que les critères de classification de la sensibilité sont différents d’une région à une autre. Dans les pays scandinaves, une argile peut également être sensible lorsque sa résistance au cisaillement à l’état remaniée est inférieure à 1 kPa. Il existe aussi d’autres critères pour des argiles ayant une sensibilité encore plus élevée. Les argiles qui répondent à ces critères sont qualifiées par le terme « extra-sensible ». En Norvège, ces critères correspondent à une sensibilité plus grande que 30 et une résistance au cisaillement à l’état remanié inférieure à 0.5 kPa (NGS, 1982), alors qu’en Suède les argiles extra-sensibles sont définies par une sensibilité d’au moins 50 et une
résistance au cisaillement à l’état remaniée de moins de 0.4 kPa (Karlsson et Hansbo, 1989).
Contexte de l’étude
Afin de prévenir les sinistres et de minimiser les risques, la division Mouvement de terrain du Ministère des Transports du Québec (MTQ) a pour mandat de cartographier les zones potentiellement vulnérables aux glissements de terrain. En pratique, l’identification et la délimitation de ces zones nécessitent une investigation géotechnique. Cette investigation comprend des travaux de terrain intrusifs tels que des essais de pénétration au piézocône et des forages avec échantillonnage, ainsi que de nombreux essais en laboratoire. Ces travaux sont coûteux et demandent beaucoup de temps. Il en résulte des données précises mais très localisées. Des travaux de recherche sont effectués à l’Université Laval afin de développer les connaissances et évaluer le potentiel de méthodes géophysiques pour identifier et délimiter les zones d’argile sensible dans les dépôts d’argile, ce qui aidera le MTQ dans leur mandat. Selon des études réalisées en Scandinavie et au Canada (Calvert et Hyde, 2002; Solberg et coll., 2008, 2012; Lundström et coll., 2009; Donohue et coll., 2014; Pfaffhuber et coll., 2014; Long et coll., 2017; Bélanger et coll., 2017; Veillette et coll., 2018), les méthodes géophysiques basées sur la mesure de la résistivité électrique des sols ont un grand potentiel d’application pour la délimitation des zones d’argile sensible. En effet, avec le lessivage des minéraux dissous dans l’eau interstitielle des dépôts d’argile, il y a une augmentation légère de la résistivité électrique de l’argile sensible qui est détectable en mesurant cette propriété électrique. La tomographie de résistivité électrique permet de cartographier efficacement en deux dimensions, voire même en trois dimensions, les dépôts d’argile. Suite à la réalisation de la tomographie de résistivité électrique et à l’inversion des données de résistivité électrique apparente, selon la configuration des électrodes utilisée, un modèle bidimensionnel ou tridimensionnel de résistivité électrique du sous-sol est obtenu sur des longueurs de plusieurs centaines de mètres et une profondeur de plusieurs
dizaines de mètres. L’interprétation de ce modèle de résistivité électrique débouche sur la délimitation des zones d’argile sensible si la limite de résistivité électrique entre une argile sensible et une argile saline est connue.
La tomographie de résistivité électrique est complémentaire aux méthodes géotechniques usuelles qui fournissent des mesures directes mais ponctuelles des propriétés géotechniques du dépôt d’argile investigué. Si une tomographie de résistivité électrique d’un dépôt d’argile est réalisée préalablement à une investigation géotechnique, les zones anomales de résistivité électrique peuvent être identifiées sur le modèle de résistivité électrique et servir comme cibles à investiguer par les méthodes géotechniques usuelles afin d’optimiser la campagne d’investigation géotechnique et de diminuer le nombre de forages et d’essais de pénétration au piézocône nécessaire à cette investigation. Les résultats de cette investigation géotechnique peuvent confirmer ou infirmer l’interprétation de la tomographie réalisée préalablement. De plus, l’identification de couches dans deux forages ou deux essais de pénétration au piézocône distincts et séparés de plusieurs dizaines de mètres peut être étendue entre ces deux forages ou ces deux essais en réalisant une tomographie de résistivité électrique. En raison de son potentiel, la tomographie de résistivité électrique a fait l’objet de nombreux projets de recherche pour développer les connaissances sur son utilisation dans les sols argileux (Calvert et Hyde, 2002; Solberg et coll., 2008, 2012; Lundström et coll., 2009; Donohue et coll., 2014; Pfaffhuber et coll., 2014; Long et coll., 2017; Bélanger et coll., 2017; Veillette et coll., 2018). Au Canada, peu de données sur la résistivité électrique des argiles ont été amassées jusqu’à présent et davantage de travaux de recherche sont nécessaires pour corriger cette lacune.
Objectifs de l’étude
Le premier objectif de cette étude est d’évaluer le potentiel de la tomographie de résistivité électrique pour la délimitation de zones d’argile sensible vulnérables aux glissements de terrain fortement rétrogressifs. Afin d’atteindre cet objectif, un
massif argileux à Louiseville (Québec) a été étudié au moyen des méthodes géotechniques usuelles et de mesures de résistivité électrique soit lors de tomographies de résistivité électrique ou soit lors d’essais de pénétration au piézocône. Des corrélations ont été établies entre les résultats obtenus afin d’évaluer le lien entre la résistivité électrique, la salinité de l’eau interstitielle et les différentes propriétés géotechniques mesurées dont notamment la résistance au cisaillement de l’argile à l’état remanié. À partir de ces résultats, comme second objectif, des limites pour les différents paramètres mesurés ont été déterminées pour différencier les argiles sensibles des argiles salines. Un troisième et dernier objectif est de comparer les résultats obtenus par les différentes méthodes de mesure de la résistivité électrique dans le but d’évaluer leur qualité.
Structure du mémoire
Ce mémoire débute par une revue de littérature sur les propriétés physiques des argiles sensibles et le potentiel des méthodes de résistivité électrique pour identifier les argiles sensibles (Chapitre 1). Une description du site d’étude de Louiseville est ensuite présentée (Chapitre 2). La méthodologie de recherche utilisée ainsi que les travaux réalisés dans le cadre de ce projet sont décrits au chapitre 3. Les résultats obtenus sont ensuite présentés au chapitre 4 qui est suivi de leur analyse au chapitre 5. Cet ouvrage se termine par une conclusion et des recommandations en lien avec les résultats obtenus et les difficultés rencontrées.
Chapitre 1 Propriétés
physiques
des
argiles
sensibles
1.1
Corrélation entre la salinité de l’eau interstitielle et les
propriétés géotechniques des argiles
Du fait de son lien avec la sensibilité des argiles marines, de nombreux travaux de recherche ont porté sur la mesure de la salinité de l’eau interstitielle des argiles. Ces travaux ont permis de mieux comprendre la relation entre la sensibilité des argiles et la salinité de l’eau interstitielle et de la quantifier. Bjerrum (1954) et Rosenqvist (1955) ont d’abord suggéré que lorsque la salinité est moins de 5 g/L, l’argile est suffisamment lessivée pour être extra-sensible. La relation entre la salinité et la résistance au cisaillement à l’état remanié n’est pas linéaire (Bjerrum, 1954). En effet, il a été démontré que la réduction de la salinité induit une diminution négligeable de la résistance jusqu’à l’atteinte d’une certaine limite entre 10 et 15 g/L. Lorsque cette limite est atteinte, la résistance au cisaillement à l’état remanié diminue considérablement avec toute diminution supplémentaire de la concentration en sel. Selon Torrance (1975), la méthode d’extraction d’eau interstitielle employée par Bjerrum (1954) a induit une surestimation de la salinité. Torrance (1974) a réalisé une expérience sur l’influence du lessivage sur des argiles norvégiennes. Une grande quantité d’argile a été remaniée tout en augmentant sa teneur en eau jusqu’à 49% (IL = 0.6) par ajout d’une solution
à 26 g/L de chlorure de sodium. Cette argile a ensuite été utilisée afin de réaliser plusieurs essais œdométriques. Les échantillons étaient lentement consolidés jusqu’à leur teneur en eau naturelle (37%), la charge était ensuite diminuée puis l’échantillon était lessivé par diffusion pendant plusieurs jours. Une consolidation spontanée était observée lorsque la salinité diminuait en dessous de 2 g/L ce qui indique des changements majeurs au niveau des limites de consistance et de la résistance au cisaillement à l’état remanié. Au-dessus de cette limite, la diminution de la salinité a un impact faible et affecte le comportement mécanique de l’argile
de façon négligeable. La limite de 2 g/L trouvée par Torrance (1974) est bien implantée et elle est couramment utilisée en tant que référence. Toutefois, plusieurs autres études ont été menées sur ce sujet. Des argiles sensibles dont la salinité de l’eau interstitielle pouvait atteindre jusqu’à 5.6 g/L ont été trouvées dans le sud-ouest de la Suède (Andersson-Sköld et coll., 2005). Des résultats obtenus par Donohue et coll. (2014) en Norvège indiquent que l’argile extra-sensible a une salinité inférieure à 5 g/L, mais de nombreux échantillons d’argiles non-sensibles avaient des salinités en-dessous de 5 g/L et même 2 g/L. Des argiles extra-sensibles dont la salinité varie entre 1.2 et 4.1 g/L ont également été observés par Pfaffhuber et coll. (2014) à Vålen et à Smørgrav en Norvège.
Au Canada, plusieurs auteurs ont étudié des argiles sensibles dont la salinité correspond aux valeurs rapportées par les chercheurs norvégiens. Dans l’est de l’Ontario, la sensibilité est variable mais élevée lorsque la salinité de l’eau interstitielle est inférieure à approximativement 3 g/L (Penner et Burn, 1977). Ceci est confirmé par une étude réalisée par Crow et coll. (2014) dont les résultats indiquent que l’argile devient très sensible lorsque la salinité diminue en-dessous de 2 g/L. À Brownsburg, dans l’ouest du Québec, Bélanger et coll. (2017) ont mesuré des salinités de moins de 6.2 g/L dans des argiles sensibles avec une résistance au cisaillement à l’état remanié inférieure à 1 kPa alors que des salinités de moins de 2.5 g/L ont été mesurées lorsque l’argile est extra-sensible avec une résistance au cisaillement à l’état remanié inférieure à 0.5 kPa. Une étude récente a été menée dans l’est du Québec à Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud par Veillette et coll. (2018). Des salinités de 2.8 g/L et moins ont été mesurées dans des argiles sensibles. Malgré quelques écarts, les valeurs de salinité dans les argiles sensibles rapportées par différents auteurs concordent de façon satisfaisante. Cependant, la sensibilité des argiles marines ne dépend pas uniquement de la salinité mais la similitude des résultats obtenus prouve l’importance de ce facteur par rapport aux autres.
1.2 Corrélations entre la résistivité électrique et les propriétés
géotechniques des argiles
La résistivité électrique d’un sol dépend principalement de la conductivité de son eau interstitielle mais aussi, de façon beaucoup moins importante, de la géométrie des pores et de la surface de conduction dans les minéraux argileux (Campanella et Weemees, 1990). Une augmentation de la salinité de l’eau interstitielle aura pour effet de diminuer la résistivité électrique, ce qui signifie qu’une argile lessivée aura une résistivité plus élevée que celle d’une argile saline. Par conséquent, il est donc possible d’utiliser la résistivité électrique afin d’obtenir des informations sur les propriétés géotechniques qui contrôlent la susceptibilité au glissement de terrain d’une argile. Parmi toutes les méthodes géophysiques, la résistivité électrique est celle qui présente le plus grand potentiel pour identifier des argiles sensibles en raison du lien relativement fort entre leur résistivité électrique, la salinité de leur eau interstitielle et leur sensibilité (Donohue et coll., 2014).
La résistivité électrique d’un sol peut être mesurée à l’aide de différentes méthodes. L’une d’entre elles est la tomographie de résistivité électrique (ERT) qui permet de produire une vue en coupe de la variabilité spatiale de la résistivité électrique du sous-sol qui est appelée un modèle de résistivité électrique. Cette méthode consiste à injecter un courant électrique entre deux électrodes foncées à la surface du sol et à mesurer la différence de potentiel électrique induite par la circulation du courant électrique entre deux autres électrodes. La résistivité électrique apparente du sous-sol est calculée à partir du rapport de la différence de potentiel électrique mesurée sur le courant électrique injecté qui est multiplié par une constante géométrique qui dépend de la configuration des électrodes, de la distance inter-électrodes et de la position des deux dipôles de courant et de potentiel l’un par rapport à l’autre. En pratique, plusieurs électrodes sont installées en surface le long d’une ligne de levé. Pour une paire d’électrodes de courant électrique, plusieurs paires d’électrodes mesurent les différences de potentiel électrique. Une fois les mesures complétées, le courant est injecté entre une nouvelle paire d’électrodes et les potentiels électriques sont mesurés entre les
autres électrodes. En jouant avec la distance inter-électrodes, la distance entre les paires d’électrodes de courant et de potentiel, la position des paires d’électrodes de courant et de potentiel le long de la ligne de levé, et la configuration des électrodes, il est possible d’investiguer le sous-sol à différentes profondeurs et à différentes positions le long de la ligne de levé pour produire une vue en coupe de la variabilité spatiale de la résistivité électrique du sous-sol. La profondeur d’investigation d’une tomographie de résistivité électrique peut atteindre plusieurs dizaines de mètres alors que la longueur peut être de plusieurs centaines de mètres en fonction du nombre d’électrodes, de la distance inter-électrodes et de la configuration des électrodes choisie (Loke, 2004). La configuration des électrodes dite de Wenner, où le dipôle de potentiel est à l’intérieur du dipôle de courant, les électrodes sont toutes alignées et l’espacement inter-électrodes est uniforme, est couramment utilisée pour ce type de levé puisqu’elle est plus adéquate pour un sol structuré en couches (Reynolds, 1997). Cette configuration a une moins bonne résolution que d’autres configurations mais cette lacune est compensée par son meilleur ratio entre le signal et le bruit.
Lors d’une mesure de résistivité électrique, un volume plus ou moins important de sol est affecté par la circulation du courant électrique. Puisque le sous-sol n’est pas nécessairement homogène, la distribution spatiale des équipotentielles électriques induites par la circulation du courant électrique dépend de l’hétérogénéité du sous-sol. Dans les faits, une résistivité électrique dite apparente est mesurée qui est une pondération des résistivités électriques des différentes unités géologiques affectées par la circulation électrique. Afin de produire un modèle de résistivité électrique qui reflète la distribution spatiale des propriétés électriques du sous-sol, les données de résistivité électrique apparente recueillies lors d’une tomographie de résistivité électrique doivent être inversées par un processus itératif détaillé par Loke et Barker (1996) et Loke (2016). Lors de l’inversion, un modèle initial de résistivité électrique uniforme est produit à partir d’une moyenne pondérée des résistivités électriques apparentes mesurées. De ce modèle, des résistivités électriques apparentes dites synthétiques sont calculées à
partir de la loi d’Ohm et des positions des dipôles de courant et de potentiel le long de la ligne de levé. Ces valeurs sont comparées à celles qui ont été mesurées. Le modèle initial de résistivité électrique uniforme est ensuite perturbé en fonction de la comparaison précédente. Le processus de calcul des résistivités électriques apparentes synthétiques et de comparaison avec les résistivités électriques apparentes observées est répété. Ce processus d’itération est poursuivi jusqu’à ce que les résistivités électriques apparentes synthétiques s’approchent de celles observées. Un critère de convergence peut être décidé afin d’arrêter l’itération. Ce processus d’itération peut produire plusieurs solutions en fonction du modèle initial de résistivité électrique qui peut contenir de l’information a priori et des paramètres d’inversion et de convergence. Il n’y a donc pas de solution unique lors de l’inversion et une infinité de modèles peut être obtenue (Bazin et Pfaffhuber, 2013).
Une seconde méthode pour mesurer la résistivité électrique du sol est l’essai de pénétration au piézocône munit d’un module de résistivité électrique (RCPTU). Ce module est équipé de quatre électrodes annulaires selon la configuration des électrodes de Wenner décrite précédemment pour mesurer la résistivité électrique des couches de sol pénétrées lors d’un essai. Les deux électrodes externes sont les électrodes de courant alors que les deux électrodes centrales sont les électrodes de potentiel. Les mesures de résistivité électrique sont prises à intervalle de temps et de profondeur constant tout au long de l’essai. Une diagraphie ou un profil de la résistivité électrique en fonction de la profondeur est obtenu. Puisque la mesure est effectuée directement dans les couches de sol pénétrées, les résistivités électriques mesurées sont considérées comme celles des couches de sol pénétrées. Par conséquent, aucune inversion des données de résistivité électrique mesurées lors d’un essai de pénétration au piézocône n’est nécessaire. En comparaison avec la tomographie de résistivité électrique, le volume de sol affecté par la circulation du courant électrique du module de résistivité électrique du piézocône est beaucoup plus petit car les électrodes de ce module ne sont séparées que de quelques centimètres les unes des autres.
Des corrélations entre la résistivité électrique, la salinité et la sensibilité des argiles ont été établies par plusieurs auteurs. Solberg et coll. (2008) ont réalisé plusieurs tomographies de résistivité électrique dont ils ont comparé les résultats avec d’autres données géophysiques et géotechniques. Dans la vallée de Buvika en Norvège, la résistivité électrique d’une argile non lessivée correspond à des valeurs entre 1 et 10 Ω-m alors que la résistivité de l’argile extra-sensible est plus élevée et se situe entre 10 et 80 Ω-m. L’eau interstitielle extraite de ces argiles extra-sensibles a une salinité inférieure à 5 g/L. Pfaffhuber et coll. (2014) ont déterminé les mêmes limites de résistivité électrique dans les argiles de Vålen et à Smørgrav en Norvège mais, dans leur cas, la salinité des argiles sensibles varie entre 1.2 et 4.1 g/L. D’autres investigations ont été réalisées par Solberg et coll. (2012) à Gauldalen en Norvège où des résistivités électriques de 14 à 80 Ω-m ont été mesurées dans la majorité des argiles extra-sensibles. Lors d’investigations d’argile sensible, des résistivités électriques de 10 Ω-m et parfois jusqu’à 200 Ω-m ont été mesurées. Selon eux, l’argile sensible est caractérisée par des résistivités électriques de plusde 5 Ω-m. La croûte argileuse de surface, les sédiments grossiers et le roc ont normalement des résistivités électriques supérieures à 80 Ω-m. Rømoen et coll. (2010) ont réalisés cinq essais de pénétration au piézocône dont l’un d’entre eux a rencontré de l’argile extra-sensible dans des dépôts de sédiments marins en Norvège. Des valeurs de résistivité électrique entre 5 et 20 Ω-m ont été mesurées lors de ces essais dans l’argile lessivée possiblement extra-sensible. Deux sites d’argile extra-sensible à Utby et Skepplanda en Suède ont été étudiés par Lundstrom et coll. (2009) afin de comparer trois méthodes différentes pour cartographier les argiles sensibles. Plusieurs tomographies de résistivité électrique ont été réalisées où, pour des résistivités électriques inférieures à 6.3 Ω-m, l’argile n’est pas suffisamment lessivée pour être extra-sensible. Entre 6.3 et 16 Ω-m, l’argile est sensible alors qu’elle devient extra-sensible lorsque la résistivité électrique est supérieure à 16 Ω-m. Selon Lundstrom et coll. (2009), la différence entre les plages de résistivité électrique obtenues et celles utilisées par plusieurs chercheurs norvégiens pourrait s’expliquer par la proportion de particules argileuses qui est
plus élevée dans les argiles suédoises. Des tomographies de résistivité électrique ainsi que des essais de pénétration au piézocône avec mesure de la résistivité électrique ont été réalisés au nord de Göteborg en Suède par Shälin et Tornborg (2009) et Dahlin et coll. (2014). Les résultats obtenus par les deux méthodes sont semblables avec des valeurs plus élevées de 2 à 3 Ω-m pour la tomographie de résistivité électrique que pour l’essai de pénétration au piézocône. Selon ces auteurs, l’argile extra-sensible de Göteborg a une résistivité électrique d’au moins 6 Ω-m pour la tomographie de résistivité électrique et d’au moins 3 Ω-m pour l’essai de pénétration au piézocône.
Long et coll. (2017) ont regroupé les résultats de trente sites norvégiens afin d’établir des corrélations entre les différentes propriétés géophysiques et géotechniques mesurées. Ils ont démontré que la résistivité électrique d’un dépôt argileux dépend en grande partie de la salinité de l’eau interstitielle avec une influence mineure de la proportion de particules argileuses, de la plasticité et de la porosité. La relation entre la résistivité électrique et la salinité de l’eau interstitielle est présentée à la Figure 1.1. Cette relation suit une fonction exponentielle où la résistivité électrique augmente rapidement lorsque la salinité est inférieure à environ 2.5 g/L avec un coefficient de corrélation de 0.81. En excluant la zone de surface altérée d’environ 7.5 m d’épaisseur, Long et coll. (2017) ont trouvé une relation forte entre la résistivité électrique et la résistance au cisaillement de l’argile à l’état remanié (Figure 1.2). Les échantillons d’argile dont la résistivité électrique est de moins de 10 Ω-m ont des résistances au cisaillement à l’état remanié de plus de 0.5 kPa. Toutefois, le nuage de points est dispersé de façon importante et plusieurs échantillons avec des résistivités entre 10 et 100 Ω-m ont des résistances au cisaillement à l’état remanié élevées qui peuvent atteindre jusqu’à près de 5 kPa. En se basant uniquement sur la résistivité électrique, ces échantillons auraient été faussement identifiés comme des zones d’argile sensibles.
Figure 1.1: Corrélation entre la salinité et la résistivité électrique. Tirée de Long et coll. (2017).
Figure 1.2: Corrélation entre la résistance au cisaillement à l’état remanié et la résistivité électrique pour des données à plus de 7.5 m de profondeur, sans échantillons silteux. Tirée de Long et coll. (2017).
Selon Long et coll. (2017), la concentration en particules argileuses joue un rôle important uniquement lorsque la salinité est inférieure à 2 g/L. Des résistivités électriques élevées de l’ordre des valeurs typiques retrouvées dans les sables et les silts sont atteintes lorsque la fraction argileuse est inférieure à 20%. Selon les données obtenues par Long et coll. (2017), lorsque la résistivité électrique est entre 10 et 100 Ω-m et que l’indice de plasticité est supérieur à 10%, il est très peu probable que l’argile soit sensible. Il existe également une relation entre l’indice de plasticité et la résistivité électrique. Bjerrum (1954) a démontré que pour l’argile d’Oslo, le lessivage a provoqué une diminution de 20% de la limite de liquidité pour une diminution de seulement 3% de la limite de plasticité. De plus, Helle et coll. (2016, 2017) ont trouvé que les limites de consistance augmentent par des valeurs similaires lorsque les argiles de Dragvoll et de Ulvensplitter en Norvège sont traitées en ajoutant du chlorure de potassium. Plusieurs échantillons avec des résistivités de plus de 10 Ω-m ont des résistances au cisaillement à l’état remanié supérieures à 0.5 kPa. Encore une fois, en se basant uniquement sur la résistivité électrique, ces sols auraient été classés comme extra-sensibles alors que ce n’est pas le cas.
Des mesures de résistivité électrique ont été effectuées sur l’argile sensible du Canada par plusieurs auteurs. Calvert et Hyde (2002) ont réalisé des tomographies de résistivité électrique et un levé électromagnétique dans la vallée d’Ottawa. Selon leurs résultats, la plage de résistivité électrique de l’argile lessivée et susceptible au glissement de terrain est de 10 à 80 Ω-m. Crow et coll. (2014) ont utilisé une méthode différente pour déterminer la présence d’argile sensible dans la région d’Ottawa. Leur approche a été de mesurer la conductivité électrique du sol par diagraphie géophysique dans un forage. Selon les résultats obtenus, les sols argileux dont la conductivité électrique est de moins de 100 mS/m (ρ > 10 Ω-m) peuvent être très sensibles. Pour ceux dont la conductivité électrique est supérieure à 200 mS/m (ρ < 5 Ω-m), ces sols argileux sont rarement sensibles avec une sensibilité inférieure à 20.
Lors de l’étude du site de Brownsburg réalisée par Bélanger et coll. (2017), une tomographie de polarisation provoquée a été réalisée et des mesures de résistivité et chargeabilité électrique sur des échantillons d’argile ont été effectuées en laboratoire avec un testeur SCIP (Sample Core Induced Polarization). Des résultats très différents ont été obtenus avec ces deux méthodes. En effet, la limite de résistivité électrique obtenue lors de la tomographie de polarisation provoquée est très faible par rapport à celle obtenue en laboratoire qui s’accorde bien avec les valeurs proposées dans la littérature. Selon la tomographie de polarisation provoquée, une résistivité électrique supérieure à 2.8 Ω-m indique la présence d’argile sensible alors qu’une valeur supérieure à 5.5 Ω-m indique la présence d’argile extra-sensible. Avec le testeur SCIP, une résistivité électrique de moins de 8 Ω-m est caractéristique d’une argile non-sensible. Pour une argile sensible, des valeurs de résistivité électriques de plus de 8 Ω-m sont attendues alors qu’une résistivité électrique de plus de 16 Ω-m est caractéristique d’une argile extra-sensible. Des valeurs de résistivité électrique entre 8 et 10 Ω-m ont été retrouvées à la fois dans des argiles sensibles et dans des argiles non-sensibles.
À Saint-François-de-la-Rivière-du-Sud, Veillette et coll. (2018) ont mesuré la résistivité électrique d’un dépôt argileux par trois méthodes différentes : 1) la tomographie de résistivité électrique, 2) l’essai de pénétration au piézocône avec mesure de résistivité électrique et 3) le testeur SCIP en laboratoire sur des échantillons. Les valeurs mesurées par les trois méthodes s’accordent très bien ensemble. Selon les résultats obtenus, la limite de résistivité entre une argile sensible et non-sensible est de 10 Ω-m selon la tomographie de résistivité électrique et de 8.8 Ω-m selon le testeur SCIP.
En résumé, différentes limites de salinité et de résistivité électrique ont été trouvées dans la littérature pour déterminer la sensibilité de l’argile marine. Une synthèse de ces limites trouvées dans la littérature est présentée au Tableau 1.1. Bien que les résultats diffèrent d’une étude à l’autre, la mesure de résistivité électrique présente un bon potentiel pour cartographier les zones d’argiles
sensibles. La tomographie de résistivité électrique est la méthode la plus intéressante. En effet, elle permet de diminuer les coûts d’investigation et d’améliorer la répartition des essais géotechniques intrusifs. Selon Solberg et coll. (2008), la moitié des forages réalisés pour l’étude de tracé de l’autoroute E39 à Buvika en Norvège auraient pu être évités si des tomographies de résistivité électrique avaient été réalisées au préalable. Toutefois, la résistivité électrique ne peut pas identifier la sensibilité d’une argile à elle seule en raison du chevauchement entre les plages de résistivité et l’effet d’une combinaison de plusieurs facteurs différents. Ces tomographies de résistivité électrique doivent toujours être accompagnées d’essais géotechniques conventionnels afin de pouvoir les interpréter correctement.
Tableau 1.1: Synthèse des limites de salinité et de résistivité électrique pour déterminer la sensibilité de l’argile trouvées dans la littérature.
Salinité g/L Résistivité Ω·m Salinité g/L Résistivité Ω·m < 5 5 - 10 Norvège Bjerrum (1954) ≤ 2 Norvège Torrance (1974)
< 3 < 3 Canada Penner et Burn (1977) ≥ 10 ≥ 10 ERT, EM Canada Calvert et Hyde (2002) ≤ 5.6 Suède Andersson-Sköld et coll. (2005)
< 5 10 - 80 10 - 80 ERT Norvège Solberg et coll. (2008) > 16 6.3 - 16 ERT Suède Lundström et coll. (2009)
≥ 6 ERT
≥ 3 RCPTU
5 - 90 RCPTU Norvège Rømoen et coll. (2010)
14 - 80 ERT
15 - 60 RCPTU
< 5 10 - 80 ERT Norvège Donohue et coll. (2014) ≤ 4.1 10 - 80 ERT Norvège Pfaffhuber et coll. (2014)
< 2 > 10 < 2 > 10 BH Canada Crow et coll. (2014) < 2 - 2.5 > 10 > 10 ERT, RCPTU, AEM, SCIP Norvège Long et coll. (2017)
> 5,5 > 2.8 PP > 16 > 8 - 10 SCIP
> 10 ERT > 8.8 SCIP < 2.8
ERT : Tomographie de résistivité électrique
RCPTU : Essai de pénétration au piézocône avec mesure de résistivité électrique AEM : levé électromagnétique aéroporté (airborne electromagnetics)
PP : Levé de polarisation provoquée
SCIP : Sample core induced polarization BH : Diagraphie géophysique (Borehole) EM : Levé électromagnétique
Méthode de résistivité
électrique Pays Référence
Solberg et coll. (2012) Veillette et coll. (2018) Bélanger et coll. (2017) Shälin et Tornborg (2009) Canada Canada Norvège Suède
Sur ≤ 0.5 kPa 0.5 < Sur < 1 kPa
Chapitre 2 Description du site d’étude
2.1 Localisation
Le site d’étude se trouve dans un secteur agricole de la municipalité de Louiseville, Québec, qui fait partie de la région administrative de la Mauricie (Figure 2.1). Cette municipalité se situe à 35 km à l’ouest de la ville de Trois-Rivières. Le site d’étude est proche de la rivière Chacoura à la hauteur du Club Val-Joli sur la route 349. Ce site est caractérisé par la présence d’un glissement de terrain à proximité de la rivière avec un relief ondulé (Figure 2.2). La pente abrupte de ce glissement s’adoucit à l’approche de la rivière dont la largeur n’est que de quelques mètres à la hauteur du site d’étude (Figure 2.3). Ce secteur fait partie du territoire qu’occupait anciennement la Mer de Champlain.
Figure 2.1: Carte de localisation du site d’étude dans la municipalité de Louiseville, Québec.
Figure 2.2: Vue vers le sud du glissement de terrain entre la rivière Chacoura et la route 349.
2.2 Historique géotechnique de Louiseville
Le site de Louiseville est bien documenté. En effet, de nombreuses investigations géotechniques ont été effectuées sur un site expérimental près du site d’étude depuis la fin des années 70 (Leroueil et coll., 2003). Plusieurs essais de terrain et de laboratoire ont été réalisés. Le dépôt du site de Louiseville est constitué d’une argile caractérisée par une plasticité élevée et fait une épaisseur de l’ordre de 60 m (Leblond, 1981, Jean, 1983). Sur le profil du dépôt de Louiseville présenté à la Figure 2.4, la couche de surface altérée d’une épaisseur de 1.8 m repose sur une argile grise de consistance molle à ferme. Ce dépôt est caractérisé par une grande homogénéité dont la composition comprend en moyenne 80% de particules argileuses et de silt pour la fraction restante. Immédiatement sous la croûte altérée, la résistance au cisaillement non drainée mesurée au scissomètre est de 18 kPa qui augmente progressivement avec la profondeur pour atteindre 55 kPa à 13.5 m. La sensibilité qui a été mesurée au cône tombant est en moyenne de 22. La teneur en eau est de 90% sous la croûte et elle diminue jusqu’à 64% à la profondeur maximale d’investigation. Les limites de consistance ne varient pas de façon significative. La limite de liquidité varie entre 62 et 72% alors que la limite de plasticité varie entre 23 et 26%. L’indice de plasticité est stable à une valeur de 45%. L’indice de liquidité varie de 1.6 à 1.0 sous la croûte altérée. Cela suggère que le sol a été lessivé (Leroueil et coll., 2003).
Selon St.-Gelais (1990) et Locat (1996), la minéralogie du dépôt de Louiseville est composée en grande partie de minéraux non-argileux dont notamment des minéraux de quartz, de feldspath et de plagioclase. La fraction argileuse contient des proportions environ égales de minéraux argileux et non-argileux. Ces minéraux argileux correspondent à des illites et à des chlorites avec un peu de minéraux argileux gonflants.
Figure 2.4: Propriétés géotechniques du dépôt d’argile de Louiseville. (Leroueil et coll., 2003).
2.3 Investigation antérieure du site d’étude
Par le passé, le Ministère des Transports du Québec a réalisé quelques essais géotechniques à moins d’un kilomètre du site d’étude (Figure 2.5). Le modèle numérique d’élévation présenté à la Figure 2.5 inclut des courbes de niveau aux 2 m. Les pentes sont fortes à proximité de la rivière Chacoura. Des cicatrices de grands glissements de terrain sont visibles à la Figure 2.5.
Figure 2.5: Modèle numérique d’élévation obtenu d’un levé LiDAR aéroporté. Localisation du site d’étude et des essais géotechniques CR30051, CR30052, F30052 et S30052. Les cicatrices de grands glissements sont identifiées par des lignes en mauve.
Deux essais de pénétration au piézocône qui ont atteint près de 52 m de profondeur ont été effectués durant le mois de septembre 2013. L’essai CR30052 a été réalisé à l’extérieur de la zone de glissement (Figure 2.6). La croûte superficielle d’argile fait une épaisseur d’environ 3.5 m. Sous cette croûte, le profil de résistance à la pointe corrigée reste stable aux alentours de 375 kPa jusqu’à une profondeur de 7 m. Par la suite, la résistance à la pointe augmente de façon linéaire jusqu’à atteindre 2450 kPa à une profondeur de 52 m. Les pressions
interstitielles augmentent progressivement de 200 à 1680 kPa en profondeur. Le frottement reste constant à 5 kPa à partir de 3.5 m avec un rapport de frottement de 1%. Toutefois, il semble qu’un dysfonctionnement de la sonde de frottement soit survenu à partir d’une profondeur de 12 m. À partir de 32 m, la sonde recommence à fonctionner et des valeurs de frottement allant jusqu’à 18 kPa ont été mesurées à grande profondeur. Le rapport de frottement reste stable en dessous de 1%. L’essai CR30051 a été réalisé à l’intérieur d’une zone qui comporte des cicatrices de glissement de terrain (Figure 2.7). La croûte superficielle d’argile fait aussi une épaisseur de 3.5 m. Trois couches d’argile dont la résistance à la pointe est plus faible que celle attendue ont été identifiées lors de cet essai. La première couche d’argile de faible résistance à la pointe se trouve entre 3.5 et 12.5 m de profondeur où la résistance à la pointe progresse de 420 à 630 kPa en profondeur alors qu’elle aurait dû être de plus de 600 kPa sur l’ensemble du profil. La résistance à la pointe augmente brusquement à près de 1000 kPa à une profondeur de 12.5 m et elle augmente ensuite progressivement avec la profondeur. Une mince couche d’argile de résistance à la pointe plus faible avec une diminution notable de la résistance à la pointe de 150 kPa est rencontrée entre 14.6 et 15.7 m de profondeur. L’augmentation de la résistance à la pointe se poursuit ensuite jusqu’à une valeur maximale de 2596 kPa à 46.6 m. Une dernière couche d’argile de faible résistance à la pointe est ensuite pénétrée de 46.6 m jusqu’à la profondeur finale de l’essai. Le profil des pressions interstitielles est caractérisé par des variations semblables à celui de la résistance à la pointe avec des valeurs qui augmentent progressivement de 189 à 1823 kPa et des valeurs plus faibles au droit des couches d’argile de faible résistance à la pointe. Sous la croûte, le frottement augmente de 3 à 33 kPa avec la profondeur et le rapport de frottement reste stable à près de 1%. Le roc n’a pas été atteint lors de ces deux essais qui se sont terminés à une élévation de -22.6 m. D’après le modèle de topographie du socle rocheux du sud-ouest de la Mauricie de Leblanc et coll. (2013), l’élévation de la surface du roc serait entre -50 et -60 m dans le secteur à l’étude.
Figure 2.7: Résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30051.
Un forage F30052 et des essais au scissomètre de chantier S30052 ont été réalisés le 30 juin 2016 au même endroit que l’essai de pénétration au piézocône situé à l’extérieur de la zone de glissement (Figure 2.5). Ce forage a atteint une profondeur de 30.6 m (Figure 2.8). Selon les différents essais réalisés sur les échantillons d’argile récupérés lors de ce forage et les essais au scissomètre, il y a
un remblai de 2.5 m d’épaisseur qui repose sur une croûte argileuse de 1.5 m d’épaisseur et un dépôt d’argile grise en profondeur. Le roc n’a pas été atteint lors de ce forage. Selon les résultats des analyses granulométriques, les proportions d’argile varient entre 67 et 78%, de silt entre 13 et 26% et de sable entre 3 et 9%. La résistance au cisaillement non drainée a été mesurée au scissomètre de chantier ainsi qu’au cône tombant en laboratoire. En tenant compte des résultats du scissomètre, la résistance au cisaillement non drainée a aussi été calculée à partir des résultats de l’essai de pénétration au piézocône CR30052. Dans le dépôt d’argile grise jusqu’à une profondeur de 30 m, la résistance au cisaillement non drainée augmente de 15 à 50 kPa selon les essais en laboratoire et de 22 à 81 kPa selon les essais de terrain. Des résistances au cisaillement à l’état remanié entre 0.5 et 2.4 kPa et des valeurs de sensibilité entre 16.9 et 35 ont été obtenues. La teneur en eau diminue avec la profondeur de 89.2 à 37.6%. Au niveau des limites de consistance, la limite de liquidité diminue de 71.9 à 47.7% alors que la limite de plasticité diminue de 26.8 à 19.7%. Finalement, des indices de plasticité entre 28 et 49% et des indices de liquidité de 0.9 à 1.6 ont été déterminés.
Les résultats obtenus entre 6.2 et 14.2 m de profondeur indiquent la présence d’une couche d’argile sensible où les résistances au cisaillement à l’état remanié sont inférieures à 1 kPa et les indices de liquidité sont supérieurs à 1.2. En raison des plages des propriétés géotechniques mesurées et de la présence d’argile sensible, le site de Louiseville est d’un grand intérêt pour l’étude de la relation entre la résistivité électrique et la susceptibilité au glissement de terrain des argiles de l’est du Canada.
Figure 2.8: Profil géotechnique du forage F30052 avec les résultats des essais au scissomètre S30052 et de l’essai de pénétration au piézocône CR30052.
Chapitre 3 Méthodologie
3.1 Tomographies de résistivité électrique
3.1.1 Localisation des levés
Une première tomographie de résistivité électrique nommée ERT-A a été réalisée entre le 15 et le 20 juin 2018 (Figure 3.1). La ligne de levé a d’abord été positionnée de façon à être perpendiculaire à la coulée du côté ouest de la rivière Chacoura puis sa position a été modifiée en fonction des contraintes rencontrées sur le terrain. La ligne de levé traverse des champs agricoles ainsi que des fossés de drainage et la route 349. Elle se termine dans la coulée à proximité de la rivière Chacoura. La longueur de ce levé est de 1435 m.
La deuxième tomographie de résistivité électrique nommée ERT-B d’une longueur de 285 m a été réalisée le 6 novembre 2019 dans la coulée du champ agricole entre la route et la rivière où la topographie est très variable et comporte des pentes raides (Figure 3.1). La ligne de ce levé a été orientée perpendiculairement à celle du premier levé à l’extrémité est.
Figure 3.1: Carte de localisation des tomographies de résistivité électrique, des forages, des essais de pénétration au piézocône et des essais au scissomètre réalisés dans le cadre de la présente étude.
