Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014

EXEMPLE D'UTILISATION DE L'ESSAI OEDOMETRIQUE POUR RESOUDRE DES PROBLEMES DE GEOLOGIE HISTORIQUE OU PREHISTORIQUE.

EXEMPLE OF USING THE OEDOMETER TEST TO SOLVE THE PROBLEM OF GEOLOGIC HISTORY OR PREHISTORIC.

Richard FABRE1, Antoine MARACHE1

1 Université de Bordeaux, I2M, UMR 5295, Ave des facultés, 33405 Talence cedex, France

RÉSUMÉ — Dans ce travail nous présentons une utilisation originale de l'essai

oedométrique dans deux cas de problèmes géologiques sur deux sites différents.

Dans le premier cas (site 1) il s'agit de dater des dépôts d'argiles vasardes

quaternaires dans un lac de haute altitude des Pyrénées-Atlantiques mis en place à

la faveur d'un grand glissement de terrain. Dans le second cas (site 2) il s'agit de

comprendre les raisons d'un état de surconsolidation d'une argile noire du

Pléistocène par rapport au contexte géologique et environnemental de la dernière

période glaciaire vers -34 ka. Pour résoudre ces deux types de problèmes

géologiques la courbe de consolidation et la courbe de compressibilité de l'essai

oedométrique permettent de déduire: a) la vitesse de sédimentation des argiles

vasardes et leur âge à partir de l'épaisseur du dépôt; b) la contrainte de

préconsolidation et l'état de consolidation de l'argile noire. Ce travail montre combien

l'essai oedométrique est un outil de mesure utile en géologie fondamentale et pas

seulement en géotechnique.

ABSTRACT — In this work we present an original use of the oedometer test in two

cases of geological problems on two different sites. In the first case (site 1) it comes

to date from the Quaternary mud claying deposits in a lake's high altitude of

Pyrénées-Atlantiques, implemented through a large landslide. In the second case

(site 2) it comes to understand the reasons for a state of overconsolidation of a black

clay from the Pleistocene from geological and environmental of the last glacial period;

- 34 ka. To solve these two types of geological problems the both consolidation and

compressibility curve of the oedometer test allow deducting: a) the velocity

sedimentation rate of mud clayey and their age from the thickness of the deposit; b)

the preconsolidation stress and the state of consolidation of black clay. This work

shows how the oedometer test is a useful measurement in fundamental geology tool

and not only in geotechnical engineering.

1. Introduction

Dans le cadre de travaux de recherche, d'une part sur les instabilités de versants

montagneux des Pyrénées (ici site 1) et d'autre part sur les phénomènes de

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retrait/gonflement d'une formation argileuse en Gironde (site 2), l'essai oedométrique

a été utilisé respectivement, pour dater un dépôt d'argile vasarde (site 1) et expliquer

l'état de surconsolidation d'une argile noire très plastique (site 2). Dans le cas du site

1 il s'agit de déterminer l'âge d'un important glissement rocheux dans des roches du

Paléozoïque de la vallée d'Aspe (Pyrénées -Atlantiques). Pour cela l'âge du

glissement a pu être établi à partir de deux méthodes (Lebourg et al. 2013). La

première utilise la luminescence optique stimulée (OLS) sur les filons de quartz du

plan de faille de rupture du glissement (non décrit ici), l'autre utilise l'essai

oedométrique (norme NF P 94-090-1) pour estimer l'âge de dépôts d'argiles

vasardes qui cachètent la mise en place du glissement de terrain (méthode

développée dans ce travail). Pour le site 2, à partir de travaux de recherche sur les

phénomènes de retrait et gonflement des sols argileux de Gironde (Projet ANR

ARGIC (2006-2013), on en a déduit l'état de consolidation, qui confronté à son

histoire géologique, doit permettre de l'expliquer. D'autres exemples d'études sont en

cours sur les relations liant l'état de consolidation d'un sol et les effets de la

construction d'un monument romain sur Bordeaux (non développé ici). Ce travail

montre les nombreuses utilisations et applications de l'essai oedométrique en

géologie fondamentale.

2. Etude du site des Pyrénées-Atlantiques (site 1): détermination de l'âge d'un

ancien glissement de terrain.

Il est situé dans le Béarn (Pyrénées-Atlantiques) à une altitude de 1789 m et

correspond à un étang formé au pied de l'escarpement principal d'un ancien

glissement de terrain mis en évidence par Lebourg et al (2013), (Figure 1). Il

correspond à des dépôts quaternaires de vases récentes d'un étang d'altitude dont il

s'agit de déterminer l'âge du dépôt connaissant son épaisseur et la vitesse de

sédimentation de celui-ci. Suivant cette problématique il convient de déterminer au

préalable le coefficient de perméabilité k(m/s) du dépôt de vase pour en déduire son

âge. Pour ce faire nous avons utilisé l'essai oedométrique (NF P 94-090-1). Au final,

pour ce site, l'objectif est de déterminer l'âge des dépôts de vase de l'étang d'altitude

du col de Coumette afin d'en déduire celui du glissement de terrain, en partant du

principe que l'étang est pénécontemporain du glissement (données géologiques et

géomorphologiques). Il convient, pour déterminer l'âge des dépôts sédimentaires de

l'étang, de connaître leur épaisseur et leur vitesse de sédimentation à partir de l'essai

oedométrique en calculant le coefficient de perméabilité du sol. Des sondages ont

été réalisés afin de connaître l'épaisseur du dépôt de vase, ainsi que des

prélèvements non remaniés pour réaliser un essai oedométrique de la vase.

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Figure 1 - Localisation du profil de la figure 2 le long de l'étang de Coumette au pied

de l'escarpement principal du glissement de terrain.

2.1. Présentation géologique

Il se trouve dans la "zone axiale" de la chaîne des Pyrénées essentiellement

constituée de terrain du Paléozoïque avec des calcaires du Dévonien visibles dans

les anticlinaux et des grès et schistes du Permo-carbonifère dans les synclinaux

(Figure 2). L'ensemble des formations paléozoïques est recouvert de formations

superficielles en moyenne et basse du massif montagneux (éboulis, colluvions,

moraines) et de terrasses alluviales en fond de vallée. Un grand glissement de

terrain découvert par Lebourg et al (2013) affecte le versant rive gauche du gave

d'Aspe et montre au pied de l'escarpement principal un étang d'altitude (1789 m)

situé juste sous la ligne de crête. L'étang recouvre et cachette la faille du plan de

rupture du glissement rocheux en partie sommitale (Figure 2). Les dépôts vaseux de

l'étang sont donc considérés contemporains du glissement de terrain puisque l'étang

s'est formé à sa faveur.

2.2. Les sondages de reconnaissance

La figure 3 montre le profil Est-ouest effectué par sondages dans l'étang de

Coumette qui cachette et marque le sommet du glissement de terrain dont on se

propose de déterminer l'âge. Les épaisseurs de vase ont été obtenues par lecture

directe en enfonçant une tige en acier graduée jusqu'au substratum constitué de

roches dures (schistes rouges du Permien). Le refus à l'enfoncement donne

l'épaisseur de vase. Suivant le profil de la figure 6 on note une épaisseur maximale

de 0,82 m de vases en partie centrale de l'étang au point de sondage n° 7. La

hauteur de la tranche d'eau de l'étang était de 6 cm à la date des sondages

(05/11/2011). On constate que le lac s'est formé sous l'escarpement principal et dans

la zone affaissée et compartimentée du sommet du glissement dont on observe la

faille principale et les failles secondaires (Figure 3).

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Figure 2. Carte géologique de la vallée d'Aspe montrant le site 1 d'étude au niveau

de l'étang, sommet du glissement de terrain (en jaune). La localisation de la carte est

faite su le schéma structural des Pyrénées de Teixell (1998).

Figure 3. Coupe de l'étang de Coumette montrant l'épaisseur de vase reposant sur le

substratum Permien. Les failles indiquent la zone de départ du glissement rocheux

situé à 1789 m d'altitude (voir localisation Fig. 1).

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2.3. Méthode de calcul de la vitesse de sédimentation

Afin de déterminer l'âge de la couche de sédiment vaseux qui s'est déposé dans

l'étang de Coumette sous l'escarpement principal du glissement de terrain étudié , et

donc l'âge du glissement de terrain, il convient de connaître d'une part l'épaisseur

maximale de la couche de sédiments vaseux de l'étang à partir de sondages (voir

figure 3) et d'autre part leur vitesse de sédimentation. Pour cette dernière on utilise la

relation établie par Been's (1980) et Sanchez and Levachez (2007) reliant la vitesse

de sédimentation de sédiments argileux par rapport à leur concentration et leur

coefficient de perméabilité comme suit :

(1)

Où ρs et ρo sont respectivement la masse volumique de la vase (1,82 Kg/m3) et de

l'eau (9,81 Kg/ m3), k le coefficient de perméabilité de la vase; C représente la

concentration en particule de la vase (0,941 Kg/m3). Le calcul la vitesse de

sédimentation de la vase passe par la détermination du coefficient de perméabilité k

à partir de l'essai oedométrique, qui permet de déduire le coefficient de consolidation

Cv (m/s²) de la vase sur 24h à partir de la relation suivante :

(2)

Où E' est le module oedométrique et γo le poids volumique de l'eau (9,81 kg/m3).

L'essai consiste à soumettre à une charge très faible égale au poids du piston, une

cellule oedométrique de vase non remaniée (diamètre= 70 mm; hauteur =20 mm;

volume= 76,96 cm3), et déterminer sur 24h le coefficient de consolidation Cv (Figure

4) et le coefficient de perméabilité k = 0,685 10-3 m/s, (Tableau 1).

Tableau 1 . Paramètres géotechniques de l'argile vasarde obtenus à partir de l'essai

oedométrique, avec : γh et γd : poids volumique humide et sec de la vase; ei et ef =

indice des vides initial et final; E' = module oedométrique.

γh γd ei ef E' Cv k

Kg.m-3 Kg.m-3 - - kPa m².s-1 m/s

1.86 1.31 1.024 0.900 205.53 0.144 x 10-7 0.685 x 10-9

Au final, connaissant k, ρs et ρo et C dans la relation (2), on calcule la vitesse de

sédimentation Vs de 1,24 mm/ an. Comme l'épaisseur maximale du dépôt de vase

est de 82 cm (ou 820 mm) on déduit l'âge du dépôt de vase, soit : 820 x 1,24 = 996

ans. Les dépôts de vases auraient débuté vers l'an 1017, ce qui est conforme à l'âge

du glissement trouvé par datations cosmologiques à partir de l'isotope du Béryllium

10 (Méthode OSL) des filons de quartz du miroir de faille du glissement (1106 ± 540

ans; Lebourg et al. 2013). Les deux méthodes utilisées ici pour déterminer l'âge du

dépôt de vase n'ont rien en commun et utilisent des techniques de mesure

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totalement différentes. Elles aboutissent à des âges similaires, ce qui valide en soit la

démarche scientifique et les méthodes utilisées.

Figure 4. Courbe de consolidation de la vase de l'étang de Coumette donnant les

paramètres T90 sur le graphique (Racine de 9,5 en mn) et hauteur corrigée (Hc

=1,902 cm) pour calculer Cv = (0,848 Hc²/4)/ T90.

3. Etude du site de Gironde (site 2): détermination de l'état de consolidation

des argiles

Il se situe sur la commune de Pessac en Gironde où se sont déposés au Pliocène

des argiles noires en milieu continental (Figure 5). Ces argiles ont subi les différentes

périodes de glaciation du dernier million d'année et en ont gardé la trace (Lenoble et

al, 2010; 2012). Par ailleurs, de récentes études montrent que les argiles du site 2

sont très plastiques et responsables de sinistres aux habitations (zone d'aléa moyen

par les travaux du BRGM; Figure 5).

Dans le cas du site 2, il s'agit d'utiliser l'essai oedométrique pour caractériser l'état de

consolidation d'un sol argileux ayant subi une période de glaciation vers -34 ± 2 ka

(Lenoble et al, 2010; 2012). En effet, de nombreux travaux ont montré qu'un

pergélisol garde en mémoire les contraintes géostatiques effectives horizontales subi

au cours de son histoire et lors d'une glaciation (Terzaghi, 1943; Morgenstern and

Smith, 1973).

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Figure 5 - Localisation du site 2 à Pessac (Gironde), avec en rouge et étoile les

zones de sinistre (argile) en aléa moyen.

3.1. Présentation géologique

D’après la carte géologique à 1/50 000 et la coupe géologique du secteur d’étude

établie par Dubreuilh et al. (1995), (Figure 6), la commune de Pessac se situe à la

limite de deux domaines : à l’Est les terrasses alluviales quaternaires de la Garonne

et à l’Ouest les dépôts deltaïques landais du Pléistocène avec la « Formation de

Brach » et la « Formation de Belin ». La « Formation de Brach », étudiée ici, est

essentiellement formée de sols argileux gris bleu à gris noir avec des traces

d’oxydation de couleur ocre lorsqu’elle est altérée. Elle montre localement la

présence d'un pergélisol dans des argiles noires très plastiques (Lenoble et al.

2012), avec des sols polygonaux dont les fissures sont remplies de sables éoliens

datés par méthode OLS sur les grains de quartz (Figure 7). D'autres sites d'Aquitaine

et de Dordogne montrent l'existence d'un pergélisol (Bertran et Fabre, 2005; Lenoble

et al. 2010).

Figure 6. Coupe géologique du Médoc avec localisation de la formation de Brach.

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Figure 7. Photos du niveau d'argile noire de la formation de Brach montrant les

fentes du pergélisol remplies de sables éoliens en coupe (a) et dans la fosse (b).

3.2. Les sondages de reconnaissance

A partir d'une quinzaine de sondages mécaniques, trois fosses à la pelle mécanique

et de nombreuses tarières à main une coupe lithologique détaillée du site a été

établie (Figure 8). Elle montre que la formation de Brach d'âge Pléistocène présente

de fortes variations lithologiques de faciès depuis des argiles beige ocre (A/Bo) à

bleu (A/b) ou noire (A/n), avec des passées de graves sablo-argileuses (Gsa);

(Figure 8). C'est dans la couche d'argile noire très plastique qu'a été reconnu un

pergélisol avec des polygones hexagonaux de taille métrique dont les fentes sont

remplies de sables éoliens (Figure 7). Un échantillon intact prélevé à 2,0 m a été

utilisé pour déterminer la contrainte de préconsolidation de l'argile noire afin de la

comparer à la contrainte géostatique calculée à cette profondeur, et en déduire l'état

de consolidation.

Figure 8. Coupe géologique de la formation de Brach montrant les variations

latérales de faciès et la fosse de prélèvement dans l'argile noire ou ancien pergélisol.

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3.3. Méthode de calcul de l'état de consolidation

La courbe de compressibilité de l'argile noire très plastique permet de déterminer

graphiquement la contrainte de préconsolidation; σ'p = 310 kPa (Figure 9). Si on la

compare à la contrainte géostatique calculée, (z= 2,0 m; γ=18,05 kN/m3), on obtient

une valeur de σ'o = γxz = 36,1 kPa. On en conclut que l'argile noire est surconsolidée

(σ'p > σ'o) soit en raison d'une surcharge de 15 mètres de sol enlevée par érosion,

soit en raison d'un autre phénomène dont l'origine pourrait être lié à un ancien

pergélisol daté à -34 ka (Lenoble et al. 2010; 2012). En effet, expérimentalement

(Dysli, 1991) a montré que des pressions de succion supérieures à 500 kPa se

créent dans une argile lors du gel. Sur le site d'autres essais oedométriques sur des

argiles beige ocre altérées de la formation de Brach donnent des contraintes σ'o de

50 et 80 kPa, soit ne traduisant aucune surconsolidation (pas de figure de

pergélisol), sinon très faible. Pour cette raison l'explication la plus plausible de l'état

de surconsolidation de l'argile noire du site s'expliquerait par son gel au cours de son

histoire géologique. Dans cette étude de cas, l'oedomètre reste un essai intéressant

pour venir compléter et renforcer les observations de terrain (pergélisol) et les

données des scientifiques (Lenoble et al, 2012).

4. Conclusion

Ce travail montre que l'essai oedométrique permet d'extraire des renseignements

intéressants sur les sols argileux en montrant qu'ils ont la capacité de garder en

mémoire leur histoire géologique, que ce soit celle de leur vitesse de sédimentation

(argiles vasardes historiques du Xème siècle) ou encore leur état de surcharge

(surconsolidation) induite artificiellement par un phénomène de gel (période

préhistorique). Pour cela l'essai oedométrique reste d'un apport intéressant afin de

résoudre des problèmes de géologie fondamentale.

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Figure 9. Courbe de compressibilité de l'argile noire pléistocène de la formation de

Brach montrant graphiquement une contrainte de préconsolidation σ'p de 310 kPa.

Remerciements

Les auteurs remercient Thomas Lebourg et Swann Zerathe pour leur analyse et

réflexion sur le site du Béarn ayant conduit à réaliser une étude à l'essai

oedométrique ainsi que l'aide de l'ANR (projet ARGIC), de la région Aquitaine et de

la mairie de Pessac pour leur financement sur le site de Pessac (mesures

d'accompagnement bourse CIFRE).

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