"morne delmas" en haïti

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
ÉTUDE DU GONFLEMENT D'ÉCHANTILLONS DE MARNE DE LA
FORMATION GÉOLOGIQUE "MORNE DELMAS" EN HAÏTI
STUDY OF THE SWELLING OF MARL SAMPLES OF THE “MORNE DELMAS”
GEOLOGICAL FORMATION IN HAITI
Kelly GUERRIER1, Dominique BOISSON1, Jean-François THIMUS2, Christian
SCHROEDER3
1 URGéo-FDS-UEH, Port-au-Prince, Haïti
2 GCE-IMMC-UCL, Louvain-la-Neuve, Belgique
3 BATir-ULB, Bruxelles, Belgique
RÉSUMÉ — La formation géologique « Morne Delmas » constitue le substratum
d'une grande partie de la région métropolitaine de Port-au-Prince, la capitale d'Haïti.
Cette formation date du Pliocène et est caractérisée par une alternance d’argiles
brunâtres parfois gonflantes et de sable calcaire. Plusieurs accidents géotechniques
(glissements de terrain, mouvements de sols) liés à la nature de ces sols ont été
recensés ces dernières années. Ainsi, des cas de fissurations de structures ont été
observés dans certains secteurs de la formation de Delmas. Une analyse de la
géométrie de ces désordres fait penser que ceux-ci peuvent être le résultat de
gonflement/tassement différentiel sous les bâtiments. Ce travail se propose, sur base
d'échantillons prélevés sur deux sites où des endommagements ont été répertoriés,
de déterminer la nature précise de ces sols. Les essais géotechniques ont montré
que les sols testés contiennent de l'argile et du carbonate de calcium dans des
proportions variant entre 30 et 70 % et sont de plasticité non négligeable. De la
montmorillonite et de la vermiculite ont été identifiées par diffractométrie RX. Le
gonflement de ces sols a été mis en évidence par un essai de retrait/gonflement
réalisé à l’aide d’un microscope électronique à balayage environnemental (INERISFrance). Ce gonflement peut développer des pressions qui varient entre 10 et 100
kPa dépendant des conditions de densité et de teneur en eau. L'amplitude du
gonflement libre pour les échantillons les plus gonflants atteint 12 %. Les
informations précédentes permettent de classifier ces échantillons de sol d’Haïti
comme à gonflement élevé, préjudiciable aux constructions légères. L’aléa
retrait/gonflement devra donc être pris en compte dans la planification de projets
futurs concernant la formation Morne Delmas.
ABSTRACT — The “Morne Delmas” geological formation is the bedrock of the larger
part of the area of Port-au-Prince (Haiti). This formation of the Pliocene (Auboin et al.,
1988; Butterlin, 1960) era is characterized by an alternation of swelling plastic clays
and calcareous sand. Several geotechnical accidents (landslides, differential
settlement/swelling) were located in this formation during the last years. This work
proposes, using mineralogical and geotechnical methods, a framework for the
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characterization of swelling of clayey soils of the "Morne Delmas" formation based on
samples taken from two sites concerned by the problems of soils movements.
1. Introduction
La problématique du gonflement des sols argileux retient fréquemment l'attention des
ingénieurs et chercheurs en géotechnique par le fait que les nombreux dégâts
résultant de ce phénomène coûtent cher en réparation des ouvrages endommagés
(Vincent et al., 2008). Actuellement, plusieurs méthodes sont utilisées pour étudier ce
genre de problème. Les approches minéralogiques comme la diffractométrie aux
rayons X et la microscopie électronique à balayage environnemental (MEBE)
permettent de déterminer la nature des minéraux argileux et leur potentiel de
gonflement. En géotechnique, l'essai œdométrique est en général utilisé comme
méthode directe pour déterminer la pression et l'amplitude du gonflement (Ozer et
al., 2011). D'autres méthodes permettent d'évaluer l'amplitude du gonflement à partir
de paramètres géotechniques simples à déterminer (limites d'Atterberg,
granulométrie, teneur en carbonate, …). Ces méthodes indirectes ont l'avantage
d'être moins coûteuses et plus rapides (Erguler et Ulusay, 2003). L'objectif de cette
communication est de proposer, en utilisant des méthodes minéralogiques et
géotechniques, une démarche pour la caractérisation du gonflement du sol argileux
de la formation de "Morne Delmas" en se basant sur des échantillons prélevés sur
deux sites concernés par des problèmes de mouvements de sol. Ainsi, deux
échantillons identifiés S-09 et S-10, distants de 500 m environ, ont été prélevés dans
le parc industriel SONAPI et un échantillon identifié B-11 a été prélevé au Bureau
des Mines et de l'Énergie sur une colline à 2 km du parc industriel. La position des
deux sites sera précisée à la figure 8. Les échantillons ont été prélevés à 2 m de
profondeur dans un puits creusé manuellement. Les caractéristiques physiques de
ces matériaux sont résumées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Caractéristiques physiques des sols utilisés
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Étant donné les pourcentages d'argiles et de carbonates, ces trois sols peuvent être
classifiés comme des marnes (Calembert et Pel, 1972). Le diagramme de
Casagrande classifie, quant à lui, S-09 et B-11 comme des argiles inorganiques
moyennement plastiques et S-10 comme une argile inorganique très plastique
(Costet et Sanglerat, 1969).
2. Matériels et méthodes
Cette section présente de manière succincte les méthodes minéralogiques et
géotechniques utilisées pour estimer le gonflement du sol de la formation "Morne
Delmas".
2.1.
Méthodes minéralogiques d'estimation du potentiel de gonflement
La microscopie électronique à balayage (MEB) permet d'observer les particules
d'argile à l'échelle microscopique. Une microanalyse par rayons X (EDX : Energy
Dispersive X-ray) réalisée avec le même appareil permet de déterminer la nature
chimique des échantillons de sols utilisés. Les limites de cette technique, surtout en
termes de netteté des images obtenues, poussent à utiliser la MEB environnemental
(MEBE) dans l'étude des matériaux non conducteurs comme le sol.
Ainsi, le MEBE est conçu tel que la pression dans la colonne de l'appareil soit
différente de celle qui règne dans la chambre où est placé l'échantillon à observer.
Le gaz d'ionisation utilisé est la vapeur d'eau ce qui a l'avantage de pouvoir
humidifier et sécher le sol par une simple variation de température et de pression
dans la chambre du MEBE (Maison, 2011). Ces essais sont réalisés sur la poudre de
sol sans traitement préalable. Dans le cas qui nous concerne ici, les essais au MEBE
débutent à 40% d'humidité relative pour atteindre 85% à la fin de l'essai en passant
par des paliers de 60% et 80%. Des photos sont régulièrement prises durant l'essai
et le gonflement est estimé en évaluant la variation de superficie des grains de taille
supérieure à 50 µm.
La diffractométrie aux rayons X (DRX) permet de déterminer la nature des minéraux
contenus dans la fraction argileuse d'un échantillon de sol et donc de savoir, après
des traitements appropriés, si les argiles présentes dans ce sol sont gonflantes ou
non (en mesurant la distance entre les feuillets d'argile).
2.2.
Méthodes géotechniques d'estimation du potentiel de gonflement
L'essai œdométrique permet de mesurer de manière directe la pression et
l'amplitude du gonflement. Un essai œdométrique de gonflement libre a été réalisé
permettant de déterminer l'amplitude du gonflement et d'autres essais ont été
réalisés en imposant une charge à l'échantillon au départ de l'essai dans le but
d'observer de quelle manière le gonflement était contrecarré par une contrainte. Les
méthodes indirectes permettent, à l'aide de certains paramètres géotechniques
simples comme les limites de consistance d'Atterbeg, le pourcentage d'argile, la
teneur en carbonate de calcium, la limite de retrait …, d'estimer le potentiel de
gonflement d'un sol argileux. Par exemple, un sol ayant un indice de plasticité (Ip)
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élevé peut être considéré comme à potentiel de gonflement très élevé (Lundgren et
al., 1962; Yenes et al., 2012, Derriche et Cheik-Lounis, 2004).
3. Résultats et discussion
Les résultats permettant de caractériser le gonflement du sol de "Morne Delmas"
sont présentés ci-dessous. Ils sont accompagnés de commentaires justifiant les
différentes interprétations des auteurs.
3.1.
Observation au MEB et spectre EDX
Les spectres EDX pour les échantillons S-09 et S-10, représentés à la figure 1
montrent que ces sols contiennent des taux élevés de calcium, de carbone et
d'oxygène et d'autres éléments comme le magnésium et le silicium entrant dans la
composition des argiles. Le fort taux de calcium indique la présence de carbonate de
calcium, ce qui est en accord avec les résultats obtenus avec l'essai de
détermination de teneur en chaux.
Figure 1 : Spectre EDX des échantillons S-09 et S10
Figure 2 : Image au MEB des échantillons S-09 (gauche) et S-10 (droite)
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3.2.
Diffraction aux rayons X (DRX)
La figure 3 illustre le spectre DRX des échantillons S-09 et S-10. Le passage des
raies de 14Å à 17Å suite au traitement à l'éthylène glycol après saturation de l'argile
au magnésium est caractéristique de la présence de la montmorillonite
(Barrenechea, 1994).
Figure 3 : Spectre DRX des échantillons S-09 et S-10
3.3.
Observation au MEBE
L'observation au MEBE de l'échantillon S-09 est illustrée à la figure 4. Les particules
"3" et "5" ayant subi une augmentation de surface de respectivement 19,90% et
25,92%, on peut conclure que ce sont des particules de montmorillonite,
montmorillonite mise en évidence par l'essai de diffraction aux rayons X réalisé sur
ce même échantillon. Les particules "1", "2", "4", et "6" ont une déformation
surfacique moindre et donc un gonflement moindre. Il pourrait s'agir de particules
d'argiles du type vermiculite. Nous pensons que cette importante augmentation de
surface peut avoir plusieurs explications. La première est que, pendant l'"inondation"
de la chambre du MEBE à l'humidité relative de 90%, il soit possible que d'autres
particules soient venues s'agglomérer à la particule "5" et contribuer à l'augmentation
de sa surface. La seconde est que la particule "5" soit une particule d'argile gonflante
de type smectite et que les autres soient des particules d'argiles moins gonflantes.
La troisième explication est que le gonflement de certaines particules puisse être
anisotrope (selon la disposition des feuillets d'argile) et donc imperceptible s'il se
produit dans la direction perpendiculaire au plan d'observation.
Une moyenne des déformations surfaciques a été calculée pour les particules de
l'échantillon précédemment observé au MEBE. Celle-ci équivaut à 13,2%, ce qui est
courant dans la littérature des sols gonflants.
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Figure 4 : Photos dans le MEBE pour des humidités relatives allant de 40% à 85%
3.4.
Estimation du gonflement avec des méthodes géotechniques indirectes
Les méthodes empiriques relient des paramètres géotechniques simples au potentiel
de gonflement. Ces paramètres sont principalement : l'indice de plasticité, la limite de
retrait, l'indice de retrait, le pourcentage d'argile ou la limite de liquidité. Ils peuvent
être employés seuls ou par combinaison. Le potentiel de gonflement des échantillons
de sol S-09, S-10 et B-11 est illustré à la figure 5 qui combine les limites de liquidité
et de plasticité pour évaluer le gonflement des sols. Le potentiel de gonflement de
l'échantillon S-10 est élevé et les échantillons S-09 et B-11 sont à potentiel de
gonflement moyen. Nous pensons que dans ce cas, la forte teneur en carbonate de
calcium des échantillons S-09 et B-11 contribue à diminuer le gonflement des sols,
d'où leur gonflement moyen (Afès et Didier, 1999; Bell, 1989; Cabane, 2005).
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Figure 5 : Potentiel de gonflement des sols étudiés (Bekkouche et al., 2012)
3.5.
Caractérisation du gonflement par les méthodes géotechniques directes
Les pressions de gonflement ont été déterminées pour les sols S-09, S-10 et B-11,
ces sols ayant été préalablement séchés à l'air. Les résultats obtenus sont de 54kPa
pour le S-09, 101kPa et 11kPa pour B-11. Ces résultats concordent avec ceux
obtenus avec les méthodes indirectes de l'évaluation du gonflement. Les essais de
détermination de l'amplitude du gonflement sont illustrés par la figure 6. Le sol a été
séché à 60 degrés (température recommandée dans la détermination des limites
d'Atterberg pour ne pas détruire la structure des argiles). Le gonflement libre (0 kPa
de charge imposée) atteint 12% à la fin de l'essai. Lorsqu'une contrainte de 28,75
kPa est imposée à l'échantillon pendant la durée de l'essai, le gonflement final est de
près de 3% ce qui peut quand même provoquer un gonflement de 6 cm sur une
couche d'une épaisseur de 2m. Cette contrainte correspond à celle exercée sur le sol
par la façade d'un hangar industriel du parc. Au-delà de 54 kPa, le gonflement est
totalement contrecarré par la contrainte et on observe même un tassement.
Figure 6 : Amplitude du gonflement du sol S-10
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4. Conclusion
Les résultats obtenus sur base de trois échantillons ont montré que la formation
Morne Delmas est très hétérogène. Les sols de cette formation géologique sont des
marnes de plasticité non négligeable. Des essais minéralogiques comme la DRX et
la MEBE ont permis de prouver l'existence de minéraux gonflants (montmorillonite)
dans les échantillons de sols testés. La MEBE a permis d'évaluer l'amplitude de ce
gonflement par une méthode originale. Un gonflement moyen de 13% a été noté. Le
potentiel de gonflement a aussi été évalué par des méthodes géotechniques
indirectes. Ce potentiel de gonflement va de "moyen" pour les échantillons les moins
gonflants à "élevé" pour le plus gonflant. L'amplitude du gonflement libre atteint 12%
et n'est que de 3% si une contrainte équivalente à celle exercée sur le sol par la
façade d'un hangar industriel est imposée à l'échantillon durant l'essai. Cet ensemble
de méthodes pourrait être utilisé pour caractériser de façon plus fine le sol de la
formation de Delmas ainsi que son gonflement.
Actuellement, les techniques faisant appel aux images radars aident à la mise en
évidence et au suivi de certains phénomènes. L'une d'elles est la technique de suivi
des réflecteurs permanents appelée Persistant Scatterer Interferometry (PSI). Elle
consiste en l'observation dans le temps des déplacements verticaux absolus de
points à forte rétrodiffusion radar. Ces techniques ont déjà été appliquées en Haïti
par J. Wasowski (2013) dans l'étude des glissements de terrain et des failles
sismiques (figure 7). Nous pouvons constater que les sites de la SONAPI et du BME
sont situés dans les zones où les déplacements verticaux sont positifs sont
enregistrés. Cela est en accord avec le fait que les sols de la formation de Delmas
ont un potentiel de gonflement non négligeable.
Figure 7 : Image radar de Port-au-Prince et ses environs (Wasowski, 2013)
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5. Perspectives
Il serait intéressant de pouvoir réaliser des essais géotechniques en plusieurs points
de celle-ci de façon à mieux la caractériser et établir une classification plus fine de
ses terrains étant donné l'hétérogénéité de la formation de Delmas. Étant donné le
potentiel de gonflement des sols de cette formation, des mesures directes à
l'œdomètre permettraient d'établir des équations modèles donnant l'amplitude et la
pression de gonflement en fonction d'autres paramètres géotechniques simples tels
que les limites d'Atterberg, le pourcentage d'argile, le pourcentage de carbonate, …
L’interférométrie radar est une méthode qui pourrait être utilisée pour délimiter les
zones où il est susceptible de rencontrer le problème de retrait/gonflement des sols
et surveiller les sites les plus à risque. Les travaux sur la minéralogie pourront être
poursuivis notamment en ce qui concerne le MEBE. Il est possible de déterminer la
pression de gonflement des argiles à l'aide de cette technique afin d'avoir un bon
élément de comparaison avec les pressions de gonflement données par les
méthodes géotechniques.
Remerciements
Les auteurs remercient la Commission Universitaire pour le Développement (CUD)
qui a financé ce travail, l'URGéo-FDS-UEH et le GCE-IMMC-UCL qui ont fourni le
cadre de travail, le Laboratoire National du Bâtiment et des Travaux Publics
(LNBTP), le Bureau des Mines et de l'Énergie (BME) et la Société Nationale des
Parcs Industriels (SONAPI) qui ont soutenu une bonne partie de la phase
expérimentale des recherches. Ils remercient l'INERIS qui a permis l'utilisation de
son MEBE pour obtenir certains résultats. Ils remercient les collaborateurs : Nicolas
Breye, Colin Godefroid, Raphaël Janssens, Sébastien Maes, Vincent Popijn et
François Simon. Ils remercient les techniciens de laboratoire : Eugène Bouchonville,
Francis Goffin, Stéphane Gorski et Anne Iserentant. Merci à Colette Douchamps et
Delphine Magnin pour leur aide dans la réalisation des essais au MEB.
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