caracterisation des marnes de la grande kabylie (algerie)

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
CARACTERISATION DES MARNES DE LA GRANDE KABYLIE
(ALGERIE)
CARACTERISATION OF MARLS OF GREAT KABYLIA (AGERIA)
Omar BOUDLAL1, Mohammed KHATTAOUI2, Hafidha KICHI3
1 Maitre de conférences, Laboratoire de recherche en Géomatériaux, Environnement
et Aménagement (L.G.E.A), Département de Génie Civil, Université Mouloud
Mammeri (UMMTO)
2 Maitre de conférences, Département de Génie Civil, Université Mouloud Mammeri,
Tizi-Ouzou, Algérie
3 Etudiante Master Géotechnique, Département de Génie Civil, (UMMTO), Algérie
RÉSUMÉ — L'hétérogénéité du sol fait que parfois des sites voisins, visuellement
du même type, peuvent présenter des caractéristiques minéralogiques et
mécaniques très dispersées. En effet, les marnes connues comme "matériaux
évolutifs", présentent des comportements très différents et qui évoluent différemment
dans le temps, notamment en présence d'eau. Le travail réalisé fait partie d’une
étude globale menée sur les marnes en Algérie. Il consiste particulièrement en la
caractérisation minéralogique et mécanique des marnes de la Grande Kabylie en se
basant sur des essais expérimentaux réalisées au laboratoire. Il permet ainsi de
classer les marnes de cette région en se basant sur des essais d'identification
(caractérisation physique, chimique et minéralogique) ainsi que des essais
mécaniques (portance, compressibilité et cisaillement). Ceci permet de mieux
maitriser leur comportement afin d'éviter les surprises d'instabilité constatées
notamment après la construction d'ouvrages; sachant que les sites marneux sont
parmi les plus constructibles dans la région. Les résultats obtenus montrent que les
marnes étudiées présentent dans certains cas des caractéristiques assez
comparables, tandis que dans d’autres cas, elles présentent des résultats très
dispersés, ce qui traduit des comportements mécaniques différents pouvant fausser
les approximations visuelles des ingénieurs même expérimentés.
ABSTRACT — Soil heterogeneity made that sometimes neighboring sites, visually
similar, may have very different mineralogical and mechanical properties. Indeed,
marl known as "evolutionary materials" show very different behaviors and evolves
differently over time, especially for wet conditions. This work is part of a
comprehensive study on marls in Algeria. It particularly consists on mineralogical and
mechanical characterization of marl of Great Kabylia based on experimental tests. It
allows to classify marl of this region based on identification tests (physical, chemical
and mineralogical characteristics) and mechanical tests (bearing, compressibility and
shearing). This allows better control their behavior to avoid unexpected instability
observed especially after construction works; knowing that marl sites are considered
among the most building land in the region. The results show that the studied marls
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
have quite comparable characteristics in some cases, while in other cases; it depicts
very different characteristics, reflecting different mechanical behaviors which can
distort visual approximations even of experienced engineers.
1. Introduction
Les massifs marneux sont très abondants dans la région de la grande Kabylie
(Algérie), ces niveaux possèdent des caractéristiques mécaniques très intéressantes
à l’état sec et peuvent présenter des épaisseurs relativement importantes. Ces
caractéristiques les rendent difficiles à contourner par les différents types de
fondations habituellement adoptées dans la région. Les massifs marneux par
conséquent sont souvent support de fondation pour la plupart des ouvrages de génie
civil (bâtiments, routes,…). Pour des raisons purement économiques, les résultats
d’une étude géotechnique réalisée auparavant pour un site donné, sont
généralement étendus sur d’autres sites voisins supposés visuellement de même
nature. C'est une fois que des problèmes d'instabilité surgissent notamment après la
construction d’ouvrages, que l'on peut se rendre compte de la différence de nature
des sites exploités. Malheureusement à ce stade, l'intervention pour réparation
devient très onéreuse et même parfois irréalisable.
Le travail expérimental présenté dans cette étude est basé sur des essais de
laboratoire. Il comporte des essais d'identification physiques, chimiques et
minéralogiques, ainsi que des essais mécaniques (portance CBR, compressibilité à
l'odomètre et cisaillement direct à la boite de Cazagrande). Il consiste en la
caractérisation de cinq principaux sites marneux situés dans la région de Tizi-Ouzou
(Grande Kabylie). Quatre d’entre eux sont assez proches les uns des autres, le
cinquième par contre, est légèrement plus loin. Ceci permet de montrer les points de
convergence et de divergence entre les différents sites.
2. Caractéristiques générales des marnes
La marne est une roche sédimentaire contenant du carbonate de calcium CaCO3
(composant principal du calcaire) et de l'argile, en quantités à peu près équivalentes
(35 % à 65 %). Les marnes sont intermédiaires entre les calcaires et les argiles, ainsi
les calcaires marneux, ne contiennent que 5% à 35% d'argile, les marnes argileuses
de 65% à 95% d'argile, tandis que, les marnes au sens stricte contiennent de 35% à
65% d’argile (Pejon et al., 1997).
Comme les argiles, les marnes sont tendres, finement poreuses, friables quand elles
sont sèches, plastiques lorsqu'elles sont mouillées. Mais, à la différence des argiles,
elles font effervescence avec les acides à cause de la présence du calcaire. La
finesse des éléments constitutifs (minéraux argileux, carbonates et, parfois, silice en
faible quantité) place les marnes dans le groupe des lutites, ou pélites. La teneur en
carbonate (CaCO3) ou en argile (Tableau 1) sont des paramètres essentiels
permettant la classification de certaines roches (Pejon et al., 1997).
Delahaye et Le Roux (1975), ont défini la marne comme étant un matériau de
transition entre le calcaire et l'argile ; c’est une roche carbonatée contenant de 30 à
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
70 % d'argile. Ainsi, elle tient de la fraction carbonatée une structure plus ou moins
résistante et de la fraction argileuse une possibilité d'évolution par destruction de la
structure par suite de l'action de l'eau sur l'argile, conduisant à un matériau plastique.
Tableau 1 . Classification des roches selon la teneur en carbonate et en argile
Classification de Jung
Roches
% d'argile
Calcaire
00 à 005
Calcaire-Argileux
05 à 035
Marne
35 à 065
Argile-Calcaire
65 à 095
Argile
95 à 100
Classification LCPC
% de CaCO3
Roches
00 à 010
Argile ou Silt
10 à 030
Argile ou Silt-Marneux
30 à 070
Marne
70 à 090
Calcaire-Marneux
90 à 100
Calcaire
Cette définition purement pétrographique, a été sensiblement élargie sur le plan du
pourcentage d'argile. En pratique, en génie civil, le nom marne peut être attribué
pour toutes roches carbonatées contenant de 10 à 90 % d'argile, que l'effervescence
à l'acide chlorhydrique dilué à froid soit visible ou non sur le matériau.
3. Identification des matériaux
Les essais d’identification réalisés au laboratoire de mécanique des sols de
l'université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou (UMMTO), permettent de déterminer
les caractéristiques physiques, minéralogiques et chimiques des sites étudiés.
3.1.
Localisation géographique des sites étudiés
Les sites étudiés (Krim Belkacem, les Chabannes, l’Habitat, M’douha et Boukhalfa)
sont situés au centre de Tizi-Ouzou dans la région de la Grande Kabylie, à quelques
kilomètres de l'université UMMTO (voir figure 1). Ils sont circonscrits dans un rayon
de 07 km maximum.
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
Figure 1 . Localisation géographique des sites de prélèvement des échantillons.
3.2.
Caractéristiques physiques
Le tableau 2, montre que les quatre sites (Krim-Belkacem, Habitat, Les Chaabanes
et M’douha) présentent des caractéristiques physiques plus ou moins comparables.
Cependant, le site de Boukhalfa présente des caractéristiques qui se distinguent
sensiblement des précédentes (Tableau 2). Ce site est situé relativement plus loin, et
ne constitue peut-être pas la même formation géologique que les autres sites.
Tableau 2 . Caractéristiques physiques
SITES
w
wl
wp
Ip
Ic
ρs
ρh
ρd
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
(ɡ/cm³)
(ɡ/cm³)
(ɡ/cm³)
e
Sr
(%)
% d'éléments
< 80 µm
KRIMBELKACEM
03,59
26,71
20,84
05,87
03,94
02,59
02,56
02,47
00,05
19,17
84,91
HABITAT
06,25
28,80
22,22
06,58
03,42
02,55
02,39
02,25
00,13
12,01
88,09
LES
CHAABANES
05,08
26,15
20,10
06,05
03,48
02,60
02,45
02,33
00,12
11,29
84,91
M'DOUHA
05,44
28,25
20,94
07,31
03,12
02,50
02,53
02,40
00,04
33,75
97,63
BOUKHALFA
12,71
40,70
28,39
12,31
02,27
02,62
02,33
02,06
00,27
12,38
88,09
Avec: w: teneur en eau naturelle; wl: limite de liquidité; wp: limite de plasticité;
Ip: indice de plasticité; Ic: indice de consistance; ρs: densité des grains solides;
ρh: densité humide; ρd: densité sèche; e: indice des vides; Sr: degré de saturation.
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
3.3.
Caractéristiques chimiques et minéralogiques
Contrairement aux caractéristiques physiques, l’analyse chimique et minéralogique
des différents sites, montre par contre, des résultats très dispersés (Tableau 3). En
effet, à titre d’exemple, le carbonate CaCO3 dont l’influence est très importante sur le
comportement mécanique des marnes se présente en proportions très différentes
variant de 14 à 57%.
Tableau 3 . Caractéristiques chimiques
SITES
KRIMBELKACEM
VBS
02,50
CaCO3 (%)
14,87
MO
(%)
01,51
O
(%)
04,00
Cl
(%)
trace
HABITAT
02,35
44,04
00,99
01,19
trace
LES
CHAABANES
02,28
52,21
01,30
01,80
trace
M'DOUHA
BOUKHALFA
01,67
57,53
01,77
01,58
trace
05,57
20,88
00,99
01,02
trace
Avec : VBS: valeur au bleu de Méthylène; MO: matières organiques; O : sulfates.
Cependant, les marnes étudiées (NF P 94 – 048) sont globalement, inorganiques
(MO < 3%) (NF P 94-047) avec des traces de chlorures (Cl-) (NF EN 1744).
La détermination des assemblages minéralogiques réalisée par diffraction des
rayons X (RX) sur les différents échantillons (Tableau 4) montre le caractère
prédominant des minéraux inter-stratifiés (illite/montmollonite) et (illite/potassique) au
niveau des marnes de Krim-Belkacem, Habitat et M’douha. Tandis que, la marne des
Chaabanes montre la présence de kaolinite uniquement.
Dans la marne de Boukhalfa par contre, les différents minéraux à l’exception des
interstratifiés de l'illite/montmorillonite sont présents. Cette marne est la seule qui
contient de la muscovite, sachant que ce minéral peut influencer sensiblement le
comportement du matériau qui le contient.
Tableau 4 . Caractéristiques minéralogiques
SITES
kaolinite
muscovite
interstratifié (illite/
montmorillonite)
illite/Potassique
KRIMBELKACEM
-
HABITAT
M'DOUHA
BOUKHALFA
-
LES
CHAABANES
+
-
-
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
L’identification des sites étudiés montre la dispersion des résultats en passant d’un
site à un autre, notamment du point de vue composition chimique et minéralogique.
Ce qui peut avoir une influence sensible sur leur comportement mécanique.
4. Comportement mécanique des marnes étudiées
Après identification des différents sites, plusieurs séries d’essais mécaniques ont été
réalisées, à savoir les essais de compactage et de portance CBR, les essais de
compressibilité à l’œdomètre et les essais de cisaillement direct à la boite de
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
Casagrande. Ceci permet d'étudier la réponse mécanique des différentes marnes
sous les différents types de sollicitations auxquelles elles seront soumises.
4.1.
Essais de compactage Proctor et de portance CBR
Les échantillons issus des différents sites présentent au compactage (Figure 2) des
densités sèches maximales assez comparables variant entre 1,93 et 1,98 à des
teneurs en eau optimales voisines allant de 11,67 à 13,77%, à l'exception de la
marne de Boukhalfa qui présente des résultats assez dispersés, soit une densité
sèche maximale de 1,70 et une teneur en eau correspondante de 19,69% (Tableau
5).
Figure 2 . Courbes de compactage Proctor
Ainsi, la marne de Krim-Belkacem présente des densités très intéressantes à de
faibles teneurs en eau. En revanche, la marne de Boukhalfa présente les plus faibles
densités à des teneurs en eau très élevées.
Figure 3 . Courbes de portance CBR après immersion
En ce qui concerne la portance des différents sites (Figure 3), les essais CBR après
immersion déterminés sont globalement très faibles, ne dépassant pas 5.
Néanmoins, les matériaux étudiés sont peu gonflants. En effet, l’indice de gonflement
G varie entre 0,07% (marne de M’douha) et 0,68% (marne de Boukhalfa).
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
Tableau 5 . Résultats d’essais de compactage Proctor et de portance CBR
SITES
Wopt
(%)
ρdmax (ɡ/cm³)
CBRimm
(%)
G
(%)
w
(%)
KRIMBELKACEM
11,67
01,98
04,59
00,24
12,34
HABITAT
12,80
01,94
04,53
00,31
13,46
LES
CHAABANES
12,70
01,97
04,47
00,15
12,84
M'DOUHA
BOUKHALFA
13,77
01,93
02,87
00,07
13,41
19,69
01,70
02,23
00,68
22,13
Les teneurs en eau après immersion par contre (Tableau 5), sont assez proches
pour les différents sites, à l’exception de la marne de Boukhalfa qui présente une
teneur en eau plus élevées d’environ 100% comparativement aux autres marnes. Par
ailleurs, cette marne présente le gonflement le plus important (0,68%), ceci peut être
expliqué par la présence de muscovite (Tableau 4).
4.2.
Essais de compressibilité œdométriques
Les essais de compressibilité réalisés, montrent que les marnes issues de (KrimBelkacem, Habitat et Les Chaabanes) présentent des courbes œdométriques
comparables en chargement et en déchargement ; tandis que celles issues des sites
de M’douha et de Boukhalfa (Figure 4) présentent des courbes assez décalées par
rapport aux sites précédents.
Figure 4 . Courbes de compressibilité œdométriques
En effet, bien que tous les échantillons soient compactés à la même énergie, les
indices des vides initiaux (avant chargement) présentent des valeurs très différentes.
Cependant, les résultats obtenus en compressibilité (Cc) montrent que les marnes
issues de M’douha et de Boukhalfa sont moyennement compressibles (0,1<Cc< 0,2).
Tandis que les marnes de Krim-Belkacem, Les Chaabanes et L’Habitat, sont peu
compressibles (0,05 < Cc < 0,1), (Tableau 6).
Tableau 6 . Résultats d’essais œdométriques
SITES
Cc
(%)
KRIMBELKACEM
0,0800
HABITAT
0,0830
LES
CHAABANES
0,0729
M'DOUHA
BOUKHALFA
0,1340
0,1500
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
Cg
(%)
0,0228
0,0216
0,0177
0,0156
0,0390
Les valeurs du coefficient de gonflement (Cg) obtenues pour les différents
échantillons vérifient la plage de valeur (0.01 < Cg < 0.04), ceci permet de conclure,
selon Costet et Sanglerat (1981), que les différentes marnes étudiées sont peu
gonflantes.
4.3.
Essais de cisaillement direct à la boite de Casagrande
Les caractéristiques mécaniques déterminées en cisaillement direct à la boite (Figure
5), montrent que les marnes étudiées présentent des angles de frottement variant
entre 27,34 et 37,66°, soit une plage de 10 degrés environ. En outre, elles présentent
des cohésions très différentes variant entre 6,03 et 22,23 kPa (une plage de 16 kPa).
Ces marnes peuvent ainsi, développer des résistances au cisaillement très
différentes.
Cependant, contrairement à sa faible résistance à la compressibilité, la marne de
M'douha développe les meilleures résistances au cisaillement avec une combinaison
adéquate entre frottement et cohésion (φ' = 36,87°, C' = 20 kPa).
Figure 5 . Essais de cisaillement direct à la boite de Casagrandes
Les cohésions développées par ces marnes (Tableau 6) sont comparables à celles
obtenues par Gaudin (1972) dans ses travaux de recherche sur des marnes
argileuses.
Tableau 6 . Cohésions et angles de frottement des marnes étudiées
SITES
C'
φ'
(kPa)
(°)
KRIMBELKACEM
08,52
33,67
HABITAT
06,53
34,61
LES
CHAABANES
06,03
37,66
M'DOUHA
BOUKHALFA
20,00
36,87
22,23
27,34
5. Conclusion
La caractérisation des sols de la grande Kabylie, notamment les sols marneux, est
une opération très importante à effectuer dans le but de mieux maitriser leur
comportement. Ceci permettra d'éviter les surprises fréquentes d'instabilité qui se
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
présentent dans la région, à savoir : les tassement, les poinçonnements, les
cisaillements et glissements (Audru et Messin, 2000), notamment après la
construction d'ouvrages, tel le cas de la ville d'Ain-El-Hammam, Azazga et Tigzirt
(CTE Geomica, 2004), (LCTP. 2004). À ce stade, l'intervention des ingénieurs
devient très délicate et fastidieuse.
Les cinq sites marneux étudiés dans ce travail ont montré certains résultats
comparables. Tandis que la plus part des résultats obtenus, sont dispersés bien
qu'ils s'agissent de mêmes types de sols (marnes) prélevés dans la même région
(Tizi-Ouzou centre).
Il est à conclure ainsi, que les résultats d'un site donné ne peuvent être exploités
intégralement et étendues pour d'autres sites voisins (visuellement du même type).
La connaissance de la teneur en CaCO3 est une condition nécessaire, mais
insuffisante pour connaitre le comportement mécanique d'une marne; d'autres
paramètres, ou l'interaction entre les différents paramètres, peuvent influencer
sensiblement son comportement.
Cependant, en se basant sur l'ensemble des résultats obtenus, on peut dire que le
site de Boukhalfa peut présenter plus de risque d'instabilité que les autres sites
étudiés.
Cette étude constitue une partie du projet de caractérisation des marnes de la
Grande Kabylie. Elle présente un intérêt capital pour la région. Des études
complémentaires feront l'objet d'autres travaux, afin d'étendre l'opération à travers le
territoire national.
Références bibliographiques
Audru J C., Messin M. (2000). Diagnostic de mouvement de terrain à Zellenberg (Haut-Rhin). Rapport
BRGM/RP-50446-FR.
Costet J, Sanglerat G. (1981). Cours pratiques de mécanique des sols, plasticité et calcul des
tassements. 3ème Edition Dunod, pp, 283.
CTE GEOMICA. (2004). Rapport du Projet : Étude géotechnique de la zone de glissement d’Ain El
Hammam.
Delahaye D., Le Roux A. (1975). Désordres sur des remblais en marne, Bulletin de liaison des
laboratoires des ponts et chaussées. - 75 -Réf. 1975, pp 113-124.
Gaudin B. (1972). Pression de terrain sur une galerie creusée dans des marnes du Stampien. Bulletin
de liaison des laboratoires des ponts et chaussées, 59, REF 985 pp 133-155.
LCTP. (2004). Laboratoire central des travaux publics. Etude géotechnique d'urbanisation des POS A1
et A5 Azazga Dept études /R.B/B.B/R.M. Dossier N° 31.03.0042.
NF EN 1744. (1998). Norme française (AFNOR), Partie 1: Analyse chimiques, Essais pour déterminer
les propriétés chimiques des granulats.
NF P 94 – 047. (1998). Norme française (AFNOR), Sols: Reconnaissance et essais, Détermination de la
teneur pondérale de la matière organique d'un matériau.
Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014
NF P 94 – 048. (1996). Norme française (AFNOR), Sols: Reconnaissance et essais, Détermination de la
teneur en carbonate.
Pejon O J., Le Roux A., Guignard D. (1997). Comportement à l'eau des roches argilo-marneuses, suivi
du gonflement, importance de la minéralogie et des textures. Bulletin de l’association
internationale de géologie de l’ingénieur, Paris N°55, pp105-119.