Étude d'un sol gonflant en périmètre urbain

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2012–Bordeaux 4-6 juillet 2012
ETUDE D’UN SOL GONFLANT EN PÉRIMÈTRE URBAIN : CAS DE
LA VILLE DE SMARA, MAROC
STUDY OF AN EXPANSIF SOIL IN URBAN PERIMETER: EXAMPLE OF SMARA
CITY, MOROCCO
Madiha EL BAKAY 1 , Azzouz KCHIKACH 1 , Abderrahim ABDELGHEFFAR 2 , Roger
GUERIN 3 , Rachid HAKKOU 4 , Hassan BOUZAHZAH 5
1 Equipe de recherche Génie Civil et Géo-Ingénierie (E2G), Université Cadi Ayyad,
Marrakech, Maroc, a.kchikach@uca.ma
2 Laboratoires Public d’Essais et d’Etudes, Agadir, Maroc
3 UMR 7619 Sisyphe, Université Pierre et Marie Curie, Paris 6, France
4 Research Chair in Management and Stabilization of Mining and Industrial Wastes,
UCAM, Marrakech, Maroc
5 Université du Québec, Rouyn-Noranda, Québec, Canada
RÉSUMÉ — Cette étude concerne la caractérisation minéralogique et géotechnique
des pélites gonflantes qui constituent l’assise des fondations dans la ville de Smara
au sud du Maroc. Le comportement gonflant et rétractant de ces pélites se traduit par
des désordres constatés dans les murs et cloisons des bâtiments publics, habitations
individuelles et infrastructures de la ville. Comme le phénomène de retrait-gonflement
est durable et évolue lentement dans le temps, ces désordres réapparaissent même
après le traitement des dommages. L’analyse granulométrique et la détermination
des limites d’Atterberg au laboratoire montrent que la fraction argileuse de ces pélites
ne permet pas à elle seule d’expliquer leur caractère expansif. La diffractométrie aux
rayons X et l’examen de quelques échantillons au microscope électronique à
balayage ont révélé que ces pélites sont riches en minéraux sulfatés (gypse et
anhydrite) dont il est connu que l’hydratation ou la déshydratation se traduisent par
une variation notable du volume du sol. Le caractère expansif du sol des fondations
dans le périmètre urbain de la ville de Smara trouve donc, en grande partie, son
origine dans le processus de transformation de l’anhydrite en gypse et vice-versa en
fonction de la variation de la teneur en eau du sol. Les essais in-situ à la plaque
rigide avec des pressions de chargement de 3, 5 et 7 bars pour chaque site étudié
ont permis de déterminer la pression de gonflement des pélites de Smara. Les
valeurs mesurées varient entre 2,5 et 6 bars et sont nettement supérieures à celles
transmises au sol par les fondations des constructions qui existent dans cette ville. Il
en découle que les modalités de fondations doivent être conditionnées par le risque
de gonflement des pélites en cas d'imbibition.
ABSTRACT — This study concerns a characterization of the shrinkage-swelling
behavior of the siltstones in Smara city (Morocco). This phenomenon produces
unacceptable differential terrain movements, which are the cause of cracks in the
walls of public buildings, individual homes and city infrastructures, and can be greater
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than 1 cm in width. Since the shrinkage-swelling phenomenon is long lasting and
occurs over long periods of time, the cracks reappear even after the damage has
been repaired. The granulometric analysis and the determination of the Atterberg
limits show that the argillaceous fraction of these siltstones does not allow explain
this expansive character. Diffractometry with X-rays and the examination of some
samples under scanning electron microscope show that this character mainly finds its
origin in the existence of sulphated minerals (gypsum and anhydrite) in these
formations. In-situ tests with rigid plate using respectively 3, 5 and 7 bars as
pressures of loading for each studied locality made it possible to determine the
swelling pressure of these siltstones. The measured values vary between 2,5 and 6
bars and can be exploited for better dimensioning the foundations in Smara city.
1. Introduction
La stabilité des ouvrages construits sur des sols gonflants, ou traversant de telles
formations, peut être compromise sous l’effet d’une variation de leur teneur en eau.
Cette variation provoque souvent un retrait-gonflement de ces sols qui se manifeste
par des désordres au niveau des structures construites (fondation, bâtiment,
canalisation, ouvrage de soutènement, structures de chaussées, remblai, tunnel,
etc.). Les exemples de désordres liés à la présence de sols expansifs sous les
fondations sont nombreux et variés.
Dans le périmètre urbain de la ville de Smara au sud du Maroc (Figure 1a), les
désordres observés au niveau du bâti sont liés à la présence de pélites altérées
gonflantes qui constituent dans la plupart des cas l’assise des fondations.
L’humidification des pélites, à la faveur d’averses ou de circulations accidentelles
d’eau dans les fondations, provoque leur gonflement. A cause du climat aride de la
région, elles perdent ensuite rapidement leur teneur en eau par évaporation intense
et passent à une teneur inférieure à celle de la limite du retrait. Ce comportement
gonflant et rétractant se traduit par des mouvements différentiels inadmissibles de
terrain qui sont à l’origine des fissures, pouvant dépasser un centimètre d’ouverture,
constatées dans les murs et cloisons des bâtiments publics, habitations individuelles
et infrastructures de la ville (Figure 1b). Comme le phénomène de retrait-gonflement
est durable et évolue lentement dans le temps, les fissures réapparaissent même
après le traitement des dommages.
Afin d’établir un constat scientifique objectif et de disposer de documents de
référence permettant une information préventive, la Direction Provinciale
d’Equipement (DPE), le Laboratoire Public d’Essais et d’Etudes (LPEE) et l’équipe de
recherche Génie Civil et Géo-Ingénierie (E2G) de l’Université Cadi Ayyad
(Marrakech, Maroc) ont mené une étude de caractérisation du sol des fondations
dans le périmètre urbain de la ville de Smara. On visait à mieux appréhender l’aléa
retrait-gonflement des pélites et délimiter les zones les plus exposées à ce
phénomène. La démarche de l’étude a d’abord consisté à cartographier les
formations géologiques à dominante pélitique, argileuse ou marneuse, suite à
plusieurs sorties sur le terrain. Les observations de surface ont été complétées par
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l’examen des logs des puits et sondages de reconnaissance réalisés par la DPE et
LPEE (localisation, Figure 1a). Les différentes formations ainsi identifiées et
cartographiées ont fait l’objet d’une hiérarchisation quant à leur susceptibilité vis-à-vis
du phénomène de retrait-gonflement. Cette classification a été établie sur la base de
trois critères principaux : (i) la caractérisation microscopique de la formation étudiée,
(ii) la composition minéralogique de sa phase argileuse et non argileuse issue des
analyses par Diffractométrie aux Rayons X (DRX) et d’imageries sous Microscope
Electronique à Balayage (MEB) et (iii) son comportement géotechnique déduit des
essais in-situ et en laboratoire. Ceci a permis de cerner les zones les plus
susceptibles vis-à-vis du phénomène de retrait-gonflement dans le périmètre urbain
de la ville de Smara. Cet article présente les résultats obtenus par l’étude menée sur
la caractérisation des pélites de Smara et sur leur pression de gonflement
déterminée par une série de chargements à la plaque rigide, réalisés in-situ dans
quatre sites de la ville (localisation, Figure 1a).
2. Reconnaissances géologiques et géotechniques
Les levés géologiques effectués sur le terrain montrent que les formations à
l’affleurement dans le périmètre urbain de la ville de Smara correspondent
essentiellement à des couches gréso-pélitiques et pélitiques du Dévonien (May,
2008) surmontés par endroit, en particulier dans la partie est et sud-est de la ville, de
niveaux sablo-limoneux, argileux et d’alluvions récentes. Les niveaux pélitiques sont
généralement altérés. L’épaisseur de la tranche d’altération varie de quelques
centimètres à plus de 3 m. Ces observations ont été complétées par les données
issues des coupes de puits et sondages réalisés dans le périmètre urbain de la ville.
Ceci a permis d’identifier et classer les sites susceptibles d’être soumis au
phénomène de retrait-gonflement. Il s’agit, en particulier des endroits montrant une
forte altération du sol et une épaisseur importante des pélites altérées gonflantes.
Le facteur prépondérant qui détermine le degré de susceptibilité d’une formation au
phénomène de retrait-gonflement est la composition minéralogique de sa phase
argileuse. Le retrait-gonflement s’exprime préférentiellement en présence des
minéraux argileux dits gonflants du groupe des smectites (en particulier la
montmorillonite) et, dans une moindre mesure, au groupe des interstratifiés
(smectites/illite) (Zornette et al., 2008). Selon les auteurs, la vermiculite et certaines
chlorites sont aussi classées dans la catégorie des minéraux gonflants. Aussi, vingtdeux
échantillons prélevés en surface et dans les puits et sondages carottés ont fait
l’objet d’un examen sous microscope polarisant et d’une imagerie sous MEB (Figure
1c). Douze autres échantillons ont fait l’objet d’analyse aux DRX (Figure 1d).
En vue de mieux appréhender le potentiel de gonflement des pélites de Smara, nous
avons effectué des analyses granulométriques et déterminé les limites d’Atterberg
sur ces 12 échantillons précités. La pression de gonflement des pélites a été aussi
déterminée par la réalisation in-situ de quatre essais de chargement à la plaque
rigide (Figure 2). Ce paramètre est déterminant pour la conception des fondations et
des structures à construire sur ce type de sols.
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Figure 1 . a. Plan de localisation des puits, forages de reconnaissance et des essais
géotechniques in-situ dans la ville de Smara. b. exemple de désordres affectant le
centre hospitalier de la ville. c. images sous MEB montrant l’abondance du gypse à
clivage caractéristique dans les pélites de Smara, le symbole (+) indique le point
piqué sous MEB pour l’obtention du spectre confirmant la présence du gypse
La pression de gonflement est définie comme étant la pression qu’il faut appliquer à
la plaque pour la maintenir à déformation verticale nulle depuis la mise en eau
jusqu’à la saturation complète de la roche (Komornik et David, 1969 ; Lancelot et al.,
2002). La plaque utilisée (Figure 2a) est de forme carrée de 30 cm de côté et d’une
épaisseur de 2,5 cm. Le vérin est situé au centre de la plaque et les trois capteurs de
déplacement sont au bord. Le massif de réaction est constitué d'un camion qui
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permet d'appliquer un chargement de 9000 daN. Pour les quatre sites étudiés
(localisation, Figure 1a), on a appliqué trois pressions de chargement différentes (3,
5 et 7 bars) à la plaque rigide et mesuré en fonction du temps la déformation
verticale en présence d'eau. Conventionnellement, la stabilisation de la déformation
est atteinte si la variation de déformation est inférieure à 1/100 mm entre deux
lectures espacées d'au moins 8 heures. On peut ainsi déterminer le couple (pression,
déformation à la stabilisation) et déduire la pression de gonflement qui correspond à
l'intersection de cette droite avec l'axe des abscisses (Lancelot et al., 2002). Une
telle pression devra être comparée à celle transmise au sol par les structures
construites.
3. Discussion
Les analyses granulométriques montrent que la partie fine ( 80m) représente
environ 26% du poids des échantillons. La limite de liquidité, déterminée à partir de
ces mêmes échantillons, est comprise entre 32 à 38 %. L'indice de plasticité est
compris entre 15 et 19%. Paradoxalement, les pélites de Smara ont donc un faible
potentiel de gonflement. Leur teneur en argiles et le taux de plasticité de la partie fine
ne permet pas à elle seule d’expliquer leur caractère nettement expansif.
L’examen des lames minces des douze échantillons sous microscope polarisant
montre que les pélites de Smara sont essentiellement formées de quartz, feldspaths,
minéraux argileux, micas (clinochlorite et muscovite) et minéraux sulfatés sous forme
d’anhydrite et gypse. La présence d’anhydrite et gypse, d’ailleurs visible
macroscopiquement, a été confirmée par imagerie sous MEB (Figure 1c). L’analyse
sous DRX montre que la phase argileuse est essentiellement représentée par l’illite,
la montmorillonite et la chlorite. Ces deux derniers minéraux ont des liaisons
interfeuillets très faibles (Mesri et al., 1999). Ils ont donc la propriété de fixer les
molécules d’eau entre deux feuillets voisins à la faveur de toute humidification du sol.
Ceci conduit à un gonflement inter-foliaire qui peut présenter une ampleur très
importante.
La présence de sulfate aussi bien sous forme de gypse que d’anhydrite contribue à
l’accentuation du phénomène retrait-gonflement du sol des fondations à Smara. En
effet, il est connu que la transformation de l’anhydrite en gypse et vice versa
s’accompagne par une variation de volume (éq. 1, Fabre et Dayre, 1982; Bultel,
2001) :
Anhydrite (CaSO4) + 2H2O
3
3
Volume : 46 cm + 36 cm
Gypse(CaSO4, 2H2O)
74 cm
3
(1)
Deux cas peuvent donc se présenter dans la nature :
La teneur en eau du sol est faible mais juste suffisante pour la transformation de
l’anhydrite en gypse, la variation du volume est (éq. 2) :
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V =
74 - (46 + 36) / (46 + 36) = - 9.8 %
Cette variation se traduit sur le terrain par un tassement.
La teneur en eau du milieu est importante ; dans ce cas, l’hydratation de l’anhydrite
conduit à un fort gonflement (éq. 3) :
(2)
V = (74 - 46)/46 = + 61%
(3)
Les travaux de Wittke M. et Wittke W. (2005) montrent que le retrait-gonflement d’un
sol riche en sulfate est plus rapide (quelques mois) que celui des argiles. Ce
phénomène est donc à prendre au sérieux.
Figure 2 . a. Photographie illustrant la réalisation des essais de chargement à la
plaque rigide dans le périmètre urbain de Smara. b. courbes de déformation verticale
pour les différentes pressions de chargement utilisées (3, 5 et 7 bars) et la valeur de
pression de gonflement mesurée (4,8 bars) pour le site correspondant à la cour d’un
établissement de l’éducation nationale (collège 11 janvier, Smara)
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Par analogie à la courbe classique de l’essai œdométrique, permettant de déterminer
le tassement, nous remarquons que celle issue de l’essai de chargement à la plaque
montre également un gonflement primaire et secondaire. L’évolution du gonflement
en fonction du temps et la valeur de la pression de gonflement dépendent en réalité
de la méthode de mesure utilisée et de la teneur en eau du sol (Lancelot et al.,
2002). Pour les essais de chargement réalisés dans le cadre de cette étude, les
pressions de gonflement varient entre 2,5 et 6 bars pour les mêmes conditions de
chargement. Ceci s’explique par le fait que les pélites de Smara sont hétérogènes.
Les calculs de fondations appliqués aux différents types des structures construites à
Smara, montrent que les pressions de gonflement mesurées sont nettement
supérieures à celles transmises au sol par les fondations de ces structures. Le
gonflement du sol ne peut donc pas être contrarié par la charge des structures
construites en cas de venues suffisantes d’eau dans le sol des fondations.
4. Conclusion
Cet article a présenté une partie de l’étude de caractérisation minéralogique et de
détermination de la pression de gonflement des pélites, constituant l’assise des
fondations dans la ville de Smara.
Les pélites étudiées contiennent une phase argileuse dite gonflante (Montmorillonite,
Illite et Chlorite) mais à une proportion faible à moyenne qui ne permet pas à elle
seule d’expliquer le caractère nettement expansif du sol responsable des désordres
constatés dans le bâti à Smara. Ce caractère trouverait en grande partie son origine
dans la transformation chimique, sous un climat aride favorable, de l’anhydrite en
gypse et vice versa. Cette transformation se traduit par une nette variation de volume
(Fabre et Dayre, 1982; Wittke M. et Wittke W., 2005). La présence de ces deux
minéraux a été confirmée par l’étude microscopique, par les analyses aux DRX et
par l’imagerie sous MEB.
Les pressions de gonflements mesurées sont nettement supérieures à celles
transmises au sol par les fondations des constructions qui existent dans la ville de
Smara : il s’agit pour la plupart des cas d’habitations simples à rez-de-chaussée ou
rarement plus de un étage. Il en découle que les modalités de fondations doivent être
conditionnées par le risque de gonflement des pélites en cas d'imbibition.
Raisonnablement, les habitations devraient être dimensionnées pour développer une
pression de l’ordre de 2,5 bars afin d'éviter un soulèvement ou un tassement
inadmissible en cas de venues d’eau sous les fondations.
Remerciements
Les auteurs remercient les responsables de la DPE (Smara) et LPEE (Agadir et
Casablanca) pour leur collaboration et autorisation à publier les résultats de ce
travail. Nos remerciements vont aussi aux deux relecteurs dont les remarques ont
contribué à l’amélioration de la qualité de cet article. Cette étude a aussi reçu le
soutien du comité mixte franco-marocain : AI n° MA/209/09
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