BRGMinfoterre.brgm.fr/rapports/RR-38750-FR.pdfFigure n 8 - Vue d'ensemble du site d'expérimentation 9 Figure n 9 - Description des terrains rencontrés dans le puits 10 Figure n 10

BRGM riNTIIPtlSI »U SIIVICI DI LA T U M

w * & *

Projet "P. I .S .P ." Pluie, Infiltration et Stabilité de Pentes

rapport final

E. Leroi, C . Azimi, P. Desvarreux, J . M . Grésillon, E. Flavigny, F. Gandola, J.P. Asté, T. Lafforgue

décembre 1995 Rapport du B R G M R 38750

n° de référence R 00500509

B R G M DIRECTION DE LA RECHERCHE

Département Géophysique et imagerie géologique BP 167 - 13276 MARSEILLE CEDEX 09-FRANCE-Tél.: (33) 91 17 74 74 - Fax : (33) 91 17 74 75

Mots clés : Pluie, Infiltration, Nappe-dc-vcrsant, Mécanisme-de-tranfcrt, Instabilité, Méthodologie, Instrumentation, Surveillance

E n bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

LEROI E., AZIMI C , DESVARREUX P., GRESILLON J.M., FLA VIGNY E., GANDOLA F., A S T E J.P., L A F F O R G U E T . (1995) - Projet "P.I.S.P." Pluie, Infiltration et Stabilité de pentes : rapport final. Rapport B R G M R 38750.

© B R G M , 1995, ce rapport ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du B R G M .

Projet VISF" Pluie, Infiltration et StabWé de Pentes : rapport final

RESUME

C e rapport présente la synthèse du projet "P.LS.P" pour Pluie, Infiltration et Stabilité de Pente, projet soutenu par une contribution financière du Contrat de Plan Etat-Région Rhône-Alpes pour la recherche sur les risques naturels en montagne. L e projet a été m e n é , sous la coordination du B R G M , et en partenariat avec la Compagnie Nationale du Rhône, par un groupe réunissant l'Association pour le Développement des Recherches sur les Glissements de Terrains de Grenoble, les laboratoires L T H E et 3S de l'Université Joseph Fourier (Institut National Polytechnique de Grenoble) et enfin la société JPAConsultants.

n correspond à une recherche sur les mécanismes fins de transfert de l'eau de pluie vers les horizons plus ou moins saturés présents dans le sous-sol et c o m m u n é m e n t désignés sous le vocable de nappe(s) de versant Si la corrélation entre pluviométrie et stabilité de pente a déjà fait l'objet de nombreuses recherches, les mécanismes de transfert au travers des couches les plus superficielles du sol, généralement non saturées, sont moins bien connus.

L'objectif de ce programme "P-LS-P." soutenu par le Contrat de Plan Etat - Région Rhône-Alpes pour la recherche sur les risques naturels en montagne est donc de tester une méthodologie de mesure (et de surveillance) des principaux paramètres contrôlant l'interaction entre une pente en état d'équilibre précaire et l'eau de pluie. L e site de Léaz a été retenu, en accord avec la C N R pour la mise en oeuvre des travaux.

Le présent rapport correspond à l'ensemble des recherches menées au cours du programme, entre Septembre 93 et Septembre 95. Il présente :

- le site expérimental retenu, - l'instrumentation mise en place, - les essais d'identification effectués,

ainsi que les modélisations réalisées.

L e programme, en son état de développement à la fin de la période contractuelle n'a donné que partiellement satisfaction par rapport aux objectifs envisagés. Mais, en dépit des obstacles difficilement contrôlables, qui en ont freiné le développement, il a permis, au triple plan de la technologie de mesure, de la modélisation et de nouveaux modes d'investigation, de mieux cerner, à défaut de mieux l'expliquer, le mécanisme de génération des pressions interstitielles dans les couches argileuses d'un versant en cours de déformation.

Par ailleurs, le site choisi pour son déroulement, celui de Léaz, sur la retenue de Génissiat, sur le Rhône, est aujourd'hui bien équipé, et, grâce à l'union des efforts des divers partenaires, il devrait, dans les mois à venir permettre la collecte de données très intéressantes que l'on espère trouver les moyens d'exploiter.

Rapport BRGM R 36750

Projet "PISP" Pluie. Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

TABLE DES MATIERES

RESUME

1. PRESENTATION 1

1.1. Les objectifs scientifiques et techniques 1

1.2. Les participants 2

1 3 . L e rôle des différents intervenants 2

2. LES TRAVAUX DE TERRAIN 3

2.1. Présentation du site d'expérimentation 3

2.1.1. Situation géographique 3

2.1.2. Le site S M 9 3

2.2. Les travaux de forages 4

2.3. L'instrumentation du site 5

2.3.1 L a station M A D O T E L 5 2.3.2. Les sondes PIEL 6 2.3.3. Les tensiomètres 7 2.3.4. Les autres appareils de mesure 8 2.3.5. Les "malheurs" de l'opération de télétransmission 9

2.4. Les travaux de prélèvement 10

2.5. Description visuelle du sol à partir du puits 10

3. MESURES EXPERIMENTALES 13

3.1. Introduction 13

3.2. Détermination des paramètres d'identification du sol 13

3.2.1. Les échantillons testés 13 3.2.2. L'analyse granulométrique 14 3.2.3. Les limites d'Atterberg 16 3.2.4. Autres résultats 17


Projet "PISP" Pluie, Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

3.3. Caractéristiques mécaniques et hydrauliques d u sol 18

3.3.1. Le matériau testé 18 3.3.2. Comportement sur chemin triaxial non drainé 18 3.3.3. Les caractéristiques de compressibilité 22 3.3.4. Mesures de perméabilités à saturation 24 3.3.5. Détermination de la courbe de succion 25 3.3.6. Mesures des capteurs in situ 29

3.4. Conclusion 30

4. LES MESURES PERIODIQUES DE RESISTIVITE 33


4.2. Dispositif de mesure 33

4.3. Résultats des mesures 35

4.3.1. Zones de résistivité constante, de résistivité variable 35

4.3.2. Relation avec le niveau piézométrique 44

4.4. Conclusions relatives aux mesures de résistivité 45

5. MODELISATION 46


5.2. Présentation du logiciel P C S e e p 46

5.3. Modélisation 46

5.3.1. Le maillage 46 5.3.2. Caractéristiques du sol 47 5.3.3. Conditions initiales 50 5.3.4. Conditions aux limites 51 5.3.5. Pas de temps de calcul 51 5.4. Résultats 52

5.4.1. Visualisation de la charge et de la succion 52 5.4.2 Visualisation de l'infiltration de la nappe perchée 52 5.4.3 Calcul des débits d'infiltration 52

5.5. Conclusion et perspectives 57



6. LES MESURES DE DEPLACEMENT 58

7. CONCLUSION : BILAN ET PERSPECTIVES 61

7.1. Bilan des opérations menées au titre du contrat 61

7.1.1. Bilan relatif au choix du site 61 7.1.2. Bilan relatif à la reconnaissance et l'instrumentation 62 7.1.3. Bilan relatif à la modélisation 63

7.2. Perspectives pour la suite à donner aux recherches sur le rôle de la pluie dans le déclenchement ou l'aggravation des phénomènes d'instabilité de versants 64

BIBLIOGRAPHIE 66


Projet "PISP" Pluie, infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

LISTE DES ILLUSTRATIONS

Figure n°l - Situation géographique 3 Figure n°2 - Plan du réseau de surveillance 4 Figure n°3 - Le puits blindé et ses aménagements 5 Photo n°4 - La boîte d'acquisition du système M A D O T E L 6 Photo n°5 - La sonde PIEL 7 Tableau n°6 - Emplacement des tensiomètres D T P C 1000 8 Photo n°7 - Le tensiomètre D T P C 1 0 0 0 8 Figure n°8 - V u e d'ensemble du site d'expérimentation 9 Figure n°9 - Description des terrains rencontrés dans le puits 10 Figure n°10 - Composition d'un élément de sol 11 Photo n°l 1 - Prise entre 2 m et 3 m de prof. 11 Figure n°12 - Courbes granulométriques des 3 sols étudiés 15 Tableau n°13 - Constitution des échantillons en % d'éléments de sol 15 (les figures 14, 15 et 16 n'existent pas) Tableau n°17 - Valeurs des limites d'Atterberg 16 Tableau n°18 - Classification des échantillons A et B 16 Figure n°19 - Courbe "teneur en eau-profondeur" 17 Tableau n° 20 - Principales caractéristiques du sol argileux 17 Tableau n°21 - Consolidation des échantillons 19 Figures n°22 à 27 - Courbes "effort-déformation" et "pression interstitielle-déformation"... 21 Figure n°28 - Représentation dans le plan de M o h r 22 Figure n°29- Courbe oedométrique du matériau argileux prélevé à 4 ,15m de

profondeur 23 Tableau n°30 - Valeurs de perméabilité obtenues 25 Tableau n°30 bis - Valeurs de perméabilité obtenues 25 Figure n°31 - Perméabilité de la couche argileuse 25 Photo n°32 - Le dispositif expérimental 27

Tableau n°33 - Valeurs de (h,0) 28 Figure n°34 - Courbe de rétention du sol 29 Figure n°35a - Pressions mesurées 31 Figure n°35b - Niveaux piézométriques, pluviométrie et température 31 Figure n°36 - Mesures de succions aux tensiomètres à mercure.à trois profondeurs

différentes 32 Figure n°37 - Evolution de la succion en fonction des précipitations 32 Figure n°38 - Localisation des sondages électriques 34 Figure n°39 - Résultats du sondage électrique SEI 36 Figure n°40 - Résultats du sondage électrique SElb 37 Figure n°41 - Résultats du sondage électrique S E 2 38 Figure n°42 - Résultats du sondage électrique S E 2 b 39 Figure n°43 - Résultats du sondage électrique S E 3 40 Figure n°44 - Résultats du sondage électrique S E 4 41



Figure n°45 -Figure n°46 -Tableau 47 -Figure n°48 -Tableau n°49 -Figure n°50 -Figure n°51 -Figure n°52 -Figure n°53 -Figures n°54 et 55 -Figures n°56,57,58

Figure n°59 -

Figures n°60 à 62 -Figure n°63 -

Figure n°64 -

Résultats des sondages SEI à S E 4 , moyenne 42 Résultats des sondages électriques SEI , SElb, SE3 et S E 4 43 Mesures piézométriques correspondant aux campagnes de géophysique44 Définition du maillage et des sections 47 Caractéristiques du sol (1 Détermination de la courbe granulométrique analytique 49

Courbes h(8) 49 Courbe K(h) 50 Modélisation de l'infiltration 51 Visualisation de la charge et de la succion 53 Progression de la nappe perchéepour les trois conditions de charges testées 55 Exemples de progression d'un front d'infiltration en fonction de la charge appliquée 55 Evolution des débits par rapport au temps à travers différentes sections 56 Enregistrement au fil Invar des déplacements du point SM9entre 1993 et 1995 59 Enregistrement piézométriques sur le S M 9 entre 1993 et 1995 60

LISTE DES ANNEXES

Annexe A 0 Répartition des tâches entre les divers organismes Annexe A l Résultats des premières études du cas de glissement de Léaz Annexe A 2 L'instrumentation du site Annexe A 3 Répertoire des prélèvements réaliséssur le site S M 9 à partir du puits Annexe A 4 Identification du sol Annexe A 5 Essais consolidés non drainés : représentation des résultats dans le plan

(PW) Annexe A 6 Mesures de perméabilité Annexe A 7 Présentation théorique des phénomènes hydrodynamiques dans le sol Annexe A 8 Tests sur la validité des mesures au T D R Annexe A 9 Simulation numérique Annexe A 1 0 Résultats détaillés des mesures



1. PRESENTATION

1.1. LES OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES

L e projet "P.I.S.P" pour Pluie, Infiltration et Stabilité de Pente correspond à une recherche sur les mécanismes fins de transfert de l'eau de pluie vers les horizons plus ou moins saturés présents dans le sous-sol et c o m m u n é m e n t désignés sous le vocable de nappe(s) de versant. Si la corrélation entre pluviométrie et stabilité de pente a déjà fait l'objet de nombreuses recherches, les mécanismes de transfert au travers des couches les plus superficielles du sol, généralement non saturées, sont moins bien connus.

U n e étude approfondie sur l'influence de l'infiltration de la pluie sur l'équilibre d'une pente a déjà été menée au Bureau de Recherches Géologiques et Minières sous la direction de J.P Asté avec la thèse de C . Laine (1989). Cette étude s'est appuyée sur l'instrumentation du site de la Béline, à Salins les Bains (39) qui a été le siège d'un glissement de terrain.

D e son côté, et pour le compte de la Compagnie nationale du Rhône, l'Association pour le Développement des Recherches sur les Glissements de Terrains surveille depuis une vingtaine d'années le site de Léaz, sur les bords de la retenus de Génissiat, dans l'Ain (Desvarreux et al, 1978).

L'objectif de ce programme "P.I.S.P." soutenu par le Contrat de Plan Etat - Région Rhône-Alpes pour la recherche sur les risques naturels en montagne est donc de tester une méthodologie de mesure (et de surveillance) des principaux paramètres contrôlant l'interaction entre une pente en état d'équilibre précaire et l'eau de pluie. Le site de Léaz a été retenu, en accord avec la C N R pour la mise en oeuvre des travaux.

Le présent rapport correspond à l'ensemble des recherches menées au cours du programme, entre Septembre 93 et Septembre 95. Il présente :

- le site expérimental retenu, - l'instrumentation mise en place, - les essais d'identification effectués,

ainsi que les modélisations réalisées.

Il se termine par un bilan des résultats obtenus et des suggestions pour la poursuite des objectifs scientifiques initiaux.

Rapport BRGM R 38750 7


1.2. LES PARTICIPANTS

Outre le B R G M , représenté par E . Leroi, le groupement de recherche est constitué par :

- L ' A D R G T : Association pour le Développement des Recherches sur les Glissements de Terrains, représentée par P . Desvarreux,

- Le L T H E : Laboratoire d'Etudes des Transferts en Hydrologie et Environnement de l'Université Joseph Fourier, représenté par J . M . Grésillon

- Le Laboratoire 3S : Laboratoire des Sols, Solides et Structures de l'université Joseph Fourier, représenté par E . Flavigny et F . Gandola.

- L a société JPAConsultants représentée par J.P. Asté.

L a Compagnie Nationale du Rhône s'est associée au groupement de recherches ainsi constitué, en mettant à disposition le site d'étude et en finançant une partie des travaux d'investigation nécessaires.

1.3. LE ROLE DES DIFFERENTS INTERVENANTS

U n programme technique a été mis sur pied avec une répartition précise des tâches entre les divers organismes (voir annexe A O ) .

L e programme précise les différents domaines d'intervention de chaque laboratoire ou intervenant.



2. LES TRAVAUX DE TERRAIN

2.1. PRESENTATION DU SITE D'EXPERIMENTATION

2.1.1. Situation géographique

Le glissement du site de Léaz a été choisi pour les investigations et le déroulement des expériences in situ. C e glissement naturel domine la retenue de Génissiat sur le Rhône (cf figuren0!).

Figure n°l - Situation géographique

2.1.2. Le site S M 9

Etudié depuis 1964 par l ' A D R G T (Annexe A l ) , le glissement de Léaz bénéficie déjà d'un réseau de surveillance (figure n°2) : décimètres, pluviomètres, piézomètres, enregistreur de déplacement, fil invar...Parmi tous les sites " S M " représentés sur la figure n°2, le site S M 9 a été retenu pour la suite des travaux d'investigations car il offre des facilités d'accès (les sites " S M " sont les emplacements des premiers sondages effectués en 1969).



Figure n°2 - Plan du réseau de surveillance

2.2. LES TRAVAUX DE FORAGES

La société Hydroforage a réalisé sur le site S M 9 , les 8, 9 et 10 Novembre 1993, les travaux d'investigation suivants :

* un puits blindé

- d'une profondeur de 4,50 m sous la surface et dépassant de 50 c m au dessus du sol - d'un diamètre de lm.

C e puits est fermé par un capot métallique de protection amovible. Son fond n'est pas bétonné mais recouvert d'une vingtaine de centimètres de graviers de classe 20.

6 trous ont été réalisés dans le blindage du puits à des profondeurs de 1, 1,5 et 2 m afin de permettre l'installation de sondes tensiométriques. L'espace en surface entre le blindage et le terrain a été colmaté à l'aide de billes d'argiles gonflantes censées empêcher l'infiltration de l'eau à cet endroit (figure n°3).

• un forage tube d'un tube D U R A L

C e forage, destiné à recevoir une sonde neutronique (pour la mesure de la teneur en eau dans le sol), a été réalisé en diamètre 1 0 0 m m . Malheureusement, il a rencontré un rocher entre 0 .40m et 1.80 m de profondeur, et des terrains saturés. O n a donc dû abandonner le principe de ces mesures.



• 3 forages tubes en acier

Ils ont un diamètre de 42 m m et de profondeurs respectives: 5.5 m , 11.9 m et 14.8 m , et sontdisposés à un mètre les uns des autres selon une ligne grossièrement parallèle au chemind'accès, cimentés à l'extérieur par un coulis bentonique et recouvert d'un capuchon métallique.O n rappelle que ces forages tubes sont destinés à recevoir les sondes PIEL.

capotbilles d'argile

0 . 5 0 m

6 trous dans le

blindage

sol remanié

sur une tranche de 10

à 20 c m d'épaisseur

blindage

4,00m

Figure n°3 - Le puits blindé et ses aménagements

2.3. L'INSTRUMENTATION DU SITE

L'équipement du site expérimental a été réalisé par le B R G M . L a pose des tensiomètres a étéeffectuée par le laboratoire L T H E .

Dans ce paragraphe, on présente brièvement les différents appareils de mesures installés sur lesite.

A la fin de ce chapitre figure une vue d'ensemble des aménagements du site S M 9 (figure n°4).

2.3.1 La station MADOTEL

L'existence sur le site d'une ligne téléphonique et d'une alimentation électrique a permis demettre en place une centrale M A D O T E L . C e système d'auscultation permet d'interroger àdistance les capteurs qui lui sont connectés, et de transmettre l'information par voietéléphonique.


Projet "PISP" Ptuie, Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

Ont été connectés à la station M A D O T E L ;

- 2 tensiomètres D T P C 1 0 0 0- les 3 sondes PIEL (+ une bouteille d'azote destinée au maintien de la pression dans la

membrane des sondes)- un thermomètre- un pluviomètre

La boîte d'acquisition M A D O T E L et la batterie d'alimentation ont été fixées contre les paroisintérieures du puits (photographie, figure n°4).

La fréquence et le stockage des mesures sont gérés par un ordinateur, depuis le B R G Md'Orléans.

La fréquence des mesures est d' une série de mesures toutes les deux heures.

Photo n°4 - La boîte d'acquisition du système M A D O T E L

2.3.2. Les sondes PIEL

La sonde PIEL (photographie, figure n°5 et annexe A 2 ) est un piézomètre fermé qui permet demesurer la pression de l'eau dans un sol saturé.

Trois sondes de ce type ont été installées dans les forages tubes, à 5.5 m , 11.9 m et 14.8 m deprofondeur.

La bonbonne d'azote permettant le maintien de la pression dans les obturateurs des sondesPIEL, a été fixée contre les parois intérieures du puits blindé (photographie, figure n°5).


Projet "PISP" Pluie, infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

Jupe de protection (rétractée)

Prise de pression

¡£7' Joints assurant l'étanchèitê de la chambre&&•' • de mesure pendant le transport et la mise en place

Photo n°5 - La sonde PIEL

2.3.3. Les tensiomètres

Les tensiomètres sont des appareils destinés à mesurer la pression interstitielle négative de l'eaudans un sol non saturé.

Le laboratoire L T H E a installé, les 13, 14 et 15 Avril 1994 sur le site expérimental, deux sortesde tensiomètres :

- des tensiomètres à mercure- des tensiomètres D T P C 1 0 0 0

Le principe de fonctionnement et autres compléments d'informations de ces appareils de mesuresont détaillés en annexe A 2 .

a) Les tensiomètres à mercure

Trois tensiomètres à mercure ont été disposés à proximité du puits blindé, à 34 c m , 70 c m et 90c m de profondeur.

L'acquisition des mesures se fait par lecture sur règle graduée du niveau de mercure, ce quireprésente un inconvénient majeur de ce dispositif. En effet, la fréquence de mesure estfonction de la fréquence de passage de l'opérateur. Etant relativement éloignés du siteexpérimental de Léaz (distance Léaz-Grenoble : environ 150 k m ) , on n'a pu réaliser un grandnombre de mesures (fréquence de mesures : un relevé par semaine m a x i m u m ) .


Piojet "PISP" Pluie, Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

b) Les tensiomètres DTPC1000

Deux tensiomètres D T P C 1000 ont été installés sur le site à partir du puits à 1 et 1,50 m deprofondeurs.(tableau n°6).

tensiomètresD T P C 1000

TlT2

profondeur dans lepuits (m)

11,50

profondeurd'enfoncement dans le

sol (m)0,700,80

inclinaison par rapportà l'horizontale (deg°)

2010

Tableau n°6 - Emplacement des tensiomètres D T P C 1000

Ce type de tensiomètre est muni d'un capteur de pression (photographie, figure n°7), qui,connecté à la station M A D O T E L , donne directement la valeur des pressions négativesmesurées. Il pallie les inconvénients, mentionnés ci-dessus, des tensiomètres à mercure.

2.3.4. Les autres appareils de mesure

Ont également été installés sur le site expérimental et connectés à la station d'acquisition.

- un pluviomètre,- un thermomètre à l'intérieur du puits.

Photo n°7 - Le tensiomètre DTPC1000



3 Tensiomètres à mercure

pluviomètreprof:

ligne téléphonique

Í sondes PIEL

légende

: fils de connection

à la station MADOTEL

: tubes d'alimentation

en azote des obturateurs

chemin d'accès

prof, (enm): 5.5 11.9 14.8

Figure n°8 - V u e d'ensemble du site d'expérimentation

2.3.5. Les "malheurs" de l'opération de télétransmission

Les partenaires du programme fondaient de gros espoirs sur l'automacité des enregistrementsque devait permettre la station M A D O T E L .

Malheureusement, et en dépit d'un excellent fonctionnement initial qui a prouvé sa fiabilitétechnologique et sa capacité à tester simultanément une série de capteurs émettant des signauxdifférents, la station a connu une série de périodes de non fonctionnement succesifs imputablesà des causes extérieures.

La première de ces causes, mais qui en fait a conditionné toutes les autres a été le foudroiementdu système en Juin 1994, après seulement deux mois de fonctionnement.

La deuxième cause a été la nécessité de faire réaliser une expertise du système de surveillancepour évaluer les dommages réels, et d'attendre les résultats d'une requête auprès des compagniesd'assurance pour trouver le financement nécessaire à son remplacement. Compte tenu desdélais, le B R G M a décidé d'anticiper la réponse des assurances et de financer sur ses fondspropres de Recherche le remplacement de la centrale d'acquisition. Dans le m ê m e temps, leB R G M a installé un parafoudre pour protéger l'ensemble de l'équipement.

Finalement, le système n'a pu être rétabli que fin 1995, à la fin contractuelle du présentprogramme, mais on verra ci-dessous que le B R G M et la C N R ont décidé de poursuivre lascrutation du site avec le système rénové.


P/ojet "PISP" Pluie, Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

2.4. LES TRAVAUX DE PRELEVEMENT

Le laboratoire 3S a effectué des prises d'échantillon de sol à différentes profondeurs dans lepuits. Cependant, étant donné la nature du sol rencontré lors du forage, il a été prélevé engrande partie des échantillons de sol remanié (16 sacs, un bac de dimensions : 34x50x20 crrP etun bidon de 4 2 c m hauteur, 36 c m de diamètre). Seuls 11 carottages ont pu être réalisés à partirdu puits, à trois profondeurs différentes seulement :

- 2 à 0,20 m de profondeur (carottages (avec des tubes de 35 m m de diamètre)- 4 à 3,80 m de profondeur (carottages avec des tubes de 35 m m de diamètre)- 4 + 1 à 4 m de profondeur (4 carottages avec tubes + 1 avec une boîte d'échantillon de

dimensions:I0xl2xl2 c m ) .

E n annexe A 3 figure un tableau de tous les prélèvements effectués à partir du puits.

2.5. DESCRIPTION VISUELLE DU SOL A PARTIR DU PUITS

A partir aux échantillons prélevés et en s'appuyant sur les observations faites durant le foragedu puits, on a déterminé la composition du sol (voir figure n°9). C e premier travaild'identification sur site a été complété par une analyse plus approfondie des échantillons, menéeau laboratoire 3S et qui figure dans la troisième partie de ce rapport.

terre végétafe

terre végéta fe cafffouteuse

gravferrsabfe et galets de toutes sortes

matrice argiieuse * gafets

V

de pfusen pfusargffeux

4m

5m

sof très arg/feuxavec quefques passagessabfeux

Figure n°9 - Description des terrains rencontrés dans le puits


Projet "PISP" Pluie, Infiltration et Stobiiité de Pentes : rapport final

E n comparant les résultats tirés de cette étude (figure n°9), avec ceux provenant de la coupe deterrain précédemment établie lors des premiers travaux de sondage réalisés sur le site S M 9(coupe figurant dans l'annexe A l ) , on constate quelques différences notables :

- entre 1 m et 1,80 m de profondeur, on ne dénote aucune présence d'argile sableuse brune.Les premières traces d'argiles sont relevées à partir de 1,80 m de profondeur : c'est uneargile gris-beige, apparemment non sableuse.

- puis, entre 2 et 3,70 m de profondeur, le terrain est constitué d'une matrice argileuse et d'unmélange de graviers et galets de toutes natures et de toutes dimensions (voir figure n°10). Ace niveau, le terrain est donc très hétérogène avec une teneur en argile relativement faible(mais qui augmente avec la profondeur).

- par contre, à partir de 4 m de profondeur, on est en présence d'un sol très argileux, plushomogène avec cependant, quelques passages sableux.

Contrairement à ce que laissait envisager la première étude géologique réalisée, il est apparuque le sol contenait peu d'argile jusqu'à une profondeur d'environ 4 m (photo n°l 1).

H motrice argileuse

• graviers

A galets de toute nature

Figure n°10 - Composition d'unélément de sol

Photo n°ll - Prise entre 2 m et 3 m de prof.



Pourquoi ces différences ?

Trois raisons peuvent être avancées pour expliquer ces différences de résultats :

• la première raison, déjà évoquée précédemment, est que les résultats s'appuient sur une analyse visuelle et donc, peu précise mais qui permet tout de m ê m e de différencier un sol grenu (sable) d'un sol fin (argile), un sol hétérogène d'un sol homogène.

• la deuxième raison est que l'analyse du terrain repose sur des prélèvements réalisés à partir d'un seul puits et donc constitue une étude très locale. Ceci ne permet alors pas d'établir une coupe géologique fidèle et représentative de l'ensemble du site considéré.

• la dernière raison, toute aussi importante que les précédentes, vient du fait que la première étude géologique sur le site S M 9 a été menée à partir d'échantillons de sol provenant de forages réalisés en petits diamètres (inférieurs à 100 m m ) . Ainsi, on peut aisément comprendre que :

- d'une part, il y a eu une sorte de "drainage" de particules et sables fins provoqué par l'eau utilisée pour le carottage.

- d'autre part, de tels forages ne peuvent rendre compte de la teneur en galets et autres blocs étant donné le diamètre des trous de forage et donc, la taille des carottes prélevées (seuls des débris de galets et blocs sont remontés en surface).



3. MESURES EXPERIMENTALES

3.1. INTRODUCTION

L a compréhension des mécanismes régissant la perte de stabilité, l'infiltration de l'eau de pluie dans le sol, nécessite une bonne connaissance des propriétés mécaniques et hydrauliques du sol. C'est pourquoi, on a mené , au laboratoire 3S , à partir des échantillons de sol provenant du puits

• des essais d'identification de sol :

- granulomere, sédimentométrie, - limites d'Atterberg, - mesures des teneurs en eau, densité, degré de saturation,

• des essais mécaniques standards :

- mesures de perméabilité, - essai oedométrique complet, - essai triaxial,

L'ensemble de ces essais permettant ainsi de connaître d'une part, les conditions initiales du site et d'autre part, les caractéristiques de résistance au cisaillement, de compressibilité et de perméabilité du sol.

D'autres essais, moins classiques, ont été réalisés au sein du laboratoire L T H E afin de déterminer la relation succion-teneur en eau qui tient une place importante dans la compréhension des mécanismes régissant la vitesse d'infiltration de l'eau dans le sol, la réalimentation de la nappe phréatique.... Cette relation sera également utilisée lors de la simulation numérique (traitée dans la quatrième partie de ce rapport).

3.2. D E T E R M I N A T I O N D E S P A R A M E T R E S D'IDENTIFICATION D U S O L

3.2.1. Les échantillons testés

Cette analyse a été réalisée sur les échantillons de sols prélevés dans le puits :

- à 1,80 mètres de profondeur (échantillon de masse totale humide : 42,0 kg) - à 3,70 mètres de profondeur (échantillon de masse totale humide : 26,6 kg) - à 4,00 mètres de profondeur (échantillon de masse totale humide : 1,2 kg)

L a préparation des échantillons et le m o d e opératoire des essais d'identification de sol sont détaillés dans l'annexe A 4 .



3.2.2. L'analyse granulométrique

Avant de présenter les résultats obtenus, il a semblé important de faire les remarques suivantes concernant la préparation des échantillons :

- on a retiré de l'échantillon de sol prélevé à 1,80 m un gros caillou de dimensions 14,0x8,5x 7,5 cm-*, de masse 3,700 kg.

- une analyse granulométrique doit être réalisée sur une quantité suffisante de sol afin d'obtenir une représentation fidèle de celui-ci. Pour ce faire, cette quantité est fixée selon le critère suivant : la masse de sol à considérer doit être égale à 500 fois la masse du plus gros élément qui le constitue. Dans le cas présent, étant donné la taille des plus gros éléments rencontrés (remarque 1), il était impossible de prendre en compte un tel critère. Il faudra donc rester prudent quant à l'interprétation des résultats de granulométrie des échantillons A etB.

Les résultats

Pour rendre compte des résultats essentiels de l'analyse granulométrique des échantillons de sols, les courbes granulométriques relatives à chaque échantillon (sont tracées en figure n°12).

D'une manière générale, les courbes respectives des échantillons A j g o m et B 3 7 Q m o n t u n

profil étalé. Celui de l'échantillon C 4 o o m e s t a u contraire plus serré.

L a courbe relative à l'échantillon A j g o m montre que les éléments les plus gros et les éléments les plus fins ne sont pas distribués selon la m ê m e loi d'uniformité. E n effet, la distribution des gros éléments (le gravier) est uniforme jusqu'au diamètre D 2 0 % = 6,3 m m . Par contre, la fraction des particules de diamètre inférieur à 5 m m (sable, silts, argiles) est très hétérogène dans sa composition.

L a forme obtenue pour l'échantillon C 4 o o m e s t inversée par rapport au cas précédent.

L a forme de la courbe relative à l'échantillon B 3 7 o m est dite complexe: la distribution semble relativement uniforme en ce qui concerne le gravier et les élément fins tels que les silts et argiles, ce qui n'est pas le cas des éléments de diamètres intermédiaires (le sable).



100

100 10 1 0.1

diamètre des grains ( m m )

0.01 0.001

Figure n°12 : courbes granulométriques des 3 sols étudiés

Si l'on compare les quantités respectives (en %) des différents éléments des échantillons A , B etC (tableau n°13), on peut en déduire que :

cailloux etgros gravier

graviersablesilts

argile

échantillonA 1.80m

37,5%

43,5%10,3%6,2%2,5%

échantillonB3.7Dm

8%

37,6%21%

26,4%7%

échantillonQ.Oflm

0%

0%1,35%

70,65%28%

critèregranulométrique

({»50mm

5 0 m m > < t » 5 m m5mm><î»74p.m74umxt»2¿im

2(im><}>

Tableau n°13 - Constitution des échantillons en % d'éléments de sol

- la quantité de graviers et cailloux diminue avec la profondeur jusqu'à s'annuler. E n effet,l'échantillon C prélevé à 4 m ne contient plus de gros éléments.

- en revanche, la quantité de fines particules augmente avec la profondeur.

- enfin, la proportion de sable dans le sol varie de façon irrégulière avec la profondeur: elleest très faible à 1,80 et 4,00 m , assez élevée à 3,70 m . L e sol semble être traversé par descouches sableuses d'importance inégale.

Ces résultats confirment la description visuelle effectuée sur le terrain et qui figure dans lapremière partie de ce rapport.


Projet "PiSP" Pluie, Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

3.2.3. Les limites d'Atterberg

Les essais de limites d'Atterberg permettent une identification simple de la fraction fine d'un sol.

Les résultats sont reportés dans le tableau n°17.

(les figures n°14, 15 et 16 n'existent pas)

Wen% Wr.en% W p en % IP en %

échantillon

4 33 17 16

échantillon

B3.70in

9,2 23 12 11

échantillon

Q . O O m

21 34 17 17

Tableau n°17 - Valeurs des limites d'Atterberg

Connaissant la granulométrie et les limites d'Atterberg des échantillons A i gom e t ^3 7 0 m » e t e n

se référant à la classification du L C P C (voir tableau en annexe A 4 ) , on trouve les résultats suivants :

échantillon

appellation

Al. 80m

grave propre mal graduée / grave argileuse

(double symbole)

B 3 . 7 0 m

grave argileuse

Tableau n°18 - Classification des échantillons A et B



3.2.4. Autres résultats

a) Relation teneur en eau-profondeur

O n a tracé la variation de la teneur en eau w en fonction de la profondeur à partir de tous les échantillons de sols remaniés, prélevés à partir du puits en Novembre.

La figure n° 19 montre que la teneur en eau varie de 4 à 10 % entre 0 ,6m et environ 3,70 m de profondeur. A u delà de cette profondeur, la teneur en eau est nettement supérieure à 20%. C e changement brusque de teneur en eau marque le passage entre deux sols de nature différente.

teneur en eau w ( en % ) 0 S 10 15 20 25

0.5-

1

1.5

2

2.5

3

3.5-

4 •

terre végétale

f graviers et galets de 1 toutes sortes

/

• \

\ .

1 matrice argileuse / gravier et sable

\

! 7 profondeur (en m ) argile et sable

Figure n°19 : courbe "teneur en eau-profondeur"

b) Mesures de densité

Les échantillons intacts ont été prélevés en grande majorité dans la couche argileuse située à 4 mètres de profondeur. O n a donc déterminé la densité du sol en place uniquement pour cette couche.

Les résultats figurent dans le tableau suivant :

nature du sol

argile

profondeur (m)

4,15

teneur en eau naturelle

(%) 20,7

teneur en eau de saturation

(%) 22

densité humide (kN/m3)

20,7

densité sèche ( k N / m 3 )

17,1

Tableau n° 20 : principales caractéristiques du sol argileux



3.3. CARACTERISTIQUES MECANIQUES ET HYDRAULIQUES DU SOL

3.3.1. Le matériau testé

Compte tenu du type de sol rencontré, des résultats de l'étude granulométrique et des prélèvements de sols en majeur partie remaniés, on a adapté le programme envisagé au début des recherches.

Néanmoins, compte tenu du grand nombre d'échantillons intacts prélevés à 4 mètres de profondeur (couche argileuse), tous les essais mécaniques et hydrauliques ont été réalisés à partir de ces échantillons. Les caractéristiques du matériau figurent dans le paragraphe précédent (voir les résultats obtenus pour l'échantillon C 4 oom ) .

Seules des mesures de perméabilité (au perméamètre C B R ) ont été faites à partir des échantillons remaniés A j g Q m et B 3 7 Q m .

3.3.2. Compor tement sur chemin triaxial non drainé

a) But de l'essai

L'échantillon après avoir été consolidé, est soumis à un essai de cisaillement non drainé. A u

cours de cette phase, des pressions interstitielles se développent au sein de l'échantillon. E n

mesurant successivement les variations de la contrainte axiale 0\ appliquée, de la déformation

axiale Z\ et de la pression interstitielle U , on détermine tout d'abord les valeurs maximales

atteintes par celles-ci et par une représentation dans le plan de M o h r , les caractéristiques du

matériau, à savoir : l'angle de frottement 9 ' et la cohésion c'.

b) M o d e opératoire

Les échantillons testés ont un diamètre d de 35 m m et une hauteur h de 8 0 m m , soit un élancement de :

h/d = 2,3

Saturation des argiles

La saturation des argiles est obtenue par circulation ascendante de l'eau en maintenant :

- une différence de pression entre la base et la tête de l'échantillon :

apied = lOOkPa ; atête = 50kPa

- une pression latérale 03 constante plus forte :

a 3 = 1 5 0 k P a

L e matériau étant très compact à l'origine, la saturation de chaque échantillon s'est faite sur

plusieurs jours (2 jours min imum) . Consolidation



A la fin de la saturation, les pressions ont été portées aux valeurs ci dessous :

échantillon 1

échantillon 2

échantillon 3

pression latérale a-¡

150kPa

200kPa

400kPa

pression interstitielle U

lOOkPa

lOOkPa

lOOkPa

Tableau n°21 - Consolidation des échantillons

Ecrasement triaxial

Pour pouvoir mesurer correctement la pression interstitielle, il est nécessaire de ne pas appliquer trop rapidement le déviateur surtout pour un matériau argileux (ce qui est ici le cas).

Pour chacun des essais, on a écrasé les échantillons à une vitesse de 0,01 m m / m i n . soit 1,6 10"7 m / s .

L a mesure de la pression interstitielle est réalisée à l'aide d'un capteur branché en pied de cellule.

c) Résultats

Sur les figures n°22 à 27 sont illustrées, les courbes "effort-déformation" et "pression interstitielle-déformation axiale". Les représentations dans le plan (p',q') sont reportées en annexe A 5 .

La résistance finale du matériau (exprimée en a¡ - 03) augmente lorsque la contrainte

(J3 augmente.

Pour les échantillons consolidés à c'3 = lOOkPa et a'3 = 300kPa, on observe un pic de rupture

puis une chute de la résistance du matériau au delà du pic. E n revanche, la localisation du seuil

de rupture est moins nette pour a'3 = 50kPa.

La déformation axiale atteinte à la rupture lors des trois essais reste faible. Elle ne dépasse pas 6 %. '

D'autre part, on a tracé dans le plan des contraintes effectives (figure n°28), les trois cercles de

M o h r obtenus pour chacune des pressions de consolidation. O n constate une certaine

dispersion. Ainsi, les valeurs de l'angle de frottement cp' et de la cohésion c' sont comprises

entre :

8,37° < 9 ' <23,5° 14kPa<c '<52kPa



A u vu de ces résultats, il faut remarquer que :

- lors de la préparation des échantillons, on a pu constater la présence de sables, de quelques petits graviers. Ces hétérogénéités au sein du matériau rendent sa structure plus fragile. Ceci peut être une des raisons expliquant le faible taux de déformation atteint à la rupture.

- de plus, le fait de travailler sur des échantillons de petits diamètres reste une tâche toujours délicate. E n effet, le remaniement des échantillons occasionné lors de l'extraction des carottes, lors de la mise en place des échantillons dans la cellule représente également une source d'erreurs d'autant plus conséquente que le diamètre des échantillons est petit.



Consolidation : ai, = 150kPa et U = lOOkPa

kPa

200.00 T

150.00

V 100.00

50.00

. • ^ • - • " V

/

0 . 0 0 *—'—'—i—i—'—'—i—'

0 1 2 3 4 5 6 7 8'

el

Figure n°22

Consolidation: c = 200kPa et U = lOOkPa

kPa

2 0 0 . 0 0 T

150.00 CO

? 100.00 p ^ m Ü Í

50.00 J

S

/ T i*-"**

0.00 -H 1 1 1- - t 1 1

0 2 4 6 8 10 12 14 16

el

Figure n°24

Consolidation : c3 = 400kPa et U = lOOkPa

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.0 0

el

Figure n°23

kPa

110

105 i

Z> 100 £ I

95'

90

A m

t/

H 1 1 1 1 1 I

0 2 4 6 8 10 12 14

el

°Á

Figure n°25

kWc

200 i

150

Z3 100'

50

0 (

/ I

i i i i ' 7 o

) 2 4 6 8 10

el

Figure n°26 Figure n°27

Figures n°22 à 27 - Courbes "effort-déformation" et "pression interstitielle-déformation"



Figure n°28 - Représentation dans le plan de M o h r

3.3.3. Les caractéristiques de compressibilité

O n a réalisé un essai oedométrique complet, c'est à dire avec mesure de perméabilité au cours du chargement (ces mesures figurent dans le paragraphe 3.3.4). N'atteignant pas la pression de consolidation, on a alors déchargé l'oedomètre puis effectué un essai C R S ( pour constant rate of strain) permettant d'appliquer des pressions plus élevées.

a) M o d e opératoire

Préparation de l'échantillon

L'échantillon de sol a un diamètre de 70 m m et une hauteur de 24 m m .

La saturation de l'échantillon est obtenue par circulation ascendante de l'eau.

L'essai oedométrique classique

- L'opération consiste à doubler la contrainte appliquée à l'échantillon lors de chaque chargement. La fréquence de chargement est de un jour.

- Les masses appliquées successivement sur le plateau sont : . en charge: 0; 1; 2 ; 5; 10; 20; 40; 80 kg (soit de 0 à 1000 kPa) . en décharge: 80; 20; 10; 0 kg


Pcojet "PISP" Pluie, Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

L'essai CRS

- L'oedomètre est placé sous une presse. Puis la contrainte est exercée au moyen d'un anneaudynamométrique. La vitesse d'écrasement de l'échantillon est constante et les orifices dedrainages ouverts durant l'essai. En raison des faibles perméabilités mesurées sur le matériau(ordre de grandeur de K : 1 0 " ^ m/s ) , on a choisi la vitesse d'écrasement la plus petitepossible.

- Vitesse d'écrasement: 4 10"^ m / m i n , soit 6.6 10"** m / s .

- Anneau dynamométrique : 10 kN/div.

b) Résultats

L a figure n°29 représente la variation de l'indice des vides en fonction de la charge appliquéep (représentation en Inp).

Compte tenu du profil obtenu, on n'a pas pu déterminer l'indice de compression C e de cetteargile.

Détermination de <3C ,e0

• L e coude observé sur la figure n°29 marque le passage entre un comportement surconsolidé etun comportement normalement consolidé. Le matériau étudié est donc une argile surconsolidée.L'ordre de grandeur de la pression de consolidation a c obtenue au coude est de:

o c = 5000kPa

•L'indice des vides initial e0 vaut :

e o = 0,63

O n a donc affaire à une argile très compacte présentant une forte pression de consolidation,fortement surconsolidée à 4 .00m. de profondeur.

rides

eind

ice d

es *

i

0.S5 4

0.8 -

0.55 '-

0.5 ,

0.45

0.4 -

10

esul owfemMrlqua

• -— • • n— • — • .

* - — —

100

— • — —

1000

^ ^

~ ^ _

i

10000 100000. . _

Figure n°29 - Courbe oedométrique du matériau argileux prélevé à 4,15m de profondeur



3.3.4. Mesures de perméabilités à saturation

O n a effectué des mesures de perméabilité :

- au perméamètre C B R , sur des échantillons de sols remaniés A ¡ g ^ et B 3 7om-- à l'oedomètre, sur échantillon intact provenant de la couche argileuse.

a) M o d e opératoire

O n présente ici quelques phases importantes de la préparation du matériau remanié.

Le dispositif de mesure

O n a utilisé un perméamètre C B R de diamètre 152 m m et de hauteur 127 m m .

Préparation du matériau

Sorti de l'étuve, le matériau remanié est passé au tamis de diamètre <j) = 20 m m , puis réhumidifié à la teneur en eau naturelle. Après obtention d'une pâte homogène, on remplit le perméamètre de matériau que l'on compacte par étapes successives.

Energie de compactage

L'échantillon A j gQ m est compacté à une énergie de 60 tm/nv* et l'échantillon B 3 7om . à deux énergies différentes: 60 imlrc? et 12 t m / m ^ .

Saturation de l'échantillon

La saturation des échantillons est obtenue par circulation ascendante de l'eau en appliquant, sur une durée de plusieurs jours, une différence de pression entre le pied et la tête de l'échantillon :

a p i e d = 20kPa

c t ê t e = 1 0 k P a

Méthode de mesure

O n a effectué des mesures du coefficient de perméabilité K :

- à charge variable - à charge constante avec mise en pression de l'eau de percolation par de l'air comprimé

(pression imposée: 40 kPa soit 4 m d'eau).

b) Résultats

Perméabilité sur échantillons remaniés

O n rend compte ici des valeurs moyennes de K obtenues lors des essais. Le détail des mesures est reporté en annexe A 6 .

• Pour une énergie de compactage de 60 t m / m ^ , on obtient les valeurs suivantes : ,


Projet VISP" Pluie. Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

' Pour une énergie de compactage de 60 t m / m 3 , on obtient les valeurs suivantes :

échantillons remaniés

Al ROm

B^70m

w(%) initiale

4,08 9,20

w(%) saturation

11,39 9,50

7 d , (kN/m3)

20,1 20,7

7 h . (kN/m3)

21.1 22,8

K ( m / s ) à charge variable

1,9 10^ 4,3 10-1U

K ( m / s ) à charge constante

-5,1 10-9

Tableau n°30 - Valeurs de perméabilité obtenues

La perméabilité mesurée en appliquant une pression de 40 kPa (4 m ) à la tête de l'échantillon (K= 5,1 10_9 m/s) est supérieure d'un facteur 10 à celle obtenue par la méthode de mesure à charge variable. Ceci est probablement dû au fait que pour un tel matériau (gravier, galets et argile), si la pression appliquée est trop élevée, une partie de l'eau s'écoule le long des parois du perméamètre. Dans ce cas, cette méthode de mesure est incorrecte car elle surestime la valeur du coefficient de perméabilité du matériau.

• Pour une énergie de compactage de 12 t m / m 3 :

échantillons remaniés

Bl7nm

w(%) initiale

9,20

w(%) saturation

10,20

7 d . (g/cm-3)

1,98

7 h . (g/cm-1)

2,18

K ( m / s ) à charge variable

1,8 10"5

Tableau n°30 bis - Valeurs de perméabilité obtenues

Perméabilité de la couche argileuse

La figure n°31 donne les valeurs du coefficient de perméabilité K à saturation de la couche argileuse, mesurées à chaque étape de chargement de l'essai oedométrique.

irV»

1»E-0» -

1.106-0»

jl tOOE-10

% 7.0OE-10

-ai

¡S eooE-10 Q .

J 006-10

*

4-0

* 200 400 «00

charg«

no

" ' ' m

1000 1200

kPa

Figure n°31 - Perméabilité de la couche argileuse



3.3.5. Détermination de la courbe de succion

a) Rappel théorique

O n rappelle ici quelques points importants sur les phénomènes hydrodynamiques dans le sol. U n e étude théorique plus concise figure en annexe A 7 .

Dans la zone non saturée d'un sol, deux phases non miscibles (l'eau et l'air) sont en présence. L a capillarité provient de la tension superficielle de l'eau et de son angle de contact avec les grains solides. L'eau se trouve en dépression par rapport à l'air. Cette force de capillarité ainsi créée s'appelle la succion \j/ et le potentiel h qui lui correspond est négatif dans la partie non saturée du sol.

A une profondeur donnée dans le sol (et donc pour une densité donnée), la succion dépend de la teneur en eau: globalement, on peut considérer que plus la teneur en eau est faible, plus la succion est forte.

b) L e T D R (time domain reflectometry)

Il s'agit d'un appareil permettant de mesurer des teneurs en eau. Il repose sur un principe testé par Topp (1980), selon lequel la constante diélectrique de l'eau étant vingt fois supérieure à celle des minéraux, celle d'un sol est presque uniquement fonction de sa teneur en eau. E n fait, cet appareil mesure la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique dans le sol. U n e impulsion de tension électrique est propagée le long de baguettes de transmission parallèles enfoncées dans le sol. Les baguettes servent de guides d'ondes. O n mesure l'intervalle de temps séparant l'entrée de l'onde dans le sol de sa réflexion à l'extrémité du guide d'onde dont la longueur est connue. Ainsi on peut en déduire une vitesse de propagation dans le sol, et donc, la constante diélectrique moyenne de ce sol (sur une épaisseur définie par la longueur des guides d'ondes). Topp (1980) fournissent une relation empirique entre la constante diélectrique k mesurée et la teneur en eau volumique du sol 8, applicable à "presque tous les sols".

9 = -0.053 + 0.092k -5.5 Î O " 4 ^ 4.3 10"6k3

Cette relation convient bien pour des milieux usuels sans anisotropic et pour des teneurs en eau pas trop élevées (< 40%), ce qui est le cas des matériaux de cette étude.

E n annexe A 8 , figurent des tests sur la reproductibilité des mesures T D R , ainsi qu'une comparaison menée par Grésillon (1994) entre les mesures T D R et les mesures acquises par méthode pondérale.

c) L e dispositif expérimental

Il n'était pas possible de mesurer in situ (à 4 m de profondeur) les caractéristiques de succion et la teneur en eau du sol. Il a fallu mettre au point un dispositif de mesure au laboratoire L T H E à partir d'échantillons de sols remaniés prélevés à 4 m de profondeur, en essayant de recréer les conditions in situ.



Le dispositif expérimental (photo n°32) se compose :

- d'un moule cylindrique de 15cm de diamètre et de 23 c m de hauteur- d'un tensiomètre à mercure- d'un appareil de type T D R- d'un ordinateur (logiciel T D R N e w ) assurant l'acquisition et le traitement des données

fournis par le T D R (lecture directe de la valeur de la teneur en eau volumique).

Photo n°32 - Le dispositif expérimental

d) M o d e opératoire

Préparation du matériau

Le matériau utilisé provient de la couche argileuse rencontrée à 4 m de profondeur. C e matériau,passé à l'étuve, est ensuite remouillé et mélangé de manière à obtenir une pâte homogène. Puison remplit le moule de ce matériau que l'on compacte par étapes successives afin d'arriver à ladensité souhaitée. O n enfonce entièrement les baguettes du T D R et le tensiomètre d'uneprofondeur égale à la moitié de la hauteur du moule. Pour une densité donnée, on mesure lasuccion sur une échelle graduée en millibar. La valeur de la teneur en eau est donnée parl'ordinateur connecté au T D R .



Densité choisie

O n a cherché à se rapprocher le plus possible des conditions rencontrées in situ (à 4 m de profondeur), c'est à dire du poids volumique ?d déterminé à partir des échantillons de sols non remaniés qui vaut : 17.1 k N / n A

Remarques

Il est difficile par cette méthode d'obtenir une grande précision des variations de la succion h en fonction de la teneur en eau 0 pour une m ê m e densité. E n effet, le T D R , de par son principe de fonctionnement, donne une valeur moyenne de 8 alors que le tensiomètre à mercure donne une valeur pondérale de h. Lors des mesures, on a observé que l'évaporation en surface engendrait une baisse de la valeur moyenne de 0, mais pas de variation de h mesuré au milieu de l'échantillon. Il a donc fallu pour chaque mesure du couple (h,0) recommencer la manipulation en modifiant pour chaque essai la teneur en eau. D e telles opérations sont "coûteuses" : perte de matériau, variation de la densité sèche, coût en temps.... Néanmoins, au vu des résultats obtenus, les variations de 7d restent faibles.

e) Résultats

O n a réalisé quatre couples de mesures (h,0). Les résultats figurent dans le tableau n°33 et sont illustrés sur la figure n°34.

mesure n°:

poids volumique yd ( k N / m 3 ) teneur en eau

volumique © T D R

succion 1 h | (en rr.bar)

1 17.1

0.39

0

2 16.9

0.35

392

3 16.8

0.30

624

4 16.8

0.29

854

5 16.8

0.25

-

Tableau n°33 - Valeurs de (h,0)

Pour une teneur en eau O J D R égale à 0.25, le tensiomètre a "décroché". Cela signifie que la succion correspondante était supérieure à 900 mbar en valeur absolue (seuil du tensiomètre à mercure).



900 -r

800 --

700 ••

„ 600 -• *

I 500 --

| 400 •- * u

3 300 --

200 --

100 -•

0 -I P 1 1 1 1 1 1 •—I 0 5 10 15 20 25 30 35 40

teneur »n «au (%)

Figure n°34 - Courbe de rétention du sol

3.3.6. Mesures des capteurs in situ

O n a procédé à une première "purge" de la centrale M A D O T E L .

L'acquisition des mesures sur le site S M 9 a débuté le 22 Avril 1994 (excepté pour les tensiomètres D T P C 1 0 0 0 , qui ont été connectés à la station début Juin), avec une fréquence de mesures de 2 heures.

O n rend compte dans ce paragraphe des mesures de pressions, de succions, de pluviométrie et températures collectées sur la station d'acquisition sur une période de deux mois, ainsi que des mesures de succions obtenues à partir des trois tensiomètres à mercure.

a) Les niveaux piézométriques

Les pressions de l'eau (figure n°35) mesurées à 5.5 m (Piel 1) et à 11.9 m (Piel 2) varient peu. Elles se situent respectivement à 0.1 bar (lm d'eau) et 0.08 bar et ne semblent pas subir une forte influence des précipitations. Il en est de m ê m e pour les mesures obtenues par la sonde Piel 3 qui fluctuent de façon irrégulière entre 0.45 et 0.6 bar, avec un saut à la fin Avril.

La pression de l'eau à 11.9 m de profondeur est toujours inférieure à la pression mesurée à 5 . 5 m de profondeur. Il y a donc entre ces deux profondeurs, toute une partie du sol non saturée. Ceci traduit l'existence d'une nappe perchée à 5.5 m de profondeur.

b) Les mesures de succion

Les valeurs de succion obtenues aux tensiomètres à mercure à trois profondeurs de sol différentes, sont représentées sur la figure n°36.

O n a réalisé peu de mesures sur une période trop courte. Il est donc difficile de mettre en évidence une quelconque corrélation entre les mesures de pluviométrie et les variations de succion.



D e plus, ce type de tensiomètre est sensible au changement de température : on a observé jusqu'à 40 mbar (40 c m ) de différence entre 2 mesures de succion, l'une effectuée à llhOO, l'autre effectuée à 16h00.

Sans aller trop loin dans l'interprétation des résultats, on peut faire les remarques suivantes :

- proche de la surface du sol( à 34 c m de profondeur), la succion fluctue entre -10 (sol saturé) et 90 c m de succion.

- entre 70 et 90 c m de profondeur, elle reste faible (20 c m de succion au m a x i m u m ) , voire nulle. Le sol est donc proche de l'état de saturation à cette profondeur.

Les mesures de succions aux tensiomètres D T P C 1000 sont reportées sur la figure n°37 : on a représenté la courbe de pluviométrie et la courbe de succion obtenues sur une période de 15 jours (avec une fréquence de mesure de 2 h).

- à 1 m de profondeur, la succion fluctue entre 45 et 70 c m .

- à 1.50 m , elle est toujours plus faible , comprise entre 15 et 25 c m .

O n remarque également que l'averse représentée par un "pic" le 09/06/94 entraîne une diminution de la succion mesurée à l m de profondeur avec un retard de 12 heures environ. Toutefois, cette réduction n'est pas durable : 24 heures plus tard, la succion a repris sa valeur d'équilibre. Il y a peut être eu un écoulement privilégié le long du puits.

D e plus, il semble que les précipitations n'influencent pas la succion à 1.50 m de profondeur. Mais pour en être sûr, il faudrait comparer les courbes de pluviométrie et de succion sur de plus longues périodes.

3.4. CONCLUSION

Les essais de laboratoire ont permis de déterminer, avec plus ou moins de précision, les principales caractéristiques mécaniques et hydrodynamiques de la couche argileuse rencontrée à 4 m de profondeur sur le site S M 9 . La connaissance, entre autres, de la conductivité à saturation et de la courbe de rétention de ce sol, va permettre de modéliser l'infiltration de l'eau à partir du logiciel Seep (modélisation développée dans le chapitre 4).

En ce qui concerne la campagne de mesures sur le terrain, réalisée sur une période de deux mois, on a constaté que les succions mesurées entre l m et 1.50m de profondeurs restaient assez faibles. Aussi, on a mis en évidence, à partir des niveaux piézométriques, l'existence d'une nappe perchée.

E n revanche, pour déterminer la réponse hydraulique du sol à une précipitation donnée, il est nécessaire d'exploiter les données des capteurs sur une plus longue période. En effet, les phénomènes hydrodynamiques peuvent évoluer de façon très lente selon la nature du sol rencontrée. Sur la période des mesures, on n'a pu mettre en évidence une influence directe de la pluie sur la succion dans le sol.

Quant aux mesures effectuées aux tensiomètres à mercure, il serait préférable d'augmenter la fréquence de passage afin d'en tirer le m a x i m u m de renseignements.


Pnjet •PISP' Pfute, Infiltration et Stabmé de Pentes : rapport final

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Prof* "PlSf Pluie. kiHtnäon et StabÊté de Pentes : rapport final

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Les tensiomètres à mercure

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à trois profondeurs différentes

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date

Figure n°37 - Evolution de la succion en fonction des précipitations

Rapport BRGMR 36750 32


4. LES MESURES PERIODIQUES DE RESISTIVITE

4.1. INTRODUCTION

L ' A . D . R . G . T avait en charge la réalisation de mesures périodiques de résistivité des terrains à partir de la surface sur quatre emplacements à proximité du site S M 9 du glissement de L E A Z . Le but de cette opération était de vérifier si, à partir de mesures de surface, il était possible de déceler où se situaient les zones où la résistivité variait dans le temps et le cas échéant, de faire les rapprochements avec les modifications du degré de saturation du sol.

4.2. DISPOSITIF DE MESURE

O n a représenté sur la fig.38 la position des diverses instrumentations du site S M 9 comportant:

- 2 piézomètres S M 9 et S M ' 9 , installés en 1969, respectivement à 29 m et 6 m de profondeur,

- un puits blindé P B installé en novembre 1993 à 4,5 m de profondeur,

- 3 forages PI à P3 de profondeurs respectives 15,2 m , 12, 15 m et 7,20 m . Ils ont été réalisés en novembre 1993 et équipés en avril 1994 de sondes de pressions interstitielles PIEL, respectivement à 14,80 m , 11,9 m et 5,5 m de profondeur,

- 1 forage N 4 de 5 m de profondeur équipé d'un tube durai 40/50 m m , pour mesures à la sonde Troxler (ces mesures n'ont en définitive pas été réalisées).

O n a reporté également sur la fig.38 les emplacements des centres des sondages électriques Se 1 à Se 4. Etant donné que les Se 1 et Se 2 ont été doublés par Se Ibis et Se 2bis (réalisés en tirant les lignes perpendiculairement à la direction originelle), ce sont 6 sondages électriques qui ont été réalisés à chaque campagne. Les mesures ont été effectuées selon la méthode de Wenner au pas de 0,5 m , avec 20 mesures ( A B m a x = 30 m ) . Les campagnes ont été réalisées :

- le 18.02.1994 - le 25.05.1994 - le 07.09.1994 - le 30.11.1994


FIG. 1 E C H . 1/600

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GUSSEMEMT DE LEAZ Dispositif de mesure au site SM9 LEGENDE Sondage électrique 1994 et sens de la ligne de mesure Pults blindó

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4.3. RESULTATS DES MESURES

O n donne à l'annexe 10 tous les résultats de mesures avec les resistí vites par tranches de 0,5 m d'épaisseur. O n remarque une grande hétérogénéité des résultats.

C'est pourquoi on a réalisé 2 autres interprétations en différenciant par couches de 1 m puis 2 m . A u vu des résultats, on a finalement adopté la représentation par couches de 1 m . Les résultats sont fournis :

- aux fig. 39 à 44 pour chacun des sondages électriques, - à la fig. 45 pour la moyenne de tous les sondages, - à la fig. 46 pour la moyenne des sondages Se 1, Se Ibis, Se 3, Se 4 correspondant à un

ensemble assez homogène (le Se 2 correspondant à un ensemble de nature différente, plus argileuse).

4.3.1. Zones de résistivité constante, de résistivité variable

En principe la résistivité d'un sol dépend de la nature des matériaux et de la teneur en eau. Compte tenu du mode de mesures où on plante à chaque campagne les électrodes dans le sol, et compte tenu de l'influence de la position exacte des électrodes par rapport aux particularités de la surface du terrain, si la lithologie et la teneur en eau étaient strictement les m ê m e s pour 2 mesures différentes, il est normal que les mesures de résistivité aient une fluctuation A p / p de 20 à 30 %.

Compte tenu de cette remarque on note qu'il existe, pour chaque sondage électrique, des zones où les résistivités changent peu, par exemple :

- au Se 1 de 1 à 4 m , de 5 à 6 m et de 8 à 10 m - au Se 1 bis de 1 à 4 m , d e 6 à 9 m .

D e plus, au Se 2 et Se 2bis, si on met à part une mesure au Se 2bis entre 3 et 4 m de profondeur, les résistivités varient peu et ceci sur 10 m d'épaisseur. O n a donc, sur ce point Se 2, des conditions différentes des autres points, avec peu de variation de résistivité. O n remarque que les résistivités au Se 2 sont essentiellement comprises entre 20 et 60 ii.m. Ceci indique que les matériaux sont essentiellement argileux et que dans ces matériaux la résistivité, donc la teneur en eau, varie peu.

D e la m ê m e manière, on fait apparaître des zones où la résistivité varie beaucoup en fonction du temps, ce qui traduit une forte variation de teneur en eau, avec possibilité très vraisemblable de désaturation. D e plus, les valeurs de résistivité de ces zones (100 à 500 Q . m ) indiquent une constitution sableuse ou silteuse. Les zones correspondant à de telles variations de résistivité se situent :

- au Se 1 de 4 à 5 m et de 6 à 7 m - au Se 2 bis de 3 à 4 m -au Se Ibis de 4 à 7 m - a u S e 3 d e 0 à 4 m - au Se 2 de 2 à 3 m et de 5 à 7 m - au Se 4 de 0 à 3 m,de 4 à 5 m et de 6 à 10 m .



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5

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7

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IFigure n°39 - Résultats du sondage électrique SEI



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Figure n°40 - Résultats du sondage électrique SElb



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Figure n°41 - Résultats du sondage électrique S E 2



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Figure n°42 - Résultats du sondage électrique SE2b



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Figure n°43 - Résultats du sondage électrique SE3


Projet "PISP" Pluie, Infiltration et Stabilité de Pentes ; rapport final

Leaz S E 4

fev mai sept nov122 104 257 119132 122 221 11469 96 127 8770 75 71 6972 67 173 6663 42 51 53

150 83 35 7439 140 28 62

117 26 41 8610 34 116 25 23

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Figure n°44 - Résultats du sondage électrique S E 4



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Figure n°45 - Résultats des sondages SEI à SE4, moyenne.



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Figure n°46 - Résultats des sondages électriques SEI, SElb, SE3 et S E 4



En définitive on constate une grande hétérogénéité dans la constitution des terrains. Ceci est bien confirmé par les différences entre les coupes du sondage S M 9 , du puits P B , des forages PI à P3 . Ainsi la couche superficielle perméable constituée de sables ± argileux contenant des galets et blocs a une épaisseur de :

- 6 m au S M 9 - 2,90 m au sondage P2 - 3,30 m au puits P B - 2,50 m au sondage P3 - 3,50 m au sondage PI - > 5 m au forage N 4

Figure n°39.

D'autre part on trouve au sein de la formation "d'argile grise" des passages sableux ou limoneux.

4.3.2. Relation avec le niveau piézométrique

Il est intéressant de rechercher la liaison pouvant exister entre les variations de résistivité et celles du niveau piézométrique. Pour cela on dispose, en correspondance avec les mesures de résistivité :

- des mesures piézométriques en S M 9 (profond) et S M ' 9 ,

- des mesures aux sondes PIEL, pour la période du 26.04 au 15.06.1994.

O n les a regroupées ci-dessous dans le tableau n°47 avec les indications de profondeur du niveau piézométrique sous la surface du T . N .

Date mesure géophysique 18.02.94 25.05.94 07.09.94 30.11.94

Niveaux piézométriques sous le T . N . (m) SM9

(profond) 3.20 3.30 5.27 3.88

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-

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-

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-

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-

11.17 -

-

P3 (5,5m)

-

4.20 -

-

Tableau 47 - Mesures piézométriques correspondant aux campagnes de géophysique

Si on associe Se 1 aux mesures en S M 9 et S M ' 9 on peut constater que le niveau piézométrique bas du 7.09 au S M ' 9 correspond à une extension vers le bas des résistivités p > 120 Q . m par rapport aux mesures des 25.05 et 30.11 (voir annexe 1). D'autre part on peut constater que les niveaux piézométriques des cellules PIEL sont très hétérogènes, celui de la sonde à 14,80 m étant plus élevé que celui de la sonde à 11,9 m , alors que le niveau de la sonde à 5,5 m pourrait assez bien correspondre au niveau piézométrique S M 9 ' . Ceci traduit nettement l'existence d'un ou plusieurs niveaux non saturés en-dessous de 5 m de profondeur. Ils pourraient se situer entre 5 et 7 m de profondeur.



4.4. CONCLUSIONS RELATIVES AUX MESURES DE RESISTIVITE

Les 4 mesures de résistivité réalisées en 1994 autour du sondage S M 9 ont permis de dégager plusieurs conclusions :

• les terrains sont très hétérogènes avec des alternance de zones à résistivités différentes sans liaison latérale évidente (absence de mise en évidence de couches de grande extension),

• au droit de chacun des sondages électriques il existe :

- des zones où la résistivité varie peu et qu'on peut mettre en correspondance, en général avec des terrains contenant une certaine quantité d'argile et avec une modification très modérée de teneur en eau,

- des zones où la résistivité varie de manière sensible, lesquelles doivent correspondre à des terrains où la teneur en eau varie beaucoup. Ces zones sont constituées de matériaux plus perméables.

• on a mis en évidence le rôle important de couches peu épaisses qui peuvent se désaturer et créer ainsi une discontinuité dans la distribution de la pression interstitielle avec la profondeur. L a disparition de ces discontinuités durant de courtes périodes de pluviométrie (ou de fonte des neiges) peut provoquer une remontée forte et brutale de la pression interstitielle, parfois sans liaison directe avec une forte quantité de précipitations. U n e telle hypothèse est difficilement verifiable par les moyens classiques (piézomètres) et peut confirmer l'utilité de mesures géophysiques du type de celles réalisées pour avoir une idée du mécanisme hydraulique d'un glissement.

• il y a donc à un instant donné, une possibilité de non saturation dans certaines zones. Dans ce cas plusieurs cellules à différentes profondeur n'indiquent pas le m ê m e niveau d'eau (ceci est amplement confirmé par la comparaison des mesures dans les piézomètres et dans les cellules T E L E M A C durant 25 ans). E n particulier la pression interstitielle sur la surface de glissement, à cet emplacement particulier S M 9 , n'est pas forcément en correspondance avec le niveau du piézomètre S M ' 9 .

• les mesures réalisées ont montré qu'il était possible, à partir de mesures de surface d'apprécier les variations de résistivité en profondeur et, vraisemblablement, celles de la teneur en eau. Cette dernière vérification n'a pu être confirmée quantitativement à cause du trop petit nombre de mesures.

Pour l'avenir on peut envisager 2 améliorations :

• soit effectuer des mesures périodiques à partir d'électrodes superficielles à poste fixe, et reliées à une centrale d'acquisition : on pourra alors déceler les variations de résistivité dans le temps de manière quasi continue :

• soit effectuer les mesures périodiques à partir de sondes à poste fixe dans un sondage et reliées à une centrale d'acquisition. O n pourra alors analyser mieux le mécanisme hydraulique et en particulier la propagation de fronts de saturation ou désaturation vers la profondeur.



5. MODELISATION

5.1. INTRODUCTION

L a dernière partie de ce rapport a consisté en une modélisation de l'infiltration par la méthode des éléments finis. L'étude porte sur une tranche de sol du site S M 9 de Léaz. Elle a été menée sur le logiciel P C Seep de Géoslope.

5.2. PRESENTATION DU LOGICIEL PCSEEP

L e logiciel P C S E E P est un modèle numérique qui utilise une méthode aux éléments finis pour simuler les mouvements de l'eau dans les milieux poreux. C e programme permet de modéliser les transferts d'eau pour des configurations simples d'écoulement, en régime permanent, dans un milieu homogène mais aussi pour des cas complexes d'écoulement en régime transitoire dans un milieu bidimensionnel stratifié de degré de saturation variable.

A partir des caractéristiques hydrauliques des milieux étudiés, et en fonction des conditions aux limites et des conditions initiales, le logiciel P C S E E P permet d'obtenir, en tout point du maillage (défini par l'utilisateur c o m m e représentatif de la zone à étudier), et à tout instant d'une simulation, les grandeurs physiques suivantes :

- la charge hydraulique et la pression interstitielle, - le sens et la vitesse d'écoulement de l'eau.

D e plus, les débits de transit peuvent être connus sur les lignes du maillage.

5.3. MODELISATION

5.3.1. Le maillage

Compte tenu de la faible perméabilité du matériau argileux (et de ce fait de la faible vitesse de pénétration de l'eau dans le sol), on modélise l'infiltration de l'eau sur un petit domaine.

O n a représenté une tranche de sol de :

- 5 0 c m de largeur - 4 0 c m de hauteur

L'épaisseur est celle que prend par défaut le logiciel, soit lm .

L a taille du maillage est de 5 c m x 5 c m . L a numérotation des noeuds et des éléments est reportée en Annexe A 9 . Le maillage et les sections définies pour le calcul des débits sont représentés sur la figure n°48.



sec —

700 j -

« 0 •—

sec'¡on2

sect:c.3

sect:on4

5ec!:on5

\ H

= ÎOC —

200 JOC «00 500 600 700 800 900

liqueur er; m (x 0.001.)

Figure n°48 - Définition du maillage et des sections

5 . 3 . 2 . Caractér ist iques d u sol

O n aurait souhaité simuler l'infiltration de l'eau dans un système à plusieurs couches, chaque couche ayant les caractéristiques hydrodynamiques des différents types de sol rencontrés sur une profondeur de 4 m . La réalité constatée dans le puits a permis de se limiter à un cas simple.

Il s'agit d'un sol monocouche, homogène, ayant les caractéristiques hydrodynamiques du matériau prélevé sur le site S M 9 à Léaz, à 4 m de profondeur à partir du puits blindé.

O n rappelle dans le tableau suivant, quelques caractéristiques de cette couche.

profondeur de

prélèvement

4m

nature du matériau

argileux

Osât

(%)

39

Ksat (m/s)

îo-io

7d ( k N / m 3 )

17.1

7h

(kN/m 3 )

20.7

indice des vides e0

0.63

Tableau n°49 - Caractéristiques du sol


Projet "PiSP" Pluie. Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

a) Courbe h(6)

O n a exploité les valeurs de h(6) déterminées expérimentalement, qui figurent dans le paragraphe 3.2.5 de la troisième partie de ce rapport. O n a utilisé deux méthodes pour tracer la courbe h(0) :

• 1ère méthode

Pour tracer la courbe optimisée à partir de ces points de mesures, on a admis que l'expression fournie par Van Genuchten (1980) était appropriée :

e Osât K ¿ J T H )

0 : teneur en eau

0sat : teneur en eau de saturation h : succion h g et n sont des paramètres qui doivent être optimisés.

O n a trouvé les valeurs suivantes : h g = 342.2cm n = 2.31

• 2ème méthode

Haverkamp et Parlange (1986) ont établi une liaison simple entre l'expression analytique d'une courbe granulométrique d'un sol et celle de sa courbe caractéristique de succion exprimée par la relation de Van Genuchten.

La courbe granulométrique d'un sol étant exprimée sous une forme analytique symétrique de celle qui est proposée :

Fi = Kf N' U)

F¡: pourcentage en poids des grains dont le diamètre est inférieur à d¡. dg et N sont des paramètres qui doivent être optimisés.

Haverkamp et al (1986) relient la valeur du paramètre n de la relation de Van Genuchten (1980) avec celle de N de la courbe granulométrique :

n = (N-2)

1+ ( 28-1 "

,25 (1 -5 ) ,

+ 2



avec s, paramètre défini par :

(\-QsatY+Qsat2s = l

La valeur de n étant déterminée, il suffit d'un point de mesure de h(9), pour trouver le paramètre h„ à partir de la relation de Van Genuchten.

Par cette méthode (figure n°410), on trouve : s = 0.64 N = 2.5 2n = 2.338 h g = 391.7cm

I0O

<n

80

70

60

50

40

30

20

10

0

< * *

\

\

\ V V

* courbe expérimentale

• courbe optimisée

paramètres de calage:

dg.0.022

N .252

diamètre do« orolnl (mm)

Figure n°50 - détermination de la courbe granulométrique analytique d'après Haverkamp

Les courbes h(9) obtenues par les deux méthodes (figures n°50 et 51) diffèrent peu. O n a alors choisi de tester une seule des deux courbes: celle obtenue par la première méthode, plus proche des mesures réalisées dans le cadre de la présente étude.

1000

900

800

700

600

500

400 --

300 ••

200

100 +

0 -I 1 1 1 1 1 1 1 1 H

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

teneur en eau e/8sat

• courbe optimisée (méthode 2)

courbe optimisée (méthode 1 )

Figure n°51 - Courbes h(9)



b) Courbes K(h)

O n s'est calé sur la formule de Brooks et Corey

K

Ksat -f—ï lésai;

Le paramètre ß est relié au paramètre n de la relation de Van Genuchten (1980) par l'expression proposée par Haverkamp et al (1986) :

K n-2

Avec la relation de Van Genuchten.on obtient :

O n a pris :

K

Ksat 1 +

'_h_

h„ = 342.2cm n = 2.31 Ksat=10-10m/s

, h « )

O 400 4-U 3 200 1

1E-10 2E-10 3E-10

perméabilité K (m/s)

Figure n°52 - Courbe K(h)

4E-10

5.3.3. Conditions initiales

Pour lancer une simulation numérique en régime transitoire, le logiciel P C Seep a besoin de partir d'un état d'équilibre. Cet état d'équilibre est défini par l'ensemble des valeurs de charge hydraulique H correspondant à l'écoulement en régime permanent d'une nappe "profonde" (à Z = 0.40 m ) .

A la fin du calcul en régime permanent, la charge H est égale à 0.40 m en tous les noeuds du maillage (compte tenu de l'origine des cotes qu'on a choisie). Cela signifie entre autres qu'à la



A la fin du calcul en régime permanent, la charge H est égale à 0.40 m en tous les noeuds dumaillage (compte tenu de l'origine des cotes qu'on a choisie). Cela signifie entre autres qu'à lacote Z égale à 0.40 m , la pression h de l'eau est nulle (h = H - Z ) . La surface libre se trouve doncà cette cote.

5.3.4. Conditions aux limites

D'après la coupe de terrain établie (figure n°9), on a pu montrer que le sol situé au dessus de lacouche argileuse était hétérogène dans sa composition, constitué d'un mélange de sable, degravier et de galets entre 1 m et 1.80 m de profondeurs, mais aussi d'une matrice argileuse etd'un mélange de graviers et galets entre 1.80 m et 3.70 m de profondeur. D e ce fait, il est fortprobable que la perméabilité de ces différentes couches de sol soit inférieure à celle de lacouche argileuse (ÎO"1^ m/s) . Ainsi, on peut supposer que l'eau de pluie qui parvient jusqu'àcette couche argileuse, s'accumule en partie au dessus de celle-ci, formant alors une lame d'eau.

C'est pourquoi, on a cherché à reproduire l'influence d'une nappe perchée sur la couche de solétudiée (figure n°53). Cette nappe est générée par des conditions de charges constantes.

O n a imposé trois charges différentes, appliquées sur tous les noeuds de la surface à Z = 0.80

m :

- H = 0.81 m ce qui correspond à une nappe d'eau de 1 c m d'épaisseur,- H = 1.80 m ce qui correspond à une nappe d'eau de 100 c m d'épaisseur,.- H = 2.80 m ce qui correspond à une nappe d'eau de 200 c m d'épaisseur.

O n a choisi d'imposer une condition de débit nul (Q = 0) sur les noeuds de la base et des bordsdroits et gauches du maillage.

lame d'eau (charge constante)

sol argileux paroi imperméable

(Q=0)

Figure n 53 - Modélisation de l'infiltration

5.3.5. Pas de temps de calcul

A u départ, on a pris le premier pas de temps égal à 1 heure, multiplié d'un facteur 10 à chaquepas afin de voir à quel moment le calcul divergeait.

A u vu des résultats obtenus, on a finalement choisi un pas de temps de 12 heures.



5.4. RESULTATS

5.4.1. Visualisation de la charge et de la succion

Le logiciel P C S E E P permet de tracer les lignes de charges et les équipotentielles au terme de chaque pas de temps. Le lecteur trouvera ci-dessous un exemple de ces graphiques (figures n°54 et 55), obtenus au bout de 10 jours avec la première condition aux limites (H = 0.81 m ) .

O n peut entre autre s'apercevoir qu'au bout de 10 jours, toute une tranche de sol n'est pas encore saturée car les valeurs du potentiel sont négatives.

5.4.2 Visualisation de l'infiltration de la nappe perchée

Le logiciel P C S E E P permet également de tracer sur la m ê m e figure, l'équipotentielle nulle (succion nulle) obtenue au terme de chaque pas de temps. Ainsi, on peut évaluer le temps au bout duquel le sol est complètement saturé.

Lorsque la lame d'eau a une épaisseur de 1 c m (H = 0 .81m, voir figure n°56), on constate qu'en surface, l'eau pénètre lentement dans le sol (de 3 c m en 10 jours). E n revanche, le sol à la base (situé 40 c m en dessous) se sature plus rapidement (le niveau d'eau est monté de 8 c m en 10 jours). La tranche de sol est totalement saturée au bout de 16 jours.

Pour une lame d'eau de 1 m et 2 m d'épaisseurs (figuresn°57 et 58), les phénomènes hydrodynamiques évoluent d'une manière générale beaucoup plus rapidement. Mais contrairement au cas précédent, la saturation du sol est plus lente à 4 0 c m de profondeur qu'en surface. A u bout de 3 jours par exemple, le sol est saturé en surface sur une tranche de 16 c m environ pour H = 1.80 m et de 22 c m pour H = 2.80 m , alors qu'à la base, le niveau d'eau est monté seulement de 2 à 3 c m (pour les deux conditions de charge).

E n fait, ces résultats montrent que les conditions limites imposées en surface influent sur la progression du front d'infiltration Z(8) (voir les deux exemples de la figure n°59).

5.4.3 Calcul des débits d'infiltration

Le logiciel donne les débits d'infiltrations calculés à travers les sections définies préalablement (figure n°48).

O n a représenté sur les figures n°60, 61 et 62, la variation des débits à travers cinq sections, en fonction du temps, pour chaque condition aux limites imposée.

Avec les conditions aux limites que l'on a choisies, on devrait entre autre, obtenir, après saturation complète du sol, égalité des charges en tous noeuds du maillage c'est à dire annulation du gradient de pression et donc, annulation des débits à travers les différentes sections. Ceci n'est pas bien vérifié: par exemple, pour H égal à 0.80 m , les débits calculés le Igème j o u r (jour correspondant à la saturation totale du sol) sont faibles mais non nuls. Le calcul manque donc de précision.



r

sac —

500

5X

20O

valeurs de le cône (e^ T 'après immersio« sous icrr- ;>aupendón! 10 #C (J 'S

H=0.S1m=0 9-

-0.5--0 7-

-CS5

-ov

3O0 4O0 500 6OO 7O0 80O

longueur en rn (x 0.001)900

voleurs de la succion (en kPo)— après immersion sous 1cm d'eau

pendant 10 jours

non

50C {

H=0.81m

- - Û . 3 -

—c:

o:

--0J-

2 O 0 3 0 O 4 0 O * O 5 0 0 7 0 0 8 0 O 9 0 0

longueur en m (x 0.0Ö1)Figures n°54 et 55 - Visualisation de la charge et de la succion



r progression de 'o neppe pe'-^éç d e s 'e sol

SflC i- - p Sf-îoo» ! tOrmt JOUI

H=0.3!rr,

3CC t -

200 300 «M 50C va 700

longueur en m (x 0.001 )

800 900

r

CZ3

X

300 I-

700

600 i—

progression de 'o neppe perchée dons le sel

H=i.30m

If W

Jf>? KM '

OJ «c i

„. be* foi ¡_

CL>

«C • if i*e jot'

:a j-

200 J00 400 500 600 700 800 900

i.-v.r! -'ir -o rr.


Projet VISP" Pluie. Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

procession de lo noppe perchée dons le sol

CD x

dOû l-

700

60G ¡ -

I îît e ¡our I

I I

C D 500

î em« jour

*»<nt jour

C D

O r; 400 -

30C | -

/ N *t<r* fW

• 3f* jour J Itr* jour -

H=2.S0m

C=0

200 30C <00 500 600 700 500 900

lonqueur en m (x 0.001) Figures n°56,57 et 58 - Progression de la nappe perchée

pour les trois conditions de charges testées

Exemples de progression du front d'infiltration à deux instants différents

tl(nh)ett2(c.d)

F.xmA:

>"">•>] : sol saturé

Exm B:

pour une autre condition

le charge H '

t?>."X-< .-soi sature

charge H

NL» V U VL> VL> asat

'>rr^H » N U • > «

^m^«

Z vi

charge H '

^>^>is .N^sy^

• > "

•Tx

L'évolution du front d'infiltration dépend de la charge appliquée en surface.

Dans les cas simulés ici, on s'est aperçu que :

pour une faible charge appliquée, la saturation du sol se faisait

plus rapidement en profondeur qu'à la surface <H<H')

Figure n°59 - Exemples de progression d'un front d'infiltration en fonction de la charge appliquée



Valeurs des débits avec H - G \ 8 0 m (a Z -0 .80m)

300E-10 -,

2.S0E-10

_ 20OE-1O

**> • Ê 1.SOE-10

.0

• 0 1.00E-10

SOOE-11

O.OOE«00 -|

0

. ~ ~ - ^ = = = = = = =

^-—"""

^ - ~ - " ^ — ^ • — • •

2 4 6 a 10

|our«

.' X

1 1 1

12 14 16

»

X

•

MCtlonl

Mdorê

•edcrú

MC«on4

•ectonS

Figure n°60

BOOE-10 1

aooe-10 7.00E-10

. 3 . 6.00E-10

^ 500E-10

« 4 00E-10

^ 3.00E-10

200E-10

1.00E-10

O.OŒ+00

C

Valeurs des debits avec H=1.80m (a Z=0.80m)

x "

1 2 3 4

Jours

X

m

S

X

-

6

X

.

- section3

- S6cbon4

- ftectoon5

Figure n°61

200E-09

180E-09

1.60E-09

1.40E-O9

1.20E-09

• 10OE-O9

aooe-10 600E-10

4 00E-10

200E-10

OOOE+OO

Valeurs des débits avec H = 2 . 8 0 m (à Z = 0 . 8 0 m )

* sectionl

• secrjorâ

- X section3

- * section4

- • section5

Jours

Figure n°62

Figures n°60 à 62 - Evolution des débits par rapport au temps à travers différentes sections



5.5. CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Les calculs menés avec P C S E E P ont permis de montrer que, pour les trois conditions aux limites en surface, la vitesse d'infiltration de l'eau dans la couche argileuse était faible.

Aussi, on a vu que la réalimentation verticale de la nappe dépendait fortement de l'évolution du front d'infiltration dans le sol. E n effet, sous l'action des charges en surface, on a remarqué que le niveau de la nappe située à 40 c m de profondeur montait. O r , le sol en dessus, n'était pas encore complètement saturé.

Qualitativement, les solutions correspondent à celles qui étaient attendues étant donné le caractère très compact et la faible conductivité de cette couche argileuse.

Quantitativement, il est difficile de se prononcer. Seule une exploitation plus approfondie (et sur une plus grande période) des données hydrauliques du site pourra d'une part, justifier ou réfuter un tel choix de conditions aux limites et d'autre part, valider ou non le modèle.

Dans la suite des travaux à venir, il sera intéressant de mener une étude sur un modèle bicouche, voir tricouche qui, au vu de la coupe de terrain, serait plus représentatif de la réalité. Mais pour se faire, il faudra déterminer in situ les caractéristiques hydrodynamiques des couches superficielles (c'est à dire les courbes h(0) et K(h) nécessaires à l'utilisation du logiciel PC SEEP).



6. LES MESURES DE DEPLACEMENT

E n m ê m e temps que se déroulaient toutes les investigations présentées dans le chapitre précédent, la Compagnie Nationale du Rhône poursuivait avec le concours de l ' A . D . R . G . T ses mesures habituelles de déplacement. Elle les a donc mis à disposition des partenaires et elles sont présentées et illustrées ci-dessous.

O n rappelle (voir annexe A l ) que, depuis 1974 un système complet de surveiullance des mouvements et des pressions interstitielles a été installé par la C N R et interprété par A D R G T .

A u voisinage du site instrumenté dans le cadre de la présente étude, on dispose d'enregistrement continu du déplacement du point S M 9 . p a r rapport à un point fixe ou présumé tel, situé à une distance d'une trentaine de mètres.

L a figure n°63 réunit les mesures enregistrées entre 1993 et 1995.

D e la m ê m e façon, il existe un piézomètre enregistreur sur ce m ê m e S M 9 et les mesures sont réunies sur la figure n°64.


\SUIVI DU FIL INVAR DE LEAZ 2em SEMESTRE 1994 Eni*glttr«m*nti tur plie» du fil Invar du 1/1 lu 3 1 / 1 2 / 1 9 9 3

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\SUIVI DES PIEZOMETRES DE LEAZ 2em SEMESTRE 19941

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m Figure n°64 - Enregistrement piézométriques sur le S M 9 entre 1993 et 1995


7. CONCLUSION : BILAN ET PERSPECTIVES

L'ensemble du programme m e n é à Léaz avec le concours du Contrat de Plan entre l'Etat et la région Rhône-Alpes, d'une part et celui de la Compagnie Nationale du Rhône d'autre part, visait à mieux comprendre les mécanismes fins de transfert de l'eau de pluie vers les horizons plus ou moins saturés présents dans le sous-sol et communément désignés sous le vocable de nappe(s) de versant. II s'agissait de tester une méthodologie de mesure (et de surveillance) des principaux paramètres contrôlant l'interaction entre une pente en état d'équilibre précaire et l'eau de pluie.

A u terme de la période allouée à la réalisation des travaux correspondants, et après avoir rendu compte de façon détaillée de l'ensemble des travaux réalisés, on peut tirer quelques conclusions principales en forme de bilan, et éclairer ce que devrait être le devenir d'un tel programme de recherches.

7.1. BILAN DES OPERATIONS MENEES AU TITRE DU CONTRAT

7.1.1. Bilan relatif au choix du site

Le site de Léaz a été choisi pour la qualité et la durée du suivi qui y a été assuré par la C N R avec le concours de l ' A D R G T , ainsi que pour son intérêt opérationel et enfin, parce que le mouvement , quoique ralenti et contrôlé, continuait d'y être actif.

D e plus, les travaux de l ' A D R G T avaient mis en évidence l'importance sur le déclenchement du glissement, de la surélévation du niveau des nappes dans les sols argileux détectés sur le site. Ils mettaient également en lumière l'effet relativement rapide des pluies sur le niveau des nappes.

U n e des principales questions posées au départ était ainsi exactement conforme aux objectifs généraux du programme et concernait l'alimentation par la pluie, avec des temps de réponse très brefs des nappes situées dans ou sous les argiles.

C'est sur cette hypothèse, conforme aux résultats connus depuis longtemps sur le sondage S M 9 , qu'a été conçu le programme d'investigation et d'auscultation mis en oeuvre.

Malheureusement, le terrain s'est révélé, à l'ouverture du puits, beaucoup plus hétérogène que ce que l'on avait prévu (voir paragraphe 4.3.1). La nature graveleuse et non plus sableuse des terrains rencontrés sur les premiers mètres a diminué l'intérêt direct de l'instrumentation spécifique consentie dans ces premiers mètres. Par ailleurs, les montants des financements disponibles ne permettaient pas de réaliser un autre puits.

L a leçon à tirer de ce semi-échec sont claires : les moyens d'investigation couramment utilisés ne sont pas suffisants pour caractériser de tels terrains. A quelques mètres près les configurations géotechniques peuvent varier très brutalement et il faut être très circonspect lors des reconnaissances de sites glissés sur les pentes. O n n'y retrouve pas l'homogénéité et la continuité qui sont courantes en terrain plat. L a pente est un milieu dont la genèse, la configuration et l'hydraulicité sont très complexes.



Dès lors, l'analyse expérimentale des conditions spécifiques de transfert de l'eau dans le sol sur le site de Léaz perdaient de l'utilité par rapport à l'objectif fixé. Il demeurait néammoins possible que la nappe identifiée dans les formations graveleuses ne soit pas permanente, ou bien que dans les zones de glissements actifs, elle se situe effectivement dans les argiles. Le problème des mouvements de nappes dans l'argile subsistait donc. Toutefois, il pouvait se présenter différemment d'un strict mouvement vertical au travers des argiles.

D'autre part, il faut noter le caractère très calcaire des eaux recueillies dans le système de drainage mis en place sur le site de L E A Z pour contrôler les glissements. L a teneur en calcaire de ces eaux est assez remarquable pour qu'après une seule pluie, des dépôts de l'ordre du millimètre d'épaisseur dans l'ensemble des canalisations de drainage puissent être observés (les dépôts peuvent atteindre localement plusieurs centimètres d'épaisseur sur le pourtour des canalisations). Cette observation suggère que les eaux dans les pentes de L E A Z ne proviennent pas directement des pluies mais transitent par le massif calcaire voisin. U n e alimentation prépondérante par infiltration monoaxiale verticale ne parait donc pas la plus probable.

7.1.2. Bilan relatif à la reconnaissance et l'instrumentation

E n dépit de ce qui vient d'être dit, le forage d'un puits d'un mètre de diamètre et de quatre mètres de profondeur, à partir duquel on a pu d'une part prélever bon nombre d'échantillons à différentes profondeurs afin d'établir une coupe de terrain fidèle et, d'autre part, installer des tensiomètres en profondeur a été, en soi, un succès technologique. Grâce à ces prélèvements, on a identifié les différentes couches de sol jusqu'à une profondeur de 4 m , afin notamment de mieux comprendre les phénomènes de transfert dans les couches superficielles. Les essais de laboratoire ont permis de déterminer les principales caractéristiques mécaniques et hydrodynamiques de la couche argileuse rencontrée à 4 m de profondeur. O n a montré qu'il s'agissait d'une argile surconsolidée, très compacte, de faible perméabilité.

L'une des principales innovations apportée lors des travaux d'investigation aurait dû être l'implantation d'une station d'acquisition M A D O T E L . Pendant les mois où le système a fonctionné, on a pu se rendre compte qu'il était très avantageux en ce sens qu'il permettait de mesurer à distance, évitant ainsi toute contrainte de déplacement et donc une perte de temps non négligeable. D e plus, il permettait d'avoir un suivi de mesures en "continu" (choix de la fréquence de mesures dans notre cas: deux heures).

O n a vu au paragraphe 2.3.5 les raisons externes qui ont empêché de tirer parti de ces avantages pendant la durée impartie au programme. Il faut souligner toutefois que le système a été remis en état par le B R G M et que la Compagnie Nationale du Rhône et le B R G M entendent le maintenir et continuer de collecter les données sur le site.

D e leur côté, les mesures de résistivité réalisées autour du sondage S M 9 ont permis de dégager plusieurs conclusions intéressantes rappelées au chapitre 4.3.

O n a mis en évidence, en particulier, le rôle important de couches peu épaisses qui peuvent se désaturer et créer ainsi une discontinuité dans la distribution de la pression interstitielle avec la profondeur. Lorsque de telles discontinuités s'effacent, à la faveur d'épisodes pluvieux, cela peut provoquer une remontée forte et brutale de la pression interstitielle. U n e telle hypothèse est difficilement verifiable par les moyens classiques (piézomètres) et peut confirmer l'utilité de mesures géophysiques du type de celles réalisées pour avoir une idée du mécanisme hydraulique d'un glissement.



O n a montré par ailleurs qu'il était possible, à partir de mesures de surface d'apprécier les variations de résistivité en profondeur et, vraisemblablement, celles de la teneur en eau. Cette dernière vérification n'a pu être confirmée quantitativement à cause du trop petit nombre de mesures.

7.1.3. Bilan relatif à la modélisation

L a modélisation visait essentiellement à essayer de comprendre c o m m e n t pouvait se faire la réalimentation d'une nappe à travers une couche d'argile.

Pour tenter de donner réponse à cette question, l'hypothèse suivante avait été émise :

"les argiles, certes peu perméables, sont très humides et un incrément très faible de leurs teneurs en eau peut éventuellement entraîner leur saturation."

Dans le cadre d'une telle hypothèse, la faiblesse des perméabilités peut éventuellement être compensée par l'écart très faible entre la teneur en eau naturelle du sol qui surmonte les nappes et sa teneur en eau de saturation. U n e progression relativement rapide d'un front d'infiltration trouverait ainsi son explication, non pas par le déplacement rapide de l'eau dans le sol mais par le fait qu'une très faible quantité d'eau remplit à elle seule tous les pores restant ouverts, en dépit des faibles conductivités hydrauliques. L a vérification de cette hypothèse exigeait :

- la mesure des caractéristiques hydrodynamiques des argiles de LEAZ (conductivités hydrauliques, courbes de rétention en eau en particulier), afin de vérifier si les argiles restent réellement proches de la saturation m ê m e sous une succion élevée,

Les caractéristiques de succion du sol confirment qu'une faible quantité d'eau peut suffire pour saturer le profil. Il reste à vérifier que la progression de l'eau dans le sol peut se faire à vitesse suffisante pour expliquer un lien rapide entre la pluie et les niveaux de nappe.

- le suivi tensiométrique dans le sol argileux afin d'étudier la progression d'un front humide dans l'argile consécutivement à une pluie.

O n a vu que malheureusement les tensiomètres n'étaient pas dans les sols argileux !.

- la modélisation de l'infiltration dans le sol argileux ayant les caractéristiques hydrodynamiques mesurées.

Les résultats de la modélisation effectuée avec les conditions énumérées ci-dessus, ne confirment pas véritablement les hypothèses avancées. Avec la colonne d'argile de 40 centimètres de hauteur, il faut attendre 100 jours pour voir le niveau de la nappe au bas de la colonne commencer à monter. Avec la colonne de 1 mètre de hauteur, la nappe n'a toujours pas bougé après 150 jours de submersion. L e résultat n'est pas sensiblement modifié si l'on adopte la courbe caractéristique de succion de l'argile prélevée dans le glissement encore actif, sa courbe caractéristique de succion est plus favorable à une réaction rapide, mais en revanche, par le jeu de la relation utilisée pour définir la conductivité hydraulique non saturée, celle-ci est nettement plus faible que pour le matériau prélevé dans le puits (deux ordres de grandeur de différence). C e résultat, fondé sur une relation expérimentale vérifiée dans le cas des sables, serait à contrôler.



Dans ces conditions, il ne paraît pas possible d'expliquer une réaction rapide du niveau de la nappe dans les argiles par l'infiltration.

L a prudence s'impose néanmoins pour conclure. E n effet, deux raisons nous empêchent d'accorder à ce résultat un crédit total :

- d'abord, la condition initiale considérée (équilibre hydrostatique) n'est pas bien raisonnable. E n raison de la présence fréquente d'une nappe dans les moraines, le degré de saturation de l'argile est probablement plus élevé que ce que cette condition initiale suppose. Il s'agit d'une limitation imposée par le logiciel S E E P , qui n'autorise pas n'importe quelle condition initiale. U n e condition plus proche de la réalité probable donnerait vraisemblablement une progression plus rapide.

- la conductivité hydraulique de l'argile non saturée n'a pas été mesurée mais estimée à l'aide d'une relation empirique qui ne nous paraît pas très fiable dans les argiles: le degré de saturation de l'argile restant très élevé dans le domaine ou nous travaillons, il semble étrange que cette relation empirique entraîne une réduction aussi rapide de la conductivité (cf. figure 1). Cette faible valeur de la conductivité est probablement en partie responsable du résultat obtenu.

7.2. PERSPECTIVES POUR LA SUITE A DONNER AUX RECHERCHES SUR LE ROLE DE LA PLUIE DANS LE DECLENCHEMENT OU L'AGGRAVATION DES PHENOMENES D'INSTABILITE DE VERSANTS

L e programme présenté ici n'a pas permis de faire le tour de la question. Cela n'est pas une surprise car le problème est vaste et difficile. O n se référera aux conclusions d'un rapport établi dans le cadre du Contrat de Plan précédent et qui avait tracé les grandes voies des recherches nécessaires, celle présentée ici n'en étant qu'une petite partie.

N é a m m o i n s un certain nombre de démarches très intéressantes ont été mises au point, mais qui mériteraient de bénéficier de nouveaux supports pour faire avancer la connaissance.

A u plan de l'instrumentation, on a vu que la Compagnie Nationale du Rhône et le Bureau de Recherches Géologiques et Minières allaient s'efforcer de maintenir l'instrumentation existante sur le site. Il y aura donc vraisemblablement beaucoup à tirer des informations qui vont devenir disponibles et dont on a malheureusement pas pu bénéficier pleinement pendant le temps imparti au programme.

A u plan de l'investigation géophysique, la voie ouverte par les mesures périodiques de résistivité semble très porteuse et on a proposé, pour continuer d'effectuer des mesures périodiques à partir d'électrodes superficielles ou profondes à poste fixe reliées à une centrale d'acquisition. U n tel matériel existe au B R G M (Syscal RI plus) ; il est en cours de test avec des conditions de site difficiles dans le cadre d'un projet de recherche européen, dont le B R G M est coordonnateur (Projet Hycosi - Université d'Utrecht, Delft Geotechnics, Iris Instruments , BRGM).

A u plan de la modélisation, le modèle utilisé a montré ses limites qui n'étaient pas évidentes au départ. Il faudrait donc utiliser un modèle plus souple et plus complet autorisant des conditions initiales plus conformes à la réalité. Le modèle 3 D Marthe, fonctionnant en mileiu saturé et non saturé, développé par le B R G M , pourrait être testé utilement sur le site de Léaz. Il faudrait



aussi, à l'appui de ce modèle pouvoir affiner les technologies de mesure de tensiométrie en profondeur dans les couches d'argile. Ceci est un problème très important auquel aucune solution satisfaisante n'a été trouvée jusqu'à présent. U n e solution consistera peut-être à tester une série de capteurs d'humidité, tels que les " H U M I L O G " (capteurs capacitifs développés spécifiquement pour des applications géotechniques).

E n définitive, le présent programme, en son état de développement à la fin de la période contractuelle n'a pas donné complètement satisfaction par rapport aux objectifs envisagés. Mais, en dépit des obstacles dificilement contrôlables qui en ont freiné le développement, il a permis, au triple plan de la technologie de mesure, de la modélisation et de nouveaux modes d'investigation, de mieux cemer, à défaut de mieux l'expliquer, le mécanisme de génération des pressions interstitielles dans les couches argileuses d'un versant en cours de déformation.

Par ailleurs, le site est aujourd'hui bien équipé, et, grâce à l'union des efforts des divers partenaires, il devrait, dans les mois à venir permettre la collecte de données très intéressantes que l'on espère trouver les moyens d'exploiter. Il faut souligner que les sites instrumentés à demeure sont extrêmement rares tant en France que de par le m o n d e , et c'est la raison pour laquelle la C N R , l ' A D R G T et le B R G M , forts de leur expérience c o m m u n e sur le site de Léaz, ont souhaité poursuivre leur collaboration ; compte tenu de l'intérêt thématique de ce projet de recherche, sur lequel de nombreuses équipes françaises et étrangères focalisent leurs efforts, il pourrait s'avérer opportun de fédérer les compétences et les moyens, soit pour poursuivre l'action engagée dans le cadre régional, soit pour l'étendre à un cadre national ou européen.



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Projet VtSf Pluie, Infiltration et Stoofité de Pentes : rapport tinat

ANNEXES

Rapport BRGM R 3B750 68


ANNEXE AO

REPARTITION DES TACHES ENTRE LES DIVERS ORGANISMES


A N N E X E A O : Répartition des tâches entre les divers organismes

Responsable: R Participant: *

Phasnee

Phase préparatoire

Préparation convention de groupement Définition travaux C N R Consultation entreprises Préparation convention C N R

Phase travaux sondages

Visite préliminaire

Implantation

Travaux puits

Tensiomèires puits sondes Piel sondes Durai

sondes tensio

autres sondes Géophv surface

Contrôle des travaux sondages suivi peophv surface

suivi liene tel

suivi puits

Phase trava wcspéciaux

écbantillonnaee puits suivi soodaees

echan ti w / p a m m a fourniture pose Piel

fourniture et pose tensio

fourniture et pose Durai

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A mettre au point


ANNEXE A1

RESULTATS DES PREMIERES ETUDES DU CAS DE GLISSEMENT DE LEAZ


A N N E X E A I : Résultats des premières études du cas de glissement de Léaz

M e l a n o m e des glissements de terrains argileux - Bilan de surveillance sur plusieurs années. «

(.. Azimi, J. Biarez, P. Desvarreux, Association pour le Développement des Recherches sur les Glissements de Terrains, Gieres, France.

Y . Giuliani, C . Ricard, Compagnie Nationale du Rhone , Lyon, France.

A B S T R A C T : The authors describe the monitoring of the Leaz landslide which develops in silty clays in the french Alps. The continuous displacement and piezometric measurements since 1977 allowed the establishment of relations between rainfall and water level, and between water level and ground movements. The mechanism is that of the Bingham's solid with a critical piezometric level. Such relations are extended to other landslides in silty clays and seem to be representative for a certain type of landslide. Conclusions are drawn about the w a y to realize a good monitoring of such landslides.

1. I N T R O D U C T I O N

La ' plupart des glissements de terrains naturels (particulièrement ceux affectant les matériaux, argileux) sont des phénomènes géomécaniques qui évoluent dans le temps avec des phases d'arrêt, des phases a vitesse moyenne faible, des phases d'accélérations dont certaines peuvent mener A des catastrophes.

La surveillance de tels glissements lents a pour objectif de répondre aux questions suivantes : - le glissement peut-il accélérer et passer A une phase catastrophique, et ceci dans quelles conditions - ces conditions peuvent elles se produire ? - connaissant les mécanismes du glissement,-comment en déduire les moyens de stabilisation les plus efficaces ?

L'objet de l'article est de réaliser le bilan de plusieurs surveillances de glissements en matériaux argileux, parmi lesquelles figure le site de Leaz et de montrer comment utiliser les mesures continues de pluviométrie, de piézométrie et de déplacements pour déterminer les mécanismes et élaborer un critère de danger.

2. CAS DU GLISSEMENT DE LEAZ

2.1. Description du glissement

C e glissement de terrain naturel domine la retenue de Genissiat sur le Rhône. Il était connu dès 1934 avant établissement de la retenue, mais n'avait pas fait l'objet d'études particulières. A partir de 1964, suite à une réactivation des mouvements, une surveillance a été progressivement mise en place, parallèlement avec des. reconnaissances géologiques classiques. Le but de ces études était de préciser le volume en mouvement , le rôle éventuel de la

SUISSE

F I G . ! Implantation des cas présentés.

retenue dans ces mouvements, de prévoir dans quelles conditions des masses importantes de matériaux pourraient arriver dans la retenue et a quelles vitesses (ceci dans le but d'apprécier les conséquences du phénomène et en particulier les caractéristiques de l'onde engendrée).

La synthèse des reconnaissances géologiques est présentée en Fig.2 et on peut retenir les points suivants :

I r 600m

FIG. 2 Coupe géologique schématique du glissement de Léaz.

- le substratum de marnes situé à 30-40 m de profondeur est stable, de m ê m e qu'une terrasse d'alluvions anciennes (aucun mouvement entre 1964 et 1990). La retenue n'a donc aucune influence sur le glissement. - le glissement s'effectue au sein d'une formation d'argiles Iitées d'origine glacio-lacustre, très répandue dans la région et caractérisée par : W l - 35 - 50% Ip - 20 - 30% 0 ' - 19,5* c' - 0 (cisaillement à l / z / m m ) - le volume total des matériaux en mouvement est de 1,4.10o m , caractérisés en 1969 par des vitesses de 5 - 10 c m / a n et de 10-30 c m / a n dans la zone la plus active représentant 100 000 ra3 (fig. 3).

2.2. Principe de ¡a surveillance

Celle ci comporte des mesures de déplacements, des mesures de niveaux piézométriques et des mesures de pluviométrie locale.

Les mesures de déplacements ont commencé en 1964 avec la mise en place de 44 témoins mesurés en triangulation et par alignements. Les mesures, de fréquence mensuelle à trimestrielle, ont permis de préciser les vitesses moyennes et l'existence de la zone plus active. Elles ont permis de montrer que l'activité du glissement était saisonnière mais pas de préciser le mécanisme exact.

Cest pourquoi depuis 1974 on a adopté le système de surveillance suivant (fig. 3). - mesures en triangulation sur 25 térrioins a partir des bornes fixes A , C . . . M 2 . La fréquence est annuelle et permet de vérifier l'activité moyenne des diverses 2ones en mouvement , - mesures au distancemètre entre le point fixe M 2 et 11 témoins du glissement, avec une fréquence mensuelle qui peut être resserrée en cas d'accélération des mouvements. Le but est de vérifier qu'aucune zone du glissement ne dépasse en

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F1G. 3 Plan du réseau de surveillance.

vitesse la zone la plus active, - enregistrement en continu des déplacements d'à* point de la zone la plus active avec, depuis 1971, transmission automatique des.mesures a la centrât de Génissiat par ligne téléphonique. Le système enregistreur est constitué d'un fil invar de 30 m de long tendu entre une pilier fixe en béton et l'enregistreur proprement dit. Le mouvement de translation de l'enregistreur est transformé es mouvement de rotation, lui m ê m e transmis a u» codeur numérique angulaire. Le pas de mesure est de 1 m m . Le fil invar est protégé par un tube métallique de 800 m m de diamètre posé sur k terrain.

Les mesures piézométriques qui sont conservés actuellement sont effectuées mensuellement dans S piézomètres et 4 cellules de pression interstitielle D e plus dans 4 piézomètres on dispose depuis 19(7 d'enregistrements en continu du niveau d'eau.

C o m m e on avait, entre 1977 et 1987, réalisé des

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F I G . 4 Corrélation pluviométrie journalière P ( m m ) , niveau piézométrique N (m) au FP 13 et FIG. 5 Corrélation / vitesse instantanée niveau déplacements à l'enregistreur. piézométrique au FP 13.

mesures 3 fois par semaine dans ces 4 piézomètres, on peut considérer qu'on dispose de mesures piézométriques continues depuis 1987.

La pluviométrie a été enregistrée sur le site de 1970 à 1978, puis a partir de 1988.

23. Principaux résultats comportement.

Modèles de

Sur la fig. 4 on a représenté un exemple de 10 mois d'enregistrements. D e ces données on a pu tirer une modèle incluant - d'une part la réponse hydraulique du sol à une précipitation donnée, - d'autre part la réponse cinématique du glissement i un niveau piézométrique donné.

Pour déterminer le modèle hydraulique, on a cherché & déterminer quelle était la part d'alimentation en eau par la surface du glissement lui-même, par la surface du bassin versant hydrographique et "éventuellement par d'autres bassins versants plus lointains. Dans le cas présent, la réponse piézométrique est très rapide et on a admis que l'alimentation locale était prépondérante. Le modèle hydraulique formalisé sur la fig.4 prend donc en compte une influence de la pluviométrie limitée à quelques jours, un tarissement naturel avec un niveau de .base constant et l'évapotranspiration. Le tarissement naturel a été approximé par une fonction du type dN - - ao + ai (N-Ni)+a2 (N-Nl) 2 + a3 ( N - N l ) \ dt où N I est le niveau de base. Le calage est effectué sur les couches piézométriques réelles.

Le modèle mécanique prend en compte les observations fondamentales suivantes qu'on peut faire sur les fig 4 et 5. - les périodes d'activé sont réduites dans le temps alors qu'on a plusieurs mois par an d'arrêt des mouvements - les mouvements ont lieu lorsque le niveau piézométrique dépasse un seuil critique No au

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FIG. 6 Comparaison des niveaux piézométriques et des déplacements calculés avec les mesures en 1977-78.

sondage FP13. O n a vérifié par la suite que ce niveau pouvait varier légèrement autour de 369.20-369.40 N G F , - au cours d'une phase d'activité la vitesse instantanée des mouvements est : V - k (N-No) si N > N O V - 0 . s i N < N o Ceci montre que, dans le domaine des niveaux piézométriques mesurés, le matériau argileux se, comporte c o m m e le corps viscoplastique de Bingham avec seuil.

2.4. Conséquences pour l'exploitation de la retenue.

Les 2 modèles ci dessus ont été déterminés en 1978. O n a d'abord constaté qu'à partir de la pluviométrie journalière locale on pouvait reconstituer avec une bonne approximation le niveau piézométrique au FP 13, puis, par intégration, les déplacements a l'enregistreur. Ceci est illustré sur la fig. 6 où le calage est simplement effectué au départ sur le niveau piézométrique au F P 13 en date du 9.12.1977.

O n a ensuite effectué des calculs de simulation en utilisant des séquences pluviométriques enregistrées à Génissiat (8 k m de distance) entre 1965 etl979. O n a constaté que, si le comportement du glissement restait identique, les vitesses passaient par un m a x i m u m de 10 m m / j o u r puis diminuaient. Il n'y aurait donc pas de risque d'atteindre de très grandes

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F I G . 7 . Enregistrements d u niveau piézométrique au F P 13 et des déplacements en 1 9 8 2 - 8 3 .

vitesses tant q u e la vitesse resterait liée au niveau piézométrique par les lois établies ( c o m p o r t e m e n t considéré ' n o r m a l ' ) . C e s t pourquoi la consigne de sécurité prend c o m m e référence la vitesse de 10 m m / j A partir de laquelle le niveau d e la retenue sera abaissé préventivement. Cette consigne a été appliquée u n e seule fois en m a i 1983 lors d ' u n e période active où les vitesses ont' atteint 10 m m / j durant 2 jours. Lorsque la vitesse a d i m i n u é e la consigne a été levée.

O n indique en fig. 7 les déplacements es 1 9 8 2 - 8 3 et o n note d e u x particularités : - au cours des phases d'activité successives et rapprochées, le niveau critique N o A tendance A diminuer, - entre le 15 m a n et le 17 juin 1983, le niveau piézométrique est resté relativement constant à 10 c m plus phaut que le niveau critique. Durant cette période, la vitesse a augmenté, ce qui constitue déjà un comportement "anormal".

Ces deux remarques suggèrent que la résistance du matériau peut diminer lorsque les mouvements ont une durée importante.

Le détail sur les études hydrauliques et la détermination des effets de l'onde sont indiqués dans l'article de Selmi et Fruchart (1990).

2-5. Critique de ces modèles

L e m o d è l e hydraulique prend en c o m p t e l'évapotranspiration de manière simplifiée. D'autre part il ne prend pas en c o m p t e le stockage des précipitations sous forme d e neige. N é a n m o i n s , dans le cas d e L é a z , il nous a paru acceptable. L e m o d è l e m é c a n i q u e est simplifié car il prend en c o m p t e le niveau d ' u n seul piézomètre situé en partie basse de la zone active (fig. 2 ) . Pour affiner le m o d è l e o n a pris en c o m p t e u n niveau piézométrique déterminé A partir des enregistrements dans les 2 piézomètres S M 12 et F P 13.

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F I G . 8 . Corrélations vitesse instantanée / coefficient d e sécurité F d e la z o n e la plus active.

O n a calculé, p o u r la zone la plus active, k coefficient d e sécurité F par la m é t h o d e des perturbations et o n a examiné c o m m e n t il ¿tan coirélé avec les vitesses. Sur la figure 8 les résultats sont d o n n é s p o u r 3 périodes : 1 9 7 7 - 7 8 , 1982-83 1 9 9 0 . O n peut faire plusieurs remarques : - p o u r F > 1,015 les vitesses sont pratiquement nulles, - pour des diminutions du coefficient de sécurité de 2 A 3 % au dessous d'un seuil correspondant A F - 1 les vitesses augmentent de 1 à 20 et passent de 0,5 A 10 m m / j , - o n est actuellement dans l'ignorance, faute d'essais d e fiuage spéciaux, sur le c o m p o r t e m e n t d o matériau A des coefficients de sécurité F < 0 , 9 7 , - p o u r u n m ê m e coefficient de sécurité, la réponse d u glissement n'est pas univoque. Si o n prend en c o m p t e les déplacements (non enregistrés) de la partie haute d e la zone active, o n constate qu'en 1 9 8 2 - 8 3 ils ont été plus importants q u e ceux de l'enregistreur. A u contraire en 1 9 7 7 - 7 8 ils ont été équivalents A ceux d e l'enregistreur.

Ceci m o n t r e q u e la réponse cinématique au niveau d e l'enregistreur est n o n seulement fonction d i niveau piézométrique mais aussi des poussées exercées par la partie a m o n t , car le glissement ne se déplace pas en bloc. L e modè le m é c a n i q u e devrait d o n c pouvoir intégrer cette redistribution des masses a u cours d u glissement.

3. AUTRES CAS DE SURVEILLES.

GLISSEMENTS

3.1. Description

Ces 3 cas sont situés dans le Trièves, au S u d de G r e n o b l e et intéressent une formation d'argiles litées, déposées dans u n lac A u n e époque interglaciaire. Les caractéristiques de ces glissements sont indiquées au tableau 1 en comparaison avec celles d u glissement d e Leaz .

O n peut ajouter q u e sur ces glissements o u l proximité i m m é d i a t e se trouvent des villages

jEPLACEMENTS

CAUM. \

NIVEAU PIEZOMETRIQUE SONOA« SO CAlCUl TN

«SURE

PLUVIOMETRIE JOURNALIERE A MONESTIER OE CLERMONT (1 4k» du tilt)

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Lki 10 11 12 1987

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F I G . 9. Glissement de St Guillaume. Application de modèles hydraulique et mécanique de type Leax.

NIVEAU PIEZOMETRIÛUE sonoAet SJ TN

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PLUVIOMETRIE JOURNALIERE A LA MURE 11 2ko du site)

I.Ll.BlI 111 ,111 ill !.. I.l ill I 1,1 . . 1 I 2 I 3 j t [ S | 6 | 7 | a | 9 | 10 | 11ITK

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1987

H G . 10. Glissement de Ponsonnas. Application du modèle hydraulique de type Léaz.

MESURE

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N I V E A U PIEZ0METRI0.UE S O N O A « S , C A U U L

PLUVIOMETRIE A CLELLES (1 *

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JOURNALIERE km du site)

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1989

F 1 G . 11. Glissement de St Martin de Gelles. Application du modèle hydraulique de type Léaz.

habités. Cts 3 glissements ont fait l'objet entre 1985 et 1990 d'une surveillance. Cette dernière i comporté, après une reconnaissance géologique, des mesures piézométriques hebdomadaires, des mesures inclinométriques trimestrielles ( à Ponsonnas), des mesures topographiques semestrielles sur 5 a 10 repères.

Tableau 1. Principales glissements étudiés.

caractéristiques des

ARGILES y ¿ *

PENTE Cl

PR0F0N0EUR OU GLISSEMENT

VOLUMES (•')

VITESSES MOYENNES (ca/inl

ST

GUI

LLAU

ME

3 5 - 4 5 H - 2 7

8 - 1 2

20a

5«10»

2-3

PONS

ONN

AS

3 2 - 3 8 1 3 - 2 1

1 8 - 2 1

8 - 1 8

1 7 - 4 5 «

10»10*

1-2

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Sri • < _l

t- HJ

3 7 - 4 5 1 9 - 2 6

Í -H

2 0 - 4 0 »

5«I0«

1-2

•< Ht

35-5 0 20-30

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3.2. Résultais

Etant donné qu'il n'y a pas d'enregistremen» en continu des déplacements, on ne peut établir de corrélation vitesse-niveau ' piézométrique. A u contraire, c o m m e on dispose de la pluvionárie journalière i proximité on peut comparer les niveaux piézométriques calculés à l'aide £ u n modèle hydraulique analogue à celui de Leaz » e c les niveaux mesurés. Les résultats sont donnés aux fig. 9, 10 et 11.

Dans le cas de St Guillaume (fig.9) le moièle donne de bons résultats. Il permet m è n e , moyennant une estimation du niveau critique (Ll m de profondeur), de reconstituer les ordres de grandeur des déplacements annuels.

Dans le cas de Ponsonnas (fig. 10) on 'ot-jeut reconstituer les variations réelles de nircau piézométrique par ce type de modèle. Ceci martre qu'il existe, en plus de l'alimentation directe pz la surface, une alimentation latérale provoquant une variation du niveau de base, de période annuels et d'amplitude 2 m dans le cas présent.

Dans le cas de St Martin de Celles (fig. 9) as ne peut pas reconstituer le niveau piézométriqte à partir de la pluviométrie journalière. Ceci confinte l'existence d'une alimentation profonde p » le substratum rocheux sous jacent.

II est évident que dans les 2 derniers cas l'établissement du modèle hydraulique est glus délicat et demande un temps d'observation xssez long pour intégrer les composantes de variait« de niveau d'eau de longue période.

I N C L U S I O N S

La mise en place d'une surveillance de mouvement de terrain lent en matériaux argileux doit être associée a une étude géotechnique destinée & préciser la nature des matériaux, la position du substratum subie, celle de la surface de glissement et les caractéristiques générales du mouvement. O n pourra ainsi fixer la position des points d'enregistrement pour qu'ils soient significatifs. E n effet les mesures discontinues présentent un intérêt limité et toute surveillance devrait comporter au moins 1 point d'enregistrement quasi continu de la pluviométrie, du niveau piézométrique et des déplacements.

O n cherchera ensuite à établir un modèle hydraulique prenant en compte les caractéristiques locales, et l'origine des alimentations en eau. Pour cela il faut disposer de mesures sur une période comportant au moins 1 étiage et 1 niveau de hautes eaux. L'établissement du modèle mécanique nécessitera des enregistrements de déplacements en surface ou en profondeur. O n cherchera s'il existe un seuil piézométrique critique et comment se font les déplacements au dessus de ce seuil.

L'ensemble du modèles hydraulique et mécanique .permettra de réaliser des simulations de comportement au cours d'épisodes de précipitations importantes. Ils permettront également de préciser les types de travaux de stabilisation appropriés. Dans des cas c o m m e Leaz ou St Guillaume, un réseau de drainage superficiel peut-être très efficace car il intercepte les eaux avant qu'elles ne s'infiltrent plus en profondeur. Le réseau de drainage superficiel de Leaz, réalisé en 1969 et complété en 1987, a permis de ramener l'ensemble des mouvements i 1 c m / a n depuis 1988.

Enfin l'ensemble de ces 2 modèles permettra de définir un comportement 'normal* du glissement. Le critère de danger pourra être défini c o m m e la réalisation d'une des conditions suivantes : - des vitesses supérieures A ce qui a pu être déterminé par des simulations reposant sur des données pluviométriques réelles antérieures, - une modification défavorable dans la loi de comportement sans explication valable (par exemple une accélération des vitesses pour un niveau piézométrique constant).

Nous remercions :

- la Compagnie Nationale du Rhône pour la réalisation de l'ensemble des mesures sur le glissement de L E A Z depuis 1964,

- le Service de Restauration des Terrains en Montagne de risère pour les mesures sur les sites du Trièves,

- le Pôle Grenoblois d'Etudes et de Recherches pour la Prévention des Risques Naturels pour la subvention i la recherche sur les loa de comportement des glissements en terrains argûtux.

R E F E R E N C E S .

Azimi C . et P. Desvarreux 1972-Í99I. Rapports annuels de surveillance du glissement de Leaz (archives A . D . R . G . T . ) .

Comité Français des Grands Barrages 1982. Etudes et travaux réalisés en France en raisoa de l'instabilité du versants de retenue - H e Congrès des Grands Barrages, Rio de Janeiro, 563-589.

Selmi J. et F. Fruchart 1990 - Etude sur modèle réduit du glissement de Leaz dans la retenue de Génissiat. La Houille Blanche 1-1990 : 61-71.

Projet "PISP" Piula Infiltration et Stabilité de Pentes : rapport final

ANNEXE A2

L'INSTRUMENTATION DU SITE


A N N E X E A 2 : L'instrumentation du site

I Les piézomètres fermés: la sonde Piel

Les piézomètres permettent de mesurer la pression interstitielle dans la zone saturée du sol.

a) Principe de fonctionnement de la sonde Piel

La sonde Piel est un piézomètre à volume constant (ou piezomètre fermé), équipé d'un capteur électrique dont la membrane sensible est en contact avec la phase liquide du sol mais isolée de sa phase solide grâce à un filtre poreux (figure 1).

D u fait de la continuité entre l'eau interstitielle et la chambre de mesure où se trouve la partie sensible du capteur, un accroissement de la pression de la phase liquide va engendrer une déformation de la membrane du capteur.

Cette déformation de la membrane entraîne une variation de la résistance de quatre jauges (montées en pont de wheastone et collées à cette membrane) qui -sous réserve d'alimentation-se traduit par une variation de signal de sortie (obtenu en volts) que l'on récupère sur un poste de lecture ou un enregistreur.

b) Mise en place

L e B R G M d'Orléans a installé trois sondes PIEL sur le site S M 9 , à 5 . 5 m , 1 1 . 9 m et 14.8m de profondeur, en alignement avec le chemin d'accès. Ces sondes sont connectées à la station d'acquisition M A D O T E L .

Remarque:

Le maintien de la pression dans les obturateurs est assurée par une bonbonne d'azote connectée à la station M A D O T E L . La bonbonne a été fixée à l'intérieur du puits blindé.

Alimentation Tension de sortie

\\ n //

Pression •

Membrane sensible du capteur

Chambre de mesure de volume limité

Jeu de pierres poreuses modulob/e en fonction de /a no ture des terrains

0 28 mm

figurel: principe de fonctionnement de ia sonde P T E L

II Les tensiomètres

L e tensiomètre sert à mesurer la pression interstitielle négative de la zone non saturée du sol.

a) Principe

E n milieu non saturé, il existe trois phases: la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide. L'eau est en dépression par rapport à l'atmosphère. Pour mesurer la pression de l'eau, il est alors nécessaire de séparer les deux phases air et eau; c'est ce que fait le tensiomètre grâce à sa membrane poreuse qui sert de filtre vis-à-vis de l'air.

L a membrane poreuse est de nature variable. Elle peut être constituée d'une céramique poreuse, un verre ou un métal fritte.

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SOL —. .

EAU—v/V.

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4 - POfíE A

wmmwmr™ figure 2: Principe d'un tensiomètre

L e principe de fonctionnement d'un tensiomètre est le suivant: la partie tubullaire de la sonde est remplie d'eau; la face interne de la pierre poreuse est en contact aveccette eau, et l'autre face en contact avec le sol. L'eau de la sonde est connectée à l'eau du sol par certains pores (pore A ) et en contact avec l'air du sol par d'autres pores (pore B ) . Par l'intermédiaire de A , l'eau du tensiomètre subit la dépression existant dans le sol. Ainsi, la succion peut être mesurer, en plaçant à l'extrémité du tensiomètre, un capteur de pression qui enregistre "le vide" produit dans le réservoir d'eau.

b) Limitations techniques

N o u s avons vu précédemment que certains pores de la pierre poreuse sont en contact avec l'air du sol (pore B ) . Il y a donc apparition d'un ménisque de rayon de courbure:

r = ' 2 - T

Pc (en supposant le ménisque sphérique)

avec T : tension superficielle

Pc: Pression capillaire

Tant que r est supérieur au rayon rc des capillaires, l'air ne pénètre pas dans les pores.

Dès que r est égale à rc ,l'air entre dans le tensiomètre, rendant la mesure de pression interstitielle impossible.

E n utilisant de l'eau désaérée et une cellule poreuse en céramique, on peut obtenir des mesures jusqu'à 800 mbar.

c) Mise en place

Le laboratoire L T H E a installé deux types de tensiomètres à Léaz sur le site S M 9 :

- 3 tensiomètres équipés d'un système manométrique à mercure (figure3)

- 2 tensiomètres équipés de capteurs D T P C 1000 (figure 4)

Ils ont été réalisés par la société N A R D E U X H U M I S O L .

La pose des tensiomètres est assez délicate car le problème majeur est d'assurer un bon contact entre la cellule poreuse et le sol, afin que la connection entre l'eau du sol et l'eau du tensiomètre ne soit pas réduite par des vides ou des mauvais contacts.

A l'aide d'une tarière de diamètre 2cm( égale au diamètre des sondes), nous avons creusé les trous prévus pour chaque sonde tensiométrique, puis la pose terminée, nous avons recomprimé le sol en surface afin d'éviter toute infiltration d'eau le long de la canne.

Les 3 tensiomètres à mercure ont été disposés depuis la surface du sol en ligne, à 34, 70 et 90 centimètres de profondeurs et espacés de 40 centimètres .

Les 2 tensiomètres équipées de capteurs D T P C 1000 ont été placés depuis le puits blindé, respectivement à 1, 1,5 mètres par rapport à la surface du sol, enfoncés respectivement de 70 et 80cm et légèrement inclinés vers le bas par rapport à l'horizontale afin que les pierres poreuses restent en contact permanent avec l'eau contenue dans les cannes tensiométriques.

d) Précision de la mesure

Pour les tensiomètres à mercure, la principale source d'erreur observée est l'influence de « la température sur la valeur lue sur la colonne de mercure. Il apparaît qu'une élévation de température engendre une dilatation du mercure et donc une augmentation de la succion mesurée.

Hl r

Echelle graduée

Eau-

Mercure

Pot â mercure

Canne tensiomètrique

©/WKUNFä ®Tß© D®@®

CARACTERISTIQUES GENERALES

ALIMENTATION : Variable entre 12 et 24 volts

SORTIE . : Sortie courant 4 - 20 mA

pour I = 4 m A P = 0

pour I = 20 m A P = -1 bars

LIMITES THERMIQUES :

En utilisation : -10°c à + 70 °c

En stockage : - 40°c à +125°c

P O U R D E S T E M P E R A T U R E S INFERIEURES

A 0°c L E S CARACTERISTIQUES S O N T E N FONCTION D U LIQUIDE D E R E M P L I S S A G E (ANTIGEL IMPERATIF).

R A C C O R D E M E N T : Câble 2 conducteurs

fil bleu : + fil blanc : -

Pour raccordement sur la centrale axone mettre' le + sur le + de la centrale et le - sur l'entrée analogique.

SCHEMA DE MONTAGE 4 " 2jP mA

—0— bleu

?•>• 24 Y

blanc

D T P C

figure 4: tensiomètre équipé d'un capteur D T P C 1000


ANNEXE A3

REPERTOIRE DES PRELEVEMENTS REALISES SUR LE SITE SM9 A PARTIR DU PUITS


A N N E X E A 3 : Répertoires des prélèvements réalisés sur le site S M 9 à partir du puits

L e laboratoire 3S a effectué des prises d'échantillon de sol à différentes

profondeurs dans le puits. Cependant, étant donné la nature du sol rencontré lors du forage.il a

été prélevé en grande partie des échantillons de sol remanié (16 sacs, un bac de dimensions:34x

50x20 c m ^ et un bidon de 4 2 c m hauteur, 3 6 c m de diamètre). Seuls 11 carottages ont pu être

réalisés à partir du puits, à trois profondeurs différentes seulement:

- 2 à 0 ,20m de profondeur (carottages avec des tubes de 3 5 m m de diamètre)

- 4 à 3 ,80m de profondeur (carottages avec des tubes de 3 5 m m de diamètre)

- 4 + 1 à 4 m de profondeur (4 carottages avec tubes + 1 avec une boite

d'échantillon de dimensions:10xl2xl2 c m ) .

N o u s reportons dans le tableau-1 ci-joint tous les prélèvements effectués à partir du puits:

profondeur

(en m )

0.20

0.50

0.60

numéro de l'échantillon

prélevé

tube n°l et n°2

-

sacn°l

sol prélevé

sol intact

(carottage)

-

sol remanié

observations

terre végétale

brune

-

terre et cailloux:

sol hétérogène

photo

-

photo n°8

-

1.00

1.10

1.30

1.80

2.00

-2 .20

-2 .50

-2 .80

3.05

sac n°2

sac n°3

-

sac n°4

et bac vert

-

sac n°5 et n°6

sac n°7 et n°8

sac n°9

sacn°10etn°ll

sol remanié

sol remanié

-

sol remanié

-

sol remanié

sol remanié

sol remanié

sol remanié

graviers, sable

et cailloux

»

-

présence d'argile

et galets de toutes

sortes

-

matrice argileuse

et cailloux de tailles variables

»

gravier et argile

très mouillée

cailloux et matrice argileuse

-

-

photo n°9

photo n°10

et diapositive n°17

diapositive n°18

-

M

-

photos n°16

jusqu'à 19

- 3 . 3 0

- 3 . 5 0

- 3 . 7 0

3.80

4.00

4.15

-

sacn°18

bidon métallique

sacs n°13,14,15

et

tubes n°3,4,5,6

sacn°16

tubes n°7,8,9,10

et boite d'échantillon

(12*12*10cm 3 )

-

sol remanié

sol remanié

sol remanié

et

sol intact

(carottage)

sol remanié

sol intact

(carottage),

gros blocs de calcaire

argile mouillée

et cailloux

présence de sable

très mouillé

peu de cailloux,

sol très argileux

sol très argileux

un peu sableux

»

-

-

-

-

-

tableau-1 :répertoire des échantillons prélevés à partir du puits


ANNEXE A4

IDENTIFICATION DU SOL


A N N E X E A 4 : Identification du sol

I L'analyse granulométrique

a) Les échantillons

Cette analyse a été réalisée sur les échantillons de sols prélevés dans le puits:

- à 1,80 mètres de profondeur (échantillon de masse totale humide: 42,0 kg)



b) la préparation des échantillons

N o u s avons effectué un quartage (voir tableau 1) sur chaque échantillon après les avoir passés à l'étuve Les différents tamis utilisés sont précisés sur les feuilles d'analyses granulométriques.

échantillon n° échantillon A \ g o m échantillon B 3 7 o m échantillon C 4 rjOm

masse totale humide en kg

7,805 kg 9,435 kg 0,360 kg

tableau 1 : masse des échantillons après quartage

E n ce qui concerne l'analyse, granulométrique par sédimentation, nous l'avons réalisée en prenant 20 grammes de particules fines (passées au tamis <J) = 74 u m ) .

Dans la préparation, nous avons utilisé 20 c m ^ de défloculants . Puis le mélange " particules + défloculant " a été porté à la température de 40°c

Remarques:

1) N o u s avons retiré de l'échantillon de sol prélevé à 1,80 m un gros cailloux de dimensions" 140x85x75 cm-*, de masse 3,700 kg afin de réaliser le quartage de la façon la plus équitable possible.

2) U n e analyse granulométrique doit être réalisée sur une quantité suffisante de sol afin d'obtenir une représentation fidèle de celui-ci. Pour se faire, cette quantité est fixée selon le critère suivant: la masse de sol à considérer doit être égale à 500 fois la masse du plus gros élément qui le constitue. Dans notre cas, étant donné la taille des plus gros éléments rencontrés ( voir remarque 1 ), il était impossible de prendre en compte un tel critère. Il faudra donc rester prudent quant à Interpretation des résultats de granulométrie des échantillons A et B .

II les limites d'Atterberg

Préparation des échantillons:

N o u s avons prélevé environ 300 grammes de particules fines (passées au tamis 0 = 0,5 m m ) sur chaque échantillon A , B et C . N o u s avons laissé imbiber le matériau dans l'eau pendant 24 heures avant de commencer les essais.

Ces essais d'identification de matériau cohérent ont un caractère très empirique. Ainsi, les résultats peuvent être fortement influencés par le facteur personnel de l'opérateur, la qualité et l'usure du matériel, le m o d e de préparation de l'échantillon soumis aux essais. C'est pourquoi, nous avons essayé d'être très rigoureux dans l'application du m o d e opératoire. Ces essais ont été réalisés avec l'aide de Monsieur Eldberg, technicien du laboratoire 3 S.

Ill Classification L C P C

1

DéffnitloAS

VI

VI

w

f

O Ol

Ah Si c

II m

m —

- 5 O * * VI C

• * •

3

-Z

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Conditions

C • n—>4

«t c . ' r. i\ m < ° *P r U

e D11 * ü60 entre 1 It ï

Une d«S conditions de Gb

non sitlsfilte

Kalt« d'Attirbtrj «u-desioui de A (voir p. 1)

liait« d'AtterMrj «u-dessus d« A (voir p. I)

<°301?

«t C , • « . B i«»*H l c °10 * ° M *ntr*.l *t 3

Un« d«S condition! d« Sb

non Jltisflit«

Liait« d'Atterben iu-dcssouS d« A (voir p. t)

Unit* d'AtUrbero, «u-dessvs d« A (voir D. Í)

,08 m-cl? S—on utilise un dovb

Appellations

grive proprt

bim ondule

onvf propre

M l grldut«

«rlvt

liaonevse

grive

•rgiltuse

Sibil proprt

bien jridué

Stbl« propre

ail gridué

SlbW

lironeux

stbl«

irgilrui

le srabole.

' a. t •J a

1 O

« * 8 t 8 1

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ANNEXE A5

ESSAIS CONSOLIDES NON DRAINES : REPRESENTATION DES RESULTATS DANS LE PLAN (P1, Q')


A N N E X E A 5 : Essais consolidés non drainés: Représentation des résultats dans le plan (pf,q!)

Consolidation: G-, = 150kPa et A U = lOOkPa

p kPa

80 •

70 -

60

50 •

"cr 40 •

30 •

20 •

10 •

0 20 40 ¿0

P"

80 100 120 kPa

Consolidation: o^ = 200kPa et A U = lOOkPa

Consolidât ioju a-? = 400kPa et A U = 1 OOkPa ' kPa

180 -r

160 -

140 -

120 -

100 • "a-

80 -

60 •

40 -

20 •

0 SO 100 ISO 200

P'

250

h S \

/ ;

/

•V 300

4

2&F-*

350

i

400 kPa

Représentations dans le plan Cp'.q')


ANNEXE A6

MESURES DE PERMEABILITE


A N N E X E A6: Mesures de perméabilité

I Méthode de mesure à charge constante

O n mesure la masse m d'eau qui a percolé pendant un certain temps t.

K m-l

y-t-S-H

O n utilise parfois, pour réaliser une charge élevée, la mise en pression de l'eau de percolation par de l'air comprimé

II Méthode de mesure à charge variable

L'eau de l'éprouvette est contenue dans une éprouvette graduée. Durant l'essai, le niveau d'eau baisse et la charge H diminue.

O n mesure le temps nécessaire à l'abaissement d'une quantité A H du niveau libre, entre le niveau initial H ^ au temps t et le niveau H ^ > au temps t >.

E n écrivant l'égalité des débits et la formule de Darcy, on a:

1 j

Ill Résultats

Essais à énergie de compactage de 60kj/m3

Essais de perméabilité à charge variable sur l'échantillon A ¡ go m

S = 181,45 c m 2

• 1 = 1 2 , 5 c m

essais à

charge variable

l(lerjour)

2( 1 e r jour)

3 (2 e jour)

At

(s)

138

136 ..

154

H A

(cm)

72

72

72

Veau

(cm )

220

217

218

H A '

(cm)

44.50

44.88

44.75

K

(cm/s)

1.9 10"3

1.9 10- 3

1.7 10- 3

Essaisde perméabilité à charge variable sur l'échantillon B 3 7 0 m

K=^r-|n(f:) avec S=8OT2

S = 181,45 c m 2

1=12,5 cm

essais à

charge variable

1 (lerjour)

2 (jours 2,3,4)

3 (5e jour)

4 (6e jour)

5 (7e jour)

. At

(s)

18000

239400

86400

86400

259200

H A

(cm)

159

159

159

159

159

Veau

(cm3)

2.76

32.60

5.63

5.51

15.10

H A '

(cm)

158.6

155.0

158.3

158.3

157.2

K

(cm/s)

7.7 lu"8

5.9 10"8

2.8 10-8

2.8 10-8

2.4 10-8

Essais sur le m ê m e échantillon avec mise en pression de l'eau de percolation par de l'air comprimé

K= m'1

Pression imposée: P = 0 , 4 bar équivalent à H = 4 0 0 c m

essais

1

2

At

(s)

2700

11100

H

(cm)

400

400

êau

(s)

8.62

30.88

K

(cm/s)

5.5 10- 7

4.8 10- 7

Evaluation de la densité humide, de la densité sèche et de la teneur en eau de saturation après la réalisation des essais de perméabilité

échantillon

Al,80m

B3,70m

teneur en eau de saturation w

(%)

11.39

9.5

densité sèche

(g/cm3)

2.01

2.07

densité humide

(g/cm3)

2.11

2.28

Essai à énergie de compactage de 12kj7m3

(Energie 5 fois plus faible que précédemment)

Essaisde perméabilité à charge variable sur l'échantillon B 3 7 0 m

essais à

charge variable

1 (1er jour)

2 ( 1 e r jour)

3 (2« jour)

4 (3 e jour)

At

(s)

108

113

130

118

H A

(cm)

82

83

83

83

"eau

(cm )

200

213

210

211

H A .

(cm)

57.00

56.40

56.75

56.62

K

(cm/s)

1.8 10-3

1.9 1 0 ' 3

1.60 10- 3

1.8 10- 3

Evaluation de la densité humide et de la teneur en eau de saturation après la réalisation des essais de perméabilité

échantillon

B3,70m

teneur en eau de saturation

(%)

10.2

densité sèche

( g / c m 3 )

2 .18


ANNEXE A7

PRESENTATION THEORIQUE DES PHENOMENES HYDRODYNAMIQUES DANS LE SOL


A N N E X E A 7 : Présentation théorique des phénomènes hydrodynamiques dans le sol

I L e sol en tant q u e milieu n o n saturé

L e sol est constitué de trois phases:

- la phase solide, composé de grains dont l'ensemble forme le squelette solide

- la phase liquide (l'eau)

- la phase gazeuse (l'air)

II L 'eau dans le sol

L a phase liquide est constituée par:

- l'eau libre qui provient des pores et qui participe à l'écoulement (eau gravitaire)

- l'eau capillaire. Cette eau est maintenue au dessus de la nappe phréatique par l'existence de forces capillaires. O n distingue deux zones: la frange capillaire fermée où tous les pores sont remplies d'eau et la frange capillaire ouverte où seules les pores de petites tailles sont remplies d'eau.

- l'eau immobile, qui reste fixée aux grains, suite à des phénomènes d'attraction électrique et à la tension superficielle.

- G

Cou eopillairt > lutptndut ¿s

Eau capillair«

touftnut

Eau liit

Eau librt

Air

Îi5< 'j^ f9v' ,:*"..

c i = ^ ^ ( yp¡¡^¡^

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Z O N E

N O N SATUREE

NAPPE ZONE SATUREE

figure 1: l'eau dans le sol

III R a p p e l des principales caractéristiques d u sol

Le degré de saturation (Sr), est défini comme le rapport du volume qu'occupe un fluide (Ve), rapporté au volume des videsVv

Sr = V e / V v

La porosité n: est le volume des pores (Vv) rapporté au volume de l'échantillon

n = V v / V

La teneur en eau volumique 8 ; est liée au degré de saturation et à la porosité du milieu par:

G = n x Sr = V e / V

La conductivitè hydraulique K: elle caractérise l'aptitude d'un sol à se laisser traverser par l'eau sous l'effet d'un gradient de potentiel. Cette caractéristique varie avec la teneur en eau du sol c o m m e le montre les trois exemples de courbes sur la figure 2.

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1

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figure 2: exemples de courbe K(Q)

IV Le potentiel de l'eau

Le potentiel capillaire

Dans la zone non saturée, deux phases non miscibles (l'eau et l'air) sont en présence; il y a donc apparition d'une interface de part et d'autre de laquelle les pressions sont différentes.

Cette différence de pression définit la pression capillaire.

Pc = Pair - Peau

Avec l'hypothèse que l'air contenu dans le sol est à la pression atmosphérique (Po = 0 par convention), on a

Pc = -Peau

L a capillarité provient de la tension superficielle de l'eau et de son angle de contact avec les grains solides. Dans un sol non saturé (triphasique), il se forme des ménisques incurvés qui obéissent à l'équation de capillarité:

Pc = 7(1/R1 + 1/R2) = -Peau

où:

7 est la tension superficielle de l'eau

R I et R 2 , les rayons de courbures principaux en un point du ménisque.

L'eau se trouve donc, du fait de ces forces de tensions superficielles en dépression par rapport à l'air. La force de capillarité ainsi créée s'appelle la succion \[/- L e potentiel qui lui correspond est donc négatif dans la partie non saturée du sol et s'écrit:

h = P c / Y w = - \ | / / 7 w

avec 7W: poids volumique de l'eau

A une profondeur donnée dans le sol, la pression capillaire dépend de la teneur en eau du sol: globalement, on peut considérer que plus la teneur en eau est faible, plus la succion est forte.

L a figure 3 présente les courbes de rétention (représentation graphique de h(8)) de trois sols:

80

70

60

<* SO VC

CI

•O

à *• S X o

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10

0

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1 1

• \

\ •

• . SILT

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\ flN£ SAMO \

" •-»J 1 0 0.1 o.t as Q V oj

Teneur en eou volumique

•

1 1 • 1 • I

• 1 1

1 1

\ • \

0.6 0.7

figure 3: exemples de courbes h(Q)

Le potentiel gravi taire

Il exprime l'action du champ de pesanteur sur l'eau. E n prenant pour référence le potentiel à la surface du sol en orientant l'axe des profondeurs positivement vers le haut, le potentiel gravitaire est égale à Z .

Le potentiel osmotique

Il est du aux phénomènes d'osmoses liés à la présence du sel dissous dans l'eau. Dans notre étude, nous ne tiendrons pas compte de ce potentiel.

L e potentiel total H s'écrit donc:

H = h + Z


ANNEXE A8

TESTS SUR LA VALIDITE DES MESURES AU TDR


A N N E X E A 8 : Tests sur la validité des mesures au TDR

Dans cette annexe figurent des tests sur la reproductibilité des mesures au T D R ainsi qu'une comparaison entre les mesures T D R et celles obtenues par la méthode pondérale.

0.3S

Reproductibilité des mesures TDR. Comparaison des mesures pour un utilisateur et comparaison des utilisateurs, (chaque groupe de mesures représente un sol à teneur en eau constante).


ANNEXE A9

SIMULATION NUMERIQUE


A N N E X E A9: Simulation numérique

i?. L

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500

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figure 1 : numérotation des noeuds

300 >JC

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;oo 300 400 5CC 700 300

ionqusu!' ê" T: !vx Ö . 0 Ö ! ;

figure 2: numérotation des éléments

900

s _ - ~ -

J F M A M J J A S O N I D

FIMIA M J J A S | O N DJ F M A M J J A S O N D F M A M J J A 5 O N D


ANNEXE A10

RESULTATS DETAILLES DES MESURES


LEAZ ECHELLES: Vert. J: JOO

Noriz. 1: JOO

SE S SE Ibis SE 2 SE 2 bis 9E 3 SE 4 ÎO

91

183

224

158

170

307

119

114

99

104

68

132

90

7B

194

107

117

43

29

27

87

160

188

171

09

69

46

10S

88

B2

44

47

31

19

21

129

24

138

B7

81

49

44

70

89

60

68

48

SO

49

91

44

97

36

42

49

48

42

46

23

162

94

59

93

93

79

73

52

42

34

29

27

37

26

40

41

49

78

97

31

199

93

238

490

377

348

992

277

111

87

63

39

38

39

' 49

27

33

29

37

92

26

99

149

149

IIB

99

84

68

79

72

72

42

89

38

262

31

47

63

172

29

44

18.02.1994

LEAZ ECHELLES: Vert. J: 100

tíorJz. I: JOO

SE 1 SE 1 b SE a se 2 b SE 3 SE 4

0 _

36

na

130

307

S M ' 9 331

_2_ 123 79

149

53

B35

44

291

45

60*

89

115

84

79

23

29

48

117

192

117

79

29

113

68

374

48

48

83

104

an

67

16

an

43

62

3a

4a

30

3?.

80

133

33

57

43

66

37

183

28

80

139

83

ai

33

110

33

33

39

47

34

67

36

173

43

487

33

43

20

51

43

74

67

31

40

31

34

14

P3 _2_

B3

180

408

263

224

254

153

66

sa 37

33

68

B2

94

aa 46

30

24

36

36

74

134

14a

102

93

98

85

65

67

67

43

41

91

7B

68

242

29

23

197

33

25.05.1994

to

0 .

se i

80

640

132

243

219

173

IBS

S M ' 9 133

\7 176

B7

68

38

341

26

203

B3

33

167

17

42

SE Ibis

89

233

243

183

72

30

40

202

332

23

241

48

32

23

19

44

26

23

22

18

BE S

B9

91

137

72

43

237

34

127

BB

43

33

B4

32

23

SI

B7

10

24

22

68

SE 2.bis

103

98

109

60

74

64

BB

38

42

B0

33

42

13

39

16

B2

33

114

19

20

LEAZ

SE 3

133

337

302

292

249

246

160

127

81

43

60

43

36

62

39

41

19

76

16

46

8E 4

134

380

220

223

137

98

101

42

183

1B2

34

69

B2

18

28

28

61

21

21

29

ECHELLES: Vert.J: 100

Horiz. J: JOO

07.09.1994

LEAZ ECHELLES: Vert. J: JOO

Hopiz. I: JOO

SE 1 SE lb SE a SE 2 b SE 3 SE 4

324

B6

184

226

SM'9 20B

J7= 131 117

69

441

34

92

76

48

68

74

Bl

85

63

21

17

68

162

16S

137

77

BO

35

161

117

B9

39

44

29

29

IB

61

116

73

134

247

BO

28

63

66

B3

B4

42

47

47

Bl

45

38

43

66

SB

41

121

42

37

63

Bl

43

47

71

B2

130

47

49

26

30

22

35

27

20

43

B3

63

45

68

83

81

258

324

384

299

453

178

87

62

B4

31

120

22

18

160

27

38

52

97

28

107

131

119

109

86

88

81

68

76

66

B2

ES

IIB

30

B9

65

142

30

20

26

30.11.1994

Documents

BRGMinfoterre.brgm.fr/rapports/RR-38750-FR.pdfFigure n 8 - Vue d'ensemble du site d'expérimentation 9 Figure n 9 - Description des terrains rencontrés dans le puits 10 Figure n 10