Le présent mémoire est produit dans le cadre d’un projet de synthèse sur les étalements. Ces glissements de terrain ont grandement été étudiés depuis le début des années 2000 sous forme d’études de cas et par la modélisation numérique de l’initiation et de la propagation de la rupture en termes de rupture progressive. Une synthèse des caractéristiques de ces glissements est maintenant nécessaire pour mieux comprendre leur développement. Une compilation de 14 cas d’étalement dans les argiles sensibles a été réalisée sous forme de synthèse qui comprend l’analyse des caractéristiques de la pré-rupture, de la rupture et de la post-rupture. Les données analysées sont principalement géométriques, géomorphologiques et géotechniques. Une méthodologie de la compilation des paramètres étudiés a été développée pour assurer la répétabilité des mesures. Deux cas d’étalements sont présentés et ils viennent appuyer la méthodologie. L’analyse des caractéristiques de la pré-rupture de talus où des étalements sont survenus fait ressortir des plages de valeurs de hauteurs et d’inclinaisons des talus assez faibles. L’analyse des données géotechniques montre que les étalements surviennent dans tous les types de sols argileux provenant des anciennes mers postglaciaires. L’analyse des caractéristiques de la post-rupture est principalement axée sur la géomorphologie des débris. Les horsts présentent des angles en pointes approchant 60°, ce qui indique une rupture active du dépôt d’argile. Cette étude démontre une possible relation entre le nombre de horsts et la hauteur du talus avant la rupture. Des relations avec d’autres paramètres morphologiques ont aussi été explorées. Cette synthèse met en évidence la complexité d’identifier des conditions particulières prédisposant aux étalements et les aspects restant à approfondir / This thesis is produced as part of a project focusing on spreads. These landslides have been extensively studied since the early 2000s with case studies and by numerical modeling of the initiation and propagation of failure in terms of progressive failure. A synthesis of the characteristics of these landslides is now necessary to better understand their development. A compilation of 14 cases of spreads in sensitive clays was carried out in the form of a synthesis which includes the analysis of the characteristics of the pre-rupture, the rupture and the post-rupture. The analyzed data are mainly geometrical, geomorphological and geotechnical. The compiled parameters follow a methodology to ensure the repeatability of the measurements. Two cases are also presented which support the methodology. The analysis of the characteristics of the pre-failure of the slope where spreads have occurred shows that ranges of values of heights and inclinations are quite low. Analysis of geotechnical data shows that spreads occur in all types of clay soils from former postglacial seas. The analysis of post-rupture characteristics is mainly focused on the geomorphology of debris. The horsts have tip angles around 60 °, which indicate active failure. This study seems to show a relationship between the number of horsts and height of the slope before the failure. Relationships with other morphological parameters have also been explored. This synthesis highlights the complexity of identifying particular conditions predisposing to spread and several aspects remaining to be explored.

Une caractérisation géotechnique des sites d'étude de l'Isle-Verte et de Notre-Dame-des-Neiges, dans le Bas-Saint-Laurent, a permis de définir les principales caractéristiques physiques, minéralogiques, mécaniques et hydrauliques des silts argileux constituant ce dépôt. Ces sites sont constitués d'une couche de consistance très raide à dure qui surmonte une couche de consistance raide, avec la présence d'une couche de transition entre celles-ci. L'unité supérieure est fortement surconsolidée et montre des teneurs en eau d'environ 20 %, associées à des indices de liquidité près de 0. L'unité inférieure présente des teneurs en eau d'environ 30 %, associées à des indices de liquidité qui augmente jusqu'à 0,8 en profondeur. Plusieurs indices indiquent que le sol de l'unité inférieure est normalement consolidé ou légèrement surconsolidé, dont un rapport SuV/'v0 de 0,20 et des rapports Bq entre 0,8 et 1,0. L'unité intermédiaire joue un rôle de transition entre les unités supérieure et inférieure, avec des caractéristiques qui varient graduellement entre les deux unités. De façon générale, l'ensemble du dépôt possède des indices des vides très faibles, notamment pour les unités supérieures et intermédiaires, qui sont associés à des indices de compression entre 0,1 et 0,25. Le mode de mise en place de ce dépôt pourrait expliquer ses caractéristiques géotechniques. Il est probable qu'une réavancée glaciaire entre 12 400 et 12 000 ans B.P. ait déplacé du matériau argileux situé à des élévations plus importantes pour ensuite le déposer sur du matériau argileux déjà présent à des élévations plus faibles. L'unité inférieure semble normalement consolidée, ce qui implique que le glacier était semi-flottant et que les sols argileux qui ont été déplacés étaient gelés et collés sous le glacier. L'hypothèse de la combinaison du gel et d'une surcharge pourrait expliquer le fort degré de surconsolidation et les IL très faibles de l'unité supérieure.

La sécheresse, accentuée par le réchauffement climatique actuel et à venir, induit des phénomènes de retrait et de gonflement dans de nombreux sols argileux. Ces phénomènes se traduisent principalement par deux conséquences majeures : la modification des propriétés physiques du sol qui influe directement sur l’agriculture et les déformations induisant souvent des tassements différentiels aux niveaux des structures et des ouvrages. Jusqu’à aujourd’hui, ces phénomènes ont été étudiés principalement à l’échelle mésoscopique (échelle « classique » de laboratoire) et macroscopique (échelle de l’ouvrage). Des recherches ont été menées à l’échelle microscopique mais dans des contextes particuliers (argiles destinées au stockage des déchets radioactifs). Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse constitue par conséquent une des premières études sur des argiles naturelles, prélevées in situ sur des sites affectés par le retrait-gonflement : la montmorillonite grecque et l’argile verte de Romainville. Ces deux argiles ont été soumises à des cycles d’humidification-séchage dans le Microscope Electronique à Balayage Environnemental (MEBE) afin de quantifier le retrait-gonflement et d’en étudier la cinétique. Un protocole expérimental a été établi, basé sur l’application de l’humidification et du séchage par paliers avec des temps d’équilibre et une fréquence d’application réguliers. Ces essais ont été menés dans le but d’analyser : l’influence de la composition minéralogique, l’étude de l’effet d’échelle et l’influence du type de pilotage (pression ou température). En parallèle à ces essais, des expérimentations ont été menées à l’échelle mésoscopique afin d’établir d’éventuels liens entre les deux échelles. Ils ont consisté en l’étude de l’évolution de la microstructure, de la microporosité et de l’établissement des courbes de rétention. Les observations effectuées à ces deux échelles ont mené à la mise au point de deux méthodes, volontairement simplifiées pour des facilités de mise en œuvre et d’une investigation rapide (études préliminaires, bureaux d’étude). Ces deux méthodes sont, l’une analytique, l’autre numérique, permettant la transition vers l’échelle macroscopique et pour pouvoir estimer le retrait et le gonflement possibles sur un site donné. L’analyse des résultats des essais effectués à l’échelle microscopique (essais MEBE) conduit aux remarques suivantes : la majeure partie des déformations se produit aux fortes humidités relatives ; les déformations mesurées à l’échelle microscopique sont similaires à celles mesurées à l’échelle mésoscopique ; la cinétique de gonflement et de retrait est marquée par plusieurs phases distinctes selon l’argile considérée ; la composition minéralogique, la taille des agrégats et le type de pilotage présentent une influence au niveau de l’amplitude du retrait-gonflement et de la cinétique. L’analyse des résultats des essais effectués à l’échelle mésoscopique (essais de laboratoire) conduit aux remarques suivantes : la limite de retrait (Wr) correspond à une teneur en eau de 13 % et un indice des vides de 0,52 ; aux fortes et moyennes succions, le sol présente une microstructure compacte avec une macroporosité augmentant avec la succion ; aux faibles succions, la microstructure compacte évolue de contours nets et saillants des agrégats à des contours plus doux et réguliers ; des microorganismes ont été observés, engendrant une porosité à la surface très importante, pouvant entraîner un vieillissement du sol et la création de chemins préférentiels pour la pénétration de l’eau ; avec la diminution de la succion, une diminution de la surface spécifique externe et du volume microporeux est observée ; l’humidification et le séchage des échantillons ne semblent pas induire pas de conséquences irréversibles sur la microstructure. / The drought, emphasised by the current global warming and to come, leads phenomena of shrinkage and swelling of many clayey soils. These phenomena are mainly translated by two major consequences: the modification of the physical properties of the soil which influences directly the agriculture and the deformations leading often differential compaction at the levels of the structures and the buildings. Until today, these phenomena were mainly studied at the mesoscopic level (laboratory classical level) and macroscopic level (buildings scale). Research was led to the microscopic level but in particular contexts (clays intended for the confinement of the radioactive waste). The research work presented in this thesis manuscript constitutes consequently one of the first studies on natural clays, taken in situ from sites affected by the swelling-shrinkage: the Greek montmorillonite and the clay of Romainville. These two clays were subjected to wetting-drying cycles in the Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) in order to quantify the swelling-shrinkage and to study kinetics. An experimental protocol was established, based on the application of the wetting and the drying by stages with regular time of stabilisation and frequency of application. These tests were led in order to analyse: the influence of the mineralogical composition, the study of the effect of scale and the influence of the type of piloting (pressure or temperature). In parallel to these tests, some experiments were led to the mesoscopic level to establish possible links between both levels. They consisted of the study of the evolution of the microstructure, the microporosity and the establishment of the retention curves. The observations made in these two levels led to the development of two methods, voluntarily simplified for ease of implementation and of a fast investigation (preliminary studies, engineering consulting firms). These two methods are, the one analytics, the other numerical, allowing the transition towards the macroscopic level and to be able to estimate the possible shrinkage and the swelling on a given site. The analysis of the results of the tests made in the microscopic level (ESEM tests) leads to the following remarks: the major part of the strains occurs in the high relative humidities; the strains measured in the microscopic level are similar to those measured in the mesoscopic level; the kinetics of swelling and shrinkage are marked by several different phases according to the considered clay; the mineralogical composition, the size of the aggregates and the type of piloting present an influence at the level of the amplitude of the shrinkage - swelling and the kinetics. The analysis of the results of the tests made in the mesoscopic level (laboratory tests) leads to the following remarks: the shrinkage limit (Wr) corresponds to a 13 % moisture content and a void index of 0,52; in the high and medium suctions, the soil presents a compact microstructure with a macroporosity increasing with the suction; in the low suctions, the compact microstructure evolves of sharp outlines of the aggregates in rounder outlines; microorganisms were observed, engendering a very important porosity on the surface, being able to pull an ageing of the ground and the creation of preferential paths for the penetration of the water; with the decrease of the suction, the decrease of the external specific surface and of the microporous volume is observed; the wetting and the drying of samples do not seem to lead no irreversible consequences on the microstructure.

Un cas de glissement de terrain est survenu dans des matériaux d’argiles sensibles au village de La Romaine suite à des activités de sautage dans le roc. L’étude de ce cas de glissement a entraîné plusieurs questionnements, surtout à savoir si les vibrations de sautage peuvent être un élément déclencheur de glissement de terrain dans les argiles sensibles. Ce projet de doctorat a donc débuté ainsi, et avait pour but de répondre à la question, qu’est-ce qui a causé la rupture au site de La Romaine? Pour ce faire, le site a d’abord été investigué par des essais in situ ainsi que des essais de laboratoire. Une première campagne d’investigation a été réalisée en 2009. Les matériaux et la surface de rupture ont été bien caractérisés lors de cette campagne. Des analyses à l’équilibre limite ont été réalisées avec le logiciel Slope/W, et les coefficients de sécurité (C.S.) obtenus étaient supérieurs à l’unité avant les événements de sautage, ce qui signifie que la pente était stable avant le sautage. Une seconde campagne d’investigation comprenant de l’échantillonnage grand diamètre et du piézocône sismique a été réalisée en 2012. Des essais de laboratoire ont été réalisés (essai triaxial, DSS monotone et cyclique, essais à la colonne de résonnance) afin de caractériser les propriétés dynamiques du dépôt, dans l’objectif de faire des analyses dynamiques avec un logiciel de différences finies. Une méthode de simulation de sautage a été développée afin de simuler le sautage multi-trous, et cette méthode a été validée par un second cas d’étude, Eastmain-1. Les résultats obtenus de cette simulation sont cohérents avec les données recueillies sur le terrain. L’analyse dynamique du cas de La Romaine ont montré que les vibrations estimées survenues lors du sautage sont importantes (environ 500 mm/s), ce qui a entraîné des déformations de cisaillement entre 1 et 2% dans le dépôt argileux et certainement sa rupture. La surface de rupture observée dans l’analyse dynamique est représentative de la surface de rupture réelle. Des recommandations générales suite à l’étude de ce cas et aussi de 12 autres cas de rupture survenus suite à des travaux de sautage sont présentées dans la conclusion de cette thèse. / A landslide occurred in sensitive clay materials at the village of La Romaine following rock blasting activities. The study of this sliding case has led to several questions, especially whether blasting vibrations can be a trigger for landslides in sensitive clays. This doctoral project began like this, and was intended to answer the question, what caused the rupture at La Romaine site? The site was first investigated by in situ tests as well as laboratory tests. A first investigation campaign was carried out in 2009. The materials and the surface rupture were well characterized during this campaign. Limit equilibrium analyzes were performed with the Slope/W software, and the security coefficients (S.C.) obtained were greater than unity prior to the blasting events, which means that the slope was stable before blasting. A second investigation campaign involving large diameter sampling and seismic piezocone was carried out in 2012. Laboratory tests were carried out (triaxial test, monotonic and cyclic DSS, resonance column tests) to characterize dynamic properties of the deposit, with the aim of dynamic analysis with a finite difference software. A blasting simulation method has been developed to simulate multi-hole blasting, and this method has been validated by a second case study, Eastmain-1. The results obtained from this simulation are consistent with the data collected in the field. The dynamic analysis of La Romaine case showed that the estimated vibrations that occurred during the blasting are important (about 500 mm/s), which led to shear deformations between 1 and 2% in the clay deposit. The failure surface observed in the dynamic analysis is representative of the actual failure surface. General recommendations following the study of this case and also 12 other cases of rupture that occurred after blasting work are presented in the conclusion of this thesis

Les sols argileux gonflants sont une réelle problématique au monde. Ils sont particulièrement menaçants dans les régions à climat semi-aride dont le Tchad. La variation de la teneur en eau dans le sol due à l’alternance saison sèche/saison de pluie met le sol argileux potentiellement gonflant dans une instabilité volumétrique. La conséquence est souvent des fissures sévères sur les bâtiments, routes, barrages … Des échantillons d’argiles prélevés à N’Djaména au Tchad ont été testés au laboratoire. Les essais réalisés sont la diffractométrie de rayon X, les limites d’Atterberg, la sédimentométrie, la densité relative, et l’oedométre. La conclusion majeure que l’on peut tirer de ces essais est que les argiles de N’Djaména ont un potentiel de gonflement moyen ou élevé. Le logiciel d’élément finis Abaqus a été utilisé pour simuler le comportement volumétrique des argiles de N’Djaména. Les résultats du modèle d’Abaqus et celui des essais oedométriques concordent bien. / Expansive clay soils represent a problematic reality in our world. They threaten specifically semiarid climatic regions, including that of Chad. The variation of water content in the soil, due to the alternating dry / rainy seasons, produces potentially swelling clays with volumetric instabilities. The consequences resulting from this swelling are severe cracks in buildings, roads, dams... Clay samples collected at the N'Djamena test site in Chad have been tested in the laboratory. The tests that were conducted are: X-ray diffraction, Atterberg limits, sedimentation analysis, relative density measurements and the classical oedometer tests. The major conclusion that can be drawn from this study is that the N'Djamenas’ clays are classified as potentially medium to high swelling clays. The ABAQUS finite element software was used to simulate and corroborate the volumetric behavior of N’Djamena clays. A comparison of the simulation results with results obtained from oedometer tests indicates an excellent conformity.

Les buts de la présente recherche étaient d’examiner certains aspects concernant l’usage du piézocône comme outil d’investigation et de dimensionnement en géotechnique dans les sols argileux. Lors de la présente étude, une banque de données a été construite à partir des mesures effectuées au piézocône sur 31 sites bien documentés, répartis sur la majeure partie du territoire du Québec. Dans un premier temps, un effort important a été fait pour raffiner les corrélations entre les mesures du piézocône et celles obtenues de divers autres essais géotechniques, notamment avec la pression de préconsolidation et le rapport de surconsolidation. On a ensuite démontré les avantages du piézocône pour évaluer les gains de résistance sous les remblais construits par étapes en comparant ces résultats avec deux autres méthodes conventionnelles. Finalement, le problème de la stabilité des pentes naturelles a été examiné à travers l’analyse d’un glissement de terrain et l’investigation d’un talus adjacent de stabilité précaire présentant des zones de sol ramolli. La présente étude a permis de démontrer le grand potentiel d’utilisation du piézocône comme outil d’investigation et de dimensionnement dans les sols argileux.

Des études antérieures ont permis de démontrer que les sols argileux subissaient une déstructuration lorsqu'ils étaient soumis aux premiers cycles de gel et dégel. Ce problème peut être observé lors de la construction d'une route en déblai sur des dépôts d'argile. Les résultats de ces études ont montré que plus l'indice de liquidité initial (ILO) des sols est élevé, plus la déstructuration causée par le gel et dégel est importante et peut entraîner des tassements à une chaussée routière. Afin d'améliorer les connaissances sur les effets des premiers cycles de gel et dégel sur des sols argileux, des essais de gel et dégel en laboratoire ont été effectués sur des échantillons intacts qui possédaient un ILO compris principalement entre 0.30 et 0.90. Nous avons analysé les caractéristiques initiales et les déplacements verticaux des sols argileux lors des premiers cycles de gel et dégel. Ces résultats ont permis d'observer une diminution de II variant de 0.00 à 0.40 après les trois premiers cycles de gel et dégel. Nous avons aussi observé une diminution de la susceptibilité au gel et du module réversible au cours de cette même période. Les résultats obtenus des différents essais ont permis de constater que les sols argileux possédant un ILO compris entre 0.50 et 0.90 sont affectés à différents niveaux par le gel et dégel et que ces effets doivent être considérés lors de la conception de chaussée routière construite en déblais dans ce type de dépôt.

Des observations d'événements passés sont utilisées afin de démontrer que la rupture progressive explique les étalements, de grands glissements survenant dans les argiles sensibles. Lors d'une rupture progressive, le comportement anti-écrouissage est utilisé afin de distribuer les contraintes dans le talus et explique qu'une faible perturbation initie une grande rupture. Il est illustré que dans le cas des étalements, l'instabilité est déclenchée près du pied de talus par un déchargement critique, généralement causé par érosion. La rupture progressive se propage quasi-horizontalement dans le talus et réduit la pression des terres, menant à la dislocation active du sol en horsts et grabens. La dislocation du talus fait donc suite à la propagation de la surface de rupture. Une méthode numérique est élaborée afin d'identifier les paramètres influençant la rupture progressive et de valider l'application du mécanisme aux étalements. Cette méthode comporte deux étapes : (i) évaluation des contraintes présentes initialement dans le talus et (ii) modélisation de la rupture progressive. H est démontré que les hautes pentes, fortement inclinées avec un coefficient de pression des terres au repos (Ko) élevé sont susceptibles à la rupture progressive et que celle-ci se propage sur une grande distance. La rupture est favorisée par un sol ayant une grande fragilité lors du cisaillement et une faible rigidité. Une faible résistance à grande déformation du sol favorise une grande distance de propagation. Les argiles de l'est du Canada présentant une forte sensibilité et une grande fragilité lors du cisaillement sont donc considérées comme susceptibles à la rupture progressive. La méthode est appliquée à l'étalement survenu à Sainte-Monique-de-Nicolet, en 1994, dans une argile silteuse sensible presque normalement consolidée. H est démontré que la contrainte de cisaillement initiale dans la pente était près de la résistance intacte du sol. La stabilité du talus était précaire. L'initiation et l'étendue de la rupture observée est expliquée par un sol ayant une grande fragilité lors du cisaillement et une résistance à grande déformation près de la résistance remaniée du sol. D est donc démontré numériquement que la rupture progressive explique l'initiation et l'étendue de la surface de rupture de cet étalement.

Dans une première partie, ce mémoire présente l'analyse de l'étalement latéral d'octobre 1988 à Brownsburg-Chatham. Québec. La rupture s'est développée dans un dépôt argileux de la mer de Champlain faiblement surconsolidé (OCR entre 1.1 et 1.4) ayant une résistance au cisaillement non drainé plus faible que 30 kPa, et des indices de liquidité variant entre 1.4 et 2.4. La présence de forts gradients hydrauliques en pied de talus a possiblement contribué au développement d'une instabilité à cet endroit. Dans la seconde partie du mémoire, la caractérisation géotechnique et géomorphologique de la vallée a permis de mettre en évidence que la distribution des coulées argileuses observées le long de la vallée à Brownsburg-Chatham est clairement contrôlée par la salinité de l'eau interstitielle du sol et la hauteur des talus. Les analyses réalisées n'ont pas permis d'identifier le ou les facteurs pouvant expliquer le développement des étalements latéraux. Toutefois, il semble que ce type de mouvement requiert des caractéristiques du sol assez semblables à celles nécessaires au développement de coulées argileuses.

Ce mémoire décrit, en premier lieu, l’analyse géotechnique et géomorphologique du glissement de 1971 à Casselman, Ontario. Les caractéristiques morphologiques identifiées à l’intérieur de la cicatrice confirment qu’il s’agit d’un étalement. Le sol impliqué est une argile sensible de la mer de Champlain, normalement à légèrement surconsolidée (OCR entre 1,0 et 1,2) dont les indices de liquidité varient entre 1,0 et 2,0. La résistance au cisaillement intacte mesurée au scissomètre de chantier varie entre 50 kPa et 87 kPa. L’argile adopte un comportement anti-écrouissage (perte de 40 % de la résistance en pic) lorsque soumise à des essais de cisaillement non-drainé. Une surface de rupture quasi-horizontale à deux niveaux principaux a été identifiée à partir des sondages au piézocône réalisés à l’intérieur de la cicatrice. Les coefficients de sécurité élevés obtenus à partir de méthodes à l’équilibre limite démontrent que la rétrogression ne peut être expliquée par des méthodes d’analyses conventionnelles. La deuxième partie du mémoire présente l’application numérique du principe de rupture progressive aux étalements de Casselman (1971) et de Saint-Luc-de-Vincennes (1986). Une étude paramétrique a été réalisée afin d’évaluer l’influence de la fragilité du comportement après la résistance en pic du sol, reliée dans l’étude à une épaisseur de bande de cisaillement, ainsi que de la résistance à grande déformation, sur l’initiation et la rétrogression résultant du processus de rupture progressive. Les résultats démontrent que la résistance à grande déformation a très peu d’influence sur l’initiation du processus de rupture progressive, qui est principalement influencé par la fragilité du comportement du sol. Il a aussi été observé que la rétrogression était majoritairement influencée par la résistance à grande déformation. / This M.Sc. thesis presents, in the first part, the geotechnical and geomorphological analysis of the 1971 landslide in Casselman, Ontario. The geomorphological characteristics identified inside the landslide scar confirmed it was a spread. The soil involved is a sensitive clay from the Champlain Sea, normally to slightly overconsolidated (OCR from 1.0 to 1.2) with liquidity index ranging from 1.0 to 2.0. The intact shear strength measured with the vane shear test range from 50 kPa to 87 kPa. The clay exhibits a strain-softening behaviour (a loss of about 40 % of its peak shear strength) during undrained shear tests. A quasi-horizontal failure surface with two main levels was identified by mean of the piezocone tests done inside the scar. The High safety factors obtained by the stability analysis performed with limit equilibrium methods show that the retrogression cannot be explained by conventional analysis methods. In the second part of this thesis, the numerical application of progressive failure was applies to the Casselman (1971) case and the Saint-Luc-de-Vincennes (1986) case. A parametric study was realized in order to assess the influence of the post-peak behaviour brittleness of the soil, related in this study to a shear band thickness, and the large deformation strength on the initiation and the retrogression of progressive failure process. The 1971 and 1986 cases were analysed with the finite element program BIFURC. The results demonstrated that the large deformation strength has a very low effect on the initiation of progressive failure process, and the initiation of the failure is mostly influenced by the brittleness behaviour of the soil. It was also observed that the retrogression of the failure is mostly controlled by the large deformation strength.