Afrique SCIENCE 07(1) (2011) 105 - 115 ISSN 1813-548X, http://www.afriquescience.info

Djamel ATHMANIA et al.

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Géologie et géotechnique de quelques formations superficielles du Nord-Ouest Constantinois, Algérie

Djamel ATHMANIA1*, Benaissa ABDELKADER2 et Bouassida MOUNIR3

1Département des Sciences de la Terre et de l'Univers, Faculté des Sciences Exactes et Sciences

de la vie, Université de Tebessa, Algérie 2Faculté des Sciences de la Terre, Université de Constantine, Algérie

3Université de Tunis, El Manar, ENIT BP 37 Le Belvédère, 1002 Tunis, Tunisie

________________ * Correspondance, courriel : athmaniad@yahoo.fr

Résumé L’article présente les premières mesures géotechniques réalisées sur des argiles gonflantes d’une formation géologique plio-quaternaire, provenant de deux sites sinistrés de la ville de Mila. Dans la première partie de ce travail, la formation géologique argileuse est détaillée du point de vue lithologique. Les sols argileux ont été caractérisés du point de vue de leurs paramètres géotechniques les plus faciles à obtenir au laboratoire (plasticité, valeur de bleu, teneur en argile, ...). On en déduit un classement de leurs potentiels de gonflement et de retrait pour chacun des sites étudiés. La deuxième partie est consacrée à des analyses de microscopie capables de fournir des réponses pour expliquer les causes de gonflement en fonction des proportions minéralogiques. Mots-clés : argile, retrait gonflement, désordre, caractérisation géotechnique. Abstract

Geological and geotechnical parameters of some surface formation of North Western Constantine, Algeria The article presents the first geotechnical measurements carried out on clays of a geological formation Plio-Quaternary and from two sites affected the city of Mila. In the first part of this work, the geological formation is detailed clay of the basin. Clay soils have been characterized in terms of their geotechnical parameters are easiest to obtain in the laboratory (plasticity, blue value, clay content, etc...). We deduce a ranking of their potential swelling and shrinkage for each of the sites studied. The second part is devoted to analysis of microscopy can provide answers to explain the causes of swelling and shrinkage based on mineralogical proportions. Keywords : clay, shrinkage-swelling, disorder, geotechnical characterization.

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1. Introduction L’examen détaillé de la carte géologique aux alentours de la ville de Mila (Algérie) permet de délimiter la répartition des formations argilo-marneuses susceptibles de provoquer des retraits et gonflement des sols et, en conséquence, peuvent donner lieu à des tassements différentiels qui se manifestent en désordres affectant le réseau routier et les constructions. Durant la dernière décennie, la ville de Mila a bénéficié de plusieurs projets d’infrastructures, d’hydraulique, d’aménagement et d’ouvrages d’arts. Des études géotechniques ont été menées, elles ont fait l’objet de plusieurs études d’ingénierie ce qui a permis l’identification physico-mécanique du sol. Seulement nous avons constaté un grand déficit en matière de données concernant les analyses minéralogiques permettant une approche plus approfondie qualitative et semi-quantitative des proportions des différents types de minéraux argileux à l’échelle microscopique afin d’expliquer l’origine du retrait-gonflement. Le présent article traite des problèmes géotechniques ayant apparus au niveau des sites au cours de la réalisation des projets d’aménagement. Notre attention s’est particulièrement portée sur deux sites de la ville de Mila, pour lesquels nous avons pu disposer d’échantillons de sol intacts sur lesquels des analyses ont été faites. Ainsi sur un secteur limité d’aléa connu et à partir des cartes géologiques éditées nous proposons l’identification des paramètres géotechniques et minéralogiques de la formation argileuse adéquate répondant à la nature de la problématique envisagée. En premier lieu le cadre géologique de la ville de Mila est présenté. Ensuite la campagne des essais physiques et mécaniques sur les échantillons prélevés est exposée. L’identification minéralogique sur des lamelles est alors détaillée. Enfin une Synthèse est formulée à partir de l’ensemble des résultats obtenus. 2. Cadre géologique La ville de Mila située au Nord-Est de l’Algérie, présente un périmètre urbain dont les formations géologiques, telles qu’observées sur le terrain et complétées par l’analyse d’échantillons de sondages carottés, sont très hétérogènes à l’échelle métrique. Ces formations de nature argileuse marneuses épaisses de 40 à 50 m sont à caractère détritique, entrecoupées de minces passées sableuses (épaisseur de 10 à 20 cm). (Figures 1et 2).

Figure 1 : Situation géographique de la ville de Mila

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Figure 2 : Carte des affleurements des principales formations géologiques à l’intérieur des limites de la

wilaya de Mila 3. Propriétés géotechniques Les échantillons prélevés des différents sondages ont été soumis à des essais d’identification physiques et des essais mécaniques. Premier Site : 185 logements Le premier site d’étude se situe dans la feuille de Radjas el Ferada au 1/50.000. Il occupe la partie: Nord-Est de la carte. Il est limité par les coordonnées Lambert suivantes: X1: 817,35 Km, Y1: 355,00 Km ; X2 : 819,00 Km, Y2 : 356,45 Km. Ce site est limité au Nord par la route nationale R.N.79, reliant la ville de Mila à celle de Ferdjioua, au Sud par les logements évolutifs et les 334 lots de terrain, à l’Est par le centre ville de Mila, et à l’Ouest par les 140 logements semi-collectifs. La coupe géologique du site 185 logements (Figures 3 et 4), établie à la base des successions lithologiques, remarquées à partir des échantillons extraits à l’aide des sondages carottés, effectués au site d’étude, confirme la présence des argiles, de différentes couleurs (brune, jaune, sombre, verdâtre et rougeâtre), avec les fissures sub-verticales qui sont remplies par du gypse.

Figure 3 : Coupe géologique du site 185 logements

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Figure 4 : Aspect extérieur des formations traversées par les sondages Pour évaluer les niveaux d’eau par rapport à la surface du sol, trois sondages équipés par des piézomètres (S1, S2, S3), sont effectués au sein du site, alors que sept puis sont localisés autour du site de 185 logements (Figure 5a). Figure 5 : Niveau piézométrique persuadé des sondages et évolution du niveau d’eau dans les puits du

site 185 Logements Les sondages S1, S2 révèlent la même évolution des niveaux d’eau durant la période d’observation s’étalant du 25/10/2004 au 16/05/2005. Cependant le sondage S3 montre une anomalie durant la période du 25/10/2004. Les niveaux d’eau observés sont très peu profonds. En ce qui concerne l’évolution des niveaux d’eau dans les puits, implantés autour du site d’étude, on a constaté que ces puits recensés révèlent tous une diminution du niveau d’eau durant la deuxième période d’observation en date du 17/11/2005. C’est à dire que les niveaux d’eau sont devenus moins profonds par rapport à la surface du sol, à cause des apports d’eau de précipitations qui ont eu lieu entre les 10 et 17 Novembre 2005 (Figure 5b). L’identification physique La mesure des paramètres physiques permet une approche sur l’identification de la nature du sol en place (Tableau 1).

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Tableau 1 : Résultats des essais physiques « Site 185 logements »

Sondages Profondeur (m)

ω (%)

γd (kN/m3)

γh (kN/m3)

Sr (%)

S1 3.00-350 7.00-7.50 12.4-12.8

22.54 16.30 19.20

1.71 1.8 1.75

2.07 2.16 2.12

98.1 89.5 94.8

S2 6.70-7.00 13.2-13.90 14.3-14.9

18. 16 15.62 16.7

1.76 1.82 1.78

2.12 2.17 2.15

91.8 87.8 87.2

S3 4.10-4.60 7.80-8.00 8.30-8.60 9.10-9.60 14.2-14.6

19.96 20.79 18.7 23.94 15.18

1.76 1.74 1.8 1.66 1.93

2.11 2.10 2.15 2.06 2.22

100 100 100 100 100

La densité sèche (γd) caractérise le poids d’un volume apparent et permet d’avoir une idée sur le degré de densification des éléments solides de la matrice. Le poids volumique du sol sec varie entre 16,6 et 19,3 kN/m3, révèle un sol dense à compacité assez élevée. Les valeurs obtenues pour la teneur en eau naturelle (ω %) se situent autour de 15,2 et 24,5 %. Le degré de saturation (Sr %), exprimant la potentialité d’un sol à la saturation par un fluide. Les valeurs obtenues varient de 87 à 100 %, caractérisant un sol quasi saturé. Analyses granulométriques La granulométrie des sols en question est caractérisée par une fraction fine prédominante, dont les passants à 0,08 mm représentent près de 65 %. La fraction des argiles est assez importante, avec un taux supérieur à 50%. Ainsi, il s’agit de sols fins. Les limites d’Atterberg : La limite de liquidité WL, oscille autour de 48 et 67 %, l’indice de plasticité IP, situé varie entre 21 et 42 %. Le couple de valeurs (WL et IP) localise le sol dans la zone des argiles plastiques à très plastiques, d’après le diagramme de Casagrande (WL=67 % et IP 42 %). L’indice de consistance varie entre 1,13 et 1,7, caractérise un sol très consistant. Enfin, on peut résumer la nomenclature de notre sol considéré comme : CH.

Figure 6 : Abaque de Casagrande et classification du sol

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Essais mécaniques Les essais mécaniques sur les échantillons intacts permettent de caractériser le comportement du sol vis-à-vis d’un chargement donné. Les résultats des essais triaxiaux non consolidés - non drainés (type UU) : Angle de frottement interne φ : 3° < φ <22 ; Cohésion C (kN/m2) : 20 < C < 65 Les résultats des essais : consolidés-drainés (type CD); Angle de frottement interne φ : 5 < φ <18; Cohésion C׳ (kN/m2) : 20 < C26 > ׳. Le sol en question est surconsolidé. Essais de compressibilité à la cellule œdométrique : Pour l’évaluation des déformations sous les contraintes appliquées, des essais de compressibilité à l’œdomètre ont été réalisés. Ils montrent : La pression de préconsolidation: possède des valeurs décroissantes progressivement avec la profondeur (500 kN/m2 à 4,60m et 300 kN/m2 à 9,60m de profondeur), caractérisant un sol d’un état de surconsolidation en surface. L’indice de compression (Cc) : présente à son tour des variations avec la profondeur, à 4,60 m il est de 0,28 et 0,16 pour une 14,60 m de profondeur, traduisant un sol moyen à très compressible. L’indice de gonflement est élevé (Cg est de l’ordre de 0,121), et il diminue avec la profondeur. Les résultats des essais mécaniques (cisaillement et œdomètre), montrent un sol consistant, sur consolidé, très compressible et gonflant. Deuxième site : Un autre site non loin du précédent est aussi concerné par un glissement de terrain remarquable situé sur le chemin de la wilaya CW52. Les argiles sombres et bariolées ont une plasticité élevée et occupent des volumes importants dans l’espace; le laboratoire des travaux publics de l’Est, représentation de Mila, a procédé à une campagne de reconnaissance géotechnique en Mai 2008, réalisée à l’aide des sondages carottés au niveau de trois sections touchées par les glissements sur le CW 52 (référence : dossier 100/DRC/RM/43/ES/68/08).

Figure 7 : Logs des sondages réalisés sur le CW52 de la wilaya de Mila Entre le premier sondage et le dernier sondage, la différence d’altitude est de 51 mètres pour une distance à vol d’oiseau de 680 mètres. Ce qui traduit une pente de 7.5 %, à la fois dangereuse et inaccessible. Tous ces sondages sont carottés et atteignent une profondeur finale de 15 mètres par rapport à la côte du terrain naturel. (Figure 7). Les sondages confirment la présence des niveaux argileux et marneux entre deux à six mètres de couverture de terre végétale ou remblais. On constate aisément l’hétérogénéité de terrain en espace et en profondeur, ce qui nécessite une précaution d’interprétation des résultats physico-mécaniques

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Les échantillons prélevés des différents sondages ont été soumis à des essais d’identification physiques, mécaniques, chimiques et minéralogiques. Les résultats d’essais d'identification sont récapitulés dans les Tableaux 2 et 3.

Tableau 2 : Résultats d’analyse des paramètres physiques du site CW 52 ; MILA

Limites d’Atterberg SC N°

Profondeur (m)

γd

(kN/m3) γh

(kN/m3) ω (%)

Sr (%) Wl % Wp % Ip %

8.80-9.20 1.58 1.97 25.0 97.5 / / / 10.80-11.20 1.53 1.94 26.9 97.2 68.6 27.5 41.0

01

14.00-14.45 1.70 2.04 20.1 95.3 60.1 31.6 28.5 6.60-7.0 1.47 1.90 30.0 97.5 62.0 32.3 29.7 10.50-10.80 1.63 2.00 22.5 95.2 61.5 30.6 30.9

02

13.65-13.85 1.59 1.95 22.5 89.6 63.7 30.1 33.7 3.00-3.40 1.57 1.92 22.5 86.8 / / / 7.50-8.00 1.71 2.01 18.2 87.4 52.8 30.7 22.2

04

10.00-10.50 1.68 2.02 20.6 94.2 54.6 31.7 22.8 4.75-5.35 1.63 1.97 20.9 88.3 49.8 31.3 18.6 05 8.65-9.00 1.58 1.93 22.1 86.5 58.2 27.7 30.4 2.70-3.00 1.62 1.96 20.7 86.6 54.1 32.8 21.3 06 7.80-8.20 1.60 1.98 23.4 95.2 / / /

Avec γd: Poids volumique sec en (kN/m3) ; γh: Poids volumique humide en (kN/m3) ; ω : Teneur en eau naturelle en (%) ; Sr : Degré de saturation en (%).

Tableau 3 : Résultats des essais œdométrique au site CW 52 ; MILA

SC N°

Profondeur (m)

σ’ c

(kN/m2) Cc

Cg

01 8.80-9.20 2.38 0.196 0.040 14.00-14.45 4.88 0.244 0.069

04 10.00-10.50 1.89 0.180 0.042 05 8.65-9.00 2.06 0.270 0.041 06 7.80-8.20 1.37 0.267 0.064

Avec σ’ c : Pression de pré consolidation (bars) ; Cc indice de compression et Cg indice de gonflement en (%). 4. Interprétation des essais

Les essais d’identification physiques, (comme la granulométrie et les limites d’Atterberg), montrent un aspect d’argile plus ou moins gonflante. Le comportement mécanique basé sur l’essai œdométrique et celui de cisaillement rectiligne UU (non consolidé non drainé), à l’aide de la boite de Casagrande ont donné un sol surconsolidé, saturé d’eau, compressible et présentant un caractère gonflant, (indice de gonflement Cg).

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Ce matériau peut être classé d’après l’abaque de Casagrande avec les argiles peu à très plastiques : (49,88

< WŶ < 68,6% ; 18,6 < Ip < 41) ; mais cette classification reste incomplète car à notre avis, la détermination des minéraux gonflants est leur pourcentage donne plus de renseignements à l’ingénieur pour mieux adapter les fondations aux sols, ou pour mieux proposer un remède de stabilisation d’un glissement de terrain. 5. Propriétés minéralogiques Les minéraux argileux ont été étudiés à différentes échelles :

� L’observation des lames minces permet une approche micro-morphologique qui consiste à étudier la distribution des argiles dans la roche sédimentaire ou les sols.

� L’agencement des particules argileuses a été étudié grâce à la microscopie électronique à balayage (MEB).

� La composition minéralogique des assemblages argileux est déduite par la diffraction des rayons X (DRX, XRD).

5-1. L’observation des lames minces L’examen des lames minces (Figures 8 et 9), au microscope polarisant a permis d’observer les modifications sur la porosité de la matrice par la présence de structures biogènes jusqu’à une profondeur (8.80-9.20 m.). La bioturbation est un facteur qui peut modifier considérablement les paramètres géotechniques d’un sol pris dans son contexte spatio-temporel. Figure 8 : Lame mince d’argile marneuse sous microscope polarisant en lumière naturelle et polarisée

Figure 9 : Fragments de lamellibranches et boues inclus dans une matrice argileuse à la profondeur

[4.75-5.35 m]

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Échantillon, code 8Sondage n\1 (code 8)Profondeur [ 10.80 – 11.20m]Argile marneuse

5-2. Observation au microscope électronique à balayage (MEB) : Les différents échantillons ont été soumis à l’observation sous microscopie électronique (Fig. 10) qui a révélé une structure d’argile formée minéralogiquement par de la kaolinite en majeure partie représentée par des formes hexagonales des feuillets de 02 à 05 µm.

Figure 10 : Image au MEB de l’argile de Mila (feuillet de kaolinite hexagonal) Remarquons que l’espace interfoliaire de ces argiles peut renfermer des minéraux secondaires qui peuvent avoir des propriétés minéralogiques et mécaniques différentes des minéraux principaux, ceci nous a conduits à faire appel aux analyses aux rayons X, qui peuvent après interprétation des résultats nous conduire à détecter d’autres structures. 5-3. Analyses aux rayons X - échantillons bruts : Onze échantillons représentatifs des formations traversées par ces sondages ont montré que la composition de l’argile à son état naturel (l’argile brute) est principalement argileuse avec la présence du quartz, calcite, feldspaths et anhydrite, voir diffractogramme et les proportions de chacun d’entre eux (Figure 11 et Tableau 4). Prenons l’exemple d’un échantillon du sondage SC1 et à la profondeur [10.80-11.20m] qui correspond à une argile marneuse, échantillon (code 8) ;

Tableau 4 : Dépouillement des proportions minéralogiques dans l’échantillon brut

Poudre Identification Intensité Facteur correctif % relatif d=4.46Å Argile totale 0.8 20 52.63 d=3.34Å Quartz 9.2 1 30.26 d=3.02Å Calcite 2.1 1.65 11.38 d=3.21-3.26Å Feldspaths-K 0.3 4.3 4.24 d=3.46-3.52Å Anhydrite 0.5 0.9 1.48

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AD8 N

Lin

(Cou

nts)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

2-Theta - Scale

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

d=7.

1243

4

d=4

.243

39

d=

3.5

6628

d=

3.33

206

d=10

.026

41

d=

12.3

458

4

Figure 11 : Analyse de l’argile totale aux rayons X - Minéraux de la fraction argileuse CW52 : L’analyse aux rayons X de la fraction argileuse inférieure à 2 microns (réalisée sous la forme d'agrégats orientés après extraction du matériau global) fournit cependant une bonne estimation à la fois qualitative et semi-quantitative des divers composants argileux, qu'il s'agisse de minéraux simples et/ou interstratifiés présents grâce à l'application de trois tests diagnostiques classiques : séchage de l'agrégat orienté (passage au diffractomètre à l'état dit naturel ou normal, N), après solvatation aux polyalcools (avec l'éthylène glycol, EG, ou le glycérol, Gl) et enfin après chauffage (500°C). Prenons l’exemple du sondage SC N°1, (Figures 12 et 13).

Figure 12 : Analyse de la fraction argileuse « SC1 » aux rayons X

AD 8 bulk

99 -090 -002 2 (U) - He ma tite - Y: 2 .0 9 % - d x b y: 1 . - W L: 1 .5 4 06 -

9 9-09 0- 00 0 4 (U) - Anhyd rite - Y: 6.2 6 % - d x by : 1 . - WL : 1 .540 6 -

9 9-09 0- 00 1 1 (U) - Ca lc i te - Y: 22 .92 % - d x b y: 1 . - WL : 1 .5 406 -

9 9-09 0- 00 3 3 (U) - Argi le to tal e - Y: 8 .3 4 % - d x by : 1 . - WL: 1 .54 06 -

9 9-09 0- 00 2 9 (U) - Quartz - Y: 100 .00 % - d x b y: 1 . - W L : 1 .5 406 -

Op erati on s : Ba ck g round 0 .0 0 0,0 .000 | X O ffs e t 0 .0 58 | Sm o oth 0 .150 | Im port

AD 8 bu lk - Fi le : AD Bul k 8 .r aw - Typ e: 2Th/Th l oc ke d - Start: 2 .0 00 ° - End : 45 .000 ° - Step : 0 .0 20 ° - Ste p tim e: Op erati on s : X Offs e t 0 .05 8 | Sm ooth 0 .1 50 | Im po rt

AD 8 bu lk - Fi le : AD Bul k 8 .r aw - Typ e: 2Th/Th l oc ke d - Start: 2 .0 00 ° - End : 45 .000 ° - Step : 0 .0 20 ° - Ste p tim e:

Lin

(Cou

nts)

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 00

1 10

2-Theta - Scale

3 1 0 20 30 4 0

d=7

.153

14

d=

4.2

489

5

d=

3.3

38

21

d=

3.0

217

8

d=2

.277

27

d=

2.1

261

7

d=4

.462

53

d=3

.51

07

7

d=

2.7

078

2

d=3

.23

961

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Figure 13 : Analyse de l’argile totale « SC1 » aux rayons X d’une argile marneuse, profondeur

[8.80-9.20 m] 6. Synthèse et conclusion Le potentiel de gonflement des sols, constaté pendant les essais mécaniques, est bien décelé lors des analyses minéralogiques. La présence de la vermiculite et des minéraux interstratifiés comme le chlorite gonflant de type C-V (chlorite- vermiculite) ou V- Cg (vermiculite chlorite gonflante), contribuent notablement au gonflement des argiles et constituent le moteur des mouvements de terrain et instabilités des fondations constatées. L’intérêt de l’étude microscopique consiste à des investigations plus performantes qui donnent l’image réelle et l’interprétation convenable des résultats obtenus à partir des essais physico mécaniques et minéralogiques de l’argile.

Références [1] - D. ATHMANIA, A. BENAÏSSA, A. HAMMADI et M. BOUASSIDA. «Clay and Marl Formation Susceptibility

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kaolinite 35,97% Vermiculite 28,74% V-Cg 35,28%