Xpent, système expert en stabilité des pentes Xpent, expert System in slope stability

R.M.FAURE, Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat, Vaulx en Velin, France S.LEROUEIL, Université Laval, Québec, Canada

J.P.RAJOT, Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat, Vaulx en Velin, France P.LAROCHELLE, Université Laval, Québec, Canada

G.SEVE, Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat, Vaulx en Velin, France F.TAVENAS, Université Laval, Québec, Canada

RESUME : L ' a r t i c l e présente l a genèse de XPENT, système expert en stabilité des pentes

ABSTRACT : We présent the genesis of XPENT, an expert System about slopes s t a b i l i t y

INTRODUCTION

La mécanique des sols dans son ensemble, tout particulièrement 1' évaluation de l a stabilité de pentes, f a i t continuellement appel à 1' expérien­ce de 1' ingénieur, au vécu l o c a l qui dépend pour beaucoup des conditions géologiques et climatiques, à des règles empiriques et à des méthodes de ca l c u l approximatives. C est donc un domaine qui se prête particulièrement à un t r a i ­tement par Inte l l i g e n c e A r t i f i c i e l l e , ce qui a amené l e premier auteur à lancer en 1985 1' idée d'un système expert en stablité des pentes : XPENT. [CAYEUX, 1985, FAURE et a l , 1987]

Le développement d'un système expert ne peut se fai r e par un chercheur isolé, surtout dans un domaine comme l e s pentes où les matériaux impliqués, les modes de rupture et les méthodo­logies d'étude varient d'un pays à 1' autre, d'u-ne région à 1' autre. I l y a donc nécessité d'é-l a r g i r l e champ des expertises a f i n de fournir une connaissance "quasi universelle" au système-expert. Les relations existant entre 1' E. N. T. P. E. et 1' Université Laval et V intérêt commun pour l e projet ont amené 1' ensemble des auteurs à collaborer à 1' élaboration d'XPENT.

La phase i n i t i a l e du projet v i s a i t à préciser les ob j e c t i f s d'XPENT a i n s i que l a méthodologie de t r a v a i l et à guider l e choix d'un moteur d'inférences qui s e r a i t performant. E l l e a été réalisée à 1' aide d'un moteur d'inférences pré­sentant un formalisme s i m i l a i r e à c e l u i de Pro­log et qui a été développé à 1' E. N. T. P. E.

Le but de cet a r t i c l e est de présenter les pro­blèmes qui se posent l o r s de 1' élaboration d'un système-expert en géotechnique a i n s i que les orientations qui ont été prises pour poursuivre l e projet au-delà du système probatoire actuel.

ORIENTATION GENERALE DE XPENT

Les problèmes de stabilité de pentes sont perçus différemment selon l e s caractéristiques géologi­ques et climatiques locales. A i n s i , l a plupart des pentes instables du sud de 1' Europe présen­tent généralement des vitesses de déplacement très faibles et l a recherche d'une bonne méthode de confortation constitue l a préoccupation principale. Par contre, dans les argiles sensi­bles de l a Scandinavie ou du Québec, lorsqu' i l y a glissement, bien souvent, l e matériau remanié s'écoule ne la i s s a n t r i e n à conforter ; l a préoccupation est alors beaucoup plus reliée aux notions de risques de glisssement et d'aménage­ment du t e r r i t o i r e . A ces aspects extérieurs, i l faut ajouter que les facteurs conduisant à l a

rupture et les mécanismes de aussi très variables.

rupture sont eux

Malgré l e u r diversité, i l est cependant possible de f a i r e rentrer tous l e s problèmes de stabilité dans 1' organigramme général présenté à l a figure 1 et pouvant se résumer a i n s i :

. l a pente est d'abord caractérisée pour cons t i ­tuer l a base de f a i t s et l a s i t u e r dans une classe de pentes particulière, par exemple "pente dans des sols loessiques". Comme nous l e verrons ultérieurement, ces classes sont définies à p a r t i r de l a géologie et donc i n d i ­rectement à p a r t i r de facteurs et de mécanismes de rupture.

. par observation de l a pente et des environs et sur l a base de l'expérience acquise par les ingénieurs, une évaluation q u a l i t a t i v e de l a stabilité est fa i t e . I l peut en être déduit que l a pente est stable, instable ou peut être instable :

Pente

Évaluation qualitative de la stabilité

Stable Instable

Stabilité satisfaisante

Modification I de la pente ? I

Oui

Non

Satisfaisante

Évaluation des nouvelles conditions

de stabilité

Insuffisante

Méthodes de confortation

+ analyse économique

Fig. 1 - Cheminement général suivi dans XPENT.

625

dans ce dernier cas, i l faut procéder à une investigation géotechnique s i cela n' a pas déjà été f a i t , préciser l e régime hydrologique par des mesures et éventuellement par un pro­gramme de détermination du réseau d'écoulement et effectuer une analyse de stabilité classique à 1' aide d'abaques ou de programmes de cal c u l ;

lorsque l a pente dans sa s i t u a t i o n i n i t i a l e est jugée stable et que des travaux t e l s que excavation, chargement ou modification des conditions hydrologiques sont prévus, i l faut en examiner le s effets sur les conditions de stabilité ;

. lorsque l a pente est jugée instable, i l s'avè­re nécessaire de considérer les méthodes de con­f o r t a t i o n a f i n de c h o i s i r c e l l e qui sera à l a fois efficace et économique.

Tout en suivant ce plan général, XPENT peut v i ­ser différents usages et clientèles. XPENT pour­r a i t être une sorte d'aide-mémoire pour 1' ingé­nieur en géotechnique ; i l pourrait aussi être une s u b s t i t u t i o n de 1' expert et être alors u t i ­lisé par des non spécialistes en géotechnique. Le choix f i n a l reste à faire . Cependant, XPENT donnera certainement naissance à un système d'enseignement assisté par ordinateur (EAO) que nos établissements u t i l i s e r o n t . [SHI, 1987]

Caractérisation de l a pente

I l n' y a pas d'approche universelle aux problè­mes de stabilité de pentes puisque l a probléma­tique varie avec les matériaux rencontrés, l e contexte géologique, les conditions climatiques, l a densité de population, 1' expérience locale développée par les ingénieurs, etc ... I l reste cependant que l e type de matériau rencontré a i n ­s i que l a stratigraphie générale conditionnent l e type de rupture et dans une certaine mesure l a méthodologie à suivre dans l'analyse a i n s i que l e s méthodes de confortation. Des grandes classes de pentes ont donc été distinguées sur l a base du matériau dominant :

- argiles molles - argiles surconsolidées et roches tendres - sols pulvérulents - sols loessiques - roches altérées et sols résiduels - roches dures.

Pour l ' i n s t a n t , seules l e s classes " argiles molles" et "sols pulvérulents" ont été examinées.

Dans de nombreux cas, i l n' y pas un seul type de matériau, mais plusieurs. I l devient alors né­cessaire de définir des sous-classes certaines pouvant se retrouver dans plusieurs classes. La figure 2 présente les sous-classes qui ont été définies pour l a classe "argiles molles" ; e l l e permet aussi d'indiquer les approches qui peu­vent être suivies :

. Dans l e "cas simple" où 1' épaisseur de l a cou­che d'argile est plus de t r o i s f o i s l a hauteur de l a pente, l e s conditions hydrologiques ne dé­pendent pas, dans l a zone de l a pente, des con­ditions dans l a couche sous-jacente et sont par conséquent s i m i l a i r e s dans tous les cas de figures. I l s' ensuit que 1' usage de règles sim­ples basées sur 1' expérience l o c a l e et d'abaques peuvent permettre une assez bonne évaluation de l a stabilité.

Dans l e "cas stratifié" où se succèdent des couches de natures différentes et où les condi­tions hydrauliques peuvent être complexes, i l

Arg. ou Pul.^V Pul. ou Arg. Arg. ou Pul. Pul. ou Arg.

Pul. ou socle rocheux Cas simple Cas stratifié

Pulvérulent

Alpha Béta 1 Béta 2

Fig. 2 - Sous-classes de la classe "argiles molles"

est d i f f i c i l e d ' u t i l i s e r 1' expérience et l e j u ­gement pour évaluer l a stabilité. Dans un t e l cas une invest i g a t i o n détaillée du s i t e et une analyse classique de l a stabilité sont nécessaires.

Dans l e s cas de complexité intermédiaire, l'observation, quelques mesures de pression i n t e r s t i t i e l l e , 1' expérience acquise localement et des règles relativement simples permettent dans bien des cas de juger s i une pente est s t a ­ble ou non. Dans les autres cas, seule une ana­lyse classique de l a stabilité permet de préci­ser s i l a stabilité est suffisante, d'abord à 1' aide de données géotechniques et hydrologiques simples et d'abaques comme ceux de Janbu, ensuite, s i nécessaire par une investigation plus complète et des programmes de calcul. V i n ­vestigation pourra être guidée par l e système-expert.

Evaluation q u a l i t a t i v e de l a pente

Cette phase du processus vise à s' assurer que tous les éléments qui peuvent mettre en évidence ou qui peuvent créer 1' instabilité de l a pente ont été examinés ; e l l e vise aussi à u t i l i s e r au maximum l a connaissance acquise par l a profes­sion dans l e domaine des pentes a i n s i que 1' ex­périence lo c a l e pour juger de l a stablité sur l a base d'abord de 1' observation et éventuellement d'une reconnaissance sommaire. V investigation détaillée et 1' analyse de l a stabilité à 1' aide d'un programme de cal c u l sont donc repoussés au­tant que f a i r e se peut.

L' évaluation q u a l i t a t i v e de l a stabilité est ba­sée sur une observation détaillée de l a pente et de son environnement géomorphologique. On re­cherche d'abord des indices évidents d'instabi­lité t e l s que présence de fissures, présence de moutonnements où des évidences d'érosion. Les questions sont du genre " Y-a-t' i l des évidences d'érosion- dans l a pente ou en pied de talus ?" "Si l e cours d'eau présent en pied de talus pré­sente des méandres, de quel côté du méandre se situe l a pente ?" etc ... ; dans l e cas de maté­riaux pulvérulents, les questions sont "y-a-t' i l résurgence ? Le matériau e s t - i l entraîné ?", etc

La géomorphologie comparative est aussi beaucoup utilisée, l a géométrie de l a pente étant compa­rée à cell e s des pentes voisines ou de l a région se trouvant dans l e s mêmes conditions géologiques. La figure 3 montre clairement que pour l a région de Saint-Ambroise, Québec, les zones du diagramme hauteur de pente-angle de l a pente dans lesquelles les pentes peuvent être

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E W

S

^1

T

• \ n 1 • • Instable

3

F"

• \ •

1 T Stable 1

•50 Angle de la pente,{')

(d'après Lebuis et al.. 1982)

F/g. 3 - Hauteur et angle des pentes argileuses dans la région de Saint-Ambroise, Québec.

Exploitation, élaboration de nouvelles règles

Fig. 4 - Organisation générale du système-expert XPENT.

considérées stables ou instables sont clairement définies. 11 reste cependant une certaine zone " grise" à 1' intérieur de laque l l e l a stabilité est incertaine et d o i t être analysée plus en détail. [LEBUIS et a l , 1982]

Programmes de calculs

I l s' est très v i t e avéré qu' i l était nécessaire de coupler des programmes de cal c u l au système-expert a f i n de pouvoir donner dans tous les cas marginaux une réponse d'ingénieur chiffrée en terme de c o e f f i c i e n t ou de marge de sécurité.

A f i n de préciser l e réseau d'écoulement dans l e massif de s o l lorsque 1' on a seulement quelques lectures piézométriques, un programme de cal c u l est nécessaire. Un t e l programme présente aussi 1' avantage de pouvoir vérifier l a cohérence de l'ensemble des mesures piézométriques. Pour l'instant l e programme de calc u l n' a pas été choisi mais i l sera très vraisemblablement en éléments f i n i s .

Pour 1' analyse de l a stabilité, l e choix s' est porté vers l e programe de ca l c u l Nixes et Tr o l l s [FAURE et a l , 1985] comportant deux sous-programmes, 1' un basé s u r l a méthode Bishop modi­fiée [BISHOP, 1955], 1' autre basé sur l a méthode des perturbations [FAURE, 1985] et qui permet 1' analyse de l a stabilité suivant des surfaces de glissement c i r c u l a i r e s et non c i r c u l a i r e s .

Les paramètres à considérer dans les analyses seront déduits de 1' expérience ; c' est a i n s i que pour les ar g i l e s , on considérera les travaux de Skempton [1977] et de Lefebvre [1981] et de Ta-venas et Leroueil [1981]. Le choix de ces para­mètres sera là encore guidé par l e système-expert.

Méthode de confortation

Les phases d'évaluation q u a l i t a t i v e et quantita­t i v e ont normalement permis 1' i d e n t i f i c a t i o n des facteurs d'instabilité qui vont orienter l e choix de l a méthode de confortation. S i par exemple 1' instabilité provient de niveaux d'eaux élevés on envisagera d'abord de couper les ve­nues d'eau en amont ou encore de mettre en place un système de drainage ; s i l'instabilité est causée par de 1' érosion, i l faut absolument stopper c e l l e - c i .

Cette p a r t i e du pr o j e t ri est pas encore amorcée mais e l l e se réalisera en collaboration avec les Laboratoires des Ponts et Chaussées de France qui ont acquis une grande expertise dans ce domaine. I l est prévu que cette recherche de mé­thodes de confortation s o i t combinée à une ana­lyse économique des travaux associés.

STRUCTURE DU SYSTEME EXPERT XPENT

XPENT est bâti comme tout système-expert autour d'un moteur d'inf érences et 1' u t i l i s a t e u r est assisté par un ce r t a i n nombre d'interfaces. On peut schématiser XPENT comme s u i t (figure 4) :

. Le moteur d'inférences qui à p a r t i r de l a base de f a i t s et de l a base de connaissances infère de nouveaux f a i t s , jusqu' à c e l u i qui sera recon­nu comme solut i o n du problème. [MAZERAN, 1986]

. La base de f a i t s qui décrit l e cas réel. Cette base peut être alimentée dynamiquement par des questions posées par l e système.

La base de connaissances qui contient sous forme de règles ou de " frames" l e savoir des experts.

Autour de ces t r o i s parties fondamentales d'un système expert nous trouverons les modules s u i ­vants qui font l a particlarité de XPENT.

Un module de ca l c u l en rupture c i r c u l a i r e et non c i r c u l a i r e qui sera déclenché par l e système expert quand c e l u i - c i aura besoin de qua n t i f i e r l a sécurité. Ce module sera une forme plus éla­borée de NIXES et TROLLS.

. Un module de cal c u l de régime hydraulique a f i n de va l i d e r ou d'informer certaines hypothèses sur l e rôle de 1' eau, ou de déterminer l e réseau des pressions i n t e r s t i t i e l l e s pour l e module de calcul précédent.

Un module e x p l i c a t i f pour traduire l e chemine ment et les déductions du moteur d'inf érence. en s' appuyant sur l e s règles utlisées. \

Nettement séparée de XPENT dans un premier temps une base de données de cas réels, qui devrait permettre d ' i l l u s t r e r l e cas traité par des relations de ressemblance. Cette base exploitée de façon classique devrait aussi

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PENTE

Site : Little Creek Commune : Bradwell Région : Essex Propriétaire : P. W. Smith Matériau principal : Sol argileux Hauteur :30m Pente moyenne :9°

SOL ARGILEUX

Identification Argile silteuse %<2um 75 Teneur en eau, % 34 Indice des vides 0,91 Poids volumique , kN/m 3 18,6 Limite de liquidité .78 Indice de plasticité 49 Perméabilité, m/s •n

4x10 Cohésion non drainée , kPa 175 Angle de frottement en normal consolidé 21"

Flg. S — Exemples de prototypes ou "trames"

permettre 1' élaboration ou l'amélioration règles pour l a base de connaisances.

de

I l est apparu très v i t e l o r s du développement du système probatoire que XPENT s e r a i t un gros sys­tème comportant plus de 1 000 règles nécessitant par conséquent un moteur d'inférences très performant. I l est aussi apparu que les problè­mes traités se prêtaient très bien à 1' usage de prototypes ou "frames". [SEVE, 1987] Un prototy­pe est une structure de données qui décrit des objets-types. La figure 5 montre deux exemples de prototypes du domaine étudié : "pente" et "sol argileux" qui contiennent un cer t a i n nombre de caractéristiques que 1' on retrouve dans tou­tes l e s "pentes" ou "sols argileux" et des va­riables qui permettent de caractériser une pente ou un s o l argileux p a r t i c u l i e r . Enfin chaque prototype peut contenir d'autres prototypes, comme c' est l e cas pour " sols argileux" qui i n ­tervient dans l e prototype "pente" dans 1' exem­ple de l a figure 5. L' u t i l i s a t i o n de prototypes nécessite des aptitudes particulières du moteur d'inférences mais, par l a manipulation de blocs de données, accroît considérablement 1' e f f i c a c i ­té du système.

Bien que pas encore définitif, l e choix du mo­teur d'inférences s' oriente vers SMECI, mis au point par les chercheurs de l ' I n s t i t u t National de Recherches en Informatique Appliquée à Nice, France et qui est bien adapté aux problèmes de génie, tout particulièrement à ceux de génie c i ­v i l [NEVEU et HAREN, 1986]. SMECI est écrit dans un environnement Le Lisp et nécessite 5 mégaoc­tets de mémoire ; XPENT sera donc développé sur stat i o n de t r a v a i l de type Apollo ou Sun mais une f o i s finalisé, pourra être utilisé sur une machine de plus f a i b l e capacité. SMECI présente aussi 1' intérêt de pouvoir f a i r e usage d'incono-graphie pour caractériser des objets, [BOIROT, LEBASTARD, 1987] ce qui permettrait de réduire considérablement l e nombre de questions néces­saire à 1' établissement de l a base de f a i t s . Par exemple, pour définir l a sous-classe à laquelle

appartient une pente argileuse (figure 2) une dizaine de questions sont normalement nécessaires. SMECI permetttrait de projeter à 1' écran l a figure 2 et de définir l a sous-classe nous intéressant tout simplement à 1' aide d'un pointeur.

CONCLUSION

Dans l e but de préciser les orientations et les moyens de mettre en oeuvre pour l e développement du système-expert en stabilité des pentes XPENT, un système probatoire a été réalisé. Les p r i n c i ­pales conclusions et orientations pour 1' avenir du projet sont :

l e système sera structuré pour analyser l a stabilité des pentes d'abord qualitativmeent puis éventuellement quantitativement. Les métho­des de confortation seront introduites, XPENT devenant alors système expert en conception [MONTALBAN, 1987].

11 évaluation q u a l i t a t i v e de l a stabilité sera basée essentiellement sur l'observation, l a comparaison, géomorphologique et sur l'expé­rience.

1/ analyse quantitative sera résolue par cou­plage au système-expert de programmes de calcul du réseau d'écoulement et de l a stabilité en rupture c i r c u l a i r e ou non c i r c u l a i r e .

Le moteur d'inférences sera selon toutes v r a i semblances SMECI qui est bien adapté aux problè­mes de génie et qui f a i t usage de prototypes ou "frames".

REMERCIEMENTS

Les auteurs remercient les organismes France-Québec et Jacques C a r t i e r qui, en supportant f i ­nancièrement l a coopération entre 1' Ecole Natio­nale des Travaux Publics de 1' Etat de Vaulx-en-V e l i n et 1' Université Laval de Québec ont permis à XPENT de naître.

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