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1 Introduction

Parmi les formations argileuses du bassin sédimentaire de la région parisienne, les Argiles plastiques (AP) sont issues de l’érosion des manteaux d’altération établis autour du bassin sous les climats chauds et humides de la fin du Crétacé. Elles sont des produits de décomposition des roches par altération physico-chimique. Sur la bordure méridionale du Bassin parisien, les Argiles plastiques d’âge Sparnacien (Yprésien – Eocène inférieur) forment les premiers dépôts tertiaires et reposent sur la Craie campanienne (Filliat et Duvauchelle, 1981).

Etant donné la profondeur généralement importante et la qualité mécanique potentiellement médiocre des Argiles plastiques, bien que souvent surconsolidées, les concepteurs choisissent souvent d’éviter dans la mesure du possible cette couche complexe, voire problématique. Quelques retours d’expériences (Launay, 1990 ; Bouvet et Berbey, 1999 ; Lechantre et Trottin, 2007 ; Decker, 2012 ; Zhang et al., 2019), parfois accidentels (Schlosser et al., 1995 ; Meyer, 2018), ont montré de grands déplacements en calotte ou de fortes convergences des parois pour les ouvrages réalisés dans cette couche, très déformable avec la présence locale de poches de sables ou de lithofaciès sableux d’épaisseur pouvant atteindre plusieurs mètres. Les Argiles plastiques présentent également un comportement hydromécanique complexe, qui peut engendrer de grandes difficultés pour la mise en œuvre du terrassement et de la réalisation des ouvrages souterrains (CFMS, 2020).

Le projet Grand Paris Express (GPE) est un des plus grands projets de métro en Europe. Il comprend l’extension de quatre lignes de métro existantes (4, 11, 12 et 14), ainsi que la création de quatre nouvelles lignes (15, 16, 17 et 18). Soixante-huit nouvelles gares et 200 km de voies supplémentaires sont en cours de construction. Dans le cadre du projet GPE, les Argiles plastiques sont souvent rencontrées lors de la construction des puits et des gares, au moment de la mise en œuvre des parois moulées, et lors du creusement des tunnels. C’est pourquoi ces formations géologiques représentent un enjeu géotechnique majeur, tout comme les anciennes carrières anthropiques, les nappes d’eau souterraine, la dissolution du gypse et le gonflement des faciès argileux (Fluteaux, 2013). Ainsi, pour mieux appréhender les Argiles plastiques, de nombreux essais in situ et en laboratoire ont été réalisés.

Le présent article a pour but de présenter le contexte géologique et d’analyser les résultats de ces essais sur 3 zones représentatives au droit des lignes 14 et 15 (Fig. 1) :

• Coteau d’Issy (versant et plateau d’Issy-les-Moulineaux) ;

• Maison Blanche à Paris 13^e arrondissement (vallée de la Bièvre) ;

• Saint-Maur et Créteil (vallée et plateaux de la Marne).

Cette étude permettra d’améliorer la connaissance des comportements mécanique et hydrique des Argiles plastiques en fonction de la profondeur, ainsi que leur variabilité spatiale, afin de les mieux prendre en compte dans le dimensionnement des ouvrages souterrains.

Fig. 1 Localisation des 3 zones étudiées. Location of the 3 studied zones.

2 Contexte géologique

2.1 Environnement de dépôt

La zone des sédiments du Bassin parisien est caractérisée par la prédominance de minéraux argileux et alumineux, dont l’origine est essentiellement continentale, par l’altération de roches sédimentaires émergées, sous un climat chaud et humide. Le trait de la mer, à la fin du Crétacé, a provoqué en particulier l’émersion des terrains crayeux formant un vaste glacis soumis aux mêmes conditions climatiques. Ces matériaux, formés sur le continent anté-Eocène, ont été remobilisés au cours d’une période de rhexistasie à l’Yprésien inférieur, commençant il y a environ 55 millions d’années. En effet, avec le Sparnacien, largement étendu dans la région parisienne, la sédimentation reprend par une invasion marine progressive avec un complexe de dépôts fluvio-lacustres, lagunaires et littoraux, plus ou moins épais qui se disputent le secteur parisien. Les Argiles plastiques occupent le centre du bassin sédimentaire et correspondent à une zone de sédimentation vaseuse et argileuse (Soyer, 1953), contenant les mêmes minéraux argileux (Lucas et al., 1974 ; Thiry, 1999).

Les Argiles plastiques constituent donc les premiers dépôts tertiaires et se trouvent principalement à l’Ouest, au Sud et à l’Est du Bassin parisien. De ce fait, elles sont rencontrées à des profondeurs plus importantes par rapport à d’autres formations argileuses gonflantes, telles les Argiles vertes de Romainville ou les Marnes bleues d’Argenteuil (Mai et al., 2019) (Fig. 2). Généralement, l’épaisseur des Argiles plastiques varie entre 10 et 30 m, elles sont assez homogènes et compactes, constituées d’argiles pyriteuses en partie supérieure et d’argiles bariolées caractéristiques (gris, bleuâtres, verdâtres à grisâtres et lie de vin) en partie inférieure (Fig. 3). Elles constituent un horizon imperméable au sein de la série tertiaire parisienne. De plus, elles ont pu garder la mémoire d’une forte épaisseur de sédiments tertiaires érodés, dont l’épaisseur totale au-dessus de la craie pouvait atteindre 200 m avant l’érosion quaternaire, ce qui peut contribuer à expliquer leur caractère d’argiles surconsolidées en de nombreux secteurs, puis le recouvrement par des dépôts modernes après la dernière période glaciaire en Europe.

Les Argiles plastiques sont comparables aux formations argileuses gonflantes au Nord de l’Europe. Les Marnes de Sovind en Norvège (Gronbech et al., 2015), les argiles de Londres au Royaume-Uni (Abduljauwad et al., 1998 ; Reeves et al., 2006 ; Pantelidou et Simpson, 2007), de Boom en Belgique et des Flandres au Nord de la France (Khemissa et al., 1997 ; Josseaume, 1998) ont été déposées à la même époque et dans le même environnement sédimentaire marin. Elles ont également subi une histoire géologique et géomorphologique ultérieure similaire. Leur indice de plasticité (I_P) est proche de, voire supérieure à, la limite de plasticité comme illustré par le diagramme de Casagrande selon la classification BRGM (Mouroux et al., 1988) (Fig. 4, Tab. 7). Elles manifestent une grande capacité de fluage lorsqu’elles affleurent sur des versants. De plus, en cas d’apport d’eau extérieure et de relâchement des contraintes, elles peuvent développer de fortes pressions de gonflement.

Fig. 2 Coupe stratigraphique du Bassin parisien d’après BRGM (BRGM, 1973). Stratigraphic section of the Paris basin reworked after (BRGM, 1973).

Fig. 3 Photo des Argiles plastiques à Issy (haut) et à Paris 13e (bas). Photo of plastic clays in Issy (top) and Paris 13th (bottom).

Fig. 4 Indice de plasticité des Argiles plastiques sur le diagramme de Casagrande. Plasticity index of plastic clays on the Casagrande diagram.

2.2 Composition minéralogique

Les Argiles plastiques sont particulièrement consistantes à très consistantes. Le matériau, assez pur et homogène, est plus ou moins tendre et plastique lorsqu’il contient de l’eau, mais durcit rapidement et se fissure par dessication (Soyer, 1953).

La nature des minéraux présents dans les Argiles plastiques peut avoir une forte influence sur la dimension et les propriétés physico-chimiques des particules et agrégats argileux et donc sur le comportement du sol (Audiguier et al., 2007 ; CFMS, 2020). L’analyse minéralogique aide à comprendre leur comportement macrostructural en reliant celui-ci à la fois à leurs caractéristiques minéralogiques et microstructurelles.

Les minéraux alumineux (smectites, illites et kaolinites) sont les principaux constituants des Argiles plastiques. Parmi ces minéraux, les smectites ont une microstructure dans laquelle la liaison entre deux feuillets élémentaires est une liaison hydrogène faible, voire très faible, de sorte que jusqu’à six couches de molécules d’eau avec des ions peuvent s’intercaler facilement entre les feuillets. Ceci explique que ces particules sont sujettes à d’importants gonflements ou retraits en fonction de la teneur en eau. Les mécanismes de gonflement sont donc plus importants en présence des smectites. La microstructure des illites et des kaolinites consiste à deux feuillets élémentaires avec une liaison hydrogène forte qui assure la stabilité des plaquettes. Les mécanismes de gonflement sont donc moins importants en présence des illites et kaolinites (Lucas et al., 1974 ; Tran et al., 2013 ; CFMS, 2020).

Les argiles de la partie occidentale du Bassin parisien sont composées majoritairement de smectites, accompagnées d’inter-stratifiés kaolinites/smectites, avec des traces de kaolinites. Les argiles de la partie orientale du bassin débutent par un niveau dominant d’argile kaolinique et se terminent par un sable plus ou moins argileux, avec des lentilles de lignite inter-stratifiées et d’illite (Thiry, 1999).

2.3 Trois zones étudiées

De nombreux essais in situ et en laboratoire ont été réalisés sur les Argiles plastiques sur les lignes 14 et 15. Les essais in situ incluent les essais carottés, pressiométriques (avec cycles), destructifs, au dilatomètre, des essais sismiques cross-hole, les sondages pénétrométriques (CPT), les essais de perméabilité (Lugeon et Lefranc), etc. Les essais en laboratoire incluent les essais d’indentification, les essais œdométriques, les essais triaxiaux (CD, CU + u, UU), les essais de gonflement, etc. Ces essais permettent de définir l’état de contraintes initiales, les paramètres d’identification et les paramètres nécessaires à la caractérisation mécanique de la formation.

Les paramètres mécaniques nécessaires aux calculs comprennent principalement les paramètres de résistance (p_l*, c’, φ’, c_u) et les paramètres de déformabilité (E_M, E) d’une part, et les paramètres de gonflement d’autre part (C_s, C^*_s, σ’_g, R_g, σ’_A) selon la méthode d’essai. Pour les Argiles plastiques, le module de déformation peut être estimé par l’expression suivante : E = k*E_M/α, k est un coefficient empirique (généralement de 1 à 1,5), α est le coefficient de rhéologie dépendant de la nature du terrain (NF P94-261, 2013 ; NF P94-262, 2012). Trois type d’essais de gonflement ont été réalisés, à savoir des essais œdométriques avec chargement par paliers selon la norme XP P 94-090-1 (AFNOR, 1997) et plus récemment la norme NF EN ISO 17892-5 (AFNOR, 2017), des essais de gonflement à l’œdomètre selon la norme XP P 94-091 (AFNOR, 1995) et des essais de gonflement type Huder-Amberg (Serratrice et Soyez, 1996 ; Meyer et al., 2016).

Trois zones représentatives avec un nombre conséquent d’essais (Tab. 1) ont été choisies pour analyser les résultats. Ceci permettra d’élargir la connaissance des principales caractéristiques mécaniques des Argiles plastiques et de leur variation en fonction de la profondeur et de la localisation géographique.

Les 3 zones choisies sont présentées ci-dessous :

• Coteau d’Issy à Issy-Les-Moulineaux (L15 Sud-Ouest) : les Argiles plastiques sont rencontrées au Coteau d’Issy sur une épaisseur maximale d’environ 10 m (Nejjar, 2019) (Fig. 5) ;

• Maison Blanche à Paris 13^e arrondissement (L14 Sud) : les Argiles plastiques sont rencontrées sur une épaisseur maximale d’environ 20 m à la Maison Blanche (Bergere et Ropers, 2018 ; Zhang et al., 2020a, 2020b, 2021) (Fig. 6) ;

• Saint-Maur et Créteil (L15 Sud-Est) : les Argiles plastiques présentent une épaisseur maximale d’environ 30 m avec deux configurations des faciès, à savoir sous couverture de Calcaire grossier du Lutétien et sans couverture de Calcaire grossier (Fig. 7).

Les essais pressiométriques Ménard sont couramment utilisés en France et permettent de préparer les données d’entrée pour les calculs des ouvrages (Cassin, 1978). En même temps, les difficultés ont été rencontrées dans la réalisation des essais pressiométriques en raison de l’expansion des Argiles plastiques dans la cavité du forage et sa perturbation sur la mise en place de la sonde. Certains résultats des essais pressiométriques ont dû être réinterprétés, au regard des valeurs automatiquement enregistrées. De plus, la mise en œuvre des essais pressiométriques sur des passes de foration courtes est primordiale. Le pressiomètre auto-foreur est une bonne méthode pour la réalisation d’essais pressiométriques dans les formations argileuses, qui présente l’avantage de minimiser le remaniement du sol lors de sa mise en place.

Dans les chapitres suivants, nous présenterons zone par zone les résultats des essais pressiométriques et des essais de laboratoire (identification, triaxial, gonflement), ainsi que les corrélations entre les paramètres (Carter et Bentley, 2016). Dans le chapitre de discussion, nous essayons d’interpréter le comportement observé dans le contexte géologique de la formation des Argiles plastiques.

Fig. 5 Coupe géologique du Coteau d’Issy (voir Fig. 2 pour la légende). Geological section of the Coteau d’Issy (see Fig. 2 for the legend).

Fig. 6 Coupe géologique de la Maison Blanche à Paris 13e (voir Fig. 2 pour la légende). Geological section of the Maison Blanche in Paris 13th (see Fig. 2 for the legend).

Fig. 7 Coupe géologique à Saint-Maur et Créteil (voir Fig. 2 pour la légende). Geological section at Saint-Maur and Créteil (see Fig. 2 for the legend).

3 Coteau d’Issy (L15 Sud-Ouest)

Le coteau d’Issy se situe entre la vallée de la Seine et le plateau d’Issy. La vallée de la Seine est caractérisée par la Craie campanienne sub-affleurante sous faible couverture alluvionnaire d’une dizaine de mètres. Le coteau d’Issy constituant le versant ouest du plateau d’Issy est caractérisé par une forte épaisseur d’éboulis qui reposent successivement sur les alluvions de la Seine, le Calcaire grossier, les Argiles plastiques, les Marnes de Meudon et la Craie.

3.1 Essais in situ

Au coteau d’Issy, l’épaisseur des Argiles plastiques varie entre 8 et 10 m. Les résultats des essais pressiométriques sont présentés dans les figures 8 et 9, soit une cote entre 47 et 57 NGF (valeurs des E_M et p_l* en moyenne arithmétique). Les résultats montrent une tendance d’augmentation des caractéristiques mécaniques des Argiles plastiques avec la profondeur.

• E_M = −4,859*Z + 296,76 avec µ = 42,19 MPa, σ = 24,75 MPa et COV = 0,59 ;

• p_l* = −0,051*Z + 4,23 avec µ = 1,55 MPa, σ = 0,58 MPa et COV = 0,37.

Les essais Lugeon et Lefranc ont été réalisés pour identifier la perméabilité de la formation argileuse. La valeur du coefficient de perméabilité des Argiles plastiques présente un ordre de grandeur estimé à 10⁻⁸ m/s. Elles jouent hydrogéologiquement le rôle de séparateur entre horizons aquifères du fait de sa très faible perméabilité. Le niveau statique de la nappe du Lutétien, soutenue par les Argiles plastiques, et constituée par les aquifères du Calcaire grossier et des Marnes et Caillasses, se trouve autour de +61 NGF. Au droit du site, cette nappe d’eau souterraines est caractérisée comme libre. Une nappe profonde sous les Argiles plastiques, dans les formations aquifères des marnes de Meudon et la craie campanienne, présente un niveau statique vers +28 NGF.

Fig. 8 Module pressiométrique EM en fonction de la cote NGF (Coteau d’Issy). Pressuremeter modulus EM as a function of NGF (Coteau d’Issy).

Fig. 9 Pression limite pl* en fonction de la cote NGF (Coteau d’Issy). Pressuremeter limit pressure pl* as a function of NGF (Coteau d’Issy).

3.2 Essais en laboratoire

Les résultats des essais d’identification réalisés sur les Argiles plastiques permettent de mettre en évidence :

• le degré de saturation (S_r) moyen est de 96 %, les Argiles plastiques peuvent être considérées saturées dans leur état naturel. Le poids volumique humide (γ_h) moyen est de 20 kN/m³, le poids volumique sec (γ_d) moyen est de 15 kN/m³ ;

• la teneur en eau (w) moyenne est 29 %, les valeurs moyennes associées aux limites d’Atterberg sont : W_P = 28 %, W_L = 83 % et I_P = 55 %. L’aspect mécanique des Argiles plastiques peut être considéré comme très plastique.

Le phénomène de gonflement des Argiles plastiques peut être caractérisé par la pression de gonflement, sa valeur maximale correspond à la contrainte appliquée sur l’échantillon pour que sa déformation soit nulle. La pression de gonflement mesurée en laboratoire résulte principalement de deux phénomènes distincts dans les conditions définies par des essais : l’hydratation pour les sols non-saturés, qui dépend de leur nature physico-chimique, et le déchargement mécanique pour les sols saturés ou quasi-saturés.

Des essais œdométriques avec chargement par paliers ont été réalisés après une saturation des échantillons à 100 %. Les résultats de ces essais sont présentés dans le tableau 2.

Les valeurs moyennes des indices c_c, c_s, OCR et K₀ sont respectivement : c_c = 0,21 ; c_s = 0,05 ; OCR = 1,3 ; K₀ = 0,8. La valeur de K₀ est évaluée selon la formule K₀ = (1–sinφ’)*OCR^1/2 (NF P94-282, 2009).

Des essais de gonflement à l’œdomètre donnent les résultats présentés dans le tableau 3. La pression mesurée montre une variation importante entre 66 et 600 kPa. Ces essais permettent d’identifier les caractères gonflants des Argiles plastiques dus au phénomène hydrique. Cette pression de gonflement (σ’_g) n’est pas une caractéristique intrinsèque du sol mais varie en fonction de son état d’humidité au moment de l’essai, des caractéristiques propres de l’échantillon et de la profondeur de prélèvement de celui-ci.

Les essais triaxiaux caractérisent les paramètres de la résistance au cisaillement :

• des essais triaxiaux CD et CU + u donnent les caractéristiques drainées : c’ = 16 kPa et φ’ = 18° ;

• des essais triaxiaux UU donnent les caractéristiques non-drainées c_u : µ = 148 kPa, σ = 66 kPa et COV = 0,45 (Fig. 10).

Fig. 10 Résistance au cisaillement non drainée cu en fonction de la cote NGF (Coteau d’Issy). Undrained shear strength cu as a function of NGF (Coteau d’Issy).

4 Maison Blanche, Paris 13^e arrondissement (L14 Sud)

La Maison Blanche à Paris 13^e arrondissement se situe dans la vallée de la Bièvre, affluent de la Seine et canalisée aujourd’hui dans la zone étudiée. La géologie du site est caractérisée par une structure d’ensemble relativement horizontale, héritée des dépôts sédimentaires successifs.

4.1 Essais in situ

À la Maison Blanche, l’épaisseur maximale des Argiles plastiques est d’environ 20 m. Trois sous-couches se distinguent :

• l’horizon des Argiles plastiques supérieures (A.P. Sup.) ;

• l’horizon des Argiles plastiques moyennes (A.P. Moy.) ;

• l’horizon des Argiles plastiques inférieures (A.P. Inf.).

Les résultats des essais pressiométriques sont présentés dans les figures 11 et 12. Les résultats montrent une tendance d’augmentation des caractéristiques mécaniques des Argiles plastiques avec la profondeur. Plus les argiles sont profondes, plus cette tendance est évidente.

Pour les Argiles plastiques supérieures :

• E_M = −0,279*Z + 31,17 avec µ = 22,15 MPa, σ = 14,19 MPa et COV = 0,64 ;

• p_l* = −0,034*Z + 2,53 avec µ = 1,44 MPa, σ = 0,45 MPa et COV = 0,31.

Pour les Argiles plastiques moyennes :

• E_M = −0,423*Z + 44,28 avec µ = 32,98 MPa, σ = 16,94 MPa et COV = 0,51 ;

• p_l* = −0,102*Z + 4,73 avec µ = 1,99 MPa, σ = 0,70 MPa et COV = 0,35.

Pour les Argiles plastiques inférieures :

• E_M = −0,911*Z + 66,30 avec µ = 47,7 MPa, σ = 25,5 MPa et COV = 0,53 ;

• p_l* = −0,070*Z + 4,36 avec µ = 2,93 MPa, σ = 0,82 MPa et COV = 0,28.

Les essais Lugeon et Lefranc ont été réalisés pour identifier la perméabilité des Argiles plastiques. La valeur du coefficient de perméabilité est estimée entre 10⁻⁸ et 10⁻⁹ m/s.

Les piézomètres mis en place relèvent deux nappes principales, à savoir :

• la nappe libre du Lutétien située environ à +40 NGF dans le Calcaire grossier ;

• la nappe captive sous pression du Marno-calcaire de Meudon/Craie située environ à +28 NGF.

Le niveau du terrain naturel se situe vers +56 NGF. Les Argiles plastiques constituent un horizon imperméable séparant les deux nappes. La nappe dans la Craie est une nappe captive sous les Marnes de Meudon (Montien CMM) et présente souvent des flux ascendants à travers cette formation jusqu’aux Argiles plastiques. Il a été détecté, par ailleurs, de petites nappes d’eau localisées dans des lithofaciès sableux et présentant un niveau statique vers +31 NGF, en particulier au sud de la zone.

Fig. 11 Module pressiométrique EM en fonction de la cote NGF (Maison Blanche, Paris). Pressuremeter modulus EM as a function of NGF (Maison Blanche, Paris).

Fig. 12 Pression limite pl* en fonction de la cote NGF (Maison Blanche, Paris). Pressuremeter limit pressure pl* as a function of NGF (Maison Blanche, Paris).

4.2 Essais en laboratoire

Les résultats des essais d’identification permettent de mettre en évidence :

• le degré de saturation (S_r) moyen est de 90 %. Cette valeur légèrement inférieure à 100 % peut s’expliquer par une probable légère dessiccation intervenue dans le processus de sélection des échantillons après ouverture des gaines et réalisation des essais mécaniques. De ce fait, les Argiles plastiques peuvent être considérées comme saturées dans leur état naturel. Le poids volumique humide (γ_h) moyen est de 20 kN/m³ et le poids volumique sec (γ_d) moyen est de 16 kN/m³ ;

• la teneur en eau (w) moyenne est 24 %, les valeurs moyennes associées aux limites d’Atterberg sont : W_P = 31 %, W_L = 80 %, I_P = 49 %. Ces valeurs confirment l’aspect mécanique très plastique de ces argiles ;

• la teneur en carbonates est inférieure à 10 %, et la teneur en matières organiques est inférieure ou égale à 8 %.

Les résultats des essais œdométriques avec chargement par paliers sont présentés dans le tableau 4. Les valeurs moyennes des indices c_c, c_s, OCR et k₀ sont respectivement : c_c = 0,23 ; c_s = 0,09 ; OCR = 2,2 ; k₀ = 1. On note la valeur particulièrement élevée de l’indice de gonflement c_s = 0,09, représentant le gonflement potentiel des Argiles plastiques issu du déchargement mécanique. Le travail de Broquet (1976) fait état de valeurs moyennes de c_c = 0,15 et c_s = 0,05 pour les Argiles plastiques normalement consolidées dans la zone de Paris 13^e (hors vallée de la Bièvre).

Des essais de gonflement à l’œdomètre ont également été réalisés. Les résultats de ces essais de gonflement sont présentés dans le tableau 5. Les pressions mesurées montrent une grande disparité entre 122 et 1200 kPa.

Les essais triaxiaux permettent de caractériser les paramètres de résistance au cisaillement :

Des essais triaxiaux CD et CU + u donnent les caractéristiques drainées : c’ = 20 kPa et φ’ = 16°.

Des essais UU confirment les trois sous-couches des Argiles plastiques (Fig. 13), et donnent les caractéristiques non-drainées :

• Argiles plastiques supérieures c_u : µ = 117 kPa, σ = 61 kPa et COV = 0,52 ;

• Argiles plastiques moyennes c_u : µ = 155 kPa, σ = 55 kPa et COV = 0,35 

• Argiles plastiques inférieures c_u : µ = 217 kPa, σ = 117 kPa et COV = 0,54.

Fig. 13 Résistance au cisaillement non drainée cu en fonction de la cote NGF (Maison Blanche, Paris). Undrained shear strength cu as a function of NGF (Maison Blanche, Paris).

5 Saint-Maur et Créteil (L15 Sud-Est)

Différents contextes géologiques sont observés dans la zone Saint-Maur et Créteil. À l’Ouest vers Créteil, le site est sous le plateau de Créteil et la butte de Halage. Au centre, le site est au niveau de la plaine alluviale de la Marne. À l’Est vers Saint-Maur, le site est sous la butte de Saint-Maur délimitée par le méandre de la Marne.

5.1 Essais in situ

Pour les Argiles plastiques, deux configurations de faciès se distinguent :

• Argiles plastiques sans couverture de Calcaire grossier ;

• Argiles plastiques sous couverture de Calcaire grossier.

Au sein des Argiles plastiques sans couverture, deux ensembles géotechniques ont pu être identifiés :

• en partie supérieure, un premier horizon de quelques mètres d’épaisseur d’Argiles plastiques définies comme « détendues », avec des caractéristiques géomécaniques faibles, tels le module pressiométrique E_M et la pression limite p_l* ;

• suivi d’un second horizon d’Argiles plastiques dites saines, présentant des caractéristiques mécaniques normales.

Les Argiles plastiques sous couverture ne présentent pas cette différenciation. Elles sont raides, et relativement homogènes d’un point de vue mécanique, avec de bonnes valeurs de résistance à la compression. Dans ce secteur, des lithofaciès sableux d’épaisseurs variables, de 0,5 à 6 m, ont été identifiés localement.

Les résultats des essais pressiométriques sont présentés dans les figures 14 et 15. Les résultats montrent une tendance d’augmentation des caractéristiques mécaniques avec la profondeur.

Pour les Argiles plastiques « détendues » (sans couverture) :

• E_M = −0,892*Z + 48,88 avec µ = 27,31 MPa, σ = 15,27 MPa et COV = 0,56 ;

• p_l* = −0,007*Z + 0,91 avec µ = 0,75 MPa, σ = 0,20 MPa et COV = 0,27.

Pour les Argiles plastiques saines (sans couverture) :

• partie supérieure : E_M = −4,166*Z + 112,91 avec µ = 41,14 MPa, σ = 27,14 MPa et COV = 0,66 ;

• partie inférieure : E_M = −1,468*Z + 73,86 avec µ = 62,12 MPa, σ = 37,89 MPa et COV = 0,61 ;

• partie supérieure : p_l* = −0,052*Z + 2,03 avec µ = 1,13 MPa, σ = 0,40 MPa et COV = 0,36 ;

• partie inférieure : p_l* = −0,060*Z + 2,07 avec µ = 1,59 MPa, σ = 0,55 MPa et COV = 0,34.

Pour les Argiles plastiques sous couverture :

• partie supérieure : E_M = −10,108*Z + 261,34 avec µ = 90,25 MPa, σ = 55,26 MPa et COV = 0,61 ;

• partie inférieure : E_M = −3,027*Z + 132,77 avec µ = 123,78 MPa, σ = 119,49 MPa et COV = 0,97 ;

• partie supérieure : p_l* = −0,006*Z + 1,79 avec µ = 1,44 MPa, σ = 0,45 MPa et COV = 0,31 ;

• partie inférieure : p_l* = −0,066*Z + 3,22 avec µ = 3,02 MPa, σ = 1,82 MPa et COV = 0,60.

Des essais Lugeon et Lefranc ont été réalisés pour mesurer la perméabilité des Argiles plastiques. La valeur du coefficient de perméabilité est estimée entre 10⁻⁸ et 10⁻⁹ m/s.

La nappe du Lutétien (Calcaire grossier) est à environ +33 NGF, tandis que celle de la Craie, captive et sous pression, se situe vers +28 NGF.

Fig. 14 Module pressiométrique EM en fonction de la cote NGF (Saint-Maur et Créteil) sans couverture (haut) et sous couverture (bas). Pressuremeter modulus EM as a function of NGF (Saint-Maur and Créteil) without cover (top) and with cover (bottom).

Fig. 15 Pression limite pl* en fonction de la cote NGF (Saint-Maur et Créteil) sans couverture (haut) et sous couverture (bas). Pressuremeter limit pressure pl* as a function of NGF (Saint-Maur and Créteil) without cover (top) and with cover (bottom).

5.2 Essais en laboratoire

Les résultats des essais d’identification permettent de mettre en évidence :

• pour A.P. « détendues » sans couverture : S_r = 99 %, γ_h = 19 kN/m³, γ_d = 15 kN/m³ ; pour A.P. saines sans couverture : S_r = 99 %, γ_h = 20 kN/m³, γ_d = 16 kN/m³ ; pour A.P. sous couverture : S_r = 97 %, γ_h = 20 kN/m³, γ_d = 16 kN/m³. Les Argiles plastiques peuvent être considérées saturées dans leur état naturel ;

• pour A.P. « détendues » sans couverture : w = 32 %, W_P = 29 %, W_L = 95 %, I_P = 66 % ; pour A.P. saines sans couverture : w = 29 %, W_P = 26 %, W_L = 78 %, I_P = 52 % ; pour A.P. sous couverture : w = 26 %, W_P = 27 %, W_L = 80 %, I_P = 53 %. Ces valeurs confirment l’aspect mécanique très plastique des Argiles plastiques.

Des essais œdométriques avec chargement par paliers ont donné les résultats synthétisés dans le tableau 6.

Les valeurs moyennes des indices c_c, c_s, OCR et k₀ sont respectivement :

• pour les Argiles plastiques sans couverture : c_c = 0,24 ; c_s = 0,07 ; OCR = 3,2 ; k₀ = 1,3 ;

• pour les Argiles plastiques sous couverture : c_c = 0,22 ; c_s = 0,06 ; OCR = 2,9 ; k₀ = 1,2.

Les résultats des essais de gonflement à l’œdomètre et de type Huder Amberg sont illustrés par la figure 16. Les pressions mesurées montrent une grande disparité entre 62 et 1780 kPa.

De plus, des essais de diffraction aux rayons X réalisés montrent un pourcentage moyen de 60 % de kaolinites, 20 % d’illites et 20 % d’inter-stratifiés illites/smectites. La proportion en minéraux argileux sensibles au gonflement est a priori faible.

Les essais triaxiaux caractérisent les paramètres de la résistance au cisaillement :

Des essais triaxiaux CD et CU + u donnent les caractéristiques drainées :

• Argiles plastiques « détendues » (sans couverture) : c’ = 10 kPa et φ’ = 20° ;

• Argiles plastiques saines (sans couverture) : c’ = 30 kPa et φ’ = 15° ;

• Argiles plastiques sous couverture : c’ = 40 kPa et φ’ = 15°.

Des essais triaxiaux UU donnent les caractéristiques non-drainées (Fig. 17) :

• Argiles plastiques « détendues » (sans couverture) c_u : µ = 103 kPa, σ = 20 kPa et COV = 0,19 ;

• Argiles plastiques saines (sans couverture) c_u :

• partie supérieure : µ = 108 kPa, σ = 56 kPa et COV = 0,51 ;

• partie inférieure : µ = 121 kPa, σ = 45 kPa et COV = 0,37.

• Argiles plastiques sous couverture c_u :

• partie supérieure : µ = 96 kPa, σ = 58 kPa et COV = 0,61 ;

• partie inférieure : µ = 122 kPa, σ = 71 kPa et COV = 0,58.

Fig. 16 Pressions de gonflement mesurées par des essais de gonflement (Saint-Maur et Créteil). Swelling pressures measured by swelling tests (Saint-Maur and Créteil).

Fig. 17 Résistance au cisaillement non drainée cu en fonction de la cote NGF (Saint-Maur et Créteil) sans couverture (haut) et sous couverture (bas). Undrained shear strength cu as a function of NGF (Saint-Maur and Créteil) without cover (top) and with cover (bottom).

6 Discussion

Nous avons présenté au chapitre 2 le contexte géologique de la formation des Argiles plastiques du Bassin parisien, ainsi que ses compositions minéralogiques. Ensuite, aux chapitres 3, 4 et 5, nous avons présenté respectivement les résultats des essais in situ et en laboratoire sur 3 zones représentatives, réparties spatialement : le coteau d’Issy au Sud-Ouest, la Maison Blanche, Paris 13^e au Sud et la zone Saint-Maur et Créteil au Sud-Est du Bassin parisien. Ces analyses sur les paramètres géotechniques et géomécaniques nécessaires pour le dimensionnement des ouvrages ont été menées en fonction de la profondeur (cote NGF) des essais. La synthèse des analyses sur les essais réalisés (valeur moyenne et coefficient de variation) est présentée dans le tableau 7.

Grâce aux résultats de ces essais, les points suivants ont pu être mis en évidence :

• les essais ont montré la variabilité spatiale des paramètres géotechniques des Argiles plastiques dans les différents contextes géologiques, qui peut impacter la conception et le dimensionnement des ouvrages.

• les Argiles plastiques sont saturées dans leur état naturel (S_r proche de 100 %), et présentent une moyenne de l’indice de plasticité I_P élevée (supérieure à 50), les caractérisant comme très plastiques.

• les essais pressiométriques montrent que les caractéristiques mécaniques (E_M et p_l*) augmentent avec la profondeur. En fonction de leur valeur et de la présence ou non de couverture de Calcaire grossier, les Argiles plastiques peuvent être distinguées en deux ou trois sous faciès.

• le paramètre non drainé c_u des Argiles plastiques augmente avec la profondeur.

• les paramètres drainés (c’, φ’) des Argiles plastiques sont intrinsèques. Ils peuvent avoir les mêmes valeurs pour toute la couche ou des valeurs légèrement différentes selon les sous faciès.

• la contrainte horizontale et la poussée horizontale, qui s’exercera sur les structures, dépendent de l’état de surconsolidation des terrains. Le coefficient des terres au repos K₀ varie entre 0,8 et 1,3 pour les Argiles plastiques, et peut être pris égal à 1 dans les calculs.

• les essais de diffractométrie aux rayons X permettent de quantifier leur composition minéralogique. Le potentiel de gonflement des Argiles plastiques à long terme dépend à la fois de leur composition minérale (illites – peu gonflantes, kaolinites – peu gonflantes et smectites – gonflantes) et des conditions in situ (compacité, saturation, microstructure et microfissuration, etc.).

En effet, le gonflement d’un sol argileux saturé dans son état naturel résulte de la diminution des contraintes en place après l’excavation. Il peut inclure deux parties :

• un gonflement lié à la décompression des terrains surconsolidés sous l’effet du déchargement lié à une excavation ;

• un gonflement lié à l’hydratation de minéraux argileux sensibles (smectites, les montmorillonites en particulier) suite à l’arrivée d’eau.

Les essais de gonflement réalisés en laboratoire intègrent ces deux phénomènes. Par contre, les essais de gonflement montrent une grande disparité pour la pression mesurée. Il convient de ne pas considérer la pression de gonflement (définie en contrainte totale) supérieure à la contrainte totale initiale. De plus, il est important de garder à l’esprit que la surconsolidation (OCR) de ces terrains influe fortement sur les résultats des essais.

Dans le cas d’un terrain purement cohérent et relativement homogène comme les Argiles plastiques, l’AFTES recommande d’évaluer la stabilité du front de taille d’un tunnel en évaluant le facteur de charge N au niveau du tunnel (AFTES GT16R1F1, 1995) : N = (γ*H + σ_S − σ_T) / c_u. Pour γ = 20 kN/m³, H = 30 m, σ_S = 0 kPa et c_u = 100 kPa, on obtient un facteur de charge N = 6 en l’absence de confinement, soit une valeur incompatible avec la stabilité du front. Les instabilités locales peuvent se manifester à partir de N = 3, et la rupture du front se produit lorsque la valeur du facteur de charge N est proche de 6.

On en déduit qu’en pleine section, la stabilité du front n’est pas assurée sans confinement. En conséquence, lors de travaux en méthode traditionnelle, il convient d’éviter que la section d’excavation soit entièrement incluse dans la couche des Argiles plastiques. Un confinement peut être appliqué au moyen d’un boulonnage longitudinal dense si l’adhérence des boulons est suffisante, ou bien en excavant en section divisée avec mise en œuvre immédiate d’un soutènement après chaque passe d’excavation. Il est important de pouvoir conserver l’état hydrique naturel des Argiles plastiques, une couche de béton projeté de plusieurs centimètres peut être mise en place rapidement après chaque passe de terrassement afin d’étancher au mieux les Argiles plastiques et ainsi limiter leur déshydratation. Dans le cas de l’excavation au tunnelier, la stabilité du front doit être assurée par l’application d’une pression de confinement suffisante et bien évidemment en continu. La mise en œuvre d’un mortier de bourrage relativement souple et inertiel permet d’absorber le gonflement des Argiles plastiques afin de réduire la pression appliquée sur les voussoirs. L’utilisation d’une mousse biodégradable permet également d’assurer une lubrification dans la chambre d’abattage et dans le corps de vis afin d’améliorer les paramètres de creusement.

Devant la variabilité spatiale des paramètres géotechniques des Argiles plastiques, le choix d’une valeur unique à retenir pour un calcul déterministe s’avère délicat. Une description de cette variabilité par la valeur moyenne et le coefficient de variation semble plus pertinente, les analyses d’interaction sol-structure peuvent être effectuées à l’aide de la méthode probabiliste, associée aux niveaux cibles de sécurité ou performance avec les probabilités de défaillance (ou les indices de fiabilité) correspondants (Zhang et Toutlemonde, 2020) et couplée d’une retro-analyse en méthode Bayésienne (Zhang et Commend, 2021).

7 Conclusions

Cet article présente un ensemble d’essais sur les Argiles plastiques de la région parisienne, et leur analyse. Trois zones représentatives ont été étudiées, choisies à la fois pour leur localisation géographique et pour leur contexte géotechnique. Les auteurs tentent d’analyser les Argiles plastiques zone par zone. L’étude menée dans chaque zone a mis l’accent sur la corrélation entre les caractéristiques mécaniques et la profondeur des Argiles plastiques, repérée par la cote NGF.

Les informations nouvelles mises en évidence par cet article concernent la déformabilité/rigidité, la résistance, le gonflement, la surconsolidation et la perméabilité, ainsi que la variabilité spatiale des différents paramètres géotechniques. Cette étude présente un intérêt particulier en raison des nombreuses applications offertes à destination de l’ingénierie géotechnique, en particulier concernant l’évaluation de la stabilité, les méthodes de construction et le planning des travaux. Les analyses des nombreuses données et essais selon leur contexte géologique ont conduit aux conclusions suivantes :

• les campagnes de reconnaissances ont permis de constituer une base de données consistante sur les Argiles plastiques et de mettre en évidence leur variabilité spatiale.

• les Argiles plastiques sont saturées dans leur état naturel, et elles peuvent être considérées comme imperméables car leur coefficient de perméabilité est très faible.

• les résistances mécaniques des Argiles plastiques augmentent avec leur profondeur. Le paramètre non drainé c_u est important pour assurer la stabilité de front de taille.

• les essais montrent l’importance de la couverture de Calcaire grossier. Sous les alluvions (sans couverture), une partie supérieure des Argiles plastiques est « détendue » avec des caractéristiques mécaniques faibles. Sous la couverture de Calcaire grossier, les Argiles plastiques présentent un comportement plus homogène.

• le gonflement des Argiles plastiques doit être pris en compte dans la conception et le dimensionnement des ouvrages souterrains. Il inclut principalement deux parties, déchargement mécanique et gonflement hydrique dépendant des composants minéraux. Il convient d’adopter les dispositions constructives en fonction des méthodes de construction pour protéger les Argiles plastiques de la perte d’eau à chaque passe afin de conserver leur état hydrique naturel et en particulier leur état saturé en place.

Les résultats des essais et les analyses géotechniques permettront d’établir les hypothèses pour la modélisation des Argiles plastiques. Par contre, il est prudent de ne pas transposer ces caractéristiques des Argiles plastiques des zones étudiées dans cet article, telles quelles à d’autres zones de la région parisienne, en raison de leur variabilité spatiale. De plus, le gonflement des Argiles plastiques est complexe et fait intervenir plusieurs mécanismes (hydriques, mécaniques et physico-chimiques). Les reconnaissances géologiques, les analyses géotechniques et les suivis géotechniques pendant les travaux sont les moyens nécessaires, voire incontournables, pour appréhender correctement le comportement des Argiles plastiques afin de réduire les risques géotechniques associés. Pour les types de sols comme les Argiles plastiques avec une variabilité spatiale importante, la méthode probabiliste peut être une meilleure solution pour analyser son comportement et son interaction avec les ouvrages, à condition toutefois de disposer d’un nombre important de résultats d’essais géotechniques, accompagnée par la méthode observationnelle.

Notations

E : Module de déformation

E_M : Module pressiométrique

p_l* : Pression limite nette

α : Coefficient rhéologique

c’ : Cohésion drainée

φ’ : Angle de frottement interne drainé

c_u : Cohésion non drainée

γ_h : Poids volumique humide

γ_d : Poids volumique sec

e : Indice des vides

e₀ : Indice des vides initial

w_L : Limite de liquidité

w_P : Limite de plasticité

I_P : Indice de plasticité

w : Teneur en eau

S_r : Degré de saturation

C_c : Indice de compression

C_s : Indice de gonflement

C^*_s : Indice de gonflement divisé par (1 + e₀)

σ’_v0 : Contrainte effective initiale lors d’un essai œdométrique avec chargement par paliers

σ’_p : Contrainte de préconsolidation, correspondant à la contrainte effective maximale sous laquelle le sol s’est déjà consolidé au cours de son histoire

OCR : Rapport de surconsolidation (OCR = σ’_p/σ’_v0)

K₀ : Coefficient des terres au repos

σ’_g : Pression de gonflement à l’œdomètre

R_g : Rapport de gonflement à l’œdomètre

σ’_A : Pression de gonflement d’un essai Huder–Amberg

N : Facteur de charge pour la stabilité du front de taille

σ_T : Pression de soutènement/confinement appliquée au front de taille

σ_S : Surcharge appliquée en surface

γ : Densité du sol

H : Hauteur de la couverture dans l’axe du tunnel

µ : Valeur moyenne du paramètre

σ : Écart type du paramètre

COV : Coefficient de variation du paramètre (COV = σ/µ)

Références

Liste des tableaux

Liste des figures

	Fig. 1 Localisation des 3 zones étudiées. Location of the 3 studied zones.
Dans le texte

	Fig. 2 Coupe stratigraphique du Bassin parisien d’après BRGM (BRGM, 1973). Stratigraphic section of the Paris basin reworked after (BRGM, 1973).
Dans le texte

	Fig. 3 Photo des Argiles plastiques à Issy (haut) et à Paris 13e (bas). Photo of plastic clays in Issy (top) and Paris 13th (bottom).
Dans le texte

	Fig. 4 Indice de plasticité des Argiles plastiques sur le diagramme de Casagrande. Plasticity index of plastic clays on the Casagrande diagram.
Dans le texte

	Fig. 5 Coupe géologique du Coteau d’Issy (voir Fig. 2 pour la légende). Geological section of the Coteau d’Issy (see Fig. 2 for the legend).
Dans le texte

	Fig. 6 Coupe géologique de la Maison Blanche à Paris 13e (voir Fig. 2 pour la légende). Geological section of the Maison Blanche in Paris 13th (see Fig. 2 for the legend).
Dans le texte

	Fig. 7 Coupe géologique à Saint-Maur et Créteil (voir Fig. 2 pour la légende). Geological section at Saint-Maur and Créteil (see Fig. 2 for the legend).
Dans le texte

	Fig. 8 Module pressiométrique EM en fonction de la cote NGF (Coteau d’Issy). Pressuremeter modulus EM as a function of NGF (Coteau d’Issy).
Dans le texte

	Fig. 9 Pression limite pl* en fonction de la cote NGF (Coteau d’Issy). Pressuremeter limit pressure pl* as a function of NGF (Coteau d’Issy).
Dans le texte

	Fig. 10 Résistance au cisaillement non drainée cu en fonction de la cote NGF (Coteau d’Issy). Undrained shear strength cu as a function of NGF (Coteau d’Issy).
Dans le texte

	Fig. 11 Module pressiométrique EM en fonction de la cote NGF (Maison Blanche, Paris). Pressuremeter modulus EM as a function of NGF (Maison Blanche, Paris).
Dans le texte

	Fig. 12 Pression limite pl* en fonction de la cote NGF (Maison Blanche, Paris). Pressuremeter limit pressure pl* as a function of NGF (Maison Blanche, Paris).
Dans le texte

	Fig. 13 Résistance au cisaillement non drainée cu en fonction de la cote NGF (Maison Blanche, Paris). Undrained shear strength cu as a function of NGF (Maison Blanche, Paris).
Dans le texte

	Fig. 14 Module pressiométrique EM en fonction de la cote NGF (Saint-Maur et Créteil) sans couverture (haut) et sous couverture (bas). Pressuremeter modulus EM as a function of NGF (Saint-Maur and Créteil) without cover (top) and with cover (bottom).
Dans le texte

	Fig. 15 Pression limite pl* en fonction de la cote NGF (Saint-Maur et Créteil) sans couverture (haut) et sous couverture (bas). Pressuremeter limit pressure pl* as a function of NGF (Saint-Maur and Créteil) without cover (top) and with cover (bottom).
Dans le texte

	Fig. 16 Pressions de gonflement mesurées par des essais de gonflement (Saint-Maur et Créteil). Swelling pressures measured by swelling tests (Saint-Maur and Créteil).
Dans le texte

	Fig. 17 Résistance au cisaillement non drainée cu en fonction de la cote NGF (Saint-Maur et Créteil) sans couverture (haut) et sous couverture (bas). Undrained shear strength cu as a function of NGF (Saint-Maur and Créteil) without cover (top) and with cover (bottom).
Dans le texte