Article de recherche / Research Article

Estimation indirecte de la sensibilité au retrait-gonflement d’un sol par la méthode géophysique de polarisation provoquée

Indirect estimation of soil shrink-swell susceptibility using the induced polarization geophysical method

¹ GINGER CEBTP, 78990 Élancourt, Île-de-France, France
² Université Savoie Mont-Blanc, CNRS, UMR CN5204, 73370 Le Bourget-Du-Lac, Auvergne-Rhône-Alpes, France

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Résumé

La polarisation provoquée (PP) mesure la capacité d’un matériau à accumuler puis restituer progressivement des charges électriques après injection de courant. Utilisée conjointement à la résistivité électrique, elle permet de quantifier la teneur en eau et la Capacité d’Échange Cationique (CEC), paramètres clés du retrait-gonflement des argiles (RGA). Malgré d’importants progrès conceptuels et techniques, la validation de la PP pour estimer indirectement la sensibilité des sols au RGA reste limitée. Cette étude apporte une nouvelle contribution pour valider cette méthode. À partir de 39 échantillons argileux prélevés sur différents sites français affectés par le RGA, des mesures de polarisation provoquée ont été réalisées puis couplées aux mesures de teneur en eau à saturation, CEC, valeur au bleu de méthylène (VBS) et limites d’Atterberg. Les résultats montrent : (i) une forte corrélation linéaire entre la conductivité de surface et la CEC_VBS calculée à partir de la mesure de VBS (r² = 0,80) ou par la méthode de mesure directe utilisant la cobaltihexamine, CEC_Cohex3+, (r² = 0,60), (ii) la validation du modèle dit de « couche dynamique de Stern » pour prédire la CEC à partir de la PP en se basant sur les mesures sur 529 échantillons issus de la littérature et les mesures de la présente étude. À partir de ces travaux, des seuils ont été proposés pour classer les sols selon leur sensibilité au RGA à partir de la CEC (soit les valeurs de CEC = 3,7 ± 1,9 meq/100 g et 27 ± 9,9 meq/100 g). Pour cela, on s’inspire des classes de sensibilité reposant sur la VBS et la limite de liquidité. Au final, dans un contexte d’intensification des épisodes de sécheresse, ces résultats ouvrent la voie à une caractérisation non destructive, rapide et spatialement résolue des sols sensibles au RGA.

Abstract

Induced polarization (IP) is based on the ability of a material to store electrical charges during the injection of a primary current. The accumulation and depletion of these charges decay once the primary current is shut off. As an extension of the electrical resistivity method, the joint acquisition of these two parameters (polarization and conductivity) enables a quantitative characterization of some physicochemical properties of soils such as the water content and Cation exchange capacity (CEC), which are two useful parameters for characterizing clay shrinkage-swelling. Despite significant conceptual and technical advances, the validation of IP for the characterization of shrinking-swelling behavior of soils is so far limited. The goal of this study is to demonstrate how the IP method can be used to indirectly assess soil sensitivity to shrinking-swelling behavior. We compiled a dataset of 39 clay-rich soil samples collected from various sites in France affected by shrinking-swelling behavior. For each sample, we measured IP, water content at saturation, CEC, methylene blue value (MBV), and Atterberg limits. The results show (i) a strong linear correlation between surface conductivity, CEC_MBV measured from MBV (r² = 0.80) and from the cobaltihexamine method, CEC_Cohex3+ (r² = 0.60); (ii) the validity of the "dynamic Stern layer" model for predicting CEC from IP and tested on a combined dataset of 529 samples from our study and from the literature; and (iii) the definition of optimal CEC thresholds (3.7 and 27 meq/100 g) derived from MBV and liquid limit sensitivity classes using a dynamic threshold optimization algorithm. In the context of increasing drought and flood frequency and intensity, these results pave the way for the development of a non-destructive, rapid, and spatially resolved characterization of soils susceptible to shrinking-swelling behavior.