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J.S. Held publie ses perspectives sur les risques et les opportunités qui devraient avoir un impact sur les organisations en 2025
En savoir plusLes spécialistes de la géotechnique axent la majorité de leurs recherches sur les « trois G », à savoir la géologie, les eaux souterraines et la géométrie. Le lien entre les trois G est à l'origine d'éléments fondamentaux de la composition de la Terre et des processus hydrologiques. La compréhension des relations entre les trois G est essentielle à divers domaines, notamment la science de l'environnement, l'ingénierie et le développement d'infrastructures, ainsi que la gestion des ressources. Qu'il s'agisse d'influencer à travers l'histoire le lieu et la manière dont les établissements humains se développent ou de contrôler la conception technique et la construction de nouveaux aménagements, le non-respect des trois G peut s'avérer périlleux.
Les fondations de toutes les constructions et de tous les développements de l'humanité reposent sur la croûte terrestre. Il est essentiel de comprendre la géologie, le comportement des eaux souterraines et la géométrie des conditions de surface et souterraines avant que les êtres humains n'entreprennent de construire sur le sol, de le traverser, d'y creuser, de le retenir ou de le soutenir. Les conditions géologiques déterminent la manière dont nous concevons et construisons les fondations, les machines nécessaires à l'excavation pour la construction et, dans certains cas, les sites que nous décidons d'aménager. De même, la géométrie du paysage et des couches souterraines de terre et de roche influencera fortement la conception et le coût du développement d'un site. Enfin, il est également essentiel d'appréhender les nappes souterraines, que ce soit pour créer une source d'approvisionnement en eau, anticiper la pollution et protéger les systèmes environnementaux, ou pour concevoir et construire efficacement des bâtiments ou des infrastructures.
Dans cet article, nous présentons des exemples de la manière dont les trois G ont dicté le développement humain, des solutions créatives qui illustrent comment les trois G peuvent être utilisés au profit de l'homme et, au contraire, comment les trois G peuvent engendrer des dommages matériels de plusieurs millions de dollars, des retards sur les chantiers de construction ou des blessures et des décès s'ils ne sont pas pris en compte de manière appropriée. Les informations suivantes peuvent présenter un intérêt particulier pour les propriétaires, les promoteurs, les ingénieurs, les architectes, les professionnels spécialisés dans l'assurance de biens et les avocats travaillant dans le domaine des vices de construction.
La lagune de Venise, en Italie, est un exemple de la manière dont les trois G ont façonné le monde dans lequel nous vivons aujourd'hui. L'actuelle lagune de Venise, parsemée de chenaux et de canaux utilisés comme principal moyen de transport, est essentiellement dû au développement humain qui a suivi le retrait glaciaire et l'aménagement du littoral qui en a résulté il y a de 6 000 à 7 000 ans environ. Dès la Rome antique, les Vénitiens ont compris l'enjeu stratégique de la lagune. Entourée d'eau, elle servait de rempart naturel contre les invasions ennemies et de plaque tournante pour le commerce maritime.
Image 1 - Vue aérienne de la lagune de Venise d'aujourd'hui.
Cependant, la géologie de la région représentait un défi concernant la construction et le développement. La région était principalement une zone humide composée de vasières, de marais salants et de bas-fonds, avec quelques lagunes couvertes d'eau libre ou de terre ferme. Les sols peu profonds de la région sont constitués en grande partie de tourbe, un matériau organique qui n'est pas adapté aux fondations en raison de sa compressibilité élevée ou de son tassement sous l'effet de charges et de son potentiel de dégradation au fil du temps. Afin de prévenir les dommages aux bâtiments, les Vénitiens ont mis au point une méthode de pose de fondations profondes semblables aux pieux en bois actuels. Ils récoltaient des arbres de grande taille dans les forêts avoisinantes et les enfonçaient dans le sol jusqu'à atteindre la profondeur de la couche d'argile dure qui se trouve sous la tourbe organique. La couche d'argile dure permettait de soutenir les pieux par l'intermédiaire des appuis et de la résistance au frottement. Des poutres ont été posées sur les pieux verticaux en couches horizontales, puis de la pierre calcaire a été placée sur les poutres afin de créer un socle de construction.
De nombreux sols représentent un défi pour les ingénieurs et les entrepreneurs, et les sols organiques ne font pas exception. Ne pas identifier un sol de type organique avant d'engager des travaux de construction peut entraîner une augmentation des coûts, et souvent une modification de la conception et du calendrier. Si ce processus n'est réalisé qu'une fois la construction achevée et que des dommages dus au tassement se sont produits, les coûts de remise en état et les répercussions sur le calendrier seront omniprésents. Un programme d'étude géotechnique approfondi, associé à l'élaboration d'une base ou d'un modèle géotechnique, est essentiel pour éviter que ces types de problèmes n'affectent un projet de manière préjudiciable. Le coût d'une étude géotechnique globale et de l'élaboration d'un modèle de référence est peu élevé par rapport au coût de la résolution de ce type de problèmes pendant le chantier ou après son achèvement.
Image 2 - Représentation historique illustrant l'installation de pieux en bois pour créer des fondations dans des conditions de sol peu profond. (Source : https://theconstructor.org/case-study/venice-foundation-details/224185/).
Les sols organiques ne sont qu'une des nombreuses conditions géologiques qui peuvent entraîner des complications lors des différents projets de construction. Les gouffres sont une autre caractéristique géologique qui peut couramment causer des dommages coûteux aux bâtiments en raison des tassements ou des retards coûteux en ce qui concerne la construction. Ils sont fréquents dans les régions où l'on trouve des roches carbonatées telles que le calcaire et la dolomie. Les gouffres se forment par la migration des eaux souterraines et la dissolution du substrat rocheux au fil du temps. La dissolution entraîne la formation de cavités, qui ne sont généralement pas découvertes si le sol qui les recouvre dispose d'une résistance et d'une épaisseur suffisantes pour combler le vide. Toutefois, si la cavité dans la roche est assez importante ou si l'épaisseur du sol qui la recouvre est relativement faible, des gouffres se créent lorsque les sols sus-jacents s'affaissent ou s'effondrent dans la cavité, ce qui peut provoquer des dépressions ou des trous à la surface du sol. Les structures qui reposent sur le sol ou la roche sous-jacent peuvent être affectées.
Les gouffres peuvent endommager des bâtiments résidentiels, commerciaux ou industriels existants et sont également connus pour causer des dommages ou des retards importants sur les chantiers de construction. Il arrive souvent que l'aménagement déclenche l'apparition d'un gouffre en raison de la concentration d'eau dans une zone isolée, telle qu'un bassin d'eaux pluviales ou une installation de rétention d'eau souterraine, ou en raison de modifications de la nappe phréatique dues à l'assèchement. Des études et une planification appropriées avant la construction peuvent limiter le risque que les gouffres nuisent à un projet de construction.
Image 3 - Vue d'ensemble d'un gouffre qui s'est formé près d'une résidence située au centre de la Floride.
La remédiation des gouffres peut être réalisée par l'injection de coulis ou par un filtre rocheux inversé, dans lequel le sol est excavé jusqu'à la profondeur du substrat rocheux, puis remblayé avec des blocs, des galets et du gravier, dans une séquence soigneusement conçue, avec un tissu filtrant géosynthétique pour combler les vides restants, évitant la migration des sols sous l'effet de la gravité et des eaux souterraines. Ce type de remédiation ne peut être réalisé que si le gouffre est identifié avant le début du chantier.
Les dommages causés aux bâtiments par les gouffres après la construction sont généralement traités par l'injection de coulis ou la reprise en sous-œuvre. L'injection de coulis consiste à installer un tubage en acier jusqu'à la profondeur du substrat rocheux et à injecter un coulis de compactage dans les sols sus-jacents au fur et à mesure que le tubage est retiré. Le but est d'améliorer la qualité des sols qui se sont déformés ou ameublis. La reprise en sous-œuvre consiste à transférer directement les charges structurelles au substrat rocheux adéquat. Cette opération consiste généralement à installer des pieux en acier de petit diamètre qui sont forés ou enfoncés dans le sol, puis fixés aux fondations du bâtiment.
La ville de Los Angeles, en Californie, construite à la fin des années 1700, est un autre exemple d'un développement historique qui a été façonné par la géométrie du paysage naturel ainsi que par la géologie et l'état des eaux souterraines. La zone se trouvant dans une plaine côtière semi-aride, l'eau de pluie n'est pas suffisante pour fournir de l'eau douce de façon constante. Le fleuve Los Angeles était connu pour ses crues lors des périodes de fortes pluies, mais les précipitations étaient moins présentes à d'autres moments de l'année. Pour répondre aux besoins en eau douce, les premiers habitants se sont tournés vers le sous-sol. Les agriculteurs ont découvert de nombreuses nappes phréatiques naturelles en forant des puits à partir desquels il était possible d'obtenir une réserve d'eau douce apparemment inépuisable.
En forant des puits, les agriculteurs ont pu accéder à l'eau douce des nappes phréatiques (couches souterraines de roche ou de sol perméables qui contiennent ou véhiculent de l'eau). Les puits forés dans les nappes phréatiques de sable et de substrat rocheux produiraient des conditions artésiennes, où l'eau souterraine est soumise à une pression suffisante, alimentée par des différences de géométrie ou d'élévation, pour que l'eau sorte des puits sans qu'il soit nécessaire de la pomper. La pression des eaux souterraines pousse l'eau à remonter à la surface du sol lorsque la couche de confinement est rompue, par exemple par un puits. Voir Image 4 pour une illustration d'un puits artésien.
Image 4 - Schéma représentant les conditions artésiennes. Notez que le niveau des eaux souterraines dans l'aquifère captif est plus élevé que le niveau du sol au niveau du puits.
Bien que les conditions artésiennes aient été bénéfiques pour les premiers agriculteurs de Los Angeles, ainsi qu'au niveau de nombreux autres endroits dans le monde, ces conditions peuvent poser des problèmes lors de la conception et de la construction d'ouvrages souterrains, et entraîner des dommages potentiellement importants si elles ne sont pas identifiées et prises en compte à l'avance. La canalisation et l'érosion du sol, la rupture d'une pente ou d'une excavation étayée ou liée, et la perturbation de sols plus performants sont quelques-uns des mécanismes qui peuvent se produire si les conditions artésiennes ne sont pas correctement prises en compte avant la conception, l'appel d'offre ou la construction, sans mentionner des coûts d'assèchement supplémentaires qui seront nécessaires pour éviter que le chantier ne soit inondé. L'investissement dans un programme d'étude de site global, comprenant des études géotechniques et hydrogéologiques, peut permettre d'éviter des augmentations significatives des coûts de construction et d'autres coûts auxiliaires, y compris les pertes d'exploitation, les frais juridiques et les frais d'expertise, qui peuvent survenir si les conditions artésiennes ne sont pas identifiées avant le début du chantier.
Lors de la construction de fondations ou d'équipements collectifs sous le niveau de la nappe phréatique, les entrepreneurs doivent généralement assécher le site afin de procéder aux travaux en milieux secs. L'assèchement consiste à faire descendre le niveau de la nappe phréatique à l'aide de pompes. Si seul un assèchement limité est nécessaire, un puisard peut être creusé et une pompe peut être placée dans le puisard pour extraire l'eau. Lorsque la pompe fonctionne, l'eau s'écoule de la zone environnante à travers le sol jusqu'au puisard, ou l'eau peut être détournée vers le puisard au moyen de bermes et de fossés. Si un assèchement plus profond est nécessaire, des puits d'assèchement sont généralement requis pour abaisser le niveau de la nappe phréatique.
Si le chantier à assécher présente des conditions homogènes de sol sablonneux ou graveleux, l'assèchement s'avère relativement simple, à quelques exceptions près. Les sables et les graviers ont des espaces reliés plus importants que les limons et les argiles et peuvent être asséchés par pompage dans un laps de temps plus court. Le problème de ces sols est le volume et le débit de pompage nécessaires afin d'obtenir un assèchement et une dépressurisation efficaces. Il est souvent plus difficile d'assécher des sols à grains plus fins tels que les limons et les argiles, ou les limons et les argiles qui sont intercalés entre les sables et les graviers, car davantage de temps est nécessaire pour obtenir un assèchement efficace. Dans ces types de dépôts de sol, le débit moyen de l'eau souterraine dans la direction verticale sera aussi lent que le sol à drainage le plus lent. Dans le sens horizontal, l'eau souterraine s'écoule en moyenne aussi vite que dans le sol à drainage le plus rapide. Cela s'explique par le fait que les couches de sol peu perméables, comme l'argile par exemple, fonctionnent comme une couche de confinement, ralentissant ou interdisant l'écoulement de l'eau vers le bas. L'eau souterraine se « perche » et s'écoule latéralement au-dessus de la couche de limon et d'argile. Dans tous les cas, l'assèchement d'un site de construction peut également influer sur la nappe phréatique à l'extérieur du site. Il convient de prendre en considération les installations de tiers qui peuvent dépendre des eaux souterraines pour leur approvisionnement en eau ou qui peuvent être affectées par la consolidation et le tassement du sol provoqués par l'assèchement.
Au début des années 1900, les eaux souterraines provenant des rivières et des nappes phréatiques ne suffisaient plus à alimenter la population en pleine croissance de Los Angeles. L'eau douce devenant une denrée rare, l'ingénieur de la ville a élaboré un plan de construction d'un aqueduc qui fournirait de l'eau douce depuis la rivière Owens, située à 233 miles, dans les montagnes de la Sierra Nevada. Un aqueduc se compose d'une série de barrages, de réservoirs, de siphons, de tunnels, de canaux et de conduites. Le relief topographique le long de l'aqueduc s'élève à environ 3 500 pieds, ce qui signifie que l'aqueduc s'appuie sur la topographie du sol et la gravité, permettant à l'eau de s'écouler des montagnes jusqu'à Los Angeles. C'est ce même relief topographique qui permet de pressuriser ou d'alimenter un aquifère ou un puits artésien, comme nous l'avons expliqué précédemment.
La construction de l'aqueduc de Los Angeles est considérée par beaucoup comme l'un des plus grands exploits techniques de notre époque. Il s'agit d'un système robuste, mais simple, qui s'appuie sur la géométrie du paysage environnant pour fournir à la ville de l'eau douce provenant de centaines de kilomètres plus loin.
Image 5 - L'eau s'écoule le long de l'aqueduc de Los Angeles par gravité, en s'appuyant sur la géométrie du paysage. (Photo par Dean Musgrove, Los Angeles Daily News/SCNG ; Source : https://www.dailynews.com/2022/11/04/proposal-to-place-solar-panels-over-la-aqueduct-advances/).
Si l'aqueduc de Los Angeles est un exemple d'utilisation de la géométrie de la surface du sol au profit du développement humain, les pentes et les terrains vallonnés peuvent également présenter des défis qui doivent être correctement pris en compte pour mettre en place ce type de systèmes.
Parallèlement à la géologie et aux eaux souterraines, la géométrie d'un site joue un rôle important dans le développement urbain. Construire sur un terrain en pente plutôt que sur un terrain plat représente certains avantages esthétiques. Toutefois, les défis et les coûts peuvent être plus importants. Une bonne compréhension des fondations est nécessaire afin de s'assurer que les sols disposent de la portance appropriée. En fonction de la taille du projet et de l'angle d'inclinaison du terrain, il peut s'avérer nécessaire de procéder à des déblais ou à des remblais. Un projet peut également se trouver en haut ou en bas d'une pente, ce qui présente certains risques. Il existe de nombreuses villes dans le monde dans lesquelles la construction sur ou à proximité d'un terrain escarpé ou vallonné est la norme, Hong Kong étant l'un des exemples les plus célèbres.
La croissance rapide de la population et l'importante expansion économique d'Hong Kong depuis les années 1960 se sont accompagnées d'importants travaux de génie civil et de construction. Pour loger les quelques 7 4 millions de personnes sur un territoire d'environ 1100 km2 (680 milles carrés) qui compte plus de 140 montagnes ou pics s'élevant à plus de 300 mètres (980 pieds) au-dessus du niveau de la mer, dont dix (10) à plus de 700 mètres (2 300 pieds) au-dessus du niveau de la mer, un nombre considérable de pentes artificielles et de murs de soutènement ont dû être construits sur un terrain très vallonné. Cependant, depuis les années 1960, le contrôle géotechnique de la conception des pentes et de l'octroi des permis était limité, ce qui a entraîné une construction et une stabilité problématiques de bon nombre de ces pentes et murs de soutènement. Les fragilités de ces pentes et de ces murs de soutènement ont été mises en évidence par le développement croissant, l'escarpement du terrain existant et les pluies torrentielles.
Avec l'augmentation des projets et de la population, les glissements de terrain et les décès se sont multipliés. Les glissements de terrain catastrophiques survenus en 1972 et en 1976, comme l'illustre l'image 6, ont finalement conduit à la création du Geotechnical Control Office (GCO, Bureau de contrôle géotechnique) par le gouvernement en 1977, qui a été rebaptisé en 1991 Geotechnical Engineering Office (GEO, Bureau d'ingénierie géotechnique) (Wong, 2017).
Image 6 - Glissement de terrain sur la route de Po Shan dans le quartier des Niveaux intermédiaires d'Hong Kong survenu en 1972 qui a fait tomber un bâtiment de 12 étages et causé 67 décès (Source : https://www.scmp.com/magazines/post-magazine/short-reads/article/2098525/deadly-1972-twin-landslides-hong-kong-claimed).
L'image 7 illustre la fluctuation du nombre de glissements de terrain et de décès associés, diminuant après la création du GEO. La diminution du nombre de décès dus aux glissements de terrain est attribuée à la mise en place d'une approche plus rigoureuse visant à répertorier les pentes et les murs de soutènement artificiels existants (aujourd'hui au nombre d'environ 60 000 dans la région), à mener des études approfondies pour qualifier les sols, à effectuer une évaluation des eaux souterraines, puis soit assainir les pentes existantes, soit concevoir et construire de nouvelles pentes, en utilisant des conceptions robustes.
Image 7 - Historique des décès dus aux glissements de terrain à Hong Kong de 1948 à 2016 (Morgenstern 2021)
Ces mises en œuvre, ainsi que d'autres mesures, dont le développement de l'analyse quantitative des risques en matière de pentes qui prend également en compte le changement climatique et l'évolution (augmentation) de la pluviométrie à Hong Kong, ont toutes conduit à la quasi-élimination des décès dus aux glissements de terrain à Hong Kong. Les auteurs ont eu l'occasion d'étudier, de concevoir et de construire des projets de stabilisation des pentes à Hong Kong, ainsi que d'étudier les barrières de défense contre l'instabilité des pentes dans le cadre d'une initiative d'évaluation quantitative des risques, dans des situations où les pentes naturelles s'étendent sur des dizaines ou des centaines de mètres en amont d'un projet.
L'interrelation des trois G a façonné le monde dans lequel nous vivons aujourd'hui et entraîne des répercussions inévitables sur les activités de construction humaine dans le monde entier. Il est essentiel de comprendre les relations entre la géologie, les eaux souterraines et la géométrie lors de la réalisation de projets, nouveaux comme anciens. Il est particulièrement important de garder ces éléments à l'esprit afin d'éviter des complications inutiles et coûteuses pendant ou après la construction de bâtiments. Lorsque de nouveaux projets, en particulier au niveau des zones dans lesquelles le sol et les formations rocheuses sont complexes, où les nappes phréatiques sont inhabituelles ou imprévisibles, où les pentes sont difficiles, etc. sont entrepris, les parties prenantes doivent envisager de demander l'aide d'ingénieurs et de géologues experts qui sont en mesure de leur fournir des informations et des conseils pertinents et utiles.
Nous tenons à remercier W. Sharkey Bowers, PE, Scott Hollingsworth, PG, et Richard Stahl pour leurs renseignements et leur expertise qui ont grandement contribué à cette étude.
W. Sharkey Bowers est ingénieur principal au sein du cabinet d'architecture judiciaire et d'ingénierie de J.S. Held. Il fournit des avis d'ingénierie professionnels concernant la cause, l'origine et la durée des dommages matériels. Il dirige le personnel de test des matériaux et aspects géotechniques sur le terrain pour évaluer les conditions des sous-sols des futurs sites de développement et fournir des recommandations en matière de préparation du site, de remédiation des sols et de fondations. Il a également fourni des services de surveillance des vibrations pour des projets de construction en cours afin d'éviter les dommages aux structures avoisinantes, a évalué des structures pour déterminer les dommages potentiels causés par les vibrations dues à la construction et/ou à l'exploitation minière à proximité et a évalué des structures ainsi que des propriétés pour déterminer la présence de gouffres et de dommages structurels. Chez J.S. Held, Sharkey exerce régulièrement la fonction de consultant auprès de propriétaires, d'avocats et de compagnies d'assurance dans le cadre de sinistres liés à des vices de construction et à des dommages matériels dont les demandes d'indemnisation s'élèvent à plusieurs dizaines de millions de dollars.
Vous pouvez contacter Sharkey à l'adresse [e-mail protégé] ou au +1 813 460 4648.
J. Scott Hollingsworth est géologue au sein du cabinet d'architecture judiciaire et d'ingénierie de J.S. Held. Scott possède une expérience importante des études géotechniques portant notamment sur le suivi des opérations de forage SPT (tests de pénétration standard) et CPT (tests de pénétration au cône), les recommandations en matière de fondations, le karst, l'affaissement des sols et les évaluations environnementales de phase II. Il est compétent dans l'échantillonnage et l'exploration du sol à l'aide d'une tarière manuelle, ainsi que dans la réalisation d'essais en laboratoire d'ingénierie du sol, tels que les tests de compactage Proctor, la granulométrie, l'analyse des particules fines du sol à l'aide d'un tamis n° 200 et d'un hydromètre, la teneur totale en carbone organique, les limites d'Atterberg et les rapports de portance des roches calcaires.
Vous pouvez contacter Scott à l'adresse [e-mail protégé] ou au +1 813 676 1071.
Richard Stahl est vice-président principal du cabinet d'architecture judiciaire et d'ingénierie de J.S. Held. Richard Stahl dispose de plus de 30 ans d'expérience comme ingénieur géotechnicien et enquêteur judiciaire au niveau international. Il a dirigé des équipes pluridisciplinaires dans le cadre de projets de développement à grande échelle et d'enquêtes judiciaires, et a témoigné en qualité d'expert lors de procès, d'arbitrages et de médiations. Richard a participé à des missions se chiffrant à plusieurs millions de dollars dans divers secteurs d'activité, dont l'exploitation minière, l'énergie, les ressources naturelles, l'industrie, le commerce, les infrastructures civiles majeures, la marine, le transport et la distribution, l'immobilier, l'hôtellerie, mais aussi le tourisme et les loisirs sur les continents américain et asiatique. Parmi les références les plus significatives, on peut citer les études portant sur les inondations et l'assainissement aux Bahamas, les excavations superficielles et profondes en Amérique du Nord, le creusement de tunnels en Asie et en Amérique du Nord, les pentes, les ressources en eau et les retenues de résidus miniers en Amérique du Nord, du Sud ainsi qu'en Australasie.
Richard peut être contacté à l'adresse [e-mail protégé] ou au +44 20 7072 5135.
[1] Brambati, A., Carbognin, L., Quaia, T., Teatini, P., et Tosi, L. « The Lagoon of Venice: geological setting, evolution and land subsidence ». Union internationale des sciences géologiques. Septembre 2003.
[2] Page web « William Mulholland Biography ». Site web Water and Power Associates. https://waterandpower.org/ museum/Mulholland_Biography.html.
[3] Page web « Water in Early Los Angeles ». Site web Water and Power Associates. https://waterandpower.org/ museum/Water_in_Early_Los_Angeles.html.
[4] Page web « The Los Angeles River - The Unpredictable! ». Site web Water and Power Associates. https://waterandpower.org/ museum/Los_Angeles_River_The_Unpredictable!.html.
[5] Peck, Ralph B, Hanson, Walter E., et Thornburn, Thomas H. « Foundation Engineering, Second Edition ». John Wiley & Sons. 1974.
[6] Morgenstern, N.R., 2021. « Geotechnical Risk, Regulation, and Public Policy », The Sixth Victor de Mello Lecture, 2021, 48 pages
[7] Wong, H.N, « Forty Years of Slope Engineering in Hong Kong », The HKI Geotechnical Divisional Seminar 2017, 10 pages.
Au cours des quatre dernières décennies, des recherches importantes ont été effectuées et des progrès importants ont été réalisés dans l'étude des tremblements de terre, des mines et de l'ingénierie offshore. Grâce à ces progrès, les ingénieurs ont une meilleure compréhension...