« Retrait-gonflement des argiles », comment identifier un sol sensible
L'AQC a publié récemment dans la revue de Cofhuat un article pour connaître et évaluer ce risque de retrait-gonflement.
En effet, il suffit en une année avec des variations climatiques importantes comme de fortes précipitations cumulées à des épisodes de sécheresse pour que des mouvements de terrains différentiels se produisent. La conséquence de ces aléas climatiques constitue depuis 10 ans la deuxième cause d’indemnisation (au premier rang : les inondations). Générant de sérieux dégâts sur l’habitat, c’est ainsi près de 4,5 milliards d’euros qui ont été dépensés depuis 1989 pour indemniser les propriétaires et limiter les désordres liés à ce phénomène.
Chacun sait qu’un matériau argileux voit sa consistance se modifier en fonction de sa teneur en eau : dur et cassant lorsqu’il est desséché, il devient plastique et malléable à partir d’un certain niveau d’humidité. On sait moins en revanche que ces modifications de consistance s’accompagnent de variations de volume, dont l’amplitude peut être parfois spectaculaire.
En climat tempéré, les argiles sont souvent proches de leur état de saturation, si bien que leur potentiel de gonflement est relativement limité. En revanche, elles sont souvent éloignées de leur limite de retrait, ce qui explique que les mouvements les plus importants sont observés en période sèche. La tranche la plus superficielle de sol, sur 1 à 2 m de profondeur, est alors soumise à l’évaporation. Il en résulte un retrait des argiles, qui se manifeste verticalement par un tassement et horizontalement par l’ouverture de fissures, classiquement observées dans les fonds de mares qui s’assèchent. L’amplitude de ce tassement est d’autant plus importante que la couche de sol argileux concernée est épaisse et qu’elle est riche en minéraux gonflants. Par ailleurs, la présence de drains et surtout d’arbres (dont les racines pompent l’eau du sol jusqu’à 3 voire 5 m de profondeur) accentue l’ampleur du phénomène en augmentant l’épaisseur de sol asséché.
Ces mouvements sont liés à la structure interne des minéraux argileux qui constituent la plupart des éléments fins des sols (la fraction argileuse étant, par convention, constituée des éléments dont la taille est inférieure à 2 µm). Ces minéraux argileux (phyllosilicates) présentent en effet une structure en feuillets, à la surface desquels les molécules d’eau peuvent s’adsorber, sous l’effet de différents phénomènes physico-chimiques, provoquant ainsi un gonflement, plus ou moins réversible, du matériau. Certaines familles de minéraux argileux, notamment les smectites et quelques interstratifiés, possèdent de surcroît des liaisons particulièrement lâches entre feuillets constitutifs, si bien que la quantité d’eau susceptible d’être adsorbée au cœur même des particules argileuses, peut être considérable, ce qui se traduit par des variations importantes de volume du matériau.
Connaissances techniques du phénomène
Deux types de sol sont distingués :
* sols grenus, constitués de particules que l'on peut observer visuellement (par exemple, les sables et les graviers) ;
* et sols fins, dont les particules ont une taille si faible qu'il est impossible de les observer distinctement sans moyens appropriés (loupe, microscope, microscope à balayage électronique). Les sols fins incluent les sols limoneux, argileux et marneux.
Seuls certains sols argileux et marneux sont affectés par des phénomènes de retrait-gonflement.
Les désordres qui en découlent sont liés à un double phénomène de tassement sous charge lié à l'expulsion lente de l'eau et un phénomène spécifique aux argiles de consolidation secondaire et de fluage. Avec les cycles d'humidité et de sécheresse, il y a des cycles de retrait et de gonflement. Mais, un sol ne se rétracte pas uniformément, cela dépend de la configuration des sols, des spécificités du terrain, de son ensoleillement et de la conception du bâti. Cela génère des tassements différentiels des fondations et des efforts dans la structure. Efforts répétés qui entrainent a minima des fissurations et peuvent aller jusqu'à rendre inhabitables la construction.
Ce ne sont effectivement pas les tassements absolus qui génèrent des désordres, mais les tassements différentiels. Ainsi ce sont les insuffisances de conception ou de construction qui conduisent aux désordres importants : l'essentiel des désordres pourraient être évités par une meilleure connaissance des phénomènes par les professionnels et maîtres d'ouvrage qui doivent adapter les études, suite à une analyse de la situation de la construction.
* Manifestation des dégâts
Le sol situé sous une maison est protégé de l’évaporation en période estivale et il se maintient dans un équilibre hydrique qui varie peu au cours de l’année. De fortes différences de teneur en eau vont donc apparaître dans le sol au droit des façades, au niveau de la zone de transition entre le sol exposé à l’évaporation et celui qui en est protégé. Ceci se manifeste par des mouvements différentiels, concentrés à proximité des murs porteurs et particulièrement aux angles de la maison. Ces tassements différentiels sont évidemment amplifiés en cas d’hétérogénéité du sol ou lorsque les fondations présentent des différences d’ancrage d’un point à un autre de la maison (cas des sous-sols partiels notamment, ou des pavillons construits sur terrain en pente).
Ceci se traduit par des fissurations en façade, souvent obliques et passant par les points de faiblesse que constituent les ouvertures.
Les maisons individuelles sont les principales victimes de ce phénomène et ceci pour au moins deux raisons :
- la structure de ces bâtiments, légers et peu rigides, mais surtout fondés de manière relativement superficielle par rapport à des immeubles collectifs, les rend très vulnérables à des mouvements du sol d’assise ;
- la plupart de ces constructions sont réalisées sans études géotechniques préalables qui permettraient notamment d’identifier la présence éventuelle d’argile gonflante et de concevoir le bâtiment en prenant en compte le risque associé.
Les désordres se manifestent aussi par des décollements entre éléments jointifs (garages, perrons, terrasses), ainsi que par unedistorsion des portes et fenêtres, une dislocation des dallages et des cloisons et, parfois, la rupture de canalisations enterrées (ce qui vient aggraver les désordres car les fuites d’eau qui en résultent provoquent des gonflements localisés).
Depuis la vague de sécheresse des années 1989-91, le phénomène de retrait-gonflement a été intégré au régime des catastrophes naturelles mis en place par la loi du 13 juillet 1982. En l’espace de 20 ans, ce risque naturel est devenu en France la deuxième cause d’indemnisation derrière les inondations, et le montant total des remboursements effectués à ce titre depuis 1989 était évalué par la Caisse Centrale de Réassurance en juin 2010 à environ 4,5 milliards d’euros, ce qui correspond à plusieurs centaines de milliers de maisons sinistrées sur l’ensemble de la France.
Le constat des désordres :
Les régions les plus touchées :
Depuis 1989, ce sont près de 8 000 communes françaises, réparties dans 90 départements de France métropolitaine - qui ont été reconnues au moins une fois en état de catastrophe naturelle vis à vis du retrait-gonflement, ce qui traduit parfaitement l’ampleur du phénomène. Pourtant, certaines régions sont plus particulièrement touchées et ceci en étroite corrélation avec la nature géologique du sol. C’est le cas en particulier de la plaine de Flandres, de la partie sud du Bassin de Paris, du fossé de la Limagne, de la région d’Apt et surtout de l’ensemble des coteaux molassiques du Sud-Ouest, entre Agen et Toulouse.
Les données communiquées par la Caisse Centrale de Réassurance en septembre 2008 montrent que la région parisienne est tout particulièrement concernée par le phénomène puisque parmi les 7 départements de la région Ile-de-France (hors ville de Paris) 5 font partie des dix départements français pour lesquels les coûts cumulés d’indemnisation pour des sinistres liés au retrait-gonflement sont les plus élevés. Selon ce critère, les Yvelines sont les plus touchées, suivies de près par la Seine-et-Marne, l’Essonne, le Val-de-Marne et la Seine-Saint-Denis.
Les autres départements qui présentent des coûts cumulés d’indemnisation élevés suite à des sinistres liés au retrait-gonflement sont par ordre décroissant la Haute-Garonne, les Bouches-du-Rhône, le Puy-de-Dôme, le Tarn, la Gironde et le Tarn-et-Garonne (où plus de 90 % des 195 communes du département ont été reconnues au moins une fois en état de catastrophe naturelle sécheresse au 20 juillet 2010).
Ces phénomènes sont observés depuis longtemps dans les pays au climat sec où ils sont à l'origine de nombreux désordres causés tant aux bâtiments qu'aux infrastructures. En France, ces phénomènes n'ont été mis en évidence que plus récemment, en particulier à l'occasion des sécheresses des années 1976, puis 1989 et 1990 et enfin 2003. Les désordres alors observés sur les constructions concernent essentiellement les maisons individuelles (qui pour la plupart n'ont pas disposé d'étude de sol préalablement à leur construction).
Ils représentent par ailleurs pour les assurances un coût très important. Les fondations superficielles sont l'élément d'ouvrage générant les sinistres qui consomment la plus grande part du coût des réparations en garantie décennale, à savoir 12,5 %. Pour les seules maisons individuelles, cette part atteint près de 25 %. Alors que dans les statistiques SYCODÉS (observatoire mis en place par l'Agence Qualité Construction), le coût moyen de réparation d'un désordre est de l'ordre de 6 000 euros, le coût moyen de réparation d'un désordre lié aux fondations est de 30 000 euros. Et lorsque cela concerne une fondation sur sol argileux, la réparation consomme plus de 40 % du coût de la construction (auquel il faut généralement ajouter des coûts induits comme le relogement...).
Pour ce qui concerne les indemnisations relevant du régime des catastrophes naturelles, 5 000 communes ont été touchées lors des deux premières principales périodes de sécheresse. Près de 7 000 après l'été 2003. Le coût d'indemnisation arrive en deuxième position au titre de catastrophe naturelle derrière celui pour les inondations !
Pour diminuer cette situation quelques mesures ont déjà été prises. Sur les communes très vulnérables, un Plan de prévention des risques (PPR) peut être prescrit pour imposer des règles préventives.
Par ailleurs, depuis le début des années 2000, les assureurs se montrent plus exigeants au niveau des maîtres d'ouvrage professionnels en adaptant les taux de base des assurances en fonction de l'existence ou non d'études de sols et de bonnes prises en compte des recommandations.
Ces dispositifs sont probablement à l'origine des quelques progrès depuis une dizaine d'années. Progrès qui restent insuffisants.
Dans de nombreux cas cependant, il est nécessaire de procéder à des reprises en sous-oeuvre (par micro-pieux), ce qui entraîne des coûts d’intervention qui atteignent plusieurs dizaines de milliers d’euros.
De surcroît, des réparations aussi lourdes sont relativement traumatisantes pour les occupants de la maison qui doivent parfois être relogés temporairement pendant la durée des travaux. Enfin, ce type d’intervention n’est généralement effectué qu’après une période plus ou moins longue, rendue nécessaire non seulement par la procédure administrative d’indemnisation (attente de la reconnaissance de l’état de catastrophe naturelle puis expertises) mais surtout pour permettre aux experts d’observer l’évolution des fissures afin de bien comprendre l’origine du phénomène et de laisser le sol retourner dans un état d’équilibre hydrique favorable à la réalisation des travaux. L’analyse détaillée, avec intervention d’un bureau d’études géotechniques spécialisé, des causes du sinistre est en effet indispensable à ce stade pour permettre de proposer des solutions de confortement adaptées et durables. Mais une telle attente se révèle souvent difficile à vivre pour les occupants de la maison, confrontés aux problèmes d’infiltrations à travers les murs extérieurs et parfois de blocage des portes et des fenêtres.
Pourtant, on sait parfaitement construire sur des sols argileux sujets au phénomène de retrait-gonflement et ceci moyennant le respect de règles constructives relativement simples qui n’entraînent pas de surcoût majeur sur les constructions.
Il est donc fondamental de savoir identifier avant construction la présence éventuelle d’argile gonflante au droit de la parcelle, afin de prendre en compte ce paramètre lors de la mise en œuvre du projet.
Analyse avant construction
C'est pour répondre à cet objectif que le MEDDE (ministère de l'Écologie, du Développement durable et de l'Énergie) et le MLETR (ministère du Logement, de l'Égalité des Territoires et de la Ruralité) ont lancé le projet ARGIC2 (analyse du retrait-gonflement et de ses incidences sur les constructions) qui doit permettre d'aller plus loin dans la connaissance et les recommandations. Pour faciliter la bonne caractérisation des situations, ce projet mobilise les experts de nombreuses structures dont le BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières), l'Ifsttar (Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux), le Cerema (Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement), des universités, des professionnels de la construction.
Cette démarche peut être formalisée dans l'organigramme ci-après (d'après celui du guide 3 du programme ARGIC2) qui permet de caractériser le risque avec une double analyse : sensibilité du sol et facteurs environnementaux.
Il est alors possible de formaliser l'aléa retrait/gonflement à l'échelle du projet (d'après celui du guide 3 du programme ARGIC2).
Au-delà des précautions de base qui consistent à descendre le niveau des fondations, à rigidifier la structure et à maîtriser l'environnement de la construction (apports d'eau, végétation), le programme ARGIC2 devrait concourir, au travers des guides qu'il doit produire, à une meilleure prise de conscience par les maîtres d'ouvrage des enjeux liés au retrait/gonflement des argiles et faciliter les prises de décisions adaptées à la situation. Il participera ainsi à une réelle prévention des pathologies des constructions avec une optimisation des dépenses.
Comment identifier un sol sensible au retrait-gonflement :
Les cartes départementales d’aléa retrait-gonflement élaborées par le BRGM peuvent contribuer à attirer l’attention des maîtres d’ouvrage sur la question. Cependant, pour déterminer avec certitude la nature du terrain situé au droit de la parcelle et adapter au mieux les caractéristiques de la construction aux contraintes géologiques locales, une étude géotechnique menée par un bureau d’études techniques spécialisé constitue la mesure a priori la plus sûre.
L’élaboration du cahier des charges détaillé de l’étude de sol préalable à une construction sur terrain argileux sujet au phénomène de retrait-gonflement reste du ressort du géotechnicien qui l’adaptera pour tenir compte des spécificités du terrain de construction(géologie, topographie, hydrogéologie, végétation, etc.) et de la nature du projet envisagé.
A titre indicatif, les objectifs d’une telle étude sont a priori les suivants :
- Reconnaissance de la nature géologique et des caractéristiques géométriques des terrains d’assise ;
- Caractérisation du comportement des sols d’assise vis à vis du phénomène de retrait-gonflement ;
- Vérification de l’adéquation du mode de fondation prévu par le constructeur avec les caractéristiques et le comportement géotechnique des terrains d’assise ;
Vérification de l’adéquation des dispositions constructives prévues par le constructeur avec les caractéristiques intrinsèques du terrain et son environnement immédiat.
Pour atteindre ces objectifs, les moyens suivants peuvent être mis en œuvre, étant bien entendu que la liste ci-dessous n’est pas limitative et qu’elle doit être adaptée au contexte spécifique de chaque étude :
- Analyse du contexte géologique et hydrogéologique local, à partir de l’examen d’éléments facilement accessibles (carte géologique, banque de données du sous-sol, enquête de voisinage, observations de terrain, etc.) ;
- Reconnaissance visuelle des terrains de fondation après sondages (à la pelle mécanique ou à la tarière). Dans la mesure du possible et selon les cas, l’étude devra comprendre au moins deux sondages (amont et aval pour les terrains en pente, secteurs susceptibles de présenter des hétérogénéités, etc.), hors emprise de la future construction, si possible jusqu'à trois mètres de profondeur, avec échantillonnage ;
- Caractérisation du comportement des sols d’assise vis à vis du phénomène de retrait-gonflement, par l’intermédiaire d’essais d'identification de sol (de préférence valeur de bleu ou à défaut limites d’Atterberg, granulométrie, teneur en eau, éventuellement mesure du retrait linéaire et/ou analyse diffractométrique aux rayons X) ;
- Vérification de la capacité portante du sol et de l’adéquation du mode de fondation retenu, si possible après essai mécanique spécifique (pressiomètre), ou à défaut en se basant sur des résultats d’essai obtenus localement sur des terrains de même nature ;
- Examen de l'influence de la végétation arborée éventuellement présente à proximité de la future construction ou ayant été récemment supprimée par déboisement ;
- Analyse des circulations d'eaux, superficielles et souterraines, et de l'adéquation des aménagements prévus (future surface imperméabilisée, pente des talus, systèmes de drainage, fossés, réseaux d’évacuation des eaux pluviales et des eaux usées, etc.).
Les conclusions de cette étude serviront à prescrire les dispositions constructives adaptées aux caractéristiques du terrain et au projet de construction. Elles permettront notamment de définir le type et la profondeur requises pour les fondations, ainsi que la nature desaménagements extérieurs spécifiques à prévoir.
Comment construire sur un sol sensible au retrait-gonflement :
Les dispositions préventives généralement prescrites pour construire sur un sol argileux sujet au phénomène de retrait-gonflement obéissent aux quelques principes suivants, sachant que leur mise en application peut se faire selon plusieurs techniques différentes dont le choix reste de la responsabilité du constructeur. Dans les communes dotées d’un Plan de Prévention des Risques naturels (PPR) qui prend en compte spécifiquement le phénomène de retrait-gonflement des argiles, les mesures à respecter dans chacune des zones réglementées sont celles qui sont définies par le règlement du PPR.
* Les fondations sur semelle doivent être suffisamment profondes pour s’affranchir de la zone superficielle où le sol est sensible à l’évaporation. A titre indicatif, on considère que cette profondeur d’ancrage, qui doit être au moins égale à celle imposée par la mise hors gel, doit atteindre au minimum 0,80 m en zone d’aléa faible à moyen et 1,20 m en zone d’aléa fort. Une construction sur vide sanitaire ou avec sous-sol généralisé est préférable à un simple dallage sur terre-plein. Un radier généralisé, conçu et réalisé dans les règles de l’art, peut aussi constituer une bonne alternative à un approfondissement des fondations.
* Les fondations doivent être ancrées de manière homogène sur tout le pourtour du bâtiment (ceci vaut notamment pour les terrains en pente (où l’ancrage aval doit être au moins aussi important que l’ancrage amont) ou à sous-sol hétérogène. En particulier, les sous-sols partiels qui induisent des hétérogénéités d’ancrage sont à éviter à tout prix.
* La structure du bâtiment doit être suffisamment rigide pour résister à des mouvements différentiels, d’où l’importance deschaînages horizontaux (haut et bas) et verticaux.
* Deux éléments de construction accolés, fondés de manière différente ou exerçant des charges variables, doivent être désolidarisés et munis de joints de rupture sur toute leur hauteur pour permettre des mouvements différentiels.
* Tout élément de nature à provoquer des variations saisonnières d’humidité du terrain (arbre, drain, pompage ou au contraire infiltration localisée d’eaux pluviales ou d’eaux usées) doit être le plus éloigné possible de la construction. On considère en particulier que l’influence d’un arbre s’étend jusqu’à une distance égale à au moins sa hauteur à maturité.
* Sous la construction, le sol est à l’équilibre hydrique alors que tout autour il est soumis à évaporation saisonnière, ce qui tend à induire des différences de teneur en eau au droit des fondations. Pour l’éviter, il convient d’entourer la construction d’un dispositif, le plus large possible, sous forme de trottoir périphérique ou de géomembrane enterrée, qui protège sa périphérie immédiate de l’évaporation.
* En cas de source de chaleur en sous-sol (chaudière notamment), les échanges thermiques à travers les parois doivent êtrelimités par une isolation adaptée pour éviter d’aggraver la dessiccation du terrain en périphérie. Il peut être préférable de positionner de cette source de chaleur le long des murs intérieurs.
* Les canalisations enterrées d’eau doivent pouvoir subir des mouvements différentiels sans risque de rompre, ce qui suppose notamment des raccords souples au niveau des points durs.
