Les rem­blais

La plage n°3, journal de chantier

Remblayer le lac pour créer une plage ou une digue apparaît au premier abord comme un travail plutôt simple: il suffit de déverser plusieurs tonnes de matériaux qui finiront bien par émerger pour offrir le lieu de détente espéré. Un peu d’attention au niveau de l’organisation du chantier, quelques réflexions concernant les propriétés des matériaux de remblai, mais a priori pas de réels problèmes techniques. D’autant plus que la bathymétrie de la zone concernée est favorable: profondeur du lac plutôt modeste, fond sans véritable relief. Commandez les camions, et que le remplissage commence!

La réalité est pourtant ici assez différente. La construction des remblais pour la Plage des Eaux-Vives, la Digue Nord et  le Port de la Nautique a dû faire   l’objet d’attentions particulières pour anticiper et «maîtriser» les mouvements des sols. D’une part les tassements propres aux quelque trois à quatre mètres de remblais qui sont mis en place pour créer la nouvelle plage mais aussi les tassements indus par le poids de ces remblais sur les terrains du fond du lac (il en va bien entendu de même pour la Digue Nord). Si les tassements des remblais sont facilement maî-trisables, notamment grâce à la bonne connaissance des matériaux mis en place et à leur mode de mise en œuvre par couches successives de 50 cm compactées à l’avancement, les tassements sur le fond du lac sont eux bien plus difficiles à appréhender, tant en termes d’ampleur que de durée. En effet, compte tenu de la présence sous le lac de couches non consolidées et d’une nappe phréatique, le chargement du fond par plusieurs tonnes de matériaux va engendrer des tassements dans les sols en place. Ceux-ci ne seront pas instantanés et risquent aussi de ne pas être uniformes sur l’ensemble du chantier. Leur amplitude et leur évolution dépendront d’une part du poids des matériaux de remblai et d’autre part de l’épaisseur relative des différentes couches des sous-sols, de leur degré de consolidation et de leur perméabilité. Ces mouvements inévitables de terrain doivent être appréciés préalablement, compte tenu des constructions qui sont prévues sur ou à proximité des nouvelles installations. Cela signifie que le planning général ne peut être fixé sans avoir une idée du temps nécessaire pour que les terrains se stabilisent. Cela signifie aussi que les travaux de remblayage doivent prioritairement débuter dans les zones concernées par de futures constructions. Pour disposer d’une estima-tion réaliste de ce temps, les ingénieurs recourent de nos jours à des modélisations, qui impliquent toutefois de disposer d’informations fiables sur les terrains en place, à savoir l’épaisseur des couches ainsi que leurs propriétés mécaniques.

Contexte géotechnique

Avant de s’intéresser aux tassements à proprement parler, les géotechniciens ont commencé par s’assurer que les remblais de la plage n’auraient pas d’incidence sur la nappe phréatique principale du Genevois située dans une couche d’alluvion ancienne comprise entre 325m et 345m d’altitude, soit à environ 30 m de profondeur sous le fond du lac. Cette couche d’alluvion ancienne étant située sous une couche morainique semi-consolidée à consolidée, les remblais de la plage ne risquent pas de perturber l’écoulement de cette nappe phréatique majeure du bassin genevois (fig. 1). Les études pour la réalisation d’une plage à cet endroit ont donc pu se poursuivre avec un travail plus approfondi sur les tassements des couches supérieures.

La première difficulté consiste à définir la composition des sols en place. L’homogénéité apparente du fond du lac se limite à sa surface et, au-dessous, le sol est composé de dépôts d’origines diverses dont les épaisseurs varient localement. On y trouve ainsi dans un certain désordre : des graviers, des sables, des limons ou des argiles, plus ou moins consolidés, plus ou moins perméables. Entre alternance des propriétés et variation de l’épaisseur des couches, il est finalement délicat de définir un profil unique fiable pour l’ensemble du site. À supposer qu’on y parvienne, reste alors à attribuer des propriétés aux différents matériaux pour anticiper leur comportement.

Pour répondre à ces questions, les géotechniciens s’appuient sur les connaissances accumulées au fil des ans concernant les sols genevois en général et sur des sondages fournissant des aperçus ponctuels dans les zones concernées par les travaux.

Les sols genevois

À Genève, les sols ont fait l’objet d’une classification établie au début des années 70 en collaboration avec le géologue cantonal de l’époque, M. Amberger (fig. 2). Fortement impliqué dans l’établissement de cette classification, le bureau de géotechnique en charge de l’étude de l’extension de la SNG dispose aujourd’hui d’une vaste base de données lui permettant d’estimer les principaux paramètres géotechniques pour les différents sols recensés.

Ces estimations ont été obtenues en effectuant des rétroanalyses sur de nombreux grands chantiers genevois, une démarche qui consiste à déterminer les valeurs des paramètres géotechniques (compressibilité, perméabilité, etc.) devant être utilisés dans les  modèles pour prévoir les futurs mouvements de terrain.

De façon plus générale, il faut rappeler que les sols genevois ont profondément été marqués par les deux dernières glaciations du Riss, puis du Würm, il y a plus de 20'000 ans. La Suisse était recouverte par une énorme calotte glaciaire dont l’épaisseur était de plus de 700 mètres dans la région de Genève. Lors de la déglaciation, le niveau du lac était situé 30 mètres plus haut qu’aujourd’hui et des matériaux fin (dit du retrait würmien) se sont progressivement déposés sur le fond morainique du lac.

Selon les sondages disponibles, ces dépôts de matériaux fins, récents à l’échelle géologique, sont peu consolidés puisqu’ils n'ont jamais subi de fortes pressions autre que leur poids propre et celui du lac. Ils reposent directement sur les moraines de fond würmiennes qui sont, quant à elles, considérées comme incompressibles et sont situées à une profondeur variant de 30 à 60 mètres. Saturés d’eau, les matériaux fins (limons et argiles) ont une densité très faible. Si la charge sur ces matériaux augmente, comme c’est le cas avec la construction du remblai de la Plage ou de la Digue Nord, les premières couches subissent la pression des matériaux sus-jacents et se consolident progressivement : les grains se serrent, expulsent et prennent la place de l’eau interstitielle jusqu’à l’obtention d’un état d’équilibre où la pression interstitielle correspond environ à la pression hydrostatique. Comme la perméabilité des couches est sensiblement plus importante horizontalement que verticalement (en général d’un facteur 100 à 1000), l’eau interstitielle tend prioritairement à s’échapper horizontalement pour autant que les sols ne soient pas confinés, comme c’est le cas pour la Digue Nord. La situation est légèrement plus délicate pour la zone de la Plage où la présence des palplanches crée un confinement qui oblige l’eau à s’échapper par le bas.

Si ces phénomènes sont d’une grande complexité, ils peuvent toutefois être étudiés grâce à des modé-lisations plus ou moins complexes, comme nous allons l’illustrer à travers l’exemple du remblai de la plage.

Le remblai de la plage

Dans  le  cas présent, les géotechniciens disposaient de six sondages existants et de quatre sondages effectués en juillet 2009. Deux sondages supplémentaires ont de plus été effectués en 2017, dans la zone du futur Port (fig. 5). Ces sondages (par tranche de 2 m) leur ont permis d’identifier les couches selon la classification des sols genevois et de leur attribuer les propriétés géotechniques nécessaires à l’utilisation des modèles. Ils disposaient d’une connaissance un peu plus détaillée que celle résumée dans le schéma général précédent (fig. 3 et 4). À partir de ces informations, les modélisations peuvent être plus ou moins poussées. Les géotechniciens ont d’abord utilisé un modèle unidimensionnel (1D) pour avoir une première estimation de l’ordre de grandeur des tassements et de leur évolution dans le temps. Ces premiers résultats, qui se limitent à une information ponctuelle ne prenant pas en compte les écoulements horizontaux, laissaient supposer des tassements conséquents de l’ordre de 70 à 80 cm et que le temps nécessaire à la stabilisation du sol serait relativement long (de l’ordre de 1000 jours). Selon ces premières estimations, les travaux d’aménagement prévus sur les remblais ne pourraient alors débuter qu’après une période d’attente d’environ 3 ans après la fin de la mise en place des remblais. Afin de tester la fiabilité de ce résultat peu favorable, les ingénieurs ont alors eu recours à un modèle numérique par éléments finis bi-dimensionnel (2D). Ce modèle, qui permet notamment de tenir compte de la perméabilité horizontale, a montré que les prévisions 1D étaient vraisemblablement trop pessimistes et surestimaient les tassements (fig. 6).

Les géotechniciens ont ensuite décidé d’affiner encore les investigations par une modélisation numérique tridimensionnelle (3D) de toute la zone concernée par le remblai de la plage et de la Zone de Détente. En plus d’accroître la précision des calculs à l’aide de lois de comportement des matériaux issues de récents travaux de recherche (les progrès dans ce domaine sont assez stupéfiants et, couplés à l’augmentation des puissances de calcul, permettent aujourd’hui de modéliser toute la complexité des sols), l’utilisation d’un tel modèle permettait aussi d’intégrer les diverses phases de travaux de remblayage. Il permettait ainsi de visualiser l’évolution des tassements au fil du temps (fig. 7).

La modélisation 3D repose aussi sur la méthode des éléments finis. Cette méthode, aujourd’hui largement utilisée dans les métiers du génie civil, consiste à diviser le volume qu’on veut modéliser en un grand nom-bre d’éléments de petites tailles auxquels il est possible d’attribuer des propriétés mécaniques spécifiques. Ces éléments se voient ensuite imposés les charges résultant des activités menées sur le chantier, dans le cas présent essentiellement le rythme de la mise en place des remblais. Le logiciel calcule alors les efforts et les déplacements qui agissent sur chacun des éléments finis, en tenant compte des conditions géométriques imposées par les diverses constructions, dans le cas présent, essentiellement les rideaux de palplanches et la moraine de fond admise incompressible.

Toutefois, comme nous l’avons vu précédemment, l’épaisseur réelle des différentes couches de sols n’est connue avec précision qu’au droit des sondages. Le logiciel utilisé dispose d’un module permettant d’extrapoler l’épaisseur des couches en chaque point du modèle (en appliquant la méthode dite de Krigeage). Il est alors possible de créer une stratigraphie idéalisée de la situation avant les travaux. On définit ensuite les étapes de construction, soit les palplanches avec, le cas échéant, leur retrait, les remblayages, les épis de la plage, le pompage de la Zone de Détente, le battage des pieux de la plateforme dériveur ou de la passerelle, etc. Tout ceci en respectant la chronologie prévue dans le planning des travaux (fig. 8 à 12).

Il est ensuite possible de visualiser l’évolution au cours du temps des déplacements du sommet du fond actuel du lac à divers endroits, afin d’anticiper non seulement leur amplitude maximale de l’ordre de 30 cm, mais aussi de savoir à partir de quand ces déplacements se stabiliseront . De manière générale les tassements se consolident selon une courbe logarithmique, avec une augmentation relativement rapide au début de la mise en charge qui va en s’amenuisant au cours du temps (fig. 13 et 14).

Ce graphique permet de voir que:

  • le déplacement vertical à long terme dans la Zone de Détente et sous la promenade sera de près de 40 cm;
  • le remblayage de la promenade se traduit uniquement par des déplacements localisés dans cette zone;
  • la remontée de la nappe phréatique dans la zone remblayée se traduit par des tassements supplémentaires;
  • les tassements peuvent être considérés comme stabilisés 500 jours après le début du chantier.

Suivi des déplacements in situ

Toutefois, les nombreuses incertitudes qui prévalent dans une discipline aussi complexe que la géotechnique (concernant les épaisseurs et les propriétés des couches qui doivent être utilisées dans les modèles de comportement) imposent de porter un regard très critique sur ces résultats encourageants. Afin de se prémunir de toute mauvaise surprise, il a été décidé de suivre le tassement des sols sous le remblai durant sa réalisation, afin de disposer de données réelles susceptibles de valider les résultats des calculs. C’est ainsi qu’un peu plus de 20 tassomètres destinés à mesurer la position du fond du lac au cours du remblayage ont été installés dans la Zone de la Plage. (fig. 15)

Ces mesures doivent permettre de confirmer ou d’infirmer les pronostics du modèle, et par suite de prendre la décision de poursuivre ou non les aménagements directement après le remblayage. Et, dans l’état actuel, la concordance entre modèle et mesures est assez stupéfiante et laisse supposer que les travaux n’auront effectivement pas à être interrompus.

Valorisation des matériaux d’excavation

La question des remblais de la future Plage publique des Eaux-Vives peut difficilement être abordée sans évoquer l’opportunité qu’elle offre de valoriser les matériaux d’excavation. À cet égard, il faut rappeler que l’un des premiers projets à l’étude pour la plage prévoyait un volume de remblayage sensiblement plus important (près de 300'000 m3) que celui des projets en cours de réalisation (environ 100'000 m3). Une forte différence qui était principalement due au niveau final, alors bien plus élevé, prévu pour la plage. Bien que le volume global a été réduit considérablement, et pour faire face à la pénurie de décharge à Genève, le principe de valorisation des matériaux d’excavation a été maintenu. Ce processus contribue en outre au financement de la plage, puisque les entreprises ont accepté de payer pour avoir le droit d’utiliser les matériaux de terrassements d‘autres chantiers pour le remblai de la Plage.

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Les matériaux à valoriser ne doivent bien entendu pas être pollués. Ils doivent être composés d’au moins 99 % en poids de roches meubles ou concassées et, pour le reste, être constitués d’autres déchets de chantier minéraux. Ils doivent être clairement identifiés selon des procédures normalisées. Pour mettre en place cette procédure, les entreprises sont tenues d’annoncer à un mandataire spécialisé la provenance (chantier et parcelle d’origine avec la preuve de sa non-inscription au cadastre des sites pollués) des matériaux qu’ils envisagent d’utiliser et apporter la démonstration qu’ils répondent aux critères fixés. Au cours de la livraison, la provenance des matériaux de chaque camion est enregistrée selon un descriptif précis fixé dans le cahier des charges. Une fois déversés par les camions et répartis avec une pelle mécanique, le compactage des matériaux se fait par couches successives, essentiellement à l’aide de rouleau à pied de mouton. L’avancement du remblayage se fait alors au rythme du va-et-vient de quelque 80 camions par jour. Chacun d’entre eux livrant environ 15 m3, ce balai mécanique va durer près d’une centaine de jours ouvrables, comblant progressivement un peu plus de 100'000 m3 de lac.

La Digue Nord

Des études géotechniques concernant la réalisation de la Digue Nord ont bien sûr aussi été réalisées. Si la nature des sols sur lesquels la digue repose est similaire, sa construction diffère de celle de la plage par le fait que la digue est construite sans vider le lac, dans un espace non confiné. Il est de plus nécessaire de contrôler sa forme au fur et à mesure de sa réalisation « à l’aveugle ».  Sa fonction de protection implique par ailleurs l’utilisation de différents types de matériaux, selon qu’ils sont destinés au corps de digue en concassés ou à sa carapace de protection en enrochements (lire à ce sujet l’article Les en­ro­che­ments. Nou­veaux ou­vrages de pro­tec­tion la­custres dans la Rade de Ge­nève).

Les premières études géotechniques menées en 2008 étaient basées sur des sondages existants, notamment ceux réalisés pour les projets de traversées de la Rade. Elles avaient comme objectif premier de dimensionner la digue afin qu’elle remplisse son rôle de protection. Des calculs de tassements à l’aide de méthodes simples avaient été effectués, pour disposer d’une première estimation des tassements avec lesquels il faudrait compter.

Mi-2017, une campagne de sondages géotechniques a été réalisée afin de vérifier la nature des sols sous les futurs ouvrages et affiner les hypothèses retenues. Elle s’est accompagnée de calculs de tassements de la digue, avec un modèle tridimensionnel, qui ont permis de confirmer les ordres de grandeur estimés précédemment et la possibilité de réaliser le bâtiment des sports dès l’automne 2019. Finalement, la solution de fondations profondes (pieux ou micro-pieux) a définitivement été éliminée en raison de la trop grande profondeur des terrains compactés à atteindre et de la conviction que les tassements de surface peuvent être maîtrisés.

La  construction  de  la digue a  commencé  en septembre 2017. Elle a été accompagnée par la mise en place d’une dizaine de tassomètres afin de, là aussi, vérifier l’exactitude des calculs. En mai 2018, alors que 60% des 100'000 m3 des matériaux de la digue étaient en place (notamment ceux sous le futur bâtiment des sports), les ordres de grandeurs des tassements prévus correspondaient aux mesures. Ils évoluent en revanche un peu plus rapidement que prévus, ce qui fait que la construction du bâtiment des sports devrait effectivement pouvoir débuter en septembre 2019.

Modèles 3D et outils de contrôle GPS

Le contrôle de la forme et de la bonne disposition des divers matériaux est une opération délicate, pour laquelle le GPS fournit une aide précieuse. Compte tenu du fait que les travaux se déroulent essentiellement sous l’eau, il n’est pas évident de se faire une image claire de ce qu’on doit réaliser, et a fortiori, de contrôler ce qui est effectivement   réalisé.   L’utilisation   toujours  plus généralisée du GPS et le développement des outils de modélisations 3D ont considérablement révolutionné les techniques d’implantation et de contrôle sur les chantiers.

L’association traditionnelle de vues en plan, de coupes et d’élévations montre de sérieuses limites selon la complexité de la géométrie de l’ouvrage à réaliser. À titre d’exemple, pour la Digue Nord, il n’est pas forcément facile de visualiser la forme définitive que doit prendre chaque type de matériaux qui la compose pour répondre aux vœux des ingénieurs. Les géomètres ont ainsi créé, à partir des plans d’exécution en deux dimensions et d’informations complémentaires fournies par les ingénieurs, des modèles 3D des ouvrages qui permettent leur intégration directe dans la bathymétrie du fond du lac. Ils ont défini des surfaces qui peuvent être à la fois utilisées par les entreprises pour l’exécution des travaux que par la direction de projet pour leur contrôle.

Comme nous avons eu l’occasion de l’évoquer dans le précédent numéro consacré aux enrochements, les entreprises ont équipé les godets de leurs pelles mécaniques d’émetteurs GPS qui peuvent être visualisés en temps réel sur le modèle 3D fournis par les géomètres. Les machinistes peuvent ainsi, à chaque instant, situer précisément les matériaux qu’ils déposent «à l’aveugle» sous l’eau par rapport à leur position théorique. En plus de cela, lorsque les machinistes ont à mettre différents types de matériaux en place, il est possible de clairement leur montrer le contour que doit prendre chacun de ces matériaux (fig. 16,  17  et 18).

De l’avis de l’un des géomètres, ayant eu l’occasion d’utiliser les modèles 3D pour expliquer leur travail aux machinistes, ceux-ci ont vite fait d’apprécier l’efficacité de cet outil de représentation et de contrôle pour leur travail, alors même qu’ils faisaient preuve d’une certaine réticence liée à la nouveauté de l’équipement.

La possibilité de superposer la forme théorique et la   forme   effectivement   construite   facilite  bien évidemment le suivi des ouvrages construits sous l’eau. Comme le faisait pertinemment remarquer un ingénieur, même si elle ne permet pas de se passer entièrement des plongées, cette superposition constitue une base commune et objective de l’avancement des travaux.

Incertitudes géotechniques

Les exemples du remblai de la Plage publique des Eaux-Vives et de la Digue Nord illustrent à merveille la complexité du travail des géotechniciens. Bien que ces derniers disposent aujourd’hui de puissants outils de modélisation permettant l’utilisation de lois de comportement toujours plus « précises », ils doivent garder un regard très critique par rapport aux résultats obtenus. En dépit de l’amélioration des outils théoriques de prédiction, la géotechnique demeure une science dans laquelle l’expérience et les mesures in situ joueront toujours un rôle essentiel.

 

Le journal "La plage"

 

Le journal "La plage" retrace toutes les étapes du chantier de la plage publique des Eaux-Vives à Genève. Tiré à 3000 exemplaires et gratuit, il est publié tous les quatre mois. Cette pubilcation offre un témoignage précieux et régulier sur le rythme du chantier. Avant les plaisirs de la baignade estivale, le journal veut d’abord relater et donner à lire un autre plaisir doublé d’une expérience unique : le chantier. Le projet éditorial de La plage ne cherche pas tant à décrire le futur projet qu’à témoigner des réalités des hommes et des femmes qui y sont à l’œuvre. Afin de diffuser le plus largement possible ce projet éditorial sur l'art du chantier, espazium.ch diffuse une sélection d’articles issus de chaque numéro du journal La plage. Nous remercions chaleureusement toute l'équipe oeuvrant sur le projet ainsi que Jacques Perret, responsable éditorial des journaux. Bonne lecture.

 

La plage n°1, journal de chantier
Observer des processus créateurs
Les palplanches
Portrait: Roger Nauer, responsable des travaux lacustres pour le projet Port et Plage publique des Eaux-Vives à Genève

 

La plage n°2, journal de chantier
Il n'y a pas de plage sans vagues
Les enrochements. Nouveaux ouvrages de protection lacustres dans la Rade de Genève
Portrait: David Ballatore, contremaître pour les travaux lacustres de l’extension du Port de la Société Nautique de Genève

La formation de la Rade de Genève

 

La plage n°3, journal de chantier
La Rade de Genève, de la dernière glaciation à nos jours
Encadrer des processus créateurs: comment interpréter l'interdiction  de principe de réaliser une plage
Les remblais
Portrait: Philippe Sautier

 

La plage n°4, journal d'un chantier
Les stations lacustres de la rade de Genève
Pas­se­relle et pla­te­formes mé­tal­liques sur pieux
Por­trait: Laurent Sci­boz

47 siècles d’his­toire sous la plage

 

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