Determination of geotechnical characteristics of sensitive clay of Lac-Saint-Jean in the objective of prediction of retrogressive landslides

Les argiles sensibles sont vulnérables à la moindre perturbation, ce qui entraîne souvent des glissements de terrain catastrophiques, les rendant hautement désastreuses et préjudiciables. Les régions de l'Est du Canada, comme le Québec et l'Ontario, possèdent d'importants dépôts de ces argiles sensibles, qui représentent une menace sérieuse pour la vie et les biens. La dégradation de la résistance des argiles sensibles est due à l'assouplissement post-pic sous contrainte, conduisant à des glissements de terrain rétrogressifs. Une conséquence majeure de ces glissements est l'ampleur des mouvements post-rupture qui y sont associés. L'évaluation de ces mouvements est essentielle dans les études de susceptibilité aux glissements de terrain. Les études existantes ont utilisé plusieurs critères pour la rétrogression, sous forme de propriétés physiques et mécaniques du sol, ainsi que certains modèles d'assouplissement sous contrainte pour définir avec précision ces mouvements. Cependant, une revue détaillée de la littérature montre qu'un critère énergétique peut évaluer ces mouvements avec une meilleure précision, et que l'historique des contraintes du sol joue un rôle significatif dans le comportement d'assouplissement sous contrainte. Cela signifie également que ces études d'évaluation des glissements de terrain devraient être accompagnées d'études de caractérisation géotechnique fournissant des informations spécifiques au site sur l'historique des contraintes du sol ainsi que sur son comportement en cisaillement. La présente étude vise à aborder le comportement complexe post-pic des argiles sensibles en cisaillement non drainé à travers un modèle mathématique et un critère énergétique, en tenant compte des propriétés physiques et mécaniques du sol. Parmi les argiles sensibles de l'Est canadien, les argiles de Laflamme sont relativement moins explorées. Ainsi, une investigation géotechnique détaillée a été menée sur les argiles de deux zones d'étude autour du Lac-Saint-Jean : Desbiens et Albanel. De plus, ces résultats sont appliqués à l'analyse de stabilité des pentes et à un critère pour les glissements de terrain rétrogressifs basé sur l'énergie de remaniement. Les résultats montrent l'importance de l'historique des contraintes dans l'assouplissement sous contrainte des argiles sensibles. À travers le modèle mathématique développé, une bonne estimation des déformations à grande échelle peut être obtenue à partir des résultats expérimentaux. Les études expérimentales et numériques montrent que les argiles de Laflamme sont surconsolidées et fortement lessivées par rapport aux argiles de Champlain. De plus, il existe des différences en termes de minéralogie, de plasticité et de composition élémentaire, principalement dues à une faible quantité de minéraux argileux, à une grande quantité de farine rocheuse résultant du broyage glaciaire du Bouclier canadien, à la surconsolidation et à l'environnement lacustre du Lac-Saint-Jean. Cela souligne la nécessité d'études spécifiques à chaque région pour analyser les glissements de terrain dans les argiles sensibles. En outre, les paramètres de résistance au cisaillement déterminés en laboratoire présentent un effet d'échelle lorsqu'ils sont appliqués aux grandes pentes en argiles sensibles. Cela est démontré par l'analyse rétrospective des pentes survenues dans la région de Desbiens et d'Albanel à l'aide d'une analyse d'équilibre limite. Sensitive clays are vulnerable to even the slightest of disturbance, often resulting in catastrophic landslides, making them highly disastrous and detrimental. The Eastern Canadian regions of Quebec and Ontario have large deposits of such sensitive clays which pose a serious threat to life and property. Strength degradation in sensitive clays is due to post - peak strain softening leading to retrogressive landslides. A major consequence of such landslides is the large post failure movements associated with them. Assessment of these movements is key in landslide susceptibility studies. Existing studies have used several criteria for retrogression, in the form of physical and mechanical properties of the soil as well as certain strain – softening models to accurately define these movements. However, detailed literature review shows that an energy criterion can assess these land movements with better precision and the stress history of the soil plays a significant role in the strain softening behaviour itself. This also means that such landslide assessment studies should be accompanied by geotechnical characterization studies which gives site - specific information on the stress history of the soil as well as its shear behaviour. The present study aims to address the complex post-peak behaviour of sensitive clays in undrained shear through a mathematical model and energy criterion by taking into consideration the physical and mechanical properties of the soil. Among Eastern Canadian sensitive clays, the Laflamme clays are relatively less explored and hence a detailed geotechnical investigation on clays from two study areas surrounding the Lac-Saint-Jean – Desbiens and Albanel have been conducted. Furthermore, these findings are applied to slope stability analysis and a criterion for retrogressive landslides based on remoulding energy. The results show the important role played by stress history in strain softening in sensitive clays. Through the mathematical model developed, a good estimation of large deformation strain can be made from experimental results. Experimental and numerical studies show that Laflamme clays are overconsolidated and highly leached in comparison to the Champlain clays. In addition to that there are diffrences in minerology, plasticity and elemental composition that primarily stems from low quantity of clay minerals, high amount of rock flour due to glacial grinding of the Canadian Shield, overconsolidation and lacustrine environment of the Lac-Saint-Jean. This highlights the need of region specific studies in the analysis of sensitive clay landslides. Additionally, shear strength parameters determined in the laboratory suffer a scale effect when applied to large sensitive clay slopes. This is shown by back analysis of occurred slopes in the region of Desbiens and Albanel by limit equilibrium analysis.

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