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ETAT DES CONNAISSANCES SUR LE RETRAIT-GONFLEMENT DES SOLS ARGILEUX
Le retrait-gonflement des sols argileux est un phénomène étudié depuis plus d’une soixantaine d’années, mais dont tous les secrets n’ont pas été percés à ce jour, tant la problématique est complexe et met en jeu de multiples mécanismes. Le retrait-gonflement est en effet un problème multidimensionnel dont tous les composants sont couplés à différents niveaux et jouent un rôle essentiel dans sa manifestation et son ampleur (Tessier et al., 2006 ; Millot, 1964) :
• L’environnement du sol argileux : le climat (océanique, continental, méditerranéen…), la météorologie (précipitations, température, vent…), la végétation, la matière organique…
• Son origine géologique : sédimentaire, détritique…
• Son contexte géomorphologique : localisation dans une vallée, en pente, dans des anciens marais…
• Son utilisation « anthropique » : construction de maisons individuelles, d’immeubles, d’ouvrages d’art, agriculture…
D’autres particularités de ce problème sont intrinsèques au sol argileux :
• Constitution du sol argileux : degré d’hétérogénéité, degré d’homogénéité, espèce d’argile (kaolinite, illite, smectite…), présence ou non de carbonates,…
• Composition structurale (l’argile est composée de 3 niveaux structuraux, dont chacun peut interagir avec les autres) ;
• Composants physiques intervenant dans le comportement de l’argile : le comportement résulte de l’interaction de plusieurs mécanismes (hydrique, thermique, mécanique ou plus généralement physico-chimique) ;
• Effet d’échelle : l’argile étant composée de divers niveaux structuraux, le comportement observé et qui se manifeste à une échelle n’est pas forcément observable (voire extrapolable) à une autre échelle.
De plus, à l’échelle in-situ, les caractéristiques de gonflement d’un sol argileux à un endroit particulier ne seront pas forcément celles observées à un autre endroit, dans le cadre d’une disposition lenticulaire par exemple (hétérogénéité spatiale).
Toutes ces variables sont, en général, couplées, et complexifient considérablement l’analyse fine d’un problème de retrait-gonflement. Dans la littérature (Yong & Warkentin, 1975 ; Tessier et al., 2006 ; Vincent et al., 2009), les travaux se concentrent sur quelques composantes (construction d’ouvrages sur sols argileux gonflants, influence de la végétation sur le retrait-gonflement…) de ce problème mais il est à l’heure actuelle difficile d’intégrer l’ensemble des mécanismes décrits ci-dessus. Les connaissances sur chacune de ces composantes, prises indépendamment, ont certes avancé depuis cinquante ans, mais leur conjugaison pour un aspect prédictif du retrait-gonflement sur un site, quel qu’il soit, reste encore d’actualité.
Les phénomènes physiques présents sont illustrés de manière simplifiée sur la Figure 1, qui synthétise les principaux transferts et processus affectant la partie superficielle du sol.
Le bilan (Figure 1), relativement exhaustif, n’inclut pas les mécanismes physiques tels que les déformations, les contraintes, les pressions interstitielles. On imagine aisément la complexité des couplages des différents processus physiques à prendre en compte dans une analyse rigoureuse du comportement thermo-hydro-mécano-chimique (THMC) du milieu poreux (sol, argiles).
La Figure 2 représente un zoom plus détaillé du schéma de l’environnement du milieu non saturé et de son rôle dans le cycle hydrologique naturel.
La position d’équilibre stationnaire de la nappe d’eau est contrôlée par la topographie générale du système, les propriétés du sol, et les différents équilibres entre les mécanismes naturels qui régissent les écoulements et les transferts.
L’échelle spatiale correspondant au cycle hydrologique peut être locale ou régionale, d’une extension de la taille d’un ouvrage à l’échelle d’un continent. De manière générale, la quantité ou le volume d’eau situé entre la nappe phréatique et la surface du sol dans la zone non saturée ne représente qu’une petite partie de la quantité totale d’eau dans un cycle hydrologique (moins de 0,01 %) (Lu & Likos, 2004).
La zone non saturée forme la transition inévitable entre l’atmosphère et les grandes nappes aquifères situées en profondeur. L’écoulement de l’eau dans cette petite partie du cycle est très important.
Figure 2: Rôle de la zone non saturée dans le cycle hydrologique (Lu & Likos, 2004).
Si l’on exclut toute sollicitation d’origine mécanique agissant à la frontière du sol, alors dans les sols non-saturés, les déformations sont principalement provoquées ou régies par des changements d’humidité du sol ou de pression hydraulique.
La déformation des sols non saturés induite par l’humidification et le séchage est souvent dénommée gonflement et retrait du sol et est un phénomène important (Vincent et al., 2009).
La Figure 3, par exemple, illustre plusieurs mécanismes importants fréquemment rencontrés au voisinage de la surface de certains sols contenant une fraction sensible à l’eau.
On recense bon nombre de mécanismes, tels que l’élévation ou le tassement de la surface du sol, la génération de pressions de gonflement sous des trottoirs ou des fondations, et des fissures dues à des tractions (Lu & Likos, 2004).
Figure 3: Déformations et divers écoulements au voisinage d’une surface de sol non saturé (Lu & Likos, 2004).
D’autres phénomènes (Figure 3), comme l’infiltration, l’évaporation, et la fluctuation saisonnière associées au profil d’humidité, entrent dans la catégorie générale des phénomènes d’écoulements non saturés (Foth, 1990). La Figure 4 illustre un exemple de dégât causé à une habitation par le retrait.
Figure 4: Exemple de dégât induit par le retrait du sol (Foth, 1990)
Le présent chapitre a pour but d’exposer les connaissances actuelles sur le retrait-gonflement des sols argileux, et sur les différentes composantes auxquelles nous nous sommes intéressés dans le cadre de nos travaux. La base de ces recherches sera l’étude des argiles, de leur variété à leurs propriétés physico-chimiques. Nous élargirons cette synthèse au tryptique argile-eau-air, avec les différents couplages et les éléments caractéristiques (teneur en eau, succion…) qui en résultent, enfin, nous ferons le point sur quelques caractérisations expérimentales et modélisations numériques qui sont utilisées aujourd’hui.
A partir de cette synthèse, nous soulignerons les problèmes rencontrés à ce jour pour la caractérisation et la prévision du retrait-gonflement, qui nous ont servis de base pour la problématique de nos travaux de recherche. Rappelons toutefois que notre objectif est de mieux cerner le comportement du retrait-gonflement à l’échelle microscopique à l’aide d’essais au MEBE, d’établir des liaisons ou passerelles entre les différentes échelles (micro, méso et macroscopique) et proposer des modèles d’estimation du retrait-gonflement opérationnels sur un site donné.
LES ARGILES
Le terme « argiles » regroupe différentes catégories de matériaux naturels : un ensemble d’espèces minérales, une famille de roches, une catégorie de sols ou encore une classe granulométrique. Une grande diversité de matériaux avec des compositions, des propriétés physico-chimiques et des comportements mécaniques variés est contenue sous ce terme général (Homand & Duffaut, 2000 ; Millot, 1964 ; Meunier, 2005 ; Velde, 1995 ; Sparks, 2003).
Les argiles peuvent se présenter globalement sous deux formes structurales : les roches et les sols argileux. Leur caractéristique commune est la proportion, plus ou moins importante, des minéraux argileux qu’ils contiennent ; cependant, on les différencie par :
• le niveau de consolidation subie au cours de leur histoire géologique. Elles sont consolidées et indurées en ce qui concerne les roches (Osipov & Sokolov, 1978).
• l’absence ou la faible valeur de la cohésion pour les sols argileux. On considère en général qu’un sol argileux est constitué de plus de 30 % d’éléments fins dont la taille est inférieure à 2 μm (Lambe & Withman, 1969).
Structure d’une argile
Les minéraux argileux sont des phyllosilicates hydratés de petite taille. Quel que soit le domaine concerné, la structure cristalline des argiles est importante car elle conditionne les propriétés physiques du minéral (Caillère & Hénin, 1959).
Les minéraux argileux sont donc principalement des phyllosilicates, qui sont donc constitués par un empilement de feuillets. La Figure 5 précise la terminologie utilisée pour définir la structure des argiles. On distingue 3 niveaux d’organisation :
1. les feuillets, tétraédriques ou octaédriques ;
2. les particules, qui correspondent à des combinaisons ou agencements de feuillets ;
3. les agrégats, qui résultent de l’association de plusieurs particules.
Figure 5: Représentation schématique de l’organisation texturale d’une argile (Touret, 1988)
Texture d’une argile
Tout comme la structure cristalline des argiles, la texture est un paramètre important car il conditionne les propriétés physiques du minéral (Caillère & Hénin, 1959). La texture concerne l’assemblage des minéraux (argileux ou pas) sous forme d’agrégats ainsi que l’arrangement ou distribution spatial(e) de ces agrégats (Audiguier, 1979). Aubouin et al. (1968) définissent la texture comme « la forme, la dimension et la disposition d’un certain nombre de minéraux naturellement groupés en une population au sein de la roche ».
Cette organisation peut faire l’objet de différentes classifications (Van Olphen, 1963 ; Collins & McGown, 1974 ; Le Roux, 1975 ; Sergeyev et al., 1978).
Ces classifications sont valables pour les sols argileux. Gens et Alonso (1992) ont établi une classification pour les sols gonflants, à partir des travaux de Collins et McGown (1974). Cette classification se base sur l’organisation des particules élémentaires argileuses :
• Texture « matricielle » (Figure 6a) : texture dont la base est une pâte homogène avec les particules élémentaires disséminées dans cette pâte. Cette texture est caractéristique des sols naturels ou des sols compactés du côté humide de l’optimum Proctor (Figure 7a).
• Texture « agrégée » ou « compactée » (Figure 6b) : texture compactée avec les particules élémentaires assemblées sous forme de mottes ou d’agrégats. Cette texture est caractéristique des sols compactés, du côté sec de l’optimum Proctor (Figure 7b).
Figure 7: Photographies MEB de texture matricielle (a; Argile Verte de Romainville) et texture agrégée (b ; Argile de Bavent) (Vincent et al., 2009)
Principales argiles
Parmi les minéraux argileux, les plus connus sont :
1. la Kaolinite (1/12, d3=7 Å) (Figure 8). Pas de substitution dans les couches. Le feuillet est neutre. La kaolinite se forme dans les sols bien drainés, par pH acide, surtout en climat subtropical et tropical. Ses cristaux sont souvent grands pouvant atteindre 15 µm.
2. les Illites (2/1, d=10 Å). Association d’un feuillet O (alumineux) et deux feuillets T (siliceux). Il peut y avoir des substitutions (remplacement de Si par Al). Des cations (K+) sont adsorbés dans l’espace interfoliaire afin de compenser le déséquilibre des charges. C’est le minéral ubiquiste par excellence. Sa structure est proche de la muscovite (présentant plus d’eau et moins de K+).
3. les Smectites (2/1, d=14 Å) (Figure 8). L’empilement des feuillets est désordonné; chaque feuillet est tourné dans son plan par rapport au précédent. Les substitutions d’atomes sont importantes. Ce désordre et la faible charge des feuillets facilitent leur écartement et l’adsorption des molécules variées (eau, cations, molécules organiques) au niveau de l’espace interfoliaire qui s’écarte (d=18 Å). Les smectites, ou montmorillonites, sont généralement calciques, plus rarement sodiques. Elles sont formées dans les sols mal drainés plutôt alcalins. Les feuillets de smectites peuvent s’intercaler régulièrement ou irrégulièrement avec d’autres feuillets argileux, souvent illitiques. L’ensemble forme des interstratifiés.
4. la Glauconie. Minéral vert ferrifère proche de l’illite exclusivement formé en milieu marin peu profond.
5. les Chlorites (2/1, d=14 Å). L’espace interfoliaire est garni par une couche composée de Mg et OH. L’Al est remplacé localement par le Fe. Les chlorites existent en plus grands cristaux dans les roches magmatiques. Elles sont également formées pendant la diagénèse des roches sédimentaires. On les retrouve en éléments détritiques dans les sols sous climat peu agressif.
6. la Vermiculite (2/1, d=12 Å). Fréquente dans les sols de la zone tempérée. La couche octaédrique contient du Fe et du Mg. La vermiculite est proche des illites et chlorites mais montre des propriétés gonflantes.
7. Les argiles fibreuses. Les feuillets sont discontinus et forment des rubans. Les principaux types sont la sépiolite et l’attapulgite ou paligorskite. On les trouve dans les milieux confinés.
Figure 8: Structure des feuillets de kaolinite et de montmorillonite (Mitchell, 1976)
Surface spécifique et capacité de fixation
Les argiles se présentent sous trois formes structurales suivantes (Figure 9) :
1. En flocons, caractérisés par la même dimension dans deux directions et une épaisseur équivalente à 1/20ième de la longueur ;
2. En lattes, avec une dimension privilégiée, plus longue et une épaisseur toujours équivalente à 1/20ième de la longueur ;
3. En aiguilles, avec deux petites dimensions et la 3ième privilégiée, beaucoup plus grande. Cette structure est assez rare.
Figure 9 : Forme des particules argileuses: flake (flocons), lath (latte), needle (aiguille) (Velde, 1995)
La taille des argiles relativement petite et fine leur confère une surface spécifique importante par rapport au volume des particules qu’elles définissent. La surface relative augmente avec la diminution du diamètre. La surface spécifique des argiles est supérieure à celles de minéraux de même taille mais de forme différente. Le rapport épaisseur/largeur est de l’ordre de 20 pour les argiles. Les propriétés physiques des argiles sont principalement contrôlées par leur surface.
Le Tableau 1 donne des valeurs caractéristiques des surfaces des grandes familles argileuses. La surface totale comprend la surface externe, comprise entre les particules argileuses, et la surface interne, correspondant à l’espace interfoliaire (Figure 10). Les smectites ont les surfaces totales maximales : Surface : Smectites > Vermiculites >>> Illites > Kaolinites = Chlorites.
La capacité d’échange cationique (CEC) mesure la capacité d’une argile à échanger des cations avec l’eau du milieu. Elle mesure la concentration en cations non fixés dans la couche diffuse4 et dépend de la charge totale (c’est-à-dire, charge de surface et structurale). La CEC est fonction du pH et est généralement donnée pour un pH neutre (pH ≈ 7) (Laribi et al., 2006).
Les valeurs de CEC pour les principales familles argileuses sont reportées dans le Tableau 2.
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Table des matières
1. INTRODUCTION
2. ETAT DES CONNAISSANCES SUR LE RETRAIT-GONFLEMENT DES SOLS ARGILEUX
2.1 LES ARGILES
2.1.1 Structure d’une argile
2.1.2 Texture d’une argile
2.1.3 Principales argiles
2.1.4 Surface spécifique et capacité de fixation
2.2 L’EAU, L’AIR ET L’ARGILE
2.2.1 Introduction sur les différents couplages
2.2.2 Adsorption-désorption
2.2.3 Humidification et gonflement
2.2.4 Teneur et potentiel de l’eau
2.2.5 Relation entre la succion et l’humidité relative : courbe de rétention
2.3 OBSERVATIONS AU MEBE
2.3.1 Comportement visco-hydro-mécanique de la craie : étude expérimentale microscopique (Nguyen, 2009)
2.3.2 Etude de la localisation de l’eau dans la structure poreuse par comparaison de quatre sols (Ferber, 2005)
2.3.3 Etude expérimentale de la sorption d’eau et du gonflement des argiles par MEBE et analyse digitale d’images (Monte)
2.3.4 Comparaison du retrait-gonflement de deux argiles à l’échelle microscopique (MEBE) et mésoscopique (laboratoire)
2.4 CARACTERISATIONS EXPERIMENTALES
3. ARGILES ETUDIEES
3.1 MONTMORILLONITE GRECQUE
3.1.1 Géologie du site
3.1.2 Caractérisation minéralogique et géotechnique
3.1.3 Comportement « hydrique »
3.1.4 Synthèse des caractéristiques de la montmorillonite grecque
3.2 ARGILE VERTE DE ROMAINVILLE
3.2.1 Géologie du site
3.2.2 Caractérisation minéralogique et géotechnique
3.2.3 Essais par diffraction des rayons X (DRX)
3.2.4 Comportement « hydrique »
3.2.5 Essais de caractérisation géotechnique de laboratoire
3.2.6 Synthèse des caractéristiques de l’argile verte de Romainville
4. METHODES EXPERIMENTALES
4.1 MICROSCOPE ELECTRONIQUE A BALAYAGE ENVIRONNEMENTAL (MEBE)
4.1.1 Principe du MEBE
4.1.2 Modélisation du champ thermique au sein d’un échantillon
4.1.3 Modélisation de l’effet du scotch carbone sur l’intensité de la déformation surfacique
4.1.4 Platine de refroidissement (Platine Peltier)
4.1.5 Avantages et inconvénients du MEBE
4.2 DEVELOPPEMENT D’UN SYSTEME DE MICRO-PESEE DANS LE MEBE
4.2.1 Introduction
4.2.2 Démarche générale du développement expérimental et de l’essai
4.2.3 Principe de l’essai
4.2.4 Protocole d’essai
4.2.5 Avantages et inconvénients de la méthode
4.2.6 Validité des conditions expérimentales
4.2.7 Exemple de résultats
4.2.8 Remarques
4.3 POROSIMETRIE BET
4.3.1 Principe de la porosimétrie BET
4.3.2 Etat initial par la porosimétrie BET
4.4 DIFFRACTION DES RAYONS X
4.5 MICROSCOPE ELECTRONIQUE A BALAYAGE ENVIRONNEMENTAL HAUTE RESOLUTION
4.6 PROTOCOLE EXPERIMENTAL DES ESSAIS MESOSCOPIQUES D’HUMIDIFICATION SECHAGE
5. ESSAIS A L’ECHELLE MICROSCOPIQUE
5.1 MISE EN OEUVRE D’UN PROTOCOLE EXPERIMENTAL POUR LES ESSAIS DE RETRAIT-GONFLEMENT AU MEBE
5.1.1 Essais sur agrégats
5.1.2 Essais sur échantillons cubiques
5.1.3 Problèmes expérimentaux rencontrés
5.2 MONTMORILLONITE GRECQUE (AGREGATS DE 50 μM)
5.2.1 Observations et courbes de retrait-gonflement
5.2.2 Cinétiques de retrait-gonflement
5.3 ARGILE VERTE DE ROMAINVILLE (AGREGATS DE 50 μM)
5.3.1 Observations et courbes de retrait-gonflement
5.3.2 Cinétiques de retrait-gonflement
5.4 PETITS AGREGATS DE MONTMORILLONITE GRECQUE (10 μM)
5.4.1 Observations et courbes de retrait-gonflement
5.4.2 Cinétiques de retrait-gonflement
5.5 GROS AGREGATS DE MONTMORILLONITE GRECQUE (100 μM)
5.5.1 Observations et courbes de retrait-gonflement
5.5.2 Cinétiques de retrait-gonflement
5.6 PILOTAGE EN TEMPERATURE
5.6.1 Observations et courbes de retrait-gonflement
5.6.2 Cinétiques de retrait-gonflement
5.7 COMMENTAIRES GENERAUX SUR LES RESULTATS A L’ECHELLE MICROSCOPIQUE
5.7.1 Courbes de retrait-gonflement
5.7.2 Validité des mesures
5.8 ANALYSE COMPARATIVE DES REPONSES DES DEUX ARGILES
5.8.1 Montmorillonite grecque/Argile verte de Romainville
5.8.2 Influence de la taille des agrégats sur la réponse hydrique
5.8.3 Essais contrôlés en pression ou en température
6. ESSAIS COMPLEMENTAIRES A L’ECHELLE MESOSCOPIQUE
6.1 COURBES DE RETENTION
6.2 OBSERVATIONS MICROSCOPIQUES (MEBE ET MEBE-HR)
6.3 POROSIMETRIE B.E.T.
6.4 COMPARAISONS DES DEFORMATIONS MESUREES A L’ECHELLE MICROSCOPIQUE ET MESOSCOPIQUE
6.5 SYNTHESE
7. SYNTHESE DES ESSAIS REALISES
8. METHODES SIMPLES POUR L’ESTIMATION DU RETRAIT-GONFLEMENT
8.1 ETAT DE L’ART SUR LA MODELISATION DU COMPORTEMENT DES ARGILES
8.2 APPROCHE ANALYTIQUE
8.2.1 Principales hypothèses de l’approche utilisée
8.2.2 Evaluer l’amplitude du tassement et du gonflement dans le sol
8.2.3 Relation entre la déformation volumique de l’échantillon et son tassement ou son gonflement
8.2.4 Proposition de profils hydriques
8.2.5 Calcul du profil de mouvement
8.2.6 Comparaison avec des mesures de tassement et de gonflement in situ
8.2.7 Conclusion sur l’approche analytique
8.3 APPROCHE NUMERIQUE
8.3.1 Esprit de l’approche
8.3.2 Formalisation du problème hydrique
8.3.3 Implémentation numérique
8.3.4 Modélisations numériques de cas heuristiques
9. CONCLUSIONS
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