Propriétés des sols compactes

PROPRIETES DES SOLS COMPACTES

DEFINITION DU DOMAINE QUASI SATURE

Le domaine quasi saturé ou autrement dit au voisinage de la saturation est le domaine ou la phase air n’est pas continue dans le fluide interstitiel se trouvant dans un sol. Dans ce cas l’air est sous forme de bulle d’air isolé baignant dans l’eau. Ce cas est observé pour les degrés de saturation supérieure ou égale à 85%. Cette zone de transition entre l’état saturé et l’état non saturé où l’air est occlus constitue un problème sérieux rencontré lors de l’édification des barrages en terre homogènes, qui est celui de l’apparition des surpressions interstitielles. Vu la faible perméabilité des sols fins compactés, et dans l’hypothèse d’une construction suffisamment rapide vis-à-vis de la vitesse de transfert de l’eau, on peut en effet considérer que la construction d’un ouvrage en remblai se fait en conditions non drainées à l’eau. Quand la zone d’air occlus est atteinte, on peut modéliser le comportement en adoptant l’expression de la contrainte effective en milieu saturé, avec un fluide compressible qui représente globalement la compressibilité du mélange eau-air (Cui & Delage, 2000). Physiquement le domaine quasi saturé se traduit dans le domaine saturé à succion non nulle sur chemin de drainage-humidification.

CHEMINS DE DRAINAGE HUMIDIFICATION

L’action de la pression interstitielle négative ou succion (s = ua-uw) est mise en relief sur un chemin de drainage humidification, dans lequel l’échantillon n’est soumis à aucune contrainte extérieure. Ce chemin est obtenu par des essais dont le principe est d’imposer au sol une série de pressions capillaires croissantes jusqu’à séchage complet (drainage), puis appliquer une suite de pressions décroissantes afin de le réhumidifier (imbibition). Une représentation englobant, en même temps, la variation des paramètres (succion, indice des vides, degré de saturation et teneur en eau) est nécessaire. En effet, la représentation dans un diagramme à cinq plans ([log s, e], [log s, Sr], [log s, ω], [ω, e] et [ω, Sr]), permettra de mettre en évidence les correspondances entre les variations de ces paramètres (Biarez et al., 1988). Ci-après, les principales caractéristiques des sols soumis à un chemin de drainage humidification. Ces sols sont sous forme de pâte (w=1.5 wL), surconsolidés et compactés.

MICROSTRUCTURE D’UN SOL COMPACTE

Plusieurs auteurs ont étudié la microstructure des sols compactés en utilisant les techniques citées plus haut à savoir la porosimétrie au mercure et la microscopie électronique à balayage MEB (ou le MEBE). En premier lieu, on présentera ci après les résultats d’une étude effectuée sur les branches de la courbe Proctor c’est-à-dire côtés sec et humide ainsi que les observations effectuées à l’optimum. Les courbes obtenues par Ahmed et al., (1974 cités par Delage et Cui, 2000) sur des échantillons compactés du côté sec, à l’optimum Proctor et du côté humide (cf. figure 1.10), permettent des observations qui ont été confirmées par microscopie électronique à balayage pour le limon de Jossigny (cf. figure 1.11). Les observations issues des figures 1.10 et 1.11 émanant des auteurs su-cités se résument comme suit :

Côté sec de l’optimum : une double porosité est observée, correspondant à une structure en agrégats; la famille de pores de petits diamètres (0,04 μm) correspond aux pores internes aux agrégats, alors que les pores de diamètres d’accès moyens de 30 μm sont situés entre les agrégats. Sur la photographie correspondante (cf. figure 1.11.a), un agrégat de 70 μm environ de diamètre, constitué de grains de limon de diamètre voisin de 20 μm, est clairement apparent. La phase argileuse (34 % < 2 μm) est peu apparente, les plaquettes étant collées sur les grains de limon. Dans les sols plus argileux, les agrégats sont constitués de l’agglomération de minéraux argileux.

La courbe porosimétrique de l’échantillon humide est unimodale, avec un point d’inflexion à 0,24 μm, représentatif de la structure observée sur la figure 1.11.c : les grains de limon sont entièrement contenus dans une matrice formée de l’argile hydratée, au point de n’être plus clairement apparents. Le rayon, déterminé par la pénétration du mercure, est le rayon d’entrée dans cette matrice argileuse. Par rapport à la photographie précédente, on observe que l’hydratation permise par une teneur en eau plus forte engendre une augmentation considérable du volume de la phase argileuse.

La structure du limon de Jossigny à l’optimum Proctor est plutôt de type granulaire (cf. figure 1.11.b), sans présence apparente d’agrégats, avec une courbe porosimétrique représentative de pores mal classés, de diamètre compris entre 0,20 et 100 m. Il est possible que cette configuration, moins bien ordonnée, soit obtenue par rupture des agrégats lors du compactage, du fait d’une résistance moindre des agrégats, due à une teneur en eau plus grande.

Pour les degrés de saturation indiqués sur la figure 1.10, si l’on admet que l’eau est contenue dans les plus petits pores, on observe que les agrégats de l’échantillon humide sont proches de la saturation (pores intra-agrégats de diamètre inférieur à 1 μm), et que les pores inter-agrégats sont pleins d’air. De même, la majorité des pores de l’échantillon humide sont remplis d’eau, entraînant l’occlusion et la noncontinuité de l’air. Dans l’échantillon à l’optimum, seuls les gros pores de diamètre d’accès supérieurs à 60 μm sont pleins d’air.

MICROSTRUCTURE DES SOLS EFFONDRABLES

Les sols compactés susceptibles de s’effondrer ont une structure ouverte (espaces intergranulaires importants) et un pourcentage important de vides ce qui les rend métastables. Plusieurs hypothèses sont émises concernant l’arrangement des particules de sol, l’importance ou l’orientation des liaisons. Les chercheurs supposent qu’il existe une sorte de structure en nid d’abeilles, avec des liaisons ou forces aux points de contact qui lient les grains entre eux. Montanez a montré (cf. figure 1.16) les nombreux vides d’une structure métastable d’un sol (photographie par microscope électronique à balayage). Après humidification, on remarque clairement que les grains se sont réarrangés en créant une densification (disparition des vides) et par là un nouvel équilibre de la structure. Les comportements d’effondrement se manifestent souvent dans des sols fins dans lesquels les particules de silt ou de sable sont présentes en grande proportion. Les particules élémentaires (plaquettes) se présentent alors en agrégations. Dans ce genre de sols, la plus grande partie du volume des pores est du type inter-agrégats et ils occupent une place relativement grande par rapport aux pores intra-agrégats.

La microstructure qui possède ainsi des espaces vides de grande taille est considérée comme une structure ouverte (open structure). Les liaisons entre les particules ont plusieurs origines dans ce cas : les effets électrochimiques, les connecteurs composés de matière argileuse et les effets capillaires. Dans tous les cas, plus la teneur en eau est basse, plus les liaisons entre les particules sont fortes. On observe que, en cas d’hydratation, lorsque le sol est soumis une sollicitation mécanique faible, il se produit un gonflement, tandis que l’effondrement se manifeste quand cette sollicitation est importante. Cela s’explique en fonction de la microstructure (Alonso et al. 1987 ; Collins et al. 1974 ; Barden et al. 1973 cités par Benchouk, 2005) : lorsque la sollicitation mécanique est faible, les plaquettes d’argile dans les agrégats et les ponts se gonflent lors de l’hydratation, mais la structure du sol est préservée. Par contre quand elle est plus élevée, les liaisons entre les grains de silt ou de sable peuvent être détruites : les ponts entre les grains peuvent être cassés, les agrégats se déforment sous cette charge élevée et, en conséquence, les grains de silt ou de sable glissent les uns par rapport aux autres.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : PROPRIETES DES SOLS COMPACTES
1.INTRODUCTION
2.DEFINITIONS
2.1 LES SOLS COMPACTES
2.2 ENERGIE DE COMPACTAGE
3.DEFINITION DU DOMAINE QUASI SATURE
4.CHEMINS DE DRAINAGE HUMIDIFICATION
4.1 MATERIAU SOUS FORME DE PATE
4.2 MATERIAU CONSOLIDE
4.3 MATERIAU COMPACTE
5.CONCEPT DE LA CONTRAINTE EFFECTIVE
6.MICROSTRUCTURE DES SOLS COMPACTES
6.1 DEFINITIONS
6.2 TECHNIQUES UTILISEES POUR LA DESCRIPTION DE LA MICROSTRUCTURE D’UN SOL
6.3 MICROSTRUCTURE D’UN SOL COMPACTE
6.4 INFLUENCE DE L’ETAT INITIAL
7.PHENOMENE D’EFFONDRFEMENT
7.1 FACTEURS INFLUENÇANT L’EFFONDREMENT
7.2 MICROSTRUCTURE DES SOLS EFFONDRABLES
7.3 MECANISME DE L’EFFONDREMENT
7.4 IDENTIFICATION DE L’EFFONDREMENT
7.5 QUELQUES RESULTATS RECENSES DANS LA LITTERATURE
8.CORRELATIONS LIES AUX CARACTERISTIQUES DES SOLS COMPACTES
8.1 CORRELATIONS ENTRE LES LIMITES D’ATTERBERG ET LES PARAMETRES DE L’ESSAI PROCTOR
8.2 CORRELATIONS ENTRE LES LIMITES D’ATTERBERG ET LA PRESSION INTERSTITIELLE
8.3 CORRELATIONS ENTRE LES LIMITES D’ATTERBERG ET PARAMETRES DE COMPRESSIBILITE D’UN SOL COMPACTE
CONCLUSION
Chapitre 2 : LES COEFFICIENTS DE PRESSION INTERSTITIELLE
1.INTRODUCTION
2.LA COMPRESSIBILITE DU FLUIDE INTERSTITIEL
2.1 COMPRESSIBILITE DE L’AIR
2.2 COMPRESSIBILITE DE L’EAU
2.3 COMPRESSIBILITE DU MELANGE AIR/EAU
2.4 AUTRES RELATIONS POUR LA COMPRESSIBILITE DU MELANGE AIR/EAU.
3.LES COEFFICIENTS DE PRESSION INTERSTITIELLE
4.COEFFICIENT DE PRESSION INTERSTITIEL B : APPROCHE EXPERIMENTALE
4.1 TRAVAUX DE KNODEL & COFFEY (1966)
4.2 TRAVAUX DE CAMPBELL (1973
4.3 TRAVAUX DE TAIBI (1994)
4.4 TRAVAUX DE LINS ET AL. (1995)
4.5 TRAVAUX DE VAUGHAN (2003)
4.6 TRAVAUX DE MARINHO ET AL. (2003 & 2010)
5.COEFFICIENT DE PRESSION INTERSTITIELLE B : APPROCHE NUMERIQUE
5.1 TRAVAUX DE HILF (1948) ET SES AMELIORATIONS
5.2 TRAVAUX DE SKEMPTON (1954
5.3 TRAVAUX DE HASAN ET FREDLUND (1980
5.4 TRAVAUX D’OOSTVEEN (2003)
5.5 TRAVAUX DE BOUTONNIER (2007
5.6 TRAVAUX DE XU ET AL. (2011)
5.7 CRITIQUE DES MODELES PRESENTES
COEFFICIENT DE PRESSION INTERSTITIELLE A
CONCLUSION
Chapitre 3 : COMPORTEMENT SUR CHEMINS DE DRAINAGE HUMIDIFICATION : RELATION MICRO–MACRO
1.INTRODUCTION
2.MATERIAUX ETUDIES
3.ANALYSE GRANULOMETRIQUE PAR DIFFRACTION AU LASER
4.CHEMINS DE DRAINAGE-HUMIDIFICATION
4.1 OBJECTIFS ET DEFINITIONS
4.2 PROTOCOLE EXPERIMENTAL
4.3 ETATS INITIAUX
4.4 RESULTATS SUR CHEMINS DE DRAINAGE HUMIDIFICATION POUR MATERIAUX SOUS FORME DE PATE
4.5 RESULTATS SUR CHEMINS DE DRAINAGE HUMIDIFICATION POUR MATERIAUX COMPACTES ET CONSOLIDES.
5.MICROSTRUCTURE DES ECHANTILLONS SOUMIS AUX CHEMINS DE DRAINAGE HUMIDIFICATION
5.1 DIFFICULTES EXPERIMENTALES
5.2 PROTOCOLE EXPERIMENTAL
5.3 RESULTATS ET INTERPRETATIONS
6.ESSAIS D’EFFONDREMENT
6.1 PROCEDURE EXPERIMENTALE
6.2 PREPARATION DES ECHANTILLONS
6.3 RESULTATS ET INTERPRETATIONS POUR LE MATERIAU DE BOUGHRARA
6.4 RESULTATS ET INTERPRETATIONS POUR LE MATERIAU DE SAF-SAF
7.ETUDE DE LA MICROSTRUCTURE LORS DE L’EFFONDREMENT
7.1 PROTOCOLE EXPERIMENTAL
7.2 RESULTATS ET INTERPRETATIONS
CONCLUSION
Chapitre 4 : MESURE DES COEFFICIENTS DE SKEMPTON AU VOISINAGE DE LA SATURATION
1.INTRODUCTION
2.ANALYSE MICROSTRUCTURALE DES SOLS COMPACTES AU VOISINAGE DE L’OPTIMUM PROCTOR
3.ESSAIS TRIAXIAUX : MATERIELS ET METHODES
3.1 ADAPTATION DE LA BASE DE LA CELLULE TRIAXIALE
3.2 SATURATION DE LA PIERRE CERAMIQUE
3.3 PROTOCOLE EXPERIMENTAL
3.4 ESSAIS PRELIMINAIRES : DIFFICULTES EXPERIMENTALES DES ESSAIS TRIAXIAUX
4.PROGRAMME EXPERIMENTAL et résultats
4.1 CONDITIONS INITIALES
4.2 TEMPS DE STABILISATION
5.RESULTATS EXPERIMENTAUX
6.ESSAIS ISOTROPES
6.1 VARIATION DE LA PRESSION INTERSTITIELLE RELATIVE FONCTION DE LA CONTRAINTE ISOTROPE
6.1.1 OPN-4
6.1.2 OPN-2
6.1.3 OPN
6.1.4 OPN+2
6.1.5 SYNTHESE DES RESULTATS
6.2 VARIATION DU COEFFICIENT DE PRESSION INTERSTITIELLE B FONCTION DE LA CONTRAINTE ISOTROPE
7.ESSAIS DEVIATOIRES
8.CONCLUSION
Chapitre 5 : MESURE DES COEFFICIENTS DE SKEMPTON AU VOISINAGE DE LA SATURATION
1.INTRODUCTION
2.MODELE DE HILF (1948)
2.1 HYPOTHESES
2.2 ORGANISATION DU PROGRAMME NUMERIQUE
2.3 SIMULATIONS QUALITATIVES DU MODELE DE HILF
2.4 APPLICATION DU MODELE SUR LE MATERIAU DE BOUGHRARA
3.MODELE DE HANSAN ET FREDLUND (1980
3.1 HYPOTHESES
3.2 ORGANISATION DU PROGRAMME NUMERIQUE
3.3 APPLICATION DU PROGRAMME NUMERIQUE
4.MODELE DE BOUTONNIER (2007)
4.1 DEFINITIONS ET HYPOTHESES
4.2 LES PARAMETRES DU MODELE
4.3 ORGANISATION DU PROGRAMME NUMERIQUE
4.4 SIMULATIONS QUALITATIVES DU MODELE
5.DU MODELE de BOUTONNIER AU MATERIAU DE BOUGHRARA
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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