Etude des variations de volume des échantillons compactes sur chemins de drainage-humidification

Chemins oedométriques sur les échantillons compactés à l’optimum

Description de l’essai

Dans le cadre de cette thèse, on a effectué trois séries d’essai pour déterminer les chemins oedométriques à succion contrôlée (0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.5, 3, 6, et 9 MPa) sur les échantillons compactés à l’optimum, en utilisant le dispositif expérimental montré sur la Figure I – 17. Néanmoins, les observations et les résultats de nos essais montrent que, avec ce montage, les membranes (pour PEG 6 000 et PEG 20 000) ont été percées pendant le chargement. Après avoir analysé le système, on a trouvé deux raisons possibles :
– Fissures due à la charge mécanique : comme on le montre sur la Figure I – 17 (à droite), la membrane peut être percée plus facilement dans les interactions entre la pierre poreuse et la cellule ; en fait, on a observé qu’il y avait des fissures dans ces endroits là quand on retirel’échantillon après l’essai ;
– Fissures dues aux attaques de bactéries : Chaque série d’essai dure presque un mois et demi pour atteindre l’équilibre de succion et la stabilité de la variation de déformation axiale. Pendant cette longue durée, il est très difficile d’évaluer la condition de la membrane, et notre observation était que les membranes étaient très fragiles après cette longue durée, en particulier, pour celles sous forte succion.
On a mis plus de 6 mois pour réaliser l’ensemble de cet essai, incluant : 1) le remplacement du joint torique par de la paraffine, et le collage de la membrane sur la cellule ; 2) l’amélioration d’un autre système existant, etc.. Mais, il y avait toujours des problèmes pour le système.
A cause de la fissuration de la membrane, l’essai à succion contrôlée est devenu en ré alité un essai oedométrique standard avec transfert d’eau et de PEG, c’est-à -dire que, pendant le chargement, l’eau et le PEG peuvent traverser la membrane et entrer dans l’échantillon après la fissuration de la membrane.
Les difficultés pour traiter les résultats des essais sont que : 1) on ne sait pas exactement le moment où la membrane a été percée ; 2) on ne sait pas l’influence de la solution de PEG sur le comportement du sol, car les molé cules de PEG peuvent aussi entrer dans l’échantillon et modifier la succion osmotique.
Si on analyse la Figure I – 19 (d) dans le plan de (e, σv) :
– Pour les faibles succions (100, 200, 400 et 800 kPa) : les échantillons suivent plutôt le chemin d’humidification parce que la succion initiale pour le sol compacté est de quelques MPa ; si la membrane a été percée pendant l’essai, l’eau peut entrer dans l’échantillon directement, mais, comme le degré de saturation de l’échantillon compacté est élevé (plus de 90%), normalement, il devait y avoir très peu d’eau qui entre ; dans cette condition, il y a pas de grande influences si la membrane a été percée, et on peut donc supposer qu’il y a des informations utiles pour les courbes aux faible succions imposées ;
– Pour les fortes succions (1.5, 3, 6 et 9 MPa) : pour les fortes succions, les membranes ont été probablement percées parce que les compressibilités sont plus grandes que celles de faibles succions, ce qui est l’inverse de la théorie ; mais, pour les 6 et 9 MPa, les compressibilités sont plus faible que celle de 1.5 et 3 MPa.

Essai PROCTOR

Le principe de l’essai PROCTOR consiste à humidifier un matériau à plusieurs teneurs en eau et à le compacter avec une énergie définie ou plusieurs énergies, par exemple, 15, 25 et 25 coups par couche dans notre recherche. Pour chaque valeur de teneur en eau considérée, on détermine la densité sèche du matériau, et on trace la courbe de la densité sèche en fonction de la teneur en eau (courbe PROCTOR). Sur la courbe PROCTOR, il existe une valeur de la densité sèche maximale qui est obtenue pour une valeur particulière de la teneur en eau. Ces deux valeurs s’appellent les caractéristiques optimales de compactage, la teneur en eau optimale (wopt) et la densité optimale ρ d opt. Comme le compactage du sol est la base de cette thèse (presque tous les échantillons étudiés sont compactés), on présente en détail les informations du compactage par la méthode PROCTOR.

Résultats

La Figure I – 9 présente les courbes PROCTOR pour trois énergies de compactage différentes, 15,,et 35 coups par couche. En ce qui concerne la forme du côté sec (de 20% à 30%) de la courbe à coups, on trouve qu’il y a un palier horizontal, que l’on n’observe généralement pas dans les autres résultats de la bibliographie. Pour cela, on remarque que :
– En raison de l’hétérogénéité du matériau et de la disparité de l’énergie appliquée, il est peut être normal d’avoir une certaine dispersion dans les points mesurés qui donnent une forme horizontale ;
– Il est possible que la forme de courbe soit horizontale quand l’échantillon est très sec, car la succion est très élevée et l’influence du compactage devient de plus en plus faible sur la densité sèche.
Le Tableau I – 5 présente les valeurs des teneurs en eau optimales, et les densités sèches optimales pour ces 3 énergies. On observe qu’avec l’augmentation de l’énergie de compactage, la densité sèche optimale augmente, et la teneur en eau optimale diminue.

Chemins oedométriques sur les échantillons compactés à l’optimum

Description de l’essai

Phénomène du matelassage

Sur les chantiers de terrassement, il arrive que les sols compactés présentent du matelassage. On utilise ce terme pour désigner le phénomène suivant : sous l’effet d’une charge, le sol se déforme de façon importante et, lorsque la charge est enlevée, le matériau revient plus ou moins à son état initial (déformation quasi-réversible). Ce phénomène joue un rôle très important dans le comportement des matériaux de route, de barrage, etc.. La compressibilité des phases d’un sol est importante pour expliquer le matelassage:
– la phase solide est peu compressible, mais l’arrangement des grains entre eux peut changer si la contrainte est assez grande pour déformer le sol (le nouvel arrangement entraînant une diminution du volume des pores et donc de la porosité) ;
– la phase liquide est faiblement compressible (mais elle peut se déplacer d’un pore à un autre);
– la phase gazeuse est très compressible et beaucoup plus fluide que la phase liquide (elle peut se déplacer plus facilement que l’eau, et peut aussi être chassée plus rapidement que l’eau dans les sols sauf si elle est enfermée dans certains pores).
Le phénomène de matelassage est donc probablement dû aux bulles d’air emprisonnées dont les changements de volume sous charge sont réversibles.
Nous n’avons trouvé aucune référence qui parle de façon systématique du matelassage, mais il y a des chercheurs qui font part dans leurs recherches de ce phénomène depuis les années 1970:
– LEFLAIVE et al. (1974) indiquent que l’on risque le matelassage (ou coussin de caoutchouc) si le degré de saturation est trop élevé (dans ce cas, la densité sèche est proche de celle de saturation) en raison d’une très grande déformabilité de plates-formes.

Les solutions salines saturées : s > 1500 kPa

Pour les valeurs de succion plus élevées (3 à 1000 MPa), un dispositif utilisant des solutions salines saturées est largement utilisé (Figure III – 23). Lorsqu’une solution saline saturée est en équilibre thermodynamique avec sa vapeur, l’humidité relative de l’atmosphère environnante reste constante pour une valeur donnée T de la température. Cette technique consiste à placer un échantillon dans une atmosphère confinée à humidité et température contrôlées dans un dessiccateur, et à laisser les transferts d’eau s’effectuer sous phase vapeur jusqu’à l’équilibre. Ce processus d’équilibre en phase vapeur est beaucoup plus lent qu’avec les deux autres méthodes,dans cette thèse, on laisse les échantillons dans les dessiccateurs environ 3 mois vu que nos échantillons sont très argileux et peu perméables.
L’humidité relative d’une solution dépend : 1) de la nature chimique de l’espèce en solution ; 2) de la température. Les relations entre l’humidité relative, la succion, et la nature du s el à la température de 20 degrés sont indiquées dans le Tableau III – 5.

Etude des variations de pression interstitielle des sols compactés sur chemins oedométrique et triaxial

Introduction

Le but de ce chapitre est d’étudier la variation de pression interstitielle du sol compacté sur chemin triaxial non-drainé. Le chapitre se compose de quatre sous-chapitres :
– Bibliographie : on présente premièrement quelques paramètres de pression interstitielle (compressibilité des sols non-saturés, coefficient B), développés depuis les années 1950 ; puis on présente les variations de succion sur chemins isotrope et triaxial ; ensuite, nous montrons une comparaison des résultats entre les techniques de translation d’axes et osmotique ; à la fin de cette partie, nous indiquons les difficultés de contrôle de la succion par ces deux techniques.
– Etude expérimentale : on présente d’abord dans ce sous-chapitre les dispositifs expérimentaux que l’on a construits en utilisant les techniques translation d’axes et osmotique pour les essais non-drainés, puis les modifications apportées à ces deux montages et les procédure des essais.
– Résultats : les résultats expérimentaux avec la technique de translation d’axes sont présentés sur les échantillons compacté s à une teneur en eau d’environ 48% (w = wOPN + 10) et l’énergie de compactage de 25 coups par couche.

Travaux de VAUGHAN (2003)

VAUGHAN (2003) a réalisé des essais isotropes non drainés sur l’argile « Weald clay » utilisée dans le noyau du barrage d’Arlington, ainsi que des essais de chargement -déchargement sur un mélange de l’argile d’Oxford et « Kellaway Bed » (Figure IV – 12).

Table des matières

RESUME/ABSTRACT
REMERCIEMENTS
SOMMAIRE
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I CARACTERISATION DETAILLEE DU SOL
I.1 INTRODUCTION
I.2 CARACTERISATION PHYSIQUE
I.2.1 Mesure de la densité des grains solides (ρs)
I.2.2 Limites d’Atterberg (wL, wP)
I.2.3 Essai au bleu de méthylène
I.2.4 Granulométrie et Sédimentométrie
I.2.5 Essai PROCTOR
I.3 CARACTERISATION MECANIQUE : CHEMINS OEDOMETRIQUES
I.3.1 Chemins oedométriques sur les échantillons saturés NC
I.3.2 Chemins oedométriques sur les échantillons compactés
I.4 CARACTERISATION MECANIQUE : CHEMINS TRIAXIAUX
I.4.1 Chemins triaxiaux sur les échantillons saturés NC
I.4.2 Chemins triaxiaux sur les échantillons saturés SC
I.4.3 Chemins triaxiaux sur les échantillons saturés compactés
I.5 CONCLUSION
CHAPITRE II ETUDE DU COMPACTAGE
I.1 INTRODUCTION
II.2 BIBLIOGRAPHIE
II.2.1 Paramètres du compactage PROCTOR
II.2.2 Phénomène du matelassage
II.2.3 Etude de l’orniérage
II.3 ETUDE EXPERIMENTALE
II.3.1 Etude expérimentale pour l’étude de compactage
II.3.3 Etude expérimentale du comportement du sol compacté sous chargement cyclique : cas d’un
poinçon
II.3.3 Etude expérimentale du comportement du sol compacté sous chargement cyclique : cas d’un chargement oedométrique
II.3.4 Etude expérimentale de la mirostructure par la porosimétrie au mercure
II.4 RESULTATS
II.4.1 Résultats pour l’étude du compactage PROCTOR
II.4.2 Résultats relatifs au comportement des sols compactés sous chargement cyclique
II.4.3 Résultats pour l’étude de la microstructure par la porosimétrie au mercure
II.5 CONCLUSION
CHAPITRE III ETUDE DES VARIATIONS DE VOLUME DES ECHANTILLONS COMPACTES SUR CHEMINS DE DRAINAGE-HUMIDIFICATION
III.1 INTRODUCTION
III.2 BIBLIOGRAPHIE
III.2.1 Travaux de la première moitié du vingtième siècle
III.2.2 Travaux réalisés dans la deuxième moitié du vingtième siècle
III.2.3 Travaux de l’Ecole Centrale Paris et de l’Université du Havre(1987-2011)
III.3 ETUDE EXPERIMENTALE
III.3.1 Les plaques tensiométriques: 0.1 kPa < s < 10 kPa
III.3.2 La méthode osmotique : 100 kPa < s < 1500 kPa
III.3.3 Les solutions salines saturées : s > 1500 kPa
III.3.4 DVS (Dynamic Vapor Sorption ; s > 7 MPa)
III.4 RESULTATS ET COMPARAISONS
III.4.1 Chemins de drainage-humidification par DVS
III.4.2 Chemins de drainage-humidification par les méthodes traditionnelles (plaques tensiométriques, osmose, solutions salines saturées)
III.4.3 Comparaions des résultats sur les chemins de drainage-humidification
III.5 CONLUSION
CHAPITRE IV ETUDE DES VARIATIONS DE PRESSION INTERSTITIELLE DES SOLS COMPACTES SUR CHEMINS OEDOMETRIQUE ET TRIAXIAL
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 BIBLIOGRAPHIE
IV.2.1 Paramètre de pression interstitielle
IV.2.2 Variation de succion (pression interstitielle) sur chemin isotrope
IV.2.3 Variation de succion (pression interstitielle) sur chemin triaxial
IV.2.4 Comparaison entre les techniques translation d’axes et osmotique
IV.2.5 Difficultés de contrôle de la succion
IV.3 ETUDE EXPERIMENTALE
IV.3.1 Technique de translation d’axes
IV.3.2 Technique osmotique
IV.4 RESULTATS
IV.4.1 Résultats du 1 er essai
IV.4.2 Résultats du 2 ème essai
IV.4.3 Résultats du 3 ème essai
IV.4.4 Résultats du 4 ème essai
IV.4.5 Résultats du 5 ème essai
IV.4.6 Résultats du 6 ème essai
IV.5 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE I TENSIOMETRE HAUTE CAPACITE
A.I.1 INTRODUCTION
A.I.2 FABRICATION DE TENSIOMETRE HAUTE CAPACITE
A.I.3 SCHEMA DE TENSIOMETRE HAUTE CAPACITE A L’ECP
A.I.4 DIFFICULTES DE LA FABRICATION
BIBLIOGRAPHIE
CHAPITRE I : CARACTERISATION DETAILLEE DU SOL
CHAPITRE II : ETUDE DU COMPACTAGE
CHAPITRE III : ETUDE DES VARIATIONS DE VOLUME DES ECHANTILLONS COMPACTES SUR CHEMINS DE DRAINAGE-HUMIDIFICATION
CHAPITRE IV : ETUDE DES VARIATIONS DE PRESSION INTERSTITIELLE DES SOLS COMPACTES SUR CHEMINS OEDOMETRIQUE ET TRIAXIAL
ANNEXE I : TENSIOMETRE HAUTE CAPACITE – SELON LE PAYS