LE COMPORTEMENT HYDRO-MECANIQUE DE LA COUCHE INTERMEDIAIRE

Les sollicitations induites par les circulations entrainent pour la couche intermédiaire une accumulation de déformations permanentes, pouvant mener à des défauts de géométrie de la voie. Comme énoncé précédemment, la couche intermédiaire remplit une triple fonction. La première est de permettre le drainage d’eau en surface mais également celles infiltrées. La seconde est d’assurer la stabilité de la voie et enfin de jouer le rôle de séparation entre le sol support et le ballast. Afin de mieux appréhender ces deux premiers rôles, il est nécessaire d’en étudier le comportement hydraulique et mécanique de la couche intermédiaire. Ce chapitre s’attache à décrire le comportement hydraulique et mécanique du sol de cette couche. Des critères d’endommagement de la couche intermédiaire seront proposés à la fin. 

Etude du comportement hydraulique 

La couche intermédiaire joue un rôle essentiel dans le drainage des eaux sur l’infrastructure ferroviaire. Cette fonction est assurée en drainant, vers un système de drainage, d’une part les eaux de pluie, par ruissellement, et les eaux infiltrées dans la couche intermédiaire. La nature et la constitution de la couche intermédiaire jouent un rôle important dans son comportement hydraulique. En effet, sa densité et sa teneur en fines évoluent dans le temps et dépend du type de sol support et de l’état hydrique de la plateforme. Cette évolution influence non seulement son comportement mécanique, mais aussi sa capacité de drainage. Pour appréhender le comportement hydraulique de cette couche, il est nécessaire d’en déterminer sa conductivité hydraulique. Généralement, celle-ci est influencée par la granulométrie, les propriétés physiques des particules, la distribution des particules, la texture, la densité (Murray et al., 2000). Pour les sols grossiers, elle dépend fortement de leurs teneurs en fines 

ainsi que les propriétés de ces fines et leurs distributions dans les macro-pores (Côté & Konrad, 2003). 

Le rôle de l’eau dans le comportement mécanique des sols non saturés 

Le rôle de l’eau dans le comportement mécanique des sols non saturés a été étudié par Delage et 

Cui (1996) en analysant d’une part le comportement hydraulique des sols non saturés puis d’autre part 

son comportement mécanique. Les sols grossiers non saturés exercent sur l’eau une attraction appelée  la capillarité. Ce phénomène se produit à l’interface entre l’air et l’eau, où les molécules d’eau situées à la surface sont attirées vers la masse d’eau. La surface de l’eau est soumise à une force perpendiculaire à la surface libre qui engendre des tensions de surface et l’apparition d’un ménisque aqueux. La différence de pression entre l’air et l’eau est donnée par la loi de Jurin (Équation IV-1). Dans le cas des sols grossiers, ce sont les gros pores qui se désaturent en premier situant les ménisques au niveau des plus petits pores du squelette granulaire. En revanche, dans ces micropores il est nécessaire, pour l’étude du comportement de ces sols fins, de prendre en compte l’interaction  physico-chimique entre l’eau et les minéraux argileux, phénomène nommé la succion définie par la loi de Kelvin (Équation IV-2). Cette interaction se manifeste par l’émergence de liaison hydrogèneO-OH forte, issue de la superposition de deux feuillets de kaolinite, leur conférant une grande stabilité. Cette énergie de liaison est d’autant plus forte que les molécules d’eau adsorbée sont proches de la surface du minéral.   Ce sont les limites d’Atterberg qui permettent, au niveau macroscopique, de déterminer l’interaction  eau-argile. En dessous de la limite de retrait, le sol est sec et non saturé, dans ce cas l’eau interstitielle  est très solidement liée par l’action de la succion évitant ainsi que le matériau ne se trouve à l’état  pulvérulent. L’état pâteux obtenu à l’état plastique est conféré par un état plus libre de l’eau adsorbée. Lorsque le sol est à l’état liquide, l’eau est à l’état libre. C’est l’indice de plasticité qui détermine la quantité d’eau nécessaire pour passer un sol de l’état solide à liquide, en saturant progressivement par mouillage le sol. Ainsi, un sol plus plastique adsorbera une plus grande quantité d’eau pour atteindre l’état liquide. Cependant, la désaturation de ce matériau sera beaucoup plus longue qu’un sol moins plastique. Ce comportement se traduit en termes de comportement d’une couche intermédiaire par une capacité plus importante à retenir l’eau et donc à contribuer à la dégradation de cette structure occasionnant notamment des remontées de fines. Ce constat peut également être mis en lien avec le phénomène d’hydratation séchage des sols argileux qui modifie la structure des micropores de ces sols en développant des microfissurations puis des fissurations, propices à l’imbibition des sols. Ainsi, les sols plastiques, généralement gonflants, présentent de grandes variations volumiques en fonction de leur teneur en eau les rendant inaptes en fondation. Donc, pour assurer la pérennité de la couche intermédiaire, il est nécessaire de vérifier son degré de plasticité. L’étude mécanique des sols fins non saturés a mis en évidence l’impact de la succion sur le comportement des sols. Ainsi le comportement des échantillons à la rupture, montre que lorsqu’il y a une augmentation de la succion celle-ci s’accompagne d’une augmentation de la cohésion apparente avec une modification de l’angle de frottement en fonction de l’état du sol. De façon générale, on observe une augmentation de l’angle de frottement pour les sols plastiques et denses, et une diminution pour ceux peu plastiques et lâches. On peut donc dire que l’augmentation de la succion renforce les propriétés mécaniques du matériau. En termes de compression, cela se traduit par une diminution de la déformation du matériau, rendant celui-ci plus rigide. Cette notion est importante, car comme pour lessols saturés, les sols non saturés gardent en mémoire leur histoire de chargement et donc la plus grande contrainte subie. Dans notre cas d’étude, elle correspond au compactage induit par les circulations de train, et les modifications qui s’en accompagnent (augmentation de charge et de vitesse), successives sur la ligne. Ainsi l’augmentation de la succion augmente « artificiellement » la contrainte de compactage et par conséquent occasionne une diminution du coefficient de compression Cc, limitant ainsi les tassements. Ainsi au travers de cette présentation, on comprend bien en quoi l’étude du comportement de la couche intermédiaire à l’état non saturé est important pour mieux appréhender son fonctionnement global. 

2. Conductivité hydraulique de la couche intermédiaire

Trinh (2011) a étudié le comportement hydraulique de la couche intermédiaire. Ce travail, réalisé en laboratoire à l’aide d’une colonne d’infiltration (Figure IV.1) a concerné aussi bien le sol de la couche intermédiaire dans son ensemble que la partie des particules fines (< 2 mm). Il a réalisé trois essais à l’état non saturé (HGN 1, 2 et 3), en respectant un même mode opératoire, avec les suivis de la teneur en eau volumique par sonde TDR à cinq niveaux différents (TDR 1 à 5) et de la succion par tensiomètres, également à cinq niveaux différents (T1 à T5). 

1. Comportement hydraulique de la couche intermédiaire

Détermination de la courbe de rétention La détermination de la conductivité hydraulique nécessite la détermination de la courbe de rétention d’eau. Cela se fait à l’aide des mesures simultanées de la succion et de la teneur en eau volumique sur la colonne d’infiltration. Les résultats obtenus à partir des essais HGN1, 2 et 3 (Figure IV.2, Figure IV.3, Figure IV.4) montrent des mesures similaires pour des succions supérieures à 0,3 kPa. Cependant, on peut noter les valeurs irrégulières pour le capteur situé au niveau h=200 mm, probablement à cause de l’hétérogénéité de l’échantillon. En effet, de gros éléments pourraient exister à proximité des capteurs, ce qui peut engendrer des écarts dans les mesures. En considérant la teneur en eau à l’état saturé θs = 25,0 %, les modèles de van Genuchten (1980) et de Brooks-Corey (1965) sont donc calés sur les points expérimentaux des essais HGN1, HGN2 et HGN3, correspondant à des succions supérieures à 0,3 kPa. La Figure IV.5 présente la comparaison entre les modèles et les résultats expérimentaux. On voit un bon accord pour des valeurs de succion supérieures à 0,3 kPa. Pour les succions inférieures à 0,3 kPa, une dispersion expérimentale est observée, qui peut être expliquée par la précision des capteurs dans cette faible gamme de succions.