Sol affaissable et structure métastable

Les sols dits affaissables et de structure métastable sont des sols qui deviennent instables sous un certain chargement ou sous des conditions environnementales données.
Pour être métastables, ces sols doivent avoir une structure ouverte, c’est à dire que la matrice granulaire des particules solides doit avoir un arrangement ouvert capable de devenir rapidement et considérablement un arrangement serré produisant une structure stable (Sultan, 1969; Rogers, 1995). Un matériau granulaire ayant des particules angulaires compactées du côté sec de la teneur en eau optimum peut former une structure capable de subir une densification supplémentaire, mais les sols affaissables classiques sont des matériaux naturels où la combinaison de type de particule (grosseur et forme) et le processus de sédimentation peuvent donner un dépôt affaissable de structure métastable.
Plusieurs définitions des sols affaissables ont été présentées par différents chercheurs . La majorité de ces chercheurs définissent l’affaissement du sol comme étant une réduction considérable du volume due à une augmentation du degré de saturation du sol partiellement saturé, avec ou sans chargement supplémentaire. Cette définition est limitée aux sols rencontrés dans les régions arides et semi-arides, et ne comprend pas les autres types de sols ayant des structures métastables tels que les sols résiduels et les argiles sensibles.
Rogers (1995) a défini le sol affaissable dans son sens le plus large de sorte que les différents types de sols affaissables rencontrés dans la pratique pourraient être reconnus et classifiés. Selon la définition présentée par Rogers, les sols affaissables naturels peuvent être divisés en trois groupes principaux: Sols résiduels, sols sédimentés par l’eau et sols éoliens (sols sédimentés par l’air).
Dans le cas des sols résiduels, la structure métastable se forme à partir du lavage des matériaux solubles. Les argiles sensibles saturées sont les principaux types de sols affaissables déposés par l’eau. Elles se trouvent en abondance à l’Est du Canada et en Scandinavie et elles existent dans un état stable qui dépend du niveau de contrainte appliquée au delà duquel un affaissement brutal peut se produire. Les sols affaissables sédimentés par l’eau et l’air se trouvent toujours dans les régions arides et semi-arides. Les sols sédimentés par l’air sont les dépôts les plus étendus de sols affaissables et se trouvent dans plusieurs régions du monde.
Généralement, ces types de sols se produisent dans des conditions partiellement saturées ou sèches. En se basant sur le concept du sol affaissable déjà présenté, il peut se produire n’importe où dans le monde. Les sols affaissables ont une structure ouverte et métastable d’indice des vides élevé, de faible masse volumique sèche et de faible résistance de liaison interparticulaire. Fredlund et Rahardjo (1993) ont rapporté que la recherche associée au comportement des sols affaissables était encore limitée, et plusieurs questions reliées aux propriétés de ces sols restent sans réponses.

Dépôts de lœss et problème d’affaissement

Le lœss a été défini par Smalley et Vita-Vinzi (1968) comme étant un dépôt clastique étalé par le vent et constitué en grande partie de particules de quartz de 20-60 µm de diamètre. Cette définition a été modifiée par Smalley et Derbyshire (1990), particulièrement pour mettre l’accent sur les mécanismes de formation. Ils ont déclaré que les particules du lœss étaient largement produites par l’écrasement glaciaire ou bien par la dégradation des roches due au gel.
Le lœss est un dépôt poreux qui se trouve naturellement dans un état partiellement saturé. C’est un dépôt éolien composé principalement de particules uniformes de limon qui sont généralement liées les unes aux autres par de faibles couches argileuses ou ponts pour former une structure ouverte et métastable d’indice des vides élevé et de faible masse volumique sèche.
L’argile joue le rôle de ciment (liant) au niveau des contacts interpaticulaires pour donner à la structure du lœss une résistance considérable quand il est sec. Puisque l’argile constitue une fraction très faible par rapport à la masse totale du sol, une faible augmentation dans la teneur en eau peut affecter la résistance du sol. A l’état saturé, la structure du sol peut s’effondrer complètement sous une charge imposée (ou même sous son poids propre) et de larges tassements se produisent. Ce phénomène s’appelle affaissement.
La susceptibilité des dépôts de lœss aux larges réductions de volume total du à l’effondrement structural peut causer un dommage sévère et parfois une rupture complète des structures fondées sur ces sols telles que les barrages en terre ou les remblais des autoroutes.
L’effondrement total du barrage de Teton à Idaho (Amérique du Nord) en 1976 (Smalley et Dijkstra 1991, Rogers et al 1994b, 1994c) et les mouvements énormes du terrain de lœss dans la province de Gansu en Chine due au grand séisme de 1920 qui a fait des milliers de victimes, sont de bons exemples du danger des dépôts de lœss. Sowers (1993) a indiqué que l’effondrement du barrage de Teton était la plus grande catastrophe du 20ème siècle.
Le lœss est un matériau fondamentalement affaissable à cause de la forme, la taille et la nature de ses particules ainsi que des faibles liaisons interparticulaires. Le mode d’accumulation des dépôts de loess paraît être essentiellement responsable de la formation d’une structure ouverte et métastable, susceptible de s’effondrer. En outre, la majorité des problèmes des dépôts de lœss sont dus aux variations de la teneur en eau du sol.
L’arrangement des particules et les liaisons interparticulaires sont les paramètres les plus importants de la structure du sol qu’il faut étudier.

Qu’est qu’un sol affaissable

Plusieurs chercheurs ont essayé de répondre à cette question avec des différentes façons. La plupart d’entre eux ont considéré le sol affaissable comme étant un sol partiellement saturé. Par exemple, Dudley (1970) a défini le sol affaissable comme étant tout sol non saturé qui subit un réarrangement des particules et une grande diminution de volume due à l’inondation, avec ou sans chargement appliqué. Jenning et Knight (1975) ont défini le sol affaissable comme étant un sol qui subit un tassement du à l’inondation d’un sol partiellement saturé sans aucune augmentation de la contrainte appliquée. Le tassement de l’affaissement dans un sol compacté a été défini par Booth (1977) comme étant un tassement dans un sol partiellement saturé du à l’augmentation de degré de consolidation. Houston et Houston (1988) ont déclaré que « quand un sol sec ou partiellement saturé se contracte par inondation il est considéré affaissable». Rizkallah et Kee (1989) ont défini l’affaissement comme étant un tassement du sol causé par un effondrement soudain de la structure du sol du à l’inondation, sous une charge appliquée. Singer et al (1989) ont défini le sol affaissable
comme étant un sol ayant une structure souffrant d’une réduction volumique élevée quand il est inondé; soumis ou non à une charge appliquée. Mackenchie (1989) a déclaré que tout sol ayant une faible masse volumique sèche n’était pas nécessairement affaissable, mais la saturation partielle était généralement une condition d’affaissement.
De ces définitions, il est clair que les sols partiellement saturés forment les types principaux des sols affaissables. Il y a alors une nécessité d’orienter les recherches vers les régions arides et semi-arides. Toutes ces définitions se basent sur le concept que l’affaissement du sol se produit principalement à cause de l’effet de saturation. Il y a peu de définitions qui présentent les sols affaissables dans un sens plus général.
Deux d‘entre elles sont rapportées ici comme exemple. Sultan (1969) a défini un sol affaissable comme étant un sol qui subit une quantité appréciable de variation de volume sous l’effet de saturation, de l’application d’une charge ou de la combinaison des deux.
Zur et Wiseman (1973) ont déclaré que la définition de l’affaissement devrait être assez générale pour inclure la variété complète des manifestations de l’affaissement. Pour cela, ils ont proposé que toute diminution soudaine du volume provoquée par un ou une combinaison des paramètres suivants: la teneur en eau, le degré de saturation, la contrainte de cisaillement, ou la pression interstitielle, devrait être appelée affaissement. Cette définition indique que l’affaissement de la structure du sol peut être déclenché par une variété de processus autre que la saturation.

Les caractéristiques principales des sols affaissables

Les sols affaissables trouvés dans la littérature sont des sols métastables partiellement saturés. Rogers (1995) a proposé une large liste des propriétés de ces sols comme suit:
Ils sont constitués principalement de particules solides variant de taille de sable ou de taille de limon à la taille d’argile. Les particules de limon sont de formes de lames angulaires ou semi angulaires, Rogers et Smalley (1993).
Ils ont une structure ouverte d’indice des vides élevé et de faible masse volumique sèche. Ils ont une sensibilité élevée.
Ils sont des dépôts géologiquement récents Ils ont une résistance de liaison interparticulaire relativement faible. Ils sont souvent partiellement saturés.

Prédiction de l’affaissement des sols

Le géotechnicien peut prévoir si le sol à étudier est susceptible de s’affaisser, et de déterminer la quantité et le taux d’affaissement qui peut se produire. Des mesures préventives seront alors prises en compte pour réduire ou éliminer la possibilité de dommage des structures construites sur ce sol.
Beaucoup de chercheurs ont proposé des différentes méthodes pour identifier les sols affaissables. Ces méthodes devraient employer des paramètres pouvant être facilement déterminés et relativement rapides. Si le sol est trouvé susceptible de s’affaisser, il devra être étudié soigneusement à l’aide des essais oedométriques, Mellors (1995). Les essais simples peuvent montrer si le sol est affaissable ou non, et les essais complexes comme ceux de consolidation, donnent le taux et la Quantité de l’affaissement. Pour une meilleure évaluation du comportement de l’affaissement des sols, quelques critères ont été proposés:
Critères basés sur les propriétés fondamentales du sol comme l’indice des vides, les limites d’Atterberg, la teneur en eau, le degré de saturation et la masse volumique sèche. Critères basés sur les méthodes expérimentales.
Il est évident que les critères basés sur les méthodes expérimentales sont plus fiables que les autres approches empiriques parce qu’ils prennent en compte le type de structure de sol à étudier qui est important pour prédire l’affaissement du sol.

Mécanisme de l’affaissement

Généralement, il y a quatre facteurs nécessaires pour que l’affaissement se produise dans un sol partiellement saturé, Barden et al (1973), Lawton et Fragaszy (1992) et Mitchell (1993).
Une structure métastable, ouverte et partiellement saturée. Une contrainte totale appliquée assez élevée. Un agent de liaison ou de cimentation qui stabilise le sol à l’état partiellement saturé. L’addition de l’eau au sol cause la dégradation de l’agent de liaison. Par conséquent, les ponts interparticulaires s’effondrent par cisaillement, aboutissant à la réduction du volume de la masse du sol.
Casagrande (1932) a élaboré un modèle pour l’arrangement des particules de sable lâche limoneux affaissable. Dans ce modèle, les fines se consolident, gagnent une certaine résistance sous l’effet de la contrainte totale et jouent le rôle d’un liant des grains de sable.
L’application de la contrainte au sol à sa teneur en eau naturelle provoque une légère compression des fines . Si l’eau est ajoutée au sol jusqu’à ce qu’elle atteigne une certaine teneur en eau, la liaison due aux fines ne résiste plus aux forces de microcisaillement local et par conséquent, la structure des sols s’effondre .
Une étude microscopique a été réalisée sur les sols affaissables, partiellement saturés, prélevés de différentes régions du monde, en utilisant le Microscope Electronique à Balayage (MEB), Barden et al (1973) . Cette étude se base sur l’idée de considérer deux composantes de contraintes effectives: une due à la contrainte appliquée, et l’autre due aux forces de succion. Ces deux composantes développent une contrainte interparticulaire. La contrainte appliquée développe alors des contraintes de cisaillement et par conséquent, une instabilité potentielle aux contacts interparticulaires se produit.
Puisque la succion est une contrainte strictement normale, elle augmente la stabilité aux contacts interparticulaires. L’affaissement nécessite les trois conditions suivantes:
Une structure métastable, ouverte et partiellement saturée. Une contrainte appliquée assez élevée. Une valeur de résistance de liaison assez élevée pour stabiliser les contacts interparticulaires.

Table des matières

CHAPITRE 1 INRODUCTION 
1.1 Généralités
1.2 Sol affaissable et structure métastable
1.3 Dépôts de loess et le problème de l’affaissement
1.4 Objectifs du travail de recherche
1.5 Matériaux et méthodes d’essai
1.6 Organisation de la thèse
CHAPITRE 2 SOLS AFFAISSABLES 
2.1 Introduction
2.2 Qu’est-ce qu’un sol affaissable
2.3 Les principaux types des sols affaissables
2.3.1 Sols faits par l’homme
2.3.2 Sols naturellement déposés
2.3.2.1 Sols résiduels
2.3.2.2 Dépôts des sols affaissables sédimentés par l’eau
2.3.2.3 Dépôts des sols affaissables sédimentés par la chute dans l’air
2.4 Caractéristiques principales des sols affaissables
2.5 Facteurs affectant l’affaissement du sol
2.6 Prédiction de l’affaissement du sol
2.6.1 Critères basés sur les propriétés fondamentales du sol
2.6.1.1 Expression basée sur les relations d’indice des vides
2.6.1.2 Expression basée sur la relation de la teneur en eau avec les limites d’Atterberg
2.6.1.3 Expression basée sur la relation de la masse volumique sèche avec les limites d’Atterberg
2.6.2 Critères basés sur les essais in-situ
2.6.3 Critères basés sur les méthodes expérimentales
2.7 Mécanismes de l’affaissement
CHAPITRE 3 FORMATION ET PROPORIETES GEOTECHNIQUESDU LOESS 
3.1 Introduction
3.2 Formation des dépôts du loess
3.3 Propriétés géotechniques du loess
3.3.1 Caractéristiques physiques du loess
3.3.1.1 Densité des grains solides
3.3.1.2 Masse volumique et indice des vides
3.3.1.3 Limites d’Atterberg
3.3.1.4 Grosseur et forme des particules solides
3.3.2 Perméabilité des dépôts du loess
3.3.3 Caractéristiques de résistance
3.3.4 Affaissabilité des dépôts du loess
CHAPITRE 4 MATERIAUX DU LOESS NATUREL ET ARTIFICIEL
4.1 Introduction
4.2 Matériaux du loess naturel
4.2.1 Echantillons du loess de l’Algérie
4.2.2 Echantillons du loess Chinois
4.3 Matériaux du loess artificiel
4.3.1 Formation des particules du limon
4.3.1.1 Processus de l’écrasement de sable
4.3.1.2 Processus de sédimentation
4.3.2 Limon pur à partir du loess chinois
4.3.3 Matériaux liants
4.3.3.1 Introduction
4.3.3.2 Minéraux d’argile
4.3.3.3 Argile de chine Anglaise (Kaolinite)
4.3.3.4 L a Bentonite (Wyoming Bentonite)
4.3.4 Loess artificiel (modèle de loess)
4.3.4.1 Mélange de limon pur à partir de sable écrasé et de la Kaolinite
4.3.4.2 Mélange de limon pur à partir de sable écrasé et de la Bentonite
4.3.4.3 Mélange de limon pur du loess chinois et de la Kaolinite
4.3.5 Méthodes de mélange
4.3.5.1 Méthode mélange sec
4.3.5.2 Méthode de mélange humide
4.4 Propriétés physiques de loess
4.4.1 Propriétés du loess Algérien
4.4.2 Limite d’Atterberg de limon pur
4.5 Analyse par Microscope Electronique à Balayage (MEB)
4.5.1 Caractéristiques géométriques et structurales du loess
CHAPITRE 5 MODELISATION EXPERIMENTALE ET METHODES D’ESSAIS 
5.1 Introduction
5.2 Programme expérimental
5.3 Préparation des échantillons intacts
5.4 Structures instables et métastables des dépôts de loess
5.4.1 Introduction
5.4.2 Structure instable
5.4.2.1 Introduction
5.4.2.2 Méthode de chute dans l’air des particules sèches
5.4.3 Structure métastable des dépôts du loess
5.4.3.1 Introduction
5.4.3.2 Préparation des échantillons reconstitués de structure métastable
5.5 Méthodes d’essais
5.5.1 Introduction
5.5.2 Essai de consolidation classique
5.5.3 Essai d’affaissement
5.5.3.1 Introduction
5.5.3.2 Essai d’oedomètre simple
5.5.3.3 Essai d’oedomètre double
5.5.3.4 Appareil
5.5.3.5 Etalonnage de l’appareil
5.5.3.6 Procédure de l’essai
5.6 Degré d’affaissement
CHAPITRE 6 PRESENTATION DES RESULTAS EXPERIMENTAUX
6.1 Introduction
6.2 Compressibilité et comportement de l’affaissement des matériaux de loess naturel
6.2.1 Echantillons du loess intacts
6.2.1.1 Loess Algérien
6.2.1.2 Loess Chinois
6.2.2 Echantillons du loess reconstitué
6.2.2.1 Introduction
6.2.2.2 Loess Algérien
6.2.2.3 Loess Chinois
6.3 Compressibilité et comportement d’affaissement du limon pur
6.3.1 Limon pur à partir du loess Algérien
6.3.2 Limon pur à partir de sable écrasé (Mse)
6.4 Comportement de compressibilité et d’affaissement du loess artificiel
6.4.1 Introduction
6.4.2 Mélanges du Limon pur à partir de sable écrasé et de la Kaolinite (Mse-K)
6.4.4 Mélanges du Limon pur à partir du sable écrasé et de la Bentonite (Mse-B)
CHAPITRE 7 DISCUSSION DES RESULTATS 
7.1 Introduction
7.2 Validité du modèle de chute dans l’air (Air-fall Model)
7.3 Relation compression-temps
7.4 Relation entre la liaison interparticulaire et l’affaissement
7.5 L’effet du niveau de contrainte comportement de l’affaissement du loess
7.6 Le mécanisme de l’affaissement
7.6.1 Modèles du sol basés sur la teneur en argile
7.6.1.1 Modèle du sol de faible teneur en argile
7.6.1.2 Modèle du sol de forte teneur en argile
7.7 Affaissement et la classification des sols
CHAPITRE 8 CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS POUR FUTURE RECHERCHE 
8.1 Introduction
8.2 Conclusions
8.2.1 Modélisation expérimentale des dépôts de loess réel
8.2.2 Comportement de l’affaissement du modèle du loess
8.2.3 Liaison interparticulaire et affaissement
8.2.4 Comportement de l’affaissement du loess Algérien
8.2.5 Comportement de l’affaissement du loess Chinois
8.3 Perspectives
8.3.1 Une structure ouverte et modélisation numérique
8.3.2 Modélisation expérimentale d’une structure ouverte métastable
8.3.3 Autres facteurs à étudier
BIBLIOGRAPHIE

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