Éprouvette de type 1 anisotropie induite

Un sol à anisotropie induite est un sol initialement isotrope mais qui sous l’effet de chargements complexes devient anisotrope. Ce phénomène peut être entraîné par le ré-arrangement des particules dans le sol lors d’une consolidation anisotrope (consolidation K0 avec la contrainte verticale

supérieure à la contrainte horizontale)) ou d’une consolidation « irrégulière » (des consolidations périodiques dues aux surcharges saisonnières, climatiques ou tectoniques etc.).

On a alors deux « sous-types » de l’anisotropie induite :

- Le premier « sous-type » est dû à une consolidation anisotrope,

- Le second « sous-type » est dû à une consolidation irrégulière.

Le premier sous-type sera étudié dans le chapitre 4. Nous nous intéressons ici, au second sous-type, car ce type d’anisotropie est souvent rencontré dans la nature et dans la pratique du génie civil (compactage par couches).

a)

Éprouvettes compactées dynamiquement

Les éprouvettes de type 1 se composent dans le cas présent de couches homogènes superposées et compactées alternativement avec des contraintes différentes (Nguyen et al., 2007a).

En effet, la mise en place de la couche n+1 et son compactage transmet à la couche n un supplément d’effort. Le profil de densité schématisé sur la Figure 2-13 est celui communément observé sur les chantiers de compactage (LCPC SETRA, 1992). Il s’agit d’une variante du type 1

destinée à représenter plus spécifiquement les ouvrages en terre (remblai) où n couches d’épaisseurs identiques sont compactées (Figure 2-13).

Figure 2-13 : La variation de la densité des couches lors de compactage

Préparation des éprouvettes et procédure d’essai

La préparation des éprouvettes est similaire à un essai Proctor. Cela consiste à compacter dans un moule rigide (10 cm de diamètre et 15 cm de hauteur), à l’aide d’une dame métallique, selon un processus bien défini, l’échantillon de sol à étudier et à mesurer sa densité spécifique sèche après compactage. φ = 10 cm 4 3 2 1 3,75 cm 15 cm

Figure 2-14 : Disposition des couches lors du compactage

Le matériau (mélange de 70% de sable et 30% de kaolinite, de teneur en eau à 12%) est compacté en 4 couches d’épaisseur 3,75 cm, chacune recevant 6 coups. Le Tableau 2-2 présente le nombre de coups cumulés des couches lors du compactage.

Tableau 2-2 : Nombre de coups pour chaque couche

nombre de coups total

couche 4 6 6

couche 3 6+6 12

couche 2 6+6+6 18

couche 1 6+6+6+6 24

Ensuite, toutes les couches sont pistonnées et tranchées selon une épaisseur définie (3,75 cm pour chacune) comme le montre la Figure 2-15.

Figure 2-15 : Bloc de mélange après le compactage et tranchage des couches

Enfin, chaque couche est carottée dans une bague d’œdomètre standard (d = 60 mm, h =20 mm) pour former une éprouvette (Figure 2-16).

Figure 2-16 : Taille d’une éprouvette

Le compactage par couches d’un bloc de sol peut entraîner une variation importante des caractéristiques, donc créer une anisotropie structurelle initiale des sols. Nous verrons par la suite que ces éprouvettes n’ont pas été retenues car le contraste d’anisotropie n’a pas été jugé suffisant et que le risque de décompactage pouvait permettre de douter de la répétitivité du protocole.

b)

Éprouvettes consolidées en condition œdométrique

En général, la préparation des éprouvettes s’est déroulée en trois étapes :

- consolidation des blocs (de 50 et 200 kPa),

- taille des couches,

- assemblage et re-consolidation des couches.

Pour des raisons de simplification de l’échantillonnage, ce type d’éprouvette ne comprend que les couches de mélange (70% de sable et 30% de kaolinite) qui sont consolidées en condition œdométrique à 50 et à 200 kPa. Ces pressions de consolidation ont été choisies pour que les blocs ne soient pas trop mous ou trop rigides lors du découpage tout en ayant un contraste suffisant. Selon le matériau et la géométrie des éprouvettes que l’on utilise, il a pu y avoir de petites différences dans la réalisation de ces étapes, que nous ne détaillerons pas ici.

La préparation des éprouvettes de type 1 a été effectuée en suivant la procédure de fabrication présentée sur la Figure 2-17.

Figure 2-17 : Schéma de la fabrication des éprouvettes de type 1 (1 : Consolidation œdométrique, 2 : Découpage, 3 : Reconsolidation).

c)Éprouvettes pour essais œdométriques

Consolidation

Deux blocs de mélange sable-kaolinite identiques sont moulés, puis consolidés respectivement à 50 et 200 kPa dans les bagues œdométriques (h = 2 cm, d = 6 cm).

Taille des couches

Après 24 heures de consolidation, les blocs sont démoulés et découpés pour créer des couches avec une dimension bien définie (horizontale, verticale ou à 45 degrés) à l’aide d’un outil spécifique comme illustré sur la Figure 2-18.

Sable sec Kaolinite sèche Eau distillée

Mélange de sable (70%) et kaolinite (30%). Teneur en eau 12% Bloc isotrope consolidé à 50 kPa Bloc isotrope consolidé à 200 kPa

Couches d’épaisseur de 1 cm Couches d’épaisseur de 1cm

Eprouvettes anisotropes

1 1

2 2

Lame Bloc de mélange

Mur de guidage

Figure 2-18 : Tranchage des blocs de mélange

Assemblage des couches

Après leur découpe, les couches sont intercalées l’une sur l’autre et insérées dans une bague oedométrique. Finalement, on obtient de « nouvelles » éprouvettes à partir de deux « matériaux » différents.

La figure ci-dessous, présente les profils de découpage des éprouvettes de type 1 :

Figure 2-19 : Constitution des éprouvettes de type 1

d)

Éprouvettes pour essais triaxiaux

Une éprouvette de ce type comprend 10 couches dont 5 couches consolidées à 50 kPa et 5 couches à 200 kPa, l’épaisseur de chaque couche est 1 cm (Figure 2-20).

Figure 2-20 : Schéma d’une éprouvette de type 1 (couches horizontales)

La préparation des matériaux

La préparation d’un bloc « standard » nécessite environ 400 g de matériau dont 280 g de sable, 90g de kaolinite et 48 g d’eau. Les matériaux sont mélangés et stockés dans une chambre de conservation à température et hygrométrie contrôlées, dans un sac hermétiquement fermé pour empêcher les variations de teneur en eau. Après environ 48 heures, le mélange est sorti et compacté dans un moule cylindrique pour créer des blocs.

Afin d’assurer une bonne densité et une bonne homogénéité pour les blocs de sol, le compactage statique est effectué en plusieurs couches. Par exemple, sur la Figure 2-21 le mélange est divisé en quatre parties identiques correspondant à quatre couches.

Figure 2-21 : Préparation de matériaux lors du compactage

Figure 2-22 : Compactage

Pour que les couches soient bien collées, il est nécessaire de scarifier la surface de sol avant de compacter la couche suivante (Figure 2-23)

Figure 2-23 : Surface scarifiée du sol

Consolidation des blocs

Les blocs sont consolidés séparément jusqu’à 50 kPa (e= 0,58 ; γh= 1,88 g/cm3) ou 200 kPa (e= 0,54 ; γh= 1,93 g/cm3) (Figure 2-24a). La consolidation des blocs est suivie à l’aide d’un comparateur de manière classique (Figure 2-24b).

a) b)

Figure 2-24 : Système de chargement des blocs : (a) bâti de chargement (b) Comparateur

Tranchage des couches

Après la stabilisation des tassements des blocs, chaque bloc est tranché en petites couches d’épaisseur un centimètre à l’aide des moules inclinés en paraffine. Le nombre de couches découpées est estimé selon l’inclinaison des couches (voir Figure 2-25).

a) b)

Figure 2-25 : Découpage des blocs (a) Moules en paraffine à différents angles (b) Système de découpage

Montage des éprouvettes

Cinq couches consolidées à 50 kPa et cinq couches consolidées à 200 kPa sont sélectionnées pour reformer une nouvelle éprouvette en superposant les couches l’une sur l’autre (Figure 2-26). L’ensemble des couches constituant la nouvelle éprouvette sera consolidée une nouvelle fois en condition œdométrique à une pression verticale de 50 kPa pour assurer le collage entre les couches.

Figure 2-26 : Réassemblage des couches

Le Tableau 2-3 présente l’ensemble de la famille des éprouvettes de type 1, pour lesquelles nous avons fait varier l’inclinaison des couches à 30, 45, 60 et 90 degrés (Figure 2-27) afin d’étudier l’influence de l’inclinaison des couches sur le comportement des sols anisotropes.

Tableau 2-3 : Classification des éprouvettes de type 1

Désignation Inclinaison des couches Nombre de couches 50 kPa Nombre de couches 200 kPa Total des couches Épaisseur de chaque couche 1a 0 (horizontale) 5 5 10 1 cm 1b 30 5 5 10 1 cm 1c 45 5 5 10 1 cm 1d 60 5 (4) 4 (5) 9 1 cm 1e 90 (verticale) 3 (2) 2 (3) 5 1 cm a) b) c) d) e)

Figure 2-27 : Les éprouvettes de type 1 : a) couches horizontales, b) couches inclinées à 30 degrés, c) couches inclinées à 45 degrés, d) couches inclinées à 60 degrés, e) couches verticales