L’anisotropie du gonflement et l’anisotropie de la pression de gonflement ont ´et´e peu ´etudi´ees. Elles sont dues, en particulier, au mode de consolidation et `a la r´epartition des feuillets argileux. Elles peuvent ˆetre identifi´ees aux moyens d’essais exp´erimentaux ou par observation au moyen d’un microscope optique ou d’un microscope ´electronique.
La plupart des analyses exp´erimentales ont ´et´e effectu´ees sur des ´echantillons cylindriques mis en contact avec de l’eau et uniquement pour deux orientations de l’axe de l’´echantillon par rapport aux plans de stratification de la roche ou de compactage des sols argileux.
L’anisotropie du gonflement ag et l’anisotropie de la pression de gonflement apg correspondant au
temps de stabilisation peuvent ˆetre identifi´ees par les deux rapports : ag = εz εx , apg = pz px (2.10) qui sont respectivement le rapport entre le gonflement perpendiculaire et le gonflement parall`ele au plan privil´egi´e du mat´eriau et le rapport entre la pression de gonflement perpendiculaire et parall`ele `
a ce plan.
Dans le plan horizontal de stratification des roches argileuses, Shimada et al. [110] ont montr´e une isotropie de gonflement. En revanche, ils ont observ´e, suivant la direction normale aux strates, une anisotropie de gonflement bien marqu´ee qui augmente avec le pourcentage des min´eraux gonflants tels que les smectites.
Aux moyens des essais de gonflement libre et des essais monoaxiaux r´ealis´es sur des roches argileuses, Murayama et Yagi[88]ont conclu que le coefficient d’anisotropie du gonflement est ´egal au coefficient
d’anisotropie de la pression de gonflement.
Contrairement aux sols argileux, le coefficient d’anisotropie de gonflement est plus marqu´e pour les roches argileuses. A titre d’exemple, pour les sols argileux, les valeurs des coefficients d’anisotropie ag et apg se situent aux alentours de 1.1 [48, 71, 101] et sont g´en´eralement plus ´elev´ees pour les roches
argileuses. La figure 2.17 montre que l’orientation des feuillets dans les sols argileux est al´eatoire et ne pr´esente pas une direction privil´egi´ee. Cependant, les roches argileuses sont plus orient´ees et cela est due `a la transformation d’un s´ediment en roche sous l’effet des processus de la diagen`ese qui vont de la compaction du s´ediment `a sa cimentation.
Fig. 2.17 – Diff´erents modes de compaction [13]
Froehlich [44] a observ´e une forte anisotropie du gonflement pour des ´echantillons de roches argi-
sup´erieures `a celles parall`eles `a ces mˆemes couches. L’auteur a attribu´e cette forte anisotropie du gonflement `a l’anisotropie de la structure de la roche argileuse.
L’influence des diff´erents angles de stratification (0◦, 30◦, 60◦, 90◦) des bentonites compact´es a ´et´e ´
etudi´ee par Kabbaj[65]`a partir des essais de gonflement œdom`etriques sous contraintes et des essais
de pression de gonflement. L’auteur a constat´e une diminution du gonflement et de la pression de gonflement avec l’accroissement de l’angle de stratification ainsi qu’une diminution du coefficient d’anisotropie avec la charge appliqu´ee. Il a attribu´e cette derni`ere diminution `a la modification de la structure interne en cours de processus d’humidification sous charges.
A contrario de tout ce qui vient d’ˆetre dit, les essais de pression de gonflement effectu´es par Johnson [64] `a l’aide de l’appareil triaxial sur des ´echantillons d’argile intacts montrent une iso- tropie de la pression de gonflement malgr´e la pr´esence d’une anisotropie structurelle. L’auteur a attribu´e ce ph´enom`ene `a la succion r´eagissant d’une mani`ere isotrope.
Ce point sera plus amplement trait´e dans la partie exp´erimentation o`u l’on ne s’arrˆetera pas `a l’´etude de l’anisotropie du gonflement et l’anisotropie de la pression de gonflement d’un ´echantillon mis en contact avec de l’eau mais on ira au-del`a en abordant l’effet du chimisme de la solution d’hydratation et l’effet de l’humidit´e sur l’anisotropie du gonflement.
2.8
Conclusion
Ce chapitre a montr´e qu’il est d’une grande complexit´e de caract´eriser le comportement des mat´eriaux faiblement poreux, anisotropes et ´electris´es mis en contact avec un fluide.
La notion de la double couche diffuse nous permet de conclure que le ph´enom`ene de gonflement ne peut pas ˆetre expliqu´e dans sa globalit´e par la notion de la succion totale car, ´etant donn´e qu’elle est pr´esente dans n’importe quel milieu poreux, elle n’est pas caract´eristique du gonflement des argiles.
Le gonflement des mat´eriaux argileux peut se manifester `a deux ´echelles : – `a l’´echelle microscopique o`u se cr´eent les forces ´electrochimiques,
– `a l’´echelle des pores o`u se manifeste la succion totale (osmose et capillarit´e).
Par ailleurs, les d´egradations des caract´eristiques m´ecaniques ne peuvent pas non plus ˆetre expli- qu´ees par la notion de succion totale, bien que quelques auteurs le pr´etendent.
Approches th´eoriques de gonflement
3.1
Introduction
Les diff´erents m´ecanismes d´etaill´es dans le chapitre pr´ec´edent ont ´et´e int´egr´es dans diverses approches permettant de mod´eliser le gonflement d’un mat´eriau argileux mis en contact avec un fluide et soumis `a un r´egime de contraintes.
Le d´eveloppement d’un mod`ele, faisant intervenir les aspects ´electrochimiques et m´ecaniques, consti- tue une tache tr`es ardue en g´eotechnique.
Trois types d’approches sont habituellement utilis´es. Chacune de ces approches aborde le probl`eme d’une fa¸con diff´erente.
Pour les mat´eriaux fortement gonflants qui contiennent une quantit´e ´elev´ee de smectite, l’approche de la double couche est la plus scientifiquement utilis´ee. Elle repose sur les caract´eristiques micro- scopiques des min´eraux argileux et sur les propri´et´es de l’´electrolyte. L’explication de cette approche est compl´et´ee par un exemple sur la bentonite o`u est mise en relief l’influence de la contrainte et de la concentration de la solution sur le gonflement.
Les approches ph´enom´enologiques s’appuient g´en´eralement sur la succion totale introduite dans la notion de contrainte effective. Ce type d’approches est le plus utilis´e par les mod`eles coupl´es bas´es sur diverses lois d’´ecoulement de l’eau ou de la vapeur d’eau dans les milieux faiblement poreux. Les approches du gonflement sont les plus exploit´ees pour les mat´eriaux argileux subissant une saturation d´efinitive. Soit elles ont ´et´e ´etablies `a la phase ultime de stabilisation qui correspond au gonflement le plus prononc´e, soit elles font intervenir le temps d’hydratation.
Par la suite, on va pr´esenter et discuter chacun de ces trois types d’approches.