Pore diameter (µm) 0 10 20 30 40 50 0,01 0,1 1 10 100 1000 P o ro si ty n % Pore diameter (µm) 0 1 2 3 4 5 6 7 0,01 0,1 D I D (µm) 0 1 2 3 0,01 0,1 D I D (µm)
gonflé
initial
Retrait
cycle 1, 2, 3
Retrait
cycle 1,
2, 3
gonflé
initial
Argile
Marne avec carbonate
Figure 56. Courbes de retrait obtenues à partir de l’état final de gonflement à la fin de chaque cycle d’humidification/séchage réalisé sur des échantillons intacts de marne bleue (67% CaCO3) et d’argile verte AV2
(Duc et al. 2014 à partir des résultats de Makki, 2009).
2.4.3 Effet de la densité des sols
Le dernier paramètre identifié comme impactant le comportement le retrait/gonflement est la densité du sol. La densité sèche est représentée ici indirectement par l’indice des vides.
Globalement, pour un sol marneux ou argileux compacté à différentes teneurs en eau pour atteindre des indices des vides (ou densités) variables, une augmentation de la densité sèche γd est clairement en faveur d’une diminution de la déformation de retrait comme le montre la Figure 57 (Duc et Makki, Article non
soumis NS2 issu de Makki, 2009).
L’augmentation des déformations lors du gonflement avec l’augmentation de la densité semble moins nette ce qui provient sans doute de la gamme restreinte de densité étudiée. Ces densités sont cependant cohérentes avec les densités des sols remaniés rencontrés en traitement des sols dans les terrassements.
Là encore, les études portant sur la variabilité des sols naturels se font rares dans la littérature, surtout les études comportant à la fois du retrait et du gonflement sur un même sol, au profit de sol déstructuré (traité/compacté). Ces sols n’intéressent en effet que le domaine des fondations et assez peu le domaine des terrassements. De plus, comme mentionné précédemment, travailler sur des sols naturels demande des moyens de prélèvement couteux et techniquement plus complexe afin d’extraire le sol intact. Enfin, il est
quasiment impossible de trouver des sols naturels avec des densités variables alors que leurs autres caractéristiques sont similaires.
Figure 57. Relation entre la densité sèche et les indices des vides initial et final (à gauche) pour l’argile verte AV1 et (à droite) pour la marne bleue MB1 (Duc et Makki, Article non soumis NS2). Deux séries de mesures sont représentées avec pour l’une un compactage statique et pour l’autre un compactage dynamique (utilisation de la
mini-dame proctor)
Un travail de recueil de données sur des sols naturels a été initié au CEREMA d’Aix en Provence (Serratrice et al., 2009) et les résultats confirment nos observations quant à l’impact de la densité sur l’amplitude de retrait-gonflement. La Figure 58 confirme que la plus grande part des variations de volume des sols lâches relève du retrait, tandis que la plus grande part des variations de volume des terrains compacts relève du gonflement.
eoentre 1 et 3 : Sols très laches – non consolidés ou destructurés = fort retrait
eoentre 0.25 et 1 : sols compactés ou naturels avec du retrait et du gonflement
eo<0.25 : sols fortement compactés ou naturels à forte densité : uniquement du gonflement (1) (2) (4) (3) (4) (1) (2) (3) Limite des retraits possibles
Figure 58. Mise en évidence des effets de la densité des sols sur les essais de retrait et de gonflement réalisés sur des argiles, marnes et limons (base de données élaborée au Cerema d’Aix en Provence - en gris - Serratrice et al.,
2009) et superposition des essais sur des argiles d’Algérie (en bleu - Bouheraoua et al., 2008), la marne bleue d’Argenteuil et l’argile verte de Romainville (en rouge - Audiguier et al., 2008 ; Makki et al., 2008), des argiles d’Espagne (en vert- Derriche et Kebaili, 1998) et des marnes d’Espagne (en rose - Serrano et al., 1981). Courbe
1, 2, 3, 4 voir Eq(1).
Ainsi, les sols déstructurés saturés à forte teneur en eau ne gonflent pas et les terrains compacts ne se rétractent pas. Bien évidemment, outre la densité du sol, l’amplitude de retrait-gonflement dépend d’autres facteurs comme la texture du sol, sa composition minéralogique (nature des argiles), sa microstructure pour les terrains testés dans leur état naturel, son anisotropie, le mode de préparation et de densification au laboratoire pour les sols compactés ou les sols déstructurés. Cela explique la dispersion des points observés sur la Figure 58. Ces points pourraient cependant être regroupés en 3 familles avec les sols à fort retrait pour des e0 entre 1 et 3 (pas de gonflement), des sols avec du retrait et du gonflement (variable en fonction des autres caractéristiques citées précédemment) pour des e0 entre 0.25 et 1 et enfin des sols à fortes densités qui ne présentent que du gonflement pour e0 < 0.25. Il faut noter que les déformations de retrait des argiles reconstituées avec e0 >1 aboutissent à peu près sur la même droite du plan (e, ∆e), à proximité de la courbe (2) (ek = 0,4 et e0n = 0,01).
De plus, le fait que les sols les plus denses ne gonflent pas plus que cela pourrait être imputé à la cimentation par des carbonates (marnes). Pour valider une telle hypothèse, il faudrait disposer de manière systématique de la minéralogie des sols testés ce qui est rarement le cas dans les études géotechniques qui se focalisent sur les propriétés mécaniques et se contentent de l’identification classique appliquée habituellement sur les sols fins.
Enfin, on retrouve l’impact de la densité initiale des sols au niveau des pressions de gonflement sur la Figure
59 où 4 familles sont représentées pour traduire une transition entre les terrains peu compacts associés à de
faibles pressions de gonflement vers des terrains très compacts associés à de fortes pressions de gonflement.
Figure 59. Pressions de gonflement et variations de l'indice des vides au cours du gonflement pour treize marnes. En chacun des points, l'amplitude du gonflement est représentée par un segment vertical d'abscisse σa g et de longueur ∆e10 = -Ke log(10/σa g) = (1+eo) K log(10/σa g) c'est-à-dire l'augmentation de l'indice des vides obtenue entre une pression de référence égale à σa = 10 kPa (poids piston) et la pression de gonflement (un double figuré
représente les extrémités de chacun des segments verticaux) (Serratrice et al., 2009)
Or, en chaque point, l'amplitude des gonflements ∆e10 sur la Figure 59 reste faible en regard de la variété des indices des vides initiaux entre 0,07 et 0,8 (les segments verticaux ou double figuré d'abscisse σa g sont réduits et peu visibles). Quelle que soit la nature des sols testés, les pressions les plus fortes mesurées dans une cellule oedométrique, ne peuvent être trouvées que parmi les terrains les plus compacts. Grace à cette représentation, on montre clairement que le phénomène de retrait et de gonflement ne sont pas des phénomènes purement ‘symétriques’.