Caractérisation de l’interface matériau-sol

1.1.1 Nature des interactions à l’interface

Le cisaillement à l’interface entre un sol et un matériau conduit, d’une part, au développement d’états de contraintes dans le sol au contact des aspérités recouvrant la surface du matériau et d’autre part, à l’apparition d’un écoulement plastique à l’interface (Lambe et Whitman, 1969, cités par Tan et al., 2008). Les déformations se concentrent dans une fine couche de sol (sable), qualifiée de couche d’interface, dont l’épaisseur atteint la taille de quelques grains (Unterreiner, 1994). La phase de cisaillement modifie les contraintes dans cette couche et entraîne la rupture puis la formation de nouvelles liaisons entre le sol et le matériau (Tan et al., 2008).

1.1.2 Adhérence et angle de frottement à l’interface

Zimnik et al., (1999) ont donné deux définitions différentes du terme d’adhérence c^’a, qu’ils ont qualifié « d’idéale » et de « pratique » :

• Idéalement, l’adhérence correspond à la force réversible nécessaire d’une part, pour séparer une unité de surface entre deux matériaux différents et d’autre part, pour obtenir cette même unité de surface sur chaque matériau. Elle est associée aux interactions thermodynamiques et aux forces de Van der Waals entre ces deux surfaces ;

• L’adhérence dite « pratique » est la force (ou contrainte) appliquée à l’interface liant deux corps distincts sans les séparer. Cette définition fait référence aux interactions thermodynamiques et physiques, aux liaisons chimiques et au processus de cimentation. Elle correspond à la force (ou contrainte) appliquée parallèlement ou perpendiculairement à la direction de cisaillement pour séparer un matériau d’un sol (Figure III-1).

Contrainte

c’

c’

Le frottement entre un matériau et un sol est défini comme la transmission des contraintes de l’un vers l’autre à travers la surface de contact (Potyondy, 1961).

Les travaux menés par Bowden et Tabor, (1950), cités par Kooistra et al., (1998) ont montré que l’évolution de l’angle de frottement d’interface entre l’acier et l’argile était fonction de la surface de contact dite « réelle » (à l’opposé « d’apparente ») (Figure III-2). Cette surface augmente sous l’effet des contraintes normales et de la déformation plastique de l’argile. Elle dépend de la rugosité de l’acier, de la forme, de la taille et de la microstructure de l’argile. L’augmentation de la contrainte normale conduit à une réorientation des feuillets d’argile parallèlement à la surface de contact. Cette réorientation augmente l’adhérence et diminue l’angle de frottement à l’interface. L’évolution de la résistance au cisaillement en fonction de la contrainte normale est alors parabolique (Figure III-2).

En supposant que la résistance au cisaillement à l’interface est proportionnelle à la surface de contact réelle, l’angle de frottement est constant et le critère de Mohr-Coulomb peut s’appliquer (Chapitre III, § 1.1.3).

Surface de contact « apparente »

Figure III-2. Evolution de la résistance au cisaillement à l’interface en fonction de la contrainte normale

(modifié d’après Kooistra et al., 1998)

1.1.3 Rupture à l’interface matériau-sol et critère de Mohr-Coulomb

1.1.3.1 Critère de Mohr-Coulomb à l’interface matériau-sol

En mécanique des sols, le critère de Mohr-Coulomb associe la résistance au cisaillement d’un sol saturé τmax à la contrainte normale appliquée σ’

n :

' '

max c' _n tan

τ = +σ ϕ (3)

c’ et φ’ représentent respectivement la cohésion effective et l’angle de frottement interne

effectif du sol.

Suite à la réalisation d’essais de cisaillement d’interface entre des matériaux et des sols de natures différentes, Potyondy, (1961) a modifié le critère de Mohr-Coulomb et introduit deux coefficients fa et f_φ relatifs à la diminution de la cohésion et de l’angle de frottement à l’interface matériau-sol :

' ' ' ' ' '

max,int_erface f c_{a n}tan(f_ϕ ) c_{a n}tan

c’_a et δ’ représentent respectivement l’adhérence (Chapitre III, § 1.1.2) et l’angle de

frottement d’interface.

Enfin, lors d’essais de cisaillement entre un limon non saturé et l’acier, Miller et Hamid, (2006) ont modifié le critère de rupture d’un sol (non saturé) établi par Fredlund et al., (1978), cités par Hossain et Yin, (2012) selon la relation suivante :

' '

max,int ( ) tan ( ) tan b

erface ca n uaf ua uw f

τ

σ

δ

δ

Avecu_af la pression d’air dans les pores à la rupture, (u_a−u_w)_f la matrice de succion à la rupture et δ^bl’angle de frottement relatif à l’augmentation de la résistance au cisaillement résultant de la succion dans le sol.

Dans la suite du Chapitre III, le critère de Mohr-Coulomb caractérisant la rupture d’un sol saturé sera étendu à la rupture à l’interface entre un sol non saturé et un matériau.

1.1.3.2 Mode de rupture à l’interface entre un matériau et un sol cohérent Tsubakihara et Kishida, (1993), cités par Zimnik et al., (1999) ont défini trois modes de rupture à l’interface entre un matériau et un sol cohérent (Figure III-3) :

• 1^er mode : La rupture a lieu à l’interface. La relation entre la résistance au cisaillement et la contrainte normale suit le critère de Mohr-Coulomb :

' ' '

max,int_erface c_{a n}tan

τ

σ δ

La résistance au cisaillement d’interface est inférieure à la résistance au cisaillement interne du sol cohérent. Ce mode de rupture se produit quand la rugosité du matériau est faible (Zimnik et al., 1999), ou lorsque le sol cohérent se comporte comme un matériau « quasi-solide » et « dur » (Shakir et Zhu, 2009) ;

• 2^ème mode : Si l’adhérence (Zimnik et al., 1999) ou la résistance au cisaillement d’interface (Kooistra et al., 1998) est supérieure ou égale à la résistance au cisaillement interne du sol cohérent, la rupture se produit dans le sol et une fine couche reste collée au matériau (Kooistra et al., 1998). Le critère de rupture de Mohr-Coulomb est de la forme :

' ' '

max c _ntan

τ = +σ ϕ (7)

Ce mode de rupture se produit si la surface du matériau est rugueuse, ou si le sol cohérent, dont la teneur en eau est élevée, présente une compressibilité importante qui augmente la surface de contact à l’interface (Zimnik et al., 1999) ;

• 3^ème mode : Ce mode de rupture ne comporte pas de surface de rupture clairement définie. La rupture de l’interface entre le sol cohérent et le matériau s’accompagne de déformations internes au sol. La rugosité du matériau est proche de sa valeur critique (Zimnik et al., 1999) (Chapitre III, § 1.2.1.4) et le critère de rupture de Mohr-Coulomb est de la forme :

' ' ' max,int_erface c_{a n}tan

τ

σ δ

' ' '

max c _ntan

τ < +σ ϕ (9)

Mode n°1 Mode n°2 Mode n°3

Figure III-3. Mode de rupture de l’interface entre un matériau et un sol cohérent (modifié d’après Zimnik et

al., 1999 ; Shakir et Zhu, 2009)

1.2 Facteurs influençant les propriétés de résistance du sol et de l’interface