Caractérisation structurale du Bri : Profils de teneur en eau (W), indice de

vide (e), porosité (n), densité humide (ɣh), densité sèche (ɣd), indice de saturation (Sat)

Comme tous les sols, le Bri est un assemblage de trois phases : une phase solide constituée par les éléments solides (squeletteΨ, une phase liquide constituée par l’eau et la phase gazeuse constituée par l’air. Le ratio volume d'eau sur volume des vides détermine l'indice de saturation du sol. Pour un indice de saturation nul, on dit que le sol est sec. Pour un indice de saturation égal à un, le sol est dit saturé. La répartition des trois phases dans le sol est habituellement représentée de manière schématique (Figure II.2) :

Figure II.2 : Représentation volumique schématique des trois phases solide, eau et air constitutives du sol avec Vt volume total, Vw volume d'eau libre déterminée par dessiccation à 105°C, Va volume d'air, Vs volume des grains solides. s et w les densité réelles des grains solides et de l'eau.

La particularité du Bri est sa forte susceptibilité au retrait. Par rapport à cette représentation schématique classique il faut toujours considérer la matrice argileuse comme un matériau à volume variable. Ce dernier est gouverné par le degré de dessiccation : i.e. le volume d'eau inter-grains qui correspond en majeure partie à l'eau libre mesurée par dessiccation et les pressions de succion associées au phénomène qui agissent sur l'arrangement des particules argileuses.

Eau de constitution Air Eau adsorbée Eau libre 2 µm Air Eau libre Grains solides Pw = Vw*w Ps = Vs*s Va Vw Vv Vt

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a- Teneurs en eau « W »

La teneur en eau est classiquement calculée par la différence entre le poids humide et le poids sec de l'échantillon (Norme NF P 94-050). Elle peut être calculée en pourcentage pondéral ou volumique. La teneur en eau pondérale correspond à la masse d'eau (Mw) divisée par la masse sèche (Md) de l'échantillon:

W %= Mw / Md *100 Eq.II.1

La teneur en eau volumique (ϴ) correspond au volume d'eau (Vw) divisé par le volume total du sol (Vt):

ϴ %= Vw / Wt * 100 Eq.II.2 La relation entre W et ϴ est la suivante :

ϴ = (d / w )*W Eq.II.3

avec d la densité sèche du sol, w = la densité de l'eau et W la teneur en eau pondérale. Les échantillons de sols sont souvent séchés à 60°C (pour les préparations) et / ou 105°C. Il est évident que des teneurs en eau calculées pour ces deux températures de dessiccation sont différentes. Pour ce travail la teneur en eau est mesurée suivant la norme NF P94-0.50. C'est une teneur en eau pondérale, soit le rapport entre la masse de l’échantillon humide soustrait de la masse de l’échantillon séché à l’étuve à 105°C pendant 24h, divisé par cette même masse sec. C’est la variable d’état qui influe directement sur la consistance et les caractéristiques mécaniques d’un sol.

b- Indice de vide « e »

L’indice de vide est un paramètre en géotechnique qui se défini comme le rapport entre le volume de vide de l’échantillon sur le volume des solides de l’échantillon. Il peut être écrit sous forme d’équation :

e = Eq.II.4

avec, e l’indice de vide, Vv le volume du vide de l’échantillon, Vs le volume de solide de l’échantillon. L'intérêt d'utiliser l'indice des vides à la place du volume dans les courbes de retrait est de normaliser les différentes courbes obtenues (Bernard, 2006).

c- Porosité « n »

La porosité est un paramètre largement utilisé en hydrogéologie et en mécanique des sols, et de manière générale par rapport aux mécanismes de transferts. Elle est toujours inférieure à 1. Elle est définie comme le rapport du volume des vides sur le volume total de l’échantillon. Elle peut être écrite sous la forme :

n = Eq.II.5

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Il existe une relation réciproque entre indice de vide « e » et la porosité « n »: n =

+ Eq.II.6

e =

− Eq.II.7

d- Densité humide « ɣh »

La densité humide est mesurée sur des échantillons intacts de sols, soit à partir de prélèvement par tarière en cloche, soit par prélèvement de mottes sur des fosses creusées. Sa mesure se fait par la méthode de double pesée hydrostatique en utilisant de la paraffine. L’équation s’écrit :

h = _{( �ℎ+� −� )− � −�ℎ}�ℎ ∗ _.88 Eq.II.8 avec, ɣh la densité humide de l’échantillon, Mhla masse humide de l’échantillon intact, Mp la

masse de l’échantillon paraffiné, PAla poussée d’Archimède, 0.88 la densité de la paraffine.

e- Densité sèche « ɣd »

La densité sèche est déterminée en fonction de la densité humide et de la teneur en eau. Elle s’écrit :

d = ɣ₊ Eq.II.9

avec, ɣd la densité sèche de l’échantillon, ɣh la densité humide de l’échantillon, W la teneur en eau gravitaire.

Notons, que l’indice de vide et la porosité peuvent être déterminés à partir de la densité sèche et de la densité réelle des particules suivant respectivement :

e = ɣs−ɣd

ɣd Eq.II.10

n = 1- ɣs

ɣd Eq.II.11

avec, e l’indice de vide de l’échantillon, ɣs la densité moyenne des grains solides qui est de 2.58 pour les Bri obtenue par mesure au pycnomètre (Bernard, 2006), ɣd la densité humide.

f- Densité réelle des particules solides « s »

Elles ont été obtenues par pycnomètrie (norme NF P 94-054) sur échantillons secs avec une étape intermédiaire de mise sous cloche à vide pour permettre le dégazage de la suspension particule - eau avant remplissage complet du pycnomètre. La densité réelle moyenne des particules solides constituant le Bri est : s = 2,58.

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g- Indice de saturation « Sat »

L’indice de saturation concerne la proportion des vides remplis par l’eau pour un échantillon donné. Il est défini comme le rapport du volume de l’eau sur le volume des vides. L’équation s’écrit :

Sat % = V

V ∗ Eq.II.12

avec, Sat l’indice de saturation, Vw le volume de l’eau dans l’échantillon, Vv le volume des vides de l’échantillon.

h- Les limites d'Atterberg.

Elles comprennent les limites de plasticité (Wp) et liquidité (Wl) auxquelles peut s'ajouter la limite de retrait (Wr). Ces limites de retrait sont les teneurs en eau qui séparent respectivement l'état solide de l'état plastique pour Wp et l'état plastique de l'état liquide pour Wl. Ce sont des teneurs en eau déterminées suivant les normes géotechniques d'essais en laboratoire NF P 94-051 et NF P 94-052-1. La limite de liquidité a été donc été obtenue à la coupelle de Casagrande sur mortier infra 400µm qui constitue en fait l'ensemble du matériau. La limite de plasticité a été obtenue par la méthode du boudin et la limite de retrait a été extrapolée par traçage de la courbe de retrait.

Les limites de retrait (Wr), de plasticité (Wp) et de liquidité (Wl) sont respectivement: Wr = 20%, Wp = 40%, Wl = 70 %.

L'indice de plasticité Ip = Wl-Wp est de 30%.

Finalement pour des pourcentages de fraction infra 80µm largement supérieures à 35%, cette valeur d'indice de plasticité classe ces sols en A2 en GTR (Guide pour les Terrassements Routiers).

i- Droite de retrait et compaction : Essai Proctor Normal

Les droites de retrait ont été obtenues de deux manières :

- par dessiccation successives d'échantillons carottés cylindriques (Ø=2cm, H=2cm) et mesure " en continu" des volumes et teneurs en eau,

- et par la méthode géotechnique graphique de mesure de Wr.

Les limites de Wr obtenues sont les mêmes pour les deux méthodes. La droite de retrait obtenue pour la détermination de Wr se superpose à la courbe de retrait obtenue point par point pour le segment Wr-Wp (Bernard, 2006). La courbe obtenue point par point présente une légère convexité pour les fortes teneurs en eau (Figures I.14 et I.15). Ces courbes de retrait ont été modélisées par Gallier (2011).

Les compactions d'échantillons par essai Proctor ont été effectuées suivant la norme de l'essai Proctor NF P 94-093 (AFNOR).

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