I.3 Comportement des pieux sous chargement axial cyclique
I.3.2 Comportement du sol sous chargement cyclique
Un sol soumis à un chargement cyclique présente un comportement différent d’un sol chargé statiquement. O’Reilly et Brown (1991) indiquent les principales différences entre ces deux types de chargement. Les principales différences concernent une augmentation de la pression interstitielle dans le sol, une accumulation des déplacements permanents et une variation dans la rigidité du sol. Randolph et Gourvenec (2011) expliquent qu’une chute de résistance au cisaillement dans le sol peut également être observée au cours d’un chargement cyclique à cause de la variation de la pression interstitielle ou une variation de volume. L’accumulation des déplacements permanents citée par O’Reilly et Brown (1991) a été observée au cours de plusieurs essais de chargements cycliques du sol rapportés dans la littérature (Boyce, 1976 ; Lentz et Baladi, 1980 ; Marr et Christian, 1981 ; O’Reilly et Brown, 1992). En effet, ces essais montrent qu’au cours de ce type de sollicitations, le sol subit des déformations réversibles et d’autres irréversibles. Plusieurs travaux rapportent qu’au cours d’un chargement cyclique, les déformations réversibles restent constantes en général jusqu’à l’apparition de la rupture, tandis que les déformations irréversibles augmentent avec le nombre de cycles. La rupture des fondations est souvent associée à une augmentation des déformations irréversibles dans le sol.
Plusieurs auteurs considèrent que la réponse du sol soumis à un chargement cyclique est complexe actuellement, aucun modèle ne reproduit exactement l’ensemble des effets de ce type de chargement. Cependant, plusieurs observations expérimentales ont permis de lier le comportement du sol aux paramètres décrits ci-dessous.
I.3.2.1 Nature du sol
La réponse d’un sol soumis à un chargement cyclique dépend du type de sol. En effet, Randolph et Gourvenec (2011) distinguent les sols argileux et les sols sableux sous ce type de sollicitation. Au cours d’un chargement cyclique appliqué à une argile, une augmentation ou une dissipation de la pression interstitielle, une dégradation de la résistance au cisaillement non-drainée et une accumulation de déplacements permanents, peuvent être notées. La réponse d’un sable soumis à un chargement
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cyclique est liée au potentiel de liquéfaction, à une accumulation des déplacements et à une possible augmentation de la pression interstitielle dépendant de la fréquence du chargement et de la perméabilité du sable.
I.3.2.2 Dégradation cyclique du sol
La dégradation de la rigidité du sol et de la résistance au cisaillement du sol observées au cours d’un essai à déformation cyclique imposée en condition non-drainée est souvent liée à l’augmentation de la pression interstitielle avec le nombre de cycles. Cette augmentation de la pression interstitielle provoque une diminution des contraintes effectives dans le sol. Ce phénomène est très important dans les sols granulaires lâches où les pressions interstitielles peuvent s’accumuler. Ce dernier phénomène est généralement appelé liquéfaction. Les chercheurs s’intéressant aux chargements cycliques à haute fréquence induits par les vibrations dues au trafic, considèrent que la dégradation cyclique est un phénomène important à considérer. Cependant, pour des chargements cycliques à faible fréquence ou dans des sols saturés chargés en condition drainée, une diminution de la pression interstitielle peut être notée au cours du chargement, conduisant ainsi à une densification du sol ou à sa consolidation.
Mortezaie et Vucetic (2013) considèrent que l’augmentation de la pression interstitielle n’est pas l’unique raison de la dégradation cyclique de la résistance au cisaillement du sol et de sa rigidité. Cette dégradation peut être également provoquée par une détérioration de la structure du sol et par l’altération des grains. Ainsi, une dégradation cyclique peut être observée dans des sols favorables à une dissipation de la pression interstitielle et à la consolidation à cause de la détérioration de la structure du sol (Idriss et al.,1976; Hong et al., 2011).
I.3.2.3 Type et caractéristiques du chargement cyclique
Le type de chargement cyclique appliqué au sol influence la réponse de celui-ci. Selon que le chargement cyclique est alterné symétrique, alterné non-symétrique ou non-alterné, le sol se comporte différemment. Plusieurs auteurs confirment que le chargement cyclique alterné provoque une dégradation de la résistance au cisaillement plus sévère qu’au cours d’un chargement cyclique non-alterné (Karlsrud at al., 1986 ; Poulos, 1988b ; Poulos, 1989b ; Randolph et Gourvenec, 2011 ; Jardine et al., 2012).
La réponse du sol au cours d’un chargement cyclique dépend du niveau de contrainte imposée ou du niveau de déformation imposé. Lentz et Baladi (1980) ont réalisé une série d’essais triaxiaux à différents niveaux de chargement cyclique sur du sable. La Figure I.20 illustre les résultats obtenus et montre que les déformations permanentes augmentent avec le niveau de contrainte imposée. Lorsque le niveau de contrainte imposée approche de la résistance au cisaillement statique du sol, les
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déplacements permanents s’accumulent rapidement. Luong (1980) a montré à partir d’essais triaxiaux sur du sable, que le taux d’accumulation des déplacements permanents diminue avec le nombre de cycle lorsque le niveau de contrainte cyclique imposé est inférieur à une valeur seuil. Lorsque le niveau de contrainte cyclique imposé est supérieur à cette valeur seuil, le taux d’accumulation des déplacements permanents augmente avec le nombre de cycles.
Figure I.20. Evolution des déplacements permanents en fonction de la contrainte cyclique imposée pour N = 10000 cycles (Lentz et Baladi, 1980)
Sagaseta et al. (1991) résument l’effet des déformations cycliques imposées sur le comportement du sol. Lorsque la déformation cyclique imposée est inférieure à une valeur de 10-5, le comportement du sol est purement élastique. Pour des valeurs de déformations comprises entre 10-5 et 10-3, le sol a un comportement élasto-plastique mais aucune accumulation de déplacements permanents n’est observée. Au-delà d’une valeur de 10-3, les caractéristiques du sol changent au cours du chargement cyclique avec une accumulation de déformations irréversibles. Vucetic (1994) confirme ces tendances et confirme l’existence d’une valeur limite de déformation de cisaillement en dessous de laquelle le sol a un comportement élastique linéaire. Aucun changement microstructural permanent n’est observé pour des déformations inférieures à cette valeur seuil. Dans ces conditions et pour un sol saturé, en conditions non-drainées, la pression interstitielle ne varie pas significativement, et en conditions drainées, le volume ne varie pas significativement. Enfin, au-delà de cette valeur limite, le sol a toujours un comportement élastique mais non-linéaire. Vucetic (1994) montre l’existence d’une seconde valeur limite de déformations de cisaillement au-delà de laquelle le sol a un comportement non-élastique et non-linéaire. Pour des déformations cycliques supérieures à cette seconde valeur limite, la microstructure du sol est modifiée irréversiblement et la rigidité du sol est modifiée continuellement. Pour les sols saturés chargés dans des conditions non-drainées une augmentation de la pression interstitielle est notée, et pour un sol sec, partiellement saturé, ou saturé et chargé dans des conditions drainées une variation permanente de volume et de densité est notée. Vucetic (1994) relie ces deux limites à la taille des grains et à l’indice de plasticité du sol. En effet, d’une part, plus la taille
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des grains est petite, plus ces limites sont élevées, et d’autre part, plus l’indice de plasticité est élevé, plus ces limites sont élevées (Figure I.21).
Figure I.21 : Influence de l'indice de plasticité sur les limites de déformations de cisaillement définies par Vucetic (1994)