Comportement sous chargement cyclique des argiles

L’application répétée et variable de contraintes et de déformations sur un échantillon d’argile entraine une réduction du module de cisaillement du sol qui est fonction de l’augmentation de l’amplitude des déformations en cisaillement, tel que vu à la Figure 1.11, du nombre de cycles de chargement, de la fréquence d’application du chargement, de l’indice de plasticité (Ip), du

ratio OCR et du confinement effectif. Les courbes de modules de cisaillement versus l'amplitude de cisaillement sont généralement exprimées en termes de courbes de réduction de module normalisé par rapport au module de cisaillement maximal (ou à petite déformation), Gmax (G0).

Figure 1.11 Courbe G/Gmax pour différentes argiles Tirée de Anderson et Richart (1976)

1.3.4.1 Impact du nombre de cycles de chargement

Des études antérieures (Mitchell et King, 1977) ont montrées que les argiles de la Mer de Champlain présentent une réduction de leur module de cisaillement sous l’application répétée de cycles de chargement. Cette réduction du module de cisaillement est aussi en lien avec la contrainte de pré-cisaillement cyclique, c’est-à-dire le ratio entre la résistance au cisaillement de l’échantillon et la contrainte appliquée au début du chargement, ainsi qu’en fonction du ratio de contrainte cyclique appliquée durant le chargement. Cela a été mis en évidence par les résultats d’essais (Lefebvre et Pfendler, 1996) réalisés sur des blocs d’argile sensible intacts de la région de St-Alban (Q.C.). Les échantillons ont été récupérés au moyen de l’échantillonneur Sherbrooke (Lefebvre et Poulin, 1979) et soumis à une série d’essais cycliques au DSS (essai de cisaillement simple) à déformations contrôlées à raison d’une fréquence de 0,1Hz. La réduction du module de cisaillement a également été mis en évidence dans des résultats d’essais dynamiques plus récents.

La Figure 1.12 présente une série de courbes expérimentales obtenues sur des argiles de la péninsule de Onsøy (Wichtmann et al., 2013). Dans ces essais, une contrainte de pré- cisaillement cyclique est appliquée (13,6 kPa), qui représente 49 % de la résistance au cisaillement non-drainée obtenue au cône tombant (𝑆 ). La contrainte de cisaillement cyclique appliquée (𝑡 , ) durant l’essai est constante et vaut 54 % de 𝑆 . Le test sollicite ainsi

l’échantillon au-delà de sa résistance (103 % de 𝑆 ). Suivant l’augmentation des cycles de chargement, les déformations axiales de l’échantillon demeurent sous la barre des 2 % jusqu’à environ 5 minutes où une augmentation rapide se produit; c’est la rupture.

Figure 1.12 Essai de chargement cyclique à la rupture Tirée de Wichtman, Andersen et al. (2013)

Wichtman et Andersen (2013) ont procédé au même test mais cette fois en considérant une contrainte de pré-cisaillement cyclique nulle et une contrainte cyclique équivalente à 40 % de 𝑆 . Les résultats de ce second test sont présentés à la Figure 1.13.

Figure 1.13 Essai de chargement cyclique sans contrainte de pré-cisaillement cyclique Tirée de Wichtman, Andersen et al. (2013)

Les résultats obtenus de ce second essai montrent que l’échantillon nécessite un nombre de cycles beaucoup plus élevé avant d’atteindre un niveau de déformation axiale important (10- 12 %). Ces essais de chargement cycliques montrent bien que le nombre de cycles pour atteindre la rupture dépend à la fois de l’amplitude de la contrainte de pré-cisaillement cyclique mais également du ratio de cisaillement cyclique appliqué durant le chargement. Cette conclusion est illustrée à la Figure 1.14 qui montre le nombre de cycles nécessaire pour atteindre la rupture d’échantillons d’argile Suédoise en fonction de la contrainte de pré- cisaillement cyclique et du ratio de cisaillement cyclique appliqué durant l’essai de chargement. Dans ces essais, la fréquence de chargement a été maintenue à 0,1Hz.

Figure 1.14 Rupture sous chargement cyclique pour une argile Suédoise en fonction du nombre de cycle, de la contrainte de pré-cisaillement cyclique et du ratio de contrainte

cyclique en cisaillement

Tirée de Wichtman, Andersen et al. (2013)

Le second impact du chargement cyclique est d’entrainer une dégradation de la résistance de l’argile dès que l’amplitude des déformations dépasse un certain seuil limite (Dobry et Vucetic, 1987),

Il convient également de noter que l’argile est un matériau visqueux ce qui fait que la vitesse d’application du chargement a un impact important sur sa résistance (Bjerrum et al., 1958; Jarrett, 1967). Ces effets sont si importants qu’il a été démontré qu’une augmentation d’un facteur 10 dans le taux de déformations entraine une augmentation de la contrainte de préconsolidation et de la résistance au cisaillement non-drainé de 9-20 % (Lefebvre et Leboeuf, 1987; Rasmussen, 2012; Vaid et al., 1979). Pour les argiles de la Mer de Champlain, il a été montré (Leroueil et al., 1983b) que l’influence de la vitesse de déformation sur la valeur de la contrainte de préconsolidation est unique. Cette influence est indépendante du degré de plasticité, du ratio OCR, du type d’essais ou de la méthode d’échantillonnage (Lefebvre et Leboeuf, 1987).

Le chargement dynamique d’un séisme est un chargement irrégulier, à la différence d’un chargement cyclique dont l’amplitude est constante. Il faut ainsi recourir à une approche pour

convertir, en nombre de cycles équivalents, l’impact d’un chargement irrégulier provenant d’un séisme (Seed, 1971). Il a été montré que l’association entre le nombre de cycles équivalents (Neq) d’un séisme versus sa magnitude (Mw) dépend fortement du type de sol

(Priyesh et al., 2019).

Le rapport de Sun et al. (1988) indique que la forme de la relation entre le module de cisaillement et les déformations de cisaillement dans des conditions de forts séismes a été identifiée comme le principal paramètre de modélisation dynamique (Larkin et Donovan, 1979; Martin et al., 1979). Les auteurs du rapport mentionnent que, contrairement aux sables, pour lesquels la variation des courbes de réduction de module 𝐺 𝐺 est similaire et ce, peu importe le sable, les courbes de réduction de module des argiles présentent une forte variabilité. Le principal facteur ayant une influence sur la courbe de réduction de module des argiles est l’indice de plasticité, 𝐼 (Dobry et Vucetic, 1987; Kramer, 1996; Sun et al., 1988). Plus la valeur de Ip est élevée, plus la valeur de la déformation en cisaillement atteinte avant la

réduction de module est élevée. Cette conclusion peut être visualisée à la Figure 1.15 qui montre la relation entre Ip et le coefficient d’amortissement en fonction de l’amplitude des

déformations. Il apparait clairement qu’une réduction de Ip entraine une augmentation du

coefficient d’amortissement pour une valeur de déformation en cisaillement donnée, ce qui traduit le fait que l’hystérésis du sol est plus déformée pour un sol avec un Ip plus faible.

En conséquence, il est important de modéliser la non-linéarité du module de cisaillement lors des analyses dynamiques d’IDSS.

Figure 1.15 Ratio d'amortissement en fonction de l'indice de plasticité et des déformations en cisaillement pour des argiles (OCR 1-8)

Tirée de Vucetic et Dobry (1991)