Comportement sur chemins triaxiaux non saturés

Le compactage entraîne l’apparition d’une pression capillaire dans le sol, qui dépend de la teneur en eau et de la densité de compactage, ainsi que des contraintes auxquelles le matériau est soumis par la suite. Cette pression

capillaire joue un rôle très important dans le comportement mécanique du sol (Wheeler et Sivakumar, 2000).

Motam (1981) ; Hernandez (1983) ; Gomes Correia (1985), signalent que l’influence de la succion sur les déformations permanentes est très importante dans une plage très proche de la saturation, alors qu’elle devient négligeable à de faibles degrés de saturation.

Les deux paramètres l’angle de frottement ϕ et la cohésion C décrivant la courbe de résistance au cisaillement, pour le sol non saturé, sont liés à la succion. Différentes études ont été réalisées pour établir ce rapport.

• En moyennes et grandes déformations (ε > 10-2), les sols non satures présentent deux principaux caractères :

 Une augmentation de la rigidité du sol qui se traduit par une

augmentation du domaine élastique, comme dans les essais oedométriques de Leclercq et Verbrugge (1985) présentes sur la figure II.43 : on observe un décalage des courbes par rapport au chemin Normalement Consolide à pression nulle, qui augmente avec la pression capillaire imposée uc. Dans le domaine des faibles contraintes, l’augmentation de la contrainte de consolidation avec la pression capillaire est quasi-linéaire.

 L’apparition d’une cohésion apparente d’origine capillaire, qui augmente également avec la pression capillaire, dans le critère de rupture (Figure II.44) ; en revanche, l’angle de frottement reste constant. On note également que l’augmentation de la résistance au cisaillement, a contrainte normale constante, n’est pas linéaire en fonction de la pression capillaire, mais tend à se stabiliser lorsque la pression capillaire devient plus élevée. Ce comportement est confirmé par de nombreux résultats expérimentaux, aussi bien en conditions drainées (c’est-à-dire a pression capillaire imposée) (Fredlund et al., 1978 ; Escario et al., 1986 ; Delage et al., 1987 ; Cui, 1993 ; Wheeler et Sivakumar ,1992 ; Fleureau et al., 1998 ; Rampino et al., 2000 ; Gueddouda, 2010), que non draine (Verbrugge, 1978).

Figure II.43 – Essais oedométriques a pression capillaire imposée sur le limon de Sterrebeek remanie (Leclercq et Verbrugge, 1985).

Figure II.44 – Points finaux des essais triaxiaux en fonction de la contrainte moyenne à la rupture et de la pression capillaire (Cui, 1993).

Taïbi et al. (2009b), ont réalisé des essais de compression simple sur deux craie (figure II.45). Ils ont observés que la résistance maximale présente une décroissance hyperbolique en fonction de la teneur en eau. Tandis que, le module sécant E50 décroit quant la teneur en eau croit. Les éprouvettes ont présentés une rupture fragile pour des teneurs en eau plus faibles correspond à des succions de 100 MPa.

Figure II.45 – Variation de (a) la contrainte déviatorique maximale et (b) le module sécant d’une craie avec la teneur en eau (Taïbi et al, 2009b).

Le module de Young varie en fonction de la succion. Les essais de Rampino et al. (2000) réalisé sur un sable silteux compacté, montre que le module de déformation verticale (EV) augmente avec la succion. La figure II.46 donne la variation de EV à une déformation axiale de 0,1% en fonction de la succion. Ces résultats coïncident avec celle de Cui (1993).

Figure II.46 – Module de déformation verticale (Ev) en fonction de la succion à une déformation axiale de 0,1% (Rampino et al. 2000).

• En petites déformations (ε < 10-5), plusieurs auteurs ont étudié l’effet de la pression interstitielle négative sur le comportement en petites déformations de sols partiellement saturés (Brull, 1980; Wu et al., 1985; Quin et al., 1991; Kheirbek-Saoud, 1994; Picornell et Nazarian, 1998; Balay et al., 1998). Dans la majorité des cas, l’analyse des résultats est faite en contraintes totales, en considérant séparément le rôle du tenseur contrainte et celui de la pression interstitielle négative de l’eau (succion). En outre, presque toutes les études portent sur des matériaux argileux.

Le sol a un comportement élastique non linéaire fonction notamment de la contrainte moyenne. L’étude de l’existence d’un domaine élastique pour les sols fins est étudiée expérimentalement à l’aide l’appareil triaxial de précision.

Biarez et Hicher, (1994) ont donné une représentation, du comportement en petites déformations global, dans six plans qui correspondent verticalement et horizontalement pour permettre de suivre les différents paramètres (figure II.47). Les graphiques (a, d, e, f) représentent respectivement la variation de déviateur, du module sécant, du rapport Es/Emax et du coefficient n en fonction en fonction de l’amplitude de la déformation axiale. Sur les graphiques (b et c), représentent l’évolution du module sécant en fonction de la contrainte moyenne effective. On constate l’obtention du comportement réversible pour des déformations inférieures à 10-5

En dehors du domaine élastique, on peut continuer à représenter un module sécant ou module de cycles sous la forme E = αpn, mais dans ce cas n croît avec ε1

en général, et tend vers n = 1 en plasticité parfaite. Ont concluant:

• La recherche d’un domaine vraiment élastique doit s’effectuer à de très faibles déformations (de l’ordre de 10-5) ;

• L’élasticité sera non-linéaire avec une dépendance vis-à-vis de la

Figure II.47 – Essais triaxiaux de précision sur un Argile Blanche NC (WL = 60 %, IP = 30%) (Biarez et Hicher, 1994).

6 Conclusion

Dans la pratique, une meilleure connaissance du statut de l’eau et des propriétés de rétention et de transfert de l’eau dans les sols non saturés permet de mieux comprendre le comportement d’ouvrages bâtis en sol non saturé tels que les ouvrages en sol compacté (remblais routiers, barrages en terre, barrières géologiques d’étanchéité de centres de stockage de déchets).

Dans ce chapitre, on a donné une définition de sol compacté et leur caractéristique d’état qui peuvent être modifiées par l’environnement dans lequel il se trouve. Ces caractéristiques sont bien influencées par la microstructure. Cette dernière varie en fonction du chargement mécanique au niveau des macropores, mais par contre les sollicitations hydriques modifient à la fois les macropores et les micropores.

Le chargement hydrique (séchage – humidification) a une importance particulière sur le comportement des sols compactés. Une description de l’état énergétique de l’eau, des relations qui existent entre la pression interstitielle négative et les paramètres d’état du milieu poreux (w, Sr, e) (courbe de drainage- humidification), a été présenté. Pour bien comprendre la signification de ces différentes phases du comportement, il faut associer au graphique de la courbe de rétention d’autres paramètres comme l’indice des vides et le degré de saturation, pour permet de mettre en évidence les correspondances entre les variations des principaux paramètres.

Les modifications de texture du sol compacté avec la teneur en eau de compactage se traduisent naturellement par des variations de la perméabilité à saturation. Une définition de la perméabilité dans les deux états saturé et non

saturés a été présenté. Une bonne estimation de la perméabilité à l’état saturé donne une bonne indication du mouvement de l’eau dans le cas non saturé. La perméabilité à l’état saturé est influencée par plusieurs paramètres interdépendance.

De nombreux travaux ont été consacrés à la description du comportement de sol compacté de l’état saturé à l’état non saturé. Pour le ca s saturé, ces travaux ont mis en évidence que le comportement sur chemins triaxiaux saturés des sols compactés en conditions drainées et non drainées peut être présenté sur plusieurs plans pour en déduire les facteurs principaux qui peuvent influencer le comportement mécanique de ces sols (en termes de résistance et de déformabilité). L’enveloppe de résistance en contraintes effectives pour les sols compactés surconsolidées est la même pour les essais drainés et non-drainés. Concernant le cas non saturés, la présence de la succion rigidifie le sol, augmente sa pression de surconsolidation et sa résistance. En général, le comportement du matériau est fortement modifié par les variations de la succion (la résistance mécanique, l’angle de frottement, la cohésion, …etc.). La recherche d’un domaine purement élastique pour les sols doit s’effectuer à très faibles déformations. Cette élasticité sera non-linéaire avec une dépendance vis-à-vis de la contrainte moyenne.

De très rares études ont été trouvées dans la littérature sur le comportement hydrique (perméabilité et chemins de drainage – humidification) des tufs calcaires. Pour cela, cette étude ce présente en terme d’originalité pour ces types de matériaux.

Chapitre 3

Caractérisation des matériaux