Comportement sur chemins triaxiaux saturés

L'essai triaxial de révolution standard est largement utilisé en mécanique des sols pour déterminer les caractéristiques mécaniques d'un matériau, aussi bien pour des applications géotechniques que pour caler des modèles rhéologiques. Cet essai reste depuis plusieurs décennies, l’essai de laboratoire le plus élaboré. Il permet de connaître, à tout instant, l’état des contraintes appliquées à l’échantillon y compris la variation de volume ou la pression interstitielle.

Les essais triaxiaux peuvent être réalisés à différentes pressions de confinement et dans différentes conditions de drainage. De ce fait, il n’existe pas une réponse mécanique à un essai triaxial mais une multitude de réponses selon que l’argile est sous consolidée, normalement consolidée ou surconsolidée, selon que l’échantillon est consolidé ou non après l’application du confinement et selon que l’essai est drainé ou non au cours du cisaillement. On distingue habituellement les essais suivants :

– UU : échantillon non consolidé et essai non drainé, – CU : échantillon consolidé et essai non drainé, – CD : échantillon consolidé et essai drainé.

La Figure II.38 montre le changement de comportement qui est observé dans le plan de Mohr lorsque l’on passe du domaine surconsolidé au domaine normalement consolidé (Magnan, 1998) :

• Si les cercles de Mohr utilisés pour tracer la courbe intrinsèque correspondent à des éprouvettes chargées dans le domaine surconsolidé, on obtient une droite de Mohr-Coulomb de paramètres C’OC > 0 et φ’OC ;

• Si les éprouvettes sont chargées dans le domaine normalement consolidé, on obtient une droite de Mohr-Coulomb passant par l’origine et de paramètres C’NC =0 et φ’NC.

Figure II.38 – Critère de rupture dans les domaines normalement consolidé et surconsolidé.

Pour illustrer le comportement expérimental des matériaux compactés, on présentera, des essais triaxiaux qui ont été réalisés sur le sable d’Hostun sous conditions drainées par Bouvard et Stutz (1986). Les essais sont réalisés à différents niveaux de déviateur, à différentes pressions de confinement et à différents états de densité initiale. Les résultats de ces essais, typiques pour les matériaux granulaires sont montrés sur la figure II.39.

Figure II.39 – Essais triaxiaux sur le sable d’Hostun (Bouvard et Stutz, 1986). Les courbes du déviateur des contraintes en fonction de la déformation axiale q(ε1) finissent par un palier représentant la plasticité parfaite (Schofield et Wroth, 1968). A partir des plans, on remarque que pour une contrainte de confinement donnée, le même déviateur q et le même indice final des vides sont atteints, en partant d’états initiaux différents en densité. Par contre le pic remarqué sur le plan est lié à la densité initiale et à la contrainte de confinement. (q, ε1), (e, ε1)

Dans le plan (p, q), les paliers de la plasticité parfaite se trouvent sur une droite passant par l’origine et de pente M correspondant à l’angle de frottement de plasticité parfaite dans le plan de Mohr, il est donc possible d’écrire que :

φ_PP= ^3M

6+M (II.8)

Par ailleurs, on remarque une augmentation du déviateur de rupture avec la contrainte de confinement. Les courbes de la variation volumique e(ε1) e t εv(ε1) commencent par une contractance volumique jusqu’à une déformation de ε 1=10-2

environ. Cette phase de contractance sera suivie par une dilatation qui passe par une pente maximale dεv/dε1 correspondant au pic de la courbe q(ε1).

La pente dεv/dε1 décroît ensuite jusqu’à 0 où l’indice des vides critique (ou de l’état de plasticité parfaite) est atteint. Dans cette phase le matériau se déforme sans variation de volume. En pratique, il est très rare d’atteindre cet indice des vides critique car, il se produit des localisations de grandes déformations ou du frettage, qui interdisent les déformations homogènes de plus de 30%. De ce fait l’essai ne peut plus être utilisé pour la loi de comportement mais cette hypothèse est utile pour une loi de comportement générale.

Masekanya (2008) a réalisé des essais triaxiaux de type consolidé-non drainé CU sur d’un limon compacté statiquement à l’OPN. Ces essais ont été réalisés à des pre ssio ns de co nfineme nt σ3 = 50 kPa, 100 kPa e t 200 kPa (figure II.40). Il a constaté que:

• Les courbes de contraintes déformations dans le plan (ε1, q) (figure a) ne présentent pas de pic de résistance ou des paliers francs. Le critère de rupture est généralement le déviateur maximum, qui pour ce matériau est généralement assimilé au déviateur après 20% de déformation axiale. Ceci permet de présenter l’enveloppe des résistances maximales dans le plan (p’, q) (figure b) caractérisé par une cohésion c et un angle de frottement interne ϕ

• Après cisaillement, les échantillons se déforment en tonneau et on n'observe pas de plan de glissement (figure II.41).

Figure II.40 – Essais triaxiaux CU réalisés sur le limon d'Awans (a) Evolution du déviateur des contraintes en fonction de la déformation axiale. (b) Evolution de la

pression interstitielle en fonction de la déformation axiale. (c) Evolution du déviateur de contrainte en fonction de la pression moyenne p (Masekanya, 2008).

Figure II.41 – Forme de la rupture en tonneau des échantillons de limon d'Awans (Masekanya, 2008).

Gueddouda et al., (2011), ont réalisé des essais triaxiaux saturés CD et CU avec mesure de la pression interstitielle sur des échantillons (85% sable de dune et 15 % bentonite) peu plastique (wL = 34, Ip = 12) compactés à l’OPN fortement surconsolidé (OCR> 2). Les résultats des essais sont présentés dans la figure II.42. D’après ces essais ils ont constaté que :

• Dans le plan [ε1, q], l’allure des courbes est semblable dans les deux cas CU et CD. Il s’agit d’une augmentation importante de la contrainte déviatrice pour une très faible valeur de la déformation axiale sans faire apparaître des paliers francs, exception faite pour l’essai drainé et même non drainé à

σ3’ = 600 kPa. Dans le cas des essais CD, les contraintes déviatorique maximales sont supérieures à celles des essais CU ;

• Les plans [ε1, e ou u] montrent respectivement pour ε1≅ 0,5 % une légère contractance pour les essais drainés et une légère augmentation de la pression interstitielle pour les essais non drainés. Ces évolutions atteignent un extremum et leurs tendances s’inversent, autrement dit, on observe une dilatance des échantillons drainés avec une tendance vers des paliers dans la plupart des cas ;

• Dans le plan [p’- q], les chemins suivis par les essais non drainés sont typiques de ce type de matériau. En effet, après une montée quasi verticale, les chemins s’incurvent vers la droite pour rejoindre la droite enveloppe des résistances maximales des essais drainés caractérisés par une pente Mmax =1 ;

• Dans les plans [p’, e] et [log p’, e], il a remarqué que l’indice des vides critique se trouve sur les mêmes courbes en conditions drainée et non-drainée.

Figure II.42 – Présentation du comportement drainé et non drainé d’un mélange sable-bentonite compacté à l’OPN (Gueddouda et al., 2011).