Robinet et al., (1997) ont réalisé à l’œdomètre des essais cycliques de sorption-désorption sous contrainte verticale constante de 5,5 MPa, sur un échantillon d’argile de Boom obtenu à partir d’une boue consolidée. Les résultats obtenus sont représentés sur la figure I.21. Ils montrent une réponse analogue à celle observée dans les mêmes conditions sur le limon de Jossigny (sol non gonflant) (Vicol, 1990). L’évolution de l’indice des vides en fonction de la succion fait apparaître trois zones : une première zone de faible variation de l’indice des vides, associée aux faibles valeurs de succions (s ≤ 2 MPa), ce qui correspond à un comportement de type surconsolidé ; une seconde zone dont le comportement est de type normalement consolidé, correspondant aux succions variant entre 2 et 20 MPa, pour laquelle la variation de l’indice des vides est plus significative ; une troisième zone, qui correspond aux valeurs de succions supérieures à 20 MPa, pour laquelle la variation de l’indice des vides est faible et réversible. Dans cette dernière zone, les déformations sont élastiques. Ces résultats montrent également qu’un cycle de dessiccation-humidification entraîne un retrait irréversible. Comme dans le cas des sols non gonflants (Josa et al., 1987 ; Vicol, 1990), la pente de la partie en humidification (DE) est quasiment égale à celle de la partie surconsolidée en séchage (AB). Biarez et al. (1988), Fleureau et al., (1993), Robinet & Rhattas, (1993) et Fleureau et al., (2002) ont obtenu le même type de comportement, les premiers à partir d’une kaolinite artificielle pure, les deuxièmes à partir d’une montmorillonite calcique remaniée, les troisièmes à partir d’une argile de Boom et les derniers à partir d’un interstratifié smectite-kaolinite provenant du Sud-Ouest de la France (argile FoCa) (fig. I.22).
A
B
C D
E
Figure I.21 - Variation de l’indice des vides en fonction de la succion pour un échantillon d’argile de Boom sous contrainte verticale constante de 5,5 MPa (Robinet et al., 1997)
1E+6 1E+5 1E+4 1E+3 1E+2 1E+1 1 0 4 3 2 1 0 Succion (kPa) Indice des vides inage S Humidification z Dra
Figure I.22 - Comportement d’une pâte d’argile plastique FoCa lors d’un cycle de drainage-humidification (Fleureau et al., 2002)
Pour examiner le rôle de la préconsolidation mécanique sur les irréversibilités sous cycle hydrique, Pakzad (1995) a réalisé des essais de séchage-humidification sur des argiles gonflante (smectite) et non-gonflante (kaolinite). Les échantillons utilisés sont initialement
saturés et fortement consolidés sous trois contraintes verticales différentes (respectivement 0,5 ; 2 et 5 MPa). Ils sont ensuite soumis à un cycle séchage-humidification à l’œdomètre entre 0 et 300 MPa de succion sous contraintes verticales constantes égales aux contraintes de consolidation. Les résultats, présentés sur la figure I.23, font apparaître une déformation irréversible qui diminue quand la contrainte de consolidation augmente. Villar, (1995) a obtenu le même résultat en travaillant sur l’argile de Boom et une gamme de succion de 0 à 100 MPa.
1000 100 10 1 0.1 0.01 1000 100 10 1 0.1 0.01 Succion (MPa) Succion (MPa) (Kaolinite) (Smectite) 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 In di ce des vid e s Indice de s v ides σv0 = 0.5 MPa σv0 = 2.0 MPa σv0 = 5.0 MPa σv0 = 0.5 MPa σv0 = 2.0 MPa σv0 = 5.0 MPa
Figure I.23 - Variation de l’indice des vides avec la succion lors d’un cycle séchage-humidification d’échantillons compactés sous différentes pressions de consolidation (Pakzad, 1995)
En extrapolant cette observation, on peut envisager l’existence d’un seuil de consolidation à partir duquel les déformations irréversibles disparaissent totalement. C’est ce qui est confirmé par les résultats obtenus par Delage et al. (1998) et Yahia-Aïssa (1999) sur des échantillons de l’argile FoCa fortement compactés (contrainte isotrope de compactage = 60 MPa, γd0 = 19,2 kN/m3), soumis à un cycle humidification-séchage sous une contrainte extérieure nulle. La figure I.24 montre que le comportement volumique est réversible le long de la gamme de succion étudiée (0,39-262 MPa). Donc, l’apparition de déformations irréversibles au cours de cycles de succion est associée au type de structure du matériau testé qui est contrôlée par les paramètres du compactage. En effet, si le matériau est fortement compacté, la macroporosité n’existe pas et le comportement du matériau tend vers celui des plaquettes argileuses dont le comportement est supposé élastique (Bolt, 1956). 1000 100 10 1 0.1 0 4 3 2 1 Succion (MPa) Indice des vides
Phase vapeur (Delage et al., 1998) Phase liquide (Delage et al., 1998) Phase liquide (Yahia-Aissa, 1998)
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Figure I.24 - Évolution de l’indice des vides de l’argile gonflante FoCa fortement compactée au cours d’un cycle d’humidification-séchage sous contrainte nulle (Yahia-Aïssa, 1999)
Alonso et al., (1995) ont réalisé des cycles d’humidification-dessiccation sous différentes charges verticales constantes sur une argile de Boom de poids volumique sec initial de 14 kN/m3. Les résultats obtenus sont présentés sur la figure I.25. Comme précédemment, les cycles humidification-dessiccation font apparaître des déformations irréversibles, qui dépendent fortement de la contrainte appliquée. De plus, les déformations macroscopiques engendrées correspondent soit à un gonflement suivi d’un effondrement(2), soit à un effondrement instantané. La valeur de succion correspondant à l’effondrement semble être d’autant plus grande que la contrainte appliquée est grande. Le couplage hydromécanique est donc clairement mis en évidence. Au niveau microscopique, le phénomène d’effondrement peut être expliqué par une destruction des ponts capillaires matérialisés par les ménisques entraînant une réorganisation de la structure dans le sens d’une densification.
Figure I.25 - Variations de volume d’une argile gonflante lors de cycles d’humidification-dessiccation réalisés sous différentes charges verticales constantes (Alonso et al., 1995)
2
Les sols effondrables ont une structure ouverte métastable (Barden et al., 1973). Ce sont des sols qui se caractérisent par l’existence de liens entre leurs différents constituants. Ces liens peuvent être de nature chimique, cimentations par différents minéraux, ou bien minéralogiques, par la présence d’argiles. Lorsque ces sols sont humidifiés, les liens entre les constituants sont détruits, soit par dissolution, soit par hydratation des argiles, entraînant ainsi une forte réduction de leur indice des vides, ce qui correspond à un effondrement.
Il est nécessaire de distinguer cette notion, applicable à certains sols, de celle d’effondrement qui est commune à tous les sols. Lorsqu’un sol initialement non saturé est humidifié sous une faible charge verticale, une tendance à un léger gonflement est observée. En revanche, si la charge appliquée est suffisamment importante, une réduction de l’indice des vides se produit lors de la mise en eau ; c’est le phénomène d’effondrement.
L’apparition des déformations irréversibles lors de cycles d’humidification-dessiccation n’est pas un phénomène spécifique aux sols argileux gonflants, contrairement à ce que Alonso et al. (1994) ont initialement suggéré. Un exemple d’apparition des déformations irréversibles lors de cycle d’humidification-dessiccation sur un sol argileux non gonflant (kaolin) a été présenté par Buisson (2003) (fig. I.26). Tandis que, ce phénomène ne se produit pas toujours, Sharma (1998) et Buisson (2003) ont trouvé que l’apparition des déformations irréversibles lors des cycles d’humidification-dessiccation sur un sol argileux non gonflant est absente si le volume spécifique initial du sol, avant l’application de cycles hydriques, est faible (sol fortement compacté ou le sol a subi un cycle de chargement avant l’application de cycles de succion).
1000 100 10 2.10 2.05 2.00 1.95 a b c e d Succion (MPa) V olu m e spé cifique
Figure I.26 - Variations de volume spécifique d’une argile non gonflante (kaolin) lors de cycles d’humidification-dessiccation réalisés sous une contrainte isotrope de 50 kPa (Buisson, 2003)
Yahia-Aïssa, (1999) a étudié l’influence d’un cycle d’humidification-séchage sous différentes contraintes verticales constantes sur le comportement volumique d’une argile gonflante fortement compactée. Le matériau choisi est une smectite calcique FoCa compactée statiquement sous une pression de 60 MPa avec une succion initiale de 113 MPa. Les résultats sont présentés sur la figure I.27. Ces résultats montrent que sous fortes contraintes, le comportement de cette argile est quasi réversible, donc élastique avec des pentes de gonflement-rétraction dépendant de la contrainte appliquée. Par ailleurs, trois zones spécifiques ont été mises en évidences : une première zone, correspondant aux très fortes valeurs de succion (> 82 MPa), pour laquelle la variation de volume est très faible ; une seconde zone ; pour laquelle la déformation volumique sous sollicitation hydrique est quasi linéaire ; une troisième zone, définie par la stabilité du gonflement.
Yahia-Aïssa, (1999) a également montré que le comportement du matériau gonflant fortement compacté ne dépend pas du chemin de chargement suivi par l’échantillon dans son histoire.
Figure I.27 - Variation de l’indice des vides d’une argile gonflante fortement compactée au cours de cycles d’humidification-dessiccation sous contraintes verticales constantes (Yahia-Aïssa, 1999)