Couplage hydromécanique

Pour décrire complètement le comportement des sols non saturés, différentes variables et relations entre celles-ci doivent être identifiées. Du côté hydraulique, on a la courbe de rétention d’eau qui relie la teneur en eau w à la succion s dans le sol. Cette courbe peut changer avec des variations de volume qu’on mesure plutôt à l’aide de l’indice des vides e. Du coté mécanique, les variations du degré de saturation peuvent engendrer de grands changements dans la réponse mécanique, dont la compressibilité et les comportements avant et après la rupture. D’après Jotisankasa et al. (2009), la majorité des études théoriques sur le comportement de sols non saturés ont évolué à partir du cadre élastoplastique proposé par

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Alonso et al. (1987), et développé d’avantage par les travaux d’Alonso et al. (1990), Wheeler et Sivakumar (1995), Maatouk et al. (1995) et Cui et Delage (1996). L’idée centrale de ce modèle constitutif consiste en la définition d’une surface de charge appelée "loading collapse" (LC), qu’on peut obtenir à partir d’une série d’essais de compression obtenues à succion constante, et représentées dans un espace du volume spécifique en fonction de la contrainte moyenne nette et de la succion. Dans ce contexte, on suppose que la compression plastique associée à l’effondrement par remouillage et celle liée à l’application d’une contrainte externe sont des processus similaires. Ainsi, ces processus peuvent être décrits avec une unique surface de charge (LC). Cette hypothèse a été largement confirmée par la suite. On peut citer les résultats récents de tests oedométriques avec suivi de la succion sur une argile limoneuse compactée, réalisés par Jotisankasa et al. (2007).

D’autre part, la relation entre la succion et la teneur en eau (appelée courbe de rétention

d’eau) a d’abord été ignorée en mécanique des sols non saturés, que ce soit au niveau des

recherches expérimentales ou de la modélisation constitutive. En effet, seul l’effet de la succion dans la réponse mécanique avait été pris en compte pendant une longue période (Vaunat et al. 2000). On supposait que la courbe de rétention n’était nécessaire que pour la modélisation des phénomènes d’écoulement (de l’eau et de l’air) dans le réseau poreux du sol. Il est ainsi regrettable que la courbe de rétention soit considérée comme une partie complémentaire de l’étude du comportement mécanique, car elle contient des informations précieuses sur l’influence de la distribution du réseau poreux dans le comportement du sol. D’ailleurs, la courbe de rétention d’eau est clairement dépendante de la trajectoire des contraintes appliquées, montrant une réponse hystérétique importante. Ce phénomène d’hystérésis a une grande influence dans le comportement mécanique, car il est lié à la distribution de l’eau dans les pores du sol, et ceci affecte directement la réponse mécanique du sol (Wheeler et Karube 1996).

Les premiers efforts vers des descriptions plus complètes du comportement des sols non saturés ont démarré dans les années 70 (regarder le récapitulatif réalisé par Wheeler et Karube 1996). En adoptant la contrainte moyenne nette (σ – ua) et la succion matricielle (ua – uw)

comme variables d’état, il a été proposé de décrire le comportement hydromécanique à partir des surfaces d’état pour les sols non saturés. Celles-ci décrivent l’évolution de l’indice de vides e et du degré de saturation Sr (ou la teneur en eau w) avec la contrainte moyenne nette et

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irréversibles de la réponse volumique des sols non saturés a été formulé par Alonso et al. (1990) dans le cadre de l’élastoplasticité. Ensuite, Wheeler et Sivakumar (1995) et Wheeler (1996) ont proposé un modèle élastoplastique amélioré, lequel prend en considération les variations de la teneur en eau. Dans le même temps, Barbour (1998) a proposé des relations entre la courbe de rétention et d’autres propriétés du sol (résistance au cisaillement, perméabilité et conductivité thermique).

Le développement des nouvelles techniques expérimentales a permis la validation d’autres analyses constitutives à partir des données obtenues au laboratoire. Ces avancées expérimentales ont permis une mesure plus précise des échanges d’eau pendant le chargement (e.g. Rampino et al. 1999). Des études expérimentales ont également été réalisées afin d’analyser la dépendance de la courbe de rétention d’eau sur la structure du sol, le niveau de contraintes et l’histoire de contraintes (e.g. Vanapalli et al. 1999).

Différents ensembles relativement complets de résultats expérimentaux décrivant les couplages hydromécaniques dans les sols non saturés ont été présentés, entre autres, par Wheeler (1996) à partir d’essais de chargement isotrope, par Rampino et al. (1999) à l’aide de tests de compression et cisaillement au triaxial, par Chen et al. (1999) sur la base de tests de compression isotrope et du retrait, et par Ng et Pang (2000) à partir de cycles de remouillage et de séchage à l’oedomètre. Romero (1999) a présenté des cycles de remouillage et de séchage, faits en parallèle avec de trajectoires de chargement et déchargement à l’oedomètre. Ces résultats ont montré un comportement couplé de la réponse volumique avec les variations de la teneur en eau dans des argiles non saturés.

Babour (1998), Romero (1999) et Vanapalli et al. (1999) ont souligné deux mécanismes contrôlant le stockage de l’eau dans un sol. Le premier mécanisme est principalement associé à l’écoulement d’eau libre à l’intérieur des macropores. Le deuxième est lié à l’adsorption de l’eau au niveau intra-agrégat, quand il existe. Tandis que le deuxième mécanisme est considéré comme indépendant de la structure au niveau macroscopique, le premier est couplé avec la réponse du sol lors de sollicitations mécaniques. Les résultats expérimentaux, obtenus par Wheeler (1996), Rampino et al. (1999) et Romero (1999), montrent que les changements volumiques irréversibles de la teneur en eau sont une conséquence de la déformation volumique du squelette du sol. En parallèle, l’histoire des cycles de remouillage et de séchage du sol peut affecter l’évolution des déformations irréversibles (Chen et al. 1999).

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