Description des essais de caractérisation du comportement mécanique

Essais œdométriques

L’objectif de l’essai œdométrique est d’observer le comportement du sol testé lorsqu’il est soumis à un confinement latéral et à une charge verticale appliquée par incréments en conditions drainées. Il permet de déterminer la contrainte de préconsolidation du sol (σ’p) et les indices de compression et de recompression du

sol (cr et cc). Le montage de l’essai comprend une cellule de confinement dans laquelle est inséré un

échantillon de sol de forme cylindrique. Des papiers filtres et des pierres poreuses sont disposés sur chacune des faces exposées de l’échantillon. La cellule est submergée d’eau et est placée sous une presse œdométrique sur laquelle l’ajout de masses permet l’application d’une charge verticale sur la face supérieure de l’échantillon. Un comparateur permet de suivre la consolidation de l’échantillon tout au long de l’essai. L’essai consiste à réaliser un palier de consolidation à chaque 24h jusqu’à la contrainte finale désirée. À chaque fois qu’un palier se termine, une lecture du comparateur ainsi qu’une lecture du temps écoulé depuis le début de l’essai sont prises. Les charges utilisées pour chaque palier de consolidation sont normalisées. En générale, l’utilisateur procède au chargement de l’échantillon en réalisant les paliers en ordre croissant jusqu’à la contrainte désirée, puis effectue un déchargement en réalisant les paliers en ordre décroissant jusqu’à ce que l’échantillon soit complètement déchargé. Il s’agit d’un essai à charge contrôlée. Les calculs effectués dans le cadre du traitement des données sont présentés à l’Annexe 2.

Trois essais de consolidation œdométrique ont été réalisés dans le cadre de ce projet entre le 11 et le 25 novembre 2016 par l’auteur de ce mémoire, soit les essais OED01, OED02 et OED03. Les sols testés proviennent d’un échantillon de grand diamètre prélevé à une profondeur différente, soit de 10,50 m, 11,10 m et 11,70 m respectivement. Dans tous les cas, les échantillons ont été taillés en forme d’un cylindre de 19,05 mm de hauteur et de 50,85 mm de diamètre. Au total, 12 paliers de chargement suivis des 6 paliers de déchargement ont été réalisés pour chacun des essais.

Essais de compression triaxiale

Le but de l’essai de compression triaxiale est de déterminer la résistance au cisaillement du sol testé tout en observant son comportement contrainte-déformation ainsi que le cheminement de contrainte qu’il suit lors de l’essai. Le montage de l’essai de compression triaxiale comprend une cellule remplie d’eau et d’huile de

50

silicone dans laquelle un échantillon cylindrique de sol cohérent intact est installé. Un montage d’eau désaérée et pressurisée permet à l’utilisateur de contrôler la pression appliquée dans la cellule. Cette pression est appelée pression cellulaire et correspond à la contrainte de confinement. L’échantillon est isolé sur toute sa circonférence par une membrane élastique. Il est en contact avec une pierre poreuse et un papier filtre à chacune de ses extrémités. Il est relié par sa base au montage d’eau désaérée et pressurisée. Ceci permet à l’utilisateur de contrôler aussi la pression appliquée à la base de l’échantillon, ce qui correspond à la contre- pression ou la pression interstitielle. Une valve installée sur cette connexion permet d’activer ou non le drainage de l’échantillon, ce qui permet de réaliser un essai en conditions drainées ou non-drainées. Avant d’être cisaillé, l’échantillon de sol testé peut d’abord être consolidé ou non, et ce de façon isotropique ou anisotropique. Sur la tête de l’échantillon est disposé un support sur lequel l’utilisateur peut ajouter des masses. Ceci permet à celui-ci de contrôler la contrainte principale appliquée sur l’échantillon lors de la consolidation, ce qui est nécessaire pour consolider l’échantillon de façon anisotropique. Sur le balancier est installé un potentiomètre de position qui permet de suivre les déplacements verticaux de l’échantillon lors de l’essai. Une burette contenant du kérosène et de l’eau permet quant à elle de suivre les changements de volumes de l’échantillon. Lors de l’essai de compression triaxiale, le cisaillement est engendré par compression. À cet effet, la cellule est montée sur une presse électrique qui est actionnée lors du cisaillement afin de compresser l’échantillon à un taux de déformation constant jusqu’à l’atteinte d’une déformation définie. Il s’agit donc d’un essai à déformation contrôlée.

L’essai de compression triaxiale offre certains avantages par rapport aux autres essais de cisaillement couramment utilisés en géotechnique. L’utilisateur peut contrôler indépendamment la contrainte principale et la contrainte de confinement. Il peut aussi contrôler les conditions de drainage. D’autre part, l’emplacement du plan de cisaillement n’est pas prédéfini, ce qui est plus représentatif de la réalité du terrain. Par contre, l’essai de compression triaxiale comporte aussi certains inconvénients. Le principal d’entre eux est que la déformation à laquelle l’échantillon peut être conduit au terme de l’essai est limitée à de faibles valeurs, soit aux alentours de 15% (Olson, 1989; Bayin et al., 2013). De plus, l’aire de la section transversale n’est pas constante tout au long de l’essai (Bayin et al., 2013), ce qui complexifie le traitement des données.

Les essais de compression triaxiale ont été réalisés entre le 18 janvier et le 6 juillet 2016 par l’auteur de ce mémoire. Six essais ont été réalisés, soit les essais CIU01, CIU02, CIU03, CIU04, CIU05 et CIU06. Dans tous les cas, la consolidation a été effectuée par paliers. Tous les échantillons ont été taillés en forme d’un cylindre aux dimensions avoisinant 70 mm de hauteur et 38 mm de diamètre. Ils proviennent du même échantillon de grand diamètre prélevé à une profondeur de 10,50 m excepté pour l’essai CIU06, qui lui a été réalisé à partir d’un autre échantillon de grand diamètre prélevé à une profondeur de 10,64 m. Tous ont impliqué une consolidation isotropique et un cisaillement en conditions non-drainées (CIU). Lors de ces essais, les

51

échantillons ont été consolidés à des contraintes effectives verticales respectives de 300 kPa, 200 kPa, 400 kPa, 60 kPa, 91 kPa et 30 kPa. Les essais CIU01, CIU02 et CIU03 ont été réalisés dans le domaine normalement consolidé tandis que les essais CIU04, CIU05 et CIU06 ont été réalisés dans le domaine surconsolidé. Le cisaillement a été effectué à drainage fermé à un taux de déformation constant de 0,5% à l’heure, soit 0,0061 mm/min, jusqu’à l’atteinte d’une déformation avoisinant les 14%.

Essais de cisaillement simple

L’essai de cisaillement simple est différent des autres essais de cisaillement de par le fait qu’il n’implique pas la formation d’une surface de rupture définie, mais plutôt une déformation angulaire de l’échantillon en entier. Son but est de déterminer la résistance au cisaillement d’un sol et d’évaluer son comportement en contrainte/déformation dans ces conditions de cisaillement particulières. Dans l’appareil de cisaillement simple, l’échantillon est scellé dans une membrane de caoutchouc flexible qui est à son tour ceinturée par une série d’anneaux minces empilés les uns sur les autres. Ces anneaux appliquent un confinement latéral lors de la consolidation tout en permettant la déformation de l’échantillon lors du cisaillement. Le montage est disposé sous une presse sur laquelle l’ajout de masses permet l’application d’une charge verticale. Comme l’échantillon est confiné latéralement, seule cette charge verticale peut être employée pour consolider l’échantillon. Une cellule de charge est installée entre le balancier et la tête de l’échantillon afin de mesurer la force appliquée par les masses. Un potentiomètre de position verticale est installé sur le balancier afin de suivre les déplacements verticaux de l’échantillon lors de l’essai. L’échantillon est déposé sur un papier filtre et une pierre poreuse et relié à sa base à une burette contenant une colonne d’eau. Une valve installée sur cette connexion permet d’activer ou non le drainage de l’échantillon. Toutefois, la fermeture de cette valve ne permet pas l’obtention de conditions non-drainées. Pour obtenir des conditions d’essai équivalentes aux conditions non-drainées, l’essai est réalisé à volume constant. Ce procédé est décrit et validé par Dyvik et al. (1987) pour l’essai de cisaillement simple. Pour ce faire, l’utilisateur doit maintenir manuellement la hauteur de l’échantillon constante lors du cisaillement. Ceci s’effectue à l’aide d’une roulette qui permet de faire varier la contrainte verticale appliquée sur l’échantillon. Le cisaillement de l’échantillon est engendré par un piston qui, activé par un moteur électrique, pousse sur la tête de l’échantillon. Une cellule de charge est installée entre le moteur et la tige afin de mesurer la force appliquée par ceux-ci. Un potentiomètre de position horizontale est installé sur la tige afin de suivre les déplacements horizontaux de la tête de l’échantillon lors de l’essai. L’échantillon est cisaillé à un taux de déformation constant jusqu’à une déformation horizontale définie. Il s’agit donc d’un essai à déformation contrôlée.

Les essais de cisaillement simple ont été réalisés entre le 9 juin et le 18 août 2016 par l’auteur de ce mémoire. Cinq essais ont été réalisés, soit les essais DSS01, DSS02, DSS03, DSS04, et DSS05. Dans tous les cas, la consolidation a été effectuée par paliers. Tous les échantillons ont été taillés en forme d’un cylindre aux

52

dimensions avoisinant 20 mm de hauteur et 66 mm de diamètre. Ils proviennent du même échantillon de grand diamètre prélevé à une profondeur de 10,64 m. Tous ont impliqué une consolidation isotropique et un cisaillement à volume constant afin de simuler des conditions non-drainées. Lors de ces essais, les échantillons ont été consolidés à des contraintes effectives verticales respectives de 60 kPa, 91 kPa, 300 kPa, 75 kPa et 30 kPa. Les essais DSS01, DSS02, DSS04, et DSS05 ont été réalisés dans le domaine surconsolidé tandis que l’essai DSS03 a été réalisé dans le domaine normalement consolidé. Pour les cinq essais, le cisaillement a été effectué à un taux de déformation constant avoisinant les 0,01498 mm/min. Ce taux de déformation correspond à un taux d’environ 4,74 %/h pour les essais réalisés dans le domaine surconsolidé et à un taux de 6,20 %/h pour l’essai réalisés dans le domaine normalement consolidé. Compte tenu du fait qu’il a été consolidé plus longtemps, l’échantillon de l’essai réalisé dans le domaine normalement consolidé a une hauteur plus faible que les autres. C’est ce qui explique le fait que le taux de déformation exprimé en pourcentage est plus élevé dans son cas. Dans tous les cas, le cisaillement a été effectué jusqu’à l’atteinte d’une déformation horizontale de 25%.