CHAPITRE 2. MATERIAU ET TECHNIQUES EXPERIMENTALES
3.3 Essais oedométriques avec suivi de succion
3.3.3 Discussions sur le couplage hydro-mécanique
Les résultats présentés sur les deux figures, Figure 3- 13 et Figure 3- 16, montrent que l’effet de chargement et déchargement sur la variation de la succion dans le limon de Jossigny est nettement moins important que dans l’argile de Boom. Cette observation peut être attribuée à leur différence de fraction argileuse et de l’indice de plasticité : 50-60% < 2 µm, Ip
= 40-50 pour l’argile de Boom contre 30% < 2 µm, Ip = 18 pour le limon de Jossigny. La
gamme de succion des échantillons de l’argile de Boom testés (170-600 kPa) est relativement faible en comparant à la valeur du point d’entrée d’air de 5 MPa (voir Figure 3- 8). Tous les micropores dans l’argile sont donc saturés d’eau et la succion varie avec la diminution volumique macroscopique due au chargement mécanique. Par conséquent, un changement de contrainte verticale engendre un changement important de la succion de l’échantillon du sol. En revanche, les échantillons du limon de Jossigny testés ont été compactés à γd = 14,5 kN/m3, encore loin de poids volumique sec de l’optimum Proctor (γopt=16,7 kN/m3), donc
avec une structure plus poreuse. Aux succions de 700 kPa (J1), 328 kPa (J2) ou 290 kPa (J3), l’eau n’emplit pas tous les micropores et le changement de succion est principalement gouverné par la déformabilité des micropores. Cela explique pourquoi un changement de la charge verticale qui influe premièrement les macropores n’a pas un effet significatif sur les micropores et donc la succion (Li et al., 1995 ; Gens et al., 1995).
Les études sur la relation succion-charge trouvée dans la littérature donnent des résultats divergents (Tableau 3- 5). Tang et al. (2002) ont trouvé une pente moyenne
dp ds
= - 0,83 dans des essais triaxiaux munis d’un psychromètre. Rahardjo et Fredlund (2003) ont trouvé par des essais dans un cylindre K0 des pentes
v
d ds
σ
variant entre -0,1 et -0,44, dépendantes des succions initiales du sol. Dans les essais triaxiaux de Ridley et Burland (1993), la pentedp ds
peut atteindre -1, proche de la valeur théorique sugérée par Skempton et al. (1963) et Doran et al. (2000).
Tableau 3- 5. Récapitulatif des pentes ds/dp (ds/dσv) obtenues sur différents sols Travail Fraction argileuse Ip ds/dp or ds/dσσσσv
Tang et al. (2002) 50% 200 -0,83 (ds/dp)
Ridley et Burland (1993) - - -1 (ds/dp)
Ce travail (l’argile de Boom) 50% - 60% 40-50 -0,38-0,8 (ds/dσv)
Ce travail (limon de Jossigny) 34% 18 -0,11-0,13 (ds/dσv)
Rahardjo et Fredlund (2003) 10% 6 -0,1-0,44 (ds/dσv)
Quelques observations intéressantes peuvent être faites en étudiant le Tableau 3- 5. Les pentes
dp ds
sont obtenues des essais triaxiaux isotropes, les pentes v
d ds
σ
des essais à l’oedomètre ou au cylindre K0. Comme la valeur de K0 est en général inférieure à 1, les pentesdp ds
calculées des essais à l’oedomètre ou à l’essai K0 sont plus importantes que les pentes
v
d ds
σ
mesurées. Comme on ne connaît pas exactement les valeurs de K0 de chaque sol, lesvaleurs v
d ds
σ
sont présentées au lieu d’être transformées en dp ds. On observe d’abord que les
pentes ( v d ds
σ
et dp ds) semblent être proportionnelles à la fraction argileuse et l’indice de plasticité des sols. De plus, les succions initiales influent significativement sur ces pentes. En comparant les essais sur le limon Jossigny et sur le limon sableux (Rahardjo et Fredlund, 2003), on voit que le limon Jossigny possède une fraction argileuse plus importante ; pourtant ses pentes
v
d ds
σ
sont plus faibles. Ceci est attribué à la différence entre les valeurs de succion initiales des essais, si = 328 à 700 kPa (limon de Jossigny), si = 13 à 94 kPa (limon sableuxutilisé par Rahardjo et Fredlund, 2003). En effet, les succions importantes du limon de Jossigny sont gouvernées par les micropores qui ne dépendent pas significativement au chargement ; donc les pentes
v
d ds
Pendant le chargement du limon de Jossigny, l’indice des vides diminue tandis que la teneur en eau est constante, ce qui augmente le degré de saturation et donc diminue la succion. Pendant le déchargement, le relâchement de la contrainte amplifie le gonflement du sol et par conséquent engendre une pression négative. Comme dans tous les essais oedométriques conventionnels, la courbe de gonflement e-logσv est linéaire et similaire à la
partie obtenue pendant le chargement jusqu’à la pression de préconsolidation (300 kPa). La relation s-σv réversible, malgré une relation e-logσv irréversible, confirme l’hypothèse que le
changement de succion dans le limon de Jossigny est gouverné au niveau microscopique comme évoqué précédemment.
Concernant l’argile de Boom, la diminution de la succion pendant le chargement est gouvernée par le même mécanisme que celui du limon de Jossigny. Une fois la succion nulle atteinte, une augmentation de charge verticale engendre une pression interstitielle positive qui se dissipe dans le temps. Pendant le déchargement, deux mécanismes gouvernent la réponse volumique du sol. Le premier est l’effet mécanique qui peut se manifester dans tous types de sol, plastiques ou peu plastiques comme le limon de Jossigny : durant le déchargement, le squelette de sol rebondit élastiquement et la pression interstitielle négative augmente. Le deuxième mécanisme est relié aux effets physicochimiques. Le réarrangement des couches argileuses pendant le chargement favorise les effets physicochimiques qui augmentent la répulsion entre les feuilles d’argile. Cette répulsion physicochimique, d’après Olson et Mesri (1970) et Cui et al. (2002), est proportionnelle au rapport d/e (diamètre/ épaisseur de feuille argileuse) qui est important dans le cas de l’argile de Boom qui contient plus de 30 % de smectite. De plus, les observations au microscope électronique à balayage (MEB) réalisées par Dehandschutter et al. (2005, 2004) montrent une structure très nette des stratigraphies pour l’argile de Boom qui facilite les effets physicochimiques (voir Cui, 2002). Coll (2005) a montré également le rôle important de l’effet physicochimique sur le gonflement pendant la saturation des échantillons de l’argile de Boom. Les deux mécanismes, mécanique et physicochimique, sont impliqués dans le gonflement de l’argile de Boom pendant le déchargement. Pendant les premiers paliers de chargement, le gonflement est encore limité car la charge extérieure reste importante. Pourtant, l’effet physicochimique se manifeste plus clairement quand la charge diminue, ce qui traduit par une accélération du gonflement ou de l’augmentation de la succion. Pour les échantillons non inondés d’eau, la succion générée engendre premièrement l’absorption de l’eau précédemment expulsée pendant le chargement et stockée dans la pierre poreuse. Quand cette eau est épuisée, l’augmentation ultérieure de la
succion a pour effet d’empêcher le gonflement. C’est ainsi que l’indice des vides de ces échantillons devient constant quand la succion atteint une certaine valeur.
La Figure 3- 15 montre que dans les deux essais sur le limon de Jossigny avec (J2) ou sans (J3) inondation, les courbes de gonflement e-logσv pendant le déchargement sont
pratiquement parallèles, ce qui montre que le changement de l’indice des vides sous le relâchement de charge est indépendant de la variation de succion, confirmant l’absence du couplage pression-succion dans ce sol. En revanche, le déchargement de l’argile de Boom montre une importante différence entre les deux courbes de gonflement e-logσv, de
l’échantillon inondé ou non. Le gonflement de l’échantillon inondé n’est pas limité par la succion, à la différence de celui de l’échantillon non inondé. Le déchargement à 25 kPa (B6) montre aussi un gonflement important de l’argile de Boom, indiquant un net couplage pression-déformation-succion.
Pour les essais sur l’argile de Boom, les pentes des courbes s-σv pendant le
déchargement sont en général plus importantes que celles obtenues pendant le chargement. La différence entre ces deux pentes (pendant déchargement et chargement) est d’autant plus importante que la succion initiale est faible. Pour l’essai B1 (si = 600 kPa), les deux pentes
sont presque similaires. Les pentes plus fortes pendant le déchargement expliquent pourquoi les succions des échantillons de l’argile de Boom à la fin d’essai sont en général plus importantes que celles au début d’essai. Cette observation illustre l’accroissement des effets physicochimiques dûs au chargement. En fait, la phase d’humidification qui précède chaque essai engendre un gonflement de l’argile et donc change la microstructure initiale. Le chargement qui suit réarrange la microstructure et rapproche les feuillets d’argile, favorisant ainsi les effets physicochimiques. Ceci explique des pentes s-σv plus importantes pendant le
déchargement. La différence entre la succion finale et initiale est d’autant plus importante que la succion initiale est faible quand le gonflement de l’échantillon pendant l’humidification du sol est important.
Les effets physicochimiques et reliés au changement de microstructure sur les courbes s-σv ne sont pas observés dans les essais sur le limon de Jossigny : les courbes s-σv sont
réversibles pendant le chargement et le déchargement (voir Figure 3- 16). Il est intéressant de noter que le changement volumique irréversible observé sur les courbes e-logσv du limon
Jossigny est plus important que celui de l’argile de Boom. Par exemple, à la fin de l’essai B3 (si = 280 kPa), la déformation irréversible vaut ∆e = 0,2, à comparer avec ∆e = 0,37 pour
dépend pas seulement du changement volumique mais aussi de la microstructure et de la plasticité du sol, connus comme facteurs principaux gouvernant le gonflement du sol.