Effet de la température sur le comportement mécanique

L’effet de la température sur le comportement mécanique a été largement étudié dans la littérature (Del Olmo et al., 1996 ; De Bruyn et Thimus, 1996 ; Tanaka et al., 1997 ; Burghinoli et al., 2000 ; Cui et al., 2000 ; Graham et al., 2001 ; Sultan et al., 2002 ; Zhang et al., 2007 ; etc). Ces travaux ont concerné l’effet de la température sur principalement deux aspects de comportement qui seront consécutivement présentés. Premièrement, on présente l’effet de la température sur les caractéristiques élasto-platiques, qui sont : la limite élastique (pression dite de préconsolidation dans le cas d’essais oedométriques ou d’essais de consolidation isotrope), la surface de charge, les coefficients de gonflement et de compression, les modules élastiques. Deuxièmement, on présente l’effet de température sur les caractéristiques à la rupture ou à l’état critique, qui sont : la résistance au cisaillement, l’angle de frottement ϕ', les courbes à l’état critique (CSL) dans le plan e-p’, p’-q, et les pentes M.

1.3.3.1 Effet de la température sur le comportement élasto-plastique

La pression dite de préconsolidation, déterminée dans les essais de compression isotrope ou axiale, est considérée comme la limite élastique qui sépare le domaine pseudo- élastique du domaine plastique. Une diminution de la limite pseudo-élastique avec la température a été observée par plusieurs auteurs. La Figure 1- 25 présente les résultats de

Tidfors et Sallfors (1989) [12], Erikson (1989) [13], Moritz (1995) [14], Boudali et al. (1994) [15], regroupés par Cekerevac et Laloui (2004). Des observations identiques ont été faites dans les travaux de Sultan et al. (2002) sur l’argile de Boom (Figure 1- 26), de Cekerevac et Laloui (2004) sur une kaolinite reconstituée, d’Abuel-Naga et al. (2006a, b) sur l’argile naturelle de Bangkok.

Figure 1- 25. Effet de la température sur la limite élastique : résumé des résultas de plusieurs auteurs (Cekerevac et Laloui, 2004)

Pour chaque sol, les limites élastiques obtenues des essais de compression isotrope et celles obtenues des essais de cisaillement sont présentées dans le plan p’-q pour établir la surface de charge. Un rétrécissement de la surface de charge suite à l’augmentation de la température a été observé par plusieurs auteurs, comme Tanaka et al. (1997) (l’argile illitique reconstituée) (Figure 1- 27), Cekerevac et Laloui (2004). Ces résultats montrent que le domaine élastique se contracte ; autrement dit quand la température augmente, le sol se plastifie à une contrainte plus faible.

Figure 1- 26. Les courbes de compression isotrope à différentes températures, essais sur l’argile de Boom (Sultan et al., 2002)

Figure 1- 27. Surfaces de charge déterminées à partir des essais de cisaillement à différentes températures, p’0 = 0,5 MPa, ROC = 2 (Tanaka et al., 1997)

Des études variées ont été effectuées sur l’effet de la température sur les propriétés de compressibilité (Cc et Cs) et sur les modules élastiques (E, G). Les résultats de Cekerevac et

Laloui (2004) ont confirmé l’indépendance entre la température et le coefficient de compression isotrope Cc, déjà montré par Campanella et Mitchell (1968) qui avaient remarqué

que les courbes de compression et de gonflement isotrope aux différentes températures étaient parallèles (Figure 1- 28). Les travaux de Lignau et al. (1996, 1994), et de Graham et al. (2001) sur l’argile illitique reconstituée ont montré également que des courbes de compression isotrope (NCL : normal consolidation line) obtenues à températures différentes sont pratiquement parallèles. Pourtant, une augmentation de κ (pente de compression élastique) avec la température a été remarquée par Graham et al. (2001).

Figure 1- 28. Courbes de compression et de gonflement à différentes températures (Campanella et Mitchell, 1968)

Une augmentation du module de Young sécant (E, calculé à déformation axiale de 0,5% dans les essais de cisaillement) avec la température a été observée par Cekerevac et Laloui (2004) (Figure 1- 29). Une tendance similaire pour les modules sécants en condition non drainée a été constatée par Abuel-Naga et al. (2006a, b).

Figure 1- 29. Modules d’élasticité E obtenus des essais de cisaillement à 25 et 90°C (Cekerevac et Laloui, 2004)

1.3.3.2 Effet de la température sur le comportement à la rupture ou à l’état critique

De Bruyn et Thimus (1996) ont réalisé des essais de cisaillement non drainé à trois températures : 20, 50, 80 °C sur l’argile de Boom (Figure 1- 30). Les trois cisaillements ont été effectués à une même pression de confinement initiale de 3,1 MPa. Une diminution de la résistance au cisaillement avec la température a été observée. La vitesse de cisaillement n’a pas été précisée par les auteurs. Néanmoins, une durée totale de cisaillement de 15 heures semble mettre en évidence une vitesse très élevée. Les auteurs ont observé une augmentation plus rapide de la pression interstitielle à une température plus élevée.

Zhang et al. (2007) ont réalisé sur l’argile à Opalinus des essais de cisaillement non drainés à une vitesse de déformation contrôlée de 10-7 s-1. Les résultats (Figure 1- 31) montrent que le sol devient moins résistant et plus ductile à une température plus élevée. D’après les auteurs, cette réduction de résistance pourrait être attribuée à l’augmentation de la pression interstitielle due au chauffage, qui diminue la pression moyenne effective dans le sol.

Figure 1- 30. Cisaillement non drainé à différentes températures. A-10 : 80 °C, A-06 : 50 °C, A-03 : 20 °C (De Bruyn et Thimus, 1996)

Une tendance inverse a été observée dans les travaux de Cekerevac et Laloui (2004) sur une kaolinite reconstituée et d’Abuel-Naga (2006a, b) sur l’argile naturelle de Bangkok. Les résultats de Cekerevac et Laloui (2004) ont montré une augmentation de la résistance au cisaillement avec la température dans les essais de cisaillement drainés sur les échantillons surconsolidés et normalement consolidés. Une observation similaire a été également effectuée par Abuel-Naga (2006b) dans les cas d’essais non drainés sur des échantillons surconsolidés et normalement consolidés (Figure 1- 32).

Figure 1- 31. Comportement de l’argile à Opalinus cisaillée à différentes températures (Zhang et al., 2007)

Figure 1- 32. Résultats des essais de cisaillement non drainés sur des échantillons (normalement consolidés et surconsolidés) de l’argile naturelle de Bangkok (p’0 = 0,3 MPa) à

différentes températures (Abuel-Naga, 2006b)

En revanche, Burghinoli et al. (2000) n’ont pas remarqué de différence significative entre les résistances au cisaillement obtenues à différentes températures (Figure 1- 33). Des conclusions similaires ont été aussi faites par Tanaka et al. (1997) sur une illite reconstituée.

Les résultats de Cekerevac et Laloui (2004) ont montré qu’il n’y avait pas d’influence de la température sur les caractéristiques à l’état critique, avec aucun effet de température décelable sur les pentes M de la courbe p’-q à l’état critique et sur l’angle de frottement ϕ'. Les courbes p’-e à l’état critique obtenues à différentes températures étaient pratiquement parallèles. Une tendance analogue a été observée avec les résultats répertoriés par Cekerevac et Laloui (2004). Ces résultats sont regroupés dans la Figure 1- 34, incluant les résultats de Hueckel et Baldi (1990) [18], Hueckel et Pellgrini (1989) [19], Burghinoli et al. (2000) [20],

et de Graham et al. (2001) [21]. On observe sur la figure que l’angle de frottement à l’état critique est indépendant de la température.

Figure 1- 33. Essais de cisaillement non drainés à différentes températures (Burghinoli et al., 2000)

Figure 1- 34. L’effet de la température sur l’angle de frottement à l’état critique (Cekerevac et Laloui, 2004)

Des observations similaires ont été faites par Graham et al. (2001) en se basant sur les travaux de Lignau et al. (1994), de Graham et al. (2001), et de Tanaka et al. (1997) (Figure 1-

35). La figure montre que les courbes à l’état critique dans le plan p’-q à différentes températures sont pratiquement confondues. Par conséquent, la pente M et l’angle de frottement ϕ' sont indépendants de la température. De Bruyn et Thimus (1996) ont aussi trouvé une indépendance de M vis-à-vis de la température en réalisant des essais de cisaillement à différentes températures sur l’argile de Boom.

Figure 1- 35. Les courbes d’état critique (CSL) dans le plan p’-q des essais de cisaillement aux différentes températures (Graham et al., 2001)