CHAPITRE I : Synthèse Bibliographique
5. Effets des matières organiques sur les propriétés des sols :
5.3. Effets des matières organiques sur les performances mécaniques des sols :
Les effets des MO sur les propriétés du sol sont, depuis longtemps, une problématique très étudiée par plusieurs travaux de recherche. En effet, les MO ont été considérées comme ayant des effets significatifs sur les caractéristiques mécaniques des sols, comme la diminution de la résistance au cisaillement ou de l’aptitude au compactage [72], [75], [80]–[83].
Les mécanismes impliqués dans l'interaction entre les composants minéraux du sol et les MO en ce qui concerne le comportement mécanique du sol sont complexes.
Soane [66] a énuméré six mécanismes possibles :
Les Forces de liaison entre les particules et dans les agrégats ; Augmentation de l'élasticité ;
Effet de dilution ;
Effet de cimentation entre les particules ; Augmentions des échanges ioniques ;
Effet sur la cohésion et l’angle de frottement.
Une grande partie des recherches menées ont porté sur le comportement mécanique des sols hautement organiques. Cependant, on sait relativement peu de choses sur le comportement mécanique des sédiments marins dragués avec une quantité de MO dépassant les seuils prescrits par le GTR [32] pour une utilisation en technique routière.
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5.3.1. Paramètres de compactage et de portance :
La densité apparente finale d’un sol compacté dépend de la nature de celui-ci, de la teneur en eau et de l’énergie de compactage. Le compactage permet de resserrer la texture du sol, de réduire ses déformations, d’améliorer sa portance et sa résistance. Pour un sol donné et pour un mode de compactage déterminé, il existe une seule teneur en eau WOPN (%) correspondant à la densité maximale ρdOPN (t/m3). S’il n’y a pas assez d’eau, la lubrification entre les grains n’est pas assurée. S’il y a trop d’eau, les grains solides glissent les uns sur les autres et ne peuvent plus se placer afin d’occuper la place minimale. De plus, l’eau prend la place des vides et absorbe une partie de l’énergie de compactage. Pour une couche de forme, la teneur en eau optimale et la densité correspondante sont déterminées par l’essai Proctor normal.
Malkawi et al. [71] ont étudié l'impact des MO sur les paramètres de compactage (WOPN, ρdOPN) sur cinq sols illitiques ayant une teneur en MO de 0 %, 5,5 %, 10,3 %, 16,4 % et 21,2 % (Figure 15). Ils ont montré que l'augmentation du taux de MO engendre une baisse significative de ρdOPN (t/m3) de l’ordre de 30 % et une augmentation de WOPN (%) de l’ordre de 32 %. Les résultats obtenus de différents chercheurs [72], [81], [84], [85] confirment l’impact des MO sur les paramètres de compactage. Néanmoins, on doit noter qu’il y a peu d’études qui évoquent l'influence des MO sur les paramètres de compactage des sédiments marins bruts (non traités) et traités aux liants hydrauliques.
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5.3.2. Paramètres de compressibilité :
La compressibilité des matériaux est une caractéristique très importante à mesurer avant toute projection d’ouvrage. Les MO, même en faibles proportions, peuvent affecter la compressibilité des matériaux. Plusieurs auteurs ont étudié l'impact des MO sur la compressibilité de sols naturels et de sols traités [68], [80], [84], [86], [87].
Develioglu et Pulat [80] ont effectué différents essais sur des mélanges d'argiles de Kuttanad (Inde) ayant une teneur en MO de 0 %, 4 %, 7 % et 11 %. Les essais ont permis de tracer les courbes de compressibilité unidimensionnelle par rapport au taux de MO des matériaux étudiés. Develioglu et Pulat [80] ont observé que l’effet des MO peut non seulement augmenter l’indice des vides, mais aussi l’indice de compression (Figure 16). Selon les résultats obtenus, Develioglu et Pulat [80] ont observé que l'augmentation du taux de MO de 0 % à 11 % a triplé d'une part la compressibilité de ce type de matériau et d’autre part, il a influencé négativement les contraintes de pré-consolidation.
Une autre étude a été effectuée par Rashid et Brown [68] sur trois sédiments de la Baie de Nouvelle-Écosse, ayant des taux de MO de 0 %, 2 % et 4 %. Rashid et Brown [68] ont observé que l'augmentation du taux de MO de 0 % à 4 % a doublé la compressibilité de ce type de matériau (Tableau 8). 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 5 10 15 Ind ice de co m press io n (Cc) Teneur en MO (%) (Develioglu, I., Pulat, H.F., 2017) (Rashid. M. A., Brown. J. D., 1975) (Rabbee et al. 2012)
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Tableau 8 : Relation entre l’indice de compression et la teneur en MO.
5.3.3. Résistance au cisaillement :
La résistance des sols mesurée expérimentalement et les théories de rupture permettent d'étudier la stabilité des fondations superficielles ou profondes, des ouvrages de soutènement, des remblais, des talus naturels ou de déblais et des barrages en terre. La résistance au cisaillement d’un sol dépend de nombreux facteurs, tels que la nature et l’état du sol, mais aussi l’intensité des efforts exercés et la manière dont ces efforts sont appliqués. Dans les sols saturés, cette résistance est liée uniquement au squelette solide du sol, puisque l’eau interstitielle n’offre aucune résistance aux efforts de cisaillement ou de distorsion. Elle ne dépend, de ce fait, que des contraintes effectives qui s’exercent aux points de contact des particules solides. Elle est donc directement influencée par les conditions d’application de ces efforts, conditions qui commandent la répartition des contraintes totales appliquées entre la phase liquide (pression interstitielle) et la phase solide (contrainte effective) du sol.
Selon la littérature scientifique, l’effet des MO sur la cohésion et l’angle de frottement dépend fortement de la nature des MO contenues ou incorporées dans les matériaux, la méthode de préparation des échantillons (MO ajoutées, MO oxydées, …), la teneur en eau, la pression appliquée, le type du sol (Tableau 9). De plus, les tendances observées dans la littérature sont multiples et variées. Par exemple, sur des échantillons de masse volumique égale à 1,25 t/m3, Davies [88] a observé que la résistance au cisaillement des échantillons remaniés augmente avec l’enrichissement en MO. Stewart et Hartge [89] ont également observé que la cohésion et l’angle de frottement augmentent avec l’augmentation de la teneur en MO des sols sableux précédemment compactés et avec la même porosité. Une tendance similaire est observée par Zhang et Hartge [90] sur des sols sableux qui ont le même indice des vides initial. Al-Adili et Al-Soudany [91] ont effectué l'essai de résistance au cisaillement sur deux types de sols (argileux et limoneux) ayant des teneurs en MO de 5 %, 10 %, 15 % et 20 %. D'après leurs
Etude Matériau Méthode utilisée dans la
préparation des matériaux Equation de corrélation R² Develioglu
et Pulat [73]
Sédiments marins
MO naturellement continues dans les échantillons testés. Cc = 0,025 MO (%) + 0,03 0,94 Rashid et Brown [64] Sédiments marins Amendement +oxydation des MO Cc = 0,05 MO (%) + 0,2 0,99 Rabbee et al. [86] Sols organiques Amendement Cc = 0,02 MO (%) + 0,2 0,79
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résultats, nous remarquons une relation directe entre le taux de MO, la variation de la cohésion et de l'angle de frottement.
Ces résultats ont pu montrer que les MO peuvent augmenter l'angle de frottement dans les deux types de matériaux étudiés (argileux et limoneux). Néanmoins, les résultats obtenus par Rabbee
et al. [86] montrent une légère diminution de l'angle de frottement pour des sols organiques
avec des teneurs en MO augmentées à l’aide d’un compost à forte teneur en MO. Ohu et al. [92] ont également remarqué une tendance différente sur leur échantillons : un sol argileux, un sol sablo-limoneux et un sol argilo-limoneux dont la teneur en MO initiale est égale à 3 %. Un compost à forte teneur en MO a été utilisé dans leurs travaux pour créer trois mélanges pour chaque type de sols : 3 %, 10 % et 17 % de MO. Ohu et al. [92] ont observé que la résistance au cisaillement des mélanges crées diminue avec l’augmentation de la teneur en MO incorporées. D’après Ekwue [81], la résistance au cisaillement du sol augmente ou diminue avec l'augmentation de la teneur en MO selon la forme et l’origine des MO contenues dans le sol. Les MO de l'herbe accroissent la résistance au cisaillement puisqu'elles améliorent la stabilité des agrégats du sol, mais les augmentations sont limitées dans le temps.
Tableau 9 : Tableau récapitulatifs de l’état de l’art concernant l’évolution de la résistance au cisaillement en fonction de la teneur en MO.
Etude Matériaux
Méthode de préparation des matériaux utilisés
Résistance au cisaillement
/MO Davies [88] sols limoneux argileux
MO naturellement continues dans les échantillons testés.
+/+ Stewart et
Hartge [89] sols sableux
Echantillons compactés de même porosité +
Amendement
+/+ Zhang et
Hartge [90] sols sableux Amendement +/+
Adili et Al-Soudany [91]
Sols argileux et
limoneux Amendement +/+
Rabbee et al.
[86] Sols organiques Amendement -/+
Ohu et al. [92]
sol argileux, sol sablo-limoneux, sol
argilo-limoneux
Amendement -/+
Ekwue [81] sol sablo-limoneux
Amendement (MO
fraiches) +/+