Chapitre 1: Les milieux granulaires : définitions et Caractéristiques
1.4. Caractéristiques mécaniques
1.4.1. Essai à l’appareil triaxial
La théorie de gradient critique laisse penser que dans un volume de sol, un gradient i<𝑖𝑐 ne peut pas provoquer le mouvement des particules, cependant des études ont montré que le transport des fines peut se produire bien en deçà de ce seuil (Skempton et Brogan (1994)).
1.4. Caractéristiques mécaniques
La construction des ouvrages Génie Civil nécessite une bonne connaissance de la rhéologie des sols. Cela a conduit à un développement spectaculaire de la mécanique des sols depuis Coulomb au XVIIIe siècle jusqu’à Biarez et Hicher (1994) en passant par Casagrande (1936). Dans cette discipline, la connaissance des caractéristiques des sols est rendue possible grâce des observations, des essais in situ ou par des essais au laboratoire.
Le comportement du matériau àcourt terme est déterminé :
Au laboratoire sur des échantillons remaniés ou non par des essais à l’appareil triaxial, appareil de cisaillement, œdomètre….
In situ dans le massif de sol grâce aux essais in situ (pressiomètre, pénétromètre ou scissomètre...)
Le comportement à long terme est déterminé uniquement au laboratoire sur des échantillons non remaniés car les essais in situ, malgré les nombreux avantages liés à leur rapidité et leur représentativité, sont difficiles à interpréter du fait des conditions de déformation et de drainage complexes.
Les essais au laboratoire se réalisent dans des conditions de drainage, déformation et chargement plus faciles à maitriser et offrent une large possibilité d’analyser des lois de comportement des sols. Parmi ces essais, on se contente de présenter ci-dessous l’essai à l’appareil triaxial qui permet une description plus complète des lois de comportement et qui a été exploité dans le cadre de cette thèse.
1.4.1. Essai à l’appareil triaxial
C’est un essai qui tente de mettre en situation le sol dans son état de contrainte naturel. Il consiste à soumettre un échantillon cylindrique de sol à un champ de contraintes isotropes (figure 1.8) dans une cellule triaxiale imposé par une pression hydrostatique dans le plan horizontal accompagné d’un déviateur appliqué à l’aide d’un piston (figure 1.9). Plusieurs types d’essai peuvent être réalisés à l’aide de cet appareil dont entre autres les essais sous
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chargement monotone ou cyclique, à déformation ou contrainte contrôlées…..Les résultats obtenus à partir des essais triaxiaux ont beaucoup contribué au développement des lois de comportement des sols. La validation de l’approche de Terzaghi sur la contrainte effective qui distingue que le tenseur des contraintes est une somme d’un tenseur de contrainte lié aux particules solides et d’un tenseur hydraulique lié à l’eau reste un des plus importants résultats.
La figure 1.8présente un schéma de la cellule triaxiale avec ses différents composants. A l’issue d’un essai triaxial, plusieurs paramètres peuvent être déterminés:
La contrainte axiale 𝜎1
La contrainte latérale 𝜎2 = 𝜎3
Le déviateur de contrainte : 𝑞 = 𝜎1− 𝜎3
La déformation axiale: 𝜀1 = 𝛿𝐻/𝐻0 où 𝛿𝐻 est la variation de la hauteur et 𝐻0 la hauteur initiale de l’éprouvette.
La déformation latérale: 𝜀2 = 𝜀3
Déformation volumique: 𝜀𝑣 = 𝜀1+2𝜀3 = 𝛿𝑉/𝑉0 La contrainte moyenne totale : 𝑃 = 𝑞3+ 𝜎3
Pression interstitielle : 𝑢𝑤
Contrainte moyenne effective (relation de Terzaghi) : 𝑝′= 𝑝 − 𝑢𝑤
Dans le plan (q, p), lorsque la rupture est atteinte : 𝑞 = 𝑀𝑝′.
L’angle de frottement est donné par : 𝑠𝑖𝑛𝜑 = 6+𝑀3𝑀. Il peut être calculé au pic des contraintes ou sur le palier (angle de frottement résiduel)
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Figure 1.9: Schéma de principe de la cellule triaxiale
Selon le chemin de drainage, on distingue trois types d’essai triaxial (tableau 1.3):
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Essai triaxial Consolidé Drainé (CD):
C’est un essai qui se réalise à orifice de drainage ouvert et qui permet d’étudier le comportement à long terme d’un sol. Ses paramètres caractéristiques sont : La cohésion drainée : 𝐶′ et l’angle de frottement drainé : 𝜑′. Ces deux paramètres définissent la courbe intrinsèque du matériau.
Cet essai doit être effectué sous très faible vitesse de cisaillement. Le cisaillement drainé s’accompagne très souvent des phénomènes de contractance et de dilatance.
La contractance qui est une diminution de volume de l’éprouvette (𝛿𝑉 < 0) intervient au cours de la densification du matériau qui une conséquence des réarrangements des particules granulaires sous l’effet de la contrainte de cisaillement.
La dilatance est un phénomène inverse qui se caractérise par une augmentation du volume (𝛿𝑉 > 0) et intervient lors du foisonnement du matériau qui équivaut à un réarrangement.
La contractance et la dilatance d’un sol dépendent de son état initial. C’est à dire de son état de consolidation et de son indice des vides initial.
La figure 1.10 présente les courbes résultant d’un essai triaxial CD effectué sur des éprouvettes de sable dense et lâche.
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Figure 1.10: Chemins triaxiaux drainés types sur sable dense et lâche.
Essai triaxial Consolidé Non drainé (CU):
Cet essai permet de déterminer C′ et φ′ avec mesure de la pression interstitielle à la rupture (comportement à long terme). Il permet de déterminer les caractéristiques C' et φ' du comportement à long terme du matériau en déduisant la pression interstitielle de la contrainte verticale totale et de la contrainte latérale totale. A la différence de l’essai CD, il se déroule à orifice de drainage fermé (𝜀𝑣= 0). La figure 1.11 montre le comportement type d’un sable dans un état lâche et dense en condition non drainées. Dans les plan (𝜀1; 𝑞) et (𝜀1; 𝑢𝑤) (figure 1.11a), le déviateur augmente en fonction de la densité et la pression interstitielle diminue avec la densité. Les chemins de contraintes suivis par chacun des sables au cours du cisaillement non drainé sont indiqués dans le plan (p’, q) (figure 1.11a et 1.11b).
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Figure 1.11: Chemins triaxiaux typiques d’un essai non drainé sur sable dense et lâche (Mitchell & Soga, 2005)
Essai triaxial Non consolidé Non drainé (UU):
Il détermine le comportement à court terme d’un matériau. Il s’agit de soumettre une éprouvette à un état de contrainte totale isotrope 𝜎0 et maintenir l’orifice de drainage fermé. Ensuite le cisaillement est lancé sous 𝜎3 constante en augmentant la contrainte verticale totale 𝜎1 jusqu’à la rupture. Le diamètre des cercles de Mohr reste constant quelle que soit la valeur de la contrainte totale isotrope. On en déduit ainsi la cohésion non drainée Cu, l’angle de frottement non drainé u étant nul.