Influence de la granulométrie

Afin d’évaluer l’influence de la granulométrie sur la compressibilité à court terme, quatre échantillons de masses volumiques maximales et de distributions granulométriques différentes ont été testés. Ces échantillons sont secs lors de la mise en place et lors du chargement. Ces quatre distributions granulométriques ont été présentées à la Figure 4-2 de la section 4.2 et les masses volumiques maximales pour ces échantillons ont été présentées à la Figure 4-3 de la même section. Les coefficients d’uniformité de ces quatre courbes granulométriques sont de 1,3 ; 14 ; 45 et 90 respectivement.

6.1.2.2 Résultats

Les principaux paramètres de ces essais se trouvent au Tableau 6-1. Les coefficients d’uniformité des courbes granulométriques, les paramètres A1, n1, A2, n2 et σ’c y sont

57 déformations mesurées pour la contrainte verticale maximale atteinte sont également présentés dans ce tableau. Ce module s’exprime selon l’équation [6-4]:

M=𝜎′𝑎

𝜀 [6-4]

Les résultats complets de ces quatre essais sont détaillés à l’Annexe C et les quatre courbes contrainte-déformation sont présentées à la Figure 6-2. D’après cette figure, il est possible de constater que les essais pour lesquels les coefficients d’uniformité sont de 45 et 90 présentent initialement un comportement plus compressible jusqu’à une contrainte moyenne appliquée, σ’c, de 100 kPa et de 77 kPa respectivement. Ils sont ensuite moins

compressibles à partir de ces contraintes. Pour ces deux essais, les valeurs de l’indice n1

sont donc plus élevées que les valeurs de l’indice n2. Les indices de compressibilité, n2, de

ces deux essais sont de 0,40 (Cu=45) et de 0,45 (Cu=90). Autrement, l’échantillon de

granulométrie plus uniforme (Cu=1,3) est initialement moins compressible jusqu’à une

contrainte verticale moyenne d’environ 335 kPa et devient ensuite plus compressible. Il a été observé que cette cassure dans la courbe contrainte-déformation survient au même instant où le broyage est devenu audible à proximité de la cellule oedométrique. L’échantillon de granulométrie Q1 (Cu=14) ne présente pas de cassure dans la courbe

contrainte-déformation. Toutefois, il est possible de noter une certaine instabilité dans la courbe contrainte-déformation, présenté à la Figure C-1 de l’Annexe C, jusqu’à une contrainte verticale moyenne de 40 kPa. Ces résultats indiquent également que la compressibilité est plus importante pour des échantillons de granulométrie plus uniforme. L’échantillon de granulométrie Q4 (Cu=1,3) présente des déformations verticales 78 % plus importantes, à la fin du chargement, que l’échantillon de granulométrie Q2 (Cu=90) et

Tableau 6-1 : Paramètres principaux des quatre essais œdométriques sur des échantillons de distributions granulométriques différentes

Essai Cu n1 A1 n2 A2 σ'c M --- --- 10-2 _{--- 10}-2 _{kPa MPa} Q4-56-D100-S 1,3 0,44 0,070 0,88 0,005 455 40,0 Q1-56-D100-S 14 0,62 0,024 0,62 0,024 40 61,0 Q3-56-D100-S 45 1,18 0,002 0,40 0,100 100 71,5 Q2-56-D100-S _{90 1,10 0,004 0,45 0,070 77 69,7}

58

pour l’échantillon de granulométrie Q1 (Cu=14), les déformations verticales sont 16 % plus importantes que celui-ci. La Figure 6-3a) illustre l’indice de compressibilité n2 en fonction

du coefficient d’uniformité. Celle-ci montre une diminution de n2 pour une augmentation

du coefficient d’uniformité. La Figure 6-3b) présente le ratio entre les indices n1 et n2, en

fonction du coefficient d’uniformité. Cette figure indique l’augmentation de ce ratiopour une augmentation du coefficient d’uniformité. Lorsque ce ratio est inférieur à l’unité, l’échantillon testé est initialement moins compressible jusqu’à ce que la contrainte verticale atteigne σ’c, à partir de laquelle l’échantillon devient plus compressible. À l’inverse,

lorsque ce ratio est supérieur à l’unité, l’échantillon est initialement plus compressible et devient moins compressible à partir de σ’c.

Figure 6-2 : Courbes contrainte-déformation pour quatre échantillons de granulométries différentes

59

6.1.2.3 Discussion des résultats

À la lumière de ces résultats, il semble que la relation entre la contrainte appliquée et les déformations verticales soit en deux phases : une première phase caractérisée par la réorientation et le réarrangement des particules et une seconde caractérisée par le broyage de celles-ci. Dans le cas où la structure de l’assemblage testé permet très peu de réarrangements, un tel échantillon sera initialement peu compressible jusqu’à ce que la contrainte appliquée soit suffisante pour amorcer le phénomène de broyage des particules. L’échantillon de granulométrie Q4 (Cu=1,3) présente un tel comportement. Les roches de

cet échantillon ont toutes un diamètre semblable (30-56 mm) et leur volume est trop important pour qu’elles puissent combler les vides de l’échantillon. Cet échantillon est donc très peu compressible jusqu’à ce que le broyage des particules soit possible. À l’inverse, si la granulométrie est plus étalée, les possibilités de réarrangement et de réorientation sont favorisées et l’échantillon est alors plus compressible à faibles contraintes jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de possibilités de réarrangement. La compressibilité est alors contrôlée essentiellement par la résistance des grains à la rupture. Les échantillons de granulométries Q2 (Cu=90) et Q3 (Cu=45) présentent un tel comportement. Pour de tels échantillons, les

particules de plus petites tailles peuvent combler les vides entre les plus gros granulats. La

a) b)

Figure 6-3 : a) Indice de compressibilité n2 en fonction de Cu

b) Ratio entre n1 et n2 en fonction de Cu

60

Figure 6-4 schématise les deux phases de la courbe contrainte-déformation en y ajoutant l’effet de l’étalement granulométrique sur la compressibilité.

Tel que mentionné au Chapitre 2, plus le nombre de contacts entre les particules testées en cellule oedométrique augmente, plus la probabilité de rupture de celles-ci décroît. L’augmentation de l’étalement granulométrique a pour effet direct d’augmenter le nombre de coordinations entre les particules, diminuer la quantité de broyage et par conséquent, diminuer la compressibilité des assemblages de particules testés. Les essais effectués confirment ce phénomène puisque l’indice de compressibilité, n2, permet d’évaluer la

compressibilité dans la phase de broyage d’un essai de compression uniaxiale. Comme il a été observé à la Figure 6-3 a), l’indice n2 est effectivement plus faible pour des échantillons

de granulométrie plus étalée.

Différents auteurs (Fumagalli, 1969; Oldecop & Alonso, 2001) ayant effectués des essais de compression uniaxiale sur des échantillons de pierres de diamètre unique, donc de coefficient d’uniformité près de l’unité, ont généralement observé que la relation contrainte-déformation est linéaire. Cela se traduit par un indice de compressibilité, n2, égal

61 à l’unité. Les résultats présentés à la Figure 6-3 a) indiquent que l’indice de compressibilité

tend vers l’unité pour des assemblages de particules de granulométrie très uniforme. Ces résultats sont donc en accord avec les résultats présentés dans la littérature.

Comme l’illustre la relation contrainte-déformation de l’essai Q1-56-D100-S, présenté à la Figure 6-5, lorsque les déformations verticales sont portées en graphique en fonction de la contrainte appliquée, en échelles linéaires, le taux de variation des déformations verticales décroît à mesure que la contrainte appliquée augmente. L’échantillon testé devient alors de plus en plus rigide. Cela se traduit notamment par une augmentation du module contraint,

M, à mesure que la contrainte verticale augmente et il est possible d’approximer les

déformations verticales à l’aide d’une fonction puissance. Les fragments issus du broyage des particules comblent les vides de l’assemblage de particules et augmentent le nombre de coordinations entre les particules. La probabilité de rupture des particules est donc réduite et l’échantillon devient moins compressible à mesure que la contrainte appliquée augmente. Dans le cas où l’assemblage de pierres a une distribution granulométrique très uniforme, les vides entre les particules peuvent être de taille importante. Si les fragments issus du broyage sont petits par rapport à la taille des vides, il se peut que ces fragments ne fassent pas partie de la chaîne de contacts transmettant la charge appliquée et qu’ils ne contribuent pas à la rigidité de l’échantillon. Dans une telle situation, la courbe contrainte-déformation demeure linéaire puisque le broyage a peu d’influence sur la rigidité du squelette granulaire de l’échantillon.

62

6.1.3 Influence de la masse volumique