Mesures locales des déformations axiale et radiale, déformation volumique

a. Déformation axiale

A l’origine, les mesures des déplacements axiaux sur la cellule triaxiale du laboratoire se font par l’intermédiaire d’un capteur LVDT de grande amplitude de mesure (plage de mesure 20mm). Placé à l’extérieur de la cellule, il mesure le déplacement de l’embase sur laquelle repose l’échantillon. C’est un système qui présente l’avantage d’être pratique, puisqu’il ne nécessite aucune manipulation, il est directement installé et fixé sur le bâti de la cellule et mesure le déplacement du piston. Par contre, ce moyen de mesure des déplacements présente également des inconvénients:

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 C’est un système de mesure externe. La mesure obtenue correspond à la mesure du déplacement du piston, qui est assimilé au déplacement vertical subi par l’échantillon, sans tenir compte des déplacements qui peuvent être induits par d’autres facteurs ;  Ce système global ne permet pas de détecter le début des déformations, et n’est pas très

précis sur la mesure des petites déformations ;

 Le capteur de déplacement externe mesure en fait le déplacement du piston par rapport à un point fixe de la cellule. Par conséquent, il doit pouvoir mesurer une grande plage de mesure, induisant une plus faible précision ;

 Un mauvais alignement ou une mauvaise assise au niveau du contact piston/éprouvette peut entrainer une erreur de mesure (Scholey et al. 1995).

b. Déformation volumique

En ce qui concerne les mesures des déformations volumiques en essai drainé, sans dispositif de capteurs radiaux, elles ne peuvent se faire que par l’intermédiaire des échanges d’eau. C’est un système qui a l’avantage d’être très pratique et simple, puisqu’il ne nécessite aucune mise en place. Par contre, il peut être perturbé par des facteurs externes engendrant des erreurs sur les résultats : une variation de température entraînant des dilatations au niveau des flexibles, une fuite sur le circuit,… sont autant d’éléments perturbateurs pouvant fausser les mesures de variation de volume et donc altérer la fiabilité de ce système de mesures pour les déformations volumiques.

Par ailleurs, la mesure de la déformation volumique par mesure des échanges d’eau est adaptée lorsque les échantillons manipulés sont totalement saturés. Pour les sols non saturés, la présence de deux fluides de compressibilités différentes entraine que la mesure des échanges de fluides via le contrôleur ne correspond pas à la mesure de la déformation volumique. Un équipement de mesure de déformation local est donc nécessaire.

Il existe plusieurs systèmes locaux de mesures de déformation, parmi lesquels :  Les systèmes inclinométriques

 Les capteurs à effet Hall

 Les systèmes de proximité (sans contact)

 Les LVDT, pour Linear Variable Differential Transducer

Les capteurs LVDT (Linear Variable Differential Transducer) reposent sur un fonctionnement inductif. Il est composé d’un transformateur et d’un noyau. La réponse du capteur est proportionnelle au déplacement du noyau dans le cylindre formé par le transformateur. C’est ce système qui a été retenu dans notre étude car d’une part les capteurs LVDT sont reconnus pour plusieurs avantages :

 Ils permettent des mesures locales des déplacements ;

 Ils possèdent une gamme de stabilité vis-à-vis de la température et des pressions qui est assez large pour recouvrir tous les domaines classiques d’utilisation ;

 Ils permettent des mesures de déplacements axiaux et radiaux simultanés ;

 Ils sont adaptables aux échantillons triaxiaux grâce à des étriers spécialement adaptés à leurs dimensions.

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D’autre part, ils présentent l’avantage d’être utilisés depuis relativement longtemps ce qui induit une littérature assez riche.

Par contre, ce système présente également quelques inconvénients, qui sont surtout d’ordre pratique :

 Les étriers sont relativement lourds, notamment par rapport à l’épaisseur de la membrane, ce qui rend leur maintien difficile ;

 Leur fixation à la membrane est délicate, et peut éventuellement empêcher, dans les grandes déformations, le libre déplacement de la tige du capteur. Les réglages doivent donc être faits avec une grande précision (Cuccovillo et Coop 1997) ;

 La mise en place des étriers peut entrainer des perturbations de l’échantillon.

Les capteurs utilisés dans cette étude sont spécialement adaptés à l’essai triaxial : ils sont immersibles, ils sont compatibles avec de hautes pressions, et les étriers supports sont spécialement adaptés à la forme des éprouvettes. Leur plage de mesure est de 10mm. Il est important de noter que ce type de dispositif est spécialement conçu pour la mesure en petites déformations. Au-delà d’un certain taux de déformation, l’utilisation n’est plus pertinente. C’est la raison pour laquelle les mesures locales sont systématiquement accompagnées de la mesure globale par le capteur externe, afin d’avoir des mesures de déplacement aussi bien en petites qu’en grandes déformations.

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Figure 59: Photos du montage des capteurs sur un échantillon (a) avant essai (b) en configuration déformée après un essai triaxial monotone

Le montage complet est présenté sur les photos de la Figure 59. Il est composé de :

 Deux capteurs axiaux, qui sont disposés sur l'échantillon de manière diamétralement opposés. Ces deux capteurs sont positionnés sur le tiers central de l’échantillon, car il est admis que c’est dans cette zone que les déformations sont le plus représentatives (zone la moins affectée par le frettage) (Morvan 2010) ;

 Un capteur radial, disposé sur un étrier venant encercler l’échantillon. Il est disposé à mi-hauteur de l’éprouvette.

L’avantage de ce dispositif de mesure de déplacement est qu’il permet le calcul des déformations volumiques, que l’échantillon soit saturé ou pas.

c. Validation de la mise en place des dispositifs de mesure

Avant de commencer les essais avec les capteurs, il a fallu s’assurer premièrement de leur bon fonctionnement, puis ensuite déterminer le protocole d’installation des capteurs.

(a)

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Au total, 8 essais ont été réalisés pour ajuster la mise en place des capteurs locaux LVDT. Plusieurs solutions ont été envisagées : fixation par épingles, double membrane afin de limiter l’attaque par la colle, renforts au niveau des étriers afin de rigidifier l’ensemble.

Après l’analyse des résultats des différentes solutions envisagées, la seule solution donnant des résultats satisfaisants et répétables est celle consistant à coller les étriers directement sur une seule membrane. Des essais complémentaires ont été réalisés afin de s’assurer que la colle mise en contact direct avec la membrane n’altérait pas son imperméabilité. Pour cela, trois échantillons ont été montés, avec les étriers fixés à la colle directement sur la membrane. Pour chaque essai, nous avons lancé le processus de saturation, et observé régulièrement l’évolution de la pression interstitielle pendant plusieurs jours. La stabilité de la pression interstitielle pour une observation allant jusqu’à 10 jours après la mise en place des capteurs a permis de s’assurer que la colle n’altérait pas les propriétés d’imperméabilité des membranes.

La solution en membrane simple avec collage direct qui réunit les qualités requises (praticité, répétabilité et non altération des propriétés de la membrane) a donc été validée.

Le montage des capteurs est réalisé classiquement grâce à l’application d’une dépression à l’échantillon. C’est une technique de montage d’échantillon très répandue dans les laboratoires. La pompe à vide à disposition permet d’appliquer une dépression d’une valeur d’environ -90kPa.

Dispositifs expérimentaux spécialement développés pour les essais non saturés Afin de pouvoir étudier le comportement hydromécanique de matériaux non saturés, plusieurs adaptations doivent être réalisées sur le dispositif classique Bishop et Wesley. Ces équipements permettent l’imposition de conditions de succion initiale au matériau.

IV.2.1 Pierre poreuse à haute entrée d’air

La première adaptation nécessaire est le remplacement de la pierre poreuse « classique » par une pierre poreuse spéciale, dite à Haute Entrée d’Air (HEA) ((Hoyos, Laloui, et Vassallo 2008) ; (Delage 2008) ; …). Les pores de cette pierre HEA, plus petits que ceux d’une pierre poreuse classique, permettent de garder la pierre saturée malgré l’application d’une pression d’air supérieure à la pression d’eau interstitielle. Ils permettent ainsi la mesure d’une pression d’eau dans les échantillons non saturés.

Dans le cas de cette étude, la pression d’entrée d’air de la pierre poreuse utilisée est de 200 kPa, c’est-à-dire qu’on peut appliquer des pressions d’air à l’échantillon jusqu’à 200 kPa en maintenant des conditions de saturation totale de la pierre. La pression d’entrée d’air de la pierre poreuse conditionne finalement les valeurs maximales de succion auxquelles on peut travailler. Dans notre cas, cette valeur de 200 kPa est largement suffisante pour le type de matériau utilisé et les gammes de succion à manipuler.

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