La fabrication de l’échantillon commence avec la mise en place du cylindre interne sur l’axe du moteur (figure 4.7a). Ensuite, on met en place la membrane en néoprène,
4.4 Montage de l’essai 131
préformée aux dimensions de l’échantillon (Rext = 200mm et H = 100mm) et à celles
du couvercle et de la couronne (rayon de 228mm).
Après la fixation de la membrane à la couronne à l’aide de deux joints toriques, on met en place un moule annulaire, on rabat la membrane et on applique le vide entre celle-ci et le moule, de manière qu’elle soit bien plaquée contre le moule (figure 4.7b). Ensuite, on dépose soigneusement le matériau et on pose le couvercle sur l’échantillon en utilisant une grue (figure 4.7c).
Après la fixation de la membrane au couvercle avec deux joint toriques, on applique le vide dans l’échantillon (−70kP a), de manière à éviter que l’échantillon ne s’écroule sous le poids du couvercle. On est capable de vérifier l’étanchéité en regardant la stabilité de la pression relative (négative) à l’intérieur de l’échantillon. En l’absence de fuites d’air, on retire le moule (figure 4.7d).
On poursuit le montage par l’installation de l’enceinte extérieure qui doit être par- faitement étanche au niveau du couvercle et au niveau de l’embase inférieure. Pour cela, on utilise un ensemble de joints toriques. Ensuite, on met en place le plateau supérieur sur l’ensemble des 6 colonnes en le fixant à l’aide de 2x6 écrous correspondants (figure 4.7e). Cette étape est très délicate vu le risque de blocage entre le plateau et les colonnes (en position incorrecte). La manipulation des pièces lourdes se fait avec une grue. Le couvercle se trouve initialement bloqué verticalement.
Tous les éléments structurels de l’ACSA étant en place, on procède au remplissage de la chambre de confinement avec de l’eau désaérée. Après le remplissage, on applique la pression de confinement à l’aide du contrôleur pression-volume (GDS). A mesure que la pression de confinement est appliquée, on affaiblit le vide à l’intérieur de l’échantillon. Quand la pression atteint 100kP a le vide se trouve totalement annulé. Ensuite on ap- plique la pression verticale de 100kP a à l’aide des vérins hydrauliques reliés au contrôleur pression-volume (GDS) de haute pression en libérant le mouvement vertical du couvercle. À ce stade, on monte le codeur optique et les capteurs de déplacement vertical (LVDT) (figure 4.7f).
4.4.1 Pressions de confinement appliquées
On a appliqué 3 cas de pression de confinement. On a fixé la pression verticale Pz à
100 kP a et varié la pression radiale Pr (67, 100 et 150 kP a). Le tableau 4.2 résume ces
informations.
Chargement Pr (kP a) Pz (kP a)
C1 67 100
C2 100 100
C3 150 100
Tab. 4.2 – Résumé des chargements.
On applique d’abord le chargement isotropique C2. En suite, pour des raisons tech-
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Fig. 4.7 – (a) Mise en place du cylindre central, (b) mise en place du moule et de la membrane, (c) mise en place de l’échantillon et du couvercle, (d) application du vide et retrait du moule, (e) installation de l’enceinte extérieure et du plateau supérieur, (f) remplissage de la cellule de confinement, application de la pression, retrait du vide et mise en place des capteurs.
de l’échantillon, alors que le chargement C3 cause une augmentation. La plaque supé-
rieure (voir figure 4.7e) peut limiter la variation de hauteur si celle-ci est trop grande (≈ 3 mm). C’est pour cela que l’on procède à une diminution de la hauteur avant une augmentation.
4.4.2 Cisaillement cyclique
La valeur de la contrainte de cisaillement pendant le régime transitoire dépend for- tement de l’état initial de l’échantillon, spécialement à proximité de la paroi. Avoir des évolutions transitoires répétables dépend donc de la méthode choisie pour la déposition
4.4 Montage de l’essai 133
du matériau, qui fixe une disposition et donc une densité. Cet état, bien évidement, est modifié après les premiers mouvements de rotation du cylindre. Une étude qui suivrait cette démarche serait très longue, vu le besoin de démontage partiel de l’appareil pour répéter la mise en place du matériau.
Comme solution à ce problème, on a choisi de préparer les échantillons et de réaliser les expériences en utilisant un cisaillement cyclique. Dans les expériences menées dans cette thèse, cela consiste à cisailler le matériau dans un sens de rotation du cylindre, à vitesse tangentielle constante (Vθ = 2 mm/min), à arrêter et puis à changer le sens de rotation
quand un certain déplacement |D| = ai (D = Vθ.∆t, ou ∆t est un certain intervalle de
temps) est atteint. Un cycle complet correspond donc à une distance parcourue de 4ai
(voir figure 4.8).
On néglige les effets de radoucissement en vitesse [3, 61]. [37] observe à l’ACSA, à pression constante, sur du sable, une sensibilité à la vitesse de cisaillement d’ordre de 15% pour une variation de vitesse de 0, 12 mm/min à 6 mm/min.
L’intérêt de la procédure est d’avoir une préparation du matériau moins dépendante du type de déposition du matériau ou des contraintes de préconsolidation, de manière que le matériau se trouve dans son état critique [172, 195] dans la zone cisaillée.
4.4.2.1 Préparation du matériau
L’objectif de la procédure de préparation du matériau est d’avoir un comportement stationnaire du matériau indépendant du nombre de cycles réalisés, c’est-à-dire, d’avoir une réponse du matériau en contrainte et en volume identique d’un cycle à l’autre (schéma indiqué sur la figure 4.8). On dit, dans ce cas, que les cycles sont stabilisés. [108] a réalise les premiers expériences cycliques avec l’ACSA en montrant ce comportement. On procède à 2 phases de préparation de tous les échantillons.
inversion de sens (+ / -) inversion de sens (- / +) -a 2 a 2 a 1 -a 1 (a) S D inversion de sens (+ / -) inversion de sens (- / +) -a 2 a 2 a 1 -a 1 (b) V D
Fig. 4.8 – Comportement général (a) de la contrainte de cisaillement à la paroi S et (b) de la variation de volume ∆V durant un cycle stabilisé. Le pointillé représente un changement de la longueur du cycle (a1 → a2).
Phase 1 La première partie de la préparation du matériau vise à stabiliser la structure du matériau. Pour cela, on a choisi une séquence de cycles à longueur croissante. Pour chaque longueur ai, on réalise 5 cycles avant de passer à la longueur suivante. Les lon- gueurs choisies (en cm) sont : a1 = 0, 5, a2 = 1, 5, a3= 2, 5, a4= 5, a5 = 7, 5 et a6 = 10.
Cette procédure est réalisée pour chaque nouveau chargement (C1, C2 et C3).
La figure 4.9a montre un exemple (essai 5, chargement C2) de l’effet de l’état initial
sur le résultat de la contrainte de cisaillement à la paroi S. Les premiers cycles présentent des montées de contrainte supérieures à la valeur stabilisée, atteinte seulement après un certain nombre de changements de sens de cisaillement. Sur la figure 4.9b on observe la tendance globale de compaction (décroissance du volume) de l’échantillon à mesure que les cycles se déroulent. Ce comportement est observé dans tous les échantillons.
-10 -5 0 5 10 -50 -25 0 25 50
effet de l'état initial effet de l'état initial
(a) S ( k P a ) D (cm) -10 -5 0 5 10 -2,0x10 5 -1,5x10 5 -1,0x10 5 -5,0x10 4 0,0 V stabilisé compaction (b) V ( m m 3 ) D (cm)
Fig. 4.9 – (a) Contrainte de cisaillement à la paroi S et (b) variation volumique ∆V en fonction du déplacement de la paroi D dans la première phase de préparation de l’échantillon. Sur (a), détail de l’effet de l’état initial sur les contraintes mesurées sur les premiers cycles. Sur (b), en gris, des cycles postérieurs à la séquence initiale de préparation de l’échantillon (phase 2), de longueur a = 5 cm dont la variation volumique ∆V est stabilisée. Essai 5, chargement C2.
Les premiers cycles présentent des variations volumiques importantes accentuées par les changements de sens. À mesure que le matériau se compacte et que la longueur des cycles augmente, on commence à observer un comportement compactant juste après les inversions de sens de cisaillement et dilatant au cours des longs déplacements (la figure 4.8b schématise ce phénomène). Un comportement compactant global, dans ce cas, indique que les variations volumiques ∆V de compaction dues aux inversions de sens sont plus fortes que celle de dilatance au cours des déplacements D.
Avec l’avancement des cycles, la tendance globale de compaction diminue et le cycle se stabilise. Sur la figure 4.9b, en détail, on observe 5 cycles de longueur a = 5 cm (correspondants à une partie de la phase suivante de préparation de l’échantillon). On vérifie, que les cycles commencent à se superposer, ce qui caractérise la stabilisation du