Présentation des expériences

Grâce au projet européen TIMODAZ (2007-2010), nous disposons d'une base de données d'essais concernant l'Argile de Boom soumis à différents chemins de contraintes et chemins thermiques. Les différentes expériences modélisées, dont nous discutons dans ce chapitre, sont principalement issues de ce projet. Celles-ci proviennent plus particulièrement du laboratoire 3S-R (Sols, Solides, Structure, Risques) de l'Université Joseph Fourier (UJF) de Grenoble, du laboratoire du CERMES de l'Ecole Nationale des Ponts et Chaussées (ENPC) à Paris, et finalement du laboratoire ARGENCO - GEO³ à l'Université de Liège. Une description complète des essais est disponible dans TIMODAZ (2010a). Les expériences de Baldi et al., (1991) et de Coll (2005) antérieures à ce projet font également l'objet d'une présentation.

Descriptions des essais réalisés avant le projet TIMODAZ

Baldi et al. (1991) réalisent des essais triaxiaux de compression dans des conditions drainées. Une phase de compression triaxiale, réalisée en augmentant la déformation axiale fait suite à un chargement isotrope dans des conditions drainées. Lors de ces essais, deux cycles de déchargement/ chargement sont effectués pour différentes valeurs de déformation. Deux pressions de confinement sont testées: 2 et 3 MPa (Figure 78(c)). Ces essais sont respectivement appelés TBOOM2 et TBOOM3 en fonction du confinement appliqué. L'essai TBOOM2 est confiné à une valeur de 2 MPa avant le cisaillement. Lors de l'essai TBOOM3, l'échantillon voit son confinement évoluer de 2 à 4.5 MPa puis une phase de cisaillement est réalisée après avoir déchargé de façon isotrope l'échantillon jusque 3 MPa. Les résultats des essais TBOOM2 et TBOOM3 sont présentés à la Figure 78. On observe Figure 78(a) les évolutions des contraintes déviatoriques en fonction des déformations axiales. Un comportement adoucissant est remarqué pour les deux essais sur ces courbes avant rupture complète de l'échantillon. En ce qui concerne l'évolution des déformations volumiques

147 (Figure 78(b)), un comportement contractant est noté pour l'essai TBOOM3 alors que TBOOM2 présente un comportement dilatant après rupture.

(a) Contrainte déviatorique (b) Déformation volumique

(c) Chemin de contraintes

Figure 78: (a) Evolution de la contrainte déviatorique en fonction de la déformation axiale. (b) Evolution des déformations volumiques en fonction des déformations axiales. (c) Chemin de contraintes dans le plan

des invariants (p', q) (Baldi et al., 1991)

Les essais de Coll (2005) sont des essais drainés de compression triaxiale axisymétrique pour différentes valeurs de confinement, de 0.4 MPa à 2.3 MPa (Figure 79(c)). Cette dernière valeur de confinement correspond à la valeur de la contrainte de confinement in situ. La Figure 79 présente les principaux résultats des expériences. BC08 et BC19 font référence à des essais soumis à un confinement de 0.4 MPa, tandis que BC07 et BC20 sont relatifs à un confinement de 2.3 MPa. Le comportement déviatorique est illustré (Figure 79(a)), celui-ci présente une faible diminution de la contrainte en fin d'essai pour la majorité des échantillons testés. Le comportement volumique est principalement contractant même si une tendance à la dilatance en fin d'essai est observée mais de façon moins marquée que pour les essais de Baldi. Par contre, l'essai BC08 présente clairement de la dilatance à la fin de l'expérience.

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(a) Contrainte déviatorique (b) Déformation volumique

(c) Chemin de contraintes

Figure 79: (a) Evolution de la contrainte déviatorique en fonction de la déformation axiale. (b) Evolution des déformations volumiques en fonction des déformations axiales. (c) Chemin de contraintes dans le plan

des invariants (p', q) (Coll, 2005)

Description des essais réalisés dans le cadre du projet TIMODAZ

Le laboratoire 3S-R de Grenoble a réalisé plusieurs expériences, deux types d'essais de cisaillement triaxial non drainé et un essai drainé sont proposés. Le premier type d'essai non- drainé correspond à un essai triaxial non conventionnel (BCTimodaz05) dont le chemin de contraintes emprunté se rapproche d'un chemin de contraintes suivi en paroi lors de l'excavation d'un tunnel. Durant cette expérience, un déconfinement et une augmentation de contrainte axiale sont simultanément appliqués à l'échantillon (courbe(a) Figure 80). Le deuxième type (BCTimodaz06) d'essai consiste en un essai triaxial non drainé classique (courbe(b) Figure 80). Dans les deux cas, les échantillons subissent une phase de consolidation avant le cisaillement. En plus de ces essais, un chemin de cisaillement dans des conditions drainées est également suivi (BCTimodaz02). Après la consolidation et le cisaillement, les échantillons sont soumis à un cycle de chauffage et refroidissement.

149 Pour l'ensemble de ces essais, les conditions initiales d'état de contrainte sont identiques à celles in situ, une pression totale de 4.5 MPa et une pression d'eau de 2.2 MPa sont adoptées. La pression effective de confinement est donc de 2.3 MPa.

Figure 80: Représentation des chemins de contrainte dans le plan (p, q) suivis lors des essais

Les résultats en termes d'évolution des contraintes déviatoriques, de pression d'eau et de déformation volumique sont illustrés à la Figure 81. On observe que la valeur atteinte par le déviateur lors de l'essai non-conventionnel est élevée en comparaison des autres tests (Figure 81(a)). Aucun adoucissement n'est noté sur ces essais. Une chute des pressions d'eau très importante est notée lors de l'essai non-conventionnel BCTimodaz05 (Figure 81(c)). Les deux essais BCTimodaz02 et BCTimodaz06 présentent un comportement purement contractant (Figure 81(b) et Figure 81(c)). L'essai non-drainé BCTimodaz06 présente un chemin de contraintes anormal par rapport aux essais non-drainés classiques (Figure 81(d)) dont le chemin de contraintes effective est purement déviatorique dans la zone élastique. Une saturation partielle ou un gonflement de l'échantillon lors de l'essai pourrait expliquer ce genre d'anomalie.

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(a) Contrainte déviatorique (b) Déformation volumique

(c) Pression d'eau (d) Chemin de contraintes

Figure 81: Résultats des expériences réalisées par UJF. (a) Evolution des contraintes déviatoriques en fonction des déformations axiales. (b) Evolution des déformations volumiques en fonction de la déformation axiale. (c) Evolution des pressions d'eau lors du cisaillement non-drainé. (d) Chemin de

contraintes dans le plan des invariants des contraintes effectives

Les essais du CERMES sont réalisés sur des cylindres creux d'Argile de Boom. Les échantillons ont un diamètre intérieur de 60 mm, un diamètre extérieur de 100 mm et une hauteur de 70 à 80 mm. Pour plus de détails concernant la cellule triaxiale développée pour ce type d'échantillon, on renvoie à Monfared et al. (2010). En appliquant une pression identique à l'intérieur et à l'extérieur, on retrouve un essai triaxial standard. L'avantage de ce type de cellule est le court chemin de drainage qui permet plus rapidement de réaliser des essais drainés. Un autre intérêt provient de la possibilité de mesurer la perméabilité radiale ou horizontale.

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Figure 82: Cylindre creux fait d'Argile de Boom testé par le CERMES (TIMODAZ, 2010a)

La contrainte totale est identique à celle estimé in situ à Mol à 223 m de profondeur au laboratoire souterrain, soit 4.5 MPa. La pression d'eau quant à elle vaut 2.25 MPa, en conséquence de quoi, la contrainte effective vaut 2.25 MPa. Pour obtenir cette contrainte effective, l'échantillon est soumis à une pression totale de confinement de 3.25 MPa avec une contre pression de saturation ("Back pressure") de 1 MPa. Le programme expérimental comprend une phase de consolidation, une phase de chargement déviatorique drainé ou non et finalement une phase de chauffage non-drainé sous déviateur. La Figure 83 présente les chemins de contrainte pour les deux expériences. Dans le cas non-drainé (Figure 83 (b)), l'essai de cisaillement est réalisé à contrainte moyenne totale constante jusqu'à une valeur de 2 MPa de contrainte déviatorique suivie d'une chute de cette contrainte uniquement due à la relaxation du piston de l'appareil.

Figure 83: Représentation des chemins de contraintes étudiés par le CERMES (D'après Monfared 2011, TIMODAZ, 2010a)

La Figure 84 présente les résultats de ces deux essais. Le comportement déviatorique est décrit à la Figure 84(a), celui-ci présente un plateau dès que la contrainte de 2MPa est atteinte. Le comportement volumique de l'essai drainé est principalement contractant comme illustré

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Figure 84(b). L'essai non-drainé présente une faible diminution des pressions d'eau suivie d'un plateau (Figure 84(c)).

(a) Contrainte déviatorique (b) Déformation volumique

(c) Pression d'eau (d) Chemin de contraintes

Figure 84: Résultats des expériences réalisées par CERMES. (a) Evolution des contraintes déviatoriques en fonction des déformations axiales. (b) Evolution des déformations volumiques en fonction de la déformation axiale. (c) Evolution des pressions d'eau lors du cisaillement non-drainé. (d) Chemin de

contraintes dans le plan des invariants

Les essais réalisés par le laboratoire ARGENCO - GEO³ de l'Université de Liège consistent en quatre essais triaxiaux non-drainés sur des échantillons cylindriques d'Argile de Boom. Ces essais de cisaillement non-drainé sont réalisés sur des échantillons prélevés perpendiculairement et parallèlement à la stratification (Figure 85). Les essais nommés ULg EXP 3 et ULg EXP 5, sur la Figure 86, sont perpendiculaires à la stratification. Les essais, ULg EXP 1 et ULg EXP 2, sont respectivement parallèles à la stratification selon les directions 3 et 2 (Figure 85). La pression effective de confinement est de 2.3 MPa et les échantillons sont supposés saturés. La Figure 86 présente les résultats expérimentaux de cette campagne d'essai. Alors que les essais ULg EXP 1 et ULg EXP 2 présentent des courbes classiques d'évolution de contrainte déviatorique et de pression d'eau, les courbes relatives aux essais ULg EXP 3 et ULg EXP 5 montrent très rapidement une anomalie dans les courbes

153 d'évolution des contraintes déviatoriques et de pression d'eau. Par exemple pour ULg EXP 3, une brusque chute des pressions d'eau est observée (Figure 86(b)) lors du cisaillement alors que les contraintes déviatoriques continuent d'augmenter (Figure 86(a)). Les évolutions des pressions d'eau sont plus importantes pour ULg EXP 5 en comparaison des autres essais (Figure 86(b)). Différentes chutes de pression sont observées avant la probable rupture de l'échantillon caractérisé par la chute de la contrainte déviatorique (Figure 86(a)). Ces phénomènes sont observables sur les courbes des chemins de contraintes Figure 86(c) où le comportement de ULg EXP 3 et ULg EXP 5 est erratique alors qu'il aurait dû suivre un chemin déviatorique comme ULg EXP 1 et ULg EXP 2.

Figure 85: Orientation de la prise des échantillons par rapport à la stratification

(a) Contrainte déviatorique (b) Pression d'eau

(c) Chemin de contraintes

Figure 86: Résultats des expériences réalisées par GEO³ -ARGENCO. (a) Evolution des contraintes déviatoriques en fonction des déformations axiales. (b) Evolution des pressions d'eau lors du cisaillement

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Synthèse de l'ensemble des essais

Comme nous venons de le voir, une série d'essais est disponible dans le cadre du projet TIMODAZ et hors de ce projet. On rassemble dans cette section, les différents essais de façon à mettre en évidence les chemins de contraintes disponibles. La figure suivante rassemble les chemins de contrainte des essais drainés de Baldi et al. (1991), Coll (2005), CERMES et du de l'UJF (BCTimodaz02). Différents confinements sont utilisés ce qui permettra dans une étape ultérieure de déterminer une valeur plus précise des différents paramètres de résistance que sont l'angle de frottement et la cohésion.

Figure 87: Synthèse des chemins de contraintes pour l'ensemble des essais drainés

La Figure 88 montre les évolutions des contraintes déviatoriques pour l'ensemble des essais drainés. On remarque une bonne concordance des essais réalisés à des confinements supérieurs ou égaux à 2 MPa.

Figure 88: Evolution des contraintes déviatoriques en fonction de la déformation axiale pour l'ensemble des essais drainés

155 La Figure 89 montre les évolutions des déformations volumiques pour l'ensemble des essais. Une certaine hétérogénéité des résultats est remarquée mais ceux-ci évoluent dans un même fuseau. Le comportement semble principalement contractant.

Figure 89: Evolution des déformations volumiques en fonction de la déformation axiale pour l'ensemble des essais drainés

La Figure 90 rassemble les différents chemins de contraintes pour l'ensemble des essais non- drainés.

Figure 90: Synthèse des chemins de contrainte des essais non-drainés dans le plan des invariants

La Figure 91 rassemble les différentes évolutions des contraintes déviatoriques lors de ces essais non-drainés. Les résultats semblent évoluer dans un même fuseau et aucun adoucissement n'est observé lors de ces essais. L'essai BCTimodaz05 montre des valeurs déviatoriques atteintes plus importantes en comparaison des autres essais.

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Figure 91: Synthèse des données de laboratoire des essais non-drainés dans le plan des déformations

axiales et des contraintes déviatoriques (εεεεa, q)

La Figure 92 rassemble les différentes évolutions des pressions d'eau. Les résultats semblent similaires et l'évolution des pressions est principalement contractante à l'exception de BCTimodaz05 qui montre une chute des pressions importante.

Figure 92: Synthèse des données de laboratoire des essais non-drainés dans le plan des déformations axiales et des pressions d'eau

4.3 Modélisation hydro-mécanique des essais triaxiaux réalisés à