1.3 Propriétés mécaniques des sols gelés
1.3.8 Quelques renseignements pratiques sur la résistance des sols gelés
1.3.8.1 Effet de la teneur en glace
Comme nous l'avons mentionné auparavant, la résistance d'un sol gelé varie avec sa teneur en glace. Ceci est bien visible dans la figure (1-14), qui montre comment la résis-tance en compression non confinée d'un sable gelé varie
(b)
0
33
1. fl F f dl I Il dl ff 1
•
• -2 ° C -6° C -10! C -15- C 210-7 10-6 urI
s 10-2
I Il ,1 . . .1 . .
PLASTIQUÉ
-2°C -6°C -10°C -15°C
( FRAGILE
•
20 40 60 80 100
TENEUR E; EAU TOTALE, % Figure 1-14 Effet de la teneur en eau totale sur la
résis-tance en compression non confinée d'un sable fin gelé (T = -12°C) (Ladanyi, 1981, d'après Baker, 1979).
avec sa teneur en glace, w g. À l'origine (w g = 0), le sable est sec et sa résistance non confinée est nulle. A l'autre bout, dès que la teneur en glace dépasse environ 58 °/0, la résistance ne diffère pas beaucoup de celle de la glace pure, parce que les grains de sable ne se touchent plus.
Entre ces deux extrêmes, la résistance montre un sommet, qui correspond à la meilleure combinaison de la résistance de la glace interstitielle et celle fournie par le frottement et la dilatance entre les grains du sable. Du côté gauche du sommet, le sable est non saturé, tandis que du côté droit, les grains sont- de plus en plus séparés par la glace.
1.3.8.2. Effet de la vitesse de déformation •
Là figure 1-15 montre comment l'augmentation de la vites-se de déformation conduit à une forte variation de l'allure des courbes contraintes-déformations pour un sable gelé.
Avec la vitesse de déformation croissante, le sable devient, en effet, de plus en plus fragile et se brise à des déforma-tions plus faibles. On voit ceci encore mieux si l'on porte les déformations de rupture en fonction du taux de défor-mation (Fig. 1-16). On y voit deux domaines bien distincts : plastique, à faible taux, dominé par le frottement, et fragile, à taux élevé, dominé par les liens de cimentation de glace qui se brisent d'une façon fragile.
La figure 1-17 montre que les courbes rhéologiques pour un sable gelé ont aussi deux domaines distincts, avec un point de changement de pente à environ 10 -5 sec-1 . Pour des vitesses plus élevées que celle-ci, l'exposant n 10 dans l'équation (1-25), tandis qu'en bas de cette vitesse, n tend vers des valeurs entre 5 et 3. •
La figure 1-18 montre qu'une sollicitation dynamique con-duit à une sorte réduction de la, résistance et à une plus forte sensibilité de. la résistance au taux de déformation (c'est-à-dire ndyn < n stat) •
1 2 3 4 5 6
DEFORMATION AXIALE, %
Figure 1-15 Courbes contraintes-déformations typiques pour un sable gelé à trois taux de défor-mation différentes (T = -10°C) (Ladanyi, 1981, d'après Bragg & Andersland, 1980).
10
g
ce 1 0 E.
g 0.1
'à te 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2
TAUX DE DEFORMATION AXIALE, s -1
Figure 1-16 Déformation de rupture en fonction du taux de déformation, pour un sable gelé (Ladanyi, 1981, d'après Bragg & Andersland, 1980).
TAUX DE DEFORMATION AXIALE, s-I
Figure 1-17 Résistance en compression en fonction du taux de déformation pour un sable gelé et pour différentes températures (Ladanyi, 1981, d'après Bragg & Andersland, 1980).
R E SIS TAN C E E N C OMPR E SSIO N, MP
PARAI.ESWARAN, 1980 ---- BRAGG ET ANDERSLAND, 1980
LI ET ANDERSLAND, 1980
CU= 6.89 MPa
5.51 2.76
1.3g-
.
2 4 6 8 10 12
DEFORMATION, e %
£1.6
t-12
Sable, 2ème pic
e- Sable, ler pic
8 12 16 20
a', mPa
10
-6°C •"" -
-•"" -2 C CHARGE STATIQUE
10
Figure 1-18 Comparaison des résistances en compres-sion d'un sable gelé en sollicitation statique et dynamique (Ladanyi, 1981, d'après Li &
Andersland, 1980).
1.3.8.3 Effet de la pression normale
La figure 1-19 (a) montre un ensemble de courbes con-traintes-déformations obtenues avec un sable gelé dans des essais de compression triaxiale à quatre différentes pressions de confinement. Ces courbes manifestent deux points de rupture : le premier, à faible déformation, repré-sentant la rupture de la glace interstitielle, et le deuxième, à beaucoup plus forte déformation, la rupture par cisaille-ment du squelette de sable. En portant ces résultats dans un diagramme de Mohr (Fig. 1-19 b), on obtient les courbes intrinsèques typiques pour un matériau cimenté, qui se croisent à une pression o"T• Le comportement est fragile en bas de cri-, et devient plastique et durcissant à des contraintes normales plus élevées que Œ -r-
1.3.8.4 Effet de la température
La figure 1-20 montre comment les résistances à la com-pression et à la traction uniaxiale d'un sut gelé varient avec la température et la vitesse de déformation. On y voit que la résistance à la traction est beaucoup moins affectée par la vitesse de déformation et par la température que la résistance à la compression. En conséquence, le rapport entre les résistances à la compression et à la traction croît avec l'abaissement de la température et avec l'augmenta-tion du taux de déformal'augmenta-tion, c'est-à-dire que le sol devient de plus en plus fragile. On voit cette même tendance dans la figure 1-26, valable pour une température constante de - 9,4°C.
Les figures 1-22 (a) et (b) donnent des résistances à la compression uniaxiale pour deux sables différents, en fonction de la température et du temps jusqu'à la rupture.
On voit que les courbes obtenues sont légèrement con-vexes vers le haut, ce qui permet de les exprimer par des lois de puissance telles que l'équation (1-35).
On trouve le même type de courbes aussi dans la figu-re 1-23 (a) et (b), figu-respectivement pour un sin et une argile gelée.
Figure 1-19 Résultats des essais de compression triaxiale avec le sable d'Ottawa (T = –3,85 °C, taux = 5 x 10 -4 s-1 ): (a) Courbes contraintes-déformations pour différentes pressions de confinement, (b) Enveloppes de Mohr pour le sable d'Ottawa et pour la glace polycrystal-line (Ladanyi, 1981, d'après Sayles, 1973).
1.3.8.5 Paramètres de fluage obtenus pour quelques sols gelés typiques
Étant donné qu'une étude expérimentale complète des lois de fluage d'un sol gelé donné exige un grand nombre d'essais bien contrôlés à long terme et en utilisant un équipement spécial, le nombre total de telles études est resté jusqu'à présent relativement faible. Nous en donnons plus loin quelques résultats cités dans, la littérature. Pour les besoins du présent guide, nous avons exprimé ces résultats sous la forme de l'équation de fluage primai-re, Éq. (1-29) où, cr ce est exprimé par l'équation (1-35). Les paramètres de fluage qui interviennent dans ces équations sont : les exposants b, n et w, et la contrainte de réfé-rence cr„, qui correspond à 0 = 0 et au taux de déforma-tion de référence, é = 10 -5h-1 , (Oc = 1°C toujours). Les valeurs de ces paramètres sont données dans le tableau 1-4 et les propriétés géotechniques des sols en question sont données dans le tableau 1-5.
2
g 0.1
35
°C
0 72 4 -6 -8
Z000 1,
cq
0 Pl 2000
STANTANEE
Cf)
H 8000
CI)
500
o
32 30 25 20
IEMPERATURE..F
SABLE D'OTTAWA
100 h,
000
I Lon; - term 15
-10 -20 -30 -40 -50 -60 Temperature, °C
Figure 1-20 Effet de la température sur les résistances en compression et en tension uniaxiale d'un sut gelé (Haynes & Karalius, 1977).
100
cq
0 2000
er.
r-1 exis C.)
E-1 1000 ri) H
TEMPERATURE..F
SABLE DE MANCHESTER
0.14
1 •3 162 16 • 100 loi Figure 1-22 Effet de la température sur la résistance
TAUX DE DEFORMATION, S-1 non confinée pour deux sables gelés (Sayles,
1968).
Figure 1-21 Effet du taux de déformation sur les résis- tances en compression et en tension d'un sut gelé .(T = -9,4°C) (Haynes et al., 1975).
1500
INSTANTANEE
10 1000
>2000 heures
20 Temperature •F
(a) SILT D HANOVER
500
16
INSTANTANEE
16
heures
24 0
Temperature •F
(b) ARGILE DE SUFFIELD
cst 600 o
- 8-1
(vo a.
•0 H
o
Figure 1-23 Effet de la température sur la résistance en compression non confinée pour un silt et une argile (Sayles &
Haines, 1974).
TABLEAU 1-4
Sol Référence c•co, MPa Note
Argiles
A. de Suffield Sayles & Haines, 1974 0.33 2.38 1.2 0.17
A. Bat-Baioss Vyalov, 1962 0.45 2.50 0.97 0.18
Silts et limons
Silt de Hanover Sayles & Haines, 1974 0.15 2.04 0.87 2.25
Limon Callovien Vyalov, 1962 0.37 3.70 0.89 0.31
Silt, riche en glace non remanié
(10-8 < E< 10-4h-1) McRoberts et al., 1978 1.00 3.00 0.60 0.071 long terme Sables
Sable d'Ottawa Sayles, 1968 0.45 1.28 1.00 1.05
Sable fin de Manchester Sayles, 1968 0.63 2.63 1.00 0.16
Sable silteux de Karlsruhe Meissner & Eckardt, 1976 0.40 2.00 1.00 0.30 long terme Sol très riche en glace
ou la glace polycristalline
Morgenstern et al., 1980 1.00 3.00 0.37 0.103
(0 5 1 ° C; taux de déf. : 10-7 à 10-2h4)
37
Tableau 1-5
Dans le tableau suivant, on donne les propriétés physiques de ces sols, telles que rapportées.
Sol <0.002
mm
>0.1 mm
WL
wp
Gs Mg/m3
Pd
Mg/m3
Argile de Suffield 31 0 35 20 2.69 98.5 1.045 1.312 1.79
Argile de Bat-Baioss i 30 10 51.2 23.6 2.73 0.59 1.72 2.06 à
2.15
Silt de Hanover 2 18 2.74 99.5 0.923 1.42 1.86
Silt riche en glace 2 20 6 33 à 60 25 à 50 100 1.2à
1.45
Limon Callovien 3 2 10 2.70 0.64 à 1.50-
0.79 -1.65
Sable d'Ottawa (20-30 mesh) — 2.65 100 0.587 1.67
Sable fin de Manchester 0 10 2.67 98.7 0.770 1.51
1 w = 20 à 24 % 2 w = 50 à 150 % 3 w = 39 à 44 % Notation :
Pd
Wb Wp = limites d'Atterberg
G, gravité spécifique des grains
= degré de saturation
= indice des vides
masse volumique sèche masse volumique totale
MODULE DE YOUNG, GPa