Étude du comportement des sols granulaires moyennement denses sous sollicitations monotones et cycliques

(1)

UNIVERSITE DE SHERBROOKE

Faculte des sciences appliquees

Departement de genie civil

ETUDE DU COMPORTEMENT DES SOLS GRANULAIRES

MOYENNEMENT DENSES SOUS SOLLICITATIONS

MONOTONES ET CYCLIQUES

These de doctorat es sciences appliquees (Ph.D.)

Specialite: genie civil

4N^-^A^

~cr

Muhsin Elie RAHHAL

Sherbrooke (Quebec), CANADA Decembre 1996

.^ %?

(2)

1*1

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0-612-26395-9

(3)

ffCfest lorsque nous sommes eloignes de notrepays que nous

sentons surtout Vinstinct qui nous y attache"

(4)

Study of the Behaviour of Medium Density Granular Soils

Under Monotonic and Cyclic Loading

Ph.D. Thesis in Civil Engineering

December, 1996 Universite de Sherbrooke, Sherbrooke, Qc, CANADA

SUMMARY

In geotechnical engineering, the mechanical behaviour ofgranular soils under monotonic and cyclic loadmg continues to be an important research subject because of the devastating human and material damages that a rupture in a foundation or an earth embankment might generate. Although medium-density granular soils are very often found in the foundations, there has been little work carried out on these soils compared to loose soils.

An intensive laboratory study of the behaviour of five foundation sands (% of silt varying

between 2 and 42%, and Dso varying between 0,55 and 0,09 mm) was undertaken through a wide experimental program (drained triaxial, undrained triaxial, oedometer, monotonic DSS (direct sunple shear), cyclic DSS, resonant column).

The monotonic and cyclic behaviour of these sands was related to the state parameter: for the same confining stress and the same density index, soils showing the higher dilatant behaviour were the most resistant. This result was observed under different types of loading. Moreover, the influence of gradation on soil behaviour was analysed. The question of the uniqueness of the ultimate state for soils was raised: the care that should be taken in the determination of this state under drained or undrained triaxial testing conditions was outlined. On the other hand, the effect of static preshearing on the cyclic shear strength was investigated. The importance of the choice of mpture criteria was explained and an inteq)retation of this rupture as a function of deformation or liquefaction was realised. The criterion expressed in terms of defomiation was the most critical in

the presence of high preshearing. For the densities (« 60%) examined in this thesis, the shear

strength generally increased in the presence of preshearing. The resonant column tests confirmed

the results of the triaxial and DSS tests as far as the effect of preshearing and the influence of

gradation on the shear strength are concerned.

Finally, modelling the monotonic and cyclic behaviour of medium-density granular soils was realised in France using the elastoplastic constitutive model of Hujeux. This model derives from

the Cam-Clay model, and is utilised by Electricite de France in the GEFDYN Code. This

modelling helped in clarifying certain differences existing between the simple shear and the triaxial

tests. The differences located mainly at the ultimate state and the fiiction angle were attributed to

(5)

RESUME

En geotechnique. Ie comportement mecanique des sols granulaires sous un regime de chargement monotone ou cyclique revet continuellement une attention grandissante a cause des consequences humaines et materielles desastreuses qu'une mpture dans une fondation ou un ouvrage en remblai pourrait engendrer. Malgre Ie fait que 1'indice de densite des sols granulaires rencontres sous les ouvrages d'art soit souvent de 1'ordre de 60%, ces sols moyennement denses ont ete peu documentes dans la litterature.

Une etude intensive du comportement de cinq sables (% silt variant de 2 a 42%, et un Dso variant de 0,55 a 0,09 mm) de fondation a ete entreprise dans cette these, et ce a travers une campagne d'essais (triaxial draine, triaxial non draine, oedometre, DSS monotone, DSS cyclique et colonne de resonance).

Le comportement monotone et cyclique de ces sables s'est avere etre relie au parametre d'etat: pour Ie meme confinement et la meme densite, les sols ont ete d'autant plus competents que leur tendance a la dilatance etait plus elevee. Ce resultat a ete d'ailleurs observe pour les difFerentes sollicitations etudiees. De plus, 1'influence de la granulometrie a ete analysee en termes de Dso. La question de 1'unicite de 1'etat ultime des sols a aussi ete traitee, et en particulier Ie soin qu'il faudrait porter a la determination de cet etat dans les essais triaxiaux draines et non draines. Par ailleurs, 1'efEet du precisaillement statique sur la resistance au cisaillement notamment cyclique a ete analyse. Dans ce sens, 1'importance du choix d'un critere de mpture a ete notee et 1'interpretation en termes de mpture par deformation ou de mpture par liquefaction a ete proposee, la rupture par deformation devenant d'autant plus critique que Ie precisaillement etait plus eleve. Pour les indices de densite («60%) examines dans la presente etude, la resistance au cisaillement a generalement augmente en presence du precisaillement. Les essais a la colonne de resonance sont venus confirmer les resultats obtenus au triaxial et au DSS en termes de competence, d'efFet du precisaillement, et de 1'influence de la granulometrie.

Finalement, une modelisation du comportement monotone et cyclique de ces sols a ete

realisee en France a 1'aide de la loi Hujeux. Cette loi elastoplastique de type Cam-Clay utilisee par

Electricite de France dans Ie code GEFDYN a aide a clarifier certaines differences qui existent

entre les essais de cisaillement simple et les essais triaxiaux. Ces differences ont ete relevees au

niveau de 1'etat ultime et de la fhction maximale mobilisee et ont ete attribuees aux conditions

limites imposees par les essais. La modelisation a assez bien reproduit les essais de laboratoire.

(6)

REMERCIEMENTS

En premier, je tiens a adresser mes plus sinceres remerciements a mon directeur de recherche, monsieur Guy Lefebvre, professeur titulaire au Departement de Genie Civil de lUniversite de Sherbrooke, pour la qualite de son encadrement, ses conseils genereux, son encouragement constant, et surtout pour m'avoir fait beneficier de son experience pendant toute la duree de mes etudes de doctoral.

La realisation de ce projet de recherche a etc rendue possible grace a un protocole d'echange et de collaboration scientifique entre Hydro-Quebec, Electricite de France, 1'Ecole Nationale des Travaux Publics de FEtat en France, et 1'Universite de Sherbrooke.

J'exprime ainsi ma gratitude au docteur Jean-Jacques Fry et a monsieur Fran^ois Laigle, ingenieurs du service Etudes et Developpements du Conseil National de

1'Equipement Hydraulique (CNEH), a Electricite de France a Chambery (France), pour leur

enrichissante collaboration, leurs bonnes recommandations, et tout Ie temps qu'il ont pu me consacrer pendant mon travail de recherche en France. Mes remerciements vont aussi a tout Ie personnel du CNEH, et particulierement au service Etudes et Developpements pour m'avoir accueilli parmi eux a 1'automne 1994 et a 1'hiver 1996.

Je remercie aussi messieurs Yves Gratton et Oscar Dascal, ingenieurs de la section Securite des Barrages d'Hydro-Quebec, et messieurs Robert Piche et Bachir Touileb, ingenieurs de la section Geologie et Structures d'Hydro-Quebec, pour toutes les informations pertinentes au barrage Manic 3 qu'ils ont su me foumir.

Je remercie Ie professeur Denis LeBoeuf de 1'Ecole de Technologie Superieure de Montreal, c'est avec lui quej'ai beaucoup de plaisir a discuter dynamique des sols.

Je remercie aussi les professeurs du departement de Genie Civil de 1'Universite de Sherbrooke avec qui j'ai eu a travailler pendant mes etudes. Je desire egalement remercier messieurs Jean-Guy Lemelin et Erie Drouin, techniciens du laboratoire de Mecanique des

(7)

Sols pour leur aide dans la realisation des essais. Je n'oublie pas d'exprimer ma gratitude a madame Nicole Laverdiere pour 1'excellente dactylographie des rapports d'etape. Un grand merci aussi a madame Marielle Beaudry du secretariat pour sa grande serviabilite.

Que dire aussi de tous les amis et amies que j'aurais connus pendant la preparation de cette these! Je veux remercier tous mes collegues etudiants et etudiantes a la maltrise et au

doctorat du departement de Genie Civil en general et du groupe de Mecanique des Sols en

particulier, qui ont su creer une ambiance de travail tres interessante. Les salutations vont aussi aux personnes qui m'ont endure dans la salle des ordinateurs pendant ma redaction de these, et a celles avec qui je partageais Ie cafe intellectuel tous les matins de la semaine. Merci aussi au monde de 1'association etudiante REMDUS, conseil executif et permanence,

avec qui j'ai appris Ie travail d'equipe et 1'esprit de solidarite. Merci aussi aux thesards et

stagiaires de Electricite de France a Chambery pour les discussions existentielles qu'on avait et les bonnes reflexions redigees sur Ie fameux tableau du bureau des thesards.

Merci a tous mes amis et amies personnels de Sherbrooke, du Quebec, de la France et du Liban pour m'avoir supporte: je ne vous nomme point, mais vous vous recormaitrez

assurement.

Ma grande reconnaissance va au College Notre Dame de Jamhour et a 1'American University of Beimt, ces deux institutions du Liban qui ont su me donner plus qu'une formation adequate pour me permettre de poursuivre des etudes graduees.

Et je garde pour la fin ce qui m'est de tres cher, mes parents et la famille au Liban, Elie, Liliane, Nathalie, Christiane et Wissam, qui meme dans les moments les plus difficiles et douloureux qui frappaient Ie pays des Cedres, et malgre la distance qui nous separait, m'ont sempitemellement encourage, et m'ont toujours appris a avoir la foi dans 1'avenir, et la joie de vivre...C'est evidemment a vous queje dedie avec fierte et reconnaissance ma these.

(8)

TABLE DES MATEERES

SUMMARY... ii RESUME... iii REMERCDEMENTS... iv TABLE DESMATIERES... vi LISTEDES FIGURES... x

LISTE DESTABLEAUX...^ xvii

1. INTRODUCTION... 1

1.1 Contexte etproblematique... 1

1.2 Lesobjectifs de la these... 4

1.3 Organisation de la these... 5

2. ETAT DES CONNAISSANCES... 6

2.1 Introduction... 6

2.2 Etude du comportement des sols granulaires au laboratoire... 7

2.2.1 Limitations des essais sous des sollicitations monotones ... 7

2.2.2 Limitations des essais sous des sollicitations cycliques... 8

2.2.3 Choix d'un essai pour etudier 1'etat ultime et Ie precisaillement statique initial... 12

2.3 Etat ultime des sols granulaires... 15

2.3.1 Etat critique... 15

2.3.2 Etat permanent de deformation... 17

2.3.3 Unicite de Fetatultimedes sols granulaires... 19

2.3.4 Etatcaracteristique... 23

2.3.5 Autres Concepts... 24

2.3.6 Conclusion... 26

2.4 Effet de la contrainte de precisaillement statique sur Ie comportement des sols granulaires... 27

2.4.1 Problematique... 28

2.4.2 Etude du precisaillement au laboratoire... 29

2.4.3 Interpretation du precisaillement statique initial en se basant sur les essais de laboratoire... 35

2.4.4 Interpretation des effets de la contrainte de precisaillement statique initial en termes des parametres fondamentaux du comportement du sable... 36

2.4.5 Conclusion... 38

3. DESCRIPTION DES SOLS ET PROGRAMME EXPERBiENTAL 39

3.2 Description des sols... 39

3.2.1 Les sables de Manic 3... 39

3.2.2 Les sables de Bersimis 2... 39

3.3 Determination desetatslimites de densite... 40

3.4 Programme d'essais... 43

(9)

4. ETUDE DU COMPORTEMENT DES SOLS GRANULAmES SOUS

CHARGEMENTMONOTONE... 44

4.2 Essais de chargementet de dechargement a 1'oedometre... 44

4.2.1 Presentation desresultats... 44

4.2.2 Discussion des essais... 45

4.3 Essais triaxiaux consolides draines CID... 45

4.3.1 Presentation des essais... 45

4.4 Essais triaxiaux consolides non drainesCIU... 57

4.5 Essais de cisaillement simple monotone... 66

4.5.2 Essais sans precisaillement statiquedraine... 67

4.5.3 Essais avec precisaillement statiquedraine... 68

4.5.4 Influence de la pression de consolidation... 69

4.5.5 Influence de la densite... 69

4.6 Analyse des resultats et determination de 1'etat ultime des sols granulaires... 78

4.6.1 Cheminement des contraintes du sable moyen 02... 78

4.6.2 Cheminement des contraintes pour Ie sable fin silteux 03 ... 79

4.6.3 Comparaison des essais triaxiaux a ceux du cisaillement simple (DSS)... 86

4.6.4 Etat critique - Etat permanent de deformation - Etat ultime... 86

4.6.5 Parametres d'etat pour Ie sable moyen 02, Ie sable fin silteux 03, Ie sable moyen 05, Ie sable fin 06... 94

4.6.6 Effondrement et liquefaction sous chargememt monotone... 97

4.6.7 Ligne de consolidation isotrope... 98

4.7 Conclusion... 98

5. ETUDE DU COMPORTEMENT DES SOLS GRANULAmES EN

CISAILLEMENT SIMPLE CYCLIQUE 108

5.2 Criteres de mpture... 110

5.3 Definition du precisaillement... Ill 5.4 Presentation des resultats... 116

5.5 Discussion des resultats des essais sans precisaillement... 117

5.6 Discussion des essaisavecprecisaillement... 120

5.7 Comparaison des resultats avec et sans precisaillement... 123

5.7.1 Sable fin etsilt de Manic 3 (04)... 123

5.7.2 Sable silteux de Manic 3 (03) ... 124

5.7.3 Sable moyen de Manic 3 (02)... 125

5.7.4 Sable moyen de Bersimis 2 (05)... 125

5.7.5 Sable fin de Bersimis 2 (06)... 125

5.8 Interpretation de 1'effet de d'une contrainte de precisaillement statique sur la resistance cycliquedes sols granulaires... 154

5.9 Comportement typique lors dtun cycle complet: Efifet du precisaillement... 158

(10)

5.10 Discussion de la competence mecanique de ces sols granulaires etudies sous

chargementmonotoneetcyclique... 162

6. ETUDE DES PROPREETES DYNAMIQUES DES SOLS GRANULAmES 166

6.2 Problematique... 166

6.3 Descnption de 1'essai a la colonne de resonance... 167

6.3.1 Prindpe de 1'essai... 167

6.3.2 Montaged'unessai... 168

6.3.3 Essais de vibration... 169

6.4 Presentation des essais realises... 170

6.5 Analyse des essais a petitesdeformations... 171

6.5.1 Comparaison avec des modeles empiriques... 172

6.5.2 Comparaison avec les tests in situ... 173

6.6 Analyse des essais a grandesdeformations... 186

6.6.1 Seuil critique de deformation... 186

6.6.2 EfFet de la contrainte statique imposee (precisaillement)... 187

6.6.3 Modules de cisaillement G et amortissement D en fonction de la deformation... 197

6.7 Discussion... 198

7 MODELISATION DU COMPORTEMENT DES SABLES DE

FONDATION DU BARRAGE MANIC 3 PAR LA LOI

ELASTOPLASTIQUE DE HUJEUX. 201

7.2 A proposducomportementelastoplastique... 202

7.3 Presentation des lois de comportement elastoplastique... 204

7.3.1 Modele Cam-Clay original... 204

7.3.2 Modele Hujeux monotone avec ecrouissage isotrope... 206

7.3.3 Modele Hujeux cyclique avec ecrouissage cinematique... 209

7.4 Parametres de la modelisation du comportement des sables 02 et 03 de Manic3 efifectuee a 1'aide de la loiHujeux... 211

7.4.1 Methodologie de choix de parametres... 212

7.4.2 Parametres de 1'etat elastique... 215

7.4.3 Parametres de 1'etat critique... 216

7.4.4 Parametres de 1'ecrouissagedeviatoire... 217

7.4.5 Parametres de 1'ecrouissage isotrope... 218

7.4.6 Parametres des domaines de comportement... 219

7.5 Presentation des resultats des simulations des essais par la loi Huj eux ... 220

7.5.1 Simulation des essais CD) triaxiaux draines... 220

7.5.2 Simulation des essais CIU triaxiaux non draines... 223

7.5.3 Simulation des essais DSS monotones avec et sans precisaillement .. 228

7.5.4 Simulation des essais DSS cycliques sans precisaillement... 233

7.5.5 Simulation des essais DSS cycliques avec precisaillement... 233

7.6 Discussion et synthese des simulations des essais de laboratoire par la loiHujeux... 236

7.6.1 Conclusions sur les essais triaxiaux: CBJetCID... 236

(11)

7.6.2 Conclusions sur les essais DSS monotones et les triaxiaux... 238

7.6.3 Effet du precisaillement dans les essais DSS monotones... 241

7.6.4 Conclusions sur les essais DSS cycliques sans precisaillement statique... 242

7.6.5 Conclusions sur les essais DSS cycliques avec precisaillement statique... 243

7.7 Conclusion... 244

CONCLUSIONS ... 246

ANNEXE 1: Procedures d'essais... 256

Al.l Essais d'identification... 256

A1.2 Essais de chargement et de dechargement a 1'oedometre... 256

A1.3 Essaistriaxiaux... 257

Al.3.1 Equipement... 257

Al.3.2 Preparation de 1'echantillon... 257

Al.3.3 Saturation et consolidation... 258

Al.3.4 Cisaillement... 259

A1.4 Essais de cisaillement simple... 259

ANNEXE 2: Figures des essais de cisaillement simple monotone DSS... 262

ANNEXE 3: Figures des essais de cisaillement simple cyclique: Courbes Ru - y - N... 277

ANNEXE 4: Exemples de fichiers de donnees pour la modelisation par la loi Hujeux... 294

ANNEXE 5: Resultats de la modelisation par la loi Hujeux de deux essais DSS

cycliques... 301

Bibliographic ... 312

(12)

LISTE DES FIGURES

Figure 2.1 Figure 2.2 Figure 2.3 Figure 2.4 Figure 2.5 Figure 2.6 Figure 2.7 Figure 3.1 Figure 3.2 Figure 3.3 Figure 4.1 Figure 4.2 Figure 4.3 Figure 4.4 Figure 4.5 Figure 4.6 Figure 4.7 Figure 4.8 Figure 4.9

Figure 4.10

Figure 4.11 Figure 4.12

Figure 4.13

Etats des contraintes dans un essai de cisaillement simple.

Definition de 1'etat ultune pour Ie cisaillement simple... 11

Cas pratiques de precisaillement statique dans un barrage :

utilisation du triaxial et du cisaillement simple. Interpretations

selon Ie cercle de Mohr... 14

Comportement statique non draine des sables satures a une densite

relative constante: (a) diagramme d'etat; (b) cheminement de

contraintes [ALARCON-GUZMAN et coll., 1988]. ... 20

Le potentiel de liquefaction en fonction de la droite d'effondrement

dans Ie plan (t,s') [SLADEN et coll., 1985]... 25

Cheminements normalises des contraintes pour les sables. Definition des surfaces limites [MCROBERTS et SLADEN, 1992]... 27

Relations entre a et K(a) [SEED et HARDER, 1990]... 36

Diagramme d'etat - Methode de correction des points d'etat pour une reference p' constante [PILLAI, 1991]... 37

Courbesgranulometriquesdes sables de Manic 3... 41

CourbesgranulometriquesdessablesdeBersimis2... 41

Relation entre 1'indice de densite ID et 1'indice des vides pour

les 5 sables etudies... 42

Essais triaxiaux draines CID surle sable 02 de Manic 3 ... 53

Essais triaxiaux draines CED sur Ie sable 03 de Manic 3... 54

EssaistriaxiauxdramesCIDsurlesable05deBersimis2... 55

EssaistriaxiauxdrainesCD)surlesable06deBersmus2... 56

Resultats des essais CHJ sur Ie sable 02... 64

ResultatsdesessaisCIUsur Ie sable 03 ... 65

Courbes contraintes-deformation en cisaillement simple,

sable 02, Manic 3

Efifetdupredsaillement... 76

Friction mobilisee en dsaiUement simple, sable 02, Manic 3

Effetdupredsaillement... 77

Cheminement des contraintes en cisaillement simple, sable 02, Manic 3 Effetdupredsaillement... 77

Cheminements des contraintes pour les essais realises sous une contrainte de consolidation o'3 c de 100 kPa sur Ie sable 02... 80

Cheminements des contraintes de tous les essais realises (CDD)

et(CIU)sur Ie sable 02... 82

(13)

Figure 4.14 Cheminements des contraintes pour les essais realises sous une

contrainte de consolidation 0*3 c de 400 kPa sur Ie sable 03... 84

Figure 4.15 Cheminements des contraintes de tous les essais realises (CID) et (CIU)sur Ie sable 03 ... 85

Figure 4.16 Etat ultime pour Ie sable 02 presente dans differents espaces... 99

Figure 4.17 Etat ultime pour Ie sable 02 presente dans 1'espace (e - log a'3)... 100

Figure 4.18 Etat ultime pour Ie sable 03 presente dans differents espaces... 101

Figure 4.19 Etat ultune pour Ie sable 03 presente dans 1'espace (e - log €'3)... 102

Figure 4.20 Effet de 1'etat initial sur 1'etat ultime du sable Erksak

[BEEN et coll., 1991]... 103

Figure 4.21 Diagramme montrant Ie resultat des simulations des essais draines et non draines a 1'aide du modele Nor-Sand. Les lignes F (non draine) et S (draine) sont presentees [BEEN et coll., 1992]... 103

Figure 4.22 Essais CIU sur Ie sable 02. Presentation des grandes deformations.. 104

Figure 4.23 Comparaison de 1'etat ultime des sables 02 et 03 de Manic 3 a

celui d'autres sables classes selon Ie coefficient d'unifomiite Cu [POULOS et coll., 1985]... 105

Figure 4.24 Relation entre Ie Dso et Ie parametre d'etat, ID= 64 a 68%... 106

Figure 4.25 Relation entre Ie pourcentage de silt et Ie parametre d'etat, ID= 64 a 68% ... 106

Figure 4.26 Cas de liquefaction statique pour Ie sable 03.. ... 107

Figure 4.27 Cas d'effondrementpourle sable fin silteux 03... 108

Figure 5.1 Courbes types d'un essai de cisaillement simple cyclique sans precisaillement (Tpc=0). Critere de mptire NUQ et NCYC ... 112

Figure 5.2 Courbes types d'un essai de cisaillement simple cyclique avec precisaillement (Tcyc> Tpc) Critere de mpture NUQ et NTOT. ... 113

Figure 5.3 Courbes types d'un essai de cisaillement simple cyclique avec precisaillement(Tcyc<'Cpc)CriteredemptureNTOT... 114

Figure 5.4 Cheminementdescontraintes pour troisessais types... 115

Figure 5.5 Courbes S-N, Manic 3, sables 02, 03... 133

Figure 5.6 CourbesS-N, Manic 3, sable 04... 134

Figure 5.7 Courbes S -N, Bersimis 2, sables 05, 06... 135

Figure 5.8 Courbes Ru - y - N, Manic 3, sables 02 Sans precisaillement... 136

Figure 5.9 Courbes Ru - y - N, Manic 3, sables 03 Sans precisaillement... 137

Figure 5.10 Courbes Ru - y - N, Manic 3, sables 02 Avec precisaillement, a=0,33... 138

Figure 5.11 Courbes Ru - y - N, Manic 3, sables 03 Avec precisaiUement, a=0,33... 139

Figure 5.12 Resistances cycliques Scyc = Tcyo/0'vc des differents sables testes sans precisaillement... 140

Figure 5.13 Resistances cycliques Scyc = Tcyc/0'vc des differents sables testes avec a < 0,20, critereNToT...•...••••••••••••••••••••••••••••• 141

(14)

Figure 5.14 Resistances cycliques Scyc = Tcyc/o'vc des diflferents sables testes avec

a» 0,30, critereNToT... 142

Figure 5.15 Resistances cycliques Scyc = Tcyc/0'vc des difiFerents sables testes avec

a> 0,40, critereNTOT... 143

Figure 5.16 Generation des pressions interstitielles pour les sables testes sans

precisaillementavecScyc=Tcyc/o'vc= 0,32 a 0,35... 144

Figure 5.17 Generation des pressions mterstitielles pour les sables testes sans

precisaillement avec Scyc = Tcyc/G'vc = 0,30 et 0,25... 145

Figure 5.18 Generation des pressions interstitielles pour les sables testes avec

un facteur de precisaillement a = 0,20 et 0,60... 146

Figure 5.19 Generation des pressions interstitielles pour les sables testes avec

un facteur de predsaillement 0,30 <a< 0,33... 147

Figure 5.20 Generation des pressions interstitielles pour les sables testes avec un

facteur de predsaillement 0,40 <a< 0,47... 148

Figure 5.21 Deformations cycliques pic a pic pour les sables testes sans

precisaillementavecScyc=Tcyc/o'vc= 0,32 a 0,35... 149

Figure 5.22 Deformations cycliques pic a pic pour les sables testes sans

precisaillement avecScyc=Tcyo/o'w= 0,30 et 0,25... 150

Figure 5.23 Deformations cycliques totales pour les sables testes avec un facteur

deprecisaillementa=0,20et0,60... 151

de precisaillement 0,30 <a< 0,33... 152

de precisaillement 0,40 <a< 0,47... 153

Figure 5.26 Influence du precisaillement a sur la resistance cyclique, K (a) = (Scyc avec predsaillemenVScyc sans predsaillement)

pour les criteres NTOT et NUQ...••...•••••.••••••••••••••.. 157

Figure 5.27 Comportement typique durant un cycle complet d'un sable sous

chargementcycliquesansprecisaillement(Tpc=0)... 159

Figure 5.28 Comportement typique durant un cycle complet d'un sable sous

chargement cyclique avec un precisaillement statique inferieur a la

contraintecyclique(Tpc<Tcyc)... 160

Figure 5.29 Comportement typique durant un cycle complet d'un sable sous chargement cyclique avec un precisaillement statique supeneur a la

contraintecyclique(Tpc>Tcyc)... 162

Figure 6.1 Variation de GmaxO et ^e D0 en fonction de la contrainte de

confinement CT'm pour tous les sables etudies... 182

Figure 6.2 Variation de GmaxO en fonction de la contrainte 0*3 et de 1'indice

des vides pour tous les sables etudies... 183

(15)

Figure 6.3 Variation de la vitesse des ondes de cisaillement Vg en fonction

de CT' i (mesures de laboratoire) pour Ie sable 05 de Bersimis 2... 184 Figure 6.4 Comparaison des resultats du laboratoire et du chantier pour Ie

sable 05 de Bersimis2... 185

Figure 6.5 Variation de G/GmaxO' ^ et ^u en fonction de la deformation y

pour Ie sable 02, o'm = 150 kPa... 190

Figure 6.6 Variation de G/GmaxO' D et R-u en fonction de la deformation y

pour Ie sable 02, o'm = 275 kPa... 191

Figure 6.7 Variation de G/GmaxO' D et ^u en fonction de la deformation y

pour Ie sable 04, CT'm= 150 kPa... 192

Figure 6.8 Variation de G/GmaxO? ^ et ^u en fonction de la deformation y

pour Ie sable 04, o'm= 275 kPa... 193

Figure 6.9 Variation de G/GmaxO' ^ et ^u en fonction de la defomiation y

pour Ie sable Q5, o'm= 100 kPa... 194

Figure 6.10 Variation de G/GmaxO? D et Ru en fonction de la deformation y

pour Ie sable 05, CT'm= 170 kPa... 195

Figure 6.11 Variation de G^ax (a petites deformations) en fonction de la

deformationydejasubie par 1'echantillon... 196

Figure 7.1 Definition du comportement elastoplastique [ATKINSON, 1993]... 202

Figure 7.2 Definition de la surface de charge dans Ie modele Cam Clay

original consideree par la loiHujeux... 205

Figure 7.3 Formes du seuil du modele de la loi Hujeux en fonction du

parametreb... 207

Figure 7.4 Influence du parametre a sur la forme du seuil plastique dans Ie

modele Hujeux... 208

Figure 7.5 Definition duparametre d dans la loiHujeux.. ... 208

Figure 7.6 Comparaison des criteres de plasticite parfaite appliques pour les

sols dans Ie plan deviateur... 209

Figure 7.7 Modelisation par la loi Hujeux des essais triaxiaux draines CJD

sur Ie sable moyen 02 de Manic3 ... 221

Figure 7.8 Modelisation par la loi Hujeux des essais tnaxiaux draines CED

surle sable fin silteux 03 de Manic3... 222

Figure 7.9 Modelisation par la loi Hujeux des essais triaxiaux non draines

CTLJ sur Ie sable moyen 02 de Manic3... 224

Figure 7.10 Cheminements de contraintes modelises par la loi Hujeux des

essais triaxiaux non draines CIU sur Ie sable moyen 02 de Manic3 ... 225 Figure 7.11 Modelisation par la loi Hujeux des essais tnaxiaux non draines

CFLJ sur Ie sable fin silteux 03 de Manic3... 226

Figure 7.12 Cheminements de contraintes modelises par la loi Hujeux des essais

triaxiaux non draines CIU sur Ie sable fin silteux 03 de Manic3... 227

(16)

Figure 7.13 Modelisation des essais DSS monotones par la loi Hujeux pour Ie

sable 02: Evolution des contraintes T et o'v en fonction de

la deformation... 229

Figure 7.14 Modelisation des essais DSS monotones par la loi Hujeux pour Ie

sable 02: Cheminement des contraintes, et rapport des

contraintes T/CT'V... 230

Figure 7.15 Modelisation des essais DSS monotones par la loi Hujeux pour Ie

sable 03: Evolution des contraintes T et o'v en fonction de

la defomiation... 231

Figure 7.16 Modelisation des essais DSS monotones par la loi Hujeux pour Ie

sable 03: Cheminement des contraintes, et rapport des

contraintesT/c'v... 232

Figure A2.1 Courbes contraintes-deformation, sable 03, Manic 3

Efifet du predsaillemen... 263

Figure A2.2 Friction mobilisee, sable 03, Manic 3

Eflfetduprecisaillement... 264

Figure A2.3 Cheminement des contraintes, sable 03, Manic 3

EfifetdupredsaiUement... 264

Figure A2.4 Courbes contraintes-defonnation, sable 04, Manic 3

IDC=SO% Efifetdeo'v... 265

Figure A2.5 Friction mobilisee, sable 04, Manic 3

IDC=SO% Eflfet de o'v... 266

lDc=80% Eflfetdeo'v... 266

lDc=80% EfiFetduprecisaillement... 267

Figure A2.8 Friction mobilisee, sable 04, Manic 3

IDC=SO% Efifetduprecisaillement... 268

IDC=SO% Eflfet du precisaillement... 268

Figure A2.11 Friction mobilisee, sable 04, Manic 3

lDc=60% Effetdeo'v... 270

lDc=60% Eflfetduprecisaillement... 271

Figure A2.14 Friction mobilisee, sable 04, Manic 3

lDc=60% Effetduprecisaillement... 272

lDc==60% Eflfetduprecisaillement... 272

lDc=60% Efifetduprecisaillement... 273

(17)

Figure A2.17 Friction mobilisee, sable 05, Bersimis 2

Effetduprecisaillement... 274

Figure A2.18 Cheminement des contraintes, sable 05, Bersimis 2

Efifetduprecisaillement... 274

Figure A2.19 Courbes contraintes-deformation, sable 06, Bersimis 2

Eflfetdupredsaillement... 275

Figure A2.20 Friction mobilisee, sable 06, Bersimis 2

Effet du predsaillement... 276

Figure A2.21 Cheminement des contraintes, sable 06, Bersunis 2

Efifet du precisaillement... 276

Figure A3.1 Courbes Ru - y - N, Manic 3, sable 04

(CTIv=150kPa,lDc==60%), sans precisaillement... 278

(o'v=100kPa,lDc=60%), sans precisaillement... 279

(o'v=150kPa,lDc=80%), sans precisaillement... 280

Figure A3.4 Courbes Ru - y - N, Bersimis 2, sables 05

Sans precisaillement... 281

Figure A3.5 Courbes Ru - y - N, Bersimis 2, sables 06

Sans precisaillement... 282

Figure A3.6 Courbes Ru - y - N, Manic 3, sable 04, IDC = 60%

Avec precisaillement, a==0,20 ... 283

Avecprecisaillement,a=0,30... 284

Avec precisaillement, a==0,47... 285

Avec precisaillement, a=0,20... 286

Figure A3.10 Courbes Ru - y -N, Manic 3, sable 04, IDC = 80%

Avec precisaillement,a=0,47... 287

Figure A3.11 Courbes Ru - y - N, Bersimis 2, sable 05

Avec precisaillement, a=0,30... 288

Figure A3.12 Courbes Ru - y - N, Bersunis 2, sable 05

Avecprecisaillement,a==0,60... 290

Avecprecisaillement,a==0,30... 291

AvecprecisaUlement,a=0,60... 293

(18)

Figure A4.1 Fichier de donnees pour la mobilisation par la loi Hujeux d'un

essai triaxial draine... 295

Figure A4.2 Fichier de donnees pour la modelisation par la loi Hujeux d'un

essai triaxial non draine ... 296

Figure A4.3 Fichier de donnees pour la modelisation par la loi Hujeux d'un

essaiDSS monotone... 297

Figure A4.4 Fichier de donnees pour la modelisation par la loi Hujeux d'un

essaiDSSmonotoneavecprecisaillement... 298

Figure A4.5 Fichier de donnees pour la modelisation par la loi Hujeux d'un

essaiDSS cyclique sans precisaillement... 299

Figure A4.6 Fichier de donnees pour la modelisation par la loi Hujeux d'un

essai DSS cyclique avec precisaillement... 300

Figure A5.1 Evolution de la contrainte de cisaillement T en fonction de la

deformation y.

Modelisation par la loi Hujeux d'un essai DSS cyclique sans

precisaillement:DSS2-92-03-01... 302

Figure A5.2 Evolution de la contrainte de consolidation o'v en fonction de la deformation y.

Modelisation par la loi Hujeux d'un DSS cyclique sans

precisaillement:DSS2-92-03-01... 303

Figure A5.3 Evolution du cheminement des contraintes. Modelisation par

la loi Hujeux d'un essai DSS cyclique sans precisaillement:

DSS2-92-03-01... 304

Figure ASA Evolution de la deformation. Modelisation par la loi Hujeux

d'un essai DSS cyclique sans precisaillement: DSS2-92-03-01... 305

Figure A5.5 Evolution de la pression interstitielle. Modelisation par la loi

Hujeux d'un essai DSS cyclique sans precisaillement:

DSS2-92-03-01... 306

Figure A5.6 Evolution de la contrainte de cisaillement T en fonction de la deformation y.

Modelisation par la loi Hujeux d'un essai DSS cyclique avec

precisaillement: DSS3-92-03-01... 307

Figure A5.7 Evolution de la contrainte de consolidation a'v en fonction de la deformation y.

Modelisation par la loi Hujeux d'un DSS cyclique avec

precisaiUement: DSS3-92-03-01... 308

Figure A5.8 Evolution du cheminement des contraintes. Modelisation par la loi

Hujeux d'un essai DSS cyclique avec precisaillement:

DSS3-92-03-01... 309

Figure A5.9 Evolution de la deformation. Modelisation par la loi Hujeux d'un

essai DSS cyclique avec precisaillement: DSS3-92-03-01... 310

Figure A5.10 Evolution de la pression interstitielle. Modelisation par la loi

Hujeux d'un essai DSS cyclique avec precisaillement:

DSS3-92-03-01... 311

(19)

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1 Nombre de cycles uniformes correspondant a difFerentes magnitudes

(Echelle de Richter) de seisme [SEED et coll., 1975]... 9

Tableau 2.2 Principaux travaux realises dans Ie but d'etudier 1'effet d'une contrainte de

precisaillement statique sur la resistance cyclique des sables... 30

Tableau 2.3 EfFet de la contrainte de precisaillement Tpc sur les resistances cyclique Tcyc et totale Ttot mesurees a 10 cycles, toutes les valeurs etant

normalisees par o'v=200 kPa. [VAIDetFlNN, 1979]... 34

Tableau 3.1 Identification et indices caracteristiques des sols granulaires etudies... 40 Tableau 4.1 Parametres de la courbe de compression oedometrique (chargement

et dechargement) des sables de fondation de Bersimis 2 et de Manic 3... 47 Tableau 4.2 Deformations recuperables et modules de rebond elastique pour les

sables de Bersimis 2 et Manic 3 ... 48

Tableau 4.3 Donnees des triaxiaux draines CID sur les sables 02 et 03 de Manic 3 ... 49 Tableau 4.4 Resultats des triaxiaux draines CID sur les sables 02 et 03 de Manic 3 ... 50 Tableau 4.5 Donnees des triaxiaux draines CID sur les sables 05 et 06 de Bersimis 2... 51 Tableau 4.6 Resultats des triaxiaux draines CD3 sur les sables 05 et 06 de Bersimis 2.. 52 Tableau 4.7 Sommaire des donnees des triaxiaux non draines CIU sur Ie sable 02 de

Manic 3... 60

Tableau 4.8 Resultats des essais triaxiaux non draines CIU sur Ie sable 02 de Manic 3. 61

Tableau 4.9 Sommaire des donnees des triaxiaux non draines CIU sur Ie sable 03 de

Manic 3... 62

Tableau 4.10 Resultats des essais triaxiaux non draines CKJ sur Ie sable 03 de Manic 3. 63

Tableau 4.11 Essais de cisaillement simple statique non draine sur les sables de

fondation de Manic 3-Etatdesdensites... 70

Tableau 4.12 Essais de cisaillement simple (DSS) statique non draine, sur Ie sable de

fondation de Manic 3... 71

Tableau 4.13 Points toumants et resistances statiques du sable de fondation de Manic 3 72

Tableau 4.14 Essais de cisaillement simple statique non draine, sur Ie sable de fondation

de Bersimis 2-Etatdesdensites... 73

Tableau 4.15 Essais de cisaillement simple statique non draine, sur Ie sable de fondation

de Bersimis 2... 74

Tableau 4.16 Points toumants et resistances statiques du sable de fondation de

Bersimis2... 75

Tableau 4.17 Etat en fin de consolidation et etat ultime du sable 02 de Manic 3... 88 Tableau 4.18 Etat en fin de consolidation et etat ultime du sable 03 de Manic 3 ... 89 Tableau 4.19 Calcul des parametres d'etat \(/ pour les sables moyen 02, fin silteux 03,

moyen 05, et fin 06 selon les resultats des essais triaxiaux draines... 96

Tableau 5.1 Caracteristiques et resultats des essais cycliques en cisaillement simple

pour Ie sable de fondation du barrage Manic 3 (sans precisaillement)... 126 Tableau 5.2 Caracteristiques et resultats des essais cycliques en cisaillement simple

pour Ie sable de fondation du barrage Bersimis 2 (sans precisaillement)... 127

(20)

Tableau 5.3 Caracteristiques et resultats des essais cycliques en cisaillement simple

pour les sables moyen (02) et fin silteux (03) de la fondation de Manic 3

(avec precisaillement draine)... 128

Tableau 5.4 Caracteristiques et resultats des essais cycliques en cisaillement simple

pour Ie sable fin et silt (04), 1^(=60 %? ^e la fondatlon <ie Manic 3

Tableau 5.5 Caracteristiques et resultats des essais cycliques en cisaillement simple

pour Ie sable fin et silt (04), I^80 0/0. de la fondation de Manic 3

pour Ie sable moyen (echantillon 05) de la fondation de Bersimis2

pour Ie sable fin (echantillon 06) de la fondation de Bersimis2

Tableau 5.8 Comparaison de la competence mecanique des sables en fonction de la

granulometrie pour les essais CED (Ia=64 a 67%; a'3c=400 kPa) ... 163

Tableau 5.9 Comparaison de la competence mecanique des sables en fonction de la

granulometrie pour les essais DSS monotones... 164

Tableau 5.10 Comparaison de la competence mecanique (resistance cyclique) des

sables en fonction de la granulometrie pour les essais DSS cycliques

sans precisaillement, critereNuQ... 164

Tableau 5.11 Comparaison de la competence mecanique des sables (resistance cyclique) en fonction de la granulometrie pour les essais DSS cycliques avec

precisaillement, critereNTOT... 165

Tableau 6.1 Conditions initiales et a la fin de la saturation des sables 02 et 04 de

Manic 3 et 05 de Bersimis 2 pour les essais a la colonne de resonance ... 175

Tableau 6.2 Etapes de consolidation et proprietes dynamiques a petites deformations

pour Ie sable moyen (02) de Manic 3 - Essais isotropes et anisotropes... 176

Tableau 6.3 Etapes de consolidation et proprietes dynamiques a petites deformations

pour Ie sable fin et silt (04) de Manic 3 - Essais isotropes et anisotropes ... 177

Tableau 6.4 Etapes de consolidation et proprietes dynamiques a petites defonnations

pour Ie sable moyen (05) de Bersimis 2 - Essais isotropes et anisotropes... 178 Tableau 6.5 Comparaison des resultats de laboratoire aux valeurs donnees par les

modeles empiriques pour Ie sable moyen(02) de Manic 3 ... 179

Tableau 6.6 Comparaison des resultats de laboratoire aux valeurs donnees par les

modeles empiriques pour Ie sable fin et silt (04) de Manic 3... 180

Tableau 6.7 Comparaison des resultats de laboratoire aux valeurs donnees par les

modeles empiriques pour Ie sable moyen (05) de Bersimis 2... 181

Tableau 6.8 Deformation axiale enregistree lors des essais a grandes deformations sur

les sables 02, 03 et 05... 188

Tableau 6.9 Proprietes a grandes deformations des sables 02 et 04 de Manic 3 et du

sable 05 de Bersimis 2, telles que mesurees a la colonne de resonance... 189

(21)

Tableau 7.1 Parametres de modelisation par la loi Hujeux elastoplastique du

comportement monotone et cyclique du sable 02 de la fondation de

Manic 3... 213

Tableau 7.2 Parametres de modelisation par la loi Hujeux elastoplastique du

comportement monotone et cyclique du sable 03 de la fondation de

Manic 3... 214

Tableau 7.3 Comparaison des resultats des essais de DSS cyclique sans

precisaillement (laboratoire vs modelisation) pour Ie sable 02 de

Manic 3, en gardant Ie rayon hysteretique fhyst constant... 234

precisaillement (laboratoire vs modelisation) pour Ie sable 03 de

Manic 3,engardant Ie rayonhysteretiquerhyst constant... 234

precisaillement (laboratoire vs modelisation) pour Ie sable 02 de

Manic 3,en modifiant Ie rayon hysteretique fhyst... 235

precisaillement (laboratoire vs modelisation) pour Ie sable 03 de

Manic 3, en modifiant Ie rayonhysteretiquerhyst... 235

(22)

1. INTRODUCTION

1.1 Contexte et problematique

Dans Ie domaine de la geotechnique, les efFets destructeurs des seismes de forte intensite se manifestent sous forme d'amplification des mouvements sismiques, de glissements de terrain, de liquefactions, de tassements et de pertes de capacite portante. Les tremblements de terre les plus recents, tels que ceux survenus a Mexico au Mexique (1985), a Leninakan en Amienie (1988), a

Loma Prieta en Califomie (1989), a Kilari en Inde (1993), a Kobbe au Japon (1995) offrent une

banque de donnees interessante pour 1'avancement des connaissances en genie geotechnique et

parasismique.

En ce qui a trait au comportement des sols granulaires en particulier, il est aujourd'hui evident que les proprietes du sol ainsi que 1'etat des contraintes existant in situ jouent un role primordial dans Ie comportement des sols lors des sollicitations sismiques. Dans Ie cas des terrains horizontaux, 1'influence du sol intervient de deux fa9ons: d'un cote par la modification possible du signal sismique du point de vue contenu frequentiel et mouvement maximal, et d'un autre cote, par Ie risque de mpture sous forme de liquefaction ou de tassements difFerentiels excessifs. Dans Ie cas des pentes et des remblais, 1'influence du sol se manifeste a travers 1'amplification des mouvements en surface, la liquefaction, les deformations et les glissements de terrain. La liquefaction de zones importantes lors du tremblement de terre de 1964 a Nigata au Japon, les glissements de terrain observes lors du seisme d'Anchorage en Alaska en 1964, ainsi que la mpture en 1971 du barrage San Femando en Califomie sont des exemples classiques du comportement des sols granulaires durant les seismes. Par ailleurs, la mpture en liquefaction du barrage Fort Peck au Montana en

1938 sous de grandes deformations induites par Ie chargement monotone represente un cas de rupture statique connu. L'etendue considerable des dommages imputables a la liquefaction des sols granulaires a stimule les recherches pour comprendre et reconnaitre les situations responsables de ce comportement.

(23)

Le Quebec, bien que situe a 1'interieur de la plaque tectonique nord-americaine, subit une activite sismique reguliere. Le demier seisme d'importance (magnitude 6) a survenir est celui du Saguenay en novembre 1988. II a ete largement ressenti au Quebec et a occasionne des domma-ges aux structures ainsi que des liquefactions et glissements de terrains. Ce seisme a suscite beaucoup d'interet et a prouve 1'importance des etudes parasismiques pour les differents ouvrages de genie civil du Quebec, et particulierement des barrages hydroelectnques a cause des dommages que leur possible rupture pourrait engendrer. L'interet porte par la geotechnique parasismique au comportement des fondations et des ouvrages en remblai est ainsi plus que evident.

En depit des progres notoires accomplis dans Ie domaine de la geotechnique sismique. Ie comportement mecanique des sols granulaires sous un regime de chargement monotone ou cyclique revet continuellement une attention grandissante: en particulier, plusieurs aspects du comportement des sols granulaires moyennement denses (ID= 60%) out ete tres peu etudies.

La presence de couches de sable moyennement dense (ID variant de 50 a 65%) dans la fondation du barrage principal de 1'amenagement Manic 3 dans la region du Manicouagan a pousse Hydro-Quebec a manifester son interet dans la comprehension du comportement de ces sables moyennement denses qui se repartissent en deux groupes suivant leurs granulometries: des sables moyens et des sables fin silteux. Une etude intensive du comportement de ces sables de fondation a travers une grande campagne d'essais a ainsi ete entreprise dans Ie cadre de cette these au laboratoire de Mecanique des sols de 1'Universite de Sherbrooke. Les resultats de cette etude devraient aider Hydro-Quebec a statuer sur 1'impact d'un tremblement de terre possible sur Ie barrage Manic 3. Sur un plan parallele, un protocole d'echange scientifique avec Ie centre national

d'equipement hydraulique d'Electricite de France a ete engage dans Ie but de modeliser Ie

comportement des sables moyennement denses de Manic 3 par la loi elastoplastique de Hujeux, et

utiliser cette modelisation pour calculer la reponse sismique de Manic3 avec Ie code GEFDYN.

Dans ce contexte, la problematique abordee dans cette these conceme difFerents aspects du comportement des sols granulaires moyennement denses soumis a des sollicitations monotones et sisnuques:

(24)

Le premier aspect a considerer est relie au choix du type d'essai de laboratoire pour 1'etude du comportement des sols granulaires sous chargement monotone ou cyclique. Etant donne que les sables etudies sont repartis en deux groupes (avec et sans silt), tous les themes qui suivent seront traites en prenant en consideration ces deux groupes.

Le deuxieme theme conceme la granulometrie des sables et sa relation avec leur performance mecanique au laboratoire dans les dififerents essais.

Le troisieme theme est defini par 1'etat ultime des sols granulaires dont la determination constitue une etape importante dans la conception et 1'analyse des ouvrages en terre. Dans la pratique de I'ingenierie geotechnique, cet etat peut representer Ie comportement a grandes deformations du sol etudie. II permet ainsi d'obtenir une valeur de la resistance residuelle au cisaillement dans un sol ayant subi une sollicitation statique ou cyclique. L'unicite de cet etat ultime des sols granulaires moyennement denses mesure au laboratoire sous chargement draine et non draine sera etudiee en fonction de la nature des differents sables etudies.

Le quatrieme aspect conceme Ie risque de liquefaction des sables moyennement denses (lD=60%) sous sollicitations sismiques et en presence d'une contrainte de precisaillement statique. Cette contrainte de precisaillement n'est pas une contrainte de cisaillement resultant de la mise en place et de la consolidation du sol, mais plutot une contrainte induite par des chargements extemes ou par la gravite (structure en surface, pente, remblai, barrage). Cette contrainte de precisaillement statique correspond a celle utilisee dans 1'analyse de stabilite conventionnelle; elle constitue done un element majeur dans 1'analyse parasismique d'un barrage. C'est en effet la presence de cette contrainte de precisaillement statique qui distingue Ie comportement d'un ouvrage en remblai de celui d'un terrain plat durant un seisme

Le cinquieme aspect est relie a la determination des proprietes dynamiques a petites

deformations ainsi que la modification de ces proprietes lors du cisaillement cyclique.

Le sixieme aspect est represente par la modelisation par une loi de comportement elastoplastique du comportement des sols granulaires mesure par differents essais de laboratoire. Cette modelisation poumdt eventuellement servir dans Ie calcul de la reponse d'un grand barrage.

(25)

1.2 Les objectifs de la these

En relation avec la problematique presentee, les objectifs suivants ont ete recherches:

•Faire Ie point sur 1'etat d'avancement des connaissances dans Ie domaine du comportement monotone et cyclique des sols granulaires, ce comportement qui constitue Ie leitmotiv de la presente these. Une attention particuliere sera portee sur les questions de precisaillement, d'unicite de 1'etat ultime, et de la modelisation par une loi de comportement elastoplastique.

•Analyser Ie comportement des sables moyennement denses, sous les memes conditions de confinement, en fonction de leur nature (granulometrie, pourcentage de silt et angularite). Degager 1'effet de la nature de ces sables sur leur comportement monotone et cyclique.

•Etudier Ie comportement des sols granulaires en temies d'etat ultime. Les differentes notions d'etat critique, d'etat permanent de deformation, d'etat quasi-permanent, d'etat caracteristique et d'effondrement sont discutees. La notion d'etat ultime est avancee afin de pouvoir englober 1'etat permanent de deformation et 1'etat critique. Quant au probleme d'unicite des etats critique et permanent pour un sable donne, les differents travaux qui ont ete realises dans ce sens seront discutes. II sera aussi question du type d'essai de laboratoire utilise dans la determination de 1'etat ultime. Ce document vise a clarifier pour un sol granulaire moyennement dense la notion d'etat ultime mesure lors des sollicitations monotones drainees et non drainees.

•Etudier Ie comportement des sols granulaires sous sollicitations cycliques et en presence d'une contrainte de precisaillement statique initiale. Etablir une banque de donnees concemant 1'effet du precisaillement sur la resistance cyclique des sols granulaires, en s'attardant sur les aspects de generation de pression interstitielle et de deformation.

•Determiner les proprietes dynamiques des sols granulaires a petites deformations, etablir des courbes de degradation du module de cisaillement en fonction de la distorsion, et pouvoir comparer les resultats mesures au laboratoire a ceux obtenus par les methodes en terrain.

•Modeliser Ie comportement des sols granulaires au laboratoire par une loi elastoplastique,

et essayer d'obtenir un ensemble unique de parametres quelque soit 1'etat initial de consolidation, et Ie type de sollicitation. Analyser, a partir de la modelisation, les limitations des differents essais.

(26)

1.3 L'organisation de la these

Cette etude est organisee suivant la problematique et les objectifs definis precedemment. Le deuxieme chapitre propose une revue de 1'etat des connaissances qui couvre les limitations des essais de laboratoire dans la simulation du comportement des sols granulaires, la question d'unicite de 1'etat ultime des sables, et finalement une interpretation de 1'efifet de la contrainte de precisaillement statique sur la resistance cyclique.

Le troisieme chapitre, en plus de presenter Ie programme experimental de cette these, donne une description des sables de Manic 3 et de Bersimis 2 etudies, et etablit les deux groupes de sables etudies suivant la granulometrie: sables moyens et sables fins silteux.

Le quatrieme chapitre aborde 1'etude du comportement des sols granulaires sous chargement monotone: les resultats experimentaux obtenus pour des essais triaxiaux monotones en compression, draines et non draines, realises sur deux sables de la fondation du barrage de Manic3 sont presentes et discutes en termes d'etat ultime. De plus les resultats d'essais de cisaillement simple monotone sont examines.

Le cinquieme chapitre aborde Ie comportement des sols granulaires en cisaillement simple

cyclique. Ce chapitre definit les criteres de mpture etablis pour les sables de Manic 3 et Bersimis 2

et presente une discussion intensive de 1'effet de la contrainte de precisaillement statique sur la resistance cyclique.

Le sixieme chapitre presente 1'etude des proprietes dynamiques des sols granulaires mesurees a la colonne de resonance.

Le septieme chapitre quant a lui aborde la modelisation du comportement des sables de

fondation du barrage Manic 3, par une loi de comportement elastoplastique Hujeux du type Cam-Clay. Les differents essais de laboratoire sont modelises dans Ie but d'obtenir unjeu de parametres unique pour chacun des materiaux etudies. Les parametres ainsi obtenus par la loi Hujeux sont analyses afin de comprendre Ie comportement des sables moyennement denses, et discuter des differences entre les essais de laboratoire.

(27)

2. ETAT DES CONNAISSANCES

2.1 Introduction

Le comportement des sols granulaires sous sollicitations monotones et cycliques constitue toujours un theme important de la recherche realisee en geotechnique. Plusieurs travaux dans la litterature demontrent 1'interet que portent les chercheurs au comportement des sols granulaires en

general et a leurs potentiels de Hquefaction [SEED et LEE, 1966; CASTRO, 1975; FINN, 1981;

DOBRY et coll., 1982; POULOS et coll., 1985; SCHLOSSER et coll., 1987; ISHEHARA et coll., 1991;

ISfflHARA, 1993; KONRAD et WATTS, 1995; COUTURE et coll., 1995; VADD et THOMAS, 1995 et

1996]. Ces chercheurs se basent parfois sur les methodes in-situ pour une evaluation initiale du

risque de liquefaction [SEED, 1983; SEED, 1987; SEED et HARDER, 1990; STARK et MESRI, 1992;

FINN, 1992]. L'incoqioration de la resistance ultime du sol dans les calculs de stabilite suscite de

plus en plus d'interet [POULOS et coll., 1985; CASTRO, 1987; SEED, 1987, JONG, 1988, FINN, 1990;

SEED et HARDER, 1990; ISfflHARAet coll., 1991; CASTRO et coll., 1992].

Seed (1979) a donne une synthese des parametres classiques affectant la resistance cyclique des sables satures; il a cite la densite relative, la contrainte moyenne effective, 1'histoire des contraintes et des deformations, la structure du squelette granulaire et son anisotropie, la granulometrie et 1'influence des fines, la non-saturation, et finalement Ie caractere multidirectionnel

de la sollicitation. Toutefois, cette synthese de Seed (1979) n'a pris en consideration que les

terrains horizontaux. En effet, avec la presence d'une pente ou d'un ouvrage a proximite, un chargement horizontal est induit dans Ie sable creant ainsi un etat de contrainte anisotrope [CASTRO et POULOS, 1977; ISfflHARA et TAKATSU, 1979]. L'existence d'un tel chargement horizontal sous la forme d'une contrainte de precisaillement statique, ne peut qu'influencer la resistance cyclique des sables quand ils sont soumis a des sollicitations cycliques.

Afin de mieux definir Ie comportement des sols granulaires moyennement denses qui interessent la presente these, cet etat des connaissances abordera les principaux travaux portant sur Ie comportement des sols granulaires. Trois themes ont ete regroupes: les limitations des

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essais de laboratoire couramment utilises pour la simulation du comportement, 1'etat ultime qui definit 1'etat final d'un sol suite a une sollicitation, et 1'efFet du precisaillement. Enfin, la question qui cloture ce chapitre conceme la modelisation des essais a 1'aide d'une loi de comportement.

2.2 Etude du comportement des sols granulaires au laboratoire

Des essais de laboratoire ont toujours ete realises dans Ie but de reproduire 1'etat de contraintes d'un sol in-situ et comprendre la reponse de ce meme sol a toute sollicitation monotone ou cyclique. L'essai triaxial et 1'essai de cisaillement simple ont ete Ie plus frequemment utilises pour etudier entre autres, la resistance au cisaillement d'un sol. Sous sollicitation cyclique, la colonne de resonance presente 1'avantage de definir Ie module de cisaillement et 1'amortissement des sols a petites deformations, ainsi que les courbes de degradation du module de cisaillement a de plus grandes deformations.

2.2.1 Limitations des essais sous des sollicitations monotones

Bien que 1'essai triaxial soit Ie plus repandu dans les laboratoires, les chercheurs s'accordent a dire qu'il soufEre de problemes relies a la mesure des changements de volume ou des pressions interstitielles a cause du phenomene de penetration de la membrane, un phenomene qui peut influencer Ie deviateur a grandes deformations. De plus, la concentration de contraintes aux extremites de 1'echantillon et la formation de bande de cisaillement peuvent avoir un efifet sur Ie comportement en contrainte-deformation.

D'un autre cote, 1'essai de cisaillement simple a subi des critiques qui se sont articulees autour de deux problemes: la repartition non uniforme des contraintes a 1'interieur de 1'echantillon,

et Ie degre reel de restrictions du mouvement lateral [SAADA et TOWSEND, 1981; DEGROOT et

coll., 1994 et 1995]. Le probleme de la non-uniformite du champ de contraintes a 1'interieur de

1'echantillon peut etre relie a 1'etat de contraintes impose par 1'appareil de cisaillement simple mais

ne semble pas avoir de consequences notables sur les resultats: Lucks et coll. (1972) ont par exemple affirme qu'une condition de contraintes uniformes peut etre trouvee dans 70% de

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I'echantillon et que les concentrations de contraintes sur les bords de 1'echantillon ne sont que tres

locales. Pour Hight et coll.(1988), 1'essai de cisaillement simple (DSS) est tres attrayant,

notamment sa simplicite et sa capacite de simuler fidelement 1'etat de contraintes de plusieurs problemes geotechniques; mais pour ces memes auteurs, les difBcultes surgissent lors de 1'interpretation de 1'etat de contraintes obtenu (Th, o'v, Yh) et sa relation avec les resultats de 1'essai triaxial. Budhu (1988), apres avoir reconnu que cet essai a 1'avantage de permettre une rotation des axes principaux des contraintes et des deformations semblable a celle sous un cisaillement sur Ie terrain, definit 1'interpretation de I'essai comme tres complexe surtout en ce qui a trait a la mpture du sol; pour Budhu (1988), un examen des donnees revele que la mpture est initiee sur des plans verticaux, mais que rd ces plans ni les plans horizontaux ne sont des plans de contraintes maximales.

L'etat des contraintes dans les essais triaxiaux et DSS, ainsi que la comparaison des resultats des deux essais continuent toujours a faire 1'objet de difEerents travaux et publications. Rossato et Simonini (1991) ont ainsi compare les deux essais au moyen d'une analyse adimensionnelle des parametres controlant 1'evolution des contraintes et deformations. Us ont aussi etudie la relation entre Ie module de Young E obtenu au triaxial, et Ie module de cisaillement G obtenu au DSS. Plus recemment encore, Vaid et Sivathayalan (1996) ont note, que pour des conditions initiales identiques (etat de contraintes et indice des vides). Ie comportement du sable n'etait pas Ie meme au triaxial et au cisaillement simple.

2.2.2 Limitations des essais sous des sollicitations cvcliques

Les limitations des deux essais exprimees dans la section precedente en ce qui conceme les sollicitations monotones restent aussi vraies pour les sollicitations cycliques.

Dans les essais cycliques au laboratoire, les echantillons sont, dans la grande majorite des cas, soumis a des cycles uniformes de contrainte de cisaillement. Ce mode de chargement est

different de celui irregulier et non uniforme induit par un tremblement de terre. Dans Ie but de

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represente par un nombre de cycles de chargements uniformes. En general, deux etapes sont necessaires pour representer un seisme par un nombre de cycles reguliers: premierement, tout dependant de la magnitude du seisme, un nombre correspondant de cycles uniformes est selectionne (Tab. 2.1). Deuxiemement, les etudes de Seed et Idriss (1971) ont permis de definir une contrainte moyenne de cisaillement egale a 65% de la contrainte maximale de cisaillement mesuree durant Ie chargement sismique irregulier.

TABLEAU 2.1

NOMBRE DE CYCLES UNIFORMES CORRESPONDANT A DEFFERENTES

MAGNITUDES (ECHELLE DE RlCHTER) DE SEISME [SEED ET COLL., 1975]

Magnitude

81/2 71/2 63/4

6

51/4

Nombre de cycles pour 0,65 Tmax.

26

15

10

5-6 2-3

Sur Ie terrain, les chargements sismiques critiques prennent la forme d'un cisaillement simple cyclique multidirectionnel. Ainsi, aucun des essais de laboratoire ne represente parfaitement les conditions de terrain: 1'essai triaxial donne des conditions "equivalentes" de cisaillement simple sur des plans a 45° avec 1'axe de la contrainte verticale ou du deviateur; 1'essai de cisaillement simple de son cote ne presente que des conditions de cisaillement unidirectionnel.

L'essai triaxial cyclique est Ie plus fi-equemment utilise a cause de la grande disponibilite de

1'equipement. II permet entre autres d'observer facilement les generations de pressions interstitielles sous des conditions non drainees. Toutefois, trois grandes lacunes dominent cet essai

triaxial cyclique: la rotation de 90° de 1'axe des contraintes principales. Ie comportement different

en extension et en compression, et 1'absence de condition de deformation plane.

D'un autre cote, 1'essai de cisaillement simple, qui est beaucoup moins utilise, reste celui qui simule Ie plus fidelement les conditions d'un sol sous sollicitations sismiques. Dans les essais de

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cisaillement simple a volume constant, Ie changement dans la contrainte verticale pour maintenir Ie volume constant est considere equivalent a la generation des pressions interstitielles dans un essai conventionnel non draine.

Seed et Peacock (1971) ont etudie en detail les criteres d'analyse et de comparaison des etats de contraintes entre 1'essai triaxial cyclique et celui de cisaillement simple cyclique. Dans un essai

triaxial cyclique, Ie rapport de contraintes utilise pour exprimer la resistance cyclique du sol est (a

;/2 o'g), ou Gcyc represente Ie deviateur cyclique et CT' la contrainte de confinement (pression cellulaire), alors que dans un essai de cisaillement simple cyclique, Ie rapport de contraintes qui represente la resistance cyclique est (Tcyc/o'vo)' ou Tcyc est ^a contrainte cyclique agissant sur un

plan horizontal et c^ la contrainte de consolidation verticale. II est done probable que les

rapports de contraintes causant une generation maximale de pressions interstitielles (Ry = 100%)

soient differents pour les deux essais. Finn et coll. (1971) et Castro (1975) ont aussi etudie la

relation entre ces deux rapports de contraintes. Seed et coll. (1975) ont trouve que les sables etaient beaucoup plus resistants a la liquefaction au triaxial cyclique que sur Ie terrain. En se basant sur toutes ces etudes, Seed a propose, en 1979, la relation suivante:

-T<ycNt ^ n QrT5S.>t___ « c (ccya

~J terrain w ^^\~~)DSS ^ ^r \~^Z~ / triaxial

\^-^v0 °v0 ZCT3

avec Cr = 0,57 pour K = 0,4 et Cr = 0,9 a 1 pour K^ == 1.

Vaid et Sivathayalan (1996) ont confirme la conclusion de Seed (1979) que la resistance au

cisaillement cyclique mesuree au DSS est inferieure a celle mesuree au triaxial: pour ces auteurs, Ie facteur de reduction Cr egal a 0,6 frequemment utilise est d'autant plus securitaire que Ie sable est plus l^che. La relation (2.1) a ete donnee pour une resistance a la liquefaction a un nombre de cycles et une deformation donnes. En general, Ky = 0,4 est une valeur typique des sols

normalement consolides (NC) alors que K = 1 est pour les sols surconsolides (OC). Bhatia et

coll. (1985) ainsi que Lefebvre et Malenfant (1988) ont trouve que sous des conditions d'essais

identiques, 1'essai triaxial cyclique donne des resistances cycliques beaucoup plus grandes que celles obtenues au DSS cyclique.

(32)

(TV

- a

Figure 2.1 Etats des contraintes dans un essai de cisaillement simple.

Definition de 1'etat ultime pour Ie cisaillement simple

(33)

2.2.3 Choix d'un essai pour etudier 1'etat ultime et Ie precisaillement statique

En ce qui conceme 1'etat ultime, les conditions limites imposees par 1'essai de cisaillement simple sont telles qu'en general, aucun controle des contraintes horizontales n'est disponible: 1'information mesuree ne permet pas de tracer Ie cercle de Mohr. II s'ensuit que les contraintes mesurees a la rupture peuvent ne pas etre representatives de la vraie resistance du sol. A 1'etat ultime en cisaillement simple, deux cercles de Mohr sont possibles (Figure 2.1): les deux cercles sont tangents a 1'enveloppe d'etat critique. La condition a\< o'v correspond a la mpture d'un sol normalement consolide ou tres legerement surconsolide, alors que 1'autre condition CTh> <71v correspond a une rupture d'un sol tores surconsolide. Atkinson et coll. (1991 et 1992) afiirment que pour reconnaitre 1'etat ultime d'un sol en cisaillement simple, il faut examiner la courbe rapport de contraintes (x/c) - deformation, plutot que la courbe contrainte de cisaillement-deformation. Ces memes auteurs ont aussi note que les parametres d'etat critique mesures au DSS sont differents de ceux mesures au triaxial; cette difference serait attribuable a une mauvaise interpretation des contraintes a 1'etat ultime dans Ie DSS. Ceci expliquerait pourquoi les angles de friction mesures au DSS sont plus faibles qu'au triaxial. Toujours en relation avec 1'etat ultime

d'un sol, DeGroot et coll.(1994) ont eu de la difficulte a definir 1'etat ultime des sols cohesifs

soumis a un cisaillement simple. Ces etudes invitent done les chercheurs a considerer toujours 1'essai triaxial dans la determination classique de 1'etat ultime d'un sol. Toutefois, la presence de resultats de DSS permet de faire une analyse critique de la relation entre ces deux types d'essais qui visent en fait a atteindre Ie seul et unique etat ultime d'un sol donne.

Sur un autre volet, pour etudier 1'efFet d'une contrainte de precisaillement initial (Figure 2.2), ce sont les essais triaxiaux cycliques qui ont ete les plus utilises dans la litterature [MOHAMAD et DOBRY, 1986]. Dans ces essais, les echantillons sont consolides anisotropiquement, o1 > CT^ = Oy

avec K = (c\/^^) > 1. Apres la consolidation, un deviateur cyclique Ocyc est appliqu^ en

condition non drainee dans la direction axiale. Ce deviateur induit une contrainte de cisaillement cyclique T^yc = ± <?cyc/2 sur des plans a 45° avec la verticale, en plus de la contrainte de

precisaillement statique deja existante sur ce plan Tpc = 1/2 (p\ - c^). Les contraintes de

12

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cisaillement sur les plans a 45° varient entre les limites de q = Tpc ± Tcyc. Cette variation est supposee simuler les contraintes sismiques imposees sur certains plans dans les barrages, les pentes ou sous les stmctures. Quand Tpc < Tcyc, il y a renversement du signe des contraintes, la contrainte radiale devient la contrainte principale q < 0 et 1'echantillon s'en va en extension dans une partie du cycle. Si Tpc > Tcyc, il n'y a pas de renversement du signe des contraintes, q > 0 et 1'echantillon est continuellement en compression. Le deviateur (a\ - 0*3) est maintenu constant tout Ie long de 1'essai.

Cependant, la consolidation d'un echantillon triaxial sous un K inferieur a 1 ne simule pas necessairement un precisaillement impose par une structure ou un talus. En efifet, 1'etat de contramte K sous un terrain plat peut etre bien inferieur a 1'unite et, par exemple, de 1'ordre de 0,4 pour un depot de sable normalement consolide. Pour cette raison, il n'apparait pas evident de simuler dans un essai triaxial cyclique. Ie precisaillement impose par un talus ou un batiment. La non-representativite des essais triaxiaux cycliques des conditions de terrain devient plus evidente done dans Ie cas des chargements anisotropes qui interessent cette etude. Cette

non-representativite est surtout reliee au fait que la sollicitation cyclique et Ie precisaillement imposes

au laboratoire n'agissent pas directement dans Ie plan de mpture du sol.

D'un autre cote, dans 1'essai de cisaillement simple. Ie rapport K n'est pas impose mais se developpe naturellement dans 1'echantillon suite a la compaction et la consolidation. Le precisaillement est ensuite impose de fa9on independante et sur un plan different de la contrainte de cisaillement (o - a^)/2 induite par 1'etat Ko . De plus, 1'essai DSS offre 1'avantage de simuler

les conditions de deformation plane (Fig. 2.2) et permet d'appliquer une rotation cyclique de 1 axe

des contraintes principales. Finalement, un essai DSS peut etre conduit sur un sol sec [FINN et coll., 1992] et n'exige pas une grande correction des resultats comme les triaxiaux (Equation 2.1). Toutes ces conclusions ont encourage les chercheurs a 1'Universite de Sherbrooke ^ opter en faveur des essais DSS cycliques pour etudier FefFet du precisaillement statique.

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-»• ;a Element de sol