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Submitted on 1 Feb 2018
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d’essais de cisaillement effectués au Phicomètre.
Julien Arpaia, Robert Heintz, Philippe Reiffsteck
To cite this version:
Julien Arpaia, Robert Heintz, Philippe Reiffsteck. Influence de paramètres géométriques sur les résul-tats d’essais de cisaillement effectués au Phicomètre.. ISP7-PRESSIO 2015, May 2015, HAMMAMET, Tunisie. 6 p. �hal-01684457�
INFLUENCE DE PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES SUR LES RÉSULTATS
D’ESSAIS DE CISAILLEMENT EFFECTUES AU PHICOMÈTRE
INFLUENCE OF GEOMETRIC PARAMETERS ON THE RESULTS OF SHEAR TESTS PERFORMED WITH THE PHICOMETER DEVICE
Julien ARPAIA1, Robert HEINTZ2, Philippe REIFFSTECK3
1
CEREMA, Direction territoriale Normandie Centre, Grand Quevilly, France
2
Eurasol, Luxembourg, Luxembourg
3
Université Paris Est, IFSTTAR, Département GERS, Marne la Vallée, France
ABSTRACT – The phicometer probe is a slotted tube that consists of 6 steel shells equipped in
the central measuring zone with off-standing indentations which penetrate in a borehole whole under lateral pressure. During its lateral expansion and the subsequent vertical traction, the geometry of the phicometer probe changes and more precisely the width of the opening slots between the shells (grooves). This paper presents a study of the influence of the changing geometrical parameters of the probe on the results of phicometer shear tests performed in situ and in the laboratory.
RÉSUMÉ – La sonde phicométrique est un tube fendu constitué de 6 lamelles équipées de
dents saillantes dans la partie centrale de mesure qui pénètrent dans la paroi d’un forage sous une pression latérale. Lors de son expansion latérale et du cisaillement vertical subséquent la sonde phicométrique voit sa géométrie varier et plus précisément la largeur des fentes entre les lamelles (rainures). Cette communication présente une étude de l’influence de la variation des paramètres géométriques de la sonde sur les résultats d’essais de cisaillement phicométriques effectués en forage et au laboratoire.
1. Introduction
Comme le pressiomètre et le pressio-perméamètre, le phicomètre est un essai d’expansion devenu un instrument de reconnaissance des sols d’application courante dans le cadre d’études de stabilité de pente et de soutènement p. ex. (HEINTZ, 2006). Il permet de caractériser des sols difficiles à prélever intacts et de s’affranchir des remaniements d’échantillons qui entachent les résultats des essais effectués en laboratoire.
L’essai au phicomètre consiste à réaliser un essai de cisaillement en forage (Philipponat, 1986, 1987a ; 1987b). Une sonde munie de dents annulaires qui pénètrent dans le sol lors de son expansion réalisée dans un forage préalable est soumise à un effort d’arrachement (figure 1). La résistance au cisaillement du sol est mesurée lors de l’arrachement vertical de la sonde. La contrainte de cisaillement limite conventionnelleest donnée par la formule suivante:
= TL / ( . ls . ds )
avec :
TL = effort d’arrachement de palier au bout d’une course d’arrachement de 7 mm;
ls = longueur conventionnelle de la zone de mesure ;
ds = diamètre extérieur hors tout de la zone de mesure après injection d’un volume V - déduit
de la courbe d’étalonnage V = f(ds) ;
dispositif d'arrachement
stockage éventuel des données
mesure du déplacement axial mesure de l'effort d'arrachement contrôleur pression-volume système de mise en pression régulée et injection conditionneur indicateur repère dispositif de réaction
forage (tubage éventuel) train de tiges tubulures de connexion sol sonde dilatable radialement a) niveau du sol effort de traction ls ds b)
Figure 1. Schéma du phicomètre et de la sonde
L’essai comprend 5 à 8 paliers successifs de cisaillement à pression radiale contrôlée ϭ . Pour l’interprétation des données, on trace les courbes secondaires et la courbe de cisaillement représentants respectivement l’évolution de la variation des volumes (fluage initial, fluage de cisaillement, volumes cumulés d’expansion) et de la contrainte de cisaillement en fonction de la contrainte normale appliquées à chaque palier. La détermination des paramètres φi angle de frottement mesuré in situ au phicomètre et ci cohésion mesurée in situ au
phicomètre est ensuite faite sur la partie linéaire de la courbe de cisaillement par la méthode des moindres carrés.
Dans la pratique une certaine dispersion est observée lors de l’interprétation des essais phicométriques (Arpaia et al, 2014). L’exploitation des données phicométriques suivant la norme expérimentale NF XP-94-120, a pour conséquence implicite la prise en compte d’une variation croissante de la surface de cisaillement au cours d’un essai (AFNOR, 1997). L'ouverture théorique des fentes et l’évolution des surfaces lisses correspondantes de la surface de cisaillement en cours d’essai sont représentées sur le diagramme joint en figure 2.
espacement
ainsi on peut s’interroger sur l’influence de la variation de géométrie de la sonde lors de l’essai de cisaillement sur les résultats d’une part. D’autre part la question restant en suspend lors de l’interprétation est la pertinence d’évaluer la contrainte de cisaillement en prenant en compte une surface variable, constitué de l’addition des sections lisses et dentées de la surface périphérique de la sonde dilatée (comme le propose la norme) ou la surface dentée seule qui est constante en supposant l’absence de cisaillement dans les fentes.
Dans ce contexte, différentes expérimentations in situ et en laboratoire à la boîte de cisaillement direct ont été réalisées sur des sols reconstitués.
2. Étude en laboratoire avec une boite de cisaillement
Une étude de l’influence de la largeur de l’espace entre les coquilles du phicomètre (rainures) sur les caractéristiques de cisaillement mesurées a été réalisée en laboratoire sur la grave de Criquebeuf. Pour ce faire, on a modélisé l’essai in situ au phicomètre par un essai en laboratoire à la boîte de cisaillement direct. Au cours de ces expériences, la sonde du phicomètre, considérée comme un tube fendu phicométrique déroulé, est représentée par différentes plaques, munies de dents et de rainures longitudinales simulant l’espace entre les coquilles.
La boîte de cisaillement grande dimension (500x500x250 mm) du CEREMA de Rouen a été utilisée pour déterminer les caractéristiques mécaniques du matériau c et φ (Figure 3).
Figure 3. Exemple de résultat d’essai–plaque 1– espacement d = 4 mm–grave de Criquebeuf
La méthode d’essais de cisaillement à la boîte est conforme à la norme NF P94-071-1. La figure 4 montre la granulométrie de la grave de Criquebeuf testée et l’évolution des caractéristiques φ et c lors de 4 essais de cisaillement effectués avec des plaques simulant des ouvertures des fentes de la sonde phicométrique de 0, 4, 8 et 12 mm (soit des volumes injectés de 0, 145, 320, 525 cm3). L’interprétation est réalisée avec le déplacement maximal servant de critère d’arrêt dans la norme NF XP-94-120 (7 mm/palier) en tenant compte et d’une surface de cisaillement variable et d’une surface de cisaillement constante.
A titre de comparaison les résultats des essais normalisés à la boîte et au triaxial, effectués sur le même matériau sont présentés (Reiffsteck et al, 2007a et b).
Figure 4. Courbe granulométrique de la grave de Criquebeuf et présentation des résultats d’essais normalisés à la boîte et au triaxial et d’essais de type phicométrique, réalisés à la
boîte sous plaques rainurées et dentées
3. Étude in situ avec le phicomètre
Les essais ont été réalisés dans un massif de limon sableux de Criquebeuf reconstitué sur le site du CEREMA de Rouen dans quatre forages distincts à 1,1 et 2,2 m de profondeur (notés FP sur la Figure 4). Pour contrôler l’influence de l’ouverture des fentes de la sonde phicométrique sur les résultats des caractéristiques mécaniques mesurées in situ, le trou a été calibré à différents diamètres. Les diamètres de couronne employés sont 60 et 63 mm montés sur un carottier T2 56mm et 66mm et 69 mm montés sur un carottier T2 66mm.
Les résultats d’essais sont regroupés dans la figure 5 pour la cote 1,1 m.
a b
Figure 5. Variation des paramètres de cisaillement obtenue avec les méthodes d’interprétation à surface variable (norme NF XP-94-120) et constante
L’interprétation basée sur la norme NF XP-94-120 (figures 5 et 6a) montre une dispersion sur la plage 23° < φi < 32° (φi moyen = 26°) pour l’angle de frottement et de 81 < ci < 106 kPa (ci moyen = 93 kPa) pour la cohésion qui est relativisée par la superposition sur un même graphique des points caractéristiques des différents paliers de cisaillement des 4 essais (figure 6b).
a b
Figure 6. Interprétation de φi et ci : droites de cisaillement résultant de l’interprétation individuelle de chaque essai (6a); interprétation par superposition des points des paliers de
cisaillement (couples [ ;]) des 4 essais confondus (6b).
Cette méthode d’interprétation, basée sur les couples [ ; d’une série d’essais réalisés dans une même couche, conduit généralement, et en l’occurrence dans notre cas, à une dispersion faible des points caractéristiques ce qui témoigne d’une bonne fidélité de l’essai phicométrique, d’une faible influence de l’ouverture des fentes sur les résultats et ce qui permet de procéder à une définition robuste des valeurs de φi et ci, représentatifs de la couche testée. Toutefois les résultats changent de façon non négligeable si on considère le cisaillement se produisant uniquement le long des sections dentées au niveau de la zone de mesure lors de l’arrachement de la sonde et l’absence de cisaillement le long des sections lisses dans les ouvertures de fentes dont l’évolution en cours d’essai est indiquée sur la figure 2. En adoptant une surface de cisaillement constante au lieu d’une surface composite lisse et dentée comme recommandé dans la norme NF XP-94-120, il y a un accroissement aussi bien des valeurs de φi et ci (figur 5) que de φ et c résultant des essais réalisés à la boîte de cisaillement grande dimension comme indiqué sur la figure 4. Toutefois, l'accroissement des valeurs observé dans ce cas précis ne peut être considéré comme la règle générale.
4. Conclusions
Cette étude expérimentale a permis de tirer plusieurs conclusions:
- aussi bien les essais réalisés au laboratoire que ceux réalisés in situ sur des massifs reconstitués, plus ou moins homogènes quant à leur lithologie et leur compacité font apparaître une certaine dispersion des caractéristiques de cisaillement.
- cette dispersion nous semble plutôt liée au choix de la méthode d’interprétation, en l’occurrence au choix de la section droite de la courbe phicométrique qui détermine la pente de la droite de cisaillement (figure 6a).
- en superposant l’ensemble des points des paliers de cisaillement (couples [ϭ ;]) des 4 essais (figure 6b) on constate une faible dispersion ce qui montre une influence négligeable de l’ouverture des fentes sur l’interprétation des essais.
- on observe des différences notables selon qu’on considère une surface de cisaillement constante ou variable.
Il semble donc possible d’améliorer l’interprétation des essais au phicomètre en utilisant une surface de cisaillement constante durant l’essai et en supposant l’absence de cisaillement dans les fentes.
5. Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier Stefanie Allwicher, cand.-ing. RWTH Aix-la-Chapelle et Ch. Schroeder, secrétaire, Eurasol S.A. pour leur aide dans la mise en forme de l’article
6. Références
AFNOR (1994) Sols : reconnaissance et essais - Essai de cisaillement rectiligne à la boîte - Partie 1 : cisaillement direct NF P94-071-1
AFNOR (1997) Sols : reconnaissance et essais - Essai de cisaillement au phicomètre XP P94-120
Arpaia J., Durand E., Petkovski I. (2014) Le phicomètre, outil de mesure de la résistance au cisaillement in situ, JNGG, Lasalle Beauvais,
Heintz R. (2006) Rapport national du Grand-Duché de Luxembourg, ISP5 – PRESSIO 2005 vol. 2 (50 ans de pressiomètres) Gambin, Magnan and Mestat (ed), LCPC, Paris, pp 431-440
Philipponnat G. (1986) Le Phicomètre : essai de cisaillement in situ, Rev. Franç. Géotech. 35, 46-65
Philipponnat G. (1987a) Le Phicomètre, analyse de 200 essais de cisaillement in situ, Annales de l'ITBTP, 460 : 66-87
Philipponnat G. (1987b) Mesure au Phicomètre de la résistance au cisaillement des sols noyés, 9ème ECSMFE, Dublin, 75-78
Philipponnat G., Zerhouni M. (1993) Interprétation de l’essai au Phicomètre, Rev. Franç. Géotech. 65, 3-28
Reiffsteck Ph., Arbaut J., Sagnard N., Khay M., Subrin D., Chapeau C., Levacher D., (2007a) Mesures en laboratoire du comportement mécanique des sols grossiers Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées, n°268-269, pp 59-82.
Reiffsteck Ph., Nguyen Pham P.T. Arbaut, J. (2007b) Influence de la répartition granulométrique sur le comportement mécanique d’un sol, Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées, n°268-269, pp 83-104..
