1.2 Caractérisation mécanique des sols grossiers
1.2.2 Caractérisation en laboratoire, au moyen de dispositifs de grandes di-
Comme nous l'avons évoqué précédemment, l'utilisation de dispositifs expérimentaux de grandes dimensions peut être un moyen de déterminer en laboratoire les caractéristiques mécaniques des sols grossiers. Nous présentons quelques exemples de ce type de dispositifs.
Les dimensions élevées de ces appareils induisent diverses dicultés que nous nous proposons également décrire dans ce qui suit.
1.2.2.1 Utilisation d'une boîte de cisaillement
En France, il existe trois de boîtes de cisaillement direct de grandes dimensions : la pre- mière est une boîte cylindrique d'un diamètre 600 mm et d'une hauteur de 300 mm, celle-ci se trouve au CETE de Lyon (Figure 1.21). Le deuxième dispositif se trouve au CER de Rouen et est constitué d'une boîte parallélépipédique de 500 mm de côté de 200 mm de hauteur.
Enn Bourdeau (Bourdeau, 1997) présente également un dispositif de cisaillement direct de 600 mm de côté et de 400 mm de haut.
Au plan international, il convient de citer les boîtes de cisaillement ayant jusqu'à 1000 mm de côté (Wiseman et al., 1987; Fukuoka, 1957), la gure 1.22 en présente un exemple.
Fig. 1.21 Shéma et vue de la grande boîte de cisaillement du CETE de Lyon (Shirdam et al., 1998; Bourdeau et al., 1989).
A− bottom box B− top frame C− loading platform D− dead weight E− hydraulic jack
and load cell
Fig. 1.22 Shémas et vue d'une boîte de cisaillement direct de grandes dimensions (Wiseman et al., 1987).
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La première diculté posée par la dimension des boîtes de cisaillement direct réside dans le fait que les frottements entre le sol et les parois latérales de la boîte ne peuvent plus être négligés. Bourdeau (Bourdeau et al., 1989) montre que le développement de ces eorts in- duisent une réduction de l'eort normal appliqué dans le plan de cisaillement. La Figure 1.23 représente l'évolution du rapport N
F entre l'eort normal N mesuré sous le plan de cisaille- ment et la charge appliquée F sur la face supérieur de l'éprouvette. Elle illustre également l'évolution du rapport T
N oúT représente l'eort de cisaillement. On constate qu'une grande partie de la charge verticale appliquée en tête de l'échantillon est reprise par le frottement latéral pendant l'application de la contrainte verticale F
S = 450 kP a (phase a). Puis, l'in- uence du frottement diminue à mesure qu'on se rapproche de la rupture (phase b). An de limiter les eets de ces frottements, Bourdeau entoure l'échantillon d'un chemisage graissé.
Fig. 1.23 Mise en évidence du frottement se développant entre le sol et les faces latérales de la boîte de cisaillement (Bourdeau et al., 1989).
Lorsque les deux demi boîtes se déplacent horizontalement l'une par rapport à l'autre, des eorts de frottement se développent. Compte tenu du poids élevé des demie boîtes ces eorts sont importants et ne peuvent être négligés. Certains auteurs comme Bourdeau (Bourdeau et al., 1989; Bourdeau, 1997), Shirdam (Shirdam et al., 1998) et Vallé (Vallé, 2001) font en sorte que les deux demi boîtes ne soient pas en contact lors du cisaillement. Cet espacement des demie boîtes annule, certes, les eorts de frottement parasites, mais modie les conditions aux limites géométriques du problème et induit des eets incertains. Selon Nichiporovitch et
Cruz cités par Vallé (Vallé, 2001) et selon Shirdam (Shirdam et al., 1998), cet espacement annulerait ou réduirait la valeur de la cohésion déterminée expérimentalement (Figure 1.24).
Vallé (Vallé, 2001) montre, au contraire, que cet espacement n'a aucune inuence sur les paramètres de rupture du sol grossier qu'il étudie. An de ne pas modier les conditions aux limites géométriques du problème de cisaillement direct, il semblerait plus judicieux de maintenir le contact entre les deux demi boîtes et de chercher à évaluer théoriquement ou par l'expérience la valeur de ce frottement. D'autres auteurs ont cherché à réduire cet eort en intercalant entre les boîtes des éléments ou un produit favorisant un glissement peu frottant, c'est l'option qu'a choisie Wiseman (Wiseman et al., 1987).
t=3mm t=20mm
t 0 t=0
Fig. 1.24 Eet de l'espacement des demi boîtes sur les paramètres de rupture d'un sol grossier (Shirdam et al., 1998).
1.2.2.2 Utilisation de dispositifs triaxiaux.
L'augmentation de la taille des dispositifs triaxiaux pour caractériser en laboratoire le comportement mécanique des sols grossiers induit moins de dicultés expérimentales que dans le cas des essais de cisaillement direct. En eet, les essais triaxiaux à grande échelle impliquent principalement des coûts nanciers élevés par rapport aux essais eectués sur des dispositifs de plus petite taille. L'augmentation de ces coûts provient d'abord du fait que
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ces appareils sont des prototypes : en France, il n'en existe que deux ou trois dont un se trouve au CER de Rouen et un second appartient à l'entreprise MECASOL. Ensuite, l'exé- cution d'essais avec ce type de dispositif implique des coûts énergétiques élevés car les eorts nécessaires au cisaillement sont accrus : citons, à titre d'exemple, la capacité maximale du dispositif de Marachi (Marachi et al., 1972) qui vaut 18000 kN. An de développer de tels eorts, des vérins hydrauliques asservis sont le plus souvent utilisés. Les essais triaxiaux à grande échelle sont également des essais pour lesquels les procédures d'exécution ( mise en place de l'éprouvette, saturation, cisaillement) sont plus longues et plus lourdes à réaliser.
La taille élevée de ces éprouvettes présente cependant l'avantage de pouvoir bien les instru- menter : les travaux de Hoque (Hoque et al., 1996; Hoque & Tastuoka, 1998),Jiang(Jiang et al., 2002), Balakrishnayer(Balakrishnayer et al., 1998) et de Gomes Correia (Gomes- Correia et al., 2001), portant sur l'anisotropie des matériaux granulaires en est une illus- tration.
Nous avons répertorié dans les tableau1.1 et 1.2, les diérents dispositifs triaxiaux de grandes dimensions. On peut constater que ce type de dispositif a été développé très tôt : l'un des premiers triaxiaux de grande taille est développé dans les années 50 par Hall (Hall, 1950;
Leslie, 1963) et jusqu'à aujourd'hui, des dispositifs de plus en plus performants continuent à être développés.