Comportement mécanique

La structure du sol après compactage et la minéralogie sont des variables fondamentales qui gouvernent le comportement vis-à-vis des changements de la teneur en eau. Les structures ouvertes, qui correspondent à de faibles densités, sont sujettes à l’effondrement quand les forces internes d’origine capillaire, capables de rigidifier le sol, diminuent, suite à une humidification [Alonso, 1993]. Cependant, la destruction des ménisques, des ponts et des agglomérats entre grains, qui d’ordinaire accompagne un processus d’imbibition peut provoquer d’importantes réductions de volume. Si la plage des contraintes appliquées est vaste, on constate qu’après une imbibition d’un sol compacté, l’effondrement augmente avec la contrainte appliquée jusqu’à atteindre un maximum, puis diminue pour des contraintes de confinement supérieures. Ce comportement est logique du point de vu physique. En effet, à une succion donnée, la contrainte croissante arrivera à rompre la structure du sol, mais simultanément provoquera des états denses du sol.

La mise en œuvre des couches d’argile sur chantier est donc effectivement très importante pour la pérennité de l’ouvrage. Le compactage in situ est destiné à limiter les tassements et à assurer la stabilité. En couche de forme, on peut obtenir des caractéristiques suffisantes de raideur et de résistance pour ne pas provoquer des déformations et des désordres dans la structure [CFTR, 2002].

Pour un compactage efficace, il faut maîtriser quatre éléments : - la classification d’argile (nature, état, comportement),

- le type de compactage (statique ou dynamique, au laboratoire ou in situ),

- le matériel de compactage (engins – paramètres de construction et de fonctionnement), - l’épaisseur à mettre en œuvre.

2.3. Etudes des caractéristiques mécaniques des argiles

L’objectif est d’étudier l’influence de la teneur en eau d'un échantillon de sol sur le poids volumique sec de cet échantillon soumis à une énergie de compactage déterminée. Le principe consiste à compacter avec une énergie définie un échantillon de sol remanié dans un moule normalisé et à mesurer le poids volumique sec obtenu. L'essai est recommandé pour différentes teneurs en eau. Il existe deux types d'essais d'usage courant : l'essai Proctor Normal et l'essai Proctor Modifié. Les résultats se présentent sous la forme d'une courbe dont l’abscisse est la teneur en eau et l’ordonnée est le poids volumique sec. Cette courbe a un maximum dit "Optimum Proctor" normal ou modifié selon la nature de l'essai. L'optimum est alors déterminé par le point maximal de la courbe qui donne la teneur en eau optimale pour une compacité maximum.

Figure 2-4 : Moule de CBR pour un essai de compactage modifié 2.3.1.2. L’indice portant immédiat :

L'Indice Portant Immédiat du sol à teneur en eau naturelle exprime la capacité au poinçonnement d’une éprouvette de sol compacté à énergie Proctor (NF P94 – 078). Cet indice ne constitue pas une caractéristique intrinsèque du sol. En effet, si cette grandeur dépend en partie de la nature du sol, elle dépend également, dans une large mesure, de la teneur en eau du sol. [Venstermans et al., 2001] ont montré qu’il existe une relation entre l’IPI et le poids volumique sec en fonction de la teneur en eau de l’argile.

Figure 2-5 : Courbe Proctor et de l’IPI, ligne TGV-Est, A8 [Venstermans et al., 2001]

2.3.1.3. L’essai de cisaillement direct :

L’essai de cisaillement direct à la boite de Casagrande a pour objectif de déterminer la résistance au cisaillement du sol. En supposant les contraintes uniformément réparties sur la surface de rupture, on détermine la contrainte de cisaillement à la rupture τ (ou résistance au cisaillement) pour une contrainte normale donnée σ. A chaque essai correspond, dans le plan de Mohr (O, σ τ), un point de la courbe de coordonnées (σ, τ). Dans l’essai de cisaillement direct, des conditions de drainage dépendent de la perméabilité du sol et de la vitesse de l’essai.

Figure 2-6 : Boite de cisaillement de Casagrande et expression des résultats 2.3.1.4. L’essai œdométrique :

C’est un essai classique de laboratoire qui permet d’évaluer le tassement et le gonflement du matériau au cours du temps (NF P94-090-3). Il permet également de classifier les sols vis-à-vis de leur compressibilité.

Figure 2-7 : Principe de l’essai œdométrique

La compressibilité de l’argile a été étudiée à partir des essais œdométriques effectués en laboratoire pour des contraintes supérieures à 3000 kPa. A haute pression, le sol est soumis à une contrainte maximale de 22000 kPa. Josseaume a montré que les valeurs représentatives des paramètres de compressibilité (Cc et Cs) d’une argile raide ne peuvent être obtenues qu’à partir des essais à haute pression ([Josseaume et al., 1991], [Josseaume, 1998]). A titre d’exemple, nous donnons les résultats obtenus pour une argile de Flandres dans le Tableau 2-2.

γd (kN/m³) w (%) σ^’p (kPa) Cc Cs

15.4 30.5 3400 0.34 0.12

16 26.2 3400 0.29 0.10

15.8 27.6 2800 0.31 0.10

Tableau 2-2 : Paramètres de compressibilité de l’argile [Josseaume, 1998].

2.3.1.5. L’essai triaxial

En se basant sur l’hypothèse de [Bishop, 1959], la contrainte totale appliquée à un sol tri-phasique peut se mettre sous la forme :

) . .

( ) .

' (

ij w ij a ij

a ij

ij σ u δ χ u δ u δ

σ = − + − (2-12)

avec :

σij’ est le tenseur des contraintes effectives, σij est le tenseur des contraintes totales, ua est la pression d’air,

uw est la pression d’eau,

δij est le symbole de Kronecker, χ est le coefficient de saturation.

Si le coefficient de saturation est égal à 1, nous retrouvons la formulation de Terzaghi sous la forme :

ij w ij

ij σ u δ

σ^' = − (2-13)

Cette relation admise et vérifiée pour les sols saturés a été étendue aux sols quasi- saturés pour autant que l’on tienne compte que uw < 0. Pour les sols non saturés, Bishop et ses collaborateurs ont été les premiers, dans les années 60, à montrer expérimentalement que le comportement d’un sol partiellement saturé n’était pas modifié si, quelles que soient les variations du tenseur des contraintes externes, σ, de la pression interstitielle de l’air, ua, et de celle de l’eau uw, les grandeurs (σ - uw) et (ua - uw) étaient maintenues constantes.

Dans ces conditions, un premier critère, prenant en compte la succion et exprimé en contraintes totales peut être proposé sous la forme ci-dessous en référence à Mohr-Coulomb :

σ φ

τ =Capp+ tan _app (2-14)

τ

σ et sont des contraintes totales.

Capp et φapp sont la cohésion apparente et l’angle de frottement apparent.

Dans le cadre de cette étude, nous nous intéressons aux essais triaxiaux non consolidés – non drainés sur sol non saturé. Cet essai ne permet aucun drainage au cours de la manipulation. L’état du sol est tri-phasique. C’est l’eau interstitielle qui va équilibrer en partie les contraintes appliquées. La résistance au cisaillement ne dépend pas uniquement de la contrainte normale. Cependant, la présence de l’air compressible dans l’échantillon a montré que les cercles de rupture n’ont pas tous le même diamètre. En effet, le sol se consolide au fur et à mesure de l’augmentation de la contrainte normale. Cet essai non standard a été utilisé pour reproduire les conditions in-situ de l’argile étudiée. Les résultats obtenus seront détaillés dans les chapitres suivants.