Caractéristiques minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydriques des sols étudiés

Caractéristiques minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydriques des sols étudiés

Les propriétés de retrait-gonflement des sols argileux sont liées à leurs propriétés mécaniques et hydrauliques qui sont contrôlées à la fois par leur minéralogie, les interactions eau-argile et l’arrangement microstructural. L’étude de la minéralogie et de la microstructure des sols argileux est donc primordiale. Outre ces deux propriétés intrinsèques du sol, la minéralogie et la microstructure, les paramètres géotechniques et hydriques peuvent également permettre de caractériser le gonflement des sols qui sont sensibles à ce phénomène. En fait, ces paramètres permettent de donner une estimation qualitative de leur potentiel de retrait-gonflement. Les caractérisations géotechniques et hydriques sont donc également nécessaires à réaliser pour ce type de sol.

Deux sols argileux, étudiés dans ce mémoire de thèse, sont d’abord présentés. Les résultats de l’analyse minéralogique de ces sols en utilisant les rayons X sont présentés. La caractérisation microstructurale de ces sols à l’état intact en utilisant la porosimétrie au mercure et le MEB est ensuite réalisée. Les paramètres géotechniques à partir des essais géotechniques classiques sont ensuite présentés. Enfin, les caractéristiques hydriques de ces sols sont établies à partir de leur courbe de rétention d’eau.

Matériaux étudiés : Argile Plastique et Argile d’Héricourt 

Deux formations argileuses du bassin de Paris sensibles aux processus de retrait-gonflement, les Argiles vertes de Romainville et les Marnes bleues d’Argenteuil, ont été étudiées antérieurement par l’équipe de recherche dans le cadre du projet de recherche : « Aléa et risque sécheresse » soutenu par la Fondation MAIF, du projet ARGIC : « Analyse du retraitgonflement des sols argileux et de ses incidences sur les constructions » soutenu par l’ANR et de la fiche recherche « Sécheresse géotechnique et bâti » du Réseau de recherche sur le développement durable, soutenue par la région Ile-de-France. Les travaux présentés dans cette thèse sur les Argiles Plastiques du Sparnacien dans le cadre du projet ARGIC 2 : « Sécheresse et Constructions » soutenu par le MEDDTL ont pour but d’élargir l’analyse et de comparer les 3 types d’argiles étudiés. Une autre formation, l’argile d’Héricourt du Lias, qui est aussi sensible au retrait-gonflement est étudiée également dans cette thèse, considérant de plus les effets de traitement à la chaux.

Argile Plastique 

Les premiers sols étudiés dans ce mémoire de thèse sont les Argiles Plastiques (AP) du Sparnacien qui ont été prélevées à Angervilliers (Essonne, Ile-de-France) (Figure 1.1). Trois niveaux sont analysés : un niveau supérieur de couleur gris clair (APS) (2 à 4 m), un niveau moyen de couleur rouge (APM) (1 à 2 m) et un niveau inférieur de couleur gris, jaune ou blanche (API) (6 à 8 m). Ils sont différenciés par leur teneur en argiles et les proportions des différents minéraux argileux. On fait observer que les épaisseurs données sont des moyennes à l’échelle de la carrière.

Dans cette carrière, les Argiles Plastiques du Sparnacien se présentent au sein d’une série sédimentaire comprenant, de haut en bas : les Sables et grès de Breuillet (Sparnacien), les Argiles sableuses et Argiles Plastiques (Sparnacien), et plus en profondeur les Marnes de Meudon (Montien), la Craie blanche à silex (Sénonien).

Argile d’Héricourt 

Le deuxième sol étudié est l’argile d’Héricourt (AH) du Lias qui est connu comme un sol très gonflant. Les échantillons de sol ont été prélevés à Héricourt en Haute-Saône situé à l’est de la France. Ce sol est utilisé dans la construction d’un remblai dans le projet TerDOUEST « Terrassements Durables – OUvrages en Sols Traités » soutenu par le CNRS. L’état « initial naturel » correspond à un matériau prélevé sur le site du chantier et non dans la formation géologique en place. Cette argile traitée à la chaux est aussi étudiée dans cette thèse. La chaux utilisée dans cette étude est la chaux vive.

Argiles vertes de Romainville et Marnes bleues d’Argenteuil

Les échantillons d’Argiles vertes de Romainville (AVR) et de Marnes bleues d’Argenteuil (MBA) pris en considération dans ce travail ont été étudiés antérieurement dans le cadre de la thèse de Yigzaw (2009). Ils ont été prélevés dans une carrière située à environ 25 km au Nord-Est de Paris sur les communes de Villeparisis et Le Pin (département de Seine-etMarne) (Figure 1.2).

Dans cette carrière, la série sédimentaire est la suivante, de haut en bas : Formations quaternaires, Argiles vertes de Romainville (4 à 5 m), Glaises à Cyrènes (1 à 2 m), Marnes blanches de Pantin (4 à 5 m), Marnes bleues d’Argenteuil (8 à 10 m), Haute masse de gypse (Yigzaw 2009). Les Marnes bleues d’Argenteuil (MBA) appartiennent au Ludien supérieur, étage de l’Eocène supérieur, et l’Argile verte de Romainville (AVR) appartient au Rupélien inférieur (anciennement Stampien), étage de l’Oligocène inférieur.

Caractérisation minéralogique 

Méthode utilisée

La composition minéralogique des sols argileux étudiés dans ce mémoire de thèse est déterminée par la méthode de diffraction des rayons X. Cette méthode consiste à soumettre le matériau à un rayonnement de la longueur d’onde des rayons X (0,5 < λ < 2 Å) (échantillon argileux orienté ou non). Lorsque le rayonnement pénètre le cristal, il y a absorption d’une partie de l’énergie et excitation des atomes avec émission de radiations dans toutes les directions. Les radiations émises par des plans atomiques en phase vont engendrer un faisceau cohérent qui pourra être détecté. Chaque minéral ou famille argileuse sera caractérisé par une distance inter-réticulaire d suivant la loi de Bragg :

nλ  = 2d sinθ [1.1]

n : nombre entier correspondant à l’ordre de la diffraction
λ : longueur d’onde du rayonnement utilisé
d : distance inter-réticulaire, en angströms (Å)
θ : angle de diffraction

Les sols argileux sont constitués en proportion variable de minéraux argileux (phyllosilicates) et de minéraux non argileux. Pour déterminer les composants de ces deux groupes de minéraux, une analyse RX d’un échantillon de poudre représentatif du matériau dans sa globalité est réalisée, ainsi que sur la fraction inférieure à 2 m correspondant aux particules argileuses. Les procédures de préparation des ces échantillons sont décrites en détail dans Moore et Reynolds (1989). La présence des minéraux non argileux tels que le quartz, les feldspaths, les oxydes de fer, les oxydes de Ti est identifiée à partir du diffractogramme des spectres de diffraction des rayons X sur une lame de poudre du sol avec des réflexions principales respectivement à 3,3 Å, 3,25 Å, 2,71 Å et 3,51 Å. Les phyllosilicates qui correspondent aux minéraux argileux sont aussi détectés par cette analyse mais il n’y a pas possibilité de les différencier minéralogiquement, une autre analyse spécifique aux argiles doit être réalisée.

Concernant les minéraux argileux, leur présence est identifiée à partir des lames d’argiles qui sont préparées par dépôt direct d’une suspension diluée, de particules inférieures à 2 m, sur une lame de verre dépoli, suivi d’un séchage à l’air libre. Cette suspension argileuse est préalablement décalcifiée et les lames sont préparées suivant 3 protocoles différents : séchage à l’air libre (état naturel), traitement au glycol (mise en évidence des argiles gonflantes) et chauffage (destruction de la Kaolinite).

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 Caractéristiques minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydriques des sols étudiés
1. Introduction
2. Matériaux étudiés : Argile Plastique et Argile d’Héricourt
2.1. Argile Plastique
2.2. Argile d’Héricourt
2.3. Argiles vertes de Romainville et Marnes bleues d’Argenteuil
3. Caractérisation minéralogique
3.1. Méthode utilisée
3.2. Argile Plastique
3.3. Argile d’Héricourt
4. Caractérisation microstructurale
4.1. Méthodes utilisées
4.1.1. Observation par microscope électronique à balayage
4.1.2. Porosimétrie au mercure
4.2. Argile Plastique
4.3. Argile d’Héricourt
5. Caractérisation géotechnique
5.1. Méthodes utilisées
5.2. Argile Plastique
5.3. Argile d’Héricourt
6. Caractérisation hydrique
6.1. Méthodes utilisées
6.1.1. Méthode du papier-filtre
6.1.2. Méthode osmotique
6.1.3. Méthode de la pression en phase vapeur
6.1.4. Méthode du potentiomètre
6.2. Courbe de rétention d’eau.
6.2.1. Courbe de rétention d’eau de l’Argile Plastique
6.2.2. Courbe de rétention d’eau de l’argile d’Héricourt
6.2.3. Courbe de rétention d’eau de l’argile d’Héricourt compacté non-traité et traité à la chaux
6.3. Conductivité hydraulique de l’argile d’Héricourt compacté
6.3.1. Mesure de la conductivité hydraulique
6.3.2. Aspects microstructuraux
6.3.3. Discussions et conclusions
7. Conclusions
Chapitre 2 Analyse du processus de gonflement
1. Introduction
2. Protocoles d’essai et méthodes utilisées
3. Résultats
3.1. Gonflement libre et potentiel de gonflement
3.2. Pression de gonflement
3.3. Aspects microstructuraux du gonflement
4. Analyse du gonflement par le modèle microstructural
4.1. Modèle d’organisation microstructurale des sols fins compactés non saturés (Ferber 2005)
4.2. Adaptation à l’étude du gonflement libre des sols intacts
4.3. Discussions
5. Comparaisons entre les sols étudiés et conclusions
Chapitre 3 Analyse du retrait et de la fissuration des sols
1. Introduction
2. Protocoles d’essai
2.1. Dessiccation des Argiles Plastiques intactes
2.2. Dessiccation des Argiles Plastiques remaniées au laboratoire
3. Résultats
3.1. Retrait et fissuration des Argiles Plastiques intactes
3.2. Retrait et fissuration des Argiles Plastiques remaniées au laboratoire
4. Comparaisons entre les sols étudiés et conclusions
Chapitre 4 Phénomènes de vieillissement rhéologique du sol soumis à des cycles hydriques accélérés
1. Introduction
2. Protocoles d’essai
3. Résultats
3.1. Gonflement libre de l’Argile Plastique (APM) en fonction des cycles hydriques
3.2. Gonflement libre de l’argile d’Héricourt compactée en fonction de cycles hydriques
3.3. Aspects microstructuraux du gonflement libre en fonction des cycles hydriques
3.3.1. Argile Plastique
3.3.2. Argile d’Héricourt compactée
4. Comparaisons entre les sols étudiés et conclusions
Conclusion générale

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