Comportement des sols non saturés – Application aux lœss naturels

Les sols effondrables, comme les sols gonflants, attirent depuis longtemps l’attention des chercheurs de par les problèmes de stabilité qu’ils posent aux bâtiments, aux ouvrages géotechniques et aux infrastructures linéaires. D’après Dudley (1970), Terzaghi et Fröhlich (1936) avaient déjà observé la tendance que peuvent avoir certains sols non saturés à s’effondrer lorsqu’ils sont inondés. Les recherches menées jusqu’à présent sur ce thème et sur le thème plus général de la mécanique des sols non saturés ont permis l’élaboration de lois de comportement couplées hydromécaniques. Mais le développement de ces lois est dans la plupart des cas basé sur des résultats expérimentaux obtenus sur des échantillons reconstitués ou compactés et très peu de données concernent les sols naturels intacts.

La susceptibilité à l’effondrement peut concerner les dépôts alluviaux, colluviaux et les sols éoliens. Le lœss est un dépôt limoneux éolien, transporté dans des conditions périglaciaires et déposé dans des environnements froids de steppe, près des principales nappes glaciaires du Quaternaire, principalement autour du parallèle 50°N dans l’hémisphère Nord, mais aussi en Amérique du Sud. On les rencontre sur des plateaux, des pentes et des grands bassins alluviaux. En Chine, les épaisseurs de “ lœss du Plateau ” peuvent atteindre 300 m. Des dépôts existent aussi dans le plateau de la Sibérie en Russie, dans les bassins des rivières du Danube, du Rhin et du Mississippi (Amérique du Nord) ainsi que dans la Pampa (Argentine) (Pecsi 1990).

Des dépôts lœssiques ont été détectés en France suite à des problèmes d’effondrement sous les fondations de la ligne à grande vitesse (LGV Nord). Ces problèmes sont apparus lors de périodes de pluies intenses en hiver 2001 et au printemps 2002 en relation également avec des fuites d’un système d’écoulement d’eau. Au-delà des travaux de renforcement de sols, la Société Nationale des Chemins de Fer (SNCF) et l’équipe géotechnique (CERMES) du laboratoire Navier (Ecole des Ponts ParisTech) ont entamé une étude approfondie sur la problématique d’effondrement de ce loess pour le compte du Réseau Ferré de France (RFF).

Comportement des sols non saturés 

Les sols sont formés de particules de sable, de limon, d’argile, d’oxydes colloïdaux et, si le sol se situe à une profondeur faible, de matière organique (Pedro 1976). L’assemblage de ces particules comporte nécessairement des vides (pores). L’existence de cette porosité, qui peut être remplie par un ou plusieurs fluides, confère aux sols un comportent géomécanique particulier. L’eau coexiste avec l’air dans le cas des sols non saturés et l’interface entre l’air et l’eau est constitué de ménisques eau-air qui engendrent un état de succion (ou pression négative) de l’eau dans le sol. La distribution des ménisques dans l’ensemble des contacts n’est pas uniforme et la succion est une contrainte locale. Ainsi, lorsqu’on applique un chargement mécanique sur un échantillon de sol non saturé, il n’existe pas de relation directe entre la contrainte externe appliquée et celle qui se produit entre les particules. La succion matricielle correspond localement à une contrainte agissant sur la surface du ménisque, normale au contact entre les grains. L’action de “collage” de la succion matricielle sur les contacts provoque l’augmentation de la résistance du sol (Jennings et Burland 1962). Si le sol est alors saturé, il perd cette résistance additionnelle due à la succion et l’on observe, pour certains types de sols suffisamment lâches, le phénomène dit d’effondrement (Jennings et Burland 1962) et qui correspond à des déformations volumiques contractantes et irréversibles.

Succion dans les sols 

Buckingham (1907) fut le premier à étudier la capillarité dans les sols partiellement saturés. Richards (1928) a défini le potentiel total de l’eau dans les pores du sol comme la somme des potentiels capillaire et gravitationnel. Dans un profil de sol non saturé au-dessus de la nappe phréatique, le potentiel capillaire augmente linéairement à partir de zéro au niveau de la nappe. Le terme potentiel de l’eau, ou succion, concerne toutes les forces capables de retenir l’eau dans la structure du sol. Le potentiel d’eau dans le sol joue un rôle important dans la compréhension du comportement mécanique des sols partiellement saturés et des sols saturés (Alonso et al. 1987).

Le potentiel total de l’eau Ψt est défini comme la somme de quatre éléments: le potentiel de pression externe ΨP, le potentiel gravitationnel Ψg, les potentiels capillaire et d’adsorption dont la somme forme le potentiel matriciel Ψm et, le potentiel osmotique Ψo (Aitchison 1965a, Alonso et al. 1987, Delage et Cui 2000a). Ce concept peut être représenté comme suit: ψ t =ψ P +ψ g +ψ m +ψ o

Le terme potentiel est plutôt associé au bilan d’énergie de l’eau dans le sol, tandis que le terme succion est lié à la pression de l’eau (pression négative). La succion matricielle est représentée par la différence (ua – uw) entre la pression de l’air et la pression de l’eau dans les pores du sol.

Les phénomènes de capillarité se produisent à l’interface entre deux fluides, car les molécules y sont soumisses à un ensemble de forces d’interactions non-équilibrées, à la différence d’une molécule située au sein du fluide. Une molécule d’eau au sein d’une masse d’eau est soumisse à des actions de même nature, alors que celle à l’interface entre deux fluides, eau-air par exemple, est soumisse à des actions différentes : actions dues à l’eau et actions dues à l’air. Les molécules d’eau à l’interface eau-air sont ainsi attirées vers la masse d’eau et la surface de l’eau est soumisse à une force perpendiculaire à la surface libre. Il est cette attraction qui engendre une tension de surface T à l’interface eau-air (Delage et Cui 2000a).

Courbe de rétention d’eau

Le comportement des sols non saturés est fortement lié à la relation entre la succion et la teneur en eau, qui conditionne également les variations de la conductivité hydraulique non saturée avec la teneur en eau et, plus généralement, la réponse hydromécanique des sols non saturés. La relation entre la succion et la teneur en eau définit la courbe de rétention d’eau qui est caractérisée, entre autres choses, par les aspects suivants:
– Une zone aux forts degrés de saturation où la phase d’air n’est pas continue, la phase d’eau continue et le sol reste quasi-saturé. Les lois de comportement qui s’appliquent aux sols saturés peuvent être utilisées (Fredlund et Rahardjo 1993). Dans cette zone, le sol est soumis à des valeurs de succion inférieures à la pression d’entrée d’air (“air entry value”, AEV) ;
– Une deuxième zone où les phases air et eau sont continues, rencontrée quand la succion devient supérieure à la pression d’entrée d’air et que la teneur en eau diminue significativement. L’air peut ainsi entrer dans les pores lors de l’augmentation de la succion. Les effets de l’hystérésis caractérisent cette section ;
– Une zone résiduelle où la phase d’eau est discontinue et où les transferts d’eau en phase gazeuse deviennent prépondérants. Dans cette région, de faibles variations de teneur en eau peuvent correspondre à de forts changements de la succion (Croney et Coleman 1954).

Contraintes dans les sols non saturés

Les rôles de la contrainte totale et de la succion sur l’état de sollicitation auquel est soumis un sol non-saturé et la question de la validité de la notion de contrainte effective dans les sols non saturés sont des points encore largement débattus. La contrainte effective pour les sols saturés a été formulée par Terzaghi et Fröhlich (1936) : “all the measurable effects of a change in stress, such as compression, distortion, and a change in shearing resistance are exclusively due to changes in the effective stress”. En français: “tous les effets mesurables d’un changement de contrainte, comme une compression, une distorsion, et un changement dans la résistance au cisaillement, sont dus exclusivement aux variations de la contrainte effective ”.

Bishop (1959) a souligné les implications les plus importantes du principe de contrainte effective : “(1) that volume change and deformation in soils depend not on the total stress applied, but on the difference between the total stress and the pressure set up in the fluid in the pore space”. En français: “le changement de volume et la déformation dans les sols ne dépendent pas de la contrainte totale appliquée, mais de la différence entre la contrainte totale et la pression du fluide présent dans l’espace poreux ”. “(2) that shear strength depends, not on the total normal stress on the plane considered, but on the effective stress”. En français: “la résistance au cisaillement ne dépend pas de la contrainte normale totale sur le plan envisagé, mais de la contrainte effective ”.

Ces concepts prennent en compte l’interaction entre la contrainte totale, la pression de l’eau et la contrainte intergranulaire. On considère que la contrainte effective agit sur le contact des particules du sol.

Points faibles du concept de contrainte effective

Des analyses faites à partir de travaux expérimentaux réalisés par Jennings et Burland (1962), montrent un certain nombre de points faibles du concept de contrainte effective appliqué aux sols non saturés. On analyse maintenant le paramètre χ et on présente des anomalies liées à son utilisation dans la description du comportement hydromécanique des sols non saturés.

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Table des matières

Chapitre 1. Comportement des sols non saturés – Application aux lœss naturels
1.1 Introduction
1.2 Comportement des sols non saturés
1.2.1 Succion dans les sols
1.2.2 Courbe de rétention d’eau
1.2.3 Contraintes dans les sols non saturés
1.2.4 Points faibles du concept de contrainte effective
1.2.5 Variables d’état dans les sols partiellement saturés
1.2.6 Structure des sols partiellement saturés
1.2.7 Aspects du comportement mécanique des sols non saturés
1.2.8 Couplage hydromécanique
1.3 Le Lœss
1.3.1 Le lœss de Bapaume
1.4 Le phénomène d’effondrement
1.4.1 L’effondrement lié aux caractéristiques spéciales des dépôts lœssiques naturels
1.4.2 Caractéristiques de la structure
Chapitre 2. Propriétés de rétention d’eau
2.1 Introduction
2.2 La courbe de rétention d’eau
The water retention properties of a natural unsaturated loess from Northern France
Introduction
Results and discussions
Conclusions
2.3 Effet des cycles d’humidification et de séchage sur la microstructure
A microstructure analysis of the hysteresis of the water retention curve of a natural
loess
Introduction
Tested material, equipment and procedures
Tests results
Discussion
Multiscale modelling of the water retention curve
Conclusions
Chapitre 3. Dispositifs expérimentaux
3.1 Introduction
3.2 Mesure de la teneur en eau: Nouvelle sonde de résistivité électrique
Measurement of the water content of a natural unsaturated loess by a new resistivity
probe
Introduction
Elements of electrical resistivity in soils
Material and experimental setup
Experimental investigation on natural unsaturated loess
Analysis and discussion of the resistivity data
Conclusions
3.3 Dispositif triaxial pour les sols non saturés : mesure locale de la déformation, la
succion et la teneur en eau
Triaxial testing of a natural unsaturated loess with complete local monitoring
Introduction
Tested loess
Triaxial apparatus
Testing procedures and results
Discussion
Conclusions
Chapitre 4. Comportement hydromécanique
4.1 Introduction
4.2 Caractérisation de la compressibilité et du phénomène d’effondrement
Some aspects of the compression and collapse behaviour of an unsaturated natural
loess
Abstract
Introduction
Experimental programme
Time dependent behaviour
Collapse behaviour
Discussion
Conclusions
4.3 Caractérisation du comportement hydromécanique du Loess de Bapaume
Hydromechanical behaviour of a natural unsaturated loess
Introduction
Material and experimental setup
Experimental results
Effects of moisture changes on the mechanical behaviour
Impact of loading on microstructure and on water retention properties
Conclusions
Conclusion Générale 

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