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Les sols compactés : un cas particulier des sols non saturés
Les Sols Compactés
Introduction
Le comportement mécanique des matériaux est caractérisé par des paramètres qui permettent d’estimer les tassements. La compressibilité ou la consolidation et la résistance au cisaillement du sol. Ces paramètres sont obtenus à partir d’essais géotechniques en laboratoire et notamment: L’essai Proctor, l’indice portant immédiat, l’essai de cisaillement direct à la boîte de Casagrande et à l’appareil triaxial et l’essai oedométrique.
Définition
Les sols sont des matériaux naturels provenant de la destruction mécanique et/ou physico chimique des roches. Ils sont constitués de grains de dimensions très variables, de quelques micromètres à quelques décimètres, pouvant être séparés aisément par simple trituration ou éventuellement sous l’action d’un courant d’eau.
Les sols sont de nature et d’origines géologiques très diverses : alluvions, matériaux meubles, sédimentaires, dépôts glaciaires, éboulis, pentes.
Les sols compactés : un cas particulier des sols non saturés
Le sol compacté constitue un milieu tri phasique forme de grains solides, que l’on peut, le plus souvent, considérer comme élastiques, d’eau et de gaz. La répartition de ces différentes phases peut être décrite par des paramètres d’assemblage du squelette minéral (indice des vides, porosité) et des paramètres de remplissage des pores (degré de saturation, teneur en eau), ou encore par les masses volumiques humide, saturée ou sèche.
On entend par nature du sol les caractéristiques du sol qui ne varient pas ou très peu, lorsqu’on le manipule, que ce soit à l’extraction, au transport, à la mise en remblai ou au compactage. C’est le cas par exemple pour la granulométrie d’un grave et l’argilosité d’un sol fin. Par contre, les caractéristiques d’état d’un sol sont celles qui peuvent être modifiées par l’environnement dans lequel il se trouve. C’est le cas en particulier pour l’état hydrique (Alshihabi, 2002).
Dans la classification des sols utilisés pour les corps de remblais (GTR, 1992), les paramètres retenus pour caractériser la nature du sol sont la granulométrie (Dmax, tamisât à 80μm, tamisât 2μm), l’argilosité (indice de plasticité Ip, valeur de bleu de méthylène). Pour caractériser l’état hydrique du sol, trois paramètres sont retenus dans la classification des sols. Le rapport de la teneur en eau naturelle (wn) à la teneur en eau à l’Optimum Proctor Normal ou modifié (WOPN et WOPM), l’indice de consistance (Ic) et l’Indice Portant Immédiat (IPI).
Les études de laboratoire pratiquées pour la caractérisation des sols
compactés utilisés en remblais comportent généralement :
– l’essai Proctor,
– l’essai d’indice portant immédiat.
(Cité par GOUAL I., 2012)
Microstructure des sols fins compactés
Depuis les travaux de Proctor en 1933, les travaux sur le compactage ont concerné le rôle de l’eau comme lubrifiant (Hogentofier, 1936, cité dans Cui, 1993).
et la théorie de la double couche diffuse (Lambe, 1958). Selon cette dernière, avec la même énergie de compactage, mais à une teneur en eau plus élevée, l’orientation des particules s’accentue. Du côté sec de l’optimum, les sols sont toujours floculés, alors que du côté humide, les particules sont d’avantage orientées ou dispersées.
Sur la figure 1-16, par exemple, l’orientation des particules est plus marquée au point C qu’a u point A. Si l’on augmente l’énergie de compactage, le sol a tendance à être plus orienté, même du côté sec de l’optimum : ainsi, un échantillon est plus orienté au point E qu’il ne l’est au point A. Du côté humide de l’optimum, l’échantillon sera plus orienté au point D qu’il ne le sera au point B, même si l’effet est moins important que du côté sec de l’optimum. Cette description fut parmi les premiers modèles structuraux proposés pour les sols compactés. (Cité par DERFOUF F- M. ,2014)
Masse de la dame.
: Accélération de la pesanteur.
: Volume du matériau compacté dans le moule.
On appelle «Courbe Proctor » la courbe reliant la densité sèche d’un matériau à sa teneur en eau pour une énergie de compactage donnée. La courbe Proctor met en évidence l’existence d’une teneur en eau optimale WOPN, pour laquelle la densité sèche est maximale, et qui sépare la plage des teneurs en eau en deux domaines : le côté sec des teneurs inferieures à l’optimum et le côté humide des teneurs en eau supérieures (Figure 1.17). (Cité par Bendi-Ouis ., 2014)
Essai Proctor
Permet de déterminer les caractéristiques de compactage d’un matériau, cet essai peut viser de:
– Diminuer la conductivité hydraulique en diminuant l’indice des vides du sol par compactage.
– Augmenter la résistance mécanique du sol.
Le principe de l’essai Proctor consiste à humidifier un sol à plusieurs teneurs en eau et à le compacter selon un procédé et une énergie de référence. Pour chacune des valeurs de teneur en eau considérées, on détermine la masse volumique sèche du sol et on établit la courbe des variations de cette masse volumique en fonction de la teneur en eau. (Cité par BOUTARFA M., 2012).
On distingue deux courbes Proctor correspondant à deux énergies différentes comme l’illustre la figure 1.18:
– la courbe «Proctor Normal» correspondant à l’énergie de 5 N.cm/cm3 qui Constitue la courbe de référence pour représenter le comportement au compactage des matériaux de remblai ;
– la courbe «Proctor Modifié» correspondant à l’énergie de 25 N.cm/cm3 qui Constitue la référence pour évaluer le compactage des matériaux des chaussées (Cité par GOUAL I., 2012).
La figure 1.19 représente la courbe de compactage Proctor Modifie d’un échantillon de sol argileux en fonction de la teneur en eau et le degré de saturation.
A l’Optimum Proctor Normal ou Modifie, le degré de saturation est de l’ordre de 75 à 85%, ce qui se traduit, à l’échelle du milieu poreux, par la présence de bulles d’air discontinues au sein de la phase eau continue. La pression de l’air à l’intérieur des bulles contrôle le volume des bulles (loi de Mariotte) et leur dissolution (loi de Henry), mais pas le comportement mécanique du sol (à l’exception de sa compressibilité) dans la mesure où l’air, dans sa majeure partie, n’interagit pas avec le squelette solide
La figure 1.20 montre que les caractéristiques a l’Optimum dépendent fortement de la nature du sol (et notamment de sa limite de liquidité) ainsi que de la contrainte exercée lors du compactage – équivalente à une contrainte verticale oedométrique de l’ordre de 1 a 1.5 MPa pour l’OPN et 5 MPa pour l’OPM
L’indice portant immédiat IPI
Le principe de l’essai servant à déterminer l’indice portant immédiat IPI.
Consiste à mesurer les forces à appliquer sur un poinçon pour le faire pénétrer à une vitesse donnée dans une éprouvette de sol étudiée. Cet indice ne constitue pas une caractéristique intrinsèque d’un sol.
En effet, si cette grandeur dépend en partie de la nature du sol. Elle dépend également dans une large mesure de sa teneur en eau, de sa masse volumique sèche, et de son degré de saturation, qui est des caractéristiques d’état fonction de ses caractéristiques de mise en oeuvre et d’environnement. (Cité par BOUTARFA M., 2012)
Propriétés des sols compactés proche de la saturation
Succion initiale des sols compactés
(Fleureau et al, 2002) ont étudié la variation de la pression capillaire d’un sol argileux compacté à l’OPN ou à l’OPM avec sa limite de liquidité (Figure 1.21). Pour un même état de consistance (limite de liquidité) les échantillons compactés à l’OPM présentent des valeurs de pression capillaire supérieures que celles compactés à l’OPN.
Pour les sols argileux, la pression capillaire augmente avec la limite de liquidité tandis que, pour les mélanges, le paramètre essentiel est le pourcentage de fins (< 80μm). Dans les argiles, les pressions capillaires à l’OPN ou à l’OPM peuvent atteindre couramment plusieurs centaines de kPa. Dans les sols contenant de forts pourcentages de sable, des valeurs de 10 à 50 kPa sont fréquemment observées. Par convention, on considère qu’un séchage à l’étuve correspond à une pression capillaire de 106 kPa. (Cité par GOUAL I., 2012)
Perméabilité du sol compacté
Pour étudier les variations de perméabilité dans un sol fin compacté, il est souvent nécessaire de considérer le couple teneur en eau – compactage. En effet l’influence de la teneur en eau sur la conductivité est intimement dépendante du compactage (Mode, énergie) et il est très difficile de faire la part de l’influence de chacun de ces paramètres.
D’après (Boyton et al, 1985), La perméabilité est plus forte pour les échantillons compactés à des teneurs en eau plus faibles que l’optimum (figure 1.22). Typiquement, la perméabilité des échantillons compactés à des teneurs en eau plus faibles que l’optimum peut etre 10 à 1000 fois plus forte que ceux compactes a des teneurs en eau plus fortes que l’optimum.
L’ensemble des études effectuées au cours des dernières décades a révèle que la perméabilité des sols compactés du coté humide par rapport à la teneur en eau notée wopt, correspondant à la densité sèche maximale, est beaucoup plus faible que celle des sols compactés du côté sec (W < WOPN); ceci, contrairement à ce que certains auteurs pensaient apparemment auparavant (Caquot et Kérisel, 1966). (Cité par GUEDDOUDA M- K. ,2011
Comportement sur chemins triaxiaux non saturés
Le compactage entraîne l’apparition d’une pression capillaire dans le sol, qui dépend de la teneur en eau et de la densité de compactage, ainsi que des contraintes auxquelles le matériau est soumis par la suite. Cette pression capillaire joue un rôle très important dans le comportement mécanique du sol (Wheeler et Sivakumar, 2000).
Motam (1981) ; Hernandez (1983) ; Gomes Correia (1985), signalent que l’influence de la succion sur les déformations permanentes est très importante dans une plage très proche de la saturation, alors qu’elle devient négligeable à de faibles degrés de saturation.
Taïbi et al. (2009b), ont réalisé des essais de compression simple sur deux craie (figure21.21). Ils ont observés que la résistance maximale présente une décroissance hyperbolique en fonction de la teneur en eau. Tandis que, le module sécant E50 décroit quant la teneur en eau croit. Les éprouvettes ont présentés une rupture fragile pour des teneurs en eau plus faibles correspond à des succions de 100 MPa. (Cité par GOUAL I., 2012)
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE-I : Les sols compactés : un cas particulier des sols non saturés
1.1. Introduction
1.2. Etat des connaissances sur les sols non saturés
1.2.1. Interactions air-eau-solide : capillarité
1.2.2. Succion dans le sol
1.2.2.1. Définition
1.2.2.2. Composantes de la succion
1.2.2.3 Effets de la succion sur les particules solides
1.2.2.4. Rôle des différentes composantes de la succion dans le comportement des sols
non saturés
1.3. Propriétés du Comportement des sols non saturés
1.3.1. Comportement volumique
1.3.2. Comportement déviatorique
1.4. Notion de contrainte effective pour les sols non saturés
1.5. Les Sols Compactés
1.5.1. Introduction
1.5.2. Définition
1.5.3. Microstructure des sols fins compactés
1.5.4. Essai de compactage
1.5.5. Energie de compactage
1.5.6. Essai Proctor
1.5.7. L’indice portant immédiat IPI
1.6. Propriétés des sols compactés proche de la saturation
1.6.1. Succion initiale des sols compactés
1.6.2. Perméabilité du sol compacté
1.6.3. Comportement sur chemins triaxiaux non saturés
1.7. Problème liés au compactage
1.8. Perméabilité
1.9. Résistance au cisaillement
1.9.1. Critère de rupture
1.10. Conclusion
CHAPITRE-II : Méthodologie d’étude
2.1. Introduction
2.2. Techniques expérimentales
2.2.1. Mesure de la succion par le papier filtre
2.2.2. Mesure du module par ultrasons
2.2.3. Mesure de la perméabilité a l’eau
2.2.3.1. Cas des sols non saturés
2.2.3.2. Dispositif expérimental
2.3. Protocol expérimental
2.3.1. Préparation du matériau
2.3.2. Caractéristiques physiques des argiles
2.3.2.1. Structure
2.3.2.2. L’argilosité
2.3.2.3. La granulométrie
2.3.2.4 La minéralogie
2.3.3. Caractérisation géotechnique
2.3.3.1 Essais d’identification
2.4. Compactage
2.4.1. Contexte
2.4.2. Méthodologie
2.5. Essais de cisaillement direct à la boite
2.5.1. Appareillage
2.5.2. Mode opératoire
2.5.3. Déroulement de l’essai
2.6. Conclusion
CHAPITRE-III : Application a l’argile de Bouhenak
3.1. Introduction
3.2. Choix du matériau
3.3. Identification du sol étudié
3.3.1. Situation
3.3.2. Description géologique
3.3.3. Résultats et discussions
3.3.4. Résultats de mesure et interprétations
3.3.4.1. L’essai de compactage Proctor, résultats et présentation
3.3.4.2. Mesure de l’Indice portant immédiat
3.3.4.3 Résultats de mesure de la succion
3.4 Essais de cisaillement direct à la boite (à teneur en eau constante)
3.4.1. Présentation des résultats
3.4.1.1. Courbes contraintes – Déformations : τ = f (∆L)
3.4.2. Droites intrinsèques : τ = f (σ)
3.4.3. Expression des résultats
3.4.4. Evolution de la cohésion (C) et de l’angle de frottement interne ( ) en fonction de la
teneur en eau et de l’énergie de compactage
3.4.5. Evolution de la cohésion (C) en fonction de la porosité (n) et l’indice des vides à
différentes énergies de compactage
3.5. Détermination du module d’élasticité « E »
3.5.1. Mesure du module par ultrasons
3.5.1.1. Description du matériel utilisé
3.5.1.2. Expression des résultats
3.6. Essais de perméabilité non saturée (essai pulse)
3.7. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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