Soutenance mémoire
Rappel sur le mécanisme de stabilisation par la chaux
Estimation et mesure des paramètres de gonflement
INTRODUCTION
Durant les 30 dernières années un certain nombre de travaux ont été mené pour estimer les paramètres de gonflement, (BEKKOUCHE et AISSA MAMOUNE, 2007). Ces derniers sont essentiellement décrits par l’amplitude et la pression du gonflement. De ce fait, il s’avère nécessaire d’estimer ces paramètres dans le but d’assurer une stabilité de la structure. Plusieurs modèles d’estimation indirecte de ces paramètres ont été mis en place et se basent sur une analyse statistique des données de sol (BEKKOUCHE et al, 2001). Cette approche permet, dans la phase préliminaire du projet, de connaître les paramètres de gonflement. Toutefois, la nature aléatoire des caractéristiques du sol impose une description probabiliste de ces paramètres.
Dans cette partie, nous mettons en relief les différentes approches d’estimation des sols gonflants.
Définitions
Plusieurs méthodes de mesure du potentiel de gonflement des sols expansifs existent. La grande majorité d’entre-elles utilise l’appareil oedométrique comme outil principal d’essai .L’examen des procédures d’essais pour la mesure du potentiel de gonflement insiste à considérer notamment les diverses définitions et nomenclatures des paramètres de gonflement:
Pourcentage (ou taux) de gonflement: défini comme étant la variation relative du volume d’un échantillon de sol en passant d’un état sec à un état inondé.
Indice de gonflement (Cg), qui traduit l’importance de la déformation de gonflement induit par un déchargement par rapport un état de contraintes donné, il est défini par la pente de la courbe e = f (log σ) obtenue en déchargement lors d’un essai oedométrique classique, il est comparé à l’indice de compression (Cc).
Pression de gonflement: définie de plusieurs façons dont:
La pression nécessaire pour maintenir un échantillon de sol à un volume constant lorsque celui-ci est soumis à humidification.
La pression nécessaire pour ramener un échantillon de sol, soumis à humidification et ayant complètement gonflé, à son volume avant gonflement.
La définition du pourcentage de gonflement est assez précise dans son volet théorique.Néanmoins, les aspects expérimentalement ci-dessous sont à soulever:
a) Le volume initial de l’échantillon de sol, ce paramètre est usuellement référé à l’état de contrainte sur site. L’état de porosité et la teneur naturelle en eau influent, dans une large mesure, le gonflement mesuré.
b) La durée allouée à l’essai de gonflement. Comme le tassement, le gonflement des sols expansifs est un phénomène reconnu infini dans le temps. Combien de temps faudra-il, donc, attendre pour noter le volume gonflé de l’échantillon testé ?. 24 heures est une durée souvent recommandée dans les normes. Cependant elle n’implique nullement l’achèvement du gonflement. Elle satisfait, toutes simplement, deux principales conventions:
Développement, relativement, poussé du mécanisme de gonflement ;
Critère de comparaison entre différents sols ou, même, diverses méthodes.
Il n’y a pas de proportionnalité entre la pression de gonflement et le potentiel de gonflement. Ainsi, certains matériaux possèdent une pression de gonflement très élevée puis un potentiel de gonflement très faible, pour d’autres matériaux c’est l’inverse. Il faut donc connaitre ces deux paramètres pour caractériser le gonflement.
Identification du potentiel de gonflement des sols argileux par les paramètres physico-chimiques.
Identification qualitative
L’identification des sols gonflants est généralement abordée à partir des paramètres physico-chimiques facilement mesurables lors des essais préliminaires. Or, cette identification se trouve compliquée par l’existence de plusieurs approches qui ne se basent ni sur les mêmes paramètres ni sur le même nombre.
Le recensement à partir de la bibliographie (DJEDID et al. 2001, et KHEMISSA et al, 2005) .Des classifications permetent de les ranger en trois classes en fonction du nombre de paramètres physico-chimiques utilisés.
Ainsi, la classification d’ALTMEYER, 1955 donnée par le tableau 3.1, celle de (SEED, WOODWARD et LUNDGREN 1962, RANGANATHAM et SATYANARAYANA ,1955 de SNETHEN, 1980), cité par BEKKOUCHE et AISSA MAMOUNE, 2007.Les classifications basées sur deux paramètres sont celle établie par GHEN (1988), donnée par le tableau 2.2 établie par DAKSHANAMURPHY et RAMAN (1973). Ces deux dernières classifications utilisent l’abaque de plasticité de Casagrande : la ligne A séparé les sols gonflants (au-dessus) des sols non gonflants (au-dessous). (DAKSHANAMURPHY et RAMAN, 1973) y introduisent des bornes en fonction de la limite de liquidité. La figure 2.1 donnée ci-dessous (courbe de nuage) correspondant aux sols testés de la région de Tlemcen cité par BEKKOUCHE et AISSA MAMOUNE,2007.
Estimation quantitative
L’estimation quantitative consiste à établir une correction entre le taux de gonflement ou la pression de gonflement et quelques paramètres géotechniques faciles à obtenir au laboratoire. Ainsi, après avoir déterminé les paramètres géotechniques du sol, l’emploi des formules empiriques permet de connaitre rapidement le potentiel de gonflement de ce sol, c’est-à-dire d’estimer ou de quantifier le gonflement et (ou) la pression de gonflement qui peuvent se développer en cas de variations des conditions hydriques et (ou) mécaniques et de juger ainsi si le phénomène est à prendre en compte ou non. Quelques approches sont présentées ci-dessous.
De nombreux auteurs ont tenté de relier la pression de gonflement (Pg), ou le potentiel de gonflement (εg) aux paramètres classiques de mécanique des sols, Plusieurs relations empiriques ont été proposées. Les principales équations sont regroupées dans le tableau 2.3.
Méthodes de mesure directe de gonflement
Le phénomène de gonflement se développe à l’échelle microscopique, au niveau des particules. Cependant, c’est une approche macroscopique qui est la plus souvent adoptée pour caractériser les matériaux gonflants et quantifier le processus de gonflement en des paramètres macroscopiques directement applicables au dimensionnement des ouvrages de génie civil.
Parmi une multitude de méthodes de mesure du potentiel de gonflement des sols expansifs, ceux ci-dessous sont arbitrairement choisis et discutées.
Méthode de MYSLIVEC
Dans la méthode d’essai de MYSLIVEC, plusieurs échantillons d’un même sol gonflant sont chargés distinctement à sec. A la mise à eau, certains échantillons gonflent et d’autres tassent.
On reconnaît que les échantillons ayant gonflé sont soumis à une contrainte de surcharge inférieure à la pression de gonflement, et que ceux ayant tassé supporte une contrainte de surcharge supérieure à la pression de gonflement. L’intersection de la droite reliant les taux de gonflement avec l’axe des déformations nulles définit le point pour lequel ni gonflement ni tassement ne surgissent. C’est, par définition, la pression de gonflement (figure 2.4).
Méthode chinoise
L’indice des vides initial de l’échantillon à tester étant e0, le sol en question est chargé à sec jusqu’à atteindre une valeur e1 de l’indice des vides (e1<e0).
A la stabilisation du tassement, l’échantillon testé est submergé d’eau, ce qui amorce le gonflement. Une fois le gonflement stabilisé, l’échantillon de sol est déchargé progressivement jusqu’à élimination de toute la contrainte de surcharge (figure 2.5). A la décharge, le point M (de coordonnées: g, e0) est noté. Le point M définit la pression de gonflement (WONG, 1980) cité par KBAILI, 1990.
Méthode du C.E.B.T.P.
La pression de gonflement est déterminée au cours de l’essai de compressibilité l’oedomètre. A la mise à eau de l’échantillon testé, ce dernier est empêché de gonfler par augmentation de la charge appliquée dessus jusqu’à apparition du premier signe de tassement. L’abscisse du point de début de tassement est considérée pression de gonflement (figure 2.6).
Méthode de FU HUA CHEN
L’échantillon de sol est chargé selon la contrainte des terres, puis inondé sous cette même contrainte. Après stabilisation du gonflement, l’échantillon testé est progressivement chargé jusqu’à retrouver son indice des vides avant inondation. La pression de gonflement est, alors, notée: g 0 1 (figure 2.7).
Méthode de HUDER et AMBERG
L’échantillon de sol est soumis à une alternance de charges et de décharges à sec. Ceci pour éliminer, au mieux, les effets du remaniement (figure 2.8). L’échantillon de sol est, ensuite, inondé à l’état chargé, ce qui doit amorcer le gonflement. La charge appliquée est éliminée par paliers successifs jusqu’à libération totale de l’échantillon de sol.
Le taux de gonflement peut être enregistré et la courbe (11) tracée.
L’intersection des prolongements des courbes (2) et (11) détermine, selon Huder et Amberg, la pression de gonflement.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 01 phénomène de gonflement : pathologie et bibliographie
1.0. INTRODUCTION
1.1. Définition des argiles
1.1.1. Formation des minéraux argileux
1.1.1.1. Héritage et altération
1.1.1.2. Transformation des minéraux argileux par dégradation et aggradation
1.1.1.3. Contexte de formation des sols argileux
1.1.2. Etude microstructurale des argiles
1.1.2.1. Structure d’argile de type T O T
1.1.2.2. Texture des argiles
1.1.3. Principales caractéristiques des minéraux argileux
1.1.3.1. Densité de charge spécifique
1.1.3.2. Capacité d’échange cationique (CEC)
1.1.3.3. La surface spécifique
1.2. Nature des liaisons chimiques
1.2.1. Cations échangeables
1.2.1.1. Gonflement interfoliaire et interparticulaire .
1.2.2. Interaction entre argiles (smectites) et cations alcalins
1.2.2.1. Influence de la nature des cations alcalins
1.3. Principales causes de gonflement
1.3.1. Hydratation par adsorption
1.3.1.1. Forces d’attractions
1.3.1.2. Forces de répulsion
1.3.2. Hydratation par osmose
1.3.3. Hydratation par capillarite
1.3.4. Transformations chimiques
1.4. Facteurs qui affectent le gonflement
1.4.1. Facteurs intrinsèques
1.4.2. Facteurs externes
1.5. Anisotropie du gonflement et anisotropie de la pression de gonflement
1.6. Approches théoriques de gonflement
1.6.1. Approche de la double couche
1.6.1.1. Double couche électrique
1.6.2. De l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique
1.6.3. Modèle triple couche
1.7. Approches phénoménologiques
1.7.1. Modèles en contraintes effectives
1.7.2. Modèle d’ALONSO et GENS
1.8. Approches basées sur des modèles de gonflement
1.8.1. Modèles indépendants du temps
1.8.1.1. Modèles unidirectionnels
1.8.1.2. Modèles tridirectionnels
1.8.2. Modèles dépendants du temps
1.8.2.1. Modèles unidirectionnels
1.8.2.2. Modèles tridirectionnels
1.8.3. Modèles basés sur l’humidité relative ou l’activité
1.9. Les modèles de l’adsorption
1.10. Localisation des sols expansifs
1.11. Impact du gonflement sur les ouvrages superficiels
1.12. Impact du gonflant sur les ouvrages souterrains
1.12.1. Tunnels
1.12.2. Puits pétroliers
1.12.3. Monuments historiques
1.13. CONCLUSION
Chapitre 02 Estimation et mesure des paramètres de gonflement
2.0. INTRODUCTION
2.1. Définitions
2.2. Identification du potentiel de gonflement des sols argileux par les paramètres physico chimiques.
2.2.1. Identification qualitative
2.2.2. Estimation quantitative
2. 3. Méthodes de mesure directe de gonflement
2.3.1. Méthode de MYSLIVEC
2.3.2. Méthode chinoise
2.3.3. Méthode du C.E.B.T.P.
2.3.4. Méthode de FU HUA CHEN
2.3.5. Méthode de HUDER et AMBERG
2.3.6. Méthode de FIRTH
2.3.7. Méthode du double Oedomètre
2.3.8. Méthode de gonflement libre
2.3.9. Méthode LCPC avec variation de volume
2.3.10. Norme Française NF P 94-091 (AFNOR, 1995)
3.3.11. ASTM D4546 (American Society for Testing and Materials, 1985)
2.3.12. Méthodes directs de mesure de gonflement (empêchant le gonflement)
2.4. CONCLUSION
Chapitre 03 Les stabilisants et les techniques de stabilisation
3.0. INTRODUCTION
3.1. But de la stabilisation
3.2. Différentes techniques de stabilisation
3.2.1. Stabilisation mécanique
3.2.1.1. Compactage
3.2.1.2. Drainage
3.2.1.3. Substitution
3.2.1.4. Application de fortes pressions
3.2.1.5. Préhumidification
3.2.1.6. Utilisation de fondations et d’édifices spéciaux
3.2.2. Traitement thermique
3.2.3. Stabilisation avec des additifs
3.2.3.1. Hydrophobants
3.2.3.2. Liants
3.2.3.3. Stabilisation par ajout du sable
3.2.3.4. Stabilisation par solutions salines
3.3. CONCLUSION
Chapitre 04 Identification physico- chimique et mécanique des sols étudiés
4.0. INTRODUCTION
4.1. Situation géographique des sols étudies
4.2. Situation géologique
4.2.1. Sites de BOUJLIDA MANSOURAH (sol 1, sol 2)
4.2.2. Sites de MAGHNIA (sol 3, sol 4)
4.2.2. 1. Géologie de la région de MAGHNIA
4.2.2.2. Aperçu sur la bentonite en Algérie
4.2.2.3. Géologie du gisement de bentonite (sol 4)
4.3. Techniques de caractérisation structurale et microstructurale
4.3.1. Caractérisation physico-chimiques des sols étudiés
4.3.1.1. Analyse granulométrique
4.3.1.2. Etat de consistance
4.3.1.3. Bleu de méthylène
4.3.1.4. Surface spécifique totale
4.3.1.5. Teneur en carbonate de calcium
4.3.1.6. Mécanisme du retrait
4.3.1.7. Mesure de la densité sèche
4.3.2. Microscopie électronique à balayage des sols étudiés (MEB)
4.3.3. Mesure de PH des sols étudiés
4.3.3.4. Propriétés acido-basiques des argiles
4.3.4. La résistance à la compression
4.4. Estimation du gonflement
4.4.1. Estimation qualitative
4.4.2. Estimation quantitative
4.5. Cinétique du gonflement
4.5.1. Evolution du gonflement en fonction du temps
4.5.2. Evolution du gonflement en fonction de la profondeur
4.5.3. Corrélation de la cinétique du gonflement
4.6. Mesure directe du gonflement
4.7. CONCLUSION
Chapitre 05 Étude au laboratoire de la stabilisation par le lait de chaux
5.0. INTRODUCTION
5.1. Caractéristiques de l’additif utilisé
5.2. Rappel sur le mécanisme de stabilisation par la chaux
5.3. Préparation des échantillons
5.4. Effet de lait de chaux sur les caractéristiques physico-chimiques en fonction du pourcentage de lait de chaux
5.5. Evolution de paramètres de compactage en fonction de lait de chaux
5.6. Evolution de la résistance à la compression en fonction de lait de chaux
5.7. Corrélation entre les paramètres physico-chimiques et le gonflement après l’utilisation de 8% du lait de chaux
5.8. Variation de PH en fonction de lait de chaux
5.9. Stabilisation des sols gonflants par le lait de chaux
5.9.1. Influence de lait de chaux sur l’amplitude et la pression de gonflement
5.9.2. Effet du lait de chaux sur la cinétique du gonflement
5.10. CONCLUSION
Chapitre 06 Stabilisation chimique par les sels
6.0. INTRODUCTION
6.1. Hydrolyse des sels
6.2. Mécanisme de la stabilisation par les sels
6.3. Stabilisation des sols étudies par les sels
6.3.1. Influence des sels sur les paramètres physico-chimiques
6.3.1.1. Résultat de l’effet des sels sur les paramètres physico-chimiques
6.3.2. Influence des sels sur la pression et l’amplitude de gonflement
6.3.3. Influence de la valence des cations
6.3.4. Evolution du gonflement avec des solutions salines
6.4. CONCLUSION
Conclusion générale
References bibliographiques
Les annexes
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