Oedometre flexible pour l’etude du gonflement des sols

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èmeXV Congrès Français de Mécanique Nancy, 3 – 7 Septembre 2001 517 OEDOMETRE FLEXIBLE POUR L’ETUDE DU GONFLEMENT DES SOLS Timothée Windal et Isam Shahrour Laboratoire de mécanique de Lille (URA 1441) USTL - EUDIL 59651 Villeneuve d’Ascq Cedex Résumé : Cette communication porte sur l'étude du gonflement de l'argile à l'aide d'un oedomètre flexible qui autorise le développement d'une déformation latérale de l'échantillon et permet la mesure de la pression latérale induite au cours du gonflement. La première partie de la communication comporte une description de l'appareillage mis au point. La seconde partie présente les résultats des essais de gonflement réalisés sur la Marne de Tartaiguille. Ces essais montrent que la rigidité de l'anneau oedométrique affecte d'une manière sensible la pression latérale de gonflement. Abstract : This paper concerns an experimental study of the swelling of soils using flexible odometer, which allows for lateral deformation and permits the measurement of the lateral pressure due to swelling. The first part of the paper describes the development of the experimental device. The second one includes results of swelling tests performed on the marl of Tartaiguille, which show that the stiffness of the odometer cell largely affects the lateral pressure induced by soil swelling. Mots clés : , flexible, gonflement, marnes, oedomètre, pression latérale 1 Introduction Le gonflement des sols constitue un phØnomŁne trŁs important ...

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ème XV CongrèsFrançais de Mécanique

Nancy, 3 – 7 Septembre 2001

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O LP O U RF L E X I B L EE D O M E T R E ’ S O L SD E SG O N F L E M E N TD UE T U D E

Timothée Windal et Isam Shahrour

Laboratoire de mécanique de Lille (URA 1441)

USTL  EUDIL 59651 Villeneuve d’Ascq Cedex

Résumé : Cette communication porte sur l'étude du gonflement de l'argile à l'aide d'un oedomètre flexible qui autorise le développement d'une déformation latérale de l'échantillon et permet la mesure de la pression latérale induite au cours du gonflement. La première partie de la communication comporte une description de l'appareillage mis au point. La seconde partie présente les résultats des essais de gonflement réalisés sur la Marne de Tartaiguille. Ces essais montrent que la rigidité de l'anneau oedométrique affecte d'une manière sensible la pression latérale de gonflement.

Abstract : This paper concerns an experimental study of the swelling of soils using flexible odometer, which allows for lateral deformation and permits the measurement of the lateral pressure due to swelling. The first part of the paper describes the development of the experimental device. The second one includes results of swelling tests performed on the marl of Tartaiguille, which show that the stiffness of the odometer cell largely affects the lateral pressure induced by soil swelling.

Mots clés : ,

flexible, gonflement, marnes, oedomètre, pression latérale

1 Introduction

Le gonflement des sols constitue un phénomène très important en mécanique des sols. Dans certaines régions, il est à l'origine de nombreux désordres tant pour les structures en surface que pour les ouvrages souterrains. La détermination des caractéristiques du gonflement des sols est généralement effectuée à l'oedomètre classique (Huder et Amberg 1970, AFNOR 1995, ASTM 1985, ISRM 1989, ISSMFE 1991, BS 1990). Cet appareil permet de mesurer le gonflement dans la direction axiale tout en bloquant la déformation latérale. Or, dans certaines applications, il est nécessaire de connaître la pression latérale de gonflement et de déterminer les caractéristiques des échantillons susceptibles de développer un gonflement latéral. Ofer (1981) a montré qu'une faible déformation latérale de léchantillon peut réduire d'une manière sensible sa pression de gonflement ; à titre d'exemple l'autorisation d'une déformation latérale de 0,1% à 0,2% induit une réduction de l'ordre de 30 à 40 % de la pression de gonflement. Des essais de gonflement réalisés sur des schistes noirs avec des anneaux ayant différentes rigidités ont montré une augmentation du gonflement radial avec la diminution de la rigidité de l'anneau (Franklin, 1984).

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Dans cette communication, on présente la mise au point d'un oedomètre flexible qui permet de réaliser des essais de gonflement avec mesure de la pression latérale. Le développement de la déformation latérale est contrôlé par la rigidité de l'anneau. Ainsi, en faisant varier la rigidité de l'anneau, cet appareillage permet de réaliser des essais allant de l'essai oedométrique classique (déformation latérale bloquée) à l'essai de gonflement libre tout en mesurant la pression latérale.

2 Description du dispositif expérimental

Le dispositif expérimental est constitué d'un bâti oedométrique équipé dun anneau flexible instrumenté par des jauges dextensométrie permettant de mesurer la déformation latérale au cours du gonflement. Un étalonnage préalable de l'anneau permet de déterminer la pression latérale développée au cours du gonflement. L'autorisation de la déformation latérale requiert l'utilisation danneaux de très faibles épaisseurs, de lordre du 1/10 de millimètre. Ils ont été obtenus à partir de bandes dont les extrémités ont été fixées par soudure à létain (fig. 1). Un autre système de fixation a été utilisé pour l'application d'une pression latérale sur l'échantillon avant le démarrage du gonflement (fig. 2). Ce système est constitué de deux pattes fixées aux extrémités de l'anneau, et qui servent de support pour l'application d'une pression latérale sur l'échantillon par lintermédiaire dune pince. L'anneau est équipé de jauges de déformation permettant de mesurer la déformation latérale de léchantillon. Ces jauges sont protégées de l'humidité par un revêtement à base de silicone et possèdent une longueur de grille de 5 mm. Jauge Echantillon

Soudure

Anneau FIG. 1 :Oedomètre souple sans système de précontrainte

Patte FIG. 2 :Oedomètre souple avec système de précontrainte

Pince

2.1 Dimensionnement de l'anneau Le choix des caractéristiques de l'anneau dépend de la rigidité du sol étudié et du taux de déformation latérale qu'on souhaite autoriser. En supposant que le comportement de l'échantillon du sol est élastique, on peut déterminer la pression et la déformation latérales induites par un gonflement
g d'un échantillon placé dans un anneau flexible : 1 1 p=P
=
oed g K K s an 1+1+ K K an s

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P oed la pression latérale développée par un gonflement représente
g l'échantillon dans un de E s oedomètre rigide. K s désigne la rigidité de l'échantillon qui sécrit sous la formeK= s 1ν s où E s et s désignent respectivement le module de Young de l'échantillon et son coefficient de Poisson. K an la rigidité de l'anneau oedométrique, qui s'exprime sous la forme est eE an K=où e, R et E an désignent respectivement l'épaisseur de l'anneau, son rayon et son an R P
module de Young. La figure 3 présente lévolution des rapportset deen fonction du P
oed g K K s s rapport .On note que le rapport de rigiditéjoue un rôle important dans la gamme K K an an comprise entre 1 et 4. 1 1 0.8 0.8 P/P 0.6 0.6 oed
/
g 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 100 2 4 6 8 K /K s an FIG. 3 :Evolution des rapports P/P oed et
/
g en fonction de K s /K an Une étude préliminaire a été réalisée sur des échantillons de Marne de Tartaiguille de 50 mm de diamètre dont la rigidité K s  estvoisine de 900 MPa. Pour la réalisation de ces essais, nous avons utilisé deux matériaux pour l'anneau : K s de laluminium avec une épaisseur e = 0,12mm, ce qui donne un rapport= 2,9 K an du cuivre au béryllium avec deux épaisseurs d'anneau (0,1 et 0,15 mm), ce qui donne K s des rapports de rigidité=1,7 et 1,1. K an

2.2 Etalonnage L'étalonnage des anneaux a été réalisé par le chargement d'un échantillon de caoutchouc placé dans l'anneau. L'application d'une pression verticale p v cet échantillon supposé sur élastique (rigidité = K c , coefficient de Poisson = c ) donne une pression latérale :

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 c 1  c p=p v K c 1+ K an Du fait que le coefficient de Poisson de caoutchouc c  estproche de 0,5 et que le rapport K c est très faible, on obtientpLa figure 4 montre les courbes d'étalonnage dunp . v K an anneau en cuivre au béryllium, dépaisseur 0,1 mm et de rayon 25 mm. 400 350 jauge1 jauge2 300 jauge3 250 200 150 100 50 0 0 100200 300 400 500 600 700 800 µ
FIG 4 :Courbe d’étalonnage d’un anneau en cuivre au béryllium, d’épaisseur 0,1 mm et de rayon 25mm.

3 Essais préliminaires

3.1 Mode opératoire

Nous avons réalisé des essais de gonflement sur les Marnes de Tartaiguille. Ces essais ont été réalisés selon le principe de l'essai de gonflement à loedomètre classique. Un cycle de charge/décharge est appliqué avant le gonflement pour réduire les effets de prélèvement. Léchantillon est ensuite mis en imbibition à travers la base inférieure sous charge axiale constante et on enregistre lévolution de la déformation axiale et de la déformation latérale au cours du gonflement.

3.2 Résultats

Trois essais de gonflement ont été réalisés à l'aide des anneaux ayant des rigidités K an  = 830, 530, 310 MPa sous une charge axiale constante de 70 kPa. Les échantillons de 50 mm de diamètre ont auparavant subi un cycle de charge/décharge jusquà 1700 kPa. Les figures 5 et

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6 montrent les évolutions de la déformation axiale et de la pression latérale.On constate que la rigidité de lanneau affecte d'une manière sensible le gonflement des échantillons testés. En effet, l'augmentation de la rigidité de l'anneau induit une augmentation de la pression latérale de gonflement et de la déformation axiale. A titre d'exemple, l'augmentation de la rigidité de l'anneau de 313 MPa à 830 MPa a pour effet une augmentation de la pression latérale de gonflement de 300 kPa à 700 kPa et de la déformation axiale de 3% à 7%. D'autres essais sont en cours pour la confirmation de ces résultats. 8 K =830MPa an 7 6 K =530MPa an 5 4 3 K =313MPa an 2 1 0 0 510 15 20 t(jours) FIG 5 :Déformation de gonflement axiale au cours du temps. 700 K =830MPa an 600 500 K =530MPa an 400 300 K =313MPa an 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 t(jours) FIG 6 :Pression de gonflement latérale au cours du temps.

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4 Conclusion Cette communication a comporté une présentation d'un oedomètre flexible qui permet d'étudier le gonflement des sols dans des conditions proches de celles du sol en place. Ce dispositif permet également la mesure de la pression latérale de gonflement, ce qui donne des informations très intéressantes pour le calcul des ouvrages construits dans des sols gonflants et pour le développement et la validation des modèles de gonflement. Les premiers essais réalisés avec cet appareillage sur les Marnes de Tartaiguille montrent que la rigidité de l'anneau oedométrique affecte d'une manière très importante la pression latérale et la déformation axiale induites par le gonflement. Remerciements: Nous tenons à remercier le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées pour l'aide et le soutien apportés à la réalisation de ce travail. Références AFNOR, 1995, Sols  Reconnaissance et essais  Essai de gonflement à loedomètre, XP P94-091. ASTM, 1985, Standard test methods for one dimensional swell or settlement potential of cohesive soils. British Standart, 1990, BS 1377, part 5, Determination of swelling and collapse characteristics. Franklin J.A., 1984, A ring swell test for measuring swelling and shrinkage characteristics of rock, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol 21 - N°3, 113-121. Huder J., Amberg G., 1970, Quellung in Mergel, Opalinuston und anhydrit, Schweizerische Bauzeitung, n°43. ISRM, Einstein H., 1989, Suggested methods for laboratory testing of argillaceous swelling rocks, International Society for Rock Mechanics (Commission on swelling rock and working group on swelling rock of the commission on testing methods), vol 26 - N°5, pp 415-426. ISSMFE, 1991, Avant-projet  Evaluation de la pression de gonflement de sols gonflants en laboratoire (traduction), Revue Française de Génie Civil n°56, pp 14-16. Ofer Z., 1981, Laboratory instrument for measuring lateral soil pressure and swelling pressure, Geotechnical Testing Journal, vol 4 - N°4, pp 177-182.

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