ETUDE EXPERIMENTALE DE L'INFLUENCE DES ELEMENTS FINS SUR LE POTENTIEL DE LIQUEFACTION DES SOLS

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èmeXV Congrès Français de Mécanique Nancy, 3 – 7 Septembre 2001 519 ETUDE EXPERIMENTALE DE L'INFLUENCE DES ELEMENTS FINS SUR LE POTENTIEL DE LIQUEFACTION DES SOLS Rachid Bouferra et Isam Shahrour Laboratoire de Mécanique de Lille (URA 1441) USTL - EUDIL, 59 655 Villeneuve d’Ascq cedex Résumé : Cette communication comporte une étude à l'appareil triaxial du potentiel de liquéfaction des sols ayant une faible fraction de fines. Après une synthèse bibliographique, on présente les résultats des essais triaxiaux monotones et des essais cycliques de liquéfaction qui ont été réalisés pour différentes fractions de sols fins. On montre que la présence des éléments fins en faible fraction (inférieure à 15%) a pour effet de réduire la résistance à la liquéfaction de ces sols. Abstract: This paper includes a study using the triaxial apparatus of the liquefaction of soils with a low fraction of fines. After a literature survey, we present results of monotonous triaxial and cyclic liquefaction tests performed on a clayey sand with various fractions of fines. Analysis of experimental results shows that the presence of fines in low proportion (up to 15%) largely reduces the soil resistance to liquefaction. Mots clés : liquéfaction, mélange, non drainé, potentiel, sable, sols fins, triaxial 1 Introduction Des études réalisées par Finn (1981) montrent que les fines affectent d'une manière importante le comportement des sols. Cela a été observé dans les remblais ...

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Congrès Français de Mécanique

Nancy, 3 – 7 Septembre 2001

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519

ETUDE EXPERIMENTALE DE L'INFLUENCE DES

ELEMENTS FINS SUR LE POTENTIEL DE LIQUEFACTION

DES SOLS

Rachid Bouferra et Isam Shahrour

Laboratoire de Mécanique de Lille (URA 1441)

USTL - EUDIL,

59 655 Villeneuve d’Ascq cedex

Résumé :

Cette communication comporte une étude à l'appareil triaxial du potentiel de liquéfaction des sols ayant une

faible fraction de fines. Après une synthèse bibliographique, on présente les résultats des essais triaxiaux

monotones et des essais cycliques de liquéfaction qui ont été réalisés pour différentes fractions de sols fins. On

montre que la présence des éléments fins en faible fraction (inférieure à 15%) a pour effet de réduire la

résistance à la liquéfaction de ces sols.

Abstract:

This paper includes a study using the triaxial apparatus of the liquefaction of soils with a low fraction of fines.

After a literature survey, we present results of monotonous triaxial and cyclic liquefaction tests performed on a

clayey sand with various fractions of fines. Analysis of experimental results shows that the presence of fines in

low proportion (up to 15%) largely reduces the soil resistance to liquefaction.

Mots clés :

liquéfaction, mélange, non drainé, potentiel, sable, sols fins, triaxial

1 Introduction

Des études réalisées par Finn (1981) montrent que les fines affectent d'une manière

importante le comportement des sols. Cela a été observé dans les remblais hydrauliques et les

dépôts récents. Il est communément admis que la résistance cyclique augmente avec le

pourcentage de fines, ce qui peut être expliqué par le fait que la liquéfaction est liée au

caractère frottant des liaisons entre particules. La figure 1 illustre les résultats obtenus par

Ishihara et al. (1980) pour différents sols. On note que la résistance à la liquéfaction est

constante lorsque l’indice de plasticité est inférieur à 10 ; mais au-dessus de cette valeur, la

résistance augmente d’une manière significative avec l’indice de plasticité. Des études ont

montré que des poudres de roche ayant un indice de plasticité voisin de 0 et constituées de

grains inférieurs à 5 μm se comportent comme des sables propres vis-à-vis de la liquéfaction.

Dans le code chinois, on considère qu'il n'y a pas de risque de liquéfaction pour les sols ayant

un indice de plasticité supérieur à 10. Erten (1994) a montré que la résistance à la liquéfaction

d’un sol diminue avec l’addition des fines de faible indice de plasticité. Dans cette

communication, on présente les résultats des essais de liquéfaction réalisés sur un mélange

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sable - argile ayant une faible fraction de fines. On montre que la présence des éléments fins

en faible proportion réduit d'une manière sensible la résistance à la liquéfaction des sols.

FIG. 1

: Influence de l’indice de plasticité sur la résistance à la liquéfaction d’un sable

contenant des fines (Ishihara et al., 1980).

2. Mode opératoire et programme expérimental

L'étude de l'influence de la présence d'éléments fins sur le potentiel de liquéfaction a été

réalisée sur un mélange sable d'Hostun RF–argile Kaolin dont les granulométries sont

illustrées dans la figure 2. Le programme expérimental a comporté des essais monotones et

cycliques non drainés pour différentes fractions d'éléments fins. Le dispositif expérimental est

constitué d'une cellule triaxiale classique équipée des contrôleurs de pression (GDS) qui

permettent d'assurer le confinement de l'échantillon et le contrôle de sa variation volumique.

Le mélange des deux matériaux est obtenu par malaxage pour assurer une bonne

homogénéité. La confection des échantillons est effectuée par compactage en quatre couches.

Après la phase de consolidation, l'échantillon est soumis à un chargement triaxial (monotone

ou cyclique) d'après la procédure classique suivie pour les essais triaxiaux (Bouferra 2000).

Le tableau 1 donne l'indice de plasticité pour les mélanges étudiés. On note que cet indice est

très faible (de l'ordre de 2%).

0

20

40

60

80

100

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

Argile Kaolin

S able d'Hostun

Passant (%)

O uverture (mm)

FIG. 2

: Courbes granulométries des sols étudiés

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Fraction des fines

5%

15%

100%

Indice de plasticité

1,5

2

17

Tableau 1

: Indices de plasticités des mélanges étudiés

3. Essais monotones

Les résultats des essais monotones non drainés réalisés pour différentes fractions d'éléments

fins avec un indice des vides e

0

= 0,753 et sous un confinement p'

c

= 100 kPa sont illustrés

dans la figure 3. On constate que la réponse du mélange dépend d'une manière sensible de la

fraction d'argile. En effet, le sable propre montre une phase d'augmentation de la pression

interstitielle (due au comportement contractant du sable au début du chargement), suivie par

une diminution importante et rapide de cette pression. Cette diminution traduit une

augmentation du confinement effectif de l'échantillon, et, par conséquent, une amélioration de

sa résistance. La présence d'éléments fins a pour effet d'amplifier la phase d'augmentation de

la pression interstitielle (phase de contractance) et de réduire sensiblement la phase de

réduction de cette pression. Ceci a pour effet de réduire d'une manière sensible la résistance

des sols (valeur maximale du déviateur). Ce résultat est observé pour une faible fraction

d'argile (5%) et s'accentue quand cette fraction croît jusqu’à 15%. Au-delà de 15%, on

observe une légère inversion du phénomène. En effet, la résistance obtenue avec une fraction

de 20% d'argile est plus élevée que celle obtenue avec une fraction de 15%. Ces résultats sont

en accord avec ceux trouvés par Georginnou et al. (1990).

0

50

100

150

200

0

5

10

15

20

25

0% d'argile

5% d'argile

10% d'argile

15% d'argile

20% d'argile

q (kPa)

ε

1

(%)

(a)

0

20

40

60

80

100

0

5

10

15

20

25

∆

u (kPa)

ε

1

(%)

(b)

FIG. 3:

Essais triaxiaux non drainés sur un mélange sable Hostun-argile Kaolin

(e

o

=0,753, confinement = 100 kPa)

4. Essais cycliques de liquéfaction

Des essais cycliques non drainés ont été effectués sur le mélange sable-argile pour deux

fractions d'argile (5 et 15%). Les figures 4 et 5 présentent les résultats des essais réalisés sous

un chargement d'amplitude q

am

= 40 kPa. Pour le sol ayant une fraction de 5% d'argile, on

note que la déformation axiale reste faible au cours des premiers cycles. Au cinquième cycle,

on remarque une forte augmentation de la pression d’eau qui induit une importante réduction

de la rigidité de l’échantillon et l’apparition des déformations élevées. La liquéfaction est

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induite au septième cycle. Dans le cas d’un sol ayant une fraction de 15% de fines, on note

une forte augmentation de la pression d’eau dès le premier cycle, et l'apparition de la

liquéfaction au cours du second cycle. Ces essais montrent que l’augmentation de la fraction

d'argile de 5% à 15% induit une nette réduction de la résistance à la liquéfaction des sols. Ce

résultat est cohérent avec les résultats des essais monotones qui montrent que l’augmentation

de la fraction d’élément fins amplifie la contractance du mélange sable-argile, et réduit par

conséquent sa résistance à la liquéfaction.

La figure 6 présente le potentiel de liquéfaction du sable propre et des mélanges étudiés.

On note que la présence d'éléments fins en faible proportion induit une forte réduction de la

résistance à la liquéfaction des sols. A titre d’exemple pour un chargement d'amplitude

(q

am

/p

'

c

= 0,4), le sol ayant une fraction de 15% d'argile se liquéfie après 2 cycles, alors qu'il

faut 6 cycles pour liquéfier un sol ayant une fraction de 5% d'éléments fins et que le sable

propre n'est pas liquéfiable pour ce chargement.

-60

-40

-20

0

20

40

60

-20

-15

-10

-5

0

5

10

q (kPa)

ε

1

(%)

4

ème

6

ème

-20

0

20

40

60

80

100

-20

-15

-10

-5

0

5

10

∆

u (kPa)

ε

1

(kPa)

FIG. 4

:

Essai cyclique non drainé sur un mélange sable d’Hostun – argile Kaolin

(fraction d’argile = 5%, e

o

=0,753, q

am

=40kPa)

-60

-40

-20

0

20

40

60

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

q (kPa)

ε

1

(%)

1

er

0

20

40

60

80

100

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

∆

u (kPa)

ε

1

(%)

FIG.5 :

Essai cyclique non drainé sur un mélange sable d’Hostun – argile Kaolin

(fraction d’argile = 15%, e

o

=0,753, q

am

=40 kPa)

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5

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0

5

10

15

20

25

Sable d'Hostun propre

Sable argileux (5% de Kaolin)

Sable argileux (15% de Kaolin)

q

am

/2p

'

c

Nombre de cycles

FIG. 6 :

Influence de la présence d’éléments fins sur la résistance

à la liquéfaction des sols

5 Conclusion

Cette communication a comporté une étude de l'influence de la présence d'éléments fins

sur la liquéfaction d'un mélange sable d'Hostun - argile Kaolin. Les essais monotones

montrent que la présence dans ce mélange d'une faible proportion d'argile (inférieure à 15%)

amplifie la phase de contractance. Les essais cycliques de liquéfaction montrent que

l'augmentation de la fraction d'argile jusqu'à 15 % réduit d'une manière sensible la résistance à

la liquéfaction de ces sols. Ces résultats indiquent que la présence des éléments fins en faible

proportion donne lieu à une structure de sol plus contractante ; ces éléments jouent également

un rôle de lubrifiant entre les grains et réduisent par conséquent la résistance des sols aux

chargements cycliques.

References

Bouferra R. 2000 Etude en laboratoire de la liquéfaction des sols, thèse de doctorat,

Université des Sciences et Technologies de Lille.

Erten D. 1994 Effect of fines content on liquefaction potential of sands, PhD Thesis, Rutgers

University, USA.

Finn W.D.L. 1981 Liquefaction potential : developments since 1976, Int. Conf. On Recent

Advances in Geotechnical Earthquake Eng. And Soil Dynamics, Saint Luois, pp. 655–679.

Georginnou V.N., Burland J.B. & Hight D.W. 1990 The undrained behavior of clayey sands

in triaxial compression and extension, Geotechnique 40, n°3, pp. 431 – 449.

Ishihara K., Troncoso J., Kawase Y. & Takahashi Y. 1980 Cyclic strength characteristics of

tailing materials, Soils and Foundations, 20, 127 – 42.