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ETUDE A L’APPAREIL TRIAXIAL DE LA RESISTANCE D'UN SOL COMPACTE QUASI SATURE

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èmeXV Congrès Français de Mécanique Nancy, 3 – 7 Septembre 2001 540 ETUDE A L’APPAREIL TRIAXIAL DE LA RESISTANCE D'UN SOL COMPACTE QUASI SATURE * ** *Omran ALSHIHABI , Claude MIEUSSENS , Isam SHAHROUR * Laboratoire de Mécanique de Lille (URA 1441), USTL - EUDIL, 59 655 Villeneuve d’Ascq cedex ** Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées, 1 Av. du Colonel Roche, 31 400 Toulouse Résume : Cette communication comporte une étude expérimentale du comportement d'un sol compacté quasi-saturé. Après une description du sol étudié et du mode opératoire, on présente les résultats des essais réalisés à l'appareil triaxial à succion contrôlée. On montre que la résistance de ce sol est plus élevée que celle du sol saturé pour les faibles confinements, mais qu'elle se rapproche de la résistance du sol saturé pour les confinements élevés. Mots clés : quasi-saturé, résistance, sol compacté, succion, triaxial Abstract: This paper includes an experimental study of the behavior of a quasi-saturated compacted soil. After a description of the soil used in this study, we present results of tests performed using a triaxial cell with controlled suction. Analysis of experimental results shows that the resistance of this soil is higher than that of saturated soils for low confinement, but it is close to the latter for high confinement. 1. Introduction Le sol compacté est largement utilisé en génie civil. On l'utilise dans la construction des remblais et des barrages en ...

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XV
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Congrès Français de Mécanique
Nancy, 3 – 7 Septembre 2001
1
540
ETUDE A L’APPAREIL TRIAXIAL DE LA RESISTANCE D'UN
SOL COMPACTE QUASI SATURE
Omran ALSHIHABI
*
, Claude MIEUSSENS
**
, Isam SHAHROUR
*
* Laboratoire de Mécanique de Lille (URA 1441), USTL - EUDIL,
59 655 Villeneuve d’Ascq cedex
** Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées, 1 Av. du Colonel Roche, 31 400 Toulouse
Résume :
Cette communication comporte une étude expérimentale du comportement d'un sol compacté quasi-saturé. Après
une description du sol étudié et du mode opératoire, on présente les résultats des essais réalisés à l'appareil
triaxial à succion contrôlée. On montre que la résistance de ce sol est plus élevée que celle du sol saturé pour
les faibles confinements, mais qu'elle se rapproche de la résistance du sol saturé pour les confinements élevés.
Mots clés :
quasi-saturé, résistance, sol compacté, succion, triaxial
Abstract:
This paper includes an experimental study of the behavior of a quasi-saturated compacted soil. After a
description of the soil used in this study, we present results of tests performed using a triaxial cell with
controlled suction. Analysis of experimental results shows that the resistance of this soil is higher than that of
saturated soils for low confinement, but it is close to the latter for high confinement.
1. Introduction
Le sol compacté est largement utilisé en génie civil. On l'utilise dans la construction des
remblais et des barrages en terre. Généralement, le
compactage du sol s’effectue à l’optimum
ou du côté humide d’optimum, ce qui implique que
le sol se trouve dans un état quasi-saturé
(degré de saturation supérieur à 90%). Après la construction, le corps des remblais conserve
généralement l'état de saturation lors du compactage (Mieussens 2000). La vérification de la
stabilité des remblais requiert par conséquent la connaissance des paramètres de résistance des
sols dans un état proche de la saturation.
Plusieurs travaux ont été consacrés à l'étude du comportement des sols quasi-saturés. Cruz
et al (1985) ont montré que le comportement des sols quasi-saturés de type Lateritic et
Saprolitic est proche de celui des sols saturés. Ce résultat est en accord avec les travaux de
White et al. (1970) et de Vanapalli et al. (1996).
Shahu et al. (1990) ont réalisé des essais consolidés non drainés sur un sol compacté
quasi-saturé. Ils ont montré que la résistance de ces sols se rapproche de celle des sols saturés
pour les hauts niveaux de confinement. Ces essais ont été réalisés sans contrôle de la succion,
ce qui rend difficile leur interprétation sur le plan quantitatif. Dans cette communication, on
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présente une étude de l'influence du confinement sur la résistance d'un sol compacté quasi-
saturé en utilisant un appareil triaxial à succion contrôlée. Les résultats de ces essais nous
donnent des informations quantitatives sur la variation de la résistance de ce sol avec
l'augmentation du confinement.
2. Sol étudié
L'étude a été réalisée sur un sol compacté obtenu d’un mélange naturel des argiles de
Bavent beige et grise dont les caractéristiques sont reportées dans le tableau 1. Les
échantillons ont été prélevés dans un massif préparé au CER de Rouen par compactage à la
dame manuelle pneumatique sur plusieurs centaines de kilos de matériaux. Le compactage a
été réalisé à une teneur en eau de 24%, qui se situe du côté humide sur la courbe Proctor.
La courbe de rétention de ce sol a été déterminée à l'aide d'une cellule à succion contrôlée
utilisant la technique de surpression d’air. Les figures 1 et 2 montrent les résultats obtenus. On
note un écart sensible entre les chemins d'humidification et de drainage, ce qui signifie la
présence d'une forte hystérésis. On note que la teneur en eau varie de 24,5% pour une succion
nulle à 20% pour une succion S = 800 kPa. On note également que le sol reste quasi-saturé
(Sr > 90%) dans la gamme de succion explorée (0 - 800 kPa).
Un essai de chargement – déchargement à l’oedomètre classique a été réalisé sur ce
matériau (figure 3), la saturation s’est effectuée sous charge de 5 kPa. On note que la pression
de consolidation de ce matériau est faible, elle se situe autour de 30 kPa.
Argile
W
L
(%)
W
P
(%)
I
P
(%)
Valeur de bleu (%)
Bavent beige
52
25
27
5
Bavent grise
46
27
19
5
Mélange
44
28
26
5
Tableau 1 :
Caractéristiques des argiles de Bavent utilisées dans le sol étudié.
0
200
400
600
800
1000
19
20
21
22
23
24
25
Succion (kPa)
Teneur en eau, W (%)
Point initial imposé
FIG. 1 :
Courbe de rétention du sol étudié,
teneur en eau en fonction de la succion, (Argile de Bavent)
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3
0
200
400
600
800
1000
88
90
92
94
96
98
100
Succion (kPa)
Degré de saturation Sr (%)
Point initial imposé
FIG. 2
:
Courbe de rétention du sol étudié,
degré de saturation en fonction de la succion, (Argile de Bavent)
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
1
10
100
1000
e(-)
σ
v
(kPa)
FIG. 3 :
Essai de compressibilité à l’oedomètre classique
3 - Etude à l'appareil triaxial à succion contrôlée
3.1 Mode opératoire
Les essais ont été réalisés sur des échantillons de 5cm de diamètre et de 10cm de hauteur
dans une cellule triaxiale équipée à sa base inférieure d'une pierre céramique ayant une
pression d'entrée d'air de 500 kPa. La pierre céramique est connectée à un réservoir d’eau
ouvert à l’air libre. La cellule est remplie d’huile pour empêcher la sortie de l'air de
l'échantillon car la membrane n’est pas parfaitement étanche à l’air.
L’essai commence par une phase d’équilibre en appliquant une pression d’air de 300 kPa
par le haut de l’échantillon à travers une pierre poreuse pour assurer une répartition uniforme
de la pression d’air et une pression de confinement de 350 kPa pour plaquer la membrane
contre l’échantillon. Cette phase se termine quand l’échantillon n'expulse plus d’eau ; pour
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l’argile de Bavent cette phase dure de 15 à18 jours. Le degré de saturation des échantillons à
la fin de cette phase est de l'ordre de 95%.
Une phase de consolidation suit la phase d’équilibre en augmentant la pression de
confinement à la valeur souhaitée (50, 100, 200, 400, 600 kPa) et en maintenant la pression
d’air à 300 kPa ; cette phase s'achève avec l’arrêt de l’expulsion d’eau. Pour le sol étudié, la
phase de consolidation dure entre 15 et 20 jours.
La dernière phase concerne le cisaillement de l'échantillon, qui s'effectue à une vitesse très
lente (0,81
µ
m/min). On considère que cette vitesse est assez lente pour que la pression d’eau
générée au cour du cisaillement se dissipe et que l’eau à l’intérieur de l’échantillon reste à la
pression atmosphérique (Wheller et al. 1999) ; la phase de cisaillement dure 13 jours. A la fin
de l’essai, l’échantillon est démonté, pesé et mis à l’étuve pour déterminer la masse humide
finale et la masse sec.
3.2 Résultats obtenus
Les résultants des essais réalisés sont regroupés sur la figure 4. On ne présente pas
l'évolution de la déformation volumique, car le dispositif expérimental ne permettait pas la
mesure de cette déformation. Les essais étaient arrêtés après observation des surfaces de
rupture dans les échantillons. La courbe déviateur - déformation axiale montre un problème
de contact au début de l’essai, ce qui rend difficile la détermination du module de
déformation. Globalement, on note une augmentation de la résistance du sol compacté avec la
pression de confinement.
La figure 5 donne les résultats des essais réalisés dans le plan (p-U
a
, q). Ces résultats sont
comparés à ceux réalisés sur un sol saturé. On note que le sol saturé présente une faible
résistance (angle de frottement de l'ordre de 22° et une cohésion quasi nulle). L'analyse des
résultats obtenus montre deux types de comportement. Le premier correspond au confinement
élevé (400 et 600 kPa) où on note un bon accord entre la résistance du sol saturé R
s
et celle du
sol quasi-saturé R
qs
; ceci signifie que l'application d'un confinement élevé à un sol quasi-
saturé améliore sa saturation et fait rapprocher son comportement du celui du sol saturé. Pour
les faibles confinements (50 - 200 kPa), on note un écart important entre les résistances du sol
saturé et du sol quasi-saturé, cet écart s'accentue avec la réduction du confinement. Ces
résultats sont en accord avec ceux obtenus par Shahu et al. (1999). Afin de quantifier
l'influence du confinement sur la résistance du sol quasi-saturé, on donne dans le tableau 2
1'excédent de résistance
s
R
s
R
qs
R
apporté par la non saturation du sol (cf figure 5). On note
que cet excédent varie de 2,6 à 0,6 quand la pression de confinement croît de 50 à 200 kPa.
Pression de confinement
50
kPa
100
kPa
200
kPa
s
R
s
R
qs
R
2,6
1,5
0,6
Tableau 2 :
Influence du confinement sur la résistance du sol compacté quasi-saturé.
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5
0
200
400
600
800
1000
0
2
4
6
8
1
0
1
2
1
4
1
6
50 kPa
100 kPa
200 kPa
400 kPa
600 kPa
σ
1
-
σ
2
(kPa)
Dh/h (%)
Pression de
confinement
FIG. 4 :
Essais triaxiaux réalisés pour différents confinements à une succion S = 300 kPa
0
100
200
300
400
500
0
200
400
600
800
1000
1200
Saturé
S=300
kPa
(
σ
1
-
σ
2
)/2
(
σ
1
+
σ
2
)/2-U
a
(kPa)
R
qs
R
s
FIG. 5:
Influence du confinement et de la saturation sur la résistance du sol compacté
4.
Conclusion
Cette communication a comporté une étude de l'influence du confinement sur la résistance
d'un sol compacté quasi-saturé. L'étude a été réalisée à l'aide d'un appareil triaxial à succion
contrôlée. Les résultats des essais réalisés montrent que la résistance d'un sol quasi-saturé se
rapproche de celle d'un sol saturé pour les confinements élevés. Pour les faibles confinements,
le sol quasi-saturé présente une résistance sensiblement plus élevée que celle du sol saturé.
Ceci montre que le calcul de la stabilité des remblais avec les paramètres du sol saturé place
les ingénieurs du côté de la sécurité.
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Références
:
Cruz P. T., et al, (1985), Peculiarities of tropical lateritic and saprolitic soils used as
construction materials : Selection, control and acceptance critiria-dams ,
Progress Rep. Of
Com. On Tropical Lateritic and Saprolitic Soils, Brazilian Society of Soil Mechanics
, pp. 275-
327.
Mieussens C., 2000, Déformation Cycliques et Irréversibles Dans les Remblais Argileux,
Revue Française de Géotechnique
,
90
, 1er trimestre, pp. 47-60.
Shahu J. T., Yudhbir & Kameswara Rao N. S. V., 1999, Effecive stress behavior of quasi-
saturated compacted cohesive soils
, Journal of geotechnical engineering
,
April
, pp. 322-329.
Vanapalli S. K., Fredlund D. G., Pufahal D. E. and Clifton A. W., 1996, Model for the
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Can. Geotech. J.
,
33
, pp. 379-392.
Wheeler S. J., Sivakumar V., 1995, An elasto-plastic critical state framework for unsaturated
soils,
Géotechnique
45
, No.1, pp. 35-53.
White N. F., Ducke H. R., Sunada D. K. et Corey A. T., 1970, Physics of desaturation in
porous materials,
J. Irrig. And Drain
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