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HAL Id: tel-01752833 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01752833v2 Submitted on 18 Oct 2008 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Retrait/gonflement des sols argileux compactés et naturels Hossein Nowamooz To cite this version: Hossein Nowamooz. Retrait/gonflement des sols argileux compactés et naturels. Sciences de l’ingénieur [physics]. Institut National Polytechnique de Lorraine - INPL, 2007. Français. NNT : 2007INPL107N. tel-01752833v2 INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE École Nationale Supérieure de Géologie Laboratoire Environnement, Géomécanique & Ouvrages École Doctorale RP2E THÈSE Présentée en vue de l'obtention du grade de : DOCTEUR DE L'I.N.P.L. Spécialité : Génie Civil – Hydrosystèmes – Géotechnique par Hossein NOWAMOOZ RETRAIT/GONFLEMENT DES SOLS ARGILEUX COMPACTES ET NATURELS Soutenue le 19 décembre 2007 Membres du Jury : M. R. COJEAN Président M. O. CUISINIER Examinateur M. P. DELAGE Rapporteur M. J.M. FLEUREAU Rapporteur Mme F. MASROURI Directeur de thèse M. E. ROMERO-MORALES Examinateur À ma mère À mon père À mon frère Remerciements Avant tout, je tiens à exprimer ma gratitude à Madame Farimah Masrouri, Professeur à l'INPL-ENSG et directrice de thèse, pour m'avoir guidé tout au long de ce travail de recherche. Je la remercie vivement de sa disponibilité de tous les instants qui ont rendu ce travail possible. Je tiens à remercier Monsieur J.M. Fleureau, Professeur à l’École Centrale de Paris, Monsieur P. Delage, Directeur de recherche à l’École Nationale des Ponts et Chaussées, pour avoir bien voulu accepter la tâche de rapporteur de ce mémoire. Je remercie également Monsieur le Professeur R. Cojean, Monsieur E. Romero-Morales, Directeur du laboratoire géotechnique à l’Université Polytechnique de Catalogne, et Monsieur O. Cuisinier Chargé de Recherche au LCPC Nantes, d’avoir accepté d’être membre du jury de ma thèse. Mes remerciements vont aussi à Monsieur Jean-Paul Tisot Professeur et Monsieur A. Abdallah Maître de Conférences à l'ENSG-INPL, pour leurs conseils avisés. Merci à Messieurs J.F. Noëlle et F. Mansuy, qui m’ont apporté leur aide dans la réalisation des essais et à Monsieur L. Schoumaker pour les essais porosimétriques. Mes pensées vont pareillement à Sébastien, à Mohamad, à tous les autres doctorants ou étudiants que j'ai rencontrés au LAEGO. Ces remerciements ne seraient pas complets si je ne citais pas les personnes qui ont eu à supporter tous les hauts et les bas qui se sont succédés tout au long de ce travail. Qu’elles trouvent ici l’expression de ma reconnaissance. Enfin, pour leur soutien très précieux de tous les instants, j'associe à ce travail mes parents ainsi que toute ma famille. Je pense surtout à ma mère sans qui je n’aurais pas pu traverser ces trois années du travail. Thèse Hossein Nowamooz Table des matières i Sommaire INTRODUCTION GENERALE............................................................................................... 1 CHAPITRE I. BIBLIOGRAPHIE............................................................................................. 5 I.1. Introduction .............................................................................................................. 5 I.2. Nature du phénomène.............................................................................................. 6 I.3. Identification des sols gonflants................................................................................ 8 I.4. Principales causes des variations de volume du sol............................................... 10 I.4.1. Modification des contraintes mécaniques........................................................ 11 I.4.2. Modification des contraintes hydriques ........................................................... 11 I.4.3. Effet physico-chimique.................................................................................... 12 I.5. Double structure des sols gonflants........................................................................ 12 I.5.1. Influence du chargement mécanique sur la structure interne des sols ............ 14 I.5.2. Influence de l’imposition de succion sur la structure interne des sols.............. 16 I.5.3. Conclusion...................................................................................................... 18 I.6. Gonflement des argiles........................................................................................... 18 I.6.1. Mécanisme de gonflement des argiles............................................................ 18 I.6.2. Définition des paramètres du gonflement........................................................ 20 I.6.2.1. Méthode à gonflement libre...................................................................... 21 I.6.2.2. Méthode sous charge constante .............................................................. 21 I.6.2.3. Méthode à volume constant ..................................................................... 22 I.7. Retrait des sols gonflants ....................................................................................... 22 I.7.1. Essais de dessiccation pour la détermination de la limite de retrait conventionnelle........................................................................................................ 24 I.7.2. Essais de dessiccation pour la détermination de la limite de retrait effective... 24 I.7.3. Facteurs contrôlant la limite de retrait ............................................................. 25 I.8. Comportement hydrique et courbe de retention des sols argileux........................... 26 I.8.1. Paramètres influençant les courbes hydriques................................................ 29 I.8.2. Modèle empirique de la courbe de rétention ................................................... 31 I.8.3. Relations entre la courbe de rétention et la courbe porosimétrique................. 31 I.8.4. Conclusion...................................................................................................... 33 I.9. Comportement hydromécanique des sols gonflants ............................................... 33 I.9.1. Comportement hydromécanique des sols gonflants saturés ........................... 33 I.9.2. Comportement hydromécanique des sols gonflants non saturés .................... 34 I.9.3. Influence des chemins de contrainte suivis ..................................................... 36 I.9.4. Comportement des sols gonflants lors des cycles de séchage/humidification. 38 I.9.5. Influence des cycles de succion sur le comportement hydromécanique des sols gonflants.................................................................................................................. 40 I.9.6. Conclusion...................................................................................................... 42 I.10. Modélisation de Barcelone pour sols gonflants (BExM) ........................................ 42 I.10.1. Description du modèle BExM........................................................................ 43 I.10.2. Comportement de la microstructure et couplage micro-macro ...................... 45 I.10.3. Simplification du modèle BExM..................................................................... 47 I.10.4. Performances et limites du modèle BExM..................................................... 48 I.11. Méthodes Expérimentales .................................................................................... 49 I.11.1. Méthodes de mesure et d'imposition de la succion utilisées.......................... 49 I.11.1.1. Mesure de succion ................................................................................. 50 Thèse Hossein Nowamooz Table des matières ii I.11.1.2. Techniques expérimentales utilisées pour l’imposition de la succion...... 50 I.11.2. Mesure de volume total des échantillons....................................................... 52 I.11.3. Essai œdométrique osmotique...................................................................... 53 I.11.3.1. Description de l'appareil ......................................................................... 53 I.11.3.2. Temps nécessaire pour atteindre l’équilibre lors de l’imposition d’une succion donnée.................................................................................................... 55 I.11.3.3. Mode de chargement mécanique ........................................................... 55 I.11.4. Conclusion.................................................................................................... 56 I.12. Conclusion ........................................................................................................... 56 CHAPITRE II. RETRAIT/GONFLEMENT D’UN SOL GONFLANT COMPACTE.................. 57 II.1. Introduction ........................................................................................................... 57 II.2. Matériau etudié...................................................................................................... 58 II.2.1. Paramètres d'identification............................................................................. 58 II.2.2. Courbes de compactage................................................................................ 59 II.2.3. Méthode de préparation des éprouvettes....................................................... 59 II.2.4. Différents essais effectués ............................................................................. 60 II.3. Micro- et macrostructure........................................................................................ 61 II.3.1. Essai de porosimétrie au mercure.................................................................. 62 II.3.2. Influence des paramètres de compactage...................................................... 64 II.3.3. Evolution de la structure interne des éprouvettes en fonction de la succion... 68 II.3.4. Conclusion..................................................................................................... 69 II.4. Comportement hyrique du matériau ...................................................................... 69 II.4.1. Influence de la masse volumique sèche initiale.............................................. 70 II.4.2. Influence de la teneur en eau initiale sur la courbe de rétention de matériau . 74 II.4.3. Limite de retrait .............................................................................................. 76 II.4.4. Conclusion..................................................................................................... 77 II.5. Comportement hydromécanique............................................................................ 78 II.5.1. Comportement mécanique à l’état saturé....................................................... 78 II.5.2. Comportement mécanique sous différentes succions imposées .................... 80 II.5.3. Surfaces de charge........................................................................................ 84 II.5.3.1. Limite de retrait (LR)................................................................................ 85 II.5.3.2. Séparation de micro/macrostructure (Lm/M) ........................................... 85 II.5.3.3. Effondrement mécanique (LC) ................................................................ 85 II.5.3.4. Surface de comportement saturé (SCS).................................................. 86 II.6. Influence d’un cycle d’humidification sur le comportement hydromécanique ......... 86 II.7. Influence de plusieurs cycles de succion sur le comportement mécanique des sols ..................................................................................................................................... 94 II.7.1. Essais O1 et O2............................................................................................. 95 II.7.2. Essais O3, O4 et O5 ...................................................................................... 98 II.7.4. Essai O6 ...................................................................................................... 104 II.7.4. Essais O7 et O8........................................................................................... 105 II.7.5. Conclusion................................................................................................... 108 II.8. Détermination des paramètres du Modèle BExM................................................. 109 II.8.1. Paramètres de la surface de charge (LC)..................................................... 109 II.8.2. Paramètres élastique de microstructure....................................................... 110 II.8.3. Paramètres des fonctions d’interaction micro/macro .................................... 111 II.8.4. Validation des paramètres obtenus de modèle............................................. 115 II.9. Conclusion .......................................................................................................... 116 Thèse Hossein Nowamooz Table des matières iii CHAPITRE III. RETRAIT/GONFLEMENT DES SOLS GONFLANTS NATURELS............. 119 III.1. Introduction ........................................................................................................ 119 III.2. Site expérimental de Champenoux..................................................................... 120 III.2.1. Introduction................................................................................................. 120 III.2.2. Caractérisation............................................................................................ 122 III.2.3. Essai de porosimétrie au mercure............................................................... 127 III.2.4. Courbe de rétention .................................................................................... 129 III.2.5. Essais de gonflement libre .......................................................................... 133 III.2.6. Comportement hydromécanique ................................................................. 134 III.2.7. Influence d’un cycle de séchage/humidification sur le comportement mécanique des sols ............................................................................................... 137 III.2.8. Interprétation du comportement hydromécanique ....................................... 139 III.2.9. Conclusion.................................................................................................. 140 III.3. Site expérimental du Deffend ............................................................................. 141 III.3.1. Introduction................................................................................................. 141 III.3.2. Caractérisation physique et géotechnique................................................... 143 III.3.3. Essais de porosimétrie au mercure............................................................. 147 III.3.4. Courbes de rétention................................................................................... 150 III.3.5. Essais de gonflement libre .......................................................................... 156 III.3.6. Influence des cycles de succion sur le comportement hydromécanique...... 159 III.3.7. Interprétation du comportement hydromécanique ....................................... 169 III.3.8. Conclusion.................................................................................................. 171 III.4. Modélisation numérique du comportement du sol du Deffend soumis à des variations hydriques ................................................................................................... 172 III.4.1. Détermination des paramètres de BExM..................................................... 172 III.4.1.1. Paramètres de la surface de charge (LC)............................................. 172 III.4.1.2. Paramètres élastique de microstructure ............................................... 173 III.4.1.3. Paramètres des fonctions d’interaction micro/macro ............................ 174 III.4.2. Modélisation numérique.............................................................................. 176 III.4.2.1. Description du Code_Bright.................................................................. 176 III.4.2.2. Caractéristiques du sol du Deffend....................................................... 177 III.4.2.3. Caractéristiques de la fondation ........................................................... 178 III.4.2.4. Le modèle et les conditions initiales et aux limites................................ 179 III.4.2.5. Résultats des simulations..................................................................... 180 III.4.3. Conclusion.................................................................................................. 182 III.5. Conclusion ......................................................................................................... 182 CONCLUSION GENERALE .............................................................................................. 185 REFERENCE BIBLIOGRAPHIQUE................................................................................... 189 ANNEXES......................................................................................................................... 201 Liste des tableaux Tableau I.1. Identification des sols gonflants au laboratoire................................................... 8 Tableau I.2. Relation entre le potentiel de gonflement et la limite de retrait (Altmeyer, 1955) 8 Tableau I.3. Relation entre le potentiel de gonflement et l’indice de plasticité (Seed et al., 1962).............................................................................................................................. 9 Tableau I.4. Potentiel de gonflement (Seed et al., 1962) ....................................................... 9 Thèse Hossein Nowamooz Table des matières iv Tableau I.5. Potentiel de gonflement (BRE, 1980)................................................................. 9 Tableau I.6. Potentiel de gonflement (Ghen, 1988) ............................................................... 9 Tableau I.7. Potentiel de retrait (Holtz & Gibbs, 1956)......................................................... 10 Tableau I.8. Potentiel de gonflement uploads/Science et Technologie/ retrait-gonflement-des-sols-argileux.pdf