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COMPORTEMENT MÉCANIQUE DIUN LIMON NON SATURÉ ÉTUDE EXPÉRIMENTALE ET MODÉLISATIO

COMPORTEMENT MÉCANIQUE DIUN LIMON NON SATURÉ ÉTUDE EXPÉRIMENTALE ET MODÉLISATION CONSTITUTIVE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES PAR Françoise GEISER Ingénieur civil diplômée EPF originaire de Langenthal (BE) acceptée sur proposition du jury: Prof. L Vulliet, directeur de thèse Dr P. Delage, rapporteur Prof. C.S. Desai, rapporteur Prof. F. Frey, rapporteur Dr L Laloui, rapporteur Dr R. Marche, rapporteur Lausanne, EPFL 1 999 TABLES DES MAT- 1 TABLES DES MATIERES i . . Résumé . Abstract ii . Notations 1 . Introduction ................................................................................................... 1 ............................................................................................. 1.1 Cadre général de la thèse 1 ............................................................................................... 1.2 Contribution de la thèse 2 ............................................................................................. 1.3 Organisation du mémoire 2 ........................................... 2 . Etat des connaissances sur les sols non saturés 5 ............................................................ 2.1 Introduction à la physique des sols non saturés 5 . . ....................................................................................... 2.1.1 Définition de la succion 5 2.1.2 Les états du sol ................................................................................................... 8 ........................................ 2.1.3 Répartition des phases dans un matériau polyphasique 9 .......................................................................... 2.1.4 Définition de la non saturation 12 .......................................................... 2.2 Comportement mécanique des sols non saturés 12 ............................................ 2.2.1 Existence d'un domaine saturé à succion non nulle 12 ........................................................ 2.2.2 Evolution de la "compre~sib~té hydrique" 13 ........................................................................................... 2.2.3 Hystérèse hydrique 15 ........................................................ 2.2.4 Evolution de la compressibilité mécanique 17 2.2.5 Evolution de la pression de préconsolidation ..................................................... 18 .................................................................................................. 2.2.6 Effondrement 1 8 2.2.7 Comportement élastique : évolution de la rigidité .............................................. 19 .......................................... 2.2.8 Comportement déviatoire : résistance à l'état de pic 19 ...................................................................................................... 2.2.9 Fragilisation 21 ........................ 2.2.10 Comportement déviatoire: évolution de la variation de volume 21 2.2.1 1 Etat critique .................................................................................................... 22 ..................................................................................................... 2.2.12 Conclusion -25 2.3 Modélisation constitutive des sols non saturés ........................................................... 27 .................................................................. 2.3.1 Modélisation en contrainte effective 27 ................................... 2.3.2 Modélisation à l'aide de deux contraintes indépendantes 30 ....................................... 2.3.3 Approche thermodynamique putter, Laloui, Vulliet) 30 ...................................................................... 2.3.4 Approche énergétique (Houlsby) 31 ...................................................................................................... 2.3.5 Conclusions 32 .......................................................................................... 2.4 Modèles élasto-plastiques 33 2.5 Etat de l'art expérimental ........................................................................................... 35 2.5.1 Imposition de la succion par surpression d'air ................................................... 35 .......................................................................................... 2.5.2 Méthode osmotique 37 2.5.3 Autres procédés ................................................................................................ 37 ................................................................................ 2.6 Conclusion et apport de la thèse 38 3 . Approche expérimentale ............................................................................. 41 ........................................................................................ 3.1 Techniques Expérimentales 41 ................................................................................ 3.1.1 Procédures expérimentales 41 3.1.1.1 Marmite ................................................................................................ 41 3.1.1.2 Essais oedométriques ............................................................................ 44 3.1.1.3 Essais triaxiaux ..................................................................................... 45 ....................................................... 3.1.2 Mesure de volume dans les essais triaxiaux 51 ........................ 3.1.2.1 Mesure des variations de volume d'une cellule standard 51 ................ 3.1.2.2 Mesure des variations de volume d'une cellule à double paroi 57 .......... 3.1.2.3 Mesure des variations de volume d'une cellule avec paroi interne 58 ............ 3.1.2.4 Mesure du volume d'air de l'échantillon avec un contrôleur à air 59 .............................................................. 3.1.2.5 Avec un contrôleur à eau et air 60 .............................................................................. 3.1.2.6 Capteurs à effet Hall 61 ................................................................................... 3.1.2.7 Mesures au laser 63 3.1.2.8 Analyse d'images .................................................................................. 64 3.1.2.9 Conclusion sur les différentes méthodes ................................................ 67 . . ..................................................................................................... 3.2 Descnption du sol -69 . . .................................................................................................. 3.2.1 Granulomeme -69 ............................................................................ 3.2.2 Préparation des échantillons 7 1 ........................................................................................... 3.3 Programme expérimental 72 ................................................................................................................ 3.4 Conclusion 73 4 . Comportement saturé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.1 Résultats expérimentaux bruts ................................................................................... 75 ................................................................................. 4.1.1 Comportement déviatoire 75 ................................................................. 4.1.2 Essais maxiaux sur échantillons secs 86 ......................................................... 4.1.3 Comportement isotrope et oedométrique 8 8 4.2 Comportement au fluage .......................................................................................... 89 TABLES DES MATIÈRES III ......................................................................... 4.3 Evaluation des paramètres élastiques 90 . . ............................................................................................................... 4.4 Etat cnhque 91 ................................................................................ 4.4.1 Comportement déviatoire -91 ................................................................................ 4.4.2 Comportement volumique -92 ...................................................................................................... 4.5 Surface de charge 94 4.5.1 Procédure de détermination de la surface de charge .......................................... 94 ............................................................... 4.5.2 Détermination de la surface de charge 95 4.5.3 Comparaison de la forme de la surface de charge avec des formulations ......................................................................................................... classiques 96 ................................................................................................................ 4.6 Conclusion 97 5 . Comportement non saturé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.1 Comportement isotrope en sollicitation hydrique ....................................................... 99 ................................................................. 5.1.1 "Marmite" ou plaque tensiométrique 99 5.1.2 Chemins hydriques(dessaturations) liés aux essais maxiaux ............................. 106 5.2 Comportement isotrope en sollicitation mécanique ................................................. 109 . . 5.3 Essais oedometnques ............................................................................................... 113 5.4 Evolution des compressibilités et des pressions de préconsolidation avec la .................................................................................................................. succion 118 ............................................................. 5.5 Comportement déviatoire (appareil triaxial) 119 5.5.1 Essais drainés ................................................................................................. 119 ............................................................. 5.5.1.1 Résultats expérimentaux bruts 121 5.5.1.2 Analyse du comportement non saturé drainé ........................................ 134 . . ...................................................................... 5.5.2 Essais a teneur en eau constante 145 5.6 Interprétation complémentaire des essais ................................................................. 154 5.6.1 Influence des contraintes mécaniques sur les courbes hydrique ........................ 154 5.6.2 Comparaison des compressibilités mécanique saturée et hydrique .................... 156 5.6.3 Evolution des paramètres élastiques avec la succion ........................................ 156 ........................................................ 5.6.4 Evolution de l'état de pic avec la succion 1 5 8 ................................................... 5.6.5 Evolution de l'état critique avec la succion 1 6 2 5.6.6 Evolution de la surface de charge avec la succion ............................................ 167 ...................................................................... 5.7 Conclusions sur les essais non saturés 170 .................................. 6.1 Principales caractéristiques rhéologiques des sols non saturés 173 ...................................................................................................... 6.2 Modèle til-unsat 174 .................................................................................................... 6.2.1 Introduction 174 ...................................................................................... 6.2.2 Modèle de Barcelone 175 ................................................. 6.2.2.1 Description des paramètres du modèle 176 .......................... 6.2.2.2 Détermination des paramètres pour le limon de Sion: 176 .................. 6.2.2.3 Prédictions du modèle de Barcelone pour le limon de Sion 178 ........................................................................................ 6.2.2.4 Conclusions 181 .................................................................................... 6.2.3 Modèle saturé de base 181 ........................................................... 6.2.3.1 Description du modèle de base 1 8 1 .............................................. 6.2.4 Application au cas saturé pour le limon de Sion 183 ............................................. 6.2.4.1 Conclusion sur le modèle saturé HISS-61 190 ............................................................................ 6.2.5 Modèle non saturé: ti1-unsat 190 ........................................................................................ 6.2.5.1 Introduction 190 .......................................................................... 6.2.5.2 Choix des contraintes 191 ....................................................................... 6.2.5.3 Formulation du modèle 191 ....................................................... 6.2.5.4 Définition des surfaces de charges 194 ...................................................................... 6.2.5.5 Définition des potentiels 198 ........................................... 6.2.5.6 Couplage des surfaces de charges Fi et F2 199 6.2.5.7 Résumé des paramètres du modèle ai-unsat ........................................ 199 ............................... 6.2.5.8 Intégration numérique des équations constitutives 200 .......................... 6.2.5.9 Détermination des paramètres liés à la non saturation 206 ......... 6.2.5.10 Modélisation des comportements typiques des sols non saturés 207 .............................................................. 6.2.6 Validation du modèle HISS & -unsat 211 6.2.6.1 Paramètres des sols ............................................................................. 211 ............................................... 6.2.6.2 Tests de validation sur le limon de Sion 214 ....................................................... 6.2.7 Conclusions sur le modèle HISS-61-unsat 219 6.3 Simulation des essais non drainés ............................................................................. 220 6.3.1 Equations de conservation de la masse ............................................................ 221 . . . . 6.3.2 Compressibrlite de l'eau ................................................................................... 223 ............................................................... 6.3.3 Relation degré de saturation-succion 224 ........... 6.3.4 Intégration du comportement hydromécanique dans le modèle 61 -unsat 225 ....................................................................................................... 6.3.5 Validation 225 ............................................. 6.4 Disturbed State Concept appliqué au modèle 61-unsat 229 ................................................................................................... 6.4.1 Introduction 229 6.4.2 Introduction au « Disturbed State Concept » ................................................... 229 .............................................. 6.4.3 Extension du modèle DSC aux sols non saturés 231 TABLES DES M A * V - . . 6.4.4 Rupture cinématique post-pic ....................................................................... 235 ........................................... 6.4.5 Intégration du DSC dans l'algorithme du modèle 236 6.4.6 Validation du DSC ......................................................................................... 238 ................................................................................................... 6.4.7 Conclusions 239 6.5 Conclusion sur la modélisation du comportement des sols non saturés ..................... 240 ................................................................................................ 7 . Conclusions 241 Bibliographie Annexes Bien que la majorité des sols existants soient non saturés, leur comportement mécanique est encore mal défini. Cette thèse présente d'abord une étude expérimentale d'un limon non saturé, puis propose un modèle élasto-plastique constitutif pour prédire le comportement des sols non saturés. La première partie de ce travail contribue à la caractérisation du comportement mécanique des sols non saturés par une série d'essais effectués sur un limon remanié. La succion a été imposée par surpression d'air dans les échantillons. Plusieurs méthodes de détermination des variations de volume des échantillons en cours d'essai ont été développées et comparées. Le comportement saturé est d'abord caractérisé de façon complète, afin d'avoir un état de référence. Une série d'essais triaxiaux et oedomémques à succion imposée ou mesurée a ensuite permis d'étudier le comportement du sol en conditions non saturées. D'autres essais sont effectués dans la marmite pour déterminer le comportement purement hydrique du sol. L'interprétation des essais a été faite aussi bien dans le plan des contraintes effective o'=o-u, que dans le plan des contraintes nettes o*=o-u,. La caractérisation du comportement hydrique a confirmé l'existence d'une hystérèse hydrique sur les uploads/Societe et culture/ comportement-mecanique-diun-limon-non-sature.pdf