Effondrement capillaire

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    05-Jan-2017
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Transcript of Effondrement capillaire

  • Thse prsente pour obtenir le grade de

    Docteur de lUniversit Paris-Est

    Spcialit : Gomatriaux

    par

    Jean-Franois Bruchon

    Ecole Doctorale : SCIENCES, INGNIERIE ET ENVIRONNEMENT

    Analyse par microtomographie aux rayons X de

    leffondrement capillaire dans les matriaux granulaires

    Thse soutenue le 04/04/2014 devant le jury compos de :

    M. Eduardo Alonso Prez De Agreda RapporteurM. Dominique Bernard Prsident du juryM. Michel Bornert ExaminateurM. Pierre Delage Directeur de thseM. Jean-Michel Pereira ExaminateurM. Philippe Reiffsteck ExaminateurM. Matthieu Vandamme ExaminateurM. Gioacchino Viggiani Rapporteur

  • Remerciements

    Le travail de thse prsent dans ce mmoire a t ralis au sein des quipes Gotechnique etMultichelle du laboratoire Navier, et financ par une allocation de recherche de lcole NormaleSuprieure de Cachan.Je souhaite remercier chaleureusement mes deux encadrants rapprochs Matthieu Vandamme etJean-Michel Pereira pour leurs innombrables conseils, ides et indfectible soutien. Je remercieaussi Michel Bornert et Pierre Delage lorigine et la finition de nombreux rsultats. Je tiensgalement remercier les membres extrieurs de mon jury, Eduardo Alonso, Dominique Bernard,Philippe Reiffsteck et Cino Viggiani pour leur participation ma soutenance de thse et pour laqualit des changes que nous avons pu avoir.Sans oublier les collgues doctorants, chercheurs, permanents et ingnieurs du laboratoire avecqui tant de bons moments ont t partags.Un grand merci mes parents pour la confiance quils mont accorde au cours de ces nombreusesannes dtudes. Et enfin, je souhaite profondment remercier ma femme, Isabelle, et mon fils,Lonel, pour mavoir notamment motiv et soutenu, chacun leur manire.

  • Tables des matires

    1 Introduction 11

    1.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    1.2 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    1.3 Organisation du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2 Effondrement des sols non saturs : un problme gotechnique "non satur" 15

    2.1 Quelques cas existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    2.2 Reconnaissance des sols effondrables et critres didentification . . . . . . . . . 18

    2.3 Paramtres importants et mcanismes deffondrement . . . . . . . . . . . . . . . 22

    2.3.1 Nature gologique du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    2.3.2 Granulomtrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    2.3.3 Nature des agents de liaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    2.3.4 Niveau de contrainte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    2.3.5 Degr de saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    2.3.6 Densit et microstructure initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    2.4 Mthodes de traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    3 Comportement des sols non saturs 33

    3.1 Leau dans les sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    3.1.1 Mthodes de mesure et de contrle de la succion . . . . . . . . . . . . . 36

    3.1.2 Proprits de rtention deau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    3.1.3 Film deau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    3.2 Observations exprimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    5

  • 6 Tables des matires

    3.2.1 Essai domtrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    3.2.2 Essai triaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    3.2.3 Un effondrement contrlable ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    3.3 Modlisation mcanique lchelle macroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    3.3.1 Contrainte effective dans les sols saturs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    3.3.2 Contrainte effective dans les sols non-saturs . . . . . . . . . . . . . . . 50

    3.3.3 Modle de Barcelone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    3.4 Modlisation mcanique lchelle du grain : pont capillaire . . . . . . . . . . . 55

    3.4.1 Tension de surface et pression capillaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    3.4.2 Effort capillaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    3.5 Passage de lchelle du grain lchelle macroscopique . . . . . . . . . . . . . . 62

    3.5.1 Mthodes analytiques ou numriques par homognisation . . . . . . . . 62

    3.5.2 Mthode des lments discrets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    4 Observation macroscopique de leffondrement 67

    4.1 Effondrement des sables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

    4.1.1 Constat et stratgie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

    4.1.2 Sable dHostun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    4.2 Essai prliminaire de foisonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    4.2.1 Dmarche adopte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    4.2.1.1 Mthodes de remplissage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

    4.2.1.2 Incertitudes de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

    4.2.2 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

    4.2.2.1 Foisonnement proprement dit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

    4.2.2.2 Microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

    4.3 Effondrement par imbibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

    4.3.1 Prparation dchantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

    4.3.1.1 Incertitudes de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    4.3.2 Essais deffondrement avec et sans contrle du volume deau . . . . . . . 85

    4.3.3 Rsultats : tats dquilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    4.3.4 Rsultats : tats non stationnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

    4.3.4.1 Dans le temps : fluage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

  • Tables des matires 7

    4.3.4.2 Au cours de lapport deau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

    4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

    5 Mesures petites chelles : principes et mthode employe 99

    5.1 Mesures de champs petites chelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

    5.1.1 tat de contrainte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

    5.1.2 Pression capillaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

    5.1.3 Cinmatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

    5.1.4 Paramtres dtats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

    5.2 Stratgie retenue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

    5.3 Matriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

    5.3.1 La tomographie rayons X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

    5.3.1.1 Le microtomographe du Laboratoire Navier . . . . . . . . . . 111

    5.3.1.2 Principes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

    5.3.2 Cellules dessai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

    5.4 Corrlation dimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

    5.4.1 Maillage de rfrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

    5.4.2 Taille et cinmatique des fentres de corrlation . . . . . . . . . . . . . . 119

    5.4.3 Critre de ressemblance et mthode dinterpolation subvoxels . . . . . . 121

    5.4.4 Calcul des dformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

    5.5 Segmentation des images de tomographie locale et quantits mesures . . . . . . 122

    5.5.1 Seuillage des images et incertitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

    5.5.2 Taille des agrgats et des pores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

    5.5.3 Taille du volume lmentaire reprsentatif . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

    5.6 Dtermination de la teneur en eau locale par la variation des niveaux de gris . . . 131

    5.6.1 Principe de la mthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

    5.6.2 Choix des paramtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

    5.6.2.1 Teneur en eau et porosit initiales . . . . . . . . . . . . . . . . 134

    5.6.2.2 Normalisation des niveaux de gris . . . . . . . . . . . . . . . . 134

    5.6.2.3 Niveau de gris des phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

    5.6.3 Relations entre les chelles dobservation . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

    5.6.4 Ajustement de la teneur en eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

    5.6.5 Rsum de la mthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

  • 8 Tables des matires

    5.7 Rsultats prliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

    5.7.1 Chargement mcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

    5.7.2 Imbibition volume deau contrl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

    5.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

    6 Effondrement capillai