Dtermination des paramtres

de compressibilit d'une argile raide

partir d'essais domtriques

haute pression

H e n r i J O S S E A U M E Attach de recherche

Section des Ouvrages en terre Division Mcanique des sols et fondations

Laboratoire Central des Ponts et Chausses

Isaac Ol ivier H I E N G Enseignant l'Universit de Douala (Cameroun)

(ancien thsard au Laboratoire Central des Ponts et Chausses)

J e a n - P a u l S T E M P P E L E T Technicien suprieur

Section des Ouvrages en terre Division Mcanique des sols et fondations

Laboratoire Central des Ponts et Chausses

R E S U M E

L'tude de la compressibilit d'une argile raide trs plastique, l'argile des Flandres, prleve Dunkerque une quarantaine de mtres de profondeur, a t entreprise dans le cadre d'une tude gnrale du comportement de ce matriau. Ses paramtres de compressibilit ont t dtermins partir d'essais domtri-ques qui taient pour l'essentiel des essais par paliers, raliss suivant diverses procdures et mettant en jeu des gammes de contraintes trs diffrentes (essais basse pression dans lesquels la contrainte maximale ne dpasse pas 2,2 M P a et essais haute pression dans lesquels l 'prouvette est soumise des contraintes dix fois plus leves). Deux essais vitesse de dformation contrle ont gale-ment t effectus. L'article dcrit l'tude exprimentale et en analyse les rsultats, tant du point de vue de la validit des procdures mises en uvre que des proprits de l'argile des Flandres. Il fait notamment apparatre qu'une dtermination raliste des paramtres de compressibilit d'une argile raide ncessite l'excution d'essais haute pression pour les-quels il propose une procdure d'essai et une mthode d'interprtation.

M O T S C L E S : 42 - Argile - Compressibilit Essai - domtre - Mthode d'essai Interprtation - /Argile raide.

Introduction

Alors que les tudes gotechniques effectues lors de l'laboration des projets d'ouvrages fonds sur sol compressible font trs largement appel l 'essai de compressibilit l'domtre, cet essai est trs rare -ment ralis sur des argiles raides. C e l a tient au fait que seul l 'essai domtrique permet de dterminer les paramtres indispensables au calcul de l ' ampl i -tude et du temps de tassement, toujours trs impor-tants , des sols compressibles tandis que le tassement des ouvrages construits sur des argiles raides peut tre correctement valu part i r de l 'essai pressio-mtrique Mnard.

Ce la explique que les modes opratoires classiques relatifs l 'essai domtrique ont t tablis et v a l i -ds essentiellement par t i r d'essais sur sols norma-lement consolids ou lgrement surconsolids. M a i s ces mthodes d'essai ne sont pas adaptes l'tude des sols raides et leur application stricte ces mat-r iaux peut conduire des erreurs importantes sur leurs paramtres de compressibilit. Or , ces param-tres fournissent des informations essentielles sur le comportement du sol. E n part icul ier , le rapport de surconso l idat ion d'une arg i le , q u i dtermine pour une large part l'tat des contraintes en place a ins i que les valeurs apparentes et effectives de l a rsis-tance au cisai l lement et des modules lastiques, est li directement l a pression de prconsolidation de l 'argi le . D 'autre part , les paramtres dtermins part i r de l 'essai domtrique sont des paramtres de base de certains modles numriques dcrivant le comportement des argiles. C e l a i l lustre l a ncessit de disposer de procdures d'essai domtrique f ia -bles applicables aux argiles raides.

109 B u l l , l i a i s o n L a b o . P. e t C h . - 1 7 2 - m a r s - a v r . 1 9 9 1 - R f . 3565

C'est dans ce contexte, que, l 'occasion d'une recherche sur le comportement de l 'argi le des F l a n d r e s rencontre D u n k e r q u e , effectue d a n s l e c a d r e de l a c o n v e n t i o n L C P C -S T C P M V N * et d'une convention L C P C - P o r t A u t o n o m e de D u n k e r q u e , s'est pos le pro -blme de l a dtermination des paramtres de compressibilit de cette argile raide , trs plas-t ique et gonflante. L'tude domtrique entre-prise cette f in a tout d'abord mis en j eu des essais par paliers basse pression, c'est--dire des e s s a i s t r a d i t i o n n e l s d a n s l e s q u e l s l a contrainte applique tait a u plus de l 'ordre de 2,2 M P a . L a non-reprsentativit des rsultats obtenus a alors conduit raliser des essais par paliers haute pression dans lesquels les prouvettes oedomtriques ont t charges u n e c o n t r a i n t e m a x i m a l e de 22 M P a . D e s essais vitesse de dformation contrle ont galement t effectus. Outre les valeurs des paramtres de compressibilit de l 'argi le des F l a n d r e s , l 'tude a f o u r n i des i n f o r m a t i o n s importantes sur le domaine de validit des pro-cdures d'essai mises en uvre a ins i que les bases d'une procdure d'essai haute pression applicable aux argiles raides.

Gnralits sur l'argile des Flandres au port de Dunkerque L'arg i le des F landres s'est dpose lYprsien (dbut de l'Eocne de l're tertiaire) dans u n golfe m a r i n q u i r e c o u v r a i t , l ' poque, les rgions correspondant actuellement au nord de l a F r a n c e , l a Be lg ique et au sud-est de l ' A n -gleterre. Aprs sa dposition, l a couche d'argile a t recouverte par diverses formations ter-t iaires qu i ont, par l a suite, t rodes a ins i que sa part ie suprieure. Dans l a rgion de D u n k e r q u e , l'paisseur de l 'argi le ayant sub-sist est d 'environ 90 m. A u quaternaire , des al luvions de plusieurs dizaines de mtres

* Service Technique C e n t r a l des Ports M a r i t i m e s et Voies Nav igab les .

d'paisseur, constitues p o u r l ' e s s e n t i e l de sable flandrien, se sont dposes sur l 'argi le , le long des ctes de l a Manche . L ' t u d e d u c o m p o r t e m e n t de l ' a r g i l e des F l a n d r e s rencontre D u n k e r q u e concerne l 'argile de l a zone portuaire , qu i intresse l a stabilit d ' importants ouvrages. Cette tude s 'appuie e s s e n t i e l l e m e n t s u r des essa is de laboratoire effectus sur chantillons intacts . Les chantillons ont t prlevs en site terres-tre u n emplacement o l 'argile est recouverte d 'une couche de s a b l e f l a n d r i e n de 32 m d'paisseur et o l a surface d u t e r r a i n nature l se situe l a cote mar ine + 8,5 C M . Cette cou-che est baigne par une nappe dont l a surface se situe en moyenne une profondeur de 5 m. E n l'absence de mesures pizomtriques dans l 'argi le , on a admis que l a surface pizomtri-que de l a nappe de cette formation concidait avec celle du sable f landr ien . L e s chanti l lons i n t a c t s , dans l esque l s ont notamment t dcoupes les prouvettes u t i l i -ses p o u r l 'tude domtr ique dont i l est r e n d u compte ci-aprs, ont t prlevs en continu dans trois sondages distants de quel -ques mtres les uns des autres , entre 34 et 45 m de profondeur, c'est--dire dans l a partie suprieure de l a couche (aucun chantillon n'a toutefois t e x t r a i t des deux mtres sup-r ieurs o l 'argile est susceptible d'tre altre). Les chantillons ont t prlevs en rotation au moyen d'un carottier tr ip le pour chantil-lons de 96,7 m m de diamtre, le carott ier cble S K L 146, adaptation M a z i e r . L 'examen des chantillons d'argile montre que celle-ci se prsente sous la forme d'un mat-r i a u gris fonc, d'apparence assez homogne mais travers de microfissures. Les valeurs de leurs caractristiques d'tat et d ' identification (tableau I) indiquent que l 'argile des F landres est une argile trs plastique, reprsente par le symbole A t dans l a classif ication des L P C , qu'elle est trs consistante et que ses propri-ts sont re lat ivement constantes sur l a h a u -teur tudie.

T A B L E A U I

Caractristiques de l 'argile des F landres au port de D u n k e r q u e

E n s e m b l e des essais E s s a i s oedomtriques

Plage de v a r i a t i o n Moyenne Plage de v a r i a t i o n Moyenne

L i m i t e de liquidit wL (%) 63 - 75 71

Indice de plasticit h (%)

40 - 47 44

Teneur en eau w (%) 26,2 - 31 28,6 26,2 - 31 29,3

Poids vo lumique apparent ( k N / m 3 ) 19,3 - 21,2 19,9 19,3 - 20,2 19,7

Poids vo lumique apparent sec ( k N / m 3 ) 14,9 - 16,3 15,5 14,9 - 16 15,2

110

Essais par paliers basse pression

Les essais domtriques basse pression ont t raliss sur des prouvettes de 60 m m de diamtre et de 20 m m de hauteur a u moyen de l ' a p p a r e i l l a g e c l a s s i q u e c h a r g e m e n t p a r pal iers . Dix -sept essais ont t effectus sur des prouvettes montes sec, c 'est--dire entre deux p i e r r e s poreuses pralablement sches , ce la a f i n d'viter t out gonf lement parasite a u cours du montage. Ils ont ensuite t conduits su ivant les diverses procdures dcrites sommairement ci-aprs.

Procdures d'essai

Les essais 1 4 ont t effectus en prsence d'eau et, compte tenu du caractre gonflant de l 'argi le , ont tout d'abord comport une phase d i te " g o n f l e m e n t e m p c h " , a u cours de laquelle les charges ont t appliques progres-sivement de faon viter toute fluctuation de l 'aiguil le du comparateur mesurant les dfor-mations verticales de l'prouvette. Ce proces-sus de chargement a t appliqu jusqu' l 'ap-p a r i t i o n des tassements , qu i in terv ient pour une valeur de l a contrainte applique gale l a pression de gonflement a'g de l 'argile. Aprs l ' a p p a r i t i o n des tassements , les prouvettes ont t charges par pal iers jusqu' environ 2 200 k P a . A u cours de cette deuxime phase de c h a r g e m e n t , l a dure d ' a p p l i c a t i o n des paliers a t de 24 h pour les essais 1 et 2 et de 48 h pour les essais 3 et 4. Cet te dernire valeur , qui a t retenue pour l a p lupart des essais effectus ultrieurement (sauf pour les paliers de dchargement des essais 14 17), s'est avre ncessaire une dtermination suf f isamment prcise du temps de consolida-t ion pr imaire de l 'argile.

Lors des essais 5 8, les prouvettes ont t reconsolides sous l a contrainte verticale effec-tive en place cj' t l Q, af in d'effacer, dans une cer-ta ine mesure , le r e m a n i e m e n t d u sol . Cette reconsolidation, effectue sec, a comport u n cycle de chargement a'v0 - dchargement 5 k P a , su iv i d 'un rechargement o'v0 pour les essais 5 et 6 et deux cycles de chargement a'v0 - d c h a r g e m e n t 5 k P a , s u i v i s d ' u n rechargement a'v0 pour les prouvettes 7 et 8. A ce stade des essais, le sol a t satur et ceux-ci se sont poursuiv is par une phase de c h a r g e m e n t p a r p a l i e r s j u s q u ' e n v i r o n 2 200 k P a .

Les essais 9 17 ont t effectus sec lors de l a premire phase de chargement des prou-vettes. Cette procdure a t adopte, d'une part , parce que l'exprience norvgienne sem-ble indiquer qu 'un essai sec permet une me i l -leure est imation de l a pression de prconsoli-dation d'une argile raide sature, qu 'un essai t r a d i t i o n n e l (Andresen et al., 1979), d 'autre part , parce qu ' i l est a ins i possible de s'affran-chir de l a phase in i t ia le de chargement gon-flement empch, toujours dlicate raliser

en raison des dformations propres de l 'appa-reil lage (voir plus loin). Pendant le chargement sec, chaque cellule domtrique a t enve-loppe dans une feuille en plastique formant une enceinte tanche, l'intrieur de laquelle on a plac u n chiffon humide de faon satu-rer l'atmosphre et viter l a dessiccation de l'prouvette. L ' e s s a i 9 a comport une phase u n i q u e de chargement jusqu' environ 2 200 k P a . Les essais 10 17 ont comport une phase de c h a r g e m e n t sec j u s q u ' 1 400 k P a . L e s prouvettes ont alors t mises au contact de l 'eau sous cette charge, qu i a t maintenue jusqu' s t a b i l i s a t i o n des dformations, pu i s soumises une phase de dchargement par paliers jusqu' 5 k P a et, enfin, une phase de rechargement par pa l iers jusqu' 1 900 k P a . Comme indiqu prcdemment, l a dure des paliers de dchargement des essais 13 17 a t di f frente des 48 h adoptes p o u r les paliers de chargement et de dchargement de l a p lupart des autres essais. U n essai de gon-flement l ibre, c'est--dire u n essai dans lequel l 'arg i le non charge a t mise en prsence d'eau, ayant fait apparatre u n temps de gon-flement considrable (fig. 1), i l a paru essentiel de tester l ' influence de l a dure des paliers de gonflement sur les rsultats des essais. Pour ce faire, les paliers de dchargement des essais 14 17 ont t prolongs jusqu' stabi l isat ion des d format ions , c 'est--dire p e n d a n t 4 6 j o u r s , c e la a u x f i n s de c o m p a r a i s o n des rsultats obtenus avec ceux des essais 10 13.

Temps (min)

Fig. 1 - Variations du gonflement relatif en fonction du temps au cours d'un essai de gonflement libre.

Rsultats des essais et discussion Les caractristiques d'tat des prouvettes, les valeurs e 0 du tassement re lat i f qu'elles subis-sent sous l a contrainte verticale effective en place CJ ' u 0 , a ins i que les valeurs obtenues pour l ' indice de compression Cc et, le cas chant, pour l a pression de gonflement a'g et l ' indice de g o n f l e m e n t Cs, s o n t r c a p i t u l e s d a n s le tableau II. D'autre part , les courbes de com-pressibi l i t l es p l u s caractr i s t iques sont reprsentes sur les figures 2 5.

111

T A B L E A U II

Essais domtriques basse pression Caractristiques des prouvettes et rsultats d'essais

N essai

Profondeur (m)

Y ( k N / m 3 )

Yd (kN/m 3 )

u> (%)

G'vo (kPa)

e 0 (%) (kPa) cc

1 34,50 19,4 14,9 30,2 395 1,2 260 0,15 5

2 43,80 19,3 14,9 29,7 488 1,8 220 0,16

3 39,40 19,5 15,1 29,4 444 0,8 300 0,16 4 39,45 19,8 15,4 29,1 445 0,5 340 0,16 5 34,45 19,7 15,2 29,8 395 1,6 0,19

6 43,85 19,4 15 29,3 488 2,3 0,18

7 39,60 19,7 15,4 28,4 446 1,5 0,14

8 39,50 19,5 15 29,5 445 1,9 0,14

9 39,65 19,8 15,4 28,5 446 1,5 0,16

10 40,80 19,5 15,2 28,4 458 2,6 0,14 0,07

11 40,85 19,7 15,3 28,8 458 3,5 0,14 0,06

12 42,20 19,5 15,1 29,5 472 2,3 0,16 0,07

13 40,15 19,5 14,9 31 472 3,7 0,15 0,06

14 40,20 19,4 14,9 30,2 452 2,8 0,15 0,06 5

15 42,60 19,8 15,3 29,4 476 1,9 0,13 0,06 5

16 42,50 20,1 15,4 30 475 1,9 0,12 5 0,06

17 41,5 19,6 15 31 465 3,4 0,16 0,07 5

conditions d'humidit des pierres poreuses et des papiers filtres. Ces dformations sont l o in d'tre ngligeables devant les dformations d'une argile raide et peuvent affecter trs sen-siblement les courbes de compressibilit s i on ne les prend pas en considration (fig. 2 5). E n p a r t i c u l i e r , e l les i n t r o d u i s e n t a lors une erreur importante sur l a pression de gonfle-m e n t mesure gonf lement empch , l e u r prise en compte a u stade du dpouillement ne permettant , d 'a i l leurs , que de dterminer u n ordre de grandeur de ce paramtre, puisque l 'essai n 'a pas t effectu gonflement stricte-ment n u l .

L e tassement re la t i f e 0 d'une prouvette sous o'v0, c'est--dire sa var ia t i on relative de volume evo aprs reconso l idat ion aux contra intes en place, est d 'autant p lus grand que le sol est plus remani. P a r suite, l a va leur de e 0 permet d'apprcier le remaniement d'une prouvette. S i , faute de donnes plus prcises, on applique l 'argile des F landres les critres proposs par Berre [1985], cit par Laasse et Berre [1986J; pour caractriser le remaniement d'argiles sen-sibles (tableau III), i l apparat que deux prou-vettes peuvent tre considres comme tant de trs bonne qualit, 8 de bonne qualit et 7 passables. O n remarque que 6 de ces dernires appart iennent au groupe des prouvettes 10 17 qu i a t essay 6 8 mois plus t a r d que celles d u groupe 1 9. I l apparat donc que l a qualit des prouvettes s'est dtriore dans le temps en dpit de l eur conservation en cham-bre humide temprature constante.

10 100 a i (kPa) 1000

0,85

0,80 _

0,75 -

0,70

0,65

260 e i =0.84

r o". = 175kPa Courbe non corrige \ = o 16 5

Fig. 2 - Courbes de compressibilit brute et corrige pour tenir compte des dformations de l'appareillage, obtenues

partir d'un essai gonflement empch (essai 1) .

Les essais ont t dpouills en tenant compte des dformations propres de l 'appareil lage (es-s e n t i e l l e m e n t les dformations des p i e r r e s poreuses et des papiers filtres interposs entre l'prouvette et celles-ci). E l l e s ont t mesu-res en m o n t a n t entre deux papiers filtres, dans l a cellule domtrique, u n cyl indre ind-formable en acier de mmes dimensions que l'prouvette et en le soumettant aux mmes programmes de chargement et de dcharge-m e n t que l o rs des e ssa i s , dans les mmes

1 1 2

Fig . 3 - C o u r b e s d e c o m p r e s s i b i l i t o b t e n u e s par t i r d ' essa i s s u r p r o u v e t t e s r e c o n s o l i d e s s e c a u x c o n t r a i n t e s e n p l a c e

F i g . 4 - C o u r b e s d e c o m p r e s s i b i l i t b r u t e e t c o r r i g e p o u r t e n i r c o m p t e d e s d f o r m a t i o n s d e l ' a p p a r e i l l a g e , o b t e n u e s

par t i r d ' u n e s s a i e f f e c t u s e c ( e s s a i 9 ) .

0,85

0,80

0,75

0,70

0,65

0.80

0,75

0,70

0,65 _

0,60 L Courbe non corrige : C c = 0,17

a - R e c o n s o l i d a t i o n c o m p o r t a n t u n c y c l e d e c h a r g e m e n t -d c h a r g e m e n t s u i v i d ' u n r e c h a r g e m e n t ( e s s a i 5 ) .

E n ce qu i concerne les paramtres de compres-sibilit de l 'argi le , on constate : que les va leurs de CJ'^ ., mesures dans les essais comportant une phase de gonflement empch, sont trs disperses, l a d i spers ion c o n s t a t e t a n t l i e a u r e m a n i e m e n t des prouvettes (on constate, en effet, une corrla-t i o n t rs n e t t e e n t r e l es v a l e u r s de a'g et de e0) ; q u e , p o u r 13 e s s a i s , l e s v a l e u r s de Cc v a r i e n t dans une plage d ' ampl i tude limite (0,16 > Cc > 0,14), les valeurs divergentes re la -tives aux 4 autres essais ne pouvant tre corr-les n i aux procdures d'essai, n i a u degr de remaniement , n i aux valeurs des paramtres d'tat ; que les va leurs de Cs, mesures dans les essais comportant une phase de dchargement, sont trs groupes et ne sont pas affectes par l a dure des paliers de dchargement (cela est cohrent avec le fait que, lors des paliers de dchargement prolongs jusqu' s tab i l i sat ion des dformations, plus de 95 % du gonflement est obtenu en 48 h) ; que toutes les courbes de compressibilit prsentent u n coude, gnralement assez mar -qu, correspondant une contrainte de l 'ordre de o'v0. P l u s prcisment, cette contrainte est infrieure o'v0 dans le cas des essais gonfle-ment empch, gale a'uo dans le cas o l 'ar -gile a t reconsolide sous cette contrainte . E l l e est auss i gnralement infrieure a'v0 dans le cas des essais sec, mais cela peut tre li au fait que l a p lupart de ces essais ont t effectus sur les prouvettes les p lus mdio-cres. L 'ensemble de ces rsultats est re lat ivement homogne et semble, premire vue, indiquer que l 'argile des F landres est une argile norma-lement consolide. Cependant, les valeurs de l a cohsion non draine de l 'argi le , dtermines, d'une part, partir d'essais triaxiaux U U effectus sur des prouvettes dcoupes dans les mmes chantillons que les prouvettes domtriques (cu - 2 7 0 kPa ) , d'autre part , par t i r d'essais au pressiomtre autoforeur raliss dans u n site vo is in (cu ~ 350 kPa ) , ne sont pas compatibles avec cette conclusion.

L a connaissance de l a cohsion non draine d'une argi le permet , en effet, de dterminer une l imite infrieure de sa pression de prcon-solidation a'p, en se basant sur le fait que l a va leur actuelle cu de cette cohsion est plus gale l a valeur cu de l a cohsion de l 'argile normalement consolide, c'est--dire consolide sous o'p. Dans ces conditions, on a :

c cnc -JL < "

avec = 0,11 + 0,0035 Ip [Skempton, 1957].

L a valeur moyenne de l ' indice de plasticit de l 'argile des Flandres tant de 44 %, on obtient :

a', 0,27 d'o

E n f i n , les prouvettes ont t protges de l a d e s s i c c a t i o n p e n d a n t l a premire phase de chargement a u moyen du mme disposit i f que celui adopt pour les essais basse pression raliss sec. Les principaux choix faits au cours de l'labora-t ion de cette procdure se justifient comme suit : Som [1968] ayant montr, par t i r d'essais haute pression effectus sur des chantillons intacts d'argile de Londres, que l a courbe do-mtrique d'une argile raide est caractrise par une var iat ion continue de sa courbure dans u n domaine de contraintes tendu incluant o' p, i l tait inut i le de mul t ip l i er le nombre de paliers de chargement afin d'amliorer le trac de la courbe et de dtecter u n coude inexistant. C'est pourquoi, on a retenu u n taux d'accroissement de charge gal l'unit ; l a courbe de compressibilit d'une arg i le raide ne prsentant pas de coude marqu, l a pression de prconsolidation de l 'argile ne peut tre dtermine qu' p a r t i r d 'une mthode base s u r l 'hypothse de R u t l e d g e [1944] reprise par Schmertmann [1953]. Ceux-c i pos-tulent que l a courbe (e, l g a'v) caractrisant le comportement de l 'argile en place, pendant et aprs l'rosion du sol sus-jacent, est parallle a u x courbes de dchargement dtermines dans l 'essai domtrique et traces dans le mme systme de coordonnes. L 'essai devait alors ncessairement comporter une phase de dchargement ; C r i s p [1953] et S t r a c h a n [1960], cits par Som [1968], ayant montr que les mthodes de dtermination de a'p, bases sur l'hypothse de Rut ledge , ne donnent des rsultats sa t i s fa i -sants que s i l a contrainte applique l'prou-vette, a u dbut de l a phase de dchargement, est trs largement suprieure a ' (les courbes de d c h a r g e m e n t c o r r e s p o n d a n t des c o n -traintes init ia les leves sont alors rigoureuse-m e n t paral lles) , on a c h o i s i de dcharger l'prouvette par t i r de &v m a x / 2.

O n remarquera que, dans le cas d'une argile sature, l a procdure consistant raliser l a totalit de l'essai en prsence d'eau est quiva-lente la procdure effectivement mise en uvre, pourvu que l'prouvette soit monte entre deux pierres poreuses sches et que le chargement i n i t i a l soit fa i t gonflement empch. L 'adop-t ion d'une telle procdure est indispensable : dans le cas d'une argi le sature dont on veut dterminer l a pression de gonflement ; dans le cas d'une arg i le incompltement sature.

Rsultat des essais et discussions

Les essais ont t dpouills en tenant compte des dformations propres de l 'appareil lage. Les courbes de compressibilit obtenues sont ident iques l a courbe re lat ive l 'essai 18, reprsente t i tre d'exemple sur l a figure 6.

O n remarque qu'au-del de 2 M P a , c'est--dire de l a valeur de l a contrainte qu i marque l a f in des essais basse pression, l a pente des cour-bes continue d'augmenter pour tendre vers une valeur constante gale l ' indice de compres-sion de l 'argile, q u i n'est atteinte qu'au-del de 5 M P a . Les valeurs de Cc (tableau IV) sont ga-les environ deux fois celles obtenues par t i r des essais basse press ion , q u i ne donnent qu'une image incomplte du comportement de l 'argile puisqu' i ls ne permettent pas d'attein-dre l a courbe vierge. O n constate galement (tableau IV) que les valeurs trouves pour l ' i n -dice de gonflement sont suprieures de 40 100 % celles obtenues dans les essais basse p r e s s i o n . C e l a p o u r r a i t i n d i q u e r que l a contrainte d 'environ 10 M P a , applique aux prouvettes au dbut de l a phase de dcharge-ment est suffisante pour effacer le remanie -ment in i t ia l , qui subsisterait, au moins en partie, dans les essais basse pression.

100 1000 10 000

a; (kPa)

100 000

e

0,9

0,8

0,7 _

0,6

0,5

0,4 L

Fig. 6

T

3400 kPa

Courbe de compressibilit obtenue partir d'un essai par paliers haute pression (essai 18).

Les valeurs de Cc et de Cs dtermines par t i r de l 'essai 18, dans lequel l a dure des paliers tait de 48 h , sont suprieures celles obte-nues par t i r des essais 19 et 20 effectus par pal iers de 24 h , les carts pouvant atteindre 20 % de ces dernires. O n notera cependant qu'une partie de ces carts peut tre impute a u x di f frences des paramtres d'tat des prouvettes (tableau IV).

L a pression de prconsolidation de l 'argi le a t dtermine par deux mthodes : une mthode base sur une schmatisation lmentaire du mcanisme de formation d'une a r g i l e s u r c o n s o l i d e , que l ' o n a p p e l l e r a mthode simplifie de dtermination de a' ; l a mthode de Schmertmann. L a premire s'appuie sur les hypothses su i -vantes : l a courbe v i e r g e de l ' a r g i l e en p lace se confond avec l a d r o i t e q u i porte l a p a r t i e linaire de l a courbe de compressibilit obte-nue par t i r d'un essai haute pression ;

1 1 5

la pente moyenne de la courbe de dcharge-ment de l'argile en place et la pente moyenne Cs des courbes de dchargement obtenues dans l'essai cedomtrique sont gales (hypothse de Rutledge). Dans ces conditions, a'p est dfini par l'inter-section B du prolongement de la partie droite de la courbe de compressibilit avec la droite de la pente Cs mene par le point M de coor-donnes (CT'0, e0), eQ tant l'indice des vides du sol en place (fig. 7). Dans le cas d'un sol rema-ni, le point M est compris entre le point A de coordonne (o'u0, ej, et tant l'indice des vides du sol aprs sa mise en place dans le moule cedomtrique, et le point D d'abscisse a'vo situ sur la courbe de compressibilit. E n effet, M se situe au-dessous de A puisque la dcompres-sion lie au prlvement se traduit par une expansion du sol, mais il se place au-dessus de D puisque l'indice des vides e D d'un sol recon-solid aux contraintes en place est infrieur e0. Dans le cas d'une argile idalement intacte, A et M sont confondus mais, si le sol est peu remani, M et D peuvent tre considrs comme confondus. On se place dans cette der-nire hypothse pour l 'application de la mthode simplifie, ce qui limite son emploi au cas des argiles relativement intactes.

L a mthode de Schmertmann [1953] est une mthode classique tablie en vue de la dter-mination de la pression de prconsolidation

d'une argile remanie. Son principe est illustr sur la figure 8. A partir du point M de coordon-nes (a'vo, eQ), on trace la droite de pente Cs sur laquelle on place un point B ayant pour abs-cisse une valeur estime de o'p. On joint ce point au point C d'ordonne 0,42 e0 situ sur la courbe de compressibilit ou sur le prolonge-ment de sa partie droite. On trace ensuite, en fonction de lg a'v, les variations de la diffrence Ae des ordonnes de la ligne M B C et de la courbe cedomtrique. On recommence l'opra-tion en faisant varier la position du point B jusqu' ce que l'on obtienne une courbe sensi-blement symtrique par rapport la verticale passant par son sommet. L a valeur correspon-dante de G'P est alors retenue comme valeur de la pression de prconsolidation de l'argile.

Sauf lorsque le sol est soumis "un tat de contraintes inhabituel" ou est conserv "dans des conditions inhabituelles", Schmertmann prconise d'affecter e0 la valeur et de l'indice des vides de l'argile aprs sa mise en place dans le moule cedomtrique. E n pratique, la mthode est peu prs toujours applique en assimilant e e,-.

0.42 e

A e ( 1

Fig. 7 - Principe de la mthode simplifie de dtermination de o'.

ig a'v

Fig. 8 - Principe de la mthode de Schmertmann.

T A B L E A U IV

Essais domtriques haute pression Caractristiques des prouvettes et principaux rsultats d'essais

N essai

Profondeur (m)

Y (kN/m 3)

Yd (kN/m 3)

w (%)

G'vo (kPa)

e 0 (%) cc cs

18 42,90 20,1 15,4 30,5 480 3,6 0,34 0,12 19 42,95 20,2 16 26,2 480 1,2 0,29 0,10 20 43,00 20,2 15,8 27,6 480 1,5 0,31 0,10

116

L ' a p p l i c a t i o n des deux mthodes l 'essai 18 est prsente sur les figures 9 et 10, les rsul-tats obtenus pour les trois essais tant regrou-ps dans le tableau V . L a mthode simplifie conduit des valeurs de a'p du mme ordre pour les trois essais, dont deux (les essais 19 et 20) ont t raliss sur des prouvettes de bonne qualit et le t r o i -sime (l 'essai 18) sur une prouvette de qualit passable. L e fait que les essais 18 et 19 condui-sent l a mme va leur de o'p indique que l a mthode est a p p l i c a b l e a u x prouvettes de qualit passable.

0,42 e :

Fig. 9

3400 kPa

Application de la mthode de Schmertmann dans l'hypothse e D~ e, (essai 18).

0,42 e o

4000 kPa

li Ae

3400 kPa

Fig. 10 - Application de la mthode de Schmertmann dans l'hypothse eo~e0 (essai 18).

L a mthode de S c h m er tm an n donne des rsul-tats d u mme ordre que l a mthode simplifie dans le cas des essais 19 et 20, mais conduit une va leur de & p beaucoup plus forte (5 000 k P a a u l i eu de 3 400 k P a ) dans le cas de l 'essai 18. L a divergence constate dans ce dernier cas sem-ble due l 'ass imi lat ion de e 0 et alors que l a va leur de e0 est trs proche de l a valeur eD de e correspondant o'v0 sur l a courbe cedomtri-que. L'cart entre et et eD (et, par suite, entre et et e 0), suff isamment faible pour just i f ier l 'ap-p r o x i m a t i o n u s u e l l e e 0 ~ ei d a n s le cas des essais 19 et 20, ne l'est plus dans le cas de l'es-sai 18 (tableau V) . E n revanche, s i l 'on appl i -que l a mthode de Schmertmann cet essai en a d m e t t a n t e 0 = eD ( f ig . 10), on r e t r o u v e l a v a l e u r a'p = 3 400 k P a dj obtenue p a r l a mthode simplifie.

T A B L E A U V

Valeurs de la pression de prconsolidation dtermines p a r l a mthode simplifie et p a r l a mthode de Schmertmann

N essai o. o' p (kPa)

N essai Ki eD Mthode simplifie Mthode de S c h m e r t m a n n *

18 0,88 0,81 3 400 5 000 19 0,72 0,70 3 400 3 600 20 0,76 5 0,74 2 800 2 800

* T e n a n t compte de l 'approx imat ion e0 ~ ei

117

I l apparat donc que, s i e l le est applique correctement (et notamment en tenant compte de v a l e u r s ral istes de eQ), l a mthode de S c h m e r t m a n n conduit des valeurs de o'p du mme ordre que l a mthode simplifie. Dans ces conditions, i l est prfrable d 'uti l iser cette dernire, plus s imple appl iquer et donnant des rsultats p lus reproductibles (l'apprcia-t ion de l a symtrie de l a courbe Ae l g fj ' u est toujours assez subjective).

L a v a l e u r de G' de l ' arg i le tudie, q u i est approximativement de 3 000 k P a (3 400 k P a > G'P > 2 800 k P a , G'P = 3 200 k P a , s i l 'on retient les rsultats de l a mthode simplifie), est comparer l a c ont ra in te ver t i ca le effective maximale applique l 'argi le au cours de son h is to i re . L'tude gologique complmentaire a y a n t montr que l 'paisseur m a x i m a l e de recouvrement de l 'argi le a u n iveau des prou-vettes tait d 'environ 220 m* , cette contrainte est de l 'ordre de 2 200 k P a (valeur obtenue en tenant compte du fait que l 'argile et les forma-t ions susjacentes se sont dposes en m i l i e u m a r i n et en admettant que leur poids v o l u m i -que apparent moyen tait de 20 k N / m 3 ) , c'est--dire trs sensiblement infrieure G'P. E l l e est cependant cohrente avec l a valeur trouve pour G'P, l'cart constat tant imputable a u vie i l l issement de l 'argi le , c'est--dire aux effets de l a compression secondaire [Bjerrum, 1973].

de l g G'V) tant reprsentes sur les figures 11 et 12. O n notera que les rsultats d'essai n'ont pas t corrigs pour tenir compte des dfor-mations propres de l 'appareil lage et que, de ce fait , les valeurs de Cc dtermines p a r t i r des courbes de compressibilit sont sensiblement plus leves que les valeurs relles.

o; (kPa) 10 100 1000 10 000

, I I

Essais vitesse de dformation contrle

Deux essais vitesse de dformation contrle ont t raliss a u m o y e n de l 'domtre contre-pression L P C [Mieussens et Nardone , 1985], l ' u n par le L R P C de Rouen (essai R), l 'autre par le L R P C de Toulouse (essai T). L e premier tait u n essai faible pression (a' m a x < 1 350 kPa ) tandis que le second mettai t en j e u des contraintes beaucoup plus leves (CJ' M A X = 7 500 kPa) .

Les caractristiques des prouvettes, les rsul-tats des essais a ins i que certains paramtres des essais sont donns dans le tableau V I , les courbes de compressibilit et les courbes de surpression interst i t ie l le (courbes de var ia t i on de l a surpression interst i t ie l le A u en fonction

* L e s format ions recouvrant l 'arg i le des F l a n d r e s ont a t t e i n t l e u r paisseur m a x i m a l e a u Pliocne suprieur, a lors que l a surface d u sol se s i t u a i t v r a i s e m b l a b l e m e n t l a cote 175 m N G F (butte tmoin d u Mont -Casse l ) . L 'arg i l e utilise pour les essais haute pression, ayant t prleve l a cote - 46 m N G F (- 43 m C M ) , a donc t recouverte par env i ron 220 m de sol.

Fig. 11 - Courbes caractristiques d'un essai basse pression ralis vitesse de dformation contrle (essai R )

ai (kPa) 10 000

A u (kPa) 200

- 150

100

- 50

Fig. 12 - Courbes caractristiques d'un essai pression rela-tivement leve ralis vitesse de dformation contrle

(essai 7").

118

T A B L E A U VI

Essais d orn triques vitesse de dformation contrle Caractristiques des prouvettes, conditions et rsultats d'essai

Caractristiques des prouvettes Condit ions d'essai Rsultats des essais

E s s a i Profondeur (m)

Y ( k N / m 3 )

Yd ( k N / m 3 )

w (%) (kPa)

Contre-pression (kPa)

Vitesse de dformation

(mm/min) (%) (kPa) cc cs

R 37,78 19,9 15,3 30 418 400 0,5 3,7 0,19

T 35,30 20 15,4 29,9 403 400 1,2 2,2 3 000 0,41 0,14

O n constate que l a valeur Cc = 0,41 obtenue p a r t i r de l 'essai T est suprieure de 20 % celle tire de l 'essai 18, c'est--dire d'un essai par paliers haute pression, effectu sur une prouvette ayant des caractristiques pratique-ment identiques celle utilise dans l 'essai T, mais cet cart est d en grande part ie au fait que les dformations mesures, dans l 'essai T, intgrent les dformations propres de l 'appa-reil lage. P a r a i l leurs , l a valeur Cc - 0,19 dter-mine par t i r de l 'essai R est comparable aux plus fortes valeurs de Cc obtenues par t i r des essais par paliers basse pression. L a courbe de surpression interst i t ie l le de l'es-sai T prsente deux changements de pente. L e premier apparat dans le domaine des faibles contraintes, le second se produisant par t i r d u po in t d 'abscisse o' = 3 000 k P a , q u i est le point de courbure maximale et, de ce fait> cor-respond l a pression de prconsolidation de l 'argile [Mthode d'essai domtrique L P C ] .

L a courbe de surpression de l 'essai R prsente galement u n changement de pente par t i r de e>' = 600 k P a , mais celui-ci , comme d'ail leurs le premier changement de pente de l a courbe de surpress ion de l 'essai T, est sans rapport avec l a valeur de e>'p. I l correspond au stade de l ' e s s a i o c e l u i - c i cesse d'tre drain et l a contrainte pour laquelle i l apparat dpend, de ce fait , de l a vitesse de dformation adopte. L 'essai vitesse de dformation contrle ne comporte pas h a b i t u e l l e m e n t de phase de dchargement. D a n s le cas d'une prouvette p e u remanie , i l est cependant poss ib le de dterminer Cs p a r t i r de l a v a l e u r de a'p dtermine part i r de l a courbe de surpres-sion interst i t ie l le . O n procde comme indiqu sur l a figure 13. L a va leur de Cs est l a pente de l a droite jo ignant le point B d'abscisse o'p situ sur l a droite portant l a part ie linaire de l a courbe de compressibilit et le point situ sur ce t t e c o u r b e et a y a n t p o u r a b s c i s s e a'v0. L ' a p p l i c a t i o n de cette mthode l ' e s s a i T conduit l a va leur Cs = 0,14 comparable l a valeur Cs = 0,12 obtenue pour l 'essai 18 (les dformations mesures dans cet essai n 'ayant pas t corriges, l'cart rel est, en fait , b ien infrieur).

Fig. 13 - Dtermination de l'indice de gonflement C s partir d'un essai domtrique dformation contrle.

L'exemple de l 'essai T, qui a permis d'obtenir des valeurs des paramtres de compressibilit de l 'argi le des F l a n d r e s du mme ordre que ce l les dtermines p a r t i r d ' u n e s s a i p a r p a l i e r s h a u t e p r e s s i o n effectu s u r u n e prouvette de caractristiques analogues, mon-tre que l 'essai vitesse de dformation contr-le est bien adapt l'tude de l a compressi-bilit des argiles raides l a condition expresse q u ' i l mette en j e u des contraintes suf f i sam-ment leves. Ce type d'essai doit, en outre, tre ral is s u r des prouvettes s u f f i s a m -ment peu remanies pour que le point de cour-bure m a x i m a l e de l a courbe de s u r p r e s s i o n interst i t i e l l e soit identi f iable sans ambigut

1 1 9

(suivant les critres de Berre , l'prouvette de l 'essai T se s itue dans l a catgorie passable, m a i s l a v a l e u r e0 = 2,2 % q u i l a caractrise n'est pas trs loigne de l a va leur eQ = 2 % qu i m a r q u e l a l i m i t e des catgories "bonne" et "passable").

Conclusions

L'tude exprimentale de l a compressibilit de l 'argile des F landres a u port de Dunkerque a permis de dgager u n certain nombre de rsul-tats relati fs l a ralisation d'essais domtri-ques sur les argiles raides : les essais basse pression (par pal iers ou vitesse de dformation contrle) sont totale-ment inadapts et doivent tre remplacs par des essais haute pression ; une procdure d'essai par pal iers haute pression a t propose et une mthode de dter-m i n a t i o n de l a press ion de prconsolidation,

base sur une schmatisation lmentaire du mcanisme de formation d'une argile surconso-lide (mthode simplifie) a t exprimente. Cette mthode semble donner de bons rsul-tats dans le cas de sols assez peu remanis (eQ < 4 %) ; l 'essai vitesse de dformation contrle semble tre b ien adapt l'tude de l a com-pressibilit des arg i l es r a i d e s , sous rserve q u ' i l mette en j e u des contra intes su f f i sam-ment leves et intresse des prouvettes r e l a -t ivement intactes. D 'autre part , les essais cedomtriques haute pression, effectus sur des prouvettes prle-ves entre 35 et 45 m de profondeur, ont per-mis d'tablir que l 'argile des F landres est pr-consolide sous environ 3 000 k P a et que ses indices de compression et de gonflement ont respectivement pour valeurs moyennes : Cc = 0,31 et Cs = 0,11, faisant a ins i apparatre que cette arg i l e est sens ib l ement mo ins compress ib le que ne l ' indiquent les essais basse pression.

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Les auteurs remercient Mme F. Gestin, Technicienne suprieure au LRPC de Rouen et M.-A. Nardone, Technicien suprieur au LRPC de Toulouse, qui ont ralis les essais vitesse de dformation contrle, pour les intressantes discussions qu'ils ont eues avec eux propos de l'interprtation de ces essais.

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