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CELINE BOURGEOIS
MODULE DE CISAILLEMENT A PETITES DÉFORMATIONS DES ARGILES CHAMPLAIN
Memoire présente a la faculté des 6tudes supérieures
de l'Université Laval pour l'obtention
du grade maître es sciences (M. Sc.)
Departement de Génie Civil FAcULTÉ DES SCIENCES ET GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
OCeline Bourgeois, 1997
National Library 1+1 ,Cm& Bibliothéque nationale du Canada
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L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur qui protège cette thèse. Ni la thèse ni des extraits substantiels de celle-ci ne doivent être imprimes ou autrement reproduits sans son autorisation.
REMERCIEMENTS
Cette ttude a été menée avec la participation de nombreuses personnes. le tiens
donc B remercier tout particulièrement :
Serge Leroueil dont les connaiss~ces considérables, l'efficacité et la rigueur ont été
très salutaires au suivi de mon travail,
Jean Bérubé, qui m'a guidé sur les chemins sinueux des benders,
Francois Gilbert , le spécialiste de la géophysique et trhs pragmatique de surcroît,
Ies techniciens aux précieux conseils : Jean-Pierre Dussauft, Jean-Yves Julien, Serge
Pare ainsi que Jean-Claude Rince,
et enfin les étudiants à Ia &mse et au doctorat du département de Génie Civil avec qui
les échanges ont été nombreux et profitables.
TABLE DES MATERES
RESUME
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIERES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SYMBOLES
INTRODUCTION
1
* *
11
... 111
vi
xi
xii
Chapitre 1 : METHODES D'EVALUATION DU MODULE DE CISAILLEMENT A PETITES DEFORMATIONS 3
1.1- Le module de cisaillement aux très faibles deformations, Go ............................. 3 1.2- Mdthodes statiques .................................................................................. .. 5
1.2.1- Essai triaxial ...................................................................... 6 1.2.2- Appareil de torsion ..................................................................... 9
1.3- Méthodes dynamiques ................................................................................... 11 1.3.1- Les méthodes sismiques ......................................................... 12
13.1.1- Les ondes 1.3.1.2- Mbthodes sismiques de terrain
1.3.1.2.1- Essais dans la masse du sol L3.1.2.2- Essais en surface
13.13- Méthodes sismiques de laboratoire 13.2- La colonne résonante ......................................................... 22
1.4- Discussion ................................................................................................. 23 -
Chapitre II : LE MODULE co DANS LA LIITÉRATURE
n.1. Relations dans les sables ............................................................... n.2. Relations dans les argiles ..........................................................................
n.2.1- Relations issues d'études en laboratoires ................... .. .... ........................... n.2.2- Relations issues d'études de terrain
n.3. Anisotropie ................................................................................................
*e HI : EQUIPEMENTS. MODES OPERATOIRES
:s essais en laboratoire : les élements en piézocdramique ................. ........... 1.1.1. Principe ......................................................... 1.1.2- Equipement utilisé ......................................................... 1.1.3- Mode opératoire ........................................................ 1.1.4- Interprétation des mesures .............................................. :s essais sur le terrain: Ia tomographie .................................................... B.2.1- Le principe ......................................................... rn.2.2- Equipement utilisé ......................................................... U.2.3- Le mode opératoire ........................................................ B.2.4- Interprétation des rdsultats .........................................................
Chapitre N : SITES ETUDIES ET PROGRAMMES DTSSAIS
m.1. Description des sites étudids ........................................................................... .................................................................... nf.l.1- L'~ssomption
N.1.2- Berthierville ..................................................................... N.1.3- LouisevilIe ..................................................................... N.1.4- Mascouche ..................................................................... N*lS- Saint-Alban .....................................................................
m.3- Programmes d'essais ...................................................................................... LV3.1- Essais de laboratoire ......................................................... TV.3.2- Essais de terrain .....................................................................
Cha~itre V : ANALYSE DES ESSAIS DE LABORATOIRE V.1. Les résultats de la lhsérie: effet de la structure et des contraintes ..................
.................................................... V.2- Description d'un comportement typique
.................................................... v.3- Argile intacte . Influence de la structure V.4. Argile déstmcturée ......................................................................................
V.5- Résultats et analyse de la 2tmc série: enide de i'anisotropie ............................. 104
Chapitre VI : ANALYSE DES ESSAIS DE TERRAIN 107 VI.1- Résultats bruts ...................................................................................... 1 07 VI.2- Relation à la structure (Cu, q,-a,, et cf,) ................................................... 109 VI.3- Relation analogue à celle du laboratoire ............................................. 1 13
Chapitre VII : BILAN ET DISCUSSION 115 ............................................................... m.1- Comparaison laboratoireterrain 1 15
.................................................... V11.2- Influence de la contrainte et de la structure 120 m.4- Anisotropie ................................................................................................. 122
CONCLUSION 123
BIBLIOGRAPHIE 125
ANNEXES 1
ANNEXE 1 : Exemples d'ondes obtenues à I'oscilloscope
ANNEXE 2 : - RCsultats bruts de la serie 1 de laboratoire : Go = f(a',) - Courbes de compression associées : Ah& = f(o',)
ANNEXE 3 : Résultats comgés par rapport à l'indice des vides [F(e) = él"j de la série i de laboratoire : GdF(e) = f(&J
XVI
ANNEXE 4 : Résultats de la série 1 - Influence de la contrainte : Log Go = f o g a',) XIX
ANNEXE 5 : Résultats de la série 2 - anisotropie : Go = f(a',) XXll
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 : Variation du module de cisaillement G avec la d6for~nation appliquée
(Kagawa, 1992)
Figure 1.2: Variation du module de ciSaillement G avec ies types de sollicitations et les
déformations appliqukes. (Jamiolkowski et al, 1991)
Figures 1.3 a et b : Comparaison des relations contrainte-déformation pour des mesures
externes et Iocaies dans un essai triaxial non-drainé sur une roche tendre, ii
diE6rentes echelles (Kim et al, 1994)
Figure 1.4 : Méthode de mesure de d&formations locales sur de la roche dure avec des
proXimètres (Norna et Ishii, 1986)
Figure 1.5 : Méthode de mesure de déformations locales avec des capteurs de déplacement
optique (Nakano et al, 1990)
figure 1.6 : Médiode de mesure des dkfomtions locales avec une paire de LDT
(Goto et ai, 1991 ; Tatsuoka, 1988)
Figure 1.7 : Schéma de l'essai de torsion
Figures 1.8 a et b : Description du système de mesures u M pour l'essai de torsion et
l'essai i la colonne résonante (Deron J. Van Hoff, 1993)
Figure 1.9 : Principe de la mesure de Ga par la dthode u cross-hole »
Figure 1.10 : Principe de la mesure de Go par Ia méthode e dom-hoie >>
Figure 1.11 : Principe & la mesure de Go au cene sismique
Figure 1.12 : Principe de ia mesure de GO avec la tomographie
Figure 1.13 : Rincipe de la mesure de Go par l'analyse des ondes de Rayleigh -
Figure 1-14 : Schéma d'un bender, transducteur électromécanique en piézoc&ramique
Figure 1.15 : Comparaison de résultats d'essais à la coIonne résonante et aux benders
@yvik et Madshus, 1985)
Figure 2.1 : Comparaison des modules Go obtenus par les relations empiriques et les
résukats d'essais sur du sable (Li Yan et Byrne, 1990)
Figure 2.2 : Comparaison des modules d'argiles intacte et reconstituée sur l'argile &
Londres (Viggiarri et A h o n , 1995)
Figure 2.3 : Valeur de l'exposant men fonction de l'indice de plasticité Ip (Hardin, 1978)
Figure 2.4 : Valeur du te= correctif C à appliquer au module de cisaillement
mesur6 en fonction des déformations appliquées (Larsson et Mulabdic, 1991)
Figure 2.5 : Relations entre *, et q,, obtenues pour des essais en laboratoire pour un
grand nombre de matériaux (Kim et al, 1994)
Figures 2.6a et 2.6b : Rapport des modules GdGvh versus le rapport des contraintes Ko
a- Argile de Pise b- Argile de Panigaglia
(~a&olkowski et ai, 1994)
Figure 2.7 : Profls de Ko empiriques compm5s au pronl de Ko in situ
(Sully et Campanella, 1995)
Figure 3.1 : Elément piézoc&unique monté en parallèle
Figure 3.2 : Elément piézocéramique monté en sdrie
Figure 3.3 : Déta& des 4 benders mont& pour la grande cellule
Figure 3.4 : Schéma de la petite cellule d'essai
Figure 3.5 : Schéma de la grande cellule d'essai
Figure 3.6 : Photopphies de la grande cellule d'essai
Figure 3.7 : Exemples d'ondes pour Ia préparation de l'essai
Figure 3.8 : Exemple d'interprétation des résultats de laboratoire à I'oscilloscope
Figure 3.9 : Système d'émission du signal
Figure 3.10 : Exemple d'interprétation cles résultats de terrain au séismographe
F i p 4.1 : Profii des propriétés gtotechniqucs bu sol l'Assomption ;
Forage L3, U.L., juin 1995 (Delisle et Leroueil, 1997)
Figure 4.2 : Prof3 au piémône à l'Assomption (Delisle et Leroueil, 1997)
viii
Figure 4.3 : PIan de Iocabation d6taUt5 du site des essais à Bcrthierville
Figure 4.4 : Profil des propridtés géotechniques du sol ià Berchierville
(modifié de Kabbaj 1985)
Figure 4.5 : Profil au piezocône ii Benhiede (Martel, 1996)
Figure 4-6 : Plan 'de localisation du site de LouiseviIIe (Rang de Ia concession)
Figure 4.7 : Profil des propriétés géotechniques du sol à Louiseville
(modifïd de Leblond et ~avenas. 1980)
Figure 4.8 : fil au piézocône Louisev-die (Martel, 1996)
Figure 4.9 : Plan de localisation du site de Mascouche
Figure 4.10 : Proil des propriétés géotechniques du SOI à Mascouche
(Ministkre des transpons)
Figure 4.1 1 : Profil au piézocône à Mascouche (Martel, 1996)
Figure 4.12 : Localisation du site des essais de Saint-Nban
Figure 4.13 : Profl des propriétés géotechniques du sol & Saint-Alban (Kabbaj, 1985)
Figure 4.14 : Pronl au piézocône à Saint-Mban (Martel, 1996)
Figure 4.15 : Cheminement des essais pour l'étude de la smcture - Série 1
Figure 4.16 : Chenrinement des essais pour l'étude de l'anisotropie- Série 2 - Louiseville
Figure 4.17 : Cheminement des essais pour I 'hde de l'anisotropie - Série 2 - St Esprit
Figure 5.1 : Comportement typique des argiles 6 tuWs
Figure 5.2 : Comparaison des modules Go verticaux pour la argfle
(St-Alban, 5.96rn) obtenus avec la petite et la grande cellule
Figure 5.3 : Module de cisaillernent vs conminte verticale
Figure 5.4 : Module de cisaillement nomaiid vs contrainte verticale
Figure 5.5 : Module de cisaillement normaüsé vs rapport de surconsolidauon
Figtue 5.6 : Module de cisaillearent normalisé
vs racine carrée du rapport de suriconsoiidation
Figure 5.7 : Modules Go obtenus par Michaud (1993) sur diffdrentes argiles Champlain
Figure 5.8 : Modules normalisés pour différentes argdes Champlain,
étude de Michaud (1993)
Figure 5.9 : Expression indépendante de la structure et des contraintes
Figure 5.10 : Module normalisé corrigé de l'influence de l'indice des vides avec F(e) = e'"
Figure 5.11 : InfIuence dc l'indice des vides pour l'ensemble des essais de la série I
Figure 5.12 : Module normalisé corrigé de l'iduence de i'indice des vides avec F(e) = e 6.67
Figure 5.13 : Module normalisé corrigé de fa constante 35
et de l'influence de l'indice des vides avec F(e) = ea.67
Figure 5.14 : Etude de L'influence de Ip sur Go
Figure 5.15 : Phase désuucturée - dechargement :
Module de cisaillement normalisé vs Racine c a d e du rappon de surconsoiidation
Figure 5.16 : Phase désuucturée - rechargement :
Module de cisaillement normalisé vs Racine carrée du rapport de surconsolidation
Figure 5.17 : Anisotropie des modules en fonction du rappon des contraintes - Louiseville
Figure 5.18 : Anisotropie des modules en fonction de I'anisotropie des contraintes- St-Esprit
Figure 5.19 : Anisotropie des modules en fonction de l'anisouopie des contraintes - Pise
(lamiolkowski et ai, 1994)
Figure 6.1 : Pro% des modules de cisadiement Go obtenus par tomographie
Figure 6.2a : Profils de résistance au cisaillement - Cu au scissodue
Figure 6.2b : Profils des résistance en pointe - qt - 04 au piézocône
Figure 6.2~ : Pro& des contraintes de préconsolidation - o'p k l'oedomètre
Figure 6.3a : Module de cisaillement Go vs Résistance au cisaillement Cu
Figure 6.3a : Module de cisaillement Go vs Résistance de pointe q, - Figure 6.3a : ModuIe de cisaillement Go vs Contrainte de préconsolidation a',
figure 6.4 : Module déduit des essais de terrain normalisé par rappon à a',
vs Rapport de surconsolidation en place
Figure 6.5 : Module des essais de terrain normaiisé par rappon à a',
vs Racine carrée de l'inverse du rapport de surconsolidation
Figure 7.1 : Rohl des modules GO de St-Alban - Laboratoire et terrain
Figure 7.2 : Prohl des modules Go de Louiseville - hboratoire et terrajn
Figure 7.3 : Gain & raideur avec la consolidation secondaire (Janiiokowski ct ai, 199 1)
Figure 7.4 : Evolution de la dependance à la contrainte pour chacune des phases de tous les
essais
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2.1 : Vdeurs des ciBérents paramètres et fonctions de relations empiriques GO -e -a
Tableau 4.1 : Essais effectués pour l'étude de la structure - Série 1
Tableau 4.2 : Essais effectués pour l'étude de l'anisotropie - Série 2
Tableau 4.3 : Programme des essais de terrain
Tableau 6.1 : Caractéristiques des dépôts argileux
LISTE DES SYMBOLES
A, Aij : coefficient adimensio~et dans les relations Go = f( G', c, . . .) Ar : Coefficient de correction entre GW et G k
a : Distance entre le forage et la source en surface
B : Coeficient adimensiomel dans nos relations GO = f( C f , , Cf*,)
C, Cij : Coefficient adimensiomei dans les rehtions Go = f( 0'' e, . . .) CPT : Cone Penetration Test
d, d' : Distance émetteur-récepteur ou récepteur-récepteur
E : Module de déformation longitudinale ou module d'Young
: Module de déformation longitudinale aux petites déformations
e : Indice des vides
f : Fréquence
G : Module de cisaillement
Go ou Ga: ModuIe de cisaillement aux petites déformations
Gaj : Module de cisaillement aux petites déformations obtenu par une on& se propageant
suivant i et avec un mouvement des particules suivant j
GoLb : Module de cisaillement aux petites déformations mesuré en laboratoire
G- : Module de cisaillement aux petites déformaUom niesud in situ
h : Profondeur d'un essai
W. Hauteur de l'échantillon
I , 4 : moments d'inertie
I , : Indice de pIasticit6 -.
xiii
y : Rapport des contrainte effectives : horizontale vmus verticale
K, : Rapport des contraintes en piace
L : Hauteur & l'échantillon
Lr : Longueur d'onde
n. m : Exposants-affectés ii la contrainte effective et au rapport desurconsolidation
ni , nj : Exposants affectés à et G ' ~
OCR : Rapport de surconsoiïdation
p, : Pression atmosphérique
p' : Contrainte moyenne
p', : Contrainte moyenne de préconsolidation
p, : Pression de référence (1 kPa)
Pr : Facteur de correction entre GOM et GW
Qt : Résistance de pointe au piézocône
Ro : Rapport de surconsolidation (p'dp')
T : Moment de torsion
ti : Temps de propagation des ondes
V, : Vitesse de propagation des ondes de compression
V, : Vitesse de propagation des ondes de Rayleigh
V, : Vitesse de propagation des ondes de cisaillement
w : Teneur en eau
WL : Limite de liquidité
wp : Limite de plasticité
a: Déphasage de deux signaux
y : Deformation de cisaillemnt ou distorsion
y: : Déformation de cisaillerrrent il la b i t e €lastique
v ou v', vm : Coefficient de poisson, coefocicnt en non drainé
p : Masse volumique du sol
o' : Contrainte effective
a', : Conminte effective moyenne de ~ ' i et c ' ~ -
dh et a' ho : Contrainte effective horizontale et contrainte effective horizontale en place
: Contrainte effective principale dans la direction de la propagation de l'onde
: Contrainte effective principale dans la direction du mouvement des particules
aVi, : Conuainte effective principale dans la 3tmc direction (autre que i et j)
o', et a',o : Contrainte effective moyenne et contrainte effective moyenne en place
(idem p')
a',: Contrainte de préconsolidation
a', et a'& : Contrainte effective verticale et contrainte effective verticale en place
O*,-: Coritrainte effective verticale maximale appliquée à l'échantillon
.r : Contrainte de cisaillement
o : Pulsation
INTRODUCTION
Du fait de la difficulré à réaliser des essais statiques dans le domaine-des très faibles
déformations, il a longtemps été admis que, corrrme le mona-aïent les recherches dans Ie
domaine des déformations supérieures ii la Iimite blasuque des sob, le m d u k de
dtformation dynamique était supérieur au module de déformation statique. Puis des
systtmes de mesures précis ont permis de visualiser le comportement réel du sot soumis 2
des sollicitations statiques de très faible amplitude. ïi s'est alors avéré que, dans ce domaine
élastique, le sol réagissait de la même manière, qu'il s'agisse de sollicitations statiques ou
dynamiques, et que le module de déformation était alors maxbaI.
Outre ses applications pour les études particuliéres de comportement aux vibrations
(dues aux tremblements de terre, au trafic, aux machines, aux explosions, dans les
constructions off-shore et near-shore), etc ..., le module de déformation dynamique et plus
particulièrement Ie module de cisaillement dans le domaine &lastique (noté Go ou G-)
s'avère un paramètre essentiel pour tous les problèmes de déformation en géotechnique.
En raison de ses applications multiples, ce module GO fait l'objet de différentes
études jusqu'alors plus nombreuses dans le domaine des sols pulvérulents que dans celui des
sois coh6rents. Les relations empiriques Çtabks pour des sables ont mis en évidence
l'infiuence particuliiirement importante de l'indice des vides et de I'état de conminte dans le
sol sur le module GO.
Cette étude a justement pour objet d'analyser le comportement des argiits de l'Est
du Canada vis-à-vis de très faibles soiTicitations dynamiques. L'anisotropie (liaison du
rapport des modules à l'anisompie de consolidation) et l'effet de ia smicture seront deux -
thèmes particuli2rement approfondis. Pour ce faire, une campagne d'essais de Bboratoire e!
in situ a été rédisée. En laboratoire, des dléments en piézocérunique polarisés (a bendei
tlements ») ont été placés dans une ceiiule triaxiale. Un Muipement particulier de l'une de:
ceiîuks d'essai a 6t4 mis au point dans le but d'6tudier l'anis~&~ie. Quant aux essais de
terrain. une méthode sismique de type 'cross-hole' a été employée : la tomographie.
Dans un premier temps, une &ude sera réalisée sur les principales dthode!
d'évaluation du module de cisaillement aux petites déformations Go puis sur quelque!
recherches menées ii ce sujet et qui soutiendront alors notre travaiL Suivront ensuite le:
explications et l'analyse de cette campagne d'essais ainsi qu'une discussion sur l'effe.
particulier de la structure, de l'anisotropie et du type d'essai, à savoir en laboratoire et u
situ.
CHAPITRE I
METHODES D'EVALUATION DU MODULE DE
CISAILLEMENT A PETITES DEFORMATIONS
1.1- Le module de cisaillement aux très faibIes ddformations, Go
Notons tout d'abord que le module dont il va être question dans cette &ude est le
module de cisaillement sécant défini par le rapport de la contrainte à la déformation pris
depuis I'origine ( G = x ) , et non du module tangent ( G = dfdy) qui est une
caractéristique plus localisée du comportement du sol awc déformations de
cisaillement. Toutefois, ces précisions perdent une partie de leur intérêt dans la mesure où
comme le rappeiie Lo Presti (1994)' les raideurs dkfinies par les moduies sécants, tangents
ou équivalents sont les mêmes tant que les déformations appliquées restent inférieures à la
4
limite éiastique y: dont il est question ci-après : le componemcnt du sol est alors élastique
linéaire.
Ainsi, le module de cisaillement G sera constant et maximal pour des déformations
inftricures B la iixnite élastique ( y c y:. y: = la4 96). Il est dors note Go ou G-. Kagawa
(1992) a rassemblé à ce propos les résultats de plusieurs recherches sur Ia figure 1.1
montrant la vaxjation commune du module G avec les déformations.
Shear main, %
Figure 1.1 : Variation du module de cisaillement G avec 1a déformation appIiquée
(Kagawa, 1992)
En mettant au point des mesures de déformations u è s prdcises. il a été possible de
montrer que Ies modules de cisaiUemenc dynamique et statique aux petites déformations
etaient les mêmes. Par contre, pour des défomations plus imporcanres, ie module dynamique
est supérieur au module statique. Janziolkowski, Leroueil et Lo Presti (1991) ont mis en
&idence ce phénomène sur la figure 1.2. Tatsuoka et Shibuya (1992) sont parmi ceux qui
ont vCrif?6 ce propos sur pratiquement tous les types de SOI : mche dure intacte, roche
tendre Sédirmntaire et artificielle (sables cimentés), argiles saturées.
La vitesse de chargement ayant apparcmnt peu d'influence sur ie module de
cisaillement aux petites d6formations Go, les deux types d'essais, statique et dynamique, sont
possibles pour determiner celui-ci. Tatsuoka et Shibuya (1992) ont aussi mis en évidence,
c o m le monue la figure 1.2. que, toujours dans le domaine de comportement elastique
linéaire des sols (très petites déformations), le fait d'appliquer un chargement cyclique ou
monotonique n'a pas d'effet sur la valeur du d u I c & raideur (b ou GO) obtenu.
Figure 1.2 : Variation du module de cisaillement G avec les types de sollicitations et les
deformations appliquées. (Jarniolkowski et al, 1991)
1.2- Méthodes statiques
Par essai statique est entendu que la vitesse de chargement (monotonique ou
cyciique) est sunisarmrrnt lente pour que les effets de Sinertie soient negligts (Tatsuoka et
S hibuya, 1992). .
Seuls les essais de laboratoire unlisent des méthodes statiques pour la determination
du module de cisailleuxnt aux petites dçformdtiom. Ils sont devenus plus utiiisks ces
dernihes années grâce B l'amtlioration des mithodes de mesures de plus en plus 6nes des
d&fomtions et des forces.
Notons toutefois que sur le temin, ies essais de plaques ou les essais au pressiodm
permettent d'obtenir le module d'Young, mais les dtfomtions mcsurables sont supérieures
B la limite élastique et donc ne correspondent pas au domaine de déformations considéré
dans cette Ctude.
1.2.1- Essai triasal
A partir du moment où la mesure des aès faibles déformations est rendue possible
(cf. section suivante), l'essai ûiaxial permet d'obtenir le module de déformation
longitudinale ou module d'Young noté E dans un domaine de déformations assez €tendu,
comportant notanrment Ies deformations inf6rieures A la limites tlastique (y; = 107.
Il est alors possible d'obtenir lt? module de cisaillement G grâce à la relation G = f(E)
valable dans le domaine dlas tique : Go= E
, v étant le coefficient de Poisson. 2(1+ v)
Dans le cas particulier d'un essai non-draine, V = Vu = 0.5 pour tous les sols, d'oh
l'expression très simple : Go = 3 - E, , valable, rappelons-le, dans le domaine &lastique.
Mesure des très faibles déformations
La difficulté majeure des essais statiques ou monotones réside dans Ia mesure très
fine des petites déformations. Effectivement, les erreurs apportées par exemple par
l'appareillage utilist deviennent d'autant plus significatives que les valeurs à obtenir sont
faibles. Or, le module de défornuon étant fortement influencé par le niveau de déformation
appliqué lorsque la M t e d'élssticit6 y: est dépassée (figure 1.1). le module obtenu risque
de ne pas être te module maximal recherché si les mesures des déformations ne pcmiettent
pas de deceler bs es faibles niveaux de déformation.
Comme l'ont soutenu Tatsuoka et Shibuya (1992) ainsi que Fioravante et al (19941,
le type de déformation mes& (locale, interne ou externe) défini par I'emplacement des
cellules de mesure est aussi important que le dispositif de mesure ii pmprement parlé vis à -
vis de la précision apport& aux es faibles dtformations. Sur un essai aiaxiai par exemple,
la friction du piston et les hétérog6néités aux extrémités des Cchantillons (contacts
Cchantillon-base et échantillon-tête de chargement) participent activement à l'erreur
respective des mesures des conaahtes et des dtformatiom. Une solution efficace est de
placer les capteun d'effort dans la cellule et les capteun de &formations directement sur
SCchaniillon. La figure 1.3 met en tvidence la différence observte sur le componcmnr en
contrainte-déformation lorsque les mesures & deplacement effectuées sont locales (sur
l'échantillon) ou externes (sur Irt tête de chargement).
Figures 13 a et b : Comparaison des relations contrainte-déformation pour des menver
eaernes et locales dans un essai triha1 non-drainé sur une roche tendre,
à différentes 4cheIles (Kim et al, 1990)
Aux petites dkformatiom, figure 1.3 b (tout comme aux grandes, figure 1.3 a). on
remarque que b module de &formation obtenu par des nrsures externes est sous-estime.
Plusiew dthodes de mures de déformation ont donc ttC tlabortcs dans le but de
minimhr ies enturs. Quel que soit le dispositif utüid, le fait dc placer les celluler
dirrctemnt sur i'Çchantil.ion permet d'éviter ks sources d'erreurs dont ïl a W questior
auparavant. Quclqucs-unes de ces dthodes sont citées et bri&vtmtnt cxpliqutcs ci-apr2s :
- Proximètres Zt mande résoIution : ces éiéments constitués d'une cellule et d'une cible
convertissent le mou d'air cr& par le dtplacemnt. Ils sont placés dïrectemnt autour de
l'échantillon comme le montre la @ure l. .4.
Figure 1.4 : Méthode de mesure de déformations locales sur de la roche dure avec des
proximètres (Noma et Ishii, 1986)
Figure 15 : MCtbode de maure de déformatbar losiles avec des capteurs de ddpiacement -
optique (Nakano et al, 1990)
- Transducteurs de formations locales (iocal deformation tranducer ou LDT) : figure 1.6.
Une piaque de bronze est placée sur un support reliant k haut et le bas dc 1'~chantillon. Sur
cette piaque sont coiiées des jauges de déformation. La moyenne des déformations obtenues
par deux transducteurs LDT diamétralement opposke sur 1 échantillon permet d'acdder à la
déformation au cours de i'essai.
Figure 1.6 : Methaie de mesure des deformations locales avec une paire de LDT
(Goto et al, 1991; Tatsuoka, 1988)
1.2.2- Appareil de torsion
Alors que dans les essais triaxiaux, les contraintes et les déformations appliqutes sont
longitudinaies, l'essai de torsion permet d'évaluer directement les caract6ristiques de
cisaillement du sol ttudi€ : T (contrainte de cisaillement) et y (dr'fomtion de cisailleriient ou
distorsion). Cet essai consiste à appliquer un moment de torsion T B un échantillon
cylindrique (qui peut êtrt mm) et 8 msurcr les déformations mgenddes par cet effort.
L'&de du comportement du sol en contrainte-&formation est donc directe, comme pou
l'essai maxial. Malgré un appareillage et une procédure un peu complexe ainsi qu'une
distribution non uniforme des contraintes et des #formations dans l'&chantillon, cet essai
présente les avantages suivants : bonne simulation du cisaillement simple ; accès aux petites
déformations par le biais d'un matériel & mesure adapté et d'une bonne liaison enne les
extrémités de l'échantillon, le socle de l'appareil (partk fixe) et la tête de l'appareil (partie
mobile). L'isolation de la table de torsion vis iî vis des vibra6ons exttrieurcs ainsi que
t'utilisation de dispositifs de proximètres à grande résoIution (voir section 1.3) ont, entre
aums permis d'atteindre une plage de déforniarions allant de 10'' A 104.
La figure 1.7 représente un sch6ma s i m p w d'un appareil de torsion :
Excitation & torsion
t
Figure 1.7 : Schéma de l'essai de torsion
Les mouvements forcés de l'échantillon sont &s par un système électromagnétique
placé sur la tête de la ceiiule. Un courant de muence reglable est introduit dans des
bobines qui entourent un aimant. Le champ élecuomagn&ique ainsi cr& provoque le
mouvement de l'aimant qui est lui-&nie fixé a la plaque de guidage transmettant ainsi le
mouvenient à la tête de l'échantillon (figures 1.8 a et b ). Quatre aimants participent à la
création du mouvement. Une calibration du dispositif permet de remonter au couple
appliqué h l'échantillon puis la contrainte de cisaillement équivalente.
Les dCplacernents sont orsurés avec des nEcroproxidas (4 sur la figure 1.8) qui,
constitués d'une ceilulc et d'une cible, évaluent le trou d'air provoqué par le mouvement de
la plaque de guidage. -
Figures 1.8 a et b : Description du s y s t h e de mesures utilid pour l'essai de torsion et l'essai
B la colonne resonante (Deron J. Van Hoff, 1993)
Notons que dans cet essai, le contact entre La tête du dispositif et I'ÇchantiIion et
celui entre le socle du dispositif et l'échantillon doivent tue parfaits. Ce dernier point est
d'autant plus dur à réaliser que le rnat6riau testé est rigide.
2 Le module de cisaillement est calculé directemm avec G = -
Y
1.3- Méthodes dynamiques
Par essai dynamique est entendu que la vitesse de chargement (cyciique or
mnotonique) est sutnsammnt elevée pour que ies effets de I'inertie ne puissent Cm
ignorés. Dans la litt6ranin. on associe souvent dynamique A cyclique. Rappelans que k
module Go ttant peu infiucncC par la vitesse de chargernt dans le domaine des petite!
dtforrtiow (y < 104], les essais dynamiques permttent d'obtenir Le d i n e module Gl
que celui d&duit des essais statiques.
i e s dthodes sismiques sont largemtnt utilisées aussi bien en laboratoire que pour
des essais de terrain pour la détermination du module GO. En laboratoire, ia colonne
résonante constitue la seule méthode dynamique qui ne fait pas appel à la propagation
d'ondes.
1.3.1- Les methodes sismiques
1.3.1.1 - Les ondes
On distingue deux familles d'ondes qui se propagent dans d8drents milieux :
- les ondes de compression, qui crée.nt un mouvement des particules dans la direction de
propagation. Ces ondes se propagent dans tous les milieux et tout particulièrement dans
l'eau. Ii est alors difficile de dissocier la propagation de l'onde dans le sol de la propagation
de I'onde dans l'eau présente dans celui-ci Ainsi, les vitesses de propagation des ondes de
compression sont consid&blement affectdes par la prksence d'eau dans les sok saturés
(dans l'eau Vp = 1500 m 1 s ).
- les ondes de cisaillement, qui créent un mouvement des particules perpendiculaire à la
direction de propagation. Conusirement aux ondes de compression. les ondes de
cisaillement ne se propagent que dans les solides. Elles deviennent alors beaucoup pIus
intéressantes puisqu'elles caractérisent le solide uniquenitnt (le squelette du sol en
l'occurrence).
L'étude de ia propagation des ondes de cisaillement dans les sols permet d'obtenir le
module de cisaillement dans la niesure où l'étude se limite aux petites dtfonnations : la
limite élastique n'étant pas d€passée, le comportemnt du sol est supposé élastique. On peut
alors o b t e ~ le module de cisaillement Go (ou G d à partir de la vitesse de propagation des
ondes de cisaillement Vs dans le sol considéré par la relation suivante :
Go = p vS2 , p ttant la masse volumique du sol exprimée en kg/m3
Vs étant la vitesse de propagation des ondes de cisaiiiement exprimée en d s .
1.3.1.2- Méthodes sismiques de terrain
Sur Ie terrain, les méthodes sismiques ou ggophysiques, basdes sur la pmpagatior
des ondes, sont très répandues. L'émission et l'arrivée du signai sont visualisées sur ur
systhne d'acquisition, ce qui permet d'obtenir la vitesse de propagation des ondes et d'er
diduire le module de cisadiement ( G o = p - v,' ) dans la mesure où les déformation:
engendrées sont inférieures iî la limite élastique.
Les ciifferentes configurations quant au positionnement de I'émerteur et du (ou des:
r&tpteur(s) offrent la possibilité de couvrir àes zones plus ou moins grandes et d'obteni
des modules suivant toutes les directions possibles. Globalement, on d i s ~ g u e les méthode5
où les Üistruments de mesure sont .placés dans la masse du sol des méthodes où toui
l'appareillage est en surface.
1.3.1.2.1- Essais dans la masse du sot
k ( s ) récepteur(s) et le générateur peuvent être placés à des profondeurs donnée:
soit en effectuant des forages préaiables à I'intérîeur desquels seront placées Ies ceilules de
mesure, soit, comme il l'a été récemment développé. en introduisant les celiules de mesure!
dans des appareils de pénétration tels que le cône de pc$nétration CPT.
Essai a cross-hole m (Stokoe et Woods, 1972)
Cet essai nécessite deux forages verticaux séparés par une distance m o ~ ~ : d (c
est constante). i~ principe est d'étudier le temps de propagation d'une onde & cisaillemni
(la direction de propagation étant supposée horizontale) entre ces deux forages de manière 2
obtenir ensuite la vitesse de propagation de cette onde. Pour ce fairir, une source placée E
une profondeur h dans l'un des forages émet une impulsion créant une onde qui se propage
dans le sol et qui est nkupdde par un geophone place dans l'autre forage tt la même
profondeur h (figure 1.9).
Figure 1.9 : Principe de la mesure de Go par la méthode u cross-hole *
Un système d'acquisition de données 4quivaIent un oscilloscope permet de détermine
temps de propagation de l'onde de cisaillement sachant que l'enregistrement du signal
commence au déclenchement de l'impulsion.
Cette méthode est Yune des plus fiables. Toutefois, quelques lunites lui son1
imparties :
- de très bons contacts entre les éIéments émetteur et récepteur et le sol sont difficiles à
r4aliser ;
- I'onde reçue en premier n'a pas forcément une direction de propagation horizontale
puisqu'elie peut se propager plus rapidement dans les couches plus fermes (en parricuiier les
couches sous-jacentes ou dans des couches stratifiées). Il en résulte donc une erreur sur la
distance de propagation d prise en compte dans les calculs de vitesse et un manque de
précision pour la mise en évidence de couches moks de faible epaisseur ;
- le forage crée une zone remaniée inkvitable ;
- le temps initial tc comspondanr au depart de l'on& est donné par Ic systtme de
déclenchement qui doit donc être très précis. -
La dernière source d'cmur suscitée peut E u e limitée, voire 6vitée si ie temps msuré est
celui de la propagation de I'onde entre deux dcepteurs distants d'une longueur d' connue.
Effectivement, le temps pris en compte dans le calcul de la vitesse V, est de la forme :
(tz- fo) -(t~- b), CO, t ~ , tz étant respectivenient les temps correspondant au départ du signal, à
l'arrivée du signal au premier récepteur et à Parrivée du s i g d au second dcepteur. Le
temps inirid n'intervient donc plus dans l'expression de la vitesse. Par ce même procédé, le
remaniement n'intervient plus non plus. L'inconvénient est qu'un troisième forage est alors
nécessaire.
Essai *: down-hole »
Cet essai ne nécessite qu'un trou de forage dans lequel est placé le géophone qui
reçoit I'onde générée en surface (il est possible d'inverser le positionnement de la source et
du récepteur).
acquisition dklenchement
Figure 1.10 : Principe de la mesure de Co par ia méthode a dm-hole r
Le profil des vitesses de propagaaon des ondes de cisaiUemnt s'obtient en étudiant
la difft5rence du temps d'arrivge du signal à deux profondeurs successives.
L'interprétation nécessite donc une grande précision concernant la profondeur des mesures
et le mécanisme de d6clenchernent. De la Mm man2rt que pour les ess& « cross-hole »,
l'utilisation de plusieurs géophones dans un même m u de forage h i t e les erreurs
engendrées par les mesures du temps de propagation par rapport au temps initiai to du
d6clenchement qui serait alors le même pour les deux mesures à considérer.
Toutefois, le problème de l'atténuation du signal avec la profondeur reste présent.
Essai au cône sismique
Cet essai a été développé A l'Université de Colombie Britannique (UBC)
(Campanella et Robertson. 1984). L'introduction de séismomètres dans le cône de I'essai de
pénétration CFT ou CPTU permet, lors de campagnes d'essais faisant appel ces derniers,
de réaliser en même temps, 2 des intervalles de profondeur réguliers (tous les mètres), des
mesures de vitesse de propagation des ondes de cisaillement.
Il suffit d'ajouter un osciiioscope (qui peut être incorporé au système d'acquisition de l'essai
standard CPT) et une source dont le ddéclenchernent est relié à I'oscilioscope. La source est
souvent constituée d'une lourde plaque en acier (munie & dispositifs supplémentaires pour
assurer un bon contact avec le sol) et d'un marteau.
Le principe est le même que celui de I'essai « dom-hole B. c'est-à-dire que la vitesse
à une profondeur donnée est calculée par la diffdrence des temps d'arrivée de l'onde h deux
profondeurs successives. Bien que I'affaiblissement du signal avec la profondeur soit encore
de fait, des essais au cône sismique ont dté réalisés jusqu'à une profondeur de 40 m
Le fait de réaliser simultanément l'essai de pén€tration au cône impose que la source du
signai soit placée à une distance minimale de trois mètres de l'essai à proprement parlé. La
direction de propagation n'est donc pas tout Zi fait verticale mais une correction mise au
point par Eidsmoem et al (1985) permet d'approcher la véritable vitesse de propagation
verticale :
Figure 1.11 : Principe de Ia mesure de Go au cône sismique
Les premières utilisations (Campanella et Robertson, 1984) ne permettaient d'obteni
que les ondes propagées verticalement puisque la source était placée en surface (figuri
1.11). Un nouveau système a été mis en place de d e r e à mesurer des vitesses dc
propagation horizontales : la source est placée dans un cône, le récepteur dans un autre, e
les deux cônes sont placés B la même profondeur A une distance d l'un de l'autre. Cettt
méthode, qui est alors de type « cross-hale n, est toutefois assez contraignante puisqu'elk
nécessite deux cônes de péndtration.
Tomographie * Cette méthode mise au point par Hoar (1982) n'est autre qu'une applicatioi
particulière de la méthode a cross-hole n si ce n'est que I'dmtttur peut être placé i
n'importe quelle profondeur du forage (un syst&m de v€rhage permet de maintenir un boi
contact entre la source et le sol). -
Ix système est représenté sur la figure 1.12, de plus amples explications étant
fournies dans le chapitre iII. Le principe de la source pemiet d'appliquer directement
l'impulsion à une profondeur donnée du forage (qui pcnriet ainsi de paiiier le problème de
transmission du signal par la tige et de l'affaiilissement de celui-ci avec la profondeur
m e n u dans l'essai cross-hole classique).
séisrnograp he : déclenchement acquisition
Figure 1.12 : Principe de la mesure de GO avec la tomographie
De la &me façon, un système de chambre à air pemiet de plaquer les técepteurs
contre le sol (ou plus précisénient sur les tubes de PVC mis en piace lors des forages).
Un sismographe plac6 en s h c e penrret de visualiser les excitations T u e s par les
géophones.
1.3J.2.2- Essais en surface
Dans ce cas, émetteur et récepteur(s) sont placés B la surface. Le problème majeur de
ces techniques est qu'on ne maimaitrise pas exactenient les profondeurs pour lesquelles ces
essais sont rcprésëntatifs ; est-ce une mesure ponctuelle ou une moyenne ?
Analyse des ondes de Rayleigh
Les ondes de Rayleigh, encore appelées ondes de surface, se propagent dans des
couches de sol dont I'épaisseur est égale à la iongueur d'onde émise. La vitesse de
propagaticn des ondes de Rayleigh est reliée à la vitesse de propagation des ondes de
cisaüiement Vs par le coefficient de Poisson v. Toutefois, la relation simple Vr=0,9*Vs
donne de bons résultats pour une gamrrie importante du coefficient de Poisson v (Richart et
ai, 1970).
vibrations Systéme d'acquisition
Oscillateur et et d'analyse de spectre
t-d-l
Figure 1.13 : Principe de la mesure de Co par l'analyse des ondes de Rayleigh
La &thode communément employée pour i'analyse des ondes de Rayleigh est
indiquée sur la figure 1.13, Les ondes sismiques sont émises par le biais de vibrations de
ûéquence bée et sont reçues par deux g6ophones placés h une distance d l'un de l'aune.
Le temps de propagation cie l'onde entre Ies deux géophones est donné par :
, où f est ia muence dt I*oncic t e e ; T(f) = -- 27t f
est le d6phasage entre les deux signaux reçus. -
II est alors possible d'obtenir :
- la vitesse de propagation des ondes de Raykigh Vr (V,(f) = %cf), d Ctant k distance
entre Ies deux géophones), permettant ensuite d'accéder au module de cisaillemnt Go.
- la longueur d'onde Lr ( LJf) = Vr(fx ), permettant de dCtcmiiner la profondeur de la
couche concernée par les ondes émises.
Le profil des modules de cisaillement Go est donné par des essais à différentes
Wquences qui représentent diErentes profondeurs.
D'autres méthodes (analyse spectrale des ondes de surface (SASW) , essai de
réfraction de surface , essai de réflexion de surface) reposent sur les mêmes principes.
1.3.1.3- Méthodes sismiques de laboratoire - les éléments piéuicérarniques
Les essais de laboratoire peuvent être réalis& aussi bien sur des échantillons intacts
que sur des échantillons reconstitués. Toutefois, quelques remarques seront émises à ce
propos en fin de chapitre.
Les éIéments en ~iézocéramiaue nolarisés
Ces éléments sont constitués de deux lames en piézochmiques entourées
d'électrodes. Une diff6rence de potentiel appliquée sur les 6lectrodes provoque alors une
déformation des éiérnents polarisés (l'un s'allonge, I'autre se dtnkit). Ces bléments sont
donc des uansducteurs électromécaniques qui convertissent une énergie 6Lecuique en un
mouvtmtnt dcaniqut et vice versa Ils sont donc utiiisés en 6mtteur et en dccpteur.
Dans un premier temps, des ' fiat shear plates' ont été d6veloppées (Lawrence, 1965)
(élémnts plats en Quartz ou en piézoc6ramique). Ces €lémnts placés a la surface des
échantillons - émettaient et recevaient des ondes grâce au contact entre les Cléments et le SOL
La faiblesse de ce dispositif résidait justemnt dans k tmnsfcrt des ondes au niveau d
contact sol-c5lément plat. Mais I'energie utilisée par ces éléments était insuffisante, surtou
pour les sols mous, et la fréquence d'utilisation correspondait une fiéquence de fort1
absorption du matériau.
C'est alors que Shirley et Anderson (1975) ont au point Ies 'benders elements'.
La forme de ces éléments en piézocéramique polarisés (figure 1.14) leur permet dc
s'introduire complètement dans I'échantillon de SOL La transmission de la vibratioi
mécanique du bender dans Ie sol est d'autant nieillem que ia rigiditC des benders est di
même ordre de grandeur que celle du SOL Cette méthode a été largement développée ai
NGI (Dyvik et Madshus, 1985 ; Dyvik et Olsen, 1989)-
De petite taille (de l'ordre du centimètre carré), ils peuvent s'introduire dans un(
grande gamme d'Cchantiilons. Ainsi ils sont utilisés dans divers essais de laboratoire et k
contrôle de nombreux paramètres est rendu possible, contrairement à la colonne résonam
considérée dans la section suivante. Dyvik et Olsen (1989) ont à ce propos testé les benderi
dans un oedomètre, une cellule uiaxiale et une boîte de cisaillement direct. La comparaisor
des différents résultats lors d'une étude de l'effet des contraintes (incluant aussi des essais 2
!a colonne résonante) s'est montrée très encourageante.
Figure 1.14 : Schéma d'un bender, transducteur Clectromécanique en pihcéramique
-
La fiQuence de t'onde 6&e est choisie de manière à ce que l'arrivée du signal
n'interfère pas avec son dmission . mais aussi de sorte qu'elïe comsponde à une muence
de faible absorption du sol et enfin pour éviter le phénodne de champ proche. Ce dernier
crée une onde de cisaillement qui se propage il la vitesse d'une onde de compression lorsque
Ia longueur d'onde est inférieure à la moitié de la longueur de propagation dans
l'échantillon. Ce signal viendrait donc perturber la réception de ia véritable onde de
cisaillement.
1.3.2- La colonne résonante
La coionne résonante est l'une des premières méthodes à avoir été mise au point en
laboratoire (Richan et al, 1970) pour étudier le module de cisaillemenr Go aux petites
déformations. Elle est donc antérieure à la méthode des Cléments en pidzocéramique
polarisés et n'utilise pas directement la propagation d'ondes.
Cette méthode consiste à analyser la réponse d'un échantiiion cylindrique soumis à
des vibrations harmoniques forcées de torsion, en prenant I'hypothbe d'un comportement
élastique lin6aire du sol.
L'équipement de I'essai est le même que celui de l'essai de torsion (figure 1.8) si ce
n'est que les déplacements ne sont plus rriesurés avec des proximètres mais avec des
acdléromètres. Ces derniers fonctionnent avec des cristaux piézo-6lectriques qui mesurent
11acc6iération du systéme qui, une fois intégrée par rapport au temps, donne l'angle de
rotation de ia tête de l'échantillon.
L'analyse de l'essai est toutefois plus complexe que celle de l'essai de torsion: aprb
avoir détermine pré-cisémnt Ie premkr mode de Hquence de résonance de l'échantlüon de
sol, k moduie G est determin6 d'après la théorie & propagation des ondes dans une b m .
Vs est obtenue avec la relation théorique 1, vs
L: longueur & l'échantillon
1: moment d'inertie massique de I'échtillun
IO: moment d'inertie massique de la masse supplémentaire (tête)
a,,=21&, f, étant la muence naturelle du soi, obtenue directement d'après le graphe
«-R6ponst accéléromètre a versus ia fkéqucnce f n,
1.4- Discussion
Comparaison des essais dynamiques de laboratoire;
II est possible de dresser une liste des avantages et inconv6nients des essais aux éléments
pic5zocéramiques par rapport aux essais à Ia colonne résonante:
- avantages: - accès à GO plus direct ;
- plus grande diversité des paramétres contrôlés ;
- inconvénients: - pas d'accès au module aux grandes déformations car Ies grandes
différences de potentiel depolarisent les benders ;
- pas de calcul du coefficient d'absorption.
De nombreuses comparaisons entre ces cieux méthodes ont été réalisées, la plupart
d'entre elles ont abouti à des résultats très proches les uns des autres. Dy& et Madshus
(1985) ont ainsi test6 3 argiies (offshore, Drammen et Haga). Leurs résuItats sont
représentks sur la figure 1.15. Toutefois, Jamioikowski et ai (1994), tout comme Fioravante
et al (1994)' ont remarqué que sur les sables et argiles qu'ils avaient testées, les modules
provenant des essais aux éléments piézocéramiques étaient de 25 ii 30% plus élevés que
ceux obtenus par la c o I o ~ e résonante.
PIus généralement, toutes les méthodes s'appuyant directement sur la vitesse de
propagation des ondes (qu'elles soient dalistes en laboratoire ou sur le terrain) ne
permettent pas d'accéder B I'amortissement du sol étudié.
W W - O TEST I O 1fST I a TEST 1
Z = UO 00 - 'ES' 3 TES1 5
U mow - YZ * z g 40 00 - W a
m
1
( M O 0 6 0 0 0 Wû4 #O 00 MD08 U O W l&EEE
G.,, tYPa8 - PIEZOCERAHIC BENOER ELEHENTS
Figure 1. 15: Comparaison de resultats d'essais à la colonne résonante et aux benders (Dyvik et Madshus, 1985)
Com~araison laboratoire-terrain:
Notons dans un premier temps que le prélèvemnt des échantiltons in situ, malgré
toutes les précautions prises durant cette étape, ne peut éviter un remaniement. La
reconstitution des conditions en place est de Ia même mani8re une phase délicate des essais
de laboratoire.
Remarquons aussi que pour les essais & terrain, l'onde reçue en premier n'est pas
n6cessairement l'onde qui a parcouni Ia plus petite distance (distance horizontaie pour les
essais c cross-hoIe »). Effmtivernent, s i tant est qu'il y ait des couches plus fermes A
proximit6 de la zone de sondage, l'onde se propagera plus rapidement dans ces couches. LRs
méthodes de terrain ndcessitent donc une formation homgéne sans quoi les modules
risquent d'être surévaiués.
Les recherches visant il comparer les modules de cisailltmtnt GO ou les vitesses de
propagations des ondes de cisaillement Vs, nitsurés par des essais en laboratoire et des
essais in situ sont asscz contradictoires. Il scmbIe qu'il y ait toutefois une tendance Zt trouver -
des valeurs de module Go avec les méthodes de laboratoire plus faibles que ceux issus de
méthodes de terrain.
Un certain nombre d'études ont effectivement abouti Li des écarts importants entre le
terrain et Ie laboratoire. Stokoe et Richart (1973) ont comparé ces deux types d'essais avec
la colonne résonante et des essais a crosshole >L k s vitesses de propagation des ondes de
cisaillement etaient plus faibles en laboratoire (de 95% pour un sable silteux 706 pour
un siit argileux ).
Li Yan et Byrne (1990) ont noté que d'après les nombreux essais effectués sur du
sable, les valeurs des vitesses de propagation des ondes de cisaillement mesurées in situ
étaient largement supérieures & celles obtenues en laboratoire (une valeur de 100% a ét6
retenue).
Larsson et Mulabdic' (1991) ont noté eux aussi, lors d'une étude sur les argiles
scandinaves, une grande différence entre les dsultats issus du laboratoire et les résultats
issus du terrain et préconisent findement les essais de terrain pour approcher au mieux la
valeur réelle du module de cisaillement GO. Larkin et Taylor (1979) ont proposé la
correction suivante : Go,,, = Golab + Ar, qui d'après les comparaisons effectuées à partir
d'un grand nombre de valeurs, s'avere mieux adaptée que ceiie proposde par Andréasson
(1979) : Go,, = GOlab x Pr (Larsson et Mulabdic', 1991). Malheureusement, les valeurs de
Ar ou de Pr ne sont pas fournies.
D'un autre côté, d'autres chercheurs ont trouvd des résultats de terrain et de
laboratoire rrès similaires. Jamioikowski et ai (1994) ont remarqué que lorsque les
conditions de contraintes in situ (o', et ou o', si les essais sont réalisées avec un
chargement isotrope) étaient reproduites convenablement en laboratoire, les valeurs
trouvdes par les 616ments en piezochnique se rapprochaient des valeurs issues d e
méthodes sismiques in situ. De la même manière, Powell et Butcher (1991) ont réalist
diffdrents essais in situ (ondes de Rayleigh, réfiaction de surface, cône sismique) et en
laboratoire (616ments piézocéramiques, essai triaxial) sur six sites d'argile. ïi s'est avéré que
tant que Ies niveaux de defoxmation etaient semblables pour les différents essais, les
résultats étaient assez proches les uns des autres. -
Ceci est c o n f i é par Tatsuoka et Shibuya (1992) qui considèrent la relation du
module au niveau de déformation appliqué comme étant la principale source d'erreur entre
les essais de laboratoire et les essais de terrain.
Viggiani et Atkinson (1995) ont réalisé des essais sur de l'argile de Londres. iis ont
pu comparer les ~ésultats obtenus en laboratoire avec des benders sur de l'argile intacte et
sur le terrain avec la méthode des ondes de Rayleigh. Les résultats de ces 2 types d'essai
sont assez proches les uns des autres (de l'ordre de 22 MPa). Toutefois, il est intéressant de
noter que ces 'auteurs avaient réalisé parallèlement des essais sur de l'argile remaniée et
qu'ils avaient m i s en évidence le fait que la suucture avait très peu d'influence sur le
module de Go pour ce matériau.
LE MODULE Go DANS LA LITTERATURE,
RELATIONS PROPOSEES
De nombreuses recherches sur Ie module de cisaillement aux petites ddformations ont
été conduites dans tes 20 dernières années, une majorité d'entre eues ayant été réalisée sur
du sable. Les conclusions importantes ayant été tirées de ces études sont tes suivantes
(Jamiolkowski et aI, 199 1 ):
- le comportement des sols en contraintes-dkformations dans le domaine des petites
déformations est élastique linéaire.
- lorsque la limite d1~lasticit6 n'est pas dépassée (y c y:). le module de cisaillement est
maximi et il est le mêmt que les essais soient statiques ou dynamiques,
- l'effet de I'histoire des connaintes et des déformations du sol sur le d u l e de cisaillement
aux petites deformations est négligeable,
- le module de cisaillement aux petites déformations est paniculierement iié aux contact,
entre les grains qui sont représentés prhcipdement par l'indice des vides e, les contrainte
appliquées a', et la structure.
Les paramètres principaux qui ont donc h é retenus dans la plupart des études son
les suivants:
- la contrainte, exprimée sous diErentes fornies, soit plus généralement une fonction de 1;
contrainte effective f (a'" ) ,
- l'indice des vides (ou le volume), exprimé par une fonction: F(e),
- quelquefois le rapport de surconsolidation OCR.
De plus, une pression de référence a été utilisée de manière a obtenir des coefficient!
adirnensionnels, la pression atmosphérique p, €tant la plus fréquemment retenue.
Les relations se retrouvent donc très souvent sous Ia fornie:
Avec - A, un coefficient adimensionnel caractéristique de la nature du sol
- n et m, des exposants avec n + m = 1.
Dans le cas des argiles. il a été montré que I'hdice de pfasticité Ip pouvait avoir unt
influence non nkgligeable sur les facteurs A, n et m
Dans ce chapitre vont être répertoriées quelques unes des relations établies entre k
module de cisadiement aux petites déformations Go, l'indice des vides e, et les contraintes.
Plus généralement, il sera aussi question d'études sur GO menées in situ. Nous verrons par h
suite que certaines de ces expressions peuvent conduire à une relation entre le rapport de!
contraintes horizontale et verticale et le rapport des moduIes mesurés dans ces deu)
directions.
n.1- Relations dans les sables
L'influence de la contrainte a été exprimée sous différentes formes mentionnées
précédemment par le temie f (o'" ) . De nombreuses Ctudes parmi lesquelles celle de Stokoe
et a1 (1985) effe&uée sur des Cchantillons cubiques de sable sec qui pmirttaient de r 6 W r
un chargement isotrope, biaxial et triaxial dans le domaine élastique ont montré que le
module de cisaillement Go dépend de la contrainte effective principale dans la direction de la
propagation de l'onde, di, et de ceiie dans la direction du mouvement des particules, c f j .
La contrainte dans ia troisième direction principale, cfk , perpendiculaire au pian de
cisaillement n'a pas ou très peu d'influence. Viggiani et Adchon (1995) ont toutefois
montré que dans le cas d'un chargement anisotrope sur de la kaolinite, l'influence de la
contrainte moyenne p' était plus nette que ceiie de ~ ' i ou ceiie de c'~.
De l'étude de Stokoe et al (1985) mentionnée précédemment, est ressorti que:
- l'influence de l'histoire des contraintes sur la vitesse de propagation des ondes de
cisaillement est négligeable,
- le plan horizontal est isotrope (mais on observe une anisotropie structuraIe entre le plan
horizontal et le plan venical), d'où I'appantion d'une constante d'anisorropie structurale
représentée par le ternie A.
Li Yan et Byrne (1990) ont cornpar6 diff6rentes expressions de GO et ont analysé la
vatiditi de chacune d'elles par rapport aux résultats d'essais à la coIome résonante:
- méthode de La moyenne des trois conmhtes principales di, di, di, ,
Hatdin ( 197 8): Go= A . F ( ~ ) ) . ~ ~ " ~ ) . ( ) dm = (di+ dj +dk)/3
- dthode de la moyenne des deux contraintes principales privilégiks di et d j ,
Yu et Richart (1984): Go= kF(e).p,.( dw / pJn avec d*(di+dj)/2
- dtfiode des contraintes individuelles priviléms,
Roesler (1979)' Yu et Richart (1984). Stokoe et a1 (1985):
( 1 4 " .(di) " .(dj)nj Go,= AiiF(e). Pa
Si ce n'est Sully et al (1995) qui ont noté que t'hypothèse d'alléotropie n'&ait pas vraiment
vérifiée sur les argiies de l'Ouest du Canada, il a Ctt globalement observC que ni=nj42.
L'expression précédente peut donc se mettre sous la forme:
Go = A.F(e). .(di.&,)*
Les valeurs de A, de F(e) et de n figurent dans le tableau 2.1 qui suit.
propre, rond
propre, anguleux
-- .-_I_-.-...
propre -.-.---.-- propre .----------.-..---.--- propre
Références I
Tableau 2.1 : Valeurs des diff'erents parametres et fonctions de relations empiriques Go - e - o
Lo Presti (1989) a donné une expression communément utiliske pour I'influence de l'indice
des vides: F(e) = f é l . 3
Remarquons que pour exprimer les vitesses, l'exposant n est divis6 par deux puisque
G = ~ - v , ~ .
Les r6sultats obtenus de la comparaison des expressions précédentes sont représentes
sur la figure 2.1. Ils indiquent donc que la forme des contraintes individuelles semble
constituer la meilleure approche du comportement réel du SOL.
Ni (1987) a proposé une relation g6ntraie: Go = A f (v) OCR'~, "" 01%: où - A est un coefficient adimensiome1 qui dépend de la nature du sol
- f(v) est une fonction du volume spécifique
- OCR le rapport & surconsolidation
- ni+ %=net ni=nj=fl
Figure 2. 1: Comparaison des modules Co obtenus par les relations empiriques et les résultats d'essais sur du sable (Li Yan et Byrne, 1990)
H.2- ReIations dans les argiles
E.2.1- Relations issues d'études en laboratoires
Bien qu'a ce jour, le nombre d'ttudes sur le module GO en laboratoire soit nettement
supérieur dans Ic domaine des sables que dans celui des argiks, quelques expressions
empiriques ont 616 &laborées pour ces dernières.
Kagawa (1992) a fait un bilan des quelques essais réalisés sur des argiles afin de
dzterrriiner les relations possibles entre les modules GO et les contraintes, il conclut :
Go = (358-3.581p)*~'aJ(0.4+û.7e)
avec - Go mesuré après lûûû minutes
- o', contrainte moyenne des 2 contraintes privilégiées
Viggiani et Atkinson (1995) ont réalisés des essais aux benders dans une cellule
triaxiale. Des échantillons remaniés et intacts d'argile (de Londres entre autres) ont été
testés. Les résultats ont mis en évidence l'influence des contraintes en place et de la
n
contrainte de préconsolidation avec une relation du type :
avec : - p, est une pression de référence égale à 1 kPa,
- Ro est le coefficient de surconsolidation, Ro =Po qui permet de rendre compte P '
de l'effet de la smcturation (due à une cirnentation, un dechargement, ...).
- n= 0.76 , m= 0'25 , A= 400, pour les argiles testées, sachant que A et n dépendent
fortement de L'indice de plasticité Ip (A diminue avec Ipet n augmente avec lp).
Cette relation ne fait pas apparaître l'effet de l'indice des vides directement, mais
celui-ci est directement relié aux valeurs de p'et de p',.
Ces résultats (figure 2.2) montrent clairement que sur cette argile de Londres, le
module Go dépend de son état de contrainte (dkffi par la contrainte appliquée et le
coefficient de surconsolidation) mais n'est pas affecté par sa structure. Les auteurs
expliquent ce phhomihe par les très faibles ddformations induites par les benders qui se
propagent plus par des d6formations iocales que par un réarrangement global des particules.
Notons de plus que les contraintes mises en oeuvre lors des essais n'ont jamais dépasse les
contraintes de pdconsolidation.
Hardin (1978) a suggéré l'expression suivante:
Go = 625- O C R ~ . /(OJ + 0,7e2)
avec - p', la contrainte moyenne p' = (~'~+o'~+o'k)/3
- p,, la pression atmosphérique (98'1 kPa)
- m. l'exposant lit il l'indice de plasticité Ip (figure 2.3).
Figure 2.2: Comparaison des modules d'argiles intacte et reconstituee sur l'argile de Londres (Viggiani et Atkinson, 1995)
Fiure 2.3 : Valeur de l'exposant m en toactiou de l'indice de plPsticii4 $ (Hardh, 1978)
Larsson et Mulabdic' (1991) ont appliqnC cette relation sur 14 argiles scandinaves et
on? trouvé des résultats particulierement encourageant pour des argiics de moyennement à
très plastiques.
Hardin et Blandford (1989) avaient exprimé dans cette relation les deux contraintes
principales pnviltgi6es individuellement (celle dans la direction de propagation des ondes
(i) et celle dans la direction du mouvement des panicules 0)) 1-ni-nj GOij =Aij X F ( ~ ) X O C R ~ XP, of)"' X ( C ~
avec m = f(Ip) et ni = nj
D'après une enide de Jamiokowski et al (1994) sur six argiles italiennes. l'effet du
rapport de surconsolidation est negligeable (ma).
Vucetic et Dobry (1991) n'avaient pas noté d'infiuence de l'indice de plasticité Ip
sur le module Go dans le cas où les argiles &aient normalement consolidées.
Les expressions empiriques des modules Go sont donc globalement de la même
forme pour les sables et pour les argiles. Pour ces dernières, des paramètres supplémentaires
caract6risant la nature des argiles tels que l'indice de plasticit6 $ ou le rapport de
surconsolidation OCR peuvent intervenir (sans que ce soit systématique) dans les relations.
11.2.2- Relations issues d'études de terrain
Plusieurs auteurs ont établi des relations entre les modules de cisaillement in situ et
des caracttristiques de résistance. Quelques unes d'entre elles sont présentees ci-après.
Larsson et Mulabdic (1991) ont deduit d'une etude sur 14 argiles scandinaves la
relation suivante :
- Go, le module de cisaillement obtenu au &ne sismique, b
- Ta, la valeur de la résistance au cisaillement non-drainée,
- wl , la limite de fiquidite de l'argile.
- une correction sur les résultats de Go a et6 effectuke lorsque les d6fomations
appliquées lors des essais Ctaient sup6rieures h 10? Effectivement, Larsson
(1989) a pIacé la h i t e en deçà de laquelie Ie module obtenu était rtkiiement le
module maximai à lo4. Au delà, il préconise une correction du type
Go = G- x C, C étant donné par la figure 2.4.
Figtm X4 : Vaieur du ttrme correctif C h appliquer m module de chiliement m e u d en fonction des déformations appliquées (Larsson et Mulabdic, 1991)
Par ailleurs, alors que la relation précédente s'applique a un grand domaine d'argiies,
et même à des matériaux organiques, I'expression suivante donne de très bons résultats pou
tes ugiies moyennement à très plastiques:
Go = (y + 250) x T,=,, avec Ip, Isindice de plrrtid6 dei argiies.
A partir d'essais au piézocane et d'essais SASW sur 3 1 sites argiieux, Mayne et Rh
(1995) ont proposé les relations suivantes :
et vs = 9,414 (q,) 0,435 (k) OS2 , q. étant exprimb en Wa.
Ces dernières corrélations ont été vérifiées sur le site de Saint-Alban B partir des données
présentées par Lefebvre et al (1994): les vaIeurs obtenues approchent les valeurs des vitesses
relevées in situ avec la méthode SASW avec une erreur maximaie de 25%.
Kim et al (1994) ont remarqué qu'il y avait une relation directe entre le module
d'Young aux petites déformations E,, et la contrainte déviatorique maximale q- obtenue
à l'essai triaxial pour tous les geomatériaux (figure 2.5). les donntes de laboratoire étant
proches de celles de terrain.
Figure 2.5 : Relations entre E, et q-obtenues pour des essais en laboratoire pour un grand nombre de matériaux (Kim et al, 1994)
L x - 500 - pour les roches dures et tendres: - - 9 m u
Em, - pour les sols non-ciment&: : - = 1000 9max
La relation du module de cisaillement Go Zi des paramètres de structure a donc été reconnue
par de nombreux chercheurs.
11.3- Anisotropie
L'anisotropie intervenant dans le module de cisaillement aux petites déformations
Go peut être de deux types : -
- une anisotropie inhérente, étant définie comme une caractéristique physique du matériau
complètement indépendante des contraintes appliquées. Comme le faisaient remarquer
Nishio et Katsura (1994). la majorité des sols et roches sédimentaires présente des
discontinuités de plans et des orientations des grains résuIcant du processus sddimentaire.
Ceci leur confêre souvent un caracthe d'isotropie transversale: le plan horizontal est
isotrope mais les propriétés sont différentes dans les autres plans.
- une anisotropie induite liée au rapport des contraintes exercées sur l'échantillon (le plus
% souvent horizontalement et verticaiement, K =- ). C
=; C'est justement en considérant cette dernière forme d'anisotropie qu'est venue
l'idée d'obtenir le rapport des contraintes appliquées A partir du rapport des modules de
cisaillement Go ou des vitesses V, mesurés. Avec les relations citées plus haut, il est apparu
clairement que les deux contraintes et dans la direction de la propagation de I'onde et
dans la direction du mouvement des particules interviennent systématiquement dans
l'expression de GO. De cette manière, en considérant les expressions des contraintes
individuelles ainsi que des ondes dans des directions judicieusement choisies, il semblerait
y avoir une relation entre le rapport des modules et le rapport des contraintes appliquées.
Dans les notations suivantes, le premier indice associé au module Go correspond à la
direction de propagation de l'onde alors que le second représente la direction du
mouvement des particules. Ainsi, Govh correspond au module calculé à partir d'une onde se
propageant verticalement avec un mouvement des particules horizontal. Généralement, les
relations de Roesler (1979) sur du sabIe donnent :
avec 2nh=2nv=2n.
Dans la mesure où le comportement du sol correspond bien à cette forme, il est
possible d'exprimer le rapport des modules en faisant apparaître le rapport des contraintes
Kc:
-- Goth --- A'h KC , avec K, = % et dans la plupart des cas 2n = 0.25. G ~ h v AhV 0"
ANISOTROPE INHERENTr :
Cette première forme d'anisotropie peut être isolée en réàlisant des essais avec un
chargement isotrope ( e l ) et en mesurant le module suivant plusieurs directions. Les
études conduites à ce propos ont mis en évidence de manière assez unanime un rapport des
Gohh Shh modules sous chargement isotrope proche de 1.1 à 1,2 : - = - = 1,l à 1,2. Sully et ai %hv Shv
(1995) l'ont montré sur les argiles de l'Ouest Canadien, Jamiolkowski et Lo Presti (1994)
sur du sable de Ticino, Jamiolkowski et al (1994) sur des argiles naturelles Italiennes, La
Presti et al (1993) sur de l'argile de Fucino, Pisa et Panigaglia.
Une étude a été réalis6e à l'université Lavai par Boutin (1991) sur un grand nombre
d'argiles de l'Est du Canada (Mer de Tyrell, Mer de Bartow Ojibway, Mer Lafiamme et
Mer de Champlain). Sous un chargement isotrope, les vitesses de propagation Vs ont été
mesurées avec un céléromètre, les échantillons intacts ayant été taillés suivant 4 directions
différentes (0.30.60 et 90 degrés). Les vitesses de propagation des ondes de cisailtement ne
présentaient pas d'anisotropie inhérente aux très faibles déformations. Ces résultats
semblent surprenants ktant donné la structure anisotropique de ces argiles. Toutefois, Park
et al (1994) ont noté, après avoir réaiisé des essais sur du sable mis en place par 'air
pluviation' avec des couches dont la direction variait de O à 90' avec l'horizontale, que le
comportement aux petites deformations (do? etait isotrope alon qu'il devenait anisotrope
à de plus grandes déformations et devenait Ci nouveau isotrope à l'état résiduel.
Des rapports de contraintes Kc de 1 n'ayant pas 6té appliqués lors des essais réalisés
dans le cadre de notre programme sur les argiles de Louiseville et de St-Alban, les
conclusions de Boutin (1991) précédemment citées n'ont pu être v6rifiées.
Cette fois, en appliquant un rapport de contraintes anisotrope et en admettant que la relation
de Roesler (1979) est valide, la mesure du rnoduie suivant les deux directions horizontale et
verticale permettrait d'aboutir la valeur Vés intéressante du rapport des contraintes
appliquées Kc et donc du rapport Ko en place dans la mesure où les essais seraient réalisés
sur le terrain.
La relation entre le rapport des contraintes en place et le rapport des modules est de
la forme: Kc = -.- , car 2n = 0,25. Le même type de Ahh Gohv
relation avec les vitesses de propagation des ondes de cisaillement Vs peut être utilisCe
(Go = p - vs2) , ce qui permet d'utiliser directement les valeurs mesurées:
des coefficients
propres à l'anisotropie inhérente. Au vu de I'exposant élevé rattaché aux rapports des
valeurs mesurées (Vs ou Go) et des coefficients empiriques Cij, le coefficient Kc déterminé
de cette manière devient très sensible aux légers écarts qui peuvent affecter ces différents
paramètres.
Dans cet esprit, Li Yan et Byrne (1990) ont essayé, par le biais d'une relation
empirique qu'ils avaient trouvé des plus prkises, de trouver Ko : Ko =
( ( ~ v l ~ h ) / ( ~ s v ~ s h ) ) ~ ~ avec:
- Vsv et Vsh, les vitesses de propagation des ondes de cisaillement verticale et
horizontale,
- Cv et Ch, des coefficients tirés des courbes de Vs versus o
- n=0,5
Xi s'est avéré que les valeurs obtenues sur le sable présentait une dispersion t rh importante,
ceci étant probablement dfi Zt la grande influence des coefficients Cv, Ch et n qui ne se
mesurent pas très précisément.
Une étude sur six argiles italiennes (Jamiolkowski et al, 1994), réalis& avec des
éléments en piézocéramique, et dans des oedomèûes dont l'un disposait d'un capteur de
pression pour la conuainte horizontde a permis de comparer le rapport issu des valeurs
[ ~ v O0hh YIZn =[Mv G0hh 7 obtenues par la formule empirique dejh citée : Kc = --- -.- - Ahh G ~ h v f i h G0hv
au rappon provenant des valeun de Gai et Ga. obtenues avec les essais. Les valeurs de A*,
et Au. ont été tirées des miüeures 3pproximations des expressions de Roesler (1979). Ces
relations approchaient correctement le componenicnt des argiies étudiées lors des essais aux
tlérnents piézociramiques. Les figures 2.6a et 2.6b montrent les-résultats obtenus sur les
argiles de Pise et de Panigaglia.
Figures 2.6a et 2.6b : Rapport des modules ChIJG., versus le rapport des contraintes Ko a- Argile de Pise b- Argile de Panigaglia (Jamiolkowski et al, 1994)
Le même type de résultat a été observé par Beilotti et ai (1995) lors d'une étude du
sable de Tucino dans une chambre de calibration de 1.2 mène de diamètre par 1.5 mètre de
hauteur. L'augmentation du rapport des modules en fonction du rappon des contraintes
appliquées Ko était de la forme G O ~ G O ~ F 1 . ~ * K C ? ~ .
Suiiy et Campanella (1995) ont 6tudié sur le remah trois sites d'argiies proches de
Vancouver. Il en est ressorci que la vitesse de propagation des ondes de cisaülement etait
influencée par l'anisompie structurale qui masquait les effets dus aux contraintes. Ces
résultats sont reproduits sur la figure 2.7. il est ciair que le pros des Ko empiriques ne suit
pas du tout celui des Ko msuds in situ.
Figure 2.7 : Profils de Ko empiriques comparés au profil de Ko in situ
(Sully et Campanella, 1995)
CHAPITRE III
EQUIPEMENTS,
MODES OPERATOIRES
mi- Les essais en laboratoire: les éléments en pihéramique
111.1.1- Principe
L'uciiisation des benciers (éiéments piézocéramiques) pour déterminer Ie module de
déformation d'un sol est une méthode dynamique qui se base su . la propagation des ondes
de cisaillement dans ce sol, Les ondes utilisées ayant une amplitude très faible (déformation
induite de l'ordre de IO-' %). Ics modulw obtenus sont des modules maximums, not6s Go.
Après avoir mesuré ia vitesse des ondes de cisaillement en visualisant celles-ci sur
un oscilioscope, le module de cisaillement est obtenu à l'aide de la relation suivante :
G , = ~ - v , ~ . -
m1.2- Equipement utilisé
- Les benders : de dimensions 13 x 10 x 1 mm, les déments piCzocéramiques utilisds lors des
essais sont entourés par deux électrodes de cuivre. Deux phases délicates sont dors
nécessaires pour l'utilisation de ces éléments dans l'échantillon de sol :
- assurer des connexions électriques qui penriettent la transmission et la réception du signal
6lecmque respectivement pour le bcnder émttteur et le bcnder récepteur. La soudure a &té
retenue matgré la sensibilité des éléments à la chaleur. Les fils électriques utilisés doivent
donc être assez fins pour que la soudure soit minime tout en sachant que plus le fil est fin,
plus la tracsrnission du signal élecmque est faible.
- protéger les benders de l'humidité à laquelle ils sont très sensibles. L'immersion des
benders dans l'argile humide étant d'un mois environ (durée d'un essai). Il s'agit donc
d'assurer une imperméabilité durable qui n'empêche ou n'absorbe pas les très faibles
mouvements vibratoires des éléments. Pour ce faire, de fines lamelies de verre sont coilées
de pan et d'autre des benders avec une r6sine époxy demandant 24 heures de prise. Les
lamelles étant très minces, il est impossible de les tailler aux bonnes dimensions avant le
collage. 11 faut donc les limer au papier sablé après les avoir liCes à I'élérnent piCzo&ramique
sur lequel les fils Clecmques avaient été préalablement soudés. Les grains du papier sablé
sont le plus fin possible de manière à éviter le bris des IameUes et la formation de
microfissures dans la protection.
A ia fin du lunage, une protection de verre et de résine epoxy doivent entourer les
arrêtes de l'élément sur un rrdlidtre. Les benders avaient finalement des dimensions
d'environ 1 4 x 1 2 ~ 2 mm.
Deux types de soudure sont réalisés :
- l'un (figure 3.1) permet d'obtenir des éléments piézoc6ramiques montés en paraU1e er qui
seront utilisés en émtteur.
Figure 3.1 : Elément pidzocéramique monté en paraIl&
- I'autre (figure 3.2) permet d'obtenir des déments piézocéramiques montés en série. La
direction de polarisation ainsi opposée favorise I' utilisation des benders série en récepteur.
Normalement, ces derniers ne captent pas les ondes de compression qui pourraient exister
puisque les ondes de compression n'ont pas de polarité inversée. Cette remarque nous
sexvira aussi Ion de nos essais puisque l'on pourra vérifier que les ondes reçues sont bien
des ondes de cisaillement en inversant les branchements des benders : le signal reçu devra
alors être inversé.
Figure 3.2 : Elément piézocéramique monté en série
Ces deux phases étant réalisées, il s'agit ensuite de placer les benders dans un petit
support cylindrique en PVC à l'aide d'une résine EPOXY 5 minutes. Ce socle vient alors
s'encastrer, par le biais d'un joint torique, dans la base o u la tête des ceUules triaxiales ainsi
Figure 3.3 : Détails des 4 benders niontés pour la grande ceilule
Les celiules : les essais ont été réalisés dans des cellules nkiaies afin de pouvoir impose
des contraintes verticales et horizontales connues (conditions drainées). Deux cellules on
eté utilisées :
- une petite cellule (figure 3.4) dans iaquek les ondes sont propagées uniquemn
verticalement (direction du mouvement des particules horizode). Dans ce cas. lei
dimensions de l'échantillon sont de 3.5 cm de diamèae par 7 cm de hauteur. Dans la ceUuk
utilisée. le drainage n'était réalisé que par ia face inferieure.
- une grande cellule (figures 3.5 et 3.6) qui permet de placer des benders dans deu?
directions : l'une verticale (direction de propagation verticde, direction du mouvement de!
particules horizontale) et l'autre horizontale (direction de propagation et direction d~
mouvement des particules horizontales) et de faire ainsi une analyse d'anisotropie. Le:
benders latéraux sont insérés B mi-hauteur de l'échantillon, et reliks à la cellule pai
l'intermédiaire d'un ressort. De cette rnaniè~t, I'échantiiion peut subir des déformations
latérales sans trop altérer son contact avec Ie knder. Les dimensions de l'échantillon sont de
10 cm de diamètre sur 10 cm de hauteur. De cette mani&re, un facteur d'échelle éventuel
aurait la même influence dans les deux directions.
Dans cette cellule, le drainage peut se faire par les deux faces.
L'osciUoscope : la visualisation des ondes émises et reçues s'est faite avec un oscilloscope
MCOLET 3 10 et TEKTRONIX 2230
L'émetteur d'ondes : PRAGMATIC 2202 A
Une onde carrée a souvent été utilisée pour déterminer la vitesse & propagation des ond
de cisaillement. Ayant remarqué une variation de vitesse de propagation au cours des
premières périodes d'un train d'ondes, il nous a semblé plus intéressant et plus fiable
d'émettre un train d'ondes comportant un nombre de périodes suffisant B la stabilité du
ropagation de l'onde : verticale
ouvernent des particules :
Figure 3.4 : Schdrna de la petite cellule d'essai
OSCILLOSCOPE
Figure 3 3 : Schdma de In grande celIuIe d'essai
Figure 3.6 : Photographies de la grande cellule d'essai
temps de réception (> 5 périodes) et de considérer l'arrivée d'un pic dans le 'régime
permanent'.
Ainsi, le type d'onde utilisé pour le calcul des vitesses de propagation est un train
d'ondes de huit sinus d'une Hquence de lOûûHz et d'une amplitude & 20. mV pic à pic.
La Mquence est choisie de manière ce que l'arrivée de Sonde au récepteur ait L u apds la
fin du signai.
111.1.3- Mode opératoire
Les benders étant connectés à I'oscilloscope et à l'émetteur d'ondes, ils sont alors
testés de manière à vérifier que les différentes manipulations n'ont pas endommagé les
soudures. En plaçant émetteur et récepteur bout à bout, puis en les maintenant écartés dans
de la plasticine, on determine le sens A respecter pour avoir une b 0 ~ e polarité. On vinfie
aussi que le signal reçu a une amplitude sufiante pour déterminer correctement les temps
d'arrivée des ondes (impression d'écrans sur la figure 3.7).
T E K T R O N I X 2 2 3 0
Figure 3.7 : -@emples d'ondes pour ha preparation de l'essai
Après avoir tail16 i'échantillon aux bonnes brisions dans une chambre humide pour ne
pas changer sa teneur en eau, on vient placer pierres poreuses et papiers filtres saturés sur la
base et la tête de l'échantiilon. Ces éléments ont préalablement été perforés de manière à
laisser passer lesknders qui sont déjà fixés. Il est alors possible'de mesurer les longueurs
des proéminences des benders dans l'échantillon de façon à obtenir la distance exacte du
parcours des ondes (distance séparant les extrémités des benders émetteur et récepteur).
L'échantillon peut alors être placé sur son socle. Suivant la raideur et le diamètre des argdes
testées, l'échantillon peut se fendre Iorsqu'un bender y est inséré. Il peut alors s'avérer utile
de former une fente dans l'échantillon à l'aide d'une aiguille. Cette opdration ne doit pas
détériorer le contact sol-bender qui est très important dans la transmission du signai
mécanique. Il ne reste plus qu'A ve& placer la membrane autour de I'échantiIlon, placer la
tête de chargement et enfin réaliser l'étanchéité avec des joints toriques.
Pour la cellule de grand diamètre, des opérations supplémentaires sont nécessaires à
la bonne mise en place des benders latéraux. Une fois la membrane insraJlée, il faut perforer
celle-ci pour venir insdrer les benders latéraux dans le sol. Il est alors indispensable de
rétablir une bonne étanchéité de manière à éviter tout échange entre le sol et le liquide
cellulaire. Les suppons des benders latéraux étant plats, il nous est nécessaire de réaliser des
plats complémentaires sur l'échantillon (avant & mettre en place la membrane). 11 suffit
ensuite d'appliquer un produit imperméabilisant sur le contour des support au contact de la
membrane. Le produit utilisé est un M-COAT B, plusieurs couches sont necessaires.
Finalement, la cellule est remplie avec de l'huile & silicone : la durée des essais étant d'un
mois au minimum, la membrane toujours un peu perméable à l'eau peut induire des
changemnts de volume parasites ; la perméabilité étant plus faible à l'huile de silicone, le
phénomène est moins marqué. De plus, l'huile de silicone est isolante contrairement l'eau.
m.1.4- Interprétation des mesures
La visualisation des ondes émises et reçues sur l'oscilloscope permet de déterminer
le temps qu'a mis l'onde pour se propager de I'extrtmité du bender emeneur à l'extrémité
du bender récept-eur.
Ayant determint lors de la mise en place de L'€chantillon. la distance entre ces deux
extrémités L, il est alors possible de calculer la vitesse de propagation des ondes de
cisaiIlement. Les variations de la hauteur de l'échantillon durant l'essai ont été prises en
compte dans les calculs de vitesses. La figure 3.8 montre un exemple d'exploitation des
résultats.
La vitesse se calcule par: V, = Ut . L etant la distance entre les deux extr6mitds des
Pour obtenu le module Go, il suffit alors d'appliquer la reiation vaiable dans le domaine
élastique : Go = p - v,' . La encore, les variations volumiques ont et6 consid€rées pour
calculer la densité p.
La lecture des ondes a kt6 l'un des principaux problemes rencontrés lors de nos
essais. Maigré une mise il la terre des fils Qectriques et de la celluie utilisée. des difficultés
d'ordre divers ont perturbé le bon dérouiement des essais. Des exemples d'ondes reçues
sont donnés dans l'annexe 1. Peut-être faudrait-il mieux isoler la celluie des perturbations
extérieures qu'eue peut subir.
A ce propos, Viggiani et Atkinson (1995) ont récapitulé les principdes causes d'erreur lors
de l'emploi des benders. Partant de la relation. Go = p - v 2 , l'erreur sur G peut s'exprimer
AG0 Ap - AL At de la façonsuivante: -=-+2*-+2*- Go P L t
Erreur sur t : - onde de champ proche
- absorption
Erreur sur L : - L = H - 2*dande, (cf. schéma précédent)
Les variations de hauteur de l'échantillon ont été prises en compte dans les
calculs de vitesse.
Erreur sur p : - les variations de teneur en eau au cours de l'essai ont été prises en
compte pour le calcul de la masse volumique.
- le volume du gros échantillon : les surfaces planes réalisées pour un
meilleur contact des benders latéraux à l'échantillon occasionnent des
variations de volume assez mal maîtrisées.
Les essais sur le terrain : la tomographie
III.2.1- Le principe
Développé par Hoar (1982), la tomographie constitue un essai «cross-holev dont les
particularités sont les suivantes (figure 1.12) :
- l'émission et la réception se font dans des forages maintenus par un tubage en PVC. Il est à
noter qu'une zone plastique se fornie autour d u tubage sur une distance de 0,4 2 i 1,2 fois le
diamètre de celui-ci, ce qui a gedralement pour effet de dirriinuer la vitesse de propagation
des ondes. Dans noue cas, un préforage est effectué syst6rnatiquement, ce qui amoindri
sensiblement le remaniement,
- la source se place à la profondeur voulue par le biais d'un système d'ancrage hydraulique.
- ie récepteur peut se fixer à une profondeur donnée grâce à une chambre à air qui se gonfle
depuis la surface. En se plaquant conne le tubage, le récepteur est fixé à la bonne
profondeur (émetteur et récepteur étant alignés horizontalement pour connaître la distance
de propagation des ondes). Ce dcepteur est constitué de géophones (systèm à induction) et
chacun d'eux réagit à l'arrivée d'une onde dans une des 3 directions orthogonales.
- l'acquisition se fait grâce à un séismographe placé en surface qui a l'avantage entre autres
de pouvoir superposer les réceptions correspondant à plusieurs séquences d'essais. Ainsi, la
source mécanique n'a pas besoin de créer de larges amplitudes puisque tes signaux de
rkeptions se superposent, les bruits de fond aléatoires disparaissent et l'arrivée de l'onde est
plus claire,
- un systeme de &cbnchement est relié au séismographe qui permet de démarrer
l'enregistremnt à un temps relatif correspondant à l'application de I'impukion qui génère
les ondes sismiques,
- le signai &mis est réversible en polarité ce qui permet, s'il y a lieu, d'annuler les ondes de
compression qui, eiies, ne sont pas réversibIes.
III.2.2- Equipement utilise
L'équipement complet de l'essai de tomographie est de marque BISON Insrruments.
- Les gdophones : ces récepteurs sismiques transfornient les vibrations mécaniques en
signaux élecmques d'amplitude propomonnelle et & même muence. Les modéles 1462
uElisis disposent de pois canaux pour trois directions orthogonales : deux horizontales et
une verticale.
- Le marteau : Le modèle 1465 est constitué d'une partie fixée dans le forage par le biais
d'un système hydraulique (enclume) et d'une masse reliée à la partie fixe par une liaison
glissière. Le mouvement de la masse s'effectue depuis la surface, Ia hauteur de chute étant
limitée par la longueur des tiges de liaison (figure 3.9).
a- Vue de face b- Vue de profil
F'igure 3.9 : Systhme d'émission du signal
- Séismographe : la marque utilisée pour les essais est BISON, modèle 8012. Comportant
douze canaux, il permet de visualiser simultanément tous les signaux reçus par 4 géophones. -
De poids modéré, il dispose d'un écran, d'un système d'enregistrement sur disquettes 3.5 po
et d'une imprimante qui permet de visualiser et d'interpréter rapidement les résultats. Outre
la possibilité ci-dessus mentionnée d'additionner des signaux, il comporte un menu de filtres
muentiels.
111.2.3- Le mode opératoire
Trois forages ont été utilisés pour nos essais : un pour l'émetteur. les deux autres
pour les recepteurs. Six canaux du système d'acquisition ont donc été exploités (3 canaux
par récepteur). Les forages ont été réalisés au minimum 4 jours avant les essais. Un cubage,
d'un diarnètre extérieur de 90 mm et d'une épaisseur de 6mm, a été foncé après avoir réalisé
un préforage légèrement plus petit que le diamètre du tube (de l'ordre du millhètre). De
cette manière, le remaniement est minimisé. L'utilisation & trois forages permet d'exploiter
la propagation de l'onde- entre les deux récepteurs. On considère effectivement, pour le
calcul des vitesses, la différence des temps d'arrivée du signal t2-tr, tz et ti correspondant
respectivement à la durée de propagation des ondes de l'émetteur au récepteur le plus
éloigné et de l'émetteur au récepteur le plus proche respectivement. Dans un premier temps
l'erreur de déclenchement qui peut survenir est éliminée puisqu 'elle intervient dans chacune
des durées t, et tz. Pour la même raison, l'effet des zones remaniées autour de chaque forage
(zones dans lesquelles les ondes se propagent généralement moins rapidement) est annulé.
Les émetteur et rkepteurs ont été placés aux profondeurs hées grâce à des
mrqucç n5geguliérement disposées (tous les 0,5 mttns) sur les câbles et cordes qui assuraient
leur liaison avec la surface.
Pour obtenir une arrivée d'onde bien distincte, les signaux reçus ont donc h é
additionnes, en inversant une fois sur deux Ia polaritt? (de la source et de l'acquisition) ce qui
permettait respectivement de limiter les bruits de fond aléatoires et de supprimer les ondes
de compression s'il y en avait. En moyenne, quatre signaux ont été superposes pour chaque
profondeur. Les chambres k air dont étaient munis Ies geophones ne se sont pas avérées très
utiles : outre des probEmes assez Mquents de degodement de ces deniikres, relies sans -
doute & la raideur trop importante des tuyaux d'mi& d'air, les résultats O'amplitude e
i'mivt5e de l'onde) ne diff€raienr pas, qu'elles soient gonflees ou non.
IIL2.4- Interprétation des résultats
Un exemple de résultats obtenus est présenté sur la figure 3.10.
L'exploitation se fait donc sur le temps de propagation de l'onde entre les deux forage!
récepteurs. De la même manière que pour Ies essais de laboratoire, connaissant le temps dr
propagation entre les deux géophones ainsi que leur écartement, on obtient directement ii
vitesse de propagation de l'onde de cisadiement. Pour le calcul de la vitesse, la distance dc
propagation de l'onde prise en compte est mesurée entre les axes des forages.
Pour obtenir le module Go, il suffit 1à encore d'appliquer la relation valable dans le domainc
élastique : G, =p-v,'.
Les canaux 1.2 ct 3 correspandent au g b p h a ~ 1, le plus proche & la source. Les canaux 4.5 et 6 c~rre~p~ndent au géophone 2, le plus doigné de la source.
Figure 3.10 : Exemple d'interprétation des résultats de terrain au disrnographe
CHAPITRE IV
SITES ETUDIES
ET PROGRAMMES D'ESSAIS
IV.1- Description des sites étudiés
Six sites au total dans la rdgion de la mer Champlain ont fait l'objet d'essais dont :
- trois au laboratoire : Saint-Alban, Louiseville et Saint-Esprit,
- cinq sur Ie terrain : Assomption, Benhiendie, Louisede, Mascouche et Saint-Alban.
Une description détaillée de chacun de ces sites est pr6sentée. Seule Z'argde de Saint-
Esprit, qui n'a donné lieu qu'A une petite campagne d'essais en laboratoire est dckite
succintement lors de l'explication sur le prograrmrr= d'essais correspondant, dans Le chapitre
lV.2.1, série 2 (étude de l'anisotropie).
IV.1.1- L'Assomption
Le site de l'Assomption a éd récemment exploité par l'université Lavai. Situé juste
aux abords de la rivière de l'Assomption, le terrain comporte un talus &.forte pente qui a
€té utiiisé lors dé l'étude sur ia stabiliré des pentes réalis6e Delisle M.C. (Thèse de
doctorat en préparation).
Les essais de tomographie ont été réaiisés sur une bande de terrain où le sol n'est pas
innuencé par Ia pente, située entre la route et le talus. Le terrain naturel est à une élévation
de 16 m L'alignement des 3 forages conespondait à la direction de la route. .
Le profil géotechnique de ce site est présenté à la figure 4.1 (Delisle et LeroueiI, 1997). En
surface, une croûte prend place sur une épaisseur de 2.5 m Une couche d'argiie grise
tachetée de noir, contenant un peu de silt et de sable, de consistance raide et de plasticité
élevée s'étend ensuite sur une profondeur importante. L'étude géotechnique présenci5e ici
n'excède pas 15 mètres de profondeur.
La limite de liquidité oscille entre 66 et 75 %, l'indice de plasticité entre 39 et 47%'
l'indice de liquidité étant de 0.8.
L'argile grise de plasticité &levée possède une résistance au cisaillement non drainé
mesurde au scissomètre Nikon qui varie linéairement de 68 kPa à 84 kPa entre 3 et 11 m de
profondeur. Au-delà de cette profondeur, aucun essai au scissomètre n'a été réalisé.
Parallèlement, des essais au cône suédois de 100 grammes ont donné des résuitats très
irréguliers entre 1 mètre et 15,5 mètres, dors que Ies essais au cône suédois de 400g sur la
dm épaisseur sont plus consistants et sont inf6neurs à la valeur de résistance au
cisailiemenr obtenue au scissoinètre. De plus cette argile est fortement surconsolid& avec un
rapport de surconsolidation passant de 7.5 B une profondeur de 3x1, à 3.2 à une profondeur
de 1 lm, la contrainte de préconsolidation o', stagnant autour de 230 kPa sur la profondeur
6nidiée. Pour ce qui est du rapport s h / il est de l'ordre de 0.30.
Le profl au piézocône, établissant la résistance en pointe et ks pressions
interstitieiies, réalisé avec les appareils de l'université Laval est présenté 2i la figurt 4.2. Dans
la croûte de surface, ia résistance en pointe, q,, atteint un maximum de près de 2000 kPa à
une profondeur de 1.3 m. Passé ce pic, elle augmente régulièrement de 700 kPa à 2.5 m
-------
de consistance raide
Cu (1 W O O ) -*- u c;l sin c--c O CU WW) -6
w WP WL - Sable A r, (--ml a, #P
Figure 4.1 : ProfiI des propridtds gtotechniques du sol h l'Assomption ; Forage L3, U.L., juin 1995 (ûelisle et Leroueil, 1997)
CPTU-O1 Él6vation T.N.: 16.50 m Prof. de départ: 0.66 m Prof. atteinte: 20.86 m
fi pur^ 4.2 : Profil au ~idzocône h I'Asomption @elide et Leroueil, 1997)
jusqu'à 1550 kPa 20 rn La valeur de Nin pour l'argile, qui définit Ie rapport dc
proportionnalité enue la résistance en pointe corrigée du poids des terres et la résistance ai
cisaillement non-drainée, prend une valeur de l'ordre de 13. Les pressions interstitielle:
(b), augmentent jusqu'à 200 kPa à 1.3m pour revenir à O à l'Sm Elles passent alors de
300 kPa à 550 kPa entre 1.6 m et 2.5 m puis augrrientent réplièriment jusqu'h 1OOO kPa 2
une profondeur de 20 rn
IV.1.2- Berthierville
Le site de Benhiede a déjà senri d'emplacement à un rembiai expérimental. Celui-
ci avait été construit dans le but d'étudier la consolidation de la couche d'argiie supérieure,
cette dernière Ctant située entre deux couches de sable (Kabbaj, 1985 ; Kabbaj et ai., 2988).
Le site choisi se trouve au nord de Benhiede, à proximité immédiate du viaduc
permettant le passage de l'autoroute 40 sur la route 158, figure 4.3. Ii s'agit d'un champ
d'environ 1 20 m de largeur par 340 m de longueur. Un fossé, d'une profondeur de 1.8 m er
d'une largeur d'environ 3 rn, entoure le champ sur pratiquement tour son pourtour.
L'emplacement retenu pour réaliser les essais se situe tout de suite, enue le fossé et le
rembIai cité plus haut.
La région de Benhiede se caractérise par des dépôts argdeux très épais qui se sont
formés dans Ia mer Champlain sur une période d'environ 3500 ans, il y a 12 000 ans. Cette
argile s'étend sur une épaisseur de 55 m au-dessus du substratum (Samson et Garneau,
1973). Avec le retrait de la mer Champlain, des dépôts stratifiés d'argile et de sable se sont
formés et ont recouvert la formation marine sur une épaisseur moyenne de 18m
Le profil géotechnique de Berthierville est présenté à Ia figure 4.4 (modifie de
Kabbaj, 1985). Ii se compose en surface d'une couche de 30 cm de sol arable, de 2 m de
sable moyen à fin et & 3.2 m d'argile silteuse molle, de plasticité moyenne et homogène sur
les 2.7 premiers mètres. Une suatitication de lits de sable fin se retrouve dans les 50 derniers
centidtres de cette couche argiieuse. Cette dernière repose sur une autre couche de sable
fin. C'est donc dans cette couche d'argiic de 3 mètres qu'ont €té réalis& Ies essais.
Figure 4 3 : Plan de localisation ddtaille du site des essais h Bcrthierville
Figure 4.4 : Profil des propridtés géotechniques du sol h Berthierville (modifie de Ksbbaj 1985)
pression (kPa)
L'argile moue et homogène (2.3 i 5 m) possède une résistance au cisaillenient non
drainé mesurée au scissonktre Nikon qui v h e de 12 kPa à 2.3 m à 21 kPa 2t une
profondeur de 5 m La teneur en eau de l'argile varie entre 50 et 65 %, sa limite de liquidité,
enue 35 et 50 % et son indice de plasticité, entre 16 et 27%. La partie supérieure du dépôt
est Iégèrement surconsolidée avec un rapport de surconsolidation de l'ordre de 1.4 tandis
que la partie inférieure est nonnaiement c o n s o ~ . Le rapport ~b / c f p est de i'ordre de
0.27.
Le profil au piézocône (Martel, I996), établissant Ia résistance en pointe et les
pressions interstitielles, réalisé avec les appareils de I'Université Lavai, est présent6 à la
figure 4.5, Dans la première couche de sable (0.3 à 2.3 m), la &sistance en pointe, q,, est
supérieure h 1500 kFa pour atteindre un maximum de 8ûûû kPa à 1 m de profondeur. Au-
deià de cette couche, le prof3 moyen de résistance en pointe varie linéairement de 200 kPa à
300 kPa à une profondeur de 5 m pour ensuite augmenter jusqu'à 500 kPa avant de pknéuer
la seconde couche de sable à une profondeur de 5.5 m. La valeur de Nkt pour cette argile est
de l'ordre de I l . Les pressions interstitielles (u-) passent de O à 17 kPa dans la première
couche de sable. Lorsque le capteur pénètre dans l'argile (2.3 rn), les pressions croissent
jusqu'à environ 100 kPa pour atteindre 150 kPa à une profondeur de 5 m. Dans la zone
stratifiée (5 à 5.5 m), elles oscillent entre 140 et 170 kPa dans I'argiie et entre 50 et 70 kPa
dans Ies lits de sable. Dans I'argile, le frottement diminue à moins de 5 kPa. Dans la zone
stratifite, iI augmente léghrement jusqu'à environ 10 kPa à une profondeur de 5.5 m
IV.1.3- Louiseville
Depuis plusieurs années, le site & LouisevilIe sert de référence lorsqu'il s'agit de
mettre au point, de tester et / ou de calibrer des appareils dans un sol argileux (Hamouche et
ai, 1995). L'argiie que I'on retrouve, a Ia caract61-istique d'eue très homogène sur plusieurs
dizaines de mètres de profondeur et ce sur une grande étendue. Cette homogénéitt permet
donc de comparer plusieurs essais réalisés ii l'aide d'un même appareil ou de faire des
c50rrélations entre les résultats obtenus par divers appareils.
Le site de LouiseviUe est situ6 il environ 2 km au nord de l'autoroute 40, B la
rencontre de la route 138 et du chemin r e h t l'échangeur du rang de la Concession de
l'autoroute 40 à la route 138, 8 km à l'ouest de Louiseville. La figure 4.6 présente le pIan de
localisation (d'après Leblond et Tavenas, 1980). L'élévation moyenne du terrain est de
9.15 m.
Le profil géotechnique du sol de LouiseviUe est présenté à la figure 4.7 (modifié de
Leblond et Tavenas, 1980). 11 se compose d'une croûte d'argiie ferme oxydée et fissurée sur
1.8 m d'épaisseur, qui repose sur un épais dépôt d'argile silteuse grise qui s'étend jusqu'à
une profondeur d'au moins 30 mètres.
L'argile siiteuse de plasticité élevée possède une résistance au cisdement non drainé
mesurée au scissomètre Nilcon qui augmente de 24 kPa à 2 m jusqu'à 50 kPa à une
profondeur de 12 rn La teneur en eau de I'argiie dirninue avec la profondeur ; elle passe de
90 i3 65 % entre 2 et 14 m La lunite de liquidité varie entre 60 et 70 % et I'indice de
plasticité, entre 40 et 47 %. De plus, cette argiie est fortement surconsolidée près de la
surface avec un rapport .de surconsolidation & l'ordre de 5.5. Celui-ci diminue avec la
profondeur pour atteindre environ 2.7 B une profondeur de 12 a Pour ce qui est du rapport
~ h , / o', , il est de l'ordre de 0.27.
Le profil au piézocône (Martel, 1996), établissant la résistance en pointe et Ies
pressions interstitielles, réalisé avec les appareils de l'université Laval, est présenté à la
figure 4.8. Sous la croûte de surface (1.8 m), la résistance en pointe, qt, croît rapidement et
passe de 250 kPa à environ 500 kPa à une profondeur de 3 m. Au-delà de cette profondeur,
le profil moyen de la résistance en pointe a u p n t e linéairement pour atteindre 1200 kPa à
une profondeur de 20 m. La valeur de Nb pour cette argile est de l'ordre de 13.5. Les
pressions interstitielles mesurées juste defiihre la pointe conique (u-), tout comme la
résistance en pointe, augmentent rapidement jusqu'h une profondeur à 3 m. Celles-ci, nulles
jusqu'à une profondeur de 0.5 m, atteignent 250 kPa B 3 m. Au-delà de cette profondeur,
eiles croissent de manihe constante et prennent une valeur moyenne de 750 kPa une
profondeur de 20 rn Finalement, le âottement enregistré dans la croûte de surface (0- 1.8 m)
atteint un maximum de 12 kPa à une profondeur de 0.8 m. Au-delà de cette crocte, le
frottement oscilie entre 2.5 et 5 kPa jusqu'à une profondeur de 7 m. A partir de cette -
Figure 4.6 : Plan de localisation du si& de Louiseville (Rang de la concession)
6 - 3-
5 - 4-
4 - 5-
3- 6-
2- 7-
1- 8- - 0- 8-
"1 - 10- - -2 - II- - -3 - 12- - -4 - 13-
Figure 4.8 : RoFd au pihcône P huiseville (Martel, 1996)
profondeur le frottement moyen augmente légèrement pour atteindre 7 kPa ii 20 m dc
profondeur.
IV.1.4- Mascouche
Dans le passé, un site particulier situé dans la région de Mascouche f i t déjà utilisii
pour réaliser une étude ponant sur le comportement avant rupture, des pentes argileuse:
naturelles (Marchand et Tavenas, 1982). Cependant, ce site n'étant plus accessible, ur
nouveau terrain localisé dans cette même région a été utilisé pou. la présente étude. Il dtaii
intéressant d'ajouter ce site car la région de Mascouche possède une argiie fonemeni
surconsolidée comparativement aux autres sites considérés.
Le site choisi se trouve B environ 1 lan de Mascouche, à proximité du viaduc
permettant le passage du chemin Sainte-Marie sur l'autoroute 25, figure 4.9. Il s'agit du
champ se retrouvant à l'intérieur de la sortie de l'autoroute nienant au chemin Sainte-Marie.
L'emplacement retenu pour réaliser ces essais est situé approximativement au cenue de ce
terrain.
Le profil géotechnique de ce site est présenté à la figure 4.10. Il se compose d'une
croûte d'argile raide, oxydée et fissurée, d'un peu plus de 2 m d'épaisseur qui repose sur une
couche d'argile grise, ferme, uniforme et de plasticité élevée qui s'étend jusqu'à une
profondeur d'environ 9 m. Sous cette couche, une autre couche argileuse moins homogène
que la précgdente, s'étend au moins jusqu'à 14m
L'argiie grise de plasticité élevée possède une rtsistance au cisdement non draind
mesurée au scissomètre Nilcon qui varie linéairement de 68 kPa B 80 kPa entre 4 et 6.25 n
de profondeur. Au-delà de cette profondeur, elle croît plus rapidement pour atteindre 105
kPa h une profondeur de 8m. Par la suite, eue oscille entre 80 et 130 kPa jusqu'à une
profondeur de 14 a La teneur en eau de l'argile comprise entre 4 et 8 m, varie entre 64 et
69 %, la limite de liquiditt, entre 59 et 64 % et l'indice de plasticité, entre 32 et 38 %. De
plus, cette argile est fortement surconsolidée avec un rapport de surconsolidation de l'ordre
de - 4.5. Pour ce qui est du rapport s b / o',, il est de I'ordrc de 0.30.
Le profil au piézocôrte (iMmei, 1996). érablissant ia résistance en pointe et les pression!
intersritielies, réalisé avec les appareils de l'Univcrsitt5 Lavai, est présenté à la figure 4.1 I .
chemin Sainte-Marie
Figure 4.9 : Plan de localisation du site de Mascouche
Figure 4.10 : Profi! des propriétés gdotechniques du sol P Mascouche (Ministere des transports)
F m e 4-11 : Profil au piézocôae P Mascouche (Martel, 1996)
Dans la croûte de surface, la résistance en pointe, qt. atteint un maximum de prés de 9000
kPa à une profondeur de 1.8 m. Passé ce pic. elie diminue jusqu'à 500 kPa à une profondeur
de 3.25 rn Par la suite, eue croît assez rapidement pour atteindre un peu moins de 1OOO kPa
à 4 m de profondeur. Entre 4 et 8 m, le profil moyen de la résistance en pointe augmente
héairement et passe de 925 kPa à environ 1500 kPa. Au-delà de cette profondeur, la
résistance en pointe oscille entre 1350 et 1700 kPa jusqu'a une profondeur de 14 m. La
valeur & Nt[ pour l'argile comprise entre 4 et 8 m est de i'ordre de 13.5. Les pressions
intersririelies mesurées immédiatement derrière la pointe conique (LI-), nuUes jusqu'à une
profondeur de 2.2m, augmentent iégèrement pour atteindre environ 65 kPa à une
profondeur 4 m Au-delà de cette profondeur, eues croissent plus rapidement pour atteindre
700 kPa à 7 m de profondeur. Entre 7 et 14x11, eues n'augmentent que très légèrement
passant de 700 à 900 kPa. Findement, le fkottement enregistré dans la croûte de surface
atteint un rnaxixnum de plus de 120 kPa aux alentours de 2 m de profondeur. Au-delà de
cette croûte, Ie frottement oscille tout en diminuant, passant d'un maximum de 25 kPa à une
profondeur de 5 m à un maximum de 12 kPa à 14 m de profondeur.
Le site de Saint-Alban est un site bien connu car de nombreuses études ponant sur
les argiles molles y ont &té réalisées (La Rochelle et al, 1974 ; Tavenas et ai, 1975). Parmi
ces etudes, Lefebvre et al (1994) onr réalis6 des essais 2i la colonne résonante en laboratoire,
ainsi que des essais SASW in situ.
L'échantiUonnage et les essais ont étd réaüsés sur le site c x p k n t a l de la section de
géotechnique de l'Uriiversit& Laval. Ce dernier est situé dans la localité de Saint-Alban, à 80
km à l'ouest de la d l ~ , de Québec, sur la rive nord du fleuve Saint-Laurent (figure 4.12).
Le profil type du sol & Saint-Alban dans Ia zone investiguée est présent6 h ia figure 4.13. Il
se compose d'une croûte d'argile raide alté& de 1.5 m d'épaisseur, d'environ 8 m d'argile
silteuse molle et sensible, d'origine marine, puis de silt argileux plus stratifié.
L'argiie moue et sensible possède une résistance au cisaillement non drainé mesurée
au scissomètre Nilcon qui varie de 10 Wa à 2 m jusqu'à 30 kPa à une profondeur de 8 m
La teneur en eau de l'argiie varie entre 30 et 100 %, ia l a t e de liquidité, entre 20 et 50 %
et l'indice de plasticité, entre 10 et 23 %. Les résultats des études antérieures (La Rocheiie
et ai-, 1974 ; Tauenas et ai, 1975) indiquent que le dép8t est relativement homogène et que
l'argile a subi une quasi-préconsolidation dut la consolidation secondaire et au
vieillissement du dépôt. Ceci se traduit par un rapport de surconsolidation de l'ordre de 2.2.
Pour ce qui est du rapport z b / os,, il est de l'ordre de 0.24.
Le prof2 au piézocône (Martel 1996). &ablissant la résistance en pointe et les
pressions interstitielles, réalisé avec les appareils de l'Université Lavai, est prbsenté 2 la
figure 4.14. Le profil moyen de la résistance en pointe, q,, varie linéairement de 120 kPa
sous Ia croûte de surface (1.3 m) à 550 kPa à une profondeur de 10 n La valeur de NkL
pour cette argile est de l'ordre de II. La pression interstitielle mesurée juste derrière ia
pointe conique (UW) augmente de &ère réguiière passant de 30 kPa à 1.3 m de
profondeur à 370 kPa à 10 m.
Figure 4.12 : Localisation du site des essais de Saint-Alban
Figure 4.13 : Profil des propriétés gdotechniques du sol A St-Alban (Kabbaj, 1985)
I I I I I I I I I I I I -1 1 1 I I f - -
Figure 4.14 : Profil au piézocdne 1 Saint-Alhan { Marte1 ,1996)
w.2- Programmes d'essais
1V.2.1- Essais de laboratoire
Les ddpôts d'argile de Saint-Alban et de Louiseville ont été testés en différentes
profondeurs choisies de teiie sorte qu'une comparaison entre les essais de laboratoire et de
terrain soit possible.
Le programme des essais de laboratoire a été a m d é autour de deux objectifs
principaux :
- mise en évidence de l'effet de la structure et des contraintes ;
- mise en évidence de I'effet de l'anisotropie de chargement.
SERIE 1 : Effet de la structure et des contraintes
Le cheminement des contraintes est Ie même pour tous les essais, il est présenté sur
la figure 4.15 avec la courbe d'état limite approximative de l'argiie de St-Alban à 5.04 m.
En partant d'une argile intacte surconsolidée non chargée, la courbe d'état limite est
atteinte en 6 paliers consécutifs (AG',- 0,15*0',, o', étant la conuainte effective verticaie
et cfp la contrainte de préconsolidation) tout en respectant un rapport de contraintes voisin
du rapport des contraintes au repos du sol nomaiement consolidé Ge, et pris égal à 05. Le
rapport des contraintes de 0'5 observé sur l'essai oedométrique fretté latéralement a été
choisi pour que les déformations latérales soient minimisées et ainsi que les contacts sols-
benders latéraux ne soient pas altérés en cours d'essai. Dans le domaine surconsolidé, les
paliers ont une durée de 24 heures.
Ensuite, l'argile est déstructurée le long du même cheminement de contraintes, avec
un ou deux paliers supplémentaires au-delà de la courbe d'état limite. Cette fois Ia durée
des paliers est telle que la consolidation primaire de l'argile est terminée.
A partir de là, un déchargement puis un rechargement sont réalisés en respectant
toujours le même rapport de contrainte de 0'5 mais avec des paliers de déchargement ou de
rechargement tels que AG', 0,2*0'-, o',, étant la contrainte verticde maximale
appiiquée à l'échantillon. L'argile étant dans son domaine surconsolidé, la durée de chaque
palier est à nouveau de 24 heures.
Le type d'onde utilisé pour le calcul des vitesses de propagation est un train d'ondes
de huit sinus d'une fréquence de 1000 Hz et d'une a m p h d e de 20 mV pic A pic. Lors de la
vibration du bender récepteur, une phase transitoire a été mise en évidence et on peut
considérer qu'à partir du sixième pic, le bender a atteint son régime permanent. Les temps
mesurés sont ceux de l'arrivée du huitième pic (figure 3.8). Si l'on avait considéré Ies
premiers pics, les temps mesurés auraient été inférieurs donc les vitesses supérieures.
Le tableau 4.1 répertorie les essais effectués pour cette première drie. La
profondeur des blocs d'argiie non remaniée utilisés pour les échantiUons ainsi que le format
de la cellule utilisée (figures 3.3 et 3.4) pour chaque essai y sont spécifiées. Au total, huit
essais ont donc été réaiisés pour l'6tude de la sûucture des argiies (dont trois sur la grande
cellule et cinq sur la petite).
I I SAINT-ALBAN I LOUISEVILLE I 1 1
Profondeur 12'68 rn 13'85 m 15'04 m 15,96 m 15,96 m 14,53 m 17'28 m 18,95 rn I 1 I I I I I 1
T y p de d u l e ] p d t e 1 petite 1 petite 1 pctite 1 grande 1 grande 1 grande 1 petite
Tableau 4.1 : Essciis effectués pour l'étude de In strricïure - Série
SERIE 2 : Effet de l'anisotropie
Ce paramètre devait pouvoir être mis en évidence grâce à la grande cellule d'essai
qui comporte deux paires d'éléments en piézocéramique polarisés dans deux directions :
verticale et horizontale. Outre les quelques résultats qui ont pu être tirés de la série d'essais
à rapport de contraintes horizontaies et verticales constant (K = 0,5), des essais
supplémentaires ont été réalisés de manière a étudier l'évolution du rapport des modules en
fonction du rapport des contraintes appliquées. Partant d'un point de consolidation au centre
de la courbe d'état limite du sol considéré, les cheminements en contraintes sont restés à
l'intérieur de celle-ci. L'argile n'a donc pas été déstmcturée. Les figures 4.16 et 4.17
montrent les cheminements suivis pour les argiles de Louiseville et de Saint-Esprit.
Figure 4.16 : Chemiacwnt d a essain pour l'&de de I'rnisotippie- Série 2 - LouiseviMe
Le site de St-Esprit (Tanguay et al, 1991), situé entre la rivière Achigan et la rivière
St-Esprit présente une couche d'argiie d'une épaisseur dant de 8 à 14 m. A la profondeur
des échantillom utilisés pour nos essais (6.1 m), i'argiie silteuse de couleur grise a une
teneur en eau de 80 %. Ses limites de plasticité et de liquidité sont respectivement de 24%
et 61%. Sa résistance au cisaillement obtenue au scissomètre est de 37 Ha, sa contrainte de
préconsolidation de 130 kPa et la contrainte effective verticale en place est de 52 kPa.
Figure 4.17 : Cheminement des essais pour I'étude de I'anisotmpie - Série 2 - St Esprit
Le tableau 4.2 répertorie les essais effectués pour cette deuxième série :
I LOUISEvrLT.,E I SAINT-ESPRIT I . 1
Profondeur 16,72 m 1 7,73 m I6,l m 16,l m
DISPERSION DANS LES RESULTATS :
Deux difficultés principales ont été rencontrées lors des essais :
- des problèmes survenus quant à la forme des ondes verticales reçues (signal superposi
masquant l'arrivée de l'onde, affaiblissement important des ondes reçues) expliquent le
nombre limité des essais sur la grande cellule. Des exemp1es.de résultats difficilemeni
exploitables obtenus sur l'oscilloscope sont donnés en annexe 1.
- on notera une certaine dispersion des résultats particuliérement lors des phases de
déchargement et de rechargement de I'échantillon. Ce phénomène pourrait être dû à un
moins bon contact sol-bender dans ces conditions.
1V.2.2- Essais de terrain
Des essais de tomographie ont été réalisés sur tous les sites décrits à la section IV-1 ;
les dépôts étudiés couvrent une gamme assez étendue de caractéristiques physiques et
mécaniques :
- indice de plasticité de 15% à 47 %
- indice de liquidité de 0,8 à 1'8
- contrainte de préconsolidation o', de 40 kPa à 400 kPa,
- rapport de surconsolidation OCR de 1.2 à plus de 6
- résistance au cisaillement non drainée Cu de 10 kPa à 112 kPa,
- résistance en pointe nette (au CPTU) qt-avo de 100 à 1350 kPa,
Ainsi, la mise en évidence de l'infiuence de ces caracteristiques sera plus aisde.
Suivant l'épaisseur de la couche d'argiie, les vitesses ont été mesudes tous les
mètres ou tous les 0,5 m. La distance entre les forages est restée entre 1.2 m et 4 m. Le
tableau ci-dessous (tableau 4.3) synthétise les caractéristiques des essais réalisés.
1 I
~erthierviile 1 2 m, entre 2.5 m a 4.5 m 1 1,25 m met 1,3 m I 1
Louiseville 1 10 m, entre 1 m et 11 m 3,12 met 3,2 m
DISTANCE ENTRE LES PORAGES
3,99 m et 4,05 m
SITES
Assomption
Mascouche 1 4m, entre3.5 met 7.5 m 1 1,61 m et 1,58 m
-
EPAISSEüR ET PROFONDEUR
DE LA COUCHE TESTEE
6 m, entre 1 m et 7 m
I 1
Saint-Aiban 1 5 m, entre 2 m et 7 m 1 1,62 m et 1,7 m
Tableau 4.3 : Pmgramme des 4 s de t e d
ANALYSE DES ESSAIS DE LABORATOIRE
V.1- Les résultats de la 1'" série : effeQ de la structure et des contraintes
Les huit essais de cette série, réalisés sur des argiles intactes, ont permis, malgré une
certaine dispersion, particulièrement dans les phases de déchargement et de rechargement,
de mettre en évidence des tendances assez; représentatives.
Tous les résultats bruts figurent dans i'anuexe 2. Ceux-ci présentent l'évolution du
module de cisaillement maximai Go caicuié A partir du temps de propagation de l'onde de
cisaillement en fonction des contraintes edktives verticales appliquks. Les courbes de
compression associées à chaque essai sont jointes à l'annexe 2.
Le tableau ci-dessous (tableau 5.1) mentionne Ies caractéristiques des essais réalisés
pour la série 1 (étude de la structure) :
ou Ah, dans le domaine ri.
(min.)
I I I
Louiseviiie 1 petite 1 8,95 I Tnblem 5.1 : Caractéristiques d a huit essriis réah& en laboratoire pour l'étude de
l'effd de la stmcture- Série 1
Rappelons que les vitesses de propagation des ondes de cisaillement V, sont
mesurées ii partir d'un train d'onde de huit sinus, de 20 mV d'amplitude et de 1000 Hz de
fréquence. Ce signal est transformé en une onde de cisaillement dans l'échantillon par le biais
d'un (benden) émetteur. A partir des signaux émis et reçu obtenus sur l'oscilloscope (figure
3.8)' le temps de propagation du huitième pic est mesuré. L a distance parcourue par l'onde
est la distance entre les deux extrémités des benders émetteur et récepteur. Les variations de
hauteur de l'khantillon pendant l'essai ont été prises en compte dans le calcul de la vitesse.
Les mesures sont réalisees après des paliers de 24h de chargement dans la phase
surconsalidée et après le temps nécessaire ti la consolidation primaire dans la phase
normaiernent consolidée.
Les modules de cisaiiiemerrî aux petites déformations GO sont alors calculés avec la
relation : Go = p - ~ , ' = (g = 9.81 mls2), les variations de voiume ayant été prises en 8
compte daas le calcui du poids spécifique y.
V.2- Description d'un comportement typique
Les résultats bruts portent donc sw les valeurs du module de cisaillement GO (issues
des mesures de propagation des vitesses) en fonction des contraintes appliquées.
La figure 5.1 représente un comportement typique obtenu lors d'un essai (argiie de St-Alban
a 5,04 m, sur la petite cellule), en notant toutefois que les comportements varient suivant les
essais, particulièrement en déchargement et en rechargement (tous les résultats bruts figurent
en annexe 2).
Figure 5.1 : Comportement typique des ugiles éfudiées
Phase de chargement :
Dans un premier temps, le moduie de cisaillement Go augmente assez régulièrement
avec la contrainte verticale osv. Puis, aux alentours de la contrainte de préconsolidation o',
(77 kPa pour la figure 5.1) l'augmentation devient généralement plus nette (sauf pour l'essai
5 de la petite cellule sur I'échantilIon de St-Alban à 5,96 m et pour I'essai 8 sur l'échantiilon
de L o u i s d e à 8,95 m). Lefebvre et al (1994), qui ont réalisé des essais sur l'argiie de St-
Alban à la colonne résonante, ont eux aussi remarqué que la déstructuration (après
dépassement de la contrainte de préconsolidation) ne diminuait pas la rigidité du squelette.
Au contraire, le module Go augmentait de 35%. Ce point sera discuté ultérieurement.
Phase de déchargement :
Pendant Ie déchargement de l'échantillon, le module Go diminue avec la contrainte
verticale appliquée et tend à se rapprocher, pour les plus faibles contraintes, de la valeur du
module obtenu au premier chargement sous ces mêmes contraintes. Les points de
déchargement sont pour Ia plupart situés au-dessus de la courbe de chargement (les modules
Go sont plus élevés) sauf pour les plus faibles contraintes où cette tendance semble
s'inverser. Notons toutefois que le comportement au déchargement comporte une certaine
dispersion. Ce phénomène apparaît clairement sur les résultats des essais 5 (petite ceiide),
6, 7 et 8, dans lesquels un point s ' d a t e simcativement de la pente moyenne.
Phase de recharnement :
Le module Go augmente à nouveau avec la contrainte, de façon assez irrégdiere là
encore. Les points de rechargement semblent se situer, tout au moins pour les essais de St-
Alban en petite cellule, entre la courbe de chargement et la courbe de déchargement. Sur la
petite ceiiuie, les derniers points dépassent les valeurs de Go obtenues lors du premier
chargement, alors que sur Ia grande ceiiuie, ils restent inferieurs.
L'essai sur un échantillon de St-Alban à 5,96 m a été réalisé sur les deux cellules (la
grande et la petite). La comparaison des modules verticaux GO obtenus (figure 5.2) n'est pas
très encourageante quant A la reproductibilité des résultats obtenus par les essais aux
éléments en piézocéramique et met en relief les difiicultés rencontrées. Les valeurs obtenues
sur la grande ceIIde sont plus élevées dans la première phase de chargement puis deviennent
inférieures par la suite. Le comportement en ih de chargement présente un aspect irrégulier
qui s'éloigue de celui observé dans les autres essais : le module n'augmente plus, et
Mement , les points du déchargement puis du rechargement partant d'une valeur maximale
nettement inférieure (20% de moins que la valeur obtenue sur la petite cellule) restent sous
Ia courbe de chargement. Est-ce dû aux dimensions de l'échantillon ou a un problème de
chargement sur les derniers points du premier chargement ? Nous ne le savons pas.
Globalement, Ies résultats issus des essais sur la grande cellule sont moins nets et
réguliers que ceux provenant des essais sur la petite cellule. Comme il l'a été mentionné
précédemment, les 8 sinus reçus sur les benders de la grande celule n'étaient pas toujours
très clairs et distinctifs, surtout sous un chargement important. L'erreur vient peut-être d'un
problème d'interprétation des ondes obtenues. Toutefois, pour chaque essai, que ce soit sur
la petite ou sur la grande celh.de, Ies résultats sont assez consistants, si ce n'est un ou deux
points sur la quinzaine qui s'éloignent de la tendance moyenne.
Rprt S.2 : Cornpuakm des modules G vciticaus pour la même ugüe (St-Alban, %%nt) obtenus avec la petite et In graude cellule
V.3- Argile intacte - Influence de la structure
Dans un premier temps, l'étude et l'analyse des résultats vont se limiter a la phase
stntcturée des argiies étudiées : l'échantillonneur de l'université Laval utitisé (Lamochelie et
al, 1981) pour le prélèvement ainsi que les conditions de conservation des échantillons
permet minimiser le remaniement du sol. La structure de celui-ci (particulièrement
développée pour les argiies en question) est conservée pour l'essentiel et ne sera détruite
que lorsque le chargement appliqué sur les échantillons dépassera la pression de
préconsolidation. Les résultats obtenus lors du premier chargement dans la zone
surconsolidée permettent donc d'évaluer le comportement des argiles stmcturées.
Figure 5.3 : Module de chiüement vs contrainte vertlcaie
Pendant ce premier chargement, le module de cisaillement GO augmente
régulièrement et avec une pente assez similaire pour tous les essais (figure 5.3). Les valeurs
de Go augmentent avec la profondeur des échantillons pour les 2 sites ; Ies modules GO de
i'argiie de ILouiseviUe sont aussi supérieurs à ceux de l'argile St-Alban (exception faite de
i'essai 5 sur l'argiie de St-Aiban à 5,96 m sur la grande cellule). Cette remarque semble
mettre en évidence le rapport entre le module de cisaillement Go et la contrainte de
préconsolidation a', qui augmente elle aussi avec ia profondeur et qui est supérieure sur le
site de Louiseville à ce qu'elle est sur ceIui de St-AIbaa Effectivement, d'après la figure 5.4,
la normalisation des modules par rapport i la pression de consolidation rapproche
sensiblement les courbes obtenues pour chaque essai dans un même fiiseau.
Figure 5.4 : Modde de cissillement normaihé va contrahte vertrclle
En normalisant le module GO et la contrainte verticale appliquée a', par rapport à la
pression de préconsolidation a', pour chaque échantillon (figure 5.5), les courbes de chaque
essai se retrouvent très proches les unes des autres.
Figum 5.5 : Module de cisaillement normnlisé w rapport de surconsolidation
Figure 5.6 : Module de chiUemtnt normalid vs rrcine carrée du rapport de nireonrolidation
Eiies mettent ainsi en eidence une tendance commune assez représentative. Les courbes de
St-Alban sont assez regroupées ; les courbes de Louiseville sont plus dispersées, mais autour
d'une même courbe moyenne. Les points relatifs à l'essai 5 (St-Alban - 5,96m) de la grande
cellule se retrouvent t l'extérieur du faisceau observé. Compte tenu des remarques fàites
précédemment au sujet de la comparaison des résultats pour l'échantillon de même
provenance et de même profondeur (figure 5.2), cet essai ne sera pas pris en compte dans la
suite de t'étude.
La droite autour de laquelle se retrouvent les différents points a pour équation :
Les points obtenus sous les fortes contraintes s'écartent un tant soit peu de cette droite tout
comme les valeurs sous contrainte nulle.
1 L'utilisation de la racine carrée des contraintes vertides normaiisées (,/: ou I/- ) en
5 OCR
abscisse permet de mieux approcher une forme linéaire (figure 5.6). L'équation de la droite
devient alors :
L'équation C5.21 représente donc une meilleure approximation du comportement réel
des argiies structurées que l'équation [5.1]. De cette manière, la contrainte verticale apparaît
avec le même exposant 0'5 que celui utilisé dans la plupart des relations étudiées au chapitre
IL Cette équation met aussi en hidence l'influence combinée sur Go des contraintes
appliquées et de Ia structure représentée par la pression de préconsoiidation.
Par ailleurs, Michaud (1993) a réaüd des essais similaires sur les argiies de la Mer de
Champlain : St-Esprit, b u i d e , Maskinongé, Saint-Alban et Saint-Jean-de-Vianney a
l'université Laval. Son étude s'est limitée au domaine surconsolidé de ces argiies sur la
figure 5.7. Les résultats y sont portés en fonction de I'inverse de I'OCR On peut voir qu'ils
sont assez bien représentés par une droite. Avant de passer à la comparaison de ces résultats
et des nôtres, il fâut mentionner que nous avons pris en considération l'arrivée de l'onde au
huitième signal uniquement, alors que Michaud (1 993) a mesuré la vitesse moyenne calcuiée
94
à partir des arrivées de chaque pic. Les temps de propagation des premiers signaux envoyés
dans le sol (en phase transitoire) étant iderieurs à ceux des pics suivants (en phase
permanente), les vitesses de propagation, et par-la même les modules de c i d e m e n t GO
issus de l'étude de Michaud (1993) devraient être supérieurs à ceux obtenus avec notre
interprétation.
Figure 5.7 : Modules GO obtenus par Michaud (1993) sur différentes argiles Champlain
La figure 5.8 montre Go normalisé par rapport à la pression de préconsolidation. A
l'exception des données de St-Esprif tous les résultats viennent dans une bande assez étroite
si on considère que la pression de préconsolidation varie de 60 kPa à St-Alban à 890 kPa à
St-Jean-de-Vianney. La relation est du même type que celle obtenue à la figure 5.6 (indiquée
en pointillés : relation [S.SI) mais Iégérement audessus, ce qui s'explique par le fait que Ia
méthode d'interprétation employée n'a pas dté tout A fkit la même.
0.0 02 O. 8 1 .O
Figure 5.8 : Modules normaiiJés pour diffbrentes argiles Champlain, dtude de B. Michaud (1993)
Nous venons ainsi de montrer que la structure a une idluence très importante sur le
module de cisaillement G o des argiles stnicturées. Finrirement, l'effet de la contrainte
(jusqu'alors prédominant dans les études présentées dans le chapitre II et établies
principalement à partir de données obtenues sur des sols peu ou pas structurds) devient
secondaire et la relation est du type :
0.5 0.5 ouenwre Go =Asa; -0; +B.og
avec A = 55 et B = 35 d'après la présente étude.
Le terme B.&, est typiquement un terme de structure qui n'est jamais apparu dans Ies
études citées au chapitre II pour les sables ou pour les argiles, le module G o étant
systématiquement proportionnel au terme de contrainte. Ii est pourtant très clair, sur Ies
%
figures 5.6 et 5.8 que Go est non négligeable lorsque les contraintes appliquées à
l'échantillon sont nulles.
Une étude a été menée de manière à voir s'il n'était pas possible de dissocier l'effet
de la structure de celui de la contrainte verticale pour avoir une relation du type : k
Go = Aea; +B-a; 15-41
La figure 5.9 montre qu'il paraît f ici le d'appliquer cette forme aux argiles étudiées : les
exposants associés A la contrainte verticale variant suivant l'essai considéré entre 0,15 et 1,l.
Par ailleurs, Go - 350'~ peut varier par un facteur 5 sous une contrainte & i v e donnée.
L'équation [5.3] semble donc constituer la meilleure approche du comportement réeI des
argiies structurées.
Fïpm 5.9 : Exp-on indCpendanîe de la structure et des contraintes
Infiuence de l'indice des vides e :
D'aprés le. études effectuées par les difiiérents auteurs dont il a &e question dans le
chapitre Il[, i'indice des vides, exprimé sous différentes formes (voir tableau 2.1) intervient
systématiquement dans les expressions Go - qa',). Bien que dans la phase surconsofidée,
l'indice des vides varie peu, nous avons essayé de mettre en évidence une quelconque
influence de celui-ci puisque I'indice des vides initial s'dchelonne entre 1,6 et 2,2 pour Ies
huit essais e&ctués.
Dans un premier temps, l'influence de la fonction de e : Re) = e-* établie par Lo
Presti (1989) et Jamiolkowski et al (1991)' avec x = 1.3 , a été analysée sur l'expression
générale. En comparaison avec la figure 5.6, la courbe = f ( j z ) de la figure ab se -1.3 OCR
5.10 semble plutôt ecarter Ies courbes de chaque essai. En traçant l'évolution de
(G~*~ocR)/~' , en fonction de la contrainte effective verticaie appliquée a', (figure 5.1 1)' il
apparaît que la vaieur de x = 0,67 conviendrait mieux à nos résultats. Toutefois, les courbes
représentées sur la figure 5.12 restent plus dispersées que celles de la figure 5.6.
Figure 5.10 : Modde nomaiid comgé de I'infiuuicc de I'indice der vides avec F(e) = cU
Figure 5.11 : Influence de l'indice des vides pour l'ensemble des essais de la série 1
Figure S.12 : Modale nonnaüsé corrige de I'iafïueace de l'indice des vides avec F(e) = eam
L'influence de F(e) a ensuite été analysée sur le seul paramètre A de l'équation [5.3]
Les résultats sont donnés sur la figure 5.13. Le firisceau des courbes est k enencore plus large
que sur la figure 5.6. Ii paraît donc difEcile d'exprimer Ie paramètre A de l'équation [5.3] en
fonction de l'indice des vides e.
En conclusion, sur la base des essais réalisés, on ne trouve pas d'effet marqué de
l'indice des vides. Ceci est certainement relié au fait que dans les argiles sensibles, l'influence
de la structure domine sur ceiie de l'indice des vides.
Figure 5.13 : Module iormaiisé corrigé de 11 constante 35
et de l'influence! de l'indice da vides avec F(e) = 8"
Infiuence de l'indice de ~lasticité ID :
Là encore, les recherches réalisées sur les ugiies ont f i t apparaître l'influence de
l'indice de plasticité Ip sur la valeur du module de cisaillement GO (Hardm, 1978 ; Viggiani
et Atkinson, 1995 ; Kagawa, 1992).
Dans notre cas, la figure 5.14 ne met pas de relation simpIe en évidence entre Ie
module GO des argiles étudiées et leur indice de pIasticité Ip.
IO 2 3 r 5 s ? a m ~ m IP (%)
Figure 5.14 : Etude de l'influence de Ip sur GO
Finalement, le paramètre de structure o', semble supplanter l'influence de toutes les
autres caractéristiques du sol qui avaient été mises en évidence par les précédentes
recherches. D'autres études ont de la même manière abouties à des relations directes avec
des paramètres fortement Liés à la structure pour des argiies de la province de Québec :
Locat et ai (1987) : Cu = 0,016 (Vs) 2217 '
ces deux expressions reliant la résistance au cisailernent non drainée Cu mesurée au c6ne
tombant et la vitesse de propagation des ondes de cisadiement Vs mesurée au célérometre.
V.4 Argile déstructurée
Une fois la contrainte de préconsolidation a', dépassée, l'argile se déstructure. Les
mesures effectuées pendant le déchargement et le rechargement des échantiiions reflètent
donc le comportement des argiies déstructurées ou tout au moins dont la structure est moins
développée que lors de la phase de chargement précédemment analysée.
Là encore, I'ensemble des résultats figure en annexe 2.
Com~orternent dans la hase normalement consolidée :
La phase de déstructuration (un ou deux points au-delà de la contrainte de
préconsolidation) montre un comportement de Go assez particulier : une zone perturbée
quant à l'évolution du module Go est généralement observée aux alentours de Ia contrainte
de préconsolidation. Cette phase correspond à une variation importante de l'indice des vides
qui influence le module et mérite d'être corrigé (cf courbes de compression en annexe 2).
Sur les courbes de i'annexe 3 figurent les mêmes résultats que ceux de l'annexe 2 si
ce n'est que les modules Go sont comgés par rapport à l'indice des vides avec la fonction de
Lo Presti (1989) : F(e) = e"'. Cette correction ne régularise pas tout à fait les résultats mais
modifie toutefois l'évolution de la raideur. Alors qu'au préalable, 8 courbes sur 1 1 mettaient
en évidence une augmentation de Go lorsque la contrainte de préconsolidation était atteinte
(dont quatre très clairement), seules 5 d'entre eles montrent toujours cette tendance après
correction vis-à-vis de l'indice des vides, alors que les autres forment un creux au passage
de la contrainte de préconsolidation.
Les résultats obtenus montrent donc une disparité trop importante pour tirer une
conclusion chire quant au phénomène qui intervient lors de la déstructuration. Toutefois, les
sauts importants réaiisés par GO pour certains des essais qui avaient aussi été observés par
Lefebvre et al (1994) sur la même argiie de St-Alban pourraient s'expliquer :
- soit par une fonction d'indice des vides plus influente dans cette zone (le nombre limité de
points ne permettant pas de mettre en évidence une quelconque autre relation),
- soit par un autre phénomène que l'augmentation de la compacité de I'argiie due à la
consolidation.
Déchargement et rechargement :
Dans un premier temps, la relation empirique [5.3] établie pour les argiles structurées
a été dtudiée a m phases de déchargement et de rechargement. Les figures 5.15 et 5.16 sont
analogues B la figure 5.6 si ce n'est que le module Go est normalisé par rapport a Ia
contrainte effective verticale maximie appliquée a',, B la place de la pression de
consolidation a', : - - - (1s) . II est clair que I'iduence de la nouvelle contrainte =tm
de préconsolidation est bien moins forte que dans la phase stmcturée (figure 5.6)' les
courbes des modules normalisés pour chaque essai étant bien plus dispersées et plus
orientées vers l'origine. Alors que l'influence du paramètre de structure a', est moins
importante, celle de la contrainte augmente par rapport à la phase structurée et le faisceau
des courbes montrent un module qui se rapproche d'un comportement proportionnel ii la
racine carrée des contraintes qui avait été mis en évidence par les relations du chapitre Ii. Le
terme de structure B.cr7, de I'équation [5.3] n'apparaît plus lorsque 17argde est déstructurée,
et donc :
G~ = ~r.~:,03 .a;o.s [W
Le comportement du module de cisaillement GO des argiies Champlain déstructurées
semble donc se rapprocher de la relation du type de celles de Vigiani et Atkinson (1995).
Les graphes de l'annexe 4 montrent pour chaque essai et pour chaque phase
(chargement, déchargement, rechargement) la courbe LogGo = f(Logay,). L'irrégularité des
points observée lors du déchargement et du rechargement empêche de mettre en évidence
une relation claire entre Ie module et la contrainte verticale du type Go=A*al,". Toutefois,
sur les courbes de l'annexe 4, ii semble que l'évolution globale des modules corrigés par
rapport à l'indice des vides suit une pente proche de 0.5, cette pente étant représentke sur
chacun des graphes. Cette correction par rapport a l'indice des vides permet de comparer les
courbes des argiles déstructurées A ceIles des argiles stmcturées. Cependant, après avoir
mener une étude de I'infiuence de I'indice des vides pour les phases déstructurées, du même
type que celle menée pour la phase structurée, aucune influence particulière de e n'a été
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 abv / a'-
Figure 5.15 : Phase déstmcîurée - déchargement Module de cisriillement normaiisé vn racine carrée du rapport de sarconsolidation
Modak de cisriillement nomalid va r a c k carde du rapport de mrconaolidation
décelée. De la m h e manière, I'indice de plasticité Ip ne semble pas intewenir
si@dvernent dans ia relation entre le module Go et les contraintes effectives appliquées.
L'équation régissant le comportement des argiles déstructurées prendrait donc la
forme de I'équation 5.4.
V.5- Résultats et analyse de In 2& série : &tude de I'anisotropie
La 2& série englobe des essais réalisés sur la grande cdule (figure 3.4) qui permet
d'obtenir les modules dans deux directions. Les résuItats de cette série figurent dans
l'annexe 5. Les trois essais réalisés pour la première série sur la grande ceiiule sont joints à
cette annexe (un à St-Alban et deux à Louiseville). Nous pouvons remarquer que :
- pour I'argiie de St-Esprit, le module horizontal est tantôt inférieur et tantôt supérieur au
module vertical pour deux essais concernant une profondeur identique;
- pour l'argiie de Louisde , alors que pour les essais de la deuxième série, le module
vertical est supérieur au modde horizontal, on observe l'inverse pour les deux essais de la
première série,
- pour l'argile de St-Alban, le module horizontal est inférieur pendant la phase de
chargement.
Les courbes 5.17 et 5.18 qui récapitulent les essais de Louiseville et de St Esprit
mettent en évidence cette irrégularité quant au rapport des modules horizontaux et
verticaux. La tendance n'est même pas unifonne pour chacune des argiles. Contrairement à
ce qui a été observé sur la figure 5.19 éîabIie par Jamioikowski et al (1994) avec des essais
sur de l'argile de Pise, iI paraît impossile compte tenu de la disparité des résultats, de
déceler une relation entre le rapport des modules et l'anisotropie de consolidation.
Figure 5.17 : Anisotropie des modules en fonction du rapport des contraintes - Louisevüle
Pigrc 5.18 : Anisotropie des modales en fonction de I'mwtropie des contraintes - St Esprit
E'igurt 5.19 : h h t i a p i e des madules en fonction de I'laisotropie des contraintes - Pise
(Jamiolkowaki et ai, 1994)
Ces irreguiarités inexpiiquées mais probablement reliées a des probIèmes
expérimentaux empêchent donc de formuler une conclusion cIaire sur l'anisotropie des
argiles si ce n'est que les essais aux benders tels qu'ils ont été réalisés sur ce type d'argile ne
permettent en aucune manière de remonter au rapport des contraintes appliquées.
ANALYSE DES ESSAIS DE TERRAIN
VI. 1- Résultats bruts
Les modules de cisaillement aux petites déformations Go en place ont donc été
obtenus avec une méthode de type «cross-holm appelée tomographie (figures 1.12 et 3.9).
La vitesse de propagation des oncies de cisaillement V, est calculée en fonction du temps de
propagation de ces ondes entre les deux géophones récepteurs (figure 3.10) et de la distance
entre-axes des forages dans lesquels sont placés ces récepteurs. Le passage des vitesses de
2 propagation V, aux modules de cisaillement GO se fait ensuite avec la relation : Go = p V, .
Les proas des modules obtenus en fonction de la profondeur sur les cinq sites testés
sont présentés sur la figure 6.1. Sont ajoutés à cette série Ies résultats issus de l'étude de
Lefebvre et al (1994) sur le même site de St-Alban avec la méthode SASW (Spectral
Andysis of S h c e Waves) qui corroborent assez bien nos résultats. Deux groupes semblent
se former, le premier réunissant les argiles de St-Alban, Berthiervilie et LouiseviUe, le
second concernant les argiies plus raides de Mascouche et de l'Assomption. Globalement,
tous les sites voient leur module Go augmenter avec la profondeur. A ce propos, Ies moddes
de St-Alban et de Berthiede, qui pour de fài'bles profondeurs sont les plus petits de Ia
série, augmentent rapidement avec la profondeur pour supplanter les modules de L o u i s d e
plus élevés en sudkx.
Figure 6.1 : Pd& der modules de cidiement Go obtenus par tomographie
V1.2- Relation P la structure (C y qt+.,, et a',)
La forme des profils des modules de cisaillement est extrêmement similaire à cellc
des profils de résistance (résistance au cisaillement Cu mesuré au scissomètre et résistana
en pointe nette du piézocone qt-) et au profil de contrainte de préconsolidation a', qui
sont présentés sur les figures 6.2a a 6.2~.
Ces trois paramètres de structure sont fortement liés entre eux, les relations obtenues
pour l'ensemble des argiles étudiées étant en moyenne les suivantes :
Dans le tableau 6.1 sont répertoriés Ies caractéristiques moyennes et leurs relations exactes
pour chacun des sites étudiés.
Tableau 6.1 : Curictérhîiqiiu des depdts ugüeru
Rien d'étonnant donc A ce que les similitudes soient valables pour les trois
paramètres. Des relations évidentes apparaissent donc entre le modde de cisaillement GO et
la résistance au cisaillernent ainsi qu'avec les deux autres pararn6tres de structure. Celles-ci
sont mises en évidence sur Ies graphes 6.3a à 6.3~
Cu (kpa)
O'P @'a)
qt - ad OcPa)
IP
qt -Qvo
Cu
Cu - 0;
0.2 + 0.0024 Ip
qt -=,O
0;
Assomption
70
250
773
3 6
11
0.28
0.28
3.1
Berthierville
15
5 5
170
2 1
11.5
0.27
0.25
3.1
Mascouche
8 5
302
1100
3 6
13
0.28
0.28
3 -6
Louiseville
38
135.5
500
40
13
0.28
0.29
3.7
St-Alban
15
66
171
19
11.5
0.23
0.24
2.6
O - m b ~ \ O o 0 0 1 = = l ? o 2 (m) z ' mapuojo~d
O 25 50 75 100 125 150 Cu @Pa)
Figure 6.38: Module de rlullkmcnt Go versus Réabtiiicc mu cbillkment Cu
O 250 500 750 1000 1250 1500 O 100 200 300 400 500 q p v o ( k W dp(kPa)
Fi yn 63b: Moduie de clsiiikmcot Co venuri Flgun 6.k: Moduk de chiliement Go vcnm
Rtsbtinee en pointe nette qt-av, Contrainte de prtco1uoUdaHoa a',,
L'ensemble des points se regroupe de manière si@cative en un faisceau autour des
droites d'équation :
Nous remarquons que pour Ies @ies de faife résistance au cisaillement (Saint-
Alban et B e r t h i d e ) la dépendance a la structure semble plus forte que pour les autres
argiles : le coacient de proportiondité, d'après les pentes observées sur les graphes 6.3a
à 6.3c, entre Go et les trois paramétres de structure est plus élevé dans ces cas. Lors d'une
série d'essais réalisée en laboratoire avec un céléromètre et un cône suédois, Locat et al
(1986) avaient eux aussi trouvé une pente plus élevée de la courbe Vs = RCu) pour des
argiles dont la résistance au cisailment au cône suédois ne dépassait pas 30 kPa. L'argile
de St-Alban étant une argile stratifiée et les ondes de cisaillement se propageant toujours
dans les couches les plus rapides, les modules Go mesurés in situ sont peut-être surestimés.
Les relations exprimées précédemment sont d0nc.à prendre avec précaution pour les argiles
molles. Peut-être ce phénomène est-il aussi Lié à l'indice de plasticité qui pour les argdes de
Berthierville et de St-Alban est de l'ordre de 20 contre un indice de plasticité de 40 pour les
trois autres argiles. De plus, il est reconnu que les argiies peu plastiques ont tendance à
présenter des déformations plus faiiles à la rupture. Ji serait donc intéressant de compléter
ces résultats par w profil de module de cisaillement Go sur une argile qui offre un indice de
plasticité plus élevé mais une résistance ou une pression de préconsolidation du même ordre.
La relation simple -= 500 se rapproche assez de ceiie proposée par Lanson et CD
Go 'roi = 500 citée dans le chapitre II. Cependant, les iimites de Mdabdic (1991) : ( Tb ] CMt
Liquidité des sites conceni4s par nos essais se trouvent entre 3û% et 75%, le coefficient de
proportionnalité n'est donc pas le mème que p u r les argdes scandinaves. De la même
manière, Lefebvre et ai (1994) avaient conclu, après une étude sur le site de St-Alban que ce
rapport GdCu semblait être i'un des mdeuts moyens pour estimer Go, à préferer en tous
cas aux corrBlations faisant intervenir l'indice des vides e, le rapport de surconsoiidation
OCR et les contraintes effectives a',.
w.3- Relation analogue A ceNe du laboratoire
Rappelons tout d'abord la relation trouvée à l'issue de l'analyse des essais dc
laboratoire : - - OCR
Dans un premier temps, le rapport G&', des essais de terrain est tracé en fonctior
du rapport de surconsolidation en place sw la figure 6.4. Comme il avait été mentionnt
précédemmmt, les points de Saint-Alban et de Berthierville qui correspondent a un faiblr
rapport de surconsolidation s'butent largement du rapport moyen Gd&, d'environ 13:
observé pour les autres points. LA encore, des essais supplémentaires sur une argiie peL
su~consolidée mais plus plastique permettrait peut-être d'identifier Ia source de ces écarts.
O 2 4 6 8 10 12 OCR
Figure é.4 : Module déduit da tssriis de terrain normdisé par rapport à cr', vi le Rapport de mrwnmlidation en place
Il est dés lors possible de comparer les relations déduites des essais de laboratoire et
de terrain sur Ia figure 6.5 ou l'abscisse est la même que ceiie utilisée pour Ies essais de
laboratoire.
Figure 6.S : Module des ejsPis de terrain normaiisé par rapport P op, vs Racine carrée de I'inverae du rapport de surconsolid~tion
Le nuage des points de terrain se retrouve donc autour du rapport de 135 sans
évolution Maiment claire vis-&vis du paramètre d'abscisse. La relation [5.2] ou [5.3] de
laboratoire représentée sur la figure 6.5 indique le net écart entre les modules de Iaboratoire
et ceux de tenain, dant du simple au double. Une analyse plus complète sur ces diEi'érences
est faite au chapitre suivant.
BILAN ET DISCUSSION
V'I . 1- Comparaison laboratoire-terrain
Les études parues à ce propos (voir chapitre Il) étant assez contradictoires, il n'est
pas possible de tirer une conclusion générale qui viendrait conf*irmer ou infimier Ies
tendances obtenues avec les résultats de nos essais.
Ceux-ci montrent des écarts du module AGdGo- trouvés en laboratoire et in situ
proches de 10O0h pour St-Alban et pour h u i s d e . Les essais de laboratoires ont été
réalisés avec un rapport de contrainte verticde et horizontale constant, égal à O.S. Les
contraintes verticales variaient entre O et 130 % de la contrainte de préconsolidation. Les
modules retenus pour la comparaison ont donc été tirés des courbes au chargement
Go = qa',), en considérant la contrainte verticale in situ.
Les figures 7.1 et 7.2 permettent de visuaiiser les différents résultats obtenus sur les
dépôts de St-Alban et de Louiseville. Les résultats de Michaud (1993) obtenus avec les
éléments piézocéramiques, tels que déjà mentionnés, ainsi que ceux de Lefebvre et al (1994),
issus d'essais de terrain (SASW) et de laboratoire (colonne résonante) sont joints au proiil
de St-Alban de la figure 7.1.
Les moduies trouvés par Michaud (1993) sont légèrement supérieurs aux nôtres, ce
qui s'explique par le £âit que la moyenne des arrivées des huit sinus a été considérée.
Lefebvre et d (1994) ont donc eux aussi comparé des essais de terrain (SASW) et de
laboratoire (colonne résonante) sur la même argiie de St-Alban que celle que nous avons
utilisée pour nos essais. Seules deux profondeurs (4 et 7.9 m) ont été étudiées en
Iaboratoire. Maigré tout, il semble que l'argiie était plus sensible à l'échantillonnage lorsque
son indice de plasticité était faible : alors qu'à 4 m avec un indice de plasticité Ip = 20%, les
résultats de temin et de laboratoire étaient sensiblement identiques, l'écart s'était creusé
(résultat de laboratoire plus faible) pour l'échantillon prélevé à 7.9 m et ayant un indice de
plasticité Ip = 6%. Dans Ie cas de nos essais, l'indice de plasticité Ip de Louiseviiie est
supérieur à celui de St-Alban. Pourtant, comme le met en évidence la figure 7.2, les écarts
entre les résultats de tenain et ceux de laboratoire sur le module GO sont tout aussi
importants. Par contre, ils ne varient pas avec la profondeur.
Compte tenu du fait que les essais de terrain à St-Alban sont sensiblement les mêmes
Iorsqu'iis sont obtenus par SASW (Lefebvre et ai, 199-4) et par la méthode "cross-hole" (nos
essais), on peut penser que ce sont les mesures avec les éléments piézocéramiques qui sous
estiment GO. Une explication pourrait venir du fait que dans les essais réalisés dans cette
étude, les échantillons étaient amenés à des contraintes effectives voisines de O, donc bien
inférieures aux coniraintes en place, ce qui a pu amener une déstructuration partielle des
échantillons. Par ailieun, lors de l'introduction des éléments en pi&océramique dans
l'échantillon, une fente a été creusée dans I'argiie pour que i'échantilion ne se fende pas. De
plus les manipulations de 1'échantilIon ult4rieures A cette étape ainsi que les cycles successif's
peuvent a ' b l i r le contact échantillon - bender et peuvent ainsi fausser les résultats. Par
rapport aux problèmes m e n u s sur les formes des signaux reçus, ils ne peuvent être
117
responsables à part entière des écarts avec les modules de terrain puisque dans l'ensemble
(incluant des arrivées très nettes) les résultats sont cohCrents entre eux.
Figure 7.1 : Profii des modules Go de St-Aiban - Laboratoire a terrpin
D'après l'andyse des deux chapitres prhidents, la structure du sol reflétée par ses
r&istances et pression de prhnsofidation est apparue comme étant Ie facteur le plus
inûuent des argiles sensiiles de Ia mer Champlain. Tatsuoka et ai (1992) ont montré que le
comportement des matériaux lors de I'échantilIonnage est propre à chaque type de sol : pour
les sables denses, l'échantillonnage provoque une augmentation de l'indice des vides et
finalement une diminution des modules de cisaillement obtenus en laboratoire; inversement,
l'indice des vides des échantilIons de sable lâche diminue pendant la phase d'échantillonnage
ce qui augmente la raideur trouvée en laboratoire. Pou. les argiles raides qui manifestent une
bonne tenue par rapport aux variations volumiques, l'écart devrait être minime. Cependant,
ces mêmes auteurs ont montré que les résuttats de laboratoire et de terrain étaient assez
proches, quels que soient les sols, dans la mesure où les déformations appliquées pour les
deux types d'essais étaient les mêmes (environ 103.
Un autre phénomène qui peut Wérencier les valeurs de laboratoire de celles de
terrain est l'influence du temps : lors de Ia consolidation secondaire, le module GO augmente
de manière non négligeable avec le temps. Le dernier point (en normalement consolidé) du
premier chargement de l'essai 2 sur i'argiie de St-Alban à 2.68 m a été laissé sous la même
contrainte pendant 6 jours dors que la consolidation primaire était terminée après 3 jours.
JA module Go est alors passé de 10,9 MPa à 12'35 M ' a (soit 13.3 % d'augmentation) alors
que l'indice des vides a diminué de 0.01 seulement. En considérant le module corrigé par
rapport A l'indice des vides (avec ~(e)=l/e'~), celui-ci passe de 16,3 M a après 3 jours de
consolidation à 18'4 MPa après 6 jours soit toujours une augmentation de 12.9 %. La
correction par rapport à l'indice des vides ne parait donc ici pas très adaptée et
l'augmentation observée ne correspond donc pas juste au changement d'indice des vides. I1
y a donc, en plus, une structuration due au vieilhement. L'effet du temps peut être loin
d'être négligeable. Perret (1995) a trouvé sur des argiles du Québec re-sédimentées des
accroissements de GO bien supérieurs i ceux qui pourraient être associes au changement
d'indice des vides sedement.
Anderson et Stokoe (1978) ont établi une relation empirique qui exprime cette
dépendance :
O,, (1) = Go (tp) [I + N, log(;)] avec :
- tp, temps conespondant a la fin de la consolidation primaire
- t, un temps quelconque > tp
- Go(t), le module de cisaillement aux petites déformations à t > tp'
- Go(tp), le module de cisaillement aux petites déformations à t = tp
- NG augmentation normalisée du module AGIGo(t = tp) par cycle logarithmique du temps.
Dans les argiles NG,qui est compris entre 5 et 20%, augmente avec i'indice de plasticité IP
(Kokusho, 1987).
D'autres relations du même type ont été proposées : Kagawa (1992) a exprimé le
gain de vitesse en consolidation secondaire de la manière suivante :
AVsNslw= e (2.046s~ + 0.25e0) avec :
Vsiooo, vitesse mesurée après 1000 minutes (fin de la consolidation primaire) ;
AVs, gain de vitesse au-delà de cette période ;
Su, résistance au cisaillement non drainée du sol ;
e,,, indice des vides initial.
Ces expressions reflètent l'efkt de la structure sur le module GO. L'augmentation de
la raideur lors de la consolidation secondaire (pendant Iaquelle ii y a structuration) apparaît
encore très nettement sur la figure 7.3 issue d'essais à I'oedometre sur l'argile cimentée de
Fucino (Jamioikowski et ai, 1991).
VIL20 Influence de la contrainte et de Ia stnicture
Dans les relations établies par différentes recherches (cf chapitre II) et qui reliaient le
module de cidiement GO aux paramètres les plus influents, la contrainte est apparue
systématiquement. Aussi, l'effet du temps dont ii vient d'être question indique que la
structure des argiies est un paramètre tout aussi important vis-&vis de leur raideur.
Les essais en laboratoire et sur le terrain ont mis en évidence l'infiuence de la
structure par le biais de relations empiriques qui mettaient en jeu des paramètres fortement
liés à la structure tels que la pression de préconsolidation a', la résistance au cisaillement
Cu ou la résistance en pointe nette qi*, Les essais de laboratoire ont appuyé cette
observation puisque dans l'état déstructurd (obtenu par le dépassement de la contrainte de
préconsolidation a',) l'influence de la structure diminua alors que celle des contraintes
augmente (figures 5.6, 5.15 et 5.16).
La figure 7.4 met en évidence 1'évoIution de I'infiuence de la contrainte avec
la structure pour l'ensemble des essais de laboratoire. Les courbes représentent le rapport
GdG- en fonction de la racine carrée de la contrainte d(o'&',,-) pour chacune des trois
phases (chargement, déchargement et rechargement). 0'- représente la contrainte verticale
maxhde appliquk à l'échantillon Après avoir déterminé le module mrucimal G- obtenu à
l'issue de chaque phase pour chaque essai partir des courbes moyennes, les résultats de
tous les essais ont été utilisés pour Isi figure 7.4. La phase stmcturée correspond au premier
chargement et la déstructuration a Lieu après dépassement de la contrainte de
préconsolidation et lors du cycle chargement - déchargement. Les pentes des 3 courbes
augmentent avec ia déstmcturation. Toutefois, la proportionnalit& entre le module GO en
phase ddslructurée et la racine carrée des contraintes n'est pas vraiment flagrante ici
puisqu'en prolongeant les courbes de déchargement et de rechargement, le module sous
contrainte nuiie prendrait des valeurs légèrement négatives, ce qui n'a pas de sens physique.
y='" / ='vm'lx
Figure 7.4 : Evolution de la dependance 1 la contrainte pour chacune des phases de tous les essais.
Yasuda et al (1994) qui avaient réalisé des essais sur du gravier du Pléistocène et de
l'Holocène remanid et intact ont noté une différence de comportement des 2 types de
matériaux vis-à-vis de la contrainte : alors que pour des petites contraintes de consolidation,
le sol intact était plus sensible aux contraintes que le sol remanié, la tendance s'inversait
pour les plus grandes antraintes appliquées. D'autre part, pouf le p v i e r du Pléistocène, le
module d'Young E pour le sol intact était de 2 fois supérieur à celui du sol reconstitue. Pour
du gravier de l'Holocène (moins vieux), le fàcteur était de 1,3. 11 en est ressorti que la
sédimentation et la cimentation du sol affectait plus le module G que l'indice des vides e.
Nakagawa et al (1995) ont étudié I'évolution des liaisons structurales de l'argiie
parailelement A ceiie de la raideur (essais aux benders) lors d'un essai de wnsoiidation.
L'étude de ces liaisons est basée sur la constitution particulière des argiIes dont
l'arrangement est assuré par des charges électriques négatives et des forces de répulsion
é1ectrostatiques. Ainsii les auteurs ont pu relier la conductivité de l'eau interstitielle et la
résistivité de I'ugiie aux liens de celle-ci. Ii s'est avéré que l'échantillon se déséquilibre juste
après l'application de la charge puis tend à retrouver un arrangement plus stable dont les
liaisons se développent, y compris pendant la consolidation secondaire. Cette structuration
lors de la consolidation secondaire explique donc le gain de raideur noté à ce même moment
et qui ne peut être uniquement dû à une variation de l'indice des vides.
m.3- Anisotropie
L'infiuence de la structure t rès importante par rapport à celle de la contrainte pour
des argiies intactes tend à démentir les relations entre les moddes verticaux et horizontaux
et le rapport des contraintes KO (cf. chapitre il')-
Effectivement, nous avons VU lors de l'analyse des essais de laboratoire que les
modules de cisaillement GO intacts ne répondaient pas aux formes empiriques du type
Roesler (1979) mais qu'un paramètre de structure apparaissait clairement. L'approche
préconisée reliant Ko au rapport des contraintes semble donc peu réaliste dans le cas
d'argiles structurées. Maheureusement, les courbes reliant le rapport des modules au
rapport des contraintes (figures 5.17 et 5.18) manifestent pour les deux sites testés une
dispersion très importante qui rend impossible l'analyse de l'évolution de ces deux
paramètres. Pourtant, Lefebvre et al (1994) avaient noté une grande influence du rapport des
contraintes Ko appliquées aux échantüions de St-Alban. Effectivement, les résultats
présentaient un écart de 70% pour des Ko de 0'65 et de 1, ce, pour deux profondeurs
examinées à la colonne résonante (figure 7.1).
CONCLUSION
Les essais réalisés en 1aborato.k avec les éltments en pi6zocéramique et sur le
terrain avec la tomographie, une méthode de type « crosshole », ont tous deux mis en
évidence un effet de la structure des. argiles Champlain sur le module de cisaillement Gc
aux petites déformations. D'une part Ies essais de terrain font apparattre une relation de
proportionnalité simple entre Go et des pafam8tres tels que la résistance au cisaillement Cu,
la résistance en pointe nette q,-oVo ou la pression de préconsolidation o',. D'autre part, les
essais de laboratoire font apparaître un comportement qui s'écarte du comportement
observé lors d'autres études menées sur divers types de sols puisqu'en plus de l'effet de la
contrainte effective appliquée, la contrainte de préconsolidation o'p conditio~e la valeur
du module Go des argiles Champlain. Maiheureusement, les deux types d'essais prksentent
des écarts de résultats importants, et bien qu'une tendance générale puisse en être déduite, il
n'en reste pas moins une dispersion non négligeable.
La cellule d'essai pemettant de mesurer les modules de cisaillement Go dans deux
directions, à- priori très intéressante, a donné des dsultats très dispersés et par là même
inexploitables vis à vis l'anisotropie des argiies Champlain. En tout état de cause,
l'influence évidente de la structure empêche l'application des relations entre le rapport des
modules et le rapport des contraintes mises en avant dans différentes Ctudes.
La confusion de certaines ondes wues, les écarts avec les essais de terrain et les
résultats très irréguliers obtenus nuisent un tant soit peu à la coh€rence des essais de
laboratoire. Par contre, les essais de terrain sont pIus encourageants ne serait-ce que par la
rapidité à obtenir un profil des modules Go. Des conFumations sont toutefois nkessaires
pour que ces essais de tomographie se &Ment être un moyen efficace d'obtenir les
caractéristiques de résistance et de structure citees plus haut. Des essais complémentaire:
(sur un site tel que Maskinongé) viendraient effectivement clarifier les phénomène5
observés pour les argiles molles et d'indice de plasticité faible puisque cette argile prksente
un rapport de surconsolidation ou une résistance faible mais un indice de plasticité plu2
élevé.
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ANNEXE 1 :
ANNEXE 2 :
ANNEXES
Exemples cl ' ondes obtenues à 1' oscilloscope
- Résultats bruts de la série 1 (laboratoire) : Go = f(ayv)
- Courbes de compression associées : a = f(oYv)
Résultats comgés par rapport B l'indice des vides
[F(e) = e-1-3] de la série 1 de laboratoire :
GdF(e) = f@'d
Résultats de la série 1 - Influence de la contrainte :
Log Go = iwg a',)
Résultats de la série 2 - Anisotropie :
Go = f (0'")
ANNEXE 1
Exemples d'ondes obtenues à I'oscilloscope
1 SIGNAL RECU AF'F'AIBW
Signaux provenant de I'osciiioscope TEKTRONIX 2230. Grande celIuie - Propagation verticale Essai 5 - us, = 42 kPa
C'onde reçue est a&iilie mais le huitième pic se distingue assez bien.
Temps de propagation du huitiéme pic : 0.56 ms
r SIGNAL RECU TRES AFFAIBLI
Signaux provenant de l'oscilloscope TEKTRONIX 2230. Grande ceIlde - Propagation verticale Essais-osv= 83.6 kPa
L'onde reçue est très a b l i e . Les 2&, 3&, 4-, 56C a pic reps se distinguent très
mal. Toutediois, la phiode du signai a la forme moyenne de l'onde reçue permettent de
situer le huitième pic qui est assez clair.
Temps de propagation du huitième pic : 0.46 ms
1 SIGNAL PARASITE EN DEBITT DE RECEPTION
Signaux provenant de l'oscilloscope NKOLET 3 10. grande cellule - Propagation verticale Essai 9 - a', = 18.55 kPa
Un p r d e r signal (contenant 2 pics) apparaît nmement d'une pdriode beaucoup plus f ~ b l e
que les autres sinus. Pour obtenir un résuitat cohérent avec la suite de cet essai (les signaux
ne présentant pas tous ce phénomène), il s'avère que Ie premier pic reçu correspondant au
train d'ondes envoyé est celui indiqué sur la figure. De plus, iI est apparu assez souvent une
discontinuité au niveau du 9& MUS, ce @ c o h e 18 position du 8- pic.
Les 2 premiers pics correspondent sûrement à un signal parasite.
Temps de propagation du huitième pic : 1.62 ms
1 SIGNAL EMIS SUPERPOSE A LA RECEPTION
Signaux provenant de i'oscüioscope NICOLET 3 10. Essai quelconque
Au niveau du signal reçu, une onde se superpose exactement à l'onde émise a masque
l'arrivée des pics. Ce probkme n'est pas survenu systématiquement, et la mise a la terre des
ceiiuies a permis d'y remédier définitivement.
ANNEXE 2
- Résultats bruts de la série 1 de laboratoire : Go = f(o',)
- Courbes de compression associées : & = f(o'3
Esai2-StAlbau-2.68m- d c 4 4 k P a :
Petite cellule
Essai 4 - St Aiban- 3-85 m - d p 1 kW :
Pt i t e cellule
Essai 5 - St Alban - 5.96 m - dE=82 kFb :
Petite cellule
Essai 5 - St Alban - 5-96 m - ~''42 kPa :
O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110 0; V a )
Grande cellule
Essai 6 - St Alban - 5.04 m - dE=77 kRi :
Petite cellule
Essai 7 - Lolriseville - 7.28 m - atE=147 kPa :
Grande ceWe
O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 a; Wa)
Grande ceiiuie
Essai 8 - L o i r i d e - 8.95 m - otE=160 kPa :
Petik cellule
Essai 9 - hinoeville - 4.53 m - de=l 17 kPa : Gran& cdlule
O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 LOO 110 120 130 a; Wa)
Graude cellule
ANNEXE 3
Résultats comgés par rapport à l'indice des vides
[F(e) = e-1-3] de la série 1 de laboratoire : G@(e) = f(o',)
ANNEXE 4
Résultats de la série 1 - Influence de la contrainte :
Log Go= f(Log o',)
ANNEXE 5
Résultats de la série 2 - Anisotropie :
Go = f(0' ,)
ANISOTROPIE DES MODULES
ST-ESPRïî- 6 J m - ESSAI 1
ST-ESPRIT- 6 J m - ESSAI 2
20
16 --
I I I I I
,---, 1 , - - J - - - L - - - L - - - 1 -
I I I I [ [=] - - - - - 1 - - - J - - - 1 - - - L - - - 1 - - -
I I I I I I I
- - - - - # - - - A - - - . L - - - L - - - l - - - J - - - L - - - I
J - - - I - - - I
- - - I - - - I
---.l--- I
- - - L , - -
I
O
I 1 I I I I I
,,,,, l,,,J,,,l,-,L-,,l,,,J,,-l-~-J---L---
I t I I I I I I 1 I 1 1 1 I
1 1 I 1 I 1 8 I 1 1 I 1 I I l
O 20 10 60 80 100 120 140 160 a', (kPa)
ANISOTROPIE DES MODULES
LOUISEVILLE- 7,73 m - ESSAI 1
O 20 . 40 60 80 100 120 140 o', (kPa)
LOUISEVILLE - 6,72 m - ESSAI 2
ANISOTROPE DES MODULES LOUISEVILLE - 4.53 m
ANISOTROPE DES MODULES ST-ALBAN - 5.96 m
20
1 6
1z
8
4 '
O , L
O fO 40 60 *O ZOO 120 -; -
ANISOTROPE DES MODULES LOUISEVILLE - 7.28 m
APPLlED 4 IMAGE. lnc a 1653 East Main Street - -- , Rochester. NY 14609 USA -- -- - , Phone: 71 6/48Z-O300 -- -- - - Fax: 71 61288-5989
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