Étude d'un appareillage de compactage statique et de mesure de la perméabilité des sols fins argileux

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1 Étude d'un appareillage de compactage statique et de mesure de la perméabilité des sols fins argileux Belkacem MOUSSAI Docteur Laboratoire de géotechnique Gérard DIDIER Docteur-Ingénieur Maître de conférences Laboratoire de géotechnique Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Lyon Yves ATLAN Ingénieur au département Ingénierie géotechnique au Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM)* Introduction Le confinement des décharges fait souvent appel à des couches de matériaux argileux compactés. L'étude préalable en laboratoire des matériaux argileux susceptibles d'être utilisés suit en général les étapes suivantes : identification géotechnique et minéralogique du matériau, étude du compactage par essai Proctor, étude de la perméabilité du matériau compacté. L'objectif de la recherche présentée ici est l'amélioration des deux dernières procédures. En effet, la méthode actuelle présente des aspects critiquables. Compactage RESUME Dans cet article nous présentons l'appareillage et la méthode utilisée pour le compactage statique ainsi que la mesure de la perméabilité des sols compactés dans ces conditions. Les résultats obtenus sur divers types de sols, montrent que le compactage statique est bien adapté au cas des sols fins argileux. Nous montrons également qu'il existe un optimum de teneur en eau pour lequel la perméabilité est à la fois minimale et peu sensible à l'énergie de compactage. MOTS CLÉS : 42 - Essai - Compactage Statique - Argile - Perméabilité - Mesure - Eau Optimlum - Teneur en eau -/Décharge Confinement. Le compactage Proctor est un essai dynamique, peu adapté au compactage des matériaux argileux, ou en tout cas pas mieux adapté qu'un essai plus simple comme le compactage statique. Perméabilité à l'eau La perméabilité du matériau compacté est mesurable de plusieurs façons. Quand le matériau est semi-perméable, il est possible de réaliser la mesure directement dans le moule de compactage. Cela n'est plus possible quand le matériau est peu perméable * Au moment de la rédaction de cet article, Consultant en géotechnique à Montpellier. actuellement Bull, liaison Labo. P. et Ch nov.-déc Réf

2 (ce qui est le cas des matériaux argileux) car l'essai durerait trop longtemps du fait des dimensions du moule. En fait, assez souvent, l'essai est réalisé soit en prélevant un échantillon plus petit dans le moule Proctor, d'où introduction d'une manipulation induisant des remaniements et des erreurs, soit en réalisant un compactage statique dans un œdomètre. Cette deuxième manière de faire, la plus courante, évite de prélever un échantillon, avec les problèmes de contact entre le matériau et la paroi du perméamètre que cette opération entraîne, mais elle introduit une incohérence dans la méthode : l'étude de compactage est faite par l'essai Proctor et l'essai de perméabilité est réalisé sur un échantillon compacté statiquement, alors que l'on sait que la structure de l'échantillon et sa perméabilité dépendent du mode de compactage [Daniel, 1985 ; Chapuis, 1989]. Nous avons mis au point un protocole de laboratoire pour l'étude du compactage et de la perméabilité à l'eau des argiles et des matériaux fins, spécifique au problème des couvertures et des fonds de décharges. En effet, deux aspects fondamentaux distinguent ce problème de ceux habituellement rencontrés dans les études de compactage : les matériaux fins étant argileux ou argilolimoneux, il est possible d'utiliser un moule de compactage de dimensions inférieures à celui de l'essai Proctor, les effets de bords étant moins importants car liés au rapport des dimensions de grains du matériau étudié à celui du moule de compactage ; le paramètre que l'on veut contrôler est la perméabilité. Cela entraîne que, sous réserve d'avoir un matériau ayant les caractéristiques mécaniques minimales qui assurent la stabilité de l'ouvrage, le compactage pourra être conçu de façon à obtenir une imperméabilisation suffisante, en considérant comme secondaire, par exemple les problèmes de portance (qui sont à l'origine de l'exigence d'un compactage très soigné dans le domaine routier). A partir des considérations qui viennent d'être exposées, le programme suivant a été décidé : mise au point d'un essai de compactage statique qui aura pour intérêt d'être plus rapide et d'exiger moins de matériaux qu'un essai Proctor ; mesure de la perméabilité en utilisant le moule de compactage, mesure rendue plus fiable parce que réduisant au minimum les risques de cheminements préférentiels le long de l'interface matériaux - moule. Identification des matériaux étudiés Cinq types de matériaux ont été étudiés. Les caractéristiques d'identification géotechniques et minéralogiques sont présentées dans les tableaux I et II : argile de Soulaines : argile grise, peu plastique, à pôle kaolinique ; deux argiles de Saint-Sauveur (près de La Hague) prélevés en deux endroits (PI et P2) : argiles jaunes, très plastiques, à pôle smectique ; argile de Roumazière (Limousin) : argile jaune, très plastique, à pôle kaolinique, avec des teneurs significatives en montmorillonite ; limon de plateau (Roissy) : brun jaune, peu plastique ; mélanges sable - argile (P2) (matériaux provenant de Saint-Sauveur). TABLEAU I Résultats des essais d'identification géotechnique I f 7<Z :ywifô>iajir * T -3 k " Soulaines Argile peu plastique Roumazière Argile très plastique La Hague (P1) Argile très plastique La Hague (P2) Argile très plastique Roissy Limon peu plastique Sable Sable étalé ,5 1,5-16

3 TABLEAU II Analyses minéralogiques par diffraction aux rayons X ilfr ''' II."-. â Soulaines Infra-trace 10 Roumazière La Hague Étude du compactage statique et de mesure de la perméabilité Appareillage Le moule de compactage statique représenté sur la figure 1 est constitué des éléments suivants : une bague contenant l'échantillon, de 70 mm de diamètre et de 25 mm d'épaisseur ; une rehausse en deux parties vissée sur la bague ; deux pierres poreuses assurant le drainage des deux faces de l'éprouvette ; un piston coulissant dans un cylindre de même diamètre que la bague, permettant de répartir l'effort vertical sur l'éprouvette ; une embase. Le chargement de l'éprouvette s'effectue au moyen d'une presse, permettant de régler la vitesse d'application de la contrainte. Le déplacement du piston et la pression de compactage sont mesurés au moyen d'un capteur électronique. La mesure de la perméabilité se fait sur un banc de mesure spécialement construit et permettant de réaliser en même temps une dizaine de mesures. La cellule de perméabilité présentée sur la figure 2. est constituée : d'une bague de 70 mm de diamètre et de 25 mm d'épaisseur ; d'une embase et d'un couvercle munis de pierres poreuses, entre lesquels est placé l'échantillon. Fig. 1 - Appareillage du compactage statique. Compactage statique Mode opératoire Un échantillon de 250 g de matériau, amené à la teneur en eau souhaitée, soit wv est introduit dans le moule. Par l'intermédiaire du piston, une pression croissante de 0 à 2,5 MPa est appliquée à la vitesse v de 1,3 MPa par minute. Au cours de la montée en charge, le déplacement du piston est noté par lecture directe à intervalles réguliers de pression, soit 0, ,5-2 et 2,5 MPa, ce qui permet de calculer le poids volumique humide de l'échantillon pour la pression considérée, une fois mesuré à la fin de l'essai le poids volumique humide de l'échantillon compacté sous 2,5 MPa. La même opération est répétée à différentes teneurs en eau w2, w3, w4 et w5. A Sens de percolation Fig. 2 - Moule pour la mesure de perméabilité. 17

4 4. Résultats expérimentaux et premières constatations La figure 3 donne un exemple des résultats obtenus sur un diagramme yd - w. Pour chaque pression de compactage, les courbes yd - w s'emboîtent selon la disposition habituellement observée pour les courbes obtenues par compactage à la dame avec des énergies de compactage croissantes. Les courbes yd - w provenant des essais Proctor normal et Proctor modifié sont également tracées sur la figure 3. On note que : la ligne joignant les optimums statiques est décalée vers les basses teneurs en eau par rapport à celle joignant les optimums Proctor normal et modifié ; la courbe Proctor normal est située entre les courbes de compactage statique relatives aux pressions 0,8 et 1,3 MPa. Densité sèche De cette première manipulation, on peut tirer les conclusions principales suivantes : le mode opératoire utilisé permet, avec beaucoup plus de rapidité que l'essai dynamique, d'obtenir un ensemble de courbes yd - w représentant les divers états obtenus par utilisation de diverses énergies de compactage ; les résultats sont conformes à ce qui est présenté dans la littérature, en particulier en ce qui concerne l'intervalle de pression encadrant la courbe Proctor normal, pour des sols de ce type [Ilker, 1969 ; Subbarao, 1972]. TABLEAU III Influence de la vitesse d'application de la contrainte sur la densité du sol Soulaines 2,5 Yd La Hague (P1) 2,5 Yd Roumazière 2,5 Yd w = 16,4 % 1,85 1,85 1,83 w =21,7 % 1,70 1,72 1,72 w= 17,1 % 1,74 1,74 1,74 w = 25,6 % 1,60 1,60 1,59 w= 16,8 % 1,73 1,72 1,72 w =28,2 % 1,55 1,55 1,54 Influence du temps d'application de la contrainte Si la contrainte de compactage est maintenue constante pendant un certain temps, une variation importante de densité est-elle observable? Pour vérifier ce point, des essais ont été réalisés sur des éprouvettes d'argiles préparées du côté sec et du côté humide et compactées statiquement à la pression permettant d'obtenir une courbe (yd - w) proche de celle du Proctor normal. Nous avons maintenue constante la contrainte de compactage pendant une durée de 60 min, au cours de laquelle nous avons suivi l'évolution de la déformation et donc la densité de l'échantillon en fonction du temps écoulé. Les résultats présentés dans le tableau IV sont donnés sous forme de pourcentage d'augmentation de la densité (après un certain temps) par rapport à la densité initiale (temps zéro). = ut) - ut 0) x 100 ^ Wo ) - ydt0 : densité sèche initiale correspondant au moment où la contrainte de compactage voulue est atteinte ; - ydt : densité sèche après un temps t. TABLEAU IV Influence du temps d'application de la contrainte sur la densité du sol Influence de certains paramètres sur les résultats du compactage Vitesse de montée en charge Des essais ont été effectués sur des échantillons d'argile de Soulaines, de Roumazière et de La Hague à deux teneurs en eau, du côté sec et du côté humide, pour chaque échantillon testé. Dans le domaine des vitesses utilisées (vx = vil, v2 = v et v3 = 2v, avec v = 1,3 MPa/min), les résultats obtenus montrent que la densité du sol est très peu dépendante de la vitesse de chargement (tableau III) ,8 0,9 0,3 0,3 5 2,1 1,4 0,5 0,7 10 2,3 1,7 0,5 0,9 20 2,5 2,1 0,6 1,3 40 2,6 2,7 0,7 1,8 60 2,7 4,3 0,8 2,2 18

5 Les résultats obtenus montrent que, l'influence du temps d'application de la contrainte sur la densité du sol n'est pas négligeable. Il faut donc tenir compte de ce paramètre et éviter d'arrêter le processus de compactage au cours de l'essai, cela, afín de mieux simuler le compactage in situ, où le temps d'application de la charge est très court. Cycle de chargement On sait que la compacité croît avec le nombre de cycle [Grimm, 1974]. La complexité du phénomène nous conduit à préférer un mode opératoire ne comportant pas de cycle, de façon à obtenir un essai de réalisation simple. Influence des dimensions de l'éprouvette Epaisseur En fin de compression statique, pour une pression de 2,5 MPa, la densité humide de l'échantillon a été mesurée de deux façons : par mesure du déplacement du piston, ce qui donne le volume, d'où la densité des 250 g de matériau compacté ; après démontage du piston et arasage des 5 à 10 mm de matériau extérieur à la bague, par pesée du matériau contenu dans la bague. On a ainsi la densité de la partie inférieure de l'échantillon. Les deux méthodes donnent le même résultat, ce qui montre que le gradient vertical de compacité, s'il existe, est négligeable et le reste si l'on utilise une bague plus épaisse de 10 à 20 %. Diamètre Pour tester l'existence d'un gradient horizontal de compacité, des mesures de densité de la partie centrale de l'éprouvette ont été exécutées. A la précision de la mesure, la compacité observée au centre est identique à la compacité moyenne de l'éprouvette. Cela montre que l'effet de bord dû à la rigidité des parois du moule est négligeable pour des matériaux de ce type. Conclusion L'ensemble des résultats présentés montre que le mode opératoire choisi donne des résultats qui dépendent peu de légères variations des conditions expérimentales (vitesse d'application de la contrainte, par exemple). Ces résultats sont importants car ils permettent, dans la pratique du laboratoire, d'utiliser ce mode opératoire avec des appareillages moins sophistiqués que ceux que nous avons utilisés. Mesure de la perméabilité L'appareillage de mesure de perméabilité est du type à parois fixes (fig. 2), ce qui rend les mesures plus faciles et donne des résultats aussi fiables que l'utilisation de perméamètres à parois souples [Daniel et al., 1985]. Les éprouvettes sont saturées sous vide, puis un essai de perméabilité à charge constante est exécuté ; la durée de l'essai est telle que le flux ayant traversé l'échantillon en fin de mesure soit au moins égal à un volume de pore. Pendant la saturation et l'essai de perméabilité, où l'eau arrive par le bas de l'échantillon, l'éprouvette étant complètement confinée, aucun gonflement n'est possible. Ce protocole de mesure simule le fonctionnement d'une couche argileuse en fond de décharge qui serait soumise à une contrainte verticale supérieure à la pression de gonflement. Dans le cas d'un gonflement prévisible, cet appareillage pourra être modifié en laissant, par exemple, dans l'espace supérieur de l'éprouvette un vide où le gonflement pourrait se faire librement pendant la phase de saturation. Synthèse des résultats L'examen des résultats obtenus conduit à distinguer le comportement des argiles de celui des mélanges sable - argile et de celui des limons. Les commentaires qui suivent sont à confirmer par des essais complémentaires, mais la cohérence des résultats permet de penser qu'ils sont généralisables. Matériaux argileux Le compactage statique apparaît bien adapté à l'étude des sols argileux. On constate, en effet, pour les matériaux étudiés que : la contrainte de compactage statique permettant d'obtenir une densité sèche équivalente au Proctor normal est comprise entre 0,8 et 1,3 MPa. Pour les sols argileux, le compactage statique sous 1 MPa est une approximation suffisante de ce qu'il est possible d'obtenir sur chantier, avec un atelier de compactage adapté. La figure 3 donne un exemple des résultats obtenus ; les mesures de perméabilité sur les éprouvettes compactées permettent d'évaluer la plage de teneur en eau et densité sèche où il est nécessaire de se trouver en fin de mise en œuvre pour respecter la valeur de la perméabilité souhaitée. En particulier, la relation entre perméabilité, teneur en eau et pression de compactage (fig. 4) montre l'existence d'une teneur en eau optimale et d'une perméabilité minimale peu variables avec la pression de compactage dès lors que celle-ci est supérieure à une pression minimale (de l'ordre de 0,5 à 0,6 MPa). Il s'agit là d'un résultat qui, s'il est confirmé, est important au plan pratique, car il permet d'améliorer la conduite des chantiers de compactage. 19

6 Fig. 4 - Évolution du coefficient de perméabilité en fonction de la teneur en eau et de la compacité (argile de La Hague, P1). Densité sèche Coefficient de perméabilité (m / s) Fig. 5 - Évolution du coefficient de perméabilité en fonction de la teneur en eau et de la compacité (limon de Roissy). Limon de Roissy Les résultats obtenus ne diffèrent pas sensiblement de ceux observés sur les argiles : la pression de compactage statique permettant d'obtenir un optimum voisin de l'optimum Proctor normal est de 2 MPa (fig.5) ; les mesures de perméabilité sur des éprouvettes compactées statiquement ne posent pas de problème particulier. Comme pour les argiles, la figure 5 qui donne les relations entre énergie de compactage, teneur en eau et perméabilité montre qu'il existe un optimum de teneur en eau (égal à environ la teneur en eau de l'optimum Proctor + 2 %), pour lequel la perméabilité est à la fois minimale et peu sensible à l'énergie de compactage. densité optimale égale à celle du Proctor normal augmente. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau V et sur les figures 6a, 6b et 6c. La densification statique d'un sol sableux, dont le processus est très voisin de celui de l'essai œdométrique, est plus difficile à réaliser que celle d'un sol argileux. TABLEAU V Pression statique permettant d'obtenir une densité égale à celle du Proctor normal Mélanges argile - sable Les essais réalisés montrent que, plus la proportion de sable augmente, plus la pression statique nécessaire pour obtenir une 20

7 Densité sèche Des résultats de perméabilité semblables à ceux déjà observés sur les argiles ont été obtenus pour le mélange 50 % - 50 %. La perméabilité minimale trouvée est de 10 9 m/s pour une teneur en eau de 24 %. Par contre, du fait d'un lessivage des éléments fins, il n'a pas été possible de mesurer la perméabilité des mélanges comportant 75 % de sable et 25 % d'argile en poids. Conclusion Les résultats présentés montrent l'intérêt du protocole expérimental mis au point dans le cas des sols argileux. On obtient rapidement, et d'une manière plus reproductible, des courbes de compactage à diverses pressions (donc à diverses énergies de compactage) ainsi qu'une bonne représentation du champ des perméabilités dans le plan teneur en eau - densité sèche. Un résultat intéressant a été obtenu sur les matériaux testés : ils présentent une teneur en eau optimale qui permet d'obtenir une perméabilité minimale, celle-ci étant peu dépendante de l'énergie de compactage. La comparaison entre les courbes de compactage statique et celles de compactage dynamique (Proctor normal) des sols semble montrer que la pression permettant de donner l'optimum Proctor est d'autant plus forte que le sol est moins argileux. Notamment, pour les sols fins argileux étudiés, la courbe Proctor normal se trouve située entre les courbes de compactage statique obtenues pour des pressions de 0,8 et 1,3 MPa. En revanche, pour le mélange 25 % d'argile - 75 % de sable, nous avons constaté que la pression permettant de donner l'optimum Proctor normal est relativement forte (7,5 MPa). Ce résultat montre que le chemin statique suivi (chemin œdométrique) est peu ou pas adapté au compactage des sols granulaires. Cela est dû sans doute aux efforts normaux qui se développent entre les grains et qui conduisent au blocage de ceux-ci. De ce fait, il apparaît clairement que le compactage statique de ce type de sol suivant un chemin œdométrique est moins efficace qu'un compactage ayant une action de pétrissage ou une action vibratoire réduisant l'effort normal entre les grains. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES c Fig. 6 - Courbes de compactage statique ( ) et dynamique ( ) pour l'argile de La Hague (P2) et deux mélanges de sable et d'argile. CHAPUIS R.P., BAASS K., DAVENNE L. (1989), Granular soils in rigid-wall permeameters: method for determining the degree of saturation, Can. Geotech. J., vol. 26, 1, pp CHAPUIS R.P., GILL D.E., BAASS K. (1989), Laboratory permeability tests on sand : influence of the compaction method on anisotropy, Can. Geotech. J., vol. 26, 4, pp

8 DANIEL D.E. et al. (1985), Fixed wall versus flexible wall permeameters, Hydraulic Barriers in Soil and Rock, ASTM Special Technical Publication, vol. 874, pp DANIEL D.E., BENSON OH. (1990), Water contentdensity criteria for compacted soil liners, J. Geotech. Engrg., vol. 116, 12, pp GRIMM D. (1974), Principes de base du compactage, In pratique du compactage, Ecole Centrale des Arts et Manufactures, Paris, 27 p. ILKER U. (1969), Ecrouissage et fragilité comparée pour plusieurs argiles, Thèse de Docteur Ingénieur, Université de Grenoble, 130 p. MOUSSAI B. (1993), Étude en laboratoire du compactage statique et de la perméabilité des sols fins argileux, Thèse de doctorat de l'institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 235 p. MUNDELL J.A., BAILLEY B. (1985), The Design and testing of a compacted clay barrier layer to limit percolation through landfill covers, Hydraulic Barriers in Soil and Rock, ASTM Special Technical Publication, vol. 874, pp SUBBARAO C. (1972), Compactage et mécanique des milieux continus, Thèse de Docteur Ingénieur, Université Scientifique et Médicale de Grenoble, 173 p. 22

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