CARACTERISATION MECANIQUE D UN MELANGE DE SABLES D HOSTUN

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1 CARACTERISATION MECANIQUE D UN MELANGE DE SABLES D HOSTUN MECHANICAL CHARACTERIZATION OF A MIXTURE OF HOSTUN SANDS Gaëlle BAUDOUIN 1, Frédéric ROSQUOËT 2, Jean CANOU 3, Jean-Claude DUPLA 3, Luc THOREL 1, Gérard RAULT 1, Irina ANDRIA-NTOANINA 3 1 Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Bouguenais, France 2 IUT Génie Civil, Amiens, France 3 Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Univ. Paris-Est, UR Navier, CERMES, Cité Descartes, Champs-sur-Marne, France RÉSUMÉ Un sable doit posséder des caractéristiques particulières pour être utilisé en centrifugeuse afin de modéliser le matelas de transfert de charge d un dispositif d amélioration des sols compressibles par inclusions rigides. On présente tout d abord l analyse granulométrique du mélange de cinq fractions du sable d Hostun puis le comportement mécanique. ABSTRACT Particular properties are needed for a sand to be used in centrifuge tests to model the mattress of load transfer of a device of soft soil improvement by stiff piles. We present first the grading curve of a five fractions mixture of the Hostun sand and then the mechanical behaviour. 1. Introduction L amélioration des sols compressibles par inclusions rigides verticales est de plus en plus utilisée (Briançon, 2002). Le massif renforcé est surmonté d une couche de matériau granulaire (ou matelas) qui permet le transfert des charges dues à l ouvrage vers les inclusions rigides (Hewlett et Randolph, 1988 ; Kempfert, 2004). Des «effets de voûte» se développent dans le matelas. Ils dépendent de paramètres géométriques (espacement, diamètre des inclusions, hauteur de matelas) et mécaniques (nature et intensité du chargement, nature du matelas). Cependant, les mécanismes intervenant dans son fonctionnement ne sont pas encore bien compris (Briançon, 2002). Le Projet National ASIRI (Amélioration des Sols par Inclusions RIgides), débuté en 2005, a pour but d améliorer la connaissance de ce système de renforcement, et de fournir des recommandations. Dans ce cadre, des expérimentations sont réalisées sur modèle réduit centrifugé. Une étude paramétrique sur un groupe de neuf inclusions est en cours (Baudouin et al., 2007). A l échelle du modèle, le matelas est constitué d un mélange de plusieurs fractions granulaires de sable d Hostun. La granulométrie et le comportement mécanique du mélange sont caractérisés. Des essais triaxiaux et de cisaillement direct réalisés au CERMES et à l IUT de génie civil d Amiens sont présentés. Les performances du mélange sont comparées à celles de la fraction de référence HN 31 seule. 491

2 2. Les paramètres physiques L étude bibliographique sur la modélisation physique d amélioration de sol par inclusions rigides a montré qu un matériau granulaire qui possède des éléments assez gros favorise les transferts de charge de la structure vers les inclusions (Jenck, 2005). Classiquement le matelas granulaire est constitué de grave B3 (LCPC, 1992) dont les diamètres des plus gros sont de 31,5 mm. C est pourquoi, sur des modèles réduits au 1/30 ème, on souhaite mettre en place un sable de granulométrie étalée dont les éléments ont un diamètre équivalent inférieur à 1 mm. Pour favoriser le développement des efforts de cisaillement dans le matelas, on choisit le sable d Hostun, dont les grains sont plus anguleux que le sable de Fontainebleau, et qui est disponible en plusieurs fractions granulométriques : HN38, HN34, HN31, HN0,4/0,8, HN0,6/1,6. La fraction HN31 du sable d Hostun (autrefois Hostun RF) est une référence en France pour les essais de laboratoire (Flavigny et al., 1990). On réalise le mélange (m 1/5) des cinq fractions pour obtenir un matériau à granulométrie continue, en coupant la dernière fraction à 1 mm pour respecter l échelle du modèle réduit. On mélange chaque fraction en proportion égale, en versant en même temps les cinq fractions dans un malaxeur (Grosseau, 2007). Ainsi, on obtient un mélange homogène, contrôlé par granulométrie laser. Les écarts mesurés entre deux prises d essais d un malaxeur sont alors évalués et présentés sur la figure 1. Figure 1. Contrôle de l homogénéité du mélange. Les écarts mesurés ne sont pas supérieurs à 5,3 % entre deux prises d essais d une même "gâchée". Ces valeurs sont plus faibles (Grosseau, 2007) que celles obtenues avec d autres modes de mélange (par couches successives de chaque fraction par exemple). 492

3 Les masses volumiques maximum et minimum de ce mélange ont été déterminés au CERMES : ρ dmin = 1,40 g/cm 3 et ρ dmax = 1,73 g/cm 3 ( e min = 0,532 et e max = 0,893) Une analyse par tamisage à sec permet d obtenir les courbes granulométriques (Figure 2 et tableau I). Figure 2. Courbes granulométriques des sables d Hostun et du mélange Tableau I. Caractéristiques granulométriques (Grosseau, 2007). C C d x : diamètre des grains solides à x % de passant, C U : coefficient d uniformité, : coefficient de courbure, C E : coefficient d étalement, C S : coefficient de symétrie. 493

4 3. Les paramètres mécaniques 3.1. Reconstitution des échantillons Après le mélange des différentes fractions, les échantillons destinés aux essais de cisaillement rectiligne sont reconstitués en quatre couches par un léger compactage directement dans la boîte qui servira au cisaillement. La masse de sol à introduire dans la boîte est déterminée pour obtenir après compactage une éprouvette de masse volumique choisie et pour que le plan de cisaillement se trouve à mi-hauteur de l éprouvette (NF P , 1994). Les essais triaxiaux sont reconstitués par pluviation dans l air (figure 3) avec une densité contrôlée et de façon homogène. Figure 3. Schémas du pluviateur LCPC et du pluviateur CERMES Un pluviateur est composé d un réservoir, contenant le sable, muni à sa base d une grille interchangeable. Cet ensemble est mobile pour permettre de conserver une hauteur de pluviation constante. La densité obtenue varie en fonction de la hauteur pluviation (h p ) et du débit, géré par la géométrie de la grille (taux de perforation). L appareil doit donc être étalonné pour chaque matériau (Benahmed, 2001). Un tube plongeur (ou diffuseur) équipé de tamis permet d avoir une hauteur de chute du sa- à l intérieur des éprouvettes re- ble constante, éventuellement très petite, y compris constituées. Pour l ensemble des essais, la densité des échantillons est contrôlée par pesée Essais de cisaillement rectiligne à la boîte Des essais de cisaillement rectiligne à la boîte ont été réalisés sur la fraction HN31 ainsi que sur le mélange dans deux états de compacité. De plus, le sable a été usé artificiellement pour simuler l équivalent de 50 cycles de pluviation, selon une procédure utilisant l essai micro-deval sans bille (Poret, 2005). Toutes les conditions d essais sont combinées : type (HN 31 ou mélange), densité et usure (il y a donc 8 séries d essais) et toutes les séries sont doublées pour contrôler la répétabilité. La contrainte normale appliquée varie de 50 à 400 kpa. Les déplacements horizontaux sont appliqués à la vitesse de cisaillement de 1,5 mm/min, l essai est arrêté pour un déplacement horizontal de 0,3 à 0,6 mm. L interprétation des résultats suppose que le matériau est sans cohésion. 494

5 Comme attendu (Costet et Sanglerat, 1975), on trouve que l angle de frottement interne diminue (Tableau II et figure 4) : - lorsque la densité diminue ; - lorsque la granulométrie est moins étalée ; - avec l usure du matériau. L usure p rovoque par ailleurs un effet plus important de la densité sur l angle de frottement interne (Tableau II). Tableau II. Résultats de s essais de cisaillement rectilig ne en terme d angle de frottement interne neuf, ρ=1,56 g/cm neuf, ρ=1,65 g/cm usé, ρ=1,56 g/cm Usé, ρ=1,65 g/cm Mélange Hostun 39,5 40,0 35,2 39,3 HN 31 34,6 35,7 - - Pour ces résultats, les valeurs de l angle de frottement interne sont données avec une erreur δϕ =± 0.1. Figure 4. Résultats des essais de cisaillement rectiligne 3.3. Essais triaxiaux Le comportement mécanique de la fraction HN 31 du sable d Hostun a déjà été très étudiée (De Gennaro et al., 2004 ; Lancelot et al., 1996). Des essais triaxiaux sur le mélange de sable d Hostun m1/5 ont été réalisés au CERMES (Tang, 2007), selon un cahier des charges (Dupla et al., 2007). Les essais, consolidés drainés, sont réalisés sur des éprouvettes de Ø=100 mm, pour deux den- sités de matériau : I D = 0,9 et I D = 0,7. La variation de la pression interstitielle est mesurée. Les pressions de confinement sont successivement 25, 50, 100 et 200 kpa. Le chargement est monotone et uniquement en compression. La vitesse de cisaillement est de 0,25 %/min. On appréciera donc les caractéristiques du mélange en comparaison avec celles de la fraction HN 31 uniquement pour ce type d essai. Le comportement du mélange est ductile : les pics sont peu marqués. Pour les confinements les plus faibles, la contrainte (figure 5a) tend vers une asymptote. Pour 495

6 I D = 0,9, la déformation volumique (figure 5b) montre une faible phase de contractance initiale puis une phase de dilatance marquée. La contractance augmente avec le confinement. Figure 5. a) Variation du déviateur des contraintes en fonction de la déformation axiale, b) Variation de la déformation volumique en fonction de la déformation axiale On compare ces résultats avec ceux obtenus avec des éprouvettes de sable dont l indice de densité est de 0,7 : A même pression de confinement, les échantillons les plus denses présentent des valeurs du déviateur des contraintes plus grandes. En revanche, les échantillons les plus lâches présentent une phase de contractance beaucoup plus importante et une faible dilatance. 496

7 A partir d es 4 essais réalisés sur les échantillons les plus denses, on peut évaluer le concept d état critique. Dans le plan (p, q), la projection de la courbe de rupture est linéaire. Tableau III. Rés ultats essais triax iaux, mélange Hostun, I D = 0,9 Confinement Contre-pression Valeurs à la rupture σ 3 [kpa] [kpa] [kpa] q [kpa] p [kpa] Déviateur des contraintes q [kpa] y = 1,695x ϕ' = 41, Con trainte effective moyenne p' [kpa] Figure 6. Représentation de l état critique dans le plan (p, q) pour le mélange de sable d Hostun m1/5 L angle de frottement mobilisé à la rupture est alors ϕ = 41,4 pour I D = 0,9. Cette valeur est supérieure à celle obtenue pour la fraction HN 31 pour le même indice de densité et les mêmes états de contrainte, ϕ = 40 (Benahmed, 2001). Pour Lancelot et al. (1996) et pour des confinements variant de 20 à 100 kpa, les angles de frottement moyens du HN31 varient de 37 pour un état lâche (I D = 0,11) à 44 pour un état dense (I D = 0,89). Enfin, Mokrani (1991) réalise également des essais triaxiaux sur le sable d Hostun HN 31 pour des états de contrainte forts, il trouve un angle de frottement interne variant de 34 à 41,9 pour des indices de compacité variant de 41 à 54 %. Ces variations s expliquent par les variations des gammes de contrainte utilisées. On peut donc espérer que l utilisation d un mélange augmentera les efforts de cisaillement dans le matelas granulaire du modèle renforcé par inclusions rigides soumis à des états de contrainte semblables à ceux des essais réalisés. Le report de charge de la structure vers les inclusions en sera alors favorisé. Dans une deuxième série d expérimentation en centrifugeuse, une étude paramétrique nous permettra d évaluer ces effets sur l efficacité du renforcement. 497

8 4. Conclusions Le comportement d un mélange dense de cinq fractions granulaires du sable d Hostun donne à la rupture un angle de frottement interne de 41,4 au triaxial contre 41 à la boîte de cisaillement. La caractérisation physique réalisée permet de justifier l intérêt de l utilisation de ce mélange pour favoriser le report de charge entre la structure et les inclusions. D autre part, des premiers essais de caractérisation mécanique montrent une augmentation du frottement pour le mélange par rapport à la fraction HN 31 seule (dans la même gamme de contrainte). L angle de frottement interne diminue lorsque la densité diminue, lorsque la granul usure du matériau. L usure provoque par ailleurs lométrie est moins étalée et avec un effet plus grand de la densité sur l angle de frottement interne. 5. Références bibliographiques Baudouin G., Thorel L., Rault G., Garnier J. (2007) Renforcement de sols compressibles par inclusions rigides : dispositif pour la modélisation en centrifugeuse d une maille élémentaire. XXVème Rencontres universitaires de Génie civil, Bordeaux, mai Benahmed N. (2001) Comportement mécanique d un sable sous cisaillement monotone et cyclique. Thèse de doctorat en géotechnique, ENPC, 351p. Briançon L. (2002) Renforcement des sols par inclusions rigides. Etat de l art. IREX, Paris, 85p. Costet J., Sanglerat G. (1975) Cours pratique de mécanique des sols. Tome 1: plasticité et calcul des tassements, Dunod, 263p. De Gennaro V., Canou J., Dupla J.C., Benahmed N. (2004) Influence of loading path on the undrained behaviour of a medium loose sand. Canadian Geotechnical Journal, n 41, Dupla J.C., Canou J., Thorel L. (2007) ASIRI, Theme 3. Cahier des Charges des essais triaxiaux. Ref. LCPC RMS/MSC /1-a, 23p. Flavigny E., Desrues J., Palayer B. (1990) Note technique. Le sable d Hostun «RF». Revue Française de Géotechnique, n 53, Gr osseau J. (2007) Caractérisation mécanique du sable d Hostun reconstitué par pluviation. Caractéristiques oedométriques de la kaolinite. Rapport de stage LCPC-RMS/MSC , Université de Nantes, 50p. Hewlett W.J., Randolph M.F. (1988) Analysis of piled embankment. Ground Engineering, vol. 21, n 3, Jenck O. (2005) Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticales. Modélisation physique et numérique. Thèse de doctorat Génie Civil. INSA de Lyon. 383p. Kempfert H.G. (2004) German Recommendations for reinforced embankments on pile-similar elements. Third European Geosynthetics Conference. Geotechnical Engineering with geosynthtics, Munich, Laboratoire Central de Ponts et Chaussées, (1992) Réalisation des remblais et des couches de forme, France, Fascicules I 98p et II 102p. Lancelot L., Sharour I., Al Mahmoud M. (1996) Comportement du sable d Hostun sous faibles contraintes, Revue Française de Géotechnique, n 74, pp Mokrani L. (1991) Simulation physique du comportement des pieux à grande profondeur en chambre de calibration. Thèse de doctorat, Institut Polytechnique de Grenoble. Norme française NF P , (1984) : Comparateurs Essai de cisaillement rectiligne à la boite, Partie 1 : Cisaillement direct. AFNOR, 16p. Poret C. (2005) Etude du vieillissement du sable de Fontainebleau. Rapport LCPC-MSC /1-a. 58p. Tang L. (2007) Etude du comportement mécanique de sables. Rapport de stage scientifique. CERMES, ENPC. 54p. 498