Méthodologie d étude de la sensibilité des sols au retrait-gonflement

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1 LES PLÉNIÈRES 28 DU LCPC Sciences et techniques du Génie Civil JOURNÉES GÉOTECHNIQUE SEILLAC, les 18-2 novembre 28 Méthodologie d étude de la sensibilité des sols au retrait-gonflement Méthodologie d étude de la sensibilité des sols au retrait-gonflement M. Duc, L. Makki, A. Maloula, J-P. Magnan Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Division Mécanique des Sols et des Roches et Géologie de l'ingénieur (MSRGI) Page 1/16

2 CONTEXTE Période de sècheresse DÉSÉQUILIBRE HYDRIQUE entre le centre et les murs extérieurs des bâtiments RETRAIT / GONFLEMENT des SOLS FINS ARGILEUX en fonction de la variation de la teneur en eau du sol MOUVEMENTS DIFFÉRENTIELS au niveau des fondations Photo Agence Qualité Construction PATHOLOGIES apparaissant sur les bâtiments suite aux périodes de sécheresse COÛTS ÉLÉVÉS DES DOMMAGES pour la collectivité Page 2/16

3 CONTEXTE Période de sècheresse DÉSÉQUILIBRE HYDRIQUE entre le centre et les murs extérieurs des bâtiments RETRAIT / GONFLEMENT des SOLS FINS ARGILEUX en fonction de la variation de la teneur en eau du sol MOUVEMENTS DIFFÉRENTIELS au niveau des fondations Photo Agence Qualité Construction PATHOLOGIES apparaissant sur les bâtiments suite aux périodes de sécheresse COÛTS ÉLÉVÉS DES DOMMAGES pour la collectivité Page 3/16

4 M. Duc - Méthodologie d étude de la sensibilité des sols au retrait-gonflement, Journées Géotechnique 28 En France on fait référence aux cartes d aléa élaborées par le BRGM. Il existe quelques PPR avec les cartes associées. Autour de Corbeil Essone (Essonne 91 Ile de France) Cartographie départementale de l aléa retraitgonflement mise en place par le BRGM Consulter Méthodologie de basée sur les cartes géologiques (1/5 ) avec un important travail de numérisation et surtout d harmonisation des cartes. Hiérarchisation des formations: nature lithologique (importance et disposition des argiles au sein de la formation), composition minéralogique (proportion de smectites ou interstratifiés à partir de critères paléogéographiques et d essais de DRX), comportement géotechnique (essais de laboratoire - Vb, Ip ou Wr). densité des sinistres ramenée à 1 km2 de surface d affleurement réellement urbanisée Des cartes limitées Aléa fort (argile >25% et Ip >3%) Aléa faible Aléa moyen Aléa à priori nul - des sinistres hors zone d aléa, - hétérogénéités des sols et couches superficielles difficiles à appréhender, - impact du remaniement des sols Page 4/16

5 Méthode pour élaborer ces outils et carte basée sur la caractérisation de la fraction fine des sols (propriété de plasticité) PROBLEME : manque de données expérimentales pour caractériser les formations argileuses Outil (critère) inadapté Exemple d application de classifications de la sensibilité des sols au retrait gonflement au cas de l argile de Bavent Classification Parametres Potentiel de gonflement Altmeyer (1955) w s Moyen/fort Rangaratham et Satyanarayana (1963) I s fort Seed et al. (1962) I p Moyen Classification SNEP or ASTM D (method A) ε SW % Faible Classification BRE (Building Research Establishment) Ip, %<2µm Moyen Classification EPA (US Environmental Protection Agency) Ac, CECc Faible Chen (1988) w l, %<74µm Fort Williams et Donaldson (198) Ip, %<2µm Moyen Holtz et Gibbs (1956) w s, Ip, %<2µm Très fort Dakshanamurthy (1978) w l, w s,ip Moyen Page 5/16

6 ORIGINE du PROBLEME : Non prise en compte de l influence de la densité, de la texture, de la teneur en carbonates sur la sensibilité des sols argileux au retrait-gonflement OBJECTIF : trouver une méthodologie à partir d essais de laboratoire pour caractériser la sensibilité des sols au retrait-gonflement ANR ARGIC Analyse du Retrait- Gonflement et de ses Incidences sur les Constructions Opération de recherche LCPC Page 6/16

7 Démarche Caractérisation multi-échelle des échantillons de sols (identification géotechnique, Vb, CEC, %CaCO 3, minéralogie) Étude du gonflement par les essais classiques (essais de gonflement libre >> potentiel de gonflement et pression de gonflement) >> le gonflement peut être maîtrisé >> nombreuses études dans la littérature Etude du retrait >> le retrait est responsable des pathologies sur les constructions et il ne peut être empêché >> nécessité d étudier le retrait de manière systématique >> développement d un essai instrumenté automatisé dans le cadre de la thèse de L Makki (LCPC, 26-29) Page 7/16

8 Essai automatisé et instrumenté de retrait libre La fiche descriptive du matériel et le programme sous Labview sont disponibles : 3 postes : environ 1 keuros Page 8/16

9 Avantages d un essai instrumenté facilite à l opérateur la réalisation de l essai qui est long (environ 1 jours) avec des périodes sans possibilité de prise de mesure, permet d obtenir des mesures en continu des déformations volumiques, améliore la précision de la courbe, permet la mesure de la vitesse de séchage. VOLUMIQUE CONTINU Marne bleue intacte Volumique (manuel) volumique (manuel) Automatisé argile verte déformation axiale =.34 déformation volumique marne bleue déformation axiale =.51 déformation volumique déformation axisymétrique de l argile verte, non axisymétrique de la marne bleue. Page 9/16

10 Influence des carbonates sur le comportement du sol Échantillon intact Échantillon remanié Échantillon décarbonaté initial final initial final initial final W (%) e dh/dv déformation non axisymétrique déformation axisymétrique Elimination Élimination des des carbonates carbonates >> >> courbe courbe modifiée modifiée (passage (passage de de 3 à 3 2 à parties) 2 parties) Les carbonates Les sont carbonates responsables sont responsables de la forme de de la la forme courbe de : la W courbe R1 et W R2 à interpréter CaCO 3 ~ CaCO 3 35% Marne bleue >> importance des carbonates pour déterminer la sensibilité d un sol au R-G Page 1/16

11 Influence de la préparation du sol Déformation volumique Marnes bleues d Argenteuil sol remanié en passant par l'état de boue, séchée puis réhydratée sol remanié décarbonaté sol intact sol remanié en séchant, coupant et réhydratant Teneur en eau w(%) >>Impact de la préparation du matériau sur l amplitude de déformation en retrait mesurée >> Le remaniement en passant sous de boue entraîne une surestimation de la déformation >> La cimentation dans l échantillon (selon notre hypothèse à l origine de la forme de la courbe en 2 parties) est conservée même en passant par un état sous forme de boue Nécessité de travailler sur des sols intacts (carottage) Possibilité d approcher le comportement du sol naturel intact en utilisant le protocole suivant : séchage à l air, découpe en petits morceaux puis retour à la teneur en eau et la densité initiale Page 11/16

12 Déformation volumique Influence de la densité sur le comportement du sol Essais de retrait continu avec préparation du sol remanié : passage à l état de boue > séchage à l air >broyage à la main >réhumidification W initiale > compactage statique pour obtenir des densités variables d=1,41 d=1,32 d=1,37 d=1,56 d=1,43 d=1,52 sol intact d=1,52 Marnes bleues d Argenteuil Déformation volumique(%) d=1,4 d=1,52 d=1,52 d=1,34 d=1,56 d=1,44 sol intact d=1,56 Argile verte de Romainville Teneur en eau w(%) Teneur en eau(%) >> Influence du remaniement (avec ou sans la présence de carbonates) : impossible de simuler une densité naturelle >> Impact de la densité difficile à interpréter (reproductibilité des mesures à établir - variabilité des échantillons de sols) >> présence d une densité seuil à partir de la laquelle ce paramètre n influe plus sur l amplitude de déformation maximale du matériau Page 12/16

13 Influence des cycles de séchage/humidification Marnes bleues d Argenteuil : échantillons intacts e Indice des vides,9,85,8,75,7,65,6 second cycle de gonflement libre puis retrait premier cycle de gonflement libre puis retrait ligne de saturation,55, 1, 2, 3, Teneur en eau w(%) Protocole : Gonflement libre 7 jours à l oedomètre puis 3 jours de séchage à l air la phase de séchage finale à l air se fait dans l appareil de retrait en continu Déformation volumique dv/v%,14,12,1,8,6,4, Teneur en eau w(%) >> augmentation de la déformation volumique après un second cycle d humidification - séchage >> effet de fatigue du matériau >> déstructuration du matériau (hypothèse: cimentation brisée) >> amplification du R-G avec les cycle dans le cas de cette marne En cours : 3 cycles, 4 cycles puis 1 cycles stabilisation du phénomène? Page 13/16

14 CONCLUSIONS Paramètres envisagés pour une classification des sols sensibles au retrait-gonflement e Densité initiale de sol CEC / Vb Capacité d échange cationique / valeur de bleu CaCO 3 Teneur en carbonates ε sw = hsat h h n n Comportement mécanique (essai de gonflement libre sur sol intact) ε sh = h h n h n d Comportement mécanique (essai de retrait sur sol intact) Aptitude de retrait ou gonflement : faible, moyenne, forte, très forte. Page 14/16