Deformability properties of a sand injected with a micro cement grout

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1 Deformability properties of a sand injected with a micro cement grout Caractéristiques de déformabilité d un sable injecté par un coulis de micro ciment Y. Maalej 1,2, J.-C. Dupla 1*, J. Canou 1, L. Dormieux 2 1 CERMES, 2 LMSGC (Institut Navier, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées/Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) ABSTRACT We present in this paper a study of the small strain mechanical behavior of a grouted sand with a fine cement grout. The results show an improvement of the Young modulus of the grouted soil with regard to the natural soil. We also show that the non linear behavior is kept after grouting, and that the elastic properties decrease with the distance from the injection source. This evolution is linked to the filtration phenomenon of the cement grout by the granular matrix during the injection. RÉSUMÉ Nous présentons dans cette communication une étude du comportement mécanique en petites déformations d un sable injecté avec un coulis de ciment fin. Les résultats mettent en évidence une importante amélioration du module d Young du sol injecté par rapport au sol naturel. Nous montrons également que le caractère non linéaire du comportement est conservé après injection, et que les propriétés élastiques diminuent avec la distance à la source d injection. Cette décroissance est liée au phénomène de filtration du coulis de ciment par la matrice granulaire lors de l injection.. Keywords: Grout, cement, sand, elastic properties, Young modulus, non linear behavior Mots clés : Coulis, ciment, sable, propriétés élastiques, module d Young, comportement non linéaire 1 INTRODUCTION L injection des sols constitue une technique efficace d amélioration des sols, que ce soit pour des problèmes de réduction de perméabilité ou pour l amélioration des caractéristiques mécaniques des sols en place (Cambefort, 1967). Dans le cadre de la disparition progressive, pour des questions liées à l environnement, des produits d injection «chimiques» tels que les résines et les silicates, les suspensions de micro ciments (ciments fins et ultra fins) constituent des alternatives intéressantes pour l injection de sols de plus en plus fins. Il apparaît donc important d être en mesure d évaluer les caractéristiques mécaniques des matériaux «composites» formés après injection et prise de tels coulis. Plusieurs auteurs se sont intéressés au comportement mécanique du sol injecté après prise, et ont étudié l'influence de différents paramètres sur le résultat d'injection. Nous pouvons citer les travaux de Dano (21) sur l influence du rapport C/E (rapport du ciment et de l'eau dans la préparation du coulis), ou encore Taillez (1998) sur l influence de la nature et de la granulométrie du sol. Cependant, peu de travaux ont porté sur la non linéarité du comportement observé en petites déformations.

2 Dans ce cadre, nous présentons, dans cette communication, les résultats d une étude consacrée à l évaluation des propriétés de déformabilité, mesurées en petites déformations, d un sable de référence (sable de Fontainebleau) injecté par un coulis préparé à base de ciment fin (Spinor A12, -12 µm). Nous présentons tout d abord le dispositif et la méthode d injection utilisés pour reconstituer des colonnes de sable injecté. Ces colonnes sont ensuite tronçonnées après prise pour obtenir des éprouvettes qui serviront pour l étude du comportement mécanique du matériau (Maalej 27). Les propriétés mécaniques du sable injecté sont mesurées en petites déformations (mesures locales des déformations) à l appareil triaxial, sous chargement déviatorique. Nous étudions, en particulier, la non linéarité de comportement élastique du sable injecté et l évolution du module d Young avec l éloignement par rapport à la source d injection. 2 DISPOSITIF D ESSAI 2.1 Fabrication du matériau Le dispositif d'injection de colonnes utilisé pour cette étude a été développé au CERMES (Dupla et al., 24). Il est constitué d'un bâti qui supporte le dispositif de pluviation et la colonne de sable reconstituée (H = 18 cm, φ = 8 cm) (figure 1). L'injection est réalisée à débit contrôlé à l'aide d'une pompe. La préparation se déroule en trois étapes : on reconstitue la colonne de sable de Fontainebleau à un indice de densité relatif I D =,9 par pluviation, on la sature en eau et on l injecte avec le coulis de ciment (Spinor A12) de bas en haut, préparé à une concentration massique en ciment C/E égale à,2. Figure1. Dispositif d injection de colonne Une fois la colonne injectée, celle-ci est stockée dans un milieu humide pour une période de cure de 28 jours. A l'issue de cette période, elle est découpée en cinq éprouvettes 16x8 mm qui sont repérées (de 1 à 5) par leurs positions relatives par rapport à la source d'injection, afin d'étudier l'effet de la distance à la source d injection (figure 2). 2.2 Dispositif triaxial L'utilisation de l'appareil triaxial a été adoptée afin de pouvoir déterminer les modules d élasticité du matériau injecté d'une façon précise et pour étudier l'effet de la contrainte de confinement. A l'aide des instruments de mesure de précision (capteurs à effet Hall), cet essai nous permet d'avoir accès aux modules d'élasticité dans la gamme des petites déformations (1-4 à 1-5 ). Ce dispositif a été initialement développé par Pedro (24). Figure 2. Schéma de découpe d une colonne On peut en particulier, déterminer ces modules pour différents états de confinement initiaux, ce qui permet de bien caractériser la non linéarité du comportement.

3 Ainsi, afin d'évaluer correctement les déformations de l'éprouvette dans la gamme des petites déformations avec davantage de précision, nous proposons d'utiliser un système de mesures locales. Nous utilisons alors des capteurs à effet Hall (dispositif GDS) permettant une mesure de la déformation axiale avec une précision inférieure à 5,7 µm dans la gamme de mesure utilisée. Le principe de la mesure consiste à quantifier le rapprochement ou l'éloignement de deux points localisés sur l'éprouvette. Ces points sont situés sur une génératrice de l'éprouvette et sont localisés dans le tiers central de celle-ci afin que la mesure ne soit pas influencée par l'effet du frettage (figure 3). Le dispositif de mesure est constitué de deux parties fixées par collage sur l'éprouvette. La première partie est composée d'un bras en aluminium au bout duquel se trouve un aimant. La seconde partie du dispositif est constituée d'un support sur lequel est fixé un capteur à effet Hall. 3 RESULTATS TYPIQUES Figure 3 Vue d une éprouvette de sable injecté équipée des capteurs à effet Hall, positionnée sur la base de la cellule triaxiale Le dispositif expérimental est constitué essentiellement d'une cellule triaxiale pouvant supporter une pression de confinement maximale de 2 MPa montée sur une presse électromécanique de 5 kn de capacité. La mesure externe de la déformation axiale de l'éprouvette s'effectue en utilisant un capteur LVDT positionné sur le socle de la cellule, qui mesure ainsi le déplacement vertical de celle-ci. Ce type de capteur a une précision de,1 % (4 µm) et présente l'avantage d'avoir une étendue de mesure importante (4 mm). Néanmoins, la mesure externe engendre une perte de précision importante dans la mesure ou elle ne tient pas uniquement compte de la déformation du matériau, mais aussi de celle de la cellule. Elle intègre également des déformations dues au contact entre les surfaces de l'éprouvette et les embases de la cellule. 3.1 Matériaux Tous les essais ont été réalisés sur le sable de Fontainebleau qui est un sable siliceux à grains subarrondis. La courbe granulométrique de ce sable (figure 4) montre qu il s agit d un sable fin et uniforme. Le coulis de ciment injecté dans les colonnes de sable est composé d'un mélange de ciment et d'eau avec une proportion massique C/E (ciment / eau) choisie au préalable. Le ciment utilisé est le Spinor A12 fabriqué par la société Holcim. Il s'agit d'un liant ultra fin de granulométrie inférieure à 12 µm. La figure 4 présente la courbe granulométrique du Spinor A12. Le coulis ainsi constitué est très fluide et présente un pouvoir de pénétration nettement supérieur à celui de coulis plus classiques (bentoniteciment ; ciment-eau). Afin d'obtenir une injectabilité optimale, les coulis de Spinor A12 nécessitent l'ajout d'un superfluidifiant dispersant, qui permet la défloculation des particules du liant et évite la formation d'agrégats pouvant diminuer la pénétration du coulis dans le milieu à traiter.

4 % Passant Sable de Fontainebleau Spinor A12 1E-4 1E Diamètre (mm) Figure 4 Courbes granulométriques du sable de Fontainebleau et du ciment Spinor A Comportement global La figure 5 présente le résultat d'un essai de cisaillement triaxial réalisé sur le sable de Fontainebleau pur. L'éprouvette de sable est reconstituée par pluviation à un indice de densité I D égal à,9. Nous avons représenté sur la même figure les résultats de l'essai réalisé sur une éprouvette de sable injecté. Cette éprouvette est issue d une colonne réalisée également avec un indice de densité I D de,9. Cette comparaison nous conduit aux constatations suivantes : - Sur la courbe de cisaillement, nous remarquons que le sable injecté présente une résistance maximale q max très significativement supérieure à celle du sable vierge. Par ailleurs, le sable injecté présente un comportement beaucoup plus fragile que celui du sable vierge. En effet, la déformation axiale correspondant au maximum de résistance du sable vierge est nettement plus importante que celle du matériau injecté. Les propriétés de résistance sont également améliorées par l opération d injection (Maalej 26). - Sur la courbe de déformation volumique, nous constatons que l on conserve la même allure de comportement avec une phase contractante et une phase dilatante, à la fois pour le sable vierge et le sable injecté. Le domaine de contractance ne semble pas réduit par l'injection. Toutefois, les déformations volumiques du sable vierge sont plus importantes, ce qui confirme l'apport, en terme de résistance mécanique, résultant de l'injection. Déviateur des contraintes q (kpa) Déformation volumique -ε v (%) Eprouvette N 4 (I D =,9 ; C/E=,2) Sable pur (I D =,9) p conf = 3 kpa Déformation axiale ε a (%) 1. Eprouvette N 4 (I D =,9 ;.5 C/E=,2). Sable pur (I D =,9) p conf = 3 kpa Déformation axiale ε a (%) Figure 5 Comparaison du comportement, sous chargement triaxial, entre le sable vierge et injecté 3.3 Mesure en petites déformations Ces expériences ont pour but de caractériser le comportement réversible du sable vierge et injecté. Nous exploitons alors la gamme des petites déformations (de l'ordre de 1-4 à 1-5 ), rendue accessible grâce à l'utilisation des capteurs à effet Hall. Nous présentons sur la figure 6 l'allure du déviateur des contraintes en fonction de la déformation axiale, d'une éprouvette soumise à un cisaillement sous un état initial de compression isotrope noté ( = ( σ + ) 3) 1 2σ 3. Le paramètre que nous pouvons tirer de cet essai est le module d'young E exp en fonction de l'état de compression isotrope appliqué. La valeur de ce paramètre correspond à la pente de la droite tangente à la courbe de chargement (q, ε a ). L'incertitude entre la pente de la courbe de charge et celle de décharge est d environ 3%. Ce résultat confirme que nous restons bien dans le domaine élastique dans cette gamme de déformations. Le module d'young est, par la suite, calculé suivant la pente de la courbe de charge.

5 . Déviateur des contraintes q (kpa) I D =,9 ; p conf = 4 kpa Régression charge E exp = 31 MPa Régression décharge E exp = 32 MPa Déformation axiale ε a (%) Module d'young E exp (MPa) I 5 D =,9 ; C/E =,2 Loi non linéaire Contrainte isotrope (kpa) Figure 6 Détermination du module d Young E exp en utilisant les capteurs a effet Hall Figure 7 Allure du module d Young E exp contrainte isotrope en fonction de la 4 INFLUENCE DE LA CONTRAINTE DE CONSOLIDATION La suite de l'essai consiste à augmenter la pression de confinement p conf, et refaire une phase de chargedécharge. Chaque phase de charge-décharge définit alors le module d'young E correspondant à l'état de contrainte isotrope appliqué. Nous disposons également des mesures de la déformation radiale ce qui nous permet d'en déduire le coefficient de Poisson ν, égal à la pente de la régression linéaire des points correspondant à la déformation radiale, en fonction de la déformation axiale. Le dépouillement des résultats nous permet alors de tracer l'allure du module d'young E en fonction de la contrainte isotrope appliquée à l'éprouvette. La figure 7 représente le résultat d'un essai type réalisé sur une éprouvette de sable injecté (Indice de densité I D =,9 ; concentration en ciment du coulis injecté C/E=,2). Nous traçons sur la même figure la courbe de régression qui suit la forme (Hicher, 1996) : E exp = γ exp Nous en déduisons alors le coefficient γ exp qui caractérise le comportement élastique de l'éprouvette considérée. 5 INFLUENCE DE LA DISTANCE A LA SOURCE D INJECTION Nous constatons une amélioration considérable du comportement élastique du sable après injection. Les valeurs du module d'young E exp sont d'autant plus importantes que nous augmentons l'état de confinement et que nous se rapprochons de la source d'injection (figure 8). En guise d'illustration, nous traçons sur la figure 9 exp l'allure du coefficient γ en fonction de la position dans la colonne. Nous notons une diminution des caractéristiques élastiques du milieu au fur et à mesure que nous nous éloignons de la source d'injection. Cela est dû essentiellement au phénomène de filtration qui a lieu lors de la phase d'injection. A cause de la filtration, les éprouvettes sont plus riches en ciment, donc plus rigides après prise, lorsqu'on est proche du point d'injection (Saada 23). Module d'young E exp (MPa) I D =,9 ; C/E =,2 Eprouvette N 1 Eprouvette N 2 Eprouvette N 3 Eprouvette N 5 Sable vierge Loi non linéaire Contrainte isotrope (kpa) Figure 8 Allure du module d Young E exp en fonction de la contrainte pour le sable vierge et pour différents niveaux de la colonne

6 Coefficient γ exp ( [MPa] 1/2 ) Cote moyenne z (cm) I D =,9 ; C/E=,2 exp Figure 9 Variation du coefficient γ en fonction de la position dans la colonne 6 CONCLUSION Hicher, P.-Y., 1996, Elastic properties of soils, Journal of geotechnical engineering, pp Maalej, Y., Dormieux, L., Canou, J. and Dupla J.-C., 26, Strength of a granular medium reinforced by cement grouting, à paraitre dans C. R. acad. Sci. Paris, Série IIb. Maalej, Y., 27, Comportement mécanique d'un milieu granulaire injecté par un coulis de ciment : étude expérimentale et modélisation micromécanique, Thèse de doctorat de l'ecole Nationale des ponts et Chaussées, France. Pedro, L. S., 24, De l'étude du comportement mécanique de sols hétérogènes modèles à son application au cas des sols naturels, Thèse de doctorat de l'ecole nationale des ponts et chaussées, France. Saada, Z., Canou, J., Dormieux, L., Dupla, J.-C. and Maghous, S., 25, Modelling of cement suspension flow in granular porous media, Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech, vol 29, pp Tailliez, S., 1998, Etude expérimentale du comportement mécanique des sols granulaires injectés, Thèse de doctorat de l'ecole Centrale de Paris, France. Nous avons présenté dans cette communication une étude du comportement mécanique en petites déformations du sable de Fontainebleau injecté par un coulis de ciment fin. Ce travail s appuie sur l utilisation d un dispositif triaxial avec mesure locale des déformations. Nous avons montré que le module d Young du matériau injecté suit une fonction en racine carrée de la contrainte moyenne isotrope. Le caractère non linéaire du comportement est donc conservé après injection. Nous observons également une amélioration considérable du comportement élastique du sable après injection, d autant plus importante qu on se trouve près de la source d injection. La décroissance du module avec la distance à la source est liée essentiellement au phénomène de filtration du coulis qui se produit lors de la phase d injection. REFERENCES Cambefort, H., 1967, Injection des sols, Tome 1 : principes et méthodes, Editions Eyrolles. Dano, C., 21, Comportement mécanique des sols injectés, Thèse de doctorat de l'ecole Centrale de Nantes, France. Dupla, J.-C., Canou, J., Gouvenot, D., 24, An advanced experimental set-up for studying monodirectional grout injection process, Ground Improvement, vol. 8, num. 3, pp