d essai au plan incline pour déterminer les propriétés de frottement résiduel aux interfaces

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1 Procédure d eai au plan incline pour déterminer le propriété de frottement réiduel aux interface géoynthétique Guillaume Stoltz, D. Poulain, E. Lohea, R. Gallo, Nathalie Touze-Foltz To cite thi verion: Guillaume Stoltz, D. Poulain, E. Lohea, R. Gallo, Nathalie Touze-Foltz. Procédure d eai au plan incline pour déterminer le propriété de frottement réiduel aux interface géoynthétique. Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur, Jul 2012, Bordeaux, France. 8 p., <hal > HAL Id: hal Submitted on 10 Dec 2012 HAL i a multi-diciplinary open acce archive for the depoit and diemination of cientific reearch document, whether they are publihed or not. The document may come from teaching and reearch intitution in France or abroad, or from public or private reearch center. L archive ouverte pluridiciplinaire HAL, et detinée au dépôt et à la diffuion de document cientifique de niveau recherche, publié ou non, émanant de établiement d eneignement et de recherche françai ou étranger, de laboratoire public ou privé.

2 Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet 2012 PROCEDURE D ESSAI AU PLAN INCLINE POUR DETERMINER LES PROPRIETES DE FROTTEMENT RESIDUEL AUX INTERFACES GEOSYNTHETIQUES TESTING METHOD USING AN INCLINED PLANE DEVICE TO ASSESS THE RESIDUAL FRICTION PROPERTIES AT GEOSYNTHETICS INTERFACES Guillaume STOLTZ 1, Daniel POULAIN 2, Elodie LOHEAS 1, Roland GALLO 1, Nathalie TOUZE-FOLTZ 1 1 IRSTEA, UR HBAN, Centre d Antony, F-92160, Antony. 2 IRSTEA, UR REBX, Centre de Bordeaux, F-33612, Ceta. RÉSUMÉ Cette étude préente une méthode de détermination de propriété de frottement réiduel aux interface géoynthétique par un dipoitif de type plan incliné. La procédure propoée et comparée à la procédure de la norme en vigueur et à une autre iue de la bibliographie. Le eai mené ur une interface géomembrane-géotextile montrent que la procédure propoée et mieux adaptée pour déterminer un angle de frottement à l interface conervatif et repréentatif de condition de terrain. ABSTRACT Thi tudy preent a teting method to determine the reidual friction propertie at geoynthetic interface uing an inclined plane device. The propoed teting method i compared to the tandardized procedure and to another procedure from the litterature. The tet performed on a geomembrane-geotextile interface how that the propoed teting method i better uitable to ae a conervative interface friction angle that i repreentative of in-itu condition. 1. Introduction Le dimenionnement de complexe géoynthétique ur pente néceite le propriété de frottement aux interface ol-géoynthétique et/ou géoynthétiquegéoynthétique. Ce propriété ont d autant plu fondamentale dan le contexte d optimiation de l encombrement de tructure qui conduit ouvent à un raidiement de talu (par ex. le caier d intallation de tockage de déchet non dangereux). La meure de angle de frottement aux interface géoynthétique peut être réaliée par l eai de ciaillement direct ou bien par l eai au plan incliné. Il a été montré que l eai au plan incliné, elon la norme NF EN ISO (AFNOR, 2005), et plu approprié pour la détermination de angle de frottement ou de contrainte de confinement inférieure à 10 kpa (Izgin et Wati, 1998 ; Palmeira et al., 2002 ; Reye-Ramirez et Gourc, 2003). Néanmoin, de récente étude montrent que cet eai peut conduire à la détermination d une valeur non conervative de l angle de frottement.

3 Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet 2012 En effet, Pitanga et al. (2009) ont montré que l angle de frottement correpondant à l initiation du gliement de l interface et l angle de frottement dynamique de l interface (caractérié par un gliement à accélération contante) étaient généralement inférieur à l angle de frottement obtenu elon la norme NF EN ISO de l eai au plan incliné. Cependant, Pitanga et al. (2009) ne concluent pa ur l angle de frottement à retenir à partir de l eai au plan incliné et oulignent que cette quetion rete en upen. Briançon et al. (2011) ont propoé une procédure modifiée de l eai au plan incliné qu il ont nommée «procédure en force». A partir de cette procédure, il obtiennent une valeur d angle de frottement qu il conidèrent conervative par rapport à l angle de frottement obtenu à partir de l eai elon la norme NF EN ISO L objectif de cette étude et de propoer une procédure d eai au plan incliné qui détermine l angle de frottement réiduel aux interface géoynthétique en condition de gliement quai-tatique (non dynamique). Cette procédure appelée «eai de frottement réiduel» et comparée à la procédure elon la norme NF EN ISO et à la «procédure en force» elon Briançon et al. (2011) à partir de réultat obtenu par de eai ur une interface géotextile tié - géomembrane tructurée. 2. Procédure d eai au plan incliné 2.1. Procédure d eai elon la norme NF EN ISO La norme NF EN ISO et une méthode de détermination de l angle de frottement de interface géoynthétique ou ol-géoynthétique, ou contrainte faible, par un dipoitif de type plan incliné. Le principe et de meurer l inclinaion 50 du plan (Figure 1), qui augmente à vitee contante durant l eai, lorque le boîtier upérieur, rempli de ol pour appliquer la contrainte de confinement, glie d un déplacement u de 50 mm. La vitee d inclinaion du plan requie et de 3,0±0,5 degré par minute ; la contrainte normale initiale (=0 ) confinant l interface doit être de 5,0±0,1 kpa ; la longueur et la largeur de l interface tetée doivent être au moin égale à 300 mm. Il et à noter que la contrainte normale varie pendant l eai (= 0 co). Pour obtenir une contrainte uniforme ur toute la urface de l éprouvette tetée, le paroi du boîtier upérieur doivent pouvoir être inclinée avant le début de l eai de façon à ce que leur inclinaion correponde à 50. L angle de frottement 50 de l interface étudiée et calculé elon le bilan de force de la Figure 1 : W inβ50 + fr( β50 ) tanϕ 50 = (1) W coβ avec W S le poid du ol contenu dan le boîtier upérieur, 50 l inclinaion du plan pour laquelle le boîtier upérieur et déplacé de 50 mm et fr( 50 ) la force néceaire pour retenir le boîtier upérieur vide pour une inclinaion 50 du plan. 50

4 Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet 2012 A ABCD EF Figure 1. Force conidérée pour le calcul de l angle de frottement 50 à l interface dan le ca de la procédure d eai elon la norme NF EN ISO Troi eai ur éprouvette vierge ont requi et l angle de frottement de l interface étudiée et calculé par la moyenne arithmétique de angle 50 de chaque eai. Il et important de noter que l équation 1 et iue d un bilan de force tatique alor que le condition ont dynamique ; la force dynamique engendrée par l accélération du plan et négligée. C et l une de raion pour laquelle de auteur comme Reye-Ramirez et Gourc (2003) ont montré que la méthode de la norme NF EN ISO n était pa adaptée pour déterminer l angle de frottement d une interface impliquant de géoynthétique Procédure «d eai en force» elon Briançon et al. (2011) Le principe de la procédure «d eai en force» elon Briançon et al. (2011) conite à meurer la force F qui retient le boîtier upérieur lorqu il a glié d un déplacement u lim uite à l augmentation de l inclinaion du plan à vitee contante. Elle comporte troi étape (Figure 2). Au départ de l eai (étape 1), le câble ervant à retenir le boîtier upérieur n et pa tendu ; le boîtier et donc libre de e déplacer «an retenue». L étape 2 et une étape tranitoire définie par l inclinaion comprie entre 0, correpondant au tout début du gliement, et lim, correpondant à l inclinaion pour laquelle le paramètre tan (Equation 2) devient contant. Durant cette étape, la force F retenant le boîtier, qui a glié du déplacement maximal autorié u lim, et meurée. Au cour de l étape 3, le paramètre tan et ené être contant quelque oit l inclinaion (upérieure à lim ). Sur le chéma, il et indiqué que le déplacement u peut devenir upérieur à u lim i le câble retenant le boîtier e déforme un peu lorqu il et mi en tenion. Durant la phae tranitoire, le boîtier accélère pui et toppé par le câble le retenant. L accélération du boîtier n étant pa meurée, il n et pa poible d écrire un bilan de force permettant de déterminer l angle de frottement de l interface. Tout au long de l eai, le paramètre tan correpondant au bilan de force de la Figure 2 (qui ne comprend pa la force iue de l accélération du boîtier) peut être calculé : W inβ + fr( β) F( β) tanλ = (2) W coβ Avec F() la force néceaire pour retenir le boîtier ; F()=0 N à l étape 1. Briançon et al. (2011) conidèrent que l angle de frottement de l interface et égal à lorque tan devient contant, c et-à-dire à l étape 3.

5 Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet 2012 ABC EF A Figure 2. Etape de la procédure «d eai en force» (iue de Briançon et al., 2011) et bilan de force correpondant au calcul de l angle Il et à noter que la valeur de u lim et laiée au choix de l opérateur. Briançon et al. (2011) dicutent de ce choix en uggérant de choiir «une petite valeur» et en oulignant que la valeur doit être «uffiante pour que le frottement oit entièrement mobilié avant l étape 3». Il préconient de prendre u lim égal à 20 mm Procédure «d eai de frottement réiduel» Sur le même principe de meurer la force F néceaire pour retenir le boitier upérieur, cette procédure conite à meurer le frottement d'une interface géoynthétique lorqu'elle et en condition de gliement quai-tatique quelle que oit l inclinaion du plan qui augmente à vitee contante. La condition de gliement quai-tatique et permie grâce à un reort qui relie la force F au déplacement u du boîtier par la relation : F = k. u (3) avec k une contante dépendant du reort qui doit être choiie de façon à permettre un déplacement u du boîtier d au moin 20 mm en fin d eai et de façon à ce que l accélération du boîtier oit négligeable tout au long de l eai (Equation 7). L analye de l eai peut e faire elon 3 étape (Figure 3). Initialement (étape 1), le reort ervant à retenir le boîtier et légèrement pré-tendu à une force F inférieure ou égale à 100 N. Le début de l étape 2 et caractérié par l inclinaion 0 correpondant au tout début du gliement du boîtier (déplacement u0mm). Au cour de cette étape, l angle (Equation 4) augmente avec juqu à atteindre une valeur maximale pic, obtenue à l inclinaion pic. Lorque l inclinaion pic et dépaée au début de l étape 3, le boîtier continu de e déplacer. L eai doit e pouruivre juqu à obtenir une valeur réiduelle notée re. Etape 1 Etape 2 Etape 3 A Reort ( F = k.u ) E E ABC EF A Figure 3. Etape de la procédure «d eai en frottement réiduel» et bilan de force correpondant au calcul de l angle

6 Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet 2012 Le bilan de force au cour de l eai (Figure 3) permet de calculer la tangente de l angle (rapport entre le force de frottement T et l effort normal N) : T W inβ + fr( β) F( β) tanϕ = = (4) W coβ W coβ L eai permet de déterminer l angle de frottement réiduel re de l interface étudiée en repérant le palier de la courbe (, ). Il et à noter que l équation (4) et valable i l accélération du boîtier et négligeable durant tout l eai. En effet, le bilan de force appliquée au boîtier qui ubirait une accélération écrit : W in β + fr( β) W co β tan ϕ F( β) = W γ g (5) W (inβ γ g) + fr( β) F( β) tanϕ = (6) oit W coβ Il en réulte que l équation (4) et valable i : inβ >> γ g (7) Le condition de déplacement quai-tatique du boîtier, permie grâce reort, ont à vérifier en fin d eai. 3. Matériel et Méthode 3.1. Decription du plan incliné utilié Le plan incliné et compoé d un upport inclinable ur lequel repoe un boîtier upérieur mobile à l aide de roulette guidée par de rail. Le dimenion (longueur et largeur) du boîtier ont de 1 m. Un treuil motorié et piloté informatiquement permet d appliquer une vitee d inclinaion contante. Quelle que oit la procédure d eai (2.1, 2.2, 2.3), la vitee de 2 par minute a été appliquée. Le boîtier upérieur a été rempli avec du able pour appliquer une contrainte normale initiale de 4 kpa ur l interface tetée. Pour la procédure «d eai en force» elon Briançon et al. (2011), ce dernier ne donnent pa d indication ur la nature du câble à utilier pour retenir le boîtier. Dan cette étude, une élingue a été choiie. Pour la procédure «d eai de frottement réiduel», le reort a été choii de façon à avoir une contante k, définie par l équation 3, égale à N.m Programme expérimental L interface géoynthétique tetée dan cette étude et compoée d une géomembrane (GMB) tructurée (à picot), fixée ur le upport du plan incliné, et d un géotextile (GTX) tié, fixé ur le boîtier upérieur. 9 eai ont été réalié ur de interface vierge : - Troi eai elon la procédure de la norme NF EN ISO ; - Troi eai elon la procédure «d eai en force» de Briançon et al. (2011) avec de valeur de u lim variable : 20mm, 40mm et 160mm ; - Troi eai elon la procédure «d eai de frottement réiduel»

7 Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet Réultat et dicuion 4.1. Procédure d eai elon la norme NF EN ISO Le réultat obtenu donnent un angle de frottement de l interface 50 étudiée compri entre 25 et 27 avec une moyenne de Procédure «d eai en force» elon Briançon et al. (2011) Pour chaque eai, le déplacement du boîtier u, la force F retenant le boîtier et l angle (Equation 2) ont donné Figure 4 en fonction de l inclinaion du plan. Aprè gliement du boîtier upérieur, obtenu pour de inclinaion comprie entre 16 et 17, la valeur de l angle diminue ignificativement pui augmente à nouveau an atteindre une tabiliation clairement identifiée pour le troi eai. Seul l eai n 2 permet d identifier un début de palier, pour le quel l angle vaut 19. ABCBDE C C C FFFBDEB BBDE C C C FFFBDEB BDE C C C FFFBDEB Figure 4. Réultat de frottement à l interface étudiée obtenu par la procédure «d eai en force» elon Briançon et al. (2011)

8 Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet 2012 La procédure «d eai en force» elon Briançon et al. (2011) ne emble donc pa adaptée pour déterminer l angle de frottement de l interface étudiée. Une analye de la cinématique de l eai peut permettre de l expliquer. En effet, l élingue ervant à retenir le boîtier et initialement non tendue pour permettre un gliement du boîtier. Dè que le boîtier upérieur rentre en mouvement, il ubit une accélération qui e traduit par une force dynamique. Au moment où l élingue retient le boîtier, une partie de la force dynamique et reprie dan la tenion de l élingue qui induit par conéquence un oulagement de frottement au niveau de l interface et donc une diminution bruque de l angle comme obervé Figure 4. L eai n 3 emble confirmer cette hypothèe. En effet, il permet un déplacement maximal du boîtier u lim élevé (u lim =160mm) ce qui engendre vraiemblablement une accélération plu élevée que le deux autre eai. La force de mie en tenion de l élingue voit un pic (F > 1600 N) qui conduit, par le calcul, à un angle négatif Procédure «d eai de frottement réiduel» Le réultat de la Figure 5 montrent que pour une inclinaion comprie entre 24 et 26, le déplacement u du boîtier upérieur et la force F augmentent ignificativement. Ce inclinaion ( pic ) correpondent à un pic pour l angle de frottement à l interface ( pic ), environ égal à 28 pour le eai 1 et 3 et 30 pour l eai 2. Aprè pic, u et F augmentent de façon linéaire avec, correpondant à un palier pour l angle de frottement à l interface ( re ). L angle de frottement réiduel re de l interface étudiée et évalué à 21 pour le 3 eai. Il et à noter que, à la différence de procédure d eai elon la norme NF EN ISO et «d eai en force» elon Briançon et al. (2011), cet angle de frottement et meuré pour de condition de gliement de l interface quai-tatique. Ce condition quaitatique ont néanmoin à vérifier elon l équation (7). L accélération la plu forte et obtenue pour l eai 2 à l inclinaion 26,5 av ec une valeur etimée à environ m. -2. On vérifie donc bien l équation (7). La procédure «d eai de frottement réiduel» permet de déterminer un angle de frottement réiduel conervatif par rapport à l angle obtenu par la procédure elon la norme NF EN ISO Concluion Cette étude avait pour objectif la détermination de propriété de frottement réiduel aux interface géoynthétique par un dipoitif de type plan incliné. Une procédure appelée «eai de frottement réiduel» et propoée pour meurer un angle de frottement d interface en condition de gliement quai-tatique, repréentatif de condition de terrain où de interface géoynthétique peuvent ubir de léger mouvement lor de leur mie en place. Une interface géomembrane-géotextile a été tetée elon troi procédure : celle elon la norme NF EN ISO , la procédure «d eai en force» elon Briançon et al. (2011) et la procédure «d eai de frottement réiduel». Le réultat montrent que la procédure «d eai de frottement réiduel» meure un angle de frottement conervatif par rapport à celle elon la norme NF EN ISO

9 Journée Nationale de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet 2012 ABCBDE C C C FFFBDEB BBDE C C C BDE FFFBDEB C C C FFFBDEB Figure 5. Réultat de frottement à l interface étudiée obtenu par la procédure «d eai en frottement réiduel» Référence bibliographique AAAFBBBCBFECCEBB FBBBCBCCEFBFFCCBF CFCFEFCBECBFFECBFCF CB C FBBB BCE FBB C C E EFB FBBFCE CB FCC BCE EBFC FB C B EFCCCFBBFBBCFC CCCAFBCEBFBFCFBBEC CECCBBFBBEBCBFC BCCAFECBCECBBFFBBECCBFC CCFECBBFBBCFC C FE F B E C BB C FBBE BCEEBFCBFFBBEBCBFC