Retrait-gonflement des sols argileux de l échelle microscopique à celle de l ouvrage

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1 Retrait-gonflement des sols argileux de l échelle microscopique à celle de l ouvrage Tatiana MAISON - Chargée de recherche - IPLB Jean-Bernard KAZMIERCZAK - Responsable de l unité Risques Naturels, Ouvrages et Stockage - INERIS

2 Sommaire 1 Introduction Contexte Problématique de la sécheresse Démarche de la recherche 2 Mise au point d un nouvel essai de caractérisation du RG Microscope Electronique à Balayage Environnemental (MEBE) Protocole expérimental Analyse microscopique: observations et résultats Comparaison avec l échelle mésoscopique Système de micro-pesée Exemple de résultats d essai 3 Projection des résultats de l essai microscopique à l échelle de l ouvrage Principes, formulation Exemples d applications Dispositions constructives correspondantes 4 Conclusion Journées de l Environnement /03/ / 28

3 Contexte L amélioration de la connaissance des mécanismes mis en jeux lors du retrait et du gonflement des matériaux argileux. Caractérisation de la sensibilité de certains sols et de leur prédisposition au retrait-gonflement. Enjeux : Réduire les effets des mouvements différentiels et les dégâts au niveau des structures et des ouvrages (3 milliards de dégâts entre 1989 et 2002 en France) Aux USA en 1973 plusieurs milliards de Dollars (1 er Risque Naturel) Impact sur l agriculture Applications : Proposition de modèles opérationnels de retrait-gonflement Prescription sur le traitement des sols sensibles Zonages plus pertinents au niveau national des zones sensibles etc. Journées de l Environnement /03/ / 28

4 Contexte L humectation et la dessiccation sont des phénomènes «bien connus» pour les sols argileux des modèles rhéologiques avec couplage hydro-mécanique et géochimiques existent mais : Ils demeurent quelques insuffisances au niveau de : la transition micro-macro des phénomènes et des ordres de grandeurs; la complexité de l écoulement en milieux (réactifs) non saturés & hétérogènes, anisotropes, etc. ; la prise en compte de la composante géochimique dans la discipline «mécanique du sol - géotechnique» ; la compréhension des mécanismes de retrait et de gonflement ; la cinétique des phénomènes. Etc. Journées de l Environnement /03/ / 28

5 Problématiques de la sécheresse : R & G Problèmes pluridisciplinaires et multiphysiques différentes perceptions du même problème Représentation schématique des différents transferts thermiques, hydrauliques régnant au voisinage du sol. (Hillel, 1998) Schématisation de la déformation et divers phénomènes physiques au voisinage d une surface de sol non saturé (Lu, 2004). Journées de l Environnement /03/ / 28

6 Problématiques de la sécheresse Problème multiéchelle Macro (ouvrage) Macro (sol) Méso Journées de l Environnement /03/ / 28

7 Macro (ouvrage) Macro (sol) Méso Micro Journées de l Environnement /03/ / 28

8 Démarche de la recherche Essais classiques de laboratoire : longs Essai de chargement-déchargement sous succion contrôlée ; Essai d humidification-séchage sous chargement mécanique contrôlé; Essais de dessiccation sur échantillons intacts : limite de retrait et retraitlinéaire; Mesure de potentiel de gonflement/de retrait ; L essai de retrait, suivi par pesée (Makki et al, 2008) Idées pour mettre au point un essai rapide : Travailler avec une très petite quantité de matériau ; Imposer des conditions hydriques contrôlées. Besoins : Observer de faibles variations de volume -> Microscope Electronique à Balayage Environnemental (MEBE) Peser de très petites variations de poids -> Balance? Pas disponible sur le marché. Journées de l Environnement /03/ / 28

9 Microscope Electronique à Balayage Environnemental (MEBE) Intérêts : 1. MEB classique vs MEB Environnemental : n impose pas des expériences sous vide poussé, impliquant un séchage préalable de l échantillon ou sa congélation. 2. Essais à ambiance contrôlée Pression Température Nature du gaz Journées de l Environnement /03/ / 28

10 Humidité relative (%) Protocole expérimental des essais microscopiques Mise au point d un protocole expérimental: Objectif : établir un protocole pertinent avec la cinétique de R & G de l argile Essais sur agrégats (50 µm) Humidification-séchage par paliers avec temps d équilibre Protocole expérimental Intérêts du protocole : Essais rapides (par rapport aux essais classiques) Précision sur la cinétique de retraitgonflement: nombreux paliers d équilibre gonflement plus régulier Quantification du retrait-gonflement en fonction de l humidité relative Etude de la cinétique de retrait-gonflement > 85 % : contrôlés en pression sans conditions imposées sur l humidité relative 50 % à 85 % : contrôlés en pression avec conditions sur l humidité relative Temps (minutes) Journées de l Environnement /03/ / 28

11 Protocole expérimental des essais microscopiques Mesure de la déformation des agrégats argileux HR: 30% Déformation surfacique s S i S 0 S 0 S S 0 HR: 90% Journées de l Environnement /03/ / 28

12 Analyse microscopique : observations Montmorillonite grecque Observations + analyse d image 50 % d humidité relative 24 paliers de 10 minutes 100 % d humidité relative Agrandissement: x 800 Température: 10 C (fixe) 50 % d humidité relative Journées de l Environnement /03/ / 28

13 Analyse microscopique : observations Journées de l Environnement /03/ / 28

14 Analyse microscopique : observations Journées de l Environnement /03/ / 28

15 Analyse microscopique : observations Journées de l Environnement /03/ / 28

16 Déformation surfacique (%) Analyse microscopique : résultats 70% du gonflement apparaît au-delà de 80% d HR 60% du retrait se produit entre 80% et 90% d HR Hystérésis entre le retrait et le gonflement: déformation «irréversible» de l agrégat sous l eau déformation surfacique initiale plus importante «Réversibilité» de la déformation aux faibles et moyennes humidités relatives 90 Retrait-gonflement d'un agrégat de montmorillonite grecque (50 µm) Gonflement Retrait ,00E+04 Succion (kpa) Journées de l Environnement /03/ / 28 1,00E+05

17 Déformation surfacique (%) Analyse microscopique : résultats 36% du gonflement apparaît en 0,5% d HR 35% du retrait se produit en 0,5% d HR La majeure partie des déformations se produisent aux fortes humidités relatives Retrait-gonflement d'un agrégat de montmorillonite grecque (50 µm) Agrégat entouré d une pellicule d eau Gonflement Retrait ,45E+04 1,46E+04 1,47E+04 1,48E+04 1,49E+04 1,50E+04 1,51E+04 1,52E+04 1,53E+04 1,54E+04 1,55E+04 Succion (kpa) Journées de l Environnement /03/ / 28

18 Déformation surfacique (%) Comparaison micro/méso: Analyse mésoscopique Essais sur agrégats au MEBE (mesure 2D) : 27% ( S) Essais oedométriques sur échantillons cylindriques (mesure 1D) : 25 à 30% ( H) 70 Retrait-gonflement de l'argile Verte de Romainville (agrégats de 50 µm) Gonflement Retrait E Succion (kpa) 1.00E+05 (Audiguier et al., 2007) Journées de l Environnement /03/ / 28

19 Système de micro-pesée (Brevet n ) Principe de l essai : Observer et enregistrer l évolution du poids de l échantillon ; Construire la courbe de variation de la teneur en eau (w%) en fonction de l humidité relative. Enceinte en aluminium autour du dispositif pendant l essai Système de pesée micro-électronique de l échantillon Doigt de confinement en cuivre placé sur une platine Peltier Journées de l Environnement /03/ / 28

20 Teneur en eau (%) Exemple de résultat d essai 14,00% 12,00% Argile verte de Romainville HR = 85% HR = 90% HR = 85% 10,00% 8,00% 1 heure HR = 70% HR = 70% 6,00% 4,00% HR = 30% HR = 30% HR = 50% HR = 50% HR = 30% 2,00% 0,00% HR = 5% HR = 5% Pas de mesure (dt = 10s) w(%) = f(hr) S = f(hr) S = f(w(%)) Journées de l Environnement /03/ / 28

21 Teneur en eau (%) Exemple de résultat d essai Réponse : déformation surfacique en fonction de la teneur en eau 30,00 Teneur en eau - Argile verte de Romainville 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 Succion (kpa) Humidification MEBE Humidification Geremew et al. Séchage Geremew et al. Séchage MEBE L argile verte de Romainville Bonne concordance avec essais de laboratoire plus classiques (échelle méso) entre 5 et 90% de HR; Conclusion similaire pour la montmorillonite grecque. Journées de l Environnement /03/ / 28

22 Projection des résultats de l essai labo à l échelle de l ouvrage Principe de l approche : sommer analytiquement, sur toute l épaisseur de la couche, les variations élémentaires de hauteur de chaque portion élémentaire de couche de sol. dl 1 dl 2 dl 3 Plusieurs hypothèses sont nécessaires : les phénomènes de retrait et de gonflement des sols argileux suivent le même chemin de déformation et sont indépendants de l échelle d observation ; la courbe de variation de surface (ou de volume) du matériau, en fonction de sa teneur en eau, peut être définie au sein du MEBE ; le phénomène de retrait ou de gonflement est peu dépendant de l état de contrainte, dans la gamme de profondeur considérée (Pression de gonflement prépondérante) ; une relation entre la variation de volume du sol en champ libre et ses équivalents surfacique et linéique peut être formulée ; des profils types de pénétration de la sécheresse dans le sol peuvent être proposés. dl n L S dl i Journées de l Environnement /03/ / 28

23 Projection des résultats de l essai labo à l échelle de l ouvrage Relation entre déformation volumique de l échantillon et le RG dans le sol : Déformation horizontale fortement limitée dans le sol -> déformation verticale prépondérante -> l = (1+2n) Proposition de profils hydriques Sur la base d observations de terrain réalisées dans le cadre du projet ARGIC. Journées de l Environnement /03/ / 28

24 Exemples d applications Massif de Montmorillonite Grecque : Massif d argile de Pessac : a = 4,5 b = 17 Journées de l Environnement /03/ / 28

25 Dispositions constructives Exemple du massif de Montmorillonite Grecque : Journées de l Environnement /03/ / 28

26 Ordres de grandeur des coûts des trois solutions * (*) Coût du système (dalle + fondations) classique ~ 10 k Sources : Augmentation du prix du bien de 6 à plus de 20% selon les cas. Site de Maison Conseils Société Sols et Fondations Journées de l Environnement /03/ / 28

27 Conclusions Mise au point d un protocole expérimental (essais d humidification-séchage par paliers avec temps d équilibre) à l échelle «micro» Essais rapides et nécessitant peu de matériau Résultats qualitatifs et quantitatifs sur le retrait/gonflement et sa cinétique Mise au point d un dispositif nouveau et original : le système de micro-pesée Mesures de très petites variations de poids Mesures simultanées de l évolution de S et w(%) Propositions d une approche simple (analytique) opérationnelle pour l estimation du R&G in situ, à l échelle de l ouvrage Proposition de dispositions constructives en fonction de l amplitude du retraitgonflement estimé Journées de l Environnement /03/ / 28

28 Bien sûr, il existe d autres solutions pour échapper au problème du Retrait-Gonflement... Merci de votre attention Journées de l Environnement /03/ / 28