ESSAI DE RETRAIT POUR UNE MEILLEURE CLASSIFICATION DE LA SENSIBILITÉ DES SOLS À LA SÉCHERESSE

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1 ESSAI DE RETRAIT POUR UNE MEILLEURE CLASSIFICATION DE LA SENSIBILITÉ DES SOLS À LA SÉCHERESSE SHRINKAGE TEST FOR BETTER CLASSIFICATION OF THE SENSITIVITY OF SOILS TO DROUGHT Lamis MAKKI, Myriam DUC, Niculai DRONIUC, Philippe REIFFSTECK, Aurélie MALOULA, Jean-Pierre MAGNAN Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Paris, France RÉSUMÉ Un nouvel appareil est proposé pour mesurer en continu la déformation volumique du sol et la variation de la teneur en eau lors de son séchage. L'essai de retrait est un élément fondamental pour la classification des sols, notamment des sols intacts qui peuvent présenter des densités variables et une cimentation des particules. L'essai de retrait sous charge est également abordé, pour décrire le retrait du sol sous les fondations superficielles. ABSTRACT A new device is proposed to measure continuously the volume deformation and changes in water content of soils upon drying. The shrinkage test is a fundamental tool for classifying soils, including natural soils with different densities and particle cementation. The shrinkage test under load is also addressed, to describe the shrinkage of soil under shallow foundations. 1. Introduction La sensibilité des sols argileux au retrait-gonflement pose des problèmes pour la conception des fondations superficielles des maisons individuelles. Des tassements différentiels peuvent en effet survenir lors d épisodes de sécheresse sous les fondations et provoquer l apparition de fissures et autres désordres dans ces constructions. L estimation du potentiel de retrait des sols est par conséquent une étape importante pour la conception des fondations. Cette communication présente les premiers résultats d une recherche sur l identification et la classification des sols sensibles au retrait. Le retrait des sols est une cause de désordres contre laquelle on ne peut lutter par des moyens mécaniques, à la différence du gonflement, que l on peut empêcher par l application de charges supérieures à la pression de gonflement. Le potentiel de retrait du sol est donc un paramètre majeur. Le phénomène de retrait a été étudié dans le cas d un sol consolidé (Fleureau et al., 1993) et d un sol compacté (Albrecht et Benson, 2001 ; Fleureau et al., 2002) et sur des sols naturels (Zerhouni et al., 1998, Serratrice. 2007). Concernant l influence des carbonates, nous nous sommes intéressés aux marnes, qui sont composées principalement d'argile et de carbonates minéraux dans des proportions variables, en général entre 35% et 65% (Bellair et al., 1980). La littérature spécialisée n insiste pas sur le fait que la teneur en carbonates de ces sols argileux a une influence sur leurs comportements. La méthodologie utilisée pour la classification de ces matériaux est généralement la même que pour les sols fins et ne tient pas compte de la teneur en carbonates (Lamas et al., 2002). Par ailleurs, le processus de désaturation des argiles conduit à la désaturation des pores mais aussi à la création de microfissures, surtout en présence de calcite (Charpentier et al., 2003 ; Daupley, 1997). De nombreux auteurs ont montré que la calcite qui entoure les particules d'argile se comporte comme un squelette rigide. (Tessier, 1984). Le retrait de l argile au niveau des particules interagit donc avec ce squelette pour produire les déformations visibles au niveau macroscopique. La compréhension de cette interaction est également l un de nos objectifs. 257

2 Dans un premier temps, le suivi de l évolution du retrait en continu nous a semblé nécessaire, afin d identifier les éventuels effets de la texture du sol sur le retrait. Un nouvel appareil a donc été développé pour mesurer en continu le retrait d un échantillon de sol lors de son séchage. Des capteurs de déplacement et une pesée en continu ont été retenus pour le suivi de l évolution des dimensions et de la masse (donc de la teneur en eau) de l échantillon testé. Dans le présent article, les premiers résultats de cet essai de retrait en continu sont présentés et comparés au retrait obtenu à l aide des appareils de mesure manuelle. Les résultats sont ensuite croisés avec les données minéralogiques de deux sols étudiés (argile verte de Romainville et marne bleue d Argenteuil), et en particulier leur densité et leur teneur en carbonates. Enfin, les comportements de sols intacts, remaniés, et décarbonaté (de même état initial) sont comparés et discutés. 2. Description des appareillages pour l essai de retrait Nous avons utilisé pour cette étude plusieurs dispositifs expérimentaux, dont certains ont été développés dans le cadre de la recherche Essai de retrait libre Le dispositif utilisé pour l essai de retrait libre (sans charge et par séchage à l air) a évolué en trois étapes : - Première étape : Réalisation de l essai décrit dans la norme française XP P L éprouvette est centrée sur le dispositif de mesure de la déformation verticale et elle est retirée et pesée régulièrement pour obtenir la variation de la teneur en eau (Figure 1). 1 Socle 2. Plaque amovible 3. Vis de centrage (3) 4. Échantillon 5. Comparateur Figure 1. Dispositif pour l essai de retrait (XP P ) - Deuxième étape : Mesure en continu de la perte de masse et mesure manuelle des déformations verticale et horizontale de l éprouvette (Figure 2). Cette première évolution, où l ensemble du dispositif de mesure des dimensions de l éprouvette est placé sur une balance, permet de déterminer la masse de l éprouvette sans avoir à la manipuler. De la même que précédemment, la déformation volumique est évaluée directement mais les mesures restent manuelles. - Troisième étape : L appareil précédent est automatisé en utilisant trois capteurs numériques de déplacements pour mesurer les déplacements horizontaux et un capteur numérique axial. La balance est connectée directement à l ordinateur par une liaison RS232, ce qui permet plus de précision pour tracer la courbe de retrait du sol (relation entre la teneur en eau et l indice des vides) durant la nuit et le week-end (l essai de retrait dure environ 8-10 jours). Les mesures sont réalisées de manière automatique par l intermédiaire du logiciel Labview. 258

3 1 Socle 2 Plaque amovible 3 Comparateurs latéraux (3) 4 Échantillon 5 Comparateur vertical 6 Balance Figure 2. Dispositif pour l essai de retrait. Deuxième génération 1 Capteur cylindrique 5 Balance 2 Capteurs numériques de déplacement latéral (3) 6 TC Connection en T (5) 3 Échantillon 7 USB pack convertisseur RS485/RS232 4 Capteur numérique de déplacement vertical (1) 8 Acquisitions automatiques sur Labview Figure 3. Dispositif automatisé pour l essai de retrait. Troisième génération 2.2. Essai de retrait sous charge Le but de l essai de retrait sous charge est de trouver une loi qui relie la teneur en eau du sol et son changement de volume quand le sol est soumis à une charge égale au poids des terres en place ou bien aux contraintes verticales sous une fondation. L essai a été exécuté en modifiant un œdomètre (Figure 4). Les déformations horizontales de l éprouvette sont mesurées au moyen d une bague-vernier développée au LCPC par Félix en Oedomètre 4 Échantillon 2 Plaque amovible 5 Capteur de déplacement 3 Bague de Félix 6 Charge Figure 4. Appareillage pour l essai de retrait sous charge à l œdomètre. 259

4 3. Préparation des échantillons Pour évaluer l effet du remaniement du sol et l effet des carbonates sur la courbe de retrait du sol, les éprouvettes placées dans l appareil de mesure du retrait ont été préparées selon trois procédures : - éprouvettes de sol intact : les éprouvettes sont carottés dans un bloc de sol non remanié en utilisant une trousse coupante de 5 cm de diamètre intérieur et 3 cm de hauteur (selon la norme XP P ) ; - éprouvettes de sol remanié (reconstitué) : un bloc de sol est découpé en petits morceaux puis séché à l air. Une éprouvette, ayant une teneur en eau et un indice des vides égaux à ceux du sol initial, est fabriquée à partir de ce sol remanié et humidifié; - éprouvettes de sol décarbonaté (reconstitué) : le bloc est découpé en morceaux, puis soumis à décarbonatation (mise en contact avec de l acide acétique à chaud puis lavage à l eau pour revenir à un ph neutre). On prépare ensuite une éprouvette ayant le même état initial que le sol intact. 4. Caractérisation des sols étudiés L étude a porté sur l argile verte de Romainville et les marnes bleues d Argenteuil qui correspondent à deux formations géologiques de bassin parisien, prélevées sous forme des blocs intacts dans le département de Seine-et-Marne (77). La minéralogie de l argile verte et de la marne bleue est établie en utilisant la diffraction de rayons X (DRX). L analyse révèle la présence de quartz, de calcite, d argile de type illite, de gypse, de pyrite, de dolomite et d Ankérite dans la marne bleue. Dans l argile verte, on note la présence de quartz, d illite, de montmorillonite, de dolomite et d albite. L observation par microscopie électronique à balayage montre des surfaces de forme compacte avec des empilements de particules de types feuillets dans les deux cas. Les carbonates n ont pas été repérés dans la marne bleue. Toutefois, pendant la préparation et le séchage, la couleur du sol d origine passe de bleu à gris clair, tandis que, après la décarbonatation, le sol garde sa couleur bleue pendant le séchage, ce qui signifie que les carbonates sont présents à priori partout dans l échantillon. Les essais d identification géotechnique et physico-chimique réalisés au LCPC sur les deux sols ont donné les résultats rassemblés dans le tableau 1. Tableau 1. Identifications géotechnique et physico-chimique. Caractéristiques Argile verte Marne bleue Couleur Verte avec des taches jaunes Bleue Teneur en eau w (%) Masse volumique ρ (g/cm 3 ) 2,02 2,07 Indice des vides e o 0,77 0,84 Teneur en eau à l optimum w OPN (%) 27,2 30 Masse volumique sèche à l optimum ρ d OPN 1,23 1,26 Limite de liquidité w L (-) Limite de plasticité w P (-) Indice de plasticité I P Valeur de bleu V bs (g/100g) 9,5 5,5 Fraction fine C 80µm (%) 98,6 100 Fraction argileuse C 2µm (%) 78,3 81 Identification physico-chimique Capacité d échange cationique CEC 39,5 22,3 Teneur en carbonates C CaCO3 (%) 3,13 34,4 Teneur en matière organique C MO (%) 0,88 3,22 260

5 5. Essai de retrait 5.1. Essai de retrait libre SEC2008, Magnan, Cojean, Cui et Mestat (ed.), 2008, Editions du LCPC, Paris Argile verte et marne bleue intactes La figure 5.a présente les courbes de retrait obtenues au moyen de l appareil de la figure 2 sur un échantillon intact d argile verte et sur un échantillon intact de marne bleue. La déformation potentielle de retrait est la déformation maximale pendant l essai. Elle vaut 11% pour la marne bleue et 17,3% pour l argile verte. Les mêmes courbes sont représentées sur la figure 5.b sous forme de variation de l indice des vides avec la teneur en eau. a. Déformation volumique b. Indice des vides Figure 5. Comparaison du retrait libre de l argile verte et de la marne bleue (sol intact) Les courbes de la figure 5 montrent une différence de comportement entre l argile verte et la marne bleue. Dans la norme française XP P , la limite de retrait est la teneur en eau correspondant à l interaction des pentes des deux parties de la courbe de retrait. Cette limite est localisable pour l argile verte, mais pas dans le cas de la marne bleue, où la courbe comporte trois parties. Les essais réalisés sur la marne bleue donnent à penser que cette forme de courbe est due à la présence des carbonates. On peut noter ici que la marne bleue subit un retrait moins important que l argile verte, bien qu elle parte d un état initial moins dense : - argile verte : e o = 0,77 w = 27% retrait volumique 17,3%, - marne bleue : e o = 0,84 w = 30 % retrait volumique 11%. Il faut noter d autre part que le rapport entre la déformation axiale et la déformation volumique vaut 0,34 pour l argile verte, avec une déformation axisymétrique de l éprouvette, tandis que, dans le cas de la marne bleue, ce rapport vaut 0,51 et la déformation n est pas axisymétrique Essai de retrait en continu La figure 6 compare les courbes de retrait obtenues sur deux éprouvettes de marne bleue en utilisant l appareil équipé de capteurs relevés manuellement, dont les mesures sont interrompues la nuit, et l appareil permettant la mesure en continu. 261

6 a. Déformation volumique b. Indice des vides Figure 6. Comparaison entre les résultats obtenus en utilisant l appareil développé et l appareil instrumenté (marne bleue intact) Argile bleue intacte et remaniée Les résultats des essais réalisés sur une éprouvette intacte et une éprouvette remaniée de marne bleue sont représentés sur la figure 7. On observe que la déformation volumique du sol remanié est un peu plus élevée que celle du sol intact a. Déformation volumique b. Indice des vides Figure 7. Courbes de retrait de la marne bleue, intacte et remaniée Effet de la décarbonatation de la marne bleue La figure 8 montre que la décarbonatation de la marne bleue modifie la forme de la courbe de retrait (qui n a plus que deux parties, comme celle de l argile verte) et qu elle augmente l amplitude potentielle du retrait par rapport au sol complet intact ou remanié. 262

7 a. Déformation volumique b. Indice des vides Figure 8. Effet de la décarbonatation sur le retrait de la marne bleue 5.2. Essai de retrait sous charge Nous avons utilisé l œdomètre modifié de la figure 4 pour réaliser des essais de retrait sous charge sur la marne bleue. Les résultats de ces premiers essais sont présentés sur la figure 9. Le retrait a été effectué sous deux charges constantes de 55 et 110 kpa. Figure 9. Comparaison du retrait de la marne bleue sous trois niveaux de charges (0 kpa, 55 kpa, 110 kpa) On peut noter que les courbes sont parallèles. La différence des déformations entre les trois courbes est due au tassement du sol sous la charge appliquée au sol au cours de l essai, indépendamment de tout assèchement du sol. 6. Conclusions Des essais de retrait libre ont été effectués sur des échantillons intacts et remaniés de marne bleue dans des appareils développés pour déterminer manuellement et en continu la courbe de retrait du sol, qui relie la déformation volumique ou l indice des vides à la teneur en eau. L appareil développé pour la mesure en continu permet d acquérir avec une meilleure précision les déformations horizontale et verticale de l éprouvette et de tracer en continu la courbe de retrait. 263

8 Les résultats présentés portent sur des sols intacts, remaniés ou décarbonatés et mettent en évidence la différence des comportements de l argile verte, qui contient de 3 à 4% de carbonates, et de la marne bleue, qui possède 35% de carbonates. L élimination des carbonates de la marne bleue modifie la forme de la courbe de retrait (passage d une courbe en trois parties à une courbe en deux parties similaire à celle de l argile verte). Le remaniement du sol, quant à lui, entraîne une augmentation de la déformation mesurée. Une cellule œdométrique a également été modifiée pour réaliser les essais de retrait sous charge. Cette charge simule le comportement du sol sous les fondations superficielles d une construction en période de sècheresse. L essai permet d estimer la déformation totale due à la charge transmise par la fondation. Les premiers essais montrent un décalage des courbes de retrait relié au tassement du sol sous la charge appliquée, indépendamment de tout assèchement du sol. 7. Remerciements Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet ARGIC, soutenu par l Agence nationale de la Recherche, et des programmes de recherche du LCPC. 8. Références bibliographiques AFNOR Norme XP P (1997). Détermination effective de la limite de retrait sur un prélèvement non remanié, décembre 1997, 10 pages. Bellair M., Pomerol. L. (1980). Tratado de geologia. ED. Limusa. Mexico. Albrecht B.A., Benson C.H. (2001). Effect of desiccation on compacted natural clays. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, ASCE. Vol. 127, n 1, pp Briaud. J.L., Zhang X., Moon S. (2003). Shrink test-water content method for shrink and swell predictions. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, ASCE, vol.129, N 7, pp Charpentier D., Tessier D., Cathalineau M. (2003). Shale micro-structure evolution due to tunnel excavation after 100 years and impact of tectonic paleo-fracturing. Case of Tournemire, France. Engineering Geology, Vol. 70, N 1-2, pp Daupley X. (1997). Étude du potentiel de l eau interstitielle d une roche argileuse et de relations entre ses propriétés hydriques et mécaniques Application aux argilites de Toarcien de la région de Tournemire (Aveyron). Thèse de doctorat, École Nationale Supérieure des Mines de Paris. Fleureau J. M., Kheirbek-Saoud S., Soemitro R., Taibi S. (1993). Behaviour of clayey soils on drying-wetting paths. Canadian Geotechnical Journal, vol. 30, N 2, pp Fleureau J.M., Verbrugge J-C., Huergo P.J., Correia A.G., Kheirbek-Saoud S. (2002). Aspects of the behaviour of compacted clayey soils on drying and wetting paths. Canadian Geotechnical Journal, vol. 39, N 6, pp Lamas F., Irigaray C., Chacon J. (2002). Geotechnical characterization of carbonate marls for the construction of impermeable dam cores. Engineering Geology, vol. 66, N 3-4, pp Serratrice J.F. (2007). Retrait-Gonflement des sols argileux et des marnes. Revue française de géotechnique. N pp Tessier D. (1984). Étude expérimentale de l organisation des matériaux argileux. Hydratation, gonflement et structuration au cours de la dessiccation et de la réhumidification. Thèse de doctorat, Université de Paris 7. Zerhouni M.I., Gérard C., Fleureau J.M. (1998). Étude du retrait de deux sols argileux naturels, Comptes-rendus du Colloque MAGI 50 (Matériaux Argileux et Géologie de l Ingénieur), Nancy, Septembre 1998, Sciences de la Terre ASGA, pp