Essais de succion sur des éprouvettes de diamètre CBR

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1 Essais de succion sur des éprouvettes de diamètre CBR Relation portance - succion Jacques PARAIRE Géologue Groupe des techniques routières Laboratoire régional de Saint-Brieuc INTRODUCTION RÉSUMÉ Cet article décrit un nouvel appareillage mis au point pour la réalisation d'essais de succion en continu sur des éprouvettes aux dimensions CBR (0 = 152 mm, h = 126 mm). Ce montage a également été conçu pour permettre de suivre les variations de portance des échantillons au cours de l'essai de succion. Les essais réalisés sur un limon et des arènes granitiques ont permis d'établir des courbes de portance en fonction de la succion appliquée. Une évolution du matériel et du mode opératoire semble toutefois souhaitable pour développer une classification hydrique des sols. MOTS CLÉS : 42 - Essai - Éprouvette - Sol - Succion - CBR - Portance - Limon - Sable - Granit - Appareil de mesure. Dans le cadre de l'étude des propriétés mécaniques et hydrodynamiques des sols supports de chaussées, le suivi de la succion a permis une approche des problèmes plus intéressante que celle correspondant aux essais courants. En effet, l'étude de la relation succion-teneur en eau, outre le fait qu'elle nous ait conduits à prendre en compte des paramètres souvent négligés ou jugés secondaires dans les essais classiques, tels que la structure obtenue lors de la confection de l'éprouvette (influence sur la porométrie) ou le degré de saturation (influence sur le gonflement), a donné une image du comportement des sols au cours d'un cycle de l'eau (humidification drainage). Il était alors intéressant de prolonger cette étude vers le suivi simultané des propriétés mécaniques de ces sols en tentant une approche de la relation succion-portance CBR. Cela n'a été possible qu'en concevant un nouvel appareillage inspiré des réalisations antérieures mais recevant des éprouvettes aux dimensions CBR (0 : 152 mm ; h : 126 mm) sur lesquelles pourrait être assuré un suivi de la portance. 59 Bull, liaison Labo P. et Ch Janv.-févr Réf. 3145

2 MESURES DE LA SUCCION ET DE LA PORTANCE Echantillon de à tester sol Châssis Rappels généraux L'essai de succion consiste à mettre en évidence le potentiel capillaire d'un sol en soumettant la phase liquide à une tension croissante ou décroissante appliquée par paliers successifs, et à mesurer la teneur en eau correspondante lorsque le sol est en équilibre (équilibre entre les forces capillaires du sol et la tension de l'eau). Les courbes obtenues caractérisent bien des familles de sol dont le comportement hydrique est proche (% 1). Succion Tuyau Rilsan souple t Vase gradué I mobile $7% J Fig. 2. Schéma de principe de l'appareil de succion. eau de l'éprouvette en continu par le suivi du transfert d'eau entre le réservoir et la cellule (fig. 2). L'essai est pratiqué sur une éprouvette de sol saturé que l'on draine par paliers successifs en abaissant le vase gradué. Mesures de la portance Teneur en eau lw%) Fig. 1. Courbes de rétention de quelques sols types. On note, de plus, que ces courbes présentent toutes une hystérésis plus ou moins accentuée qui traduit une mobilisation d'énergie différente entre les phases d'humidification et de drainage, en rapport avec l'évolution de la structure du matériau. Le potentiel capillaire d'un sol s'exprime également par des tensions superficielles à l'interface air-eau à l'intérieur de l'espace intergranulaire d'un sol non saturé. Le comportement mécanique qu'induisent ces tensions peut être apprécié par des mesures de portance. Principe de la méthode Mesure de la succion L'appareil utilisé est un compromis entre le «double mètre» et l'appareil à «plaque de succion». Il permet de créer la succion par différence de niveau entre la cellule de mesure contenant l'éprouvette et le réservoir d'eau, afin de connaître la teneur en Les mesures de portance sont réalisées à chaque palier de succion lorsque l'équilibre est atteint, c'està-dire lorsque le transfert d'eau entre le vase et la cellule est nul ou très faible (dans le cas où l'évaporation à la surface de l'éprouvette ne peut être maîtrisée). La portance est évaluée par pénétration d'un cône dans la face supérieure de l'échantillon de sol. A partir d'un nombre important d'essais, il a été possible d'établir une relation entre la résistance à l'enfoncement mesuré au cône et l'indice CBR. Appareillage utilisé Le montage mis au point pour cette étude, tel qu'il est présenté sur la figure 3, a permis de suivre simultanément : la succion, la teneur en eau, la saturation, le gonflement et la portance de l'éprouvette. L'appareillage se compose d'une cellule de succion, d'un circuit de mesure du transfert d'eau, d'un pénétromètre. Un enregistreur permet de suivre, si nécessaire, certains paramètres (gonflement ou niveau d'eau, etc.). Appareil de succion L'appareil de succion comporte des cellules de succion, des vases de lecture et un châssis. 60

3 Fig. 3. Schéma du montage. Pénétromètre Capteur de 4 e Echantillon de sol à tester». gonflement E n r e gistreur niveau d'eau gonflement Capteur de niveau d'eau»- Plaque poreuse Cellule de succion 1 Vase gradué, mobile verticalement Les cellules de succion sont destinées à recevoir les éprouvettes de sol qui reposent sur une plaque poreuse en céramique à porométrie fine (pression de débouchage : 100 kpa) dont le rôle consiste à assurer la continuité de la phase liquide entre l'éprouvette et le circuit de mesure. Tuyau souple (Rilsan x6) Les vases de lecture, qui sont mobiles suivant une verticale, assurent la mise en dépression de l'éprouvette et permettent par lecture des différences de niveau d'évaluer le volume d'eau en transfert (drainage ou humidification de l'échantillon). Le châssis supporte plusieurs cellules de succion placées à 2 m de hauteur, ainsi que les vases de lecture mobiles. RÉSULTATS DES MESURES Les essais ont été pratiqués dans un premier temps sur trois matériaux : un limon de classe Al et deux arènes granitiques B5/6 (fig. 4, 5, 6). s(pf) Pénétromètre Le pénétromètre est monté sur une potence, ellemême fixée au châssis de l'appareil de succion. Cette potence mobile permet de le positionner audessus de chaque cellule et de réaliser un poinçonnement sur l'échantillon en tension sans manipulation de ce dernier. Le cône utilisé présente les caractéristiques suivantes : 0 = 2,03 cm Angle a = 30 Le mouvement de pénétration du cône est produit par un système d'écrou et de vis sans fin actionné à la main par l'intermédiaire de pignons dentés et d'une chaîne. La démultiplication obtenue permet d'appliquer au cône des efforts suffisants pour mesurer des indices CBR, voisins de 20. Un anneau dynamométrique et un comparateur assurent la mesure de la force appliquée au cône pour obtenir une pénétration totale à vitesse constante. Enregistreur Il s'agit d'un matériel classique (capteurs TESA, IFELEC, enregistreur LINSEIS) dont la description est ici sans intérêt. I 1 1, I sipf) Fig

4 s[pf) Saturation 10" 10" 5 0 pores (mm) 10"' 1CT" 0 pores (mm) 3 sipf) Fig. 5. Fig. 6. Les principales mesures réalisées au cours de cette étude ont été la rétention d'eau et la portance de l'échantillon, à l'aide desquelles nous avons établi les figures 4, 5, 6, qui se composent chacune de : la courbe de succion de chaque sol, établie pendant la phase de drainage uniquement. Ces graphiques montrent que la pression d'entrée d'air (Pe), c'est-à-dire le début du drainage du matériau, se situe aux environs de 100 cm de succion (PF 2) pour le limon, alors que pour les deux arènes ce point se situe vers 32 cm (PF 1,5). De plus, la partie inclinée des courbes qui correspond à un drainage efficace du matériau présente une pente plus faible pour les arènes que pour le limon, traduisant un meilleur drainage des matériaux granitiques ; la courbe porométrique de chaque sol, évaluée à partir de la relation (1), déduite de la loi de Laplace : Ces courbes montrent que le limon présente des pores de plus petits diamètres que les arènes et que leur répartition peut être plus ou moins étalée suivant la nature géologique des matériaux. Ainsi, un limon d'origine éolienne présente un pic très marqué alors qu'un schiste décomposé produira une courbe très plate ; la courbe de portance de chaque matériau. Ces courbes montrent que les matériaux réagissent en deux phases : testés une première phase au cours de laquelle la portance du sol reste faible (I CBR < 3) jusqu'à des succions voisines de PF 2 (1 = 100 cm), une deuxième phase où la portance augmente rapidement pour atteindre des valeurs de I CBR voisines de 7. où s est d la succion appliquée au matériau (exprimée en cm d'eau), le diamètre (cm) des pores vidés par cette succion. Le point de cassure définissant les deux phases décrites semble coïncider, pour les arènes, à la fin du drainage efficace correspondant à la partie la plus horizontale de la courbe de succion, c'est-àdire à la vidange des pores dont la taille est la plus fréquente. 62

5 Pour le limon, il semble que le processus soit différent, probablement en raison de son caractère plus isogranulaire résultant de sa genèse qui lui donne une porométrie particulière. On note une augmentation très rapide de la portance dès que la succion dépasse PF 2 (s = 100 cm), alors que le phénomène paraît plus progressif pour les arènes. REMARQUE : Le suivi du gonflement et du retrait a permis d'examiner le comportement des sols en fonction de divers paramètres dont la mesure directe était délicate, comme par exemple la saturation réelle ou la température. CONCLUSION L'étude de la relation portance-succion semble un moyen satisfaisant pour mieux cerner l'influence de l'état hydrique sur les propriétés mécaniques des sols. Toutefois, ces premiers essais nous ont inspiré les remarques suivantes : il est nécessaire de se livrer à une analyse détaillée, dans une plage de succion comprise entre 0 et 200 cm environ, afin de mieux apprécier les phénomènes les plus fins ; il conviendrait de rechercher une méthode plus simple, et surtout plus rapide, pour caractériser les sols car les essais décrits dans leur forme actuelle se déroulent parfois sur plusieurs semaines. Si une telle évolution est possible, il serait alors intéressant de regrouper en «familles hydriques» les principaux matériaux utilisés comme supports de chaussées après une analyse systématique de leurs principales caractéristiques. 63