Comportement des sols fins argileux pendant un essai de compactage

Comportement des sols fins argileux pendant un essai de compactage statique : détermination des paramètres pertinents (clayey soil behaviour under static compaction test) A. MESBAH, J.C. MOREL, M. OLIVIER Laboratoire GéoMatériaux, Département Génie Civil et Bâtiments URA 1664 CNRS, Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat, 69 518 Vaulx en Velin cedex, France Résumé : Le compactage quasi statique d'un sol argileux est utilisé dans deux domaines de la construction en terre: en bâtiment (pour des briques séchées à l'air libre) et en géotechnique. Nous présentons, dans cet article, un essai de laboratoire qui permet l'étude de la procédure de compactage statique. Cet essai permet de fabriquer des échantillons de sol compacté comparables au sol in situ. On caractérise le comportement de l'échantillon au cours du compactage, la teneur en eau optimum de compactage et aussi le chemin de contrainte suivi lors de cette procédure, afin d'obtenir des informations sur le comportement après compactage. Abstract: The quasi-static pressing of a clayey soil is used in two areas in Earthen construction : in the building itself (for air-dried bricks) as well as in geotechnics. In this article, we are showing a laboratory test that enable the study of the static compaction proceedings. This test can create samples of pressed earth alike the in situ compacted Earth. We characterise the behaviour of the sample while pressing, the optimal water content as well as the stresses path, this process in order to obtain informations on its behaviour after pressing. 1

1. Introduction Jusqu'à récemment, on utilisait surtout des sols graveleux en géotechnique routière. Avec l'évolution des connaissances, des besoins, et la récente prise en compte des contraintes environnementales, les sols naturels argileux sont de plus en plus utilisés dans plusieurs domaines. En géotechnique ces sols argileux sont parfois employés dans la construction de chaussées, afin de diminuer leur coût, mais aussi pour la construction des barrières de confinement des décharges contrôlées où le matériau doit être le moins perméable possible (pour limiter les infiltrations et canaliser les lixiviats). Pour la construction de bâtiments, il est possible d'utiliser des briques en terre, crues, montées en maçonnerie "classique". Ces briques sont réalisées avec de la terre compactée (éventuellement stabilisée avec des liants hydrauliques), puis séchée à l'air libre. Mais d'autres techniques sont aussi utilisées [1]. Le compactage, (opération préalable à l utilisation des sols argileux en géotechnique) a été étudiée depuis longtemps (cf. Proctor 1933). L'essai de compactage de laboratoire est l'essai Proctor. Mais l'hétérogénéité de l'échantillon obtenu par cet essai ne permet pas de l'utiliser pour des études de laboratoire complètes. D'autres essais ont donc été développés [2, 3, 4] où le compactage est quasi-statique avec une augmentation régulière de la contrainte de compression axiale, par opposition au compactage dynamique de l'essai Proctor. Le LGM (laboratoire Géomatériaux) s'est particulièrement intéressé à cet essai, car il semble plus proche de ce qui se passe lors de la fabrication de briques pour l'application en construction, ou du compactage au rouleau compresseur des couches de fondation 2

ou de remblai pour l'application en géotechnique. Le propos de cet article est d'expliquer comment utiliser cet Essai de Compactage Statique (ECS) pour obtenir, en laboratoire, des échantillons représentatifs des briques de terre crue compressée. Nous n'aborderons, dans cet article, que la corrélation de l'ecs proposé avec la fabrication de briques de terre non stabilisée. Nous n'étudierons pas ici la corrélation entre l'essai de compactage statique (ECS) et le compactage in situ en géotechnique. Cette corrélation va dépendre du type de compactage effectué in situ. Néanmoins les résultats qui vont suivre sont adaptables à des problèmes de géotechnique routière (voir dans ce cas [5]), l'ecs permettant d'obtenir des échantillons représentatifs des couches de sol compacté in situ. 2 Fabrication de briques de terre crue Il est tout d'abord nécessaire de connaître les différents types de presses sur le marché permettant de fabriquer des blocs de terre crue compactée que nous allons appeler briques. La taille des briques est très variable. La presse dont nous disposons permet de fabriquer des briques de 90 x 140 x 290 mm 3. 2.1 Description des types de presses de fabrication de briques 2.1.1Cas des presses hydrauliques Ces presses permettent d'appliquer une contrainte de compactage généralement de l'ordre de 5 à 10 MPa mais on peut aller jusqu'à 20 MPa dans le cas de briques hyper compressées. Ces presses à briques sont pilotées en contraintes, ce sont des presses à vérin hydraulique et la contrainte de compactage est donc connue. 3

2.1.2 Cas des presses mécaniques Les contraintes de compactage sont du même ordre que pour les presses hydrauliques. Elles sont obtenues par le déplacement d'un piston sur une course imposée. Ces presses sont pilotées en déplacement jusqu'à l'obtention d'un volume final fixe. Si la quantité de terre est trop importante dans le moule, pour éviter de surcharger l'appareillage, on a une limitation en contrainte par le jeu d'un système amortisseur (ressorts), mais à la différence des presses hydrauliques, la contrainte limite est mal connue. 2.1.3 Cas des presses manuelles En général les contraintes appliquées lors d'un compactage par des presses manuelles sont de l'ordre de 2 MPa. La contrainte de compactage qui dépend de la force que peut appliquer l'opérateur va déterminer la contrainte limite au compactage (si on utilise correctement la presse c'est à dire si on met suffisamment de terre pour remplir complètement le moule). 2.2 Optimisation du matériau avec la presse à brique Le comportement à l'essai Proctor de compactage permet de montrer qu'à énergie de compactage donnée, il existe une teneur en eau dite "optimale" permettant d'obtenir le poids sec maximal, objectif recherché car permettant d obtenir la résistance mécanique maximale, à énergie de compactage donnée. Or les presses hydrauliques permettent d'imposer une énergie de compactage (par le biais de la contrainte de compression statique) tandis que les presses mécaniques permettent d'imposer un poids volumique humide final. La recherche d'optimisation de la fabrication des briques consiste donc : Pour les presses hydrauliques, à rechercher la teneur en eau (optimale) permettant d'obtenir à contrainte de compactage statique donnée le poids volumique sec maximal. 4

Pour les presses mécaniques, à rechercher le couple optimal (poids humide de sol à mettre dans le moule - teneur en eau) sans dépasser la possibilité de compression de la presse, ce qui est donc plus délicat. Pour cette phase d'optimisation, des essais de laboratoire sur la base de l'ecs sont une bonne approche. Mais on peut aussi vouloir faire l'optimisation en laboratoire pour des raisons de commodité et de précision : on ne dispose pas toujours de la presse à brique et d'échantillons en quantité suffisante. On peut alors utiliser l'essai de compactage statique pour trouver la teneur en eau optimum pour une presse et un matériau donnés (cette procédure est décrite au paragraphe 4.2). Nous allons d abord présenter l essai de compactage statique. 3 Essai de Compactage Statique (ECS) 3.1 Dispositif expérimental de l ECS Le moule oedométrique présenté par [2] (Fig. 1) permet de fabriquer des éprouvettes cylindriques sous une contrainte axiale qui peut varier de 0 à 10 MPa. Il est constitué de deux demi-coquilles fixées sur un axe extérieur et de deux pistons inférieur (fixe) et supérieur (mobile). Ce moule peut se déplacer le long de son axe indépendamment des deux pistons pour assurer un compactage symétrique par rapport au plan horizontal médian et répartir les frottements entre le matériau et les parois sur toute la hauteur de l'échantillon. La réduction d'effort statique imposé entre les extrémités et la partie médiane est environ la moitié de celle entre le sommet et le fond dans le cas conventionnel d'une compression uniquement par en dessus. Cet appareillage a été modifié (un capteur de force à été conçu et inséré dans une des demicoquilles) afin de permettre de mesurer en permanence les contraintes radiales (voir Fig. 1). 5

Les paramètres mesurés lors de l'ecs sont : - la contrainte axiale 1h délivrée par la presse, appliquée en haut de l'échantillon - la contrainte axiale 1b mesurée par le piston fixe du moule en bas de l'échantillon - la contrainte radiale 3 - le tassement vertical de l échantillon h = h 0 - h ( la déformation radiale 3 = d / d 0 = 0, car il s'agit d'un essai oedométrique). Où : h 0 = hauteur initiale de l éprouvette correspondant à la hauteur du moule rempli initialement par le matériau foisonné h = hauteur de l éprouvette à l instant " t " d 0 = diamètre initiale du moule ou de l éprouvette d = diamètre du moule ou de l éprouvette à l instant " t " 3.2 Choix et caractérisation du matériau : mode opératoire Les sols (naturels) utilisés en construction doivent impérativement contenir au minimum 10% d'argile et ne doivent pas contenir d'éléments supérieur à 10 ou à 20mm, suivant l épaisseur des briques, (l'épaisseur des briques varie de 50 mm à 100mm). Ces sols correspondent en géotechnique aux classements [6] Bx, B6, A1, A2, et éventuellement A3, A4. On peut cependant cribler un sol pour éliminer ces gros éléments et obtenir un matériau plus fin. Ainsi une grande quantité de ce matériau est disponible sur la planète mais selon le type de sol utilisé, on aura des caractéristiques mécaniques très différentes [1, 7]. Le matériau considéré ici est défini dans le Tableau 1 et l'essai Proctor normal est donné par la Fig. 2 : on trouve une teneur en eau optimale, pour une énergie de compactage dynamique E PN =550kJ/m 3, de 13,8%. 6

Dans le cas de l'ecs, comme dans l'essai Proctor, le sol est versé directement dans le moule il est donc en contact avec ses parois en acier. La surface "frottante" correspond à la surface latérale sur laquelle il y a dissipation d'énergie par frottement lors du déplacement relatif solparois du moule. A hauteur h donnée, les pertes par frottement diminuent lorsque le diamètre de l'échantillon augmente. La quantité de terre foisonnée introduite dans le moule est pesée de manière à obtenir un élancement final après compactage compris entre 1,4 et 1,6, soit des éprouvettes de diamètre 112mm et de hauteur 160 à 180mm). Les éprouvettes sont de faible élancement h/d pour éviter d'avoir un gradient important de densité entre leurs extrémités et leur centre. La différence de densité sèche au sein de l échantillon, mesurée par gamma densitométrie, ne dépasse pas 1%. Dans le cas de fabrication des briques, le rapport (R s/v ) surface de contact sur volume de sol compacté est l'ordre de 21 m -1, et, pour notre échantillon cylindrique, de l'ordre de 36 m -1. Dans les deux cas, le rapport de la surface de contact avant compactage sur la surface de contact après compactage est de l'ordre 1,8. Venkatarama Reddy [3] a choisi un essai de compactage statique en laboratoire à déplacement imposé jusqu'à obtenir un volume constant (volume final de la brique) afin d'être en conformité avec ce qui se passe dans ce type de presse à briques. Dans ce cas [3], R s/v = 19 m -1 pour les briques et R s/v = 53 m -1 pour les éprouvettes de laboratoire, ont déjà corrélé (indirectement) les frottements avec la taille du moule utilisé lors du compactage. Ils trouvent une dissipation de l'énergie par frottement de 30% dans les essais de laboratoire par rapport à la presse à brique utilisée. Il convient donc d utiliser des éprouvettes en laboratoire ayant un rapport (R s/v ) le plus proche possible de celui des briques. Dans notre cas avec un R s/v = 36 au lieu de R s/v = 21 nous allons avoir une dissipation d énergie de compactage supérieur pour les éprouvettes cylindriques que les briques. 7

Par ailleurs en modifiant le dispositif, en comprimant en partie supérieur et en maintenant la base fixe (et non soumise au même effort comme dans notre essai ECS) Nous avons directement mesuré les frottements grâce à une mesure différentielle de la force en haut et en bas de l'échantillon. L'énergie dissipée en frottement peut entraîner une diminution de la force de compactage de 50% à la base de l'éprouvette pour des parois en acier usées, et pratiquement nulle pour un état de surface de l'acier neuf. 4 Utilisation de l'ecs pour des études en laboratoire 4.1 Fabrication d'échantillons cylindriques de mêmes caractéristiques que les briques Nous avons développé toute une procédure permettant de tester en laboratoire directement la résistance finale des briques [8]. Mais pour faire des études de laboratoire plus précises il faut le faire sur échantillons cylindriques homogènes (essai triaxial par exemple), d'où la nécessité de fabriquer de tels échantillons représentatifs des briques. Le problème de prélèvement d'échantillons sans destruction d'information est également présent en géotechnique, par exemple avec les remblais. D après le paragraphe 3.2, la simulation de la fabrication est correcte si nous pouvons admettre que les frottements sur les parois du moule, lors du compactage sont du même ordre pour les briques ou les cylindres, car le rapport surface frottante (=surface latérale) sur volume est très proche dans les deux cas. Il faut aussi que l'état de surface des parois soit identique dans les deux cas, ce qui va dépendre du niveau d'usure de l'appareillage et va donc être variable dans le temps. De plus, quels que soient les frottements, on aura une décroissance de densité dans la direction verticale (de compactage), des extrémités vers le centre de l'échantillon, similaire dans le cas des briques et des échantillons cylindriques. 8

Nous avons déjà démontré [2] que la densité sèche de l'échantillon déterminait son comportement mécanique. Or on peut facilement mesurer la teneur en eau de fabrication des briques et calculer leur densité sèche. On considère que l échantillon de laboratoire obtenu à l ECS est représentatif de l échantillon, de forme différente obtenu à la presse, si pour la même teneur en eau, on obtient la même densité sèche. Ceci permet de déterminer une équivalence entre les contraintes de compactage statique équivalente à l ECS et à la presse. On effectue alors différents essais de compactage statique sur le même matériau (i-e avec la même teneur en eau) jusqu'à une contrainte de compactage ( c ) suffisamment élevée (contrainte maximum de 10 MPa). On obtient la Fig. 3a pour deux teneurs en eau, w=7,5 % et 13,8 %. A chaque couple (densité sèche, teneur en eau) correspond une contrainte de compactage statique c, Fig. 3a. Par exemple, si on possède des briques de d / w =1,9 fabriquées à une teneur en eau de 13,8%, on se reporte sur la Fig. 3a pour w=13,8% et d / w =1,9 on obtient c =4,3MPa. Ainsi en faisant un essai de compactage statique jusqu'à une contrainte de 4,3MPa on obtiendra un échantillon cylindrique de densité sèche de 1,9 exactement représentatif d'une brique. Au lieu de tester les briques il est alors possible de tester des éprouvettes cylindriques. 4.2 Optimisation de la teneur en eau pondérale de fabrication par l'ecs L'énergie dépensée lors de l'action de compactage est le paramètre utilisé pour fixer l'intensité du compactage dynamique de l'essai Proctor. On utilise en général deux intensités (Proctor normal E PN =550kJ/m 3 et Proctor modifié E PM =2430kJ/m 3 ) qui sont des valeurs de référence. Mais le principe de l'essai Proctor permet d'appliquer d'autres énergies de compactage, il suffit de changer le nombre de coups de dame, voir [9]. Il est donc intéressant de connaître l'énergie dans l'essai de compactage statique (ECS) afin de la comparer à l'énergie dépensée lors de l'essai Proctor. 9

Dans le cas de l'ecs, l'énergie fournie par unité de volume est (Fig. 4) : h 1 EECS Fcb h volume Où : 0 F cb = la force de compactage mesurée par le capteur de force situé sous le piston fixe à la base de l'échantillon. E ECS n'intègre pas l'énergie fournie par la presse qui pourrait être dissipée en frottement et en éventuelle mise sous pression de l'eau. Cependant ce n'est pas non plus exactement l'énergie emmagasinée sous forme de tassement par l'échantillon soit E comp cette énergie par unité de volume : h 0 1 Ecomp Fz zdz volume dz = le tassement de l'échantillon en tout point de celui-ci. avec h z z dz h et Fz Fcb ds 0 0 avec algébrique, c est à dire F F ds z cb z 0 = contrainte de frottement sol-parois E ECS est proche de E comp si les frottements parasites sont négligeables L'énergie fournie lors de l'essai Proctor est différente de celle de l'essai de compactage statique ou à la presse de fabrication de bloc comprimés. Nous avons effectué le compactage statique avec une augmentation de charge de F cb / t = 0,5 kn par seconde soit une vitesse en application de contrainte de 0,05 MPa par seconde jusqu'à 10 MPa balayant ainsi une zone de contrainte assez étendue. Les Fig. 3a et 3b comparent, pour le 10

même matériau (Tableau 1), pour les deux teneurs en eau précédentes, le degré de saturation, la contrainte et l'énergie de compactage ( E ECS ) en fonction de la densité sèche. Calcul de la contrainte : c Fcb S Calcul du degré de saturation : S r s w w s 1 d avec w P eau P sec Avec : P eau = poids de l'eau et P sec = poids de l'échantillon sec. On retrouve un résultat classique : le matériau plus humide (w=13,8% par rapport à 7,5%) a besoin de beaucoup moins d'énergie pour arriver à la même densité sèche, ce qui souligne le rôle de lubrifiant de l'eau. Il est intéressant de déterminer l équivalence avec le compactage dynamique : Si on considère l énergie à l essai Proctor E PN, on dispose de deux résultats d essai correspondant aux deux teneurs en eau. E PN =550 kj/m 3 pour w = 13,8 % et d / w =1,89 (point O, Fig. 3b) A comparer aux résultats du compactage statique : E ECS = E PN pour w = 13,8 % et d / w =1,96 (point A) E ECS = 300kJ/m 3 < E PN pour w = 13,8 % et d / w =1,89 (point B) Nous avons défini les points A,B,O dans le Tableau 2 et les Figs. 3 et 5. L'énergie dissipée lors de l'essai Proctor en dehors de l'échantillon (dans les vibrations du bâti, en frottement sur les parois du moule ) est de 250 kj/m 3 (différence d énergie des point O et B) soit 45% de l'énergie totale qui n'est pas utilisée pour le compactage. Cette différence justifie l'emploi de machines de compactage non vibrantes pour ces matériaux. Il existe de grandes différences de comportement pendant le compactage entre un matériau 11

argileux (au moins 10 % d'argile) et un matériau pulvérulent. Un sol argileux va être très sensible à l'eau et avoir un comportement en frottement interne et d interface (sur les parois du moule de l'essai Proctor par exemple) très différent du sol pulvérulent. Cependant, on s'est souvent contenté d'utiliser la même procédure pour les graves et les sols argileux (essai Proctor notamment). Cette approche n'est pas appropriée pour les sols argileux, car dans ce cas, l'essai Proctor ne correspond pas à la procédure de compactage appliquée in situ. On vérifie que, quand on s'approche de la saturation (S r >90%), la densité sèche tend vers une limite quand l'énergie augmente : quand les bulles d'air ont disparu (ou sont sous haute pression) la densité ne varie quasiment plus. On arrive à la saturation et au phénomène de matelassage. La Fig. 6 présente la relation entre la contrainte et l'énergie. Dans le cas du sol sec (w=7,5%), cette relation est linéaire jusqu'à une contrainte de 10 MPa. Le comportement du sol est non visqueux. L'énergie transmise est de plus en plus faible malgré la forte augmentation de la contrainte appliquée (Fig. 6). Le domaine S r >90% a été étudié par [10] sur des sols de même type, la succion est alors assimilable à une pression de consolidation. On peut directement utiliser l'énergie ou la contrainte délivrée par la presse pour extrapoler en laboratoire, si l'on fait l'hypothèse que le frottement sur les parois est négligeable ou du même ordre pour la presse à brique et pour l'ecs. Dans le cas du matériau humide, la relation E ECS - c (Fig. 6), n'est plus linéaire (comportement visqueux), on ne peut pas utiliser l'équivalence contrainte - énergie de compactage. Il est néanmoins possible de considérer cette relation linéaire lorsque la contrainte de compactage est inférieure à 4 MPa pour w = 13,8%. Au delà, compacter un sol humide consomme moins d'énergie par rapport au compactage d'un sol sec. Ceci s'explique par le fait que la dissipation par frottement d'un sol sec est plus importante (frottement interne entre les grains 12

mais aussi entre le moule et l'échantillon). Dans les cas des presses mécaniques ou manuelles, il faut trouver la contrainte appliquée par la presse à brique pour pouvoir effectuer la procédure d'optimisation avec l'essai de compactage statique. Cette contrainte peut être mesurée directement par un capteur de force mis à la place de la brique ou d'une manière indirecte par exemple par la procédure décrite dans la section 4.1. Cependant, dans les deux cas cette mesure est délicate. Pour les trois types de presses, il est donc possible d'optimiser la procédure de fabrication (trouver la teneur en eau optimum) grâce à l ECS, mais cela sous-entend que la vitesse de compactage ne modifie pas le résultat final. Il est très difficile de savoir si la sollicitation se fait à vitesse de contrainte, déplacement ou énergie constante. Il semble cependant que la sollicitation se fasse plutôt à puissance délivrée par la presse constante. Il faut donc étudier quelle énergie est nécessaire lors de l'opération de compactage. Quoi qu'il en soit, il faut disposer d'un essai de compactage de laboratoire permettant d'avoir au moins la contrainte de compactage appliquée et non pas seulement l'énergie. Dans ce cas on recherche la densité sèche des briques en fonction de leur teneur en eau de fabrication, pour une presse donnée, c'est à dire soit pour une énergie donnée soit pour une contrainte de compactage donnée. 4.3 Modélisation post compactage Pour promouvoir l'utilisation du matériau terre en construction, matériau disponible en grande quantité et aux caractéristiques écologiques certaines, il est nécessaire de connaître son comportement le plus finement possible afin de pouvoir proposer les dimensionnements les plus justes. Jusqu'à aujourd'hui l'absence de données précises sur le matériau terre a conduit à des dimensionnements très pénalisants économiquement (avec des coefficients de sécurité trop 13

grands). Nous avons donc développé une loi de comportement élaborée (non présentée ici), à 9 paramètres [11], pour matériaux compactés puis séchés. Rappelons que les briques de terre crue sont en effet séchées à l air libre après leur fabrication. La succion augmente alors fortement pendant cette phase et l'eau qui avait été nécessaire à la fabrication s'évapore. 4.3.1 Le rôle de l'eau pendant le compactage Le matériau est compacté à partir d'un état foisonné avec une certaine teneur en eau naturelle (pour les routes) ou artificielle (pour la fabrication de briques). Le matériau pendant le compactage passe d'un état non saturé vers un état qui peut, à l'extrême, être saturé phénomène de matelassage (on arrive alors de fait à un phénomène de type consolidation). Pendant l'essai de compactage statique, le matériau est compacté durant environ 200 secondes, l'eau n'a pas le temps de s'échapper. La teneur en eau massique, w, ne change pas, mais le degré de saturation va changer ainsi que la teneur en eau volumique. La succion va donc aussi varier. Le dispositif actuel ne permet pas de mesurer la succion pendant le compactage mais nous pouvons en avoir une estimation connaissant la variation de la succion en fonction du degré de saturation. La Fig. 7 a été obtenue par mesure de la succion (méthode du papier filtre et du dessiccateur) sur des échantillons compactés statiquement puis drainés pour obtenir la teneur en eau voulue. On calcule à partir de cette teneur en eau le degré de saturation. Pandian [12] propose pour le compactage Proctor sur matériaux fins, des relations théoriques liants le degré de saturation avec la limite de liquidité du sol. Il peut ensuite avec un essai pour une seule teneur en eau, obtenir la courbe Proctor complète. De même [9] donne des relations empiriques permettant de trouver la teneur en eau optimum en fonction de l'énergie Proctor de compactage. Cependant il n'existe pas encore, à notre connaissance, de loi de comportement élaborée 14

décrivant l'opération de compactage sur sols fins fortement non saturés (S r <90%) du fait de la complexité du phénomène (succion et volume très variable). Mais si on considère que l'"histoire" du matériau commence à la fin du compactage, la connaissance du tenseur de contrainte à ce moment là est intéressante pour la détermination de la loi de comportement. D'autre part, il est intéressant de connaître l'état de contrainte ( 1, 3 ) pendant le compactage si on veut corréler cet essai avec l'état de contrainte que l'on retrouve in situ pour le compactage de chaussées. Cet état n'est pas l'axisymétrie mais peut-être l'état de contrainte in situ (notamment le Ko) est-il proche de l'état obtenu en laboratoire. 4.3.2 Mesure de la contrainte radiale La Fig. 8 apporte une information complémentaire sur l'histoire en contraintes subie par le matériau. Nous avons présenté la valeur de 3,/ c que nous appellerons abusivement Ko (par analogie avec le Ko que l'on a en saturé), en fonction du degré de saturation (qui est lui même lié à la succion). Les courbes concernent le même matériau avec deux teneurs en eau initiales différentes. Nous obtenons une courbe à deux paliers. Il y a continuité entre les courbes w=7,5% et celles à 13,8 %. Pour un même degré de saturation, pour deux teneurs en eau différentes, on aura deux contraintes de compactage différentes, mais même valeur de Ko. Cela signifie que la contrainte axiale, jusqu'à 10 MPa, ne modifie pas la valeur de Ko. Par contre Ko va dépendre du degré de saturation, donc de la succion. Connaissant le degré de saturation de l'échantillon, on pourra donc avoir la contrainte radiale lors du compactage. Les courbes de la Fig. 8 possèdent trois zones bien distinctes : - Un palier à Ko=0,3 pour un degré de saturation faible, dans cette zone, la succion est difficilement quantifiable précisément et notre loi de comportement [11] ne doit pas pouvoir être utilisée. 15

- Une zone de transition entre 0,48 et 0,6 de degré de saturation suivie d'un palier à Ko=0,4. C'est la zone dans laquelle se trouve la teneur en eau optimum (point B). - Une zone de transition jusqu'à la saturation où on retrouve une valeur de Ko de l'ordre de 0,5. Dans cette zone la succion peut alors être considérée comme une pression de consolidation [10]. Entre B et A on doit pouvoir coupler les deux types de lois. 5 Conclusion Nous avons montré que l'essai de compactage statique permettait d'obtenir sur un sol les mêmes caractéristiques que les presses à briques utilisées in situ, c'est à dire qu'avec même teneur en eau initiale on obtient la même densité sèche. Le mode de compactage est sensiblement le même dans les deux cas ce qui est très important pour un matériau comme la terre. Nous pouvons ainsi optimiser en laboratoire la fabrication d'un matériau donné en fonction des caractéristiques de la presse à briques. De plus la fabrication d'échantillons, représentatifs du matériau in situ, utilisables pour des essais de laboratoire, est possible. Nous connaissons aussi l'état de contrainte totale sur le matériau pendant son compactage, ce qui permettra de savoir si cet essai peut être corrélé avec le compactage routier sur sol fin où le compactage n'est pas oedométrique mais peut être statique selon le compacteur (mais il n'est pas Proctor en tout cas). D'autre part, sur un matériau naturel assez argileux nous avons montré que : - Assez loin de la saturation (S r < 80%), il y avait une relation linéaire entre la contrainte de compactage et l'énergie dissipée en compactage. - Le rapport des contraintes 1,/ 3 varie en fonction du degré de saturation mais pas en fonction de la teneur en eau initiale ni en fonction de 1. 16

- L'énergie emmagasinée à l'opn pour un compactage statique est de 300kJ/m 3 pour le matériau étudié alors que l'énergie fournie par l'essai Proctor est de 540kJ/m 3. Nous allons maintenant vérifier si ces propriétés sont communes à d'autres sols de composition différente. Il reste aussi à étudier l'effet de la vitesse de compactage sur le comportement, afin de définir plus précisément dans quel domaine le comportement visqueux n'est pas négligeable. Remerciement : A Jean Pierre Gourc du LIRIGM (Grenoble) pour son aide, ses encouragements et ses conseils apportés dans l'élaboration de cet article. REFERENCES [1] Olivier, M., Le matériau terre, compactage, comportement, application aux structures en bloc de terre, Thèse de 3 éme cycle INSA de Lyon (1994). [2] Olivier, M. et Mesbah A., Le matériau terre : Essai de compactage statique pour la fabrication de briques de terre compressées, Bull. liaison Labo. P. et Ch. 146 (1986) [3] Venkatarama Reddy, B. V. and Jagadish, K. S., The static compaction of soils, Géotechnique 43, n 2, (1993) 337-341. [4] Moussai, B. et Didier, G., Etude d'un appareillage de compactage statique et de mesure de la perméabilité des sols fins argileux, Bull. liaison Labo. P. et Ch. 188 (1993) 15-22 [5] Mesbah, A., Morel, J.C. et Olivier, M., Méthodologie d'essais de laboratoire pour permettre l'utilisation de matériaux locaux en géotechnique routière Séminaire international sur les pistes rurales, Rabat, 22-23 sept 1997 [6] Ministère de l équipement, du logement et des transports Réalisation des remblais et des couches de formes (1992) 17

[7] Walker, P., Specification for stabilized pressed earth blocks Masonry international 10, n 1, (1996) 1-6 [8] Olivier, M., Mesbah, A., El Gharbi, Z. et Morel, J. C. Mode opératoire pour la réalisation d essais de résistance sur blocs de terre comprimée, Mater. Struct. 30 (1997) 515-517. [9] Blotz, L. R., Benson, C. H., and Boutwell, G. P. Estimating optimum water content and maximum dry unit weight for compacted clays, J. of Geotechnical and geoenvironmental engineering (1998) 907-912. [10] Biarez, J., Fleureau, J. M. et Kheirbek-Saoud, S., Domaine de validité de ' = - u w, pour un sol non saturé, Proc. of the Xth europeen conference on soils and found. Eng. (1991) 15-18 [11] Olivier, M. et Mesbah, A., Modèle de comportement pour sols compactés, Proc. of the first international conference on unsaturated soils, France, 6-8 sept 1995 [12] Pandian, N. S., Nagaraj, T. S. and Manoj, M., Re-examination of compaction characteristics of fine grained soils, Géotechnique 47, n 2 (1997) 363-366 18

Liste des figures Fig. 1 - Dispositif de l essai de compactage statique (ECS), photo (a) et schéma de principe (b) Fig. 2 - Optimisation de la teneur en eau par l'essai Proctor, E PN = Energie Proctor Normal Fig. 3 - Relation entre la contrainte de compactage et l'énergie absorbée par la densification du matériau en fonction de la densité sèche; w f = teneur en eau de fabrication Fig. 4 - Principe de l Essai Compactage Statique (ECS) Fig. 5 - Optimisation de la teneur en eau Fig. 6 - Relation entre la contrainte et l'énergie de compactage Fig. 7 - Variation de la succion en fonction du degré de saturation, par drainage (séchage) après l'opération de compactage à une teneur en eau w f Fig. 8 - Relation entre Ko et le degré de saturation; w f = teneur en eau de fabrication 19

Sable (10 mm - 0,080 mm) Limon (0,080 mm - 0,002 mm) Argile (<0,002 mm) Limite de liquidité Limite de plasticité Indice de plasticité Valeur de bleu du sol Densité specifique Tableau 1 : Identification et composition du sol 36 % 52 % 12 % 31,3 % 21,3 % 12 % 1,27 2,714 20

Définitions w :Teneur en eau (%) : d / w : Energie (kj/m 3 ) densité sèche O : Optimum Proctor 13,8 1,89 550 délivrée Normal A : compactage statique 13,8 1,96 550 fournie B : compactage statique 13,8 1,89 300 fournie Tableau 2 : Identification des points A, B et O 21

Avant compactage Capteur du haut Piston mobile Matériau foisonné Capteur radial Demi coquille mobile Piston du bas Capteur du bas d 0 h 0 (a) Mesure déplacement vertical Après compactage 3 1 (b) Eprouvette compactée d = d 0 h Fig. 1 : Dispositif de l essai de compactage statique (ECS), photo (a) et schéma de principe (b) 22

fig 2 23

Fig 3 24

Fig 5 25

Fig 6 Figu 7 26

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