Prise en compte du gonflement des terrains dans le dimensionnement des revêtements des tunnels

Prise en cmte du nflement des terrains dans le dimensinnement des revêtements des tunnels Frédéric Bultel T cite this versin: Frédéric Bultel. Prise en cmte du nflement des terrains dans le dimensinnement des revêtements des tunnels. Enineerin Sciences. Ecle Natinale des Pnts et Chaussées, 2001. French. <tel-00001859> HAL Id: tel-00001859 htts://tel.archives-uvertes.fr/tel-00001859 Submitted n 8 Feb 2003 HAL is a multi-discilinary en access archive fr the desit and disseminatin f scientific research dcuments, whether they are ublished r nt. The dcuments may cme frm teachin and research institutins in France r abrad, r frm ublic r rivate research centers. L archive uverte luridiscilinaire HAL, est destinée au déôt et à la diffusin de dcuments scientifiques de niveau recherche, ubliés u nn, émanant des établissements d enseinement et de recherche français u étraners, des labratires ublics u rivés.

ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES THESE ur btenir le rade de DOCTEUR DE L ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES Sécialité : GEOTECHNIQUE PRISE EN COMPTE DU GONFLEMENT DES TERRAINS POUR LE DIMENSIONNEMENT DES REVÊTEMENTS DES TUNNELS Présenté ar Frédéric BULTEL Sutenue le 26 janvier 2001 devant la cmmissin d examen cmsée de : MM. R. KASTNER Rarteur I. SHAHROUR Rarteur P. EGGER Examinateur B. GAUDIN Examinateur J.P. MAGNAN Examinateur A. SAÏTTA Examinateur J.F. SERRATRICE Examinateur E. LECA Directeur de thèse Travail réaré au Labratire Central des Pnts et Chaussées dans le cadre d une cnventin CIFRE avec la sciété Scetaurute

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Je tiens tut d abrd à remercier chaleureusement l ensemble des ersnnes qui nt cntribué au travail de thèse résenté dans ce mémire. La sciété Scetaurute, rerésenté ar sn Déartement Tunnels et Travaux Suterrains (DTTS) imlanté à Annecy, et le Labratire Central des Pnts et Chaussées (LCPC) de Paris m nt dnné l rtunité, dans le cadre d une cnventin CIFRE, de réaliser un travail de recherche scientifique aliquée dans un cntexte industriel mtivant. La mise à dissitin de myens nécessaires à la réaratin de la thèse, la disnibilité des différents intervenants et la cmétence de l encadrement scientifique nt cntribué à l intérêt et à la qualité de ce travail. Ma rfnde ratitude s adresse tut articulièrement à mn Directeur de thèse, Mnsieur Eric LECA, directeur adjint à DTTS, qui m a accrdé sa cnfiance dans l élabratin de cette thèse. Tut en suivant de rès ma démarche scientifique, il m a fait artaé sn exérience enrichissante dans le dmaine des tunnels et m a rdiué de récieux cnseils et encuraements ur mener à bien ce travail. Je tiens à remercier très vivement et resectueusement Mnsieur Jean-Pierre MAGNAN, Prfesseur à l Ecle Natinale des Pnts et Chaussées, Directeur Technique au LCPC, qui m a fait l hnneur de résider le jury de thèse. Je résente éalement mes remerciements à Messieurs Richard KASTNER, Prfesseur à l Institut Natinal des Sciences Aliquées de Lyn, et Isam SHAHROUR, Prfesseur à l Ecle Universitaire Des Inénieurs de Lille, qui nt acceté d être les rarteurs de cette thèse. Je remercie au même titre Messieurs Peter EGGER, Prfesseur à l Ecle Plytechnique Fédérale de Lausanne et Adrien SAÏTTA, Resnsable de Pôle au Centre d Etudes des Tunnels ur avir articié à l évaluatin de mn travail. Ce travail dit éalement beaucu aux discussins fructueuses que j ai u avir avec un certain nmbre de ersnnes : je citerai, en articulier, Messieurs Bernard GAUDIN, exert étechnique à DTTS, et Jean-Françis SERRATRICE, Resnsable du labratire de Mécanique des Sls et des Rches au Labratire Réinal des Pnts et Chaussées d Aix-en- Prvence, qui m nt fait bénéficier de leur cnnaissances et de leur exérience dans le dmaine exérimental et celui des tunnels. Mes remerciements s adressent aussi à l ensemble du ersnnel de DTTS et du LCPC qui m nt crdialement accueilli armi eux. J ai eu la chance de rencntrer des amis frmidables qui m nt encuraé et sutenu au curs de ces tris dernières années. Qu ils truvent ici le téminae de mn attachement et de mn amitié.

RESUME Au curs des dernières décennies, les returs d exérience de tunnels nt mis en évidence de nmbreux dmmaes causés ar le hénmène de nflement. Ce hénmène, qui cncerne des frmatins variées très réandues dans les ères éliques (terrains arileux u anhydrite), est suscetible d affecter un certain nmbre de tunnels futurs. Cette thèse envisae de mettre au int une méthdlie de calcul des revêtements de tunnels en terrain nflant. En s'insirant des returs d'exérience et des méthdes existantes, une li de cmrtement élastlastique a été établie ur simuler le dévelement de nflement aaraissant dans le massif du fait d un chanement d état de cntraintes et d une arrivée d eau. La li de nflement susée élastique et tridimensinnelle relie le larithme de la cntrainte à la défrmatin, en tenant cmte d une éventuelle anistrie de nflement assciée à la stratificatin du terrain. Arès avir été imlanté dans le cde ar éléments finis CESAR-LCPC, ce mdèle de nflement a été validé à deux niveaux : d'une art, sur un échantilln de matériau nflant sumis à un essai de nflement et, d'autre art, sur un uvrae instrumenté directement cncerné ar le hénmène de nflement. Des essais de nflement sécifiques ermettent d'identifier les différents aramètres de nflement. Les tentatives de calae de la li de nflement nt dnné des résultats satisfaisants sur lusieurs matériaux nflants différents. La mdélisatin numérique du tube Nrd du tunnel de Chamise ur lequel les mesures in situ nt mis en évidence le dévelement du nflement des marnes sus le radier, a mntré une meilleure cncrdance du mdèle de nflement avec les mesures in situ que les calculs classiques ; en articulier, n a u retruver une asymétrie marquée du cmrtement du radier et btenir des délacements dans le massif lus rches de la réalité. Mts clés : Terrain nflant, tunnel, mdélisatin numérique, caractérisatin exérimentale, essai Huder-Amber, retur d exérience

ABSTRACT Durin the last decades, bservatins in tunnels have rerted numerus damaes in swellin runds. This henmenn cncerns varius frmatins sread in elic eras and may affect future tunnels. This thesis aims at develin a desin methd fr tunnel linins in swellin rund. Based n infrmatin rvided by in situ bservatins, labratry tests and existin desin methds, an elastlastic behaviur law was been established t simulate the develment f swellin in the rund fllwin a chane f state f stress and an inress f water. In this mdel, the swellin law is assumed elastic and three-dimensinal, with the swellin defrmatin bein rrtinal t the larithm f stress ; the mdel takes accunt f the ssible anistry f swellin assciated with the stratificatin f the rund. The mdel was imlemented in the finite element cde CESAR-LCPC and was validated n tw levels : n the ne hand, n a samle f swellin material subjected t a swellin test and, n the ther hand, n an instrumented tunnel directly cncerned with the swellin henmenn. Secific swellin tests were used t identify the different swellin arameters. The calibratin f the swellin law ave satisfactry results n several different swellin materials. The mdel was then used t analyse the rund resnse bserved n the Nrthern tube f Chamise tunnel, fr which in situ measurements hihlihted the develment f the swellin f marls under the invert ; this analysis lead t a clser areement with the in situ measurements than cnventinal mdels ; in articular, the asymmetry f behaviur f invert was well rerduced with the mdel and cmuted dislacements in the rund were clser t the bserved results. Keywrds : Swellin rund, tunnel, numerical mdellin, exerimental characterisatin, swellin test Huder-Amber, case histry

TABLE DES MATIERES INTRODUCTION GENERALE...1 PARTIE I : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DU PHÉNOMÈNE DE... GONFLEMENT AUTOUR DES TUNNELS...5 CHAPITRE 1 : ETUDE PHÉNOMÉNOLOGIQUE DU GONFLEMENT...7 1.1 - Intrductin...7 1.2 - Nature et structure des sls arileux...8 1.2.1 - Minéralie des ariles... 8 1.2.2 - Structure mléculaire micrscique des ariles... 9 1.2.3 - Gnflement interfliaire et interarticulaire... 13 1.3 - Mécanismes de nflement...14 1.3.1 - Gnflement au sens hysic-chimique... 14 1.3.2 - Gnflement au sens mécanique... 18 1.3.3 - Relatins entre la texture du matériau et le nflement... 20 1.3.4 - Cas de l anhydrite... 24 1.3.5 - Cnclusin... 26 1.4 - Caractérisatin en labratire du hénmène de nflement...27 1.4.1 - Définitin des aramètres de nflement... 27 1.4.2 - Méthdes indirectes de caractérisatin... 28 1.4.3 - Essais de nflement en labratire... 36 1.4.4 - Asects hénménliques du nflement... 42 1.4.5 - Cmmentaires et recmmandatins énérales... 50 1.5 - Cnclusin...53 CHAPITRE 2 : RETOURS D EXPÉRIENCE DE TUNNEL...55 2.1 - Intrductin...55 2.2 - Définitin du nflement autur d un tunnel...56 2.3 - Observatins in situ...57 2.3.1 - Cas A : Tunnel de Bözber (Suisse)... 58 2.3.2 - Cas B : Tunnel de Belchen (Suisse)... 59 2.3.3 - Cas C : Tunnel San Dnat (Italie)... 60 2.3.4 - Cas D : Tunnel sur le barrae de la rivière Saskatchewan (Canada)... 62 2.3.5 - Cas E : Galerie de recnnaissance du tunnel de Chamise (France)... 63 2.3.6 - Synthèse... 64 2.4 - Techniques de cnstructin en terrain nflant...66 2.4.1 - Dimensinnement assif... 67 2.4.2 - Dimensinnement actif... 68 2.4.3 - Dimensinnement intermédiaire... 69 2.5 - Cnclusin...70 I

CHAPITRE 3 : MÉTHODES DE CALCUL EXISTANTES POUR L ÉTUDE DES TUNNELS...71 3.1 - Intrductin...71 3.2 - Mdèles basés sur une li de nflement...72 3.2.1 - Méthdes semi-emiriques... 72 3.2.2 - Méthdes de calcul ar éléments finis... 76 3.2.3 - Méthde semi-analytique de Gysel (1987)... 79 3.3 - Arches hénménliques...81 3.3.1 - Mdèles rhéliques... 81 3.3.2 - Mdèles dérivés... 82 3.4 - Mdèles hydrmécaniques...83 3.4.1 - Cadre énéral... 83 3.4.2 - Présentatin des méthdes existantes... 84 3.4.3 - Présentatin du mdèle d Ananstu (1993)... 85 3.5 - Cnclusin...92 PARTIE II : MODELISATION DU GONFLEMENT DANS LES CALCULS DE DIMENSIONNEMENT DE TUNNELS....95 CHAPITRE 4 : MÉTHODE DE CALCUL ANALYTIQUE DU GONFLEMENT POUR L ÉTUDE DES TUNNELS...97 4.1 - Intrductin...97 4.2 - Présentatin de la méthde cnverence - cnfinement...98 4.3 - Présentatin de l arche analytique...100 4.3.1 - Définitin du rblème...100 4.3.2 - Milieu élastlastique arfait...101 4.3.3 - Prise en cmte du nflement...102 4.4 - Alicatin de la méthde de calcul analytique...104 4.4.1 - Etude de lusieurs tunnels français...105 4.4.2 - Etude articulière ur le tunnel du Mnt Sin...107 4.5 - Cnclusin...110 CHAPITRE 5 : PRÉSENTATION D UN MODÈLE NUMÉRIQUE DE GONFLEMENT...111 5.1 - Intrductin...111 5.2 - Chix d un mdèle de nflement...111 5.3 - Descritin de la li de nflement...113 5.3.1 - Pressin de nflement...114 5.3.2 - Indice de nflement...115 5.3.3 - Anistrie de nflement...115 5.4 - Simulatin analytique d un essai de nflement...117 5.4.1 - Présentatin énérale du mdèle...117 5.4.2 - Etude de la hase de décharement...119 5.5 - Cnclusins...132 II

CHAPITRE 6 : IMPLANTATION DE LA LOI DE GONFLEMENT.. DANS LE CODE DE CALCUL CESAR-LCPC...133 6.1 - Intrductin...133 6.2 - Descritin du cde de calcul CESAR-LCPC...134 6.2.1 - Pré-rcesseur MAX...135 6.2.2 - Prramme de calcul CESAR...135 6.2.3 - Pst-rcesseur PEGGY...136 6.3 - Prrammatin de la li de cmrtement...136 6.3.1 - Etude de la li élastique de nflement...137 6.3.2 - Prise en cmte de la lasticité...138 6.3.3 - Intératin de la li de cmrtement dans le mdule MCNL...142 6.3.4 - Descritin des méthdes de réslutin numérique...145 6.4 - Etude numérique du décharement mécanique et cmaraisn avec la slutin analytique...150 6.4.1 - Influence du maillae sur les résultats numériques...150 6.4.2 - Influence de la méthde de réslutin...152 6.4.3 - Cmaraisn des résultats numériques avec la slutin analytique...154 6.5 - Cnclusins...157 PARTIE III : APPLICATIONS DU MODELE DE GONFLEMENT....159 CHAPITRE 7 : CALAGE DE LA LOI DE COMPORTEMENT SUR LES ESSAIS DE GONFLEMENT...161 7.1 - Intrductin...161 7.2 - Descritin de la rcédure exérimentale à l œdmètre K...162 7.2.1 - Présentatin de l œdmètre K à haute ressin...162 7.2.2 - Prcédure d essai...163 7.3 - Calae des aramètres de nflement sur les essais...165 7.3.1 - Descritin de la méthdlie de calae...165 7.3.2 - Alicatins de la méthdlie de calae...170 7.3.3 - Cmaraisn des résultats...177 7.4 - Simulatin de la hase de décharement...178 7.4.1 - Descritin du mdèle numérique...178 7.4.2 - Analyse des résultats btenus ur la marne de Chamise...180 7.4.3 - Analyse des résultats btenus ur la mlasse du Mnt Sin et les marnes de Tartaiuille182 7.4.4 - Analyse lbale des travaux de calae...184 7.5 - Etude d une deuxième méthde de calae...185 7.5.1 - Mdificatin de la méthdlie de calae...185 7.5.2 - Alicatin de la nuvelle méthde de calae aux essais de Chamise...186 7.5.3 - Alicatin à la mlasse du Mnt Sin...188 7.5.4 - Alicatins au cas de la marne de Tartaiuille...189 7.5.5 - Etude de la lasticité...191 7.6 - Cnclusin...195 III

CHAPITRE 8 : ANALYSE D UN OUVRAGE INSTRUMENTÉ - LE TUNNEL DE CHAMOISE -...197 8.1 - Intrductin...197 8.2 - Analyse du cmrtement à ln terme de l uvrae...198 8.2.1 - Cntexte énéral du tunnel de Chamise...198 8.2.2 - Analyse des mesures in situ...204 8.2.3 - Cnclusins...210 8.3 - Mdélisatin numérique du tube Nrd...210 8.3.1 - Cnfiuratin étechnique et émétrie de l uvrae...210 8.3.2 - Caractéristiques mécaniques des matériaux...212 8.3.3 - Présentatin du calcul numérique...214 8.4 - Analyse des résultats numériques...217 8.4.1 - Influence du nflement...217 8.4.2 - Etude aramétrique cmlémentaire...229 8.5 - Cnclusins...233 CONCLUSIONS GENERALES...235 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES...239 ANNEXE A : PROCÉDURES D ESSAIS NORMALISÉES...247 ANNEXE B : MATÉRIELS UTILISÉS POUR LES ESSAIS DE GONFLEMENT...255 ANNEXE C : DÉTERMINATION DE LA COURBE CARACTÉRISTIQUE DU TERRAIN261 ANNEXE D : SOLUTION ANALYTIQUE D UN ESSAI DE GONFLEMENT...269 ANNEXE E : PROGRAMMATION DE LA LOI ÉLASTOPLASTIQUE DE GONFLEMENT DANS LE MODULE DE RÉSOLUTION MCNL...279 ANNEXE F : RÉSULTATS OBTENUS AVEC LA DEUXIÈME MÉTHODOLOGIE DE CALAGE...289 IV

NOTATIONS Nus dnnns ci-dessus les rinciales ntatins utilisées dans ce mémire. La cnventin adtée ur définir les cntraintes et les défrmatins crresnd à la cnventin de la Mécanique des Sls. (u ' (u ij) ' ij) tenseur des cntraintes ttales tenseur des cntraintes effectives 1, 2, 3 cntraintes rinciales (sitives en cmressin) avec 1 2 3 r, θ, y état de cntraintes dans un reère axisymétrique xx, yy, zz état de cntraintes dans un reère cartésien, v h cntraintes verticale et hrizntale (dans l œdmètre) v, h cntraintes verticale et hrizntale initiales 1 + 2 + 3 cntrainte myenne = 3 u ressin interstitielle h chare hydraulique k cefficient de erméabilité du terrain ε ε 1, ε 2, ε3 ε xx, ε yy, ε zz u r tenseur des défrmatins ttales défrmatins rinciales (sitives en cmressin) défrmatins rinciales dans un reère cartésien délacement radial dans un reère axisymétrique ε vl V défrmatin vlumique ε vl = ε1 + ε2 + ε3 = V ε v, ε h h défrmatins verticale et hrizntale ( ε v = dans un œdmètre) h EL D EP D matrice d élasticité matrice d élastlasticité ressin de nflement el el H ε tenseur des défrmatins élastiques ( ε = ε + ε ) H ε ε ε tenseur des défrmatins élastiques avec la li de Hke tenseur des défrmatins de nflement défrmatin de nflement déterminée à l œdmètre V

C (u k β β n B ) indice de nflement (avec 2,3 B C = ) nflement libre btenu à l œdmètre tenseur d anistrie facteur d anistrie vecteur nrmal à la stratificatin vecteur arallèle à la stratificatin βn anistrie nrmale à la stratificatin ( βn = n. β. n ) β anistrie arallèle à la stratificatin ( β =. β. ) n cntrainte nrmale au lan de stratificatin ( n = n..n ) cntrainte arallèle au lan de stratificatin ( =.. ) ε n défrmatin de nflement nrmale au lan de stratificatin ( ε n.. n ) n = ε ε défrmatin de nflement arallèle au lan de stratificatin ( ε =. ε. ) Remarques sur les tenseurs : A = : tenseur d rdre 4 ( A ijkl ) A = ( A ij ) : tenseur d rdre 2 a b = ( ) a i b j : rduit tensriel entre deux vecteurs A.n = ( A ij n j ) : rduit d un tenseur ar un vecteur rad b = b : radient d un scalaire ( ) i K E ν c ϕ ψ K κ E ν λ λ λ R R b b e cefficient de ressin des terres au res mdule d Yun du terrain cefficient de Pissn du terrain chésin du terrain anle de frttement interne du terrain anle de dilatance cefficient de butée cefficient de dilatance mdule d Yun du bétn cefficient de Pissn du bétn taux de décnfinement limite d aaritin de la lasticité limite d aaritin du nflement rayn de la zne lastique rayn de la zne de nflement VI

e S γ γs γ γ d w γfl Sr w w w w I P I S A L P S c indice des vides surface sécifique des articules arileuses ids vlumique du terrain ids vlumique des articules slides ids vlumique sec ids vlumique de l eau ids vlumique du fluide deré de saturatin teneur en eau limite de liquidité limite de lasticité limite de retrait indice de lasticité indice de retrait activité arileuse C2 teneur en articules de dimensins inférieures à 2 µm V valeur au bleu de méthylène B Ntatins articulières du chaitre 1 23 1 k cnstante de Bltzmann ( = 1,38 10 J.K ) T B c temérature abslue en K 19 e chare électrique d un électrn ( = 1,6 10 C) Z K C dc liq εliq ϕ d élec R A ca rca θca H ca valence des catins inverse de l éaisseur de la duble cuche cncentratin inique du milieu liquide cnstante diélectrique du milieu liquide tentiel électrique au milieu de la distance interarticulaire demi-distance entre deux articules arileuses ressin smtique de réulsin frce surfacique d attractin de Van der Waals tensin de surface au niveau du ménisque caillaire rayn caillaire anle de cntact liquide/fluide au niveau du ménisque hauteur de fluide dans le caillaire VII

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INTRODUCTION GENERALE Le nflement des sls arileux, ar décmressin et/u ar art d'eau, est la cause de nmbreux dmmaes : sulèvement de fnds de fuilles, destructin de chaussées, fissuratin de bâtiments. Jusque vers les années 1930, seul le tassement était cnsidéré cmme une surce ssible de déâts ur les fndatins suerficielles. C'est l'us Bureau f Reclamatin qui le remier mit l'accent sur le hénmène de nflement. Le dévelement des cnstructins en bétn sur fndatins suerficielles amena alrs de nmbreux inénieurs à s intéresser au rblème du nflement des sls arileux (Chen, 1975 ; Murux et al., 1988). Dans le dmaine des excavatins suterraines, le nflement du terrain eut entraîner aussi de sérieux rblèmes, tant endant la cnstructin, qu arès la mise en service de l uvrae. Dans les anciens tunnels creusés en terrain nflant, il n est as rare d bserver un sulèvement de radier atteinant lusieurs dizaines de centimètres. La réaratin des revêtements et la réexcavatin du radier deviennent ainsi une ératin réulière d entretien ; dans d autres cas, n est blié de cnstruire des radiers en vûte inversée de 1 u 2 mètres d éaisseur, destinés à limiter les muvements à une valeur accetable. En déit des nmbreuses exériences malheureuses liées à l aaritin du nflement, l étude quantitative du hénmène ne débute réellement qu au début des années 1970 avec la cmmunicatin de Huder et Amber (1970) résentant la méthde de mesure du nflement du même nm, et c est aussi à artir de cette date que l bservatin et l analyse de cas vécus, ainsi que les travaux en labratire, se dévelent de manière lus riureuse. En France, n ne disse as à ce jur de méthde recnnue et validée ermettant la rise en cmte du nflement dans le dimensinnement des uvraes suterrains. 1

L bjectif de la résente étude cnsiste à analyser le hénmène de nflement, dans le but d'abutir à une méthdlie ermettant de rendre en cmte ses effets dans le calcul à ln terme des revêtements de tunnels. Le résent rart cmrte huit chaitres, réartis en tris arties. La remière artie résente une synthèse biblirahique cnsacrée à l étude hénménlique du nflement, à ses manifestatins in situ et à sa rise en cmte dans le dimensinnement des tunnels. Elle est décuée en tris chaitres : - Le chaitre 1 résente une arche énérale du nflement. Une analyse micrscique du hénmène, c est-à-dire de l interactin entre les articules d arile et l eau, mettra en évidence les riines ssibles du nflement ; la deuxième artie du chaitre abrde la caractérisatin macrscique ar des essais en labratire destinés à définir des aramètres de nflement ur le dimensinnement des uvraes. - Le chaitre 2 décrit les returs d exérience relatifs à l bservatin du hénmène de nflement autur de tunnels existants. Ces infrmatins ermettent de se rendre cmte de l imrtance des dmmaes ccasinnés et de mntrer la nécessité d adater les techniques de cnstructin ur résudre ce rblème. - Le chaitre 3 récaitule l état actuel des cnnaissances en matière de simulatin du hénmène et d arche de dimensinnement d un revêtement de tunnel. La deuxième artie résente les dévelements effectués, dans le cadre de cette thèse, ur amélirer la rise en cmte du nflement dans l étude des uvraes suterrains. Elle se cmse de tris chaitres : - Le chaitre 4 résente une arche analytique cnsistant à intrduire une cntributin du nflement dans un calcul élastlastique basé sur la méthde cnverence-cnfinement (Panet et Guellec, 1974), qui cnstitue une arche de référence ur le calcul des sutènements et revêtements de tunnels. 2

- Le chaitre 5 décrit une arche numérique du rblème. En s'insirant des returs d exérience et des méthdes de calcul existantes, une li de cmrtement a été établie ur simuler le hénmène de nflement aaraissant dans le massif du fait d un chanement d état de cntraintes et d une arrivée d'eau. Un calcul analytique cnçu ur rerésenter le dérulement d un essai de nflement ermet d étudier la sensibilité des aramètres intrduits. - Le chaitre 6 dévele le travail numérique effectué ur imlanter la li de nflement dans le liciel CESAR-LCPC, qui cnstitue l un des cdes de référence en énie civil, et résente la validatin de la li rrammée à artir de la slutin analytique du chaitre 5. La trisième artie cnsiste à aliquer le mdèle de nflement dans la simulatin de deux situatins arriées : d une art, les essais de nflement sur échantillns et, d autre art, le calcul d un uvrae instrumenté affecté ar des hénmènes de nflement. Cette artie cmrend deux chaitres : - Le chaitre 7 résente le travail d analyse d essais de nflement réalisés au Labratire Réinal des Pnts et Chaussées d Aix-en-Prvence à artir de la li de cmrtement rsée. Cette étude exérimentale abutira à des recmmandatins énérales relatives à la méthdlie de calae de la li. - Le chaitre 8 résente le calcul numérique d un uvrae instrumenté (tube Nrd du tunnel de Chamise) dnt l auscultatin a mis en évidence lusieurs effets différés tels que le retrait du bétn, le fluae mais aussi le nflement des marnes sus le radier. En utilisant la li de cmrtement rsée et arès calae sur des essais de nflement réalisés sur du matériau rélevé sur le site, une simulatin numérique de la réalisatin de l uvrae a été effectuée. Les résultats snt cmarés aux mesures relevées in situ dans le revêtement de l uvrae et dans le massif encaissant. 3

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Partie I : Revue biblirahique du hénmène de nflement autur des tunnels 5

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Chaitre 1 : Etude hénménlique du nflement 1.1 - Intrductin Lrsqu'n étudie les rblèmes de nflement rencntrés sur des uvraes, n s'aerçit que le nflement du terrain est étritement lié aux arts d'eau du milieu extérieur u envirnnant et que ce hénmène déend frtement du tye de terrain rencntré. C'est urqui une descritin micrscique du hénmène est indisensable ur bien cmrendre quel terrain est suscetible de nfler et quels snt les rcessus de dévelement du nflement au niveau micrscique. Dans un remier tems, cmme les matériaux nflants les lus fréquemment rencntrés snt les ariles, un rael sur la minéralie des ariles est d'abrd effectué afin de mettre en évidence quelle est la cmsitin des différentes familles d'arile, leur stabilité et leur affinité avec l'eau qui est à l'riine du nflement. Ensuite, n s'attachera à déveler les différents mécanismes de nflement qui euvent se déveler au niveau micrscique et à mettre en évidence les facteurs influant sur le nflement. On évquera aussi une autre frme de nflement d'riine uniquement chimique ur l'anhydrite. Arès avir décrit le hénmène de nflement au niveau micrscique, n s'intéressera aux méthdes d'estimatin et de caractérisatin du tentiel de nflement d'un terrain. La dernière 7

artie détaillera les différentes manières de caractériser le nflement au niveau macrscique ; méthdes indirectes, essais en labratire u essais in situ. Les méthdes indirectes basées sur l'évaluatin des aramètres étechniques classiques (teneur en eau, densité sèche, limites d'atterber, valeur de bleu) ermettent d'estimer la sensibilité du matériau vis-à-vis du nflement. Les essais en labratire ermettent de décrire un cmrtement de nflement rencntré autur de l'uvrae. Les essais in situ ermettent d'identifier les sls nflants en lace et de quantifier leur tentiel de nflement. 1.2 - Nature et structure des sls arileux Avant d'analyser le hénmène de nflement rrement dit, il est essentiel de raeler certaines ntins minéraliques et hysic-chimiques relatives aux interactins entre l'eau et les articules arileuses (Grim, 1962 ; Mitchell, 1976). 1.2.1 - Minéralie des ariles Les ariles snt les rduits de décmsitin des rches siliceuses, ar désaréatin hysique et mécanique, uis ar altératin chimique. La famille des minéraux arileux rerue tus les silicates hydratés aartenant au rue des hyllsillicates. Les minéraux arileux nt une structure inique telle qu'ils interaissent frtement avec les mlécules laires de l'eau. Une articule d'arile est frmée d'un emilement de feuillets élémentaires cnstitués ar l'assciatin de deux unités structurales de base : le tétraèdre de silice SiO 4 (Te) : 4 atmes d xyène dissés au smmet d'un tétraèdre réulier enserrent un atme de silicium. Les tétraèdres se cmbinent entre eux ur frmer des cuches lanes dites cuches tétraédriques (fiure 1.1). 3 A Si et et Atme d'xyène Atme de silicium Fiure 1.1 : Cuche tétraédrique et ntatin 8

l ctaèdre d'alumine Al 2 (OH) 6 et éventuellement de manésium M 3 (OH) 6 (Oc) : 6 ins hydrxydes enserrent un atme d aluminium u de manésium. Les ctaèdres se cmbinent éalement ur frmer des cuches lanes dites cuches ctaédriques (fiure 1.2). 4 A Al u M et Hydrxyde Aluminium, manésium... Fiure 1.2 : Cuche ctaédrique et ntatin 1.2.2 - Structure mléculaire micrscique des ariles Le feuillet élémentaire idéal se cmse d'un emilement de 2 u 3 unités de base. Les liens de cvalence et les liaisns iniques assurent la structure riide du feuillet élémentaire ; des liaisns mins frtes mais essentielles, assurent l'assemblae des feuillets élémentaires. Les frces de liaisn entre feuillets snt rincialement : - les frces d'attractin mléculaires de Van der Waals qui snt des liaisns faibles ; - les liaisns hydrène qui aaraissent avec des atmes frtement électrnéatifs, cmme ar exemle l'xyène dans le cas des ariles ; - les substitutins ismrhes qui cnsistent dans le remlacement de certains catins cnstitutifs du réseau cristallin ar d'autres de mindre valence. Ce dernier hénmène crée des déficits de chare qui affaiblissent les frces iniques de liaisn entre les feuillets (remlacement d'un in Si 4+ ar un in Al 3+ dans la cuche tétraédrique de silice, d'un in Al 3+ ar un M 2+ dans la cuche ctaédrique d'aluminium...). Les articules acquièrent ainsi une chare néative et euvent adsrber de façn réversible des catins et des diôles d'eau ur atteindre l'électrneutralité. La caacité d'échane inique (C.E.C.) ermet de mesurer la chare sitive nécessaire ur arriver à l'électrneutralité (milliéquivalents/100 d'arile sèche). Les articules snt dnc sumises à un ensemble de frces d'attractin et de réulsin qui varient avec la teneur en eau et déendent des substitutins ismrhes. Malré la simlicité aarente de la 9

structure des ariles, n en dénmbre un très rand nmbre d'esèces, qui se distinuent ar les défauts liés aux substitutins ismrhes au mment de la frmatin. L'arranement des articules des terrains arileux, qui interaissent avec l'eau et les ins qu'elle transrte, déend beaucu du milieu de désitin (ntamment de sa salinité). Les tris tyes d'arile les lus curamment rencntrés snt la kalinite, l'illite et la mntmrillnite. Nus les décrivns dans la suite avant de réciser les différents mécanismes de nflement. La kalinite ( Si 4 O 10 ) Al 4 ( OH) 8 Le feuillet élémentaire est cmsé d'une cuche de silice et d'une cuche d'alumine. Entre différents feuillets de kalinite, le cntact se fait entre un lan cntenant les ins hydrxyles OH de l'ctaèdre, et celui cntenant les ins d'xyène 2 O du tétraèdre ; dans ce cas, les liaisns interfliaires résultent de l'effet cmsé de liaisns hydrène et de frces de Van der Waals ; ce qui se traduit ar un lien assez frt. Ainsi une articule de kalinite sera cnstituée, ar exemle, de quelques centaines de feuillets et urra avir une éaisseur de quelques dizaines de micrmètres. Ces articules snt stables et leur structure élémentaire n'est as affectée ar la résence d'eau. Al Si Al Si 7,2 A Al Si Fiure 1.3 : Schéma de la articule de kalinite L'illite ( K, H 2 O) Si 8 ( Al, Fe, M) 4,6 O 20 ( OH) 4 2 Le feuillet élémentaire est cmsé d'une cuche d'alumine cmrise entre deux cuches de silice. Dans les cuches de silice, un in qui en résulte est cmensé ar les ins tassium 4+ Si sur quatre est remlacé ar un in 3+ Al. Le déficit de chare + K qui assurent des liaisns assez frtes entre les feuillets. La articule d'illite cmrtera, ar exemle, une dizaine de feuillets et urra avir une éaisseur de quelques centièmes de micrmètres. L'esace créé à l'intérieur du feuillet de silice est ccué ar un in + K qui, ar sa résence, induit un lien frt entre les cuches. 10

Si et Al Al Si et Al K + Si et Al Al Si et Al 9,6 A Si et Al Al Si et Al Fiure 1.4 : Schéma de la articule d'illite La mntmrillnite ( ) Si ( Al, M ) O, n H O OH 4 8 10/ 3 2/ 3 20 2 Le feuillet élémentaire est cmsé cmme ur l'illite, d'une cuche d'alumine cmrise entre deux cuches de silice. Un in 3+ Al est remlacé ar un in de chare qui en résulte est cmensé ar des ins 2+ M dans les cuches d'alumine. Le déficit 2+ Ca (mntmrillnite calcique) u ar des ins + Na (mntmrillnite sdique). La valence des ins sdium étant lus faible que celles des ins calcium, c'est la mntmrillnite sdique qui aura la lus rande surface sécifique et la lus rande C.E.C. Les liaisns entre feuillets étant très faibles, ces ariles snt très sensibles à la teneur en eau et nt un frt tentiel de nflement. L'éaisseur d'une articule de mntmrillnite eut être très faible uisque, cntrairement aux autres ariles, n eut isler un feuillet élémentaire. La mntmrillnite fait artie de la famille lus énérale des smectites définies cmme les ariles nflantes. Si et Al Al et M Si et Al n cuches de H2O et catins interchaneables Si et Al Al et M Si et Al 9,6 A Si et Al Al et M Si et Al Fiure 1.5 : Schéma de la articule de mntmrillnite 11

Les chlrites ( OH) 4 ( SiAl) ( M, Fe) O20 Il est nécessaire de citer les chlrites du fait que leurs rriétés se rarchent de celles des ariles. Leur structure est ceendant lus cmlexe, et se cmse de deux feuillets de micas entre lesquels s'insère un feuillet de brucite. En fait, le déficit du feuillet de mica est rarement cmblé ar le feuillet de brucite et des catins interchaneables se lent dans les esaces créés au sein du feuillet de mica. De l'eau eut alrs énétrer entre les feuillets, rvquant ainsi un accrissement de l'interdistance et dnc un nflement. Ceendant, les édifices de brucite tendent à cller les feuillets les uns aux autres et dnnent ainsi aux chlrites une certaine chésin, cntrairement aux feuillets des minéraux arileux, qui snt libres de lisser les uns ar rart aux autres. 8 6 brucite 14 A Fiure 1.6 : Schéma de la articule de chlrite Les caractéristiques de ces ariles snt résumées dans le tableau 1.1. La fiure 1.7 résentent des imaes de ces ariles rises au micrsce électrnique à balayae. Tableau 1.1 : Caractéristiques des ariles Nm Tye Nmbre de feuillets ar articule Diamètre d'une articule (µm) Eaisseur d'une articule (µm) Surface sécifique en m 2 / C.E.C. en meq/100 Kalinite 1:1 100-200 0,1-4 1-10 10-20 3-15 Illite 2:1 1-10 0,1-1 0,003 0,01 65-100 10-40 Mntmrillnite (smectite) 2:1 1 0,1 0,001 700-840 80-150 Chlrite 2:1:1 1 0,1 0,005 800 10-40 12

Kalinite Illite Mntmrillnite Fiure 1.7 : Phtrahies au Micrsce Electrnique à Balayae des ariles (Mitchell, 1976) Les interstratifiés Il existe bien entendu des minéraux interstratifiés, frmés d'un emilement réulier u irréulier de feuillets de deux tyes différents. Lrsque l'un des feuillets est de tye smectite, le cmrtement eut s'avérer nflant. C'est le cas de la crrensite, la tsudite, la kalinite-mntmrillnite, la sanite-chlrite, la mntmrillnite-mica, l'illite-mntmrillnite. Le rael de ces quelques dnnées ermet de suliner la cmlexité de la minéralie des ariles et de mettre en évidence le caractère riinal des smectites. 1.2.3 - Gnflement interfliaire et interarticulaire L'analyse minéralique récédente mntre que certaines ariles, ur lesquelles les liaisns interfeuillets snt très faibles, nt la rriété de fixer les mlécules d eau entre deux feuillets visins (c est le cas de smectites telles que la mntmrillnite, et de certaines chlrites). L eau énètre à l intérieur des articules et s ranise en cuches mnmléculaires, il s ait alrs d un nflement intraarticulaire u interfliaire (Didier, 1972). Il intervient à l'échelle la lus etite de la structure arileuse mais eut résenter une amleur très imrtante. En dehrs de ce cas articulier, qui définit les ariles dites nflantes, le nflement est interarticulaire, c est-à-dire que l eau ne énètre as à l intérieur des articules d ariles. Ce nflement interarticulaire, cntrairement au nflement interfliaire, a une amleur assez limitée, mais affecte tutes les ariles. Les différents mécanismes de ce nflement interarticulaire sernt détaillés dans la artie 1.3. 13

1.3 - Mécanismes de nflement Les matériaux suscetibles de nfler sus l'actin de l'eau snt les sls arileux naturels, les marnes, les rches arileuses et les rches cmsées d'anhydrite. Le rcessus de nflement interarticulaire met en jeu séarément u de façn cmbinée des hénmènes hysic-chimiques et mécaniques variés. Il déend aussi de la texture du matériau, c'est-à-dire de l'ranisatin des laquettes entre elles, cmme n le mntrera dans la suite. On résentera aussi le cas de l'anhydrite dnt la transfrmatin en yse, en résence d'eau, rvque un nflement ntable. 1.3.1 - Gnflement au sens hysic-chimique Cmte tenu de la structure inique résentée récédemment, il aaraît d'imrtantes interactins hysic-chimiques entre une articule arileuse et l'eau, énéralement illustrées ar le mdèle de la duble cuche. Avec des hythèses très récises, cette thérie ermet de quantifier le hénmène de nflement ar rart aux différents aramètres de l'eau. 1.3.1.1 - Mdèle de la duble cuche La articule d arile résente énéralement une chare nette néative due à des substitutins ismrhes au niveau des feuillets. Ce déficit de chares se traduit ar la fixatin de catins et ar l rientatin des mlécules laires (d eau, ar exemle) dans l esace érihérique de la articule et éventuellement entre les feuillets. A l'attractin des catins ar la surface des articules d'arile s'se la tendance des ins à diffuser et à se distribuer d'une manière hmène dans l'eau. Le résultat de cette interactin est un nuae d'ins enturant la articule, aelé duble cuche électrique diffuse (fiure 1.8). On a ainsi, autur de chaque articule, frmatin d une duble cuche d riine électrique, dite cuche de Guy-Chaman, cmsée : - d une cuche fixe liée au slide, - d une cuche diffuse en affinité avec cette articule. La thérie de Guy-Chaman résentait l'incnvénient de rédire des cncentratins d ins extrêmement élevées à rximité de la surface. Elle a été mdifiée ar Stern (1924) ur rendre en cmte une quantité finie d'ins aux abrds de la articules arileuse. La cuche de Stern cnsiste en 14

une quantité d ins finie à côté de la surface (fiure 1.8) ; elle est fixe tandis que la cuche de Guy est mbile. Cette dernière fait la transitin entre la slutin erturbée ar la articule et la zne lus élinée, nn erturbée. La fiure 1.8 dnne une rerésentatin schématique de ce hénmène. + + + _ + + + + + + + _ + _ ++ + _ + Particule + _ + + + _ + arileuse + + + _ + + + + _ + _ + + _ + + _ + + _ + _ + + + + + _ + + _ + + + _ Cuche de Stern (fixée à la articule) Cncentratin en ins catins Cuche de Guy (cuche diffuse) C liq anins distance à la articule Fiure 1.8 : Schéma de la duble cuche d eau enturant une articule arileuse. 1.3.1.2 - Alicatin du mdèle de la duble cuche La thérie de la duble cuche dévelée ar Blt (1956) et Van Olhen (1963) se base sur l étude de l interactin de deux laquettes d arile arallèles. Sans détailler la thérie de la duble cuche, n eut en dnner les rinciaux résultats. Dans un sl saturé, l éaisseur de la duble cuche assciée à une articule est dnnée ar la relatin : 1 K dc ε k T = (1.1) 2 8πC Z liq B 2 liq e c ù 1 K est l éaisseur de la duble cuche en cm, ε liq la cnstante diélectrique du milieu liquide, dc k B la cnstante de Bltzmann, T la temérature abslue en Kelvin, e c la chare électrique d un électrn, Z la valence des catins et C liq la cncentratin inique du milieu liquide (en ins/m 3 ). Le 15

nflement rerésentant l extensin des dubles cuches, ce hénmène se dévelera en articulier avec : - une diminutin de la cncentratin du liquide interstitiel C liq, - une diminutin de la valence des ins Z, - une aumentatin de la cnstante diélectrique ε liq, - une aumentatin de la temérature T. Dans une étude exérimentale en labratire, Didier (1972) et Wn (1998) nt mis en évidence l'influence ntable de la salinité du liquide interstitiel sur le tentiel de nflement des terrains arileux. Ils nt, en effet, cnstaté que lus la cncentratin en sels (NaCl ar exemle) est faible et lus les défrmatins de nflement snt élevées. Ces résultats exérimentaux cnfirment bien l'analyse qualitative furnie ar la thérie de la duble cuche. A artir de cette même thérie, Madsen (1979) et Sridharan et Jayadeva (1982) nt déterminé une relatin entre la ressin smtique de réulsin R et le tentiel électrique ϕélec entre les deux articules : R = 2C k T( cshϕ 1) avec =,35 4,375 l ( K d) liq elec ϕ ; elec 2 dc e γ s d étant la demi-distance entre deux articules d arile, sit d = avec e = 1, e désinant γ S γ l'indice des vides, S la surface sécifique du sl, γ s le ids vlumique des articules slides, et γ d le ids vlumique du sl sec. On remarque que, ur un sl dnt la minéralie et le fluide interstitiel snt cnnus, la ressin s d R ne déend que de la demi-distance interarticulaire d u du ids vlumique du sl sec γ d ; la ressin de réulsin R est alrs une fnctin strictement décrissante de la demi-distance interarticulaire d. Madsen (1979) a btenu, de lus, une crrélatin satisfaisante entre la ressin de réulsin ainsi calculée et la ressin de nflement mesurée exérimentalement sur des arilites et des marnes. La thérie de la duble cuche reste évidemment limitée, à cause des hythèses faites sur le milieu (as d interactin entre les ins, rblème bidimensinnel, articules arallèles,...). On eut, en remière arximatin, dire que la thérie de la duble cuche est alicable quand la surce du 16

nflement est la ressin de réulsin smtique, c est-à-dire quand n a affaire à des sls sursaturés en catins en résence d une eau de circulatin à faible cncentratin inique. 1.3.1.3 - Equilibre d une articule arileuse dans un milieu saturé Dans un milieu saturé, un bilan des frces ermet de mntrer raidement qu une diminutin des cntraintes effectives entraîne un nflement interarticulaire. Cnsidérns deux articules arileuses que l n eut rerésenter cmme lates et arallèles. Quand elles snt immerées dans une slutin électrlytique, elles snt sumises, d une art, à une ressin extérieure sus frme de cntrainte effective et aux frces électriques d autre art (fiure 1.9). Les frces électriques se cmsent de la ressin smtique de réulsin R et de la frce surfacique d attractin décrît très raidement avec cette distance. A de Van der Waals, qui déend de la distance 2d entre les articules et Pur maintenir les articules à la distance 2d, il faut que la cntrainte nette ( R A ) équilibre la cntrainte de cmressin ' et dnc qu elle sit réulsive : ' = R A A A ' ' R R 2d Fiure 1.9 : Frces aissant sur deux articules d arile Sridharan et Jayadeva (1982) nt cnstaté que, ur les matériaux arileux tels que la kalinite u la mntmrillnite, la frce d attractin de Van der Waals était nélieable devant la ressin smtique de réulsin, ur l intervalle de ressins mesurées habituellement en étechnique. Dans ces cnditins, le mécanisme de nflement s exlique de la façn suivante : susns que la cntrainte effective vienne à baisser. L'équilibre ne eut être assuré que ar une diminutin de la ressin smtique de réulsin, c'est-à-dire ur une minéralie du sl et une cmsitin du liquide interstitiel dnnées, ar un écartement des deux articules ; ceci tend ar ailleurs à diminuer léèrement la frce de Van der Waals. Ainsi, une diminutin de cntrainte effective se traduit au niveau macrscique ar le nflement des ariles. 17

En résumé, dans le nflement des ariles saturées, la ressin smtique jue un rôle réndérant. La thérie de la duble cuche furnit une interrétatin intéressante des hénmènes hysicchimiques sur le lan qualitatif mais il faut rester rudent ur aliquer quantitativement cette thérie à une masse de matériau arileux car les hythèses utilisées ne caractérisent as tujurs la texture d'un terrain naturel qui eut être très variée cmme n le résentera dans le ararahe 1.3.3. De lus, lrsque les ariles ne snt lus saturées, ar suite d une dessiccatin ar exemle, d autres frces deviennent réndérantes dans l hydratatin des ariles, ntamment les frces d attractin dues aux chares électriques, les frces de Van der Waals de tensin caillaire et les frces dérivant de l énerie d hydratatin des catins échaneables. L ensemble de ces frces cnstitue la frce de succin qui ait directement sur les mlécules d eau, laires ar nature. La succin varie en sens inverse du deré de saturatin S r. Cette succin est faible ur des sls saturés et très frte ur des sls secs. 1.3.2 - Gnflement au sens mécanique Le hénmène de nflement, de même que le tassement, eut rvenir d une mdificatin de l état de cntraintes dans le sl en résence d eau. Il est dnc imrtant de raeler les bases de la mécanique des sls aliquées à l état de cntraintes dans un sl. 1.3.2.1 - Cntraintes dans un sl Un sl est un système cnstitué de 3 hases : une hase slide (les articules slides), une hase liquide (eau interstitielle en énéral) et une hase azeuse (bulles d air u film d air cntinu). Le sl est saturé si la hase azeuse disaraît, c est-à-dire si tus les vides interarticulaires snt ccués ar l eau interstitielle. Dans un sl saturé sumis à une cntrainte ttale (éstatique u surchare extérieure), cette dernière se décmse en : = '+u (Thérie de Terzahi), u désinant la ressin interstitielle à savir la ressin de l eau des res et ' la cntrainte effective, c est-à-dire la cntrainte qui s exerce réellement sur le squelette slide. Si le sl est sec, la ressin interstitielle u est nulle et n a ' =. Si l élément de sl cnsidéré est situé sus la nae hréatique à une cte z, la ressin interstitielle est éale à la ressin exercée ar la clnne d eau sus-jacente sit u = z. γw 18

Si ar cntre, il se situe au-dessus de la nae hréatique, il eut être saturé u nn, seln les caractéristiques du matériau qui le cmse et la distance qui le séare du tit de la nae. L attractin entre les mlécules adjacentes à la surface d un fluide (tensin de surface) lui ermet de s élever dans un caillaire au-dessus de la line de ressin atmshérique. La hauteur de fluide dans le caillaire est dnnée ar la li de Jurin : ù H ca 2 = γ ca fl csθ ca est la tensin de surface, r ca le rayn caillaire, θ ca l anle de cntact liquide/fluide et γfl le ids vlumique du fluide. C est ce hénmène qui ermet à un sl de retenir de l eau au-dessus du tit de la nae, ar l intermédiaire de sn réseau reux. Barden (1965) a ainsi identifié, au-dessus de la nae, une zne cnsidérée cmme saturée ù le deré de saturatin est rche de l unité ; la faible fractin d air cntenue dans le sl est ccluse entre les articules et ne erturbe as l éculement d eau. Il cnsidère alrs que, dans ce dmaine, les cntraintes aliquées sur le squelette slide euvent être définies ar le rincie de Terzahi, la ressin interstitielle u étant inférieure à la ressin atmshérique. On la définit cmme néative et elle est éale à ( z) γ w r ca ca. Elle rerésente la succin caillaire du terrain qui, dans le cas simle d un tube caillaire, est dnnée ar la li de Jurin et caractérise la caacité du terrain à retenir l eau au-dessus de la nae. Si au cntraire, l élément de terrain n est as saturé, la ressin interstitielle néative est fnctin de la ressin d eau u w et de la ressin d air u a dans le sl. Bish (1960) a rsé une ressin interstitielle équivalente u* définie ar : u * = u a + χ ( u u ) ù χ est un cefficient qui déend du deré de saturatin du sl : χ varie entre 0 et 1, et est éal à 1 ur un sl saturé. w a 1.3.2.2 - Gnflement dû à une mdificatin de l état de cntraintes Cnsidérns un élément de sl saturé à l équilibre. Si une cntrainte extérieure e est aliquée à cet élément de sl, l eau étant mins cmressible que le squelette slide, la cntrainte e est immédiatement rerise ar la hase liquide et au tems initial t = 0 n a : u = ' e = 0 19

Si l n ermet alrs au sl de se drainer, un hénmène de cnslidatin va se déveler, crresndant à l exulsin de l eau et au transfert de cntrainte de l eau sur le squelette slide. Un nuvel équilibre va alrs s établir ur l état de cntraintes : u = 0 ' = e Si la cntrainte e est alrs surimée, le même hénmène se rduit en sens inverse, et immédiatement : u = ' = e La ressin interstitielle devient néative (dans le dmaine des succins) et sée à la variatin de cntrainte ttale. Dans des cnditins de libre circulatin de l eau, un hénmène de nflement va alrs se déveler, exrimant l absrtin de l eau et le transfert de cntrainte néative de l eau sur le squelette slide, jusqu à l état final : u = 0 ' = 0 Il est dnc ssible d affirmer que si la cnslidatin exrime une diminutin de la ressin interstitielle jusqu à sn annulatin, le nflement exrime quant à lui la diminutin de la succin (-u) jusqu à sn annulatin. e 1.3.3 - Relatins entre la texture du matériau et le nflement Arès avir résenté les résultats thériques btenus ur exliquer le nflement des minéraux arileux, n s est intéressé au dévelement du hénmène de nflement au niveau micrscique. Le nflement, dnt n cnstate les effets macrsciques, se dévele en fait à l échelle micrscique, et cnsiste en une réranisatin du squelette slide et du réseau reux cnstituant la texture du terrain. Pur analyser le dévelement micrscique du nflement, n s est attaché à définir la ntin de texture d un terrain et à décrire l évlutin de sa texture au curs du nflement. 1.3.3.1 - Définitin de la texture d un terrain En élie, la texture désine la frme, la dimensin et la dissitin d'un certain nmbre de minéraux naturellement rués en une ulatin au sein du matériau (Le Rux, 1976). L'étude 20

systématique de matériaux arileux au M.E.B. a ermis de cerner l'ranisatin des articules d'arile et de déaer certaines textures. Van Olhen (1963) a rsé une classificatin basée sur l assciatin des articules arileuses entre elles, à artir des critères : disersé, aréé (face cntre face en aréats), flculé (assciatin d aréats u de articules brd-brd u brd-face), déflculé (aucune assciatin entre les articules u entre les aréats). Cette classificatin (fiure 1.10) ne rese as sur une bservatin directe, mais sur les ssibilités d assemblae émétrique. a) deflculé, disersé b) deflculé, aréé c) flculé brd-face, disersé d) flculé brd-brd, disersé e) flculé brd-face, aréé f) flculé brd-brd, aréé Fiure 1.10 : Arranement des articules d'arile (Van Olhen, 1963) Le Rux (1976) distinue tris classes rinciales de textures, à artir d bservatins sur les marnes ; - la texture hmène ù tus les minéraux snt intiment mélanés et ù aucune directin n est riviléiée, - la texture rientée ù une directin riviléiée aaraît dans l arranement des rains, - la texture flcnneuse u en micraréats ù la hase arileuse se résente sus frme rssièrement shérique, sit seule, sit assciée aux carbnates. Cllins et McGwn (1974) nt tenté de réciser cette définitin dans le cas des terrains cntenant une rrtin nn nélieable de rains nn arileux, en intrduisant une classificatin des relatins existant entre articules arileuses et rains sableux u silteux (fiure 1.11) : cnnexins arileuses entre rains silteux (a, b, c), aréats irréuliers en nid d abeille (d, e), aréats réuliers (f, ), articules arileuses entrelacées avec u sans inclusins silteuses (h, j), matrice arileuse (k) u matrice ranulaire (l). 21

Fiure 1.11 : Schéma d'assemblaes de articules (Cllins et McGwn, 1974) 1.3.3.2 - Evlutin de la texture au curs du nflement La variatin de texture des sls au curs du nflement eut être étudiée à l aide de deux techniques cmlémentaires, la micrscie électrnique à balayae (M.E.B.) et la rsimétrie ar injectin de mercure. La micrscie électrnique à balayae ermet de visualiser la texture des sls, dnc d btenir des infrmatins énérales (arranement des articules, estimatin de rayns de res, de tailles de articules, déterminatin de certains minéraux...). La rsimétrie ar injectin de mercure ermet de quantifier le réseau reux ar la mesure des rayns de res. L étude du réseau reux est fndamentale uisque c est la dilatatin vlumique qui cause le nflement macrscique. Grâce à ces deux techniques, Vayssade (1978) et Parcevaux (1980) nt btenu des résultats très sinificatifs sur lusieurs ariles cmsées essentiellement de kalinite et, en mindre imrtance, d un interstratifié illite-smectite : Arile Verte de Villejuif, Arile Plastique de Prvins et Fausses Glaises. Leurs bservatins au M.E.B. nt mntré que les sls étudiés nt, à l état naturel, une texture assez cmacte, cnstituée lus u mins nettement d aréats arileux individualisés et tassés les uns cntre les autres. Au nflement, cette texture évlue en une cnfiuratin en aréats séarés ar des res de émétrie lutôt bidimensinnelle. La taille des aréats diminue et l éaisseur des res aumente au curs du nflement. La fiure 1.12 illustre cette évlutin. 22

Aréats rimaires Aréats secndaires Etat naturel Faible nflement Frt nflement Fiure 1.12 : Evlutin de texture des sls au curs du nflement Par injectin de mercure, deux classes de res nt été mises en évidence ur l essentiel des sls étudiés : - une classe de res intra-aréats (rayn de res inférieur à 0,05 mm), - une classe de res inter-aréats (rayn de res suérieur à 0,05 mm). Il aaraît que la classe de res intra-aréats ne varie as au curs du nflement. L aumentatin de la rsité est due uniquement à l aumentatin de la rsité inter-aréats ; elle crresnd à une crissance des rayns de res au curs du nflement. Cette étude mntre que le nflement des sls arileux saturés ne cntenant as de rande quantité de minéraux dits nflants (smectites) est un hénmène qui se rduit au niveau des znes de faible résistance, analues à des fissures (res bidimensinnels) individualisant un réseau tridimensinnel d aréats. Tralen et al. (1984) nt aussi utilisé le micrsce électrnique à balayae ur analyser les mécanismes du nflement des sls arileux. Une étude sur des matériaux arileux nflants de la réin du Caire (arilites massives et arilites litées), de la fractin arileuse essentiellement cmsée de mntmrillnite, a mntré que les résultats btenus sur des essais de nflement ne uvaient s exliquer uniquement à artir des analyses chimiques, minéraliques et hysiques. En effet, un échantilln d arilite massive a révélé une micrtexture finale serrée dans une directin et lus lâche dans une autre, ce qui caractérise le cmrtement anistre bservé alrs que les autres échantillns nt fait aaraître un réarranement des aréats arileux (diminutin de taille), avec fermeture lus u mins marquée des discntinuités. Dans le cas des arilites litées, ur 23