Bref état de connaissance sur le compactage de sols

Bref état de connaissance sur le compactage de sols Groupe GER TOT Terrassement et Ouvrages en Terres Présenté par A. Razakamanantsoa Page 1/x

Définitions Quelques définitions Consolidation isotrope: P Diminution de volume ou «augmentation de densité» pour le sol Amélioration de l ensemble des propriétés mécaniques E, (c, φ) ) P c Sol Foisonné P= P c P s Consolidation déviatorique ou modification de la géométrie de l assemblage des particules sans variation de volumes Génération de l anisotropie Sol normalement compacté P c < P s Surcompactage Page 2/x

Définitions Etats de contraintes dans les «sols non saturés» σ = P A = ' P A + u ( A A Ac ) Ac avec << A A σ = σ ' + u Terzhagi Sol non saturé Notion de «Contrainte effective» ' σ = ( σ u ) + χ( u χ a = r a 1 pour 0.9 < S < 1 u Notion de «variable indépendante» e = f (( σ ua );( ua uw)) w ) Bishop, 1960 Ne prend pas en compte la microstructure Alonso, Delage, 1990 Trop de paramètres (11) Page 3/x

Définitions Actualisation de la relation de Bishop Expression Auteur (s) Observations et limites s χ = air s 1 2 Khalili & Khabbaz,1998 Moins de paramètre, mais difficile à déterminer χ = Sr Bolzon, 1996; Gallipoli, 2003 Succion d entrée d air non pris en compte ' σ = σ + π π ( s) = u π ( s) = u a a + s si s s + s Sr + air 2 3 1 Sr S ( s) ds si s s air Coussy, Dangla,2000 Peu pratique Page 4/x

Définitions Courbes de rétention d eau (Bear and Bachmat, 1991) Chemin d humidification pour le terrassement et ouvrages en terre Chemin de séchage pour les problématiques de sècheresse Page 5/x

Définitions Correspondance: les états de saturation - courbe de compactage (Boutonnier, 2007) Page 6/x

Définitions Classification des états de saturation Prise en compte de l hystérésis sur chantier? air libre air occlus eau grains et agrégats Tension capillaire (Boutonnier, 2007) Page 7/x

Définitions Classification des états de saturation / de k: importance de u w Evolution des perméabilités relatives à l air et à l eau en fonction du degré de saturation (Boutonnier, 2007) u B = = 1/ n C v / C c σ 3 ( 1+.. ) (Skempton, 1954) B = u σ 3 1 = e 1+ E c oedo f 1+ e (Boutonnier, 2007) Page 8/x

Comportement mécanique des sols fins compactés (consolidation - compressibilité - cisaillement) Quel type d essai mécanique correspond-t-il au compactage de chantier? Chemins de contraintes possibles: - Oedometrique: déformation latérale nulle σ 1 - Isotrope: σ 1 = σ 2 = σ 3 - Déviatoire: (σ 1 -σ 3 )= cte - Triaxial: σ 3 = cte σ 3 σ 3 σ 1 Système à symétrie axiale Page 9/x

Chemin oedometrique: Déformation latérale nulle Log σ MPa 20 15 10 σ c Comportement mécanique des sols fins compactés (consolidation - compressibilité - cisaillement) Quel type d essai mécanique correspond-t-il au compactage de chantier? 4 (Al-Issa 1972) σ(mpa) 25 20 - Densité initiale γ initial =1,52g/cm 3 - Contrainte de consolidation σ c = 15 MPa 15 Chemin Isotrope σ 1 = σ 2 = σ 3 σ c γ d = 1.52 g/cm 3 σ c= 15 MPa σ 3 σ 1 σ 1 σ 3 1 0.4 0.2 γ d G γ ω = 1 + e σ c 10 5 γ d γ w = G = 2,7 0.1 e 0,7 0,6 0,5 0 2 4 6 8 Chemin oedometrique d un sable (semi -log) Chemin oedometrique d un sable (échelle naturelle) Page 10/x ε%

Comportement mécanique des sols fins compactés (consolidation - compressibilité - cisaillement) Quel type d essai mécanique correspond-t-il au compactage de chantier? Chemin Oedometrique Compression statique Chemin oedometrique non drainé variation de la densité sèche en fonction du degré de saturation et de la contrainte totale Argile NDC À pression constante la densité augmente jusqu à environ 95% de saturation puis diminue. Page 11/x

Comportement mécanique des sols fins compactés (consolidation - compressibilité - cisaillement) Quel type d essai mécanique correspond-t-il au compactage de chantier? σ 1 σ ) = Cte σ Chemin Déviatoire 1 ( 3 ( σ σ 3) max 1 = 27,9 bars σ 3 σ 3 Palier 19,2 à partir de 48 % σ 1 γ min =1,56 g/cm 3 de 29,3 % à 36,3 % γ max =1,613 g/cm 3 à 3,3 % ( σ m ) d i d cr ( σ m) (Le Long, 1968) Page 12/x

Comportement mécanique des sols fins compactés Quel type d essai mécanique correspond-t-il au compactage de chantier? Chemin triaxial (consolidation - compressibilité - cisaillement) σ 3 = cte σ 3 σ 1 σ 1 σ 3 γ min =1,48g/cm3 γ max =1,71g/cm3 D 10 =0,64 mm D 60 =0,98mm D 30 =1,50 mm Phénomène de dilatation ou de contraction suivant l accroissements du déviateur (Al-Issa; Biarez; Gresillon) Page 13/x

Comportement mécanique des sols fins compactés (consolidation - compressibilité - cisaillement) Quel type d essai mécanique correspond-t-il au compactage de chantier? Comparaison des différents types de sollicitation σ 1 σ 3 σ 3 (Subbarao, 1972) e = σ 1 f (σ ) Densité (Chemin triaxial) > Densité (Chemin Isotrope) -Si P<P c alors le déviateur décompactera le matériau jusqu à l état critique Page 14/x

Comportement mécanique des sols fins compactés (consolidation - compressibilité - cisaillement) Détermination de la contrainte de pré-consolidation Corrélation entre la limite de liquidité et la pression capillaire (Fleureau, 2002) Cu( s) = C o + Sr α s (Alonso et al, 2009) α = 4 Pour l argile (Munoz et al., 2011) ' σ p = 4 Cu Pour sol intact (J.P.Magnan) Exemple: pour la kaolinite Speshwite WL: 55%, on aura un u w : 200kPa ' 4 σ p = 4 (0 + (0.90) 200 = 0. 538MPa (0.6MPa 1.1MPa) Pour un chemin oedometrique monotone (Fry,1977) 0.3MPa Pour un chemin triaxial (Fry,1977) 1 ' σ ' ' v = σ vo + σ p 2 pour F : 3(fondation superficielle) 150 kpa soit 7 m de remblais Page 15/x

Correspondance de l étude mécanique avec la réalité Comportement du sol compacté sans vibration Compactage par choc: Proctor Standard Proctor Modifié Mode de compactage Proctor standard Proctor modifié Origine Construction de Barrage en terre (Californie) Construction de piste d atterrissage (w,gd optimal) Energie de compactage 60 T/m3 275 T/m3 Poids de la dame (kg) 2.5 4.5 Hauteur de chute (cm) 30.5 45.8 Nombre de couche 3 5 Moule Proctor Proctor CBR Nombre de coup (par couche) 25 25 56 Ø (mm) 5-20 5-20 <40 Application Compactage de remblais Piste d atterrissage Couche de Base de chaussée Limites Besoin de mise en œuvre d énergie différent?? Damage par coup (ensemble de phénomène complexe) sollicitation de chantier (comparaison impossible) Page 16/x

Correspondance de l étude mécanique avec la réalité Comportement du sol compacté sans vibration Compactage Statique Compactage Proctor Proctor standard = Compactage statique sous 1,3 MPa Proctor Modifié = Compactage statique sous 4,5 MPa La vitesse d écrasement n a qu une influence négligeable sur le compactage statique Page 17/x

Correspondance de l étude mécanique avec la réalité Comportement du sol compacté sans vibration Compactage Classique Compactage par Pétrissage lumique sec (kn/m 3 ) a) Variation du poids volumique sec (a) et de la perméabilité (b) en fonction de la teneur en eau (Daoud, 1998) Coefficient de perméabilité (m/s) Poids vol b) Importance de la structure granulaire Qian et al. (2002) Teneur en eau (%)) Page 18/x

Correspondance de l étude mécanique avec la réalité Milieu Pulvérulent Comportement du sol compacté avec vibration a g 1 σ 3 3 Pakash&Gupta 1967 Schaeffner, 1962) Il existe un indice des vides maximal correspondant à une fréquence de vibration Densité (vibration horizontale) > Densité (vibration verticale) Existence d une densité maximale pour une vibration verticale Page 19/x

Correspondance de l étude mécanique avec la réalité Paramètres majeurs qui influent sur le compactage Chargement Cyclique En chemin oedometrique Granularité et évolution du Modules d Young γ d :1,62g/cm3 d c : 0,65 d 10 : 0,64 mm d 60 :0,98mm d 60 /d 10 :1,53 H:6,0cm 2R:1,44cm e o tgϕ = cte Young Modulus (MPa a) 1000 100 10 % fines 5 % fines 3 % fines Influence du chargement cyclique suivant le chemin oedometrique (Subarano, 1972) La vitesse d application de la sollicitation influe peu sur les matériaux granulaires avec très peu de fines tant que les vitesses de sollicitation permettent le drainage (Biarez, 1961) 10 10 100 1000 Vertical stress (kpa) Influence de la distribution granulaire sur le module E pour une degré de compactage de 97%, w OPN (-2) (Correia, 2001) Fatigue des sols traités compactés? Page 20/x

LES PLÉNIÈRES 2011 de l Ifsttar Vers la maîtrise du compactage Malaxage sur chantier 3 en 1 Transport Traitement Système combiné Correction hydrique Page 21/x

LES PLÉNIÈRES 2011 de l Ifsttar Vers la maîtrise du compactage Evolution du procédé de compactage Compacteur de l avenir? Compacteur à pieds dameur Après classification, l objectif est de réutiliser les matériaux pour édifier des remblais ou des couches de forme. Remblai : qualité q4 Signifie ρdm = 95 % ρdopn et ρdfc = 92 % ρdopn Couche de forme : qualité q3 Signifie ρdm = 98,5 % ρdopn et ρdfc = 96 % ρdopn Compacteur lisse- vibrant A quel Prix? Compacteur à pneus Page 22/x

Conclusions L évolution de l essai de compactage en laboratoire? Le transfert ( Laboratoire Chantier): Manège de compactage? Distribution de l eau dans le sol (économie d eau)? Importance de la mouture sur la compactibilité de sol fin (gain en densité)? Evolution des appareillage de compactage sur chantier? Evolution des systèmes de mesures (labo-chantier): hystérésis profil hydrique Page 23/x

Références Al Issa M., (1973), Recherche des lois contraintes déformations des milieux pulvérulents, PhD Thesis. Université Scientifique et Médicale de Grenoble Alonso E.., (2005), Compactage et comportement des sols fins humides. Revue Française de Géotechnique, N 111, 2eme trimestre, p33-43 Alonso E., Pereira J.M., Vaunat,J. and Olivella, (2009), A microstructurally based effective stress for unsaturated soils. Géotechnique, accepted Alonso E., Gens A., Josa A; (1990), A constitutive model for partially saturated soils. Géotechnique, 404, N 3, 405-430. A. Quibel, A Gomes Correia, 2000, Compactage des sols et des matériaux granulaires, ISSMGE/ETC 11, Presse de l Ecole Nationale des Ponts et Chaussées Boutonnier, (2007) Comportement hydromécanique des sols fins proches de la saturation cas des ouvrages en terre: coefficient B, déformation instantanées et différées, retrait/ gonflement.. PhD Thesis, INP Grenoble, 394p. Daoud, F.Z. (1996) La perméabilité des sols fins compactés. PhD Thesis, Ecole Normal Supérieure de Géologie de Nancy,194p. Biarez, J. 1962. «Contribution à l étude des propriétés mécaniques des sols et des matériaux pulvérulents». PhD Thesis. Ecole centrale de Paris Forssblad, (1968) New method for laboratory soil compaction by vibration, Highway Research Record, N 177 Kouassi P. (1998), Comportement des sols fins compactés: application aux remblais et aux ouvrages en terre. PhD Thesis, University of Bordeaux,180p. J.Munoz, F.Casini, S.Lourenço, J.M. Pereira,J. Vaunat, P.Delage, E.Alonso, L.Thorel, J.Garnier, D.Gallipoli, D.Toll,( ) Centrifuge modelling of a shallow f oundation on an unsaturated compacted silt. J.M. Fleureau (2002), Géomecanique des routes et voies ferrées, Hermlès, Traité MIM. Poulain D. (1993) Pressions interstitielles de construction dans les barrages homogènes en matériaux argileux humides. PhD Thesis, University of Bordeaux 1,119p. Skempton (1954), The pore pressure coefficient A and B, Géotechnique, Vol 4 Subbarao, C. 1972. «Compactage et mécanique des milieux continus». PhD Thesis. Université Scientifique et Médicale de Grenoble Page 24/x

Correspondance de l étude mécanique avec la réalité Milieu Cohérent Comportement du sol compacté avec vibration Relations densité sèche teneur en eau du sable vibré (Forssblad, 1968) σ=0 Economie d eau?? Page 25/x