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Résistance au cisaillement d un Sol Modes de rupture possibles d un élément de sol Compression isotrope Rupture impossible Traction limite atteinte Situation rare Contrainte Limite de cisaillement atteinte Rupture par glissement Situation courante pour les sols

Résistance au cisaillement d un Sol: Conséquences 2/0/20 4

Résistance au cisaillement d un Sol La résistance au cisaillement f d un sol est la contrainte maximale de cisaillement que le sol peut supporter sans entrer en rupture par glissement suivant une surface de discontinuité. Stable < f La stabilité d un massif de sol dépend de sa résistance au cisaillement n 5 5

Critère de rupture de Mohr Coulomb f f f n c tan c = cohésion n n (Critère à 2 paramètres) = angle de frottement 6 6

Conditions drainée et non drainée Non drainé f c tan Valve fermée (Comportement à court (Comportement à long terme des sols fins terme des sols fins saturés: u>0) saturés: u=0) n Drainé Valve ouverte c u c u (contrainte totale) (contrainte effective) Paramètres intrinsèques 7 7

Essais expérimentaux au laboratoire Essai triaxial Le plus couramment employé (mesure de déformabilité et de résistance) Principe: On impose l état de contrainte (déviatorique) et on observe l apparition des plans de rupture. Les états de contrainte et de déformation sont supposés homogènes. p cellule F (kpa) déviateur q= rmation volumique v défor 600 400 200 000 800 600 400 200 0 0,05 0,05 0,5 Déviateur de contrainte / déformation axiale sable Hostun (sec) = 50kPa 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0, 0,2 0,4 0,6 déformations axiales: contractance 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0, 0,2 0,4 0,6 0, 0,2 sable Hostun (sec) = 50kPa dilatance Variation de volume/ déformation axiale u w 0,25 déformation axiale 8 8

Essais expérimentaux au laboratoire Boitede Casagrande Capteur de déplacement (h) Piston mobile Demi boite inférieure sol P Demi boite supérieure Capteur de force horizontale Capteur de déplacement (l) Plan de rupture P= n.a(l) Principe: On impose le plan de rupture et on mesure l état de contrainte sur ce plan de rupture. Contrainte de cisaillement pas homogène Essai moins cher que les triaxiaux (une considération qui a son importance) Moins couramment employé que les essais triaxiaux Force horizontale mesurée F=.A(l) (l) Sens de déplacement max max2 max c n n2 n Bâti de boite de cisaillement n 9 9

Critère de résistance au cisaillement en fonction des contraintes principales (essai triaxial) A c cot D 2 B 2 K p 2c K p Cercle de Mohr correspondant à la rupture (cercle de plus grand diamètre pour un donné) n 45 2 Plan de rupture n sin 2 2 f cos 2 2 2 sin Kp tan 2 45 2 BD AB c cot 2 2 j sin 2 cos c sin sin K K a (Coeff de butée) Rm: toutes les contraintes sont effectives. On a omis le pour simplifier l écriture. 0 0

Interprétation graphique des essais triaxiaux c essais, demi-cercles rechercher la meilleure ligne tangente n

Méthode d interprétation alternative 2 tan. Tracer les points expérimentaux dans le plan (( + )/2,( )/2) 2. Faire passer la meilleure droite (moindre carré..). Déterminer la pente de la droite et l intercept à l origine a. a Rm: c est plus facile de déterminer 2 la meilleure droite qui passe par sin tan c a cos quelques points expérimentaux qu une droite qui doit être tangente à quelques q demi-cercles. 2

Types d essais triaxiaux Les essais sont classés suivant qu ils soient : consolidé ou non (avant chargement axial) drainé ou non (pendant chargement axial) Les types d essais triaxiaux les plus courants sont:. Unconsolidated-Undrained test (UU) 2. Consolidated-Undrained test (CU). Consolidated-Drained test (CD)

Essai Consolidé ou non-consolidé (caractérise la ere phase de l essai triaxial) F Consolidation : Principe: après avoir été prélevé in situ, l échantillon placé en cellule l triaxiale i est soumis à une pression isotrope 0 avec le circuit de drainage ouvert, ceci jusqu à dissipation des surpressions interstitielles Objectifs: retrouver le même niveau de contrainte in situ pour être plus représentatif du comportement réel mesurer lors du processus les propriétés de consolidation du sol (perméabilité, coefficient de consolidation) Remarque: le processus de consolidation peut prendre plusieurs semaines pour une éprouvette d argile (temps de consolidation proportionnel au carré de la ½ hauteur de l échantillon): 2 H. Tv rappel: t c v p cellule 0 ' 0 ' 0 bâtiment sol roche Robinets de drainage ouverts 4

Condition drainée ou non drainée (caractérise la 2 nd phase de l essai triaxial) Non drainée : In situ, cette condition s applique à court terme s il y a peu de dissipation des surpressions d eau; celle ci augmente pendant l application de la charge extérieure ex: construction rapide d un ouvrage sur une argile peu perméable (tout est relatif!) ; sable fin lors d un séisme ou chargement dû à une explosion Drainée : In situ, cette conditions s applique dans des situations où les surpressions d eau restent quasi-nulles. Par exemple: - construction lente d un immeuble (i.e. le chargement est lent ) sur un sol relativement t perméable (sables, gravier, i.e. la dissipation i des surpressions est rapide ) - conditions à long terme dans le cas des sols fins dès lors que les surpressions interstitielles se sont dissipées. Remarque: par les essais en laboratoire, on cherche à caractériser le comportement d un sol tel qu il doit se manifester dans la situation réelle. Les conditions d essais doivent donc être les plus proches possibles de celles in situ! Pour certains ouvrages, les deux conditions peuvent être à considérer (stabilité en phase chantier (court terme), stabilité en service (long terme). 5

Condition drainée ou non drainée Conditions d un essai d écrasement drainés à l appareil triaxial: - Les robinets de drainage de l échantillon sont ouverts, le drainage de l échantillon s effectue par ses faces supérieures et inférieures. - Pour les sables: vitesse de déformation axiale de l ordre de 0.5mm/mn. -Pour les argiles: vitesse de déformation axiale de 0.5m/mn à 2m/mn - L interprétation de l essai se fait directement en contrainte effective puisque ici = (u=0) p cellule F Robinets de drainage ouverts 6

Condition drainée ou non drainée Conditions d un essai d écrasement non drainé à l appareil triaxial: - Les robinets de drainage de l échantillon (haut et bas) sont fermés; les variations volumique de l échantillon sont donc empêchées (V=0). - Pour les sables: vitesse de déformation axiale de l ordre de 0.5mm/mn. - Pour les argiles: vitesse de déformation axiale de 2m/mn à 20m/mn afin de maintenir la pression interstitielle uniforme dans l échantillon p cellule x - Lors de l écrasement, une mesure des pressions interstitielles (u) est généralement réalisée. - L interprétation des essais se fait d abord en contraintes totales F x Mesure de pression interstitielle (cercle de Mohr en contraintes totales). La mesure de la pression interstitielle réalisée en cours d essai permet d en déduire les cercles de Mohr en contraintes effectives ( ' u ). 7

=0 Essai Consolidated Drained (CD) = o =0 Echantillon avant l essai ( la contrainte in situ est relâchée après son prélèvement du site) Application d une pression isotrope sur l échantillon, avec drainage. = o Essai adapté au matériau granulaire (sable, gravier) Consolidation de l échantillon jusqu à une contrainte isotrope = = 0, avec drainage dans cette phase. Ensuite, avec le drainage ouvert, une charge axiale est appliquée à une vitesse de déformation axiale constante jusqu à la rupture. Cet essai mesure les paramètres (c, = o + ) déterminant la résistance de cisaillement effective (drainée) Augmenter la contrainte axiale = o jusqu à la rupture, avecdrainage. (c, ) sont des paramètres u=0 = = intrinsèques du squelette granulaire 8

- Résistance au cisaillement et déformation de sables Essais drainés (u=0) ou sable sec = 0 ) (a) Déviateur des contraintes vs def.axiale v = 0 ) (b) Def. Volumique vs def.axiale = 0 ) (c) Indice des vides vs def.axiale (d) Cont. de cisaillement vs cont. normale max = max, : Caractéristiques de l assemblage de grains (le sol) angle de frottement maximum = angle de frottement résiduel d v d Dilatance : est un aspect très important! Sable lâche: toujours contractant, croissant Sable dense: contractant puis dilatant, pic de Nécessité de Modéles avancé (Camclay..) e crit dépend de p (la contrainte effective moyenne) 9

=0 Essai Unconsolidated Undrained (UU) u=0 =0 =0 u= o =0 =0 = o =0 = o + Echantillon avant l essai ( la contrainte in situ est relâchée après son prélèvement du site) Application d une pression isotrope sur l échantillon. Aucun drainage. A la fin de cette phase, quelle que = o soit la valeur de 0, les échantillons sont soumis au même état t de contrainte effective ( =-u 0 ).. Leur s états volumiques sont donc identiques. = o Augmenter la contrainte axiale jusqu à la rupture. Aucun drainage. u= o f )>0 = + u = o + = +u o Aucun drainage tout au long de l essai. Un état de contrainte isotrope est établie = = o au début (drainage fermé), puis une charge axiale est appliquée à une vitesse rapide jusqu à la rupture (drainage fermé). Cet essai mesure la résistance de cisaillement non drainée c u du matériau 20

Résistance au cisaillement non drainé des argiles c u Unique cercle de Mohr des contraintes effectives u () Cercles de Mohr à la rupture Enveloppe de rupture u = 0 c u (2) = () o = (2) o = () o Cercles de Mohr en contrainte totale issus des essais UU Dans l hypothèse où les échantillons sont tous identiques: Il existe en fait un seul cercle de Mohr en contrainte effective car l état des contraintes effectives ne varie pas durant un essai UU. Les différentes éprouvettes ont le même état volumique initiale (quelle que soit 0 )car 0 est imposé drainage fermé. u= o f )>0 = + u = o + = +u o ' ' f c u n R 2 C (* Rc= résistance à la compression simple obtenue pour = o =0 ) 2

Résistance au cisaillement non drainée des argiles Ligne pointillée montre l envelope de rupture réelle qui s écarte légèrement de la théorie. n 22

Essai Consolidated Undrained (CU) Intérêts de l essai () La cohésion non drainée C u d un dun sol fin est fonction de son état de consolidation (C u augmente lorsque sa contrainte de préconsolidation c augmente). En faisant varier la contrainte t de consolidation isotrope o l lors de l essai CU, il est alors possible d étudier l évolution de C u en fonction de l état de consolidation du matériau. Il convient alors de distinguer deux cas: -matériau au normalement e consolidé (NC) : o > c - matériau surconsolidé (OC): o < c (2) En mesurant les pressions interstitielles dans l échantillon au cours de l essai CU, on peut en déduire la courbe intrinsèque du matériau définie par les caractéristiques à long terme du matériau: c et. 2

=0 Essai Consolidated Undrained (CU) u=0 =0 =0 u=0 = o = o = o =0 = o = o + = o Echantillon avant l essai ( la contrainte in situ est relâchée après son prélèvement du site) Application d une pression isotrope sur l échantillon, avec drainage ouvert. Augmenter la contrainte axiale jusqu à la rupture. Aucun drainage. u=f( ) = + u = o + = + u = o Consolidation de l échantillon jusqu à une contrainte isotrope =, avec drainage dans cette phase. Ensuite, on ferme le drainage, puis une charge axiale est appliquée à une vitesse rapide jusqu à la rupture. Cet essai mesure la résistance de cisaillement non drainée c u 24

Essai Consolidated Undrained (CU) Sol normalement consolidé : o > c Sol l surconsolidé (OC): o < c c' nc =0 v u () v c oc >0 Cercles de Mohr des contraintes effectives nc Cercles de Mohr à la rupture lors des essais CU u () u (2) >0 = () o = (2) o n c Cercles de Mohr en contrainte totale issus des essais CU Cercles de Mohr des contraintes effectives Cercle de Mohr à la rupture lors d essai CU oc u (2) oc < nc = () o c Cercles de Mohr en contrainte totale issus des essais CU n 25

Essai Consolidated Undrained (CU) Evolution de la cohésion non drainée (C u ) en fonction de la contrainte de consolidation o Domaine OC c u () c u (2) c = (2) = () o o c u () Domaine NC c u (4) = o () = o (4) Cercles de Mohr à la rupture lors des essais CU Dans le domaine surconsolidé (OC), C u est indépendante de la pression de consolidation isotrope 0. Pente cu =c u / Dans le domaine normalement consolidé (NC), C u augmente avec la pression de consolidation isotrope 0 selon la relation: c u ( ' 0 ' 0 ) c u ( ' 0 ) cu. ' 0 n Dans la pratique, il peut être intéressant de consolider le sol sous une charge supérieure à sa contrainte de préconsolidation afin d augmenter sa résistance au cisaillement 26

Résistance au cisaillement drainée / non drainée des argiles Non drainé Drainé V Non drainé V = 0 u 0 Drainé u = 0 V 0 Normalement consolidé (NC): Variation du déviateur de contrainte et du volume monotone Surconsolidé (OC): Variation non monotone (existence de pic) Aux imprécisions expérimentales près, les valeurs de c et déduites des essais CU avec mesure de u sont égales à celles déduites des essais CD!!! 27

Exemple d application Résistance non drainée d une argile Une argile saturé normalement consolidée de masse volumique =2000kg/m g a pour caractéristiques de résistance au cisaillement: c = 5kPa, =25, cu =0.2 La nappe est au niveau du terrain naturel. La cohésion non drainée de l argile à 5m de profondeur vaut 40kPa. Tracer les cercles de Mohr en contraintes totales et en contraintes effectives pour une éprouvette prélevée à 20m de profondeur et consolidée sous la contrainte effective verticale en place. 28

Exemple d application Résistance non drainée d une argile (solution) L argile est normalement consolidée. A 5 m de profondeur, les contraintes verticales totale et effective sont égale à: A 20m de profondeur, on a: v =.g.z=2000 x0 x 5 (Pa) = 00kPa u= w.g.z=000 x0 x 5 (Pa) = 50kPa v = v -u = 50 kpa v =.g.z=2000 x 0 x 20 (Pa) = 400kPa u= w.g.z=000 x 0 x 20 (Pa) = 200kPa v = v -u = 200 kpa Par conséquent, entre les profondeurs 5m et 20m; la contrainte verticale effective, égale à la contrainte de consolidation de l essai CU a augmenté de 50 kpa. La cohésion non drainée de l argile à 20m de profonteur est donc égale à: c c u( z20m) u ( z20 m ) c u( z5m).( ' cu v( z20m) ' 40 0.250 70kPa v( zm) ) 29

Exemple d application Résistance non drainée d une argile (solution) L état des contraintes totales correspondant à l essai CU réalisé sur cette éprouvette située à 20 m de profondeur est donc le suivant: ' 2c 0 v( z20m) u 200kPa 20040 40kPa Cela permet de tracer le cercle de Mohr en contraintes totales. Celui en contraintes effectives a le même diamètre mais est tangent au critère de Mohr Coulomb. C u= 70kPa (kpa) 00 50 0 Critère de Mohr Coulomb: c =5kPa, f =25 50 00 50 200 250 00 50 400 450 500 n (kpa) Cercle de contraintes effectives Cercle de contraintes totales 0