Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l'ingénieur - JNGG' 2006 Lyon (France) COMPORTEMENT CYCLIQUE DU LOESS NON SATURE DU NORD DE FRANCE Jean Paul KARAM 1, Yu Jun CUI 1, Jean-Marc TERPEREAU 2, Gilles MARCHADIER 2 1 CERMES ENPC, Institut Navier, Paris, France 2 SNCF, Paris, France RÉSUMÉ Pour mieux comprendre le comportement de certains horizons de loess rencontrés sur la ligne du TGV Nord entre Paris et Lille, des essais de chargement cycliques à hautes fréquences ont été réalisés sur le loess prélevé à coté de la ligne du TGV. L accent a été mis sur l effet de la teneur en eau et de la fréquence. Le modification de la microstructure a été étudié après le chargement à l aide de la technique de porosimétrie au mercure. 1. Introduction Dans le cadre des recherches financées par Réseau Ferré de France (RFF) et menées conjointement par la Société Nationale des Chemins de fer Français (SNCF) et l Ecole Nationale des Ponts et Chaussées (ENPC), un des volets de l étude a été consacré à quantifier les phénomènes d effondrement et d endommagement susceptibles d affecter certains horizons de sols loessiques. Ces limons, non saturés en général, sont susceptibles de s effondrer sous des sollicitations mécaniques (contrainte statique), hydriques (humidité) et cycliques (passage du répété du TGV nord). Contrairement au phénomène d effondrement lié à l augmentation de la teneur en eau sous des contraintes mécaniques, qui a fait l objet de nombreuses investigations, l effondrement dû à l effet dynamique est très peu abordé, aussi bien sur le plan théorique qu expérimental. Cui et al. en 1995 ont montré que cet effet n est pas négligeable puisqu ils ont obtenu sous l application de vibrations cycliques, 10% d effondrement contre 2% à l oedomètre sous 200 kpa de contrainte et sous l effet de la saturation. Dans cet article, on met l accent sur les conséquences des vibrations cycliques sur l évolution de la microstructure du loess en réalisant des essais de chargement au laboratoire sur une presse MTS (Materials Testing system) de 100 KN et des observations au porosimètre au mercure. Deux facteurs ont été étudiés : la teneur en eau et la fréquence. Les résultats ont montré que la déformation du sol avec le nombre de cycles est d autant plus importante que la teneur en eau est élevée, alors qu avec l augmentation de la fréquence, l amplitude des déformations semble augmenter et la pente de la courbe des déformations en fonction du nombre de cycles semble diminuer, ceci est d autant plus vrai que la teneur en eau est faible. L étude de l effet du chargement cyclique sur la microstructure de ces sols, montre la disparition des macropores d une part et l endommagement des liants entre les grains de silt d autre part. 2. Caractérisation géotechnique du loess étudié Les propriétés géotechniques de ce sol effondrable ont été présenté par Cui, et Marcial (2003). L échantillonnage a été réalisé sur une tranchée de 1,5m x 9m sur un site situé à 140 km de Paris et à une distance de 25m de la ligne du TGV. Cet échantillonnage a été réalisé selon les normes NF XP 94-202 et ce à quatre différentes profondeurs (1,2; 2,2; 3,5; et 4,9m). Leurs propriétés géotechniques sont présentés dans le tableau 1. Une étude au rayon X montre que ces sols sont formés essentiellement de quartz, feldspath et d argile. La phase argileuse est caractérisée par la présence de kaolinite, d illite et d interstratifié illite-smectite. La fraction argileuse (%<2 µm) est de 16 à 20% ; l indice de plasticité I p varie de 6 à 9 ; la densité faible (ρ d = 1.39 à 1.55 Mg/m 3 ) ; la teneur en carbonate est assez significative (5% à 15 %). Session 2 - Risques géotechniques urbains II - 97
J-P Karam et al. On note que la faible plasticité et la faible succion (qui est déterminée par la fraction argileuse, alors que la présence de carbonates a provoqué la cimentation du sol, rendant le sol résistant et donc assez poreux à l état naturel. Tableau 1. Propriétés géotechniques du loess étudié (Cui et al., 2005) Profondeur % < 2µm w L I p w nat S rnat ρ s (m) (Mg/m 3 ) ( %) (Mg/m 3 ) (%) (%) ρ d CaCo 3 (%) Succion (kpa) 1.20 2.719 20 30 9 1.52 19 66 5 20.1 2.20 2.714 16 28 6 1.39 18.1 53 6 34.1 3.50 2.713 16 26 6 1.54 16.6 55 15 27.5 4.90 2.712 18 30 9 1.55 23.6 82 9 13.8 Les observations au MEB (Microscope Electronique à Balayage) sur des échantillons lyophilisés montrent la présence de larges agrégats de 200 µm de diamètre avec des pores interagrégats de 30 µm de diamètre (Figure 1). La présence de fines entre ou sur les particules de silt est identifiable, ces fines jouent probablement le rôle de liants entre les grains de silt. Figure 1. Observation du loess au MEB (Cui & Marcial, 2003) 3. Présentation des essais sur la presse MTS 100 KN Pour évaluer l effet de l endommagement induit par le passage des circulations TGV sur l effondrabilité du matériau, on part du principe d appliquer au sol un très grand nombre de cycles de charge à l aide de la presse MTS et puis d observer la réduction de la macroporosité due au chargement cyclique. L avantage de cette presse cyclique est la possibilité d appliquer de hautes fréquences pouvant aller au-delà des 40 Hz (figure 2). La préparation de l échantillon commence par le découpage d un bloc de sol de 250 x 350 x 200 mm. Ensuite on réalise soit un séchage soit une humidification pour atteindre la teneur en eau voulue. Après, à l aide d un carottier circulaire de 20 mm de diamètre et 30 mm de hauteur on carotte l échantillon (figure 3). Finalement, après l application de 35 kpa de contrainte verticale, on applique un chargement cyclique de ± 10 kpa. On fait varier la fréquence après 1 Million de cycles qui correspond à 6 mois de circulationtgv. Les teneurs en eau considérées sont 10, 23 et 25 % ; les fréquences appliquées sont de 5 et 20 Hz. II - 98 Session 2 - Risques géotechniques urbains
JNGG 2006 Figure 2 : Mis en place de la cellule sur la presse MTS (Karam et al., 2004) Figure 3 : Carottage échantillon pour un essai au MTS (Karam et al., 2004) Session 2 - Risques géotechniques urbains II - 99
J-P Karam et al. 4. Résultats expérimentaux Les résultats des essais sont présentés sur la figure 4. L effet de la teneur en eau dans la cas d un chargement cyclique à haute fréquence est clairement mis en évidence : l échantillon plus humide présenta un plus grand endommagement avec un taux de déformation plus élevé (la pente de la courbe à w=25% est plus importante et ceci quelque soit la fréquence). En revanche, le rôle de la fréquence sur l endommagement et sur l amplitude de la réponse du sol ne semble pas clair. Il semblerait que l amplitude de déformation est légèrement plus grande quand on passe à la plus haute fréquence de 20 Hz. Pour comprendre l effet de l endommagement sur la microstructure des sols, on a étudié la microstructure des sols avant et après l endommagement au MTS à la technique de porosimétrie au mercure. Cette technique consiste en deux phases, la première, la lyophilisation, qui a pour but la préparation des échantillons secs sans modifier leur microstructure, et la deuxième qui consiste en l injection de mercure dans ces échantillons lyophilisés sous pression. Le volume de mercure injecté est suivi pendant l essai à l aide d un dispositif capacitif. 0.8 0.6 w = 25% 0.4 ε 1 (%) 0.2 5Hz 20Hz 0 w = 10% -0.2 0 1000000 2000000 3000000 4000000 N Figure 4 : Effet de la teneur en eau et de la fréquence sur l endommagement du sol 4,90m (Karam et al., 2004) Les résultats des essais sont exploités sous forme de courbe de l indice des vides de mercure en fonction du rayon capillaire équivalent, l indice des vides de mercure étant défini comme le rapport du volume occupé par du mercure au volume des solides. Afin de faire une comparaison, deux courbes, représentant l état endommagé du sol amené aux teneurs en eau de 10% et 25 % et la troisième représentant l état naturel intact, sont regroupées dans un même diagramme (figure 5 pour le sol 1,20m et figure 6 pour le sol à 3,50m). Sur la figure 5 on remarque que les deux courbes du sol endommagé sont presque confondues et bien en dessous de la courbe du sol naturel intact. L effet de la teneur en eau est donc négligeable. Sur la figure 6 on observe en revanche un effet de teneur en eau significatif : la courbe à 25% de teneur en eau est largement en dessous de celle à 10% de teneur en eau, indiquant un endommagement de la microstructure plus important pour le sol plus humide. Si on compare les états endommagés avec l état intact, on voit que la courbe à l état intact est II - 100 Session 2 - Risques géotechniques urbains
JNGG 2006 bien au dessus des deux courbes à l état endommagé, ce qui montre bien l effondrement des pores par l effet de la vibration. 0,7 0,6 0,5 w =18,9% Sol Intact e m 0,4 0,3 w =25% Sol endommagé 0,2 0,1 w =10% Sol endommagé 0 1 10 100 1000 10000 Rayon capillaire equivalent (nm) Figure 5 : Comparaison des courbes porosimétriques du sol à 1,20m à l état endommagé à 5 et 20 Hz et à l état intact. em 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 3,50 m - intact w = 10% - endommagé w = 25% - endommagé 1 10 100 1000 10000 Rayon capillaire équivalent (nm) Figure 6 : Comparaison des courbes porosimétriques du sol 3,50m à trois états différents : endommagés à deux teneurs en eau différentes en suivant un ordre de 5, 10 et 20 Hz, et intact 5. Discussion Pour le sol à 1,20m, la différence entre l état effondré et l état intact s explique principalement par l effondrement des macropores dû à la vibration. En effet, la valeur de e m à 7000 nm de rayon d accès est égale à 0,1 environ pour l échantillon intact, alors que celle pour les échantillons endommagés est égale à zéro, soit une différence de 0,1. Cette différence est comparable avec la mesure macroscopique : l indice des vides déterminé au début de l essai était de l ordre de 0,57 alors qu à l état intact il était de 0,65. On a observé aussi que les deux Session 2 - Risques géotechniques urbains II - 101
J-P Karam et al. courbes porosimétriques sont confondues, ce qui signifie que l endommagement plus important observé sur la courbe d endommagement pour la teneur en eau de 23% n est pas visible en terme de changement de microstructure. Ceci n est pas le cas pour le sol à 3,50m. En effet, on a observé pour ce sol un effet important de la teneur en eau. Une explication possible peut être la suivante : Le sol à 1,20m contient plus d argile (20%) et moins de carbonates (5%) que le sol à 3,50m (16% d argile et 15% de carbonates). Vu que la cimentation due à l argile est moins forte que celle due aux carbonates, il est possible que le chargement cyclique ait fait effondrer la structure du sol faiblement cimenté (sol à 1,20m) de façon totale et donc indépendante de la teneur en eau. En revanche, pour le sol à 3,50m, le chargement cyclique n était pas suffisant pour écraser l ensemble des pores et par conséquent l effet de la teneur en eau est observé. 6. Conclusion Afin de comprendre l endommagement du loess dû aux vibrations causées par les circulations ferroviaires, les essais au laboratoire ont été réalisés sur la presse MTS. Les effets de deux paramètres ont été étudiés : l effet de la teneur en eau et l effet de la fréquence. Les résultats ont montré que l endommagement défini comme la variation des déformations avec le nombre de cycles, est d autant plus important que la teneur en eau est élevée. Cette variation est, pour une même fréquence, de l ordre de 1% pour le sol à 1,20m et de 0,6% pour le sol à 3,50m. Avec l augmentation de la fréquence, l amplitude des déformations semble augmenter légèrement. L effet de l endommagement sur la microstructure de ces sols est mis en évidence par des observations au porosimètre. Une différence nette entre la courbe à l état naturel et celles à l état endommagé a été observée sur les deux sols ; cette différence s explique principalement par l effondrement des macropores dû à la vibration. On a observé aussi que les deux courbes porosimétriques à l état endommagé pour le sol à 1,20m sont confondues, indiquant un effet de la teneur en eau négligeable. Ceci n est pas le cas pour le sol à 3,50m. En effet, on a observé pour ce sol un effet important de la teneur en eau. Ce phénomène pourrait être relié à la différente cimentation créée par les argiles et les carbonates : le sol moins carbonaté est moins résistant au chargement mécanique ; il est possible que le chargement cyclique appliqué a été suffisamment important pour écraser l ensemble des macro-pores ; et ceci malgré les teneurs en eau différentes. L amplitude des déformations résultant des phénomènes d endommagement et d effondrement reste limitée. Des différents phénomènes pouvant affecter la stabilité des limons (effondrabilité, endommagement, liquéfaction), c est la liquéfaction de certains horizons de loess qui s avère prépondérant et possible sous sollicitations dynamiques ferroviaires lorsque la teneur en eau s approche de la saturation. Des études sont en cours afin de quantifier ce phénomène. Remerciements Les auteurs tiennent à remercier Réseau Ferré de France (RFF) pour son soutien financier. Références CUI Y.J., Delage P., Durand F., Schlosser F. & Wojnarowicz M. 1995. Comportement mécanique des loess sur le tracé du TGV Nord. Proceedings of the 11 th ECSMFE, Copenhague, Vol. 7, pp. 45-50 MARCIAL D. 2003. Etude du comportement des limons non saturés soumis aux vibrations ferroviaires (Lot 1). 47 pages. Rapport SNCF. CUI Y.J., MARCIAL D. 2003. Etude du comportement des limons non saturés soumis aux vibrations ferroviaires (Lot 2). 47 pages. Rapport SNCF. CUI Y.J., MARCIAL D. 2003. Etude du comportement des limons non saturés soumis aux vibrations ferroviaires (Lot 2). 24 pages. Rapport SNCF. II - 102 Session 2 - Risques géotechniques urbains
JNGG 2006 Delage P. et Cui Y.J. 2000. L eau dans les sols non saturés. Technique de l Ingénieur, C301. Karam J-P. et Cui Y.J. 2004. Etude du omportement des limons non saturés soumis aux vibrations ferroviares (Lot3). Rapport de recherche SNCF, 38p. Session 2 - Risques géotechniques urbains II - 103
J-P Karam et al. II - 104 Session 2 - Risques géotechniques urbains