Cours CTN 504 Mécanique des sols Li Li, ing., Ph.D Professeur en géotechnique Département de génie de la construction Bureau: A-1484 Courriel: li.li@etsmtl.ca

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Résistance au cisaillement des sables et des argiles Séance 2/3

Comportement des argiles Introduction Comportement des argiles en condition consolidée drainée Comportement à l'essai consolidé drainé (CD) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement drainé. Utilisation de la résistance CD dans la pratique du génie Comportement des argiles en condition consolidée non drainée Comportement à l'essai consolidé non drainé (CU) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement non drainé Utilisation de la résistance CU dans la pratique du génie Comportement des argiles en condition non consolidée non drainée Comportement à l'essai non consolidé non drainé (UU) Valeurs caractéristiques de résistance UU Utilisation de la résistance UU dans les applications pratiques

Introduction Comparaison entre comportement des argiles et des sables lors des essais triaxiaux: Similarité: En essais drainés, sens de variation de volume (dilatation ou compression) dépend à la fois de l'indice de densité et de la pression de confinement; En cisaillement non drainés, les tendance au changement de volume se traduisent par des variations de pression interstitielle. Particularité de l'argile: le comportement de l'argile dépend de l'histoire des contraintes subies par le sol. Sur le terrain, l'application des charges se fait souvent à des taux excédant la vitesse d'évacuation de l'eau des pores d'un sol argileux, ainsi créant une pression interstitielle excessive. Deux scénarios peuvent se produire: La charge a une intensité telle que la rupture ne se produit pas, les pression interstitielles excessives finiront par se dissiper et les variation de volume seront régies par la consolidation; La charge a une intensité telle que la rupture par cisaillement est imminente. En principe, l'eau interstitielle ne supporte aucune contrainte de cisaillement, ce qui signifie que la totalité des contraintes de cisaillement induites doit être nécessairement être supportée par le seul squelette des grains solides; autrement dit, la résistance au cisaillement du sol ne dépend que des contraintes effectives.

Méthodes d'analyses de stabilité en géotechnique: 1) Méthode en contraintes totales. Cette méthode consiste à empêcher le drainage durant les essais de cisaillement et à poser l'hypothèse que les pressions interstitielles induites, et par conséquent, les contraintes effective à l'intérieur de l'échantillon, sont identiques à celles qui prévalent sur le terrain. Cette méthode d'analyse de stabilité, appelée analyse en contraintes totales, repose sur l'utilisation de la résistance au cisaillement non drainée, qui peut être mesurée, soit en laboratoire, soit sur le terrain. 2) Méthode en contraintes effectives. Cette méthode d'analyse de stabilité s'appelle analyse en contraintes effectives. Dans ce cas, il faut mesurer les pressions interstitielles induites sur le terrain et dans les échantillons de laboratoire. Cette méthode est basée sur l'utilisation de la résistance au cisaillement en contraintes effectives, qui ne peut être obtenu qu'à partir d'essais en laboratoire.

Dans les cours précédents, on a présenté des essais en condition consolidée drainée (CD), consolidée non drainée (CU) et non consolidée non drainée (UU). On a dit que les essais en condition non consolidée drainée (UD) sont rarement réalisés. Ceci est dû d'une part que ce type d'essai ne simule aucune application pratique et d'autre part, ils ne peuvent pas être interprétés efficacement puisqu'un certain drainage peut se produire pendant le cisaillement et rendre impossible toute distinction entre l'effet des contraintes de confinement et celui des contraintes de cisaillement.

Comportement des argiles en condition consolidée drainée Comportement à l'essai consolidé drainé (CD) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement drainé. Utilisation de la résistance CD dans la pratique du génie

Comportement des argiles en condition consolidée drainée Comportement à l'essai consolidé drainé (CD) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement drainé Utilisation de la résistance CD dans la pratique du génie

Courbes typique d'effort-déformation d'une argile compactée Rigidité Comparaison avec sable

Une argile normalement consolidée sous CD Attention: Même un cercle de Mohr pourrait déterminer l'enveloppement de rupture, les résultats d'au moins 3 essais CD faits sur des échantillons identiques mais reconsolidés à des pressions différentes sont nécessaires pour tracer l'enveloppement de rupture de Mohr. La raison est si la gamme des pression de reconsolidation utilisée est étendue ou si les échantillons n'ont pas exactement la même teneur en eau initiale, la même masse volumique ou la même histoire de contraintes antérieures, les trois cercles ne s'aligneront pas sur une même enveloppe et il faudra tracer la droite de façon approximative.

Argile surconsolidée sous CD Normalement consolidé La portion DEC sur l'enveloppe de rupture s'appelle "bosse de préconsolidation" Le point F sur l'enveloppe de rupture indique l'histoire de rebondissement DEC est oubliée.

Comportement des argiles en condition consolidée drainée Comportement à l'essai consolidé drainé (CD) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement drainé Utilisation de la résistance CD dans la pratique du génie

'  20° pour les argiles normalement consolidées très plastiques non remaniées; ' pourrait atteindre 30° et plus pour les argiles siteuses et sableuses. ' est généralement de 25° ou 30° et peut parfois atteindre 35°, dans le cas des argiles compactées. c'  0 pour les argiles normalement consolidées non cimentées. Pour les sols surconsolidés, ' sera plus faible et c' plus élevé que dans la portion normalement consolidée de l'enveloppe de rupture. c'  5 à 10 kPa sous un faible niveau de contraintes pour des argiles surconsolidées non cimentées dont 'p ≤ 500 et 1000 kPa. c' sera plus élevée sous un faible niveau de contraintes pour des argiles compactées. Aux fins d'analyses de stabilité, les paramètres ' et c' de Mohr-Coulomb en contraintes effectives sont déterminés à l'intérieur de la gamme des contraintes susceptibles de s'appliquer sur le terrain.

Comportement des argiles en condition consolidée drainée Comportement à l'essai consolidé drainé (CD) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement drainé Utilisation de la résistance CD dans la pratique du génie

Les essais CD ne peu courants dans les laboratoire. Les essais CU plus pratiques pour obtenir les paramètres de résistance en contraintes effectives.

Comportement des argiles en condition consolidée non drainée Comportement à l'essai consolidé non drainé (CU) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement non drainé Utilisation de la résistance CU dans la pratique du génie

Comportement des argiles en condition consolidée non drainée Comportement à l'essai consolidé non drainé (CU) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement non drainé Utilisation de la résistance CU dans la pratique du génie

L'échantillon doit être saturé avant le cisaillement. Cet essai permet d'obtenir deux enveloppes de rupture: une en contraintes totales (c, , ou parfois T) et l'autre en contraintes effectives (c', '). Cet essai peut servir à la fois pour les analyses en contraintes totales et pour les analyses en contraintes effectives.

Typiquement, T  '/2 pour une argile normalement consolidée

Comportement des argiles en condition consolidée non drainée Comportement à l'essai consolidé non drainé (CU) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement non drainé Utilisation de la résistance CU dans la pratique du génie

Pour les argiles normalement consolidées,  = 10° à 15° , c  0. Pour les argiles surconsolidée et les argiles compactées,  diminue mais la valeur de c souvent plus élevée.

Comportement des argiles en condition consolidée non drainée Comportement à l'essai consolidé non drainé (CU) Valeurs caractéristiques de résistance au cisaillement non drainé Utilisation de la résistance CU dans la pratique du génie

Les essais CU peuvent servir à la fois pour les analyses en contraintes totales et pour les analyses en contraintes effectives (CD). Dans quelles applications pratiques utilise-t-on la résistance CU en contraintes totales? On utilise la résistance CU en contraintes totales pour résoudre les problèmes de stabilité, où, après consolidation complète, les sols sont en équilibre dans le champ de contraintes existant et auxquels sont rapidement appliquées des contraintes additionnelles, sans drainage possible.

Utilisation de CU en contraintes totales – Résistance en court terme d'un système consolidé soumis à nouvelle condition de chargement

Remarque: Les essais CU peuvent être utilisés pour les analyses de stabilité à long terme et à court terme. Les objectifs entre les deux termes sont pourtant incompatibles. Pour l'analyse de stabilité à long terme, la phase de cisaillement doivent être réalisée d'une façon que le taux de chargement soit suffisamment lent pour que les pressions interstitielles relevés aux extrémités de l'échantillon soient identiques à l'intérieur de l'échantillon. Or, le comportement effort-déformation et la résistance au cisaillement des sols argileux dépendent de la durée d'application de la charge: plus une argile est chargée rapidement, plus sa résistance sera élevée. La meilleure solution consiste à effectuer deux série d'essais, une série pour les conditions à long terme et une série pour le chargement à court terme non drainé.

Comportement des argiles en condition non consolidée non drainée Comportement à l'essai non consolidé non drainé (UU) Valeurs caractéristiques de résistance UU Utilisation de la résistance UU dans les applications pratiques

Comportement des argiles en condition non consolidée non drainée Comportement à l'essai non consolidé non drainé (UU) Valeurs caractéristiques de résistance UU Utilisation de la résistance UU dans les applications pratiques

La rupture se produit en 10 à 20 minutes uw= aucun changement de contrainte effective avant et après la consolidation La rupture se produit en 10 à 20 minutes

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La résistance non drainée des argiles varie considérablement.  (ou T) est toujours égal à zéro. Mais, cu (ou su ou f) peut varier entre zéro pour des sédiments très mous et quelques MPa pour des sols très raide. Normalement, pour un site donné, la résistance au cisaillement non drainée est exprimée comme f/'v0.

Caractérisation des argiles selon leur résistance au cisaillement non drainée (CGS 1994)

Comportement des argiles en condition non consolidée non drainée Comportement à l'essai non consolidé non drainé (UU) Valeurs caractéristiques de résistance UU Utilisation de la résistance UU dans les applications pratiques

La résistance UU est appliquée au cas où les charges externes sont présumées être appliquées si rapidement que les pressions interstitielles excessives n'ont pas le temps de se dissiper et où la consolidation ne peut se produire durant la période de chargement. On suppose que les variations de contraintes totales durant la construction n'influencent pas la résistance non drainée sur le terrain.