-
Dtermination des paramtres
de compressibilit d'une argile raide
partir d'essais domtriques
haute pression
H e n r i J O S S E A U M E Attach de recherche
Section des Ouvrages en terre Division Mcanique des sols et
fondations
Laboratoire Central des Ponts et Chausses
Isaac Ol ivier H I E N G Enseignant l'Universit de Douala
(Cameroun)
(ancien thsard au Laboratoire Central des Ponts et Chausses)
J e a n - P a u l S T E M P P E L E T Technicien suprieur
Section des Ouvrages en terre Division Mcanique des sols et
fondations
Laboratoire Central des Ponts et Chausses
R E S U M E
L'tude de la compressibilit d'une argile raide trs plastique,
l'argile des Flandres, prleve Dunkerque une quarantaine de mtres de
profondeur, a t entreprise dans le cadre d'une tude gnrale du
comportement de ce matriau. Ses paramtres de compressibilit ont t
dtermins partir d'essais domtri-ques qui taient pour l'essentiel
des essais par paliers, raliss suivant diverses procdures et
mettant en jeu des gammes de contraintes trs diffrentes (essais
basse pression dans lesquels la contrainte maximale ne dpasse pas
2,2 M P a et essais haute pression dans lesquels l 'prouvette est
soumise des contraintes dix fois plus leves). Deux essais vitesse
de dformation contrle ont gale-ment t effectus. L'article dcrit
l'tude exprimentale et en analyse les rsultats, tant du point de
vue de la validit des procdures mises en uvre que des proprits de
l'argile des Flandres. Il fait notamment apparatre qu'une
dtermination raliste des paramtres de compressibilit d'une argile
raide ncessite l'excution d'essais haute pression pour les-quels il
propose une procdure d'essai et une mthode d'interprtation.
M O T S C L E S : 42 - Argile - Compressibilit Essai - domtre -
Mthode d'essai Interprtation - /Argile raide.
Introduction
Alors que les tudes gotechniques effectues lors de l'laboration
des projets d'ouvrages fonds sur sol compressible font trs
largement appel l 'essai de compressibilit l'domtre, cet essai est
trs rare -ment ralis sur des argiles raides. C e l a tient au fait
que seul l 'essai domtrique permet de dterminer les paramtres
indispensables au calcul de l ' ampl i -tude et du temps de
tassement, toujours trs impor-tants , des sols compressibles tandis
que le tassement des ouvrages construits sur des argiles raides
peut tre correctement valu part i r de l 'essai pressio-mtrique
Mnard.
Ce la explique que les modes opratoires classiques relatifs l
'essai domtrique ont t tablis et v a l i -ds essentiellement par t
i r d'essais sur sols norma-lement consolids ou lgrement
surconsolids. M a i s ces mthodes d'essai ne sont pas adaptes
l'tude des sols raides et leur application stricte ces mat-r iaux
peut conduire des erreurs importantes sur leurs paramtres de
compressibilit. Or , ces param-tres fournissent des informations
essentielles sur le comportement du sol. E n part icul ier , le
rapport de surconso l idat ion d'une arg i le , q u i dtermine pour
une large part l'tat des contraintes en place a ins i que les
valeurs apparentes et effectives de l a rsis-tance au cisai l
lement et des modules lastiques, est li directement l a pression de
prconsolidation de l 'argi le . D 'autre part , les paramtres
dtermins part i r de l 'essai domtrique sont des paramtres de base
de certains modles numriques dcrivant le comportement des argiles.
C e l a i l lustre l a ncessit de disposer de procdures d'essai
domtrique f ia -bles applicables aux argiles raides.
109 B u l l , l i a i s o n L a b o . P. e t C h . - 1 7 2 - m a
r s - a v r . 1 9 9 1 - R f . 3565
-
C'est dans ce contexte, que, l 'occasion d'une recherche sur le
comportement de l 'argi le des F l a n d r e s rencontre D u n k e
r q u e , effectue d a n s l e c a d r e de l a c o n v e n t i o n
L C P C -S T C P M V N * et d'une convention L C P C - P o r t A u
t o n o m e de D u n k e r q u e , s'est pos le pro -blme de l a
dtermination des paramtres de compressibilit de cette argile raide
, trs plas-t ique et gonflante. L'tude domtrique entre-prise cette
f in a tout d'abord mis en j eu des essais par paliers basse
pression, c'est--dire des e s s a i s t r a d i t i o n n e l s d a
n s l e s q u e l s l a contrainte applique tait a u plus de l
'ordre de 2,2 M P a . L a non-reprsentativit des rsultats obtenus a
alors conduit raliser des essais par paliers haute pression dans
lesquels les prouvettes oedomtriques ont t charges u n e c o n t r
a i n t e m a x i m a l e de 22 M P a . D e s essais vitesse de
dformation contrle ont galement t effectus. Outre les valeurs des
paramtres de compressibilit de l 'argi le des F l a n d r e s , l
'tude a f o u r n i des i n f o r m a t i o n s importantes sur le
domaine de validit des pro-cdures d'essai mises en uvre a ins i que
les bases d'une procdure d'essai haute pression applicable aux
argiles raides.
Gnralits sur l'argile des Flandres au port de Dunkerque L'arg i
le des F landres s'est dpose lYprsien (dbut de l'Eocne de l're
tertiaire) dans u n golfe m a r i n q u i r e c o u v r a i t , l '
poque, les rgions correspondant actuellement au nord de l a F r a n
c e , l a Be lg ique et au sud-est de l ' A n -gleterre. Aprs sa
dposition, l a couche d'argile a t recouverte par diverses
formations ter-t iaires qu i ont, par l a suite, t rodes a ins i
que sa part ie suprieure. Dans l a rgion de D u n k e r q u e ,
l'paisseur de l 'argi le ayant sub-sist est d 'environ 90 m. A u
quaternaire , des al luvions de plusieurs dizaines de mtres
* Service Technique C e n t r a l des Ports M a r i t i m e s et
Voies Nav igab les .
d'paisseur, constitues p o u r l ' e s s e n t i e l de sable
flandrien, se sont dposes sur l 'argi le , le long des ctes de l a
Manche . L ' t u d e d u c o m p o r t e m e n t de l ' a r g i l e
des F l a n d r e s rencontre D u n k e r q u e concerne l 'argile
de l a zone portuaire , qu i intresse l a stabilit d ' importants
ouvrages. Cette tude s 'appuie e s s e n t i e l l e m e n t s u r
des essa is de laboratoire effectus sur chantillons intacts . Les
chantillons ont t prlevs en site terres-tre u n emplacement o l
'argile est recouverte d 'une couche de s a b l e f l a n d r i e n
de 32 m d'paisseur et o l a surface d u t e r r a i n nature l se
situe l a cote mar ine + 8,5 C M . Cette cou-che est baigne par une
nappe dont l a surface se situe en moyenne une profondeur de 5 m. E
n l'absence de mesures pizomtriques dans l 'argi le , on a admis
que l a surface pizomtri-que de l a nappe de cette formation
concidait avec celle du sable f landr ien . L e s chanti l lons i n
t a c t s , dans l esque l s ont notamment t dcoupes les prouvettes
u t i l i -ses p o u r l 'tude domtr ique dont i l est r e n d u
compte ci-aprs, ont t prlevs en continu dans trois sondages
distants de quel -ques mtres les uns des autres , entre 34 et 45 m
de profondeur, c'est--dire dans l a partie suprieure de l a couche
(aucun chantillon n'a toutefois t e x t r a i t des deux mtres
sup-r ieurs o l 'argile est susceptible d'tre altre). Les
chantillons ont t prlevs en rotation au moyen d'un carottier tr ip
le pour chantil-lons de 96,7 m m de diamtre, le carott ier cble S K
L 146, adaptation M a z i e r . L 'examen des chantillons d'argile
montre que celle-ci se prsente sous la forme d'un mat-r i a u gris
fonc, d'apparence assez homogne mais travers de microfissures. Les
valeurs de leurs caractristiques d'tat et d ' identification
(tableau I) indiquent que l 'argile des F landres est une argile
trs plastique, reprsente par le symbole A t dans l a classif
ication des L P C , qu'elle est trs consistante et que ses
propri-ts sont re lat ivement constantes sur l a h a u -teur
tudie.
T A B L E A U I
Caractristiques de l 'argile des F landres au port de D u n k e
r q u e
E n s e m b l e des essais E s s a i s oedomtriques
Plage de v a r i a t i o n Moyenne Plage de v a r i a t i o n
Moyenne
L i m i t e de liquidit wL (%) 63 - 75 71
Indice de plasticit h (%)
40 - 47 44
Teneur en eau w (%) 26,2 - 31 28,6 26,2 - 31 29,3
Poids vo lumique apparent ( k N / m 3 ) 19,3 - 21,2 19,9 19,3 -
20,2 19,7
Poids vo lumique apparent sec ( k N / m 3 ) 14,9 - 16,3 15,5
14,9 - 16 15,2
110
-
Essais par paliers basse pression
Les essais domtriques basse pression ont t raliss sur des
prouvettes de 60 m m de diamtre et de 20 m m de hauteur a u moyen
de l ' a p p a r e i l l a g e c l a s s i q u e c h a r g e m e n
t p a r pal iers . Dix -sept essais ont t effectus sur des
prouvettes montes sec, c 'est--dire entre deux p i e r r e s
poreuses pralablement sches , ce la a f i n d'viter t out gonf
lement parasite a u cours du montage. Ils ont ensuite t conduits su
ivant les diverses procdures dcrites sommairement ci-aprs.
Procdures d'essai
Les essais 1 4 ont t effectus en prsence d'eau et, compte tenu
du caractre gonflant de l 'argi le , ont tout d'abord comport une
phase d i te " g o n f l e m e n t e m p c h " , a u cours de
laquelle les charges ont t appliques progres-sivement de faon viter
toute fluctuation de l 'aiguil le du comparateur mesurant les
dfor-mations verticales de l'prouvette. Ce proces-sus de chargement
a t appliqu jusqu' l 'ap-p a r i t i o n des tassements , qu i in
terv ient pour une valeur de l a contrainte applique gale l a
pression de gonflement a'g de l 'argile. Aprs l ' a p p a r i t i o
n des tassements , les prouvettes ont t charges par pal iers jusqu'
environ 2 200 k P a . A u cours de cette deuxime phase de c h a r g
e m e n t , l a dure d ' a p p l i c a t i o n des paliers a t de
24 h pour les essais 1 et 2 et de 48 h pour les essais 3 et 4. Cet
te dernire valeur , qui a t retenue pour l a p lupart des essais
effectus ultrieurement (sauf pour les paliers de dchargement des
essais 14 17), s'est avre ncessaire une dtermination suf f isamment
prcise du temps de consolida-t ion pr imaire de l 'argile.
Lors des essais 5 8, les prouvettes ont t reconsolides sous l a
contrainte verticale effec-tive en place cj' t l Q, af in
d'effacer, dans une cer-ta ine mesure , le r e m a n i e m e n t d
u sol . Cette reconsolidation, effectue sec, a comport u n cycle de
chargement a'v0 - dchargement 5 k P a , su iv i d 'un rechargement
o'v0 pour les essais 5 et 6 et deux cycles de chargement a'v0 - d c
h a r g e m e n t 5 k P a , s u i v i s d ' u n rechargement a'v0
pour les prouvettes 7 et 8. A ce stade des essais, le sol a t satur
et ceux-ci se sont poursuiv is par une phase de c h a r g e m e n t
p a r p a l i e r s j u s q u ' e n v i r o n 2 200 k P a .
Les essais 9 17 ont t effectus sec lors de l a premire phase de
chargement des prou-vettes. Cette procdure a t adopte, d'une part ,
parce que l'exprience norvgienne sem-ble indiquer qu 'un essai sec
permet une me i l -leure est imation de l a pression de
prconsoli-dation d'une argile raide sature, qu 'un essai t r a d i
t i o n n e l (Andresen et al., 1979), d 'autre part , parce qu ' i
l est a ins i possible de s'affran-chir de l a phase in i t ia le
de chargement gon-flement empch, toujours dlicate raliser
en raison des dformations propres de l 'appa-reil lage (voir
plus loin). Pendant le chargement sec, chaque cellule domtrique a t
enve-loppe dans une feuille en plastique formant une enceinte
tanche, l'intrieur de laquelle on a plac u n chiffon humide de faon
satu-rer l'atmosphre et viter l a dessiccation de l'prouvette. L '
e s s a i 9 a comport une phase u n i q u e de chargement jusqu'
environ 2 200 k P a . Les essais 10 17 ont comport une phase de c h
a r g e m e n t sec j u s q u ' 1 400 k P a . L e s prouvettes ont
alors t mises au contact de l 'eau sous cette charge, qu i a t
maintenue jusqu' s t a b i l i s a t i o n des dformations, pu i s
soumises une phase de dchargement par paliers jusqu' 5 k P a et,
enfin, une phase de rechargement par pa l iers jusqu' 1 900 k P a .
Comme indiqu prcdemment, l a dure des paliers de dchargement des
essais 13 17 a t di f frente des 48 h adoptes p o u r les paliers
de chargement et de dchargement de l a p lupart des autres essais.
U n essai de gon-flement l ibre, c'est--dire u n essai dans lequel
l 'arg i le non charge a t mise en prsence d'eau, ayant fait
apparatre u n temps de gon-flement considrable (fig. 1), i l a paru
essentiel de tester l ' influence de l a dure des paliers de
gonflement sur les rsultats des essais. Pour ce faire, les paliers
de dchargement des essais 14 17 ont t prolongs jusqu' stabi l isat
ion des d format ions , c 'est--dire p e n d a n t 4 6 j o u r s ,
c e la a u x f i n s de c o m p a r a i s o n des rsultats obtenus
avec ceux des essais 10 13.
Temps (min)
Fig. 1 - Variations du gonflement relatif en fonction du temps
au cours d'un essai de gonflement libre.
Rsultats des essais et discussion Les caractristiques d'tat des
prouvettes, les valeurs e 0 du tassement re lat i f qu'elles
subis-sent sous l a contrainte verticale effective en place CJ ' u
0 , a ins i que les valeurs obtenues pour l ' indice de compression
Cc et, le cas chant, pour l a pression de gonflement a'g et l '
indice de g o n f l e m e n t Cs, s o n t r c a p i t u l e s d a n
s le tableau II. D'autre part , les courbes de com-pressibi l i t l
es p l u s caractr i s t iques sont reprsentes sur les figures 2
5.
111
-
T A B L E A U II
Essais domtriques basse pression Caractristiques des prouvettes
et rsultats d'essais
N essai
Profondeur (m)
Y ( k N / m 3 )
Yd (kN/m 3 )
u> (%)
G'vo (kPa)
e 0 (%) (kPa) cc
1 34,50 19,4 14,9 30,2 395 1,2 260 0,15 5
2 43,80 19,3 14,9 29,7 488 1,8 220 0,16
3 39,40 19,5 15,1 29,4 444 0,8 300 0,16 4 39,45 19,8 15,4 29,1
445 0,5 340 0,16 5 34,45 19,7 15,2 29,8 395 1,6 0,19
6 43,85 19,4 15 29,3 488 2,3 0,18
7 39,60 19,7 15,4 28,4 446 1,5 0,14
8 39,50 19,5 15 29,5 445 1,9 0,14
9 39,65 19,8 15,4 28,5 446 1,5 0,16
10 40,80 19,5 15,2 28,4 458 2,6 0,14 0,07
11 40,85 19,7 15,3 28,8 458 3,5 0,14 0,06
12 42,20 19,5 15,1 29,5 472 2,3 0,16 0,07
13 40,15 19,5 14,9 31 472 3,7 0,15 0,06
14 40,20 19,4 14,9 30,2 452 2,8 0,15 0,06 5
15 42,60 19,8 15,3 29,4 476 1,9 0,13 0,06 5
16 42,50 20,1 15,4 30 475 1,9 0,12 5 0,06
17 41,5 19,6 15 31 465 3,4 0,16 0,07 5
conditions d'humidit des pierres poreuses et des papiers
filtres. Ces dformations sont l o in d'tre ngligeables devant les
dformations d'une argile raide et peuvent affecter trs
sen-siblement les courbes de compressibilit s i on ne les prend pas
en considration (fig. 2 5). E n p a r t i c u l i e r , e l les i n
t r o d u i s e n t a lors une erreur importante sur l a pression
de gonfle-m e n t mesure gonf lement empch , l e u r prise en
compte a u stade du dpouillement ne permettant , d 'a i l leurs ,
que de dterminer u n ordre de grandeur de ce paramtre, puisque l
'essai n 'a pas t effectu gonflement stricte-ment n u l .
L e tassement re la t i f e 0 d'une prouvette sous o'v0,
c'est--dire sa var ia t i on relative de volume evo aprs reconso l
idat ion aux contra intes en place, est d 'autant p lus grand que
le sol est plus remani. P a r suite, l a va leur de e 0 permet
d'apprcier le remaniement d'une prouvette. S i , faute de donnes
plus prcises, on applique l 'argile des F landres les critres
proposs par Berre [1985], cit par Laasse et Berre [1986J; pour
caractriser le remaniement d'argiles sen-sibles (tableau III), i l
apparat que deux prou-vettes peuvent tre considres comme tant de
trs bonne qualit, 8 de bonne qualit et 7 passables. O n remarque
que 6 de ces dernires appart iennent au groupe des prouvettes 10 17
qu i a t essay 6 8 mois plus t a r d que celles d u groupe 1 9. I l
apparat donc que l a qualit des prouvettes s'est dtriore dans le
temps en dpit de l eur conservation en cham-bre humide temprature
constante.
10 100 a i (kPa) 1000
0,85
0,80 _
0,75 -
0,70
0,65
260 e i =0.84
r o". = 175kPa Courbe non corrige \ = o 16 5
Fig. 2 - Courbes de compressibilit brute et corrige pour tenir
compte des dformations de l'appareillage, obtenues
partir d'un essai gonflement empch (essai 1) .
Les essais ont t dpouills en tenant compte des dformations
propres de l 'appareil lage (es-s e n t i e l l e m e n t les
dformations des p i e r r e s poreuses et des papiers filtres
interposs entre l'prouvette et celles-ci). E l l e s ont t mesu-res
en m o n t a n t entre deux papiers filtres, dans l a cellule
domtrique, u n cyl indre ind-formable en acier de mmes dimensions
que l'prouvette et en le soumettant aux mmes programmes de
chargement et de dcharge-m e n t que l o rs des e ssa i s , dans
les mmes
1 1 2
-
Fig . 3 - C o u r b e s d e c o m p r e s s i b i l i t o b t e
n u e s par t i r d ' essa i s s u r p r o u v e t t e s r e c o n
s o l i d e s s e c a u x c o n t r a i n t e s e n p l a c e
F i g . 4 - C o u r b e s d e c o m p r e s s i b i l i t b r u
t e e t c o r r i g e p o u r t e n i r c o m p t e d e s d f o r m
a t i o n s d e l ' a p p a r e i l l a g e , o b t e n u e s
par t i r d ' u n e s s a i e f f e c t u s e c ( e s s a i 9 )
.
0,85
0,80
0,75
0,70
0,65
0.80
0,75
0,70
0,65 _
0,60 L Courbe non corrige : C c = 0,17
a - R e c o n s o l i d a t i o n c o m p o r t a n t u n c y c
l e d e c h a r g e m e n t -d c h a r g e m e n t s u i v i d ' u
n r e c h a r g e m e n t ( e s s a i 5 ) .
-
E n ce qu i concerne les paramtres de compres-sibilit de l 'argi
le , on constate : que les va leurs de CJ'^ ., mesures dans les
essais comportant une phase de gonflement empch, sont trs
disperses, l a d i spers ion c o n s t a t e t a n t l i e a u r e
m a n i e m e n t des prouvettes (on constate, en effet, une
corrla-t i o n t rs n e t t e e n t r e l es v a l e u r s de a'g
et de e0) ; q u e , p o u r 13 e s s a i s , l e s v a l e u r s de
Cc v a r i e n t dans une plage d ' ampl i tude limite (0,16 >
Cc > 0,14), les valeurs divergentes re la -tives aux 4 autres
essais ne pouvant tre corr-les n i aux procdures d'essai, n i a u
degr de remaniement , n i aux valeurs des paramtres d'tat ; que les
va leurs de Cs, mesures dans les essais comportant une phase de
dchargement, sont trs groupes et ne sont pas affectes par l a dure
des paliers de dchargement (cela est cohrent avec le fait que, lors
des paliers de dchargement prolongs jusqu' s tab i l i sat ion des
dformations, plus de 95 % du gonflement est obtenu en 48 h) ; que
toutes les courbes de compressibilit prsentent u n coude,
gnralement assez mar -qu, correspondant une contrainte de l 'ordre
de o'v0. P l u s prcisment, cette contrainte est infrieure o'v0
dans le cas des essais gonfle-ment empch, gale a'uo dans le cas o l
'ar -gile a t reconsolide sous cette contrainte . E l l e est auss
i gnralement infrieure a'v0 dans le cas des essais sec, mais cela
peut tre li au fait que l a p lupart de ces essais ont t effectus
sur les prouvettes les p lus mdio-cres. L 'ensemble de ces rsultats
est re lat ivement homogne et semble, premire vue, indiquer que l
'argile des F landres est une argile norma-lement consolide.
Cependant, les valeurs de l a cohsion non draine de l 'argi le ,
dtermines, d'une part, partir d'essais triaxiaux U U effectus sur
des prouvettes dcoupes dans les mmes chantillons que les prouvettes
domtriques (cu - 2 7 0 kPa ) , d'autre part , par t i r d'essais au
pressiomtre autoforeur raliss dans u n site vo is in (cu ~ 350 kPa
) , ne sont pas compatibles avec cette conclusion.
L a connaissance de l a cohsion non draine d'une argi le permet
, en effet, de dterminer une l imite infrieure de sa pression de
prcon-solidation a'p, en se basant sur le fait que l a va leur
actuelle cu de cette cohsion est plus gale l a valeur cu de l a
cohsion de l 'argile normalement consolide, c'est--dire consolide
sous o'p. Dans ces conditions, on a :
c cnc -JL < "
avec = 0,11 + 0,0035 Ip [Skempton, 1957].
L a valeur moyenne de l ' indice de plasticit de l 'argile des
Flandres tant de 44 %, on obtient :
a', 0,27 d'o
-
E n f i n , les prouvettes ont t protges de l a d e s s i c c a
t i o n p e n d a n t l a premire phase de chargement a u moyen du
mme disposit i f que celui adopt pour les essais basse pression
raliss sec. Les principaux choix faits au cours de l'labora-t ion
de cette procdure se justifient comme suit : Som [1968] ayant
montr, par t i r d'essais haute pression effectus sur des
chantillons intacts d'argile de Londres, que l a courbe do-mtrique
d'une argile raide est caractrise par une var iat ion continue de
sa courbure dans u n domaine de contraintes tendu incluant o' p, i
l tait inut i le de mul t ip l i er le nombre de paliers de
chargement afin d'amliorer le trac de la courbe et de dtecter u n
coude inexistant. C'est pourquoi, on a retenu u n taux
d'accroissement de charge gal l'unit ; l a courbe de compressibilit
d'une arg i le raide ne prsentant pas de coude marqu, l a pression
de prconsolidation de l 'argile ne peut tre dtermine qu' p a r t i
r d 'une mthode base s u r l 'hypothse de R u t l e d g e [1944]
reprise par Schmertmann [1953]. Ceux-c i pos-tulent que l a courbe
(e, l g a'v) caractrisant le comportement de l 'argile en place,
pendant et aprs l'rosion du sol sus-jacent, est parallle a u x
courbes de dchargement dtermines dans l 'essai domtrique et traces
dans le mme systme de coordonnes. L 'essai devait alors
ncessairement comporter une phase de dchargement ; C r i s p [1953]
et S t r a c h a n [1960], cits par Som [1968], ayant montr que les
mthodes de dtermination de a'p, bases sur l'hypothse de Rut ledge ,
ne donnent des rsultats sa t i s fa i -sants que s i l a contrainte
applique l'prou-vette, a u dbut de l a phase de dchargement, est
trs largement suprieure a ' (les courbes de d c h a r g e m e n t c
o r r e s p o n d a n t des c o n -traintes init ia les leves sont
alors rigoureuse-m e n t paral lles) , on a c h o i s i de dcharger
l'prouvette par t i r de &v m a x / 2.
O n remarquera que, dans le cas d'une argile sature, l a
procdure consistant raliser l a totalit de l'essai en prsence d'eau
est quiva-lente la procdure effectivement mise en uvre, pourvu que
l'prouvette soit monte entre deux pierres poreuses sches et que le
chargement i n i t i a l soit fa i t gonflement empch. L 'adop-t
ion d'une telle procdure est indispensable : dans le cas d'une argi
le sature dont on veut dterminer l a pression de gonflement ; dans
le cas d'une arg i le incompltement sature.
Rsultat des essais et discussions
Les essais ont t dpouills en tenant compte des dformations
propres de l 'appareil lage. Les courbes de compressibilit obtenues
sont ident iques l a courbe re lat ive l 'essai 18, reprsente t i
tre d'exemple sur l a figure 6.
O n remarque qu'au-del de 2 M P a , c'est--dire de l a valeur de
l a contrainte qu i marque l a f in des essais basse pression, l a
pente des cour-bes continue d'augmenter pour tendre vers une valeur
constante gale l ' indice de compres-sion de l 'argile, q u i n'est
atteinte qu'au-del de 5 M P a . Les valeurs de Cc (tableau IV) sont
ga-les environ deux fois celles obtenues par t i r des essais basse
press ion , q u i ne donnent qu'une image incomplte du comportement
de l 'argile puisqu' i ls ne permettent pas d'attein-dre l a courbe
vierge. O n constate galement (tableau IV) que les valeurs trouves
pour l ' i n -dice de gonflement sont suprieures de 40 100 % celles
obtenues dans les essais basse p r e s s i o n . C e l a p o u r r
a i t i n d i q u e r que l a contrainte d 'environ 10 M P a ,
applique aux prouvettes au dbut de l a phase de dcharge-ment est
suffisante pour effacer le remanie -ment in i t ia l , qui
subsisterait, au moins en partie, dans les essais basse
pression.
100 1000 10 000
a; (kPa)
100 000
e
0,9
0,8
0,7 _
0,6
0,5
0,4 L
Fig. 6
T
3400 kPa
Courbe de compressibilit obtenue partir d'un essai par paliers
haute pression (essai 18).
Les valeurs de Cc et de Cs dtermines par t i r de l 'essai 18,
dans lequel l a dure des paliers tait de 48 h , sont suprieures
celles obte-nues par t i r des essais 19 et 20 effectus par pal
iers de 24 h , les carts pouvant atteindre 20 % de ces dernires. O
n notera cependant qu'une partie de ces carts peut tre impute a u x
di f frences des paramtres d'tat des prouvettes (tableau IV).
L a pression de prconsolidation de l 'argi le a t dtermine par
deux mthodes : une mthode base sur une schmatisation lmentaire du
mcanisme de formation d'une a r g i l e s u r c o n s o l i d e ,
que l ' o n a p p e l l e r a mthode simplifie de dtermination de
a' ; l a mthode de Schmertmann. L a premire s'appuie sur les
hypothses su i -vantes : l a courbe v i e r g e de l ' a r g i l e
en p lace se confond avec l a d r o i t e q u i porte l a p a r t i
e linaire de l a courbe de compressibilit obte-nue par t i r d'un
essai haute pression ;
1 1 5
-
la pente moyenne de la courbe de dcharge-ment de l'argile en
place et la pente moyenne Cs des courbes de dchargement obtenues
dans l'essai cedomtrique sont gales (hypothse de Rutledge). Dans
ces conditions, a'p est dfini par l'inter-section B du prolongement
de la partie droite de la courbe de compressibilit avec la droite
de la pente Cs mene par le point M de coor-donnes (CT'0, e0), eQ
tant l'indice des vides du sol en place (fig. 7). Dans le cas d'un
sol rema-ni, le point M est compris entre le point A de coordonne
(o'u0, ej, et tant l'indice des vides du sol aprs sa mise en place
dans le moule cedomtrique, et le point D d'abscisse a'vo situ sur
la courbe de compressibilit. E n effet, M se situe au-dessous de A
puisque la dcompres-sion lie au prlvement se traduit par une
expansion du sol, mais il se place au-dessus de D puisque l'indice
des vides e D d'un sol recon-solid aux contraintes en place est
infrieur e0. Dans le cas d'une argile idalement intacte, A et M
sont confondus mais, si le sol est peu remani, M et D peuvent tre
considrs comme confondus. On se place dans cette der-nire hypothse
pour l 'application de la mthode simplifie, ce qui limite son
emploi au cas des argiles relativement intactes.
L a mthode de Schmertmann [1953] est une mthode classique tablie
en vue de la dter-mination de la pression de prconsolidation
d'une argile remanie. Son principe est illustr sur la figure 8.
A partir du point M de coordon-nes (a'vo, eQ), on trace la droite
de pente Cs sur laquelle on place un point B ayant pour abs-cisse
une valeur estime de o'p. On joint ce point au point C d'ordonne
0,42 e0 situ sur la courbe de compressibilit ou sur le
prolonge-ment de sa partie droite. On trace ensuite, en fonction de
lg a'v, les variations de la diffrence Ae des ordonnes de la ligne
M B C et de la courbe cedomtrique. On recommence l'opra-tion en
faisant varier la position du point B jusqu' ce que l'on obtienne
une courbe sensi-blement symtrique par rapport la verticale passant
par son sommet. L a valeur correspon-dante de G'P est alors retenue
comme valeur de la pression de prconsolidation de l'argile.
Sauf lorsque le sol est soumis "un tat de contraintes
inhabituel" ou est conserv "dans des conditions inhabituelles",
Schmertmann prconise d'affecter e0 la valeur et de l'indice des
vides de l'argile aprs sa mise en place dans le moule cedomtrique.
E n pratique, la mthode est peu prs toujours applique en assimilant
e e,-.
0.42 e
A e ( 1
Fig. 7 - Principe de la mthode simplifie de dtermination de
o'.
ig a'v
Fig. 8 - Principe de la mthode de Schmertmann.
T A B L E A U IV
Essais domtriques haute pression Caractristiques des prouvettes
et principaux rsultats d'essais
N essai
Profondeur (m)
Y (kN/m 3)
Yd (kN/m 3)
w (%)
G'vo (kPa)
e 0 (%) cc cs
18 42,90 20,1 15,4 30,5 480 3,6 0,34 0,12 19 42,95 20,2 16 26,2
480 1,2 0,29 0,10 20 43,00 20,2 15,8 27,6 480 1,5 0,31 0,10
116
-
L ' a p p l i c a t i o n des deux mthodes l 'essai 18 est
prsente sur les figures 9 et 10, les rsul-tats obtenus pour les
trois essais tant regrou-ps dans le tableau V . L a mthode
simplifie conduit des valeurs de a'p du mme ordre pour les trois
essais, dont deux (les essais 19 et 20) ont t raliss sur des
prouvettes de bonne qualit et le t r o i -sime (l 'essai 18) sur
une prouvette de qualit passable. L e fait que les essais 18 et 19
condui-sent l a mme va leur de o'p indique que l a mthode est a p p
l i c a b l e a u x prouvettes de qualit passable.
0,42 e :
Fig. 9
3400 kPa
Application de la mthode de Schmertmann dans l'hypothse e D~ e,
(essai 18).
0,42 e o
4000 kPa
li Ae
3400 kPa
Fig. 10 - Application de la mthode de Schmertmann dans
l'hypothse eo~e0 (essai 18).
L a mthode de S c h m er tm an n donne des rsul-tats d u mme
ordre que l a mthode simplifie dans le cas des essais 19 et 20,
mais conduit une va leur de & p beaucoup plus forte (5 000 k P
a a u l i eu de 3 400 k P a ) dans le cas de l 'essai 18. L a
divergence constate dans ce dernier cas sem-ble due l 'ass imi lat
ion de e 0 et alors que l a va leur de e0 est trs proche de l a
valeur eD de e correspondant o'v0 sur l a courbe cedomtri-que.
L'cart entre et et eD (et, par suite, entre et et e 0), suff
isamment faible pour just i f ier l 'ap-p r o x i m a t i o n u s u
e l l e e 0 ~ ei d a n s le cas des essais 19 et 20, ne l'est plus
dans le cas de l'es-sai 18 (tableau V) . E n revanche, s i l 'on
appl i -que l a mthode de Schmertmann cet essai en a d m e t t a n
t e 0 = eD ( f ig . 10), on r e t r o u v e l a v a l e u r a'p = 3
400 k P a dj obtenue p a r l a mthode simplifie.
T A B L E A U V
Valeurs de la pression de prconsolidation dtermines p a r l a
mthode simplifie et p a r l a mthode de Schmertmann
N essai o. o' p (kPa)
N essai Ki eD Mthode simplifie Mthode de S c h m e r t m a n n
*
18 0,88 0,81 3 400 5 000 19 0,72 0,70 3 400 3 600 20 0,76 5 0,74
2 800 2 800
* T e n a n t compte de l 'approx imat ion e0 ~ ei
117
-
I l apparat donc que, s i e l le est applique correctement (et
notamment en tenant compte de v a l e u r s ral istes de eQ), l a
mthode de S c h m e r t m a n n conduit des valeurs de o'p du mme
ordre que l a mthode simplifie. Dans ces conditions, i l est
prfrable d 'uti l iser cette dernire, plus s imple appl iquer et
donnant des rsultats p lus reproductibles (l'apprcia-t ion de l a
symtrie de l a courbe Ae l g fj ' u est toujours assez
subjective).
L a v a l e u r de G' de l ' arg i le tudie, q u i est
approximativement de 3 000 k P a (3 400 k P a > G'P > 2 800 k
P a , G'P = 3 200 k P a , s i l 'on retient les rsultats de l a
mthode simplifie), est comparer l a c ont ra in te ver t i ca le
effective maximale applique l 'argi le au cours de son h is to i re
. L'tude gologique complmentaire a y a n t montr que l 'paisseur m
a x i m a l e de recouvrement de l 'argi le a u n iveau des
prou-vettes tait d 'environ 220 m* , cette contrainte est de l
'ordre de 2 200 k P a (valeur obtenue en tenant compte du fait que
l 'argile et les forma-t ions susjacentes se sont dposes en m i l i
e u m a r i n et en admettant que leur poids v o l u m i -que
apparent moyen tait de 20 k N / m 3 ) , c'est--dire trs
sensiblement infrieure G'P. E l l e est cependant cohrente avec l a
valeur trouve pour G'P, l'cart constat tant imputable a u vie i l l
issement de l 'argi le , c'est--dire aux effets de l a compression
secondaire [Bjerrum, 1973].
de l g G'V) tant reprsentes sur les figures 11 et 12. O n notera
que les rsultats d'essai n'ont pas t corrigs pour tenir compte des
dfor-mations propres de l 'appareil lage et que, de ce fait , les
valeurs de Cc dtermines p a r t i r des courbes de compressibilit
sont sensiblement plus leves que les valeurs relles.
o; (kPa) 10 100 1000 10 000
, I I
Essais vitesse de dformation contrle
Deux essais vitesse de dformation contrle ont t raliss a u m o y
e n de l 'domtre contre-pression L P C [Mieussens et Nardone ,
1985], l ' u n par le L R P C de Rouen (essai R), l 'autre par le L
R P C de Toulouse (essai T). L e premier tait u n essai faible
pression (a' m a x < 1 350 kPa ) tandis que le second mettai t
en j e u des contraintes beaucoup plus leves (CJ' M A X = 7 500
kPa) .
Les caractristiques des prouvettes, les rsul-tats des essais a
ins i que certains paramtres des essais sont donns dans le tableau
V I , les courbes de compressibilit et les courbes de surpression
interst i t ie l le (courbes de var ia t i on de l a surpression
interst i t ie l le A u en fonction
* L e s format ions recouvrant l 'arg i le des F l a n d r e s
ont a t t e i n t l e u r paisseur m a x i m a l e a u Pliocne
suprieur, a lors que l a surface d u sol se s i t u a i t v r a i s
e m b l a b l e m e n t l a cote 175 m N G F (butte tmoin d u Mont
-Casse l ) . L 'arg i l e utilise pour les essais haute pression,
ayant t prleve l a cote - 46 m N G F (- 43 m C M ) , a donc t
recouverte par env i ron 220 m de sol.
Fig. 11 - Courbes caractristiques d'un essai basse pression
ralis vitesse de dformation contrle (essai R )
ai (kPa) 10 000
A u (kPa) 200
- 150
100
- 50
Fig. 12 - Courbes caractristiques d'un essai pression
rela-tivement leve ralis vitesse de dformation contrle
(essai 7").
118
-
T A B L E A U VI
Essais d orn triques vitesse de dformation contrle
Caractristiques des prouvettes, conditions et rsultats d'essai
Caractristiques des prouvettes Condit ions d'essai Rsultats des
essais
E s s a i Profondeur (m)
Y ( k N / m 3 )
Yd ( k N / m 3 )
w (%) (kPa)
Contre-pression (kPa)
Vitesse de dformation
(mm/min) (%) (kPa) cc cs
R 37,78 19,9 15,3 30 418 400 0,5 3,7 0,19
T 35,30 20 15,4 29,9 403 400 1,2 2,2 3 000 0,41 0,14
O n constate que l a valeur Cc = 0,41 obtenue p a r t i r de l
'essai T est suprieure de 20 % celle tire de l 'essai 18,
c'est--dire d'un essai par paliers haute pression, effectu sur une
prouvette ayant des caractristiques pratique-ment identiques celle
utilise dans l 'essai T, mais cet cart est d en grande part ie au
fait que les dformations mesures, dans l 'essai T, intgrent les
dformations propres de l 'appa-reil lage. P a r a i l leurs , l a
valeur Cc - 0,19 dter-mine par t i r de l 'essai R est comparable
aux plus fortes valeurs de Cc obtenues par t i r des essais par
paliers basse pression. L a courbe de surpression interst i t ie l
le de l'es-sai T prsente deux changements de pente. L e premier
apparat dans le domaine des faibles contraintes, le second se
produisant par t i r d u po in t d 'abscisse o' = 3 000 k P a , q u
i est le point de courbure maximale et, de ce fait> cor-respond
l a pression de prconsolidation de l 'argile [Mthode d'essai
domtrique L P C ] .
L a courbe de surpression de l 'essai R prsente galement u n
changement de pente par t i r de e>' = 600 k P a , mais celui-ci
, comme d'ail leurs le premier changement de pente de l a courbe de
surpress ion de l 'essai T, est sans rapport avec l a valeur de
e>'p. I l correspond au stade de l ' e s s a i o c e l u i - c i
cesse d'tre drain et l a contrainte pour laquelle i l apparat
dpend, de ce fait , de l a vitesse de dformation adopte. L 'essai
vitesse de dformation contrle ne comporte pas h a b i t u e l l e m
e n t de phase de dchargement. D a n s le cas d'une prouvette p e u
remanie , i l est cependant poss ib le de dterminer Cs p a r t i r
de l a v a l e u r de a'p dtermine part i r de l a courbe de
surpres-sion interst i t ie l le . O n procde comme indiqu sur l a
figure 13. L a va leur de Cs est l a pente de l a droite jo ignant
le point B d'abscisse o'p situ sur l a droite portant l a part ie
linaire de l a courbe de compressibilit et le point situ sur ce t t
e c o u r b e et a y a n t p o u r a b s c i s s e a'v0. L ' a p p
l i c a t i o n de cette mthode l ' e s s a i T conduit l a va leur
Cs = 0,14 comparable l a valeur Cs = 0,12 obtenue pour l 'essai 18
(les dformations mesures dans cet essai n 'ayant pas t corriges,
l'cart rel est, en fait , b ien infrieur).
Fig. 13 - Dtermination de l'indice de gonflement C s partir d'un
essai domtrique dformation contrle.
L'exemple de l 'essai T, qui a permis d'obtenir des valeurs des
paramtres de compressibilit de l 'argi le des F l a n d r e s du
mme ordre que ce l les dtermines p a r t i r d ' u n e s s a i p a
r p a l i e r s h a u t e p r e s s i o n effectu s u r u n e
prouvette de caractristiques analogues, mon-tre que l 'essai
vitesse de dformation contr-le est bien adapt l'tude de l a
compressi-bilit des argiles raides l a condition expresse q u ' i l
mette en j e u des contraintes suf f i sam-ment leves. Ce type
d'essai doit, en outre, tre ral is s u r des prouvettes s u f f i s
a m -ment peu remanies pour que le point de cour-bure m a x i m a l
e de l a courbe de s u r p r e s s i o n interst i t i e l l e soit
identi f iable sans ambigut
1 1 9
-
(suivant les critres de Berre , l'prouvette de l 'essai T se s
itue dans l a catgorie passable, m a i s l a v a l e u r e0 = 2,2 %
q u i l a caractrise n'est pas trs loigne de l a va leur eQ = 2 %
qu i m a r q u e l a l i m i t e des catgories "bonne" et
"passable").
Conclusions
L'tude exprimentale de l a compressibilit de l 'argile des F
landres a u port de Dunkerque a permis de dgager u n certain nombre
de rsul-tats relati fs l a ralisation d'essais domtri-ques sur les
argiles raides : les essais basse pression (par pal iers ou vitesse
de dformation contrle) sont totale-ment inadapts et doivent tre
remplacs par des essais haute pression ; une procdure d'essai par
pal iers haute pression a t propose et une mthode de dter-m i n a t
i o n de l a press ion de prconsolidation,
base sur une schmatisation lmentaire du mcanisme de formation
d'une argile surconso-lide (mthode simplifie) a t exprimente. Cette
mthode semble donner de bons rsul-tats dans le cas de sols assez
peu remanis (eQ < 4 %) ; l 'essai vitesse de dformation contrle
semble tre b ien adapt l'tude de l a com-pressibilit des arg i l es
r a i d e s , sous rserve q u ' i l mette en j e u des contra intes
su f f i sam-ment leves et intresse des prouvettes r e l a -t
ivement intactes. D 'autre part , les essais cedomtriques haute
pression, effectus sur des prouvettes prle-ves entre 35 et 45 m de
profondeur, ont per-mis d'tablir que l 'argile des F landres est
pr-consolide sous environ 3 000 k P a et que ses indices de
compression et de gonflement ont respectivement pour valeurs
moyennes : Cc = 0,31 et Cs = 0,11, faisant a ins i apparatre que
cette arg i l e est sens ib l ement mo ins compress ib le que ne l
' indiquent les essais basse pression.
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Les auteurs remercient Mme F. Gestin, Technicienne suprieure au
LRPC de Rouen et M.-A. Nardone, Technicien suprieur au LRPC de
Toulouse, qui ont ralis les essais vitesse de dformation contrle,
pour les intressantes discussions qu'ils ont eues avec eux propos
de l'interprtation de ces essais.
120