dÉtermination du module rÉversible des matÉriaux
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FERDINAND CIZA
DÉTERMINATION DU MODULE RÉVERSIBLE DES
MATÉRIAUX GRANULAIRES À L’AIDE DE L’ESSAI
PRESSIOMÉTRIQUE
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval
dans le cadre du programme de maîtrise en génie civil
pour l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
DÉPARTEMENT DE GÉNIE CIVIL
FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
2011
© FERDINAND CIZA, 2011
UNIVERSITÉ LAVAL
DÉPARTEMENT DE GÉNIE CIVIL, OPTION GÉOTECHNIQUE
Ce mémoire intitulé:
DÉTERMINATION DU MODULE RÉVERSIBLE DES MATÉRIAUX GRANULAIRES
À L’AIDE DE L’ESSAI PRESSIOMÉTRIQUE
présenté par: CIZA, Ferdinand
en vue de l’obtention du diplôme de: Maîtrise ès Sciences (M.Sc.)
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de:
M. FORIERO, Adolfo, Ph.D., membre et directeur de recherche
M. LADANYI, Branko, Ing. (Zagreb), D. Sc. (Louvain), membre et professeur émérite à
l’Université de Montréal
M. SILVESTRI, vincenzo, Ph.D (Mc Gill), membre et pofesseur titulaire à l’École
Polytechnique de Montréal
Dédicace
À mes chers parents, qui m’ont fourni l’énergie nécessaire pour aller jusqu’au bout…
Aux membres de ma famille : Rosemarie Ngenda, Fatima Chiza, Armel Chiza, Albert Chiza
et Sabrina Haince, pour leur encouragement et leur support!
i
REMERCIEMENTS
Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse ont été réalisés dans le cadre du projet de
recherche GE-004-09, au Complexe scientifique du ministère des Transports du Québec,
direction du laboratoire des chaussées. Ils ont été rendus possibles grâce à l’Université
Laval, à l’École Polytechnique de Montréal, au ministère des Transports du Québec et au
MITACS qui ont apporté le soutien technique et surtout financier.
Mes premiers remerciements vont à Monsieur Adolfo Foriero, ing., Ph.D., professeur et
mon directeur de mémoire, qui m’a accompagné tout au long de ma formation. Sa
disponibilité et son soutien au cours de certains de mes moments difficiles ont été d’une
grande qualité et d’un immense réconfort. Merci infiniment Monsieur Adolfo Foriero.
Je remercie aussi Monsieur Silvestri Vicenzo, ing., Ph.D. (McGill), actuellement professeur
titulaire à l’École polytechnique de Montréal, pour ses conseils lors de l’acquisition du
pressiomètre.
J’exprime toute ma gratitude à Madame Allison Howe, coordonnatrice administrative des
stages au Québec, et à Monsieur Denis St-Laurent, ingénieur du service des chaussées, pour
avoir fait un suivi sur toutes les facturations reliées à ce travail de recherche.
Je tiens aussi à dire un grand merci à Monsieur Félix Doucet, ingénieur du service des
matériaux d’infrastructure, pour sa bonne humeur et sa disponibilité tout au long de ce
travail.
Mes remerciements vont également à tous les membres du personnel du service des
matériaux de chaussée pour leur accueil et / ou leur collaboration.
ii
Un merci particulier à Madame Anne Laverdière et à Monsieur Bruno Auger du service des
matériaux d’infrastructure, qui m’ont apporté tout le soutien technique nécessaire à la
réalisation des essais.
Je ne saurais oublier de remercier toutes les personnes qui me sont chères pour l’aide, la
confiance et le soutien dont elles ont fait preuve tout au long de ces deux années.
Cet ouvrage a été rendu possible grâce à Monsieur Jean-Christophe Vuillemard, professeur,
département Sciences des aliments et nutrition, et à Monsieur Guy Doré, ing., PhD,
professeur titulaire de la chaire industrielle du CRSNG i3C, département de génie civil, à
l’Université Laval. Ils m’ont donné un encadrement scientifique et leur contribution m’a été
d’une aide précieuse.
Je remercie sincèrement les membres du jury qui ont procédé à l’évaluation et à
l’acceptation de mon mémoire ; leurs observations m’ont aidé à améliorer la qualité de
mon travail.
Enfin, j’exprime ma dernière pensée aux professeurs et étudiants de l’Université Laval pour
leur encouragement et leur support.
iii
RÉSUMÉ
L’une des raisons de la dégradation prématurée des routes en Amérique du Nord serait les
propriétés mécaniques inadéquates des matériaux. Devant le peu d’informations sur le
comportement anisotrope des matériaux granulaires dans la littérature, le service des
matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec a accepté de soutenir le
projet (GE-004-09) qui porte sur la détermination du module réversible des matériaux
granulaires utilisés pour construire les fondations des routes.
Les études montrent que le module réversible (MR) des sols de chaussée est un paramètre
essentiel pour le dimensionnement et l’analyse des chaussées revêtues d’enrobé. Selon la
méthode de conception (AASHTO, 2002), les différentes couches de la structure de la
chaussée sont choisies et dimensionnées de façon à ce que la couche d’infrastructure reste
dans la limite des tolérances des déformations élastiques.
Afin de déterminer le MR, des essais triaxiaux et pressiométriques ont été effectués dans les
installations du ministère des Transports du Québec. Les essais pressiométriques ont été
réalisés dans un moule compacteur, conçu spécialement pour effectuer les essais verticaux
et horizontaux. Les résultats obtenus des essais pressiométriques diffèrent de ceux des
essais triaxiaux (13 kg de matériau granulaire). Des valeurs obtenues à partir de l’essai
pressiométrique sur un matériau représentatif de chaussée (72 kg) démontrent qu’il y a une
évidence d’anisotropie stucturale dans la fondation et la sous-fondation. Il ressort que le
rapport d’anisotropie (Er/Ez ) est à peu près égal à 15 %, ce qui concorde avec celui de
Tutumluer et al., (2003).
Finalement, l’essai pressiométrique est très prometteur car il permet non seulement la
détermination de l’anisotropie, mais il permet à l’ingénieur de développer une confiance
dans les résultats à cause de la forme de la courbe pression-volume.
iv
ABSTRAT
One reason for the premature deterioration of roads in North America is inadequate
mechanical properties of materials. Given the limited information on the anisotropic
behavior of granular materials in the literature, the « Service des matériaux d’infrastructure
du ministère des Transports du Québec » agreed to support the project (GE-004-09) which
relates to the determination of resilient modulus of granular materials used to build the
foundations of roads.
Studies show that the resilient modulus of pavement soils is a key parameter for the design
and analysis of paved asphalt roads. According to the design method (AASHTO, 2002), the
different layers of the pavement structure are dimensioned so that the infrastructure layer
remains within tolerated limits of elastic deformations.
In order to determine the resilient modulus, triaxial and pressuremeter tests were performed
in the facilities of the « Ministère des transports du Québec ». Pressuremeter tests were
carried out in a mold compactor, designed specifically for vertical and horizontal testing.
The results of pressuremeter tests differ from those (13 kg of granular material) of the
triaxial tests. Values obtained from the pressuremeter tests on representative road material
(72 kg), demonstrate the existence of structural anisotropy in the foundation and subgrade
sections. It appears that the anisotropic ratio (Er/Ez) is roughly equal to 15%, which is
consistent with results obtained by Tutumluer et al., (2003).
Finally the pressuremeter test is very promising because, not only does it allows for the
determination of anisotropy, but also allows the engineer to develop confidence in the
results due to the shape of the pressure-volume curve.
v
Table des matières
REMERCIEMENTS ................................................................................................................ i RÉSUMÉ .............................................................................................................................. iii ABSTRAT ............................................................................................................................. iv 1 INTRODUCTION .......................................................................................................... 1
1.1 Mise en contexte ..................................................................................................... 1 1.2 Problématique et objectifs ...................................................................................... 2 1.3 Méthodologie .......................................................................................................... 4
2 ÉTAT DES CONNAISSANCES.................................................................................... 5 2.1 Généralités .............................................................................................................. 5
2.2 Éléments constitutifs de la chaussée ....................................................................... 6 2.3 Anisotropie des matériaux routiers et leurs origines ............................................. 7
2.4 Comportement des matériaux granulaires .............................................................. 8 2.5 Comportement anisotrope des matériaux routiers .................................................. 8 2.6 Caractérisation du sol d’infrastructure .................................................................... 9
2.7 Définition du module réversible ........................................................................... 10
2.8 Facteurs influençant le module réversible ............................................................ 11 2.8.1 Effet de la contrainte ......................................................................................... 11 2.8.2 Effet de la densité ............................................................................................. 13
2.8.3 Effet de la granulométrie .................................................................................. 14 2.8.4 Effet de la teneur en eau ................................................................................... 15
2.9 Façons d’évaluer le module réversible ................................................................. 17 2.10 Origine et développement de l’essai pressiométrique .......................................... 18
3 PROGRAMME EXPÉRIMENTAL ............................................................................. 22
3.1 Origines et sources des matériaux ........................................................................ 22 3.2 Description des essais triaxiaux et paramètres visés ............................................ 25
3.3 Préparation de l’échantillon .................................................................................. 29 3.4 Compactage de l’échantillon ................................................................................ 29
3.5 Démoulage de l’échantillon .................................................................................. 29 3.6 Mesurage de l’échantillon ..................................................................................... 30 3.7 Installation des capteurs de déplacement .............................................................. 30 3.8 Installation de la chambre de confinement ........................................................... 31 3.9 Caractéristiques de l’échantillon ........................................................................... 31
3.10 Mode opératoire de l’essai triaxial ........................................................................ 32 3.10.1 Conditionnement de l’échantillon ................................................................. 32 3.10.2 Caractérisation du module réversible ........................................................... 33 3.10.3 Caractérisation à la teneur en eau initiale ..................................................... 33 3.10.4 Caractérisation à la teneur en eau saturée ..................................................... 33 3.10.5 Caractérisation à la teneur en eau drainée .................................................... 34
3.10.6 Démontage de l’échantillon .......................................................................... 35
vi
3.11 Calcul et expression des résultats ......................................................................... 35 3.11.1 Détermination du MR et du Vr ....................................................................... 35
3.12 Modélisation non linéaire de MR et Vr .................................................................. 37 3.13 Rapport d’essai triaxial ......................................................................................... 39 3.14 Description des essais pressiométriques et paramètres visés ................................ 45 3.15 Utilisation du moule fabriqué à l’Université Laval .............................................. 48
3.15.1 Phase A : Compaction et prise de mesure pour l’essai radial ....................... 49
3.15.2 Phase B : Compaction et prise de mesure pour l’essai axial ........................ 52 3.16 Préparation de l’échantillon pour le compactage .................................................. 53 3.17 Compactage .......................................................................................................... 57 3.18 Opérations de remplissage initial du pressiomètre .............................................. 58 3.19 Opérations d’étalonnage ....................................................................................... 61
3.20 Réalisation des essais pressiométriques ................................................................ 65 3.21 Caractéristiques de l’échantillon ........................................................................... 68 3.22 Démoulage de l’échantillon .................................................................................. 68
3.23 Calcul des résultats ............................................................................................... 68
4 ANALYSE ET INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS ........................................... 69 4.1 Validation des résultats avec la variation du coefficient de Poisson .................... 89
5 DISCUSSION, CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS ................................. 101 BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................. 103 ANNEXES .......................................................................................................................... 106
ANNEXE 1 : Préparation de l’échantillon (MG-20-001-10) ............................................. 107 ANNEXE 2: Caractéristiques de l’échantillon (MG-20-001-10) ....................................... 108
ANNEXE 3 : Préparation de l’échantillon (MG-112-002-10) ........................................... 109 ANNEXE 4 : Caractéristiques de l’échantillon (MG-112-002-10) .................................... 110
ANNEXE 5 : Préparation de l’échantillon (MG-20-003-10) ............................................. 111 ANNEXE 6 : Caractéristiques de l’échantillon (MG-20-003-10) ...................................... 112
ANNEXE 7 : Préparation de l’échantillon (MG-20-004-10) ............................................. 113 ANNEXE 8 : Caractéristiques de l’échantillon (MG-20-004-10) ...................................... 114 ANNEXE 9 : Préparation de l’échantillon (MG-20-005-10) ............................................. 115
ANNEXE 10 : Caractéristiques de l’échantillon (MG-20-005-10) .................................... 116 ANNEXE 11 : Préparation de l’échantillon (MG-20-006-10) ........................................... 117
ANNEXE 12 : Préparation de l’échantillon (MG-20-006-10) ........................................... 118 ANNEXE 13 : Compaction essai vertical (vue générale) ................................................... 119 ANNEXE 14 : Compaction essai vertical (vue en coupe) .................................................. 119 ANNEXE 15 : Mesure avec couvercle (vue générale) ....................................................... 120 ANNEXE 16 : Mesure avec couvercle (vue en coupe) ...................................................... 120 ANNEXE 17 : Mesure avec rallonge (vue générale) ......................................................... 121 ANNEXE 18 : Mesure avec rallonge essai vertical (vue en coupe) ................................... 121
ANNEXE 19 : Compaction essai horizontal (vue générale) .............................................. 122 ANNEXE 20: Compaction essai horizontal (vue en coupe) ............................................... 122 ANNEXE 21 : Mesure avec couvercle (vue générale) ....................................................... 123 ANNEXE 22 : Mesure avec couvercle (vue en coupe) ...................................................... 123 ANNEXE 23 : Mesure avec rallonge (vue générale) ......................................................... 124
ANNEXE 24 : Mesure avec rallonge (vue en coupe) ......................................................... 124 ANNEXE 25 : Plaque de base ............................................................................................ 125
ANNEXE 26 : Bouchon A .................................................................................................. 125
vii
ANNEXE 27 : Bouchon de côté pour essai vertical B ....................................................... 125 ANNEXE 28 : Chambre de compaction ............................................................................. 126
ANNEXE 29 : Tube vertical ............................................................................................... 126 ANNEXE 30 : Guide du tube ............................................................................................. 127
ANNEXE 31: Capuchon de blocage ................................................................................... 127 ANNEXE 32 : Chasse-tube ................................................................................................ 127 ANNEXE 33 : Couvercle d’essai ....................................................................................... 128
ANNEXE 34 : Rallonge de chambre .................................................................................. 128 ANNEXE 35 : Disque de répartition troué ......................................................................... 128 ANNEXE 36 : Bouchon C .................................................................................................. 129 ANNEXE 37 : Bouchon de côté pour essai horizontal D ................................................... 129 ANNEXE 38 : Tube horizontal .......................................................................................... 129
ANNEXE 39 : Bouchon du couvercle E ............................................................................ 129 ANNEXE 40 : Disque de répartition non troué .................................................................. 130 ANNEXE 41 : Éléments de fixation ................................................................................... 130
viii
Liste des tableaux
Tableau 1: Origine et source des échantillons ...................................................................... 23 Tableau 2: Densité et absorption (%) ................................................................................... 24 Tableau 3: Granulométrie, % passant ................................................................................... 24 Tableau 4: Courbes granulométriques .................................................................................. 25
Tableau 5: Résultat de l’essai triaxial # MG-001-10 ............................................................ 39 Tableau 6: Résultat de l’essai triaxial # MG-002-10 ............................................................ 40 Tableau 7: Résultat de l’essai triaxial # MG-003-10 ............................................................ 41 Tableau 8: Résultat de l’essai triaxial # MG-004-10 ............................................................ 42
Tableau 9: Résultat de l’essai triaxial # MG-005-10 ............................................................ 43 Tableau 10: Résultat de l’essai triaxial # MG-008-10 .......................................................... 44 Tableau 11: Préparation de l’échantillon .............................................................................. 54
Tableau 12: Caractéristiques de l’échantillon ....................................................................... 55 Tableau 13 : Perte de volume ............................................................................................... 62
Tableau 14: Résistance de la membrane ............................................................................... 64 Tableau 15: Présentation des résultats .................................................................................. 88
Tableau 16: Validation des résultats (MG 112-00-10) ......................................................... 89 Tableau 17 : Validation des résultats (MG-003-10) ............................................................. 90 Tableau 18: Validation des résultats (MG-004-10) .............................................................. 91
Tableau 19: validation des résultats (MG-005-10) ............................................................... 92
Tableau 20 : validation des résultats (MG-005-10) .............................................................. 93 Tableau 21: Valeurs typiques d’un sable isotrope ................................................................ 94 Tableau 22: MG-001-10(MR versus Ez) ............................................................................... 95
Tableau 23: MG 112-002-10) (MR versus Ez) ...................................................................... 96 Tableau 24: MG 20-003-10) (MR versus Ez) ........................................................................ 97
Tableau 25: MG 20-004-10) (MR versus Ez) ........................................................................ 98 Tableau 26: MG 20-005-10) (MR versus Ez) ........................................................................ 99 Tableau 27 : MG 20-005-10) (MR versus Ez) ..................................................................... 100
ix
Liste des figures
Figure 1: Matériau granulaire de diamètre maximum 20 mm (Source : MTQ) ..................... 1 Figure 2: Dimensionnement d’une chaussée .......................................................................... 3 Figure 3: Éléments constitutifs de la chaussée (Source : MTQ) ............................................. 6
Figure 4 : a) Efforts de compaction et b) Charges de trafic (Source : MTQ) ......................... 7 Figure 5: Conditions axisymétriques de l’anisotropie ............................................................ 9 Figure 6: Définition du module réversible ............................................................................ 11 Figure 7: Contraintes appliquées à l’échantillon (tiré de Robert et al., 2002) ...................... 12
Figure 8 : Contraintes au passage d’une roue (tiré de Lekarp et coll., 2000) ....................... 13 Figure 9: Influence de la densité sèche sur le MR (d’après Li et Selig, 1994) ...................... 14 Figure 10: Valeurs de MR vs agrégats à différentes gradations (Tian et coll., 1998) ........... 15
Figure 11: Variation du MR vs teneur en eau (tiré de Khoury, 2004) ................................... 16 Figure 12: MR vs degré de saturation (tiré de Wolfe et Butalia, 2004) ................................ 17
Figure 13: Principe de l’essai pressiométrique (Phuong Thao Nguyen Pham, 2008) .......... 20 Figure 14 (a) et (b) : Correction de la membrane et du volume (Phuong, 2008) ................. 20
Figure 15: Courbe pressiométrique corrigée (Phuong Thao Nguyen Pham, 2008) .............. 21 Figure 16: Équipements utilisés pour la détermination du comportement mécanique des
matériaux granulaires .................................................................................................... 26
Figure 17: Contrainte déviatorique (Source : Huang, 1993) ................................................ 27
Figure 18: Installation des capteurs de déplacement et du capteur de succion matricielle
(Source : Félix Doucet, 2007) ....................................................................................... 28 Figure 19: Charge déviatorique répétée appliquée et ........................................................... 36
Figure 20: Module réversible en fonction de la contrainte totale ......................................... 38 Figure 21: Pressiomètre (Ménard) ........................................................................................ 45
Figure 22: Sonde introduite dans le forage préalable (déformations axiales) ...................... 46 Figure 23: Sonde introduite dans le forage préalable (déformations radiales) ..................... 47 Figure 24: Moule fabriqué à l’Université Laval ................................................................... 48
Figure 25 : Chambre de compaction ..................................................................................... 49 Figure 26: Surface égalisée du matériau compacté .............................................................. 51
Figure 27: Matériau humidifié .............................................................................................. 56 Figure 28 : Compaction pour l’essai vertical (déformations radiales) ................................. 57
Figure 29 : Remplissage initial du pressiomètre (Ménard) ................................................... 60 Figure 30 : Déroulement de l’essai pressiométrique ............................................................ 65 Figure 31 : Caractéristiques du sol ....................................................................................... 66 Figure 32 : Courbe corrigée .................................................................................................. 67 Figure 33: Résultats de l’essai radial #1 ............................................................................... 69
Figure 34: Courbe corrigée de l’essai radial # 1 ................................................................... 70 Figure 35: Résultats de l’essai horizontal #1(déformations axiales) .................................... 72 Figure 36: Module réversible axial #1 .................................................................................. 73 Figure 37: Résultats de l’essai radial # 2 .............................................................................. 74 Figure 38: Courbe corrigée de l’essai radial # 2 ................................................................... 75 Figure 39: Résultats de l’essai axial # 2 ............................................................................... 76
Figure 40: Courbe corrigée de l’essai axial # 2 .................................................................... 77
x
Figure 41: Résultats de l’essai radial # 3 .............................................................................. 78 Figure 42: Courbe corrigée de l’essai radial # 3 ................................................................... 79
Figure 43: Résultats de l’essai axial # 3 ............................................................................... 80 Figure 44: Courbe corrigée de l’essai axial # 3 .................................................................... 81 Figure 45: Résultats de l’essai radial # 4 .............................................................................. 82 Figure 46: Courbe corrigée de l’essai radial # 4 ................................................................... 83 Figure 47: Résultats de l’essai axial # 4 ............................................................................... 84
Figure 48: Courbe corrigée de l’essai axial # 4 .................................................................... 85 Figure 49: Courbe corrigée de l’essai axial # 5 .................................................................... 86 Figure 50: Courbe corrigée de l’essai axial # 8 .................................................................... 87
1
1 INTRODUCTION
1.1 Mise en contexte
Étant donné le peu d’informations dans la littérature sur le comportement anisotrope des
matériaux granulaires non liés, le service des matériaux d’infrastructure du ministère des
Transports du Québec (MTQ) a accepté de soutenir le présent projet qui porte sur la
détermination du module réversible des matériaux granulaires d’un diamètre maximum de
20 mm (MG-20) (figure 1), utilisés pour construire les fondations des routes.
Figure 1: Matériau granulaire de diamètre maximum 20 mm (Source : MTQ)
En effet, le module réversible (MR) est largement accepté comme paramètre isotrope et
comme la meilleure mesure des propriétés mécaniques des sols et des matériaux routiers.
L’évaluation du MR au MTQ se réalise dans une cellule triaxiale à chargement cyclique.
Cette méthode d’essai permet, en laboratoire, de représenter très fidèlement l’état de
contrainte et les conditions de sollicitation des matériaux routiers, mais l’essai dure
longtemps (3 à 5 jours) et l’équipement est coûteux (plus ou moins 150 000 $).
2
En considérant la complexité de l’essai triaxial et le coût des équipements requis pour
déterminer le MR de façon fiable, le projet de recherche proposé repose sur l’utilisation de
l’essai pressiométrique à cause de ses avantages variés. Son équipement coûte à peu près
quarante mille dollars, facile à transporter et l’essai est rapide (6 ou 7 minutes). La qualité
de l’essai est évaluée à partir de la courbe pression-volume. Par conséquent, l’ingénieur
peut se fier aux résultats. Les modules mesurés à partir de l’essai peuvent être considérés
comme les paramètres de base du sol de chaussée puisque, à travers l’utilisation de la
théorie élastique multicouche par exemple, ils sont bien adaptés à l’étude de la performance
de la chaussée. Cependant, nous devons tenir compte du fait que chaque couche est
isotrope. L’essai peut s’effectuer avant, pendant ou après la construction de la chaussée.
C’est pourquoi il peut être utilisé pour l’évaluation des chaussées existantes aussi bien que
pour la conception des nouvelles chaussées.
Bref, l’essai est économique et peut être réalisé dans tous les types de sols à condition de
bien choisir la technique de mise en place de la sonde.
1.2 Problématique et objectifs
L’une des raisons de la détérioration prématurée des routes en Amérique du Nord, ce sont
les propriétés inadéquates des matériaux. Pour simplifier la conception, les chaussées sont
dimensionnées avec l’hypothèse que les matériaux sont homogènes et isotropes alors que
dans la réalité ils ne le sont pas. Selon Tutumluer et al. (2003), les couches des chaussées
ont une rigidité verticale supérieure à la rigidité horizontale (Eh = 15%Ev). Les
conséquences du dimensionnement basé sur les modèles de comportement isotrope sont les
déformations à la surface de la fondation et de la sous-fondation.
En effet, selon Seyhan et al. (2005), les déformations calculées avec des modèles
anisotropes sont supérieures à celles calculées avec des modèles isotropes.
3
Donc, l’hypothèse des matériaux granulaires isotropes conduit à sous-dimensionner les
chaussées flexibles et à surévaluer le nombre d’applications de charge que la chaussée peut
supporter (voir figure 2).
Figure 2: Dimensionnement d’une chaussée
Généralement, la cause la plus cruciale est l’absence dans la littérature d’une étude
approfondie sur le comportement anisotrope des matériaux granulaires d’un diamètre
maximum de 20 mm (MG-20), très utilisés pour construire les fondations des routes.
L’objectif principal de la recherche est de déterminer le rapport d’anisotropie dans la
fondation et la sous-fondation plutôt que dans le sol d’infrastructure.
Les objectifs spécifiques de l’étude sont :
Utiliser les équipements usuels des essais pressiométriques verticaux et
horizontaux afin de déterminer le module réversible anisotrope des matériaux
granulaires de type MG-20.
Procéder à la vérification du rapport d’anisotropie (Er/Ez).
4
Interpréter les résultats.
1.3 Méthodologie
La réalisation de ce projet comporte cinq chapitres.
Le premier chapitre ou l’introduction, permet d’apprécier le contexte, la pertinence et
l’importance de la recherche envisagée au ministère des Transports du Québec. Il s’agit de
la détermination du module réversible anisotrope des matériaux granulaires, utilisés pour
construire les fondations et les sous-fondations des routes. En effet, les études montrent que
le module réversible des sols de chaussées est un paramètre essentiel pour le
dimensionnement et l’analyse des chaussées revêtues d’enrobé. L’introduction comporte
ainsi la description des objectifs à atteindre, des équipements et de la méthodologie utilisés
pour l’évaluation structurale des chaussées.
Le chapitre 2 présente une synthèse de l’information pertinente sur le comportement
anisotrope des matériaux granulaires et les différents paramètres de conception, plus
particulièrement sur le module élastique réversible. Une brève description des principes des
essais effectués lors de l’étude y est également faite. Cette évaluation de l’état des
connaissances a été orientée sur l’anisotropie structurale, due à l’orientation préférentielle
des particules pendant le déversement des matériaux et aux efforts de compaction.
Le chapitre 3 définit le programme expérimental du projet. Il présente une identification de
six sites couvrant une gamme de sols de chaussées, utilisés pour construire la fondation
et/ou la sous-fondation. On y trouve les paramètres visés, le type d’instrumentation utilisée
ainsi que la description des essais réalisés. Au MTQ, un rapport d’essai triaxial a été
produit pour chacune des teneurs en eau, ce qui nous a servi de référence pour la
préparation de l’essai pressiométrique.
5
Le chapitre 4 présente l’analyse détaillée ainsi que de l’interprétation des résultats portant
sur l’évaluation de l’anisotropie structurale. La validation a été faite en utilisant les bases de
données provenant de la littérature.
Le dernier chapitre présente une brève discussion sur les essais triaxiaux et
préssiométriques dans la détermination du module réversible, la conclusion et les
recommandations.
2 ÉTAT DES CONNAISSANCES
2.1 Généralités
Les routes sont des axes de communication nécessaires au développement économique et
social d’une région et de sa population. Elles permettent le transport des marchandises et le
déplacement des personnes, assurent l’occupation du territoire ainsi que l’exploitation des
ressources. Le dimensionnement d’un tel ouvrage consiste à déterminer la nature et
l’épaisseur des couches qui le constituent afin qu’il puisse résister aux agressions variables
et complexes auxquelles il sera soumis tout au long de sa vie utile, le climat et le trafic étant
les plus importantes. Plus spécifiquement, au Québec, les variations climatiques
importantes, comme les hivers rigoureux, les étés chauds, une grande quantité de
précipitations, entraînent des détériorations diverses, notamment la fissuration thermique,
le soulèvement différentiel en période de gel, l’orniérage et la diminution de la capacité
structurale en période de dégel, ce qui accélère l’évolution de la fissuration de fatigue.
La sous-fondation assure la distribution des charges sur le sol support de façon à maintenir
les déformations à ce niveau dans les limites admissibles. Elle empêche aussi la
contamination des couches supérieures et assure le drainage de la fondation. La sous-
fondation protège également la structure des effets de l’eau et du gel.
6
2.2 Éléments constitutifs de la chaussée
Une chaussée est en général constituée, de haut en bas, d’une couche de revêtement, d’une
couche de fondation, d’une couche de sous-fondation et d’une couche de sol
d’infrastructure compacté (figure 2). Les couches de fondation et de sous-fondation sont
utilisées sous une chaussée souple principalement pour augmenter la capacité portante de la
chaussée et permettre ainsi une meilleure distribution des charges. Dans les régions froides
et humides, comme dans la province de Québec, les couches de fondation et de sous-
fondation peuvent aussi procurer un drainage et offrir une protection supplémentaire contre
le gel. Retenons que la chaussée est un système multicouche où chacun des éléments joue
un rôle important. C’est une structure en apparence simple, mais un ouvrage linéaire de
grande envergure. Il s’agit d’une interaction très complexe avec son environnement et plus
spécifiquement avec le trafic et le climat.
Figure 3: Éléments constitutifs de la chaussée (Source : MTQ)
7
En conclusion, les méthodes modernes de dimensionnement des chaussées exigent une
bonne connaissance des propriétés mécaniques des matériaux et une étude approfondie du
comportement de ces matériaux.
2.3 Anisotropie des matériaux routiers et leurs origines
Nous distinguons deux types d’anisotropie des sols (figure 4): l’anisotropie structurale ou
inhérente de la fondation et de la sous-fondation, due à l’orientation préférentielle des
particules pendant le déversement et aux efforts de compaction; et l’anisotropie induite
produite, due aux charges de trafic et/ou cycles de gel et dégel, la durée de vie de la route.
Figure 4 : a) Efforts de compaction et b) Charges de trafic (Source : MTQ)
Dans le cas des matériaux granulaires non liés, l’anisotropie inhérente ou de structure est
due à la fois aux effets de la gravité et aux efforts de compactage. En compactant les
matériaux, nous obtenons un confinement vertical différent du confinement horizontal.
L’anisotropie induite est due aux charges de trafic et éventuellement aux effets des cycles
de gel et dégel.
8
2.4 Comportement des matériaux granulaires
Les matériaux granulaires non liés démontrent un comportement élasto-plastique
relativement complexe lorsqu’ils sont soumis à des cycles de charge répétés, tels que la
circulation et le trafic (Lekarp et al, 2000).
L’ampleur de la déformation élastique dépend de la rigidité élastique, tandis que la
proportion de déformation permanente est directement reliée à la différence entre la
contrainte appliquée et la contrainte de rupture qui a la propriété de croître après plusieurs
cycles d’application de charges (Lambert et al., 2006). En d’autres mots, la rigidité d’un
matériau détermine sa capacité à répartir les charges.
2.5 Comportement anisotrope des matériaux routiers
Les couches de chaussée en matériaux granulaires non liés ont une isotropie transversale.
Pour décrire complètement le comportement d’un matériau anisotrope, nous avons besoin
de 21 constantes élastiques (Love, 1927). Pour l’anisotropie transversale, nous n’avons
besoin que de 5 constantes qui sont Ez, Ex, vxx, vzx et vzz. La première lettre dans les
indices doubles désigne la direction de chargement tandis que la seconde lettre désigne la
direction de mesure.
En laboratoire, nous pouvons déterminer les 5 paramètres élastiques à partir des essais
conventionnels. Graham et Houlsby (1983) ont suggéré cette méthode dans la résolution
des problèmes sur l’anisotropie structurale prépondérante, qui est de nature transversale.
Les conditions axisymétriques (figure 5) de l’anisotropie sont représentées par les équations
d’élasticité suivantes :
(équation 1)
1 2
(1 )
rz
z zZ r
r zr rr r
z r
E E
E E
9
Par superposition:
(vrz
/vzr
) = (Er/E
z) (équation 2)
Figure 5: Conditions axisymétriques de l’anisotropie
2.6 Caractérisation du sol d’infrastructure
La connaissance du module réversible est importante pour calculer les contraintes, les
déformations ou les déflexions dans chacune des couches de la chaussée. En effet, le Guide
de conception de l’AASHTO (1993) suggère l’utilisation du module réversible
d’infrastructure (MR) pour la conception des structures des chaussées.
Étant une mesure des propriétés élastiques, le MR peut être déterminé directement par des
essais en laboratoire. Donc, la caractérisation du sol d’infrastructure est importante pour les
étapes de dimensionnement des chaussées.
10
2.7 Définition du module réversible
Dans l’analyse de conception des chaussées, le MR est un paramètre essentiel au
dimensionnement. C’est ainsi que le module de chaque couche associé à son épaisseur
permet de définir une structure multicouche pour laquelle il est possible de modéliser le
comportement contrainte-déformation sous charge. Le MR est le rapport entre la contrainte
déviatorique ζd appliquée et la déformation élastique réversible ou récupérable εr,
1 3( )dR
r r
M
= 2G (1+v) où (équation 3)
G = module de cisaillement,
v = coefficient de Poisson,
ζd = contrainte déviatorique (ζ1- ζ3),
ζ1 = contrainte majeure principale,
ζ3 = contrainte mineure principale, et
εr = déformation élastique réversible ou récupérable.
Ce comportement est montré à la figure 6 et indique que dans la plupart des cas les
matériaux granulaires des chaussées ne sont pas purement élastiques et exposent un
comportement élastoplastique. Cela signifie qu’ils sont en partie élastiques sous une charge
statique mais éprouvent une certaine déformation permanente ou récupérable, laquelle est
incluse dans la mesure du MR. Pour cela, on pourrait la considérer élastique si la charge de
répétition était assez petite comparée à sa capacité ; autrement, la structure de sol serait
endommagée.
11
Figure 6: Définition du module réversible
2.8 Facteurs influençant le module réversible
Le MR des matériaux granulaires est influencé par différents facteurs. Dans cette étude, les
effets de la contrainte, de la densité, de la granulométrie et de la teneur en eau seront pris en
considération.
2.8.1 Effet de la contrainte
Les contraintes effectives ont été définies en 1943 par Terzaghi. Celui-ci a déterminé que
les contraintes en un point quelconque d’une section à travers un échantillon de sol peuvent
être calculées à partir des contraintes principales σ1, σ2 et σ3 qui agissent en ce point.
La figure 7 montre les contraintes appliquées à l’échantillon lors de l’essai triaxial, où les
contraintes ζ2 et ζ3 sont égales et la contrainte ζ1 est la somme de la contrainte de
confinement ζ3 et de la contrainte déviatorique ζd. Ce sont les contraintes principales
puisque le cisaillement est nul sur les surfaces extérieures de l’échantillon.
12
Figure 7: Contraintes appliquées à l’échantillon (tiré de Robert et al., 2002)
Dans ce contexte, les matériaux de chaussée sont formés de grains solides, d’eau et d’air et
leur comportement mécanique est non linéaire, complexe et il dépend des contraintes
appliquées. Il est connu que les matériaux granulaires fins, en particulier, présentent une
dilatance qui est attribuée au mouvement des particules ayant tendance à se retourner selon
l’action des contraintes induites au matériau. Cet effet de pression limite augmente la
rigidité du MR des couches granulaires. Autrement dit, l’effet de l’état de contrainte est le
facteur qui a la plus grande influence sur le MR des matériaux granulaires.
Lekarp et coll. (2000) ont démontré dans leurs recherches que le MR a une tendance à
augmenter significativement avec l’augmentation de la pression de confinement et de la
somme des contraintes principales. De plus, au passage d’une roue sur une chaussée, l’axe
des contraintes majeure (1) et mineure (3) subit une rotation et la contrainte de
13
cisaillement est renversée. La figure 8 représente ce phénomène de la rotation des
contraintes.
Figure 8 : Contraintes au passage d’une roue (tiré de Lekarp et coll., 2000)
2.8.2 Effet de la densité
Les normes pour réaliser cet essai de densité en laboratoire sont : AASHTO T99 (Proctor
Standard), T180 (Proctor Modifié), ASTM D698 (Proctor Standard) et D1557 (Proctor
Modifié). Les échantillons sont compactés, à l’aide d’un marteau, à une énergie normalisée
en différentes couches dans un moule. La densité du compactage dépend du nombre de
couches, du poids du marteau, de la hauteur de baisse et du nombre de coups.
Les résultats des recherches de Barksdale et Itani (1989) ont démontré que le MR augmente
significativement avec une augmentation de la densité à faibles contraintes. Par contre, à
fortes contraintes, cet effet est beaucoup moins prononcé.
14
Selon la figure 9, il est possible de visualiser le rôle important joué par l’eau à l’intérieur de
la structure d’une chaussée et dans la relation entre le MR et la densité sèche. Ainsi, si
l’augmentation de l’eau est faible, le MR et la densité sèche augmentent. Par contre, une
teneur en eau élevée a pour effet que le MR et la densité sèche tendent à diminuer.
Figure 9: Influence de la densité sèche sur le MR (d’après Li et Selig, 1994)
2.8.3 Effet de la granulométrie
Deux systèmes de classification des sols sont utilisés dans la pratique courante du génie
civil : le système unifié de classification des sols (USCS) et le système de l’American
Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). Le système de
classification des sols a pour principe de classer les sols à grains grossiers suivant leur
granulométrie et les sols à grains fins suivant leur comportement plastique (Holtz et coll,
1991). La granulométrie ou la distribution de particules dans un sol est une caractéristique
descriptive et essentielle. Elle est mesurée en laboratoire au moyen de deux essais
(AASHTO T 88, ASTM D 422) : une analyse de tamisage mécanique pour le sable et la
fraction plus grossière et un essai d’hydromètre pour l’argile. Dans cette étude, nous
traitons seulement les sols à grains grossiers.
15
Figure 10: Valeurs de MR vs agrégats à différentes gradations (Tian et coll., 1998)
Tian et coll. (1998) ont réalisé une étude comparative entre le MR et les valeurs de trois
différentes gradations spécifiques pour les sols d’Oklahoma. La figure 10 démontre que les
valeurs MR ont une tendance à augmenter avec la contrainte totale. L’augmentation du MR
est plus forte pour une gradation grossière que pour une plus fine, ces variations se situant
entre 41 % et 129 %.
2.8.4 Effet de la teneur en eau
La teneur en eau d’un matériau granulaire a une influence significative sur sa résistance et
sur son comportement mécanique. Les recherches effectuées ont montré que la rigidité du
matériau dépend de son degré de saturation et qu’elle atteint sa valeur maximale si la teneur
en eau est égale à l’Optimum Proctor. Un fort degré de saturation et une faible perméabilité
produisent une augmentation de la pression interstitielle et engendrent une diminution de la
rigidité du matériau ou du MR. Khoury et Zaman (2004) ont étudié la relation du module
16
réversible et de la teneur en eau pour les sols d’Oklahoma. Ils ont entrepris une série
d’essais où les échantillons ont été compactés à une teneur en eau de -4 %, et après avoir
été mouillés à +4 %, ils ont trouvé une diminution d’environ 60 % du MR. Dans un second
temps, les échantillons ont été compactés à une teneur en eau de +4 % et ensuite séchés
pour atteindre une teneur en eau de -4 %. Les résultats ont montré une augmentation du MR
d'environ 400 % (figure 11).
Figure 11: Variation du MR vs teneur en eau (tiré de Khoury, 2004)
17
De plus, Wolfe et Butalia (2004) ont observé une diminution du MR de près de 70 MPA
entre un sol à l’état saturé et un sol à l’état sec. La figure 12 présente la mesure typique du
MR d'un sol d’infrastructure argileux avec une teneur en eau différente en fonction des
conditions de saturation.
Figure 12: MR vs degré de saturation (tiré de Wolfe et Butalia, 2004)
2.9 Façons d’évaluer le module réversible
L’évaluation du MR, au MTQ, se réalise dans une cellule à chargement cyclique. Le
principe de cette méthode d’essai consiste à appliquer sur une éprouvette cylindrique (150
mm de diamètre et 300 mm de hauteur) une contrainte de confinement ζ3 et une contrainte
déviatorique répétée ζd ; ensuite, les déformations axiale (ε1) et radiale (ε3r) réversibles sont
mesurées. L’essai triaxial en laboratoire permet de représenter très fidèlement l’état de
contrainte et les conditions de sollicitation des matériaux routiers.
18
Dans l’étude du comportement des matériaux de chaussées, nous avons utilisé l’essai
pressiométrique à cause de ses avantages.
2.10 Origine et développement de l’essai pressiométrique
Les premiers essais d’expansion cylindrique dans les sols ont été effectués en Allemagne
par Kögler, en 1934, dans le but de mesurer un module de déformation du sol. En raison de
la technologie de l’époque, l’appareil n’était pas opérationnel. De plus, l’inventeur n’a pas
su interpréter correctement les résultats et l’appareil a été immédiatement abandonné.
En 1956, un jeune ingénieur français, Louis Ménard, a repris la technique d’essai de Kögler
en adjoignant des cellules de garde à la sonde de mesure, créant ainsi le pressiomètre. Il a
ajouté deux cellules de garde à la cellule de mesure centrale, évitant l’expansion de celle-ci
vers le forage et la rendant ainsi interprétable. L’appareil est devenu rapidement
opérationnel en raison du progrès de la technologie : cellules constituées de caoutchouc
admettant de grandes déformations et surtout invention de tubulures de plastique semi-
rigides rendant possible la réalisation d’essais en profondeur. Mais l’apport de Louis
Ménard a surtout consisté à définir les caractéristiques des sols et à mettre au point des
règles d’interprétation pour le dimensionnement des fondations en utilisant ces paramètres.
Il y a cependant un domaine d’utilisation de l’essai d’expansion cylindrique qui n’a reçu
jusqu’à maintenant que peu de développement. Il s’agit de la détermination des propriétés
élémentaires des sols. Les difficultés sont de deux ordres :
sur le plan théorique, l’interprétation de l’essai est complexe, comme l’ont montré
les travaux de Bishop, Hill et Mott, et plus récemment les études de Ladanyi,
Salençon et Vésic (1977), de Ladanyi, B. and Foriero, A. (1998), et Silvestri, V.
(2001) ;
19
sur le plan pratique, le sol au contact de la sonde se trouve remanié par les mises en
place traditionnelles : forage préalable ou refoulement.
Ces limitations ont conduit à la conception d’un nouvel appareillage : le pressiomètre
autoforeur.
De nos jours, l’essai pressiométrique est utilisé par plusieurs entreprises dans le monde,
surtout en France, pour définir le module réversible, calculer les pressions de rupture des
fondations superficielles et déterminer les tassements.
Le principe de l’essai (figure 13) consiste :
- à dilater radialement dans le sol une sonde cylindrique en appliquant
progressivement une pression uniforme sur la paroi du forage ;
- à mesurer l’expansion de la sonde en fonction de la pression appliquée ; et
- à déterminer la relation entre la pression sur le sol et le déplacement de la paroi de
la sonde.
20
Figure 13: Principe de l’essai pressiométrique (Phuong Thao Nguyen Pham, 2008)
Avant d’effectuer un essai, il faut étalonner la sonde. L’étalonnage à l’air libre a pour
objectif de déterminer la résistance propre de la membrane de la sonde (figure 14a).
L’étalonnage dans un tube rigide est nécessaire afin de déterminer la perte de volume
injecté due à la dilatation des tubulures et aux connections (figure 14b).
Figure 14 (a) et (b) : Correction de la membrane et du volume (Phuong, 2008)
La pression et le volume corrigés sont déterminés avec
Pcorrigée = plue + γeau h - f (V lue),
21
Vcorrigée = Vlue – (a.p), où
γeau = poids volumique de l’eau injecté, égal à 10 kN/m3,
h = hauteur entre la sonde et le CPV,
f (V lue) = pression corrigée, déterminée par l’étalonnage de la sonde à l’air libre,
a = coefficient de compressibilité, déterminé par l’étalonnage dans un tube rigide.
La courbe corrigée (figure 15) est constituée d’une succession de segments de pente mi , mE
est la valeur mi la plus faible, dont les limites sont les points (mE, pE, et VE’, pE’).
Cette courbe se divise en trois phases principales :
Phase I = phase de mise en contact de la paroi de la sonde avec le sol ;
Phase II = phase pseudo-élastique ;
Phase III = phase de grands déplacements.
La phase pseudo-élastique est la courbe pressiométrique dont l’ensemble des segments
consécutifs ont une pente inférieure ou égale à β fois la pente mE, avec
β = 1+ δp x + , où (équation 4)
δp = erreur sur la mesure de pression, égale à 1/100,
δV = erreur sur la mesure du volume de liquide injecté : 3 cm3.
Figure 15: Courbe pressiométrique corrigée (Phuong Thao Nguyen Pham, 2008)
22
Le module pressiométrique Ménard EM est déterminé dans la plage pseudo-élastique, en
considérant le sol en élasticité linéaire, en déformation plane avec
. (équation 5)
Un module pressiométrique GM est également déduit de EM , soit
, où (équation 6)
Vs est le volume de la cellule de l’ordre de 535 cm3.
3 PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
3.1 Origines et sources des matériaux
Les essais ont été réalisés sur des matériaux granulaires de type MG-20 de sol de chaussée,
les échantillons provenant de six sites et couvrant une gamme étendue de sols représentatifs
du contexte géologique québécois, comme l’indique le tableau 1. Trois sources sont des
matériaux concassés (particules anguleuses et surfaces rugueuses) et trois autres sont des
graviers naturels (particules arrondies et surface lisse). La compilation des résultats des
essais de base pour chaque source est indiquée au tableau 2. Le tableau 3 présente la
granulométrie de chacun des matériaux utilisés. Le tableau 4 montre que la courbe
granulométrique d’un des six matériaux est hors de la limite du fuseau granulométrique de
spécification du MTQ.
23
ÉCHANTILLON (CALIBRE)
PROVENANCE (MUNICIPALITÉ)
N° 1 : 433397 (MG-20, pierre concassée)
Pavage Laurentien (Rimouski)
N°2 : 434852 (MG-112, gravier naturel)
Lafarge Canada (St-Gabriel-de-Brandon)
N°3 : 433398 (MG-20, gravier naturel)
B. Jacques Dumont (Notre-Dame-du-Lac)
N°4 : 434853 (MG-20, pierre concassée)
Demix Laval (Laval)
N°5 : 434851 (MG-20, gravier naturel)
Lafarge Canada (St-Gabriel-de-Brandon)
N°6 :434854 (MG-20, pierre concassée)
Sable L.G. (St-Hippolyte)
Tableau 1: Origine et source des échantillons
24
ÉCHANTILLON
(CALIBRE)
DENSITÉ BRUTE DENSITÉ
APPARENTE
ABSORPTION (%)
LC 21067 LC 21065 LC 21067 LC 21065 LC 21067 LC 21065
> 5 mm < 5mm
Non-lavé
> 5 mm < 5mm
non-lavé
> 5 mm < 5mm
non-lavé
N°1 (MG-20) 2,668 2,654 2,714 2,713 0,64 0,83
N°2 (MG-20) 2,584 2,481 2,719 2,724 1,92 3,59
N°3 (MG-20) 2,666 2,656 2,709 2,701 0,59 0,64
N°4 (MG-112) --- 2,685 --- 2,721 --- 0,48
N°5 (MG-20) 2,646 2,512 2,739 2,665 1,28 2,28
N°6 (MG-20) 2,736 2,692 2,764 2,727 0,38 0,48
Tableau 2: Densité et absorption (%)
Granulométrie, % passant
Tamis
(mm)
N°1
(MG-20)
N°2
(MG-20)
N°3
(MG-20)
N°4
(MG-112)
N°5
(MG-20)
N°6
(MG-20)
56 --- --- --- --- --- ---
40 --- --- --- --- --- ---
31,5 100 100 100 --- 100 100
28 --- --- --- --- --- ---
20 83 99 87 --- 94 91
14 60 93 65 --- 81 69
10 44 82 50 100 66 51
6,3 --- 66 37 98 50 38
5 21 57 33 96 44 34
2,5 12 39 24 87 30 26
1,25 8 22 19 75 19 20
0,63 6 12 15 53 13 15
0,315 5 8 12 25 9 11
0,16 4 6 8 8 7 8
0,08 2,9 4,8 4,6 1,8 5,2 5,1
0 0 0 0 0 0 0
Tableau 3: Granulométrie, % passant
25
Tableau 4: Courbes granulométriques
3.2 Description des essais triaxiaux et paramètres visés
En ce qui concerne la mesure directe, cette étude tient compte, pour la détermination du MR
en laboratoire, de la procédure LC-22-400 du ministère des Transports du Québec, selon
laquelle ont été réalisés les essais de la base de données.
En 2004, le ministère des Transports du Québec a développé une méthode d’essai pour la
caractérisation du MR des matériaux granulaires et, en 2007, une nouvelle version l’a
remplacée. Cette méthode d’essai permet de prendre en compte l’effet de la teneur en eau.
Elle est basée sur la norme américaine AASHTO T307-99 « Standard Test Method for
26
Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials » et sur la norme
européenne NF EN 13286-7 « Mélanges avec et sans liant hydraulique – Méthodes d’essai
triaxial sous charge cyclique pour mélanges sans liant hydraulique ».
Un échantillon de matériau granulaire est compacté à l’aide d’un marteau vibrant.
L’échantillon est conditionné et le module réversible est déterminé à l’aide d’un
équipement triaxial à chargement déviatorique répété, comme le montre la figure 16.
Figure 16: Équipements utilisés pour la détermination du comportement mécanique des
matériaux granulaires
27
La contrainte de confinement ζ3 est appliquée de manière statique alors que la contrainte
déviatorique ζd l’est de manière répétée selon une forme de chargement « haversine »,
comme le montre la figure 17.
Figure 17: Contrainte déviatorique (Source : Huang, 1993)
28
La déformation axiale réversible est mesurée à l’aide de deux capteurs de déplacement
axiaux installés sur l’échantillon et la déformation radiale réversible est mesurée à l’aide
d’un capteur de déplacement radial ceinturant l’échantillon (voir figure 18).
Figure 18: Installation des capteurs de déplacement et du capteur de succion matricielle
(Source : Félix Doucet, 2007)
Le module réversible est déterminé à différents états de contrainte et de teneurs en eau afin
de modéliser la relation non linéaire du module réversible en fonction de l’état de contrainte
et d’évaluer l’influence du degré de saturation.
Cet équipement n’est utilisé que pour la méthode de chargement radial constant. Le capteur
de force est placé à l’intérieur de la cellule triaxiale en contact direct avec l’embase
supérieure de l’éprouvette. Les capteurs de déformations linéaires sont de type LVDT. La
sensibilité de ces capteurs permet de mesurer les déformations plus petites que 0,001 %.
29
Les résultats sont enregistrés à 0,02 seconde d’intervalle grâce à l’acquisition automatique
des données.
3.3 Préparation de l’échantillon
Une masse de 13 kg de matériau granulaire écrêté au tamis de 31,5 mm est reconstituée sur
la portion retenue sur le tamis 5 mm ; elle est humidifiée à une teneur en eau initiale de 2 %
supérieure à l’absorption des granulats. Le matériau est déposé dans un contenant étanche
au moins 16 heures avant le compactage de l’échantillon.
3.4 Compactage de l’échantillon
Un échantillon de matériau granulaire de 150 mm (+ ou - 1 mm) de diamètre sur 300 mm
(+ ou - 10 mm) de hauteur est compacté en sept couches uniformes à l’aide d’un marteau
vibrant, dans le moule en acier inoxydable, sur le plateau de chargement inférieur recouvert
d’un géotextile non tissé et de deux papiers filtres. Chaque couche est vibrée pendant 30
secondes. L’échantillon compacté est pesé avec le moule, le plateau de chargement, le
géotextile et les papiers filtres ; il faut en soustraire la masse pour connaître la masse
humide de l’échantillon. La teneur initiale en eau de l’échantillon est déterminée à partir du
matériau humidifié qui n’a pas été utilisé pour le compactage.
3.5 Démoulage de l’échantillon
L’échantillon doit être démoulé, sans être endommagé, en séparant le moule en deux
parties. Le plateau de chargement supérieur est installé au sommet de l’échantillon sur deux
papiers filtres humides et un géotextile non tissé. Le centre des plateaux de chargement doit
être aligné sur l’axe de chargement et l’échantillon. L’échantillon est recouvert de deux
30
membranes, la première de 0,6 mm d’épaisseur et la deuxième de 0,3 mm d’épaisseur,
fixées aux plateaux de chargement avec de la graisse de silicone et des joints toriques.
3.6 Mesurage de l’échantillon
La hauteur de l’échantillon est mesurée en quatre points à 900, y compris les plateaux de
chargement, les géotextiles et les papiers filtres ; il faut en soustraire l’épaisseur.
L’épaisseur des géotextiles a tendance à diminuer sous le poids des plateaux de chargement
et de l’échantillon. L’écart entre les hauteurs ne devrait pas dépasser 0,5 mm afin de
s’assurer du parallélisme des faces inférieure et supérieure de l’échantillon. Le diamètre de
l’échantillon est mesuré en trois points, à 75, 150 et 225 mm, avec les membranes, dont il
faut soustraire deux fois l’épaisseur. L’épaisseur des membranes étirées est généralement
inférieure à celle prescrite par le fabricant. L’écart entre les diamètres ne devrait pas
dépasser 0,5 mm.
3.7 Installation des capteurs de déplacement
Un capteur de déplacement radial est installé sur un câble ceinturant le centre de
l’échantillon. Le câble est glissé à l’intérieur de plusieurs points d’appui uniformément
répartis autour de l’échantillon et il est maintenu sous tension par des élastiques. Les points
d’appui doivent avoir une surface tout juste suffisante pour ne pas poinçonner l’échantillon.
Deux capteurs de déplacement axiaux sont installés à 1800, sur les 200 mm centraux de
l’échantillon, à l’aide de supports légers. Les supports sont en deux sections demi-
circulaires maintenues appuyées sur l’échantillon par des élastiques.
31
3.8 Installation de la chambre de confinement
L’intérieur des plateaux de chargement est relié à des circuits de drainage indépendants.
L’échantillon est recouvert d’une chambre de confinement étanche qui est placée sous la
presse hydraulique, alignée sur l’axe de chargement. L’étanchéité de l’échantillon est
vérifiée en appliquant une pression de confinement de 20 kPa et en s’assurant qu’il n’y a
pas d’infiltration d’air dans l’échantillon. Pour ce faire, les tuyaux de drainage sont plongés
dans un récipient d’eau et si des bulles d’air sont détectées, l’étanchéité des membranes doit
être corrigée.
3.9 Caractéristiques de l’échantillon
La masse volumique humide (ρ), la masse volumique sèche (ρd), l’indice des vides (e) et le
degré de saturation (Sr) sont déterminés avec les équations suivantes :
ρ = 4 M / π d2 h, (équation 7)
ρd = ρ / (1 + ω), (équation 8)
e = (Gs ρw / ρd ) – 1, et (équation 9)
Sr = ((ω – Abs) Gs ) / e, où (équation 10)
ρ = masse volumique humide de l’échantillon (kg / m3),
ρd = masse volumique sèche de l’échantillon (kg / m3),
ρw = masse volumique humide de l’eau (1000 kg / m3),
Sr = degré de saturation de l’échantillon (%),
ω = teneur en eau de l’échantillon (%),
Abs = absorption des granulats (%),
e = indice des vides de l’échantillon,
Gs = densité brute des granulats,
d = diamètre de l’échantillon (m),
h = hauteur de l’échantillon (m), et
M = masse de l’échantillon (kg).
32
3.10 Mode opératoire de l’essai triaxial
L’échantillon est conditionné par 10 000 cycles de chargement et le Er de l’échantillon est
déterminé à 15 états de contrainte à l’aide d’un équipement triaxial à chargement répété
asservi. La ζ3 est appliquée de manière statique, alors que 10 % de ζd l’est de manière
statique (ζdo) et 90 % de manière répétée (ζdr), selon une forme de chargement
« haversine ».
Le MR de l’échantillon est déterminé à trois teneurs en eau distinctes : teneur en eau initiale
de compactage, teneur en eau proche de la saturation et teneur en eau obtenue après le
drainage gravitaire de l’échantillon. Le drainage dans l’échantillon est ouvert pendant les
essais.
3.10.1 Conditionnement de l’échantillon
Le conditionnement se fait selon la méthode LC 22-400 du MTQ. L’échantillon est
conditionné par 10 000 cycles de chargement, avec un ζ3 de 105 kPa et un ζd de 105 kPa.
Le temps de chargement est de 0,1 sec, suivi d’un temps de repos de 0,9 sec. Les variations
des déformations permanentes et réversibles doivent être inférieures à 5 με par cycle à la fin
du conditionnement pour déterminer le MR ; sinon, le conditionnement doit se poursuivre
pour 10 000 cycles additionnels. Si les déformations permanentes et réversibles ne sont pas
stables après le deuxième conditionnement, l’essai ne peut pas être effectué. La cellule
triaxiale est pesée avant et après le conditionnement afin de s’assurer que la teneur en eau
est constante.
33
3.10.2 Caractérisation du module réversible
L’échantillon est d’abord caractérisé à l’état initial (teneur en eau initiale), puis à l’état
saturé (échantillon saturé) et enfin à l’état drainé (échantillon complètement drainé). La
teneur en eau initiale correspond à l’absorption de 2 %.
3.10.3 Caractérisation à la teneur en eau initiale
Le MR de l’échantillon est déterminé à la teneur en eau initiale aux 15 états de contrainte.
Le temps de chargement est de 1 seconde, suivi d’un temps de repos de 1 seconde et chaque
ζd est appliqué pour 60 cycles. La cellule triaxiale est pesée après la caractérisation du MR
afin de s’assurer que la teneur en eau est constante.
3.10.4 Caractérisation à la teneur en eau saturée
L’échantillon est saturé par le plateau de chargement inférieur et l’air est évacué par le
plateau de chargement supérieur. La cellule triaxiale est installée sur une balance et une
pression de confinement de 20 kPa est appliquée en tout temps. Un capteur de pression
interstitielle est branché au plateau de chargement inférieur (voir figure 18).
Les étapes suivantes sont effectuées pour saturer l’échantillon :
- une pression interstitielle négative d’environ – 50 kPa est appliquée par le plateau
supérieur en fermant l’entrée d’eau par le plateau inférieur ;
- une pression d’eau de 10 kPa est appliquée au plateau inférieur et l’ouverture est
ajustée de manière à saturer l’échantillon à un taux de 10 g/min, mesuré à l’aide de
la balance, tout en conservant une pression interstitielle négative de – 50 kPa par le
plateau supérieur ;
34
- lorsque l’eau commence à s’écouler par le plateau supérieur, la sortie d’eau est
fermée et la saturation est poursuivie à 10g/min jusqu’à ce que la pression
interstitielle devienne positive ;
- la sortie d’eau par le plateau supérieur est ouverte lorsque la pression devient
positive et que les bulles d’air sont évacuées ;
- lorsque l’écoulement des bulles d’air est terminé, le plateau inférieur est fermé et
une pression de confinement de 150 kPa est appliquée pour évacuer l’eau du plateau
supérieur ;
- le plateau inférieur est branché à un récipient dont le niveau d’eau est égal au centre
de l’échantillon ; les deux plateaux de chargement sont ouverts et le niveau d’eau
dans l’échantillon est laissé équilibré pendant une heure.
Pour effectuer l’essai, le plateau de chargement et le drainage supérieur doivent être
exempts d’eau et le plateau de chargement et le drainage inférieur doivent être exempts
d’air. Le MR est déterminé selon la méthode employée pour la caractérisation à la teneur en
eau initiale décrite à 2.10.3. La cellule triaxiale est pesée avant et après la saturation ainsi
qu’après la caractérisation du MR. La teneur en eau avant la caractérisation du MR est
considérée comme la teneur en eau saturée (ωsat) telle qu’elle est déterminée avec
l’équation suivante :
ωsat = ωi + 100 (Δmw / ρd V), où (équation 11)
ωsat = teneur en eau saturée de l’échantillon (%),
ωi = teneur en eau initiale de l’échantillon (%),
Δmw = masse d’eau ajoutée à l’échantillon (kg), et
V = volume de l’échantillon (m3).
3.10.5 Caractérisation à la teneur en eau drainée
L’échantillon est drainé, par gravité, par le plateau de chargement inférieur et l’air est
amené par le plateau de chargement supérieur. Lorsque le drainage est terminé, les plateaux
de chargement et les tuyaux de drainage doivent être exempts d’eau.
35
Le MR est déterminé selon la méthode employée pour la caractérisation à la teneur en eau
initiale, décrite à 2.10.3.
La cellule triaxiale est pesée après le drainage et après la caractérisation du MR. La teneur
en eau avant la caractérisation de Er est considérée comme la teneur en eau drainée ωdr,
telle qu’elle est déterminée avec l’équation ci-dessous.
ω dr = ωsat + 100 (Δmw / ρd V). (équation 12)
3.10.6 Démontage de l’échantillon
La hauteur finale de l’échantillon est mesurée en quatre points à 900, y compris les plateaux
de chargement, les géotextiles et les papiers filtres, dont il faut soustraire l’épaisseur. Le
diamètre final de l’échantillon est mesuré en trois points, à 75, 150 et 225 mm, avec les
membranes ; il faut en soustraire deux fois l’épaisseur. La hauteur finale et le diamètre final
de l’échantillon ne devraient pas varier de plus de 0,5 mm des mesures initiales.
La teneur en eau de l’échantillon complet doit être déterminée afin de confirmer les teneurs
en eau qui sont définies à partir de la masse de l’équipement triaxial pendant la saturation et
le drainage de l’échantillon.
3.11 Calcul et expression des résultats
3.11.1 Détermination du MR et du Vr
Le module réversible est le rapport entre ζdr et ε1r, tel qu’il est présenté à l’équation 13, et le
Vr est le rapport entre ε3r et ε1r, tel qu’il est présenté à l’équation 14. Le calcul de ζd, ε1r et
ε3r est effectué au moyen des équations 15, 16 et 17. Les paramètres utilisés pour le calcul
de ζd, ε1r et ε3r sont présentés à la figure 19 avec les équations suivantes :
36
MR = (σdr) / (ε1r), (équation 13)
Vr = - (ε3r / ε1r), où (équation 14)
MR = module réversible (kPa),
Vr = coefficient de Poisson réversible,
ζdr = contrainte déviatorique répétée (kPa),
ε1r = déformation axiale réversible (m/m) et
ε3r = déformation radiale réversible (m/m).
Figure 19: Charge déviatorique répétée appliquée et
déplacements réversibles (axial et radial)
37
σd = (4 Pd) / (π d2), (équation 15)
ε1r = Δh / h, (équation 16)
ε3r = Δc / π d (équation17)
Où Pd = charge axiale déviatorique (kN),
d = diamètre de l’échantillon (m),
Δh = déplacement axial réversible (m),
h = hauteur pour la mesure de Δh (200 mm) (m), et
Δc = variation de circonférence réversible (m).
3.12 Modélisation non linéaire de MR et Vr
Le comportement non linéaire du MR est modélisé en fonction de la contrainte totale θ et de
la contrainte de cisaillement octahédrique ηoct, selon les modèles présentés aux équations 18
et 19 ainsi qu’à la figure 20, pour chaque teneur en eau.
38
Figure 20: Module réversible en fonction de la contrainte totale
La valeur moyenne et l’écart type de Vr sont également calculés sans tenir compte de l’état
de contrainte pour chaque teneur en eau.
MR = a + bθ + cτoct , (équation 18)
MR = , où (équation 19)
MR = module réversible (MPa),
θ = contrainte totale (ζd + 3ζ3) (kPa),
τoct = contrainte de cisaillement octahédrique ((√2/3) ζd) (kPa),
pa = contrainte de normalisation (100 kPa),
a, b, c = paramètres de régression, et
k1 k2 k3 = paramètres de régression.
39
3.13 Rapport d’essai triaxial
L’identification du matériau granulaire, les caractéristiques de l’échantillon, l’analyse des
résultats et la modélisation des résultats sont présentées aux tableaux 5 à 10. Ce rapport a
été produit pour chacune des teneurs en eau et nous a servi de référence pour l’essai
pressiométrique.
Tableau 5: Résultat de l’essai triaxial # MG-001-10
40
Tableau 6: Résultat de l’essai triaxial # MG-002-10
41
Tableau 7: Résultat de l’essai triaxial # MG-003-10
42
Tableau 8: Résultat de l’essai triaxial # MG-004-10
43
Tableau 9: Résultat de l’essai triaxial # MG-005-10
44
Tableau 10: Résultat de l’essai triaxial # MG-008-10
45
3.14 Description des essais pressiométriques et paramètres visés
Le pressiomètre comprend deux parties :
le dispositif de mesure, tel qu’il est montré à la figure 21, restant à la surface du sol,
composé d’un contrôleur pression-volume. Il est également constitué d’un
volumètre et d’un manomètre permettant la lecture des pressions d’eau et de gaz
dans le circuit ainsi que d’un tube gradué servant à mesurer la variation du volume
pendant l’essai.
Figure 21: Pressiomètre (Ménard)
46
la sonde (figures 22 et 23), introduite dans le forage au bout d’un train de tiges,
constituée d’une armature cylindrique recouverte d’une enveloppe en caoutchouc.
Elle mesure 32,5 mm de diamètre. La sonde est insérée dans un trou de 33 mm de
diamètre et des tests sont effectués tous les 335 mm de profondeur. Une courbe
d’essai est obtenue à chaque intervalle de profondeur et un module réversible est
déterminé à partir de chaque courbe d’essai.
Figure 22: Sonde introduite dans le forage préalable (déformations axiales)
47
Figure 23: Sonde introduite dans le forage préalable (déformations radiales)
Du fait que, lors de l’expansion d’une cavité cylindrique, les conditions aux limites sont
contrôlées et bien définies, l’interprétation de l’essai devrait s’avérer relativement simple.
Cependant, dans la plupart des théories, il est admis que la cavité peut être réalisée sans
remaniement du sol au voisinage du forage. Cela ne correspond pas à la réalité, même dans
le cas du pressiomètre autoforeur.
Pour minimiser les erreurs, nous avons conçu un moule inoxydable, fabriqué à l’Université
Laval, destiné au compactage et aux essais verticaux ou horizontaux (figure 24).
48
Le dispositif est doté de trois roulements à billes sur trois arbres reliés à un moyeu central.
Ce dernier est libre de rotation mais bloqué verticalement. Le guide rotatif sert à centrer
verticalement le tube en acier. Le bouchon du fond, situé sur la plaque de base, est encastré.
3.15 Utilisation du moule fabriqué à l’Université Laval
Figure 24: Moule fabriqué à l’Université Laval
49
3.15.1 Phase A : Compaction et prise de mesure pour l’essai radial
1) Installer les 4 pattes sur la plaque de base et serrer un écrou par patte en dessous de
la plaque de base (voir ANNEXE 13 et 14)
2) Placer le bouchon A (voir ANNEXE 22) en dessous de la plaque de base et visser
les 4 vis à tête angulaire fournies
3) Mettre en place les 2 bouchons de côté (voir ANNEXE 23) sur la chambre de
compaction (figure 25) et visser les 8 petits boulons fournis en insérant une
rondelle par boulon (4 boulons par bouchon)
Figure 25 : Chambre de compaction
50
4) En insérant des élingues dans les poignées soudées sur la chambre de compaction,
soulever celle-ci à l’aide d’un appareil de manutention
5) Installer la chambre de compaction sur la plaque de base et visser les 6 écrous à
large base, avec une rondelle par écrou, par-dessus les équerres afin de maintenir la
chambre de compaction en place (voir ANNEXE 24)
6) Insérer le tube vertical (voir ANNEXE 25) à l’intérieur de la chambre de
compaction et le loger dans le trou de la plaque de base. Le tube vertical doit
s’appuyer sur le bouchon A
7) Serrer une autre vis à tête angulaire sous la plaque de base, au milieu du bouchon A.
Cette vis doit maintenir en place le tube vertical
8) À chaque levée du montage, s’assurer que tous les écrous et boulons sont
adéquatement vissés. De plus, pour des raisons de sécurité, lorsque le moule est en
position montée, il est important de placer des blocs de sécurité (deux blocs de bois
de 15 cm x 15 cm x 45 cm) en dessous de la plaque avant d’accéder à l’espace situé
sous le montage
9) Retirer les 4 pattes et leur écrou du montage
10) Insérer le guide du tube préalablement assemblé sur la partie supérieure du tube
vertical
11) Insérer le capuchon de blocage (voir ANNEXE 27)
12) Déposer le montage sur une surface solide et compacter le matériau. Lorsqu’il y a
assez de matériau compacté, soit environ les 3/4, pour maintenir le tube vertical en
place, le guide du tube peut être retiré
13) Après le compactage lorsque la surface supérieure du matériau compacté a été
égalisée (figure 26), retirer le guide du tube (voir ANNEXE 27) ainsi que le
capuchon de blocage, mais ne pas démonter le guide de tube en morceaux!
51
Figure 26: Surface égalisée du matériau compacté
14) En insérant des élingues dans les poignées soudées situées sur la chambre de
compaction, soulever le montage à l’aide d’un appareil de manutention. Avant
chaque levée du montage, s’assurer que tous les écrous et boulons sont
adéquatement vissés
15) Sous la plaque de base, retirer les 5 vis à tête angulaire qui maintiennent en place le
tube vertical et le bouchon A
52
16) Utiliser le chasse-tube (voir ANNEXE 28) ainsi qu’un marteau ou une masse afin de
retirer le tube vertical du matériau compacté. Le tube vertical doit sortir en dessous
de la plaque de base
17) Installer les 4 pattes sur la plaque de base et serrer un écrou par patte en dessous de
la plaque de base
18) Déposer le montage sur une table solide, retirer les élingues, nettoyer la surface du
dessus de la chambre de compaction afin qu’il n’y ait pas de débris gênant
l’installation du couvercle d’essai
19) Mettre en place le couvercle d’essai sur la chambre de compaction et visser les 12
boulons de taille moyenne sur le pourtour en insérant une rondelle par boulon,
introduire la sonde et débuter l’essai pressiométrique verticalement
3.15.2 Phase B : Compaction et prise de mesure pour l’essai axial
1) Installer la plaque de base sur les deux blocs de bois de 15 cm x 15 cm x 45 cm
2) Placer le bouchon C (voir ANNEXE 32) en dessous de la plaque de base et visser
les 4 vis à tête angulaire fournies
3) Retirer les blocs de bois et déposer la plaque de base sur une surface solide
4) En insérant des élingues dans les poignées soudées sur la chambre de compaction,
soulever celle-ci à l’aide d’un appareil de manutention
5) Installer la chambre de compaction sur la plaque de base et visser les 6 écrous à la
large base par-dessus les équerres afin de maintenir la chambre de compaction en
place
6) Introduire du matériau dans la chambre de compaction et débuter la compaction.
Arrêter à environ 2 cm sous les 2 trous (voir ANNEXES 15 et 16) dont l’axe est
horizontal
7) Mettre en place 1 bouchon de côté pour l’essai horizontal D (voir ANNEXE 33) sur
la chambre de compaction et visser les 4 petits boulons fournis en insérant une
rondelle par boulon
53
8) Introduire le tube horizontal à travers le trou situé de l’autre côté jusqu’à ce qu’il
s’appuie sur le bouchon installé précédemment (voir aux ANNEXES 16 et 17)
9) Mettre en place le 2e bouchon de côté pour l’essai horizontal D sur la chambre de
compaction et visser les 4 petits boulons fournis en insérant une rondelle par
boulon. Le tube est désormais maintenu en place et la compaction du matériau peut
alors continuer
10) Après le compactage, retirer les bouchons de côté D pour l’essai pressiométrique
axial
11) Utiliser le chasse-tube ainsi qu’un marteau ou une masse afin de retirer le tube
horizontal du matériau compacté
12) Nettoyer la surface du dessus de la chambre de compaction afin qu’il n’y ait pas de
débris gênant l’installation du couvercle pour l’essai
13) Mettre en place le couvercle d’essai sur la chambre de compaction et visser les 12
boulons de taille moyenne sur le pourtour en insérant une rondelle par boulon
14) Mettre en place le boulon du couvercle E (voir ANNEXE 35) et serrer les 4 vis à
tête angulaire fournies, introduire la sonde et débuter les mesures. Il est important
de noter que les pattes ne sont pas présentes lors du compactage, mais seulement
lors des essais, afin de mettre le montage au niveau.
3.16 Préparation de l’échantillon pour le compactage
Une masse de 72 kg de matériau granulaire écrêté au tamis de 31,5 mm est reconstitué sur
la portion retenue sur le tamis 5 mm et elle est humidifiée à une teneur en eau initiale de
2 % supérieure à l’absorption des granulats (voir tableau 11).
54
Tableau 11: Préparation de l’échantillon
55
Tableau 12: Caractéristiques de l’échantillon
56
Le matériau est déposé dans un contenant étanche au moins 16 heures avant le compactage
(voir figure 27).
Figure 27: Matériau humidifié
57
3.17 Compactage
Un échantillon de matériau granulaire de 338 mm (± 1 mm) de diamètre sur 335 mm (±10
mm) de hauteur est compacté dans le moule en acier inoxydable, en sept couches quasi-
uniformes (voir tableau 11), à l’aide d’un marteau vibrant, comme le montre la figure 28.
Chaque couche est vibrée jusqu’à ce qu’elle atteigne sa compacité. La hauteur de la
première couche est de 65 mm tandis que celle des six dernières couches est de 45 mm
chacune.
Figure 28 : Compaction pour l’essai vertical (déformations radiales)
58
3.18 Opérations de remplissage initial du pressiomètre
Une fois les tiges et la sonde placées horizontalement au niveau du sol, le remplissage
initial (figure 29) s’effectue selon les étapes suivantes :
i. visser la pompe au maximum
ii. fermer toutes les valves
iii. remplir les réservoirs 1 et 2 d’eau claire
iv. le réservoir 3 étant vide, ouvrir la valve D
v. ouvrir les valves A et C jusqu’à ce que le niveau d’eau soit à la graduation -20
dans le voyant # 2 (gauche)
vi. fermer les valves A et C
vii. ouvrir la valve E jusqu’à ce que le niveau d’eau soit à la graduation -20 dans le
voyant # 1 (droite)
viii. remplir le réservoir 3 de kérosène coloré
ix. ouvrir la valve G ; l’eau du voyant # 1 s’écoule et se trouve remplacée par le
kérosène coloré. Il est important de ne jamais laisser le réservoir 3 se vider afin
d’éviter l’introduction d’air dans le circuit. Lorsque le kérosène coloré atteint le
niveau 100, fermer la valve E
x. ouvrir la valve F et laisser le kérosène descendre jusqu’au niveau zéro dans le
voyant # 1. Il est important de ne jamais laisser le réservoir 3 se vider
complètement durant cette opération
xi. les réservoirs 1 et 2 étant remplis d’eau, ouvrir la valve A et remplir la pompe en
la dévissant dans le sens contraire des aiguilles d’une montre ; la valve C est
fermée durant cette opération
xii. fermer la valve A. Afin de chasser l’air qui pourrait être accumulé dans le haut
des voyants, ouvrir les valves C et D, injecter environ 40 cc d’eau à l’aide de la
pompe de façon à ce que le kérosène puisse retourner dans son réservoir en
59
entraînant l’air pouvant se trouver dans le circuit ; réajuster le niveau des
voyants en ramenant la pompe dans sa position originale
xiii. fermer les valves C et D
xiv. ouvrir les valves E et F
xv. connecter au bas de la sonde le raccord rapide muni d’une tubulure de 10" de
longueur et garder la sonde en position verticale de façon à chasser l’air qui se
trouve à l’intérieur. Lorsque l’eau sort sans bulles d’air de la tubulure, fermer les
valves E et F et déconnecter le raccord du bas de la sonde
xvi. pour l’ajustement des niveaux des voyants 1 et 2, toutes les valves étant
fermées, ouvrir la valve E et ajuster les niveaux en manœuvrant la valve G
xvii. pour la vidange de l’instrument, toutes les valves étant fermées, déconnecter la
sonde
xviii. connecter un raccord rapide mâle à l’extrémité de la tubulure, ouvrir les valves
E et F pour vidanger le réservoir # 2 ; fermer la valve E, visser la pompe au
maximum pour remplacer le kérosène du voyant # 2 par de l’eau claire
xix. ouvrir la valve A pour vider le réservoir # 1
xx. fermer la valve A
xxi. ouvrir la valve D et vidanger le réservoir # 3 et le voyant # 1 ; cette opération
prend quelques minutes. Il est préférable que l’instrument soit installé
légèrement plus près de la tubulure
xxii. ouvrir la valve G pour vider le voyant # 1
xxiii. pour vidanger la sonde, raccorder la tubulure et le raccord de 10" à l’autre
extrémité et masser la sonde pour chasser l’eau
xxiv. fermer toutes les valves pour le transport
60
Figure 29 : Remplissage initial du pressiomètre (Ménard)
61
3.19 Opérations d’étalonnage
Avant d’effectuer un essai, il faut étalonner la sonde en la gonflant à l’air libre ; on obtient
ainsi la résistance propre de la sonde. L’étalonnage de la sonde dans un tube rigide est aussi
nécessaire pour déterminer la perte de volume injecté due à la dilatation de la tubulure et
aux connexions.
Tout d’abord, les circuits et la sonde doivent être étanches et saturés. Pour saturer le
système, la sonde est insérée dans un tube en acier de 32 mm de diamètre intérieur. Le
système est pressurisé par l’ajout graduel de 1 000 kPa. En ouvrant brusquement les
valves A, C, E ou D, la force de l’eau éjectée chasse tout l’air emprisonné. Pour saturer
la sonde, la soupape de dégagement rapide est enfoncée afin de forcer l’eau et l’air, la
fin de la conduite de la sonde est ensuite pointée vers le haut. Pour vérifier s’il y a des
fuites et saturation complète, le système, avec la sonde toujours dans un tube en acier,
est mis sous pression à 500 kPa. En maintenant cette pression, des lectures de volume
sont prises entre une et trois minutes. La procédure est répétée jusqu’à une pression de
2 000 kPa. Si les changements de volume augmentent entre une et trois minutes, il y a
une fuite. La saturation satisfaisante est atteinte lorsque la variation du volume lu entre
500 kPa et 2 000 kPa est inférieure à 800 mm3/m du tube.
Deuxièmement, les pertes de volume doivent être étalonnées. Il y a une petite différence
entre le volume d’eau injecté lu à l’unité de contrôle vm et l’augmentation réelle de la
taille de la cavité du sol. Cette différence est due à des phénomènes tels que les tubes
d’extension, la compression de la gaine membrane en caoutchouc et la compression de
l’eau. Pour démarrer l’étalonnage des pertes de volume, la sonde est insérée dans le
tube d’acier puis gonflée à une vitesse de 330 mm3/sec. La pression pm et le volume vm
lus sont notés tous les 5 000 mm3 à partir de 0 jusqu’à 500 kPa et tous les 1 000 mm
3
après 500 kPa ; on trace la courbe A. Les tubulures sont déconnectées, ensuite
reconnectées à la sonde, et l’étalonnage est répété avec des lectures prises tous les 1 000
mm3; la courbe B est tracée. La courbe des pertes de volume est obtenue à partir de
62
deux courbes (volume dans l’unité de contrôle, tubulure et sonde ; volume dans l’unité
de contrôle et tubulure). La sonde doit maintenant être reconnectée et saturée pour son
utilisation.
Tableau 13 : Perte de volume
Troisièmement, la lecture du zéro doit être fixée. Tous les tests devront être entamés
avec le volume initial de la partie gonflante dont v0 = (230 x (32,5/2)2 x 3,14) = 1,90 x
105 mm
3. Afin de s’assurer que la pression et le volume sont des lectures de zéro, on
effectue les étapes suivantes : la pression et le volume sont mis à zéro, la sonde est
insérée dans le tube d’acier, le système est sous pression à 500 kPa et la lecture du
volume Vv est prise après une minute. À 500 kPa, un bon contact est établi entre la
sonde et les parois du tube d’acier. Le volume V de la sonde dans le tube en acier peut
être calculé si le diamètre intérieur du tube d’acier et la longueur de la partie de la sonde
sont connus. La différence (V – V0) augmentée par la correction du volume (Vd) est Vm
à 500 kPa. Si Vv est égal à Vm, le réglage du zéro sur tube gradué (servant à mesurer la
63
variation du volume pendant l’essai) est parfait. Si Vv est différent de Vm, il est
nécessaire de corriger ou d’ajouter la différence (Vm – Vv) pour une lecture du volume
de zéro à la pression nulle afin d’atteindre un volume (v0 = 1,90 x 105 mm
3).
Quatrièmement, la résistance de la membrane doit être calibrée en laboratoire et/ou sur
le terrain. Lorsque la sonde est gonflée dans le trou, la pression contre la paroi du trou
de forage est inférieure à la pression à l’intérieur de la sonde. La différence est due à la
résistance de l’expansion de la membrane. Sur le terrain, un trou de forage avec un
diamètre supérieur à celui de la membrane est produit. Pour étalonner la résistance de la
membrane, la sonde est placée à la verticale dans le sol et elle est entièrement gonflée et
dégonflée cinq fois pour « travailler » le caoutchouc. Puis, la sonde est gonflée à une
vitesse de 330 mm3/sec au moment où les lectures de pression et de volume sont prises
tous les 5 000 mm3. La pression dans la sonde pr est égale à la pression lue sur la jauge
pm augmentée de la pression hydrostatique résultant de la différence d’élévation (68
cm) entre la jauge de l’unité de contrôle et le milieu de la sonde lors de l’étalonnage. La
courbe ci-dessous, pm versus vm, est la courbe de résistance de la membrane.
64
Tableau 14: Résistance de la membrane
On détermine la résistance de la membrane en gonflant la sonde à l’air libre, tandis que la
compressibilité de l’appareillage se vérifie par l’application progressive de pression lorsque
la sonde est introduite dans un tube métallique indéformable. On doit aussi ajouter aux
pressions d’essai la pression hydrostatique de la colonne de liquide oeuvrant à gonfler la
cellule de mesure. Elle correspond à la hauteur d’eau mesurée entre le centre de la sonde
dans le forage et la position du manomètre de pression sur le tableau de commande situé en
surface.
65
3.20 Réalisation des essais pressiométriques
Après l’opération d’étalonnage, nous avons descendu très lentement la sonde dans le trou
du moule jusqu’à la profondeur de 335m (figure 30).
Figure 30 : Déroulement de l’essai pressiométrique
Nous avons effectué l’essai par paliers de 0,5 bar et fait une lecture à chaque 15 secondes
jusqu’à un volume injecté de 90cm3.
66
Finalement, les fiches d’essai fournies ont été utilisées afin de tracer les courbes brutes
correspondantes pour chaque essai, qui sont par la suite corrigées pour enlever la résistance
propre de la sonde (voir la figure 31).
Figure 31 : Caractéristiques du sol
Réduire les données d’un essai pressiométrique routier consiste à corriger Pm et Vm, en
traçant la courbe P versus V, et à calculer Er.
Tout d’abord, Vm est corrigé pour les pertes de volume.
67
L’augmentation en V est V = (Vm - Vd). (équation 20)
Deuxièmement, Pm est corrigé pour la pression hydrostatique Ph et la résistance de la
membrane Pi .
Alors, P = Pm + Ph - Pi , où (équation 21)
Ph = γz (3) et z est la différence d’élévation entre la jauge de pression et le milieu de la
sonde. γ est l’unité de poids. Pi est la résistance de la membrane correspondant à la courbe
d’étalonnage de la résistance de la membrane sur le volume injecté corrigé ( Vm - Vd ).
Troisièmement, on trace la courbe P versus V (voir la figure 32).
Figure 32 : Courbe corrigée
68
3.21 Caractéristiques de l’échantillon
La masse volumique humide (ρ), la masse volumique sèche (ρd), l’indice des vides (e) et le
degré de saturation (Sr) de l’échantillon sont déterminés avec les équations du point 2.9
3.22 Démoulage de l’échantillon
L’échantillon a été démoulé à l’aide du chasse-tube et d’un marteau ou d’une masse afin de
retirer le tube vertical de l’échantillon compacté. Le tube doit sortir par-dessous la plaque
de base. La sonde a été déconnectée et nous avons fermé les valves pour le transport de
l’équipement.
3.23 Calcul des résultats
La valeur du module réversible est calculée à partir de l’équation de Bagulin et al. (1978) :
ER = 2(1+v) Vm (∆p/ ∆v ) (équation 22)
avec Vm = Vc + (vo +vf )/2 (équation 23)
où ∆p / ∆v = pente de la courbe de rechargement du cycle,
vo = volume initial injecté et vf = volume final injecté.
L’équation est basée sur la théorie de l’élasticité linéaire et sur l’hypothèse que le
coefficient de Poisson est 0,33 pour tous les sols.
Le fait de choisir un coefficient de Poisson pour chaque couche peut conduire à des erreurs
de magnitude semblables à l’erreur générée par le choix d’une valeur moyenne unique pour
tous les matériaux. Il existe un programme informatique qui permet de corriger les lectures,
de tracer les courbes et de calculer la valeur du module pressiométrique.
L’équation 22 devient :
ER = 2(1+ 0,33)Vm (∆p/ ∆v)= 2,66 Vm (∆p/ ∆v). (équation 24)
69
4 ANALYSE ET INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS
Nous avons relevé et enregistré manuellement les résultats expérimentaux (figures 33 à 49).
Figure 33: Résultats de l’essai radial #1
70
Après chaque essai, nous avons corrigé la courbe brute correspondante pour enlever la
résistance propre de la sonde.
Figure 34: Courbe corrigée de l’essai radial # 1
L’essai permet de déduire quatre caractéristiques du sol :
1) pression de contact avec le terrain (Po) ;
2) module élastique initial (Eo) qui définit le comportement pseudo-élastique du
sol ;
3) module réversible (Er) ou phase élastique de rechargement ; et
4) pression limite (PL) qui caractérise la résistance de rupture du sol.
71
Le fondement théorique pour l’essai pressiométrique, développé en premier lieu par Lamé
(1852), est une expansion cylindrique de la cavité. Les détails de la théorie d’expansion de
la cavité sont présentés dans Baguelin et al, Mair et Wood, (1978).
L’équation de l’expansion radiale d’une cavité cylindrique dans un milieu élastique infini
est la suivante : G = (∆P/∆V) x Vm
Où G est le module de cisaillement
Vm est le volume moyen de la cavité en cm3
P est la pression dans la cavité en kPa
Les résultats des essais sont représentés ici en termes de modules « radial et axial »
équivalents du module de Young, en supposant que le sol élastique est isotrope.
Nous obtenons alors E= 2G (1+v); avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Le module réversible a été calculé comme suit : (MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm
Nous avons :
∆P = 440 – 140 = 300
∆V = 38 – 35,50 =2,5
Vm = 190 + (37,50 + 35,50)/2 = 226,75
Le MR = 2(1+0,33) x (240/2) x 226,75 = 72379 kPa
72
Figure 35: Résultats de l’essai horizontal #1(déformations axiales)
73
Figure 36: Module réversible axial #1
Le module réversible a été calculé comme suit : (MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm
Nous avons :
∆P = 400 – 190 = 210
∆V = 36,5 – 35 = 1,5
Vm = 190 + (36,50 + 35)/2 = 225,75
Le MR = 2(1+0,33) x (280/2) x 225,75 = 84069 kPa
74
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 37: Résultats de l’essai radial # 2
75
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 38: Courbe corrigée de l’essai radial # 2
76
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 39: Résultats de l’essai axial # 2
77
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 40: Courbe corrigée de l’essai axial # 2
78
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 41: Résultats de l’essai radial # 3
79
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 42: Courbe corrigée de l’essai radial # 3
80
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 43: Résultats de l’essai axial # 3
81
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 44: Courbe corrigée de l’essai axial # 3
82
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 45: Résultats de l’essai radial # 4
83
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 46: Courbe corrigée de l’essai radial # 4
84
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 47: Résultats de l’essai axial # 4
85
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 48: Courbe corrigée de l’essai axial # 4
86
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 49: Courbe corrigée de l’essai axial # 5
87
Le module réversible a été calculé avec l’équation de Baguelin (1978) :
(MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm; avec v = coefficient de Poisson = 0,33.
Figure 50: Courbe corrigée de l’essai axial # 8
88
Le module réversible (MR) = 2(1+ v) x (∆P/∆V) x Vm
∆P = 350 – 145 = 205
∆V = 37, 50 – 35,50 =2
Vm = 190 + (37,50 + 35,50)/2 = 226,50
Le MR = 2(1+0,33) x (205/2) x 226,50 = 61755 kPa
Tableau 15: Présentation des résultats
RÉSULTATS DES ESSAIS PRESSIOMÉTRIQUES
AVEC UN COEFFICIENT DE POISSON
CONSTANT
ESSAIS v
-
Eradial
(MPa)
Eaxial
(MPa)
Er /E
a
(%)
MG-001-10 0,33 72,379 84,069 86
MG-002-10 0,33 44,535 52,089 85
MG-003-10 0,33 43,293 50,208 86
MG-004-10 0,33 70,253 81,279 86
MG-005-10 0,33 60,546 72,618 83
MG-008-10 0,33 52,045 61,755 84
89
4.1 Validation des résultats avec la variation du coefficient de
Poisson
Source _Lavarge Canada N°434852 (MG112-002-10)
v Eradial
(MPa)
Eaxial
(MPa)
Er /E
z
(%)
0,15 20,243 23,679 85
0,16 21,593 25,255 85
0,17 22,942 26,834 85
0,18 24,292 28,412 85
0,19 25,641 29,990 85
0,20 26,990 31,569 85
0,21 28,340 33,148 85
0,22 29,690 34,726 85
0,23 31,039 36,304 85
0,24 32,389 37,883 85
0,25 33,739 39,461 85
0,26 35,088 41,040 85
0,27 36,438 42,618 85
0,33 44,535 52,089 85
Tableau 16: Validation des résultats (MG 112-00-10)
90
Source _Banc Jacques Dumont N°443398 (MG-003-10)
v Eradial
(MPa)
Eaxial
(MPa)
Er /Ez
(%)
0,11 14,431 16,736 86
0,12 15,742 18,257 86
0,13 17,548 19,779 86
0,14 18,367 21,300 86
0,15 19,679 22,822 86
0,16 20,991 24,343 86
0,17 22,302 25,864 86
0,18 23,614 27,386 86
0,19 24,926 29,908 86
0,20 26,238 30,429 86
0,21 27,550 31,950 86
0,22 28,862 33,472 86
0,23 30,174 34,993 86
0,33 43,293 50,208 86
Tableau 17 : Validation des résultats (MG-003-10)
91
Source _Demix Laval N°434853 (MG-004-10)
v Eradial
(MPa)
Eaxial
(MPa)
Er /Ez
(%)
0,15 31,933 36,945 86
0,16 34,062 39,408 86
0,17 36,191 41,871 86
0,18 38,320 44,334 86
0,19 40,449 46,797 86
0,20 42,578 49,260 86
0,21 44,706 51,723 86
0,22 46,835 54,186 86
0,23 48,964 56,649 86
0,24 56,911 59,112 86
0,25 53,222 61,575 86
0,26 55,351 64,038 86
0,27 57,480 66,501 86
0,33 70,253 81,279 86
Tableau 18: Validation des résultats (MG-004-10)
92
Source _Lafarge Canada (MG-005-10)
v
-
Eradial
(MPa)
Eaxial
(MPa)
Er /Ez
(%)
0,11 20,182 24,206 83
0,12 22,017 26,407 83
0,13 23,851 28,607 83
0,14 25,686 30,808 83
0,15 27,521 33,008 83
0,16 29,356 35,209 83
0,17 35,827 37,409 83
0,18 33,025 39,609 83
0,19 34,860 41,810 83
0,20 36,695 44,011 83
0,21 38,529 46,211 83
0,22 40,364 48,412 83
0,33 60,546 72,618 83
Tableau 19: validation des résultats (MG-005-10)
93
Tableau 20 : validation des résultats (MG-005-10)
94
Tableau 21: Valeurs typiques d’un sable isotrope
95
Source _Pavage Laurentien Rimouski (MG-001-10)
v et σ3 (kPa)
-
ωiTriaxial
(%)
MRTriaxial
(MPa)
Eaxial
(MPa)
0,33 2,5 - 84,069
0,19 20 2,5 203 48,403
0,21 20 2,5 218 53,498
0,23 20 2,5 240 58,594
0,17 35 2,5 278 43,308
0,20 35 2,5 313 50,951
0,22 35 2,5 351 56,046
0,17 70 2,5 449 43,308
0,19 70 2,5 520 48,403
0,22 70 2,5 551 56,046
0,15 105 2,5 577 48,403
0,16 105 2,5 589 40,761
0,18 105 2,5 658 45,856
0,15 140 2,5 709 38,213
0,16 140 2,5 719 40,761
0,18 140 2,5 774 45,855
Tableau 22: MG-001-10(MR versus Ez)
96
Source _Lavarge Canada N°434852 (MG112-002-10)
v et σ3 (kPa)
-
ωiTriaxial
(%)
MRTriaxial
(MPa)
Eaxial
(MPa)
0,33 2,1 - 52,089
0,18 20 2,1 189 28,412
0,21 20 2,1 196 33,148
0,24 20 2,1 214 37,883
0,17 35 2,1 256 26,834
0,21 35 2,1 285 33,138
0,24 35 2,1 309 37,883
0,16 70 2,1 402 25,255
0,20 70 2,1 455 31,569
0,23 70 2,1 483 36,304
0,15 105 2,1 495 23,679
0,16 105 2,1 517 25,255
0,19 105 2,1 581 29,990
0,15 140 2,1 610 23,679
0,16 140 2,1 631 25,255
0,19 140 2,1 690 29,990
Tableau 23: MG 112-002-10) (MR versus Ez)
97
Source _Banc Jacques Dumont N°443398 (MG-003-10)
v et σ3 (kPa)
-
ωiTriaxial
(%)
MRTriaxial
(MPa)
ErH
(MPa)
0,33 3,9 - 50,208
0,11 20 3,9 112 16,736
0,13 20 3,9 111 19,779
0,15 20 3,9 121 22,822
0,11 35 3,9 152 16,736
0,14 35 3,9 172 21,300
0,15 35 3,9 196 22,822
0,12 70 3,9 271 18,257
0,14 70 3,9 323 21,300
0,16 70 3,9 355 24,343
0,11 105 3,9 363 16,736
0,12 105 3,9 380 18,257
0,14 105 3,9 439 21,300
0,11 140 3,9 470 16,736
0,12 140 3,9 486 18,257
0,13 140 3,9 534 19,779
Tableau 24: MG 20-003-10) (MR versus Ez)
98
Source _Demix Laval N°434853 (MG-004-10)
v et σ3 (kPa)
-
ωiTriaxial
(%)
MRTriaxial
(MPa)
ErH
(MPa)
0,33 3,4 - 81,279
0,16 20 3,4 141 39,408
0,22 20 3,4 147 54,186
0,25 20 3,4 166 61,575
0,17 35 3,4 209 41,871
0,23 35 3,4 241 56,649
0,26 35 3,4 281 64,038
0,17 70 3,4 395 41,871
0,22 70 3,4 466 54,186
0,25 70 3,4 513 61,575
0,15 105 3,4 532 39,408
0,17 105 3,4 548 41,871
0,22 105 3,4 626 54,186
0,15 140 3,4 676 39,408
0,17 140 3,4 696 41,871
0,21 140 3,4 776 51,723
Tableau 25: MG 20-004-10) (MR versus Ez)
99
Source _Lafarge Canada (MG-005-10)
v et σ3 (kPa)
-
ωiTriaxial
(%)
MRTriaxial
(MPa)
Eaxial
(MPa)
0,33 2,2 - 72,618
0,13 20 2,2 188 28,607
0,17 20 2,2 198 37,409
0,19 20 2,2 212 41,810
0,13 35 2,2 260 28,607
0,16 35 2,2 296 35,209
0,19 35 2,2 330 22,822
0,13 70 2,2 434 28,607
0,16 70 2,2 497 35,209
0,19 70 2,2 538 41,810
0,11 105 2,2 528 24,206
0,13 105 2,2 564 28,607
0,16 105 2,2 644 35,209
0,12 140 2,2 660 16,736
0,13 140 2,2 686 28,607
0,16 140 2,2 768 35,209
Tableau 26: MG 20-005-10) (MR versus Ez)
100
Tableau 27 : MG 20-005-10) (MR versus Ez)
101
5 DISCUSSION, CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
Selon Pierre Desrochers (2001), l’essai triaxial ne détermine pas le module réversible in
situ des matériaux, mais permet plutôt d’établir une relation modèle entre le MR et l’état de
contrainte (la somme des contraintes principales et, selon certains modèles, la contrainte
déviatorique ζd ou la pression de confinement ζ3).
La détermination du MR in situ doit passer nécessairement par la modélisation de l’état de
contrainte in situ des matériaux, lequel varie selon la position stratigraphique des matériaux
dans le corps de la chaussée et selon le comportement de l’ensemble du milieu
multicouche.
Selon Von Quintus et Killingsworth (1998), plusieurs administrations responsables des
réseaux routiers ne comprennent pas ou n’ont pas confiance en la détermination des
modules réversibles pour caractériser les matériaux de chaussées avec les essais triaxiaux.
Les raisons sont l’inconsistance des résultats des essais, la difficulté d’utilisation de
l’équipement, le temps requis pour faire les essais et le fait qu’ils ne donnent pas une valeur
unique pouvant être utilisée dans le design.
Nos résultats viennent confirmer les conclusions des auteurs précédents. Les essais
pressiométriques ont déterminé des modules réversibles inférieurs à ceux des essais
triaxiaux. Aussi, faut-il dire que l’essai triaxial permettrait difficilement la mesure d’un
module réversible radial, donc l’anisotropie! L’essai pressiométrique diffère de l’essai
triaxial dans la détermination du module réversible à cause des cheminements de
contraintes différents.
Dans la détermination de l’anisotropie des matériaux de chaussée, les résultats de ce travail
se résument comme suit :
1. Il y a une évidence d’anisotropie structurale dans la fondation et la sous-fondation.
102
2. Le rapport d’anisotropie (Er/Ez) est à peu près égal à 15%, ce qui concorde avec
celui de Tutumluer et al (2003).
3. L’essai pressiométrique permet à l’ingénieur de développer une confiance dans les
résultats à cause de la forme de la courbe pression-volume.
Dans le but d’améliorer les résultats des essais pressiométriques, nous recommandons :
a) Une interprétation rigoureuse des essais pressiométriques ;
b) L’utilisation du pressiomètre autoforeur permettant d’effectuer un essai sur
un sol presque dans son état naturel ;
c) Des conditions d’essai contrôlées rigoureusement et choisies avec une très
grande souplesse ;
d) La réalisation d’essais additionnels afin de valider les résultats obtenus pour
l’anisotropie des matériaux de la fondation et de la sous-fondation ;
e) Des données supplémentaires pour approfondir les connaissances actuelles
sur le comportement des matériaux granulaires de type MG-20.
103
BIBLIOGRAPHIE
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Baguelin, F. et al, The Pressuremeter and Foundation Engineering, Trans Tech
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Transportation Research Board, Research Record 1227, (pavements, aggregate,
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Bishop, R., Hill, R., Mott, N., The theory of indentation and hardness test, The proceedings
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106
ANNEXES
107
ANNEXE 1 : Préparation de l’échantillon (MG-20-001-10)
108
ANNEXE 2: Caractéristiques de l’échantillon (MG-20-001-10)
109
ANNEXE 3 : Préparation de l’échantillon (MG-112-002-10)
110
ANNEXE 4 : Caractéristiques de l’échantillon (MG-112-002-10)
111
ANNEXE 5 : Préparation de l’échantillon (MG-20-003-10)
112
ANNEXE 6 : Caractéristiques de l’échantillon (MG-20-003-10)
113
ANNEXE 7 : Préparation de l’échantillon (MG-20-004-10)
114
ANNEXE 8 : Caractéristiques de l’échantillon (MG-20-004-10)
115
ANNEXE 9 : Préparation de l’échantillon (MG-20-005-10)
116
ANNEXE 10 : Caractéristiques de l’échantillon (MG-20-005-10)
117
ANNEXE 11 : Préparation de l’échantillon (MG-20-006-10)
118
ANNEXE 12 : Préparation de l’échantillon (MG-20-006-10)
ANNEXE 13 : Compaction essai vertical (vue générale)
ANNEXE 14 : Compaction essai vertical (vue en coupe)
120
ANNEXE 15 : Mesure avec couvercle (vue générale)
ANNEXE 16 : Mesure avec couvercle (vue en coupe)
121
ANNEXE 17 : Mesure avec rallonge (vue générale)
ANNEXE 18 : Mesure avec rallonge essai vertical (vue en coupe)
122
ANNEXE 19 : Compaction essai horizontal (vue générale)
ANNEXE 20: Compaction essai horizontal (vue en coupe)
123
ANNEXE 21 : Mesure avec couvercle (vue générale)
ANNEXE 22 : Mesure avec couvercle (vue en coupe)
124
ANNEXE 23 : Mesure avec rallonge (vue générale)
ANNEXE 24 : Mesure avec rallonge (vue en coupe)
125
ANNEXE 25 : Plaque de base
ANNEXE 26 : Bouchon A
ANNEXE 27 : Bouchon de côté pour essai vertical B
126
ANNEXE 28 : Chambre de compaction
ANNEXE 29 : Tube vertical
127
ANNEXE 30 : Guide du tube
ANNEXE 31: Capuchon de blocage
ANNEXE 32 : Chasse-tube
128
ANNEXE 33 : Couvercle d’essai
ANNEXE 34 : Rallonge de chambre
ANNEXE 35 : Disque de répartition troué
129
ANNEXE 36 : Bouchon C
ANNEXE 37 : Bouchon de côté pour essai horizontal D
ANNEXE 38 : Tube horizontal
ANNEXE 39 : Bouchon du couvercle E
130
ANNEXE 40 : Disque de répartition non troué
ANNEXE 41 : Éléments de fixation