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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008
DISPOSITIF TRIAXIAL DYNAMIQUE DE GRANDE TAILLE POUR
SOLS ET MATERIAUX GROSSIERS
LARGE SIZE DYNAMIC TRIAXIAL SET UP FOR COARSE-GRAINED SOILS AND
MATERIALS
Jean CANOU1, Jean-Claude DUPLA1, Bassel SEIF EL DINE1, Anh Quan DINH1,
Khaldoun KARRAZ1,2, Guy BONNET2,
1 Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Université Paris-Est, Laboratoire Navier,
CERMES, Champs-sur-Marne
2 Université Paris-Est, Laboratoire de Mécanique, Champs-sur-Marne
RÉSUMÉ – On présente dans cette communication un dispositif triaxial dynamique
permettant de tester les sols grossiers, les graves et les matériaux granulaires tels
que ballasts et micro- ballasts sous sollicitations monotones et cycliques. Après avoir
présenté les caractéristiques principales du dispositif, on décrit succinctement deux
types d’applications, l’une sur l’étude du comportement d’une grave sous
cisaillement monotone, l’autre sur l’étude du comportement d’un microballast sous
sollicitations cycliques
ABSTRACT – This communication presents a dynamic triaxial set-up allowing to test
coarse-grained soils, gravels and granular materials like ballast and micro ballast.
After presenting the main features of the experimental set-up, two specific
applications are described, one devoted to the study of a matrix-type coarse-grained
soil under monotonic shear, the other one focussing on the behaviour of micro
ballast under cyclic loading.
1. Introduction
La caractérisation mécanique des sols présentant des éléments de grande taille
(sols grossiers, graves, etc.) et de matériaux granulaires spécifiques divers tels que
le ballast ferroviaire, nécessite des dispositifs d’essai de taille suffisante pour tester
des éprouvettes représentatives de ces matériaux. Ce type de dispositif, tels que les
boîtes de cisaillement direct ou les appareils triaxiaux, n’est pas très fréquent, bien
que le besoin existe en vue de progresser sur la connaissance du comportement
mécanique de ces matériaux. Dans ce contexte, on présente un dispositif triaxial
dynamique pour éprouvettes de 300 mm de diamètre et 600 mm de hauteur
permettant de tester ce type de matériaux. Il s’agit d’un dispositif servo-hydraulique
avec asservissement digital permettant de solliciter les éprouvettes dans les
gammes monotone et cyclique. Le déviateur des contraintes et la pression de
confinement sont pilotés par deux servovérins respectivement, permettant de
réaliser différents types de trajets de chargement monotones et cycliques dans le
plan des contraintes (q, p). Après avoir décrit le dispositif d’essai (principe de
fonctionnement, pilotage, métrologie, etc.), on présente succinctement deux des
applications réalisées jusqu’ici, l’une dans le domaine du comportement des graves
et l’autre dans le domaine du ballast.
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2. Présentation du dispositif d’essai
On présente successivement, dans cette partie, le principe de fonctionnement du
dispositif ainsi qu’une description générale, le système d’application des sollicitations
et d’acquisition de données ainsi que la métrologie spécifique utilisable, en particulier
pour les mesures en petites déformations
2.1. Principe et description générale du dispositif d’essai
La figure 1 présente une coupe schématique du dispositif d’essai permettant d’en
comprendre le principe de fonctionnement. Il s’agit d’une cellule triaxiale de grande
taille permettant de reconstituer et de solliciter sous chargement monotone ou
cyclique des éprouvettes de 300 mm de diamètre et 600 mm de hauteur. La cellule
triaxiale est solidaire d’un support mobile en translation et rotation sur un chariot, luimême solidaire d’une mini-dalle d’essai. La mini-dalle est équipée d’un bâti de
chargement à quatre colonnes, équipé lui-même d’un servo-vérin. C’est celui-ci qui
applique les chargements déviatoriques aux éprouvettes après solidarisation à la
cellule triaxiale par l’intermédiaire du couvercle de celle-ci, incorporé au servovérin et
coulissant autour de celui-ci.
Figure 1. Schéma du dispositif d’essai
La figure 2 présente une vue d’ensemble du dispositif d’essai lors de la fabrication
d’une éprouvette. La fabrication de l’éprouvette se fait à l’extérieur du bâti de
chargement. On met en place, lors de cette phase, l’enceinte de confinement formée
de deux tubes en plexiglas renforcé superposés. On déplace ensuite le chariot
supportant la cellule sous le bâti de chargement et l’on vient ajuster le couvercle de
la cellule coulissant autour du servovérin et l’on ferme celle-ci grâce aux tirants de
serrage que l’on bloque.
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Figure 2. Vue d’ensemble du dispositif d’essai.
2.2. Application des sollicitations
L’application de l’effort déviatorique se fait grâce au servovérin hydraulique installé
sur le bâti de chargement. Celui-ci a une capacité de ±500 kN et est pilotable grâce à
un système digital Flextest (système MTS). Il permet d’appliquer des sollicitations
monotones et cycliques à déplacement ou force contrôlée, selon un programme de
chargement prédéfini. Dans la gamme cyclique, le servovérin permet d’atteindre des
fréquences de 30 à 40 Hz, fonction de l’amplitude demandée en déplacement. De
grands nombres de cycles peuvent être appliqués, allant jusqu’à plusieurs millions,
permettant d’aborder la problématique de la fatigue. L’effort déviatorique est mesuré
à l’aide d’un capteur d’effort de capacité ±500 kN, situé à l’intérieur de la cellule, à la
base de l’éprouvette, permettant de s’affranchir de tout frottement parasite. Le
servovérin est équipé d’un capteur de déplacement incorporé, du type LVDT,
permettant la mesure des déplacements du piston.
Le pression de confinement peut être appliquée de deux manières. Pour les
essais classiques, dans lesquels la pression de confinement (pression de cellule) est
maintenue constante, avec des vitesses de sollicitation suffisamment faibles, on peut
utiliser un simple détendeur manuel et une interface air-eau. Pour les essais
nécessitant un asservissement de la pression de confinement et, en particulier, les
essais asservis dans le plan des contraintes (q, p), nécessitant d’asservir de manière
couplée la force déviatorique et la pression de confinement, on utilise un
déintensifieur de pression dynamique qui est, en quelque sorte, un contrôleur pressionvolume dynamique, permettant d’asservir une pression d’eau dans le domaine
dynamique et de piloter la pression de cellule. Le dispositif est, en fait, basé sur
l’utilisation d’un servovérin qui, au lieu de piloter une force, comme le servovérin
axial, pilote la pression d’eau dans un réservoir en communication avec l’eau de
confinement de la cellule. La pression d’eau est mesurée au niveau de la cellule
triaxiale grâce à un capteur de pression sur lequel boucle l’asservissement.
Le système de pilotage digital permet d’asservir de manière couplée l’effort
déviatorique et la pression de confinement, de manière à réaliser différents trajets de
chargement, monotones et cycliques dans le plan des contraintes (q, p).
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2.3. Instrumentation spécifique
En fonction des applications visées, une instrumentation spécifique peut venir
compléter la métrologie de base (capteurs de pression interstitielle, capteurs de
pression totale, capteurs de déplacement, de déformations, accéléromètres, etc.).
On présente ci-dessous un dispositif de mesure locale destiné à évaluer avec
précision les déformations des éprouvettes dans le domaine des petites
déformations. Ce dispositif a été utilisé pour les applications que l’on présentera plus
bas sur les graves et sur le microballast.
Ce dispositif, appelé LTD, a été développé au Japon par Tatsuoka et son équipe
et permet d’évaluer les déformations longitudinales et transversales de l’éprouvette
de sol. Il est particulièrement intéressant pour les éprouvettes de grandes
dimensions, sur lesquelles sa mise en place est relativement aisée, par rapport aux
éprouvettes de petite dimension pour lesquelles la mise en oeuvre de tels capteurs
est plus délicate. Le principe utilisé pour mesurer le déplacement relatif entre deux
points est la mesure de la déformation d’une lame fléchie, instrumentée avec des
jauges de déformation. Cette déformation est reliée au déplacement relatif des
extrémités de la lame. Il existe deux types de dispositifs, l’un pour les déformations
longitudinales de l’éprouvette et l’autre pour les déformations transversales.
Pour les déformations longitudinales, la lame fléchie a une longueur de 50 cm et
elle est fléchie entre deux points situés à proximité des extrémités de l’éprouvette,
grâce à des butées placées sur la membrane contenant l’éprouvette (figure 3).
Figure 3. Schéma de principe du dispositif de mesure locale
Ceci constitue l’état initial du dispositif, à partir duquel les déplacements relatifs
des extrémités de la lame vont induire des déformations additionnelles de la lame
qui, moyennant étalonnage, permettent de remonter aux déplacements. Le dispositif
permet de mesurer des déplacements de l’ordre du micromètre et d’accéder à des
déformations de l’ordre de la microdéformation (10-6).
Pour les déformations transversales, on positionne un arceau semi-circulaire
rigide autour de l’éprouvette, une des extrémités de l’arceau étant équipée avec une
petite lame fléchie, l’autre extrémité étant positionnée contre l’éprouvette (figure 4).
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Le même principe de mesure que pour les lames longitudinales est alors utilisé : les
variations de diamètre de l’éprouvette se traduisent par une déformation de flexion
de la lame, mesurée par les jauges de déformations, et transcrite en terme de
déplacement relatif (variation de diamètre). On utilise généralement trois dispositifs
pour les mesures de variations de diamètre, l’un situé au centre de l’éprouvette, les
deux autres situés chacun à une distance d’un quart de la longueur de l’éprouvette
par rapport aux embases.
Figure 4. Vue du dispositif de mesure locale en place sur une éprouvette
3. Application aux sols grossiers et aux graves
Le dispositif triaxial a été utilisé pour étudier le comportement mécanique de sols
grossiers à matrice de référence sous cisaillement monotone (Pedro, 2004 ; Dupla et
al., 2008, Seif El Dine, 2007) ainsi que le comportement de graves spécifiques
(Dupla et al., 2007). Dans le cadre des thèses de Pedro et de Seif El Dine, on a, en
particulier, pu proposer une méthode d’évaluation des caractéristiques mécaniques
de sols grossiers dans lesquels on peut distinguer une partie « matrice », d’une
classe d’inclusions de taille bien différenciée, ceci sur un principe analogue aux
méthodes d’homogénéisation.
Une autre application a consisté à déterminer des caractéristiques mécaniques
d’une grave silico-calcaire spécifique, destinée à être utilisée comme matelas de
répartition sur un site expérimental consacré à l’étude du comportement des
systèmes d’inclusions rigides (Projet National ASIRI : Amélioration des Sols par
Inclusions RIgides). La courbe granulométrique de la grave est présentée sur la
figure 5. On a dû, en particulier, déterminer, pour différents niveaux de déformation
axiale, les modules en petites déformations de cette grave, très hétérogène au sens
des matériaux constitutifs des éléments (blocs de silex, éléments crayeux, etc.). On
a pour cela utilisé les systèmes à lames fléchies (LDT) présentés plus haut, qui ont
permis d’obtenir des modules à très petite déformation. La figure 6 présente les
valeurs de module d’Young obtenues en petites déformations (comparaison entre
mesures locales et globales) à différents niveaux de cisaillement de l’éprouvette
(0,15, 0,35 et 0,85 % en mesure globale). Cette augmentation rend compte de la
densification du sol en phase contractante.
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100
Grave
Essai 1
Essai 2
Passant (%)
80
60
40
20
0
1E-3
0.01
0.1
1
10
100
Diamètre (mm)
Figure 5. Courbe granulométrique de la grave
1100
Mesures locales
Mesures glbales
1000
Module d'Young E (MPa)
900
Grave
Essai triaxial drainé
3
w=7,4 % - ρd=1,76 g/cm
800
700
600
σ'c=100 kPa
500
400
300
200
100
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Déformation axiale ε1 (%)
Figure 6. Comparaison des valeurs du module d’Young obtenus à partir des
mesures locales et globales
4. Application au ballast
L’étude du comportement mécanique du ballast sous sollicitations cycliques
constitue une problématique importante en regard du domaine ferroviaire dans
lequel ce matériau granulaire spécifique joue un rôle primordial dans le
comportement global de la voie ferrée. Avec le développement des trains à grande
vitesse, en particulier, de nouveaux problèmes, d’origine dynamique, apparaissent,
liés à l’augmentation de la vitesse des trains. Le dispositif triaxial dynamique permet
d’aborder ces problématiques, en permettant, d’une part, de solliciter ces matériaux
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dans une gamme de fréquences représentative des gammes visées et d’autre part
d’appliquer de très grands nombres de cycles représentatifs des gammes visées
(plusieurs centaines de milliers, voire millions de cycles).
Dans ce cadre, des travaux ont été développés dans le cadre de la thèse de
Karraz, actuellement en cours, visant à étudier le comportement mécanique d’un
microballast sous cisaillement monotone et cyclique. Le microballast est un ballast à
échelle réduite (échelle 1/3). On utilise du microballast pour minimiser les effets
d’échelle résultant de l’utilisation de ballast réel. Le microballast possède les mêmes
caractéristiques granulaires que le ballast réel (matériau constitutif, forme,
angularité, état de surface, etc.) et son comportement au sens du milieu continu est
le même que celui que l’on observerait sur du ballast à l’échelle 1 avec un dispositif
d’essai trois fois plus gros (diamètre d’éprouvette de 900 mm). Les travaux réalisés
ont eu pour objectif d’étudier l’influence de paramètres significatifs tels que, entre
autres, l’amplitude et la fréquence de la sollicitation, ainsi que le nombre de cycles
appliqués, sur les comportements observés.
La figure 7 présente, par exemple, les résultats d’un essai mené à grand nombre
de cycles (3500000 cycles réalisés) pour une contrainte de confinement isotrope σ’c
de 50 kPa et un taux de chargement cyclique constant TCC de 0,40 (TCC= qcyc
/2σ’c). La figure permet de mettre en évidence l’accumulation progressive des
déformations axiales au cours des cycles, avec un taux initialement fort qui se
stabilise sur une valeur pratiquement constante. Il est intéressant d’observer que la
déformation résiduelle continue à évoluer même après un très grand nombre de
cycles, sans stabilisation.
Déformation axiale εa (%)
0.16
Microballast
Essai cyclique drainé
TCC = 0,40 ; σ 'c =50 kPa
f=10 Hz ; ρ d =1,745 t / m
0.12
3
0.08
0.04
0.00
0
500000
1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000
Nombre de cycles
Figure 7. Evolution de la déformation axiale en fonction du nombre de cycles
On peut représenter des cycles particuliers extraits de l’histoire du chargement.
Par exemple, la figure 8 présente deux cycles spécifiques, dans le plan (q, εa), le
cycle n°10000 et le cycle n°3500000. A partir de l’analyse de ces cycles, on peut, par
exemple, mettre en évidence l’évolution de la rigidité et du caractère dissipatif du
matériau au cours du chargement.
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45
cycle N° 10 000
Déviateur des contraintes q (kPa)
Déviateur des contraintes q (kPa)
40
30
20
10
40
cycle N° 3 500 000
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,085
0,050
0,090
0,095
0,100
0,105
0,110
0,115
Déformation axiale εa (%)
Déformation axiale εa (%)
Figure 8. Exemples de courbe (q,εa) pour deux cycles particuliers (100000 et
3500000)
5. Conclusions
On a présenté dans cette communication un nouveau dispositif d’essai triaxial
asservi pour éprouvettes de 300 mm de diamètre et 600 mm de hauteur, permettant
d’étudier le comportement mécanique des sols grossiers et des graves ainsi que de
matériaux macro-granulaires divers tels que le ballast. Les performances des
servovérins utilisés pour l’application des sollicitations (confinement et déviateur)
permettent d’aborder, en particulier, les problèmes dynamiques et les problèmes à
grands nombres de cycles (fatigue) qui constituent des problématiques importantes
actuellement en regard, entre autres, de la problématique ferroviaire, des problèmes
de vibrations et de la problématique sismique. On a, finalement, présenté de
manière succincte deux applications typiques du dispositif, à une grave et à un
microballast, permettant de donner un aperçu des applications possibles du
dispositif.
6. Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier la région Ile-de-France pour sa participation au
financement du dispositif d’essai (opération Sésame) ainsi que le Projet National
ASIRI, pour sa participation au financement des travaux consacrés à la
caractérisation de la grave silico-calcaire du site expérimental de St-Ouen-l’Aumône.
7. Références bibliographiques
Dupla J.-C., Canou J., Dinh A.-Q. 2007. Caractérisation de la grave utilisée sur le site de StOuen-l’Aumône – Rapport de recherche, Projet national ASIRI, tranche 1.
Dupla J.-C., Pedro L.S., Canou J., Dormieux L. (2008). Comportement mécanique de sols
grossiers de référence. Bulletin de Liaison des Ponts et Chaussées, sous presse.
Pedro L.S. (2004). De l’étude du comportement mécanique de sols hétérogènes modèles à
son application au cas des sols naturels. Thèse de doctorat de l’ENPC.
Seif El Dine B. (2007). Etude du comportement mécanique de sols grossiers à matrice.
Thèse de doctorat de l’ENPC.
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