Un bref état de connaissances sur le compactage des sols

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LES PLÉNIÈRES 2011 de l’Ifsttar
Sciences et techniques
du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Etat de l’art sur le compactage
CABOURG – 08 au 10 novembre 2011
Bref état de connaissance sur le compactage
de sols
Groupe GER TOT
Terrassement et Ouvrages en Terres
Présenté par A. Razakamanantsoa
Andry RAZAKAMANANTSOA - Ifsttar
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Définitions
Quelques définitions
Consolidation isotrope:
P
Diminution de volume ou
« augmentation de densité » pour le sol
Amélioration de l’ensemble des propriétés mécaniques
E, (c, φ)
Pc
Sol Foisonné
Consolidation déviatorique
P= Pc
Ps
ou modification de la géométrie de
l’assemblage des particules sans
variation de volumes
Génération de l’anisotropie
Sol normalement
compacté
Pc< Ps
Surcompactage
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Définitions
Etats de contraintes dans les « sols non saturés »
A
P P ' u × ( A − Ac )
σ= = +
avec c << A
A A
A
A
σ =σ' +u
Terzhagi
Sol non saturé
Notion de « Contrainte effective »
σ ' = (σ − ua ) + χ (ua − uw )
χ = 1 pour 0.9 < S r < 1
Bishop, 1960
Ne prend pas en compte
la microstructure
Alonso, Delage,… 1990
Notion de « variable indépendante »
e = f ((σ − ua ); (ua − u w ))
Trop de paramètres (11)
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Définitions
Actualisation de la relation de Bishop
Expression
s 
χ =  air 
 s 
1
Auteur (s)
Khalili &
Khabbaz,1998
2
χ = Sr
σ ' =σ +π
π ( s ) = −u a + s si s ≤ s air
π ( s ) = −u a + s × Sr +
1
2
S ( s ) ds si s ≤ s air
3 Sr∫
Observations et limites
Moins de paramètre,
mais difficile à déterminer
Bolzon, 1996;
Gallipoli, 2003
Succion d’entrée d’air
non pris en compte
Coussy,
Dangla,2000
Peu pratique
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Définitions
Courbes de rétention d’eau
(Bear and Bachmat, 1991)
Chemin d’humidification pour le terrassement et ouvrages en terre
Chemin de séchage pour les problématiques de sècheresse
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Définitions
Correspondance: les états de saturation - courbe de compactage
(Boutonnier, 2007)
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Définitions
Classification des états de saturation
Prise en compte
de l’hystérésis sur chantier?
air libre
air occlus
eau
grains et agrégats
(Boutonnier, 2007)
Tension capillaire
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Définitions
Classification des états de saturation / de k: importance de uw
Evolution des perméabilités relatives à l’air et à l’eau
en fonction du degré de saturation (Boutonnier, 2007)
B=
∆u
= 1 / (1 + n.Cv . / Cc )
∆σ 3
(Skempton, 1954)
B=
∆u
1
=
∆σ 3 1 + e E c
oedo f
1+ e
(Boutonnier, 2007)
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Comportement mécanique des sols fins compactés
(consolidation - compressibilité - cisaillement)
Quel type d’essai mécanique correspond-t-il au compactage de chantier ?
Chemins de contraintes possibles:
σ1
- Oedometrique: déformation latérale nulle
- Isotrope: σ1= σ2 = σ3
σ3
σ3
- Déviatoire: (σ1- σ3)= cte
- Triaxial: σ3 = cte
σ1
Système à symétrie axiale
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Chemin Isotrope
Chemin oedometrique:
σ=
σ(MPa) 1
Déformation latérale nulle
γd= 1.52 g/cm3
σc= 15 MPa
σc
15
10
σ1
25
Log σ MPa
20
σ2 = σ3
20
σ1
- Densité initiale
γinitial=1,52g/cm3
15
- Contrainte de consolidation
σc = 15 MPa
(Al-Issa 1972)
4
σc
γd
= G = 2,7
γw
10
1
σc
0.4
γd =
0.2
G ×γω
1+ e
5
0.1
0
e
0,7
0,6
0,5
Chemin oedometrique d’un sable (semi -log)
σ3
σ3
2
4
6
8
ε%
Chemin oedometrique d’un sable (échelle naturelle)
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Chemin Oedometrique – Compression statique
Chemin oedometrique non drainé – variation
de la densité sèche en fonction du degré
de saturation et de la contrainte totale
Argile NDC
À pression constante la densité augmente
jusqu’à environ 95% de saturation puis
diminue.
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
σ1
Chemin Déviatoire (σ 1 − σ 3 ) = Cte
σ3
σ3
(σ 1 − σ 3 ) max = 27 ,9 bars
σ1
γmin=1,56 g/cm3 de 29,3 % à 36,3 %
γmax=1,613 g/cm3 à 3,3 %
Palier 19,2 à partir de 48 %
(σ m )
d i ≤ d cr (σ m )
≥
(Le Long, 1968)
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Chemin triaxial σ 3
= cte
σ1
γmin=1,48g/cm3
γmax=1,71g/cm3
D10=0,64 mm
D60=0,98mm
D30=1,50 mm
σ3
σ3
σ1
(Al-Issa; Biarez; Gresillon)
Phénomène de dilatation ou de contraction
suivant l’accroissements du déviateur
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Comparaison des différents types de sollicitation
σ1
σ3
σ3
σ1
(Subbarao, 1972)
e = f (σ )
Densité (Chemin triaxial)
>
Densité (Chemin Isotrope)
-Si P<Pc alors le déviateur
décompactera le matériau jusqu’à l’état critique
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Détermination de la contrainte de pré-consolidation
Corrélation
entre la limite de liquidité
et la pression capillaire
(Fleureau, 2002)
Cu ( s) = Co + Sr α s
α =4
σ ' p = 4 × Cu
(Alonso et al, 2009)
Pour l’argile (Munoz et al., 2011)
Pour sol intact (J.P.Magnan)
Exemple:
pour la kaolinite Speshwite WL: 55%,
on aura un u : 200kPa
w
σ ' p = 4 × (0 + (0.90) 4 × 200 = 0.538MPa
(0.6MPa – 1.1MPa) Pour un chemin oedometrique monotone
(Fry,1977)
0.3MPa Pour un chemin triaxial (Fry,1977)
1
2
σ v' = σ vo' + σ 'p pour F : 3(fondation superficielle)
150 kPa soit 7 m de remblais
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Correspondance de l’étude mécanique avec la réalité
Comportement du sol compacté sans vibration
Compactage par choc: Proctor Standard – Proctor Modifié
Mode de compactage
Proctor standard
Proctor modifié
Origine
Construction de Barrage en terre
(Californie)
Construction de piste d’atterrissage (w,Gd
optimal)
Energie de compactage
60 T/m3
275 T/m3
Poids de la dame (kg)
2.5
4.5
Hauteur de chute (cm)
30.5
45.8
Nombre de couche
3
5
Moule
Proctor
Nombre de coup (par couche)
25
Proctor
CBR
25
56
Ø (mm)
5-20
5-20
<40
Application
Compactage de remblais
Piste d’atterrissage
Couche de Base
de chaussée
Limites
Besoin de mise en œuvre d’énergie différent??
Damage par coup (ensemble de phénomène complexe) ≠ sollicitation de chantier
(comparaison impossible)
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Compactage Statique – Compactage Proctor
Proctor standard = Compactage statique sous 1,3 MPa
Proctor Modifié = Compactage statique sous 4,5 MPa
La vitesse d’écrasement n’a qu’une influence négligeable sur le compactage statique
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Coefficient de perméabilité (m/s)
Poids volumique sec (kN/m3)
Compactage Classique – Compactage par Pétrissage
Variation du poids volumique sec (a)
et de la perméabilité (b) en fonction
de la teneur en eau (Daoud, 1998)
a)
Qian et al. (2002)
Importance de la structure granulaire
b)
Teneur en eau (%))
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Comportement du sol compacté avec vibration
Milieu Pulvérulent
a ≥ 1σ
g 3 3
Pakash&Gupta 1967
Schaeffner, 1962)
Il existe un indice des vides maximal correspondant à une fréquence de vibration
Densité (vibration horizontale) > Densité (vibration verticale)
Existence d ’une densité maximale pour une vibration verticale
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Paramètres majeurs qui influent sur le compactage
Chargement Cyclique
Granularité et évolution
En chemin oedometrique
du Modules d’Young
Young Modulus (MPa)
1000
γd:1,62g/cm3
dc: 0,65
d10: 0,64 mm
d60:0,98mm
d60/d10:1,53
H:6,0cm
2R:1,44cm
eotgϕ = cte
100
10 % fines
5 % fines
3 % fines
10
10
100
Vertical stress (kPa)
1000
Influence de la distribution granulaire sur le module E
pour une degré de compactage de 97%, wOPN(-2) (Correia, 2001)
Influence du chargement cyclique suivant le chemin oedometrique (Subarano, 1972)
La vitesse d’application de la sollicitation influe peu sur
les matériaux granulaires avec très peu de fines tant
que les vitesses de sollicitation permettent le drainage (Biarez, 1961)
Fatigue des sols traités
compactés ?
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Vers la maîtrise du compactage
Malaxage sur chantier
3 en 1
Transport
Traitement
Système combiné
Correction hydrique
Page 21/x
du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Vers la maîtrise du compactage
Evolution du procédé de compactage
Compacteur de l’avenir?
Compacteur à pieds dameur
Après classification, l’objectif est de réutiliser les
matériaux pour édifier des remblais ou des
couches de forme.
• Remblai : qualité q4
Signifie ρdm = 95 % ρdOPN et ρdfc = 92 % ρdOPN
• Couche de forme : qualité q3
Signifie ρdm = 98,5 % ρdOPN et ρdfc = 96 % ρdOPN
Compacteur lisse- vibrant
A quel Prix?
Compacteur à pneus
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du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Conclusions
L’évolution de l’essai de compactage en laboratoire?
Le transfert ( Laboratoire – Chantier): Manège de compactage?
Distribution de l’eau dans le sol (économie d’eau)?
Importance de la mouture sur la compactibilité de sol fin (gain en densité)?
Evolution des appareillage de compactage sur chantier?
Evolution des systèmes de mesures (labo-chantier): hystérésis – profil hydrique …
Page 23/x
du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Références
Al Issa M., (1973), Recherche des lois contraintes déformations des milieux pulvérulents,
PhD Thesis. Université Scientifique et Médicale de Grenoble
Alonso E.., (2005), Compactage et comportement des sols fins humides.
Revue Française de Géotechnique, N°111, 2eme trimestre, p33-43
Alonso E., Pereira J.M., Vaunat,J. and Olivella, (2009), A microstructurally based effective stress for unsaturated soils. Géotechnique, accepted
Alonso E., Gens A., Josa A; (1990), A constitutive model for partially saturated soils. Géotechnique, 404, N°3, 405-430.
A. Quibel, A Gomes Correia, 2000, Compactage des sols et des matériaux granulaires, ISSMGE/ETC 11, Presse de l’Ecole Nationale des Ponts et
Chaussées
Boutonnier, (2007) Comportement hydromécanique des sols fins proches de la saturation cas des ouvrages en terre: coefficient B, déformation instantanées
et différées, retrait/ gonflement. . PhD Thesis, INP Grenoble, 394p.
Daoud, F.Z. (1996) La perméabilité des sols fins compactés.
PhD Thesis, Ecole Normal Supérieure de Géologie de Nancy,194p.
Biarez, J. 1962. « Contribution à l’étude des propriétés mécaniques des sols et des matériaux pulvérulents ».
PhD Thesis. Ecole centrale de Paris
Forssblad, (1968) New method for laboratory soil compaction by vibration, Highway Research Record, N° 177
Kouassi P. (1998), Comportement des sols fins compactés: application aux remblais et aux ouvrages en terre.
PhD Thesis, University of Bordeaux,180p.
J.Munoz, F.Casini, S.Lourenço, J.M. Pereira,J. Vaunat, P.Delage, E.Alonso, L.Thorel, J.Garnier, D.Gallipoli, D.Toll,( ) Centrifuge modelling of a shallow f
oundation on an unsaturated compacted silt.
J.M. Fleureau (2002), Géomecanique des routes et voies ferrées, Hermlès, Traité MIM.
Poulain D. (1993) Pressions interstitielles de construction dans les barrages homogènes en matériaux argileux humides.
PhD Thesis, University of Bordeaux 1,119p.
Skempton (1954), The pore pressure coefficient A and B, Géotechnique , Vol° 4
Subbarao, C. 1972. « Compactage et mécanique des milieux continus ».
PhD Thesis. Université Scientifique et Médicale de Grenoble
Page 24/x
du Génie Civil
JOURNÉES
GÉOTECHNIQUE
Comportement du sol compacté avec vibration
Milieu Cohérent
Relations densité sèche
– teneur en eau du sable vibré
(Forssblad, 1968)
σ=0
Economie d’eau ??
Page 25/x

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