Expériences de laboratoire sur le comportement thermo-hydro-mécanique de matériaux argileux remaniés gonflants et non gonflants

Laboratory experiments on the thermo-hydro-mechanical behaviours of swelling and unswelling clayey rocks

¹ Euro-Géomat Consulting, 51, route d’Olivet, 45100 Orléans, France.
² Andra Service matériaux Direction scientifique Parc de la Croix-Blanche, 1/7, rue Jean-Monnet 92298 Châtenay-Malabry, France.

Résumé

Des essais ont permis d’analyser aux niveaux macroscopique et microscopique, le comportement thermo-hydro-mécanique des argiles gonflantes et non gonflantes. Le comportement mécanique a été étudié au moyen d’essais œdométriques cycliques avec et sans mesure des contraintes radiales, ainsi que d’essais de compression triaxiale non drainés à différentes pressions de confinement. L’influence de la pression de consolidation sur les textures a été analysée sur la base de résultats d’essais de porosimétrie au mercure et de BET. Ces essais ont permis de mettre en évidence un comportement élasto-plastique en charge pour les différentes roches argileuses gonflantes et non gonflantes. Dans le cas des roches gonflantes, la décharge et la recharge s’accompagnent de boucles d’hystérésis traduisant l’existence de déformations irréversibles et un comportement élasto-plastique. Le coefficient k_o pour les différentes roches peut être évalué avec une relation linéaire en fonction du rapport de contraintes q/p’. Ainsi, pour les états de contrainte normalement consolidés, les variations des contraintes extérieures sont équilibrées par l’évolution des contraintes de confort : δσ_ext = δσ_c. En revanche, pour les états de contrainte surconsolidés et dans le cas des roches gonflantes, les variations des contraintes extérieures sont reprises par les contraintes physico-chimiques de répulsion δσ_ext = δσ_{R – A}. Pour l’étude du comportement thermo-mécanique, nous avons réalisé d’une part, des essais Isothermes sur des chemins œdométriques et triaxiaux non drainés et, d’autre part, des cycles thermiques sous chargement mécanique constant à l’état normalement consolidé et à l’état surconsolidé sur des chemins œdométriques. L’anisotropie des déformations sous sollicitations thermiques et les déformations irréversibles des textures des roches argileuses ont été étudiées. Elles permettent ainsi d’associer à ces sollicitations thermo-mécaniques un opérateur tensoriel : la contrainte thermique σ_T. Les principaux phénomènes liés au comportement hydro-mécanique des roches argileuses fortement compactées ont été mis en évidence par des essais œdométriques et triaxiaux à succion confiante et par des cycles de sorption-désorption. Ainsi les essais de sorption-désorption mettent en évidence deux domaines : un domaine quasi saturé dans lequel les déformations sont isotropes et un domaine non saturé caractérisé par des déformations réversibles anisotropes. Un opérateur tensoriel de contrainte capillaire σ_cap est proposée pour traduire ces déformations. Ainsi, dans le cas général de sollicitations thermo-hydro-mécaniques, les variations de contraintes extérieures sont équilibrées par des contraintes de contact pour les états de contrainte normalement consolidés (OCR = 1) ou de répulsion pour les états de contrainte surconsolidés (OCR > 1). par des contraintes thermiques et par des contraintes capillaires : [math] (OCR = 1) et [math] (OCR > 1).

Abstract

Some tests allowed to analyse at macroscopic and microscopic levels, the thermo-hydro-mechanical behaviour of swelling and unswelling clayey rocks. The mechanical behaviour was studied by oedometric cyclic tests with and without measurement of the radial stress, as well as undrained compression triaxial tests at different confining pressures. The influence of the consolidation pressure on the textures was analysed from results of porosimeter and BET tests. These tests allowed to point out an elasto-plastic behaviour during the loading for different swelling and unswelling clayey rocks. In the case of the swelling rocks, the unloading and the reloading curves showed hysteresis loops, which proved the existence of irreversible strains and an elasto-plastic behaviour. The k_o coefficient for the different rocks could be valued by linear relation with the stresses ratio q/p’. Thus for the normally consolidated states, the variations of the external stress are level-headed by the evolution of the stress of contact : δσ_ext = δσ_c. In return for the overconsolidated states and in the case of the swelling clayey rocks, the variations of the external stress are compensated by the physico-chemical repulsion stress : δσ_ext = δσ_{R – A}. To study the thermo-mechanical behaviour, we performed on one hand isothermal tests on some oedometric and undrained triaxial paths, and on the other hand thermal cycles under mechanical constant loading at normally and over consolidated states on some oedometric paths. The anisotropy of the strain under thermal solicitations and the irreversible strain of clayey rock textures were studied. Thus they allow to associate a tensorial operator, the thermal stress σ_T to thermo mechanical solicitations. The main phenomena due to the hydro-mechanical behaviour of highly compacted clayey rocks were pointed out by oedometric and trixial tests at constant suction and by sorption desorption cycles. So sorption desorption tests show two domains : a quasi saturated domain for which the strains are isotropic and a no saturated one characterised by reversible anisotropic strain. A tensor of capillary stress σ_cap is suggested in order to translate these strains. So in the general case of thermo-hydro-mechanical solicitations, the variations of external stress are equilibrated by the contact stress (OCR = 1) or repulsion stress (OCR > 1), and by the thermal stress and the capillary stress : [math] (OCR = 1) and [math] (OCR > 1).