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1 Introduction

Les sols compactés sont sensibles aux variations de leur teneur en eau à des degrés divers selon leur nature et leur état. Dans les remblais routiers en service, ces variations de la teneur en eau trouvent souvent pour origine des circulations d’eau dues à des défauts de drainage et d’assainissement superficiel (Auriol et al., 2000). Ces variations hydriques se traduisent par des déformations qui évoluent progressivement dans le temps vers des pathologies plus ou moins prononcées (Mieussens, 2000 ; Kovacevic et al., 2001 ; Guerpillon et Virollet, 2005 ; Boussafir, 2006 ; Mathon et al., 2015 ; Briggs et al., 2017). Ces déformations différées sont attribuées principalement aux interactions entre l’eau et les particules argileuses du sol, aux évolutions de l’équilibre entre les phases air et eau du milieu non saturé et au fluage. Elles dépendent aussi de la perméabilité du sol.

Historiquement, des processus physico-chimiques ont été mis en avant pour expliquer le gonflement des argiles pures en présence d’eau à l’échelle des particules argileuses. Mais, en pratique, ces approches se sont révélées difficilement applicables aux argiles naturelles ou compactées (Nayak et Christensen, 1971). En contrepartie, de nombreuses propositions ont vu le jour sous la forme de relations empiriques entre le gonflement et les propriétés physiques des sols (Holtz et Gibbs, 1956 ; Ladd, 1960 ; Seed et al., 1962 ; et bien d’autres). Ces relations sont attachées à des familles de sols et conservent un caractère régional bien souvent. Le rôle de la structure du sol compacté reste caché.

Très tôt, les propriétés mécaniques (déformabilité, résistance) et hydrauliques (perméabilité) des sols compactés ont été reliées à leur état (Seed, 1954 ; Leonards, 1955 ; Lambe, 1958 ; Seed et Chan, 1959 ; et bien d’autres depuis). Mais, si la teneur en eau et la densité contrôlent ces propriétés au premier ordre, elles ne suffisent pas pour décrire le comportement des sols argileux compactés. Des progrès dans ce sens ont été accomplis sur le plan expérimental dans le domaine des sols non saturés (Bishop et Donald, 1961 ; Escario et Saez, 1973) et l’étude de la microstructure des sols compactés (Lambe, 1958 ; Sridharan et al., 1971 ; McGown et Collins 1975) et plus récemment (Alonso et al., 1990 ; Delage et al., 1996 ; Delage, 2000 ; Ferber et al., 2008 ; Alonso et al., 2013). Une situation extrême se rencontre dans les sols compactés dotés d’une structure ouverte métastable, où la réduction de la succion par imbibition sous charge déclenche de fortes déformations volumiques irréversibles désignées par le terme d’effondrement (Dudley, 1970 ; Barden et al., 1973 ; Lutenegger et Saber, 1988 ; Lawton et al., 1989, 1992 ; Sun et al., 2007 ; Leong et al., 2013 ; Li et al., 2016). À l’opposé de ces tassements, les sols compactés argileux et actifs produisent des gonflements (Holtz et Gibbs, 1956 ; Ladd, 1960 ; Seed et al., 1962 ; Nayak et Christensen, 1971 ; Escario et Saez, 1973 ; Sridharan et al., 1986 ; Basma et al., 1995 ; Soundara et Robinson, 2009 ; Kayabali et Demir, 2011 ; parmi les auteurs déjà cités).

Tous ces acquis n’occultent pas le bien-fondé d’une approche macroscopique du comportement des sols compactés au laboratoire basée sur des essais conventionnels, où les variables en jeu sont les contraintes totales et les caractéristiques d’état, la teneur en eau et la densité. Cette approche convient notamment dans les problèmes de déformations des sols compactés dues à l’augmentation de la teneur en eau sous contraintes totales constantes, en considérant que l’humidification jusqu’à saturation constitue la situation la plus défavorable. Cette méthode présente l’avantage de mobiliser un nombre réduit de paramètres qu’il est aisé de déterminer avec des essais conventionnels et elle s’inscrit dans une démarche de valorisation de telles pratiques (Islam et Kodikara, 2016 ; Li et al., 2016).

Dans ce cadre et parmi les nombreuses procédures d’essais œdométriques qui ont vu le jour, les essais de gonflement-effondrement en parallèle offrent un moyen efficace d’évaluation de la sensibilité aux variations de la teneur en eau des sols compactés (Noorany, 1992). Une procédure de ce type a été proposée par Mieussens (1993). Ces méthodes étendent à plusieurs éprouvettes les procédures plus anciennes fondées sur une éprouvette (méthode du simple œdomètre ; Knight, 1963) ou deux éprouvettes (méthode du double œdomètre ; Jennings et Knight, 1957).

Afin de caractériser un sol au moyen de cette méthode d’essais en parallèle, plusieurs éprouvettes sont compactées en un point d’état donné, puis elles sont chargées sous différentes contraintes axiales totales dans des cellules œdométriques indépendantes. L’imbibition des éprouvettes provoque des gonflements sous les faibles charges et des tassements sous les fortes charges. Les amplitudes de ces déformations révèlent la sensibilité du sol compacté. L’intérêt des essais de sensibilité est confirmé par les observations en vraie grandeur (Berche et al., 2009 ; Rojat et Gendre, 2009 ; Vinceslas et al., 2009). Toutefois, leur usage demeure limité encore, faute de s’appuyer sur une base expérimentale étendue et, surtout, faute de bénéficier d’un plus grand nombre de retours d’expériences, où les sols sont examinés dans les conditions de chargement et environnementales des ouvrages en terre. Le domaine de variation des paramètres issus des essais est mal connu. Dans l’attente, ces essais présentent néanmoins l’intérêt d’offrir une ouverture vers les méthodes de caractérisation du comportement mécanique des sols compactés.

Quarante-cinq essais de sensibilité ont été réalisés en employant cette procédure sur une vingtaine de sols d’origines différentes. Quelques sols ont été testés dans différents états de compacités et de teneurs en eau. Cette étude a pour objectif de présenter les résultats de ces essais et les paramètres qui sont obtenus dans le cadre de l’interprétation de la procédure originale, avant de préciser les domaines de variation de ces paramètres et les tendances observées. Un autre cadre interprétatif des essais de sensibilité est proposé dans l’article intitulé « Interprétation des essais de sensibilité des sols compactés à l’imbibition d’après la méthode d’interprétation des essais de gonflement en parallèle » (Serratrice, 2020).

Chaque essai de sensibilité compte six éprouvettes œdométriques. Des indications générales sont proposées pour commencer, qui concernent la représentation des résultats expérimentaux, le contexte de réalisation des essais, puis les sols testés. Le paragraphe suivant est consacré au compactage statique des éprouvettes œdométriques. Une attention particulière est réservée à cette phase préliminaire d’essai, car elle fournit une contrainte de compactage (ou pression de compactage). Les conditions de réalisation et les résultats des essais de sensibilité sont présentés alors. Des exemples sont commentés. Les indices de sensibilité définis dans la procédure originale sont identifiés sur les courbes expérimentales pour caractériser la sensibilité des sols compactés. Les expériences offrent un panorama de ces différents indices pour des sols de sensibilités diverses. Enfin, le dernier paragraphe est consacré à l’effondrement des sols compactés du point de vue des essais de sensibilité.

2 Sensibilité des sols compactés aux variations de la teneur en eau

2.1 Origine des essais de gonflement-tassement en parallèle

L’œdomètre est universellement reconnu comme outil de mesure des déformations volumiques des sols sous l’effet des chargements ou des variations de teneur en eau au laboratoire. De nombreuses procédures œdométriques ont été proposées pour tester les sols naturels ou les sols compactés sous l’effet des variations de teneur en eau. L’énumération et la comparaison de ces méthodes ont fait l’objet de différents travaux (Brackley, 1973 ; Sridharan et al., 1986 ; Serratrice et Soyez, 1996 ; Fityus et al., 2005 ; Soundara et Robinson, 2009 ; parmi d’autres). Plusieurs de ces méthodes sont normalisées. Les procédures d’essais de gonflement en parallèle, où plusieurs éprouvettes identiques sont testées sous différentes charges, apparaissent dans les années 1980. Elles s’appliquent aux sols argileux (ISSMFE, 1989) ou aux roches argileuses (ISRM, 1989). La méthode A de la norme D4546-08 (ASTM, 2008) donne une version de ces procédures. En France, une procédure de ce type est rapportée dans la norme expérimentale XP P94-091 (AFNOR, 1995).

En s’inscrivant dans cette thématique, la méthode du double œdomètre se rapporte à la caractérisation des sols gonflants (Jennings et Knight, 1957 ; Basma et al., 1995 ; Kayabali et Demir, 2011 ; et d’autres) ou des sols effondrables (Lutenegger et Saber, 1988 ; Lawton et al., 1989 ; Sun et al., 2007 ; Leong et al., 2013). Elle est menée sur une paire d’éprouvettes identiques afin de comparer les réponses du sol sous des paliers de chargements successifs, une éprouvette étant maintenue dans son état naturel, l’autre étant préalablement soumise à une phase de gonflement libre sous imbibition. Ainsi, la comparaison ne porte pas sur les déformations enregistrées pendant l’imbibition du sol sous des contraintes totales fixes, mais à l’issue de deux chemins de chargement différents. Afin de provoquer les tassements du sol compactés soumis à des charges fixes, Noorany (1992) a proposé de procéder à l’imbibition de plusieurs éprouvettes œdométriques identiques soumises à des charges différentes et indépendantes. Ces essais en parallèle visent ainsi à évaluer l’effet de l’imbibition sur le sol soumis des contraintes totales constantes. Les essais de sensibilité reprennent ce principe.

2.2 Principe de l’essai de sensibilité

D’après Mieussens (1993), le projet de méthode d’essai de sensibilité des sols aux variations de teneur en eau a pour objectif d’établir une procédure simple, assez rapide et destinée à fournir les informations suivantes concernant un sol compacté :

• l’amplitude du gonflement ou la reprise du tassement provoqués par l’imbibition sous une charge verticale ;

• les variations des modules de déformation avant et après imbibition ;

• des indications sur le comportement à long terme du sol compacté.

Un essai de sensibilité appliqué à un sol consiste à tester simultanément six éprouvettes identiques et indépendantes, en condition œdométrique. Les éprouvettes sont compactées dans un état donné, choisi en référence à l’optimum Proctor par exemple (teneur en eau et densité). Elles sont chargées sous des contraintes axiales totales distribuées en progression géométrique de raison deux (σ_a = 25, 50, 100, 200, 400 et 800 kPa). L’essai se déroule en deux temps, chargement puis imbibition, sur une durée d’une semaine environ. La comparaison des déformations axiales du sol, enregistrées avant et après imbibition, rend compte de la sensibilité du sol compacté aux variations de la teneur en eau dans ces conditions d’essai. L’essai peut être utilisé pour comparer des sols différents compactés dans des conditions comparables, ou bien différents états d’un même sol.

Le schéma de la figure 1 donne une image du chargement subi par le sol au cours d’un essai de sensibilité, en comptant le compactage statique, puis l’essai en parallèle. Le chargement est représenté dans le plan de compressibilité (log(σ_a), e) en échelles semi-logarithmiques, où σ_a est la contrainte axiale totale et e l’indice des vides.

Le compactage statique fait passer le sol de son état foisonné à son état compacté en suivant la ligne pointillée indiquée sur le graphique (courbe de compression statique). Dans de nombreux sols, l’enregistrement de cette courbe fait apparaître une région de transition où la compressibilité du sol foisonné est la plus forte, à l’image de la compressibilité des argiles sensibles ou des sables soumis à des très fortes pressions (Serratrice, 2019). Il est nécessaire d’atteindre la contrainte de compactage σ_acmp pour amener le sol à teneur en eau constante à la densité visée, qui est représentée ici par l’indice des vides e₀ sous une contrainte totale quasi-nulle (σ_a0 est la contrainte unité, σ_a0 = 1 kPa). Ce compactage s’applique à toutes les éprouvettes testées. Puis, les éprouvettes sont chargées sous leurs contraintes axiales respectives pour atteindre leur équilibre sur une courbe qui constitue un rechargement par rapport à l’étape de compactage statique qui précède (carrés). L’essai compte quatre éprouvettes ici, pour simplifier. La charge minimale appliquée est σ_amin et la charge maximale appliquée est σ_amax (25 et 800 kPa d’après la procédure). Les éprouvettes sont mises en imbibition et se déforment (flèches verticales) jusqu’à trouver un nouvel équilibre (triangles), en présentant des déformations de gonflement ou de tassement, voire d’effondrement, dont les amplitudes témoignent de la sensibilité du sol compacté. Une pression de gonflement σ_ag peut être définie pour une charge intermédiaire où ne se produirait pas de déformation axiale. La sensibilité du sol compactée peut être appréciée en observant l’amplitude des déformations, mais aussi les rapports entre les contraintes σ_acmp, σ_amax et σ_ag.

Fig. 1 Principe de l’essai de sensibilité. Courbe de compactage statique, puis états d’équilibre de quatre éprouvettes sous différentes contraintes axiales avant et après imbibition. Principle of the sensitivity test. Static compaction curve, then equilibrium states of four specimens under differents axial stresses before and after wetting.

2.3 Expression des résultats

L’état d’un sol compacté est défini par la teneur en eau w et la masse volumique sèche ρ_d et il s’exprime dans le plan (w, ρ_d). Il s’exprime aussi dans le plan (w, e), où e est l’indice des vides, qui vaut e = ρ_s/ρ_d – 1, et ρ_s est la masse volumique des particules solides du sol. L’utilisation de ce plan présente l’avantage d’offrir une forme linéaire aux variations des principales caractéristiques d’état du sol (Terracina, 1955 ; Andrei, 1977). Ainsi, les courbes iso-degré de saturation sont des droites d’équation e = (w ρ_s)/(S_r ρ_w), où ρ_w est la masse volumique de l’eau et S_r le degré de saturation. En particulier la droite de saturation (S_r = 1) a pour équation e = w G_s, où G_s = ρ_s/ρ_w est la densité des particules.

Les variations de l’indice des vides décrivent les déformations volumiques, comme le montre la figure 1 par exemple. Toutefois, la procédure de l’essai de sensibilité préconise d’utiliser la déformation axiale ε_a pour représenter ces variations. Dans l’œdomètre, la déformation axiale est égale à la déformation volumique et vaut ε_a = Δh/h₀, où h₀ est la hauteur initiale de l’éprouvette et Δh sa variation de hauteur depuis son état initial compacté représenté par l’indice des vides e₀. Positive pour les tassements (ε_a>0) et négative pour les gonflements (ε_a < 0), elle est liée à l’indice des vides courant du sol par la relation e = e₀ – (1 + e₀) ε_a.

2.4 Origines des sols testés

Les données expérimentales présentées dans la suite ont été obtenues dans le cadre de projets d’ouvrages où il a été fait appel à des essais de sensibilité pour caractériser les sols compactés. Quelques essais sont définis dans un plan d’expérience en plusieurs points d’état. Les sols testés sont essentiellement des sols fins déstructurés. Quelques-uns résultent de l’écrêtage préalable d’un sol grossier (coupure à 2 ou 5 mm). Le tableau 1 indique l’origine et la nature des 23 sols testés, puis le numéro d’essai de 1 à 45. Le tableau 2 indique les propriétés physiques des sols (w_L et w_P : limites de consistance ; I_p : indice de plasticité ; C₂ : teneur en particules de diamètres inférieurs à 2 μm ; V_B : valeur au bleu de méthylène) et les caractéristiques de l’optimum Proctor (w_OPN, ρ_dOPN). Quatre essais de sensibilité sont effectués sur des blocs extraits d’un remblai expérimental (site 15, argile de Bavent, essais n^o 29 à 32).

Les sols sont représentés en majorité par des limons ou des argiles et des marnes peu plastiques. Ces terrains forment un ensemble de sols peu actifs qui se classent en A1 et A2 d’après la classification GTR (LCPC-SETRA, 2000). Quelques sols se singularisent au contraire, qui proviennent des sites 7 (marne altérée de Calas), 15 (argile de Bavent) ou 17 (essais 44 à 45), et entrent dans les classes A2 ou A3 (Tab. 2).

3 Compactage statique

3.1 Préparation du sol

L’essai de sensibilité s’effectue sur un sol compacté dans un état donné. Les consignes de compactage sont généralement fournies sous la forme du couple d’une teneur en eau et d’une masse volumique (w_visée, ρ_dvisée). Ces consignes font référence à l’optimum Proctor normal du sol compacté par exemple. Sinon, elles font référence aux mesures des caractéristiques d’état du sol compacté en place, d’après des prélèvements effectués par carottage dans le corps d’un remblai.

Dans le cas où le sol doit être reconstitué au laboratoire, la réalisation d’un essai de sensibilité commence alors par une étape de préparation du sol. Le sol est séché à l’air libre et il est déstructuré. En présence d’un sol grossier, le sol est écrêté à 2 mm. L’étape suivante consiste à humidifier le sol pour porter sa teneur en eau naturelle w à la teneur en eau visée w_visée (le sol n’est pas séché à l’étuve initialement, mais w < w_visée le plus souvent). Cette opération est délicate, car il convient de produire un sol humidifié homogène qui ne forme pas de mottes. Dans ce but, une méthode d’humidification du sol sans malaxage a été proposée par Mieussens (1993). La masse de sol prévue pour reconstituer six éprouvettes est isolée par quartage. Le sol est étalé sur une plaque portée par une balance, puis il est humidifié par vaporisation d’eau, jusqu’à atteindre la masse humide visée. Le sol est rassemblé en tas à l’aide d’une spatule en évitant de former des mottes, puis il est placé dans un sac transparent étanche, légèrement serré pour réduire au maximum le volume d’air qu’il contient. Le sol foisonné est conservé ainsi pendant 24 heures au moins.

3.2 Compactage statique

Six éprouvettes sont compactées dans leurs cellules œdométriques par compactage statique. Parmi les diverses méthodes en usage pour préparer des éprouvettes au laboratoire, le compactage statique est privilégié pour sa sensibilité et sa capacité à fournir des éprouvettes homogènes avec une bonne répétabilité. Une telle méthode a été développée puis utilisée pour compacter des sols de diverses natures dans différentes conditions d’état, voire compacter des sols traités (Camapum de Carvalho et al., 1987). La méthode a été enrichie avec l’enregistrement de la courbe donnant l’effort de compactage en fonction du tassement du sol. Ces courbes s’avèrent discriminantes de la nature et de l’état du sol (Serratrice, 2019).

Les six éprouvettes sont compactées dans des conditions identiques. La cellule œdométrique de diamètre intérieur d₀ = 70 mm est munie d’une hausse dans laquelle le sol foisonné est déversé. Sa masse humide dépend de l’état visé (w_visée, ρ_dvisée) et de la hauteur finale h₀ envisagée pour l’éprouvette compactée (h₀ = 24 mm). La hauteur initiale de l’éprouvette foisonnée dépend de la nature du sol et de sa teneur en eau et se situe autour de 50 mm généralement. La compression s’effectue pendant une durée de 20 à 30 minutes, soit une vitesse de chargement de l’ordre de 50 kPa/min, jusqu’à atteindre la hauteur h₀. La figure 2 montre un schéma de la cellule et une photo du bâti de chargement en cours de compactage. Le drainage s’effectue vers les plaques poreuses de la cellule œdométrique, recouvertes de papiers filtres. Le tassement du sol depuis son état foisonné est mesuré à l’aide d’une jauge. Cette déformation est convertie en indice des vides. L’effort axial est mesuré à l’aide d’un anneau dynamométrique. Cet effort est converti en contrainte axiale de compactage σ_a, dont le maximum est σ_acmp (Fig. 1). Un léger effort supplémentaire est appliqué sur le sol pour tenir compte de la déformation élastique de déchargement. L’éprouvette compactée possède finalement un diamètre d₀ = 70 mm et une hauteur h₀ = 24 mm. Le chemin de compactage s’effectue à la teneur en eau constante w_visée avant d’aboutir à un état proche de la saturation. La poursuite de la densification ne peut être obtenue que si le drainage concomitant d’un volume d’eau est possible alors (w₀ < w_visée) (Serratrice, 2019). Le tableau 3 indique les caractéristiques d’état des sols après compactage, avec w₀ la teneur en eau, e₀ l’indice des vides et S_r0 le degré de saturation à ce stade. Les contraintes de compactage σ_acmp sont reportées ensuite dans le tableau 3. Les essais 29 à 32 portent sur des sols prélevés par blocs dans le remblai du site 15, puis testés dans cet état. Ils n’ont pas été compactés statiquement comme les autres sols.

Fig. 2 Procédé de compactage statique d’un sol : (a) schéma de la cellule œdométrique ; (b) photo du bâti de chargement et de la cellule œdométrique. Method of soil compaction: (a) diagram of the œdometer cell; (b) photo of the loading frame and the œdometer cell.

4 Essais de sensibilité des sols compactés

4.1 Réalisation de l’essai

Après la fin du compactage statique, les six éprouvettes reconstituées sont maintenues dans leurs cellules œdométriques et les cellules sont placées sur des bâtis de chargements indépendants. Les charges axiales sont appliquées en quelques minutes au moyen de masses marquées, pour aboutir aux contraintes axiales totales σ_a = 30, 56, 107, 209, 412 et 820 kPa pendant les essais n^o 1 à 41 et les contraintes σ_a = 30, 56, 132, 260, 580 et 1220 kPa pendant les suivants. Ces charges sont maintenues durant trois jours. La photo de la figure 3 montre les bâtis de chargement, les masses marquées et les cellules œdométriques. Des capteurs de déplacement et une chaîne de mesures assurent l’enregistrement des tassements.

Au terme de cette première phase d’essai, les éprouvettes sont mises en imbibition en introduisant de l’eau désaérée par le circuit de drainage de pied, puis en maintenant cet apport. L’enregistrement des déformations se poursuit. L’essai se termine au bout d’une semaine en principe. Mais, en présence de sol gonflant, il est parfois nécessaire de prolonger la durée de cette phase d’imbibition. Puis les éprouvettes sont démontées, pesées et séchées, ce qui permet d’obtenir les caractéristiques d’état du sol à l’issue de toutes les phases d’essai. Le tableau 3 indique les caractéristiques d’état des sols après compactage, avec w₀ la teneur en eau, e₀ l’indice des vides et S_r0 le degré de saturation. Des exemples de courbes d’essais montrant l’évolution de la déformation axiale en fonction du temps ont été publiés pour les sites 1, 2 et 16 (Serratrice, 1995a, 1995b, 2013). Un autre exemple sera présenté sur les figures 5 et 6 ci-dessous, quand les indices de sensibilité du sol compacté auront été définis.

Fig. 3 Essai de sensibilité réalisé sur six éprouvettes de sol compacté. Vue du dispositif expérimental. Sensitivity test carried out on six specimens of compacted soil. View of the experimental setup.

4.2 Indices de sensibilité

La figure 4 reprend la figure 1 en donnant plus de détails. Les variations de volume sont représentées par la déformation axiale ε_a ici, comme le préconise la procédure d’essai. L’exemple porte sur quatre éprouvettes qui ont été chargées sous les contraintes axiales comprises entre σ_amin et σ_amax. Elles trouvent leur équilibre aux points 1, 2, 3 et 4 du plan (log(σ_a), ε_a) indiqués par des carrés. L’imbibition sous ces charges produit des déformations de gonflement ou de tassement (flèches verticales) avant d’aboutir aux points d’équilibre représentés par des triangles. Sous chacune des charges σ_a(i), les déformations sont pointées sur les courbes d’essai avant imbibition ε_aavi(i) et après imbibition ε_aapi(i), pour obtenir l’écart Δε_a(i) = ε_aapi(i) – ε_aavi(i).

Les indices de sensibilité du sol compacté sont définis dans le plan (log(σ_a), ε_a) et dans les intervalles compris entre deux charges successives σ_a(i) et σ_a(i+1). Il s’agit de l’indice de déformabilité du sol avant imbibition C₁ (avi), de l’indice de déformabilité du sol après imbibition C₂ (api) : $${\text{C}}_1\left(\text{i}\right)=\left[{ϵ}_{\text{aavi}}\left(\text{i}+1\right)-{ϵ}_{\text{aavi}}\left(\text{i}\right)\right]/\log \left[{\sigma }_{\text{a}}\left(\text{i}+1\right)/{\sigma }_{\text{a}}\left(\text{i}\right)\right]\text{,}$$(4a) $${\text{C}}_2\left(\text{i}\right)=\left[{ϵ}_{\text{aapi}}\left(\text{i}+1\right)-{ϵ}_{\text{aapi}}\left(\text{i}\right)\right]/\log \left[{\sigma }_{\text{a}}\left(\text{i}+1\right)/{\sigma }_{\text{a}}\left(\text{i}\right)\right]\text{,}$$(4b) et de l’indice de sensibilité au gonflement C_sg : $${\text{C}}_{\text{sg}}\left(\text{i}\right)=\left[{\text{C}}_2\left(\text{i}\right)/{\text{C}}_1\left(\text{i}\right)\right]\mathrm{\Delta }{ϵ}_{\text{a}}\left(\text{i}\right)\text{.}$$(5)

Les indices C₁ et C₂ s’apparentent à des coefficients de compressibilité tangents définis en déformation axiale, avant et après imbibition. L’indice de sensibilité C_sg exprime le rôle combiné de la déformabilité du sol et de l’effet de l’eau. Il est négatif pour les gonflements. Ces paramètres sont fonction de la contrainte verticale σ_a et ne sont définis que pour une valeur donnée de cette charge. En profondeur dans un remblai homogène où règne la contrainte verticale σ_a (le poids des couches sus-jacentes), le tassement Δh du à l’imbibition d’une couche d’épaisseur h₀ a pour expression : $$\mathrm{\Delta }\text{h}={\text{h}}_0{\mathrm{\Sigma }}_{\text{i}}\left\{\left[{\text{C}}_1\left(\text{i}\right)/{\text{C}}_2\left(\text{i}\right)\right]{\text{C}}_{\text{sg}}\left(\text{i}\right)\log \left({\sigma }_{\text{a}}\left(\text{i}\right)/{\sigma }_{\text{a0}}\right)\right\}\text{,}$$(6) où les indices de sensibilité C₁(i), C₂(i) et C_sg(i) ont été déterminés dans les intervalles de contraintes appropriés au moyen d’un essai. Ainsi, les indices de sensibilité permettent de décrire les courbes expérimentales point par point entre σ_amin et σ_amax.

Fig. 4 Paramètres de compressibilité issus d’un essai de sensibilité exprimé en déformation axiale. États d’équilibre de quatre éprouvettes avant et après imbibition. Compressibility parameters derived from a sensitivity test expressed in axial strain. Equilibrium stades of four specimens before and after imbibition.

4.3 Exemple d’essai

En écho à la figure 1, la figure 5  montre les courbes enregistrées pendant un essai de sensibilité consacré à l’argile de Bavent (essai n^o 25). L’indice des vides est représenté en fonction de la contrainte axiale totale en échelles semi-logarithmiques pendant les trois étapes principales de l’essai. L’étape de reconstitution du sol compacté est représentée par les courbes de compression statique des six éprouvettes œdométriques (croix). Les variations de volume produites par le chargement des éprouvettes (carrés), puis l’imbibition (triangles) sont indiquées ensuite. La moyenne des contraintes de compactage des six éprouvettes est σ_acmp = 515 kPa. Elle est inférieure à la contrainte maximale appliquée σ_amax = 820 kPa. La courbe de rechargement (carrés) coïncide avec les courbes de déchargement de l’étape de compactage jusqu’à σ_a = 209 kPa. Elle s’en écarte sous les contraintes σ_a = 413 et 820 kPa qui provoquent des tassements supplémentaires. Ces tassements seront qualifiés de reprise du compactage dans la suite. En-dessous de 209 kPa, les déformations sont considérées comme des déformations pseudo-élastiques de l’argile compactée avant imbibition. Cette charge est définie comme la contrainte de reprise de compactage σ_arcmp dans cet essai (Tab. 3). Après imbibition, un gonflement se produit sous la contrainte σ_amin = 30 kPa, mais aussi sous les contraintes σ_a = 56 et 107 kPa. Des tassements se produisent au-delà. Ils sont les plus marqués sous la charge σ_a = 413 kPa.

Les graphiques des figures 6a et b montrent l’évolution des déformations axiales en fonction du temps pendant l’étape de chargement des six éprouvettes compactées de l’exemple précédent, puis les déformations enregistrées pendant la phase d’imbibition, en échelles semi-logarithmiques (essai n^o 25). L’enregistrement des mesures est manuel ici, ce qui explique l’absence momentanée de données le long des courbes (durée totale de l’essai 167 heures). Sur la figure 6a, le début des courbes de chargement montre les déformations instantanées générées par les différentes charges. Des déformations différées apparaissent ensuite sous la forme de courbes de consolidation dont l’allure est habituellement observée dans le domaine pseudo-élastique des argiles. Des déformations de fluage apparaissent en fin d’étape.

La figure 6b montre les déformations axiales mesurées à l’étape suivante depuis le début de l’imbibition des six éprouvettes œdométriques. À nouveau, la courbe associée à la contrainte σ_amax = 820 kPa se démarque des cinq autres, en indiquant la poursuite du fluage amorcé à l’étape précédente, sans manifestation d’un quelconque effet de l’imbibition (pentagones). Ainsi, le tassement de reprise du compactage couvre la totalité des déformations attendues (sauf le fluage). Sinon, les cinq autres courbes présentent une allure identique à celle des courbes de consolidation des argiles saturées, avec des temps de consolidation longs, de plus de 20 heures dans cet exemple. Des déformations de fluage apparaissent ensuite. Mais seules les courbes enregistrées sous les contraintes σ_a = 209 et 413 kPa sont des tassements (carrés et triangles), tandis que des déformations de gonflement se manifestent sous les contraintes σ_a = 30, 56 et 107 kPa, tout en conservant l’allure habituelle des déformations de consolidation et de fluage (ronds, triangles et losanges).

Fig. 5 Exemple de courbes de compression statique et de courbes de sensibilité. Argile de Bavent, essai no 25. Example of compaction curves and sensitivity curves. Bavent clay, test n° 25.

Fig. 6 Essai de sensibilité. Argile de Bavent, essai no 25. Déformation axiale en fonction du temps : (a) après chargement ; (b) après imbibition. Sensitivity test. Bavent clay, test n° 25. Axial strain versus time: (a) after loading; (b) after wetting.

4.4 Courbes de sensibilité

Les figures 7, 8 et 9 montrent les courbes de sensibilité (ε_a, σ_a) mesurées sur des sols différents (essais n^o 1, argile ; n^o 6, limon ; n^o 8, marne) ou un sol testé dans différents états (site 15, argile de Bavent, essais n^o 24, 25 et 27 ; la teneur en eau et l’indice des vides sont donnés entre parenthèses dans la légende du graphique) ou des sols très sensibles par leur nature ou leur état (essai n^o 7, marne altérée plastique ; n^o 28, argile de Bavent ; n^o 35, limon de Goderville ; n^o 45, argile limoneuse plastique). Ces mesures sont représentées en fonction des contraintes axiales totales dans un plan (ε_a, σ_a) en échelles arithmétiques. Bien qu’ils soient indépendants, les points ont été reliés entre eux pour faciliter la lecture des graphiques. Les déformations ε_aavi(i) enregistrées avant imbibition sont représentées par des figurés creux. Les déformations ε_aapi(i) enregistrées après imbibition sont représentées par des figurés pleins. Les indices de sensibilité déduits de ces essais seront examinés plus bas (Fig. 10).

Globalement et comme attendu, les courbes présentent une allure exponentielle, ce qui donne un aperçu des compressibilités généralement observées dans les sols, ici avant et après imbibition pour chacun des essais de sensibilité. Mais des écarts apparaissent. Les premiers sont d’ordre expérimental et tiennent à l’indépendance des chargements d’une éprouvette à l’autre. Ainsi, les erreurs systématiques qui affectent la mesure du zéro initial de la déformation axiale ne sont pas compensées d’une éprouvette à l’autre. Ces erreurs restent imperceptibles quand le sol compacté est compressible, mais elles prennent de l’importance dans les sols raides entre deux charges successives, qui sont indépendantes.

En effet, la précision des mesures des pentes C₁ et C₂ trouve rapidement ses limites dans les sols compactés denses, faiblement compressibles. À titre d’illustration, une incertitude de mesure du tassement égale à δ(Δh) = 0,01 mm se traduit par une incertitude sur la déformation axiale δ(Δε_a) = 4,2 10⁻⁴ d’une éprouvette de 24 mm de hauteur initiale. L’incertitude sur l’indice de déformabilité mesuré entre deux charges appliquées, qui sont dans un rapport de deux, vaut δ(C₁) = 2 δ(Δε_a) / log(2) = 0,0028. Cela concerne des sols compactés tels que la marne reportée sur la figure 7  (pentagones). L’incertitude sur le module œdométrique E_oed vaut alors δ(E_oed) = 133 MPa d’après la relation E_oed = 2,3 (1 + e₀) σ_a / C₁, avec e₀ = 0,6 et σ_a = 100 kPa. Des modules œdométriques supérieurs à 133 MPa ne peuvent plus être raisonnablement mesurés dans ce cas. Ainsi, les incertitudes de mesures entraînent parfois des sauts très brusques des pentes C₁ et C₂ entre deux charges successives.

D’autres écarts vis à vis d’une réponse de forme exponentielle sont de nature comportementale. Les essais de sensibilité ont pour intérêt de pointer ces écarts. En guise de référence, la réponse du limon d’Orly sur la figure 7 (site 3, essai n^o 6 ; carrés) montre deux courbes (ε_a, σ_a), avant et après imbibition, de forme exponentielle et superposées. Le limon compacté est insensible à l’imbibition, contrairement aux deux autres sols qui figurent sur le graphique. La réponse de la marne de la Bâtie Neuve (site 5, essai n^o 8 ; pentagones) sur la figure 7 montre un fort gonflement sous les charges inférieures à 200 kPa, qui va jusqu’à −2,5 % sous 30 kPa. La marne est compactée à l’optimum Proctor (w_OPN = 9,3 %, ρ_doPN = 2,10 Mg/m³), soit un indice des vides e_OPN = 0,280. Cette compacité est obtenue avec une contrainte de compactage σ_acmp = 2550 kPa. Au contraire, sous les fortes charges, l’imbibition produit un tassement quasi nul. Les indices C_sg sont négatifs dans ce cas.

La réponse de l’argile du PK189 faiblement compactée (site 1, essai n^o 3 ; losanges) sur la figure 7 montre une réponse de forme exponentielle sous les faibles charges, avec un très léger gonflement. Mais de forts tassements s’observent dès le chargement avant imbibition sous les charges de 412 et 820 kPa. Ces tassements du sol compacté sont qualifiés de reprise de compactage car, reportés en échelles semi-logarithmiques, ils s’écartent de la loi de compressibilité attendue sous les contraintes axiales supérieures à la contrainte σ_arcmp (Serratrice, 2020). Ces contraintes constituent une borne inférieure de la limite du domaine pseudo-élastique du sol compacté. Elles sont reportées dans le tableau 3. Puis les tassements dus à l’imbibition, qui se dessinent vers 200 kPa, s’estompent ensuite sous les fortes charges. Les six éprouvettes ont été compactées en moyenne sous une contrainte σ_acmp = 649 kPa avec un degré de saturation S_r = 54 % (Tab. 3). Un sol argileux dans un tel état faiblement compacté devrait montrer des déformations d’effondrement sous l’effet de l’imbibition. Mais ici, l’argile s’avère sous-compactée par rapport à la contrainte maximale appliquée σ_amax = 820 kPa, voire la contrainte de 412 kPa. En dépassant la contrainte de préconsolidation du sol apportée par le compactage, qui peut être estimée autour de 250 kPa, ces charges entraînent une densification supplémentaire du sol dès leur mise en place, sous la forme de déformations irréversibles. Puis l’imbibition ne produit que des tassements mineurs additionnels pendant la seconde phase d’essai (qui ont été attribués à la poursuite du fluage initié par le chargement dans l’exemple de la Fig. 6b). Dans cet exemple, les indices de sensibilité C₁ sont très grands à partir de 200 kPa, les rapports C₂/C₁ sont proches de l’unité et l’indice C_sg est petit, contrairement à ce qui est attendu dans un sol effondrable.

Le graphique (ε_a, σ_a) de la figure 8  montrent les réponses de l’argile de Bavent à partir de trois états compactés différents (site 15, essais n^o 24, 25 et 27). La teneur en eau (en %) et l’indice des vides de ces trois points d’état sont donnés entre parenthèses dans la légende du graphique. En indiquant aussi le degré de saturation S_r (en %) les trois points sont définis par les triplets (19,3 ; 0,60 ; 88), (18,9 ; 0,65 ; 81) et (15,5 ; 0,60 ; 71) (Tab. 3). Ces trois états sont obtenus sous des efforts de compactage statiques égaux à σ_acmp = 777, 515 et 1281 kPa respectivement (moyenne des six éprouvettes). L’énergie maximale est à fournir au sol le plus sec et le plus dense (essai 27), au contraire de l’état le plus humide et le plus lâche (essai 25). L’imbibition provoque de forts gonflements à basse pression, avec −5 % pour l’essai 27 (ronds). L’essai 25 donne un gonflement plus faible (carrés). Sous les fortes pressions, l’argile tasse. Mais les essais 24 (pentagones) et 25 (carrés) indiquent des reprises de compactage avant l’imbibition sous 820 kPa, ce qui aboutit à réduire la part des tassements dus à l’imbibition qui fait suite. L’essai 27 au contraire (ronds) présentent des faibles tassements sous les fortes charges (moins de 2,6 %), ce qui en fait un sol effondrable avec des tassements qui finissent à plus de 6,4 % après imbibition. Comme les sols granulaires, ce sol « sec » présente une faible compressibilité, traduite par des indices C₁ faibles, et il appelle des fortes contraintes de compactage. L’imbibition met à mal cette structure métastable. Les rapports C₂/C₁ sont grands. L’indice de sensibilité au gonflement C_sg est négatif à basse pression et il devient positif au-delà de 200 kPa environ.

Quatre sols sont rassemblés sur le graphique de la figure 9  pour leur caractère très gonflant (site 4, essai n^o 7, marne altérée très plastique de Calas), leur caractère effondrable (site 16, essai n^o 35, limon de Goderville) ou un comportement intermédiaire (site 15, essai n^o 28, argile de Bavent ; site 17, essai n^o 45, argile limoneuse plastique). Ces réponses caricaturales résultent autant de la nature du sol que de son état, pour des situations qui ne devraient pas se rencontrer en pratique (sols gonflants, sols secs, sous-compactage ou sur-compactage).

La marne argileuse plastique de Calas dense et sèche présente de fortes déformations de gonflement et d’effondrement sous l’effet de l’imbibition (essai n^o 7 ; w = 4,5 %, e = 0,525, S_r = 23 %). Au contraire, le limon de Goderville compacté dans un état lâche et sec présente les signes d’une forte reprise de compactage à partir de 200 kPa, mais de fortes déformations d’effondrement sous imbibition à partir de 50 kPa (essai n^o 35 ; w = 14,5 %, e = 0,855, S_r = 46 %). L’argile de Bavent se trouve dans un état comparable et offre une réponse du même ordre avec une reprise de compactage à partir de 400 kPa, puis de forts tassements sous imbibition dès 100 kPa (essai n^o 28 ; w = 14,8 %, e = 0,711, S_r = 58 %). Enfin, alors qu’elle est compactée dans un état très lâche et sec, l’argile limoneuse plastique présente une faible déformabilité jusqu’à 1220 kPa avant imbibition, sans reprise de compactage qui s’explique par son caractère granulaire frottant « à sec », mais des fortes déformations sous l’effet de l’imbibition (essai n^o 45 ; w = 13,5 %, e = 0,801, S_r = 45 %). Compactée dans un état plus dense dans un autre essai, elle montre essentiellement des déformations de gonflement qui atteignent −7,6 % sous 30 kPa (essai n^o 44 ; w = 14 %, e = 0,591, S_r = 63 %).

Ces différents exemples de courbes expérimentales montrent toute la diversité des réponses observées pendant les essais de sensibilité réalisés sur des sols compactés. Quelques sols de nature limoneuse, ou des marnes, sont insensibles à l’imbibition. D’autres le sont au contraire par leur nature ou leur état. Ils sont gonflants ou effondrables, ou les deux. Les reprises de compactage, c’est-à-dire les tassements qui apparaissent lors du chargement avant imbibition, compliquent l’allure des réponses observées. Le sol compacté sort de son domaine pseudo-élastique à partir duquel les seuls effets de l’imbibition seraient attendus. Des nouvelles déformations plastiques naissent pendant le chargement, auxquelles s’ajoutent ensuite les déformations dues à l’imbibition avec une intensité plus ou moins affaiblie. Il n’est plus possible de faire référence à l’état initial visé. Finalement, il s’avère difficile de définir une typologie des réponses observées à ce stade du recueil de données expérimentales. Les indices de sensibilité, qui dépendent de la charge appliquée tout en couvrant une large gamme de contraintes axiales totales, présentent l’intérêt d’éviter de recourir à une typologie. L’analyse détaillée des courbes d’essai (ε_a, σ_a) demeure essentielle.

Fig. 7 Exemples de courbes de sensibilité fournies par des sols compactés de natures différentes. La teneur en eau (en %) et l’indice des vides sont donnés entre parenthèses dans la légende. Examples of sensitivity curves given by différent compacted soils.

Fig. 8 Exemples de courbes de sensibilité fournies par l’argile de Bavent dans différents états. La teneur en eau (en %) et l’indice des vides sont donnés entre parenthèses dans la légende. Examples of sensitivity curves given by a compacted soil in différents states.

Fig. 9 Exemples de courbes fournies par des sols compactés sensibles. La teneur en eau (en %) et l’indice des vides sont donnés entre parenthèses dans la légende. Examples of curves given by sensitive compacted soils.

4.5 Évolution des indices de sensibilité

Les indices de sensibilité ont été identifiés sur les courbes expérimentales d’après les définitions (4) et (5). Ces indices sont reportés sur la figure 10  en fonction de la contrainte axiale en échelles semi-logarithmiques pour l’ensemble des essais (croix) et quelques sols particuliers, indiqués dans la légende. Les échelles des ordonnées ont été choisies pour éliminer quelques pentes C₁ et C₂ qui apparaissent sous la forme de sauts très brusques produits par des erreurs systématiques et considérés comme aberrantes (voir plus haut). Quelques indices associés à des grandes déformations sont écartés aussi avec le choix de ces échelles. Ils seront examinés plus bas (Figs. 11–13).

Après ce tri, il apparaît encore une très large variété d’indices de sensibilité. Sauf dans de très rares exceptions (sols très compacts), les réponses montrent à la fois des gonflements et des tassements, voire des reprises de tassement. Généralement, la pente C₁ augmente avec la contrainte axiale σ_a, tandis que la pente C₂ diminue. Mais ces tendances ne sont pas systématiques. Ces deux indices sont représentés avec la même échelle en ordonnée sur les figures 10a et b. Des différences apparaissent néanmoins. À basse pression, les coefficients C₁ sont plus petits que les indices C₂ en moyenne. L’imbibition rend les sols plus compressibles après gonflement. À haute pression, la tendance s’inverse. Les tassements et les reprises de compactage avant imbibition absorbent une partie des effets de l’imbibition qui fait suite. De fait, les rapports C₂/C₁ diminuent. Mais la dispersion est grande (Fig. 10c). L’indice C_sg augmente avec σ_a (Fig. 10d). Il peut être fortement négatif dans les sols gonflants. Mais il est rarement fortement positif dans les sols effondrables en raison des reprises de compactage qui s’y produisent avant l’imbibition. L’indice C_sg pointe donc les gonflements plus fidèlement que les tassements.

Un large éventail d’indices de sensibilité apparaît à l’issue de ces essais de laboratoire. Pourtant, sauf quelques cas particuliers, les terrains testés forment un ensemble de sols peu actifs en moyenne et il s’avère difficile d’établir un lien entre la nature des sols et leurs réponses. L’amplitude des gonflements s’accroît avec l’argilosité des sols selon une tendance très vague (voir les limites de consistance dans le Tab. 2). Les caractéristiques d’état des sols après compactage semblent donc peser au moins aussi lourd que la nature des sols dans le développement des déformations dues à l’imbibition. C’est ainsi que, sur la figure 10d, le limon argileux du site 11 (carrés) s’avère plus sensible que la marne du site 5 (pentagones).

L’analyse des résultats des essais de sensibilité se poursuit en examinant le produit (C₁/C₂) C_sg qui représente la compressibilité Δε_a du sol dans les expressions (5) et (6) et qui sera dénommé indice de gonflement-effondrement ici. Tous ces indices identifiés sur les 45 courbes expérimentales sont représentés sur les figures 11–13 en échelles semi-logarithmiques (croix), ainsi que les indices identifiés sur les courbes particulières mises en exergue sur les figures 7–9 respectivement. La variété des réponses apparaît à nouveau. Les produits (C₁/C₂) C_sg sont à peu près distribués également autour de zéro dans l’intervalle [‑0,1 ; +0,1]. Une tendance globale se dessine d’un accroissement de ces indices avec la contrainte axiale totale. Ils sont petits, globalement négatifs et faiblement croissants dans les sols peu sensibles (Fig. 11). Beaucoup de points indiquent des tassements dans la plage des contraintes axiales comprises entre 200 est 400 kPa. Ces points représentent un effondrement du sol compacté du fait de l’imbibition quand la reprise du compactage n’occulte pas ces déformations. C’est le cas des exemples de la figure 12, où les produits (C₁/C₂) C_sg sont continument croissants de part et d’autre de zéro et fonction de l’état initial du sol compacté.

Enfin, les sols sensibles par leur nature gonflante (argile plastique de Calas, essai n^o 7 ; argile plastique, essai n^o 45) ou par leur état non saturé, sous compacté, effondrable (argile de Bavent, essai n^o 28 ; limon de Goderville, essai n^o 35) donnent une image caricaturale des réponses produites par les essais de sensibilité (Fig. 13). Il faut néanmoins distinguer les deux types de réponses, car, s’il est possible de réduire la sensibilité à l’effondrement d’un sol peu actif par un compactage plus poussé à une teneur en eau appropriée, il paraît difficile de contrôler les déformations des sols argileux actifs et gonflants. Ainsi, les essais de sensibilité fournissent une description précise et point par point des réponses des sols compactés en fonction des contraintes axiales, pour des déformations de gonflement, de tassement et d’effondrement d’amplitudes plus ou moins étendues. En s’accordant aux conditions particulières de chargement d’un élément d’ouvrage en terre, l’essai de sensibilité doit permettre d’estimer la réponse du sol compacté, après intégration de ces déformations (eq. (6)).

Fig. 10 Paramètres de sensibilité issus des essais œdométriques. Ensembles des données et quelques sols particuliers : (a) indice de déformabilité C1 ; (b) indice de déformabilité C2 ; (c) rapport C2/C1 ; (d) indice de sensibilité au gonflement Csg. Sensitivity parameters derived from œdometer tests. Data set and some particular soils: (a) deformability index C1; (b) deformability index C2; (c) ratio C2/C1; (d) swelling sensibility index Csg.

Fig. 11 Indices de gonflement-effondrement (C1/C2) Csg issus des essais de sensibilité. Ensembles des données et quelques sols particuliers. Swelling-collapse index (C1/C2) Csg from sensitivity tests. Data set and some particular soils.

Fig. 12 Indices de gonflement-effondrement (C1/C2) Csg issus des essais de sensibilité. Ensembles des données et argile de Bavent compactée dans différents états. Swelling-collapse index (C1/C2) Csg from sensitivity tests. Data set and Bavent clay at different states.

Fig. 13 Indices de gonflement-effondrement (C1/C2) Csg issus des essais de sensibilité. Ensembles des données et quelques sols sensibles. Swelling-collapse index (C1/C2) Csg from sensitivity tests. Data set and some sensitive soils.

4.6 Effondrement

La figure 14 compare trois essais de sensibilité réalisés sur le limon de Goderville compacté dans trois états initiaux différents, avec deux essais œdométriques par paliers réalisés sur le limon remanié. Les réponses sont représentées dans le plan de compressibilité habituel (log(σ_a), e), en échelles semi-logarithmiques. Dans le premier essai par paliers, le limon est malaxé à forte teneur en eau dans un état saturé (w = 58 %). Puis, il subit un cycle de chargement-déchargement en douze paliers de 48 heures au moins, jusqu’à la contrainte maximale σ_amax = 820 kPa (ronds) (durée de l’essai 170 heures). Sa déformabilité est grande avec un coefficient de compressibilité vierge C_c = 0,25. Dans le second essai, le limon est placé dans une cellule œdométrique et dans un état foisonné à sa teneur en eau naturelle (w = 5,5 %, e = 1,1). Le limon est chargé par paliers de 24 heures au moins jusqu’à une contrainte axiale égale à 100 kPa, sous laquelle il est mis en imbibition (losanges verts) (durée de l’essai 170 heures). L’imbibition au point « i » provoque un effondrement qui a pour effet de porter le sol dans un état quasi-saturé et sur la courbe de compressibilité vierge donnée par l’essai précédent. La suite du cycle de chargement-déchargement est alors identique à celle du limon initialement saturé.

Les trois essais de sensibilité n^o 34, 35 et 37 font partie du plan d’expérience consacré au limon de Goderville. Les triplets (w, e, S_r) représentant l’état des trois séries d’éprouvettes compactées sont respectivement, en moyenne (13,9 %, 0,56, 67 %), (14,5 % ; 0,85, 46 %) et (14,5 %, 0,71, 55 %). La réponse de l’essai n^o 35 apparaît sur la figure 9 (σ_a en fonction de ε_a) et la figure 13 (rapport (C₁/C₂) C_sg en fonction de log(σ_a)). Sur la figure 14, les indices des vides après chargement (carrés) et les indices des vides après imbibition (triangles) montrent clairement le jeu respectif du compactage statique, de l’état initial du limon, des contraintes axiales et de l’imbibition. Le compactage confère au limon un domaine pseudo-élastique dont la limite s’établit à peu près dans le prolongement de la courbe de compressibilité du limon non saturé au-delà du point « i » vers les contraintes axiales croissantes (losanges). Cette limite ne peut pas être dépassée sans reprise du compactage sous les plus fortes charges statiques. Puis, comme le limon non saturé sous 100 kPa à partir du point « i » (losanges), l’imbibition provoque un effondrement du sol compacté quand, sous l’une des contraintes axiales σ_a appliquée, le chargement laisse le sol dans un état plus lâche que celui donné par la droite de compression vierge (flèches verticales). L’imbibition constitue alors le facteur de déclenchement d’une instabilité qui est suivie par des grandes déformations irréversibles. L’amplitude de ces tassements n’est pas déterminée directement par le coefficient de compressibilité C_c (0,25 ici). Le compactage plus poussé du sol réduit ce risque (essai n^o 34). Après son effondrement, le sol compacté atteint un état quasi-saturé au même titre que le sol malaxé initialement à forte teneur en eau (ronds). L’amplitude de l’effondrement est maximale au point de reprise du compactage qui est le point de la courbe de chargement le plus éloigné de la courbe de compression vierge. Notons, pour finir, que chacun des chemins du plan de compressibilité (log(σ_a), e) trouve comme correspondant un chemin du plan d’état (w, e). À la droite de compressibilité vierge de pente, C_c = 0,25 est associée la droite de saturation de pente G_s = 2,67.

Associé à un essai de compression vierge, l’essai de sensibilité reproduit la procédure du double-œdomètre, avec l’avantage d’employer des charges indépendantes. Mais cette pratique ajoute un essai œdométrique supplémentaire. Une variante consiste à procéder au chargement par paliers successifs des éprouvettes quasi-saturées, pour faire suite à la phase d’imbibition, à l’image de l’essai représenté par des losanges sur la figure 14. Mais la durée de l’essai de sensibilité s’en trouvera augmentée.

Comme l’ont montré les différents auteurs cités en introduction, les essais conventionnels de laboratoire tels que l’essai de sensibilité sont assez précis pour estimer en pratique les déformations de gonflement, de tassement et d’effondrement des sols compactés sous l’effet de l’imbibition. Le compactage plus poussé à une teneur en eau appropriée réduit le risque d’effondrement dans les sols peu à moyennement sensibles. Mais il se traduit par des amplitudes plus grandes du gonflement. La forte déformabilité des sols argileux gonflants met en défaut cette possibilité de maîtrise des effets de l’imbibition (Fig. 13).

Fig. 14 Comparaison des essais de sensibilité avec des essais œdométriques par paliers. Comparaison of sensivity tests with œdometer step-loading tests.

5 Conclusion

L’essai de sensibilité vise à quantifier l’effet de l’imbibition sur un sol compacté au laboratoire. La procédure prévoit de tester en parallèle six éprouvettes œdométriques identiques, compactées dans un état donné. Des contraintes axiales totales indépendantes sont appliquées, qui produisent des gonflements pour les plus faibles et des tassements pour les plus fortes. L’amplitude de ces déformations révèle la sensibilité du sol. La procédure définit des indices de sensibilité à identifier sur les courbes expérimentales et qui traduisent la déformabilité du sol compacté avant et après imbibition et la déformation du sol due à l’imbibition. Ces indices sont fonction de la contrainte verticale et ne sont définis que pour une valeur donnée de cette charge. Une pression de gonflement est identifiée.

Les courbes expérimentales enregistrées pendant les essais de sensibilité montrent une très grande variété de réponses, suivant la nature du sol et son état, ce qui fait tout l’intérêt de la méthode. Les exemples commentés et la récapitulation des paramètres identifiés sur les courbes donnent un panorama étendu des variations des indices de sensibilité. Des grandes tendances se dégagent, mais les tentatives de classification restent vaines à ce stade d’avancement des essais. Quelques sols de nature limoneuse, ou des marnes, sont insensibles à l’imbibition. D’autres sont gonflants ou effondrables, ou les deux, avec des intensités qui augmentent globalement avec l’argilosité du sol.

Les relations déformations-contraintes dues au chargement du sol compacté, puis à son imbibition, possèdent une allure exponentielle pour les sollicitations qui restent incluses dans le domaine pseudo-élastique du sol conféré par le compactage. Les fortes charges sortent de ce domaine dans les sols peu compactés. Elles entraînent une reprise du compactage et altèrent la forme exponentielle attendue des relations déformations-contraintes. Ces nouvelles déformations plastiques naissent pendant le chargement, auxquelles s’ajoutent ensuite les déformations plus ou moins affaiblies dues à l’imbibition. Enfin, les sols non saturés peu compactés produisent des grands tassements d’effondrement après imbibition. Les essais de sensibilité donnent une description précise des amplitudes de ces déformations, qui sont maximales sous la pression de reprise de compactage. Le croisement d’un essai de sensibilité avec un essai œdométrique par paliers réalisé sur le sol reconstitué saturé, permet de montrer toute la richesse des essais en parallèle appliqués à l’estimation de la sensibilité des sols compactés et des sols effondrables en particulier.

Par définition, les indices de sensibilité offrent une description point par point des effets de l’imbibition d’un sol compacté en fonction des charges appliquées et ils couvrent les différentes situations rencontrées : gonflement, tassement, reprise de compactage et effondrement. Ils présentent l’intérêt de provenir d’essais œdométriques conventionnels réalisés en parallèle. Le recueil de nouvelles données doit être poursuivi afin de compléter cette connaissance des effets de l’imbibition sur les sols compactés, qui relève du comportement des sols non saturés et des sols gonflants pour les interactions physico-chimiques des particules argileuses avec l’eau.

Glossaire

C₁ : Indice de déformabilité du sol avant imbibition

C₂ : Indice de déformabilité du sol après imbibition

C_c : Coefficient de compressibilité du sol remanié saturé

C_sg : Indice de sensibilité du sol au gonflement

(C₁/C₂) C_sg : Indice de gonflement-effondrement

e : Indice des vides

e₀ : Indice des vides initial du sol compacté

S_r : Degré de saturation

w : Teneur en eau

w₀ : Teneur en eau de compactage

Δε_a : Déformation axiale due à l’imbibition

ε_a : Déformation axiale

ε_{a api} : Déformation axiale après imbibition

ε_{a avi} : Déformation axiale avant imbibition

σ_a : Contrainte axiale totale

σ_a0 : Contrainte axiale unité (σ_a0 = 1 kPa)

σ_acmp : Contrainte axiale maximale appliquée pour le compactage

σ_ag : Pression de gonflement (pour cette procédure)

σ_amin, σ_amax : Plage des contraintes axiales appliquées

σ_arcmp : Contrainte axiale de reprise du compactage

Références

Liste des tableaux

Liste des figures

	Fig. 1 Principe de l’essai de sensibilité. Courbe de compactage statique, puis états d’équilibre de quatre éprouvettes sous différentes contraintes axiales avant et après imbibition. Principle of the sensitivity test. Static compaction curve, then equilibrium states of four specimens under differents axial stresses before and after wetting.
Dans le texte

	Fig. 2 Procédé de compactage statique d’un sol : (a) schéma de la cellule œdométrique ; (b) photo du bâti de chargement et de la cellule œdométrique. Method of soil compaction: (a) diagram of the œdometer cell; (b) photo of the loading frame and the œdometer cell.
Dans le texte

	Fig. 3 Essai de sensibilité réalisé sur six éprouvettes de sol compacté. Vue du dispositif expérimental. Sensitivity test carried out on six specimens of compacted soil. View of the experimental setup.
Dans le texte

	Fig. 4 Paramètres de compressibilité issus d’un essai de sensibilité exprimé en déformation axiale. États d’équilibre de quatre éprouvettes avant et après imbibition. Compressibility parameters derived from a sensitivity test expressed in axial strain. Equilibrium stades of four specimens before and after imbibition.
Dans le texte

	Fig. 5 Exemple de courbes de compression statique et de courbes de sensibilité. Argile de Bavent, essai no 25. Example of compaction curves and sensitivity curves. Bavent clay, test n° 25.
Dans le texte

	Fig. 6 Essai de sensibilité. Argile de Bavent, essai no 25. Déformation axiale en fonction du temps : (a) après chargement ; (b) après imbibition. Sensitivity test. Bavent clay, test n° 25. Axial strain versus time: (a) after loading; (b) after wetting.
Dans le texte

	Fig. 7 Exemples de courbes de sensibilité fournies par des sols compactés de natures différentes. La teneur en eau (en %) et l’indice des vides sont donnés entre parenthèses dans la légende. Examples of sensitivity curves given by différent compacted soils.
Dans le texte

	Fig. 8 Exemples de courbes de sensibilité fournies par l’argile de Bavent dans différents états. La teneur en eau (en %) et l’indice des vides sont donnés entre parenthèses dans la légende. Examples of sensitivity curves given by a compacted soil in différents states.
Dans le texte

	Fig. 9 Exemples de courbes fournies par des sols compactés sensibles. La teneur en eau (en %) et l’indice des vides sont donnés entre parenthèses dans la légende. Examples of curves given by sensitive compacted soils.
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Fig. 10 Paramètres de sensibilité issus des essais œdométriques. Ensembles des données et quelques sols particuliers : (a) indice de déformabilité C1 ; (b) indice de déformabilité C2 ; (c) rapport C2/C1 ; (d) indice de sensibilité au gonflement Csg. Sensitivity parameters derived from œdometer tests. Data set and some particular soils: (a) deformability index C1; (b) deformability index C2; (c) ratio C2/C1; (d) swelling sensibility index Csg.

Dans le texte

	Fig. 11 Indices de gonflement-effondrement (C1/C2) Csg issus des essais de sensibilité. Ensembles des données et quelques sols particuliers. Swelling-collapse index (C1/C2) Csg from sensitivity tests. Data set and some particular soils.
Dans le texte

	Fig. 12 Indices de gonflement-effondrement (C1/C2) Csg issus des essais de sensibilité. Ensembles des données et argile de Bavent compactée dans différents états. Swelling-collapse index (C1/C2) Csg from sensitivity tests. Data set and Bavent clay at different states.
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	Fig. 13 Indices de gonflement-effondrement (C1/C2) Csg issus des essais de sensibilité. Ensembles des données et quelques sols sensibles. Swelling-collapse index (C1/C2) Csg from sensitivity tests. Data set and some sensitive soils.
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	Fig. 14 Comparaison des essais de sensibilité avec des essais œdométriques par paliers. Comparaison of sensivity tests with œdometer step-loading tests.
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