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1 Introduction

De nombreux problèmes constatés sur des ouvrages creusés dans des terrains argileux sont attribués au gonflement. Ces problèmes apparaissent pendant le temps des travaux ou à long terme en lien avec le déchargement mécanique produit par l’excavation et des arrivées d’eau. La Société internationale de mécanique des roches a proposé de définir le mécanisme de gonflement comme « une combinaison de réactions physicochimiques impliquant de l’eau et un relâchement des contraintes » (ISRM, 1983). Les réactions physicochimiques ne peuvent avoir lieu que simultanément ou après le relâchement des contraintes. Avec elles, les déchargements jouent un rôle significatif. Selon Bjerrum (1967), ces déformations de gonflement sont favorisées par la dégradation concomitante de la structure du sol qui avait été acquise pendant la formation du dépôt à la faveur des charges lithostatiques et de la diagenèse.

De ce fait, le gonflement des terrains argileux relève de mécanismes complexes aux échelles microscopique et macroscopique et celle des massifs. Bien qu’observé depuis longtemps, il reste mal connu et difficile à prendre en compte dans les projets d’ouvrages souterrains. Souvent, la pratique se fonde sur une expérience régionale ou liée à une formation géologique (Steiner, 1993 ; Hawlader et al., 2003 ; parmi d’autres ou, plus récemment, Bergère et Ropers, 2018 ; Delage, 2020).

Dans ce sens, la démarche adoptée pour identifier et caractériser les terrains argileux gonflants s’appuie sur des mesures de leurs propriétés physiques et minéralogiques et des mesures de leurs propriétés mécaniques au laboratoire. Ces mesures sont à recueillir sur des échantillons de bonne qualité et représentatifs de l’état des terrains en place, comme le rappellent les recommandations du Comité français de mécanique des sols (CFMS) « Prise en compte du gonflement des terrains argileux pour le dimensionnement des ouvrages d’infrastructure » (CFMS, 2022), avant de proposer une démarche pour l’étude de ces terrains dans les projets.

Les propriétés mécaniques de gonflement des terrains argileux s’obtiennent principalement au moyen d’essais œdométriques. Il existe de nombreuses procédures d’essais de gonflement et des variantes (Sridharan et al., 1986 ; Serratrice et Soyez, 1996 ; Pimentel, 2015). Parmi ces essais standards, deux familles de procédures sont utilisées couramment, qui sont les procédures de gonflement par paliers successifs et les procédures de gonflement en parallèle. Il existe aussi des procédures d’essai à volume constant ou de gonflement libre. Du côté des appareils œdométriques, une évolution historique a consisté à équiper les cellules d’essai par un capteur de mesure de la contrainte radiale (Bishop, 1958 ; Brooker et Ireland, 1965 ; Abdelhamid et Krizek, 1976 ; et d’autres ensuite). L’enregistrement de cette contrainte totale au cours des cycles de chargement donne un moyen complémentaire d’étude du comportement mécanique des sols. Les appareils de ce type sont connus sous l’appellation « d’œdomètres K₀ ».

L’un de ces appareils a été développé pour étudier le comportement mécanique des marnes à haute pression dans la gamme 0–20 MPa (Serratrice et Flavigny, 1993). Son utilisation s’inscrit en accompagnement d’essais triaxiaux à haute pression dans des programmes destinés à mesurer la résistance de ces terrains et leurs états limites. Avec cet œdomètre K₀, les cycles de chargement sont effectués en continu, à vitesse lente, en condition drainée (essais K₀ D HP). Des exemples de résultats d’essais recueillis sur des sables, des argiles peu plastiques ou très plastiques montrent les nuances qui distinguent les chemins des contraintes œdométriques et leurs caractéristiques en regard des courbes de compressibilité (Serratrice, 2022).

Plusieurs auteurs ont élargi l’utilisation de ces œdomètres K₀ à l’étude des sols gonflants compactés (Komornik et Zeitlen, 1965 ; Erol et Ergun, 1994 ; Monroy et al., 2015 ; Abbas et al., 2015) ou naturels (Steiner, 1993 ; Windal et al., 2002 ; Serratrice, 2002, Serratrice, 2007 ; Avsar et al., 2009 ; Dao, 2015 ; Serratrice et al., 2015). Dans cette étude, les essais K₀ à haute pression s’inscrivent dans les programmes expérimentaux en accompagnement des essais œdométriques de gonflement réalisés à basse pression. Les cycles de chargement sont effectués par paliers (essais K₀ P HP).

Les résultats de plusieurs séries d’essais de gonflement sont présentés dans la suite. Ils portent sur des terrains argileux et marneux provenant de différents sites en France. Les essais ont été réalisés au fil du temps dans le cadre de reconnaissances géotechniques pour des projets de tunnels et d’excavations.

Un premier paragraphe donne un aperçu rapide des méthodes d’essais employées. Puis les propriétés physiques des terrains et les conditions d’essais sont présentées. Les résultats des essais K₀ D HP effectués sur des marnes très plastiques sont décrits et commentés alors. Les résultats des essais K₀ P HP consacrés à des marnes compactes sont présentés ensuite. Les résultats des essais de gonflement à basse pression sont associés à ces données. Chaque exemple apporte un éclairage particulier parmi les diverses réponses des terrains argileux et marneux étudiés. La mesure de la contrainte radiale pendant le gonflement élargit le cadre d’interprétation des essais. Elle apporte des données pertinentes sur trois aspects particuliers du gonflement œdométrique au laboratoire, qui concernent le préchargement du sol en phase préliminaire d’essai, l’effet de la contrainte maximale atteinte au cours des cycles de chargement–déchargement et la rupture du sol en extension en fin de déchargement.

2 Matériel, procédures d’essais

2.1 Cadre d’utilisation de l’œdomètre K₀ HP

Quelques éléments remarquables du comportement des sols raides et des marnes en condition œdométrique sont évoqués ci-dessous, qui font référence aux travaux de nombreux auteurs. Ces éléments trouveront une illustration avec les exemples commentés dans la suite où les résultats expérimentaux sont exprimés avec la déformation axiale ε_a et la déformation radiale ε_r (positives en compression), l’indice des vide e, les contraintes axiale et radiale effectives σ’_a et σ’_r (ou totales σ_a et σ_r) ou la pression moyenne effective p = (σ’_a + 2σ’_r)/3 et le déviateur q = σ’_a − σ’_r. À l’opposé des états de contraintes de compression, les états d’extension sont tels que σ’_a < σ’_r et q < 0. La déformabilité des sols s’exprime à partir des courbes de compressibilité (log(σ’_a), e) par les indices de compression C_c et de gonflement C_s (C_c ou C_s = Δe/Δlog(σ’_a)). Une pente C_g est introduite pour caractériser le déchargement en présence d’eau des terrains argileux gonflants, quand la déformation s’établit selon une pente C_g plus grande que la pente C_s des cycles de chargement–déchargement préliminaires du sol dans son état naturel. Ces paramètres sont reportés sur les graphiques commentés dans la suite.

Les paramètres C_c, C_s et σ’_a sont définis pour caractériser les sols argileux peu surconsolidés. Leur identification s’avère plus problématique sur argiles raides et la marnes. Ainsi, par exemple, les courbes de compression de ces terrains présentent une courbure continue qui rend difficile l’identification des seuils de préconsolidation σ’_ap et des indices de compression C_c (Bishop et al., 1965 ; Azizi et Josseaume, 1988 ; Burland, 1990 ; Aversa et al., 1993 ; Josseaume, 1998 ; Cotecchia et Chandler, 2000 ; Takahashi et al., 2005 ; Gasparre et al., 2007 ; Gasparre et Coop, 2008 ; Mohajerani et al., 2011 ; Rocchi et al., 2018). Les courbes de déchargement présentent aussi une courbure (Calabresi et Scarpelli, 1985 ; Takahashi et al., 2005 ; Deng et al., 2012 ; Cui et al., 2013 ; Kinslev et al., 2019 ; Kinslev et al., 2022). Généralement, leur pente locale (C_s tangent) augmente avec la réduction de la contrainte axiale. Leur pente globale (C_s moyen) croît avec la contrainte maximale σ’_amax atteinte avant inversion du sens de chargement(Horseman et al., 1987, dans Burland, 1990 ; Azizi et Josseaume, 1988 ; Leroueil et Vaughan, 1990 ; Picarelli, 1991 ; Aversa et al., 1993 ; Cotecchia et Chandler, 1997 ; Takahashi et al., 2005 ; Amorosi et Rampello, 2007 ; Gasparre et Coop, 2008 ; Vitone et Cotecchia, 2011 ; Mohajerani et al., 2011 ; Krogsbøll et al., 2012 ; Cui et al., 2013 ; Gens, 2013 ; Rocchi et al., 2018). En fin de déchargement et après un ou plusieurs cycles à haute pression, le gonflement des argiles plastiques aboutit souvent à un indice des vides supérieur à l’indice des vides initial (Azizi et Josseaume, 1988 ; Josseaume et Azizi, 1991 ; Leroueil et Vaughan, 1990 ; Krogsbøll et al., 2012 ; Gens, 2013).

L’hypothèse d’une déstructuration progressive du sol sous l’effet des cycles de chargement–déchargement et/ou l’effet du gonflement est avancée pour expliquer cette évolution (Bjerrum, 1967 ; Leroueil et Vaughan, 1990 ; Clayton et Serratrice, 1993 ; Aversa et al., 1993 ; Takahashi et al., 2005 ; Gasparre et al., 2007 ; Gasparre et Coop, 2008 ; et d’autres). À l’image de l’effet du remaniement, cette perte graduelle de structure s’explique par la progression des déformations de compression ou de cisaillement ou du fait de l’expansion des argiles, avec des conséquences directes sur la déformabilité et la résistance du sol. À l’œdomètre, elle peut être quantifiée en observant l’évolution des indices de compressibilité C_c et C_s au cours des cycles de chargement par exemple.

Ces considérations ont amené de nombreux auteurs à effectuer des observations à une échelle microscopique en accompagnement des essais mécaniques, à l’aide d’analyses physicochimiques et minéralogiques de la composition des sols et l’utilisation de méthodes spécialisées (Mohajerani et al., 2011 ; Al-Maamori et al., 2016 ; Di Remigio et al., 2019 ; Cotecchia et al., 2020). En lien avec l’état du sol et sa déformation ; ces investigations portent sur l’arrangement et l’orientation des particules, la dimension, la forme et la distribution des vides, l’évolution de la microstructure argileuse et son endommagement, la présence d’autres minéraux, etc. D’autres analyses portent sur la comparaison du comportement du sol intact avec celui du sol remanié (après déstructuration complète) ou l’effet de solutions salines de concentrations données.

Une démarche différente est envisagée ici, qui vise à décrire le gonflement de terrains argileux naturels saturés en termes de chemins de contraintes et en comparant différents modes de chargement. Un œdomètre K₀ à haute pression est utilisé dans ce but, accompagné par des essais de gonflement standards à basse pression.

La forme des chemins des contraintes œdométriques a été décrite par de nombreux auteurs (Brooker et Ireland, 1965 ; Abdelhamid et Krizek, 1976 ; et d’autres ensuite). Dans le plan (σ’_a, σ’_r), les chemins des contraintes de chargement des sols sont (quasi)linéaires de pente K_0c. Les chemins de déchargement s’écartent des précédents avec une pente initiale K_0d plus petite, puis deviennent courbes (K_0c ou K_0d = Δσ’_r/Δσ’_a). Ces boucles sont fermées et présentent une hystérésis qui apparaît plus réduite dans les argiles plastiques que dans les sols limoneux ou sableux (Serratrice, 2022). La contrainte de préconsolidation σ’_ap est l’abscisse de l’un des points d’état limite qui, avec d’autres, forment la frontière du domaine pseudo-élastique du sol, ou courbe d’état limite (CEL). Ces autres points d’état limite sont identifiés dans le plan (σ’_a, σ’_r) ou le plan (p, q) à l’aide d’essais triaxiaux à chemins contrôlés.

Au même titre que les propriétés C_c et C_s de déformabilité des sols, les propriétés K_0c et K_0d sont utiles pour caractériser les terrains gonflants. Elles expriment les effets tridimensionnels et l’anisotropie du gonflement. Le gonflement en condition œdométrique produit des états de contraintes en extension (Gaudin et Serratrice, 1998 ; Dao, 2015), qui conduisent à la rupture (Steiner, 1993 ; Serratrice, 2007). Quand une déformation latérale est rendue possible par l’utilisation d’une bague latérale souple, la pression radiale et la déformation axiale s’en trouve diminuées (Windal et al., 2002). Mais il n’apparaît pas de relation entre les déformations axiales mesurées pendant des essais de gonflement libre menés simultanément sur deux éprouvettes identiques, l’une en condition œdométrique et l’autre en condition isotrope (la bague œdométrique est remplacée par une membrane triaxiale en caoutchouc) (Serratrice et al., 2015). D’autres observations rapportent des déformations de gonflement différentes (Hawlader et al., 2003) ou des pressions de gonflement différentes (Avsar et al., 2009 ; Dao, 2015) en fonction de la direction du chargement par rapport au litage de la roche.

Dans cette étude, les essais œdométriques K₀ à haute pression et les essais de gonflement standards à basse pression ont été réalisés dans le cadre de programmes de reconnaissances géotechniques de sites pour des projets d’ouvrages (des projets de tunnels principalement). Conjointement les résistances au cisaillement en compression et en extension des terrains sont mesurées au moyen d’essais triaxiaux à haute pression. Les points d’état limite sont obtenus au moyen d’essais triaxiaux à chemins contrôlés (Serratrice, 2002, Serratrice, 2017). Cette caractérisation mécanique des terrains et complétée par des mesures de leurs propriétés physiques et minéralogiques.

2.2 Procédures d’essais à basse pression

Au laboratoire les procédures d’essais courants destinées à caractériser les propriétés des terrains argileux gonflants ont été développées empiriquement pour répondre aux attentes concrètes des projets géotechniques. De nombreuses procédures ont été élaborées, qui sont essentiellement fondées sur l’emploi d’un œdomètre (Sridharan et al., 1986 ; Serratrice et Soyez, 1996 ; Pimentel, 2015 ; Reiffsteck et al., 2019 ; Selen et Panthi, 2021 ; CFMS, 2022). Parallèlement, d’autres procédures ont été développés sur la base de cellules triaxiales (Yesil et al., 1993 ; Bilir et al., 2004 ; Elsaidy et al., 2017 ; Hoien et al., 2020).

L’une des procédures œdométriques vise à comparer les déformations de gonflement du sol enregistrées sous des paliers de déchargement successifs décroissants au cours de deux cycles où le sol est successivement laissé dans son état naturel puis mis en présence d’eau (Huder et Amberg, 1970). Une autre méthode par paliers de déchargement successifs pointe séparément la déformation instantanée produite par le passage d’un palier à l’autre et la déformation de gonflement observée ensuite (ISRM, 1989, 1999).

Avec les méthodes d’essais en parallèle, plusieurs éprouvettes œdométriques d’un même sol sont mises en présence d’eau dans des cellules œdométriques indépendantes et sous différentes charges, ce qui permet de mesurer directement les déformations de gonflement du sol en fonction de ces différentes charges. Des cycles préliminaires de préchargement sont possibles. La procédure est transcrite sous une forme normalisée avec la méthode A ou la méthode B de la norme D4546-14 (ASTM, 2014) ou la norme expérimentale XP P94-091 (Afnor, 1995), par exemple. Comme dans le cas précédent, les charges sont distribuées en série géométrique, en se référant au poids des terres en place par exemple, ou une pression de préconsolidation.

Ces deux méthodes sont équivalentes et servent à déterminer un indice de gonflement C_g et une pression de gonflement σ’_ag. Mais, généralement, ces différentes procédures ne conduisent pas aux mêmes paramètres de gonflement (Sridharan et al., 1986). Cela s’explique par le fait que le gonflement est un mécanisme tridimensionnel et que les chemins des contraintes suivis par le sol dépendent de la procédure d’essai.

2.3 Procédures d’essais à haute pression

L’œdomètre K₀ à haute pression a été conçu pour effectuer le chargement d’un sol sous forte contrainte axiale et procéder à l’enregistrement simultané de la contrainte radiale. Les chargements sont effectués en continu ou par paliers en plusieurs cycles. La mesure de la contrainte radiale s’effectue au moyen d’une bague latérale mince dont la déformation produit un signal proportionnel à la pression radiale totale exercée par le sol pendant son chargement axial. L’appareillage et les protocoles d’essais sont décrits par ailleurs (Serratrice, 2022).

L’éprouvette œdométrique est découpée manuellement à la trousse au cœur d’un échantillon carotté ou d’un bloc. Elle est introduite dans la bague œdométrique par simple translation à partir de la trousse. Une attention particulière doit être portée à cette opération pour garantir un bon ajustement de l’éprouvette dans la bague capteur. L’éprouvette se trouve ainsi placée dans son état naturel à l’intérieur de la cellule K₀ sur des plaques poreuses sèches recouvertes de papiers filtres. L’appareil K₀ HP est installé sur le plateau d’une presse triaxiale. Les circuits de drainage sont raccordés, vannes fermées, aux circuits hydrauliques qui ont été saturés en eau désaérée et purgés au préalable. Le contact du piston est établi. Les trois voies de mesure sont raccordées à la chaîne d’acquisition (déplacement axial, effort axial, pression radiale). Ces mesures sont converties en déformation axiale ε_a, contrainte axiale totale σ_a et contrainte radiale totale σ_r.

Les essais commencent par une phase de chargement préliminaire. Elle consiste à contrôler la contrainte axiale sous laquelle le sol est mis en contact avec de l’eau désaérée, qui est introduite par les circuits de drainage. Cette charge peut être appliquée par paliers ou en continu, pour atteindre puis maintenir la contrainte verticale visée en référence à une contrainte donnée (la contrainte verticale effective en place σ’_v0 à la profondeur du prélèvement par exemple). La charge est maintenue jusqu’à la stabilisation de la déformation. Une autre méthode consiste à charger progressivement l’éprouvette afin de maintenir son volume constant. Les cycles préliminaires, les chargements rapides pour atteindre un palier ou passer d’un palier à un autre s’expriment en contraintes totales. Les chargements lents drainés ou les états d’équilibre atteints en fin de paliers s’expriment en contraintes effectives.

Les essais K₀ D HP consistent à réaliser des cycles de chargement–déchargement continus, drainés à vitesse constante. Après l’achèvement de la phase préliminaire, une option consiste à commencer les cycles par un chargement. Une autre option consiste à commencer les cycles par un déchargement, pour simuler l’effet d’une excavation par exemple. La vitesse de chargement continue doit être choisie en fonction de la perméabilité du sol et de sa compressibilité, qui sont estimées au préalable. Par analogie avec l’essai triaxial, le choix est effectué sur la base d’une relation entre la vitesse de chargement et la pression interstitielle u_m dans le plan médian de l’éprouvette, en se donnant un rapport α = u_m/σ_amax à ne pas dépasser sous la contrainte axiale totale maximale à atteindre σ_amax (Serratrice, 2022).

Les essais K₀ P HP sont mis en œuvre pour compléter les essais de gonflement en parallèle vers les hautes pressions. En phase préliminaire, l’éprouvette est mise en présence d’eau sous une forte charge, qui est choisie en progression géométrique avec les basses pressions exercées sur les éprouvettes en parallèle. L’essai se poursuit par des paliers successifs décroissants. Le contrôle à la presse est effectué manuellement par des ajustements successifs. Dans des essais mixtes, des paliers sont maintenus au cours des cycles K₀ D HP pour vérifier que la vitesse de chargement est bien adaptée à la nature du sol. La durée des cycles de chargement–déchargement continus ou par paliers peut atteindre plusieurs centaines d’heure dans la gamme des pressions de plusieurs mégapascals. Enfin, il est fait référence à des mesures de résistance au cisaillement ou des courbes d’état limite recueillies au moyen d’essais triaxiaux. Les matériels utilisés et les protocoles d’essais sont présentés par ailleurs (Serratrice, 2002, Serratrice, 2017).

Les graphiques commentés dans la suite présentent les contraintes totales et les contraintes effectives sur des échelles superposées. Ce choix dépend des phases d’essai. Les courbes enregistrées pendant les phases préliminaires de chargement ou pendant les phases transitoires de passage d’un palier à un autre sont reportées en contraintes totales et sont représentées par des figurés gris. Les chargements continus drainés et les fins de paliers de gonflement sont reportés en contraintes effectives et en couleur. Les états isotropes sont pointés sur les courbes par des ronds bleus.

2.4 Terrains étudiés

Le tableau 1 présente les sols testés, leur origine et leurs propriétés physiques (w, e₀, S_r teneur en eau, indice des vides et degré de saturation à l’état initial ; w_L, I_p limite de liquidité, indice de plasticité ; C₂ teneur en particules de diamètres inférieurs à 2 μm). Les sols ont été prélevés par carottage (C) ou par blocs (B) aux profondeurs indiquées. Il s’agit d’argiles et de marnes qui sont très plastiques (At) pour beaucoup. Leurs fractions argileuses contiennent en majorité des smectites, des illites et des interstratifiés illite–smectite. La première colonne du tableau indique les numéros des figures sur lesquelles sont reportées les courbes d’essais relatives à chaque éprouvette. Les écarts de S_r par rapport à 100 % proviennent des incertitudes de mesure. À l’exception d’un seul, tous les sols du tableau 1 sont saturés dans leur état initial. Les tableaux 2 et 3 rassemblent les principales caractéristiques des essais K₀ D HP et K₀ P HP (charges appliquées, vitesses de chargement, nombre de paliers, durées).

3 Présentation des exemples

3.1 Cas de deux marnes très plastiques

La marne verte de cet exemple a été prélevée par carottage à 59 m de profondeur dans la région de Versailles. Elle est saturée et elle se classe en argile très plastique (w_L = 95). L’essai commence par une phase de préchargement sous la contrainte axiale totale σ_a = 1160 kPa qui est égale au poids des terres estimé (chargement en quelques minutes, suivi par un palier d’une durée de 68 heures). Puis l’éprouvette est mise en présence d’eau par ses deux faces. L’essai se poursuit par une phase de déchargement, suivie par un cycle de chargement–déchargement en condition drainée à vitesse lente (3 μm/min, σ’_amax = 4,6 MPa). Les courbes enregistrées sont représentées sur la figure 1.

La charge axiale de préchargement produit une consolidation du sol (croix grises, Fig. 1a et 1c). Mais la mise en présence d’eau ne produit pas de déformation. Les cycles engendrent des boucles fermées étroites. Les indices de gonflement C_s dépendent de la contrainte maximale atteinte avant inversion du sens de chargement (C_s = 0,047 et 0,10). Un module œdométrique tangent E_oed = 62 MPa et un indice de compression C_c = 0,29 sont identifiés avant d’atteindre le chargement maximal.

Le chemin des contraintes totales suivi au début du préchargement possède une pente unité, témoignant ainsi d’une réponse temporaire isotrope non drainée de la marne saturée (croix grises, Fig. 1b). En fin de palier sous la contrainte effective σ’_a = 1160 kPa, l’équilibre est atteint avec une contrainte radiale effective σ’_r = 550 kPa, soit σ’_r/σ’_a = 0,47. Le déchargement et le début du rechargement qui fait suite s’effectuent le long d’un chemin des contraintes effectives de pente K_0d = 0,26. Le chemin de chargement se poursuit par un coude (vers σ’_a = 2000 kPa) suivi par un segment de pente K_0c = 0,65. Le déchargement final commence avec la pente K_0d = 0,26 et se termine en extension au même point que le premier déchargement (σ’_r > σ’_a). Le chemin des contraintes effectives forme ainsi une boucle fermée présentant une faible hystérésis, à l’image des courbes contrainte–déformation.

L’essai suivant a été effectué à partir d’un bloc de marne d’Argenteuil prélevé vers 26 m de profondeur dans une galerie de reconnaissance réalisée à Thiais. La marne verte finement litée est saturée. Découpée dans une direction perpendiculaire au litage, elle est mise en présence d’eau sous le poids du piston, ce qui provoque un léger gonflement (−0,2 %). Celui-ci est compensé ensuite pour maintenir la déformation à zéro en exerçant une contrainte axiale effective qui atteint σ’_a = 260 kPa au bout d’un palier d’une vingtaine d’heures (croix grises, Fig. 2 et 3). Pendant cette phase préliminaire d’essai où le sol est mis en présence d’eau à volume constant, une réaction latérale significative est indiquée par la bague œdométrique. La contrainte radiale effective atteint σ’_r = 650 kPa, soit σ’_r/σ’_a = 2,5, qui correspond à un fort état d’extension. La suite de l’essai comprend deux cycles drainés (v = 4 μm/min, σ’_amax = 1,9 et 4,1 MPa).

Le chemin des contraintes totales de la phase préliminaire, puis le chemin des contraintes effectives sont représentés dans les plans (σ_a, σ_r) et (p, q) des figures 3a et 3b. Les cycles drainés gardent une trace profonde de la phase de préchargement. Le premier cycle de chargement–déchargement est réduit à un segment de pente K_0d = 0,12 (η_0d = 2,11), parallèle au chemin de déchargement du second cycle. Après un coude situé vers σ’_a = 2,5 MPa le second cycle se poursuit par un segment de pente K_0c = 0,49 (η_0c = 0,70). Ce second cycle est étroit et fermé et la marne retourne à l’état des contraintes effectives d’extension qui avait été atteint à l’issue de la phase préliminaire et du premier cycle.

Les résistances au cisaillement de la marne, mesurées à l’appareil triaxial en compression et en extension, sont reportées dans les deux plans des contraintes effectives (carrés, Fig. 3a et 3b). Des points d’état limite sont indiqués aussi (pentagones), qui ont été mesurés au moyen d’essais triaxiaux à chemins contrôlés radiaux. Une courbe d’état limite est représentée sous la forme d’une bande délimitée par deux courbes fermées. L’épaisseur de cette bande traduit la dispersion des mesures des coordonnées des seuils d’état limite et des résistances de la marne. Au second cycle, le chemin œdométrique sort du domaine pseudo-élastique de la marne au « nez » de cette courbe d’état limite.

Des résultats analogues ont été obtenus avec un essai K₀ P HP réalisés sur une argile très plastique de la région parisienne (Serratrice, 2022). Les caractéristiques de l’essai sont indiquées dans le tableau 1 (ligne 3). Pendant la phase préliminaire de chargement, une tendance au gonflement se manifeste par une élévation importante des contraintes effectives pour aboutir à l’équilibre au point σ’_a = 670 kPa et σ’_r = 910 kPa, soit un rapport σ’_r/σ’_a = 1,35, avec un retour à une déformation nulle. Les deux cycles lents effectués ensuite à la vitesse v = 0,5 μm/min montrent chacun des forts gonflements (−5 et −15 %), des indices C_s = 0,099 et C_c = 0,23 (C_c/C_s vaut 2,1) et des chemins de contraintes de pentes K_0c = 0,78 et K_0d = 0,60, révélant ainsi une très faible hystérésis.

Cet essai K₀ D HP et les deux précédents concernent des argiles très plastiques d’origines différentes, mais de compacités très voisines (e₀ = 0,73 à 0,76). En termes de déformabilité et de compressibilité, les réponses observées sont analogues et produisent des propriétés voisines. Les chemins des contraintes effectives sont semblables, mais possèdent des propriétés différentes. Les écarts les plus grands entre ces données apparaissent pendant les phases préliminaires d’essai où le contrôle des déformations est effectué en appliquant les procédures en usage (mise en présence d’eau sous chargement en lien avec les contraintes en place ou contrôle du volume du sol). Dans ces trois exemples, ces écarts se manifestent par les rapports σ’_r/σ’_a (0,47, 2,5 et 1,35) qui traduisent un « taux d’extension » plus ou moins prononcé et qui influent sur la réponse des argiles au cours des cycles suivants. Ces écarts ne sont pas visibles avec les œdomètres standards. La mesure de la contrainte radiale à l’aide de l’œdomètre K₀ HP permet d’évaluer l’état des contraintes atteint à l’issue de la phase de préchargement, puis de suivre le chemin des contraintes au cours des cycles qui font suite.

Fig. 1 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne verte. (a) Courbes contrainte–déformation (εa, σa) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (c) courbes de compressibilité dans le plan (log(σa), e). Oedometer tests K0 D HP on a green marl.

Fig. 2 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne verte litée. (a) Courbes contrainte–déformation (εa, σa) ; (b) courbes de compressibilité dans le plan (log(σa), e). Oedometer tests K0 D HP on a green varved marl.

Fig. 3 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne verte litée (suite). (a) Chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (b) idem dans le plan (p, q). Oedometer tests K0 D HP on a green varved marl (suit).

3.2 Cas d’une marne compacte

Cet exemple concerne une marne de l’Oligocène prélevée à Marseille par carottage à 36 m de profondeur. La marne argileuse marron rouge est compacte et saturée (e = 0,327). Les courbes d’essai sont représentées sur la figure 4. L’essai commence par une phase de chargement rapide pour amener la marne sous la contrainte verticale σ_a = 506 kPa où elle est mise en présence d’eau. Puis la charge est maintenue en paliers (durée 19 heures, croix grises). L’essai se poursuit par une première phase de déchargement suivie par deux cycles de chargement–déchargement à la vitesse v = 2 μm/min jusqu’à la contrainte axiale maximale σ’_amax = 4,84 MPa (séquence : 506, 20, 2370, 330, 4840, 5 kPa, durée 235 heures).

L’équilibre final en fin de préchargement s’établit au point (506 kPa, 869 kPa) soit σ’_r/σ’_a = 1,72 ou q = −363 kPa. La première phase de déchargement produit un gonflement égal à −2,2 % (Fig. 4a), qui se traduit par une pente C_g = 0,042 dans le plan (log(σ_a), e) et qui peut être associé à ce fort état d’extension préalable (Fig. 4c). Le premier cycle ramène la marne à son état d’équilibre de préchargement. Les cycles suivants font apparaître des indices de gonflement croissants (C_s = 0,014, 0,045, 0,061). Un indice de compression C_c = 0,139 est indiqué qui ne représente la compressibilité de la marne que dans la plage des contraintes exercées. L’essai se termine avec un gonflement égal à ­6,2 % sous le poids du piston (5 kPa). Comme les courbes contrainte–déformation, le chemin des contraintes effectives est fermé et présente une faible hystérésis (Fig. 4b). Il passe par un fort état d’extension et se termine à l’origine du plan des contraintes effectives.

Ce gonflement initial (C_g = 0,042) n’est pas confirmé par un autre essai K₀ D HP réalisé dans un échantillon contigu du précédent (même sondage carotté). L’éprouvette est soumise à un protocole de chargement identique. La courbe de compressibilité est reportée sur la figure 5 (courbe orange). La marne est moins compacte que dans l’exemple précédent (e = 0,397), mais elle est moins compressible. Après la phase de préchargement, le déchargement initial ramène la déformation initiale à zéro en suivant la pente C_s = 0,020. Les cycles suivants font apparaître des indices de gonflement croissants (C_s = 0,032, 0,035), en rapport avec les indices de compression C_c (0,070 contre 0,139, dans la plage des contraintes parcourue ici). L’équilibre des contraintes en fin de préchargement s’établit au point (507 kPa, 630 kPa), soit σ’_r/σ’_a = 1,24. Ensuite, le chemin des contraintes est analogue au précédent et présente des caractéristiques identiques (Fig. 4b).

Un troisième essai a été effectué à partir de cet échantillon carotté. La courbe de compressibilité est indiquée sur la figure 5 (courbe bleue). Le chargement est effectué à volume constant dans un œdomètre standard, après la mise en présence d’eau de la marne sous le poids du piston. Le contrôle est manuel (figurés gris, durée 3 heures). Un léger tassement s’observe en moyenne (pente = 0,003). Cela suggère qu’un essai conduit à l’indice des vides initial du sol ne compense pas la compression liée au chargement, si bien qu’un tel essai autorise un léger gonflement. Mais comme ici, il est difficile de prévoir cette compression à l’avance. Le chargement rapide est mené jusqu’à la charge σ_a = 440 kPa. Le palier suivant sous σ_a = 616 kPa produit un tassement supplémentaire de 0,2 % (durée 330 heures). Aussi, la pression de gonflement est estimée à σ’_a = 500 kPa.

L’essai se poursuit par un cycle de chargement –déchargement par paliers successifs (σ’_amax = 1670 kPa, durée 3200 heures). L’indice de gonflement mesuré est égal à C_s = 0,020, identique à celui de l’essai K₀ D HP pour le même niveau de chargement.

La comparaison des trois essais réalisés sur cet échantillon carotté montre que les déformations de gonflement rapportées en indice des vides sont du même ordre de grandeur que la dispersion des états initiaux de la marne (entre 0,2 et 0,4, Fig. 4c et 5). Souvent cette dispersion va de pair avec celle des propriétés physiques et minéralogiques des terrains, ce qui gêne l’interprétation des essais. Il apparaît néanmoins une bonne cohérence entre les indices de gonflement rapportés aux indices de compression, pendant les cycles conduits à haute pression. Par contre, des rapports des contraintes σ’_r/σ’_a différents s’observent en fin de phase préliminaire (1,72 et 1,24). Ces états de contraintes d’extension plus ou moins prononcés pourraient expliquer ces réponses différentes pendant la première phase de déchargement.

Fig. 4 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne compacte. (a) Courbes contrainte–déformation (εa, σa) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (c) courbes de compressibilité dans le plan (log(σa), e). Oedometer tests K0 D HP on a compact marl.

Fig. 5 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne compacte. Courbes de compressibilité dans le plan (log(σa), e). Oedometer tests K0 D HP on a compact marl.

3.3 Exemple d’un essai de gonflement en parallèle

Les graphiques de la figure 6 montrent les réponses enregistrées pendant des essais de gonflement en parallèle réalisés sur une argile très plastique prélevée par carottage vers 21 m de profondeur. Sept éprouvettes sont testées dans des cellules œdométriques standards placées sur des bâtis indépendants. Un cycle de chargement–déchargement–rechargement est effectué en 24 heures sur les éprouvettes dans leur état naturel pour aboutir à des contraintes axiales distribuées en série géométriques entre 52 et 1478 kPa. Ces contraintes engendrent des tassements. L’indice de gonflement identifié sur ces boucles entre 10 et 200 kPa vaut C_s = 0,01 (cette pente est indiquée par un segment décalé vers le bas par rapport aux courbes pour la clarté du graphique). Une éprouvette supplémentaire est testée sous 1 kPa (gonflement libre).

Après ce chargement préliminaire, les éprouvettes sont mises en présence d’eau pour une durée de 600 à 700 heures. Sauf la plus chargée qui tasse légèrement, les éprouvettes gonflent. Les figures 6a et 6b montrent les déformations ou l’indice des vides en fonction des contraintes en échelles linéaires ou semi-logarithmiques. Les déformations de gonflement sont représentées par des segments notés « p ». Leur longueur dépend de la charge appliquée. Le gonflement atteint 30 % sous 1 kPa (hors échelle sur la Fig. 6a).

La dispersion des indices des vides initiaux constitue un inconvénient pour exploiter les essais en parallèle (Fig. 6b). Il est donc préférable d’interpréter ces essais en termes de déformation axiale, les gonflements étant rapportés ainsi à la même origine au début de l’essai. L’amplitude du gonflement diminue avec l’accroissement de la charge axiale. Une relation linéaire semi-logarithmique est admise pour représenter ces variations, telle que la loi de Grob (1972), proposée à l’origine pour interpréter les essais de gonflement par paliers successifs. Une expression de cette loi empirique donnant le gonflement en fin de palier s’écrit :

$$\begin{array}{ll}{ϵ}_{\text{a}}=C_{\text{g}}^{\ast }\log \left({{\sigma }^{\prime }}_{\text{a}}/{{\sigma }^{\prime }}_{\text{ag}}\right)\hfill & {{\sigma }^{\prime }}_{\text{a}}<{{\sigma }^{\prime }}_{\text{ag}}\hfill \end{array}\text{,}$$(1)

dont les paramètres C^*_g et σ’_ag sont à identifier sur les courbes expérimentales exprimées en déformation axiale du plan (log(σ’_a), ε_a). Une expression analogue est admise pour décrire les variations de la déformation axiale sous chacune des charges pendant les essais de gonflement en parallèle dans le plan (log(σ’_a), Δε_a) (c’est à dire les longueurs des segments « p », les gonflements Δε_a étant rapportés à la même origine au début de la mise en présence d’eau) :

$$\begin{array}{ll}\mathrm{\Delta }{ϵ}_{\text{a}}=K_{\text{g}}^{\ast }\log \left({{\sigma }^{\prime }}_{\text{a}}/{{\sigma }^{\prime }}_{\text{ag}}\right)\hfill & {{\sigma }^{\prime }}_{\text{a}}<{{\sigma }^{\prime }}_{\text{ag}}\hfill \end{array}\text{,}$$(2)

comme le préconise la norme XP P94-091 « Essai de gonflement à l’œdomètre – Détermination des déformations par chargement de plusieurs éprouvettes » (Afnor, 1995). Un lien s’établit entre ces deux expressions, s’il est admis de mesurer l’indice de gonflement C^*_s sur les cycles de chargement–déchargement préliminaires. Dans ce cas K^*_g = C^*_g − C^*_s. ce qui rend possible une interprétation commune des essais par paliers successifs et des essais en parallèle disposant de cycles préliminaires. Quand les courbes d’essais sont reportées en indice des vides, les paramètres C^*_s, C^*_g et K^*_g ont pour homologues les paramètres C_s, C_g et K_g (C = (1 + e₀) C^*). Dans les deux expressions, σ’_ag est une pression de gonflement. Généralement, cette mesure dépend de la procédure d’essai.L’interprétation de l’essai en termes de variations de la déformation axiale est donnée sur la figure 7 dans le plan (log(σ’_a), Δε_a). Elle aboutit à K*_g = 0,1026 et σ’_ag = 651 kPa. Souvent, comme dans cet exemple, les amplitudes Δε_a s’infléchissent progressivement vers la droite d’ordonnée nulle (Δε_a = 0) en approchant de la pression σ’_ag. Des petits gonflements s’observent encore pour les charges immédiatement supérieures à σ’_ag. Puis, à haute pression, le gonflement est nul ou cède la place à des petits tassements. Cela introduit une incertitude quant à l’identification de K*_g et de σ’_ag. Cette incertitude est accentuée par la représentation des données en échelles semi-logarithmiques, d’autant que, en pratique, le nombre de points disponibles est limité à quatre. L’indice K_g = 0,20 est déduit de l’indice K^*_g et, avec C_s = 0,01, C_g = 0,21. Cette pente est indiquée sur la figure 6b par une droite qui traduit en moyenne les gonflements en termes d’indices des vides.

L’essai en parallèle est complété par un essai œdométrique K₀ à haute pression, qui alterne des phases de chargement continu et des paliers (éprouvette CAI07, Fig. 8). Un palier de préchargement d’une durée de 5 heures est effectué qui aboutit à l’équilibre à la pression σ’_a = 42 kPa (e₀ = 0,98). Puis, pendant une première phase de chargement continu drainé qui fait suite (losanges beiges), une pression de préconsolidation de l’ordre de σ’_ap = 1000 kPa s’observe sur la courbes (log(σ’_a), e), suivie par une phase de très forte compressibilité avec C_c = 0,35 avant d’atteindre la contrainte axiale maximale σ’_a = 3320 kPa qui est maintenue en palier, sans réaction de tassement ni de gonflement. Puis le déchargement est effectué en un seul palier sous la charge σ’_a = 5 kPa, c’est-à-dire un palier de gonflement libre. Ces deux paliers sont indiqués par des ronds de couleur orange.

Après gonflement sous 5 kPa (−11,7 %, e = 1,22), un second cycle continu de chargement–déchargement drainé est entrepris alors, sans aboutir à un déchargement complet (losange gris, durée totale de l’essai 510 heures). Au début du rechargement, la compressibilité de l’argile a été augmentée du fait du gonflement qui a précédé. Toutefois, au-delà de 1000 kPa, le chargement à haute pression ramène la réponse de l’argile sur sa courbe initiale, avec une compressibilité identique. Le déchargement se traduit par un indice de gonflement très fort C_s = 0,17 (C_c/C_s ≈ 2).

Le graphique de la figure 8b compare les essais en parallèle avec l’essai K₀ D HP. Les deux cycles de chargement continu enveloppent les segments de gonflement en parallèle. Le gonflement modifie la compressibilité de l’argile sous les charges inférieures à σ’_ap, mais ne modifie pas la courbe de compression vierge. À l’image des coefficients C_c et C_s, le chemin des contraintes effectives (σ’_a, σ’_r) de chargement et de déchargement présentent aussi des pentes fortes égales à K_0nc = 0,66 et K_0d = 0,48 et s’avèrent relativement proches. Ils traduisant ainsi une très faible hystérésis (Fig. 8a) comme l’ont montré les exemples précédents portant sur des argiles très plastiques.

Les caractéristiques issues de l’interprétation des essais en parallèle (Fig. 6b et 7) sont reportées sur la figure 8b. L’indice C_s = 0,01 décrit le gonflement de l’argile pendant les cycles de chargement à basse pression. L’indice C_s = 0,17 décrit le gonflement de l’argile après une incursion à 3320 kPa. Il s’inscrit ainsi dans la relation qui le lie avec σ’_amax et qui traduit l’accroissement du taux de déformation avec l’écrouissage de l’argile. De leur côté, les éprouvettes testées en parallèle produisent des gonflements plus grands, sans avoir été chargées au-delà de σ’_ap (excepté l’éprouvette chargée au-delà, qui tasse, en rouge sur les graphiques). Ces déformations sont attribuées au gonflement par déstructuration de l’argile. Elles sont à caractériser par l’indice C_g (identifié à partir de K^*_g puis K_g et C_s) et σ’_ag.

Fig. 6 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une argile très plastique. (a) Paliers de gonflement dans le plan (εa, σa) ; (b) paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a high plasic clay.

Fig. 7 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une argile très plastique. Paliers de gonflement dans le plan (log(σ’a), Δe). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a high plasic clay.

Fig. 8 Essais œdométriques en parallèle et K0 D HP réalisés sur une argile très plastique. (a) Chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (b) paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a high plasic clay.

3.4 Exemples d’essais en parallèle et K₀ P HP

Les essais K₀ présentés dans la suite ont été réalisés par paliers successifs (essais K₀ P HP) en accompagnement d’essais de gonflement en parallèle réalisés avec des œdomètres standards. Ainsi par exemple, les résultats reportés sur les graphiques de la figure 9 ont été obtenus avec trois essais standards et un essai K₀ P HP. Ils concernent une argile beige jaunâtre carottée en sondage. Les chargements de l’argile en phase préliminaire sont effectués par paliers en deux à trois heures pour aboutir aux trois charges visées (30, 209 et 643 kPa, courbes en couleurs de la Fig. 9a). L’argile est mise en présence d’eau à ce stade, pour une durée de plusieurs centaines d’heures. Le gonflement progresse le long des segments notés « p » sur les graphiques.

L’éprouvette K₀ (TVE14) est chargée en six minutes à l’aide d’une presse triaxiale. Puis elle est maintenue en palier sous 1910 kPa pendant 118 heures et elle tasse (croix grise). La mise en présence d’eau de l’argile ne produit pas de déformation. L’essai se poursuit par quatre paliers successifs décroissants (1080, 490, 280 et 5 kPa). Les losanges orange marquent la fin de ces paliers (durée 430 heures). Le gonflement est faible au début du déchargement (C_s = 0,020), en accord avec les courbes de préchargement. Puis il croît ensuite progressivement, en accord avec les gonflements pendant les paliers « p » standards (C_g = 0,081).

Les enregistrements complets des données montrent aussi la transition des mesures au passage d’un palier à un autre (croix grise). La charge axiale est diminuée grâce au mouvement de la presse, qui est bloqué ensuite, sauf sous le poids du piston (5 kPa). Après chaque saut, le gonflement de l’argile produit un accroissement progressif de la contrainte axiale totale et de la contrainte radiale totale jusqu’à atteindre l’équilibre en fin de palier, en contraintes effectives.

Le chemin des contraintes suivi pendant cet essai K₀ est reporté sur la figure 9b. Le premier chargement rapide s’effectue le long d’une droite de pente unité et d’ordonnée à l’origine égale à −285 kPa, après un raccordement progressif depuis l’origine (croix grises). Ce dernier peut être attribué à l’effacement des pressions interstitielles négatives et au défaut de contact de l’éprouvette avec la bague œdométrique. La pente unité traduit une réponse isotrope non drainée déjà évoquée dans les exemples précédents (Δσ_r = Δσ_a). Quand la charge visée est atteinte, elle est maintenue manuellement (1910 kPa). La relaxation produite par la consolidation de l’argile nécessite des ajustements successifs. Par la suite, les courbes grises représentent les états transitoires entre les paliers de déchargement. Les états finals à l’équilibre sont portés par un chemin des contraintes typique des déchargements œdométriques drainés (losanges). Les paramètres K_0c = 0,57 et K_0d = 0,21 sont identifiés sur la courbe. Les trois derniers paliers se situent en extension (σ’_a < σ’_r).

Le suivi détaillé des mesures d’un palier à l’autre montre que les chemins s’infléchissent en décroissant dans une direction de pente unité, à l’opposé du chemin du premier chargement (croix grises). Puis ils croissent progressivement pour atteindre le nouvel équilibre drainé. Ces mesures font apparaître les fortes variations des contraintes totales qui sont générées au passage d’un palier à un autre.

Les essais standards ont été prolongés par des cycles de déchargement–rechargement–déchargement par paliers (courbes en couleurs de la figure 9c, durée 1800 heures). Au cours des cycles, les déchargements constituent des séquences de paliers successifs décroissants le long desquelles les indices de gonflement C_s sont de l’ordre de grandeur de l’indice de gonflement C_g mesuré à partir des hautes pressions (0,081). En rechargement, l’indice de compression _Cc = 0,20 indiqué sur le graphique décrit la compressibilité d’une argile molle. Ces nouvelles propriétés traduisent une transformation du comportement mécanique de l’argile après gonflement. Les boucles de compressibilité très amples sont sans comparaison avec la réponse de l’argile dans son état initial.

Un exemple comparable au précédent est présenté sur la figure 10. Les essais portent sur une marne compacte qui a été prélevée par blocs en tunnel. L’essai K₀ P HP est associé à quatre essais standards. Pour ces derniers, un cycle préliminaire de chargement est effectué en une demi-heure pour aboutir aux charges visées qui sont comprises entre 54 et 3680 kPa (figurés gris, Fig. 10a). Les éprouvettes sont mises en présence d’eau alors. Le gonflement est représenté par les segments notés « p » (en couleur).

Le chargement de l’essai K₀ est effectué à la presse en quatre heures jusqu’à la contrainte σ_a = 5 MPa où l’éprouvette est mise en présence d’eau. Un tassement de 0,3 % produit la relaxation des contraintes jusqu’à l’équilibre qui est atteint au bout de 69 heures (losange orange noté « p »). L’essai se poursuit par des paliers de déchargement successifs. Les mesures transitoires sont représentées par des croix grises et la fin des paliers par des losanges. Le gonflement est faible au début du déchargement (C_s = 0,014), puis s’accroît en dessous de 2 MPa et s’accorde aux gonflements mesurés pendant les paliers parallèles (C_g = 0,091). Dans le plan des contraintes, le chargement rapide est quasi isotrope (proche de la bissectrice, Fig. 10b). Les contraintes en fin de paliers décrivent une courbe de déchargement œdométrique. Le gonflement libre aboutit à l’annulation de la contrainte radiale. Contrairement à l’exemple précédent, le chargement initial n’a pas été poussé assez loin pour permettre d’évaluer K_0c et K_0d.

Les cycles de déchargement–rechargement–déchargement réalisés ensuite dans les œdomètres standards révèlent à nouveau l’évolution de la marne après gonflement (en couleur sur la Fig. 10c, durée des essais 3900 heures). Les indices de gonflement C_s qui s’observe sur les paliers successifs décroissants s’avèrent de l’ordre de grandeur de C_g (0,091). Dotée d’un module de Young de plusieurs gigapascals dans son état naturel, la marne se retrouve avec un indice de compressibilité C_c = 0,157 après gonflement, c’est à dire un taux de compressibilité typique de celui d’une argile. Les sols se transforment sous l’action du gonflement (Serratrice et Soyez, 1996).

Un programme similaire a été réalisé sur une marne compacte prélevée en galerie par carottage. Le programme comprend quatre essais à basse pression et un essai K₀ P HP. Les courbes enregistrées pendant ces essais en parallèle sont représentées sur la figure 11. L’éprouvette PEU37 possède un indice des vides plus grand que les autres. Les éprouvettes sont mises en présence d’eau au début des paliers notés « p » sous les charges indiquées dans la légende. Puis les essais sont prolongés par des paliers successifs décroissants (durée 2350 heures). Les réponses sont dispersées (Fig. 11a). Les deux éprouvettes les plus chargés gonflent (PEU41 et PEU37) avec un indice de gonflement C_g = 0,027. Les trois paliers « p » des éprouvettes les moins chargées produisent des gonflements plus petits (PEU38, PEU39 et PEU40, C_g = 0,020, non reporté sur le graphique). Par contre, les paliers de gonflement successifs décroissants montrent des gonflements plus réduits (C_g = 0,009). Ces faibles déformations suggèrent que ces trois éprouvettes restent stables en extension, contrairement aux deux éprouvettes les plus chargées (qui ont été mises en présence d’eau sous σ’_a > 1,5 MPa). L’interprétation de ces essais en variations de la déformation aboutit à K^*_g = 0,014 et σ’_ag = 720 kPa, soit K_g = 0,016 (e₀ = 0,17).

Dans le plan (σ_a, σ_r) de la figure 11b, le chemin des contraintes de chargement rapide développe une large courbure avant d’atteindre la charge visée (7245 kPa). Cette courbure est imputable à la présence de pressions interstitielles négatives, mais surtout au défaut de contact entre l’éprouvette et la bague capteur. Ainsi la réponse mesurée après la mise en présence d’eau sous-estime vraisemblablement la contrainte radiale finale σ’_r = 3480 kPa (soit σ’_r/σ’_a = 0,48, extrémité du segment « p »), comme les pentes K_0c = 0,48 et K_0d = 0,19 indiquées sur le graphique. La courbe de déchargement par paliers successifs qui fait suite prend néanmoins l’allure typique d’un chemin de déchargement œdométrique et aboutit à un fort état de contraintes en extension (point f, σ’_a = 5 kPa, σ’_r = 718 kPa). Le gonflement axial dépasse −5 % alors. Cet exemple montre que l’hétérogénéité du terrain associée à des problèmes expérimentaux rendent difficiles l’interprétation des essais de gonflement en parallèle.

Fig. 9 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une argile. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (c) paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) avec cycles post-gonflement. Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a clay.

Fig. 10 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne grise. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (c) paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) avec cycles post-gonflement. Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a grey marl.

Fig. 11 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne noire. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a black marl.

3.5 Gonflement et rupture en extension

Les deux séries d’essais suivantes ont été réalisées sur des marnes indurées du Callovo-Oxfordien (« Terres Noires », Hautes Alpes). Chacun, ces deux essais parallèles associent trois éprouvettes standards et une éprouvette K₀ P HP. La figure 12a montre la fin des paliers de gonflement dans le plan (log(σ_a), e). Après la réalisation de cycles préliminaires de chargement déchargement, non représentés ici, la marne est mise en présence d’eau aux points « p ». Les charges appliquées sont indiquées dans la légende pour chacune des quatre éprouvettes des deux essais (orange et bleu). Les paliers de gonflement en parallèle sont prolongés par des paliers de déchargement successifs. L’œdomètre K₀ HP est utilisé pour appliquer les charges les plus fortes (1970 et 7380 kPa, figurés pleins). La marne ne gonfle pas sous ces deux charges. Par contre, elle gonfle sous les paliers de déchargements suivants, avec un indice C_g = 0,023 pointé pour l’éprouvette GSI472 (figurés pleins).

Pour la plupart, les gonflements enregistrés pendant les paliers de mise en présence d’eau « p » des œdomètres standards s’accordent à ces taux de gonflements. Par contre, plusieurs indices de gonflement indiqués par les paliers successifs décroissants sont plus de quatre fois plus petits (l’un d’eux est pointé sur le graphique C_g = 0,006, éprouvette GSI469). Comme dans l’exemple précédent, les réponses sont désordonnées.

La figure 12b montre le plan des contraintes effectives (p, q) où sont reportés les chemins des contraintes enregistrés en fin de paliers pendant les deux essais K₀ P HP. Ce plan montre aussi les résistances de la marne mesurées en compression triaxiale à haute pression (pentagones rouges). Ces résistances sont très dispersées. Plusieurs enveloppes de rupture courbes sont proposées pour décrire ces résistances au cisaillement. Par extrapolation, ces enveloppes sont reportées en extension.

La mise en présence d’eau sous 1970 kPa amène la marne dans un fort état d’extension (q = −5 MPa, éprouvette GSI287, carrés oranges), avec un gonflement quasi nul. Ensuite, les deux paliers de déchargement aboutissent à un léger pic puis une forte réduction du déviateur, avec un gonflement final de près de −4,5 %. Le gonflement sous 7380 kPa ne produit pas un état d’extension (q = 3 MPa, éprouvette GSI472, losanges bleus) avec un gonflement quasi-nul. Pendant les paliers de déchargement, le déviateur passe par un pic en extension, puis diminue, accompagné par un gonflement final égal à −3,2 %. Après les pics, les deux états de contraintes résiduels se situent sur la droite de pente −3/2. Les deux pics se situent dans le faisceau des résistances de la marne en extension.

Une interprétation des essais considère que les chargements à haute pression sont à l’origine des gonflements et de ces deux ruptures en extension, au même titre que les gonflements provoqués par les cycles continus drainés menés à haute pression dans d’autres exemples (essais K₀ D HP). Il est vraisemblable que les essais standards en parallèle réalisés à basse pression ont produit des états d’extension pendant le gonflement. Mais, sans incursion préalable à haute pression, le gonflement est resté limité.

Le report des données dans le plan (log(σ_a), e) de la figure 12a ne permet pas d’exploiter ces deux essais en parallèle. Rapportées en variations de la déformation axiale, il vient : K^*_g = 0,015, σ’_ag = 1930 kPa pour le premier et K^*_g = 0,010, σ’_ag = 1620 kPa pour le second.

Les essais suivants ont été réalisés avec l’œdomètre K₀ HP sur cinq éprouvettes issues de différents échantillons carottés dans des molasses argileuses, gréseuses et plus ou moins indurées. Les éprouvettes sont chargées sous différentes contraintes axiales comprises entre 0,4 et 12,6 MPa. La figure 13a montre les courbes de compressibilité enregistrées en distinguant les mesures transitoires représentées en contraintes totales pour trois éprouvettes (croix grises) et les mesures en contraintes effectives obtenues en fin de paliers pour les cinq éprouvettes (figurés en couleur). Des courbes de cette allure sont données par Steiner (1993). Les éprouvettes sont mises en présence d’eau au palier noté « p » (les contraintes appliquées sont indiquées dans la légende). Puis elles sont déchargées par paliers successifs décroissants. Des signes de gonflement apparaissent à basse pression pour les trois éprouvettes les moins chargées initialement, contrairement aux deux éprouvettes les plus chargées. Avant gonflement les courbes de déchargement présentent des pentes faibles et du même ordre de grandeur. Deux valeurs sont indiquées C_s = 0,07 et 0,014.

Dans le plan (p, q) figure 13b, les états des contraintes effectives après gonflement s’alignent sur une courbe qui prend l’allure d’un chemin de déchargement œdométrique (de pente K_0d). Les éprouvettes les moins chargées aboutissent à un fort état d’extension sur la droite de pente −3/2 (σ’_a = 0). Deux éprouvettes sont stables. Trois autres font apparaître un pic puis une réduction du déviateur (courbes verte, mauve et bleue), avec un gonflement final égal à −3,5 %, −8,6 % et −5,4 %. Les résistances au cisaillement mesurées à haute pression sur les marnes sont indiquées sur le graphique, accompagnées par une enveloppe courbe. Reportée en extension, la forte résistance de la marne explique la tenue de deux éprouvettes. Mais les trois autres gonflent.

De nombreux essais de gonflement en parallèle réalisés sur d’autres échantillons du site confirment la dispersion des caractéristiques de ces marnes, avec des K^*_g compris entre 0,003 et 0,057 et des pressions σ’_ag de l’ordre de 800 à 1000 kPa (Serratrice et al., 2015). L’hétérogénéité des molasses s’exprime à travers leurs divers aspects visuels, leurs compacités, leurs propriétés physiques ou leurs compositions minéralogiques. Mais il n’existe pas de relation biunivoque entre ces propriétés et les résistances ou les gonflements mesurées.

Ce dernier exemple est analogue au précédent. Trois essais de gonflement ont été réalisés avec l’œdomètre K₀ à haute pression sur une marne compacte qui a été prélevée par blocs en tunnel. Les trois éprouvettes ont été découpées dans des blocs différents. L’un des essais a été présenté sur la figure 10 (TAR41). Les résultats des essais sont reportés sur la figure 14. Après une phase préliminaire de chargement, les éprouvettes sont mises en présence d’eau aux points « p ». Sous ces fortes charges initiales, le gonflement n’entraîne pas la marne dans des états de contraintes en extension. Les éprouvettes sont déchargées par paliers successifs ensuite. Les mesures transitoires sont représentées en gris pour deux essais. La forme bilinéaire des courbes de déchargement s’observe à nouveau, avec les caractéristiques C_s = 0,018 et C_g = 0,091 données à titre d’illustration. Les coudes ainsi formés sont plus ou moins progressifs.

Les chemins des contraintes (p, q) de la figure 14b montrent la présence de pics, puis la décroissance du déviateur. La comparaison de ces pics aux résistances en extension extrapolées à partir des résistances en compression (figurés et enveloppes courbes) montre que les ruptures sont atteintes pour des déviateurs inférieurs aux résistances. Les chemins aboutissent à l’origine du plan des contraintes effectives (contraintes résiduelles nulles). Les gonflements mesurés en fin d’essais sont égaux à −14,6 %, −15,2 % et −11,4 % (de l’éprouvette la plus chargée à la moins chargée initialement). Les essais de gonflement en parallèle qui accompagnent ces essais K₀ P HP confirment ces forts gonflements (Fig. 10). Par contre, d’autres essais effectués sur des blocs prélevés dans ce même front du tunnel, mais contenant une marne plus carbonatées et plus indurées, ont montré des gonflements quasi nuls.

Fig. 12 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne noire. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes effectives dans le plan (p, q). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a black marl.

Fig. 13 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne verdâtre. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes effectives dans le plan (p, q). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a greenish marl.

Fig. 14 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne verdâtre. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes effectives dans le plan (p, q). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a greenish marl.

4 Analyse et commentaires

4.1 Récapitulation des paramètres mesurés

Les tableaux 4, 5 et 6 rassemblent les principaux éléments interprétatifs des essais réalisés avec l’œdomètre K₀ HP dans cette étude. Les conditions de site sont indiquées dans le tableau 4 pour chacune des éprouvettes testées. Les contraintes verticales effectives en place σ’_v0 sont évaluées pour les prélèvements les moins profonds. Elles sont considérées comme supérieures à 1 MPa pour les autres. Les contraintes de préconsolidation σ’_ap sont déterminées sur les courbes de compressibilité des argiles les plus compressibles, en admettant que le chargement a été poussé assez loin pour obtenir une mesure représentative de l’indice de compression C_c. La courbure continue de ces courbes laisse néanmoins une grande part d’incertitude. Les pressions σ’_ap ne peuvent pas mesurées sur les marnes compactes car les chargements ne sont pas poussés assez haut. Les contraintes maximales σ’_amax qui ont été appliquées sont reportées dans le tableau 4. Les rapports σ’_ap/σ’_v0 sont supérieurs à 3, voire 5 et plus. Au contraire, les rapports σ’_amax/σ’_ap sont au plus égaux à 5.

Les paramètres identifiés sur les courbes d’essais sont reportés dans le tableau 5. Les états des contraintes effectives (σ’_a, σ’_r) et les rapports σ’_r/σ’_a marquent l’équilibre atteint en fin de phase de préchargement. Quelques valeurs remarquables σ’_r/σ’_a > 1,5 apparaissent, qui indiquent un fort état d’extension à l’issue de cette phase (Fig. 3a, 3b, 4b, 12b et 13b). Les rapports σ’_r/σ’_a < 1,5 ne s’obtiennent qu’en présence de chargements initiaux élevés, dans les marnes en particulier, ce qui renvoie au problème du choix de la contrainte de préchargement σ_a à appliquer pour commencer les essais, en référence à σ’_v0 ou σ’_ap.

Les indices de gonflement C_s reportés dans la colonne K₀ D HP sont les pentes de premier déchargement recueillies au cours des cycles continus drainés. Les autres mesures obtenues au cours des cycles suivants ont été reportées sur les graphiques. Ces pentes dépendent de la contrainte σ’_amax. Quelques mesures exceptionnelles de C_s apparaissent pour ces premiers déchargements dans les argiles très plastiques (avec des rapports C_c/C_s inférieurs à 5, Fig. 6b).

Les propriétés recueillies au moyen des essais K₀ P HP sont indiquées ensuite. Tous les indices C_g sont considérés comme remarquables et sont le fruit des états de contraintes d’extension enregistrés quand σ’_a < σ’_ag, par déchargement continu (Fig. 4c, 6b et 8b) ou par paliers successifs (Fig. 9a, 10a, 11a, 12a, 13a et 14a). Ils sont à comparer aux indices C_s qui ont été mesurés à haute pression au début de ces mêmes courbes de déchargement. La différence entre ces pentes, qui est attribuée au gonflement des minéraux argileux, justifie de les désigner par une notation distincte et de les identifier séparément. Les rapports de ces indices sont compris dans l’intervalle 1,5 ≤ C_g/C_s ≤ 10. Quand il a été possible de les identifier à la vue de gonflements avérés, les pressions σ’_ag sont comprises entre 50 et 1800 kPa. Les indices C_s ne retrouvent des niveaux comparables aux C_g qu’après des incursions du chargement axial σ’_amax au-delà de σ’_ap (Fig. 4c et 8b).

Le tableau 6 recueille des caractéristiques mesurées pendant les essais en parallèle à basse pression. Les paramètres K^*_g (puis K_g) sont obtenus à partir de la variation de la déformation axiale Δε_a enregistrée depuis le début du gonflement sous chaque palier. Cette approche paraît la plus pertinente pour exploiter les essais en parallèle et pallier la dispersion des indices des vides initiaux qui est souvent observée. L’indice de gonflement C_s est identifié à partir de cycles préliminaire de préchargement en négligeant l’effet des pressions interstitielles négatives qui peuvent régner dans le sol à ce stade. L’indice de gonflement C_g se déduit de ces mesures. La comparaison des paramètres C_s, C_g et σ’_ag avec ceux du tableau 5 montre les mêmes tendances pour les essais concernés (Fig. 9, 10, 11). L’aptitude au gonflement d’un sol est bien identifiée par les deux types d’essais. Les écarts s’expliquent par les imperfections des protocoles d’essais, l’hétérogénéité des sols (principale limitation des essais en parallèle) et les gammes de pressions différentes.

4.2 Trois facteurs clés

De l’examen des résultats des essais K₀ HP et des commentaires ci-dessus, il ressort que trois facteurs jouent séparément ou simultanément un rôle important dans les réponses observées pendant les essais de gonflement : le préchargement, la contrainte maximale appliquée et la proximité du chemin de déchargement avec l’enveloppe de résistance en extension.

Dans certains cas, le préchargement avec mise en présence d’eau sous des contraintes σ_a inférieures ou de l’ordre de la contrainte σ’_v0 fait courir le risque du développement d’un état d’extension plus ou moins prononcé qui provoque l’initialisation du gonflement. L’anisotropie du terrain accentue ce risque (exemple de la marne verte litée, Fig. 2 et 3). Cela concerne les éprouvettes les moins chargées des essais en parallèle. Cela concerne les essais à chargement continu avant le départ des cycles. Le chargement à volume constant n’échappe pas à ce risque (la condition stricte e = e₀ n’exclue pas un début de gonflement du fait de la déformation du sol qui n’est pas compensée). La référence à la pression de préconsolidation σ’_ap paraît plus appropriée pour choisir σ_a. Quand l’écart entre σ’_v0 et σ’_ap est réduit, dans les terrains faiblement surconsolidés notamment, le choix de σ_a se heurte aux incertitudes qui entourent ces deux pressions.

Car l’amplitude de la contrainte maximale σ’_amax appliquée au cours d’un essai influe notablement sur les déformations accumulées en cours des déchargements qui font suite. C’est vrai pour les cycles continus réalisés pendant les essais K₀ D HP et marqués par les variations de C_s avec σ’_amax (Fig. 1–3), mais aussi pour les essais K₀ P HP (Fig. 9, 10, 11 et 12). Des hautes pressions σ’_amax sont à appliquer sur les argiles raides pour obtenir des indices C_s comparables aux indices C_g (Fig. 4c et 8b) et, vraisemblablement, des très hautes pressions sur les marnes. Cela s’explique par l’écrouissage produit par le chargement du sol au-delà de σ’_ap et la dégradation de sa structure du sol, comme l’ont suggérés de nombreux auteurs. Les cycles de rechargement effectués à la suite des phases de gonflement confirment la déstructuration des sols par gonflement, d’après les exemples des figures 6 à 8, 9 et 10. Les sols argileux peu surconsolidés sont particulièrement sensibles. Ces observations témoignent de la difficulté de border σ’_ag par valeur supérieure quand il s’agit de définir les charges qui seront appliquées pendant les essais en parallèle ou un essai par paliers successifs, car σ_a doit être la plus grande possible sans dépasser σ’_ap, en vue d’éviter de déterminer σ’_ag par extrapolation.

Enfin, le troisième point concerne la proximité du chemin des contraintes de déchargement avec l’enveloppe de résistance du sol en extension. Dans quelques cas examinés plus haut, la connaissance de cette enveloppe, déterminée à l’aide d’essais triaxiaux à haute pression, a permis de montrer que des situations différentes apparaissent (Fig. 3, 12, 13 et 14). A priori, tous les chemins œdométriques de déchargement complet du sol en présence d’eau se terminent sur la droite σ’_a = 0 (en négligeant le poids du piston) ou la droite p = −(2/3) q du plan triaxial. Trois situations se présentent. Dans un cas, cette droite est atteinte avant l’enveloppe de rupture, si bien que l’équilibre du sol est assuré et garanti par sa cohésion (au moins pendant un temps). Une contrainte radiale résiduelle σ’_r persiste (ou un déviateur q négatif). Sinon la rupture du sol est possible (Fig. 13). Dans certains cas une contrainte résiduelle σ’_r peut subsister encore. Sinon elle s’annule (Fig. 14). Le chemin des contraintes œdométrique aboutit alors à l’origine du plan des contraintes effectives après un pic du déviateur (négatif) et le développement de forts gonflements. Pour être complet, le raisonnement devrait faire intervenir aussi la résistance au cisaillement résiduelle en extension, qui dépend en partie de l’activité des argiles.

Les observations présentées dans cette étude ont été recueillies à une échelle macroscopique en comparant les réponses obtenues sous divers modes de chargements œdométriques sur des terrains naturels argileux et marneux saturés. Des observations analogues ont été rapportées par de nombreux auteurs, comme évoqué en introduction. Les réponses observées sur les différents terrains examinés ici portent une signature commune, ce qui peut s’interpréter comme la manifestation d’interactions physicochimiques des minéraux argileux gonflants avec l’eau, dans des terrains structurés et dans un contexte de déchargement œdométrique (relâchement des contraintes). Le degré de préconsolidation semble départager les réponses des argiles raides et des marnes (celui-ci se pose comme un témoin privilégié des effets de structure, au même titre que l’anisotropie).

Sur un plan pratique, les mesures de la contrainte radiale à l’œdomètre K₀ à haute pression apportent des informations supplémentaires sur les trois facteurs clés pointés ci-dessus. Pendant la phase de préchargement et la mise en présence d’eau, la réponse du sol n’est pas entièrement révélée par le suivi ou le contrôle uniaxial de la déformation (exemple de la Fig. 2). La réponse dépend du comportement du sol, de son anisotropie notamment. Elle dépend aussi des effets du prélèvement, que le préchargement et sensé amoindrir, voire d’un remaniement éventuel. Toutefois et sauf exception, l’œdomètre ne permet pas de retrouver un état de contrainte donné par un simple rechargement. D’où l’intérêt d’un mesure de l’état des contraintes effectives à l’issue du préchargement.

Concernant le second point, les cycles à haute pression produisent une déstructuration comparable à l’effet du gonflement (Fig. 9c et 10c), qui se traduit par des indices C_s croissant avec σ’_amax. Pour atteindre des indices C_s comparables aux indices C_g il faut dépasser la pression de préconsolidation σ’_ap (souvent mal définie), ce qui amène à mobiliser de fortes pressions sur les argiles raides et les marnes. La mesure de la contrainte radiale a pour intérêt de montrer l’hystérésis des chemins des contraintes effectives œdométriques et d’identifier les couples (K_0c, K_0d) qui vont de pair avec les couples (C_c, C_s).

Enfin, comme attendu, les déchargements œdométriques aboutissent en extension. Le gonflement exacerbe ce passage en extension car le sol joue un rôle actif supplémentaire. La résistance au cisaillement du sol en extension intervient alors, voire la résistance résiduelle si le gonflement et/ou le cisaillement ont accentué la déstructuration du sol. Le suivi des chemins des contraintes effectives prend là aussi tout son sens.

4.3 Autres commentaires

Les observations révélées ici par l’utilisation d’un œdomètre K₀ HP montrent les effets de différents facteurs sur le gonflement des sols argileux au laboratoire. Ces effets conduisent à des situations variées apparemment désordonnées, qui compliquent l’interprétation des essais et l’identification des paramètres mécaniques. La variabilité des propriétés des terrains (compressibilité, états limites, résistance au cisaillement), l’anisotropie, le remaniement des échantillons, les imperfections des matériels et des protocoles d’essais, les incertitudes de mesure accentuent la confusion. Enfin, il faut s’interroger sur la sévérité de la condition œdométrique quand il s’agit de qualifier des paramètres identifiés à partir des mesures pour les attribuer aux calculs des ouvrages d’infrastructure. En effet, en générant des états de contraintes en extension, la condition de déformation radiale nulle concourt à accentuer le gonflement axial.

Ces observations expliquent en partie pourquoi la pression de gonflement σ’_ag dépend du protocole d’essai (et du chargement préliminaire en particulier) et ne peut pas être définie à partir d’essais apparemment analogues mais qui ne sont pas comparables en termes de chemins des contraintes. Et, si la pression de gonflement œdométrique est reliée à la résistance du sol en extension, c’est-à-dire sa courbe d’état limite, elle est liée à la pression de préconsolidation σ’_ap, indépendamment de la contrainte en place σ’_v0. Elle peut donc s’avérer plus grande que cette dernière, notamment dans des échantillons prélevés à faible profondeur.

L’évolution du gonflement en fonction du temps pendant les paliers en parallèle ou successifs n’a pas été examinée ici. En échelles semi-logarithmiques, les courbes enregistrées (log(t), ε_a) présentent une allure identique à celle des courbes de consolidation des argiles, mais de signe opposé, avec des temps de « consolidation » plus longs. Le gonflement « secondaire » se déploie linéairement en fonction du logarithme du temps pendant de longues périodes (comptées en centaines d’heures) et les pentes c_αg = Δε_a/Δlog(t) augmentent avec la diminution de la charge (c’est-à-dire avec l’accroissement du taux d’extension). Cela explique les longues durées qui sont à consacrer aux essais, comme évoqué par l’ISRM (1989).

Ces questions touchent au choix entre chargement continu ou chargement par paliers. Il semble qu’il n’y ait pas d’avantage à l’une ou l’autre de ces options en termes de durée des essais. La première procure des enregistrements plus détaillés des courbes d’essais. L’alternative d’un chargement continu ponctué par des paliers donne un moyen de contrôler les vitesses de chargements pour les maintenir à des niveaux adaptés (exemple Fig. 8b). Au contraire les sauts d’un palier à un autre provoquent des fortes variations des contraintes (exemples Fig. 9b et 10b) dont il est difficile d’apprécier les effets.

5 Conclusion

Les résultats le plusieurs essais et séries d’essais de gonflement ont été présentés et commentés. Les essais ont été réalisés à l’aide d’un œdomètre K₀ à haute pression sur des sols argileux et marneux provenant de différents sites. Ils sont accompagnés par des essais de gonflement à basse pression effectués selon différentes procédures en usage (parallèle, paliers successifs, volume constant). Quelques programmes expérimentaux comptent aussi des essais triaxiaux à haute pression qui ont permis de déterminer la résistance au cisaillement des sols et leurs états limites. Cette compilation d’expériences offre un panorama des réponses généralement observées à l’œdomètre en termes de déformation axiale. Ces réponses révèlent une variété de situations apparemment désordonnées.

En enrichissant les essais d’une mesure de la contrainte radiale, l’œdomètre K₀ à haute pression permet de décrire les chemins des contraintes suivis au cours du préchargement et des cycles de chargement. Dans les sols fins peu plastiques, ces chemins forment des boucles fermées présentant une hystérésis plus ou moins marquée. Les réponses des terrains argileux de forte plasticité présentent des allures comparables, mais de faibles hystérésis. Ici, ces enregistrements ont permis de montrer que les variations de la contrainte radiale ont un impact important sur les gonflements observés.

En effet, ces variations sont marquantes quand elles conduisent vers des états de contraintes en extension. Elles se manifestent ainsi en phase de préchargement quand le sol est mis en contact avec de l’eau sous faible charge, voire à volume constant. Sinon, ces états s’obtiennent en déchargement quand le chemin des contraintes approche l’enveloppe de rupture du sol en extension. Différentes situations apparaissent alors, suivant la résistance du sol (sa cohésion), son anisotropie et sa capacité à supporter un état de contraintes d’extension ou, ou au contraire, de se dégrader pour atteindre divers degrés d’expansion.

Les différents essais confirment l’effet des contraintes maximales de chargement sur l’indice de gonflement au cours des cycles à haute pression. Les cycles post-gonflement montrent l’influence du gonflement sur la dégradation du comportement du sol. Les cycles à haute pression au-delà de la pression de préconsolidation (pression qui résulte de la surconsolidation et des effets de structure) et le gonflement à basse pression produisent une déstructuration des sols et une modification de leur comportement mécanique. Ainsi, le gonflement des terrains argileux en condition œdométrique combinerait les réactions physicochimiques des minéraux argileux en présence d’eau et les conséquences des incursions en extension des chemins de déchargement.

L’étude a porté sur des terrains variés provenant de différents sites dans le cadre de projets d’excavations et de tunnels. Cet échantillonnage s’est avéré souvent trop limité dans ces terrains difficiles et souvent hétérogènes. Des programmes d’essais plus systématiques seraient à entreprendre pour confirmer l’intérêt de la mesure de la contrainte radiale pendant le gonflement des terrains argileux dans leur diversité et apporter de nouvelles données.

Références

Liste des tableaux

Liste des figures

	Fig. 1 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne verte. (a) Courbes contrainte–déformation (εa, σa) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (c) courbes de compressibilité dans le plan (log(σa), e). Oedometer tests K0 D HP on a green marl.
Dans le texte

	Fig. 2 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne verte litée. (a) Courbes contrainte–déformation (εa, σa) ; (b) courbes de compressibilité dans le plan (log(σa), e). Oedometer tests K0 D HP on a green varved marl.
Dans le texte

	Fig. 3 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne verte litée (suite). (a) Chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (b) idem dans le plan (p, q). Oedometer tests K0 D HP on a green varved marl (suit).
Dans le texte

	Fig. 4 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne compacte. (a) Courbes contrainte–déformation (εa, σa) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (c) courbes de compressibilité dans le plan (log(σa), e). Oedometer tests K0 D HP on a compact marl.
Dans le texte

	Fig. 5 Essai œdométrique K0 D HP réalisé sur une marne compacte. Courbes de compressibilité dans le plan (log(σa), e). Oedometer tests K0 D HP on a compact marl.
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	Fig. 6 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une argile très plastique. (a) Paliers de gonflement dans le plan (εa, σa) ; (b) paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a high plasic clay.
Dans le texte

	Fig. 7 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une argile très plastique. Paliers de gonflement dans le plan (log(σ’a), Δe). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a high plasic clay.
Dans le texte

	Fig. 8 Essais œdométriques en parallèle et K0 D HP réalisés sur une argile très plastique. (a) Chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (b) paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a high plasic clay.
Dans le texte

	Fig. 9 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une argile. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (c) paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) avec cycles post-gonflement. Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a clay.
Dans le texte

	Fig. 10 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne grise. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr) ; (c) paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) avec cycles post-gonflement. Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a grey marl.
Dans le texte

	Fig. 11 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne noire. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes totales et effectives dans le plan (σa, σr). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a black marl.
Dans le texte

	Fig. 12 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne noire. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes effectives dans le plan (p, q). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a black marl.
Dans le texte

	Fig. 13 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne verdâtre. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes effectives dans le plan (p, q). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a greenish marl.
Dans le texte

	Fig. 14 Essais œdométriques en parallèle et K0 P HP réalisés sur une marne verdâtre. (a) Paliers de gonflement dans le plan (log(σa), e) ; (b) chemins des contraintes effectives dans le plan (p, q). Multiple-specimens swelling oedometer tests and K0 P HP test on a greenish marl.
Dans le texte