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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014

INFLUENCE DE LA VARIATION DE TEMPERATURE SUR LESPARAMETRES PRESSIOMETRIQUES D’UN SOL COMPACTE

INFLUENCE OF TEMPERATURE VARIATION ON PARAMETERS OF

PRESSUREMETER TEST OF A COMPACTED SOIL

Hossein ESLAMI1,2, Sandrine ROSIN-PAUMIER1, Adel ABDALLAH1, Farimah

MASROURI1

1 LEMTA, CNRS (UMR 7563), Université de Lorraine2 ESITC de Metz

RÉSUMÉ — Les géostructures énergétiques consistent à établir un échangethermique avec le sol directement grâce à des systèmes intégrés dans les fondations

ou la structure. L’incorporation des échangeurs de chaleur aux géostructures pose

des questions sur l'impact des variations de température sur les paramètres

géotechniques des sols sensibles (illite, smectite ...). Le dimensionnement des

capacités portantes des fondations profondes est basé sur les résultats d’essais

pressiométriques ou pénétrométriques. Dans cette étude, des essais mini-

pressiométriques ont été réalisés dans des conditions de laboratoire sur un massif de

sol compacté dans un modèle réduit thermorégulé. Le matériau argileux testé, riche

en illite, est préparé à une masse volumique sèche de 1,29 Mg/m3 et une teneur en

eau de 31,3 % puis soumis à des températures de 1, 20 et 40 ° C. L’impact de la

variation de la température a été mis en évidence sur la pression limite (pl) et lapression de fluage (pf).

ABSTRACT — Energetic geostructures consist in establishing a thermal exchangewith the ground directly through systems integrated into the building foundations or

structures. Incorporation of heat exchangers into geostructures brings questions on

the impact of the temperature variations on the geotechnical parameters of the

sensitive soils (illite, smectite …). The design of the bearing capacities of deep

foundations is actually based on pressuremeter or penetrometer test results. In this

study, a mini-pressuremeter test was developed to carry out laboratory tests oncompacted samples submitted to different thermal variations. Mini-pressuremeter

tests were conducted on an illitic soil compacted in a cylindrical container, submitted

to temperature equal to 1, 20 and 40 °C. The impact of the temperature variation on

the limit pressure (pl) and the creep pressure (pf) is presented.

1. Introduction

Les géostructures énergétiques sont des ouvrages de génie civil qui permettent un

échange thermique entre les bâtiments et le terrain via la circulation d’un fluide

caloporteur dans un circuit intégré aux géostructures. Ces systèmes utilisent le solcomme une source de chauffage ou de refroidissement pour les bâtiments


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(Fromentin et al., 1999, Laloui et al., 2003, Brandl, 2006). Les géostructures

énergétiques peuvent être des murs de soutènement, des revêtements de tunnel

(Zhang et al., 2013) ou des pieux énergétiques (Pahud, 1999, Moel et al., 2010).

L’utilisation de géostructures énergétiques provoque une modification de la

température usuelle du sol (12°C environ) si bien que la température évolue sur un

intervalle de 4 à 30°C (Peron et al., 2011). Cette évolution thermique pourrait avoir

une influence sur la compétence du sol à porter la structure.

L’évolution de la température a des effets complexes sur le comportement

hydromécanique du sol. Des études traitant de l’impact d’une variation de

température de 22 à 100 °C sur le domaine élastique ont été réalisées sur différents

types de sol : un mélange de bentonite et de sable, de l’illite, du kaolin et de l’argile

de St-Roch-de-l’Achigan, par respectivement Lingnau et al. (1996), Graham et al.

(2001), Cekerevac et Laloui (2004) et Marques et al., (2004). Les résultats des

essais triaxiaux et œdométriques montrent une contraction de la zone élastique avec

le chauffage.Uchaipichat et Khalili (2009) ont étudié l’effet de la température sur le comportement

d’un limon non saturé (limon de Brouke) à 20, 40 et 60°C. Ils ont observé que

l’augmentation de la température provoque la diminution de la limite d’élasticité due

au radoucissement thermique (thermal softening). Wiebe et al., (1998) ont présenté

une étude concernant l’effet de la température sur la résistance au cisaillement d’un

mélange de sable-bentonite. Pour des états proches de la saturation (Sr=98%), ils

n’observent pas de variation significative de la résistance au cisaillement. Pour les

degrés de saturation entre 80 et 50 %, la résistance au cisaillement diminue avec

l’augmentation de la température de façon d’autant plus importante que le degré desaturation est faible. Ils ont conclu que cette baisse pourrait être liée à la diminution

de la succion.

L’objectif de ce travail est d'améliorer la compréhension et la quantification de

l'impact de la variation de la température sur les paramètres mécaniques du sol en

particulier les paramètres pressiométriques. En effet, le calcul de la capacité portante

des fondations est le plus souvent basé sur les résultats d'essais au pressiométre ou

au pénétromètre. Une méthode expérimentale a été développée afin de permettre la

réalisation d’essais pressiométriques dans les conditions de laboratoire sur un

matériau homogène pour lequel les conditions initiales de densité et de teneur en

eau, ainsi que les sollicitations thermiques sont maitrisées. Dans ce qui suit, on

présente tout d’abord le matériau testé et sa mise en œuvre. Ensuite, l'essai mini-

pressiométrique est décrit et les résultats obtenus sont présentés et commentés.

Enfin, les résultats sur l'impact des variations de température sur les paramètres

pressiométriques du matériau compacté sont discutés.

2. Matériau et méthodes

2.1. Caractérisation du matériau

Le matériau utilisé, nommé Arginotech©, provient de l’est de l’Allemagne, il contient77% d’illite, 10% de kaolinite, 12% de calcite et des traces de quartz et de feldspath.


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L'illite est une argile non gonflante que l'on trouve en proportions variables dans de

nombreux sols. Selon la bibliographie (Tanaka et al., 1996, Graham et al., 2001)

l'illite est un matériau dont les propriétés sont susceptibles d’évoluer avec la

température.

La limite de liquidité du matériau, déterminée selon la norme AFNOR (1993), est de

65% et la limite de plasticité est de 34%. L’indice de plasticité du matériau est donc

de 31%. La teneur en eau et la masse volumique sèche à l’optimum Proctor normal

(AFNOR, 1999) sont respectivement de 31,3% et de 1,43 Mg/m3 (Figure 1.a). La

distribution de la taille des particules contenues dans le matériau a été déterminée à

l’aide d’une granulométrie laser Mastersizer 2000© (Figure 1.b). Selon la norme

française pour la classification des sols le matériau (GTR, 2000) est classé comme

A3.

Figure 1. Caractéristiques de l’illite étudiée : a) Courbe de compactage,

b) Distribution de la taille des particules

2.2. Remplissage et instrumentation de la cuve

Une cuve en inox de 800 mm de haut et 600 mm de diamètre, a été construite pour

contenir le sol compacté. Des tubes d’un diamètre interne de 33,7 mm de diamètre,

également en inox ont été soudés aux parois extérieures de la cuve. Ces tubes sont

reliés à un thermorégulateur Vulcatherm® qui met en circulation un mélange de 45 %

d’eau de robinet et 55% d’un antigel à base de monoethylène (ASCAGEL® MEC) àdes températures pouvant varier de de 1 à 40°C (Figure 2). Des gaines isolantes

sont placées sur les tubes afin de limiter la condensation d’eau et les échanges

thermiques avec l’atmosphère. Enfin, l’ensemble est placé dans une boite formée de

plaques de polystyrène extrudé de 40 mm d’épaisseur pour renforcer l’isolation.

Le sol illitique, sous forme de poudre est mélangé à de l’eau afin d’atteindre une

teneur en eau cible. Le malaxage est effectué dans un malaxeur MIX120© à vitesse

fixe puis le mélange est stocké dans des fûts pour une durée minimale de 5 jours afin

d’assurer une bonne homogénéisation (w = 31,3%). Le matériau humide est ensuite

compacté dans la cuve au moyen d’un compacteur pneumatique. Le compacteurcrée des efforts dynamiques sur une plaque métallique de même diamètre que la


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cuve (600 mm), et de 4mm d’épaisseur , afin de répartir l’énergie de compactage sur

l’intégralité de la surface du matériau. Le massif est compacté en 11 couches de 70

mm d’épaisseur , le volume de chaque couche est contrôlé par trois règles graduées

fixées sur la paroi interne de la cuve. Sept sondes thermiques (PT100) sont

introduites dans le massif au fur et à mesure du compactage. Ces sondes permettent

d’observer l’évolution de la température à l’intérieur du massif lors de l’application de

la sollicitation thermique. La masse volumique sèche finale visée est de ρd = 1,29

Mg/m3, soit 90% de la masse volumique sèche optimale. Le massif est alors prêt à

subir les sollicitations thermiques appliquées par le thermorégulateur.

Figure 2. Cuve en modèle réduit et instrumentation associée

2.3. Essais mini-pressiométriques dans la cuve thermorégulée

L’essai pressiométrique est classiquement utilisé pour dimensionner les fondations et

d’autres structures dans les sols (AFNOR, 2000). Il consiste à dilater radialement une

sonde cylindrique placée dans le terrain. Les pressions appliquées dans la sonde,

ainsi que les variations volumiques de la sonde sont mesurées et enregistrées, afin

de déterminer la relation entre la pression appliquée et la déformation du sol. Les

résultats de l’essai pressiométrique permettent de déterminer le module

pressiométrique (EM), la pression de fluage (pf), et la pression limite (pl).

Les essais dans la cuve ont été effectués avec un mini-pressiométre. Seulement six

essais sont réalisés dans chaque cuve, pour limiter les effets de bords et l’influence

entre les essais. Les points d’essai sont positionnés sur un cercle concentrique à la

cuve de rayon deux fois plus petit que celui de cette dernière. Les points d’essai sont

donc positionnés à 150 mm du bord de la cuve par rotation d’angle 60°.

Préalablement à chaque essai, un carottage de diamètre égal à celui de la sonde

pressiométrique est réalisé à l’aide d’un carottier permettant à la fois d’échantillonner

sur une profondeur de 630 mm à l’intérieur du massif et d’insérer la sonde. La carotte

est découpée en échantillons de 50 à 100 mm de long qui seront utilisés pour

déterminer la teneur en eau et la densité du matériau en fonction de la profondeur.

La cellule mini-pressiométrique de 380 mm de longueur et 280 mm de diamètre est

insérée dans le forage. Le centre de la sonde est positionné à 400 mm deprofondeur, au milieu de la hauteur de la cuve. La sonde est connectée à un


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contrôleur pression/volume GDS® (Figure 2) qui impose des paliers successifs de

pression par incréments de 25 kPa. Le temps d’atteinte de la pression visée est

inférieur à 60 s. Après l’essai pressiométrique, le forage est refermé par du matériau,

à la teneur en eau initiale du massif et une nouvelle sollicitation thermique est

appliquée au massif. Les résultats sont traités selon la norme NF P94-110-1

(AFNOR, 2000).

Une série d’essais préliminaires a permis de vérifier la répétabilité des essais et

d’estimer l’incertitude de chacun des paramètres mesurés : EM : 10%, pf : 5%, pl :

5%.

3. Résultats

3.1. Essai de chauffage à 40 °C

Pour la première série d’essais, le massif est successivement porté à 20°, 40°C puis

de nouveau à 20 °C. La température au sein de la cuve est suivie en continue à

l’aide des sondes thermiques. Une fois l’équilibre thermique atteint à 1°C, c'est-à-

dire en moyenne au bout de 65 h (Figure 3.a), deux essais mini-pressiométriques

sont réalisés à chaque palier de température. Ainsi, deux essais ont été effectuées, à

la fin du 1er palier à 20°C (20a, 20b), deux essais ont été réalisés à la fin du palier à

40°C (40a, 40b) et deux essais à la fin du dernier palier à 20°C (20c, 20d).

Avant chaque essai pressiométrique, une carotte est extraite du massif à l’aide d’un

carottier. Les échantillons collectés permettent de tracer les profils de la teneur en

eau et de la masse volumique sèche (Figure 3.b et Figure 3.c). Les teneurs en eau

mesurées sont toutes comprises entre 29,5% et 32%. Les masses volumiquessèches évoluent verticalement de 1,22 à 1,42 Mg/m3 et ce malgré la compaction du

massif en 11 couches. Toutefois, les différents forages montrent les mêmes

évolutions verticales ainsi, le massif est homogène dans le plan horizontal ce qui

garantit la réalisation d’essais dans les mêmes conditions. La masse volumique

sèche moyenne, dans la zone de réalisation de l’essai (de 200 à 580 mm de

profondeur) est de 1,32 0,05 Mg/m3.

L’essai 20a jugé inexploitable à cause d’une fuite, a été retiré de la série d’analyse.

Les résultats des cinq autres essais sont présentés dans la Figure 4. La courbe

pressiométrique comprend trois domaines : un domaine de mise en contact de laparoi de la sonde avec le sol, un domaine où l’augmentation de volume avec la

pression permet le calcul du module pressiométrique EM (domaine

approximativement linéaire qui traduit un comportement pseudo-élastique du sol), et

un domaine des grands déplacements où le sol devient plastique. La pression de

fluage pf est la limite entre le deuxième et le troisième domaine de la courbe, elle est

déterminée par exploitation graphique de la courbe de fluage pressiométrique

(AFNOR, 2000). La pression limite pl est la pression mesurée lorsque le volume

injecté conduit au doublement du volume de la cavité, pl est déterminée par

extrapolation (AFNOR, 2000).


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(a)

T e n e u r e n e a u v

i s é e

M a s s e v o l u m i q u e

s è c h e v i s é e

(b) (c)

Figure 3. Paramètres de la première série d’essai : a) Evolution de la température au

sein du massif à 150 mm du bord de la cuve, b) Profils de la teneur en eau, c) Profils

de la masse volumique sèche

Les modules pressiométriques (EM), les pressions de fluage (pf), et les pressions

limites (pl) ont été déterminés pour chaque essai (Figure 4). Le paramètre EM

présente une forte variabilité, lié aux conditions de l’essai. En conséquence, la

variation de EM observée avec la température est sensible mais difficilement

interprétable. En revanche, les valeurs de pf et pl ont nettement diminué lors du

chauffage à 40 °C. Ainsi, pour les essais effectués à 40 °C, l’entrée dans le domaine

plastique est précoce par rapport aux essais réalisés à 20°C. Ces résultats

confirment la contraction du domaine élastique avec l’augmentation de la

température telle que décrite dans la littérature avec des essais triaxiaux ouœdométriques. Les paramètres mesurés pour les 3 essais à 20°C sont très proches,

ce qui tendrait à montrer une bonne réversibilité de l’impact de la sollicitation

thermique.

Figure 4. Résultats de la première série d’essai : a) Courbes pressiométriques, b)

Paramètres pressiométriques


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3.2. Essai de refroidissement à 1 °C

Un second massif a été compacté puis successivement porté à 20°, 1°C puis à

nouveau à 20°C. Deux essais pressiométriques sont réalisés à la fin de chaque

palier, une fois l’équilibre thermique atteint (Figure 5.a). Ainsi, 2 essais sont réalisés

à 20 °C (20e et 20f), 2 essais à 1° C (1a et 1b) et 2 essais lors du dernier palier à 20

°C (20g et 20h).

Les teneurs en eau mesurées sont comprises entre 31% et 32.9%, tandis que les

masses volumiques sèches varient de 1,21 à 1,36 Mg/m3 (Figure 5.b et Figure 5.c).

La masse volumique sèche moyenne, dans la zone de r éalisation de l’essai (de 200

à 580 mm de profondeur) est de 1,280,05 Mg/m3. L’homogénéité dans le plan de

coupe du massif est vérifiée.

(a)

T e n e u r e n e a u v i s é e

M a s s e v o l u m i q u e s è c h e v i s é e

(b) (c)

Figure 5. Paramètres de la seconde série d’essai : a) Evolution de la température au

sein du massif à 150 mm du bord de la cuve, b) Profils de la teneur en eau, et c)

Profils de la masse volumique sèche

Comme pour les essais à 40 °C, le refroidissement à 1 °C a un impact limité sur EM

alors qu’une augmentation des valeurs de pf et pl a été observée (Figure 6). Ainsi, le

domaine quasi-linéaire est plus étendu dans le cas d’un essai à 1°C que dans le cas

d’un essai à 20°C. L’évolution de l’étendue du domaine élastique avec la variation de

la température est une nouvelle fois observée. Les paramètres mesurés pour les

essais 20g et 20h sont légèrement décalés par rapport aux résultats obtenus pour

20e et 20f. Ainsi, une réversibilité partielle de l’impact de la sollicitation thermique est

observée, mais le matériau pourrait conserver une trace de son passage à 1°C.

Dans le cas présent, cet effet serait positif pour la stabilité de l’ouvrage.

4. Discussion

La préparation d’un massif de 0,22 m3 rend difficile l’obtention de conditions

exactement reproductibles. Ainsi, les valeurs obtenues lors de la 1ère série d’essais

ne sont pas directement comparables avec les valeurs obtenues lors de la 2ème série.

Pour permettre leur comparaison, les valeurs moyennes obtenues lors du 1er palier à


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20°C ( )20( M E , )20( f p et

)20(l p ) seront considérées comme les valeurs de référence

de la cuve. Les autres valeurs sont divisées par les valeurs de références selon les

équations 1,2 et 3. Les valeurs réduites obtenues ( M n E . , f n

p . , l n p ; ) restent proches

d’une cuve à l’autre.

)20(

)(.

M

M M n

E

T E E

(1) )20(

)(.

f

f

f n p

T p p

(2))20(

)(.

l

l l n

p

T p p

(3)

Figure 6. Résultats de la seconde série d’essai : a) Courbes pressiométriques, b)

Paramètres pressiométriques

La Figure 7 regroupe les paramètres réduits calculés à partir des deux premiers

paliers de chaque cuve. Les valeurs à 20°C, utilisées comme références

apparaissent logiquement autour de 1. L’effet de la température est plus prononcé

sur les paramètres f n p . , l n

p . que M n E . . Une légère diminution de M n

E . , apparait avec

l’augmentation de la température. En revanche, la valeur de f n p . augmente de 40%

par rapport à la référence avec le refroidissement à 1°C, et diminue de 18% par

rapport à la référence pour une augmentation de la température de 20 à 40 °C. La

valeur de l n p . suit une progression similaire avec une augmentation de 25% lors du

refroidissement de 20° à 1°C et une diminution de 16% lors d’un chauffage de 20° à

40 °C. Ainsi, une diminution des paramètres f n p . et l n

p . a été observée avec

l’augmentation de la température pour ce matériau dans les conditions de l’essai.


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Figure 7. Variation des paramètres pressiométriques réduits En.M, pn.f et pn.l en

fonction de la température

5. Conclusion

L'objectif de cette étude était de développer un essai répétable et fiable en

laboratoire, afin de quantifier l’effet des variations de température sur le module

pressiométrique (EM), la pression de fluage (pf), et la pression limite (pl). Les

résultats des essais mini-pressiométriques réalisés sur un sol argileux (A3) compacté

et de faible densité ont montré une diminution de la pression de fluage et de la

pression limite avec l’augmentation de la température tandis que la variation du

module pressiométrique est moins marquée. Les résultats tendent à montrer une

réversibilité des effets de la température sur les paramètres mesurés pour un cycle

de chauffage dans la gamme de température testée. Des expérimentations dans un

intervalle de température plus important seraient nécessaires pour confirmer cettetendance.

Les résultats obtenus montrent une contraction du domaine élastique avec la

température, ils confirment donc les données disponibles de la littérature obtenues

avec d’autres types d’essai. Les données acquises sur ce matériau modèle ne

peuvent être extrapolées en l’état à des conditions réelles de mise en œuvre de

géostructures énergétiques. En effet, le massif a été volontairement réalisé dans un

matériau particulièrement riche en illite et compacté à une faible densité afin de se

placer dans un milieu très réactif à des variations de température.

Remerciements

Ces essais ont été réalisés dans le cadre du projet ANR GECKO (GEostructures,

Couplage solaire hybride et stocKage d’énergie Optimisé : Solution pour bâtiments à

énergie positive).

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