21
1 Chemins de drainage-humidification des sols argileux – Evolution de la porosité et de la répartition de l’eau lors de l’humidification Souli H. , Fleureau J.M., MSSMat / UMR 8579 CNRS / Ecole Centrale Paris http://www.mssmat.ecp.fr Séminaire Risques naturels et environnement

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1Chemins de drainage-humidification des sols argileux – Evolution de la porosité et de la répartition de l’eau lors de l’humidification

Souli H., Fleureau J.M.,

MSSMat / UMR 8579 CNRS / Ecole Centrale Paris

http://www.mssmat.ecp.fr

Séminaire Risques naturels et environnement

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Plan

Première partie: Chemins de drainage-humidification des sols argileux

Chemin de drainage-humidification 1. Pâte Normalement Consolidée2. Sol surconsolidé3. Sol compacté

Deuxième partie: Evolution de la porosité et de la répartition de l’eau lors de l’humidification

1. Caractérisation géotechnique et physico-chimique de l’argile2. Chemin d’humidification et Pression de gonflement3. Diffraction des rayons X : organisation après humidification4. Evolution de la taille des pores

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

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3- Dispositifs d’imposition de la pression capillaire

Solutions osmotiques100 kPa < Pc < 1500 kPa

Solutions salinesPc> 1500 kPa

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

Plaques tensiométriques

0.1 kPa < Pc < 10 kPa

- Pression capillaire = pression négative - Paramètres mesurés: indice des vides (e), teneur en eau (w) et degrés saturation (Sr)

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4- Chemin de drainage-humidification à partir d’une pâte (Normalement Consolidé)

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+60.5

1.0

1.5

2.0

Indi

ce d

es v

ides Drainage

(Chemin NC)

Humidification(Chemin OC)

0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Pression négative (kPa)

0.5

1.0

1.5

Drainage(Chemin NC)

Humidification(Chemin OC)

(-Uw)SL

(NC)

0 40 800.5

1.0

1.5

2.0 Ligne de saturation

w Lw P

w (NC)

0 40 800.5

1.0

1.5

2.0

w Lw P

Indi

ce d

es v

ides

Teneur en eau (%)

0 40 80Teneur en eau (%)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

De

gré

de

satu

ratio

n

WSL

0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6Pression négative (kPa)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

De

gré

de

satu

ratio

n

(-Uw)désat

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Interstratifié illite - smectite (wL = 90%, IP = 52)

Kaolinite (wL = 61%, IP = 30)

5- Influence de la nature des matériaux

0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+50.0

1.0

2.0

3.0

4.0Correlation

with wL

ucSL

(b)

(-uw)SL

0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6Pression négative (kPa)

0.5

1.0

1.5

2.0

Indice

des v

ides

Drainage(Chemin NC)

Humidification(Chemin OC)

Indice

des v

ides

Pression négative (kPa)

0 50 100 150Teneur en eau (%)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

Saturation line

wLwP

wSL (a) wSL(NC)

0 40 80Teneur en eau (%)

0.5

1.0

1.5

2.0

Indice

des v

ides

Ligne desaturatione=γs/γw w

wLwP

Indice

des v

ides

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

⇒ (-UW)SL(IS)> (-UW)SL(K)

⇒(-UW)dés(IS)> (-UW)dés(K)

⇒ wSL(IS)< wSL(K)

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1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6Pression capillaire ou contrainte moyenne (kPa)

0.0

0.5

1.0

1.5

Indi

ce d

es v

ides

Corrélation avec wL

(ua-uw)SL

Essai oedométriqueEssai isotrope

A

B C D

p ; ua-uw

e

6- Comparaison des chemins de drainage, oedométrique et isotrope

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

Argile saturée et normalement consolidée (NC)

Correspondance des chemins de drainage et ceux des essais oedométrique et isotrope

- Chemin normalement consolidé bien décrit par les corrélations avec la limite de liquiditéw = wL, e = Gs*wL pour p =7 kPaw = wP, e = Gs*wp pour p = 1000 kPa

(Biarez et Favre, 1975)

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7- Corrélation des caractéristiques avec la limite de liquidité pour le sol NC

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

1 - Bonne corrélation entre pression de désaturation et limite de liquidité

2 - Les corrélations entre limite de retrait et la limite de liquidité sont moins bonnes

1 2

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8- Chemin de drainage-humidification sur des sols surconsolidésplastique et peu plastique

Sol plastique + faible contrainte de consolidation

Sol peu plastique + forte contrainte de consolidation

1x10-1 1x100 1x101 1x102 1x103 1x104 1x105 1x106

Pression négative (kPa)

0.3

0.6

0.9

Indi

ce d

es v

ides

(-uw)SL

0.1 1 1E+001 1E+002 1E+003 1E+004

Pression négative (kPa)

0.4

0.6

0.8

Indi

ce d

es v

ides

Chemin NC

Chemin OC200 kPa

Corrélations NC(chem. oedom.)

- Chemin surconsolidé (OC) rejoint chemin normalement consolidé dans le domaine saturé.⇒ Même comportement au séchage

- Chemin surconsolidé (OC) rejoint chemin normalement consolidé dans le domaine désaturé.⇒ Comportement différents au séchage

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

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9- Influence de la contrainte de consolidation

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

Faibles contraintes de consolidation (0,1 à 0,2 MPa)

- Chemin d’humidifcation rejoint le chemin Normalement Consolidé (NC) dans le domaine saturé

Fortes contraintes de consolidation (1 à 3 MPa)

- Chemin d’humidifcation différent du chemin Normalement Consolidé (NC)

- Palier différent

e

0.1 1E+001 1E+003 1E+005Capillary pressure (kPa)

0.3

0.5

0.7

0.9

Voi

d ra

tio

Consolid. stress :0.1 MPa0.2 MPa1 MPa2 MPa3 MPa

Compacted

NC drying-wettingpath

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10- Corrélation des caractéristiques avec wL pour les sols compactés

⇒ Wopt, γd_max,uc_opt en fonction de la limite de liquidité

30 60 90Liquid Limit wL (%)

12

16

20

Max

. dry

uni

t wei

ght

γ dm

ax (k

N/m

3 )at

SPO

or M

PO

SPO

MPO

γdmax

SPO

MPO

30 60 90Liquid Limit wL (%)

10

20

30

Opt

. wat

er c

onte

nt w

opt (

%)

at S

PO o

r MPO

SPO

MPO

wopt SPO

MPO

0 60 120 180Liquid Limit wL (%)

10

100

1000

10000

Neg

ativ

e po

re p

ress

ure

(kPa

)at

SPO

or M

PO

SPO

MPO

ua-uw

SPO

MPO

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

e

0.1 1 1E+001 1E+002 1E+003 1E+004Capillary pressure (kPa)

0.0

1.0

2.0

3.0

Voi

d ra

tio

Wetting pathsstarting from SPO

uc

SPO

w

0.1 1 1E+001 1E+002 1E+003 1E+004Capillary pressure (kPa)

0

40

80

120

Wat

er c

onte

nt (%

)

SPO

uc

Wetting pathsstarting from SPO

⇒ Pente des courbes d’humidification en fonction de la limite de liquidité

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Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

11- Comparaison des corrélations pour différents types de sols

0 25 50Water content (%)

0.0

0.5

1.0

1.5

Voi

d ra

tio

0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3Negative pore water pressure (kPa)

0.0

0.5

1.0

1.5

Voi

d ra

tio

0 25 50Water content (%)

0.0

0.5

1.0

Deg

ree

of s

atur

atio

n

0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3Negative pore water pressure (kPa)

0.0

0.5

1.0

Deg

ree

of s

atur

atio

n

0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3Negative pore water pressure (kPa)

0

25

50

Wat

er c

onte

nt (%

)

Kaolin (wL=61%)

Test results

Model

Wetting(OC path)

Wetting

Jos70 mixt. (wL=20%)

Test results

Model

Saturation linee = Gs.w

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12- Conclusion

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

- Les courbes de drainage - humidification sont influencées par la composition minéralogique des argiles.

Sols normalement consolidés- Les chemins de drainage - humidification correspondent à ceux des essais oedométriques et isotropes⇒ possibilité d’appliquer les corrélations.

Sols compactés- Des corrélations avec les limites de liquidités permettent de reconstituer les courbes de drainage et d’humidification- Les corrélations sont valables pour les argiles à moyennes limites de liquidité

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Evolution de la porosité et de la répartition de l’eau lors de l’humidification

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

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14- Caractérisations Géotechnique et physico-chimique de l’argile Grecque

0 20 40 60 802θ (degrés)

0

100

200

300

400

50

150

250

350

Inte

nsité

1,5 nm

0,49

7 nm 0,

446

nm

0,25

1 nm

0,149 nm

0,31

8 nm

Smectite calcique

A.Grecque

Caractère dioctaédrique

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

4 µm40 %100 %

Plasticité

IPwPwL

110 %60 %170 %

d50< 2 µm< 80 µm

Granulométrie

0 20 40 60 80Teneur en argile < 2 µm (%)

0

40

80

120

Indi

ce d

e pl

astic

ité

Argile Grecque

Ac= 0.5

Ac= 1Ac= 2

moyen

élevé

très élevé

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15- Définition des états initiaux (OPN, OPM et 60MPa)

OPN (ei = 1,45)

OPN (Argile Grecque) : Soemitro 1994

γd (densité sèche)(g/cm3)

Teneur en eau (%)

OPM(ei = 1,07)

Compacté à 60MPa (ei = 0,63)

40%29%8,32%

1,43

1,7

1,1

Humidification des échantillons à l’œdomètre

sous contraintes

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

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16- Chemin d’humidification et pression de gonflement de l’argile Grecque

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

0 10 1000 100000Pression capillaire (kPa)

0

1

2

3

4

5

6

Indi

ce d

es v

ides

Pâte séchéeCompacté OPNCompacté 60 MPa

Gonflement plus important pour l’état le plus compacté

1E+004 1E+005 1E+006 1E+007 1E+008Contrainte σ (Pa)

-10

0

10

20

30

40

-5

5

15

25

35

Déf

orm

atio

n vo

lum

ique

εv

(%) OPN

OPMCompacté Dense

580 kPa 7000 kPa 35000 kPa

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17- Porosité et méthodes de mesures

(Touret 1990 )

Porosimétrie au mercure

Pores inter-agrégats > 1,5 µm

Pores interparticulaires < 1,5 µm

Diffraction des Rayon X

Distance entre les feuillets

BET

Surface des particules

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

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18- Diffraction des rayons X : organisation après humidification

Faible contraintes⇒ orientation préférentielle plus

importante et feuillets bien empilés(02 11) ⇒ anisotropie

Fortes contraintes⇒ Réorganisation des molécules d’eau dans l’espace interfoliaire⇒ Perte d’ordre dans l’empilement des feuillets⇒ Diminution du nombre de feuillets par particules

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

10 20 302θ (degrés)

Inte

nsité

10 ka

OPN

1000 kPa

1,58 nm

1,9 nm

1,45 nm

(02, 11)

9,5 nm

403081I (02 11)

0,650,550,55Largeur à mi -hauteur (° )

232Nombre de couches d’eau

1000 kPa10 kPaOPN

403086I (02 11)

0,950,50,9Largeur à mi -hauteur (° )

1-232Teneur en eau (%)

60 MPa10 kPaEtat initial

404040303030818181I (02 11)I (02 11)I (02 11)

0,650,650,650,550,550,550,550,550,55Largeur Largeur Largeur ààà mi mi mi ---hauteur (hauteur (hauteur (°°° )))

222333222NombreNombreNombre de de de couches dcouches dcouches d’’’eaueaueau

1000 1000 1000 kPakPakPa10 10 10 kPakPakPaOPNOPNOPN

10 20 302 θ(degrés)

Inte

nsité

1,89 nm

1,46 nm

1,37 nm

9,2 nm

(02, 11)

10 kPaEtat initial

60 MPa

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19- Evolution de la taille des pores

Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000Diamètre des pores (µm)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.01

0.03

0.05

0.07

0.09

Vol

ume

incr

émen

tale

(ml/g

)

OPNGonflement libre

Pores interparticulaires:0,5 µm et 0,03 µm

Pores interparticulaires:

0,03 µm

Pores interagrégats:

100 µm

Pores interagrégats:

20 µm

10 kPaOPN

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000Diamètre des pores (µm)

0

0.02

0.04

0.06

0.01

0.03

0.05

Vol

ume

cum

ulat

ive

(ml/g

)

Compacté Dense10MPa

Pores interparticulaires:

0,03 µm

Pores interparticulaires:1µm et 0,03 µm

Pores interagrégats:

100 µm

Pas de pores interagrégats:

10 kPaEtat initial

Pores interparticulaires:

0,03 µm

Pores interparticulaires:1 µm et0,03 µm

Pas de pores interagrégats

Pas de pores interagrégats

60 MPaEtat initial

60MPa1000kPa

Pores interparticulaires:0,5 µm et 0,03 µm

Pores interparticulaires:

0,03 µm

Disparition des pores

interagrégats

Pores interagrégats:

20 µm

1000 kPaOPN

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20- Conclusion

Comportement macroscopiqueLe gonflement augmente avec la densité sèche initiale Comportement microscopique

Diffraction des rayons X-Faibles contraintes → Elargissement de l’espace entre les feuillets

→ Augmentation de l’empilement des feuillets→ Anisotropie

-Fortes contraintes → Réorganisation des molécules d’eau dans l’espace interfoliaire

Porosimétrie au mercure

-Fermeture des pores interagrégats par augmentation de la contrainte-Petits pores (0,03 µm) non influencés par la variation de la contrainte mécanique

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