Étude du comportement en déformation …...environnementales influencent le comportement plastique d’un matériau granulaire (MG). En effet, les résultats montrent que la composition

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Étude du comportement en déformation permanente des matériaux

granulaires non liés de fondation de chaussées en condition de gel

saisonnier

Mémoire

Joannie Poupart

Maîtrise en génie civil

Maître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

© Joannie Poupart, 2013

ii

iii

Résumé

Depuis les dernières années, le gouvernement provincial a investi des montants record dans le

réseau routier québécois, notamment pour la construction de nouvelles routes et l’entretien des

chaussées. En plus d’être doté d’une grande superficie territoriale, le Québec connaît un climat

rigoureux qui complexifie la conception des chaussées. Les changements de saison entraînent

des répercussions néfastes quant à la performance des chaussées, dont l’accumulation de

déformations permanentes (ɛp) dans les structures granulaires. Bien que la déformation

permanente puisse se développer dans l’ensemble de la structure routière, seule la couche de

fondation a été considérée dans cette étude.

Afin d’améliorer les connaissances sur la déformation permanente à long terme des matériaux

granulaires sollicités aux changements saisonniers nordiques, quatre sources granulaires de

fondation (MG-20) typique du Québec (grauwacke, gneiss granitique, calcaire et basalte) ont

été soumises à des essais de déformation permanente en laboratoire. Ces essais ont été réalisés

à l’aide de deux appareils : la presse hydraulique à chargement répété et le simulateur à charge

roulante. Les résultats obtenus ont été modélisés selon le modèle de Desden. Ce modèle

mathématique est composé de quatre paramètres qui décrivent la phase de post compaction (a),

le taux de déformation permanente (b) et la phase de rupture (c et d).

Les principaux résultats de déformation permanente montrent que la composition

minéralogique, la granulométrie, le degré de saturation (%SR) et la variation des conditions

environnementales influencent le comportement plastique d’un matériau granulaire (MG). En

effet, les résultats montrent que la composition minéralogique peut provoquer une

augmentation de 62% du paramètre b pour une même teneur en eau et que de passer d’une

granulométrie grossière à une granulométrie plus sableuse peut entrainer une augmentation

moyenne de 30,75% du paramètre b. De plus, les résultats montrent qu’une variation du degré

de saturation peut entraîner une augmentation de la déformation permanente de 147%. Les

essais réalisés en condition de gel et de dégel ont également montré que le cycle de gel et dégel

a un effet direct sur le paramètre de post compaction.

Un essai au simulateur à charge roulante a été effectué dans le but de valider les résultats

obtenus en condition triaxiale. Les résultats montrent que le simulateur provoque à

iv

l’échantillon une déformation permanente plus importante que celle enregistrée en condition

triaxiale. Cependant, la phase de post compaction reste très similaire, peu importe

l’instrumentation utilisée. Cette étude constitue un premier essai au Canada quant à

l’application d’une charge roulante mobile en contexte de gel et dégel.

Deux relations de corrélation entre les paramètres a et b du modèle de Dresden et les propriétés

de base des matériaux granulaires ont été développées. La première relation développée est une

relation de type linéaire qui relie le paramètre de post compaction (a) et la variable complexe

nfopt et ce. La seconde relation développée est également de type linéaire et lie le paramètre b et

le degré de saturation, le pourcentage de fracturation, le coefficient d’uniformité et la masse

volumique sèche du matériau. L’intégration des deux relations de corrélation dans la relation

mathématique de Sweere a permis de développer une relation de prédiction de déformation

permanente à long terme.

v

Table des matières

Remerciements .................................................................................................................................... ii Résumé ................................................................................................................................................ ii Table des matières ............................................................................................................................... v Liste des tableaux ............................................................................................................................. viii Liste des figures .................................................................................................................................. x CHAPITRE 1 ...................................................................................................................................... 1 PROBLÉMATIQUE ........................................................................................................................... 1 CHAPITRE 2 ...................................................................................................................................... 5 REVUE DE LA LITTÉRATURE ....................................................................................................... 5

2.1 La chaussée ........................................................................................................................ 5 2.2 Exigences granulométriques et qualitatives gouvernementales pour les granulats de

fondation ......................................................................................................................................... 6 2.3 Déformation permanente ................................................................................................... 8

2.3.1 Procédés mécaniques de la déformation permanente .................................................. 10 2.3.2 Phases de la déformation permanente ......................................................................... 10 2.3.3 Théorie du Shakedown ................................................................................................ 11

2.4 Facteurs influençant les déformations permanentes dans un matériau granulaire ........... 13

2.4.1. Rotation des contraintes .............................................................................................. 13 2.4.2. Niveau des contraintes appliquées, nombre d’applications et historique des

contraintes ................................................................................................................................ 15 2.4.3. Caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux granulaires ......................... 16 2.4.4 Masse volumique sèche, granulométrie, morphologie et texture des particules

granulaires ................................................................................................................................ 16

2.5 Conditions environnementales et teneur en eau .............................................................. 18 2.6 Méthodes de mesure ........................................................................................................ 20

2.6.1 Presse hydraulique à chargement répété (cellule triaxiale) ......................................... 21 2.6.2 Simulateur à charge roulante et à véhicule lourd ........................................................ 23

2.7 Les modélisations mathématiques ................................................................................... 25

2.7.1 Modèles en fonction du nombre d’applications de charge .......................................... 25 2.7.2 Modèles en fonction de l’état de contraintes appliqué ................................................ 27

2.8 Théorie et formules pertinentes ....................................................................................... 28 2.9 Conclusion ....................................................................................................................... 31

vi

CHAPITRE 3 .................................................................................................................................... 33 RAISON D’ÊTRE DU PROJET, OBJECTIFS ET STRUCTURE DU DOCUMENT .................... 33

3.1 Projet et objectifs ............................................................................................................. 34 3.2 Structure du document ..................................................................................................... 35

CHAPITRE 4 .................................................................................................................................... 37 CARACTÉRISATION PHYSIQUE ET MÉCANIQUE DES MG-20 UTILISÉS ........................... 37

4.1 Provenance des matériaux granulaires ............................................................................. 37 4.2 Caractérisation des matériaux granulaires ....................................................................... 38 4.3 Essais de caractérisation .................................................................................................. 39

4.3.1 Analyse granulométrique ............................................................................................. 39 4.3.2 Granulométries étudiées .............................................................................................. 41 4.3.3 Résultats des essais de caractérisation ......................................................................... 42

* Données provenant de Bilodeau (2009) ..................................................................................... 45 4.4 Essais de caractérisation mécanique ................................................................................ 45

4.4.1 Essai de portance californien (California Bearing Ratio (CBR)) ................................ 46 4.4.2 Module réversible (MR) ............................................................................................... 47 4.4.3 Essai de compression triaxiale en condition drainée (CD) .......................................... 52

4.5 Microanalyse .................................................................................................................... 54

4.5.1 Microscope optique ..................................................................................................... 54 4.5.2 Diffraction aux rayons X (DRX) .................................................................................. 56 4.5.3 Microscope électronique à balayage ............................................................................ 61 4.5.4 Les principales observations ........................................................................................ 63 4.5.5 Identification de la source granulaire .......................................................................... 66

4.6 Analyse des résultats de caractérisation et conclusion ..................................................... 67

CHAPITRE 5 .................................................................................................................................... 69 DÉFORMATION PERMANENTE MESURÉE EN LABORATOIRE - MÉTHODOLOGIE ........ 69

5.1 Essai de déformation permanente en condition triaxiale ................................................. 69

5.1.1 Paramètres imposés ..................................................................................................... 70 5.1.2 La préparation des échantillons testés en condition de teneur optimale ...................... 71 5.1.3 La préparation des échantillons testés en condition saturée ........................................ 74 5.1.3.1 La préparation des échantillons testés en condition saturée, gelée, dégelée et

drainée et non drainée ............................................................................................................... 76

5.2 Déformation permanente évaluée à l’aide du simulateur à charge roulante SimUL ........ 80

5.2.1 Description et fonctionnement du simulateur .............................................................. 81 5.2.2 Conception de l’échantillon et paramètres imposés .................................................... 84

vii

5.2.3 Construction de l’échantillon ...................................................................................... 90 5.2.4 Système de contrôle et système de sécurité ................................................................. 93 5.2.5 La prise de mesures et les conditions environnementales mises à l’essai ................... 94

CHAPITRE 6 .................................................................................................................................... 97 ANALYSE ET MODÉLISATION DES RÉSULTATS ................................................................... 97

6.1 Modélisation des résultats ................................................................................................ 97

6.1.1 Exemple de modélisation ............................................................................................ 98

6.2 Résultats des essais triaxiaux : Effet de la source .......................................................... 100

6.2.1 Résultats - Condition triaxiale ................................................................................... 101 6.2.2 Le paramètre a : la post compaction .......................................................................... 103 6.2.3 Le paramètre b : le taux de déformation permanente ................................................ 106

6.3 Résultats des essais triaxiaux : Effet de la granulométrie .............................................. 109 6.4 Résultats : simulateur à charge roulante ........................................................................ 111 6.5 Modélisation des résultats au simulateur ....................................................................... 115 6.6 Discussion des résultats ................................................................................................. 117

CHAPITRE 7 .................................................................................................................................. 121 RELATIONS DE CORRÉLATION ............................................................................................... 121

7.1 Détermination du paramètre de post compaction (a) ..................................................... 121 7.2 Détermination du taux de déformation à long terme (b)................................................ 123 7.3 Loi de prédiction et validation ....................................................................................... 127

CHAPITRE 8 .................................................................................................................................. 129 DISCUSSION, RÉVISION CRITIQUE ET RECOMMANDATIONS ......................................... 129

8.1 Instruments de mesure ................................................................................................... 129 8.2 Préparation des échantillons .......................................................................................... 130 8.3 Le choix du nombre d’essais ......................................................................................... 130 8.4 Validation des relations de corrélation .......................................................................... 131

CHAPITRE 9 .................................................................................................................................. 132 CONCLUSION ET MISE EN APPLICATION ............................................................................. 133 BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................................................... 135 ANNEXE 1 ..................................................................................................................................... 143 RÉSULTATS DES ESSAIS DE CARACTÉRISATION EN LABORATOIRE ........................... 143 ANNEXE 2 ..................................................................................................................................... 156 RÉSULTATS DES ESSAIS DE DÉFORMATION PERMANENTE (ESSAI TRIAXIAL)......... 157 ANNEXE 3 ..................................................................................................................................... 172 MATRICE DE CORRÉLATION ................................................................................................... 173

viii

ix

Liste des tableaux

Tableau 1: Comparaison de chiffres enregistrés en 2010 (modifié de MTQ(2011)) .......................... 3 Tableau 2: Distributions granulométriques exigées pour les matériaux granulaires de fondation

(MG-20) ( GéoLab inc. 2002) .................................................................................................... 7 Tableau 3 : Délimitation des domaines A, B et C de la théorie du Shakedown (Werkmeister 2003)

.................................................................................................................................................. 13 Tableau 4: Modèles mathématiques développés en fonction du nombre d'applications de charge . 26 Tableau 5: Modèles mathématiques développés en fonction de l'état de contraintes appliqué......... 28 Tableau 6: Matrice d'essais de caractérisation en laboratoire ........................................................... 38 Tableau 7: Distribution granulométrique du grauwacke et des limites inférieure et supérieure

exigées ...................................................................................................................................... 40 Tableau 8: Caractéristiques granulométriques du grauwacke ........................................................... 41 Tableau 9: Proportions granulométriques utilisées pour reconstituer la limite supérieure (CS)

(modifié de Bilodeau (2009)) ................................................................................................... 42 Tableau 10: Résultats des essais de caractérisation pour chacune des sources granulaires .............. 43 Tableau 11: Caractéristiques intrinsèques des sources granulaires utilisées ..................................... 45 Tableau 12 : Valeurs de CBR............................................................................................................ 47 Tableau 13 : États de contraintes appliqués lors de l’essai de module réversible ............................. 48 Tableau 14: Résultats des essais de module réversible ..................................................................... 51 Tableau 15 : Module réversible ......................................................................................................... 51 Tableau 16: Angles de friction apparent ........................................................................................... 53 Tableau 17: Composition minéralogique du grauwacke ................................................................... 60 Tableau 18: Essais de déformation permanente réalisés en condition triaxiale ................................ 70 Tableau 19: Tableau récapitulatif des paramètres physiques des échantillons préparés pour les essais

de déformation permanente en condition triaxiale ................................................................... 80 Tableau 20: Paramètres de calibration du ballon .............................................................................. 90 Tableau 21: Paramètres de Dresden obtenus en condition triaxiale ................................................ 102 Tableau 22: Soulèvements au gel (mm) et augmentation du paramètre a (%) observés pour chacune

des sources granulaires ........................................................................................................... 104 Tableau 23: Déplacements verticaux (mm) et εp(%) accumulée au centre de la structure .............. 113 Tableau 24: Déformations (%) obtenues pour chacun des états environnementaux pour chacune des

couches mesurées ................................................................................................................... 114 Tableau 25 : Paramètres de Dresden déterminés au simulateur à charge roulante ......................... 116 Tableau 26: Meilleurs coefficients de corrélation obtenus pour le paramètre de post-compaction en

condition optimale .................................................................................................................. 122 Tableau 27: Meilleurs coefficients de corrélation obtenus pour le paramètre b de Dresden .......... 123 Tableau 28 : Valeurs de SR, Cu, %FR et ρd pour chacun des essais effectués, y compris les essais

réalisés par Schwarz (2009) ................................................................................................... 124 Tableau 29: Statistiques de la régression linéaire multiple ............................................................. 126

x

xi

Liste des figures

Figure 1: État des chaussées sur l'ensemble du réseau routier (tirée de MTQ 2011) .......................... 2 Figure 2: Structure de la chaussée flexible (modifiée du DN 2-II-001(MTQ)) .................................. 5 Figure 3: Fuseau granulométrique exigé par les normes gouvernementales pour les matériaux

granulaires de fondation de type MG-20 (BNQ 2560-114) ....................................................... 6 Figure 4: Déformations élastique et plastique générées suite à l'application d'une contrainte

déviatorique (modifiée de Englund (2011)) ............................................................................... 8 Figure 5: Processus de déformation sous sollicitation mécanique ...................................................... 9 Figure 6: Les trois phases de εp ......................................................................................................... 11 Figure 7: Domaines déterminés selon l’approche du Shakedown (modifiée de Werkmeister (2003))

.................................................................................................................................................. 12 Figure 8: Contraintes principales et contrainte de cisaillement (tirée de Euglund (2011)) ............... 14 Figure 9: Rotation des contraintes lors du passage d’une charge roulante (modifiée de Lekarp et

Dawson (1998)) ........................................................................................................................ 15 Figure 10: L'accumulation de déformation permanente obtenue après 10 000 cycles en fonction du

pourcentage de fracturation des granulats (tirée de Pan et Tutumluer (2007)) ........................ 17 Figure 11: Le soulèvement au gel: son effet sur les matériaux de chaussées (tirée de Doré et Zubeck

(2009)) ...................................................................................................................................... 19 Figure 12: Presse hydraulique UTM disponible à l'Université Laval ............................................... 21 Figure 13: Courbes de variation des déformations permanentes axiales en fonction du nombre de

cycles (essais à p = 200 kPa et q = 400 kPa) (tirée de Hornych et al. (1993)) ......................... 22 Figure 14: Influence de la teneur en eau sur les déformations permanentes axiales à 80 000 cycles

(sur un grave de Poulmarch) (tirée de Hornych et al. (1993)) .................................................. 22 Figure 15: Simulateur climatique et mécanique (SimUL), utilisé à l'Université Laval .................... 24 Figure 16: Simulateur à véhicule lourd (tirée de Korkiala-Tanttu et Dawson (2007)) ..................... 24 Figure 17: Diagramme de phases (modifiée de Bilodeau (2009)) .................................................... 29 Figure 18: Courbes granulométriques des matériaux granulaires grauwacke utilisés pour les essais

en condition triaxiale (gauche) et au simulateur à charge roulante (droite) ............................. 40 Figure 19: Angulomètre à gravillon (tirée de Marcil (2009)) ........................................................... 45 Figure 20: Essai CBR ........................................................................................................................ 46 Figure 21: Graphiques pression-pénétration correspondant à l'essai CBR pour le grauwacke CN

(gauche) et le grauwacke CS (droite) ....................................................................................... 47 Figure 22: Montage de la cellule triaxiale, utilisé pour l'essai de module réversible, disponible au

laboratoire des chaussées du MTQ ........................................................................................... 49 Figure 23: MR (MPa) en fonction de la contrainte totale θ (kPa) pour le grauwacke CN (gauche) et

CS (droite) ................................................................................................................................ 50 Figure 24: Montage cellulaire pour l'essai de compression .............................................................. 52 Figure 25 : Courbes q- ε obtenues pour chacune des sources de MG-20 testées selon un σd de 20 kPa

.................................................................................................................................................. 53 Figure 26: Images pétrographiques, en lumière polarisée (A, B et D) et en lumière naturelle (C),

illustrant les plagioclases (albite), la muscovite, le quartz (A), la calcite (B), la matrice

composée de chlorite et d’argile (C) et de la microcline (D) ................................................... 55 Figure 27: Images pétrographiques relevées par le stéréobinoculaire où l'image de gauche démontre

des particules angulaires et l'image de droit des particules subarrondies ................................. 56 Figure 28: Diffractomètre à rayons X ............................................................................................... 57 Figure 29: Étapes de la préparation de l'échantillon au DRX A) préconcassage B) séance de broyage

C) accessoires ........................................................................................................................... 58

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Figure 30: Diffractomètre du grauwacke .......................................................................................... 60 Figure 31: Microscope électronique à balayage ................................................................................ 62 Figure 32: Images obtenues par le logiciel «Orion» démontrant la microtexture des particules

granulaires du grauwacke : A) relief rugueux (25 mm/20X), B) relief lisse (25 mm/25X) .... 64 Figure 33: Images captées par le MEB: 0,630 mm /20X .................................................................. 65 Figure 34: Images captées par le MEB ............................................................................................. 66 Figure 35: Analyse d'une lame mince par le MEB ............................................................................ 66 Figure 36: Fonction de forme haversine (tirée de LC 22-400 (MTQ 2007)) .................................... 71 Figure 37: Marteau vibrant de type HILTI TE 505 ........................................................................... 72 Figure 38: Équipements utilisés lors de la préparation de l'échantillon ............................................ 72 Figure 39: Application de la graisse de silicone afin de maximiser l'étanchéité de l'échantillon ...... 73 Figure 40: Contrôle mural au mercure pour la pression de confinement (gauche) et capteurs

électroniques (droite) ................................................................................................................ 74 Figure 41: Montage cellulaire lors de la saturation ........................................................................... 75 Figure 42: Processus de saturation (tiré de Bilodeau (2009)) ........................................................... 75 Figure 43: Équipements supplémentaires nécessaires à la préparation d'un essai de gel/dégel ........ 76 Figure 44: Illustration du circuit interne présent à l'intérieur du plateau placé en tête de l'échantillon

lors des essais en condition de gel ............................................................................................ 77 Figure 45: Montage de la cellule triaxiale en condition de gel et dégel (tirée de Bilodeau et al.

(2011)) ...................................................................................................................................... 78 Figure 46: Équipements utilisés lors de l’essai au gel/dégel A) thermistance B) laine minérale c)

chambre environnementale ....................................................................................................... 78 Figure 47: Schéma du simulateur mécanique et climatique, tirée de Juneau et Pierre (2008) .......... 82 Figure 48: Surface balayée par la roue lors d'un essai au simulateur ................................................ 82 Figure 49: Surface balayée par la roue (section luisante) sur l'échantillon après 150 000 cycles ..... 83 Figure 50: Système de charge: le ballon et la roue ............................................................................ 83 Figure 51: Processus de prise d'empreinte ........................................................................................ 86 Figure 52: Aires de contact calculées pour une pression interne de 552 kPa (80 PSI) et de 621 kPa

(90 PSI) dans le pneu pour des pressions de gonflage de 69 kPa (10 PSI), 207 kPa (30 PSI) et

345 kPa (50 PSI) à l’intérieur du ballon ................................................................................... 88 Figure 53: Capteur de pression positionné en-dessous de la roue ..................................................... 89 Figure 54: Calibration du ballon du simulateur mécanique pour un pneu gonflé à 552 kPa (80 PSI)

.................................................................................................................................................. 89 Figure 55: Intérieur de la cuve: système de drainage, ancrage et dalle de béton .............................. 91 Figure 56: Disposition des plaques sur la couche de fondation ........................................................ 92 Figure 57: Disposition des trous percés dans l'enrobé bitumineux ................................................... 92 Figure 58: Schéma de l'échantillon de chaussée................................................................................ 93 Figure 59: Panneau de contrôle extérieur (gauche) et intérieur (droite) ............................................ 94 Figure 60 : Vue en plan de la prise de mesure .................................................................................. 95 Figure 61: Instrumentation utilisée pour mesurer A) la déformation verticale (vernier) et B)

l’ornière totale (triangle à ornière) ............................................................................................ 96 Figure 62: Représentation des paramètres du modèle de Dresden dans un graphique εp-N .............. 98 Figure 63: Exemple de modélisation par Dresden sur le grauwacke CN en condition optimale ...... 99 Figure 64: Effets de la source granulaire et des conditions environnementales sur la déformation

permanente à long terme ......................................................................................................... 101 Figure 65: Histogramme montrant l’effet d’un cycle de gel et dégel sur le paramètre a de Dresden

................................................................................................................................................ 104 Figure 66 : Relation entre le soulèvement au gel (mm) et l’augmentation du paramètre a (%) ...... 105 Figure 67: Histogramme montrant l’effet de la saturation sur le paramètre b du modèle de Dresden

(% d’augmentation) ................................................................................................................ 107 Figure 68: Histogramme montrant l’effet de la minéralogie sur le paramètre b ............................. 108

xiii

Figure 69: Effet de la granulométrie sur la déformation permanente à long terme en condition

triaxiale ................................................................................................................................... 110 Figure 70 : Histogramme montrant l’effet de la granulométrie sur le paramètre b ......................... 110 Figure 71: Vue en plan des endroits où les mesures ont été prises sur l’échantillon ...................... 112 Figure 72: Évolution de l’ornière totale en surface, de la couche de fondation et du revêtement en

fonction de N .......................................................................................................................... 114 Figure 73: Comportement plastique du grauwacke CN obtenu en condition optimale à l’aide de la

presse hydraulique à chargement répété et du simulateur à charge roulante .......................... 116 Figure 74: Comparaison des paramètres b de Dresden obtenus pour le grauwacke CN en condition

triaxiale et au simulateur à charge roulante ............................................................................ 117 Figure 75: Relation de corrélation entre le paramètre a du modèle de Dresden et la variable

complexe nfopt/ce ..................................................................................................................... 122 Figure 76: Relation de corrélation entre le paramètre b du modèle de Dresden et la variable

complexe SR*Cu/(%FR*ρd) ..................................................................................................... 124 Figure 77: Relations de corrélation entre le paramètre b de Dresden en fonction du degré de

saturation (SR), du pourcentage de fracturation (%FR) et de la compacité (ρd/ρdmax) .............. 126

xiv

xv

À ma sœur Fannie et

mes parents Sonia et Robert

xvi

xvii

Remerciements

Je voudrais tout d’abord remercier Guy Doré de m’avoir donné l’opportunité de travailler au sein de

son équipe de recherche. La réalisation de ce projet fut pour moi une expérience très enrichissante

et j’en retire de très beaux moments.

Un grand merci à Jean-Pascal Bilodeau de m’avoir aidé dans la réalisation de ce projet. Il a su, par

son expertise pour les matériaux granulaires, sa patience et sa générosité, me transmettre sa passion

pour les granulats.

Merci à Christian Juneau, technicien expert au laboratoire de géotechnique pour sa générosité ainsi

que pour son aide pour la construction et la réparation des différents montages nécessaires aux

essais de laboratoire.

Merci à Edmond Rousseau pour son aide lors de la réalisation des essais au simulateur à charge

roulante.

Merci à Jean Frenette pour son aide lors de la réalisation des essais au DRX.

Merci également à mes confrères et consœurs du bureau PLT-2966 pour votre soutien moral lors de

la réalisation de ce projet de recherche. Vous avez été une équipe merveilleuse avec qui j’ai eu

beaucoup de plaisir à réaliser ce projet de maîtrise.

J’aimerais également remercier les étudiants stagiaires de m’avoir aidé lors de la réalisation des

nombreux essais de caractérisation en laboratoire.

En dernier lieu, j’aimerais remercier mes proches, ma famille, ma belle-famille, mon conjoint et

mes amis, pour leurs encouragements et leur soutien tout au long de la réalisation du projet.

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1

CHAPITRE 1

PROBLÉMATIQUE

L’état des routes au Québec est un sujet très controversé et suscite beaucoup l’intérêt de la société

québécoise. Les chaussées construites entre les années 1950 et 1970 sont aujourd’hui très

endommagées et ont atteint, pour la majorité, leur durée de vie estimée, entre autres due à un

manque d’entretien dans les années 80-90. La rigueur dans l’entretien des chaussées est très

importante, puisque sans elle, l’endommagement des chaussées est accéléré et la durée de vie de la

route ainsi que la sécurité des usagers sont diminuées.

Dans le but d’améliorer la qualité et la sécurité des infrastructures au Québec, le gouvernement

provincial a investi durant l’année 2010-2011 un montant record de 3,5 milliards de dollars dans le

réseau routier québécois (MTQ 2011). De ce montant, 725,7 millions de dollars ont été utilisés pour

la conservation des chaussées.

Le rapport annuel de gestion 2010-2011 du Ministère des Transports du Québec (MTQ) rapporte

que 72,2% de l’ensemble du réseau routier québécois est en bon état, soit une augmentation de

4,7% depuis l’année 2008-2009, et prévoit atteindre un pourcentage total de 83% d’ici 2022. Une

chaussée est considérée en bon état si l’indice de confort de roulement (IRI : indice de rugosité

international) se situe en-dessous du seuil acceptable pour un type de route donnée (MTQ 2011).

Bien que la majeure partie du réseau routier soit en bon état, il reste que 5,8% de l’ensemble du

réseau présente des déficiences majeures et 22,0% possède des déficiences mineures (figure 1)

(MTQ 2011). Selon MTQ (2011), les sections de route possédant une déficience mineure

nécessitent une correction en surface, tandis que celles ayant une déficience majeure requièrent une

correction en profondeur.

2

Figure 1: État des chaussées sur l'ensemble du réseau routier (tirée de MTQ 2011)

Le MTQ a également fait une étude de l’état des chaussées sur la base de l’orniérage. En 2010, 8%

de l’ensemble du réseau routier possédaient des déficiences majeures et mineures en orniérage, un

endommagement de la chaussée qui peut s’avérer dangereux pour les usagers de la route.

Il existe deux types d’orniérage : à petit rayon et à grand rayon. L’orniérage à petit rayon n’affecte

que la couche d’enrobé bitumineux et est considéré comme une dégradation superficielle, tandis que

l’orniérage à grand rayon affecte l’ensemble de la structure de la chaussée (CIMbéton 2006).

L’ornière à grand rayon, aussi connu sous le nom d’orniérage structural, est le résultat d’un

tassement des couches granulaires et du sol en place dû aux passages répétés du trafic lourd sur la

chaussée. L’orniérage structural est un problème majeur associé à l’accumulation de déformations

permanentes dans les couches granulaires de fondation, de sous-fondation et de sol d’infrastructure.

La performance des chaussées à long terme est influencée par le biais de plusieurs facteurs: les

contraintes appliquées par les camions lourds sur la surface de la chaussée, les types de matériaux

granulaires employés dans la structure routière et les changements climatiques et environnementaux

auxquels la route est soumise.

En plus d’être doté d’un important réseau routier, le Québec connaît un contexte climatique

rigoureux. Les quantités de précipitations annuelles et la durée de période de gel enregistrées sur le

territoire québécois sont supérieures à celles enregistrées en Ontario, à New-York ou en France

(MTQ 2011) (tableau 1). Les changements saisonniers génèrent des variations environnementales

importantes qui viennent modifier le comportement des MG de construction.

3

Tableau 1: Comparaison de chiffres enregistrés en 2010 (modifié de MTQ(2011)) Québec Ontario New-York France

Longueur

(km) 30 300 21 100 24 100 20 00

Nombre d’habitants

(millions) 7,9 13,2 19,5 64,7

Précipitations annuelles moyennes

(mm) 1000

500 à

900 750 800

Durée de la période de gel

(jour/an) 147 à 218

100 à

200 10 à 100 0 à 90

Profondeur de gel

(m) 1,2 à 3 1 à 3,2 < 1,4 0 à 0,8

Charge max. essieux simples (tonnes) 10 10 9 France : 13,1

UE* : 11,5 * Union européenne

L’infiltration de l’eau à l’intérieur des fissures, intensifiée par la fonte des neiges lors de la période

printanière et par l’accumulation d’eau lors des précipitations de pluie, augmente la teneur en eau

(w) de la structure granulaire. Cette augmentation a pour effet de diminuer la capacité portante des

matériaux granulaires et de favoriser l’augmentation de la déformation plastique, ou déformation

permanente, contenue dans les couches granulaires.

Le cycle de gel et dégel affecte également les matériaux granulaires de la chaussée. Les MG

peuvent alors se saturer et changer de volume, ce qui occasionne une déstructuration de la matrice

granulaire et rend vulnérables les couches granulaires à l’accumulation de déformation permanente.

Ce projet de maîtrise s’intéresse à comprendre la déformation permanente à long terme des

matériaux granulaires soumis à des changements saisonniers typique des contextes nordiques. Bien

que les déformations permanentes soient un phénomène applicable à l’ensemble des couches

contenues dans une structure de chaussée, il est important de noter que seuls les matériaux

granulaires de fondation sont considérés dans ce projet de maîtrise.

4

5

CHAPITRE 2

REVUE DE LA LITTÉRATURE

2.1 La chaussée

Doré et Zubeck (2008) décrivent une chaussée flexible typique comme étant constituée de

quatre couches structurales : le revêtement, la fondation, la sous-fondation et le sol

d’infrastructure (figure 2). Chacune de ces couches joue un rôle important lié à la performance

et à la durabilité de la chaussée.

Figure 2: Structure de la chaussée flexible (modifiée du DN 2-II-001(MTQ))

La couche de revêtement permet de redistribuer la charge venant du pneu du véhicule vers la

couche de fondation. Elle permet en plus d’étanchéifier la chaussée. La fondation, composée

principalement de matériaux granulaires, concassés à un pourcentage minimum de fracturation

(%FR) de 50 %, est positionnée directement en-dessous de l’enrobé bitumineux et permet la

distribution des charges entre le revêtement et la sous-fondation. Sa granulométrie étalée

permet d’obtenir un matériau dense, lorsque compacté. Les matériaux pulvérulents utilisés dans

la fondation facilitent le drainage. De plus, la teneur en eau et la masse volumique sèche (ρd)

influencent la capacité du matériau à distribuer les charges transmises. C’est pourquoi il est

important, lors de la construction de la chaussée, de compacter la couche granulaire à sa teneur

en eau et sa masse volumique près de l’optimum Proctor. La sous-fondation est composée

également de matériaux granulaires. Toutefois, elle a une composition typiquement sableuse.

Elle permet de drainer la fondation et de diminuer les effets reliés au gel. Cette couche repose

Fondation en granulats

concassée

Sous-fondation

Sol compactable

Revêtement

Accotement

Ligne de sous-fondation

Talus de la chaussée

Ligne d’infrastructure

Fossé

Terrain naturel

6

directement sur le sol d’infrastructure qui est composé de sol naturel ou de matériaux de

remblai.

2.2 Exigences granulométriques et qualitatives

gouvernementales pour les granulats de fondation

Les matériaux granulaires de fondation doivent obligatoirement répondre aux différentes

normes du Ministère avant d’être utilisés comme matériaux de construction. Les critères exigés

sont spécifiés dans le cahier des Charges et Devis Généraux (C.C.D.G) et dans les normes du

Ministère des Transports du Québec (MTQ).

Selon la norme BNQ 2560-114, les matériaux granulaires de fondation doivent avoir une

distribution granulométrique se situant à l’intérieur des limites établies par le fuseau

granulométrique montré à la figure 3. Les distributions granulométriques correspondant à la

courbe inférieure (CI) et à la courbe supérieure (CS) du fuseau sont décrites au tableau 2.

Figure 3: Fuseau granulométrique exigé par les normes gouvernementales pour les matériaux

granulaires de fondation de type MG-20 (BNQ 2560-114)

100

80

60

40

20

0

Re

ten

u (%

)

100 10 1 0.1 0.01

Diamètre (mm)

0

20

40

60

80

100

Passa

nt (%

)

Courbe supérieure (CS)

Courbe inférieure (CI)

7

Tableau 2: Distributions granulométriques exigées pour les matériaux granulaires de fondation

(MG-20) ( GéoLab inc. 2002)

Diamètre des tamis (mm) % matériau passant le tamis

CI CS

31,5 100,0 100,0

28,0 100,0 100,0

20,0 90,0 100,0

14,0 68,0 93,0

10,0 − −

5,0 35,0 60,0

2,5 − −

1,25 19,0 38,0

0,63 − −

0,315 9,0 17,0

0,16 − −

0,08 2,0 7,0

D’après cette norme, la quantité maximale de particules fines (%F) présentes à l’intérieur d’un

mélange granulaire ne peut dépasser 7%. La présence de fines augmente la surface spécifique

du mélange granulaire et sa susceptibilité au gel, un aspect à éviter en contexte nordique. Les

normes du Québec sont strictes quant à la quantité admissible de particules fines. Selon

Bilodeau (2009), le pourcentage maximal de fines exigé au Québec est restrictif s’il est

comparé aux pays nordiques voisins qui, eux, acceptent des quantités maximales allant de 10%

à 12%.

Les matériaux utilisés doivent également avoir un %FR minimum de 50% et obtenir des

valeurs maximales de Micro Deval (MD) (MTQ 2008) et de Los Angeles (LA) (MTQ 2001) de

35 et de 50 respectivement. Ces essais de caractérisation permettent d’évaluer la résistance du

granulat à l’attrition et à l’abrasion. Les matériaux granulaires doivent de plus avoir les

caractéristiques complémentaires suivantes : teneur maximale en matières organiques de 0,8 et

valeur au bleu maximale de 0,20 (MTQ 2001).

8

2.3 Déformation permanente

Lorsque les matériaux granulaires sont soumis à des contraintes externes, ils ont un

comportement non-linéaire dit élasto-plastique. L’application d’une contrainte déviatorique (σd)

sur une structure granulaire génère une déformation totale qui se divise en deux composantes :

la réponse élastique (déformation réversible (εr)), et la réponse plastique (déformation

permanente). La déformation élastique est en fait la capacité d’un objet à reprendre sa forme

initiale après avoir été sollicité, tandis que la déformation plastique est une déformation dite

irréversible. À ce stade, il se produit un réarrangement des particules granulaires et la

déformation reste définitive ou permanente. La figure 4 présente ces deux composantes dans un

graphique contrainte-déformation (σ-ε).

Figure 4: Déformations élastique et plastique générées suite à l'application d'une contrainte

déviatorique (modifiée de Englund (2011))

Le schéma de la figure 5 illustre bien ce qui se produit lorsqu’une couche granulaire est

sollicitée. Le cas illustré à gauche correspond à l’arrangement granulaire d’origine avant un

chargement (A). Lors de l’application de charge, le MG se déforme (B) pour atteindre une

déformation totale (εtotale). Lorsque la charge appliquée est retirée, le matériau peut répondre

soit de manière entièrement élastique (C) ou bien accumuler un certain pourcentage de

déformation permanente (D).

déformation

permanente (εp)

déformation réversible (εr)

Déformation (ε)

Contr

ainte

(σ)

9

Figure 5: Processus de déformation sous sollicitation mécanique

Le comportement élastique d’un MG peut être caractérisé en laboratoire et est décrit par le

module réversible (MR) qui s’exprime de la façon suivante :

1

où σd correspond à la contrainte déviatorique appliquée, en MPa, εr la déformation élastique et

MR le module réversible, en MPa. Une contrainte déviatorique correspond à la différence entre

les contraintes principales majeures (σ1) et mineures (σ3) (Holtz et Kovacs 1981).

Le module réversible est un paramètre fondamental à considérer et à connaître en conception

des chaussées puisqu’il constitue l’un des principaux paramètres employés dans les méthodes

de conception pour le dimensionnement des chaussées revêtues (Direction du laboratoire des

chaussées 2005).

Comme pour les déformations permanentes, le module réversible est influencé par plusieurs

facteurs : l’état de contraintes appliqué, la masse volumique, la granulométrie, la teneur en eau

du mélange granulaire, l’historique des contraintes, le nombre d’applications de charge ainsi

que la morphologie et la composition minéralogique du granulat (Bilodeau 2009). La structure

granulaire tend à mieux se comporter lorsque celle-ci est bien compactée et possède un degré

de saturation optimal. Cependant, il est à noter qu’une valeur de module réversible élevée ne se

Après

sollicitation

Avant

sollicitationPendant la

sollicitation

σd (kPa)

Après

sollicitation

p

r

σd (kPa)

A) B) C)

totale

σd (kPa)

r

D)

10

traduit pas nécessairement par un bon comportement du matériau granulaire en déformation

permanente (Bilodeau 2009).

2.3.1 Procédés mécaniques de la déformation permanente

La déformation permanente d’un MG est le résultat de trois procédés mécaniques : la

consolidation, la distorsion et l’attrition ((Luong 1982) référé par (Lekarp et al. 2000a)).

La consolidation consiste en une réorganisation des particules amenant l’assemblage granulaire

dans un état plus compact. La diminution de l’indice des vides (e) dans la matrice granulaire

influence le volume total, qui diminue également.

La distorsion et l’attrition sont, quant à eux, le résultat d’une modification physique des

particules granulaires. La distorsion s’observe par la déformation microscopique des particules

en flexion tandis que l’attrition s’explique par l’usure des grains. Les particules deviennent plus

arrondies et la microtexture plus lisse ce qui favorise la compaction du sol. Ce procédé

provoque également une modification de la granulométrie en augmentant la teneur en

particules fines.

2.3.2 Phases de la déformation permanente

L’évolution du comportement en déformation permanente d’un matériau granulaire face à

l’application répétée d’une charge peut être représentée selon la courbe illustrée à la

figure 6. Ce graphique met en relation εp en fonction du nombre d’applications de charge (N).

La courbe tracée se divise en trois phases distinctes soit : la phase de post-compaction (I), la

phase de comportement « stable » (II) et la phase de rupture (III).

Selon Englund (2011), la phase de post-compaction coïncide au compactage involontaire du

matériau granulaire qui s’effectue lors des premiers chargements après la mise en place de la

structure granulaire. Les premières applications de charge permettent une restructuration des

particules granulaires. C’est pourquoi Paute (1988) et Paute et al. (1996) affirme qu’il est

pertinent de négliger les 100 premiers cycles lors de la modélisation. Les déformations

accumulées lors des 100 premiers cycles peuvent être associées, entre autres, aux diverses

imperfections engendrées lors de la préparation de l’échantillon.

11

Figure 6: Les trois phases de εp

La deuxième phase représente le taux de déformation permanente à long terme. La

performance à long terme d’un matériau est en grande partie influencée par les propriétés

mécaniques et physiques in situ du matériau et par l’environnement dans lequel il est

conditionné. Le taux de déformation permanente est un paramètre important à considérer en

géotechnique routière, puisqu’il permet de donner un bon indice sur la performance de la

chaussée à long terme.

Lorsque le taux de déformation permanente est trop important ou ne cesse d’accroître, le

matériau granulaire peut atteindre la phase de rupture (III). Lekarp et al. (2000b) considère ce

processus comme une évolution graduelle. Durant cette phase, la résistance entre les particules

granulaires devient trop faible pour lutter contre les charges appliquées. Généralement, la phase

de rupture s’observe lorsque l’échantillon est sollicité à un grand N. Cependant, la rupture peut

se produire dès les premières applications de charge. Ceci dépend surtout du type de matériau

granulaire utilisé, de la teneur en eau ou de l’intensité des contraintes. Il est important de noter

que la phase de rupture ne s’observe qu’en laboratoire et qu’elle est utilisée qu’à des fins

théoriques.

2.3.3 Théorie du Shakedown

Il existe une approche capable de prédire l’évolution de la déformation plastique en fonction de

N. Il s’agit de la théorie du «Shakedown». Cette approche permet de caractériser la déformation

plastique à long terme selon trois domaines différents : A, B et C, illustrés à la figure 7.

Nombre d’applications de charge (N)

εpI

II

III

I: Post-compactionII: Taux de εp à long termeIII: Rupture

12

Werkmeister (2004) décrit le domaine A, représenté par la courbe inférieure dans le graphique

de la figure 7, comme étant le «Plastic Shakedown Range». Le matériau granulaire accumule

une certaine déformation plastique dès les premières applications de charge, mais vient à se

stabiliser et atteint un état d’équilibre après la phase de post compaction. La quantité de

déformation permanente accumulée ne dépend que de l’état de contraintes appliquée

(Werkmeister 2004).

Figure 7: Domaines déterminés selon l’approche du Shakedown (modifiée de Werkmeister

(2003))

Le domaine B est défini comme étant le «Intermediate Response - Plastic Creep». Durant la

phase de post compaction, le matériau granulaire accumule une déformation permanente

relativement importante. Après quoi, il continue à se déformer selon un taux de déformation

plus faible. Le comportement du domaine B durant la phase de post-compaction est similaire

au domaine A. Cependant, les déformations permanentes accumulées sont plus importantes. Le

taux de déformation peut se stabiliser ou augmenter et atteindre la phase de rupture après avoir

été sollicité à un grand nombre N.

Le troisième domaine est le C et correspond au «Incremental Collapse». Dès les premiers

chargements, le matériau réagit fortement, accumule de grandes déformations et atteint la phase

de rupture rapidement. Ce type de comportement est à proscrire dans le domaine des chaussées.

Le tableau 3 présente les délimitations des domaines A, B et C déterminées par Werkmeister

(2003). L’accumulation de déformation permanente obtenue après 5000 et 3000 chargements

axiaux est représentée par ε1p,5000 et ε

1p,3000 respectivement. En effectuant la différence entre ces

Nombre d’applications de charge (N)

σ1

σ3

εp

Domaine A

Domaine B

Domaine C

13

deux valeurs mesurées, il est possible de déterminer le domaine respectif du matériau et

d’évaluer son comportement plastique à long terme.

Tableau 3 : Délimitation des domaines A, B et C de la théorie du Shakedown (Werkmeister

2003)

Domaines Valeur de la déformation plastique Tendance à long terme

A ε1

p,5000 - ε1p,3000 < 0.045*10

-3 Se stabilise

B 0.045*10

-3 < ε

1p,5000 - ε

1p,3000 <

0.4*10-3

Augmentation de εp pouvant atteindre la

rupture

C ε1

p,5000 - ε1p,3000 > 0.4*10

-3 Se rupture

2.4 Facteurs influençant les déformations permanentes dans

un matériau granulaire

Le nombre d’applications de charge, l’historique des contraintes, la pression de confinement,

l’état de contraintes appliqué et la densité du matériau font partie des principaux facteurs

influençant les déformations permanentes. Cependant, Lekarp et al. (2000b) ajoutent à ces

facteurs la rotation des contraintes, la teneur en particules fines, la granulométrie et la

composition minéralogique de la source. La rotation des contraintes principales, le niveau des

contraintes appliquées, le nombre de cycles appliqués, l’historique des contraintes et les

paramètres physiques et mécaniques in situ du matériau sont les principaux éléments présentés

dans cette section.

2.4.1. Rotation des contraintes

Une contrainte se divise en deux composantes : la contrainte normale (σn), perpendiculaire à la

surface, et la contrainte de cisaillement (τ), tangentielle à la surface du MG (figure 8). Il existe

trois plans perpendiculaires précis où la contrainte de cisaillement est nulle. Ces trois plans

correspondent aux contraintes principales.

14

Figure 8: Contraintes principales et contrainte de cisaillement (tirée de Euglund (2011))

Le mouvement rotatif de la roue sur la chaussée entraine la rotation des contraintes principales

(figure 9). Le graphique illustré à la figure 9 montre que les pressions appliquées sont

transitoires et varient en fonction du temps (Lekarp et Dawson 1998). De plus, les contraintes

verticale et horizontale sont maximales lorsque le chargement de la roue se situe directement

au-dessus du point ponctuel en question, tandis que la contrainte de cisaillement est inversée à

ce point.

La rotation des charges entraine des répercussions négatives importantes sur le comportement

de la chaussée. Elle provoque une sollicitation plus agressive que celle rencontrée lors d’un

simple chargement axial. En effet, Lekarp et al. (2000b) ont observé que la déformation

permanente obtenue par une rotation des contraintes principales est d’environ deux fois

supérieure à celle engendrée par un chargement axial.

15

Figure 9: Rotation des contraintes lors du passage d’une charge roulante (modifiée de Lekarp et

Dawson (1998))

2.4.2. Niveau des contraintes appliquées, nombre d’applications et

historique des contraintes

Il est reconnu dans la littérature que le niveau des contraintes est un facteur qui influence

significativement l’accumulation de déformation permanente dans un matériau granulaire

(Pérez et al. 2006). La déformation plastique est reliée directement à la contrainte déviatorique

et est inversement proportionnelle à la pression de confinement (Lekarp et al. 2000b). Le

nombre d’applications de charge ainsi que l’état de contraintes appliqué sur la structure

granulaire influencent directement la réponse du MG (Werkmeister et al. 2001).

Hornych et al. (1993) ont observé qu'entre 40% et 80% des déformations permanentes totales

emmagasinées dans un échantillon se produisent dès les premières applications de charge. Ils

ont également observé que les déformations permanentes tendent à se stabiliser vers la fin de

l’essai, et ce, peu importe l’état de contraintes appliqué et que le pourcentage de déformation

permanente axiale en fin d’essai, soit après 80 000 cycles dans leur cas, varie entre 1% à 8%.

Ils mentionnent également qu’il se produit une augmentation des εp lorsque l’état de contraintes

appliqué augmente et qu’il se produit une augmentation rapide de la déformation plastique plus

Charge appliquée par la roue

Chaussée

Contrainte verticale

Contrainte horizontale

Contrainte en cisaillement

Co

ntr

ain

te

Temps

16

particulièrement lorsque l’état de contraintes se rapproche de l’enveloppe de rupture du

matériau testé.

2.4.3. Caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux granulaires

Le type de comportement plastique qu’adopte un matériau granulaire face à une contrainte

physique ou à une condition environnementale est directement relié à ses paramètres physiques

et mécaniques in situ. Ces propriétés physiques et mécaniques sont déterminées par des essais

de caractérisation en laboratoire qui sont basés sur des normes établies par le Bureau des

Normes du Québec (BNQ) et par le Laboratoire des Chaussées (LC) de Transports Québec.

Plusieurs scientifiques et chercheurs ont mis en évidence l’effet de ces propriétés et leur

influence sur les déformations permanentes sans nécessairement proposer des relations

mathématiques.

Selon Pan et Tutumluer (2006), la masse volumique sèche, la teneur en eau, la granulométrie,

la morphologie et la texture des particules granulaires constituent les principales

caractéristiques qui influencent la déformation permanente.

2.4.4 Masse volumique sèche, granulométrie, morphologie et texture des

particules granulaires

Selon Lekarp et al. (2000b), le degré de compaction d’un matériau granulaire influence

directement l’accumulation de déformation permanente. Pour les mêmes conditions d’essais, la

déformation plastique finale emmagasinée par un matériau granulaire compacté à son optimum

Proctor sera moins importante qu’un matériau possédant une compacité plus faible. En effet,

Barksdale (1972) a observé qu’un matériau granulaire compacté à 95% de son optimum

Proctor peut faire augmenter de 185% la déformation permanente s’il est comparé à son 100%.

Englund (2011) stipule que le compactage d’un matériau permet d’augmenter la capacité

portante du MG et de minimiser l’accumulation de déformation au sein de la structure

granulaire de la chaussée.

Comme mentionné précédemment, le degré de compaction d’un MG peut dépendre de

plusieurs paramètres : la granulométrie, la teneur en particules fines, la morphologie et la

texture des particules granulaires. Les granulats peuvent être plats, allongés, arrondis,

angulaires, lisses, rugueux, etc. La morphologie et la microtexture des particules sont

17

principalement influencées par le degré de concassage et la composition minéralogique. Selon

Bérubé (2001) les particules plates et allongées possèdent une faible résistance en flexion le

long de l’axe allongé. Elles sont donc fragiles et peuvent se fragmenter lors du compactage.

Les matériaux granulaires arrondis ont, quant à eux, tendance à mieux se compacter. Toutefois,

la présence de granulats arrondis augmente la propension à la déformation permanente (Bérubé

2001), tandis que les particules rugueuses et angulaires améliorent la résistance au cisaillement.

Selon Holtz et Kovacs (1981), la forme des grains influence le comportement en frottement du

matériau granulaire. Pan et Tutumluer (2007) ont, quant à eux, observé que l’accumulation de

déformation permanente diminue lorsque le pourcentage de fracturation du matériau augmente

(figure 10). Pam et Tutumluer (2007) ont également confirmé que les échantillons composés de

grains de formes irrégulière et angulaire, en plus d’avoir une texture rugueuse, diminuent

l’effet de la post compaction lors des premières applications de charge en laboratoire et

diminue également le taux de déformation permanente à long terme.

Figure 10: L'accumulation de déformation permanente obtenue après 10 000 cycles en fonction

du pourcentage de fracturation des granulats (tirée de Pan et Tutumluer (2007))

Un autre paramètre à prendre en considération est la granulométrie d’un sol. Un matériau ayant

une granulométrie étalée crée un mélange plus dense une fois compacté. La présence de

particules fines dans une matrice granulaire permet de remplir les pores et favorise la

densification. Toutefois, l’augmentation du pourcentage de particules fines diminue la

18

résistance d’une structure granulaire (Holtz et Kovacs 1981) et procure à la matrice une

vulnérabilité face à l’emmagasinement d’eau et à la gélivité.

2.5 Conditions environnementales et teneur en eau

Un paramètre très important à prendre en considération lors de la conception des routes au

Québec est l’effet des cycles saisonniers. Les changements de saisons provoquent sans

équivoque des modifications non réversibles importantes dans la structure granulaire interne de

la chaussée, notamment causées par le soulèvement au gel et la variation de la teneur en eau

contenue dans la fondation, la sous-fondation et le sol d’infrastructure.

Pour qu’un sol puisse geler, il doit être soumis à des températures sous le point de congélation,

avoir un apport en eau et contenir un certain nombre de particules fines. La susceptibilité au gel

d’un sol augmente en fonction du pourcentage de particules fines présentes dans la matrice

granulaire (Konrad et Lemieux 2005) et en fonction de la capillarité et la perméabilité du sol

(Robitaille et Tremblay 1997). Un sol peu perméable et capillaire, comme les silts et les argiles

auront un comportement sensible au gel s’ils sont comparés aux matériaux plus grossiers, qui

sont plus perméables et peu capillaires. Bien que les matériaux granulaires de fondation ne

soient pas considérés comme étant des matériaux gélifs, ils possèdent une certaine sensibilité

au gel à cause de leur granulométrie étalée et la présence de particules fines (Robitaille et

Tremblay 1997; Konrad et Lemieux 2005). Toutefois, la quantité de glace formée dans la

couche de fondation reste encore minime, notamment due au fait que les sources d’eau sont

généralement éloignées et due au fait que le front de gel traverse rapidement les couches

granulaires.

Le graphique présenté à la figure 11 explique l’évolution de la déstructuration granulaire durant

un cycle de gel et dégel (Doré et Zubeck 2008). La section du haut montre l’évolution du

soulèvement au gel en fonction des saisons, tandis que la section du bas illustre la variation de

la masse volumique sèche et de l’indice des vides en fonction de la teneur en eau du matériau

granulaire.

19

Figure 11: Le soulèvement au gel: son effet sur les matériaux de chaussées (tirée de Doré et

Zubeck (2009))

Lors du processus de gel, un front de gel pénètre progressivement dans la structure granulaire,

et ce, de la surface en profondeur. L’eau présente à l’intérieur des pores de la structure

granulaire gèle et prend de l’expansion, ce qui entraine une augmentation de l’indice des vides

et la diminution de la masse volumique sèche (phase B, figure 11). Cette désorganisation des

particules peut s’observer par des soulèvements différentiels souvent non uniformes et très

dommageables pour la chaussée. Ces soulèvements peuvent être causés par l’hétérogénéité des

matériaux granulaires, par la variation du régime thermique à l’intérieur de la structure

granulaire ou par la variation de la topographie en surface (Doré et Zubeck 2008).

Les soulèvements au gel peuvent également survenir à cause de la formation de lentilles de

glace dans le sol d’infrastructure. Contrairement aux matériaux de fondation, le sol

d’infrastructure est composé d’un mélange beaucoup plus fin, favorisant ainsi la formation de

lentilles de glace. L’apport en eau y est également plus facile, ce qui ralentit la vitesse de

propagation du front de gel et favorise une meilleure cristallisation de l’eau. Selon Swanson

(1995), la migration de l’eau interstitielle vers le front de gel, le taux d’infiltration de l’eau de

pluie et la gélivité du sol sont les principaux facteurs qui favorisent la formation des lentilles de

Teneur en eau (w)

Ind

ice

des

vid

es (

e)

TempsS

ou

lèv

emen

t a

u g

el (

h)

Ma

sse

vo

lum

iqu

e sè

che

(ρd)

Soulèvement

au gel (h)

Condition critique

lors du dégel

Sr = 100%

A)

B)

A

B CD

B

C

D

A

20

glace à l’intérieur d’un sol. Konrad (1980;1988) évoque plutôt que la formation des lentilles de

glace dépend du taux de succion et de la perméabilité du sol.

Les périodes de redoux lors de l’hiver et le dégel en début de printemps affectent les matériaux

granulaires de fondation et constituent une période critique pour la chaussée (phase C, figure

11). Les principaux mécanismes observables lors de cette période sont les tassements

différentiels et la perte de capacité portante du matériau (Doré et al. 1997), notamment causés

par l’augmentation de la teneur eau dans la fondation. À de hauts degrés de saturation, la

résistance à la déformation diminue rapidement à cause de l’augmentation de la pression

interstitielle dans les pores (Lekarp et al 2000b). Thom et Brown (1987) ont montré qu’une

faible augmentation de la teneur en eau peut entrainer une augmentation du taux de

déformation permanente d’un matériau granulaire. Hornych et al. (1993) ont, quant à eux,

montré qu’une variation de 3% de la teneur en eau peut venir multiplier par un facteur 5 les

valeurs de déformation permanente d’un matériau granulaire (Hornych et al. 1993). D’autres

recherches entreprises par Saint-Laurent et Roy (2005) ont permis d’observer que l’effet du

dégel peut entrainer des dommages allant de 1,5 à 3 fois plus élevés que les dommages annuels

moyens accumulés tandis que le Danish Road Institute (2000) a montré que 60% à 75% des

déformations permanentes accumulées à l’intérieur de la couche de fondation se développent

au courant de la période de dégel.

Lorsque la période de dégel est bien amorcée, la structure granulaire se draine progressivement

et se reconsolide, ce qui entraine un relâchement des pressions à l’intérieur des pores et une

augmentation de la succion matricielle. La consolidation du matériau entraine la diminution de

l’indice des vides ainsi que l’augmentation de la masse volumique sèche sans, toutefois,

atteindre l’état de densité initiale. L’écart provoqué entre la phase A et D permet de bien

visualiser la présence d’une déstructuration interne de la matrice granulaire.

2.6 Méthodes de mesure

L’orniérage est un processus facilement mesurable, mais sa prédiction est extrêmement

complexe (Werkmeister 2003) compte tenu des multiples facteurs qui l’influencent. La mesure

de cette déformation plastique peut être faite en laboratoire, à l’aide d’une presse hydraulique à

chargement axial ou d’un simulateur à charge roulante, ou à échelle réelle soit, à l’aide d’un

simulateur à véhicule lourd, de manèges de fatigue ou bien en suivant l’évolution de vraies

sections de routes. Les résultats obtenus par cette dernière méthode sont en soit très

21

représentatifs, car la sollicitation considère une circulation routière et des conditions

environnementales réelles. Cependant, ces procédures prennent énormément de temps et

s’avèrent beaucoup plus dispendieuses que celles effectuées en laboratoire (Englund 2011).

2.6.1 Presse hydraulique à chargement répété (cellule triaxiale)

L’essai en cellule triaxiale permet d’évaluer la déformation verticale accumulée dans un

échantillon cylindrique sollicité à une contrainte déviatorique et à un nombre de chargements

axiaux définis (figure 12). La pression de confinement imposée lors de l’essai peut être

constante ou variable. L’essai réalisé en condition triaxiale est utilisé principalement pour

connaître l’évolution des comportements élastique et plastique des matériaux granulaires en

fonction du nombre de chargements et de l’état de contraintes appliqué. En effet, Werkmeister

(2006) a utilisé ce type d’essai afin d’investiguer la non-linéarité du comportement en

déformations élastique et plastique d’un matériau granulaire non lié afin de trouver les états de

contraintes pour lesquels les MG sont instables, ce qui correspond à la théorie du Shakedown

précédemment décrite.

Pan et Tutumluer (2006) se sont plutôt intéressés à trouver le ou les paramètres responsables du

comportement plastique des matériaux granulaires. Pour ce faire, ils ont réalisé des essais en

conditions triaxiales afin d’étudier la déformation permanente pour des matériaux granulaires

ayant des irrégularités particulières, et ce, sous plusieurs états de contraintes.

Figure 12: Presse hydraulique UTM disponible à l'Université Laval

22

Bien que plusieurs scientifiques soulignent l’importance des états de contraintes, d’autres

ciblent plutôt l’influence des changements environnementaux. Hornych et al. (1993) ont évalué

la résistance à l’orniérage pour trois sources granulaires différentes afin de développer des

méthodes de prédiction de l’orniérage en fonction du nombre d’applications de charge (figure

13), de l’état de contraintes appliqué ainsi que de la variation de la teneur en eau (figure 14).

Figure 13: Courbes de variation des déformations permanentes axiales en fonction du nombre

de cycles (essais à p = 200 kPa et q = 400 kPa) (tirée de Hornych et al. (1993))

Figure 14: Influence de la teneur en eau sur les déformations permanentes axiales à 80 000

cycles (sur un grave de Poulmarch) (tirée de Hornych et al. (1993))

23

D’autres scientifiques ont considéré l’effet du gel et dégel. Par exemple, Simonsen et Isacson

(2001) ainsi que Kolisoja et Vuorimies (2004), ont réalisé des essais triaxiaux sur des

matériaux granulaires qui ont été soumis à plusieurs changements saisonniers. Toutefois, seul

le comportement élastique a été étudié.

L’utilisation de la presse hydraulique à chargement répété est une technique très répandue dans

le domaine d’étude des MG. Plusieurs scientifiques se sont intéressés à cette approche et ont

développé des modèles mathématiques capables de traduire les résultats et prédire le

comportement des MG en fonction de paramètres précis. Ces différents modèles sont présentés

à la section 2.7 du présent document.

2.6.2 Simulateur à charge roulante et à véhicule lourd

Le simulateur à charge roulante est un outil de laboratoire très intéressant à utiliser, car il

permet de reproduire une sollicitation mécanique plus représentative que celle produite en

conditions triaxiales. Contrairement aux essais en conditions triaxiales, le simulateur à charge

roulante permet de considérer l’effet engendré par la rotation des contraintes. Son utilisation

permet d’évaluer à plus grande échelle l’impact des chargements non pas dans un petit

échantillon de MG, mais bien dans la totalité de la structure de chaussée.

Le simulateur est doté d’une roue suspendue à un système de rail et de poulie, qui permet de

faire un mouvement constant d’aller-retour où les paramètres modifiables sont la pression de

contact et le nombre de passages. Il existe un simulateur capable de reproduire et combiner

plusieurs agents, comme le trafic et les conditions climatiques comme les précipitations de

pluie, le gel et le dégel. Ce simulateur climatique et mécanique (SimUL) (figure 15) a été

conçu à l’Université Laval et est unique en son genre. Sa description et son fonctionnement

sont présentés au chapitre 5.

24

Figure 15: Simulateur climatique et mécanique (SimUL), utilisé à l'Université Laval

Une autre technique, notamment utilisée dans les pays scandinaves, est le simulateur à véhicule

lourd (Heavy Vehicle Simulator) (figure 16). Cette méthode a permis à Korkiala-Tanttu et

Dawson (2007) d’observer l’orniérage en fonction du niveau de chargement appliqué. Ils ont

observé qu’une augmentation de charge de 20 kN, soit en passant de 50 kN à 70 kN, peut

augmenter d’un facteur de 2,8 à 3 fois la profondeur d’une ornière.

Wolff et Visser (1994) ont également utilisé un simulateur à véhicule lourd dans le but

d’étudier le comportement des MG sollicité à plusieurs millions de chargements. Suite à ces

tests, ils ont développé une relation mathématique de type contrainte déformation. Cette

équation est abordée à la prochaine section.

Figure 16: Simulateur à véhicule lourd (tirée de Korkiala-Tanttu et Dawson (2007))

25

2.7 Les modélisations mathématiques

Il existe dans la littérature plusieurs modèles mathématiques qui ont été développés afin de

traduire le comportement plastique à long terme des matériaux granulaires utilisés dans une

chaussée flexible. Ces relations mathématiques sont principalement fonction du nombre

d’applications de charge (N) et de l’état de contraintes appliqué (q), deux facteurs ayant une

grande influence sur le comportement mécanique des MG. Lekarp et al. (2002) ainsi que

Werkmeister (2003) ont relevé les principaux modèles développés à ce sujet et sont présentés

au tableau 4 et au tableau 5 du présent chapitre.

2.7.1 Modèles en fonction du nombre d’applications de charge

Des études entreprises par Veverka (1979) sur les comportements élastique et plastique des MG

ont permis de définir une corrélation entre ces deux types de comportement (équation 2).

Toutefois, en 1990, cette affirmation a été contredite par Sweere (Lekarp et al. 2000a). Khedr

(1985) développe plutôt l’équation 3 qui démontre que le taux d’accumulation de déformation

permanente axiale diminue de manière logarithmique avec le nombre d’applications de charge.

Toutefois, aucune étude n’a permis de valider cette affirmation. (Lekarp et al. 2000a).

Barksdale (1972) a, quant à lui, réalisé des essais en conditions triaxiales et a observé que

l’accumulation de déformation permanente était proportionnelle au logarithme du nombre

d’applications de charge (équation 4) (Lekarp et al. 2000a). Cette relation a été développée

pour des valeurs obtenues suite à une sollicitation de 100 000 applications. Cependant, Sweere

(1990) a démontré que ε1,p correspondait plutôt à une relation de type log-log dans le cas où les

échantillons sont sollicités à 1 000 000 applications (équation5) (Lekarp et al. 2000a). De plus,

Korkiala-Tanttu et Dawson (2007) soutiennent que la relation de Sweere peut également définir

le comportement plastique à long terme des MG contenu dans une structure de chaussée

conventionnelle et non pas seulement pour des essais réalisés en conditions triaxiales.

26

Tableau 4: Modèles mathématiques développés en fonction du nombre d'applications de

charge

Auteurs Modèles Équations

Veverka (1979) ε ε 2

Khedr (1985) ε

3

Backsdale (1972) ε 4

Sweere (1999) ε 5

Wolf et Visser (1994) ε 6

Paute (1988) ε

√

√

7

Paute (1996) ε ( ((

)

)) 8

Huurman (1997) ε (

)

( (

) ) 9

ε1,p : déformation permanente

εR : déformation résiliente

N : nombre d’applications de charge

a, b, c, d : paramètres du modèle

A4, D4 : paramètres de régression

Wolff et Visser (1994) ont, quant à eux, réalisé des essais à l’aide d’un simulateur à véhicule

lourd pour valider le modèle de Sweere (1990), où les échantillons de MG furent sollicités à

plusieurs millions d’applications de charge. Toutefois, le modèle de Sweere ne semble pas

correspondre aux résultats. Suite à ces travaux, Wolff et Visser (1994) ont développé une autre

équation définie par la relation 6.

Plusieurs études entreprises par Paute (1988) et Paute et al. (1996) ont permis de développer

deux modèles différents définis par les équations 7 et 8. Le paramètre correspond à

l’accumulation de déformation permanente après un nombre N de chargement, sans toutefois

considérer les 100 premières applications, dans le but d’éliminer l’effet de post-compaction

dans l’échantillon. Les paramètres A et D représentent quant à eux les paramètres de régression.

L’équation 8 résulte d’une seconde approche entreprise par l’auteur qui permet d’investiguer

l’accumulation de déformation permanente en fonction du nombre d’applications de charge. La

27

validation de cette dernière équation par Lekarp (1997) et Lekarp et Dawson (1998) démontre

qu’elle ne peut être utilisée que lorsque l’état de contraintes appliqué est faible.

Un autre modèle connu sous le nom du modèle de Dresden, basé sur le modèle de Huurman

(1997), permet de prédire l’accumulation de déformation permanente à long terme en fonction

du paramètre N en considérant la phase de rupture, qui peut se produire en conditions triaxiales.

Ce modèle complexe lie une relation de type log-log, démontré par le premier terme, et une

équation de type exponentielle, définie par le deuxième terme (équation 9). Le premier terme

du modèle est similaire au modèle proposé par Sweere (1990), tandis que le second correspond

à la phase de rupture. Le paramètre a correspond à l’accumulation de déformation permanente

obtenue à la suite de 1000 applications de charge, b au taux de déformation permanente à long

terme, tandis que c et d décrivent le comportement à la rupture. Dans le cas où l’échantillon

n’atteint pas la rupture, les paramètres c et d sont égaux à zéro (Werkmeister 2003).

2.7.2 Modèles en fonction de l’état de contraintes appliqué

Barksdale (1972) s’est intéressé à l’influence qu’a une variation de contrainte déviatorique sur

le comportement des MG. Suite aux résultats obtenus, une relation a été développée en adaptant

une équation prise de Duncan et Chang (1970) définie par la relation 11 du tableau 5 (Lekarp et

al. 2000a), où σ3 définit la pression de confinement, q la contrainte déviatorique, φ l’angle de

friction interne des matériaux et Rf une constante.

En réalisant des essais triaxiaux sur des échantillons partiellement saturés et testés en condition

drainée, Lashine et al. (1971) ont démontré que est lié à l’état de contraintes appliqué,

définit par l’équation 12.

Pappin (1979) a développé plutôt la relation mathématique 13 qui décrit le taux de déformation

permanente en cisaillement (εs,p) en fonction du cheminement de contrainte dans le plan p-q

(Lekarp et al. 2000a). Toutefois, elle ne peut prédire l’évolution du comportement plastique à

long terme. Les paramètres q0 et p

0 correspondent à la contrainte déviatorique modifiée et à la

contrainte moyenne modifiée respectivement et sont définis dans le tableau 5 dans les

équations 13A et 13B.

28

Paute et al. (1996) ont, quant à eux, développé la relation 14, où le paramètre A correspond à la

valeur limite pour la déformation permanente et p* à la valeur où l’axe isotrope et la droite de

rupture s’interceptent.

Tableau 5: Modèles mathématiques développés en fonction de l'état de contraintes appliqué

Auteurs Modèles Équations

Barksdale (1972)

[

( )

]

10

Lashine et al. (1971)

11

Papin (1979)

(

)

√

√

12

13A

13b

Paute et al. (1996)

(

)

14

ε1,p : déformation permanente

q0 et p0 : contrainte déviatorique modifiée et moyenne modifiée

p* : valeur où l’axe isotrope intercepte la droite de rupture

Rf : constante

2.8 Théorie et formules pertinentes

Plusieurs notions et relations doivent être tout d’abord expliquées avant de poursuivre. Une

structure granulaire est composée de trois phases distinctes : l’air, l’eau et le solide (figure 17).

29

Figure 17: Diagramme de phases (modifiée de Bilodeau (2009))

Le volume total, le volume des vides, le volume des solides, le volume d’air ainsi que le

volume d’eau sont symbolisés par Vt, Vv, Vs, Va et Vw respectivement. Ma, Mt, Mw et Ms

correspondent à la masse d’air, la masse totale, la masse de l’eau et la masse des solides, tandis

que ρw et ρs représentent la masse volumique de l’eau et la masse volumique des grains solides

et sont définis par les expressions suivantes :

15

16

La teneur en eau (w) est, quant à elle, exprimée de la façon suivante :

17

où Mw et Ms représentent la masse d’eau et la masse des solides respectivement.

ρa masse volumique de l’air

ρw masse volumique de l’eau

ρs masse volumique du solide

Vt volume total

Vv volume des vides

Vw volume d’eau

Va volume d’air

Vs volume de solide

Mt masse totale

Mw masse de l’eau

Ma masse d’air

Ms masse de solide

SOLIDE

(ρs)

30

La porosité (n) et l’indice des vides (e) sont définis par les relations mathématiques suivantes :

18

(

) 19

où ρd et ρs définissent la masse volumique des grains secs et la masse volumique des solides. La

densité des grains, symbolisée par Gs est, quant à elle, fonction de la masse volumique de l’eau

et correspond à ceci :

20

où ρw et ρs correspondent à la masse volumique de l’eau et la masse volumique des grains

solides.

Finalement, le degré de saturation d’un l’échantillon (SR) peut être déterminé par l’équation

suivante :

21

où w, Abs., Gs et e représentent la teneur en eau, le degré d’absorption, la densité relative et

l’indice des vides.

31

2.9 Conclusion

Ce deuxième chapitre a permis de définir, dans un premier temps, les composantes d’une

chaussée flexible. Bien que la chaussée soit composée de plusieurs couches, notamment, le

revêtement bitumineux, la fondation, la sous-fondation et le sol d’infrastructure, la présente

étude s’intéresse principalement aux matériaux granulaires de fondation (MG-20). Avant d’être

utilisé comme MG de construction, il est important que le MG-20 soit caractérisé et qu’il

réponde aux exigences définies dans les normes.

Cette revue de littérature a également permis de se familiariser avec la déformation plastique,

également connue sous le nom de déformation permanente. La déformation permanente

comprend trois phases dont la post-compaction, le taux de déformation permanente à long

terme et la phase de rupture. Le comportement plastique d’un matériau granulaire peut être

influencé par plusieurs facteurs dont la rotation des contraintes, le nombre d’applications de

charge, l’historique des contraintes, les propriétés physiques et mécaniques des matériaux

granulaires, la teneur en eau et les changements environnementaux. Bien que quelques études

se soit intéressées à l’effet des changements environnementaux sur les déformations

permanentes, il reste que l’effet d’un cycle de gel et dégel sur le comportement plastique d’un

MG n’est pas encore tout à fait bien compris et requiert encore beaucoup de recherche. Le

projet de maîtrise cherche donc à améliorer les connaissances sur la déformation permanente à

long terme des matériaux granulaires soumis aux sollicitations des changements saisonniers

typiques des climats nordiques.

32

33

CHAPITRE 3

RAISON D’ÊTRE DU PROJET, OBJECTIFS ET

STRUCTURE DU DOCUMENT

Les chapitres précédents ont présenté la problématique du projet de maîtrise et la revue de

littérature. Jusqu’à maintenant, les études se sont intéressées à comprendre ce qu’est la

déformation permanente et ont permis de cibler les principaux facteurs qui ont un effet sur

celle-ci. Les principaux facteurs relevés sont : l’état de contraintes appliqué, le nombre

d’applications de charges, l’historique des contraintes, la rotation des contraintes, les

caractéristiques physiques in situ des MG, les propriétés physiques et mécaniques des MG, la

granulométrie et la variation de la teneur en eau. Ces paramètres ne peuvent être négligés en

géotechnique routière, car ils affectent directement le comportement mécanique des MG.

Cependant, il existe un autre paramètre qui ne peut être omis en contexte climatique québécois

et qui est peu abordé dans la littérature : les changements de saisons. Les précipitations et la

fonte des neiges au printemps contribuent à la saturation des sols et diminuent la capacité

portante de ceux-ci. De plus, lors des périodes de gel, il se produit une déstructuration dans

l’arrangement granulaire causée par l’expansion de l’eau qui peut s’observer en surface par des

soulèvements, parfois différentiels. Lorsque la glace fond au printemps, l’eau présente dans les

pores est drainée et des espaces vides sont créés, laissant ainsi une structure granulaire instable

et vulnérable à l’accumulation de déformation permanente.

Plusieurs études se sont intéressées à l’effet de la teneur en eau sur les déformations plastiques

(Hornych et al. 1993). Toutefois, peu ont considéré l’effet qu’a un cycle de gel et dégel sur la

déformation permanente, d’où l’importance de ce projet. Cela dit, il serait important de

connaître et quantifier l’effet qu’ont les changements environnementaux sur le comportement

des matériaux granulaires à long terme afin d’être en mesure de prévoir l’endommagement

relié aux changements de saisons.

34

3.1 Projet et objectifs

Le présent projet vise donc à améliorer les connaissances sur la déformation permanente à long

terme des MG sollicités par des changements saisonniers nordiques. Bien que les déformations

permanentes soient un phénomène qui affecte l’ensemble des couches qui constitue une

structure de chaussée, seuls les matériaux granulaires composant la fondation sont traités dans

cette étude.

Au total, quatre matériaux granulaires non liés de fondation (MG-20), typique du Québec, ont

été étudiés : un grauwacke, un gneiss granitique, un calcaire et un basalte.

Dans un premier temps, une série d’essais en laboratoire a permis de déterminer les propriétés

mécaniques et physiques des sources étudiées. Par la suite, des essais de déformation

permanente en condition triaxiale et sous la sollicitation mécanique d’un simulateur à charge

roulante ont permis d’évaluer le comportement plastique à long terme en laboratoire. Les

quatre types de MG ont été testés à deux granulométries et à quatre conditions

environnementales différentes : à teneurs en eau optimales, en conditions saturées, puis

soumises à un cycle de gel et dégel et testés en conditions drainées et non drainées. Puis, les

résultats ont été modélisés à l’aide du modèle de Dresden pour déterminer le paramètre de post

compaction (a) et le taux de déformation permanente à long terme (b). Leur détermination a

permis d’élaborer des relations de corrélation entre les paramètres du modèle de Dresden et les

propriétés mécaniques et physiques de base des MG. Le tout, dans le but de développer une

relation de prédiction de déformation permanente à long terme.

L’étude vise donc plusieurs objectifs dont :

déterminer l’effet de la granulométrie, de la source granulaire et des conditions

environnementales sur les εp,

documenter l’effet du degré de saturation (SR) et des cycles de gel et dégel sur les εp,

établir des critères pour identifier les matériaux sensibles aux εp et

développer une relation de prédiction de déformation permanente à long terme en

fonction des propriétés physiques et mécaniques des MG.

La relation de prédiction de déformation permanente à long terme permettra d’aider à élaborer

une loi sur l’endommagement saisonnier qui fera l’objet de projets ultérieurs faisant également

35

partie de la Chaire de recherche industrielle du CRSNG i3c. Cette loi permettra d’évaluer

l’orniérage à long terme, en considérant la variation des saisons, et sera un outil indispensable

pour les concepteurs des chaussées.

3.2 Structure du document

Chapitre deux : Le mémoire a tout d’abord présenté une revue exhaustive de la documentation.

Cette étape est indispensable puisqu’elle permet de faire une mise à jour sur le sujet de

recherche. Cette revue de littérature a permis de relever les méthodes et les équipements qui ont

été utilisés dans des études similaires dans le développement du volet expérimental du projet.

Bien que peu de documentation s’intéresse au comportement plastique des matériaux

granulaires soumis aux changements saisonniers, quelques études ont su expliquer le

phénomène mécanique de la déformation permanente et relever les principaux facteurs

influençant la réponse plastique. Ce second chapitre s’est terminé par une description des

méthodes et des équipements de laboratoire permettant de mesurer et suivre l’évolution de la

déformation permanente et par une énumération des différents modèles mathématiques

développés permettant d’analyser et de quantifier εp.

Chapitre trois : Le troisième chapitre a décrit la raison d’être de ce projet et son importance

dans l’avancement de la recherche sur la performance à long terme des chaussées au Québec et

au Canada.

Chapitre quatre : Le quatrième chapitre présente une description complète des MG-20 étudiés.

Ceci comprend la provenance des matériaux étudiés ainsi que les propriétés physiques et

mécaniques déterminées par les essais en laboratoire. En plus de réaliser une caractérisation

complète des matériaux, plusieurs observations macroscopiques et microscopiques ont permis

de définir la composition minéralogique des sources. Les principales techniques d’analyse

utilisées sont le microscope, la diffraction à rayons X (DRX) et le microscope électronique à

balayage (MEB).

Chapitre cinq : Les deux techniques de laboratoire utilisées pour mesurer les déformations

permanentes sont la presse hydraulique à chargement répété et le simulateur à charge roulante.

La description de ces deux méthodes et les méthodes de préparation des échantillons sont

présentées au cinquième chapitre.

36

Chapitre six : Le chapitre 6 présente les résultats de déformation permanente obtenus en

conditions triaxiales et sous la sollicitation du simulateur à charge roulante. Les résultats ont

été analysés et modélisés à l’aide du modèle de Dresden.

Chapitre sept : Pour faire suite à ces analyses, des relations de corrélation, entre les

paramètres décrivant le modèle de Dresden (a et b) et les paramètres physiques et mécaniques

des MG définis au chapitre quatre, ont été établies au chapitre sept. Ces relations de corrélation

ont aidé au développement d’un modèle mathématique de prédiction de l’évolution de la

déformation permanente à long terme en fonction des paramètres a, b et N. Il est à noter que le

paramètre N correspond au nombre d’applications de charge durant l’essai de déformation

permanente.

Chapitre huit : Puis, la discussion présentée au chapitre 8 est divisée en deux sous-sections

importantes. Premièrement, une révision critique des essais et des résultats est proposée. Puis,

des recommandations sur des recherches additionnelles requises et pertinentes à l’avancement

de ce projet sont offertes.

Chapitre neuf : Finalement, ce chapitre présente les conclusions du projet et des exemples de

mises en application des résultats dans la pratique de l’ingénierie.

37

CHAPITRE 4

CARACTÉRISATION PHYSIQUE ET MÉCANIQUE

DES MG-20 UTILISÉS

Quatre matériaux granulaires typiques du Québec ont été utilisés pour la réalisation de ce projet de

maîtrise : un grauwacke, un gneiss granitique, un calcaire et un basalte. Chacun d’entre eux a été

soumis à une série d’essais en laboratoire afin de déterminer leurs propriétés physiques et

mécaniques ainsi que leurs caractéristiques intrinsèques. La caractérisation des matériaux fait partie

d’une phase très importante du projet, puisque les propriétés physiques et mécaniques déterminées

seront utilisées, ultérieurement dans ce projet, pour élaborer des relations de corrélations, entre les

caractéristiques de base ou avancées des matériaux granulaires et le comportement plastique à long

terme de chacun.

Ce chapitre présente une description complète des matériaux granulaires utilisés dont : la

provenance des matériaux granulaires et leurs propriétés physiques et mécaniques déterminées à

l’aide de différents essais en laboratoire. Ce chapitre présente également brièvement les techniques

de microanalyse utilisées (microscope, diffraction des rayons X et microscope électronique à

balayage) qui ont permis de déterminer la composition minéralogique des matériaux.

4.1 Provenance des matériaux granulaires

Le calcaire provient de la carrière UCP à Québec, le basalte de la carrière Ray-Car à Saint-Flavien

et le grauwacke de la carrière Construction BML à Saint-Jean-Chrysostome. Ces trois matériaux

sont produits par dynamitage et concassage de massifs rocheux et sont concassés à 100%. Le gneiss

granitique à biotite et à hornblende provient d’une sablière à la carrière PEB au Lac Saint-Charles et

est concassé à 72%. La granulométrie du gneiss granitique est plus sableuse et possède des

particules plus arrondies que les trois autres sources granulaires. De plus, la portion grossière du

gneiss granitique provient du concassage des grosses pierres retrouvées dans le banc de sable.

38

4.2 Caractérisation des matériaux granulaires

Une grande partie du projet a été consacrée à la caractérisation des matériaux granulaires. La

matrice d’essais de caractérisation à laquelle les matériaux granulaires ont été soumis est présentée

au tableau 6.

Tableau 6: Matrice d'essais de caractérisation en laboratoire

*Essais de caractérisation *Essais mécaniques *Microanalyses

Analyse granulométrique CBR Microscope

Densité du gros granulat Module réversible DRX

Densité du granulat fin Compression triaxiale MEB

Proctor modifié εp (cellule triaxiale)**

Micro-Deval εp (simulateur)**

Los Angeles

Coefficient d’écoulement

Angulomètre à gravillon

Particules plates et allongées

*Essais effectués sur le grauwacke seulement

**Essais réalisés sur l’ensemble des sources granulaires

Les principaux essais de caractérisation effectués sur le grauwacke sont l’analyse granulométrique

(MTQ 2006), l’essai de la densité et de l’absorption du gros granulat (MTQ 2007) et du granulat fin

(MTQ 2009), l’essai Proctor modifié (CAN/BNQ 1986), l’essai au Micro-Deval (MTQ 2008),

l’essai Los Angeles (MTQ 2001), la détermination du coefficient d’écoulement (MTQ 2005), l’essai

d’angulomètre à gravillons (Janoo 1998) ainsi que la détermination des particules plates et des

particules allongées (MTQ 2006). Les trois autres matériaux ont, quant à eux, déjà été caractérisés

par Bilodeau (2009).

Le grauwacke a également été soumis à plusieurs essais de caractérisation mécanique notamment le

CBR (California Bearing Ratio) (ASTM 1992), l’essai du module réversible (MTQ 2007) et l’essai

de compression triaxiale. Les essais de déformation permanente ont été exécutés à l’aide de deux

appareils: une presse hydraulique à chargement axial répété et un simulateur à charge roulante.

Puis, des techniques de microanalyse comme : le microscope, le diffractomètre à rayonnements X

(DRX) et le microscope électronique à balayage (MEB), ont permis de faire une description

39

qualitative complète du grauwacke. Les trois autres sources granulaires ont, quant à elles, déjà été

analysées qualitativement par Marcil (2009).

À noter que l’ensemble des données et résultats correspondant aux essais de caractérisation en

laboratoire pour le grauwacke CN et CS est présenté à l’annexe 1 du présent document.

4.3 Essais de caractérisation

4.3.1 Analyse granulométrique

Une analyse granulométrique réalisée sur le grauwacke a permis de déterminer la distribution de la

taille des grains. Cette analyse est basée sur la norme LC 21-040 : «Analyse granulométrique », où

des tamis à mailles de 31,5 mm, 20 mm, 14 mm, 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 1,25 mm, 0,630 mm,

0,315 mm, 0,160 mm et 0,080 mm de diamètre ont été utilisés (MTQ 2003).

Un premier échantillonnage à la carrière a permis de récolter les MG nécessaires à la réalisation des

essais de caractérisation, des essais mécaniques et des essais de déformation permanente en

condition triaxiale. Cependant, des MG supplémentaires ont été requis pour réaliser l’essai au

simulateur à charge roulante. Puisque les matériaux granulaires n’ont pas été récupérés au même

moment, il a été nécessaire de faire une analyse granulométrique supplémentaire sur le nouvel

échantillonnage.

Les graphiques présentés à la figure 18 montrent la distribution granulométrique de chacun des

échantillonnages. Le graphique de gauche présente la granulométrie des MG utilisés pour les essais

réalisés en condition triaxiale, tandis que le graphique de droite montre ceux utilisés pour la

préparation de l’essai au simulateur à charge roulante. Les courbes noires correspondent à la

granulométrie naturelle du grauwacke, tandis que les courbes bleues et rouges coïncident aux

limites inférieure (CI) et supérieure (CS) du fuseau granulométrique exigé pour les matériaux de

fondation de chaussée (BNQ 2002). Le tableau 7 présente la distribution de chacune des courbes

tracées.

40

Figure 18: Courbes granulométriques des matériaux granulaires grauwacke utilisés pour les essais

en condition triaxiale (gauche) et au simulateur à charge roulante (droite)

Tableau 7: Distribution granulométrique du grauwacke et des limites inférieure et supérieure

exigées

Plusieurs variables peuvent être tirées des courbes granulométriques. Les plus communs sont le D10,

le D30, le D60, le Cc et le Cu, qui représentent les diamètres des particules au 10%, 30% et 60% du

passant, le coefficient de courbure et le coefficient d’uniformité respectivement.

La courbe granulométrique sur le graphique de gauche de la figure 18 possède un D60 de 12,66 mm,

un D30 de 3,22 mm et un D10 de 0,25 mm. Le coefficient d’uniformité calculé est de 50,64, tandis

100

80

60

40

20

0

Re

ten

u (%

)

100 10 1 0.1 0.01

Diamètre (mm)

0

20

40

60

80

100P

assa

nt (%

)CS

CI

Grauwacke CN(Triaxial)

D60

D30

D10100

80

60

40

20

0

Re

ten

u (%

)

100 10 1 0.1 0.01

Diamètre (mm)

0

20

40

60

80

100

Passa

nt (%

)

CS

CI

Grauwacke CN(Simulateur)

D60

D30

D10

CI CS CN (triaxiale) CN (simulateur)

28,0 100,0 100,0 100,0 100,0

20,0 90,0 100,0 90,4 90,5

14,0 68,0 93,0 65,5 66,8

10,0 54,0 80,0 51,5 52,5

5,0 35,0 60,0 34,6 34,1

2,5 26,0 48,0 27,1 25,6

1,3 19,0 38,0 22,6 19,4

0,6 13,5 26,0 18,2 14,6

0,3 9,0 17,0 11,9 10,1

0,2 5,0 13,0 7,4 6,7

0,1 2,0 7,0 4,6 4,3

Diamètre (mm)Passant (%)

41

que le coefficient de courbure est de 3,28. La courbe granulométrique sur le graphique de droite

démontre un D60, un D30 et un D10 de 11,95 mm, de 3,56 mm et de 0,33 mm respectivement. Les Cc

et Cu calculés dans ce cas-ci sont de 3,21 et de 36,21. L’ensemble de ces données est présenté dans

le tableau 8.

Tableau 8: Caractéristiques granulométriques du grauwacke

Analyse granulométrique 1 Analyse granulométrique 2

Condition triaxiale Simulateur à charge roulante

D10 (mm) 0,25 0,33

D30 (mm) 3,22 3,56

D60 (mm) 12,66 11,95

Cu 50,64 36,21

Cc 3,27 3,21

4.3.2 Granulométries étudiées

Tout comme la saturation et la morphologie des grains, la granulométrie d’un mélange granulaire

influence aussi la susceptibilité à la déformation permanente (Bilodeau 2009). Afin de pouvoir

confirmer cette affirmation et de quantifier son influence, un seul matériau granulaire, le

grauwacke, a été testé selon deux granulométries différentes, soit la granulométrie dite naturelle

(CN) et une granulométrie reconstituée.

Étant donné que le but premier du projet est d’évaluer l’effet des changements saisonniers sur les

déformations permanentes à long terme, il est important de considérer l’état pour lequel les MG sont

les plus vulnérables face au gel. Il est reconnu dans la littérature que la présence de particules fines

à l’intérieur d’une matrice granulaire augmente la susceptibilité au gel d’un sol (Robitaille et

Tremblay 1997; Konrad et Lemieux 2005). Pour ce faire, la distribution granulométrique

correspondant à la limite supérieure (CS) du fuseau granulométrique (BNQ 2002) s’avère un choix

logique, puisqu’elle contient la plus grande quantité de particules fines soit 7%. Étant donné que la

norme BNQ (2002) n’a pas établi de valeurs propres pour les tamis de diamètre 20 mm, 10 mm,

2,5 mm, 0,630 mm et 0,160 mm, la reconstitution de la courbe CS s’est réalisée en utilisant les

valeurs proposées par Bilodeau (2009) et sont présentées dans le tableau 9.

42

Tableau 9: Proportions granulométriques utilisées pour reconstituer la limite supérieure (CS)

(modifié de Bilodeau (2009))

Diamètre (mm) Passant (%)

CS

28,0 100,0

20,0 100,0

14,0 93,0

10,0 80,0

5,0 60,0

2,5 48,0

1,25 38,0

0,63 26,0

0,32 17,0

0,16 13,0

0,08 7,0

Pour être en mesure de pouvoir comparer les sources granulaires entre elles et d’observer l’effet de

la source sur les déformations permanentes, il est important d’utiliser une même granulométrie pour

chacun des matériaux pour obtenir des résultats représentatifs. Pour ce faire, toutes les sources à

l’étude (gneiss granitique, calcaire, basalte) ont été reconstituées à la même granulométrie, soit la

courbe CS. De cette façon, l’effet de la granulométrie et l’effet de la source peuvent être considérés.

4.3.3 Résultats des essais de caractérisation

Le tableau 10 présente les principaux résultats obtenus aux essais de caractérisation en laboratoire.

Les valeurs correspondantes au coefficient d’écoulement (ce) proviennent de Marcil (2009), tandis

que l’ensemble des valeurs associées au gneiss granitique, au calcaire et au basalte proviennent des

travaux de Bilodeau (2009).

La teneur en eau optimale (wopt) ainsi que la masse volumique sèche optimale (ρdopt) du grauwacke

ont été déterminées par l’essai Proctor modifié (CAN/BNQ 1986). Cet essai permet de déterminer

43

la teneur en eau à laquelle une masse volumique sèche est considérée optimale selon une énergie de

compaction standard.

Tableau 10: Résultats des essais de caractérisation pour chacune des sources granulaires

Paramètres wopt ρdopt ρs

ρs

>5/<5

mm

Abs nopt nfopt ncopt Ce Angulo

14/10

Sources \ Unités (%) (kg/m³) (kg/m³) - (%) (%) (%) (%) - -

Grauwacke CN 6,0 2300 2653 2665/2634 1,07 13,3 76,9 17,3 81,0 120/138

Grauwacke CS

6,5

2260 2709 2659/2743 1,88 16,6 73,9 22,4 86,0 120/138

*Gneiss granitique CS 4,9 2167 2647 2627/2660 0,49 18,1 76,0 23,9 78,6 83/95

*Calcaire CS 5,0 2268 2601 2659/2563 1,54 12,8 67,7 18,9 80,4 140/110

*Basalte CS 5,1 2359 2783 2850/2738 1,87 15,2 72,0 21,2 90,4 132/131

* Données provenant de Bilodeau (2009) sauf pour les ce, qui eux, proviennent de Marcil (2009)

Le degré de compaction, ou compacité, se calcule en réalisant le quotient de la masse volumique

sèche du matériau (ρd) obtenue suite à une compaction et de la masse volumique sèche optimale

(ρdopt) définie par l’essai Proctor modifié :

22

Ces variables permettent de déterminer, de manière indirecte, d’autres paramètres comme la

porosité (n), la porosité optimale (nopt), la porosité des grains grossiers optimale (ncopt) et la porosité

de la fraction fine optimale (nfopt). Ces trois derniers paramètres sont calculés en faisant l’hypothèse

que le matériau considéré est compacté à la masse volumique sèche optimale.

La densité des grains (ρs) et le degré d’absorption (Abs.) des particules grossières et fines ont été

déterminés par les essais de laboratoire basés sur les normes LC 21-065 : « Détermination de la

densité et de l’absorption du granulat fin » (MTQ 2009) et LC 21-067 : « Détermination de la

densité et de l’absorption du gros granulat » (MTQ 2007).

44

Le coefficient d’écoulement (ce), permet de caractériser la forme et l’angularité des matériaux et est

basé sur la norme LC 21-075 : «Détermination du coefficient d’écoulement des granulats fins»

(MTQ 2005). L’essai consiste à calculer le temps nécessaire pour faire passer par gravité le

matériau testé (< 5 mm) à travers un entonnoir normalisé. Un matériau comportant des particules

anguleuses prendra plus de temps à s’écouler qu’un matériau granulaire constitué de particules

arrondies et lisses.

Un autre essai similaire au coefficient d’écoulement consiste à mesurer l’indice d’écoulement de la

fraction grossière des matériaux (Janoo, 1998). Il s’agit de l’angulomètre à gravillons (figure 19).

Cet appareil se retrouve au laboratoire des chaussées du MTQ, à Québec. Les procédures d’essais se

sont basées sur la description de Janoo (1998) puisqu’aucune norme n’a encore été établie. Les

essais d’angulomètre ont été réalisés sur le retenu 10 mm et le retenu 14 mm de chacun des

matériaux granulaires et sont notés Angulo 14 et Angulo 10 dans le tableau 9.

D’autres essais de caractérisation en laboratoire ont permis de déterminer les caractéristiques

intrinsèques des sources granulaires étudiées. Les principaux essais réalisés sont le Micro-Deval

basé sur la norme LC 21-070 : « Détermination du pourcentage d’usure par attrition du gros

granulat au moyen de l’appareil du Micro-Deval» (MTQ 2008), l’essai Los Angeles basé par la

norme LC 21-400 : « Détermination de la résistance à l’abrasion au moyen de l’appareil Los

Angeles » (MTQ 2001), ainsi que le pourcentage de particules plates et allongées déterminé à l’aide

de la norme LC 21-265 : « Détermination du pourcentage de particules plates et de particules

allongées » (MTQ 2006). Les résultats obtenus pour chacun de ces essais sont présentés dans le

tableau 11.

45

Figure 19: Angulomètre à gravillon (tirée de Marcil (2009))

Tableau 11: Caractéristiques intrinsèques des sources granulaires utilisées

Grauwacke

CN

Grauwacke

CS

*Gneiss

granitique CS *Calcaire CS *Basalte CS

Micro-Deval

(MTQ 2008) 18%Grade B

14%Grade

D 16%Grade F 18%Grade F 10%Grade F

Los Angeles

(MTQ 2001)

22% Grade

B

28% Grade

C 44% Grade B 21% Grade B 12% Grade B

% Fracturation

(MTQ 2006) 100% 100% 72% 100% 100%

%Plates/Allongées

(MTQ 2006) 17/44 17/44 14/34 23/41 16/36

* Données provenant de Bilodeau (2009)

4.4 Essais de caractérisation mécanique

Plusieurs essais mécaniques ont été réalisés pour déterminer les propriétés mécaniques des

matériaux granulaires à l’étude. Il s’agit de l’essai de portance californien (CBR), le module

réversible et l’essai de compression triaxiale. Ces essais ont permis de définir l’indice de portance

46

californien, le module réversible (MR) et l’angle de friction interne apparent (φ’app) du matériau. Ces

propriétés donnent de bons indices sur le comportement et la résistance mécanique des granulats.

4.4.1 Essai de portance californien (California Bearing Ratio (CBR))

L’essai CBR a été réalisé sur les deux granulométries du grauwacke, CN et CS. Cet essai, basé sur la

norme ASTM D1883-92 : «Standard Test Method for CBR of Laboratory-Compacted Soils», a pour

objectif d’identifier l’indice de portance Californien, un paramètre qui permet d’évaluer la

résistance et la portance des matériaux granulaires. Il constitue un essai de laboratoire fréquemment

utilisé en construction routière (Holtz et Kovacs, 1981). Cet essai consiste à soumettre un

échantillon de sol à un chargement axial qui est transmis par un piston normalisé et qui s’enfonce

dans l’échantillon à vitesse constante (figure 20).

Figure 20: Essai CBR

L’interprétation de l’indice de portance californien s’effectue à l’aide d’un graphique pression-

pénétration où les contraintes pour des pénétrations de 2,54 mm (0,1 pouce) et 5,08 mm (0,2 pouce)

sont mesurées. Les graphiques pression-pénétration, associés à chacune des granulométries du

grauwacke (CN, CS), sont présentés à la figure 21.

47

Figure 21: Graphiques pression-pénétration correspondant à l'essai CBR pour le grauwacke CN

(gauche) et le grauwacke CS (droite)

Les valeurs de CBR0,1 et CBR0,2 déterminées pour le grauwacke sont présentées au tableau suivant.

Les autres valeurs présentées au proviennent des données de Bilodeau (2009).

Tableau 12 : Valeurs de CBR

Paramètres CBR0,1/0,2

Sources \ Unités -

Grauwacke CN 210/272

Grauwacke CS 116/155

Gneiss granitique CS 128/163

Calcaire CS 104/131

Basalte CS 106/135

4.4.2 Module réversible (MR)

L’essai de module réversible, basé sur la norme LC 22-400 (MTQ 2007), consiste à solliciter un

échantillon en cellule triaxiale à plusieurs états de contraintes et à trois degrés de saturation

différents, afin d’observer l’effet du degré de saturation (SR).

L’échantillon de sol a été compacté à une teneur en eau de 2% au-dessus de la valeur d’absorption.

Une fois la compaction ciblée atteinte, l’échantillon a été scellé par une membrane serrée et fixée

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Pre

ssio

n (M

Pa)

Pénétration (mm)

Essai CBR - Grauwacke CN

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Pre

ssio

n (M

Pa)

Pénétration (mm)

Essai CBR - Grauwacke CS

48

aux deux plateaux de chargement par des joints toriques. Des géotextiles et des papiers filtres ont

été insérés entre l’échantillon et les plateaux à chacune des extrémités afin d’assurer une meilleure

diffusion de l’eau sur la surface de l’éprouvette et d’empêcher l’infiltration des particules fines dans

le montage cellulaire. Des capteurs de déplacement positionnés sur l’éprouvette ont permis de

mesurer l’évolution des déformations radiales et axiales au cours de l’essai. La figure 22 illustre le

montage utilisé au laboratoire des chaussées du MTQ, à Québec.

Avant d’être soumis aux trois états de saturation, l’échantillon doit être conditionné. Lors du

conditionnement, l’échantillon est soumis à une contrainte de confinement et une contrainte

déviatorique de 105 kPa pour 10 000 cycles. Le chargement est d’une durée de 0,1 seconde et le

temps de repos de 0,9 seconde, ce qui correspond à une fréquence de 10 Hertz. Par la suite,

l’échantillon est testé à trois teneurs en eau différentes : teneur en eau optimale, saturée et drainée.

Pour chacune de ces teneurs en eau, l’échantillon est sollicité à une série d’états de contraintes

(confinement-déviateur), présentée au tableau 13. Chacun des états de contraintes est appliqué 60

fois. Les temps d’impulsion et de repos sont de 1 seconde, ce qui correspond à une fréquence de 1

Hertz.

Tableau 13 : États de contraintes appliqués lors de l’essai de module réversible

Contrainte de confinement

σ3 (kPa)

Contrainte déviatorique

σd (kPa)

20

20

40

60

35

35

70

105

70

70

140

210

105

70

105

210

140

105

140

280

49

.

Figure 22: Montage de la cellule triaxiale, utilisé pour l'essai de module réversible, disponible au

laboratoire des chaussées du MTQ

Le module réversible a été analysé et modélisé en fonction de la contrainte totale θ (kPa) selon

l’équation suivante:

23

24

où c1 et c2 correspondent aux paramètres de l’échantillon, MR au module réversible, σd à la

contrainte déviatorique et σ3 à la contrainte de confinement.

50

La figure 23 présente les graphiques MR-θ pour le grauwacke CN (gauche) et le grauwacke CS

(droite).

Figure 23: MR (MPa) en fonction de la contrainte totale θ (kPa) pour le grauwacke CN (gauche) et

CS (droite)

Les courbes supérieures en rouge décrivent les relations obtenues pour la condition initiale imposée

à la compaction, tandis que les traits bleus et verts, correspondent aux états saturé et drainé.

Les valeurs de module réversible obtenues lors de l’essai en condition initiale semblent être plus

élevées que celles obtenues en conditions saturée et drainée. Peu importe la granulométrie du

mélange granulaire, les modules en condition saturée démontrent des valeurs inférieures à celles

obtenues en condition initiale.

Ces graphiques permettent également d’observer d’autres conclusions, notamment l’effet de la

granulométrie sur le module réversible du matériau granulaire. En effet, dans le cas du grauwacke,

un mélange granulaire d’une granulométrie fine, comme le CS, donne des valeurs de module

réversible plus faibles que le mélange plus grossier (CN). Cette observation concorde avec celles de

Thom et Brown (1987), selon qui, la valeur du module réversible diminue avec l’augmentation des

particules fines. La présence en grande quantité de particules fines dans les pores repousse les gros

granulats, diminue les contacts entre les particules et diminue le MR (Jorenby et Hicks (1986), tiré

de Bilodeau (2009)).

Les paramètres c1, c2 et SR associés aux graphiques de la figure 23 et les principaux résultats des

essais de module réversible sont présentés dans le tableau 14.

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800

Mo

du

le r

éver

sib

le, E

r (M

Pa)

Contrainte totale, θ (kPa)

Saturation : 15 %

Saturation : 89 %

Saturation : 35 %0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800

Mo

du

le r

éver

sib

le, E

r (M

Pa)

Contrainte totale, θ (kPa)

Saturation : 22 %

Saturation : 89 %

Saturation : 44 %

Grauwacke CN Grauwacke CS

51

Tableau 14: Résultats des essais de module réversible

État SR (%) c1(MPa) c2 R² RMSE

Grauwacke

CN

Initial 15 135,6 0,999 0,99 19

Saturé 89 93,1 0,931 0,99 14

Drainé 35 90,4 0,941 1,00 11

Grauwacke

CS

Initial 22 98,9 1,043 0,99 19

Saturé 89 69,9 0,948 0,99 13

Drainé 44 62,1 0,874 1,00 10

*Gneiss

granitique

CS

Initial 21 90,3 0,951 0,99 23

Saturé 96 78,0 0,724 0,99 16

Drainé 72 78,1 0,713 0,99 12

*Calcaire

CS

Initial 22 132,9 1,465 0,95 69

Saturé 96 93,3 1,386 0,96 58

Drainé 54 107,9 1,381 0,96 54

*Basalte

CS

Initial 19 83,3 0,986 0,98 30

Saturé 89 68,0 0,933 0,99 22

Drainé 38 66,0 0,932 0,99 19

*Données provenant de Bilodeau (2009)

Il est à noter que les valeurs associées au gneiss granitique CS, au calcaire CS et au basalte CS

proviennent de Bilodeau (2009).

Les analyses et l’interprétation des résultats se baseront sur les valeurs de MR obtenues en condition

saturée pour une contrainte totale de 400 kPa (tableau 15). Ceci permet d’isoler l’effet de la

granulométrie et de la source granulaire sans tenir compte de l’influence de la teneur en eau et de

l’état de contraintes. À cette condition, la succion matricielle est nulle et n’a pas d’effet sur l’état de

contraintes.

Tableau 15 : Module réversible

Paramètre MR 400 sat

Sources \ Unité (MPa)

Grauwacke CN 442

Grauwacke CS 411

Gneiss granitique CS 368

Calcaire CS 648

Basalte CS 438

52

4.4.3 Essai de compression triaxiale en condition drainée (CD)

Des essais en compression triaxiale, réalisés en condition drainée, ont permis de déterminer l’angle

de friction interne apparent (’app.) des MG. Chacune des sources granulaires a été soumise à une

contrainte déviatorique constante de 20 kPa.

Les sols ont été compactés à wopt et ρdopt dans un moule de compaction de 102 mm de diamètre et de

202 mm de hauteur. Les procédures de préparation utilisées sont similaires à celles appliquées lors

de l’essai du module réversible (membrane, papier filtre, etc.). L’échantillon a ensuite été confiné à

l’intérieure de la cellule triaxiale et saturé jusqu’à l’obtention d’un ̅ minimum de 0,80. Le ̅

correspond au rapport entre la pression interstitielle ressentie à la base de l’échantillon par rapport à

une pression de confinement appliquée en condition de drainage fermé. Les pressions sont mesurées

par des capteurs de pression et traitées par un système d’acquisition. Le contrôle des pressions

s’effectue par un système mural. Ce montage, conçu par Christian Juneau, technicien expert en

géotechnique, est illustré à la figure 24.

Durant les essais triaxiaux, les échantillons ont été sollicités à une contrainte déviatorique de 20

kPa. Les graphiques présentés à la figure 25 montrent les courbes q- ε obtenues pour chacun des

matériaux testés.

Figure 24: Montage cellulaire pour l'essai de compression

Le tableau suivant présente les angles de friction apparents déterminés pour chacun des essais.

53

Tableau 16: Angles de friction apparent

Paramètre φ’app.

Sources \ Unité (°)

Grauwacke CN 71

Grauwacke CS 69

Gneiss granitique CS 65

Calcaire CS 65

Basalte CS 70

Figure 25 : Courbes q- ε obtenues pour chacune des sources de MG-20 testées selon un σd de 20 kPa

0 2 4 6 8

0

200

400

600

800

Calcaire CS

0 2 4 6 8

0

200

400

600

800

Grauwacke CN

Grauwacke CS

0 2 4 6 8

0

200

400

600

800

Gneiss granitique CS

0 2 4 6 8

0

200

400

600

800

Basalte CS

q (

kP

a)

(%)

54

4.5 Microanalyse

Les essais en laboratoire ont permis, jusqu’à présent, de déterminer les principaux paramètres et

propriétés physiques et mécaniques des matériaux granulaires. Puisque cette étude s’intéresse, entre

autres, à l’effet de la composition minéralogique sur les déformations permanentes, il est important

de caractériser qualitativement celle-ci et d’identifier les phases minéralogiques pour chacune des

sources granulaires.

Ce type de caractérisation a été réalisé à l’aide de trois instruments : le microscope optique, le

diffractomètre à rayonnements X (DRX) et le microscope électronique à balayage (MEB). Étant

donné que le gneiss granitique, le calcaire et le basalte ont déjà été analysés dans le cadre du projet

de fin d’études de Marcil (2009), le projet visait à réaliser les microanalyses uniquement sur le

grauwacke.

4.5.1 Microscope optique

Le microscope optique est l’instrument qui est généralement le plus utilisé et le moins couteux. Il

permet de faire l’étude pétrographique de la roche, notamment de déterminer les phases

minéralogiques, leur proportion, la forme des minéraux et le type de matrice cimentaire de la roche.

La figure 26 montre plusieurs exemples d’images pétrographiques photographiées. Il est possible

d’observer sur l’image A que les particules du grauwacke sont majoritairement composées de

quartz et de plagioclases. Quelques grains comportent également de la muscovite. Cette roche

sédimentaire est également composée de grains de calcite, identifiable en B. Une grande quantité de

microcline a également été examinée à maintes reprises (D). Il est difficile de déterminer la

composition minéralogique exacte de la matrice cimentaire, cependant il a été possible d’identifier

la présence de chlorite (C). Une diffraction aux rayonnements X a été nécessaire pour déterminer la

composition exacte de cette matrice.

La figure 27 montre la morphologie des particules de 2,5 mm de diamètre du grauwacke. Sur

l’image de gauche, les grains sont considérés comme étant angulaires, tandis que ceux observés sur

l’image de droite sont plutôt définis comme étant subarrondis et arrondis.

55

Figure 26: Images pétrographiques, en lumière polarisée (A, B et D) et en lumière naturelle (C),

illustrant les plagioclases (albite), la muscovite, le quartz (A), la calcite (B), la matrice composée de

chlorite et d’argile (C) et de la microcline (D)

Au total, six phases ont été identifiées pour le grauwacke : le quartz, l’albite, la microcline, la

muscovite, la chlorite, et la calcite. En majorité, les particules sont composées de quartz (30% -

40%), de feldspaths (15%) et de micas (5%). La proportion des grains anguleux observés est de

90% versus 10% pour des grains arrondis. Il est intéressant d’observer que les particules anguleuses

sont celles qui contiennent principalement du quartz, tandis que les grains arrondis sont associés à

des fragments lithiques.

Concernant les trois autres sources granulaires, Marcil (2009) a relevé plusieurs observations. Les

particules grossières du gneiss granitique sont composées d’un assemblage de phases

minéralogiques, nommée polyminéralogique. Cet assemblage disparaît lorsque la taille des grains

s’approche d’environ 0,160 mm. Dans ce cas, le gneiss est caractérisé comme étant

monominéralogique.

Plagioclases

Quartz

0.5 mm

Muscovite

A B

DC

56

Le basalte et le calcaire présentent une composition plutôt homogène (Marcil 2009).

Figure 27: Images pétrographiques relevées par le stéréobinoculaire où l'image de gauche démontre

des particules angulaires et l'image de droit des particules subarrondies

Bien que la plupart des phases de la source granulaire puissent être définies lors des observations

microscopiques, les analyses effectuées à l’aide d’un DRX sont requises pour confirmer la

composition minéralogique de l’échantillon, en plus de connaître les principales composantes de la

matrice.

4.5.2 Diffraction aux rayons X (DRX)

La diffraction aux rayons X est une méthode d’analyse qui est utilisée uniquement pour l’étude des

matières cristallines. Le diffractomètre à rayons X (figure 28) permet d’obtenir des renseignements

sur la structure du minéral, d’identifier les différentes phases présentes dans la roche analysée et de

déterminer de manière semi-quantitative la composition minéralogique de l’échantillon à l’étude

(Duchesne 2007). L’appareil appartient au département de géologie et de génie géologique ainsi

qu’au département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux et est situé au laboratoire

de microanalyse de l’Université Laval.

Une préparation spécifique de l’échantillon est requise pour le traitement à la diffractométrie aux

rayons X. Tout d’abord, il est important de transformer les granulats en poudre de roche. Ceci peut

se faire à l’aide d’un marteau et d’un mortier. Cependant, un pré-concassage peut s’avérer

nécessaire si le matériau est trop grossier. Les fragments de roche préconcassés doivent donc être

insérés à l’intérieur d’un petit contenant avec 3 billes composées de carbure de tungstène. Ce

contenant scellé est ensuite inséré à l’intérieur d’un broyeur de type «Spex» illustré à la figure 29 B.

57

La machine est mise en marche pendant une durée de deux minutes, où le contenant est agité de

manière à ce que les billes situées à l’intérieur désagrègent la roche jusqu’à l’obtention d’une

poudre d’une granulométrie inférieure à 80 microns. La poudre obtenue est ensuite déposée à

l’intérieur d’un porte-échantillon et une plaque de verre poreuse est déposée à la surface du petit

récipient pour uniformiser la surface. Il est important de s’assurer que la surface de la poudre soit au

même niveau pour maximiser la précision des résultats. Toutefois, le fait d’uniformiser à l’aide de

cette petite plaque peut influencer l’orientation des particules et les mettre dans une direction

préférentielle, ce qui fausse les résultats. Il est donc important de saupoudrer légèrement de la

poudre en surface. Une fois l’uniformité atteinte, le porte-échantillon est inséré à l’intérieur du

diffractomètre et est prêt à être analysé.

Le principe de cette technique est d’évaluer la distance entre les plans d’atomes de chacun des

éléments à la suite d’un bombardement de rayons X. Cette distance est définie comme étant la

distance réticulaire (d). Les rayonnements X sont propagés selon un angle Ɵ par un tube à

rayonnement.

Figure 28: Diffractomètre à rayons X

58

Figure 29: Étapes de la préparation de l'échantillon au DRX A) préconcassage B) séance de broyage

C) accessoires

Lorsque les rayons X entrent en contact avec la matière cristalline, ils sont diffractés avec la même

valeur d’angle indicent et sont captés par le détecteur. L’interprétation des résultats est possible

grâce à un système d’acquisition. Les résultats sont présentés par un spectre démontrant le nombre

de «count» en fonction de l’angle 2Ɵ. Le nombre de «count» représente l’énergie définie par le

nombre de photons réfléchis / unité de surface / unité de temps.

La durée totale du traitement est d’environ une heure. La diffraction a été effectuée sur un intervalle

de 2Ɵ variant de 2 ° à 63 °, où chacune des mesures d’angle prend environ 1,2 seconde de

traitement. La radiation est effectuée à l’aide d’une lampe de cuivre projetant une longueur d’onde

(λ) de 1.54059. Sachant les valeurs de λ et de Ɵ, il est possible de déterminer la valeur de la distance

réticulaire à l’aide de la loi de Bragg définie par l’expression suivante :

25

où λ correspond à la longueur d’onde définie par la lampe, d à la distance réticulaire entre les deux

plans atomiques et Ɵ à l’angle de diffraction des rayonnements X.

Lors de l’analyse du spectre, il est important de faire un premier filtrage pour éliminer au maximum

le bruit de fond. La structure interne ainsi que les substances cristallines du minéral sont

déterminées par les différents pics affichés sur le spectromètre. Chaque composante minéralogique

59

possède un patron de raies respectif. Il faut donc attribuer chaque pic obtenu à la phase

correspondante. La base de données utilisée pour déterminer les raies principales correspondantes à

chacune des phases est Webmineral, disponible sur internet. Toutefois, cette méthode peut s’avérer

complexe et longue lorsque plusieurs phases sont présentes. Dans ce cas, le logiciel Jade facilite

grandement la recherche. Les analyses et interprétations réalisées au laboratoire du DRX ont été

faites avec la collaboration de Monsieur Jean Frenette, technicien en travaux d’enseignement et de

recherches. Le spectre obtenu pour le grauwacke est illustré à la figure 30.

Le premier élément déterminé est le quartz avec une raie très forte en intensité, représentée par le

pic 17. Ses raies principales ont des distances réticulaires de 3,3426 A, 4.2519 A et 2.4534 A. Les

autres éléments nécessitaient toutefois une recherche un peu plus active. En tout, sept phases ont été

déterminées sur le spectre : le quartz (SiO2), l’albite (NaAlSi3O8), la chlorite (Mg, Fe)6(Si,

Al)4O10(OH)8, la microcline (KAlSi3O8), l’illite (K,H3O)AL2Si3AlO10(OH)2, la phlogopite

(KMg3(Si3Al)O10(OH)2 et la calcite (CaCO3). Le tableau 17 synthétise les phases composant le

grauwacke définies par le microscope et le DRX, avec leurs raies respectives et leur intensité

relative (chiffre entre parenthèses).

60

Figure 30: Diffractomètre du grauwacke

Tableau 17: Composition minéralogique du grauwacke

Phases Formule chimique Raie

principale Raie secondaire Raie tertiaire

Quartz SiO2 3,34 (100) 4,26 (20) 1,82 (0,14)

Albite NaAlSi3O8 3,18 (100) 3,21 (30) 3,75 (30)

Chlorite (Mg,Fe)6(Si,Al)4)O10(OH)8 4,56 (100) 15 (70) 4,97 (45)

Microcline KAlSi3O8 3,29 (100) 3,24 (96) 4,23 (58)

Illite (K,H3O)Al2Si3AlO10(OH)2 4,43 (100) 2,56 (85) 3,66 (40)

Phlogopite KMg3(Si3Al)O10(OH)2 9,99 (100) 2,61 (53) 3,38 (33)

Calcite CaCO3 3,04 (100) 2,10 (18) 2,29 (18)

*Muscovite KAl2[(OH,F)2(AlSi3O10)] 3,22 (100) 9,95 (95) 2,57 (55)

*Observée au microscope seulement

61

L’illite et la phlogopite possèdent toutes deux un spectre très similaire, ce qui rend difficile la

différenciation du minéral. Cependant, il ne faut pas rejeter l’idée qu’il est possible de rencontrer

ces deux minéraux en même temps dans une roche sédimentaire.

Selon Marcil (2009), le basalte contient du clinochlore (Mg,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8, de l’illite

(K,H3O)Al2Si3AlO10(OH)2, de la calcite CaCO3, de l’augite (Si,Al)O6(Ca,Mg,Fe,Ti,Al)2 et des

amphiboles. L’ajout de glycérol a provoqué un gonflement, ce qui indique que le basalte est

composé d’argile gonflant dans la portion fine granulométrique (Marcil, 2009).

Pour sa part, le calcaire est composé de calcite CaCO3, de quartz SiO2, d’illite

(K,H3O)Al2Si3AlO10(OH)2, de la smectite (Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2nH2O et de l’ankérite

Ca(Fe,Mg, Mn)(CO3)2 (Marcil 2009).

Finalement, le chlinochlore (Mg,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8, l’albite NaAlSi3O8, la biotite K(Mg,

FE)3(OH,F)2(Si3ALO10), l’orthose KALSi3O8, l’anorthite (Ba,Ca,Na,K,NH4)(Al,B,Si)4O8, la

microcline (KAlSi3O8) et le quartz SiO2 sont les principaux composants du gneiss granitique

(Marcil 2009).

4.5.3 Microscope électronique à balayage

La troisième technique d’analyse utilisée est le microscope électronique à balayage (figure 31). Le

but de son utilisation est de décrire qualitativement la morphologie, la topographie, la forme, le

relief et la porosité des particules granulaires en visionnant des images captées en trois dimensions.

Il permet également de relever certains éléments chimiques.

62

Figure 31: Microscope électronique à balayage

Le MEB est une technique qui est basée sur le principe d’interaction entre les électrons et la matière.

Une cathode émet des électrons qui sont ensuite propulsés vers l’échantillon. Les électrons entrent

en contact avec le matériau et ce dernier réagit. Il existe plusieurs types de rayonnements : rayons

X, photons, électrons primaires, électrons secondaires, électrons rétrodiffusés et électrons transmis.

Chaque rayonnement permet d’effectuer des manipulations précises. L’analyse chimique des

éléments et les observations des images se font grâce à ces différents faisceaux diffractés. Les

électrons primaires permettent d’obtenir l’analyse chimique, tandis que les électrons secondaires

sont nécessaires pour la construction des images à haute résolution en trois dimensions. Pour que

ces électrons puissent être éjectés de l’échantillon, ils doivent être émis près de la surface. C’est

pourquoi ils sont utilisés pour l’analyse de la topographie des matériaux. Ce type d’électron est

détecté par un scintillateur qui transforme une partie de l’énergie de l’électron absorbé en lumière

(photons) pour être ensuite retransformé en image.

Le microscope et le DRX ont permis de caractériser la fraction grossière du grauwacke et

déterminer la matrice granulaire. Le MEB a permis d’observer la portion fine de la source. Les

tailles de particules étudiées sont le 2,5 mm, le 0,630 mm, le 0,315 mm, le 0,160 mm, le 0,080 mm

et la portion inférieure à 0,080 mm. Il est important de préciser que ce type d’analyse ne peut

63

permettre de déterminer la composition minéralogique de la source granulaire, mais permet

d’identifier la quantité et le type d’éléments chimiques présents.

Le MEB nécessite une préparation particulière de l’échantillon. Tout d’abord, une série de petits

collants ont été appliqués sur une pastille plaquée or, correspondant aux endroits où les différentes

particules ont été déposées. Ces collants permettent d’appliquer un film de colle sur la pastille pour

immobiliser les particules.

Pour qu’un échantillon puisse être analysé par le MEB, il doit obligatoirement être conducteur. Pour

ce faire, il suffit d’appliquer une mince couche composée d’or et de palladium sur la surface de

l’échantillon. Ce processus s’effectue par une machine spécialement adaptée. Le MEB peut

également analyser des lames minces, à condition que celles-ci aient également subi un traitement

de conductivité.

Le traitement des données est effectué à l’aide de deux logiciels : «Spirit» et «Orion», qui sont des

logiciels d’analyses et de traitement d’images.

4.5.4 Les principales observations

Les granulats du grauwacke possèdent généralement une microtexture à la fois rugueuse et lisse, ce

qui concorde bien avec la nature du granulat (sédimentaire), mais aussi à son mode de production

(concassage). Les images reportées à la figure 32 montrent bien cette différence où en A, il est

possible d’observer une microtexture rugueuse et en B une surface lisse. Les images situées en-

dessous correspondent aux agrandissements des carrés montrés en A et en B.

64

Figure 32: Images obtenues par le logiciel «Orion» démontrant la microtexture des particules

granulaires du grauwacke : A) relief rugueux (25 mm/20X), B) relief lisse (25 mm/25X)

Des images relevées des travaux de Marcil (2009) ont permis de comparer la microtexture des

particules granulaires pour chacune des sources. La figure 33 illustre ces microtextures pour une

grosseur de particule de 0,630 mm de diamètre, pour chacune des sources étudiées, agrandit à une

échelle de 20X. Il est possible de remarquer que le calcaire et le basalte semblent posséder un relief

un peu plus rugueux que les deux autres qui semblent posséder une surface plus lisse et clivée.

Étonnamment, la forme des particules pour le gneiss granitique semble être similaire aux trois

autres et montre des particules angulaires.

A

A

B

B

65

Figure 33: Images captées par le MEB: 0,630 mm /20X

La figure 34 illustre, la morphologie des grains de dimension inférieure à 80 μm. La grande

majorité des grains (90%) sur cette figure varient de subanguleux à anguleux (A). Le 10% restant

est composé de particules arrondies (B et C). Une analyse a été effectuée sur les feuillets identifiés

en C. La teneur en titane et en fer confirme la présence d’ilménite, tandis que les autres éléments

semblent définir un feldspath. L’explication de cette composition serait qu’un grain de feldspath

aurait été enrobé par des minéraux argileux, d’où les feuillets. Une lame mince a également été

préparée et analysée afin de comparer les résultats obtenus d’une particule à surface naturelle à ceux

d’une particule à surface polie. Les images recueillies sont très différentes de celles récoltées

précédemment. Dans ce cas-ci, les images n’offrent pas des images en trois dimensions, mais bien

une image en noir, gris et blanc. Les observations effectuées sur les lames minces permettent de

déterminer les minéraux selon leur densité respective. Un minéral dense apparaîtra très clair (blanc)

et un minéral léger sera très foncé (noir). La figure 35 montre les images obtenues par le MEB de la

lame mince polie. La figure de gauche montre un grossissement de 20X où il est possible

66

d’observer une grande quantité de minéraux de quartz, représentés par les taches noires, tandis que

la figure de droite illustre un grain de feldspath qui a été rempli par de la calcite. Leur composition a

été déterminée à l’aide du spectre d’éléments chimiques.

Figure 34: Images captées par le MEB

Figure 35: Analyse d'une lame mince par le MEB

4.5.5 Identification de la source granulaire

Avant d’être identifié, le grauwacke était défini comme étant un grès cristallin. Les résultats de

caractérisation obtenus démontrent que le grès étudié est en fait une roche détritique communément

A

B

B Feldsp

ath

Calcite

Quartz

A

B

B

C D

C

Ilménite

+

Feldspath

D

67

appelée un grauwacke. Le grauwacke appartient au groupe des Wakes qui sont en fait des roches

sédimentaires détritiques composées de grains et de minéraux de dimensions variant de 50 microns

à 2 mm, ce qui correspond à la grosseur des fragments de roche et des minéraux observés. Les

grauwackes sont caractérisés comme étant des granulats de grès très sombres causés principalement

par la composition de la matrice (chlorite et illite). La différence entre un grès et un grauwacke se

détermine par la proportion de la matrice présente à l’intérieur des granulats. La source étudiée

présente une proportion supérieure à 15% du volume total des granulats. C’est pourquoi il est

possible de confirmer qu’il s’agit bel et bien d’un grauwacke. De plus, selon Hébert et al. 1994, le

grauwacke est typiquement composé d’un sable composé principalement de quartz, de feldspath et

de matériaux lithiques, ce qui est également le cas pour cet échantillon.

4.6 Analyse des résultats de caractérisation et conclusion

L’essai de coefficient d’écoulement permet de donner un bon indice sur la forme et la rugosité des

particules granulaires. Le gneiss granitique est le matériau granulaire qui a enregistré la valeur de

coefficient d’écoulement la plus faible avec 78,64. Le calcaire, le grauwacke et le basalte suivent

avec des valeurs correspondantes à 80,39, 85,93 et 90,39. Le basalte est le MG qui semble montrer

la plus grande résistance de friction. Son angle de friction interne apparent est de 70,02 °, tandis que

les trois autres sources granulaires ont enregistré des valeurs de φ’app. de 68,85 °, de 64,94 ° et de

64,84 ° pour le grauwacke, le calcaire et le gneiss granitique respectivement. C’est le gneiss

granitique qui enregistre les valeurs de coefficient d’écoulement et de φ’app. les plus faibles. De plus,

sa résistance à l’attrition (Los Angeles) obtenue est de 44%, et de 16% pour le Micro-Deval, ce qui

fait de lui le matériau le moins résistant à la fragmentation et à l’usure. Les valeurs de Los Angeles

calculées pour le grauwacke, le calcaire et le basalte sont de 28%, de 21% et de 12%

respectivement, tandis que leur pourcentage d’usure est de 14%, 18% et de 10%. Les valeurs

obtenues pour le basalte confirment encore une fois la qualité des granulats basaltiques. Il est

important de noter que le gneiss granitique est facturé à 72% et non à 100%, comme les trois autres

matériaux étudiés, ce qui peut expliquer les résultats moins élevés des essais de caractérisation

obtenus.

L’essai CBR et l’essai de module réversible ont également donné des résultats intéressants et qui

montrent, encore une fois la performance du calcaire et du basalte, s’ils sont comparés au gneiss

granitique. Les valeurs de CBR (CBR0,1/0,2) enregistrées sont de 104/131, 106/135, 116/155, 128/163

68

pour le calcaire, le basalte, le grauwacke et le gneiss granitique respectivement. Les valeurs de MR

enregistrées sont de 647,70 kPa pour le calcaire, de 438,10 kPa pour le basalte, de 410,80 kPa pour

le grauwacke et de 367,60 kPa pour le gneiss granitique. Bien qu’aucune relation mathématique ne

permet d’évaluer le comportement plastique à long terme des matériaux granulaires, les propriétés

mécaniques et physiques déterminées dans ce chapitre permettent de donner une première idée sur

le comportement plastique de chacune des sources.

Les essais de caractérisation en laboratoire ont permis de caractériser les sources granulaires

étudiées et d’émettre des hypothèses sur leur performance mécanique. D’après les résultats de

résistance enregistrés, le calcaire et le basalte devraient être les matériaux qui devraient le mieux

performer en déformation permanente et le gneiss granitique devrait être susceptible à

l’accumulation de déformation permanente. Cependant, aucune conclusion ne peut être confirmée à

ce stade. Des essais de déformation permanente en laboratoire devront être réalisés pour évaluer le

comportement plastique à long terme des sources granulaires. Ces essais sont présentés au prochain

chapitre.

La diffractométrie aux rayons X et le microscope électronique à balayage sont des méthodes

complémentaires et ont permis d’augmenter le niveau de précision de la caractérisation des

matériaux. Ils ont permis de caractériser la matrice cimenteuse du grauwacke qui était plus difficile

à analyser au microscope optique. Les traitements et les analyses ont permis de ressortir la

composition minéralogique du grauwacke et ce, autant pour les grosses particules que pour la

portion fine. Ces instrumentations ont également permis d’observer la morphologie des grains

(texture, forme et angularité) pour chacune des grosseurs des particules, ce qui a permis de

confirmer plusieurs résultats de caractérisation. En tout, huit phases ont été diagnostiquées pour le

grauwacke : le quartz, l’albite, la chlorite, la muscovite, la microcline, l’illite, l’ilménite et la calcite.

69

CHAPITRE 5

DÉFORMATION PERMANENTE MESURÉE EN

LABORATOIRE - MÉTHODOLOGIE

Le chapitre précédent a permis de relever les principales caractéristiques physiques et mécaniques

des sources à l’étude. Il ne reste qu’à les soumettre aux essais de déformation permanente afin

d’évaluer leur comportement plastique à chacune des conditions environnementales imposées. Pour

ce faire, deux appareils de laboratoire ont été utilisés : une presse UTM hydraulique à chargement

axial répété (condition triaxiale) et un simulateur à charge roulante.

Ce chapitre est divisé en deux sections. La première partie décrit la préparation des échantillons et

les montages triaxiaux préparés pour chacune des conditions environnementales soumises en

condition triaxiale. La seconde partie présente le fonctionnement du simulateur SimUL, la

préparation et le montage de l’échantillon et les instruments de mesure utilisés. Les deux appareils

utilisés se trouvent au laboratoire de géotechnique routière de l’Université Laval.

Au total, 17 échantillons ont été testés en condition triaxiale et un seul échantillon a été testé au

simulateur.

5.1 Essai de déformation permanente en condition triaxiale

L’essai en condition triaxiale est une méthode en laboratoire qui est fréquemment utilisée pour

évaluer le comportement plastique des MG dans un temps raisonnablement court. L’application

cyclique des contraintes déviatoriques se fait de façon axiale et ponctuelle sur l’échantillon

permettant ainsi de simuler les passages répétés des véhicules lourds sur la chaussée. Il ne considère

toutefois pas l’effet de la rotation des contraintes, un phénomène associé au déplacement du pneu

sur la chaussée. La presse hydraulique UTM utilisée pour la réalisation des essais de déformation

permanente a déjà été montrée à la figure 12, au chapitre 2.

Les études réalisées jusqu’à maintenant ont relevé qu’il existait un effet de l’état de contraintes

appliqué, du type de matériau granulaire utilisé, de la variation de la teneur en eau et du nombre

d’applications de charge sur les εp. Cependant, peu considèrent l’effet de la variation des saisons.

70

Le tableau 18 présente les conditions environnementales imposées durant les essais. Le grauwacke

CS, le calcaire CS, le gneiss granitique CS et le basalte CS ont été testés selon trois conditions

environnementales : en condition de teneur en eau optimale (wopt), en condition saturée et en

condition de gel et dégel drainée (GDD). Des essais supplémentaires de gel et dégel testés en

condition non drainée (GDND) ont également été effectués sur le gneiss granitique CS et sur le

calcaire CS. Afin d’évaluer l’effet de la granulométrie sur εp, le grauwacke a été testé selon deux

granulométries différentes, la CN et la CS, décrites au quatrième chapitre. Il est à noter que pour

chacune des conditions environnementales soumises, un nouvel échantillon a été préparé et testé

selon les mêmes états de contraintes.

Tableau 18: Essais de déformation permanente réalisés en condition triaxiale

Conditions/

Sources granulaires

Optimale Saturée Saturée/gel/dégel

drainée

Saturée/gel/dégel

non drainée

Grauwacke CN X X X

Grauwacke CS X X X

Calcaire CS X X X X

Gneiss granitique CS X X X X

Basalte CS X X X

5.1.1 Paramètres imposés

Les échantillons ont été soumis à une contrainte déviatorique et une pression de confinement

constantes de 100 kPa et de 20 kPa respectivement pour chacune des conditions environnementales

décrites précédemment. Le choix de ces valeurs est basé sur les travaux réalisés par Schwarz (2009)

et est représentatif des sollicitations rencontrées dans la partie supérieure d’une fondation de

chaussée flexible typique au Québec. Au total, 100 000 applications de charges, à une fréquence de

2 hertz, ont été appliquées sur chacune des éprouvettes préparées. Tout au long de l’essai, le

chargement axial a suivi une fonction de forme haversine (figure 36).

71

Figure 36: Fonction de forme haversine (tirée de LC 22-400 (MTQ 2007))

5.1.2 La préparation des échantillons testés en condition de teneur optimale

La préparation des échantillons pour les essais réalisés en condition triaxiale est basée sur la norme

LC 22-400 :«Détermination du module réversible et du coefficient de poisson réversible des

matériaux granulaires à l’aide d’une cellule triaxiale à chargement déviatorique répété ». Le MG

humidifié est compacté à son optimum Proctor à l’intérieur d’un moule de compaction en acier

inoxydable de 152,4 mm de diamètre, en sept couches uniformes de 43 mm d’épaisseur. La hauteur

totale visée est de 300mm. Cependant, des difficultés de compaction ont mené à des hauteurs

pouvant aller jusqu’à 313mm.

La compaction a été effectuée à l’aide d’un marteau vibrant de type HILTI TE 505 relié à une tête

de compactage pleine de 150 mm de diamètre (figure 37). L’équipement nécessaire à la compaction

de l’échantillon est illustré à la figure 38.

72

Figure 37: Marteau vibrant de type HILTI TE 505

Figure 38: Équipements utilisés lors de la préparation de l'échantillon

L’échantillon compacté a ensuite été démoulé et déposé sur le plateau inférieur de la cellule

triaxiale. Il s’agit d’un plateau perforé par de petits trous permettant le drainage de l’échantillon. Un

plateau supérieur, également perforé, est déposé au-dessus de l’échantillon. Ces deux plateaux

possèdent des tuyaux de drainage indépendants l’un de l’autre.

73

Deux papiers filtres et un géotextile tissé d’un diamètre de 150 mm ont été mis entre l’échantillon et

les plateaux. Le papier filtre, en contact avec l’échantillon, empêche la remontée des particules fines

à l’intérieur du montage, tandis que le géotextile tissé, mis entre les papiers filtres et les plateaux,

améliore la dispersion de l’eau sur la surface de l’échantillon. L’échantillon a ensuite été enveloppé

par une membrane étanche en latex. Puis, de la graisse de silicone a été appliquée entre les plateaux

et la membrane (figure 39). Des joints toriques (« O-rings ») en caoutchouc mis autour des plateaux

ont permis de bien sceller les extrémités de l’échantillon et d’assurer l’étanchéité.

Une fois les tuyaux de drainage connectés, la cellule est fermée et une pression de confinement

statique de 20 kPa, régularisée par un tableau mural contenant une échelle de mercure (figure 40),

est appliquée.

Figure 39: Application de la graisse de silicone afin de maximiser l'étanchéité de l'échantillon

Deux capteurs de déplacement de type LVDT (Linear variable differential transformer) sont

positionnés à 180 degrés l’un par rapport à l’autre au-dessus et à l’extérieur de la cellule triaxiale

(figure 40). Ils permettent de mesurer les déformations verticales accumulées lors de l’essai de

déformation permanente. Les essais au gel nécessitent l’utilisation de laine minérale sur le pourtour

de l’échantillon et empêchent l’installation des capteurs de déplacement directement sur

l’éprouvette due à un espace restreint. C'est pourquoi ils ont été mis à l’extérieur de la cellule.

Quatre échantillons ont été préparés et testés à cette condition : le grauwacke CN, le grauwacke CS,

le calcaire CS et le basalte CS. Le gneiss granitique CS a, quant à lui, été expérimenté dans le cadre

des études entreprises par Schwarz (2009).

74

Figure 40: Contrôle mural au mercure pour la pression de confinement (gauche) et capteurs

électroniques (droite)

5.1.3 La préparation des échantillons testés en condition saturée

Les étapes de préparation dans ce cas-ci sont similaires à celles expliquées en condition optimale.

Toutefois, une étape supplémentaire s’ajoute. Il s’agit de l’étape de la saturation, qui est basée sur la

norme LC 22-400. Après avoir bien étanchéifié l’échantillon et refermé la cellule, la pression de

confinement appliquée en condition optimale a été à nouveau imposée (20 kPa). La saturation de

l’échantillon a été réalisée grâce à un réservoir d’eau connecté à la base du montage cellulaire et à

une pompe à vide reliée à la tête qui permet de générer une succion de 50 kPa dans l’échantillon.

Elle permet de retirer au maximum l’air présent à l’intérieur des pores de la structure granulaire.

Cette succion est mesurable grâce à un capteur de pression positionné à la base de l’échantillon

(figure 41).

Lorsque la valeur de succion voulue est atteinte, la valve d’entrée d’eau, connectée à la base, est

légèrement ouverte afin de régulariser un débit entrant de 10 grammes d’eau par minute. La figure

42, tirée de Bilodeau (2009), illustre bien le processus de saturation réalisé. L’évolution de l’entrée

d’eau est mesurée grâce à une balance sur laquelle la cellule triaxiale est déposée (figure 41). Une

fois l’échantillon saturé, le niveau d’eau est stabilisé au centre de la hauteur totale de l’échantillon

pour éliminer le phénomène de pompage d’eau en tête de l’échantillon lors de l’essai (figure 42 D).

75

Figure 41: Montage cellulaire lors de la saturation

Figure 42: Processus de saturation (tiré de Bilodeau (2009))

76

Quatre échantillons de sol ont été préparés et testés en condition saturée. Le gneiss granitique a été

expérimenté par Schwarz (2009).

5.1.3.1 La préparation des échantillons testés en condition saturée, gelée,

dégelée et drainée et non drainée

Contrairement aux deux autres préparations, celle-ci doit être réalisée sur une période de plusieurs

jours et nécessite des équipements supplémentaires comme : un bain thermique, une chambre

environnementale et un nouveau montage cellulaire (figure 43). Comme pour les deux conditions

précédentes, les échantillons doivent être compactés et saturés. Cependant, le niveau d’eau doit être

stabilisé au tiers de la hauteur plutôt qu’à la mi-hauteur de l’échantillon, pour éviter que le gel se

propage dans le montage cellulaire. Le plateau supérieur utilisé dans ce cas-ci est différent et a été

adapté pour simuler une progression de gel uniaxiale (du haut de l’échantillon vers le bas), grâce à

un circuit fermé qui permet de faire circuler un liquide refroidisseur de type antigel en continu par

la tête de chargement (figure 44). Lors du gel, le liquide refroidisseur a été ajusté à -8°C par un bain

thermique positionné à proximité de la cellule. Des connecteurs additionnels ont permis la

circulation du liquide de refroidissement vers la cellule.

Figure 43: Équipements supplémentaires nécessaires à la préparation d'un essai de gel/dégel

77

Figure 44: Illustration du circuit interne présent à l'intérieur du plateau placé en tête de l'échantillon

lors des essais en condition de gel

La figure 45 illustre le montage conçu pour cette condition d’essai. Une thermistance placée à

environ 2,5 cm de la base de l’échantillon permet de mesurer la température et estimer la

progression du gel dans l’échantillon (figure 46 A). Cette thermistance est maintenue sur

l’échantillon par une membrane en caoutchouc supplémentaire ajoutée lors de la préparation. Une

sonde également positionnée en tête permet d’évaluer la température de l’air dans la cellule

triaxiale. L’échantillon a ensuite été enveloppé par de la laine minérale. Puis, la cellule a été placée

à l’intérieur d’une chambre environnementale tempérée à 5°C (figure 46 B et C), ce qui réduit

l’écart thermique avec l’échantillon et facilite le contrôle de la température. Le soulèvement au gel a

été mesuré grâce aux capteurs de déplacement positionnés au-dessus de la cellule triaxiale. La

période de gel est considérée terminée lorsque la thermistance indique une valeur de 0.00°C. Dès

lors, le liquide situé à l’intérieur du bain thermique est régularisé à une nouvelle température de 6°C

pour débuter le processus de dégel. Pour ce qui est de la chambre environnementale, elle conserve

sa température de départ tout au long du cycle (5°C). L’échantillon est prêt à être testé lorsqu’il est

complètement dégelé.

La méthode de préparation des échantillons utilisée pour les essais en condition non drainée

s’effectue de la même façon qu’en condition drainée. Cependant, lors de la phase de sollicitation

(après le dégel), toutes les valves ont été fermées afin d’empêcher l’entrée et la sortie d’eau.

78

Figure 45: Montage de la cellule triaxiale en condition de gel et dégel (tirée de Bilodeau et al.

(2011))

Figure 46: Équipements utilisés lors de l’essai au gel/dégel A) thermistance B) laine minérale c)

chambre environnementale

79

Le tableau 19 résume les principaux paramètres physiques obtenus lors de la préparation des

échantillons. Il présente la hauteur totale, en mm, le degré de saturation (SR), la porosité (n), la

masse volumique sèche (ρd) ainsi que le degré de compaction obtenus pour chacun des échantillons

préparés (ρd /ρdmax) et ce, pour chacune des conditions environnementales.

Il est possible d’observer qu’une certaine difficulté a été éprouvée lors de la compaction de certains

échantillons, notamment le basalte, où les hauteurs varient entre 301 mm à 315 mm. Les degrés de

compacité obtenus varient, quant à eux, de 93,0% et 95,2%. Ces niveaux de compacité ne sont pas

souhaitables dans ce type d’étude, puisqu’un degré de compacité faible entraine des répercussions

directes sur εp (Barksdale 1972).

Il faut toutefois noter que la compaction des échantillons s’est effectuée à l’aide d’un marteau

vibrant différent du marteau de compaction du type Proctor modifié. Or, selon Bilodeau (2009), un

marteau vibrant ne peut offrir un aussi bon réarrangement des particules s’il est comparé à celui

obtenu par le marteau mécanique Proctor. Ainsi, comme la compaction des échantillons est réalisée

avec une technique de compactage ne permettant pas d’obtenir un arrangement des particules aussi

compact que la technique de compactage utilisée comme référence pour le calcul de la compacité, il

n’est pas atypique d’obtenir des compacités inférieures à 95% dans le cas de certains échantillons.

Le gneiss granitique CS a été à l’inverse le matériau offrant la moins grande résistance au

compactage. Les degrés de compaction obtenus varient entre 98,4% et 99,5%. Le gneiss granitique

comporte un pourcentage de fracturation (% FR) de 72%, tandis que les autres matériaux possèdent

un % FR de 100%. Or la résistance des MG est directement influencée par la forme des particules et

le %FR des granulats (Pan et Tutumler 2006), ce qui concorde également avec les résultats de

caractérisation obtenus au quatrième chapitre. La modélisation des résultats et l’analyse de ceux-ci

sont présentées au prochain chapitre.

80

Tableau 19: Tableau récapitulatif des paramètres physiques des échantillons préparés pour les essais

de déformation permanente en condition triaxiale

Paramètres Hauteur SR n ρd ρd /ρdmax

Unités (mm) (%) (%) (kg/m³) (%)

Sources Conditions

Grawacke

CN

wopt 300 50,7 15,6 2239 97,3

saturé 306 92,1 16,2 2224 96,7

GDD 301 92,3 13,5 2296 99,8

Grauwacke

CS

wopt 302 53,3 17,3 2241 99,2

saturé 297 69,1 21,2 2135 94,5

GDD 301 65,2 16,9 2250 99,6

Gneiss

granitique

CS

wopt 297 48,9 18,6 2156 99,5

saturé 297 88,1 19,5 2132 98,4

GDD 297 90,0 18,8 2150 99,2

GDND 297 86,5 18,7 2156 99,5

Calcaire CS

wopt 305 56,2 15,8 2190 96,5

saturé 307 92,4 14,8 2215 97,7

GDD 305 98,8 14,9 2213 97,6

GDND 297 88,9 14,5 2223 98,0

Basalte CS

wopt 301 52,3 20,8 2203 93,4

saturé 315 85,7 21,2 2193 93,0

GDD 313 84 19,2 2245 95,2

5.2 Déformation permanente évaluée à l’aide du simulateur à

charge roulante SimUL

Le deuxième appareil de laboratoire utilisé pour mesurer les déformations permanentes accumulées

dans un échantillon de MG est le simulateur à charge roulante. Dans ce cas-ci, il ne s’agit pas de

préparer un échantillon cylindrique, mais bien de reproduire une structure de chaussée flexible

typique en modèle réduit, dans une cuve prévue à cet effet.

La préparation de l’échantillon est très différente de celle présentée en condition triaxiale. Plusieurs

simulations dans un logiciel de calculs multicouche linéaire élastique ont été nécessaires afin de

déterminer les paramètres d’essais, les types de matériaux à utiliser pour chacune des couches et

81

l’épaisseur des différentes couches de l’échantillon. De plus, afin de solliciter l’échantillon à une

pression de contact standard, une calibration du simulateur était requise. Le fonctionnement et la

description du simulateur ainsi que la préparation de l’échantillon et la méthode de prise de mesure

sont également des points abordés dans cette section.

Un seul échantillon a été préparé et testé au simulateur à charge roulante. L’échantillon a été soumis

à trois conditions environnementales, une après l’autre, ce qui a permis d’évaluer une déformation

permanente par paliers.

5.2.1 Description et fonctionnement du simulateur

Le SimUL mesure 2,5 m de haut, 2,75 m de long et 1,25 m de largeur. Il est installé à l’intérieur

d’une chambre froide. Il est doté d’une roue suspendue à un système de rail et de poulie, permettant

de faire un mouvement constant d’aller-retour. La vitesse maximale atteinte par le simulateur est de

6 km/h. Le temps que prend la roue pour faire un seul passage est d’environ 1,5 seconde. En plus de

faire des allers et venues dans le sens de la longueur, le système a la capacité de se déplacer de

façon transversale, grâce à un rail de déplacement. La figure 47 illustre le simulateur qui inclut; le

bâtit, la cuve contenant l’échantillon, les rails de déplacements longitudinaux et transversaux ainsi

que le système d’application de charge (identifiés de 1 à 5 respectivement) (Juneau et Pierre 2008).

Le rail de déplacement transversal permet à la roue d’osciller de part et d’autre du centre, de

manière à suivre une loi normale. La vitesse de déplacement transversale, dans ce cas-ci, est de

l’ordre du millimètre par passage. La figure 48 est un schéma qui montre bien la région globale

balayée par la roue lors de l’essai, ce qui correspond à une superficie d’environ 8100 cm². La région

la plus foncée correspond à l’endroit où le passage de la roue y est plus fréquent soit, au centre de

l’échantillon, tandis que la zone grise coïncide avec les passages moins fréquents. Une photo de la

surface de l’enrobé bitumineux balayée par la roue après 150 000 cycles est présentée à la figure 49.

82

Figure 47: Schéma du simulateur mécanique et climatique, tirée de Juneau et Pierre (2008)

Figure 48: Surface balayée par la roue lors d'un essai au simulateur

1) Bâtit

2) Cuve contenant l’échantillon de route

3) Rail de déplacement transversal

4) Rail de déplacement longitudinal

5) Système d’application de charge

83

Figure 49: Surface balayée par la roue (section luisante) sur l'échantillon après 150 000 cycles

La cuve dans laquelle l’échantillon est compacté mesure 1,8 m de long, 0,6 m de hauteur et 0,6 m

de largeur. Le pneu utilisé a un diamètre de 460 mm et une largeur de 150 mm, ce qui correspond à

une roue plus petite mais de largeur similaire aux roues conventionnelles utilisées par les véhicules

lourds. Le SimUL possède également un système d’application de charge composé d’un ballon situé

au-dessus de la roue du simulateur. La charge appliquée sur la surface de l’échantillon est

directement contrôlée par la pression interne du ballon (figure 50). Ainsi, plus la pression dans le

ballon est élevée, plus la charge transmise par la roue sur la surface de l’échantillon est grande.

Figure 50: Système de charge: le ballon et la roue

84

5.2.2 Conception de l’échantillon et paramètres imposés

L’ornière formée à la surface d’une chaussée flexible peut être directement influencée par le type de

matériaux granulaires utilisés dans la fondation. Une bonne façon de diminuer l’accumulation de

déformation permanente dans les structures granulaires est d’utiliser un granulat de bonne qualité

recouvert d’une couche de revêtement plus épaisse. Plus la couche d’enrobé est épaisse, plus la

contrainte transmise à la fondation est faible et moins les structures granulaires se déformeront à

long terme (Werkmeister et al. 2004). Cependant, une utilisation abusive d’enrobé bitumineux dans

les projets de conception fait augmenter les coûts de construction, ce qui n’est pas très souhaitable.

Donc, un dimensionnement adéquat est préférable. Pour ce faire, il existe un logiciel permettant

d’analyser des systèmes multicouches linéaires élastiques. Il s’agit du logiciel WINJULEA. Ce

dernier a été utilisé afin de dimensionner l’échantillon de chaussée. Les analyses ont permis de

déterminer les épaisseurs des couches et les matériaux à utiliser pour obtenir une structure de

chaussée conforme en fonction des contraintes du projet. Pour ce faire, plusieurs paramètres

d’entrées ont été introduits dans le logiciel WINJULEA comme la charge, la pression de contact, le

coefficient de poisson, le module élastique du matériau et l’épaisseur de chacune des couches.

La structure de la chaussée, le type et la configuration des pneus, la distance entre les essieux, le

type de suspension du véhicule et la vitesse à laquelle le véhicule roule ont un effet sur le niveau

d’agressivité transmis à la chaussée. Le nombre d’ÉCAS (équivalent de charge axiale simple) est

une mesure qui permet de représenter l’agressivité d’un véhicule sur la surface d’une chaussée. Un

essieu simple standard muni de pneus en configuration jumelée qui transfère une charge de 80 kN à

la surface de la route est considéré comme un standard en mécanique de chaussées. Alors, en

considérant une charge totale de 80 kN par essieu, on peut distribuer cette charge sur chacune des

paires de pneus jumelés et obtenir une charge de 40kN par paire de pneus, ce qui correspond à une

charge de 20 kN par pneu. Un pneu standard possède un rayon de 75mm. Ainsi, en considérant une

charge appliquée de 20 kN par pneu, il est possible de calculer la pression de contact standard qui

est de 565 kPa à l’aide de la relation suivante :

26

85

où Pc correspond à la pression de contact du pneu, Q à la charge appliquée sur la surface de la

chaussée, en kN, et A, à la l’aire de contact en m².

Puisque l’objectif principal de cet essai est de mesurer l’accumulation de déformation permanente

uniquement dans la couche de fondation, nous avons utilisé des matériaux d’infrastructure résistants

ayant un comportement essentiellement élastique. L’utilisation de dalles de béton et d’un morceau

de caoutchouc s’est avérée être le meilleur choix selon les calculs réalisés. Cependant, nous

considérons que l’ensemble des dalles peut être soumis à de petites déformations permanentes qui

ne peuvent être prises en compte dans l’analyse. Toutefois, nous avons pris plusieurs précautions

afin d’éviter des mouvements importants. Les dalles ont été mises en contact les unes sur les autres

avec du sable afin de favoriser la stabilité et remplir les joints. De plus, avant d’ajouter la couche de

caoutchouc, les dalles ont été compactées. Il est important de noter qu’à cette profondeur, les

contraintes transmises sont beaucoup plus faibles, ce qui fait que les tassements sont minimisés. De

plus, la couche de caoutchouc installée sur les dalles de béton compactées permet d’absorber

quelques mouvements.

Le choix du module réversible proposé dans le logiciel est de 100 000 MPa pour les dalles de béton

et de 2 MPa pour le caoutchouc. Cette dernière couche permet d’obtenir une déflexion sous la

couche de fondation comparable à celle attendue sur une chaussée réelle dans la sous-fondation sans

permettre l’accumulation de déformation permanente à ce niveau. Les épaisseurs calculées sont de

260 mm pour les dalles de béton et de 25 mm pour le caoutchouc. La fondation, composée d’un

MG-20 non lié, doit avoir une épaisseur de 245 mm et posséder un module réversible d’environ

250 MPa. Finalement, la couche d’enrobé bitumineux doit avoir une épaisseur de 50 mm et le

module réversible estimé pour ce matériau est de 2500 MPa. Cet assemblage de couches permet

d’obtenir une déflexion de 0,2 mm au sommet de la couche d’infrastructure (caoutchouc dans le cas

du montage), une valeur de déflexion typique observable dans le cas des chaussées flexibles au

Québec. La charge imposée est de 20 kN et la surface de contact est de 0,017671 m², ce qui

correspond à un rayon équivalent de 75 mm pour la roue, ce qui donne une pression de contact de

1131 kPa. La pression de contact résultante transmise par deux pneus jumelés est donc de 565 kPa.

L’aire de contact d’un pneu sur la surface de la chaussée est influencée par plusieurs facteurs : les

dimensions du pneu, la pression de gonflage dans le pneu et la charge appliquée. En plus d’être un

facteur important pour la sécurité des usagers de la route, une mauvaise pression interne du pneu

86

peut endommager davantage la surface de la chaussée. De plus, une variation de l’aire de contact

provoque un changement direct de la pression de contact.

Afin de pouvoir connaître et contrôler les charges et les pressions de contact appliquées par le

simulateur sur l’échantillon, il a été nécessaire, dans un premier temps, de calibrer le ballon et le

pneu du simulateur. L’aire de contact a été, quant à elle, déterminée grâce à des empreintes de pneu.

Ainsi, en sachant l’aire de contact et la charge appliquée, il est possible de déterminer la pression de

contact.

Au total, six empreintes de pneu ont été effectuées pour évaluer l’aire de contact. Les pressions de

gonflage utilisées pour le pneu ont été de 552 kPa (80 PSI) et de 621 kPa (90 PSI), tandis que les

pressions dans le ballon testées ont été de 69 kPa (10 PSI), de 207 kPa (30 PSI) et de 345 (50 PSI).

Pour produire ces empreintes, de la peinture noire a été vaporisée sur la surface extérieure du pneu

qui a ensuite été appuyé et mis en charge sur un carton blanc positionné perpendiculairement à

l’axe vertical de la roue (figure 51).

Figure 51: Processus de prise d'empreinte

La figure 52 montre les différentes empreintes obtenues pour les différentes pressions de gonflage

testées. Les empreintes de pneu ont été dessinées à l’aide du logiciel d’analyse d’images, IMAGEJ,

qui a également permis de calculer les aires de contact.

Les aires de contact calculées sont de 95,068 cm², de 151,762 cm² et de 191,790 cm² pour des

pressions pneu-ballon de 552-69 kPa (80-10 PSI), de 552-207 kPa (80-30 PSI) et de 552-345 kPa

87

(80-50 PSI), et de 69,068 cm², de 136,130 cm² et de 186,885 cm² pour des pressions pneu-ballon de

621-69 kPa (90-10 PSI), de 621-207 kPa (90-30 PI) et de 621-345 kPa (90-50 PSI) respectivement.

Une fois les aires de contact déterminées, il ne reste plus qu’à estimer la charge appliquée par le

système pour chacune de ces pressions, pour pouvoir évaluer la pression de contact. Pour estimer la

charge appliquée par le pneu, une calibration du ballon a été nécessaire. La pression de gonflage du

ballon est en relation directe avec le poids appliqué sur la roue. Alors, une cellule de charge, reliée à

un système d’acquisition, a été positionnée directement en-dessous du pneu du simulateur (figure

53). Ce capteur a permis de mesurer la charge transmise, en kN, par le pneu pour les différentes

pressions dans le ballon. Ainsi, une augmentation de la pression dans le ballon, par incréments de 5

PSI, a permis de mesurer la charge appliquée pour chacune des pressions appliquées. Le graphique

présenté à la figure 54 montre la relation entre la pression à l’intérieur du ballon et le poids appliqué

sur le pneu.

Le tableau 20 montre la charge, l’aire de contact, la pression de contact et la déflexion calculées

pour chacune des pressions de gonflage expérimentées. Le choix des pressions dans le ballon et le

pneu a été fait dans le but d’obtenir deux paramètres précis :

une pression de contact de 565 kPa et

une mesure de déflexion de 0,2mm au-dessus de la couche d’infrastructure.

Puisque la pression d’air du système est reliée directement à la pression d’air de la bâtisse, il se

crée une instabilité lorsque la pression d’air est supérieure à 586 kPa (85 PSI). Il est donc

préférable d’utiliser une pression de gonflage dans le pneu de 552 kPa (80 PSI) afin d’assurer une

stabilité des pressions appliquées et d’obtenir des résultats représentatifs et précis.

Pour pouvoir atteindre la pression de contact de référence désirée, les pressions de gonflage doivent

être réglées à 552 kPa (80 PSI) dans le pneu et à 138 kPa (20 PSI) dans le ballon. La pression de

contact obtenue est de 569,23 kPa. La valeur de déflexion n’a toutefois pas pu être atteinte. La

mesure obtenue dans ce cas-ci est de 0,03780 mm. La charge appliquée par le pneu est de 6,95 kN

et non pas 20 kN comme sur un pneu standard. Par contre, une pression de contact similaire à une

charge standard est obtenue dû à la surface de contact du pneu du simulateur qui est plus petite. À

noter que la configuration des charges et de la structure utilisée dans cet essai permet d’avoir des

pressions verticales de l’ordre de 100 kPa au tiers-milieu de la fondation, comme pour les essais

88

triaxiaux. De plus, il est important de considérer que le simulateur est un modèle réduit et présente

un effet d’échelle.

Figure 52: Aires de contact calculées pour une pression interne de 552 kPa (80 PSI) et de 621 kPa

(90 PSI) dans le pneu pour des pressions de gonflage de 69 kPa (10 PSI), 207 kPa (30 PSI) et 345

kPa (50 PSI) à l’intérieur du ballon

Ballon : 207 kPa (30 PSI)

Pneu : 552 kPa (80 PSI)

Aire de contact : 151.762 cm²
















89

Figure 53: Capteur de pression positionné en-dessous de la roue

Figure 54: Calibration du ballon du simulateur mécanique pour un pneu gonflé à 552 kPa (80 PSI)

0 20 40 60 80Pression du ballon (psi)

0

4

8

12

16

20

24

Ch

arg

e a

pp

liqu

ée

(kN

)

Mesures obtenues

Régression de calibration

y = 0.2636 x + 1.7306

R² = 0.999

90

Tableau 20: Paramètres de calibration du ballon

5.2.3 Construction de l’échantillon

Les matériaux utilisés pour la construction de l’échantillon sont, de la base de la cuve vers le haut :

des dalles de béton, du caoutchouc, du grauwacke (MG-20) et de l’enrobé bitumineux. Dans un

premier temps, les dalles de béton ont été insérées à l’intérieur de la cuve. Afin de faciliter leur mise

en place, un trou au centre de chacune des dalles a été percé afin de pouvoir y insérer un ancrage

(figure 55). Une à une, les dalles de béton ont été déposées au fond de la cuve grâce à un système

de transport à rails et à chaînes. Au total, 15 dalles de béton ont été superposées en trois colonnes de

cinq dalles chacune.

Du sable d’une granulométrie inférieure au tamis 1,25 mm a été mis entre les dalles pour améliorer

la stabilité des dalles. Une fois la stabilité obtenue et le tout mis au niveau, la plaque de caoutchouc

a été déposée par-dessus. Deux membranes de géotextile ont été utilisées. La première a été

installée au fond de la cuve, en-dessous des dalles de béton, la deuxième au-dessus de la plaque de

caoutchouc.

552 69 4,289 0,0095 451,2 0,05501 0,0235

552 103 5,618 0,0110 511,0 0,05916 0,0307

552 138 6,946 0,0122 569,2 0,06232 0,0378

552 172 8,275 0,0134 617,0 0,06534 0,0449

552 207 9,603 0,0152 632,8 0,06950 0,0520

552 345 14,917 0,0192 777,9 0,07813 0,0800

621 69 4,289 0,0070 615,8 0,04709 0,0236

621 103 5,618 0,0087 646,2 0,05260 0,0309

621 138 6,946 0,0102 683,8 0,05686 0,0380

621 172 8,275 0,0116 711,9 0,06083 0,0451

621 207 9,603 0,0136 705,4 0,06583 0,0521

621 345 14,917 0,0187 798,2 0,07713 0,0633

Rayon

(m²)

Déflexion

(mm)

Pression dans

le ballon (kPa)

Charge

(kN)

Pression dans

le pneu (kPa)

Aire de contact

(m²)

Pression de contact

(kPa)

91

Figure 55: Intérieur de la cuve: système de drainage, ancrage et dalle de béton

La source granulaire utilisée est le grauwacke. Il s’agit de la même source granulaire utilisée dans le

cas des essais en condition triaxiale. Le grauwacke a été compacté sur la couche de caoutchouc à

l’aide du même marteau vibrant utilisé en condition triaxiale. La fondation a été compactée en trois

couches égales d’environ 80 mm d’épaisseur à une teneur en eau moyenne de 3,7%. Une fois la

fondation complétée, trois plaques en acier ont été positionnées de manière longitudinale sur une

ligne centrale sur la couche de fondation (figure 56). Ces plaques servent de repères pour la prise de

mesure des ornières. Lors de l’essai, les plaques auront tendance à suivre le mouvement de la

déformation dans la fondation. La fondation et les plaques ont ensuite été recouvertes par une

couche d’enrobé bitumineux de type EB10-S. Une fois l’enrobé refroidit, sept trous ont été percés à

travers la couche de revêtement. Trois trous ont été percés au-dessus de chacune des plaques et

deux trous ont été percés à chacune des extrémités de la cuve. Ceux-ci permettent de faire évacuer

l’air contenu dans l’échantillon en plus de favoriser la saturation de l’échantillon (figure 57).

La figure 58 illustre un schéma de l’échantillon placé dans la cuve. Cette figure montre les quatre

couches structurales composant l’échantillon de chaussée : des dalles de béton sur 261 mm

d’épaisseur, une couche de caoutchouc de 24,5 mm d’épaisseur ainsi qu’une fondation composée de

MG-20 de 245 mm. Le tout recouvert d’enrobé bitumineux de 55 mm d’épaisseur. Les petits

rectangles en rouge montrent la disposition des plaques en acier correspondant aux endroits où les

déformations verticales ont été prises.

Trous pour le drainage

Dalle de bétonAncrage

92

Figure 56: Disposition des plaques sur la couche de fondation

Figure 57: Disposition des trous percés dans l'enrobé bitumineux

93

Figure 58: Schéma de l'échantillon de chaussée

5.2.4 Système de contrôle et système de sécurité

Avant de mettre en marche le simulateur, il est important de bien ajuster les pressions de gonflage

du pneu et du ballon aux valeurs exigées. Les pressions sont contrôlées par des valves situées à

l’extérieur de la chambre froide, à l’intérieur d’un boîtier de contrôle (figure 59). Cette boîte

contient un bouton de mise en marche, un bouton d’arrêt et un bouton d’urgence. Elle est également

munie d’un compteur situé dans la partie inférieure droite, qui permet de suivre l’évolution des

passages de la roue.

L’image droite de la figure 59 montre l’intérieur de la boîte de contrôle qui est composée d’un

système de régularisation de pression. Des cadrans permettent de lire les pressions imposées.

Toutefois, la lecture reste imprécise. C'est pourquoi des capteurs de pression directement reliés aux

valves et à un système d’acquisition permettent de faire une meilleure lecture (cercle en pointillés).

Lorsque les pressions internes sont stabilisées, la roue peut ensuite être descendue jusqu’à ce qu’elle

touche l’échantillon.

Le simulateur est muni d’un système de sécurité. Il est entouré d’un grillage avec de petits capteurs

de contact qui permettent de bloquer l’activation du système lorsque ce dernier est mal installé.

Enrobé: 55 mm

MG-20: 245 mm

Caoutchouc: 24,5 mm

Dalles: 261 mm

Plaques en acier

94

Trois boutons d’urgence sont également mis à disposition dont deux à l’intérieur de la chambre

froide et un sur le panneau extérieur de la boîte de contrôle. L’électricité s’active avec un bras de

courant situé à l’extérieur de la chambre froide. Celui-ci est mis sous cadenas, afin de maximiser la

sécurité des utilisateurs.

Figure 59: Panneau de contrôle extérieur (gauche) et intérieur (droite)

5.2.5 La prise de mesures et les conditions environnementales mises à l’essai

L’échantillon a été soumis à trois conditions différentes : teneur en eau de compactage, saturée et

soumis à un cycle de gel et dégel, testé en condition drainée. Pour chacune des conditions

environnementales, l’échantillon a été sollicité à 50 000 passages de roue pour un total de 150 000

passages de roue. Après les 50 000 premiers passages, l’échantillon a été saturé de bas en haut par

vase communiquant. Une fois la saturation complétée, le niveau d’eau a été stabilisé à la mi-hauteur

de la fondation. Ensuite, l’échantillon a été soumis à nouveau à 50 000 passages de roue, toujours

avec la même pression de contact. Durant ces deux essais, la chambre froide a été tempérée à 22°C.

Lorsqu’il est venu le temps de geler l’échantillon, le niveau d’eau a été descendu au tiers de la

hauteur de la fondation et la chambre froide a été tempérée à -11°C. Cette température a été

conservée pendant 3 jours afin de s’assurer que la chaussée soit complètement gelée. Le processus

de dégel a également pris trois journées entières.

95

Les déformations verticales dans la fondation et l’orniérage total en surface ont été mesurés

manuellement. Les mesures d’ornière ont été prises à 20 endroits différents en surface de l’enrobé,

tandis que les déformations verticales ont été mesurées aux trois endroits où les plaques en aciers

ont été positionnées. Afin d’avoir une meilleure idée générale de l’endroit où les prises de mesure

ont été effectuées, un schéma a été dessiné et est présenté à la figure 60. Les carrés noirs et les croix

rouges déterminent les endroits où la collecte des données de déformations verticales et de

l’orniérage de surface ont été prises respectivement. L’orniérage à la surface de l’enrobé a été

mesurée à l’aide d’un triangle à ornière (figure 61 B), tandis qu’un vernier de 300 mm a permis

d’évaluer les déformations verticales (figure 61 A). Les mesures ont été prises à 45 reprises soit,

aux cycles 0, 50, 100, 200, 350, 500, 1000, 2000, 3500, 5000, 10 000, 20 000, 30 000, 40 000 et

50 000 de chacune des conditions environnementales.

Figure 60 : Vue en plan de la prise de mesure

96

Figure 61: Instrumentation utilisée pour mesurer A) la déformation verticale (vernier) et B)

l’ornière totale (triangle à ornière)

L’analyse et la modélisation des résultats obtenus sont présentées au prochain chapitre.

97

CHAPITRE 6

ANALYSE ET MODÉLISATION DES RÉSULTATS

Le présent chapitre traite de la modélisation et de l’analyse des résultats de déformation permanente

obtenus en conditions triaxiales et au simulateur à charge roulante. Avant de débuter la lecture de ce

chapitre, il est important de mentionner que les lettres minuscules a, b, c et d sont associées aux

paramètres du modèle de Dresden, tandis que les lettres majuscules A, B et C correspondent aux

domaines associés à la théorie du Shakedown.

6.1 Modélisation des résultats

La littérature suggère plusieurs modèles mathématiques qui permettent de représenter le

comportement en déformation permanente. Plusieurs d’entre eux ont été décrits et discutés au

deuxième chapitre. Cependant, aucun des modèles présentés ne considère l’effet des changements

de saisons. De récents travaux réalisés par Schwarz (2009) ont démontré que le modèle de Dresden,

basé sur le modèle de Hurmann (1999), pouvait convenir pour ce genre d’expérimentation à cause,

notamment de sa capacité à prendre en compte la phase de rupture. Le modèle de Dresden est une

relation exponentielle et est présenté par l’équation suivante :

(

)

( (

) )

27

où : : déformation permanente accumulée à N cycles

a : accumulation de déformation permanente après 1000 cycles

b : taux de déformation à long terme

c et d : paramètres de rupture

e : constante de Néper

N : nombre d’applications de charge (cycles)

Le premier terme de l’équation caractérise le comportement en déformation permanente à long

terme. Il est composé des paramètres a qui représente la déformation permanente à 1000 cycles et b,

qui représente le taux de déformation permanente à long terme. Le deuxième terme décrit le

98

comportement à la rupture et regroupe les paramètres c et d. Le paramètre c est associé à la rapidité

de la rupture et d à l’intensité de la rupture. (figure 62). En plus de représenter le comportement en

déformation permanente d’un MG en fonction du nombre de cycle de chargements, le modèle de

Dresden considère la phase de rupture.

Figure 62: Représentation des paramètres du modèle de Dresden dans un graphique εp-N

6.1.1 Exemple de modélisation

La figure 63 montre un exemple d’une modélisation réalisée à l’aide du modèle de Dresden. Il

s’agit du grauwacke CN qui a été testé en condition optimale sous chargement triaxial.

La meilleure façon de représenter le comportement plastique à long terme d’un MG est de mettre

sous forme graphique, le pourcentage de déformation permanente (εp) en fonction du nombre

d’applications de charge (N) (figure 63). Sur cette figure, les croix représentent l’évolution de la

déformation plastique mesurée, tandis que la courbe pleine décrit la modélisation des résultats par la

méthode de Dresden. Cette régression, suivant une loi de puissance, permet de déterminer les

paramètres du modèle. Il est important lors de la modélisation d’éliminer les 100 premiers cycles

pour ne pas considérer, dans la déformation totale, l’ajustement des plateaux sur l’échantillon du

MG qui se produit au début de l’essai (Paute 1988; Paute et al. 1996). Ces premiers cycles servent

plutôt à une restructuration des particules granulaires dans l’échantillon. Les déformations

99

accumulées lors des 100 premiers cycles peuvent être associées, entre autres, aux diverses

imperfections de l’éprouvette engendrées lors de la préparation de l’échantillon.

Figure 63: Exemple de modélisation par Dresden sur le grauwacke CN en condition optimale

Dans cet exemple, les valeurs calculées pour les paramètres a et b sont de 0,5117 et de 0,0493

respectivement. Le premier paramètre donne une bonne idée de l’état de la phase de post-

compaction. Un mélange granulaire bien compacté aura une valeur de a plus faible qu’un matériau

moins densifié. Dans cet exemple, il est impossible de déterminer les paramètres c et d

puisqu’aucune phase de rupture n’a été observée au courant de l’essai.

Une approche utile présentée au second chapitre, connue sous le nom de «Shakedown», permet de

classifier le comportement d’un MG. Cette classification permet d’évaluer le comportement à long

terme d’un MG et de donner un bon indice sur la vulnérabilité de l’échantillon à la rupture. Il suffit

de faire la différence entre le pourcentage de déformation permanente accumulée au cycle 5000

avec celui obtenu au cycle 3000. Tout dépendant de la valeur obtenue, le matériau se classe selon

trois comportements ou domaines : A, B et C. Les valeurs associées à chacun de ces domaines ont

déjà été présentées au chapitre 2 dans le tableau 3.

Dans le cas de l’exemple illustré à la figure 63, les valeurs de εp5000 et de εp3000 obtenues sont de

0,5652 et de 0,5540, et donne une différence de 0,1168*10-3

mm/mm, ce qui correspond à un

comportement associé au domaine B. La déformation à long terme aura donc tendance à augmenter

de manière continue pour atteindre éventuellement la phase de rupture. L’exemple montré à la

0 50000 100000N

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

p1

(%)

Résultats obtenues

Modélisation par Dresden

Grauwacke CN - Optimale

a = 0.5117b = 0.0493

a

b

𝜺𝒑𝟏 = 𝒂(

𝑵

𝟏𝟎𝟎𝟎)𝒃

+ 𝒄 (𝒆𝒅(

𝑵𝟏𝟎𝟎𝟎

) 𝟏)

a: Post compaction

b: Taux de εp à long terme

100

figure 62 semble bien correspondre à ce type de domaine, bien que la phase de rupture n’ait pas

encore été atteinte.

Lorsque la phase de rupture est atteinte, la courbe définie par les résultats se présente selon une

fonction complexe qui rend impossible l’identification des paramètres de Dresden par une simple

régression de puissance. Pour les déterminer, il a fallu faire appel à la méthode de calcul itérative

minimisant l’erreur quadratique moyenne. Il s’agit de déterminer les paramètres a, b, c et d qui

modélisent le mieux les résultats et où la racine carrée des résidus moyens est la plus faible (Gilbert

et Savard 1992).

6.2 Résultats des essais triaxiaux : Effet de la source

Pour évaluer l’effet de la composition minéralogique sur les déformations permanentes, quatre

sources granulaires différentes, reconstituées selon une même granulométrie (CS), ont été soumises

à des essais de déformation permanente en conditions triaxiales. Chacun des échantillons préparés a

été sollicité aux mêmes états de contraintes (σd =100 kPa, σ3=20 kPa, N=100 000). Tous les résultats

obtenus en condition triaxiale ont été modélisés à l’aide du modèle mathématique de Dresden.

La figure 64 permet d’avoir une belle représentation graphique de l’ensemble des modélisations en

condition triaxiale. Le graphique supérieur-gauche présente les courbes de modélisation obtenues en

conditions de teneur en eau optimale, le graphique supérieur-droit montre celles obtenues en

conditions saturées, tandis que les graphiques inférieurs gauche et droit montrent les courbes

associées aux essais de déformation permanente pour les échantillons qui ont été soumis à un cycle

de gel et dégel ainsi que testés en conditions drainées (GDD) et en conditions non drainées

(GDND).

L’interprétation des courbes s’effectue généralement dans un graphique εp-N, où εp est donné en

pourcentage (%). Les courbes rouge, verte, noire et bleue correspondent au gneiss granitique CS, au

grauwacke CS, au basalte CS et au calcaire CS respectivement. Les conditions optimale, saturée et

GDD ont été soumis à l’ensemble des sources étudiées, tandis que seuls le gneiss granitique CS et le

calcaire CS ont été testés en condition non drainée.

101

Figure 64: Effets de la source granulaire et des conditions environnementales sur la déformation

permanente à long terme

6.2.1 Résultats - Condition triaxiale

En général, le gneiss granitique CS est le matériau qui performe le moins bien pour chacune des

conditions environnementales. Il atteint la phase de rupture dans 3 des 4 conditions. Il est important

de noter que le gneiss granitique est le MG qui a obtenu le module réversible le plus faible avec une

valeur de module de 368 MPa, l’angle de friction interne le plus faible avec un angle de 65° et est le

seul qui a un %FR inférieur à 100% (72%).

Selon les résultats observés, le matériau qui semble le mieux performer à long terme est le calcaire

CS. Le basalte CS semble lui aussi avoir un bon comportement. Les données provenant de Bilodeau

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

p1(%

)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

0 50000 100000

N

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

p1(%

)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

wopt

GDDε p(%

)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80Saturée

Gneiss granitique CS

Grauwacke CS

Basalte CS

Calcaire CS

0 50000 100000

N

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80GDND

102

(2009) montrent également un bon comportement en élasticité avec des valeurs de module

réversible de 648 MPa et de 438 respectivement.

Dans le cas du grauwacke CS, il développe une certaine déformation permanente à long terme sans

toutefois atteindre la phase de rupture (wopt et GDD). Cependant, en condition saturée, il rupture dès

les premières applications de charge, ce qui est particulier puisqu’il n’a pas été soumis à un cycle de

gel et dégel. Cependant, il faut souligner que le degré de compaction obtenu lors de la préparation

de l’échantillon est de 94,5%, ce qui peut expliquer ce comportement, contrairement à des degrés de

compaction de 99,2% et 99,6% pour les deux autres conditions. Ce fait peut aussi être expliqué par

les travaux de Bilodeau et al. (2011) qui ont montré que le fait de soumettre un échantillon saturé à

un cycle de gel et dégel fait en sorte que la rupture tend à se produire plus tard qu’un échantillon

seulement saturé, pour des conditions équivalentes. Ceci est explicable par le fait que l’échantillon

saturé soumis au cycle de gel et dégel peut accumuler davantage de déformation verticale due au

soulèvement au gel et aux possibilités de restructuration de l’assemblage granulaire qui en découle.

Le tableau 21 présente les paramètres a, b, c, d de Dresden déterminés pour chacun des échantillons

testés, ainsi que leurs degrés de saturation (%SR) et de compacité respectifs.

Tableau 21: Paramètres de Dresden obtenus en condition triaxiale

Paramètres a b c d R² S R Compacité Domaine

Unités − − − − − (%) (%) −

Sources Conditions

Opt. 0,512 0,049 − − 0,976 50,7 97,3 B

Sat. 0,098 0,087 − − 0,996 92,1 96,7 B

GDD 0,211 0,068 − − 0,997 92,3 99,8 A

Opt. 0,302 0,077 − − 0,991 53,3 99,2 B

Sat. 0,159 0,118 0,001 0,290 1,000 69,1 94,5 B

GDD 0,219 0,084 − − 0,999 65,2 99,6 B

Opt. 0,377 0,078 − − 0,995 48,9 99,5 B

Sat. 0,417 0,193 0,010 1,250 0,970 88,1 98,4 C

GDD 0,383 0,149 0,009 1,009 0,997 90,0 99,2 C

GDND 0,325 0,130 0,088 0,615 0,997 8605,0 99,5 C

Opt. 0,182 0,048 − − 0,995 56,2 96,5 A

Sat. 0,113 0,083 − − 0,997 92,4 97,7 B

GDD 0,189 0,114 − − 0,998 98,8 97,6 B

GDND 0,2124 0,088 − − 0,998 88,9 98,0 B

Opt. 0,246 0,053 − − 0,994 52,3 93,4 B

Sat. 0,105 0,111 − − 0,984 84,2 93,0 B

GDD 0,279 0,071 − − 0,938 84,0 95,2 B

Gneiss

granitique

CS

Grauwacke

CS

Calcaire

CS

Basalte

CS

Grauwacke

CN

103

6.2.2 Le paramètre a : la post compaction

Le paramètre a du modèle de Dresden est associé à la phase de la post compaction. La valeur de a

correspond à la déformation permanente accumulée après 1000 applications de charge. Ainsi, plus

la valeur de a est élevée, plus le matériau granulaire accumule une grande déformation durant la

post compaction et inversement si la valeur est faible.

L’arrangement granulaire influence directement la valeur de a. C’est ce qui a été observé pour les

échantillons ayant été soumis à un cycle de gel et dégel. Les résultats montrent que le cycle de gel et

dégel influence le paramètre a.

Comme expliqué précédemment, lors de la période de gel, il peut se produire un soulèvement

associé à l’expansion de l’eau dans les pores et ceci peut provoquer, dans certains cas, une

déstructuration de la matrice granulaire. Toutefois, certains matériaux sont plus gélifs que d’autres.

Le pourcentage de particules fines est un paramètre essentiel à considérer, car sa présence en grande

quantité peut augmenter la gélivité d’un sol. La quantité de fines a donc été gardée constante à 7 %

pour chacun des échantillons testés, ce qui permet d’observer l’effet de la minéralogie sur la

susceptibilité au gel.

La figure 65 montre l’effet d’un cycle de gel et dégel sur le paramètre a. Il s’agit en fait du

pourcentage d’augmentation de la valeur du paramètre a par rapport à celui obtenu en condition

saturée :

28

Le MG ayant eu la plus grande augmentation du paramètre a est le basalte CS avec un

accroissement de 165,7%, tandis que le calcaire CS et le grauwacke CS ont obtenu des

augmentations de 68,3% et de 37,6%. Le paramètre a calculé pour le gneiss granitique CS a, quant à

lui, diminué de 8,0%. Dans ce cas-ci, la variation du paramètre est considérée comme étant

négligeable étant donné la similitude des valeurs de a obtenues en conditions optimales versus en

conditions saturées. Le soulèvement au gel enregistré pour le gneiss granitique est très faible, ce qui

est en accord avec la valeur du pourcentage d’augmentation du a obtenue. Le tableau 22 présente

les soulèvements au gel enregistrés, en mm, lors du processus de gel et l’augmentation du paramètre

104

a (%) observée pour chacune des sources granulaires. La figure 66 met en graphique ces deux

éléments.

Figure 65: Histogramme montrant l’effet d’un cycle de gel et dégel sur le paramètre a de Dresden

Tableau 22: Soulèvements au gel (mm) et augmentation du paramètre a (%) observés pour chacune

des sources granulaires

Soulèvement au gel

(mm)

Augmentation de a

(%)

Grauwacke CN 1,30 -

Grauwacke CS 3,02 37,6

Gneiss granitique CS* 0,51 -8,0

Calcaire CS 1,22 68,3

Basalte 2,69 165,7

*Données provenant de Schwarz (2009)

Les points illustrés dans le graphique de la figure 66 montrent une tendance entre le soulèvement au

gel et le pourcentage d’augmentation du paramètre a. En effet, le pourcentage d’augmentation du

paramètre a tend à accroître avec l’augmentation du soulèvement au gel.

Certaines sources granulaires semblent être plus vulnérables au gel, comme le grauwacke CS et le

basalte CS qui ont montré des soulèvements de 3,01 mm et de 2,69 mm, contrairement au gneiss

granitique CS qui présente un soulèvement plus faible (0,51 mm). Le calcaire CS obtient, quant à

lui, un soulèvement de 1,22 mm. Ces comparaisons sont possibles puisque la granulométrie est

37,6 %

68,3 %

165,7 %

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Grauwacke CS Gneiss granitique CS

Calcaire CS Basalte CS

a (%)

-8,0 %

105

identique pour chacun des échantillons. Considérant ces résultats, il est possible d’affirmer que la

composition minéralogique a un effet sur la susceptibilité au gel. Ceci est en accord avec plusieurs

études sur le comportement au gel des matériaux granulaires (Konrad et Lemieux 2005).

Figure 66 : Relation entre le soulèvement au gel (mm) et l’augmentation du paramètre a (%)

Les recherches sur la susceptibilité au gel des sols suggèrent qu’un matériau ayant davantage de

particules fines aura tendance à être beaucoup plus gélif qu’un matériau ayant un pourcentage de

fines plus faible. En comparant le grauwacke CN et CS, il est possible de noter une différence de

soulèvement entre les deux matériaux, soit de 1,30 mm pour la granulométrie grossière (CN) et de

3,01 mm pour la granulométrie plus fine (CS) (tableau 22). Cette différence est probablement

causée par la différence de %Fines dans le mélange granulaire. Le pourcentage de particules fines

dans le mélange CN est de 4,60%, tandis que le CS est constitué de 7,0% de fines.

Il est à noter que les paramètres a obtenus en conditions optimales ne peuvent être jumelés ou

comparés avec ceux des trois autres conditions environnementales. Les paramètres a obtenus dans

le cas des conditions de saturation, de GDD et de GDND sont généralement plus faibles que ceux

obtenus en conditions optimales. En règle générale, les valeurs de « a » auraient dû être plus élevées

à cause de la déstructuration granulaire obtenue suite aux processus de saturation, de gel et de dégel.

Une des hypothèses avancées pour expliquer ce phénomène est que le processus de saturation a

mobilisé une partie de la déformation de post-compaction due à l’application de la succion

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

a (%)

Soulèvement au gel (mm)

106

nécessaire pour ce processus. Cette succion n’a pas eu à être appliquée en condition optimale, d’où

la valeur de a plus élevée. Toutefois, une autre hypothèse s’impose. Plusieurs petits problèmes ont

rendu le processus de saturation pénible, notamment une difficulté à obtenir la succion de 50 kPa en

base de l’échantillon pour certaines éprouvettes. Dans chacun des cas, les échantillons ont été

saturés par vase communicant. Toutefois, dans le cas des échantillons éprouvant des problèmes de

succion, il a fallu saturer l’échantillon en le connectant au réservoir d’eau en base de l’échantillon et

l’élever en hauteur afin de créer une charge hydraulique et permettre la remontée de l’eau dans

l’échantillon situé à proximité. Ce processus de saturation s’est avéré beaucoup plus long que la

méthode par succion. De plus, certains échantillons n’ont pas obtenu un degré de saturation visé

comme le grauwacke CS. Les SR obtenus se situent entre 65% et 70% contrairement aux autres

matériaux, qui eux, ont obtenus des SR variant de 84% à 98%.

6.2.3 Le paramètre b : le taux de déformation permanente

L’évolution du comportement plastique d’un MG à long terme peut être caractérisée par le

paramètre b du modèle de Dresden. Il offre un bon indice sur la performance à long terme de la

structure granulaire. Après avoir passé la phase de post compaction, le matériau peut se stabiliser,

accumuler continuellement une déformation plastique ou bien rupturer. Comme mentionné

précédemment, le comportement adopté par le MG dépend principalement de l’état de contraintes

auquel il est soumis, des caractéristiques mécaniques et physiques des MG et des conditions

environnementales imposées à l’échantillon. Les paramètres b obtenus pour chacun des essais sont

présentés au tableau 21. Il est possible d’observer que le paramètre b tend à augmenter lorsque la

teneur en eau augmente. L’histogramme illustré sur la figure 67 présente les pourcentages

d’augmentation du paramètre b en passant de l’état optimal à l’état saturé basé sur l’équation

suivante :

29

Parmi les quatre sources, le gneiss granitique CS est le matériau granulaire qui performe le moins

bien avec une augmentation de 146,7% du paramètre b. Le basalte CS suit avec une augmentation

de 111,7%, puis le calcaire CS et le grauwacke CS possèdent des pourcentages d’augmentation de b

107

de 72,3% et de 53,7%. Cependant, le pourcentage obtenu par le grauwacke CS ne peut être

considéré et comparé avec les trois autres résultats étant donné son SR plus faible. L’influence de la

saturation sur le paramètre b y est donc moins importante.

Figure 67: Histogramme montrant l’effet de la saturation sur le paramètre b du modèle de Dresden

(% d’augmentation)

Il est également possible d’observer l’effet de la minéralogie sur le paramètre b. La figure 68

illustre un histogramme associant la valeur du paramètre b de Dresden à chacune des sources

granulaires dans le cas d’une teneur en eau se rapprochant de l’état optimal.

Les matériaux qui semblent le mieux performer à long terme sont le calcaire CS et le basalte CS

avec un paramètre b équivalent à 0,0483 et à 0,0526, tandis que gneiss granitique CS et le

grauwacke CS obtiennent des valeurs de 0,0783 et 0,0769 respectivement. En comparant ces

résultats et en considérant la limite de ceux-ci, il est possible d’affirmer que la composition

minéralogie d’une source granulaire peut entrainer une variation du taux de déformation

permanente de 62%, pour une teneur en eau similaire.

53,7 %

146,7 %

72,3 %

111,7 %

0

20

40

60

80

100

120

140

160



% bSR=69,1 %

SR=92,4 %

SR=95,7 %

SR=88,1 %

108

Figure 68: Histogramme montrant l’effet de la minéralogie sur le paramètre b

Le cycle de gel et dégel semble également modifier les valeurs de b. Cette relation suivante :

permet de déterminer le pourcentage d’augmentation du paramètre b entre l’état optimal et après un

cycle de gel et dégel. Dans le cas du grauwacke CN et du grauwacke CS, des augmentations de

37,3% et de 9,4% de b ont été calculées. Dans le cas du gneiss granitique CS et du calcaire CS, il

s’agit plutôt des augmentations de b de 90,0% et de 136,2%, tandis qu’une augmentation de 35,4%

a été calculé pour le basalte CS. Il est toutefois important de considérer qu’avant d’être soumis à un

cycle de gel et dégel, les échantillons ont été saturés. Après analyses, les échantillons semblent être

plus susceptibles à accumuler des déformations permanentes lorsque saturés. Il faut donc bien

comprendre que l’augmentation de b en condition de GDD n’est pas causée par le cycle de gel et

dégel en lui seul, mais bien par l’effet combiné de la saturation, et du cycle de gel et dégel.

Toutefois, la saturation semble entraîner un effet plus important sur le taux de déformation

permanente que le cycle de gel et dégel.

Il a été discuté dans ce mémoire que la majorité de l’accumulation de déformation permanente dans

un échantillon se produit lorsqu’il est saturé. Avant d’être testé en condition GDD, chacun des

0,0769 0,0783

0,04830,0526

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09



b

30

109

échantillons ont été saturé. Il serait donc pertinent, ultérieurement de réaliser des essais de

déformation permanente en condition GDD, avec des échantillons préparés en condition optimal

sans passer par l’étape de la saturation. De cette façon, il serait possible d’évaluer l’effet propre

d’un cycle de gel et dégel sur le paramètre b.

6.3 Résultats des essais triaxiaux : Effet de la granulométrie

Les essais réalisés sur le grauwacke CN et sur le grauwacke CS ont permis d’observer l’effet de la

granulométrie sur b. La figure 69 présente les courbes obtenues pour chacune des trois conditions

environnementales testées. Le grauwacke CN est décrit par la courbe en gris, tandis que le CS est

représenté par la courbe verte. L’histogramme montré à la figure 70 montre l’effet de la

granulométrie sur le paramètre de la déformation permanente à long terme. Les colonnes de gauche

correspondent à la valeur de b obtenu aux trois conditions environnementales pour le grauwacke

CN, tandis que les trois colonnes de droite représentent les b obtenus pour le grauwacke CS. Il est à

noter que le CS est un mélange plus sableux que le CN, qui lui, est plus grossier. Il est possible de

remarquer que la valeur du paramètre b augmente en moyenne d’un pourcentage de 30,8% en

passant d’une granulométrie grossière à plus fine. Les particules grossières semblent ainsi favoriser

la performance mécanique des matériaux granulaires, ce qui est le cas inverse pour un matériau

ayant un pourcentage de fines plus élevé, comme le grauwacke CS.

À noter que l’ensemble des résultats des essais de déformation permanente réalisé en condition

triaxiale sont présenté à l’annexe 2 du présent document.

110

Figure 69: Effet de la granulométrie sur la déformation permanente à long terme en condition

triaxiale

Figure 70 : Histogramme montrant l’effet de la granulométrie sur le paramètre b

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80wopt

0 50000 100000

N

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80Saturée

0 50000 100000

N

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80GDD

Grauwacke CN

Grauwacke CS

ε p(%

)

wopt

Sat.

0,0493

0,0769

0,1054

0,1182

0,0677

0,0841

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12


b

Sat.

Sat.

GDD

GDD

wopt

wopt

111

6.4 Résultats : simulateur à charge roulante

L’essai réalisé à l’aide du simulateur à charge roulante ne s’est pas déroulé de la même façon qu’en

condition triaxiale. Dans le cadre des essais triaxiaux, 17 échantillons ont été préparés et testés à

une seule condition environnementale imposée. Au simulateur, un seul échantillon a été préparé et

soumis aux trois conditions environnementales (wopt, saturée, GDD), ce qui a permis d’observer une

évolution de la déformation permanente par paliers. De plus, contrairement aux essais triaxiaux, une

structure complète de chaussée composée d’un revêtement bitumineux, d’une couche de fondation

et d’un assemblage dalle-caoutchouc permettant de reproduire approximativement le comportement

d’une sous-fondation, a permis d’obtenir des mesures sur l’évolution de la dégradation en orniérage

d’un système de chaussée. Le grauwacke CN est le matériau de fondation qui a été utilisé. Au total,

l’échantillon a été soumis à 150 000 passages de roue, ce qui correspond à 75 000 allers-retours.

Les déformations permanentes accumulées dans la couche de fondation sont susceptibles d’être plus

importantes que celles obtenues précédemment en conditions triaxiales, et ce, pour plusieurs

raisons. Tout d’abord, le SimUL permet de considérer la rotation des contraintes, un facteur

d’agressivité supplémentaire qui ne peut être négligé. De plus, le pneu employé et la chaussée

conçue présentent des dimensions plus petites que celles rencontrées en réalité, ce qui entraine un

effet de poinçonnement.

La figure 71 rappelle les endroits où les mesures manuelles de déformations verticales (carré) et

d’orniérage de surface (croix) ont été prises. Une disparité entre les valeurs récoltées aux extrémités

versus celles mesurées au centre a été observée. En effet, les déformations verticales et les ornières

sont plus importantes aux extrémités. Il faut noter que la roue fait des allers-retours sur

l’échantillon. Ce mouvement nécessite donc un ralentissement, un arrêt et une accélération de la

roue aux extrémités, ce qui augmente le temps d’application de charge sur l’échantillon ainsi que les

efforts de cisaillement, ce qui se répercute sur la déformation permanente. Ainsi, pour ne pas

considérer ces facteurs, les analyses ont été basées sur les données centrales uniquement. L’encadré

en pointillés illustré sur cette figure précise les données utilisées pour l’analyse. À noter que cette

figure illustre une vue en plan de l’échantillon confectionné.

Les valeurs de déplacement vertical ont été traitées directement, tandis que les données d’orniérage

utilisées sont le résultat d’une moyenne des dix points situés dans la zone délimitée par l’encadré en

pointillé à la Figure 71.

112

Le tableau 23 présente les déplacements verticaux au sommet de la fondation et l’orniérage total en

surface, en mm. Les colonnes avoisinantes correspondent au pourcentage de déformation

permanente. Les déplacements verticaux et les pourcentages de déformation associés à la couche de

revêtement correspondent, quant à eux, à la soustraction de l’orniérage mesuré au sommet de la

fondation à l’orniérage total mesuré à la surface.

Figure 71: Vue en plan des endroits où les mesures ont été prises sur l’échantillon

Point de mesure: orniérage

Point de mesure: déformation verticale

180 cm

60 cm

23 cm

10 cm

34 cm 34 cm 34 cm 34 cm 23 cm

30 cm

Points de mesure considérés

113

Tableau 23: Déplacements verticaux (mm) et εp(%) accumulée au centre de la structure

(mm) (%) (mm) (%) (mm) (%)

1 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

50 0,70 0,22 0,55 0,17 0,15 0,05

100 0,88 0,28 0,71 0,23 0,17 0,05

200 1,00 0,32 0,67 0,21 0,33 0,10

350 1,00 0,32 0,71 0,23 0,29 0,09

500 1,13 0,36 0,79 0,25 0,34 0,11

1000 1,38 0,44 0,93 0,30 0,45 0,14

2000 1,88 0,60 1,37 0,43 0,50 0,16

3500 3,25 1,03 1,92 0,61 1,33 0,42

5020 3,75 1,19 2,80 0,89 0,95 0,30

10000 5,50 1,75 3,99 1,27 1,51 0,48

20000 6,75 2,14 4,81 1,53 1,94 0,62

30000 7,63 2,42 5,12 1,63 2,51 0,80

40000 8,38 2,66 6,21 1,97 2,17 0,69

50000 8,75 2,78 5,52 1,75 3,23 1,03

50001 8,75 2,78 5,52 1,75 3,23 1,03

50050 8,75 2,78 6,01 1,91 2,74 0,87

50100 8,75 2,78 5,92 1,88 2,83 0,90

50200 8,75 2,78 5,95 1,89 2,80 0,89

50350 8,88 2,82 5,80 1,84 3,08 0,98

50500 8,88 2,82 6,04 1,92 2,83 0,90

51000 8,88 2,82 6,12 1,94 2,76 0,87

52000 9,63 3,06 6,54 2,08 3,09 0,98

53500 10,63 3,37 7,69 2,44 2,93 0,93

55000 11,00 3,49 8,15 2,59 2,85 0,90

60000 13,25 4,21 9,99 3,17 3,26 1,03

70000 15,38 4,88 11,65 3,70 3,73 1,18

80000 16,63 5,28 12,27 3,90 4,35 1,38

90000 17,38 5,52 12,61 4,00 4,76 1,51

100000 18,00 5,71 13,47 4,28 4,53 1,44

100001 18,00 5,71 13,47 4,28 4,53 1,44

100050 19,00 6,03 14,14 4,49 4,86 1,54

100100 19,13 6,07 14,54 4,62 4,58 1,45

100200 19,13 6,07 14,55 4,62 4,58 1,45

100350 19,25 6,11 14,58 4,63 4,67 1,48

100500 19,13 6,07 14,53 4,61 4,60 1,46

101000 19,25 6,11 14,59 4,63 4,66 1,48

102000 19,38 6,15 14,74 4,68 4,63 1,47

103500 19,38 6,15 14,86 4,72 4,52 1,43

10500 19,50 6,19 14,85 4,72 4,65 1,48

110000 19,75 6,27 15,13 4,80 4,62 1,47

120000 20,00 6,35 15,27 4,85 4,73 1,50

130000 20,50 6,51 15,36 4,88 5,14 1,63

140000 20,88 6,63 15,93 5,06 4,94 1,57

150000 21,25 6,75 16,13 5,12 5,12 1,63

satu

réG

DD

# cyclesOrnièrage totale Fondation Revêtement

wopt

114

Un graphique montrant l’évolution des pourcentages de déformation en fonction du nombre

d’applications est illustré à la figure 72, où l’orniérage total mesuré en surface, la déformation de la

fondation et du revêtement sont symbolisés par les carrés, les losanges et les triangles,

respectivement.

Figure 72: Évolution de l’ornière totale en surface, de la couche de fondation et du revêtement en

fonction de N

Le tableau 24 suivant décrit les pourcentages de déformation obtenus pour chacun des états

environnementaux et des couches mesurées.

Tableau 24: Déformations (%) obtenues pour chacun des états environnementaux pour chacune des

couches mesurées

εp (%) ornière totale εp (%) fondation εp (%) revêtement

wopt 2,78 1,75 1,03

Saturé 2,93 2,53 0,41

GDD 1,04 0,84 0,19

Totale 6,75 5,12 1,63

Après avoir été soumise à 150 000 passages de roue, la chaussée a subi un pourcentage d’ornière

structurale totale de 6,75% (21,25 mm), dont 5,12% (16,13 mm) est attribuable à la fondation et

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

0 50000 100000 150000

εp (%)

N

Ornière totale

Fondation

Revêtement

wopt Saturé GDD

115

1,63% (5,12 mm) à la couche de revêtement. En observant les valeurs présentées dans le tableau 23,

il est possible de remarquer que le plus gros de la déformation, dans le cas de la couche de

fondation, s’est produit en condition saturée où près de moitié (49.4%) de la déformation totale a été

accumulée. Dans le cas de la couche d’enrobé bitumineux, la portion la plus importante de la

déformation s’est produite durant les 50 000 premiers cycles avec une déformation totale de 63,2%.

Il est intéressant d’observer que le cycle de gel et dégel ne semble pas autant affecter les MG.

Durant cet état, la chaussée ne se déforme que de 15,4%. Ainsi, il est possible d’affirmer que

presque la totalité des déformations (84.6%) a été accumulée durant les 100 000 premiers cycles.

6.5 Modélisation des résultats au simulateur

L’un des principaux objectifs viser par l’utilisation du simulateur à charge roulante est de valider et

de caler, si possible, les paramètres empiriques obtenus en conditions triaxiales. Étant donné que

l’essai au simulateur a été effectué par paliers, les conditions saturée et GDD comportent une phase

de post-compaction qui se voit modifiée par les chargements précédents. Il est donc difficile de

suivre l’évolution du paramètre a.

La modélisation des résultats a été effectuée de la même façon qu’en condition triaxiale, soit à

l’aide du modèle de Dresden. Il est à noter que seuls les paramètres a et b du modèle ont été

déterminés puisque la phase de rupture n’a jamais été atteinte au courant de l’essai. Le graphique de

la figure 73 présente les courbes résultantes obtenues en condition triaxiale (grise) (presse

hydraulique à chargement répété) et au simulateur à charge roulante (noire) à l’état optimal, tandis

que les paramètres de Dresden y correspondant sont décrits au tableau 25.

Les valeurs du paramètre a obtenus au graphique de la figure 73 sont très semblables, 0,5117 pour

l’essai triaxial e 0,5078 pour l’essai en simulateur, tandis que les b obtenus semblent varier d’un

facteur de 8,25 en passant de l’essai triaxial à l’essai au simulateur. Les b obtenus équivalent à

0,0493 et à 0,4068 respectivement, ce qui correspond à une déformation totale de 1,85 mm en

condition optimale et de 5,52 mm lorsque soumis sous une charge roulante.

116

Figure 73: Comportement plastique du grauwacke CN obtenu en condition optimale à l’aide de la

presse hydraulique à chargement répété et du simulateur à charge roulante

Tableau 25 : Paramètres de Dresden déterminés au simulateur à charge roulante

Dans les cas saturé et GDD, les paramètres a ne peuvent être comparés pour les mêmes raisons que

celles discutées précédemment. Cependant, il est possible d’évaluer l’évolution des valeurs de b.

L’histogramme de la figure 74 présente les paramètres b obtenus pour chacun des états

environnementaux pour les deux techniques d’essais réalisées.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 10000 20000 30000 40000 50000

εp

N

Simulateur à

charge roulante

Presse

hydraulique

b=0,4068

b=0,0493

wopt

Grawacke CN a b R²

Triaxial

wopt 0,5117 0,0493 0,976

Sat. 0,0983 0,0875 0,996

GDD 0,2113 0,0677 0,997

Simulateur

wopt 0,5078 0,4068 0,948

Sat. 0,3656 0,5816 0,945

GDD 0,5119 0,1408 0,871

117

Figure 74: Comparaison des paramètres b de Dresden obtenus pour le grauwacke CN en condition

triaxiale et au simulateur à charge roulante

Les colonnes grises correspondent aux valeurs de b obtenues en condition triaxiale, tandis que les

colonnes noires représentent les valeurs de b déterminées au simulateur à charge roulante. Il est noté

que le simulateur est significativement plus agressif. Les taux de déformation permanente à long

terme obtenus au simulateur sont beaucoup plus élevés que ceux obtenus avec la presse

hydraulique. En condition optimale, la valeur de b est augmentée de 725%, tandis qu’en condition

saturée et en GGD, les taux de déformation permanente à long terme sont augmentés de 565% et de

108% respectivement.

Il est également intéressant d’observer qu’encore une fois, comme en condition triaxiale, le degré de

saturation influence le taux de déformation permanente à long terme. La saturation fait augmenter le

paramètre b de 43,0%. Une augmentation semblable s’observe en condition triaxiale avec une

augmentation de b de 77,5% en passant de wopt à un état saturé.

6.6 Discussion des résultats

Les essais de déformation permanente réalisés en condition triaxiale et au simulateur ont permis de

reproduire en laboratoire les diverses sollicitations transmises par les véhicules lourds lors de leur

passage sur la chaussée. Ces techniques ont permis de suivre et d’observer l’évolution mécanique à

long terme des MG dans un court laps de temps.

0,04930,0875

0,0677

0,4068

0,5816

0,1408

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Opt Sat GDD

b

Triaxial

Simulateur

118

Les résultats obtenus ont permis de faire plusieurs observations intéressantes. Dans un premier

temps, il a été possible de remarquer qu’en conditions triaxiales, un cycle de gel et dégel entraine un

effet sur le paramètre de post compaction (a). En effet, une augmentation du paramètre a de 165,7%

s’est produite pour le basalte CS. De plus, il a été possible d’observer une certaine tendance entre le

soulèvement au gel et l’augmentation du paramètre a (%). L’essai au simulateur a également permis

de faire une observation intéressante concernant ce paramètre de post-compaction. Entre autres, il a

été possible d’observer que les paramètres a obtenus pour les deux techniques sont très similaires

avec des valeurs de 0,5117 et de 0,5078.

Puis, dans le cas du taux de déformation à long terme (b), il a été possible de remarquer qu’il existe

plusieurs éléments qui peuvent venir le modifier. Tout d’abord, il a été observé qu’une variation du

degré de saturation entraine un effet sur le b et ce, pour les deux techniques d’analyse. En passant

de l’état optimal à un état saturé, en condition triaxiale, le taux de déformation permanente a

augmenté de 54% à 147%, tout dépendant des sources granulaires. Cette augmentation s’est aussi

manifestée durant l’essai au simulateur où la valeur de b a augmenté de 43% en passant de wopt à un

état saturé pour le grauwacke CN.

La composition minéralogique et la granulométrie d’un sol semblent elles aussi venir modifier le

paramètre b. En comparant chacune des sources granulaires pour une teneur en eau similaire, il a été

possible de remarquer que le MG montrant le paramètre b le plus faible est le calcaire CS, suivi

respectivement du basalte CS, du grauwacke CS et du gneiss granitique CS. Le dernier facteur

observé qui semble influencer le paramètre b est la distribution granulométrique d’un matériau. Un

matériau plus grossier aura tendance à mieux performer s’il est comparé à un matériau plus fin.

Bien que le gneiss granitique CS soit la source granulaire qui semble avoir la moins bonne

performance en général aux essais de déformation permanente, il semble être le matériau qui

performe le mieux au gel. Lors du processus de gel, la valeur de soulèvement au gel enregistrée

pour le gneiss granitique CS est de 0,51 mm contrairement au grauwacke CS qui a soulevé de 3,02

mm. Les essais ont également permis de confirmer que la quantité de particules fines composant un

mélange granulaire influence sa susceptibilité au gel. Le soulèvement au gel enregistré dans le cas

du grauwacke CN est de 1,30 mm. Le fait de passer d’un mélange granulaire composé de 4,6% de

particules fines (CN) à un mélange composé de 7,0% (CS) augmente le soulèvement au gel de 1,72

mm.

119

Finalement, une différence considérable entre les valeurs de b obtenues en condition triaxiale versus

celles obtenues au simulateur a également été notée. L’agressivité transmise par le passage du pneu

sur la chaussée a entrainé des augmentations du paramètre b pouvant varier d’un facteur de 2,08 en

GDD, de 6,65 en état saturé et de 8,25 en condition optimale. Cette agressivité peut s’expliquer par

l’effet de poinçonnement qu’entraine le pneu sur la chaussée. Le simulateur tend à surestimer la

déformation, tandis que les valeurs obtenues en condition triaxiale apparaissent faibles si elles sont

comparées aux valeurs de déformation typiquement rencontrées sur les chaussées en service. Par

exemple, si l’on prend les valeurs de a et de b obtenues en condition triaxial (a = 0,51 et b = 0,05) et

au simulateur (a = 0,50 et b = 0,41) et que l’on applique N = 1 000 000 dans l’équation de Sweere,

soit l’équation 5 décrit précédemment au chapitre 2, on obtient une déformation de 0,7% en

condition triaxiale et de 8,6% au simulateur. En appliquant ces déformations dans une fondation de

200 mm d’épaisseur, on obtiendrait des ornières équivalentes à 1,4 mm en condition triaxiale et à 17

mm au simulateur et ce, uniquement dans la couche de fondation et ce, sans compter la déformation

permanente accumulée dans le revêtement et le sol support. Il faut toutefois noter que cette analyse

est faite en considérant la contrainte testée et que ces valeurs nous permettent d’obtenir un certain

ordre de grandeur. Ainsi, dans la limite des résultats, le simulateur tend à surestimer les valeurs de

déformation, tandis que la presse hydraulique donne des déformations plus faibles, si elles sont

comparées à la valeur d’ornière admissible de 15 mm (critère admissible du MTQ). Une calibration

des modèles avec des données prises sur des chaussées en service serait donc requise.

120

121

CHAPITRE 7

RELATIONS DE CORRÉLATION

La caractérisation des matériaux granulaires ainsi que les essais de déformation permanente ont été

réalisés dans un but précis, faire une étude paramétrique pour établir des relations de corrélation

entre les paramètres du modèle de Dresden, notamment les paramètres a et b, et les propriétés de

base des MG pour ensuite développer un modèle mathématique décrivant le comportement à long

terme en déformation permanente d’un matériau granulaire. Pour établir les différentes corrélations,

la matrice de corrélation a semblé être la méthode statistique la plus efficace. La matrice de

corrélation a permis de relever globalement les principales corrélations possibles entre les

paramètres du modèle de Dresden et certaines propriétés caractéristiques de base des MG. La

matrice de corrélation est disponible à l’annexe 3.

Le présent chapitre présente les corrélations déterminées pour chacun des paramètres du modèle et

une nouvelle équation mathématique qui permet d’évaluer à long terme les déformations

permanentes.

Il est toutefois important de noter que les relations de corrélation déterminées dans ce chapitre ne

sont pas robustes considérant le peu de points disponibles. Cependant, de premières observations

ont permis de relever des résultats intéressants. Il serait toutefois intéressant que ces relations soient

validées ultérieurement en incorporant des points supplémentaires au graphiques.

7.1 Détermination du paramètre de post compaction (a)

Les propriétés caractéristiques ayant donné les meilleurs coefficients de corrélation avec le

paramètre a en condition optimale sont le degré d’absorption (Abs), la porosité de la fraction fine à

l’optimum (nfopt), le pourcentage de particules fines (%Fines), le coefficient d’écoulement (ce), les

indices de CBR0,1 et CBR0,2, le module d’élasticité (Eélast), le module réversible en condition saturé à

une contrainte totale de 400 kPa (MR400sat), l’angulomètre 14 (Angulo 14), le degré de saturation en

condition optimale (SRopt), le coefficient d’uniformité (Cu), le coefficient de courbure (Cc), et les

diamètres des particules aux 10%, 30% et au 60% du passant (D10, D30, D60). Les valeurs de

corrélation respectives sont disponibles au tableau 26. Il est à noter que seuls les aopt ont pu être

utilisés pour cette analyse. Les asat et aggd ne peuvent être comparés à cause de l’étape de succion et

122

le processus de gel et dégel qui vient affecter la phase de post compaction. L’utilisation du aopt est

d’autant plus logique, car il correspond aux premières déformations accumulées après la mise en

place des MG, ce qui s’approche le plus de la réalité.

Tableau 26: Meilleurs coefficients de corrélation obtenus pour le paramètre de post-compaction en

condition optimale

Les relations de corrélation développées doivent être rigoureuses et conçues de façon à rendre son

utilisation simple et pratique pour les professionnels du domaine. C’est pourquoi, il est important

que les propriétés caractéristiques composant la relation mathématique soient physiquement reliées

à la déformation permanente et facilement déterminable par des essais de routine.

La première relation de corrélation déterminée est présentée à la figure 75 et montre une relation

entre le paramètre aopt et la variable complexe nfopt/ce. Cette variable complexe a été déterminée

après avoir tenté plusieurs calculs et combinaisons. Il s’agit de la meilleure corrélation obtenue

jusqu’à présent.

Figure 75: Relation de corrélation entre le paramètre a du modèle de Dresden et la variable

complexe nfopt/ce

Abs nfopt % Fines ce CBR0,1 CBR0,2 Eélast. Mr400 sat Angulo 14 Sropt Cu, Cc, D10, D30, D60

aopt -0,59 0,91 -0,83 -0,54 0,92 0,93 0,70 -0,58 -0,51 -0,76 -0,83

y = 2,05x - 1,4382

R² = 0,9427

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,78 0,8 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96

a

nfopt/ce

Corrélation du paramètre a de Dresden

123

La relation déterminée est de type linéaire et possède un coefficient de détermination (R²) de 0,943.

Dans ce cas-ci, le a est directement proportionnel à la porosité de la fraction fine à l’état optimal

(nfopt), est inversement proportionnel au coefficient d’écoulement (ce), et s’exprime de la façon

suivante :

(

) 31

Il faut toutefois noter que cette corrélation n’est pas très robuste puisqu’elle n’est supportée que par

cinq observations. Il serait important, dans le cadre de futurs projets, d’effectuer des essais

supplémentaires pour venir renforcer et possiblement ajuster cette relation.

7.2 Détermination du taux de déformation à long terme (b)

Le Tableau 27 présente les propriétés mécaniques et physiques ayant obtenues les meilleurs

coefficients de corrélation avec les paramètres b du modèle de Dresden. Il s’agit, de la masse

volumique sèche à l’état optimum (ρdmax), de l’absorption Abs, de la porosité à l’état optimal (nopt),

de la porosité de la fraction grossière à l’optimum (ncopt), de l’angle de friction interne apparent

(φ’app), du pourcentage de fracturation (%Fr), de la valeur du Los Angeles (LA), de l’indice des

vides (e), du Eélast, du MR400sat, de l’Angulo 14 et 10, des degrés de saturation à l’état optimal (SRopt),

saturé (SRsat) et en condition de gel et dégel drainée (SRGDD) et du soulèvement au gel (Δh). Seules

les corrélations logiques et pertinentes ont été considérées et analysées dans cette étude.

Tableau 27: Meilleurs coefficients de corrélation obtenus pour le paramètre b de Dresden

La figure 76 présente la relation de corrélation déterminée qui permet d’estimer le paramètre b en

fonction d’une variable complexe composée de %SR, Cu, %FR et ρd. Le graphique comprend

également les données mesurées par Schwarz, lors de son projet de fin d’étude réalisé en 2009. Il

est à noter que ses essais de déformation permanente ont été réalisés avec la même presse

hydraulique et sous les mêmes conditions d’essais. Le tableau 28 présent les données obtenues par

Schwarz (2009) et les données mesurées dans le cadre du présent projet.

ρdmax Abs nopt ncopt φ'app %Fr L A e Eélast. MR400sat Angulo 14/10 Sropt Srsat SrGDD Δhtot

bopt -0,71 -0,28 0,92 0,88 -0,33 -0,63 0,79 0,93 -0,08 -0,66 -0,75/-0,28 -0,43 -0,66 -0,62 0,00

bsat -0,74 -0,63 0,92 0,86 -0,47 -0,94 0,83 0,92 -0,37 -0,67 -0,92/-0,64 -0,70 -0,15 -0,14 -0,35

bGDD -0,88 -0,66 0,49 0,55 -0,93 -0,84 0,80 0,50 -0,74 0,01 -0,64/-0,96 -0,19 0,20 0,32 -0,70

124

Figure 76: Relation de corrélation entre le paramètre b du modèle de Dresden et la variable

complexe SR*Cu/(%FR*ρd)

Tableau 28 : Valeurs de SR, Cu, %FR et ρd pour chacun des essais effectués, y compris les essais

réalisés par Schwarz (2009)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030

b

SR*Cu/(%FR*ρd)

Données mesurées

Schwarz (2009)

y=4,8123x+0,0197R²=0,641

y=4,8123x+0,0197R²=0,641

Paramètres SR Cu %FR ρd b(SR*Cu) /

(%FR*ρd)

Grauwacke CN 50,7 31,4 100 2239 0,049 0,007

Grauwacke CN 92,3 45,4 100 2296 0,068 0,018

Grauwacke CN 92,1 45,4 100 2224 0,087 0,019

Grauwacke CS 53,3 45,4 100 2241 0,077 0,011

Grauwacke CS 69,1 45,4 100 2135 0,118 0,015

Grauwacke CS 65,2 45,4 100 2250 0,084 0,013

Calcaire CS 92,4 45,4 100 2215 0,083 0,019

Calcaire CS 56,2 45,4 100 2190 0,048 0,012

Calcaire CS 98,8 45,4 100 2213 0,114 0,020

Calcaire CS 88,9 45,4 100 2146 0,088 0,019

Basalte CS 52,3 45,4 100 2203 0,053 0,011

Basalte CS 85,7 45,4 100 2193 0,111 0,018

Basalte CS 84,0 45,4 100 2245 0,071 0,017

Gneiss granitique CS 48,9 45,4 72 2156 0,078 0,014








Do

nn

ées

mesu

rées

Sch

warz

(2

00

9

125

La relation de corrélation développée est de type linéaire et met en relation le paramètre b en

fonction d’une variable complexe composée du degré de saturation (%SR), du coefficient

d’uniformité (Cu) du pourcentage de fracturation (%FR) et de la masse volumique sèche (ρd) et

s’exprime selon l’équation suivante :

(

)

32

Cette relation permet de confirmer encore une fois que l’augmentation de la teneur en eau fait

augmenter le taux de déformation permanente à long terme. En effet, la relation montre que le taux

de déformation permanente à long terme est directement proportionnel au degré de saturation et est

inversement proportionnel au %FR et à ρd du matériau granulaire. Le coefficient de détermination

est, quant à lui, de 0,641. Bien que ce coefficient soit moins élevé que celui obtenu précédemment

(94,27%), la relation reste en soit plus robuste à cause du nombre de points plus élevé (21 versus 5).

Il serait toutefois pertinent de réaliser d’autres essais avec des matériaux ayant des valeurs de Cu et

%FR différents pour augmenter le nombre de points disponibles.

Le graphique illustré à la figure 77 fait aussi référence au paramètre b et montre également une

relation en fonction d’une variable complexe. Cependant cette relation est représentée par un

modèle montrant une régression linéaire multiple.

Cette régression linéaire multiple est composée de trois variables indépendantes (x1, x2, x3) et

possède un coefficient de détermination multiple (R²) est de 0,840. Il est à noter que le b est donné

en valeur logarithmique et se calcule à l’aide de l’équation suivante :

( (

) )

33

Les valeurs associées aux variables indépendantes et au R² sont présentées au tableau 29.

126

Tableau 29: Statistiques de la régression linéaire multiple

Coefficient de détermination multiple 0,840

Coefficients Erreur-type

Variable x1 -0,0103 0,0025

Variable x2 -1,8164 1,1561

Variable x3 0,0063 0,0014

Constante 1,2039 1,1861

Figure 77: Relations de corrélation entre le paramètre b de Dresden en fonction du degré de

saturation (SR), du pourcentage de fracturation (%FR) et de la compacité (ρd/ρdmax)

Ce graphique permet d’estimer un peu plus précisément le paramètre b en fonction des mêmes

variables. En plus d’être en mesure de définir le paramètre b, il est possible d’observer sur le

graphique l’influence de chacun des paramètres (SR, %FR, ρd/ρdmax) sur le taux de déformation

permanente à long terme. Contrairement au graphique précédemment, celui-ci met en relation le b

en fonction du degré de saturation uniquement. Chacune des courbes présentées est associée à un

%FR et un degré de compacité précis. Or, il est possible de remarquer que ces deux propriétés

procurent une influence significative sur le paramètre b. Les courbes définies permettent de réaliser

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

20 30 40 50 60 70 80 90 100

b

SR (%)

%FR=100 / Comp=1

%FR=75 / Comp=1

%FR=50 / Comp=1

%FR=100 / Comp = 0,95

%FR=75 / Comp = 0,95

%FR=50 / Comp = 0,95

b=10(1,2039-0,0103(ρd/ρdmax)-1,8164(%FR)+0,0063(SR))

127

plusieurs observations intéressantes. Premièrement, le degré de saturation d’un matériau provoque

une augmentation de 220% du paramètre b en passant d’un %SR de 20% à 100%. Le degré de

compacité provoque, quant à lui, une augmentation du b de 23% en passant d’une compacité de

100% à 95% de l’optimum Proctor pour un même degré de saturation. En observant attentivement

ce graphique, il est possible de remarquer également que le pourcentage de fracturation influence le

paramètre b.

Selon les résultats obtenus dans cette étude, un matériau granulaire composé de granulats

entièrement concassés obtient une valeur de b de 1,80 fois plus faible que s’il est concassé à 72%.

Autrement dit, un matériau ayant un pourcentage de fracturation de 72% obtient un b 80% plus

élevé que s’il est concassé à 100%.

7.3 Loi de prédiction et validation

Les sections précédentes ont présenté les relations de corrélation qui permettent d’estimer les

paramètres a et b du modèle de Dresden. Un des objectifs du présent projet est de développer une

loi de prédiction sur le comportement en déformation permanente à long terme des MG. Pour ce

faire, les relations de corrélation doivent être adaptées au modèle mathématique de Sweere suivant :

(

)

où a et b correspondent à la post-compaction et au taux de déformation permanente à long terme. Il

s’agit en fait de la même équation du modèle de Dresden, sans le terme de rupture comprenant les

paramètres c et d.

Pour obtenir la loi de prédiction de déformation permanente à long terme, il suffit de substituer les

relations de corrélation correspondantes aux paramètres a et b respectifs. Voici la loi de prédiction

obtenue :

[ (

) ] (

)[ (

) ]

34

128

Une étape importante à réaliser après avoir développé des relations est de venir valider les équations

définies avec des résultats d’autres recherches. Or, plusieurs travaux publiés ne fournissent pas tous

les éléments nécessaires pour venir appuyer les relations. Les principales propriétés mécaniques et

physiques généralement relevées sont: la teneur en eau optimale, la masse volumique optimale, la

valeur du Micro-Deval, la valeur du Los Angeles, le pourcentage de particules plates et allongées, le

VB, le pourcentage de fracturation et l’analyse granulométrique. Ce sont toutes des propriétés

mécaniques et physiques non présentes dans la relation de prédiction. Ainsi, aucune donnée n’a pu

être intégrée dans les relations de corrélation et la validation de celles-ci n’a pu être effectuée.

Cela dit, il sera primordial, ultérieurement de réaliser des essais de déformation permanente, et ce,

sous les mêmes conditions d’essais, afin d’augmenter le nombre de données disponibles et valider

les relations développées dans cette étude.

Bien que la robustesse des relations reste discutable, elles permettent de fournir de bons indices sur

les principaux facteurs qui influencent le comportement plastique des MG, notamment l’angularité

des particules, le degré de saturation et la compacité du mélange granulaire.

129

CHAPITRE 8

DISCUSSION, RÉVISION CRITIQUE ET

RECOMMANDATIONS

La prochaine section présente un résumé des divers problèmes rencontrés, des sources d’erreurs

potentielles, une critique sur l’application des modèles de corrélation et quelques suggestions

pertinentes qui permettront d’aider en la réalisation de futurs essais similaires en laboratoire.

8.1 Instruments de mesure

Les déformations verticales, enregistrées en condition triaxiale, ont été mesurées à l’aide de

capteurs de déplacement vertical. Ces capteurs de déplacement ont été installés à l’extérieur et au-

dessus de la cellule triaxiale et non pas directement sur l’échantillon, ce qui implique que les

déformations mesurées sont généralement plus importantes. Cette approche est toutefois assez

typique de plusieurs normes et approches expérimentales. De plus, cette disposition était nécessaire

puisque durant les essais au gel, l’échantillon devait être enveloppé d’une laine minérale pour

maximiser son isolation. Ainsi, il était impossible, avec les types de capteurs disponibles et leur

système de fixation, de positionner les capteurs directement sur l’échantillon. Les capteurs de

déplacement ont été installés de la même façon pour chacun des essais afin d’obtenir des résultats

représentatifs et comparables.

Pour ce qui est de l’essai réalisé au simulateur en chambre froide, les mesures de déformation

verticale ont été prises de façon manuelle avec un vernier précis aux centièmes de millimètres. Une

moyenne de trois mesures a été calculée afin d’obtenir une valeur représentative. Les déplacements

verticaux mesurés ont permis d’avoir une bonne idée du comportement général de la structure de

chaussée. Toutefois, afin de limiter les erreurs de mesure, il aurait été préférable d’utiliser des

capteurs de déplacement électronique pour mesurer les déformations verticales. Il faut toutefois

noter que l’essai réalisé au simulateur constitue le premier essai de simulation avec une charge

roulante sur une chaussée flexible revêtue sollicité à un cycle de gel et dégel au Canada.

130

8.2 Préparation des échantillons

La préparation et la saturation des échantillons, pour les essais réalisés en condition triaxiale, ont été

basées sur la norme LC 22-400 :«Détermination du module réversible et du coefficient de poisson

réversible des matériaux granulaires à l’aide d’une cellule triaxiale à chargement déviatorique

répété». Cependant, le processus de saturation par la méthode de succion n’a pas bien fonctionné

pour certains échantillons. Bien qu’une succion ait été imposée en tête de l’échantillon, aucune

pression de succion n’a été captée par les capteurs de pression situés à la base de l’échantillon. Les

échantillons ont donc été saturés par la base, par vase communicant, grâce à l’application d’une

charge hydraulique.

De plus, certains échantillons ont été difficiles à geler. Certains d’entre eux ont été préparés en

période de canicule. La chaleur intense et le taux d’humidité dans les laboratoires ont occasionné

certains problèmes lors du processus de gel. Même si l’échantillon était inséré à l’intérieur d’une

chambre environnante tempérée à 5°C, certains échantillons ont pris le double ou même le triple du

temps à geler par rapport à ceux gelés en période plus froide. Pour éviter ce genre de problème, les

échantillons ne devraient pas être soumis au processus de gel à l’intérieur d’une chambre froide

lorsque la température ambiante du laboratoire est trop chaude et humide.

8.3 Le choix du nombre d’essais

Il aurait été souhaitable de réaliser un minimum de trois essais par source et par condition

environnementale pour obtenir une moyenne et non pas un seul essai par condition. Pour ce faire, il

aurait fallu s’intéresser qu’à une seule source granulaire compte tenu du nombre d’essais à réaliser

et le peu de temps disponible. Au départ, le projet voulait s’intéresser au comportement en

déformation permanente du grauwacke uniquement. Après plusieurs discussions, nous sommes

venus à la conclusion qu’il serait intéressant d’étudier non pas une source, mais quatre sources

granulaires et de les comparer entres elles et ajouter aux objectifs de recherche l’effet de la source

sur les déformations permanentes. Le fait d’étudier plusieurs sources granulaires permettait

d’élargir les objectifs de recherche. De plus, Bilodeau (2009) avait déjà caractérisé trois des quatre

sources, ce qui a permis d’éviter de reprendre la caractérisation du matériau et passer directement à

l’étape des essais de déformation permanente. Cependant, il serait intéressant lors de travaux futurs

131

de reprendre les mêmes sources granulaires utilisées et de refaire les mêmes essais aux mêmes

conditions environnementales pour valider les résultats.

De plus, il a été discuté dans ce mémoire que la majorité de l’accumulation de déformation

permanente dans un échantillon se produit lorsqu’il est saturé. Avant d’être testé en condition GDD,

chacun des échantillons ont été saturé. Il serait donc pertinent, ultérieurement de réaliser des essais

de déformation permanente en condition GDD, avec des échantillons préparés en condition

optimale sans passer par l’étape de la saturation. De cette façon, il serait possible d’évaluer l’effet

propre d’un cycle de gel et dégel sur le paramètre b, sans considérer l’effet important de la

saturation.

8.4 Validation des relations de corrélation

Grâce aux deux relations linéaires développées, il est possible d’estimer les paramètres a et b du

modèle simplement avec des propriétés de base. Une des problématiques rencontrées est le manque

de données disponibles dans la littérature. Il aurait été très intéressant de valider les relations de

corrélation avec des données provenant de d’autres études pour venir appuyer ces relations. Les

données disponibles dans la littérature n’étaient pas complètes et compatibles avec celles du projet.

Il serait donc intéressant de réaliser, lors de projets ultérieurs, d’autres essais semblables à ceux

réalisés dans le présent projet afin d’intégrer les résultats aux relations de corrélation définies.

132

133

CHAPITRE 9

CONCLUSION ET MISE EN APPLICATION

Les recherches réalisées dans le cadre de ce projet de maîtrise ont permis de répondre en grande

partie aux objectifs de recherche précédemment définis. Les essais de déformation permanente en

laboratoire ont permis de relever plusieurs résultats intéressants, notamment sur l’effet du degré de

saturation et du cycle de gel et dégel sur les déformations permanentes. Les résultats, modélisés par

le modèle mathématique de Dresden, montrent qu’une augmentation du degré de saturation de 39%

(en passant d’un %SR de 48,9% à 88,1%) peut provoquer une augmentation du taux de déformation

permanente (b) de 146,7%. Le cycle de gel et dégel entraine, quant à lui, un effet direct sur la phase

de post compaction (a) et augmente celui-ci. En effet, une tendance a été observée entre le

soulèvement au gel, lors de la période de gel, et le paramètre a. La plus grande augmentation du

paramètre de post-compaction enregistrée est de 165,7% et correspond également au matériau ayant

subi le soulèvement au gel le plus élevé lors de la période de gel.

Les résultats obtenus ont montrés que la variation de la granulométrie et de la source granulaire

influencent également le comportement en déformation permanente des MG. Un mélange plus

grossier favorise la performance mécanique des matériaux granulaires. Le cas inverse est observé

pour un matériau ayant une granulométrie plus fine. Selon les résultats obtenus, le taux de

déformation permanente (b) augmente en moyenne de 30,75%, en passant d’une granulométrie

grossière (CS) à une granulométrie plus fine (CI).

L’essai au simulateur à charge roulante a été réalisé dans le but de valider les paramètres de

Dresden obtenus en condition triaxiale. Contrairement à la presse hydraulique, le simulateur à

charge roulante est plus agressif puisqu’il soumet l’échantillon à une rotation des contraintes. De

plus, l’application du pneu entraine un effet de poinçonnement à la surface de la chaussée. Les

valeurs de déformation obtenues au simulateur surestiment les valeurs normalement attendues sur la

chaussée. Quant aux déformations enregistrées en conditions triaxiales, elles semblent plus faibles.

Pour ces raisons, la calibration des modèles mathématiques présentés dans ce mémoire devrait être

réalisée à partir de données de chaussées réelles en service.

Des différences de performance entre le basalte, le calcaire et le grauwacke, fractionné à 100%

versus le gneiss granitique, concassé à 72%, ont été observées. Le gneiss granitique est la source

134

granulaire qui a le moins bien performé aux essais de déformation permanente. En effet la rupture

de l’échantillon s’est produite dans trois conditions d’essais sur quatre, tandis que la source

granulaire ayant obtenu la meilleure performance plastique globale est le calcaire suivit du basalte

et finalement le grauwacke.

Une grande partie du projet de recherche a été consacrée à la caractérisation des MG étudiés. Une

caractérisation exhaustive a été réalisée dans un but précis, développer une relation de prédiction de

déformation permanente à long terme en fonction des propriétés physiques et mécaniques des MG.

Avant d’en arriver à cette relation de prédiction, une première relation de corrélation, de type

linéaire, a été établie entre le paramètre a de Dresden, la porosité de la faction fine à l’état optimal

(nfopt) et le coefficient d’écoulement (ce) du MG avec une régression linéaire de 0,9427. Dans le cas

du paramètre b, une corrélation de type linéaire comprenant le degré de saturation (%SR), le

pourcentage de fracturation du granulat (%FR) et la masse volumique sèche (ρd) a été définie. La

régression linéaire obtenue dans ce cas-ci est de 0,641. En considérant ces deux relations, il est

possible d’affirmer que le comportement plastique à long terme d’un MG est directement influencé

par l’angularité des particules, la compacité et du degré de saturation de l’échantillon. La

substitution des deux relations de corrélation dans le modèle de Sweere permet d’obtenir une

relation de prédiction de déformation permanente à long terme de divers matériaux granulaires pour

l’état de contraintes typique choisi. Son application dans un logiciel d’estimation permettra d’aider

à simuler le comportement des MG en déformation permanente à long terme. De plus, cette relation

permettra de discriminer les bonnes des mauvaises sources granulaires à utiliser comme matériaux

de fondation de chaussée et ce, sur la base des propriétés physiques et mécaniques des granulats.

Cette relation est d’autant plus importante, car elle permettra également, ultérieurement, d’être à la

base du développement d’un modèle d’endommagement saisonnier, un outil fort intéressant à

utiliser dans le domaine de l’ingénierie des chaussées.

Les résultats obtenus ont permis de développer plusieurs corrélations intéressantes. Toutefois, des

essais supplémentaires devront ultérieurement être réalisés lors de travaux futurs afin de venir

appuyer les corrélations déterminées puisque la robustesse des relations de corrélation reste

discutable. Il serait également pertinent de pouvoir quantifier l’effet de plusieurs cycles de gel et

dégel sur une structure granulaire car, typiquement, les hivers dans plusieurs régions canadiennes

sont caractérisés par des cycles de gel et dégel multiples.

135

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142

143

ANNEXE 1

RÉSULTATS DES ESSAIS DE CARACTÉRISATION

EN LABORATOIRE

144

145

ANALYSE GRANULOMÉTRIQUE DU GRAUWACKE CN – ESSAI εp PRESSE HYDRAULIQUE

Masse initiale de la prise (g) 11410,0 4312,5

Masse totale recueillie (g) 11399,8 603,2

Masse après lavage (g) 536,0

535,8

Grosse

granulométrie

Petite

granulométrie

Ouverture des

tamis (mm)

Masse retenue

séparée (g)

Masse retenue

séparée (g)

Proportion

(g)

Masse retenue

cumulée (g)

%

Passant

28 0,0 0,0 0,0 100,0

20 863,0 863,0 863,0 92,4

14 2676,6 2676,6 3539,6 69,0

10 1597,3 1597,3 5136,9 54,9

5 1950,4 1950,4 7087,3 37,8

2,5 134,5 961,6 8048,9 29,4

1,25 83,6 597,7 8646,6 24,2

0,63 79,7 569,8 9216,4 19,2

0,315 108,4 775,0 9991,4 12,4

0,16 75,3 538,3 10529,7 7,6

0,08 47,5 339,6 10869,3 4,7

terrine 74,0 529,1 11398,4 0,0

Masse totale recueillie (g)

Granulométrie fine

Analyse granulométrique combinée - Échantillon 1

Grosse granulométrie

Masse du passant 5 mm (g)

Masse initiale de la prise (g)




456,0

Grosse

granulométrie

Petite

granulométrie

Ouverture des

tamis (mm)

Masse retenue

séparée (g)

Masse retenue

séparée (g)

Proportion

(g)

Masse retenue

cumulée (g)% Passant

28 0,0 0,0 0,0 100,0

20 848,4 848,4 848,4 92,0

14 2307,0 2307,0 3155,4 70,1

10 1497,3 1497,3 4652,7 55,9

5 1861,2 1861,2 6513,9 38,3

2,5 105,4 812,3 7326,2 30,6

1,25 66,2 510,2 7836,4 25,7

0,63 68,9 531,0 8367,4 20,7

0,315 98,8 761,4 9128,9 13,5

0,16 70,1 540,3 9669,1 8,4

0,08 43,9 338,3 10007,5 5,2

terrine 70,7 544,9 10552,4 0,0





Grosse granulométrie Granulométrie fine




438,9

Grosse

granulométrie

Petite

granulométrie

Ouverture des

tamis (mm)

Masse retenue

séparée (g)

Masse retenue

séparée (g)

Proportion

(g)

Masse retenue

cumulée (g)% Passant

28 0,0 0,0 0,0 100,0

20 1330,2 1330,2 1330,2 86,8

14 2932,9 2932,9 4263,1 57,5

10 1406,9 1406,9 5670,0 43,5

5 1588,1 1588,1 7258,1 27,7

2,5 116,5 635,4 7893,5 21,4

1,25 62,5 340,9 8234,4 18,0

0,63 62,6 341,4 8575,8 14,6

0,315 89,2 486,5 9062,3 9,7

0,16 63,9 348,5 9410,8 6,3

0,08 42,4 231,3 9642,1 4,0

terrine 72,6 396,0 10038,1 0,0






Diamètre (mm) % Passant Éch.1 % Passant Éch. 2 % Passant Éch.3 Moyenne (% )

28,00 100,0 100,0 100,0 100,0

20,00 92,4 92,0 86,8 90,4

14,00 69,0 70,1 57,5 65,5

10,00 54,9 55,9 43,5 51,5

5,00 37,8 38,3 27,7 34,6

2,50 29,4 30,6 21,4 27,1

1,25 24,2 25,7 18,0 22,6

0,63 19,2 20,7 14,6 18,2

0,32 12,4 13,5 9,7 11,9

0,16 7,6 8,4 6,3 7,4

0,08 4,7 5,2 4,0 4,6

146

ANALYSE GRANULOMÉTRIQUE DU GRAUWACKE CN – ESSAI AU SIMULATEUR

Diamètre (mm) % Passant Éch.1 % Passant Éch. 2 % Passant Éch.3 Moyenne (% )

28,00 100,0 100,0 100,00 100,00

20,00 90,9 89,4 91,17 90,48

14,00 68,8 65,6 65,92 66,80

10,00 55,7 51,5 50,14 52,46

5,00 38,3 33,1 31,05 34,13

2,50 29,5 24,6 22,47 25,55

1,25 22,7 18,7 16,87 19,44

0,63 17,2 14,1 12,64 14,62

0,32 11,8 9,7 8,70 10,07

0,16 7,8 6,4 5,79 6,69

0,08 5,0 4,1 3,71 4,29




Grosse

granulométrie

Petite

granulométrie

Ouverture des

tamis (mm)

Masse retenue

séparée (g)

Masse retenue

séparée (g)Proportion (g)

Masse

retenue

cumulée (g)

% Passant

28 0,0 0,0 0,0 100,0

20 877,5 877,5 877,5 90,9

14 2124,9 2124,9 3002,4 68,8

10 1263,8 1263,8 4266,2 55,7

5 1682,0 1682,0 5948,2 38,3

2,5 103,8 841,8 6790,0 29,5

1,25 80,9 656,1 7446,2 22,7

0,63 66,1 536,1 7982,2 17,2

0,315 63,4 514,2 8496,4 11,8

0,16 47,3 383,6 8880,0 7,8

0,08 33,7 273,3 9153,4 5,0

terrine 59,5 482,6 9635,9 0,0








Grosse

granulométrie

Petite

granulométrie

Ouverture des

tamis (mm)

Masse retenue

séparée (g)

Masse retenue


Masse

retenue

cumulée (g)

% Passant

28 0,0 0,0 0,0 100,0

20 1058,9 1058,9 1058,9 89,4

14 2368,8 2368,8 3427,7 65,6

10 1409,0 1409,0 4836,7 51,5

5 1839,7 1839,7 6676,4 33,1

2,5 133,1 840,3 7516,7 24,6

1,25 93,4 589,7 8106,4 18,7

0,63 74,0 467,2 8573,5 14,1

0,315 69,2 436,9 9010,4 9,7

0,16 51,1 322,6 9333,0 6,4

0,08 36,4 229,8 9562,8 4,1

terrine 65,4 412,9 9975,7 0,0








Grosse

granulométrie

Petite

granulométrie

Ouverture des

tamis (mm)

Masse retenue

séparée (g)

Masse retenue


Masse

retenue

cumulée (g)

% Passant

28 0,0 0,0 0,0 100,0

20 1142,3 1142,3 1142,3 91,2

14 3268,2 3268,2 4410,5 65,9

10 2041,8 2041,8 6452,3 50,1

5 2469,6 2469,6 8921,9 31,1

2,5 143,6 1110,5 10032,4 22,5

1,25 93,7 724,6 10757,0 16,9

0,63 70,8 547,5 11304,5 12,6

0,315 65,9 509,6 11814,1 8,7

0,16 48,7 376,6 12190,7 5,8

0,08 34,8 269,1 12459,9 3,7

terrine 62,1 480,2 12940,1 0,0





147

ESSAI D’ANGULOMÈTRE À GRAVILLONS - 10 mm et 14 mm (4 SOURCES MG-20)

DÉTERMINATION DU COEFFICIENT D’ÉCOULEMENT – GRAUWACKE CN ET CS

Source

Diamètre (mm) 10 14 10 14 10 14 10 14

Temps (sec)

1 54,3 44,4 36,4 33,2 40,4 52,5 46,0 47,0

2 52,7 45,8 36,2 31,6 41,2 52,8 46,2 46,6

3 51,4 48,0 35,6 30,8 40,4 50,9 46,2 46,6

4 50,6 43,7 35,6 30,6 41,8 52,6 47,0 47,4

5 49,7 42,8 34,6 30,3 41,7 52,7 46,4 47,2

Moyenne 51,7 44,9 35,7 31,3 41,1 52,3 46,4 47,0

GS 2,66 2,67 2,65 2,65 2,67 2,67 2,82 2,82

Ce 137,6 120,1 94,5 82,8 109,8 139,8 130,5 132,4

Calcaire BasalteGrauwacke Gneiss granitique


Masse de prise (g) 1000,2 1000,0

Temps 1 (s) 30,9 31,3

Temps 2 (s) 30,7 31,3

Temps 3 (s) 30,6 31,4

Temps 4 (s) 30,7 31,4

Temps 5 (s) 30,9 31,4

Temps moyen (s) 30,8 31,4

Coefficiant d'écoulement

Ce = (t(s)*Dgb)/k 81,0 86,0

Degré d'absorption (%) 1,07 1,88

Densité brute <5mm 2,63 2,74

Densité brute >5 mm

148

ESSAI LOS ANGELES– GRAUWACKE CN

ESSAI LOS ANGELES– GRAUWACKE CS

ESSAI MICRO DEVAL– GRAUWACKE CN

Masse du 14 mm séché (g) 2596,7


Masse des 11 boulets (g) 4571,4

Masse initiale (g) 4990,1

Masse retenue sec et propre 1,70 mm (g) 3907,5

Pourcentage de perte (%) 21,695

Résultat Los Angeles 500 tours

Préparation Los Angeles (grade B)

Grauwacke CN


Masse des 11 boulets (g) 3340,5

Masse initiale 5 mm(g) 5000,6

Masse retenue sec et propre 1,70 mm (g) 3594,3

Pourcentage de perte (%) 28,123

Préparation Los Angeles_CS (Grade C)

Résultat Los Angeles 500 tours

Grauwacke CS

Masse billes (g): 4999,5

Masse de la prise 10 mm (g) 251,3


Masse totale de la prise (g) 503,2

Ouverture des tamis (mm) Masse (g)

5 408,3

2,5 2,6

1,25 0,3

Total 411,2

Pourcentage d'usure 18,28

Grauwacke CN

149

ESSAI MICRO DEVAL– GRAUWACKE CS

ESSAI PARTICULES PLATES ET ALLONGÉES– GRAUWACKE

Masse billes (g): 2500,7



Masse totale de la prise (g) 500,2

Ouverture des tamis (mm) Masse (g)

5 407,1

2,5 22,7

1,25 1,8

Total 431,6

Pourcentage d'usure 13,71

Grauwacke CS

894,8

295,1

Total 1189,9

Quantité de particules (unité) 14 mm 10 mm Total %

Plates 123,9 76,4 200,3 0,168

Pas plates 771 218,8 989,8 0,832

Allongées 377,9 139,8 517,7 0,435

Pas allongées 517,1 155,5 672,6 0,565

Plates allongées 39,1 45 84,1 0,071

Pas plates allongées 338,8 94,8 433,6 0,364

Pas plates pas allongées 432,3 124,2 556,5 0,468

Plates pas allongées 84,8 31,3 116,1 0,098

Masse de prise pour le 14 mm (g)

Masse de prise pour le 10 mm (g)

Diamètre

150

ESSAI CBR– GRAUWACKE CN

ESSAI CBR– GRAUWACKE CS

Essais CBR Grauwacke Naturel

Masse de la prise d'essai (g) 6286,0

Masse du MG-20 (g) 826,8

Masse totale utilisée (g) 5459,2

Masse d'eau incorporée (g) 281,5

Masse du moule CBR2 (g) 7034,2

Masse du moule total + sol hum. (g) 12046,5

Masse du sol humide à l'intérieur (g) 5012,3

Masse du sol sec à l'intérieur (g) 4774,3

Diamètre du moule (m) 0,1524

Hauteur du moule (m) 0,1164

Pi 3,1416

Volume (m³) 0,0021

Masse volumique sèche opt (kg/m³) 2300,0

Masse volumique sèche obtenue (kg/m³) 2248,5

Degré de compaction (%) 97,8

Masse de la tare (g) 547,0

Masse de la tare + sol hum (g) 5555,0

Masse du sol humide (g) 5008,0

Masse de la tare + sol sec (g) 5317,2

Masse du sol sec (g) 4770,2

Masse de l'eau (g) 237,8

Teneur en eau w (%) 5,0

Calcul du volume du moule

Calcul du degré de compaction

Vérification de la teneur en eau0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Pre

ssio

n (M

Pa)

Pénétration (mm)


0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Pre

ssio

n (M

Pa)

Pénétration (mm)


Essais CBR Grauwacke Cs

Masse de la prise d'essai (g) 5501,8

Masse du MG-20 (g) 0,0

Masse totale utilisée (g) 5501,8

Masse d'eau incorporée (g) 339,0

Masse du moule CBR2 (g) 7005,4

Masse du moule total + sol hum. (g) 11996,9

Masse du sol humide à l'intérieur (g) 4991,5

Masse du sol sec à l'intérieur (g) 4697,7

Diamètre du moule (m) 0,1524

Hauteur du moule (m) 0,1164

Pi 3,1416

Volume (m³) 0,0021

Masse volumique sèche opt (kg/m³) 2260,0

Masse volumique sèche obtenue (kg/m³) 2212,4

Degré de compaction (%) 97,9

Masse de la tare (g) 208,4

Masse de la tare + sol hum (g) 840,4


Masse de la tare + sol sec (g) 803,2



Teneur en eau w (%) 6,3

Calcul du volume du moule

Calcul du degré de compaction

Vérification de la teneur en eau

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Pre

ssio

n (M

Pa)

Pénétration (mm)


0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Pre

ssio

n (M

Pa)

Pénétration (mm)


151

ESSAI PROCTOR MODIFIÉ – GRAUWACKE CN

Pro

cto

r m

odif

ié : G

rauw

acke C

NP

oin

t 1

Poin

t 2

Poin

t 3

Poin

t 4

Poin

t 5

Mass

e d

u m

oule

vid

e (

g)

6535,7

6535,7

6535,7

6535,7

6535,7

Mass

e d

e la p

rise

sans

MG

20 (

g)

5688,4

5489,3

5390,9

5791,2

6127,3

Quantité

d'e

au a

jouté

e (

g)

180,0

230,0

387,0

300,0

362,2

Mass

e d

u b

as

+ s

ol hum

ide (

g)

11325,6

11520,6

11678,6

11574

11696,2

Mass

e d

u s

ol hum

ide (

g)

4789,9

4985,2

5143,2

5039,0

5160,7

Véri

fication d

e la t

eneur

en e

au

Mass

e d

e la t

are

(g)

--

--

-

Mass

e d

e la t

are

+ s

ol hum

ide (

g)

--

--

-

Mass

e d

e la t

are

+ s

ol se

c (

g)

--

--

-

Mass

e d

u s

ol hum

ide (

g)

--

--

-

Mass

e d

u s

ol se

c (

g)

4621,8

4775,2

4787,1

4785,9

4876,2

Mass

e d

e l'e

au

168,1

210,0

356,1

253,1

284,5

Teneur

en e

au

3,6

4,4

7,4

5,3

5,8

Volu

me d

u m

oule

(m

³)0,0

021

0,0

021

0,0

021

0,0

021

0,0

021

Mass

e d

e s

ol se

c d

ans

le m

oule

(kg)

4621,8

4775,2

4787,1

4785,9

4876,2

Mass

e v

olu

miq

ue d

u s

ol se

c (

kg/m

³)2184,2

2256,7

2262,3

2261,8

2304,4

34

56

78

Te

ne

ur

en

ea

u (

%)

21

60

22

00

22

40

22

80

23

20

Masse volumique sèche optimale (kg/m³)

do

tp =

23

00 k

g/m

³

w

= 6

.0 %

152

ESSAI PROCTOR MODIFIÉ – GRAUWACKE CS

34

56

78

Te

ne

ur

en

ea

u (

%)

21

80

22

00

22

20

22

40

22

60

22

80

Masse volumique sèche optimale (kg/m³)

d

otp

= 22

60 k

g/m

³

w

= 6

.5 %

Pro

cto

r m

odif

ié : G

rauw

acke C

SP

oin

t 1

Poin

t 2

Poin

t 3

Poin

t 4

Poin

t 5

Mass

e d

u m

oule

vid

e (

g)

6531,8

6531,8

6531,8

6531,8

6531,8

Mass

e d

e la p

rise

sans

MG

20 (

g)

--

--

-

Quantité

d'e

au a

jouté

e (

g)

--

--

-

Mass

e d

u b

as

+ s

ol hum

ide (

g)

11339,2

11468,3

11511,1

11616,2

11651,5

Mass

e d

u s

ol hum

ide (

g)

4807,4

4936,5

4979,3

5084,4

5119,7

Véri

fication d

e la t

eneur

en e

au

Mass

e d

e la t

are

(g)

377,7

255,8

209,8

264,6

263,5

Mass

e d

e la t

are

+ s

ol hum

ide (

g)

--

--

Mass

e d

e la t

are

+ s

ol se

c (

g)

5030,8

4997,8

4943,8

5050,4

5040,4

Mass

e d

u s

ol hum

ide (

g)

Mass

e d

u s

ol se

c (

g)

4653,1

4742,0

4734,0

4785,8

4776,9

Mass

e d

e l'e

au

154,3

194,5

245,3

298,6

342,8

Teneur

en e

au

3,3

4,1

5,2

6,2

7,2

Volu

me d

u m

oule

(m

³)0,0

021

0,0

021

0,0

021

0,0

021

0,0

021

Mass

e d

e s

ol se

c d

ans

le m

oule

(kg)

4653,1

4742,0

4734,0

4785,8

4776,9

Mass

e v

olu

miq

ue d

u s

ol se

c (

kg/m

³)2199,0

2241,0

2237,2

2261,7

2257,5

153

ESSAI MODULE RÉVERSIBLE – GRAUWACKE CN

MÉTHODE LC 22-400

DÉTERMINATION DU MODULE RÉVERSIBLE DES MATÉRIAUX GRANULAIRES

No. projet : AM-033-10 Type matériau : MG-20 Source : Grauw acke

Client : JO POUP Particularité : CN Pétrographie :

No. échantillon : MG-007-10 Teneur eau : 2,3 % Porosité : 16 % Densité : 2,650 Teneur eau optimale : 5,3 %

Masse volumique : 2236 kg/m³ Saturation : 18 % Absorption : 1,1 % Masse vol. optimale : 2300 kg/m³

Saturation : 15 %

Teneur eau intiale : 2,3 % Saturation : 15 %

s3 sdo sd 1r moy 3r +/-D1r q toct Er nr log (q/pa) log (toct/pa +1) log Mr

(kPa) (kPa) (kPa) (m) (m) (%) (kPa) (kPa) (MPa) (kPa) (kPa) (kPa)

25 2,0 18 81 -13 2 93 9 220 0,16 -0,030118356 0,03875448 2,342

22 4,0 36 175 -38 1 104 19 204 0,21 0,018700499 0,074332229 2,309

20 6,0 53 248 -63 0 119 28 215 0,25 0,075546961 0,107054845 2,332

35 3,5 32 120 -21 1 140 16 262 0,18 0,146128036 0,066322787 2,418

35 7,1 63 219 -48 1 175 33 288 0,22 0,243038049 0,123846144 2,459

35 10,6 95 294 -74 2 210 50 321 0,25 0,322426052 0,174770779 2,507

70 7,1 63 154 -28 0 280 33 410 0,18 0,447313109 0,124000049 2,613

70 14,1 126 265 -58 2 350 66 475 0,22 0,544192111 0,220222594 2,677

70 21,2 189 368 -92 2 420 99 513 0,25 0,623352682 0,298944923 2,710

105 7,1 63 124 -19 2 385 33 508 0,16 0,585573519 0,124000049 2,706

105 10,6 95 178 -31 1 420 50 531 0,17 0,623352682 0,174770779 2,726

105 21,2 189 311 -67 2 525 99 607 0,21 0,720324717 0,299047768 2,783

140 10,6 95 151 -24 3 525 50 625 0,16 0,720242018 0,174770779 2,796

140 14,1 126 195 -34 1 560 66 646 0,17 0,748265573 0,220222594 2,810

140 28,3 252 352 -74 3 700 132 715 0,21 0,845222106 0,365651838 2,855

Teneur eau saturée : 9,1 % Saturation : 89 % Saturation : 89 %

s3 sdo sd 1r moy 3r +/-D1r q toct Er nr

(kPa) (kPa) (kPa) (m) (m) (%) (kPa) (kPa) (MPa) log (q/pa) log (toct/pa +1) log Mr

20 2,0 18 117 -25 1 80 9 153 0,21 (kPa) (kPa) (kPa)

20 4,0 36 219 -56 6 100 19 163 0,26 -0,097453221 0,038941691 2,186

20 6,0 54 294 -86 10 120 28 182 0,29 -0,000869459 0,074677137 2,213

35 3,6 32 149 -31 4 140 17 212 0,21 0,07773118 0,107534583 2,261

35 7,1 63 259 -66 10 175 33 244 0,25 0,147057671 0,066849669 2,327

35 10,7 95 343 -98 11 211 50 276 0,29 0,244029589 0,12446144 2,388

70 7,1 63 179 -36 7 280 33 354 0,20 0,3232521 0,175318039 2,441

70 14,2 126 305 -73 11 351 66 414 0,24 0,447623098 0,124307697 2,549

70 21,3 189 408 -110 12 421 99 464 0,27 0,544688022 0,220715506 2,617

105 7,1 63 141 -24 4 385 33 450 0,17 0,623869268 0,299458903 2,666

105 10,6 95 201 -38 8 420 50 472 0,19 0,585799009 0,124307697 2,653

105 21,3 189 344 -79 12 526 99 551 0,23 0,62355939 0,175044496 2,674

140 10,6 95 169 -29 7 525 50 561 0,17 0,720655357 0,299458903 2,741

140 14,2 126 217 -40 9 561 66 583 0,19 0,720407401 0,175044496 2,749

140 28,4 252 378 -86 12 701 132 667 0,23 0,748575617 0,220715506 2,766

0,845470133 0,366004541 2,824

Teneur eau drainée : 3,5 % Saturation : 35 %

s3 sdo sd 1r moy 3r +/-D1r q toct Er nr Saturation : 35 %

(kPa) (kPa) (kPa) (m) (m) (%) (kPa) (kPa) (MPa)

20 2,0 18 116 -22 7 80 9 153 0,19 log (q/pa) log (toct/pa +1) log Mr

20 4,0 36 217 -50 5 100 19 164 0,23 Sat. c1 c2 c3 R² RMSE n (kPa) (kPa) (kPa)

20 6,0 54 291 -75 4 120 28 184 0,26 15% 136 0,999 -0,635 0,99 19 15 -0,097997109 0,03875448 2,184

39 3,6 32 140 -26 6 151 17 226 0,18 89% 93 0,931 -0,384 0,99 14 15 -0,001740662 0,074332229 2,215

35 7,1 63 262 -61 4 174 33 241 0,23 35% 90 0,941 -0,372 1,00 11 15 0,077367905 0,107374729 2,264

35 10,6 95 345 -88 4 210 50 275 0,26 0,178976947 0,066674113 2,354

70 7,1 63 180 -33 4 280 33 350 0,18 Sat. k1 k2 k3 R² RMSE n 0,239799818 0,124153901 2,381

70 14,2 126 310 -68 4 350 66 408 0,22 15% 2,32 0,701 -0,177 0,99 0,017 15 0,322839273 0,175044496 2,439

70 21,3 189 407 -102 4 421 99 465 0,25 89% 2,23 0,743 -0,095 1,00 0,012 15 0,447468131 0,124153901 2,544

105 7,1 63 140 -23 2 385 33 451 0,16 35% 2,23 0,741 -0,083 1,00 0,012 15 0,544564097 0,22059233 2,610

105 10,6 95 200 -36 3 420 50 473 0,18 0,623766 0,299356155 2,667

105 21,3 189 343 -74 4 525 99 551 0,22 Sat. nr s n Conditionnement 10 000 cycles 0,585686278 0,124153901 2,654

140 10,6 95 168 -28 1 525 50 564 0,16 15% 0,20 0,03 15 No. p1 p2 p 0,62355939 0,175044496 2,675

140 14,2 126 215 -38 2 560 66 586 0,18 89% 0,23 0,04 15 1 0,720490068 0,299253384 2,742

140 28,4 252 371 -80 4 701 132 679 0,21 35% 0,21 0,03 15 2 0,720407401 0,175044496 2,751

0,748498127 0,22059233 2,768

Note : 0,84540814 0,365916392 2,832

Réalisé par : JO POUP Approuvé par : Félix Doucet, ing. M.Sc.A.

Date : Date :23 mars 2011 23 mars 2011

Service des matériaux d'infrastructures, Direction du Laboratoire des Chaussées, Ministère des Transports du Québec

2700, rue Einstein, Québec, G1P 3W8, (418) 644-0181

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800

Mo

dule

révers

ible

, Er (M

Pa)

Contrainte totale, q (kPa)

Saturation : 15 %

Saturation : 89 %

Saturation : 35 %

100

1000

10 100 1000

Mo

dule

révers

ible

, Er (M

Pa)


Saturation : 15 %

Saturation : 89 %

Saturation : 35 %

octr cccE tq 321 ++

32

11

k

a

oct

k

a

arpp

pkE

+

tq

154

ESSAI MODULE RÉVERSIBLE – GRAUWACKE CS

MÉTHODE LC 22-400

DÉTERMINATION DU MODULE RÉVERSIBLE DES MATÉRIAUX GRANULAIRES

No. projet : AM-033-10 Type matériau : MG-20 Source : Grauw acke

Client : JO POUP Particularité : CS Pétrographie :

No. échantillon : MG-007-10 Teneur eau : 3,1 % Porosité : 19 % Densité : 2,622 Teneur eau optimale : 6,0 %

Masse volumique : 2202 kg/m³ Saturation : 22 % Absorption : 1,2 % Masse vol. optimale : 2260 kg/m³

Saturation : 22 %

Teneur eau intiale : 3,1 % Saturation : 22 %

s3 sdo sd 1r moy 3r +/-D1r q toct Er nr log (q/pa) log (toct/pa +1) log Mr

(kPa) (kPa) (kPa) (m) (m) (%) (kPa) (kPa) (MPa) (kPa) (kPa) (kPa)

20 2,0 18 107 -19 0 80 9 167 0,17 -0,097997109 0,03875448 2,222

20 4,0 36 215 -45 2 100 19 166 0,21 -0,001740662 0,074332229 2,220

20 6,0 53 292 -68 1 119 28 182 0,23 0,076640444 0,107054845 2,261

35 3,5 32 144 -25 2 140 16 219 0,18 0,146128036 0,066322787 2,341

35 7,1 63 251 -53 1 175 33 251 0,21 0,243286146 0,124000049 2,400

35 10,6 95 333 -79 0 210 50 284 0,24 0,322426052 0,174770779 2,454

70 7,1 63 168 -30 0 280 33 375 0,18 0,447313109 0,124000049 2,574

70 14,1 126 290 -61 1 350 66 435 0,21 0,544192111 0,220222594 2,639

70 21,2 189 399 -95 2 420 99 474 0,24 0,623352682 0,298944923 2,676

105 7,1 63 131 -21 1 385 33 482 0,16 0,585686278 0,124153901 2,683

105 10,6 95 190 -34 1 420 50 498 0,18 0,623352682 0,174770779 2,697

105 21,2 189 333 -70 2 525 99 567 0,21 0,720324717 0,299047768 2,754

140 10,6 95 157 -26 0 525 50 603 0,17 0,720242018 0,174770779 2,781

140 14,1 126 203 -36 2 560 66 620 0,18 0,748265573 0,220222594 2,792

140 28,3 252 375 -78 1 700 132 673 0,21 0,845222106 0,365651838 2,828

Teneur eau saturée : 9,1 % Saturation : 89 % Saturation : 89 %

s3 sdo sd 1r moy 3r +/-D1r q toct Er nr

(kPa) (kPa) (kPa) (m) (m) (%) (kPa) (kPa) (MPa) log (q/pa) log (toct/pa +1) log Mr

20 2,0 18 131 -27 3 80 9 138 0,20 (kPa) (kPa) (kPa)

20 4,0 36 258 -63 1 100 19 139 0,25 -0,096910013 0,039128821 2,138

20 6,0 54 349 -96 1 120 28 154 0,27 -0,000869459 0,074677137 2,143

35 3,6 32 171 -35 0 140 17 186 0,20 0,07809415 0,107694378 2,187

35 7,1 63 295 -71 1 176 33 215 0,24 0,147367108 0,067025154 2,269

35 10,7 95 390 -104 1 211 50 244 0,27 0,244277121 0,124615128 2,332

70 7,1 63 195 -38 1 280 33 325 0,20 0,323458367 0,175454747 2,387

70 14,2 126 334 -76 1 351 66 378 0,23 0,447778009 0,12446144 2,512

70 21,3 189 445 -113 1 421 99 426 0,25 0,544688022 0,220715506 2,577

105 7,1 63 149 -26 1 385 33 425 0,17 0,623869268 0,299458903 2,629

105 10,6 95 214 -40 1 420 50 442 0,19 0,585799009 0,124307697 2,629

105 21,3 189 368 -82 1 526 99 515 0,22 0,623662707 0,175181289 2,646

140 10,6 95 177 -31 0 525 50 537 0,17 0,720655357 0,299458903 2,711

140 14,2 126 228 -42 1 561 66 554 0,19 0,720490068 0,175181289 2,730

140 28,3 252 403 -88 1 701 132 627 0,22 0,748575617 0,220715506 2,744

0,845470133 0,366004541 2,797

Teneur eau drainée : 5,1 % Saturation : 44 %

s3 sdo sd 1r moy 3r +/-D1r q toct Er nr Saturation : 44 %

(kPa) (kPa) (kPa) (m) (m) (%) (kPa) (kPa) (MPa)

20 2,0 18 148 -28 2 80 9 121 0,19 log (q/pa) log (toct/pa +1) log Mr

20 4,0 36 272 -61 1 100 19 132 0,23 Sat. c1 c2 c3 R² RMSE n (kPa) (kPa) (kPa)

20 6,1 54 357 -89 1 120 28 150 0,25 22% 99 1,043 -0,883 0,99 19 15 -0,097453221 0,038941691 2,083

35 3,6 32 177 -33 2 140 17 179 0,19 89% 70 0,948 -0,615 0,99 13 15 -0,000869459 0,074677137 2,119

35 7,1 63 307 -68 0 175 33 206 0,22 44% 62 0,874 -0,297 1,00 10 15 0,07809415 0,107694378 2,176

35 10,7 95 402 -100 0 211 50 236 0,25 0,147057671 0,066849669 2,252

70 7,1 63 206 -38 1 280 33 307 0,19 Sat. k1 k2 k3 R² RMSE n 0,244029589 0,12446144 2,315

70 14,2 126 350 -76 1 351 66 361 0,22 22% 2,25 0,784 -0,241 0,99 0,020 15 0,3232521 0,175318039 2,373

70 21,3 189 459 -112 0 421 99 412 0,24 89% 2,17 0,818 -0,189 0,99 0,019 15 0,447623098 0,124307697 2,488

105 7,1 63 159 -26 2 385 33 397 0,17 44% 2,14 0,807 -0,092 1,00 0,010 15 0,544688022 0,220715506 2,558

105 10,7 95 227 -41 1 421 50 417 0,18 0,623869268 0,299458903 2,615

105 21,3 189 382 -83 0 526 99 495 0,22 Sat. nr s n Conditionnement 10 000 cycles 0,585799009 0,124307697 2,599

140 10,6 95 188 -32 2 525 50 505 0,17 22% 0,20 0,03 15 No. p1 p2 p 0,623766 0,175318039 2,620

140 14,2 126 240 -43 1 561 66 526 0,18 89% 0,22 0,03 15 1 0,720655357 0,299458903 2,695

140 28,4 252 409 -87 0 701 132 617 0,21 44% 0,21 0,03 15 2 0,720490068 0,175181289 2,704

0,748575617 0,220715506 2,721

Note : 0,845532117 0,366092673 2,791

Réalisé par : JO POUP Approuvé par : Félix Doucet, ing. M.Sc.A.

Date : Date :23 mars 2011 23 mars 2011

Service des matériaux d'infrastructures, Direction du Laboratoire des Chaussées, Ministère des Transports du Québec

2700, rue Einstein, Québec, G1P 3W8, (418) 644-0181

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800M

od

ule

révers

ible

, Er (M

Pa)


Saturation : 22 %

Saturation : 89 %

Saturation : 44 %

100

1000

10 100 1000

Mo

dule

révers

ible

, Er (M

Pa)


Saturation : 22 %

Saturation : 89 %

Saturation : 44 %

octr cccE tq 321 ++

32

11

k

a

oct

k

a

arpp

pkE

+

tq

155

ESSAI COMPRESSION TRIAXIALE – CHACUNE DES SOURCES

156

157

ANNEXE 2

RÉSULTATS DES ESSAIS DE DÉFORMATION

PERMANENTE (ESSAI TRIAXIAL)

158

159

GRAUWACKE CN – CONDITION DE TENEUR EN EAU OPTIMALE

Grauwacke

w optimale

Naturelle

4,60

Masse du moule + 2 papiers filtres + 1 géotextile (g) 14479,40

Masse du moule + sol humide (g) 27295,00



Masse du sol sec (kg) 12,25


Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)

Degré de compaction (%)

Masse tare (g)

Masse tare + sol humide (g)

Masse matériau humide (g)

Masse tare + sol sec (g)

Masse du sol sec (g)

Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

500000

100

20

0,3000

3,1416

0,0055

5472440,77

Paramètre du matériel

2300,00

2238,81

Dimension de l'échantillon

0,1524

Nombre de cycle d'application (N)

Contrainte déviatorique (kPa)

Pression de confinement (kPa)

Vérification de la teneur en eau (w)

246,30

1255,50

1009,20

1211,10

w initiale (%)

97,34

Paramètres exigés

964,80

44,40

Masse volumique sèche optimale (ρdopt)

Condition

4,60

Source

Courbe granulométrique

Couches Masse (g) Épaisseur (mm)

1 N/A N/A

2 N/A N/A

3 N/A N/A

4 N/A N/A

5 N/A N/A

6 N/A N/A

7 N/A N/A

total 13108,1 300

Masses et épaisseurs des couches lors de la compaction

Masse de l'eau ajoutée (g) 563,83

Degré d'absorption du grauwacke (ABS) 1,07

Densité du grauwacke CN (GS) 2,65

Indice des vides e 0,19

Degré de saturation (%) 50,65

Degré de saturation de l'échantillon

0 50000 100000N

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

p1

(%)

Données obtenues

Modèle de Dresden

Grauwacke CN - Optimale

160

GRAUWACKE CN – CONDITION SATURÉE

Grauwacke

Saturée

Naturelle

6,20







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

Source

Condition


w initiale (%)



0,1524

0,3060

3,1416

0,0056

5581889,59


2300,00

2223,75

96,68


262,00

904,20

642,20

866,70

604,70

37,50

6,20

Paramètres exigés





1 1892,3 45

2 1892,3 44

3 1890,6 43

4 1891,2 43

5 1891,7 44

6 1891,9 44

7 1890,6 43

total 13240,6 306


Masse de l'eau ajoutée totale (g) 964,77


Densité du grauwacke CN (GS) 2,65




0 50000 100000

N

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

p1 (%)

Données obtenues

Modèle de Dresden

Grauwacke CN - Saturée

161

GRAUWACKE CN – GEL/DÉGEL EN CONDITION DRAINÉE

Grauwacke

Gelée Dégelée Drainée

Naturelle

4,93







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

w initiale (%)

Source

Condition




0,1524

0,3010

2296,07

3,1416

0,0055

5490682,24





99,83

1008,70

1322,40

961,30

2300,00

47,40

4,93

Paramètres exigés


361,10

1369,80


1 1888,0 43

2 1887,9 43

3 1888,2 43

4 1887,9 43

5 1888,0 43

6 1888,0 43

7 1900,9 43

total 13228,9 301




Densité du grauwacke CS (GS) 2,65




0 50000 100000

N

0.16

0.20

0.24

0.28

0.32

p1 (%)

Données obtenues

Modèle de Dresden

Grauwacke CN - GDD

162

GRAUWACKE CS – CONDITION DE TENEUR EN EAU OPTIMALE

Grauwacke

w optimale

CS

5,99







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

0,1524

0,3020

3,1416



0,0055


2260,00

5508923,71

727,40

571,60

695,10

539,30

32,30

99,16

Paramètres exigés




5,99

w initiale (%)

2240,95


155,80

Condition

Source



1 1872,7 43

2 1872,9 43

3 1872,6 43

4 1872,5 43

5 1872,4 43

6 1872,1 44

7 1872,9 43

total 13108,1 302


0 50000 100000N

0.24

0.28

0.32

0.36

0.40

0.44

p1

(%)Données obtenues

Modèle de Dresden

Grauwacke CS - Optimale


Degré d'absorption du grauwacke CS (ABS) 1,88





163

GRAUWACKE CS – CONDITION SATURÉE

Grauwacke

Saturée

CS

5,94







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

Condition


0,0054

5,94

Source



w initiale (%)

94,48

Paramètres exigés




2135,15


226,20

1666,80

1440,60

1586,00

1359,80

80,80


2260,00

5417716,37

0,1524

0,2970

3,1416


1 1872,5 44

2 1872,2 47

3 1863,0 44

4 1865,2 46

5 1863,2 45

6 1862,6 46

7 1027,7 25

total 12226,4 297








0 50000 100000

N

0

4

8

12

16

p1


Grauwacke CS - Saturée

164

GRAUWACKE CS – GEL/DÉGEL EN CONDITION DRAINÉE

Grauwacke

Gelée-Dégelée-Drainée

CS

5,77







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

w initiale (%)

Source

Condition



0,1524

0,3010


2250,36

3,1416

0,0055

5490682,24


2260,00

99,57


179,80

709,40

529,60

680,50

500,70

28,90

5,77

Paramètres exigés





1 1872,2 42

2 1871,7 43

3 1872,0 43

4 1872,0 43

5 1872,0 43

6 1872,4 43

7 1872,4 44

total 13104,7 301








0 50000 100000

N

0.16

0.20

0.24

0.28

0.32

0.36

p1 (%)

Données obtenues

Modèle de Dresden

Grauwacke CS - GDD

165

CALCAIRE CS – CONDITION DE TENEUR EN EAU OPTIMALE


1 1850,2 45

2 1850,3 45

3 1850,2 44

4 1850,0 42

5 1849,8 44

6 1850,2 43

7 1850,1 44

total 12950,8 307



Degré d'absoprtion du calcaire (ABS) 1,54

Densité du calcaire CS (GS) 2,60




0 50000 100000

N

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

p1


Modèle de Dresden

Calcaire CS - Optimale

Calcaire

Optimale

CS

5,60







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (g/cm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

3,1416

w initiale (%)


Source

Condition


0,0056

5600131,06


0,1524

0,3070

33,70


2268,00

2189,57

96,54


200,90

836,40

635,50

802,70

601,80

5,60

Paramètres exigés




166

CALCAIRE CS – CONDITION SATURÉE


1 1861,5 43

2 1861,6 47

3 1821,2 42

4 1820,8 43

5 1835,2 42

6 1846,6 44

7 1862,0 46

total 12908,9 307

Masses et épaisseurs des couches lors de la préparation


Degré d'absorption du calcaire (ABS) 1,54





0 50000 100000

N

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

p1


Modèle de Dresden

Calcaire CS - Saturée

Calcaire

Saturée

CS

4,51







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20


2268,00

5600131,06

2214,82

0,1524

0,3070

3,1416

0,0056



108,10

675,60

567,50

651,10

543,00

24,50

4,51

Source



w initiale (%)

97,66


Paramètres exigés


Condition


167

CALCAIRE CS – GEL/DÉGEL EN CONDITION DRAINÉE


1 1861,8 43

2 1861,7 44

3 1861,7 44

4 1851,8 43

5 1856,7 44

6 1851,7 43

7 1862,1 44

total 13007,5 305








Calcaire

Gelée-Dégelée-Drainée

CS

5,65







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

5,65

Paramètres exigés





154,00

734,00

580,00

703,00

549,00

31,00

3,1416

0,0056

5563648,12

2268,00

97,56


2212,56


0,1524

0,3050

Condition


w initiale (%)


Source

0 50000 100000

N

0.12

0.16

0.20

0.24

0.28

0.32

p1 (%)

Données obtenues

Modèle de Dresden

Calcaire CS - GDD

168

CALCAIRE CS – GEL/DÉGEL EN CONDITION NON DRAINÉE

0 50000 100000

N

0.16

0.20

0.24

0.28

0.32

p1 (%)

Données obtenues

Modèle de Dresden

Calcaire CS - GDND

Calcaire

Gel-Dégel-Non Drainée

CS

6,56







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

Source

Condition


w initiale (%)



0,1524

0,2970

3,1416

0,0054

5417716,37


2268,00

2223,08

98,02


196,50

263,10

66,60

259,00

62,50

4,10

6,56

Paramètres exigés





1 1861,6 43

2 1861,7 43

3 1861,8 43

4 1861,8 43

5 1861,7 43

6 1861,9 43

7 1861,7 39

total 13032,2 297








169

BASALTE CS – CONDITION DE TENEUR EN EAU OPTIMALE


1 1934,9 47

2 1930,5 45

3 1932,2 46

4 1927,7 45

5 1924,5 45

6 1921,3 44

7 1406,1 29

total 12977,2 301



Degré d'absorption du basalte (ABS) 1,870

Densité du basalte CS (GS) 2,783




0 50000 100000

N

0.20

0.24

0.28

0.32

p1


Modèle de Dresden

Basalte CS - Optimale

Basalte

Optimale

CS

6,81

14647,50


12922,50




Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%) 6,8100

100000

100

20

Masse du moule + 2 papiers filtres + 1 géotextile (g)

Masse du sol humide (g)

* Une erreur s'est produite lors de la préparation de l'échantillon, 100 grammes d'eau de

trop ont été ajoutés au mélange granulaire. C'est pourquoi la teneur en eau obtenue est de

6,81 (élevée).

Paramètres exigés




93,41


228,50

995,40

766,90

946,50

718,00

48,90


2359,00

2203,48

3,1416

0,0055

5490682,24


0,1524

0,3010

w initiale (%) *


Source

Condition


170

BASALTE CS – CONDITION SATURÉE


1 1938,2 48

2 1930,8 46

3 1925,0 45

4 1921,1 47

5 1918,7 45

6 1921,3 45

7 1687,7 39

total 13242,8 315


0 50000 100000

N

0.04

0.08

0.12

0.16

0.2

p1


Modèle de Dresden

Basalte CS - Saturée







Basalte

Saturée

CS

7,57







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

0,3150

w initiale (%)*


Source

Condition


*Encore une fois, la teneur en eau du matériau granulaire compacté est supérieure à la

teneur en eau optimale visée.

2359,00

5746062,81


0,1524


2192,83

3,1416

0,0057

92,96


178,20

562,00

383,80

535,00


356,80

27,00

7,57

Paramètres exigés



171

BASALTE CS – GEL/DÉGEL EN CONDITION DRAINÉE

Basalte

Gel-Dégel-Drainée

CS

4,73







Diamètre (m)

Hauteur (m)

π

Volume (m³)

Volume (mm³)

ρdopt (kg/m³)

ρd obtenu (kg/m³)


Masse tare (g)





Masse de l'eau (g)

Teneur en eau (%)

100000

100

20

w initiale (%)

Source

Condition



0,1524

0,3130


2245,15

3,1416

0,0057

5709579,87


2359,00

95,17


284,30

479,20

194,90

470,40

186,10

8,80

4,73

Paramètres exigés





1 1937,6 45

2 1931,6 46

3 1927,6 46

4 1925,0 45

5 1923,1 45

6 1924,9 44

7 1860,4 42

total 13430,2 313








0 50000 100000

N

0.24

0.28

0.32

0.36

0.40

0.44

p1 (%)

Données obtenues

Modèle de Dresden

Basalte CS - GDD

172

173

ANNEXE 3

MATRICE DE CORRÉLATION

174

MATRICE DE CORRÉLATION

wopt ρdmax ρs Gs Abs nopt ncopt nfopt % Fines ce φ'app. CBR0,1 CBR0,2 Fr M-Deval L. Angeles e Eélast. Mr 400 sat. Angulo14 Angulo10 Sropt Srsat Srsgdd Aopt. Asat. Asgdd Bopt. Bsat. Bsgdd Δhtot Cu Cc D10 D30 D60

wopt 1,00

ρdmax 0,13 1,00

ρs 0,31 0,60 1,00

Gs 0,31 0,60 1,00 1,00

Abs 0,55 0,73 0,54 0,54 1,00

nopt 0,15 -0,59 0,30 0,30 -0,32 1,00

ncopt 0,12 -0,54 0,31 0,31 -0,15 0,95 1,00

nfopt 0,18 -0,27 0,13 0,13 -0,55 0,47 0,17 1,00

% Fines 0,00 -0,23 0,21 0,21 0,28 0,48 0,73 -0,55 1,00

ce -0,03 0,16 0,75 0,75 0,34 0,56 0,70 -0,20 0,75 1,00

φ'app. 0,42 0,72 0,58 0,58 0,38 -0,27 -0,44 0,43 -0,64 -0,10 1,00

CBR0,1 0,00 0,05 -0,23 -0,23 -0,44 -0,29 -0,57 0,70 -0,98 -0,74 0,57 1,00

CBR0,2 0,06 0,05 -0,21 -0,21 -0,41 -0,28 -0,56 0,71 -0,97 -0,73 0,59 1,00 1,00

Fr 0,45 0,83 0,25 0,25 0,83 -0,73 -0,66 -0,41 -0,25 -0,18 0,59 0,06 0,08 1,00

M-Deval -0,19 -0,49 -0,96 -0,96 -0,54 -0,39 -0,47 0,06 -0,47 -0,91 -0,32 0,49 0,48 -0,13 1,00

L. Angeles -0,07 -0,97 -0,45 -0,45 -0,76 0,71 0,61 0,47 0,16 -0,10 -0,58 0,04 0,05 -0,88 0,38 1,00

e 0,14 -0,60 0,29 0,29 -0,34 1,00 0,95 0,47 0,48 0,55 -0,29 -0,29 -0,27 -0,75 -0,37 0,72 1,00

Eélast. 0,61 0,36 0,23 0,23 0,15 -0,19 -0,41 0,62 -0,76 -0,44 0,87 0,75 0,78 0,45 0,06 -0,22 -0,20 1,00

Mr400 sat. -0,25 0,24 -0,49 -0,49 0,32 -0,78 -0,58 -0,86 0,10 -0,32 -0,33 -0,26 -0,28 0,48 0,40 -0,45 -0,78 -0,38 1,00

Angulo 14 0,16 0,80 0,15 0,15 0,81 -0,80 -0,64 -0,70 -0,03 -0,06 0,32 -0,19 -0,18 0,92 -0,13 -0,91 -0,81 0,09 0,72 1,00

Angulo 10 0,69 0,73 0,52 0,52 0,65 -0,35 -0,43 0,18 -0,46 -0,12 0,91 0,36 0,39 0,80 -0,29 -0,64 -0,36 0,84 -0,12 0,53 1,00

Sropt 0,20 0,36 -0,16 -0,16 0,71 -0,60 -0,36 -0,89 0,33 -0,06 -0,18 -0,49 -0,49 0,68 0,07 -0,55 -0,60 -0,25 0,86 0,84 0,17 1,00

Srsat -0,89 0,04 -0,47 -0,47 -0,50 -0,52 -0,54 -0,13 -0,39 -0,37 -0,17 0,34 0,28 -0,15 0,46 -0,11 -0,51 -0,29 0,42 0,05 -0,42 -0,09 1,00

Srsgdd -0,89 -0,06 -0,59 -0,59 -0,49 -0,52 -0,50 -0,26 -0,27 -0,40 -0,34 0,22 0,17 -0,17 0,54 -0,05 -0,51 -0,41 0,54 0,07 -0,52 0,03 0,98 1,00

Aopt. 0,06 -0,17 -0,12 -0,12 -0,59 0,09 -0,22 0,91 -0,83 -0,54 0,48 0,92 0,93 -0,23 0,35 0,32 0,10 0,70 -0,58 -0,51 0,23 -0,76 0,15 0,03 1,00

Asat. -0,30 -0,88 -0,23 -0,23 -0,76 0,81 0,75 0,40 0,33 0,21 -0,61 -0,13 -0,14 -0,98 0,10 0,92 0,82 -0,43 -0,52 -0,93 -0,76 -0,64 -0,01 0,02 0,19 1,00

Asgdd -0,43 -0,54 0,17 0,17 -0,63 0,81 0,75 0,43 0,32 0,51 -0,36 -0,15 -0,17 -0,90 -0,27 0,65 0,82 -0,41 -0,65 -0,84 -0,63 -0,76 0,06 0,03 0,17 0,88 1,00

Bopt. 0,39 -0,71 0,08 0,08 -0,28 0,92 0,88 0,43 0,43 0,32 -0,33 -0,25 -0,22 -0,63 -0,15 0,79 0,93 -0,08 -0,66 -0,75 -0,28 -0,43 -0,66 -0,62 0,11 0,76 0,59 1,00

Bsat. -0,21 -0,74 0,03 0,03 -0,63 0,92 0,86 0,45 0,39 0,42 -0,47 -0,20 -0,20 -0,94 -0,15 0,83 0,92 -0,37 -0,67 -0,92 -0,64 -0,70 -0,15 -0,14 0,16 0,97 0,94 0,80 1,00

Bsgdd -0,47 -0,88 -0,56 -0,56 -0,66 0,49 0,55 -0,07 0,48 0,08 -0,93 -0,35 -0,37 -0,84 0,34 0,80 0,50 -0,74 0,01 -0,64 -0,96 -0,19 0,20 0,32 -0,17 0,85 0,62 0,50 0,72 1,00

Δhtot 0,67 0,67 0,82 0,82 0,90 0,02 0,11 -0,18 0,25 0,52 0,55 -0,34 -0,30 0,64 -0,77 -0,61 0,01 0,32 -0,13 0,52 0,73 0,33 -0,69 -0,75 -0,35 -0,56 -0,34 0,00 -0,35 -0,70 1,00

Cu 0,00 -0,23 0,21 0,21 0,28 0,48 0,73 -0,55 1,00 0,75 -0,64 -0,98 -0,97 -0,25 -0,47 0,16 0,48 -0,76 0,10 -0,03 -0,46 0,33 -0,39 -0,27 -0,83 0,33 0,32 0,43 0,39 0,48 0,25 1,00

Cc 0,00 0,23 -0,21 -0,21 -0,28 -0,48 -0,73 0,55 -1,00 -0,75 0,64 0,98 0,97 0,25 0,47 -0,16 -0,48 0,76 -0,10 0,03 0,46 -0,33 0,39 0,27 0,83 -0,33 -0,32 -0,43 -0,39 -0,48 -0,25 -1,00 1,00

D10 0,00 0,23 -0,21 -0,21 -0,28 -0,48 -0,73 0,55 -1,00 -0,75 0,64 0,98 0,97 0,25 0,47 -0,16 -0,48 0,76 -0,10 0,03 0,46 -0,33 0,39 0,27 0,83 -0,33 -0,32 -0,43 -0,39 -0,48 -0,25 -1,00 1,00 1,00

D30 0,00 0,23 -0,21 -0,21 -0,28 -0,48 -0,73 0,55 -1,00 -0,75 0,64 0,98 0,97 0,25 0,47 -0,16 -0,48 0,76 -0,10 0,03 0,46 -0,33 0,39 0,27 0,83 -0,33 -0,32 -0,43 -0,39 -0,48 -0,25 -1,00 1,00 1,00 1,00

D60 0,00 0,23 -0,21 -0,21 -0,28 -0,48 -0,73 0,55 -1,00 -0,75 0,64 0,98 0,97 0,25 0,47 -0,16 -0,48 0,76 -0,10 0,03 0,46 -0,33 0,39 0,27 0,83 -0,33 -0,32 -0,43 -0,39 -0,48 -0,25 -1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

Documents

Étude du comportement en déformation …...environnementales influencent le comportement plastique d’un matériau granulaire (MG). En effet, les résultats montrent que la composition