ue : approche multi-échelle et multi-physique du

M. HATTAB

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UMR-7239

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MASTER GENIE CIVIL PARCOURS CMGS

UE : Approche Multi-échelle et Multi-physique du comportement des argiles

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1. Introduction générale 1.1. Les argiles définitions et propriétés

1.2. Structure minéralogique

1.3. L’essai triaxial pour l’étude du comportement mécanique

2. Mécanismes de déformation dans les argiles saturées remaniées

reconsolidées – Comportement macroscopique 2.1. Notions de base et principe de l’essai triaxial

2.2. Comportement sur chemins isotropes

2.3. Comportement normalement consolidé – notion de l’état de plasticité parfaite

2.4. Comportement surconsolidé

3. Les modèles élastoplastiques de Cam-clay – notion d’état critique

4. Mécanismes de déformation et état microstructural 4.1. Phénomène d’orientation des particules sur chemin triaxial

4.2. Microstucture et état critique

4.3. Influence de la minéralogie dans le comportement des argiles – Etude des mélanges

argileux

5. TP : Essai triaxial

6. Ecriture de la loi de Cam-clay original sur matlab

Sommaire

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1. Définition – propriétés

Différentes définitions possibles selon la discipline

Une appellation générique, qui désigne selon la discipline un ensemble d’espèces minérales (physico-chimie, cosmétique), une famille de roche (mécanique des roches) ou alors une classe granulométrique (mécanique des sols).

Matériaux différents avec un point commun :

Contenir des minéraux argileux

minéraux argileux : silicates hydratés généralement des silicates d’aluminium avec une structure feuilletée

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1. Définition – propriétés

Les sols argileux : Exemples

Sol argileux de Sarthe Sédiment marin du golfe de Guinée par 1000 m de

profondeur

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1. Définition – propriétés

Les argiles de laboratoire : Exemple

Kaolinite jaune (K13) Identification de 96% de kaolinite pure par analyse au DRX

Sous forme de boue Après consolidation unidimensionnelle

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2. Structure minéralogique des argiles

Couche tétraédrique Couche octaédrique

Le feuillet élémentaire

Structure « feuilletée » - Empilement de feuillets élémentaires (10-9 mm ) constitués de deux couches :

2iS O 3 ( )Al OH

Si Al

Si

Al liaison O forte

7

2. Structure minéralogique des argiles

Le feuillet élémentaire Si

Al

Al

Si

Liaison O forte

7,5 A°

8

2. Structure minéralogique des argiles

Exemple la Kaolinite

Si

Al

Si

Al

liaison O forte

liaison H faible La particule particule

Feuillet

1 à 2 mm

0,5 mm

1 µm

9

2. Structure minéralogique des argiles

Exemple la Kaolinite : microstructure

texture du matériau

Vues de face

Vues de bord

Thèse de Soumia Bouziri (2007)

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2. Structure minéralogique des argiles Exemple montmorillonite ou

smectite

La particule

Si

Al

Si

Si

Al

Si

liaison H très faible

(H2O)

Propriétés :

Liaison H très faible d’où la propriété très forte de gonflement par insertion de molécule d’eau

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2. Structure minéralogique des argiles

Exemple la Montmorillonite : microstructure

Structure à l’aspect alvéolé

Thèse de Tammam Hammad (2010)

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2. Structure minéralogique des argiles

Argiles et microstructure - observations par MEB

Cas du kaolin P300

Cas du Greek Clay (montmorillonite)

Thèse de Tammam Hammad (2010)

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2. Structure minéralogique des argiles

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2. Structure minéralogique des argiles

Les propriétés d’état (physique) des argiles sont directement liées aux propriétés minéralogiques (corrélations par Biarez et Favre, 1975-1977)

Edge view

Face view

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Kaolin P300 (about 95% of kaolinite)

Hattab M, Bouziri S, Fleureau J-M, Canadian Geotechnical Journal (2010)

Greek Clay (about 97% of ca-Montmorillonite)

%<80mm 100%

%<2mm 80%

wL 170%

wP 60%

gs/gw 2.73

A° 1.31

%<80mm 100%

%<2mm 84%

wL 40%

wP 20%

gs/gw 2.65

A° 0.25

Hammad T, Hattab M, Fleureau J-M, European Journal of Environmental and Civil Engineering (2013)

The clay is marketed by “Dousselin Fontaines sur Saône (Rhône, France)”

in the form of dry powder

The clay is taken from Milos Island in the

Aegean Sea.

EXEMPLES

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Exemple du sédiment marin du golfe de guinée (collaboration avec ECP-MSSMAT dans le cadre du projet IFREMER (2005)

argile de couleur gris foncé avec débris coquillés

Photo MEB de l’argile GoG

Smectite

Sphéroïdes de pyrite framboïdale

Fraction argileuse 40 à 60%

Kaolinites 50%

Smectites 15 à 25%

Matières organiques 6%

Teneur en carbonates 5 à 15%

Carotte de 17 m prélevée par 700 m de profondeur Fournie par FUGRO-

FRANCE

Hattab M, Hammad T, Fleureau J-M, Hicher P-Y, Géotechnique (2012)

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Exemple du sédiment marin du golfe de guinée

wL: 160 à 110% et wP: 90 à 30%

gs=26,5 kN/m3 et gw=10,2 kN/m3

w : de 100 % à 180% (en surface)

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Exemple du sédiment marin du golfe de guinée

wL: 160 à 110% et wP: 90 à 30%

gs=26,5 kN/m3 et gw=10,2 kN/m3

w : de 100 % à 180% (en surface)

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3. L’essai triaxial pour l’étude du comportement

mécanique

3.1 Etude sur les argiles de laboratoire remaniée saturée reconsolidée

Onedimensional compression (initial state)

Consolidomètre à double drainage

35 mm

35 mm

35 mm

'

vσ =120 kPa

Cylindrical specimen of saturated clay for triaxial tests

Thèse de Lamine IGHIL-AMEUR (2015)

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3. L’essai triaxial pour l’étude du comportement

mécanique

Avec comme état initial du matériau

35 mm

35 mm

35 mm

'

vσ =120 kPa

Cylindrical specimen of saturated clay for triaxial tests

’3’3

’1

x

y

z

’3’3’3’3’3’3

’1’1

x

y

z

x

y

z

Axisymmetric triaxial loading

2 3' '