1Chemins de drainage-humidification des sols argileux – Evolution de la porosité et de la répartition de l’eau lors de l’humidification
Souli H., Fleureau J.M.,
MSSMat / UMR 8579 CNRS / Ecole Centrale Paris
http://www.mssmat.ecp.fr
Séminaire Risques naturels et environnement
Plan
Première partie: Chemins de drainage-humidification des sols argileux
Chemin de drainage-humidification 1. Pâte Normalement Consolidée2. Sol surconsolidé3. Sol compacté
Deuxième partie: Evolution de la porosité et de la répartition de l’eau lors de l’humidification
1. Caractérisation géotechnique et physico-chimique de l’argile2. Chemin d’humidification et Pression de gonflement3. Diffraction des rayons X : organisation après humidification4. Evolution de la taille des pores
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
3- Dispositifs d’imposition de la pression capillaire
Solutions osmotiques100 kPa < Pc < 1500 kPa
Solutions salinesPc> 1500 kPa
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
Plaques tensiométriques
0.1 kPa < Pc < 10 kPa
- Pression capillaire = pression négative - Paramètres mesurés: indice des vides (e), teneur en eau (w) et degrés saturation (Sr)
4- Chemin de drainage-humidification à partir d’une pâte (Normalement Consolidé)
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+60.5
1.0
1.5
2.0
Indi
ce d
es v
ides Drainage
(Chemin NC)
Humidification(Chemin OC)
0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6
Pression négative (kPa)
0.5
1.0
1.5
Drainage(Chemin NC)
Humidification(Chemin OC)
(-Uw)SL
(NC)
0 40 800.5
1.0
1.5
2.0 Ligne de saturation
w Lw P
w (NC)
0 40 800.5
1.0
1.5
2.0
w Lw P
Indi
ce d
es v
ides
Teneur en eau (%)
0 40 80Teneur en eau (%)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
De
gré
de
satu
ratio
n
WSL
0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6Pression négative (kPa)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
De
gré
de
satu
ratio
n
(-Uw)désat
Interstratifié illite - smectite (wL = 90%, IP = 52)
Kaolinite (wL = 61%, IP = 30)
5- Influence de la nature des matériaux
0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+50.0
1.0
2.0
3.0
4.0Correlation
with wL
ucSL
(b)
(-uw)SL
0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6Pression négative (kPa)
0.5
1.0
1.5
2.0
Indice
des v
ides
Drainage(Chemin NC)
Humidification(Chemin OC)
Indice
des v
ides
Pression négative (kPa)
0 50 100 150Teneur en eau (%)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
Saturation line
wLwP
wSL (a) wSL(NC)
0 40 80Teneur en eau (%)
0.5
1.0
1.5
2.0
Indice
des v
ides
Ligne desaturatione=γs/γw w
wLwP
Indice
des v
ides
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
⇒ (-UW)SL(IS)> (-UW)SL(K)
⇒(-UW)dés(IS)> (-UW)dés(K)
⇒ wSL(IS)< wSL(K)
1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6Pression capillaire ou contrainte moyenne (kPa)
0.0
0.5
1.0
1.5
Indi
ce d
es v
ides
Corrélation avec wL
(ua-uw)SL
Essai oedométriqueEssai isotrope
A
B C D
p ; ua-uw
e
6- Comparaison des chemins de drainage, oedométrique et isotrope
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
Argile saturée et normalement consolidée (NC)
Correspondance des chemins de drainage et ceux des essais oedométrique et isotrope
- Chemin normalement consolidé bien décrit par les corrélations avec la limite de liquiditéw = wL, e = Gs*wL pour p =7 kPaw = wP, e = Gs*wp pour p = 1000 kPa
(Biarez et Favre, 1975)
7- Corrélation des caractéristiques avec la limite de liquidité pour le sol NC
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
1 - Bonne corrélation entre pression de désaturation et limite de liquidité
2 - Les corrélations entre limite de retrait et la limite de liquidité sont moins bonnes
1 2
8- Chemin de drainage-humidification sur des sols surconsolidésplastique et peu plastique
Sol plastique + faible contrainte de consolidation
Sol peu plastique + forte contrainte de consolidation
1x10-1 1x100 1x101 1x102 1x103 1x104 1x105 1x106
Pression négative (kPa)
0.3
0.6
0.9
Indi
ce d
es v
ides
(-uw)SL
0.1 1 1E+001 1E+002 1E+003 1E+004
Pression négative (kPa)
0.4
0.6
0.8
Indi
ce d
es v
ides
Chemin NC
Chemin OC200 kPa
Corrélations NC(chem. oedom.)
- Chemin surconsolidé (OC) rejoint chemin normalement consolidé dans le domaine saturé.⇒ Même comportement au séchage
- Chemin surconsolidé (OC) rejoint chemin normalement consolidé dans le domaine désaturé.⇒ Comportement différents au séchage
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
9- Influence de la contrainte de consolidation
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
Faibles contraintes de consolidation (0,1 à 0,2 MPa)
- Chemin d’humidifcation rejoint le chemin Normalement Consolidé (NC) dans le domaine saturé
Fortes contraintes de consolidation (1 à 3 MPa)
- Chemin d’humidifcation différent du chemin Normalement Consolidé (NC)
- Palier différent
e
0.1 1E+001 1E+003 1E+005Capillary pressure (kPa)
0.3
0.5
0.7
0.9
Voi
d ra
tio
Consolid. stress :0.1 MPa0.2 MPa1 MPa2 MPa3 MPa
Compacted
NC drying-wettingpath
10- Corrélation des caractéristiques avec wL pour les sols compactés
⇒ Wopt, γd_max,uc_opt en fonction de la limite de liquidité
30 60 90Liquid Limit wL (%)
12
16
20
Max
. dry
uni
t wei
ght
γ dm
ax (k
N/m
3 )at
SPO
or M
PO
SPO
MPO
γdmax
SPO
MPO
30 60 90Liquid Limit wL (%)
10
20
30
Opt
. wat
er c
onte
nt w
opt (
%)
at S
PO o
r MPO
SPO
MPO
wopt SPO
MPO
0 60 120 180Liquid Limit wL (%)
10
100
1000
10000
Neg
ativ
e po
re p
ress
ure
(kPa
)at
SPO
or M
PO
SPO
MPO
ua-uw
SPO
MPO
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
e
0.1 1 1E+001 1E+002 1E+003 1E+004Capillary pressure (kPa)
0.0
1.0
2.0
3.0
Voi
d ra
tio
Wetting pathsstarting from SPO
uc
SPO
w
0.1 1 1E+001 1E+002 1E+003 1E+004Capillary pressure (kPa)
0
40
80
120
Wat
er c
onte
nt (%
)
SPO
uc
Wetting pathsstarting from SPO
⇒ Pente des courbes d’humidification en fonction de la limite de liquidité
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
11- Comparaison des corrélations pour différents types de sols
0 25 50Water content (%)
0.0
0.5
1.0
1.5
Voi
d ra
tio
0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3Negative pore water pressure (kPa)
0.0
0.5
1.0
1.5
Voi
d ra
tio
0 25 50Water content (%)
0.0
0.5
1.0
Deg
ree
of s
atur
atio
n
0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3Negative pore water pressure (kPa)
0.0
0.5
1.0
Deg
ree
of s
atur
atio
n
0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3Negative pore water pressure (kPa)
0
25
50
Wat
er c
onte
nt (%
)
Kaolin (wL=61%)
Test results
Model
Wetting(OC path)
Wetting
Jos70 mixt. (wL=20%)
Test results
Model
Saturation linee = Gs.w
12- Conclusion
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
- Les courbes de drainage - humidification sont influencées par la composition minéralogique des argiles.
Sols normalement consolidés- Les chemins de drainage - humidification correspondent à ceux des essais oedométriques et isotropes⇒ possibilité d’appliquer les corrélations.
Sols compactés- Des corrélations avec les limites de liquidités permettent de reconstituer les courbes de drainage et d’humidification- Les corrélations sont valables pour les argiles à moyennes limites de liquidité
Evolution de la porosité et de la répartition de l’eau lors de l’humidification
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
14- Caractérisations Géotechnique et physico-chimique de l’argile Grecque
0 20 40 60 802θ (degrés)
0
100
200
300
400
50
150
250
350
Inte
nsité
1,5 nm
0,49
7 nm 0,
446
nm
0,25
1 nm
0,149 nm
0,31
8 nm
Smectite calcique
A.Grecque
Caractère dioctaédrique
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
4 µm40 %100 %
Plasticité
IPwPwL
110 %60 %170 %
d50< 2 µm< 80 µm
Granulométrie
0 20 40 60 80Teneur en argile < 2 µm (%)
0
40
80
120
Indi
ce d
e pl
astic
ité
Argile Grecque
Ac= 0.5
Ac= 1Ac= 2
moyen
élevé
très élevé
15- Définition des états initiaux (OPN, OPM et 60MPa)
OPN (ei = 1,45)
OPN (Argile Grecque) : Soemitro 1994
γd (densité sèche)(g/cm3)
Teneur en eau (%)
OPM(ei = 1,07)
Compacté à 60MPa (ei = 0,63)
40%29%8,32%
1,43
1,7
1,1
Humidification des échantillons à l’œdomètre
sous contraintes
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
16- Chemin d’humidification et pression de gonflement de l’argile Grecque
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
0 10 1000 100000Pression capillaire (kPa)
0
1
2
3
4
5
6
Indi
ce d
es v
ides
Pâte séchéeCompacté OPNCompacté 60 MPa
Gonflement plus important pour l’état le plus compacté
1E+004 1E+005 1E+006 1E+007 1E+008Contrainte σ (Pa)
-10
0
10
20
30
40
-5
5
15
25
35
Déf
orm
atio
n vo
lum
ique
εv
(%) OPN
OPMCompacté Dense
580 kPa 7000 kPa 35000 kPa
17- Porosité et méthodes de mesures
(Touret 1990 )
Porosimétrie au mercure
Pores inter-agrégats > 1,5 µm
Pores interparticulaires < 1,5 µm
Diffraction des Rayon X
Distance entre les feuillets
BET
Surface des particules
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
18- Diffraction des rayons X : organisation après humidification
Faible contraintes⇒ orientation préférentielle plus
importante et feuillets bien empilés(02 11) ⇒ anisotropie
Fortes contraintes⇒ Réorganisation des molécules d’eau dans l’espace interfoliaire⇒ Perte d’ordre dans l’empilement des feuillets⇒ Diminution du nombre de feuillets par particules
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
10 20 302θ (degrés)
Inte
nsité
10 ka
OPN
1000 kPa
1,58 nm
1,9 nm
1,45 nm
(02, 11)
9,5 nm
403081I (02 11)
0,650,550,55Largeur à mi -hauteur (° )
232Nombre de couches d’eau
1000 kPa10 kPaOPN
403086I (02 11)
0,950,50,9Largeur à mi -hauteur (° )
1-232Teneur en eau (%)
60 MPa10 kPaEtat initial
404040303030818181I (02 11)I (02 11)I (02 11)
0,650,650,650,550,550,550,550,550,55Largeur Largeur Largeur ààà mi mi mi ---hauteur (hauteur (hauteur (°°° )))
222333222NombreNombreNombre de de de couches dcouches dcouches d’’’eaueaueau
1000 1000 1000 kPakPakPa10 10 10 kPakPakPaOPNOPNOPN
10 20 302 θ(degrés)
Inte
nsité
1,89 nm
1,46 nm
1,37 nm
9,2 nm
(02, 11)
10 kPaEtat initial
60 MPa
19- Evolution de la taille des pores
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000Diamètre des pores (µm)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.01
0.03
0.05
0.07
0.09
Vol
ume
incr
émen
tale
(ml/g
)
OPNGonflement libre
Pores interparticulaires:0,5 µm et 0,03 µm
Pores interparticulaires:
0,03 µm
Pores interagrégats:
100 µm
Pores interagrégats:
20 µm
10 kPaOPN
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000Diamètre des pores (µm)
0
0.02
0.04
0.06
0.01
0.03
0.05
Vol
ume
cum
ulat
ive
(ml/g
)
Compacté Dense10MPa
Pores interparticulaires:
0,03 µm
Pores interparticulaires:1µm et 0,03 µm
Pores interagrégats:
100 µm
Pas de pores interagrégats:
10 kPaEtat initial
Pores interparticulaires:
0,03 µm
Pores interparticulaires:1 µm et0,03 µm
Pas de pores interagrégats
Pas de pores interagrégats
60 MPaEtat initial
60MPa1000kPa
Pores interparticulaires:0,5 µm et 0,03 µm
Pores interparticulaires:
0,03 µm
Disparition des pores
interagrégats
Pores interagrégats:
20 µm
1000 kPaOPN
20- Conclusion
Comportement macroscopiqueLe gonflement augmente avec la densité sèche initiale Comportement microscopique
Diffraction des rayons X-Faibles contraintes → Elargissement de l’espace entre les feuillets
→ Augmentation de l’empilement des feuillets→ Anisotropie
-Fortes contraintes → Réorganisation des molécules d’eau dans l’espace interfoliaire
Porosimétrie au mercure
-Fermeture des pores interagrégats par augmentation de la contrainte-Petits pores (0,03 µm) non influencés par la variation de la contrainte mécanique
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)
Merci pour votre attention
Laboratoire de Mécanique (Sols, Structures et Matériaux)