Introduction

Pendant longtemps, la mécanique des sols s’est limitée principalement à l’étudedes sols saturés en raison de difficultés à la fois expérimentales et d’interprétation desmesures. Dans un tel contexte, l’aspect polyphasique solide-liquide-gaz des sols n’étaitpris en compte que pour des applications spécifiques, comme les matériaux compactésdes remblais et barrages, et cela seulement à travers des essais empiriques.1

Une des principales difficultés expérimentales réside dans la mesure de la pressioninterstitielle uw de l’eau liquide. Devenant inférieure à la pression atmosphérique dansles sols non saturés, elle provoque de ce fait une désaturation des circuits hydrauliques.A partir des années 1960, les travaux de l’Ecole anglaise (Grande-Bretagne, Australie,Afrique du Sud, etc.) permettent une avancée significative à travers le développementde différentes méthodes de mesure de la pression et ont fourni un premier ensemblede résultats d’essais fiables. Pour faciliter l’interprétation des résultats, Bishop etd’autres proposent à la même époque d’étendre le concept de contrainte effectiveaux sols partiellement saturés sous la forme σ ′ = σ − ua + χ(ua − uw), soit unecombinaison linéaire de la contrainte nette σ −ua , différence entre la contrainte totaleσ appliquée au sol et la pression de l’air ua , et de la pression capillaire ua − uw. Lecoefficient variable χ de cette combinaison vaut ainsi 1 à saturation complète et décroîten fonction de la saturation en eau liquide. Cette tentative sera vivement contestée parla suite, tant pour sa pertinence que pour l’expression retenue. Le concept de contrainteeffective pour les sols non saturés sera ainsi progressivement abandonné au profit del’emploi des deux variables σ − ua et ua − uw devenues indépendantes. Dès lors,l’interprétation des essais a reposé sur la méthode plus empirique des surfaces d’étatet, hormis quelques recherches isolées, l’étude des sols non saturés ne connut pas dedéveloppement important jusqu’au milieu des années 1980.

1. Essais Proctor, CBR. . .Introduction rédigée par Olivier Coussy et Jean-Marie Fleureau.

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A cette époque, la nécessité de satisfaire des besoins industriels nouveaux etle défi de répondre à des questions restées en suspens, renforcés sans doute parle développement des moyens de calcul, entraînent la multiplication des équipesde recherche sur les sols non saturés dans de nombreux pays (Chine, Brésil,Europe, France – notamment à travers la création du GRECO « Comportement desgéomatériaux », – etc.). L’émergence de concepts originaux permet de donner un nouvelessor à ce domaine. Parmi ceux-ci, le catalyseur est très certainement l’approche globaleproposée par l’équipe de Barcelone (Espagne) conduisant au modèle dit d’Alonso etGens en 1990. Au cours des dix dernières années, d’autres modèles ont été élaboréstandis que se vulgarisaient les dispositifs de mesure adaptés aux sols non saturés, leplus souvent sur la base des techniques mises au point dans les années 1960.

A travers la diversité de ses auteurs, cet ouvrage sur la mécanique des sols nonsaturés tente d’apporter un point de vue qui soit à la fois diversifié dans ses approches etcohérent dans sa progression. Sans prétendre à l’exhaustivité en quoi que ce soit, il viseà compléter les ouvrages existant déjà sur le sujet, en présentant les différentes manièresde l’aborder, de la physico-chimie à la mécanique, de l’expérience à la modélisationthéorique, du laboratoire aux ouvrages, du microscopique au macroscopique.

Le matériau considéré est le sol, milieu granulaire polyphasique. Si un sable ouun silt peuvent être assimilés à un matériau granulaire, le cas d’une argile est pluscomplexe, comme le rappelle Henri Van Damme dans le chapitre 1. En fait, à l’exceptiondes smectites et montmorillonites, ce caractère granulaire existe pourtant dans laplupart des argiles, à condition de définir correctement l’ensemble de feuillets pouvantconstituer le grain des mesures sédimentométriques. Dans la gamme des contraintesde la mécanique des sols, ces grains peuvent être considérés comme élastiques, ce quipermet d’appliquer en première approche la loi de Hertz. A la surface et à l’intérieur desgrains, on observe la présence d’une eau assez fortement liée ; l’eau libre ou capillairequi circule entre les grains peut donner lieu, en présence d’air, à des phénomènescapillaires qui se traduisent par des forces attractives entre les grains.

La modélisation du comportement doit être étroitement liée aux observationsexpérimentales qui font apparaître une augmentation de la rigidité et de la résistancedu sol lorsque le degré de saturation diminue, en même temps qu’un rôle moteur de lapression capillaire en l’absence de contraintes. Ces différents points sont étudiés dansle deuxième chapitre. Jean-Claude Verbrugge et Jean-Marie Fleureau y présententune synthèse des principaux aspects du comportement en fonction des variablesindépendantes, selon le domaine de déformations, les chemins de contraintes et lesconditions aux limites (drainage) considérés. Outre le domaine classique des degrés desaturation compris entre 30 et 100 %, il a semblé intéressant d’apporter des élémentsconcernant les sols quasi secs, c’est-à-dire ceux dont le degré de saturation est de 1 à2 %. Ces matériaux, peu étudiés jusqu’à présent, possèdent en effet un comportementintermédiaire entre celui des sols usuels et celui des roches tendres. Les développementsconcernant les techniques expérimentales, dont l’importance est primordiale dans ces

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conditions pour la validité des mesures, ont été volontairement limités afin de ne pasalourdir la présentation.

Outre les aspects rhéologiques, les mécanismes d’écoulement des fluides dans lemilieu poreux partiellement saturé sont complexes et encore mal connus. Dans lesroches ou les sables assez perméables, la validité de la loi de Darcy généralisée estcouramment admise. Dans le chapitre 3, Frédéric Skoczylas et Esam Dana rappellentainsi les lois de transport et quelques méthodes de mesure adaptées à ces conditions.

Dans le quatrième chapitre, Olivier Coussy et Patrick Dangla abordent lecomportement poromécanique des sols non saturés à travers une formulationénergétique fondée sur des bilans d’énergie. Cette analyse confirme que c’est bienle couple de variables indépendantes σ −ua et ua −uw qui gouverne les déformationsdu squelette solide dans le cas général. En s’appuyant sur la connaissance séparéedes équations d’état des constituants fluides, elle conduit en effet à l’établissementdes équations d’état reliant ces variables aux déformations et à la saturation en eauliquide, équations auxquelles se réduisent les lois de comportement dans le cas d’unsquelette poroélastique. Dans le cas où la courbe de pression capillaire ne dépendque de la saturation en eau liquide, les équations d’état de la poroélasticité permettentde démontrer sans ambiguïté l’existence d’une pression interstitielle équivalente π ,prenant en compte les énergies des interfaces. Via cette pression π , qui joue alors lemême rôle que la pression interstitielle si le sol était saturé, la notion de contrainteeffective au sens de Terzaghi peut alors être reconduite. Des expériences rapportéessur une argile artificielle compactée confirment expérimentalement le bien-fondé del’approche. Des éléments nouveaux sont enfin apportés, qui permettent de prendre encompte, d’une part, l’hystérésis des courbes de drainage et d’humidification et, d’autrepart, une influence de la déformation sur la courbe de pression capillaire.

Une des voies modernes les plus prometteuses pour la compréhension, l’analyse,voire la modélisation, du comportement des sols non saturés est celle offerte parle passage micro-macro, c’est-à-dire par la prise en compte des lois régissant lesinteractions à l’échelle des grains et par la restitution de leur effet collectif à l’échelled’un élément représentatif de matériau. Ce point de vue est abordé par Xavier Chateauet Luc Dormieux dans le cinquième chapitre. Ils examinent l’apport des méthodes dechangement d’échelle successivement à la détermination des lois macroscopiques detransports examinées au troisième chapitre et à celle des lois macroscopiques régissantle comportement mécanique du squelette solide, telles qu’en particulier examinées audeuxième chapitre. Les méthodes de changement d’échelle donnent un nouvel éclairagesur la validité d’une contrainte effective généralisée dans les sols partiellement saturésen mettant en évidence les limitations d’un tel concept ; elle montre également à traversquelques exemples les applications possibles de cette méthode à la détermination decritères de résistance dans des cas simples de milieux granulaires.

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Comme il a été indiqué plus haut, le modèle de comportement élastoplastiqued’Alonso et Gens, dérivé du modèle Cam-Clay, a marqué une étape importante pourles sols partiellement saturés. Dans le sixième chapitre, Patrick Dangla présente lemodèle et ses paramètres, en le replaçant dans le cadre plus large de la poroplasticité,dans la continuité de l’approche énergétique du chapitre 4. Ce modèle est enrichi par laprise en compte de l’hystérésis des chemins de drainage-imbibition et le choix d’une loid’écoulement associée, à la différence de celle d’Alonso et Gens. Le nouveau modèlea été testé sur différents résultats expérimentaux du deuxième chapitre et montre sacapacité à reproduire la plupart des chemins caractéristiques du comportement nonsaturé.

Les applications de la mécanique des sols non saturé sont nombreuses, tant au niveaudes matériaux compactés que des sols naturels. Dans le premier cas, les ouvrages dontle comportement est directement lié aux conditions de saturation sont les barrages enterre, les remblais de route ou de chemin de fer, les barrières ouvragées des centresd’enfouissement technique ou de stockage de déchets radioactifs ; dans le second cas,les problèmes rencontrés sont les variations volumiques de retrait ou de gonflement, lesphénomènes d’effondrement, la gestion des nappes phréatiques, etc. A titre d’exemple,Jean-Jacques Fry et Arézou Modaressi présentent dans le septième chapitre le cas desbarrages en terre. Celui-ci permet de montrer, selon le degré de précision souhaité etles problèmes examinés, l’éventail de solutions adaptées à la prise en compte de lanon-saturation du sol : méthodes empiriques, méthodes semi-empiriques utilisant lessurfaces d’état, modélisation élastique non linéaire ou élastoplastique en contrainteseffectives de Terzaghi ou de Bishop, modélisation couplée hydraulique-mécanique.Ces différents aspects sont illustrés par l’étude d’un barrage réel : le barrage de laGanne.

Le bon dimensionnement des dispositifs de stockage des déchets radioactifs est l’undes problèmes industriels à la base du renouveau de la recherche dans la mécanique dessols non saturés. Dans le huitième et dernier chapitre, Thierry Lassabatère en exposela problématique générale et l’analyse des différentes phases affectant au cours desa vie la barrière ouvragée confinant ces déchets : tout d’abord, une resaturation aucontact de la barrière géologique puis, à long terme, une altération par corrosion desconteneurs métalliques, migration des radioéléments. La maîtrise des deux premièresphases et le maintien des propriétés hydromécaniques de la barrière devient un élémentessentiel du déroulement sans danger de la troisième phase. Le chapitre présente parla suite comment les modèles précédemment élaborés permettent l’analyse successivedes deux premières phases et la prédiction des contraintes de gonflement dues à laresaturation, en intégrant l’ensemble des couplages thermo-hydro-mécaniques.

C’est donc essentiellement à travers les contributions des quatrième et cinquièmechapitres que les auteurs de l’ouvrage ont choisi de participer au débat toujours actuelsur la validité du concept de contrainte effective. Dans le cas des sols saturés, àpression interstitielle négative, de très nombreux résultats expérimentaux ont montré

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que l’utilisation de la contrainte effective de Terzaghi était pleinement justifiée. Dans lecas de sols quasi saturés pour lesquels la phase d’eau liquide reste continue et la phasegazeuse discontinue, la contrainte effective de Terzaghi et les lois de comportementdéveloppées pour les sols saturés restent utilisables, sous réserve de prendre en comptela présence de l’air à travers une compressibilité du fluide interstitiel dépendant du degréde saturation. Pour des sols nettement désaturés, certains aspects du comportement etcertains types de calcul, notamment élastiques, le concept de contrainte effective peutêtre étendu à travers le concept de pression interstitielle équivalente comme indiquédans les quatrième et cinquième chapitres. Toutefois, dans le cas général, le concept decontrainte effective est mis en défaut et l’emploi des deux variables σ −ua et ua −uwindépendantes s’avère alors nécessaire. Si certains modèles de comportement, commecelui d’Alonso et Gens, commencent à emporter l’adhésion générale, la formulation delois de comportement de sols non saturés, qui soient universellement admises commedans le cas saturé, fait encore l’objet de recherches complémentaires. Formons ainsile vœu que cet ouvrage collectif puisse contribuer à apporter quelques éléments deréponses à de nombreuses questions encore ouvertes de la mécanique des sols nonsaturés et stimuler aussi bien l’étudiant, l’enseignant que le chercheur.