medjnoun amal pdf
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RPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique
Universit de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
Facult de Gnie de Construction
Dpartement de Gnie Civil
Laboratoire de Gomatriaux, Environnement et Amnagement
(LGEA)
THSE DE DOCTORAT
Spcialit : Gnie Civil Option : Gotechnique
THEME
Analyse, caractrisation, prvision et modlisation du
comportement des argiles gonflantes.
Prsente par :
MEDJNOUN Amal
Devant le jury compos de Messieurs :
AIT TAHAR Kamal Professeur, UMMTO Prsident
BAHAR Ramdane Professeur, USTHB Rapporteur
BELKACEMI Smain Professeur, ENP Examinateur
GABI Smail Professeur, UMMTO Examinateur
MELBOUCI Bachir Professeur, UMMTO Examinateur
Soutenue publiquement le : 24/06/2014
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Rsum
Dans ce travail de thse, de nouveaux sites algriens ont fait lobjet dtude et
danalyse. Cette tude comporte essentiellement : dabord, une caractrisation gologique,
climatologique, minralogique de plusieurs sites suspects gonflants dans le nord-centre
algrien, puis, une tude estimative du potentiel de gonflement des diffrents sites, suivie par
une analyse de la cintique de gonflement, leffet de trois procdures dessais sur le potentiel
de gonflement ainsi que linfluence des paramtres dtats. Enfin, ltude du comportement
des argiles gonflantes intactes sous leffet des sollicitations cycliques mcaniques et
saisonnires, en adaptant deux modes de saturation ; par capillarit et par infiltration. Des
observations au MEB sont aussi effectues sur des chantillons ayant subi un cycle de retrait-
gonflement. Ltude se base sur une banque de donnes gotechnique importantes comportant
des essais didentification et des essais de gonflement raliss loedomtre.
Les rsultats de la caractrisation gologique, climatologique, minralogique annoncent la
prsence du risque de gonflement des argiles tudies, ce dernier est confirm par la suite par
ltude estimative et gotechnique de potentiel de gonflement dans les diffrents sites.
Lanalyse du comportement mis en vidence la prsence de la succion au moment de la
mise en contacte du sol avec leau, dune part, et la dpendance du potentiel de gonfleme nt
des contraintes intrieures et extrieures, dautre part. Une criture simplifie des modles
empirique estimative du potentiel de gonflement est rsult de cette analyse.
Le sol se comporte diffremment selon le mode de saturation et il subit des modifications
importantes sous leffet des diffrentes sollicitations dans le but datteindre une nouvelle
stabilit.
Mot cl : Sols gonflants, cintique de gonflement, macro et microstructure, sollicitations
cycliques.
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Abstract
In this thesis, new Algerian sites were the object of study and analysis. This study
involves mainly : First, a characterization of geological, climate, mineralogical of several site
suspected swelling in the north-central of Algeria, then an estimates study of the swelling
potential for the different sites , followed by an analysis of the swelling kinetics, the effect of
three test procedures on the swelling potential and the influence of state parameters on
swelling potential. Finally, the study of the behavior of intact swelling clays under the effect
of cyclical mechanics and seasonal solicitations, with adapting two modes of saturation: by
capillary and by infiltration. SEM observations were also carried out on samples having
undergone a cycle of shrinking-swelling. The study is based on a bank of important
geotechnical data including identification tests and swelling test realized by the oedometer
machine.
The results of the climatological, geological and mineralogical characterization, announces
the presence of the risk of swelling clays studied, it is subsequently confirmed by the
estimated and the geotechnical's study of swelling potential in the different sites.
The behavior analysis revealed the presence of the suction at the instant of contact between
soil and water, and the dependence of the swelling potential of the internal and external stress,
secondly. A simplified writing of empirical models, of the estimated swelling potential, is
resulting of on this analysis.
Soil behaves differently depending on the mode of saturation and undergone significant
changes as a result of various stresses in order to obtain a new stability.
Keyword: expansive soil, swelling kinetics , macro and microstructure, cyclic solicitation.
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Remerciements
Le travail prsent dans cette thse a t ralis au Laboratoire de Gomatriaux, Environnement et
Amnagement (LGEA) de lUniversit Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou.
En premier lieu, je tiens exprimer ma profonde gratitude et sincres remerciements mon
directeur de thse le Professeur BAHAR Ramdane qui ma offert cette prcieuse chance de travailler avec
lui et de bnficier de ses inestimables connaissances dans le domaine de la recherche et de
lexprimentale. Je le remercie aussi pour sa confiance, sa patience, ces encouragements et pour tous les
moyens qui il a mis ma disposition tout le long de ce travail.
Je tiens exprimer toute ma gratitude au Professeur MELBOUCI Bachir pour mavoir fait part de ses
pertinents conseils et remarques qui ont guid ma recherche et je le remercie encore pour avoir eu
lamabilit daccepter de faire partie du jury qui examinera mon modeste travail.
Mes sincres remerciements vont vers les membres du jury de ma soutenance de thse :
- Monsieur AIT TAHAR Kamal, Professeur lUniversit Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, de
mavoir fait lhonneur de prsider mon jury de thse de doctorat.
- Monsieur GABI Smail, Professeur lUniversit Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, qui a accept
dexaminer ce modeste travail.
- Monsieur BELKACEMI Smain, Professeur de lcole Nationale Polytechnique dAlger, qui a accept
dexaminer ma thse de doctorat. Je le remercie galement pour ses conseils et ses orientations.
Permettez-moi de ddier ce modeste travail la mmoire dun grand Monsieur que nous avons accueilli
pour une formation sur le matriels de laboratoire et qui a marqu nos esprits par sa disponibilit, ses
qualits rares et son amour pour lAlgrie, HANKOUR Rachid que Dieu accueille son me dans son
vaste Paradis.
Je tiens remercier tous les membres du Laboratoire de Gomatriaux, Environnement et
Amnagement (LGEA) pour leurs aides et encouragements ainsi que pour leurs remarquables qualits
humaines et sociales que jai apprci pendant ces annes de recherche. Je remercie galement lingnieur
du laboratoire LACHEBI Kamel pour son aide et sa patience ainsi que Monsieur Boukharoub technicien
au laboratoire de MDS pour ses encouragements. Je tiens remercier particulirement mes amis pour
leurs encouragements et leurs soutiens.
Je remercie le directeur du laboratoire CTELab Monsieur BENRADHOUANE Mustapha pour tous les
chantillons quil a mis ma disposition ainsi que leur ingnieur Khiatine Mohamed pour son aide
prcieuse. Je remercie galement Lquipe de CETIM de Boumerds pour la ralisation des essais
minralogiques, le personnel de loffice national de mtorologie dAlger pour mavoir envoy les bilans
climatiques des sites tudis ainsi que lquipe du laboratoire de Microscopie lectronique Balayage de
lUMMTO pour la ralisation des essais au MEB prsents dans cette thse.
Pour finir, je tiens exprimer ma profonde gratitude toutes les personnes qui ont contribu la
ralisation de cette thse dans de bonnes conditions, en loccurrence, mes parents et les membres de ma
famille qui ont mis ma disposition tous les moyens matriels et financiers ncessaires. Je remercie
particulirement et profondment mon mari pour sa patience, ces encouragements et son soutient au
cours de cette thse, sans oublier ma belle famille.
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Table de matire
Liste des figures VII
Liste des tableaux XIV
Liste des symboles XVII
INTRODUCTION GNRALE 1
PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE I : GENERALITE SUR DES ARGILES
I.1. INTRODUCTION 6
I.2. ORIGINE ET DEFINITION DES ARGILES 6
I.2.1. La roche mre 6
I.2. 2. La topographie 6
I.2. 3. Le climat 7
I.3. STRUCTURE ET MINERALOGIE DES ARGILES 8
I.3. 1. Les minraux 1/1 9
I.3.2. Les minraux 2/1 10
I.4 LES PRINCIPALES FAMILLES DES ARGILES 11
I.4.1. Les Kaolinites 11
I.4.2. Les illites 12
I.4.3. Les Smectites 13
I.5. TEXTURE DES ARGILES 15
I.6. LEAU ET LES MINERAUX ARGILEUX 16
I.6.1. La forme de l'eau 16
I.6.1.1. Eau lie 16
I.6. 1. 2. Eau libre 17
I.6.2. Principales type dhydratation 17
I.6.2.1. Hydratation par succion capillaire 17
I.6.2.2. Succion dadsorption 19
I.6.2.3. Succion osmotique 20
I.6.2.4. Transformations chimiques 20
-
I.6.3. Les forces physico-chimiques entre particules 20
I.6.3.1. Les forces attractives 20
I.6.3.2. Les forces rpulsives 21
I.6.3. Interactions entre les feuillets en milieu aqueux 22
I.7. CINETIQUE DE GONFLEMENT 24
I.7.1. le gonflement interparticulaire 25
I.7.2. le gonflement intraparticulaire 25
I.8. MECANISME DE GONFLEMENT 26
I.8.1. Au sens physico-chimique 26
I.8.2. Au sens mcanique 26
I.9. LES PARAMETRE INFLUANT SUR LE GONFLEMENT 26
I.9.1. Ltat initial du sol 27
I.9.1.1. La teneur en eau initiale 27
I.9.1.2. la densit sche 29
I.9.2. La minralogie 31
I.9.3. Les cycles dhumidification schage 31
I.9.4. La temprature 32
I.10. CONCLUSION 32
CHAPITRE II : METHODE DESTIMATION DE POTENTIEL DE
GONFLEMENT
II.1. INTRODUCTION 34
II.2. METHODES EMPIRIQUES 34
II.2.1. Mthode de Seed et Al (1962) 35
II.2.2. Mthode de Chen (1988) 36
II.2.3. Mthode de Vijayvergiya et Ghazzaly, 1973 37
II.2.4. Mthode de Williams et Donaldson 37
II.2.5. Mthode de Dakshanamurthy et Raman, 1973 38
II.2.6 Mthode dAltmeyer, 1955 39
II.2.7. Mthode de Ranganatham et Satyanarayana, 1965 39
II.2.8. Modle de Low, 1980 44
II.2.9 Les ajustements de certaines mthodes 44
-
II.3. ESTIMATION DIRECTE DES PARAMETRES DE GONFLEMENT DES SOLS 46
II.3.1 Mthodes d'essai oedomtrique 46
II.3.2. Essais oedomtrique pression impose 47
II.3.2.1. Essai de gonflement libre (ASTM D4546-95) 47
II.3.3. Essai de gonflement volume constant (mthode directe) 49
II.3.3.1. Mthode de Fredlund (1983) 49
II.3.4. Mthode de gonflement volume constant et charge constante de
mme principe 55
II.3.5. Comparaison entre les diffrentes procdures dessai 57
II.4. CONCLUSION 58
PARTIE EXPRIMENTALE
CHAPITRE III : TUDE ET CARACTRISATION DE CERTAINS SOLS
ALGRIENS
59
III.1. INTRODUCTION 60
III.2. SITUATION GEOGRAPHIQUE DES SITES ETUDIES 60
III. 3. LA GOLOGIQUE DES SITES 60
III.3.1. Sites dAlger 61
III.3.1.1. Le Primaire 61
III.3.1.2. Le Tertiaire 61
III.3.1.3. Le Quaternaire boulis et formations de pentes 61
III. 3.2. Site de Blida 62
III. 3.3. Sites de Boumerds 63
III. 3.3.1 Les alluvions rcents 62
III. 3.3.2. Les sites de Beni Amrane et Bordj Menaiel 63
III. 3.3.3. Les sites de Boudouaou El Bahri et de Boumerds 64
III. 3.4. Les sites de Mda 64
III.3.5. Site de Tissemsilt 65
III.4. LA CLIMATOLOGIE DES SITES TRAITS 65
III. 4.1. Le climat dAlger 65
III. 4.2. Le climat de Boumerds 66
III. 4.3. Le climat de Mda 67
-
III. 4.4. Le climat de Tissemsilt 67
III.5. LETUDE MINERALOGIQUE DE QUELQUES SITES ALGERIENS 62
III.5. 1. Principe de la diffraction aux rayons X 72
III.5. 2. Principe du MEB 73
III.5. 3. Minralogie des sites tudis 74
III.5. 3.1. Les sites de Mda 74
III.5. 4. Les observations au MEB 78
III.5.4. 1. Les sites de Mda 78
III.5.4. 1. Les sites de Boumerds 80
III.6. CONCLUSION 82
CHAPITRE IV : ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT DES
SITES ETUDIES
83
IV.1. INTRODUCTION 84
IV.2. Ltude gotechnique des sites 84
IV.2.1. Programme dessais 85
IV.2. 2. Rsultats des essais didentification 86
IV.3. ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT A PARTIR DES
MTHODES DE CLASSIFICATION
90
IV.4. ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT A PARTIR DE
METHODES EMPIRIQUES
94
IV.5. TUDE DE POTENTIEL DE GONFLEMENT PARTIR DES ESSAIS
MCANIQUES
96
IV.5.1. Programme dessai mcanique 96
IV.5.2. Matriels utiliss 96
IV.5.3. Procdure dessai 97
IV.5. 4. Discutions des rsultats des essais mcaniques 99
IV.5. 5. Comparaison des diffrents rsultats issus des diffrentes mthodes
estimatives
101
IV.6. TUDE STATISTIQUE DES RSULTATS GOTECHNIQUES 104
IV.6.1. Analyse des variables en utilisant les statistiques descriptives 104
IV.6.2.Corrlations entre les diffrents paramtres gotechniques 104
IV.7. CONCLUSION 105
CHAPITRE V : MECANISME DE GONFLEMENT 106
-
V.1. INTRODUCTION 107
V.2. CINETIQUE DE GONFLEMENT 107
V.2. 1. Procdure dessai de gonflement 108
V.2.2. Rsultats dessais 108
V.2.2. 1. Phase dinitialisation 109
V.2.2. 2. Phase de gonflement primaire 112
V.2.2. 3. Phase de gonflement secondaire 112
V.3. INFLUENCE DE LA PROCEDURE DESSAI SUR LA CINTIQUE DU
GONFLEMENT
113
V.4. INFLUENCE DE LA PROCEDURE DESSAI DE GONFLEMENT SUR LE
RESULTATS DE GONFLEMENT
115
V.4. 1 Prparation des chantillons 116
V.4. 2. Prsentation et discutions des rsultats 117
V.4. 3. Comparaison des pressions de gonflement obtenues 120
V.5. LES PARAMETRES MOTEUR DU GONFLEMENT 121
V.5.1. La minralogie 122
V.5.2 la structure argileuse 122
V.5.3. Les paramtre dtat 122
V.6. SIMPLIFICATION DE LECRITURE DES MODELES EMPIRIQUES 126
V.6.1. Calcul simplifi de la pression de gonflement 126
V.6.2. Calcul simplifi du taux de gonflement 127
V.7. CONCLUSION 128
CHAPITRE VI : EFFET DES SOLLICITATIONS CYCLIQUES SUR LE
POTENTIEL DE GONFLEMENT
130
VI.1. INTRODUCTION 131
VI.2. EVOLUTION DE POTENTIEL DU GONFLEMENT SOUS DES
SOLLICITATIONS MCANIQUES (CHARGEMENT-DCHARGEMENT)
131
VI.2.1. Procdure dessai de chargement dchargement 131
VI. 2. 2. Discussion des rsultats 132
VI. 3. VOLUTION DE POTENTIEL DU GONFLEMENT SOUS DES
SOLLICITATIONS SAISONNIRES (SCHAGE ET HUMIDIFICATION)
146
VI. 3.1. tude de leffet des so llicitations saisonnires sur des chantillons identiques. 137
VI.3. 1.1. Procdure dessai 137
-
VI.3. 1.2. Analyse des observations 137
VI.3. 1.3. Rcapitulatif des rsultats 140
VI.3. 2. tude de leffet des sollicitations saisonnires sur des chantillons diffrents 141
VI.3. 2.1. Analyse des observations 143
VI.3. 2.2. Rcapitulatif des observations 145
VI.4. EFFET DU MODE DE SATURATION SUR LEVOLUTION DU RETRAIT
GONFLEMENT
145
VI.4. 1. Saturation par infiltration 146
VI.4. 2. Saturation par capillarit 146
VI.4. 2. 1. Analyse des observations 146
VI. 4. 3. Rcapitulatif des rsultats de ltude de linfluence du mode de saturation sur
lvolution de retrait-gonflement
151
VI. 5. VOLUTION DE LA TEXTURE ARGILEUSE APRS UN CYCLE DE
RETRAIT-GONFLEMENT
151
IV.6. TUDE DUN CAS PATHOLOGIQUES CAUS PAR LEFFET DES
SOLLICITATIONS SAISONNIRES : CAS DUN MOUVEMENT DE TERRAINS
156
VI. 6.1. Causes des dsordres 158
VI. 7. CONCLUSION 156
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 159
-
Liste des figures
CHAPITRE I : GENERALITE SUR DES ARGILES
Figure. I.1. Types de phyllosilicates forms au cours de l'altration. 7
Figure. I.2. Structure de la bentonite diffrentes chelles, (daprs Karnland 1998,
Pusch et Yong 2003, cit par Krhn 2003). 8
Figure. I.3. Structure de base des phylosilicates 9
Figure I.4. Assemblage dune couche octadrique et dune couche ttradrique pour
une argile TO (1:1). 10
Figure. I.5. Assemblage dune couche octadrique et deux couches ttradriques pour
une argile TOT (2:1). 10
Figure. I.6. Cristaux des particules de kaolinite vus au microscope lectronique
balayage 12
Figure. I.7. Cristaux des particules dIllite vus au microscope lectronique Balayage 13
Figure . I.8. Vue microscopique au MEB de la montmorillonite et arrangement des
feuillet 14
Figure. I. 9. Cristaux de chlorite vus au microscope lectronique balayage 14
Figure. I.10. Photographie MEB de texture matricielle (a : Argile Verte de Romainville)
et texture agrg (b : Argile de Bavent) (Vincent et al., 2009) 15
Figure I. 11.Gonflement et hydratation du matriau argileux 17
Figure I .12 . Action des forces sur une molcule deau, (Delage et al., 2001 cit par
Masekanya, 2008). 18
Figure I .13 . Remonte capillaire dans un tube, (Delage et al., 2001 cit par Masekanya,
2008). 18
Figure I .14. Mcanismes possible dadsorption la surface de largile, Michell (1976) 19
Figure I.15. Forces lectrostatique dans la double dune couche 21
FigureI.16. Rpartition des ions autour particule charg 22
Figure I.17. Reprsentation schmatique de la double couche lectrique et de
lvolution du potentiel lectrique en fonction de la distance de la particule la solution, 23
-
Anand et al.
Figure I.18. Reprsentation schmatique de la couche interfoliaire dans le cas de
cations interfoliaires hydrats. 25
Figure I.19. Courbe de gonflement en fonction du temps 25
Figure I.20. Influence de la teneur en eau sur la pression de gonflement mesur par la
mthode de gonflement libre (dmoy =14,5 k N/m3) (Guiras-Skandaji, 1996).
27
Figure I.21. volution du taux de gonflement final en fonction de la teneur en eau initiale
pour la bentonite compacte un poids volumique sec de 14,5 k N/m3 (Guiras-Skandaji,
1996).
28
Figure I . 22. Influence de la teneur en eau initiale sur la pression de gonflement de la
bentonite (la densit sche des chantillons est indique en Mg/m3) (Villar et
Lloret,2008)
29
Figure. I.23. Dformations finales des essais saturs sous une pression Verticale de
0,1MPa sur des chantillons compacts diffrentes densits sches initiales et teneurs
en eau. (Villar et Lloret, 2008)
29
Figure I.24. Dformation finale obtenue des essais de gonflement libre effectus avec des
chantillons dune densit sche initiale de1,70 mg/m3: rsultats exprimentaux et
prdictions avec lequation (I.3)
29
Figure 1.25. Variation de la pression de gonflement avec la densit sche initiale.
(Guiras, 1996) 30
Figure I.26. pression de gonflementdun essai de gonflement empch et taux de
gonflement dun essai de gonflement libre (Villar et Lloret, 2008). 30
Figure I.27. le potentiel et la pression de gonflement en fonction du pourcentage de
bentonite (Tabani P., 1999) 31
CHAPITRE II : METHODE DESTIMATION DU POTENTIEL DE
GONFLEMENT
Figure. II.1. Classification propose par Seed et al.1962 35
Figure. II.2. Classification des sols gonflants de Vijayvergiya et Ghazzaly (1973) et
David Komornik (1969). 37
Figure. II.3. Abaque de Williams et Donaldson 38
Figure. II. 4. Classification propose par Dakshanamurthy et Raman, 1973 39
-
Figure. II. 5. Classification propose par McKeen (1992) 41
Figure. II. 6. Essai de gonflement libre (Fredlund, 1995) 48
Figure. II. 7. Chemin de contraintes dun essai de gonflement libre (Fredlund, 1995) 48
Figure II. 8. Chemin de contrainte reprsentant le gonflement de sol de Regina (modifi
daprs Fredlund, 1983) 51
Figure II.9. La procdure suivit pour dterminer la pression de gonflement corrige en
incorporant leffet de remaniement de lchantillon (modifi aprs Fredlund, 1987) 55
CHAPITRE III : TUDE ET CARACTRISATION DE CERTAINS SOLS
ALGRIENS
Figure. III.1. situation gographique des sites tudis 60
Figure. III.2. Extrait de la carte gologique de lAlgerie edite en 1951 -1952 montrant la
gologie des regions dAlger et de Blida lchelle de 1/500,000e 62
Figure. III.3. Extrait de la carte gologique de lAlgerie edite en 1951 -1952 montrant la
gologie de la region de Boumerdes lchelle de 1/500,000e 63
Figure. III.4. Extrait de la carte gologique de lAlgerie edite en 1951-1952 montrant
la gologie de la region de Mda lchelle de 1/500,000e. 66
Figure III.5. Extrait de la carte gologique et topographique de la rgion de Mda,
feuille n86, chelle 1/50000 67
Figure. III.6. Extrait de la carte gologique de lAlgerie edite en 1951 -1952 montrant la
gologie de la region de Tissimsilt (vialar) lchelle de 1/500,000e 68
Figure. III.7. Variations mensuelles des tempratures, humidits et prcipitations de
l'anne 1995 jusqu' 2009 dans le site dAlger. 69
Figure. III. 8. Variation mensuelle moyenne des prcipitations, humidits et tempratures
dans la rgion de Boumerdes durant la priode 1995 - 2009 (donnes de loffice national
mtorologique de Dar El Beida, Alger, Algrie).
70
Figure. III. 9. Variation mensuelle moyenne des prcipitations, humidits et tempratures
dans la rgion de Mda durant la priode 1995 - 2009 (donnes de loffice national
mtorologique de Dar El Beida, Alger, Algrie).
71
Figure. III.10. Variations mensuelles des tempratures, humidits et prcipitations de
l'anne 1995 jusqu' 2009 dans le site de Tiaret (donnes de lOffice National
Mtrologique dAlger, Algrie)
72
-
Figure. III. 11. Principe de la diffraction aux rayons X 73
Figure. III.12. Diagramme montrant le principe du Microscopique Electronique
Balayage MEB 74
Figure. III.13. Le MEB utilis pour la ralisation des observations 74
Figure. II.14. Rsultats de la diffraction aux rayons X, ainsi que les photos
correspondante pour chaque chantillon du site 1 (Haouch Bey Zid; Mda). 77
Figure. III.15. Rsultats de la diffraction aux rayons X, ainsi que les photos
correspondante pour chaque chantillon du site 2 (Chrachra; Mda). 80
Figure. III.16 Images au MEB de deux chantillons intacts prlevs dans le site 1, (a) et
(b) chantillon E6 prlev 5,35 m, (c) et (d) chantillon E5 prlev 5,00 m 79
Figure. III.17.a . Image MEB Images au MEB de deux chantillons intacts prlevs dans
le site 2, (a) et (b) chantillon E10 prlev 0,50 m, (c) et (d) chantillon E4 prlev
6,00 m.
79
Figure. III.17. b. Image MEB Images au MEB de deux chantillons intacts prlevs dans
le site 2, (a) et (b) chantillon E10 prlev 0,50 m, (c) et (d) chantillon E4 prlev
6,00 m.
80
Figure. III. 18. Image MEB ralise sur un chantillon extrait de la rgion de Bourdj
Mnail (Boumerds) 80
Figure. III.19. Image MEB ralise sur un chantillon extrait de la rgion de Dellys
Boumerds). 81
Figure. III.20. Image MEB ralise sur un chantillon extrait de la rgion de Legata
Boumerds) 81
Figure. III.21. Image MEB ralise sur un chantillon extrait de la rgion de Sghirate
(Boumerds). 81
CHAPITRE IV : ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT DES SITES
ETUDIES
Figure. IV.1. Prsentation de la plasticit des sols tudis dans labaque de Casagrande. 86
Figure. IV.2. Classification des sites tudis selon la mthode de Vijayvergiya et
Ghazzaly (1973). 90
Figure. IV.3. Classification des sites tudis selon la mthode de Williams et Donaldson 91
Figure. IV.4. Classification des sites tudis selon la mthode de Seed et al, 1962. 92
-
Figure. IV.5. Classification des sites tudis selon la mthode de BRE. Royaume uni. 93
Figure IV.6. Allure dun chantillon gonfl (procdure AFNOR de gonflement libre) 98
Figure IV.7. Allure dun chantillon gonfl (procdure ASTM de gonflement libre) 98
Figure .IV.8. Dispositif oedomtrique asservi Geocomp 98
Figure. IV.9. Exemple de courbes de gonflement libre mthode A selon ASTM D-4546-
90. 100
Figure IV.10. Exemple de courbes de gonflement volume constant mthode C selon
ASTM D-4546-90. 105
Figure VI.11. Calcul derreur de la pression de gonflement des mthodes estimatives
utilises 105
Figure IV.12.Calcul derreur du taux de gonflement des mthodes estimatives utilises 98
CHAPITRE V : MECANISME DE GONFLEMENT
Figure. V.1. (a) Vue de la mise en place cellule de pression 113
Figure. V.1. (b) Schma dtaill sur le principe la de la de la cellule de mesure de
pression la base 113
Figure. V.2. Graphe mesurant la pression interstitielle la base de lchantillon,mthode
ASTM, A (E4 2,60/3,0 m) 114
Figure. V.3. Graphe de mesure de pression la base de lchantillon ralis avec la
mthode A (E 7 1,47/1,90m) 115
Figure. V.4. Graphe de mesure de pression la base de lchantillon ralis avec la
mthode A (E 10 5,65/6,00m) 115
Figure. V.5. Graphe de mesure de pression la base de lchantillon ralis avec la
mthode B (S7 5,0/ 5,50m) 116
Figure. V.6. Graphe de mesure de pression la base de lchantillon ralis avec la
mthode B (E5 6,80/7,30 m) 116
Figure. V.7. Graphe de mesure de pression la base de lchantillon ralis avec la
mthode B (E5 5,0/5,50 m) 117
Figure. V.8. Prsentation des trois phases de gonflement 118
Figure V.9. Cintique de gonflement des argiles de Mda 119
-
Figure V. 10. chantillons extraient des deux sites de Mda 121
Figure V.11. Prparation dchantillon de lessai oedomtrique 122
Figure.V.12. Courbes de gonflement ralises avec les trois mthodes de la norme ASTM
sur lchantillon E10 (Prof : 0,5-1,0m) prlev du site de Mda. 123
Figure V.13. Courbes Courbes de gonflement ralises avec les trois mthodes de la
norme ASTM sur lchantillon E7 (Prof : 2,4 - 2,80 m) prlev du site de Mda. 123
Figure V.14. Courbes de gonflement ralises avec les trois mthodes de la norme ASTM
sur lchantillon E7 (Prof : 5,0-5,50 m) prlev du site de Mda. 124
Figure V.15. Courbes de gonflement ralises avec les trois mthodes la norme ASTM
sur lchantillon E5 (Prof : 5,0-5,50 m) prlev du site de Mda. 126
Figure 16. Courbes oedomtrique ralis sous diffrentes pressions de gonflement 126
Figure. V.17. Graphe reprsentant la corrlation entre la teneur en eau et la densit
sche 129
Figure V 18. Corrlation entre la densit sche mesure au laboratoire et la densit
sche calcule partir des valeurs de teneur en eau de Zemenu (2009) (argile de
Romainville) et dAissa Mamoune (2009) (argile de Telemcen)
130
Figure. V 19. Densit sche mesure au laboratoire et la densit sche estime 130
Figure V.21. Application sur le modle de Bekkouche 1. 132
Figure. V. 22. Application sur le modle de David & Komornik, cit par Kabbaj 1989. 133
Figure V. 23. Application sur le modle de Bekkouche 2. 133
CHAPITRE VI : EFFET DES SOLLICITATIONS CYCLIQUES SUR LE
POTENTIEL DE GONFLEMENT
Figures. VI.1 Courbe de chargement-dchargement cyclique (E4 2,6/3,0m) 138
Figures. VI.2. Courbe de chargement dchargement cyclique (E7 1,4/1,9m) 138
Figures. VI.3. Courbe de chargement dchargement cyclique (E4 2,6/3,0m) 139
Figures.VI. 4. Courbe de chargement dchargement cyclique (E10 5,6/6,0m) 139
Figures. VI.5. Prsentation de lvolution du taux de gonflement des argiles gonflantes
de Mda sous leffet des cycles de chargement dchargement. 140
-
Figures. VI.6. Prsentation de lvolution du taux de gonflement des argiles gonflantes
de Mda sous leffet des cycles de chargement dchargement. 140
Figures. VI.7. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait
gonflement (Ech /B1). 143
Figures. VI.8. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait
gonflement (Ech /B5). 144
Figures. VI.9. volution de la structure argileuse aux cours des cycles de retrait
gonflement (Ech /B4). 147
Figure. VI.10. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait
gonflement (Ech /D2).149 147
Figures. VI.11. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait
gonflement (Ech /E2). 150 148
Figures. VI.12. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait
gonflement (Ech /F2) 151 149
Figures. VI.13. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait
gonflement (imbibition la base, Ech /B2) 152
Figures. VI.14. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait
gonflement (imbibition la base, Ech /D1) 153
Figures. VI.15. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait
gonflement (imbibition la base, Ech /E1) 155
Figures. VI.16. volution de la structure argileuse au cours des cycles de retrait
gonflement (imbibition la base, Ech /F1) 158 156
Figure VI.17. Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site 1 (E6 5,35/5,70)
Mda 158
Figure VI.18. a. Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site1 (E5 5,0/6,0)
Mda 158
Figure VI.18b. Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site1 (E5 5,0/6,0)
Mda. 159
Figure VI.19 Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site2 (E4 6,0/6,45m)
Mda 159
Figure VI.20 Image MEB ralise sur un chantillon extrait du Site2 (E10 0,5/1,0m)
Mda 160
-
Figure. VI.21. Images au MEB dun chantillon (S5 prof 5,0-5,5m) remani dargile du
site Haouch Bey Zid; Mda. 160
Figure. VI.22. Image correspondante aux chantillons intacts extrait une profondeur de
6 mtres. 161
Figure. VI.23 .Exemple dimage correspondante aux chantillons ayant subit un cycle de
retrait-gonflement 161
Figures VI. 24. rosion de sol des fondations 162
Figures VI. 25. Rseau dassinissement dtruit 162
Figures VI. 26. Cisaillement dun revtement 162
Figures VI. 27. dplacement des masses de sols et rosion 162
Figures VI. 28. Destruction dune chaufferie ralis en bton arm 163
Figures VI. 29. Les principales causes du mouvement de terrains observ dans le site de
la cit universitaire. 163
-
Liste des tableaux
CHAPITRE II : METHODE DESTIMATION DE POTENTIEL DE
GONFLEMENT
Tableau.II.1. Relation entre le gonflement libre et lindice de plasticit Seed et al.2,
1962)
35
Tableau.II.3. Potentiel de gonflement daprs Chen (1988) 36
Tableau.II.6. Relation entre potentiel de gonflement et indice de retrait (Ranganatham et
Satyanarayana, 1965)
37
Tableau. II.7. Rsum de quelques mthodes destimation de potentiel de gonflement. 39
Tableau.II. 8. Modles empiriques de calcul du taux de gonflement (g) et de la pression de gonflement (g)
39
Tableau.II.9. Comparaison entre les diffrentes mthodes de classification daprs
Johnson et Snethen (1978) et Josa (1988).
40
Tableau.II.10. Rsum des mthodes d'essai oedomtriques 41
Tableau II.11. Essais domtriques utiliss pour la mesure de gonflement charge
constante
46
Tableau. II.12. Prsentation quelques mthodes de gonflement volume constant 47
Tableau II. 13 Mthode de gonflement volume constant et charge constante 52
CHAPITRE III : TUDE ET CARACTRISATION DE CERTAINS SOLS
ALGRIENS
Tableau III.1. Rsultats danalyse chimique Selon la norme NFP 15-467q
Tableau III.2. La composition minralogique estimative semi quantitative 62
CHAPITRE IV : ESTIMATION DU POTENTIEL DE GONFLEMENT DES SITES
ETUDIES
75
Tableau. IV. 1. Nombre de sondage et dchantillons extraits de chaque site 75
Tableau. IV.2. Rsultats des essais didentification des sites dAlger
Tableau. IV.3. Rsultats des essais didentification des sites de Blida 85
-
Tableau. IV.4. Rsultats des essais didentification des sites de Boumerdes 87
Tableau. IV.5. Rsultats des essais didentification des sites de Mda 87
Tableau. IV.6. Rsultats des essais didentification des sites de Tissemsilt 88
Tableau. IV.7 rcapitulatif des rsultats de lestimation partir des mthodes de
classification classique.
88
Tableau. IV.8. Rcapitulatif des calculs estimatifs du potentiel de gonflement partir des
modles empiriques
89
Tableau IV.9.Tableau des rsultats gotechnique des sites dAlger 94
Tableau. IV.10.Tableau des rsultats gotechnique des sites de Blida 95
Tableau. IV.11.Tableau des rsultats gotechnique des sites de Boumerds 101
Tableau. IV.12.Tableau des rsultats gotechnique des sites de Mda 101
Tableau. IV.13.Tableau des rsultats gotechnique du site de Tissemsilt 101
Tableau IV.14. Rcapitulatif des rsultats estimatifs de la pression de gonflement partir
des modles empiriques
102
Tableau IV.15. Rcapitulatif des calculs estimatifs du taux de gonflement partir des
modles empiriques.
102
Tableau IV.16 Rsultats de lanalyse statistique effectue sur les paramtres
gotechniques des sites tudis
103
Tableau IV.17. Prsentation de la matrice de corrlation entre les paramtres
gotechniques.
16
CHAPITRE V : MECANISME DE GONFLEMENT 108
Tableau V. 1. Rcapitulatif des rsultats des essais de gonflement avec les mthodes A et
B
109
Tableau V.2. Rsultats dessai de gonflement avec les trois mthodes A, B et C de la
norme ASTM
Tableau. V. 3. Effet de la teneur en eau et de la densit sche sur le potentiel de
gonflement en fixant certains paramtres dtat du sol.
120
Tableau V. 4. Effet de la teneur en eau et de la densit sche sur le potentiel de
gonflement en fixant certains paramtres dtat du sol.
125
-
CHAPITRE VI : EFFET DES SOLLICITATIONS CYCLIQUES SUR LE
POTENTIEL DE GONFLEMENT
126
Tableau VI.1. Caractristiques gotechniques des chantillons 128
Tableau. VI.2. Caractristiques didentification des chantillons 129
-
Liste des symboles
Ac : Activit.
Ip : Indice de plasticit.
Ps, Pg , g: Pression de gonflement.
Pc : Pression de consolidation.
pa : Pression atmosphrique.
wn : Teneur en eau naturelle.
Wl : limite de liquidit.
w : Teneur en eau.
w0 : Teneur en eau initiale.
wopt : Teneur en eau optimale.
C : Cohsion.
CEC : capacit dchange cationique.
Z, H : Profondeur.
M : Facteur caractrisant le poids de la procdure.
Wr: Limite de retrait.
C, F2 : Pourcentage de la fraction argileuse.
VB : Valeur de bleu de mthylne.
Sst: Valeurs de surface spcifique totale.
wL : Limite de liquidit.
e : Indice dvide.
F : Surface de charge.
Ir : Indice de retrait.
Rl : retrait linaire.
d max : densit humide maximale.
d i: densit humide initiale.
Ig, Cs et CH : indice de gonflement.
nat: succion naturelle des sols en tsf.
SP : Potentiel de gonflement.
IL : indice de liquidit.
WL : limite de liquidit.
Ir : Indice de retrait.
Wp : Limite de plasticit.
Q, : surcharge verticale.
v : Pression de confinement.
-
Ag, s, : Taux de gonflement.
d : Poids volumique sec.
: Gonflement libre.
r2 : coefficient de corrlation.
-
Introduction gnrale
Le phnomne de gonflement de certaines formations gologiques argileuses, ayant de forts
indices de plasticit, pose de srieux problmes dans plusieurs pays du monde, notamment ceux
situs en zones arides et semi arides. Les sols gonflants occasionnent des dsordres importants aux
ouvrages quils supportent lors dun apport important deau extrieur. Tous les types de structures
fonds en surface sur ces sols (btiments, ouvrages de soutnement, remblais, etc.), les rseaux
routiers ainsi que les ouvrages enterrs (tunnels, pieux, canalisations, fondations profondes, etc.),
subissent des dommages. Les exemples des dsordres lis la prsence dargiles gonflantes sont
nombreux et varis (Bekkouche, 1997 ; Chen, 1965 ; Mouroux et al., 1988 ; Philipponnat, 1991 ;
Hachichi & Fleureau, 1999; Yenes & al., 2010).
En Algrie, ces sols argileux gonflants sont trs rpandus et plusieurs rgions, In-amenas, In-Salah,
Mda, Msila, Tlemcen, Mostaganem, etc. y sont touches. De nombreux cas de dsordres
douvrages ont t recenss (Ameur, 1989 ; Bahar & Kenai, 2002 ; Bahar & Kenai, 2008 ;
Bekkouche, 1997, Derriche & al., 1999 ; Djedid et al, 2001 ; Hachichi & Fleureau, 1999). Ce
phnomne continue encore se manifester dans de nombreuses rgions et engendre chaque anne
des dgts considrables, en particulier sur les constructions lgres en raison de leurs fondations
superficielles. Afin de rduire les risques d'apparition de ces dsordres, des tudes gotechniques
spcifiques permettant lidentification de ce phnomne sont donc ncessaires afin den tenir
compte dans les tudes de gnie civil.
Lidentification des sols gonflants peut seffectuer lchelle microscopique et lchelle
macroscopique. Lanalyse minralogique a sans aucun doute apport beaucoup dans la description
des argiles et montre toute ltendue et la diversit des minraux argileux (Caillre & Hnin, 1963 ;
Mitchell, 1993 ; Tovey, 1971), et jouant un rle important dans le comportement du sol, notamment
lors du retrait et du gonflement (Serratrice & Soyez, 1996 ; Mitchell, 1976 ; Yong & Warkentin,
1975). Lchelle macroscopique consiste en une identification primaire laide dessais simples
didentification ou dessais mcaniques.
La premire approche est trs coteuse et ninforme pas sur les paramtres mcaniques du
gonflement. La deuxime approche peut prsenter un intrt considrable puisqu'elle permet un
gain en temps et en cot. En effet, le fait de souponner qu'un sol puisse tre gonflant ds la
campagne de reconnaissance prliminaire permet dorienter les campagnes de reconnaissance de
confirmation. Cette deuxime approche est la plus souvent utilise pour caractriser les minraux
gonflants et quantifier le processus de gonflement, elle fournit les paramtres macroscopiques
directement applicables au dimensionnement des ouvrages de gnie civil (Mrad, 2005).
La littrature contient un nombre considrable d'approches empiriques qui permettent d'apprcier le
potentiel de gonflement des sols partir de la mesure des paramtres de plasticit et de
granulomtrie (Chen, 1988 ; Dakshanamurthy & Raman, 1973 ; Seed & al., 1962 ; Vijayvergiya &
Ghazzaly, 1973 ; mthode de BRE (Royaume Uni), 1980 ; Komornik & David, 1969 ; Snethen
1984 ; Williams & Donaldson, 1980). Seed et al. (1962) proposent une classification des sols en
fonction de la teneur en argile et lactivit corrige. Chen (1988) relie le potentiel de gonflement
respectivement la limite de liquidit et lindice de plasticit. Pour ces auteurs, un potentiel de
-
gonflement trs lev correspond une limite de liquidit suprieure 70 % et un indice de
plasticit suprieur 35 %. Williams et Donaldson (1980) considrent que le caractre expansif des
argiles est fortement li lactivit et propose une classification donnant le potentiel de gonflement
en fonction de lindice de plasticit et la teneur en argile. Ces mthodes donnent des rsultats
divergents do le recours aux essais mcaniques.
Dans la pratique, trois grandeurs sont utilises pour caractriser laptitude dun sol au gonflement
(Mrad, 2005 ; Nowamooz, 2007), savoir le taux de gonflement (g), la pression de gonflement (g)
et le coefficient de gonflement (Cg). Ces paramtres peuvent tre dtermins directement par la
ralisation dessais au laboratoire sur des chantillons intacts loedomtre, matriel le plus
couramment utilis par de nombreux chercheurs (Holtz & Gibbs, 1956 ; Jenning & Knight, 1957 ;
Lambe & Whitman, 1959 ; Guiras-Skandaji, 1996 ; etc.), bien que certains auteurs aient ralis des
essais in-situ coteux et longs (Mariotti, 1976 ; Ofer & Blight, 1985; Magnan, 1993). Cependant,
les procdures dessais sont diverses. Elles se distinguent principalement par les modalits
d'application des charges sur l'prouvette et elles tirent leur diversit de la complexit du
phnomne et d'une longue pratique empirique. Ces diffrentes procdures d'essais appliques un
mme matriau conduisent des pressions de gonflement diffrentes (Sridharan & al., 1986 ;
Serratrice, 1996).
Ltude du phnomne de gonflement commence donc dabord par le choix du dispositif et la
procdure dessai. Ce choix dpend du problme pos et du but recherch. Les mthodes
frquemment utilises sont (Alonso & al., 1987 ; Serratrice, 1996) : la mthode de gonflement libre,
la mthode de gonflement sous charges constantes et la mthode de gonflement volume constant.
La comparaison des rsultats, obtenus par les diffrentes mthodes dessais au laboratoire
(Gilchrist, 1963 ; Brackley, 1975; Justo & al., 1984; Sridharan & al., 1986 ; Abdudjauwad & Al-
Sulaimani, 1993 ; kheddaj, 1992; Guiras-Skandaji, 1996 ; etc.), montrent que la pression de
gonflement obtenue par la mthode de gonflement libre est plus leve que celle donne par les
autres mthodes de gonflement ; la mthode de gonflement, sous charges constantes, donne des
valeurs faibles et la mthode volume constant donne des valeurs qui se situent entre les deux.
Cependant, la comparaison des pressions de gonflement mesures in situ et celles dtermines au
laboratoire avec les diffrentes procdures semble indiquer que les valeurs de la pression de
gonflement estimes laide de la mthode volume constant soient les plus proches de celles
effectivement constates sur le terrain (Erol & al., 1987 ; Kheddaj, 1992). Kheddaj (1992) a
prconis lutilisation systmatique de la mthode volume constant, dune part, pour viter les
htrognits inhrentes lutilisation de diffrents chantillons (essais de gonflement sous
charges constantes), et dautre part, pour limiter les problmes de mesure, dus notamment a ux
frottements parasites survenant lintrieur des oedomtres lors dessais gonflement libre.
Le sol subit un ensemble de modifications, dans le temps, engendres par des sollicitations
cycliques sous forme de chargement-dchargement et de variations saisonnires. Les
caractristiques dtat tel que, la densit, la teneur en eau et la pression de sur-consolidation change
dune sollicitation une autre. De nombreux auteurs ont effectu des recherches sur leffet des
cycles de schage-humidification sur des argiles gonflantes, exemple de Chen & Ma (1987) ; Subba
Rao & Satyadas (1987) ; Al-Homoud & al. (1995) ; Basma & al (1996) ; Tripathy & al (2002) ; Day
(1994, 1995), Subba Rao & al (2000) et Geremew & al (2009), ils ont travaill sur des chantillons
intacts et remanis et ont montr la disparition des caractristiques hrites des conditions de dpts
-
et une stabilisation des dformations qui samorcent partir du troisime cycle ainsi quune
augmentation du gonflement cumul avec les cycles. Ces sollicitations changent chaque fois ltat
initial du sol, en lui donnant une nouvelle densit et un nouveau pourcentage de saturation.
Ltude du phnomne de gonflement, gnrateur de tassements diffrentiels et de dsordres aux
constructions, est donc vaste et complexe. Les nombreuses recherches touchant diffrentes
disciplines scientifiques indiquent que le potentiel de gonflement des sols argileux rsulte de
facteurs de prdisposition tels que lhistoire gologique de ces sols (mode de sdimentation,
sollicitations mcaniques, thermiques et hydriques au cours du temps) leur donnant une certaine
prdisposition relative leur composition minralogique et leur texture (Mitchell, 1976). Ce
phnomne trouve son origine galement dans des facteurs environnementaux (contexte climatique,
cadre gomorphologique, hydrologique et hydrogologique, etc.).
Objectifs et organisation de la thse
Lobjectif gnral de ce travail de thse est de caractriser le potentiel de gonflement de
certains sites du nord algrien et dapporter une contribution la comprhension et la
caractrisation du retrait-gonflement des formations gologiques argileuses algriennes
particulirement sensibles ce phnomne.
Ltude comporte plus particulirement, dune part, des tudes gologique, minralogique,
climatologique, gotechnique et microstructurale des argiles des sites tudis ; et dautre part, des
essais hydromcaniques cycliques coupls lanalyse macrostructurale afin dtudier le
comportement et lvolution de ces matriaux au cours des sollicitations climatiques cycliques. La
thse comporte une introduction gnrale, deux chapitres bibliographiques prsentant un tat de
lart sur ce sujet, quatre chapitres sur la partie exprimentale et une conclusion gnrale.
Ltude bibliographique sest focalise dans le premier chapitre sur lidentification des sols
gonflants et les rsultats majeurs concernant leur structure interne, linteraction sol-eau, le processus
de retrait-gonflement au niveau microscopique et macroscopique, linfluence de diffrents
paramtres sur le processus de retrait-gonflement, linfluence du processus de retrait-gonflement sur
la structure interne des sols gonflants et le rle des sollicitations hydriques cycliques et la
fissuration. Le deuxime chapitre traite les diffrentes procdures empiriques et exprimentales de
classification de potentiel du gonflement ainsi quune comparaison des diffrentes procdures.
Le troisime chapitre de la thse est consacr la prsentation des sites de prlvement e t des
matriaux tudis. La localisation gographique, le contexte gologique, climatologique,
minralogique des sites, ainsi une analyse microstructurale partir des images au MEB de la
structure argileuse des certains chantillons y sont prsents.
Ltude gotechnique est prsente dans le quatrime chapitre. Aprs lanalyse des diffrents
rsultats didentification obtenus pour chaque site, une estimation du potentiel de gonflement des
sites tudis est effectue partir des mthodes empiriques. Les rsultats obtenus partir de ces
mthodes ne convergent pas vers la mme estimation du potentiel de gonflement. Pour cela, des
essais de gonflement sont raliss avec un dispositif asservi de type Gocomp, afin de comparer les
potentiels de gonflement.
-
Le mcanisme de gonflement est prsent dans le cinquime chapitre. Aprs la prsentation de la
procdure dessai, la cintique de gonflement est tudie en se basant sur le moment de la mise en
contact de lchantillon avec leau. Ensuite ltude de leffet de la procdure dessai de gonflement
de la norme ASTM sur le potentiel de gonflement est prsente. Enfin, les paramtres moteurs de
gonflement sont analyss et discuts. Une simplification de lcriture des modles estimatifs du
potentiel de gonflement est effectue, en proposant un modle qui prend en compte uniquement la
densit sche.
Le dernier chapitre aborde lvolution de la macrostructure sous deux types de sollicitations ; les
sollicitations mcaniques cycliques et les sollicitations climatiques cycliques. Lvolution de la
macrostructure est analyse sous les deux effets dimbibition (par infiltration et par capillarit),
cette partie est complte par des observations aux MEB pour montrer lvolution de la
microstructure argileuse aprs un cycle de schage-humidification.
-
PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE
-
Chapitre I
Gnralits sur les argiles
5
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ARGILES
Rsum du chapitre I
Le phnomne de gonflement est une caractristique de certaines formations argileuses, avec
la prsence des conditions initiales favorables. La comprhension de ce phnomne demande
dabord, la dfinition de la structure des diffrentes argiles ainsi que leurs systmes
dhydratation toute en illustrant les diffrentes liaisons physiques et chimiques qui
interviennent lors de gonflement. Beaucoup dtudes montrent que le gonflement ne dpend
pas seulement du type dargile mais aussi dun ensemble de facteurs environnants.
-
Chapitre I
Gnralits sur les argiles
6
I.1. INTRODUCTION
Le nombre de cas pathologiques lis au gonflement des sols argileux est en
augmentation cause du rchauffement climatique, que la terre ait connu ces dernires
annes.
La prvision et la caractrisation des argiles gonflantes peuvent se faire en rassemblant le
maximum de donnes partir des tudes gologiques, minralogiques et gotechniques et en
tudiant les facteurs environnementaux lexemple du climat, des venues deau, de la
contrainte du chargement...etc.
Ce chapitre rsume les tudes prcdentes et il a pour objectif de dfinir : dabord, lorigine
des argiles, les diffrents types de la structure argileuse et leur caractristique, puis, leffet de
leau et les diffrentes ractions physico-chimiques qui se produit dans la structure argileuse,
par la suite, le mcanisme de gonflement, et en fin les facteurs agissant sur le potentiel de
gonflement.
Ces diffrents points vont nous permettre de comprendre le comportement le phnomne de
retrait-gonflement sur la quelle se base notre tude.
I.2. ORIGINE ET DEFINITION DES ARGILES
Les argiles sont des matriaux sdimentaires de la couche superficielle de lcorce
terrestre, obtenus par dgradation et altration par lhydrolyse des minraux des roches
ruptives et magmatiques sous laction physique et chimique des eaux de surface. Ces rsidus
dtritiques sont dplacs par voie glaciaire, fluviale ou olienne et se dposent dans les
bassins de sdimentation. Le terme argile possde diffrents sens qui ne se recouvrent que
globalement. Il peut dsigner des minraux de structures et proprits particulires, des roches
argileuses composes pour lessentiel de ces minraux ou bien la partie la plus fine dune
analyse granulomtrique dun sol meuble inferieur 2 m, cependant cette dernire sont des
minraux argileux rsultant de la destruction des roches (les roches sdimentaires contiennent
50 %, les schistes 50 80 % et les roches ruptives donnent, par dcomposition, des argiles).
On dit quun sol est argileux sil contient plus de 50% de minraux argileux.
Les minraux dargiles sont fondamentalement constitus de silicium, aluminium, oxygne et
ions hydroxyles. Ce sont des phyllosilicates dalumine hydrats, le prfixe phyllo
dsignant des minraux qui prennent des formes de feuillets, cette structure leurs confre des
proprits adsorbantes et plastiques.
Plusieurs facteurs jouent un rle sur le type dargile rsultant savoir la nature de la roche
mre, la topographie et le climat (Figure I.1).
I.2.1. La roche mre
o L'altration d'une roche acide, comme le granite, donne plutt de la kaolinite ;
o L'altration d'une roche basique, comme le basalte, donne plutt des smectites.
I.2.2. La topographie
-
Chapitre I
Gnralits sur les argiles
7
Elle commande le drainage et elle intervient galement :
o Sur une pente, o le drainage et le lessivage sont bons, la formation de kaolinite est
favorise.
o Dans une cuvette, milieu confin o se concentrent les solutions, se forment plutt des
smectites.
I.2.3. Le climat
En fonction des roches mres et du climat, les minraux argileux rsultant sont
diffrents :
a) En climat froid : l'altration est faible, les minraux argileux sont identiques ou peu
diffrents des minraux de la roche (illite et chlorite), ils sont hrits de la roche
dorigine.
b) En climat chaud et humide : l'hydrolyse est pousse, la kaolinite se forme en milieu
drain, les smectites en milieu confin. En climat tempr, humide, l'altration est
modre et des interstratifis apparaissent lexemple des illites et chlorites dgrades
et de la vermiculite.
Une transformation des minraux argileux pourra se produire lors de changement de milieu.
Les minraux noforms ou hrits peuvent voluer pour prendre un nouveau statut en
quilibre avec le nouveau milieu. On distingue les transformations par dgradation
(soustraction d'ions) et par aggradation (par fixation d'ions supplmentaires). Ces
transformations ont lieu aussi bien au cours de l'altration que de la diagnse.
Exemple : Kaolinite Chlorite
Smectites Illite
Figure. I.1. Types de phyllosilicates forms au cours de l'altration.
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
8
Du point de vu chimique, il sagit de ractions tendant faire acqurir aux combinaisons
dlments chimiques constituant les minraux ou les roches, un tat plus stable que leur tat
initial, au contact de latmosphre. Cest ainsi que les micas se chloritisent, que les feldspaths
se Kaolinisent, que les sulfures se transforment en sulfates. Ce sont toujours des oxydations
ou des hydrolyses.
I.3. STRUCTURE ET MINERALOGIE DES ARGILES :
Les argiles sont des matriaux lamellaires constitus par lempilement de feuillets, elles
ont quatre niveaux dorganisation (Figure I.2).
Les plans sont constitus par les atomes ;
Les feuillets, ttradriques ou octadriques, sont forms par une combinaison de plan ;
Les couches correspondent des combinaisons de feuillet ;
Le cristal rsulte de lempilement de plusieurs couches.
Figure. I.2. Structure de la bentonite diffrentes chelles, (daprs Karnland, 1998, Pusch et
Yong, 2003, cit par Krhn, 2003).
Particule
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
9
Un feuillet est form par lassociation de couche ttradrique et de couche octadrique. La
couche ttradrique est forme par un enchainement des ttradres (T) constitue par des
atomes de Si4+, Al3+ et Fe3+.
La couche octadrique est constitue par un enchainement de octadres (O), dont les sommets
sont occups par des atomes doxygne et des groupements hydroxyles et les centres sont
occups par des atomes dAl3+, Fe3+ ,Mg2+ ou Fe2+ (Fig. I.3).
Figure I.3. Structure de base des phylosilicates.
Suivant le mode dagencement des ttradres et des octadres, on distingue deux (2) grandes
familles de minraux :
a) Les minraux fibreux qui sont des espces pseudo feuillets, par exemple les
palygorskites (attapulgite) et les spiolites (Charradi, 2010).
b) Les minraux phylliteux structures lamellaires. Ces derniers sont les plus rpandus et
les plus tudis. Leur classification est base sur le mode dassociation des couches
structurales et le degr doccupation des sites de la couche octadrique (di ou tri
octadrique). Selon la squence dempilement des couches ttradriques et
octadriques, on distingue des minraux de type : 1/1 (T-O), 2/1 (T-O-T) et 2/1/1(T-O-
T-O).
I.3.1. Les minraux 1/1
Ces minraux sont constitus par lempilement suivant la normale des feuillets forms
par lassociation dune couche ttradrique et dune couche octadrique. Les ttradres sont
Feuillet de silice en ttradre.
Feuillet daluminium en octadre.
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
10
lis par trois sommets et le quatrime sommet du ttradre sert de lien avec la couche
octadrique (Fig. I.4). La distance basale est de lordre de 7 . Lensemble des charges est
reparti de telle sorte que le feuillet est lectriquement neutre. La cohsion des feuillets est
assure par des ponts hydrognes. Dans ce sous-groupe dargiles, on peut citer la famille des
kaolinites (la kaolinite, la dickite et la nacrite) et lhalloysite.
Figure I.4. Assemblage dune couche octadrique et dune couche ttradrique pour une
argile TO (1:1).
I.3.2. Les minraux 2/1
Ces phyllosilicates comptent plus de 200 varits de minraux diffrents, parmi
lesquelles on trouve les groupes des micas et des smectites (Charradi, 2010). Ces argiles sont
composes dagglomrats, ces agglomrats sont composs de particules, chacune des
particules est compose dun empilement de feuillets ayant une grande extension dans le plan.
Un feuillet est compos dune couche planaire forme par un cation en coordinance
octadrique encadre de deux couches planaires de silicium en coordinance ttradrique (le
feuillet est dit TOT) (Fig. I.5). Les sites octadriques, quand eux, peuvent tre occups soit
par des cations trivalents Al3+ ou ventuellement Fe3+, ces phyllosilicates 2/1 sont alors
dfinis comme dioctadriques, ou par un cation bivalent Mg2+, le phyllosilicate est alors
appel trioctadrique.
Figure I.5. Assemblage dune couche octadrique et deux couches ttradriques pour une
argile TOT (2:1).
La capacit de gonflement des argiles est influence par les arrangements et la
composition minralogique de ces feuillets. De mme, le gonflement est contrl par
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
11
lintensit des liaisons interfeuillets qui peuvent se casser lors de lhydratation et modifier par
la suite la microtexture de largile (Wakim, 2005).
I.4. LES PRINCIPALES FAMILLES DES ARGILES
Lanalyse du comportement gonflant des argiles consiste prciser la nature des
liaisons pour chacune des trois familles dargiles considres.
I.4.1. Les Kaolinites
La formule structurale est : (OH)4 Al2 Si2 O5 . Son nom vient de Kao ling, lieu
gographique en Chine. Parmi cette famille, nous avons : Kaolinite, Bertierine, Dickite,
Nacrite et Halloysite.
Une particule dargile est forme dun empilement de plusieurs feuillets dquidistance
fixe de 7 A0, elle est compose dune couche ttradrique siliceuse et dune couche
octadrique alumineuse (Fig. I.6).
Le contact entre les feuillets se fait suivant un plan contenant des ions dhydroxyles OH de
loctadre et des ions doxygne O2 du ttradre. Les liaisons interfoliaires, rsultant de
leffet combin de liaisons dhydrogne et de la force de Van Der Waals, confrent un lien
assez fort avec une grande stabilit vis--vis de leau. Les feuillets sont alors souds les uns
aux autres par des forces de liaisons trs importantes rendant la kaolinite presque insensible
au gonflement.
Les substitutions isomorphes sont peu frquentes dans ce type dargile grce la stabilit
physique de sa structure et le pouvoir de fixation des cations ne dpasse pas 15
milliquivalent/100g.
Les particules de kaolinite sont de grandes plaquettes rigides de forme hexagonale de quelque
dizaines une centaine de nanomtres dpaisseur et de quelques centaine un millier de
nanomtres dextension latrale (dimension latrale / paisseur). Les feuillets sont empils de
manire ordonne et ils sont en contact les uns avec les autres. Thoriquement, leau
interfoliaire na aucune existence dans ce type dargiles.
La kaolinite est frquente dans les sdiments argileux provenant de laltration de roches
acides riches en feldspath (granites par exemple). Elle prsente une forte teneur en alumine
(46 %) et montre des proprits de plasticit, de faible retrait au schage et la cuisson. Elle
demande des tempratures de cuisson leves et elle est assez rfractaire aprs cuisson.
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
12
Figure I.6. Cristaux des particules de kaolinite vus au microscope lectronique balayage.
I.4.2. Les illites
Le feuillet lmentaire de lillite est compos dune couche dalumine comprise entre
deux couches de silice. Lepaisseur dun feuillet est denviron 10 A. Les illites sont les plus
rpandues des minraux argileux dans la nature. Elles sont des argiles dites potentiellement
gonflantes. Les liaisons entre les feuillets sont moins fortes que celles des kaolinites. Les
analyses chimiques ont montr ds le dbut, que moins dun ion de silicium sur quatre tait
remplac par un ion daluminium, ce qui diminue dautant la quantit dalcalins entre les
feuillets. Un remplacement partiel des ions Al octadriques par des ions Mg, Fe2+ et Fe3+ est
frquent. Le dficit de charge qui en rsulte est compens par leau et les cations de
potassium K+ (sauf quon a plus d'eau, moins de K+). La prsence de ces cations contribue
renforcer les liaisons interfeuillets. Le comportement des illites se rapproche alors de celui des
kaolinites. La formule structurale est variable selon le model suivant :
Avec
Le groupe des micas prsente aussi des feuillets trois couches T-O-T. Un exemple de mica
est la muscovite Elle fait intervenir des ions K2+ qui sont absorbs
dans les liaisons inter foliaires afin de compenser le dsquilibre des charges. Cependant ces
ions sont lis de faon trs stable et la plupart ne sont pas changeables.
La structure des micas se rapproche de celle des illites sauf quelles sont plus grandes. Leur
formule chimique est la suivante :
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
13
Figure I.7. Cristaux des particules dIllite vus au microscope lectronique balayage.
I.4.3. Les Smectites
La Montmorillonites, la Beidellite, la Nontronite, la Hectonite, la Saponite et la
Sauconite sont des argiles dites potentiellement trs gonflantes. Le reprsentant le plus
important de cette famille des minraux est la montmorillonite.
Le terme de montmorillonite a t propos par Damour et Salvetat (1847) daprs le nom de
la ville de Montmorillon (Vienne, France). La montmorillonite se compose comme suit: une
couche octadrique comprise entre deux couches ttradriques. Les ttradres de la couche
ttradrique sont occups par le silicium, et laluminium de la couche octadrique est
remplac partiellement par le magnsium. Lempilement des feuillets est dsordonn ; chaque
feuillet est tourn dans son plan par rapport au prcdent et a une extension latrale
extrmement grande par rapport son paisseur qui est denviron 9.6 A. Ce dsordre est la
constitution des faces inferieures et suprieures de ce type dargile, ne permettent pas le
dveloppement dune liaison hydrogne entre les feuillets, ce qui facilitent leur cartement et
labsorption des molcules varies (eau, cations ou molcules organiques) au niveau de
lespace interfoliaire qui scarte. De ce fait, parvient la sensibilit de ces argiles leau qui
se glisse entre ces feuillets en quantit variable et donne la priodicit de lempilement une
valeur galement variable souvent voisine de 14 A. Ceci cre un dficit de charge compens
par des ions, situs entre les feuillets et qui sont changeables et frquemment reprsents dans
la nature par Na et Ca.
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
14
Figure I.8. Vue microscopique au MEB de la montmorillonite et arrangement des feuillets.
Les peuvent sintercaler rgulirement ou irrgulirement avec dautre feuillets
argileux, lensemble forme des interstrafis, le comportement peut savrer gonflant, cest le
cas de la corrensite, la torudite, la kaolinite-montmorillonite, etc.
Il est ncessaire de citer un autre type dargile appel : chlorites (Fig. I.9), du fait que leurs
proprits se rapprochent de celles des argiles. Leurs structure est cependant plus complexe, et
se composent de deux feuillets de micas entre lesquels sinsre un feuillet de brucite. En fait,
le dficit du feuillet de mica est rarement combl par le feuillet de brucite et des cations
interchangeables se logent dans les espaces cres au sein du feuillet de mica. De leau peut
alors pntrer entre les feuillets, provoquant ainsi un accroissement de linterdistence et donc
un gonflement (Bultel, 2001).
Figure I. 9. Cristaux de chlorite vus au microscope lectronique balayage.
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
15
I.5. TEXTURE DES ARGILES
Tout comme la structure cristalline des argiles, la texture est un paramtre
important car il conditionne les proprits physiques du minral (Caillre & Hnin, 1959).
La texture concerne lassemblage des minraux (argileux ou pas) sous forme dagrgats ainsi
que larrangement ou la distribution spatiale de ces agrgats (Audiguier, 1979). Aubouin
et al. (1968) dfinissent la texture comme la forme, la dimension et la disposition
dun certain nombre de minraux naturellement groups en une population au sein de la
roche .
Cette organisation peut faire lobjet de diffrentes classifications (Van Olphen, 1963 ; Collins
& Mc Gown, 1974 ; Le Roux, 1975 ; Sergeyev et al., 1978), cites par Maison, 2011, et elles
sont valables pour les sols argileux.
Gens et Alonso (1992) ont tabli une classification pour les sols gonflants, partir des
travaux de Collins et McGown (1974). Cette classification se base sur lorganisation des
particules lmentaires argileuses :
Texture matricielle (Fig I.10a) : texture dont la base est une pte homogne avec les
particules lmentaires dissmines dans cette pte. Cette texture est caractristique des
sols naturels ou des sols compacts du ct humide de loptimum Proctor.
Texture agrge ou compacte (Fig. I.10b) : texture compacte avec les
particules lmentaires assembles sous forme de mottes ou dagrgats.
(Wakim, 2005).
Figure I.10. Photographie MEB de texture matricielle (a : Argile Verte de Romainville) et
texture agrg (b : Argile de Bavent) (Vincent et al., 2009, cit par Maison, 2011).
Il est rare de rencontrer des sols argileux composs uniquement dargile, et au sein
mme de la fraction argileuse, plusieurs types dargiles peuvent coexister. La texture des sols
argileux peut varier fortement en fonction du type de minraux argileux, du mode de
sdimentation et de ltat de consolidation (Windal, 2001). Une roche argileuse qui prsente
une organisation serre et oriente des particules dargiles na pas le mme gonflement quun
sol argileux dont la sdimentation a t rapide et rcente et pour lequel la distance entre les
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
16
plaquettes est maximale. Cette organisation des minraux argileux est la principale cause du
gonflement anisotrope.
La texture des matriaux argileux se superpose donc aux organisations des autres minraux
non argileux. Cette htrognit rend la structure et la texture extrmement complexes,
surtout lorsque les minraux argileux sont ciments par dautres minraux carbonats.
I.6. LEAU ET LES MINERAUX ARGILEUX
Largile dans son milieu cherche atteindre un certain quilibre chimique et physique
vis--vis aux diffrentes ractions avec leau.
I.6.1. La forme de l'eau
Leau est llment dterminant dans les proprits des argiles, elle peut se prsenter
sous diffrentes formes dans la structure argileuse grce son caractre dipolaire, la molcule
deau possde la proprit dtre attire par lintermdiaire de ses extrmits positives la
surface ngative des minraux argileux. Cette attraction modifie les proprits
hydrodynamiques de leau et cela dpend de la distance entre les molcules deau et la surface
argileuse.
Deux types deau, existant dans la matrice argileuse, peuvent tre distingus:
I.6.1.1. Eau lie
Elle est attache la surface des grains par le jeu de forces d'attraction molculaire. Ces
forces dcroissent avec la distance entre les molcules d'eau et le grain.
Une premire couche adsorbe, dont l'paisseur est de l'ordre de quelques dizaines de
molcules (environ 50 ), correspond :
Leau des arrtes et des cassures de la surface du rseau cristallin. Les molcules d'eau y
sont retenues par des liaisons de coordination avec les lments superficiels du rseau
cristallin ;
L'eau d'hydratation des cations changeables ;
L'eau de surface interfeuillet, rpartie entre les diffrents feuillets des minraux
argileux, relis entre eux par des liens hydrognes existant entre les groupes OH- et O2.
Dans cette couche adsorbe les proprits de l'eau sont trs fortement modifies.
L'eau a la structure de la glace. La viscosit peut tre suprieure de quelques dizaines de
fois celle de l'eau normale (Rosenqvist, 1959). La densit varie de 1,2 2,4 g/cm3 (Yong et
Warkentin, 1975). L'adsorption des molcules d'eau et des ions dpend en grande partie de la
surface spcifique des argiles.
Une zone de transition d'eau dite "diffuse", entre 0,005 et 0,5 m contient des molcules d'eau
fixes et qui supportent encore une attraction non ngligeable.
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
17
L'eau d'hydratation des argiles gonflantes (type smectites) correspond de l'eau adsorbe et
de l'eau diffuse, ou de l'eau faiblement lie.
I.6.1.2. Eau libre
Au del de 0,5 m (Marsily, 1981), l'eau n'est retenue dans l'argile que par les forces
capillaires et elle est capable de se dplacer sous l'effet de la gravit ou d'un gradient
hydraulique suffisant. C'est l'eau libre, appele aussi eau interstitielle. D'une faon g nrale,
les forces mises en jeu sur l'eau par les particules d'argiles diminuent avec la distance (Fig.
I.11).
Figure I. 11. Gonflement et hydratation du matriau argileux.
Plus d'lectrons d'un ct du noyau d'un atome que de l'autre, d'o la formation de diples qui
se rattachent par leur ct oppos lectriquement, les forces mises en jeu sont faibles mais
additives (d'o leur importance) et diminuent trs lentement avec la distance. Elles sont
suffisamment fortes pour dterminer l'arrangement final de certains solides et elles sont une
source majeure de cohsion dans les sols fins (Mitchell 1976). Les forces d'adhsion dans les
sols argileux "humides" sont principalement du type Van Der Waals (Rosenqvist 1959).
I.6.2. Principales type dhydratation.
La recherche bibliographique a permis de mettre en vidence quatre principaux
phnomnes dhydratation des argiles :
Hydratation par capillarit,
Hydratation par adsorption
Hydratation par osmose,
Transformations chimiques.
La structure complexe des argiles leur confre la particularit de shydrater par le phnomne
de succion.
On dfinit la succion comme tant une mesure d'affinit entre le sol et leau interstitielle. Elle
se dfinit comme la somme de plusieurs composants (Delage et Cui, 2001).
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
18
I.6.2.1. Hydratation par succion capillaire
Les phnomnes de capillarit se produisent l'interface entre deux fluides (G et L),
comme le montre la figure I .12, car les molcules y sont soumises un ensemble de forces
d'interactions non quilibres, la diffrence d'une molcule situe au sein du fluide.
Une molcule d'eau au sein d'une masse d'eau est soumise des actions de mme nature (Fig.
I .12 ), alors que celle l'interface entre deux fluides, eau-air par exemple, est soumise des
actions diffrentes : actions dues l'eau et actions dues l'air. Les molcules d'eau
l'interface eau-air sont donc attires vers la masse d'eau et la surface de l'eau est soumise une
force perpendiculaire la surface libre.
C'est cette attraction qui engendre une tension de surface l'interface et qui est reprsente
sur la figure I.13 dans le cas dun interface plan.
La capillarit est souvent illustre par le schma de la figure I.13 dcrivant la remonte
capillaire de l'eau dans un tube de rayon plong dans un rcipient contenant de l'eau. La
relation entre le rayon de courbure du mnisque sphrique eau-air dans le tube et la diffrence
de pression entre l'air et l'eau est donne par la loi de Laplace, qui se simplifie dans
l'hypothse de pores cylindriques et prend l'expression de la loi de Jurin:
(I.1)
ua et uw sont respectivement les pressions d'air et d'eau, sc est la succion capillaire, s tension
de surface eau- air, l'angle de raccordement entre le mnisque et le solide.
La hauteur dascension capillaire hc est ds lors dfinie comme :
(I.2)
Figure I .12 . Action des forces sur une molcule deau, (Delage et Cui, 2001 cit par
Masekanya, 2008).
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
19
Figure I .13 . Remonte capillaire dans un tube, (Delage et Cui, 2001 cit par
Masekanya, 2008).
I.6.2.2. Succion dadsorption
Ladsorption de leau par des solides met en jeu des forces (succion) de nature
lectrostatiques: il se forme des zones lectriquement charges la surface des minraux (en
particulier pour les argiles). Les lments physiques (Fig. I.14) engendrant cette succion
dadsorption sont:
la liaison hydrogne entre les molcules deau et les atomes doxygne ;
les hydroxydes situs la surface des feuillets argileux ;
leau ncessaire lhydratation des cations attirs par les dfauts de charge du feuillet;
leau attire par lattraction osmotique cre par la concentration de cations au voisinage
du feuillet;
lattraction lectrique du ple positif du diple que forme la molcule deau ;
les forces dattraction de Van der Waals ;
Ces liaisons sont expliques dans le paragraphe I.6.3. Toutes ces forces concourent
lattraction de leau avec une intensit dcroissant trs rapidement avec la distance. Ces forces
se traduisent localement par des pressions deau trs ngatives.
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
20
(a)Liaisons hydrognes ; (b) hydratation des ions ; (c) attraction osmotique ; (d) attraction
lectrique du diple. Figure I .14. Mcanismes possible dadsorption la surface de largile, Mitchell (1976).
I.6.2.3. Succion osmotique
La succion osmotique est la capacit de rtention deau par les sels prsents sous forme
dissoute dans leau interstitielle. Elle est due la diffrence de concentration en sel dans les
diffrents points de la matrice du sol. Dans le cas o la concentration de sel est faible, cette
composante peut tre nglige et la succion totale sera donne directement par la succion
matricielle.
a) Succion matricielle
La succion matricielle Sm est dfinie comme la somme des deux succions prcites.
(I.3) b) Succion totale
La succion totale est dfinie comme la somme des succions matricielle et osmotique :
(I.4)
I.6.2.4. Transformations chimiques
Trois types de transformations chimiques se distinguent principalement :
o La transformation de lanhydrite en gypse,
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
21
o Loxydation de la pyrite,
o La dissolution des carbonates dans leau.
I.6.3. Les forces physico-chimiques existantes entre les particules
Les substitutions isomorphes de Si et Al par d'autres cations sont courantes dans les
argiles et elles s'accompagnent de modifications de la charge lectrique des particules vers des
charges ngatives. Ces dficits en charge peuvent aussi provenir de l'interruption du cristal.
Ainsi les artes seront charges ngativement car il n'y a pas d'autres ttradres ou octadres
mettre en commun. Ce phnomne est plus marqu pour de petites particules et il est
l'origine de l'attraction de divers cations et de la rpulsion des anions. Les cations, plus ou
moins hydrats selon leur nature, influenceront l'hydratation des particules argileuses.
Ceci montre l'existence de forces physico-chimiques qui rgissent l'quilibre entre les
particules. Les observations au microscope lectronique balayage sur les associations de
particules tmoignent de l'importance de ces forces. Celles-ci sont de deux types : attractives
ou rpulsives.
I.6.3.1. Les forces attractives
Elles proviennent des liaisons:
Covalence : mise en commun d'un ou plusieurs lectrons de deux atomes pour assurer
la neutralit lectrique ;
Ionique : les cations apportent l'lectroneutralit. Dans le cas de l'illite, les atomes de
potassium sont pigs entre les groupes dhydroxyles les plus petits et l'eau ne peut
pntrer. Cette liaison est forte. Dans le cas des smectites, les ca tions Na+ et Ca2+ sont
attirs par la surface des feuillets. L'espace interfoliaire est suffisant pour laisser
pntrer les molcules d'eau, et l'hydratation libre une nergie suprieure aux forces
d'attraction entre couches d'argile. Les liaisons deviennent faibles et l'espace
interfoliaire augmente avec H2O, d'o un gonflement important du minral.
Hydrogne : liaison entre un groupement A-H et un atome B pour autant que
l'lectrongativit de B et la distance A...B soient adquates. Dans le cas de la kaolinite,
une face d'une couche comporte des oxygnes considrs comme ples ngatifs, et
l'autre face des groupes hydroxyles contenant H+. Cet ion de diamtre trs faible forme
une liaison hydrogne entre les deux couches successives et elle est l'origine de leur
empilement. L'eau ne peut donc y pntrer. Ce lien est trs fort perpendiculairement aux
feuillets et faible tangentiellement. Ce type de lien puissant intervient entre la surface
d'une particule charge en O et la molcule H2O, et donne la premire couche d'eau
une structure particulire proche de la glace.
Van Der Waals : ce sont des liaisons lectromagntiques entre diples. A tout moment
il y a plus d'lectrons d'un ct du noyau d'un atome que de l'autre, d'o la formation de
diples qui se rattachent par leur ct oppos lectriquement. Les forces mises en jeu
sont faibles mais additives (d'o leur importance) et diminuent trs lentement avec la
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
22
distance (Fig I.15). Elles sont suffisamment fortes pour dterminer l'arrangement final
de certains solides et une source majeure de cohsion dans les sols fins (Mitchell 1976).
I.6.3.2. Les forces rpulsives
L'hydratation des ions des particules argileuses oriente les molcules d'eau et gnre des
rpulsions pour les particules proches jusqu' une distance de 20 (Huret 1985).
Ces forces ont plusieurs composantes (interaction des doubles couches associes aux deux
feuillets, nergie dhydratation des cations compensateurs) (Aissa Mamoune,2009),
Figure I.15. Forces lectrostatique dans la double couche.
Figure I.16. Rpartition des ions autour de la particule charge.
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
23
Ces deux forces dcroissent rapidement avec la distance interparticulaire. Quant la
force de rpulsion, elle diminue galement avec laugmentation de la concentration en
lectrolytes.
Les variations de concentrations en cations et en anions dans la double couche de diffuse sont
dtermines partir de lquation de Poisson-Boltzmann. A proximit de la surface charge,
la concentration en cations est plus leve que celle en anions (Fig. I.16).
I.6.3. Interactions entre les feuillets en milieu aqueux
A la surface d'un feuillet dargile en prsence deau il y a une couche ionique
ngativement charge qui tient aux substitutions ioniques et au fait que largile est forme
danions de grande taille (O2- et OH-) dans lesquels les petits cations mtalliques sont enterrs.
Cette couche extrieure est donc lgrement ngative et la charge est permanente.
Les bords des cristaux dargile ont aussi des charges ; elles ne sont pas permanentes mais
varient avec le PH, H+ en milieu acide et OH- en milieu plus alcalin, et la force ionique
(concentration en sels).
La structure cristalline de la demi-maille des feuillets de montmorillonite prsente des
substitutions crant un dficit lectronique compens par des cations hydrats qui
maintiennent llectroneutralit. La population de ces derniers peut tre spare en deux
couches : une couche de cations immobiles lies la surface, appele couche de Stern, et une
couche mobile proche de la surface, moins dense, appele couche de diffuse, la limite entre
ces deux couches tant appele plan dHelmholtz ou plan de cisaillement (Fig. I.17).
Figure I.17. Schma de la double couche lectrique et de lvolution du potentiel lectrique en fonction de la distance de la particule la solution.
Distance la particule
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Chapitre I
Gnralits sur les argiles
24
Cette double couche lectrique de la particule en suspension prsente une concentration
en cation dcroissante mesure que lon sloigne de la surface du feuillet.
Au voisinage de la surface, la couche de Stern dense en cation repousse les anions par
lintermdiaire dune force lectrostatique, il existe aussi une diffrence de densit anionique,
mais cette fois, la concentration est dcroissante mesure que lon sapproche de la surface
des feuillets. Cette diffrence locale de concentration entre anions et cations cre un potentiel
lectrique, qui varie en fonction de la distance la surface de la particule. Ce potentiel not
est maximum la surface du feuillet et dcrot linairement dans la couche de Stern (Fig.
I.17).
Exprimentalement, il nest pas mesurable et seul le potentiel au plan dHelmholtz peut tre
mesur. Ensuite, force que lon sloigne du feuillet, ce potentiel dcrot de faon
exponentielle, en suivant lquation de Gouy-Chapman, et une distance infinie, ce potentiel
sannule puisquen solution, llectroneutralit est respecte.
Luckham et al, cit par Aissa Mamoune (2009), se sont intresss lpaisseur de la double
couche lectrique, et ils ont dfini les paramtres influant sur cette paisseur. Ils ont retrouv
ces paramtres travers le paramtre K de lquation de Gouy-Chapman (quation I-5).
et (I.5)
Avec :
: Valeur du potentiel la distance x du plan dHelmholtz
: Valeur du potentiel au plan dHelmholtz
K-1 : Epaisseur de la double couche lectrique
F : constance de Faraday ci : concentration de llectrolyte
zi : valeur de lion e0 : constante dilectrique du milieu
R : constante des gaz parfaits T : temprature absolue
Lquation (I.5) prsente la variation du potentiel lectrique en fonction de la distance la
surface de la particule et du milieu selon la thorie de Gouy-Chapman. Lpaisseur de la
double co