TP MDS: Essai triaxial
1-Introduction :
La complexité du
comportement du sol entraîne une particularisation des théories de la mécanique
des milieux continus.
Ainsi la courbe intrinsèque qui a la formule :
Pour la plupart des matériaux, est remplacée dans le cas des sols par
la relation, cette loi définie la limite entre le comportement élastique et
plastique du sol.
Plusieurs types d’appareils sont habituellement utilisés pour les
essais de cisaillement, parmi eux on a l’appareil à compression triaxial qui est n maniement plus difficile que la
boite de casagrande, mais il présente de nombreux avantages.
L’appareil triaxial est aujourd’hui l’élément fondamental de tout
laboratoire de mécanique des sols.
Dans notre T.P on se base sur l’essai de « u.u » qui nous
donne :
- La courbe
intrinsèque.
- L’angle de
frottement interne.
- La cohésion.
Essai triaxial :
L'essai de compression tri axiale permet de
mieux accéder aux propriétés mécaniques des matériaux, car il affecte l'état de
contraintes in situ. Cet type
d'essai permet de contrôler et de mesurer la pression interstitielle,
d'appliquer une gamme de pression de confinement (isotrope ou anisotrope) pour
consolider initialement l'échantillon à un état prédéfini. Les différents types
d'essai réalisables sont :
- essai UU
(Unconsolidated-undrained) : essai non consolidé non drainé effectué sur
matériau saturé ou non
- essai CU
(Consolidated-undrained) : essai consolidé non drainé sur matériau saturé ou
non
- essai CU+u
(Consolidated-undrained) : essai consolidé non drainé sur matériau saturé avec
mesure de la pression interstitielle
- essai CD
(Consolidated-drained) : essai consolidé drainé sur matériau saturé
Essai non drainé :
Si
le remblai est saturé et sans possibilité de drainage, un changement de l'état
des contraintes ne conduit pas à une variation de volume (essai à volume
constant) mais induit une modification de la pression interstitielle.
Essai drainé :
Si le drainage
est permis, une augmentation des contraintes conduites à une consolidation et
éventuellement à une modification de la pression interstitielle. Dans ce cas,
la variation de la pression interstitielle est négligeable par rapport à
l'accroissement de la contrainte appliquée. Le type d'essai réalisé dans ce
projet est l'essai consolidé drainé.
Consolidation :
La
consolidation d'un matériau résulte en général de la variation des contraintes
(effectives) qui lui sont appliquées et se traduit par une variation de volume.
La consolidation est isotrope si Ds1 = Ds3 et anisotrope si Ds1 ¹ Ds3. Cette
consolidation a pour effet de rétablir et de simuler l'état des contraintes in situ avant d'appliquer la charge
axiale. Il semble de toute évidence que la consolidation anisotrope donne de
meilleurs résultats de la résistance et des données contrainte-déformation.
La cohésion c:
c’est la résistance au cisaillement d’un sol sous une contrainte normale nulle,
C = S+PtgΦ.
Cisaillement :
Les
sols se comportent lorsque la valeur de la contrainte de cisaillement tdépasse une certaine valeur en fonction de la
contrainte normales. La rupture se déclare par une
déformation continue au même temps croit avec les contraintes. La courbe
intrinsèque étudiée la résistance au cisaillement.
Après la consolidation,
l'échantillon est ensuite cisaillé à une vitesse de chargement constante. Le
cisaillement d'une éprouvette de remblai consiste à lui imposer une variation
du déviateur (s1 - s3) jusqu'à la
rupture suivant un plan quelconque.
3-Description
de l'essai :
(Vutukuri et.al, 1974 ; Paterson, 1978).
L’essai de compression triaxiale consiste à
soumettre une éprouvette cylindrique à un champ de contrainte uniforme qui une
pression hydraulique s3 appliquée par l’intermédiaire d’un fluide
remplissant, la cellule et une contrainte axiale ou déviateur (s1 - s3)
appliquée par l'intermédiaire d’un piston. Dans un essai, l'éprouvette est
soumise à un champ de contraintes isotropes jusqu'à une valeur donnée. On
maintient ensuite à niveau constant la pression hydraulique représentée par s2 et s3,
on augmente progressivement la contrainte axiale s1 ou le déviateur (s1 - s3 )
jusqu'à la rupture de l’éprouvette. Les essais peuvent être effectués à
différentes pressions de confinement. Dans l’essai de compression triaxiale
avec cycles de chargement-déchargement-rechargement, l'éprouvette est soumise à
des sollicitations. A différents niveaux de la contrainte axiale déviatorique
(1, 2 et 3 sur la figure 3.1.1), on a la déchargée jusqu'à l'état
hydrostatique, puis on rechargement jusqu'à un niveau de contrainte axiale
supérieur au précédent niveau de contrainte axiale de déchargement et de
nouveau, on décharge et ainsi de suite, jusqu'à la rupture.
4- But de l’essai :
La détermination de la courbe intrinsèque du
sol étudie a fin de calculer la résistance au cisaillement t sous une contrainte normale s et de déduire les caractéristiques mécaniques j(angle de frottement interne) et C (cohésion).
5- Principe de l’essai :
L'essai de compression triaxiale est effectué
à l'aide d'une cellule triaxiale en acier inoxydable. Le dispositif doit
permettre la mesure de la quantité de fluide drainé afin de contrôler la
variation volumétrique, et peut également être équipé d'un capteur de pression
pour mesurer la pression interstitielle. L'éprouvette est recouverte d'une
membrane imperméable avant d'être montée dans la cellule triaxiale. Une fois
l'éprouvette montée, la cellule est remplie du liquide de confinement (de l'eau
ou de l'huile hydraulique). Ce dispositif est ensuite placé entre les deux
plateaux de la presse et branché à l'air afin de consolider l'échantillon à la
pression de confinement souhaitée. Lorsque la variation volumétrique de l'échantillon
est stable, l'échantillon a été consolidé et on applique une charge
déviatorique au piston de la cellule triaxiale pour cisailler l'éprouvette
jusqu'à la rupture (Figure 1b). La
Figure 3 représente des courbes d'essais de compression
triaxiale d'un remblai cimenté en pâte à deux confinements différents.
- Exemple
de courbes d'essais de compression triaxiale d'un remblai cimenté en pâte -
Résistance
au cisaillement et Critères de ruptures :
La détermination des paramètres
caractérisant l'état de rupture d'un remblai nécessite la réalisation de
plusieurs essais sur différentes éprouvettes de remblai. Les éprouvettes sont
homogènes . La résistance au cisaillement tf d'une
éprouvette est déterminée à la rupture de l'éprouvette et elle correspond soit
à la contrainte de cisaillement à la rupture dans le cas des déformations
homogènes par plastification soit à la contrainte tangentielle sur le plan de
rupture lors d'une localisation des déformations à la rupture. Cette résistance
au cisaillement est définie par le critère de Mohr-Coulomb qui est:
Avec
c la cohésion, sn la contrainte normale et f l'angle de frottement
interne. Excepté le cas où l'angle de frottement est nul, le déviateur à la
rupture est tel que (s1 - s3)f > 2tf. le
-Contraintes sur un plan
quelconque au sein d'une éprouvette -
Soit une
éprouvette du sol de forme cylindrique soumise à un champ de contraintes s1, s2,
s3, la
contrainte normale s agissant sur une
facette quelconque située dans l’échantillon se décompose en une contrainte
effective s’ supportée par a squelette solide et
une pression interstitielle (s = s’ + u). Les contraintes appliquées à un échantillon dans cet essai
représentent les contraintes principales.
C : à
la dimension d’une contrainte et s’appelle la cohésion.
j : l’ange de frottement interne.
t : la résistance au cisaillement du sol considéré.
s : la contrainte normale appliquée à la facette de glissement.
on a : s1 = s3 + q
à partir la courbe intrinsèque, on peut déterminer
directement les caractéristiques mécaniques du sol ( c et j ) .
6- Mode opératoire :
1-préparation et saturation de
l’échantillon :
l’échantillon
a une forme cylindrique de dimensions suivantes :
-
la hauteur
h = 73mm
-
un diamètre
D = 35mm
ce échantillon doit être saturer car c’est le cas
le plus défavorable. Pour cela on fait circuler de l’eau dans l’éprouvette en
utilisant une contre pression.
la vérification de la saturation est établis par la relation ou B est le
coefficient de BISHOP .
u : pression interstitielle.
s3 : Pression hydrostatique appliquée autour de l’échantillon.
On revêtis l’échantillon d’une gaine en caoutchouc et on met en place à
ces deux extrémités libres les pièces de pied et de tête prévue à cet effet.
Pour cela on va prendre le moule d’habillage, placer la gaine à
l’intérieur et la retrouver sur les extrémités du moule.
En faisant le vide entre le moule et la gaine, on plaque celle-ci contre
la paroi intérieure du moule et on peut ainsi enfiler très facilement
l’échantillon à l’intérieur. Ensuite il faut positionner les deux embasses et
les assujettir sur la gaine avec deux élastiques.
2-Mise en
place et essai de l’échantillon :
-
On verse
l’eau dans la cellule en ayant soin d’évacuer tout air.
-
Mettre
l’ensemble carotte habillée à son
emplacement définitif sur l’appareil, raccorder les flexibles de
liaison, placer la cellule et son couvercle, serrer les trois boulons de
fixation plus régulièrement possible pour assurer une bonne portée des joints
d’étanchéité.
-
Mettre le
comparateur de l’anneau dynamométrique à zéro.
-
Amener et
stabiliser la pression s3 à la valeur
désirée chaque fois pour a manipulation 1 et 2 bars.
-
Amener le
piston au contact avec l’échantillon.
Le cisaillement s’effectue à une vitesse rapide de manière à
empêcher l’eau de se dissiper.
-
On note les
déformations chaque 15s correspondent à un déplacement de 0.25mm
La rupture de l’éprouvette est atteindre lorsque la lecture anneau (LA)
maximale reste constant.
7- Résultats et
commentaires :
-Voici les définitions utiles à notre calcul :
FB : force brute FA = K . LA
LA : lecture anneau.
K = 0.63
FN : force nette.
FN =
FB – (s3 . Sp)
Sp : section du piston =1,95 cm² .
SM =
S0/(1- e) :
section modifiée .
S0 : section de l’échantillon , avec D0=35 mm .
S0 = p D²/4 = 3,14 . (3,5)² / 4 = 9,61 cm² .
e =Dh/h
h = 73mm.
8-Conclusion :
Les
dispositifs du triaxial assurent une meilleure uniformité du tenseur des
contraintes dans l’échantillon.
Le matériau
peut être sollicité suivant des chemins de contraintes complexes, il est
possible donc de contrôler d’une manière très précise l’évolution de la
contrainte axiale et celle de la contrainte latérale, ce qui rendent
l’utilisation de l’appareil plus facile.
Les
résultats concernent le cisaillement de notre sol
Grâce à ce
TP on a pu voir comment déterminer les caractéristiques intrinsèques d’un
sol (soient sa cohésion non drainé
Cu {en bars} et son angle de frottement F{degré °}) d’un échantillon de sol à
l’aide de l’appareil de cisaillement(Appareille triaxial ). Ces deux
paramètres (Cu, F) qui sont nécessaires à connaître
avant toute la réalisation d’un ouvrage. Comme, la connaissance des
caractéristiques intrinsèques d’un sol nous permettrent :
-
De faire une approche sur sa nature (il est plus
précis que l’essai de casagrand)
-
De déterminer sa capacité portante (stabilité des
fondations)
Comme on peut dire que dans notre cas,
le sol dont les caractéristiques (C=1,1 bars et F= 18,43°).
Comme on sais que le plans de cisaillement est imposé dans l’essai
de casagrand par contre le triaxial
on l’observe après le cisaillement de l’échantillon (inconnu) . Donc il est préférable et recommandé
d’utiliser le triaxial.
