TP mécanique des sols: Essai triaxial

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.
 

2- Définitions :

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.     




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