Investigations exp´erimentales des effets de la microstructure sur le comportement des milieux granulaires et sur l’instabilit´e de liqu´efaction Mohamed Aris To cite this version: Mohamed Aris. Investigations exp´erimentales des effets de la microstructure sur le comporte- ment des milieux granulaires et sur l’instabilit´e de liqu´efaction. M´ecanique des mat´eriaux [physics.class-ph]. Aix Marseille Universit´e, 2012. Fran¸cais. <tel-01337567> HAL Id: tel-01337567 https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01337567 Submitted on 27 Jun 2016 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destin´ee au d´epˆot et `a la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publi´es ou non, lished or not. The documents may come from ´emanant des ´etablissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche fran¸cais ou ´etrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou priv´es. Université de la Méditerranée (Aix-Marseille II) Ecole Doctorale Sciences Pour l’Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique Thèse pour obtenir le grade de DOCTEUR de L’UNIVERSITE D’AIX-MARSEILLE Spécialité : Mécanique des solides Présentée par Mohamed ARIS Investigations expérimentales des effets de la microstructure sur le comportement des milieux granulaires et sur l’instabilité de liquéfaction Soutenue le 9 mai 2012 Devant le jury composé de : Ali Daouadji Rapporteur Pierre-Yves Hicher Rapporteur Nadia Benahmed Examinatrice - Encadrante de thèse Thierry Desoyer Examinateur - Directeur de thèse Jean-Claude Dupla Examinateur Maxime Nicolas Examinateur Stéphane Bonelli Invité, Co-directeur de thèse Remerciement À : Mes parents, Ma femme, ma fille, Mes frères et sœurs, La mémoire de ma grand-mère. Les travaux présentés dans cette thèse ont été réalisés à l’Irstea groupement d’Aix en Provence, sous la direction de Mademoiselle Nadia BENAHMED et de Messieurs Stéphane BONELLI et Thierry DESOYER. Je tiens à leur exprimer ma reconnaissance et mes très sincères remerciements. Au cours de ces années de thèse, ils m’ont fait bénéficier de leur savoir. Leurs encouragements, leurs conseils et leurs critiques constructives m’ont été précieux. Je suis très heureux de pouvoir leur faire part ici de ma gratitude et de ma respectueuse amitié. Je tiens aussi à remercier ceux qui m’ont fait l’honneur de juger ce travail : Messieurs les Professeurs Ali DAOUADJI et Pierre-Yves HICHER qui ont assumé la tâche de rapporteurs de cette thèse. Je remercie aussi Messieurs Jean-Claude DUPLA et Maxime Nicolas et qui ont bien voulu examiner ce travail et participer au Jury. Mes sincères remerciements à Monsieur Laurent PEYRAS pour sa disponibilité et ses encouragements. Je remercie vivement toute l’équipe de l’Iresta pour son amitié. Ils ont permis la réalisation de ce travail dans un cadre passionnant, chaleureux et agréable. Je n’oublie pas de remercier la région Provence Alpe Côte d’Azur, pour son aide financière qu’elle m’a attribuée pour réaliser ce travail de thèse. Mes vifs remerciements au Directeur de recherche de l’Université de Technologie de Compiègne Monsieur Jean Louis Batoz et à l’équipe des enseignants, pour avoir accepté que je travaille sur ma thèse au cours de mon poste d’A.T.E.R. et m’ont prodigué leurs conseils. Un remerciement chaleureux à mes frères et sœurs, mes parents, mon épouse et sa famille, ma fille Agnès. Ils ont supporté mon stress durant toutes ces années. Mes remerciements vont également à toutes celles et ceux qui, de près ou de loin, m’ont apporté leur aide et leur soutien. Qu’ils trouvent ici l’expression de ma profonde gratitude. Mes remerciements à toutes les personnes que j’aurais pu oublier de citer. Résumé La rhéologie des matériaux granulaires dépend fortement de leur état initial en termes d’indice des vides et d’état de contraintes effectives. Cependant, le mode de déposition a également une influence considérable sur leur comportement mécanique du fait qu’il induit des structures initiales bien différenciées au sens de l’arrangement géométrique des grains dans l’empilement granulaire. Le travail présenté dans ce mémoire a pour objectif d’aboutir à une meilleure caractérisation expérimentale du comportement non drainé du sable d’Hostun HN31 à l’échelle locale (microscopique), en relation avec les différentes méthodes de reconstitution utilisées. On vise en particulier à mettre en évidence la façon dont la microstructure influence les propriétés des sols granulaires, notamment vis-à-vis de l’instabilité de liquéfaction. Le point clé de ce travail consiste en l’utilisation de capteurs piézoélectriques pour mesurer les vitesses d’onde de cisaillement au sein d’éprouvettes triaxiales reconstituées par trois techniques différentes à savoir le damage humide, la pluviation à sec et la pluviation sous eau, les vitesses d’onde étant une propriété de base du sol qui est influencée par plusieurs facteurs, et parmi elles la microstructure. Les résultats obtenus mettent en évidence l’influence considérable du mode de fabrication sur le comportement mécanique du sable. Ils montrent que pour une même densité initiale, et à même pression de confinement, le comportement mécanique observé est très différent selon les trois modes de préparation. Le sable préparé par damage humide présente toujours un comportement à caractère contractant et liquéfiant, nettement différent du sable préparé par pluviation, qui lui, est dominé par une structure présentant un comportement dilatant et stable. De même, les valeurs de vitesses d’onde de cisaillement enregistrées sont différentes d’un mode de déposition à un autre. Concernant l’anisotropie, le matériau préparé par damage humide présente un certain degré d’anisotropie inhérente, qui est toutefois minimal. En revanche, la pluviation à sec et la pluviation sous eau induisent des structures initiales plus isotropes. Par ailleurs, l’anisotropie initiale est toujours moins importante que l’anisotropie induite par le chargement. Le suivi de l’évolution de cette dernière durant la phase de cisaillement a permis de montrer que l’anisotropie induite est plus importante en début de chargement. Ceci est probablement dû à une première phase importante d’arrangement et d’organisation structurale des particules de sable, qui affectent directement la distribution des contacts inter granulaires provoqués par le cisaillement. Ces résultats expérimentaux démontrent que l’état initial d’un milieu granulaire ne peut être décrit par le seul couple de variables scalaires densité initiale et pression de confinement: une variable capable de refléter la microstructure initiale et une loi d’évolution de cette variable sont nécessaires pour que la modélisation puisse reproduire les observations expérimentales. Mots clés : matériaux granulaires, état initial, mode de dépôt, microstructure, instabilité, anisotropie inhérente et induite, essai triaxial, Bender éléments. Abstract The rheology of granular materials depends strongly on their initial state in terms of void ratio and effective stresses. However, the mode of deposition has also considerable influence on their mechanical behavior because it induces initial structures clearly differentiated. This difference is observed across the geometrical arrangement of the grains in the granular packing. This work aims to achieve a better experimental characterization of the undrained behavior of the Hostun HN31 sand at the local (microscopic) scale, depending on the different procedures used for sample reconstitution. We particularly highlight the influence of the microstructure on the mechanical behavior of sand especially in relation to liquefaction instability. The key point of this work consists of the use of piezoelectric transducers to measure shear wave velocities within triaxial sand specimens. These specimens have been prepared by different methods, namely: moist tamping, dry pluviation and water pluviation. Wave velocities are basic property of soil that is influenced by several factors and among them the microstructure. The obtained results highlight the considerable influence of the deposition mode on the mechanical behavior of sand. They show that for the same initial density, and at the same confining pressure, the mechanical behavior is very different from the three preparation methods. Sand prepared by moist tamping induces a contracting unstable behavior with strain softening and liquefaction instability, whereas dry and water pluviation lead to a dilative, more stable behavior with strain hardening. Furthermore, the values of shear wave velocity are different from one deposition mode to another. Concerning the anisotropy, the material prepared by moist tamping presents an inherent degree of anisotropy, which it is however minimal. On the other hand, dry pluviation and water pluviation induce more isotropic initial structures. Moreover, the initial anisotropy is less important than the anisotropy induced by loading. The shear wave velocity measurements were made during the shear loading, and show that the induced anisotropy is more significant at the beginning of the test. This is probably due to the distribution of grains contacts and their strong reorganization caused by shearing. These experimental results indicate that the initial state of a granular medium can not be described by only couple of scalar variables of initial density and confining pressure: a variable that can reflect the initial microstructure and an evolution law of this variable are necessary to model the experimental observations. KEYWORDS: granular medium, mode of deposition, initial state, microstructure, inherent and induced anisotropy, triaxial test, Bender elements. (cid:1) Table des matières INTRODUCTION GENERALE................................................................................................1 PARTIE 1 ...............................................................................................................................4 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE NOTATION ET DEFINITION...................................................................................................5 1. 1. Rappel des notions de base.................................................................................................5 1. 2. Principe de l’essai triaxial..................................................................................................6 1. 3. Essai drainé et non drainé...................................................................................................7 1. 4. Généralités sur le comportement mécanique des sols........................................................9 1.4.1. Contractance et dilatance.....................................................................................9 1.4.2. Ligne d’instabilité..............................................................................................10 1.4.3. Etat caractéristique.............................................................................................12 1.4.4. Etat critique........................................................................................................13 INSTABILITES ET RUPTURES.............................................................................................14 1. 5. Introduction......................................................................................................................14 1. 6. Type des ruptures dans les matériaux granulaires............................................................14 1.6.1. Rupture localisée................................................................................................15 1.6.2. Rupture diffuse...................................................................................................16 1. 7. Description du phénomène de la liquéfaction statique.....................................................17 1. 8. Différents paramètres influant sur la liquéfaction du sable..............................................19 1.8.1. Influence de l’indice des vides...........................................................................19 1.8.2. Influence de la contrainte de consolidation isotrope..........................................20 1.8.3. Influence du trajet de chargement......................................................................22 1.8.4. Présence des fines...............................................................................................22 1.8.5. Influence d’un déviateur initial de contrainte....................................................23 MICROSTRUCTURE..............................................................................................................24 1. 9. Introduction......................................................................................................................24 1. 10. Etat initial.......................................................................................................................24 1. 11. Influence du mode de fabrication des éprouvettes sur le comportement global............25 ANISOTROPIE........................................................................................................................30 1. 12. Introduction....................................................................................................................30 1. 13. Principaux types d’anisotropie.......................................................................................30 1.13.1. Anisotropie inhérente.......................................................................................30 1.13.2. Anisotropie induite...........................................................................................33 (cid:1) PROPAGATION D’ONDES DANS LES MATERIAUX GRANULAIRES..............................39 1. 14. Introduction....................................................................................................................39 1. 15. La théorie de Hertz-Mindlin et sa relation avec la vitesse d’onde acoustique...............43 1. 16. La théorie des milieux effectifs et le nombre de coordinance........................................50 1. 17. Comparaison entre le module élastique obtenu avec la pente de la courbe mécanique et celui mesuré par l’acoustique...................................................................................................52 1. 18. Conclusion.....................................................................................................................53 PARTIE 2 .............................................................................................................................54 DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX ET PROCEDURES D’ESSAI DISPOSITIF TRIAXIAL..........................................................................................................55 CARACTERISATION DU SABLE D’HOSTUN HN31............................................................57 PROCEDURE D’ESSAI...........................................................................................................58 1. 1. Les différentes phases de préparation d’un essai triaxial.................................................58 LES MODES DE FABRICATIONS DES ECHANTILLONS...................................................60 1. 2. Damage humide................................................................................................................60 1. 3. Techniques de Pluviation.................................................................................................63 1.3.1. Bibliographie......................................................................................................63 1.3.2. Description du dispositif de pluviation..............................................................66 1.3.3. Pluviation à sec...................................................................................................68 1.3.4. Pluviation sous eau.............................................................................................74 L’ESTIMATION DE L’INDICE DES VIDES DES ECHANTILLONS....................................77 1. 4. Variation de volume durant la consolidation...................................................................78 1. 5. Variation de volume durant la saturation.........................................................................79 DISPOSITIF DES BENDER ELEMENTS................................................................................80 1. 6. Bibliographie....................................................................................................................80 1. 7. Temps de propagation d’onde..........................................................................................84 1. 8. Distance de propagation...................................................................................................87 1. 9. Fabrication des Bender éléments......................................................................................88 1. 10. Les techniques expérimentales de mise en place des Bender éléments sur un échantillon du sable.....................................................................................................................................93 1. 11. Conclusion.....................................................................................................................95 PARTIE 3 .............................................................................................................................96 RESULTATS ET DISCUTIONS PROGRAMME EXPERIMENTAL..........................................................................................97 1. 1. Récapitulatif des essais réalisés........................................................................................98 1. 2. Essais de répétabilité........................................................................................................99 (cid:1) ETAT INITIAL ET MODE DE DEPOT.................................................................................103 1. 3. Comportement sous chargement non drainé du sable d’Hostun....................................103 1.3.1 Reconstitution par damage humide...............................................................................103 1.3.2 Reconstitution par pluviation sous air...............................................................105 1.3.3 Reconstitution par pluviation sous eau..............................................................105 1. 4. Comparaison des différents comportements observés en fonction du mode de dépôt...108 1. 5. Influence de l’indice de densité......................................................................................114 1. 6. Détermination des caractéristiques mécaniques du sable d’Hostun...............................119 1.6.1 Initiation de l’instabilité :..................................................................................119 1.6.2 Comportement en grandes déformations...........................................................122 CARACTERISATION DE L’INFLUENCE DU MODE DE DEPOT SUR LA MICROSTRUCTURE A TRAVERS LES MESURES DES VITESSES D’ONDE DE CISAILLEMENT...................................................................................................................123 1. 7. Evolution des vitesses d’onde de cisaillement avec le comportement mécanique........124 1. 8. Influence de l’indice de densité sur l’évolution des vitesses de cisaillement Vvh, Vhh et Vhv....................................................................................................................138 1. 9. Influence de la contrainte de consolidation sur l’évolution des vitesses de cisaillement Vvh, Vhh et Vhv....................................................................................................................146 ANISOTROPIE......................................................................................................................149 1. 10. Introduction..................................................................................................................149 1. 11. Anisotropie inhérente...................................................................................................149 1. 12. Anisotropie induite.......................................................................................................151 1. 13. Influence du mode de dépôt sur l’évolution de l’anisotrope durant le chargement.....155 1. 14. Influence de la contrainte de consolidation sur le coefficient d’anisotropie................156 1. 15. Conclusion...................................................................................................................158 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES.............................................160 BIBLIOGRAPHIE...........................................................................................................163 ANNEXES..........................................................................................................................174 (cid:1)