Etude expérimentale de l'influence du degré de saturation sur le comportement instable du sable de Fontainebleau sous sollicitation cyclique : application aux risques de liquéfaction

Experimental study on the influence of saturation degree on cyclic behavior of sand : application to liquefaction

• Auteur / Autrice : Mathilde Vernay
• Direction : Pierre Breul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 09/02/2018
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yu Jun Cui, Nadia Benahmed, Mathilde Morvan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Marot, Antonin Fabbri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols insaturés

Sols -- Liquéfaction

Sable

Mots clés libres

Liquéfaction

Essai triaxial cyclique

Sols non saturés

Succion

Liquefaction

Résumé

Ces travaux portent sur l’étude de l’influence du degré de saturation sur le comportement instable du sable de Fontainebleau sous sollicitations cycliques, et particulièrement vis-à-vis des risques de liquéfaction. Il s’agit d’évaluer expérimentalement le potentiel de liquéfaction d’un matériau granulaire en fonction de son degré de saturation initial. Pour cela, un cadre théorique est proposé, définissant trois zones d’états de saturation : une zone totalement saturée, dont le fluide poral est uniquement de l’eau ; une zone quasi-saturée, dont le fluide poral est constitué d’eau et d’air dissout ou occlus, et pour laquelle les effets de la succion sont négligés ; et une zone non saturée, caractérisée par une phase gazeuse continue, et des valeurs de succion positives. Les frontières du cadre théorique sont déterminées en termes de degrés de saturation. Chaque zone est ensuite investiguée expérimentalement. Une série d’essais triaxiaux cycliques est réalisée. Pour chaque essai, les conditions initiales de saturation sont fixées, et correspondent aux conditions de saturation déterminées dans le cadre théorique. Pour la zone non saturée, un équipement spécial de plaque tensiométrique est développé et mis en place au laboratoire afin d’imposer des conditions de succion initiales précises aux échantillons. Pour la zone quasi-saturée, les conditions de saturation initiale sont imposées via une courbe de calibration reliant le coefficient de Skempton B au degré de saturation, préalablement réalisée au laboratoire. Les résultats mettent en évidence que le sable de Fontainebleau liquéfie même lorsque le degré de saturation initial est inférieur à 100%. Plus particulièrement, tous les échantillons de la zone quasi-saturée montrent un état de liquéfaction totale à la fin du chargement cyclique. Les échantillons de la zone non saturée quant à eux ne montrent aucun signe de comportement instable sous l’action du chargement cyclique, pour les mêmes conditions de densité et de contrainte. Il semble donc que le schéma de répartition du fluide interstitiel joue un rôle fondamental dans le potentiel de liquéfaction d’un sable ; dans les conditions de densité et de contraintes testées ici, la phase gazeuse continue, et les valeurs de succion initiale positives permettent de préserver le matériau vis-à-vis du risque de liquéfaction. Au contraire, si la présence d’air sous forme dissout ou occlus permet de retarder le déclenchement des instabilités au sein du matériau granulaire, elle n’empêche pas la liquéfaction.

This work aims to study influence of saturation degree on unstable behavior under cyclic loading, and more specifically against risks of liquefaction. The potential of liquefaction of Fontainebleau sand is evaluated experimentally, in function of its initial degree of saturation. A theoretical frame is established, defining three areas of saturation states: a fully saturated zone, where pore fluid consists only of water; a nearly-saturated zone, where pore fluid consists of water and dissolved or occluded air, and where effects of suction are neglected; an unsaturated zone, where gaseous phase is considered as continuous, and suction is positive. Boundaries of this theoretical frame are defined in terms of saturation degree. Each zone is then experimentally investigated. Cyclic triaxial tests are performed. For each test, initial conditions of saturation are imposed, in agreement with saturation conditions parameters defined in the theoretical frame. For unsaturated zone investigation, a special equipment of Negative Water Column is developed and used in the laboratory in order to obtain initial conditions of suction in the sample. For nearly-saturated zone investigation, initial conditions of saturation are imposed through a calibration curve, linking Skempton coefficient B and saturation degree, previously obtained in the laboratory. Results show that Fontainebleau sand liquefies under cyclic loading, even when initial saturation degree is below 100%. More specifically, every sample tested on the nearly-saturated zone are in a complete state of liquefaction after cyclic loading is applied. Samples on the unsaturated zone did not show any sign of instability, under same conditions of stress applied and density. It seems that distribution pattern of pore fluids within granular material plays a major role regarding potential of liquefaction. In state of stress and density tested in this study, continuous air phase and positive suction prevent granular material from liquefaction. On the contrary, if dissolved or occluded air as a pore fluid delays the onset of instabilities and liquefaction, it does not prevent it.