Le système d’essai automatique Autotriax pour essais triaxiaux en place dans le laboratoire, complétant les essais traditionnels, a été spécialement conçu pour la réalisation d’essais à chemins de
contrainte, où les contraintes principales appliquées à l’éprouvette de sol sont gérées indépendamment pour reproduire les conditions de contrainte existant sur site.
Actuellement, une recherche est en cours sur sols sablonneux : trois éprouvettes de densité moyenne
sont soumises à essais, chacune logée dans une cellule triaxiale, placée sur un bâti durant les phases
de saturation, consolidation et cisaillement monotonique, gérée automatiquement et simultanément
par un seul logiciel. L’un des essais simule la consolidation en conditions K0 : c’est-à-dire que les
contraintes principales (verticale et horizontale) sont lentement augmentées de manière à conserver
constante la section transversale de l’éprouvette. Le logiciel se charge d’augmenter la contrainte
axiale vers une valeur cible à vitesse constante, alors que la contrainte horizontale est ajustée automatiquement pour maintenir une section transversale constante de l’éprouvette, se basant sur la
mesure du diamètre de l’éprouvette. Un capteur submersible « sur éprouvette » a été mis en place à
cet effet.
Afin de maintenir un contact positif entre l’embase supérieure et l’éprouvette et de garantir une
mesure correcte de la force axiale sans friction et du déplacement, des accessoires de connexion à
vide ont été conçus.

SOLS NON SATURÉS

Une autre thématique concerne la recherche sur sols non saturés et la détermination de la courbe caractéristique sol-eau (SWCC).
Pour ce faire, le laboratoire est équipé de deux types de matériels : une cellule triaxiale double paroi,
utilisée avec le système triaxial automatique, et un appareillage Hydrocon SWCC pour la réalisation
d’essais de consolidation en conditions oedométriques. Ces deux types de matériels permettent la
réalisation d’essais selon le principe de la méthode de translation d’axe, avec utilisation de pierres
poreuses HAES. Il s’agit de disques en céramique scellés dans l’embase inférieure de la cellule qui permettent le passage de l’eau mais bloquent l’air à différents niveaux de pression.
La méthode de translation d’axe consiste à appliquer une pression d’air au sommet de l’éprouvette
qui augmentera la pression à l’intérieur de l’éprouvette de valeurs négatives à des valeurs positives. En conséquence, une pression positive s’exercera sur le disque céramique et le capteur de pression interstitielle. La différence entre la pression d’air appliquée au sommet de l’éprouvette et la pression interstitielle du bas représente la valeur de succion.
La cellule triaxiale double paroi est indispensable à une mesure convenable du changement de
volume de l’éprouvette.
Pour des systèmes d’essais triaxiaux traditionnels, où des éprouvettes saturées sont soumises à essais, la mesure du changement de volume consiste à relever la quantité d’eau entrant ou sortant de
l’éprouvette avec un capteur de changement de volume. Au contraire, pour des systèmes non
saturés, les mesures de changement de volume deviennent plus complexes à cause de la compressibilité de l’air. Il conviendra de mesurer le volume d’eau sortant de l’éprouvette et le changement total de volume de l’éprouvette.
Grâce à ces deux mesures réalisées avec des capteurs standards de changement de volume, le
changement de volume lié à l’eau expulsée de l’éprouvette et, par différence, le changement total
de volume dû à la compressibilité de l’air pourront être déterminés.
En ce qui concerne l’appareillage Hydrocon SWCC, comme l’éprouvette est enserrée dans un anneau
rigide, seul le volume d’eau pénétrant ou sortant de l’éprouvette est requis, puisque le changement
total de volume de l’éprouvette est simplement mesuré à partir de la déformation axiale.

ESSAIS DYNAMIQUES

Le laboratoire s’est également équipé pour l’investigation du comportement d’un sol en conditions
sismiques. Dans cette situation, qui ne mène pas forcément à l’affaissement d’un sol, il est important
d’étudier le comportement contrainte-déformation et les paramètres associés des différentes
couches du sous-sol, informations requises pour simuler, par exemple, les conditions de propagation d’un phénomène sismique dans le sol. Le comportement du sol dans la gamme de petites déformations est également important pour la prédiction de l’interaction de la structure du sous-sol. Les modules de rigidité pour de faibles déformations sont maintenant reconnus en tant que propriétés fondamentales d’un sol. De ce fait, les informations obtenues à partir d’essais dynamiques en laboratoire sont communément utilisées pour résoudre des problèmes conventionnels d’interaction entre un bâtiment et le sous-sol.
Comme le niveau de déformation à étudier est relativement faible, il est universellement admis de faire
des essais à différents niveaux de déformation.
Pour cette raison, le laboratoire mécanique des sols du département de génie civil s’est équipé de
différents matériels et méthodes d’essais conçus spécifiquement pour les différents niveaux de déformation.

COLONNE DE RÉSONANCE (RC) ET CISAILLEMENT PAR TORSION (CTS)

Un appareil spécifique où les méthodes de mesure et l’application de contraintes sont très sophistiquées a été développé pour l’étude du comportement contrainte-déformation des sols,
avec un très faible niveau de cisaillement initial.
La colonne de résonance (RC), utilisée dans le laboratoire, est combinée avec le CTS (appareil de
cisaillement cyclique par torsion) et permet de réaliser des essais permettant de définir le comportement avant rupture contraintedéformation d’éprouvettes de sol intactes/reconstituées.
Les paramètres contrainte-déformation, ainsi que le module de cisaillement et le facteur d’amortissement sont obtenus en termes de courbes, comme fonctions de déformation de cisaillement dans la gamme de 0,0001 % et 0,1 %. Les types de résultats sont largement utilisés en tant qu’analyses de réponse sismique à une échelle régionale/locale.
Lors de l’essai CTS, une force torsionnelle sinusoïdale à faible fréquence constante (~0,1÷ 5 Hz),
pour un nombre de cycles définitif, est appliquée au sommet de l’éprouvette alors que sa base est
immobilisée en rotation. Couple et déformation sont relevés en continu pour obtenir une correspondance entre contrainte de cisaillement moyenne et déformation de cisaillement moyenne.
Dans le cas de l’essai RC, l’éprouvette, fixée à sa base et libre en sonsommet, est soumise à une force de torsion à une fréquence jusqu’à 250 Hz. Le mode fondamental de vibration est déterminé à partir de l’amplitude maximale de mouvement ; à partir de la fréquence de résonance, la vitesse d’onde de cisaillement et le module d’onde de cisaillement sont calculés d’après la théorie d’élasticité.

TRIAXIAL CYCLIQUE (TXC)

Dans la gamme de niveaux de déformation moyens/élevés, les paramètres dynamiques d’un sol sont étudiés avec l’essai triaxial dynamique Dynatriax, c’est-à-dire un équipement directement dérivé du triaxial statique, où la force axiale est appliquée cycliquement avec des impulsions sinusoïdales à
fréquence constante, généralement dans la gamme de 0,1 à 2 Hz.

Lors de ces essais, effectués soit sous contrôle de contrainte ou de déformation, les cycles d’hystérésis de contrainte et de déformation sont mesurés et les paramètres afférents de déformabilité sont déterminés. Les résultats sont présentés sous forme de courbes de paramètres contrainte-déformation : module de cisaillement et taux d’amortissement en fonction de la déformation de cisaillement ; de même pour les essais RC et CTS, mais dans une gamme de déformation plus large de 0,1 à 1 ÷ 10 %. La combinaison de ces trois essais (RC, CTS et TXC) permet d’étudier et de définir les paramètres de déformabilité d’un sol spécifique pour une gamme complète de déformation.
Le laboratoire est également équipé d’autres matériels traditionnels d’essais et d’études de mécanique des sols tels qu’un oedomètre de consolidation automatique ACE et une machine de cisaillement automatique Shearmatic pour essais de cisaillement direct sur échantillons de sols pulvérulents de différentes densités.
Tous ces équipements, évolués et traditionnels, sont de marque Wykeham Farrance, la division Mécanique des sols du groupe Controls, et fonctionnent avec des systèmes de contrôle évolués et de
gestion automatique d’acquisition et de traitement, conformes aux normes spécifiques internationales.

Dr Vedran Jagodnik
Professeur assistant et responsable
du laboratoire de géotechnique à
l’université de Rijeka (Croatie).