Thèse
Auteur :
Wakim Jad

Date de soutenance :
20 décembre 2005

Directeur(s) de thèse :
Hadj-Hassen Faouzi



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Influence des solutions aqueuses sur le comportement mécanique des roches argileuses


Résumé : La mise en contact d'une roche argileuse avec une solution aqueuse entraîne l'apparition d'un gonflement qui joue un rôle important dans le comportement des ouvrages creus ?es dans ce type de terrain. Cette déformation est marquée par un caractère tridimensionnel et anisotrope et fait intervenir plusieurs mécanismes comme l'adsorption, l'osmose ou la capillarité. Plusieurs travaux de recherche se sont intéressés au gonflement et ont souvent ?été controversés en raison de la complexité des phénomènes impliqués. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de ces recherches et vise à contribuer à la compréhension du gonflement des roches argileuses lorsqu'elles sont confinées et soumises à une solution hydratante. L'essentiel des travaux réalisés dans cette thèse a concerné l'argilite de Lorraine et l'argilite de Tournemire. Pour caractériser le gonflement et identifier les principaux paramètres qui le gouvernent, il était nécessaire d'aborder le problème en premier lieu avec une approche expérimentale. De nombreux dispositifs ont alors été mis au point afin de réaliser des essais dans différentes conditions de gonflement. Afin de faciliter l'interprétation des essais et par la suite la modélisation des comportements observés, la démarche expérimentale adoptée a consisté à étudier le gonflement à partir d'une analyse mécanique suivie d'une analyse chimique. Dans la partie mécanique, le gonflement a été étudié en imposant à l'échantillon des sollicitations mécaniques et en maintenant invariante la solution d'hydratation durant les essais. Les principaux points examinés étaient, d'une part, l'effet des conditions aux limites latérales sur le gonflement axial (déplacement nul ou contrainte constante), et d'autre part, l'influence de la contrainte axiale et son historique de déchargement sur le gonflement radial. L'anisotropie du gonflement a été étudiée en effectuant, pour différentes orientations de l'échantillon, des essais de gonflement libre, de gonflement empêché et de gonflement uniaxial. Cet ?éventail d'essais mécaniques a permis d'étudier le gonflement tridimensionnel anisotrope en passant du gonflement maximal au gonflement nul et de choisir le type d'essai le plus approprié à utiliser dans la suite de la recherche. L'analyse précise effectuée pour expliquer les mécanismes qui sont à l'origine du gonflement a montré que le comportement est surtout régi par des phénomènes électrochimiques qui s'opèrent entre les ions de la solution et les feuillets argileux. Ce résultat important nous a conduit à développer plus en détail dans la partie chimique le rôle de la solution aqueuse. Dans cette partie, le gonflement a été dans ce cas étudié en imposant à un échantillon des sollicitations chimiques tout en maintenant constante la contrainte axiale appliquée durant les essais. Les sels monovalents et le sel divalent utilisés à différentes concentrations sont le chlorure de sodium (NaCl), le chlorure de potassium (KCl) et le chlorure de calcium (CaCl2). L'objectif recherché était d'analyser les effets de l'historique du chemin chimique avec des concentrations décroissantes ou des concentrations cycliques et de mettre en évidence, sur le gonflement axial, le rôle de la normalité de la solution, de chaque type de sel, de l'anisotropie et de la contrainte appliquée. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis le développement d'un modèle rhéologique qui prend en considération le temps, l'anisotropie, le chargement appliqué et le chimisme de la solution d'hydratation. Ce modèle a été intégré dans un code numérique et des applications sur des cas simples ont été réalisées pour montrer sa validité.INTRODUCTION GÉNÉRALE - 1

I A propos du phénomène de gonflement - 3

1 Impact du gonflement sur les ouvrages en géotechnique - 4

1.1 Introduction - 4

1.2 Ouvrages superficiels - 4

1.3 Ouvrages souterrains - 5

1.3.1 Tunnels - 5

1.3.2 Puits pétroliers - 6

1.3.3 Cavités de stockage des déchets radioactifs - 6

1.3.4 Monuments historiques - 7

1.4 Conclusion - 8

2 Généralités sur le gonflement - 9

2.1 Introduction - 9

2.2 Les argiles - 9

2.2.1 Etude microstructurale - 10

2.2.2 Structure des argiles - 11

2.2.3 Texture des argiles - 13

2.3 Cations échangeables - 14

2.4 Différents types d'eau - 14

2.4.1 Potentiel chimique et activité - 16

2.4.2 Activité de l'eau dans les milieux poreux - 18

2.5 Principales causes du gonflement - 19

2.5.1 Hydratation par absorption - 19

2.5.2 Hydratation par osmose - 20

2.5.3 Hydratation par capillarité - 23

2.5.4 Transformations chimiques - 24

2.6 Paramètres macroscopiques - 25

2.6.1 Teneur en eau initiale - 25

2.6.2 Effet d'échelle - 26

2.6.3 Régime de contraintes - 26

2.7 Anisotropie du gonflement et anisotropie de la pression de gonflement - 28

2.8 Conclusion - 29

3 Approches théoriques de gonflement - 30

3.1 Introduction - 30

3.2 Approche dse la double couche - 30

3.2.1 Théorie de Gouy-Chapman - 31

3.2.2 Influence des différents paramètrezs sur le gonflement - 31

3.2.3 Forces électrostatiques - 32

3.2.4 Passage macro-micro - 33

3.2.5 Application de l'approche de la double couche - 33

3.3 Approches phénoménologiques - 37

3.3.1 Modèles en contraintes effectives - 37

3.3.2 Modèle d'Alonso et Gens - 40

3.4 Approches basées sur des modèles de gonflement - 42

3.4.1 Modèles indépendants du temps - 42

3.4.2 Modèle dépendants du temps - 44

3.4.3 Modèles basés sur l'humidité relative ou l'activité - 46

3.5 Conclusion - 47

II Analyse expérimentale - 48

4 Dispositifs expérimentaux et roches étudiées - 49

4.1 Introduction - 49

4.2 Dispositifs expérimentaux - 50

4.2.1 Cellule de mesure des déplacements libres - 50

4.2.2 Cellule de mesure de la pression de gonflement - 51

4.2.3 Cellule oedométrique - 52

4.2.4 Cellule triaxiale - 53

4.2.5 Cellules uniaxiales - 54

4.2.6 Dispositifs d'échanges massique et chimique - 56

4.3 Caractéristiques des roches - 58

4.3.1 Capacité au gonflement des roches - 61

5 Etude mécanique - 63

5.1 Introduction - 63

5.2 Procédure expérimentale - 64

5.3 Résultats obtenus - 66

5.3.1 Gonflement libre - 66

5.3.2 Anisotropies du gonflement et de la pression de gonflement - 69

5.3.3 Influence du confinement latéral - 71

5.3.4 Influence de la contrainte axiale sur le gonflement radial - 72

5.3.5 Influence de la contrainte déviatorique - 76

5.3.6 Influence de l'historique du déchargement - 76

5.3.7 Influence de la contrainte sur l'anisotropie du gonflement - 78

5.3.8 Pression de gonflement - 80

5.4 Conclusion - 82

6 Etude chimique - 84

6.1 Introduction - 84

6.2 Procédure expérimentale - 85

6.3 Résultats obtenus - 85

6.3.1 Influence de l'activité de la solution - 87

6.3.2 Influence du chemin chimique - 89

6.3.3 Anisotropie sous l'effet du chimisme de la solution d'hydratation - 95

6.3.4 Similitude entre l'anisotropie sous l'effet de la chimie et l'anisotropie sous l'effet de l'humidité - 96

6.4 Gonflement et échange ionique - 97

6.4.1 Rappel sur les échanges ioniques - 97

6.4.2 Expérimentations - 98

6.5 Conclusion - 101

III Modélisation - 102

7 Modélisation - 103

7.1 Introduction - 103

7.2 Modèle proposé - 103

7.2.1 Intégration du temps - 104

7.2.2 Cas particuliers - 105

7.2.3 Ajustement du modèle - 106

7.3 Extension du modèle vers la chimie - 110

7.3.1 Déformations libres - 111

7.3.2 Déformations sous contraintes - 114

7.4 Conclusion - 117

CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET PERSPECTIVES - 118

BIBLIOGRAPHIE - 121

IV Annexes - 129

A Effet de la saturation ou de la désaturation sur les caractéristiques mécaniques des matériaux argileux - 130

A.1 Introduction - 130

A.2 Comparaison entre le comportement des sols argileux et des roches argileuses face à la désaturation - 131

A.3 Modèles de comportement - 132

A.4 Résistance à la compression simple - 132

A.5 Compression triaxiale - 132

A.6 Module de Young et coefficient de poisson - 133

A.7 Cas de l'argilite de Lorraine - 134

B Essais unidimensionnels - 136

B.1 Introduction - 136

B.2 Comparaison entre les différentes méthodes - 138

B.3 Influence du déplacement imposé - 139

C Comportement hydrique de l'argilite de Bure - 141

C.1 Introduction - 141

C.2 Résultats obtenus - 141

C.2.1 Essais de déformations libres - 141

C.2.2 Essais uniaxiaux - 143

C.2.3 Influence de l'emplacement des capteurs - 144

C.2.4 Courbe de rétention - 145

D Application du modèle développé sur un ouvrage souterrain - 148

D.1 Introduction - 148

D.2 Description du tunnel - 148

D.3 Mesures in situ - 149

D.4 Ajustement du modèle - 150

D.5 Méthode de calcul - 152

D.6 Comparaison entre la modélisation et les mesures in situ - 152

D.7 Comportement du radier - 153

D.8 Conclusion - 153

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