Nouvelles perspectives sur l’histoire du pré-cisaillage dans les sols granulaires

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4576 (2023) Citer cet article

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La conception de pentes de décharge profondes pour les mines à ciel ouvert nécessite généralement des informations sur la résistance du sol à la liquéfaction lors des tremblements de terre. Cette résistance dépend non seulement de la contrainte initiale, de la densité initiale et de l'amplitude du chargement cyclique, mais également du précisaillement, c'est-à-dire du chemin de contrainte déviatorique appliqué au sol avant le chargement cyclique. Pour explorer l'influence du précisaillement sur le comportement ultérieur du sol, un ensemble d'essais triaxiaux combinant des cycles de précisaillement non drainé et de contraintes drainées utilisant deux méthodes de préparation d'échantillons est présenté. Il est montré que le précisaillement ainsi que la méthode de préparation ont une influence majeure sur l'accumulation de déformation lors d'un chargement cyclique. Les simulations des expériences avec quatre modèles constitutifs avancés révèlent que ni l'effet durable du pré-cisaillement ni la méthode de préparation ne peuvent être capturés de manière adéquate par tous les modèles. Cette déficience des modèles constitutifs peut conduire à des conceptions peu sûres en raison de la surestimation de la résistance cyclique à la liquéfaction et de la sous-estimation des tassements à long terme.

La stabilité des pentes et les évaluations des tassements à long terme font partie des aspects les plus difficiles de la conception des pentes de décharge pour les mines de lignite à ciel ouvert. Cela est particulièrement vrai pour les mines profondes, comme Hambach (Allemagne), où les couches granulaires déversées en vrac peuvent atteindre une profondeur de 400 m et où la remise en culture de la zone après l'extraction du lignite est prévue, voir Fig. 1. Pour éviter des événements catastrophiques , la conception des pentes des décharges nécessite des informations sur la résistance du sol à la liquéfaction lors d'éventuels tremblements de terre. Mais même si la liquéfaction n'a pas lieu, une accumulation excessive de sédiments due à des charges cycliques et/ou quasi-statiques pendant et après l'inondation des eaux souterraines peut mettre en danger les processus de remise en culture. Il convient de noter qu’un tremblement de terre (cisaillement non drainé) peut présenter le précisaillement du prochain chargement sismique. Des prévisions adéquates de la liquéfaction et de l'accumulation de contraintes et de déformations lors d'un chargement cyclique, y compris l'influence de la densité et de la méthode de dépôt sur le comportement du sol, sont donc essentielles.

Vue du côté extraction de la mine à ciel ouvert de lignite de Hambach (côté gauche) avec une surface de 85 km\(^2\) et une profondeur de 400 m créée avec une excavatrice à charbon et une décharge (côté droit)1.

En ce qui concerne la liquéfaction, l'influence de la densité, des contraintes de consolidation ainsi que l'amplitude des chargements cycliques ont été largement étudiées au cours des dernières décennies. En général, les essais triaxiaux non drainés sur des échantillons consolidés sous direction isotrope montrent que les échantillons denses nécessitent plus de cycles de charge appliquée pour atteindre la liquéfaction que les échantillons lâches. Toutefois, cela n’est pas vrai lorsque les directions de préchargement et de chargement ultérieur diffèrent.

À l'aide d'essais triaxiaux non drainés, Ishihara et Okada2 ont étudié l'influence de l'historique de chargement (préchargement) sur la résistance à la liquéfaction du sable de la rivière Fuji. Ils ont interprété la précharge comme une précompression ou un précisaillement. En cas de précompression, le sol subit une contrainte de compression isotrope supérieure à celle du début du cisaillement ultérieur. En cas de précisaillement, le sol subit une contrainte déviatorique donnée avant le chargement ultérieur. En augmentant le rapport de contrainte par rapport à l'axe de contrainte isotrope pendant le précisaillement, ils ont observé une tendance de l'échantillon à se contracter tandis que des déformations de cisaillement relativement faibles se développaient. Dans des conditions drainées, la contraction entraîne une augmentation de la déformation volumétrique, tandis que dans des conditions de cisaillement non drainées, elle entraîne une augmentation de la pression excessive de l'eau interstitielle. En revanche, une augmentation supplémentaire du rapport de contrainte conduit à une dilatation et à des déformations de cisaillement beaucoup plus importantes. Dans des conditions drainées ou non, la dilatation entraîne respectivement une diminution de la déformation volumétrique ou une pression excessive de l'eau interstitielle (augmentation de la contrainte effective moyenne). Dans l'In2 ainsi que dans de nombreuses publications géotechniques, le rapport de contrainte auquel le comportement du sol change de la contraction à la dilatation est appelé ligne de transformation de phase (PTL). En conséquence, les historiques de chargement atteignant des rapports de contraintes inférieurs au PTL ont été appelés précisaillement faible, tandis que ceux dépassant le PTL ont été appelés précisaillement important. La figure 2 (numérisée à partir de 2) montre le comportement du sable de la rivière Fuji soumis à un précisaillement important suivi d'un chargement cyclique non drainé. Après quelques cycles avec une amplitude de contrainte déviatorique de \(q^{{\text{ ampl }}}=0,4\) kg/cm\(^2\) (premier chargement), l'échantillon a été chargé au-delà du PTL (grand précisaillement ) avec une contrainte déviatorique de \(q\environ 1,1\) kg/cm\(^2\). Ensuite, l'excès de pression d'eau interstitielle résultant a été dissipé en ouvrant le drainage jusqu'à ce que la contrainte effective isotrope initiale (p = 1,0 kg/cm\(^2\)) soit récupérée (reconsolidation). Enfin, l'échantillon a été soumis à des cycles non drainés de contraintes déviatoriques (deuxième chargement) de même amplitude que lors du premier chargement. L'expérience montre que la contrainte effective diminue plus rapidement avec le nombre de cycles de chargement pour le cas de précisaillement important (deuxième chargement) que pour le cas sans précisaillement (premier chargement). Même si l'indice de vide avant le deuxième chargement (\(e=0,825\)) est inférieur à celui avant le premier chargement (\(e=0,840\)), l'état plus dense soumis à la même amplitude de chargement se liquéfie plus facilement. Par conséquent, l’historique de chargement (préchargement) joue un rôle majeur (parfois même plus important que la densité) dans le comportement du matériau et peut réduire considérablement sa résistance à la liquéfaction.