Polarisation provoquée spectrale pour la caractérisation géotechnique des sols compactés : Évaluation pratique en laboratoire

Ce travail s'inscrit dans la recherche d'alternatives aux méthodes nucléaires pour le contrôle du compactage des sols de terrassement. La mesure de la conductivité complexe par la polarisation provoquée spectrale (PPS) présente un certain potentiel de par sa sensibilité à l'interface minéral/électrolyte, au réseau poreux, à l'état de saturation et à la composition de l'électrolyte. La mise au point d'un montage expérimental atteignant une précision sur la phase inférieure à 1 mrad s'est faite en deux étapes. On a tout d'abord expliqué les effets parasites causés par les électrodes sur le passage du courant dans la première cellule de mesure. Ces effets sont reproduits par modélisation en considérant la contribution de l'impédance de surface. Un second porte-échantillon simple et pratique d'utilisation est ensuite conçu pour réaliser les mesures sur des échantillons de sol non saturés. Les électrodes de potentiel non polarisables Ag-AgCl, fabriquées avec une solution de KCl saturée gélifiée par l'agar, montrent un potentiel propre faible et stable sur plusieurs semaines. Du gel d'agar, un matériau non-polarisable aux propriétés physiques peu connues, assure la conduction du courant dans l'échantillon, ce qui permet l'espacement nécessaire entre les électrodes de courant et les électrodes de potentiel, sans perturber le degré de saturation des échantillons. On évalue son comportement électrique dans le temps et sa contribution à la mesure. Le porte-échantillon ainsi caractérisé est alors utilisé pour réaliser des mesures PPS sur un limon naturel (groupe N) et son équivalent traité avec 1% de chaux et 5% de ciment (groupe T), compactés à différents degrés. Les deux milieux montrent des spectres de conductivité complexe très distincts. La réponse PPS en phase du groupe N est comprise entre 0.1 Hz et 100 Hz alors que le groupe T montre aussi une réponse aux plus basses fréquences (<100 mHz). Alors que la phase augmente avec la saturation pour le groupe N, elle diminue pour le groupe T. Le gel d'agar semble modifier le degré de saturation du groupe N, et non celui du groupe T. La chargeabilité obtenue par la décomposition de Debye (DD) augmente avec la saturation pour les échantillons N et diminue pour les échantillons T. La fréquence moyenne obtenue décroit avec la désaturation pour le groupe T et ne montre aucune dépendance pour le groupe N. Le groupe N ne suit aucun modèle décrit dans la littérature. Le spectre des échantillons T varie avec la durée de cure et l'observation de la distribution des temps de relaxation semble permettre le suivi de l'évolution du réseau poreux. Bien qu'on ne distingue pas de relations évidentes entre le compactage et la réponse PPS, la PPS semble être un outil envisageable pour le suivi des réactions et de la stabilisation des sols traités

Abstract

This work aims to propose an alternative to nuclear probes for the quality control of soil compaction when implementing road foundations. Spectral Induced Polarization (SIP) shows a great potential because of its sensitivity to the mineral/electrolyte properties, the porous network, the degree of saturation and the electrolyte composition. We made two attempts to set up an experimental design with phase accuracy below 1 mrad on the measurements. Our first sample holder led us to explain parasitic effects introduced by metal ring electrodes located on the current path. We could reproduce those effects using numerical modeling by considering the contribution of the surface impedance of the electrodes. Then, we designed a simple sample holder to perform SIP measurements on unsaturated soils samples. Potential electrodes are non-polarizable Ag-AgCl electrodes. Build with jellified KCl saturated solution; their self-potential is low and stable in time. We used agar gel as a non-polarizable electrical buffer to allow the separation of potential and current électrodes and to ensure the current conduction in the sample, without increasing its degree of saturation. We evaluated the electrical behaviour of the gel with time and its contribution to the measurements. Once we characterized the sample holder, we performed SIP measurements on two groups of samples at different compaction levels. Group N is made from a silty loam and group T is from the same loam treated with 1% lime and 5% cement. Groups show distinct complex conductivity spectrums. SIP phase responses of group-N samples are observable between 0.1 Hz and 100 Hz, while group-T samples also show a low frequency effect (<100 mHz). The phase increases with an increase in saturation for group N and with a decrease in saturation for group T. The gel affects the degree of saturation of group-N samples during the measurements, which is not the case for group-T samples. Debye decomposition is applied. Group-N samples show an increase of total chargeability M with an increase in saturation and no dependence of the mean frequency on saturation, while group-T samples show a decrease of M and an increase of the mean frequency with an increase in saturation. Group-N Spectrum does not correspond to any model describes in the literature. Group-T sample spectrum varies with time and the observation of the relaxation time distribution seems to allow the monitoring of the porous network evolution. We could not observe obvious elationships between the compaction degree and the SIP response. Nevertheless, we believe SIP could help monitoring reactions and stabilization in the treated soils.