Interprétation et modélisation numérique d'essais oedométriques et de perméabilité à niveau variable réalisés sur des argiles Champlain

La détermination de la conductivité hydraulique k des matériaux peu perméables est une étape incontournable dans la conception de nombreux ouvrages de génie civil. Ce paramètre peut être déterminé in situ ou en laboratoire. Dans ce deuxième cas, il existe une variété de tests et de méthodes visant à évaluer les propriétés hydrauliques. Les travaux présentés ici s'appuient sur des essais de consolidation oedométrique pour lesquels des essais de perméabilité à charge variable ont été réalisés entre les paliers de chargement. Avec ce type de test, k peut être évaluée de deux manières: les méthodes de détermination indirecte (théorie de Terzaghi) et directe (méthodes graphiques traditionnelle ln(ht=0/h) vs temps et des vitesses Δh/Δt vs hm ). L'objectif est de comparer ces différentes méthodes d'interprétation, en se basant sur un important nombre d'essais en laboratoire réalisé sur des argiles Champlain de la localité de Lachenaie et des mélanges sable-bentonite, et tenter d'expliquer les divergences observées sur les résultats. Les travaux se décomposent donc en deux parties, une analyse détaillée de la méthode du graphique des vitesses (Chapuis et al., 1981) et la réalisation d'un modèle numérique permettant de reproduire les essais en laboratoire. La déformabilité des échantillons au cours de l'essai de perméabilité suite à l'application d'une charge hydraulique importante, tend à courber le début du graphique des vitesses et ainsi surestimer la conductivité hydraulique et l'erreur piézométrique h0. La méthode du graphique des vitesses fournit une bonne estimation de k lorsque les essais sont prolongés et les vitesses décrivent parfaitement la partie linéaire du graphique. Ainsi, une valeur de h0 inférieure à 20 cm, réduit l'écart entre les valeurs de perméabilité déduites des méthodes traditionnelles et des vitesses à un ordre de grandeur. Cependant, une erreur piézométrique subsiste lorsque les essais sont prolongés. Des gradients de type chimiques et le phénomène d'osmose peuvent en être à l'origine. Le modèle numérique a permis d'obtenir des résultats additionnels. Les surpressions interstitielles, persistant suite à l'essai de consolidation, peuvent impacter les résultats de l'essai de perméabilité en modifiant les gradients d'écoulements. Le tassement secondaire semble être effectif tout au long de la consolidation, mais sa variation temporelle n'est pas considérée dans le modèle.

Abstract

The knowledge of hydraulic conductivity k in fine-grained soils is essential in the design of civil engineering structures. This parameter can be determined in situ or by laboratory experiments. In this latter case, a lot of experiments and methods exist that can define hydraulic properties of tested materials. This study is based on variable-head permeability tests conducted between the loading steps of oedometer tests. With those tests, there are two ways to determine permeability: indirect methods (using the coefficient of consolidation with Terzaghi theory) or direct methods (semi-log plots representing the head difference against time and the velocity graph method). The principal objective of this research project lies in comparing these different methods of interpretation. This comparison has been conducted on numerous laboratory tests performed on Champlain Clays from Lachenaie and sand-bentonite mixes. Part of this objective is also to attempt to explain the different k-values. This study is divided into two parts, a detailed analysis of the velocity graph method (Chapuis et al., 1981) and the development of a numerical model able to reproduce laboratory tests. During the permeability test, the application of an important hydraulic head produces a sample deformation. This deformation tends to bend the initial part the velocity graph and over evaluates the permeability and the hydraulic error h0. Therefore, to obtain a good estimation of k with the velocity graph method, permeability tests must be extended so that the data reaches the linear part of the graph. When the h0 value is larger than 20 cm, k is overestimated by half an order of magnitude. Nevertheless, an error remains even if tests are extended. This error could be caused by chemical gradients which also produce flow by osmosis. Some observations that were not noticeable in the laboratory were enabled by the numerical model. Thus, non-dissipated pore pressures resulting from the loading steps that precede the variable-head permeability tests may impact permeability test results by modifying flow gradients. Also, secondary settlement seems to be active throughout the consolidation. However, the variation of Cα value is not accounted in the model.