mesure en place des coefficients de perméabilité et des coefficients de consolidation horizontaux...

Mesure en place des coefficients de permCabilit6 et -

des coefficients de consolidation horizontaux et verticaux

Laborntoire R6gioncrl de I'Eqitipemenf cle Tolrlorise, 31400 Toirlo~rse, France Received March 17, 1976

Accepted October 13, 1976

Une mCthode de mesure en place des coefficients de permeabilite et des coefficients de consolidation horizontaux et verticaux est presentee dans cet article.

Aprts un bref rappel des theories dCveloppCes par Gibson sur les essais B charge variable et B charge constante, les resultats de I'integration de I'equation de la consolidation sont donnts dans le cas d'un permearnetre cylindrique et pour un sol orthotrope. Une nlCthode expCrimentale est decl-ite pour la mesure de k,,, k h , c , et c h . Les principales difficultes se sont averees i'tre la mise en place d'un permkamktre remaniant le sol le moins possible et la mesure precise des volumes draines.

Le premier probltme a etC r6solu de f a ~ o n satisfaisante en ~~til isant la techniq~~e de I'autoforage pour la mise en place des permiametres. Quant aux volumes draines, ils sont mesurts avec une ~ ~ n i t i automatique, dicrite dans cet article, qui permet un contrble rigoureux de la stabilite de la depression et line resolution de 10 mm3 dans la mesure des volumes.

A method for the in sitir measurement of the horizontal and vertical coefficients of permeability and consolidation is presented in this paper.

Following a brief review of the theories developed by Gibson for the constant and falling head tests, the results of the integration of the consolidation equations are given in the case of a cylindrical permeameter in an orthotropic soil. An experimental method for measuring k , , kh, c , , and c h is described. The main difficulties are related to the placement of the permeamete; with the least possible disturbance of the soil and to the accurate measurement of the flow.

The first problem has found a satisfactory solution by using the self-boring technique for the placement of the permeameters. The flow is measured with an automated unit, described in this paper, which allows for a rigorous stabilisation of the applied depression and a resolution of 10 mm3 in the measurement of the volumes.

Can. Geotech. J . , 14.76 (1977)

I. Introduction En mCcanique des sols, les incertitudes dans

la ditermination des paramktres caractCris- tiques des matCriaux sont couramment de 20%, 30% et plus. Mais dans le cas particulier du coefficient de permCabilitC k, cette incertitude est dans un rapport de 1 B 10 et m6me de 1 B 100 pour les sols fins. Quant au coefficient de consolidation c,, I'imprCcision dans sa mesure est Cvidemment supCrieure puisqu'il dC- pend de la permCabilitC et de la compressibilitC du sol.

Le seul moyen actuellement utilisC pour dtterminer le coefficient de permCabilitC et le coefficient de consolidation est I'essai cedom6 trique. Comme pour la plupart des essais en laboratoire, les rCsultats sont affect& par le remaniement du sol lors du carottage et lors de la prCparation de 1'Cprouvette. Par ailleurs, la dimension de 1'Cchantillon est gkntralement si rCduite que l'on peut douter de sa reprksenta- tivitC vis-B-vis du sol en place.

[Journal translation]

A la suite de nombreuses constatations et de recherches sur des ouvrages rCels (Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts et Chaus- sCes, Sptcial T, 1963), on arrive B la con- clusion que les tassements observCs et princi- ~a lement les vitesses de tassement sont trks difftrents des prCvisions faites B partir des essais edomCtriques (Bishop et al. 1969; A1 Dhahir et al. 1969; Bromwell et al. 1968).

Les facteurs d'incertitude sont multiples. Ainsi la vitesse de consolidation dCpend probablement tout autant de l'indice des vides que de I'hCtCrogCnCitC du sol et de I'existence de chemins prCfCrentiels pour la circulation de l'eau. Au contraire, des lentilles de sols per- mCables (sables. limons) au sein d'une couche argileuse peuvent ne jouer aucun r81e drainant du fait de leur discontinuitt, ce quYCvidemment I'essai en laboratoire ne mettra pas en Cvidence.

L'essai cedomktrique permet d'atteindre les propriCtCs du squelette mais pas les conditions rCelles du drainage et probablement pas non

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plus les caractCristiques au voisinage de 1'Ctat de contrainte en place.

Pour pallier les limitations de l'essai cedo- mCtrique, il Ctait donc nkcessaire dYCtudier une technique d'essai en place pour mesurer k et c,, les objectifs principaux Btant:

(a ) de rCaliser l'essai sur un sol aussi peu remani6 que possible,

(b) d'intkresser un volume de sol important. La comparaison avec les essais en labora-

toire montrera que les rCsultats sont compl6 mentaires, chaque mCthode ayant ses avantages et ses insuffisances (Wilkinson and Barden 1969; Raymond et al. 1969).

11. Bases thCoriques de la mesure de k et c, en place

La consolidation primaire d'un sol correspond B une augmentation de la contrainte effective. En laboratoire, lors d'un essai cedomktrique, la consolidation est obtenue en char- geant I'Cchantillon: il y a augmentation de la contrainte totale. Lors d'un essai en place, l'augmentation de contrainte effective correspond B une diminution de la pression interstitielle, la contrainte totale restant constante.

Gibson (1963, 1966, 1970) wait dtveloppb les thCories correspondant B deux types d'essai:

(a ) l'essai B charge hydraulique variable, (b) l'essai B charge hydraulique constante. On rappellera sommairement ci-aprbs les

principes de base et les hypothbses de la thCorie de Gibson:

(a) le sol est isotrope, (b) la loi de Darcy est applicable, (c) le sol est satur6, (d) la compressibilit6 de I'eau et des grains

est nCgligeable devant celle du squelette.

( I ) Essai A charge variable: sol isotrope, perme'amgtre sphe'rique

La fig. 1 pr6cise schkmatiquement le principe de l'essai B charge variable, les conditions aux limites et la distribution des pressions interstitielles B l'instant t. Le permkambtre, assirnil6 B une sphbre de rayon p, est reli6 B la surface par un tube calibrC de section A.

La thCorie de la consolidation radiale basCe sur un comportement linkire du squelette conduit B I'Cquation

FIG. 1. Reprtsentation schtmatique de l'essai B charge variable, conditions aux limites - rtpartition des pressions interstitielles aux temps t = 0, t, t + ca (d'aprts Gibson 1967).

avec pour conditions aux limites: (a ) Quel que soit t, r = p:

(b) P ~ u r t = O e t r > ~ : u=uo . (c) P o u r t = ~ e t r = ~ : u = uo-Au. (d) Pour t = E et r > p: u = uo. Gibson (1963) a donnC le rCsultat de I'intC-

gration de I'Cquation de la consolidation [I] compte tenu des conditions aux limites ci- avant.

avec T, = c,t/a3, oii c, est le coefficient de consolidation supposC Cgal au coefficient de gonflement et 711, y:! = fonctions d'un coefficient sans dimension caractCrisant l'inertie du sys- tbme.

On a reprCsent6 sur la fig. 2 les variations de

en fonction de r/p et pour diffkrentes valeurs du temps. Les calculs ont CtC faits A partir de [31 ci-dessus.

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FIG. 2. Variations de la pression interstitielle en fonction du temps et de la distance r / p au cours d'un essai k charge variable.

On retirera deux enseignements de cette reprtsentation de

. .

appareillage remanie intvitablement le sol, la aux temps t = 0, t , r -, a.

1. L'essai B charge variable n'est pas un essai de consolidation ou de gonflement suivant qu'il est conduit en dCpression ou en surpression. En effet, B tout instant une partie du sol intCressC par l'essai est en phase de consolidation et l'autre de gonflement. Cette mCthode ne permet donc pas la mesure du coefficient de consolidation, ni du coefficient de gonflement.

2. Le volume de sol int6ressC par l'essai autour du permCam6tre est trks riduit. Ainsi, si on dtfinit le 'rayon d'action' comme la distance maximum oh la dCpression atteindra 10% de la depression initiale, on peut voir sur la fig. 2 que cette distance est Cgale B 1.35 fois au plus le rayon du permCamktre. Cette valeur est Cvidemment une fonction croissante de la section A du tube de mesure.

Or, nous savons que la mise en place d'un

permCabilit6 mesurCe ne sera donc pas re- prisentative du sol intact en place.

Ces deux raisons conduisent B Ccarter l'essai ri charge variable pour la mesure de la perm&- bilitC et a fortiori du coefficient de consolidation en place (Mieussens et Chiappa 1970). Par ailleurs, les limites de ce type d'essai avaient dCjB CtC discutCes par Hvorslev (195 1 ) ainsi que par Bishop et al. (1964).

(2) Essai 6 charge coizstante: sol isotrope, perrn&arn&e sphkrique

La thCorie de I'essai a CtC Ctablie par Gibson (1963, 1966) dans le cas particulier d'un sol homogkne et isotrope. Rappelons les principes des calculs et les conditions aux limites (fig. 3) dans le cas d'un essai B dCpression constante (un essai en surpression avec injection d'eau conduirait B la dktermination du coefficient de gonflement ) .

Les conditions aux limites sont les suivantes:

r--t CO, u = u0 quel que soit t ; r > p , u = u o pour t = 0; r = p, ti = uo - Au pour t > 0.

L'intCgration de 1'Cquation de la consolidation compte tenu des conditions aux limites ci-dessus conduit B la solution

Le dCbit ri travers le permCambre est

soit, compte tenu de [3] et en posant T , = cvt/p2

FIG. 3. ReprCsentation schCniatique de I'essai ii charge constante, conditions aux limites - ripartition

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FIG. 4. Variations de la pression interstitielle en fonction du facteur temps et de la distance r . / p au cours d'un essai B charge constante.

Lorsque t -+ m, le rCgime permanent est Ctabli et on a alors

A partir de [4] on peut reprCsenter gra- phiquement les variations de u en fonction du temps de la distance r au permiambtre. La fig. 4 donne les rCsultats de cette interprktation en variables adimensionnelles (cf. Cgalement Gib- son 1963).

Si on considbre la notion du rayon d'action dCfinie ci-dessus (section 11.1 ) B savoir la distance oh s'applique B la fin de l'essai 10% de la dCpression appliquCe dans le permiamktre, on peut dCduire de [4] que (u - uO)/Au = 10% pour r/p = 10 lorsque T , + m et r/p = 3.8 lorsque T , = 5.

Dans l'exemple de la fig. 4, T , = 5 correspond B un essai qui durerait 34- h environ

(pour = 5 cm et pour un sol caractCrisC par C, = cm3 s) .

On ne peut pas comparer de f a ~ o n tout B fait satisfaisante le rayon d'action des essais B charge constante et B charge variable, puisque pour ce dernier il est fonction du diamktre A du tube de mesure. Si A Ctait 'infini' le rayon d'action serait le mkme, l'essai B charge variable Ctant alors B la limite un essai B charge constante, mais la mesure de variation de hauteur serait alors impossible. A a 6tC choisi en fonction des problkmes de lecture et de mise en ceuvre de l'essai pour les sols courants.

Par exemple, d'aprbs les figs. 2 et 4, pour un essai conduit jusquY8 T, = 0.4 (soit 10" pour c , = 10-%m"s et = 5 cm), la valeur (u - uo)/hu = 10% est atteinte au maximum h une distance i./p Cgale B 1.35 dans l'essai B charge variable et 2.2 dans l'essai B charge constante.

L'essai B charge constante intCresse donc un volume de sol plus important, ce qui rCduit l'incidence du remaniement sur la mesure. Par ailleurs, contrairement B l'essai B charge variable, il s'agit bien d'un essai de consolidation. Ces deux raisons font que Yon a retenu ce type

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d'essai pour la mesure de k et c, en place (Mieussens et Ducasse 1973).

(3) Essai L? charge constante: sol orthotrope, permkam8tre cylindrique

Parallklement Q 1'Ctude technologique de I'appareillage et d'une technique d'essai que nous verrons plus loin, il ttait nicessaire de reprendre le problkme thCorique de la consolidation dans un essai Q charge constante avec des hypothkses et des conditions aux limites aussi proches que possible de celles de la mesure en place.

Les hypothkses de calcul sont les suivantes: (a) le sol est orthotrope du point de vue de sa

permiabilitb: k,, + k,, (b) le permtamktre est un cylindre de dia-

mktre 2a et hauteur 2b prolong6 Q ses deux extrCmitCs d'un tube constituant une paroi im- permiable.

La fig. 5 precise le problkme trait6 et les conditions aux limites.

L'Cquation de la consolidation en coordon- nCes cylindriques s7Ccrit

Les conditions aux limites correspondantes Q la fig. 5 sont:

t = O 21 = U o

t > O u = u, - hi pour r = a O < z < b

aupz = o pour z = o r > a

ujr = 0 pour r = a b < z

u -+ u0 pour1 r - + co z + c O

Notons que l'inttgration numtrique de [9] avait CtC rCsolue par Wilkinson (1967, 1968) pour des conditions aux limites 1Cgkrement difftrentes; il considtrait en effet les faces infCrieures et suptrieures du cylindre per- mCables.

Selon les hypothkses indiqutes prCcCdem-

'Remarque: la condition 11 + uo quand z + m n'est significative que theoriquement. Le calcul n'est en fait valable que dans un domaine tel que z << h, ce qui suppose que la zone d'influence de l'essai dans la direction verticale est petite par rapport B la profondeur h.

FIG. 5. ReprCsentation schkmatique de l'essai B charge constante, conditions aux limites (perm&- metre cylindrique et sol orthotrope, k , # kt,).

ment, l'integration de [9] a CtC faite par la mCthode d'inttgration implicite Q direction al- ternCe (Carnahan et al. 1969). Les calculs ont CtC effect& B l'ordinateur sur la base d'un programme Ccrit par Baldy (1973) au Labora- toire Regional de 1'Equipment de Toulouse.

L'objet des calculs Ctait multiple: (a) dCterminer la relation implicite Q =

f (k~,, k,, c,~,, a, b, 0, (b) dCfinir une gtomCtrie du permCamktre

(rapport b/a) telle que l'incidence de 1'Ccoule- ment vertical soit nCgligeable (mesure de kl, seul) : permkamktre long,

(c)dCfinir une gComCtrie du permCam6tre (rapport b/a) telle que l'incidence de l'Ccoule- ment vertical soit assez importante pour que la mesure de k, soit possible quand on conna'it kt, : permCamktre court,

(d) dCterminer la longueur minimum B donner aux tubes qui prolongent le permCamktre de part et d'autre en sorte que l'hypothkse 'paroi Ctanche' de longueur infinie soit satis- faite avec une prCcision suffisante.

Notations-Nous introduirons les variables adimensionnelles suivantes, en reprenant en partie des notations adoptCes par Wilkinson (1968): le coefficient gtom6trique du permtamktre, N = b/a; le rapport d'anisotropie des permCabilitts, KR = kl,/k,; le dtbit rtduit, QR = Q (y,/2T~ubkl,) ; la pression rCduite, UR = u[l / (uo + AU)]; 1'ordonnCe rCduite, ZR = z ( l / b ) ; la distance radiale rtduite, RR = r ( l / a ) ; le facteur temps, T, = cyl1t/a2.

On appellera dCbit radial thCorique le dtbit entrant dans un permtamktre limit6 par deux couches impermtables (k, -+ 0 ) . Sur le fig. 6, on distinguera sur le permtamktre cylindrique la partie centrale de longueur 2(b - a') et les

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extrCmitCs de longueur a'. Pour les calculs on prendra arbitrairement af/a = 0.5. Qc est le dCbit entrant par la partie centrale 2(b - a'). Qe est le dCbit entrant par les deux extrCmitCs a'.

(a) Perme'amBtres longs Nous disignerons par permCam2tres longs,

les permCam2tres pour lesquels I'incidence de 1'Ccoulement vertical est nigligeable. Cette dt- finition est donc fonction de la gComCtrie du permCam2tre mais aussi de l'anisotropie du sol.

L'inttgration numtrique de 1'Cquation de la consolidation a CtC faite pour N = b/a = 2. On a pu montrer ainsi que le dCbit central Qc est pratiquement le m&me que celui correspondant B un Ccoulement radial thkorique.

Le dCbit traversant les extrCmitCs peut &tre dCcomposC en deux termes:

Le dCbit total vaut donc

Le premier terme de [I21 correspond au dCbit radial thCorique et le deuxikme, au terme de distorsion dQ A 1'Ccoulement vertical. La distorsion sera d'autant plus grande que KR sera petit. La fig. 7 montre que pour un

piCzom2tre long (b/a = 2) on peut nCgliger la distorsion, celle-ci ne reprksentant que 3/100e environ du dCbit total (pour KR = 1: sol isotrope) .

Pressions interstitielles-Les figs. 8 et 9 donnent la rCpartition des pressions interstitielles respectivement radialement et verticalement pour diffkrentes valeurs de T,.. Ces deux figures dCmontrent tout d'abord l'importance du volume de sol intCress6 par I'essai. Par exemple, pour un sol caractCrisC par c,.,, = 10-%m2/s, pour a = 5 cm, on peut vCrifier que 10% au moins de la dCpression appliquCe intiressent 1500 cm3 de sol au bout de 2 h et 33 200 cm3 au bout de 8 h (T, = 12.65). Ces chiffres sont B comparer au volume de 1'Cchantillon dans l'cedom2tre ( 100 cm-nviron) .

Par ailleurs, la fig. 9 montre que pour T , = 12.65 la variation de pression interstitielle B une distance z = 4b du plan m6dian du per- mCam&tre est pratiquement nkgligeable. Par consiquent, un tube impermCable de longueur 3b aux deux extrCmitCs du permCamktre est suffisant pour que les conditions aux limites dCcrites ci-dessus soient satisfaites.

(b) Permdambtres courts Nous dCsignerons par perm6amktres courts

les permCam2tres pour lesquels l'incidence de 1'Ccoulement vertical est importante. De m&me que pour les permCam2tres longs, cette motion est relative 21 la gComCtrie du perm6am2tre et B l'anisotropie du sol.

Les calculs seront faits ici pour b/a = 0.2 Le dCbit total a pour expression

2n AU bk, 1 +- 1131 Q(T)=- ( n;v)

Y w

Le dCbit central thCorique est la m&me que dans [I 11 ainsi que la fonction de distorsion f i .

La fig. 10 donne la variation du dCbit en fonction du facteur temps pour diffCrentes valeurs de l'anisotropie et pour un perm&- m2tre tel que b/a = 0.2. L'Ccart par rapport au dCbit radial thCorique est d'autant plus grand que KR est petit. La mesure de cet Ccart constitue donc un moyen thCorique pour connaitre l'anisotropie du sol.

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DEBIT T O T A L ( h y p o t h e s e s de W l l h ~ n s o n )

FIG. 7. Variations du debit rCduit QR en fonction de l /&(pour un sol isotrope, KR = 1).

FIG. 8. RCpartition des pressions interstitielles UR en fonction du facteur temps T,. et de la distance radiale RR au perrnkamktre (pour un sol isotrope, KR = 1 et pour z = 0).

FIG. 9. RCpartition des pressions interstitielles UR en fonction du facteur temps T , et de la distance axiale ZR au perrn&arn&tre (pour un sol isotrope, KR = 1 et pour une distance radiale rCduite RR = 1.116).

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FIG. 10. Variations du dCbit en fonction de l / c p o u r diffkrentes valeurs de KR (sol isotrope) et pour un perrniamktre court (N = b / o = 0.2).

111. Interpretation de I'essai h charge constante: permeamktres cylindriques longs -

mesures de kh et cVh ( I ) Mesure du de'bit etz fonction du temps

Nous avons vu que dans le cas d'un permkamktre long, le terme de distorsion dii B I'Ccoulement vertical peut &re nCgligC, [ l 11 se rCduit B

avec

Le dCbit Q est donc une fonction linCaire de fl que l'on peut Ccrire sous la forme

2rrAti (ern =- bk, rCgime permanent Y w

On peut dCduire les caractCristiques horizon- tales du sol k,, et c,,, i partir de la reprksenta- tion graphique de la droite Q = f ( l / d ? ) , ob Qa est I'ordonnCe a l'origine et la pente.

Ces rCsultats sont a rapprocher de ceux trouvCs par Gibson (1963) dans le cas d'un permCamktre sphCrique et pour un sol homogkne.

Qm Y W k = --- - 4rrp Ati

L'interprCtation selon une loi linCaire a l'in- convinient de n6cessiter la mesure de dCbits instantanCs, or ces dCbits peuvent &re de l'ordre de quelques m m v s pour des sols tr&s impermCables et par consCquent trks difficiles 2i mesurer. Par ailleurs, la mesure d'une volume pour le calcul du d6bit nCcessite une dCrivation et par consiquent conduit B une perte de prC- cision.

Nous avons donc prCfCrC intCgrer les Cqua- tions du dCbit et baser l'interprktation sur les mesures de volume en fonction du temps.

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(2) Meszire des volumes pompe's en fonction du temps

L'intCgration de [I41 conduit B la relation

oii Qr et a ont la m&me signification que ci- dessus.

Thtoriquement pour t = 0, V = 0, d'oG V o = 0. Or 1'expCrience montre qu'il n'en est pas ainsi. Dans le cas d'un essai B dCpression constante, lors de I'application de la dCpres- sion, la contraction des circuits, la dCtente de I'air dissout dans I'eau conduit B une valeur V , positive. Par ailleurs, pour t = 0 + E , le dCbit est thCoriquement infini. Par consCquent pendant un certain temps At, d'autant plus grand que le sol est plus permiable, I'inertie de l'appareillage a pour consCquence d'assurer un dtbit insuffisant, ce qui se traduit par un dC- calage de l'origine lors de 1'interprCtation. Aussi I'introduction d'un troisibme parambtre V , permet de faire une correction d'origine, ce qui est encore un avantage de cette mCthode d'interprktation.

Application-Pour un essai, les volumes d'eau pompis (ou inject&) B pression constante sont mesurCs en fonction du temps t. Les points expkrimentaux (V,t) sont ensuite IissCs par la fonction

Le calcul des parambtres Q,, a et V , permet donc de dCterminer

IV. InterprCtation theorique de l'essai a charge constante: permCam6tres cylindriques courts

- mesure de l'anisotropie Pour dCterminer l'anisotropie du sol, l'essai

B dCpression constante doit Ctre rCalisC avec un permCambtre court, par exemple b/a = 0.2. Les mesures de dCbit en fonction du temps Q = f ( t ) peuvent Ctre reportCes sous forme adimensionnelle.

Dtbit rtduit: QR = Q Yw 2rrAu bk,

C,ht Facteur temps: T, =

oh c,.], et kt, ont CtC dCterminCs B l'aide d'un essai avec un permiamktre long.

L'abaque de la fig. 10 permet ensuite sim- plement de dtterminer le coefficient d'anisotropie KR et de calculer k, = k,,/KR.

Les thCories expostes ci-dessus montrent que la mesure des coefficients de consolidation c,.], et c,., est possible. Mais afin d'avoir des rCsultats satisfaisants, il fallait rCsoudre les deux problkmes suivants :

(a) Disposer d'un permCambtre de gComC- trie telle que les conditions aux limites adoptCes dans les calculs soient satisfaites et dont la mise en place ne provoque qu'un remaniement faible par rapport au volume de sol intCressC par l'essai.

(b) Mesurer avec une prCcision suffisante les volumes drain&, une dCpression constante Ctant maintenue dans le permCambtre (rappelons qu'un essai en surpression, plus facile B rCaliser, permet la mesure du coefficient de gonflement et non pas du coefficient de consolidation).

( I ) Les perme'am2tres Deux types d'appareillage ont CtC utilisCs,

d'une part un permCam6tre montC sur le train des tiges d'un carottier B piston stationnaire et d'autre part le permkamktre mis en place par autoforage (Baguelin et al. 1974).

(a) PermCam2tre monte' sur le train de tiges d'un carottier ci piston stationnaire

La fig. 11 montre schCmatiquement le montage du permCamktre qui comprend une trousse coupante inversCe et un cylindre poreux plact entre deux tubes de m&me diambtre. Ces deux tubes doivent avoir une longueur L suffisante pour que les conditions aux limites dCfinies dans la fig. 5 soient satisfaites. Les calculs de rkpartition des pressions interstitielles (fig. 10) ont montrC que pour les durCes d'essai gCnC- ralement choisies, une longueur L Cgale ou suptrieure B deux fois celle du permCamktre Ctait suffisante pour un permkambtre long (b/a = 2) . Pour un permCam6tre court, ce

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FIG. 11. Coupe de l'ensemble permtamktre carottier.

Train de t i g g

Piston

rapport L / 2 b doit &re plus grand (environ 4 fois plus que prCcCdemment si b /a = 0.2 pour une m&me valeur de T) .

Le diamktre du carottier est de 88 mm et celui du permCamktre de 100 mm. Le vide ii l'intkrieur du permCamktre est suffisant pour recevoir le matCriau correspondant au rCalC- sage du forage. Ce type de permCamktre peut &tre utilisC au fur et 21 mesure du carottage avec un montage tel que celui de la fig. 11. 11 est possible aussi de la descendre par fon-

dans un forage termink, le carottier Ctant alors remplacC par un guide de m&me diamktre. Ce deuxikme systkme a l'avantage de ne pas induire de surpressions interstitielles lors de la mise en place du permCamktre, mais I'incon- vCnient est de laisser le sol se dkcomprimer aprks le forage.

( b ) Permkam2tre autoforeur La fig. 12 donne une vue schCmatique du

permkamktre autoforeur mis au point au La- boratoire RCgional de 1'Equipement de Saint Brieuc (Jezequel et al. 1975). Les organes essentiels sont les suivants:

Ir de pression 5 circuit de pompage mjection \

desagrdga t eur

FIG. 12. SchCma du permtambtre autoforeur.

( a ) une trousse coupante inversCe, (b) un outil dCsagrCgateur avec injection

d'eau, (c) un cylindre poreux relic5 B la surface

par deux rilsans, (d) deux cellules d'Ctanch6itC de part et

d'autre du cylindre poreux dont le dimension- nement doit aussi satisfaire aux critkres dkfinis ci-dessus.

Un des intCr&ts du permCamktre autoforeur est de permettre des essais en continu, sous rCserve d'un non colmatage de la paroi filtrante au cours des essais en pompage. L'injection d'eau lors de l'autoforage induit des surpressions faibles de l'ordre de 10 B 20 kPa.

Dans le cas d'essais dans un forage ouvert, il faut prendre la prCcaution de maintenir un niveau d'eau dans le forage Cquivalent (ou supCrieur) ii la pression neutre B la cote de l'essai. En effet toute rCduction de la pression neutre a pour effet de commencer un cycle de consolidation irrkversible. Une surpression conduit au contraire B un gonflement et aprks dissipation de cette surpression, les paramktres

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neutrali- ,,tion gaivanomitre

capteur pression arnpli

affichage


si ne comptap?

puissance - - - m a n y IT; . arrEt

pompage fin de course

::uz 7 v i r i n

1 I

FONCTION : pompage ou injection

vers circuits

I M P R I M A N T E t e m p s volume

1 P E R M E A M E T R E I

c a F e u r de volume

FIG. 13. Principe de fonctionnement du systkme de mise en dCpression et de mesure des

de consolidation ne sont pratiquement pas affectis par le gonflement antCrieur.

1'1 est intiressant de noter que les deux appareillages permettent de suivre I'Cvolution des pressions interstitielles en cours de fongage et pendant la stabilisation.

( 2 ) ContrBle de la dkpi'ession et mesui'e des volumes

La fig. 13 donne schCmatiquement le principe de fonctionnement du systkme de mise en dCpression et de mesure des volumes et la fig. 14 montre une photographie de I'ensemble de l'unitC de mesure. Ce systkme de mesure peut &re utilist avec Sun quelconque des deux permCamktres dCcrits ci-dessus.

L'ensemble constitue une chaine d'asservissement de position comprenant un comparateur, un amplificateur, un Ctage de puissance, un moteur actionnant le vCrin. Le bouclage est assurC par un capteur de pression.

La mesure des volumes se fait par l'inter- mCdiaire de la mesure du dCplacement linCaire du vCrin. A cet effet un des arbres du rCducteur porte un disque ajourC, une cellule photoClec- trique fixe voit dCfiler les trous du disque. Les impulsions regxes par la cellule sont envoy6es dans un bloc de comptage-dCcomptage et les

informations sont envoyCes 2i une imprimante pilotCe par une horloge.

La chambre du vCrin est reliCe au perm&- mktre par un tube souple. La prise de pression remontant du ~ermtamktre est reliie d'une part 2i un manomktre i lame d'acier et d'autre part 2i un capteur de pression absolu B jauges. Le signal Clectrique de ce capteur est envoy6 sur un additionneur algCbrique de tensions 6lectriques jouant !e r61e de comparateur dans la chaine d'asservissement. Sur ce comparateur, on envoie Cgalement d'une part, une tension permettant de neutraliser la tension engendrie par la pression statique u , et d'autre part, une tension simulant la mise en pression ou en dCpression a u nCcessaire i la mesure. La rCsultante algCbrique de ces signaux est envoyCe sur 1'Ctage de puissance qui com- mande le moteur.

La plage de fonctionnement du moteur est de 1 2i 5000 tours/min et les dCbits correspon- dants de 1 B 5000 c m y h et la rCsolution de la mesure de 1 / 100 de cm3.

VI. Rksultats obtenus Les figs. 15 ii 17 donnent quelques exemples

de rCsultats obtenus sur trois sites difftrents. Le site d7Agde a CtC CtudiC avec le permta-

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FIG. 14. Vue des deux ClCments de l'unitt de mesure. En haut: ensemble hydraulique et mCcanique (vtrin, moteur, systkme de saturation). En bas: chaine Clectronique et imprimante.

mktre montC sur le train de tiges d'un carottier B piston stationnaire (section V. 1 .a) et les autres sites avec un perm6amktre autoforeur.

Les sols de la vallCe de 1'Hers (fig. 15 ) sont constituCs par des dCp6ts lacustres et mart- cageux de 4 B 6 m d'Cpaisseur, reposant sur UII

substratum graveleux et marneux. Ces dCp6ts relativement rCcents sont des argiles, soit trks plastiques (Ip: 35 2t 40, WL: 65 B 7 5 ) , soit peu plastiques (Zp: 20 B 25, W , : 40 B 45) gCnCralement surconsolidCes en surface par dessication et assez consistantes. Ces sols sont

de la ville d7Agde (fig. 161, sont constituts de dCpBts trks lenticulaires et hCtCrogknes consti- tuCs d'alternance de sables et de limons va- sards d'origine deltai'que. L'hCtCrogCnCitC du site et la prtsence de couches permkables minces rendaient trBs difficile une interprktation B partir des essais en laboratoire. Les essais en place devraient permettre des prC- visions de vitesse de tassement plus proches de la rCalitt (les remblais ne sont pas encore construits) .

L'kchangeur de la Bosse Galin B Bordeaux caractCrisCs par des permtabilitCs trks

Les sols de la vallCe de 1'Herault au faibles. (fig. 17) est construit sur une couche de 10 m niveau environ de vase avec des dCbris vCgCtaux

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7.75

- 2 75

-3.75

T e m p s (mn)

+ - = I I I I

R E S U L T A T S I

R E S U L T A T S

o 60 120 T e m p s ( i n i n )

FIG. 15. Mesure de k ~ , et GI, en dace - Toulouse, FIG. 17. Mesure de k ~ , et GI, en place -Bordeaux, Bosse Galin.

( I p -- 50, WI, 95). L'homogCnCitC du site se pr6tait bien B des comparaisons entre les essais en place et en laboratoire.

Le tableau 1 ci-aprks donne les rCsultats des essais comparCs en laboratoire et en place sur le site.

La comparaison des essais en place et en laboratoire montre que les coefficients de consolidation et de permCabilitC mesurCs en place sont sensiblement plus forts. k,, en laboratoire a CtC calculC B partir de la relation

VHI. Conclusions La mesure des paramktres caractCristiques

des matCriaux est un des problkmes fonda- mentaux en mCcanique des sols. La trop grande incertitude qui existe dans la prCvision des temps de tassement des ouvrages sur sols compressibles nous a conduit B dCvelopper une technique de mesure en place des coefficients de permCabilitC horizontale et verticale et du coefficient de consolidation.

Sur le plan thkorique, on dCmontre que les

I I I I 20 40 6 0 T e m p s ( i n i n )

FIG. 16. Mesure de k ~ , et CVI, en place - dkviation d'Agde.

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TABLEAU 1. RCsultats des essais

Essais en laboratoire Essais en dace Profon- deurs (m)

2.65 3.50 5.50 6.50 7.50 8.50

G C ' (bar)

*Valeur pour o' sensiblement egal 6 oO'.

essais en place doivent donner des rCsultats satisfaisants, la principale difficult6 Ctant relative i la qualit6 et i la pr6cision de la mesure. L'utilisation de permkamktre remaniant le sol le moins possible et une mesure prCcise des volumes drainCs nous ont dCji donnC des rC- sultats satisfaisants. De nombreux essais doivent &re encore rCalisCs, en particulier en ce qui concerne la mesure de l'anisotropie.

L'essai en place n'a pas pour but de remplacer l'essai cedomCtrique en laboratoire mais plut6t de le complCter, de permettre des mesures sur des sites o i ~ le carottage et l'essai en laboratoire sont impossibles (tourbes fi- breuses, argiles varvCes) et aussi de donner un moyen pour rCaliser des reconnaissances sommaires et ravides mettant en Cvidence I'importance des problkmes de compressibilitC. L'essai oedomCtrique donne gCnCralement des valeurs correctes de l'indice de compression C,. Par contre, les coefficients de permtabilitC et de consolidation sont trks entach& oar le remaniement, particulikrement pour les faibles charges autour de la valeur du poids des terres en place a& L'essai en place a l'avantage de donner des rCsultats au voisinage de 1'Ctat de contrainte KO, c'est aussi une des limitations: mais il faut souligner qu'il est plus important de bien connaitre les vitesses de tassement au dtbut de la consolidation plutat qu'en fin. L7expCrience des remblais sur sols compres- s ible~ nous montre d'ailleurs que les erreurs les plus importantes dans la prCvision des vitesses de tassement correspondent bien au dCbut de la consolidation.

Cet article fait le voint sur l'ttat d'avance- ment de notre recherche sur le problkme de la mesure de certains paramktres caractCristiques du sol. MenCe paralldement avec des Ctudes thCoriques et des constatations sur des ouvrages en vraie grandeur, nous espCrons pouvoir

rendre ainsi plus sQes les prCvisions du comportement des ouvrages sur sols compressibles.

Remerciements Les auteurs tiennent B remercier M. Jeze-

quel, IngCnieur au Laboratoire RCgional de 17Equipement de Saint Brieuc, qui a mis i leur disposition le prototype du permCamltre autoforeur; M. Baldy qui, dans le cadre d'un travail de fin d'ttudes de 1'Ecole Nationale des Ponts et ChaussCes, a programmi5 les calculs dans le cas d'un sol orthotrope et rCalisC les. abaques correspondantes; et - L'Equipe du centre d'Etudes et de Construction de Prototypes de 17Equipement d'Angers.

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Liste des principaux symboles

n Rayon du permCam&tre cylindrique b Demi longueur de la partie filtrante du

permCam6tre cylindrique

J . VOL. 14,

N = a/b

P 12

r

Coefficient caracttrisant la gComttrie du permCam6tre cylindrique Rayon du permtam6tre sphCrique Profondeur du permCam6tre comptte B partir de la nappe Distance d'un point du sol comptCe B partir de l'axe vertical du permCam6tre cylindrique Profondeur du permCam&tre comptte B partir du terrain nature1 Indice des vides du sol Masse volumique de I'eau industrielle Pression interstitielle Pression neutre Variation de pression interstitielle Coefficient de compressibilitC Indice de compression Coefficient de consolidation mesurC B 17cedom&tre Coefficient de consolidation radial Coefficient de consolidation horizontal Coefficient de consolidation vertical Temps Facteur temps = cv,t/n2 Volume d'eau pomp6 (ou injectk) B travers le permCam6tre pendant un essai DCbit d'eau traversant la partie filtrante du permtam6tre pendant un essai CaractCristique des variables rCduites adimensionnelles KR, QR, RR, UR et Z R relatives B k , Q, r , u et z Coefficient de permkabilitt horizontal Coefficient de permtabilitC vertical

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mesure en place des coefficients de perméabilité et des coefficients de consolidation horizontaux...

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