Veuillez découvrir les dispositifs mis au point durant ma thèse de Doctorat.

Introduction

La plupart des essais adoptés par les comités internationaux se sont basés sur des essais de gonflement oedométrique. Ces essais, qui ont pour objectif de déterminer deux principales grandeurs qui sont le gonflement et la pression de gonflement, sont répertoriés en différentes méthodes.
Ces méthodes sont applicables pour différentes conditions d'humidification (eau, solutions salines et humidité).
Ces essais classiques imposent une déformation radiale nulle qui n'est pas toujours représentative des conditions in situ.
Afin d'étudier le comportement d'une roche argileuse en laboratoire en imposant des conditions radiales différentes (gonflement radial empêché et gonflement radial libre), nous avons mis au point, au sein de notre laboratoire, différents dispositifs expérimentaux.
La cellule de mesure des déformations libres nous permet de mesurer le gonflement tridimensionnel anisotrope d'un échantillon libre de gonfler radialement et axialement alors que la cellule oedométrique sert uniquement à étudier le gonflement axial lorsque le gonflement radial est empêché. L'utilisation de la cellule uniaxiale nous permet, quant à elle, d'étudier le gonflement axial et le gonflement radial lorsque l'échantillon est soumis à une contrainte axiale et qu'il est libre de gonfler radialement. Pour rendre compte de l'effet du confinement sur le gonflement axial, il est nécessaire d'avoir recours à une cellule triaxiale.
Il est important de remarquer que ces dispositifs permettent clairement d'étudier le gonflement tridimensionnel d'une roche argileuse anisotrope.
Les liens entre le gonflement et la masse retenue par l'échantillon d'une part, et entre le gonflement l'échange chimique entre l'eau des pores et la solution d'hydratation d'autre part, constituent également des aspects intéressants à étudier. Pour cette raison, des essais spécifiques ont été mis au point.
Il faut également étudier l'influence de la distance de la source d'alimentation sur le gonflement. Pour cette raison, la cellule de diffusion a été mise au point.

Cellule triaxiale

L'utilisation de la cellule triaxiale pour étudier le gonflement des sols argileux et en particulier des roches argileuses est novatrice. La cellule développée est compatible avec la presse de type MTS (Mechanics Testing System) et a nécessité un important travail de mise au point.
Elle nous permet d'appliquer différents chemins de contraintes axiales et radiales et de suivre le gonflement ou la pression de gonflement axiale générée pour un blocage partiel ou total du déplacement axial.
Les échantillons sont carottés et découpés de façon à avoir un diamètre de 50 mm et une hauteur de 25 mm.
La contrainte axiale est appliquée par un piston hydraulique avec une vitesse de déformation de 120 micron/m/min et la pression de confinement par un injecteur d'huile. Cette dernière est transmise à l'échantillon au moyen d'une gaine de silicone imperméable enrobant l'échantillon. La saturation de l'échantillon est assurée par l'injection d'eau de bas en haut à travers les talons poreux déposés de part et d'autre de l'échantillon. Le tuyau de sortie débouche dans un récipient externe.
La cellule triaxiale est pilotée par ordinateur, l'acquisition des différentes grandeurs est réalisée par pas de temps, de déformation ou de contrainte.

Cellule uniaxiale 3D

Cette cellule a été conçue afin de mesurer le changement des dimensions, selon les trois directions, d'une éprouvette soumise à une contrainte axiale. Les échantillons utilisés possèdent un diamètre de 65 mm et une hauteur de 130 mm et présentent une stratification verticale.
Les déplacements ont été mesurés par trois capteurs de type LVDT :
le premier est disposé axialement et les deux autres perpendiculairement dans le plan horizontal parallèle à la base de l'échantillon.
La contrainte axiale est appliquée grâce à des accumulateurs de pression utilisant de l'huile et de l'azote qui la transmettent à la base de l'échantillon.
Les déplacements des capteurs sont enregistrés en continu aux moyens d'une carte d'acquisition et d'un ordinateur.
La saturation est assurée par l'immersion totale de l'échantillon dans l'eau.

Cellule uniaxiale 2D

Cette cellule sert à déterminer le gonflement axial et le gonflement radial d'un échantillon subissant différents chemins de contrainte axiale. Les échantillons testés présentent une isotropie transverse. Le diamètre des échantillons est de 50 mm et la hauteur est de 35 mm.
Le déplacement axial est mesuré par deux capteurs de type LVDT tandis que le gonflement radial est mesuré par un ruban en inox entourant diamétralement l'échantillon et relié à un capteur de déplacement par une poulie et un ressort.
L'imbibition est assurée par immersion de la base jusqu'au plus haut niveau de l'échantillon dans un récipient contenant de l'eau.
Le déplacement axial, le déplacement radial et la contrainte axiale appliquée sont enregistrés en continu par une carte d'acquisition et un ordinateur.

Cellule oedométrique

La cellule oedométrique a pour objectif de déterminer, en fonction de la contrainte axiale appliquée, le gonflement axial d'un échantillon empêché de gonfler radialement.
Le bâti de la cellule est composé de deux plateaux reliés par deux tiges filetées de forte rigidité. Des mesures de précaution par peinture ont été prises afin d'éviter la corrosion des différentes pièces métalliques.
Cette cellule est composée d'un anneau métallique de forte rigidité permettant d'accueillir un échantillon de diamètre 36 mm et de hauteur 25 mm.
Le déplacement axial est mesuré par deux capteurs de type LVDT diamétralement opposés. Ces capteurs sont caractérisés par une étendue de mesure de 10 mm et une précision de mesure de 0.01 mm. La contrainte axiale est appliquée par un vérin qui la transmet à l'échantillon à travers un système de ressorts de forte raideur. Cette contrainte est mesurée par un capteur de force.
La saturation de l'échantillon est assurée par un réservoir d'eau qui transmet le fluide au travers d'une pierre poreuse et une membrane en inox percée encerclant l'échantillon. La circonférence de l'échantillon ainsi que celle de la membrane en inox ont été graissées afin de réduire le plus possible le frottement latéral.
Le déplacement axial et la contrainte axiale appliquée sont enregistrés en continu via une carte d'acquisition et un ordinateur.

Cellule de mesure de la pression de gonflement

Cette cellule, conçue au CGI (Centre de Géologie de l'Ingénieur), permet de mesurer la pression de gonflement axiale d'un échantillon empêché de gonfler axialement et radialement.
Le dispositif est constitué d'une bague métallique indéformable de diamètre intérieur 63.1 mm et d'un piston axial fixe interdisant le gonflement axial. La pression de gonflement est mesurée par l'intermédiaire de l'augmentation de la contrainte développée sur la membrane en inox située à la base de l'échantillon et qui met en pression l'eau du réservoir située entre la membrane et le capteur de pression.
La saturation est effectué par un réservoir d'eau situé en haut de l'échantillon et séparé de celui-ci par une pierre poreuse.
La hauteur des échantillons peut varier de 10 mm à 20 mm.

Déformations libres

Ce dispositif expérimental a pour objectif de mesurer en continu les déplacements axial et radial d'une éprouvette mise en contact avec l'humidité ou avec une solution aqueuse.
La variation du diamètre de l'éprouvette est mesurée, uniquement dans le cas où l'échantillon présente une stratification horizontale, au moyen d'un ruban en laiton encerclant l'échantillon et légèrement mis en tension et relié à un capteur de déplacement. La variation de la hauteur est mesurée par un capteur de déplacement disposé au centre de la face supérieure de l'échantillon. Les deux capteurs de déplacement, de type LVDT, sont reliés à l'ordinateur au moyen d'une carte d'acquisition.

Variations de la masse de l'échantillon et de sa hauteur

Le principe de ce dispositif est de comprendre comment la masse de l'échantillon évolue avec le gonflement lorsque l'échantillon est mis en contact avec l'air humide.
Il permet de mesurer en permanence le déplacement axial et la masse d'un échantillon disposé dans l'enceinte hygrométrique. Ce dispositif est composé d'un capteur de déplacement et d'un capteur de force placé en bas de l'échantillon.

Echange chimique

L'échange chimique entre l'eau des pores et la solution qui immerge l'échantillon est effectué au moyen d'un pHmètre et d'un conductimètre. Les mesures sont réalisées pour des laps de temps définis.

Cellule de diffusion

Le principe de ce dispositif consiste à identifier l'influence de la distance de la source d'eau sur le gonflement en quatre points de l'éprouvette.
L'éprouvette déposée horizontalement de diamètre de 65 mm et de longueur de 100 mm présente une stratification verticale parallèle à l'axe de l'échantillon.
Quatre capteurs de déplacement mesurant la variation du diamètre sont installés le long de l'éprouvette dont deux parallèlement à la stratification et les deux autres perpendiculairement à celle-ci. Ces capteurs sont connectés en permanence avec une carte d'acquisition et un ordinateur.
Une ou les deux faces latérales de l'éprouvette sont mises en contact avec des solutions aqueuses à l'aide de deux réservoirs placés de part et d'autre de l'éprouvette en contact avec des membranes en silicone entourant les deux bases de l'échantillon. L'étanchéité a été assurée en installant des colliers qui serrent la membrane à l'échantillon.
La mise en place des capteurs suivant deux directions perpendiculaires nous permet également d'étudier le gonflement anisotrope de la roche.
\noindent Pour l'essai, la situation la plus critique et la plus significative est de soumettre une seule face de l'échantillon en contact avec l'eau, c'est-à-dire de n'utiliser qu'un seul réservoir d'eau.

Cellule triaxiale de perméabilité

Cette cellule nous permet de déterminer la perméabilité axiale d'un échantillon confiné dans des conditions triaxiales de contrainte au moyen des méthodes à charge constante ou variable.