Using shear wave velocity and microstructure for investigation of Champlain clay anisotropy

Résumé

La mesure de la vitesse des ondes de cisaillement constitue un outil puissant pour étudier le comportement dynamique des sols, notamment le module de cisaillement maximal (rigidité élastique). La compréhension de la relation entre la rigidité élastique, la vitesse des ondes de cisaillement, la contrainte effective et l'indice des vides améliore la fiabilité de la conception sismique et de l'interprétation dans la pratique géotechnique. Les mesures en laboratoire de la vitesse des ondes de cisaillement permettent un suivi parallèle des caractéristiques mécaniques au moyen d'appareils géotechniques conventionnels comme un oedomètre standard. Cette thèse porte sur l'investigation des propriétés directionnelles de l'argile marine molle de Champlain sous essais de consolidation unidimensionnelle. Les dépôts de sols cohésifs naturels présentent une anisotropie allant de légère à prononcée. Pour caractériser l’anisotropie des dépôts d'argile marine molle, une nouvelle méthode de laboratoire a été développée et employée pour permettre des mesures de directionnalité. À l'aide d'un système de transducteurs, les vitesses d'ondes de cisaillement ont été mesurées sur des échantillons non remaniés dans un oedomètre instrumenté équipé de jauges de déformation latérales pour la mesure des contraintes K0, tout en appliquant des contraintes verticales effectives allant jusqu'à 1000 kPa. Les vitesses des ondes de cisaillement ont augmenté avec le niveau de contrainte, atteignant jusqu'à 200 m/s dans le plan vertical-horizontal et 220 m/s dans le plan horizontal-horizontal à la contrainte maximale appliquée. Ces mesures ont été utilisées pour calculer la rigidité crossanisotropique à différents niveaux de contrainte. Les résultats ont révélé que les argiles de Champlain intactes présentent des rapports d'anisotropie faibles à modérés (1,10-1,30), avec des variations plus importantes observées à des niveaux de contrainte plus faibles, particulièrement en dessous de la pression de préconsolidation. L'effet des caractéristiques des couches de stratification a également été étudié en taillant et en préparant des échantillons à différents angles, de 90 à 0 degrés. Les résultats démontrent un modèle cohérent où les valeurs d'anisotropie à des angles intermédiaires comblent l'écart entre les directions verticale et horizontale. Un autre point d'intérêt dans cette étude était de développer les investigations d'anisotropie de ces échantillons d'argile à l'échelle microscopique. La position des plaquettes d'argile et leur réarrangement ont été étudiés dans des échantillons intacts et consolidés, respectivement. La microscopie électronique à balayage (MEB), en tant que technique d'imagerie, a été utilisée pour prendre des images numériques de haute qualité de la surface d'argile utilisée dans les tests de consolidation unidimensionnelle. Un script basé sur MATLAB a également été développé pour quantifier l'orientation de la structure argileuse à l'aide d'images MEB, en appliquant deux méthodes différentes de quantification (FOCM-I et FOCM-II). Les échantillons d'argile Champlain intacts montrent une association orientée aléatoirement à faiblement orientée selon la classification d'anisotropie (l'indice d'anisotropie varie de 0,145 - 0,17). Les orientations initialement aléatoires des particules dans les échantillons intacts s'alignent progressivement perpendiculairement à la contrainte verticale appliquée au cours du processus de consolidation unidimensionnelle. Une étude paramétrique a été menée pour examiner les effets des paramètres clés du MEB, notamment la tension d'accélération (10-30 kV) et le grossissement (1000-7000x), sur les écarts dans les calculs d'anisotropie de la structure argileuse. Une technique d'imagerie a été employée pour améliorer la fiabilité de la quantification de l'anisotropie par l'analyse d'images MEB tout en minimisant les incertitudes dans les calculs de directionnalité. Une comparaison de la détermination de l'anisotropie avec des données publiées à l'échelle macro et microscopique a révélé la relation et la dépendance de l'anisotropie au rapport de surconsolidation et à l'historique des contraintes des argiles marines et glaciaires.

Date	30 nov. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Yannic A. Éthier (Directeur(-trice)) & Mourad Karray (Codirecteur(-trice))