Mécanique des sols I • Chapitre I Propriétés physiques des sols • Chapitre II Hydraulique des sols • Chapitre III Déformations des sols • Chapitre IV Résistance au cisaillement des sols
Chapitre I
Propriétés physiques des sols Objectifs de ce chapitre • Terminologie de base et définitions • Essais simples d'identification des constituants des sols • Classification des sols
Chapitre I
Propriétés physiques des sols 1- Définition des sols – éléments constitutifs d'un sol 2- Caractéristiques physiques des sols 3- Caractéristiques dimensionnelles 4- Structure des sols 5- Essais d'identification – sols grenus 6- Essais d'identification – sols fins 7- Autres essais 8- Classification des sols 1. Définition des sols
2. Caractéristiques physiques
3. Caractéristiques dimensionnelles
4. Structure des sols
5. Identification sols grenus
6. Identification sols fins
7. Autres essais
8. Classification des sols
1- Définition – éléments constitutifs d'un sol 1.1 Définition des sols Matériaux à la surface de l'écorce terrestre Roches
Sols
grains minéraux fortement liés
aggrégats de grains minéraux
1.2 Éléments constitutifs d’un sol squelette solide + eau + gaz
1. Définition des sols
effet de la taille libre, capillaire, adsorbée air + vapeur d'eau
2. Caractéristiques physiques
3. Caractéristiques dimensionnelles
4. Structure des sols
2- Caractéristiques physiques des sols 2.1 Description 2.2 Relations entre les paramètres
2.3 Détermination des caractéristiques physiques 2.3.1 Teneur en eau w 2.3.2 Poids volumique γ 2.3.3 Poids volumique des particules solides γs
1. Définition des sols
2. Caractéristiques physiques
3. Caractéristiques dimensionnelles
4. Structure des sols
2.1 Description Existence de trois phases → définition de paramètres caractéristiques des sols
Représentation schématique - volume élémentaire de sol - trois phases séparées - volumes et poids de chacune des phases
Wa W
Air
Va
Ww
Eau
Vw
Ws
Solide
Vs
Vv V
grandeurs mesurables
0
W
Wa
Air
Ww
Eau
Vw
Ws
Solide
Vs
W : poids total du sol Ws : poids des particules solides Ww : poids de l'eau V Vs Vv Vw Va
Va Vv V
W = Ws + Ww
: volume total (apparent) : volume des particules solides V = Vw + Va : volume des vides entre les particules v V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va : volume de l'eau : volume de l'air
Paramètres dimensionnels
poids volumiques
WS - du sol sec γ d = V
Poids volumique…
WS - des grains solides γ S = VS WW - de l'eau γ W = VW
- du sol saturé
W - total (du sol) γ = V
- du sol déjaugé
0
W
Wa
Air
γ sat
WS + γ W ⋅ VV Wsat = = V V
ordre de grandeur
Va
Ww
Eau
Vw
Ws
Solide
Vs
γ′ = γ sat − γ W
Vv V
333 19 9 ààà12 22 kN/m 26 27kN/m kN/m sable sable 14 àà 20 18 kN/m kN/m33 17 argile argile 10 àà 22 20 kN/m kN/m33 16
Paramètres sans dimension
caractérisation de l'état du sol
relations volumiques
VV - porosité n = V
- teneur en eau
WW ⋅ 100 w= WS
VV - indice des vides e = VS VW ⋅ 100 - degré de saturation Sr = VV
0
W
Wa
Air
relation pondérale
ordre de grandeur
Va
Ww
Eau
Vw
Ws
Solide
Vs
Vv V
sable entre 0,25 0,50 1 0 àet15% 100% à1 0,50 argile 0,20 0,30 10 àà 20% 1 0,80
2.2 Relations entre les paramètres Les paramètres physiques définissent l'état d'un sol γs ≈ constant (26,5 kN/m3) - état de compressibilité → poids volumique - quantité d'eau - quantité de vides
→ →
w ou Sr e ou n
La caractérisation d'un sol nécessite 3 paramètres indépendants - utilisation d'un diagramme de phases - utilisation d'un formulaire → relations entre caractéristiques physiques
e n= 1+ e
n e= 1−n
[1] [2] [3]
[4]
[13]
[16] [19]
[21]
[24]
Vv * V e n= 1+ e γ n =1− d γs n=
n=
[8]
e=
Vw Vv
[14]
Sr =
γ = (1 + w ) ⋅ γ d 1+ w γ= ⋅ γs 1+ e
γd =
γs 1+ e
γs − γw 1+ e
*
n 1−n γ e = s −1 γd
[7]
*
Vv Vs
e=
[6]
γ s − γ sat γs − γw
Sr =
γ′ =
e=
[5]
γ s − γ sat γ sat − γ w γs w ⋅ γw e
[17] γ = γ d + n ⋅ Sr ⋅ γ w [20] γ =
[22]
[10]
[25] γ ′ = (γ s − γ w ) ⋅ (1 − n)
Ww Ws
w = e ⋅ Sr ⋅ w=
[11]
*
γw γs
γ −1 γd ⎛ 1 1 ⎞ ⎟⎟ − γ γ s ⎠ ⎝ d
[12] w = S r ⋅ γ w ⋅ ⎜⎜
w (γ constant) w sat d
[15]
Sr =
[18]
γ = (1 − n) ⋅ γ s + n ⋅ Sr ⋅ γ w
γ s + e ⋅ Sr ⋅ γ w 1+ e
γ d = (1 − n) ⋅ γ s
w=
[9]
[23]
[26]
γ ′ = γ sat − γ w *
γ′ =
γs − γw ⋅ γd γs
2.3 Détermination des caractéristiques physiques Essais d'identification
- connaissance du sol - paramètres nécessaires à leur classification 3 paramètres indépendants - essais en laboratoire - dispersion des mesures (plusieurs essais)
2.3.1 Teneur en eau w
Ww w= Ws
2 pesées : avant et après étuve à 105oC - poids total - poids solide
2.3.2 Poids volumique γ
W γ= V
→ détermination de W et V 3 méthodes
- immersion dans l'eau - trousse coupante - moule
Détermination du volume total d'échantillon de sol (V) • Méthode par immersion dans l'eau - pesée 1 → poids de l'échantillon ié n a emde paraffine - échantillon recouvert d'une couche r n o de la couche de paraffine (et son volume) n n - pesée 2 → poids llo i t n - pesée 3 (hydrostatique) écha → volume total (échantillon + paraffine)
• Méthode de la trousse coupante
ié n a em
tr n e - poinçonnement dans l'échantillon em r è g é aire de la section x hauteur l→ - volume V de l'échantillon n o ll i t n écha
• Méthode du moule
ié n a m - remplissage d'un moule jusqu'à débordement e r on Proctor l l i - arasage à la règle → comme l'essai t n a h c é
2.3.3 Poids volumique des particules solides γs
WS γS = VS
pesée à mesurer de façon précise
(a) pycnomètre (b) pesée hydrostatique
Pycnomètre - sol séché puis pesé (Ws) - sol dans le récipient contenant de l'eau distillée - enlever les buller d'air - volume d'eau déplacé par le sol
eau + sol
eau seulement
à volume constant
+ W1
sol sec
=
Ws
W2 Ww = W2 - Ws
WS WS WS γS = = = ⋅ γw VS Vtot − Vw W1 − (W2 − Ws ) W1 γw
Ww γw
WS γs = ⋅ γw W1 + Ws − W2
3- Caractéristiques dimensionnelles 3.1 Forme 3.2 Dimensions
3.3 Caractéristiques granulométriques 3.3.1 Courbe granulométrique 3.3.2 Surface spécifique
1. Définition des sols
2. Caractéristiques physiques
3. Caractéristiques dimensionnelles
4. Structure des sols
3.1 Forme
3.2 Dimensions Sols pulvérulents Cailloux
200mm
Sols fins
Graves Gros sable Sable fin Limon
20mm
2mm
0,2mm
0,02mm 20μm
Argile
2μm
Diamètre des grains décroissant
3.3 Caractéristiques granulométriques 3.3.1 Courbe granulométrique • Les grains d'un sol ont des dimensions variables →
quelques μm à quelques dizaines de cm
• Granulométrie → distribution massique des grains suivant leur dimension technique d'obtention différente selon le type de sol • Sol pulvérulent : tamisage - jusqu'à 40 ou 80 μm - utilisation de passoires et de tamis
- à sec pour les gros grains - sous eau pour les matériaux cohérents
trous circulaires mailles carrées
• Sol fins : sédimentométrie Tamisat ou granulométrie laser (passant)
Refus
Log diamètre des grains
• Courbe granulométrique → représentation graphique donnant : - la masse de tamisat cumulé (en %) échelle arithmétique échelle logarithmique - le diamètre des particules
x%
Tamisat
x% de grains < à d
(passant) d
Log diamètre des grains • Caractérisation de la granulométrie d'un sol → utilisation de coefficients coefficient d'uniformité
D Cu = 60 D10
Cu > 2 → granulométrie étalée Cu < 2 → granulométrie uniforme ou serrée
coefficient de courbure
2 D30 Cc = D60 ⋅ D10
sols bien gradués → matériaux plus denses
Cu = 450 Cc = 2 Cu = 55 Cc = 0,1 Cu = 1,8 Cc = 1,12
3.3.2 Surface spécifique • Surface des grains par unité de masse → de 0,3 m2/g à plusieurs centaines de m2/g • Méthodes de mesure → Appareil Blaine ou BET
Blaine • Mesure de perméabilité à l’air • Temps de passage d’une quantité d’air donnée au travers d'un lit de poudre
BET
• adsorption physique de gaz à basse température • travaux de Brunauer, Emmett et Teller datant de 1938
calcul de la surface spécifique basé sur le traitement analytique de l'isotherme d'adsorption déterminé expérimentalement - quantité de gaz adsorbé en une monocouche complète, - calcul de l'aire de cette couche - calcul de la surface spécifique du matériau
4- Structure des sols 4.1 Structure des sols pulvérulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiques
1. Définition des sols
2. Caractéristiques physiques
3. Caractéristiques dimensionnelles
4. Structure des sols
4.1 Structure des sols pulvérulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiques Sol grenu
Sol fin ou cohérent
d > 20μm
d < 20μm
forces de pesanteur
Sables
effet de surface forces entre les particules
Argiles
comportement des sables → dépend de l'état de compacité propriétés géotechniques très différentes comportement des argiles → dépend de la quantité d'eau
Sol organique mauvaises propriétés géotechniques
5- Essais d'identification – sols grenus comportement des sols grenus → dépend du squelette solide, peu importe l'état d'humidité → importance de la dimension des grains et de leur état de compacité
5.1 Essai d'équivalent de sable 5.2 Indice de densité
5. Identification sols grenus
6. Identification sols fins
7. Autres essais
8. Classification des sols
5.1 Essai d'équivalent de sable Évaluer la proportion relative d'éléments fins dans un sol • essai simple et rapide • appareillage élémentaire • géotechnique routière
Principe • fraction < 5mm • lavage énergique avec solution lavante • repos de l'ensemble
Résultat • floculat gonflé par la solution (particules fines) • dépot solide (sable) au fond de l'éprouvette
E.S. =
h2 ⋅ 100 h1
Nature Argile pure Sol plastique Sol non plastique Sable pur et propre
Equivalent de sable E. S. = 0 E. S. = 20 E. S. = 40 E. S. = 100
5.2 Indice de densité État de densité dans lequel se trouve un sol pulvérulent effet important sur le comportement mécanique
e max − e ID = e max − e min
emax et emin indices des vides max et min sur le matériau
Sol lâche
e ≈ emax
ID ≈ 0
Sol serré
e ≈ emin
ID ≈ 1
emin et emax dans le cas de matériaux théoriques État le plus compact emin = 0,35 porosité n = 25,9%
Vue en plan
π/3
Vue en 3d
emin et emax dans le cas de matériaux théoriques État le moins compact emax = 0,92 porosité n = 47,6%
Vue en plan
Vue en 3d
6- Essais d'identification – sols fins comportement des sols fins - taille des grains → forces de cohésion - présence d'eau → changement de consistance
6.1 Limites d'Atterberg 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5
Limite de liquidité wL Limite de plasticité wp Indice de plasticité Ip Indice de consistance Ic Ordre de grandeur
6.2 Activité 6.3 Valeur de bleu de méthylène 5. Identification sols grenus
6. Identification sols fins
7. Autres essais
8. Classification des sols
Comportement des sols fins avec la variation de w état solide sans retrait
0
état plastique
état liquide
avec retrait
ws
wp
wL
w croissant
Ip
état liquide - pas de capacité portante
état solide (avec retrait) - déformations élastiques
état plastique - fortes déformations - déformations plastiques
état solide (sans retrait) - pas de changement de volume avec la baisse de w
6.1 Limites d'Atterberg 6.1.1 Limite de liquidité wL Méthode de Casagrande Teneur en eau pour laquelle une entaille est refermée sur 10mm après 25 chocs
Méthode du cône de pénétration
Vidéo
En pratique
Teneur en eau (%)
30
25
20 10
15
20
25
Nombre de coups
⎛N⎞ w L = w⎜ ⎟ ⎝ 25 ⎠
0 ,121
30
35
40
6.1.2 Limite de plasticité wp Teneur en eau correspondant à une limite arbitraire entre les états plastique et semi-solide de la consistance d'un sol. cylindre de 3mm de diamètre se brisant en tronçons de 10 à 20mm
Vidéo
6.1.3 Indice de plasticité Ip
Ip = w L − w p
étendue du domaine de plasticité - domaine de travail du sol - le plus grand possible
Habituellement wp < teneur en eau des sols en place < wL 6.1.4 Indice de consistance Ic
w L − w nat Ic = Ip
sol en place par rapport à l'état liquide
liquide
très mou
mou
0
0,25
0,50
mi-consistant
0,75
consistant
1,00
très consistant
> 1,00
Ic
6.1.5 Ordre de grandeur
Nature
wL (%)
wP (%)
IP (%)
Limon Argile limoneuse peu plastique Argiles plastiques Argile de Mexico Bentonite
24 40 114 500 710
17 24 29 125 54
7 16 85 375 656
6.2 Activité
AC =
Ip teneur en arg ile
poids < 2 μm poids total sec (< 0,4 mm)
Nature
Activité
Kaolinite
0,38
(inactive)
Illite
0,9
(normale)
Montmorillonite
7,2
(active)
6.3 Valeur de bleu de méthylène Argilosité d'un sol Quantité de bleu de méthylène pouvant s'adsorber sur les particules argileuses importance de la surface spécifique • Tant que le bleu de méthylène est absorbé, il ne colore pas l'eau. • On le vérifie en déposant une goutte sur un papier buvard: le centre de la tache est bleu vif (argile ayant absorbé le bleu) et l'auréole de la tache reste incolore. • A partir d'une certaine dose de bleu, l'auréole se colore aussi : c'est le signe que toute l'argile a épuisé sa capacité d'absorption. • La quantité de bleu consommée est donc une indication de la quantité d'argile. • La valeur de bleu (VBS) s'exprime par la quantité de bleu en grammes consommée par 100 grammes de fines. sol sableux
0
0,2
sol limoneux
sol limoneux-argileux
2,5
sol argileux
6
sol très argileux
8
VBS
7- Autres essais 7.1 Analyse minéralogique Diffraction des rayons X composition minéralogique
7.2 Teneur en matière organique rétention d'eau, compressibilité
7.3 Teneur en carbonate de calcium Teneur en CaCO3 (%)
5. Identification sols grenus
Désignation géotechnique
0 - 10 10 - 30 30 - 70
Argile Argile marneuse Marne
Sols
70 - 90 90 - 100
Calcaire marneux Calcaire
Roches
6. Identification sols fins
7. Autres essais
8. Classification des sols
8- Classification des sols 8.1 Sols à granulométrie uniforme 8.2 Sols à granulométrie non uniforme 8.2.1 Sols grenus 8.2.2 Sols fins 8.3.3 Sols organiques
• Classification : rattachement à un groupe de sols de caractéristiques semblables • Nombreuses classifications dans différents pays - USCS - AASHTO - LPC - GTR (remblais et couches de forme) 5. Identification sols grenus
6. Identification sols fins
7. Autres essais
8. Classification des sols
Exemple de sondage
Classification GTR
Classification LPC
à partir des résultats fournis par - la granulométrie - les caractéristiques de plasticité de la fraction fine (Atterberg)
Sol
Cu faible
8.1 Granulométrie uniforme
8.2.1 Sols grenus
Cu élevé
8.2 Granulométrie non uniforme
8.2.2 Sols fins
8.2.3 Sols organiques
sables ou graves
limons et argiles
- décapage - remblayage
tableau
abaque de Casagrande
8.1 Sols à granulométrie uniforme Classification reposant sur le diamètre moyen des grains Sol 8.1 Granulométrie uniforme
Sols pulvérulents Cailloux
200mm
8.2.1 Sols grenus
8.2.2 Sols fins
sables ou graves
limons et argiles
2mm
0,2mm
8.2.3 Sols organiques
Sols fins
Graves Gros sable Sable fin Limon
20mm
8.2 Granulométrie non uniforme
0,02mm 20μm
Argile
2μm
Diamètre des grains décroissant
8.2 Sols à granulométrie non uniforme • Majorité des cas • Trois types de sols
- sols grenus 50% > 80 μm 50% < 80 μm - sols fins - sols organiques > 10%
8.2.1 Sols grenus Granulométrie et limites d'Atterberg
Sol 8.1 Granulométrie uniforme
8.2 Granulométrie non uniforme
8.2.1 Sols grenus
8.2.2 Sols fins
sables ou graves
limons et argiles
8.2.3 Sols organiques
Sol
8.2.2 Sols fins Limites d'Atterberg critère de plasticité
8.1 Granulométrie uniforme
8.2 Granulométrie non uniforme
8.2.1 Sols grenus
8.2.2 Sols fins
sables ou graves
limons et argiles
8.2.3 Sols organiques
Ip
wL
8.2.2 Sols organiques exemple : Von Post
Sol 8.1 Granulométrie uniforme
Teneur en matière organique (%) 0-3 3 - 10 10 - 30 > 30
8.2 Granulométrie non uniforme
8.2.1 Sols grenus
8.2.2 Sols fins
sables ou graves
limons et argiles
8.2.3 Sols organiques
Désignation géotechnique Sol inorganique Sol faiblement organique Sol moyenne organique Sol très organique
fO mO tO
Vase Sol tourbeux Tourbe