chapite 1 et 2

ECOLE HASSANIA DES TRAVAUX PUBLICS Département ponts chaussées et transports

Mécanique des sols

Mahmoud EL GONNOUNI

Mécanique des sols •

Chapitre I Introduction à la mécanique des sols

•

Chapitre II Caractéristiques physiques et classification

•

Chapitre III Eau dans le sol

•

Chapitre IV Déformations des sols

•

Chapitre V Résistance au cisaillement des sols

Introduction à la mécanique des sols 1- Définition d’un sol 2- Définition de la mécanique des sols 3- Domaines d’application de la mécanique des sols 3.1- Fondations d’ouvrages 3.2- Ouvrages mixtes 3.3- Ouvrages en sol 3.4- Milieux naturels

1- Définition d’un sol Qu’appelle-t-on sol ? - Les sols peuvent être définis comme des agrégats dans lesquels les particules sont faiblement liées et peuvent être séparées par une action mécanique légère - Un sol en place est constitué de grains solides baignant dans l’eau, dans l’air ou dans un mélange (eau + air)

Le sol est un matériau à 3 phases : solide, liquide (eau) et gaz (air)

1- Définition d’un sol 1.1- Formation des sols D’où proviennent les sols ? Tout simplement des roches, mais ils peuvent contenir aussi des matières organiques

Les sols ont deux origines principales : - la désagrégation des roches par altération mécanique ou physicochimique sous l’effet des agents naturels - la décomposition d’organismes vivants : végétaux (tourbes) ou animaux (craies).

Transformation de la roche en sol

1- Définition d’un sol 1.1- Formation des sols Suivant les types d’altération, les sols résultant auront des compositions différentes. Roche → la désagrégation physique et mécanique des roches consolidées donne des fragments de roche de même composition que la roche mère : gravier, sable, limon Roche → la décomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments de roche donne Des nouveaux composés : argiles

1- Définition d’un sol 1.2- Conclusion • un sol peut contenir des fragments de roche, des particules d’argile et des matières organiques • les vides entre ces différents éléments, généralement appelés pores ou interstices sont remplis d’eau et d’air • si les vides ne contiennent pas d’eau, le sol est sec • si tous les vides sont remplis d’eau, le sol est saturé (sol sous la nappe), • si les vides sont remplis d’eau et d’air le sol est non saturé

2- Définition de la mécanique des sols Qu’appelle-t-on la mécanique des sol ? - La mécanique des sols est l’étude des propriétés physiques, hydrauliques et mécaniques des sols en vue de leur application à la construction. - La mécanique des sols est donc une science appliquée, appelée aussi géotechnique, bien que la géotechnique soit une science beaucoup plus vaste, qui englobe quatre disciplines : la mécanique des sols, la mécanique des roches, la géologie de l’ingénieur et l’étude des matériaux locaux.

2- Définition de la mécanique des sols • Le travail d’un mécanicien de sol, ou d’un géotechnicien, se joue en effet sur un ou plusieurs des trois volets: - Déformations des sols - Résistance au cisaillement des sols - Problèmes reliés à l’eau • La mécanique des sols puise souvent dans d’autres disciples connexes. On citera: la mécanique des roches, la géologie, géomorphologie, tectonique , minéralogie , pédologie

2- Définition de la mécanique des sols • Historique succinct de la mécanique des sols La mécanicien des sols est une science jeune. Les premiers fondements peuvent être attribués à COULOMB (1773), mais TERZAGHI (1883-1963) a véritablement initié la mécanique des sols moderne

3- Domaines d’application de la mécanique des sols

Les domaines d’application de la mécanique des sols sont nombreux et variés. Ils concernent la profession des travaux publics, ainsi que celle du bâtiment. - Fondations d’ouvrages ou bâtiments (fondation superficielles et profondes) - Ouvrages mixtes (murs de soutènement, parois moulées,…) - Ouvrages en sol (routes, voies ferrés, barrages, digues de bassins en terre,…) - Milieux naturels (versants, berges de cours d’eau ou de retenues,…)

3- Domaine d’application de la mécanique des sols Les sols - supportent des ouvrages

fondations superficielles, fondations profondes



- sont supportés par des ouvrages

murs de soutènement, rideaux de palplanches



- sont supportés par des ouvrages

murs de soutènement, rideaux de palplanches

Les sols - supportent des ouvrages - sont supportés par des ouvrages - sont des ouvrages

fondations superficielles, fondations profondes murs de soutènement, rideaux de palplanches remblais (routes, digues, barrage,…)





3- Domaine d’application de la mécanique des sols

Mécanique des sols •

Chapitre I Introduction à la mécanique des sols

•

Chapitre II Caractéristiques physiques et classification

•

Chapitre III Eau dans le sol

•

Chapitre IV Déformations des sols

•

Chapitre V Résistance au cisaillement des sols

Caractéristiques physiques et classification des sols Objectifs de ce chapitre • Terminologie de base et définitions • Essais simple d’identification des constituants des sols • Classification des sols 1- Eléments constitutifs d’un sol 2- Analyse des particules solides 3- Caractérisation des phases solide et liquide 4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse 5- Structure des sols 6- Classification des sols 7- Compactage

1- Elément constitutifs d’un sol squelette solide

effet de la taille

+ eau

libre, capillaire, adsorbée

+

gaz

air + vapeur d'eau

1.1- Phase solide Roche → la désagrégation physique et mécanique des roches consolidées donne des fragments de roche de même composition que la roche mère : gravier, sable, limon Roche → la décomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments de roche donne Des nouveaux composés : argiles Fractions du sol suivant la dimension des grains Dimension D des particules D > 80 μm 2 μm < D < 80 μm D < 2 μm

Fraction du sol

Forme des grains

Nature des minéraux

grenue

régulière

minéraux d’origine

plaquette ou disque

minéraux d’origine ou néoformés

fine très fine ou argileuse

1.2- Phase liquide On distingue quatre catégorie d’eau: - Eau de constitution - Eau libre - Eau capillaire - Eau liée ou absorbée

1.3- Phase gazeuse

• Dans les sols non saturés, la phase gazeuse est présente dans tout ou partie des pores sous forme d’un mélange d’air, de vapeur d’eau, de gaz carbonique et d’autres gaz • Les sols saturés peuvent aussi contenir du gaz, mais sous forme de bulles ou en dissolution dans l’eau

2- Analyse des particules solides 2.1- Aspect des grains isolé • Forme des particules

2.1- Aspect des grains isolé • Dimensions des particules - passage d’une quantité de sol au travers d’une série de tamis d’ouverture progressivement plus petite - dimension varier dans un rapport de 1 à 10-9

2.2- Distribution granulométrique des éléments solides • Les grains d'un sol ont des dimensions variables

• Granulométrie

quelques µm à quelques dizaines de cm

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

- à sec pour les gros grains

- utilisation de passoires et de tamis

- sous eau pour les matériaux cohérents

trous circulaires mailles carrées

• Sol fins : sédimentométrie

2.2- Distribution granulométrique des éléments solides • Courbe granulométrique

représentation graphique donnant :

- la masse de tamisat cumulé (en %)

échelle arithmétique

- le diamètre des particules

échelle logarithmique

2.2- Distribution granulométrique des éléments solides • Caractéristiques de la courbe granulométrique

utilisation de coefficients

- Coefficient d’uniformité : Cu = D60/D10

Cu > 2

granulométrie étalée

Cu < 2

granulométrie uniforme ou serrée

Diamètre effectif D10 = diamètre correspondant à 10 % de passage à travers le tamis - Coefficient de courbure : Cc = (D30)2/(D10 × D60)

sol bien calibré : 1 < Cc < 3 matériaux plus denses

2.2- Distribution granulométrique des éléments solides • Forme de la courbe granulométrique La forme de la courbe granulométrique est liée au mode de formation (origine, transport et dépôt) du sol.

3- Caractérisation des phases solide et liquide Existence de trois phases

définition de paramètres caractéristiques des sols

Représentation schématique - volume élémentaire de sol - trois phases séparées - volumes et masses de chacune des phases

3- Caractérisation des phases solide et liquide Paramètres dimensionnels

masse volumiques

Masse volumique… - des grains solides : ρ s =

- de l’eau :

ρw =

- de l’air :

ρa =

- total (du sol) :

ρ=

Ms Vs Mw Vw Ma Va

M V

- du sol sec :

ρd =

Ms V

- du sol saturé : ρ = M s + M w (Vv / Vw ) sat

V

- du sol déjaugé : ρ ' = ρ − ρ w


poids volumiques

Poids volumique… γd = g. ρd

- des grains solides : γs = g. ρs

- du sol sec :

- de l’eau :

- du sol saturé : γsat = g. ρsat

γw = g. ρw= 10 kN/m3

- de l’air :

- total (du sol) :

γa = g. ρa ≈ 0 γ = g. ρ

- du sol déjaugé : γ’ = g. ρ’

- g est habituellement fixée à 10 m/s2


poids volumiques

Ordre de grandeur - γs = 26 à 27 kN/m3

sable et argile

-γ =

17 à 20 kN/m3 sable 16 à 22 kN/m3 argile

- γd =

14 à 18 kN/m3 sable 10 à 20 kN/m3 argile

- γsat = 19 à 22 kN/m3

sable et argile

- γ’ = 9 à 12 kN/m3

sable et argile

3- Caractérisation des phases solide et liquide Paramètres sans dimension

caractérisation de l’état du sol Ordre de grandeur de n

relations volumiques - porosité :

V n= v V

- indice des vides :

V e= v Vs

- degré de saturation: S r =

Vw Vv

- Sr = 1 : sol saturé - Sr < 1 : sol non saturé - Sr = 0 : sol sec

0 < n <1

- sable : 0,25 à 0,50 - argile : 0,20 à 0,80 Ordre de grandeur de e

0 < e << ∞

- sable : 0,5 à 0,80 - argile : 0,7 à 2,5

3- Caractérisation des phases solide et liquide Paramètres sans dimension - teneur en eau :

caractérisation de l’état du sol w=

Mw Ms

2 pesées : avant et après étuve à 105°C - poids total - poids solide

Ordre de grandeur de w - sable : 1 à 15 % - argile : 10 à 20 %

- teneur en eau de saturation : wsat =

Vv ρ w Ms

3- Caractérisation des phases solide et liquide - Indice de densité relative ID : mesure relative de l’indice des vides naturel e d’un sol in-situ par rapport aux valeurs emin et emax de ce même sol que l’on pourrait obtenir en laboratoire

emax − e ID = emax − emin emin :

indice de vide dans l’état la plus compacté

emax :

indice de vide dans l’état la moins compacté

4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse Sol saturé ou sol non saturé ♦ Relation entre la porosité et l’indice des vides :

n=

e 1+ e

e=

n 1− n

♦ Relation entre la masse volumique du sol sec et la masse volumique des particules :

ρd =

ρs

1+ e

= ρ s (1 − n )

♦ Relation entre la masse volumique du sol et la masse volumique du sol sec (ou des

particules) :

ρ = ρ d (1 + w)

ρ=

ρ s (1 + w) 1+ e

4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse Sol non saturé ♦

Expression de la masse volumique du sol :

ρ = ρ d + nS r ρ w ρ = ρ s (1 − n ) + nS r ρ w ρ + eS r ρ w ρ= s 1+ e

♦ Expression de la teneur en eau ou du degré de saturation :

w=

eS r ρ w

Sr =

ρs

ρs w ρ w .e

Sr =

w  1 1  ρ w  −   ρd ρs 

4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse Sol saturé (Sr = 1) ♦ Expression de la masse volumique du sol :

ρ = ρ d + nρ w ρ = ρ s (1 − n ) + nρ w ρ + eρ w ρ= s 1+ e

♦ Expression de la teneur en eau :

w=

eρ w

ρs

d’où

e=

wρ s

ρw

4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse Paramètres indépendants Les paramètres physiques définissent l'état d'un sol - état de compressibilité

poids volumique

- quantité d'eau

w ou Sr

- quantité de vides

e ou n

γs = constant (26,5 kN/m3)

La caractérisation d'un sol nécessite 3 paramètres indépendants

5- Structure des sols - Par ″structure″ du sol on entend à la fois l’arrangement des particules et des vides, et les forces agissant sur ces particules (forces de liaison, forces électriques). - Par ″fabric″ ou ″micro structure″ on entend l’arrangement des minéraux, particulièrement les minéraux de l’argile, observables au microscope optique ou électronique.

5- Structure des sols Sol grenu

Sol fin ou cohérent

d > 20 µm

forces de pesanteur

Sol organique

d < 20 µm

Mauvaises propriétés géotechniques

effet de surface forces entre les particules

Sables

Argiles

Propriétés géotechniques très différentes Comportement des sables → dépend de l’état de compacité

Comportement des argile → dépend de la quantité d’eau

5.1- 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

-

Essai d’équivalent de sable

-

Indice de densité

5.1.1- Essais d’équivalent de sable Evaluer la proportion relative d’éléments fins dans un sol • Essai simple et rapide • appareillage élémentaire • géotechnique routière

Principe • fraction < 5 mm • lavage énergique avec solution lavante • repos de l’ensemble

Résultat • floculat gonflé par la solution (particules fines) • dépôt solide (sable) au fond de l’éprouvette

h2 E.S. = .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

5.1.2- Indice de densité

Etat 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 matériaux

Sol lâche

e ≈ emax

ID ≈ 0

Sol serré

e ≈ emin

ID ≈ 1



5.2- Essais d’identification – Sols fins Comportement des sols fins - taille des grains → forces de cohésion

- présence d’eau → changement de consistance - Limites d’Atterberg - Limite de liquidité wL - Limite de plasticité wp - Indice de plasticité Ip - Indice de consistance Ic - Activité

5.2.1- Comportement des sols fins avec la variation de w

état liquide - pas de capacité portante état plastique - fortes déformations - déformations plastiques

état solide (avec retrait) - déformations élastiques état solide (sans retrait) - pas de changement de volume avec la baisse de w

5.2.2- Limites d’Atterberg • Limite de liquidité wL Méthode de Casagrande Teneur en eau pour laquelle une entaille est refermée sur 10 mm après 25 chocs

Méthode du cône de pénétration

Limites d’Atterberg • Détermination de wL

5.2.2- Limites d’Atterberg • Limite de liquidité wL En pratique

N wL = w   25 

0,121

5.2.2- Limites d’Atterberg • Limite de plasticité wp Teneur en eau correspondant à une limite arbitraire entre les états plastique et semisolide de la consistance d'un sol. cylindre de 3mm de diamètre se brisant en tronçons de 10 à 20 mm

5.2.2- Limites d’Atterberg • Limite de retrait ws - plusieurs échantillons de sol de même volume initial V0 et de même teneur en eau initiale wi - séchage pendant des durées différentes

5.2.2- Limites d’Atterberg • Indice de plasticité Ip

I p = wL − wP

étendue du domaine de plasticité - domaine de travail du sol - le plus grand possible

Habituellement wp < teneur en eau des sols en place < wL Degré de plasticité des sols Indice de plasticité

Degré de plasticité

0 < IP < 5

Sol non plastique

5 < IP < 30

Sol peu plastique

30 < IP < 50

Sol plastique

50 < IP

Sol très plastique

5.2.2- Limites d’Atterberg • Indice de consistance Ic

wL − wnat Ic = IP

Sol en place par rapport à l’état liquide

5.2.2- Limites d’Atterberg • 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

5.2.3- Activité

Ac =

Ip teneur en argile Classes d’activité

Nature Kaolinite Illite Montmorillonite

Activité 0,38 0,90 7,20

inactive normale très active

Activité Ac

Dénomination

0 < Ac < 0,5

inactif

0,5 < Ac < 0,75

peu actif

0,75 < Ac < 1,25

normal

1,25 < Ac < 2

actif

2 < Ac

très actif

5.2.4- Autres essais • Analyse minéralogique Diffraction des rayons X composition minéralogique • Teneur en matière organique

rétention d'eau, compressibilité • Teneur en carbonate de calcium

6- Classification des sols

• Classification : rattachement à un groupe de sols de caractéristiques semblables

• Nombreuses classifications dans différents pays - USCS - AASHTO -

LPC

- GTR (remblais et couches de forme)

6- Classification des sols Classification LPC

à partir des résultats fournis par - la granulométrie - les caractéristiques de plasticité de la fraction fine (Atterberg)

6- Classification des sols Sols à granulométrie uniforme Classification reposant sur le diamètre moyen des grains

6- Classification des sols Sols à granulométrie non uniforme • Majorité des cas • Trois types de sols : - sols grenus

50 % > 80 µm

- sols fins

50 % < 80 µm

- sols organiques > 10 %

6- Classification des sols Sols grenus Granulométrie et limites d’Atterberg

6- Classification des sols Classification des sols grenus en laboratoire (plus de 50% d’éléments >0,08mm) Définitions

Symbole LPC

Conditions

Appellations

Cu = D60/D10 > 4 et Grave propre bien graduée 1< CZ = (D30)2/D10D60< 3 Gm Une des conditions de Gb n’est Grave propre pas satisfaite mal graduée GL Limites d’Atterberg au-dessous Grave de la ligne A (fig.15) limoneuse GA Limites d’Atterberg au-dessus Grave argileuse de la ligne A (fig. 15) Cu = D60/D10 > 6 et Sable propre moins de 5% Sb 2 bien gradué Plus de 50% d’éléments < 1< CZ = (D30) /D10D60< 3 Sm Une des conditions de Sb n’est Sable propre des éléments > 0,08 mm Sable 0,08 mm ont un pas satisfaite mal gradué SL Limites d’Atterberg au-dessous Sable limoneux diamètre < Plus de 12% 2mm d’éléments < de la ligne A (fig.15) 0,08 mm SA Limites d’Atterberg au-dessus Sable argileux de la ligne A (fig. 15) Lorsque la teneur en particules fines (<0,08 mm) est comprise entre 5 et 12%, on utilise un double symbole. Par exemple : Sb-SL. moins de 5% Plus de 50% d’éléments < des éléments > 0,08 mm Graves 0,08 mm ont un diamètre > Plus de 12% d’éléments < 2mm 0,08 mm

Gb

6- Classification des sols Sols fins Limites d’Atterberg critère de plasticité

6- Classification des sols Sols organiques Exemple: Von Post

Teneur en matière organique (%) 0–3 3 – 10 10 – 30 >30

Désignation géotechnique Sol inorganique Sol faiblement organique fO Sol moyenne organique mO Sol très organique tO

Vase Sol tourbeux Tourbe

7- Compactage Le compactage est l’ensemble des opérations mécaniques qui conduisent à accroître la densité du sol en place. Cette opération a pour but de resserrer la texture du sol par une réduction des vides remplis d’air, donc de réduire les possibilités de déformation et d’augmenter la capacité portante. Le compactage des sols dépend notamment : - de la teneur en eau du matériau - de la nature du sol - de l’énergie de compactage

7- Compactage Influence de la teneur en eau

7- Compactage Influence de la nature du sol

7- Compactage Influence de l’énergie de compactage

chapite 1 et 2

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