Méc an i q u e d es sol s ols sI • Chapitre I Prop ropriété riétés s physi phy siqu que es des des sols sol s
• Chapitre II Hydra yd rauli ulique que des des sol s ols s
• Chapitre III Déformation fo rmations s des sols
• Chapitre IV Résist si sta ance nc e au cisaill ci saille ement des sols so ls
Chapitre I Propri rop rié étés tés phy p hysi sique ques s de d es sols s ols Objectifs de ce chapitre • Terminolo Terminologie gie de de base base et défi définitio nitions ns • Essais Essais simples d'iden d'identifica tification tion de dess constituant constituantss des sols • Classi Classific ficati ation on de dess sols sols
Chapitre I Propri rop rié étés tés phy p hysi sique ques s de d es sols s ols Objectifs de ce chapitre • Terminolo Terminologie gie de de base base et défi définitio nitions ns • Essais Essais simples d'iden d'identifica tification tion de dess constituant constituantss des sols • Classi Classific ficati ation on de dess sols sols
Chapitre I Propri rop rié étés tés phy p hysi sique ques s de d es sols s ols 1- Définition des des sols – éléme léments nts constitutifs d'un d' un sol 2- Caracté ractéristiq ristique ues s physique phys iques s des sols 3- Caracté ractéristiq ristique ues s dimension dimensionne nelle lles s 4- Structure des des sols 5- Essais ssais d'identific d'identifica ation – sols grenus grenus 6- Essais ssais d'ide d'id entifica ntific ation – sols fins fin s 7- Autres Autres essa essais is 8- Classifica lassification tion des sols 1. Définition des sols
2. Cara Caract ctér éris istitiqu ques es physiques
3. Cara Caract ctér éris istitiqu ques es dimensionnelles
4. Stru Struct ctur uree des des sols sols
5. Iden Identitififica catition on sols grenus
6. Iden Identitififica catition on sols fins
7. Autr Autre es ess essa ais
8. Clas Classi sififica catition on des sols
1- Définition – éléme léments nts constitutifs constitutifs d'un d' un sol so l 1.1 Définition des sols Matériaux Matériaux à la surface surface de l'écorc l'écorce e terrestr terrestre e
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. Cara Caract ctér éris istitiqu ques es physiques
3. Cara Caract ctér éris istitiqu ques es dimensionnelles
4. Stru Struct ctur uree des des sols 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
1. Définition des sols
2. Caractéristiques physiques
γ s
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 volumique…
γS =
- des grains solides - de l'eau
γW =
- total (du sol)
0
W
Wa
WW
- du sol sec
WS VS
W V
Air
γd =
WS V
- du sol saturé
γ sat =
VW
γ=
poids volumiques
WS
+ γ W ⋅ VV V
- du sol déjaugé
Eau
Vw
Ws
Solide
Vs
V
γ′ = γ sat − γ W ordre de grandeur
Va
Ww
=
Wsat
Vv V
19 9 ààà12 22 kN/m 26 27kN/m kN/m333 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
- porosité
n
=
VV
- indice des vides
- teneur en eau
V e =
- degré de saturation
0
W
Wa
VV
w
VS
Sr =
Air
VW VV
⋅ 100
Eau
Vw
Ws
Solide
Vs
WS
⋅ 100
relation pondérale
ordre de grandeur
Va
Ww
=
WW
Vv V
sable entre 0,25 0,50 1 0 àet15% 100% à1 0,50 argile 0,20 0,30 10 à 20% à1 0,80
2.2 Relations entre les paramètres
Les paramètres physiques définissent l'état d'un sol - état de compressibilité → poids volumique γs ≈ constant (26,5 kN/m3) → →
- quantité d'eau - quantité de vides
w ou S r 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
n
=
e 1
+e
e=
n 1
−n
[1]
n
[2]
n
[3]
Vv
=
V
*
[5]
e =
[6]
e
e
=
+e γ n = 1− γ γ −γ n= γ −γ 1
d
[7]
s
[4]
s
[13]
[16] [19]
[21]
[24]
Sr
=
γ′ =
Vw
*
Vv
[14]
n
γ −1 γ γ −γ e= γ −γ e
=
s
s
S r
=
d
[17]
[20]
[22]
γ −γ 1+ e
[25]
s
[12] w
w
d
r
w
s
r
w
d
s
γ ′ = (γ − γ ) ⋅ (1 − n ) s
w
s
=
=S
r
w
d
γ = γ +n⋅S ⋅γ γ + e⋅S ⋅γ γ= 1+ e γ = (1 − n ) ⋅ γ
w
γ −1 γ ⎛ 1 1 ⎞ ⋅ γ ⋅ ⎜⎜ − ⎟⎟ γ ⎠ ⎝ γ
w
s
γ γ
d
sat
γ w ⋅ γ e
*
Ws r
w
[11]
Ww
=
= e⋅S ⋅
w
[10]
−n
1
w
[9]
=
w
s
[15]
Sr
[18]
γ = (1 − n ) ⋅ γ + n ⋅ S ⋅ γ
w
γ 1+ e
s
Vs
sat
s
d
[8]
w
γ = (1 + w ) ⋅ γ 1+ w γ= ⋅γ 1+ e γ =
*
d
sat
s
=
Vv
[23]
[26]
w sat
(γd constant)
s
γ′ = γ
γ′ =
−γ
sat
w
γ −γ ⋅γ γ s
r
*
w
s
d
w
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
w
=
2 pesées : avant et après étuve à 105oC
Ww
- poids total - poids solide
Ws
2.3.2 Poids volumique
γ=
W V
γ
→ 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 n i é a m - échantillon recouvert d'une couche r e de paraffine n o n de la couche de paraffine (et son volume) n poids - pesée 2 → o l l n t i → volume total (échantillon + paraffine) a - pesée 3 (hydrostatique) h é c
n i é a m r e t n m e - poinçonnement dans l'échantillon e r è → é g aire de la section x hauteur l - volume V de l'échantillon n l l o i t n a é c h
• Méthode de la trousse coupante
• Méthode du moule
i é n a - remplissage d'un moule jusqu'à r débordement e m n l o l l'essai i Proctor - arasage à la règle → comme t n a h c é
2.3.3 Poids volumique des particules solides
γS =
WS
pesée
VS
à mesurer de façon précise
γ s
(a) pycnomètre (b) pesée hydrostatique
Pycnomètre - sol séché puis pesé (W s) - 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
+
sol sec
W1
=
Ws
W2 Ww = W2 - Ws
γS =
WS VS
=
WS Vtot
− Vw
W1
Ww
γw
γw
=
WS W1 − (W2
− Ws ) γs =
⋅ γw WS
W1 + Ws
−W
2
⋅ γw
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 sableSable fin Limon
20mm
2mm
0,2mm
0,02mm 20μ m
Argile 2μ m
Diamètre des grains décroissant
3.3 Caractéristiques granulométriques 3.3.1 Courbe granulométrique
• Les grains d'un sol ont des dimensions variables → quelques μ m 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 μ m - 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 %) - le diamètre des particules
échelle arithmétique échelle logarithmique
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
Cu
=
D60 D10
Cu > 2 → granulométrie étalée Cu < 2 → granulométrie uniforme ou serrée
coefficient de courbure
Cc
=
2 D30
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 d > 20μ m
forces de pesanteur
Sables
Sol fin ou cohérent d < 20μ m
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 h1
Nature
⋅ 100
Argile pure Sol plastique Sol non plastique Sable pur et propre
Equivalent de sable E. E. E. E.
S. = 0 S. = 20 S. = 40 S. = 100
5.2 Indice de densité
État de densité dans lequel se trouve un sol pulvérulent effet important sur le comportement mécanique
ID
=
e max e max
−e
− emin
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 w L 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 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
6.1 Limites d'Atterberg 6.1.1 Limite de liquidité w L
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 30
) % ( u a e n 25 e r u e n e T
20 10
15
20
25
Nombre de coups
N ⎞ ⎛ wL = w⎜ ⎟ ⎝ 25 ⎠
0 ,121
30
35
40
6.1.2 Limite de plasticité w p
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
= wL − wp
Ip
étendue du domaine de plasticité - domaine de travail du sol - le plus grand possible
Habituellement wp < teneur en eau des sols en place < w L 6.1.4 Indice de consistance Ic
=
Ic
wL
− w nat
sol en place par rapport à l'état liquide
Ip
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
A C
=
Ip teneur en arg ile
poids < 2 μm poids total sec (< 0,4 mm)
Nature Kaolinite
Activité 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 sableSable fin Limon
20mm
8.2 Granulométrie non uniforme
0,02mm 20μ m
Argile 2μ m
Diamètre des grains décroissant
8.2 Sols à granulométrie non uniforme
• Majorité des cas • Trois types de sols
- sols grenus 50% > 80 μ m 50% < 80 μ m - sols fins - sols organiques > 10% Sol
8.2.1 Sols grenus
Granulométrie et limites d'Atterberg
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
