DJAANI-BENMANSOUR

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Faculté des Sciences et Technologie et Sciences de la Matière Département d'Hydraulique et de Génie Civil Laboratoire Exploitation et Valorisation des Ressources Naturelles en Zones Arides

Mémoire de fin d’études En vue de l’obtention du diplôme de Master en Génie Civil

OPTION : Constructions Civiles et Industrielles (CCI)

THEME

dess sols gonflants de la région Stabilisation de d'In Aménas Aménas par ajouts des liants d'In--Aménas hydrauliques (Chaux et Ciment) Présenté par: DJAANI Mabrouka BENMANSOUR Samah Farah Présenté devant le jury :

Melle. H. MAOUCHE Mr. M. KEBAILI Examinateur : Mr. Med. S. ELABBADI Examinateur : Mr. A. ZENKHRI Encadreur : r Co-Encadreur : M . N. KEBAILI Présidente :

M.C.B M.A.A M.A.B Magistèr M.A.A

Promotion 2010-2011

Univ. Ouargla Univ. Ouargla Univ. Ouargla Univ. Ouargla Univ. Ouargla

Nous exprimons toute notre gratitude et sincère dévouement à Dieu Le Tout puissant qui grâce à son s on aide nous avons terminé ce modeste travail. travai l.

Nous tenons

à remercier chaleureusement notre promoteur Mr. ZANKHRI

pour son aide et son encadrement, ses encouragements et surtout sa compréhension durant toute la période de préparation de ce mémoire. Nous remercions également l’honorable jury qui a bien voulu examiner notre travail.

Nos

professeurs qui nous ont

enrichis

de connaissances et tout le

département de génie civil.

Tous les membres du Laboratoire des Travaux Travaux Publics du Sud Ouargla et un grand merci à Mr. HAFSI Pour son aide, lors de la préparation de ce mémoire sans oublier les membres du Laboratoire des Travaux publics de Ghardaïa.

W°w|vtvxá Je dédie ce projet de fin d’étude en premier lieu lieu à mes parents qui m’ont aidé et soutenu durant toutes to utes ces longues années d’étude A mon époux qui m’a aidé et soutenu durant toutes mes années d’étude universitaire A mes frères et mes frères frère et mes mes sœurs sœurs A mon joli bébé Mouhamed ouai ouai A toute la famille A toutes la promotion M! "énie #ivil $%&%' $%&% '' $%&&( )urtout mon bin*me bin* me et je la remercie pour tout ses bin*me effort oncles A tous tous mes tantes et oncles

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Résumé :

Plusieurs études ont été effectuées sur le phénomène de gonflement des sols. Ce phénomène qui reste non maîtrisable, provoque des grands dégâts à travers le monde, et les études qui ont été menées ; même à présent ; ont pour but d’atténuer l’intensité de ces dégâts, et ce en comprenant le comportement des sols expansifs et en maîtrisant les facteurs qui pourraient influencer ce comportement. Une étude bibliographique a été menée, pour recueillir le maximum d’informations qui concerne le phénomène de gonflement des argiles, ainsi qu’une présentation de quelques résultats bibliographiques sur les facteurs influencent le potentiel de gonflement. En citant les différentes techniques de la stabilisation des argiles ainsi qu’ une présentation de quelques résultats bibliographiques sur la stabilisation du gonflement. Ensuite, une caractérisation des matériaux utilisés était effectuée à la base de l’étude bibliographique, il s’agit des essais géotechniques mécaniques standards, en plus des chimiques. Cette étude a été réalisée sur des sols provenant d’In-Aménas. On conclu notre travail par une étude expérimentale portant sur l’effet de la chaux et du ciment à différentes concentrations sur le taux et la pression du gonflement afin de déduire une méthode pratique simple, économique et efficace de minimisé le phénomène de gonflement. Mots-clés : Stabilisation, sols gonflants, ciment, chaux, oedomètre.

Table des Matières

LISTE DES FIGURES LISTE DES TABLEAUX LISTE DES PHOTOS INTRODUCTION……………………………………………………………………1 CHAPITRE I : Synthèse Bibliographique Sur Le Phénomène De Gonflement I. 1. Introduction…………………………...…………………………………….......3 I.2. Argiles……………………………………………………………………........3

1. argiles plastiques.………………………………………….………..........3 2. argiles raides.…………………………………….………………...…......3 I.3. Structure élémentaire des minéraux argileux……………………………….....4 I.4. Structure moléculaire microscopique des argiles…………..…………………..5 I.4.1. La Kaolinite ……………………………………………………….....6 I.4.2. L'Illite ……………………………………………………………….....6 I.4.3. La Montmorillonite ……………………………………………….......7

I.5. Gonflement interfoliaire et interparticulaire……………………………...........8 I.6. Mécanismes de gonflement ……………… ………………………………….......8 I.7. Causes et conséquences du gonflement………………………………………....9 I.7.1. Causes du gonflement……………………………………………………….....9 I.7.2. Conséquences du gonflement………………………………………………....10 I.7.2.1. Cas des bâtiments……………………………………………………..10 I.7.2.2. Cas des voiries et réseaux divers……………...………………..........11 I.7.2.3. Cas des chaussées…………………………………………………......12 I.8. Nature et manifestation du phénomène …………………………………….....12

.

I.8.1. Phénomène de retrait-gonflement n'affecte que les sols riches en minéraux

argileux gonflants"……………………………………………….………………….13 I.8.2. Elément intervenant au gonflement …………………………………......13 I.8.2.1. Hydrogéologie……………………………………………………....13 I.8.2.3. Topographie……………………………………………………….....13 I.8.2.4. Actions anthropiques……………………………………………......13 I.9. Mécanisme du retrait/gonflement ……… …………………………………......14 I.9.1. Désordres nombreux et coûteux pour la collectivité…..........................14 I.9.2. Techniques évitement les variations localisées d'humidité....................14

I

Table des Matières I.9.3. Eloigner les plantations d'arbres………………………………….…...15 I.10. Conclusion ……………………………………………………………………..16

Chapitre II : Caractéristiques de la région d’In-Aménas II.1. Situation……………………………………………………...………………...17 II.2. Contexte Géo-environnemental.…………………………………………..…..17 II.2.1 Géologie……………………………………………………………..…..17 II.2.2. Stratigraphie………………………………………………………......17 II.2.3. Climat…………………………………………………………….…....18 II.2.3.1. Précipitations……………………………………………………18 II.2.3.2. Températures…………………………………………………...18 II.2.3.3. Vents…………………………………………………………......19 II.2.3.4. Végétation……………………………………………………….19 II.2.3.5. Classification du climat………………………………………..19 II.3. Sol d’In-Aménas ……………………………………………………………...18 II.3.1. Minéralogie…………………………………………………………...18 II.4.Composition chimique des minéraux….…………………………………......20 II.5. Analyse des Eaux……………………………………………...……………....20 II.5.1. Eaux naturelles…………………………………………………...…..20 II.5.2. Eaux de rejet …………………………………………………………21 II.6. Diffueront problèmes dans la région d'In-Aménas ….……..……………..21 II.7. Conclusion…………………………………………………………………..23

Chapitre III : Techniques de constructions sur sol expansif III.1. Introduction …………………………………….……………………….......24 III.2. Fondations sur sol gonfle…………….……………………………..……….24 III.2.1. Semelles superficielles sur remblai…………………………….......24 III.2.2. Semelles superficielles sur remblai partiel et vide sanitaire……..25 III.2.3. Fondation profonde ……………………………………………....25 III.3.Techniques de stabilisation utilisées ………………………………………..26 III.4. Chaux………………………………………………………………….……..26 III.4.1. Différents types de chaux………………………………………… .29 1) Echange cationique ………………………………………….……..…..29 2) Floculation ………………………………………………………….....29

II

Table des Matières 3) Carbonatation……………………………………………………...........29 4) Réaction pouzzolanique ………………………………………….........29 III.4.2. Action de la chaux sur les argiles…………………………………...……30 III.5. But de la stabilisation ……………………………………………….….......30 III.6. Méthode d'utilisation de la chaux dans le traitement du sol ………….....32 III.6.1. Malaxage sur place ………………………………………….........32 III.6.2. Technique d'injection ……………………………………………...33 III.7. Traitement aux Ciments ……………………………………………………...33 III.7.1. Ciments ………………………………………………………..……34 III.7.2. Production du ciment par mouture /malaxage des constituants. 34 III.8. Conclusion………………………………………………………………...…….35

Chapitre IV : Méthodes Indirectes de Caractérisation IV.1. Introduction:…………………………………………………………….....36 IV.2. Intervention sur site ……………………………………………………….36 IV.3. Méthodes indirectes de caractérisation…………………………………...37 IV.3.1. Analyse granulométrique ……………………………………….37 IV.3.1.1. Conduite de l'essai……………………………………………..38 IV.3.1.2. But…………………………………………………………..…. 39 IV.3.1.3. Principe d’essai de sédimentation…………………….…...... 39 IV.3.1.4. Calculs et Résultats …………………………...………….….38 IV.4. Limites d' Atterberg: ………………………………………………….….41 IV.4.1. Activité des argiles ……………………………………………..41 IV.4.2. Indice de plasticité I P………………………………………….. 42 IV.4.3. Indice de consistance I C……………………………………………………….…... 43 IV.4.4. Limites d' Atterberg: NF P 94-051……………………………45 IV.4.4.1. Objectif ……………………………………………………….45 IV.4.4.2. Principe……………………………………………………...…45 IV.4.4.3. Appareil de Casagrande…………………………………..... 46 IV.4.4.4. Calculs et Résultats ………………………………………....47

III

Table des Matières IV.5. Essai au bleu de méthylène : NF P 94-068………………………………… 48 IV.5.1. Principe de l'essai ……………………….………………………...48 IV.5.2 . Préparation de l'échantillon ………………………………… …48 IV.5.3. Classification des sols après essai……………………………… ...49 IV.5.4. Calculs et Résultats ………………………...……………………. .50 IV.6. Essai de cisaillement NF P 94-71 ………………………………………......51 IV.6.1. Matériel utilisé…………………………………………………….51 IV.6.2. Résistance au cisaillement…………………………………...…...52 IV.6.3. Calculs et Résultats ………………………...…………………...52 IV.7. Essai la densité NF P 94-064 …………………………………………….....52 IV.7.1. Objectif ………………………………………………………….53 IV.7.2. Préparation de l’essai…………………………………………...53 IV.8. Analyse chimique ………………………………………………...……..… .53 IV.8.1. Sulfates ………………………………………………...……. ..53 IV.8.2. Carbonates………………………………………………..…...54 IV.8.3. Chlorures…………………………………………………….....54 IV.8.4. Calculs et Résultats ……………………………………….....55 IV.9.Conclusion ……………………………………………………………..56

Chapitre V : Solution et Interprétation V.1. Méthodes de Mesure du Potentiel de Gonflement…………………… 57 V.1.1. Méthode de MYSLIVEC ……………………………………..57 V.1.2. Méthode Chinoise . ……………………………………….......58 V.1.3. Méthode du C.E.B.T.P …………………………………...…..59 V.1.4. Méthode de FU HUA CHEN ………………………………...59 V.1.5. Méthode de HUDER et AMBERG ……………………...…..60 V.1.6. Méthode de FIRTH …………………………………………..60 V.1.7. Méthode du double oedomètre…………………………..…...61 V.2. Essai de gonflement a l’oedomètre NF P 94 -91 …………….……..….…..62 V.2.1. Définition……………………………………………...…........62 V.2.2. Préparation ..……………………………………....………....62 V.2.3. Calculs et Résultats ……………………………………........63

IV

Table des Matières a) Traitement à la chaux………………………......63 b) Traitement au ciment…………..…………….....63 V.4. Essai de gonflement à l’ oedomètre…….………………………………..63 V.4.1 Objectif…………………………………………………………...63 V.4.2. Principe ……………………………………………………….....63 V.4.3. Equipements nécessaires……………………………..…….…....63 V.4.4. Mode opératoire ……………………………………………......64 V.5. Interprétation des résultats :…………………………………......65 a) Traitement à la chaux …………...…….65 b) Traitement au ciment…………….….....65 V.6. Conclusion ………………………………….....................................80

V

Liste des tableaux Tableau I-1

Caractéristiques des argiles

07

Tableau II-1

Moyenne des précipitations mensuelles relevées à In-Aménas

18

Tableau II -2

Composition chimique des minéraux

20

Tableau II-3

Composition chimique des eaux

21

Tableau III-1

Avantages et inconvénients des techniques de stabilisation couramment 31 utilisées

Tableau IV-1

Activité des argiles

42

Tableau IV-2

Potentiel de gonflement fonction de l’activité

43

Tableau IV-3

Classification de l'argilité d'un sol selon l'indice de plasticité IP

44

Tableau IV-4

Limites d’Atterberg et indice de plasticité de certains minéraux argileux

44

Tableau IV-5

Etat du sol en fonction de l’indice de consistance

45

Tableau IV-6

Surface spécifique et C.E.C. de quelques minéraux argileux d'après MOREL

50

Tableau IV-7

Calculs et résultats de paramètre physique et chimique

55

Tableau IV-8

Calculs et résultats de paramètres mécaniques

55

H max pour chaque palier

76


76


77

∆


77

Tableau V-7

H moy pour chaque échantillon ∆H moy pour chaque échantillon ∆H moy pour chaque échantillon

78 78 78

Tableau V-8

∆

H moy pour chaque échantillon

79

Tableau V-1

∆

Tableau V-2

∆

Tableau V-3

∆

Tableau V-4 Tableau V-5

∆

Tableau V-6

Tableau V-9

Calculs et résultats du potentiel de gonflement et de pression de gonflement

IX

79

Liste des photos

Photo II-1

: Fissure dans les murs…………………………………………………………....21

Photo II-2 : Fissure diagonales………………………………………………………………22 Photo II-3 : Cisaillement à niveau des nœuds……………………………………………….22 Photo II-4 : Fissures dans les murs au niveau de la fenêtre.………………………………...23

Photo à l’ annexe I Photo A : Fissure dans les murs et retrait –gonflement dans les trottoirs…………………..…1 Photo B : Dégradation des

Chaussées………………..………………………………………..2

Photo C : Gonflement –retrait la poutre et murs………………………………………………3 Photo D : Fissures diagonales dans les murs et retrait –gonflement dans le mur et les

trottoirs…………………………………………………………………………………………4

X

Liste des figures Figure I-1

Structure élémentaire Tétraédrique

04

Figure I- 2

Structure élémentaire octaédrique

05

Figure I-3

Structure particulaire de la Kaolinite

06

Figure I- 4

Structure particulaire de l'Illite

06

Figure I-5

Structure particulaire de la Montmorillonite

07

Figure I-6

Photographies au microscope électronique a balayage des argiles

08

Figure I-7

Formes et directions de fissuration

11

Figure I-8

Formes de dégâts sur des bâtiments reposant sur des terrains gonflants

11

Figure I-9

Dégradation de Chaussée

12

Figure I-10

Risque a pendre en compte lors de la construction

14

Figure I-11

Techniques de préventions de gonflement du sol

15

Figure I-12

Eloigner les plantations d'arbres

16

Figure III-1

Semelle superficielle sur remblai

24

Figure III-2

Semelle superficielle sur remblai partiel + vide sanitaire

25

Figure III-3

Fondation profonde

26

Figure III-4

Traitement par malaxage

32

Figure III-5

Technique par injection

33

Figure IV-1

Plan de situation et prise d’échantillon à In Amenas

37

Figure IV-2

Essai granulométrique

38

Figure IV-3

Diagramme semi logarithmique par granulométrique

39

Figure IV-5

Appareil agitateur et solution

40

Figure IV-6

Essai de sédimentation

40

Figure IV-7

Courbe granulométrique

41

Figure IV-8

Diagramme de classification du potentiel de gonflement

43

Figure IV -9

Limite de liquidité

46

Figure IV-10

Limite de plasticité

46

Figure IV-11

Appareil de Casagrande

47

Figure IV-12

Préparation de l’échantillon

47

Figure IV-13

Abaque de Casagrande

48 VI

Figure IV-14

Essai au bleu de méthylène

49

Figure IV-15

Structure minéralogique de l’argile d’In Amenas

51

Figure IV-16

Appareil de cisaillement et préparation de l’échantillon

52

Figure IV-17

Essai d’analyse chimique aux sulfates

54

Figure IV-18

Essai d’analyse chimique aux carbonates

54

Figure IV-19

Appareil à mesure PH

55

Figure V -1

Détermination de la pression de gonflement selon la méthode de MYSLIVEC.

57

Figure V-2

Détermination de la pression de gonflement selon la méthode Chinoise

58

Figure V-3

Détermination de la pression de gonflement selon la méthode C.E.B.T.P.

58

Figure V- 4

Détermination de la pression de gonflement selon CHEN

59

Figure V-5

Détermination de la pression de gonflement selon la méthode de

59

HUDER et AMBERG. Figure V-6

Détermination de la pression de gonflement selon la méthode de FIRTH

61

Figure V-7

Détermination de la pression de gonflement selon la méthode du double

61

oedomètre Figure V-8

Appareil Oedomètrique

62

Figure V-9

Gonflement en fonction du temps (sol naturel)

65

Figure V-10

Gonflement en fonction du temps (2% Chaux)

66

Figure V-11

Gonflement en fonction du temps (4% Chaux)

66

Figure V-12

Gonflement en fonction du temps (1% Ciment)

67

Figure V-13

Gonflement en fonction du temps (échantillon 1)

67

Figure V-14

Tassement en fonction du temps (échantillon 2)

68

Figure V-15


68

Figure V-16


69

Figure V-17

Tassement en fonction du temps (échantillon5)

69

Figure V-18


70

Figure V-19


71

Figure V-20


71

Figure V-21


72

Figure V-22


72

Figure V-23


73

Figure V-24


73

VII

Figure V-25

Courbe de ∆h (mm) fonction de σ(kPa) sol naturel

70

Figure V-26

Courbe de ∆h (mm) fonction de σ(kPa) 2 %Chaux

70

Figure V-27

Courbe de ∆h (mm) fonction de σ(kPa) 4 % Chaux

71

Figure V-28

Courbe de ∆h (mm) par fonction de σ(kPa) 1%Ciment

71

VIII

Introduction Générale

Le terme "sol" est utilisé en génie civil pour désigner un matériau constitue d'un agrégat naturel de particules minérales de dimensions comprises dans des limites prédéfinies. Les sols argileux sont constitués de minéraux varient dont l’affinité à l’eau dépend de plusieurs paramètres, entre autre la structure minéralogique. Certains sols comportent une proportion de particules argileuses telles que les Illites et les Smectites, etc. Quand ils sont humidifiés à partir d'un état sec, ils subissent des gonflements dus d’une part, à l'absorption des molécules d'eau sur la surface extérieure des particules et d’autre part, à la pénétration des molécules d'eau entre les feuillets dont, l'empilement constitue les particules d'argile. Ce gonflement des argiles dépend des conditions de l'état de compacité du sol et des conditions hydriques. Inversement, si la quantité d'eau diminue dans le sol, il subit une diminution de volume relativement importante. Ceci provoque en particulier le développement d'un réseau de fissures dû au retrait/gonflement en surface. Ces phénomènes de gonflement et de retrait sont à l'origine de nombreux désordres tant pour les constructions en surface (bâtiments, ouvrages de soutènement, remblais) que pour les ouvrages enterrés (tunnels, pieux). Le gonflement est un problème complexe qui touche plusieurs pays tels que l'Afrique du sud, l'Algérie, l'Arabie Saoudite. En Algérie, plusieurs cas de désordres très préjudiciables, sont liés au gonflement. On cite à titre d'exemple, l'hôpital de Batna et la raffinerie d’In-Amenas. Ce dernier est un exemple frappant puisqu’ il concerne des ouvrages pétroliers déplacés à un autre endroit, et ceci peut se répercuté sur l'économie. L'expérience vécue à In-Aménas est singulière et est assez instructive pour mériter d'être portée à l'attention des ingénieurs et spécialistes du métier. Plusieurs techniques de construction, de stabilisation et de confortement, ont été utilisées dans le domaine de génie civil afin de résoudre les problèmes vécus. Les solutions salines, l'ajout de sable et les traitements par liants hydrauliques (chaux, ciment, cendres volantes, …) les traitements organiques (huiles, goudrons, bitumes, résines naturelles, polymères, …) et les techniques préventives sont les techniques les plus utilisées. La présente étude est une contribution de stabiliser les sols de la région d’In-Aménas en utilisant un traitement hydraulique par l’ajout de pourcentage de chaux et de ciment. La chaux et le ciment sont réputés pour leur pouvoir stabilisateur des sols. La muraille de chine comporte des indices d'utilisation de la chaux. Dans un sol expansif, l'ajout de 2% à 8% de chaux ou de ciment diminue visiblement son potentiel de soflement (Chen, 1988).

La présente étude consiste à caractériser le sol, d’identifier le potentiel de gonflement et de stabiliser le sol par ajout des pourcentages de chaux et de ciment afin de bénéficier de leurs efficacités sur le sol d’In-Aménas. Cette étude est menée par les chapitres suivants : •

Le premier chapitre est une introduction et recherche bibliographique. Cette dernière permet une reconnaissance du phénomène de gonflement des sols et le recensement de solutions existantes. Un examen analytique de chaque technique est présenté.

•

Dans le deuxième chapitre, la région d’In-Aménas est identifiée selon les aspects géographiques, climatiques, géologiques et géotechniques.

•

Le troisième chapitre

•

Le quatrième chapitre présente les définitions et les modes opératoires des essais d'identifications réalisés et de caractérisation des argiles de la région d'étude. Les résultats d’essai réalisés dans le laboratoire et l'estimation et la classification du potentiel du gonflement.

•

La stabilisation de sol gonflant par traitement hydraulique (chaux et ciment) est expliquée dans le cinquième chapitre.

•

Les essais oedométriques de mesure et de stabilisation du gonflement de sol par ajout de chaux et de ciment sont expliqués. Les résultats des essais sont discutés et interprétés afin de critiquer la faisabilité et l’adéquation de cette technique de stabilisation sur les sols d’In-Aménas.

Enfin, une conclusion générale qui résume les intérêts de l’étude et présente les recommandations essentielles tirées de cette étude.

Chapitre II :

Caractéristiques de la région d’In-Aménas

Caractéristiques De La Région D’In-Amenas

II.1. Situation

La région d'In-Aménas est située à 1600 km au sud-est de la capitale Alger. Elle est repérée par les latitudes 28-05 Nord et longitudes 09-63 Est. La région se trouve à une altitude de 561 mètres et se caractérise par une morphologie plutôt aplatie avec absence quasi-totale de drainages naturels superficiels. II.2. Contexte Géo-environnementale II.2.1 Géologie

Les données géologiques locales montrent que la formation principale rencontrée dans la région appartient à la série des argiles triasiques; région qui renferme les plus importants gisements pétroliers du Sahara. Des sondages pétroliers ont montré que cette formation d'argile a une puissance supérieure à 180 m et surmonte la formation carbonifère. Les multiples études de sols réalisées dans la région ont révélé la présence d'un sol composé essentiellement d'argile rouge bariolée (mauve, jaune, vert et bleu), très compacte, couverte en surface par une couche altère. Cette couche d'altération est le produit de l'action conjuguée du soleil, de la pluie et des vents de sable. Ces phénomènes thermoclastiques sont à la base des fractures subverticales replies de sable existant dans le sous-sol. Le vent apporte du sable qui est entraîne par les faibles pluies dans les fissures qu'il colmate. II.2.2. Stratigraphie

De nombreuses études de sol ont été effectuées sur les sols d'In-Aménas pour le compte de compagnies nationales implantées dans la région. Ces études ont été réalisées par des laboratoires nationaux et étrangers dans le cadre de conception d'ouvrages ou dans le cadre d'expertises. La synthèse de ces études montre que les argiles de la région se présentent suivant une stratigraphie assez régulière et globalement homogène selon à de 5 couches : -

Une couverture sableuse ou couche d'altération de quelques centimètres à quelques décimètres par endroits.

-

Un horizon supérieur constitué de matériau limono- argileux de couleur rougeâtre (ARG.2.) Cet horizon épais de 1.5 m en moyenne contient des mud-cracks. Par endroits ce matériau présente une couleur violette (ARG.3). L'homogénéité de cet horizon en 17

Chapitre II :


plan est interrompue seulement par de légères variations latérales. Il se présente par endroits plus riches en altérations jaunâtres et en argile. -

Un horizon argileux compact presque dépourvu de fractions sableuses. Cet horizon de couleur rougeâtre est légèrement plus sombre que la couche supérieure. Dans les tranchées, ce matériau se présente en petits blocs compacts séparés les uns des autres par de nombreuses fractures dans les faces.

-

sont ondulées et polies, ce qui témoigne de la grande sur consolidation de cette argile (ARG1). On trouve dans cet horizon de la litho types bariolés de vert clair parfois argileux parfois sableux se présentant sous forme de lentilles éparpillées ou en noyaux concentrés ou en étages discontinus.

-

Un étage argileux verdâtre relativement mince qui apparaît dans les tranchées à une profondeur de 3 à 4 mètres pas toujours bien délimité aux bords (ARG.4.).

-

Un horizon inférieur constitué d'argile limono- sableuse rougeâtre identique à l'horizon argileux compact mais visiblement moins compact et plus fracturé.

II.2.3. Climat

Le climat de la région d'In-Aménas se caractérise par une longue saison estivale sèche et chaude, et une saison hivernale douce et plus ou moins pluvieuse. La valeur des précipitations est très faible et est variable d'année en année au point de vue quantité et répartition. II.2. 3.1. Précipitations

La moyenne des précipitations annuelles déterminée par la station d'In-Aménas pour la période 1975-1984 est de 29 mm/an. Dans cette région la notion de moyenne ne reflète guère la réalité à cause de la très grande variabilité de la quantité de pluie (Tableau II-1). Les pluies tombent pendant 14 jours en moyenne pendant la période hivernale. Tableau II-1 : Moyenne des précipitations mensuelles relevées à In-Aménas (1975-1984). Mois Précipitations (mm)

Jan Fev Mar Avr Mai Juin Juil Aout Sept Oct Nov Dec 1.9 2.6

4.5

0.1

3.4

3.2

0.0 0.0

1.9

3.8 3.1

4.4

II.2.3.2. Températures

Les températures moyennes sont comprises entre 10 °C et 32 °C. La grande différence entre les températures moyennes de l'été et celles de l'hiver montre l'importance de la chaleur estivale. 18

Chapitre II :


II.2.3.3. Vents

Dans les régions arides, les vents jouent un rôle primordial dans la formation des reliefs, dans la dégradation de la végétation des sols (Halitim, 1984). Les vents au sud sont généralement secs et froids en hiver et deviennent chauds et desséchants en été (Sirocco). On estime que le Sirocco sévit pendant environ 15 jours/an créant des vents de sable. Les vents font baisser le degré d’humidité jusqu’à 2%. II.2.3.4. Végétation

La végétation de région est très éparse et est de nature basse. Elle est constituée de groupements végétaux, du type steppique, azonaux et de peu d'espèces. II.2.3.5. Classification du climat

Afin de synthétiser les données météorologiques ci-dessus présentées, on utilise les indices climatiques suivants : -

L'indice xérothermique : Il représente le nombre de jours biologiquement secs au cours de la période sèche. Il est calcule en retranchant du nombre de jours de la période sèche, le nombre de jours pluvieux ou supposés humides.

-

L'indice d'aridité de De Martonnet (1923), est donné par la relation : Ia =

P T + 10

Dans laquelle P : est la pluviométrie annuelle en millimètres. T : est la température annuelle moyenne en (°C). -

Indice d'aridité (Ia ) = 0,82

-

Indice xérothermique (Ix) = 365-14 =351 Les sondages géotechniques, effectués à différents endroits de la région, jusqu'à une

profondeur de 20 m n'ont pas mis en évidence la présence d'une nappe phréatique. Cependant, la ville d'In-Aménas est alimentée en eau potable à partir d'une source qui se trouve à 50 kilomètres de la ville. Les puits forés dans la région d'In-Aménas, à des profondeurs de 180 à 250 mètres, ont mis en évidence la présence d'une nappe souterraine profonde du type albien.

19

Chapitre II :


II.4. Sols d’In-Aménas II.4.1. Minéralogie

Les analyses par diffraction aux rayons X de 3 échantillons ont révélé que ces argiles sont à prédominance de kaolinite avec présence, en moindre importance d'interstratifiés "illite-vermiculite" et de silice cristallisée en minéraux associés. (Derriche Z et al. 2002). II.5. Composition Chimique des Minéraux

Plusieurs échantillons d'argile font l'objet d'une analyse chimique. Les résultats de ces analyses (Tableau 2) font ressortir la forte proportion de silice (>50%) comparée à celle de l'alumine (<20%). Ces proportions donnent aux échantillons de testé des rapports silicealumine (Al2O3) et silice-sesquioxydes comparables à ceux des sméctites (Caillère et al, 1988). Ce

résultat semble indiquer la présence, en proportion non négligeable, des minérales

argiles d'In-Aménas. On peut grossièrement estimer la proportion 'illite présente dans les sols d'In-Aménas à 10% à 40 %. Cela en considérant qu'une illite pure pourrait contenir de 9 % à 10 % de potasse. D'autre part la forte proportion enregistrée pour la silice souligne, comme il a été noté lors des analyses minéralogiques, la présence de silice en minéraux associés. Tableau II -2 : Composition chimique des minéraux. ARG1 ARG2 ARG3 ARG4

SiO2 69 56.3 58.7 56.2

Al2O3 Fe2O 12.69 15.12 19.32 20.44 -

CaO 0.57 1.54 1.23 1.53

Fe2O3 MgO Na2O 5.69 0.67 8.32 0.66 7.0 0.65 4.81 0.67

K2O TiO2 MnO H2O SO3 SiO2 /ALO2 1.8 - 6.81 9.21 2.8 - 9.88 6.81 1.3 9.5 5.15 2.4 - 10.8 4.66

II.6. Analyse des Eaux II.6.1. Eaux naturelles

Une analyse de l'eau provenant du puits de la raffinerie a donné les résultats consignés dans le tableau (II-3). On remarque, d'après ces résultats que les eaux de la nappe sont fortement minéralisées puisqu'on y trouve plus de 1600 milligrammes de sels par litre d'eau. On peut conclure par conséquent que les nappes de la région présentent un faciès chimique généralement chloruré sodique. Ce qui pourrait que les sols de région soit des sols salins à complexe sodique.

20

Chapitre II :


Tableau II-3 : Composition chimique des eaux. Eléments

Fe2+

Eaux brutes (mg/l) Eaux de rejet (mg/l)

8.84 180 129.6 -

Ca2+

4.9

Mg2+

CO32-

HCO3-

SO42-

Ba2+

Cl-

Na+

P3-

K+

0

207.4

Trace

0

519.5

585

-

-

-

-

-

-

-

5

4800 18 50.5

II.6.2. Eaux de rejet

Parce que les eaux de rejet de l'usine de raffinage représentent la quasi- totalité des eaux d'infiltration du complexe, la composition chimique de ces eaux est analysée (Tableau II-3). Il ressort des résultats trouvés que lors des traitements que subit l'eau brute dans les utilités il se produit dans l'eau une réduction des cations bivalents contre une augmentation considérable des cations monovalents en l'occurrence le sodium et l'apparition de nouveaux ions; le potassium et le phosphore (élément dispersant) avec en même temps une augmentation nette de la quantité de sels dissous (près de 5000 milligrammes/litre). II.7. Différents problèmes dans la région d'In-Aménas

Le problème principal da la région d'In-Aménas est le gonflement/retrait qui cause des fissures apparaissant clairement sur

les constructions et sur les routes. Ces fissures

occasionnent des ouvertures dans les fenêtrer et les porte et elles se propagent dans la maçonnerie et la structure de l’ouvrage.

Photo (II-1) : Fissure sur les murs (Zenkhri ,2010).

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Chapitre II :


Photo (II-2) : Fissures diagonales (Derriche Z et al. ).

Photo (II-3) Cisaillement au niveau des nœuds (Derriche Z et al. ).

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Chapitre II :


Photo (II –4) : Fissures dans les mures au niveau de la fenêtre (Derriche Z et al. ).

II.8. Conclusion

Les conditions environnementales de la région d’In-Aménas causent l’affinité du sol à l’eau. Ceci favorise dans un sol argileux en présence d’eau le gonflement de celui-ci. Plusieurs types d’argiles existe dans les la région d’In-Aménas. Ces sols occasionnent des désordres dans les ouvrages de génie civil. Les photos présentées ci-dessus montrent les dégradations que subissent les bâtiments. De ce fait, il est nécessaire de trouver un remède afin de minimiser et de conforter les structures civiles construites sur ce type de sol à InAménas.

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CHAPITRE I :

REVUE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LE PHENOMENE DE GONFLEMENT DU SOL

Revue Bibliographique Sur Le Phénomène De Gonflement Du Sol I. 1. Introduction

Le gonflement de certains sols ou de certaines roches sédimentaires constitue un phénomène très important en géotechnique car il est à l’origine de nombreux dommages pour les ouvrages en surface et souterrains. Ce phénomène prépondérant dans les matériaux argileux, dépend des caractéristiques minéralogiques de l’argile en question. Il s’amorce lorsque le matériau est mis en contact avec l'humidité. Le gonflement est généralement accompagné d'un changement des caractéristiques mécaniques et physico-chimiques du sol, ce qui peut avoir une influence sur la durée de vie de l'ouvrage. Les conséquences du gonflement sont nombreuses et dépendent principalement du type d'ouvrage, technique de construction et potentiel de gonflement. Les ouvrages sont sujets au gonflement principalement dans la structure et la maçonnerie du bâtiment. Parmi ces derniers, Les maisons individuelles, construites sans mesures de précaution de construction sur ce type de sol, sont sujettes à des dégradations et des fissures au niveau des poteaux, des murs de remplissage et des fondations (radier, semelle superficielle, ou filante et les pieux). Les dommages touchent aussi les réseaux de drainage qui peuvent, par exemple, subir des inversions de pente provoquant le débordement des drains alimentant ainsi le phénomène de gonflement (Mouroux et al., 1988). Le présent chapitre est une synthèse bibliographique qui tend à explique le phénomène du gonflement du sol. I.2. Les argiles

Les argiles sont des sols très sensibles à d'eau. Elles sont à l'origine de nombreux désordres dans les constructions. Elles peuvent être classées en deux grandes catégories : 1. argiles plastiques : indurés et très déformables. 2. argiles raides : indurées

et présentent un comportement plus fragile que de la limite

d'élasticité. Ceci à cause de la présence des carbonates et du quart microscopique. Les argiles sont formées par l'assemblage de particules de taille inférieure à 2 µm chargées négativement comme la Smectite, l'Illite et la Kaolinite. La présence de tels minéraux rend l'argile fortement sensibilité aux molécules polaires d'eau. Cette sensibilité se

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CHAPITRE I :


traduit par le gonflement et/ou le retrait du sol. C'est la variation de la teneur en eau qui est le facteur déclenchant des variations de volume. Une augmentation de la teneur en eau entraîne le phénomène de gonflement tandis que sa diminution induit le phénomène de retrait. La variation du volume des argiles est fortement influencée par les facteurs microscopiques et macroscopiques. A l'échelle microscopique, ces facteurs sont complexes et dépendent principalement des propriétés minéralogiques des matériaux argileux et des propriétés chimiques du fluide hydratant. A l'échelle macroscopique, ils dépendent des liaisonnes électriques entre les particules. I.3. Structure élémentaire des minéraux argileux

Tous les minéraux argileux sont composés par l’assemblage, en réseau cristallin, d’eau (H2O), de silice, sous forme de silicates (SiO3) et d’aluminium, sous forme d’alumine (Al2O3). Leur structure élémentaire, appelée feuillet, est constituée d’un arrangement de deux cristaux de base : silicates et alumines. Chaque minéral argileux est composé d’un empilement de feuillets (Tarek Kormi 2003). Ce dernier a un nombre variable de couches pouvant être regroupées en deux types : 1- Le tétraèdre de silice SiO4 (Te): 4 atomes d’oxygène disposés au sommet d'un tétraèdre régulier enserrent un atome de silicium. Les tétraèdres se combinent entre eux pour former des couches planes dites couches tétraédriques (Freeah 2006) (Fig. I-1).

(a) Unité tétraédrique a cœur de silicium

(b) Edifice tétraèdre avec arrangement hexagonal disposé

Figure (I-1) : Structure Elémentaire Tétraédrique (Freeah 2006).

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CHAPITRE I :


2- L’octaèdre d'alumine Al2(OH)6 et éventuellement de magnésium Mg3(OH)6 (Oc): 6 ions hydroxydes enserrent un atome d’aluminium ou de magnésium. Les octaèdres se combinent également pour former des couches planes dites couches octaédriques

a) Unité octaédrique

b) Structure en couche à base d'octaèdre de Brucite Mg (OH) 2 ou de Gibbsite Al (OH) 3

Figure (I- 2) : Structure Elémentaire Octaédrique (Freeah 2006).

I.4. Structure moléculaire microscopique des argiles

Le feuillet élémentaire se compose d'un empilement de 2 ou 3 unités de base. Les liens covalents et les liaisons ioniques assurent l'assemblage des feuillets élémentaires. Les forces de liaison entre feuillets sont principalement -les forces d'attraction moléculaires de qui sont des liaisons faibles -les liaisons hydrogène qui apparaissent avec des atomes fortement électronégatifs, comme l'oxygène. - les substitutions isomorphes qui consistent en le remplacement de certains cations constitutifs du réseau cristallin par d'autres de moindre valence. Ce dernier phénomène crée des déficits de charge qui affaiblissent les forces ioniques de liaison entre les feuillets (remplacement d'un ion Si4+ par in ion Al3+ dans la couche octaédrique d'aluminium. Les particules sont donc soumises à un ensemble de forces d'attraction et de répulsion qui varient avec la teneur en eau et dépendent des substitutions isomorphes. Malgré la simplicité apparente de la structure des argiles, on en coupte un grand nombre d'espèces, qui se distinguent par les défauts liés aux substitutions isomorphes au moment de la formation. Trois types d'argile sont couramment rencontrés : la Kaolinite, l'Illite et la Montmorillonite (Freeah 2006).

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CHAPITRE I :


I.4.1. La Kaolinite : (Si4O10) Al4 (OH) 8

Le feuillet élémentaire est compose d'une couche de silice et d'une couche d'alumine. Entre différents feuillets de kaolinite, le contact se fait entre un plan contenant les ions hydroxyles. OH- de l'octaèdre, et celui contenant les ions d'oxygène O2- du tétraèdre. Dans ce cas, les liaisons interfolieras résultent de l'effet compose de liaisons hydrogène et de forces de Van Der Waals, ce qui se traduit par un lien assez fort. Ainsi une particule de kaolinite sera constituée, par exemple, de quelques centaines de feuillets et pourra avoir une épaisseur de quelques dizaines de micromètres. Ces particules sont stables et leur structure élémentaire n'est pas affectée par la présence d'eau (Fig. I-3)

Figure (I-3) : Structure Particulaire de la Kaolinite , (Mouroux et al., 1987) (Freeah 2006).

I.4.2. L'Illite : (K,

H2O)2 Si8 (Al,Fe,Mg)4,6 O20 (OH)4 : Le feuillet élémentaire est

composé d'une couche d'alumine comprise entre deux couches de silice. Dans les couches de silice, un ion Si4+ sur quatre est remplace par un ion Al3+ .La charge qui en résulte est compensée par les ions potassium K+ qui assurent des liaisons assez fortes entre les feuillets. La particule d'Illite comportera, par exemple, une dizaine de feuillets et pourra avoir une épaisseur de quelques centièmes de micromètres. L'espace créé à l'intérieur du feuillet de silice est occupé par un ion K+ qui, par sa présence, induit un lien fort entre les couches (Freeah 2006)

(Fig. I-4).

Figure (I- 4) : Structure Particulaire de L'Illite , (Mouroux et al., 1987) (Freeah 2006).

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CHAPITRE I :


I.4.3. La Montmorillonite :

(OH)4 Si8 (Al3+10/3 ,Mg2/3) O20, n H2O (6)

Le feuillet élémentaire est composé, comme pour l'Illite, d'une couche d'alumine comprise entre deux couches de silice. Un ion Al3+ est remplacé par un ion Mg2+ dans les couches d'alumine (Fig. I-5). Le déficit de charge qui en résulte est compensé par des ions Ca2+ (montmorillonite calcique) ou par des ions Na+ (montmorillonite sodique). La valence des ions sodium étant plus faible que celles des ions calcium. C’est la montmorillonite sodique qui aura la plus grande surface spécifique et la plus grande C.E.C .Les liaisons entre feuillets étant très faibles, ces argiles sont très sensibles à la teneur en eau et ont un fort potentiel de gonflement. L'épaisseur d'une particule de montmorillonite peut- être très faible puisque, contrairement à autres argiles, on peut isoler un feuillet élémentaire. La montmorillonite fait partie de la famille plus générale des smectites définies comme argiles gonflantes.

Figure (I-5) : Structure Particulaire de la Montmorillonite , (Mouroux et al., 1987) (Freeah 2006).

Les caractéristiques de ces argiles sont résumées dans le tableau 1-1. Tableau (I.1) : Caractéristiques des argiles (Bultel, 2001). Nom Kaolinite Illite Montmorillonite (smectite)

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Nombre de Diamètre d'une Epaisseur d'une Surface C.E.C. en feuillets par articule ( µ m ) Spécifique particule ( µ m ) meq/100g particule en m2 /g 100-200 0,1-4 1-10 10-20 3-15 1-10 0,1-1 0,003-0,01 65-100 10-40 1

0,1

0,001

700-840

80-150

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CHAPITRE I :


La figure I-6 : présente des images de ces argiles prises au microscope électronique à balayage.

Kaolinite

Illite

Montmorillonite

Figure (I-6) : Photographies au Microscope Electronique à Balayage des Argiles, (Mitchell, 1976).

I.5. Gonflement interfoliaire et interparticulaire

L'analyse minéralogique précédente montre que certaines argiles, pour lesquelles les liaisons foliaires sont très faibles, ont la propriété de fixer les molécules d'eau entre deux feuillets voisins. C’est le cas des smectites telles que la montmorillonite, et des chlorites. L'eau pénètre à l’intérieur des particules et s’organise en couches monomoléculaires. Il s’agit alors d'un gonflement interfoliaire (Didier, 1972). Il intervient à l'échelle la plus petite de la structure argileuse mais peut présenter une ampleur très importante. En dehors de ce cas particulier, qui définit les argiles dites "gonflantes", le gonflement est interparticulier. C’est-à- dire que l'eau ne pénètre pas à l'intérieur des feuillés d'argiles. Elle agit sur les particules solides. C’est le gonflement interparticulaire. Celui-ci a une ampleur assez limitée, mais affecte toutes les types d’argiles. I.6. Mécanismes de gonflement

Les matériaux susceptibles de gonfler sous l'action de l'eau sont les sols argileux naturels, les marnes, les roches argileuses et les roches composées d'anhydrite. Le processus de gonflement du taux d’absorption de l’eau. Il met en jeu séparément ou de façon combinée des phénomènes physico-chimiques et mécaniques variés. Il dépend aussi de la texture du matériau. C’est-à-dire de l'organisation des plaquettes entre elles. (Freeah 2006).

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CHAPITRE I :


I.7. Causes et conséquences du gonflement

Les argiles gonflantes se trouvent dans des régions arides ou semi-arides et dans des zones tempérées. Ces sols sont toujours dans un état sec ou très peu humide du fait de la position de la nappe phréatique. Dans certaines régions on assiste à deux saisons bien distinctes, l’une pluvieuse et l’autre sèche. En période sèche le matériau se fissure et présente des polyèdres (Freeah 2006). Dans de nombreux pays du monde, le gonflement est à l’origine de fréquents désordres des ouvrages légers. Aux Etats-Unis d’Amérique les dommages provoqués par le gonflement des sols présentent un coût supérieur à celui de toutes les catastrophes naturelles. En Algérie l’urbanisation de certains quartiers des villes et la construction des routes se heurtent aux problèmes que pose le phénomène de gonflement. I.7.1. Causes du gonflement

Pour que le gonflement d’un sol se produise, il faut que des «minéraux expansifs» puissent entrer en contact avec de l’eau. En effet toutes les observations ayant portées sur les conséquences présumées du gonflement d’un sol, qu’il s’agisse de la construction de tunnels, d’habitats ou de voiries, ont abouti à la formation de cette équation

« Minéraux expansifs + eau = gonflement » Quand un ouvrage est mis en contact avec des terrains expansifs, les désordres qui peuvent l’affecter ou après sa construction et qui sont attribués au caractère gonflant des terrains encaissants résultent d’un changement de teneur eu eau de ces terrains et trouvent généralement leur origine dans l’une ou l’autre des causes suivantes : •

L'ouvrage est construit dans une région à saison constatées (saison sèche- saison humide, en région tropicale par exemple).

•

La méthode d’exécution ou de confortement de l’ouvrage utilisant l’eau (Robert et Fabre, 1987)

•

Lors des travaux de construction d’un tunnel par exemple, la ventilation est supprimée, ce qui a pour effet d’augmenter la teneur en eau de l’air ambiant (Robert et Fabre, 1987).

•

Des canalisations sont rompues ce qui fait que l’eau s’infiltre dans les terrains gonflants.

•

La construction d’un ouvrage proche perturbe l’écoulement des eaux souterraines.

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CHAPITRE I :


•

Des travaux de drainage contribuent au retrait des sols gonflants.

•

Des mesures d’imperméabilisation ne sont pas prises, ce qui contribue à rendre les terrains sensibles aux variations saisonnières (alternance saison sèche -saison humide).

L’évacuation ou l’évaporation de l’eau contenue dans les sols gonflants est brusquement empêchée alors que les apports d’eau à ses sols ne sont pas limités, ce qui a pour effet d’augmenter leur teneur en eau (ex : la construction d’un bâtiment supprime l’évacuation de l’eau contenue dans un sol de fondation) (Freeah 2006).

I.7.2. Conséquences du gonflement

Les désordres provoques par le gonflement affectent généralement les constructions apportant de faible contrainte sur le sol support. La pathologie dépend du type d’ouvrage. Nous ne traiterons ici que le cas des bâtiments légers, des chaussées et des tavaux souterrains. I.7.2.1. Cas des bâtiments

Les bâtiments, et particulièrement les maisons individuelles construits sans précautions sur sols gonflants, présentent souvent des figures de dégradation telles que fissures des murs porteurs, voire des murs de remplissage, bombement de l’éventuel radié… qui conduisent parfois à l’instabilité générale du bâtiment par rupture ou déboisement de ses éléments porteurs. Ces désordres résultent du caractère différentiel que prennent les mouvements du sol de fondation (terrassement ou gonflement) sollicitant la structure en flexion ou en cisaillement (Fig.

I-7). Ces différences relatives de mouvement proviennent par ailleurs de l’hétérogénéité

des sols de fondation, de celle des forces appliquées par la structure sur le sol, ainsi que des perturbations hydriques que le bâtiment peut engendrer (Mouroux et al. ,1987). Les dégâts causés aux structures des bâtiments reposant sur des sols gonflants aux U.S.A (1976) ont été chiffrés à environ 2.25 milliards de dollars. La figure (I-7) illustre différent type de dégâts causés à un bâtiment qui repose sur un sol sujet au gonflement ou au retrait. (Freeah 2006).

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CHAPITRE I :


Figure (I-7) : Formes et Directions de Fissuration , (Mouroux et al, 1988).

Figure (I-8) : Formes de Dégâts Sur des Bâtiments Reposant Sur des Terrains Gonflants ,

(Mouroux et al, 1988).

I.7.2.2 Cas des voiries et réseaux divers

Les dommages touchent également les voiries et réseaux divers. Les réseaux de drainage peuvent par exemple subir des inversions de pente qui provoquent le débordement des drains alimentant de cette façon le phénomène de gonflement, ( Mouroux et al., 1988).

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CHAPITRE I :


Les routes non conçues pour les sols gonflants peuvent facilement être détruites par enchaînement des phénomènes d’évaporation de l’eau, de retrait des sols, de fissuration d’infiltration de l’eau a travers les fissures, puis de gonflement plus en profondeur.… I.7.2.3. Cas des chaussées

Le gonflement peut provoquer des désordres importants à la structure de la chaussée. Ce phénomène est causé par des variations de teneur en eau du sous sol .d’après Jennings (1962) il

peut être attribue au climat et a la surcharge. D’autres auteurs signalent que sur les

routes d’importance moyenne en Grèce malgré le renouvellement d’asphalte il ya apparition de divers type de fissures. Les désordres subits par la chaussée se résument (figure I-9) ( Freeah 2006).

Figure (I-9) : Dégradation de Chaussées.

I.8. Nature et manifestation du phénomène

Mouvements de terrain différentiels provoqués par des variations de volume de certains minéraux de la phase argileuse, soumis à des variations de teneur en eau. •

Concernent uniquement des sols argileux avec une ampleur particulière en présence de minéraux gonflants.

•

En climat tempéré, phénomène consécutif surtout aux périodes de sécheresse (lié à l'évapotranspiration).

•

Se manifestent surtout sur des constructions individuelles légères, peu profondément ancrées.

C'est un risque naturel qui coûte très cher à la collectivité mais qu'on peut facilement prévenir sans limiter la constructibilité des secteurs concernés.

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CHAPITRE I :


I.8.1. phénomène de retrait-gonflement n'affecte que les sols riches en minéraux argileux "gonflants"

Un sol d'assise de fondation est toujours un mélange de différents constituants. Un sol argileux contient au moins 30% d'argiles (éléments fins <2µm à structure). (Haute-Garonne 2011).

Toutes les argiles sont sujettes au retrait- gonflement (gonflement inter-

•

particulaire, lié à l'adsorption d'eau entre les micro-agrégats de feuillets et dépendant de l'état de consolidation) mais certaines le sont beaucoup plus que d'autres (gonflement intra-cristallin, lié à la surface des feuillets élémentaires concerne surtout les smectites et les interstratifiés). Une formation géologique sera d'autant plus sujette au retrait-gonflement qu'elle

•

est riche en argiles (proportion, épaisseur et continuité des bancs argileux) et que sa phase argileuse est riche en minéraux gonflants. I.8.2. Eléments intervenant au gonflement I.8.2.1. Hydrogéologie •

Une nappe pérenne peu profonde de limite la succion.

•

Un rabattement temporaire accentue la dessiccation en surface.

•

Rôle des nappes alluviales et des nappes perchées temporaires.

I.8.2.3. Topographie •

Accentuation de la dessiccation sur les versants au midi.

•

Ancrage souvent insuffisant coté aval.

•

Rôle de barrière hydraulique des fondations coté amont.

I.8.2.4. Actions anthropiques •

Modification des écoulements,

•

Imperméabilisation des sols,

•

Drainage ou fuite de réseaux,

•

Pompages,

•

Sources de chaleur enterrées,

•

Plantations d'arbres, Défaut de fondation et/ou de structure.

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CHAPITRE I :


I.9. Mécanisme du retrait/gonflement

Sous une maison, l'évaporation ne peut se produire qu'en périphérie. Il apparaît un gradient entre le centre du bâtiment (équilibre hydrique) et les façades, et par suit de mouvements différentiels. Contrairement aux phénomènes de tassement par consolidation, les effets ne s'atténuent qu’avec le temps mais augmentent quand la structure perd de sa rigidité (HauteGaronne).

Figure (I-10) : Risque à Prendre en Compte Lors de la Construction.

I.9.1. Des désordres nombreux et coûteux pour la collectivité

Pourtant, on sait parfaitement construire des maisons sur des sols argileux sensibles au phénomène de retrait-gonflement, à condition de respecter un certain nombre de régules préventives simples à mettre en œuvre et qui n'entrainent pas de surcouts notables.

I.9.2. Technique évitement les variations localisées d'humidité 1.

Réaliser un trottoir périmétrique anti-évaporation d’une largeur minimale de 1,50 m (terrasse ou géomembrane).

2. Eviter les eaux pluviales et usées dans le réseau lorsque c'est possible (sinon prévoir une distance minimale de 15m entre les points de rejet et les bâtiments). 3. Assurer l'étanchéité des canalisations enterrées (joints souples au niveau des raccords). 2010/2011

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CHAPITRE I :


4. Eviter les drains à moins, de 2m d'un bâtiment ainsi que pompages. (à usage domestique) à moins de 10m. 5. prévoir isolation thermique en cas de chaudière en sous-sol. (BRGM/RP-56583-FR, 2008).

.

Figure (I-11) : Techniques de Prévention de Gonflement du Sol (Haute-Garonne, 2011).

I.9.3. Eloigner les plantations d'arbres

1. Ne pas planter d'arbre à une distance de la maison inférieure à au moins la hauteur de l'arbre adulte (ou 1.5 fois cette hauteur en cas de haie). 2. A défaut, mettre en place des écrans anti-racine de profondeur minimale 2m. 3. Attendre le retour à l'équilibre hydrique avant de construire sur un terrain récemment défriche.

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CHAPITRE I :


Figure (I-12) : Eloigner les Plantations d'Arbres (BRGM/RP-56583-FR, 2008).

I.10. Conclusion

Les matériaux argileux, que ce soit les sols ou les roches, sont très fréquents et couvrent une partie considérable du globe terrestre. La maîtrise du phénomène de gonflement demande de grandes connaissances afin de minimiser les dégâts occasionnés par ce phénomène sur les différents ouvrages construits en formations argileuses. Dans un premier temps, une brève présentation des conséquences du gonflement sur le comportement des ouvrages géotechniques. Ensuite, il convient d’étudier plus en détail les caractéristiques et de la texture des matériaux argileux. Enfin, nous avons défini les divers facteurs affectant le gonflement, l’influence des facteurs intrinsèques et facteurs externes sur le potentiel et la pression de gonflement.

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Techniques de construction sur sol expansif

CHAPITRE III :

Techniques De Constructions Sur Sol Expansif

III.1. Introduction

D’après les conséquences des sols expansifs, Plusieurs chercheurs ont étudié la stabilisation des sols expansifs. Le gonflement des sols argileux est un phénomène très complexe qui fait intervenir un grand nombre de paramètres intrinsèques et environnants. Cette complexité est due principalement à la structure minéralogique de l’argile (mélange d’illites et montmorillonites). Des stabilisations physico-chimiques sont employées surtout pour des sols contenant une certaine quantité d’argile. Ils ont pour effet de réagir avec la fraction argileuse et de modifier leur environnement chimique et sa structure minéralogique. Parmi les stabilisations les plus couramment utilisées on distingue : 

Stabilisation à la chaux



Stabilisation au ciment

III.2. Fondation sur sol gonflement III.2.1. Semelles superficielles sur remblai

1. Décapage partiel des sols gonflants, avec débordement de 2 m par rapport aux murs extérieurs. 2. Pose d’une membrane imperméable sur la plate-forme. 3. Réalisation d’un remblai compacté de 1.3 à 1.5 m d’épaisseur (peu perméable et inerte à l’eau, donc peu argileux). 4. Les constructions seront fondées très superficiellement avec une semelle de fondation armée et chaînage linteau continu courant au sommet des baies. 5. Réalisation d’un trottoir et d’une couverture anti-érosion.

Figure (III-1) : Semelle Superficielle Sur Remblai ( Mouroux 1988).

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CHAPITRE III :


III.2.2. Semelles superficielles sur remblai partiel + vide sanitaire

1. Le remblai partiel situé sous la semelle devra être composé d’un sol permettant d’amortir le plus possible le gonflement. 2. Une bonne imperméabilité du trottoir. 3. Les semelles et la dalle portées sur vide sanitaire devront être particulièrement bien armées. 4. La structure devra être flexible avec renforcement des angles.

Figure (III-2) : Semelle Superficielle Sur Remblai Partiel + Vide Sanitaire (Mouroux et al. 1988).

III.2.3. Fondation profonde

1. Eviter l’adhérons entre terrain et fut des colonnes pour empêcher tout soulèvement par adhérence. 2. Dégager impérativement les poutres longrines liant les têtes de puits ou de pieux par un vide inférieur d’une vingtaine de centimètres. 3. Le plancher porté avec vide sanitaire.

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CHAPITRE III :

Figure (III-3) : Fondation Profonde (Mouroux et al. 1988).

III.3. Techniques de stabilisation utilisées

Le gonflement du sol peut être stabilisé par plusieurs méthodes. Celles-ci interviennent sur la minéralogie de l’argile, les charges électriques de l’argile, la caractéristique physicochimique de l’argile. Dans ce qui suit, une description bref sur de techniques de stabilisations des sols expansifs. Parmi les techniques de stabilisation les plus couramment utilisées, on distingue : 1. la stabilisation mécanique. 2. la stabilisation thermique. 3. la stabilisation chimique. (par ajout de matériaux). 4. la stabilisation par sables. Les liants se divisent en deux grandes familles qui sont les liants hydrauliques (sels, ciment, chaux, ciment et chaux…) et les liants organiques (goudrons, bitumes …). III.4. Chaux

La chaux est à la fois le liant minéral majeur de l’histoire de la construction et un des produits minéraux les plus utilises depuis le de but de l’ère industrielle. Avant la chaux, le plâtre, fut la première cuite pour réaliser trisé des l’Ancien empire de l’époque pharaonique. Puis, les mélanges avec des matériaux carbonatés apparurent.

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CHAPITRE III :

Dans l'ajout de 2% à 8% de chaux à sol expansif diminue visiblement le potentiel de gonflement de celui-ci. De par l’affinité à l’eau de la chaux, une grande part d’eau existante dans le sol peut être absorbée par celle-ci, ce qui contribue largement à la réduction du potentiel de gonflement. Par ailleurs, des travaux effectués sur le compactage des sols attestent que le poids volumique à l’optimum Proctor est souvent augmenté lorsqu’une faible quantité de chaux. Dans le projet de réalisation de l’aéroport de Dallas (USA) le sol a été stabilisé par ajout de chaux. La couche traitée est épaisse de 2.5m à 5m. Le potentiel de gonflement du sol, de l'ordre de 10%, fut diminué pour des valeurs satisfaisantes. Cette même technique a été utilisée dans la réalisation d’autoroutes aux USA (Chen, 1988). Des études élaborées par Chen(1988), Nelsonet al,(1992), Sivapullaiah et al,(2000) et Puppala et al,(2004) montrent

que, parfois, l'ajout de chaux au sol expansif contenant des proportions notables (>3%) en gypse ou en sulfate peut occasionner un soulèvement au lieu d'une stabilisation Puppala et al,(2001) rapportent

que la chaux est l'unique matériau de stabilisation à base de calcium qui

peut occasionner des réactions expansives en contact du sulfate. Le gonflement est d'autant plus visible que la température est basse Aussi, en présence d'eau, le sulfate ou le gypse se combine au calcium (Ca) at à l'aumine (Al2O3) de l'argile. Cette combinaison forme la thaumasite et l'ettringite, et provoque des expansions assez spectaculaires (Chen, 1988; Nelson et al, 1992). L'ettringite (3CaO. Al2O3. 3CaSO4. 32H2O) se forme à par des aluminates tricalciques (Ca4Al2O6) non hydratés. Trois types d'ettringites sont possibles: primaire, secondaire et différée. Le caractère expansif de l'ettringite, du type secondaire et différé, est particulièrement du à sa teneur en chaux. L'ettringite de formation secondaire est susceptible au gonflement pour une large gamme de température. L'ettrigite de formation différée gonfle particulièrement à des températures de l'ordre de 60°Cà 70°C. L'effet de l'expansion de l'ettingite peut être réduit par ajout d'un ciment résistant au sulfate (Carde, 2007). La thaumasite ((Ca3Si(CO3)(SO4)(OH)6 12(H2O)) se forme par attaque du sulfate à des températures de 0°C à 5°C. Elle peut, aussi, être produite par combinaison calcium –silicate hydraté d'une part, et les ions sulfate (SO4) ou carbonates (CO3) d'une autre part. Un des exemples de gonflement occasionné par ajout de chaux est celui présenté par Hunter et Dal,(1988) ou un soulèvement de 30.5cm a été rapporté.

De ce fait, le traitement d’un sol expansif à la chaux doit faire objet d’une analyse de faisabilité et de mise en œuvre soigneusement menée. Compte tenu de la rapidité de prise du

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CHAPITRE III :

Ciment comparativement à la chaux, un mélange approprié de cette dernière par un ciment résistant aux sulfates permet d’accélérer la stabilisation du sol (Chen, 1988). Chen (1988)

rapporte que la chaux réduit visiblement l’indice de plasticité du sol et

augmente la limite de retrait de la montmorillonite. Mateous (1964)

atteste que l’ajout de la chaux permet l’augmentation des résultats

CBR des sols gonflants. Holm (1979) constate une augmentation du module de Young du sol de 0.3 MN/m² à 4.4 MN/m² lorsque celui-ci est traité à la chaux. Bell et Tyrer (1987) constatent une augmentation rapide et significative du module de Young d’une argile traitée à la chaux. Le pourcentage de chaux ajouté eau sol traité est de 2% à 4%. Selon Guney et al, (2007) , la technique de traitement à la chaux ne donne pas de résultats satisfaisants dans les régions où les cycles humidification/séchage peuvent avoir lieu. Les mêmes auteurs ajoutent que l’ajout d’un faible pourcentage de cendres volantes peut contribuer dans l’amélioration des résultats, cependant ces résultats doivent faire objet d’une analyse approfondie. En fait, le traitement superficiel du sol à la chaux réduit le potentiel de gonflement. Cependant il ne constitue pas une imperméabilisation (Mouroux et al, 1988),

(Zenkhri ,2010 ).

Les chaux existantes dans le commerce sont de deux types : chaux vive et chaux éteinte. Dans sa forme naturelle, la chaux est vive (CaO). Celle-ci peut aussi être rencontrée sous une forme appelée dolomite de chaux (CaO+MgO). La chaux éteinte est obtenue par hydratation de la chaux vive. L’expression (1) en montre la réaction chimique. Trois types de chaux sont industriellement productibles : la chaux hydratée (Ca(OH)2), la chaux dolomitique hydratée (Ca(OH2)+MgO) et la chaux dolomitique hydratée double (Ca(OH)2+Mg (OH) 2). CaO + H2O

Ca (OH)2 + Chaleur

Chaux vive + eau Chaux éteinte + Chaleur D’une autre part, l’utilisation de la chaux vive donne des résultats de stabilisation des sols gonflants meilleurs que ceux de la chaux éteinte. La différence entre les effets des deux 2+

chaux est attribuée à l’échange des cations Ca plus abondants dans le cas de la chaux vive (Bekkouche et al. 2002).

Les travaux de Bekkouche et al. (2002) montrent que l’ajout de 1% de chaux vive à un sol réagit avec 6% à 8% d’eau contenue dans ce dernier. Lorsque la chaux est introduite à un sol, elle peut réagir non seulement avec l’eau, mais aussi avec les autres constituants du sol. Le processus de réaction de la chaux (vive ou éteinte)

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CHAPITRE III :

avec le sol dépend de la composition chimique du sol, du pourcentage de chaux ajoutée, de la température et de la durée de réaction. Selon Thompson (1968). Ce processus de réaction influera sur la fermeté du sol, la résistance de celui-ci et stabilité. Bell (1988) remarque que les montmorillonites réagissent avec la chaux de façon plus rapide que les kaolinites et les illites. III.4.1. Différents types de chaux

La chaux est obtenue par calcination d’un calcaire (celui-ci représente 20% de la couche terrestre), selon la nature du calcaire utilisé, la cuisson permet la fabrication de plusieurs types de chaux : * chaux aérienne provenant d’un calcaire pur. * chaux magnésienne provenant d’un mélange de calcaire et de carbonate de magnésium. * chaux hydraulique provenant d’un calcaire argileux. (Zenkhri ,2010) Les chaux utilisées en technique routière sont essentiellement les chaux aériennes Elles se présentement sous deux formes : •

chaux vive

•

chaux éteinte

1) Echange cationique :

L'addition de chaux engendre un excès de cations de calcium

divalents qui tendent à remplacer les cations monovalents (Na+ et K+). Les ions de calcium non échangés seront adsorbés, ce qui conduit à augmenter la densité en ions. C’est t à dire une baisse dans la capacité d'échange des particules. Tout ceci se traduit par une baisse du gonflement. (Bekkouche et al.2002). 2) Floculation :

L'ajout de chaux à des grains fins d'argiles cause une floculation et une

agglomération des particules. Ce phénomène a comme résultat un changement apparent dans la texture, les petits grains se regroupent pour former d'autre grains de grande taille. Donc, la floculation d'argile augmente la grosseur effective des grains et joue un rôle important dans la stabilisation. 3) Carbonatation :

La chaux réagit avec le dioxyde de carbone de l'air (CO2) pour former de

faibles agents de cimentation comme les carbonates de calcium par exemple (CaCO, MgCO) selon le type de chaux utilisée. Généralement, on essaie de réduire ce phénomène par compactage du sol traité après une petite durée de malaxage. Des études ont monté que cette réaction est probablement plus nuisible qu'utile dans la stabilisation du sol. 4) Réaction pouzzolanique : Cette

réaction se produit entre la silice (SiO2) et/ou l'alumine

(Al2O3) du sol et la chaux pour former certains types d'agents de cimentation ou de

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CHAPITRE III :


solidification. Le résultat de ces réactions donne la part la plus importante dans l'augmentation de la résistance du mélange sol- chaux et les propriétés acquises par le sol peuvent durer des années. Ce phénomène est t la cause principale qui assure la bonne stabilisation du mélange sol- chaux. (Bekkouche et al.2002). III.4.2. Action de la chaux sur les argiles

Les argiles sont des minéraux généralement issus de l’altération des roches. On les trouve dans les sols, sédiments, roches sédimentaires, ainsi que dans les zones d’altération hydrothermales. Ce sont principalement des phyllosilicates. C’est-a-dire qui présentent sous forme de feuillets d’aluminium plus ou moins hydrate´ et de petite taille. Les feuillets sont constitues de couches de tétraèdres SiO4 et de couches d’octaèdres Al(OH)6, reliées par les atomes O et OH- mis en commun. Cependant, cette organisation peut être perturbée par des défauts cristallins entrainant un des équilibres de charge plus ou moins prononcé selon le cas ; certaines argiles, comme les smectites, ont un déficit de charge dix fois plus prononcé que les kaolinites. Ce déséquilibre est compensé par l’adsorption de cations dans l’espace interfoliaire, ce qui favorise le regroupement des feuillets sous forme de particules dont la taille dépend de la qualité des liaisons. L’aptitude des minéraux argileux à adsorber des molécules d’eau, ainsi que différents cations, dans l’espace interfoliaire varie donc d’un type d’argile a` l’autre. Elle est à l’origine de la sensibilité à l’eau des argiles, et des sols qui en contiennent, ou, en d’autres termes, de leur capacité à changer de consistance en fonction de lateneur en eau. Lorsqu’on mélange de la chaux vive avec un sol argileux humide, elle s’hydrate rapidement en fixant une quantité d’eau. Puis, l’hydrate passe en solution dans l’eau. Les cations divalents Ca++ sont alors en mesure de de´ placer les cations monovalents adsorbes à la surface des argiles, ainsi que ceux en plus faible concentration ou de plus petite taille. La hiérarchie est donnée par la se´ rie dite « lyotropique » dans laquelle les cations de droite remplacent ceux de gauche : Li Na H K NH4 Mg Ca Al. ( Gontran Herrier, Didier Lesueur et Daniel Puiatti C 5 445).

III.5. But de la stabilisation 1. Réduire le volume des vides entre les particules solides (augmenter la compacité); 2. Colmater les vides que l’on peut supprimer; 3. Créer des liens et améliorer les liaisons existantes entre particules (résistance mécanique).

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CHAPITRE III :

Ces trois objectifs permettent d’améliorer la résistance mécanique, et de diminuer la Sensibilité à l’eau. (Monnaers 1947). Tableau III-1 : avantages et inconvénients des techniques de stabilisation couramment utilisées (Babouri 2008).

Techniques

Procédés Compactage

Stabilisation mécanique

Avantages -Le compactage est le plus économique -Réduire le potentiel expansif

Substitution

Préhumidification

Circulation d’un -Lorsque aucune solution Amélioration fluide froid (azote n’est possible par liquide) dans des congélation tubes Stabilisation thermique

Augmenter la température

Sels

Stabilisation Ciment chimique (Par ajout de matériaux)

Chaux

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-Réduire la répulsion électrique entre les particules. -Augmenter la concentration ionique de l’eau libre. -Réduire le phénomène d’échange. -Augmenter la résistance. -Diminuer la plasticité. -Réduire le potentiel de variation de volume. -Augmenter la limite de retrait -Diminuer la plasticité, la densité sèche et la pression du gonflement. -Augmenter la résistance et wopt. -Utilisation d’un faible dosage.

Inconvénients · Il faut une grande quantité d’eau. (compacter au-dessus de l’optimum avec une wn élevée). · L’épaisseur L’épaisseur de la couche. · Disponibilité Disponibilité du matériau · Le temps temps de l’opération. · La distribution distribution uniforme de wn · La réalisée réalisée le plus rapidement possible. · Il faut tenir compte de la Déstabilisation du massif de sol au dégel. -Très coûteuse. -Le choix d’un type, de dosage et de la méthode d’addition d’un produit. (Valence et rayon du cation).

-Utilisation d’un dosage important.

-Carbonatation de la chaux.

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CHAPITRE III :


III.6. Méthode d'utilisation de la chaux dans le traitement du sol

La plusieurs méthode utilise dans le traitement sol gonflement par la chaux, malaxage sur place et technique d'injection, colonnes de chaux… . (Monnaers 1947). III.6.1. malaxage sur place

Pour comprendre l’intérêt du traitement a` la chaux et ses répercussions sur les propriétés s des matériaux, il est nécessaire de comprendre les interactions entre la chaux et les minéraux en contact avec l’objet des deux paragraphes qui suivent est donc de donner un éclairage particulier sur les interactions entre la chaux et les argiles, d’une part, et la chaux et les matériaux carbonates, d’autre part. Les percussions sur les propriétés géotechniques des matériaux ainsi traite´ s seront développes ensuite. Le malaxage a lieu soit dans une installation annexe, soit en couche étalée. Coût de fourniture de chaux (et éventuellement de ciment) et de la mise en œuvre (scarification, épandage, nivellement et compactage) des sols en place. Manière générale, le traitement en installation annexe présente les avantages suivants: •

homogénéité du mélange;

•

réduction des émissions de poussière;

Voire figure (III-4) (cas a – cas b) ( (fediex section Kalk sectie).

(Cas a)

(Cas b)

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CHAPITRE III :

Figure (III-4) : Traitement par Malaxage.

III.6.2. Technique d'injection

Le procédé de traitement par injection (figure III-5) est utilise en surface et en profondeur si le terrain.

(Cas a)

(Cas b)

Figure (III-5) : Technique par injection (cas a, cas b) ( Zenkhri ,2010).

III.7. Traitement aux Ciments

L’utilisation du ciment comme stabilisateur du sol a été développé au cours de la deuxième guerre mondiale. Les ciments en effet de utilisé pour stabiliser les pistes d’aérodromes. Depuis les années 80, l’emploi des liants à base de ciment sa connu un développement important dans les domaines routiers, notamment en présence de sol fin (Mouroux et al, 1988).

Le traitement au ciment convient plus particulièrement aux sols peu plastiques présentant une faible adaptation à la chaux. Le ciment rigidifie mieux et plus rapidement les sols comparativement à la chaux. De même, sa résistance au gel est meilleure. (Mitchell et Raad (1973)) remarquent

qu’appliqués à des argiles très plastiques, les ciments portlands

sont, moins efficaces comparativement à la chaux. En effet, les argiles gonflantes ont une affinité à l’eau tellement grande que le ciment ne peut pas s’hydrater suffisamment au point que les réactions pouzzolaniques s’achèvent complètement. Généralement, le ciment est avantageux d’être utilisé lorsque les sols ne sont pas réactifs à la chaux (Chen, 1988; Nelson et al, 1992).

Si la quantité d’eau est suffisante pour la réaction de prise de ciment, l’utilisation de ce dernier réduit la limite de liquidité, l'indice de plasticité et de potentiel de gonflement du sol. Groft (1967) rapporte

que le ciment fait augmenter la limite de retrait et la résistance du sol

au cisaillement de 25% à 5% fois mieux que la chaux. L'hydroxyde la chaux. (Chaux éteinte : 2010/2011

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CHAPITRE III :


(Ca (OH2)), ce qui permet aux réactions d'échanges cationiques de ce produire (Mouroux et al.., 1988). Jones (1958) utilise

des pourcentages de 2% à 6% dans le traitement de l'argile porté ville en

Californie. Il sorte une diminution considérable du potentiel de gonflement. (Ola, (1975)) rapporte que le potentiel de gonflement d'une argile du Nigeria est fortement réduit par ajout de 8% de ciment. III.7.1. Ciments

Les ciments sont des liants hydrauliques constitués de poudres fines de faire prise et de durcir progressivement au bout d’un temps plus ou moins long. Les composés obtenus sont stables au contact des eaux usuelles. Les ciments sont livrés dans le commerce en sacs ou en vrac. III.7.2. Production du ciment par mouture /malaxage des constituants

La fabrication proprement dite du ciment consiste à doser et à moudre finement les différents constituants dans des proportions bien déterminées. En moulant le clinker portland avec un régulateur de temps de prise et à éventuels constituants complémentaires en fonction du type de ciment à fabriquer, on obtient un mélange homogène et intime des finesses finale mouture est constituants.

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CHAPITRE III :


III.8. Conclusion

D’après les conséquences des sols expansifs sur l’ouvrage géotechnique en surface et souterrain, plusieurs chercheurs ont étudié la stabilisation des sols expansifs. Ces différentes recherches s’orientent sur les ajouts qui minimisent le potentiel de gonflement et la pression de gonflement. La stabilisation des sols argileux a été étudiée par un grand nombre de chercheurs. Beaucoup de méthodes et d'appareillages ont été mis au point, pour connaître l'influence d'une solution ou d'un produit sur la stabilisation d'un sol argileux. Quelques exemples sont cités concernant l'utilisation de produits chimiques servant à la stabilisation des sols argileux. Autour de cette idée que s’articule ce chapitre, a été consacré à l’étude bibliographique présentant l’état d’avancement de la recherche dans le domaine de la stabilisation des sols argileux. Le choix des techniques de stabilisation les plus utilisées dépend de plusieurs paramètres tels que ; les considérations économiques, la nature du sol à traiter, durée de l’opération, la disponibilité des matériaux à utiliser ainsi que les conditions de l’environnement.

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CHAPITRE IV

METHODES INDIRECTES DE CARACTERISATION

Méthodes Indirectes De Caractérisation IV.1. Introduction

La quantification du phénomène de gonflement par des paramètres macroscopiques est essentielle du point de vue du dimensionnement des ouvrages de génie civil. Dans la suite, on récapitulera l’ensemble des informations obtenues dans la littérature sur la caractérisation du phénomène de gonflement. Les méthodes indirectes reliant le gonflement aux paramètres géotechniques permettent d’identifier les terrains gonflants alors que les essais de gonflement caractérisent plus précisément le comportement gonflant d’un échantillon. Accompagnées de précautions expérimentales, les différentes procédures d’essai en laboratoire permettent de déterminer les paramètres de gonflement à appliquer dans le dimensionnement des ouvrages et d’analyser certains aspects du gonflement comme l’anisotropie. Notre étude a été effectuée sur l'argile d’In-Aménas. Cette argile a fait l'objet de recherches antérieures au laboratoire de mécanique des sols. Elle a subit une série d’essais d’identification physico chimiques et des essais mécaniques.

IV.2. Intervention sur site

Nous allons aborder par la suite commençant d’abord par décrire les sites d’où l’échantillon a été prélevé. L’échantillon a été prélevé d’un lieu à In-Aménas d’une profondeur comprise entre 1,5m à 5 m. plan de situation suivant la figure (IV-1).

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CHAPITRE IV


Figure (IV-1) : Plan de Situation et prise d’échantillon à In Aménas.

IV.3. Méthodes indirectes de caractérisation

Les méthodes indirectes consistent à déterminer une corrélation entre le gonflement libre ou la pression de gonflement et quelques paramètres géotechniques comme les limites d'Atterberg, la granulométrie, bleu de méthylène, la résistance au cisaillement et la comprecibilite, analyse chimique, la densité qui semblent être les facteurs influant sur le gonflement des argiles. IV.3.1. Analyse granulométrique

Elle se fait par tamisage par voie sèche après lavage pour les sols dont les éléments supérieurs a 80 µm (NF P94-056) et par sédimentation pour les éléments inférieurs ou égaux a 80 µm (NF P94-057). L’analyse granulométrique sol jusqu’au diamètre de 80 µm se fait en utilisant une série de tamis (NF P94-056).

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CHAPITRE IV


IV.3.1.1. Conduite de l'essai

Les opérations préalables à effectuer sont les suivantes : 1. détermination de la teneur en eau W sur fraction de l'échantillon. La teneur en eau est déterminée en pesant l'échantillon dans son état humide naturel (Mh) et après séchage à 105°C (Ms). Par convention, la teneur en eau est égale au quotient du poids d'eau contenu dans l'échantillon par le poids du sol sec. 2. lavage de l'échantillon humide sur un ou plusieurs tamis d'ouverture décroissante afin de protéger le tamis d'ouverture la plus faible (généralement le tamis de 0.08mm). 3. les eaux de lavage sont récupérées dans le cas ou l'on souhaite effectuer des analyses complémentaires sur les éléments fins. Dans le cas contraire. Ces eaux sont éliminées. 4. les différents refus ainsi isolés sont regroupés et mis à sécher à l'étuve à 105°C figure (VI – 2) (cas a, cas b).

Cas a

Cas b

Figure (Iv -2) : Essai de Granulometrique(Cas A, B).

La granulométrie et exprimé par une courbe granulométrique qui donne la dimension moyenne des grains exprimé sous forme pourcentage du pois total du matériau

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CHAPITRE IV


elle est tracée en diagramme semi logarithmique

Figure (Iv-3) : Diagramme

semi logarithmique par granulométrique.

L’analyse granulométrique du sol pour les particules inférieure ou égale a 80 µm se fait par la sédimentation La sédimentation c'est un essai complète l'analyse granulométrique par tamisage du sol (norme NFP 94- 056) ce qui peut être nécessaire à la description et la classification. La méthode utilise le fait que dans le milieu liquide au repos, la vitesse de décantation des particules fines est fonction de leur dimension. IV.3.1.2. But : c'est la détermination de la distribution pondérale de la taille des

particules de sols de dimension inférieure à 0.08mm. IV.3.1.3. Principe de l’essai de sédimentation

-Tamiser l'échantillon de sol par lavage (passant au tamis 0.08mm), et récupérer le tamisât, sécher l'échantillon dans une étuve jusqu' au poids constant, prendre à 80g + 10g de tamisât sec. Imbiber la prise d'essai dans une éprouvette cylindrique en verre de 2litre contenant un mélange d'eau distillée ou déminéralisée et solution à 5% d'hexamé ta phosphate de sodium (Na6 (PO3)6, 10 H2O); figure (IV – 5).

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CHAPITRE IV


Figure (Iv-5): Appareil Agitateur et Solution.

- laisser imbiber pendant au moins 15 heures à température ambiante; -agiter vigoureusement la suspension au moyen d'un agitateur manuel, retirer l'agitateur manuel et déclencher au même instant le chronomètre (début de l'essai), Plonger le thermomètre avec précaution dans la suspension immédiatement après le déclenchement du chronomètre; procéder à la prise des lectures du densimètre et de la température aux temps suivant(en minutes): 0.5 -1 -2 -5 – 10 -20 – 80 – 240- 1440 ) calculer le pourcentage des tamisas et complète la crourbe granulométrique Figure (IV -6).

Figure (Iv-6): Essai de Sédimentation.

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CHAPITRE IV


Les résultats de cet essai sont raccordés avec les résultats de l’essai de la granulométrie dans la courbe granulométrique si dessus. IV.3.1.4. Calcule résultat

Les résultats des analyses granulométriques, synthétisés dans le tableau à gros sable (1%) et sable fin (18%), limon (31%) et argile (50%), ont montré sol est constitué de plus de 74% d'éléments inférieurs à 80 mm et 48% inférieurs à 2mm. Cu =

Résultats des

2

d 60

C c =

d 10

d 30 d 10 × d 60

Cu: Coefficient d’uniformité. Cc : Coefficient de courbure

B 100 90 80 70

% 60 s t a s i m 50 a t 40 30 20 1E-3

0,01

0,1

1

tamis(mm)

Figure (Iv-7) : Courbe Granulométrique.

IV.4. Limites d’Atterberg NF P 94-051

L'analyse microscopique a illustré un premier mécanisme physico-chimique d'interaction eau minérale argileuse qui est celui des molécules d'hydratation des cations échangeables, attirés électriquement par le déficit de charge des feuillets argileux (luimême dû, entre autres, à certaines substitutions isomorphes). Ce mécanisme met en évidence l'importance des sels dissous dans l'eau interstitielle. Sur un plan macroscopique, ce phénomène est à rapprocher de la notion des limites d'Atterberg. Ainsi, l'indice de plasticité IP= wP-wL peut s'interpréter comme la quantité d'eau nécessaire pour faire passer un sol de l'état “solide” (w n < w P) à l'état “liquide” (w n > wL ). Plus le sol possède de minéraux actifs dans leur interaction avec l'eau, plus il 2010/2011

41

CHAPITRE IV


sera nécessaire d'ajouter de l'eau au sol pour qu'il devienne liquide ; sachant qu'une grande partie de cette eau sera adsorbée par les particules, il ne restera donc pas à l'état liquide et ne conférera pas au matériau un état liquide mais pâteux, correspondant à la phase plastique. Quand toute la capacité d'adsorption du sol sera saturée, alors l'eau en excès restera à l'état libre c'est-à-dire liquide. IV.4.1. Activité des argiles

Les limites d'Atterberg sont fonctions des dimensions des grains et de la composition minéralogique du sol. Pour une argile contenant des particules solides assez grosses, Skempton (1957) a montré que l'indice de plasticité dépend de la quantité de grains solides de dimensions inférieures ou égales à 2 µ m .

Ac :

est défini comme étant l'activité colloïdale du sol. A titre indicatif le tableau VI-1

donne l'indice de plasticité, l'indice de liquidité et l'activité pour différents types d'argiles. Tableau : (IV – 1) : Activité des argiles (Chelghoum (2006)). Minéraux l'argileux Kaolinite Illite Sodium montmorillonite Autre montmorillonite Sol granulaire

IL 40 – 60 80 – 120 700 300 – 650 20 et <

IP 10 – 25 50 – 70 650 200 - 550 0

Activité 0.4 0.9 7 1.5 -

Ont proposé une méthode d'estimation du taux de gonflement sur des sols compactés en se référant à la teneur en argile du sol et à l'activité du matériau AC figure (IV-8)

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CHAPITRE IV


Figure (Iv-8): Diagramme de Classification du Potentiel de Gonflement

(Seed et al, 1962).

Le tableau (IV-2) montre des ordres de grandeurs du potentiel de gonflement des sols en fonction de leur activité. Tableau IV-2 : Potentiel de gonflement fonction de l’activité (Skempton (1953) ). Activité AC (%) < 0.75 0.75 < AC < 1.25 > 1.25

Degré d'activité Inactif Moyennement actif Très actif

Taux de gonflement Peu expansif Moyennement expansif Très expansif

IV.4.2. Indice de plasticité I P

Cet indice définit l'étendue du domaine plastique du sol entre les limites de liquidité et de plasticité :

I = w − w P

L

P

L'indice de plasticité caractérise la largeur de la zone où le sol étudié a un comportement plastique. (R.Dupain R.Lanchon J.C.Saint.Arroman).

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CHAPITRE IV


Tableau (IV-3) : Classification de l'argilié d'un sol selon l'indice de plasticité IP. Indice de plasticité IP 0–5 5 - 15 15 – 40 > 40

Etat- du sol Non plastique Peu plastique plastique plastique

Un sol, dont l'indice IP est grand, est très sensible aux conditions atmosphériques, car plus IP est grand plus le gonflement par humidification de la terre et son retrait par dessiccation seront importants. IP précise donc aussi les risques de déformation du matériau. Tableau (IV-4) : Limites d’Atterberg et indice de plasticité de certains minéraux argileux (Cornell, 1951.et J.M. TCHOUANINANA (1999)). Minéraux argileux Kaolinite

Montmorillonite

Illite Argile d'Orly (France) Argile de Londre Argile de Mexico

2010/2011

Lons métalliques Na K Ca Mg Fe Na K Ca Mg Fe

Wp (%)

WL (%)

32 29 27 31 37

53 49 38 54 59

Indice de plasticité IP 21 20 11 23 22

54 98 81 60 75

710 660 510 410 290

656 562 429 350 215

Na K Ca Mg Fe

53 60 45 46 49

120 120 100 95 110

67 60 55 49 61

-

32

18

14

-

80

30

50

-

500

375

125

44

CHAPITRE IV


IV.4.3. Indice de consistance I C

Cet indice prend en considération la teneur en eau naturelle w d'un sol et les limite d'Atterberg permet de se faire une idée de l'état d'une argile qu on peut caractériser par son indice de consistance : Ic

=

w

L

I

− w P

Tableau (IV-5) : Etat du sol en fonction de l’indice de consistance (J.M. TCHOUANINANA (1999)).

Indice de consistance IC IC > 1 0 < IC < 1 IC < 0

Etat- du sol Solide Plastique Liquide

IV.4.4. Limites d' Atterberg NF P 94-051 IV.4.4.1. Objectif :

La limite d'Attreberg détermine l’état de consistance d'un sol et

des constentes physiques conventionnelles qui marquent les seuils entre les états d'un sol. IV.4.4.2. Principe 1.

Procéder à un quartage afin que l'échantillon soit représentatif.

2.

Imbiber l'échantillon dans un récipient.

3.

Tamiser l'échantillon dans uu tamis 0.04mm et récupérer le tamisât.

4.

Sécher le matériau dans une étuve réglée à 105°C pour les sols non gypseux à 55°C pour les sols gypseux.

5.

Placer l'échantillon de sol dans la coupelle et tracer un sillon avec l'outil à rainurer, par convention, la limite de liquidité est la teneur en eau du matériau qui courrespond à fermeture d’un cm (1cm) des lèvres de la rainure après 25chocs.

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45

CHAPITRE IV


Figure (IV– 9) : Limite de Liquidité.

Prélever à l'aide d'une spatule deux échantillons des lèvres de la rainure dans des godets qu on pèse puis les porter à l'étuve.

6.

Calcul la limite de liquidité.

7.

Limite de plasticité Ip

Figure (IV – 10) : Limite de Plasticité.

A partir d'une boulette qu on roule, sur marbre, à la main en forme un rouleau mince jusqu’à 3 mm de diamètre sur un longueur de 10 à15cm. IV.4.4.3. Appareil de Casagronde : il

est constitué d'une coupelle normalisée, montée

sur un support métallique avec manivelle, le tout étant fixé sur un socle en bois bakélisé. L'ensemble permet de faire tomber la coupelle d'une hauteur de 10mm sur le bloc de bois dur, chaque choc entraînant la fermeture progressive de la raihure pratiquée dans l'échantillon de sol, celle-ci ayant été effectuée à l'aide de l'outil à rainurer (figure IV -11). R.Dupain R.Lanchon J.C.Saint.Arroman.

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CHAPITRE IV


Cas a

Cas b

Figure (IV-11) : Appareil de Casagrande(cas a, b).

Préparation l'échantillon figure (IV – 12) : pendant évacuation l'échantillon d’étuve, malaxe les échantillons.

Figure (IV– 12) : Préparation de L'échantillon.

IV.4.4.4 Calcul et Résultats

La limite d'Atterberg, l’indice de plasticité (38.92) la limite de liquidité (62.71) et la limite de plasticité (23.93) sont des paramètres géotechniques destinés à identifier les sols caractériser leur consistance et permettre de ce fait de les classer dans la courbe de Casagrande et estimer à échantillon trés plastique voire la figure (IV-13).

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47

CHAPITRE IV


Figure (IV-13) : Abaque de Casagrande.

IV.5. Essai bleu de méthylène NF P 94-068

IV.5.1. Principe de l'essai

Les minéraux argileux présents dans les sols sont principalement issus de l'altération physico-chimique des roches. La structure cristalline feuilletée des argiles leur confère un ensemble de propriétés de comportement lie à leur affinité pour l'eau (appelée activité). Ce qui entraîne les phénomènes de gonflements, de plasticité et de cohésion constatés sur ces sols. L'essai au bleu méthylène permet d'apprécier globalement l'activité de la fraction argileuse d'un sol en mesurant la surface interne et externe des grains argileux. Pour ce faire, on fixe, sur les grains d'argile, des molécules de bleu de méthylène et par un test simple, on VBS, qui est un indicateur essentiel dans la classification des sols concernés par les travaux de terrassements. IV.5.2. Préparation de l'échantillon

L'essai est effectué sur la fraction granulométrique 0/5mm du matériau, car ce sont principalement les éléments les plus fins (inférieurs à 2mm) qui contiennent la fraction argileuse. Celle-ci donne l'essentiel de la réaction au bleu de méthylène et exprime donc de manière quantifiée la sensibilité du sol à l'eau.

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CHAPITRE IV


On prépare 30g de fraction 0/5 mm sèche que l'on met à tremper dans 200 ml d'eau déminéralisée. Le tout est maintenu en agitation permanente au moyen de l'agitateur à ailettes. Le dosage consiste à injecter successivement des doses bien déterminées de bleu de méthylène dans la suspension de sol, jusqu' à atteindre la saturation des particules d'argile. Le test de la tache permet de repérer l'instant de cette saturation. On prélève une goutte de liquide dans le bêcher contenant le sol imbibé de bleu, et on dépose celle-ci sur le papier filtre (diamètre du dépôt compris entre 8 et 12 mm). Deux cas sont possibles : •

la goutte centrale bleue est entourée d'une zone humide incolore : le test est négatif,

•

la goutte centrale bleue est entourée d'une zone humide teintée de bleu; le test est positif. (Figure IV– 14).

Figure (IV-14) : Essai au Bleu de Méthylène.

IV.5.3. Classification des sols après essai

VBS = 0.1 : sol insensible à l'eau. VBS= 0.2 : apparition de la sensibilité à l'eau. VBS = 1.5 : seuil distinguant les sols sablo-limoneux des sols sablo- argileux. VBS = 2.5 : seuil distinguant les sols limoneux peu plastiques des sols limoneux de plasticité moyenne. VBS = 6: seuil distinguant les sols limoneux des sols argileux. VBS = 8 : seuil distinguant les sols argileux des sols très argileux. Surface de bleu de méthylène 21*VBS VBS = v/m *c (1+w) 2010/2011

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CHAPITRE IV


Tableau (IV- 6) : Surface spécifique et C.E.C. de quelques minéraux argileux. Minéral kaolinite illite Smectites Vermiculite Chlorite

Surface interne (m2 /g) 0 20 – 55 600 – 700 700 -

Surface externe (m2 /g) 10 - 30 80 – 120 80 40 – 70 100 – 175

Surface totale (m2 /g) 10 – 30 100 – 175 700 – 800 760 100 – 175

C.E.C. (milliéquivalent/100g) 5 – 15 10 – 40 80 – 150 100 – 150 10 - 40

IV.5.4. Calcul et résultat

La valeur au bleu de méthylène constitue un paramètre d’identification permettant de mesurer la surface spécifique des particules solides contenues dans les sols fins et de déterminer l'activité de leur fraction argileuse (NF P 94-068). VB (5.34m3 /g) et les sols fins et de déterminer la surface spécifique Sst = 21 *VB = (112.14m2 /g) cette argile rentre dans le périmètre argile de 150 m2 /g de type de la famille de l'illite. L'activité (0.796) dans le tableau de Skempton (1953) 0.75 < AC < 1.25 le degré d'activité (Moyennement actif) et le taux de gonflement est Moyennement expansif. Structure minéralogique Microscope Electronique d'argile d In-Amenas :

2010/2011

50

CHAPITRE IV


Figure (IV-15):Photo Microscopique de l’'argile d’in Aménas.

IV.6. Essai de cisaillement NF P 94-71

Il s'agit de déterminer les caractéristiques mécaniques d'un sol en procédant au cisaillement rectiligne d'un échantillon sous charge constante. L'essai de cisaillement permet de tracer la courbe intrinsèque du sol étudié, et de déterminer son angle de frottement interne Π et sa cohésion C. mérite Ces valeurs servent entre à déterminer la contrainte admissible par le sol dans le cas de fondations superficielles et la poussée du sol sur un mur de soutènement.

IV.6.1. Matériel utilisé

L'échantillon de sol à étudier est entre demi-botte qui peut se déplacer horizontalement l'une par rapport à l'autre. Un piston permet d'exercer sur le sol une contrainte normale σ détermine. La demi-botte inférieure est entraînée horizontalement à vitesse constante. La force totale de cisaillement F est mesurée à l'aide d'un anneau dynamométrique fixé à la demibotte supérieure. Un comparateur mesure la déformation verticale de l'échantillon. L'échantillon subit donc un cisaillement direct et rectiligne suivant un plan imposé sur lequel on exerce une contrainte normale déterminée figure (IV-15).

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CHAPITRE IV


Cas A

Cas B Figure (Iv-16) :(Cas A) Appareil de cisaillement et(cas B) préparation de l’échantillon.

IV.6.2. Résistance au cisaillement

On détermine la contrainte de cisaillement : τ =

Τ Α

On trace ensuite, pour chaque essai, les courbes de contraintes en fonction des déplacements et on détermine la valeur de contrainte de cisaillement maximale. On reporte ensuite chaque point sur un graphique ayant pour abscisse la contrainte normale

σ et

pour ordonnée la contrainte de cisaillement .tracer la courbe intrinsèque

du sol étudié. IV.6.3. Calcul et résultat

Les cohésions de cisaillement dans les sols In Amenas la C = 1.25 bar et longueur de frottement ϕ = 25.79° IV.7. Essai la densité NF P 94-064

La masse volumique sèche Pd d'un échantillon de roche est le quotient de sa masse sèche par volume V qu il occupe y compris le vide, elle est exprimée en t/m3. 2010/2011

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CHAPITRE IV


IV.7.1. Objecte : l'essai

consiste à mesure la masse et le volume d'un échantillon

de roche. VI.7.2. Prépare essai •

brosser l'échantillon avant de le soumettre à l'essai pour éliminer les particules facilement détachables.

•

Sèche l'échantillon à 105°C jusqu' à masse constante.

•

Peser l'échantillon de roche, noter ms;

•

Paraffiner l'échantillon sur la totalité de sa surface extérieure; La densité de la paraffine est égale à 0.9 g/v.

•

Peser l'échantillon paraffine à l'aire libre, noter mp.

•

Procéder à la pesée hydrostatique la masse volumique sèche est donnée par la formule suivant :

p

d

=

m (t/m3). s

v

Le volume brut = mp – poids du marteau dans l'eau. Le volume net = volume brut – volume de la paraffine. Résultat et calcule : La densité du sol de In Amenas est :

d

= 2. 05

IV.8. Analyse chimique IV.8.1. Sulfates •

Prendre 200g de l'échantillon.

•

sécher le matériau dans une étuve à T°= 80°C en cas nécessaire 105 – 110°C.

•

Apre 48H placer dans un dissicateur, quartage.

•

Pulvériser dans un mortier et tamiser a l'échantillon tamis 0.200mm prendre peser 1g (p0).

•

Mettre dans un érlen à 250ml et ajoute 100ml HCL à 10%, bouillir doucement 4 à 5minutes et refroidissement 15minutes.

•

Filtration dans un papier filtre N° 541, prendre le filtrat et ajuster jusqu' à 250ml avec l'eau distillée, agitation de filtrat.

•

Prendre 100ml de filtrat dans un érlen, ajouter 10ml de Ba Cl2 à 5% et b bouillire doucement 4 à 5 minutes, refroidissement 15 minutes.

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CHAPITRE IV

•


Filtration de la solution papier filtre N° 541 prendre peser un creuset vide P1, mettre le papier filtre dans le creuset. Calcination des creusets + le papier filtre à 900°C pendant 15 minutes et prendre peser le creuset après la calcination P2.

Figure (IV-17) : Essai d’analyse chimique aux sulfates.

SO3-2 = 34.3 * ( P 2 – P1)/ P0 CaSO4 = 184.23 * (P 2 – P1)/P0 IV.8.2. Carbonate •

Prendre 0.5g de l'échantillon, ajouter 10ml HCL à 1N

•

Ajouter détecteur phinnoftaline 0.1% poser dans étuve période bref.

•

Ajouter NaOH (1N) vers fin parution colore mauve et prendre le volume.

Figure (IV-18) : Essai d’analyse chimique aux carbonate.

IV.8.3. Chlorure •

Prendre 50g de l'échantillon, et ajouter 100ml avec l'eau distillée effectuer opération de vibration à 24h.

•

Prendre le PH initial mettre le papier filtre et prendre 25ml de papier filtre.

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CHAPITRE IV


Prendre le PH ce moyen uniforme (6.50 – 7.00) et ajouter détecteur K2CrO4 à

•

10%(N) à AgNO3 vers fin parution colore rouge Remarque : PH<6 ajouter carbonate de calciume CaCO3.

PH>7 ajouter Acide de Sulfurique H2SO4.

Figure (IV – 19): Appareil à mesure PH.

IV.8.4. Calcul et résultat

Cette analyse à détermination de la nature chimique de l'argile. Cette composition une prépondérance de sulfates (2.044%) et Carbonate 4% ce qui fait que l’argile à considérer est en réalité argileuse et pourcentage chlorure sodium (0.223) et les insolubles 87.45%. Tableaux IV-7 : Résultat et calcule du paramètres physiques et chimique. Granulométrique

Limite Atterberg

Bleu de méthylène

Analyse chimique

Densité

Ins Sulf So2-3 Cl- CaCO3 NaCl Ech S Gr S Fin Li Ar LP LL IP AC VB (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) d E1 99 81 50 21 23.93 62.17 38.29 0.796 5.34 87.45 2.044 0.380 0.135 4 0.223 2.05

Tableaux IV-8 : Résultat et calcule du paramètres mécaniques. Ech E1

Cisaillement C 1.25

ϕ

25.79

SGr : Gros sable en pourcentage %. S fin : Sable fin en pourcentage %. Li : Limon%. Ar : Argile% Lp : Limite de plasticité.

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CHAPITRE IV


LL : limite de liquidité IP : Indicé de plasticité AC : l'activité VB : Valeur de bleu de méthylène C : Cohésion en (bar). ϕ :

Frottements en (degrés).

Cc : Coefficient de compressibilité en %. Cg : Coefficient de gonflement en %. σ c :

Pression de charge en bar.

IV.9. Conclusion

Les paramètres déterminés par les essais d’identification et qui apparaissent comme étant les plus déterminants dans le comportement gonflant des argiles sont l’indice de plasticité, le pourcentage des particules argileuses, la valeur de l’essai au bleu de méthylène qui a montré le caractère gonflant des sols étudie.

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56

Chapitre V :

Solution Et Interprétation


V.1. Introduction

Outre les essais d’identification, le programme expérimental exécuté comporte des essais de compressibilité et de consolidation oedométriques, des essais de gonflement à l’oedomètre et des essais de dessiccation pour l’identification des paramètres de retraitgonflement de sol étudié. Les éprouvettes soumises aux essais effectués pour chaque pourcentage et la répartition des prises d’essais par éprouvette et par numéro d’essai. Ce programme expérimental évolue au fur et à mesure que des indications supplémentaires sur telle ou telle propriété mécanique des sols et son influence sur l’interprétation des résultats d’essais ont été jugé nécessaires non seulement en fonction de la qualité des informations déjà obtenues, mais en fonction aussi de leur qualité. V.2. Méthodes de Mesure du Potentiel de Gonflement

Parmi une multitude de méthodes de mesure du potentiel de gonflement des sols expansifs, ceux-ci- dessous sont arbitrairement choisis et discutées. V.2.1. Méthode de MYSLIVEC

Dans la méthode d'essai de MYSLIVEC, plusieurs échantillons d'un même sol gonflant sont chargés distinctement à sec. A la mise à eau, certains échantillons gonflent et d'autres tassent. On reconnaît que les échantillons ayant gonflé sont soumis à une contrainte de surcharge inférieure à la pression de gonflement, et que ceux ayant tassé supporte une contrainte de surcharge supérieure à la pression de gonflement. L'intersection de la droite reliant les taux de gonflement avec l'axe des déformations nulles définit le point pour lequel ni gonflement ni tassement ne surgi. C'est par définition, la pression de gonflement (KEBAILI 2005).

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Chapitre V :


Gonflement

σD (log10)

Tassement

Figure (V -1) : Détermination De La Pression De Gonflement Selon La Méthode De MYSLIVEC.

V.2.2. Méthode chinoise

L’indice des vides initial de l'échantillon à tester étant e0,

le sol en question est chargé

à sec jusqu'à atteindre une valeur e1 de l'indice des vides (e1< e0). A la stabilisation du tassement, l'échantillon testé est submergé d'eau, ce qui amorce le gonflement. Une fois le gonflement stabilisé, l'échantillon de sol est déchargé progressivement jusqu'à élimination de toute la contrainte de surcharge, le point M (de coordonnées :

g

, e 0) est noté. Le point M

définit la pression de gonflement (Wong, 1980).

Figure (V-2) : Détermination de la Pression de Gonflement Selon la Méthode Chinoise.

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58

Chapitre V :


V.2.3. Méthode du C.E.B.T.P

La pression de gonflement est déterminée au cours de l'essai de compressibilité à l'oedomètre. A la mise à eau de l'échantillon testé, ce dernier est empêché de gonfler par augmentation de la charge appliquée dessus jusqu'à apparition du premier signe de tassement. L'abscisse du point de début de tassement est considérée pression de gonflement (KEBAILI 2005) (Figure V- 3).

Figure (V-3) : Détermination de la Pression de Gonflement Selon la Méthode du C.E.B.T.P.

V.2.4. Méthode de FU HUA CHEN

L'échantillon de sol est chargé selon la contrainte des terres, puis inondé sous cette même contrainte. Après stabilisation du gonflement, l'échantillon testé est progressivement chargé jusqu'à retrouver son indice des vides avant inondation. La pression de gonflement est alors notée :

g

= σ 1 − σ 0

(figure V- 4).

Figure (V- 4) : Détermination de la Pression de Gonflement Selon Chen (1984).

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Chapitre V :


V.2.5. Méthode de HUDER et AMBERG

L'échantillon de sol est soumis à une alternance de charges et décharges à sec. Ceci pour éliminer, au mieux, les effets du remaniement (figure V-5). L'échantillon de sol est ensuite, inondé à l'état chargé, ce qui doit amorcer le gonflement. La charge appliquée est éliminée par paliers successifs jusqu' à libération totale de l'échantillon de sol. Le taux de gonflement peut être enregistré et la courbe (11) tracée. L'intersection des prolongements des courbes (2) et (11) détermine, selon HUDER et AMBERG, la pression de gonflement.

Figure (V-5) : Détermination de la Pression de Gonflement Selon la Méthode de HUDER et AMBERG.

V.2.6. Méthode de FIRTH

L'essai consiste à appliquer un cycle charge / décharge à l'échantillon en test, la contrainte de chargement étant égale à la pression des terres. La mise à eau est effectuée sur l'échantillon complètement déchargé, ce qui permet le développement du gonflement et lecture du taux de gonflement. Le spécimen de sol est ensuite, progressivement chargé jusqu'à retrouver l'indice des vides de la fin du premier cycle chargement (figure V-6). La pression de gonflement est alors déterminée.

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Chapitre V :


Figure (V-6) : Détermination de la Pression de Gonflement Selon la Méthode de FIRTH .

V.2.7. Méthode du double oedomètre

Cette technique de mesure est mise au point par JENNINGS et KNIGHT (1958). Dans un premier oedomètre , un échantillon de sol est soumis à une série croissante de chargements en gardant la teneur en eau naturelle. La variation de l'indice des vides est représentée selon la courbe (1) de la (figure V-7). Dans un second oedomètre, un autre échantillon du même sol est soumis, après avoir complètement gonflé sous charge nulle, à la même série de chargement que le premier échantillon. La courbe (2) est obtenue. La translation verticale de la courbe (1) vers la courbe (2) permet de repérer un premier point d'intersection. Une construction graphique particulière permet de déterminer le taux de gonflement.

Figure (V-7) : Détermination de la Pression de Gonflement Selon la Méthode du Double Oedomètre.

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Chapitre V :


V.3. Essai de gonflement a l’oedomètre NF P 94-91 VI.3.1. Essai de procédure sur sols gonflants

La manipulation a pour but de déterminer des caractéristiques de compressibilité d'un sol qui permettent d'estimer le tassement et gonflement d'un massif de sol. VI.3.1.1. Définition:

c'est un essai déformation à charge constante d'une éprouvette

cylindrique avec déformation à latérale nul et drainage sur les deux faces (inf et sup) figure (V-8). VI.3.1.2. Préparation

1. extraction de l'échantillon de son étui : - Repérer le haut et le bas de la carotte (avant extraction). - Exclure le bas et le haut systématiquement. - Découper un cylindre ayant 2 fois à 4 fois la hauteur de l'éprouvette et commencer la taille. 2. forme de l'éprouvette. - Il s'agit d'obtenir une éprouvette non perturbée par le découpage. - Cylindrique aux dimensions du moule. - Les deux faces bien planes et parallèles. 3. dimensions de l'éprouvette D = 75mm, D = 50mm (selon le diamètre a la carotte). - Mise en place de l'éprouvette. - Saturation de l'éprouvette - Chargement et déchargement de l'éprouvette. - Calculs et résultats (graphique, détermination des paramètres).

Figure (V − 8): Appareil Oedomètrique.

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62

Chapitre V :


V.3.1.3. Calcul et Résultat

L'interprétation des résultats d’essais oedométriques dispos classiquement sur l'exploitation du tableau de compressibilité et de consolidation le coefficient compressibilité Cc = 5.98% et coefficient de gonflement Cg = 2.33% et de charge

σ c =

0.63 bar et pour le

cas de traitement par lions hydrauliques à compressibilité par 4%chaux Cc = 1.99% et coefficient de gonflement Cg = 0.00% et de charge

σ c =

3.75 bar dans les traitements par

chaux en levée le gonflement. Dans la compressibilité par 4% ciment Cc = 2.99% et coefficient de gonflement Cg = 0.00% et de charge

σ c =

7.47 bar dans l'essai traitement par ciment en levée le

gonflement.

V.4. Essai de gonflement libre à charge variable par oedomètre VI.4.1 Objectif

Déterminer la pression de gonflement afin d’apprécier le comportement d’ouvrages pouvant être affectés par la présence de matériaux gonflants. VI.4.2. Principe

L'essai s'effectue sur plusieurs éprouvettes de sol intact provenant d’un même échantillon et prélevées sensiblement au même niveau. Chaque éprouvette de sol est placée dans un œdomètre. On laisse l’échantillon se gonfle librement avec l’ajout de l’eau jusqu’a stabilise. Ensuite on applique un effort différent mais maintenu constant sur chacune des éprouvettes et on mesure sa variation de la hauteur. VI.4.3. Equipement nécessaire

Le même équipement que celui de l’essai œdométrique. Il serait préférable d’utiliser un œdomètre à chargement par l’arrière

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63

Chapitre V :


VI.4.4. Mode opératoire •

La première étape

Préparer au moins trois éprouvettes pour chaque échantillon. On a préparé quatre échantillons : sol naturel, 2% de chaux, 4% de chaux et 1% de ciment les peser et noter leurs hauteurs initiales H0 sachant que le sol opéré est remanié. On ajoute l’eau pour chaque éprouvette et on commence les lectures dés qu’on a ajouté l’eau après 30s -1mn-2mn-5mn10mn-15mn-30mn-1h-2h. Jusqu’ à la stabilité. •

La deuxième étape

On applique un effort différent. On mémorise les lectures pour chaque chargement et chaque 30se -1mn-2mn-5mn-10mn-15mn-30mn-1h-2h … Aux autres éprouvettes, les contraintes sont choisies afin d’avoir, dans une représentation graphique ∆h(t). La contrainte est appliquée à l’éprouvette jusqu’à stabilisation de sa hauteur. Conventionnellement, la stabilisation de la déformation de l’éprouvette est atteinte si on un palier.

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Chapitre V :


V.5. Interprétation des résultats 

La première étape (le gonflement)

•

Sol naturel

Figure (V − 9): Gonflement en fonction du temps (sol naturel).

On observe que l’allure de la courbe est en S. Remarque : on n’a pas laissé le temps suffisant pour que le gonflement se stabilise afin d’avoir un palier. La courbe montre que le sol gonfle rapidement la présence de l’eau car celui-ci se sature et gonfle au même temps, il y a deux phénomènes parallèles le gonflement et la saturation. C’est vrai que le sol est inondé mais pas forcément saturé. D’après la figure (V-9) la stabilisation du gonflement a commencé après 24h. On a pris en considération les résultats de l’échantillon 2 et 3 car sont les plus représentatifs Le tôt de gonflement est environ 2mm le pourcentage de 10,88%.

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Chapitre V : •


2% Chaux

Figure (V − 10): Gonflement en fonction du temps (2% Chaux).

On observe qu’on a eu une stabilisation du gonflement de l’échantillon après une demiheure, car la chaux est un liant, cette dernière arrête le sol de gonfler (stabilise le gonflement). Voire les tableaux V-1. Le temps et le tôt de gonflement ont diminué. •

4% de chaux

Figure (V − 11): Gonflement en fonction du temps (4% Chaux).

On voit que l’allure de la courbe est en S on a eu un palier de stabilité

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66

Chapitre V :


La stabilité de gonflement a commencé après 15min pour les échantillons 2. Le temps du gonflement est écourté. •

1% de ciment

Figure (V − 12): Gonflement en fonction du temps (1% Ciment).

Le ciment a arrêté le gonflement. La stabilité de gonflement est apparue rapidement par rapport à la chaux. 

La deuxième étape (le chargement)

•

Sol naturel

Figure (V − 13): Gonflement en fonction du temps (échantillon 1).

2010/2011

67

Chapitre V :


Figure (V − 14): Tassement en fonction du temps (échantillon 2).


On remarque que c’est une courbe de consolidation ∆h total augmente logiquement mais ∆h pour palier de chargement diminue chaque fois qu’on double la charge. Lorsque on double la charge la déformation n’est pas doublée c'est-à-dire la variation de la déformation diminue à chaque fois qu’on double la charge, la compressibilité diminue.

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68

Chapitre V : •


2% de chaux


Figure (V − 17): Tassement en fonction du temps (échantillon5).

2010/2011

69

Chapitre V :



Puisque l’échantillon de sol qui comporte 2% de chaux a atteint la stabilité rapidement par rapport au sol naturel, pour le chargement on peut dire la même chose que le précédent bien que la déformation dans chaque palier diminue visiblement. Une courbe de consolidation ∆h total augmente logiquement mais a ∆h pour palier de chargement diminue par rapport au sol naturel et à chaque fois qu’on double la charge. Lorsque on double la charge la déformation n’est pas doublée c'est-à-dire la variation de la déformation diminue à chaque fois qu’on double la charge, la compressibilité diminue.

2010/2011

70

Chapitre V : •


4% Chaux



2010/2011

71

Chapitre V :



Pour le sol qui contient 4% de chaux plus que le gonflement a diminué le ∆H pour chaque palier diminue a fur et à mesure qu’il est chargé, le même phénomène se répète pour les trois éprouvettes c'est-à-dire le sol soit de plus en plus compacté. La compressibilité diminue. •

1%Ciment


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72

Chapitre V :




Le ciment a réduit le gonflement et diminue le ∆H entre palier ce qui est bien sur les trois figures ci-dessus. La compressibilité diminue.

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73

Chapitre V : 

Le potentiel des gonflements

•

Sol naturel


Figure (V − 25): Courbe de ∆h (mm) fonction de σ (kPa) sol naturel.

Figure (V − 26): Courbe de ∆h (mm) fonction de σ (kPa) 2 %Chaux.

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74

Chapitre V :


Figure (V − 27): Courbe de ∆h (mm) fonction de σ (kPa) 4 % Chaux.

Figure (V − 28): Courbe de ∆h (mm) fonction de σ (kPa) 1%Ciment

On remarque que la variation de la déformation st rapide au premier chargement et diminue au fur et à mesure que la contrainte augmente. Voir les tableaux V-9. Pour calculer les résultats du potentiel de gonflement et la pression de gonflement il y plusieurs

étapes : Calculer le ∆h max en fonction de la contrainte pour tous les échantillons.

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Chapitre V :


Sol naturel Tableau :(V-1) : ∆H max pour chaque palier σ (Κpa)

ECH N°1

ECH N°2

ECH N°3

Δh max (mm) 12.4

0.22

0.45 0.46

24.8

0.41

0.5

0.6

49.7

0.7

0.7

0.82

2%Chaux Tableau :(V-2) : ∆H max pour chaque palier σ (kPa)

ECH N°4

ECH N°5 ∆h

2010/2011

ECH N°6

max (mm)

12.4

0.05

0.08

0.05

24.87

0.12

0.2

0.1

49.7

0.25

0.25

0.19

99.5

0.38

0.34

0.27

199.1

7.36

0.93

1.08

76

Chapitre V :


4% Chaux Tableau :(V-3) : ∆H max pour chaque palier σ (kPa)

ECH N°7

ECH N°8 ∆h

ECH N°9

max (mm)

12.4

0.9

0.08

0.09

24.87

0.09

0.11

0.08

49.7

0.18

0.34

0.19

99.5

0.25

0.40

0.26

199.1

0.75

0.75

0.65

1% Ciment Tableau :(V-4) : ∆H max pour chaque palier σ (kPa)

ECH N°10

ECH N°11 ∆h

ECH N°12

max (mm)

12.4

0.046

0.11

24.87

0.124

0.396

0.174

49.7

0.342

0.78

0.559

99.5

0.644

0.689

Pour calcul le ∆H moy et la masse volumique. On a calcul la masse volumique de chaque échantillon. Dans le laboratoire par la prise d’une tare on a calculé son volume par la peser vide et après en l’a pesé pleine d’eau sachant que la masse volumique de l’eau est 1g/cm3 on obtient le volume de la tare par la division de la masse volumique d’eau sur le poids de la tare Apres le calcul du volume de la tare on la pèse pleine de sol on prend le poids de sol et on fait la division du poids par volume.

2010/2011

77

Chapitre V :


Les tableaux suivants montrent les masses volumiques pour chaque échantillon et le ∆H moyen. •

Sol naturel Tableau (V-5) : ∆Hmoy pour chaque échantillon. Masse volumique du sol

VOLUME DE LA TARE N° Tare

Mtare (g)

MT+w(g)

Vtare (cm3)

MT+Sol(g)

3 ρ(g/cm )

258 326

14.05 13.82

81.05 80.829

67.000 67.009

109.69 108.07

1.427 1.407

Moyenne

1.417

•

Hmoy du sol (mm) Ech 1

Ech 2

Ech3

17.13

17.42

18.88

2% chaux Tableau (V-6) : ∆Hmoy pour chaque échantillon. Masse volumique du sol

VOLUME DE LA TARE N°

•

3

Tare

Mtare (g)

MT+w(g)

Vtare (cm )

258 326

14.05 13.82

81.05 80.829

67.000 67.009

3

MT+Sol(g) ρ(g/cm )

109.52 102.82

1.425 1.328

Moyenne

1.377


Ech 5

Ech 6

21.71

19.69

19.73

4% chaux Tableau (V-7) : ∆Hmoy pour chaque échantillon.

N° Tare

VOLUME DE LA TARE Mtare(g) MT+w(g) Vtare(cm3)

258 326

2010/2011

14.05 13.82

81.05 80.829

67.000 67.009

Masse volumique du sol MT+Sol(g) ρ(g/cm3)

105.03 101.71

1.358 1.312

Moyenne

1.335


Ech 8

Ech 9

20.33

19.22

18.96

78

Chapitre V : •


1% ciment Tableau (V-8) : ∆Hmoy pour chaque échantillon. VOLUME DE LA TARE N° Tare

Mtare (g)

MT+w(g)

Vtare(cm3)

258 326

14.05 13.82

81.05 80.829

67.000 67.009

Masse volumique du sol MT+Sol(g) ρ(g/cm3)

104.16 106.16

1.345 1.378

Moyenne

1.361


Ech 11

Ech 12

17.32

17.93

18.07

Calcul % de gonflement et de la pression de gonflement.

Tableau (V-9) : Calcul % de gonflement et de la pression de gonflement.

∆h(mm)

∆h/h

SOL

1.968

0.11

NATUREL

1.76

0.10

1.966

0.10

1.406

0.06

1.272

0.06

1.52

0.08

1.522

0.07

1.516

0.07

1.336

0.07

0.776

0.04

1

0.06

1.4

0.08

2%CHAUX

4%CHAUX

1%CIMENT

2010/2011

∆h moy (mm)

∆h/h

σ(kPa)

σ(bar)

0.11

10.67

35

0.35

0.07

7.22

120

1.2

0.07

7.18

185

1.85

0.06

5.94

70 70

0.7

79

Chapitre V :


V.6. Conclusion

La compressibilité du sol diminue au fur et à mesure qu’il est chargé C’est une courbe de consolidation primaire. C'est-à-dire l’élimination de l’excès. Plusieurs chercheurs ont étudié la stabilisation des sols expansifs. Le gonflement des sols argileux est un phénomène très complexe qui fait intervenir des procédés de stabilisation disponibles. La technique de stabilisation par la chaux est très utilisée. La chaux et le ciment comme liants hydrauliques donnent des résultats très favorables pour arrêter le gonflement gonflement de sol argileux argileux.

2010/2011

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DJAANI-BENMANSOUR

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