Notes de Cours Géotechnique
RECONNAISSANCE ET EXPLORATION DES SOLS
Dr Adama DIONE Docteur de l’Université de Thiès UFR Sciences de l’Ingénieur
But La reconnaissance géotechnique a pour but de révéler la présence de tout facteur environnemental lié au sol et susceptible d’influer sur d’influer sur le comportement de l’ouvrage. l’ouvrage. Ses objectifs sont les suivants : Décrire
la stratigraphie, c’est-à-dire c’est-à-dire la nature et l’épaisseur des couches de sol sous l’ouvrage. l’ouvrage.
Déterminer Mesurer
la nature, la profondeur et la pression des divers nappes.
les caractéristiques physiques, mécaniques et hydrauliques
du sol. Révéler
la présence actuelle ou ponctuelle de tout accident ou phénomène géologique présentant des dangers pour l’ouvrage : faille, sismicité, zone de glissement, instabilité de talus.
Objectifs de la reconnaissance reconnaissance géotechnique La reconnaissance des sols vise d’abord à localiser les différentes couches de terrains présentes dans la zone étudiée puis d’identifier l’ensemble l’ensemble des caractéristiques physiques, mécaniques, hydriques et éventuellement chimiques des dépôts en place afin d’adapter au au mieux la structure à son environnement. environnement. Elle permet de définir les procédés d’exécution d’exécution des travaux de chantier (mode de terrassement, blindage des fouilles, problèmes d’eau, des catastrophes dites ‘‘naturelles’’. ‘‘naturelles’’ . etc.) etc.) et d’éviter des Les méthodes de reconnaissance géotechnique sont très nombreuses et il est rare qu’on qu’on les utilise toutes sur un même chantier. Il s’agit s’agit donc, d’une méthode et d’établir devant un problème posé, de faire le choix d’une méthode un programme de reconnaissance.
Quelques informations à vérifier in situ Type de végétation dans le site ( peut donner d’excellentes indications) ; la topographie générale du site et la possible existence de fossés de drainage.
L’existence de débris ou de matériaux quelconques ;
type de constructions avoisinantes et l’existence de problèmes ( fissures dans les murs, tassements ou autres problèmes); le niveau de la nappe d’eau qui peut être déterminé en regardant au voisinage; stratigraphie du sol à partir de tranchées profondes effectuées pour la construction d’une route ou d’un chemin de fer avoisinant ; présence de roc ou d’affleurement rocheux dans les environs, peut indiquer la faible profondeur du socle rocheux. NB : ne jamais extrapoler les données des sites voisins (!).
Réalisation d’un programme d’étude géotechnique
Une fois la méthode d’étude est définie, il importera de préciser le programme qui précisera :
le nombre de points d’investigation, la profondeur des forages ou sondages ; la densité des essais géotechniques . L’établissement de ce programme d’étude est tributaire de plusieurs facteurs : la nature du problème posé et l’importance de l’ouvrage à construire (stabilité de pente, fondation d’ouvrage d’art ou pour un tour 40 niveaux ou même un barrage), le degré de connaissance préalable du site (nombre de sondages sur site déjà expérimenté pour un site totalement inconnu), l’environnement et la topographie (présence d’une pente).
La détermination du nombre de points de sondage Il n’y pas une règles précises pour déterminer le nombre de points de sondage (ou forage) qu’il est assez difficile de prévoir à priori. Il est évidant que le nombre de sondage dépende de la nature de la structure, de ces dimensions et du coût du projet, entendu que l’étude géotechnique doit coûter entre 0,1 % et 0,5 % du prix de la structure. A l’exception des terrains anormalement hétérogènes, la fréquence des essais est parfois fixée suivant le tableau suivant. Dans tous les cas, pour une étude de fondation, un nombre minimal de deux sondages doit être réalisés afin d’éviter de se focaliser sur un seul sondage isolé qui risquerait de projeter toute la construction sur la base d’une anomalie très localisées. Le choix de l’implantation des sondages reste, également, une étape cruciale.
Pour les ouvrages petits : la reconnaissance classique prévoit d’exécuter deux sondages implantés suivant la plus grande diagonale. Pour les ouvrages moyens : prévoir un sondage à chaque appui et si le sol n’est pas homogène prévoir un sondage à chaque extrémité d’appui. Pour les bâtiments étendus : prévoir au moins un sondage tous les 500 m 2. Notons seulement qu’il faut que ces forages soient assez nombreux et bien répartis pour définir sans ambiguïté toutes les particularités géologiques du site.
Estimation du nombre de sondage Implantation des points de reconnaissance
La détermination de la profondeur des forages La profondeur des forages d’investigation est fixée à l’avance, étant entendu que d’une manière absolue, ils ne doivent jamais être arrêtés sur une couche molle. En règle générale, on descendra les forages jusqu’à une profondeur telle que la contrainte résiduelle dans le sol soit négligeable, tout au moins faible. Lorsqu’il s’agit d’une étude de fondation, la profondeur de l’investigation peut être fonction de la nature et de la dimension présumée des fondations. Pour les fondations superficielles le choix de la profondeur des sondages dépend principalement de la géométrie des fondations.
Les fondations larges (Ex. radier) : la profondeur des forages est fixée à une cote égale à une fois et demi de la largeur de la fondation (1,5 B) à compter du dessous du niveau présumé de la fondation.
Les semelles isolées (carrée, rectangulaire …) : en absence de l’influence de la fondation voisine, pousser la reconnaissance jusqu’à une profondeur sous la fondation égale au triple de la largeur de celle-ci (3 B), avec un minimum de 5 m.
Pour les fondations profondes (Ex. pieux, puits …) : le choix de la profondeur d’investigation dépend de la nature du sol et de l’importance de l’ouvrage.
Pour les fondations profondes (Ex. pieux, puits …) : le choix de la profondeur d’investigation dépend de la nature du sol et de l’importance de l’ouvrage. 1er Cas. Couche compressible (argile, silt) reposant sur un substratum relativement indéformable (rocher, graviers compacts, marnes dures …) Dans ce cas la reconnaissance est poussée jusqu’au substratum et d’y pénétrer de 3 m ou plus, si le substratum est altéré la pénétration doit atteindre 6 m. En d’autres termes, il faudra veiller à ne pas interrompre brutalement l’investigation au niveau d’une couche résistante, car s’il existe au-dessous une autre couche faible, des groupes de pieux se comporteront vis-à-vis de la couche profonde comme des semelles et des désordres qui ne se produiraient pas sous un pieu isolé, peuvent alors se manifester. 2ème cas : Sol très hétérogène ou très erratique ou constitué de plusieurs couches Dans ce cas, Burmister propose d’arrêter la reconnaissance à une profondeur tel que le rapport entre la contrainte verticale due à la fondation et la contrainte verticale effective dues au poids des terres soit égale à A.
A = 0,1 pour les sols fins (silts, argiles…) A= 0,2 pour les sols grossiers (sables, graviers …)
Pour les excavations, la profondeur du forage doit être au moins 1,5 fois la profondeur de l’excavation.
D’autres méthodes relient directement la profondeur d’investigation au nombre d’étages.
Les sondages Les sondages peuvent être réalisés à la tarière, par l’ouverture de puits à la pelle mécanique, à l’aide de sondages destructifs ...
Les tranchées et les puits Les tranchées et les puits sont les moyens les plus faciles et les moins chers à mettre en œuvre. Ils sont limités en profondeur par la longueur des bras de la pelle et par la rencontre de la nappe. Le trou doit être impérativement rebouché, le sol remis dans le trou sera inévitablement remanié. NB : Les tranchées sont généralement réalisées en dehors de l’emprise de la construction pour éviter les risques de décompression et de remaniement du sol de fondation
Les sondages en terrain meuble
Les principales difficultés des sondages en terrain meuble reposent sur la tenue des parois du forage et la remontée du terrain foré. Dans la plupart des cas, il faut opérer sous la protection d’un tubage continu ou employer une boue de forage qui, formant un cake sur la paroi du forage, retient celle-ci. Différentes méthodes permettent de réaliser des sondages en terrains meubles : les tarières à la main, les tarières à moteur, les sondages par battage, les sondages carottés avec prise d’échantillons intacts
Les tarières manuelles
La tarière est entrainée dans le sol par un mouvement rotatif à l’aide de la poignée. Après chaque manœuvre le sol est remonté et la tarière est vidée. La tarière à la main est l’instrument idéal pour des reconnaissances à faibles profondeurs (0 à 2 m).
Les tarières manuelles (à vis ou à cuillère) peuvent être utilisées pour des sondages peu profonds (3 à 5 m).
S’il y a des cailloux les tarières manuelles deviennent difficiles à utiliser. Il faut alors faire des tranchées à l’aide d’une pelle. Pour
les matériaux facilement pénétrables comme la tourbe et l’argile molle on peut se limiter à utiliser des tiges pour mesurer la profondeur de la couche.
Les sondages par battages Cette méthode est la plus courante en terrain meuble, sec ou saturé. Un tubage métallique est enfoncé dans le sol par battage à l’aide d’un mouton ; la colonne de sédiment ainsi isolée est extraite par un outil adapté.
Colonne de sédiment extraite par battage
Colonnes de terrain carottées
Les sondages en terrain rocheux - Les méthodes destructives Tous fragments de roche et les débris sont remontés à la surface. Différents outils sont utilisés pour fragmenter la roche : tricône, marteau fond de trou Les débris permettent d’identifier les couches traversées de manière peu précise et aucun véritable échantillon n’est obtenu. Mais la réalisation est rapide est le sondage peut être valorisé par l’enregistrement en continu des paramètres de forage.
Outils de forage destructifs
Les méthodes non destructives (forages carottés) Découpage en continuité sur toute la longueur forée à l’aide d’une couronne abrasive : - couronnes à prismes, - couronnes diamantées. Le but est de découper en continuité sur toute la longueur forée par passes successives une colonne de terrain, de la remonter à la surface du sol pour l’examiner et réaliser des essais de laboratoire.
Couronnes abrasives pour forages carottés
Echantillonnage On prélèvera dans chaque forage au moins un échantillon par couche distincte et dans les couches épaisses, on prélèvera au moins trois échantillons par couche.
La conservation de l’échantillon Dès la sortie de l’échantillon du carottier, les extrémités du conteneur doivent être hermétiquement bouchées. On utilise de préférence des bouchons extensibles par serrage ou des mélanges de solidifiant sans retrait par exemple la paraffine-cire. Les conteneurs d’échantillon ne devront jamais être exposés au soleil et seront conservés en atmosphère fraiche et humide. NB : la paraffine pure est contre conseillée du fait de son retrait trop important.
Transport des échantillons Les échantillons seront transportés verticalement dans le même sens que celui qu’ils avaient dans le terrain. C’est-à-dire que la partie basse au transport devra correspondre à la plus grande profondeur. Au cours du transport on évitera les chocs et les vibrations ; les conteneurs reposeront sur une plaque souple, en mousse synthétique par exemple. Arrivés au laboratoire, tous les échantillons sont ouverts et font l’objet d’essais d’identification. Ces essais permettent de sélectionner les échantillons sur lesquels seront réalisés les essais mécaniques. De toute façon, il faudrait au moins tester trois échantillons par couche distincte, ces échantillons pouvant évidement appartenir à des forages différents. Type et le nombre d’essais géotechnique Le type d’essais dépendra essentiellement du problème posé, de la nature du terrain et du coup du projet Deux approches sont utilisées par les géotechniciens pour caractériser les sols de fondations : les essais de laboratoire d’une part et les essais in situ d’autre part.
Les essais en place
Les essais sur place permettent la détermination des caractéristiques du sol dans les conditions naturelles, c.à.d. dans les conditions réelles de résistance. Ils se distinguent en trois grands groupes : les méthodes géophysiques, les essais hydrauliques et les essais mécaniques.
Les méthodes géophysiques (la prospection électrique, la prospection sismique et la prospection par micro-gravimétrie) fournissent des informations globales sur l'assiette de construction. Les essais hydrauliques (essai Lefranc, essai Lugeon, essai de pompage … ) permettent d’apprécier le degré de perméabilité du sol en place. Les essais mécaniques déterminent directement une résistance limite du sol. On distingue les essais qui donnent une caractéristique de sol à la rupture et les essais qui, en plus, donnent une relation contraintes - déformations.
Essai au scissomètre de chantier Le scissomètre de chantier ou Vane test est un appareil de prospection en place permettant de mesurer la cohésion des sols purement cohérents. Il est décrit par la norme française NF P 94-112 (novembre 1991).
Le scissomètre est utilisé dans l’étude à court terme de la stabilité des pentes et du comportement des remblais sur sols mous.
Les essais scissométriques courants sont réalisables dans tous les types de sols fins cohérents dont la cohésion est ≤ 0,2 MPa (argiles molles, vases, limons).
Description du scissomètre
Le scissomètre est constitué généralement : un moulinet qui est constitué essentiellement de quatre pales rigides en acier, planes et rectangulaires, ovoïdes ou trapézoïdes, fixées à 90° sur un axe appelé noyau parfois protégé par une jupe conique assurant l’étanchéité ; un train de tubes creux pour foncer le moulinet dans le sol ; un train de tiges qui, placées à l’intérieur du train de tube, entraîne librement le moulinet en rotation sans frottement. Afin de limiter les frottements parasites lors de l’essai, ce train de tiges est maintenu par des bagues, qui s’appuient sur l’intérieur des tubes ; un dispositif de mesure qui comporte deux parties distinctes. - un bâti ancré ou parfois lesté, qui permet de mobiliser la réaction de fonçage, et un système de vérin pour exercer cet effort de fonçage ; - un couplemètre, système nécessaire pour exercer et mesurer le couple de
L’essai consiste à foncer dans le terrain (sans avant-trou) au moyen d’un vérin, un moulinet d’acier à quatre pales orthogonales par l’intermédiaire du train de tubes.
Une fois la profondeur d’investigation atteinte, le moulinet est soumis à un mouvement de rotation depuis la surface par le biais d’un train de tiges.
Cette rotation de la palette, à laquelle on applique un moment de torsion, provoque le cisaillement du sol au voisinage des pales et une surface de cisaillement se développe à l’interface entre le cylindre de sol entraîné par le moulinet et le massif de sol en place.
L’essai permet, en ce sens, d’établir la relation entre la rotation du moulinet et la résistance au cisaillement opposée par le sol.
Courbe scissométrique
Su = Cu = cohésion non drainée Le couple de torsion est équilibré par le moment des réactions de cisaillement du sol sur la surface circonscrit au moulinet. On fait croitre ce moment de torsion jusqu’à ce qu’il équilibre le moment des contraintes de cisaillement limites du sol, c’est-à-dire jusqu’à la rupture qui se manifeste par une diminution brutale, puis par une stabilisation de ce moment à une valeur non
Interprétation de l’essai scissométrique Au moment de la rupture, il y a équilibre entre le moment résistant M dû aux forces de cisaillement du terrain sur les parois du cylindre emprisonné entre les pales et le couple T . l produit par le manipulateur ; on a donc :
T : effort mesuré au dynamomètre l: longueur du bras actionné par le manipulateur Considérons le cas classique d’un essai en milieu argileux saturé. Lors du cisaillement du terrain sur lui même, aucun drainage de l’eau interstitielle n’est possible ; cet essai doit être assimilé à un essai non drainé 0 . La résistance au cisaillement mesurée est donc égale à la cohésion non drainée cu du milieu. La surface cisaillée est pour l’essentiel constituée par la surface latérale du cylindre, mais comprend également les deux surfaces horizontales d’extrémité. Le moment résistant M du sol peut se décomposer en deux termes : - M 1 : issu de la résistance au cisaillement sur la surface latérale verticale du cylindre ; - M 2 : issu de la résistance au cisaillement sur les deux faces horizontales du cylindre. On a en principe :
Considérons le cas du scissomètre à pales rectangulaires, de rayon r et de h hauteur , le moment résistant sur la résistance latérale du cylindre M1 est donné par :
Pour déterminer le moment résistant sur les deux faces horizontales du cylindre M2, considérons une couronne de rayon x et d’épaisseur dx laquelle est cisaillée par mobilisation du couple dM 2 tel que :
On a, pour une face du cylindre :
On peut écrire
La cohésion non drainée est donnée par :
T : effort mesuré au dynamomètre l: longueur du bras actionné par le manipulateur h : hauteur du scissomètre x : rayon du couronne r : rayon des pâles
Exploitation des résultats
L’examen des facteurs susceptibles d’influencer les résultats de l’essai scissométrique révèle que les valeurs de la cohésion au scissomètre doivent être corrigées. Bjerrum (1972) fait remarquer que certaines études de glissements de remblais construits sur des argiles plastiques tendent à montrer que la cohésion mobilisée sur le terrain serait plus faible que la cohésion mesurée au scissomètre, la différence étant fonction de la plasticité des argiles. Il préconise de multiplier la cohésion mesurée au scissomètre (Cu) par un coefficient correcteur μ fonction de l’indice de plasticité de l’argile (correction dite de Bjerrum), dont les valeurs sont données sur la figure
Coefficient correcteur de la cohésion d’après Bjerrum (1972)
Profil d’un essai scissomètre de chantier
Principe de l’essai Un sondage au pénétromètre dynamique consiste à enfoncer l’appareil dans le terrain par battage, de manière continue, jusqu’à une profondeur donnée en général limitée par la capacité de pénétration de l’appareil. L’opérateur relève le nombre de coups nécessaires pour enfoncer l’appareil sur un pas de profondeur fixé.
Un pénétromètre dynamique est constitué essentiellement d’un matériel de battage et de guidage,
d’un train de tiges, d’une pointe, d’un dispositif de mesure et éventuellement d’un système de détection des efforts parasites.
Schéma de principe d’un pénétromètre dynamique
Réalisation de l’essai Le train de tiges est battu d'une manière continue sous l’action d’une masse tombant en chute libre d’une hauteur constante du mouton à la cadence de 15 à 30 coups par minute. On note en fonction de la longueur totale des tiges introduites dans le sol, le nombre de coups de mouton nécessaire pour enfoncer la pointe de 10 cm pour un PDA ou de 20 cm pour un PDB. Pour le PDA, la masse du mouton doit être adaptée en cours de battage et choisie parmi l'une des quatre masses 32, 64, 96, 128 kg, afin que le nombre de coups, pour un enfoncement de 10 cm, soit compris entre 2 et 30 inclus. Pour le PDB, à chaque ajout de tiges et au moins tous les mètres, l'opérateur fait tourner le train de tiges à l'aide de la clef dynamométrique ; si le couple est inférieur à 100 N.m, les efforts parasites sont négligeables. La fin de l'essai correspond à la satisfaction de l'une des conditions suivantes : - la profondeur déterminée préalablement est atteinte, - le rebond du mouton est supérieur à 5 cm, - l'enfoncement sous 30 coups de mouton est inférieur ou égal à 10 cm avec la masse de 128 kg (PDA), - l'enfoncement sous 100 coups est inférieur ou égal à 20 cm (PDB), - la mesure du couple effectuée à la clef dynamométrique dépasse 200 N.m (PDB).
Expression des résultats Il existe deux modes de représentation d’un profil de pénétration dynamique : - soit on trace en fonction de la profondeur le nombre de coups N d nécessaire pour obtenir un enfoncement donné, en général 10 ou 20 cm ; - soit on trace en fonction de la profondeur la résistance de pointe dynamique qd calculée à l’aide d’une formule de battage de pieux, en général la formule des Hollandais, qui s’écrit :
où M est le poids du mouton, M’ le poids des parties frappées (enclume placée en tête du train de tiges et sur laquelle s’exercent les chocs, train de tiges et pointe) ; H la hauteur de chute du mouton ; e l’enfoncement moyen par coup (e Dh/N), A la section droite de la pointe ; g l’accélération due à la pesanteur.
Principe de l’essai pressiométrique Ménard L’essai consiste à descendre dans un forage soigneusement calibré une cellule cylindrique tricellulaire gonflante radialement. La cellule est dilatée radialement dans le forage préalable, selon un pas de chargement imposé. On mesure les variations de volume du sol au contact de la sonde en fonction de la pression appliquée. Trois paramètres du sol sont déduits de l’essai : le module pressiométrique Em qui définit le comportement pseudo élastique du sol, - la pression limite Pl qui caractérise la résistance de rupture du sol ; - la pression de fluage Pf qui définit la limite entre le comportement pseudo élastique et l’état plastique. Le pressiomètre Ménard comprend deux parties principales : la sonde et l’unité de contrôle, dite ‘‘contrôleur pression-volume’’, en abrégé CPV. Ces deux parties sont reliées par des tubulures
Schéma de principe de l’essai au pressiomètre Menard
Description de l’appareil Le pressiomètre Ménard comprend deux parties principales : la sonde et l’unité de contrôle, dite ‘‘contrôleur pression-volume’’, en abrégé CPV. Ces deux parties sont reliées par des tubulures semi-rigides en plastique.
Pressiomètre Menard
