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Préparation 1° série 1/16
Première série d’essais :
Identification, Classification et Compactage des sols Cette première série est consacrée à la caractérisation des sols, c’est-à-dire à la description de la composition des sols et à la détermination de leurs propriétés physiques. La détermination de ces caractéristiques constitue une des premières étapes de la campagne de reconnaissance géotechnique ; elles permettent de déterminer à quelle famille de terrains appartient le sol d’assise et peuvent donner des informations, par corrélations, sur certaines de ces propriétés hydrauliques et mécaniques. Les essais qui constituent cette série sont effectués en Laboratoire, sur des échantillons prélevés dans le sol en place.
1- Caractéristiques granulométriques 1.1 - La courbe granulométrique Une des premières étapes de la caractérisation d’un sol consiste à évaluer sa composition à partir de sa courbe granulométrique ; il s’agit d’un graphique qui indique, pour une dimension donnée d d’un grain (portée en abscisse), le pourcentage en poids des grains de dimension inférieure (tamisât, passant) ou supérieure (refus) à d. La courbe est tracée en coordonnées semi-logarithmiques, de façon à donner une représentation plus précise des particules fines (qui influent énormément sur le comportement des sols). On obtient les données nécessaires au tracé de cette courbe grâce à l’analyse granulométrique ; elle est obtenue : -
pour la fraction de sol dont les grains sont > 80 µm : par tamisage sur une série de tamis de maille décroissante ; pour la fraction de sol dont les grains sont < 80 µm : par un essai de sédimentation (méthode basée sur le temps de sédimentation des particules solides en suspension dans un fluide).
Pour plus d’informations sur l’analyse granulométrique, on se reportera au mode opératoire et aux documents correspondant à la manipulation proprement dite. Première série d’essais : Etude des sols
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Préparation 1° série 2/16
1.2 – Interprétation des courbes : Soit Dx le diamètre pour lequel le tamisât est de x % (ex: D30 = diamètre du tamis pour lequel on obtient 30 % de passant). On définit alors les caractéristiques de la courbe granulométrique suivantes : -
le coefficient de Hazen (ou coefficient d’uniformité) : Cu =
D 60 D 10
Ce coefficient permet de savoir si la granulométrie est étalée ou serrée, notamment en ce qui concerne les sables.
-
le coefficient de courbure : Cc =
(D 30 ) 2 D 60 × D 10
Ce coefficient vient en complément de Cu dans la classification des sols LCPC (voir tableau de classification des sols LCPC) afin de déterminer si la granulométrie est bien graduée ou mal graduée ( un sol est mal gradué si une fraction de grains prédomine).
-
continuité - discontinuité : On dit que la courbe granulométrique est continue si entre deux granulats élémentaires consécutifs présents il manque au plus 3 granulats élémentaire. Il y a discontinuité si l’abscence porte sur plus de 3 granulats élémentaires
1.3 – Quelques exemples de courbes granulométriques : 1: Granulométrie étalée et discontinue (alluvions de sables et graviers) 2: Granulométrie étalée et continue (arène granitique) 3: Granulométrie serrée (sable de Fontainebleau) 4: Limon argileux 5: Argile limoneuse 6: Argile pratiquement pure (bentonite) Première série d’essais : Etude des sols
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Préparation 1° série 3/16
2 – Les limites d’Atterberg Comme nous l’avons vu précédemment, l’eau à une influence capitale sur le comportement des sols argileux, car elle joue sur leur plasticité et leur cohésion. 2.1 – Les divers états d’un sol: La consistance (et donc le comportement) d”un sol varie dans des proportions importantes en fonction de la teneur en eau; ceci est lié à l’importance plus ou moins grande des couches d’eau adsorbées autour des ses grains et plus généralement aux propriétés colloïdales des argiles et à leur proportion dans le sol considéré : -
si la teneur en eau es élevée, les forces de cohésion ne sont pas assez importantes pour maintenir en place les particules de sol. Ce dernier se comporte sensiblement comme un fluide (boue). Il est a l’état liquide (le sol tend à s’étaler si on le dépose sur une surface horizontale).
-
Si la teneur en eau diminue, le sol peut être modelé sans qu’il s’effrite et conserve sa forme. Les particules sont rapprochées car l’eau adsorbée est mise en commun (les grains sont reliés entre eux par des molécules d’eau. Le sol est alors à l’état plastique.(posé sur une surface horizontale, il ne s’étale pas mais n’offre aucune résistance à l’action d’une charge même très faible.)
-
Si la teneur en eau diminue encore, les grains deviennent très rapprochés; le sol ne peut plus être modelé et se fend lorsqu’on le travaille, c’est l’état solide. Cet état peut se découper en deux sous-états :
Lorsque la quantité d’eau est relativement importante la pellicule d’eau qui entoure les grains tend à les repousser et augmente le volume apparent; si l’on sèche un tel sol le volume diminue : il y a retrait.C’est l’état solide avec retrait. La déformabilité du sol est beaucoup plus faible qu’à l’état plastique. Lorsque la quantité d’eau devient encore plus faible, la rigidité du corps augmente encore mais son volume ne change pas alors que la teneur en eau diminue. On parle d’état solide sans retrait. Les trois shémas cicontre résument les états possibles d’un sol.
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Préparation 1° série 4/16
2.2 – Les limites d’Atterberg Le passage entre les différents états vus précédemment s’effectue de façon progressive, sans frontière bien marquée. C’est le Suédois Atterberg qui au début du XXième siècle a défini des limites entre ces états, et Casagrande a repris plus tard ce concept et mis au point des essais normalisés permettant de déterminer les teneurs en eau pour lesquelles la transition s’effectue. La connaissance des limites d’Atterberg permet (par corrélations) de présumer le comportement d’un sol donné (en fonction de la nature et de la quantité d’argiles qu’il contient) lorsqu’il est soumis à différentes sollicitations. On distingue trois limites conventionnelles : -
la limite de liquidité WL : teneur en eau qui sépare l’état liquide de l’état plastique,
-
la limite de plasticité WP : teneur en eau qui sépare l’état plastique de l’état solide,
-
la limite de retrait WR : teneur en eau qui sépare l’état solide avec retrait de l’état solide sans retrait (elle correspond à la quantité d’eau juste nécessaire pour combler les vides d’un sol lorsque celui-ci est à son volume minimum).
2.3 – Interprétation des limites d’Atterberg En général, dans leur état naturel, les sols ont une teneur en eau W0 comprise entre WP et WL. 2.3.1 – Indice de plasticité : IP = WL - WP Cet indice donne une indication sur l’étendue du domaine plastique. Un ordre de grandeur de cet indice est donné par la relation de Casagrande : IP= a.WL-b; Avec, pour les sols français : a ≈ 0,7 et b ≈ 9.
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Préparation 1° série 5/16
Avec l’indice de plasticité on peut classer un sol suivant son degré de plasticité : Degré de plasticité du sol Sol non plastique Sol peu plastique Sol plastique Sol très plastique
IP
0à5 5 à15 15 à40 >40 Ordres de grandeur:
Ip>30 20
- Argile - Argile limoneuse - Limon - Sable argileux - Sable limoneux Remarques :
⇒ Plus l’indice de plasticité est élevé, plus le sol est sensible aux effets de gonflement par humidification (ou de retrait par dessication). ⇒ L’indice de plasticité n’est jamais nul mais peut être non mesurable 2.3.2 Diagramme de Casagrande Il s’agit d’un diagramme qui permet de classer les sols fins en 4 catégories selon les valeurs de WL et IP.
Diagramme de plasticité et de classification des sols fins
50
WL= 50%
Indice de plasticité Ip
60
40 Argiles peu plastiques
30
Argiles très plastiques At
Limons très plastiques Lt
20 10 Limons peu plastiques Lp
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Limite de liquidité WL
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100
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Préparation 1° série 6/16
2.3.3 Indice de consistance La comparaison entre la teneur en eau naturelle du sol w0 et les limites d’Atterberg, permet d’avoir une idée de l’état du sol en place. On définit pour cela l’indice de consistance : Ic = IC Consistance
wL − w0 IP
0
0,25
0,5
0,75
1
liquide
pâteuse
molle
ferme
Très dure
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Première série d’essais : Etude des sols
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Préparation 1° série 8/16
4 – Classification des sols 4.1 – Classification selon l’annexe A du D.T.U 11.1 – Travaux de sondage des sols de fondation On effectue cette classification provisoire dans une première approche, en l’absence d’essais de laboratoire. Par exemple, il n'est pas possible, sans un examen ou des essais plus minutieux effectués par spécialiste, de distinguer une marne d'une argile. 1 - sols meubles La classification ci-dessous qui s'applique aux sols meubles est uniquement basée sur l'aspect granulométrique du sol. On distingue quatre classes principales de grains : a) Les graviers dont la dimension moyenne est supérieure à quelques millimètres ; b) Les sables formés de grains de dimension moyenne inférieure à celle des graviers mais restant perceptibles à l'œil nu ; c) Les limons qui sont intermédiaires entre les sables et les argiles. Ils sont très peu plastiques à l'état humide et n'offrent à l'état sec qu'une faible résistance à l'écrasement sous l'action des doigts ; d) Les argiles qui sont formées de grains les plus petits (quelques microns au maximum). L'argile mouillée est très plastique et se pétrit facilement en petites boules ou en boudins de faible épaisseur. A l'état sec, l'argile offre une résistance importante à l'écrasement sous l'action des doigts. Les dénominations données au sol mentionnent la classe unique ou les deux classes de grains qui sont prépondérantes dans le sol. a) Les graviers dominent :
c) Le limon domine :
gravier,
limon,
gravier sableux,
limon graveleux,
gravier limoneux,
limon argileux ;
gravier argileux ; b) Les sables dominent :
d) L'argile domine : argile,
sable,
argile graveleuse,
sable graveleux,
argile sableuse,
sable limoneux,
argile limoneuse.
sable argileux ;
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Préparation 1° série 9/16
Si les sols contiennent en plus une faible quantité de matières organiques, la mention « organique » est ajoutée aux appellations précédentes. Si les matières organiques sont en pourcentage important, les sols sont appelés : -
terre végétale, si le sol contient des éléments végétaux non décomposés,
-
tourbe, si la trame végétale est morte et en voie de décomposition mais reste nettement visible,
-
vase, s'il s'agit de sols fins contenant des matières organiques et décomposées et possédant une odeur caractéristique.
Toute présence de remblais ou d'éboulis fait l'objet d'une mention ajoutée à la dénomination donnée au sol. 2 - sols rocheux Les renseignements fournis mentionnent, en particulier, s'il s'agit d'une roche dure, tendre, homogène, stratifiée, fissurée, fracturée, vacuolaire, altérée, de grande ou faible densité, avec ou sans porosité apparente, etc.
4.2 – Classification L.C.P.C (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) Il s’agit de la classification couramment utilisée en France dans le secteur du bâtiment; elle s’appuie sur l’étude granulométrique et sur les limites d’Atterberg La classification distingue 8 catégories pour les sols grenus (voir tableau page suivante). Pour les sols fins, elle s’appuie sur le diagramme de Casagrande (voir diagramme au §.5.3.2) 4.3 – Autres classifications Il existe d’autres classifications suivant les pays, mais aussi en fonction du domaine d’activité; citons notamment la classification du “Guide des Terrassements Routiers” qui propose une clasification des sols utilisables en remblais et couche de forme d’infrastructures routières. Cette classification outre l’analyse granulométrique et les limites d’Atterberg utilise des essais supplémentaires tel l’essai d’Equivalent Sable et l’essai de Valeur au Bleu de méthylène que nous étudierons plus en détail et réaliserons dans la 1ière série d’essais en laboratoire.
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Préparation 1° série 10/16
Classification des sols LCPC Classification des sols fins (plus de 50% des éléments ont un diamètre < 0,080 mm) :
Classification des sols grenus (plus de 50% des éléments ont un diamètre > 0,080 mm) :
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Classification des sols GTR
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Préparation 1° série 12/16
5 - COMPACTAGE D’UN SOL : ESSAI PROCTOR La portance d’un sol est la caractéristique qui définit sa capacité à supporter les charges qui lui sont appliquées. La portance dépend de la nature du sol, de son pourcentage d’eau et du degré de compactage. Quel que soit le sol, sa résistance mécanique augmente avec sa densité en faisant passer plusieurs fois des engins lourds qui assurent le compactage. La portance du sol et sa teneur en eau optimum sont déterminés par l’essai Proctor. 5 – 1 But de l’essai Il s'agit de déterminer la teneur en eau optimale conduisant à une force portante maximale pour un sol donné, selon des conditions de compactage précises. On compacte des échantillons de sol dans un moule normalisé, en adoptant diverses valeurs de teneur en eau. Pour chaque essai, on détermine la masse volumique apparente correspondante. Puis les résultats sont portés sur un graphique et la courbe joignant au mieux les points obtenus passe par un maximum qui correspond à l’optimum Proctor. L'abscisse du maximum de cette courbe représente la teneur en eau optimale ωopt, et son ordonnée la masse volumique apparente sèche optimum ρopt 5 – 2 Matériel utilisé 5 - 2.1 Moule C'est un tube métallique cylindrique, ouvrable en deux demi-coquilles que l'on peut fixer sur une base, et muni d'une hausse.
Il existe 2 moules : • le moule PROCTOR, utilisable pour les sols fins • le moule C.B.R., utilisable dans tous les cas. Moule PROCTOR C.B.R.
D (mm) 101,6 152
H (mm) 116,5 152,5 dont disque d'espacement, épaisseur 36 mm soit hauteur utile = 116,5 mm Première série d’essais : Etude des sols
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Préparation 1° série 13/16
5 – 2.2 Dame Choix de l’intensité de compactage : Proctor Normal : pour les corps de remblais et les couches de formes. Proctor Modifié : pour les couches de chaussées. Deux dames sont utilisées en fonction de l'intensité de compactage désiré : • la dame P.N. pour l'essai PROCTOR NORMAL • la dame P.M. pour l'essai PROCTOR MODIFIE Type P.N. P.M.
φ (mm) 50 50
Masse (g) 2490 4535
Hauteur de chute (mm) 305 457
5 – 3 Préparation de l’échantillon 5 – 3.1 Quantité à prélever Elle dépend du moule utilisé. La courbe étant définie par au moins 5 à 6 points, il faudra prélever un minimum de : - pour le moule PROCTOR : 15 kg de sol - pour le moule C.B.R. : 33 kg de sol Le matériaux doit être soigneusement prélevé, et amené à une teneur en eau inférieure à ωopt. En principe, le premier essai doit se faire à une teneur d'environ 4%. L'échantillon est ensuite fractionné en 6 parts, chaque part étant malaxée de manière à obtenir des échantillons parfaitement homogènes. 5 – 3.2 Choix du moule Il dépend de la grosseur des plus gros grains du sol, c'est à dire D. • Si D ≤ 5 mm (et seulement dans ce cas), moule PROCTOR mais moule C.B.R. conseillé. • Si 5 < D ≤ 20 mm, utiliser le moule C.B.R. Conserver le sol intact, avec tous ses constituants. • Si D > 20 mm, tamiser à 20 mm et peser le refus - Si refus ≤ 30 %, effectuer l'essai dans le moule C.B.R. sans le refus (échantillon écrêté à 20 mm) et appliquer une correction sur les valeurs trouvées, - Si refus > 30 %, l'essai PROCTOR ne peut être fait. 5 – 4 Présentation et exploitation des résultats Présenter les résultats et les calculs sur une feuille selon le modèle donné. Méthode : peser le moule + embase à 5 g près (P1) - introduction du matériau selon la norme NF P 94-093 - araser soigneusement, nettoyer le moule et peser l’ensemble (P2) - démouler le sol et prélever deux prises en haut et en bas de l’échantillon
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ρd1
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Préparation 1° série 14/16
déterminer les teneurs en eau et faire la moyenne (w1) calculer la masse volumique apparente sèche : =
vol.
M sèche moule
=
P2 1
− +
P1
ϖ1
1
x
vol.
moule
Tracer la courbe obtenue à l'aide des valeurs et déterminer ωopt et ρdmax. Voici les courbes obtenues sur deux sols différents :
Sol 1 : Grave naturelle
ρd max =
wOPN =
Sol 2 : Sable limoneux
ρd max =
wOPN =
D’une manière générale l’allure des courbes est aplatie en l’absence de fines et au contraire incurvée dans le cas des sols comportant beaucoup de fines comme les limons et argiles). 5 – 5 Ordre de grandeur ρd max en kN/m3
wOPN en %
Argile
20
20
Limon
17
17
Sable de rivière
16
6
Sable limoneux
19
12
Grave naturelle
20
8
Grave reconstituée
22
6
Nature du sol
5 – 6 Applications Première série d’essais : Etude des sols
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Préparation 1° série 15/16
Exercice 1 : On souhaite amener une masse de sol à une teneur en eau précise. Le sol est humide et on a effectué une teneur en eau sur celui-ci. Voici les résultats : Mh + Tare = 225,45 g. Ms + Tare = 219,66 g. Tare = 108,00 g. a/ Quelle est la teneur en eau de ce sol ? b/ Quelle masse d’eau faut-il ajouter a cet échantillon de sol de masse 5,5kg pour l’amener à une teneur en eau de 8% ?
Exercice 2 : On vous demande d’exploiter le tableau donné page suivante afin de déterminer la masse volumique sèche de l’essai 1 et 2. Puis de tracer la courbe Proctor et la courbe de saturation afin de déterminer ωopt et ρdmax.
Masse totale humide Masse du moule Masse nette humide Volume du moule TENEUR EN EAU Repère essai Masse totale humide (g) Masse totale sèche (g) Masse tare (g) Masse d'eau (g) Masse nette sèche (g) Teneur en eau (%)
ESSAI 1 6900 g 5000 g g 0,95dm3 1 82,52 80 20
2 78,19 76 21
ESSAI 2 6985 g 5000 g g 0,95dm3 1
2
7% MASSES VOLUMIQUES Masse volumique apparente humide Masse volumique apparente sèche
ESSAI 3 7037 g 5000 g 2037 g 0,95dm3 1
2
ESSAI 4 7096 g 5000 g 2096 g 0,95dm3 1
2
ESSAI 5 7100 g 5000 g 2100 g 0,95dm3 1
2
9,5 %
12 %
13,6 %
ESSAI 6 7055 g 5000 g 2055 g 0,95dm3 1
2
15,7 %
g/dm3
g/dm3
2144g/dm3
2206g/dm3
2211g/dm3
2163g/dm3
g/dm3
g/dm3
1958g/dm3
1970g/dm3
1946g/dm3
1870g/dm3
Masse volumique maximale Proctor :
g/dm3
Teneur en eau optimale Proctor :
%
Masse volumique des grains de sol :
3
2700g/dm
Variation des masses volumiques sèches Teneur en eau en % 2% 4% 6% Saturation 100% 2421 2309 Saturation 80% 2363 2231
8% 2207 2114
10 % 2114 2007
12 % 2028 1912
14 % 1949 1824
16 % 1876 1745
Première série d’essais : Etude des sols
18 % 1808 1672
20 % 1745 1605
22 % 1686 1543
24 % 1631 1486
B.T.S. Bâtiment
Laboratoire
Première série d’essais : Etude des sols
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