Fasc.1 - Introduction Generale (PDF)

MUNENWA-NAHIDUE OLIVERSON F.S.A / Génie Civil MECANIQUE DES SOLS, ROUTES, FONDATIONS ET SOUTENEMENT

Fascicule I

Introduction générale

Mécanique des sols, routes, fondations et soutènements – RC 2006

FASCICULE 1

INTRODUCTION GENERALE _____________________________________________________________________

TABLE DES MATIERES 1.

INTRODUCTION ................................................................................................ 4

1.1.

Présentation du cours ....................................................................................................................... 4

1.2.

Normes, recommandations, cahiers des charges ..................................................................... 4

1.3.

Unités et symboles ........................................................... ........................................................... ....... 6

2.

UTILITE DE LA GEOMECANIQUE .................................................................... 7

2.1.

Stabilité des pentes naturelles et des talus ...................................................... ........................... 7

2.2.

Ouvrages de soutènement ............................................................................................................... 8

2.3.

Fondations...................................................... ........................................................... ........................... 9

2.4.

Routes..................................................................................................................................................

2.5.

Les ouvrages en terre et en enrochements ............................................................................... 10

2.6.

L'eau dans les sols ........................................................... ........................................................... ..... 10

2.7.

Terrains nécessitant une attention particulière ......................................................... ............... 11

10

2.7.1.

Terrains vaseux ou tourbeux.................................................................................................... 11

2.7.2.

Terrains gonflants ....................................................................................................................... 12

2.7.3.

Terrains gélifs..................................................... ........................................................... ............... 12

2.7.4.

Sols dont la résistance diminue avec le temps ................................................................... 13

2.7.5.

Sols dont la résistance diminue avec le remaniement ...................................................... 13

3.

COMMENT ABORDER UN PROBLEME DE GEOMECANIQUE APPLIQUEE15

3.1.

Définition du projet........................................................... ........................................................... ..... 15

3.2.

Reconnaissance préalable du site ............................................................................................... 15

3.3.

Emission d'hypothèse de travail concernant les caractéristiques géotechniques du site 15

3.4.

Définition des reconnaissances ................................................................................................... 16

3.5.

Etablissement d’un modèle de travail du terrain....................................................... ............... 16


3.6.

Etude de projets alternatifs ...................................................... ......................................................

16

3.7.

Etablissement du cahier des charges et des plans, du constructeur.................................

16

3.8.

Suivi de l’exécution .......................................................................................................................... 16

3.9.

Examen du comportement de la construction dans le temps .............................................. 17

4.

NATURE, ORIGINE ET STRUCTURES DES MATERIAUX ............................ 18

4.1.

Sols......................................................... ........................................................... ................................... 18

4.1.1.

Origines .......................................................................................................................................... 18

4.1.2.

Nature des sols ............................................................................................................................ 19

4.1.3.

Structure des sols ....................................................................................................................... 23

4.2.

Description générale d'un terrain ..................................................... ............................................ 25



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1. Introduction 1.1. Présentation du cours Le cours de Mécanique des sols, routes, fondations et soutènement a pour but, d'une part, de permettre aux futurs ingénieurs qui seront impliqués dans des travaux de génie civil de concevoir et de réaliser des ouvrages d’infrastructures courants dans des sites de caractéristiques communes et, d'autre part, de leur fournir les éléments nécessaires pour être à même de déceler les possibilités de problèmes plus difficiles à résoudre dans des sites particuliers et nécessitant le recours à des géomécaniciens spécialisés. Pour concevoir convenablement les ouvrages d'infrastructures (fondations, soutènements, voies de communication,...) ou s'assurer de la stabilité d'un talus, il est primordial de comprendre le comportement des terrains. Avant d'aborder l'étude des sols meubles, nous nous intéresserons d'abord plus généralement aux propriétés des milieux granulaires (fascicule 2) utilisés en constructions du génie civil, dont les sols font partie. Le fascicule 3 sera consacré aux propriétés physico-chimiques et aux classifications des sols; une définition correcte des géomatériaux est en effet indispensable pour la bonne compréhension du comportement des terrains soumis à des variations de contraintes. L'hydraulique des sols et des roches sera abordée dans le fascicule 4. Compte tenu des effets néfastes que l'eau peut avoir sur la stabilité des terrains, il est fondamental de très bien comprendre ses modes d'actions. Le fascicule 5 traite des caractéristiques mécaniques des sols qui sont nécessaires pour toute étude de stabilité des massifs de terrains sollicités par leur poids propre et éventuellement par des efforts extérieurs.

1.2. Normes, recommandations, cahiers des charges Dans ce cours, comme dans beaucoup d'autres enseignements du génie civil, il sera souvent fait référence à des "Normes", à des "Recommandations" et à des "Cahiers généraux des charges" ou "Cahier des charges type...". Les " Normes" sont des documents nationaux ou internationaux qui standardisent les produits et méthodes d'essais. Leur application est légale. En Belgique, c'est l' Institut Belge de Normalisation, IBN qui édite les Normes belges, Belgische Normen, NBN . Lorsqu'il n'existe pas de normes belges, il est généralement fait référence à des normes étrangères, notamment :



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- les DIN (Deutches Institut für Normung) qui couvrent de très nombreux produits et méthodes d'essais, - les AFNOR (Association Française de Normalisation), - les ASTM de l'"American Society for Testing and Materials" qui sont probablement les plus complètes, - les SNV (Schweizerische Normenvereinigung, Association Suisse de Normalisation), - les BS (British Standands), - les normes ISO de l'"International Standardization Organization", - et, plus récemment, les EURONORMES ou EUROCODES , encore peu nombreuses. Ces normes sont établies par des commissions regroupant des spécialistes, elles sont ensuite soumises à une enquête publique, et finalement éditées. Les "Recommandations" et "Codes de bonne pratique" émanent de sociétés scientifiques ou de centres de recherches nationaux ou internationaux, ce sont des manuels de bon usage mettant un peu d'ordre dans la diversité des méthodes et produits proposés. En Belgique, les Centres de Recherches des associations professionnelles sont très actifs, par exemple : - le C.S.T.C. (Centre scientifique et technique de la construction), - le C.R.R. (Centre de recherches routières), - l' A.B.E.M . (Association belge pour l'étude et l'emploi des matériaux). En France, il faut citer le L.C.P.C. (Laboratoire central des ponts et chaussées) et le L.N.T.P.B. (Laboratoire national des travaux publics et du bâtiment); en Grande-Bretagne, le R.R.E. (Road research establishment) et B.R.S. (Building research station); au Portugal, le L.N.E.C. (Laboratorio nacional de engenharia civil); en Italie, l' I.S.M.E.S. (Instituto sperimentale modelli e strutture); en Suisse, la S.I.A. (Société des ingénieurs et architectes) et aux U.S.A., l' A.S.S.H.O. (American association of state highway officials). Au niveau international, on peut énumérer avec leurs associations belges correspondantes : - la S.I.M.S.T.F.(Société internationale de mécanique des sols et des travaux de fondations) et le G.B.M.S (Groupement belge de mécanique des sols et des travaux de fondation) au sein de l' A.B.E.M .; - la S.I.M.R. (Société internationale de mécanique des roches) et le G.B.M.R. (Groupement belge de mécanique des roches); - l' A.I.G.I .(Association internationale de géologie de l'ingénieur) et le C.B.G.I. (Comité belge de géologie de l'ingénieur); - la C.C.E. (Commission des communautés européennes) édite des Eurocodes en vue d'éliminer les entraves causées par les règles divergentes et de définir Mécanique des sols, routes, fondations et soutènements – RC 2006


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des règles techniques communes. Citons l'Eurocode 1 : Règles communes unifiées pour différents types de constructions et matériaux et l'Eurocode 7 : Fondations. Les "cahiers des charges" sont des documents contractuels entre le maître de l'ouvrage et l'entrepreneur. En ce qui concerne ce cours, ce sont les "cahiers généraux des charges" ou "cahiers des charges type..." du M.T.P. (Ministère des travaux publics), et du M.E.T (Ministère wallon de l'équipement et des transports) qui sont les plus importants, car les organismes publics et privés s'y réfèrent généralement dans les "cahiers spéciaux des charges" qui sont spécifiques à chaque contrat d'entreprise. Citons, à titre d'exemple : - le "cahier des charges - type 150 " de l'Administration des Routes du M.T.P., édition 1978 et le document correspondant de la Région Wallonne désigné par "type 300"; - le "cahier général des charges pour travaux de construction privée " édité par la Chambre des Architectes de Belgique.

1.3. Unités et symboles Il sera fait usage, autant que possible, du système d'unités légales belges. Il comprend, d'une part, les unités du Système International (S.I.) définies par la norme ISO 1000-1973 et, d'autre part, les unités utilisées de manière habituelle en Belgique, elles font l'objet de la norme NBN X 02-001. Les grandeurs et symboles utilisés le plus couramment dans les sciences et la technique sont, quant à eux, définis dans la norme NBN X02-002 conformément à la norme ISO 31. Les définitions et notations seront autant que possible conformes à la "Liste des symboles, unités, définitions" publiée par la S.I.M.S.T.F. dans les comptes-rendus du 9ème congrès international de mécanique des sols et des travaux de fondations, à Tokyo en 1977.


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2. Utilité de la géomécanique Avant d'aborder la mécanique des sols et des roches, il est utile de citer quelques problèmes importants relevant de la géomécanique et qui se posent aux ingénieurs, ceci dans le but de mettre en évidence les propriétés du matériau qu'il est nécessaire de déterminer pour résoudre ces problèmes.

surface de glissement

nappe Force hydrodynamique

poussée d'Archimède

2.1. Stabilité des pentes naturelles et des talus Exemples de massifs instables :

-

colline de Cointe (rue H. Maus, aux Guillemins, rue Côte d'Or, à l 'hôpital du Petit Bourgogne, ...); campagne de Renory; mont Toc (barrage du Vajont hauteur = 265 m, rupture en 1963, environ 2000 morts).

Sollicitation principale : le poids propre. Sollicitations additionnelles éventuelles : - charges extérieures : verticales, (remblais, ...); inclinées (culées, ancrages, ouvrages de retenue); - effet sismique : forces massiques de direction et amplitude variables;  



-

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forces hydrostatiques et hydrodynamiques (poussée d'Archimède et pression de courant).

Caractéristiques du terrain nécessaires à l'étude : - poids volumique du sol (éventuellement déjaugé); - résistance du terrain;

2.2. Ouvrages de soutènement L'interaction d'un ouvrage de soutènement et du massif retenu est très complexe. Les contraintes à l'interface dépendent en effet de nombreux facteurs dont les principaux sont : les lois de comportement du massif; le chemin des contraintes antérieures et de celles dues à l'ouvrage, qui dépend principalement: - du type de mur (surtout de sa raideur et de celle de sa fondation); - du mode de construction; les sollicitations dues à la présence éventuelle d'eau.  



La méconnaissance quasi inévitable d'un de ces facteurs conduit au fait qu'il n'est, le plus généralement, pas possible de connaître la répartition réelle des contraintes existant sur les faces des ouvrages de soutènement ou d'ailleurs de tout ouvrage enterré. On peut se rendre compte de cette impossibilité en imaginant une paroi fictive dans un terrain. Les contraintes sur cette paroi dépendent de "l’histoire" du massif, notamment de surcharges éventuelles qu'il a dû supporter, elles ne peuvent être estimées que d'une façon approximative. Remarquons, d'autre part, qu'elles ne peuvent pas être mesurées non plus, l'introduction de tout instrument dans le massif perturbant inévitablement l'état de contrainte que l'on veut précisément déterminer. Mécanique des sols, routes, fondations et soutènements – RC 2006

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Si l'on veut excaver la partie A du massif située d'un côté de la paroi fictive, il faut remplacer celle-ci par une paroi réelle.

Paroi réelle

Paroi fictive

A

B

massif excavé

A

B

Les déplacements et les déformations de cette dernière modifient l'état de contrainte du massif B et, plus particulièrement, l'action sur la paroi. Celle-ci diminue lorsque le massif se détend et croît lorsque le massif est comprimé. La rupture se produit, soit quand l'action des terres sur la paroi atteint une valeur minimum qui correspond à l'éboulement des terres, soit quand la butée de la paroi atteint la valeur de l'effort de refoulement du massif. Il se peut, d'ailleurs, que les conditions soient telles que certaines zones du massif soient détendues et que d'autres soient recomprimées, comme par exemple dans le cas d'une paroi simple (palplanches métalliques) étançonnée rigidement. détente

refoulement

étançon

La complexité du problème est telle que, par manque de connaissance d'une loi satisfaisante de comportement du sol et de l'évolution des conditions aux limites lors de la construction, on doit se contenter, presque toujours, de calculer les contraintes correspondant à un état de rupture et non à l'état de service.

Il est donc important de pouvoir déterminer les caractéristiques de résistance des sols et la détente cinématique de la rupture à défaut de pouvoir compression considérer des modèles rhéologiques valables qui permettraient de calculer les contraintes et déplacements de l'ouvrage en service.

2.3. Fondations Pour qu'une fondation soit satisfaisante, il faut que les déformations totales et différentielles soient limitées à des valeurs admissibles pour la superstructure et que la sécurité vis-à-vis de la rupture soit également suffisante, compte tenu de la dispersion relativement grande et des variations parfois importantes des caractéristiques mécaniques du terrain et compte tenu aussi de la sécurité habituellement prise en compte sur les valeurs des charges. Mécanique des sols, routes, fondations et soutènements – RC 2006


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Le sol étant généralement le matériau le moins résistant, le plus hétérogène et le plus sensible aux conditions de l'environnement, il est une des causes les plus fréquentes de dommages aux structures. Il y a donc lieu de porter une attention particulière à la reconnaissance géotechnique des sites, à l'étude correcte des caractéristiques du sol et à l'élaboration d'un projet en tenant compte des réalités et en se basant sur des méthodes ayant fait leurs preuves. Les lois de comportement des sols étant encore mal connues, il est habituel d'envisager d'abord les calculs des charges admissibles des fondations imposées par les critères de rupture et de contrôler le respect des critères de déformation.

2.4. Routes Les sollicitations du sol de fondation sont répétées, des problèmes de fatigue peuvent donc apparaître. Le comportement sous charges cycliques doit donc être étudié si l'on veut aborder scientifiquement un projet de route.

2.5. Les ouvrages en terre et en enrochements Quand le sol est utilisé comme matériau de construction, on peut plus aisément contrôler ses propriétés en adoptant des méthodes de mi ses en œuvre adéquates. La résistance et la rigidité d'un sol donné augmentant avec le degré d'enchevêtrement des grains, c'est-à-dire avec sa compacité, l'importance d'un bon compactage apparaît immédiatement. Il y a donc lieu de consacrer un chapitre de la mécanique des sols à ce problème.

2.6. L'eau dans les sols L'eau est quasi toujours "l'ennemi numéro un" du géotechnicien. Elle a deux effets principaux sur la bonne tenue des terrains: 



le premier se manifeste par une variation éventuellement très grande des propriétés mécaniques de résistance; le second est de nature purement hydraulique pour les terrains immergés et est souvent séparé en deux :


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-

-

d'abord un effet hydrostatique (Poussée d'Archimède) qui réduit les pressions de contact entre grains de sols et, en conséquence, la résistance au frottement du terrain; ensuite, un effet hydrodynamique éventuel qui se traduit par un effort sur les particules du terrain, dirigé suivant le sens d'écoulement de l'eau.

Un chapitre du cours devra donc être consacré à l'étude de ces effets de la seconde classe qui peuvent être la cause d'instabilités, notamment d'érosions, régressives (renards) très redoutées des ingénieurs parce que brutales et généralement incontrôlables. Le premier effet sera considéré dans le chapitre consacré à la résistance des sols.

effort dynamique poids déjaugé

2.7. Terrains nécessitant une attention particulière 2.7.1.

Terrains vaseux ou tourbeux

Ces sols de caractéristiques médiocres à cause de leur manque de consolidation et de la présence de grandes quantités d'eau, et de matières organiques conduisent à des tassements considérables même sous faibles charges.

Sur certains de ces sols alluvionnaires organiques récents, un remblai de terres s'enfonce parfois presque complètement, le refoulement latéral du sol de fondation provoque souvent des ruptures du remblai; les maisons très légères par exemple en bois doivent être fondées sur pilotis ce qui n'évite pas qu'elles s'enfoncent lentement. Une amélioration (consolidation) préalable à toute construction est souvent indispensable.


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Il faut, d'autre part, être attentif à ne pas rabattre la nappe, la surcharge provoquée par la disparition de la poussée d'Archimède conduisant inévitablement à des tassements parfois très importants et souvent même à grande distance du point de rabattement.

2.7.2.

Terrains gonflants

Certaines argiles, principalement celles contenant de la montmorillonite, gonflent par adsorption d'eau quand Bâtiment elles ne sont pas soumises à une compression suffisante et, inversement, se contractent lors d'un assèchement. Ce phénomène est très gênant pour les couche constructions légères ou les éléments de pieux gonflante construction peu pesants reposant sur ce type de sols soumis à des variations de sa teneur en eau. Il faut donc, dans le cas de sols gonflants, déterminer les caractéristiques de gonflement et couche stable prévoir des dispositifs tendant à éviter dans toute la mesure du possible les variations de teneur en eau. On peut aussi isoler de la construction elle-même la zone où des variations de volume se produisent.

2.7.3.

Terrains gélifs

Un sol en contact avec de l'eau et soumis à des températures inférieures à 0°C est susceptible, si certaines autres conditions existent, de gonflements très importants (plus de 100 %). Il se forme des lentilles de glace qui, au dégel, sursaturent le sol, car le drainage est empêché par la glace sous-jacente non encore fondue. Le terrain n'a alors pratiquement plus aucune résistance. C'est un problème auquel il faut être très attentif pour les fondations, notamment pour celles des routes. Les propriétés de perméabilité et de capillarité du sol sont primordiales pour concevoir des fondations à l'abri de l'effet du gel. 2. Période de gel 3. Dégel

neige

1. Avant gelées route

lentilles de glace

nappe


Sol sursaturé


2.7.4.

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Sols dont la résistance diminue avec le temps

Certaines argiles, comme celle de Londres, peuvent être le siège d'un phénomène assimilable à un vieillissement sous contraintes qui se manifeste, notamment, par la rupture différée de talus. C'est un comportement malaisé à prévoir en se basant sur des études de laboratoire qui forcément sont trop courtes. Il y a donc lieu, en plus, de tenir compte de l'expérience acquise pour les matériaux identiques ou très proches.

2.7.5.

Sols dont la résistance diminue avec le remaniement

"Quick clays"

Une modification de la structure de ces sols leur fait perdre leur consistance et leur comportement se rapproche de celui d'un liquide visqueux. C'est notamment le cas des argiles surconsolidées scandinaves et canadiennes. Il s'agit de dépôts marins qui ont été lavés par les eaux phréatiques qui ont dissout le sol résiduel des pores et modifié les couches doubles des minéraux. Ceci conduit au fait que le matériau voit sa résistance initiale diminuer et sa sensibilité au remaniement augmenter (la résistance du sol remanié peut être de deux, voire même de trois ordres de grandeur plus petite que celle du sol vierge). Les "quick clays" sont fréquemment la cause de glissements importants pouvant emporter des constructions sur des centaines de mètres à des vitesses de quelques dizaines de kilomètres par heure. Ils sont souvent déclenchés par des remaniements locaux ou des entraînements hydrodynamiques de particules. Les masses énormes des pentes susceptibles d'être instables dans les pays nordiques et en conséquence les coûts prohibitifs des travaux de stabilisation posent des problèmes de conscience grave aux responsables techniques et politiques de ces pays. "Quick sands"

Lorsque des sables, généralement fins, sont dans un état lâche et sont sous eau, une modification locale de leur structure peut provoquer une mise en suspension des grains. Le comportement de ces matériaux appelés "sables mouvants" (quick sands) est alors celui d'un liquide, toute portance disparaît ce qui conduit à l'enfoncement de toutes constructions et toute surface libre tend vers l'horizontale. C'est le phénomène de liquéfaction. Mécanique des sols, routes, fondations et soutènements – RC 2006


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"Cendres volantes"

Pour certains matériaux artificiels, tels que les cendres volantes provenant de la combustion de charbons pauvres broyés finement, la mise en suspension peut avoir lieu aussi dans l'air. Il en résulte un phénomène d'avalanche. Pour maîtriser ces phénomènes souvent très graves, il faut étudier l'influence de la porosité sur la résistance au cisaillement et réduire celle-ci sous une valeur critique.



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3. Comment aborder un problème de géomécanique appliquée Remarquons d'abord que le géomécanicien doit travailler avec des matériaux naturels très hétérogènes et dont les propriétés sont aussi variables dans le temps en fonction de nombreux facteurs. Les caractéristiques des massifs sont, de plus, malaisées à déterminer à cause, d'une part, de leur hétérogénéité et, d'autre part, de la difficulté même d'exécuter des essais représentatifs des phénomènes réels. Si bien que la détermination des caractéristiques physico-chimiques et mécaniques fait généralement partie intégrante de la solution du problème géotechnique considéré. Le schéma de la conduite à tenir est donné ci-après, il peut évidemment différer légèrement d'un type de problème à un autre.

3.1. Définition du projet      

Définition du but. Délais des études et de la réalisation. Prévision du nombre, du type et de la localisation des différentes constructions. Prévisions de l'extension future du projet. Utilisations potentielles du projet. Sollicitations spéciales ou inhabituelles prévues.

3.2. Reconnaissance préalable du site   

Collecte des données existantes sur le site et aux environs. Visite du site et de ses environs. Reconnaissance géologique.

3.3. Emission d'hypothèse de travail concernant les caractéristiques géotechniques du site Ces hypothèses de travail sont émises compte tenu des points 3.1 et 3.2.



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3.4. Définition des reconnaissances Cette reconnaissance, basée sur les hypothèses de travail du point 3.3, définira le nombre, le type et la profondeur des essais in situ et des prélèvements pour examens en laboratoire ainsi que le nombre et le type d'essais en laboratoire. Suivant les résultats des essais en cours, le programme devrait idéalement pouvoir être adapté.

3.5. Etablissement d’un modèle de travail du terrain La dispersion habituelle des résultats de la reconnaissance et des essais in situ nécessite l'idéalisation des caractéristiques pour définir un modèle de calcul suffisamment simple, permettant aussi de limiter le nombre d'essais en laboratoire.

3.6. Etude de projets alternatifs Ces projets alternatifs sont établis pour mieux s'adapter aux conditions déterminées du sous-sol. Choix du ou des projets à retenir.

3.7. Etablissement du cahier des charges et des plans, du constructeur

3.8. Suivi de l’exécution Ce suivi est particulièrement nécessaire pour l'établissement des fondations, notamment pour l'approbation de leurs niveaux. L'étude du terrain doit se poursuivre au cours des travaux de fondation, si les conditions rencontrées diffèrent des conditions prévues pour le modèle établi, il y a lieu d'adapter le projet ou même de le modifier complètement.



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3.9. Examen du comportement de la construction dans le temps Cette dernière phase est rarement exécutée, sauf en cas de dégradations majeures ou de constructions très importantes de génie civil (barrages, grands ponts,...). Elle est pourtant fondamentale pour l'estimation de la valeur de l'étude géotechnique et l'affinement des méthodes utilisées ultérieurement.



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4. Nature, origine et structures des matériaux 4.1. Sols La description des sols qui suit essaye de mettre en évidence les éléments qui influencent les caractéristiques mécaniques considérées dans la suite de ce cours.

4.1.1.

Origines

Les sols sont des résidus de l'altération des massifs rocheux en surface et qui n'ont pas été relapidifiés comme les roches sédimentaires. Ce sont donc des corps formés de particules solides non recimentées, c'est donc un granulat nommé souvent matériau meuble. Le matériau altéré peut : 

 

être emporté par des vents, des ruissellements, des rivières, des glaciers, des courants marins; et être redéposé ailleurs, ce sont les sols sédimentaires, les colluviums; ou être déplacé par glissements, fluages, chutes, éboulements,... ce sont les éluviums, les éboulis de pentes,...

Au cours de ces mouvements et après la mise en place du sol, l'altération continue souvent à dégrader les particules. Parfois, les sols restent en place, ce sont les sols résiduels. Les processus de transport, de dépôt et les modifications des conditions ultérieures influencent fortement la structure du matériau et donc ses propriétés physiques et mécaniques. La plupart des sols rencontrés par les constructeurs sont des sols transportés par l'eau. Dans les hautes vallées et sur leurs flancs, les éluviums sont formés de matériaux de toutes tailles, souvent assez instables. Les grains les plus fins sont lavés par les pluies et emportés, les blocs sont disloqués par les agents atmosphériques, ils sont aussi entraînés par les torrents puis par les rivières, d'autant plus loin qu'ils sont petits et qu'ils se roulent. Les matériaux les plus fins se déposent dans les estuaires où la vitesse des courants a suffisamment diminué et où la salinité de l'eau de mer fait floculer les matériaux colloïdaux. Il apparaît donc un classement des matériaux, qui conduit à des propriétés très différentes de l'amont où les matériaux sont grossiers, à l'aval d'un cours d'eau où les dépôts sont fins, très poreux et saturés. Les dépôts éoliens (par exemple, limon de Hesbaye) ont des caractéristiques très différentes. Les matériaux les plus gros que le vent peut transporter sont les sables, qui se Mécanique des sols, routes, fondations et soutènements – RC 2006

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déposent en premier lieu en formant des dunes de matériaux d'ailleurs classés. Les matériaux plus fins peuvent être soulevés dans la haute atmosphère et transportés sur des centaines, voire des milliers de kilomètres, puis déposés en massifs non stratifiées comme les formations fluviales. Ces formations ne sont généralement pas saturées. L'influence des glaciers, de l'époque des grandes glaciations, est encore très apparente actuellement, non seulement par les vallées de forme typique en U, mais aussi par les moraines importantes qui sont des sols souvent tout-venant et grossiers, sans éléments fins s'ils ont été lessivés par les eaux de fonte. Une autre trace laissée par les glaciers qui recouvraient des argiles est la grande compacité de celles-ci qui se manifeste par une grande résistance se réduisant très fortement lors d'un remaniement. Certains sols peuvent contenir également des résidus de végétaux, ce sont les sols organiques (tourbes, vases,...).

4.1.2.

Nature des sols

La composition minéralogique des sols dépend directement de celle de la roche mère. L'altération peut cependant modifier cette composition (dissolution de certains sels par l'eau, réaction avec le CO 2, avec les acides organiques, échanges ioniques,...). On pourrait croire que les caractéristiques physiques et mécaniques des sols dépendent de leur nature d'une façon importante et qu'il serait donc possible de déduire le comportement d'un sol à partir de la connaissance de sa minéralogie. En réalité, cela est une illusion car de nombreux autres facteurs interviennent (porosité, structure, teneur en eau, vitesse de sollicitation,...). Cependant, pour les sols fins, certaines propriétés peuvent être prédites à partir de la composition minéralogique qui peut alors être utile parce que plus facile à réaliser que les essais géotechniques dont on peut ainsi réduire le nombre. Les minéraux de loin les plus abondants dans les sols sont les silicates qui forment 90 % des sols mondiaux. Les autres composants sont, principalement, des carbonates, des phosphates, des oxydes,... et aussi parfois des matières organiques.

4.1.2.1.

Les matériaux non argileux

Ces matériaux sont généralement de plus grandes dimensions que les argiles. Ils ne sont pas formés de plaquettes. La surface spécifique (rapport de volume à la surface d'un grain) est suffisamment petite pour que les forces électrostatiques de surface soient suffisamment faibles pour être négligeables vis-à-vis des forces m assiques.


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Les pressions considérées en mécanique des sols sont trop faibles pour que la fracturation des particules soit importante De ce fait, les propriétés des matériaux non argileux dépendent essentiellement de la forme, de la nature des particules et de l'enchevêtrement de celles-ci, elles sont relativement peu affectées par leur nature et par la présence d'eau.

4.1.2.2.

Les argiles

Les particules d'argiles sont généralement très petites (< 2 µm). Elles sont composées de silicates hydratés d'aluminium et partiellement O-(OH)de magnésium,... se présentant sous différentes Si++++ formes qui peuvent être classées en trois Al+++ principaux sous-groupes ( kaolinites, illites et montmorillonites). Ce sont des silicates 4O-lamellaires ou phyllosilicates qui résultent de 4Si++ 6O-l'empilement de deux formes minéralogiques de Si base : les feuillets tétraédriques et les feuillets octaédriques. Les premiers sont composés de Feuillet tétraédrique 6(OH)4Al+++ tétraèdres de SiO4, avec leur base dans un même 6(OH)plan, pointant leur sommet du même côté et G formant un réseau plan d'anneaux hexagonaux. Feuillet octaédrique (Gibbsite) Ces feuillets sont chargés négativement. Les seconds sont composés d'octaèdres de Al(OH) 6 (ou éventuellement de Mg(OH) 6) formant également un réseau d'anneaux hexagonaux. Ces feuillets de gibbsite (ou de brucite) sont neutres électriquement. La disposition des atomes de ces deux différents feuillets est telle qu'ils peuvent se superposer intimement, de relativement fortes liaisons les fixant. La kaolinite est un empilement de feuillets doubles tétraédriques et octaédriques + d'épaisseur de 0,72 nm. Les liaisons sont dues à H (liaisons ioniques ou électrostatiques) et à des valences secondaires, elles sont fermes. La kaolinite résulte d'une altération en climat chaud et humide. Ses caractéristiques sont relativement peu influencées par l 'eau. KAOLINITE

Liaison forte Liaison faible 0.72 nm


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La montmorillonite est un empilement de feuillets triples composés d'un feuillet +++ octaédrique compris entre deux feuillets tétraédriques. L'Al des couches octaédriques peut ++ +++ ++++ être plus ou moins remplacé par du Mg ou du Fe ; parfois aussi le Si des couches +++ tétraédriques est remplacé par de l'Al la liaison entre les différentes tricouches est très faible et l'eau peut entrer entre les feuilles triples et causer ainsi un gonflement. Celui-ci peut être très gênant pour les fondations et les supports d'ouvrages souterrains. La montmorillonite provient de sédiments des régions semi-arides ou de l'altération marine de cendres volcaniques. Elle est l'élément principal de la bentonite.

L'illite (mica) est formée des mêmes feuillets triples que la montmorillonite mais + ++++ solidarisés fermement par des valences secondaires et des ions K . Certains Si sont +++ remplacés, d'une manière générale, par des Al . L'illite n'est pas gonflante, contrairement à la montmorillonite. Elle provient principalement de l'altération des sols des régions arides et aussi tempérées. Elle a une sensibilité à l'eau intermédiaire entre celle de la kaolinite et de la montmorillonite. ILLITE

K+

Si G Si K+ Si G Si

K+

Les grains d'argile sont constitués d'un empilement de phyllosilicates (ou silicates lamellaires), souvent de plusieurs natures. A cause de la structure de ces phyllosilicates, les grains ainsi formés sont de forme aplatie et leurs faces sont chargées négativement. L'épaisseur des grains dépend de la grandeur des forces d'attraction entre feuillets. Ainsi pour les montmorillonites, l'épaisseur n'est que de quelques feuillets (quelques nm). Pour la kaolinite l'épaisseur est comprise entre 50 nm et 2 µm. Pour l'illite elle est de quelque 300 nm. Mécanique des sols, routes, fondations et soutènements – RC 2006


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Les diamètres des grains des différentes formes minéralogiques varient moins que leur épaisseur. Pour la montmorillonite, ils sont compris entre 0,1 et 1 µm et pour la kaolinite entre 0,3 et 4 µm. Les argiles sont, le plus habituellement, partiellement ou complètement saturées. Les eaux interstitielles contiennent, d'autre part, le plus souvent des cations dissous qui peuvent réagir avec les particules superficielles des grains d'argiles qui sont chargées négativement. Les propriétés mécaniques dépendent, en conséquence, d'une manière importante de cette interaction entre les particules solides et l'eau. Les faces des plaquettes d'argiles, chargées négativement attirent et fixent plus moins rigidement les anions présents dans l'eau, c'est le phénomène d'adsorption. Les molécules, même d'eau, qui forment des dipôles, s'orientent et se fixent à la surface des grains. La première couche est très dense (40 % en plus que l'eau libre) et formée de molécules bien orientées; la deuxième est déjà moins polarisée à cause de la forme même des molécules d'eau et de la présence de cations; à partir de la quatrième ou cinquième, la polarisation devient faible. L'eau adsorbée a des propriétés proches de celles d'un solide à la surface du minéral et sa viscosité diminue au fur et à mesure que l'on s'écarte du solide. Les cations sont également attirés par les surfaces chargées négativement, mais sont diffusés par leur énergie thermique, leur densité décroît de la surface vers la solution. C'est la couche double diffuse. Les propriétés mécaniques des argiles sont grandement influencées par la présence de la couche d'eau adsorbée et de la couche double diffuse. Les cations de cette dernière peuvent d'ailleurs être remplacés par d'autres et une modification des propriétés peut ainsi prendre place.


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4.1.3.

Structure des sols

La structure d'un sol est définie d'abord par le mode de rangement des grains et aussi par leurs interactions réciproques. Cette structure influence grandement les propriétés physiques et mécaniques.

4.1.3.1.

Sols non cohérents

Les sols non cohérents, parfois aussi appelés sols granulaires ou sols pulvérulents, sont des matériaux pour lesquels l'effet des forces électriques de surface est nul ou négligeable; les grains ne sont donc pas de nature argileuse, ils sont généralement plus ou moins sphériques ou cubiques. Dans ce cas, le sol peut être considéré comme un empilement de grains dont le déplacement relatif est empêché uniquement par les forces de frottement et de roulement résultant des efforts volumiques, extérieurs ou capillaires. La structure pour ces matériaux est principalement influencée par la forme des grains et leur distribution en dimensions, la nature des grains est peu importante. Pour les matériaux remaniés, l'énergie de compactage a aussi une certaine influence sur la structure. La porosité dépend de la répartition des grains de dimensions différentes. Pour une répartition optimale, la porosité peut se réduire à des valeurs minima d'environ 15 % comme pour les matériaux à granulométrie discontinue. Pour arriver à une porosité aussi faible, il faut le plus généralement corriger la granulométrie par adjonction de matériaux uniformes de dimensions déterminées, ou parfois par retrait. Mécanique des sols, routes, fondations et soutènements – RC 2006

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La forme des grains et leur état de surface jouent aussi un rôle dans la structure. C'est ainsi que les variations de porosité d'un gravier ou d'un sable de rivière sont assez faibles, les grains se déplaçant aisément les uns par rapport aux autres, tandis que pour des matériaux concassés ou des sables anguleux, la difficulté de glissement des grains fait que la porosité à l'état non tassé est faible comparée à celle de l'état serré obtenu par vibration, par exemple. Lorsque le matériau est légèrement humide, il se forme des ménisques autour des points de contact des grains, ce qui augmentent les efforts de contact et, par conséquence, le frottement. La structure de tels matériaux, surtout lorsqu'ils sont fins, peut être poreuse et assez instable quand les efforts capillaires disparaissent, soit par évaporation de l'eau, soit par saturation du milieu (structure en nids d'abeilles). Une structure poreuse peut aussi provenir du lessivage des éléments fins, la structure est alors très poreuse et parfois instable (sol à structure écrasable). Elle est très dangereuse, surtout sous eau, en effet quand les grains se déplacent, ils se séparent, et il se forme une suspension, donc un milieu sans résistance.

4.1.3.2.

Structure des argiles

Les forces de surface sont très importantes comparativement aux efforts massiques et appliqués. Les forces d'attraction et de répulsion jouent donc un rôle prépondérant dans la mise en place des plaquettes. Les forces de répulsion dépendent de la concentration en ions de la solution. Si ces forces sont suffisantes, elles empêchent le contact des plaquettes, et la structure est dispersée. C'est le cas de concentrations faibles. Dans le cas d'une forte concentration en ions, des attractions se manifestent et la structure est dite floculée.

Structure argileuse dispersée

Structure argileuse floculée

Les plaquettes peuvent être plus ou moins orientées, ce qui se produit principalement lors d'une consolidation. En plus des liaisons électriques, des cimentations des grains peuvent se produire et des efforts capillaires en milieu non saturé peuvent créer des attractions importantes. Des amas de Mécanique des sols, routes, fondations et soutènements – RC 2006

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plaquettes en suspension peuvent se former et sédimenter en flocons; la structure finale présente alors des vides entre les flocons (structures floconneuses). Un remaniement tend à orienter les particules et à réduire en conséquence la résistance du sol. Structure floconneuse (argile)

4.1.3.3.

Structures argileuses

Des grains de limon ou de sable fin peuvent se déposer en même temps que l'argile formant ainsi un milieu à caractère argileux peu perturbé tant que les grains non argileux ne forment pas une matrice de grains jointifs. Structure limoneuse

4.1.3.4.

Sols organiques

Les tourbes résultent de la décomposition anaérobie de végétaux; suivant l'état de décomposition elles gardent plus ou moins la structure ligneuse originale très lâche conduisant à des rigidités très faibles, d'où à des tassements très grands et à des évolutions rapides des processus de transformation. Certains sables, limons et argiles peuvent aussi contenir des matières organiques, déposées lors de la formation du massif ou postérieurement; la structure des matériaux d'origine n'est généralement que peu modifiée par celles-ci.

4.2. Description générale d'un terrain Un terrain peut être divisé, assez généralement, en deux zones, l'une superficielle située au-dessus de la nappe phréatique, partiellement saturée et la seconde sous-jacente contenant la nappe. Plusieurs nappes plus ou moins indépendantes peuvent d'ailleurs exister. La zone sous la surface de la nappe ou surface phréatique, caractérisée par une pression hydrostatique non nulle, est très proche de la saturation. Ce milieu peut être considéré comme biphasique. La nappe est généralement en mouvement, et son niveau variable suivant les modifications des conditions d'alimentation et de restitution ainsi que des conditions anthropiques (pompages).


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La zone supérieure est un milieu triphasique qui peut être divisé en 3 couches : 1) la frange capillaire, qui contient de l'eau en dépression qui peut remonter par succion d'eau de la nappe ; 2) la zone intermédiaire dans laquelle est retenue de l'eau d'infiltration par tension superficielle, capillarité, adsorption, actions chimiques,...; cette zone n'est pas affectée par l'alimentation des végétaux; 3) la zone superficielle qui est affectée par l'évapotranspiration et contient de l'eau dite hygroscopique.

Zone Supérieure Aérée

l le e r f ic i e p u s Z o n e e é d i a i r m r e t i n Z o n e i re c a p i l la e g n F r a u e h r é a t iq p e p N a p

Zone Saturée

Les interstices non occupés par l'eau contiennent le plus souvent de l'air généralement saturé en vapeur d'eau, toutefois d'autres gaz peuvent être présents. L'équilibre entre les phases liquide et gazeuse est régi par les lois de la thermodynamique. C'est ainsi que les variations de solubilité en fonction de la pression et de la température sont importantes en ce qui concerne les changements de volume de la phase gazeuse. La phase gazeuse peut aussi être formée de bulles emprisonnées dans la phase liquide, sous forme d'une émulsion gazeuse ; la pression de gaz diffère évidemment alors de la pression atmosphérique mais aussi de la pression hydrostatique. Ce gaz peut perturber considérablement l'écoulement de la nappe par la présence de bulles accrochées au solide.


Fasc.1 - Introduction Generale (PDF)

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