MECANIQUE DES SOLS 3ème année
Programme 1. LES SOLS ET LA GEOLOGIE 2. IDENTIFICATION 3. COMPACTAGE 4. CONTRAINTES 5. HYDRAULIQUE 6. TASSEMENT 7.
Cours de mécanique des sols Exercices de mécanique des sols SANGLERATS Cours de mécanique des sols Exercices de mécanique des sols SCHLOSSER Cours de mécanique des sols PHILLIPONNAT Voir bibliothèque : rubrique MDS
CHAPITRE 1 LES SOLS ET LA GEOLOGIE
1/ OBJECTIF Expliquer et quantifier le comportement de matériaux * un examen géologique du site est indispensable * permet de prévoir et d’expliquer certaines propriétés Pas de limite entre sols et roches (résistance élevée)
2/ SOLS ET ROCHES ET LES MINERAUX QUI LES COMPOSENT ROCHES ERUPTIVES (écorce terrestre) ROCHES SEDIMENTAIRES (érosion puis dépôts) ROCHES METAMORPHIQUES (fortes pressions et T°) (cours de géologie)
PRINCIPAUX MINERAUX
A/ ROCHES ERUPTIVES QUARTZ formé de silice cristallisé SiO2 FELDSPATHS
2 groupes en fonction
des cations :
• Feldspaths alcalins • Plagioclases FELDSPATHOIDES sous saturé en silice MICAS etc.…
PRINCIPAUX MINERAUX
B/ ROCHES SEDIMENTAIRES Se forment à partir déchets de la nature Minéraux : Altération et érosion des roches Végétaux : Transformation chimique des fibres végétales
Animaux : Dépôts de coquillage, squelettes .. On distingue 2 types de roches :
1er type de roches (sedimentaires)
ROCHES MEUBLES OU SOLS 1- Argiles / Décomposition des feldspath et des micas
• Kaolinite • Illite • Montmorillonite (la bentonite…) (Sensibles à l’eau, Imperméable, Tasse ou gonfle)
2- Marnes / mélange argiles - calcaires (% carbonates de chaux = a)
a < 10%..............argiles franches 10% < a < 30%.........argiles marneuses 30% < a < 70%...................marnes 70% < a < 90%......calcaires marneux a > 90%...............calcaires francs Sensibles à l’eau diminue quand % calcaire
3- sables et graviers Sable de rivières, de mer, de dune…
4- Limons ou silts • Dépôts fluviaux ou marins • Taille de grains entre sable et argiles
5- Vases et Tourbes • Dépôts très récents de matière organique (vases) • de débris végétaux en site aquatique (tourbes)
6- Charbon et Pétrole (roches sédimentaires) 7- Craie
2eme type de roches ROCHES proprement dites 1- Conglomérats Bétons naturels
2- Grés Cimentation de sable (idem aux conglomérats)
3- Molasses Mélange calcaire-éléments schisteuxargile
4- Flysch Conglomérat de schistes micacés
5- Calcaires •Roches très répandues •constituées de carbonate de chaux
6- Gypses •Solubles dans l’eau (vide=effondrement «fontis») •Fabrication du plâtre •Eaux contenant du sulfate (dissolution du gypse) eaux séléniteuses (danger pour le béton)
7- Anhydrites • Roches dures • S’hydrate en présence de l’eau pour se transformer en gypse • Transformation avec un grand gonflement (Un phénomène dangereux pour les tunnels)
Formation des sols et des roches sédimentaires
• altération • mode de dépôts • consolidation
⌦ ALTERATION Double processus 1- Désagrégation physique : Variation de T°, érosion action de la végétation (racines), action humaine
2- Altération chimique (effritement) : Modification de la composition chimique (eaux) Rapide dans les régions chaudes et humides
Altération d’une roche
formation d’un sol
⌦ MODE DE DEPOT • Formés sur place • transportés ⌦ CONSOLIDATION • Consolidation sous le poids de terre • la cimentation • les transformations chimiques • Conduisent du sol à la roche sédimentaire B/ ROCHES METAMORPHIQUES Roches éruptives (cours de géologie)
⌦ LE SOL Le matériau de base en génie civil Sert de support pour les ouvrages Matériau de construction Sa fonction est passive et active MATERIAU DE CONSTRUCTION Carrières : Digues, Remblais Barrages en terre Routes, autoroutes Pistes d’envol
⌦FONDATIONS Pour les structures : pptés géotechniques du sol de fondation Superficielles … … sol directement chargé Profondes … … … transmission des charges au delà d’une couche meuble L’ingénieur doit prévoir l’amplitude des tassements
⌦ TALUS ET EXCAVATIONS Surface non horizontale……….risque de rupture par glissement L’ingénieur doit évaluer : - la hauteur de tranchée sans soutènement - La pente d’un talus (pptés des sols, des écoulements d’eau, de la charge)
⌦PROBLEMES PARTICULIERS
Les vibrations, les explosions, les séismes (des chocs) Le gel (variation de volume de l’eau interstitielle)
⌦ SOLUTIONS La mécanique des sols : pptés physiques, hydrauliques et mécaniques La solution des problèmes cités dépend aussi de :
L’apport géologique (formation des terrains) La reconnaissance des sols (dépôts, essais in situ) La mécanique des roches (comportement) L’expérience L’économie du projet (le choix)
⌦ CHAPITRE 2 Caractéristiques physiques des sols IDENTIFICATION DES SOLS
⌦ Caractéristiques physiques des sols 1/ CONSTITUANT DU SOL Ensemble de 3 phases Phase liquide Phase gazeuse Phase solide : Minéraux non argileux quartz ….. ….. faible activité de surface Particules argileuses kaolinites, illites, montmorillonites (composant différents de ceux de la roche mère) Particules minérales ou organiques colloïdes ….. ….. très fines et activité superficielle
Phase solide
Phase gazeuse
Phase liquide
CONSTITUANT DU SOL
⌦ PARAMETRES DE DEFINITION DES SOLS ECHANTILLON …..
HOMOGENE NON REMANIE
air Wa= 0
Va
PARAMETRES DIMENSIONNELS
Vv Vω
liquide Wω
w
V
Solide Vs
Volumes
Ws
Poids
⌦ Paramètres : diverses proportions Va : volume de l’air Wa : poids de l’air =0 Vω : volume de l’eau Wω : poids de l’eau Vv : volume du vide = Va+V ω Vs : volume des grains solides Ws : poids des g. solides V : volume total = Vs+Vv W : poids total = Ws+Wω
γ : poids volumique total γ s: poids vol. des grains solides=Ws / Vs γ d : poids volumique du sol sec γ ω : poids volumique de l’eau γ’ : poids volumique déjaugé (immergé)
= W/V = 2.7 104 N/m3 = Ws / V = Wω / Vω =γ-γω
⌦ Paramètres adimensionnels Définissent : 1) Etat de compressibilité (sols pulvérulents) 2) Qttés d’eau et d’air (sols cohérents) POROSITE n = VV/V <1 INDICES DES VIDES
e = VV/VS
DEGRE DE SATURATION S = Vω / VV x100% S=0 sol sec ; S=100% sol saturé ; S=x sol triphasique TENEUR EN EAU
ω = Wω / WS
NB ! e et n indiquent la relation du volume du vide / volume de l’échantillon : n = e/1+e e = n/1-n
⌦ IDENTIFICATION DES SOLS ⌦ AIDE À LA COMPARAISON DES SOLS Paramètres indépendants La teneur en eau : ω = W – Ws / Ws après séchage à l’étuve105°
Poids volumique γ, γ s, γ d
:
γ s = Ws / Vs
(pycnomètre)
Indice des vides : e = Vv/ Vs = V-Vs/Vs = (V/Ws) γs - 1
⌦ ESSAI d’IDENTIFICATION
1 - Granulométrie, ANALYSE GRANULOMETRIQUE PAR TAMISAGE ANALYSE GRANULOMETRIQUE PAR SEDIMENTOMETRIE
2 - Limites d’Atterberg 3 - Proctor, 4 - Teneur en eau, 5 - Essai au bleu.
1 - GRANULOMETRIE 1/ Identification Pulvérulent ou Cohérent 2/ Analyse Granulométrique Prévoir propriétés (perméabilité, aptitude au tassement…)
courbe
classification des sols
· Tamisage : d > 80 μ
3/ granulométrie (laboratoire) :
· Sédimentométrie : d < 80 μ · Centrifugation : d < 0.5μ (recherche)
LE TAMISAGE
d > 80 μ
1- Un échantillon 200D < W < 600D D = dimension du plus gros éléments (mm) W = poids de l’échantillon
échantillonage
2- Série de tamis
Batterie de tamis
Tamis
LE TAMISAGE 3- Refus à peser (retenu sur chaque tamis)
4- % des refus cumulés à calculer
5- % des tamisats cumulés à déduire (poids du sol sec pour chaque tamis de dimension Dy)
6- courbe granulométrique à tracer (diagramme semi logarithmique) (y en ordonnés et Dy en abscisse)
courbes
LA SÉDIMENTOMÉTRIE
d < 80 μ
Loi de Stokes vitesse de chute = f (diamètre, densité, viscosité et γfluide )
Appareil de mesure : DENSITOMETRE
THEORIE DE L’ ESSAI :
Vitesse de sédimentation résistance opposée par un liquide :
F=3πμDV
μ : Viscosité dynamique - D : Diamètre - V: Vitesse de chute
Le poids de la particule :
W = 1/6 π D3 (γ s- γ 0)
γs = Pds vol. de la particule sphérique γ0 = Pds vol. du liquide (eau + défloculant)
Quand : F = W particule sédimentera à V = cte
APPLICATION AUX SOLS : On mesure un diamètre équivalent (particule de sol non sphérique)
Concentration
< 30 g/l sols argileux et < 100 g/l sols sableux
Diamètre < 0.2 mm et > 0.002 mm
Concentration initiale = uniforme
GRANULOMETRIE S T A T L U S E R S N E O D I T N A O I T T E A R T P I R O E L T P N X I E T E
⌦Coefficient d’uniformité d’HAZEN (étalement)
CU = D60 / D10
D60 Diamètre correspondant à 60% tamisat D10 Diamètre correspondant à 10% tamisat
CU < 5 granulométrie uniforme CU > 5 granulométrie étalée
D10 D60
⌦ Coefficient de courbure CC = (D30)2 / D60 . D10 granulométrie est selon le cas : • étalée ou serrée • Continue ou discontinue • Bien graduée ou mal graduée
D10
D30
D60
Équivalent de sable ES Bien graduée ou mal graduée
Prudence en interprétation
Faible coût et rapide
contrôle
Qualité des sols sableux
Détermination % éléments fins
E.S
Important et très simple sables à béton sols utilisables en stabilisation
Peut servir en : Choix
granulats pour enrobés hydrocarboné
Équivalen t
de sable E
S
1- effectué sur des éléments < 5mm
2- échantillon placé dans une éprouvette
3- solution normalisée pour disperser les particules
4- on secoue énergiquement
5- on laisse décanter
Équivalen t
de sable E
1- après 20 mn un dépôt solide se forme au fond
S
Floculat Sable propre
h2 h1
2- on mesure la hauteur du floculât de sol fin E.S = h1/h2 (%)
Équivalent de sable ES
Équivalen t
de sable E
S
• Essai très utile pour l’appréciation de la qualité du sol à faible plasticité (IP < 8)
Géotechnique routière • ES = 0 ………….. argile pure • ES < 30 ………….. sol trop plastique • 30 < ES <50 …….. sol généralement stabilisé • ES > 50…………... sol pulvérulent facilement compacté • ES = 100% ……… sable pur
RECOMMANDATION d’après le LCPC
Couches de chaussées : plasticité négligeable ou nulle
Couche drainante ES > 40 Couche de fondation ES > 20 Couche de base ES > 30 Matériaux tout-venant pour matériaux enrobés ES > 50 Sable pour béton ES > 70
⌦ Densité relative Dr Précise la compacité actuelle d’un sable
Dr = emax - e / emax- emin 0 < Dr < 15% 15 < Dr < 35% 35 < Dr < 65% 65 < Dr < 85% 85 < Dr < 100%
sable très lâche lâche moyen compact très compact
⌦ 2 Limites d’Atterberg * Définition des frontières par Atterberg en 1911
* Consistance du sol en fonction de la teneur en eau
On mesure les limites d’Atterberg sur des fractions
< 0.5mm (mortier)
⌦ Limite de liquidité ωL 1) sol se comporte comme un liquide et s’écoule sous son propre poids
Coupelle de Casagrande
2) On remplit la coupelle et on trace une rainure Tracé du sillon
…
Limite d e
liquidité
ωL
3) fermeture sur 1 cm / 25 coups
Fermeture de la rainure
ωL
Ou bien :
4) ωL = ω . (N / 25) 0.125 Courbe N = f (ωL)
ω teneur au moment de l’essai à N coups (15 < N < 35)
⌦ Limite de plasticité ωp sol perd sa plasticité , friable possibilité de former un rouleau de 3cm se fissure quand on le soulève de 1 à 2 cm par le milieu
⌦ Limite de retrait ωS sol garde un volume constant avec le séchage tous les grains sont en contact
3. Phase plastique • consistance plus importante 1. Phase solide sans retrait . pas de changement de volume (lorsque ω diminue)
• ne se nivelle plus • se déforme sans se rompre • mise en commun de l’eau adsorbée
. contact entre les grains (eau adsorbée diminue)
ωP
ωL
Limite de liquidité
Limite de plasticité
L O S U D T E TA
Limite de retrait
ωS
Indice de Plasticité 4. Phase liquide
2. Phase solide avec retrait
• sol à consistance faible
. déformabilité plus faible
• aspect d’un liquide
. perte de l’eau interstitielle
• s’écoule et se nivelle
. Début de perte d’eau adsorbée
• grains indépendants
ω
⌦ Indice de plasticité IP * étendue du domaine de plasticité IP = ωL - ωP * autant plus élevé que le sol contient de l’argile IP >10 assez argileux
IP > 30 très argileux
⌦ Indice de consistance IC
* aptitude du sol à supporter les charges * dépend de la consistance du sol IC = ωL - ω / IP
IC = 1 pour les argiles IC = 0 pour les vases
⌦ Indice de liquidité IL Le complément est : IL = I - Ic = ω - ωP / IP
⌦ Activité d’une argile Activité = IP / teneur en argile (% < 2μ)
⌦ Teneur en argile
SKEMPTON propose :
Wsol sec (<2mm) / W sol (<0.4mm)
Abaque de CASAGRANDE
< 0.75 : argile inactive (Kaolinites 0.38) 0.75 à 1.25 : normale (Illites 0.9) > 1.25 : active (Montmorillonites 7.2)
Par expérience, On a :
Ip = α . ωL - β
0.7 < α < 0.8 ; 13 < β < 17
Abaque de plasticité de Casagrande
⌦ESSAIS IN SITU 3 essais fondamentaux pour les reconnaissances préalables à l’étude des fondations et pour leur dimensionnement 1/ Pénétromètre dynamique 2/ Pénétromètre statique 3/ Pressiomètre
1/ Pénétromètre dynamique mesure de la résistance dynamique à l’enfoncement d’un pieu battu
permet : estimation de la résistance dynamique de pointe par la formule dite des Hollandais
(pascal)
M : masse du mouton δ : enfoncement moyen par coup H : hauteur de chute du mouton
P : masse pointe + tiges A : section de la pointe g : 9,81 m/s2
Pénétromètre dynamique
2/ Pénétromètre statique
Principe
enfoncement à V cste une pointe (cône)
1
mesure de la résistance à la pénétration
2
3
mesure du frottement latéral et la pression interstitielle
2/ Pénétromètre statique ne vérifie pas la résistance d’une fondation 1
permet de détecter :
nature des sols traversés (qualitative)
2 différents passages (couche compressible ou graveleuse)
3
apprécie le compactage de couches de chaussée ou remblaiement de tranchées
ne vérifie pas la résistance d’une fondation
Pénét romè tre s
la pointe est enfoncée à vitesse régulière pointe conique
tatiqu
e
(lente et constante)
de mesurer de la résistance de pointe qc et du frottement latéral fs
Permet :
de donner une indication sur la nature des sols d’utiliser valeur de la résistance de pointe pour le dimensionnement des fondations
3/ Pressiomètre
1
dû à Louis Ménard
2
Sonde cylindrique dilatable
3
dans un forage à la profondeur voulue
de mesure
4
Les 3 cellules gonflées par paliers successifs
de garde
graphe : Veau injecté dans la cellule de mesure en fonction de la pression appliquée sur le sol
Pression de fluage
Pression limite
Pressiomètre Lorsque la pression augmente sol dans une phase pseudo-plastique calcul du module pressiométrique
Pressiomètre ∆ P = palier de pression appliquée à la sonde
EM = K. ∆P/ ∆V
∆ V = augmentation de volume de la sonde K = une constante liée à la géométrie de la sonde (homogène à un volume)
EM et Pl (pression limite) calcul du tassement calcul de la contrainte de rupture (fondation superficielle ou profonde)
Contrôle in situ de l’amélioration d’un sol (compactage, consolidation dynamique, vibroflotation )
