Introduction à la mécanique des sols
La mécanique des sols peut-être définie comme étant la science qui étudie les propriétés physiques, hydrauliques et mécaniques des sols en vue de leur utilisation comme sol support de fondations, ou de matériaux de construction d’ouvrages de génie civil. Cette définition fait état de deux grandes catégories de problèmes constituant l’objet de la mécanique des sols : - Soit l’utilisation de sols comme support de fondations dans ce cas, les propriétés des sols doivent être déterminées dans les conditions ou les sols se trouvent dans la nature, c’est –à-dire dans un état intact. Par exemple, la construction d’un bâtiment ou d’une structure quelconque sur un dépôt de sol, l’excavation d’un canal, d’une tranchée, ou d’une coupe pour le passage d’une route sont autant de problèmes qui requièrent la connaissance des propiétés des sols en place. Ces propriétés pourront étre déterminées soit par des mesures en place ou par le struchement d’essai en laboratoire exécutés sur des échantillons de sols intacts ou même remaniés. - soit l’utilisation des sols comme matériaux de construction ou les propriétés des sols devont étre détérminées de façons à prévoir leur comportement dans l’ouvrage projeté. C’est le cas de la construction de remblais de routes, de voies ferrées, de pistes d’aéroports, de digues ou de barrages en terre. Les propriétés physiques et mécaniques de ces sols pourront étre étudiées en laboratoire sur des échantillons remaniés et prélévés dans les zones d’emprunt. Cette étude servira de base aux recommandations pour la mise en place et le contrôle de ces sols. Dés lors, l’importance de l’étude des propriétés des sols doit s’imposer à l’esprit de celui qui est responsable de la conception ou de la construction d’un ouvrage quelconque impliquant l’utilisation de sols. Cette étude nécessitera généralement beaucoup plus d’efforts et de temps de la part de l’ingénieur et du technicien que ceux-ci devront en consacrer à l’étude des autres matériaux habituellement employés en génie civil, tels que l’acier et le béton qui sont des matériaux d’une simplicité notoire comparés aux sols.
TP1 DETERMINATION DE COEFFICIENT DE PERMEABILITE
1/-BUT DE TP : -Détermination de coefficient de permeabilite a charge constant et a charge variable.
2/-NOTIONS sur notre TP : -les propriétés dynamiques de l’eau de gravité ou la facilité avec laquelle ce eau est capable de s’infiltrer dans le sol est définie comme étant la perméabilité. Elle a une influence vitale sur les problèmes de fondations et certains ouvrages de mécanique des sols tels que : a. la stabilité des barages. b. la stabilité des excavations ouvertes. c. la stabilité des ouvrages en palplanches. d. les caractéristiques de consolidation du sol. e. la classification des sols et leurs propriétés. -les écoulements des eaux à travers les interstices d’un système de sol, sont complexes et variés. ils ne permettent pas de tirer des conclusions et définir par la suite des méthodes de calcul pour résoudre les problèmes pratiques posés. Des hypotèses sont alors nécessaires ; les écoulements sont supposés lents et leurs chemins plus courts. ainsi, la codition d’écoulement laminaire est satisfaite. 3/- Méthode au laboratoire : -deux méthodes qui sont des applications directes de la loi de DARCY sont largement utilisées en laboratoire :
a)- mesure sous charge constante pour les sols très perméables (les graviers et les sables b)- mesure sous charge variable pour les sols peu perméables (les limons et les argiles). a)-1/ perméamètre à charge constante : l’échantillon de sol, d’une densité appropriée, est placé dans une cellule étanche de section transversale A et de longueur L (figure1). les deux extrémités de l’échantillon sont reliées à deux tubes par l’intermédiaire de pierres poreuses. un écoulement d’eau vertical, sous une charge constante est maintenu à travers le sol. la perte de charge h et la quantité d’eau Q qui passe pendant un temps donné t sont mesurés. ce qui permet de calculer le gradient hydraulique i et le coefficient de perméabilité : K = Q.L / A.h -une série de tests doit etre effectué, chaque test a un taux d’écoulement diffèrent. avant de commencer l’essai, une succion est appliquée à l’échantillon de sol afin de s’assurer que le degré de saturation avoisine les 100%.
-Figure1 -
b)2-/ perméamètre à charge variable : L et de pierres montante un réservoir suite h1 à h2. A dh, donc le débit est :
l’échantillon de sol non remanié est testé dans un cylindre de longueur section transversale A (figure2), qui peut etre l’échantillonneur. des poreuses sont placées à chaque extrémité du spécimen et une colonne connectée à la partie superieure du cylindre. le drainage s’effectue dans ou le niveau est maintenu constant par un trop plein. la colonne est par la remplie d’eau et à un temps (t1-t2) son niveau baisse de l’instant dt la perte de charge correspondante est
Q = -a.(dh/dt) = A.k.(h/L) dh/h
= (A.k/a.L)dt log(h2/h1) = log(h1/h2) = (A.k/aL)
(t2-t1) K = (a.L/A.(t2-t1)).log(h1/h2) K= (2,3.a.L/A.(t2-t1)).log(h1/h2)
-Figure Calcul et Conclusion :
2résultat :
TP2 ESSAI
de compressibilité à L’ OEDOMETRIQUE
1/-
BUT DE TP :
- La but de déterminer les compressibilité d’un sol qui d’estimer le tassement d’un
manipulation a pour caractéristiques de permettent massif de sol.
2/-NOTIONS sur notre TP : Le tassement dans les sols, comme le est un tassement à long terme, on ne peut pas se de terrain pour en évaluer derniers trop courtes. Par contre, un essai de consolidation données tassement et le temps de
tassement des sols cohérents fier aux résultats des essais l’importance, car ces s’étendent sur des périodes laboratoire, l’essai de œdométrique, fournit des qui permettent d’évaluer le consolidation dans les sols cohérents.
Considérons un sol fin saturé auquel on applique au temps t = 0, une certaine charge Q qui reste constante par la suite. Sous l’action de ces charges, le sol a tendance à subir des variations de volume, comme le sol étant saturé et l’eau ne pouvant s’évacuer par la suite de faible perméabilité. Les variations de volume n’ont pas lieu et elles se traduisent par une surpression de la pression de l’eau interstitielle ( Δu ) au voisinage des points d’application des charges. Au cours de l’écoulement appelé drainage, les surpressions Δu diminuent, donc les contraintes effectives augmentent puisque la distribution des charges Q reste constante le long de l’essai. Les charges sont donc peu à peu reportées sur le squelette solide qui subit ainsi des déformations et des tassements. L’écoulement s’arrête lorsqu’en tous point Δu = 0, l’ensemble de ces phénomènes est appelé consolidation. 2/-a) C’est quoi l’oedomètre ?: L'oedomètre est un appareil qui permet de charger verticalement un échantillon cylindrique de sol de faible épaisseur, d'axe vertical, fretté, latéralement et drainé par ses deux bases .Un capteur de déplacement permet de suivre le tassement de l'échantillon(figure1).
-Figure1-Matériel utiliser : -oedomètre (figure 1) -pierre poreuse (figure2) -disque de poids -comparateur (figure3) Figure2 Figure3 3/- procédure de l’essai : 1- Préparation de l’éprouvette soumise a l’essai est déterminer e0 Découpage de l’éprouvette suivant le moule œdométrique pour le cas D’une argile. Remplissage direct du moule œdométrique suivant un indice de densité Id Donné (ou Dr) pour le cas d’un sable. 2-Saturation de l’éprouvette pour pouvoir interpréter les courbes de tassement au cours du temps sous chacune des charges appliquées(1heure pour les sables 1et 2,4 heures pour les argiles).
3-Application de la charge sur le piston par palier de 24 heures et mesure des tassements au cours de cette période . On applique les charge tel que Pi+1=P2i. On mesure les tassements pour les temps ti de 0 a 24 heures et ti+1=2ti. 4-A la charge ultime ‘ h’ ou le tassement Sn après 24 h est le même (sn=si-1) commencer a décharge l’éprouvette par paliers de 24 heurs et mesure le gonflement au cours de chaque période de 24 heures . 5-A la fin de l’essai, peser le sol avant et après séchage a l’étuve pour déterminer la teneur en eau et l’indice des vides . 6-Dépouillement des résultats. 4/Application des charge : - Le bras de levier sert a augmenter l’intensité des charges avec des poids limités.
M/A=0
P.L-P1.a=0 P1=P.L/a contre poids -De P1 on calcule : P1/S A -Le contre poids sert à équilibrer l’appareil : -La distance a=1 : Echantillon P=m.g P.L/S avec pivot S= D²/4 a
L
Plateau des charges P -on commence la premier charge à : ,5 bar=50 KPA pour un sol normalement consolidé et 0.05 bar= 5 KPA pour un sol très compressible (pression due au piston, on utilise les masses Déduites de la formule :
.D². g.L )
Tel que correspondent aux contraintes 0,25-0,5-1-2-4 ou 16 bar. Pour les sols très ccompresibles,les contraintes sont :0,05-0,1-0,25-0,5-1-2-4 bar. -les Charges seront appliquées sur l’éprouvette pendant 24 heures chacune lectures des tassements se feront un comparateur ou chaque vaut 1/100 de mm pour les temps suivants : 6s(0.1mn)-15s(0.25mn)-30s(0,5 mn)-1mn-2mn-4mn-8mn-30 mn -60 mn -2h-8h24h 5/-Déchargement : Apres l’application de la dernière charge de 8 ou 16 bar, enlever des poids afin de revenir à une contrainte de 2 bar, puis 1 bar environ 24 heures plus tard cette phase de déchargement, faire un seule lecture des comparateurs par heures. Le nombre soin de conserver l’éprouvette submergé ée pendant toute la durée de l’essai La dernière lecture a 0,1 bar, enlever rapidement l’éprouvette du moule ne la chassant de son logement a l’aide du piston, sécher l’eau de surface avec un papier filtre, peser et placer l’éprouvette dans l’étuve pour la détermination de la teneur en eau finale wf et du poids spécifique sec d. -briser ensuite l’éprouvette pour apprécier l’existence possible d’hétérogénéités . 6/-Calculs et résultats :
Pendant l’essai, le sol est composé du squelette solide et de l’eau à cause de la saturation.la hauteur de l’eprouvette est égal a la hauteur des solides plus celle de l’eau et du tassement a un moment donne. H=Hp+Hw+ H La hauteur de solide équivalente ou hauteur de s pleins Hp est la quantité constante au cours de l’essai :
s ms ms Gs = = = vs* hp s
ms Hp=
Gs*S*
-Ms :masse sèche du solide obtenue par pesée de l’eprouvette après passage a l’étuve -Gs :densité du solide égale a 2,65 ou mesure au laboratoire masse volumique de l'eau -S: surface du moule -La hauteur de l’eau finale Hw est déduite de la teneur en eau finale wf Meau w*Vw S*Hw W f= = = Ms s*Vs Gs*S*Hp Hw=wf.Gs.Hp - L’indice des vides est determiner à partir de la haueur de l’eprouvette H à un moment donnée. e =Vv/Vs=(V-Vs)/Vs=(H.s-Hp.s)/Hp.s e=(H-Hp)/Hp -L’ indice de compression ou compressibilité Cc est un paramètre sans dimension. Comme la Courbe de compressibilité e=f(log ’) présente une partie droite horizontale suivi d’une partie courbe, puis a nouveau d’une partie généralement droite et inclinée. L’indice de compression Cc est la pente de l a droite inclinée. e Cc=tge/log’)
e1 Cc e2
log’log’log’
-Indice de gonflement ou décompression Cs : De même, L’indice de gonflement Cs est la pente de la courbe de déchargement e Cs=-e/log’)
Cs
log’ -contrainte de preconsolidation ’p : est la contrainte maximale que le sole a subi au cours de son histoire :différentes méthodes ont été proposées pour determiner cette contrainte (méthode de casagrande,methode de schmertman,methode LPC, etc.) On donne la méthode de casagrande : -tangent de la partie droite inclinée(T2) - du point d’intersection T1kT2 = le pont C,tracer la bissectrice à ces 2 tangentes T1,T2. -La bissectrice coupe la courbe au point A. -Du point, tracer une droite horizontal D1 et une tangent à la courbe T3. -Tracer la bissectrice de D1 et T3 -l’intersection de cette bissectrice avec la courbe donne le point B -abaisser le point B sur l’axe log’ et determiner ’p.
Calcul et résultat : -Calcule de pression (
o
): L’échantillon
-On à : -la valeur de Q: -On détermine la valeur de la force Q a partir de l’équation d’équilibre des moment par :
Articulation
Q=
a
-Ou par :
Q=
-la valeur de S :
Q=
Tel que : D=cm
S=m2
-
Calcul le poids de sol (PS) : PS = [poids (moule +sol+2pierres +filtre)] - [poids (pierre +filtre)]- poids moule
PS = 3834,5 - 1151,3 - 2504,8
Calcule de
PS =178,4 g
:
; Tel que Vt = S H0 = 3,85 10-3 24 10-3
-
Vt =9,24 10-5 m3
=19,30 KN/m3
Calcule l’indice de vide « e » :
-On a
; tel que
e = - ()
e=–
(les résultats des calcules exprimes dans le tableau).
Conclusion : Le tassement des sols sous les ouvrages est estimé précédemment par la théorie de consolidation. D’après cette expérience, on trouve que l’indice des vides est inversement proportionnel à la pression appliquée alors que le tassement est linéairement proportionnel à la pression, Autrement dit, quand on charge un sol par un ouvrage. cette charge engendre une pression (contrainte) qui va provoquer unediminution de l’indice des vides d’où le tassement augmente ,Et à la fin on décompose le tassement d’in sable sec passe à face -Tassement instantanés: où le volume des vides se réduit par expulsion d’air .
-Tassent secondaire :analogie à la consolidation secondaire dû au réarrangement des grains.
TP3 ESSAI DE CISAILLEMENT A LA BOITE 1/-But de l ‘essai : Il s'agit de déterminer les caractéristiques mécaniques d'un sol en procédant au cisaillement rectiligne d'un échantillon sous charge constante. L'essai de cisaillement permet de tracer la courbe intrinsèque du sol étudié, et de déterminer son angle de frottement interne ϕ et sa cohésion C. Ces valeurs servent entre autre à déterminer la contrainte admissible par le sol dans le cas de fondations superficielles et la poussée du sol sur un mur de soutènement
2/-présentation de La machine de cisaillement automatique : Machine de cisaillement automatique menue de : - Bâti et disques pour application de N avec incertitude 1/100 de sa valeur. - Commande de vitesse réglable. - Capteur de force digital pour mesure T avec incertitude de 1/100 de la valeur maximale lue au cours de l’essai. - Comparateur digital de précision de 0.01mm et de course de 30 mm mini pour mesure δh en mm. - Comparateur digital de précision de 0.01mm et de course de 30 mm mini pour mesure δl en mm. - Châssis étanche adapté pour installation de boîte de cisaillement et la
- Boîtes de cisaillement de section droite circulaire ou carrée.
-Trousses coupantes adaptables aux boîtes de cisaillement menues de démoulants. -Plaques drainantes ou pierres poreuses.
-Boîtes de cisaillement de section droite circulaire ou carrée.
cisaillement
- Boite de cisaillement installée dans le chariot ou châssis :
Boîte de
-Boîte de cisaillement installée dans le chariot ou châssis : 3/-procédure de l’essai : -L'échantillon de sol à étudier est placé entre deux demi-bottes qui peuvent se déplacer horizontalement l'une par rapport à l'autre. Un piston permet d'exercer sur le sol une contrainte normale déterminée. comparateur Annuaire dynamométrique
sol T
T
-La demi-boite inférieure est entraînée horizontalement à vitesse constante. La force totale de cisaillement F est mesurée à l'aide d'un anneau dynamométrique fixé à la demi-boite supérieure. -Un comparateur mesure la déformation verticale l'échantillon. L'échantillon subit donc un cisaillement direct et suivant un plan imposé sur lequel on exerce une contrainte normale déterminée. - Disques de poids
de rectiligne
4/-Préparation de l’essai : -Saturation et consolidation de l’éprouvette -A - Sol pulvérulent - sable et gravier : L'essai s'effectue sur le sable sec ou saturé. Dans ce cas là, réaliser des essais drainés (CD). -B - Sol cohérent - limon et argile : - Saturation - consolidation : -l'échantillon étant mis en place dans la boite de cisaillement, procéder à sa saturation sous la pression de consolidation choisie. Pour cela, placer la boite sur le bâti, les deux demi-boite étant maintenues fixes l'une par rapport à l'autre à l'aide des goupilles. Mettre les poids nécessaires pour obtenir la pression de consolidation désirée. Mettre de l'eau dans la boite, placer la touche du comparateur sur le piston et noter le tassement produit pendant le temps de consolidation. - Pression de remise en état pour essai non consolidé et non drainé ( UU ) : -Dans le but de remettre l'échantillon de sol dans un état de contraintes voisin de celui dans lequel il était en place, appliquer la même contrainte effective que celle que supportait l'échantillon en place. - Pression de consolidation à appliquer : -Pour un essai consolidé drainé ou non drainé ( CD ou CU ), consolider 4 échantillons du sol à étudier sous 4 pressions différentes (en général de l'ordre de 50 - 100 - 200 - 300 kPa) - Temps de consolidation : Il faut laisser l'éprouvette sous la charge pendant 24 heures, afin que la pression interstitielle se soit dissipée. Une fois déchargée, l'échantillon doit être immédiatement soumis au cisaillement. 3/-Mise en place de l’échantillon dans la boite : -Les deux demi-boite étant verrouillées, on place successivement : -le fond de boite, -une pierre poreuse, -une plaque striée, les stries étant perpendiculaires au sens de cisaillement (les plaques perforées permettent les essais drainés, les plaques pleines sont utilisées pour les essais non drainés ) Plaque striée -l'échantillon de sol, -une plaque striée identique à la première, -une pierre poreuse, -le piston.
-Conclusion :
