Mécanique des sols. Chapitre I Caractéristiques physiques et classification Chapitre II Eau dans le sol. Chapitre III Déformations des sols

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1 Mécanique des sols Chapitre I Caractéristiques physiques et classification Chapitre II Eau dans le sol Chapitre III Déformations des sols Chapitre IV Résistance au cisaillement des sols

2 Introduction à la mécanique des sols 1- Définition d un sol 2- Définition de la mécanique des sols 3- Domaines d application de la mécanique des sols 3.1- Fondations d ouvrages 3.2- Ouvrages mixtes 3.3- Ouvrages en sol 3.4- Milieux naturels

3 1- Définition d un sol Qu appelle-t-on sol? - Les sols peuvent être définis comme des agrégats dans lesquels les particules sont faiblement liées et peuvent être séparées par une action mécanique légère - Un sol en place est constitué de grains solides baignant dans l eau, dans l air ou dans un mélange (eau + air) Le sol est un matériau à 3 phases : solide, liquide (eau) et gaz (air)

4 1- Définition d un sol 1.1- Formation des sols D où proviennent les sols? Tout simplement des roches, mais ils peuvent contenir aussi des matières organiques Les sols ont deux origines principales : - la désagrégation des roches par altération mécanique ou physicochimique sous l effet des agents naturels - la décomposition d organismes vivants : végétaux (tourbes) ou animaux (craies). Transformation de la roche en sol

5 1- Définition d un sol 1.1- Formation des sols Suivant les types d altération, les sols résultant auront des compositions différentes. Roche la désagrégation physique et mécanique des roches consolidées donne des fragments de roche de même composition que la roche mère : gravier, sable, limon Roche la décomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments de roche donne Des nouveaux composés : argiles

6 1- Définition d un sol 1.2- Conclusion un sol peut contenir des fragments de roche, des particules d argile et des matières organiques les vides entre ces différents éléments, généralement appelés pores ou interstices sont remplis d eau et d air si les vides ne contiennent pas d eau, le sol est sec si tous les vides sont remplis d eau, le sol est saturé (sol sous la nappe), si les vides sont remplis d eau et d air le sol est non saturé

7 2- Définition de la mécanique des sols Qu appelle-t-on la mécanique des sol? - La mécanique des sols est l étude des propriétés physiques, hydrauliques et mécaniques des sols en vue de leur application à la construction. - La mécanique des sols est donc une science appliquée, appelée aussi géotechnique, bien que la géotechnique soit une science beaucoup plus vaste, qui englobe quatre disciplines : la mécanique des sols, la mécanique des roches, la géologie de l ingénieur et l étude des matériaux locaux.

8 2- Définition de la mécanique des sols Le travail d un mécanicien de sol, ou d un géotechnicien, se joue en effet sur un ou plusieurs des trois volets: - Déformations des sols - Résistance au cisaillement des sols - Problèmes reliés à l eau La mécanique des sols puise souvent dans d autres disciples connexes. On citera: la mécanique des roches, la géologie, géomorphologie, tectonique, minéralogie, pédologie

9 2- Définition de la mécanique des sols Historique succinct de la mécanique des sols La mécanicien des sols est une science jeune. Les premiers fondements peuvent être attribués à COULOMB (1773), mais TERZAGHI ( ) a véritablement initié la mécanique des sols moderne

10 3- Domaines d application de la mécanique des sols Les domaines d application de la mécanique des sols sont nombreux et variés. Ils concernent la profession des travaux publics, ainsi que celle du bâtiment. - Fondations d ouvrages ou bâtiments (fondation superficielles et profondes) - Ouvrages mixtes (murs de soutènement, parois moulées, ) - Ouvrages en sol (routes, voies ferrés, barrages, digues de bassins en terre, ) - Milieux naturels (versants, berges de cours d eau ou de retenues, )

11 3- Domaine d application de la mécanique des sols Les sols - supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes

12 3- Domaine d application de la mécanique des sols Les sols - supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes - sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches

13 3- Domaine d application de la mécanique des sols Les sols - supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes - sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches

14 Les sols - supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes - sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches - sont des ouvrages remblais (routes, digues, barrage, )

15 Les sols - supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes - sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches - sont des ouvrages remblais (routes, digues, barrage, )

16 Les sols - supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes - sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches - sont des ouvrages remblais (routes, digues, barrage, )

17 3- Domaine d application de la mécanique des sols

18 Essai d identification et de classification des sols Objectifs Terminologie de base et définitions Essais d identification des constituants des sols Classification des sols

19 1- Elément constitutifs d un sol squelette solide + eau + gaz effet de la taille libre, capillaire, adsorbée air + vapeur d'eau

20 1.1- Phase solide Roche la désagrégation physique et mécanique des roches consolidées donne des fragments de roche de même composition que la roche mère : gravier, sable, limon Roche la décomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments de roche donne Des nouveaux composés : argiles Dimension D des particules D > 80 μm 2 μm < D < 80 μm D < 2 μm Fractions du sol suivant la dimension des grains Fraction du sol grenue fine très fine ou argileuse Forme des grains régulière plaquette ou disque Nature des minéraux minéraux d origine minéraux d origine ou néoformés

21 1.2- Phase liquide On distingue quatre catégorie d eau: - Eau de constitution - Eau libre - Eau capillaire - Eau liée ou absorbée

22 1.3- Phase gazeuse Dans les sols non saturés, la phase gazeuse est présente dans tout ou partie des pores sous forme d un mélange d air, de vapeur d eau, de gaz carbonique et d autres gaz

23 2- Caractéristiques physiques des sols 2.1- Description Existence de trois phases définition de paramètres caractéristiques des sols Représentation schématique - volume élémentaire de sol - trois phases séparées - volumes et masses de chacune des phases

24 2- Caractéristiques physiques des sols 2.1- Description W : poids total du sol W s : poids des particules solides W w : poids de l'eau V : volume total (apparent) Vs : volume des particules solides V v V w V a : volume des vides entre les particules : volume de l'eau : volume de l'air W = W s + W w V v = V w + V a V = V s + V v = V s + V w + V a

25 2- Caractéristiques physiques des sols Paramètres dimensionnels poids volumiques Poids volumique - des grains solides : - de l eau : γ W = V Ws γ = s V w = w w s 10kN / m Wa - de l air : γ = 0 a V a 3 - du sol sec : - du sol saturé : - du sol déjaugé : γ = W s d V γ W = + γ w. V V s v = sat ' γ = γ sat γ w W V sat - total (du sol) : W γ = V

26 2- Caractéristiques physiques des sols Paramètres dimensionnels poids volumiques Ordre de grandeur -γ s = 26 à 27 kn/m 3 sable et argile -γ = 17 à 20 kn/m 3 sable 16 à 22 kn/m 3 argile -γ d = 14 à 18 kn/m3 sable 10 à 20 kn/m 3 argile -γ sat = 19 à 22 kn/m 3 sable et argile -γ = 9 à 12 kn/m 3 sable et argile

27 2- Caractéristiques physiques des sols Paramètres sans dimension caractérisation de l état du sol relations volumiques - porosité : n V = V v 0 < n <1 Ordre de grandeur de n - sable : 0,25 à 0,50 - argile : 0,20 à 0,80 - indice des vides : V e = V v s 0 < e << Ordre de grandeur de e - sable : 0,5 à 1,00 - argile : 0,3 à 1,00 - degré de saturation: - S r = 1 : sol saturé V S r = V - S r < 1 : sol non saturé - S r = 0 : sol sec w v

28 2- Caractéristiques physiques des sols Paramètres sans dimension - teneur en eau : M M caractérisation de l état du sol w w = 2 pesées : avant et après étuve à 105 C Ordre de grandeur de w - sable : 1 à 15 % - argile : 10 à 20 % s - poids total - poids solide

29 2.2- Relations entre les paramètres Paramètres indépendants Les paramètres physiques définissent l'état d'un sol - état de compressibilité poids volumique γ s = constant (26,5 kn/m 3 ) - quantité d'eau w ou S r - quantité de vides e ou n La caractérisation d'un sol nécessite 3 paramètres indépendants - utilisation d'un diagramme de phases - utilisation d'un formulaire relations entre caractéristiques physiques n e = e = n 1 + e 1 n

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31 2.3- Détermination des caractéristiques physiques Essais d'identification - connaissance du sol - paramètres nécessaires à leur classification Teneur en eau w M M s 3 paramètres indépendants - essais en laboratoire - dispersion des mesures (plusieurs essais) w w = 2 pesées : avant et après étuve à 105 C Poids volumique γ W γ = V - poids total - poids solide détermination de W et V 2 Méthodes

32 Détermination du volume total d échantillon de sol (V) Méthode par immersion dans l eau : (échantillon non remanié) - pesée 1 (m) poids d échantillon - échantillon recouvert d une couche de paraffine ( ρ paraffine = 0,88g/cm 3 ) - pesée 2 (m p ) masse de la couche de paraffine (et son volume) - pesée 3 (hydrostatique) (m p ) volume total (échantillon + paraffine) V = Vsol+ paraffine V parafine Méthode du moule : (échantillon remanié) - remplissage d un moule jusqu à débordement - arasage à la règle essai Proctor = m p m ρ w ' p m p ρ m p

33 Poids volumique des particules solides γ s γ s W = V s s pesée a mesurer de façon précise (a) pycnomètre (b) Pesée hydrostatique Pycnomètre - sol séché puis pesé (W s ) - sol dans le récipient contenant de l'eau distillée - enlever les buller d aire - volume d'eau déplacé par le sol

34 Poids volumique des particules solides γ s

35 3- Essais d identification 3.1- Essais d identification - Sols grenus 3.2- Essais d identification - Sols fins

36 Sol grenu Sol fin ou cohérent Sol organique d > 20 µm d < 20 µm forces de pesanteur effet de surface forces entre les particules Mauvaises propriétés géotechniques Sables Argiles Propriétés géotechniques très différentes Comportement des sables dépend de l état de compacité Comportement des argile dépend de la quantité d eau

37 3.1- Essais d identification Sols grenus Comportement des sols grenus dépend du squelette solide, peu importe l état d humidité importance de la dimension des grains et de leur état de compacité - Analyse granulométrique par tamisage - Essai d équivalent de sable - Indice de densité

38 Analyse granulométrique par tamisage Granulométrie distribution massique des grains suivant leur dimension passage d une quantité de sol au travers d une série de tamis d ouverture progressivement plus petite Sol pulvérulent : tamisage - jusqu'à 40 ou 80 µm - à sec pour les gros grains - utilisation de passoires et de tamis - sous eau pour les matériaux cohérents trous circulaires mailles carrées

39 Analyse granulométrique par tamisage Courbe granulométrique représentation graphique donnant : - la masse de tamisat cumulé (en %) échelle arithmétique - le diamètre des particules échelle logarithmique

40 Analyse granulométrique par tamisage Caractéristiques de la courbe granulométrique utilisation de coefficients - Coefficient d uniformité : C u = D 60 /D 10 C u > 2 granulométrie étalée C u < 2 granulométrie uniforme ou serrée Diamètre effectif D 10 = diamètre correspondant à 10 % de passage à travers le tamis - Coefficient de courbure : C c = (D 30 ) 2 /(D 10 D 60 ) sol bien calibré : 1 < C c < 3 matériaux plus denses

41 Analyse granulométrique par tamisage Forme de la courbe granulométrique La forme de la courbe granulométrique est liée au mode de formation (origine, transport et dépôt) du sol.

42 Essais d équivalent de sable Evaluer la proportion relative d éléments fins dans un sol Essai simple et rapide appareillage élémentaire géotechnique routière Principe fraction < 5 mm lavage énergique avec solution lavante repos de l ensemble Résultat floculat gonflé par la solution (particules fines) dépôt solide (sable) au fond de l éprouvette E.S. = h h Nature Argile pure Sol plastique Sol non plastique Sable pur et propre Equivalent de sable E.S. = 0 E.S. = 20 E.S. = 40 E.S. = 100

43 Indice de densité Etat de densité dans lequel se trouve un sol pulvérulent effet important sur le comportement mécanique I D = e e max max e e min - indice des vides : - e max et e min V e = V v s Indices des vides max et min sur le matériaux Sol lâche e e max I D 0 Sol serré e e min I D 1

44 3.2- Essais d identification Sols fins Comportement des sols fins - taille des grains forces de cohésion - présence d eau changement de consistance - Analyse granulométrique par sédimentométrie - Limites d Atterberg - Limite de liquidité w L - Limite de plasticité w p - Indice de plasticité I p - Indice de consistance I c - Activité - Valeur de bleu de méthylène

45 Analyse granulométrique par sédimentométrie v γ s γ w = 18. µ d 2 v vitesse de décantation d diamètre de la particule µ viscosité dynamique du liquide utilisé (eau + défloculant) γ poids volumique du liquide utilisé A une profondeur H donnée (H = v.t) on mesure la densité de la suspension en fonction du temps t

46 Limites d Atterberg état liquide - pas de capacité portante état plastique - fortes déformations - déformations plastiques état solide (avec retrait) - déformations élastiques état solide (sans retrait) - pas de changement de volume avec la baisse de w

47 Limites d Atterberg Limite de liquidité w L Méthode de Casagrande Teneur en eau pour laquelle une entaille est refermée sur 10 mm après 25 chocs Méthode du cône de pénétration

48 Détermination de w L Limites d Atterberg

49 Limites d Atterberg Limite de liquidité w L En pratique w L = w N 25 0,121

50 Limites d Atterberg Limite de plasticité w p Teneur en eau correspondant à une limite arbitraire entre les états plastique et semisolide de la consistance d'un sol. cylindre de 3mm de diamètre se brisant en tronçons de 10 à 20 mm

51 Limites d Atterberg Limite de retrait w s - plusieurs échantillons de sol de même volume initial V 0 et de même teneur en eau initiale w i - séchage pendant des durées différentes

52 Limites d Atterberg Indice de plasticité I p I p = w L w P étendue du domaine de plasticité - domaine de travail du sol Habituellement - le plus grand possible w p < teneur en eau des sols en place < w L 0 < I P < 5 5 < I P < 30 Degré de plasticité des sols Indice de plasticité Degré de plasticité Sol non plastique Sol peu plastique 30 < I P < 50 Sol plastique 50 < I P Sol très plastique

53 Limites d Atterberg Indice de consistance I c I c = w L w I P nat Sol en place par rapport à l état liquide

54 Limites d Atterberg Ordre de grandeur Nature w L (%) w p (%) I p (%) Limon Argile limoneuse peu plastique Argiles plastiques Argile de mexico Bentonite

55 Activité A c = I p teneur en argile Nature Kaolinite Illite Montmorillonite poids < 2µ m poids total sec ( < 0,4mm) Activité 0,38 inactive 0,90 normale 7,20 très active Activité A c 0 < A c < 0,5 0,5 < A c < 0,75 0,75 < A c < 1,25 Classes d activité Dénomination inactif peu actif normal 1,25 < A c < 2 actif 2 < A c très actif

56 Valeur de bleu de méthylène Argilosité d'un sol Quantité de bleu de méthylène pouvant s'adsorber sur les particules argileuses importance de la surface spécifique Tant que le bleu de méthylène est absorbé, il ne colore pas l'eau. On le vérifie en déposant une goutte sur un papier buvard : le centre de la tache est bleu vif (argile ayant absorbé le bleu) et l'auréole de la tache reste incolore. A partir d'une certaine dose de bleu, l'auréole se colore aussi : c'est le signe que toute l'argile a épuisé sa capacité d'absorption. La quantité de bleu consommée est donc une indication de la quantité d'argile. La valeur de bleu (VBS) s'exprime par la quantité de bleu en grammes consommée par 100 grammes de fines.

57 Autres essais Analyse minéralogique Diffraction des rayons X composition minéralogique Teneur en matière organique rétention d'eau, compressibilité Teneur en carbonate de calcium

58 4- Classification des sols Classification : rattachement à un groupe de sols de caractéristiques semblables Nombreuses classifications dans différents pays - USCS - AASHTO - LPC - GTR (remblais et couches de forme)

59 4.1- Classification LCP/USCS Classification LPC à partir des résultats fournis par - la granulométrie - les caractéristiques de plasticité de la fraction fine (Atterberg)

60 4.1- Classification LCP/USCS Sols à granulométrie uniforme Classification reposant sur le diamètre moyen des grains

61 4.1- Classification LCP/USCS Sols à granulométrie non uniforme Majorité des cas Trois types de sols : - sols grenus 50 % > 80 µm - sols fins 50 % < 80 µm - sols organiques > 10 %

62 4.1- Classification LCP/USCS Sols grenus Granulométrie et limites d Atterberg

63 4.1- Classification LCP/USCS Sable Classification des sols grenus en laboratoire (plus de 50% d éléments >0,08mm) Définitions Plus de 50% des éléments > Graves 0,08 mm ont un diamètre > 2mm Plus de 50% des éléments > 0,08 mm ont un diamètre < 2mm moins de 5% d éléments < 0,08 mm Plus de 12% d éléments < 0,08 mm moins de 5% d éléments < 0,08 mm Plus de 12% d éléments < 0,08 mm Symbole LPC Gb Gm GL GA Sb Sm SL SA Conditions C u = D 60 /D 10 > 4 et 1< C Z = (D 30 ) 2 /D 10 D 60 < 3 Une des conditions de Gb n est pas satisfaite Limites d Atterberg au-dessous de la ligne A (fig.15) Limites d Atterberg au-dessus de la ligne A (fig. 15) C u = D 60 /D 10 > 6 et 1< C Z = (D 30 ) 2 /D 10 D 60 < 3 Une des conditions de Sb n est pas satisfaite Limites d Atterberg au-dessous de la ligne A (fig.15) Limites d Atterberg au-dessus Appellations Grave propre bien graduée Grave propre mal graduée Grave limoneuse Grave argileuse Sable propre bien gradué Sable propre mal gradué Sable limoneux Sable argileux de la ligne A (fig. 15) Lorsque la teneur en particules fines (<0,08 mm) est comprise entre 5 et 12%, on utilise un double symbole. Par exemple : Sb-SL.

64 4.1- Classification LCP/USCS Sols fins Limites d Atterberg critère de plasticité

65 4.1- Classification LCP/USCS Sols organiques Exemple: Von Post Teneur en matière organique (%) Désignation géotechnique 0 3 Sol inorganique 3 10 Sol faiblement organique fo Vase Sol moyenne organique mo Sol tourbeux >30 Sol très organique to Tourbe

66 5- Compactage des sols Le compactage = augmentation de la densité du sol par des opérations mécanique 1. Echantillon mis à l étuve (105 C) pendant 24 h 2. On lui ajoute un volume connu d eau 3. On compacte l échantillon dans un moule, avec une dame tombant d une hauteur connue 4. On pèse le moule et on détermine w et γ d ; on obtient un point de la courbe de compactage 5. On va au point 2 et on recommence

67 5- Compactage Influence de la teneur en eau

68 5- Compactage Influence de la nature du sol

69 5- Compactage Influence de l énergie de compactage