Mécanique des sols I. Chapitre I Propriétés physiques des sols. Chapitre II Hydraulique des sols. Chapitre III Déformations des sols
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- Françoise Fontaine
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1 Mécanique des sols I Chapitre I Propriétés physiques des sols Chapitre II Hydraulique des sols Chapitre III Déformations des sols Chapitre I Résistance au cisaillement des sols
2 Chapitre I Propriétés physiques des sols Objectifs de ce chapitre Terminologie de base et définitions Essais simples d'identification des constituants des sols Classification des sols
3 Chapitre I Propriétés physiques des sols 1- Définition des sols éléments constitutifs d'un sol 2- Caractéristiques physiques des sols 3- Caractéristiques dimensionnelles 4- Structure des sols 5- Essais d'identification sols grenus 6- Essais d'identification sols fins 7- Autres essais 8- Classification des sols 1. Définition des sols 2. Caractéristiques physiques 3. Caractéristiques dimensionnelles 4. Structure des sols 5. Identification sols grenus 6. Identification sols fins 7. Autres essais 8. Classification des sols
4 1- Définition éléments constitutifs d'un sol 1.1 Définition des sols Matériaux à la surface de l'écorce terrestre Roches grains minéraux fortement liés Sols aggrégats de grains minéraux 1.2 Éléments constitutifs d un sol squelette solide + eau + gaz effet de la taille libre, capillaire, adsorbée air + vapeur d'eau 1. Définition des sols 2. Caractéristiques physiques 3. Caractéristiques dimensionnelles 4. Structure des sols
5 2- Caractéristiques physiques des sols 2.1 Description 2.2 Relations entre les paramètres 2.3 Détermination des caractéristiques physiques Teneur en eau w Poids volumique Poids volumique des particules solides s 1. Définition des sols 2. Caractéristiques physiques 3. Caractéristiques dimensionnelles 4. Structure des sols
6 2.1 Description Existence de trois phases définition de paramètres caractéristiques des sols Représentation schématique - volume élémentaire de sol - trois phases séparées - volumes et poids de chacune des phases a Air a w Eau w v s Solide s
7 grandeurs mesurables a 0 w Air Eau a w v s Solide s : poids total du sol s : poids des particules solides w : poids de l'eau s v : volume total (apparent) : volume des particules solides : volume des vides entre les particules w : volume de l'eau a : volume de l'air = s + w v = w + a = s + v = s + w + a
8 Paramètres dimensionnels poids volumiques Poids volumique - des grains solides - de l'eau - total (du sol) = = S = S S - du sol sec - du sol saturé + d = S S sat = = - du sol déjaugé = sat sat a 0 w s Air Eau Solide a w s v ordre de grandeur sable 9 à kn/m à kn/m 3 argile à kn/m 3
9 Paramètres sans dimension caractérisation de l'état du sol relations volumiques - porosité n = - indice des vides e = - degré de saturation S = 100 r S - teneur en eau w = S 100 relation pondérale a 0 w s Air Eau Solide a w s v ordre de grandeur sable entre 0,25 0,50 10 àet 15% 100% à 10,50 argile 0,20 0,30 10 à à20% 10,80
10 2.2 Relations entre les paramètres Les paramètres physiques définissent l'état d'un sol - état de compressibilité poids volumique - quantité d'eau w ou S r - quantité de vides e ou n s constant (26,5 kn/m 3 ) 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 n = e = 1 + e 1 n
11 [1] [2] [3] [4] n v v w n = * [5] e = * [9] w = * s s e n n = [6] e = [10] w = e S r 1 + e 1 n d s n = 1 [7] e = 1 [11] w = 1 s s s sat = [8] w e d = s sat sat [12] w = S r w w d s d 1 w s 1 [13] w S r = * [14] v S r w w e s = [15] w S r = ( w d constant) sat = 1 + w [17] = d + n S r w 1 + w = s + e Sr w [20] = 1 + e 1 + e [16] ( ) d [19] s [18] = ( 1 n) s + n S r w [21] d s = 1 + e d = 1 n [23] = sat w * [22] ( ) s [24] = s 1 + e w s w s w 1 [26] = d [25] = ( ) ( n) s
12 2.3 Détermination des caractéristiques physiques Essais d'identification - connaissance du sol - paramètres nécessaires à leur classification 3 paramètres indépendants - essais en laboratoire - dispersion des mesures (plusieurs essais) Teneur en eau w w = w s 2 pesées : avant et après étuve à 105 o C -poids total - poids solide Poids volumique = détermination de et 3 méthodes - immersion dans l'eau - trousse coupante - moule
13 Détermination du volume total d'échantillon de sol () Méthode par immersion dans l'eau - pesée 1 poids de l'échantillon - échantillon recouvert d'une couche de paraffine - pesée 2 poids de la couche de paraffine (et son volume) - pesée 3 (hydrostatique) volume total (échantillon + paraffine) échantillon non remanié Méthode de la trousse coupante - poinçonnement dans l'échantillon - volume de l'échantillon aire de la section x hauteur Méthode du moule échantillon légèrement remanié - remplissage d'un moule jusqu'à débordement - arasage à la règle comme l'essai Proctor échantillon remanié
14 2.3.3 Poids volumique des particules solides s S = S S pesée à mesurer de façon précise (a) pycnomètre (b) pesée hydrostatique Pycnomètre - sol séché puis pesé ( s ) - sol dans le récipient contenant de l'eau distillée - enlever les buller d'air - volume d'eau déplacé par le sol
15 1 eau seulement w = 2 - s S S S = ( ) w s S = 2 1 w tot S = w 1 w w w s S s + = s sol sec 2 à volume constant eau + sol =
16 3- Caractéristiques dimensionnelles 3.1 Forme 3.2 Dimensions 3.3 Caractéristiques granulométriques Courbe granulométrique Surface spécifique 1. Définition des sols 2. Caractéristiques physiques 3. Caractéristiques dimensionnelles 4. Structure des sols
17 3.1 Forme 3.2 Dimensions Sols pulvérulents Sols fins Cailloux Graves Gros sable Sable fin Limon Argile 200mm 20mm 2mm 0,2mm 0,02mm 20μm 2μm Diamètre des grains décroissant
18 3.3 Caractéristiques granulométriques Courbe granulométrique Les grains d'un sol ont des dimensions variables quelques μm à quelques dizaines de cm Granulométrie distribution massique des grains suivant leur dimension technique d'obtention différente selon le type de sol Sol pulvérulent : tamisage - jusqu'à 40 ou 80 μm - utilisation de passoires et de tamis trous circulaires mailles carrées - à sec pour les gros grains - sous eau pour les matériaux cohérents Sol fins : sédimentométrie ou granulométrie laser Tamisat (passant) Refus Log diamètre des grains
19 Courbe granulométrique représentation graphique donnant : - la masse de tamisat cumulé (en %) - le diamètre des particules échelle arithmétique échelle logarithmique x% Tamisat (passant) x% de grains < à d d Log diamètre des grains Caractérisation de la granulométrie d'un sol utilisation de coefficients coefficient d'uniformité C u = D D C u > 2 granulométrie étalée C u < 2 granulométrie uniforme ou serrée coefficient de courbure C c = 2 D30 D D sols bien gradués matériaux plus denses
20 C u = 450 C c = 2 C u = 55 C c = 0,1 C u = 1,8 C c = 1,12
21 3.3.2 Surface spécifique Surface des grains par unité de masse de 0,3 m 2 /g à plusieurs centaines de m 2 /g Méthodes de mesure Appareil Blaine ou BET Blaine Mesure de perméabilité à l air Temps de passage d une quantité d air donnée au travers d'un lit de poudre
22 BET adsorption physique de gaz à basse température travaux de Brunauer, Emmett et Teller datant de 1938 calcul de la surface spécifique basé sur le traitement analytique de l'isotherme d'adsorption déterminé expérimentalement - quantité de gaz adsorbé en une monocouche complète, - calcul de l'aire de cette couche - calcul de la surface spécifique du matériau
23 4- Structure des sols 4.1 Structure des sols pulvérulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiques 1. Définition des sols 2. Caractéristiques physiques 3. Caractéristiques dimensionnelles 4. Structure des sols
24 4.1 Structure des sols pulvérulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiques Sol grenu d > 20μm forces de pesanteur Sol fin ou cohérent d < 20μm effet de surface forces entre les particules Sol organique mauvaises propriétés géotechniques Sables Argiles comportement des sables dépend de l'état de compacité comportement des argiles dépend de la quantité d'eau propriétés géotechniques très différentes
25 5- 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 5.1 Essai d'équivalent de sable 5.2 Indice de densité 5. Identification sols grenus 6. Identification sols fins 7. Autres essais 8. Classification des sols
26 5.1 Essai d'équivalent de sable Évaluer la proportion relative d'éléments fins dans un sol essai simple et rapide appareillage élémentaire géotechnique routière Principe fraction < 5mm lavage énergique avec solution lavante repos de l'ensemble Résultat floculat gonflé par la solution (particules fines) dépot solide (sable) au fond de l'éprouvette Nature Equivalent de sable E.S. h = h 1 Argile pure Sol plastique Sol non plastique Sable pur et propre E. S. = 0 E. S. = 20 E. S. = 40 E. S. = 100
27 5.2 Indice de densité État de densité dans lequel se trouve un sol pulvérulent effet important sur le comportement mécanique I D = e e max max e e min e max et e min indices des vides max et min sur le matériau Sol lâche e e max I D 0 Sol serré e e min I D 1
28 e min et e max dans le cas de matériaux théoriques État le plus compact e min = 0,35 porosité n = 25,9% π/3 ue en plan ue en 3d
29 e min et e max dans le cas de matériaux théoriques État le moins compact e max = 0,92 porosité n = 47,6% ue en plan ue en 3d
30 6- Essais d'identification sols fins comportement des sols fins - taille des grains forces de cohésion - présence d'eau changement de consistance 6.1 Limites d'atterberg Limite de liquidité w L Limite de plasticité w p Indice de plasticité I p Indice de consistance I c Ordre de grandeur 6.2 Activité 6.3 aleur de bleu de méthylène 5. Identification sols grenus 6. Identification sols fins 7. Autres essais 8. Classification des sols
31 Comportement des sols fins avec la variation de w état solide état plastique état liquide sans retrait avec retrait 0 w s w p w L w croissant I p 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
32 6.1 Limites d'atterberg Limite de liquidité w L Méthode de Casagrande Teneur en eau pour laquelle une entaille est refermée sur 10mm après 25 chocs Méthode du cône de pénétration
33 idéo
34 En pratique 30 Teneur en eau (%) Nombre de coups w L = w N 25 0, 121
35 6.1.2 Limite de plasticité w p Teneur en eau correspondant à une limite arbitraire entre les états plastique et semi-solide de la consistance d'un sol. cylindre de 3mm de diamètre se brisant en tronçons de 10 à 20mm idéo
36 6.1.3 Indice de plasticité I p I p = w w étendue du domaine de plasticité L Habituellement p - domaine de travail du sol - le plus grand possible w p < teneur en eau des sols en place < w L Indice de consistance I c I c = w L w I p nat sol en place par rapport à l'état liquide liquide très mou mou mi-consistant consistant très consistant 0 0,25 0,50 0,75 1,00 > 1,00 I c
37 6.1.5 Ordre de grandeur Nature w L (%) w P (%) I P (%) Limon Argile limoneuse peu plastique Argiles plastiques Argile de Mexico Bentonite
38 6.2 Activité A = C teneur I p en arg ile poids < 2 μm poids total sec (< 0,4 mm) Nature Activité Kaolinite Illite Montmorillonite 0,38 0,9 7,2 (inactive) (normale) (active)
39 6.3 aleur 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 (BS) s'exprime par la quantité de bleu en grammes consommée par 100 grammes de fines. sol sableux sol limoneux sol limoneux-argileux sol argileux sol très argileux 0 0,2 2,5 6 8 BS
40 7- Autres essais 7.1 Analyse minéralogique Diffraction des rayons X composition minéralogique 7.2 Teneur en matière organique rétention d'eau, compressibilité 7.3 Teneur en carbonate de calcium Teneur en CaCO3 (%) Désignation géotechnique Argile Argile marneuse Marne Sols Calcaire marneux Calcaire Roches 5. Identification sols grenus 6. Identification sols fins 7. Autres essais 8. Classification des sols
41 8- Classification des sols 8.1 Sols à granulométrie uniforme 8.2 Sols à granulométrie non uniforme Sols grenus Sols fins Sols organiques Classification : rattachement à un groupe de sols de caractéristiques semblables Nombreuses classifications dans différents pays -USCS - AASHTO -LPC -GTR (remblais et couches de forme) 5. Identification sols grenus 6. Identification sols fins 7. Autres essais 8. Classification des sols
42 Exemple de sondage
43 Classification GTR
44 Classification LPC à partir des résultats fournis par - la granulométrie - les caractéristiques de plasticité de la fraction fine (Atterberg) C u faible Sol C u élevé 8.1 Granulométrie uniforme 8.2 Granulométrie non uniforme Sols grenus sables ou graves Sols fins Sols organiques limons et argiles - décapage - remblayage tableau abaque de Casagrande
45 8.1 Sols à granulométrie uniforme Classification reposant sur le diamètre moyen des grains Sol 8.1 Granulométrie uniforme 8.2 Granulométrie non uniforme Sols grenus Sols fins Sols organiques sables ou graves limons et argiles Sols pulvérulents Sols fins Cailloux Graves Gros sable Sable fin Limon Argile 200mm 20mm 2mm 0,2mm 0,02mm 20μm 2μm Diamètre des grains décroissant
46 8.2 Sols à granulométrie non uniforme Majorité des cas Trois types de sols - sols grenus - sols fins - sols organiques 50% > 80 μm 50% < 80 μm > 10% Sols grenus Granulométrie et limites d'atterberg Sol 8.1 Granulométrie uniforme 8.2 Granulométrie non uniforme Sols grenus Sols fins Sols organiques sables ou graves limons et argiles
47
48 8.2.2 Sols fins Limites d'atterberg critère de plasticité Sol 8.1 Granulométrie uniforme 8.2 Granulométrie non uniforme Sols grenus Sols fins Sols organiques sables ou graves limons et argiles I p w L
49 8.2.2 Sols organiques exemple : on Post Sol 8.1 Granulométrie uniforme 8.2 Granulométrie non uniforme Sols grenus Sols fins Sols organiques sables ou graves limons et argiles Teneur en matière organique (%) > 30 Désignation géotechnique Sol inorganique Sol faiblement organique Sol moyenne organique Sol très organique fo mo to ase Sol tourbeux Tourbe
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