Section 4 : Caractéristiques du sol et compaction

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1 Section 4 : Caractéristiques du sol et compaction Partie A : Principes fondamentaux et analyse de la granulométrie, normes La granulométrie c'est-à-dire la distribution des particules selon leur dimension est une propriété importante du sol, du sable du lit de pose et de la pierre concassée. La granulométrie a un impact important sur la performance de ces matériaux sous les pavés de béton imbriqués. La distribution des particules dans les sols varie, allant d une granulométrie fine à une granulométrie grossière. En général, plus sa granulométrie est fine, moins le sol est convenable comme fondation ou sous-fondation. Les argiles sont les sols les moins convenables pour les revêtements. Les dimensions des particules, ou grains dans le sol, sont déterminées par gradation. La gradation est mesurée avec une série de tamis, récipients circulaires en tôle avec des mailles carrées au fond dont les ouvertures vont en décroissant. Les dimensions des granulats en pierre concassée sont également mesurées avec une série de tamis. Les tamis ont des ouvertures ne permettant le passage qu aux particules plus petites que ces ouvertures. Un échantillon de sol, de sable du lit de pose ou de pierre concassée est placé dans un séchoir. Une fois séché, il est pesé et ensuite placé dans une série de tamis, l un par-dessus l autre, allant du plus grossier en haut au plus fin en bas. La série de tamis est agitée. La masse de matériau restant dans chaque tamis est pesée et divisée par la masse totale. Ceci donne la proportion de matériau pour une série d intervalles de dimensions. La méthode d essai la plus utilisée pour l analyse granulométrique est ASTM D 422, Standard Test Method for Particle - Size Analysis of Soil Fines (méthode d essai standard pour l analyse granulométrique des particules fines). Pour les granulats, la méthode d essai utilisée est normalement ASTM C 136, Méthode d essai standard pour l analyse granulométrique des granulats fins et grossiers. Au Québec, l analyse granulométrique est généralement effectuée conformément à l essai LC du Ministère Section 4 : Partie A : Principes fondamentaux et analyse de la granulométrie, normes Figure 4-1 : L analyse granulométrique est un élément clé pour comprendre les caractéristiques des sols, granulats et sables du lit de pose et de joints (Source : National Stone Association) 51

2 des Transports du Québec. Le tableau 4-1 fait la correspondance entre les dimensions des tamis métriques et les dimensions d ouverture des tamis américains. Pour les plus petites dimensions, le système américain utilise des numéros pour les tamis et des mesures en pouces pour les ouvertures. Les termes généraux pour certaines dimensions de particules sont également indiqués. Tableau 4-1 Dimensions communes des tamis Dimensions métriques (tamis et ouvertures), mesures canadiennes Dimensions, mesures américaines Tamis Ouvertures Termes généraux 56 mm 2 po 2 po Gravier 40 mm 1 1 / 2 po 1,5 po Gravier 14 mm ½ po 0,500 po Gravier 10 mm 3 / 8 po 0,375 po Gravillon 5 mm No. 4 0,187 po 2,5 mm No. 8 0,093 po Sable 1,25 mm No. 16 0,046 po 630 μm No. 30 0,024 po 315 μm No. 50 0,012 po 160 μm No ,006 po 80 μm No ,003 po Silts Plus petit que 5 μm* - Plus petit que 0,0002 po* Argiles * Les sols plus fins que 80 μm sont caractérisés selon une autre méthode que l analyse granulométrique mm = millimètres μm = micromètres Les sols sont classifiés selon la granulométrie. Cette classification est une indication de la performance probable sous un revêtement. Les granulats et les sables du lit de pose sont également classifiés selon la granulométrie en utilisant une série de tamis de dimensions appropriées. 52 Section 4 : Partie A : Principes fondamentaux et analyse de la granulométrie, normes

3 Section 4 Partie B : Classification des sols, propriétés des sols, identification rapide sur le chantier Classification des sols Les entrepreneurs ont habituellement une connaissance générale des sols dans leur milieu. Cependant, le type de ces sols peut varier. La classification du sol permet à l entrepreneur d anticiper certaines caractéristiques telles que la tendance du sol à retenir l eau et de savoir si le drainage sera rapide ou lent ou si la compaction sera facile ou difficile. Elle peut aider dans la sélection des équipements de compaction et permet d anticiper le type de drainage approprié. Ces facteurs influent sur le temps nécessaire pour effectuer le travail. Par exemple, un sol argileux dense exigerait plus de temps pour l excavation et la compaction qu un sol sableux. Après une averse, le drainage d un sol argileux requiert plus de temps qu un sable silteux, ce qui influence le temps de construction. Après l excavation, les sols argileux ont tendance à gonfler plus que les autres sols, ce qui demande plus de voyages avec les camions benne. Il y a plusieurs façons de classifier les sols selon leur utilisation prévue. Une méthode courante pour les sols sous les revêtements est de les classifier en trois groupes selon la dimension de leurs particules : sable, silt, argile. Cette méthode est illustrée en forme de triangle dans la figure 4-2. Elle s appelle USDA (U.S. Dept. of Agriculture) soil classification system (Système de classification des sols de l USDA). Figure 4-2 : Il y a plusieurs façons de classifier les sols selon leur utilisation prévue. Une méthode courante pour les sols sous les revêtements est de les classifier en trois groupes selon la dimension de leurs particules : sable, silt, argile. La méthode est illustrée par le triangle dans le système de classification des sols du USDA. Section 4 : Partie B : Classification des sols, propriétés des sols, identification rapide sur le chantier 53

4 Pour déterminer la classification USDA d un sol, un échantillon est soumis à une analyse granulométrique. Les dimensions des particules sont classifiées comme suit : Sable grossier 2,0 mm 0,25 mm (0,079 po 0,009 po.) Sable fin 0,25 0,076 mm ou 250 μm 76 μm (0,009 po 0,003 po) Silt 0,076 0,005 mm ou 76 μm 5 μm (0,003 po 0,0002 po) Argile moins de 0,005 mm ou 5 μm (moins de 0,0002 po) Les trois pourcentages selon le poids des argiles, silts et sables déterminent la classification. (Voir lignes pointillées dans la figure 4-2.) Par exemple, un échantillon de sol composé de 28 % d argile, 25 % de silt et 47 % de sable serait classifié «silt argileux». Ce point est indiqué par un «P» dans la figure 4-2. Selon ce système de classification, les sols contenant environ 30 % ou plus d argile performent comme des sols argileux. Ces sols retiennent l humidité et le drainage est lent; par conséquent, ils sont moins résistants sous les revêtements que les autres sols. Ils peuvent exiger plus de temps pour la compaction et le drainage. Les particules d argile humides ont tendance à lubrifier les particules plus larges. Les sols avec moins de 30 % d argile sont plus résistants et plus stables, car ce pouvoir lubrifiant est moins prononcé et l eau s évacue plus facilement. Malheureusement, la plupart des sols en Amérique du Nord sont argileux quelques-uns sont performants comme infrastructure sous les revêtements et d autres ne le sont pas. D autres systèmes ont été développés pour classifier la performance sous les revêtements des sols d argile et de silt. Les deux systèmes les plus utilisés sont le Unified Soil Classification System (USCS) (Système de classification unifiée des sols) et le AASHTO Soil Classification System développé par l American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). La méthode AASHTO n est pas abordée dans ce cours. Le système de classification unifiée fut développé en 1942 et a été modifié depuis. Il est utilisé par l Army Corps of Engineers. Cette norme est décrite en détail dans ASTM D 2487, Standard Classification of Soils for Engineering Purposes (Classification standard des sols pour fins d ingénierie). Bref, quinze groupes de sols sont identifiés par deux lettres décrivant leurs caractéristiques. La première lettre décrit le type de sol prédominant et la deuxième lettre indique d autres types de sols/granulométrie/limite de liquidité (la capacité du sol à retenir l eau). G = gravier ou sol graveleux traverse un tamis de 80 mm (3 po) mais est arrêté par un tamis de 5,0 mm (No. 4). S = sable ou sol sableux traverse un tamis de 5,0 mm (No. 4) mais est arrêté par un tamis de 80 μm (No. 200). M = silt traverse un tamis de 80 μm (No. 200) mais n est pas pâteux lorsque humide et n a que peu ou pas de résistance lorsque sec à l air. C = (clay) argile traverse un tamis de 80 μm (No. 200) et est pâteux lorsque humide et est très résistant lorsque sec à l air. O = sols organiques silt ou argile avec sol organique (terre végétale) en quantité suffisante pour dégrader la performance du sol comme fondation pour revêtements. Pt = (peat) tourbe végétation en état plus ou moins avancé de décomposition, en général noire ou brun foncé. 54 Section 4 : Partie B : Classification des sols, propriétés des sols, identification rapide sur le chantier

5 Granulométrie (niveau d étalement de la dimension des particules) W = (well-graded) granulométrie bien étalée (étalement important bon pour les revêtements) P = (poorly graded) granulométrie mal étalée (étalement faible mauvais pour les revêtements) Symboles des limites de liquidité (la limite de liquidité est la capacité du sol à retenir l eau) H = haute (retient l eau, l évacue mal - mauvais pour les revêtements) L = (low) basse (ne retient pas l eau, l évacue bien - bon pour les revêtements) Selon les dimensions des particules, l étalement de la dimension des particules et de la capacité à retenir l eau, l USCS reconnaît 15 groupes de sols : GW = Graviers bien étalés, mélanges de gravier et de sable, peu ou pas de particules fines GP = Graviers mal étalés, mélanges de gravier et de sable, peu ou pas de particules fines GM = Graviers silteux, mélanges de gravier, de sable et de silt GC = Graviers argileux, mélanges de gravier, de sable et d argile SW = Sables bien étalés, sables graveleux, peu ou pas de particules fines SP = Sables mal étalés, sables graveleux, peu ou pas de particules fines SM = Sables silteux, mélanges de sable et de silt SC = Sables argileux, mélanges de sable et d argile ML = Silts inorganiques et sables très fins, poussière de roche, sables fins silteux ou argileux, silts argileux peu plastiques CL = Argiles inorganiques de plasticité faible à moyenne, argiles graveleuses, argiles sableuses, argiles silteuses MH = Silts inorganiques, sables fins micacés ou diatomées CH = Argiles inorganiques de plasticité élevée, argiles grasses OL = Argiles organiques de plasticité faible OH = Argiles organiques de plasticité moyenne à élevée, silts inorganiques Pt = Tourbe et autre sols fortement organiques La plupart des sols en Amérique du Nord sont argileux quelques-uns sont performants comme fondation sous les pavés et d autres ne le sont pas. La figure 4-3 fait la correspondance entre le système de classification unifiée et un classement général de la performance du sol comme couche de sol d infrastructure, sous-fondation ou de fondation. Le graphique fait aussi la correspondance entre les types de sol et l indice de portance californien (CBR) à titre d information seulement, car ce cours ne couvre que la classification USCS. Figure 4-3 : Classification unifiée de l aptitude des sols en tant que sol d infrastructure, sous-fondation ou fondation Section 4 : Partie B : Classification des sols, propriétés des sols, identification rapide sur le chantier 55

6 Identification rapide sur le chantier Pour déterminer la classification USDA ou USCS des sols, il faut faire analyser un échantillon du site dans un laboratoire d essais sur les sols, mais on peut obtenir un classement approximatif rapide avec l apparence visuelle et tactile du sol. Si l on voit des grains grossiers et l on ressent de la rugosité entre les doigts, le sol est sableux. Si les grains ne sont pas visibles à l œil nu et la texture est lisse, alors le sol est silteux ou argileux. Un facteur clé dans la performance du sol sous le revêtement est sa capacité à retenir l eau. Plus sa capacité de rétention est forte, moins le sol sera performant. L USCS recommande quelques façons simples pour que l entrepreneur puisse réussir une identification rapide sur le chantier et analyser la capacité des sols à retenir l eau. Le test de la galette Évaluation de la capacité d un sol de retenir l eau : Mélanger le sol avec suffisamment d eau pour obtenir une consistance pâteuse. Façonner une quantité en forme de galette et la laisser sécher complètement. Plus il faut d effort pour briser la galette entre les doigts, plus elle est plastique, c'est-à-dire que le sol peut retenir de l eau, et donc, le sol est moins convenable sous le revêtement. Les argiles sont caractérisées par une grande résistance lorsqu elles sont sèches. Les sols sableux ou silteux se brisent facilement. Le test d agitation Le test de dilatance un test sur la réaction à l agitation : Mélanger 15 ml (une cuillerée à soupe) d eau avec un échantillon de sol dans la main. L échantillon devrait être mou mais pas collant. Agiter ou secouer l échantillon à quelques reprises dans la paume fermée. Si de l eau apparaît à la surface, il s agit de sable fin. Si peu ou aucune trace d eau n apparaît en surface, il s agit de sol silteux ou argileux. Si en pressant le sol entre les doigts, l humidité disparaît, le sol est sableux. Si l humidité ne disparaît pas facilement, le sol est silteux. Si l humidité ne disparaît pas du tout, le sol est argileux. Le test du serpent L évaluation de la résistance du «serpent» pour déterminer le contenu en argile : Un petit échantillon de sol est humecté jusqu à ce qu il soit mou sans être vaseux ou collant. Il est roulé en forme de serpent entre les mains. Plus le «serpent» est long, et plus il peut être roulé sans casser, alors plus le contenu en argile est élevé. Ces tests sur le chantier sont rapides et faciles et permettent d avoir une mesure approximative de la capacité de rétention d eau des sols. Ceci fournit une idée générale du type d équipement qui sera nécessaire pour compacter. Les balises exactes sont fournies dans une section ultérieure. La capacité de rétention d eau du sol est quantifiée par les ingénieurs avec l indice de plasticité (IP). Les essais en laboratoire déterminant l indice de plasticité ne sont pas couverts dans ce manuel. À titre d information, l IP est la différence numérique entre la limite de liquidité et la limite de plasticité. Pour plus d information sur les méthodes d essai, consultez AASHTO T 89 et T 90. Les sols avec un IP élevé sont bien moins performants que les sols avec un IP faible. Par exemple, un sol avec un IP de 40 retiendra beaucoup d eau et a probablement un contenu en argile élevé. Un tel sol performera mal sous un revêtement. Un sable propre, de même que plusieurs granulats ne sont pas «plastiques». Un granulat dont l IP est en deçà de 6 retiendra généralement peu d eau et peut être qualifié comme fondation ou sousfondation convenable pour les revêtements. Plusieurs départements municipaux ou provinciaux utilisent l IP pour évaluer et sélectionner les sols et granulats pour la construction des chaussées. 56 Section 4 : Partie B : Classification des sols, propriétés des sols, identification rapide sur le chantier

7 Section 4 Partie C : Compaction du sol et rapports humidité-densité Compaction La compaction décrit le procédé permettant d augmenter le poids par unité de volume de sol ou de granulat. La compaction augmente alors la densité, exprimée en kg/m 3 (lb/pied 3 ). Elle augmente la capacité portante du sol d infrastructure et de la fondation. La compaction évite l affaissement et réduit les gonflements et contractions du sol dus aux changements saisonniers d humidité et de température. Ce procédé force un réarrangement des particules du sol ou des granulats afin qu ils soient plus serrés ensemble, forçant l évacuation de l eau et de l air. L air est évacué du sable du lit de pose, des granulats des fondations et des sols secs; l eau est évacuée des argiles humides et des sols cohésifs. Un sol ou une fondation plus dense supporte mieux les charges sans affaissement et sans développer d ornières. Sans une compaction adéquate, le sol d infrastructure ou la fondation supportant les charges s affaissera graduellement ou développera des ornières, réduisant ainsi la vie utile du revêtement. Trois facteurs régissent le degré de compaction potentiel du sol (ou fondation) : 1. Type ou classification du sol nature, granulométrie ou propriétés physiques du sol ou des granulats 2. La teneur en humidité du sol ou de la fondation 3. Le type et l ampleur de l effort requis pour la compaction compression, pilonnage ou vibration. Ce facteur est couvert dans une section ultérieure. Type ou classification du sol Les sols sont normalement un mélange d argile, de silt et/ou de sable. Comme nous l avons vu dans la partie précédente, la granulométrie détermine leur classification et leur utilité comme matériau de couche de fondation. Les silts et les argiles peuvent demander plus de temps de compaction que les sols sableux, car ils ont plusieurs petites particules dans un intervalle étroit de dimensions de tamis. Plus de 30 % des particules dans certains sols silteux et dans la plupart des sols argileux passent à travers le tamis de 80 μm (No. 200). Ces petites particules sont cohésives, collent ensemble lorsque humides et gardent leur forme une fois compactées. À l opposé, les sables ou les sols granulaires dépendent de la friction entre les particules pour maintenir leur position après compaction. Leurs plus grosses particules les rendent plus faciles à compacter que les sols argileux. Néanmoins, la capacité des sols sableux d accroître la densité par la compaction peut être très dépendante de leur teneur en humidité. Teneur en humidité Le contrôle de la teneur en humidité du sol d infrastructure ou du sol de fondation pendant la compaction est essentiel pour atteindre une densité maximale. Une teneur en humidité optimale doit être atteinte pendant la compaction, c'est-à-dire, qu il faut atteindre une teneur en eau suffisante sans être excessive. Une quantité idéale d eau est nécessaire pour permettre aux particules du sol ou au granulat de se réorganiser les unes par rapport aux autres. L eau agit comme lubrifiant. S il y a trop d eau, cependant, elle prendra trop de place dans les interstices entre les particules, les empêchant de rester collées ensemble. La figure 4-4 (page suivante) montre l effet de l humidité sur la densité du sol ou de la fondation. On voit que la teneur en humidité optimale correspond à la densité sèche maximale. Alors que l humidité progresse vers la teneur optimale, la densité augmente également. Si l on dépasse la teneur en eau optimale, la densité du sol ou de la fondation se met à décroître et on s éloigne de la densité optimale. Le rapport entre la densité du sol ou de la fondation et l humidité optimale variera d un sol à l autre et d une fondation à l autre. Section 4 : Partie C : Compaction du sol et rapports humidité-densité 57

8 Figure 4-4 : Le rapport entre l humidité et la densité : insuffisance d humidité = densité réduite. Également, trop d humidité = densité réduite. Les sols et les granulats ont tous une densité optimale, c est-à-dire là où la teneur en humidité et la densité sont en équilibre. Le graphique ci-dessus indique le rapport densité - teneur en humidité. Source Wacker Corporation 58 Section 4 : Partie C : Compaction du sol et rapports humidité-densité

9 Section 4 partie D : Évaluation de la compaction du sol L évaluation de la compaction L affaissement des pavés de béton est la plus grande cause de rappels de la part des clients. Dans la majorité des cas, le problème peut être dû à une compaction inadéquate ou mal évaluée sur le chantier. Des méthodes subjectives, comme de presser le talon dans le sol ou la fondation, sont parfois utilisées pour évaluer la compaction. L ICPI déconseille ces pratiques. Pour certains projets, l entrepreneur n est souvent pas responsable de la compaction du sol d infrastructure ou de la fondation. Cependant, leur densité devrait être confirmée avant de mettre en place le lit de pose et les pavés de béton. Cette section présente les méthodes d essai pour s assurer d une compaction adéquate des sols et des fondations. Test simple pour estimer sur place la teneur en humidité optimale Quand le sol a-t-il assez d humidité pour être compacté? Voici un test pratique pour évaluer la teneur optimale en humidité. Il est conçu pour donner une idée générale de l état de préparation du sol pour la compaction. Essayez de faire une boule avec le sol. Si l on est incapable de former une boule, le sol est trop sec et on doit y ajouter de l eau. (Les sols graveleux et les sols qui sont principalement sableux ne formeront pas une boule.) Laissez-la tomber d une hauteur d environ 0,3 m (1 pi). Si la boule se casse en morceaux sensiblement égaux, la teneur en humidité est à peu près optimale. Si le sol est trop humide, la boule ne se cassera pas (à moins que le sol ne soit très sableux). Dans ce cas, il faut permettre au sol de sécher. Densité Proctor Contrairement aux méthodes subjectives, la seule façon d établir le degré de compaction voulu est de mesurer la densité du sol d infrastructure ou de la fondation à une teneur en humidité donnée pendant les opérations de compaction. La teneur en eau optimale et la densité varient selon le type ou la classification du sol. La figure 4-5 indique certains types de sol avec les marges de densités et teneurs en humidité optimales. Une connaissance du type de sol permet de connaître la densité et la quantité relative d eau requise pour atteindre la densité maximale pendant la compaction. La méthode la plus utilisée pour déterminer le niveau de compaction est la densité Proctor. R.R. Proctor, ancien ingénieur de projets pour le Los Angeles City Bureau of Water Works and Supply, a publié une série d articles en 1933, décrivant les résultats des études sur les procédés de tests de compaction. Un essai Proctor est d abord effectué sur des échantillons de sol ou de fondation en laboratoire pour déterminer la densité maximale du sol et sa teneur en humidité optimale. Les résultats en laboratoire sont comparés aux essais sur le chantier. Les résultats des essais sur le chantier sont divisés par les résultats en laboratoire pour obtenir un pourcentage de la densité Proctor. Il y a deux sortes d essais Proctor, selon le degré de compaction requis : les essais de densité Proctor standard et modifié. L essai Proctor standard est effectué dans un laboratoire d essais des sols en mettant un échantillon de sol dans un contenant de 0,025 m 3 ( 1 / 30 pi 3 ). En laboratoire, on laisse tomber 25 fois un pilon de 2,5 kg (5 1 / 2 lb) d une hauteur de 305 mm (12 po) avec une surface percutante de mm 2 (3,1 pouces 2 ) sur chacune de trois Section 4 : Partie D : Évaluation de la compaction du sol 59

10 couches égales. Le poids du matériel est alors déterminé et inscrit en unités poids humide / pied cube ou poids humide / mètre cube. Ensuite le matériau est asséché pendant 12 heures pour déterminer sa teneur en humidité. Cet essai s appelle AASHTO T 99, Test Method of Test for The Moisture Density Relations of Soils Using a 5.5 lb (2.5 kg) Rammer and a 12-in. (305 mm) Drop, publié par l American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). On trouve un essai semblable dans ASTM D 689, Test Method for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort [12,400 ftlbf/ pi3 (600 kn-m/m3)] publié par l American Society of Testing and Materials (ASTM). Voir figure 4-6. Figure 4-5 : Comparaison des rapports humidité-densité pour divers sols Source : Wacker Corporation 60 Section 4 : Partie D : Évaluation de la compaction du sol

11 Les plages de densités que l on peut s attendre d obtenir avec cet essai sont les suivantes : Argiles densité maximale : kg/m 3 ( lb/pi 3 ) Teneur en humidité optimale : % Argiles silteuses densité maximale : kg/m 3 ( lb/pi 3 ) Teneur en humidité optimale : % Argiles sableuses densité maximale : kg/m 3 ( lb/pi 3 ) Teneur en humidité optimale : 8 15 % Test Proctor modifié Cet essai est semblable à l essai standard sauf qu on laisse tomber un pilon de 4,53 kg (10 lb) d une hauteur de 457 mm (18 po). Comme pour l autre essai, on effectue 25 impacts, mais cette fois-ci, sur chacune de cinq couches égales. Le contenant est toujours de 0,025 m 3 ( 1 / 30 pied 3 ). La force de compaction est de N ( pi-lb) comparativement à N ( pi-lb) dans le cas de l essai Proctor standard. Le test modifié est normalement utilisé pour les sols ou granulats dont la résistance au cisaillement est supérieure pouvant supporter des charges plus importantes, comme celles que l on retrouve sur les rues et les revêtements industriels. Cet essai s appelle AASHTO T 180, Test Method of Test for The Moisture Density Relations of Soils Using a 10 lb (4.54 kg) Rammer and an 18-in. (305 mm) Drop. On trouve un essai semblable dans ASTM D 1557, Test Method for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort [56,400 ft-lbf/pi 3 (2,700 knm/m 3 )]. La figure 15 fait la comparaison entre les essais Proctor standard et modifié. Étant donné la plus grande force de compaction de l essai modifié, les densités maximales peuvent être d environ 160 à 320 kg/m 3 (10 à 20 lb/pi 3 ) supérieures à celles soumises à l essai Proctor standard et les teneurs en humidité entre 3 % et 10 % inférieures. En pratique, ceci veut dire que pour atteindre les densités de l essai Proctor modifié, il faut soit plus de temps de compaction, soit des équipements de compaction plus lourds. Le résultat est une fondation beaucoup plus résistante avec une vie utile accrue pour le revêtement. Tests de densité sur le chantier Le test par nucléodensimètre est souvent utilisé pour déterminer la densité du sol d infrastructure ou de la fondation après la compaction. Ce test est décrit dans l ASTM D 2922 ou l AASHTO T 238. La densité du sol ou de la fondation est mesurée sur le chantier. Figure 4-6 : Différences entre les essais Proctor standard et modifié Source : Vibromax 2000 Section 4 : Partie D : Évaluation de la compaction du sol 61

12 La densité obtenue au chantier est divisée par les résultats des essais Proctor obtenus en laboratoire pour obtenir un pourcentage de densité. Par exemple : Essai en Laboratoire (Proctor) Essai sur le chantier (utilisation d un nucléodensimètre) Densité maximale du sol : Densité après compaction : 1874 kg/m kg/m 3 Dans ce cas, l équipement de compaction a atteint une densité Proctor de 1837/1874 = 98 %. Ce résultat devrait être comparé aux spécifications du projet. Il est possible qu un sol ou une fondation soit compacté à une densité Proctor de plus de 100 %. Par exemple, une densité Proctor de 104 % signifierait que l on a obtenu plus de compaction (et de densité) sur le chantier que dans le sol testé au laboratoire. Le nucléodensimètre comprend une sonde qui utilise une source radioactive en combinaison avec des tubes Geiger-Müller pour mesurer la densité ou l humidité (voir la figure 4-7). Une tige émettrice-détectrice est insérée dans le sol compacté aux profondeurs de vérification voulues (normalement 150 mm (6 po) pour les revêtements piétonniers et 300 mm (12 po) pour les revêtements soumis au passage de véhicule). Les rayons gamma émis par la sonde détectrice sont absorbés par les atomes du sol et de l eau. Plus le sol est dense et plus la teneur en humidité est élevée, plus il y aura une forte proportion de rayons absorbés et moins il y aura de rayons qui atteindront le détecteur. L utilisation du nucléodensimètre est un essai de densité rapide et précis. Ces essais sont effectués par un technicien qualifié et certifié pour l usage du nucléodensimètre. L appareil est dispendieux (environ $) et peu d entrepreneurs en possèdent. On engage plutôt un technicien qualifié d une entreprise d essais sur les sols pour faire les mesures. On peut téléphoner à un laboratoire d essais pour s informer des coûts des essais, en laboratoire et sur le chantier, et des délais. Cette dépense est normalement inférieure aux coûts de règlement d une plainte d un client. Les entrepreneurs sont encouragés à faire appel à une entreprise d essais expérimentée afin de mesurer la densité avec un nucléodensimètre sur les entrées d autos et sur les routes parce que : L appareil peut vérifier la densité en temps réel après chaque passe de l équipement de compaction. L appareil peut établir l utilisation optimale des compacteurs, ce qui permet d économiser du temps de main-d œuvre et de l argent et réduit l usure des équipements en évitant de faire trop de compaction, ou trop peu. L appareil peut être fixé sur les compacteurs à rouleaux pour obtenir immédiatement des lectures lors de la compaction et faire des ajustements ponctuels aux équipements. Bref, la mesure de la densité avec le nucléodensimètre procure une garantie à peu de frais, réduisant la possibilité des litiges et les coûts pour les régler. Il existe d autres moyens raisonnablement précis pour évaluer la compaction du sol. Capteurs de compaction L utilisation des équipements de surveillance et de captage de la compaction des sols est une option abordable pour déterminer la densité adéquate des sols et des ouvrages de fondation compactés. Cet équipement manuel coûte environ $ et les capteurs jetables environ 15 $ chacun. Les capteurs sont placés au fond du sol avant la compaction. Des fils sont reliés aux capteurs et un moniteur indique quand la densité voulue est atteinte. Les capteurs restent dans le sol. 62 Section 4 : Partie D : Évaluation de la compaction du sol

13 La même procédure peut être utilisée pour compacter les granulats. Les sols d infrastructure et la fondation doivent être humides avant la compaction; les essais en chantier (essai de la boule) décrits dans ce manuel peuvent être utilisés pour en déterminer le contenu en eau. En plus d une teneur en humidité suffisante dans le sol, l épaisseur de la couche et la dimension des équipements de compaction affecteront le niveau de densité du sol tel que mesuré par les équipements de détection. Les capteurs de compaction fournissent une surveillance et un contrôle instantanés de la qualité de la compaction du sol et de la fondation. Ils n exigent aucune détermination de la densité Proctor en laboratoire avant les essais sur le chantier. Les données de compaction peuvent être téléchargées à partir des équipements de détection et conservées en archives. Un fabricant d équipements de détection de compaction rapporte des densités en correspondance étroite avec les densités mesurées par un nucléodensimètre. Une utilisation des capteurs pour établir la correspondance entre la densité Proctor et les résultats obtenus d un nucléodensimètre certifierait que la densité Proctor recommandée dans ce manuel est atteinte. Le coût de cet équipement est moindre que le coût d un technicien muni d un nucléodensimètre pour une demi-douzaine de projets. Pour plus d information, communiquez avec MBW Inc. au à propos du «Soil Compaction Supervisor». Pénétromètre à cône dynamique Cet équipement et cette méthode d essai sont décrites dans l ASTM D 6951, Standard Test Method for Use of the Dynamic Cone Penetrometer in Shallow Pavement Applications. La figure 4-8 en est une illustration. Un pénétromètre à cône dynamique (PCD) coûte moins de $, incluant un boîtier de transport et des têtes coniques de rechange. Cet appareil comprend une barre en acier avec une pesée mobile qui est soulevée et déclenchée à répétition pour enfouir une tige dotée d une tête conique dans le sol ou la fondation. Le nombre d impacts et le niveau de pénétration atteint à chaque impact est noté en mm. Le nombre total d impacts et la pénétration sont utilisés pour trouver une corrélation avec la densité correspondent à la densité, l indice de portance californien (CBR), la rigidité et d autres propriétés du matériau. Le pénétromètre est conçu pour les sols d infrastructure et les fondations ayant des particules de moins de 50 mm (2 po). Figure 4-7 : Nucléodensimètre Source : Vibromax Figure 4-8 : Pénétromètre à cône dynamique utilisé pour tester la densité du sol compacté. L opérateur est en train de soulever manuellement la pesée mobile. Section 4 : Partie D : Évaluation de la compaction du sol 63

14 Avant d utiliser le PCD, l entrepreneur devra établir la plage du nombre d impact sur les sols et les fondations compactés dont la densité Proctor est évaluée avec un nucléodensimètre. L entrepreneur aura ainsi une idée du nombre d impacts et du niveau de pénétration devant confirmer une densité Proctor d au moins 98 % avec le PCD. Le sol ou la fondation doit avoir une teneur en humidité optimale ou presque. Après l essai préalable et la dépense afférente, le PCD peut être utilisé tout seul pour vérifier la densité. Les PCD peuvent être achetés des fournisseurs d équipements de laboratoires pour les sols tels que Durham Geo, Kessler, ou SoilTest/ELE. Passes avec les équipements de compaction spécifiques Cette méthode repose due un nombre spécifié de passes sur le sol d infrastructure ou de fondation (à une épaisseur des couches explicite et constante). Par exemple, six passes avec un rouleau compacteur de 40 kn (9 000 lbf) pourraient donner une densité Proctor de 98 % sur certains types de sol. Comme pour les autres méthodes d évaluation, la nucléodensimètre fournit la référence pour savoir combien de passes (lorsque la teneur en humidité est optimale) sont nécessaires pour obtenir la densité voulue. L entrepreneur devra effectuer des essais sur des fondations et des sols pour obtenir les correspondances pour le nombre de passes. Balises pour la compaction du sol Comme les sols varient beaucoup à travers l Amérique du Nord, leur aptitude à la compaction varie également. Plusieurs sols peuvent être compactés à une densité Proctor d au moins 98 %. Ceci représente une balise minimale recommandée pour les trottoirs et les stationnements résidentiels. Les densités Proctor plus élevées sont souhaitables. ICPI Tech Spec 2 Réalisation d un revêtement en pavés de béton imbriqués recommande que la compaction atteigne une densité Proctor standard d au moins 98 %, mais la densité Proctor modifiée y est préférable pour la circulation de véhicules. La compaction à une densité Proctor standard doit atteindre une profondeur d au moins 150 mm (6 po) pour les zones piétonnes et 300 mm (12 po) pour les endroits à circulation de véhicules. Les sols qui sont toujours mouillés, très fins ou qui contiennent de la matière organique (feuilles en décomposition, bois, etc.) ne se feront pas compacter à ces minimums recommandés. D autres traitements pourraient être nécessaires. Ces traitements peuvent inclure le remplacement du sol, la stabilisation du sol avec de la chaux ou du ciment et/ou la réalisation d une sous-fondation en granulat en surplomb avant de réaliser la fondation. Plus de temps de compaction est nécessaire pour atteindre la densité Proctor modifiée. Des équipements plus lourds sont souvent nécessaires pour les atteindre. Pour les rues et les endroits de service intensifs comme dans les ports et les aéroports, une densité Proctor modifiée de 98 % est souhaitable. Quelle que soit la méthode d essai, la densité des sols d infrastructure et de la fondation devrait être vérifiée dans les endroits qui sont difficiles d accès pour les équipements de compaction. Ces endroits peuvent être à côté des dalles en béton, des bordures en béton, près des murs, des coins, à côté des structures de services ou sur les sols ou fondations mouillés. Quelle que soit la méthode utilisée, l évaluation de la densité est essentielle pour un travail de qualité. En plus de réduire le nombre de rappels par les clients, l évaluation de la densité réduira les litiges et pourra réduire le temps de main-d œuvre gaspillé pour de la compaction excessif. Enfin, l évaluation de la densité peut être présentée au client comme un gage de qualité. Toutes ces considérations sont bonnes pour la réputation de l entrepreneur. 64 Section 4 : Partie D : Évaluation de la compaction du sol

15 Section 4 Partie E : Méthodes et équipements pour la compaction du sol Les équipements de compaction et leur sélection L action d un équipement de compaction est fonction de son amplitude, c'est-à-dire la hauteur de ses rebondissements, et de sa fréquence. La fréquence est exprimée en vibrations à la seconde (Hertz, ou Hz) et l amplitude est la moitié de la distance parcourue par le rouleau vibrant ou la plaque vibrante. Types d équipement L équipement de compaction est généralement regroupé sous cinq types d appareil selon leur action de compaction, soit les pilonneuses de type «jumping jack», plaques vibrantes, plaques vibrantes réversibles, rouleaux vibrants et rouleaux statiques. Les pilonneuses se caractérisent par leur basse fréquence ( impacts à la minute) et la hauteur de leur battement. Le battement d une pilonneuse est la hauteur que le pied de la dameuse atteint pendant l opération. La différence entre les pilonneuses et les compacteurs à plaque vibrante est que les pilonneuses sautent plus haut mais à une moindre fréquence. La force d impact d une pilonneuse est plus grande. (Voir figures 4-9 et 4-10.) Cette force est requise pour compacter les sols argileux. Figure 4-9 : Plaque réversible Figure 4-10 : Pilonneuse («jumping jack») La figure 4-9 illustre le type «plaque», une plaque réversible autopropulsée qui utilise des poids à contrerotation excentriques pour fournir la force d impact et la vitesse de déplacement. Cet appareil peut être utilisé pour compacter les sols ou granulats cohésifs argileux et silteux. Ces compacteurs ont en général une force de compaction allant de 22 kn (5 000 lbf) jusqu à 60 kn ( lbf). Section 4 : Partie E : Méthodes et équipements pour le compaction du sol 65

16 Une pilonneuse verticale («jumping jack») utilise un mécanisme de ressort. Les pilonneuses peuvent être utilisées pour les sols granulaires (sableux) si le sol compacté est dans un endroit restreint comme une fosse. Dans les endroits non restreints, la pilonneuse déplacera le sol granulaires vers les cotés plutôt que de le compacter. Les plaques de pilonneuses peuvent également être utilisées sur les matériaux granulaires lorsqu ils sont confinés ou dans des endroits non confinés lorsque la pilonneuse est munie de plaques d extension. Les compacteurs à plaque vibrante réguliers (non réversibles) sont recommandés pour les sols non cohésifs granuleux et sableux. Ils ressemblent au compacteur dans la figure 4-9, mais ont une force de compaction bien plus basse, allant de 7 à 20 kn (1 500 à lbf). Leur amplitude est basse et leur fréquence élevée (2 000 à Hz). Les figures 4-11 et 4-12 illustrent les compacteurs de type rouleaux vibrants. Chaque rotation de l axe excentrique dans les rouleaux transmet de l énergie dans le sol. Cette énergie vibratoire fait vibrer les particules du sol ce qui les réorganise de façon plus serrée. Ces compacteurs servent pour les sols et granulats en argiles mixtes. Les rouleaux statiques n utilisent que leur poids et non pas la vibration pour compacter. Ils sont utilisés pour l épreuve de roulage des pavés dans les ports et les aéroports après la compaction par plaques. Ils sont utilisés pour la compaction des fondations à granulométrie ouverte et pour l asphalte, mais pas pour compacter le sol. Pour bien comprendre la compaction et sélectionner le bon équipement, une compréhension des propriétés fondamentales du sol est nécessaire. Il faut également connaître la classification du sol. Étant donné que plusieurs sols sont un mélange de sable, de silt et d argile, la sélection peut être difficile. Figure 4-11 : Rouleau vibrant, opérateur sur pieds Figure 4-12 : Rouleau vibrant, opérateur en selle En général, l appareil utilisé devrait être du type qui convient à la composante représentée par le plus grand pourcentage dans la classification. La figure 4-13 est un guide pour la sélection de l équipement approprié pour la compaction de divers types de sol. 66 Section 4 : Partie E : Méthodes et équipements pour le compaction du sol

17 Figure 4-13 : L utilisation de l équipement de compaction selon le type de sol Source : Vibromax La compaction des sols argileux Puisque l argile est cohésive et que ses particules collent ensemble, utilisez une machine dont l impact frappe le sol, force l évacuation de l air et de l eau et réorganise les particules. Pour ces sols, le meilleur choix est un compacteur à plaque réversible ou bien un rouleau à pieds de mouton. La compaction de matériaux granulaires Le sable et les granulats de fondation ne sont pas cohésifs. Leurs particules doivent être agitées ou soumises à une action vibratoire pour qu elles se déplacent. Les plaques vibrantes et rouleaux vibrants font très bien l affaire pour compacter les fondations granulaires, le lit de pose sous les pavés et l asphalte. Les compacteurs à plaques vibrantes sont également utilisés sur les pavés au-dessus du lit de pose pour réorganiser et ainsi densifier le sable. Ils font aussi monter le sable dans les joints. Méthodes de compaction du sol Une erreur commune dans la compaction du sol d infrastructure ou de la fondation est de tout compacter à la fois. Il faut plutôt compacter par couches. Une couche de sol ou de granulats est placée et compactée, puis une autre et ainsi de suite, jusqu à ce que le sol ou la fondation atteigne l élévation voulue (normalement indiquée par les piquets de niveau). Si la couche est trop profonde, l appareil prendra plus de temps pour compacter le sol ou la fondation. Ceux-ci risqueraient de ne jamais atteindre une compaction maximale, en particulier si la couche supérieure est dure et que la densité n est pas constante jusqu au fond. Il n y a pas de profondeur de couche précise pour la compaction du sol ou d une fondation. La profondeur dépend de l équipement disponible et les appareils sont sélectionnés pour atteindre la densité optimale dans un minimum de temps. Plusieurs entrepreneurs en installation de pavés ont de l équipement léger, normalement de type plaque vibrante ou rouleaux. Étant donné que ces équipements n ont qu une force de compaction limitée, les couches de sol ou de fondation ne doivent pas être épaisses; d habitude elles sont d au plus 100 mm (4 po). Les appareils à déplacement réversible et ceux à déplacement vers l avant compactent le sol ou la fondation dans le même sens : du fond de la couche vers la surface. L impact de la machine sur le sol ou la fondation est Section 4 : Partie E : Méthodes et équipements pour le compaction du sol 67

18 transmis aux couches plus dures sous la surface et retourne vers le haut. Cette action fait bouger les particules qui resserrent les rangs. Au fur et à mesure que la compaction s effectue, la distance parcourue par l impact diminue et la machine rebondit de plus en plus haut. Les compacteurs permettant une variation en fréquence et en amplitude sont plus efficaces pour la compaction des sols et des fondations. Ils peuvent être ajustés afin de maintenir la force optimale selon le matériau. Ceci économise temps et argent pour l atteinte de la densité Proctor voulue pour le sol ou la fondation. La sélection de l équipement, qu il soit acheté ou loué, aura un impact sur l efficacité. Chaque année, un entrepreneur peut compacter des milliers de mètres carrés de sol d infrastructure et de fondation. Quelques heures économisées sur chaque projet par l utilisation d équipements plus lourds deviennent des jours de main d œuvre de moins durant l année, ce qui améliore le rendement financier. Le personnel technique travaillant chez les fabricants ou détaillants d équipement de compaction devrait être consulté à propos de la sélection de l équipement approprié selon l envergure des travaux anticipés. 68 Section 4 : Partie E : Méthodes et équipements pour le compaction du sol

19 Section 4 Partie F : Géotextiles : pourquoi et comment La séparation de la fondation du sol Les géotextiles aident à conserver et protéger la fondation et la séparent du sol d infrastructure. Ils peuvent être utilisés dans les endroits où le sol demeure saturé durant une partie de l année et dans les endroits sujets au geldégel. Bien qu ils ne soient pas nécessaires dans toutes les applications, les géotextiles peuvent retarder les déformations dues au passage répété de charges. Ces matériaux sont particulièrement utiles sur les argiles et les silts. Ils peuvent empêcher le pressage de ces sols fins dans la fondation granulaire sous l effet des charges, notamment lorsque ces sols d infrastructure sont saturés. Ceci empêche la formation d ornières. Les géotextiles permettent également de conserver la capacité portante de la fondation sur une plus longue durée. Le matériau composant le géotextile peut être ou ne pas être tissé, mais l ouverture de filtration ne doit pas dépasser celle d un tamis 630 ou 315 microns. Le tableau 4-2 présente les exigences minimales des géotextiles pour maintenir la compaction des fondations et conserver la séparation des sols. Lorsque le matériau est placé sur le sol dans l endroit excavé, il devrait être remonté le long des côtés de l excavation, couvrant les côtés de la couche de granulat. Il faut minimiser, autant que possible, les plis sur le fond, et les extrémités devraient se chevaucher d au moins 300 mm (12 po). Le chevauchement devrait être entre 600 et 900 mm (24 à 36 po) pour les sols très fins, faibles ou perpétuellement saturés. Une fois le granulat vidé sur le géotextile, les camions ne doivent pas circuler dessus, sinon ils risquent de causer des plis. Les géotextiles sont également utilisés pour empêcher la migration du lit de pose dans les fissures, joints et autres cavités. Diverses applications sont abordées dans des sections ultérieures de ce cours. Table 4-2. Exigences minimales recommandées pour les géotextiles utilisés pour séparer les sols Note: Indice de portance californien (CBR) de la fondation >2 % Propriété Exigences minimales Méthode d essai Résistance à la traction, lb (kg) 140 (82) ASTM D 4632 Élongation, pourcentage max. 15 ASTM D 4632 Résistance au poinçonnement, lbs (kgs) 70 (32) ASTM D 4833 Résistance à l éclatement, psi (MPa) 200 (1.4) ASTM D 3786 Résistance au déchirement 50 (23) ASTM D 4533 trapézoïdale, lbs (kgs) Ouverture de filtration microns ASTM D 4751 Notes : L acceptation du géotextile est déterminée selon ASTM D L organisme contractant peut exiger une lettre du fabricant certifiant que son géotextile est conforme à la spécification requise. Utilisez les valeurs d essai dans le sens faible du matériau. Toutes les valeurs représentent les valeurs minimales du rouleau. Les valeurs données le sont pour les conditions non critiques et non sévères. Consultez les recommandations du fabricant pour les applications sur les sols à faible capacité portante (<2% CBR) ou pour les revêtements assujettis à des charges industrielles ou les revêtements d autoroute. Les lots de matériau devraient être échantillonnés selon ASTM D Section 4 : Partie F : Géotextiles : pourquoi et comment 69

20 Les géotextiles à la surface des fondations Les géotextiles ne sont appliqués qu exceptionnellement sur la surface d une fondation granulaire compacté, si l on craint que le lit de pose puisse migrer (par infiltration) dans la fondation et causer ainsi un affaissement à la surface. Cette crainte ne sera pas justifiée si la fondation granulaire a une fraction fine suffisante pour raffermir ou sceller la surface pendant la compaction. Si l on craint que la fondation granulaire permette l infiltration du sable du lit de pose, une couche mince de sable à joints peut être appliquée et compactée dans la surface de la fondation lors de la procédure finale de nivelage et de compaction. Il s agit d une opération additionnelle, ce qui augmente le coût d installation de la fondation. Elle peut être évitée en vérifiant périodiquement la granulométrie de la fondation ou en recourant à un fournisseur de granulats dont la granulométrie est constante. Si le granulat de fondation est conforme aux recommandations de ce cours, le risque d affaissement dû à la migration du lit de pose dans la surface de la fondation restera minime. D autres fondations peuvent bénéficier de géotextiles. Par exemple, dans les environs de Houston au Texas, les sols sont très faibles, souvent saturés et sont difficilement compactables. Les entrepreneurs utilisent des fondations traitées au ciment en utilisant un mélange de ciment et de sable ou de granulats. Elles sont très durables, mais les fondations traitées au ciment ont tendance à faire du retrait et à développer des fissures en surface avec le temps. Un géotextile placé sur la surface d une fondation traitée au ciment peut prévenir la disparition de sable du lit de pose dans ces fissures. La pose de géotextiles est donc recommandée pour ces types de fondations. Les pavés de béton sont souvent placés sur des revêtements existants en asphalte ou en béton. Avec le lit de pose et les pavés à la surface, ces revêtements existants deviendront des fondations. Leurs surfaces devraient être sans fissures et libre de matériaux ou de débris avant l application du lit de pose et la pose des pavés. Toute fissure devrait être réparée. Le géotextile devrait être placé sur les joints des revêtements de béton, car ceux-ci ont une forte possibilité de se fissurer. Si le revêtement comporte des ornières, est déchaussé ou est faillé, il ne faut pas le resurfacer : ces conditions sont signe qu il y a des problèmes avec les matériaux du sol ou de la fondation, et ces derniers devront probablement être enlevés et remplacés. Même si les géotextiles ne sont pas essentiels pour le resurfaçage avec des pavés pour les applications piétonnières, ils devraient être utilisés par-dessus les fondations existantes d asphalte ou de béton dans le cas d applications soumises au passage de véhicules. Même s il n y a pas encore de fissures dans les fondations existantes, le géotextile fournira une protection contre la perte éventuelle de sable dans des fissures qui pourraient apparaitre avec le temps. 70 Section 4 : Partie F : Géotextiles : pourquoi et comment