Module 1. Connaissances de base

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Sylvain Lanthier
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1 MASTERE SPECIALISE TUNNELS et OUVRAGES SOUTERRAINS De la conception à l exploitation Module 1. Connaissances de base 1.2. Comportement mécaniquedes sols D. Branque, LGCB ENTPE 1

2 CONNAISSANCES DE BASES: Comportement mécanique des sols CONTENU 1. Définition géotechnique des sols 2. Identification physique des sols 3. Déformations et contraintes dans les sols (rappels de MMC) 4. Hydraulique des sols 5. Consolidation et tassement des sols 6. Résistance au cisaillement des sols INSA Lyon ENTPE MS TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS

3 Définition des roches et des sols En géologie: la roche est un matériau de l écorce terrestre t pouvant présenter différents états: - solide et consolidé (ex: granite sain) Roches saines - solide et meuble (ex: sables, limons, ) Roches altérées - liquide (pétrole) - gaz En géotechnique: la roche est une formation géologique dont les éléments sont fortement soudés entre eux (ex: granite sain), le sol est une formation géologique dont les éléments ont des liaisons nulles (sable, gravier) ou faibles (limon, argile) entre eux. 3 3

4 Formation des sols Origine: les sols proviennent de l altération des roches + éventuellement présence de matières organiques (vase, tourbes) Deux types d altération des roches: la désagrégation physique et mécanique des roches sous l action de la température et des contraintes (pression d eau liquide, poussée de la glace, ) L altération physico-chimique - par hydrolyse pour les roches magmatiques et métamorphiques Ex: Granite (quartz + mica blanc + feldspath) Arène granitique (grains de quartz + grains de mica blanc + particules d argile - par dissolution des calcaires en présence d eau + CO 2 pour les roches sédimentaires CaCO3 + CO2 + H2O Ca (Co3H)2 (bicarbonate acide de calcium) Karsts (vides) + argiles résiduelles - Autres phénomènes d altération des roches sédimentaires: hydratation, oxydation à l air humide (ex: pyrite) 4 4

5 Formation des sols Leur transport: Pesanteur: éboulis, coluvions (bas de pente),... granulométrie très étalée Vent : limons, loess structure macroporeuse, affaissement en présence d eau Eau: alluvions fluviatiles, dépôts marins - alluvions anciennes matériau granulaire, faible compressibilité, forte perméabilité - alluvions modernes contient + de fines, forte compressibilité, faible perméabilité Glace: moraines granulométrie très étalée, sol surconsolidé. 5 5

6 Définition géotechnique des sols Milieu tri-phasique Solide + Liquide + Gaz squelette du sol - eau libre (nappe) vapeur d eau, air - eau adsorbée (feuillets d argile) - eau capillaire (au dessus de la surface piezo) Phase Solide Ex: États partiellement saturés d un sol Sols fins Fragments de la roche mère: limon Altération physico chimique: argile Sols grenus Fragments de la roche mère 6 6

7 Les argiles Particularités des argiles: Phyllosilicates d alluminium hydratés Structure complexe: couches feuillets particules cristallites Possibilité de substitutions isomorphiques d ions Propriétés particulières en présence d eau Les couches d éléments: Couche tétraédrique: 1atome de silicium (Si 4+ ) & 4 atomes d oxygène (O 2- ) Couche octaédrique: 1 atome d aluminium (Al 3+ ) & 6 hydroxyles (OH - ) Les feuillets élémentaire: Feuillet 1/1 : 1couche tétraédrique + 1 couche octaédrique (kaolinite) Feuillet 2/1: 1 atome d aluminium (Al 3+ ) & 6 hydroxyles (OH - ) (illites, smectites, ) Atome de silicium Atome d oxygène Phase Solide Atome d aluminium Hydroxyles Couche tétraédrique Couche octaédrique Feuillet 1/1 Feuillet 2/1 7 7

Les argiles Les particules élémentaires: Empilement de feuillets élémentaires Les cristallites:

Eau adsorbée: Substitution isomorphiques d ions dans les feuillets d argile déséquilibre électrique

électroneutralité Mesure de la surface spécifique d une argile: essai au bleu de méthylène Structures

8 Les argiles Les particules élémentaires: Empilement de feuillets élémentaires Les cristallites: Unités morphologiques de plusieurs particules Différentes structures possibles: floculée, dispersée. Eau adsorbée: Substitution isomorphiques d ions dans les feuillets d argile déséquilibre électrique (+ ou -) sur les faces des particules En présence d eau, les ions H + ou OH - se lient aux particules électroneutralité Mesure de la surface spécifique d une argile: essai au bleu de méthylène Structures floculées Structures dispersées Eau adsorbée dans le cas d une surface de particule chargée négativement 8 8

9 Les argiles 3 principaux types d argile (/ 200) La kaolinite: - feuillet élémentaire 1/1 - aucune substitution d ions - liaisons entre feuillet très stables L illite: - feuillet élémentaire 2/1 - un (Si 4+ ) sur 4 remplacé par (Al3 + ) - présence d ions K + entre les feuillets La montmorillonite: - feuillet élémentaire 2/1 - substitution d ions (Al 3+ ) par (Mg 2+ ) - surface spécifique importante - forte sensibilité à l eau - bentonite: au moins 60% de montmorillonite Caractéristiques des 3 argiles principales 9 9

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