SOLS MEUBLES : SOLS FINS ARGILEUX COHÉRENTS

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1 INFORMATIONS TECHNIQUES T 1 Mutuelle des architectes français assurances OCTOBRE1996 SOLS MEUBLES : SOLS FINS ARGILEUX COHÉRENTS 1 - INTRODUCTION Ces sols fins argileux cohérents sont caractérisés par le fait qu ils peuvent être pétris et modelés à la main lorsqu ils sont associés à un minimum d eau, c est là le sens de leur cohésion. Il s agit de sols dont la très grande finesse des éléments argileux qui les composent, entraîne des propriétés particulières se traduisant essentiellement par (voir annexe 1) : un fort potentiel de rétention d eau, un fort potentiel d échanges d eau, un comportement mécanique et une stabilité volumique dépendant fortement de la teneur en eau. Ces propriétés qui résultent de la plus ou moins grande activité argileuse de ces sols vont essentiellement déterminer (voir figure 1) : les états de consistance rencontrés dans la nature, tous les aspects du comportement qui intéressent le constructeur et qui vont inspirer les risques dont il doit être averti, et notamment en ce qui concerne : la capacité portante, les déformations volumiques par retrait ou gonflement, par compressibilité sous charge, la réutilisation en remblais. 2 - IDENTIFICATION ET ÉTAT PHYSIQUE Il existe en laboratoire des moyens expérimentaux permettant d identifier le sol et de contrôler son activité argileuse (voir annexe 2). L état physique du sol dans son environnement naturel (consistance, compacité) est contrôlé surtout par : la mesure de la densité humide naturelle h, la mesure de la teneur en eau naturelle W qui est en général saturante. On notera que les caractéristiques d identification et les valeurs de densité et teneur en eau naturelles sont importantes à connaître car elles permettent de formuler simplement de précieuses prévisions sur le comportement mécanique et la déformabilité du sol. Pour fixer les idées, on pourra rencontrer dans la nature les états de consistance suivants : consistance molle à très molle assimilable à un état de crème de faible cohésion, consistance plastique correspondant à un sol très facilement malléable et modelable à la main, consistance ferme correspondant à un état du sol devenant difficilement modelable et exigeant de fortes pressions du doigt, consistance très ferme (par exemple sol desséché) correspondant à un état pour lequel de fortes pressions aboutissent à une fragmentation de la structure en granulats. Figure 1. - Structure schématique des sols argileux (échanges d eau négatifs par dessiccation ou par compression, échanges positifs par succution et gonflement). À titre de référence, on peut se reporter au tableau donné en annexe III qui, pour trois types de sols argileux ayant une activité argileuse croissante, donne les relations entre activité argileuse, teneur en eau naturelle, densité pour trois états de consistance (molle, plastique et ferme). Mutuelle des architectes français assurances. Entreprise privée régie par le code des assurances. Société d assurance mutuelle à cotisations variables 9, rue Hamelin Paris CEDEX 16 - Tél. : Fax :

2 3 - COMPORTEMENT MÉCANIQUE ET DÉFOR- MABILITÉ : RISQUES QUI S Y RATTACHENT POUR LES PROJETS DE CONSTRUCTION Les caractéristiques mécaniques du sol sont déterminées soit par des sondages et essais géomécaniques directs in situ (sondages pressiométriques, sondages pénétrométriques dynamiques ou statiques, scissomètres) ou par des essais de laboratoire sur prélèvements intacts (voir annexe 4) Comportement mécanique Les échanges d eau se faisant très lentement et très progressivement en raison de la faible perméabilité de ces sols, les résistances mécaniques déterminantes à court et moyen terme sont celles données par la cohésion du sol naturel intact. Cette cohésion dépend évidemment de la consistance et en première approximation, on peut admettre que la capacité portante admissible (ou pression admissible que peut supporter le sol au niveau de fondation en plus de la pression initiale des terres excavées, avec un coefficient de sécurité de 3) est voisine du double de la cohésion. Il en résulte approximativement les propositions de portance admissible suivantes pour les trois consistances envisagées plus haut : consistance cohésion portance admissible du sol apparente approximative molle à très molle faible portance molle (0,01 à 0,03 MPa) (0,02 à 0,06 MPa) S11 S21 S31 0,1 à 0,3 bar 0,2 à 0,6 bar plastique portance modeste (0,03 à 0,08 MPa) (0,06 à 0,16 MPa) S12 S22 S32 0,3 à 0,8 bar 0,6 à 1,6 bar Pour ces sols argileux, dont on a vu que le comportement était essentiellement régi par l eau de rétention et par les échanges d eau prévisibles, la portance admissible déterminée par la cohésion du sol ne peut être le seul critère de dimensionnement des systèmes de fondation, et il est impératif de maîtriser les conséquences des échanges d eau qui sont à l origine d importantes déformations volumiques (tassements ou gonflements). Dans la nature, les sols argileux se rencontrent en général avec une teneur en eau d équilibre saturante qui dépend des contraintes subies antérieurement par le sol depuis son dépôt et des conditions météorologiques qui ont régné en surface. Cette teneur en eau d équilibre correspond à une contrainte de consolidation ou de préconsolidation qui est en quelque sorte le témoin de l histoire antérieure du sol. Les phénomènes de variations volumiques du sol en fonction des contraintes de surcharge ou de décharge sont les phénomènes dits de «consolidation» que traduit l essai œdométrique en mécanique des sols. C est du résultat de cet essai que l on tire les prévisions de tassements ou gonflements (voir annexe 5 et fig. 2). Si des conditions météorologiques particulières (sécheresse prolongée par exemple) se maintiennent pendant une longue période de plusieurs années successives, les couches supérieures du sol argileux pourront subir, indépendamment des effets des contraintes exercées, des retraits de dessiccation et donc des tassements jusqu à l acquisition d une nouvelle teneur en eau inférieure à celle de l équilibre initial (fig. 3) ; le phénomène pourra s inverser avec des gonflements si une période très humide fait suite à une sécheresse prolongée. Il faut retenir que les déformations volumiques du sol ne sont essentiellement à l origine de désordres que par leur caractère différentiel (tassements différentiels entre deux semelles adjacentes supportant des charges très différentes, retraits différentiels du sol entre les arêtes extérieures et la partie centrale de la structure, gonflement différentiel entre la partie centrale et les extrémités d une semelle continue) (fig. 4a et 4b). ferme bonne portance (0,08 à 0,12 MPa) (0,16 à 0,24 MPa) S13 S23 S33 0,8 à 1,2 bar 1,6 à 2,4 bars Déformabilité Figure 2. Courbes typiques d essais œdométriques suivant l état de consolidation naturel initial. 2

3 naturelle, un rappel des comportements présentant des risques pour le bâtiment après son achèvement et des risques liés à la phase d exécution des travaux. Figure 3. Profils hydriques des sols argileux A : profil normal B : profil résultant d une longue période de sécheresse Risques à prévoir en présence de sols argileux Nous avons rassemblé dans le tableau général ci-dessous pour les trois catégories de sol, associées à trois états de consistance Tableau présentant les 3 catégories de sol Figure 4a. Désordres résultant de retraits périphériques ou d un gonflement central de sols argileux. sols argileux consistance molle à très molle S11 S21 S31 risques à long terme après achèvement des travaux - faible portance admissible < 0,06 MPa ou 0,6 bar - forte à très forte compressibilité sous les charges - forte à très forte sensibilité au retrait en période de sécheresse prolongée risques au cours de l exécution des travaux - risques de fluage et de glissements de talus et parois verticales - terrassements pénibles en raison d une consistance liquéfiable par remaniement Figure 4b. Fissurations dues aux tassements différentiels résultant de différences de charges adjacentes. consistance plastique S12 S22 S32 consistance ferme S13 S23 S33 - portance admissible réduite de 0,06 à 0,13 MPa ou 0,6 à 1,6 bar - compressibilité forte à moyenne sous charge - sensibilité assez forte au retrait en période de sécheresse prolongée - bonne portance admissible 0,16 à 0,24 MPa ou 1,6 à 2,4 bars - compressibilité sous charge : faible (S13) à forte (S33) - risques de potentiel de gonflement pouvant donner lieu à des soulèvements différentiels sous charges faibles - terrassements assez pénibles en raison du caractère «collant» du sol donnant de grosses mottes difficiles à désagréger - risques d éclatement des parois des fouilles non protégées par temps pluvieux (conséquence d une poussée au vide par autorupture de gonflement) Réutilisation en remblais En ce qui concerne la réutilisation en remblais, il convient de noter que les sols argileux à forte activité argileuse (types S2 et S3) sont peu recommandés pour la réutilisation en remblais en raison des difficultés de compactage (mottes cohérentes difficiles à scarifier) et de leur instabilité volumique par retrait et gonflement ; mieux vaudra remplacer ces types de sol en remblais par des emprunts peu argileux (c est le cas notamment pour des remblais destinés à supporter des dallages sur terre-plein) ou bien envisager de les traiter à la chaux. 3

4 4 - RECOMMANDATIONS Investigations préliminaires Compte tenu des recommandations déjà données dans la fiche A pour la densité des sondages de reconnaissance, il conviendra de veiller également à obtenir sur échantillons prélevés intacts sur les cinq premiers mètres : des mesures de densité et teneurs en eau naturelles permettant de dresser le profil hydrique du sol, des essais d identification, quelques essais de consolidation à l œdomètre destinés à contrôler : l état de consolidation naturel, le potentiel éventuel de gonflement, la compressibilité sous charge. En ce qui concerne les qualités mécaniques, on peut estimer que des sondages in situ au pénétromètre statique ou des sondages avec mesures au pressiomètre Ménard sont souhaitables, à raison de : profondeur surface pour un sondage bâtiment d au maximum 10 m environ 100 m 2 1 niveau sur RDC bâtiment de 2 à un maximum 15 m environ 120 m 2 de 6 niveaux bâtiment de 7 à un maximum > 15 m environ 150 m 2 de 12 niveaux Recommandations relatives au parti architectural et aux systèmes de fondation Compte tenu des instabilités volumiques qui peuvent affecter les sols argileux du fait de leurs capacités d échanges d eau, il conviendra d éviter des plans présentant de nombreux décrochements et de fortes différences de charge Pour les systèmes de fondation, et notamment pour les bâtiments légers (type maisons individuelles), il est à conseiller d éviter des niveaux de fondation trop superficiels (une profondeur minimum de 1 mètre est à considérer) ; la réalisation d un sous-sol ou d un demi sous-sol général est à préférer pour le franchissement des couches de surface particulièrement exposées aux actions météorologiques. Compte tenu des risques particuliers de moments de flexion parasites résultant de tassements ou gonflements différentiels, le système de fondation devra être muni de chaînages continus donnant aux maçonneries un moment résistant convenable, dont la valeur peut être conseillée par l ingénieur géomécanicien. Pour le choix des systèmes de fondation et des aménagements annexes (drainage et collecte des eaux de ruissellement, raccordement des conduites d eau aux réseaux extérieurs ), on se reportera utilement, vis-à-vis des risques entraînés par des périodes de sécheresse prolongées, à deux guides : guide pratique pour le diagnostic des désordres dus à la sécheresse et pour le choix de solutions curatives (*), guide pour la prévention des risques dus à la sécheresse (**) Enfin, en présence de sols argileux de consistance ferme à très ferme susceptibles de présenter un fort potentiel de gonflement, on devra faire appel à des conceptions particulières du système de fondation destinées à soustraire ou à adapter la structure du bâtiment aux efforts parasites particulièrement importants qui sont alors à redouter. Les conseils relatifs à ces conceptions particulières peuvent être obtenus auprès de l ingénieur géomécanicien. En fait, il y a deux options principales à choisir : a) ou bien on accepte que le bâtiment subisse des mouvements, mais sans dommage ; il faut alors suivre le principe d une grande souplesse d ensemble associée à une rigidification des parties de l ouvrage fondé de façon semi-superficielle. Cela se traduit par une série de joints de séparation isolant les parties en saillies et des parties en prolongement découpées de sorte que la longueur entre joints n excède pas une douzaine de mètres. Chaque partie est rigidifiée par exemple par un soubassement en poutre échelle entretoisée aux angles (voir fig. 5a et 5b). b) ou bien on refuse que le bâtiment subisse des mouvements et l on adopte un système de fondations profondes appuyées à partir d une profondeur où le potentiel de gonflement devient négligeable. Ce système peut être constitué par des fondations sur puits ou sur pieux ou encore sur micropieux, en s ingéniant impérativement à éviter les risques de soulèvement par adhérence dans la traversée des couches supérieures gonflantes ; ces risques peuvent être évités soit par suppression de cette adhérence, soit par gainage dans la traversée des couches gonflantes, soit encore par ancrage suffisant des pieux dans les couches stables profondes. Une recommandation très importante pour éviter également les soulèvements impose de dégager d une vingtaine 4 (*) éditions Seddita, 9 rue d Enghein, Paris. Tél (**) en librairie technique générale

5 de centimètres en surface du sol les bases des longrines liant les têtes de puits (voir fig. 6). Figure 7. Sols argileux «gonflants». «Précautions complémentaires». En dehors de ces options principales, des recommandations annexes sont à prévoir (voir fig. 7A et 7B) : - assurer des raccordements très souples entre toutes les canalisations sortant de l ossature et les réseaux extérieurs, - munir la périphérie du bâtiment d un trottoir de protection avec membrane étanche sous-jacente pour réduire les gradients de déformation du sol par retrait ou gonflement. Figure 5a. Sols argileux «gonflants» Fondations sur sols argileux de très faible portance. Systèmes et traitements spéciaux Figure 5b. Sols argileux «gonflants». Les sols argileux de très faible portance, donc de type S11, S21, S31, par le double inconvénient d une faible capacité portante et d une forte déformabilité, ne peuvent s accommoder de systèmes de fondations classiques poteaux ou murs + semelles. 1 re option : Fondations semi-superficielles Système de rigidité à poutre échelle et chevêtres d angle. Il y a alors trois solutions possibles dont le choix dépend de l importance des charges et de leur distribution, ainsi que des délais dont on peut disposer avant construction : 1) fondations semi-superficielles de type radier dit «flottant», Figure 6. Sols argileux «gonflants». 2) fondations profondes sur pieux ou micropieux ancrés sur des couches sous-jacentes de haute portance (donc franchissement des couches de faible portance), 3) fondations superficielles différées après consolidation accélérée des couches de faible portance par préchargement superficiel et par système de drains verticaux Fondations semi-superficielles de type radier dit «flottant» Ce système est appuyé sur le principe suivant : si l on peut excaver le terrain de très faible portance jusqu à une profondeur h, on pourra toujours, à ce niveau, appuyer un radier dont la pression 5

6 de contact soit équivalente à la pression des terres que l on a excavées (fig. 8) puisqu ainsi, on ne fait que rétablir l état des contraintes naturelles préexistantes. Figure 8. Fondations semi-superficielles de type radier dit «flottant» Fondations superficielles différées après consolidation accélérée des couches de faible portance par préchargement superficiel statique ou dynamique et système de drains verticaux (fig. 10 à 12). Cette solution est à envisager lorsque l on ne peut espérer une couche de haute portance à une profondeur raisonnable (condition imposée par la seconde solution précédente) et lorsque l excavation du terrain exigée par la première solution est jugée impossible. Ce système donne donc une surpression nulle au terrain et, en principe, il ne doit pas donner lieu à des tassements sensibles si le sol était auparavant consolidé sous son poids propre. Pour fixer les idées, une excavation de 2 m de profondeur réalise une décharge de l ordre de 4 T/m 2 qui équivaut à la charge d un immeuble courant de trois étages Fondations profondes sur pieux ou micropieux C est en fait la solution à laquelle on pense immédiatement en présence d un sol argileux de très faible portance. Elle suppose que le profil géotechnique du sol offre la présence d une couche de haute portance sous-jacente à une profondeur raisonnable (couche d alluvions graveleuses ou couche de sable compact par exemple) et dans laquelle pourront être fichées les pointes des pieux ou des micropieux (fig. 9). Figure 10. Préchargement statique par remblais provisoires. On se reportera à la fiche C2 relative aux fondations profondes pour la définition des différents systèmes de pieux ou micropieux possibles. Figure 9. Sols argileux de très faible portance. Fondations profondes. Figure 11. Préchargement dynamique par masses tombantes. Figure 12. Préchargement par pression atmosphérique. Figure 10 à 12. Consolidation artificielle de sols argileux de faible portance par préchargement statique ou dynamique, accéléré par un réseau de drains verticaux. 6

7 Elle exige que l on dispose d un délai suffisant pour permettre : la réalisation des systèmes de drainage verticaux destinés à accélérer la consolidation, la réalisation du préchargement par la mise en place de remblais provisoires ou par l exécution d un pilonnage dynamique, ou encore par l action de la pression atmosphérique (établissement d un vide partiel sous une couverture étanche). ANNEXE 1 ANNEXES Ces sols fins passent entièrement à la maille de 0,5 mm et contiennent une fraction importante d éléments ultra-fins argileux de grosseur inférieure à 5 m (0,005 mm) dont la très grande surface spécifique joue un très grand rôle dans les échanges et la rétention d eau (voir fig. 1). Éventuellement, certains dépôts très récents de ces sols pourront contenir une forte fraction de matières organiques d origine végétale ou animale qui leur confèrent alors des propriétés de rétention d eau et d échanges bien supérieures à celles dues aux seules particules minérales. Ces sols qui sont représentés par les sols vaseux et les sols tourbeux pourront être le siège d une évolution fort défavorable à la stabilité volumique. ANNEXE 2 Les moyens d identification en laboratoire comprennent : l analyse granulométrique par tamisage et densitométrie ; la détermination des limites d Atterberg et notamment de l indice de plasticité IP qui traduit l amplitude du domaine des teneurs en eau séparant deux états de consistance bien définis (état semi-liquide et état limite de malléabilité). Ainsi, l indice de plasticité IP est la différence entre la teneur en eau de la limite de liquidité WL et la teneur en eau de la limite de plasticité WP ; la valeur de bleu de méthylène V B qui est la quantité de bleu fixée par les interfaces des éléments minéraux et qui est donc directement liée à la surface spécifique et à la nature des minéraux. Pour les sols à forte fraction organique, les limites d Atterberg sont fortement affectées par cette fraction et n ont alors plus du tout un caractère significatif du comportement du sol. ANNEXE 3 Le tableau ci-après donne à titre de référence une approximation des relations existant entre l activité argileuse, la teneur en eau naturelle et la densité pour trois états de consistance du sol (molle, plastique, ferme). Remarque : les sols argileux organiques peuvent être rattachés aux catégories S11 à S31, mais avec des teneurs en eau qui peuvent être très supérieures et des valeurs de densité «sèche» qui peuvent être bien inférieures. ANNEXE 4 : CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES ET PORTANCE ADMISSIBLE Les caractéristiques mécaniques sont le plus souvent déterminées par des sondages géomécaniques exécutés in situ, mais aussi par des essais de laboratoire effectués sur prélèvements intacts. Parmi les sondages géomécaniques, on signalera d abord les sondages pressiométriques utilisant le pressiomètre Ménard qui est constitué par un manchon de mise en pression descendu dans un forage à différents niveaux. Les caractéristiques fournies sont essentiellement la pression limite de rupture p 1 et le module de déformation pressiométrique E p. Sont également utilisés les sondages pénétrométriques à chargement statique qui consistent à mesurer la charge nécessaire pour enfoncer un poinçon conique dans le terrain et pour faire glisser un manchon résistant par frottement latéral. Les caractéristiques essentielles fournies par ce type de sondage sont la résistance de pointe q c et le frottement latéral aux différents niveaux. Moins souvent utilisé, le pénétromètre dynamique conduit à estimer la résistance du terrain par le nombre de coups de mouton nécessaire pour obtenir un enfoncement donné, une relation permet de définir la résistance de pointe à partir de toutes les données de battage. Enfin, dans les terrains de faible cohésion, on utilise encore parfois le scissomètre qui consiste à mesurer le couple nécessaire pour obtenir le cisaillement du terrain par un rotor à ailettes. Le scissomètre donne donc une valeur de la cohésion apparente aux différents niveaux. 7

8 En laboratoire, les essais mécaniques effectués sur prélèvements intacts comprennent essentiellement des essais de compression triaxiale de trois types suivant que l on veuille obtenir la résistance à court terme sous sollicitations rapides, ou la résistance à long terme après consolidation sous le champ de contraintes. Des formules rationnelles ou empiriques permettent de déterminer, avec un coefficient de sécurité en général voisin de 3, le taux travail admissible sous les semelles ou la portance admissible des fondations profondes (voir également à ce sujet les annexes des fiches C1 et C2). La figure 2 représente trois types de sols : sol très plastique fortement compressible, sol plastique moyennement compressible, sol de consistance ferme peu compressible avec risque de potentiel de gonflement. ANNEXE 5 : LA DÉFORMABILITÉ La déformabilité sous charge des sols fins argileux comprend une déformation instantanée initiale qui a lieu sans aucun échange d eau et une déformation différée qui évolue lentement dans le temps et qui résulte d une lente expulsion d eau interstitielle mise en pression par le chargement initial. Cette déformation différée qui peut être très importante est estimée à partir des essais dits de «consolidation à l œdomètre». Cet essai permet de définir la relation entre la pression exercée sur le sol et le volume des vides résiduels après stabilisation de la déformation ; il permet également de définir la loi régissant l évolution du tassement dans le temps. Le début de l essai permet également d estimer la pression de préconsolidation naturelle à partir de laquelle le sol devient compressible sous charge et qui traduit globalement l état de consolidation naturel laissé par l histoire antérieure du terrain. consistance S1 argile maigre S2 argile moyenne S3 argile grasse IP < 20 VB < 2 IP de 20 à 35 VB de 2 à 6 IP > 35 VB > 6 teneur en densité teneur en densité teneur en densité eau W sèche d eau W sèche d eau W sèche d molle S11 37 % 1,35 S21 47 % 1,19 S31 61 % 1,02 plastique S12 28 % 1,54 S22 37 % 1,35 S32 47 % 1,19 ferme S13 23 % 1,67 S23 28 % 1,54 S33 31 % 1,47 NB. La densité «sèche» d traduit la quantité de minéral sec contenue dans l unité de volume de sol intact, la densité humide h du sol intact est reliée à la densité «sèche» par la relation : h = (1 + W) d. Réalisation : agence paradigme - Impression : e-quanto - Imprimé en novembre