CHAPITRE 2 : DESCRIPTION ET CLASSIFICATION DES SOLS ET DU ROC

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1 CHAPITRE 2 : DESCRIPTION ET CLASSIFICATION DES SOLS ET DU ROC Description des sols (Extrait de Manuel de SEBJ) 2.2 Système de classification des sols Comme il existe un grand nombre de types de sols, il est nécessaire de décrire et de classer les sols dans des groupes qui idéfinissent i tles caractéristiques téiti acceptées et admises par tous les spécialistes de sols en géotechnique. Toute connaissance sur le comportement des sols commence par une classification logique et systématique des sols. De plus, la classification des sols facilite la communication entre ingénieurs et professionnels de sols. Au sujet de la classification des sols, Terzaghi (1927) écrit : Si les sols de fondation d un bâtiment subit des tassements important faisant apparaître des fissures dans les murs de fondation, la raison de ces tassements excessifs est due à la compressibilité élevée des sols de fondation. La vitesse de tassement du sol dépend de son coefficient de perméabilité. Plus le sol est perméable, plus sa consolidation est rapide. Donc, si on veut décrire les propriétés des sols, leur compressibilité et perméabilité doivent être déterminées et exprimées selon des procédures et des termes standards d où la classification des sols. La classification ainsi que la résistance au cisaillement des sols constituent les chapitres les plus controversés et le plus confus en mécanique des sols (géotechnique), Casagrande (1947). On peut classer les sols selon différents critères suivants : 1

2 2.0 Importance de la description des sols avec études de cas Cause Corpex (1977) inc. et Sa Majesté la Raine Cause Québec inc. c. Allstate Il s agit de l effondrement du mur façade d un bâtiment situé sur la rue De Lorimier à Montréal. Pour ce litige, l identification d une couche mince de sol érodable sous la semelle de fondation a permis de déterminer la cause la plus probable des dommages survenus. Si cette couche n avait pas été identifiée, le mécanisme de rupture n aurait pas pu être déterminé correctement. 2

3 Description des sols La description et l identification des sols et des roches doivent être exactes, complètes et suffisamment détaillées pour évaluer correctement leurs propriétés et leurs caractéristiques. Différentes catégories de sol On distingue les groupes principaux de sols: 1) Les sols pulvérulents (grenus): Il contiennent des particules suffisamment grosses pour être visibles à loeil l'oeil nu, ce sont les graviers et les sables. 2) Les sols fins: Ils contiennent des particules invisibles à l'oeil nu, ce sont les silts et les argiles, les argiles étant couramment appelées sols cohérents. 3

4 3) Les sols organiques: Ils contiennent un pourcentage élevé de matières organiques. MO < 3% : sol inorganique 3 < MO < 10% : sol faiblement organique 10 < MO < 30 : sol moyennement organique 4

5 Classification géotechnique des sols Sols organiques (compressible et faible capacité portante); Sols granulaires (sable et gravier ou mélange de deux (2)), sols perméables, tassements rapides, remontée capillaire pour sable fin; Sols cohérents et plastiques comme les argiles (sols imperméables, compressibles et tassement à long terme); Silts (intermédiaire entre sable fin et argile), sol érodable, gélif, généralement é faible capacité portante, t remontée capilaire, i drainage difficile, saturé liquéfaction; Mélange des sols précédents (tills). Remblai Particules Blocs Cailloux Gravier Sable Silt Argile Dimensions (mm) selon la norme choisie (MCIF) > , ,060 0,002 <0,002 5

6 Description de l échantillon La description d'un échantillon de sol est basée sur les caractéristiques suivantes: - Dimensions des grains; - Composition granulométrique; - Forme des grains; - Minéralogie des grains dans le cas des graviers et sable, en particulier la présence de particules de mica, de schistes,.. - Structure des sols granulaires(stratifiée, cimentée, avec lentilles (poches) etc.); - Structure des sols fins (varvée, fissurée, avec lentilles (poches, nodules, etc) ou homogènes des argiles et Présence dematières organiques; - Présence de racines et coquillages, etc; - Distribution granulométrique (étalée, uniforme, discontinue); - Dureté des grains (dur, friable) - Humidité; - Compacité ou consistance; - plasticité; - Sensibilité; - Couleur; - Odeur; - Gl Gel; - Naturel ou remblai; 6

7 La description et l identification d un sol doit aboutir à le décrire avec dans l ordre les informations suivantes : 1) Nom typique de sol avec le constituant majeurs et les constituants secondaires décrits en utilisant des adjectifs appropriés; 2) Granulométrie (bien étalée, uniforme,..); 3) Grosseur maximale des grains dans le cas des sols granulaires; 4) Forme des particules; 5) Couleur; 6) Odeur, 7) Teneur en eau; 8)C Compacité ou consistance; 9) Structure; 10) Nom local ou géologique comme till, etc Voici deux exemples suivants : Exemple 1 : Sable silteux avec traces de gravier et d argile, bien étalé, gris, humide, dense, avec lentilles de silt brun (till). Exemple 2 : Argile silteuse brune, humide, très raide, fissurée. 7

8 Les sols suivants à reconnaître à Montréal et ses environs : 1) Argile de la mer Champlain; 2) Silt; 3)S Sable de joliette etc; 4) Till. Il s agit d un mélange de gravier, sable, silt et argile, un dépôt glaciaire. Différents types de till sont décrits par les géologues (till de fond, till d ablation, Malone ou basal, till intermédiaire, Fort Covington (till supérieur). Il y a lieu de distinguer entre le till et la moraine. La moraine désigne une forme de terrain et non un type de sol. Silt et son importance en géotechnique Le silt comme sol de fondation présente les caractéristiques indésirables suivantes: 1) Faible résistance au cisaillement immédiatement après application d une charge; 2) Capillarité élevée et susceptibilité au gel; 3) Problème de capacité portante, voir le supplément du CNBC (1990); 4) Faible perméabilité; 5) Se remanie facilement; 6) Sujet à la liquéfaction (silt saturé) suite à certaines sollicitations dynamiques; 7) Faible densité relative, compactage difficile; 8) Matériau érodable (plus érodable que sable fin) si sous soumis à un écoulement d eau; 9) Peut être affecté par le pompage si saturé et soumis au passage fréquent d essieux lourdement chargés; 10) Problème de stabilité de pente. 8

9 Remblai ou sol naturel Dans le cadre des projets géotechniques, il est important de classer les échantillons de sol prélevés du point de vue de l état de remaniement. On définit un remblai comme tout dépôt de matériau produit par l homme ou des matériaux de déchets d origines variées. Il peut également être composé des matériaux provenant d une excavation, Rutledge (1940). Il est possible de classer un sol échantillonné comme remblai basé sur les informations suivantes : a) Présence de débris de construction au sein de matériau; b) Couleur de sol. Un sol naturel a généralement une couleur uniforme, tandis qu un remblai a une couleur variée et plus foncée; c) Structure intacte ou remanié de sol; d) Voir les échantillons subséquents. Ne pas statuer de façon précipitée sans voir tous les échantillons; e) Comparer avec les sondages existants dans le secteur; f) Connaissance du passé du site; g) Connaissance sur la géologie du site; h) Type de végétation du site (exemple stade au pied de Mont-Royal); i) Profondeur de l échantillonnage (remblai en profondeur est peu probable sauf dans les zones urbaines et près des constructions existantes); j) Souvent, la présence d une couche de terre végétale placée à la base du remblai sépare ce dernier des sols naturels en place. Ce qui constitue un bon indicateur; k) Un remblai d argile peut être identifié avec la présence de zones molles ou consistantes. Un dépôt d argile est généralement de consistance uniforme; l) Expérience et jugement. 9

10 Il est important de déterminer si le sol analysé est un sol naturel ou un remblai et ce pour les raisons suivantes : 1) Un remblai non contrôlé reste par définition un matériau hétérogène. Son utilisation comme sol de fondation amène des problèmes de tassements différentiels. Ce qu il faut éviter en tout cas. Ce qui fait fissurer les bâtiment sont des tassements différentiels et non pas de tassement homogène, comparaison de Mexico et ce qui se passe à Montréal. 2) Un remblai non acceptable doit être excavé pour laisser la place à un bon sol, ce qui augmente le coût de construction; 3) Une dalle sur sol est généralement é placée sur un sol naturel. D où l importance de bien identifier si on est en présence d un remblai ou de sol naturel en surface; 4) La présence de remblai comme infrastructure d une route ou d une aire de stationnement doit être identifiée clairement. 5) Étude de cas : 1) Construction avant 1850, 2) Construction près d une rivière, 3) Ancien canal remblayé, 4) Anciens carrières remblayées, 5) Anciens ruisseaux remblayés 10

11 Il y a lieu de noter que les géologues utilisent le terme classé pour décrire la distribution granulométrique. Par exemple, un sable où tous les grains sont de même calibre est bien classé (well sorted) pour un géologue, g, tandis qu un géotechnicien dira qu il de granulométrie uniforme. Alors qu un mélange de divers calibres de particules est défini comme mal classé (poor;y sorted) pour un géologue, tandis qu il est bien gradué pour un géotechnicien. Donc, un sable de plage uniforme est bien trié pour le géologue et mal gradué pour le géotechnicien. Il faut bien saisir les différences de pensée et de philosophie de deux professions. Texture, structure Le terme texture est relatif au degré de finesse et d'uniformité d'un sol. On utilise pour décrire la texture, des expressions comme farineux, lisse, rugueux ou à arêtes vives, suivant le sensation produite par le frottement du sol entre les doigts. Le terme structure est relatif au mode d'arrangement macroscopique des particules du sol dans l'agrégat. Quand les particules d'un agrégat stable n'adhèrent pas les unes aux autres, elles sont disposées suivant une structure élémentaire dans laquelle chaque grain est en contact avec plusieurs de ses voisins. La structure de sol se perçoit facilement sur les parois des tranchées ou des coupes. Dans le cas des échantillons provenant des forages et sondages, seuls quelques éléments de la structure pourront occasionnellement être identifiés. 11

12 Les structures suivantes sont communes aux sols granulaires : A) Stratification : Superposition de couches de granulométrie ou de couleur différente. Il faut indiquer les types de sols, l épaisseur, la forme et l agencement de chaque couche. Si les couches ont une épaisseur inférieure à environ 6 mm, le matériau peut être décrit comme laminé; B) Lenticulaire : Inclusion dans la masse de cavités remplies de sol de types différents. Les structures macroscopiques communes aux sols à grains fins sont : a) Structure varvée, quand le sol est composée de strates alternées de silt et d argile ou de sable fin d épaisseurs variables de quelques mm à plusieurs décimètre. Cette structure est visible sur un échantillon intact. Souvent, cette structure n est pas visible à l état humide de l échantillon, mais elle peut être observée en séchant l échantillon lentement et en observant la surface de l échantillon durant le séchage; b) Structure fissurée est propre aux argiles raides à dures surconsolidées. Ces matériaux se brisent le long des plans de rupture définis avec peu de résistance à la rupture. Si les plans de ruptures paraissent polis ou brillants, ils seront décrits comme étant en miroir de faille (slickensided); c) Structure à blocaux. Quand un sol cohérent peut être facilement brisé en petites mottes angulaires qui résistent à de nouvelles ruptures; d) Structure lenticulaire. Quand le sol contient des petites lentilles de sable dispersées à travers une masse d argile; e) Structure t cimentée. Lors que le sol montre une preuve définie i de cimentation ti à l état t intact. L agent de cimentation le plus commun peut être le carbonate de calcium. La présence de ce dernier peut être décelée en se basant sur sa réaction avec l acide chlorhydrique dilué; f) Structure homogène. Quand le sol n a na pas de caractéristiques spéciales apparentes; g) La présence de trous de racines ou les ouvertures poreuses devra également être notée. 12

13 Les sols à éléments fins peuvent être stables même lorsque les grains sont en contact en très peu de points, pourvu que l'adhérence entre les grains soit du même ordre de grandeur que le poids des grains. On donne à la structure correspondante le nom de "structure en nid d'abeilles". La structure t fissurée des argiles constitue une particularité ité importante t à rapporter. Couleur La couleur d un sol doit être notée avant que l échantillon ne sèche. Dans le cas des sols granulaires, on n indique que la couleur prédominante. La couleur des sols peut être déterminée par la charte de couleur de Munsell, par exemple. La couleur d un sol peut être très indicative en terme de: Remblai ou sol naturel; Niveau d oxydation; Niveau de la nappe phréatique (argile grise ou brune de croûte); Présence d ocre (exemple de colmatage des drains français par l ocre); Présence de matières organiques; Contamination; 13

14 Les principales p substances qui confèrent au sol sa couleur sont : l humus, des composés minéraux tels que oxydes, sulfures, sulfates et carbonates qui aissent comme des pigments minéraux. Les couleurs claires proviennent des minéraux blancs (silices, calcaire pure, gypse, chlorures ou argiles) La couleur noire ou foncée est due à l humus ou au manganèse Les couleurs allant du rouge au beige, au jaune orangé sont dus aux composés de fer : Hématite Fe 2 O 3 rouge (ocre), Goethite Fe 2 O 3, 3H 2 O ou FeO 2 H couleur jaune à brun-rouge;fe 2 O 3, nh 2 O couleur jaune; Fe (OH) 3 couleur rouille; FeO vert grisâtre ou bleuâtre; Fe (OH) 2 vert grisâtre; Odeur Quand le sol est à l état létat humide, l odeur qu il dégage est souvent due à la présence de matières organiques. La présence de contaminant affecte également l odeur de sol. 14

15 Tableau 2 : Subdivision des sols proposée par la Société internationale de science du sol (1913) Dimensions s des particules Nom de la subdvso subdivision Particules supérieures à 20 mm Cailloux 20 2 mm Gravier mm Sable gros Sable fin Silt <0.002 mm Colloïdes Tableau 3: Classification granulométrique des sols, MCIF. Type de sol Dimension des particules (mm) Blocs >200 Caillou Gros Gravier Moyen 6-20 Fin 2 6 Gros 0,60 2,00 Sable Moyen 0,20 0,60 Fin 0,06 0,20 Gros 0,020 0,060 Silt Moyen , ,020 Fin 0,002 0,006 15

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19 Forme des grains La forme des grains s exprime par des termes descriptifs afin d expliquer le profil des grains qui ne sont pas sphériques. La forme des grains sera un indice du degré de transport et d érosion des grains. Il faut décrire la forme des grains de sable et de gravier comme étant arrondi, sous-arrondi (subarrondi), sous-angulaire (sunanguleux) et angulaire (anguleux), figures 3 et 4. Distribution granulométrique La distribution granulométrique est la mesure de la variation dimensionnelle des grains d un sol. Elle représente la forme de la courbe granulométrique comme uniforme, discontinue ou étalée. 19

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25 Il y a lieu de noter que les géologues utilsent le terme classé pour décrire la distribution granulométrique. Par exemple, un sable où tous les grains sont de même calibre est bien classé (well sorted) pour un géologue, tandis qu un géotechnicien dira qu il de granulométrie uniforme. Alors qu un mélange de divers calibres de particules est défini comme mal classé (poor;y sorted) pour un géologue, tandis qu il est bien gradué pour un géotechnicien. Donc, un sable de plage uniforme est bien trié pour le géologue et mal gradué pour le géotechnicien. Il faut bien saisir les différences de pensée et de philosophie de deux professions. 25

26 Tableau : Propriétés de drainage, de capillarité et de susceptibilité au gel des sols en fonction de leur valeur de D 10, Hunt (1984) D 10 (mm) 0,4-0,2 0,2-0,074 0,074-0,020-0,01 0,020 0,01 Drainage Gravitair Gravitaire Gravitaire Gravitaire Faible k (m/s) e bon passable lent x x Capillarité (m) Néglige Faible Modéré Modéré à Élevé able 0,45 2,1 élevé 8 0,15 5 Susceptibilité Non Faible Modéré à Élevé Élevé à au gel gélif élevé modéré 26

27 Intérêt de l'analyse granulométrique: a) classer de façon détaillée les sols (voir plus loin la classification des sols); b) Les sols granulaires bien gradués ont les meilleurs propriétés mécaniques, tandis que les sols à granulométrie uniforme démontre un comportement t mécanique médiocre que les sols bien gradués c) Estimer l ordre de grandeur de perméabilité de sol (sol perméable, imperméable, etc..); d) estimer la perméabilité des sables k (mm/s) = 10 D 2 10 avec D 10 en mm/s pour un sable uniforme lâche ou k (m/s) = 0,01 (D 10 ) 2 pour 0,1 D 10 (mm) 3; pour pierre concassée k =0,001 (d 100 ) 1,4 ; pour agrégat rond k 0,001 (d 1,5 100 ) avec d 100 la dimension nominale en mm et k (m/s); e) Estimer le potentiel de ségrégation de matériaux; f) Estimer le potentiel d érosion de sol; g) Estimer les propriétés mécaniques des sols granulaires ( ) à partir des corrélations empiriques i et la compacité de sol; h) Se prononcer sur l origine de sol; a) dimensionner les filtres: D 15 filtre/ D 85 sol <5; D 15 filtre/d 15 sol <20; D 50 filtre/d 50 sol <25; b) Déterminer si un sol est stable au sein d un filtre : Sols stables : 1) sol cohérent avec I P 15; 2 ) Sol à granulométrie serrée avec C u 3; 3) sol, bien gradué avec C u 4; c) Estimer le potentiel de traitement par compactage dynamique; d) Déterminer la méthode de drainage de sol pour les projets de drainage; e) estimer la possibilité d'injection des sols; 27 f) estimer la remontée capillaire dans les sols;.h c (mm) = 155/D 10 (mm)

28 Type de sol Gravier fin Sable grossier Sable fin Silt Argile Remontée capillaire (m) 0,02-0, ,15 0, ; a) estimer la susceptibilité au gel des sols; un sol n'est pas affecté par le gel si soit, c u >5 et<3% de particules <0.02 mm; soit si C U <5 et <10 de particules sont <0.02 mm; b) Estimer l ordre des grandeur de CBR, module de réaction; c) évaluer l'utilisation du matériau comme sol d'emprunt granulaire; d) Estimer grossièrement la compactabilité. Par exemple, un sable ayant un coefficient d uniformité inférieur à 4 est difficile à compacter (Tessier, 1989). si Cu est petit, le sol est peu compact, mal gradué ou non compactabe. Par conte, quand Cu est grand, le sol peut être compact, sol bien gradué et compactable. Choisir la méthode de compactage qui convient au type de sol. Par exemple, les rouleaux à pieds de moutons convient aux sols avec plus de 20% au tamis 0,075 mm (sol à grains fins), tandis que les rouleaux à pneus (pression 400 à 550 kpa) conviennent aux sols à grains grossiers plus ou moins propres contenant 4 à 20 % passant au tamis 0, mm ; les rouleaux lisses vibrants conviennent aux sols granulaires propres avec moins de 4% de passant au tamis 0,075 mm. 28

29 Tableau : Propriétés de drainage, de capillarité et de susceptibilité au gel des sols en fonction de leur valeur de D 10, Hunt (1984) D 10 (mm) 0,4-0,2 0,2-0,074 0,074-0,020-0,01 0,020 0,01 Drainage Gravitair Gravitaire Gravitaire Gravitaire Faible k (m/s) e bon passable lent x x Capillarité (m) Néglige Faible Modéré Modéré à Élevé able 0,45 2,1 élevé 8 0,15 5 Susceptibilité Non Faible Modéré à Élevé Élevé à au gel gélif élevé modéré 29

30 Adjectifs qualitatifs Dans la description des sols, on utilise différents adjectifs relatifs à différentes propriétés des sols. Pour la granulométrie, on utilise des adjectifs suivants en fonction du pourcentage des particules, tableau 5. Tableau 5:Différents adjectifs utilisés pour décrire la granulométrie d un sol Adjectif Exemple Pourcentage dans le mélange Nom Gravier, sable, silt, argile 35 ou fraction dominante et Et gravier, et sable 35 % adjectif (eux) Graveleux, silteux, etc un peu Un peu de sable traces Traces de sable, trace de silt 1 10 % 30

31 Compacité La compacité est relative aux sols granulaires. Tableau 6 : Compacité des sols granulaires selon les valeurs de N SPT. État de compacité Indice N (SPT) (coups/300 mm) relative en place Très lâche Lâche (pénètre facilement par le doigt) g) Compact (pénètre facilement par le crayon) Dense (pénètre avec effort par le crayon) Très dense (ne peut être pénétré par le crayon) > 50 31

32 Consistance: La consistance it est relative lti au degré éd'dhé d'adhérence entre les particules du sol et tàl la résistance offerte aux forces qui tendent à déformer ou à rompre l'agrégat. Tableau 7: Classification des sols cohérents selon leur consistance Consistance Identification au chantier Tè Très molle Sol pénétré ét é facilement de quelques centimètres par le poing Molle Ferme Sol pénétré facilement de quelques centimètres par le pouce Sol pénétré de plusieurs pouces par le pouce avec un effort modéré Raide Sol marqué facilement par le pouce, mais pénétré avec beaucoup d'effort Très raide Sol rayé facilement par l'ongle du pouce Dure Sol rayé difficilement par l'ongle du pouce 32

33 Tableau 8 : Consistance des sols cohérents selon leur résistance au cisaillement non drainé Consistance Très molle Molle Ferme Raide Très raide Dure Résistance au cisaillement non-drainé c u (kpa) < >200 33

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35 Sensibilité: Le terme sensibilité se rapporte aux effets du remaniement sur la consistance de l'argile, quelle que soit la nature physique des causes du changement d'état. On exprime le degré de sensibilité S t d'une argile par le rapport entre la résistance à la compression simple d'un échantillon non remanié (intact) à la résistance après remaniement du même échantillon à la même teneur en eau: S t = c u /c r. Les différentes classes de sensibilité définies par le Manuel Canadien d'ingénierie des Fondations (1994) sont les suivantes: Sensibilité : S t Faible : S t < 2 Moyenne : 2 < S t <4 Forte : 4 <S t <8 Très forte : 8 < S t <16 Argile sensible S t >16 35

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38 Texture, structure Le terme texture est relatif au degré de finesse et d'uniformité d'un sol. On utilise pour décrire la texture, des expressions comme farineux, lisse, rugueux ou à arêtes vives, suivant la sensation produite par le frottement du sol entre les doigts. Le terme structure est relatif au mode d'arrangement macroscopique des particules du sol dans l'agrégat. Les structures suivantes sont communes aux sols granulaires : A) Stratification : Superposition de couches de granulométrie ou de couleur différente. Si les couches ont une épaisseur inférieure à environ 6 mm, le matériau peut être décrit comme laminé; B) Lenticulaire : Inclusion dans la masse de cavités remplies de sol de types différents. 38

39 Les structures macroscopiques communes aux sols à grains fins sont : a) Structure varvée, quand le sol est composée de strates alternées de silt et d argile ou de sable fin d épaisseurs variables de quelques q mm à plusieurs décimètre.; b) Structure fissurée; c) Structure à blocaux. Quand un sol cohérent peut être facilement brisé en petites mottes angulaires qui résistent à de nouvelles ruptures; d) Structure lenticulaire. Quand le sol contient des petites lentilles de sable dispersées à travers une masse d argile; e) Structure cimentée.; f) Structure homogène (massive). 39

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42 Humidité Il faut indiquer l état d humidité de sol selon sa teneur en eau. Pour les tills ou les sols granulaires contenant un certain pourcentage de sols fins, la terminologie suivante est recommandée : a) Très sec : préssé dans la main, le sol ne montre aucune cohésion ni adhérence; b) Sec : Pressé dans la main, le sol n humidifie pas ou très pei la paume, sans montrer de cohésion. Un sol sec a une apparence poussiéreuse.; c) Humide : Pressé dans la main, le sol humidifie la paume, avec adhérence des particules fines. UN sol humide n est pas poussiéreux; d) Très humide : Lorsqu on o manipule le sol, il tache les instruments, ts, sac ou récipient, et un peu d eau libre est visible en surface par luisance. L eau est expulsée par densification; e) Saturé. Quand on note la présence d eau gravitaire dans le sol. 42

43 Couleur La couleur d un sol doit être notée avant que l échantillon ne sèche. La couleur d un sol peut être très indicative en terme de: 1) Remblai ou sol naturel; 2) Niveau d oxydation; 3) Niveau de la nappe phréatique (argile grise ou brune de croûte); 4) Présence d ocre ferreux (exemple de colmatage des drains français par l ocre); 5) Présence de matières organiques; 6) Contamination 43

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45 Odeur Quand le sol est à l état humide, l odeur qu il dégage est souvent due à la présence de matières organiques. La présence de contaminant affecte également l odeur du sol. Gel Les sols gelés doivent être identifiés comme tels qu on les prélève, en fonction de la température et de leur rigidité, en apportant une attention particulière à la présence ou à l absence de cristaux et de lentilles de glace. 45

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47 Plasticité: Un sol ou une fraction de sol, est dit plastique si, dans un certain intervalle de teneur en eau, il peut être roulé en fils de faible diamètre sans se rompre. La plasticité est une propriété colloïdale. En effet, aucun minéral n'est doué de plasticité à moins d'être réduit en une poudre composée de particules colloïdales. En fait, la plasticité ne se manifeste que pour un très petit nombre de colloïdes. Le quartz en poudre n'est jamais plastique quelle que soit sa teneur en eau et son degré de finesse, mais tous les minéraux argileux le sont. Les sols contenant t des éléments très fins sont pratiquement t tous plastiques, parce qu'ils renferment tous des minéraux argileux. À l'état plastique comme à l'état solide, les éléments très fins du sol sont doués de cohésion ou capacité de résister aux efforts de cisaillement. 47

48 Abaque de plasticité La figure ci-après montre l abaque de plasticité proposé par Casagrande (1947). La droite A représente une limite empirique; elle passe par le point avec la limite de liquidité de 20 sur l axe horizontale et le point avec une limite de liquidité de 50 et un indice de plasticité de 22. L équation de la droite A est donc : I P = 0,73 (W L 20). La droite A représente, selon Casagrande, la frontière entre les argiles inorganiques (CL-CH) CH) qui sont généralement situées au-dessus de la droite et les sols plastiques contenant des matières organiques (OL-OH) qui sont en-dessous de la droite A. Les travaux de Seed et al., 1964 indiquent qu il existe une zone de chevauchement. Les silts et les argiles silteux non organiques (ML et MH) se retrouvent également sous la droite A, sauf pour les silts avec une limite de liquidité inférieure à 30 qui se situent légèrement au-dessus de la droite A. Pour les sols avec W L < 25, il existe un chevauchement de plusieurs groupes de sol dans la zone hachurée. 48

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53 Utilité des limites d'atterberg: Les limites it de consistances sont utiles pour : 1) Déterminer l'activité du sol par le rapport A= I P /(%<0.002 mm); 2) Estimer la plasticité de l argile; 3) Permet la classification de sol selon l abaque de Casagrande; 4) Apprécier la consistance de matériau (Comparer la teneur en eau avec les limites de consistance); 5) Déterminer la protection de gel dans le cas des projets routiers (voir les normes du MTQ); 6) Estimer le potentiel de retrait et de gonflement de sol; 7) Estimer le potentiel d assèchement d argile par les arbres; 8) Estimer le potentiel d absorption de contaminant; 9) Estimer le potentiel thérapeutique des argiles; 10) Estimer la sensibilité d argile; 53

54 Tableau : Potentiel de changement volumique des sols en fonction de leur caractéristique de plasticité, Gibbs (1956). Potentiel de changement I P (%) W L (%) W S (%) volumique Faible Moyen Élevé Très élevé

55 6.0 Identification des différents types de sol 6.1 Identification des sols granulaires L identification d un sol granulaire (blocs, cailloux, gravier et sable) doit être conforme à leur granulométrie. Il est important de bien noter la grosseur maximale des particules observées dans une tranchées ou une coupe. Dans les forages, la grosseur maximale des particules est limitée par la dimension de l échantillonneur. Un sol granulaire peut contenir un pourcentage appréciable de sol à grains fins, ce qui lui confère certaines des caractéristiques propres à ce groupe. La portion de sol à grain fin doit être indiquée en utilisant les adjectifs appropriés. 55

56 6.2 Identification des sols fins L identification d un sol à grains fins (silt ou argile) doit être conforme aux indications des essais qui suivent de manière à les identifier sur place. Si un sol à grains fins contient du sable ou du gravier, il faut indiquer la portion et la grosseur maximale des particules, compte tenu de la dimension maximale permise par l échantillonneur. A) Essai de réaction aux vibrations ou essai de dilatance Pour différencier le silt d argile on effectue l essai de vibration ou de dilatance suggéré é par Rutledge (1940). Cet essai est réalisé sur la fraction de sol passant au tamis numéro 40 (0,42 mm). 56

57 A) Essai de lustre Pour identifier un sol à grains fins, on peut y presser le plat d une lame de couteau ou d un ongle en appuyant fortement. Si la surface devient lustrée, on est en présence d argile. Si la surface est mate, on est en présence de silt. B) Essai de résistance à sec (résistance au broyage) La résistance d un échantillon sec d un sol à grains fins broyé entre les doigts donne une indication des proportions relatives de silt ou d argile. Si le sol réduit facilement en poudre, sa résistance à sec est faible, ce qui indique un pourcentage élevé de silt ou silt sableux. Si le sol de réduit difficilement en petits morceaux, plutôt qu en poudre, sa résistance à sec est moyenne, ce qui indique qu il s agit de plasticité moyenne ou d argile silteuse. 57

58 A) Essai de ténacité (consistance près de la limite de plasticité) L examen de plasticité des sols à grains fins ou la fraction passant au tamis 0,42 mm des sols granulaires se fait sur un petit échantillon humide. Les sols situés légèrement au-dessus de la ligne A forment des rouleaux moyennement dure quand ils approchent la limite de plasticité. Les sols sous la ligne A (ML, MH, OL, OH) forment des rouleaux ou fils très faibles à la limite i de plasticité. i De plus, l argile humide colle facilement aux doigts et ne se lave pas facilement. Contrairement au silt que l on peut brosser quand il est sec. E) Essai sous les dents Si on frotte une petite quantité de sol entre les dents, une sensation granulaire indique la présence de sable ou de silt, sinon, il n y a que de l argile. 58

59 6.3) Identification des silts: Ils sont peu plastiques, friables et sèchent rapidement. À l'état sec, ils ont l'aspect pulvérulent. Un petit bloc de silt se désagrège facilement dans l'eau et se sédimente en quelques minutes. Ils sont dilatants et il est difficile de faire des rouleaux avec les silts. 6.4) Identification des argiles: Elles sont cohérentes et plastiques (se déforment sans rupture). Elles ont un coefficient i de perméabilité é très faible, elles se dessèchent difficilement. Un échantillon d'argile mis dans l'eau reste intact pour quelques minutes et se désintègre lentement. Les argiles ne sont pas dilatantes t et en séchage, elles se fissurent. 59

60 Tableau 10: comportement mécanique des sols pulvérulents et des argiles Sols pulvérulents granulométrie, densité relative, angularité des grains, l'eau n'affecte que le poids volumique Argiles minéralogie, teneur en eau, limites d'atterberg, degré de saturation, structure, surface spécifique 60

61 Distinction entre la fraction de silt et d argile La fraction argileuse est considérée comme le domaine de propriétés colloïdales où les interactions et les échanges inter-particulaires sont dominantes par rapport à l action de la force gravitaire. La dimension de 0,002 mm marque généralement la limite supérieure du domaine colloïdale. Au-dessus de 0,002 mm les particules montrent difficilement des propriétés colloïdales tandis qu en dessous de 0,002 mm elles augmentent rapidement avec la diminution de dimension des particules. Il faut noter cependant que toute particule inférieure à 0,002 mm n a pas forcément les propriétés physiques des argiles minéralogiques. La figure 7 montre la corrélation établie entre le pourcentage de fraction granulométrique inférieure i à 0, mm et le pourcentage des argiles minéralogiques (phyllosilicates) et des minéraux amorphes dans les dépôts d argile de la mer Champlain, Locatt et al., 1984 et Lebuis et Rissman Ces données indiquent que seulement 1/3 à la moitié de la fraction inférieure à 0,002 mm des argiles de la mer Champlain sont constitués des argiles minéralogiques, le reste étant de la fraction argileuse au sens granulométrique. 61

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63 Il faut mentionner qu une fraction faible d argile minéralogique (20 à 35 % par exemple) est suffit pour que les propriétés dominantes des argiles minéralogiques (plasticité, cohésion, échange ionique, attraction de surface, etc. ) soient présentes dans un mélange de sol. Tableau 11: Différence des propriétés des argiles et silts Argiles Silt 1. Douce à la touché; 1. Texture rugueuse 2. Colle aux doigts et sèche très 2. Il sèche relativement rapidement doucement; en donnant de la poussière; 3. Il est dilatent; 3. Pas de dilatance; 4. On peut briser un morceau sec mais on ne peut le pulvériser avec les doigts. 4.Un morceau sec a une cohésion appréciable, mais on peut la pulvériser avec les doigts. 63

64 Distinction entre le gravier et le sable Il existe une certaine unanimité pour représenter la frontière entre le gravier et le sable par la dimension de 2,0 mm. La division à 2 mm correspond à l hypothèse faite selon laquelle les particules inférieures à 2 mm sont assez petites pour rester collées les unes aux autres quant le matériau est humide comme un sable, tandis que les particules supérieures à 2 mm n ont pas de cohésion apparente à l état humide. Donc, la distinction entre le gravier et le sable est basée sur le phénomène de cohésion apparente qui cesse d exister pour les particules supérieures à 2 mm. Pour déterminer si un sable est propre ou non, placer une quantité de sol dans un cylindre, ensuite verser de l eau jusqu pour saturer l échantillon. Procéder au mélange de l ensemble en donnant quelques secousses. Si 30 secondes après les secousses, l eau au-dessus de l échantillon reste propre, le sable est défini comme propre. Si l eau présente au-dessus du sable est sale, le sable contient du silt. Une autre façon d identifier la propreté de sable est de prendre une certaine quantité d échantillon sec et pulvérisé dans les mains. Verser le sol en petits quantité par terre, il la poussière apparaisse, le sol est sale (n est pas propre) et il contient du silt. 64

65 Distinction entre les fractions de sable Généralement, les particules de sable sont classées en trois subdivisions de sable gros, moyen et fin. La plupart des systèmes de classification des sols place la limite supérieure du sable fin à 0,20-0,25 mm. Du point de vue texture de sol, ce seuil de D=0,20 mm correspond approximativement à un sable qui manifeste de la propriété de dilatence. La division des sables en trois subdivisions gros, moyen et fin se fait selon des propriétés géotechniques du sable. L analyse granulométrique du sol donne des informations intéressant pour le choix de la technique de traitement ou d amélioration i du sol en place. La figure 8 résume le choix de la méthode de drainage en fonction de la granulométrie du sol. La figure 9 montre le domaine d application des méthodes d exclusion d eau dans le sol, Glossop et Skempton (1945). Le tableau 13 résume, selon Glossop et Skempton (1945), les propriétés des différents types de sol utilisé dans le système M.I.T. 65

66 Distinction entre la fraction de sable et de silt On rencontre souvent des difficultés pour distinguer le silt de sable. Pour distinguer le silt de sable, Glossop et Skempton ont suggéré les critères du tableau 14. Tableau 14: Critères d identification de silt et de sable. Silt Sable fin 1. Particules sont généralement 1. Les particules sont visibles à l œil nu; invisibles; 2. Pas de plasticité; 2. Un peu de plasticité; 3. Texture rugeuse mais pas gréseux; 3. Texture gréseuse; 4.Un morceau humide peut avoir une 4. Un morceau sec a une certaine légère cohésion apparente mais on cohésion mais on peut la pulvériser avec les doigts. peut le pulvériser facillement entre les doigts. 66

67 Tableau : Comparaison du comportement de sable pur et argile pure Semelle sur sable (sol pulvérulent) Semelle sur argile (sol cohérent) La résistance de sable augmente avec le La résistance d argile est relativement confinement dû à la profondeur ou de indépendante de pression de confinement. charge de fondation La résistance de sable est due entièrement La résistance d argile est due entièrement à au frottement. sa cohésion. La résistance de sable est relativement La résistance d argile est influencée jusqu à indépendante de la forme de semelle 20% par la forme de semelle. La résistance de sable augmente de façon La résistance d argile est relativement appréciable avec la profondeur indépendante de la profondeur d encastrement d encastrement. La résistance de sable diminue La résistance d argile diminue un peu suite considérablement si le sol au-dessus des à l enlèvement lè des sols au-dessus des semelles est enlevé ou érodé. semelles. La résistance de sable sec diminue de 50% La résistance d argile est peu influencée par suite à sa saturation. la saturation de courte durée. Le tassement de sable se produit Le tassement d argile suite à une charge est rapidement (des semaines ou des mois) fonction du temps pouvant aller jusqu à des suite à une charge. Pour les silts granulaires années en fonction de perméabilité. et sables fins, il peut se produire durant des mois ou des années (pour les silts) en fonction de la perméabilité. Les charges de courte durée peuvent produire de tassement. Le tassement de sable double suite à sa saturation Le sable est compacté facilement par vibration et saturation avec pression. Le tassement d argile est relativement indépendant des charges de courte durée. Le tassement d argile est affecté par saturation (sans être doublé). L argile est compacté par des surcharges à long terme. 67

68 Injection du coulis de ciment En 1936, selon Terzaghi l injection d un coulis de ciment dans un sable n est possible que si : D 10 > 0,5 mm pour un état lâche; D 10 > 1,4 mm pour un état dense. Le sable gros et le gravier sont injectables par un coulis de ciment, tandis que le sable moyen ne peut être injecté par un coulis de ciment. Dans les sables moyen et fin, l injection d un coulis de ciment ne fait que déplacer latéralement les particules de sable sans pénétrer dans les vides du sol; le seul résultat est donc la formation d un bouchon de coulis au bout du tube d injection. Émulsions bitumineuses et solutions de silicates Les sables moyen et fin peuvent être injectés avec des solutions de silicates ou avec des émulsions bitumineuses. L utilisation des émulsions bitumineuses et des solutions de silicates n est pas courant, premièrement parce qu ils coûtent plus que les coulis de ciment, deuxièmement l écoulement rapide de l eau souterraine dans les sols grossiers risque éroder la solution avant la réaction chimique complète. 68

69 Sable mouvant Le sable mouvant peut être défini comme un sol pulvérulent (sans cohésion) qui, s il est soumis à une déformation ou à un remaniement, peut subir spontanément une perte de résistance au cisaillement. Ce genre d état de sol se manifeste généralement dans le cas de sable fin ou sable silteux. La perte de résistance peut provoquer un écoulement visqueux du sable sur les talus d une excavation. Une pente d excavation dans un tel sol, si elle est soumise à des sollicitations it ti dynamiques (battage de pieux par exemple), peut subir des mouvements importants. Les conditions pour l apparition de tel phénomène sont exprimées par Terzaghi (1925). Premièrement, le sable doit être saturé. Deuxièmement, le sable doit être dans un état de compacité très lâche. Une perte instantanée de la résistance au cisaillement n est pas la seule cause de l instabilité des sols pulvérulents. l Plusieurs ruptures de barrages dues à l érosion des couches perméables (piping) ont été rapportées. Les sources de sable (blows) qui sont observées dans les excavations sont également dues à ce type d instabilité. On peut les empêcher par une conception adéquate du système d étançonnement ou par une technique appropriée de construction. L érosion se produit suite à la boulance des grains par un écoulement ascendant d eau; le danger de boulance est moindre dans le cas des sables gros et des graviers, bien que les considérations théoriques laissent croire que les dimensions des particules ont peu d effets (Terzaghi, 1929). Cette dernière conclusion est supportée par la rupture d un certain nombre de barrage sur des fondations en gravier. 69

70 Donc, la division des sables en trois subdivisions gros, moyen et fin se fait selon des propriétés géotechniques du sable. L analyse granulométrique du sol donne des informations intéressant pour le choix de la technique de traitement ou d amélioration du sol en place. La figure 2.6 résume le choix de la méthode de drainage en fonction de la granulométrie du sol. La figure 2.7 montre le domaine d application des méthodes d exclusion d eau dans le sol, Glossop et Skempton (1945). Le tableau 2.8 résume, selon Glossop et Skempton (1945), les propriétés des différents types de sol utilisé dans le système M.I.T. 70

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72 Tableau 2.8: Quelques propriétés des différents types de sol, Glossop et Skempton (1945). Types de Propriétés sol Tassemen Phénomène Soulèveme Rabattement Injection du Injection Utilisation ts après de sable nt dû au de la nappe coulis de des bitumes comprimé constructi mouvant gel ciment et silicates support on (conditions naturelles) Gravier No Impossible No Possible Possible Ne convient Possible 4 pas Sable No Impossible No Convient Possible Oui Oui gros seulement si le sable est très gros Sable No Peu No Convient Impossible Oui Oui moyen probable Sable fin No Possible No Convient Impossible No si le Oui sable est très fin Silt Oui Possible Oui Impossible Impossible Impossible Oui Argile Oui Impossible No Impossible Seulement dans le cas des argiles raides et fissurées d air comme Impossible Pour le support seulement 72

73 Tableau : Comparaison du comportement de sable pur et argile pure Semelle sur sable (sol pulvérulent) Semelle sur argile (sol cohérent) La résistance de sable augmente avec le La résistance d argile est relativement confinement dû à la profondeur ou de indépendante de pression de confinement. charge de fondation La résistance de sable est due entièrement La résistance d argile est due entièrement à au frottement. sa cohésion. La résistance de sable est relativement La résistance d argile est influencée jusqu à indépendante de la forme de semelle 20% par la forme de semelle. La résistance de sable augmente de façon La résistance d argile est relativement appréciable avec la profondeur indépendante de la profondeur d encastrement d encastrement. La résistance de sable diminue La résistance d argile diminue un peu suite considérablement si le sol au-dessus des à l enlèvement lè des sols au-dessus des semelles est enlevé ou érodé. semelles. La résistance de sable sec diminue de 50% La résistance d argile est peu influencée par suite à sa saturation. la saturation de courte durée. Le tassement de sable se produit Le tassement d argile suite à une charge est rapidement (des semaines ou des mois) fonction du temps pouvant aller jusqu à des suite à une charge. Pour les silts granulaires années en fonction de perméabilité. et sables fins, il peut se produire durant des mois ou des années (pour les silts) en fonction de la perméabilité. Les charges de courte durée peuvent produire de tassement. Le tassement de sable double suite à sa saturation Le sable est compacté facilement par vibration et saturation avec pression. Le tassement d argile est relativement indépendant des charges de courte durée. Le tassement d argile est affecté par saturation (sans être doublé). L argile est compacté par des surcharges à long terme. 73

74 2.2.1Classification selon le mode de formation (classification géologique); Le mode de formation des sols constitue une base naturelle pour la classification des sols. La connaissance du mode de formation des sols (géologie des formations) permet de mieux comprendre la structure, la stratigraphie et la granulométrie des sols en place. Tableau 2.1: Classification des sols selon leur modes de formation, Karlson (198?). Formation Préquaternaire Sols altérés (weathered soils) Sols sédimentaires Gravier altéré pré-glaciaire Argile (Rhaetic Lias Clay) Quaternaire Dépôts glaciaires : : Till Till de sable graveleux Dépôts fluvioglaciaires Gravier fluvioglaciaire Sédiments marins Argiles marines Sédiments lacustres Argile lacustre Post- Sols altérés Gravier altéré post-glaciaire glaciaire Sédiments fluviaux : Sédiments fluviaux basales Sédiments fluviaux latérales Sédiments de Delta Gravier fluvial Sable fluvial Sable de delta Sédiments fins marins et lacustres Argile post-glaciaire Sédiments éoliens Sable éoliens Tourbes Tourbe Sédiments organiques Gyttja Sédiments chimiques Marne 74

75 Selon l environnement de la sédimentation (pourcentage du sel) les sédiments marins et lacustres sont divisés en trois groupes, tableau 2.2. Tableau 2.2 Classification des sédiments marins et lacustres en fonction du taux de sel, Karlson. Environnement de Taux de sel Désignation sédimentation Eau douce < 0,2% Sédiments d eau douce (sédimente lacustre) Eau saumâtre 02à2% 0,2 2 Sédiments saumâtres Eau salée > 2% Sédiments marins La classification géologique en construction ti routière permet: de grouper les sols de même origine afin de délimiter l étendue et la profondeur des dépôts ; d estimer les caractéristiques géotechniques du dépôt par des corrélations existantes, car les sols des dépôts de même origine et de même mode de déposition ont généralement des caractéristiques semblables. 75

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77 2.2.1Classification selon la composition des sols ; Les classifications selon la composition sont basées sur la courbe granulométrique des sols et sur le contenu et la nature des sols organiques. En fonction de la composition les sols sont classés en deux groupes principaux : sols minéraux et sols organiques. La figure 2.1 illustre quelques systèmes usuels de classification. Tous les systèmes de classification qui sont basés uniquement sur le diamètre des grains sont capables de conduire à des malentendus parce que les propriétés physiques des éléments très fins des sols dépendent d de nombreux facteurs autres que la dimension i des grains. Le tableau 2.4 de Karlson et Hansbo donne les limites de divisions des fractions des sols utilisées dans certains pays. La courbe granulométrique d un sol donne des informations sur la finesse des particules, leur dispersion et l allure de la courbe granulométrique. Pour déterminer la groupe de finesse d un sol Burmister (1940) a proposé la méthode illustrée sur la figure 2.2. La dimension de référence 2 mm (limite de partage entre sable et gravier) est utilisée comme l origine de l axe de finesse des sols. En se basant sur la classe de finesse des sols, Burmister a proposé la classification donnée dans le tableau

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83 Tableau 2.5: Classification de dispersion des sols selon Burmister (1940). Dispersion selon la Description finesse 0 1 Fraction de sol; par exemple, gros, moyen ou fin 1-3 Sol uniforme, bien assorti; gros à moyen, moyen à fin 3-5 Dispersion modérée, sol gradué sur une plage large de dimension. >5 Dispersion extrême, sol mal assorti avec une courbe granulométrique s étendant sur une très grande plage de variation de dimension. 83

84 L allure et la forme de la courbe granulométrique donne également des renseignements intéressants sur l origine du sol. La figure 2.3 illustre les quatre formes de la courbe granulométrique suggérées par Burmister (1940). L allure de la courbe donne également des indications sur l importance relative de la fraction fine ou grossière relativement à l ensemble du sol. La courbe granulométrique est comparée avec la droite médiane du sol. On donne certaine signification géologique à la forme de la courbe granulométrique. Pratiquement, tout sol qui a été soumis à l action de triage de l eau en mouvement, de l action de vagues, ou de l action du vent durant leur déposition a une courbe granulométrique en forme de S avec une faible dispersion relative des grains variant de 1 à 3. Les sols alluviaux et certains sols glaciaux modifiés peuvent avoir une dispersion i large selon les conditions de vitesse lors de leur déposition. Par contre les sables de plage et de dune ont une dispersion faible. Les dépôts formés par sédimentation dans l eau fraîche ont généralement une courbe granulométrique en forme de S mais avec une dispersion de 3 à 5 si on considère l ensemble de plusieurs couches fines (varves) dans le sol. 84

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89 La courbe C concave vers le haut semble être typique de certains dépôts glaciaires plus ou moins triés (outwash), gros; de dépôt alluvionnaire et piémont grossiers et graveleux; et un certain dépôt de type résiduel formé par la décomposition du roc. Les dépôts de tills glaciaires dans certains localités ont une courbe graulométrique en forme de D, de forme inversée de S, qui représente un mélange non trié de matériaux fins et gros avec une déficience pour les particules de fraction intermédiaire. L altération du shale produit également un sol avec une courbe en forme de D. Une courbe en forme de D a une dispersion dépassant 7 ou 8. Certains dépôts argileux sableux ont une courbe en forme de E, comme les dépôts d argiles et silts de marée marécageux (tidal marches) dus aux effets de fluctuation de l eau. Dans le système USBS, la fraction argileuse a comme limite supérieure la dimension mm. Le système de classification d Atterberg a été proposé p en 1913 par la société internationale de science du sol comme un système international. Les subdivisions suivantes forment la base de ce système, tableau 2.6: 89

90 Tableau 2.6: Subdivision des sols proposée par la Société internationale de science du sol (1913) Dimensions des particules Particules supérieures à 20 mm 20 2 mm mm <0.002 mm Nom de la subdivision Cailloux Gravier Sable gros Sable fin Silt Colloïdes Comme on constate les frontières de chaque division sont définies par des dimensions de fraction de 2 (20, 2, 0.2, 0,02 et mm). Dans le système de M.I.T, la limite de mm est considérée comme la limite supérieure de la fraction argileuse. Le système USDA a adopté la limite i mm comme la borne supérieure pour des argiles. 90

91 Le Manuel Canadien d Ingénierie des Fondations (1994) propose la division suivante pour identifier les différentes catégories de sols, tableau 2.7. On constate que cette classification granulométrique suit la division des fraction 6-2 comme suit :60, 20, 6, 2, 0.6, 0.2, 0.06, 0.02, 0,006, 0,002. Cette façon de classer les sols semble devenir internationale. Tableau 2.7: Classification des sols en fonction des dimensions des particules, Manuel canadien d ingénierie des fondations Type de sol Dimension des particules (mm) Blocs >200 Caillou Gros Gravier Moyen 6-20 Fin 2 6 Gros 0,60 2,00 Sable Moyen 020 0, ,60 Fin 0,06 0,20 Gros 0,020 0,060 Silt Moyen 0,006 0,020 Fin 0,002 0,006 91

92 Tous ces systèmes de classification sont arbitraires, les dimensions des particules des sols constituent des séries continues, il est donc difficile de diviser ces séries continues en un nombre limité de division avec des frontières bien établies entre les divisions principales. Cependant, les divisions utilisées comme frontières entre différentes catégories de sol dans les systèmes de classification adoptés en génie civil il doivent correspondre à des changements importants des propriétés géotechniques des sols. Par exemple, si on fixe à 0,075 mm la frontière entre le sable et le silt, on doit noter des différences de comportement mesurables en passant des particules de dimensions supérieures à 0,075 mm à celles de dimensions inférieures à 0,075 mm. Glossop et Skempton (1945) ont présenté des données intéressant sur les caractéristiques géotechniques des sables et des silts en relation avec le rabattement de la nappe phréatique, l injection, le phénomène de sable mouvant, le gel et le tassement de consolidation. Ils ont tenté d obtenir de corrélation entre ces données et les dimensions des particules. 92

93 2.2.1Classification selon les propriétés géotechniques ; Les sols peuvent être classés selon les différentes propriétés physico-mécaniques. Les classifications actuelles utilisent les propriétés suivantes des sols : Classification selon l indice de densité ou la compacité des sols ; Classification selon la consistance des argiles ; Classification selon la sensibilité des argiles ; Classification selon les limites de consistance des sols ; Classification selon le degré de surconsolidation des sols ; Classification selon la susceptibilité au gel des sols ; Classification selon le potentiel de gonflement des sols ; Classification selon la perméabilité des sols ; Classification selon le degré d uniformité (C u )dessols sols. 93

94 2.2.1 Classification pédologique Cette classification est employée en agriculture. En général, une coupe de sol est composée de trois horizons dont la nature et l épaisseur varient selon la topographie, le climat, la végétation et la nature des matériaux d origine. Horizon A : Cette couche est organique et composée de matériaux moins fins et moins plastique. L eau s infiltre facilement dans cette couche et entraîne les particules fines vers l horizon B. Horizon B : Cette couche est constituée de matériaux plus fins et plus plastique. Horizon C : Cette couche est constituée de sol intact original. 94

95 2.2.1 Classification géotechnique Du point de vue géotechnique, les sols sont classés selon leur composition, leurs propriétés importantes t et leur mode de déposition. En général, pour la description et classification rapide d un sol, on doit rapporter les éléments suivants (Rutledge, 1940): 1) Cohésion à l état sec en écrasant l échantillon par la pressions des doigts; 2) La plasticité en modelant le sol dans la main; 3) Le changement de consistance et de résistance du sol durant le pétrissage; 4) La perméabilité en observant la facilité du déplacement de l eau dans le sol lors d un essai de dilatance; 5) Un examen visuel des grains du sol et leur forme; 6) La dispersion d une petite quantité de sol dans un cylindre d eau en observant la vitesse de déposition des particules et les caractéristiques de la suspension. Dans l élaboration d un système de classification géotechnique des sols, on doit considérer les objectifs suivants (Burmister, 1940): 1) Il doit être simple; 2) Il doit être facile à mémoriser et à visualiser; 3) Il doit être basé sur des principes scientifiques reconnus; 4) Il doit être assez souple pour décrire de façon générale et spécifique la nature d un sol pour un projet particulier; 5) Il doit être basé sur des propriétés importantes des sols. 95

96 Suite à l'observation du comportement de nombreux sols, Casagrande (1948) est venu à la conclusion que les sols présentant un comportement similaire pouvaient se regrouper par zone dans le diagramme de plasticité (I P -W L ), figure 2.5. Il a suggéré une division du graphique par la "ligne A" séparant les sols organiques ou silteux situés sous la ligne A, des sols inorganiques situés au-dessus de la ligne A. 96

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98 Airfield Classification (AC) System 98

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103 1) Développement des systèmes de classification Les systèmes de classification utilisés en génie civil reflètent en quelque sorte du point de vue chronologique le développement de la mécanique des sols. Au début, on utilisait surtout t des essais de classification développés par les agronomes. Comme les agronomes utilisaient la granulométrie comme essai de base, le premier système de classification des sols était basé sur les pourcentages de trois fractions de sol appelées sable, silt et argile. Les systèmes de classifications ultérieurs ont utilisé la courbe granulométrique complète du sol. Probablement la première tentative pour écarter la courbe granulométrique du système de classification des sols granulométrique a été faite par l Agronome suédois Atterberg en

104 2.3 Système de classification en génie routier En génie routier, il existe plusieurs systèmes de classification des sols. Ces systèmes de classification des sols doivent permettre de déduire de ces classifications les potentiels de compressibilité et gonflement, de compactage, de drainage, de gélivité, la capacité portante ) Système USCS Au Canada, le système de classification le plus utilisé est système unifié USCS (Uniffied Soil Classification System) suggérée initialement par Casagrande (1948) et repris dans la norme ASTM D Il est assez complète et relativement simple à utiliser, figure 2-8. Dans ce système, trois groupes de base sont considérés: sol grossier, sol fin et sol très organique. Six lettres désignent les groupes de sol: G (gravier), S (sable), M (silt), C (argile), O (sol organique), P t (tourbe, sol très organique). Quatre lettres précisent les sous-groupes: W (bien gradué, sols grossiers), P (mal gradué, sols grossiers), H (haute limite de liquidité pou sols fins) et L (basse limite de liquidité pour sols fins). Le tableau 2.10 donne les différentes propriétés des différents types de sols pour les projets routiers. 104

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108 Tableau2.10: Caractéristiques des sols pour différents types de sol classés selon USCS, Soils manuals, MS-01, Asphalt Institute, 1964 Symbole Comportement si le sol n est pas soumis au gel Potentiel du Compressibil Drainage Engins de compactage CBR K Sous-fondation Fond. Inf. Fond. Sup. gel ité recommandé sèche (Mpa/m) kn/m 3 GW Excellent Excellent Bon Nulle à très Presque nulle Excellent Rouleaux vibrants, pneus faible multiples, cylindres 2265 lisses GP Bon à excellent Bon à Médiocre à Nulle à très Presque nulle Excellent Rouleaux vibrants, pneus excellent bon faible multiples, cylindres 2265 lisses GM Bon à excellent Bon Médiocre à Faible à Très faible Médiocre à Pneus multiples, pieds LL 25, bon appréciable pauvre moutons, contrôle sévère 2345 IP 5 de l humidité LL>25,IP Bon Médiocre Mauvais à Faible à Faible Pauvre à Pneus multiples, pieds >5 inacceptable appréciable imperméable moutons 2184 GC Bon Médiocre Mauvais à Faible à Faible Pauvre à Rouleaux vibrants, pneus inacceptable appréciable imperméable multiples, cylindres 2345 lisses SW Bon Médiocre Mauvais Nulle à très Presque nulle Excellent Rouleaux vibrants, pneus Bon faible multiples 2100 SP Médiocre à bon Médiocre Mauvais à Nulle à très Presque nulle Excellent Rouleaux vibrants, pneus inacceptable faible multiples 2185 SM Médiocre à bon Médiocre à Mauvais Faible à Faible à Médiocre à Pneus multiples, pieds (IP 5) bon grande grande pauvre moutons, contrôle sévère 2185 IP>5 de l humidité Médiocre Mauvais à Inacceptable Faible à Faible à Pauvre à Pneus multiples, pieds médiocre grande grande imperméable moutons 2105 SC Mauvais à Mauvais Inacceptable Faible à Faible à Pauvre à Pneus multiples, pieds médiocre grande moyenne imperméable moutons 2185 ML Mauvais à Inacceptable Inacceptable Moyenne à Faible à Médiocre à Pneus multiples, pieds médiocre grande moyenne pauvre moutons 2105 CL Mauvais à Inacceptable Inacceptable Moyenne à Moyenne Pratiquement Pneus multiples, pieds médiocre grande imperméable moutons 2105 OL Mauvais Inacceptable Inacceptable Moyenne à Moyenne à Pauvre Pneus multiples, pieds grande grande moutons 1700 MH Mauvais Inacceptable Inacceptable Moyenne à Grande Médiocre à Pieds moutons, pneus très grande pauvre multiples 1700 CH Mauvais Inacceptable Inacceptable Moyenne Grande Pratiquement Pieds moutons, pneus imperméable multiples 1860 OH Mauvais à très Inacceptable Inacceptable Moyenne Grande Pratiquement Pieds moutons, pneus mauvais imperméable multiples 1780 PT Inacceptable Inacceptable Inacceptable Faible Grande Médiocre à Compactage impraticable pauvre Gravier ou grav veleux e ou sableux Sabl Sols à grains fins 108

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111 111

112 2.3.2) Système de classification AASHO Un autre système de classification des sols le plus utilisé pour les projets routiers est le système de classification de l American Association of State Highway Officials (AASHO). Ce système de classification a été reconnu par plusieurs organismes, en particulier par le Transportation Research Board (TRB) des États-Unis. Ce système classe les sols en sept groupes désignés é par les symboles A-1 à A-7. Cette classification est basée sur le comportement observé des sols sous les pavages des autoroutes. C est la raison pour laquelle ce système est souvent employé par les ingénieurs pour les projets d autoroutes. Le système original a été proposé par U,S. Bureau of Public Roads dans les années 1928 et par la suite a été modifié à plusieurs reprises. Le tableau 2.11 montre les sept groupes de sol avec leurs caractéristiques physiques et mécaniques qualitatives. Du point de vue routier les sols du groupe A-1 sont les meilleurs. La qualité décroît avec chaque groupe et les sols les plus mauvais se trouvent dans le groupe A-7. Donc, l épaisseur de la structure de chaussée augmente progressivement avec le groupe de sol. 112

113 Tableau 2.11: Classification des sols selon AASHO Classification Matériaux granulaires (35% ou Sols à grains fins (plus de 35% moins passant au tamis 0,074 passant au tamis 0,074 mm) mm Groupe A-1 A-2 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7 Qualité générale Excellente à bonne Passable à mauvaise comme support % passant Tamis 2 mm Tamis 0,42 mm <50 >51 Tamis 0,074 mm <25 < 35 <10 >36 >36 > 36 > 36 W L (%) <40 >41 <40 >41 IP % <6 - NP N.P. <10 <10 >11 >11 Indice de groupe 0 <4 0 <8 <12 < 16 <20 113

114 La version modifiée du système de classification AASHO divise les sols en sept groupes mais subdivisés en 12 sous-groupes, tableau L indice de groupe est fonction de limite de liquidité, de l indice de plasticité et du pourcentage de passant au tamis 0,074 mm. Cet indice variant de 0 à 20, peut être calculé par l équation suivante : I G = 0,2 x a + 0,005 x a x c + 0,01 x b x d avec a = passant au tamis 0,074 mm entre 35 et 75% b = passant au tamis 0,074 mm entre 15 et 55% c = Limite de liquidité entre 40 et 60% d = Indice de plasticité entre 10 et 30. La figure 2.9 montre la détermination de l'indice de groupe du système AASHO. 114

115 Figure 2.9 Figure

116 Tbl Tableau : Version modifiée du système de classification i AASHO Classification Sols granulaires (35% ou moins passant au tamis Sols à grains fins(plus de 35% passant au tamis générale 0,074 mm) 0,074 mm) Groupe ou A-1 A-3 A-2 A-4 A-5 A-6 A-7 sous-groupe A- A-1-b A- A-2- A-2-6 A-2-7 A-7-5 A a % < 2 mm 50 <0,42 mm >50 <0,072 mm >35 >35 >35 >35 >35 W L (%) 40 >40 40 > >40 >40 I P (%) >10 > >10 >10 >10 Indice de groupe Type matériaux Potentiel comme matériaux fondation de de Pierre, gravier Sable et sable fin Excellent à bon Graviers et sable silteux ou argileux Sols silteux Passable à mauvais Sols argileux 116

117 Le tableau 2.13 montre la relation qui existe entre les systèmes de classification unifiés et AASHO. Tableau 2.13: Relation entre les sols du système unifié et ceux de AASHO Système unifié Système AASHO GW GP A-1a A-1a GM GC A-1a, A-204, A-2-5 A-2-6, A-2-7 SW SP A-1-6 A-3 SM SC A-1b, A-2-4, A-2-5 A-2-6, A-2-7 ML A-4 CL A-6, A-7-5 OL A-4, A-7-5 MH A-5 CH A-7-5, A-7-6 OL A-7-5, A

118 Tableau 2.14: Classification des sols selon FAA pour les chaussées d Aéroport, MS-1, Asphlat Institute (1964). Groupe de sol laires Sols granu Sols fins Données granulométriques Sol retenu Pourcentage passant au tamis 2 mm au tamis 2 Sable gros, Sable fin, Sols fins, mm (%) passant tamis passant passant 2, retenu sur tamis 0,25 tamis tamis 0,25 mm, % 0,053 mm mm retenu sur W L (%) tamis 0, mm (%) E E I P (%) E E E E E E E E E E E-13 Tourbe, examen sur place 118

119 2.3.3) Système de classification FAA Le système de classification de Federal Aviation Agency, FAA, (initialement connu sous le nom de Civil Aeronautics Administration, CAA) a été établi en 1944 en vue de l étude du comportement de la structure des pavages des aéroports. La classification originale regroupait les sols en dix groupes désignés avec les symboles E-1 à E-10, la qualité du sol de fondation diminue avec de E-1 à E-10. En 1946, CAA a publié une édition introduisant des subdivisions et modifiant les seuils limites. Depuis d autres modifications ont été apportées. Pour la dernière version, voir Airports Paving, Federal Aviation Agency, U.S. Department of Commerce. La classification des sols selon le système FAA nécessite la connaissance des deux types d essais : 1) Essais granulométrique, 2) Limites d Atterberg. Le tableau 2.14 indique les treize groupes de sol classés selon ce système, MS-1, Asphalt Institue (1964). Le tableau 2.15 donne la performance des différentes classes des sols, MS-1, Asphlat Institute (1964). La classe d infrastructure de type Fa est un sol d infrastructure suffisant sans apport de matériau de sous-fondation (subbase). Les sols du groupe E-1 tombent dans la catégorie Fa d infrastructure sous toutes conditions de drainage et de gel, tandis que le sol E-2 se classe comme E-2 comme sol d infrastructure de type Fa seulement quand le drainage est satisfaisant. Les autres classes d infrastructure sont désignés F1 à F10 ; la capacité mécanique des sols d infrastructurediminueàmesurequ on diminue mesure se déplace de F1 vers F

120 Tableau 2.15: Performance des sols selon le système FAA, MS-1, Asphalt Institute, 1964 Groupe de sol Classe d infrastructure (subgrade class) Bon drainage Mauvais drainage Pas de gel Gel Pas de gel Gel sévère sévère E-1 E-2 Fa Fa Fa Fa Fa F1 Fa F2 E-3 E-4 E-5 E-6 F1 F1 F1 F2 F1 F1 F2 F3 F2 F2 F3 F4 F2 F3 F4 F5 E-7 E-8 E-9 E-10 F3 F4 F5 F5 F4 F5 F6 F6 F5 F6 F7 F7 F6 F7 F8 F8 E-11 E-12 F6 F7 F7 F8 F8 F9 F9 F10 E-13 Ne convient pas pour infrastructure 120

121 Figure 2.4 : Profil pédologique d un sol ayant tous les horizons, Keyser (1977) uels, (roc) nt résidu matériau entiellemen artir du m Solum ols esse més à pa Horizon A Zone d éluviation Horizon B Zone d illuviation Horizon C : Zone parentale Horizon D Le S (So form A 0 : Débris organique et végétaux A 1 :Horizon contenant un fort pourcentage de matériaux organiques avec des particules minérales. Couleur très foncée. A 2 : Horizon représentatif de la zone la plus lessivée (forte réduction). Couleur pâle. A 3 : Zone de transition avec l horizon B, avec les caractéristiques de l horizon A. B 1 : Zone de transition avec l horizon A avec les caractéristiques de l horizon lhorizon B. B 2 : Horizon de coloration assez foncé représentant la région d illuviation maximale. B 3 : Zone de transition avec l horizon C. C : Débris de roches, provenant du matériau sousjacent. Matériau parent ; roc ou matériau non consolidé sans relation avec le matériau sus-jacent. 121

122 122

123 123

124 Valeur de CBR des sols Wilson and Willaims, 1950 : CBR = q u (psi) /10 = C u (psi)/5 C u = 23 x CBR (kpa) (Black and Lister, 1978) M r (Mpa) = 10,3 CBR ou M r (psi) = 1500 CBR, Asphalt Institute, MS-1, 1991 M r (MPa) = 8,0 + 3,8 R; ou M r (psi) = R pour les sols classés CH, CH, ML, SC, SM et SP avec Mr 207 MPa 124

125 Tableau: Valeurs recommandées de CBR et k pour des sols typiques (AASHTO) AASHTO Description UCS Dry desity (lb/ft 3 ) CBR K(psi/in.) Sols à grains grossiers A-1-a, bien Gravier GW, GP gradué A-1-b Sable gros SW A-3 Sable fin SP A-2 (sols granulaires avec beaucoup de fraction fine) A-2-4, Silty gravel GM gravier A-2-5, Silty sandy gravier gravel A-2-4, sandy SM A-2-5 sandy A-2-6, GC gravelly A-2-7 gravelly A-2-6 sandy SC A-2-7 sandy Sols à grains fins A-4 ML, OL A-5 MH A-6 CL A-7-5 CL, OL A-7-6 CH, OH

126 Module de réaction k Selon ACPA, la valeur du module de réaction d une infrastructure composée essentiellement de silt et argile, silt et argile sableux avec un peu de gravier varie entre 20 et 30 MPa/m (75 à 120 lb/po 3 ) avec une valeur moyenne de 27 MPa/m (100 lb/po 3 ).. La figure du document Slab Thickness Design for Industrial Concrete Floors on Grade de PCA (1996), montre l augmentation du module de réaction de l infrastructure en fonction de l épaisseur de fondation granulaire. Pour une fondation granulaire de 300 mm d épaisseur, le tableau 5 résume la valeur du module fondation-infrastructure en fonction de la valeur de module de l infrastructure. Tableau 5: Augmentation du module de réaction de l infrastructure par la pose d une dune fondation granulaire de 300 mm d épaisseur Module de Module de la fondation-infrastructure (lb/po 3 ) l infrastructure (lb/po 3 )

127 Il est à noter que les valeurs du module de réaction k proposées par ACPA ou d autres documents semblables sont obtenues à partir d essais sous une plaque de 750 mm de diamètre. Or, il est bien connu dans la littérature technique que la valeur de k dépend de la dimension des dalles de plancher ou des fondations par la relation suivante, avec B 1 la largeur de la plaque d essai et B la largeur de la dalle : K = 2 dalle k plaque (B + B 1 )/(2B) Ainsi pour une dalle de béton de 6 m de côté, la valeur de k dalle est d environ 27% de celle obtenue à partir d un essai de plaque de 300 mm de diamètre, d où l importance de tenir compte des dimensions des dalles de plancher dans l évaluation de la valeur de K. Selon Vesic (1970) qui a analysé le comportement structural des essais d AASHO pour les chaussées en béton de ciment, il n existe pas une valeur unique de k pour une dalle de béton placée sur une infrastructure de grande épaisseur. Pour une dalle de béton placée sur une infrastructure de moins de 3 m d épaisseur, soit notre cas, Vesic (1970) propose p la relation suivante pour calculer le module de réaction : K = 1,38 E sol / (1-2 ) H 127