ÉCOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSÉES Année 2009-2010 Mastère Génie Civil Européen Géotechnique Essais en place ÉLÉMENTS THÉORIQUES 1. Essai pressiométrique 1.1. Principe de l essai et interprétation L essai pressiométrique (mis au point par Louis Ménard en 1955) consiste à descendre une sonde cylindrique gonflante à une profondeur H dans un forage réalisé au préalable,. La sonde pressiométrique comporte trois cellules : la cellule centrale, remplie d eau, sert à la mesure. Les deux cellules de garde ont pour but de créer un champ de contraintes bidimensionnel sur la hauteur de la cellule de mesure. Les variations de volume du sol au contact avec la cellule pressiométrique sont égales aux variations du volume de la sonde. Elles sont déterminées en fonction de la pression radiale appliquée au sol, que l on augmente par paliers. Sous chaque palier de chargement, les variations du volume au bout de 1, 30 et 60 secondes sont mesurées puis l on passe au palier suivant. La courbe d expansion brute représente les variations de volume de la sonde au bout de 60 secondes en fonction de la pression mesurée en surface (figure 1). Variations de volume de la sonde V r Résistance propre de la sonde Courbe brute p e p r Pression lue p Figure 1. Essai pressiométrique : résultats bruts des mesures. Avant d introduire la sonde dans le forage, il est nécessaire d étalonner la sonde pressiométrique en la gonflant à l air libre, à côté du forage : on détermine ainsi une courbe d étalonnage qui traduit l inertie de la sonde. Par ailleurs, il est nécessaire de déterminer la constante de dilatation, désignée par a (exprimée en cm 3 /MPa), qui traduit la déformabilité 1
propre de l appareillage et des tubulures : la constante a est déterminée en gonflant la sonde sous forte pression en la plaçant dans un tube en acier indéformable. Trois caractéristiques du sol peuvent être déterminées : - la pression du fluage p f, qui définit la limite entre le comportement pseudo-élastique et le comportement plastique du sol ; - la pression limite p LM, qui caractérise la résistance à la rupture du sol ; - le module œdométrique E M, qui définit la déformabilité pseudo-élastique du sol. Pour une variation de volume V r mesurée, la pression réelle appliquée au sol à la profondeur H est donnée par la relation : p = p r p e + (H + h)γ w, où p r désigne la pression mesurée au manomètre, placé à la hauteur constante h au dessus de la surface du sol, p e désigne la pression d étalonnage, correspondant à la variation de volume V r sur la courbe d étalonnage et H est la profondeur de la sonde dans le sol (niveau du plan médian de la cellule centrale). La variation de volume de la sonde après correction pour la déformabilité du système de mesure est déduite de la relation : V = V r ap r. De cette manière, les corrections correspondant à l application des deux formules ci-dessus donnent les courbes présentées sur la figure 2. La courbe de fluage traduit les variations de volume mesurées entre 30 et 60 secondes pour chaque palier de pression et elle permet de définir la pression de fluage. V V LM mise en contact domaine pseudo-élastique domaine plastique Courbe d expansion corrigée V f V e V m V 0 0 p o p m p f p LM p V 60s V 30s p courbe de fluage 0 p o p m p f p LM p Figure 2. Essai pressiométrique : résultats corrigés. 2
La courbe corrigée donnant V en fonction de p délimite trois domaines (figure 2) : - le premier correspond à la mise en contact de la sonde avec la paroi du forage ; - le deuxième correspond au domaine pseudo-élastique, dans lequel la relation pression-volume est linéaire ; cette relation linéaire peut être décrite par le module pressiométrique Ménard E M défini par : E M = 2(1+ν)(V s + V m ) p/ V, où ν est le coefficient de Poisson du sol (pris conventionnellement égal à 0,33), V s est le volume initial de la sonde et V m la variation de volume moyenne du domaine pseudo-élastique ; - le troisième correspond au domaine plastique, qui s étend de p f (pression de fluage) à p LM (pression limite). La pression limite p LM, qui correspond à la valeur asymptotique sur la figure 1, est définie conventionnellement comme la pression nécessaire pour doubler le volume de la cavité où le pressiomètre a été introduit. Comme le volume de la cavité vaut V s + V o, la variation de volume correspondante est égale à V LM = V s + 2 V o (figure 2). Le rapport E M /p LM est utilisé pour l interprétation de l essai. Par ailleurs, l utilisation des résultats de l essai fait intervenir les contraintes totales initiales verticale (q o = σ vo ) et horizontale (p o = σ ho ) au niveau de l essai. La valeur de σ ho est déterminée en utilisant le coefficient de pression des terres au repos K o = σ ho /σ vo. On obtient : σ ho = K o (σ vo u o ) + u o, au dessous du niveau de la nappe σ ho = K o σ vo, au dessus du niveau de la nappe, où u o est la pression interstitielle au niveau de l essai. 1.2. Corrélations entre le module pressiométrique et le module œdométrique L essai pressiométrique est un essai de cisaillement et il ne traduit pas le phénomène de consolidation. Toutefois, les applications de l essai pressiométrique aux prévisions de déformation à long terme ont conduit à rattacher le calcul du tassement différé à la théorie de la consolidation, donc aux caractéristiques œdométriques du sol. Pour cela, Louis Ménard a défini un coefficient appelé coefficient rhéologique, ou encore coefficient de structure du sol, qui fournit une relation entre le module pressiométrique et le module œdométrique sous la forme : E M = αe œd. Les valeurs numériques du coefficient α dépendent de la nature et de l état du sol. Ces valeurs sont données dans le tableau 1. Type de sol surconsolidé très serré Tourbe α Tableau 1. Valeurs du coefficient α. Argile Limon Sable Sable et gravier Roche E M /p LM α E M /p LM α E M /p LM α E M /p LM α E M /p LM α - >16 1 >14 1/2 >12 1/2 >10 1/3 très peu fracturé normal 2/3 1/2 3
normalement consolidé normalement serré normalement consolidé altéré 1 9 16 2/3 8-14 1/2 7-12 1/3 6-10 1/4 très fracturé - 7 12 1/2 5-8 1/2 5-7 1/3 - - très altéré 2/3 1/3 1.3. Classification conventionnelle des sols d après les essais pressiométriques et pénétrométriques Les formules et les abaques utilisés dans les méthodes de calcul des fondations à partir des essais en place font référence à des classes conventionnelles des sols, présentées dans le tableau 2. Tableau 2. Classification des sols d après les essais pressiométriques et pénétrométriques. A vérifier par rapport à l Eurocode Classe de sol pressiomètre p LM (MPa) pénétromètre q c (MPa) argiles, limons sables, graves craies A argiles et limons mous < 0,7 < 3,0 B argiles et limons fermes 1,2-2,5 3,0-6,0 C argiles très fermes et dures > 2,5 > 6,0 A lâches <0,5 < 5,0 B moyennement compacts 1,0-2,0 8,0-15,0 C compacts > 2,0 > 20 A molles < 0,7 < 5,0 B altérées 1,0-2,5 >5,0 C compactes > 3,0 - marnes A tendres 1,5-4,0 - marno-calcaires B compacts > 4,5 - roches* A altérées 2,5-4,0 - B fragmentées > 4,5 - (*) L appellation «roches» peut regrouper des matériaux divers : calcaire, schiste, granite, etc. Cette classification est réservée aux matériaux présentant des modules pressiométriques E M > 50-80 MPa. 2. Essai au pénétromètre statique (CPT) L essai de pénétration statique consiste à enfoncer dans le sol, à vitesse constante et à l aide d un vérin hydraulique, une pointe terminée par un cône : un dispositif particulier permet de mesurer la résistance à la pénétration du cône, ainsi qu éventuellement le frottement latéral mobilisé sur un manchon de longueur donnée. L essai au pénétromètre statique (normalisé) a les caractéristiques suivantes : - la vitesse de fonçage : environ 2 cm/s ; - le pas de saisie des données : 10 cm au maximum (ou mesures en continu) ; - l angle au sommet du cône : 60 degrés ; - la section de la pointe du pénétromètre : 10 cm 2 ; 4
- la surface latérale du manchon de frottement : 150 cm 2. Les résultats sont présentés sous forme graphique en fonction de la profondeur atteinte par la pointe. Sur le diagramme figurent : - la résistance à la pénétration du cône appelée couramment «résistance de pointe» ou «résistance de cône» : q c, exprimée en MPa ; - le frottement latéral unitaire sur le manchon f s exprimé en MPa ; - le rapport de frottement R f = f s /q c, exprimé en %. La détermination de la nature du sol à partir de la résistance de pointe q c et du rapport de frottement R f peut être facilitée en utilisant des abaques (figure 3), mais il faut les utiliser ces abaques avec précaution, car l essai pénétrométrique ne donne pas d informations sur la compressibilité des sols, bien qu il existe dans la littérature technique des corrélations entre le module œdométrique E œd et la résistance en pointe q c. Figure 3. Abaques pour l estimation de la nature des sols en fonction de q c et R f. 5
Notes pour le pressiomètre : - mode de forage - sondes types (et courbes d étalonnage et coefficients de dilatation a types) - photos de matériels - un bout de théorie de l expansion - relation entre E M et (E, ν) - réflexions à la lecture de pressio 2005. - Autres classifications des sols mixtes - Classements en fonction du rapport E M /p LM et de la nature des terrains Notes autres : - piézocône - SPT - Pénétrodynamique - Scissomètre - Phicomètre - dilatomètre - géophysique - compléter sur le pénétromètre statique + panda + pénétromètres de terrassements - le problème des terrains particuliers (limites physiques des techniques) 6