CHAPITRE I 1 PRÉSENTATION ET OBJECTIFS DU COURS DE GÉOTECHNIQUE... 2 2 DÉFINITION DES ROCHES ET DES SOLS... 5 3 FORMATION DES SOLS... 5 3.1 DÉSAGRÉGATION PHYSIQUE ET MÉCANIQUE DES ROCHES...6 3.2 ALTÉRATION PHYSICOCHIMIQUE...6 3.2.1 Altération des roches magmatiques et métamorphiques...6 3.2.2 Altération des roches sédimentaires...7 3.3 TRANSPORTS DES PRODUITS DE DÉSAGRÉGATION ET D ALTÉRATION...9 4 DÉFINITION GÉOTECHNIQUE DES SOLS... 10 4.1 PHASE SOLIDE...10 4.1.1 Les sols grenus...10 4.1.2 Les sols fins...10 4.1.3 Structure des argiles...11 4.1.3.1 Les couches d éléments...12 4.1.3.2 Les feuillets élémentaires...12 4.1.3.3 Particules élémentaires...13 4.1.3.4 Cristallite ou tactoïde...13 4.1.3.5 Texture...13 4.1.4 Physicochimie des argiles...13 4.1.5 Etude expérimentale des caractéristiques de surface des particules d argile...15 4.1.5.1 Mesure de la Capacité d Echange Cationique C.E.C...15 4.1.5.2 La mesure des surfaces par physisorption...15 4.1.5.3 La mesure des surfaces par chimisorption...15 4.1.6 Principaux types d argile...15 4.1.6.1 Kaolinite...16 4.1.6.2 Illite...16 4.1.6.3 Montmorillonite...17 4.1.7 Matières organiques...22 4.1.7.1 Les tourbes...23 4.1.7.2 Les vases...24 4.2 PHASE LIQUIDE...25 4.3 PHASE GAZEUSE...26 5 LES POINTS FORTS... 26
1 Présentation et objectifs du cours de Géotechnique On présente les objectifs et le domaine du cours à travers un projet qui consiste à terrasser, à partir du terrain naturel, une plateforme à l amont pour la construction d un bâtiment industriel et une plateforme à l aval pour la construction d un parking (Fig.1.1). Ecole existante Fondations du batiment Chaussée Terrassement Parking Batiment industriel Soutènement de la fouille par clouage Terrassement Tirants d'ancrage Rivière paroi moulée Fig.1.1 Description du projet L étude de ce projet doit comporter les étapes suivantes. 1. La description du terrain sur et dans lequel on va construire pour adapter au mieux les ouvrages au sol (Fig.1.2). Cette description nécessite, d abord, l intervention du géologue. L étude géologique et hydrogéologique sera complétée par une reconnaissance géophysique dont les résultats seront précisés par des sondages. L ensemble de ces investigations fait partie de l enseignement des unités de valeur de géologie, hydrogéologie et géologie du génie civil du cursus de géotechnique (cours A1, A2, A4, B3, B4, TPA1, A2, C4). B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 2
Eboulis plus ou moins consolidés Ecoulement Rivière Substratum marnocalcaire Alluvions Fig 1.2 Coupe géologique simplifiée B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 3
2. Après, et seulement après ces investigations, le géotechnicien à partir de sondages complémentaires et d essais de laboratoire identifiera et classera les sols en vue d applications : terrassement, fondations superficielles, profondes Cette partie fait l objet des cours B1, B6 et TPB0. 3. Le sol étant identifié et classé, le géotechnicien choisira la loi rhéologique du sol saturé ou non saturé, qui représentera le mieux le comportement de l interaction solstructure. Il déterminera les paramètres pertinents de la loi par des essais de laboratoire et des essais in situ. Lois et déterminations des paramètres sont traités dans les cours B1, B2, B6, B7 et TPB0. 4. Muni de la loi de comportement du matériau sol et des lois d interaction solstructure le géotechnicien, concevra, dimensionnera, vérifiera ses ouvrages vis à vis de leur stabilité et de leurs déplacements et déformations. Stabilité du soutènement de la fouille par clouage et vérification que les déplacements du sol à l amont sont compatibles avec la structure de l école existante. Terrassement à l aval du soutènement cloué. Stabilité de la paroi moulée, de ses déplacements, dimensionnement des tirants d ancrage. Terrassement à l aval de la paroi moulée Ces différentes techniques, les calculs, dimensionnements, vérifications sont enseignés dans les cours B1, B6, B7. 5. Enfin le calcul des ouvrages fait partie du domaine du génie civil, dimensionnement du coffrage et du ferraillage des semelles et de la paroi en béton. Cette dernière partie est enseignée dans le cours B5 En conclusion, tout spécialement pour les projets importants à réaliser dans des conditions difficiles, la conception, le dimensionnement, la réalisation et le contrôle des ouvrages liés au sol nécessitent l intervention des 3 disciplines que sont : la Géologie, la Géotechnique et le Génie Civil. Le domaine de ces cours B1, B6, B7 (B1 = B6 B7 ) est donc la Géotechnique. La norme XP P 94010 (décembre 1996) donne une définition officielle de la géotechnique : «Science qui étudie les sols sous tous les aspects qui intéressent l ingénieur de génie civil : mécanique des sols, mécanique des roches, géologie de l ingénieur, technique de travaux, technique de construction» Le domaine de ce cours est donc plus limité puisque qu il ne recouvre pas la mécanique des roches enseignée en B2 et la géologie de l ingénieur au cycle A et en B3. B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 4
2 Définition des roches et des sols Qu appelleton roche et sol et comment les distinguer? En géologie, la roche est un matériau de l écorce terrestre quel que soit son état, solide et consolidé (granite sain), solide mais meuble (sable), liquide (pétrole), gaz. En géotechnique, la roche est une formation géologique dont les éléments sont fortement soudés entre eux (granite sain), le sol (une arène granitique, altération du granite sain, par exemple), est une formation géologique dont les éléments ont des liaisons nulles (sable, gravier) ou faibles (limon, argile) entre eux. On rencontrera tous les états intermédiaires entre la roche et le sol, par exemple les sols indurés et les roches tendres. On notera que le géologue, sur la carte géologique, donne généralement aux roches altérées (sols pour le géotechnicien) le même mode de figuration qu'aux roches saines. Il appartient donc au géotechnicien en fonction du type de roche de faire les investigations nécessaires afin de déterminer l épaisseur de roche altérée qui aura un comportement de sol. 3 Formation des sols Roche Sol Fig.1.3 Transformation de la roche en sol D où proviennent les sols? Tout simplement des roches (Fig.1.3), mais ils peuvent contenir aussi des matières organiques (vases et tourbes) Suivant les types d altération les sols résultant auront des compositions différentes. Roche la désagrégation physique et mécanique des roches consolidées donne des fragments de roche de même composition que la roche mère : gravier, sable, limon ; donne Roche la décomposition physicochimique de la roche en place ou des fragments de roche Des nouveaux composés : argiles B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 5
Dans les cas les plus généraux un sol peut contenir des fragments de roche, des particules d argile et des matières organiques. Les vides entre ces différents éléments, généralement appelés pores ou interstices sont remplis d eau et d air (Fig.1.3) les vides ne contiennent pas d eau, le sol est sec ( pratiquement impossible sur site), si tous les vides sont remplis d eau le sol est saturé (sol sous la nappe), si les vides sont remplis d eau et d air le sol est non saturé. 3.1 Désagrégation physique et mécanique des roches Le facteur principal est le Climat qui agit par la température et l eau. Sous l action de la température et aussi des contraintes les minéraux qui composent la roche vont se déformer. ces minéraux ont des propriétés physiques et mécaniques différentes les déformations différentielles provoqueront des fissures (quartz et feldspath dans le granite par exemple). L eau qui s infiltre dans les fissures peut entraîner des grands éboulements par la poussée qu elle exerce (ex : Grand écroulement de RANDA). L eau sous forme de glace augmentant de volume désagrège les roches déjà fissurées. 3.2 Altération physicochimique Les facteurs principaux sont la Pétrographie et le Climat. 3.2.1 Altération des roches magmatiques et métamorphiques L altération des roches magmatiques et métamorphiques se produit par hydrolyse de certains minéraux. Certains minéraux sont «inaltérables» comme le quartz, d autre par contre sont altérables, comme le feldspath qui se transforme en argile. Par exemple le Granite (Roche) : quartz mica blanc feldspath se transforme en Sol : arène granitique (sol) grains de quartz grains de mica blanc particules d argile (Fig.1.4) B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 6
Fig.1.4 Arène granitique rubéfiée et granite altéré. Flanc sud du massif granitique du Mont Lozère (D. Deprez) Un même type de roche soumis à des climats différents peut donner plusieurs types d altération. L'épaisseur de l'altération sera d'autant plus importante que la température est élevée et la pluviométrie importante. 3.2.2 Altération des roches sédimentaires Le facteur principal est l eau Par dissolution des calcaires sous l action d eaux chargées en CO 2 CaCO 3 CO 2 H 2 O Ca(CO 3 H) 2 Produit des karsts (vides) et des Argiles résiduelles de décalcification (Fig.1.5) B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 7
Fig.1.5 Mini karst fossile dans la craie comblé par des limons à silex de surface Région de Saint Fargeau (D.Deprez) Le Gypse très soluble dans l eau provoque des fontis (Fig1.6) Fig.1.6 Affaissements dus à la dissolution du gypse du Trias provençal. Barjemont (D. Deprez) Par hydratation : l anhydrite dont la variété hydratable augmente fortement de volume (60%) Par oxydation à l air humide: la pyrite (marnes noires, schistes pyriteux) : désagrégation très rapide. B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 8
3.3 Transports des produits de désagrégation et d altération Les agents principaux sont la pesanteur, l eau, le vent, la glace PESANTEUR (comme facteur principal) : entraîne ou produit des éboulis de débris de toutes dimensions, granularité très étalée, les plus gros blocs se trouvent dans le bas, les colluvions désignent des dépôts de bas de pente de granularité assez fine Grands glissements Coulée boueuse et laves torrentielles (pesanteur eau) : particules argileuses blocs eau dans torrent en crue VENT : dépôts de grains assez fins sur de longues distances, limon, lœss sur des grandes superficies (Russie, Chine, Roumanie) pouvant atteindre de grandes épaisseurs de 30 à 40m. Sols très délicats, leur structure macroporeuse s affaisse quand l eau s infiltre dans le sol occasionnant des tassements pouvant aller jusqu à 15% de l épaisseur de la couche de lœss. EAU : alluvions fluviatiles composées de dépôts de grains de plus en plus fins en descendant vers l embouchure, matériaux de granularité assez étalée. Les alluvions anciennes, sont généralement des matériaux granulaires, de bonne portance, de faible compressibilité et de perméabilité importante. Les alluvions modernes, contiennent beaucoup plus de fines que les précédentes, de faible capacité portante, compressible et peu perméables. Les vases des estuaires sont composées essentiellement de particules argileuses et de matières organiques. Les dépôts marins, sur des gisements étendus ont une granulométrie fine et uniforme (sable de Fontainebleau, par exemple). GLACE : L'érosion glaciaire conduit à une granularité très étendue et les moraines peuvent comporter des blocs de grandes dimensions. Les glaciers s étant étendus beaucoup plus qu actuellement au cours de l ère quaternaire, on peut rencontrer des moraines assez loin des glaciers actuels. La composition granulaire et pétrographique des moraines est très hétérogène ; on y rencontre des blocs anguleux de toutes tailles et de nature très diverse, provenant de l ensemble du bassin versant, le plus souvent emballés dans une matrice argileuse (argile à blocaux) Ces terrains ont été surconsolidés par le poids des glaciers qui pouvaient atteindre plusieurs kilomètres d épaisseur pendant plusieurs milliers d années. B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 9
4 Définition géotechnique des sols On a vu qu un sol pouvait contenir 3 phases (Fig.1.7) solide squelette du sol : assemblage des particules solides minérales et/ou org liquide différentes formes d eau gaz vapeur d eau, air Fig.1.7 Modèle de sol 4.1 Phase solide Le squelette du sol est un assemblage des particules de sol minérales et/ou organiques. On peut adopter une première classification qui permet de séparer les sols en 2 grandes familles ; les sols grenus, les plus grossiers, des sols fins, les plus petits, avec comme coupure : 60 µm Sols grenus d > 60 µm Sols fins d < 60 µm Cailloux, grave, sable Limon, argile Avec d, diamètre équivalent des grains. 4.1.1 Les sols grenus On distingue dans les sols grenus en partant des plus gros : les blocs, les cailloux (fragments de la roche mère) d > 60mm : éboulis de pente, alluvions grossières, moraines ; les graves (fragments de la roche mère) : sédiments détritiques généralement formés de plusieurs minéraux : 2 mm < d < 60mm ; les sables (fragments de la roche mère) : sédiments détritiques généralement formés d un seul minéral : 60µm < d < 2mm 4.1.2 Les sols fins On distingue dans les sols fins en partant des plus gros : B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 10
les limons (fragments de la roche mère) : mélange de grains très fins de sable, mêlés en général à des particules argileuses : 2 µm < d < 60 µm les argiles (altération physicochimique de certains minéraux des roches) : particules < 2 µm La figure 1.8 donne la classification granulométrique de description générale des sols. Tamisats cumulés (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Argile limon Sable Gravier Cailloux 2 µm 60 µm 2 mm 60 mm 200 mm Fig 1.8 Première classification de description générale des sols Les argiles sont d abord définies, comme on vient de le voir, par rapport à la taille des particules inférieures à 2µm, mais il est nécessaires de développer quelques notions de microstructure des argiles pour mieux comprendre leur comportement, complexe, macroscopique. 4.1.3 Structure des argiles Les argiles sont des phyllosilicates d aluminium hydratés. Les argiles ont une organisation complexe, la description suivante va de la structure de base à la texture des argiles et concerne : Couches Feuillets Particules élémentaires Cristallites B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 11
4.1.3.1 Les couches d éléments Les couches d éléments sont composées de tétraèdres (Fig.1.9) ou d octaèdres(fig.1.10). : atome de silicium : atome d'oxygène Fig.1.9 Couche tétraédrique La couche tétraédrique est composée de tétraèdres 4 entourés de quatre anions O 2 aux sommets (Fig.1.9). La couche octaédrique est constituée d Al 3, généralement, entourés de six hydroxyles OH (Fig.1.10) Al Al : atome d'aluminium : hydroxyles Fig.1.10 Couche octaédrique 4.1.3.2 Les feuillets élémentaires On distingue 2 types de feuillets élémentaires Les minéraux argileux sont classés en deux familles Les feuillets 1/1 formés d une couche tétraédrique et d une couche octaédrique (Fig.1.11) (kaolinite) 1/1 Al 0,72 nm Fig.1.11 schéma du feuillet 1/1 B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 12
Les feuillets 2/1 formés d une couche octaédrique entourée de deux couches tétraédriques (Fig.1.12). illites, smectites, interstratifiés, chlorite Al 0,96 nm Fig.1.12 schéma du feuillet 2/1 Les liaisons entre les couches composant les feuillets sont très rigides. 4.1.3.3 Particules élémentaires Les particules élémentaires sont constituées par un empilement de feuillets élémentaires 4.1.3.4 Cristallite ou tactoïde Les cristallites ou agrégats ou tactoïdes sont composés de plusieurs particules 4.1.3.5 Texture Les cristallites s organisent en unités morphologiques. On peut distinguer par exemple des structures floculées, bord face et des structures dispersées faceface. (Fig.1.13) Fig.1.13 Texture des argiles 4.1.4 Physicochimie des argiles Des substitutions isomorphiques d ions dans la structure des feuillets de certaines argiles créent des déficits de charges électriques qui doivent être compensées par des cations compensateurs ou cations échangeables situés dans les espaces interfoliaires. Les bords et les faces des particules primaires peuvent être chargés positivement ou négativement. Par exemple si on remplace dans les tétraèdres un S i 4, par un Al 3 (substitution isomorphique) des charges négatives vont apparaître sur les faces des particules (Fig.1.14) B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 13
surface négative Couche compacte Couche diffuse Solution Fig.1.14 Charges des faces de la particule argileuse Dans une solution aqueuse, les particules s entourent d un certain nombre de cations échangeables pour que le système eauargile acquière l électroneutralité par compensation des charges L existence des charges électriques sur les surfaces des particules argileuses entraîne une orientation des molécules d eau polaire au voisinage de la particule. Les ions H et OH répartis autour de la particule constituent une double couche électrique caractéristique des colloïdes (Fig.1.15) = = = = = = O = H H Molécule d'eau Particule d'argile chargée négativement Fig.1.15 Dipôles d eau Près de la surface des particules il y a un excès de charges positives par rapport aux charges négatives, loin de la surface on a une concentration égale entre les cations et les anions. On considère une double couche électrique diffuse composée (Fig.1.16) d une couche d eau compacte, adsorbée au solide, de Stern d une couche diffuse de Goüy et Chapman B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 14
surface négative Couche compacte Couche diffuse Solution Fig.1.16 Double couche électronique 4.1.5 Etude expérimentale des caractéristiques de surface des particules d argile. On peut obtenir les caractéristiques de surface des particules d argile suivant différents essais de laboratoire, la plus utilisée couramment sur les chantiers étant l essai au bleu de méthylène. 4.1.5.1 Mesure de la Capacité d Echange Cationique C.E.C Les argiles peuvent adsorber des cations H, Na, K, Ca, NH 4 et des dipôles d eau. sur les faces basales et éventuellement dans les espaces interfoliaires. La C.E.C représente le déficit de charge de particules exprimé par le nombre de cations attirés à la surface de l argile et nécessaire pour atteindre l électroneutralité. Ce phénomène de substitution superficielle d ions est mesuré pour un sol argileux par sa capacité d échanges de cations (C.E.C), que l on définit comme le nombre de milliéquivalents de cations susceptibles d être adsorbés d une façon réversible par 100g de sol. 4.1.5.2 La mesure des surfaces par physisorption La B.E.T (Brunauer, Emmet, Teller) mesure essentiellement la surface externe des particules argileuses. Il s agit d une méthode d adsorption gazeuse (azote) Les molécules d azote qui ne pénètrent pas entre les feuillets des argiles gonflantes se fixent uniquement sur les surfaces externes. 4.1.5.3 La mesure des surfaces par chimisorption L adsorption chimique permet de mesurer la surface spécifique totale. Parmi les méthodes utilisées on citera comme adsorbat, l éthylèneglycol et surtout le bleu de méthylène. L adsorption chimique irréversible de bleu de méthylène s effectue avec libération équivalente de cations échangeables. On dose par des méthodes chimiques la quantité de bleu de méthylène fixé, mais on le verra aussi beaucoup plus simplement par l essai à la tâche. 4.1.6 Principaux types d argile Parmi les deux cents types d argile on rencontrera dans les travaux liés à la géotechnique essentiellement les argiles monominérales suivantes : la kaolinite, l illite et la montmorillonite. B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 15
4.1.6.1 Kaolinite La kaolinite ne présente aucune substitution isomorphique, les charges disponibles pour la fixation de cations hydratables ne se trouvant qu en bordure des feuilets élémentaires. Le diamètre de la particule est de l ordre de 1µm Le feuillet élémentaire est 1/1, la particule élémentaire comporte quelques dizaines de feuillets (photo de la figure 1.17). N ayant pas de substitution isomorphique les liaisons entre feuillets sont très stables. Al Al Al Al 4.1.6.2 Illite Le feuillet élémentaire est 2/1. Fig1.17 Kaolin d Arvor d après Fourati (1999) Dans les couches tétraédriques un cation 4 sur quatre est remplacé par un cation AL 3. Le déficit de charge qui en résulte est compensé par des ions potassiums K anhydres situés entre les feuillets. Le potassium situé entre les feuillets compense les charges internes et bloque toute hydratation et expansion foliaire (Fig1.18). La particule primaire d illite comporte une dizaine de feuillets qui lui donne une largeur de 0,3 µm et une épaisseur de 10 nm. B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 16
Al Al Al K K 0.96 nm Fig.1.18 Illite 4.1.6.3 Montmorillonite Le feuillet élémentaire est 2/1. OH OH OH n couches de H 2 O et de cations échangeables OH Hydroxyles Atome d'aluminium, de fer, de magnésium Atome d'oxygène et Atome de silicium ou d'aluminium Fig.1.19 Montmorillonite Pour la montmorillonite, le déficit de charge interne aux feuillets est provoqué par des substitutions de cations Al 3 en couche octaédrique par des cations Mg 2. Ce déficit de charge qui en résulte est compensé par des cations hydratés échangeables localisés entre les feuillets (Fig.1.19). L épaisseur des feuillets dépendra de l état d hydratation. Le nombre de feuillets dépend des paramètres minéralogiques, la nature des cations échangeables et la concentration en sels de la solution. L unité morphologique est un assemblage bord à bord de particules primaires qui constituent des rubans plus ou moins chiffonnés. Le mécanisme de l hydratation est dominé dans les montmorillonites par la porosité interagrégats et la porosité interparticulaire (Fig.1.20). B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 17
B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 18
Fig1.20 Clichés pris au MEB de la structure de la montmorillonite B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 19
Le tableau 1.1 synthétise et compare les caractéristiques de ces trois argiles. B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 20
B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 21
Type d'argile Feuillets Elémentaires Nombre de feuillets par particule Dimensions d'une particule largueur épaisseur en µm en µm Surface spécifique en m 2 /g C.E.C en meq/100g Kaolinite 100150 1 0,1 2070 315 Illite 10 0,3 0,01 65180 1040 Montmorillonite (Na) 1 0,1 0,001 800 100 Sur les chantiers il est très rare d avoir une argile monominérale, généralement l argile sera composée de plusieurs types d argile. Plus généralement encore le sol peut être composé d argile et de fractions plus grossières, limon, sable, gravier. On considère qu il faut au moins 40% d argile dans un sol pour considérer qu on a un matériau argileux pour lequel l argile impose ses propriétés à l ensemble du sol. A taux d argile comparable la nature des minéraux argileux est d une importance capitale. Les montmorillonites ont des propriétés de gonflement, des propriétés d échanges et d adsorption aptes à retenir certains polluants. Le terme bentonite est utilisé pour tout matériau argileux contenant au moins 60% de montmorillonite. Ce sont les travaux de D. Tessier qui ont permis de montrer comment la nature minéralogique des argiles intervient dans la stabilité structurale et l organisation des matériaux argileux lorsqu ils sont soumis à des contraintes mécaniques et hydriques. Les conductivités hydrauliques diminuent considérablement en passant des kaolinites ou illites aux smectites. 4.1.7 Matières organiques Les vases et les tourbes renferment 2 types de matières organiques : des matières organiques libres : débris végétaux et résidus animaux ; B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 22
des matières organiques liées : colloïdes humiques fixés à la phase minérale. La transformation de la matière organique fraîche en humus colloïdal est l humification. La transformation des tourbes franches en tourbe amorphe est la tourbification ; suivant le degré de tourbification les propriétés physicochimiques seront différentes (Fig.1.21). Le complexe argilohumique est l association intime de la phase argileuse et des matières humiques. La matière organique a un rôle important dans le comportement des sols. la matière organique est peu évoluée et abondante (tourbe fraîche) sa texture retient beaucoup d eau et est très compressible. T h % 30 Tourbes amorphes 25 Tourbes franches 20 ρ d (kg/m3) 0 100 200 300 Relation entre le taux d'humidification T h et la masse volumique sèche de quelque tourbes Fig.1.21 Relation entre le taux d humification T h et la masse volumique sèche de quelques tourbes d après Vidalie (1977) 4.1.7.1 Les tourbes Elles se trouvent à 90% dans les régions tempérées et froides de l hémisphère nord, principalement au Canada, en Russie, aux EtatsUnis, en Europe du Nord, mais on rencontre aussi des tourbières tropicales en Asie du SudEst, en Martinique, en Guadeloupe. La tourbe résulte de l accumulation de végétaux décomposés en milieu aqueux à l abri de l air sous l action de champignons et de bactéries La tourbe est un mélange hétérogène de végétaux plus ou moins décomposés et de matériaux inorganiques qui tend à libérer dans l atmosphère au moins une partie de son carbone. On distingue deux grandes catégories de tourbières. Les tourbières plates sur sols calcaires, marécageuses, alimentées en eau par le substratum. Elles ont un ph neutre à basique. Elles prennent naissance dans des cuvettes marécageuses, des étangs, des lacs. En pays calcaire entre les couches de tourbe peuvent s intercaler des précipitations de calcaire lacustre, de même des éléments détritiques : sable, gravier, vase peuvent se mélanger à la tourbe (petits affluents de la Somme, affluents de l Adour) B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 23
Les tourbières littorales se formant sur des fonds lagunaires, dans des estuaires, des baies fermées ; elles sont composées de couches alternées de tourbe et de sable marin (basse vallée de la Dives) Les tourbières tropicales liées à la formation de mangroves (Martinique, Guadeloupe) Les tourbières hautes (raised bogs, en anglais) sur sols siliceux ; elles reçoivent leur alimentation en eau des précipitations atmosphériques, elles ont un ph acide. La structure de la tourbe varie depuis une masse presque entièrement formée de débris végétaux jusqu à une masse amorphe, finement colloïdale. L accumulation peut se maintenir sur de longues périodes et aboutir à des puissances qui peuvent atteindre 30m. Elles se caractérisent par des teneurs en eau très élevées et une masse volumique sèche très faible. Les travaux de génie civil concernent essentiellement les tourbières plates, littorales et tropicales. Un exemple de traversée d une zone tourbeuse par l autoroute A26 est donné sur la figure 22. Canal Somme Tourbe Limon argilosableux Limon organique Tourbe Limon sableux Limon craie Limon gris à granules Granules de craie Craie Craie Fig. 1.22 Traversée de la vallée de la Somme par l autoroute A26 4.1.7.2 Les vases Les vases sont des sols contenant plus de 90% de particules inférieures à 0,2mm, dont la matière organique M.O est comprise entre 2 et 10%. Elles sont composées de sable, limon, argile et de colloïdes organiques. Elles sont lacustres, et sont en particulier très abondantes dans les estuaires. Elles sont fréquemment thixotropes. La figure 1.23 donne un exemple de passage de remblai de l autoroute A10sur une épaisseur importante de vase B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 24
10 5 Argile limoneuse 0 Vase molle 5 Vase miconsistante 10 Substratum calcaire et marneux Fig. 1.23 Traversée de la vallée de la Charente par l autoroute A10 (d après Scetauroute, 1986) 4.2 Phase liquide Les différents états de l eau sont L eau de constitution des minéraux l eau adsorbée : "eau de double couche" très visqueuse, elle n'est pas déplacée par les forces de pesanteur, elle fait partie de la phase solide du sol A partir de la nappe on a successivement (Fig. 1.24) : l eau libre : eau de la nappe qui circule dans les vides du sol sous l'effet de la gravité l eau capillaire : retenue par les forces de capillarité, s'élève audessus de la surface piézométrique, on distingue : Eau capillaire continue, remplit la totalité des pores Eau capillaire isolée, remplit une partie des pores qui contiennent de l'eau, de la vapeur d'eau, de l'air B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 25
Air Eau capillaire isolée eau capillaire continue Nappe : eau libre 4.3 Phase gazeuse La phase gazeuse est composée : Air dans un sol "sec" Fig.1.24 Différents types d eau Mélange d'air et de vapeur d'eau dans les sols partiellement saturés 5 Les points forts Un sol est composé de 3 phases : Solide, liquide, gazeuse dans des proportions qui varient avec le temps : sol sec, partiellement saturé, saturé. L'interaction entre ces 3 phases en fait un matériau de comportement complexe. La phase solide est généralement un mélange de sols grenus (cailloux, graves, sables) et de sols fins (limons, argiles) qui peut comporter également des matières organiques. B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 26
Bibliographie Tessier D (1975). Recherches expérimentales sur l organisation des particules dans les argiles. Application à l étude de 4 pâtes argileuses «calciques» en voie de dessiccation. Thèse pour l obtention du diplôme d ingénieur CNAM, laboratoire de géologie appliquée. Tessier D (1984). Etude expérimentale de l organisation des matériaux argileux. Hydratation, gonflement et structuration au cours de la dessiccation et de la réhumectation. Thèse de doctorat ès sciences, université de Paris VII. Marcoen JM, Tessier D, Miller JP (.). Critères de sélection des argiles comme barrière antipollution. Norme XP P 94010(décembre 1996) Sols : reconnaissance et essais Glossaire géotechnique. AFNOR Chenu C, Tessier D (1995). Low temperature scanning electron microscopy of clay and organic constituents and their relevance to soil microstructures. Scanning Microscopy, Vol 9, n 4 : pages 9891010. B6 Chapitre1 (version 8/10/02) CNAM Paris GEOTECHIQUE C. PLUMELLE 27