Chapitre 3 Les Sols - mesonline.org€¦ · sols et en déduire ses caractères physico-chimiques et mécaniques généraux ; •géotechnique: une étude des propriétés plus spécifiques

Chapitre 3 – Les Sols 020MAGS1 – MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION

020MACGS1 - MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION - FARAH HOMSI 1

Plan 3.1. Introduction

3.2. Les Roches en Géologie

3.3. Les sols en Géotechnique

3.4. Granulométrie et Classification des Sols

3.5. Propriétés mécaniques des sols

3.6. Techniques de renforcement des sols meubles


3.1. Introduction Avant toute construction (route, immeuble, ouvrage d’art, monument, aménagement), on doit s’assurer que le sol sur lequel on souhaite construire est apte à supporter durablement les charges qui vont lui incomber.

Pour ce, il faut vérifier: • sa résistance mécanique

• la qualité dans le temps des matériaux qui le composent,

• Le rôle que le climat peut jouer sur les caractéristiques du sol, notamment avec les variations dues aux périodes de sècheresses et/ ou de fortes pluies.


3.1. Introduction Trois approches de caractérisation des sols:

• géologique : une bonne connaissance des différentes roches et de leurs caractéristiques est indispensable pour identifier les matériaux constitutifs des sols et en déduire ses caractères physico-chimiques et mécaniques généraux ;

• géotechnique : une étude des propriétés plus spécifiques du sol d’un point de vue physique, mécanique et hydrologique permet de prévoir le comportement du sol sous l’action des charges et de l’eau ;

• mécanique : une recherche des propriétés des matériaux permet d’en déduire les déformations du sol sous charge, et de tenir compte des résistances à la rupture.










Dures

Compactes

Roches

Meubles

Friables

Sols


Géotechnicien

Géologue

Roches

3.2. Les Roches en Géologie 1. Les roches magmatiques:

• Le magma qui se trouve sous la croute terrestre est un mélange de roches en fusion sous des fortes températures et des pressions élevées.

• Lors d’éruptions volcaniques ou sous l’effet de pressions tectoniques, ces roches traversent la lithosphère (l’enveloppe solide de la croute terrestre) et se retrouvent en surface.



• Elles cristallisent dans la lithosphère puis arrivent en surface après leur solidification

• Massives: exemples granit (caractère acide) et gabbro (caractère alcalin)

Roches plutoniques

• Elles cristallisent lors de leur refroidissement à la surface après une remontée rapide

• Stratifiées ou en colonnes: exemples trachytes (caractère acide) basaltes (caractère alcalin)

Roches volcaniques




Granit Gabbro Trachytes Basaltes

Roches plutoniques Roches volcaniques


La finesse des structures est liée à la vitesse de refroidissement du magma:


Refroidissement Très Lent

• les cristaux sont visibles à l’œil nu, avec des dimensions pouvant atteindre plusieurs centimètres

• Exp: trachytes et des basaltes

Refroidissement moyennement lent

• le matériau est microcristallin, et les cristaux sont le plus souvent invisibles à l’œil nu

• Exp: granit

Refroidissement rapide

• le matériau est vitreux

• Exp: obsidienne

3.2. Les Roches en Géologie 2. Les roches sédimentaires:

• Ces roches sont formées à partir des dépôts (les sédiments) laissés par les eaux qui les ont transportés dissouts puis décantés.

• Cette formation se déroule donc en trois étapes :

• la dissolution (à partir soit de roches solubles, soit de décompositions organiques),

• le transport

• le dépôt appelé sédimentation.

• Une transformation en roche s’opère ensuite sur des longues durées (compaction, cimentation) : la diagenèse.

• Cette catégorie de roches présente une diversité très importante. En fonction de leur origine, on peut distinguer:

Dissolution

Transport

Dépôt



les

roch

es

dét

riti

qu

es

• proviennent de la dissolution de débris de roches

• roches meubles: exp sable, limons et argiles

• roches plus compactes: exp grès ou pélite R

och

es c

arb

on

atée

s • à base de calcaire

• roches poreuses

• facilement solubles dans l’eau

• Exp: calcaires et marnes


Calcaire Pélite


les

évap

ori

tes • issues de précipitations des sels

suite à leur concentration dans une eau qui s’évapore

• roches facilement solubles

• Exp: le sel gemme, l’anhydrite et le gypse

les

roch

es

com

bu

stib

les • proviennent de la décomposition

de débris végétaux, transformés avec le temps en sous-sol par la température et la pression

• roches carbonées

• Exp: la tourbe, les lignites, la houille, les anthracites et la dolomite


Gypse Houille

3.2. Les Roches en Géologie 3. Les roches métamorphiques:

• Les roches métamorphiques sont dérivées des roches déjà évoquées, mais elles se sont transformées avec le temps sous l’action de la température et de la pression lors de mouvements tectoniques.

• Leur structure a donc été modifiée, et si leur environnement chimique s’est modifié, elles ont pu se transformer en composition.

• On trouve dans cette catégorie quatre types de roches: • le gneiss (un mélange de quartz, de feldspath et de mica);

• les quartzites (transformation du mica);

• les schistes (transformés en feuillets, fabrication d’ardoises);

• les marbres (calcaires ou dolomites transformés).


Quartz Schistes








3.3. Les roches en géotechnique • L’ensemble du sol est composé de grains solides – plus ou moins poreux – qui forment son squelette, mais il comporte aussi du gaz (le plus souvent de l’air, avec ou sans vapeur d’eau) et de l’eau.

1. Le squelette solide

• La transformation de la roche peut se faire selon un processus physico-mécanique (broyage) suivi ou non d’une attaque chimique.

• S’il n’y a pas eu d’attaque chimique, les grains du sol sont de taille généralement supérieure à 2 μm ; dans le cas ou une attaque s’est produite, les particules du sol sont plus fines.


3.3. Les roches en géotechnique 1. Le squelette solide

• Pour les grains les plus fins, le squelette est composé d’argile, et le sol a un comportement complexe.

• En effet, les particules de petites tailles (d < 1 μm) développent une grande surface spécifique qui engendre des forces importantes d’interaction superficielle entre particules.

• Selon les diamètres d des particules, une première classification des sols peut être proposée.

Classe Diamètre des particules

Blocks rocheux D > 200 mm

Caillous 20 mm < d < 200 mm

Graviers 2 mm < d < 20 mm

Sables Grossiers 0,2 mm < d < 2 mm

Sables fins 20 μm < d < 0,2 mm

Limons 2 μm < d < 20 μm

Argiles d < 2 μm


3.3. Les roches en géotechnique 2. Les phases dans le sol

• Un sol est composé de trois phases: • Phase solide (squelette)

• Phase liquide (eau)

• Phase gazeuse (air et vapeur d’eau)


3.3. Les roches en géotechnique 3. Pondération des sols

A partir de ces informations, on peut déterminer divers paramètres tels que ceux qui sont mentionnés ci-après:

• les poids volumiques :

o poids volumique sec : γd (kN/m3) = Ps/Vt;

o poids volumique apparent : γ (kN/m3) = Pt/Vt;

o poids volumique des grains solides : γs (kN/m3) = Ps/Vs;



• les indices liés à l’eau : o teneur en eau : w (%) = 100 × Pw/Ps ;

o degré de saturation : Sr (%) = 100 × Vw/Vv ;

o sols saturés (vides emplis d’eau) pour Va = 0, alors Sr = 100 % et w = wsat;

o poids volumique saturé: γsat (kN/m3) = Pt/Vt avec Va = 0;

o poids volumique immergé : γ’ (kN/m3) = γsat – γw

avec γw = 10 kN/m3(poids volumique de l’eau) ;



• Les indices des vides : o porosité : n = Vv/Vt ;

o indice des vides : e = Vv/Vs ;

o indice de compacité (pour les sables) :

Id (%) = 100 × (emax – e)/(emax – emin),

emax et emin indices e maxi et mini selon un essai normalisé.

Les valeurs que peuvent prendre ces paramètres sont les suivantes

◦ γsat est compris entre 19 et 22 sauf pour les tourbes et les vases ;

◦ γ’ est compris entre 9 et 12 sauf pour les tourbes et les vases ;

◦ Id est compris entre 0 (sable très lâche) et 100 (sable très serré).




Teneur en eau

Poids apparent

Poids sec Poids solide

Indice des vides

Unité W (%) γ (kN/m3) γd (kN/m3) γs (kN/m3) e

Sable 2 - 15 17 – 20 14 – 18 26 – 30 0,5 - 1

Limon 10 - 30 26 – 30 0,4 - 1

Argile Moyenne 20 – 50 16 – 22 10 – 20 26 – 30 0,5 – 1

Argile Molle 50 – 100 16 – 22 10 – 20 26 – 30 10 - 4

Tourbe 80 – 300 3 – 10 3 – 10

TD 3.1. – Calcul de γd à partir de γsat et w Pour un sol, on connait γsat = 19,8 kN/m3 et w = 17,1%.

Calculer γd .


3.3. Les roches en géotechnique 4. Sols cohérents ou pulvérulents

On peut distinguer deux types de sols :

• les sols cohérents ou sols fins (d < 20 μm), avec des interactions fortes entre les particules qui sont maintenues en contact. Ce sont les limons et les argiles ;

• les sols pulvérulents ou sols grenus (d > 20 μm), où ce sont les caractéristiques volumiques qui prédominent, sans lien entre les grains. Ce sont les sables et les graviers.

On définit pour les sols trois états possibles :

• l’état solide quand il y a peu ou pas d’eau ;

• l’état plastique pour des quantités d’eau intermédiaires ;

• l’état liquide quand il y a beaucoup d’eau.


3.3. Les roches en géotechnique 4. Sols cohérents ou pulvérulents - Limites d’Atterberg

Les limites d’Atterberg sont les teneurs en eau par masse de sol sec qui correspondent aux transitions entre les trois états définis ci-dessus, exprimées en grammes d’eau par gramme de sol sec:

• entre l’état solide et l’état plastique, elle est notée WP, c’est la limite de plasticité ;

• entre l’état plastique et l’état liquide, elle est notée WL, c’est la limite de liquidité

La transition entre état solide avec retrait et état solide sans retrait est notée Ws :limite de retrait.



Les limites d’Atterberg sont les teneurs en eau par masse de sol sec qui correspondent aux transitions entre les trois états définis ci-dessus, exprimées en grammes d’eau par gramme de sol sec:



L’indice de plasticite IP du sol correspond à l’étendue du domaine de plasticité.

IP = WL – WP

• si IP < 5, le sol n’est pas plastique ;

• si 5 < IP < 15, le sol est moyennement plastique ;

• si 15 < IP < 40, le sol est plastique ;

• si IP > 40, le sol est très plastique.

Pour un matériau avec IP > 30, les terrassements sont difficiles (mise en place, compactage…).


3.3. Les roches en géotechnique 5. Argilosité et propreté du sol

La VBS (valeur au bleu du sol):

C’est un paramètre destiné à caractériser le taux d’argile mélangée à du sable. Cela permet de prévoir quelle sera la sensibilité à l’eau du sol destiné essentiellement aux constructions routières. Le test est sensible à la valeur de la surface spécifique des grains.

La propreté:

Les mesures de propreté consistent à déterminer la teneur pondérale globale en produits organiques contenus dans un sol.

• pour plus de 2 % de matière organique, il faut s’attendre au tassement des remblais;

• pour plus de 5 % de matière organique, l’usage de ce sol est à proscrire.









3.4. Granulométrie et classification des sols 1. La courbe granulométrique

• La dimension des grains du sol est un paramètre important qui permet de caractériser ce sol de façon claire pour communiquer entre professionnels.

• Un sol possède rarement un squelette composé de grains de dimensions uniques ou même de dimensions voisines, sauf s’il est tamisé.

• On décrit un sol en tenant compte d’une répartition statistique de ses dimensions: courbe granulométrique.



• On passe un sol dans des tamis successifs empilés, de plus en plus fins.

• A la fin du tamisage, on mesure la masse de sol qui est restée dans chaque tamis.



• Pour un tamis de dimension D, on calcule le pourcentage pondéral x des grains dont la dimension est inférieure à cette valeur D.

• On trace ensuite la courbe des valeurs de x en fonction de celles de D selon une échelle logarithmique.

• On obtient ainsi la granulométrie du sol.



• Une fois cette courbe établie, on peut utiliser les indications qu’elle fournit. Pour une valeur de x donnée, on détermine grâce à la courbe la valeur de D correspondante, que l’on note Dx.

• Sur l’exemple, D30 correspond à 0,07 mm (= 70 μm), D10 à 0,001 mm et D60 à 0,7 mm. Pour D30, cela signifie que 30 % de la masse du sol possèdent une dimension de grains qui est inférieure à 70 μm.



• Un sol est appelé sol fin s’il comprend au moins 50 % de grains de dimension inférieure à 80 μm.

• On dira que la granulométrie est uniforme si D60/D10 est inférieur à 3. Dans le cas contraire, elle est dite étalée. Ce rapport est le rapport de Hazen.

• Pour notre exemple, il vaut 700, ce qui signifie que la granulométrie est étalée.


3.4. Granulométrie et classification des sols 2. Abaque de Taylor (Textural Classification)

• Si un sol contient moins de 30 % d’éléments de diamètre supérieur à 2 mm, on utilise un digramme ternaire appelé abaque de Taylor.

• Chaque sommet représente 100 % de l’un des trois constituants du mélange : l’argile (le plus fin), le silt (le moyen), le sable (le plus gros).

• Pour un mélange donné, on se positionne en un point du triangle, et l’abaque de Taylor indique l’appellation du mélange.


3.4. Granulométrie et classification des sols 2. Abaque de Taylor (Textural Classification)

• Une modification de la composition est nécessaire pour les sols ayant des particules de diamètre supérieur à 2 mm.

• Exp: si le sol B est constitué de 20% graviers, 10% sable, 30% silt et 40% Argile, la composition modifiée sera: • Sable: 10 × 100 / (100-20) = 12,5%

• Silt: 30 × 100 / (100-20) = 37,5%

• Argile: 40 × 100 / (100-20) = 50,0%

Argile gravillaire


TD 3.2. – Classification des sols - Taylor Classer les sols suivant en utilisant l’abaque de Taylor.

% Sable

A B C D

Graviers 10 21 0 12

Sable 20 12 18 22

Silt 41 35 24 26

Argile (Clay)

29 32 58 40


% modifiés Sable

A B C D

Sable 22,2 15,2 18 25

Silt 45,6 44,3 24 29,5

Argile (Clay) 32,3 40,5 58 45,5

TD 3.2. – Classification des sols - Taylor Classer les sols suivants en utilisant l’abaque de Taylor.


% modifiés Sable

A B C D

Sable 22,2 15,2 18 25

Silt 45,6 44,3 24 29,5

Argile (Clay) 32,3 40,5 58 45,5

Classe Gravelly Clay

Loam

Gravelly Silt Clay

Clay Gravelly Clay

3.4. Granulométrie et classification des sols 3. Abaque de Casagrande

L’abaque de Casagrande permet elle aussi une classification des types de sols, mais en se référant aux critères lies à la plasticité des sols : l’indice de plasticité IP et la limite de liquidité WL.

Six catégories de sols sont alors identifiées.


3.4. Granulométrie et classification des sols 4. Classification normalisée

• La norme NF P 11-300 est destinée classer les sols en fonction des principaux paramètres de la géotechnique, en vue d’examiner l’aptitude des sols à être utilisés comme remblai.

• Ce classement prend en compte Dmax, D35, la VBS, l’IP, et parfois D12 et D70.

• Cette classification fait donc appel à une analyse géotechnique complète du sol, qui comporte classiquement cinq parties :

• la granulométrie ; • les limites d’Atterberg ; • la valeur au bleu (VBS) ; • l’équivalent de sable (ES ou ESV) ; • la teneur en matières organiques.



• Quatre grandes catégories de sols sont proposées par la norme en fonction de la granulométrie et désignées par une des lettres A, B, C ou D :

• A = sols fins ;

• B = sols sableux ou graveleux avec fines ;

• C = sols avec des fines et des gros éléments ;

• D = sols insensibles a l’eau.

• Chaque catégorie est ensuite partagée en types de sols en fonction de leur indice de plasticité IP et de leur VBS. Après la lettre est alors ajouté un chiffre. Par exemple, B5 correspond a des sols de type ≪ sables et graves très sliteux ≫. On aboutit à quatorze types différents de sols.








3.4. Granulométrie et classification des sols 5. Classification AASHTO • Le sol est classé en 7 groupes majeurs: A-1 jusqu’à A-7.

• Les sols A-1, A-2 et A-3 sont granulaires avec 35% ou moins passant le tamis No. 200.

• La classification AASHTO est basée sur les dimensions des grains et l’Indice de Plasticité du sol.

• Les graviers passent dans le tamis ayant une ouverture de 75 mm et sont retenus sur le tamis No. 10 (2 mm).

• Le sable passe à travers le tamis No. 10 et est retenu sur le tamis No. 200 (0.075 mm).

• Silt et argile passent à travers le tamis No. 200.

• Pour classer un sol, on procède par vérifier les propriétés du sol dans un tableau et on élimine les colonnes qui ne correspondent pas de gauche à droite.


American Association of State Highway and Transportation Officials

3.4. Granulométrie et classification des sols


3.4. Granulométrie et classification des sols 1) Coarse-grained soil (percent passing sieve No. 200 ≤ 35%)

A-1-a, A-1-b: Stone fragments, gravel and sand

A-3: Fine sand

A-2: Silty or clayey gravel and sand

2) Fine-grained soil (percent passing sieve No. 200 > 35%)

GI = (F200 -35) [0,2+0,005 (LL-40)]+0,01(F200-15)(PI-10)

Pour A-2-6 et A-2-7, GI = 0,01(F200-15)(PI-10)


G.I Behavior as subgrade

0 1 2-4 5-9 10-20

Excellent Good Fair Poor Very Poor

TD 3.3. – Classification des sols - AASHTO Classer les sols selon AASHTO et donner leurs GI.


Numéro Tamis

10 40 200 LL (WL) PI (IP)

Ouverture Tamis (mm)

2,00 0,425 0,075

Sol A

% Passants

100 80 58 30 10

Sol B 0 0 95 60 40

Sol C 90 76 34 37 12








3.5. Propriétés mécaniques des sols 1- Le module d’élasticité

• Les sols sont plus ou moins compressibles de façon élastique.

• Les déformations provoquées par la compression sont normales et tangentielles : il y a donc un cisaillement.

• Les modules d’élasticité peuvent prendre des valeurs très différentes suivant le type de sol, allant de plusieurs centaines de MPa à seulement 100 kPa.


3.5. Propriétés mécaniques des sols 2- La Contrainte admissible

• Les règlements définissent trois qualités de résistance suivant les types de sol : une bonne, une moyenne et une mauvaise. Les terrains de mauvaise qualité sont impropres (en l’état) à la construction.


TD 3.4. – Dimensionnement d’une fondation superficielle

Pour un facteur de sécurité de 2,5, quelle doit être la surface d’une fondation superficielle supportant une charge verticale Q=1500kN si la contrainte admissible du sol est qadm = 1,5 MPa?

S ≥ Q × F.S./qadm = 1500 × 103 × 2,5 / (1,5 × 106) = 2,5 m²









3.6. Techniques de renforcement des sols meubles • Le drainage

• Le compactage

• La consolidation


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