Chapitre 1-Proprietes Physiques Des Sols

Mcanique des sols I Chapitre I Proprits physiques des sols Chapitre II Hydraulique des sols Chapitre III Dformations des sols Chapitre IV Rsistance au cisaillement des sols

Chapitre I

Proprits physiques des solsObjectifs de ce chapitre Terminologie de base et dfinitions Essais simples d'identification des constituants des sols Classification des sols

Chapitre I

Proprits physiques des sols1- Dfinition des sols lments constitutifs d'un sol 2- Caractristiques physiques des sols 3- Caractristiques dimensionnelles 4- Structure des sols 5- Essais d'identification sols grenus 6- Essais d'identification sols fins 7- Autres essais 8- Classification des sols1. Dfinition des sols 5. Identification sols grenus 2. Caractristiques physiques 6. Identification sols fins 3. Caractristiques dimensionnelles 7. Autres essais 4. Structure des sols 8. Classification des sols

1- Dfinition lments constitutifs d'un sol1.1 Dfinition des sols Matriaux la surface de l'corce terrestre Rochesgrains minraux fortement lis

Solsaggrgats de grains minraux

1.2 lments constitutifs dun solsquelette solide + eau + gaz effet de la taille libre, capillaire, adsorbe air + vapeur d'eau

1. Dfinition des sols

2. Caractristiques physiques

3. Caractristiques dimensionnelles

4. Structure des sols

2- Caractristiques physiques des sols2.1 Description 2.2 Relations entre les paramtres

2.3 Dtermination des caractristiques physiques2.3.1 Teneur en eau w 2.3.2 Poids volumique 2.3.3 Poids volumique des particules solides s





2.1 DescriptionExistence de trois phases dfinition de paramtres caractristiques des sols

Reprsentation schmatique - volume lmentaire de sol - trois phases spares - volumes et poids de chacune des phases

Wa W Ww Ws

Air Eau Solide

Va Vw Vs Vv V

grandeurs mesurables

0

Wa Ww Ws

Air Eau Solide

Va Vw Vs Vv V

W

W : poids total du sol Ws : poids des particules solides Ww : poids de l'eau V Vs Vv Vw Va

W = Ws + Ww

: volume total (apparent) : volume des particules solides V = Vw + Va : volume des vides entre les particules v V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va : volume de l'eau : volume de l'air

Paramtres dimensionnels Poids volumique

poids volumiques

WS - des grains solides S = VS WW - de l'eau W = VW

WS - du sol sec d = V- du sol satur

sat

WS + W VV Wsat = = V V

W - total (du sol) = VWa Ww Ws Air Eau Solide

- du sol djaug

= sat W

0

Va Vw Vs Vv V

ordre de grandeur

W

1922kN/m333 9 2612 kN/m sable sable27kN/m 14 18 kN/m3 17 20 kN/m3 argile argile 10 20 kN/m3 16 22 kN/m3

Paramtres sans dimension relations volumiques

caractrisation de l'tat du sol

VV - porosit n = V

- teneur en eau

VV - indice des vides e = VS VW 100 - degr de saturation Sr = VVWa Ww Ws Air Eau Solide Va Vw Vs Vv

WW 100 w= WSrelation pondrale

0

ordre de grandeur

W

V

sable entre 1 15% 0,50 1 0,25 100% 0 et 0,50 argile 10 0,80 0,30 20% 0,20 1

2.2 Relations entre les paramtresLes paramtres physiques dfinissent l'tat d'un sol s constant (26,5 kN/m3) - tat de compressibilit poids volumique- quantit d'eau - quantit de vides w ou Sr e ou n

La caractrisation d'un sol ncessite 3 paramtres indpendants- utilisation d'un diagramme de phases - utilisation d'un formulaire relations entre caractristiques physiques

e n= 1+ e

n e= 1n

[1] [2] [3]

Vv * V e n= 1+ e n =1 d s n=

[5]

e= e=

Vv Vs

*

[9] [10] [11]

w=

Ww Ws

*

[6] [7]

n 1n e = s 1 d e= s sat sat w s w w e

w = e Sr w=

w s

1 d 1 1 d s

[4]

n=

s sat s w

[8]

[12] w = S r w

[13]

Sr =

Vw Vv

*

[14]

Sr =

[15]

Sr =

w ( constant) w sat d

[16] [19]

= (1 + w ) d 1+ w = s 1+ es 1+ e

[17] = d + n Sr w [20] =

[18]

s + e Sr w 1+ e

= (1 n) s + n Sr w

[21]

d =

[22]

d = (1 n) s

[23]

= sat w *

[24]

=

s w 1+ e

[25] = ( s w ) (1 n)

[26]

=

s w d s

2.3 Dtermination des caractristiques physiquesEssais d'identification- connaissance du sol - paramtres ncessaires leur classification 3 paramtres indpendants - essais en laboratoire - dispersion des mesures (plusieurs essais) 2.3.1 Teneur en eau w

Ww w= Ws2.3.2 Poids volumique

2 peses : avant et aprs tuve 105oC - poids total - poids solide

W = V

dtermination de W et V 3 mthodes

- immersion dans l'eau - trousse coupante - moule

Dtermination du volume total d'chantillon de sol (V) Mthode par immersion dans l'eau- pese 1 poids de l'chantillon ani - chantillon recouvert d'une couche m paraffine re de on de la couche de paraffine (et son volume) - pese 2 n n lo poids til volume total (chantillon + paraffine) - pese 3 (hydrostatique) c h an

Mthode de la trousse coupante

r e nt m - poinonnement dans l'chantillon gre de la section x hauteur - volume V de l'chantillon l aire on ntill cha ani - remplissage d'un moule jusqu' dbordement r em n - arasage la rgle commell'essai Proctor ti lo c h an

ani em

Mthode du moule

2.3.3 Poids volumique des particules solides s

WS S = VS

pese mesurer de faon prcise(a) pycnomtre (b) pese hydrostatique

Pycnomtre - sol sch puis pes (Ws) - sol dans le rcipient contenant de l'eau distille - enlever les buller d'air - volume d'eau dplac par le sol

eau seulement

eau + sol

volume constant

+ W1

sol sec

= W2 Ww = W2 - Ws

Ws

WS WS WS S = = = w VS Vtot Vw W1 (W2 Ws ) W1 w Ww w WS s = w W1 + Ws W2

3- Caractristiques dimensionnelles3.1 Forme 3.2 Dimensions

3.3 Caractristiques granulomtriques3.3.1 Courbe granulomtrique 3.3.2 Surface spcifique





3.1 Forme

3.2 DimensionsSols pulvrulentsCailloux

Sols finsArgile

Graves Gros sable Sable fin Limon

200mm

20mm

2mm

0,2mm

0,02mm 20m

2m

Diamtre des grains dcroissant

3.3 Caractristiques granulomtriques3.3.1 Courbe granulomtrique Les grains d'un sol ont des dimensions variables quelques m quelques dizaines de cm

Granulomtrie distribution massique des grains suivant leur dimension technique d'obtention diffrente selon le type de sol Sol pulvrulent : tamisage - jusqu' 40 ou 80 m - utilisation de passoires et de tamistrous circulaires mailles carres

- sec pour les gros grains - sous eau pour les matriaux cohrents

Sol fins : sdimentomtrie Tamisat ou granulomtrie laser (passant)

Refus

Log diamtre des grains

Courbe granulomtrique reprsentation graphique donnant : - la masse de tamisat cumul (en %) chelle arithmtique chelle logarithmique - le diamtre des particules

x%

Tamisat(passant) d

x% de grains < d

Log diamtre des grains Caractrisation de la granulomtrie d'un sol utilisation de coefficientscoefficient d'uniformit

D Cu = 60 D10

Cu > 2 granulomtrie tale Cu < 2 granulomtrie uniforme ou serre2 D30 Cc = D60 D10

coefficient de courbure

sols bien gradus matriaux plus denses

Cu = 450 Cc = 2 Cu = 55 Cc = 0,1 Cu = 1,8 Cc = 1,12

3.3.2 Surface spcifique Surface des grains par unit de masse de 0,3 m2/g plusieurs centaines de m2/g Mthodes de mesure Appareil Blaine ou BET

Blaine Mesure de permabilit lair Temps de passage dune quantit dair donne au travers d'un lit de poudre

BET

adsorption physique de gaz basse temprature travaux de Brunauer, Emmett et Teller datant de 1938

calcul de la surface spcifique bas sur le traitement analytique de l'isotherme d'adsorption dtermin exprimentalement - quantit de gaz adsorb en une monocouche complte, - calcul de l'aire de cette couche - calcul de la surface spcifique du matriau

4- Structure des sols4.1 Structure des sols pulvrulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiques





4.1 Structure des sols pulvrulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiquesSol grenud > 20mforces de pesanteur

Sol fin ou cohrentd < 20meffet de surface forces entre les particules

Sol organiquemauvaises proprits gotechniques

Sables

Argiles

comportement des sables dpend de l'tat de compacit proprits gotechniques trs diffrentes comportement des argiles dpend de la quantit d'eau

5- Essais d'identification sols grenuscomportement des sols grenus dpend du squelette solide, peu importe l'tat d'humidit importance de la dimension des grains et de leur tat de compacit

5.1 Essai d'quivalent de sable 5.2 Indice de densit

5. Identification sols grenus

6. Identification sols fins

7. Autres essais

8. Classification des sols

5.1 Essai d'quivalent de sablevaluer la proportion relative d'lments fins dans un sol essai simple et rapide appareillage lmentaire gotechnique routire

Principe fraction < 5mm lavage nergique avec solution lavante repos de l'ensemble

Rsultat floculat gonfl par la solution (particules fines) dpot solide (sable) au fond de l'prouvette

E.S. =

h2 100 h1

Nature Argile pure Sol plastique Sol non plastique Sable pur et propre

Equivalent de sable E. S. = 0 E. S. = 20 E. S. = 40 E. S. = 100

5.2 Indice de densittat de densit dans lequel se trouve un sol pulvrulent effet important sur le comportement mcanique

e max e ID = e max e minSol lche Sol serr e emax e emin

emax et eminindices des vides max et min sur le matriau

ID 0 ID 1

emin et emax dans le cas de matriaux thoriques tat le plus compact emin = 0,35 porosit n = 25,9% /3

Vue en plan

Vue en 3d

emin et emax dans le cas de matriaux thoriques tat le moins compact emax = 0,92 porosit n = 47,6%

Vue en plan

Vue en 3d

6- Essais d'identification sols finscomportement des sols fins - taille des grains forces de cohsion - prsence d'eau changement de consistance

6.1 Limites d'Atterberg6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 Limite de liquidit wL Limite de plasticit wp Indice de plasticit Ip Indice de consistance Ic Ordre de grandeur

6.2 Activit 6.3 Valeur de bleu de mthylne5. Identification sols grenus 6. Identification sols fins 7. Autres essais 8. Classification des sols

Comportement des sols fins avec la variation de wtat solidesans retrait avec retrait

tat plastique

tat liquide

0

ws

wp Ip

wL

w croissant

tat liquide - pas de capacit portante tat plastique - fortes dformations - dformations plastiques

tat solide (avec retrait) - dformations lastiques tat solide (sans retrait) - pas de changement de volume avec la baisse de w

6.1 Limites d'Atterberg6.1.1 Limite de liquidit wL Mthode de Casagrande Teneur en eau pour laquelle une entaille est referme sur 10mm aprs 25 chocs

Mthode du cne de pntration

Vido

En pratique30

Teneur en eau (%)

25

20 10 15 20 25 30 35 40

Nombre de coups

N w L = w 25

0 ,121

6.1.2 Limite de plasticit wp Teneur en eau correspondant une limite arbitraire entre les tats plastique et semi-solide de la consistance d'un sol. cylindre de 3mm de diamtre se brisant en tronons de 10 20mm

Vido

6.1.3 Indice de plasticit Ip

Ip = w L w pHabituellement

tendue du domaine de plasticit - domaine de travail du sol - le plus grand possible

wp < teneur en eau des sols en place < wL 6.1.4 Indice de consistance Ic

w L w nat Ic = Ipliquide trs mou mou

sol en place par rapport l'tat liquide

mi-consistant

consistant

trs consistant

0

0,25

0,50

0,75

1,00

> 1,00

Ic

6.1.5 Ordre de grandeur

Nature Limon Argile limoneuse peu plastique Argiles plastiques Argile de Mexico Bentonite

wL (%) 24 40 114 500 710

wP (%) 17 24 29 125 54

IP (%) 7 16 85 375 656

6.2 Activit

AC =

Ipteneur en arg ile

poids < 2 m poids total sec (< 0,4 mm)

Nature Kaolinite Illite Montmorillonite 0,38 0,9 7,2

Activit (inactive) (normale) (active)

6.3 Valeur de bleu de mthylneArgilosit d'un solQuantit de bleu de mthylne pouvant s'adsorber sur les particules argileuses importance de la surface spcifique Tant que le bleu de mthylne est absorb, il ne colore pas l'eau. On le vrifie en dposant une goutte sur un papier buvard: le centre de la tache est bleu vif (argile ayant absorb le bleu) et l'aurole de la tache reste incolore. A partir d'une certaine dose de bleu, l'aurole se colore aussi : c'est le signe que toute l'argile a puis sa capacit d'absorption. La quantit de bleu consomme est donc une indication de la quantit d'argile. La valeur de bleu (VBS) s'exprime par la quantit de bleu en grammes consomme par 100 grammes de fines.sol sableux sol limoneux sol limoneux-argileux sol argileux sol trs argileux

0

0,2

2,5

6

8

VBS

7- Autres essais7.1 Analyse minralogique Diffraction des rayons Xcomposition minralogique

7.2 Teneur en matire organiquertention d'eau, compressibilit

7.3 Teneur en carbonate de calciumTeneur en CaCO3 (%)0 - 10 10 - 30 30 - 70 70 - 90 90 - 100

Dsignation gotechniqueArgile Argile marneuse Marne Calcaire marneux Calcaire Sols

Roches

5. Identification sols grenus

6. Identification sols fins

7. Autres essais

8. Classification des sols

8- Classification des sols8.1 Sols granulomtrie uniforme 8.2 Sols granulomtrie non uniforme8.2.1 Sols grenus 8.2.2 Sols fins 8.3.3 Sols organiques

Classification : rattachement un groupe de sols de caractristiques semblables Nombreuses classifications dans diffrents pays- USCS - AASHTO - LPC - GTR (remblais et couches de forme)5. Identification sols grenus 6. Identification sols fins 7. Autres essais 8. Classification des sols

Exemple de sondage

Classification GTR

Classification LPC

partir des rsultats fournis par - la granulomtrie - les caractristiques de plasticit de la fraction fine (Atterberg)

Cu faible

Sol

Cu lev

8.1 Granulomtrie uniforme

8.2 Granulomtrie non uniforme

8.2.1 Sols grenussables ou graves

8.2.2 Sols finslimons et argiles

8.2.3 Sols organiques - dcapage - remblayage

tableau

abaque de Casagrande

8.1 Sols granulomtrie uniformeClassification reposant sur le diamtre moyen des grainsSol 8.1 Granulomtrie uniforme 8.2 Granulomtrie non uniforme



8.2.3 Sols organiques

Sols pulvrulentsCailloux

Sols finsArgile

Graves Gros sable Sable fin Limon

200mm

20mm

2mm

0,2mm

0,02mm 20m

2m

Diamtre des grains dcroissant

8.2 Sols granulomtrie non uniforme Majorit des cas Trois types de sols- sols grenus 50% > 80 m 50% < 80 m - sols fins - sols organiques > 10%Sol 8.1 Granulomtrie uniforme 8.2 Granulomtrie non uniforme

8.2.1 Sols grenus Granulomtrie et limites d'Atterberg




8.2.2 Sols fins Limites d'Atterberg critre de plasticit8.1 Granulomtrie uniforme

Sol 8.2 Granulomtrie non uniforme




Ip

wL

8.2.2 Sols organiques exemple : Von Post8.1 Granulomtrie uniforme

Sol 8.2 Granulomtrie non uniforme




Teneur en matire organique (%) 0-3 3 - 10 10 - 30 > 30

Dsignation gotechnique Sol inorganique Sol faiblement organique Sol moyenne organique Sol trs organique fO mO tO Vase Sol tourbeux Tourbe

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Chapitre 1-Proprietes Physiques Des Sols