MECANIQUE DES SOLS 3 ème année

Programme 1. LES SOLS ET LA GEOLOGIE 2. IDENTIFICATION 3. COMPACTAGE 4. CONTRAINTES 5. HYDRAULIQUE 6. TASSEMENT 7.

Cours de mécanique des sols Exercices de mécanique des sols SANGLERATS Cours de mécanique des sols Exercices de mécanique des sols SCHLOSSER Cours de mécanique des sols PHILLIPONNAT Voir bibliothèque : rubrique MDS

CHAPITRE 1 LES SOLS ET LA GEOLOGIE

1/ OBJECTIF Expliquer et quantifier le comportement de matériaux * un examen géologique du site est indispensable * permet de prévoir et d’expliquer certaines propriétés  Pas de limite entre sols et roches (résistance élevée)

2/ SOLS ET ROCHES ET LES MINERAUX QUI LES COMPOSENT  ROCHES ERUPTIVES (écorce terrestre)  ROCHES SEDIMENTAIRES (érosion puis dépôts)  ROCHES METAMORPHIQUES (fortes pressions et T°) (cours de géologie)

PRINCIPAUX MINERAUX A/ ROCHES ERUPTIVES  QUARTZ formé de silice cristallisé SiO2  FELDSPATHS  2 groupes en fonction des cations : Feldspaths alcalins Plagioclases  FELDSPATHOIDES sous saturé en silice  MICAS etc.…

PRINCIPAUX MINERAUX B/ ROCHES SEDIMENTAIRES Se forment à partir déchets de la nature Minéraux : Altération et érosion des roches Végétaux : Transformation chimique des fibres végétales Animaux : Dépôts de coquillage, squelettes.. On distingue 2 types de roches :

1er type de roches (sedimentaires)  ROCHES MEUBLES OU SOLS 1- Argiles / Décomposition des feldspath et des micas Kaolinite Illite Montmorillonite (la bentonite…) (Sensibles à l’eau, Imperméable, Tasse ou gonfle)

2- Marnes / mélange argiles - calcaires (% carbonates de chaux = a) a < 10% argiles franches 10% < a < 30% argiles marneuses 30% < a < 70% marnes 70% < a < 90%......calcaires marneux a > 90% calcaires francs  Sensibles à l’eau diminue quand % calcaire 

3- sables et graviers Sable de rivières, de mer, de dune… 4- Limons ou silts Dépôts fluviaux ou marins Taille de grains entre sable et argiles

5- Vases et Tourbes Dépôts très récents de matière organique (vases) de débris végétaux en site aquatique (tourbes) 6- Charbon et Pétrole (roches sédimentaires) 7- Craie

2eme type de roches  ROCHES proprement dites 1- Conglomérats Bétons naturels 2- Grés Cimentation de sable (idem aux conglomérats) 3- Molasses Mélange calcaire-éléments schisteux- argile

4- Flysch Conglomérat de schistes micacés 5- Calcaires Roches très répandues constituées de carbonate de chaux 6- Gypses Solubles dans l’eau (vide=effondrement «fontis») Fabrication du plâtre Eaux contenant du sulfate (dissolution du gypse) eaux séléniteuses (danger pour le béton)

7- Anhydrites Roches dures S’hydrate en présence de l’eau pour se transformer en gypse Transformation avec un grand gonflement (Un phénomène dangereux pour les tunnels)

Formation des sols et des roches sédimentaires altération mode de dépôts consolidation

 ALTERATION Double processus 1- Désagrégation physique : Variation de T°, érosion action de la végétation (racines), action humaine 2- Altération chimique (effritement) : Modification de la composition chimique (eaux) Rapide dans les régions chaudes et humides Altération d’une roche  formation d’un sol

 MODE DE DEPOT  Formés sur place  transportés  CONSOLIDATION  Consolidation sous le poids de terre  la cimentation  les transformations chimiques  Conduisent du sol à la roche sédimentaire B/ ROCHES METAMORPHIQUES Roches éruptives (cours de géologie)

 LE SOL  Le matériau de base en génie civil  Sert de support pour les ouvrages  Matériau de construction Sa fonction est passive et active MATERIAU DE CONSTRUCTION Carrières :  Digues, Remblais  Barrages en terre  Routes, autoroutes  Pistes d’envol

 FONDATIONS Pour les structures : pptés géotechniques du sol de fondation Superficielles … … sol directement chargé Profondes … … … transmission des charges au delà d’une couche meuble L’ingénieur doit prévoir l’amplitude des tassements

 TALUS ET EXCAVATIONS Surface non horizontale ………. risque de rupture par glissement L’ingénieur doit évaluer : - la hauteur de tranchée sans soutènement - La pente d’un talus (pptés des sols, des écoulements d’eau, de la charge)

 PROBLEMES PARTICULIERS  Les vibrations, les explosions, les séismes (des chocs)  Le gel (variation de volume de l’eau interstitielle)

 SOLUTIONS La mécanique des sols :  pptés physiques, hydrauliques et mécaniques La solution des problèmes cités dépend aussi de :  L’apport géologique (formation des terrains)  La reconnaissance des sols (dépôts, essais in situ)  La mécanique des roches (comportement)  L’expérience  L’économie du projet (le choix)

 CHAPITRE 2 Caractéristiques physiques des sols IDENTIFICATION DES SOLS

 Caractéristiques physiques des sols 1/ CONSTITUANT DU SOL Ensemble de 3 phases  Phase liquide  Phase gazeuse  Phase solide : Minéraux non argileux quartz ….. ….. faible activité de surface Particules argileuses kaolinites, illites, montmorillonites (composant différents de ceux de la roche mère) Particules minérales ou organiques colloïdes ….. ….. très fines et activité superficielle

Phase gazeuse Phase liquide Phase solide CONSTITUANT DU SOL

 PARAMETRES DE DEFINITION DES SOLS ECHANTILLON …..  HOMOGENE  NON REMANIE

air Solide liquide PARAMETRES DIMENSIONNELS Va Va VsVs VV WW Ws Ws W a = 0 Volumes Poids VvVv V w

 Paramètres : diverses proportions V a : volume de l’air W a : poids de l’air =0 V  : volume de l’eau W  : poids de l’eau V v : volume du vide = V a +V v V s : volume des grains solides W s : poids des g. solides V : volume total = V s +V v W : poids total = W s +W   : poids volumique total = W / V  s : poids vol. des grains solides=W s / V s = N/m 3  d : poids volumique du sol sec = W s / V   : poids volumique de l’eau = W  / V   ’ : poids volumique déjaugé (immergé) =  -  

 Paramètres adimensionnels Définissent : 1) Etat de compressibilité (sols pulvérulents) 2) Qttés d’eau et d’air (sols cohérents)  POROSITE n = V V /V  1  INDICES DES VIDES e = V V /V S  DEGRE DE SATURATION S = V  / V V x100% S=0 sol sec ; S=100% sol saturé ; S=x sol triphasique  TENEUR EN EAU  = W  / W S NB ! e et n indiquent la relation du volume du vide / volume de l’échantillon : n = e/1+e e = n/1-n

 IDENTIFICATION DES SOLS  AIDE À LA COMPARAISON DES SOLS Paramètres indépendants  La teneur en eau :  = W – W s / W s après séchage à l’étuve105°  Poids volumique ,  s,  d :  s = W s / V s (pycnomètre)  Indice des vides : e = V v / V s = V-V s /V s = (V/W s )  s - 1

5 - Essai au bleu. 4 - Teneur en eau, 3 - Proctor, 2 - Limites d’Atterberg 1 - Granulométrie, ANALYSE GRANULOMETRIQUE PAR TAMISAGE ANALYSE GRANULOMETRIQUE PAR SEDIMENTOMETRIE  ESSAI d’IDENTIFICATION

1 - GRANULOMETRIE 3/ granulométrie (laboratoire) : 2/ Analyse Granulométrique Prévoir propriétés (perméabilité, aptitude au tassement…) courbe  classification des sols 1/ Identification Pulvérulent ou Cohérent · Tamisage : d > 80  · Sédimentométrie : d < 80  · Centrifugation : d < 0.5  (recherche)

 LE TAMISAGE d > 80  1- Un échantillon 200D < W < 600D D = dimension du plus gros éléments (mm) W = poids de l’échantillon 2- Série de tamis Tamis échantillonage Batterie de tamis

 LE TAMISAGE 6- courbe granulométrique à tracer (diagramme semi logarithmique) (y en ordonnés et D y en abscisse) 3- Refus à peser (retenu sur chaque tamis) 4- % des refus cumulés à calculer 5- % des tamisats cumulés à déduire (poids du sol sec pour chaque tamis de dimension Dy)

courbes

 Loi de Stokes vitesse de chute = f (diamètre, densité, viscosité et  fluide )  LA SÉDIMENTOMÉTRIE  d < 80  Appareil de mesure : DENSITOMETRE

 Quand : F = W particule sédimentera à V = cte  Le poids de la particule : W = 1/6  D 3 (  s -  0 )  s = Pds vol. de la particule sphérique  0 = Pds vol. du liquide (eau + défloculant) Vitesse de sédimentation  résistance opposée par un liquide : F = 3   D V  : Viscosité dynamique - D : Diamètre - V: Vitesse de chute   THEORIE DE L’ ESSAI :

 Concentration initiale = uniforme  Concentration < 30 g/l sols argileux et < 100 g/l sols sableux   APPLICATION AUX SOLS :  Diamètre mm  On mesure un diamètre équivalent (particule de sol non sphérique)

EXPLOITATION DES RESULTATS ET INTERPRETATION GRANULOMETRIE

 Coefficient d’uniformité d’HAZEN (étalement) C U = D 30 / D 10 D 60 Diamètre correspondant à 60% tamisat D 10 Diamètre correspondant à 10% tamisat D30D30 C U < 5 granulométrie uniforme C U > 5 granulométrie étalée D10D10

D 30 D 10 D 60  Coefficient de courbure C C = (D 30 ) 2 / D 60. D 10 granulométrie est selon le cas : étalée ou serrée Continue ou discontinue Bien graduée ou mal graduée

E.S Peut servir en : contrôle Choix sols utilisables en stabilisation sables à béton granulats pour enrobés hydrocarboné Équivalent de sable ES

1- effectué sur des éléments < 5mm 4- on secoue énergiquement 2- échantillon placé dans une éprouvette 5- on laisse décanter 3- solution normalisée pour disperser les particules

Sable propre Floculat Équivalent de sable ES 2- on mesure la hauteur du floculât de sol fin 1- après 20 mn un dépôt solide se forme au fond h 1 h 2 E.S = h 1 /h 2 (%) Équivalent de sable ES

Essai très utile pour l’appréciation de la qualité du sol à faible plasticité (IP < 8)  Géotechnique routière Équivalent de sable ES ES = 0 ………….. argile pure ES < 30 ………….. sol trop plastique 30 < ES <50 …….. sol généralement stabilisé ES > 50…………... sol pulvérulent facilement compacté ES = 100% ……… sable pur

RECOMMANDATION d’après le LCPC  Couche drainante ES > 40  Couche de fondation ES > 20  Couche de base ES > 30  Matériaux tout venant pour matériaux enrobés ES > 50  Sable pour béton ES > 70 Couches de chaussées : plasticité négligeable ou nulle

 Densité relative D r 0 < Dr < 15% sable très lâche 15 < Dr < 35%  lâche 35 < Dr < 65%  moyen 65 < Dr < 85%  compact 85 < Dr < 100%  très compact Précise la compacité actuelle d’un sable D r = e max - e / e max - e min

 2 Limites d’Atterberg On mesure les limites d’Atterberg sur des fractions * Définition des frontières par Atterberg en 1911 * Consistance du sol en fonction de la teneur en eau < 0.5mm (mortier)

 Limite de liquidité  L 1) sol se comporte comme un liquide et s’écoule sous son propre poids Tracé du sillon Coupelle de Casagrande … 2) On remplit la coupelle et on trace une rainure

Ou bien : Limite de liquidité  L 3) fermeture sur 1 cm / 25 coups 4)  L = . (N / 25) Fermeture de la rainure Courbe N = f (  L )  teneur au moment de l’essai à N coups (15 < N < 25) LL

 Limite de retrait  R  Limite de plasticité  p sol perd sa plasticité, friable possibilité de former un rouleau de 3cm se fissure quand on le soulève de 1 à 2 cm par le milieu sol garde un volume constant avec le séchage tous les grains sont en contact

LL SS PP ETAT DU SOL Indice de Plasticité 1. Phase solide sans retrait. pas de changement de volume (lorsque  diminue). contact entre les grains (eau adsorbée diminue) 3. Phase plastique consistance plus importante ne se nivelle plus se déforme sans se rompre mise en commun de l’eau adsorbée 4. Phase liquide sol à consistance faible aspect d’un liquide s’écoule et se nivelle grains indépendants 2. Phase solide avec retrait. déformabilité plus faible. perte de l’eau interstitielle. Début de perte d’eau adsorbée Limite de plasticité Limite de liquidité Limite de retrait 

 Indice de liquidité IL  Indice de consistance IC  Indice de plasticité IP * étendue du domaine de plasticité IP =  L -  P * autant plus élevé que le sol contient de l’argile IP >10 assez argileux * aptitude du sol à supporter les charges * dépend de la consistance du sol IC =  L -  / IP IC = 0 pour les vases IC = 1 pour les argiles Le complément est : IL = I - Ic =  -  P / IP IP > 30 très argileux

 Teneur en argile SKEMPTON propose : < 0.75 : argile inactive (Kaolinites 0.38) 0.75 à 1.25 : normale (Illites 0.9) > 1.25 : active (Montmorillonites 7.2) Abaque de CASAGRANDE  Activité d’une argile Activité = IP / teneur en argile (% < 2  ) W sol sec (<2mm) / W sol (<0.4mm) Ip = .  L -  Par expérience, On a : 0.7 <  < 0.8 ; 13 <  < 17

Abaque de plasticité de Casagrande

 ESSAIS IN SITU 1/ Pénétromètre dynamique 2/ Pénétromètre statique 3/ Pressiomètre 3 essais fondamentaux pour les reconnaissances préalables à l’étude des fondations et pour leur dimensionnement

mesure de la résistance dynamique à l’enfoncement d’un pieu battu 1/ Pénétromètre dynamique estimation de la résistance dynamique de pointe par la formule dite des Hollandais permet : M : masse du mouton P : masse pointe + tiges δ : enfoncement moyen par coup A : section de la pointe H : hauteur de chute du mouton g : 9,81 m/s2 (pascal)

Pénétromètre dynamique

2/ Pénétromètre statique enfoncement à V cste une pointe (cône) 2  mesure du frottement latéral et la pression interstitielle 1  mesure de la résistance à la pénétration 33 Principe

2/ Pénétromètre statique  ne vérifie pas la résistance d’une fondation  permet de détecter : 2  différents passages (couche compressible ou graveleuse) 1  nature des sols traversés ( qualitative) 3  apprécie le compactage de couches de chaussée ou remblaiement de tranchées  ne vérifie pas la résistance d’une fondation

Pénétromètre statique  la pointe est enfoncée à vitesse régulière pointe conique (lente et constante) de donner une indication sur la nature des sols Permet : de mesurer de la résistance de pointe q c et du frottement latéral f s d’utiliser valeur de la résistance de pointe pour le dimensionnement des fondations

1  dû à Louis Ménard 2  Sonde cylindrique dilatable 3  dans un forage à la profondeur voulue 4  Les 3 cellules gonflées par paliers successifs de mesure de garde 3/ Pressiomètre

Lorsque la pression augmente  sol dans une phase pseudo-plastique  calcul du module pressiométrique graphe : V eau injecté dans la cellule de mesure en fonction de la pression appliquée sur le sol Pression limite Pression de fluage Pressiomètre

 EM = K. ∆P/ ∆V  EM et Pl (pression limite)  calcul du tassement  calcul de la contrainte de rupture (fondation superficielle ou profonde) ∆ P = palier de pression appliquée à la sonde ∆ V = augmentation de volume de la sonde K = une constante liée à la géométrie de la sonde (homogène à un volume)  Contrôle in situ de l’amélioration d’un sol (compactage, consolidation dynamique, vibroflotation )