Cours CTN 504 Mécanique des sols Li Li, ing., Ph.D Professeur en géotechnique Département de génie de la construction Bureau: A-1484 Courriel: li.li@etsmtl.ca

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en laboratoire et/ou sur le terrain Essais de mesure en laboratoire et/ou sur le terrain

Contenu Échantillonnage Mesures au laboratoire Mesures in situ Torvane TV Cône suédois Mesures in situ SPT Scissomètres CPT Caractérisation des argiles

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Le prélève des échantillons dépend de l’objectif. Un échantillon non-remanié (impossible!) est nécessaire s’il s’agit de mesurer la résistance de cisaillement et la caractéristique de consolidation. Un échantillon remanié est suffisant s’il s’agit des essais pour classification ou limites d’Atterberg. Carottier fendu (« standard split spoon ») est un des échantillonneurs les plus connus et utilisés. Plus de détail sera donné avec l’essai SPT (standard penetration test). Il fournit des échantillons remaniés. Tube Shelby, Piston stationnaire et l’Échantillonneur de Denison sont les trois méthodes les plus utilisées pour obtenir des échantillons non remaniés.

L’échantillonneur Tube Shelby est un tube métal à paroi mince L’échantillonneur Tube Shelby est un tube métal à paroi mince. Pour obtenir un échantillon, le tube Shelby est poussé hydrauliquement dans les sols. Après prélèvement, l’échantillon est laissé dans le tube pour transport ou sorti par une poussée hydraulique. Piston stationnaire est une adaptation du Tube Shelby par l’ajout d’un piston qui sert à pousser le tube mince dans les sols non remaniés à partir du fond du forage. Échantillonneurs de catégorie non-remaniée: (a) Tube Shelby; (b) Piston stationnaire (tiré de McCarthy 2002)

L’échantillonneur de Denison est un échantillonneur à double parois L’échantillonneur de Denison est un échantillonneur à double parois. Le tube extérieur tourne pour couper les sols. L’échantillon est contenu dans le tube intérieur. Cette méthode permet d’obtenir des échantillons dans des sols durs ou cimentés tandis que les deux premiers seront dangereux à appliquer dans cette situation. Échantillonneur de Denison (tiré de McCarthy 2002).

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Essai au Torvane (TV)

Essai au pénétromètre (PP)

Essai au cône suédois

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Essai de pénétration standard (SPT) Cette technique consiste à battre dans le sol un tube ouvert de 25 mm de diamètre entre les étapes de forage.

Composantes du système de SPT Système de battage Échantillonneur

Procédure de SPT Cette procédure a été normalisée en notant le nombre de coups requis pour avancer l’échantillonneur de 300 cm, après une pénétration initiale de 150 mm. Le nombre de coups requis pour chaque 150 mm de pénétration doit être noté. L’indice N est le nombre de coups total requis pour les deux derniers 150 mm, soit: N = N1 + N2 L’essai doit s’arrêter si N0, N1 ou N2 > 50 ou N0 + N1 + N2 > 100. On considère ces cas comme refus (rencontre de bloc, sol dense ou roche-mère). 150 mm N0 N1 N2

Application des données de SPT Avant tout, il faut mentionner que le SPT doit être utilisé pour les sols sableux en général. Il faut être très prudent de l’utiliser pour les argiles. Relation empirique entre l’angle de friction  et l’indice N de SPT (Philipponnat et Hubert 2005) Corrélation entre l’indice de SPT et la compacté du sol pulvérulent en place (tirée de Morin 1994)

Exercice 1 Les essais de pénétration standard (SPT) donnent les résultats suivants dans un sable, en coups de marteau par 15 cm d’enfoncement : 10, 10, 12 12, 11, 12 11, 11, 11 Comment qualifiez-vous ce sable? Quel est sa résistance au cisaillement?

Essai scissométrique de chantier (Field van shear test, FVT ou VST) Cette technique est la plus couramment utilisée pour déterminer la résistance de cisaillement des argiles en condition non-drainée, cu. Le scissomètre est recommandé pour les argiles molles à raides; il ne doit pas être utilisé pour les sols non cohérents. L’essai consiste à insérer le moulinet scissométrique dans le sol, et le tourner jusqu’à la production d’une rupture. La résistance au cisaillement en condition non drainée peut être estimée à partir du couple à la rupture et les dimensions du moulinet. Essai FVT (tirée de McCarthy 2002)

Le moulinet devrait avoir un rapport hauteur sur diamètre de 2 (classiquement 100 mm / 50 mm). Moulinet rectangulaire Moulinet conique (tiré de McCarthy 2002)

Moulinet rectangulaire Moulinet conique Où T = couple maximum mesuré H = hauteur du moulinet D = diamètre du moulinet a = coefficient de la répartition du cisaillement sur les faces supérieure et inférieure du cylindre de rupture. Pour une répartition uniforme (hypothèse habituelle), on déduit a = 0.66. En prenant en compte la condition H/D = 2, on obtient: Où T = couple maximum mesuré D = diamètre du moulinet d = diamètre des tiges.

Correction des résultats de FVT/VST (CGS 2006) Coefficient de correction µ pour les essais de scissomètre FVT ou VST (tiré de Morin 1994)

Exercice 2 Les essais de scissomètre avec un moulinet rectangulaire donnent Tf = 100 N.m. Le moulinet a une longueur standard de 100 mm et un diamètre de 50 mm. Les limites d'Atterberg sont données comme suit: wL = 90% et wP = 30%. Calculer les résistances au cisaillement non-drainée, mesurées et à utiliser dans les conceptions.

Essai de pénétration (statique) au cône (CPT) L’essai CPT consiste à enfoncer une pointe (cône) de 10 cm2 de section (avec un angle de 60o) dans le sol à vitesse constante. Cette technique a été initialement développée au Pays-Bas, pour cette raison elle s’appelle parfois « Cône de Dutch » Deux types de cône est couramment utilisés: Cônes mécaniques (« cône de Dutch » et « cône de Begemann ») Cône électrique (« cône électrique » et « cône de Fugro »)

Pénétromètre mécanique au cône de Dutch CPT de base en état contracté Cette technique est la base de pénétromètre mécanique au cône. en état étendu Pour tester le sol, le tige extérieur est poussé si bien que l’ensemble du pénétromètre est enfoncé. À une profondeur voulue, le tige (ou tube) extérieur est bloqué à la position tant que le tige intérieur est poussé avec une force pour avancer le cône d’une distance prédéfinie (50 mm usuellement). La pression de résistance au cône qc peut être estimée en divisant la force appliquée requise par la section du cône (10 cm2) ou enregistrée par une cellule de pression. 50 mm Cette technique permet de mesurer seulement la pression de résistance au cône (appelée aussi capacité portante de pointe), qc Pénétromètre mécanique au cône de Dutch (tiré de McCarthy 2002)

Pénétromètre mécanique au cône de friction une modification de CPT de Dutch Cette nouvelle configuration est connue comme « Cône de Begemann ». La modification consiste à l’ajout d’une manche de friction (tubage de friction) au dessus de la partie du cône. en état contracté en état étendu CPT au cône de Begemann (tiré de Das 2004) tubage de friction tête de pression

Pénétromètre mécanique au cône de friction – CPT de Begemann L’essai se fait en deux étapes à une profondeur donnée: La tête et le manche de friction s’avance comme une seule unité. On obtient ainsi une résistance totale (qc + fs). Le manche de friction est bloqué et le cône s’avance seul. On obtient ainsi la capacité portante qc. La résistance de friction est calculée comme la différence des deux valeurs mesurées. Tout s’avance Le cône s’avance Mesure de (qc + fs) Mesure de qc CPT de Begemann (tiré de McCarthy 2002)

Application de CPT Formule d'interprétation pour obtenir la résistance non drainée, cu ( = f): Classification des sols à partir de mesure de CPT de Begemann (Philipponnat et Hubert 2005)

Résumé de CPT Avantage: mesure continue de la résistance à travers tout la profondeur. La présence des couches très minces pout être détectée. Une technique très appliquée aux sites où se trouvent des sols pulvérulents (sans cohésion) (avec les méthodes conventionnelles, il est très difficile d’obtenir des échantillons non remaniés à partir des sols pulvérulents sous le nappe d’eau). Applicable pour les sols cohérent ou non cohérent. Inconvénient: impossible de prélever des échantillons, lente et exige une personne qualifiée pour l’étalonnage et l’interprétation des résultats.

Caractérisation des argiles sur le terrain (CGS 1994)