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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Partie 1: Minéralogie et structures des sols Partie 2: Compactage

Partie 1: Minéralogie et structures des sols

Argiles et les sols fins Une argile peut signifier un minéral argileux ou un sol argileux. Dans le deuxième cas, il peut être un sol purement argileux, ou simplement un sol qui contient des minéraux argileux ou tout autre minéral. Les sols fins: Argiles: plastique et cohérent. Silts: sols granulaires, pulvérulent et non plastique. Farine de roche: pulvérulents et non plastique. Rejets de concentrateurs (tailings), un "sol" anthropique très particulier: avoir certaine cohésion, mais très difficile de mesurer les limites de liquidité et de plasticité.

Comportement des sols contenant de l'argile Le moindre trace de minéraux argileux peut modifier considérablement les propriétés et le comportement d'un sol. L'influence de la portion argileuse sur le comportement du sol augmente d'une façon proportionnelle avec le pourcentage de l'agile. Lorsque la portion d'argile dépasse 50%, le sol est considéré comme un sol fin. Les grains de sable et de silt ont peu d'influence sur le comportement du sol.

Pourquoi si différents entre les argiles et les silts? Le différent comportement entre l'argile et le silt est relié à la différence des compositions minéralogiques et les formes des particules entre les deux types de sols. Les silts sont constitués des particules tout petits des roches désintégrées, comme celles des sables et des graviers. Ils possèdent alors les mêmes formes et compositions minéralogique que les sables et les graviers. Or, les minéraux argileux sont les résultats de décomposition et d'altération chimique des minéraux rocheux. Par conséquent, les tailles et les formes des particules des minéraux argileux sont complètements différents des autres.

Les minéraux argileux Dans la nature, il y a unes douzaine de minéraux argileux identifiés jusqu'à maintenant. Dans le livre, les minéraux argileux suivants ont été présentés: Kaolinite Illite Montmorillonite (appelé aussi smectite ou bentonite) Chlorite Gibbsite Brucite Holloysite Vermiculite Attapulgite Allophane. Les trois premiers sont les plus courants rencontrés en géotechnique.

Structures des minéraux argileux Les substances cristallines des minéraux argileux ressemblent à de minces plaques ou plaquettes qui sont un empilement de feuillets en tétraèdre de silice ou en octaèdre d'alumine.

Feuillets en tétraèdre de silice atome d'oxygène atome de silicium Les atomes d'oxygène à la base de chaque tétraèdre sont reliés et forment la structure en feuillets. Les sommet des atomes d'oxygène ne sont pas jointifs et pointent tous dans la même direction. Présence des trous en forme d'hexagone au centre des feuillets.

Feuillets en octaèdre d'alumine hydroxyles ou atome d'oxygène atome d'aluminium, de magnésium, de fer, ou autre élément L'agencement des octaèdres forme la structure en feuillets. Les rangées d'atomes d'oxygène ou d'hydroxyle dans le feuillet se trouve sur deux plans. La substitution de différents cations dans le feuillet est l'origine de différents minéraux argileux.

Kaolinite La kaolinite est considéré comme un minéral d'argileux 1:1 parce qu'elle est constituée d'une succession de couches alternées de feuillet en tétraèdre de silice et de feuillets en octaèdre d'aluminium. Les deux feuillets sont liés de telle manière que les sommets du feuillet de silice et ceux d'une couche du feuillet en octaèdre ne forme qu'une seule et même couche. Les couches de base successives sont maintenues ensemble par les liens d'oxygène entre les hydroxyles du feuillet en octaèdre et les atomes d'oxygène du feuillet en tétraèdre. Les liens d'hydrogène sont très forts et empêchent l'hydratation, ce qui permet un empilement (70 à 100) relativement important de couches et la formation d'un cristal de dimension assez grande. La kaolinite est une argile peu active (Ac = 0.33 à 0.56) et peu gonflante.

Montmorillonite La montmorillonite est considéré comme un minéral d'argileux 2:1 parce que le feuillet en octaèdre d'aluminium se trouve entre deux feuillets de silice. Les sommets des tétraèdres se confondent avec les hydroxyles du feuille en octaèdre pour ne former qu'une seule couche. Les force de Van der Waal qui soudent les sommet des feuillets de silice sont faible; cela se traduit par une déficience en charge négative nette dans le feuillet en octaèdre. Pour cette raison, les ions échangeables peuvent pénétrer dans la structure et séparer les couches. Les cristaux de montmorillonite ont une forte affinité avec l'eau. Elle est la principale composante des boues de forage. La montmorillonite sodium (Bentonite) est utilisée pour fabriquer des géosynthétiques bentoniques. Dans les provinces de l'ouest, les schistes bentonitiques provenant des formation du Crétacé des plaines intérieures fournissent des minéraux argileux actifs qui engendrent des gonflements et des retraits réversibles considérables dans les argiles d'anciens lacs glaciaires de grandes étendues. Les dépôts argileux autour du Lac d'Agazziz près de Winnipeg et autour du Lac Régina proche de Régina sont exemples de tels dépôts. La force de Van der Waal est appelée aussi liaison de van der Waals qui est une interaction électrique de faible intensité entre atomes, molécules, ou entre une molécule et un cristal.

Illite L'illite a aussi une structure de 2:1 comme la montmorillonite. Par contre, les espaces entre les couches sont reliés par un atome de potassium. Le diamètre du trou exagonal dans le feuillet de slice correspond exactement à l'atome de potassium, qui, en le comblant, crée un lien très fort entre les couches.

Chlorite La chlorite est relativement fréquente dans les sols argileux. Elle a une structure de 2:1:1, sot un feuillet de silice, un feuille d'aluminium, un autre feuillet de silice et finalement un feuillet de gibbsite (Al) ou de brucite (Mg). La chlorite est une autre argile gonflante, étant donné que l'eau peut pénétrer dans les couches. Mais, elle est moins active que la montmorillonite. L'illite et les micas chloritiques sont les minéraux dominants dans de nombreux dépôts lacustres et tills glaciaires provenant de sédiments anciens d'origine marine. Les sols formés de ces minéraux sont généralement considérés non gonflants. Il peuvent présenter un retrait appréciable au séchage si leur indice des vides initial est élevé. C'est le cas des argiles de la mer de Champlain (ou argiles de Leda) de la vallée de l'Outaouais et des Basses-Terres du Saint-Laurent à l'Est du Canada

Identification des minéraux argileux Technique 1: Diffraction des rayons X Les technique de la minéralogie optique ordinairement utilisées en géologie ne s'appliquent pas. Les matériaux d'une structure cristalline répétée difractent les rayons X. Des minéraux de structures cristallines différents présentent des spectres de diffraction des rayons X différents. Il suffit de comparer les spectre de diffraction de minéraux inconnus avec ceux des minéraux connus. Technique 2: Méthode de Casagrande Cette technique consiste à mesurer les limites d'Atterberg. L'abaque de plasticité de Casagrande donne autant de renseignements pertinents que n'importe quelle analyse de haute précision.

Identification des minéraux argileux par les limites d'Atterberg argile marine de Scandinavie e.g., argile glaciaire provenant de la région périphérique des Grands Lacs aux États-Unis et au Canada

Surface spécifique L E Influence de tailles des grains: si E = L (un cube), S = 6/L. Cela veut dire que la surface spécifique est inversement proportionnelle à la dimension des grains. Influence de forme de grain: si L = 1, S = 4+(2/E). Cela veut dire que la surface spécifique est aussi inversement proportionnelle à l'épaisseur des grains.

Application de la notion "Surface spécifique" Quand la surface spécifique est plus grande, 1) plus d'eau nécessaire pour mouiller toutes les surfaces des grains. 2) teneur en eau plus élevée si saturé 3) capillarité plus grande si partiellement saturé La surface spécifique, une notion très importante dans la conception de mélange de béton ou d'asphalte.

Surface spécifique des argiles communes

Eau adsorbée des argiles Mécanisme chimique d'eau adsorbée autour d'un particule d'argile (tiré de McCarthy 2002) Eau adsorbée des argiles Dans la nature, les cristaux d'argile sont normalement toujours entourés d'une couche d'eau, appelé eau adsorbée. Montmorillonite: très active, très plastique, très grand potentiel de gonflement et de retrait

Structure des sols et arrangement des particules Sols cohérents: - Forces agissant entre les particules - Arrange géométrique des grains minéraux d'un sol. Sols pulvérulents: - Structure et arrangement des particules. structure méta stable (e.g. lœss)

Indice de densité relative (ID) En fonction de e où emax = indice des vides maximal qui correspond à l'état le plus lâche d'un sol. emin = indice des vides minimal qui correspond à l'état le plus dense d'un sol. En fonction de rd

Valeurs typiques des indices des vides et des poids volumique des sols pulvérulents (tiré de Aubertin 2010)

Partie 2: Compactage

Introduction Le compactage est la densification des sols par application d'énergie mécanique. Les sols pulvérulents sont compactés efficacement par vibration. Le compactage vise à améliorer la qualité des sols dans les aspects suivants: réduire ou éliminer le risque de tassement excessif augmenter la résistance des sols limiter les variations de volume indésirables causées, par exemple, par l'action du gel, le gonflement et le retrait.

Théorie du compactage Proctor a démontré que le compactage est fonction de quatre variables: Masse volumique du sol sec, d; Teneur en eau, w; Énergie de compactage; Type de sol (granulométrie, présence d'argile, etc). Sur le terrain, l'énergie de compactage correspond au nombre de passage d'un rouleau d'un certain type et de poids donné, sur un volume de sol déterminé. En laboratoire, on utilise le compactage par impact (dynamique), par pétrissage et par pression statique.

Essai de Proctor normalisé (Norme No D-698 de l'ASTM) Le procédé consiste à faire chuter un marteau de 2.459 kg (5.5 lb) d'une hauteur de 304.88 mm (1 pi). On dispose le sol en 3 couches dans un moule d'une capacité d'environ 1 litre (0.94410-3 m3 ou 1/30 pi3), chaque couche reçoit 25 coups. L'énergie spécifique du compactage est calculée comme suit:

Application de la norme de Proctor Courbe de compactage Application de la norme de Proctor En suivant la norme de Proctor, on compacte quelques échantillons d'un même sol à des teneurs en eau différentes. La masse totale, le volume total et le teneur en eau de chaque échantillon sont mesurés. La masse volumique totale et la masse volumique du sol sec peuvent être obtenues: teneur en eau optimale, wopt masse volumique maximale du sol sec, max

Courbe de compactage (suite.) En suivant la même procédure de Proctor, mais avec des variations, on peut obtenir d'autres courbes de compacte. La connexion des pics de chaque courbe de compactage forme la ligne des optimum du sol donné. Valeurs typiques: d max = 1600 ~ 2000 kg/m3 wopt = 10% ~ 20%

Courbe de compactage (suite..) Courbes des optimum du sol donné:

Essai de Proctor modifié (Norme No D-1557 modifié de l'ASTM) Le procédé consiste à faire chuter un marteau de 4.536 kg (10 lb) d'une hauteur de 457 mm (1.5 pi). On dispose le sol en 5 couches dans un moule Proctor (soit, une capacité de 0.94410-3 m3 ou 1/30 pi3), chaque couche reçoit 25 coups. L'énergie spécifique du compactage devient:

Résultats typiques de compactage des sols suivant l'essai Proctor normalisé - Influence des granulométries des sols pulvérulents - Influence de la plasticité des sols cohérents

Comparaison des sols compactés au laboratoire et sur le terrain

Pourquoi le pic sur les courbes de compactage w > wmax: L'eau remplace les particules fines; Saturation et pression interstitielle excessive instantanée empêche la densification (consolidation). w ≤ wmax: L'eau joue le rôle de lubrifiant et facilite le déplacement et l'orientation des grains pour former une structure plus dense. wopt

Influence de compactage sur les propriétés des sols cohérents

Influence sur la perméabilité La figure montre que la perméabilité diminue à mesure que la teneur en eau augmente et ce, jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur maximale approchant de l'optimum. Cette figure monte aussi que la perméabilité à l'issue du compactage du côté sec est supérieure à celle du côté humide.

Influence sur la compressibilité À des niveaux de contraintes relativement faibles, les argiles compactées du côté humide de l'optimum sont plus compressibles. À des niveaux de contraintes élevée, les argiles compactées du côté sec de l'optimum sont plus compressibles.

Influence sur le gonflement Le gonflement des argiles compactées est plus important si elles se trouvent du côté sec de l'optimum: elles ont un déficit plus marqué en eau, ce qui confère une capacité d'adsorption plus grande et les faire gonfler davantage. ligne de gonflement

Influence sur le retrait Par rapport au gonflement, c'est exactement l'inverse qui se produit pour les caractéristiques de retrait puisque ce sont les sols compactés du côté humide de l'optimum qui présentent la plus grande susceptibilité au retrait.

Influence sur la résistance En général, les échantillons compactés du côté sec de l'optimum sont plus résistants que les échantillons compactés du côté humide. Du côté humide de l'optimum, les résistances sont sensiblement égales. Une argile silteuse compactée par pétrissage à 3 niveaux d'énergie

Influence sur la résistance (suite) CBR (California Bearing Ratio), indice portant californien: un essai couramment utilisé pour la conception de pavage. L'essai consiste à pénétrer un piston d'environ 5 cm de diamètre dans la surface d'un échantillon compacté.

Matériels et méthode de compactage sur le terrain Banc d'emprunt: site où on cherche les matériaux de remblai (appelé matériaux d'emprunt). Matériels pour l'excavation du matériau d'emprunt: rétrocaveuses chargeuses frontales pelles en butte draglines décapeuses autopropulsées

Transport des matériaux d'emprunt Pour des raisons d'économie, l'entrepreneur essaie habituellement d'étendre le matériaux d'emprunt en même temps qu'il décharge les véhicules. Si la teneur en eau du matériau d'emprunt n'est pas appropriée, il faut le mouiller ou le sécher. Dans la mesure du possible, l'entrepreneur fait circuler l'équipement sur le sol non compacté afin de réduire la quantité d'énergie nécessaire au compactage.

Nivellement des matériaux d'emprunt Une fois le matériau d'emprunt est dans la zone de remblai, le sol doit être étendu en couche jusqu'à l'obtention de l'épaisseur voulue. Cette épaisseur peut varier de 150 à 500 mm, dépendamment du type de compacteur utilisé et de la dimension des agrégats à compacter.

Compacteurs Quatre types de compacteur principaux selon leur action de compactage: Compacteur au compactage par pression Compacteur au compactage par impact Compacteur au compactage par vibration Compacteur au compactage par pétrissage

Rouleau à tambour lisse Rouleau à pneus multiples Compacteurs Les compacteurs compactent les sols en appliquant une ou la combinaison des actions suivantes: pression impact vibration pétrissage Rouleau à tambour lisse Pression de contact: ~380 kPa Application: tous les types de sol, sauf sols rocheux Usage principal: conditionner les infrastructures de routes et pour compacter les pavages d'asphalte Rouleau à pneus multiples Pression de contact: ~700 kPa Usage: compacter les remblais autoroutiers en matériaux granulaires ou cohérents et les remblais de barrages en terre.

Rouleau à pieds de mouton Rouleau à saillies multiples Compacteurs (suite.) Rouleau à pieds de mouton Pression appliquée par chaque saillie: 1400 ~7000 kPa Usage: uniquement sur les sols cohérents. Rouleau à saillies multiples Pression appliquée par chaque saillie: 1400~8400 kPa Usage : sur les sols à grains fins.

Rouleau à tambour lisse vibrant Compacteurs (suite..) Rouleau à grillage Pression appliquée: 1400 ~6200 kPa Usage: principalement sur les sols rocheux, les graviers et les sables. Rouleau à tambour lisse vibrant (voir Tableaux 5.2 et 5.3 pour plus de détails)

Influence de la fréquence de vibration: Fréquence optimale Effet de vibration sur le compactage

Influence du nombre de passage et de la vitesse de déplacement d'un rouleau Influence de l'épaisseur du remblai sol décompacté

Résumé des matériels de compactage en fonction de la nature des sols.

D'autres techniques de compactage Lorsque le dépôt de sol problématique est trop épais, la densification à l'aide d'un rouleau vibrateur est souvent insuffisante. D'autres techniques doivent être engagée: Excavation et remplacement des sols Sautage (limité à des régions éloignées des urbains Vibro-flottations Compactage dynamique Compactage dynamique Profondeur d'influence: W = masse tombante en tonnes h = hauteur de chute en mètres.

Spécification et contrôle du compactage sur le terrain Les phases habituelles de conception et de construction sont les suivantes: Effectuer des essais de laboratoire sur des échantillons du matériaux d'emprunt pour définir les propriétés nécessaire à la conception; Établir le devis de compactage et spécifier les essais de contrôle du compactage sur le terrain; Effectuer des essais de contrôle sur le terrain. Deux catégories de spécifications de base pour les travaux de terrassement: Spécifications du produit fini; Spécifications de la méthode employé.

Spécifications du produit fini C'est le cas dans la plupart des projets de construction de routes ou de bâtiments. Dans cette méthode, on ignore la moyenne et les matériels utilisés par l'entrepreneur tant que ce-dernier se conforme aux exigence relatives au produit fini. Dans ce cas, on spécifie une compacité relative ou pourcentage de compacité, défini comme suit: où d site = masse volumique du matériau sec sur le terrain; d max = masse volumique maximale du matériau sec obtenue en laboratoire à l'aide d'un essai normalisé.

Indice de densité, Id, versus compacité relative, CR L'indice de densité ne s'applique qu'au sols granulaires. La norme No D-4253 de l'ASTMC suggère de: N'utiliser l'indice de densité que si le sol contient moins de 12% de particules fines (passant le tamis no 200); Utiliser la compacité relative dans le cas contraire.

Remarques dans les spécifications du produit fini L'entrepreneur cherche toujours la rentabilité en utilisant les méthodes de compactage les plus efficaces. Le graphique montre que l'objectif de CR = 90% peut être atteint à partir de différents niveaux d'énergie. Supposons que la courbe no 1 correspond au niveau d'énergie fournie par le matériel existant. On voit que le teneur en eau doit se trouver à l'intérieur des points a et c. Sinon, il est difficile, même impossible d'atteindre l'objectif de CR = 90%. C'est pourquoi il est nécessaire d'humidifier ou d'assécher le sol avant le compactage.

Remarques dans les spécifications du produit fini (suite.) Sur le plan économique, l'entrepreneur pourrait déterminer la teneur en eau dont la valeur optimale est le point b. En ajoutant une marge de main-d'œuvre, l'énergie fournie devrait être un peu plus élevée (courbe no 2). La teneur en eau souhaitable sera à l'intérieur des points d et b. Il s'agit alors d'un compactage du côté humide de l'optimum: Résistance plus faible Susceptibilité de retrait plus élevée. Si ce n'est pas ce que vous attendez, vous devez préciser la teneur en eau, en sachant que la perméabilité sera plus faible mais le gonflement sera plus élevé si le sol est compacté du côté sec de l'optimum. C'est pourquoi, il ne faut pas préciser uniquement la compacité relative (CR) comme exigence de compactage. d e

Remarques dans les spécifications du produit fini (suite..) Surcompactage Ce graphique montre qu'une masse volumique spécifiée peut être obtenue avec une teneur en eau plus élevée pourvu que l'énergie fournie soit plus grande. L'augmentation de l'énergie peut se faire en augmentant le nombre de passage ou le poids du rouleau. Cependant, les courbes d'essais CBR indique qu'une résistance moindre sera obtenue avec des énergies de compactage plus élevée du côté humide de l'optimum. Cet effet est connu sous le nom de surcompacatge. En résumé sur le surcompactage: - Cause: sol trop humide et énergie trop élevée (rouleau trop lourd et/ou nombre de passage excessif). - Signe: pompage des particules fines vers la surface au passage du rouleau.

Spécifications de la méthode employée Dans cette catégorie de devis, l'ingénieur doit préciser le type et le poids du rouleau à utiliser, le nombre de passages ainsi que l'épaisseur des couches de sol et même parfois la grosseur maximale des granulats. À noter que si les propriétaires ou leur ingénieur-conseil est responsable des spécifications de la méthode employée pour la qualité du terrassement, c'est l'entrepreneur qui est responsable de l'obtention de la compacité visée en fonction du produit fini. Advenant le cas où les essais de contrôle effectués par l'ingénieur ne répondent pas à certaines normes, l'entrepreneur sera dédommagé des passages additionnels à effectuer. Cela signifie que l'ingénieur doit connaître bien les propriétés des sols d'emprunt et pouvoir évaluer le nombre de passages nécessaires avec un type de rouleau donné. La mise en place de remblais d'essai pourrait être nécessaire. Cela ne peut être justifié que pour de grands projets de compactage même celle-ci pourrait permettre de réaliser des économies considérables au cours des travaux de terrassement en éliminant la plus grande partie des incertitudes liées au compactage.

Contrôle de la qualité du compactage sur le terrain Les spécifications typiques exigent qu'un nouvel essai de masse volumique in situ: tous les 1000 à 3000 m3 de remblai; lorsque le matériau d’emprunt change significativement. Il est aussi suggéré de faire les essais de masse volumique in situ à une profondeur minimale d'une ou de deux couches compactées au-dessous de la surface, en particulier dans le cas de matériaux granulaires ou lorsque des rouleaux à pieds de mouton sont utilisés. Sur le terrain, les essais de contrôle peuvent être fait d'une façon destructive ou non destructive.

Essais destructifs Le procédure consiste: Creuser un trou dans le sol compacté; Déterminer la masse totale, Mt, et la teneur en eau, w, du sol du matériau excavé Mesurer le volume du matériau excavé, Vt. Calculer la masse volumique totale:  = Mt/Vt. Calculer la masse volumique du remblai sec: d site = /(1+w). Calculer la compacité relative: CR = d site/d max. À observer pendant les essais: Arrêter tout matériel vibrant à proximité de l'endroit d'essais, sous peine de sous estimer la compacité relative du sol compacté.

La figure 5.1 donne d max = 1870 kg/m3 Mt = 1590 - 125 = 1465 g Vt = 1 288 000 - 538 000 = 750 000 mm3 Mw = 404.9 - 365.9 = 39.0 g Ms = 365.9 - 122.0 = 243.9 g Question (a): Question (b): La figure 5.1 donne d max = 1870 kg/m3

Essais non-destructifs Les essais non-destructifs ont gagné en popularité à cause de leur rapidité (en général, en quelques minutes). Trois techniques nucléaires sont couramment utilisées: Méthode de transmission directe; Technique de retour de l'onde; Méthode de la poche d'air (utilisée lorsque la composition des matériaux près de la surface risque de fausser les mesures de masse volumique. Inconvénients: Coût initial du matériel requis élevé; risque potentiel d'exposition aux radiations.

Informations très utiles dans la pratique (Guides directives) Tableau 5.4 Propriétés géotechniques relatives aux fondations de routes et de pistes d'atterrissage Tableau 5.5 Liste des propriétés géotechniques des sols compactés utilisés dans les structures en terre

2e Devoir à remettre: Faire une synthèse sur les 4 argiles couramment rencontrées. (40%) Faire une synthèse sur l'influence de compactage sur les propriétés des sols et ce, à partir d'uniquement de la présentation du cours (Tableau 5.1 ne devrait pas être reproduit, sous peine de pénalité). (40%) Vérifier l'Exemple 5.2 et déterminer les épaisseurs maximales pour les Figures 5.19b (5 passages), 5.19c (15 passages) et 5.19d (45 passages) pour obtenir un indice de densité de 75%. (20%)

Laboratoire obligatoire du jeudi 13 janvier (Rapports à soumettre) Limites d'Atterberg. (40%) Cône suédois. (20%) Essais Proctor. (40%)