chapite 1 et 2

ECOLE HASSANIA DES TRAVAUX PUBLICS

Dpartement ponts chausses et transports

Mcanique des sols

Mahmoud EL GONNOUNI

Mcanique des sols Chapitre I

Introduction la mcanique des sols Chapitre II

Caractristiques physiques et classification Chapitre III

Eau dans le sol

Chapitre IVDformations des sols

Chapitre V

Rsistance au cisaillement des sols

Introduction la mcanique des sols

1- Dfinition dun sol2- Dfinition de la mcanique des sols3- Domaines dapplication de la mcanique des sols

3.1- Fondations douvrages

3.2- Ouvrages mixtes

3.3- Ouvrages en sol

3.4- Milieux naturels

Quappelle-t-on sol ????- Les sols peuvent tre dfinis comme des agrgats dans lesquels les particules sont

faiblement lies et peuvent tre spares par une action mcanique lgre

- Un sol en place est constitu de grains solides baignant dans leau, dans lair ou

dans un mlange (eau + air)

Le sol est un matriau 3 phases : solide, liquide (eau) et gaz (air)

1- Dfinition dun sol

Do proviennent les sols ????Tout simplement des roches, mais ils peuvent contenir aussi

des matires organiques

Les sols ont deux origines principales :

- la dsagrgation des roches par altration mcanique ou physicochimique sous leffet des agents naturels

- la dcomposition dorganismes vivants : vgtaux (tourbes) ou animaux (craies).

Transformation de la roche en sol


1.1- Formation des sols

Suivant les types daltration, les sols rsultant auront des compositions diffrentes.

Roche la dsagrgation physique et mcanique des roches consolides donne

des fragments de roche de mme composition que la roche mre :

gravier, sable, limon

Roche la dcomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments

de roche donne

Des nouveaux composs : argiles


1.1- Formation des sols

un sol peut contenir des fragments de roche, des particules dargile et des matires

organiques

les vides entre ces diffrents lments, gnralement appels pores ou interstices

sont remplis deau et dair

si les vides ne contiennent pas deau, le sol est sec

si tous les vides sont remplis deau, le sol est satur (sol sous la nappe), si les vides sont remplis deau et dair le sol est non satur


1.2- Conclusion

Quappelle-t-on la mcanique des sol ????- La mcanique des sols est ltude des proprits physiques, hydrauliques et mcaniques

des sols en vue de leur application la construction.

- La mcanique des sols est donc une science applique, appele aussi gotechnique,

bien que la gotechnique soit une science beaucoup plus vaste, qui englobe quatre

disciplines : la mcanique des sols, la mcanique des roches, la gologie de

lingnieur et ltude des matriaux locaux.

2- Dfinition de la mcanique des sols

Le travail dun mcanicien de sol, ou dun gotechnicien, se joue en effet sur un ou plusieurs des trois volets:

- Dformations des sols

- Rsistance au cisaillement des sols

- Problmes relis leau

La mcanique des sols puise souvent dans dautres disciples connexes. On citera:

la mcanique des roches, la gologie, gomorphologie, tectonique , minralogie ,

pdologie


La mcanicien des sols est une science jeune. Les premiers fondements peuvent tre attribus COULOMB (1773), mais TERZAGHI (1883-1963) a vritablement initi la mcanique des sols moderne


Historique succinct de la mcanique des sols

Les domaines dapplication de la mcanique des sols sont nombreux et varis. Ils

concernent la profession des travaux publics, ainsi que celle du btiment.

- Fondations douvrages ou btiments (fondation superficielles et profondes)- Ouvrages mixtes (murs de soutnement, parois moules,)- Ouvrages en sol (routes, voies ferrs, barrages, digues de bassins en terre,)- Milieux naturels (versants, berges de cours deau ou de retenues,)

3- Domaines dapplication de la mcanique des sols

Les sols

- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes

3- Domaine dapplication de la mcanique des sols

Les sols

- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes- sont supports par des ouvrages murs de soutnement, rideaux de palplanches


Les sols- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes- sont supports par des ouvrages murs de soutnement, rideaux de palplanches- sont des ouvrages remblais (routes, digues, barrage,)

Essai didentification et de classification des sols

Objectifs Terminologie de base et dfinitions Essais didentification des constituants des sols Classification des sols

1- Elment constitutifs dun sol

squelette solide effet de la taille+

eau libre, capillaire, adsorbe+

gaz air + vapeur d'eau

1- Elment constitutifs dun sol

Roche la dsagrgation physique et mcanique des roches consolides donne

des fragments de roche de mme composition que la roche mre :

gravier, sable, limon

Roche la dcomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments

de roche donne

Des nouveaux composs : argiles

minraux dorigine ou no-

forms

trs fine ou argileuse

D < 2 m plaquette ou disque

fine2 m < D < 80 mminraux dorigine

rguliregrenueD > 80 m

Nature des minraux

Forme des grains

Fraction du solDimension D des particules

Fractions du sol suivant la dimension des grains

1.1- Phase solide

On distingue quatre catgorie deau:

- Eau de constitution

- Eau libre

- Eau capillaire

- Eau lie ou absorbe

1.2- Phase liquide

Dans les sols non saturs, la phase gazeuse est prsente dans tout ou

partie des pores sous forme dun mlange dair, de vapeur deau, de

gaz carbonique et dautres gaz

1.3- Phase gazeuse

Existence de trois phases dfinition de paramtres caractristiques des solsReprsentation schmatique

- volume lmentaire de sol

- trois phases spares

- volumes et masses de chacune des phases

2.1- Description

2- Caractristiques physiques des sols


W : poids total du solWs : poids des particules solidesWw : poids de l'eau

W = Ws + Ww

V : volume total (apparent)Vs : volume des particules solidesVv : volume des vides entre les particulesVw : volume de l'eauVa : volume de l'air

Vv = Vw + VaV = Vs + Vv = Vs + Vw + Va

2.1- Description

- des grains solides :

Paramtres dimensionnels poids volumiques

Poids volumique

s

s

s VW

=

3/10 mkNVW

w

w

w==

VW

=

- de leau :

- total (du sol) :

- du sol djaug :

- du sol sec :

- du sol satur :

VW

s

d =

VW

VVW

satvwssat =

+=

.

wsat ='- de lair : 0=

a

a

a VW


Paramtres dimensionnels poids volumiques

Ordre de grandeur

- s = 26 27 kN/m3

17 20 kN/m3 sable16 22 kN/m3 argile

- = 9 12 kN/m3

sable et argile

- =

- d =14 18 kN/m3 sable10 20 kN/m3 argile

- sat = 19 22 kN/m3 sable et argile

sable et argile


- porosit :

Paramtres sans dimension caractrisation de ltat du sol

relations volumiques

- indice des vides :

- degr de saturation:

VV

n v=

s

v

VV

e =

v

wr V

VS =

10

- teneur en eau :

Paramtres sans dimension caractrisation de ltat du sol

s

w

MM

w = 2 peses : avant et aprs tuve 105C- poids total

- poids solideOrdre de grandeur de w

- sable : 1 15 %

- argile : 10 20 %


2.2- Relations entre les paramtres

Les paramtres physiques dfinissent l'tat d'un sol

- tat de compressibilit poids volumique s = constant (26,5 kN/m3)- quantit d'eau w ou Sr- quantit de vides e ou n

La caractrisation d'un sol ncessite 3 paramtres indpendants

Paramtres indpendants

- utilisation d'un diagramme de phases

- utilisation d'un formulaire relations entre caractristiques physiques

e

en

+=

1 nn

e

=

1

2.3- Dtermination des caractristiques physiques

- essais en laboratoire- dispersion des mesures (plusieurs essais)

Essais d'identification - connaissance du sol- paramtres ncessaires leur classification

3 paramtres indpendants

2.3.1- Teneur en eau w

s

w

MM

w = 2 peses : avant et aprs tuve 105C- poids total- poids solide

2.3.2- Poids volumique

VW

= dterminationde W et V

2 Mthodes

Mthode du moule : (chantillon remani)- remplissage dun moule jusqu dbordement- arasage la rgle essai Proctor

Dtermination du volume total dchantillon de sol (V) Mthode par immersion dans leau :

(chantillon non remani)- pese 1 (m) poids dchantillon- chantillon recouvert dune couche de paraffine ( paraffine = 0,88g/cm3)- pese 2 (mp) masse de la couche de paraffine (et son volume)- pese 3 (hydrostatique) (mp) volume total (chantillon + paraffine)

p

p

w

ppparafineparaffinesol

mmmmVVV

== +

'

2.3.3- Poids volumique des particules solides s

s

ss V

W= pese

(a) pycnomtre(b) Pese hydrostatique

a mesurer de faon prcise

Pycnomtre- sol sch puis pes (Ws)- sol dans le rcipient contenant de l'eau distille

- enlever les buller daire

- volume d'eau dplac par le sol

2.3.3- Poids volumique des particules solides s

3- Essais didentification

3.1- Essais didentification - Sols grenus

3.2- Essais didentification - Sols fins

Sol grenu Sol fin ou cohrent Sol organique

Proprits gotechniques trs diffrentes

Comportement des argile

dpend de la quantit deau

Comportement des sables

dpend de ltat de compacit

d > 20 m d < 20 mMauvaises proprits gotechniques

forces de pesanteur effet de surfaceforces entre les particules

Sables Argiles

Comportement des sols grenus

dpend du squelette solide, peu importe ltat dhumidit

importance de la dimension des grains et de leur tat de compacit

- Analyse granulomtrique par tamisage

- Essai dquivalent de sable

- Indice de densit

3.1- Essais didentification Sols grenus

passage dune quantit de sol au travers dune srie de tamis

douverture progressivement plus petite

3.1.1- Analyse granulomtrique par tamisage

Granulomtrie distribution massique des grains suivant leur dimension

Sol pulvrulent : tamisage - jusqu' 40 ou 80 m - sec pour les gros grains- utilisation de passoires et de tamis - sous eau pour les matriaux cohrents

mailles carrestrous circulaires

Courbe granulomtrique

- la masse de tamisat cumul (en %) chelle arithmtique- le diamtre des particules chelle logarithmique

reprsentation graphique donnant :


- Coefficient duniformit :Cu = D60/D10 Cu > 2 granulomtrie tale

Cu < 2 granulomtrie uniforme ou serreDiamtre effectif D10 = diamtre correspondant 10 % de passage travers le tamis

- Coefficient de courbure :

Cc = (D30)2/(D10 D60) sol bien calibr : 1 < Cc < 3matriaux plus denses

Caractristiques de la courbe granulomtrique utilisation de coefficients


La forme de la courbe granulomtrique est lie

au mode de formation (origine, transport et

dpt) du sol.

Forme de la courbe granulomtrique


Evaluer la proportion relative dlments fins dans un sol Essai simple et rapide

appareillage lmentaire

gotechnique routirePrincipe

fraction < 5 mm

lavage nergique avec solution lavante

repos de lensembleRsultat

floculat gonfl par la solution (particules fines) dpt solide (sable) au fond de lprouvette

100.hh

E.S.1

2=

E.S. = 0E.S. = 20E.S. = 40E.S. = 100

Argile pureSol plastiqueSol non plastiqueSable pur et propre

Equivalent de sableNature

3.1.2- Essais dquivalent de sable

Etat de densit dans lequel se trouve un sol pulvrulent

effet important sur le comportement mcanique

minmax

maxD

ee

eeI

=

- emax et eminIndices des vides max et min sur le matriaux

Sol lche

Sol serr

maxee

minee

0DI1DI0DI1DI0DI1DI0DI1DIminee 0DI1DI

maxee

minee

0DI1DI

3.1.3- Indice de densit

s

v

VV

e =- indice des vides :

Comportement des sols fins

- taille des grains forces de cohsion

- prsence deau changement de consistance

- Analyse granulomtrique par sdimentomtrie

- Limites dAtterberg

- Limite de liquidit wL- Limite de plasticit wp- Indice de plasticit Ip- Indice de consistance Ic

- Activit

- Valeur de bleu de mthylne

3.2- Essais didentification Sols fins

3.2.1- Analyse granulomtrique par sdimentomtrie

2

.18dv ws

=

v vitesse de dcantation

d diamtre de la particule

viscosit dynamique du liquide utilis (eau + dfloculant) poids volumique du liquide utilis

A une profondeur H donne (H = v.t) on mesure la densitde la suspension en fonction du temps t

( )1.-

..

WVy

ws

ws

s

=

Pourcentage dlments dont le diamtre infrieur au diamtre quivalent d:

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

3.2.2- Limites dAtterberg

Limite de liquidit wLMthode de CasagrandeTeneur en eau pour laquelle une entailleest referme sur 10 mm aprs 25 chocs

Mthode du cne de pntration


Limites dAtterberg

Dtermination de wL

Limite de liquidit wLEn pratique

121,0

25

=

NwwL


Limite de plasticit wpTeneur 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 20 mm


Limite de retrait ws- plusieurs chantillons de sol de mme volume initial V0 et de mme teneur en eau

initiale wi - schage pendant des dures diffrentes


Indice de plasticit Iptendue du domaine de plasticit

- domaine de travail du sol

- le plus grand possible

PLp wwI =

Sol trs plastique50 < IP

Sol plastique30 < IP < 50Sol peu plastique5 < IP < 30Sol non plastique0 < IP < 5

Degr de plasticitIndice de plasticitDegr de plasticit des sols

wp < teneur en eau des sols en place < wL

Habituellement


Indice de consistance Ic

Sol en place par rapport ltat liquideP

natLc I

wwI =


Ordre de grandeur

71685

375656

17242912554

2440114500710

LimonArgile limoneuse peu plastique

Argiles plastiquesArgile de mexico

Bentonite

Ip (%)wp (%)wL (%)Nature


argileen teneur I

A pc =

trs actif2 < Ac

actif1,25 < Ac < 2normal0,75 < Ac < 1,25

peu actif0,5 < Ac < 0,75inactif0 < Ac < 0,5

DnominationActivit Ac

Classes dactivit

0,38 inactive0,90 normale7,20 trs active

KaoliniteIllite

Montmorillonite

ActivitNature

3.2.3- Activit

0,4mm)( sec totalpoidsm2 poids

80 m

- sols fins 50 % < 80 m

- sols organiques > 10 %

4.1- Classification LCP/USCS

Sols grenusGranulomtrie et limites dAtterberg


Lorsque la teneur en particules fines ( 6 et1< CZ = (D30)2/D10D60< 3

Sbmoins de 5% dlments <

0,08 mmPlus de 50%

des lments > 0,08 mm ont un

diamtre < 2mm

Sable

Grave argileuseLimites dAtterberg au-dessus de la ligne A (fig. 15)

GA

Grave limoneuse

Limites dAtterberg au-dessous de la ligne A (fig.15)

GLPlus de 12% dlments <

0,08 mm

Grave propre mal gradue

Une des conditions de Gb nest pas satisfaite

Gm

Grave propre bien gradue

Cu

= D60/D10 > 4 et1< CZ = (D30)2/D10D60< 3

Gbmoins de 5% dlments <

0,08 mmPlus de 50%

des lments > 0,08 mm ont un

diamtre > 2mm

Graves

AppellationsConditionsSymbole LPCDfinitionsClassification des sols grenus en laboratoire (plus de 50% dlments >0,08mm)


Sols finsLimites dAtterberg

critre de plasticit


VaseSol tourbeux

Tourbe

fOmOtO

Sol inorganiqueSol faiblement organiqueSol moyenne organique

Sol trs organique

0 33 10

10 30>30

Dsignation gotechniqueTeneur en matire organique (%)

Sols organiquesExemple: Von Post


5- Compactage des sols

Le compactage = augmentation de la densit du sol par des oprations mcanique

1. Echantillon mis ltuve (105C) pendant 24 h2. On lui ajoute un volume connu deau3. On compacte lchantillon dans un moule, avec une

dame tombant dune hauteur connue

4. On pse le moule et on dtermine w et d ;on obtient un point de la courbe de compactage

5. On va au point 2 et on recommence

Influence de la teneur en eau

5- Compactage

Influence de la nature du sol

5- Compactage

Influence de lnergie de compactage

5- Compactage

chapite 1 et 2

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