Chapitre I : Introduction à la mécanique des sols

I.1. Introduction

Le Génie civil est l’ensemble des activités conduisant à la réalisation de tout

ouvrage lié au sol. Le développement rapide du domaine de la construction sous

toutes leurs formes ainsi que leurs extensions montre que la géologie ne répondait

plus aux besoins des techniciens de la construction, de cette constatation

d’insuffisance la discipline dite géotechnique se développer.

La géotechnique est l'ensemble des activités liées aux applications de la mécanique

des sols, de la mécanique des roches et de la géologie de l'ingénieur.

Terrain : sol, roche ou remblai en place avant l’exécution des travaux de

construction.

Les roches : (silice, calcaire, feldspath, …) sont des matériaux durs qui ne peuvent

être fragmentés qu’aux prix de gros efforts mécaniques.

Les sols : sont des agrégats minéraux qui peuvent se désagréger en éléments de

dimensions plus ou moins grandes sans nécessiter un effort considérable. Ils

résultent de l’altération chimique (oxydation, …), physique (variation de température,

gel, …) ou mécanique (érosions, vagues, …) des roches.

I.1.1. La mécanique des sols

La mécanique des sols est l’application des lois mécaniques et hydrauliques au

matériau sol. Comparé aux nombreux autres matériaux étudiés en mécanique, les

bétons, les aciers, les plastiques, le bois..., le sol présente deux originalités. C’est tout

d’abord un milieu discontinu qu’il faudra donc étudier à la fois dans sa globalité et

dans sa composition élémentaire. D’autre part, c’est un matériau Triphasique formé

de grains solides, d’eau et d’air. Les phases non-solides jouent un rôle fondamental.

I.1.2. La mécanique des roches

La mécanique des roches est la science qui étudie et modélise le comportement des

roches et qui appliquent les lois et les principes de la mécanique et de l’hydraulique

au terrain considéré comme matériau d’ingénierie.

I.1.3. La géologie de l’ingénieur

Appelée aussi dans un sens restrictif géologie du génie civil, applique les principes

et les méthodes des sciences minérales et connexes aux travaux de l'ingénieur. Ce

dernier ne peut en effet négliger ni les caractéristiques des sols, des roches, des

massifs rocheux et des eaux souterraines, ni le rôle éventuel des processus

géologiques en action ou potentiels.

I.2. Objet de la mécanique des sols

La mécanique des sols est une discipline faisant partie des techniques de génie civil

qui a pour objet l'étude des matériaux constitués de particules solides, liquides, et

gazeuses qui forment les terrains meubles, et ce en préambule au calcul de fondations

pour la construction de bâtiment ou tout autre ouvrage de génie civil (pont, route,

tunnel, barrage,...). La mécanique des sols (et des roches) est la science qui regroupe

l’ensemble des connaissances et des techniques qui permettent :

D’identifier les caractéristiques qui régissent le comportement mécanique du

sol.

L’analyse de l’interaction sol-structure

La réalisation correcte des ouvrages enterrés.

À titre indicatif, la mécanique des sols traite les problèmes relatifs aux fondations

diverses, ouvrages de soutènement, remblais et structures en terre, stabilité des

pentes et talus, route, piste d’atterrissage, tunnels, mines.

I.2.1. Disciplines de la mécanique des sols

Afin de réaliser les objectifs cités ci-dessus, plusieurs disciplines seront

nécessaires :

Géologie du terrain : l’étude de la géologie du terrain est d’une grande

importance. En effet, elle permet d’identifier les différentes couches du sol, leurs

épaisseurs et leurs pendages ainsi que la présence éventuelle de nappe d’eau

souterraine. D’autre part, l’étude géologique des couches présentes donne des

descriptions qualitatives du sol, répond sur quelques questions relatives à l’histoire

du dépôt et permet d’orienter les recherches préliminaires.

Caractéristiques physico-chimiques : L’étude des caractéristiques physiques et

chimiques des sols a montré sa grande utilité pour la prédiction ou l’interprétation du

comportement du sol. La majorité de ces propriétés sont déterminées par des essais

au laboratoire ou sur site.

Étude hydraulique : En présence d’eau, l’étude de la perméabilité des différentes

couches s’impose pour estimer la résistance du sol dans les conditions les plus

défavorables et le risque au glissement. La détermination du niveau de stabilisation et

l’étude du régime d’écoulement permet de choisir le matériel de pompage et

d’épuisement, comme il permet de parer aux phénomènes des sables boulant. La

détermination de la nature chimique de l’eau souterraine permet de prévoir le mode

d’étanchéité des structures enterrées.

Caractéristiques mécaniques : L’analyse du comportement mécanique des sols

repose sur les conclusions des disciplines précédentes ainsi que sur des essais de

laboratoire ou sur site. Cette discipline permet de déterminer la résistance du sol et

sa capacité portante, et par conséquent le choix du mode de fondation et les

dimensions des éléments enterrés. Enfin, elle permet de prévoir de façon quantitative

la déformation ou tassement du sol sous la charge de l’ouvrage.

Recherche théorique et modélisation numérique : Dans le but de la

compréhension des phénomènes physiques complexes, plusieurs théories ont été

développées. Elles décrivent les problèmes posés par des modèles mathématiques

rigoureux dont la résolution fait recours aux techniques informatiques et numériques

de plus en plus avancées et occupe une large partie de la recherche actuelle dans ce

domaine.

Conception et mise en œuvre : Ce sont les techniques acquises pour la

conception et la réalisation des ouvrages enterrés. Elle prend en compte l’étude des

coûts des différentes solutions possibles.

Autre que le savoir faire, la réglementation en vigueur doit être suivie pas à pas

pour garantir les conditions de sécurité que ce soit pendant la réalisation ou au cours

de l’exploitation de l’ouvrage.

I.2.2. Histoire de la mécanique des sols

La mécanique des sols moderne est née pendant les années 1910 à 1930, en

grande partie à la suite des travaux de Terzaghi (Bjerrum, Casagrande, Peck et

Skempton, 1960) et de Fellenius ainsi que des collègues de celui-ci en Suède (Bjerrum

et Flodin, 1960). Le terme de mécanique des sols a été utilisé d'une façon générale

après une série d'articles publiés par Terzaghi dans l'Engineering News Record

(Terzaghi, 1925). On peut suivre l’évolution de la mécanique des sols à travers son

apparition autant qu’une science à part entière et le développement de ses grandes

théories (voir le tableau ci-contre).

Tableau I. 1 La mécanique des sols à travers ses grandes théories.

Siècle Auteur Théorie

18ème Coulomb Résistance au cisaillement

19ème

Collin Rupture dans les talus d’argile

Darcy Ecoulement de l’eau à l’intérieur du sable

Rankine Pression des terres sur les murs de soutènement

Gregory Drainage horizontal, remblai compacte avec contrefort

pour stabiliser la pente des tranchées de voies ferrées

20ème

Atterberg Limites de consistance de l’argile

Terzaghi Premier manuel moderne de mécanique des sols

Casagrande Essais sur la limite de liquidité

I.2.3. Domaine d’application

La géotechnique est une discipline que l’on peut intégrer dans le génie civil au sens

large, elle étudie les caractéristiques des terrains (sol et roche) en vue de leur

utilisation dans divers domaines, assavoir, le métier du bâtiment et des travaux

publics, comme matériaux de construction ou support d’assise.

Les sols peuvent :

Supporter les ouvrages : fondations superficielles, fondations profondes, ...etc.

Etre supportés : murs de soutènement, rideaux de palplanches, ... etc.

Constituer l'ouvrage lui-même : remblais, digues, barrages en terre, ... etc.

On peut citer par exemple :

Les fondations des bâtiments, des ouvrages d'art, des ensembles industriels ...

Les ouvrages de soutènement (murs, rideaux de palplanches, ...),

Les tunnels et travaux souterrains dans les sols,

Les barrages et digues en terre,

La stabilité des pentes naturelles et des talus et les travaux de stabilisation,

Les ouvrages portuaires et maritimes (fondations de quais, ...),

Les terrassements des routes, autoroutes, voies ferrées,

L'amélioration et le renforcement des sols,

La protection de l'environnement.

Figure I. 1 Exemple des constructions géotechniques

I.3. Définitions des sols

On distingue les roches et les sols ou les formations meubles.

I.3.1. Roches

Les roches se présentent en masse ou en fragments de grandes tailles. Elles sont

constituées par l'agglomération de minéraux qui peuvent être de différentes natures

ou identiques. D’après leur mode de formation, on distingue :

Les roches sédimentaires : Elles sont produites par érosion, puis par dépôts

d’autres roches ou par dépôts d’autres résidus d’origine végétale ou animale ;

Les roches magmatiques : Elles proviennent directement de l’écorce

terrestre, après refroidissement des magmas (fusions) volcanique ;

Les roches métamorphiques : Il s’agit d’autres roches dont la composition

minéralogique et structures ont été modifiées par l’action combinée de forte pression

et de fortes températures.

I.3.2. Sols ou formations meubles

Atterberg en 1905 propose une nomination routière :

Cailloux : Ce sont en général des éléments qui proviennent des roches. Leurs

formes peuvent être arrondies ou présentant des aspérités (angulaire), selon leurs

origines, 퐷 ≥ 20à200푚푚.

Enrochements : C'est un ensemble de blocs de roches liés entre eux ou non et

utilisés pour la protection des parties immergées des ouvrages d'art. On les utilise

aussi pour protéger les berges des barrages en terre ou en remblai.

Grave : Terrain alluvionnaire, possédant une granulométrie homogène, et est

utilisé pour la constitution de la couche de base des chaussées.

Graviers : Ce sont des débris de pierre de grosseur intermédiaire entre les

sables et les cailloux. Ils ont d'une forte perméabilité et des bonnes caractéristiques

mécaniques, les sols graveleux constituent un bon sol de fondation, 퐷 ≥ 2à20푚푚.

Sable : C'est un matériau formé d'éléments quartzeux de grosseur entre

200휇푚푒푡2푚 pour les sables grossiers et entre 20휇푚푒푡200휇푚 En fonction de

diamètre moyen des grains, on distingue, les sables fins, les sables moyens et les

sables grossiers. Les sables, secs ou saturés, n'ont pas de cohésion. Les sables

partiellement saturés, les eaux capillaires les douent d'une légère cohésion, dite

cohésion apparente.

Limon : C'est un matériau de grosseur entre les sables et les argiles. Contenant

une teneur en calcaire suffisante, ces sols deviennent fertiles. Ils seront dits limons

organiques s'ils contiennent des matières organiques. Ces sols sont difficilement

compactables et ont de faibles portances, 퐷entre2à20휇푚.

Argile : C'est un matériau constitué d'éléments fins allant au-delà de 2휇푚. Ces

éléments sont constitués par un complexe de silicate d'hydro aluminium (퐴푙 푂 −

푛푆푖푂 − 퐻 푂). La montmorillonite, l'illite et la kaolinite constituent les principaux

groupes de familles des argiles. On peut rencontrer des argiles qui portent le nom

de la région de leur provenance (ex: L'argile bleue de Chicago). Imbibées d'eau, les

argiles deviennent malléables.

Calcaire : C'est le nom donné à un important groupe de roches sédimentaires

formées principalement de carbonate de chaux. Les propriétés de ces roches varient

des roches tendres aux roches dures.

Marnes : Ce sont des roches meubles formées principalement de deux

constituants, les argiles et les calcaires. Leurs propriétés varient donc, en fonction du

pourcentage de chaque constituant, des argiles franches jusqu'aux calcaires francs. La

sensibilité à l'eau diminue quand la teneur en calcaire augmente.

I.4. Origine et formation des sols

Les sols et les roches se présentent sous forme d’agrégats de particules

généralement minérales, mais parfois organiques, de taille et de forme variables. La

nature et l’intensité des forces qui lient les particules de l’agrégat dépendent de la

nature du matériau. On ne traitera ici que des sols, qui peuvent être définis comme

des agrégats dans lesquels les particules sont faiblement liées et peuvent être

séparées par agitation ou trituration dans l’eau. Les roches sont traitées dans les

articles spécialisés de ce traité. Cette définition, assez imprécise, induit un certain

recouvrement entre sols et roches (certaines marnes, craies, argiles raides, roches

tendres). Les sols ont deux origines principales :

la désagrégation des roches par altération mécanique ou physicochimique

sous l’effet des agents naturels :

Fissuration consécutive à la décompression, aux effets des chocs thermiques

ou du gel ou aux contraintes tectoniques,

Attaque mécanique (chocs et frottements) dans un processus naturel de

transport : gravitaire, glaciaire, fluvial, marin, éolien,

Attaque chimique sous l’effet de circulations d’eaux ;

La décomposition d’organismes vivants : végétaux (tourbes) ou animaux

(craies).

On distingue également :

les sols résiduels, provenant de l’altération sur place des roches ;

les sols transportés, provenant du dépôt des produits d’altération,

préalablement repris par un agent physique de transport. Ce sont les sols transportés

qui posent à l’ingénieur les problèmes les plus délicats ;

Les formations géologiques de roches tendres.

Enfin, suivant leurs conditions de formation et de dépôt, les sols peuvent contenir

des matières organiques en proportion plus ou moins élevée.

I.5. Structure des sols

La structure du sol correspond à la configuration physique du sol. Le sol est un

matériau constitué de particules. Les dimensions de ces particules peuvent être

uniformes ou variées allant des cailloux de 20푐푚 et s’étendant jusqu’aux particules

fines de moins du micron. Autre que la grosseur des grains, les particules possèdent

d’autres caractéristiques telles que forme, texture et structure élémentaire.

II.5.1. Sols grenus

Les sols grenus, les sables et les graves principalement, sont constitués de matière

inerte telle que le quartz (SiO ).

Quelques formes typiques de grains grossiers Structure élémentaire lâche (n=0.48)

Structure élémentaire dense (n=0.26)

Structure en nid d’abeille Structure lâche Structure dense

Figure I. 2 Arrangement de sol à grains grossiers (sable)

Leurs comportements dépendent uniquement de la taille des grains, de leurs

formes, de leurs arrangements, etc.

Chez ce type de sol, l'effet de surface est négligeable devant l'effet de volume.

Les grains se détachent les uns des autres sous leur poids. La résistance à une

sollicitation mécanique d’un empilement de grains est assurée par des réactions de

contact grain à grain. Cette résistance est d’autant meilleure que le nombre de

contacts est élevé ce qui dépend en général de la courbe granulométrique et de l’état

de compacité du sol. Ces sols sont plutôt fortement perméables à l’eau.

II.5.2. Sols fins

Les sols fins ayant une taille des grains 퐷 < 5휇푚. Les particules restent collées les

une aux autres. Le sol présente une cohésion : il a l’apparence d’un solide et ne se

désagrège pas sous l’effet de la pesanteur. Les particules sont formées par un

empilement de feuillets. Elles ont une forme de plaquettes.

structure en nid d'abeille structure floconneuse

Figure I. 3 Arrangement des sols à grains fins

arrangement de groupement de plaquettes d'argile

Enchevêtrement d'amas d'argile

arrangement de plaquettes d'argile

Figure I. 4 Différents arrangements de plaquettes d'argile

I.6. Conclusion

Nous avons présenté, dans ce chapitre, les différentes disciplines de la

géotechnique à savoir la mécanique des sols, la mécanique des roches et la géologie

de l’ingénieur. Donnant quelques appellations des sols, l’utilisation des sols en génie

civil, ainsi que la structure des sols. Par la suite, on verra l’identification et la

classification des sols en génie civil selon les règles en vigueur.

Chapitre II : Identification et classification des sols

II.1. Introduction

On caractérise et on classe les sols au moyen de plusieurs paramètres physiques,

granulométrie, plasticité, porosité, humidité, consistance. On distingue les paramètres

de nature et les paramètres d’état :

Les paramètres de nature indiquent les caractéristiques intrinsèques du sol. Ils ne

varient pas au cours du temps (poids volumique des grains solides, granularité,

argilosité, limites d’Atterberg, teneur en matières organiques,…).

Les paramètres d’état sont fonction de l’état du sol et caractérisent le

comportement du sol sous l’effet d’un chargement donné (teneur en eau, indice des

vides, porosité, poids volumique,...).

Nous regroupons dans ce paragraphe les essais géotechniques de laboratoire

classiques qui permettent de caractériser un sol.

En plus de l’inspection visuelle, on peut utiliser de nombreux essais géotechniques

de laboratoire classiques qui permettent de classifier, d’identifier et de quantifier les

sols, tels que :

— la courbe granulométrique ;

— le poids volumique ;

— la porosité ;

— la teneur en eau ;

— la forme des particules ;

— la rugosité de la surface des particules ;

— l’indice de densité ;

— les limites d’Atterberg ;

— le gonflement ;

— la teneur en carbonates ;

— la teneur en matières organiques ;

II.2. Caractéristiques physiques

Le sol c’est un matériau triphasé, composé des particules solides entourés de vides,

les particules solides sont les grains, les vides peuvent être remplis d’eau, d’air ou

d’air et d’eau en proportions variables, figure II.1.

Figure II. 1 Portion de sol constitué de grain solide S entouré de vides remplis d’air A et d’eau w

Pour décrire les relations entre ces phases, on représente le diagramme de phases

Figure II. 2 Diagramme de phases, montre la relation entre les volumes et les masses d’un sol.

a. La teneur en eau (풘) : un paramètre important, est le rapport de la masse

d’eau interstitielle à la masse des grains solides.

푤 =푀푀 100(%) Eq II. 1

Pour déterminer la teneur en eau à laboratoire, on pèse l’échantillon humide 푀 ,

on sèche à l’étuve à une température de 100°퐶 pendant 24ℎ et jusqu’à masse

constante soit 푀 , la teneur en eau est :

푤 =푀 −푀푀 100(%) Eq II. 1 bis

b. L’indice des vides (풆) : sa valeur varie de 0à∞, s’exprime par la relation

suivante :

푒 =푉푉 Eq II. 2

c. La porosité (풏) : sa valeur varie de 0à100%, s’exprime par la relation :

푛 =푉푉 100(%) Eq II. 3

d. Le degré de saturation (푺풓) : si le sol est complètement sec 푆 = 0%, si les

pores sont complètement remplis d’eau, le sol est dite saturé 푆 = 100%, s’exprime

par la relation :

푆 =푉푉 100(%) Eq II. 4

e. La masse volumique (흆 = 푴푽

) ou Le poids volumique (휸 = 흆품 = 푴품푽

) : on

sait qu’en physique la masse volumique est un rapport de masse par unité de volume,

selon l’état de sol on distingue :

Masse volumique totale ou humide 휌표푢휌 =푀푉 =

푀 + 푀푉 Eq II. 5

Masse volumique des grains solides 휌 =푀푉 ≅ 2650푘푔/푚 Eq II. 6

Masse volumique de l’eau 휌 =푀푉 ≅ 1000푘푔/푚 Eq II. 7

Masse volumique sèche 휌 =푀푉 Eq II. 8

Masse volumique saturé 휌 =푀 + 푀

푉 Eq II. 9

Masse volumique déjaugé 휌 = 휌 − 휌 Eq II. 10

f. La densité relative ou indice de densité (푰풅) : définie par la relation :

퐼 =푒 − 푒

푒 − 푒 Eq II. 11

푒 : est l’indice des vides correspondant à l’état le plus compact.

푒 : est l’indice des vides correspondant à l’état le plus lâche.

푀 : masse des grains solides ; 푀퐰 : masse d’eau ; 푉 : volume des vides ; 푉 : volume

des grains solides ; 푉 ou 푉 : volume total ; g : l’accélération de la pesanteur ou la

gravité.

Relations entre les différents paramètres

A partir de relations citées précédemment on peut déterminer d’autres relations

combinant entre eux, tableau II.1.

Tableau II. 1 Relations entre les paramètres caractéristiques d’un sols.

Paramètre 푛 푒 훾 훾 훾

푤 =푊푊 푒푆

훾훾

훾훾 − 1 푆 훾

1훾 −

1훾

푛 =푉푉

푒1 + 푒 1−

훾훾

훾 − 훾훾 − 훾

푒 =푉푉

푛1 − 푛

훾훾 − 1

훾 − 훾훾 − 훾

푆 =푉푉

훾훾

푤푒

훾 훾 + 푛푆 훾 1 + 푤1 + 푒 훾 (1 + 푤)훾 (1 + 푤)(1 − 푛)훾

훾 (1 − 푛)훾 훾

1 + 푒

훾′ (1 − 푛)(훾 − 훾 ) 훾 − 훾1 + 푒 훾 − 훾

훾 − 훾훾 훾

Détermination des masses volumique au laboratoire :

Masse volumique humide (흆) NF P 94-53

- Par pesée hydrostatique :

Le principe de cette méthode est de pesé l’échantillon de sol dans l’eau, nous

savons que la masse d’un solide immergé dans l’eau égale à sa masse moins la masse

d’eau déplacé par l’immersion de ce dernier, principe de la poussée d’Archimède, la

masse volumique d’eau connue donc on connaitre le volume d’eau déplacé par le

solide. Le problème posé c’est l’altération d’échantillon à l’eau, la solution c’est de

protéger l’échantillon, pour ce faire on utilise la paraffine, mais on élimine le volume

et la masse de cette paraffine.

휌 =푚

푚 −푚휌 −

푚 −푚휌

Eq II. 5 bis

Où :

푚 : la masse d’échantillon à l’air libre ;

푚 : la masse d’échantillon paraffiné à l’air libre (échantillon + paraffine)

푚′ : la masse d’échantillon paraffiné immergé dans l’eau (é푐ℎ푎푛 +

푝푎푟푎푓푓푖푛푒– 푒푎푢푑é푝푙푎푐é) ;

휌 : la masse volumique de la paraffine 휌푝 = 880à900푘푔/푚 ;

휌 : la masse volumique de l’eau 휌 = 1000 푘푔/푚

- Par la trousse coupante :

Dans cette méthode on détermine la masse par pesé, le volume est calculer selon la

géométrie de la trousse.

휌 =푚 −푚

푉 Eq II. 5 bis

Où : 푚 la masse de la trousse coupante vide.

푚 la masse de la trousse + l’échantillon.

Par la trousse coupante Par pesée hydrostatique

Figure II. 3 Principe de détermination de la masse volumique humide 휌 ou 휌 .

Masse volumique des grains solides (흆풔) NF P 94-54

La masse volumique des grains solides est le rapport de la masse sèche des grains

au volume des grains, le volume des grains peut être déterminer par la méthode du

pycnomètre, figure II.4.

푚 pycnomètre vide 푚 pycnomètre vide +

échantillon 푚 pycnomètre vide +

échantillon 푚 pycnomètre pleine

d’eau Figure II. 4 Détermination de la masse volumique des particules solides 휌 par pycnomètre.

휌 =푚푉

⇒ 휌 =휌 ∗ (푚 −푚 )

(푚 −푚 )− (푚 −푚 ) Eq II. 6 bis

On peut exprimer ces paramètres par la densité 퐺 = , l’indice 푖 représente le

paramètre désiré à savoir (푠푒푐,ℎ푢푚푖푑푒… ). Par exemple la densité des grains solides

퐺 = ≅ 2.65.

II.3. Analyse granulométrique

L’analyse granulométrique, c’est l’étude au laboratoire de la répartition des grains

d’un sol selon leurs dimensions, en suivant un mode opératoire bien précis.

Pour les sols grossiers (퐷 ≥ 80휇푚), on effectue un tamisage, tandis que pour les

particules très fines (퐷 < 80휇푚), l’essai se fait par sédimentométrie. En général,

l’interprétation des résultats se fait en dressant la courbe du tamisât cumulé en

fonction du diamètre des grains, figure II.5.

Figure II. 5 Courbe granulométrique typique.

Pour la description de la répartition granulométrique, on introduit : le coefficient

de courbure 퐶 et le coefficient d'uniformité 퐶 (dit de Hazen). Selon la figure II.5 :

Tableau II. 2 caractéristique de la courbe granulométrique (cas figure II.5)

푑 퐶 퐶 Passant 2푚푚

Passant 80휇푚

Passant 2휇푚

1- Argile verte de Romainville - - - 100% 97% 65% 2- Limon des plateaux (Beauce) - - - 95% 88% 30% 3- Argile sableuse (Carmaux) - - - 87% 63% 32% 4- Sable de dunes (Landes) 220 1.4 1 100% 0% 0% 5- Sable alluvionnaire (Missillac) 200 6 1.5 85% 8% 5% 6- Grave alluvionnaire de la seine 100 80 0.1 53% 8% - Avec :

퐶 =푑푑 Eq II. 12

퐶푐 =푑

푑 푑 Eq II. 13

II.3.1. Analyse granulométrique par tamisage NF P94-056

Lorsque les particules ont un diamètre supérieur à 80μ푚 l opération d’analyse

granulométrique ou mécanique est un simple tamisage. On utilise habituellement des

passoires ou des tamis, par définition le diamètre d’une particule est égal à

l’ouverture intérieure des mailles du plus petit tamis la laissant passer.

mailledutamiséquivalent =D(diamètred ouverturedupassoire)

1.25

Tableau II. 3 Modules et dimensions nominales normalisées des tamis.

Modules 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 tamis 0.08 0.100 0.125 0.160 0.200 0.250 0.315 0.40 0.50 0.63

Modules 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 tamis 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 Modules 30 42 43 44 45 46 47 48 49 50 tamis 0.80 12.50 16.00 20.00 25.00 31.50 40.00 50.00 63.00 80.00

II.3.2. Analyse granulométrique par sédimentation NF P94-057

Lorsque la dimension des particules est inférieure à 80µm le tamisage n’est plus

possible. On a recours alors à la sédimentométrie. Cette méthode est basée sur la loi

de Stokes qui exprime la vitesse de décantation d’une particule sphérique dans un

liquide visqueux en fonction du diamètre de la particule.

푣 =훾 − 훾

1.8μ 푑 Eq II. 14

Figure II. 6 Analyse granulométrique par tamisage.

La méthode consiste à mesurer à différentes époques, à l’aide d’un densimètre, la

densité d’une suspension de sol, on opère sur une suspension initialement homogène,

la décantation détruit cette homogénéité et à un instant donné t après le début de

l’expérience la densité de la suspension n’est plus constante, elle varie avec la

profondeur, on mesure donc avec le densimètre une densité moyenne à la profondeur

H du centre de gravité du bulbe du densimètre, les particules qui à l’instant initial

étaient en surface et qui à l’instant t sont à la profondeur H.

푣 : vitesse 푐푚/푠

훾 ,훾 : poids volumique de la particule et du liquide respectivement KN/m3.

μ :la viscosité dynamique 푃푎/푠.

푑 =1.8μ훾 − 훾

퐻푡 푒푡푃 =

푉푚

훾 훾훾 − 훾 (푟 − 1) Eq II. 15

푑 : diamètre 푖 à l’instant 푡

푉 : volume de la suspension.

푚 : la masse du sol sec

푟 : la densité mesurer à l’instant t à l’aide du densimètre.

Densitomètre Suspention d’échantillon à différntes temps

Figure II. 7 matériels de sédimentométrie.

II.4. Consistance des sols fins (Limites d’Atterberg),

Les sables fin se présentent sous l’aspect de poudre – d’où leur nom de sols

pulvérulents – les argiles par contre forment des pâtes des lesquelles chaque grain est

relie aux grains voisins par des forces de cohésion dues à la présence des couches

adsorbées. La consistance qui en résulte dépend en grande partie de la teneur en eau

du matériau. Une argile complètement imbibée est liquide, par contre on trouve des

argiles desséchées qui se comportent comme des solides, c’est pourquoi, on distingue

trois états dans la consistance des argiles : les états liquide, plastique et solide.

On utilise généralement les limites définies en 1911 par Atterberg et précisées

ensuite par Casagrande :

- Limite de liquidité 푤 qui sépare l’état liquide de l’état plastique.

- Limite de plasticité 푤 qui sépare l’état plastique de l’état solide

- Limite de retrait 푤 qui sépare l’état solide sans retrait à celle avec retrait.

Figure II. 8 Détermination de la limite de liquidité.

II.4.1. Limite de liquidité (풘푳) NF P94-051 (Méthode de Casagrande à la coupelle)

Pour déterminer la limite de liquidité, on étend sur une coupelle une couche du

matériau dans laquelle on trace une rainure au moyen d'un instrument en forme de 푉.

Figure II. 9 Détermination de la limite de liquidité.

On imprime à la coupelle des chocs semblables en comptant le nombre de chocs

nécessaires pour fermer la rainure sur 1푐푚, on mesure alors la teneur en eau de la

pâte. Par définition, 푤 est la teneur en eau (%) qui correspond à la fermeture de la

rainure sur 1푐푚, en 25 chocs.

II.4.2. Limite de plasticité (풘푷) NF P94-051

Pour déterminer la limite de plasticité, on roule l'échantillon en forme de cylindre

qu'on amincit progressivement (figure II.10). La limite de plasticité est la teneur en

eau du cylindre qui se brise (casse) en petits tronçons de 1à2푐푚 de long au moment

où son diamètre atteint 3푚푚. ll faut donc réaliser des rouleaux de 3푚푚 de diamètre

sans pouvoir faire de rouleaux plus fins. On exécute en général deux essais pour

déterminer cette limite.

Figure II. 10 Détermination de la limite de plasticité.

II.4.3. Limite de retrait (풘푹) NF P94-060-1

Le sol est progressivement desséché dans un cylindre métallique jusqu'à atteindre

le retrait volumique. La mesure des différents volumes permet de retrouver la teneur

en eau correspondant à la limite de retrait.

II.4.4. Indice de plasticité 푰풑 NF P94-051

L'indice de plasticité, noté 퐼 , est le paramètre le plus couramment utilisé pour

caractériser l'argilosité des sols. Il s'exprime par la relation :

퐼 = 푤 − 푤 Eq II. 16

II.4.5. Indice de consistance (푰퐜)

La comparaison de la teneur en eau naturelle 푤 d’un sol et des limites d’Atterberg

permet de se faire une idée de l’état d’une argile qu’on peut caractériser par son

indice de consistance :

퐼 =푤 − 푤푤 − 푤 Eq II. 17

II.4.6. L’Activité (퐀퐜)

L’activité est le rapport de l’indice de plasticité (퐼 %) à la teneur en argile (%)

I =퐼퐶

퐶 =푚푚

Eq II. 18

Avec : 푚 et 푚 représentes la masse des éléments inferieurs à 2휇푚 et

400휇푚, respectivement.

II.5. Classification des sols

Classer un sol, consiste à l'identifier grâce à des mesures quantitatives et à lui

donner un nom afin de le rattacher à un groupe de sols de caractéristiques

semblables.

Les principales classifications utilisées en géotechnique sont :

La classification USCS : mise au point par le Pr Casagrande à l'Université de

Harvard en 1942 pour la construction d'aéroports militaires, la classification USCS est

aujourd'hui largement utilisée dans divers domaines du génie civil et constitue un

standard international, " Unified Soil Classification System ".

La classification des Laboratoires des Ponts et Chaussées LPC est adaptée de la

classification USCS.

La classification GTR 92 (Guide Technique pour la Réalisation des remblais et

des couches de forme - septembre 1992) : utilisée dans les travaux de terrassement

est aussi très largement répandue.

Classification des Laboratoire des Ponts et Chaussées (L.P.C.)

Le classement d’un sol vis à vis de la classification LPC se fait à partir de l’analyse

granulométrique (sols grenus) et les limites d’Atterberg (sols fins), complétée par des

essais très simples (couleur, odeur, effets de l'eau, etc.).

II.5.1. Les sols grenus

La classification des sols grenus se fait par la granulométrie et les limites

d'Atterberg, tableau II.4.

Tableau II. 4 Classification des sols grenus plusde50% d’éléments > 80휇푚.

Définitions Symbole LPC (USCS)

Conditions Appellations

Graves Plus de 50% des éléments > 0,08푚푚 ont un

diamètre > 2푚푚.

moins de 5%

d’éléments

< 0,08푚푚

Gb (GW) 퐶 =

퐷60퐷10

> 4푒푡

1 < 퐶 =(퐷30)퐷10퐷60

< 3

Grave propre

bien graduée

Gm (GP) Une des conditions de Gb n’est

pas satisfaite

Grave propre

mal graduée

plus de 12%

d’éléments

< 0,08푚푚

GL (GM) Limites d’Atterberg au-dessous de

la ligne A (figure 14)

Grave

limoneuse

GA (GC) Limites d’Atterberg au-dessus de

la ligne A (figure 14) Grave argileuse

Sable Plus de 50% des éléments > 0,08푚푚 ont un

diamètre < 2푚푚.

moins de 5%

d’éléments

< 0,08푚푚

Sb (SW) 퐶 =

퐷60퐷10

> 6푒푡

1 < 퐶 =(퐷30)퐷10퐷60

< 3

Sable propre

bien gradué

Sm (SP) Une des conditions de Sb n’est pas

satisfaite

Sable propre

mal gradué

plus de 12%

d’éléments

< 0,08푚푚

SL (SM) Limites d’Atterberg au-dessous de

la ligne A (figure 14) Sable limoneux

SA (SC) Limites d’Atterberg au-dessus de

la ligne A (figure 14) Sable argileux

Lorsque la teneur en particules fines (< 0,08 mm) est comprise entre 5 et 12 %, on utilise un double symbole. Par exemple : Sb-SL.

II.5.2. Les sols fins

La classification des sols fins se fait par le diagramme de plasticité, figure II.11, liés

aux limites d'Atterberg.

Figure II. 11.diagramme de plasticité de Casagrande (d’après Casagrande 1948).

Classification triangulaire

Figure II. 12.Diagramme triangulaire de classification (d’après Jamagne 1967)

II.6. Conclusion

Nous avons présenté, dans cette partie de cours, les caractéristiques d’états et de

natures qui permettent l’identification des sols, les méthodes de classification des sols

fins et grenus. Dans la partie qui suit, on étudiera le compactage des sols, à

laboratoire et in-situe, qui permis d’améliorer les caractéristiques mécaniques de sol.

Centre Universitaire Nour Bachir– El Bayadh Institut des Sciences et Technologies

Département de tronc commun 2ème année L.M.D Génie Civil (S4) Module : Mécanique des sols I (MDS I)

TD N°1 : caractéristiques physiques des sols

Exemple N° 1

Un échantillon d’argile saturée a une masse de 1526g ; après passage à l’étuve, sa masse

n’est plus que de 1053g. le constituant solide des grains a une densité de 2.7. on demande :

La teneur en eau 푤 ;

L’indice des vides 푒 ;

La porosité 푛 ;

Le poids volumique humide 훾 ;

La densité humide 훾 /훾 ;

On prendra g = 9.81m/s.

Exemple N° 2

Un échantillon de sol a une masse de 129.1g et un volume de 56.4푐푚 . La masse des

grains est de 121.5g. le constituant solide des grains a une densité de 2.7 on demande :

La teneur en eau 푤 ;

L’indice des vides 푒 ;

Le degré de saturation 푆 ;

On prendra g = 9.81m/s.

Exemple N° 3

Un sable quartzeux pèse à l’état sec 15.4푘푁

Quel est son poids volumique humide 훾 et sa densité humide 훾 /훾 quand il est saturé ?

On prendra : la densité du quartz : 퐺 = 2.66 ;

L’accélération de la pesanteur : g = 9.81m/s.

La masse volumique de l’eau 휌 = 10 푘푔/푚 .

Centre Universitaire Nour Bachir– El Bayadh Institut des Sciences et Technologies

Département de tronc commun 2ème année L.M.D Génie Civil (S4) Module : Mécanique des sols I (MDS I)

TD N°2 : Identifications et classification des sols

Exemple N° 1

On procède au tamisage à sec de 3500푔 d'un sable sèche. On constate d'abord que la

passoire (l) de 12,5 mm ne retient aucune fraction du matériau. On utilise alors une colonne

de six tamis dont l'ouverture intérieure des mailles est, respectivement de haut en bas : 5;2; l;

0,5; 0,2 et 0,1 mm ; 0,08. les refus sur chacun des six tamis sont les suivants (de haut en bas) :

2l7 g ; 868 g ; 1095 g ; 809 g ; 424 g ; 39 g ; 20 g ; et le tamisât du dernier tamis recueilli sur

le fond qui ferme la colonne, est de 27 g.

- On demande de construire la courbe granulométrique et de déterminer le coefficient de

courbure 퐶 ainsi que le coefficient d'uniformité 퐶 (coefficient de Hazen).

- Classer le sol

Exemple N° 2

La détermination des limites d'Atterberg d'un échantillon de sol fin a donné les résultats

fournis par les tableaux A e t B

- Calculer les valeurs de la limite de liquidité 푤 et de la limite de plasticité 푤

de ce sol. quel est son indice de plasticité ?

- Comparer les résultats obtenus pour 푤 , avec ceux donnés par la formule

approchée : 푤 = 푤.

- Classer le sol à l'aide de l'abaque de plasticité de Casagrande

Centre Universitaire Nour Bachir– El Bayadh Institut des Sciences et Technologies

Département de tronc commun 2ème année L.M.D Génie Civil (S4) Module : Mécanique des sols I (MDS I)

1- Classification des sols grenus 50% au moins des éléments > 80 µm.

2- Classification des sols fins 50% au moins des éléments < 80 µm. Diagramme de plasticité de Casagrande.

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Département de tronc commun 2ème année L.M.D Génie Civil (S4) Module : Mécanique des sols I (MDS I)

TD N°3 : Identifications et classification des sols

Exemple N° 1

Le creusement d'une tranchée de drainage a permis de mettre à jour deux couches

d'argile dont les caractéristiques sont les suivantes:

1- 푤 = 72, 퐼 = 35, teneur en eau ω = 65%

2- 푤 = 72, 푤 = 37, teneur en eau ω = 30%

Montrer que les deux argiles ont les mêmes limites d'Atterberg ; calculer leurs indices de

consistance respectifs. Qu'en concluez-vous quant à leurs propriétés ?

Le remblaiement a nécessité la mise en place d'un poids sec de 49,5푘푁 d’un matériau,

ayant en place un volume de 3m . Le poids volumique 훾 , des particules solides de ce sol

est égal à 27푘푁/푚 .

Déterminer :

a) la quantité d'eau qui serait nécessaire pour saturer les 3 m 3 de remblai ;

b) l'indice des vides et la teneur en eau de ce sol à saturation;

c) la valeur du poids volumique 훾 du sol à saturation.

Exemple N° 2

Quelle est la classification géotechnique des sols (1), (2) et (3) dont les courbes

granulométriques sont indiquées ci-dessous ?

Pour sol (1) on a 푤 = 36 et 푤 = 24, pour le sol (2) on a 푤 = 12 et 푤 = 8.