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Mcanique des sols I Chapitre I Proprits physiques des sols Chapitre II Hydraulique des sols Chapitre III Dformations des sols Chapitre IV Rsistance au cisaillement des sols
Chapitre I
Proprits physiques des solsObjectifs de ce chapitre Terminologie de base et dfinitions Essais simples d'identification des constituants des sols Classification des sols
Chapitre I
Proprits physiques des sols1- Dfinition des sols lments constitutifs d'un sol 2- Caractristiques physiques des sols 3- Caractristiques dimensionnelles 4- Structure des sols 5- Essais d'identification sols grenus 6- Essais d'identification sols fins 7- Autres essais 8- Classification des sols1. Dfinition des sols 5. Identification sols grenus 2. Caractristiques physiques 6. Identification sols fins 3. Caractristiques dimensionnelles 7. Autres essais 4. Structure des sols 8. Classification des sols
1- Dfinition lments constitutifs d'un sol1.1 Dfinition des sols Matriaux la surface de l'corce terrestre Rochesgrains minraux fortement lis
Solsaggrgats de grains minraux
1.2 lments constitutifs dun solsquelette solide + eau + gaz effet de la taille libre, capillaire, adsorbe air + vapeur d'eau
1. Dfinition des sols
2. Caractristiques physiques
3. Caractristiques dimensionnelles
4. Structure des sols
2- Caractristiques physiques des sols2.1 Description 2.2 Relations entre les paramtres
2.3 Dtermination des caractristiques physiques2.3.1 Teneur en eau w 2.3.2 Poids volumique 2.3.3 Poids volumique des particules solides s
1. Dfinition des sols
2. Caractristiques physiques
3. Caractristiques dimensionnelles
4. Structure des sols
2.1 DescriptionExistence de trois phases dfinition de paramtres caractristiques des sols
Reprsentation schmatique - volume lmentaire de sol - trois phases spares - volumes et poids de chacune des phases
Wa W Ww Ws
Air Eau Solide
Va Vw Vs Vv V
grandeurs mesurables
0
Wa Ww Ws
Air Eau Solide
Va Vw Vs Vv V
W
W : poids total du sol Ws : poids des particules solides Ww : poids de l'eau V Vs Vv Vw Va
W = Ws + Ww
: volume total (apparent) : volume des particules solides V = Vw + Va : volume des vides entre les particules v V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va : volume de l'eau : volume de l'air
Paramtres dimensionnels Poids volumique
poids volumiques
WS - des grains solides S = VS WW - de l'eau W = VW
WS - du sol sec d = V- du sol satur
sat
WS + W VV Wsat = = V V
W - total (du sol) = VWa Ww Ws Air Eau Solide
- du sol djaug
= sat W
0
Va Vw Vs Vv V
ordre de grandeur
W
1922kN/m333 9 2612 kN/m sable sable27kN/m 14 18 kN/m3 17 20 kN/m3 argile argile 10 20 kN/m3 16 22 kN/m3
Paramtres sans dimension relations volumiques
caractrisation de l'tat du sol
VV - porosit n = V
- teneur en eau
VV - indice des vides e = VS VW 100 - degr de saturation Sr = VVWa Ww Ws Air Eau Solide Va Vw Vs Vv
WW 100 w= WSrelation pondrale
0
ordre de grandeur
W
V
sable entre 1 15% 0,50 1 0,25 100% 0 et 0,50 argile 10 0,80 0,30 20% 0,20 1
2.2 Relations entre les paramtresLes paramtres physiques dfinissent l'tat d'un sol s constant (26,5 kN/m3) - tat de compressibilit poids volumique- quantit d'eau - quantit de vides w ou Sr e ou n
La caractrisation d'un sol ncessite 3 paramtres indpendants- utilisation d'un diagramme de phases - utilisation d'un formulaire relations entre caractristiques physiques
e n= 1+ e
n e= 1n
[1] [2] [3]
Vv * V e n= 1+ e n =1 d s n=
[5]
e= e=
Vv Vs
*
[9] [10] [11]
w=
Ww Ws
*
[6] [7]
n 1n e = s 1 d e= s sat sat w s w w e
w = e Sr w=
w s
1 d 1 1 d s
[4]
n=
s sat s w
[8]
[12] w = S r w
[13]
Sr =
Vw Vv
*
[14]
Sr =
[15]
Sr =
w ( constant) w sat d
[16] [19]
= (1 + w ) d 1+ w = s 1+ es 1+ e
[17] = d + n Sr w [20] =
[18]
s + e Sr w 1+ e
= (1 n) s + n Sr w
[21]
d =
[22]
d = (1 n) s
[23]
= sat w *
[24]
=
s w 1+ e
[25] = ( s w ) (1 n)
[26]
=
s w d s
2.3 Dtermination des caractristiques physiquesEssais d'identification- connaissance du sol - paramtres ncessaires leur classification 3 paramtres indpendants - essais en laboratoire - dispersion des mesures (plusieurs essais) 2.3.1 Teneur en eau w
Ww w= Ws2.3.2 Poids volumique
2 peses : avant et aprs tuve 105oC - poids total - poids solide
W = V
dtermination de W et V 3 mthodes
- immersion dans l'eau - trousse coupante - moule
Dtermination du volume total d'chantillon de sol (V) Mthode par immersion dans l'eau- pese 1 poids de l'chantillon ani - chantillon recouvert d'une couche m paraffine re de on de la couche de paraffine (et son volume) - pese 2 n n lo poids til volume total (chantillon + paraffine) - pese 3 (hydrostatique) c h an
Mthode de la trousse coupante
r e nt m - poinonnement dans l'chantillon gre de la section x hauteur - volume V de l'chantillon l aire on ntill cha ani - remplissage d'un moule jusqu' dbordement r em n - arasage la rgle commell'essai Proctor ti lo c h an
ani em
Mthode du moule
2.3.3 Poids volumique des particules solides s
WS S = VS
pese mesurer de faon prcise(a) pycnomtre (b) pese hydrostatique
Pycnomtre - sol sch puis pes (Ws) - sol dans le rcipient contenant de l'eau distille - enlever les buller d'air - volume d'eau dplac par le sol
eau seulement
eau + sol
volume constant
+ W1
sol sec
= W2 Ww = W2 - Ws
Ws
WS WS WS S = = = w VS Vtot Vw W1 (W2 Ws ) W1 w Ww w WS s = w W1 + Ws W2
3- Caractristiques dimensionnelles3.1 Forme 3.2 Dimensions
3.3 Caractristiques granulomtriques3.3.1 Courbe granulomtrique 3.3.2 Surface spcifique
1. Dfinition des sols
2. Caractristiques physiques
3. Caractristiques dimensionnelles
4. Structure des sols
3.1 Forme
3.2 DimensionsSols pulvrulentsCailloux
Sols finsArgile
Graves Gros sable Sable fin Limon
200mm
20mm
2mm
0,2mm
0,02mm 20m
2m
Diamtre des grains dcroissant
3.3 Caractristiques granulomtriques3.3.1 Courbe granulomtrique Les grains d'un sol ont des dimensions variables quelques m quelques dizaines de cm
Granulomtrie distribution massique des grains suivant leur dimension technique d'obtention diffrente selon le type de sol Sol pulvrulent : tamisage - jusqu' 40 ou 80 m - utilisation de passoires et de tamistrous circulaires mailles carres
- sec pour les gros grains - sous eau pour les matriaux cohrents
Sol fins : sdimentomtrie Tamisat ou granulomtrie laser (passant)
Refus
Log diamtre des grains
Courbe granulomtrique reprsentation graphique donnant : - la masse de tamisat cumul (en %) chelle arithmtique chelle logarithmique - le diamtre des particules
x%
Tamisat(passant) d
x% de grains < d
Log diamtre des grains Caractrisation de la granulomtrie d'un sol utilisation de coefficientscoefficient d'uniformit
D Cu = 60 D10
Cu > 2 granulomtrie tale Cu < 2 granulomtrie uniforme ou serre2 D30 Cc = D60 D10
coefficient de courbure
sols bien gradus matriaux plus denses
Cu = 450 Cc = 2 Cu = 55 Cc = 0,1 Cu = 1,8 Cc = 1,12
3.3.2 Surface spcifique Surface des grains par unit de masse de 0,3 m2/g plusieurs centaines de m2/g Mthodes de mesure Appareil Blaine ou BET
Blaine Mesure de permabilit lair Temps de passage dune quantit dair donne au travers d'un lit de poudre
BET
adsorption physique de gaz basse temprature travaux de Brunauer, Emmett et Teller datant de 1938
calcul de la surface spcifique bas sur le traitement analytique de l'isotherme d'adsorption dtermin exprimentalement - quantit de gaz adsorb en une monocouche complte, - calcul de l'aire de cette couche - calcul de la surface spcifique du matriau
4- Structure des sols4.1 Structure des sols pulvrulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiques
1. Dfinition des sols
2. Caractristiques physiques
3. Caractristiques dimensionnelles
4. Structure des sols
4.1 Structure des sols pulvrulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiquesSol grenud > 20mforces de pesanteur
Sol fin ou cohrentd < 20meffet de surface forces entre les particules
Sol organiquemauvaises proprits gotechniques
Sables
Argiles
comportement des sables dpend de l'tat de compacit proprits gotechniques trs diffrentes comportement des argiles dpend de la quantit d'eau
5- Essais d'identification sols grenuscomportement des sols grenus dpend du squelette solide, peu importe l'tat d'humidit importance de la dimension des grains et de leur tat de compacit
5.1 Essai d'quivalent de sable 5.2 Indice de densit
5. Identification sols grenus
6. Identification sols fins
7. Autres essais
8. Classification des sols
5.1 Essai d'quivalent de sablevaluer la proportion relative d'lments fins dans un sol essai simple et rapide appareillage lmentaire gotechnique routire
Principe fraction < 5mm lavage nergique avec solution lavante repos de l'ensemble
Rsultat floculat gonfl par la solution (particules fines) dpot solide (sable) au fond de l'prouvette
E.S. =
h2 100 h1
Nature Argile pure Sol plastique Sol non plastique Sable pur et propre
Equivalent de sable E. S. = 0 E. S. = 20 E. S. = 40 E. S. = 100
5.2 Indice de densittat de densit dans lequel se trouve un sol pulvrulent effet important sur le comportement mcanique
e max e ID = e max e minSol lche Sol serr e emax e emin
emax et eminindices des vides max et min sur le matriau
ID 0 ID 1
emin et emax dans le cas de matriaux thoriques tat le plus compact emin = 0,35 porosit n = 25,9% /3
Vue en plan
Vue en 3d
emin et emax dans le cas de matriaux thoriques tat le moins compact emax = 0,92 porosit n = 47,6%
Vue en plan
Vue en 3d
6- Essais d'identification sols finscomportement des sols fins - taille des grains forces de cohsion - prsence d'eau changement de consistance
6.1 Limites d'Atterberg6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 Limite de liquidit wL Limite de plasticit wp Indice de plasticit Ip Indice de consistance Ic Ordre de grandeur
6.2 Activit 6.3 Valeur de bleu de mthylne5. Identification sols grenus 6. Identification sols fins 7. Autres essais 8. Classification des sols
Comportement des sols fins avec la variation de wtat solidesans retrait avec retrait
tat plastique
tat liquide
0
ws
wp Ip
wL
w croissant
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
6.1 Limites d'Atterberg6.1.1 Limite de liquidit wL Mthode de Casagrande Teneur en eau pour laquelle une entaille est referme sur 10mm aprs 25 chocs
Mthode du cne de pntration
Vido
En pratique30
Teneur en eau (%)
25
20 10 15 20 25 30 35 40
Nombre de coups
N w L = w 25
0 ,121
6.1.2 Limite de plasticit wp Teneur 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 20mm
Vido
6.1.3 Indice de plasticit Ip
Ip = w L w pHabituellement
tendue du domaine de plasticit - domaine de travail du sol - le plus grand possible
wp < teneur en eau des sols en place < wL 6.1.4 Indice de consistance Ic
w L w nat Ic = Ipliquide trs mou mou
sol en place par rapport l'tat liquide
mi-consistant
consistant
trs consistant
0
0,25
0,50
0,75
1,00
> 1,00
Ic
6.1.5 Ordre de grandeur
Nature Limon Argile limoneuse peu plastique Argiles plastiques Argile de Mexico Bentonite
wL (%) 24 40 114 500 710
wP (%) 17 24 29 125 54
IP (%) 7 16 85 375 656
6.2 Activit
AC =
Ipteneur en arg ile
poids < 2 m poids total sec (< 0,4 mm)
Nature Kaolinite Illite Montmorillonite 0,38 0,9 7,2
Activit (inactive) (normale) (active)
6.3 Valeur de bleu de mthylneArgilosit d'un solQuantit de bleu de mthylne pouvant s'adsorber sur les particules argileuses importance de la surface spcifique Tant que le bleu de mthylne est absorb, il ne colore pas l'eau. On le vrifie en dposant une goutte sur un papier buvard: le centre de la tache est bleu vif (argile ayant absorb le bleu) et l'aurole de la tache reste incolore. A partir d'une certaine dose de bleu, l'aurole se colore aussi : c'est le signe que toute l'argile a puis sa capacit d'absorption. La quantit de bleu consomme est donc une indication de la quantit d'argile. La valeur de bleu (VBS) s'exprime par la quantit de bleu en grammes consomme par 100 grammes de fines.sol sableux sol limoneux sol limoneux-argileux sol argileux sol trs argileux
0
0,2
2,5
6
8
VBS
7- Autres essais7.1 Analyse minralogique Diffraction des rayons Xcomposition minralogique
7.2 Teneur en matire organiquertention d'eau, compressibilit
7.3 Teneur en carbonate de calciumTeneur en CaCO3 (%)0 - 10 10 - 30 30 - 70 70 - 90 90 - 100
Dsignation gotechniqueArgile Argile marneuse Marne Calcaire marneux Calcaire Sols
Roches
5. Identification sols grenus
6. Identification sols fins
7. Autres essais
8. Classification des sols
8- Classification des sols8.1 Sols granulomtrie uniforme 8.2 Sols granulomtrie non uniforme8.2.1 Sols grenus 8.2.2 Sols fins 8.3.3 Sols organiques
Classification : rattachement un groupe de sols de caractristiques semblables Nombreuses classifications dans diffrents pays- USCS - AASHTO - LPC - GTR (remblais et couches de forme)5. Identification sols grenus 6. Identification sols fins 7. Autres essais 8. Classification des sols
Exemple de sondage
Classification GTR
Classification LPC
partir des rsultats fournis par - la granulomtrie - les caractristiques de plasticit de la fraction fine (Atterberg)
Cu faible
Sol
Cu lev
8.1 Granulomtrie uniforme
8.2 Granulomtrie non uniforme
8.2.1 Sols grenussables ou graves
8.2.2 Sols finslimons et argiles
8.2.3 Sols organiques - dcapage - remblayage
tableau
abaque de Casagrande
8.1 Sols granulomtrie uniformeClassification reposant sur le diamtre moyen des grainsSol 8.1 Granulomtrie uniforme 8.2 Granulomtrie non uniforme
8.2.1 Sols grenussables ou graves
8.2.2 Sols finslimons et argiles
8.2.3 Sols organiques
Sols pulvrulentsCailloux
Sols finsArgile
Graves Gros sable Sable fin Limon
200mm
20mm
2mm
0,2mm
0,02mm 20m
2m
Diamtre des grains dcroissant
8.2 Sols granulomtrie non uniforme Majorit des cas Trois types de sols- sols grenus 50% > 80 m 50% < 80 m - sols fins - sols organiques > 10%Sol 8.1 Granulomtrie uniforme 8.2 Granulomtrie non uniforme
8.2.1 Sols grenus Granulomtrie et limites d'Atterberg
8.2.1 Sols grenussables ou graves
8.2.2 Sols finslimons et argiles
8.2.3 Sols organiques
8.2.2 Sols fins Limites d'Atterberg critre de plasticit8.1 Granulomtrie uniforme
Sol 8.2 Granulomtrie non uniforme
8.2.1 Sols grenussables ou graves
8.2.2 Sols finslimons et argiles
8.2.3 Sols organiques
Ip
wL
8.2.2 Sols organiques exemple : Von Post8.1 Granulomtrie uniforme
Sol 8.2 Granulomtrie non uniforme
8.2.1 Sols grenussables ou graves
8.2.2 Sols finslimons et argiles
8.2.3 Sols organiques
Teneur en matire organique (%) 0-3 3 - 10 10 - 30 > 30
Dsignation gotechnique Sol inorganique Sol faiblement organique Sol moyenne organique Sol trs organique fO mO tO Vase Sol tourbeux Tourbe
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