chapite 1 & 2

ECOLE HASSANIA DES TRAVAUX PUBLICS

Département ponts chaussées et transports

Mécanique des sols

Mahmoud EL GONNOUNI

Mécanique des sols• Chapitre I

Introduction à la mécanique des sols• Chapitre II

Caractéristiques physiques et classification

• Chapitre III

Eau dans le sol

• Chapitre IV

Déformations des sols

• Chapitre V

Résistance au cisaillement des sols

Introduction à la mécanique des sols

1- Définition d’un sol

2- Définition de la mécanique des sols

3- Domaines d’application de la mécanique des sols

3.1- Fondations d’ouvrages

3.2- Ouvrages mixtes

3.3- Ouvrages en sol

3.4- Milieux naturels

Qu’appelle-t-on sol ????

- Les sols peuvent être définis comme des agrégats dans lesquels les particules sont

faiblement liées et peuvent être séparées par une action mécanique légère

- Un sol en place est constitué de grains solides baignant dans l’eau, dans l’air ou

dans un mélange (eau + air)

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


D’où proviennent les sols ????

Tout simplement des roches, mais ils peuvent contenir aussi

des matières organiques

Les sols ont deux origines principales :

- la désagrégation des rochespar altération mécanique ou

physicochimique sous l’effet des agents naturels

- la décomposition d’organismes vivants: végétaux

(tourbes) ou animaux (craies). Transformation de la roche en sol


1.1- Formation des sols

Suivant les types d’altération, les sols résultant auront des compositions différentes.

Roche →→→→ la désagrégation physique et mécanique des roches consolidées donne

des fragments de roche de même composition que la roche mère :

gravier, sable, limon

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

de roche donne

Des nouveaux composés : argiles


1.1- Formation des sols

• un sol peut contenir des fragments de roche, des particules d’argile et des matières

organiques

• les vides entre ces différents éléments, généralement appelés poresou interstices

sont remplis d’eau et d’air

• si les vides ne contiennent pas d’eau, le sol est sec

• si tous les vides sont remplis d’eau, le sol est saturé (sol sous la nappe),

• si les vides sont remplis d’eau et d’air le sol est non saturé


1.2- Conclusion

Qu’appelle-t-on la mécanique des sol ????

- La mécanique des sols est l’étude des propriétés physiques, hydrauliques et mécaniques

des sols en vue de leur application à la construction.

- La mécanique des sols est donc une science appliquée, appelée aussi géotechnique,

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

disciplines : la mécanique des sols, la mécanique des roches, la géologie de

l’ingénieur et l’étude des matériaux locaux.


• Le travail d’un mécanicien de sol, ou d’un géotechnicien, se joue en effet sur un ou

plusieurs des trois volets:

- Déformations des sols

- Résistance au cisaillement des sols

- Problèmes reliés à l’eau

• La mécanique des sols puise souvent dans d’autres disciples connexes. On citera:

la mécanique des roches, la géologie, géomorphologie, tectonique , minéralogie ,

pédologie


La mécanicien des sols est une science jeune. Les premiers fondements peuvent être

attribués à COULOMB (1773), mais TERZAGHI (1883-1963) a véritablement initié la

mécanique des sols moderne


• Historique succinct de la mécanique des sols

Les domaines d’application de la mécanique des sols sont nombreux et variés. Ils

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

- Fondations d’ouvrages ou bâtiments(fondation superficielles et profondes)

- Ouvrages mixtes(murs de soutènement, parois moulées,…)

- Ouvrages en sol(routes, voies ferrés, barrages, digues de bassins en terre,…)

- Milieux naturels (versants, berges de cours d’eau ou de retenues,…)

3- Domaines d’application de la mécanique des sols

Les sols

- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes

3- Domaine d’application de la mécanique des sols

Les sols


- sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches


Les sols




Les sols



- sont des ouvrages remblais(routes, digues, barrage,…)

Les sols



- sont des ouvrages remblais (routes, digues, barrage,…)

Les sols



- sont des ouvrages remblais(routes, digues, barrage,…)


Mécanique des sols• Chapitre I

Introduction à la mécanique des sols

• Chapitre II

Caractéristiques physiques et classification

• Chapitre III

Eau dans le sol

• Chapitre IV

Déformations des sols

• Chapitre V

Résistance au cisaillement des sols

Caractéristiques physiques et classification des sols

1- Eléments constitutifs d’un sol

2- Analyse des particules solides

3- Caractérisation des phases solide et liquide

4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse

5- Structure des sols

6- Classification des sols

7- Compactage

Objectifs de ce chapitre

• Terminologie de base et définitions

• Essais simple d’identification des constituants des sols

• Classification des sols

1- Elément constitutifs d’un sol

squelette solide effet de la taille

+

eau libre, capillaire, adsorbée

+

gaz air + vapeur d'eau

1- Elément constitutifs d’un sol

Roche →→→→ la désagrégation physique et mécanique des roches consolidées donne

des fragments de roche de même composition que la roche mère :

gravier, sable, limon

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

de roche donne

Des nouveaux composés : argiles

minéraux d’origine ou néo-

formés

très fine ou argileuse

D < 2 μm plaquette ou disque

fine2 μm < D < 80 μm

minéraux d’origine

régulièregrenueD > 80 μm

Nature des minéraux

Forme des grains

Fraction du solDimension D des particules

Fractions du sol suivant la dimension des grains

1.1- Phase solide

On distingue quatre catégorie d’eau:

- Eau de constitution

- Eau libre

- Eau capillaire

- Eau liée ou absorbée

1.2- Phase liquide

• Dans les sols non saturés, la phase gazeuse est présente dans tout ou

partie des pores sous forme d’un mélange d’air, de vapeur d’eau, de

gaz carbonique et d’autres gaz

• Les sols saturéspeuvent aussi contenir du gaz, mais sous forme de

bulles ou en dissolution dans l’eau

1.3- Phase gazeuse1.3- Phase gazeuse

• Forme des particules


2.1- Aspect des grains isolé


- passage d’une quantité de sol au travers d’une série de tamis

d’ouverture progressivement plus petite

- dimension varier dans un rapport de 1 à 10-9

2.1- Aspect des grains isolé

• Dimensions des particules

2.2- Distribution granulométrique des éléments solides

• Les grains d'un sol ont des dimensions variables quelques µm à

quelques dizaines de cm

• Granulométrie distribution massique des grains suivant leur dimension

technique d'obtention différente selon le type de sol

• Sol pulvérulent : tamisage

- jusqu'à 40 ou 80 µm - à sec pour les gros grains

- utilisation de passoires et de tamis - sous eau pour les matériaux cohérents

mailles carréestrous circulaires

• Sol fins : sédimentométrie



• Courbe granulométrique

- la masse de tamisat cumulé (en %) échelle arithmétique

- le diamètre des particules échelle logarithmique

représentation graphique donnant :


- Coefficient d’uniformité :

Cu = D60/D10 Cu > 2 granulométrie étalée

Cu < 2 granulométrie uniforme ou serrée

Diamètre effectif D10 = diamètre correspondant à 10 % de passage à travers le tamis

- Coefficient de courbure :

Cc = (D30)2/(D10 × D60) sol bien calibré : 1 < Cc < 3

matériaux plus denses


• Caractéristiques de la courbe granulométrique utilisation de coefficients


La forme de la courbe granulométrique est liée

au mode de formation (origine, transport et

dépôt) du sol.


• Forme de la courbe granulométrique


Existence de trois phases définition de paramètres caractéristiques des sols

Représentation schématique

- volume élémentaire de sol

- trois phases séparées

- volumes et masses de chacune des phases


- des grains solides :


Paramètres dimensionnels masse volumiques

Masse volumique…

s

ss V

M=ρ

w

ww V

M=ρ

V

M=ρ

- de l’eau :

- total (du sol) :

- du sol déjaugé :

- du sol sec :

- du sol saturé :

V

M sd =ρ

( )V

VVMM wvwssat

/+=ρ

wρρρ −='

- de l’air :a

aa V

M=ρ

- des grains solides :


Paramètres dimensionnels poids volumiques

Poids volumique…

- de l’eau :

- total (du sol) :

- du sol sec :

- du sol saturé :

- de l’air :

γs = g. ρs

γw = g. ρw= 10 kN/m3

γa = g. ρa ≈≈≈≈ 0

γ = g. ρ

γd = g. ρd

γsat = g. ρsat

- g est habituellement fixée à10 m/s2

- du sol déjaugé : γ’ = g. ρ’


Paramètres dimensionnels poids volumiques

Ordre de grandeur

- γs = 26 à 27 kN/m3

17 à 20 kN/m3 sable

16 à 22 kN/m3 argile

- γ’ = 9 à 12 kN/m3

sable et argile

- γ =

- γd =14 à 18 kN/m3 sable

10 à 20 kN/m3 argile

- γsat= 19 à 22 kN/m3 sable et argile

sable et argile

- porosité :


Paramètres sans dimension caractérisation de l’état du sol

relations volumiques

- indice des vides :

- degré de saturation:

V

Vn v=

s

v

V

Ve=

v

wr V

VS =

10 << n

- Sr = 1 : sol saturé

- Sr < 1 : sol non saturé

- Sr = 0 : sol sec

∞<<< e0

Ordre de grandeur de e

- sable : 0,5 à 0,80

- argile : 0,7 à 2,5

Ordre de grandeur de n

- sable : 0,25 à 0,50

- argile : 0,20 à 0,80

- teneur en eau :


Paramètres sans dimension caractérisation de l’état du sol

- teneur en eau de saturation :

s

w

M

Mw =

s

wvsat M

Vw

ρ=

2 pesées : avant et après étuve à 105°C

- poids total

- poids solideOrdre de grandeur de w

- sable : 1 à 15 %

- argile : 10 à 20 %

mesure relative de l’indice des vides naturel e d’un sol in-situ par rapport aux

valeurs emin et emax de ce même sol que l’on pourrait obtenir en laboratoire

minmax

max

ee

eeI D −

−=


emin : indice de vide dans l’état la plus compacté

emax : indice de vide dans l’état la moins compacté

- Indice de densité relative ID :

� Sol saturé ou sol non saturé

♦ Relation entre la porosité et l’indice des vides :

♦ Relation entre la masse volumique du sol sec et la masse volumique des particules :

♦ Relation entre la masse volumique du sol et la masse volumique du sol sec (ou des particules) :

e

en

+=

1

( )ne s

sd −=

+= 1

1ρρρ

( )wd += 1ρρ ( )e

ws

++=

11ρρ

n

ne

−=

1

4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse

� Sol non saturé

♦ Expression de la masse volumique du sol :

♦ Expression de la teneur en eau ou du degré de saturation :

( )

e

eS

nSn

nS

wrs

wrs

wrd

++=

+−=+=

1

1

ρρρ

ρρρρρρ

.ew

Sw

sr ρ

ρ=


s

wreSw

ρρ=

−=

sdw

r

wS

ρρρ 11

� Sol saturé (Sr = 1)

♦ Expression de la masse volumique du sol :

♦ Expression de la teneur en eau :

d’où

( )

e

e

nn

n

ws

ws

wd

++=

+−=+=

1

1

ρρρ

ρρρρρρ

s

wew

ρρ=

w

swe

ρρ=



Les paramètres physiques définissent l'état d'un sol

- état de compressibilité poids volumique γs = constant (26,5 kN/m3)

- quantité d'eau w ou Sr

- quantité de vides e ou n

La caractérisation d'un sol nécessite 3 paramètres indépendants

� Paramètres indépendants


- Par ″structure″ du sol on entend à la fois l’arrangement des particuleset des vides, et les

forcesagissant sur ces particules (forces de liaison, forces électriques).

- Par ″fabric″ ou ″micro structure″ on entend l’arrangement des minéraux, particulièrement

les minéraux de l’argile, observables au microscope optique ou électronique.



Sol grenu Sol fin ou cohérent Sol organique

Propriétés géotechniques très différentes

Comportement des argile

→ dépend de la quantité d’eau

Comportement des sables

→ dépend de l’état de compacité

d > 20 µm d < 20 µmMauvaises propriétés géotechniques

forces de pesanteureffet de surface

forces entre les particules

SablesArgiles

Comportement des sols grenus

→ dépend du squelette solide, peu importe l’état d’humidité

→ importance de la dimension des grains et de leur état de compacité

- Essai d’équivalent de sable

- Indice de densité

5.1- Essais d’identification – Sols grenus

Evaluer la proportion relative d’éléments fins dans un sol• Essai simple et rapide

• appareillage élémentaire

• géotechnique routière

Principe• fraction < 5 mm

• lavage énergique avec solution lavante

• repos de l’ensemble

Résultat• floculat gonflé par la solution (particules fines)

• dépôt solide (sable) au fond de l’éprouvette

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

5.1.1- Essais d’équivalent de sable

Etat de densité dans lequel se trouve un sol pulvérulent

effet important sur le comportement mécanique

minmax

maxD ee

eeI

−−= emax et emin

Indices des vides max et min sur le matériaux

Sol lâche

Sol serré

maxee≈

minee≈0≈DI

1≈DI

0≈DI

1≈DI

0≈DI

1≈DI

0≈DI

1≈DIminee≈0≈DI

1≈DI

maxee≈

minee≈0≈DI

1≈DI

5.1.2- Indice de densité



Comportement des sols fins

- taille des grains→ forces de cohésion

- présence d’eau → changement de consistance

- Limites d’Atterberg

- Limite de liquidité wL

- Limite de plasticité wp

- Indice de plasticité Ip

- Indice de consistance Ic

- Activité

5.2- Essais d’identification – Sols fins

état liquide

- pas de capacité portante

état plastique- fortes déformations- déformations plastiques

état solide (avec retrait)

- déformations élastiques

état solide (sans retrait)- pas de changement de volume

avec la baisse de w

5.2.1- Comportement des sols fins avec la variation de w

• Limite de liquidité w L

Méthode de Casagrande

Teneur en eau pour laquelle une entaille

est refermée sur 10 mm après 25 chocs

Méthode du cône de pénétration

5.2.2- Limites d’Atterberg

Limites d’Atterberg

• Détermination de wL

• Limite de liquidité w L

En pratique

121,0

25

= NwwL


• Limite de plasticité wp

Teneur en eau correspondant à une limite arbitraire entre les états plastique et semi-

solide de la consistance d'un sol.

cylindre de 3mm de diamètre se brisant en tronçons de 10 à 20 mm


• Limite de retrait w s

- plusieurs échantillons de sol de même volume initial V0 et de même teneur en eau

initiale wi

- séchage pendant des durées différentes


• Indice de plasticité Ip

étendue du domaine de plasticité

- domaine de travail du sol

- le plus grand possible

PLp wwI −=

Sol très plastique50 < IP

Sol plastique30 < IP < 50

Sol peu plastique5 < IP < 30

Sol non plastique0 < IP < 5

Degré de plasticitéIndice de plasticité

Degré de plasticité des sols

wp < teneur en eau des sols en place < wL

Habituellement


• Indice de consistance Ic

Sol en place par rapport à l’état liquideP

natLc I

wwI

−=


• Ordre de grandeur

71685375656

17242912554

2440114500710

LimonArgile limoneuse peu plastique

Argiles plastiquesArgile de mexico

Bentonite

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


argileen teneur

IA p

c =

très actif2 < Ac

actif1,25 < Ac < 2

normal0,75 < Ac < 1,25

peu actif0,5 < Ac < 0,75

inactif0 < Ac < 0,5

DénominationActivité A c

Classes d’activité

0,38 inactive0,90 normale7,20 très active

KaoliniteIllite

Montmorillonite

ActivitéNature

5.2.3- Activité

• Analyse minéralogique

Diffraction des rayons X

composition minéralogique

• Teneur en matière organique

rétention d'eau, compressibilité

• Teneur en carbonate de calcium

5.2.4- Autres essais

• Classification : rattachement à un groupe de sols de caractéristiques

semblables

• Nombreuses classifications dans différents pays

- USCS

- AASHTO

-

- GTR (remblais et couches de forme)

LPC


Classification LPC à partir des résultats fournis par

- la granulométrie

- les caractéristiques de plasticité de la fraction fine (Atterberg)


Sols à granulométrie uniforme

Classification reposant sur le diamètre moyen des grains


Sols à granulométrie non uniforme

• Majorité des cas

• Trois types de sols :

- sols grenus 50 % > 80 µm

- sols fins 50 % < 80 µm

- sols organiques > 10 %


Sols grenus

Granulométrie et limites d’Atterberg


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

Sable argileuxLimites d’Atterberg au-dessus de la ligne A (fig. 15)

SA

Sable limoneuxLimites d’Atterberg au-dessous de la ligne A (fig.15)

SLPlus de 12% d’éléments <

0,08 mm

Sable propre mal gradué

Une des conditions de Sb n’est pas satisfaite

Sm

Sable propre bien gradué

Cu = D60/D10 > 6 et1< CZ = (D30)

2/D10D60< 3Sbmoins de 5%

d’éléments < 0,08 mm

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

diamètre < 2mm

Sable

Grave argileuseLimites d’Atterberg au-dessus de la ligne A (fig. 15)

GA

Grave limoneuse

Limites d’Atterberg au-dessous de la ligne A (fig.15)

GLPlus de 12% d’éléments <

0,08 mm

Grave propre mal graduée

Une des conditions de Gb n’est pas satisfaite

Gm

Grave propre bien graduée

Cu = D60/D10 > 4 et1< CZ = (D30)

2/D10D60< 3Gbmoins de 5%

d’éléments < 0,08 mm

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

diamètre > 2mm

Graves

AppellationsConditionsSymbole LPCDéfinitionsClassification des sols grenus en laboratoire(plus de 50% d’éléments >0,08mm)


Sols fins

Limites d’Atterberg

critère de plasticité


Vase

Sol tourbeux

Tourbe

fO

mO

tO

Sol inorganique

Sol faiblement organique

Sol moyenne organique

Sol très organique

0 – 3

3 – 10

10 – 30

>30

Désignation géotechniqueTeneur en matière organique (%)

Sols organiques

Exemple: Von Post


Le compactage est l’ensemble des opérations mécaniques qui conduisent à accroître la

densité du sol en place. Cette opération a pour but de resserrer la texture du sol par une

réduction des vides remplis d’air, donc de réduire les possibilités de déformation et

d’augmenter la capacité portante.

Le compactage des sols dépend notamment :

- de la teneur en eau du matériau

- de la nature du sol

- de l’énergie de compactage

7- Compactage

Influence de la teneur en eau

7- Compactage

Influence de la nature du sol

7- Compactage

Influence de l’énergie de compactage

7- Compactage

Documents

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