Sols Definition Structures Clay Mineral

1

GEOTECHNIQUEGEOTECHNIQUE

Chapitre 1. Définitions, caractérisations physiques, structure et identification

Les essais et les mesures in-situ

Chapitre 2. Mécanique des milieux continus appliquée aux sols: relations contraintes - déformations

2

Éléments de mécanique des sols F. Schlosser Presse ENPC

REFERENCES

Mécanique des sols G. Olivari Cours de l ’ENTPE

+ Autres références

Soil Mechanics Lambe T.W. & Whitman R.V.

Introduction à la géotechnique R.D. Holtz et al. École polytechnique de Montréal

GGééotechniqueotechnique

3

I-1 Généralités - définitionsI-1.1 Objet de la géotechnique et de la mécanique des sols

Reconnaissance du terrain Géologie appliquée, géophysique

Détermination des propriétés physiques, Géotechniquehydrauliques et mécaniques (objectif: comportement < 10m)

Les études:

technique du génie civil appliquée à l’étude des sols et des roches



4

La mécanique des sols

⇒ précédé d’une reconnaissance du terrain⇒ précédé d’une réflexion sur les hypothèses à retenir

⇒ assortie d’un coefficient de sécurité suffisant

Est la partie de la géotechnique qui traite du calcul des déformations propres du terrain et des sollicitations exercées (poids propre du terrain et charges à supporter)

Sol

isotrope

homogène

….etc

L’étude (le calcul) doit être:

Marges de sécurité

une solution économique


5

Chimiquedécomposition des minéraux par

oxydation, réduction, carbonatation, dissolution sous l’action de

l’eau,….etc

Sol: une formation naturelle de surface, meuble, d ’épaisseur variable qui résulte de la transformation d ’une roche-mère sous l ’influence de processus chimiques, physiques ou mécaniques.

Les grains ne sont pas soudés les uns aux autres mais frottent ou adhèrent entre eux.

mécanique, physique- cycles de gel - dégel

- variations thermiques

- érosion

- activités humaines, animales et végétales

I-1.2 Origine des sols et définition

Altération (désagrégation)

Pédologie(Sciences des

sols en agronomie)

Grains finsstructure cristalline identique à la roche mère

Grains très fins

structure cristalline différente de la roche mère


6

Squelette solide (grains minéraux)

Eau libre

Eau capillaire faiblement liée

Eau adsorbée

Grains (particules) < 2 µ désagrégation chimique

Grains (particules) > 2 µ désagrégation physique ou mécanique

SOLSOL

Air

Air et vapeur d’eau

I-2 Éléments constitutifs d’un sol

Milieu tri-phasique

Eau

Gaz

Squelette solide (grains minéraux)

Eau

Gaz

Rôlecohésion, lubrifiant, transmission

des sollicitations

SOL secSOL sec

SOL humideSOL humide

SOL saturSOL saturéé


7

D > 20 µ (0,02 mm)

D < 20 µ

SOLS GRENUSSOLS GRENUS

Granulaires Granulaires -- pulvpulvéérulentsrulents

Grains non minéraux - matières organiques

I-3 Différents types des sols

Résistance au cisaillement f ( forces de volume ou de pesanteur) - frottement

SableSable

SOLS FINSSOLS FINS

CohCohéérentsrents D < 20 µRésistance au cisaillement f ( forces de surface et

force entre particules - forces d’attraction Van der Wals et force de répulsion) - cohésion

ArgileArgile

SOLS ORGANIQUESSOLS ORGANIQUES TourbeTourbe

DDéécomposition composition des vdes vééggéétauxtaux


8

Schéma d’un volume élémentaire de sol - Poids et volumes des différentes phases

I-4 Paramètres de définition des sols

Squelette solide

Eau

Gaz

PoidsPoids

Ws

Ww

Wa = 0

VolumesVolumes

Vs

Vw

Va

Vv

VW

Ws poids des grains solides Ww poids de l’eau W poids total du sol

Vs volume des grains solides Vw volume de l’eauV volume total du sol

Vv volume des vides entre les grains Wa volume de l’air

W = Ws + Ww

V = Vv + Vs

V = Va + Vw + Vs


9


Schéma d’un volume élémentaire de sol -Poids et volumes des différentes phases

Squelette solide

Eau

Gaz

PoidsPoids

Ws

Ww

Wa = 0

VolumesVolumes

Vs

Vw

Va

Vv

VW

γ γ γ γ poids spécifique total du solV

W =γ

γγγγs poids spécifique des particules solides s

s

VsW

=γ

γγγγd poids spécifique du sol à l ’état sec V

dsW

=γ

γγγγ poids spécifique déjaugé (lorsque le sol est entièrement immergé)w - γγγ =′

γγγγw poids spécifique de l’eauw

w

V

W w=γ


10



Squelette solide

Eau

Gaz

PoidsPoids

Ws

Ww

Wa = 0

VolumesVolumes

Vs

Vw

Va

Vv

VW

La teneur en eau w

100%x w

W w

s

w=

L’indice des vides e

s

v

V

V e =

Le degré de saturation Sr

100%x V

VSr

v

w=

La porosité n

V

Vn v=

e1

en

+=&


11

I-5 Relations entre les paramètres

Prenons Vs = 1

Donc Ws = γγγγs Vs = γγγγs

De même: e = Vv/Vs donc e = Vv

� γ = γ = γ = γ = W/V = (1+w)/(1+e) γγγγs

s e1

w1 γγ

++=

s n)(1 γγ −=d

s

ws

γγγγγ −=′

d


Squelette solide

Eau

Gaz

PoidsPoids

γγγγs

w γγγγs

Wa = 0

VolumesVolumes

1

Vw

Va

e

V(1+w)γγγγs=1+e

w

sr =G avec G w = e S

γγ


12

.

I-5 Relations entre les paramètres GGééotechniqueotechnique

13

3

s

3 kN/m 28kN/m 26 >< γ3

s kN/m 26,5 ≅γ

3kN/mSOL e s γ w γ

3kN/m

Sable de Fontainebleau 10 %0,8627 16

30 %0,7726,7 19,7Argile verte de Sannoisien

16 %0,4926,2 18Limon d ’Orly

I-6 Valeurs de quelques paramètrespour différents sols en place

3

w kN/m 10 =γ

200 % 13,5Tourbe - sol organique


14

I-3 Différents types des sols

D > 20 µ (0,02 mm)SOLS GRENUSSOLS GRENUS

Granulaires Granulaires -- pulvpulvéérulentsrulents Résistance au cisaillement f ( forces de volume ou de pesanteur) - frottement

SableSable

D < 20 µSOLS FINSSOLS FINS

CohCohéérentsrents D < 20 µRésistance au cisaillement f ( forces de surface et

force entre particules - forces d’attraction Van der Wals et force de répulsion) - cohésion

ArgileArgile


15

16

Structure des sols

Comportement des sols grenus

Gros Grains (grosses particules) donc vides de grandes dimensions

Comportement des sols grenus sec Comportement des sols grenus humide≅≅≅≅≅≅≅≅

Forte perméabilité

Propriétés mécaniques fonction de

- dimension et forme des grains solides et

- l’état de compacité du sol


17

Structure des sols

Comportement des sols fins

Petits Grains (particules fines) donc vides de faibles dimensions

Comportement des sols fins secs Comportement des sols fins humides≠≠≠≠≠≠≠≠

Faible perméabilité

Propriétés mécaniques fonction de

- la teneur en eau

- la composition minéralogique- la structure: organisation des particules et forces d’interaction

Les propriétés mécaniques évoluent solide liquide


18

Structure des sols Comportement des sols fins

Limites d’Atterberg

La teneur en eau d'un sol à différents états et les comportements de ce sol

ωωωωLωωωωpωωωωs

Teneur en eau 0 ωωωω %%%%

Fragile Mi-solide Plastique LiquideÉtat

Limites d’Atterbeg: Liquidité, plasticité, retrait

Sans retrait

Avec retrait

I p = ωωωωL - ωωωωp

Indice de plasticité

I L = (ωωωωn - ωωωωp)/ Ip

Indice de liquidité


19

Limite de plasticité

C'est la teneur en eau au-dessous de laquelle il n'est plus possible de confectionner des boudins de sol de 3 mm de Ø sans qu'ils se rompent ou s'émiettent.

GGééotechniqueotechniqueStructure des sols Comportement des sols fins


20



Limite liquidité

ωωωω

Nombre de coups (échelle logarithmique)

En tournant la manivelle, on actionne la came qui soulèvela coupelle et la laisse tomber d ’une hauteur normalisée

Outil à rainurer

Tracé du sillon à l’aide de l’outil à rainurer

ωωωωL

25

Le mortier est placé dans une coupelle et est séparéen 2 parties par une rainure. Des coups secs sont imprimés à la coupelle avec un appareillage spécial. Par définition, la limite de liquidité est la teneur en eau pour laquelle les deux lèvres de la saignée se rejoignent sur une longueur supérieure à 1 cm pour un nombre de coups donnés à la coupelle égale à 25.


21

I-7 Structure des sols

I-7.2 Comportement des sols fins

Limon d’Orly 122436

Argile verte du Sannoisien 373067

SOL ωL IPωP

% % %


22


Les argiles Très petites particules minérales d < 2 µm

Le comportement est fortement influencé par la structure cristalline de base

A. Structure cristalline

2 structures de base sont à l’origine de toutes les argiles

La silice tétraédrique SiO2 L’hydroxyde d’aluminium octaédrique Al(OH)3

Si

Schéma du feuillet de silice

Al

Schéma du feuillet en octaèdre d’aluminium

Vue isométrique d’un feuillet de silice en tétraèdre Vue isométrique d’un feuillet en tétraèdre

2 feuillets de base


23

Structure des solsStructure des solsStructure des sols Comportement des sols finsComportement des sols finsComportement des sols fins

Les argilesLes argilesLes argilesB. Les différents types d’argile

Schémas de la structure de

la kaolinite

1 A° = 10-8 mm

1 nm = 10 A°

la MonmorilloniteL’illite

SiSi

SiAl

Liaison forte

Liaison faible

Sol non gonflant

Forte affinité avec l’eau - sol gonflant


24

les Kaolinites (distance entre feuillets 7 Å),les Illites (distance entre feuillets 10 Å) ;

les Montmorillonites :(distance entre feuillets 15 Å à 25 Å).Les deux premières dont les distances entre feuillets sont faibles ne laissent quasiment pas pénétrer l'eau entre les feuillets. On a des argiles non gonflantes.Par contre les montmorillonites laissent pénétrer l'eau : ce sont des argiles gonflantes (smectiques, beidellites,...).

10042,0sec2sec

% ×<<=

mmsoldePoidsmsoldePoids

Argileµ

ArgileIp

A%

(%)=

Activité des argiles : Teneur en argilePar définition, la teneur en argile (exprimée en %) est égale à :

L'activité d'une argile est alors définie par :

A < 0,75 : argiles inactives

0,75 < A < 1,25 argiles normales

A > 1,25 argiles actives


25

Structure des solsStructure des solsStructure des sols

Résultat de la désagrégation mécanique ou physique des roches

Particules de dimensions entre 2µ et 20µm

Distinction difficile entre argile et limon à l’œil nu

Propriétés « plastiques » dues à la présence de l’argile

Comportement des limons


26

Les essais d’identification

La granulométrie des sols

Granulométrie des sols grenus

Tamis pour analyse granulométrique

TAMISAGETAMISAGE

Granulométrie des sols fins SEDIMENTATIONSEDIMENTATION

Dispersion des particules de sol dans l’eauOn mesure la variation de densité de la solution, en cours de décantation, à différents

niveaux , en fonction du temps, avec un densimètre

V = f(d2) loi de Stock


27

III---8 Les essais d8 Les essais d8 Les essais d’’’identificationidentificationidentificationLa granulomLa granulomLa granulomééétrie des solstrie des solstrie des solsGranulométrie des sols grenus

Exemple de courbe granulométrique d’un sol très argileux

dp

% p

60d

d=


28


Paramètres indépendants: w, γγγγs , e

La teneur en eau 100%x w

W w

s

w=

Ws : masse après 24H à l ’étuve (105 °C) & Wh: Masse initiale du sol humide

100%x W

WW w

s

sh −=

Le poids spécifique des grains solides

s

s

VsW

=γ

Ws introduit dans un récipient contenant de l’eau distillée: Vs volume de l ’eau déplacée par le sol

L’indice des vides V

V e

s

v=V

W

11 e s

sγ−=


29


Essais propres aux sols grenus

La densité relative

100%x e e

e e D

minmax

maxr

−−=

Dr < 50% Sol lâche

Dr > 50% Sol dense

Essais propres aux sols fins

Forte teneur en montmorillonite sol sensible à l’eau

Analyse minéralogique DRX, ….


30

Les essais dLes essais dLes essais d’’’identificationidentificationidentification

Essais propres aux sols finsEssais propres aux sols finsEssais propres aux sols fins

Teneur en matière organique

Teneur en CaCO3

Pb de compressibilité

Résistance mécanique augmente avec le % de CaCO3

0 - 10% de CaCO3 Argile10 - 30% ==== Argile marneuse30 - 70% ==== Marne70 - 90% ==== Calcaire marneux90 - 100% ==== Calcaire

Une oedeur caractéristique


31

Classification des sols

Un bouteur àchenilles Un murUn sol

1er cas: Formation d’un mur

grains très fins d<20 µSol cohérent

2er cas: Formation d’un talus

grains séparés, gros d>20 µSol frottant

3er cas: ÉcoulementSol organique

Classification grossière!


32


Sols à granulométrie uniforme 2 10 D

60 D <

20 µ

SOLS GRENUS SOLS FINS

Diamètredes grains

Cailloux

20 mm

Graves

2 mm

Sables fins

Gros sables

0,2 mm

Limons Argiles

2 µ


33

Les différentes classifications des sols reposent en général sur la classification américaine USCS(Unified Soils Classification System) dont les bases sont :

• le pourcentage d'éléments gros et fins (< 80 µm)• la forme de la courbe granulométrique,• les limites Wl et Wp ainsi que l'indice Ip.



34


Sols à granulométrie non uniforme

Sols grenus 50% d’éléments en poids > 80µ

2 10 D

60 D >

Sols fins 50% d’éléments en poids < 80µ

Sols organiques Teneur en matière organique élevée


35

a) Éléments du sol :G : grave.S : sable.L : limon ou sols limoneux.A : argile ou sols argileux.T : tourbe.O : sols organiques.

Sols à granulométrie non uniformeClassification des sols GGééotechniqueotechnique

b) Granulométrie :b : bien gradué.Toutes les dimensions de grains sont représentées , aucune ne prédomine.

m : mal gradué. Une (ou plusieurs) dimension de grains prédomine.

c) Plasticité du sol :t : très plastique(limite de liquidité élevée).

p : peu plastique(limite de liquidité faible).

36







37







38

60

10u

dC

d=

260

10 30

( )c

dC

d d=

×

Cœfficient d’uniformité (Cu) ou coefficient de Hazen

Cœfficient de courbure (Cc)

Suivant la forme granulométrique et la valeur des 2 coefficients, on dira que la granulométrie est étalée ou serrée, continue ou discontinue, bien graduée ou mal graduée.

On détermine les caractéristiques du sol par 2 coef ficients : GGééotechniqueotechnique

39


Sols à granulométrie non uniforme


40


41

Casagrande’s PI-LL Chart

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Liquid Limit

Pla

stic

ity In

dex

A-line

U-line

montmorillonite illite

kaolinite

chlorite

halloysite

42

Autre classification :Une autre type de classification des sols fins a été mis au point par le "Public Road Administration", mais qui n'est pas applicable aux sables et graviers habituels. Dans un échantillon de sol donné, on admet qu'il y a en proportion variable du sable, du limon, et de l'argile. On utilise alors un diagramme triangulaire.


43

Hétérogénéité des sols

Stratification

Homogénéité: variations horizontale et variation avec la profondeur

Couches horizontales

Variations continues de caractéristiques Coupes géotechniques

Matériau homogène: propriétés identiques en tout point

si non hétérogène

Dispersion moyennes statistiques(paramètres d’identification)


44

III---7 Structure des sols7 Structure des sols7 Structure des sols III---7.27.27.2 Comportement des sols finsComportement des sols finsComportement des sols fins

III---7.27.27.2---222 Les argilesLes argilesLes argiles C. L’eau adsorbée

Les particules d’argiles sont très plates longueur >>> épaisseur

Attraction et Adsorption des couches d’eau Surface spécifique = Surface / volume

Montmorillonite 800100-10003

Valeurs moyennes des dimensions relatives, des épaisseurs et des surfaces spécifiques des minéraux argileux les plus communs

(d ’après Yong et Warkentin 1975)

Argile Épaisseur type

Surface spécifique

Diamètre (l) type

nmm2/g SP/γγγγs

nm

Illite 8010 00030

Kaolinite 10 - 20300 - 400050 - 2000

Exemples de Sp: Cube 1x1x1 cm Sp=0,6/mmCube 1x1x1 mm Sp=6/mmCube 1x1x1 µm Sp=6000/mm

Cube Sp = 6/LSphère Sp = 6/d

Viscosité élevée Élimination à des température . 200 °C - 300 °CPropriétés de l’eau adsorbée


45

46

Chapitre 2 Chapitre 2

La mLa méécanique des milieux continus appliqucanique des milieux continus appliquéée aux solse aux sols

relations contraintes relations contraintes -- ddééformationsformations

II-1. Préambule

II-2. Rappel des principaux résultats de MMC utilisés en mécanique des solsII-2.1 Notion de contrainteII-2.2 Les équations de l’équilibreII-2.3 Notion de déformation

II-3. Distribution des contraintes dans les sols saturés: principe de TERZAGHIII-3.1 Contraintes dans les solsII-3.2 Application des équations de l’équilibre aux solsII-3.3 Notion de loi de comportement II-3.4 Lois de comportement des sols

⇒ Comportement à court terme ⇒ comportement à long terme


47

Préambule

Principe de base de la MMC Après déformation Deux points voisins restent voisins

Un sol milieu polyphasé écoulement d’eau sous les sollicitations

Soit le sol ≡≡≡≡ 2 milieux continus distincts

sol sec & eau

Soit le sol est un milieu continue non drainé

Milieu homogène & isotropepropriétés identiques en tout point & identiques dans toutes les directions

Après cisaillementplan de glissement


48

Distribution des contraintes dans les sols saturésPrincipe de TERZAGHI

Contraintes dans les sols saturés

1fr

2fr

ifr

nfr

(I)

(II)

P

Fr

Massif de sol saturé, homogène et isotropeMilieu continu

Contrainte totale σσσσ

La pression de l’eau dans le

sol est appelée pression

interstitielle u

La contrainte du squelette solide dans le sol est

appelée contrainte

effective σσσσ'

u+′= σσττ ′=

Sol sec σσσσ = σσσσ'


49

Distribution des contraintes dans les sols saturés: Principe de TERZAGHI

Application des équations de l’équilibre aux sols

Sol indéfini à surface horizontale

M

X

Z

γσσσσz

Sol soumis à l ’action de la pesanteur γ

Cas de plusieurs couches de sol

i1

.dn

iiz ∑

== γσ

d1

d2

dn

γγγγ1

γγγγ2

γγγγn

zz .γσ =


50

Distribution des contraintes dans les sols saturDistribution des contraintes dans les sols saturééss

Lois de comportement des sols

La notion de contraintes effectives permet de distinguer pour les sols saturés⇒ Comportement du liquide interstitiel⇒ Comportement du squelette solide u+′= σσ ττ ′=

Comportement à court terme Comportement à long terme

Sous la charge appliquéeÉvacuation complète de l’eau sous pression

Sous la charge appliquéeL’eau n’a pas le temps de s ’évacuer

comportement du squelette solidecomportement à la fois

du squelette solide et de l’eau

Analyse en terme de contrainte effectiveAnalyse en terme de contrainte totale


51

52

Pour la lecture des tableaux de classification, les symboles utilisés ont la signification suivante :

a) Éléments du sol :G : grave. Le gravier en est la fraction principale.S : sable.L : limon ou sols limoneux.A : argile ou sols argileux.T : tourbe.O : sols organiques.

b) Granulométrie :b : bien gradué. Toutes les dimensions de grains sont représentées , aucune ne prédomine.m : mal gradué. Une (ou plusieurs) dimension de grains prédomine.

c) Plasticité du sol :t : très plastique (limite de liquidité élevée).p : peu plastique (limite de liquidité faible).


53Limites d’Atterbeg: Liquidité, plasticité, retrait

Rés

ista

nce

àla

com

pres

sion

sim

ple



I-7.2-1 Limites d’Atterberg

ωωωωLωωωωpωωωωs

Teneur en eau 0 ωωωω %%%%

Fragile Mi-solide Plastique LiquideÉtat

I p = ωωωωL - ωωωωp

Indice de plasticité

I L = (ωωωωn - ωωωωp)/ Ip

Indice de liquidité

54

I-8 Les essais d’identification

I-8.3 Essais propres aux sols grenusI-8.3.1 Essai d’équivalent de sable (de propreté de sable)Propreté des sables Ps (P 18-597)

Ps = 100 (h2/h1)

Es = 0 argile pureEs = 20 sol plastiqueEs = 40 sol non plastiqueEs = 100 sable pur et propre

h1

55

Thixotropie des boues argileusesCertaines boues argileuses (bentonites) à grains fins du type Montmorillonites, ont la propriété de passer quasiment directement de l'état liquide lorsqu'elle sont agitées à l'état solide. Ces bentonites sont utilisées en particulier pour les forages dans le sable car avec le sable il se forme un voile solide sur les parois du trou, ce voile solide (cake) étant parfaitement imperméable tandis que le centre du trou reste mou.

56

I-8 Les essais d’identification

I-8.1 La granulométrie des sols

I-8.1.1 Granulométrie des sols grenus

Ouverture des mailles carrées des tamis en millimètres

Exemple d’une série de tamis pour un essai granulométrique

Tamis pour analyse granulométrique

TAMISAGETAMISAGE

57

III---7 Structure des sols7 Structure des sols7 Structure des sols III---7.27.27.2 Comportement des sols finsComportement des sols finsComportement des sols fins

III---7.27.27.2---222 Les argilesLes argilesLes argilesB. Les différents types d’argile

Atomes d ’aluminium, de fer, de magnésium

Atomes d’oxygène

Vue isométrique de la structure atomique de la montmorillonite(d’après grim, 1959)

OH Hydroxyles

Atomes de silicium ou d’aluminium

Ca++, Li+,

K+, Fe++

58

I-6 Essai au bleu de méthylène

La valeur au bleu du sol, ou VBS , est alors donnée par la formule: v rn w q VBS VBS = V x 0,01 rn 1+w x100xq :

volume de bleu de méthylène verséen cmj : masse de sol humide soumis àl'essai en g : teneur en eau de l'échantillon : en g pourcentage de passant à 5mm : en g de bleu pour 100g de sol

59

I-7.1 Comportement des sols grenus

Gros Grains (grosses particules) donc vides de grandes dimensions

Comportement des sols grenus sec Comportement des sols grenus humide≅≅≅≅≅≅≅≅

Forte perméabilité

Propriétés mécaniques fonction de- de dimension des grains solides et

- de l’état de compacité du sol


Petits Grains (particules fines) donc vides de faibles dimensions

Comportement des sols fins secs Comportement des sols fins humides≠≠≠≠≠≠≠≠

Faible perméabilité

Propriétés mécaniques fonction de la- teneur en eau

- composition minéralogique

- structure: organisation des particules et forces d’interaction

Les propriétés mécaniques évoluent solide liquide


60

Construction

I-1 Généralités - définitionsI-1.1 Objet de la géotechnique et de la mécanique des sols

/ Terrain - terre - sol Un support d’ouvrage

Matériaux naturels ou dérivés Un massif (barrage en terre, mur de soutènement)

Résistance mécanique,

Fondations,

Tassement,

Stabilité,

…etc


61N. SivakuganN. N. N. SivakuganSivakuganSivakugan

Duration = 15 mins.

62SIVA

Copyright©2001

Elements of Earth

12500 km dia

8-35 km crust % by weight in crust

O = 49.2Si = 25.7Al = 7.5Fe = 4.7Ca = 3.4Na = 2.6K = 2.4Mg = 1.9other = 2.6

82.4%

63SIVA

Copyright©2001

Soil Formation

Parent Rock

Residual soil Transported soil

~ in situ weathering (by

physical & chemical

agents) of parent rock

~ weathered and

transported far away

by wind, water and ice.

64SIVA

Copyright©2001

Parent Rock

~ formed by one of these three different processes

igneous sedimentary metamorphic

formed by cooling of

molten magma (lava)

formed by gradual

deposition, and in layersformed by alteration

of igneous &

sedimentary rocks by

pressure/temperaturee.g., limestone, shale

e.g., marble

e.g., granite

65SIVA

Copyright©2001

Residual Soils

Formed by in situ weathering of parent rock

66SIVA

Copyright©2001

Transported Soils

Transported by: Special name:

� wind “Aeolian”

�sea (salt water) “Marine”

�lake (fresh water) “Lacustrine”

�river “Alluvial”

�ice “Glacial”

67SIVA

Copyright©2001

68SIVA

Copyright©2001

Basic Structural Units

0.26 nm

oxygen

silicon

0.29 nm

aluminium or

magnesium

hydroxyl or

oxygen

Clay minerals are made of two distinct structural units.

Silicon tetrahedron Aluminium Octahedron

69SIVA

Copyright©2001

Tetrahedral Sheet

Several tetrahedrons joined together form a tetrahedral sheet.

tetrahedron

hexagonal

hole

70SIVA

Copyright©2001

Tetrahedral & Octahedral Sheets

For simplicity, let’s represent silica tetrahedral sheetby:

Si

and alumina octahedral sheetby:

Al

71SIVA

Copyright©2001

Different Clay Minerals

Different combinations of tetrahedral and octahedral sheets form different clay minerals:

1:1 Clay Mineral (e.g., kaolinite, halloysite):

72SIVA

Copyright©2001

Different Clay Minerals

Different combinations of tetrahedral and octahedral sheets form different clay minerals:

2:1 Clay Mineral (e.g., montmorillonite, illite)

73SIVA

Copyright©2001

Kaolinite

Si

Al

Si

Al

Si

Al

Si

Al

joined by strong H-bond

∴no easy separation

0.72 nm

Typically 70-100 layers

joined by oxygen

sharing

74SIVA

Copyright©2001

Kaolinite

� used in paints, paper and in pottery and pharmaceutical industries

Halloysite� kaolinite family; hydrated and tubular structure

� (OH)8Al 4Si4O10.4H2O

� (OH)8Al 4Si4O10

75SIVA

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Montmorillonite

Si

Al

Si

Si

Al

Si

Si

Al

Si

0.96 nm

joined by weak

van der Waal’s bond

∴easily separated

by water

� also called smectite; expands on contact with water

76SIVA

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Montmorillonite

� A highly reactive(expansive) clay

� montmorillonite family

� used as drilling mud, in slurry trench walls, stopping leaks

� (OH)4Al 4Si8O20.nH2O

high affinity to waterBentonite

swells on contact with water

77SIVA

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Illite

Si

Al

Si

Si

Al

Si

Si

Al

Si

0.96 nm

joined by K+ ions

fit into the hexagonal

holes in Si-sheet

78SIVA

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Others…

� A 2:1:1 (???) mineral.

� montmorillonite family; 2 interlayers of water

� chain structure (no sheets); needle-like appearance

Chlorite

Vermiculite

Attapulgite

Si Al Al or Mg

79SIVA

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A Clay Particle

Plate-like or Flaky Shape

80SIVA

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Clay Fabric

Flocculated Dispersed

edge-to-face contactface-to-face contact

81SIVA

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Clay Fabric

� Electrochemical environment (i.e., pH, acidity, temperature, cations present in the water) during the time of sedimentation influence clay fabric significantly.

� Clay particles tend to align perpendicular to the load applied on them.

82SIVA

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83SIVA

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Scanning Electron Microscope

� common technique to seeclay particles

plate-like structure

� qualitative

84SIVA

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Others…

X-Ray Diffraction (XRD)

Differential Thermal Analysis (DTA)

� to identify the molecular structure and minerals present

� to identify the minerals present

85SIVA

Copyright©2001MEB: Etude de la texture

- Le traitement modifie notablement la texture de l’argile. Il diminue le nombre de pores ayant une grande dimension mais il connecte les pores.

- La taille des agrégats de l’argile diminue également.

5µm

Foca purifiée Traitée à 10% de chauxFoca purifiée

5µm

FoCa

86SIVA

Copyright©2001MET « coupe » : Etude de l’influence du traitement

Non traitée traitée

-Le sol traité est plus compacte: le nb. moyen de feuillets par paquet passe de 10 à 20 environ

- La disparition des feuillets individuels et la présence de très peu de paquets ouverts

FoCa

FoCa

87SIVA

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• Apparition des nouveaux pics CAH (7.6A° et 3.67A° ) -

CAH: Ca3Al2O6 XH20 (02-0083, J.C.P.D.S) néoformé par la réaction pouzzolanique

• Absence des pics de la chaux libre après 28 jours: consommation totale de la chaux

• Augmentation de l’intensité des pics de la calcite ( carbonatation de la chaux)

• Après 28 jours de maturation à 49°C: augmentation des pics de CAH et apparition d’autre nouveaux

pics (3,04°A et 2,786°A), correspondant àCSH : Ca1.5SiO3.5XH2O (33-0306, J.C.P.D.S).

Diffractogrammes RX

de l’argile non traitée (ANT) et

traitée (AT) à10% de chauxaprès

28 et 90 jours à 20°C

et après

28 jours à 49°C0

50

100

150

0 10 20 30 40 50 60 70

ANTAT 28 Js-20°CAT 90 Js-20°CAT 28 Js-49°C

CA

H

CA

H

2 θ (degrees)

Inte

nsiti

es

CA

H

CA

H

Cal

cite

CA

H

CA

H

CA

H

CS

H

CS

H

Évolution de la minéralogie avec le traitement

FoCa

88SIVA

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La chaux (Calcia): 93% Ca(OH)22, elle contient 6,7% de la calcite (impureté)

2. Caractérisation des matériaux de l’étude

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Température (°C)

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

DTG

TG

Ca

(OH

)2

DT

G (

mg

/ m

in)

TG

(%

)

Cal

cite• La composition minéralogique:

Ca(OH)2: 93% ; (320°C-460°C)

Calcite : 6,7%

Courbes ATG-TG de la chaux hydratée séchée à 105°C

Chaux

89SIVA

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Casagrande’s PI-LL Chart

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Liquid Limit

Pla

stic

ity In

dex

A-line

U-line

montmorillonite illite

kaolinite

chlorite

halloysite

90SIVA

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91SIVA

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Specific Surface

� surface area per unit mass (m2/g)

� smaller the grain, higher the specific surface

e.g., soil grain with specific gravity of 2.7

10 mm cube1 mm cube

spec. surface = 222.2 mm2/g spec. surface = 2222.2 mm2/g

92SIVA

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Isomorphous Substitution

� substitution of Si4+ and Al3+ by other lower valence (e.g., Mg2+) cations

� results in charge imbalance (net negative)

++

+ + +

+

+

__ _

_ _

_

_

___

_

_

_

_

_

_

_

_

_

__

__

positively charged edges

negatively charged faces

Clay Particle with Net negative Charge

93SIVA

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Cation Exchange Capacity (c.e.c)

� capacity to attract cationsfrom the water (i.e., measure of the net negative charge of the clay particle)

� measured in meq/100g (net negative charge per 100 g of clay)

milliequivalents

known as exchangeable cations

� The replacement power is greater for higher valence and larger cations.

Al 3+ > Ca2+ > Mg2+ >> NH4+ > K+ > H+ > Na+ > Li+

94SIVA

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A Comparison

20-3080Chlorite

80-120800Montmorillonite

20-3080-100Illite

3-1010-20Kaolinite

C.E.C (meq/100g)

Specific surface(m2/g)

Mineral

95SIVA

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Cation Concentration in Water

+++ +

+

++

+

+

+

+

+

+

+

++ +

+

+

+ +

++

++

+

+

+

+

+

+

++

+

++

+

+

+

++

+

+ + +

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+ ++

+

+

+

++

++

+

+

+

+

+

+

++

+

++

+

+

+

+ +

+

cations

� cation concentration drops with distance from clay particle

- -- -- -- -- -- -- -

clay particle

double layer free water

96SIVA

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Adsorbed Water

- -- -- -- -- -- -- -

� A thin layer of water tightly held to particle; like a skin

� 1-4 molecules of water (1 nm) thick

� more viscous than free water

adsorbed water

97SIVA

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Clay Particle in Water

- -- -- -- -- -- -- -

free water

double layer

water

adsorbed water

50 nm

1nm

98SIVA

Copyright©2001

99SIVA

Copyright©2001

Summary - Clays

� Clay particles are like plates or needles. They are negatively charged.

� Clays are plastic; Silts, sands and gravels are non-plastic.

� Clays exhibit high dry strength and slow dilatancy.

100SIVA

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Summary - Montmorillonite

� Montmorillonites have very high specific surface, cation exchange capacity, and affinity to water. They form reactive clays.

� Bentonite (a form of Montmorillonite) is frequently used as drilling mud.

� Montmorillonites have very high liquid limit (100+), plasticity index and activity (1-7).

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Sols Definition Structures Clay Mineral