Propriétés Physiques des Sols

 

 

Références

Holtz, R.D. and Kovacs, W. D. (1981). An Introduction to Geotechnical Engineering, Prentice Hall.

Das, B. M. (2000), Fundamentals of Geotechnical Engineering. Brooks/Cole

Das, B. M. (1997), Advanced Soil Mechanics. Taylor & Francis

Taylor (1948); Fundamentals of Soil Mechanics, Wiley, New York

Terzaghi (1943); Theoretical Soil Mechanics’, Wiley, New York.

 

Matériel 1 - (Format PPT-powerpoint) - Définitions et Terminologies

Matériel 2 - (Format PPT-powerpoint) - Classifications des Sols

 

INTRODUCTION

Les matériaux qui font l’objet des études en Mécanique des Sols, restent très souvent circonscrits aux terrains superficiels, généralement entre 1 à quelques dizaines de mètres. Les terrains ainsi mis en évidence sont généralement des matériaux de la partie très superficielle de la lithosphère. L'ingénieur considère le sol comme un assemblage naturel de grains minéraux facilement séparables (e.g. l’argile, le sable, le limon, etc.). Quant à la roche, la force de liaison entre les grains minéraux est plus forte (e.g. le calcaire, le granite, le gabbro, etc.). De plus en plus, il est fait distinction entre les notions de «soft soil» et «hard soil». Ces concepts expliquent tout simplement, la difficulté qu’il y a de trouver une barrière franche entre le sol et la roche. Que dire d’une marne compacte, à l’exemple des matériaux Éocène de la Presqu’île de Dakar ?

Le sol est donc un complexe constitué de solides et des fluides en circulation. Les fluides en circulation sont l’eau et l’air. Le squelette solide est un ensemble formé par les particules solides mais dans leur arrangement naturel. Le comportement de l’argiles, en particulier, est essentiellement fonction de ses conditions de gisement et de sa composition. Sa composition dépend d’une part de la présence de minéraux argileux, et d’autre part de l'état des électrolytes (sels dissous) dans l'eau interstitielle du sol. Il est souvent nécessaire d’explorer la structure des argiles à partir du niveau atomique jusqu’au niveau macroscopique. Les concepts d'eau adsorbée, de capacité d'échange de la cations, et floculation et dispersion sont souvent introduits dans la caractérisation des sols. Ces concepts apportent très souvent des réponses importantes sur la nature et le comportement mécanique du sol. Si les caractéristiques de résistance et de rigidité sont les caractéristiques essentielles des sols, cependant on peut comprendre qu’un sol contenant de l’argile se comporte mécaniquement moins bien qu’un sol granulaire  bien classé ou un sable. L’étendue de leurs caractéristiques physique, chimique et minéralogique atteste de la complexité des argiles.

 

Les argiles montrent un état plastique quand leur résistance au cisaillement, de même que leur compressibilité sont directement liées à la teneur en eau.

Les argiles sont structurées soit :

- à l’échelle atomique,

- à l’échelle moléculaire ;

- à l’échelle macroscopique.

A chacune de ces structures, les argiles ont un aspect spécifique qui est déterminant dans leur comportement physique ou mécanique observé. Les minéraux des argiles ont des dimensions structurales inférieures à 2 microns (2 x 10-3 mm), ce qui fait qu’on ne peut les observer qu’au microscope électronique. L’analyse microscopique montre que les argiles ont des formes de feuillets plates. Cette forme ainsi que leur faible taille combinées donnent aux argiles une grande surface de contact pour un volume de solide donné.

 

Les sols proviennent de la désagrégation mécanique ou de la transformation chimique de la roche parent. Les plus gros éléments (Ø > 2µm) proviennent de la désagrégation mécanique. Pour les plus petits cette désagrégation mécanique s'accompagne d'une altération chimique. Selon la dimension des particules, on adopte souvent les dénominations suivantes :

La limite à 80 µm (AFNOR) [ou à 75 µm (DIN, BS, ASTM, IS )] correspond aux dimensions limites des mailles d'un tamis normalisé, obéissant à une progression géométrique particulière. Du fait de leur nature, les particules d'argile sont le siège d'importantes forces de liaison qui donnent aux sols des propriétés particulières. On distinguera donc parmi les particules solides, celles constituées de minéraux non argileux et les particules argileuses. Cette distinction est d’ailleurs assez simpliste car les processus pédogenètiques, qui sont d’ailleurs très complexes, permettent de passer des uns aux autres. Par exemple, un granite essentiellement constitué de matériaux «dits» inertes peut se transformer dans le temps en une arène granitique qui lui-même évoluera vers un matériau purement argileux. Dans cet exemple, les minéraux tels les pyroxènes, les amphiboles évoluent vers des matériaux à structures argileuses. Tandis que les autres, à structure beaucoup plus grossières demeurent non argileux. Il s’agit dés lors de définir ou de prévoir l’évolution des matériaux beaucoup plus par leur structure que par nature.

 Structure des matériaux pulvérulents

Ce sont les matériaux essentiellement constitués de solides inertes. On les rencontre rarement dans les particules inférieures à 2 µm. Les plus gros éléments sont composés de quartz, de matériaux calcaires ou d’autres corps silicatés. Ces minéraux, même lorsqu'ils sont fins, ont une faible activité et contribuent peu aux propriétés physico-chimiques apportées par les minéraux «dits» argileux telles que la plasticité ou la cohésion. On retrouve dans ce groupe, les sols pulvérulents, les sables, les graviers, les cailloux, les blocs. Ces matériaux sont ainsi à structure granulaire ce qui a un impact important dans le comportement global du sol. A raison des dimensions surfaciques assez importante des contacts grain grain, les forces de pesanteur sont prépondérantes vis à vis des forces d’attractions capillaires qui s’exercent sur chaque grain.

 Structure des argiles

Les argiles sont les particules fines dont la genèse est un processus plus ou moins accompli en partant de la roche mère. Le passage de la roche mère à l'argile est provoqué par un ensemble d'actions mécaniques, chimiques, et cristallographiques complexes connues sous le nom de processus pédogenètiques. Les grains argileux sont constitués d'un empilement de feuillets chargés électriquement qui glissent les uns par rapport aux autres. On dit qu'ils ont des propriétés colloïdales. On distingue 3 groupes principaux d'argiles qui se différencient par la distance entre feuillets :

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 (Les marnes de Rufisque, les sols argileux de la Presqu’île de Dakar,…) (smectiques, beidellites,...).

Il faut donc bien noter que lorsque nous parlerons de grains, il s'agit en fait d'un empilement de feuillets chargés électriquement. Cette charge constitue ce que l'on appelle l'activité superficielle du minéral. Plus les particules sont petites et plus l'activité est grande, à tel point que les propriétés de ces particules influencent fortement les propriétés de l'agrégat. On dit que la substance est à l'état colloïdal.

 

Dans les sols, l'eau existe sous trois (3) formes :

Le sol est dit saturé lorsque tous les vides entre les particules solides sont remplis d'eau. Dans le cas contraire, l'eau reste concentrée aux points de contact et elle est retenue par des forces de capillarité. Les interstices restants sont remplis de vapeur d'eau, d'air ou de gaz divers (résultant de la décomposition de matières organiques).

 

1. - IDENTIFICATION et CLASSIFICATION

Les sols naturels sont constitués par un mélange de particules élémentaires de différentes dimensions et par suite de propriétés différentes. D'une manière générale, les propriétés d'un sol dépendront de la proportion de fines particules par rapport à la quantité des plus grosses. Pour étudier les propriétés mécaniques des sols, il est donc nécessaire d'en connaître la nature et ensuite de les classer. Pour ce faire on se référera aux classifications mises au point, qui repose sur deux essais principaux d'identification : l'analyse granulométrique et la détermination des limites d'Atterberg.

 

1.1. - Analyse granulométrique et sédimentométrique

Cet essai consiste à déterminer la répartition en poids des grains du sol suivant leur dimension. Pour les particules de dimensions supérieures à 80 µm, la séparation se fait par tamisage. Pour les fines (< 80 µm), on doit pratiquer l'essai de Sédimentométrie.

Tamisage

Celui-ci peut se faire à sec ou sous l'eau à l'aide de tamis ou de passoires en progression géométrique de raison . Les résultats de l'analyse sont reportés sur un diagramme semi-logarithmique où l'on porte les diamètres des particules en abscisse (graduation log) et les pourcentages en poids des tamisas cumulés en ordonnée. Sur la courbe on appellera Dx le diamètre pour lequel le tamisât cumulé est de x %. A l'aide de cette courbe on détermine ainsi pour chaque diamètre Dx la quantité de particules inférieures en dimension à Dx.

Sédimentologie

Cet essai est basé sur la loi de Stockes qui donne la vitesse limite Vlim d'une particule de poids spécifique gs tombant sous l'action de la pesanteur, dans un liquide visqueux de poids spécifique gw et de viscosité h. En réalité cet essai se fait en dispersant les particules de sol dans l'eau par agitation. On laisse décanter, et on mesure la densité de la solution à différents niveaux et en fonction du temps. En établissant une relation entre le diamètre des particules et le temps d'une part, la densité et le pourcentage de particules d'autre part, on peut ainsi tracer la courbe sédimentomètrique qui complète la courbe granulométrique.

On détermine alors les caractéristiques du sol par 2 coefficients :

Cœfficient d’uniformité (Cu) ou coefficient de Hazen

caractérise l'étalement de la granulométrie,

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.

Exemples de courbes granulométriques

 

1.2.- Limites d'Atterberg

L’essai est effectué sur la fraction granulaire inférieure à 0,42 mm appelée le mortier. Si à un échantillon de sol préalablement desséché et pulvérisé, on fait croître la teneur en eau de façon homogène par malaxage, il passe progressivement de l'état solide, à l'état plastique puis à l'état liquide. Par définition, la teneur en eau w d'un sol est le rapport entre le poids d'eau Ww et le poids de sol sec Ws. Elle est exprimée en %. En 1905, Atterberg a défini des teneurs en eau fixant les limites entre les 3 états.

 

Ces limites ne représentent pas un état physique précis. Elles ont un caractère conventionnel et sont définies à partir d'essais normalisés.

- La limite de liquidité Wl

Le mortier est placé dans une coupelle et est séparé en 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.

- La limite de Plasticité Wp

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.

- L’indice de plasticité Ip

Il donne l'étendue du domaine plastique Ip = Wl - Wp. La plasticité d'un sol (c'est-à-dire sa faculté de devenir très déformable en absorbant de l'eau) est appréciée par le couple (Wl , Ip) qui dépendent de la nature des minéraux argileux contenus dans le sol et de leur quantité. C'est ainsi que Casagrande a défini un diagramme dit Abaque de plasticité de Casagrande qui permet de classer les sols fins.

Nous exposons ici, pour le lecteur, différentes types de classifications.

 

Diagramme de Casagrande

 

On définit aussi l'indice de consistance d'un sol :

 

le sol étant pris dans son état naturel teneur en eau w

et l'indice de liquidité

 

1.3. - Activité - Sensibilité - Thixotropie des argiles

Teneur en argile

Par définition, la teneur en argile (exprimée en %) est égale à :

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

  

Sensibilité

Par définition ST est le rapport de la résistance à la compression simple avant remaniement sur la résistance à la compression simple après remaniement. On effectue ces essais de compression sur des cylindres de sol dont la hauteur h est égale à 2Ø (diamètre de la carotte).

 

Thixotropie des boues argileuses

Certaines 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.

 

2.- CLASSIFICATION DES SOLS

Les différentes classification 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.

On commence d'abord par déterminer les pourcentages :

   • sol grenus : plus de 50% des éléments sont > à 80 µm.

   • sols fins : plus de 50% des éléments sont < à 80 µm.

 

Classification USCS en laboratoire (Cela ne suffit pas pour une classification précise)

 

En laboratoire, la classification commence par une appréciation visuelle des sols de manière à distinguer d'une part, les sols très organiques, d'autre part les sols grenus ou fins. Dans les cas limites, on devra déterminer le pourcentage d'éléments inférieurs à 80. Les sols organiques se reconnaissent par leur texture fibreuse due à une décomposition de matière végétale, leur couleur tirant sur l'ocre, le rouge, ou le brun. Mais celle-ci n'est pas déterminante surtout en Afrique où les sols latéritiques présentent les mêmes couleurs. Par contre l'odeur caractéristique de pourriture ou de gaz issus de la décomposition est un atout déterminant.

 

Classification USCS

 

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

a) Éléments du sol :

b) Granulométrie :

c) Plasticité du sol :

 

2.1.- Classification des sols grenus

On se sert du tableau de classification général pour séparer les sols grenus des sols fins. (Tableau 1). Pour plus de précision, on utilise ensuite le tableau de classification des sols grenus (Tableau 2).

 

2.2.- Classification des sols fins

On utilise l'abaque de Casagrande qui permet de déterminer la plasticité du sol. Lorsque l'une  des caractéristiques se situe à la limite séparant deux classes, on utilise un double symbole : par exemple, AP - LP.

 

2.3.- 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.

 

3 - PARAMETRES DÉFINISSANT L'ÉTAT D'UN SOL

3.1.- Schéma poids volume :

Les caractéristiques mécaniques d'un sol dépendent des quantités d'air, d'eau et de matière solide entrant dans sa composition.

 

Toutes les quantités sont déterminées par mesure de volume ou de poids avant et après étuvage à 105° C jusqu'à poids constant. Les paramètres définis sont tous des rapports entre deux ou plusieurs de ces quantités de base. Les relations entre ces paramètres sont donc indépendantes de la quantité de sol considéré et l'une des quantités élémentaires pourra, dans la recherche de ces relations, être prise égale à l'unité.

Important :

-          la prise en compte du poids conduit à des poids volumique (comme rapport entre poids et volume)

-          par contre, la prise en compte de la masse (P = m.g : P est le poids, m la masse et g l’accélération de la pesanteur = 9,81 m/s2), conduit à des masses volumiques

-          V ou Vt = volume total

-          M ou Mt = masse totale

-          Les indices (a : air, v : vide, s : solide, w : eau)

 

3.2.- Poids spécifiques

Par définition, nous aurons les relations suivantes :

 

3.3.- Paramètres sans dimension

a) Teneur en eau :

Les valeurs de teneur en eau sont très variables ; pour argiles, elles peuvent dépasser 100% ; mais pour celles-ci la mesure de teneur en eau est très incertaine. En effet, à la température de 105°C, seule l'eau interstitielle est éliminée. L'eau adsorbée ne l'est que partiellement et l'eau de constitution ne l'est pas du tout. Si dans les couches superficielles du sol, elle est de l'ordre de 10%, il n'en va pas de même dans les couches profondes où la teneur en eau varie peu. Par contre certains sols comme les tourbes ont des teneurs en eau pouvant aller jusqu'à 600% et plus.

b) Degré de saturation

Lorsque le sol est sec Sr = 0. Lorsqu'il est saturé, c'est-à-dire lorsque les vides du squelette solide sont remplis d'eau : Sr = 1.

 

c) Porosité et indice des vides

La porosité est le rapport du volume des vides (c'est-à-dire du volume occupé par l'air, l'eau ou les deux fluides simultanément) au volume total du sol. Dans le volume unité, les grains solides occupent un volume de C = 1 - n, que l'on appelle la compacité, n étant la porosité définie ci-dessus. L'indice des vides fait double emploi avec la porosité mais son utilisation est parfois plus facile dans les problèmes. C'est le rapport du volume des vides au volume des grains solides ; avec  et .