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ISSN en cours MINISTÈRE DE L'ÉQUIPEMENT, DU LOGEMENT,

DE L'AMÉNAGEMENT DU TERRITOIRE ET DES TRANSPORTS LABORATOIRE CENTRAL DES PONTS ET CHAUSSÉES

MÉTHODE D'ESSAI LPC

no 21

Dans l'attente d'une normalisation dans le cadre de IIAFNOR, cette Méthode d'essai LPC reprend le texte du Mode Opératoire MS. L-3 approuvé le 28 octobre 1966 par le Directeur du

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées.

Février 1987

SOMMAIRE

Unités, notations e t formules de base.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

CHAPITRE 1 . - GÉNÉRALITÉS

1-1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1-2 Notion de résistance au cisaillement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1-3 Butdel 'essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1-4 Paramètres C et 0.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1-5 Principe de la méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

CHAPITRE 2. - APPARElLLAGE

2-1 Appareillage spécifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2-2 Appareillage d'usage courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

CHAPITRE 3. - PRISE D'ÉCHANTILLONS I N T A C T S 14

CHAPITRE 4. - PRÉPARATIONS DES ÉPROUVETTES S O U M I S E S A L'ESSAI

4-1 Extraction de l'échantillon de son étui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4-2 Choix des prises d'essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4-3 Découpage des éprouvettes soumises à l'essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

CHAPITRE 5. - EXÉCUTION DE L'ESSAI

5-1 Saturation e t consolidation de l'éprouvette. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5-2 Essai proprement dit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

CHAPITRE 6. - C A L C U L S E T RÉSULTABS

6-1 Courbes contrainte-déformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6-2 Courbesintrinsèques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6-3 Poids spécifique sec e t teneur en eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

CHAPITRE 7. - C O M M E N T A I R E S 21

MlNlSTERE DE L'ÉQUIPEMENT, DU LOGEMENT, DE L'AMENAGEMENT DU TERRITOIRE ET DES TRANSPORTS

LABORATOIRE CENTRAL DES PONTS ET CHAUSSEES 58, boulevard Lefebvre - 75732 PARIS CEDEX 15

Tél. (1 48 56 50 00 - Télex LCPARI 200361 F

Février 1987

Ce document est propriété de l'Administration et ne peut être reproduit, même partiellement, sans l'autorisation du Directeur du Laboratoire central des Ponts et Chaussées

(ou de ses représentants autorisés).

0 1987 - LCPC

AVERTISSEMENT

Le texte de cette méthode d'essai LPC est la reproduction sans modification du mode opéra- toire MS.L-3 publié chez DUNOD en 1970 dans la série des « Modes Opératoires du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées )).

Les modifications suivantes doivent être apportées systématiquement aux symboles utilisés dans le texte :

C, CI, CU , CCU au lieu de c , Cr, c U, CCU 1

cP7cP>cPu,cPcu $7 Qu, @CU

u'P 1

0 c

poids volumique poids spécifique

L'unité de contraintes et pressions recommandée est le kilopascal (kPa) : 1 bar = 100 kPa.

L'adresse actuelle de l'AFNOR (p. 24) est : Tour Europe - Cedex 7, 92080 Paris-La Défense.

UNITÉS, NOTATIONS ET FORMULES DE BASE

Quelques symboles et formules utilisés dans le mode opératoire de l'essai de cisaillement rectiligne, sont explicités ici.

sans

sans T-2

Formules

sans

e =indice des vides

Symboles Dimensions

LU =teneur en eau % y =poids spécifique du sol

Unités

-

yd =poids spécifique du sol sec y, =poids spécifique des grains

solides

n =porosité, % de vides

Formules

Pour un sol saturé :

e = w x y,ly,

y = ya + n y. i y f = y- y.

- -- -- -

Dimensions

ML-2 T-2 ML-2 T-2

ML-' T-2 ML-' T-2 ML-l T-2 ML-l T-2 MI.-' T-2

Ml.-l T-?

MI,-l T-2

MI,-' T-2

sans

sans

sans

sans

- - -- - - --

1'niti.s Syniholes

kPa kPa kPa kPa

u =pression interstitielle a =contrainte normale 1

a = 0' + 11

a' =contrainte normale effective \ a', = pression de préconsolida-

tion. C'est la plus grande pression effective a laquelle a été soumis l'échantillon de sol au cours de son his- toire

kN lm3 kN/mJ

kPa

I

y, =poids spécifique de l'eau y' =poids spécifique du sol

déjaugé r =contrainte de cisaillement

1< Pa

kPa

kPa degré

degré

degré

-

C , - cohésion déterminée à par tir d'un essai non drainé e t non consolidé

C c , = cohésion déterminée a par tir d'un essai consolidé e t non drainé

C ' = cohésion effective Q,, = angle de frottement déter-

miné a partir d'un essai consolidé e t non drainé

a,, = angle déterminé a partir d'un essai consolidé e t non drainé

Q, = angle de frottement effec- tif

o = déformation

CHAPITRE I

1.1 - INTRODUCTION

Dans tous les problèmes de stabilité des sols (étude de fondations, ouvrages de soutènement, remblais, talus, etc.), il est nécessaire de connaître la (( résistance » du sol. Cette résistance est souvent difficile à déterminer, spécialement lorsqu'il s'agit d'un sol cohérent.

La résistance )) d'un sol peut être définie par de nombreux critères : résistance a la compression simple, essai CBR, essai pénétrométrique, essai pressiométrique, essai triaxial. Le présent mode opé- ratoire s'applique exclusivement à l'essai de cisaillement rectiligne, dit « à la boîte ».

1.2 - NOTION DE RESISTANCE AU CISAILLEMENT

Lorsqu'un système de forces est appliqué à un volume déterminé d'un sol, il se développe en général des contraintes de cisaillement. Ces contraintes de cisaillement entraînent des déformations du sol. Ces déformations peuvent être importantes le long de certaines surfaces que l'on appelle surfaces de glissement ou surfaces de rupture.

La résistance au cisaillement d'un sol est définie comme étant la contrainte de cisaillement dans le plan de la rupture, au moment de la rupture.

Cependant, cette notion de résistance au cisaillement n'est pas toujours facile à définir, que ce soit dans un essai de laboratoire, ou dans le sol sur lequel est construit l'ouvrage.

En effet, si on porte I'évolution de la contrainte de cisaillement T en fonction de la déformation .Z dans le plan de cette con- trainte de cisaillement, on obtient le gra- phique indiqué sur la figure 1.

La résistance au cisaillement peut être définie, sur ce graphique, comme étant:

- le maximum de la contrainte de cisaillement T max,

- ou la contrainte de cisaillement correspondant à une déformation très grande,

- ou la contraintede cisaillement correspondant a une déformation plus ou El E Déformation moins arbitraire Fro. 1. -- Cpurbe contrainte-déformation.

Sauf dans des cas particuliers, on prendra comme résistance au cisaillement, le maximum de contrainte de cisaillement.

1.3 - B U T DE L'ESSAI

Les valeurs de la résistance au cisaillement ainsi définies sont portées sur un graphique en fonction de la contrainte normale o, s'appliquant sur le plan de rupture.

FIG. 2. - Droite intrinsèque.

La courbe obtenue est approximativement une droite appelée (( droite intrinsèque ». L'angle que fait cette droite avec l'axe des abscisses est appelé « angle @ )) et l'ordonnée à l'origine de cette droite est appelée (( valeur C )).

L'équation de cette droite est donc :

Elle exprime la loi de Coulomb.

1.4 - PARAMÈTRES C ET @ P O U R DIFFÉRENTS SOLS ET DIFFÉRENTS TYPES D'ESSAI

Deux grandes catégories de sols seront envisagées dans ce mode opératoire :

- les sols pulvérulents : les graviers et surtout les sables,

- les sols cohérents : argiles et limons.

i - 4.1 - Sols pulvérulents.

Dans ce cas, la droite de Coulomb passe par l'origine, c'est-à-dire que le terme C est nul. L'équa- tion de Coulomb devient :

1 r = o t g @ l

L'angle 0, qui peut être appelé dans ce cas angle de frottement interne, dépend principalement de la compacité du sol, de la forme et de l'état de surface des grains solides.

I - 4.2 - Sols cohérents.

L'eau joue un rôle fondamental dans la résistance au cisaillement des sols cohérents. Pour simplifier le problème, seuls seront considérés les sols saturés.

Les valeurs de C e t de obtenues dépendent essentiellement de la vitesse de l'essai et de la perméabilité des sols, car l'un des paramètres déterminants est la pression interstitielle de l'eau, pression qui est directement liée aux conditions de drainage de l'essai.

Dans la pratique de l'essai, des contraintes totales CS s'exerceront sur l'échantillon ; mais les caractéristiques de cisaillement de ce sol cohérent dépendront largement des contraintes infergranu-- laires ou effectives qui seront supportées par le squelette solide du sol.

Cr

F O Z U * - S

FIG. 3. - Modèle rheologique de sol saturé. F : force de compression du ressort. S : surface du piston.

Comme peut le montrer un schéma (fig. 3) ou le squelette solide serait figuré par un ressort, les contraintes a et a' sont liées par la relation fondamentale :

oii u est la pression interstitielle de l'eau.

Trois types d'essais peuvent être définis suivant qu'il y a drainage ou non, consolidation ou non ; la consolidation consistant à charger l'échantillon en le drainant jusqu'à ce que la pression interstitielle se soit totalement dissipée (u = 0).

a) Type non consolidé - non drainé (essai UU1).

L'éprouvette ne subit aucune consolidation, ni aucun drainage préalable, sous la contrainte normale a de l'essai. C'est un essai rapide et sauf dans des cas très particuliers, la droite de Coulomb dans le diagramnie (7, a) est horizontale (pour un sol cohérent saturé).

(1) La nomenclature suivante est utilisée car son emploi est international : U U : Unconsolidated - Undrained C U : Consolidated - Undrained C D : Coiisolidated - Drained.

La rapidité de l'essai doit être telle qu'elle ne permette aucun drainage de l'échantillon.

Ce type d'essai est le plus couramment utilisé pour les études de fondations.

b) T y p e consolidé - n o n drainé (essai CU).

Chaque éprouvette de sol est consolidée avant l'expérience, sous la même contrainte normale a que celle qu'elle subira pendant l'essai. La contrainte de cisaillement est suffisamment rapide pour que le drainage n'ait pas le temps de s'effectuer, donc polir que la pression interstitielle 11 de l'eau ne puisse pas se dissiper en cours d'essai.

La contrainte de cisaillement A la rupture est donnée par l'équation

1 7 - cc. + c tg @ C U = Ccu + (a1 + u) tg @ C U 1 Cette relation qui fait intervenir les contraintes s'exerçant sur deux phases n'a Ilas de signification physique.

c) T y p e consolidé - drainé (essai CD).

Cet essai est mené comme l'essai du type consolidé - non drainé, niais la vitesse de cisaillement est suffisamment lente pour que la pression interstitielle de l'eau puisse se dissiper et être considérée comme nulle à chaque instant (u == 0).

Il en résulte que a = of. L'essai, se faisant en contraintes effectives, donne une cohésion et un angle de frottement effectifs.

L'équation de Coulomb devient :

1.5 - PRINCIPE DE LA METHODE

L'échantillon de sol à étudier est placé entre deux demi-boîtes qui peuvent se déplacer liori- zontalement l'une par rapport à l'autre. Un piston permet d'exercer sur le sol une contrainte normale o déterminée ( f ig . 4).

&-- Comparateur

6

Avant l'essai - Après l'essai

FIG. 4. - Scliéma de la boite de cisaillement.

La demi-boîte inférieure est entraînée horizontalement à vitesse constante. La force totale de cisaillement F est mesurée à l'aide d'un anneau dynamométrique fixé à la demi-boîte supérieure.

Un comparateur mesiire la déformation verticale de l'échantillon.

L'échantillon subit donc un cisaillement direct et rectiligne suivant un plan imposé sur lequel on exerce une contrainte normale déterminée.

CHAPITRE 2

APPAREILLAGE

2.1 - APPAREILLAGE SPÉCIFIQUE

2 - 1.1 - La boîte de cisaillement ou boîte de Casagrande.

Il existe différents modèles de boîtes de cisaillement, dans laquelle est mise IYéprouvett,e d'essai, mais tous répondent au principe schématisé sur la figure 4.

1;1<i. 5. Uoitc de cisailleiiieiit eiitièrement montée.

Une boîte de cisaillement comporte essentiellement ( f i g . 5 et 6)

- une demi-boîte inférieure, munie d'une pierre poreuse plate, striée 011 deiitée,

- une demi-boîte supérieure,

-- un piston, muni a sa base d'une pierre poreuse plate, striée ou dentée, glissant librement dans la demi-boîte supérieure e t transmettant à l'éprouvette l'effort vertical exercé,

- deux goupilles, solidarisant les deux demi-boîtes, avant l'essai.

Le piston e t la demi-boîte inférieure possèdent des orifices pour la niise en eau des pierres po- reuses.

Les dimensions intérieures des demi-boites couramment utilistes sont de 6 x 6 cm ou de m 6 cm pour les sols cohérents homogènes, de 10 x 10 cm pour les sols pulvérulents ou hétérogènes.

La profondeur de la demi-boîte inférieure est de 2 cm environ.

FIG. 6. - Boite démontée; de gauche à droite : demi-boite supérieure, piston, demi-boîte inférieure, au premier plan les goupilles.

2 - 1.2 - Les bâtis de consolidation.

Lorsque la consolidation ne se fait pas sur la machine de cisaillement, les bâtis de consolidation sont de même conception que ceux de l'essai de compressibilité. Ils comportent en plus une tige- support de comparateur pour la mesure des tassements des éprouvettes d'essais (fig. '7).

2 - 1.3 - Les poids.

Ce sont des disques plats fendus, permettant leur centrage e t leur superposition sur le plateau de charge du levier du bâti.

Chaque bâti de consolidation doit avoir sa série propre de poids de manikre il pouvoir effcctucr simultanément la consolidation de différentes éprouvettes d'essais sous les contraintes normales désirées.

2 - 1.4 - La machine de cisaillement à déformations contrôlées.

Elle cisaille le sol 3 vitesse constante.

Elle peut être maniielle, mais dans ce cas, les essais à vitesse lente sont exclus.

Elle est le plus souvent à moteur e t à plusieurs vitesses. La machine décrite ci-dessous est de cc typc.

b

FIG. 8. - hlacliines de cisailleinent avec la boite prête pour l'essai.

Elle comporte essentiellement ( f i g . 8a) :

- un chariot porte-boîte, entraîné horizontalement à vitesse constante, entraînant lui-mêrrie la demi-boîte inférieure et l'éprouvette d'essai.

- un anneau dynamométrique, retenant la demi-boîte supérieure, dont les déformations indiquent les efforts tangentiels développés dans le plan de cisaillement,

- un système levier-étrier, appliquant sur le piston de la boîte les charges normales désirées, 3 l'aide de différents poids.

Pour tous les détails de mise en place e t de fonctionnement de la machine, suivre strictement les instructions e t recommandations de chaque constructeur.

FIG. O . - Meule h découper les étuis.

2.2 - APPAREILLAGE D'USAGE COURANT

- une meule à découper les étuis contenant les carottes de sol ( f i g . 9),

- une balance précise A 0,l g, portée de 500 g minimum, pour la mesure des teneurs en eau et poids spécifiques,

- une étuve à 105 O C ,

I I . 1 . Calibre (le découl)agc..

- 12 -

- un calibre donnant les dimensions de l'éprouvette à découper ( f i g . la) ,

- cordes à piano, scies e t couteaux divers, etc. pour tailler des éprouvettes de consistance variée ( f i g . I l ) ,

FIG. 11. - Matériel divers pour la taille des éprouvettes.

- des comparateurs au 111 00 de mm, ayant une course de 10 mm. Pour les sols très compressibles des comparateurs de même précision ayant une course de 20 mm environ,

- un chronomètre donnant la seconde,

- un réglet de 100 mm environ, gradué au 112 mm,

- des coupelles tarées, en alumiiiium, pour la mesure des teneurs en eau,

- du papier filtre.

CHAPITKE 3

PRISE D'ÉCHANTILLONS INTACTS

IAe problème très important de la grise de carottes ou d'échantillons intacts sera traité dans un niode opératoire sépare.

CHAPITRE 4

PRÉPARATI ON DES ÉPROUVETTES SOUMISES A L'ESSAI

Ce chapitre ne concerne que les échantillons intacts e t cohérents. Il est évident qu'un échan- tillon pulvérulent n'exige pas toutes les précautions décrites ci-dessous. D'autant plus que si un essai paraît aberrant, rien n'empêche de reprendre le même échantillon pulvérulent pour recommencer l'essai.

4.1 - E X T R A C T I O N D E L'ÉCHANTILLON H O R S D E S O N ÉTUI

La carotte intacte se présente généralement dans un étui en métal ou en matière plastique rigide. L'étui en métal, ou « container », est parfois fendu suivant une génératrice comportant plusieurs points de soudure.

- Repérer le haut e t le bas de la carotte, avant l'extraction.

- Si possible, découper le container suivant une génératrice avec une meule ( f ig . 9)' en évitant d'entamer la carotte.

- 1,orsque le container est très long (plus de 80 cm), le découper en deux tronqons avant d'ouvrir une génératrice.

- Eviter de faire sauter brutalement au burin les points de soudure.

- Eviter de (( chasser 1) l'échantillon par pression, surtout lorsqu'il est peu consistant e t colle aux parois, ou lorsqu'il est très compressible. E n tout é ta t de cause, chasser la carotte dans le même sens que celui de son introduction dans le container, c'est-à-dire de bas en haut. Dans le cas où une enveloppe intérieure en matière plastique isole la carotte des parois de l'étui, tirer sur l'ensemble enveloppe-carotte.

- Entreprendre rapidement l'essai pour éviter toute dessication.

4.2 - CHOIX DES PRISES D'ESSAI

La carotte étant sortie du container, il s'agit d'en extraire 3 ou 4 éprouvettes de mime nufrire, de 4 cm d'épaisseur environ pour le modèle de boîte servant d'exemple. De façon générale, le plan de cisaillemerit doit être approximativement le plan de symétrie de l'éprouvette.

- Si la carotte est bien homogène, exclure seulement ses deux extrémités, décoiiper 3 (ou 4) cylindres de 5 cm de hauteur e t commencer la taille comme indiqué au paragraphe suivant.

- Si la carotte est constituée de deux sols différents, effectuer les essais par sol, quitte a ne pas avoir les 3 ou 4 éprouvettes désirables.

- Si la carotte contient de petites hétérogénéités visibles, telles que inclusioiis, veines ou pas- sages, les éviter soigneusenient mais les noter sur la feuille des résultats.

- Si la carotte est constituée de petites alternances de deux ou trois sols distincts qui se répètent, découper les cylindres indistinctement, mais en fin d'essai, reconnaître l'ulfernance qrii se froiluait cJ(xns le plan de cisaillement et qui de ce fait, a seule subi le cisaillement.

- Si la carotte est très hétérogène, être très prudent dans l'interpr6tation.

FIG. 12. - a ) éprouvette cylindrique avant essai ; b) même éprouvette cisaillée ; C) éprouvette parallélépipédique cisaillie.

4.3 - DECOUPAGE DES ÉPROUVETTES S O U M I S E S A L'ESSAI

Il s'agit d'obtenir des parallélépipèdes rectangles ou des cylindres s'ajustant parfaitement dans les deux demi-boites (f i g . 12).

- Dresser les 2 faces du cylindre, planes et parallèles, la hauteur du cylindre étant ramenée à 4 cm environ ;

- A l'aide du calibre, ( f i g . 10). tracer le contour exacl de 6 x 6 cm et ensuite dresser les 4 faces latérales bien perpendiculaires aux 2 faces horizontales ;

- Pour les sols limoneux ou limoneux-sableux, éviter l'épaufrement des coins par une taille très méticuleuse.

CHAPITRE 5

EXÉCUTION DE L'ESSAI

5.1 - SATURATION ET CONSOLIDATION DE L'ÉPROUVETTE

5 - 1.1 - Sol pulvérulent - Il s'agit d'un sable propre remanié. L'essai s'effectuera sur le sable sec ou saturé.

- Sur un tel sol, n'effectuer que des essais drainés.

- Le sable étant mis en place, soit sec, soit saturé, dans la boîte de cisaillement, placer la boîte sur la machine de cisaillement. L'essai est alors prêt à commencer.

-- Ne pas oublier ensuite de déterminer le poids sec et le volume du sol.

- En déduire le poids spécifique sec yd.

5 - 1.2 - Sol cohérent. 5 - 1.2.1 - Sufuraf ion - Consolidation.

L'éprouvette étant mise en place dans la boîte de cisaillement, procéder à sa saturation sous la pression de consolidation choisie. Pour cela, placer la boîte sur le bâti de consolidation, les deux demi- boîtes étant maintenues fixes l'une par rapport a l'autre à l'aide des goupilles. Mettre les poids néces- saires pour obtenir la pression de consolidation désirée. Mettre de l'eau dans la boîte en s'assurant que son niveau reste toujours visible. Placer alors la touche du comparateur sur le piston et noter le tasse- ment produit pendant le temps de consolidation.

5 - 1.2.2 - Pression de « remise en état » dans le cas d ' u n essai n o n consolidé et non drainé (UU) .

Dans le but de remettre l'échantillon de sol, normalement consolidé ou surconsolidé, dans un état de contraintes voisin de celui dans lequel il était en place, appliquer a 4 éprouvettes du sol à étudier, contenues dans 4 boîtes, la même contrainte effective que celle que supportait l'échantillon en place (du fait des terres susjacentes).

11 s'agit donc plutôt d'une « remise en état » que d'une consolidation. Cette préparation est indépendante de la consolidation proprement dite caractérisant les essais CD ou C U .

5 - 1.2.3 - Pression de consolidation à appliquer (CD ou C U ) . Pour un essai consolidé, drainé ou non drainé, ( C D ou CU), consolider 4 éprouvettes du sol a

étudier contenues dans 4 boîtes, sous 4 pressions différentes qui peuvent être en général de l'ordre de 0,5 - 1 -2 - 3 bars.

5 - 1.2.4 - T e m p s de consolidation.

D'une manière générale, chercher a consolider l'échantillon sous la pression de consolidation choisie, c'est-à-dire attendre que la pression interstitielle se soit dissipée.

La plupart du temps, il suffira de laisser l'éprouvette sous la charge de consolidation pendant 24 heures.

Toutefois, il y aura lieu de maintenir cette charge plus de 24 heures dans le cas de certaines argiles très imperméables.

Ces opérations terminées, décharger l'éprouvette qui se trouve sur le bâti de consolidation et la placer rapidement sur le chariot de la machine.

5.2 - ESSAI PROPREMENT DIT

5 - 2.1 - Mise en place de la boîte sur la machine de cisaillement ( f ig 8a).

10 - Placer l'étrier de charge sur le piston de la boîte. Plaoer le comparateur vertical e t le niettre au zéro.

20 - Monter l'anneau dynamométrique sur la machine, le relier A la boite et compenser les jeux en mettant l'anneau légèrement en traction et en ramenant lentement le comparateur de l'anneau au zéro.

30 - Appliquer sur l'éprouvette, la charge normale désirée. Les pressions normales peuvent être les suivantes :

Pour un sol pulvérulent : 1, 2, 3 bars.

Pour un sol cohérent :

- essai non consolidé, non drainé : 0,5 - 1 - 2 - 3 bars,

-- essai consolidé, drainé ou non : appliquer les mêmes pressions que pour la consolidation de l'éprouvette.

Pour appliquer cette charge normale, placer sans choc des poids convenables sur le plateau de la machine et s'assurer que le bras de levier est horizontal à l'aide du niveau prévu à cet effet.

40 - Mettre au zéro le comparateur du dispositif de compensation de la déformation de l'an- neau, si l'appareil est muni d'un tel dispositif.

50 - Désolidariser les deux demi-boites en enlevant les goupilles.

60 - Mettre en route à la vitesse désirée.

5 - 2.2 - Vitesse d'essai.

a) Sols pulvérulents.

I,a vitesse sera de l'ordre de 1,5 mm/mn.

b) Sols cohérents.

- Essais non drainés, consolidés ou non (UU ou CU) vitesse de l'ordre de 1,5 mmlmn ;

- essai drainé (CD), vitesse la plus lente.

5 - 2.3 - Lectures.

- Pour tous les essais, on notera les indications du comparateur de l'anneau, pour des inter- valles de déplacement de la boite inférieure de 4/10 de mm (c'est-à-dire environ toutes les 15 secondes, pour les essais à 1,5 mmlmn). (fig. 13).

- Relever à intervalles de temps égaux les indications du comparateur vertical (toutes les 15 secondes par exemple).

- Arrêter l'essai lorsque la contrainte de cisaillement est devenue constante, ou si elle continue à croître, lorsqu'on a une déformation horizontale relative d'environ 10 %.

5 - 2.4 - Fin de l'essai.

- Enlever les poids du plateau de charge.

- Débloquer l'anneau dynamométrique. - Enlever la boîte du chariot de la machine.

- Sortir l'éprouvette de la boite.

- Mesurer le poids spécifique final.

- Examiner les plans de rupture. Noter les particularités. E n prendre au besoin une photo.

- Prendre dans le cœur de l'échantillon, aux alentours du plan de rupture une teneur en eau finale w, (peser cet échantillon humide, le mettre à l'étuve, puis le peser sec).

- Nettoyer soigneusement les pierres poreuses.

- Nettoyer les boites de cisaillement.

CHAPITRE 6

6.1 - C O U R B E S CONTRAINTE-DEFORMATION

Après avoir noté les déformations de l'anneau dynarriométrique (indications du cornparateur de l'anneau) en fonction du temps, tracer, pour chaque contrainte normale a et sur un même graphique, la courbe des points :

- ayant pour abscisses les temps. Ces abscisses sont proportionnelles aux déplacements de la demi-boîte inférieure, donc aux déformations de l'échantillon ;

- ayant pour ordonnées les indications du comparateur de l'anneau. Ces ordonnées sont ap- proximativement proportionnelles aux différentes forces de cisaillement F , puisque la courbe d'étaloii- nage de l'anneau, qui donne la force F en fonction de l'indication du comparateiir, est approxima- tivement linéaire (fig. 14).

La déformation horizontale de l'échantillon à l'instant t est :

1 : longueur de l'éprouvette.

A 1 = V.t V : vitesse de cisaillenient.

I,a contrainte de cisaillement T a l'instant t a pour valeur :

avec A' = 1 (1 - A l ) , section corrigée de l'éprouvette.

T s'exprime en bars.

En règle générale, il suffit de tracer la courbe des déformations de l'anneau (indications du comparateur) en fonction des temps ou des déformations de l'éprouvette, e t de calculer la seule con- trainte de cisaillement -r correspondant soit au maximum de la courbe, soit à la déformation horizontale choisie (fig. 14).

6.2 - C O U R B E S INTRINSÈQUES

Porter sur un graphique les points ayant pour abscisse la contrainte normale et pour ordonnée la contrainte de cisaillement correspondant à la rupture (fig. 16).

10 - Cas d'un sol pulvérulcrzl. Les points relatifs à chaque pression normale sont en principe alignés et la droite qui les joint

passe par l'origine (fig. Ira). Trois points expérimentaux suffisent généralement pour tracer cette droite avec une approximation convenable.

a

O O

20 - Cas des sols cohérents. bl . Essai non consolidé - non drainé. La courbe intrinsèque obtenue est une droite parallèle à l'axe des contraintes normales (fig. 17b).

Elle est caractérisée par son ordonnée à l'origine CU.

b2. Essai consolidé non drainé. La courbe intrinsèque est approximativement une droite inclinée sur l'axe des contraintes

riormales. (fig. 17c). On la caractérise par son ordonnée a l'origine C c , et par son angle avec l'axe des abscisses Qcu.

b3. Essai consolidé drainé. On obtient également approximativement une droite inclinée sur l'axe des abscisses (fig. 17d) ;

elle fournit la cohésion effective C' et l'angle de frottement effectif Q'.

6.3 - P O I D S SPÉCIFIQUE SEC E T T E N E U R E N E A U

Noter sur les feuilles d'essai les poids spécifiques secs des échantillons pulvérulents e t les poids spécifiques secs e t teneurs en eau des échantillons cohérents.

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Essai , CU Boîte : 6x 6crn

Nature du sol : Limon marneux vasard.

FIG. 14-15-16. -- Graphiques de l'essai de cisaillement.

CHAPITRE 7

COMMENTAIRES

Le système d'unités de mesure, obligatoire en France par décret du 3 mai 1961 est le système international SI (cf. fascicule FDX no 02-007, en vente à l'AFNOR, 19, rue du 4-Septembre, Paris-2e).

En mécanique des sols appliquée, l'accélération due à la pesanteur sera prise égale à 10 mls2

au lieu de 9,81 m/se.

1.2 - RÉSISTANCE A U CISAILLEMENT

Le comportement d'un ouvrage peut ne pas être satisfaisant si la déformation pour laquelle se produit la contrainte de cisaillement T max. est trop élevée. On sera amené à définir la contrainte de cisaillement admissible correspondant à une déformation maximum donnée.

La courbe exprimée dans le système des axes o, T n'est pas toujours une droite. Cependant, pour les besoins courants de la mécanique des sols, elle sera assimilée à une droite. Une étude pliis fine ne sera nécessaire que pour certains ouvrages particuliers, comme par exemple des barrages en terre.

1.4 - PARAMÈTRES C E T 0 P O U R DIFFÉRENTS SOLS E T DIFFÉRENTS TYPES D'ESSAI

La plupart des sols sont intermédiaires entre les sols pulvérulents et les sols cohérents. Cependant il était nécessaire de schématiser pour la clarté de l'exposé. Les résultats obtenus pour ces sols inter- médiaires se rattachent à la fois à ceux des sols cohérents et des sols pulvérulents.

1.5 - PRINCIPE D E L A MÉTHODE

De nombreux instruments ont été réalisés pour mesurer la résistance au cisaillement d'un sol : appareil triaxial, appareil à torsion cylindrique ou circulaire, etc.

Les deux appareils les plus couramment utilisés sont l'appareil triaxial et la boite de cisaillement rectiligne.

Une remarque très importante : le plan de cisaillement ou plan de rupture est imposé dans la boîte, contrairement à ce qui se passe dans l'appareil triaxial.

La plupart des essais à la boîte de cisaillement se font à vitesse de déformation constante. Certains essais se font cependant à vitesse de chargement constante. Ils sont plus longs à réaliser pratiquement quoique donnant les mêmes résultats.

3 - PRISE D'ÉCHANTILLONS INTACTS

Cette question concerne tout essai sur échantillon intact et pas uniquement l'essai de résistance a la boîte.

Il faudrait aborder les problèmes posés par les sondages, les modes de prélèvement e t leurs effets perturbateurs sur le sol en place, le choix et le nombre des carottes à extraire, leur manutentioii e t lcur conservation, etc.

Cette question doit faire l'objet d'un mode opératoire séparé, équivalent au mode opératoire de l'échantillonnage des sols remaniés.

Pour l'essai de cisaillement, il est recommandé :

- de s'assurer que le mode de prélèvement convient pour le sol en question,

- de s'assurer que le diamètre de la carotte extraite permet le découpage de l'éprouvette d'essai. Il est recommandé de prélever des carottes ayant un diamètre de 20 % supérieur au diamètre de l'éprouvette d'essai.

- de s'assurer h la réception, de la parfaite étanchéité de l'étui contenant la carotte,

-- d'apprécier au mieux tous les commentaires portés sur la fiche de sondage et sur la coupe du sondeur.

Il est recommandé d'utiliser un carottier tel que l'échantillon soit directement introduit dans son étui lors du forage. La méthode de I'Lchantillon uniquement paraffiné est considérée comme 1111

pis-aller.

5.1 - SATURATION ET CONSOLIDATION DE L'ÉPROUVETTE

5 - 1.1 - Sol pulvérulent.

L'angle de frottement du sable sec et di1 sable saturé est pratiqiiement le même.

5 - I .2 - Sol cohérent.

En général, se placer dans les conditions les plus défavorables en étudiant le sol saturé.

Dans certains cas particuliers, il peut être indiqué d'effectuer l'essai sur un échantillon non saturé (cas des sols remaniés des remblais par exemple), Dans ce cas, l'éprouvette étant mise en place dans la boîte, placer directement celle-ci sur la machine de cisaillement.

Pour un essai consolidé, drainé ou non, 4 éprouvettes consolidées sous 4 pressions différentes siiffisent en général. Il est parfois préférable de prendre, plutôt que les pressions 0.5 - 1 - 2 - S bars, les pressions suivantes :

- la lre voisine de la pression de consolidation a', estimée, du sol en place,

- la 2 e supérieure à of,,

- les 2 autres inférieures à o',.

S'il est nécessaire de préciser certains points de la courbe (7, G), prendre d'autres éprouvettes consolidées sous d'autres pressions.

5.2 - ESSAI PROPREMENT DIT 5 - 2.1 - 3° - Charges normales à appliquer. Dans le cas d'un essai non consolidé - non drainé sur un sol mou assez perméable, tel que la

tourbe, il est déconseillé de dépasser la pression de consolidation a, ceci afin d'éviter tassement et drainage, en cours d'essai.

Pour de tels sols, on ne peut se contenter de l'essai de cisaillement à la boîte.

5 - 2.2 - Vitesse d'essai. a) Sols pulvérulents.

La résistance au cisaillement d'un sol pulvérulent étant donnée sa grande perméabilité, dépend très peu de la vitesse d'essai : l'essai sera toujours drainé.

b) Sols cohérents.

La boîte de cisaillement et le système de mesure (anneau dynamométrique) dans leur conception actuelle ne permettent pas d'envisager une vitesse constante de l'ordre de quelques plminute. Si un essai drainé est toutefois envisagé sur un sol pas trop imperméable, employer une vitesse aussi faible que possible. Pour les vitesses très faibles l'essai risque de se faire par « à coups )) et il y a lieu de se montrer très prudent pour l'interprétation d'essais drainks à la boîte sur les sols argileux.

Dans les cas d'un sol plastique imperméable, l'essai pourra en général être considéré comme non drainé à la vitesse de 1,5 mmlmn.

Pour les sols plus perméables (limons, sables fins argileux) il peut y avoir drainage partiel ; il faut alors voir si l'essai correspond au problème étudié (voir en particulier si on s'intéresse à une sta- bilité à court terme sans drainage possible ou avec drainage partiel, ou à une stabilité à long terme avec drainage total).

6.1 - F O R M E DES C O U R B E S CONTRAINTE-DÉFORMATION

a) Cas d'un matériau pulvérulent.

Lorsqu'on effectue un essai de cisaillement direct sur un matériau pulvérulent très compact on obtient (fig. 18) une courbe telle que (1) présentant un maximum prononcé au-delà de laquelle elle décroit de plus en plus lentement.

Pour un sable lâche au contraire la courbe obtenue (courbe 2) ne présente pas de maximum, elle croît de plus en plus lentement pour tendre vers la courbe (1) dans le domaine des grandes défor- mations.

Dans le cas d'un sable compact l'indice des vides est faible, les grains étant enchevêtrés. Le maximum de la courbe (1) correspond à l'effort de cisaillement qu'il faut appliquer pour provoquer le désenchevêtrement des grains dans le plan de la rupture. Cette désorganisation du matériau se fait avec augmentation de volume.

Dans le cas d'un sable peu compact, le serrage est lâche et au cours de l'essai le volume initial de l'échantillon diminue.

Pour une valeur intermédiaire de l'indice des vides appelée indice des vides critique, l'essai se fait à volume pratiquement constant. On obtient alors une courbe telle que (3).

b) Cas des argiles.

La courbe contrainte-déformation d'une argile non remaniée a la même allure (fig. 19) que celle d'un sable compact (courbe 4). Toutefois, le maximum ne correspond plus au travail de désen-

€J Fig. 18 - courbes contraintes, déformation d'un sol pulvérulent.

chevêtrement des grains mais à la destruction progressive de l'échantillon. Le cisaillement se fait généralement à volume décroissant sauf pour un sol très surconsolidé.

Dans le cas d'une argile remaniée, on obtient une courbe telle que (5) ne présentant pas de maxi- mum.

Dans le cas des sables, aussi bien que dans celui des argiles, le maximum des courbes de cisail- lement, tracées pour divers efforts normaux, correspond en principe à la même déformation.

Fig. 19 - courbes contraintes, déformalion d'un sol coliérrnt.

- 27 -

6.2 - COURBES INTRINS~QUES.

bl . Essai non consolidé non drainé. Il peut arriver que la droite de cisaillement soit légèrement inclinée sur l'horizontale. On a alors

un angle a, # O. Ceci peut provenir :

-- d'un drainage partiel qui peut être dû à une vitesse d'essai trop faible ou a la fissuration des échantillons,

- du fait que les échantillons ne sont pas complètement saturés.

La cohésion non drainée Cu est théoriquement égale à la moitié de la résistance à la compression simple obtenue pas un essai rapide. Il sera donc intéressant de confirmer les essais de cisaillement non consolidés - non drainés par des essais d'écrasement rapide.

6.3 - P O I D S SPÉCIFIQUE SEC E T T E N E U R E N E A U

La connaissance de la densité sèche d'un sable est fondamentale puisque c'est le paramètre principal qui contrôle la variation de l'angle de frottement.

Publié par le LCPC, 58 bd Lefebvre - 75732 PARIS CEDEX 15 sous le numéro 502300 - Dépôt légal :février 1987