ECOLE HASSANIA DES TRAVAUX PUBLICS
Dpartement ponts chausses et transports
Mcanique des sols
Mahmoud EL GONNOUNI
Mcanique des sols Chapitre I
Introduction la mcanique des sols Chapitre II
Caractristiques physiques et classification Chapitre III
Eau dans le sol
Chapitre IVDformations des sols
Chapitre V
Rsistance au cisaillement des sols
Introduction la mcanique des sols
1- Dfinition dun sol2- Dfinition de la mcanique des sols3- Domaines dapplication de la mcanique des sols
3.1- Fondations douvrages
3.2- Ouvrages mixtes
3.3- Ouvrages en sol
3.4- Milieux naturels
Quappelle-t-on sol ????- Les sols peuvent tre dfinis comme des agrgats dans lesquels les particules sont
faiblement lies et peuvent tre spares par une action mcanique lgre
- Un sol en place est constitu de grains solides baignant dans leau, dans lair ou
dans un mlange (eau + air)
Le sol est un matriau 3 phases : solide, liquide (eau) et gaz (air)
1- Dfinition dun sol
Do proviennent les sols ????Tout simplement des roches, mais ils peuvent contenir aussi
des matires organiques
Les sols ont deux origines principales :
- la dsagrgation des roches par altration mcanique ou physicochimique sous leffet des agents naturels
- la dcomposition dorganismes vivants : vgtaux (tourbes) ou animaux (craies).
Transformation de la roche en sol
1- Dfinition dun sol
1.1- Formation des sols
Suivant les types daltration, les sols rsultant auront des compositions diffrentes.
Roche la dsagrgation physique et mcanique des roches consolides donne
des fragments de roche de mme composition que la roche mre :
gravier, sable, limon
Roche la dcomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments
de roche donne
Des nouveaux composs : argiles
1- Dfinition dun sol
1.1- Formation des sols
un sol peut contenir des fragments de roche, des particules dargile et des matires
organiques
les vides entre ces diffrents lments, gnralement appels pores ou interstices
sont remplis deau et dair
si les vides ne contiennent pas deau, le sol est sec
si tous les vides sont remplis deau, le sol est satur (sol sous la nappe), si les vides sont remplis deau et dair le sol est non satur
1- Dfinition dun sol
1.2- Conclusion
Quappelle-t-on la mcanique des sol ????- La mcanique des sols est ltude des proprits physiques, hydrauliques et mcaniques
des sols en vue de leur application la construction.
- La mcanique des sols est donc une science applique, appele aussi gotechnique,
bien que la gotechnique soit une science beaucoup plus vaste, qui englobe quatre
disciplines : la mcanique des sols, la mcanique des roches, la gologie de
lingnieur et ltude des matriaux locaux.
2- Dfinition de la mcanique des sols
Le travail dun mcanicien de sol, ou dun gotechnicien, se joue en effet sur un ou plusieurs des trois volets:
- Dformations des sols
- Rsistance au cisaillement des sols
- Problmes relis leau
La mcanique des sols puise souvent dans dautres disciples connexes. On citera:
la mcanique des roches, la gologie, gomorphologie, tectonique , minralogie ,
pdologie
2- Dfinition de la mcanique des sols
La mcanicien des sols est une science jeune. Les premiers fondements peuvent tre attribus COULOMB (1773), mais TERZAGHI (1883-1963) a vritablement initi la mcanique des sols moderne
2- Dfinition de la mcanique des sols
Historique succinct de la mcanique des sols
Les domaines dapplication de la mcanique des sols sont nombreux et varis. Ils
concernent la profession des travaux publics, ainsi que celle du btiment.
- Fondations douvrages ou btiments (fondation superficielles et profondes)- Ouvrages mixtes (murs de soutnement, parois moules,)- Ouvrages en sol (routes, voies ferrs, barrages, digues de bassins en terre,)- Milieux naturels (versants, berges de cours deau ou de retenues,)
3- Domaines dapplication de la mcanique des sols
Les sols
- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes
3- Domaine dapplication de la mcanique des sols
Les sols
- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes- sont supports par des ouvrages murs de soutnement, rideaux de palplanches
3- Domaine dapplication de la mcanique des sols
Les sols
- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes- sont supports par des ouvrages murs de soutnement, rideaux de palplanches
3- Domaine dapplication de la mcanique des sols
Les sols- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes- sont supports par des ouvrages murs de soutnement, rideaux de palplanches- sont des ouvrages remblais (routes, digues, barrage,)
Les sols- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes- sont supports par des ouvrages murs de soutnement, rideaux de palplanches- sont des ouvrages remblais (routes, digues, barrage,)
Les sols- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes- sont supports par des ouvrages murs de soutnement, rideaux de palplanches- sont des ouvrages remblais (routes, digues, barrage,)
3- Domaine dapplication de la mcanique des sols
Essai didentification et de classification des sols
Objectifs Terminologie de base et dfinitions Essais didentification des constituants des sols Classification des sols
1- Elment constitutifs dun sol
squelette solide effet de la taille+
eau libre, capillaire, adsorbe+
gaz air + vapeur d'eau
1- Elment constitutifs dun sol
Roche la dsagrgation physique et mcanique des roches consolides donne
des fragments de roche de mme composition que la roche mre :
gravier, sable, limon
Roche la dcomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments
de roche donne
Des nouveaux composs : argiles
minraux dorigine ou no-
forms
trs fine ou argileuse
D < 2 m plaquette ou disque
fine2 m < D < 80 mminraux dorigine
rguliregrenueD > 80 m
Nature des minraux
Forme des grains
Fraction du solDimension D des particules
Fractions du sol suivant la dimension des grains
1.1- Phase solide
On distingue quatre catgorie deau:
- Eau de constitution
- Eau libre
- Eau capillaire
- Eau lie ou absorbe
1.2- Phase liquide
Dans les sols non saturs, la phase gazeuse est prsente dans tout ou
partie des pores sous forme dun mlange dair, de vapeur deau, de
gaz carbonique et dautres gaz
1.3- Phase gazeuse
Existence de trois phases dfinition de paramtres caractristiques des solsReprsentation schmatique
- volume lmentaire de sol
- trois phases spares
- volumes et masses de chacune des phases
2.1- Description
2- Caractristiques physiques des sols
2- Caractristiques physiques des sols
W : poids total du solWs : poids des particules solidesWw : poids de l'eau
W = Ws + Ww
V : volume total (apparent)Vs : volume des particules solidesVv : volume des vides entre les particulesVw : volume de l'eauVa : volume de l'air
Vv = Vw + VaV = Vs + Vv = Vs + Vw + Va
2.1- Description
- des grains solides :
Paramtres dimensionnels poids volumiques
Poids volumique
s
s
s VW
=
3/10 mkNVW
w
w
w==
VW
=
- de leau :
- total (du sol) :
- du sol djaug :
- du sol sec :
- du sol satur :
VW
s
d =
VW
VVW
satvwssat =
+=
.
wsat ='- de lair : 0=
a
a
a VW
2- Caractristiques physiques des sols
Paramtres dimensionnels poids volumiques
Ordre de grandeur
- s = 26 27 kN/m3
17 20 kN/m3 sable16 22 kN/m3 argile
- = 9 12 kN/m3
sable et argile
- =
- d =14 18 kN/m3 sable10 20 kN/m3 argile
- sat = 19 22 kN/m3 sable et argile
sable et argile
2- Caractristiques physiques des sols
- porosit :
Paramtres sans dimension caractrisation de ltat du sol
relations volumiques
- indice des vides :
- degr de saturation:
VV
n v=
s
v
VV
e =
v
wr V
VS =
10
- teneur en eau :
Paramtres sans dimension caractrisation de ltat du sol
s
w
MM
w = 2 peses : avant et aprs tuve 105C- poids total
- poids solideOrdre de grandeur de w
- sable : 1 15 %
- argile : 10 20 %
2- Caractristiques physiques des sols
2.2- Relations entre les paramtres
Les paramtres physiques dfinissent l'tat d'un sol
- tat de compressibilit poids volumique s = constant (26,5 kN/m3)- quantit d'eau w ou Sr- quantit de vides e ou n
La caractrisation d'un sol ncessite 3 paramtres indpendants
Paramtres indpendants
- utilisation d'un diagramme de phases
- utilisation d'un formulaire relations entre caractristiques physiques
e
en
+=
1 nn
e
=
1
2.3- Dtermination des caractristiques physiques
- essais en laboratoire- dispersion des mesures (plusieurs essais)
Essais d'identification - connaissance du sol- paramtres ncessaires leur classification
3 paramtres indpendants
2.3.1- Teneur en eau w
s
w
MM
w = 2 peses : avant et aprs tuve 105C- poids total- poids solide
2.3.2- Poids volumique
VW
= dterminationde W et V
2 Mthodes
Mthode du moule : (chantillon remani)- remplissage dun moule jusqu dbordement- arasage la rgle essai Proctor
Dtermination du volume total dchantillon de sol (V) Mthode par immersion dans leau :
(chantillon non remani)- pese 1 (m) poids dchantillon- chantillon recouvert dune couche de paraffine ( paraffine = 0,88g/cm3)- pese 2 (mp) masse de la couche de paraffine (et son volume)- pese 3 (hydrostatique) (mp) volume total (chantillon + paraffine)
p
p
w
ppparafineparaffinesol
mmmmVVV
== +
'
2.3.3- Poids volumique des particules solides s
s
ss V
W= pese
(a) pycnomtre(b) Pese hydrostatique
a mesurer de faon prcise
Pycnomtre- sol sch puis pes (Ws)- sol dans le rcipient contenant de l'eau distille
- enlever les buller daire
- volume d'eau dplac par le sol
2.3.3- Poids volumique des particules solides s
3- Essais didentification
3.1- Essais didentification - Sols grenus
3.2- Essais didentification - Sols fins
Sol grenu Sol fin ou cohrent Sol organique
Proprits gotechniques trs diffrentes
Comportement des argile
dpend de la quantit deau
Comportement des sables
dpend de ltat de compacit
d > 20 m d < 20 mMauvaises proprits gotechniques
forces de pesanteur effet de surfaceforces entre les particules
Sables Argiles
Comportement des sols grenus
dpend du squelette solide, peu importe ltat dhumidit
importance de la dimension des grains et de leur tat de compacit
- Analyse granulomtrique par tamisage
- Essai dquivalent de sable
- Indice de densit
3.1- Essais didentification Sols grenus
passage dune quantit de sol au travers dune srie de tamis
douverture progressivement plus petite
3.1.1- Analyse granulomtrique par tamisage
Granulomtrie distribution massique des grains suivant leur dimension
Sol pulvrulent : tamisage - jusqu' 40 ou 80 m - sec pour les gros grains- utilisation de passoires et de tamis - sous eau pour les matriaux cohrents
mailles carrestrous circulaires
Courbe granulomtrique
- la masse de tamisat cumul (en %) chelle arithmtique- le diamtre des particules chelle logarithmique
reprsentation graphique donnant :
3.1.1- Analyse granulomtrique par tamisage
- Coefficient duniformit :Cu = D60/D10 Cu > 2 granulomtrie tale
Cu < 2 granulomtrie uniforme ou serreDiamtre effectif D10 = diamtre correspondant 10 % de passage travers le tamis
- Coefficient de courbure :
Cc = (D30)2/(D10 D60) sol bien calibr : 1 < Cc < 3matriaux plus denses
Caractristiques de la courbe granulomtrique utilisation de coefficients
3.1.1- Analyse granulomtrique par tamisage
La forme de la courbe granulomtrique est lie
au mode de formation (origine, transport et
dpt) du sol.
Forme de la courbe granulomtrique
3.1.1- Analyse granulomtrique par tamisage
Evaluer la proportion relative dlments fins dans un sol Essai simple et rapide
appareillage lmentaire
gotechnique routirePrincipe
fraction < 5 mm
lavage nergique avec solution lavante
repos de lensembleRsultat
floculat gonfl par la solution (particules fines) dpt solide (sable) au fond de lprouvette
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
3.1.2- Essais dquivalent de sable
Etat de densit dans lequel se trouve un sol pulvrulent
effet important sur le comportement mcanique
minmax
maxD
ee
eeI
=
- emax et eminIndices des vides max et min sur le matriaux
Sol lche
Sol serr
maxee
minee
0DI1DI0DI1DI0DI1DI0DI1DIminee 0DI1DI
maxee
minee
0DI1DI
3.1.3- Indice de densit
s
v
VV
e =- indice des vides :
Comportement des sols fins
- taille des grains forces de cohsion
- prsence deau changement de consistance
- Analyse granulomtrique par sdimentomtrie
- Limites dAtterberg
- Limite de liquidit wL- Limite de plasticit wp- Indice de plasticit Ip- Indice de consistance Ic
- Activit
- Valeur de bleu de mthylne
3.2- Essais didentification Sols fins
3.2.1- Analyse granulomtrique par sdimentomtrie
2
.18dv ws
=
v vitesse de dcantation
d diamtre de la particule
viscosit dynamique du liquide utilis (eau + dfloculant) poids volumique du liquide utilis
A une profondeur H donne (H = v.t) on mesure la densitde la suspension en fonction du temps t
( )1.-
..
WVy
ws
ws
s
=
Pourcentage dlments dont le diamtre infrieur au diamtre quivalent d:
tat liquide- pas de capacit portante
tat plastique- fortes dformations- dformations plastiques
tat solide (avec retrait)- dformations lastiques
tat solide (sans retrait)- pas de changement de volume
avec la baisse de w
3.2.2- Limites dAtterberg
Limite de liquidit wLMthode de CasagrandeTeneur en eau pour laquelle une entailleest referme sur 10 mm aprs 25 chocs
Mthode du cne de pntration
3.2.2- Limites dAtterberg
Limites dAtterberg
Dtermination de wL
Limite de liquidit wLEn pratique
121,0
25
=
NwwL
3.2.2- Limites dAtterberg
Limite de plasticit wpTeneur en eau correspondant une limite arbitraire entre les tats plastique et semi-solide de la consistance d'un sol.
cylindre de 3mm de diamtre se brisant en tronons de 10 20 mm
3.2.2- Limites dAtterberg
Limite de retrait ws- plusieurs chantillons de sol de mme volume initial V0 et de mme teneur en eau
initiale wi - schage pendant des dures diffrentes
3.2.2- Limites dAtterberg
Indice de plasticit Iptendue du domaine de plasticit
- domaine de travail du sol
- le plus grand possible
PLp wwI =
Sol trs plastique50 < IP
Sol plastique30 < IP < 50Sol peu plastique5 < IP < 30Sol non plastique0 < IP < 5
Degr de plasticitIndice de plasticitDegr de plasticit des sols
wp < teneur en eau des sols en place < wL
Habituellement
3.2.2- Limites dAtterberg
Indice de consistance Ic
Sol en place par rapport ltat liquideP
natLc I
wwI =
3.2.2- Limites dAtterberg
Ordre de grandeur
71685
375656
17242912554
2440114500710
LimonArgile limoneuse peu plastique
Argiles plastiquesArgile de mexico
Bentonite
Ip (%)wp (%)wL (%)Nature
3.2.2- Limites dAtterberg
argileen teneur I
A pc =
trs actif2 < Ac
actif1,25 < Ac < 2normal0,75 < Ac < 1,25
peu actif0,5 < Ac < 0,75inactif0 < Ac < 0,5
DnominationActivit Ac
Classes dactivit
0,38 inactive0,90 normale7,20 trs active
KaoliniteIllite
Montmorillonite
ActivitNature
3.2.3- Activit
0,4mm)( sec totalpoidsm2 poids
80 m
- sols fins 50 % < 80 m
- sols organiques > 10 %
4.1- Classification LCP/USCS
Sols grenusGranulomtrie et limites dAtterberg
4.1- Classification LCP/USCS
Lorsque la teneur en particules fines ( 6 et1< CZ = (D30)2/D10D60< 3
Sbmoins de 5% dlments <
0,08 mmPlus de 50%
des lments > 0,08 mm ont un
diamtre < 2mm
Sable
Grave argileuseLimites dAtterberg au-dessus de la ligne A (fig. 15)
GA
Grave limoneuse
Limites dAtterberg au-dessous de la ligne A (fig.15)
GLPlus de 12% dlments <
0,08 mm
Grave propre mal gradue
Une des conditions de Gb nest pas satisfaite
Gm
Grave propre bien gradue
Cu
= D60/D10 > 4 et1< CZ = (D30)2/D10D60< 3
Gbmoins de 5% dlments <
0,08 mmPlus de 50%
des lments > 0,08 mm ont un
diamtre > 2mm
Graves
AppellationsConditionsSymbole LPCDfinitionsClassification des sols grenus en laboratoire (plus de 50% dlments >0,08mm)
4.1- Classification LCP/USCS
Sols finsLimites dAtterberg
critre de plasticit
4.1- Classification LCP/USCS
VaseSol tourbeux
Tourbe
fOmOtO
Sol inorganiqueSol faiblement organiqueSol moyenne organique
Sol trs organique
0 33 10
10 30>30
Dsignation gotechniqueTeneur en matire organique (%)
Sols organiquesExemple: Von Post
4.1- Classification LCP/USCS
5- Compactage des sols
Le compactage = augmentation de la densit du sol par des oprations mcanique
1. Echantillon mis ltuve (105C) pendant 24 h2. On lui ajoute un volume connu deau3. On compacte lchantillon dans un moule, avec une
dame tombant dune hauteur connue
4. On pse le moule et on dtermine w et d ;on obtient un point de la courbe de compactage
5. On va au point 2 et on recommence
Influence de la teneur en eau
5- Compactage
Influence de la nature du sol
5- Compactage
Influence de lnergie de compactage
5- Compactage