Géotechnique
II
Chapitre 1 : Principaux essais pratiqués sur les sols et normes de classification (Rappel et compléments)
Plan
1- Définition des sols – éléments
constitutifs d'un sol
2- Détermination des caractéristiques
physiques
3- Caractéristiques dimensionnelles
4- Essais d'identification des sols
5- Compactage des sols
6- Classification des sols
1- Définition des sols – éléments constitutifs d'un sol
Définition des sols
Description d'un sol
Existence de trois phases _
définition des paramètres caractéristiques des sols
Représentation schématique
- volume élémentaire de sol
- trois phases séparées
- volumes et poids de chacune des
phases
Relations entre les paramètres
Les paramètres physiques
définissent l'état d'un sol :
- état de compressibilité _ poids volumique
- quantité d'eau _ w ou Sr
- quantité de vides _ e ou n gs = constant (26.5 kN/m3)
La caractérisation d'un sol
nécessite 3 paramètres indépendants :
- utilisation d'un diagramme de phases
- utilisation d'un formulaire _ relations entre caractéristiques physiques
2- Détermination des caractéristiques physiques
Essais d’identification :
- connaissance du sol
- paramètres nécessaires à leur classification
- essais en laboratoire
- dispersion des mesures (plusieurs essais)
3- Caractéristiques dimensionnelles
L’analyse granulométrique permet de définir
diverses classes de matériaux indépendamment de leur nature chimique.
Le tableau ci-contre correspond à la norme
française NF P18-560 utilisée notamment dans le domaine routier.
Analyse granulométrique, tamisage
L'analyse granulométrique fournit les
proportions de grains de différents diamètres; cette analyse peut se faire
aussi bien par tamisage que par sédimentation dans l'eau en application de la
loi de Stokes.
On utilise des tamis à mailles
carrées par leur ouverture ; la dimension nominale d'un tamis correspond à la
longueur du côté de la maille (en mm) (norme
NF X 11-501).
Les dimensions d'une série forment
une suite géométrique.
Pour les sables, on utilise les
tamis d'ouverture (en mm) :
0.08-0.16-0.32-0.63-1.25-2.5-5.0 (suite géométrique de raison 2)
Pour les graviers et les cailloux,
on utilise les tamis d'ouverture (en mm) :
6.3-8-10-12.5-16-20-25-31.5-40-50-63-80
(suite géométrique de raison 1.259)
Glossaire :
Granulométrie : étude de la distribution dimensionnelle des grains.
Tamisat (passant) : partie de l'échantillon passée à travers les mailles du tamis.
Refus : partie de l'échantillon qui n'est pas passée à travers les
mailles du tamis.
Refus cumulé : c'est la somme de tous les refus, celui du tamis lui-même plus
tous les refus des tamis de maille plus grande. Il peut être exprimé en gramme
ou en % de refus cumulés.
Analyse granulométrique : Sédimentométrie
NF P94-057
L’analyse par sédimentométrie (granulométrie
des fines) se réalise à partir d’un sol passant au tamis 2.38mm.
On prélève environ 50g-100g de sol passant à
2.38mm (50gr pour un limon et 100gr pour un sol sableux).
On commence le test par mesurer le poids du sol
sec et le poids volumique des grains solides du sol à l’aide d’un pycnomètre
(ou par simple estimation).
On ajoute 500 cc d’eau et 125ml de défloculant
(solution d’Hexa-méta-phosphate de sodium) = séparateur de particule.
On laisse au repos durant 24h.
On mixe le tout pendant 1min et on ajoute de
l’eau distillé pour obtenir le volume V d’un litre dans l’éprouvette.
On réalise ensuite l’essai de sédimentométrie
par lecture des graduations présentes sur un aréomètre à différents intervalles
de temps.
Un hydromètre (ou densimètre) consiste en un
cylindre creux, lesté et gradué, qui s'enfonce plus ou moins dans le liquide à
mesurer selon sa densité.
On lit directement la densité du liquide dans
lequel il est plongé sur la graduation présente à la surface libre.
La burette est placée dans le bain
thermostatisé à 20°C jusqu’à équilibre de la température. On agite la burette
énergiquement de façon manuelle pendant 1min, on la replace dans le bain, et on
mesure immédiatement à l’aréomètre la densité de la solution = c’est le temps
t0s.
Ensuite, on mesure la densité à :
1min, 2min, 4min, 8min, 15min, 30min, 1h, 2h,
4h, 8h et 24h.
L’hydromètre (aéromètre) doit être placé 1min
avant chaque nouvelle mesure.
L’échantillon est ensuite séché à l’étuve pour
réaliser le tamisage classique (voie sèche) pour les fractions comprises entre
74μm et 2.38 mm :
2.380mm, 1.180mm, 600μm,300μm,150μm
ou 125μm.
La sédimenterie concerne la fraction des grains
de diamètre 0.5μm<D< 0.08mm.
Loi de Stokes :
A l'instant t auquel est faite la mesure de
densité, il n'y a plus de particules de diamètre supérieur à D jusqu'à la
profondeur Hr qui est donnée par la formule (1) car leur sédimentation a déjà
franchi cette profondeur.
D'autre part, au même instant t, la
concentration de la suspension en particules de diamètres inférieurs ou égaux à
D, à la profondeur Hr, est la même qu'à l'instant initial.
Les particules de diamètre inférieur à D sont
représentées par un pourcentage p du poids sec W du sol en suspension par unité
de volume. Leur poids par unité de volume est :
4- Essais d'identification des sols
Equivalent de sable
L’essai consiste à déterminer l’importance des
fines (<63μm) floculables
contenues dans le sable. L’équivalent sable indique le degré de pollution des
éléments fins dans les sols en stabilisation mécanique, comme sable à béton ou
comme enrobés hydrocarbonés.
Norme : LPC (mode opératoire S.I. 5-1963)
NF EN 933-8 ; NF P18-597 ; NF P18-598
Composition de la solution floculante :
- 219g de chlorure de calcium CaCl2, 6 H2O
dissous à chaud dans 350ml d'eau déminéralisée,
- 480g de glycérine,
- 12.5g de formaldéhyde (solution 40 %
volumique), ce mélange est complété à l'eau déminéralisée pour obtenir 1 litre.
La solution lavante utilisée est préparée en
diluant
125ml de solution concentrée à 5L d'eau
déminéralisée.
Note : cette solution ne peut se conserver que
28 jours, la solution concentrée pouvant se conserver un an à l'abri de la
lumière dans un endroit tempéré.
Principe
- Passer au tamis de 5mm le sable à étudier.
- Prélèver une fraction à l’aide du godet
(H=45mm, F =50mm) et arasé (120g).
Mnécessaire = 120 (100+w%) /100 ou w%= teneur
en eau.
- Le prélèvement est placé dans l’éprouvette
contenant une quantité de floculant, jusqu'au trait 1. Attendre 10min.
- L’éprouvette passe à l’agitateur pendant 30
secs.
- Remplir le reste de l’éprouvette d’eau
jusqu’au second trait. Agiter la burette pour favoriser la remontée des fines
et éléments argileux. Puis laisser reposer.
- Après +/-20min (fonction de T°C de l’eau), on
mesure la hauteur sable propre+élément fins (h1) et la hauteur de sable propre
(h2) où l’on descend le piston lentement, par son poids propre dans
l’éprouvette jusqu’à stabilisation. Et l’on mesure la distance entre le poids
et la bague.
Les limites d'Atterberg: la limite de
retrait
Au fur et à mesure que le sol perd son
humidité, un état d’équilibre est atteint où toute baisse supplémentaire de
teneur en eau ne provoque aucun autre changement de volume.
La teneur en eau pour laquelle le sol cesse de
changer de volume est définie comme étant la limite de retrait.
Le test conformément au standard NF P94-060.1
relatif au retrait volumique est effectué dans un laboratoire à l’aide d’un
godet qui fait 44 mm de diamètre et à peu près 12.7 mm de longueur.
L’intérieur du godet est enduit de la vaseline
et il est ensuite rempli avec le sol humide, puis arasé. La masse du sol humide
à l’intérieur du godet est relevée.
Le godet est ensuite étuvé. Le volume du sol
asséché est déterminé par congélation de l’échantillon enduit par de la cire ou
de la paraffine et par immersion dans de l’eau ou du mercure.
Propriétés spécifiques des granulats
Il existe des essais de nature empiriques qui
permettent de qualifier les granulats pour leur usage en génie civil. Pour
chacun d’eux, on détermine une valeur qui est comparée à des valeurs standards,
valeur qui qualifie le matériau pour un usage donné. On décrit ici
succinctement le principe de deux de ces essais.
Essai Los Angles : NF EN 1097-2
Cet essai a pour but d’évaluer la résistance à
la fragmentation par chocs.
On considère trois tranches granulométriques
distinctes 6-10, 10-14, 25-50 mm.
On place dans un broyeur à boulets cylindriques
une masse M déterminée de gravillons et on leur fait subir 500 ou 1 000
révolutions suivant la granulométrie.
A l’issue de l’essai, on tamise l’échantillon à
1.6 mm : soit m la masse du passant à 1.6 mm.
Le coefficient Los Angeles est défini par :
Essai micro-Deval:
Il s’agit d’apprécier les qualités d’usure et
d’attrition de la roche ; lors du frottement des granulats entre eux ou au
contact d’outils métalliques, il se produit des fines.
On distinguera en général l’essai à sec ou en
présence d’eau afin de mettre en évidence la sensibilité de certaines roches à
l’eau.
Classiquement, on utilisait un essai Deval
portant sur 7 kg de granulats 25-50 mm, aujourd’hui on utilise plutôt l’essai
micro-Deval.
Le principe est analogue à celui de l’essai Los
Angeles avec une charge plus légère (billes) et une durée de rotation plus
longue. Il n’y a pas de fragmentation des grains mais une usure. A la fin de
l’essai, on recueille le passant à 1.6 mm et on définit soit un coefficient
micro-Deval sec, soit un coefficient micro-Deval humide.
5- Compactage des sols
Le sol est compacté dans un moule de volume 944
cm3. Le moule est fixé sur un socle rigide. Le sol est mélangé avec une
quantité variable d’eau pour modifier sa teneur en eau w et il est compacté sur
trois couches égales à l’aide d’un mouton (marteau) qui délivre 25 coups par
couche.
Le mouton a une masse de 2.5 kg et fait une
chute de course égale à 30.5 mm.
6- Classification des sols
Il existe plusieurs classifications des sols :
Classification élémentaire
Classification
"Recommandations pour les terrassements routiers » : (GTR 2000) réédition
du "Guide des terrassements routiers" GTR (NF P 11 300) (1992)
Classification du Laboratoire des
Ponts et Chaussées LPC USCS (Unified
Soil Classification System)
AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials)
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