Chapitre II. Paramètres physiques des sols
II.1 Eléments constitutifs des sols
II.1.1 La phase solide su sol
II.1.2 Les argiles
II.1.3 La phase liquide du sol
II.2 Paramètres de définition des sols
II.2.1 Paramètres dimensionnels
II.2.2 Paramètres adimensionnels
II.2.3 Relation entre les paramètres
II.2.4 Détermination des paramètres
physiques du sol
II.1. Eléments constitutifs du sol
De point de vue physiques et mécaniques,
le sol peut être considère comme un système poreux constitue, généralement, de
trois phases en proportions variables :
• Une phase solide constituée
essentiellement des minéraux et de la matière organique.
• Une phase liquide (solutions du
sol) qui outre l’eau, contient l’ensemble des substances et des gaz dissous)
• Une phase gazeuse constituée
d’air et de gaz mais, de composition assez différente de celle de l’air atmosphérique.
La teneur en CO2 par exemple, est plus élevée (0,5 à 5% contre 0,035% dans l'atmosphère.
Cette phase n'existe que lorsque tous les vides ne sont pas occupés par l'eau
libre.
Certaines caractéristiques de ce système
sont permanentes; c'est le cas de la constitution physique du matériau (granulométrie,
forme et minéralogie des grains), d’autres sont variables en fonction des facteurs
climatiques et mécaniques tels que la porosité et l’état d’humidité du sol.
II.1.1 La phase solide su sol
• Selon la classification
d’≪ Atterberg ≫, on distingue deux grandes catégories de sol :
Les sols fins et les sols
grenus (pulvérulent).
• Cette classification est
basée sur une progression géométrique du diamètres des grains de raison 1/10.
Les sols fins et les sols grenus
Sols grenus ou pulvérulents (sans
cohésion)
(d > 20 μm)
Sable : 50% au moins des particules
entre 0.02 et 2mm
Gravier : 50% au moins des particules
entre 2 et 20 mm
. Sols sans cohésion (Les grains glissent entre les doigts) ;
. Peu influencés par l’eau, comportement régi par les propriétés du
squelette solide (forme, angularité …) ;
. Bonne résistance au cisaillement, aucune résistance à la traction ;
. Existence du phénomène de capillarité (sols sableux) ;
. Généralement perméables ;
Le Sable :
• Le sable est un matériau
granulaire constitue de petites particules minérales et organiques dont
La dimension est comprise entre 0,063
et 2 mm ;
• Le sable provient, généralement,
de l’altération des roches, des squelettes de coraux, des coquilles. (Sable
alluvionnaire, sable de mer…) ;
• Il existe, également, du sable
artificiel résultant du concassage de blocs de laitier des hauts fourneaux ayant
subi un refroidissement rapide ;
• Les sables naturels et artificiels
sont employés dans le domaine de la construction pour la fabrication de mortier
et de béton ;
• Le sable augmente l’ouvrabilité du
mortier ou du béton en le rendant plus dense ;
• Contrairement aux sables naturels,
le sable de concassage, présente des arêtes anguleuses qui ne sont pas autant apprécies
pour la maçonnerie.
Le gravier
Il s’agit de granulats pierreux
d'origine naturelle et dont la dimension des grains est généralement comprise
entre 2 et 80 mm.
Granulats utilises principalement dans
l'exécution des corps de chaussées (routes et autoroutes), de plateformes
(parcs de stationnement, aires de stockage…), de pistes d'aérodromes…
Quelques décimètres d'épaisseur de
grave sont utilisées sous la couche de finition de ces réalisations.
Les sols fins et les sols grenus
. Sols cohérents,
. Comportement influencé par la teneur en eau (état solide,
plastique ou liquide)
. Bonne résistance au cisaillement et à la traction
. Imperméables et gélifs
II.1.2 Les argiles
o Les argiles sont des aluminosilicates
hydratés de la famille des phyllosilicates, fondamentalement constitués d’un
mélange de minéraux argileux et d’impuretés cristallines sous forme de débris rocheux
(grains de quartz, des oxydes métalliques et d’autres minéraux).
o Les argiles sont caractérisées par
leur forte affinité avec l’eau (un mètre cube d’argile peut retenir environ 500
l d’eau);
o Au contact de l’eau l’argile devient
plus ou moins plastique « cohérent », ce qui lui confère une bonne plasticité
et des propriétés importantes de compaction par expulsion d’eau.
o Les argiles imbibées d’eau
deviennent très imperméables.
Structure du minéral
argileux
• Les différents groupes
de minéraux argileux se différencient par l'arrangement de leurs couches tétraédriques
(T) et octaédriques (O).
• Les couches (T) et (O)
sont séparées les unes des autres par un espace inter foliaire pouvant contenir
des ions et des molécules d'eau.
o Feuillet élémentaire + l'espace inter
foliaire = unité structurale dont l'épaisseur constitue une caractéristique
fondamentale du minéral argileux et est appelée distance interfoliaire ou
distance basale et notée d001.
Structures des minéraux argileux
• La structure cristalline des minéraux
argileux est basée sur un empilement de deux types de feuillets sous forme de
simples plaquettes bidimensionnelles :
- Feuillets en tétraèdre de silice
(T) ;
- Feuillets en octaèdre d'alumine
(O).
• Les couches (T) et (O) sont séparées
les unes des autres par un espace interfoliaire pouvant contenir des ions et des
molécules d'eau.
o Feuillet élémentaire + l'espace
interfoliaire = unité structurale dont l'épaisseur constitue une caractéristique
fondamentale du minéral argileux et est appelée distance interfoliaire ou
distance basale et notée d001.
Structures des minéraux argileux
• La couche tétraédrique (SiO4):
constitués de tétraèdres d'oxygène entourant un atome de silicium ou
d'aluminium.
• Chaque tétraèdre partage trois
atomes d'oxygène avec les tétraèdres adjacents.
• L'épaisseur de cette couche est de
5,05 Å.
•La couche octaédrique (Al (OH)6)
: formée par un
enchaînement d’octaèdre, dont les
sommets sont occupés par des atomes d’oxygènes ou des groupements hydroxyles, les
centres étant occupés par des ions d’Al3+, Mg2+ Fe3+.
• L'épaisseur de cette couche est de
4,63 Å.
Surface spécifique des argiles
• La surface spécifique est le rapport
entre la surface d’un solide et son volume ou sa masse :
• La surface spécifique est
inversement proportionnelle à la dimension des particules du sol.
• Les argiles présentent une très
grande surface spécifique (Kaolinite 10-30 m2/g, montmorillonites 700-800 m2/g)
;
• La quantité d'eau adsorbée que peut
renfermer un sol est directement fonction de ce paramètre (faible pour la
kaolinite dont Ss =20 m²/g)
Capacité d’échange cationique (CEC)
des argiles
Les argiles sont caractérisées par une
capacite d'échange cationique (CEC) plus ou moins
Importante leur permettant de fixer et
rélargir des cations.
C’est la quantité maximale de cations
que l’argile peut retenir sur son complexe adsorbant a un pH donne. Elle
s'exprime en moles de charge électrique par unité de masse.
Selon l’importance de la CEC des
argiles, des substitutions isomorphiques peuvent exister dans les couches T (Si4+
→Al3+) et O (Al3+→Fe2+ ou Mg2+ ; Mg2+→ L+) ce qui se traduit par un déficit de charges
positives composer par des cations compensateurs.
Ces cations s’hydratent conduisant à
l’expansion de l’espace interfoliaire (gonflement).
