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ECOLE HASSANIA DES TRAVAUX PUBLICS
Département ponts chaussées et transports
Mécanique des sols
Mahmoud EL GONNOUNI
Mécanique des sols• Chapitre I
Introduction à la mécanique des sols• Chapitre II
Caractéristiques physiques et classification
• Chapitre III
Eau dans le sol
• Chapitre IV
Déformations des sols
• Chapitre V
Résistance au cisaillement des sols
Introduction à la mécanique des sols
1- Définition d’un sol
2- Définition de la mécanique des sols
3- Domaines d’application de la mécanique des sols
3.1- Fondations d’ouvrages
3.2- Ouvrages mixtes
3.3- Ouvrages en sol
3.4- Milieux naturels
Qu’appelle-t-on sol ????
- Les sols peuvent être définis comme des agrégats dans lesquels les particules sont
faiblement liées et peuvent être séparées par une action mécanique légère
- Un sol en place est constitué de grains solides baignant dans l’eau, dans l’air ou
dans un mélange (eau + air)
Le sol est un matériau à 3 phases : solide, liquide (eau) et gaz (air)
1- Définition d’un sol
D’où proviennent les sols ????
Tout simplement des roches, mais ils peuvent contenir aussi
des matières organiques
Les sols ont deux origines principales :
- la désagrégation des rochespar altération mécanique ou
physicochimique sous l’effet des agents naturels
- la décomposition d’organismes vivants: végétaux
(tourbes) ou animaux (craies). Transformation de la roche en sol
1- Définition d’un sol
1.1- Formation des sols
Suivant les types d’altération, les sols résultant auront des compositions différentes.
Roche →→→→ la désagrégation physique et mécanique des roches consolidées donne
des fragments de roche de même composition que la roche mère :
gravier, sable, limon
Roche →→→→ la décomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments
de roche donne
Des nouveaux composés : argiles
1- Définition d’un sol
1.1- Formation des sols
• un sol peut contenir des fragments de roche, des particules d’argile et des matières
organiques
• les vides entre ces différents éléments, généralement appelés poresou interstices
sont remplis d’eau et d’air
• si les vides ne contiennent pas d’eau, le sol est sec
• si tous les vides sont remplis d’eau, le sol est saturé (sol sous la nappe),
• si les vides sont remplis d’eau et d’air le sol est non saturé
1- Définition d’un sol
1.2- Conclusion
Qu’appelle-t-on la mécanique des sol ????
- La mécanique des sols est l’étude des propriétés physiques, hydrauliques et mécaniques
des sols en vue de leur application à la construction.
- La mécanique des sols est donc une science appliquée, appelée aussi géotechnique,
bien que la géotechnique soit une science beaucoup plus vaste, qui englobe quatre
disciplines : la mécanique des sols, la mécanique des roches, la géologie de
l’ingénieur et l’étude des matériaux locaux.
2- Définition de la mécanique des sols
• Le travail d’un mécanicien de sol, ou d’un géotechnicien, se joue en effet sur un ou
plusieurs des trois volets:
- Déformations des sols
- Résistance au cisaillement des sols
- Problèmes reliés à l’eau
• La mécanique des sols puise souvent dans d’autres disciples connexes. On citera:
la mécanique des roches, la géologie, géomorphologie, tectonique , minéralogie ,
pédologie
2- Définition de la mécanique des sols
La mécanicien des sols est une science jeune. Les premiers fondements peuvent être
attribués à COULOMB (1773), mais TERZAGHI (1883-1963) a véritablement initié la
mécanique des sols moderne
2- Définition de la mécanique des sols
• Historique succinct de la mécanique des sols
Les domaines d’application de la mécanique des sols sont nombreux et variés. Ils
concernent la profession des travaux publics, ainsi que celle du bâtiment.
- Fondations d’ouvrages ou bâtiments(fondation superficielles et profondes)
- Ouvrages mixtes(murs de soutènement, parois moulées,…)
- Ouvrages en sol(routes, voies ferrés, barrages, digues de bassins en terre,…)
- Milieux naturels (versants, berges de cours d’eau ou de retenues,…)
3- Domaines d’application de la mécanique des sols
Les sols
- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes
3- Domaine d’application de la mécanique des sols
Les sols
- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes
- sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches
3- Domaine d’application de la mécanique des sols
Les sols
- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes
- sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches
3- Domaine d’application de la mécanique des sols
Les sols
- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes
- sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches
- sont des ouvrages remblais(routes, digues, barrage,…)
Les sols
- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes
- sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches
- sont des ouvrages remblais (routes, digues, barrage,…)
Les sols
- supportent des ouvrages fondations superficielles, fondations profondes
- sont supportés par des ouvrages murs de soutènement, rideaux de palplanches
- sont des ouvrages remblais(routes, digues, barrage,…)
3- Domaine d’application de la mécanique des sols
Mécanique des sols• Chapitre I
Introduction à la mécanique des sols
• Chapitre II
Caractéristiques physiques et classification
• Chapitre III
Eau dans le sol
• Chapitre IV
Déformations des sols
• Chapitre V
Résistance au cisaillement des sols
Caractéristiques physiques et classification des sols
1- Eléments constitutifs d’un sol
2- Analyse des particules solides
3- Caractérisation des phases solide et liquide
4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse
5- Structure des sols
6- Classification des sols
7- Compactage
Objectifs de ce chapitre
• Terminologie de base et définitions
• Essais simple d’identification des constituants des sols
• Classification des sols
1- Elément constitutifs d’un sol
squelette solide effet de la taille
+
eau libre, capillaire, adsorbée
+
gaz air + vapeur d'eau
1- Elément constitutifs d’un sol
Roche →→→→ la désagrégation physique et mécanique des roches consolidées donne
des fragments de roche de même composition que la roche mère :
gravier, sable, limon
Roche →→→→ la décomposition physico-chimique de la roche en place ou des fragments
de roche donne
Des nouveaux composés : argiles
minéraux d’origine ou néo-
formés
très fine ou argileuse
D < 2 μm plaquette ou disque
fine2 μm < D < 80 μm
minéraux d’origine
régulièregrenueD > 80 μm
Nature des minéraux
Forme des grains
Fraction du solDimension D des particules
Fractions du sol suivant la dimension des grains
1.1- Phase solide
On distingue quatre catégorie d’eau:
- Eau de constitution
- Eau libre
- Eau capillaire
- Eau liée ou absorbée
1.2- Phase liquide
• Dans les sols non saturés, la phase gazeuse est présente dans tout ou
partie des pores sous forme d’un mélange d’air, de vapeur d’eau, de
gaz carbonique et d’autres gaz
• Les sols saturéspeuvent aussi contenir du gaz, mais sous forme de
bulles ou en dissolution dans l’eau
1.3- Phase gazeuse1.3- Phase gazeuse
• Forme des particules
2- Analyse des particules solides
2.1- Aspect des grains isolé
2- Analyse des particules solides
- passage d’une quantité de sol au travers d’une série de tamis
d’ouverture progressivement plus petite
- dimension varier dans un rapport de 1 à 10-9
2.1- Aspect des grains isolé
• Dimensions des particules
2.2- Distribution granulométrique des éléments solides
• Les grains d'un sol ont des dimensions variables quelques µm à
quelques dizaines de cm
• Granulométrie distribution massique des grains suivant leur dimension
technique d'obtention différente selon le type de sol
• Sol pulvérulent : tamisage
- jusqu'à 40 ou 80 µm - à sec pour les gros grains
- utilisation de passoires et de tamis - sous eau pour les matériaux cohérents
mailles carréestrous circulaires
• Sol fins : sédimentométrie
2.2- Distribution granulométrique des éléments solides
2.2- Distribution granulométrique des éléments solides
• Courbe granulométrique
- la masse de tamisat cumulé (en %) échelle arithmétique
- le diamètre des particules échelle logarithmique
représentation graphique donnant :
2.2- Distribution granulométrique des éléments solides
- Coefficient d’uniformité :
Cu = D60/D10 Cu > 2 granulométrie étalée
Cu < 2 granulométrie uniforme ou serrée
Diamètre effectif D10 = diamètre correspondant à 10 % de passage à travers le tamis
- Coefficient de courbure :
Cc = (D30)2/(D10 × D60) sol bien calibré : 1 < Cc < 3
matériaux plus denses
2.2- Distribution granulométrique des éléments solides
• Caractéristiques de la courbe granulométrique utilisation de coefficients
2.2- Distribution granulométrique des éléments solides
La forme de la courbe granulométrique est liée
au mode de formation (origine, transport et
dépôt) du sol.
2.2- Distribution granulométrique des éléments solides
• Forme de la courbe granulométrique
3- Caractérisation des phases solide et liquide
Existence de trois phases définition de paramètres caractéristiques des sols
Représentation schématique
- volume élémentaire de sol
- trois phases séparées
- volumes et masses de chacune des phases
3- Caractérisation des phases solide et liquide
- des grains solides :
3- Caractérisation des phases solide et liquide
Paramètres dimensionnels masse volumiques
Masse volumique…
s
ss V
M=ρ
w
ww V
M=ρ
V
M=ρ
- de l’eau :
- total (du sol) :
- du sol déjaugé :
- du sol sec :
- du sol saturé :
V
M sd =ρ
( )V
VVMM wvwssat
/+=ρ
wρρρ −='
- de l’air :a
aa V
M=ρ
- des grains solides :
3- Caractérisation des phases solide et liquide
Paramètres dimensionnels poids volumiques
Poids volumique…
- de l’eau :
- total (du sol) :
- du sol sec :
- du sol saturé :
- de l’air :
γs = g. ρs
γw = g. ρw= 10 kN/m3
γa = g. ρa ≈≈≈≈ 0
γ = g. ρ
γd = g. ρd
γsat = g. ρsat
- g est habituellement fixée à10 m/s2
- du sol déjaugé : γ’ = g. ρ’
3- Caractérisation des phases solide et liquide
Paramètres dimensionnels poids volumiques
Ordre de grandeur
- γs = 26 à 27 kN/m3
17 à 20 kN/m3 sable
16 à 22 kN/m3 argile
- γ’ = 9 à 12 kN/m3
sable et argile
- γ =
- γd =14 à 18 kN/m3 sable
10 à 20 kN/m3 argile
- γsat= 19 à 22 kN/m3 sable et argile
sable et argile
- porosité :
3- Caractérisation des phases solide et liquide
Paramètres sans dimension caractérisation de l’état du sol
relations volumiques
- indice des vides :
- degré de saturation:
V
Vn v=
s
v
V
Ve=
v
wr V
VS =
10 << n
- Sr = 1 : sol saturé
- Sr < 1 : sol non saturé
- Sr = 0 : sol sec
∞<<< e0
Ordre de grandeur de e
- sable : 0,5 à 0,80
- argile : 0,7 à 2,5
Ordre de grandeur de n
- sable : 0,25 à 0,50
- argile : 0,20 à 0,80
- teneur en eau :
3- Caractérisation des phases solide et liquide
Paramètres sans dimension caractérisation de l’état du sol
- teneur en eau de saturation :
s
w
M
Mw =
s
wvsat M
Vw
ρ=
2 pesées : avant et après étuve à 105°C
- poids total
- poids solideOrdre de grandeur de w
- sable : 1 à 15 %
- argile : 10 à 20 %
mesure relative de l’indice des vides naturel e d’un sol in-situ par rapport aux
valeurs emin et emax de ce même sol que l’on pourrait obtenir en laboratoire
minmax
max
ee
eeI D −
−=
3- Caractérisation des phases solide et liquide
emin : indice de vide dans l’état la plus compacté
emax : indice de vide dans l’état la moins compacté
- Indice de densité relative ID :
� Sol saturé ou sol non saturé
♦ Relation entre la porosité et l’indice des vides :
♦ Relation entre la masse volumique du sol sec et la masse volumique des particules :
♦ Relation entre la masse volumique du sol et la masse volumique du sol sec (ou des particules) :
e
en
+=
1
( )ne s
sd −=
+= 1
1ρρρ
( )wd += 1ρρ ( )e
ws
++=
11ρρ
n
ne
−=
1
4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse
� Sol non saturé
♦ Expression de la masse volumique du sol :
♦ Expression de la teneur en eau ou du degré de saturation :
( )
e
eS
nSn
nS
wrs
wrs
wrd
++=
+−=+=
1
1
ρρρ
ρρρρρρ
.ew
Sw
sr ρ
ρ=
4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse
s
wreSw
ρρ=
−=
sdw
r
wS
ρρρ 11
� Sol saturé (Sr = 1)
♦ Expression de la masse volumique du sol :
♦ Expression de la teneur en eau :
d’où
( )
e
e
nn
n
ws
ws
wd
++=
+−=+=
1
1
ρρρ
ρρρρρρ
s
wew
ρρ=
w
swe
ρρ=
4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse
4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse
Les paramètres physiques définissent l'état d'un sol
- état de compressibilité poids volumique γs = constant (26,5 kN/m3)
- quantité d'eau w ou Sr
- quantité de vides e ou n
La caractérisation d'un sol nécessite 3 paramètres indépendants
� Paramètres indépendants
4- Relations entre les phases solide, liquide et gazeuse
- Par ″structure″ du sol on entend à la fois l’arrangement des particuleset des vides, et les
forcesagissant sur ces particules (forces de liaison, forces électriques).
- Par ″fabric″ ou ″micro structure″ on entend l’arrangement des minéraux, particulièrement
les minéraux de l’argile, observables au microscope optique ou électronique.
5- Structure des sols
5- Structure des sols
Sol grenu Sol fin ou cohérent Sol organique
Propriétés géotechniques très différentes
Comportement des argile
→ dépend de la quantité d’eau
Comportement des sables
→ dépend de l’état de compacité
d > 20 µm d < 20 µmMauvaises propriétés géotechniques
forces de pesanteureffet de surface
forces entre les particules
SablesArgiles
Comportement des sols grenus
→ dépend du squelette solide, peu importe l’état d’humidité
→ importance de la dimension des grains et de leur état de compacité
- Essai d’équivalent de sable
- Indice de densité
5.1- Essais d’identification – Sols grenus
Evaluer la proportion relative d’éléments fins dans un sol• Essai simple et rapide
• appareillage élémentaire
• géotechnique routière
Principe• fraction < 5 mm
• lavage énergique avec solution lavante
• repos de l’ensemble
Résultat• floculat gonflé par la solution (particules fines)
• dépôt solide (sable) au fond de l’éprouvette
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
5.1.1- Essais d’équivalent de sable
Etat de densité dans lequel se trouve un sol pulvérulent
effet important sur le comportement mécanique
minmax
maxD ee
eeI
−−= emax et emin
Indices des vides max et min sur le matériaux
Sol lâche
Sol serré
maxee≈
minee≈0≈DI
1≈DI
0≈DI
1≈DI
0≈DI
1≈DI
0≈DI
1≈DIminee≈0≈DI
1≈DI
maxee≈
minee≈0≈DI
1≈DI
5.1.2- Indice de densité
5.1.2- Indice de densité
5.1.2- Indice de densité
Comportement des sols fins
- taille des grains→ forces de cohésion
- présence d’eau → changement de consistance
- Limites d’Atterberg
- Limite de liquidité wL
- Limite de plasticité wp
- Indice de plasticité Ip
- Indice de consistance Ic
- Activité
5.2- Essais d’identification – Sols fins
état liquide
- pas de capacité portante
état plastique- fortes déformations- déformations plastiques
état solide (avec retrait)
- déformations élastiques
état solide (sans retrait)- pas de changement de volume
avec la baisse de w
5.2.1- Comportement des sols fins avec la variation de w
• Limite de liquidité w L
Méthode de Casagrande
Teneur en eau pour laquelle une entaille
est refermée sur 10 mm après 25 chocs
Méthode du cône de pénétration
5.2.2- Limites d’Atterberg
Limites d’Atterberg
• Détermination de wL
• Limite de liquidité w L
En pratique
121,0
25
= NwwL
5.2.2- Limites d’Atterberg
• Limite de plasticité wp
Teneur en eau correspondant à une limite arbitraire entre les états plastique et semi-
solide de la consistance d'un sol.
cylindre de 3mm de diamètre se brisant en tronçons de 10 à 20 mm
5.2.2- Limites d’Atterberg
• Limite de retrait w s
- plusieurs échantillons de sol de même volume initial V0 et de même teneur en eau
initiale wi
- séchage pendant des durées différentes
5.2.2- Limites d’Atterberg
• Indice de plasticité Ip
étendue du domaine de plasticité
- domaine de travail du sol
- le plus grand possible
PLp wwI −=
Sol très plastique50 < IP
Sol plastique30 < IP < 50
Sol peu plastique5 < IP < 30
Sol non plastique0 < IP < 5
Degré de plasticitéIndice de plasticité
Degré de plasticité des sols
wp < teneur en eau des sols en place < wL
Habituellement
5.2.2- Limites d’Atterberg
• Indice de consistance Ic
Sol en place par rapport à l’état liquideP
natLc I
wwI
−=
5.2.2- Limites d’Atterberg
• Ordre de grandeur
71685375656
17242912554
2440114500710
LimonArgile limoneuse peu plastique
Argiles plastiquesArgile de mexico
Bentonite
Ip (%)wp (%)wL (%)Nature
5.2.2- Limites d’Atterberg
argileen teneur
IA p
c =
très actif2 < Ac
actif1,25 < Ac < 2
normal0,75 < Ac < 1,25
peu actif0,5 < Ac < 0,75
inactif0 < Ac < 0,5
DénominationActivité A c
Classes d’activité
0,38 inactive0,90 normale7,20 très active
KaoliniteIllite
Montmorillonite
ActivitéNature
5.2.3- Activité
• Analyse minéralogique
Diffraction des rayons X
composition minéralogique
• Teneur en matière organique
rétention d'eau, compressibilité
• Teneur en carbonate de calcium
5.2.4- Autres essais
• Classification : rattachement à un groupe de sols de caractéristiques
semblables
• Nombreuses classifications dans différents pays
- USCS
- AASHTO
-
- GTR (remblais et couches de forme)
LPC
6- Classification des sols
Classification LPC à partir des résultats fournis par
- la granulométrie
- les caractéristiques de plasticité de la fraction fine (Atterberg)
6- Classification des sols
Sols à granulométrie uniforme
Classification reposant sur le diamètre moyen des grains
6- Classification des sols
Sols à granulométrie non uniforme
• Majorité des cas
• Trois types de sols :
- sols grenus 50 % > 80 µm
- sols fins 50 % < 80 µm
- sols organiques > 10 %
6- Classification des sols
Sols grenus
Granulométrie et limites d’Atterberg
6- Classification des sols
Lorsque la teneur en particules fines (<0,08 mm) est comprise entre 5 et 12%, on utilise un double symbole. Par exemple : Sb-SL.
Sable argileuxLimites d’Atterberg au-dessus de la ligne A (fig. 15)
SA
Sable limoneuxLimites d’Atterberg au-dessous de la ligne A (fig.15)
SLPlus de 12% d’éléments <
0,08 mm
Sable propre mal gradué
Une des conditions de Sb n’est pas satisfaite
Sm
Sable propre bien gradué
Cu = D60/D10 > 6 et1< CZ = (D30)
2/D10D60< 3Sbmoins de 5%
d’éléments < 0,08 mm
Plus de 50% des éléments > 0,08 mm ont un
diamètre < 2mm
Sable
Grave argileuseLimites d’Atterberg au-dessus de la ligne A (fig. 15)
GA
Grave limoneuse
Limites d’Atterberg au-dessous de la ligne A (fig.15)
GLPlus de 12% d’éléments <
0,08 mm
Grave propre mal graduée
Une des conditions de Gb n’est pas satisfaite
Gm
Grave propre bien graduée
Cu = D60/D10 > 4 et1< CZ = (D30)
2/D10D60< 3Gbmoins de 5%
d’éléments < 0,08 mm
Plus de 50% des éléments > 0,08 mm ont un
diamètre > 2mm
Graves
AppellationsConditionsSymbole LPCDéfinitionsClassification des sols grenus en laboratoire(plus de 50% d’éléments >0,08mm)
6- Classification des sols
Sols fins
Limites d’Atterberg
critère de plasticité
6- Classification des sols
Vase
Sol tourbeux
Tourbe
fO
mO
tO
Sol inorganique
Sol faiblement organique
Sol moyenne organique
Sol très organique
0 – 3
3 – 10
10 – 30
>30
Désignation géotechniqueTeneur en matière organique (%)
Sols organiques
Exemple: Von Post
6- Classification des sols
Le compactage est l’ensemble des opérations mécaniques qui conduisent à accroître la
densité du sol en place. Cette opération a pour but de resserrer la texture du sol par une
réduction des vides remplis d’air, donc de réduire les possibilités de déformation et
d’augmenter la capacité portante.
Le compactage des sols dépend notamment :
- de la teneur en eau du matériau
- de la nature du sol
- de l’énergie de compactage
7- Compactage
Influence de la teneur en eau
7- Compactage
Influence de la nature du sol
7- Compactage
Influence de l’énergie de compactage
7- Compactage