ITC Chapitre 2 - Sols Et Roches (Version Courte)

Compléments de Mécanique des Sols 1

Chapitre 2 Eléments de géologie Structure des sols Identification des Sols

Séng y UNG Ingénieur Civil des Ponts et Chaussées Docteur Ingénieur


2.1 Eléments de géologie La géologie est une science destinée à reconstituer l’histoire de la terre depuis son origine (estimée à 4 milliards d’années), jusqu’à nos jours. Rappelons quelques éléments concernant le Terre: - Rayon: 6370 km - Croûte terrestre: épaisseur 15 à 80 km - Composition: essentiellement SiO2 et Al2O3 (65%)


Composition chimique moyenne de la croûte terrestre Oxyde

Pourcentage (% pds)

SiO2

59,71

Al2O3

15,41

CaO

4,90

MgO

4,36

Na2O

3,55

FeO

3,52

K2O

2,80

Fe2O3

2,63

H2O

1,52

TiO2

0,60

P2O5

0,22

total =

99,22


Elle constitue la base fondamentale sur laquelle on s’appuie pour effectuer les études des grands projets. Exemple: Tunnel sous la Manche (mis en service en 1994)


Le tracé du tunnel est calé dans la couche géologique de « Craie bleue », qui présente une qualité optimale pour les travaux de creusement.


Définitions géotechniques: • Sols: Matériaux meubles • Roches: Matériaux durs Notions de cycle de transformation des sols et roches: • Altération • Transport • Sédimentation


En géotechnique: Trois groupes:

Les Sols

Sols « fins », cohérents et pulvérulents (Dmax < 50 mm) Sols « grossiers » (Dmax >50 mm)

Roches magmatiques Les Roches

Roches sédimentaires Roches métamorphiques

Matériaux particuliers:

Sols organiques (+ sous produits industriels)


Plaques tectoniques

Source: Géopédia


Cycle des roches


2.2 Les roches Quatre groupes de roches: - Roches magmatiques ou plutoniques : granites, diorites, gabbros - Roches volcaniques : basaltes, rhyolites, dacites, - Roches métamorphiques: gneiss, schistes, micaschistes


Les roches - Roches sédimentaires: craies, calcaires, marnes, grès, pélites, évaporites: sel, gypse, anhydrite, etc.


Granite


Altération en boules du granite


Affleurement de granite arénisé


Quartz


Feldspath


Micas


Différents basaltes


Coulée de lave basaltique Piton de la Fournaise: Janvier 04


Coulée de basalte massif : Ile de la Réunion Faciès « Roche Pintade »


Différents micaschistes


Schistes métamorphiques (Corse)


Différents gneiss


Cycle d’évolution du calcaire


Différents calcaires


Cristaux de calcite


Affleurement de calcaire


Phénomènes de dissolution: le karst

Lac souterrain, gours Résurgence, évent, source



Epi karst

Lapiaz (massif du Vercors)



Doline

Gouffre


Dissolution du calcaire: Effondrement karstique


Marne: Roche intermédiaire entre les calcaires argileux (ou marneux) et les argiles calcareuses renfermant entre 35 et 65 % d’argile

Argile

Calcite

calcaire

<5%

> 95 %

calcaire argileux= calcaire marneux

5 à 35 %

65 à 95 %

marnes

35 à 65 %

35 à 65 %

argiles calcareuses = marnes argileuses

65 à 95 %

5 à 35 %

argiles

> 95 %

<5%


Alternances marno calcaires


Argilites: argile verte - argile rouge- Bassin de Lodève


Marnes schisteuses


Glissements et reptations dans les marnes


Dissolutions dans le gypse


Faciès de grès


Faciès de poudingues


Poudingues


Faciès de brèches


Brèches


Différents grès


2.3 Les sols Les sols sont des matériaux meubles pulvérulents et/ou faiblement cohérents par opposition aux roches qui sont dures et fortement cohérentes. Plusieurs classifications possibles des sols selon: • Leur composition chimique ( calcaire, siliceux) • Leur origine (glaciaires, fluviatiles, lacustres, marines, résiduelles, éoliennes) • La dimension des grains et leur forme • Leur condition de gisement (extension latérale et puissance du dépôts).


Trois types de matériaux: • Les sols cohérents (argiles et limons) • Les sols pulvérulents (sables, graviers, galets) • Les sols organiques (vase, tourbe). 2.3.1 Les sols cohérents Limons: Grains ayant une dimension comprise entre 2 microns et 20 microns mm. Origine fluviatile ou éolienne


Argiles La dimension des micelles (empilage de feuillets) et non plus des grains est comprise entre 0,2 et 2 microns. Origine fluviatile ou résiduelle. Forte sensibilité en présence d’eau. Marnes Matériau « intermédiaire » entre les argiles et les roches calcaires. CaCO3= 35% à 65 %


2.3.2 Les sols pulvérulents Sables, graviers et galets Critère de granulométrie: Sables: D entre 20 microns et 2 mm ( D: dimension des grains ) Graviers, cailloux, blocs ...:D supérieure à 2 mm Origine des matériaux: éolienne, fluviatile ou résiduelle


2.3.3 Les sols organiques Vases et les tourbes Vases: Dépôt d'eau douce ou salée rencontrée dans les mares, lacs, rivières, estuaires, lagunes et mers. Structure très lâche ayant une forte teneur en eau pouvant atteindre 300% Tourbe : Produit de décomposition des végétaux en milieu aqueux età l'abri de l'air, sous l'action des champignons et des bactéries. Ce sont des matériaux fibreux ayant une teneur en eau très importante qui peut dépasser 500 %.


En géotechnique: si MO > 3 % on considère que les sols sont organiques (MO: Matière Organique). Si MO > 10 %, les sols sont considérés comme fortement organiques. Exemples: -Terre végétale, -Humus forestier


-Vases -Tourbes -Lignites -Sables vasards -Argiles organiques,


Limons sur marnes


Terrasse alluviale : Limons sableux, sables et sables graveleux.


Formations alluviales sablo-graveleuses et blocailleuses


Loess et lehm: argile silteuse correspondant à la partie supérieure décalcifiée d’un loess: c’est une éluvion.


Sables + Blocs de grès

Sables


Sables éolien (désert)


Formations alluviales organiques: argiles vasardes et sables organiques


2.4 Classification des sols Guide Technique Routier Septembre 1992 (ex RTR)

>


Classification des matériaux Sol : 4 classes de sol: A, B, C et D Roche : 1 classe : R Sol organique et sous produit industriel 1 classe : F


Sol : classes A, B, C et D

Sols fins (Dmax < 50 mm) :

Sols grossiers (Dmax >50mm) :

classes A, B et D

classes C et D


Courbe granulom étrique

100

Argiles

Lim ons

Sable fin

Gros sable

Graviers

Cailloux

90

Pourcentage de passant

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

Diam ètre des particules (m m )

80 µm

Dmax

100

1000


Sols fins (Dmax < 50 mm) : classes A, B et D Passant à 80 µm

> 35 %: sols A

< 35 %: sols B et D

Valeur de Bleu VBS

< 0.1: sols D

>0.1: sols B



Second niveau de classification: état hydrique 3 critères: IPI : indice portant immédiat W OPN: teneur en eau à l’optimum Ic: indice de consistance (ne pas confondre avec l’indice de continuité) 5 états hydriques:


Etat hydrique ts

s

m

h

0.7

0.9

1.1

Sol A2

0.7

0.9

1.1

Sol A3

0.7

0.9

Sol A1

th 1.25 1.3

1.2

1.4

Etude spécifique Sol A4

Wopn

W nat


Sols grossiers (Dmax > 50 mm) : classes C et D3 Passant à 80 µm Valeur de Bleu VBS

80 µm < 12 % et VBS < 0.1: sols D3

Sols insensibles à l’eau

80 µm > 12 % ou VBS > 0.1: sols C


Sols grossiers (Dmax > 50 mm) : classes C et D 3


Seuils à retenir: Passant à 80 µm: 12 % : seuil qui permet d’indiquer le risque de sensibilité d’un matériau

35 %: seuil au-delà duquel le comportement du sol est régi par celui de la fraction fine


Seuil à retenir: Passant 2 mm: > 70 % : tendance sableuse < 70 % : tendance graveleuse


Seuil à retenir: Indice de plasticité De 10 à 12 : sols faiblement argileux (A1) De 12 à 25 : sols moyennement argileux (A2) De 25 à 40 : sols vraiment argileux (A3) >40 :

sols très argileux (A4)


Seuil à retenir: Valeur de bleu (VBs): 0.1 : en deçà: sol insensible si passant à 80 µm inférieur à 12 % 0.2 : au dessus: sensibilité à l’eau certaine


Roches: classe R: R1 à R6: Premier niveau de classification: selon la nature géologique


Roches: classe R: R1 à R6: Second niveau de classification: selon des paramètres d’identification et paramètres de comportement:

Densité :

craies,

MDE et densité:

calcaires,

FR et DG:

roches argileuses,

LA, MDE et FR:

roches siliceuses et roches métamorphiques et magmatiques.


Sol organique et sous produit industriel : classe F


Remarque: roches en place

Sols après extraction et mise en œuvre.

Cas des marnes, craies (prélevées à la tarière), calcaires tendres, etc. La classification GTR est parfois déterminée par les essais réalisés (ou réalisables): Exemple:

argile

craies tendres grès tendre marne

sable

argile


2.5 Identification des sols Sols grenus – Sols fins Sables 20 µm Limons 2 µm Argiles

≈ 1/100 µm

≈ 1 mm

Sables : désagrégation mécanique de la roche

≈ 1 µm

Argiles : désagrégation chimique de la roche


Sols grenus – Sols fins

Sables

20 µm

Limons

2 µm

Argiles

≈ 1/100 µm

≈ 1 mm

Sables : désagrégation mécanique de la roche

≈ 1 µm

Argiles : désagrégation chimique de la roche


Sol = milieu triphasique : - solide = grains du sol - liquide = eau interstitielle - gazeux = air


Sols fins : eau adsorbée

Viscosité


Sols fins : structures

En château de cartes …

en agrégats

Compléments de Mécanique des Sols

Composition des sols Paramètres de nature (échantillons remaniés) Paramètres d’état (échantillons intacts

Poids volumiques : total γ =

W W W W ; sec γ d = s; des grains γ s = V s ; de l’eau γ w = V w V w V s ≈ 26,5 kN/m3

≈ 10 kN/m3

Nature et taille des grains (granulométrie) Caractérisation des vides (paramètres adimensionnels) : Indice des vides : e =

Vv Vs

Porosité : n =

Vv V

Teneur en eau : w =

Ww Ws

Degré de saturation : S r =

Vw Vv

81

Relations entre paramètres d’état des Sols Compléments de Mécanique 82

Relations entre paramètres Exemple de calcul de γ en fonction de γs, w et e

Principales relations

1+ w γ =γs 1+ e e n= 1+ e γ = γ d .(1 + w) 3 paramètres suffisent pour déterminer l’état d’un sol. Par exemple : - ɣs (en fait peu variable ≈ 26.5 kN/m3) - ɣ ou Sr - w

Si sol saturé et si on admet ɣs connu, un seul paramètre suffit : w


Prélèvement d’échantillons

Tarière à main

Tarière mécanique

Échantillons remaniés

Carottier battu

Carottier à piston stationnaire

Échantillons intacts


Paramètres de nature : Sols grenus : Granulométrie Courbe granulom étrique Argiles

100

Lim ons

Sable fin

Gros sable

Graviers

Coefficient d’uniformité (de Hazen) :

Cailloux

90


80 70

D60 450 CU = = ≈9 D10 50

60 50 40 30 20 10 0 0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Coefficient de courbure :

Diam ètre des particules (m m)

Sédimentométrie « fines »

Tamisage

( D30 ) 2 0.2 2 Cc = = ≈ 0.18 D60 .D10 0.45 * 0.05

80 µm

+ nature minéralogique des grains + forme des grains 84


Types de granulométries


Paramètres de nature : Sols fins : Limites d’Atterberg (de plasticité) Caractérisent les changement de consistance d’un sol fin en fonction de sa teneur en eau Échelle de teneur en eau

IP = wL – wP :Indice de PLASTICITE

État LIQUIDE État PLASTIQUE État SOLIDE avec retrait État SOLIDE sans retrait

wL Limite de LIQUIDITE IP wP Limite de PLASTICITE wS Limite de RETRAIT


Paramètres de nature : Sols fins : Limites d’Atterberg (de plasticité)


Mesure de la limite de liquidité au cône

(mm)


Classification des sols SOLS GRENUS 20 mm

CAILLOUX

GRAVIERS

2 mm

GROS SABLES

SOLS FINS 0,2 mm

SABLES FINS

20 µm

LIMONS

2 µm

ARGILES

Une première classification concerne les sols à granulométrie continue (dimensions d des grains peu différentes) : • 20 mm < d : cailloux • 2 mm < d < 20 mm : graviers • 0,2 mm < d < 2 mm : gros sables • 20 µm < d < 0,2 mm : sables fins • 2 µm < d < 20 µm : limons • d < 2 µm : argiles


Paramètres de nature : Sols fins : Activité – « Valeur de bleu » Activité A des argiles caractérise le type d'argiles : A=

IP % < 2 µm

Pour les trois argiles minéralogiques principales : • Kaolinite : A = 0,38 • Illite : A = 0,9 • Montmorillonite : A = 7,2

IP 400 300 200 100 0 0

20

40

60

80

100 % < 2 µm

Essai au bleu : mesure la quantité d'un produit Kaolinite (bleu de méthylène) adsorbé sur la surface des particules d'argiles ≈ mesure indirecte de la surface spécifique du sol Valeurs de bleu, exprimées en "g de bleu pour 100 g de sol" : • VB < 0,1 : sol insensible à l'eau • 0,1 < VB < 0,2 : sol très peu sensible à l'eau • 0,2 < VB < 1,5 : sol sablo-limoneux • 1,5 < VB < 2,5 : sol limoneux peu plastique • 2,5 < VB < 6 : sol limoneux plastique • 6 < VB < 8 : sol argileux peu plastique • 8 < VB : sol très argileux

Illite

Montmorillonite

90


Paramètres de nature : Sols fins : Équivalent de sable « Équivalent de sable » : caractérise la proportion relative de sol fin et de sol grenu. Laisser reposer un mélange de sol (fraction < 5 mm) et d'eau : la partie grenue se dépose au fond sur une hauteur h1, surmontée d'un "floculat" de sol fin sur une hauteur h2

h1 ES = h1 + h2 • ES = 0 • ES = 20 • ES = 40 • ES = 100

en % : argile pure : sol plastique : sol non plastique : sol grenu propre


Paramètres d’état : Sols grenus : indice des vides (et compacité) Densité relative « Chaînons de contraintes »

Compacité

Dr =

emax − e emax − emin emax : Dr = 0 emin : Dr = 100 %

emin

e emax

e 92


Paramètres d’état : Sols fins : teneur en eau (et consistance) Relation entre teneur en eau naturelle w, limites d’Atterberg et consistance L Ic = 0 pour sol « liquide » w = wL c Ic = 1 pour sol « consistant » w = wP

w −w I = IP ( = wL − wP )

État « solide »

État « plastique »

Ic = 1 wP

État « liquide »

Ic = 0 w

wL

w


Diagramme Proctor (sol non saturé) Essai de compactage : • γd varie en fonction de la teneur en eau pour une énergie de compactage donnée • Maximum de compacité pour une teneur en eau optimale • Limite = courbe de saturation  1 1 w(%) = 100 *  −  γd γs 

Courbes Proctor Poids volumique sec (kN/m3)

27.5 25.0 Sable uniforme

22.5

γ max

Argile très plastique

20.0 Sable argileux

17.5

Courbe de saturation

15.0 12.5 0

wo pt

10

20

30

w (%)


Classification des sols grenus : plus de 50% d'éléments > 80 µm Définition

Conditions

Moins de 5% d'éléments < 80 µm

GRAVES

Plus de 50% des éléments > 80 µm ont un diamètre > 2 mm

Symbole

Appellation

Coefficient d'uniformité CU > 4 Coefficient de courbure 1 < Cc < 3

Gb (GW)

Grave propre bien graduée

Une des conditions ci-dessus non vérifiée

Gm (GP)

Grave propre mal graduée

Limites d'Atterberg au-dessous de la ligne A

GL (GM)

Grave limoneuse

Limites d'Atterberg au-dessus de la ligne A

GA (GC)

Grave argileuse

Coefficient d'uniformité CU > 6 Coefficient de courbure 1 < Cc < 3

Sb (SW)

Sable propre bien gradué

Une des conditions ci-dessus non vérifiée

Sm (SP)

Sable propre mal gradué

Limites d'Atterberg au-dessous de la ligne A

SL (SM)

Sable limoneux

Limites d'Atterberg au-dessus de la ligne A

SA (SC)

Sable argileux

Plus de 12% d'éléments < 80 µm

Moins de 5% d'éléments < 80 µm

SABLES

Moins de 50% des éléments > 80 µm ont un diamètre > 2 mm

Plus de 12% d'éléments < 80 µm

Lorsque le passant à 80 µm est compris entre 5 et 12 %, on utilise un double symbole


Indice de Plasticité IP

96

Classification des sols fins : plus de 50% d'éléments < 80 µm

60

Ligne A : IP = 0,73 (WL-20)

50 At argiles très plastiques

40 Ap argiles peu plastiques

30

Lt limons très plastiques Ot sols organiques très plastiques

20 10 Lp limons peu plastiques Op sols organiques peu plastiques

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Limite de liquidité W L

+ teneur en matières organiques (% MO = poids MO (perte au feu à 550 °C) / Ws) Tourbe = sable + limons + argiles + MO


Paramètres de quelques sols-types Vase

13.9

w (%) 120

Tourbe Argile molle Limon d'Orly Sable de Loire Argile verte Craie

11.8 16 20 19 19 21

320 100 22 24 30 22

γ (kN/m ) 3

Sol (saturé)

wP (%) 39

e 2.86 6.88 2.90 1.20 0.52 0.98 0.40

40 20 37 20

80

70

Indice de Plasticité IP

60

At

50

40

Ap

30

Lt Ot

20

Lp Op

10

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Limite de liquidité WL Série1

Vase

Argile molle

Limon d'Orly

Argile verte

Craie

110

120

wL (%) 106

IP (%) 67

Non mesurable 120 80 32 12 Non mesurable 65 28 24 5

IC -0.21 0.25 0.83 1.25 0.6


100

Argiles

Limons

Sable fin

Gros sable

0.1

1

Graviers

Cailloux

90 80


70 60 50 40 30 20 10 0 0.0001

0.001

0.01

10

100

Diamètre des particules (mm) Vase

Tourbe

Argile molle

Limon d'Orly

Sable de Loire

Argile verte

1000

ITC Chapitre 2 - Sols Et Roches (Version Courte)

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