Section GC Groupe A Ben Mosbah Yasmine , Benjelloun Abdelkarim, Bellamine Mohamed, Adyel Selim, Lahbabi El Houcine.
Travail pratique n° 2 de mécanique des sols :
Compactage et portance d’un sol
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Introduction : Ce travail pratique consiste en l’étude en laboratoire d’un essai de compactage Proctor et d’un essai de poinçonnement CBR. Le but de ce travail est le dimensionnement d’une superstructure de chaussée de type 1, 5 et 11 en se basant sur le trafic donné et des résultats que l’on va obtenir. Le premier essai, c'est-à-dire l’essai de compactage est la détermination du ρdmax et la teneur en eau optimale pour un sol donné. Ceci dans le but d’avoir le meilleur compactage possible ou encore une capacité de portance maximale. Quant à l’essai de poinçonnement, il permet de déterminer le coefficient CBR essentiel au dimensionnement de l’épaisseur des couches de la superstructure d’une chaussée. Les facteurs d’influence suivant sont déterminants pour le dimensionnement : -La sollicitation du trafic : T1:Très légers ; T2 : léger ; T3 : moyen ; T4 : Lourd ; T5 : très lourd ; T6 : extrêmement lourd. -La classe de portance (S0, S1, S2, S3, S4) : On peut la déterminer par le module Me1, le module Ev1, le coefficient CBR, et le module de réaction k de Westerwald. -La gélivité : les degrés de gélivité du sol est déterminé par les classes (G1, G2) pour des sols peu gélifs et (G3, G4) pour des sols gélifs.
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I- L’essai Proctor. 1) Protocol expérimentale : Pour cet essai nous avons à notre dispostition le matériel suivant : -
Un bac Une balance Un moule Des récipients en plastique Une lame métallique
En premier lieu, on verse 2,2Kg de notre soldans le bac. On détermine la masse d’eau qu’il faut verser dans le bac. On choisit de prendre une teneur en eau égale à 8%, ainsi on peut déterminer la masse d’eau à verser par le calcul suivant : W(%)=m(H2O)X100/m(sèche) ; l’application numérique donne m(H2O)=2200X8/100=176g. Parallèlement, on pèse la tare initiale, c’est-à-dire on pèse le moule uniquement. Pour une bonne réalisation de la manipulation, il est recommandé de bien brasser notre sol pendant qu’on verse l’eau dessus afin d’obtenir une masse homogène (il est aussi bon d’écraser au fond du bac). Par ailleurs, on fixe notre 𝜌𝑠=2,7t/m³ et notre w est inférieur à 13% donc on verse 700g pour une couche de sol. On répète l’expérience trois fois : pour chaque couche correspond un essai de 25 coups. Une fois le moule rempli des 3X700g, on enlève le sol collé sur les bords ainsi qu’une partie du sol (en cisaillant de l’intérieur vers l’extérieur avec un couteau) puis on aplatie le sol. Une autre étape consiste à calculer m(H20) pour une 3
teneur en eau plus élevée (14%). On fait le calcul comme précédemment et on trouve m(H20)=308g qui contient les 14% et les 8% de la première étape. Reste plus qu’à faire la différence 308176=132g et on a notre nouvelle masse m(H20). La manipulation finale consiste à démouler ; on réutilise la même matière. Vu que le sol est beaucoup plus humide, ce sera difficile de le rendre homogène. 2) Résultats : Tare du moule M1: 4220 [g]
Masse de la dame : 24,4 [N]
Diamètre du moule : 100 [mm]
Hauteur de chute : 305 [mm]
Hauteur du moule : 116 [mm]
Nombre de coups/couches : 25
Volume de l’échelle. (V) : 9,11. 105
Nombre de couches : 3 𝜌𝑠 = 2.7 [t.𝑚3 ]
Formules :
ρ=
Teneur en eau w [%]
𝑀2−𝑀1 𝑉
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Masse volumique apparent ρ 1.954 −3 [t.m ] Masse volumique apparent sec 𝜌𝑑 1.810 [t.𝑚−3 ]
* 103 [t.𝑚−3 ]
𝜌𝑑 =
𝜌
𝑤 1+100
[t.𝑚−3 ]
9
10
11
14
15
16
17
2.018
2.065
2.123
2.144
2.137
2.134
2.103
1.851
1.877
1.912
1.985
1.858
1.840
1.767
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Courbe Proctor:
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3) Interprétatioon des résultats : La courbe de compactage est obtenue à partir des données contenues dans le tableau précédent. De cette courbe, on déduit que la masse volumique apparente sec maximale est 1.985 t/m³ correspondant à une teneur en eau de 14%. Enfin, par la formule (Sr=𝜌𝑠 . 𝜌𝑑 /(𝜌𝑠− 𝜌𝑑 ) . w/𝜌𝑤 ), on obtient les deux autres courbes de saturation pour Sr=100% (en rouge) et Sr=80% (en bleu). On peut également calculer l`énergie de compactage à l’aide de la formule: E = P.h .n /V où - P: le poids de la dame. - h:la hauteur a laquelle on soulève la dame (hauteur de chute). - n : le nombre de coups. - V : le volume de l`échantillon. Application numérique : E = 0,588 MJ /m³. Plus la teneur en eau était faible plus il était difficile d`effectuer un bon mélange et d`écraser au fond du bac. Les résultats correspondant à une teneur en eau de 8% sont moins fiable que les autre vu que le mélange n`était pas tout a fait homogène. En ce qui concerne la dame normalisée, il est absolument primordial de la lever le plus haut possible et de la relâcher sans y opposer de pression afin de pouvoir compacter au mieux notre mélange.
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II- L’essai de poinçonnement C B R : 1) Protocole expérimentale : On effectue cet essai à l’aide d’une machine qui applique progressivement une force sur un échantillon de sol et sur une surface de 1.96.10-3 [m2]. On met alors la machine en marche, et on relève a chaque fois le nombre de divisions du compteur à certaines profondeurs d’enfoncement données précisément. Une division vaut 0.976 Kg, on calcule alors la force appliquée qui représente le poids du nombre total de divisions ensuite la pression specifique representant la force par unité d’aire. À l’aide de ces valeurs, on trace courbe charge-enfoncement sur le même graphique (page 9) que celle déjà donnée pendant le laboratoire. Il nous reste alors à relever 2 valeurs caractéristiques : le coefficient CBR à 2,54mm et 5,08mm.
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2) Résultats : Enfoncement Nombre de [mm] divisions [-]
Force [kN]
Pression spécifique p [kN∙m-2]
0.635
19
0.1819
93
1.27
29
0.2777
141
1.905
40
0.3829
195.3
2.54
50
0.4787
244.2
3.81
73
0.6989
356.6
5.08
96 0.91915
468.9
6.35
119
1.139
581.1
7.62
144
1.3787
703.4
8.89
167
1.5989
815.8
10.16
193
1.8479
942.8
Coefficient CBR : [%] Soit à 2.54 mm
244.2/7000 * 100 = 3.49%
Soit à 5.08 mm
468.9/10500 * 100 = 4.47%
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Courbe charge en fonction de l’enfoncement :
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3) Interprétation des résultats : Le sol compacté dans le moule CBR et issu de l'essai précédent (essai de compactage) nous permet de réaliser l'essai PROCTOR qui nous donne la portance d'un sol. Trois disques sont posés sur le moule; on recherche alors la mesure de l'application d'une force sous la forme de l'enfoncement d'un poinçon d'une aire de 19.6 cm2. Le poinçonnement s'effectuant à vitesse constante, nous lisons la mesure de l'enfonçonnement en fonction de la force appliquée. Ce dernier se mesure en divisions, en sachant qu'une division vaut 0.976 Kg.
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Après lecture visuel des mesures et un bref calcul, nous déterminons la force puis la pression spécifique appliquées sur le moule; dont les résultats ont déjà été donnés dans le tableau :
Enfoncement Nombre de [mm] divisions [-]
Force [kN]
Pression spécifique p [kN∙m-2]
0.635
19
0.1819
93
1.27
29
0.2777
141
1.905
40
0.3829
195.3
2.54
50
0.4787
244.2
3.81
73
0.6989
356.6
5.08
96 0.91915
468.9
6.35
119
1.139
581.1
7.62
144
1.3787
703.4
8.89
167
1.5989
815.8
10.16
193
1.8479
942.8
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Analyse de la courbe obtenue:
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La courbe charge-enfoncement correspondant aux résultats de notre essai PROCTOR est montrée ci-dessus. La courbe noire est la courbe de référence et nos mesures sont représentées par la courbe grise du dessous. Nous constatons que notre courbe se rapproche de la courbe de référence, notamment à l'origine, ce qui nous permet de ne pas avoir de correction à appliquer à l'origine. Néanmoins, la charge spécifique appliquée est moins importante que la charge de référence pour un enfoncement égal. Cette variation est linéaire. Ce premier argument nous permet d'émettre l'hypothèse que ce sol a une portance faible à moyenne.
Calculs des coefficients CBR: Par rapport à l'essai précédent, les valeurs qui nous intéressent sont les pressions respectivement à 2.54 et 5.08 mm. Nous calculons le coefficient CBR pour chacune de ces valeurs correspondantes et prenons le maximum: MAX (CBR (2.54), CBR (5.08)).
Les calculs donnent les résultats suivants: A 2.54 mm: 244.2*100/7000 = 3.49 % A 5.08 mm: 468.9*100/10500 = 4.47 % On prend donc la valeur correspondant à l'enfoncement de 5.08 mm.
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Le coefficient CBR est donc: CBR = 4.47 %
Classes de portance
CBR [%]
S0 portance très faible
CBR < 3
S1 portance faible
3 < CBR < 6
S2 portance moyenne
6< CBR < 12
S3 portance élevée
12 < CBR < 25
S4 portance très élevée
25 < CBR
D'après le tableau fourni en annexe et présenté ci-dessus, nous pouvons conclure de cet essai que notre premier hypothèse est confirmée, nous sommes donc en présence d'un sol S1 à portance faible.
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Dimensionnement de la superstructure :
Nous allons maintenant classer notre sol à l’aide des normes SN 640 324a et SN 640317b en utilisant les résultats obtenus plus haut. Nous considérons que notre sol n’est pas gélif (ce qui facilite nettement les calculs pour le dimensionnement) et le trafic pondéral moyen correspond à T3. D’après le tableau des classes de portances et les résultats des coefficients CBR nous pouvons dire que notre sol est S1. Pour le dimensionnement à la portance la valeur structure nécessaire SNnéc est déterminer à partir du tableau 3 de la norme SN 640324a. Nous calculons donc les SNdim grâce à la formule de la page 5 de la norme en utilisant les coefficients du tableau 5, on calculera l’épaisseur des couches de manière que la valeur SNdim soit au moins égale à SNnéc qui dans notre cas est 105. On en déduit que l’épaisseur de revêtement minimale pour chacun de nos cas vaut : i)
Pour la superstructure avec revêtement en béton bitumineux sur grave de type 1 : - Revêtement en béton bitumineux : 13 [cm] - Grave ronde : 55 [cm] - Total : 68 [cm] Donc, en faisant l’application numérique, on a : SN = 13cm x 4,0 + 55cm x 1,0 = 107 > SNnéc. Il n’est donc pas nécessaire de renforcer la superstructure.
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Pour la superstructure avec revêtement en béton bitumineux sur couches stabilisées aux liants hydrauliques de type 5 :
- Revêtement en béton bitumineux : - Stabilisation aux liants hydrauliques : - Total :
10 [cm] 27 [cm] 37 [cm]
Donc l’application numérique nous donne : SN = 10cm x 4,0 + 2,4 x 27cm = 104,8 < SNnéc Dans ce cas, il faut très légèrement renforcer la superstructure.
Pour la superstructure avec revêtement en béton sur grave de type 11 :
- Revêtement en béton : - Epaisseur de grave ronde : - Total :
15 [cm] 40 [cm] 55 [cm]
Donc l’application numérique nous donne : SN = 15cm x 4.0 + 40cm x 1.0 = 100 Donc il faut nettement renforcer la superstructure.
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Conclusion : De ce TP, nous avons retenu comment manipuler un sol, le compacter et en tirer des informations dans l’optique de le classer. Cela nous a permis de nous familiariser avec les paramètres qui influencent le dimensionnement d’une structure des chaussées. Encore une fois, les normes nous ont été indispensable pour en arriver au résultat recherché.
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