Mécanique des sols


Mécanique des sols

La mécanique des sols est une discipline faisant partie des techniques de génie civil qui a pour objet l'étude des sols, matériaux constitués de particules solides, liquides et gazeuses qui forment des masses de terrains meubles, dans le but d'étudier leur équilibre et leur déformation sous les actions internes ou externes qui leur sont appliquées. Cette étude doit permettre d'estimer la résistance des sols en place ou rapportés nécessaire pour assurer la stabilité et la résistance de l'ouvrage projeté. Cette étude doit être faite pour permettre le calcul de fondations pour la construction d'un bâtiment ou tout autre ouvrage de génie civil (pont, route, tunnel, barrage...).

Cette discipline exclut donc le comportement des roches, qui sont étudiées au sein de la mécanique des roches. (Notons également l'existence du terme de géomatériaux cimentés pour désigner les matériaux intermédiaires entre les sols meubles et les roches dures). Cette discipline est utilisée plus largement en géotechnique, discipline et profession traitant de l'interaction sol-structure.

Le sol est donc meuble et compressible. Ces caractéristiques mécaniques des sols fondent les grands principes de la mécanique des sols et de la mise en place des fondations des ouvrages.

Nous sommes habitués à percevoir l'ensemble de notre environnement bâti comme un ensemble rigide, immeuble. Nous observons donc une contradiction  : nos immeubles seraient-ils bâtis sur une matière meuble ? Afin de lever cette contradiction, il est nécessaire de faire deux remarques :

  • La notion de rigidité n'est valide que relativement à des structures plus souples. C'est le rapport des modules d'élasticité de deux matériaux qui permet de définir si l'on peut considérer, localement, l'un des deux comme rigide et l'autre comme élastique.
  • Si un sol doit être vu, de manière théorique, comme un matériaux meuble, cet aspect de déformabilité a ses limites. Les techniques de mise en œuvre des fondations auront pour but final d'amener le sol à sa limite de déformabilité (consolidation). (Le maintien d'un sol dans les conditions de la limite de déformabilité n'est pas garanti. La présence d'eau en mouvement dans le sol est source de modifications structurelles et peut représenter un risque quant à la stabilité d'un sol.)

Il faut donc réfléchir en deux temps. Un sol sera donc considéré :

– comme meuble pendant les phases de remaniement ;
– comme incompressible après effort de consolidation.

Cette optique nous permettra de construire côte à côte, à des moments différents, des ouvrages de poids différents, sans craindre de mettre en danger la stabilité, ni le maintien de l'esthétique.

Sommaire

Historique de la mécanique des sols

Le nom de cette science appliquée n'apparaît qu'en 1925 quand le professeur Karl von Terzaghi (1883-1963) publie le livre Erdbaumechanik à Vienne. Ce livre ouvre l'étude scientifique de la stabilité et de la déformation des massifs de terre.

Si ce livre inaugure une nouvelle science, l'étude de la stabilité et de la portance des sols a commencé dès l'origine des constructions d'ouvrages. Les constructeurs ont d'abord eu une approche née de l'expérience :

– quel terrain pouvait résister aux charges qui lui étaient appliquées ;
– comment améliorer la portance du sol en les compactant, en y insérant des matériaux ou en fichant des pieux ;
– quelle était la pente maximale d'un talus pour en assurer la stabilité.

Ce n'est qu'à partir du XVIIe siècle qu'à une approche empirique va succéder le développement plus ou moins scientifique des notions d'équilibre des poussées de terre et de stabilité des murs de soutènement. Pour Jean Kérisel, c'est, en France, Vauban qui a le premier eu une approche rationnelle de ce problème pour définir des règles de construction des ouvrages de fortification. C'est vers 1667 qu'il envoie aux différents ingénieurs chargés du suivi de la construction des places fortes le Profil général de Vauban pour les murs de soutènement. Si ce document a disparu, on en retrouve la trace dans le livre de l'abbé Durol La Manière de fortifier selon la méthode du maréchal de Vauban. Cependant on ne sait pas sur quels principes Vauban s'était appuyé pour déterminer la poussée des terres.

Le nom suivant est celui de Bernard Forest de Bélidor (1697-1761), ingénieur, professeur à l'école d'artillerie à l'école de La Fère. Il publie en 1739 le traité intitulé La Science des ingénieurs dans la conduite des travaux de fortification et d'architecture civile où il reprend en partie les tables de Vauban. Il détermine la poussée en écrivant « C'est une chose démontrée par l'expérience, que les terres ordinaires, quand elles sont nouvellement remuées et mises les unes sur les autres, sans être battues ni entrelacées, par aucun fascinage, prennent d'elles-mêmes une pente ou talus qui fait avec l'horizon un angle de 45°, ou qui suit la diagonale d'un carré ». Bélidor indique que la poussée totale est égale à la moitié du prisme de terre compris entre le parement du mur et le plan incliné à 45°.

C'est en 1773 que Charles Augustin Coulomb (1736-1806), lieutenant colonel des Ingénieurs et membre de l'Académie des sciences écrit l'ouvrage Essai - Sur une application des règles de maximis et de minimis à quelques problèmes de statique, relatifs à l'architecture. Il y indique en ouverture « Ce mémoire est destiné à déterminer, autant que le mélange du calcul et de la physique peuvent le permettre, l'influence du frottement et de la cohésion dans quelques problèmes de statique ».

Plusieurs scientifiques et ingénieurs vont ensuite étudier le problème de la stabilité des talus, de la poussée des terres, l'hydrologie et de l'équilibre des massifs de terres : Jean-Victor Poncelet (1788-1867), Alexandre Collin (1808-1890). À partir des travaux de Augustin Louis Cauchy (1789-1857) et Gabriel Lamé (1795-1870) donnant les équations de l'équilibre intérieur d'un corps continu et homogène s'est développé la théorie de l'élasticité qui va être appliquée à l'équilibre d'un massif de terre par Maurice Lévy (1838-1910) et Valentin Joseph Boussinesq (1842-1929). William Rankine (1820-1872) va publier un mémoire sur la stabilité des massifs pulvérulents. D'autres noms peuvent ajouter à cette liste de scientifiques ayant étudier l'équilibre et la poussée des terres : Armand Considère (1841-1914), Jean Résal (1854-1919), Junius Massau (1852-1909), Jean Frontard (1884-1962). On doit signaler Albert Caquot auquel on doit des tables de poussée et de butée à la suite de son étude Équilibre des massifs à frottement interne : stabilité des terres pulvérulentes ou cohérentes puis son Traité de mécanique des sols rédigé en collaboration avec Jean Kérisel. L'étude des surfaces de glissement a aussi donné à la rédaction de mémoire par Karl Culmann (1821-1881), Sven Hultin (1889-1952), Knut Petterson et le professeur Wolmar Fellenius (1876-1957) avec les études de lignes de glissement circulaires.

Le professeur Otto Mohr (1835-1918) a publié une méthode de représentation graphique de l'état des contraintes en un point d'un corps solide homogène, le cercle de Mohr. En 1914 Otto Mohr a appliqué sa méthode à l'étude des massifs pulvérulents et cohérents.

D'autres travaux s'intéressent aux caractéristiques des sols, ainsi Albert Mauritz Atterberg (1846-1916) pour l'étude de la plasticité des sols et sur leur classification, le professeur Kerveling Buisman (1890-1944), aux Pays-Bas, qui a donné une théorie de la consolidation des argiles, Arthur Casagrande (1902-1981), l'assistant de Karl Terzaghi, qui s'est intéressé au problème de la liquifaction des sols, sir Alec Skempton (1914-2001).

Les développements récents, à partir des années 1960, ont consisté à faire des sols un matériau qu'il était possible de renforcer à l'aide d'inclusions, rigides ou souples, verticales ou inclinées, pour augmenter leurs capacités de portance ou de stabilité.

L'invention par Louis Ménard du pressiomètre a permis d'améliorer la connaissance des capacités des sols en place. Des règles simples ont aidé à la détermination de la portance des fondations superficielles et au dimensionnement des fondations profondes.

Étude des sols

Définitions d'un sol

Un sol peut être défini :

  • dans le cadre de la mécanique des sols,
    on peut définir le sol « comme une roche non lapidifiée qui se trouve à la surface de la terre, au-dessus ou entre les couches de roche dure lapidifiée »[1]. Dans cette définition, le sol comprend l'air, l'eau, les matières organiques et toutes les autres matières mélangées aux grains minéraux.
  • dans le cadre de la pédologie, où le sol est « la formation naturelle de surface à structure meuble et d'épaisseur variable, résultat de la transformation de la roche-mère sous-jacente sous l'influence de divers processus physiques, chimiques et biologiques »[2]
  • dans le cadre de la géologie.

Notions fondamentales - Propriétés physiques des sols

La mécanique des sols définit tout d'abord, pour construire les modèles qui lui seront utiles, des notions qui lui sont propres[3]. On considère donc un échantillon de sol constitué d'une phase solide, d'une phase liquide, et d'une phase gazeuse.

  • La phase solide est aussi appelée matière solide, ou grains, l'abréviation qui la concerne dans les notations mathématiques est 's'.
  • La phase liquide est, quant à elle, principalement constituée d'eau, au sens commun du terme. Son abréviation est 'w'.
  • La phase gazeuse est constituée le plus souvent par l'air de l'atmosphère. En un premier temps, le cas du gaz naturel sous pression n'est pas étudié. Le poids de l'air est négligé dans les calculs.

Ensemble, les phases liquide et gazeuse constituent ce qu'il est convenu d'appeler les vides, par opposition à la matière solide des grains.

Structures des sols

On classe les grains solides en fonction de leur taille :

  • blocs rocheux : D > 200 mm
  • cailloux : 20 < D < 200 mm
  • graviers : 2 < D < 20 mm
  • sables grossiers : 0,2 < D < 2 mm
  • sables fins : 20 μm < D < 0,2 mm
  • limons ou silts : 2 μm < D < 20 μm
  • argiles : D < 2 μm

On considère deux catégories de sols ayant des comportements différents vis-à-vis de l'eau interstitielle :

  • les sols pulvérulents : D > 20 μm
  • les argiles : D < 2 μm

Entre les deux, les limons qui ont des caractéristiques intermédiaires.

Classification géotechnique des sols

Les sols sont caractérisés par des essais d'identification :

  • l'analyse granulométrique,
    • par tamisage pour les grains ayant D > 80 μm,
    • par sédimentromérie pour les grains plus petits.
      Ces mesures permettent de tracer une courbe granulométrique.
  • les limites d'Atterberg, pour les limons et les argiles qui ont la particularité de passer à un comportement liquide en présence d'une grande quantité d'eau à un état solide lorsque ces sols sont desséchés. Ces essais permettent de définir :
    • la limite de liquidité wL définissant le passage entre l'état liquide à l'état plastique,
    • la limite de plasticité wP donnant le passage de l'état plastique à l'état solide.
    • l'indice de plasticité IP qui se donne en % : IP = wL - wP
    • l'activité d'une argile AC est donnée par : AC = IC / % éléments inférieurs à 2 μm.
  • la valeur de bleu, pour une détermination indirecte de la surface spécifique des grains solides
  • l'équivalent de sable, pour caractériser les sols sableux contenant peu de particules fines
  • la teneur en matières organiques.

Les sols sont désignés par le type de sol le plus important suivi d'un adjectif donnant le type de sol secondaire. Par exemple : grave argileuse, argile sableuse, sable limoneux...

En France la classification des sols est celle donnée dans la norme NF P 11-300 qui, étant utilisée dans le Guide technique pour la réalisation des remblais et couches de forme, est appelée classification GTR (Guide des terrassements Routiers)[4]

Caractéristiques pondérales des sols

On définit tout d'abord les volumes liés aux constituants d'un échantillon:

  • Le volume de l'échantillon non traité est noté Ve.
  • Le volume de la matière solide constituant les grains, aussi appelé volume des grains, est noté Vs.
  • Le volume de liquide, otg est noté Vw.
  • Le volume des vides, constitué de la somme du volume d'eau (phase liquide) et du volume d'air, est noté Vv.

Viennent ensuite les définitions des poids de ces constituants:

  • Le poids de l'échantillon non traité, aussi appelé poids apparent, et noté Wh. (h pour humid)
  • Le poids des grains, ou poids de la matière solide, est noté Ws.
  • Le poids du liquide, équivalent, par hypothèse générale, au poids de l'eau présente dans l'échantillon, est noté Ww.
  • Par hypothèse, également, le poids de la phase gazeuse est considéré comme nul. Il n'y a donc pas de symbole qui lui soit lié.

Propriétés hydrauliques des sols

On distingue :

  • l'eau de constitution, entrant dans la composition chimique des grains,
  • l'eau liée ou l'eau adsorbée,
  • l'eau interstitielle qui comprend l'eau capillaire et l'eau libre.
    • L'eau libre correspond à l'eau de la nappe phréatique. Cette partie est soumise aux lois des écoulements hydrauliques, en particulier, pour un écoulement linéaire, la loi de Darcy.
    • L'eau capillaire est située au-dessus de l'eau libre. Elle est en équilibre sous les actions de la gravité et des forces de tension. Ces forces permettent de vérifier la loi de Jurin.
L'eau interstitielle dépend de la valeur du coefficient de perméabilité du sol considéré qui est liée à sa granulométrie, de sa nature, de sa structure, de son indice des vides et de sa température.
L'eau interstitielle peut entraîner des écoulements souterrains (hydraulique souterraine) ou des pressions hydrauliques contre des écrans[5].
C'est Karl Terzaghi qui, le premier, a donné la loi de contrainte effective dans un milieu poreux ou loi de Terzaghi. La contrainte totale sur le matériau homogène formé par les grains de terrain et l'eau interstitielle est la somme de la contrainte effective et la pression de l'eau contenue dans les pores. Au cours du temps, l'eau est chassée des pores, la pression interstitielle u diminue, la contrainte effective σ' dans le terrain augmente tout en ayant la même contrainte totale σ. Il en résulte un tassement du terrain[6], soit : σ = σ' + u

Études des déformations des sols. Calcul des tassements. Théorie de la consolidation

L'étude des tassements nécessite de déterminer les contraintes dans le sol. Ils dépendent de leurs caractéristiques physiques[7]

Comportement mécanique des sols

L'étude des sols peut être faite en admettant qu'ils se comportent comme des massifs à deux ou trois dimensions soumis à différentes actions :

– forces dans le massif : pesanteur, poussée due à l'écoulement... ;
– forces à la surface : ponctuelles, réparties... ;
– forces dynamiques : machines vibrantes, séisme...

Si ces forces sont de faible intensité, il est possible d'appliquer la théorie de l'élasticité.

Si les efforts sont plus importants, il va apparaître des déformations plastiques jusqu'à arriver à la rupture[8].

On considère que le sol est un milieu continu qui peut être anisotrope et hétérogène.

Reconnaissance des sols

Les études géotechniques sont une obligation légale et doivent être confiées à un spécialiste, géotechnicien, dont la mission peut porter sur différents points suivant l'ouvrage projeté :

terrassements ;
hydrogéologie ;
fondations ;

en tenant compte de l'environnement et des risques naturels.

Méthodes géophysiques

Sondages et forages

Ces méthodes permettent de déterminer les sols traversés par différentes méthodes :

– sondages par puits, tranchée, et galerie ;
sondages carottés ;
– forages destructifs ;
diagraphies différées.

Essais mécaniques

Essais par battage
Essais de pénétration statique (CPT) et piézocône
Essai au pressiomètre Ménard

Mis au point par Louis Ménard en 1955, l'essai pressiométrique est l'essai le plus couramment utilisé pour l'étude de la portance des fondations.

Essai de cisaillement au phicomètre
Essai scissiométrique en place
Instrumentation et suivi des ouvrages

L'instrumentation et le suivi des ouvrages permet de valider les hypothèses de calculs au cours de la construction et, si besoin est, d'adapter les procédures d'exécution. La méthode observationnelle est d'ailleurs recommandée par l'Eurocode 7 quand les contraintes géotechniques ont une incidence importante sur l'ouvrage projeté, par exemple pour des grands terrassements ou pour le creusement d'un tunnel.

Étude des ouvrages

Stabilité des pentes et des talus

Action des terres sur les soutènements. Poussée et butée

Fondations superficielles

Fondations profondes et semi-profondes

Renforcement des sols

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

  • Albert Caquot, Jean Kérisel, Traité de mécanique des sols, Gauthier-Villars éditeur, Paris, 1966
  • J. Verdeyen, V. Roisin, J. Nuyens, La Mécanique des sols, p. 31, Presses universitaires de Bruxelles, Dunod, 1968
  • Collectif, Renforcement des sols : expérimentation en vraie grandeur des années 80, Presses de l'école nationale des Ponts et chaussées, Paris, 1993
  • Jean Kérisel, E. Absi, Tables de poussée et de butée des terres, Presses de l'école nationale des Ponts et chaussées, Paris, 2003
  • Gérard Philipponnat, Bertrand Hubert, Fondations et ouvrages en terre, Eyrolles, Paris, 2008, (ISBN 978-2-212-07218-1)
  • François Sclosser, Éléments de mécanique des sols, Presses de l'école nationale des Ponts et chaussées, Paris, 2003 (ISBN 2-85978-104-8)
  • Maurice Cassan, Les Essais de perméabilité sur site dans la reconnaissance des sols, Presses de l'école nationale des Ponts et chaussées, Paris, 2005 (ISBN 2-85978-396-2)
  • Pierre Martin, Géomécanique appliquée au BTP, 2e édition ; Eyrolles, Paris, 2005. ISBN 2-212-11774-4
  • Terzaghi et Peck, Mécanique des sols appliquée aux travaux publics et aux bâtiments, Dunod, Paris, 1961.

Articles connexes

Liens externes


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