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21189625 Cours Mecanique Sols 1 .pdf



Nom original: 21189625-Cours-Mecanique-Sols-1.pdf
Titre: Cours_mecanique_sols_1
Auteur: Tofangui Guy-Roland KONE

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Peut-on construire avec cette terre ?

On ne peut raisonnablement répondre aussitôt à cette question.
Il est préférable d’adopter une approche jalonnée par des questions successives :
Que va-t-on construire ? Un barrage, une digue ? Une route , une piste ? Un mur de clôture ?
Une maison de plein pied ou un bâtiment à étage ?
Où va-t-on construire ? En région sèche ou pluvieuse ?
Comment va-t-on construire ? Quelle technique ou savoir faire disponible ?
Car les sols ont des utilisations multiples :
- Ils peuvent être utilisés comme matériau de construction
Exemple : Adobe, brique de terre cuite ou stabilisée, barrage et digue en terre, chaussée en
terre…
Il convient donc de choisir, compte tenu des zones d’emprunt et de la nature de l’ouvrage, le type
de sol qui convient, de choisir le mode d’exécution et éventuellement de prévoir le contrôle de
l’exécution.
- Ils peuvent être support de fondations de bâtiment, d’ouvrage d’art et de remblai
Il est ici question de choisir un type de fondation au sens large compte tenu des charges à
supporter, des propriétés mécaniques du sol d’appui, du niveau de la nappe phréatique, etc…..
En particulier, on doit pouvoir prévoir l’amplitude des tassements et vérifier qu’ils sont
compatibles avec le bon fonctionnement de l’ouvrage.
On comprend l’importance de la géotechnique qui a pour objet l’étude des comportements mécaniques
du sol, et ce, indépendamment des conditions pratiques d’emploi.
La reconnaissance des sols permettra à l’ingénieur ou au technicien de préciser l’utilisation possible ou
non d’un sol pour un ouvrage déterminé.
Pour atteindre l’objectif visé, ce cours est divisé en deux grandes parties :
la première partie sera consacrée à l’étude des propriétés physiques, hydrauliques et
mécaniques des sols ainsi qu’au calcul des tassements,
la deuxième partie fera une large part au calcul des ouvrages courants.

A Noter :

1. Les fondations profondes ne sont pas traitées dans ce cours.
2. De même les sols organiques ne sont pas abordés.

SOMMAIRE

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LES SOLS : ELEMENTS
CONSTITUTIFS ET
DEFINITIONS
1. ORIGINE ET FORMATION
Au point de vue géotechnique, les matériaux constituant la croûte terrestre se divisent en deux grandes
catégories : les roches et les sols.
Les roches (silice, calcaire, feldspath, …) sont des matériaux durs qui ne peuvent être fragmentés
qu’aux prix de gros efforts mécaniques.
Les sols, au contraire, sont des agrégats minéraux qui peuvent se désagréger en éléments de
dimensions plus ou moins grandes sans nécessiter un effort considérable. Ils résultent de l’altération
chimique (oxydation, …), physique (variation de température, gel, …) ou mécanique (érosion, vagues, …)
des roches.
Suivant le but recherché, on considère :
a) La géologie
La géologie étudie les matériaux constituant la partie observable du globe terrestre, ainsi que
l’ordre suivant lequel ces matériaux sont réparties dans le temps et dans l’espace. Son but
essentiel est l’histoire de la terre et son évolution.
b) La pédologie
La pédologie étudie spécialement la couche supérieure de l’écorce terrestre utilisée par les
racines des plantes. Elle met en lumière le rôle des constituants du sol fréquemment négligés par
les géotechniciens : les matières organiques et la matière vivante (bactéries).
c) La mécanique des sols ou géotechnique
La mécanique des sols est l’étude des propriétés mécaniques, physiques et hydraulique des sols
en vue de leur application à la construction.

2. LES ELEMENTS CONSTITUTIFS D’UN SOL
Un échantillon de sol est constitué de trois phases :
-

une phase gazeuse,

-

une phase liquide,

-

une phase solide.

2.1. La phase gazeuse
En Génie Civil, le gaz contenu dans le sol est généralement de l’air pour les sols sec ou un mélange d’air
et de vapeur d’eau pour les sols humides.
Lorsque tous les vides sont remplis d’eau le sol est dit saturé.

2.2. La phase liquide
Au sein d’un échantillon de sol fin (dimensions <2µ), on distingue plusieurs catégories d’eau :
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- l’eau de constitution qui rentre dans la composition chimique des feuillets.
- l’eau liée ou eau adsorbée qui constitue un film autour de chaque grain. Elle n’est pas mobile et ne
s’évacue qu’à des températures très élevées (<300°C)
- l’eau Interstitielle qui peut être soit l’eau libre soit l’eau capillaire. L’eau libre a la faculté de circuler
librement entre les grains ; l’eau capillaire est une partie de l’eau libre qui remonte par capillarité entre
les grains. L’eau interstitielle s’évapore complètement si l’échantillon de sol est porté à une température
supérieure à 100°C.

Fig. 1.1. Différents états de l’eau dans les sols

Lorsque le sol est humide et non saturé, l’eau libre est en général concentrée aux points de contact entre
les grains. Elle est retenue à ces endroits par des forces de capillarité qui créent entre les grains des
forces d’attraction.

2.3. La phase solide
On a vu que les sols résultent de l’altération physique ou mécanique des roches. On conçoit aisément
que les grains solides aient la même constitution minéralogique que la roche mère. Ils ont en général des
dimensions supérieures à 2µ .
Les sols de dimension inférieurs à 2µ résultent d’attaques chimiques qui se sont superposées à
l’altération physique ou mécanique. Ces processus chimiques sont la dissolution sous l’action de l’eau, la
combinaison et la recristallisation. Il en résulte que les particules d’un sol fin n’ont pas la même structure
cristalline que la roche mère. Ces plus petites particules ainsi formées constituent ce que l’on appellera
désormais les argiles. Ces derniers matériaux ont un comportement complexe qui nécessite pour bien
être compris une étude à l’échelle moléculaire qui dépasse largement le cadre de ce cours.

3. DÉFINITION ET CARACTÈRES PRINCIPAUX DES SOLS
Les grains d’un sol ne sont ne sont pas liés par un ciment comme c’est le cas du béton, mais ils peuvent
être soumis à des forces d’attraction intergranulaires diverses : des forces électriques, des forces de Van
der Waals,... Ces forces sont en général faibles et diminuent rapidement lorsque la distance entre les
grains augmente. Elles n’influencent que le comportement des sols à dimensions très faibles. Dans ce
cas le sol est doté d’une cohésion.
Cette constatation va amener le géotechnicien à définir deux grandes familles de sol :
les sols grenus qui sont de dimension supérieure à 20 µ (0,02 mm),
et les sols fins de dimensions inférieures à 20 µ.

3.1. Les sols grenus
Les sols grenus sont ceux pour lesquels les caractéristiques géotechniques sont déterminées par des
forces de volume ou de pesanteur. Ils sont en général pulvérulents. Ils sont surtout définis
granulométriquement
-

On distingue principalement deux sous-familles :
Sables

50% des grains au moins sont compris entre 0,02 et 2 mm

Graviers

50% des grains au moins sont compris entre 2 et 20 mm

A noter : Les dimensions extrêmes varient légèrement suivant le système de classement.
On peut ajouter pour préciser ces sols, d’autres caractères :
Nature minéralogique (composition chimique même de la roche mère),
Forme des grains (liée à la genèse de l’altération mécanique),
Gisement et tri (ségrégation ou non).
Ainsi de part leurs altérations mécaniques on distingue:
o Les sables éoliens : transportés par le vent, se rencontrent généralement sous forme de
dunes marines ou continentales.
o

Les sables fluviatiles : se rencontrent dans les alluvions fluviatiles quelques fois sous
forme de terrasses.

o

Les sables marins : Comprennent aussi bien les sables littoraux que les sables marins
anciens.

o

Les sables résiduels ou arènes : Produits de la fragmentation sur place d’une roche mère
propice.

, et donnant alors aux Formes de grains les aspect suivantes :
o Emoussés luisants : caractéristique du transport par l’eau
o

Ronds mats, émoussés et piquetés caractéristiques du transport par le vent

o

Non usé : caractéristiques des grains non transportés.

3.2. Les limons (ou Silts)
La définition la plus admise est celle d’un sol dont la majeure partie des grains est comprise entre 2 et 20
µ (définition purement descriptive ).
Ils sont en grande partie formés de quartz.
On distingue suivant leurs origines :
Les limons éluviaux formés par altération sur place d’un substratum favorables (à l’altération),
Les limons de ruissellement et d’inondation qui se présentent en strates.

3.3. Les argiles
On peut les définir granulométriquement comme une roche dont les grains sont compris entre 2 et 0,2µ.
C’est une roche sédimentaire terreuse faisant pâte avec l’eau. On la dit plastique.
La plasticité d’un matériau est caractérisée par le fait qu’il peut être déformé d’une façon permanente, à
volume constant, sans perdre sa cohésion interne.

E

On distingue suivant leur origine :
Les argiles d’altération : formées principalement par l’altération des calcaires en climat tempérés
ou l’altération des latérites en climat chaud et humide ,
Les argiles fluviatiles : Elles se déposent surtout dans le lit majeur des fleuves, lors des décrues,
Les argiles lacustres : déposées dans les lacs et étangs,
Les argiles marines : Ce sont des argiles d’origine continentale déposées en milieu marin, et
généralement modifiées par la diagénèse.

IDENTIFICATION DES SOLS
1. INTRODUCTION
Quelque soit l’utilisation envisagée d’un sol, il est important de connaître sa nature, sa composition et la
répartition des grains de différentes tailles qui le compose. Les essais qui conduisent à cette étude
portent le nom d’ESSAIS D’IDENTIFICATION.
L’objet de ce chapitre est d’introduire les paramètres d’état et d’identification menant à la classification
géotechnique des sols.
En particulier les paramètres d’état (caractéristiques physiques du sol) serviront par la suite à expliquer le
compactage des sols et à décrire leurs comportements hydrauliques et mécanique. Ces paramètres
permettront également d’expliquer des phénomènes tels que le tassement et la consolidation.

1. CLASSIFICATION DES SOLS
1.1 Classification par la taille des grains solides d’un sol
Ils sont surtout définis granulométriquement. En considérant le diamètre moyen D des grains, on
distingue grossièrement :
- les blocs rocheux

D > 200mm

- les cailloux

20mm< D < 200mm

- les graviers

2mm < D < 20mm

- les sables grossiers

0,2mm < D < 2mm

- les sables fins

20 µm < D < 0,2mm

- les silts ou limons

2µm < D < 20µm

- les argiles

D < 2µm

Tableau 2.1 : Définition des classes de dimensions en granulométrie

A noter : Les dimensions extrêmes varient légèrement suivant le système de classification (en particulier
les Pédologues n’utilisent pas les mêmes dimensions !)

1.2. Classification par le comportement des sols
1.2.1. Comportement des sols pulvérulents (ou encore grenu : D > 20 µ)
Les sols pulvérulents : sable, gravier, cailloux, blocs sont constitués essentiellement de la silice
(quartz), du calcaire et d’autres roches inertes. Les effets capillaires dus à l’eau sont négligeables ;
Les grains se comportent comme les granulats inertes du béton.
1.2.2. Comportement des sols cohérents (ou encore sol fin : D < 20 µ ⇔ 0,02 mm)
Bien que de dimension des grains du squelette ait une influence, le comportement d’un sol fin est
avant tout fonction :
De sa composition minéralogique,
De sa teneur en eau,
Et de sa structure, c’est-à-dire de la manière dont les particules sont disposées et orientées
les unes par rapport aux autres.

En particulier la consistance d’un sol fin varie beaucoup suivant sa teneur en eau. Plus précisément,
en opérant à teneur en eau décroissante, on rencontre les quatre états/comportements suivants :
a) Etat liquide :
Le sol n’a qu’une cohésion très faible. Il a l’aspect d’un fluide. Il tend à s’étaler si on le pose sur
une surface horizontale.
b) Etat plastique :
Le sol a une cohésion plus importante. Posé sur une surface horizontale , il n’a pas tendance à
s’étaler mais n’offre aucune résistance à l’action de charges même très faibles.
c) Etat solide avec retrait :
La déformabilité du corps est beaucoup plus faible. Soumis à la dessiccation, il perd une partie
de son eau interstitielle tout en se contractant d’une valeur appréciable.
d) Etat solide sans retrait :
La rigidité du corps augmente encore et son volume ne change pas quand sa teneur en eau
diminue.
Le passage d’un état à l’autre s’effectue évidement d’une façon progressive.
1.2.3. Cas particulier des argiles
On définit les argiles comme des sols de diamètre moyen inférieures 2µm. Il s’agit donc d’un sous
groupe des sols fin.
Les argiles proviennent de l’altération chimique des roches et plus exactement des minéraux
silicates (Feldpaths, mica....).
Le comportement mécanique d’une argile est fortement influencé par de sa structure cristalline de
base. Ces structure cristalline peuvent être tel qu’en présence d’eau elle augmente de volume (3 à 4
fois). On parle alors d’argile active.

Fig. 2.1 : Différentes structures d’argiles d’après Terzaghi (d’après Fondations et ouvrages en terre)

Les types d’argiles les plus fréquents sont : la koalinite, la montmorillonite et l’illite. Ces différents
types d’argiles se comportent différemment vis à vis de l’eau.
La koalinite est stable au contact de l’eau.
La montmorillonite n’est pas du tout stable au contact de l’eau. Les sols à forte teneur en
montmorillonite sont susceptibles de gonflement et de retrait important.
L’illite a un comportement intermédiaire (les latérites font partie de cette famille d’argile).
D’autres argiles peuvent être encore tixotropique. C’est le cas notamment des argiles situées sous la
ville de Mexico. Ces argiles sous l’effet par exemple d’un tremblement de terre ou localement d’une
machine tournante (mise en mouvement/vibration) deviennent alors liquide.
A noter : le constructeur de manière générale devra toujours se méfier des terrains argileux car se
sont des terrains à même de causer de graves désordres sur les ouvrages (argile gonflante ou
encore active).

2. PROPRIETES CARACTERISTIQUES DES SOLS
On a vu que le sol était un ensemble de trois phases : solide, liquide, gaz. Aussi est-il important de définir
un certain nombre de caractéristiques physiques qui permettront de préciser l’importance de ces
différentes phases par rapport à l’ensemble. Ces caractéristiques seront très utiles pour la description
des échantillons remaniés et non remaniés ainsi que pour l’évaluation des contraintes au sein des
massifs. Les caractéristiques granulométriques et l’état de consistance seront employés pour classer les
sols dans le cadre de la classification géotechnique.

2.1 Caractéristiques physiques : définition, notation, ordres de grandeur.
2.1.1. Poids volumiques - Unité SI N/m3

Fig 2.2 Schéma d’un volume élémentaire de sol : Poids et volumes des différentes phases

- Définitions et notations

C 5 Volume total de l’échantillon de sol
C 5 volume d’air contenu dans l’échantillon de sol
CO 5 volume d’eau contenu dans l’échantillon de sol ;
C1 : Volume des grains solides contenus dans l’échantillon de sol
P Poids de l’air contenu dans l’échantillon de sol ; il est en général négligeable ;
- Poids volumique apparent d’un sol (notation γ ; équivaut au poids total du sol)
C’est le poids de l’unité de volume de ce sol
3

Q=

P1 + PO
P P1 + PO + P
=
=
C
C1 + CO + C
C1 + CO + C

P ≈ 7

A noter :
Au laboratoire et par convention, P1 sera le
poids du sol après un séjour de 24h dans une
étuve à 105°

- poids volumique d’un sol sec (notation Q )

Q =

P1 + P
P
= 1
C1 + CO + C
C

- Poids volumique des grains solides (notation Q )

Q1 =

P1
C1

- Poids spécifique de l’eau contenu dans le sol (notation γ G )

QO =

PO
CO

A noter : En pratique

γG =

!

= E =) > ! ≈ 10 KN/m3

2.1.2 Densités

Q
QO
Q
- Densité sèche
QO

- Densité humide

- Densité des grains (notation G) : G =

Q1
QO

2.1.3. Porosité (n) - Indice des vides (e)
- Porosité (n)
C’est le volume des vides contenus dans un échantillon donné ramené au volume total de
l’échantillon

C + CO C − C1
C
=
= − 1
C
C
C
C
On définit également la compacité = 1 = − 0
C
0=

NB : n

∈ [ 0 ; 1]

- Indice des vides (e)
C’est le volume des vides contenus dans un échantillon donné ramené au volume des grains
solides de l’échantillon

=

C + CO C − C1
=
C1
C1

NB : e

∈ [ 0,10 ; 5.]

2.1.4 Teneur en eau - Degré de saturation
- Teneur en eau (notation ω) s’exprime en %
C’est le poids d’eau contenu dans le volume V rapporté à l’unité de poids des grains solides contenu
dans V

ω=

HG
×
H

- Degré de saturation (notation

NB : ω

∈ [ 0 ; ωsat.]

(voir définition de

ω

ci-après)

)

C’est le volume occupé par l’eau ramené au volume total des vides

=

9G
9G + 9

NB : Sr∈ [ 0 ;1.]

Sol sec Sr= 0 ; saturé Sr= 1 ; un sol est dit saturé lorsque le vide est entièrement occupé par l’eau
- Teneur en eau de saturation (notation

ω

)

C’est la teneur en eau de tel sorte que : ω =

ω

=

γG
= =γω

γ
3
γ
γ

!

Exercice 2.1
On a réalisé un sondage de reconnaissance dont la coupe est donnée ci-dessous.
$

A l'
arrivée des caisses de carottes au laboratoire, on a pris
deux échantillons d'
argile sur lesquels on a fait les mesures
usuelles de poids et de volume.

#" C $"'

!

Échantillon n° 1

!;
$ 8 0/ .0 0R
"# $+$ +$" $ F $

?

$ 8 0/ .0 0R

Poids total du sol

Échantillon n° 2

0,48 N

Volume total du
sol
Poids sec (après
étuvage à 105°C)

0,68 N

3 x 10-5 m3

4,3 x10-5 m3

0,30 N

0,40 N

Déterminer:

&?

a) le poids volumique γ et la teneur en eau w
#" C $"'
#" C $"

b) l'
indice des vides, si l'
on suppose que le poids volumique
des particules solides γs, est égal à 27 kN/m3 ;
c) le degré de saturation Sr, dans la même hypothèse;

?
"

$

+$" $ F $

Réponses:
a) γ1 = 16 kN/m3; γ2 = 15,8 kN/m3 ; ω1 = 60 %; ω2 = 70 %;
b) e1 = 1,70; e2 = 1,90; c) Sr1 = 95 % ; Sr2 = 99 %;
Exercice 2.2
Le prélèvement d'
un échantillon intact au centre d'
une couche d'
argile molle située sous la nappe
phréatique a permis de procéder aux mesures suivantes, en laboratoire, sur un morceau de l'
échantillon :
Poids total
0,47 N

Volume total
3,13 x10-5m3

Poids après passage a l'
étuve à 105 °C
0,258 N

a) Déterminer le poids volumique γ et la teneur en eauω.
b) Déterminer l'
indice des vides e (on rappel que l’échantillon est sous la nappe phréatique et est mou),
c) En déduire γs,
d) Calculer le degré de saturation Sr.

Réponses:
a) ω= 82 %; γ = 15 kN/m3; , b) e = 2,10; c) ω = ωsat d’où γs = 25,61 kN/m3 d) Sr = 100 %

Exercice 2.3

Connaissant la teneur en eau ω d'
un sol saturé et γs le poids volumique des particules solides, déterminer
:
a) son poids volumique sec γd
b) son indice des vides e.

Réponses:
a) γd = 1/[1/γs+ ω /γw];

b) e = ω γs/γw

Exercice 2.4
On connaît pour un sol
- le poids volumique γ = 14KN/m3
- la teneur en eau ω = 40 %
- le poids volumique des particules solides γ = 27 kN/m3
Calculer :
a) Le poids volumique du sol sec γd.
b) Le degré de saturation Sr.

Réponses :
a) γd = γ/(1+w)] = 10kN/m3; b) Sr = wγs/γw[(1+w) γs-γ] = 0,64.

Exercice 2.5
Un échantillon de sol saturé prélevé sous le niveau de la nappe phréatique a pour poids volumique
γ=20KN/m3. Au-dessus du toit de la nappe, le même sol a un poids volumique de 18 kN/m3.
Calculer son degré de saturation Sr, sachant que le poids volumique des particules solides vaut γ = 20
KN/m3.

Réponses:
a) Sr = [γsγsat+γγw-γsγw-γsγ]/γw(γsat-γs) = 0,51.

?

2.1.5. Relations entre ces grandeurs

'(' )*( +

,-.
/.
*./+

0 2 0 2
ω 12 3

ω=

+. .1 /

0

1

+. 1 . 2

1

=2

γ

+. 1 . 2

γ

0=

1

0/

=2
5

+. 1 . 2
4 01 5 γ

HG
H

C + CO C − C1
=
C1
C1

Q=

P1 + PO
P
=
C C1 + CO + C

0/

Q =
=2

ω=

γH
3 − 7γ

C + CO
C

=

P1 + P
P
= 1
C1 + CO + C
C

P1
C1

ω=

#

=

Q=( −

γ =γ

1

Q1 =

γ

/

Q1 =

(

γ

=

γH

+

#





)( + ω ) γ
(
γ



)

0 )( + ω )

γ =

γ

γ

ω=

= −

(

γ



Q1 = ( +

γ =

+



Q1 =

(

= −

=

γ
γ

γ

γ

Q = ( + ω )γ

#

+

γ

γ

γ

ω=

γ
+ ω )γ

3 + ω7

( +ω) γ

γ =

γ0

γ

#



γ

0 )( + ω )

Q1 =

(

γ

0)

-

2.1.6. Poids volumique déjaugé (notation

γ A)

Il caractérise un sol plongé dans une nappe d’eau et par conséquent soumis à la poussée d’Archimède :

Q ′ = Q 1 / − γ G = (γ − γ G )( −

)

On a également la relation :

QA = Q



QO
Q1

A noter : On ne parlera de poids volumique déjaugé que dans un milieu saturé.
2.1.7 Quelques ordres de grandeurs
Avant propos – ce qu’il faut retenir
Parmi tous les paramètres définis précédemment, les paramètres sans dimension sont incontestablement
les plus importants. Ils définissent en effet l’état du sol, c’est-à-dire l’état de compressibilité (lâche ou
serré) dans lequel se trouve le squelette ainsi que les quantités d’eau et d’air que contient le sol.
Comme nous le verrons dans les chapitres suivants, un sol grenu a un comportement qui dépend
presque uniquement de son état de compacité lâche ou serré (sol grenu => valeur de e ?) alors qu’un sol
fin a un comportement qui est avant tout fonction de sa teneur en eau (sol fin => valeur de ω ?)
a) Densité des particules de la phase solide (grains)
Les sols se composent en général d’oxydes dont la silice (SiO2) et d’alumine (Al2O3) sont les
constituants essentiels (plus de 70%).
Les éléments Si et Al ayant des masses atomiques voisines, le poids volumique des grains
solides varie donc dans des limites assez faibles :
25,5 KN/m3 < γs < 28,5 KN/m3
Le tableau ci-dessous indique quelques valeurs de la densité des grains G de quelques
minéraux constituant les sols.
A noter :
En première approximation on
pourra souvent prendre la
valeur G ≈ 2,65
(γs ≈ 26,5 KN/m3)

Quartz
K-Feldpath
Na-Ca-Feldpath
Calcite
Dolomite
Muscovite
Chlorite
Kaolinite

2,66
2,54 - 2,57
2,62 - 2,76
2,72
2,85
2,7-3,1
2,6-2,9
2,61 a
2,64
Illite
2,84 .a
Montmorillonite
2,74 .a
2.75-2,78
Attapulgite
2,30
a = valeur calculée à partir de la structure cristalline
Tab. 2.3 (réf. WITHMAN et LAMBE)

b) Caractéristique des sols pulvérulents (grenus) en place

(%)

γ
γG

γ
γG

ω

n
(%)

e

- peu compacte

46

0,85

32

1,43

1,89

- compact

34

0,51

19

1,75

2,09

- peu compacte

40

0,67

25

1,59

1,99

- compact

30

0,45

16

1,86

2,16

Sable homogène
(granulométrie serrée)

Sable

à

granulométrie

étalée

Tab 2.4 (réf. TERZAGHI et PECK)

A noter : Les valeurs de densité ci-dessous ont été calculées en prenant pour densité des
grains G = 2,65
c) Poids volumique, indice des vides et porosité de certains sols

(

!

Poids volumiques I) >
Type de sol

γ

K

γ

0

γ

)

Indice des vides
e

K

K

0

Porosité %

K

0

Gravier

23

15

24,3

0,77

0,15

44

13

Grave limoneuse

22

17

23,6

0,57

0,20

36

17

Grave argileuse

21,5

17

23,4

0,57

0,24

36

19

Sable

22

15

23,7

0,77

0,20

44

17

Sable limoneux

20

14

22,5

0,91

0,34

48

25

Sable argileux

20

14

22,5

0,91

0,34

48

25

19,5

13

22,1

1,04

0,34

51

26

Limon organique

17

6,5

20,9

3,00

0,55

75

35

Argile inorganique

19

8

22,9

2,38

0,42

70

30

Argile organique

16

5

20

4,40

0,70

81

41

Limon inorganique

Tableau 2.5 : Poids volumique, indice des vides et porosité de certains sols (d’après Hough (1957), Hansbo (1975)

2.2 ldentification des sols par Courbe granulométrique (NF P 94-056 & -057)
2.2.1 Analyse granulométrique et sédimentométrie
L’analyse granulométrique a pour but de déterminer les proportions pondérales des grains de différentes tailles dans le sol. Elle s’effectue :
Par tamisage (tamis à maille carrée) pour les grains de diamètre supérieur à 80µ,
Par sédimentométrie pour les grains plus fins. l’essai consiste à laisser une suspension de sol se déposer au fond d’une éprouvette pleine d’eau. Plus les
grains sont fins, plus la vitesse de décantation est lente conformément à la loi de Navier Stokes sur la vitesse deb chute de billes sphériques dans l’eau.
La mesure de la densité de suspension à des intervalles de temps variables permet de calculer la proportion des grains de chaque diamètre.
Un mode de représentation commode des résultats de l’analyse granulométrique est la COURBE GRANULOMETRIQUE. Elle représente pour chaque
dimension « % » de particule, le poids (ou masse) « % » des particules de cette taille ou de tailles inférieures. Ce poids est exprimé en pourcentage par rapport
au poids total de la matière sèche de l’échantillon étudié. Cette courbe est tracée en coordonnées semi-logarithmique.

+ /
1

+ /

.2

. / 02

/

1 4

.2
. / 02
0/. D/

!

%4 !

$K

1

.2

1 4 02 .

/ =2 1

2.2.2 Coefficient d’uniformité et coefficient de courbure d’une courbe granulométrique
La forme de la courbe granulométrique permet de préciser le degré d’étalement de la granulométrie ou
encore son uniformité ; Cette uniformité est exprimée par le Coefficient d’uniformité ou COEFFICIENT
DE HAZEN " défini par le rapport

=

2

%

&

: dimension du tamis correspondant à % S de passants.
Ce coefficient est donc immédiatement calculé à partir de la courbe granulométrique.
- si " <

, la granulométrie est uniforme (ou serrée),

- si " >

, la granulométrie est étalée (ou variée).

On définit également le coefficient de courbure :

=

(!)

A noter : Un sol est bien gradué si " " est compris entre 1 et 3

&

Exercice : Calculer Cu et Cc du sol représenté page 19

2.3. Identifications propres aux sols fins
2.3.1.Etats de consistance - Limites d’Atterberg (NF P 94-051)
Les limites d’ATTERBERG sont déterminées uniquement pour les éléments fins d’un sol (fraction passant
au tamis de 0,4 mm), car se sont les seuls éléments sur lesquels l’eau agit en modifiant la consistance du
sol. L’essai consiste donc à faire varier la teneur en eau de cette fraction de sol et en observer sa
consistance.

0 =

ω < ω

0 >
Etat solide

0 =

ω <ω <ω

0 <

>0 >

Etat semi-solide

Etat plastique

ω

ω

Limite de
retrait

Limite de
plasticité

ω >ω

Etat liquide

ω
Limite de
liquidité

Fig. 2.4 : Etats de consistance d’un sol

ω

Selon la teneur en eau, le sol se comportera comme un solide, un matériau plastique (capable de se
déformer beaucoup sans casser) ou un liquide. On détermine plus particulièrement les valeurs
suivantes :
La limite de plasticité ( ω )
la limite de liquidité ( ω )
La limite de plasticité( ω ) est définie comme la teneur en eau d’un sol qui a perdu sa plasticité et se
fissure en se déformant lorsqu’il est soumis à de faibles charges. Cette limite sépare l’état plastique de
l’état semi-solide. En générale elle ne dépasse pas 40%.
La limite de liquidité ( ω ) est la teneur en eau qui sépare l’état liquide de l‘état plastique.
Ces limites sont désignées sous le nom de limites d’ATTERBERG. Il existe en fait 5 limites
d’ATTERBERG. Les deux ici mentionnées sont les principales et les trois autres, quoique intéressantes,
sont peu utilisées.
La connaissance de ces limites est importante pour l’exécution de travaux de terrassements (fouille,
tranchéee, …). En particulier, si le matériau doit être utilisé après remaniement (remblais, barrage en
terre, …), leur détermination revêt une importance considérable.
2.3.2. Indices de plasticité et de Consistance
l’indice de plasticité Ip : C’est la différence entre la limite de liquidité et la limite de plasticité.
L’indice de plasticité mesure l’étendue du domaine de plasticité du sol. Il s’exprime donc par la
relation :

0 = ω −ω
L’indice de plasticité caractérise la largeur de la zone où le sol étudié a un comportement
plastique.
Etat- du sol

Indice de plasticité 0

2

&

0-5

Non plastique

5 - 15

Peu plastique

15 – 40

Plastique

> 40

Très plastique

11 9

/ .0

( 4 /

(20 1. 1 .0 ( 0

1/ /

+

Un sol, dont l’indice IP est grand, est très sensible aux conditions atmosphériques, car plus IP est
grand plus le gonflement par humidification de la terre et son retrait par dessiccation seront
importants.
IP précise donc aussi les risques de déformation du matériaux.
Indice de consistance Ic
La comparaison de la teneur en eau naturelle ω d’un sol et des limites D’ATTERBERG permet de
se faire une idée de l’état d’une argile qu’on peut caractérisé par son indice de consistance :

0 =

ω −ω ω −ω
=
ω −ω
0

?

Indice de consistance 0 "

Etat- du sol

0" >

Solide
Plastique

< 0" <

Liquide

0" <

Tableau 2.7 : Etat du sol en fonction de l’indice de consistance

L’indice de consistance croît en même temps que la consistance du sol. A partir de 1, le sol peut
être éventuellement réutilisé en remblai (on peut travailler).

Ions
métalliques

ωp Limite de
plasticité (%)

ωL Limite de
liquidité (%)

Indice de
plasticité IP

Na

32

53

21

K

29

49

20

Ca

27

38

11

Mg

31

54

23

Fe

37

59

22

Na

54

710

656

K

98

660

562

Ca

81

510

429

Mg

60

410

350

Fe

75

290

215

Na

53

120

67

K

60

120

60

Ca

45

100

55

Mg

46

95

49

Fe

49

110

61

Argile d’Orly
(France)

-

32

18

14

Argile de
Londre

-

80

30

50

Argile de
Mexico

-

500

375

125

Minéraux
argileux

Kaolinite

Montmorillonite

Illite

Tableau 2.8 : Limites d’Atterberg et indice de plasticité de certains minéraux argileux (d’après Cornell, 1951)

2.3.3. Valeur au bleu de méthylène (NF P 94-068)
Cet essai est une mesure indirecte de la surface spécifique des grains solides par adsorption d’une
solution de bleu de méthylène jusqu’à saturation. En d’autres termes, il exprime la quantité de bleu de
méthylène pouvant être absorbée par les surfaces des particules de sols.
&

Le résultat VBS s’exprime donc en grammes de bleu pour 100g de sol.
On considère que cet essai exprime globalement la quantité et la qualité de l’argile contenue dans un sol.
Il est effectué sur la fraction 0/2 mm du sol et on distingue les valeurs suivantes :
VBS ≤ 0,2

: sols sableux (sol insensible à l’eau)

0,2 < VBS ≤ 2,5

: sols limoneux (sol peu plastique et sensible à l’eau)

2,5 < VBS ≤ 6

: sols limono-arglileux, (sol de plasticité moyenne)

6 < VBS ≤ 8

: sols argileux

VBS > 8

: sols très argileux

2.4. Identifications propres aux sols grenus.
2.4.1 Essai d’équivalent de sable ( NF P 18-598)
L’essai d’équivalent de sable permet de déterminer dans un sol la proportion relative de sol fin et de sol
grenu. Cet essai est important, car la présence d’éléments fins peut modifier le comportement de ces
sols. En particulier la présence de particules argileuses dans le sable d’un mortier ou béton, en abaissant
l’adhérence « pâte de ciment/granulats », est défavorable à la mise en œuvre et aux performances
finales du béton ou mortier (micro-fissuration).
Il est effectuer sur les éléments de dimensions inférieures à 5 mm (fraction 0/5 mm du sol ).
A noter : Le paramètre équivalent de sable, retenu dans la classification des sols de 1976 pour distinguer
les sols peu à très peu argileux, perd beaucoup de son intérêt depuis l’introduction de la VBS.
En d’autre termes, en géotechnique cet essai n’est pratiquement plus utilisé. L’intérêt de
l’équivalent de sable est de nos jours plus pour la formulation des bétons et mortier (qualité du
sable).
2.4.2. Indice de densité ou densité relative.
Pour caractériser l’état de densité d’un dépôt de sol pulvérulent (type gravier et sable), on est amener à
calculer son indice de densité (ID) ou densité relative (Dr).

0< =




K

emin : indice des vides dans l’état le plus compact ;

×

K

emax : indice des vides dans l’état le moins compact ;

0

e : indice des vides in situ.
Le tableau suivant précise l’état de compacité des sols pulvérulents en fonction de leur indice de densité.

Etat de compacité
Du sol grenu
0 - 15

Très peu compact

15 - 35

Peu compact

35 - 65

Compacité moyenne

65 - 85

Compact

-

Etat de compacité
Du sol grenu
85 - 100

Très compact

Tab. 2.9 : Etat de compacité des sols grenus

Exercice 2.6
1. Le creusement d'
une tranchée de drainage a permis de mettre à jour deux couches d'
argile dont les
caractéristiques sont les suivantes:
(1) ωL = 72,

Ip = 35, teneur en eau ω = 65%

(2) ωL = 72 ωp = 37, teneur en eau ω = 30%
Montrer que les deux argiles ont les mêmes limites d'
Atterberg ; calculer leurs indices de consistance
respectifs. Qu'
en concluez-vous quant à leurs propriétés ?
2. Le remblaiement a nécessité la mise en place d'
un poids sec de 49,5kN d’un matériau, ayant en place
un volume de 3 m3. Le poids volumique γs, des particules solides de ce sol est égal à 27 kN/m3.
Déterminer:
a) la quantité d'
eau qui serait nécessaire pour saturer les 3 m3 de remblai;
b) l'
indice des vides et la teneur en eau de ce sol à saturation;
c) la valeur du poids volumique γsat du sol à saturation.
3. L'
indice des vides vaut au maximum 0,90 et au minimum 0,40.
a) Calculer l’indice de densité correspondant ID du matériau. Dans quel état de compacité se trouve
ce remblai ?
b) Par compactage en masse de ce sol, mis en remblai sur une hauteur de 2,5 m, on obtient un
accroissement de l'
indice de densité à ∆ID = 0,20. De combien a tassé, par compactage, la
surface du remblai si l'
on suppose qu'
il ne s'
est produit aucune déformation latérale

C T!

!

;?

8

C

Réponses :
1)

Ic1 = 0,2 ; Ic2 = 1,2 ; Etats plastique et solide

1 a) Vw = 1,17m3 ; b) e = 0,64 ; ω=24% ; c) γ = 20,40 kN/m3 ;
2 a) ID = 52% ;

9 −9
9 −9
= ;& ; =
= ;? ; Avec Vs =cte=
9
9
∆9 ∆
écrivant que ∆ =
=
= ; , on obtient ∆h ≈ 15 cm.
9
9
b)

=

;?
= 1,83 m3 et V1 = 2,5.S = 3 m3 ; en
-

Exercice 2.7
On considère un bâtiment industriel fondé sur un radier de fondation reposant sur une couche de sol
argileux saturé de 2,5 m d'
épaisseur. Les caractéristiques initiales de cette couche sont :
E

Poids volumique
Teneur en eau
Poids volumique des grains

γ1 = 19,5 kN/m3
ω1 = 29,2 %
γs = 27 kN/m3

Par suite de l'
exécution de la construction, la compacité de la couche augmente et les caractéristiques
finales sont:
γ2 = 19,9 kN/m3
ω2 = 26,6 %

Poids volumique
Teneur en eau

Déterminer le tassement du radier en supposant qu'
il n'
y a aucune déformation latérale du sol autour du
radier, sachant qu'
on trouve le rocher au-dessous de la couche de sol argileux.

FU/

0/

"
'.

Réponse :

4

2K

". 8

Tassement =0,10m (∆e=0,07)

Exercice 2.8
Sur les échantillons d'
un sondage dont la coupe est donnée ci-dessous, on a fait des essais
d'
identification au laboratoire

$

'T ;
Sable fin
'T

γ = & )>
γ = - I) >

!
!

= ;E
ω = S
ω =! S

&
E

Limon

γ1 T - V >

!

Substratum
&

Déduire de ces données les poids volumiques du sable fin et du limon et l'
indice de plasticité du limon.

Réponses :

γ (sable, 0-2m) = 19,7 kN/m3 ; γ (sable, 2-4m) = 20,1 kN/m3
γ (limon) = 19,4kN/m3 ; IP = 10, limon peu plastique LP.

Exercice 2.9
Un remblais autoroutier ayant un volume de 250 000 m3 doit être construit avec un sol dont l’indice des
vides sera e = 0,70. Si ce sol est pris dans un banc d’emprunt dont l’indice des vides est e = 1,20, quel
volume de sol devra être pris dans le banc d’emprunt pour construire ce remblai ?

Réponse : C T ! ! ?

!

!

3. CLASSIFICATION GEOTECHNIQUE DES SOLS.
3.1 But de la classification.
Pour résoudre les problèmes de mécanique des sols, il est important de caractériser un sol mais aussi de
les classer, c’est à dire de les mettre dans un groupe ayant des comportements similaires.
Il va de soi qu’une telle classification ne peut être basée que sur des corrélations empiriques, elles-même
basées sur une grande expérience.
Il existe de par le monde de nombreuses classification.

3.2.La classification GTR
Cette classification est la seule présentant un réel intérêt pratique et utilisée dans les travaux de
terrassement. Son utilisation est détaillée dans le Guide technique pour la réalisation des remblais et
couches de forme ; C’est pour cette raison qu’elle est désignée par classification GTR.
Les grandes familles de matériaux de cette classification sont présentées dans le tableau 2.5.ci-dessous.
CLASSE

A

Définition

Caractéristique

Sous-classe

≤?

A1 à A4 selon VBS

<

Sols fins

K

µ > !?S

et passant à E

B

Sols sableux et graveleux avec fines

<

K

≤?

C

Sols comportant des fines et des gros
éléments

<

K

B1 à B6 selon VBS

µ ≤ !?S

et passant à E

ou 0

ou 0

>?

et tamisat

30 sous-classes

et passant à E

µ >

S

selon VBS, 0

ou passant à E

µ ≤

S+

tamisat à 50 mm

et

VBS>0,1

D

Sols insensibles à l’eau avec fines

VBS ≤ 0,1
et passant à E

R

Matériaux rocheux

F

Sols

organiques

µ ≤

D1 à D3

S

Voir la norme NF P 11-300
et

sous-produits

Voir la norme NF P 11-300

industriels

<

K

= diamètre pour lequel 95% des grains du sol ont une dimension inférieure (soit

<?

si la courbe

granulométrique est disponible, sinon appréciation visuelle de la dimension des plus gros éléments
Tab. 2.10.a : Classification GTR (SETRA)

!

Tab. 2.10.b : Classification GTR : Suite (SETRA)

On retrouve l’utilisation de ce classement dans de nombreuses applications comme le montre les
tableaux 2.11, 2.12 et 2.13 ci-après.

!

Classe

Nature du matériaux

A

Argiles, limons, sables argileux
(ou encore terre végétale)

B

Sables et graves sableuses
Sol meuble consolidé ou argiles
et marnes en mottes (ex.: sol
latéritique)
Sols rocheux défoncés au rippeur,
roche altérée

C
D
R

Matériaux rocheux de carrières

Ff

Fc

1,25

0,90

1,10

1,00

1,35

1,10

1,30

1,15

1,40

1,20

Tab. 2.11 : Coefficient de foisonnement et de contre foisonnement

Classe

Nature du matériaux

A

Argiles, limons, sables argileux
(ou encore terre végétale)

B

Sables et graves sableuses

C
D
R

Sol meuble consolidé ou argiles
et marnes en mottes (ex.: sol
latéritique)
Sols rocheux défoncés au rippeur,
roche altérée
Matériaux rocheux de carrières

Temps unitaire
h/m3
1,55 h/m3
2,20 h/m3
3,10 h/m3
- Sans objet 5,00 h/m3

Tab. 2.12 : Temps unitaire moyen pour des terrassements faits manuellement (équipe de 2 manœuvres)

Tab. 2.13. : Conditions d’utilisation des sols B41 en couche de forme (extrait du Guide Technique Réalisation des
Remblais et couche de forme pour route – Editions : SETRA-LCPC)

!!

3.3 La classification LPC des sols.
Cette classification est celle utilisée dans les pays Afrique francophone. Elle a été mise au point en
France en 1965 par le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. Cette classification est une
adaptation de la classification U.S.C.S ( The Unified Soil Classification System ) mis au point par le
« Bureau of reclamation » et le « Corps of Engineers » aux Etats Unis
La classification LPC des sols utilise les résultats de l’analyse granulométrique, de l’Equivalent de sable
et des limites d’Atterberg.
Suivant la classification LPC, on distingue trois grands types de sols :
les sols grenus dont 50% d’éléments en poids sont supérieurs à 80µ ;
les sols fins dont 50% d’éléments en poids sont inférieurs à 80µ ;
les sols organiques dont la teneur en matière organique est élevée
Nous vous proposons ci-après la classification complète qui s’utilise avec le diagramme de plasticité
associée :

Tab. 2.14.a. : Classification LPC

!

Tab. 2.14.b. : Classification LPC 5

4

1/

/

!?

3.4. Exercices
Exercice 2.10
Quelle est la classification géotechnique des sols (1), (2) et (3) dont les courbes granulométriques sont
indiquées ci-dessous ?

&

Réponses
&8
&
&

!&

Exercice 2.11
Quelle est la classification géotechnique des sols (1), (2), (3) et (4) dont les courbes granulométriques
sont indiquées ci-dessous ?

!-

LE COMPACTAGE DES SOLS
1. GENERALITES
Le compactage est l’ensemble des mesures prises pour augmenter la densité apparente sèche

Q
QO

du sol traité. Ce qui conduit à réduire son volume apparent (par diminution de l’indice des vides).
Cette densification n’est pas un but en soi. Elle est recherchée parce qu’elle entraîne d’autres
conséquences :
La première, liée à la notion de compacité, est la suppression ou du moins la limitation des
tassements. Cet objectif, qu’il soit spécialement recherché ou non, est toujours atteint ou au
moins partiellement par le compactage,
La deuxième conséquence est la diminution de la perméabilité de la couche traitée afin de
s’opposer à l’écoulement de d’eau,
Une troisième conséquence possible du compactage est l’amélioration des caractéristiques
mécaniques qui en résultent généralement : portance et module de déformation, résistance à la
compression et au poinçonnement, résistance au cisaillement.
Pour les sols fins, une réserve s’impose, une augmentation de compacité pouvant à des teneurs en eau
élevées, entraîner une diminution brusque de la portance et du module de déformation.
On examinera dans ce chapitre successivement :
L’influence de certains paramètres sur le compactage au laboratoire et sur le chantier ;
Le compactage au laboratoire et le compactage in situ ;
L’effet du compactage sur les propriétés hydrauliques et mécaniques du matériau traité ;

2. FACTEURS D’INFLUENCE
2.1. Influence de la teneur en eau : courbes de compactage
C’est en 1933 que l’Ingénieur américain PROCTOR mit en évidence l’influence de la teneur en eau et de
l’énergie de compactage sur le poids spécifique sec d’un sol grâce à l’essai qui porte son nom : Essai
proctor
En effet pour une énergie de compactage donnée, si l’on fait varier la teneur en eau ω d’un échantillon
de sol et l’on représente graphiquement la variation du poids spécifique sec Q en fonction de cette
teneur en eau, on obtient une courbe en cloche qui représente un optimum appelé OPTIMUM
PROCTOR.
Ce phénomène s’explique aisément ; Lorsque la teneur en eau est élevée (partie droite de la courbe),
l’eau absorbe une partie importante de l’énergie de compactage sans aucun profit de plus elle occupe la
place des grains solides (aucun tassement possible). Par contre pour des teneurs en eau raisonnable,
l’eau joue un rôle lubrifiant non négligeable et la densité sèche augmente avec la teneur en eau (partie
gauche de la courbe).

!E

#
!

& #

"
JK

"

;"
"

4

#

& #
"

"

"

#

JK

Fig.3.1 Courbe de compactage pour une énergie de compactage donnée.

2.2. Influence de la nature du sol
De façon générale, la courbe Proctor est très aplatie pour les sables et par contre présente un maximum
très marqué pour les argiles plastiques.
Pour les matériaux à courbe Proctor aplatie, le compactage est peu influencé par la teneur en eau.
Ces matériaux (courbe Proctor aplatie) constituent donc à priori les meilleurs remblais d’un point de vue
tolérance à l’exécution, car peu sensibles à la teneur en eau réellement ou non apportée par des camions
citernes ou les pluies. Mais, par contre, il est plus difficile d’améliorer les caractéristiques de ces sols
(Energie de compactage à fournir plus importante).

3 7 4
3 7 4
3!7 1
3 71

1

1/ =2
21
4 2K

Fig.3.2 : Influence de la nature du sol sur l’optimum proctor

A noter :
Suivant la teneur en eau du sol compacté par rapport à ωopt, on obtient pour les sols fins les
perméabilités suivantes :
!

ωfaible : forte perméabilité (1 000 à 10 000 fois plus étanche)
ωfort : faible perméabilité

ω-'.45

ω- (*

Cela tient à la structure des argiles, comme le montre la
figure ci-contre.
Aux faible teneurs en eau, les particules d’argile ont une
structure floculée, alors qu’aux fortes teneurs en eau les
particules sont plus orientées.
Ainsi pour un barrage en terre, on recherche une faible
perméabilité et il faut compacter du côté humide. Dans
les travaux routiers, on recherche au contraire un sol
plutôt perméable, pouvant drainer facilement : on
compacte donc côté sec (de la courbe Proctor).

<

! "

Fig.3.3 : Orientation des flocules selon le
compactage

2.3. Influence de l’énergie de compactage : courbes de compactage
La figure ci-après montre l’influence de l’énergie de
compactage sur les courbes de l’essai Proctor . Pour
un sol donné, si l’énergie augmente, le poids
volumique maximum augmente et les courbes
deviennent plus pointues.

Fig.3.4 : Influence de l’énergie de compactage

2.4. Enveloppe des courbes de compactage : Courbe de saturation
Les courbes de compactage admettent pour
enveloppe une courbe appelée courbe de
saturation, qui correspond à l’état saturé du sol.
L’équation de cette courbe est :

Q
Q1
=
Q O Q1 W + Q O

Fig. 3.5 : Courbe de saturation

3. ESSAIS DE COMPACTAGE AU LABORATOIRE & COMPACTAGE IN SITU
3.1. Essais de laboratoire :
3.1.1. L’essai PROCTOR
But : L’essai Proctor a pour but de déterminer la teneur
en eau optimale pour un sol de remblai donné et
des conditions de compactage fixées, qui conduit
au meilleur compactage possible ou encore
capacité portante maximale.
L’essai consiste à compacter dans un moule normalisé, à
l’aide d’une dame normalisée, selon un processus bien
défini, l’échantillon de sol à étudier et à mesurer sa
teneur en eau et son poids spécifique sec après
compactage.
L’essai est répété plusieurs fois de suite sur des
échantillons portés à différentes teneurs en eau. On
définit ainsi plusieurs points d’une courbe (γ > γ G X ω ) ;
on trace cette courbe qui représente un maximum dont
l’abscisse est la teneur en eau optimale et l’ordonnée la
densité sèche optimale (cf. Fig.3.1).

Fig.3.6 : Essai Proctor

On utilise pour ces essais deux types de moules de
dimensions différentes :
Le moule Proctor (φmoule = 101,6 mm /Hde sol = 117 mm) lorsque le matériau est suffisamment fin
(pas d’éléments supérieurs 5mm),
Le moule CBR (California Bearing Ratio) pour des matériaux de dimensions supérieures à 5mm
et inférieures à 20mm (φmoule = 152 mm /Hde sol = 152 mm).
Avec chacun de ces moules, on peut effectuer (énergie normalisée de compactage choisie)
respectueusement l’essai Proctor normal (pour Tx de compactage en bâtiment et/ou de barrage) et
l’essai Proctor modifié (pour Tx de compactage routier essentiellement).
Le tableau ci-dessous précise les conditions de chaque essai.
Masse de la dame
(Kg)

Normal

2,490

Hauteur de
chute (cm)

30,50

Essai
Proctor
Modifié

4,540

45,70

Nombre de coups par
couche

Nombre de
couches

Energie de
compactage
Kj/dm3

25 (moule Proctor)

3

0,59

3

0,53

25 (moule Proctor)

5

2,71

55 (moule CBR )

5

2,41

55 (moule CBR )

Tab. 1 : Conditions des essais Proctor normal et Modifié

3.1.2. L’indice portant californien CBR : Essai CBR
But : Déterminer un indice permettant de calculer grâce à des abaques l’épaisseur des couches de
fondation d’une route nécessaires à la constitution d’une chaussée en fonction du sol sous-jacent,
du trafic et des charges par essieu prévus et des conditions hydriques futures que subira cette
route. Il est déterminé pour des sols à vocation routière de manière purement empirique.
L’Indice Portant Californien est un nombre sans dimension exprimant en pourcentage le rapport entre les
pressions produisant un enfoncement donné dans le matériau à étudier d'
une part (avec ou sans
immersion au préalable) et dans un matériau type d’autre part. Il caractérise implicitement la tenu au
poinçonnement d’un sol.
Le matériau à étudier est placé dans un moule dans un état donné de densité et de teneur en eau.
Il est ensuite poinçonné par un piston de 19,3 cm2 de section, enfoncé à la vitesse constante de
1,27mm/min.
L’indice de portance ou CBR exprime en % le rapport entre les pressions produisant dans le même
temps un enfoncement donné dans le sol étudié d’une part et dans un matériau type d’autre part. Par
définition c’est indice est pris égal à la plus grande des deux valeurs suivantes :

+ 11 .0 I ;?

A 09.0

0/

;-

+ 11 .0 I ?

A 09.0

0/

; ?

Le pouvoir portant d’un sol routier est d’autant meilleur que le CBR est grand.
A noter :
On distingue 2 types d’essais CBR en fonction des buts fixés :
L’essai C.B.R. immédiat : Mesure de la résistance au poinçonnement d’un sol compacté à sa
teneur en eau naturelle. Il caractérise l’aptitude du sol à permettre la circulation en phase de
chantier (Voir paragraphe « notion de planche d’essai » ci-après). Dans les régions peu humide,
le C.B.R. immédiat sert directement de référence (pas de variation hydrique).
L’essai C.B.R. après immersion : Mesure de la résistance au poinçonnement d’un sol
compacté à différentes teneurs en eau puis immergé durant plusieurs jours (4 en générale). Il
caractérise l’évolution de la portance d’un sol compacté à différentes teneur en eau et/ou
soumis à des variations de régime hydrique.
3.1.3. Etude PROTOR -CBR
But : Pouvoir classer les sols suivant leur qualités et leurs possibilités de réemploi. Une telle étude
permet d’apprécier les qualités du sol ainsi que son comportement probable au compactage.
Cette étude consiste à compacter le sol à plusieurs teneurs en eau et plusieurs énergies de compactage,
et à effectuer un essai CBR. On peut de cette façon tracer les courbes indiquées sur la figure ci-après,
qui montrent :
1. Le poids volumique sec γd en fonction de la teneur en eau pour deux énergies de compactage
encadrant l’énergie Proctor Normal,
2. Le poids volumique sec γd en fonction de la valeur du CBR pour différentes teneur en eau,

3. La valeur du CBR en fonction de la teneur en eau pour chaque énergie de compactage.
Par ailleurs on porte sur ces graphiques la valeur de la teneur en eau naturelle.

Fig. 3.6 : Etude Proctor-CBR d’un sol

!

3.2. Compactage in situ
Malgré l’extrême diversité des engins de compactage, il est possible de dégager un certain nombre de facteurs
intervenant principalement sur l’efficacité d’un engin sur un sol donné.
Nous trouverons bien sûr des facteurs propres au terrain compacté (nature, teneur en eau,...) mais aussi des
facteurs caractérisant l’engin et la séquence de compactage (nombre de passes, vitesse, pression de contact,
fréquence et intensité de vibration...)
Quels que soient les engins utilisés le compactage sur chantier devra s’effectuer par couche de faible
épaisseur 20 à 30cm (TX de route) ou encore 10 à15 cm (TX de bâtiment).
3.2.1. Notion de planche d’essai
Une grande partie des difficultés des projets de terrassement vient du fait que la mise en place d’un sol
(remblai par exemple) dépend souvent des conditions atmosphériques au moment des travaux.
La planche d’essai permet avant l’ouverture d’un chantier de terrassement, de fixer les paramètres de
compactage lié à l’engin utilisé, au sol considéré au moment des travaux (teneur en eau, vitesse des
engins, nombre de passe, …), et ce, en vue d’obtenir la compacité à atteindre (compacité prescrite).
3.2.2. Influence de la vitesse de l’engin.
Pour un engin donné et des exigences de qualité fixées, il existe une vitesse optimale, fonction de
l’épaisseur de la couche et de la nature du matériau permettant d’obtenir une compacité maximale. Plus
les exigences de qualité sont sévères, plus la vitesse de translation optimale a une valeur réduite.
Il est recommandé de limiter la vitesse de la plus part des compacteurs à 8km/h. Dans le cas des
compacteurs vibrants, la vitesse optimale se situe autour de 5km/h pour que les vibrations puissent agir
efficacement sur toute l’épaisseur de la couche.

65.0 +6(./7.6'89 *:6 0 7 6'7*8(+1 9 ( 8*.(3
(('++ /*
. 6 (*'/*

S

S
.0

4
.

/ 2

S
'

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21

.

8(-';'<

S
". 8

/ 2 I 0 2

.

/ 2
0/
@0/ 11 1

Fig. 3.7 : Domaine d’emploi des principaux engins de compactage (Tx routier)

?

3.2.3. Influence du nombre de passes
Pour un engin donné et des paramètres de qualité fixés, il existe un nombre de passes optimales
fonction de la vitesse de l’engin, de l’épaisseur de la couche et de la nature du matériau permettant
d’obtenir une compacité maximale. Plus les exigences de qualité sont sévères, plus le nombre de passe
optimale est élevé.
De façon générale il faut 3 à 8 passes pour compacter une couche de sol de 30 cm d’épaisseur, mais ce
nombre peut facilement atteindre 12 en fonction du type de sol, de la teneur en eau et de la masse du
compacteur. Si la compacité voulue n’est pas atteinte après 12 passes dans les conditions optimales
d’humidité, on conclut que les opérations de compactage n’ont pas atteint leur but et que le compacteur
utilisé n’est probablement pas adéquat.
En pratique la teneur en eau fixée à la valeur optimale de l’essai Proctor est obtenue par étalonnage de
la citerne à eau. Pour chaque vitesse de l’engin considéré on détermine le nombre de passes permettant
d’obtenir les spécifications prescrites. On peut ainsi représenter la courbe (Vitesse de l’engin, Nombre de
passes) et déterminer son optimum qui donne les paramètres liés à l’engin.
3.2.4. Degré de compacité (efficacité d’un compactage par rapport à ce qui est prescrit)

(

En comparant le poids volumique du sol sec sur le chantier Q
maximale (optimum proctor

Q

. /

8 0/

) avec le poids volumique sec

) on établit le degré de compacité <" ou pourcentage de compactage à

l’aide de l’équation :

=

Q
Q

8 0/
. /

. /.

Le degré de compacité est l’un des critères sur lesquels on s’appuie pour accepter ou refuser un
compactage. Ce degré qui s’exprime en pourcentage, tend vers 100% lorsque la valeur de Q 8 0/ tend
vers celle de Q

. /

. /.

. En général le cahier des charges impose <" ≥ 95% (voir 98 %).

Plus Dc est élevé, plus la compacité du sol est grande et plus le compactage a été efficace.

A Noter : peut-on avoir Dc = 105 % ?
3.2.4.Densitomètre à membrane
But : Mesurer les masses ou poids
volumiques apparents des sols
(humide γ, ou sec γd) en place
avant foisonnement, ou encore
après tassement ou compactage.

&

Exercice 3.1
Deux échantillons 1 et 2 du même sol (sable limoneux) ont été compactés au même poids volumique sec γd =
19,6 kN/m3 mais à des teneurs en eau respectives ω1, = 4 % et ω2 = 12 %. Le poids volumique des particules
solides est γs= 27 kN/m3
a) Porter sur un graphique (ω ; γd,) la courbe de saturation du sol et les points correspondant aux échantillons
compactés 1 et 2 (courbe Proctor).
b) Déterminer pour chacun d'
eux le degré de saturation Sr, et le poids volumique γ.
c) L'
échantillon 1 (ω1 = 4 %) est amené à saturation sans changement de son volume, qui est de 243 cm3.
Déterminer le volume d'
eau nécessaire.

Réponses :
a) Courbe Proctor tracée approximativement à partir des deux points
b) Sr = γs. ω/(γω.e) avec e = γs/γd - 1
d’où : échantillon 1 : Sr = 28,6% ; γ = 20,4 kN/m3 ; Echantillon 2 : Sr = 85,8% ; γ = 22 kN/m3 ;
c) Volume d’eau = 47,8 cm3
Exercice 3.2
Dans le but de définir les conditions de compactage d'
une argile sableuse pour un chantier de remblai routier,
des essais Proctor Normal ont été réalisés et ont permis de dresser la courbe ci-dessous (γd en fonction de ω).
a) Quelle serait la teneur en eau optimale de compactage à adopter ?
b) Le matériau a un poids volumique γ = 18,7 kN/m3 et un poids volumique sec γd = 17 kN/m3. Déterminer le
volume d'
eau à ajouter par mètre cube de matériau pour être à I'
Optimum Proctor Normal.

courbe proctor
20

Poids vol sec en kN/m3

19

18

17

16

15
10

11

12

13

14

15

16

17

18

Teneur en eau en %

Réponses : a) γd = 19 kN/m3 ; ω =14,5% b) ω =10% ; Vw = 76,5 litres/m3

-

4. PROBLEME : Etude d’une couche de fondation d’une piste d’atterrissage
d’un aérodrome
On veut réaliser la couche de fondation d’une piste d’atterrissage pour des avions gros porteurs. Le matériau
utilisé est une latérite dont on se propose de déterminer les caractéristiques Proctor, les paramètres de
compactage in-situ ainsi que la quantité de matériaux à prélever à l’emprunt.
Des essais d’identification effectuer sur un échantillon de sol prélevé dans un banc d’emprunt de cette latérite ont
fourni les résultats suivant :
- Poids volumique de l’échantillon

γ = E=) >

- Teneur en eau in situ

ω = 10%

γ = - =) >

- Poids volumique des constituants solides

!

!

Des essais Proctor modifiés réalisés sur un échantillon de ce sol ont fourni les résultats ci-après :
Teneur en eau estimée

9%

10,5%

12%

13,5%

15%

Teneur en eau réelle (%)

9,20

10,60

11,50

12,50

13,97

18,82

19,03

19,17

19,22

18,91

Poids volumique

γ

sec (kN/m3)

1ère partie : Préliminaires
1) Montrer que la courbe de saturation (pour un degré de saturation Sr quelconque) est donnée par la relation :

γ
γ =
ωγ
+
γG

avec :

= degré de saturation

γ G = poids volumique de l’eau pris égal à 10kN/m3
ω = teneur en eau
γ = poids volumique sec du sol

2) Calculer le poids volumique sec ( γ ) de ce sol in situ
3) Calculer la teneur en eau de saturation ( ω

) de ce sol

2ème partie : Interprétation des essais
4) Tracer rapidement sur le même graphique :
le diagramme Proctor relatif à ce sol
les courbes de saturation de 90% et 100%
5) En déduire les caractéristiques optimum Proctor ( γ

et

ω

) pour ce sol

6) Calculer le degré de saturation à l’optimum Proctor

E

3ème Partie : Avant métré
La réalisation de la couche de fondation nécessite la mise en place d’un volume total de remblai V = 75 000 m3.
de latérite.
Dans toute la suite du problème on admettra les valeurs suivantes :

γ = & !&I > !
γ
= ; !I) >
ω = ;! S

!

7) Déterminer le volume V0 de sol foisonné à prélever à l’emprunt pour réaliser la totalité de la couche de
fondation
8) Déterminer le volume d’eau à apporter par m3 de remblai mis en place pour être à l’optimum Proctor.
9) En déduire le volume total d’eau ( 9 G ) nécessaire à la réalisation du remblai.


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