Le sol gelé est un système complexe multiphase compre-nant normalement quatre composantes, chacune ayant des propriétés physico-mécaniques différentes : les particules solides, la glace, l'eau et l'air.
Les propriétés des sols gelés dépendent non seulement de la dimension et la forme de leurs particules minérales, mais également des propriétés physico-chimiques de leur surface, déterminées essentiellement par leur composition minéralogique.
La glace est la composante la plus importante.du sol gelé.
C'est une substance visco-plastique dont les propriétés diffèrent considérablement de celles des autres matériaux solides, parce que dans la nature, la température de la glace est très proche de sa température de fusion. Les sols gelés naturels contiennent des quantités et des formes de glace très variables. Celle-ci est rarement distribuée dans le sol d'une manière uniforme et homogène. Lorsque le sol gèle, une partie de l'humidité peut s'accumuler sous forme de grands cristaux et lentilles de glace. D'autre part, une partie de l'humidité gèle dans les pores du sol liant ensem-ble les particules minérales, comme une sorte de ciment.
En fonction du type et de la distribution de la glace dans le sol, la structure du sol gelé peut être massive, stratifiée ou réticulée. La structure massive est caractérisée par la présence prédominante de la glace de pores (interstitielle) et par une teneur en glace relativement faible. Par contre, les sols gelés avec une structure stratifiée et réticulée con-tiennent de la glace de ségrégation et leur teneur en glace totale est relativement élevée.
soit ,
wtot Wg W
(1-2) ou : wn est la teneur en eau non gelée à une température donnée, wgtot est la teneur en glace totale, composée de la glace interstitielle, w g , et de la glace d'inclusions, w 1 (lentilles et gros cristaux).
La teneur en eau du sol gelé massif intercalé entre les lentilles et les couches de glace est alors
w = w n + wg (1-3)
Toutes les teneurs en eau sont exprimées comme un rap-port entre la masse de l'eau et la masse du sol sec. Les valeurs de wtot, w et w n se déterminent expérimentalement, tandis que wg et w résultent des équations (1-1) et (1-3).
La valeur de wn peut être trouvée par des procédures expérimentales spéciales (Anderson et Morgenstern, 1973), mais dans la pratique on utilise le plus souvent cer-taines méthodes empiriques.
Par exemple, d'après l'expérience soviétique (USSR, 1969) la valeur de w n peut être estimée à partir de la for-mule
wn = kn wp (1-4)
où wp désigne la teneur en eau du sol à la limite de plas-ticité, exprimée comme fraction, et k n est un coefficient qui dépend dû type de sol, de son indice de plasticité et de sa température, comme le montre la figure 1-3.
Une autre abaque expérimentale, donnant directement la teneur en eau non gelée en fonction de la température de gel et du type de sol, basée sur les résultats d'essais avec les sols norvégiens, d'après Johansen et Frivik (1980), est présentée dans la Figure 1-4.
wn teneur en eau nongelée du sol w - Limite de plasticité du sol I - indice de plasticité du sol
1.0
0.8
0.6
0.2
0
ARGILE SILT
e
‘11' SABLE
GRAVIER '‘‘,1
0,1 ■ 1.1.1 I tit .11
0,01 01 10
TEMPÉRATURE DU SOL, (-° C)
I 1 I 1,11.
100
I o.
10
D'autre part, Anderson et "lice (1972) trouvent que la teneur en eau non gelée des sols gelés reconstitués peut être convenablement représentée par l'équation
wn = mO n
où m et n sont les paramètres caractéristiques du sol et est le nombre de degrés celsius en dessous de 0°C.
Quelques valeurs typiques de m et n sont données dans le Tableau 1.
Tableau 1-3 Paramètres m et n, d'après Anderson et Tice 1972 Sol
Limonite 8,82 - 0,83
Silt de Fairbanks 4,81 - 0,33
Kaolinite 23,80 - 0,36-(argiles)
Bentonite de Wyoming 55,99 -0,29
(1-5)
0 -2 -4 -6 -8 -10
Température du sol, °C
Fogure 1-3 Teneur en eau non gelée d'après le Code URSS de construction dans le pergélisol (SNiP II-B, 6.66).
Figure 1-4 Intervalles de la teneur en eau non gelée pour différents sols. Abaque basé sur des valeurs normalement trouvées pour ces types de sols (d'après Johansen et Frivik,
1980).
Toutefois, il est bien connu que la teneur en eau non gelée augmente avec la pression, à cause de la fonte de la glace au contact avec les grains. Elle augmente également avec la teneur des solutés dans l'eau interstitielle, qui produi-sent une baisse du point de congélation de l'eau.
Dans les sols où l'eau des pores contient du sel, ce sel est expulsé lors du gel de la glace et se concentre dans l'eau résiduelle non gelée, dont le point de congélation est alors encore davantage abaissé.
La composition chimique du fluide interstitiel est très importante, parce qu'elle influence décisivement toutes les propriétés des sols gelés.
Dans le Code de construction soviétique (USSR, 1973), la teneur en sel d'un sol gelé est définie comme le rapport du poids des sels dans le sol et du poids sec du sol (avec les sels) exprimé en pourcentage.
Le sol est considéré comme «salin» si sa teneur en sel dépasse les valeurs suivantes:
sables silteux 0,05 %
sables fins, moyens,
ainsi que grossiers et gravelleux 0,10 %
limons ordinaires et sableux 0,15 %
Argiles 0,25 %
1,09 w gG s 1.2.2 Quelques relations utiles entre les propriétés
physiques des sols gelés Notations:
w = teneur en eau totale dans un sol gelé = w g + wn ws = teneur en glace
wn = teneur en eau non gelée
wdég = teneur en eau après le dégel avec drainage_
Ps masse volumique des solides (kg/m3)
Pw = masse volumique de l'eau (kg/m3) pw/pg, = 1,09 Po = masse volumique de la glace (kg/m3)
G = gravité spécifique des solides =
Pdge = masse volumique sèche du sol gelé (kg/m3)
Pddég = masse volumique sèche du sol dégelé (kg/m3)
"ege = indice des vides du sol gelé edég = indice des vides du sol dégelé
Contraction de volume due au dégel sans drainage ( w = w dég) : Augmentation de volume due au gel sans variation de la teneur en eau :
AV AV 0,09wg
(1-6)
= Vge Vdé g
Volume de l'eau.et de la glace
srge = Volume des vides
Srgl Volume de la glace
Volume des vides
Volume de la glace Volume du sol gelé Contraction de volume lors du dégel avec drainage
Wdég <
AV 0.09w g + w - wdég
Vge 1/ G s + (1,09w g + wn) Srge (1-16) Masses volumiques sèches :
Pdge
1.3 Propriétés mécaniques