Publisher’s version / Version de l'éditeur:
Vous avez des questions? Nous pouvons vous aider. Pour communiquer directement avec un auteur, consultez la première page de la revue dans laquelle son article a été publié afin de trouver ses coordonnées. Si vous n’arrivez pas à les repérer, communiquez avec nous à PublicationsArchive-ArchivesPublications@nrc-cnrc.gc.ca.
Questions? Contact the NRC Publications Archive team at
PublicationsArchive-ArchivesPublications@nrc-cnrc.gc.ca. If you wish to email the authors directly, please see the first page of the publication for their contact information.
https://publications-cnrc.canada.ca/fra/droits
L’accès à ce site Web et l’utilisation de son contenu sont assujettis aux conditions présentées dans le site LISEZ CES CONDITIONS ATTENTIVEMENT AVANT D’UTILISER CE SITE WEB.
Digeste de la construction au Canada, 1965-11
READ THESE TERMS AND CONDITIONS CAREFULLY BEFORE USING THIS WEBSITE. https://nrc-publications.canada.ca/eng/copyright
NRC Publications Archive Record / Notice des Archives des publications du CNRC :
https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/object/?id=22ada495-5d95-4343-a51d-6a6da2110fa0
https://publications-cnrc.canada.ca/fra/voir/objet/?id=22ada495-5d95-4343-a51d-6a6da2110fa0
NRC Publications Archive
Archives des publications du CNRC
For the publisher’s version, please access the DOI link below./ Pour consulter la version de l’éditeur, utilisez le lien DOI ci-dessous.
https://doi.org/10.4224/40000950
Access and use of this website and the material on it are subject to the Terms and Conditions set forth at
Les essais de sols
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 43F
Les essais de sols
Publié à l'origine en novembre 1965 W.J. Eden
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Le but de ce Digeste est de décrire les essais de sols couramment pratiqués par ingénieur dans les enquêtes in situ et d'indiquer leurs possibilités et leurs limites. On peut considérer cette étude comme faisant suite au Digeste No29intitulé "Études de sous-sol".
L'essai de sol repose sur l'idée première que le comportement des masses de sol peut, dans des conditions imposées, être prédit dans la mesure où certaines propriétés des sols peuvent être déterminées. Un sol étant un matériau naturel dont l'état est beaucoup plus variable que celui des matériaux de construction fabriqués par l'homme, et parce qu'il s'agit d'un système à plusieurs phases composé de particules entre lesquelles s'intercalent des espaces vides remplis d'eau ou d'air au d'une combinaison de ces deux éléments, les résultats des essais de sols doivent être interprétés à la lumière de l'expérience passée, du climat et de la géologie des lieux.
L'une des conditions les plus importantes que requièrent les essais de sols réside dans le fait que les essais doivent être effectués sur des échantillons qui représentent vraiment le sol trouvé sur place. Pour obtenir de bons résultats, le prélèvement de sol, l'essai et son interprétation doivent être effectués sous la conduite d'un personnel spécialement formé et expérimenté. Des essais de sols bien conduits constituent une base sûre pour la mise en oeuvre des fondations et permettent la réalisation de nombreuses constructions remarquables dans les emplacements difficiles.
On peut classer les divers essais en quatre catégories: les essais de classification ou d'identification, utilisés pour identifier et décrire les sols afin de les comparer avec d'autres sols dont le comportement est connu; les essais de résistance, de densité et de compressibilité qui ont une application directe en vue de déterminer la capacité portante d'un sol et qui sont utilisés pour prédire la valeur probable du tassement; les essais de contrôle employés dans les constructions en terre dans le but de s'assurer que les remblais et les couches de fondation de routes satisfont aux conditions requises en ce qui concerne la granulométrie et la densité; enfin les essais spéciaux qui incluent la mesure du gonflement ou du potentiel de gonflement ou de retrait d'une argile et la détermination de l'action corrosive possible d'un sol.
Un programme d'essais de sol exige d'abord que les sols soient proprement identifiés et décrits, ceci en plus de la description visuelle succincte fournie par les foreurs. Dans ce but, un certain nombre d'essais relativement simples sont effectués; ils sont décrits ci-dessous. Ils fournissent un mode de classification précis et permettent la comparaison avec d'autres sols dont le comportement est mieux connu. Ils sont également utilisés comme base de référence permettant la sélection d'échantillons en vue d'essais de résistance plus coûteux.
Les sols cohérents à granulométrie fine (argile) et les sols incohérents ou les sols à gros grains (sable) exigent, si l'on veut étudier leur comportement probable, des essais de nature différente. En ce qui concerne les sols incohérents, la densité et la granulométrie constituent des éléments fondamentaux pour apprécier leur comportement. D'autre part, la plasticité fournit, pour les sols cohérents, une meilleure indication. La teneur en eau à l'état naturel est également d'un intérêt vital. On la mesure en Pesant un petit échantillon de sol à l'état naturel puis, après séchage au four à 105°C, l'échantillon est de nouveau pesé. La perte d'eau après dessiccation s'exprime en pourcentage du poids de l'échantillon de sol à sec. La teneur en eau à l'état naturel est des plus importantes, lorsqu'on la compare avec les limites de liquidité d'Atterberg ou les caractéristiques de plasticité d'un sol.
Suivant la quantité d'eau présente, un sol cohérent peut prendre trois états: boue liquide, substance plastique ou solide. Les essais en vue de déterminer les limites d'Atterberg ont été mis au point pour permettre de distinguer chacun de ces états. La limite de liquidité est la teneur en eau relativement élevée à laquelle un sol passe de l'état liquide à l'état plastique et la limite de plasticité désigne la teneur en eau relativement faible à laquelle un sol passe de l'état plastique à l'état solide. Les méthodes pour déterminer les limites de liquidité et de plasticité sont bien connues et sont décrites en détail dans les publications de l'ASTM et de la
British Standards Institution.
La différence de teneur en eau entre les limites de liquidité et de plasticité représente l'indice de plasticité du sol. Il s'ensuit que plus l'indice de plasticité du sol est élevé, plus le sol est plastique et compressible et plus grandes sont ses variations de volume. L'indice de plasticité s'est avéré l'un des indices du sol les plus utiles; il est essentiel pour la description adéquate d'un sol cohérent.
Dans le but d'obtenir un moyen pratique de comparaison des divers sols, le docteur A. Casagrande a dessiné un graphique de plasticité (figure 1) dans lequel une limite empirique connue sous le nom de ligne "A" sépare les argiles inorganiques des sols limoneux ou organiques. Les sols de même origine géologique sont habituellement indiqués sur le graphique sous forme de lignes droites parallèles à la ligne A. Plus l'indice de plasticité est élevé, plus importante sera la nature de la variation de volume. Les argiles "grasses" ou plastiques sont indiquées au-dessus de la ligne. Les sels organiques, les limons et les argiles contenant une grande proportion de minéraux en poudre (farine cristalline) sont placés au-dessous de la ligne.
Figure 1. Graphique de plasticité (d'après Casagrande).
La relation entre la teneur en eau à l'état naturel et les limites de liquidité et de plasticité traduit le comportement d'un sol. Si la teneur en eau à l'état naturel est inférieure ou proche de la limite de liquidité, le sol peut être "sensible" et subir une grande perte de résistance s'il est perturbé. Les sols sensibles ont une structure en forme d'alvéoles et les surcharger peut conduire à des échecs désastreux. Cette sensibilité rend l'échantillonnage plus complexe et des méthodes spéciales d'essais doivent souvent être adoptées.
Les essais de granulométrie sont effectués non seulement pour déterminer le diamètre individuel des grains dans un sol, mais également pour définir la distribution relative des diamètres. Dans les sols incohérents, la distribution du diamètre des grains est déterminée en faisant passer successivement l'échantillon sec de sol au travers de tamis de plus en plus fins jusqu'au tamis No 200. Le diamètre des sois cohérents à granulométrie fine doit être défini à
l'aide de méthodes plus perfectionnées. L'une de ces méthodes, l'essai à l'hydromètre, comporte la mesure du poids spécifique d'une solution en suspension eau-sol à des intervalles de temps fixes. Le diamètre du grain est calculé en utilisant la loi de Stokes qui prédit la vitesse de chute d'un corps sphérique tombant dans un liquide (milieu fluide). Grâce à la méthode de l'hydromètre, il est possible d'estimer le diamètre de particules allant du tamis No 200 aux
particules colloïdales (diamètre de l'ordre de 0.0005 mm).
La courbe de répartition des diamètres indique l'ordre de grandeur de la distribution des grains présents dans un sol. Sa forme peut être utilisée parallèlement avec les données fournies par le forage en vue de fournir la densité. Un sol uniforme, c'est-à-dire un sol comprenant des particules ayant une faible étendue de répartition des diamètres, peut présenter un faible frottement interne. Par contre, un sol à large granulométrie tend à être dense et peut être même rendu plus compact par action mécanique. La courbe de répartition des grains peut être également utilisée pour déterminer si un sol est sensible à l'action du gel, et si les sables et les graviers satisfont au cahier des charges pour les agrégats de béton et les remblais servant de base pour les routes.
D'autres essais de classification peuvent être effectués; ce sont: la détermination du poids spécifique des particules de sol, la limite du retrait et la quantité de matières organiques présentes dans le sol. Le poids spécifique des particules est utile dans les calculs relatifs à des essais plus complexes comme celui de la consolidation. La quantité de matières organiques déterminera fréquemment si un sol peut être utilisé ou non comme remblai ou pour les routes.
Essais résistance-densité
Les sols sans cohésion manifestent leur résistance d'une façon directement proportionnelle aux charges qui leur sont appliquées; leur résistance dépend donc de leur emplacement et du
frottement interne ou action mutuelle des grains entre eux. Plus la densité d'un sol est grande, plus le frottement interne produit est important et plus grande est la force portante. Par conséquent, si la densité d'un sol incohérent peut être mesurée, il est possible d'en déduire la force portante. Malheureusement, la mesure directe de la densité des sols incohérents est une opération difficile. La plupart des méthodes de prélèvement d'échantillons produisent des dérangements suffisants pour rendre douteuse la précision des mesures de la densité. La méthode la plus connue pour reconnaître la densité est l'essai de pénétration conduit in situ en faisant pénétrer un cône ou un tube à fente dans le sol. Le nombre de coups exigé pour enfoncer le cône à une profondeur d'un pd dépend de la densité du sol. Cet essai doit être exécuté selon des méthodes déterminées comme celles adoptées par l'Association canadienne de normalisation. Si les sols se révèlent denses, ils fournissent un milieu portant satisfaisant, alors que les sols incohérents de faible densité peuvent exiger des précautions spéciales afin d'éviter le tassement dans certaines conditions de mise en charge.
Les sols cohérents généralement moins satisfaisants en ce qui concerne leur capacité portante, se prêtent à une mesure plus directe de leur résistance et de leurs propriétés de compressibilité. Leur résistance est habituellement déterminée par le chargement axial d'échantillons non remaniés de forme cylindrique obtenus à partir de blocs affinés ou d'échantillons pris à l'aide de tubes à parois minces en conformité avec les normes de l'Association canadienne de normalisation. La résistance à la compression d'un cylindre de terre peut être déterminée par l'essai de compression non confiné ou par l'essai triaxial d'échantillon non drainé. L'essai de compression non confiné est mené de la même manière que l'essai sur l'éprouvette cylindrique de béton. Dans l'essai triaxial avec échantillon non drainé, le spécimen est isolé par une membrane de caoutchouc mince et en plus de la force axiale, on lui applique des pressions fluides. Ceci permet au spécimen sous essai d'être soumis à des conditions de pression simulant celles qui existent dans la masse du sol.
Bien que l'essai de compression non confiné et l'essai triaxial donnent le même résultat, l'essai non drainé triaxial doit être pratiqué dans des cas spéciaux comme pour les argiles fissurées. Il est possible avec l'essai triaxial de permettre à l'échantillon à l'essai de changer de volume sous charge ou de mesurer la pression de l'eau dans les pores produites au sein du spécimen, à volume constant. Ceci permet de comprendre d'une façon plus complète les caractéristiques de résistance du sol et rend possible la prévision des conditions de stabilité à long terme là où les charges imposées sont susceptibles de causer un changement appréciable de la teneur en eau et, par conséquent, de la résistance du sol. Il est d'usage, dans les calculs de force portante, de prendre la résistance au cisaillement comme étant égale à la moitié des résistances à la compression. De telles méthodes de mesure doivent permettre de représenter les propriétés de la masse entière de sol affectée par la présence de l'ouvrage - et non pas seulement quelques essais effectués près du niveau de la fondation.
Pour les argiles molles, la résistance au cisaillement peut être déterminée in situ au moyen d'appareils tels que le moulinet. C'est un appareil qui comprend quatre ailettes que l'on enfonce dans le sol, la résistance au cisaillement étant obtenue en mesurant le couple requis pour le faire tourner. Cet essai est plus économique que les essais en laboratoire, mais son emploi devrait être restreint aux argiles molles.
Avec les sols à argile très plastique, il est possible d'avoir une capacité portante qui résiste à toute rupture soudaine due au cisaillement, et néanmoins d'avoir une fondation non satisfaisante, à cause des déformations considérables qui se développent avec le temps à la suite de modifications de volumes dans le soi. Les caractéristiques de compressibilité peuvent être prédites dans des limites acceptables au moyen de l'essai de consolidation ou essai à l'oedomètre, essai dans lequel un échantillon non remanié est étroitement comprimé dans un anneau métallique. Les parties supérieures et inférieures de l'échantillon sont recouvertes de pierres poreuses; cet échantillon est alors soumis à une charge verticale et on mesure le taux de compression en fonction du temps. Une série de charges allant en augmentant sont appliquées et le taux de compression mesuré dans chaque cas. On peut alors en déduire les éléments suivants: pression de préconsolidation, indice de compression et coefficient de consolidation. Ces éléments permettent de prédire l'importance et la vitesse de tassement sous
une charge donnée. La pression de préconsolidation représente la charge maximum à laquelle le sol a été soumis durant son passé géologique: c'est une pression représentant en général une force portante offrant toute sécurité.
L'essai résistance-densité-compressibilité fournit des résultats ayant une utilité pratique immédiate. Afin d'apprécier ces résultats en toute confiance, on doit posséder une connaissance suffisante des conditions du sol: on s'assure ainsi que les résultats des essais s'appliquent réellement à la masse du sol affectée par l'ouvrage.
Essais de contrôle
Lorsque des sols particulièrement choisis sont utilisés en vue de servir de bases pour des dalles situées à la surface du sol, pour des routes ou pour des remblais derrière des ouvrages, ils deviennent un élément intégral de l'ouvrage et doivent se comporter d'une façon prévisible. Dans le but de s'assurer que le matériau satisfait aux conditions du cahier des charges, la mise en oeuvre doit être contrôlée par des essais de sol. Le matériau utilisé doit être soumis à l'essai afin de vérifier s'il satisfait aux conditions imposées au point de vue granulométrique, puis mis en place et soumis au compactage d'une façon telle que la densité requise soit atteinte. Le Digeste No 3 (Les sols et la construction) décrit la relation fondamentale qui existe pour n'importe quel sol entre la teneur en eau et la densité en fonction du degré de compactage. Habituellement, il est nécessaire que la teneur en eau soit proche de l'optimum en vue d'obtenir la densité désirée, laquelle en principe est indiquée par la densité Proctor à 100% équivalente à 95% de la densité Proctor modifiée. L'essai Proctor est une méthode qui permet de déterminer la teneur optimum en eau d'un sol pour une force de compactage donnée; elle est décrite par l'ASTM et d'autres organismes de normalisation.
Pour s'assurer que les densités désirées sont atteintes, des essais sont pratiqués sur place, le choix de la méthode étant dicté par la nature du sol rencontré. Toutes les méthodes d'essai s'efforcent de déterminer le poids d'un volume connu de sol et impliquent le "cône à sable", le "ballon d'eau" ou, si le sol est cohérent, la mesure directe d'un échantillon de sol. Depuis quelques années, on emploie une méthode radioactive qui permet, dans certains cas, des gains importants de temps.
Un autre genre d'essai, qui peut être considéré comme un essai de contrôle, est la recherche entreprise, telle que la mise en charge de pieux, en vue de fournir un rapport complet sur les qualités de la fondation. Puisque la connaissance du sol a une telle importance dans l'interprétation de tels essais, il est essentiel d'avoir dans chaque cas une connaissance détaillée de sa nature et de son état.
Essais spéciaux
Il existe beaucoup d'essais de sol qui peuvent être exécutés pour déterminer une seule caractéristique d'un sol, en fonction de l'usage que l'on en fera. Nous nous proposons d'aborder ici brièvement trois genres d'essais:
Potentiel de corrosion. Le problème de la corrosion dut sol est extrêmement complexe.
Certains sols peuvent contenir des éléments chimiques qui attaquent le béton et l'acier en contact avec eux. L'eau contenue dans le sol peut également avoir de fâcheux effets. L'un des types les plus communs de corrosion est la détérioration du béton due à la présence dans le sol de sels sulphatés solubles, Le problème se pose avec acuité dans les climats semi-arides où les pluies sont insuffisantes pour emporter les sels solubles, qui causent souvent la désintégration du béton ordinaire. Leur présence peut, dans certains cas, être détectée visuellement ou, d'une façon plus précise, par une analyse chimique du sol. Les ouvrages de béton peuvent être protégés par l'utilisation de ciments résistant à l'action des sulphates.
Un terrain renfermant des détritus ou des déchets industriels, ou un sol contenant une quantité appréciable de matière organique peut présenter potentiellement des milieux corrosifs. Les eaux souterraines s'infiltrant dans des terrains de ce genre présentent également un danger de corrosion. De nouveau, il est nécessaire d'effectuer des analyses chimiques du sol et de l'eau infiltrée pour déterminer l'importance du problème.
La corrosion de l'acier et d'autres métaux dans le sol constitue un procédé électro-chimique. Fréquemment, une petite surface de métal peut être sévèrement attaquée, le reste de la surface demeurant intacte. Il n'existe pas de méthodes simples pour évaluer la corrosivité potentielle d'un lieu, mais les pires conditions se manifestent par la présence de courants électriques de dispersion, tels qu'il en existe près des voies de chemins de fer électrifiées ou d'autres sources importantes de courant continu, par des résistivités de sol basses et par de grandes quantités de sels dissous dans l'eau du sol. En plus de l'analyse chimique des échantillons de sol, des méthodes indirectes telles qu'une enquête à l'aide de "sondes à corrosion" peuvent être utilisées sur place. L'aide d'un spécialiste sera toujours requise dans les recherches sur la corrosion.
Gonflement. Les sols hautement plastiques ont la propriété de gonfler s'ils sont mis en contact
avec l'eau. L'intensité du gonflement dépendra de l'argile que contiennent les minéraux et de la teneur en eau initiale de l'argile, mais des pressions dues au gonflement peuvent être suffisamment élevées pour causer de sérieux dommages à un ouvrage dont ils forment la fondation. Les problèmes de gonflement les plus sérieux se produisent dans des pays au climat semi-aride parce que la teneur en eau des argiles peut être assez faible. Un bâtiment arrête l'évaporation naturelle de la surface et permet à l'eau de s'accumuler sous la fondation causant ainsi un soulèvement du soi. Des essais sur des sols gonflés ne peuvent pas fournir des critères absolus pour l'étude d'un projet, mais ils peuvent mettre en relief la gravité possible du problème et indiquent des méthodes permettant de le surmonter. Les essais de sois devraient inclure la détermination de la teneur en eau, les limites de liquidité d'Atterberg et la limite de retrait. La pression potentielle de gonflement peut être mesurée dans un essai de consolidation, durant lequel on observe le gonflement plutôt que le tassement.
Perméabilité. Le sol étant un système poreux, l'eau s'écoulera au travers de lui sous l'effet
d'un gradient hydraulique. On peut définir la perméabilité comme la capacité que possède un sol de laisser passer l'eau, et le coefficient de perméabilité est la mesure de la porosité d'un sol dans des conditions de gradient hydraulique données. Il existe plusieurs méthodes pour mesurer le coefficient de perméabilité et toutes ces méthodes mesurent la quantité d'eau s'écoulant au travers d'un échantillon de sol dans un intervalle de temps fixe dans des conditions de pression hydraulique connues. Le choix de la méthode d'essai dépendra de la porosité du sol. La connaissance de la perméabilité des sols est un facteur vital dans l'étude de barrages en terre et de digues; elle est également importante dans les projets de réseaux de drainage.
Conclusions
Nous nous sommes efforcés, dans ce Digeste, de décrire les essais divers qui peuvent être utilisés pour déterminer les propriétés du sol. Les résultats de ces essais indiqueront si un site donné peut convenir pour une fondation et quel type elle devra avoir. Cependant, il est tout de même nécessaire d'évaluer les résultats des essais, car les propriétés du sol sont influencées à la fois par les conditions géologiques et climatiques que l'on rencontre sur place.
