mécanique des sols (suite)

Eau, solutions et éléments gazeux contenus dans les sols

L’eau peut être libre dans les capillaires du sol, ou être absorbée en couches moléculaires d’autant plus nombreuses que le rayon moyen des capillaires est plus petit suivant la loi de Reboul

n étant le nombre de couches de molécules, r le rayon de courbure, a, b et c des constantes ne dépendant que de la nature de la paroi adsorbante et de celle du liquide adsorbé.

Il est toujours essentiel de connaître la teneur en eau d’un sol. La porosité d’un sol est différente de son indice de vide : entre d’une part la porosité n, ou rapport entre le volume des vides et le volume total, et d’autre part l’indice des vides e, ou rapport du vide au volume du plein (matière solide), il existe les relations

La présence de trois phases (solide, liquide, gaz) dans les sols donne aux sols pulvérulents, généralement hydrophiles, une cohésion d’ordre capillaire due à la formation de ménisques liquides le long des lignes de raccordement des trois phases. Cette cohésion ne s’identifie pas avec la cohésion due à la présence de colloïdes agglutinants interposés. La circulation capillaire de l’eau peut être interrompue par des dégagements de gaz dissous.

Les limites d’Atterberg

Caractéristiques essentielles des sols dans toutes les études de géotechnique, elles permettent d’estimer l’étendue du domaine de plasticité et éventuellement de cohésion des sols plus ou moins argileux, tels que limons, glaises et sable argileux.

• Limite de plasticité (L. P.). C’est la teneur minimale en eau qui marque le passage de l’état plastique à l’état solide, ou inversement. Cette limite correspond à l’état d’un sol qui ne se laisse plus rouler en fils de 3 mm d’épaisseur ; l’essai se pratique avec le plat de la main sur une plaque de verre.

• Limite de liquidité (L. L.). C’est la teneur en eau au-dessus de laquelle les sols d’argile s’écoulent comme un liquide sous leur propre poids. L’essai s’effectue en mettant dans une coupelle de bronze 150 g de sol à différentes teneurs en eau et en comptant pour chaque teneur le nombre de petits chocs sur un bloc d’ébonite nécessaires pour effacer les lèvres d’un sillon tracé dans l’échantillon au moyen d’une spatule. Par définition, la limite de liquidité est atteinte quand le nombre de chocs est de 25.

• Indice de plasticité (I. P.). C’est la différence entre la limite de liquidité L. L. et la limite de plasticité L. P. Cet indice dépend de la quantité d’argile et de sa valeur au point de vue colloïdité.

• Limite de retrait (L. R.). C’est la teneur en eau rapportée au poids des matières sèches, au-dessous de laquelle un sol ne subit plus de retrait en se desséchant. Dès que la teneur en eau dépasse la limite de retrait, le sol gonfle. La détermination de cette caractéristique est importante en géotechnique routière pour la stabilisation des sols.

• Limite d’adhérence (L. A.). C’est la teneur en eau au-dessous de laquelle aucun élément de l’échantillon de sol n’adhère à une spatule métallique sèche que l’on y enfonce. La détermination de cette caractéristique présente de l’intérêt sur les chantiers de terrassement, car l’adhérence de la terre aux outils rend le travail pénible et lent.

Cisaillement, angle de frottement interne et courbe intrinsèque des sols pulvérulents et des sols cohérents

La loi de Coulomb sur le cisaillement des sols en fonction de la compression est exprimée par la formule
τ = τ₀ + v tg φ
pour les sols cohérents, dans laquelle v est la contrainte normale, τ la contrainte de cisaillement et τ₀ la contrainte de cisaillement pour une contrainte normale nulle : c’est la cohésion ; φ est l’angle de frottement interne, qui varie de 5 à 20° pour les diverses argiles et de 20 à 30° pour les sables argileux et les sols cohérents. Si τ₀ = 0 on a τ = v tg φ. Cette équation caractérise les sols pulvérulents.

Mesure de la cohésion

Pour les essais in situ, on se sert du scissomètre constitué par deux plaques coupantes formant un croisillon à angle droit que l’on enfonce dans le sol et que l’on fait tourner d’un certain angle pour cisailler le sol sur la surface décrite par le pourtour du croisillon. Si M est le moment de torsion, d le diamètre du croisillon et h sa hauteur, la cohésion τ₀ est

Mesure de la compressibilité d’un sol par l’œdomètre

L’œdomètre permet de mesurer la relation entre la pression exercée et l’indice des vides e, ainsi que la perméabilité des sols très peu perméables. L’échantillon, en forme de galette, est placé dans un moule cylindrique, entre deux pierres poreuses ; quand on soumet la galette à une pression normale, l’eau est expulsée dans les pierres poreuses. À l’équilibre, appelé consolidation, on mesure les variations de hauteur avec un comparateur au centième de millimètre ; l’ensemble étant alors dans l’eau, on décharge l’échantillon et on revient lentement au volume primitif par l’influence combinée de la pression capillaire et de l’élasticité de la partie solide. On porte en abscisses les contraintes et en ordonnées les variations relatives de hauteur On définit ainsi un module œdométrique (de Terzaghi) E_T :

qui varie avec la pression p appliquée :

La quantité C est la constante de compressibilité, et p₀ une constante de faible valeur par rapport à p.

Au déchargement, la constante de compressibilité C est remplacée par une constante de gonflement C′. Pour la mesure de la perméabilité des sols et argiles très peu perméables, on monte l’œdomètre en permamètre par l’adjonction d’un tube capillaire gradué avec précision. Pour les corps perméables comme les sables, on détermine la perméabilité au moyen d’un gros tube dans lequel on place l’échantillon, que l’on soumet à une charge d’eau en déterminant la vitesse de filtration.

On désigne sous le nom de perméabilité k de la loi de Darcy le coefficient de la formule

dans laquelle est la perte de charge dh pour un parcours de longueur ds ; est appelé gradient hydraulique ; pour une section Ω, le débit q est