122-Identification Physique Des sols-DBranque [PDF]

Zitiervorschau

09/10/2013

MASTERE    SPECIALISE

Documents pédagogiques internes au Mastère TOS

TUNNELS et OUVRAGES SOUTERRAINS De la conception à l’exploitation

Module 1. Connaissances de base 1.2. Comportement mécanique des sols 1.2. Comportement mécanique des sols

D. Branque,  LGCB‐ENTPE

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CONNAISSANCES DE BASES:           Comportement mécanique des sols

CONTENU 1. Définition géotechnique des sols 2 Identification physique des sols 2. Identification physique des sols 3. Déformations et contraintes dans les sols  ( pp (rappels de MMC) ) 4. Hydraulique des sols 5. Consolidation et tassement des sols 6. Résistance au cisaillement des sols

INSA Lyon  ‐ ENTPE                                                                                     MS TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS

2011‐2012

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Quelques définitions fondamentales volumes

masses Air, MA = 0 VA

Vides (pores)

Eau, Mw = Vww

Vv = VA + Vw Vw

Solide, Ms = VswGs Vs

Solide, Vs

Représentation schématique d’un sol partiellement saturé en tant qu’un milieux tri-phasique

d 

Ms Vs  VW  VA

h 

Masse volumique sèche

Ms  Mw Vs  VW  VA

Masse volumique humide (ou apparente)

Rm: si l’on remplace la masse M par le poids, on obtiendrait les poids volumique sec, poids vol. apparent.

 i  i g ; g  10 ms 2

Indice des vides:

e

VV VA  Vw  Vs Vs

Porosité:

 VA  Vw  V  n   V  100 %    100 % V   VA  Vw  Vs 

Teneur en eau (massique):

M  w   w  100 %   Ms Degré de saturation

 Vw  S r   100 %  VA  Vw  3

3

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Quelques définitions fondamentales eau

Sr=1

Solide

air

e

eSr

1

Saturé s w e n 1 e

eau

e

Solide

1

 i  i g ; g  10 ms 2

Non saturé d 

Ms V   s s  s V Vs  Vv 1  e

Densité des grains Gs 

Masse vol. sèche (kg/m3)

Porosité

Masse volumique M s  M w M s (1  M w / M s )      d (1  w) 3 h apparente (kg/m ) V V

Masse volumique M l i de l’eau (kg/m3) Volume spécifique

w

v

V  1 e Vs

Teneur en eau massique (%)

w

 SV Mw Se 100  w r v  100  r  100 Ms  sVs Gs

Teneur en eau volumique (%)



Vw SV Se 100  w v  100  w  100 1 e 4 V V

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Exemple 1 – Détermination de la teneur en eau (i)

masse du récipient, vide(Mc)

21.32 g

(ii)

masse du récipient + échantillon mouillé (Mc+Ms+Mw)

83.76g

(iii) masse du récipient + échantillon séché (Mc+Ms)

65.49g

Par conséquent, (iv) masse de solide, Ms = (iii)-(i) = 65.49g – 21.32g =

44.17g

(v)

18.27g

masse d’eau, Mw = (ii)-(iii) = 83.76g – 65.49g

=

teneur en eau massique w = Mw /Ms = 18.27/44.17 =

41.36%

5

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Exemple 2 Un échantillon de sol humide a une teneur en eau w = 14.7% , un volume de 1000 cm3, et pèse 1840 g. La densité absolue des grains est Gs=2.72. Calculer la masse volumique apparente, le volume specific et le degré de saturation. Quel serait le poids volumique apparent et la teneur en eau si l’échantillon l échantillon de sol avait le même volume, mais saturé ?

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Exemple 2 La masse volumique apparente est donnée par la masse totale divisée par le volume de l’échantillon :

h = 1.840kg /0.001 m3 = 1840 kg/m3

eau

e

 h  1  w d

Solide

1

d 

air

e.Sr

Gs  w Gs  w  1 e v

v = Gs(1+w) w /h = 2.72(1+0.147)1/1.84 = 1.695  e = v  1 = 0.695 7

7

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Exemple 2 (suite) Documents pédagogiques internes au Mastère TOS

air

Sre

eau

Solide

Sr=1

eau

Solide

w

e=0.695

1

e=0.663

Sr

= =

S r e S r ( v  1)  Gs Gs

w.Gs/e (0.147)(2.72)/0.695 = 0.58 ou 58%

Par rapport au cas précédent, on a le même volume spécifique, f donc même indice des vides, mais le sol est saturé. On a donc e =0.695, Sr=1. Il vient alors:

1

wsat

= e / Gs (car Sr=1) = (0.695)/(2.72) = 0.26 ou 26%

8

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Exemple 2 (suite) Le poids vol saturaté sat serait, avec (Sw= 1):

Sw=1

eau

Solide

e=0.663

sat

= (Gs + e) w/(1+e) = (2.72 + 0.663)(9.81)/(1.663) = 19.96 kN/m3

1

Le p poids volumique q sec  dry serait donné p par:

dry

= Gs  w/(1+e) )( )( ) = 16.05 kN/m3 = ((2.72)(9.81)/(1.663)

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Identification des sols: la granularité Documents pédagogiques internes au Mastère TOS

 Eléments de diamètre > 80 m  par tamisage par voie sèche après lavage g ((NF P94-056))

Colonne de différents tamis

Refus dans les différents tamis

 Eléments de diamètre ≤ 80 m  par sédimentation (NF P94-057)

sédimentatomètre

Solution en cours de sédimentation

10

10

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 Eléments de diamètre > 80 m

100

Tamis (mm) Tamis (mm)

Masse Masse  retenue  (g)

Masse Masse  passante  (g)

Passant (%)

4,750

0,00

190,20

99,53

2,000

2,10

188,10

98,43

0,850

4,60

183,50

96,02

0,500

15,80

167,70

87,76

0 250 0,250

40 90 40,90

126 80 126,80

66 35 66,35

0,150

122,00

4,80

2,51

0,075

4,70

0,10

0,05

fond

, 0,10

0,00 ,

0,00 ,

d50 Diamètre moyen (mm)

d10 Diamètre efficace (mm)

Po ourcentage de e passants(%)

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Analyse granulométrique par tamisage

80 60 40 20 0 0.01

0.1

d(50

1

10

Diamètre des grains (mm)

Grain size ((mm))

Cu  d 60 d10 Facteur d’uniformité

Cc  d 302 d 60  d10  Facteur de courbure 11

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Pourcentage de passants(%)

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Exemples de granulométrie

Cu ≈ 1 => taille quasi-uniforme, “poorly p yg graded”, p peu compact p Cu grand => granulométrie étalée, sol plus compact

Diamètre des grains (mm)

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Exemple de construction de la courbe granulométriquee Les results d’une série de tamisage sont donnés ci-dessous. Tracer la courbe de granulométrie. Tamis

Masse retenu (g)

% masse retenu

% passant

4.75 mm

0

0

100.0

2.36 mm

2.6

1.2

98.8

1.18 mm

12.5

5.7

93.1

600 m

57.7

26.6

66.5

425 m

62..0

28.6

37.9

300 m

34.2

15.7

22.2

212 m

18.7

8.6

13.6

150  m

12.7

5.8

7.8

75 m

13.1

6.0

1.8

fond

3.9

1.8

Total

217 4 217.4

13

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Exemple de construction de la courbe granulométrie

D 0.53  3.31  6 cu  60  D10 0.16

2 D30 0.35 2 cc    1.44  1  3 D10 D60 0.16 0.53

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Analyse granulométrique par sédimentation  Eléments de diamètre ≤ 80 m  Dans un liquide au repos, la vitesse de décantation des particules fines est fonction de leur dimension.  Utilisation de la Loi de Stokes - grains i sphériques hé i (di (diamètre èt D) - masse volumique des particules de sol (s) - : viscosité du fluide à T° fixée Force exercée par le fluide sur une sphère en mouvement:

  F  3 ..D.v

Vitesse de décantation:

v

Diamètre Di èt é équivalent i l td des particules :

D

L s w 2  D t 18 18  s  w

Hydromètre (ou sédimentomètre)

L t 15

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Identification des sols : les limites d’Atterberg V Volume

 Idées

Etat liquide Limite de liquidité

Etat Plastique

Limite de plasticité

Etat solide

retrait

Etat semi-solide Limite de

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(limites de consistance)

Teneur en eau

 Cas des argiles, feuillets élémentaires ont une structure ionique (charge électrique de surface) qui attire les molécules polaires de l’eau.  Surface S f spécifique é ifi importante i t t capable bl d’emmagasiner d’ i une quantité tité d’eau d’ iimportante. t t  Quantité d’eau par rapport à sa capacité d’emmagasinement conditionne le comportement mécanique.

 Matériau considéré pour les limites d’Atterberg (NF P94-051)  Passants à 400m (mortier)

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Limites d’Atterberg (suite) Solide

Semisolide

Limite de retrait

Limite de Plasticité

Plastique

Indice de Plasticité

Liquide Teneur en eau  Propriétés mécaniques  Limite de Liquidité

 Signification physique:  ws- La Limite de Retrait, est définie comme la teneur en eau en deçà de laquelle on n’observe n observe plus de contraction volumique en séchant davantage

 wp- La Limite de Plasticité caractérise la transition entre un état solide et un état plastique. Au dessus de cette limite, le sol se déforme plastiquement sans se rompre. End dessous, l soll devient le d i t semi-solide i lid ett friable f i bl (fissuration). (fi ti )

 wL- La Limite de Liquidité caractérise la transition entre un état plastique et un état liquide. Au dessus de cette limite le sol s’écoule comme un liquide visqueux sous ll’influence influence de son poids propre. propre

 IP - L’Indice de Plasticité est défini comme : IP = wL – wp

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Détermination de la limite de Liquidité  A la coupelle de Casagrande • Mélanger une quantité d'argile dans un bol métallique à fond rond de 10-12cm de diamètre • Couper une rainure de largeur 13,5 mm avec un outil standardisé • Faire chuter le bol de 10 mm sur une base de plastique afin de refermer progressive la rainure

Coupelle p de Casagrande g

• L La teneur t en eau quii nécessite é it N=25 N 25 coups d de chute afin de refermer une rainure de 13,5 mm est définie comme la limite de liquidité p l’essai à différentes teneurs en eau • On répète et on trace N suivant w, afin de relever graphiquement la valeur de wL correspondant à N=25

wL

N=25 18

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Détermination de la limite de Liquidité  Au pénétromètre à cône • Le cône de 80g et de 30° d’ouverture est placé au contact de la surface d’é h till d’échantillon. • On mesure son enfoncement dans le sol au bout de 5 secondes • On mesure enfoncement H suivant la teneur en eau w de chaque essai • On détermine graphiquement la limite de liquidité wL ( correspond à 17 mm d’enfoncement)

17

Détermination graphique de wL Pénétromètre à cône

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Détermination de la limite de Plasticité w > wp

w < wp D > 3mm

D < 3mm Bâtonnet de sol

Bâtonnet de sol

• La limite de Plasticité est la teneur en eau au-dessous de laquelle il devient impossible de confectionner à la main des bâtonnets de 3 mm de diamètre et de 100 mm de longueur sans qu’ils ’ se rompent ou s’émiettent. ’é • A la teneur en eau recherchée, le rouleau doit se rompre en segments de 3 à g 10 mm de longueur. • Si l’on peut réduire le diamètre en dessous de 3 mm, la teneur en eau est trop forte.

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Le “Plasticity Chart”

1er lettre: C=Clay M=limon (silt) O=Organique 2nd lettre: H=(high) plasticité forte L=(Low) plasticité faible  Beaucoup d’info utiles à peu de frais 21

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Identification des sols : Activité argileuse Documents pédagogiques internes au Mastère TOS

(valeur au bleu: VBS)  Idées  La valeur de bleu de méthylène VBS représente la quantité de bleu de méthylène pouvant s’adsorber sur les surfaces externes et internes des particules de sol  Cette quantité de bleu de méthylène adsorbée sera d’autant plus grande que la surface spécifique des particules argileuses sera importante.  On peut considérer que le VBS caractérise l’activité de l’argile contenue dans le sol

 Principe de l’essai (NF P 94-068)  Réalisé sur la fraction 0 – 5mm mélangée à de l’eau déminéralisée  Ajouts successif de quantités de bleu de méthylène  Contrôle de l’adsorption par prélèvement d’une goutte de solution dé déposée é sur un papier i filt filtre normalisé li é pour ffaire i une ttache. h  L’adsorption maximale est atteinte quand une auréole bleu clair se produit à la périphérie de la tache.  La VBS correspond à la masse de bleu pour 100 g de sol (rapportée à la fraction 0-50mm) au stade de l’adsorption maximale 22

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Classification GTR des sols fins Documents pédagogiques internes au Mastère TOS

(matériau passant à 20mm)

Paramètres de nature 1er niveau de classification Dmax≤50mm Et Tamisat à 80µm>35%

CLASSE A : SOLS FINS Classe Paramètres de nature 2eme niveau de classification A Sols fins

VBS≤2,5 ou IP≤12

2,5≤VBS≤6 Ou 12≤ IP≤25

6≤VBS≤8 Ou 25≤ IP≤40 VBS>8 ou IP>40

Sous classe fonction de la nature A1 : Limons peu plastiques Loess, Silts alluvionnaires, Sables fins peu pollués, Arènes peu plastiques,

A2: Sables fins argileux, Limons, Argiles et marnes peu plastiques, Arènes A3: Argiles et argiles marneuses Limons très plastiques

Correspondance entre Ip et VBS

A4: Argiles et argiles marneuses très plastiques

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