Chapitre 1-Proprietes Physiques Des Sols [PDF]

Zitiervorschau

UFR SCIENCES DE L’INGENIEUR

Départements de Génie Civil et Géotechnique

Mécanique des Sols Dr Makhaly Ba Maitre de Conférences Titulaire

Chapitre I

Propriétés physiques des sols Objectifs de ce chapitre :

• Terminologie de base et définitions • Essais simples d'identification des constituants des sols • Classification des sols

Chapitre I

Propriétés physiques des sols

1- Définition des sols – éléments constitutifs d'un sol 2- Caractéristiques physiques des sols 3- Caractéristiques dimensionnelles 4- Structure des sols

5- Essais d'identification – sols grenus 6- Essais d'identification – sols fins 7- Autres essais

8- Classification des sols

1. Définition des sols

5. Identification sols grenus

2. Caractéristiques physiques 6. Identification sols fins

3. Caractéristiques dimensionnelles 7. Autres essais

4. Structure des sols 8. Classification des sols

1- Définition – éléments constitutifs d'un sol 1.1 Définition des sols Matériaux à la surface de l'écorce terrestre Roches

Sols

grains minéraux fortement liés

1.2 Éléments constitutifs d’un sol squelette solide + eau + gaz 1. Définition des sols

aggrégats de grains minéraux

effet de la taille libre, capillaire, adsorbée air + vapeur d'eau 2. Caractéristiques physiques

3. Caractéristiques dimensionnelles

4. Structure des sols

2- Caractéristiques physiques des sols 2.1 Description 2.2 Relations entre les paramètres 2.3 Détermination des caractéristiques physiques 2.3.1 Teneur en eau w 2.3.2 Poids volumique γ 2.3.3 Poids volumique des particules solides γs

1. Définition des sols

2. Caractéristiques physiques

3. Caractéristiques dimensionnelles

4. Structure des sols

2.1 Description

Existence de trois phases → définition de paramètres caractéristiques des sols

Représentation schématique - volume élémentaire de sol - trois phases séparées - volumes et poids de chacune des phases

Air

Va

Ww

Eau

Vw

Ws

Solide

Vs

Wa W

Vv

V

grandeurs mesurables 0

W

Air

Va

Ww

Eau

Vw

Ws

Solide

Vs

Wa

W : poids total du sol Ws : poids des particules solides Ww : poids de l'eau V Vs Vv Vw Va

Vv

V

W = Ws + Ww

: volume total (apparent) : volume des particules solides Vv = Vw + Va des vides entre les particules volume : V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va de l'eau volume :

: volume de l'air

Paramètres dimensionnels Poids volumique…

- du sol sec

- des grains solides

- du sol saturé

- de l'eau - total (du sol)

0

W

Wa

poids volumiques

- du sol déjaugé

Air

Va

Ww

Eau

Vw

Ws

Solide

Vs

Vv

V

Paramètres sans dimension relations volumiques - porosité n

=

VV V

VV - indice des vides e = VS

caractérisation de l'état du sol - teneur en eau

w = WW 100 WS

VW 100 - degré de saturation Sr = VV 0

W

Wa

Air

Va

Ww

Eau

Vw

Ws

Solide

Vs

relation pondérale

Vv

V

2.2 Relations entre les paramètres Les paramètres physiques définissent l'état d'un sol γs ≈ constant (26,5 kN/m3) - état de compressibilité → poids volumique - quantité d'eau - quantité de vides

→ →

w ou Sr e ou n

La caractérisation d'un sol nécessite 3 paramètres indépendants - utilisation d'un diagramme de phases relations entre caractéristiques physiques - utilisation d'un formulaire →

2.3 Détermination des caractéristiques physiques Essais d'identification

- connaissance du sol - paramètres nécessaires à leur classification 3 paramètres indépendants

- essais en laboratoire - dispersion des mesures (plusieurs essais) 2.3.1 Teneur en eau w

w=

Ww Ws

2 pesées : avant et après étuve à 105oC - poids total - poids solide

2.3.2 Poids volumique γ

γ=

W V

→ détermination de W et V

3 méthodes

- immersion dans l'eau - trousse coupante - moule

Détermination du volume total d'échantillon de sol (V) • Méthode par immersion dans l'eau

- pesée 1 → poids de l'échantillon - échantillon recouvert d'une couche de paraffine - pesée 2 → poids de la couche de paraffine (et son volume) - pesée 3 (hydrostatique) → volume total (échantillon + paraffine)

• Méthode de la trousse coupante

- poinçonnement dans l'échantillon - volume V de l'échantillon → aire de la section x hauteur

• Méthode du moule

- remplissage d'un moule jusqu'à débordement - arasage à la règle → comme l'essai Proctor

2.3.3 Poids volumique des particules solides γs

γS = WS VS

pesée

à mesurer de façon précise

(a) pycnomètre (b) pesée hydrostatique

Pycnomètre - sol séché puis pesé (Ws) - sol dans le récipient contenant de l'eau distillée - enlever les buller d'air - volume d'eau déplacé par le sol

eau + sol

eau seulement

à volume constant

W1

+

sol sec

Ws

=

W2

Ww = W2 - Ws

3- Caractéristiques dimensionnelles 3.1 Forme 3.2 Dimensions 3.3 Caractéristiques granulométriques 3.3.1 Courbe granulométrique 3.3.2 Surface spécifique

1. Définition des sols

2. Caractéristiques physiques

3. Caractéristiques dimensionnelles

4. Structure des sols

3.1 Forme

3.2 Dimensions

Sols pulvérulents

Cailloux

200mm

Sols fins

Graves Gros sable Sable fin Limon

20mm

2mm

0,2mm

0,02mm 20μm

Argile

2μm

Diamètre des grains décroissant

3.3 Caractéristiques granulométriques 3.3.1 Courbe granulométrique

• Les grains d'un sol ont des dimensions variables → quelques μm à quelques dizaines de cm • Granulométrie → distribution massique des grains suivant leur dimension technique d'obtention différente selon le type de sol • Sol pulvérulent : tamisage - jusqu'à 40 ou 80 μm - utilisation de passoires et de tamis trous circulaires

- à sec pour les gros grains - sous eau pour les matériaux cohérents

mailles carrées

• Sol fins : sédimentométrie ou granulométrie laser

Tamisat

Refus

(passant)

Log diamètre des grains

Sédimentométrie • Particules de diamètre inférieur à 0.075mm • Sépare silt et argile

Sédimentométrie • Loi de Stokes:

• Equation d’équilibre:

4 D D    G s  1 f  6  V 3 2 2 3

D V = Vitesse finale = L/t

L = Distance parcourue t = temps Gs = densité spécifique des solides Gw = densité spécifique de l’eau  = viscosité du fluide D = diamètre de la particule

18 L G s  1 f t

(c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Sédimentométrie

Définition de L dans un essai sédimentométrique

Sédimentométrie • Hydromètre mesure la densité du mélange (rf) R = Lectures • ASTM 152H hydrometer calibré pour 0 à 60g de sol dans 1000mL d’eau

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Granulométrie des Sols

Courbe granulométrique (tamisage et sédimentométrie)

• Courbe granulométrique → représentation graphique donnant : - la masse de tamisat cumulé (en %) échelle arithmétique échelle logarithmique - le diamètre des particules x%

Tamisat

x% de grains < à d

(passant)

d

Log diamètre des grains

• Caractérisation de la granulométrie d'un sol → utilisation de coefficients coefficient d'uniformité

Cu =

D60 D10

Cu > 2 → granulométrie étalée Cu < 2 → granulométrie uniforme ou serrée

coefficient de courbure

2 D30 Cc = D60 D10

sols bien gradués → matériaux plus denses

Cu = 450 Cc = 2 Cu = 55 Cc = 0,1 Cu = 1,8 Cc = 1,12

4- Structure des sols 4.1 Structure des sols pulvérulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiques

1. Définition des sols

2. Caractéristiques physiques

3. Caractéristiques dimensionnelles

4. Structure des sols

4.1 Structure des sols pulvérulents (grenus) 4.2 Structure des argiles 4.3 Sols organiques Sol grenu

Sol fin ou cohérent

d > 20μm

d < 20μm

forces de pesanteur

Sables

effet de surface forces entre les particules

Sol organique mauvaises propriétés géotechniques

Argiles

comportement des sables → dépend de l'état de compacité comportement des argiles → dépend de la quantité d'eau

Propriétés géotechniques très différentes

5- Essais d'identification – sols grenus comportement des sols grenus → dépend du squelette solide, peu importe l'état d'humidité → importance de la dimension des grains et de leur état de compacité

5.1 Essai d'équivalent de sable 5.2 Indice de densité

5. Identification sols grenus

6. Identification sols fins

7. Autres essais

8. Classification des sols

5.1 Essai d'équivalent de sable

Évaluer la proportion relative d'éléments fins dans un sol • essai simple et rapide • appareillage élémentaire • géotechnique routière

Principe

• fraction < 5mm • lavage énergique avec solution lavante • repos de l'ensemble

Résultat

• floculat gonflé par la solution (particules fines) • dépot solide (sable) au fond de l'éprouvette

E.S. =

h2 100 h1

Nature

Argile pure Sol plastique Sol non plastique Sable pur et propre

Equivalent de sable E. E. E. E.

S. S. S. S.

= 0 = 20 = 40 = 100

5.2 Indice de densité

État de densité dans lequel se trouve un sol pulvérulent effet important sur le comportement mécanique

I D=

emax − e e max − e min

Sol lâche e ≈ Sol serré e ≈

emax

emin

emax et emin

indices des vides max et min sur le matériau

ID ≈ 0

ID ≈ 1

emin et emax dans le cas de matériaux théoriques État le plus compact emin = 0,35 porosité n = 25,9%

Vue en plan

π/3

Vue en 3d

emin et emax dans le cas de matériaux théoriques État le moins compact emax = 0,92 porosité n = 47,6%

Vue en plan

Vue en 3d

6- Essais d'identification – sols fins comportement des sols fins - taille des grains → forces de cohésion - présence d'eau → changement de consistance

6.1 Limites d'Atterberg 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5

Limite de liquidité wL Limite de plasticité wp Indice de plasticité Ip Indice de consistance Ic Ordre de grandeur

6.2 Activité

6.3 Valeur de bleu de méthylène 5. Identification sols grenus

6. Identification sols fins

7. Autres essais

8. Classification des sols

Comportement des sols fins avec la variation de w état solide

0

sans retrait

ws

état liquide - pas de capacité portante état plastique - fortes déformations - déformations plastiques

avec retrait

état plastique

wp

Ip

état liquide

wL

w croissant

état solide (avec retrait) - déformations élastiques état solide (sans retrait) - pas de changement de volume avec la baisse de w

6.1 Limites d'Atterberg 6.1.1 Limite de liquidité wL Méthode de Casagrande

Teneur en eau pour laquelle une entaille est refermée sur 10mm après 25 chocs

Méthode du cône de pénétration

Vidéo

En pratique Teneur en eau (%)

30

25

20

10

15

20

25

Nombre de coups

30

35

40

6.1.2 Limite de plasticité wp

Teneur en eau correspondant à une limite arbitraire entre les états plastique et semi-solide de la consistance d'un sol. cylindre de 3mm de diamètre se brisant en tronçons de 10 à 20mm

6.1.3 Indice de plasticité Ip

Ip = w L − w p

Habituellement

étendue du domaine de plasticité - domaine de travail du sol - le plus grand possible

wp < teneur en eau des sols en place < wL

6.1.4 Indice de consistance Ic

w L − w nat Ip

I c=

sol en place par rapport à l'état liquide

liquide

très mou

mou

0

0,25

0,50

mi-consistant

0,75

consistant

1,00

très consistant

> 1,00

Ic

6.1.5 Ordre de grandeur

Nature

wL (%)

wP (%)

IP (%)

Limon Argile limoneuse peu plastique Argiles plastiques Argile de Mexico Bentonite

24 40 114 500 710

17 24 29 125 54

7 16 85 375 656

6.2 Activité

A C=

Ip

teneur en arg ile

poids < 2 μm

poids total sec (< 0,4 mm)

Nature

Activité

Kaolinite

0,38

Montmorillonite

7,2

Illite

0,9

(inactive)

(normale) (active)

6.3 Valeur de bleu de méthylène Argilosité d'un sol

Quantité de bleu de méthylène pouvant s'adsorber sur les particules argileuses importance de la surface spécifique

• Tant que le bleu de méthylène est absorbé, il ne colore pas l'eau. • On le vérifie en déposant une goutte sur un papier buvard: le centre de la tache est bleu vif (argile ayant absorbé le bleu) et l'auréole de la tache reste incolore. • A partir d'une certaine dose de bleu, l'auréole se colore aussi : c'est le signe que toute l'argile a épuisé sa capacité d'absorption. • La quantité de bleu consommée est donc une indication de la quantité d'argile. • La valeur de bleu (VBS) s'exprime par la quantité de bleu en grammes consommée par 100 grammes de fines. sol sableux

0

0,2

sol limoneux

sol limoneux-argileux

2,5

sol argileux

6

sol très argileux

8

VBS

7- Autres essais

7.1 Analyse minéralogique Diffraction des rayons X

composition minéralogique

7.2 Teneur en matière organique rétention d'eau, compressibilité

7.3 Teneur en carbonate de calcium Teneur en CaCO3 (%) 0 - 10 10 - 30 30 - 70

70 - 90 90 - 100

5. Identification sols grenus

6. Identification sols fins

Désignation géotechnique Argile Argile marneuse Marne

Sols

Calcaire marneux Calcaire

Roches

7. Autres essais

8. Classification des sols

8- Classification des sols 8.1 Sols à granulométrie uniforme

8.2 Sols à granulométrie non uniforme 8.2.1 Sols grenus 8.2.2 Sols fins 8.3.3 Sols organiques

• Classification : rattachement à un groupe de sols de caractéristiques semblables • Nombreuses classifications dans différents pays - USCS - AASHTO - LPC - GTR (remblais et couches de forme)

5. Identification sols grenus

6. Identification sols fins

7. Autres essais

8. Classification des sols

Exemple de sondage

Classification GTR

Classification LPC

Cu faible

à partir des résultats fournis par

Sol

8.1 Granulométrie uniforme

- la granulométrie - les caractéristiques de plasticité de la fraction fine (Atterberg)

Cu élevé

8.2 Granulométrie non uniforme

8.2.1 Sols grenus

8.2.2 Sols fins

sables ou graves

limons et argiles

tableau

abaque de Casagrande

8.2.3 Sols organiques

- décapage - remblayage

8.1 Sols à granulométrie uniforme

Classification reposant sur le diamètre moyen des grains Sol 8.1 Granulométrie uniforme

Sols pulvérulents

Cailloux

200mm

Sols fins

Graves Gros sable Sable fin Limon

20mm

2mm

0,2mm

0,02mm 20μm

Argile

2μm

Diamètre des grains décroissant

8.2 Sols à granulométrie non uniforme • Majorité des cas • Trois types de sols

- sols grenus 50% > 80 μm - sols fins 50% < 80 μm - sols organiques > 10%

8.2.1 Sols grenus Granulométrie et limites d'Atterberg

Sol 8.2 Granulométrie non uniforme

8.2.1 Sols grenus sables ou graves

8.2.2 Sols fins

Limites d'Atterberg

critère de plasticité

Sol 8.2 Granulométrie non uniforme

8.2.2 Sols fins limons et argiles

Ip

wL

8.2.2 Sols organiques exemple : Von Post

Sol 8.2 Granulométrie non uniforme

8.2.3 Sols organiques

Teneur en matière organique (%) 0-3 3 - 10 10 - 30 > 30

Désignation géotechnique

Sol inorganique Sol faiblement organique Sol moyenne organique Sol très organique

fO mO tO

Vase Sol tourbeux Tourbe

Dr Makhaly Ba Maître de Conférences Titulaire

Le compactage des sols

Arthur Casagrande (1902-1981)

But du Compactage



Compactage est l’application d’une énergie au sol pour réduire son indice des vides – –



 



C’est très souvent nécessaire pour la mise en place des remblais, et parfois pour les sols naturels (sols de fondations)

Le compactage réduit les tassements des sols sur lesquels reposent des charges (ex. bâtiments, remblais, etc.) Le compactage augmente la résistance du sol Le compactage empêche un écoulement facile de l’eau dans les sols (cas d’ouvrages où la circulation des eaux est néfastes) Le compactage peut empêcher la liquéfaction lors d’un séisme

Facteurs affectant le compactage 

La teneur en eau naturelle du sol



Le type de sol devant être compacté



La quantité d’énergie de compactage nécessaire (le type de compactage)



Essai de compactage au laboratoire

Equipement

Pomme

collier (moule Additionnelle)

Moule cylindrique Embase

Cylindre

Dame de compactage

Essai de compactage au laboratoire

 Equipement

Pomme collier (moule Additionnelle)

Moule cylindrique Embase

Cylindre

Mouton ou Dame de compactage

Essai de compactage au laboratoire

Vmoule Proctor = 948 cm3

V moule CBR = 2 296 cm3

Présentation des résultats



L’objectif du compactage est de réduire l’indice des vides, ou d’augmenter le poids volumique sec du sol.  dry 



Gs 

w

1+ e

Dans un essai de compactage on mesure les poids volumique ainsi que les teneurs en eau. Le poids volumique peut être déterminé comme suit : Pt Solides + Pt de l’eau Ps + Pw P  total    V Volume total V  total

 P w P s 1 +  Ps  (1 + m)  dry  V

m = W : teneur en eau

Poids volumique sec

Présentation des résultats (d )max

Wopt

Teneur en eau

A partir du graphique, on détermine la Teneur en eau optimale, Wopt qui donne le maximum de Poids volumique sec, (d)max.

Présentation des résultats



Pour comprendre l’allure de la courbe il est utile de trouver une relation entre d et le pourcentage des vides occupé par l’air, A. Va A (%)   100 V



d



Vw + Vs A 1   100 V

Ps + Pw    1+ m V (1 + m ) total

Vs 

Ps Gs 

d

w

Vw



A ) 100 (V s + V w ) (1 + m )

(P s + P w ) (1 

Pw



w



mP s

A  Gs  w   (1  )  + 100  Gs m 1



w

Présentation des résultats

Poids volumique sec

Si le sol est saturé (A = 0) et

d

 Gs  w     +  Gs m 1

Impossible

S = 50% Teneur en eau

S = 75%

Ligne à «Zéro vides» d'air ou courbe de saturation

S = 90%





 

Rôle de la Teneur en eau

Ajoutant de l’eau en faible quantité permet aux particules de sols de se déplacer pendant le compactage, et permet d’atteindre un faible indice des vides. Par conséquent, l’augmentation de la teneur en eau est associé avec une augmentation du poids volumique. L’augmentation de la teneur en eau permet de diminuer le volume d’air à l’intérieur du milieu poreux et le sol évolue vers la courbe de saturation. Le sol atteint un poids volumique maximal à l’optimum de la teneur en eau. A cause de l’allure de la courbe de saturation, toute diminution supplémentaire de teneur en eau conduit à une réduction de la masse volumique.

Poids volumique sec

L’effet de la variation de l’énergie de compactage



 

Augmentation de l’énergie de compactage

Teneur en eau

L’augmentation de l’énergie de compactage conduit à l’augmentation du poids volumique sec maximal avec une faible valeur de la teneur en eau optimale. Il n’existe pas de courbe unique. La courbe de compactage est une fonction de l’énergie (de compactage) appliquée.

Utiliser plus d’énergie ce compactage au delà de mopt n’a qu’un effet limité ou insignifiant.

Effet du type de sol

Valeurs Typiques

d )max (kN/m )

mopt (%)

19

12

18

15

3

 

Sable bien gradué

SW

Sable argileux

SC

Sable pauvrement gradué

SP

Argile de faible plasticité

CL

Silt non plastique

ML

Argile très plastique

CH

22 18 17 15

7

15 17 25

s est constant, alors toute augmentation de la masse volumique sèche est associée avec une diminution de la teneur en eau optimale. Ne jamais utiliser ces valeurs classiques (typiques) pour un quelconque dimensionnement car les sols ont des propriétés très variables.

Spécifications in situ

Accepté

Rejeté Teneur en eau

(a) > 95 (%) du Poids Volumique sec (modifié) maximum

Poids volumique sec

Poids volumique sec

Pendant la construction d’ouvrages en terre (barrages, routes, digues, retenues, etc.) il est nécessaire d’avoir la valeur du poids volumique sec des matériaux utilisés. Rejeté

Teneur en eau

Accepté

(b) > 95% du Poids Volumique sec (modifié) maximum et m avec ± 2% de mopt

Le Compactage des sols - Essai CBR But et Principe de l’essai • Dans les travaux routiers, et en particulier pour la confection des remblais et des couches de forme, on ne peut admettre que de faibles déformations. • On détermine donc la portance du sol, c’est-à-dire sa résistance à la rupture, par l’essai CBR (Californian Bearing Ratio) ou essai de portance californien • Au cours de cette essai, le matériau est poinçonné par un piston de 19,3 cm2 de section, enfoncé à la vitesse constante de 1,27 mm/mn • Les valeurs particulières des deux forces ayant provoqué les enfoncements de 2,5 et 5 mm sont alors rapportées aux valeurs 13,35 et 20 kN, qui sont les forces observées dans les mêmes conditions sur un matériau de référence

Le Compactage des sols - Essai CBR But et Principe de l’essai • L’indice CBR est par convention la plus grande des deux valeurs suivantes :

I.CBR25 = 100. F25/13,35 I.CBR50 = 100. F50/19,95 I.CBR = max (I.CBR25 ; I.CBR50)

F25 : Force (en kN) à 2,5 mm d'enfoncement F50 : Force (en kN) à 5 mm d'enfoncement

13,35 : Force (en kN) à 2,5 mm d'enfoncement pour le matériau type 20 : Force (en kN) à 5 mm d'enfoncement pour le matériau type

Le Compactage des sols - Essai CBR

Définitions

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 Dans les régions peu humides, le C.B.R. immédiat sert directement de référence (pas de variation hydrique) • L’essai C.B.R. après imbibition : Mesure de la résistance au poinçonnement d’un sol compacté à la teneur en eau optimale puis immergé durant plusieurs jours (4 en générale). Il caractérise l’évolution de la portance d’un sol compacté à différentes teneurs en eau et/ou soumis à des variations de régime hydrique. Remarque : la capacité portante du sol est d’autant meilleure que l’indice CBR est plus élevé

Le Compactage des sols Equipement nécessaire

Equipement

Equipements de Compactage

Rouleaux à tambour lisse, statique ou vibrant

Sols appropriés

Sable-gravier bien gradué, croûte rocheuse, Béton bitumineux Enrobé dense

Rouleaux à pneus

Sols granulaires grossiers avec peu de fines

Rouleaux à grillage

Roches altérées, sols grossiers bien gradués

Rouleaux à pieds de mouton, statique

Sols granulaires fins > 20 % de fines

Rouleaux à pieds de mouton, vibrant

Comme plus haut, mais aussi pour les mélanges gravier-sable

Plaques vibrantes

Sols grossiers, 4 à 8% de fines

Vibroflottation, compactage dynamique

Tous types

Rouleaux à impact

La plupart des sols saturés et/ou humides

Aussi compactage dynamique, pieux vibrants

Techniques de compactage et Equipements Quel matériel utiliser ?

Argile Impact rollers

Sable

SAND CONE TEST

Contrôle du compactage

Densimètre

Sable et Graviers

Pour les sols (sans cohésion ou sols pulvérulents, c = 0) sans fines des spécifications alternatives sont utilisées. Elles sont basées sur la densité relative.

Id

e max  e  e max  e min

e = indice des vides du sol

emax = l’indice des vides maximum dans un essai standard emin = l’indice des vides minimum dans un essai standard Id = 1 quand e = emin et le sol est à son état le plus dense

Id = 0 quand e = emax et le sol est à son état le moins dense

Sable et Graviers

On peut écrire Id en terme de d car on a : Gs  w e   1

 dry

Id



 dry

( dry   dry min )

 dry ( dry max

max

  dry min )

Les termes lâche, moyen et dense sont utilisés, avec lâche

moyen dense

0 < Id < 0.333

0.333 < Id < 0.667 0.667 < Id < 1

Le poids volumique sec maximum et minimum varie considérablement d’un sol à un autre, alors on ne peut déterminer le poids volumique sec à partir de Id