reconnaissance des terrains [PDF]

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Notes de Cours Géotechnique

RECONNAISSANCE ET EXPLORATION DES SOLS

Dr Adama DIONE Docteur de l’Université de Thiès UFR Sciences de l’Ingénieur

PROBLEMATIQUE?

Retrait- gonflement de l’argile et fissuration des murs à Colobane Kaw (Sarr, 2016)

Fondation sur sol compressible (Rufisque)

Effondrement de bâtiments (Cap des Biches)

Effondrement des bâtiments aux fondations

Rupture de la longrine par flexion à droite au Cap des biches

But La reconnaissance géotechnique a pour but de révéler la présence de tout facteur environnemental lié au sol et susceptible d’influer sur le comportement de l’ouvrage. Ses objectifs sont les suivants :  Décrire la stratigraphie, c’est-à-dire la nature et l’épaisseur des couches de sol sous l’ouvrage.  Déterminer la nature, la profondeur et la pression des divers nappes.  Mesurer les caractéristiques physiques, mécaniques et hydrauliques du sol.  Révéler la présence actuelle ou ponctuelle de tout accident ou phénomène géologique présentant des dangers pour l’ouvrage : faille, sismicité, zone de glissement, instabilité de talus.

Rappels La géotechnique regroupe l’ensemble des sciences appliquées et des techniques en relation avec les sols et les terrains sur lesquels l’ingénieur de Génie Civil s’appuie pour construire les ouvrages du Bâtiment et des Travaux Publics. Ce vaste domaine comprend les diverses disciplines :

La géologie: elle est nécessaire pour évaluer la nature du terrain sur lequel les ouvrages sont construits, et revêt une importance particulière dans le cas des ouvrages d’art, des tunnels, des bâtiments de grande hauteur car les charges transmises se diffusent dans le sol sur une zone étendue.

La mécanique des solides et des fluides : Celle-ci est indispensable pour déterminer les actions que les ouvrages transmettent au sol, les contraintes mécaniques dans le sol générées par les actions et s’assurer que le sol reprenne ces actions dans de bonnes conditions. La topographie : elle définit une représentation de la géométrie du terrain sur lesquels l’ouvrage sera construite. La chimie : science mineure dans le cas de la construction des ouvrages courants (petits bâtiments), elle est très présente dans le cas des ouvrages plus importants car nécessaire pour évaluer l’évolution du terrain en présence d’upar exemple problème de dissolution de roche par suite de la modification de l’écoulement de l’eau dans les terrains suite à la construction environnement qui parfois peut être agressif pour le sol ().

Les techniques des travaux et de construction : elles regroupent l’ensemble des outils d’ingéniérie qui permettent de choisir les solutions technologiques mises en œuvre pour assurer la stabilité et la pérénité des ouvrages, sur la base de critères technologiques et financiers.

La conception de l’ancrage d’un ouvrage dans l’environnement géologique pose souvent davantage de problèmes que la conception de l’ouvrage même, en raison des spécificités de la géotechnique. On ne dispose en général que d’une connaissance partielle (ou imparfaite) du terrain et des actions qu’exercent l’ouvrage sur le sol, ou de l’évolution de la configuration du terrain à l’avenir (construction d’autres ouvrages à proximité).

Par ailleurs, il n’est souvent pas possible (ou nécessaire) d’utiliser toute la panoplie des outils que les sciences appliquées mettent aujourd’hui à notre disposition pour dimensionner les ouvrages, pour les raisons évoquées précédemment ou simplement parce que l’importance de l’ouvrage ne le justifie pas.

Néanmoins, le concepteur doit trouver des réponses à certaines interrogations :  Soit en phase de dimensionnement de l’ouvrage,

 Soit lors de la vérification.

Phase de dimensionnement

 Comment reporter les charges d’une structure sur le terrain par l’intermédiaire d’une interface qui garantit la stabilité mécanique de l’ouvrage dans le temps (fondation, tunnel)?  Quelles actions exercent le sol sur l’ouvrage (tranchées, murs de soutènement)?

 Comment réaliser des terrassements qui offrent tous les garanties de stabilité dans le temps sur lesquels on pourra construire des ouvrages?

Phase de vérification

 La transmission des charges entre structure et terrain est-elle assurée en garantissant la stabilité mécanique de l’ouvrage et sa tenue dans le temps?  Quels outils utiliser pour faire ces vérifications?

Répondre à ces interrogations suppose que l’on dispose de compétences à différents stades de l’étude géotechnique :  de nature naturaliste : il faut savoir reconnaitre le sol et les terrains;  d’expérimenteur : il faut connaître et mettre en œuvre les essais pour caractériser le sols ;  de mécanique : il faut maîtriser les outils de la mécanique des milieux continus afin de déterminer les sollicitations sur le sol et l’ouvrage et vérifier que le sol et l’ouvrage restent stables;

En technique de construction et organisation de chantier : indispensable pour proposer des solutions économiquement viables et choisir celle qui est la plus appropriée. On mesure donc ici l’étendue très vaste de compétences qu’un géotechnicien doit acquérir pour devenir opérationnel. C’est à la fois une contrainte mais qui permet ensuite d’exercer un métier.

Classement d’un ouvrage géotechnique

Pour des raisons évidentes de coût, la complexité de l’étude géotechnique dépendra du type d’ouvrage construit et des risques encourus pour les biens et les vies. Les exigences minimales ne sont pas les mêmes selon que l’on construit une maison individuelle, un immeuble de taille moyenne à Saint Louis, la tour Montparnasse ou le tunnel sous la Manche un R+7 à Rufisque ou à Ouaga etc.

Dans l’Eurocode 7 « Calcul géotechnique » une classification des ouvrages dans trois catégories est proposée.

Catégorie géotechnique 1

Cette catégorie comprend les ouvrages petits et relativement simples pour lesquels les exigences fondamentales seront satisfaites avec des risques négligeables pour les biens et les vies, en utilisant l’expérience acquise et des reconnaissances géotechniques qualitatives. Les procédures simplifiées de dimensionnement mises en œuvre ne s’appliquent que pour des conditions de terrain dont une expérience comparable a montré qu’elles sont suffisamment simples pour que des méthodes de routine puissent être utilisées pour le calcul et l’exécution des fondations.

Les types d’ouvrages entrant dans cette catégorie sont les suivants :  les maisons à un ou deux niveaux et les bâtiments agricoles simples, dont Pmax (poteaux) = 250 kN et pmax (murs) = 100 kN/m, construits sur des types de fondations superficielles et sur pieux;

 les murs de soutènement et fouilles blindées;  les petites excavations pour les travaux de drainage, la pose de canalisation.

Catégorie géotechnique 2

Elle comprend les types classiques d’ouvrages et de fondations qui ne présentent pas de risques anormaux ou de conditions de terrain et de chargement inhabituelles ou exceptionnellement difficiles. Les ouvrages nécessitent des données et des calculs géotechniques quantitatifs permettant de justifier que les exigences fondamentales seront satisfaites, mais des procédures de routine peuvent être utilisées pour les essais en place et en laboratoire ainsi que pour le calcul et l’exécution des travaux.

Les types d’ouvrage entrant dans cette catégorie sont :  les fondations superficielles, sur radiers ou sur pieux;  les murs et autres ouvrages retenant ou soutenant du sol ou de l’eau;  les excavations;  les appuis et culées de ponts;  les remblais et terrassements;  les ancrages et autres systèmes de tirants;  les tunnels dans les roches dures non fracturées, sans conditions spéciales d’étanchéité ou autres exigences.

Catégorie géotechnique 3

Cette catégorie comprend tous les autres ouvrages ou parties d’ouvrages qui n’entrent pas dans les catégories précédentes.

Données géotechniques Pour réaliser le dimensionnement de l’ouvrage, le géotechnicien doit disposer d’un ensemble d’informations sur le terrain où l’ouvrage sera construit, de manière à proposer la solution technologique la plus adéquate. Il est donc nécessaire de recueillir des informations sur :

 la convenance générale du terrain;  la disposition et la classification des différentes zones de sol ou de roche et des éléments de l’ouvrage;  les plans de stratification inclinés, les failles, joints et fissures, les cavités de dissolution;  les variations des niveaux des eaux souterraines

 les exploitations souterrains;

minières,

cavernes

ou

autres

ouvrages

 les effets d’affouillement, d’erosion et d’excavation;  les effets de la corrosion chimique, d’altération, du gel;  les autres effets du temps sur la résistance et les autres propriétés des matériaux;  les effets du nouvel ouvrage sur les ouvrages et les réseaux existants. La reconnaissance géotechnique ne soulève pas de problème particulier pour les ouvrages de catégorie 1. Pour les ouvrages de catégorie 2 et 3, elle comprend trois étapes : Une reconnaissance primaire, une reconnaissance pour le dimensionnement et une reconnaissance de contrôle.

Une reconnaissance primaire Cette reconnaissance a pour but d’évaluer la convenance générale du site, de le comparer avec d’autres sites potentiels et d’estimer les transformations qui peuvent être provoquées par les travaux.

Elle permet également de planifier les reconnaissances destinées au dimensionnement et aux contrôles, d’identifier les zones d’emprunt. Il faut prendre en compte différents éléments en fonction de l’importance de l’ouvrage la reconnaissance du terrain, la topographie, l’hydrologie, l’examen des ouvrages et des excavations voisines, les cartes et relevés géologiques et géotechniques, les reconnaissances antérieures, les photographies aériennes, la sismicité régionale,...

Une reconnaissance pour le dimensionnement

Cette reconnaissance est menée pour collecter les informations nécessaires au dimensionnement de l’ouvrage dans les conditions économiques satisfaisantes et à la définition de la méthode de construction. Les éléments suivants doivent être pris en compte :  la stratigraphie géologique,  les propriétés de résistance et de déformabilité des terrains,  la distribution des pressions interstitielles,  les conditions de perméabilité,  les instabilités,  la compactibilité,  l’agressivité du terrain et de l’eau,  la sensibilité au gel (pays du nord).

Une reconnaissances de contrôle

Cette reconnaissance est effectuée au cours de la réalisation de l’ouvrage.

Elle a pour but de vérifier les reconnaissances effectuées pour le dimensionnement. Le dimensionnement de l’ouvrage suppose donc qu’on ait une connaissance la plus précise possible des caractéristiques du sol ou de la roche. Un certain nombre d’entre eux est recensé dans le tableau

Paramètres caractérisant les sols et roches

Documents contractuels

La justification du dimensionnement d’un ouvrage géotechnique fait l’objet de deux documents écrits dont la structure est définie par les normes en vigueur : un rapport de reconnaissance géotechnique et un rapport de dimensionnement de l’ouvrage. Les résultats de la reconnaissance des terrains sont consignés dans un rapport qui sert de base au rapport de dimensionnement géotechnique.

Le rapport comprend normalement deux parties :  la présentation des informations géotechniques disponibles, y compris les caractéristiques géotechniques et les données importantes pour le projet;  l’évaluation géotechnique de ces informations indiquant les hypothèses adoptées pour établir les valeurs des paramètres géotechniques.

Le rapport de dimensionnement rassemble les hypothèses de calcul, les données, les calculs et les résultats. Selon le type de projet, ce rapport peut être plus ou moins détaillé; une page peut suffire pour les projets simples.

Il convient d’y inclure les points suivants :

 une description du site et de son voisinage;  une description des conditions de terrain;

 les valeurs de calculs des propriétés des sols et des roches, y compris leurs justifications;  la liste des codes et normes appliqués;  l’´enoncé du niveau des risques admis;  les calculs géotechniques et les dessins;  une liste des points à vérifier pendant l’exécution des travaux ou nécessitant de l’entretien ou un suivi;  un programme de contrôle et de surveillance, lorsque le contexte l’exige.

Méthodologie générale d’une étude

Méthodologie de la reconnaissance géologique

Ces essais ne suffisent pas à eux seuls pour récupérer l’ensemble des informations utiles pour le dimensionnement des ouvrages. Ils sont donc complétés par une caractérisation de certaines propriétés en laboratoire

Techniques de reconnaissance des terrains

Avant de choisir les techniques les plus appropriées pour caractériser le terrain, le géotechnicien commence toujours l’étude par la recherche et l’exploitation de données déjà disponibles dans le domaine public (cartes géologiques, photographies aériennes, documents divers sur le site) et en faisant des enquêtes auprès d’organismes publics ou de sociétés privées.

Complété par des observations sur le terrain (relevés topographiques, étude des sols en surface), à la reconnaissance des terrains, à savoir la structure cette étape permet de définir les essais in situ et les sondages nécessaires ture géologique du soussol, et d’autres essais plus spécifiques permettant de déterminer certaines propriétés des sols (résistance mécanique, déformabilité, perméabilité, ...).

Les essais géophysiques Les méthodes géophysiques sont utilisées pour la reconnaissance des structures géologiques de grandes superficies. Mais elles sont également utilisées pour obtenir à moindre coût l’état du sous-sol en profondeur dans le terrain sur lequel l’ouvrage est bâti. Elles fournissent des renseignements qui complètent ceux recueillis par les sondages ponctuels. L’exploitation des résultats permet de construire des cartes représentatives du sous-sol (cartes géologiques, cartes des formations superficielles, coupes,...).

Les essais géophysiques peuvent être utilisés dans l’étude préliminaire d’un projet important afin de préciser les emplacements où les ouvrages peuvent être implantés et les zones à éviter. Ils permettent également d’orienter l’implantation des sondages en vue d’une reconnaissance localisée et précise du sol.

On décrit ci-dessous succinctement les principales méthodes géophysiques

Méthode électrique Cette méthode est basée sur la mesure de la résistivité du sol. On envoie dans le sol un courant continu à l’aide de deux piquets A et B et on mesure la différence de potentiel entre deux autres points du terrain C et D situés entre les points A et B .

Si le terrain est homogène et isotrope alors la résistivité est donnée par la relation :

I est l’intensité du courant

Ordre de grandeur de la résistivité du sol

Si le terrain n’est pas homogène, ce qui est par exemple le cas en présence de deux couches de résistivité ρ1 et ρ2, alors selon la position des piquets, la couche la plus profonde est traversée par un courant ou non. Si la longueur AB est petite par rapport `a l’épaisseur h de la première couche, la plupart des lignes de courant passent `a travers la couche 1 de résistivité ρ. L’application de la relation précédente donne une valeur approchée de ρ1, qui est indépendante de la distance AB.

En revanche, si la distance est très grande par rapport à cette épaisseur, on mesurera une résistivité qui est plus proche de celle de ρ2. On voit donc qu’il existe une corrélation entre la résistivité enregistrée en fonction de l’écartement AB et l’épaisseur de la couche, moyennant une analyse plus sophistiquée.

L’analyse est généralisable à n couches mais nécessite l’utilisation d’outils s’appuyant sur l’analyse inverse pour identifier les couches et les positions des couches. L’application d’un courant n’est pas indispensable pour déterminer la résistivité du terrain car souvent on constate entre deux points du sol une différence de potentiel (polarisation spontanée) que l’on peut mesurer. On applique cette méthode notamment dans les forages, entre deux points situés à deux profondeurs différentes.

Méthode sismique

Dans la prospection sismique par réfraction qui est la technique utilisée en génie civil, on produit en un point O un ébranlement par des chocs mécaniques (marteaux) ou une explosion qui génèrent des vibrations dont on étudie la propagation en plaçant un détecteur (ou géophone) en A à une distance x de O. Deux types d’ondes sont détectées : les ondes directes et les ondes réfléchies sur les frontières qui séparent les couches de sol de nature différente. Celles-ci obéissent aux lois de l’optique classique comme l’illustre l’exemple de la figure

Soit un sol constitué de deux couches, celle la plus proche de la surface ayant une épaisseur h. Supposons que la vitesse de propagation dans lequel on a des vitesses de propagation de la couche superficielle V1 est inférieure `a la vitesse de propagation V2 de la couche profonde. Le temps de propagation de l’onde directe de O vers A vaut

L’onde réfractée qui suit le chemin O → B → C → A suit la loi de réfraction i1 est l’angle d’incidence et i2 l’angle de réfraction. Comme i2 = π/ 2, il en résulte que

Lorsque la distance x est faible, l’onde directe est enregistrée en premier en A. Lorsque la distance croît suffisamment, comme V1 < V2, c’est l’onde réfléchie qui arrive en premier en A. Lorsque l’on trace l’évolution du temps de propagation de la première onde perçue en A en fonction de x (courbe dromochronique), on obtient sensiblement deux droites de pentes différentes qui se coupent en un point F.

Ce point ainsi que les pentes de ces droites permettent de déterminer la profondeur h et les deux vitesses de propagation.

Objectifs de la reconnaissance géotechnique

La reconnaissance des sols vise d’abord à localiser les différentes couches de terrains présentes dans la zone étudiée puis d’identifier l’ensemble des caractéristiques physiques, mécaniques, hydriques et éventuellement chimiques des dépôts en place afin d’adapter au mieux la structure à son environnement. Elle permet de définir les procédés d’exécution des travaux de chantier (mode de terrassement, blindage des fouilles, problèmes d’eau, etc.) et d’éviter des catastrophes dites ‘‘naturelles’’. Les méthodes de reconnaissance géotechnique sont très nombreuses et il est rare qu’on les utilise toutes sur un même chantier. Il s’agit donc, devant un problème posé, de faire le choix d’une méthode et d’établir un programme de reconnaissance.

Quelques informations à vérifier in situ Type de végétation dans le site (peut donner d’excellentes indications) ; la topographie générale du site et la possible existence de fossés de drainage. L’existence de débris ou de matériaux quelconques ;  type de constructions avoisinantes et l’existence de problèmes (fissures dans les murs, tassements ou autres problèmes);  le niveau de la nappe d’eau qui peut être déterminé en regardant au voisinage;  stratigraphie du sol à partir de tranchées profondes effectuées pour la construction d’une route ou d’un chemin de fer avoisinant ;  présence de roc ou d’affleurement rocheux dans les environs, peut indiquer la faible profondeur du socle rocheux. NB : ne jamais extrapoler les données des sites voisins (!).

. Effondrement spectaculaire d'un réservoir de blé ayant une capacité de 35000 m3 à Transcona (Canada) en 1913. Au moment de l’accident, la pression transmise au sol est 363 kPa, alors que la pression maximale admissible est de 147 kPa. Le renversement de l’ouvrage a eu lieu quand il fut rempli à 88 % de sa capacité de stockage. La fondation est un radier rectangulaire de 23.50 x59.50 m, épais de 0.60 m et fiché à 3.60 m dans un couche d’argile vaseuse hétérogène reposant sur un substratum d’alluvions récentes. Le projet ne comportait pas de campagne de reconnaissance géotechnique, mais les données des sites voisins y ont été extrapolées (!). La structure du silo en béton armé était suffisamment rigide pour manifester un renversement, suite au mouvement exceptionnel du sol. La réparation, menée en 1916, comportait une reprise en sous-œuvre sur des puits fondés sur le rocher et le silo fut opérationnel depuis. Ce cas nous enseigne qu’investir dans une étude géotechnique préliminaire peut prévenir des dépenses exorbitantes des travaux de réparation de l'ouvrage !

Réalisation d’un programme d’étude géotechnique

Une fois la méthode d’étude est définie, il importera de préciser le programme qui précisera : le nombre de points d’investigation, la profondeur des forages ou sondages ; la densité des essais géotechniques. L’établissement de ce programme d’étude est tributaire de plusieurs facteurs : la nature du problème posé et l’importance de l’ouvrage à construire (stabilité de pente, fondation d’ouvrage d’art ou pour un tour 40 niveaux ou même un barrage), le degré de connaissance préalable du site (nombre de sondages sur site déjà expérimenté pour un site totalement inconnu), l’environnement et la topographie (présence d’une pente).

La détermination du nombre de points de sondage

Il n’y pas une règles précises pour déterminer le nombre de points de sondage (ou forage) qu’il est assez difficile de prévoir à priori. Il est évidant que le nombre de sondage dépende de la nature de la structure, de ces dimensions et du coût du projet, entendu que l’étude géotechnique doit coûter entre 0,1 % et 0,5 % du prix de la structure. A l’exception des terrains anormalement hétérogènes, la fréquence des essais est parfois fixée suivant le tableau suivant. Dans tous les cas, pour une étude de fondation, un nombre minimal de deux sondages doit être réalisés afin d’éviter de se focaliser sur un seul sondage isolé qui risquerait de projeter toute la construction sur la base d’une anomalie très localisées. Le choix de l’implantation des sondages reste, également, une étape cruciale.

Pour les ouvrages petits : la reconnaissance classique prévoit d’exécuter deux sondages implantés suivant la plus grande diagonale. Pour les ouvrages moyens : prévoir un sondage à chaque appui et si le sol n’est pas homogène prévoir un sondage à chaque extrémité d’appui. Pour les bâtiments étendus : prévoir au moins un sondage tous les 500 m2. Notons seulement qu’il faut que ces forages soient assez nombreux et bien répartis pour définir sans ambiguïté toutes les particularités géologiques du site.

Estimation du nombre de sondage Implantation des points de reconnaissance

La détermination de la profondeur des forages La profondeur des forages d’investigation est fixée à l’avance, étant entendu que d’une manière absolue, ils ne doivent jamais être arrêtés sur une couche molle. En règle générale, on descendra les forages jusqu’à une profondeur telle que la contrainte résiduelle dans le sol soit négligeable, tout au moins faible. Lorsqu’il s’agit d’une étude de fondation, la profondeur de l’investigation peut être fonction de la nature et de la dimension présumée des fondations.

Pour les fondations superficielles le choix de la profondeur des sondages dépend principalement de la géométrie des fondations.  Les fondations larges (Ex. radier) : la profondeur des forages est fixée à une cote égale à une fois et demi de la largeur de la fondation (1,5 B) à compter du dessous du niveau présumé de la fondation.  Les semelles isolées (carrée, rectangulaire …) : en absence de l’influence de la fondation voisine, pousser la reconnaissance jusqu’à une profondeur sous la fondation égale au triple de la largeur de celle-ci (3 B), avec un minimum de 5 m. Pour les fondations profondes (Ex. pieux, puits …) : le choix de la profondeur d’investigation dépend de la nature du sol et de l’importance de l’ouvrage.

Pour les fondations profondes (Ex. pieux, puits …) : le choix de la profondeur d’investigation dépend de la nature du sol et de l’importance de l’ouvrage. 1er Cas. Couche compressible (argile, silt) reposant sur un substratum relativement indéformable (rocher, graviers compacts, marnes dures …)

Dans ce cas la reconnaissance est poussée jusqu’au substratum et d’y pénétrer de 3 m ou plus, si le substratum est altéré la pénétration doit atteindre 6 m. En d’autres termes, il faudra veiller à ne pas interrompre brutalement l’investigation au niveau d’une couche résistante, car s’il existe au-dessous une autre couche faible, des groupes de pieux se comporteront vis-à-vis de la couche profonde comme des semelles et des désordres qui ne se produiraient pas sous un pieu isolé, peuvent alors se manifester. 2ème cas : Sol très hétérogène ou très erratique ou constitué de plusieurs couches Dans ce cas, Burmister propose d’arrêter la reconnaissance à une profondeur tel que le rapport entre la contrainte verticale due à la fondation et la contrainte verticale effective dues au poids des terres soit égale à A.

A = 0,1 pour les sols fins (silts, argiles…) A= 0,2 pour les sols grossiers (sables, graviers …)

Pour les excavations, la profondeur du forage doit être au moins 1,5 fois la profondeur de l’excavation. D’autres méthodes relient directement la profondeur d’investigation au nombre d’étages.

Les sondages Les sondages peuvent être réalisés à la tarière, par l’ouverture de puits à la pelle mécanique, à l’aide de sondages destructifs ...

Les tranchées et les puits Les tranchées et les puits sont les moyens les plus faciles et les moins chers à mettre en œuvre. Ils sont limités en profondeur par la longueur des bras de la pelle et par la rencontre de la nappe. Le trou doit être impérativement rebouché, le sol remis dans le trou sera inévitablement remanié. NB : Les tranchées sont généralement réalisées en dehors de l’emprise de la construction pour éviter les risques de décompression et de remaniement du sol de fondation

Les sondages en terrain meuble

Les principales difficultés des sondages en terrain meuble reposent sur la tenue des parois du forage et la remontée du terrain foré. Dans la plupart des cas, il faut opérer sous la protection d’un tubage continu ou employer une boue de forage qui, formant un cake sur la paroi du forage, retient celle-ci. Différentes méthodes permettent de réaliser des sondages en terrains meubles : les tarières à la main, les tarières à moteur, les sondages par battage, les sondages carottés avec prise d’échantillons intacts

Les tarières manuelles

La tarière est entrainée dans le sol par un mouvement rotatif à l’aide de la poignée. Après chaque manœuvre le sol est remonté et la tarière est vidée. La tarière à la main est l’instrument idéal pour des reconnaissances à faibles profondeurs (0 à 2 m).  Les tarières manuelles (à vis ou à cuillère) peuvent être utilisées pour des sondages peu profonds (3 à 5 m).  S’il y a des cailloux les tarières manuelles deviennent difficiles à utiliser. Il faut alors faire des tranchées à l’aide d’une pelle.  Pour les matériaux facilement pénétrables comme la tourbe et l’argile molle on peut se limiter à utiliser des tiges pour mesurer la profondeur de la couche.

Tarières manuelles « Hand Augers »

• Avantages: Faciles à utiliser, disponibles • Limites : prélèvement d'échantillons remaniés, peu utilisable dans les sols compacts ou rocailleux, profondeur limitée, difficile sous la nappe

Les tarières à moteur Montés sur camion, ces engins puissants sont extrêmement efficaces pour la reconnaissance rapide de volumes importants de terrains meubles. Les mèches hélicoïdales peuvent atteindre des profondeurs supérieures à 30 m

Les sondages par battages Cette méthode est la plus courante en terrain meuble, sec ou saturé. Un tubage métallique est enfoncé dans le sol par battage à l’aide d’un mouton ; la colonne de sédiment ainsi isolée est extraite par un outil adapté.

Colonne de sédiment extraite par battage

Colonnes de terrain carottées

Les sondages en terrain rocheux - Les méthodes destructives Tous fragments de roche et les débris sont remontés à la surface. Différents outils sont utilisés pour fragmenter la roche : tricône, marteau fond de trou Les débris permettent d’identifier les couches traversées de manière peu précise et aucun véritable échantillon n’est obtenu. Mais la réalisation est rapide est le sondage peut être valorisé par l’enregistrement en continu des paramètres de forage.

Outils de forage destructifs

Les méthodes non destructives (forages carottés) Découpage en continuité sur toute la longueur forée à l’aide d’une couronne abrasive : - couronnes à prismes, - couronnes diamantées. Le but est de découper en continuité sur toute la longueur forée par passes successives une colonne de terrain, de la remonter à la surface du sol pour l’examiner et réaliser des essais de laboratoire.

Couronnes abrasives pour forages carottés

Echantillonnage On prélèvera dans chaque forage au moins un échantillon par couche distincte et dans les couches épaisses, on prélèvera au moins trois échantillons par couche. La conservation de l’échantillon Dès la sortie de l’échantillon du carottier, les extrémités du conteneur doivent être hermétiquement bouchées. On utilise de préférence des bouchons extensibles par serrage ou des mélanges de solidifiant sans retrait par exemple la paraffine-cire. Les conteneurs d’échantillon ne devront jamais être exposés au soleil et seront conservés en atmosphère fraiche et humide. NB : la paraffine pure est contre conseillée du fait de son retrait trop important.

Transport des échantillons Les échantillons seront transportés verticalement dans le même sens que celui qu’ils avaient dans le terrain. C’est-à-dire que la partie basse au transport devra correspondre à la plus grande profondeur. Au cours du transport on évitera les chocs et les vibrations ; les conteneurs reposeront sur une plaque souple, en mousse synthétique par exemple. Arrivés au laboratoire, tous les échantillons sont ouverts et font l’objet d’essais d’identification. Ces essais permettent de sélectionner les échantillons sur lesquels seront réalisés les essais mécaniques. De toute façon, il faudrait au moins tester trois échantillons par couche distincte, ces échantillons pouvant évidement appartenir à des forages différents. Type et le nombre d’essais géotechnique Le type d’essais dépendra essentiellement du problème posé, de la nature du terrain et du coup du projet Deux approches sont utilisées par les géotechniciens pour caractériser les sols de fondations : les essais de laboratoire d’une part et les essais in situ d’autre part.

Colonnes de terrain carottées

Les Essais de laboratoire Il s'agit d'essais effectués au laboratoire sur des échantillons remaniés ou intactes convenablement conservés. Généralement on classe ces essais en trois grands groupes: essais physiques, essais chimiques et essais mécaniques. Les essais physiques ont pour but la détermination des caractéristiques physiques des sols. Les essais chimiques et minéralogiques déterminent la composition chimique et minéralogique du sol, la présence d'impuretés, de substance agressives, et la nature chimique de l'eau adsorbée. Les essais mécaniques visent à déterminer les caractéristiques mécaniques telles que la cohésion, l'angle de frottement interne, la contrainte de préconsolidation, indices de compression et de gonflement, et la capacité portante. On peut ajouter à cette liste, les essais hydrauliques qui consistent à la détermination de la perméabilité des sols, à la mesure de la succion,...

Les essais en place

Les essais sur place permettent la détermination des caractéristiques du sol dans les conditions naturelles, c.à.d. dans les conditions réelles de résistance. Ils se distinguent en trois grands groupes : les méthodes géophysiques, les essais hydrauliques et les essais mécaniques.

Les méthodes géophysiques (la prospection électrique, la prospection sismique et la prospection par micro-gravimétrie) fournissent des informations globales sur l'assiette de construction. Les essais hydrauliques (essai Lefranc, essai Lugeon, essai de pompage … ) permettent d’apprécier le degré de perméabilité du sol en place. Les essais mécaniques déterminent directement une résistance limite du sol. On distingue les essais qui donnent une caractéristique de sol à la rupture et les essais qui, en plus, donnent une relation contraintes - déformations.

Essai au scissomètre de chantier Le scissomètre de chantier ou Vane test est un appareil de prospection en place permettant de mesurer la cohésion des sols purement cohérents. Il est décrit par la norme française NF P 94-112 (novembre 1991). Le scissomètre est utilisé dans l’étude à court terme de la stabilité des pentes et du comportement des remblais sur sols mous.

Les essais scissométriques courants sont réalisables dans tous les types de sols fins cohérents dont la cohésion est ≤ 0,2 MPa (argiles molles, vases, limons).

Description du scissomètre

Le scissomètre est constitué généralement :

un moulinet qui est constitué essentiellement de quatre pales rigides en acier, planes et rectangulaires, ovoïdes ou trapézoïdes, fixées à 90° sur un axe appelé noyau parfois protégé par une jupe conique assurant l’étanchéité ; un train de tubes creux pour foncer le moulinet dans le sol ; un train de tiges qui, placées à l’intérieur du train de tube, entraîne librement le moulinet en rotation sans frottement. Afin de limiter les frottements parasites lors de l’essai, ce train de tiges est maintenu par des bagues, qui s’appuient sur l’intérieur des tubes ; un dispositif de mesure qui comporte deux parties distinctes. - un bâti ancré ou parfois lesté, qui permet de mobiliser la réaction de fonçage, et un système de vérin pour exercer cet effort de fonçage ; - un couplemètre, système nécessaire pour exercer et mesurer le couple de torsion et entraîner en rotation le moulinet par l’intermédiaire du train de tiges.

Schéma du scissomètre de chantier

L’essai consiste à foncer dans le terrain (sans avant-trou) au moyen d’un vérin, un moulinet d’acier à quatre pales orthogonales par l’intermédiaire du train de tubes. Une fois la profondeur d’investigation atteinte, le moulinet est soumis à un mouvement de rotation depuis la surface par le biais d’un train de tiges.

Cette rotation de la palette, à laquelle on applique un moment de torsion, provoque le cisaillement du sol au voisinage des pales et une surface de cisaillement se développe à l’interface entre le cylindre de sol entraîné par le moulinet et le massif de sol en place.

L’essai permet, en ce sens, d’établir la relation entre la rotation du moulinet et la résistance au cisaillement opposée par le sol.

Courbe scissométrique

Su = Cu = cohésion non drainée Le couple de torsion est équilibré par le moment des réactions de cisaillement du sol sur la surface circonscrit au moulinet. On fait croitre ce moment de torsion jusqu’à ce qu’il équilibre le moment des contraintes de cisaillement limites du sol, c’est-à-dire jusqu’à la rupture qui se manifeste par une diminution brutale, puis par une stabilisation de ce moment à une valeur non nulle mais nettement inférieur au maximum.

Interprétation de l’essai scissométrique Au moment de la rupture, il y a équilibre entre le moment résistant M dû aux forces de cisaillement du terrain sur les parois du cylindre emprisonné entre les pales et le couple T . l produit par le manipulateur ; on a donc :

T : effort mesuré au dynamomètre l: longueur du bras actionné par le manipulateur

Considérons le cas classique d’un essai en milieu argileux saturé. Lors du cisaillement du terrain sur lui même, aucun drainage de l’eau interstitielle n’est possible ; cet essai doit être assimilé à un essai non drainé   0 . La résistance au cisaillement mesurée est donc égale à la cohésion non drainée cu du milieu. La surface cisaillée est pour l’essentiel constituée par la surface latérale du cylindre, mais comprend également les deux surfaces horizontales d’extrémité. Le moment résistant M du sol peut se décomposer en deux termes : -M1 : issu de la résistance au cisaillement sur la surface latérale verticale du cylindre ; -M2 : issu de la résistance au cisaillement sur les deux faces horizontales du cylindre. On a en principe :

Considérons le cas du scissomètre à pales rectangulaires, de rayon r et de h hauteur , le moment résistant sur la résistance latérale du cylindre M1 est donné par :

Pour déterminer le moment résistant sur les deux faces horizontales du cylindre M2, considérons une couronne de rayon x et d’épaisseur dx laquelle est cisaillée par mobilisation du couple dM2 tel que :

On a, pour une face du cylindre :

On peut écrire

La cohésion non drainée est donnée par :

T : effort mesuré au dynamomètre l: longueur du bras actionné par le manipulateur h : hauteur du scissomètre x : rayon du couronne r : rayon des pales

Exploitation des résultats

L’examen des facteurs susceptibles d’influencer les résultats de l’essai scissométrique révèle que les valeurs de la cohésion au scissomètre doivent être corrigées. Bjerrum (1972) fait remarquer que certaines études de glissements de remblais construits sur des argiles plastiques tendent à montrer que la cohésion mobilisée sur le terrain serait plus faible que la cohésion mesurée au scissomètre, la différence étant fonction de la plasticité des argiles. Il préconise de multiplier la cohésion mesurée au scissomètre (Cu) par un coefficient correcteur μ fonction de l’indice de plasticité de l’argile (correction dite de Bjerrum), dont les valeurs sont données sur la figure

Coefficient correcteur de la cohésion d’après Bjerrum (1972)

Profil d’un essai scissomètre de chantier

Relation entre la cohésion scissométrique et la capacité portante admissible Bien qu’il soit possible de déterminer la capacité portante admissible des argiles au moyen d’autres essais, on utilise pratiquement toujours le scissomètre de chantier. Comme le scissomètre mesure la résistance au cisaillement non drainé de l’argile Cu, il permet d’évaluer la capacité portante à court terme, donnée essentielle pour vérifier la stabilité des argiles à l’égard de la rupture. Ainsi, la capacité portante ultime nette est donnée par :

qu : Capacité portante admissible (kPa) Fs : Facteur de sécurité μ : Coefficient de correction de la résistance mesurée sur le terrain Cu : Résistance au cisaillement non drainé σvo : Contrainte verticale totale due au poids actuel du sol au niveau de la fondation (kPa) B : largeur, L : longueur, D : profondeur de la fondation.

Relation entre la cohésion scissométrique et la capacité portante admissible

Les essais pénétrométriques

Ces essais déterminent directement une résistance limite du sol. Les pénétromètres se subdivisent en deux grands groupes : les pénétromètres dynamiques qui sont enfoncés dans le terrain par battage et les pénétromètres statiques (appelés quasi-statiques par certains auteurs), qui sont vérinés dans les terrains à vitesse lente et régulière. L’essai de pénétration au carottier (ou ‘‘Essai de Pénétration Standard’’) occupe une place particulière, bien que s’apparentant sur certains points aux essais de pénétration dynamique.

Pénétromètres dynamiques Le sondage au pénétromètre dynamique est un moyen de reconnaissance géotechnique qui teste le terrain en place et fournit en tant que tel une caractéristique du sol.

Il consiste à déterminer le nombre de coups nécessaires pour enfoncer, selon une procédure définie, une pointe soumise par l’intermédiaire d’un train de tiges à une énergie de battage. L’essai au pénétromètre dynamique permet d’apprécier d’une façon qualitative la résistance des terrains traversés. Ils sont donc recommandés pour résoudre les problèmes suivants :

- le contrôle de l'homogénéité d'une couche, - la détermination de la succession des différentes couches de terrain, - la détermination des épaisseurs des différentes couches de sols - la localisation des cavités ou autres discontinuités, - la reconnaissance du niveau du toit du rocher ou de la position d'une couche résistante ou d'un bed-rock connu.

Les essais de pénétration dynamique peuvent être réalisés dans tous les sols fins et grenus dont la dimension moyenne des éléments ne dépasse pas 60 mm.

Principe de l’essai Un sondage au pénétromètre dynamique consiste à enfoncer l’appareil dans le terrain par battage, de manière continue, jusqu’à une profondeur donnée en général limitée par la capacité de pénétration de l’appareil. L’opérateur relève le nombre de coups nécessaires pour enfoncer l’appareil sur un pas de profondeur fixé.

Un pénétromètre dynamique est constitué essentiellement d’un matériel de battage et de guidage,  d’un train de tiges,  d’une pointe,  d’un dispositif de mesure et éventuellement d’un système de détection des efforts parasites. Schéma de principe d’un pénétromètre dynamique

Le système de battage est composé d’un mouton, d’une enclume, d’un ensemble de guidage, de relevage et de déclenchement de la chute du mouton. Les tiges de battages sont en acier, elles sont assemblées fermement pour constituer un train de tiges rigidement lié selon un axe rectiligne et continu. La pointe est placée à l’extrémité inférieure du train de tiges. Elle est soit perdue ou récupérable et son diamètre est généralement supérieur à celui du train de tiges. Le dispositif de mesure comporte un compteur de nombre de coups de mouton ; un repérage de la profondeur à l’aide d’un marquage indélébile par rainurage des tiges de battage selon un intervalle de 20 cm.

Le système de détection des efforts est constitué d’une clef dynamométrique graduée au minimum de 100 à 200 N.m avec un espacement maximal des graduations de 20 N.m.

Les types de pénétromètre dynamique Pénétromètres dynamiques de type A (PDA)

Ces appareils ont la particularité de comporter un dispositif qui permet d’injecter une boue bentonitique (bentonite en suspension dans de l’eau) dans l’espace annulaire entre le train de tiges et le sol au fur et à mesure de la pénétration dans le terrain, évitant ainsi le resserrement ou l’éboulement du sol sur les tiges. L’espace annulaire ainsi ménagé permet de limiter le contact entre le train de tiges et le sol de sorte que l’énergie de battage est transmise quasi intégralement à la pointe. L'essai au PDA est limité à une profondeur de 30 m.

Le mouton a une masse adaptable de 32, 64, 96 et 128 kg et une hauteur de chute de 0,75 m. Il tombe à une cadence de 15 à 30 fois par minute.

Pénétromètre dynamique PDA

Pénétromètres dynamiques de type B (PDB) Les pénétromètres de type B sont en tous points identiques aux appareils de type A, à l’exception du fait qu’ils ne comportent pas de dispositif d’injection de bentonite. Une partie de l’énergie de battage peut être mobilisée par le frottement latéral parasite qui se manifeste entre le sol et le train de tiges, notamment en cas d’éboulement. On détecte les efforts parasites de frottement du sol sur les tiges à l'aide d'une clef dynamométrique. Aussi, dans certains cas (sols cohérents qui frottent fortement sur le train de tiges, sables boulants, etc.), l’appareil ne permet pas de différencier correctement les différentes couches de sols traversées.

Sa capacité de pénétration est limitée à une profondeur de 15 m Le mouton a une masse de 64 kg et une hauteur de chute de 0,75 m ; il tombe à une cadence de 15 à 30 fois par minute.

Pénétromètre dynamique PDB

Réalisation de l’essai Le train de tiges est battu d'une manière continue sous l’action d’une masse tombant en chute libre d’une hauteur constante du mouton à la cadence de 15 à 30 coups par minute. On note en fonction de la longueur totale des tiges introduites dans le sol, le nombre de coups de mouton nécessaire pour enfoncer la pointe de 10 cm pour un PDA ou de 20 cm pour un PDB. Pour le PDA, la masse du mouton doit être adaptée en cours de battage et choisie parmi l'une des quatre masses 32, 64, 96, 128 kg, afin que le nombre de coups, pour un enfoncement de 10 cm, soit compris entre 2 et 30 inclus. Pour le PDB, à chaque ajout de tiges et au moins tous les mètres, l'opérateur fait tourner le train de tiges à l'aide de la clef dynamométrique ; si le couple est inférieur à 100 N.m, les efforts parasites sont négligeables. La fin de l'essai correspond à la satisfaction de l'une des conditions suivantes : - la profondeur déterminée préalablement est atteinte, - le rebond du mouton est supérieur à 5 cm, - l'enfoncement sous 30 coups de mouton est inférieur ou égal à 10 cm avec la masse de 128 kg (PDA), - l'enfoncement sous 100 coups est inférieur ou égal à 20 cm (PDB), - la mesure du couple effectuée à la clef dynamométrique dépasse 200 N.m (PDB).

Expression des résultats Il existe deux modes de représentation d’un profil de pénétration dynamique : - soit on trace en fonction de la profondeur le nombre de coups Nd nécessaire pour obtenir un enfoncement donné, en général 10 ou 20 cm ; - soit on trace en fonction de la profondeur la résistance de pointe dynamique qd calculée à l’aide d’une formule de battage de pieux, en général la formule des Hollandais, qui s’écrit :

où M est le poids du mouton, M’ le poids des parties frappées (enclume placée en tête du train de tiges et sur laquelle s’exercent les chocs, train de tiges et pointe) ; H la hauteur de chute du mouton ; e l’enfoncement moyen par coup (e  Dh/N), A la section droite de la pointe ; g l’accélération due à la pesanteur.

Profil de pénétration dynamique

Exploitation des résultats Les résultats de l’essai au pénétromètre dynamique, des règles empiriques de calcul de la capacité portante admissible.

Pour une semelle soumise à une charge verticale centrée de largeur B, de longueur L et d'encastrement D, le DTU préconise de calculer la capacité portante ultime par la relation suivante :

Il n’existe pas de règle reconnue pour le dimensionnement des fondations à partir de la résistance dynamique qd ; on peut seulement en déduire un ordre de grandeur de la portance par le biais de corrélations avec d’autres essais en place (pénétromètre statique et pressiomètre) afin d’orienter la campagne d’essais ultérieure.

Le tableau suivant donne des corrélations entre la résistance de pointe au pénétromètre dynamique qd, la résistance de pointe au pénétromètre statique qc et la pression limite pressiométrique pl.

Calcul de la capacité portante à partir de l’essais au pénétromètre statique

Résistance de pointe équivalente.

Facteurs de portance pénétrométrique kc

RECONNAISSANCE ET EXPLORATION DES SOLS ============================ ECHANTILLONAGE ET ESSAIS DANS LES SOLS GRANULAIRES

RECONNAISSANCE ET EXPLORATION DES SOLS ============================ ECHANTILLONAGE ET ESSAIS DANS LES SOLS GRANULAIRES

Essai de pénétration standard (SPT) b) Correction de la valeur de N Les valeurs de N déterminées lors des essais SPT sont rapportées telles quelles dans le rapport de forage. Cependant lorsqu’on utilise ces valeurs il faut vérifier s’il est nécessaire d’apporter une correction pour tenir compte de l’effet de confinement. En réalité il ne s'agit pas d’une correction mais d’une normalisation de N pour une même pression de confinement de 100 kPa. On parle dans ce cas de N1= CN N. Il existe plusieurs relations pour la normalisation de N. Pour ce cours nous allons utiliser celle de Peck : CN= 0,77Log10(1920/s’v) s’v est la contrainte effective verticale à la profondeur en question. Il est à noter que pour des contraintes inférieures à 25 kPa la valeur de CN ne doit pas dépasser 1,5. c) Valeur de N de conception La décision de faire ou non la normalisation de N est un sujet controversé dans la littérature. Toutefois, certains recommandent de faire cette normalisation pour les semelles. Dans le cas des pieux il ne semble pas que l’on ait à faire de normalisation. Si on utilise des valeurs de N pour déterminer des propriétés du sol (r, f) il faut normaliser N.

Relation entre N et la capacité portante Les méthodes de calcul de la capacité portante relèvent de l’empirisme et résulte d’un cumul de l’expérience de calcul des fondations à partir de cet essai. C’est ce qui explique la diversité des approches de calculs proposées dans la littérature. En plus d’assurer la stabilité du sol contre la rupture, les relations empiriques développées à partir de cet essai permettent de limiter les tassements à des valeurs inférieurs à 25 mm. Deux méthodes sont proposées pour déterminer la capacité admissible (qadm) pour un tassement de 25 mm.

La première méthode proposée par Terzaghi et Peck (1948) donne la capacité portante admissible qadm en fonction de la largeur B, de l’ancrage D, de la fondation et pour différentes valeurs de Ncor.

La deuxième méthode due à Meyerhof (1956), suggère les relations suivantes pour calculer la capacité portante admissible des fondations ancrées dans un sable.

Cette relation permet d’évaluer la capacité portante admissible lorsque les indices de pénétration (N) sont mesurés en fonction de la profondeur. Peck (1974) a proposé un indice de pénétration corrigé (N1), que l’on exprime ainsi

s’v = Contrainte effective à la profondeur où l’indice N a été mesuré (kPa)

Application Soit une étude de fondation réalisée à partir de l’essai SPT selon les dispositions constructives suivantes. En se basant sur une première approximation de la capacité portante de 500 kPa, calculer :

1-La capacité portante réelle selon Meyerhof 2-Déterminer la largeur B, sachant que la semelle est carrée.

RECONNAISSANCE ET EXPLORATION DES SOLS ============================ RELATIONS ENTRE N - f, Dr et g

RECONNAISSANCE ET EXPLORATION DES SOLS ============================ ÉCHANTILLONNAGE DANS LE ROC 3.2 Échantillonnage dans le roc Pour pénétrer dans le roc et traverser des blocs et des gros cailloux on utilise un carottier à diamant. Le carottier est fixé à l’extrémité inférieure des tiges et il est enfoncé par rotation à l’aide de la transmission de la foreuse. Le carottier permet par le fait même de récupérer des carottes de roc (ou des blocs). Les carottes doivent être identifiées et conservées dans des boites pour déterminer les informations suivantes : 􀂃 Identifier avec certitude le lit rocheux 􀂃 Identifier la nature de la roche 􀂃 Relever les joints, fissures et le degré d’altération 􀂃 Mesurer le % de récupération (RQD)

RECONNAISSANCE ET EXPLORATION DES SOLS ============================ ÉCHANTILLONNAGE DANS LE ROC 3.2 Échantillonnage dans le roc

Le : longueur de l’échantillon prélevé Lp : longueur de pénétration du carottier

Pénétromètres statiques (Static Cone Penetration Test CPT) L’essai consiste à mesurer la réaction qu’oppose le sol à la pénétration continue d’un cône.

Il est surtout utilisé pour le dimensionnement des pieux mais il peut aussi servir à la classification des sols. Il est normalisé en octobre 1996 par NF P 94-113.

L'essai de pénétration statique s'applique à tous les sols fins et les sols grenus dont la dimension moyenne des éléments ne dépasse pas 20 mm. La longueur de pénétration est limitée à la force de réaction de l'appareillage (généralement de 100 kN en France).

L’essai au pénétromètre statique consiste à foncer verticalement dans le terrain, à vitesse lente et constante, un train de tiges terminé à sa base par une pointe conique généralement de même diamètre que les tiges. Par un procédé quelconque, mécanique, électrique ou hydraulique, on mesure suivant un pas de profondeur donné, la résistance opposée par le sol à la pénétration de cette pointe, appelée en conséquence la résistance de pointe statique (ou résistance de cône) et est notée qc. Simultanément, on mesure l’effort opposé à l’enfoncement de l’ensemble pointe et tiges. Cet effort est appelé effort total et est noté Qt. Il comprend d’une part l’effort de pointe Qc et d’autre part l’effort de frottement latéral Qf, qui s’exerce sur toute la hauteur du train de tiges. Schéma de principe du pénétromètre statique

Essai au préssiomètre Ménard L’essai pressiométrique est un essai de chargement du sol en place permettant de donner une loi de comportement en contraintes – déformations. Il permet de déterminer une caractéristique de déformabilité (Em) et une caractéristique de rupture (Pl). L’essai a fait l’objet de la norme française NF P 94-110 et de la norme américaine ASTM 4719. L'essai pressiométrique peut être réalisé dans tous les types de sols saturés ou non, y compris dans le rocher (avec plus d’incertitude) et les remblais.

Principe de l’essai pressiométrique Ménard

L’essai consiste à descendre dans un forage soigneusement calibré une cellule cylindrique tricellulaire gonflante radialement. La cellule est dilatée radialement dans le forage préalable, selon un pas de chargement imposé. On mesure les variations de volume du sol au contact de la sonde en fonction de la pression appliquée. Trois paramètres du sol sont déduits de l’essai : - le module pressiométrique Em qui définit le comportement pseudo élastique du sol, la pression limite Pl qui caractérise la résistance de rupture du sol ; - la pression de fluage Pf qui définit la limite entre le comportement pseudo élastique et l’état plastique. Le pressiomètre Ménard comprend deux parties principales : la sonde et l’unité de contrôle, dite ‘‘contrôleur pression-volume’’, en abrégé CPV. Ces deux parties sont reliées par des tubulures semi-rigides en plastique

Schéma de principe de l’essai au pressiomètre Menard

Description de l’appareil Le pressiomètre Ménard comprend deux parties principales : la sonde et l’unité de contrôle, dite ‘‘contrôleur pression-volume’’, en abrégé CPV. Ces deux parties sont reliées par des tubulures semi-rigides en plastique

Pressiomètre Menard

Sonde pressiométrique

Elle est descendue dans le forage et se compose de trois cellules indépendantes, montées autour d’une âme métallique :

 la cellule centrale, dite cellule de mesure, qui contient de l’eau et dont la mise en pression en cours d’essai provoque la variation de volume ;  les deux cellules de garde, qui contiennent du gaz et encadrent la cellule de mesure ; la mise en pression des cellules de garde en cours d’essai est réalisée simultanément à celle de la cellule de mesure, de manière à maintenir la forme globalement cylindrique de la sonde ; ainsi, la déformation de la cellule de mesure est uniquement radiale et l’essai pressiométrique est un essai en déformation plane.

Contrôleur pression-volume ou CPV C’est le dispositif qui permet de dilater la sonde et de mesurer les pressions et les volumes d’eau injectés. Il est placé à la surface du sol auprès du forage pressiométrique et se compose d’un boîtier posé sur un trépied et une réserve de gaz sous pression (air ou azote) qui, après détente par un manodétendeur, pousse sur une colonne d’eau vers la cellule de mesure par l’intermédiaire des tubulures de liaison. La mesure de la pression est effectuée à l’aide d’un manomètre (ou d’une batterie de manomètres de différentes capacités). La mesure du volume est obtenue par la lecture de l’abaissement du niveau de la colonne d’eau devant un indicateur gradué au centimètre cube près, appelé volumètre. Certains CPV peuvent en outre être équipés de dispositifs d’enregistrement automatique des paramètres d’essais et de stockage des données pour interprétation ultérieure.

Ces enregistreurs, dont l’usage est recommandé, sont également équipés d’une petite imprimante qui permet, sur site, de visualiser certains résultats d’essai.

Les types de pressiomètre Suivant la conception technologique de la cellule cylindrique, on distingue deux principaux types de pressiomètre : - le pressiomètre de type E qui est équipé d’une sonde à cellules superposées, connues commercialement sous le nom de sonde E et permet d’appliquer au niveau de la sonde, des surpressions pouvant atteindre 30 bars, cette valeur est suffisante pour l’étude de tous les ouvrages courants de génie civil ; il est recommandé pour les essais dans les sols mous à moyennement consistants. . - le pressiomètre de type G qui comporte une sonde à cellules emboîtées, cette sonde de type G, d’un montage plus facile que la précédente, est utilisée dans les sols raides ; en raison de sa conception (la membrane constituant les cellules de garde enveloppe la cellule de mesure), elle impose à l’opérateur la prise de dispositions particulières lors de l’expansion, car la pression dans la cellule centrale doit toujours être supérieure à celle qui règne dans les cellules de garde.

Types de pressiomètre

Réalisation de l’essai pressiométrique

Il comporte deux opérations : la réalisation d’un forage destructif, opération la plus délicate car de la qualité du forage dépend la fiabilité des résultats, et la réalisation de l'essai pressiométrique proprement dit. - Forage pressiométrique Deux techniques peuvent être employées : - le forage préalable avec enregistrement des paramètres de forage, - l’introduction par battage de la sonde placée dans un tube fendu. La technique doit être adaptée au type de terrain à sonder. La longueur maximale de forage sera choisie pour que les parois du forage soient les moins altérées possibles. Elles seront d’autant plus faibles que le sol est lâche ou compressible Longueur maximale d’une passe d’un forage avant essai

Essai pressiométrique L'essai consiste à appliquer progressivement par palier, une pression uniforme sur la paroi du forage et à mesurer l'expansion de la sonde V en fonction de la pression p appliquée . La pression mesurée au CPV est augmentée progressivement par paliers de pression de pas constants et au plus égaux à une valeur de l'ordre du dixième de la pression limite estimée (Ex. espacés entre eux de 25 kPa).

Chaque pression est maintenue constante dans les cellules de mesure et de garde pendant 60 secondes. A chaque palier, on visualise et on enregistre la pression appliquée et le volume injecté dans la sonde à 1, 15, 30 et 60 secondes. On fait généralement un essai tous les mètres, mais ce n’est pas évidemment une obligation. L'essai peut être considéré comme terminé s’il comporte au moins huit paliers et si une des conditions est satisfaite : - la pression de 5 MPa est atteinte, - le volume de liquide injecté dans la cellule centrale est d’au moins 600 cm3 pour les sondes standards. On veillera à ce qu’il y ait, pour les essais où la pression est inférieure à 5 MPa : - au moins trois paliers au-delà de la pression de fluage - au moins quatre paliers avant la pression de fluage.

Expression des résultats L’ensemble des résultats des mesures peut se traduire par deux courbes : - la courbe pressiométrique obtenue en portant en abscisse les pressions et en ordonnée les déformations volumétriques en fin de palier; - la courbe dite de ‘‘fluage’’ est obtenue en portant en abscisse les pressions et en ordonnée les déformations de fluage correspondantes, c’est-à-dire la différence entre la déformation finale (à 60’’ et la déformation à 30’’.

La courbe pressiométrique se décompose en 3 phases, dont les deux premières se raccordent en un point d’inflexion noté (pr , vr) où rp est appelée pression de recompaction ou de reconstitution. Ainsi, on distingue :

Le point d’inflexion (pr, vr), peut être déterminé en représentant l’inverse des pentes des paliers successifs de l’essai. Ce point d’inflexion est le seul point singulier de la courbe pressiométrique. Les courbes établies directement à partir des lectures des valeurs de pression au manomètre et de volume au CPV sont des courbes brutes. Elles doivent subir des compensations tenant compte : - de la hauteur piézométrique. - des variations parasites de volume ; - de la résistance propre de la sonde ;

Courbe pressiométrique brute

Correction de la hauteur piézométrique La pression mesurée au niveau du CPV doit être majorée de la pression correspondant au poids de la colonne d’eau entre ce CPV et le milieu de la cellule de mesure. A titre d’exemple, pour un volume Vm mesuré, la pression réelle appliquée au sol à la profondeur H est :

Correction d’inertie C’est la résistance que les membranes des cellules opposent à la déformation ; elle est déterminée par la dilatation de la sonde à l’air libre. La courbe d’étalonnage ainsi obtenue permet de définir une pression pi nécessaire pour dilater la sonde d’un volume Vm sans étreinte extérieure. La pression p qui s’exerce réellement sur la paroi du forage est égale à :

pi: pression d’inertie: pression correspondant au volume Vm sur la courbe de résistance propre de la sonde, p: pression corrigée

Correction de volume Le volume V lu sur la colonne de lecture du CTV est un volume brut qui englobe les déformations dues à la déformation réelle du terrain et aux variations parasites de volume. Les variations parasites de volume qui proviennent de la dilatation du CPV, des canalisations diverses, de la compressibilité de l’eau sont évaluées par étalonnage, en dilatant le système alors que la sonde est placée dans un tube d’acier indéformable. Ainsi, le volume réel de la sonde est :

Calcul des caractéristiques préssiométriques Trois caractéristiques sont déduites des résultats corrigés de l’essai pressiométrique. Le module pressiométrique Em qui définit le comportement pseudo-élastique

Ménard propose un coefficient de Poisson constant à 0,33 et le module pressiométrique devient :

Profil pressiométrique

Classification des sols d’après Ménard (Cassan, Tome 1

Calcul de la capacité portante d’une fondation superficielle à partir de l’essai pressiométrique La capacité portante ultime d'une fondation superficielle à charge verticale et centrée est une fonction linéaire de la pression limite :

qu : capacité portante ultime q0 : pression verticale des terres au repos après construction (donc compte tenu d'un remblai éventuel) q0  gi zi au niveau de la fondation ple* : pression limite nette équivalente k p : coefficient de portance.

Calcul de la Pression limite nette équivalente ple* Il existe deux méthodes de calcul de la pression limite équivalente suivant la nature de la couche porteuse de la semelle. - Cas d’une couche porteuse homogène Si la fondation est exécutée dans un massif homogène, d’épaisseur au moins égale à 1.5 B audessous de la base de la fondation (c’est-à-dire que le sol est de nature unique et les pressions limites pl sont dans un rapport de 1 à 2, au plus, dans la couche), on établit un profil linéaire de la pression limite nette

Cas d’une couche porteuse hétérogène Si le sol de fondation est hétérogène, ayant des valeurs de pression limite du même ordre de grandeur ple* jusqu’au moins 1.5 B au-dessous de la base de la fondation, on retient pour la moyenne géométrique

pl1*; pl2* ........ p ln* et étant les valeurs de la pression limite nette équivalente dans les couches situées de D à D + 1,5 B, après avoir écarté, si besoin est, les valeurs singulières.

De : hauteur d'encastrement, équivalente pl (z) : pression limite mesurée à chaque niveau entre 0 et D. D : ancrage de la fondation

Calcul du tassement des fondations à partir de l’essai pressiométrique

Menard a proposé une méthode de calcul des tassements à partir des résultats de l’essai au pressiomètre Menard. Cette méthode fut reprise par le fascicule 62, titre V (1993). Le tassement à 10 ans d’une fondation encastrée d’au moins une largeur B.

CAS DU SOL HOMOGÈNE

Calcul de Ed et Ec

Le calcul des modules équivalents Ed et Ec est effectué, d’une part en utilisant la distribution de la contrainte verticale sous une fondation souple (contrainte uniforme), d’autre part en considérant que les déformations volumétriques sont prépondérantes sous la fondation jusqu’à la profondeur B/2, pour le calcul de Ec , et que les distorsions ont de l’influence jusqu’à la profondeur de 8B (figure). Le calcul du tassement des fondations nécessite de diviser en tranches fictives le sol sous la fondation ; dont chaque tranche a une épaisseur B/2 Ec est égal au module E1 mesuré dans la tranche d’épaisseur B/2 située immédiatement sous la fondation.

Ed est donné par l’expression suivante :

Application Dans la perspective de construction d’un immeuble R+4, le laboratoire chargé de l’étude des fondations a procédé à la réalisation d’essais in-situ. Les sondages à la tarière révèlent qu’on une argile limoneuse ferme, peu sableuse très hétérogène. Les résultats pressiométriques sont récapitulés dans le tableau suivant : Profondeur d’essai (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Sondage pressiométrique 1 Em (bars) PL (bars) Em/PL 68,27 7,89 8,66 20,57 2,72 7,56 24,72 1,79 13,79 10,59 1,25 8,49 7,73 1,01 7,66 7,68 1,23 6,25 6,93 2,50 2,77 9,33 1,85 5,04 20,51 2,56 8,01 16,28 2,65 6,15

Sondage pressiométrique 2 Em (bars) PL (bars) Em/PL 69,97 7,92 8,84 21,88 2,97 7,37 12,71 1,86 6,82 9,74 1,48 6,60 8,08 1,33 6,07 8,08 1,44 5,61 8,06 1,05 7,69 7,19 1,17 6,15 11,38 1,75 6,51 8,43 1,76 4,78

1-Tracer les courbes SP1 et SP2 2- On se propose de réaliser des semelles isolées de 2× 2 m, ancrés à 4 m de profondeur. Sachant que le poids volumique du sol est de 18 kN/m3, calculer à partir des résultats d’essais in-situ, les capacités portantes limite et admissible de la fondation. 3-Avec une contrainte appliquée de 1 bars, calculer le tassement

RECONNAISSANCE ET EXPLORATION DES SOLS ============================ Conditions de l’eau dans le sol

Le niveau de la nappe d’eau dans le sol est mesuré à l’aide d’un tube d’observation de la nappe alors que la pression de l’eau est mesurée à l’aide d’un piézomètre. Le tube d’observation est un simple tube en PVC le long duquel on fait des petits trous dans le tiers inférieur. Idéalement, après l’avoir déposé dans le trou de forage on l’enrobe de sable. Le niveau mesuré dans le tuyau correspond après un certain temps (dépend de la perméabilité) à celui de la nappe d’eau dans le sol. Le piézomètre est constitué d’un tuyau étanche à l’extrémité duquel on a fixé un capteur poreux appelé piézomètre. Après avoir descendu ce dispositif dans le trou de forage il faut mettre en place un matériau imperméable juste au-dessus du piézomètre de façon à isoler la pointe du piézomètre des conditions prévalant au dessus.

RECONNAISSANCE ET EXPLORATION DES SOLS ============================ RAPPORT DE FORAGE

Le rapport de forage doit comporter les informations suivantes : • Une description de la stratigraphie : couches, nature du sol, épaisseurs • Des indications sur la résistance à l’enfoncement du tubage; • La localisation des échantillons et des essais; • Les résultats des essais de pénétration standard; • Les longueurs de récupération / longueur d’enfoncement; • La position de la nappe d’eau; • Les résultats des essais de laboratoire et de terrain; • Les observations spéciales en cours de forage. Dans les deux pages suivantes des exemples de rapports de forages dans l’argile et dans les sols granulaires sont présentés.

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