Le but de ce Digeste est de decrire les essais de sols couramment pratiques par ingenieur dans les enquetes in situ et d'indiquer leurs possibilites et leurs limites. On peut considerer cette etude comme faisant suite au Digeste No 29 intitule "Etudes de sous-sol".
L'essai de sol repose sur l'idee premiere que le comportement des masses de sol peut, dans des conditions imposees, etre predit dans la mesure ou certaines proprietes des sols peuvent etre determinees. Un sol etant un materiau naturel dont l'etat est beaucoup plus variable que celui des materiaux de construction fabriques par l'homme, et parce qu'il s'agit d'un systeme a plusieurs phases compose de particules entre lesquelles s'intercalent des espaces vides remplis d'eau ou d'air au d'une combinaison de ces deux elements, les resultats des essais de sols doivent etre interpretes a la lumiere de l'experience passee, du climat et de la geologie des lieux.
L'une des conditions les plus importantes que requierent les essais de sols reside dans le fait que les essais doivent etre effectues sur des echantillons qui representent vraiment le sol trouve sur place. Pour obtenir de bons resultats, le prelevement de sol, l'essai et son interpretation doivent etre effectues sous la conduite d'un personnel specialement forme et experimente. Des essais de sols bien conduits constituent une base sure pour la mise en oeuvre des fondations et permettent la realisation de nombreuses constructions remarquables dans les emplacements difficiles.
On peut classer les divers essais en quatre categories: les essais de classification ou d'identification, utilises pour identifier et decrire les sols afin de les comparer avec d'autres sols dont le comportement est connu; les essais de resistance, de densite et de compressibilite qui ont une application directe en vue de determiner la capacite portante d'un sol et qui sont utilises pour predire la valeur probable du tassement; les essais de controle employes dans les constructions en terre dans le but de s'assurer que les remblais et les couches de fondation de routes satisfont aux conditions requises en ce qui concerne la granulometrie et la densite; enfin les essais speciaux qui incluent la mesure du gonflement ou du potentiel de gonflement ou de retrait d'une argile et la determination de l'action corrosive possible d'un sol.
Essais de classification ou d'identification
Un programme d'essais de sol exige d'abord que les sols soient proprement identifies et decrits, ceci en plus de la description visuelle succincte fournie par les foreurs. Dans ce but, un certain nombre d'essais relativement simples sont effectues; ils sont decrits ci-dessous. Ils fournissent un mode de classification precis et permettent la comparaison avec d'autres sols dont le comportement est mieux connu. Ils sont egalement utilises comme base de reference permettant la selection d'echantillons en vue d'essais de resistance plus couteux.
Les sols coherents a granulometrie fine (argile) et les sols incoherents ou les sols a gros grains (sable) exigent, si l'on veut etudier leur comportement probable, des essais de nature differente. En ce qui concerne les sols incoherents, la densite et la granulometrie constituent des elements fondamentaux pour apprecier leur comportement. D'autre part, la plasticite fournit, pour les sols coherents, une meilleure indication. La teneur en eau a l'etat naturel est egalement d'un interet vital. On la mesure en Pesant un petit echantillon de sol a l'etat naturel puis, apres sechage au four a 105°C, l'echantillon est de nouveau pese. La perte d'eau apres dessiccation s'exprime en pourcentage du poids de l'echantillon de sol a sec. La teneur en eau a l'etat naturel est des plus importantes, lorsqu'on la compare avec les limites de liquidite d'Atterberg ou les caracteristiques de plasticite d'un sol.
Suivant la quantite d'eau presente, un sol coherent peut prendre trois etats: boue liquide, substance plastique ou solide. Les essais en vue de determiner les limites d'Atterberg ont ete mis au point pour permettre de distinguer chacun de ces etats. La limite de liquidite est la teneur en eau relativement elevee a laquelle un sol passe de l'etat liquide a l'etat plastique et la limite de plasticite designe la teneur en eau relativement faible a laquelle un sol passe de l'etat plastique a l'etat solide. Les methodes pour determiner les limites de liquidite et de plasticite sont bien connues et sont decrites en detail dans les publications de l'ASTM et de la British Standards Institution.
La difference de teneur en eau entre les limites de liquidite et de plasticite represente l'indice de plasticite du sol. Il s'ensuit que plus l'indice de plasticite du sol est eleve, plus le sol est plastique et compressible et plus grandes sont ses variations de volume. L'indice de plasticite s'est avere l'un des indices du sol les plus utiles; il est essentiel pour la description adequate d'un sol coherent.
Dans le but d'obtenir un moyen pratique de comparaison des divers sols, le docteur A. Casagrande a dessine un graphique de plasticite (figure 1) dans lequel une limite empirique connue sous le nom de ligne "A" separe les argiles inorganiques des sols limoneux ou organiques. Les sols de meme origine geologique sont habituellement indiques sur le graphique sous forme de lignes droites paralleles a la ligne A. Plus l'indice de plasticite est eleve, plus importante sera la nature de la variation de volume. Les argiles "grasses" ou plastiques sont indiquees au-dessus de la ligne. Les sels organiques, les limons et les argiles contenant une grande proportion de mineraux en poudre (farine cristalline) sont places au-dessous de la ligne.
Les essais de granulometrie sont effectues non seulement pour determiner le diametre individuel des grains dans un sol, mais egalement pour definir la distribution relative des diametres. Dans les sols incoherents, la distribution du diametre des grains est determinee en faisant passer successivement l'echantillon sec de sol au travers de tamis de plus en plus fins jusqu'au tamis No 200. Le diametre des sois coherents a granulometrie fine doit etre defini a l'aide de methodes plus perfectionnees. L'une de ces methodes, l'essai a l'hydrometre, comporte la mesure du poids specifique d'une solution en suspension eau-sol a des intervalles de temps fixes. Le diametre du grain est calcule en utilisant la loi de Stokes qui predit la vitesse de chute d'un corps spherique tombant dans un liquide (milieu fluide). Grace a la methode de l'hydrometre, il est possible d'estimer le diametre de particules allant du tamis No 200 aux particules colloidales (diametre de l'ordre de 0.0005 mm).
La courbe de repartition des diametres indique l'ordre de grandeur de la distribution des grains presents dans un sol. Sa forme peut etre utilisee parallelement avec les donnees fournies par le forage en vue de fournir la densite. Un sol uniforme, c'est-a-dire un sol comprenant des particules ayant une faible etendue de repartition des diametres, peut presenter un faible frottement interne. Par contre, un sol a large granulometrie tend a etre dense et peut etre meme rendu plus compact par action mecanique. La courbe de repartition des grains peut etre egalement utilisee pour determiner si un sol est sensible a l'action du gel, et si les sables et les graviers satisfont au cahier des charges pour les agregats de beton et les remblais servant de base pour les routes.
D'autres essais de classification peuvent etre effectues; ce sont: la determination du poids specifique des particules de sol, la limite du retrait et la quantite de matieres organiques presentes dans le sol. Le poids specifique des particules est utile dans les calculs relatifs a des essais plus complexes comme celui de la consolidation. La quantite de matieres organiques determinera frequemment si un sol peut etre utilise ou non comme remblai ou pour les routes.
Essais resistance-densite
Les sols sans cohesion manifestent leur resistance d'une facon directement proportionnelle aux charges qui leur sont appliquees; leur resistance depend donc de leur emplacement et du frottement interne ou action mutuelle des grains entre eux. Plus la densite d'un sol est grande, plus le frottement interne produit est important et plus grande est la force portante. Par consequent, si la densite d'un sol incoherent peut etre mesuree, il est possible d'en deduire la force portante. Malheureusement, la mesure directe de la densite des sols incoherents est une operation difficile. La plupart des methodes de prelevement d'echantillons produisent des derangements suffisants pour rendre douteuse la precision des mesures de la densite. La methode la plus connue pour reconnaitre la densite est l'essai de penetration conduit in situ en faisant penetrer un cone ou un tube a fente dans le sol. Le nombre de coups exige pour enfoncer le cone a une profondeur d'un pd depend de la densite du sol. Cet essai doit etre execute selon des methodes determinees comme celles adoptees par l'Association canadienne de normalisation. Si les sols se revelent denses, ils fournissent un milieu portant satisfaisant, alors que les sols incoherents de faible densite peuvent exiger des precautions speciales afin d'eviter le tassement dans certaines conditions de mise en charge.
Les sols coherents generalement moins satisfaisants en ce qui concerne leur capacite portante, se pretent a une mesure plus directe de leur resistance et de leurs proprietes de compressibilite. Leur resistance est habituellement determinee par le chargement axial d'echantillons non remanies de forme cylindrique obtenus a partir de blocs affines ou d'echantillons pris a l'aide de tubes a parois minces en conformite avec les normes de l'Association canadienne de normalisation. La resistance a la compression d'un cylindre de terre peut etre determinee par l'essai de compression non confine ou par l'essai triaxial d'echantillon non draine. L'essai de compression non confine est mene de la meme maniere que l'essai sur l'eprouvette cylindrique de beton. Dans l'essai triaxial avec echantillon non draine, le specimen est isole par une membrane de caoutchouc mince et en plus de la force axiale, on lui applique des pressions fluides. Ceci permet au specimen sous essai d'etre soumis a des conditions de pression simulant celles qui existent dans la masse du sol.
Bien que l'essai de compression non confine et l'essai triaxial donnent le meme resultat, l'essai non draine triaxial doit etre pratique dans des cas speciaux comme pour les argiles fissurees. Il est possible avec l'essai triaxial de permettre a l'echantillon a l'essai de changer de volume sous charge ou de mesurer la pression de l'eau dans les pores produites au sein du specimen, a volume constant. Ceci permet de comprendre d'une facon plus complete les caracteristiques de resistance du sol et rend possible la prevision des conditions de stabilite a long terme la ou les charges imposees sont susceptibles de causer un changement appreciable de la teneur en eau et, par consequent, de la resistance du sol. Il est d'usage, dans les calculs de force portante, de prendre la resistance au cisaillement comme etant egale a la moitie des resistances a la compression. De telles methodes de mesure doivent permettre de representer les proprietes de la masse entiere de sol affectee par la presence de l'ouvrage - et non pas seulement quelques essais effectues pres du niveau de la fondation.
Pour les argiles molles, la resistance au cisaillement peut etre determinee in situ au moyen d'appareils tels que le moulinet. C'est un appareil qui comprend quatre ailettes que l'on enfonce dans le sol, la resistance au cisaillement etant obtenue en mesurant le couple requis pour le faire tourner. Cet essai est plus economique que les essais en laboratoire, mais son emploi devrait etre restreint aux argiles molles.
Avec les sols a argile tres plastique, il est possible d'avoir une capacite portante qui resiste a toute rupture soudaine due au cisaillement, et neanmoins d'avoir une fondation non satisfaisante, a cause des deformations considerables qui se developpent avec le temps a la suite de modifications de volumes dans le soi. Les caracteristiques de compressibilite peuvent etre predites dans des limites acceptables au moyen de l'essai de consolidation ou essai a l'oedometre, essai dans lequel un echantillon non remanie est etroitement comprime dans un anneau metallique. Les parties superieures et inferieures de l'echantillon sont recouvertes de pierres poreuses; cet echantillon est alors soumis a une charge verticale et on mesure le taux de compression en fonction du temps. Une serie de charges allant en augmentant sont appliquees et le taux de compression mesure dans chaque cas. On peut alors en deduire les elements suivants: pression de preconsolidation, indice de compression et coefficient de consolidation. Ces elements permettent de predire l'importance et la vitesse de tassement sous une charge donnee. La pression de preconsolidation represente la charge maximum a laquelle le sol a ete soumis durant son passe geologique: c'est une pression representant en general une force portante offrant toute securite.
L'essai resistance-densite-compressibilite fournit des resultats ayant une utilite pratique immediate. Afin d'apprecier ces resultats en toute confiance, on doit posseder une connaissance suffisante des conditions du sol: on s'assure ainsi que les resultats des essais s'appliquent reellement a la masse du sol affectee par l'ouvrage.
Essais de controle
Lorsque des sols particulierement choisis sont utilises en vue de servir de bases pour des dalles situees a la surface du sol, pour des routes ou pour des remblais derriere des ouvrages, ils deviennent un element integral de l'ouvrage et doivent se comporter d'une facon previsible. Dans le but de s'assurer que le materiau satisfait aux conditions du cahier des charges, la mise en oeuvre doit etre controlee par des essais de sol. Le materiau utilise doit etre soumis a l'essai afin de verifier s'il satisfait aux conditions imposees au point de vue granulometrique, puis mis en place et soumis au compactage d'une facon telle que la densite requise soit atteinte. Le Digeste No 3 (Les sols et la construction) decrit la relation fondamentale qui existe pour n'importe quel sol entre la teneur en eau et la densite en fonction du degre de compactage. Habituellement, il est necessaire que la teneur en eau soit proche de l'optimum en vue d'obtenir la densite desiree, laquelle en principe est indiquee par la densite Proctor a 100% equivalente a 95% de la densite Proctor modifiee. L'essai Proctor est une methode qui permet de determiner la teneur optimum en eau d'un sol pour une force de compactage donnee; elle est decrite par l'ASTM et d'autres organismes de normalisation.
Pour s'assurer que les densites desirees sont atteintes, des essais sont pratiques sur place, le choix de la methode etant dicte par la nature du sol rencontre. Toutes les methodes d'essai s'efforcent de determiner le poids d'un volume connu de sol et impliquent le "cone a sable", le "ballon d'eau" ou, si le sol est coherent, la mesure directe d'un echantillon de sol. Depuis quelques annees, on emploie une methode radioactive qui permet, dans certains cas, des gains importants de temps.
Un autre genre d'essai, qui peut etre considere comme un essai de controle, est la recherche entreprise, telle que la mise en charge de pieux, en vue de fournir un rapport complet sur les qualites de la fondation. Puisque la connaissance du sol a une telle importance dans l'interpretation de tels essais, il est essentiel d'avoir dans chaque cas une connaissance detaillee de sa nature et de son etat.
systeme poreux, l'eau s'ecoulera au travers de lui sous l'effet d'un gradient hydraulique. On peut definir la permeabilite comme la capacite que possede un sol de laisser passer l'eau, et le coefficient de permeabilite est la mesure de la porosite d'un sol dans des conditions de gradient hydraulique donnees. Il existe plusieurs methodes pour mesurer le coefficient de permeabilite et toutes ces methodes mesurent la quantite d'eau s'ecoulant au travers d'un echantillon de sol dans un intervalle de temps fixe dans des conditions de pression hydraulique connues. Le choix de la methode d'essai dependra de la porosite du sol. La connaissance de la permeabilite des sols est un facteur vital dans l'etude de barrages en terre et de digues; elle est egalement importante dans les projets de reseaux de drainage.Conclusions
Nous nous sommes efforces, dans ce Digeste, de decrire les essais divers qui peuvent etre utilises pour determiner les proprietes du sol. Les resultats de ces essais indiqueront si un site donne peut convenir pour une fondation et quel type elle devra avoir. Cependant, il est tout de meme necessaire d'evaluer les resultats des essais, car les proprietes du sol sont influencees a la fois par les conditions geologiques et climatiques que l'on rencontre sur place.