Action du gel sur le sol

Déformations du sol sous l’action du gel

Sous l’effet du gel, l’eau libre stagnante gèle à 0°C et se dilate alors de 9% de son volume. En revanche, l’eau contenue dans de fins tubes capillaires ne gèle pas à 0°C, mais à des températures plus basses, comprises entre -1°C et -78°C. Cette dernière température de congélation a été établie par des essais de laboratoire en Amérique. Plus le tube capillaire est étroit, plus la température de congélation est basse.

Dans le sol existent des pores reliés entre eux dans toutes les directions et formant des tubes capillaires. Dans le sable, les pores sont gros et forment de larges tubes capillaires, dans lesquels l’eau gèle à 0°C ou à une température légèrement inférieure. L’eau gèle uniformément, formant dans les pores des cristaux de glace, dont l’augmentation de volume de 9% ne provoque aucune déformation notable du sol. Dans les sols à grain fin, les pores sont plus petits et forment des tubes capillaires étroits dans lesquels l’eau gèle à des températures inférieures à 0°C. Cependant, dans la couche superficielle, le sol est toujours plus meuble, avec des pores plus gros, dans lesquels l’eau gèle à 0°C et forme des cristaux de glace. Ces cristaux attirent à eux l’eau refroidie provenant des pores étroits avec une grande force, dite force de cristallisation. Lorsque l’eau ainsi attirée entre en contact avec les cristaux de glace et gèle à son tour, elle augmente le volume des cristaux de glace, qui deviennent des lentilles de glace, dont l’épaisseur peut être d’environ 0,1 à 10 mm. Les lentilles de glace formées provoquent une déformation importante du sol pendant l’action du gel, qui, dans des conditions particulièrement défavorables, peut atteindre 30 et 50 cm.

L’apparition et l’ampleur de la déformation du sol sous l’effet du gel dépendent principalement des 3 facteurs suivants :

1. Composition granulométrique du sol

2. Niveau de la nappe phréatique

3. Durée du gel.

Ad 1) Du point de vue de la granulométrie, l’effet du gel est le plus important dans les sols à grains fins, dont les pores sont suffisamment petits pour former de fins capillaires, tout en présentant une perméabilité suffisamment élevée, qui permet une circulation rapide de l’eau pendant l’action du gel. Un tel sol est le plus sensible au gel, tant en ce qui concerne la rapidité d’apparition que l’ampleur des déformations. Il s’agit de sols limoneux, composés principalement de grains de taille 0,02-0,002 mm. Les grains de taille >0,02 mm ont une faible hauteur de remontée capillaire, tandis que les grains de taille < 0,002 mm ont une remontée capillaire lente, de sorte que dans les deux cas, seule une petite quantité d’eau peut parvenir dans la zone d’action du gel pendant sa durée. Si un sol argileux contient plus de 25% de particules de taille < 0,002 mm, la perméabilité du sol est très faible et la circulation de l’eau dans les pores est si lente qu’elle y gèle avant que les lentilles de glace ne puissent se former.

Ad 2) Outre les conditions relatives à la composition granulométrique du sol, une autre condition doit être remplie pour que des déformations du sol dues au gel se produisent. Il faut qu’il existe une possibilité d’alimentation en eau dans la zone d’action du gel. Si cette condition n’était pas remplie, c’est-à-dire si les capillaires du sol n’étaient pas en relation avec l’eau qui s’écoulera constamment à travers eux pendant l’action du gel, il n’y aurait pas de déformations dues au gel, quelle que soit la composition granulométrique du sol.

Plus le niveau de la nappe phréatique est élevé, plus la possibilité de déformations du sol sous l’action du gel est grande. Si le niveau de la nappe phréatique se trouve à une profondeur supérieure à la hauteur de remontée capillaire de l’eau du sol donné, les déformations dues au gel sont négligeables.

Ad 3) Plus la période de gel continu est longue, plus les déformations dues au gel sont importantes, en raison de la formation de lentilles de glace plus grandes et plus nombreuses. Un gel fort et de courte durée provoque moins de déformations, car dans ce cas l’eau des pores gèle brusquement et l’écoulement capillaire de l’eau est interrompu. À l’inverse, un gel modéré et de longue durée entraîne des déformations plus importantes en raison de la formation sans entrave de lentilles de glace.

Effet du délestage

Lors du dégel, les lentilles de glace du haut de la couche superficielle fondent d’abord, tandis qu’immédiatement en dessous subsiste une couche gelée, donc imperméable. Comme les lentilles de glace fondues libèrent une grande quantité d’eau, qui ne peut s’infiltrer à travers la couche inférieure gelée, cette quantité accrue d’eau dans la couche superficielle sature le sol et en fait une masse fluide, sans aucune résistance, qui est simplement expulsée latéralement sous pression. Les déformations du sol dues au dégel peuvent être importantes et, dans certains cas, dangereuses. Ces déformations sont fréquentes dans les déblais des voies ferrées et des routes, où, au printemps, il se produit un glissement partiel des talus en raison de la saturation en eau du sol par l’eau issue des lentilles de glace fondues, ainsi que sur les routes dont les chaussées se déforment sous le trafic sur un sol ayant perdu sa portance à cause de la saturation en eau.

Critère d’évaluation de l’action du gel sur le sol

L’étude de l’effet du gel sur différents types de sols a conduit à la conclusion que, du point de vue du comportement au gel, il faut distinguer deux types de sols : sûrs et sensibles au gel.

Les sols résistants au gel sont ceux dans lesquels ne se forment pas de lentilles de glace, quelle que soit la durée du gel. Dans ce type de sols, il n’y a que le gel de l’eau dans leurs pores et la formation de cristaux de glace, avec des déformations négligeables sous l’action du gel. Le gravier, le sable et des sols similaires appartiennent à ce groupe.

Les sols sensibles au gel sont ceux dans lesquels se forment des lentilles de glace, à la suite de quoi peuvent apparaître de plus grandes déformations. L’eau accumulée dans la couche superficielle sous forme de lentilles de glace, sous l’action du gel, produit également un effet de dégel. Dans ce groupe entrent certains sols limono-argileux et, en particulier, les sols limoneux.

Il existe plusieurs critères pour évaluer la résistance du sol au gel, parmi lesquels les critères d’Arthur Casagrande et de Rukl sont les plus connus ; nous les décrirons ici.

Critère A de Casagrande

Ce critère repose sur la composition granulométrique du sol et s’énonce comme suit :

a) Pour un sol de composition uniforme, dont le degré d’irrégularité U < 5, le sol est sensible au gel s’il contient plus de 10% de grains d’une taille inférieure à 0,02 mm.

b) Dans le cas d’un sol de composition hétérogène, dont le degré d’hétérogénéité U > 15, le sol est sujet au gel s’il contient plus de 3% de grains d’une taille inférieure à 0,02 mm.

Bien que ce critère ait été appliqué pendant longtemps et ait toujours donné des résultats fiables, son défaut est qu’il repose uniquement sur la granulométrie du sol et ne tient pas compte d’autres facteurs influençant l’action du gel dans le sol. C’est pourquoi l’on considère aujourd’hui que ce critère est trop sévère et non économique.

critère de Rukliev

Selon cette méthode, le sol est divisé en deux fractions selon la compacité des particules solides, à savoir en fraction grossière, grains de diamètre d > 2 mm et en fraction fine, grains de diamètre d < 2 mm. Pour évaluer la résistance du sol au gel, on établit la dépendance de la quantité de fraction fine par rapport à la quantité de fraction grossière, et cette dépendance est donnée par la limite inférieure et la limite supérieure (fig. 1).

La limite inférieure représente le pourcentage maximal autorisé de particules solides de diamètre d < 0,02 mm par rapport au poids sec du remblai, c’est-à-dire de la fraction 0-2 mm, pour lequel il ne se produit pratiquement aucun dommage dû au gel dans des conditions défavorables, telles qu’un niveau élevé de la nappe phréatique, des conditions climatiques défavorables (gel prolongé) et une forte humidité naturelle du sol.

La limite supérieure représente le pourcentage maximal admissible de particules d < 0,02 mm de la masse sèche de la fraction fine, pour lequel il ne se produit pratiquement aucun dommage dû au gel dans des conditions favorables, telles qu’un faible niveau de la nappe phréatique, des conditions climatiques favorables (gels de courte durée) et une faible humidité naturelle du sol.

Fig. 1 Limites inférieure et supérieure pour l’évaluation du danger de gel du sol selon le critère de Rukliev

Protection contre l’action du gel dans le sol

La profondeur d’action du gel dans le sol dépend des conditions climatiques de la région. Dans notre pays, elle est principalement de 0,8 à 1,0 m sous la surface du terrain. Par conséquent, les constructions fondées à une profondeur égale ou supérieure à 1,0 m ne seront pas soumises à l’action du gel.

Les structures à fondation superficielle, telles que les chaussées routières, sont exposées à l’action du gel, qui peut provoquer de plus grandes déformations et des dommages à la chaussée, tant lors du gel que lors du dégel. C’est pourquoi, lors de la réalisation des chaussées routières et des pistes de décollage et d’atterrissage dans les aéroports, il est nécessaire d’examiner le sol au regard de l’action du gel et, lorsque le sol de fondation est sensible au gel, il faut prendre des mesures de protection. Pour les chaussées routières et aéroportuaires, la mesure la plus efficace consiste à réaliser une couche de forme, dont l’épaisseur est déterminée de sorte que l’épaisseur totale de la chaussée et de la couche de forme soit de 0,80 m pour un trafic lourd à 0,60 m pour un trafic léger. Le plus souvent, une épaisseur de couche de forme de 0,30 m sous la chaussée constitue une protection suffisante contre l’action du gel.

Le matériau utilisé pour la couche de fondation est généralement du sable ou du gravier sableux, qui doit satisfaire aux exigences suivantes :

Indice de plasticité IP < 5

Teneur de la fraction d < 0,02 mm inférieure à 3%

Degré d’irrégularité U > 7.

La partie supérieure de la couche de forme, sur une épaisseur de 20 cm, ne doit pas être constituée de sable uniforme et à grains fins en raison d’un compactage insuffisant et d’une capacité portante limitée. Dans cette partie, la couche de forme doit être composée de gravier sableux avec 30-70% de grains de taille 2-30 mm. Les grains de plus de 30 mm ne sont pas recommandés.

Les murs de clôture fondés superficiellement sont également soumis à l’action du gel dans le sol, ce qui les incline et conduit, sous l’effet répété du gel au fil du temps, à leur renversement et à leur effondrement. C’est pourquoi il faut fonder ces murs à 1,0 m de profondeur si le sol est sensible au gel.