En mécanique des sols, on distingue trois grandes catégories de sols : non liés, cohérents et sols d’origine organique. Il existe en outre des roches, mais elles ne sont pas étudiées en mécanique des sols, mais dans la discipline scientifique de la mécanique des roches.
Sols non cohérents
Les sols non liés ou non cohérents sont ceux dont les constituants ne sont liés par aucun agent liant. À l’état sec, lorsqu’ils ne sont pas influencés par l’humidité, les constituants solides du sol non lié sont entièrement libres dans la masse terreuse et il n’existe entre eux qu’un frottement, appelé frottement interne. Les sols non liés comprennent :
- Blocs, taille des grains 200 – 2000 mm
- Pierres concassées, taille des grains 60 – 200 mm
- Gravier, dim. des grains 2 – 60 mm
- Sable, granulométrie 0,02 – 2 mm
- Poussière, taille des grains 0,002 – 0,02 mm.
Il est à noter que la fraction de poussière est parfois appelée limon (angl. silt, all. Schluff). Cependant, comme chez nous le limon désigne une certaine sorte de sol d’origine ორგანique, ce terme pour cette fraction pourrait prêter à confusion.
Sl. 1 - Sol sableux
Sols cohérents
Les sols liés ou cohérents sont ceux dont les éléments solides sont liés entre eux par la cohésion. Les sols cohérents peuvent avoir des propriétés physiques très instables, qui changent facilement sous l’action de l’eau. Font partie des sols liés ceux qui contiennent des éléments solides de taille inférieure à 0,002 mm. Un sol qui contient principalement des éléments de taille 0,002 – 0,0002 mm est appelé argile, et si ces éléments sont de taille 0,0002 – 0,00002 mm, il est appelé argile colloïdale.
Dans la nature, l’argile pure se rencontre rarement ; elle est le plus souvent mélangée à d’autres constituants, tels que le sable et la poussière, ce qui s’appelle limon ; l’argile contenant du calcaire s’appelle argile marneuse (marne), et l’argile contenant du magnésium est de la terre à foulon. On admet généralement que le sol contenant plus de 50% de constituants argileux s’appelle argile grasse ou simplement argile, tandis que le sol contenant moins de 50% de constituants argileux s’appelle sol argileux. Le sol contenant moins de 5% de constituants argileux est considéré comme ayant les propriétés d’un sol non cohérent.
Le moyen le plus rapide et le plus simple d’évaluer à quel groupe appartient un sol consiste à sécher l’échantillon et à essayer de l’écraser entre les doigts. Les sols non cohérents se désagrègent immédiatement. Les sols argileux se réduisent sous les doigts en morceaux plus petits, et l’argile devient dure presque comme la pierre.
Fig. 2 - Sol argileux
Sols d’origine organique
Ces sols se composent en grande partie de matières organiques ou végétales, avec des constituants argileux et autres. En raison de leur teneur en matières organiques, ces sols sont très instables et absorbent fortement l’eau; ils sont donc peu stables et ne peuvent servir ni de sol porteur, ni de matériau pour la réalisation d’ouvrages en terre. Ces sols comprennent l’humus, la vase et la tourbe.
L’humus est un sol fertile, situé dans la couche superficielle de la croûte terrestre, d’une épaisseur généralement de quelques décimètres. Il se compose d’un mélange de matières organiques et minérales contenant beaucoup de bactéries. Lors de la réalisation de remblais en terre, de chaussées routières et de travaux similaires sur le sol, ainsi que lors du creusement dans des carrières de matériaux destinés à la fabrication d’ouvrages en terre, il faut excaver et enlever toute la couche d’humus, qui ne peut être utilisée que pour protéger les talus en terre contre le ravinement par l’eau.
Fig. 3 - Humus
La vase se compose d’un mélange de matières organiques sous forme de très fines particules avec des matières minérales telles que l’argile, la poussière et le sable. On la trouve au fond d’anciens fleuves et lacs.
La tourbe se compose d’une grande quantité de matières végétales et organiques sous forme de fibres, avec une moindre teneur en matières minérales.
Genèse du sol
Si nous faisions une coupe à travers la croûte terrestre, nous constaterions qu’elle se compose le plus souvent d’un sol superficiel – humus d’une faible épaisseur de couche, puis d’un sol sous-superficiel composé d’une ou de plusieurs couches de composition différente et d’épaisseurs diverses, et enfin de roche dure. Le sol superficiel est formé principalement par la décomposition des matières végétales et organiques, tandis que le sol sous-superficiel est formé par la décomposition de la roche dure.
La désagrégation de la roche compacte résulte d’influences atmosphériques ou d’une action volcanique. Les influences atmosphériques peuvent être mécaniques ou chimiques. Si le processus de désagrégation de la roche compacte est une combinaison des minéraux avec l’oxygène, il s’agit d’oxydation; et s’il s’agit d’une combinaison avec l’eau, il s’agit d’hydratation. L’action volcanique est chimique. Sous l’effet d’une forte chaleur, la roche compacte se transforme en cendre volcanique.
Le processus de désagrégation de la roche massive et sa transformation en sol peut se faire sur place « in situ » ou avec transport. Le transport des parties désagrégées s’effectue par l’eau, auquel cas se forment des sols alluviaux, par le vent, lorsqu’ils deviennent des sols éoliens, ou par la glace, lorsqu’ils donnent des sols glaciaires. Au cours du transport des fragments et particules de roche massive désagrégée, ceux-ci subissent un broyage supplémentaire sous l’effet des chocs, des frottements et du lavage auxquels ils sont exposés pendant le transport. Sous l’effet de cette action, les arêtes des fragments cassés s’arrondissent, les nouvelles particules s’affinent, leurs arêtes s’arrondissent de nouveau, et ainsi de suite tant que dure le transport. La taille et la forme des constituants solides dépendent de la résistance de la roche, de la longueur du transport, du type de transport, etc. C’est pourquoi la forme des particules solides dans le sol est très variée : ronde, ovale, à arêtes vives ou arrondies, triangulaire, etc. Les constituants solides de taille 0,02 – 0,002 mm, fraction que la mécanique des sols appelle poussière, sont généralement de forme ronde ou ovale. De tels constituants de taille inférieure à 0,002 mm, fraction appelée argile, ont une forme écailleuse. Les particules plus grossières de sable, de gravier et de galets peuvent avoir des formes diverses : cubiques, arrondies, lamellaires, etc. Les particules cubiques changent plus difficilement de forme, les lamellaires plus facilement. C’est pourquoi les sols constitués principalement de particules lamellaires peuvent facilement modifier leur composition.
Il convient de noter que certains sols, dont la formation est complètement achevée, sont parfois ensuite recouverts de nouveaux dépôts, de sorte que le sol déjà formé auparavant reste en profondeur, tandis qu’un autre sol se forme sur le nouveau dépôt et n’a pas nécessairement de lien avec le précédent. Un tel sol formé antérieurement et recouvert ensuite par un nouveau dépôt est appelé sol enfoui. Il s’agit le plus souvent de terres cultivées, qui ont été travaillées puis recouvertes par des dépôts de poussière de lœss transportés par le vent, mais les dépôts peuvent aussi être fluviaux. Le sol enfoui se reconnaît à sa couleur sombre, et de telles couches de sol peuvent être multiples si ce processus s’est répété plusieurs fois.
Sols alluviaux
Les sols alluviaux se forment par le dépôt de particules solides lors du transport par l’eau. Le dépôt dépend de plusieurs facteurs, parmi lesquels les plus importants sont la vitesse du courant, la granulométrie des éléments transportés et la teneur en autres constituants tels que les sels, la chaux, etc. À grande vitesse du courant, seuls les éléments grossiers se déposent, tandis que les éléments fins ne se déposent pas, mais sont transportés plus loin. C’est pourquoi les éléments solides plus grossiers se déposent dans la partie supérieure du cours d’eau, plus près de la source, où la vitesse du courant est élevée. À mesure que la vitesse du courant diminue, des éléments de plus en plus fins se déposent. Dans une eau calme, sans courant, ce sont en règle générale les éléments solides les plus fins qui se déposent. Partout où il y a ralentissement du courant, des dépôts importants se produisent, comme c’est le cas dans la zone inondée lors du débordement de l’eau hors du lit de la rivière, puis à l’embouchure des fleuves, en amont des barrages, etc.
La sédimentation des très fines particules d’argile colloïdale peut durer indéfiniment en raison de l’action électrochimique qui se produit entre de fines particules de dimension inférieure à 0,0002 mm lorsqu’elles sont immergées dans l’eau. Dans ce cas, les particules solides portent une charge électrique de même signe (négative), raison pour laquelle elles se repoussent mutuellement et se déplacent dans la masse liquide à des vitesses d’autant plus grandes qu’elles sont plus petites. Ce sont les mouvements browniens. À cause de ces mouvements, la sédimentation des particules solides dans l’eau est nettement ralentie et peut durer indéfiniment.
Fig. 4 - Sol alluvial
Sols éoliens
Les sols éoliens se forment par le dépôt de particules solides transportées par le vent. On distingue deux types de sols éoliens : le lœss et les dunes. Le lœss est constitué de particules solides d’une granulométrie d’environ 0,05 mm ou légèrement inférieure, soudées entre elles par du carbonate de calcium. C’est pourquoi, à l’état sec, le lœss présente une grande résistance. Les coupes dans le lœss peuvent se maintenir avec des parois verticales à des hauteurs très importantes. En revanche, si le lœss est fortement humidifié, il perd sa résistance et se met facilement en mouvement. On connaît les cas des dépôts lœssiques de Bežanijska kosa, près de Belgrade, qui se maintiennent avec des parois verticales à des hauteurs supérieures à 20m. Toutefois, dans les secteurs où des habitations ont été construites près des bords, comme c’est le cas de la rue Čunarska à Zemun, où l’humidification permanente se produit le long même du talus du plateau lœssique à cause du rejet des eaux usées, les pentes lœssiques s’effondrent et la stabilité du sol lœssique près du bord est compromise.
Les dunes sont des collines mobiles de sable meuble déposé par le vent. Sous l’action du vent, ces collines se dispersent et se reforment rapidement, ce qui représente un danger d’ensevelissement et d’effondrement pour les maisons et les moyens de transport.
Fig. 5 - Sol éolien
Sols glaciaires
Les sols glaciaires se forment par le transport de particules solides du sol par la glace. Les sols glaciaires ont une composition différente de celle des sols alluviaux, car ils se composent de particules solides de taille approximativement similaire, à savoir des galets, du gravier (moraines) ou du sable restés après la fonte de la glace. Dans les couches d’anciens lacs glaciaires, il existe une argile glaciaire.
Fig. 6 - Sol glaciaire