Note d’expert importante : Cet article est une revue pédagogique d’archives et ne constitue pas une étude géotechnique, une norme de laboratoire valide, un calcul de fondation ou un manuel d’instructions. Les termes, procédures, unités de mesure, valeurs, classifications et références originales à « notre réglementation » ont été transférés sans vérification du respect des normes et réglementations applicables. Les analyses de sol, le choix de la méthode, l’interprétation des résultats et les décisions de conception doivent être effectués par des experts géotechniques autorisés et le laboratoire approprié pour un objet et un emplacement spécifiques.
Le thème de la compressibilité du sol ne fait pas partie de la nouvelle offre publique de Savo Kusić. L’accent de production actuel se compose de fenêtres en bois, fenêtres en bois-aluminium et portes sur mesure. Pour un projet de fenêtre ou de porte spécifique, vous pouvez envoyer une demande de devis.
Base du test de l’œdomètre
La compressibilité du sol est déterminée par un essai de compression avec dilatation latérale empêchée, également appelé essai œdométrique ou essai de consolidation.
Le test est effectué avec des échantillons non perturbés et, dans certains cas, avec des échantillons perturbés. Dans le premier cas, l’échantillon d’essai est prélevé en pressant des anneaux métalliques dans un échantillon plus grand et intact, qui est ensuite introduit dans l’appareil avec l’anneau après avoir coupé l’excédent d’échantillon et nivelé ses surfaces avec les bords du cylindre. Dans le deuxième cas, l’anneau est rempli d’un échantillon en état de consistance à la limite d’élasticité et dans cet état il est introduit dans l’œdomètre.
Le test est effectué à l’aide de l’appareil construit pour la première fois par Terzaghi et appelé œdomètre. Aujourd’hui, il existe plusieurs constructions différentes de cet appareil, mais elles sont toutes basées sur le même principe, tester la compression d’un échantillon de sol sous charge avec une expansion latérale empêchée.
Œdomètre : description de l’appareil
Fig. 1. Odomètre
L’œdomètre est constitué d’un cylindre métallique dans lequel l’échantillon est situé entre deux pierres filtrantes (fig. 1). L’échantillon est introduit dans l’appareil dans un anneau métallique de diamètre 7-10 cm et de hauteur 1-4 cm. La charge P est transférée à l’échantillon via la pierre filtrante supérieure. Au-dessous de la pierre filtrante inférieure se trouvent des canaux au fond du cylindre pour évacuer l’eau de l’échantillon vers le tube capillaire, ainsi que pour l’alimentation en eau. Puisque la compression de l’échantillon se fait au détriment des pores, car les particules solides du sol et l’eau dans les pores sont pratiquement incompressibles, il faut s’assurer que l’eau s’écoule de l’échantillon pendant l’essai, ce qui est rendu possible au moyen d’une pierre filtrante, d’un canal et d’un tube capillaire.
Sur le côté gauche de l’appareil se trouve un tuyau d’alimentation en eau avec un robinet devant le cylindre, tandis qu’un tube capillaire se trouve sur le côté droit, avec un robinet derrière le cylindre. Le tube capillaire permet également de déterminer le coefficient de perméabilité du sol k.
Examen
Lorsque l’échantillon est placé dans le cylindre et que l’appareil est assemblé, fermez le robinet de gauche, l’arrivée d’eau, et ouvrez le robinet de droite, pour que l’eau s’écoule dans le tube capillaire. Ensuite, la charge de l’échantillon est abordée, qui est appliquée progressivement. Les charges suivantes sont généralement appliquées : 0,50 ; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 kp/cm2 et plus loin jusqu’à la charge de sol la plus élevée attendue sous le bâtiment, généralement jusqu’à 10 kp/cm2, et pour les barrages, cela peut aller encore plus jusqu’à 20 kp/cm2. A chaque niveau de charge, au moment de son application, le chronomètre est lancé et à certains intervalles de temps 15“, 30“, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, puis tous les 24h supplémentaires, jusqu’à la consolidation de l’échantillon sous ce degré de charge, le tassement correspondant en millièmes de millimètre est lu sur le comparateur et enregistré dans le registre. Pour la consolidation, on suppose qu’elle est atteinte si le tassement de l’échantillon Δh ≤ 0,02 mm pour une durée de 24 heure. Une fois la consolidation obtenue, le niveau de charge suivant est appliqué et toute la procédure est répétée de la même manière et ainsi de suite jusqu’au niveau de charge final.
Un essai de consolidation avec expansion latérale évitée est effectué avec chargement et déchargement, afin de déterminer les propriétés élastiques du sol. Après avoir chargé l’échantillon dans une certaine mesure, nous le déchargeons avec la même progressivité que nous l’avons chargé. Le soulagement est généralement effectué après 2,0 kp/cm2, 4,0 kp/cm2 et 6,0 kp/cm2.
En règle générale, le test est effectué avec l’échantillon sous l’eau, qui est maintenu sur le tube de verre gauche à la hauteur de la surface supérieure de l’échantillon dans l’appareil. Le test de compressibilité de l’échantillon en présence d’eau est effectué pour cette raison, car le test prend beaucoup de temps et l’échantillon sèche pendant ce temps, de sorte que la compressibilité de l’échantillon serait inférieure à la compressibilité réelle du sol dans son état d’humidité naturel. De plus, l’humidité naturelle du sol peut être plus élevée qu’elle ne l’était au moment de l’échantillonnage, en particulier lorsque le niveau de la nappe phréatique augmente, ce qui pourrait entraîner un écart significatif par rapport à la compressibilité réelle du sol pendant la période de niveau d’eau élevé.
Les résultats des tests sont appliqués à trois types de diagrammes, à savoir le diagramme de compression relative, le diagramme de changement de coefficient de porosité et le diagramme de tassement temporel.
Diagramme de compression relative
Ce diagramme est obtenu lorsqu’une pression normale est appliquée à l’échantillon sur l’axe des abscisses σ = P/A, où P est la charge agissant sur l’échantillon via la pierre filtrante supérieure en kp/cm2, A est la section transversale de l’échantillon dans l’appareil, et sur l’axe des ordonnées est la compression relative Δh/h où Δh est le tassement de l’échantillon sous charge Δσ lors de la consolidation, h hauteur de l’échantillon avant chargement (fig. 2).
Fig. 2. Diagramme de compression relative
Pendant le chargement, un diagramme de compression primaire a.
Pendant le déchargement, si l’apport d’eau sans entrave est activé, de sorte que l’échantillon reste sous l’eau pendant le déchargement, il revient à son état d’origine, c’est-à-dire le gonflement. Cependant, l’échantillon ne revient pas à son état initial, ce qui signifie qu’il a subi une déformation plastique (permanente) en plus d’élastique. Ainsi, dans ce cas, le diagramme de gonflement b est obtenu lors du déchargement. Cependant, si le test a été effectué sans recevoir d’eau, au lieu d’un diagramme de gonflement, le soi-disant diagramme d’élasticité.
Si l’échantillon est à nouveau chargé après déchargement, le diagramme de compression secondaire c est obtenu. Le diagramme de gonflement et le diagramme de compression secondaire c forment entre eux une boucle d’hystérésis. Dans l’argile, les boucles d’hystérésis sont importantes et donc les déformations dans la zone de gonflement et de compression secondaire (schémas b et c) ne sont pas considérées comme élastiques, mais réversibles, puisqu’elles ne sont pas proportionnelles à la charge selon la loi de Hooke. Les déformations dans la zone de compression primaire (schéma a) dans la partie où elles ne sont pas revenues sont permanentes (irréversibles).
Module de compressibilité du sol
A partir du diagramme de compression relative, on obtient selon la loi de Hooke de manière analogue au module d’élasticité de Jung E pour un matériau élastique, le module de compressibilité du sol Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
où Δσ est l’incrément de charge, Δh/h est la compression relative correspondante, qui est tirée du diagramme de compression primaire a (fig. 2).
Le module de compressibilité du sol Ms diffère du module d’élasticité E d’un matériau élastique, car Ms n’est pas constant pour un même matériau mais est variable et augmente avec la charge normale σ. Par conséquent, une valeur spécifique du module de compressibilité Ms ne peut être donnée que pour un intervalle étroit de charge normale du sol Δσ. Si la valeur du module Ms est plus élevée, la compressibilité du sol est plus faible et vice versa. Selon nos règles de fondation, le critère suivant pour le module de compressibilité du sol à l’état naturel est retenu :
La classification ci-dessous est reprise du texte original, y compris l’intervalle répété 100-400 kp/cm2. Il n’a pas été vérifié ni harmonisé avec la réglementation en vigueur.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 sol extrêmement compressible
Ms = 20 - 50 kp/cm2 sol très compressible
Ms = 50 - 100 kp/cm2 sol moyennement compressible
Ms = 100 - 400 kp/cm2 sol moins compressible
Ms = 100 - 400 kp/cm2 sol légèrement compressible
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 sol légèrement compressible
Ms > 1000 kp/cm2 sol très peu compressible.
Module d’élasticité du sol
De la même manière, on obtient le module d’élasticité du sol E:
E = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
où l’incrément de compression relatif Δh/h est tiré du diagramme d’élasticité du sol pour l’incrément de pression normale correspondant Δσ.
Sol normal consolidé et surconsolidé
Fig. 3. Diagramme des changements du coefficient de porosité d’un échantillon de sol perturbé
Si l’on effectue un test œdométrique avec un échantillon perturbé, que l’on a introduit dans l’appareil à la limite d’élasticité, et que l’on reporte les résultats du test sur le diagramme de l’évolution du coefficient de porosité e en fonction de la pression σ (Fig. 3), le flux de consolidation est représenté par des diagrammes 1 pour la charge primaire, 2 pour le déchargement, 3 pour la charge secondaire jusqu’à la limite a de l’extension de charge primaire σa et 4 au-delà de cette limite.
Le diagramme de déchargement 2 et le diagramme de compression secondaire 3 forment une boucle d’hystérésis derrière laquelle le diagramme 4 continue dans le prolongement du diagramme 1, sans interruption, comme s’il n’y avait pas de déchargement et de rechargement.
Fig. 4. Diagramme de changement du coefficient de porosité d’un échantillon de sol non perturbé
Cependant, si nous effectuons le test œdométrique de la même manière que précédemment avec un échantillon non remanié prélevé à une certaine profondeur du sol (fig. 4), le diagramme de charge secondaire 3 montrera une rupture σb au point b à une certaine charge, après quoi le diagramme 4 aura une plus grande pente. Cette fracture s’est produite parce que le sol dans lequel l’échantillon a été prélevé était soumis à une charge p=γt supérieure à la charge de l’échantillon σ dans l’œdomètre. La charge p plus élevée provient du poids des couches supérieures du sol existantes sur la surface du terrain, que nous appelons pression du sol, ou de la charge des couches de sol antérieures emportées au fil du temps par l’érosion ou du sol morainique ou de la glace, que nous appelons précharge. L’apparition de surconsolidation est particulièrement caractéristique de l’argile, où l’on distingue les argiles normalement consolidées et les argiles surconsolidées.
Argile normalement consolidée
L’argile normalement consolidée se trouve à des profondeurs moins profondes sous la surface du sol, qui n’a pas été exposée auparavant à une précharge. Un échantillon de cette argile, chargé dans l’œdomètre avec des charges supérieures au poids des couches supérieures « pression du sol », montre un flux continu de consolidation, sans ruptures dans le diagramme de compression relative ni dans le diagramme de changement du coefficient de porosité. Le tassement de cette argile sous la charge de l’objet est normal, c’est-à-dire que sous une certaine charge, le tassement diminue avec le temps.
Argile surconsolidée
L’argile surconsolidée se trouve à de plus grandes profondeurs ou a déjà été exposée à une précharge. Un échantillon de cette argile chargé dans l’œdomètre avec une pression supérieure à la pression ou à la précharge du sol montre une fracture sur le diagramme de compression relative ou sur le diagramme de changement du coefficient de porosité, dit. fracture géologique g, avec un fort changement de direction (fig. 5a). Le tassement de cette argile sous la structure est faible pour les charges inférieures à la pression du sol ou à la précharge σ1, mais devient significativement plus important pour les charges supérieures à σ1.
Si la cassure géologique n’est pas clairement définie, alors elle est déterminée à l’aide des tangentes au diagramme (fig. 5b).
Fig. 5. Diagramme d’évolution du coefficient de porosité de l’argile surconsolidée
Diagramme de règlement du temps
Ce diagramme, également appelé diagramme de consolidation, est obtenu lorsque pour chaque degré de chargement de l’échantillon dans l’œdomètre, le temps t en heures est appliqué à l’axe des abscisses, et le tassement en mm (fig. 6a) ou en % du tassement total (fig. 6b) est appliqué à l’axe des ordonnées.
Fig. 6. Diagramme de règlement du temps
Les sols non liés et liés se comportent différemment sous charge. Les sols meubles, tels que le sable, ont de grands pores, à partir desquels l’eau est rapidement évacuée sous charge, de sorte que le sol se tasse rapidement, le tassement le plus important se produisant au début de la charge et atteignant le tassement final à une charge donnée dans un intervalle de temps relativement court. Les sols cohésifs tels que l’argile ont de petits pores d’où l’eau est difficile à évacuer sous charge. Il y a deux phases dans le processus de tassement du sol compacté. Dans la première phase, immédiatement après l’application de la charge sur le sol, comme l’eau ne peut pas s’écouler hors des pores, celle-ci est soumise à une contrainte et reçoit la totalité de la charge appliquée. Dans la deuxième étape, l’eau interstitielle stressée commence à s’expulser sous sa propre contrainte en raison de la charge, qui est progressivement transférée aux particules solides du sol. Dans cette deuxième phase, les particules se rassemblent et les pores se rétrécissent. Le processus d’affaissement se poursuit jusqu’à ce que l’eau sous pression soit expulsée des pores, c’est-à-dire jusqu’à ce que l’état de contrainte de l’eau dans les pores cesse d’exister. La consolidation des sols est donc avant tout un problème hydrodynamique, qui dépend de la perméabilité et de la porosité du sol. Dans le cas de l’argile, dont la perméabilité est faible, le processus de consolidation peut prendre un temps très long et, de plus, les tassements peuvent être nettement plus importants en raison de la porosité globale plus élevée que dans le cas du sable. Sur la base du test de consolidation, l’évolution du temps de règlement peut être calculée pour toute la durée de la consolidation et par phases individuelles.