II.1. INTRODUCTION

           Les essais au laboratoire constituent un ensemble des techniques et méthodes utilisés pour déterminer le comportement, les propriétés et caractéristiques (les dimensions, la forme, la masse volumique, la porosité…) de sols.

          C’est dans cette optique nous avons fait appel à une étude expérimentale enfin de pouvoir trouvé des résultats cohérents capables de bien juger les caractéristiques d’un sol.

          Les essais sont divisés en deux dont les essais d’identification et classification et les essais de caractérisation mécanique.

Le sol qui fait notre objet de recherche est un sol de la ville de Goma provenant précisément des cendres volcaniques de Mont Goma.

                                

II.2. MATERIELS ET METHODES

II.2.1.  Essais d’identification et de classification

II.2.1.1.  Analyse granulométrique

               Dans un échantillon, le sol est constitué d’un ensemble des grains de différentes dimensions. L’analyse granulométrique est la première de recherches d’identification qui consiste à caractériser les granulats en déterminant la grosseur des grains qui les consistent, et les pourcentages des grains de chaque grosseur.

L’essai s’est réalisé selon NF P 94-056&057 :

• L’échantillon de 2000gr est séché à l’étuve à une température entre 103 et 105°c.
• Les tamis (6,3mm; 5mm ; 4mm; 2,5mm ; 3,15mm ; 2,5mm ; 2mm ; 1,6mm ; 1,25mm ; 1mm ; 0,8mm ; 0,63 mm ; 0,5mm ; 0,4mm ; 0,315 mm; 0,25mm ; 0,2mm ; 0,16 mm; 0,125mm ; 0,1mm ; 0,08 mm). Emboiter les uns sur les autres, les dimensions croissant de bas en haut. Dessous : récipient à fond plein (pour recueillir les éléments fins). Dessus : couvercle (pour éviter la dispersion de la poussière).
• Verser le granulat sur le tamis supérieur, mettre le couvercle, et imprimer à l’ensemble une série de secousses. Commencer à repartir de ce granulat sur les différents tamis.
• Prendre le tamis supérieur seul, avec son contenu. Au-dessus d’un plateau propre, agiter ce tamis horizontalement, en tenant d’une main et en le frappant contre l’autre main (120 coups par minute environ)

Tous les 40 coups (30 coups pour les éléments de moins de 1mm), imprimer au tamis une rotation d’un quart de tour, et poursuivre l’agitation dans la nouvelle direction.

Et on bossera de temps à autre la face inferieure des tamis concernant des éléments fins.

Pour les éléments de plus de 25mm, on pourra achever le tamisage en présentant séparément chaque grain au droit des ouvertures carrées.

• Le refus sera pesé et le tamisât versé sur le tamis suivant, avec ce que s’y trouve déjà.
• De même avec le 2^è tamis, et :

-le nouveau refus est placé sur la balance, avec le premier

-le nouveau tamisât est versé sur le 3^è tamis.

On pèse donc le refus cumulés.

• De même jusqu’au dernier tamisât (récipient à fond plein) est ajouté sur la balance aux refus précédents : on doit retrouver le poids pesé au départ, aux pertes près.

Les différents tamis sont disposés comme illustre la figure II.1 ci-dessous.

Figure II.1 : Disposition des tamis pour l’analyse granulométrique.

II.2.1.2.  Détermination de la teneur en eau d’un sol

C’est un paramètre d’état fondamental dans son comportement. Il est nécessaire de pouvoir considère la teneur en eau  du sol à l’etat naturel par rapport, soit aux limites d’Atterbert  et , en exprimant l’indice de consistance I_C, soit par rapport à la teneur en eau optimale pour la quelle le sol est correctement compacté. La détermination de la teneur en eau a été réalisé suivant le procède décrit par Lanchon (1983)[1].

L’essai consiste à :

• Prélever l’échantillon de sol représentatif ;
• Placer ce prélèvement sur un verre de montre de poids T ;
• Peser immédiatement l’ensemble de poids W ; le mettre à l’étuve à 105°C jusqu’à dessiccation complète et poids stable au bout de 24h ;
• Peser l’échantillon sec immédiatement à la sortie de l’étuve pour obtenir le poids sec W_d ;
• En déduire la teneur en eau de l’échantillon par la formule :

                              (II.1)

Avec :

: Teneur en eau exprimée en pourcentage ;

T : poids propre de la tare ;

W : poids de l’échantillon humide, y compris la tare

W_d : poids de l’échantillon sec, y compris la tare.

II.2.1.3.  Limites d’Atterberg

            Atterberg en 1911 a trouvé que les teneurs correspondant aux transitions d’un état à l’autre différent usuellement pour un sol ayant différentes propriétés physique dans l’état remanié et sont presque similaires pour les sols ayant des propriétés physiques semblables[2]. Ces limites pourront dès lors servir dans la classification des sols.

                 Elles sont au nombre de cinq mais les plus importantes sont deux ; (limite de plasticité) ; et représentent des teneurs en eau pondérales caractéristiques d’un sol. 

Pour le cas d’un sol pulvérulent, la limite de liquidité n’est pas mesurable.

Elles font l’objet de la norme NF P 94-051. Elles sont déterminées uniquement pour les éléments fin d’un sol (fraction passant au tamis de 0,4mm), car se sont les seuls éléments sur les quels l’eau agit en modifiant la consistance du sol[3]. L’appareil utilisé pour leur détermination est celui de Casagrande (fig. II.2).

Figure II.2 : Appareil de Casagrande

La limite de liquidité se détermine par le procédé suivant détaillé par NF P 94-051 :

• L’échantillon est mise en place à la spatule de façon bien homogène. Epaisseur au centre de 15 à 20 mm. Pourtour sensiblement horizontal
• Faire une rainure de l’axe de la coupelle, outil sensiblement perpendiculaire à cette coupelle.
• Tourner la manivelle : 2 chocs par seconde. Observer le fond de la rainure, et comparer le nombre de chocs. Arrêter lorsque la fermeture s’est produite sur 1 cm environ.
• Recommencer :

-si le nombre de chocs a été inferieur à 15 (laisser sécher un peu),

-si ce nombre a été supérieur à 35 (ajouter un peu d’eau, et bien homogénéiser).

• Si 15 35, determiner la teneur en eau

- Prélever un peu de mortier d’un coté de la rainure, et un peu de l’autre ;

- Placer chaque prise sur u verre de montre taré ;

- peser immédiatement ;

- porter au four pour dessiccation complète ;

- peser sec

• Mais le nombre de chocs aura rarement été 25. Il faut donc :
• Soit recommencer en faisant varier ; on pourra tracer la courbe et en deduire correspondant à  25 ;
• Soit trouver un moyen de déterminer correspondant à  25 connaissant et  correspondant aux deux autres valeurs et  (ou simplement en fonction d’un couple  ).

Par définition, la limite de liquidité est la teneur en eau qui correspond à la fermeture de la rainure.

 II.2.1.3. Essai de perméabilité

L’essai de perméabilité des sols se réalise au laboratoire par deux types d’appareils de mesure : le pérméamètre à charge constante et le perméamètre à charge variable.

Pour ce qui est de notre cas, l’essai se réalise par le perméamètre à charge (fig. II.3) constante car il convient pour les sols pulvérulents.

Le principe de l’essai consiste à créer un gradient hydraulique constant et à mesurer la quantité d’eau qui par unité de temps, passe à travers l’échantillon préalablement saturé de manière à ce que s’établisse un écoulement permanent à travers l’échantillon.

Figure II.3 : Perméamètre à charge constante

II.2.2. Essais de caractérisation mécanique

II.2.2.1. L’essai Proctor           

             L’essai consiste à compacter dans un moule normalisé, à l’aide d’une dame normalisée, selon un processus bien défini, l’échantillon de sol à étudier et à mesurer sa teneur en eau et son poids spécifique sec après compactage[4].

             L’essai doit être répété plusieurs fois de suite sur des échantillons portés à différentes teneurs en eau qui à chaque fois vont définir des point permettant le traçage de la courbe ( ). Les caracteristiques et procedure de compactage definissent deux types d’essai Proctor : Proctor Normal (PN) et Proctor Modifié (PM). La différence entre ces deux essais est l’énergie de compactage mais la procédure reste identique du point de vue détermination.

Sa détermination se fait par la norme NF P 96-093 qui se décrit par :

• Assembler moule et embase. (Moule Proctor : disque d’espacement). Disque de papier au fond du moule (démoulage). Peser moule + embase (soit P₁), à 5 kg près. Adapter la hausse.
• Introduire la première couche, et la compacter. Scarifier la surface compactée (liaison avec la couche suivante).

De même pour les couches suivantes.

• Apres compactage de la dernière couche, enlever la hausse. Le sol compacté doit dépasser le moule de 1 cm environ. Sinon, recommencer l’essai avec de nouvelles quantités par couche.
• Araser soigneusement. Nettoyer le moule et peser (soit P₂).
• Oter l’embase, et prélever 2 prises sur l’échantillon : une en haut du moule et l’autre en bas.

Déterminer la teneur en eau de chaque de ces prises, et en prendre la moyenne.

• D’où le premier point de la courbe, dont les coordonnées sont :

-abside : , teneur en eau qu’on vient de déterminer ;

-ordonné : , masse volumiqque apparente seche, soit :

                    (II.2)

P: poids

 : La teneur en eau

Vol. Moule : volume du moule

II.2.2.2. L’essai  CBR

L’essai CBR est un essai de comportement d’un sol soumis à un poinçonnement dans le but d’évaluer un indice appelé CBR « Californien Bearing Ration », ou Indice Portant Californien[5].

L’essai se réalise suivant la norme NF P 96-078.

• Après avoir  compacté  le  matériau  dans  les  conditions  de  l’essai  Proctor modifié, on applique ensuite une charge voisine de ce que sera la charge de service. Après immersion pendant 4 jours dans l’eau, on procède au poinçonnement par un piston tout en mesurant les efforts et déplacements résultants.

• L’indice de portance ou CBR exprime en pourcentage le rapport entre les pressions produisant dans le même temps un enfoncement donné dans le sol étudié d’une part et dans un matériau type d’autre part.

Figure II.4 : Presse à poinçonner l’échantillon d’un CBR

Prélèvement de l’échantillon intact

          Ces essais présentent une certaine particularité du fait que les échantillons qui doivent être apporté au laboratoire doivent être non-remanié. C’est de cette condition que procédure de prélèvement doit être soigneusement bien suivi :

• Prendre un morceau de tuyau pvc de diamètre 16 cm et de longueur 32 cm.
• Sur le lieu d’échantillonnage enlever toutes les herbes et le mauvais jusqu’au sol d’étude ;
• Placer verticalement le pvc et l’enfoncement doucement en frappant l’autre bout (figure II.5);

Figure II.5 : Prélèvement d’un échantillon intact

• Avec un couteau creuser tout autour du tuyau et donner encore quelque coup pour que le tuyau redescende de nouveau. Continuer l’opération jusqu’à ce que le tuyau soit rempli
• Fermer les deux bouts à l’aide de la cire de bougies (fig. II.6)

Figure II.6 : Fermeture par la cire de bougie après prélèvement

II.2.2.3. Essais de consolidation

               C’est un essai très capital dans l’étude de sols. Le matériel utilisé pour le réaliser est l’odoemètre de Terzaghi (fig. II.7). Cet appareil permet d’évaluer l’amplitude des tassements ainsi que leur évolution dans le temps[6].

Figure II.7 : Oedomètre de Terzaghi

L’essai se réalise comme suit :

• Placer l’échantillon dans un anneau rigide (anneau flottant) ne permettant aucune déformation latérale ;
• De part et d’autre de l’échantillon, placer une pierre poreuse pour permettre l’extrusion d’eau interstitielle ;
• Afin d’éviter l’évaporation d’eau interstitielle, on verse un peu d’eau à la partie supérieure de l’échantillon pour maintenir l’humidité voulue ;
• L’application de la charge se fait par le piston à l’intermédiaire d’un dispositif de chargement.
• L’eau s’écoulant de l’échantillon est recueillie par la pipette ;
• Le comparateur, le dynamomètre et le chronomètre permettent de mesurer la déformation, la charge appliquée et le temps écoulé.

II.2.2.4. Essais cisaillement[7]

                 Le but de cet essai est de déterminer expérimentalement la courbe intrinsèque d’un sol pulvérulent puis d’en déduire les paramètres de cisaillement qui permettent d’estimer la contrainte de rupture[8].

Ces essais peuvent être réalisés soit par cisaillement direct à la boite de Casagrande soit par essai de cisaillement-triaxial.

a)      Cisaillement direct

                 L’échantillon de sol à étudier est placé entre deux demi-boîtes de sections qui peuvent se déplacer l’une par rapport à l’autre, (fig. II.8). Un piston permet d’exercer un effort, de compression verticale sur l’échantillon. La demi-boîte inferieure, se déplaçant au cours de l’essai, cisaille le sol suivant un plan bien défini. On réalise plusieurs fois l’essai en faisant varier l’effort de compression Ni, et on note l’effort de contrainte Ti on reporte ensuite sur un graphique la contrainte de compression

                                                                                 (II.3)

Et celle de cisaillement 

A : bâti fixe                   C : pierres poreuses                     P : plan de cisaillement

A′ : bâti mobile              D : drainage                                N : force normale

B : piston                      E : éprouvette                              T : force tangentielle

Figure II.8 : Boîte à cisaillement rectiligne de Casagrande

La  courbe intrinsèque  se présente comme la figure II.9

Figure II.9 : Courbe intrinsèque par la boite de cisaillement

Pour un sol pulvérulent, les points relatifs à chaque pression normale sont en principe alignés et la droite qui le joint passe après l’origine (fig. II.9)[9]. Trois points expérimentaux suffisent généralement pour tracer cette droite avec une approximation convenable.

Avantage de l’essai[10]

• Essai rapide, simple et peu couteux

Inconvénients :

• Control du drainage (difficile pour les sols fins) ;
• L’essai n’est utile que dans des cas complètement drainés ;
• La rupture est forcée sur un plan qui n’est pas nécessairement le plus critique ;
• Une concentration des contraintes se créent sur les bords.

b)     Essais de cisaillement- Triaxial[11]

L’éprouvette de sol a une forme d’un cylindre droit. Elle est placée dans une cellule triaxiale. L’éprouvette contenue dans une gaine étanche et parfaitement déformable. Son extrémité inferieur ou ses deux extrémités, selon le montage, sont au contact d’une pierre poreuse.

La cellule est remplie d’eau. Le dispositif d’essai permet de mettre cette eau en pression, ce qui conduit à appliquer une contrainte isotrope  à l’eprouvette (on a ici  ).

                           D’autre part l’éprouvette peut être comprimée verticalement à l’aide d’un piston.

La déformation verticale  de l’eprouvette est mesurée à l’aide d’un comparateur.

Figure II.10 : Appareil de compression triaxial

Un robinet R permet, s’il est ouvert, le drainage de l’éprouvette par l’intermédiaire  des pierres poreuses, l’essai est alors dit drainé. S’il est fermé, le sol ne peut pas se drainer, l’essai est dit non drainé.

Si R est ouvert, une burette permet de mesurer la quantité d’eau expulsée ou absorbée par l’échantillon.

Si R est fermé et le sol saturé, on peut mesurer la pression interstitielle de l’eau du sol à l’aide d’un capteur de pression.

 L’essai consiste, pour une pression  constante, à faire croitre  par raison de symetrie, les contraintes principales  sont respectivement verticales et horizontales.

1.      Essai consolidé-drainé (CD)

• pression de confinement
• deviateur de pression
• contrainte principale
• L’essai étant drainé, la pression de l’eau est dissipée

Figure II.11 : Contrainte sur un essai triaxial consolidé-drainé

La courbe intrinsèque pour cet essai d’un sol pulvérulent (fig. II.12) présente une droite approximativement inclinée sur l’axe des abscisses. Elle fournit la cohésion effective et l’angle de frottement effectif.

Figure II.12 : Courbe intrinsèque de l’essai CD d’un sol pulvérulent.

2.      Essai consolidé-non-drainé (CU)

• pression de confinement
• deviateur de pression
• contrainte principale
• L’essai étant drainé, la pression de l’eau est dissipée

 

Figure II.13 : Contrainte de l’essai triaxial consolidé-non-drainé.

La courbe présente une droite approximativement inclinée sur l’axe de contraintes normales. Elle se caractérise par son ordonnée à l’origine et par son angle avec l’axe des abscisses.

Figure II.14 : Courbe intrinsèque d’un sol pulvérulent à l’essai CU

3.      Essai non-consolidé-non-drainé (UU)

• pression de confinement
• deviateur de pression
• contrainte principale
• L’essai étant drainé, la pression de l’eau est dissipée ;

Figure II.15 : Contraintes de l’essai triaxial non-consolidé-non-drainé

II.2.2.5. Essai au pénétromètre dynamique

Le pénétromètre dynamique (appelé aussi compressiomètre dynamique), est basé sur le principe de battage des pieux.

• Une masse coulisse le long de la tige verticale de 1,7m de longueur et de 1cm² de section maintenue par un trépied. Une graduation portée sur la tige permet de lire l’enfoncement après avoir laissé tomber la masse sur l’embase.
• On détermine le nombre de coups pour un enfoncement de 10 à 20 cm pour une profondeur donnée.

La formule ci-après donne la résistance opposée au sol après la chute de la masse.

                                     (II.3)

                                                               (II.4)

En remplaçant v et V par leur valeur on trouve que :

                                        (II.5)

Connaissant h, on peut déduire R.

Avec :

M= masse tombante

P= son poids

m= masse de la tige mobile

P= son poids

V= vitesse de la masse au moment du choc

v= vitesse de l’ensemble masse –tige après le choc

h= enfoncement

R= résistance opposée au terrain

H= hauteur de chute

Pour de cet essai il est recommandé de faire nombreux essais jamais moins de 10 ; de ne pas tenir compte des valeurs de h qui s’écartent beaucoup de la moyenne ; veiller à ce que la chute soit verticale. 

[1] Lanchon R., Cours de laboratoire : granulats, bétons, sols. Ed. Desforge, 1983, p.34

[2]Pierre M. Mécanique des sols et des roches, partie I : propriétés physiques des sols, 1994, p46

[3] M.CALLAUD, Mécanique des sols, propriétés des sols, Tome I, 2003,  p22

[4] Lanchon R.: cours de laboratoire : granulats, bétons, sols. Ed, desforge, 1983, p120.

[5] www.google.com/essaiCBR  (14 février 2014 à 14 :30 )

[6] Robert C., Cours de mécanique des sols, routes, fondations et soutènements, Fascicule iv, inédit, FSA, Université de Liège, 2005-2006,p14.

[7] www.google.com/TP.Cisaillement laboratoire de matériaux (18 février 2014 à 23 :10)

[8] www.google.com/Essai de cisaillement à la boite, méthode d’essai LPC n°21, p.10

[9] Mourad K., Mécanique des sols II, Cemagraf éditions, 2000, p.28

[10] www.google.com/Essai de cisaillement à la boite, méthode d’essai LPC n°21, p.23

[11] IHCENE L., Etude du comportement d’un sol sous chargement monotonique et cyclique. (Mémoire), 2008, p42