TP MDS: Essai oedométrique Part 1

TP mécanique de sols: Essai oedométrique

I- Introduction 

Dans ce TP nous allons étudier un phénomène très répandu  qui se produit au niveau des sol destinés a accueillir des ouvrages divers donc soumis a des charges importantes et se phénomène se manifeste par une compressibilité et des tassement au niveau de ce sol .

et il s’avère que le comportement d’un sol soumis des charges n’est pas si simple.

Si un sol constituait un milieu homogène isotrope et parfaitement élastique, il n’y aurait pas de problèmes et on appliquerait la loi de l’élasticité. Hélas tel n’est pas le cas, le sol est un milieu dont les compositions sont hétérogènes et de caractéristique mal connu et finalement difficile a maîtriser. Dans le soucis de trouver des solutions, des recherches ont été menées par certains spécialiste  notamment TERZAGHI. Grâce a ces principes bien des méthodes sont nées de nouveau appareils d’analyse et d’essais ont vu le jour.

Lorsqu’un sol est soumis à une charge, ses particules adoptent une structure plus compacte. Cette capacité qu’ont les sols d’être comprimés dépend de leur nature et de leur porosité. Comme la conception des fondations vise à éviter les tassements excessifs susceptibles de nuire à la stabilité et à l’efficacité des ouvrages, nous nous intéressons à quelque méthodes d’évaluation du tassement.

Dans les sols pulvérulents, le tassement est évalué à l’aide de méthodes empiriques basées sur des essais de terrain ; dans les sols cohérents, ce sont plutôt les résultats de l’essai de consolidation, un essai en laboratoire, qui servent à évaluer le tassement.

1- Notion de Compressibilité :

la compressibilité est le phénomène de diminution du volume cela dépend des contraintes effectives dues aux surcharges a différentes profondeurs l’essai œdométrique permet d’évaluer l’amplitude des tassements des ouvrages ainsi que leur évolution dans le temps.

Du point de vue de la physique, il est utile de comparer le comportement d’un sol chargé à celui de tout autre matériau qui fléchit sous une charge. La similitude perd cependant de sa pertinence lors du relâchement des charges, parce que, contrairement aux matériaux utilisés en construction, les sols ne sont pas des matériaux homogènes ayant un comportement élastique dans un intervalle de chargement normal. Les déformations subies par les matériaux élastiques s’annulent lors du relâchement de la charge, alors que le tassement des sols n’est jamais complètement réversible. Ce phénomène dépend surtout de la nature poreuse du sol.

Car la compressibilité n’est possible que s’il y a expulsion de l’eau et de l’air occupant les vides du sol. En milieu saturé, la compressibilité d’un sol est donc directement reliée à sa perméabilité qui, on le sait, dépend de la grosseur de ses particules.

2-  comportement des sols à gros grains :

La majorité des propriétés physiques, mécaniques et hydrauliques des sols à gros grain ( sables et graviers ) sont associées à leur granulométrie. L’importance des tassements dans ces sols dépend de l’arrangement et de la grosseur des particules. En effet, dans les sols à granulométrie étalée, les vides entre les grosses particules sont aisément occupés par des particules plus petites. La réduction de l’indice des vides y est donc plus importante que dans les sols à granulométrie plus uniforme.

Les sols ayant un indice des vides plus petit sont à priori moins compressibles que ceux dont l’indice est élevée, puisque leur volume potentiel de vides à réduire est moindre. De plus, le tassement sous un chargement statique est d’autant plus important que la compacité initiale est lâche. Enfin, comme la stabilité des sols à gros grains est assurée par la friction et l’enchevêtrement des particules, de fortes vibrations causées par des séismes ou par l’activité humaine ( dynamitage, excavation, enfoncement des pieux et utilisation d’équipements motorisés ) peuvent y entraîner des tassements

3-  comportement des sols à grains fins :

Puisque les sol à grains fins (argiles) sont peu perméables, l’eau se trouvant dans leurs vides est expulsée très lentement lorsqu’un réaménagement des particules fait suite à l’augmentation des contraintes. La compression de ces sols, ou réduction de leur volume, évolue avec le temps : c’est ce qu’on appelle un tassement de consolidation. Sous une charge, il se produit parfois un tassement immédiat de l’argile ainsi qu’un gonflement du sol autour de la surface chargée. Ce phénomène, qu’on appelle communément « effet du coussin de caoutchouc », est une déformation élastique due à la plasticité et à la cohésion de l’argile. Ce n’est en rien une consolidation, car le sol reprend sa forme initiale si on enlève la charge après une courte période.

La vitesse de consolidation est proportionnelle à la perméabilité du sol ; le temps de consolidation augmente quand la perméabilité diminue. Ainsi, les tassements dans les argiles très peu perméables peuvent se poursuivre pendant des mois, voire des années, après l’application d’une surcharge.

4- Le tassement dans les sols cohérents :

Comme le tassement des sols cohérents est un tassement à long terme, on ne peut pas se fier aux résultats des essais de terrain pour en évaluer l’importance, car ces derniers s’étendent sur des périodes trop courtes. Par contre, un essai de laboratoire, l’essai de consolidation œdométrique, fournit des données qui permettent d’évaluer le tassement et le temps de consolidation dans les sols cohérents.

Considérons un sol fin saturé auquel on applique au temps t = 0, une certaine charge Q qui reste constante par la suite. Sous l’action de ces charges, le sol a tendance à subir des variations de volume, comme le sol étant saturé et l’eau ne pouvant s’évacuer par la suite de faible perméabilité.

Les variations de volume n’ont pas lieu et elles se traduisent par une surpression de la pression de l’eau interstitielle ( Δu ) au voisinage des points d’application des charges.

Au cours de l’écoulement appelé drainage, les surpressions Δu diminuent, donc les contraintes effectives augmentent puisque la distribution des charges Q reste constante le long de l’essai. Les charges sont donc peu à peu reportées sur le squelette solide qui subit ainsi des déformations et des tassements. L’écoulement s’arrête lorsqu’en tous point Δu = 0, l’ensemble de ces phénomènes est appelé consolidation.

 5-Classification des sols vis-à-vis de la compressibilité

Soit σc’ la pression de consolidation, trois cas sont possibles, selon la valeur de

σo’ la contrainte effective véritable avant son extraction du sol.

sol sur consolidé :  (s_c>s₀)   notés OC

un sol est sur consolidé lorsque il a subit au cours de son histoire une pression supérieure a l’actuelle pression due au poids des terres .

sol normalement consolidé : (s_c=s₀ )notés NC

c’est un sol qui a tassé sous son propre poids et qui n’a jamais subi d’autres pressions supérieure a celle de l’actuelle (de chargement )

sol sous consolidé :  (s_c<s₀) notés UC

c’est un sol en cours de consolidation sous son  poids propre il s’agit de remblais récents mal ou non compactés ou bien d’une vase .

6- Indice de compression et module oedométrique : 

les courbes oedométriques e=logs nous permettent de définir un indice appelé indice de compression , mais le problème réside dans la difficulté de mesure de l’indice des vides a tout moment , pour cela il faut calculer a partir du tassement en supposant que les grains solides sont incompressibles .

donc on suppose que la variation de volume touche seulement la variation de l’indice des vides (v_s constante ) , par unité de surface on a :

v_s=v(1+e)=(hxs)/(1+e)=h/(1+e)

s=1 (unité de surface )

h/(1+e)=(h+Dh)/(1+e+De)

(Dh/h)=(De/1+e) cette formule nous permet d’avoir (e) a tout moment .

s_c  est appelée pression de consolidation qui est proportionnelle a l’indice des vides et au coefficient de proportionnalité Cc (indice de compression ).

Pression de consolidation c’est la pression maximale qu’a subi le sol durant son histoire et qui a permis sa consolidation .c’est la pression qui correspond a l’intersection des deux branches de la courbe de chargement .

Module oedométrique  :

Le module oedométrique noté E’ varie suivant les pressions de un à quelques milliers de  « Bar ». C’est une analogie du module de Young E . Ces valeurs sont bien inférieures néanmoins à celles des modules de Young des aciers et des bétons. Les argiles ont des modules oedométriques plus faibles encore. Mais là, il convient de faire la distinction entre les argiles normalement consolidées et les argiles surconsolidées.

* Le tableau ci-dessous donne la comparaison des modules de Young de l’acier et du béton avec les modules oedométrique E’ de différents types de sols soumis à des contraintes inférieures à 10 Bar.

* les figures ci-dessous indiquent l’allure des courbes oedométriques pour trois types de sols différents : sable, argile et vase.

coefficient de compressibilité volumétrique :

m_{V =}     ( Ds/1+e)_/Ds

                                                                                       

coefficient de compressibilité :   a_v = - (De/Ds) .

7- But de l’assai :

La méthode d’essai est choisie pour les terrains qui pourraient être saturés lors de fortes pluies, on se place ainsi dans les conditions les plus défavorables du point de vue de la déformabilité des sols sous des surcharges ponctuelles ou permanentes .

- La compressibilité est un phénomène de diminution de volume. Cela dépend des contraintes effectives dues aux surcharges à différentes profondeurs. Ainsi, l’essai oedométrique permet d’évaluer l’amplitude des tassements des ouvrages ainsi que leurs évolutions dans le temps. Le but de l’essai étant de déterminer quelque caractéristiques du sol, à savoir :

-         la pression de consolidation σc’

-         le coefficient de compression Cc

-         le module oedométrique E’

-         le coefficient de gonflement Cg

II- Déroulement de l’essai :

1- Description de l’apareillage :

-le moule oedométrique ou moule de consolidation

 différentes variantes dans la conception du moule oedométrique , mais qui répondent toutes au principe défini dans le paragraphe précédant , et représenté sur la coupe schématisé si suivant.

Coupe schématisée du moule oedométrique

-       L’éprouvette est retenu latéralement  par une paroi lisse indéformable . Elle est comprise entre deux pierres  poreuses ou entre deux disques en métal fritté , avec possibilité pour l’eau de circuler .

-       L’effort de compression s’exerce verticalement sur l’éprouvette par l’intermédiaire d’un couvercle ou d’un piston rigide qui répartit l’effort .

-       Les déformations de l’éprouvette sont lues sur un comparateurs .

 Moule de Terzaghi:

Il comprend essentiellement :

-       Un piston creux coulissant, sans jeu ni frottement , dans un cylindre de 70 mm de diamètre intérieur.

-       Une goupille pouvant bloquer l’ensemble piston  cylindre suivant deux positions telles que le logement destiné à l’éprouvette d’essai ait une hauteur de 12-24 mm

-       Une base comprenant un conduit d’évacuation d’eau et dans laquelle se visse le collier de serrage du cylindre.

-       une rondelle en caoutchouc assurant une parfaite étanchéité de l’ensemble cylindre base .

-       deux pierres poreuses bien encastrées jusqu’à affleurement , l’une dans la base du moule l’autre dans le piston creux .

-       deux broches de visage pour le collier de serrage .

Avec un tel moule oedométrique les dimensions de l’éprouvette d’essai sont de   7 cm pour le diamètre , de 1,9 cm pour la hauteur. Les charges sont transmises à l’éprouvette par l’intermédiaire du piston et les déplacements du piston par rapport au cylindre fixe , la lecture  sur un comparateur nous donne la déformation. Le drainage vertical est assuré , l’eau s’écoulant librement entre le conduit d’évacuation , la pierre poreuse inférieure , l’éprouvette d’essai et la pierre poreuse supérieure , la partie inférieure perforée du piston et les trous de goupille .

- Le bâti de consolidation

comprenant essentiellement un levier qui permet de transmettre les charges, le bâti de consolidation doit être rigide et doit appliquer les charges suivant l’axe du piston . Ces exigences étant satisfaites, il admet de nombreuse s variantes de forme et de gabarit .

- Les poids  

les poids nécessaires pour l’obtention des charges successives d’un essai complet constituent une série , chaque bâti de consolidation doit avoir sa série complète.

Ce sont des disques plats fendus , permettant leur centrage et leur superposition sur le plateau de charge du bras de levier, pour nous les poids  se constituent de :

0,25 – 0,5 – 1 – 2 – 4  ( bar ).

* Aussi on aura besoin des éléments qui suivent :

- une meule à découper les étuis contenant les éprouvette .

- une balance précise à 0.1 g portée de 500 g au minimum, pour la mesure des teneurs en eau .

- une étuve 105°C

- un calibre donnant les diamètres des éprouvettes .

- couteaux de différentes taille pour tailler les éprouvettes .

- un comparateur au centième de millimètre ayant une course de 10 mm . Pour les sols très compressibles des comparateurs  de même précision ayant une course de 20 mm ,environ .

Continue la part 2 de ce TP: http://coursgeniecivil.blogspot.com/2012/11/iii-expression-des-resultats.html