GÉOTECHNIQUE : Fondamentaux et Caractérisation des Géomatériaux
La géotechnique est une discipline essentielle qui étudie les propriétés physiques, mécaniques et hydrauliques des sols et des roches. Elle a des applications directes dans le génie civil pour la conception, le dimensionnement et le contrôle des ouvrages. L'objectif est de proposer des solutions techniques adaptées pour assurer la stabilité et la durabilité des infrastructures comme les fondations, les soutènements, les terrassements, les routes et les tunnels.
Domaines d'Influence de la Géotechnique
Mécanique des Milieux Continus (MMC) : Étude de la déformation des solides (élasticité, plasticité), des propriétés physiques et mécaniques des sols et roches, et de l'état de contrainte.
Géologie et Minéralogie : La composition géologique et minéralogique influence directement le comportement des géomatériaux.
Statistiques : Indispensables pour appréhender la variabilité naturelle des terrains.
Approches Théoriques et Expérimentales
Théorie de l'élasticité (avec conditions aux limites spécifiques au sol).
Critère de plasticité de Mohr-Coulomb.
Écoulement en milieu poreux (eau dans le sol entraînant une consolidation).
Approche expérimentale par des essais en laboratoire et des données de terrain.
Rôle des Sols et Géomatériaux dans le Génie Civil
Support de construction : Les fondations transmettent les charges des ouvrages au sol.
Matériau de construction : Utilisés dans les digues, barrages en terre, remblais.
Problématiques Géotechniques Clés
Étudier la résistance du sol de fondation.
Évaluer le tassement sous les bâtiments.
Assurer la stabilité des talus (naturels ou artificiels).
Partie I – Caractérisation du Réseau Poreux et des Propriétés Hydriques
Cette partie aborde les notions fondamentales du réseau poreux et les méthodes de caractérisation des propriétés hydriques des géomatériaux.
I.1. Notions Essentielles sur le Réseau Poreux
La porosité est un paramètre clé des géomatériaux. Selon Foucault et Raoult (2010), elle représente l'ensemble des volumes de petite taille, connectés ou non, pouvant être occupés par des fluides (gaz, eau, pétrole) à l'intérieur d'une roche ou d'un sol.
</p><pstyle="text−align:left;">avec:</p><pstyle="text−align:left;"><spandata−latex=" \left\{ \begin{array}{l} V_p = \text{volume des pores} \\ V_s = \text{volume du solide} \\ V_t = \text{volume total} \end{array} \right. " data-type="inline-math"></p><pstyle="text−align:left;">TypesdeVides</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Pores:</strong>Formesgeˊneˊralementconvexesetarrondies.</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Fissures:</strong>Videsanguleux,plans,allongeˊs,defaibleeˊpaisseur.</p></li></ul><pstyle="text−align:left;">PorositeˊOuvertevs.PorositeˊFermeˊe</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Porositeˊouverte:</strong>Poresconnecteˊsentreeuxetaˋl′exteˊrieur,permettantlacirculationdesfluides.</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Porositeˊfermeˊe:</strong>Poresisoleˊs,nonconnecteˊs,n′autorisantpasd′eˊcoulement.</p></li></ul><h3style="text−align:left;">I.2.CaracteˊrisationduReˊseauPoreuxetdesProprieˊteˊsHydriques</h3><pstyle="text−align:left;">MeˊthodeaˋTriplePeseˊe(Porosimeˊtrieaˋl′eau)</p><pstyle="text−align:left;">Cettemeˊthode,normaliseˊeparlaNFEN1936(2007),permetdedeˊterminerlaporositeˊouvertetotale.</p><olclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Seˊchagedel′eˊchantillon.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Misesousvide.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Saturationcompleˋteaˋl′eau.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Reˊalisationdetroispeseˊes:masseseˋche(<spandata−latex="msec"data−type="inline−math"></span>),massesatureˊe(<spandata−latex="ms"data−type="inline−math"></span>),massehydrostatique(<spandata−latex="mh"data−type="inline−math"></span>).</p></li></ol><pstyle="text−align:left;">Eˊquationfinalepourlaporositeˊouvertetotale(<spandata−latex="ϕo"data−type="inline−math"></span>):</p><pstyle="text−align:left;"><spandata−latex=" \phi_o = \frac{m_s - m_{sec}}{m_s - m_h} \times 100 " data-type="inline-math">undefined W \% = \frac{P_W}{P_S} \cdot 100 " data-type="inline-math"></p><pstyle="text−align:left;"><strong>Valeursusuellesdeteneureneau:</strong></p><tablestyle="min−width:50px;"><colgroup><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"></colgroup><tbody><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Sols</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Teneureneau</strong></p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Sable</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">2aˋ10 VBS = \frac{B}{m_0} \times 100 " data-type="inline-math"></p></li><li><p style="text-align: left;">Pour les matériaux avec <span data-latex="D_{max} > 5 \, \text{mm}" data-type="inline-math"></span> : <span data-latex=" VBS = \frac{B}{m_0} \times C \times 100 " data-type="inline-math"></p></li></ul><pstyle="text−align:left;">Ouˋ<spandata−latex="C"data−type="inline−math"></span>estlaproportiondelafraction0/5mmdanslafraction0/50mmdumateˊriausec.</p><pstyle="text−align:left;"><strong>ExempledeCalcul:</strong></p><tablestyle="min−width:100px;"><colgroup><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"></colgroup><tbody><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Informationssurl′eˊchantillon</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"></p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Massehumidesoumiseaˋl′essai:</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">mh=35,1</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">g</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"></p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Proportiondelafraction0/5mmdanslafraction0/50mmdusolsec:</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">C=100,0</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"> IP = W_L - W_P " data-type="inline-math"></p><pstyle="text−align:left;">DeˊterminationdelaLimitedeLiquiditeˊ(<spandata−latex="WL"data−type="inline−math"></span>)</p><pstyle="text−align:left;">Ellepeute^tredeˊtermineˊeparlameˊthodedelacoupelledeCasagrandeouleco^nedepeˊneˊtration.</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><strong>MeˊthodeCasagrande:</strong></p><olclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Lesolestplaceˊdansunecoupellenormaliseˊe.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Unsillonesttraceˊaˋlasurfacedel′eˊchantillon.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Lacoupelleestsoumiseaˋdeschocssuccessifs(entre15et40).</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Lenombredechocsneˊcessairespourquelesillonserefermeestenregistreˊ.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Lalimitedeliquiditeˊcorrespondaˋlateneureneaupourlaquellelesillonserefermeapreˋs25chocs.</p></li></ol></li></ul><pstyle="text−align:left;">DeˊterminationdelaLimitedePlasticiteˊ(<spandata−latex="WP"data−type="inline−math"></span>)</p><pstyle="text−align:left;">Ellecaracteˊrisel′aptitudedusolaˋe^tredeˊformeˊsansfissuration.</p><olclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Uneˊchantillondesolestmalaxeˊ.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Ilestensuiterouleˊaˋlamainenfils(ouboudins)de3mmdediameˋtre.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Lalimitedeplasticiteˊ(<spandata−latex="WP"data−type="inline−math"></span>)estatteintelorsquelesfilssefissurentousedeˊsagreˋgent.</p></li></ol><pstyle="text−align:left;">ImportancedelaLimitedeRetrait(<spandata−latex="WR"data−type="inline−math"></span>)</p><pstyle="text−align:left;">Essentiellepourl′eˊtudedessolsargileux,ellepermetd′anticiperlespheˊnomeˋnesderetrait−gonflementetestutilepourlaconceptiond′ouvragesdurables.</p><pstyle="text−align:left;"><strong>ExempledeValeursd′IndicedePlasticiteˊ:</strong></p><tablestyle="min−width:100px;"><colgroup><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"><colstyle="min−width:25px;"></colgroup><tbody><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><strong>Nature</strong></p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><spandata−latex="WL"data−type="inline−math"></span>(%)</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><spandata−latex="WP"data−type="inline−math"></span>(%)</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;"><spandata−latex="IP"data−type="inline−math"></span>(%)</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Limon</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">24</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">17</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">7</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Argilelimoneusepeuplastique</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">40</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">24</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">16</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Argileplastique</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">114</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">29</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">85</p></td></tr><tr><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">Bentonite</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">710</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">54</p></td><tdcolspan="1"rowspan="1"><pstyle="text−align:left;">656</p></td></tr></tbody></table><pstyle="text−align:left;">Leslimitesd′Atterbergsontdesoutilscleˊspouranticiperlecomportementdessolsfins.Un<spandata−latex="IP"data−type="inline−math"></span>eˊleveˊindiqueunefortesensibiliteˊaˋl′eauetdesvariationsvolumeˊtriquesimportantes.Ellessontutiliseˊespourlechoixdesfondations,l′analysedelastabiliteˊdestalusetlagestionduretrait−gonflementdesargiles.</p><h2style="text−align:left;">PartieIII–EssaisdeCompactageetdePortancedesSols</h2><pstyle="text−align:left;">Cettepartiepreˊsentelesessaiscruciauxpoureˊvaluerlacapaciteˊportanteetlacompaciteˊdessols,notammententerrassement.</p><h3style="text−align:left;">III.1.EssaiProctorNormalApplicationenTerrassement(NFP94−093)</h3><pstyle="text−align:left;">L′essaiProctordeˊterminelarelationentrelateneureneauetladensiteˊseˋched′unsolcompacteˊ,informationsessentiellespourlastabiliteˊdesouvragesgeˊotechniques.</p><olclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">Lesolestcompacteˊdansunmoulestandardaˋdiffeˊrentesteneurseneau.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Pourchaqueteneureneau,lamassevolumiqueseˋcheestmesureˊeapreˋscompactage.</p></li></ol><pstyle="text−align:left;">Une<strong>courbeProctor</strong>esttraceˊe,montrantlamassevolumiqueseˋcheenfonctiondelateneureneau.</p><pstyle="text−align:left;">ParameˋtresDeˊtermineˊs</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Densiteˊseˋchemaximale(</strong><spandata−latex="ρdmax"data−type="inline−math"></span><strong>):</strong>Pointleplushautdelacourbe.</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Teneureneauoptimale(</strong><spandata−latex="wopt"data−type="inline−math"></span><strong>):</strong>Teneureneaucorrespondantaˋ<spandata−latex="ρdmax"data−type="inline−math"></span>.</p></li></ul><pstyle="text−align:left;">FormedelaCourbeProctor</p><pstyle="text−align:left;">LacourbeProctorageˊneˊralementuneformeencloche:</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Brancheascendante:</strong>L′eaufacilitelecompactageenreˊduisantlesforcescapillaires.</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Pointoptimal:</strong>Eˊquilibreideˊalentrel′eauetl′airdanslespores,ouˋlacompaciteˊestmaximale.</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Branchedescendante:</strong>L′exceˋsd′eauempe^cheunecompactionefficace,diminuantladensiteˊseˋche.</p></li></ul><pstyle="text−align:left;">InfluenceduTypedeSol</p><ulclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Solsgranulaires:</strong>Courbeplusplate,moinssensibleauxvariationsdeteneureneau.</p></li><li><pstyle="text−align:left;"><strong>Solsargileux:</strong>Courbeplusprononceˊe,fortedeˊpendanceaˋlateneureneau.</p></li></ul><pstyle="text−align:left;">L′essaiProctorestcrucialpourlestravauxdeterrassement,carilpermetdedeˊterminerlesconditionsoptimalesdecompactageetdepreˊvenirlesprobleˋmesdetassementetd′instabiliteˊdanslesremblaisetlesfondations.</p><h3style="text−align:left;">III.2.IndicePortantImmeˊdiat(IPI)(NFP94−078)</h3><pstyle="text−align:left;">L′IPIestunindicateurdelaportanceaˋcourttermed′unsolcompacteˊ,particulieˋrementimportantpourlestravauxroutiersetladeˊterminationdel′aptituded′unsolaˋe^treutiliseˊencouchedeformeouenremblai.</p><olclass="tight"data−tight="true"><li><pstyle="text−align:left;">UneˊchantillondesolestcompacteˊdansunmouleCBR(<em>CaliforniaBearingRatio</em>).</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Unpistonestenfonceˊdansl′eˊchantillonaˋunevitesseconstante.</p></li><li><pstyle="text−align:left;">Laforceneˊcessairepourenfoncerlepistonestmesureˊe.</p></li></ol><pstyle="text−align:left;">L′IPIestexprimeˊcommelerapportentrelaforcemesureˊeetuneforcedereˊfeˊrence,multiplieˊpar100.</p><pstyle="text−align:left;">RelationentreIPIetCBR</p><pstyle="text−align:left;">Historiquement,l′IPIestlieˊauCBRparlarelation:</p><pstyle="text−align:left;"><spandata−latex=" CBR \approx 1,5 \times IPI " data-type="inline-math">$
Le CBR est exprimé en pourcentage (%) et peut être mesuré en deux configurations :
CBR immédiat (sans immersion).
CBR après immersion (4 jours dans l'eau), simulant des conditions humides défavorables.
Interprétation du CBR
CBR : Sol très faible, inadapté pour les fondations.
CBR : Sol faible, nécessitant une amélioration.
CBR : Sol moyen, acceptable pour certaines applications.
CBR : Bon sol, adapté à la plupart des applications.
CBR : Excellent sol, idéal pour les fondations.
Facteurs Influents sur le CBR
Teneur en eau : Une augmentation de la teneur en eau diminue généralement le CBR.
Densité : Une densité plus élevée augmente le CBR.
Granulométrie : Les sols bien gradués ont tendance à avoir un CBR plus élevé.
Type de sol : Les sols granulaires ont généralement un CBR plus élevé que les sols cohésifs.
Avantages et Inconvénients du CBR
Avantages : Standardisation internationale, équipement simple, polyvalence pour une large gamme de matériaux.
Inconvénients : La durée de saturation (96 heures) peut être contraignante, ne simule pas toujours les conditions in situ, sensible aux conditions de préparation de l'échantillon.
Partie IV – Examen Pétrographique et Imagerie (Ouverture Matériaux)
Cette section se concentre sur l'examen des matériaux rocheux pour leur classification et l'analyse de leurs propriétés via des techniques d'imagerie.
IV.1. Norme NF EN 12407 – Examen Pétrographique
L'examen pétrographique des pierres naturelles vise à garantir une classification objective et, si possible, quantitative. Il doit fournir des preuves d'une relation potentielle entre les caractéristiques pétrographiques et les propriétés techniques (pores, clivages, schistosité, absorption d'eau, gélivité, résistance à la flexion, etc.).
Méthodes d'Examen
Éléments Caractérisés lors de l'Examen Macroscopique
La couleur générale ou la gamme de couleurs de l'échantillon.
La structure de la roche.
La granulométrie.
Les fissures, pores et cavités macroscopiques.
Les traces d'exposition aux intempéries et d'altération.
Éléments Caractérisés lors de l'Examen Microscopique
Exemple de Classification Pétrographique (Roches Magmatiques)
Autres subdivisions des zones ombrées |
trachybasalte | trachyandésite basaltique | trachyandésite | |
Na₂O K₂O | hawaiite | mugéarite | benmoréite |
Na₂O K₂O | trachybasalte potassique | shoshonite | latite |
IV.2. JMicroVision et Analyse d'Images
JMicroVision est un logiciel puissant utilisé pour décrire, mesurer, quantifier et classer les composants de toutes sortes d'images. Il est couramment utilisé pour l'analyse d'images haute définition de sections de roches minces, mais ses applications peuvent s'étendre à d'autres domaines impliquant l'analyse visuelle de matériaux.
Récapitulatif des Méthodes de Caractérisation
Auscultation ultrasonique : Mesure de la propagation des ondes.
Cinétiques d'imbibition capillaire : Mesure de l'absorption d'eau.
Micro-rebond (HLD) : Essai de dureté superficielle.
Limites d'Atterberg : Caractérisation de la plasticité des sols.
Coupelle de Casagrande : Méthode pour la limite de liquidité.
Méthode des rouleaux : Méthode pour la limite de plasticité.
Synthèse (pour les sols)
La surface active et l'état hydrique des sols influencent fortement leur consistance et leur portance.