sols meubles : sols fins argileux cohérents

INFORMATIONS TECHNIQUES
Mutuelle des architectes français assurances
T1
OCTOBRE1996
Fiche B1
SOLS MEUBLES :
SOLS FINS ARGILEUX COHÉRENTS
1 - INTRODUCTION
Ces sols fins argileux cohérents sont caractérisés par le fait qu’ils
peuvent être pétris et modelés à la main lorsqu’ils sont associés
à un minimum d’eau, c’est là le sens de leur cohésion. Il s’agit
de sols dont la très grande finesse des éléments argileux qui les
composent, entraîne des propriétés particulières se traduisant
essentiellement par (voir annexe 1) :
– un fort potentiel de rétention d’eau,
– un fort potentiel d’échanges d’eau,
– un comportement mécanique et une stabilité volumique dépendant fortement de la teneur en eau.
Ces propriétés qui résultent de la plus ou moins grande activité argileuse de ces sols vont essentiellement déterminer (voir
figure 1) :
– les états de consistance rencontrés dans la nature,
– tous les aspects du comportement qui intéressent le constructeur et qui vont inspirer les risques dont il doit être averti,
et notamment en ce qui concerne :
– les déformations volumiques
• par retrait ou gonflement,
• par compressibilité sous charge,
– la réutilisation en remblais.
2 - IDENTIFICATION ET ÉTAT PHYSIQUE
Il existe en laboratoire des moyens expérimentaux permettant
d’identifier le sol et de contrôler son activité argileuse (voir
annexe 2).
L’état physique du sol dans son environnement naturel (consistance, compacité) est contrôlé surtout par :
– la mesure de la densité humide naturelle h,
– la mesure de la teneur en eau naturelle W qui est en général
saturante.
On notera que les caractéristiques d’identification et les valeurs de
densité et teneur en eau naturelles sont importantes à connaître car
elles permettent de formuler simplement de précieuses prévisions
sur le comportement mécanique et la déformabilité du sol.
Pour fixer les idées, on pourra rencontrer dans la nature les états
de consistance suivants :
– la capacité portante,
– consistance molle à très molle assimilable à un état de crème
de faible cohésion,
– consistance plastique correspondant à un sol très facilement
malléable et modelable à la main,
– consistance ferme correspondant à un état du sol devenant difficilement modelable et exigeant de fortes pressions du doigt,
– consistance très ferme (par exemple sol desséché) correspondant à un état pour lequel de fortes pressions aboutissent à une
fragmentation de la structure en granulats.
Figure 1. - Structure
schématique des sols
argileux (échanges d’eau
négatifs par dessiccation
ou par compression,
échanges positifs par
succution et gonflement).
À titre de référence, on peut se reporter au tableau donné en
annexe III qui, pour trois types de sols argileux ayant une activité
argileuse croissante, donne les relations entre activité argileuse,
teneur en eau naturelle, densité pour trois états de consistance
(molle, plastique et ferme).
Mutuelle des architectes français assurances. Entreprise privée régie par le code des assurances. Société d’assurance mutuelle
à cotisations variables – 9, rue Hamelin – 75783 Paris CEDEX 16 - Tél. : 01 53 70 30 00 – Fax : 01 53 70 32 10 - http://www.maf.fr
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Fiche B1
3 - COMPORTEMENT MÉCANIQUE ET DÉFORMABILITÉ : RISQUES QUI S’Y RATTACHENT
POUR LES PROJETS DE CONSTRUCTION
quences des échanges d’eau qui sont à l’origine d’importantes
déformations volumiques (tassements ou gonflements).
Dans la nature, les sols argileux se rencontrent en général
avec une teneur en eau d’équilibre saturante qui dépend des
contraintes subies antérieurement par le sol depuis son dépôt
et des conditions météorologiques qui ont régné en surface. Cette
teneur en eau d’équilibre correspond à une contrainte de consolidation ou de préconsolidation qui est en quelque sorte le
témoin de l’histoire antérieure du sol.
Les caractéristiques mécaniques du sol sont déterminées soit
par des sondages et essais géomécaniques directs in situ (sondages pressiométriques, sondages pénétrométriques dynamiques ou statiques, scissomètres) ou par des essais de laboratoire sur prélèvements intacts (voir annexe 4).
3.1 - Comportement mécanique
Les phénomènes de variations volumiques du sol en fonction
des contraintes de surcharge ou de décharge sont les phénomènes dits de « consolidation » que traduit l’essai œdométrique
en mécanique des sols. C’est du résultat de cet essai que l’on
tire les prévisions de tassements ou gonflements (voir annexe 5
et fig. 2).
Les échanges d’eau se faisant très lentement et très progressivement en raison de la faible perméabilité de ces sols, les résistances mécaniques déterminantes à court et moyen terme sont
celles données par la cohésion du sol naturel intact.
Si des conditions météorologiques particulières (sécheresse
prolongée par exemple) se maintiennent pendant une longue
période de plusieurs années successives, les couches supérieures du sol argileux pourront subir, indépendamment des
effets des contraintes exercées, des retraits de dessiccation et
donc des tassements jusqu’à l’acquisition d’une nouvelle teneur
en eau inférieure à celle de l’équilibre initial (fig. 3) ; le phénomène pourra s’inverser avec des gonflements si une période très
humide fait suite à une sécheresse prolongée.
Cette cohésion dépend évidemment de la consistance et en
première approximation, on peut admettre que la capacité portante admissible (ou pression admissible que peut supporter le
sol au niveau de fondation en plus de la pression initiale des terres excavées, avec un coefficient de sécurité de 3) est voisine du
double de la cohésion.
Il en résulte approximativement les propositions de portance
admissible suivantes pour les trois consistances envisagées
plus haut :
consistance
du sol
cohésion
apparente
portance admissible
approximative
molle à très molle
molle
S11 – S21 – S31
(0,01 à 0,03 MPa)
0,1 à 0,3 bar
faible portance
(0,02 à 0,06 MPa)
0,2 à 0,6 bar
(0,03 à 0,08 MPa)
0,3 à 0,8 bar
portance modeste
(0,06 à 0,16 MPa)
0,6 à 1,6 bar
(0,08 à 0,12 MPa)
0,8 à 1,2 bar
bonne portance
(0,16 à 0,24 MPa)
1,6 à 2,4 bars
plastique
S12 – S22 – S32
ferme
S13 – S23 – S33
Il faut retenir que les déformations volumiques du sol ne sont
essentiellement à l’origine de désordres que par leur caractère
différentiel (tassements différentiels entre deux semelles adjacentes supportant des charges très différentes, retraits différentiels du sol entre les arêtes extérieures et la partie centrale
de la structure, gonflement différentiel entre la partie centrale et
les extrémités d’une semelle continue) (fig. 4a et 4b).
3.2 - Déformabilité
Pour ces sols argileux, dont on a vu que le comportement était
essentiellement régi par l’eau de rétention et par les échanges
d’eau prévisibles, la portance admissible déterminée par la cohésion du sol ne peut être le seul critère de dimensionnement des
systèmes de fondation, et il est impératif de maîtriser les consé-
Figure 2. – Courbes typiques d’essais œdométriques
suivant l’état de consolidation naturel initial.
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naturelle, un rappel des comportements présentant des risques
pour le bâtiment après son achèvement et des risques liés à la
phase d’exécution des travaux.
Figure 3. – Profils hydriques
des sols argileux
A : profil normal
B : profil résultant
d’une longue période
de sécheresse.
3.3 - Risques à prévoir en présence de sols argileux
Figure 4a. – Désordres
résultant de retraits
périphériques ou d’un
gonflement central de
sols argileux.
Nous avons rassemblé dans le tableau général ci-dessous pour
les trois catégories de sol, associées à trois états de consistance
Tableau présentant les 3 catégories de sol
sols argileux
risques à long terme
après achèvement
des travaux
risques au cours
de l’exécution
des travaux
consistance molle à
très molle
S11 – S21 – S31
- faible portance
admissible < 0,06
MPa ou 0,6 bar
- forte à très forte
compressibilité sous
les charges
- forte à très forte
sensibilité au retrait en
période de sécheresse
prolongée
- risques de fluage et
de glissements de talus
et parois verticales
- terrassements pénibles en raison d’une
consistance liquéfiable
par remaniement
consistance
plastique
S12 – S22 – S32
- portance admissible
réduite de 0,06 à 0,13
MPa ou 0,6 à 1,6 bar
- compressibilité forte à
moyenne sous charge
- sensibilité assez forte
au retrait en période de
sécheresse prolongée
- terrassements assez
pénibles en raison du
caractère « collant »
du sol donnant de
grosses mottes difficiles
à désagréger
- bonne portance
admissible 0,16 à 0,24
MPa ou 1,6 à 2,4 bars
- compressibilité sous
charge : faible (S13)
à forte (S33)
- risques de potentiel
de gonflement pouvant
donner lieu à des soulèvements différentiels
sous charges faibles
- risques d’éclatement
des parois des fouilles
non protégées par
temps pluvieux (conséquence d’une poussée
au vide par autorupture
de gonflement).
consistance
ferme
S13 – S23 – S33
Figure 4b. – Fissurations
dues aux tassements
différentiels résultant de
différences de
charges adjacentes.
3.4 - Réutilisation en remblais
En ce qui concerne la réutilisation en remblais, il convient de noter
que les sols argileux à forte activité argileuse (types S2 et S3) sont
peu recommandés pour la réutilisation en remblais en raison des
difficultés de compactage (mottes cohérentes difficiles à scarifier) et de leur instabilité volumique par retrait et gonflement ;
mieux vaudra remplacer ces types de sol en remblais par des
emprunts peu argileux (c’est le cas notamment pour des remblais
destinés à supporter des dallages sur terre-plein) ou bien envisager de les traiter à la chaux.
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4 - RECOMMANDATIONS
Compte tenu des risques particuliers de moments de flexion
parasites résultant de tassements ou gonflements différentiels,
le système de fondation devra être muni de chaînages continus
donnant aux maçonneries un moment résistant convenable,
dont la valeur peut être conseillée par l’ingénieur géomécanicien.
4.1 - Investigations préliminaires
Compte tenu des recommandations déjà données dans la fiche A
pour la densité des sondages de reconnaissance, il conviendra
de veiller également à obtenir sur échantillons prélevés intacts
sur les cinq premiers mètres :
Pour le choix des systèmes de fondation et des aménagements annexes (drainage et collecte des eaux de ruissellement,
raccordement des conduites d’eau aux réseaux extérieurs…),
on se reportera utilement, vis-à-vis des risques entraînés par
des périodes de sécheresse prolongées, à deux guides :
– des mesures de densité et teneurs en eau naturelles permettant de dresser le profil hydrique du sol,
– guide pratique pour le diagnostic des désordres dus à la
sécheresse et pour le choix de solutions curatives (*),
– des essais d’identification,
– quelques essais de consolidation à l’œdomètre destinés à
contrôler :
• l’état de consolidation naturel,
• le potentiel éventuel de gonflement,
• la compressibilité sous charge.
– guide pour la prévention des risques dus à la sécheresse (**).
4.2.3 - Enfin, en présence de sols argileux de consistance
ferme à très ferme susceptibles de présenter un fort potentiel
de gonflement, on devra faire appel à des conceptions particulières du système de fondation destinées à soustraire ou à
adapter la structure du bâtiment aux efforts parasites particulièrement importants qui sont alors à redouter. Les conseils
relatifs à ces conceptions particulières peuvent être obtenus
auprès de l’ingénieur géomécanicien.
En ce qui concerne les qualités mécaniques, on peut estimer
que des sondages in situ au pénétromètre statique ou des
sondages avec mesures au pressiomètre Ménard sont souhaitables, à raison de :
profondeur
surface pour un sondage
bâtiment d’au maximum
1 niveau sur RDC
10 m
environ 100 m2
bâtiment de 2 à un maximum
de 6 niveaux
15 m
environ 120 m2
bâtiment de 7 à un maximum
de 12 niveaux
> 15 m
environ 150 m2
En fait, il y a deux options principales à choisir :
a) ou bien on accepte que le bâtiment subisse des mouvements,
mais sans dommage ; il faut alors suivre le principe d’une grande souplesse d’ensemble associée à une rigidification des parties
de l’ouvrage fondé de façon semi-superficielle. Cela se traduit par
une série de joints de séparation isolant les parties en saillies et
des parties en prolongement découpées de sorte que la longueur entre joints n’excède pas une douzaine de mètres. Chaque
partie est rigidifiée par exemple par un soubassement en poutre échelle entretoisée aux angles (voir fig. 5a et 5b).
4.2 - Recommandations relatives au parti architectural
et aux systèmes de fondation
b) ou bien on refuse que le bâtiment subisse des mouvements
et l’on adopte un système de fondations profondes appuyées à
partir d’une profondeur où le potentiel de gonflement devient
négligeable.
Ce système peut être constitué par des fondations sur puits ou
sur pieux ou encore sur micropieux, en s’ingéniant impérativement à éviter les risques de soulèvement par adhérence dans la
traversée des couches supérieures gonflantes ; ces risques
peuvent être évités soit par suppression de cette adhérence,
soit par gainage dans la traversée des couches gonflantes, soit
encore par ancrage suffisant des pieux dans les couches stables
profondes. Une recommandation très importante pour éviter
également les soulèvements impose de dégager d’une vingtaine
4.2.1 - Compte tenu des instabilités volumiques qui peuvent
affecter les sols argileux du fait de leurs capacités d’échanges
d’eau, il conviendra d’éviter des plans présentant de nombreux
décrochements et de fortes différences de charge.
4.2.2 - Pour les systèmes de fondation, et notamment pour les
bâtiments légers (type maisons individuelles), il est à conseiller
d’éviter des niveaux de fondation trop superficiels (une profondeur minimum de 1 mètre est à considérer) ; la réalisation
d’un sous-sol ou d’un demi sous-sol général est à préférer pour
le franchissement des couches de surface particulièrement
exposées aux actions météorologiques.
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(*) éditions Seddita, 9 rue d’Enghein, 75010 Paris. Tél. 01 40 22 06 67
(**) en librairie technique générale
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Figure 7. – Sols argileux « gonflants ».
« Précautions complémentaires ».
de centimètres en surface du sol les bases des longrines liant
les têtes de puits (voir fig. 6).
En dehors de ces options principales, des recommandations
annexes sont à prévoir (voir fig. 7A et 7B) :
- assurer des raccordements très souples entre toutes les
canalisations sortant de l’ossature et les réseaux extérieurs,
- munir la périphérie du bâtiment d’un trottoir de protection avec
membrane étanche sous-jacente pour réduire les gradients
de déformation du sol par retrait ou gonflement.
Figure 5a. –
Sols argileux
« gonflants ».
4.3 - Fondations sur sols argileux de très faible
portance. Systèmes et traitements spéciaux
Figure 5b. –
Sols argileux
« gonflants ».
Les sols argileux de très faible portance, donc de type S11, S21,
S31, par le double inconvénient d’une faible capacité portante et
d’une forte déformabilité, ne peuvent s’accommoder de systèmes
de fondations classiques poteaux ou murs + semelles.
Il y a alors trois solutions possibles dont le choix dépend de l’importance des charges et de leur distribution, ainsi que des délais
dont on peut disposer avant construction :
1re option : Fondations
semi-superficielles –
Système de rigidité à poutre
échelle et chevêtres d’angle.
1) fondations semi-superficielles de type radier dit « flottant »,
2) fondations profondes sur pieux ou micropieux ancrés sur des
couches sous-jacentes de haute portance (donc franchissement
des couches de faible portance),
Figure 6. –
Sols argileux
« gonflants ».
3) fondations superficielles différées après consolidation accélérée des couches de faible portance par préchargement superficiel et par système de drains verticaux.
4.3.1 - Fondations semi-superficielles de type radier dit « flottant »
Ce système est appuyé sur le principe suivant : si l’on peut excaver le terrain de très faible portance jusqu’à une profondeur h, on
pourra toujours, à ce niveau, appuyer un radier dont la pression
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4.3.3 - Fondations superficielles différées après consolidation
accélérée des couches de faible portance par préchargement
superficiel statique ou dynamique et système de drains verticaux (fig. 10 à 12).
de contact soit équivalente à la pression des terres que l’on a excavées (fig. 8) puisqu’ainsi, on ne fait que rétablir l’état des contraintes naturelles préexistantes.
Figure 8. – Fondations
semi-superficielles de type
radier dit « flottant ».
Cette solution est à envisager lorsque l’on ne peut espérer
une couche de haute portance à une profondeur raisonnable
(condition imposée par la seconde solution précédente) et
lorsque l’excavation du terrain exigée par la première solution
est jugée impossible.
Ce système donne donc une surpression nulle au terrain et, en
principe, il ne doit pas donner lieu à des tassements sensibles
si le sol était auparavant consolidé sous son poids propre.
Pour fixer les idées, une excavation de 2 m de profondeur réalise une décharge de l’ordre de 4 T/m2 qui équivaut à la charge
d’un immeuble courant de trois étages.
4.3.2 - Fondations profondes sur pieux ou micropieux
Figure 10. – Préchargement statique par remblais provisoires.
C’est en fait la solution à laquelle on pense immédiatement en
présence d’un sol argileux de très faible portance. Elle suppose
que le profil géotechnique du sol offre la présence d’une couche
de haute portance sous-jacente à une profondeur raisonnable
(couche d’alluvions graveleuses ou couche de sable compact
par exemple) et dans laquelle pourront être fichées les pointes
des pieux ou des micropieux (fig. 9).
On se reportera à la fiche C2 relative aux fondations profondes
pour la définition des différents systèmes de pieux ou micropieux
possibles.
Figure 9. –
Sols argileux
de très faible
portance.
Fondations
profondes.
Figure 11. – Préchargement dynamique par masses tombantes.
Figure 12. – Préchargement par pression atmosphérique.
Figure 10 à 12. – Consolidation artificielle de sols argileux de faible
portance par préchargement statique ou dynamique, accéléré par un
réseau de drains verticaux.
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Fiche B1
ANNEXE 3
Elle exige que l’on dispose d’un délai suffisant pour permettre :
– la réalisation des systèmes de drainage verticaux destinés à
accélérer la consolidation,
Le tableau ci-après donne à titre de référence une approximation
des relations existant entre l’activité argileuse, la teneur en eau
naturelle et la densité pour trois états de consistance du sol
(molle, plastique, ferme).
– la réalisation du préchargement par la mise en place de remblais provisoires ou par l’exécution d’un pilonnage dynamique,
ou encore par l’action de la pression atmosphérique (établissement d’un vide partiel sous une couverture étanche).
Remarque : les sols argileux organiques peuvent être rattachés
aux catégories S11 à S31, mais avec des teneurs en eau qui peuvent être très supérieures et des valeurs de densité « sèche » qui
peuvent être bien inférieures.
ANNEXE 4 : CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES
ET PORTANCE ADMISSIBLE
ANNEXES
ANNEXE 1
Les caractéristiques mécaniques sont le plus souvent déterminées par des sondages géomécaniques exécutés in situ, mais
aussi par des essais de laboratoire effectués sur prélèvements
intacts.
Ces sols fins passent entièrement à la maille de 0,5 mm et
contiennent une fraction importante d’éléments ultra-fins argileux
de grosseur inférieure à 5 m (0,005 mm) dont la très grande surface spécifique joue un très grand rôle dans les échanges et la
rétention d’eau (voir fig. 1).
Parmi les sondages géomécaniques, on signalera d’abord les sondages pressiométriques utilisant le pressiomètre Ménard qui
est constitué par un manchon de mise en pression descendu dans
un forage à différents niveaux.
Éventuellement, certains dépôts très récents de ces sols pourront contenir une forte fraction de matières organiques d’origine végétale ou animale qui leur confèrent alors des propriétés de
rétention d’eau et d’échanges bien supérieures à celles dues
aux seules particules minérales. Ces sols qui sont représentés
par les sols vaseux et les sols tourbeux pourront être le siège d’une
évolution fort défavorable à la stabilité volumique.
Les caractéristiques fournies sont essentiellement la pression
limite de rupture p1 et le module de déformation pressiométrique Ep.
Sont également utilisés les sondages pénétrométriques à chargement statique qui consistent à mesurer la charge nécessaire
pour enfoncer un poinçon conique dans le terrain et pour faire glisser un manchon résistant par frottement latéral.
ANNEXE 2
Les caractéristiques essentielles fournies par ce type de sondage sont la résistance de pointe qc et le frottement latéral aux différents niveaux.
Les moyens d’identification en laboratoire comprennent :
– l’analyse granulométrique par tamisage et densitométrie ;
– la détermination des limites d’Atterberg et notamment de l’indice de plasticité IP qui traduit l’amplitude du domaine des
teneurs en eau séparant deux états de consistance bien définis
(état semi-liquide et état limite de malléabilité). Ainsi, l’indice de
plasticité IP est la différence entre la teneur en eau de la limite
de liquidité WL et la teneur en eau de la limite de plasticité WP ;
Moins souvent utilisé, le pénétromètre dynamique conduit à estimer la résistance du terrain par le nombre de coups de mouton
nécessaire pour obtenir un enfoncement donné, une relation
permet de définir la résistance de pointe à partir de toutes les données de battage.
Enfin, dans les terrains de faible cohésion, on utilise encore parfois le scissomètre qui consiste à mesurer le couple nécessaire
pour obtenir le cisaillement du terrain par un rotor à ailettes. Le
scissomètre donne donc une valeur de la cohésion apparente aux
différents niveaux.
– la valeur de bleu de méthylène VB qui est la quantité de bleu fixée
par les interfaces des éléments minéraux et qui est donc directement liée à la surface spécifique et à la nature des minéraux.
Pour les sols à forte fraction organique, les limites d’Atterberg sont
fortement affectées par cette fraction et n’ont alors plus du tout
un caractère significatif du comportement du sol.
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Fiche B1
La figure 2 représente trois types de sols :
En laboratoire, les essais mécaniques effectués sur prélèvements intacts comprennent essentiellement des essais de
compression triaxiale de trois types suivant que l’on veuille
obtenir la résistance à court terme sous sollicitations rapides,
ou la résistance à long terme après consolidation sous le champ
de contraintes.
– sol très plastique fortement compressible,
– sol plastique moyennement compressible,
– sol de consistance ferme peu compressible avec risque de
potentiel de gonflement.
Des formules rationnelles ou empiriques permettent de déterminer, avec un coefficient de sécurité en général voisin de 3, le
taux travail admissible sous les semelles ou la portance admissible des fondations profondes (voir également à ce sujet les
annexes des fiches C1 et C2).
ANNEXE 5 : LA DÉFORMABILITÉ
Le début de l’essai permet également d’estimer la pression de
préconsolidation naturelle à partir de laquelle le sol devient compressible sous charge et qui traduit globalement l’état de consolidation naturel laissé par l’histoire antérieure du terrain.
consistance
molle
plastique
ferme
S11
S12
S13
S1 argile maigre
IP < 20 VB < 2
teneur en
densité
eau W
“sèche” d
37 %
1,35
28 %
1,54
23 %
1,67
S2 argile moyenne
IP de 20 à 35 VB de 2 à 6
teneur en
densité
eau W
“sèche” d
S21
47 %
1,19
S22
37 %
1,35
S23
28 %
1,54
S31
S32
S33
NB. La densité « sèche » d traduit la quantité de minéral sec contenue dans l’unité de volume de sol intact,
la densité humide h du sol intact est reliée à la densité « sèche » par la relation : h = (1 + W) d.
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S3 argile grasse
IP > 35 VB > 6
teneur en
densité
eau W
“sèche” d
61 %
1,02
47 %
1,19
31 %
1,47
Réalisation : agence paradigme - Impression : e-quanto - Imprimé en novembre 2002.
La déformabilité sous charge des sols fins argileux comprend une
déformation instantanée initiale qui a lieu sans aucun échange
d’eau et une déformation différée qui évolue lentement dans le
temps et qui résulte d’une lente expulsion d’eau interstitielle
mise en pression par le chargement initial. Cette déformation différée qui peut être très importante est estimée à partir des essais
dits de « consolidation à l’œdomètre ». Cet essai permet de définir la relation entre la pression exercée sur le sol et le volume des
vides résiduels après stabilisation de la déformation ; il permet
également de définir la loi régissant l’évolution du tassement dans
le temps.